Basic Machining Operations and Cutting Technology
Basic Machining Operations
Machine tools have evolved from the early foot-powered lathes of the Egyptians and John Wilkinsons boring mill. They are designed to provide rigid support for both the workpiece and the cutting tool and can precisely control their relative positions and the velocity of the tool with respect to the workpiece. Basically, in metal cutting, a sharpened wedge-shaped tool removes a rather narrow strip of metal from the surface of a ductile workpiece in the form of a severely deformed chip. The chip is a waste product that is considerably shorter than the workpiece from which it came but with a corresponding increase in thickness of the uncut chip. The geometrical shape of workpiece depends on the shape of the tool and its path during the machining operation.
Most machining operations produce parts of differing geometry. If a rough cylindrical workpiece revolves about a central axis and the tool penetrates beneath its surface and travels parallel to the center of rotation, a surface of revolution is produced, and the operation is called turning. If a hollow tube is machined on the inside in a similar manner, the operation is called boring. Producing an external conical surface uniformly varying diameter is called taper turning, if the tool point travels in a path of varying radius, a contoured surface like that of a bowling pin can be produced; or, if the piece is short enough and the support is sufficiently rigid, a contoured surface could be produced by feeding a shaped tool normal to the axis of rotation. Short tapered or cylindrical surfaces could also be contour formed.
Flat or plane surfaces are frequently required. They can be generated by radial turning or facing, in which the tool point moves normal to the axis of rotation. In other cases, it is more convenient to hold the workpiece steady and reciprocate the tool across it in a series of straight-line cuts with a crosswise feed increment before each cutting stroke. This operation is called planning and is carried out on a shaper. For larger pieces it is easier to keep the tool stationary and draw the workpiece under it as in planning. The tool is fed at each reciprocation. Contoured surfaces can be produced by using shaped tools.
Multiple-edged tools can also be used. Drilling uses a twin-edged fluted tool for holes with depths up to 5 to 10 times the drill diameter. Whether the
drill turns or the workpiece rotates, relative motion between the cutting edge and the workpiece is the important factor. In milling operations a rotary cutter with a number of cutting edges engages the workpiece. Which moves slowly with respect to the cutter. Plane or contoured surfaces may be produced, depending on the geometry of the cutter and the type of feed. Horizontal or vertical axes of rotation may be used, and the feed of the workpiece may be in any of the three coordinate directions.
Basic Machine Tools
Machine tools are used to produce a part of a specified geometrical shape and precise I size by removing metal from a ductile material in the form of chips. The latter are a waste product and vary from long continuous ribbons of a ductile material such as steel, which are undesirable from a disposal point of view, to easily handled well-broken chips resulting from cast iron. Machine tools perform five basic metal-removal processes: I turning, planning, drilling, milling, and grinding. All other metal-removal processes are modifications of these five basic processes. For example, boring is internal turning; reaming, tapping, and counter boring modify drilled holes and are related to drilling; bobbing and gear cutting are fundamentally milling operations; hack sawing and broaching are a form of planning and honing; lapping, super finishing. Polishing and buffing are variants of grinding or abrasive removal operations. Therefore, there are only four types of basic machine tools, which use cutting tools of specific controllable geometry: 1. lathes, 2. planers, 3. drilling machines, and 4. milling machines. The grinding process forms chips, but the geometry of the abrasive grain is uncontrollable.
The amount and rate of material removed by the various machining processes may be I large, as in heavy turning operations, or extremely small, as in lapping or super finishing operations where only the high spots of a surface are removed.
A machine tool performs three major functions: 1. it rigidly supports the workpiece or its holder and the cutting tool; 2. it provides relative motion between the workpiece and the cutting tool; 3. it provides a range of feeds and speeds usually ranging from 4 to 32 choices in each case.
Speed and Feeds in Machining
Speeds, feeds, and depth of cut are the three major variables for economical machining. Other variables are the work and tool materials, coolant and geometry of the cutting tool. The rate of metal removal and power required for machining depend upon these variables.
The depth of cut, feed, and cutting speed are machine settings that must be established in any metal-cutting operation. They all affect the forces, the power, and the rate of metal removal. They can be defined by comparing them to the needle and record of a phonograph. The cutting speed (V) is represented by the velocity of- the record surface relative to the needle in the tone arm at any instant. Feed is represented by the advance of the needle radially inward per revolution, or is the difference in position between two adjacent grooves. The depth of cut is the penetration of the needle into the record or the depth of the grooves.
Turning on Lathe Centers
The basic operations performed on an engine lathe are illustrated. Those operations performed on e
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基本加工工序和切削技术
机床是从早期的埃及人的脚踏动力车和约翰·威尔金森的镗床发展而来的。它们为工件和刀具提供刚性支撑并可以精确控制它们的相对位置和相对速度。基本上讲，金属切削是指一个磨尖的锲形工具从有韧性的工件表面上去除一条很窄的金属。切屑是被废弃的产品，与其它工件相比切屑较短，但对于未切削部分的厚度有一定的增加。工件表面的几何形状取决于刀具的形状以及加工操作过程中刀具的路径。
大多数加工工序产生不同几何形状的零件。如果一个粗糙的工件在中心轴上转动并且刀具平行于旋转中心切入工件表面，一个旋转表面就产生了，这种操作称为车削。如果一个空心的管子以同样的方式在内表面加工，这种操作称为镗孔。当均匀地改变直径时便产生了一个圆锥形的外表面，这称为锥度车削。如果刀具接触点以改变半径的方式运动，那么一个外轮廓像球的工件便产生了；或者如果工件足够的短并且支撑是十分刚硬的，那么成型刀具相对于旋转轴正常进给的一个外表面便可产生，短锥形或圆柱形的表面也可形成。
平坦的表面是经常需要的，它们可以由刀具接触点相对于旋转轴的径向车削产生。在刨削时对于较大的工件更容易将刀具固定并将工件置于刀具下面。刀具可以往复地进给。成形面可以通过成型刀具加工产生。
多刃刀具也能使用。使用双刃槽钻钻深度是钻孔直径5-10倍的孔。不管是钻头旋转还是工件旋转，切削刃与工件之间的相对运动是一个重要因数。在铣削时一个带有许多切削刃的旋转刀具与工件接触，工件相对刀具慢慢运动。平的或成形面根据刀具的几何形状和进给方式可能产生。可以产生横向或纵向轴旋转并且可以在任何三个坐标方向上进给。
基本机床
机床通过从塑性材料上去除屑片来产生出具有特别几何形状和精确尺寸的零件。后者是废弃物，是由塑性材料如钢的长而不断的带状物变化而来，从处理的角度来看，那是没有用处的。很容易处理不好由铸铁产生的破裂的屑片。机床执行五种基本的去除金属的过程：车削，刨削，钻孔，铣削。所有其他的去除金属的过程都是由这五个基本程序修改而来的，举例来说，镗孔是内部车削；铰孔，攻丝和扩孔是进一步加工钻过的孔；齿轮加工是基于铣削操作的。抛光和打磨是磨削和去除磨料工序的变形。因此，只有四种基本类型的机床，使用特别可控制几何形状的切削工具1.车床，2.钻床，3.铣床，4.磨床。磨削过程形成了屑片，但磨粒的几何形状是不可控制的。
通过各种加工工序去除材料的数量和速度是巨大的，正如在大型车削加工，或者是极小的如研磨和超精密加工中只有面的高点被除掉。一台机床履行三大职能：1.它支撑工件或夹具和刀具2.它为工件和刀具提供相对运动3.在每一种情况下提供一系列的进给量和一般可达4-32种的速度选择。
加工速度和进给
速度，进给量和切削深度是经济加工的三大变量。其他的量数是攻丝和刀具材料，冷却剂和刀具的几何形状，去除金属的速度和所需要的功率依赖于这些变量。
切削深度，进给量和切削速度是任何一个金属加工工序中必须建立的机械参量。它们都影响去除金属的力，功率和速度。切削速度可以定义为在旋转一周时速度记录面相对任何瞬间呈辐射状扩散的针，或是两个相邻沟槽的距离。切削深度是进入的深度和沟槽的深度。
在车床中心的车削
在机动车床上完成的基本操作已被介绍了。那些用单点刀具在外表面的操作称为车削。除了钻孔，铰孔，研磨内部表面的操作也是由单点刀具完成的。
所有的加工工序包括车削，镗孔可以被归类为粗加工，精加工或半精加工。精加工是尽可能快而有效的去除大量材料，而工件上留下的一小部分材料用于精加工。精加工为
工件获得最后尺寸，形状和表面精度。有时，半精加工为精加工留下预定的一定量的材料，它是先于精加工的。
一般来说，较长的工件同时被一个或两个车床中心支撑。锥形孔，所谓的中心孔，两端被钻的工件适于车床中心-通常沿着圆柱形工件的轴线。工件接近为架的那端通常由尾架中心支撑，在靠近主轴承的那端由主轴承中心支撑或由爪盘夹紧。这种方法可以牢固的加紧工件并且能顺利地将力传给工件；由卡盘对工件提供的辅助支撑减少切削时发生的颤振趋势，如果能小心准确地采用卡盘支撑工件的方法，则可以得到精确的结果。
在两个中心之间支撑工件可以得到非常精确的结果。工件的一端已被加工，那么工件便可车削了。在车床上加工另一端，中心孔充当精确定位面和承载工件重量和抵制切削力的支撑面。当工件由于任何一原因从车床上移除后，中心孔将准确地使工件回到这个车床上或另一个车床上或一个圆柱磨床上。工件不允许被卡盘和车床中心夹在主轴承上。然而首先想到的是一个快速调整卡盘上工件的方法，但这是不允许的因为在由卡盘夹持的同时也由车床中心支撑是不可能的。由车床中心提供的调整将不能持续并且爪盘的压力会损坏中心孔和车床中心，甚至是车床主轴。浮动的爪盘为上述陈述提供了一个例外，它几乎完全使用在高生产工作上，这些卡盘是真正的工作驱动者并且不为同样的目的如普通的三爪，四爪卡盘使用。
而大直径的工件有时装在两个中心，它们最好有由面板夹持在主轴承尾部来顺利得到能量转换；许多车床夹头并不能足量的转换能量，虽然可以作为特殊的能量转换。
机械加工介绍
作为产生形状的一种方法，机械加工是所有制造过程中最普遍使用的而且是最重要的方法。机械加工过程是一个产生形状的过程，在这过程中，驱动装置使工件上的一些材料以切屑的形式被去除。尽管在某些场合，工件无支承情况下，使用移动式装备来实现加工，但大多数的机械加工是通过既支承工件又支承刀具的装备来完成。
小批量，低成本。机械加工在制造业上有两个应用。是铸造，锻造和压力工作，产生每一个特殊形状，甚至一个零件，几乎总有较高的模具成本。焊接的形状很大程度上取决于原材料。通过利用总成本高但没有特殊模具的设备，加工是有可能的；从几乎任何形式的原材料开始，只要外部尺寸足够大，由任意材料设计形状。因此加工是首选的方法，当生产一个或几个零件甚至在大批量生产时，零件的设计在逻辑上导致铸造，锻造或冲压制品 。高精度，表面精度。机械加工的 第二个应用是基于可能的高精度和表面精度的。如果在其他工序中大批量生产，很多低量零件会产生出低的但可接受的公差。另一方面，许多零件由一些大变形过程产生一般的形状，并且只在具有很高精度的选定面加工。举例来说，内线流程是很少产生任何方式以外的其他机械加工并且紧接着压力操作后零件上的小洞可能被加工。
主要的切削参数
在切削时基本工具工作的关系充分描述的方法有4个因素：刀具几何形状，切削速度和切削深度。刀具必须由适当的材料做成；它必须有一定的强度，粗糙度，硬度和抗疲劳度。刀具几何形状由面和角度描述，对每一种切削操作都是正确的。切削速度是指切削刃通过工作面的速度，它已每分钟通过的英尺数表示。对于加工效率，切削速度相对于特殊工作组合必须具有适当规模。一般来讲，工件越硬，速度越小。进给是刀具进入工件的速率。当工件或刀具旋转时，进给量的单位是英寸每转。当刀具或工件往复移动时，进给量的单位是英寸没次，总的来说，在其他相似情况下进给量与切削速度成反比。切削速度用英寸表示，是刀具进入工件的距离表示的，它是指车削时屑片的宽度或是直线切削时屑片的厚度。粗加工时切削深度比精加工的切削深度大。
切削参数的改变对切削温度的影响
在金属切削作业中热量产生于主要和第二变形区而这些结果导致了复杂温度遍布于刀具，工件和屑片。一个典型的等温先如图所示，它可以看出正如预测的，当工件材料经历主要变形，被减切时，有一个非常大温度梯度遍布于屑片的整个宽度。当第二变形区的屑片还有一小段距离就达到了最大温度。
因为几乎所有的工作都以金属切削转化为热量而完成，可以预测去除每一单位体积的金属所增加的能量消耗将会提高切削温度。因此在所有其他参数不变，前角变大时，将减少去除每单位体积金属的能量和切削温度。当考虑到增加未形成屑片的厚度和速度，情况就更复杂了。增加切削厚度往往会大大影响热量传给工件，刀具的多少，而且会使屑片停留在一个固定数额，同时切削温度的变化也会很小，可是增加切削速度会减少传递给工件的热量，同时这将增大屑片主要变形的温升。此外，第二变形区是比较小的，在这个变形区会提高温度。切削参数的其他变化几乎不影响去除每单位体积的能量消耗和切削温度。因此已经表明，即使是切削温度的小规模变化对刀具磨损率也有重大影响，从切削数据来估计切削温度是恰当的。检测高速钢工具最直接最准确的方法，特伦特给出了高速钢工具温度分布的详细资料。该技术是基于高速钢刀具的数据检测并与对热历史的微观变化有关。
特伦特已经描述了切削温度的测量和加工大范围工件时高速钢工具的温度分布。使用扫描电子显微镜来研究精细尺度微观结构变化，这项技术已得到了进一步发展。这项技术也用于研究高速钢单点车刀和麻花钻的温度分布，
刀具磨损
脆性断裂已经得到了处理，刀具磨损基本上有三个类型。后刀面磨损，边界磨损和前刀面磨损。刀面磨损发生在主切削刃和次切削刃。主切削刃负责去除大量金属，这增加了切削力和温度，如果任其发展会导致刀具和工件的振动，这就再不能高效率地切削了。次切削刃决定工件尺寸和表面精度，后刀面的磨损会导致大量产品出现较差的表面精度。根据实际切削条件，刀具不可用的主要原因在于主刀面先于次刀面的磨损非常大，这导致了一个不可接受部分的产生。
因为刀具的应力分布，刚开始滑动时，滑动区域的摩擦力在屑片和面之间达到最大，最后摩擦力便为零。因此磨料磨损发生在这个区域，在屑片与相离处更多的磨损发生在与该区域相邻处，这比相邻于这点的更多。
这导致了刀具面的局部点蚀与这面有一定距离，这面通常有一部分是圆弧形的。在许多方面并基于实际切削条件，边界磨损相比后刀面是一个较不严重的磨损，因此刀面磨损是一种较常见磨钝标准。然后，由于各样作者表明，伴随着切削速度的增加面温度的增加量多于刀面的增加量，而由于温度变化严重影响任一类型的磨损率，边界磨损通常发生在较高切削速度的情况下。
刀具与未切削面相接触的地方，主刀面磨损的尾部的磨损比沿着剩余磨损面的地方更明显。这是因为局部影响如未切削面是由先前的切削，氧化规模，局部高温所形成的加工硬化而造成的。这个局部磨损一般与边界磨损有关，有时还很严重。虽然出现凹口不会严重影响刀具的切削性能，凹口是往往比较深，如果继续切削刀具很可能断裂。
如果任何形式的渐进磨损让其戏剧性的继续存在，刀具将面临灾难性的故障，如刀具再不能切割，在好的情况下，工件报废，最坏时，机械工具可能造成损坏。对于硬质合金刀具和各类型的磨损，在出现灾难性故障之前达到最长使用使用寿命的极限。但对于高速钢切削工具的磨损是不均匀的，目前已发现当磨损继续并甚至出现灾难性故障时，便可得到最有意义的和可以复制的结果，当然在实践中，切削时间远远少于故障时间。发生灾难性故障时会出现几个现象，最常见的是切削力突然增加，工件出现亮环，噪音显著增大。
表面精整加工机理
有五个基本机制对于已加工产品有影响：（1）切削过程的基本几何形状，单点车削刀具将轴向前进一个恒定距离，由此产生的面将在它上面，刀具垂直方向进给运动时，一连串的尖点形成切削刀具的基本形状。（2）切削加工的效率。已经提到不稳定刀瘤将产生含有硬化刀瘤片段的面。这个片段使表面光洁度降低。也能证明在不利切削条件下引用大进给，小前角和低切削速度，除此以外生产条件也会导致不稳积屑瘤产品，切削过程变得不稳定而不是在剪切带连续切削，发生破碎，出现不均匀的间断屑片，表面也不够光滑。当加工韧性材料时这种情况尤其明显。（3）机床的稳定。根据某些组合的切削条件，工件尺寸，夹紧的方法和相对机床结构的刚度，不稳定性是刀具造成的颤动。在一定条件下，这种颤动将达到并保持一定的振幅，而根据其它条件的振动也会产生，除非切割阻止了相当大的损坏不然切削刀具和工件都可能发生颤动。这个现象称为颤振，而轴向车削的特点是工件上有长螺旋带，暂加工面上有短节距起伏。（4）去除切屑的有效性。在间断切屑生产加工中，如脆性材料的铣削和车削，预计无论是由于重力还是切削液，屑片都将离开切削区，任何情况下也不会影响切削面。连续屑片是显而易见的，如果不采取措施来控制切屑，就有可能会影响切削面并留下痕迹。无可避免地，这标志着只能期待。（5）切削刀具的有效后角。对于有某一几何形状的小型切削刃和后角，很有可能在主切削刃切削，在次切削刃打磨。这会产生好的表面精度，但当然这一个严格地金属成形的组合，是不能被推荐为实际的切削方法。但是，由于这些情况偶有发生，刀具磨损会导致表面特性的变化。
极限与公差
机械零件被制造因此它们是可互换的。换句话说，每一种机械零件或装置被制成一定的大小和形状来适用于其它型号的机器。为了使零件具有互换性，每一个零件都做成一个尺寸来用正确的方法与对应的零件相配。这不仅不可能，而且是许多零件都做成一个尺寸是不切实际的。这是因为机器不是完美的，而工具会磨损。相对于正确尺寸的一点偏差通常是允许的。这个偏差的大小依赖于被制零件的种类，比如一个零件可能是6英寸，上下偏差是0003英寸（三千分之一）。因此这个偏差可以是5997英寸到6003英寸之间并仍能保持正确尺寸。这就是偏差。上偏差和下偏差之差即是公差。
公差是零件尺寸的最大变化量，基本尺寸是允许变动量和公差范围而衍生的尺寸限制。有时偏差只允许一个方向的变动，它允许公差在孔或轴上变化而不会严重影响配合。当公差在两个方向上都变化时，称为完全偏差（正和负）。完全偏差是分开的，并且在基本尺寸的每一边都会有。而极限尺寸只有最大尺寸和最小尺寸。因此，公差是这两个尺寸之差。
表面精度和尺寸控制
产品已经完成了应有的形状和
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