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矿大机械制造工程学教材配套习机械制造工程学习题集 第一章 金属切削加工的基础知识 一、思考题 1.切削过程有何特征，用什么参数来表示？ 是由刀具和工件的相对运动来实现的，称为切削运动。用主运动和进给运动来表示。主运动和进给运动的概念见教材。 2刀具.静止角度参考系的假定条件是什么？ 假定运动条件：进给量f=0 假定安装条件：刀尖与工件回转中心等高； 刀杆方向与进给方向垂直。 3.切削层参数是什么？如何定义的？ 切削层：主运动一个周期，相邻两加工表面之间的材料截面。 切削层公称厚度hD： hD=f· sinKr 切削层公称宽度bD: bD=ap/sinKr 切削层公称截面积AD： AD=ap· f=bD· hD 4. 试述正交平面、法平面、假定工作平面和背平面的定义，并分析它们的异同点和用途。 正交平面/主剖面Po： Ps Pr同时垂直于切削平面Ps和基面 法剖面Pn：PnS,。 假定工作平面、进给平面Pf ：Pf Pr 、f 背平面Pp ：Pp Pr 、ap 构成不同的参照系。 5. 为什么基面、切削平面必须定义在主切削刃上的选定点处？ 基面是通过主切削刃且与切削平面垂直的平面，是用来标注切削角度的的Page 1 of 17 机械制造工程学习题集 面，所以基面必须选定在主切削刃上的点并和切削平面垂直，才能有效的进行角度标注。 6 试述刀具的标注角度与工作角度的区别，为 什么横向切削时，进给量f不能过大。 刀具的标注角度是在刀具标注角度参照系中定义的角度 。刀具标注角度参照系又称静止参考系，同工况没有关系。 刀具的工作角度是在刀具工作角度参照系中定义的角度，不同的工艺环境下，工作角度不同。 横向切削时，工作前角随进给量增大而增大，工作后角随进给量增大而减小。过大的进给量会使后角变负，加工时工件会被挤断。 7. 刀具切削部分材料必须具备那些性能？为什么？ 见教材P11. 8. 试按下列条件选择刀具材料或编号。 45钢锻件粗车；YT5 HT200铸件精车；YG3X 低速精车合金钢蜗杆；W18Cr4V 高速精车调质钢长轴；YT30 中速车削淬硬钢轴；YN10或K01 加工冷硬铸铁。YG6X A. YG3X B. W18Cr4V C. YT5 D. YN10 E. YG8 F. YG6X G. YT30 二、分析计算题 Page 2 of 17 机械制造工程学习题集 1. 试画出图2-2所示切断刀的正交平面参考系的标注角度go、ao、Kr、¢ 图2-2 图2-3 解： 2. 绘制图2-3所示45o弯头车刀的正交平面参考系的标注角度：go=-5o，ls=10o，ao=6o，Kr=55o， ao¢=6o。 Page 3 of 17 机械制造工程学习题集 解： 第二章 金属切削过程的基本规律 一思考题 1.何谓积屑瘤？积屑瘤在切削加工中有何利弊？如何控制积屑瘤的形成？ 积屑瘤：在切削速度不高而又能形成连续性切削的情况下，加工一般钢料或其他塑性材料时，常常在前刀面切削处粘着一块剖面呈三角状的硬块。它的硬度很高，通常是工件材料的23倍，在处于比较稳定的状态时，能够代替刀刃进行切削。这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤或刀瘤 影响： 有利方面：产生积屑瘤后，它包覆在切削刃上，由于其硬度比工件材料大，故可代替刀刃进行切削，对切削刃有一定的保护作用 Page 4 of 17 机械制造工程学习题集 积屑瘤使刀具实际前角增大，对切削过程有利 增大了切削厚度 不利方面： 影响工件的尺寸精度 由于积屑瘤的前端伸出在切削刃之外，使切削厚度增加，因而对工件尺寸精度有影响 积屑瘤使加工表面粗糙度值增大 积屑瘤的底部相对稳定一些，其顶部则很不稳定，容易破裂。一部分粘附于切削底部而排出，一部分残留在加工表面上，积屑瘤凸出刀刃部分使加工表面变得粗糙 对刀具寿命的影响 积屑瘤粘附在前刀面上，在相对稳定时，可代替刀刃切削，有减少刀具磨损、提高寿命的作用；但积屑瘤不稳定时，积屑瘤的破裂有可能导致硬质合金刀具颗粒剥落，使磨损加剧 控制：控制切削速度，尽量采用低速或高速切削，避开中速区 采用润滑性能良好的切削液，以减小摩擦 增大刀具前角，以减小刀屑接触区的压力 适当提高工件材料的硬度，减小加工硬化的倾向 2. 车削细长轴时应如何合理选择刀具几何角度简述理由。 Page 5 of 17 机械制造工程学习题集 3. 试说明被吃刀量ap和进给量f对切削温度的影响，并与ap和f对切削力的影响相比较，两者有何不同？ 吃刀深度对切削温度的影响最小，进给量次之，切削速度影响最大。因此，从控制切削温度的角度出发，在机床允许的情况下，选用较大的吃刀深度和进给量比选用大的切削速度更有利。 背吃刀量和进给量都会影响切削力大小，当进给量增大的时候，切削力的增大不成比例的增大，而背吃刀量增大的时候，切削力成比例的增大。这样就对切削刀的影响是磨损就不同了。 还有就是对温度的影响！进给量的影响比背吃刀量的大！对刀具的耐用度也就产生影响也就不同了咯！进给量大于背吃刀量啊！ 4. 增大刀具前角可以使切削温度降低的原因是什么？是不是前角越大切削温度越低？ 一方面增大前角，能使刀具锋利减小切削变形，并减轻刀屑间的摩擦，从而减小切削力、切削热和功率消耗，减轻刀具磨损，削温度降低 另一方面，增大前角，还会使刀头的散热面积和容热体积减小，导致切削区温度升高， 5. 刀具磨损有几种形式？各在什么条件下产生？ 磨料磨损，这种磨损在各种切削速度下都存在，但对低速切削的刀具而言，磨料磨损是刀具磨损的主要原因 粘结磨损 刀具材料与工件的亲和力大，则磨损严重 刀具材料与工件材料的硬度比小，则磨损加剧。切削速度的大小，中等偏低的切削速度下粘结磨损严重。 扩散磨损 温度是影响扩散磨损的主要因素，切削温度升高，扩散磨损会急剧增加；不同元素的扩散速度不同；扩散速度与接触表面的相对滑动速度有关，相对滑动速度愈高，扩散愈快；所以切削速度愈高，刀具的扩散Page 6 of 17 机械制造工程学习题集 磨损愈快。 化学磨损 在一定温度下，刀具材料与某些周围介质起化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物；极易被工件或切削擦掉而造成磨损，这种磨损称为化学磨损 。 6. 何谓最高生产率耐用度和最低成本耐用度？粗加工和精加工所选用的耐用度是否相同，为什么？教材P37。 第一种方法是根据单工件时最小的原则来制定耐用度，称为最高生产率耐用度Tp：第二种是根据每个工件工序成本最低原则来制定耐用度，称为最低成本耐用度Tc。 生产中一般多采用最低成本耐用度，只有当生产任务紧迫，或生产中出现不平衡的薄弱环节时，才选用最高生产率耐用度。 粗加工是以最高生产率为目的，所以使用最高生产率耐用度。精加工时，为避免在加工同一表面时中途换刀，耐用度应规定得高一些，至少应该完成一次走刀，应采用 最低成本耐用度。 7. 何谓工件材料切削加工性？改善工件材料切削加工性的措施有那些？ 教材P46P48. 工件材料的切削加工性是指材料被切削加工成合格零件的难易程度. 调整材料的化学成分 在不影响材料使用性能的前提下，在钢中添加一些能明显改善切削加工性的元素，如硫、铅等，可获得易切钢；在铸铁中适当增加石墨成分，也可改善其切削加工性 进行适当的热处理 同样化学成分、不同金相组织的材料，切削加工性有较大差异。在生产中常对工件进行适当的热处理，除得到合乎要求的金相组织和力学Page 7 of 17 机械制造工程学习题集 性能外，也可改善其切削加工性能 采用新的切削加工技术，如加温切削，低温切削。 8. 切削液的主要作用是什么？切削加工中常用的切削液有哪几类？如何选用？ 在切削加工中，合理使用切削液的作用： 可以减小切屑、工件与刀具间的摩擦，降低切削力和切削温度，延长刀具使用寿命，并能减小工件热变形，抑制积屑瘤和鳞刺的生长，从而提高加工精度和减小已加工表面粗糙度值。 切削加工中常用的切屑液可分为三大类：水溶液、乳化液、切削油 水溶液： 主要成分是水，再加入一定的防锈剂或添加剂，使其具有良好的冷却性能又有一定的防锈和润滑性能 乳化液：乳化液是在切削加工中使用较广泛的切削液，它是水和乳化油的混合物，为了提高其防锈和润滑性能，往往会加入一定的添加剂 切削油：非水溶性切削液，主要成份是矿物油，少数采用动植物油。切削油主要起润滑作用 离子型切削液：一种新型水溶性切削液 ，其母液由阴离子型、非离子型表面活性剂和无机盐配置而成。能降低切削温度，提高刀具使用寿命。 选用：粗加工时，金属切除量大，产生的热量多，因此应着重考虑降低切削温度，选用以冷却为主的切削液，如35的低浓度乳化液或离子型切削液 精加工时主要要求提高加工精度和加工表面质量，应选用具有良好润滑性能的切削液，如极压切削油或高浓度极压乳化液，它们可减小刀具与切屑之间的摩擦与粘接，抑制积屑瘤。 从工件材料方面考虑：切削钢材等塑性材料时，需要用切削液；切削铸铁、黄铜等脆性材料时可不用切削液，其原因是切削液作用不明显，且Page 8 of 17 机械制造工程学习题集 会污染工作场地 从刀具材料方面考虑：切削高强度钢、高温合金等难加工材料时，属于高温高压边界摩擦状态，宜选用极压切削油或极压乳化液 高速钢刀具耐热性差，应采用切削液；硬质合金刀具耐热性好，一般不用切削液，必要时可采用低浓度乳化液或水溶液，但应连续地、充分地浇注，否则刀片会因冷热不均而导致破裂 从加工方法方面考虑：铰孔、拉削、螺纹加工等工序刀具与已加工表面摩擦严重，宜采用极压切削油或极压乳化液 成形刀具、齿轮刀具等价格昂贵，要求刀具使用寿命长，可采用极压切削油 磨削加工时温度很高，工件易烧伤，还会产生大量的碎屑及脱落的砂粒会划伤已加工表面，因此要求切削液应具有良好的冷却清洗作用，故一般常采用乳化液或离子型切削液。 9. 前角和后角的功用分别是什么？选择前后角的主要依据是什么？ 前角的功用：一方面增大前角，能使刀具锋利减小切削变形，并减轻刀屑间的摩擦，从而减小切削力、切削热和功率消耗，减轻刀具磨损，提高了刀具使用寿命；还可以抑制积屑瘤和鳞刺的产生，减轻切削振动，改善加工质量，另一方面，增大前角会使切削刃和刀头强度降低，易造成崩刃使刀具早期失效，还会使刀头的散热面积和容热体积减小，导致切削区温度升高，影响刀具寿命，由于减小了切屑变形，也不利于断屑。 选用：在刀具材料的抗弯强度和韧性较低，或工件材料的强度和硬度较高，或切削用量较大的粗加工，或刀具承受冲击载荷的条件下，为确保刀具强度，宜选用较小的前角，甚至可采用负前角 。 当加工塑性大的材料，或工艺系统刚性差易引起切削振动时，或机床功率不足时，宜选较大的前角，以减小切削力。 Page 9 of 17 机械制造工程学习题集 对于成形刀具或自动化加工中不宜频繁更换的刀具情况，为保证其工作的稳定性和刀具使用寿命，宜取较小的前角。 后角的作用规律有以下方面： 增大后角，可增加切削刃的锋利性，减轻后刀面与已加工表面的摩擦，从而降低切削力和切削温度，改善已加工表面质量。但也会使切削刃和刀头强度降低，减小散热面积和容热体积，加速刀具磨损 在同样的磨钝标准VB条件下，增大后角，刀具材料的磨损体积增大，有利于提高刀具的使用寿命。但径向磨损量NB也随之增大，这会影响工件的尺寸精度 选择： 切削厚度较大或断续切削条件下，需要提高刀具强度，应减小后角 工件材料越软，塑性越大，刀具后角应越大 以尺寸精度要求为主时，宜减小后角，以减小径向磨损量NB值；若以加工表面质量要求为主，则宜加大后角，以减轻刀具与工件间的摩擦 工艺系统刚性较差时，易产生振动，应适当减小后角 二、分析计算题 用YT15硬质合金外圆车刀纵车sb=0.637GPa的结构钢。硬度约为220HBW，车刀的几何参数为go=15o屑槽，oo，前刀面带卷K=75l=0rs、re=0.56mm，车削时切削用量为ap´f´vc=4mm´0.4mm/r´1.7m/s。 用指数经验公式计算三个切削分力并计算切削功率； Page 10 of 17 机械制造工程学习题集 用单位切削力和单位切削功率计算主切削力以及切削功率； 分析、比较和所得结果。 Page 11 of 17 机械制造工程学习题集 第三章 金属切削机床与刀具 1. 某机床主传动系统如图3-1所示，试写出主运动传动链的传动路线表达式和图示齿轮啮合位置时的运动平衡式。 2. 车圆柱面和车螺纹时，各需要几个独立运动？ 圆柱面需要2个独立运动，车螺纹需要2个独立运动 3 传动原理图和传动系统图的有什么主要区别？ 传动系统图上表示了该机床所有的执行运动及其传动联系；而传动原理图则主要表示与表面成形有直接关系的运动及其传动联系。 传动系统图具体表示了传动链中各传动件的结构形式，如轴、齿轮、带轮等；而传动原理图则仅仅用一些简单的符号来表示运动源与执行件、执行件与执行件之间的传动联系。 4. 比较机械传动与液压传动各自的特点 Page 12 of 17 机械制造工程学习题集 机械传动的优点： 传动比较准确，适用于定比传动。 实现回转运动的结构简单，并能传动较大扭矩。 故障容易发现，便于维修。 缺点：机械传动一般情况下不够稳定，当制造精度不高或磨损时，振动和噪声较大；实现变速机构较复杂，成本高。 应用：主要用于速度不太高的有级变速传动中。 液压传动优点： 易于在较大范围内实现无级变速 传动平稳，便于实现频繁的换向 能自动实现过载保护，且装置简单 便于采用电液联合控制，实现自动化 机件在油中工作，润滑条件好，寿命长 液压元件易于实现系列化、标准化、通用化 缺点：因为油有一定的可压缩性，并有泄漏现象，所以液压传动不适合作定比传动。 5.车削技术的发展趋势？ 车削技术在多个领域都有长足的发展，如高速车削、加热车削、低温车削、超精密车削等。 5. 麻花钻的缺点，如何改进？ 标准麻花钻存在切削刃长、前角变化大 由加工直齿齿轮改为加工斜齿轮。 由滚切右旋齿轮改为滚切左旋齿轮。 由使用右旋滚刀改为使用左旋滚刀。 9.指出加工下列齿面所使用的机床：蜗轮、内啮合直齿圆柱齿轮、外啮合直齿圆柱齿轮、圆锥齿轮、花键轴、齿条、扇形齿轮。 插：外啮合直齿圆柱齿轮，内啮合直齿圆柱齿轮，齿条、扇形齿轮。 滚：蜗轮，啮合直齿圆柱齿轮，花键轴 刨齿机: 圆锥齿轮. 10. 砂轮的特性由哪些因素决定？ 包括磨料、粒度、结合剂、硬度和组织 11. 什么叫砂轮硬度，如何选择砂轮硬度？ 砂轮硬度是指砂轮工作时在外力作用下磨粒脱落的难易程度。易脱落则砂轮硬度低；反之，砂轮硬度高。影响切削质量和生产率。 砂轮硬度选择原则 磨削硬材，选软砂轮；磨削软材，选硬砂轮； 磨削导热性差的材料，不易散热，选软砂轮以免工件烧伤； 砂轮与工件接触面积大时，选较软的砂轮； Page 15 of 17 机械制造工程学习题集 成形磨精磨时，选硬砂轮；粗磨时选较软的砂轮。 12. 简述磨料粒度的表示方法。 砂轮的粒度是指磨料颗粒的大小，以磨粒刚好能通过的筛网一英寸长度上有多少孔目数来表示。当直径小于40m时，这种磨粒称为微粉，以W表示。影响生产率与表面粗糙度。 13. 齿轮常用加工方法有哪些？试分析滚齿机的切削运动。 Page 16 of 17 机械制造工程学习题集 Page 17 of 17