机电一体化毕业设计说明书 、课程设计论文
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1 绪 论
机械制造工业是为现代化建设提供各种机械装备的部门，在国民经济的发展中具有十分重要的地位。机械制造工业的发展规模和水平是反映国民经济实力和科学技术水平的重要标志，因此，我国一贯都把发展机械制造工业作为发展国民经济的战略重点之一。
建国40多年来，机械制造工业的发展取得了很大的成绩，逐步形成了产品门类基本齐全，配置比较合理的机械制造工业体系，成为全国最大的产品部门之一。目前，机械制造工业除了为国家建设提供各种普通机械、农业机械、运输机械、电力机械、重型机械、仪表和各种机床外，还能提供各种大型的成套设备，在高新技术产品的开发方面，也取得了长足的进步。
我国机械制造工业虽然取得了很大的进步，但与工业发达的国家相比，在生产能力、技术水平、管理水平和劳动生产率等方面，还有很大的差距。因此，我国的机械制造工业今后的发展，除了不断提高常规机械生产的工艺装备和工艺水平外，还必须研究开发优质高效精密工艺，为高新技术产品的生产提供新工艺、新装备，加强基础技术研究，强化和掌握引进技术，提高自主开发能力，形成常规制造技术与先进制造技术并进的机械制造工业结构。
1.1 机械制造工艺学的现状及面临的形势
机械工业是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。它的技术水平和规模是衡量一个国家科技水平和经和经济实力的重要标志。
经过五十多年的发展，机械工业已经成为我国工业中产品门类比较齐全，也具有相当规模和一定技术基础的支柱产业之一。我们通过引进技术的消化吸收，有计划的推进企业的技术改造，引导企业走科技进步的道路，使制造技术、接机械产品的性能及企业的经济效益都发生了显著变化。一批又一批的先进技术在生产中得到应用于普及，大批企业在关键工序中也增加了先进、精密、高效的关键设备，约有10%的企业进入高科技企业行列，60%以上的企业建立了专门的技术开发机构。
但与先进国家相比我们的还是有一定的距离，表现在制造技术的落后、设计方法与手段、制造工艺、制造自动化及管理等等都远落后于发达国家。
90年代到21世纪初我国有计划经济转向市场经济过渡，也初步建立了形的经济体制的时期，也是国际产业结重组、国际分工不断深化、科技技术突飞猛进发展的时期。在经济和科技技术、市场等各个方面我们不断与世界接轨。我们抓住机遇，迎接挑战坚决贯彻“以科技为先导，以质量主体”的方针，进一步推动企业的振兴。而要实现振兴就必须不断提高企业的产品自主开发能力和制造技术水平。
1.2 机械制造工艺的发展
机械制造工艺学的研究范畴是零件的机械加工和装配的工艺过程。采用硬度比工件高的切削刀，在力的作用下使工件的材料发生分离，从而获得所需的形状、尺寸和表面质量，在进行装成机器。
随着科学的发展，出现虚度赢得很高的加工材料，这些材料很难用传统的切削或磨削的方法来加工，某些极小的形状不规则的空隙、型腔也很难用创痛的加工方法获得，于是出现了应用电能、声能、光能或者化学能等来加工金属的特殊加工技术。但另一方面科技的发展对机械产品的精度提出越来越高的要求，特别是宇航器件和集成元件的制造，原有的加工方法已不能满足我们高精度和高表面的需求，于是各种超精密加工方法就应运而生，且加工精密的等级在不断的提高。
制造自动化及其发展是机械制造行业中的最新技术进步的又一个标志，但随着数控加工的应用的推广，CAD和CAM逐步进入实用阶段，特别是柔性制造系统（FMS）的出现，提高生产效率，降低成本，同时也保证了产品的质量和改善了劳动条件。目前，计算机集成制造系统（CIMS）正在研究和开发，也即将投入使用，它的出现将会更大程度的改变现代世界的机械行业。
2 零件的说明
2.1 零件图（见零件图）
2.2 零件的功用
此零件为铸件（ZG25Ⅱ）机械强度和抗争性较好，该零件安装在煤水车转向架部车轴两端部，起到储存润滑油的作用，零件的两侧叉口分别与侧架上的叉口面相配合对轴箱安装起导向的作用，车轴由箱体椭圆孔伸入箱体内，箱内由内侧面定位装有轴瓦，耳座中装弹簧盖板可以用铁板将窗口盖住，掀开铁板由箱体窗口向箱内注油，油不宜加多，以免由窗口溢出，顶面的圆台与侧面架叉口的上面配合。
2.3 零件的工艺分析
本设计所要的加工的零件，材料为ZG25Ⅱ，毛坯的铸件Ⅱ级其主要的机械性能：布氏硬度HB≥131 抗拉强度。
σ=45Kgf/mm = 441MPPa
由箱体的零件图上显示以下几个加工面：
（1）工件顶窗台面Q
（2）工件顶圆台面P
（3）底面N
（4）侧面R
（5）两侧叉口凸台面P和叉口侧面Q
（6）箱体内方台
（7）箱体内侧壁
（8）内侧壁侧面
（9）φ196mm孔侧壁
（10）孔2侧壁
（11）φ21mm耳座孔
（12）M8×1.25mm的螺纹底孔、攻丝
本零件加工表面的位置精度及形状精度要求不高，表面粗糙度要求较低。
2.4 箱体零件的主要技术要求
2.4.1．主要平面的形状精度和表面粗糙度
箱体的主要平面是装配基准，并且往往是加工时的定位基准，所以，应该有较高的平面度和较小的表面粗糙度，否则，直接影响箱体加工时的定位精度，影响箱体与机座总装时的接触刚度和相互位置精度。
2.4.2．孔的尺寸精度、几何形状精度和表面粗糙度
箱体上的轴承支撑孔本身的尺寸精度、形状精度和表面粗糙度都要求较高，否则，将影响轴承与箱体孔的配合精度，使轴的回转精度下降，也易使传动件产生震动和噪声。轴箱的支承孔的尺寸精度为IT6，圆度和圆柱度公差不超过孔径公差的一半，表面粗糙度值为Ra0.63-0.32
2.4.3.主要孔和平面的相互位置精度
同一轴线的孔应有一定的同轴度要求，各支承孔之间也应有一定的孔距尺寸精度和平行度要求，否则，不仅装配有空难，而且使轴的运转情况恶化，温度升高轴承磨损加剧，主要平面间及主要平面对支承孔之间垂直度公差为0.1-0.04mm。
3.确定零件的生产类型
零件的生产类型一般可以分为大量生产、成批生产、和单件生产三种类型，不同的生产类型有不同的工艺特征。零件的生产类型是按零件的年生产纲领和产品特征来确定的。生产纲领是指企业在计划期内应生产的产品产量和进度计划。年生产纲领是包括备品和废品在内的年产量，计算公式为：
N=Qm(1+a%)(1+b%)
式中N——零件的生产纲领
Q——产品的年产量
m——每台产品中该零件的数量
a%——备品率
b%——废品率
在本次设计中，箱体重50K，年产量为500台，m=1件/台，a%=3% ，b%=0.5%
则N=500×1×（1+3%）（1+0.5%）=517件/年
又已知该零件〈100Kg ，年生产量为500-5000台，则由文献[4]查表1-3知该生产类型为中批生产，属批量生产。
4毛坯的确定
影响毛坯选择的因素通常包括：
（1）零件结构形状和外形尺寸
（2）零件材料的工艺性及对材料的组织的要求
（3）零件对毛坯的精度，表面的粗糙度和表面层的性能的要求。
（4）零件生产纲领的大小。
（5）现有生产能力和发展的前途。
由于零件材料为ZQ25Ⅱ，结构复杂，尺寸较大，只能采用砂型铸造的方法制造毛坯，手工砂箱铸造的铸件，当采用手工木模造型时，由于木模本身的制造精度不高，使用中易受潮易变形，加之手工造型的误差大，为此必须留下有较大的加工余量。另外工件使用时要求承受较大的冲击力，所以铸件后除进行热处理消除直径为20的内应力，减小变形，铸件本身不值得有裂纹、疏松等致命性的缺陷，而且由于是大批量的生产，毛坯的外形必须光洁，不允许有飞刺及尖棱的凸起，不得带有钢渣，以免影响到后续加工，尤其是铸模分型处理更要注意。为了提高生产率减低成本，保证加工质量。
毛坯的加工余量与生产批量、毛坯尺寸、结构、精度和铸造方法等因素有关。
毛坯铸造时应防止砂眼和气孔的产生，为了减少毛坯制造时产生的残余应力，应使箱体壁厚尽量均匀，箱体浇铸时应安排时效处理。
5箱体加工工艺过程分析
5.1定位基准的选择 ：
拟订工艺路线的第一步就是选择定位基准，为使所选的定位基准能保证整个机械加工工艺过程的顺利进行，通常应先考虑如何精基准来加工各个表面，然后考虑如何把作为精基准的表面加工出来。
精基准的具体选择原则如下：
（1）基准重合原则：
应尽可能选择被加工表面的设计基准为精基准，也就是说应尽量使定位基准与设计基准相重合。这样可以避免由于基准不重合产生的定位误差。
（2）基准统一原则：
采用统一原则可以避免基准转换造成的误差，可以减少夹具数量和简化夹具设计，可以减少装夹次数，便于工序集中，简化工艺过程，提高生产率
（3） 互为基准原则：
加工表面和定位表面互相转换的原则。一般适用于精加工和光磨加工等。
（4） 自为基准的原则：
有些精加工或光整加工工序要求余量小而均匀，在加工时就应该尽量选择加工表面本身作为精基准。
（5） 便于装夹原则
应选定位可靠，装夹方便的表面为基准，所选的精基准应该是精度较高、表面粗糙度较小、支承面积较大的表面。
5.2 粗基准的选择：
选择粗基准主要是选择第一道加工工序的定位基准，以便为后续工序提供精基准。粗基准的选择对保证加工余量的均匀分配和加工面与非加工面的位置关系具有重要影响。因此，在选择粗基准时，一般遵循下列原则：
（1） 保证相互位置要求原则
（2） 保证加工表面加工余量合理分配的原则
（3） 便于工件装夹原则
（4） 粗基准在同一尺寸方向上只允许使用一次的原则。
5.3.加工阶段的划分
零件的加工质量要求较高或结构较为复杂时，一般工艺路线较长，工序较多，通常在安排工艺路线时，将其分成几个阶段。
（1） 粗加工阶段
此阶段主要任务是高效的切除各表面上的大部分余量，并加工出精基准。
（2） 半精加工阶段
使主要表面消除加工后留下的误差，使其达到一定的精度，为精加工作好准备，并完成一些精度要求不高的表面的加工。
（3） 精加工阶段
主要是保证零件的尺寸、形状、位置精度及表面粗糙度达到或基本达到图样上所规定的要求。精加工切除的余量很小。
应当指出的是，加工阶段的划分不是绝对的，在应用时要灵活掌握。为避免过多的尺寸换算，通常防在半精加工或精加工阶段钻削。
5.4.工序集中与分散
工序集中的特点：有利于采用高生产率的机车，减少工件装夹次数，节省装夹工作时间，有利用保证各加工面的相互位置精度。减少工序数目，缩短了工艺路线，也简化了生产计划和组织工作，专用设备和工艺装备较复杂，生产准备周期长，更换产品较困难。
工序分散的特点：可使每个工序使用的设备和夹具比较简单，调整比较容易，工艺路线长，设备和工人数量多，生产占地面积较大，有利用选择合理的切削用量。
5.5.工序顺序的安排
5.5.1机械加工工序的安排
一般遵循以下原则：
1) 先基准后其他
2) 先粗后精
3) 先主后次
4) 先面后孔
5.5.2辅助工序的安排
1）检验工序
2） 去毛刺及清洗
3） 特殊需要的工序
为了满足上述要求，针对本次的设计，特别指出以下：
我们选择箱体的重要孔的毛坯孔为粗基准，由于铸造箱体毛坯时，形成轴孔、其他支撑孔及箱体内壁的型芯是一起防入的，因此还能较好的保证各孔的轴线与箱体不加工内壁的相互位置，避免装入箱体内零件在运转时与箱体内壁相碰。精基准的选择,该轴箱的侧面和侧面孔既是装配基准，又是设计基准，用它们作精基准，能使加工遵循基准重合的原则，实现箱体零件一面两孔的典型定位方式，其余各面和孔的加工也能用它定位，这样使工艺路线遵循了基准统一的原则。此外，侧面的面积较大，定位比较稳定，夹紧方案也比较简单、可靠，操作方便。
箱体的加工表面虽然多，但主要是一些孔和平面。通常平面的加工精度较易保证，而精度要求较高的支承孔以及孔与孔间、孔与平面的相互位置精度则较难保证，往往成为生产中的关键.
5.6箱体加工工艺的过程中，应将保证孔的精度作为重点
5.6.1工艺顺序为先面后孔
加工顺序通常为先加工作为精基准的平面，然后以加工好的平面定位加工孔。由于箱体的孔一般是分布在外壁和中间隔壁的平面上的，先加工平面可切去铸件表面的凹凸不平及夹砂等缺陷，这样有利于以后的孔加工，保护刀具对到和调整等。
5.6.2加工阶段粗、精分开
箱体的结构比较复杂，加工精度要求比较的高，所以，箱体的主要加工表面一般都明确的划分为粗、精加工两个阶段。粗、精加工阶段分开的优点如下：
1) 避免粗加工产生的变形破坏已精加工过的表面精度
由于粗加工切削余量大，切削力大，夹紧力大，切削热量大，因而引起工件的弹性变形和热变形也大。若粗、精加工分开，则在粗加工后，由以上原因引起的变形充分表现出来，在精加工阶段能在余量中获得修正。
2) 便于及时发现毛坯的缺陷
由于粗加工时要切去大部分加工余量，因而粗加工阶段时可以在各加工表面上及时发现缺陷。
3) 有利于保证加工精度，也有利于保护机床的精度和合理使用机床。
因为粗、精不在同一工序进行，粗加工可以发挥粗加工机床高生产率的潜力，精加工可以发挥精密机床的精密特长。
5.7．工序间安排时效处理
箱体的毛坯比较复杂，铸件内应力较大，为了消除内应力，减少变形，保证精度的稳定性，铸造后安排人工时效处理（加热到500-550℃，加热速度50-120℃/小时，保温4-6小时，冷却速度〈=30℃/小时，出炉温度〈=120℃〉
5.8.选择箱体的底面和侧面作为加工孔和其他表面的精基准
由于底面和侧面是空的设计基准，并与箱体的两端面在位置上有直接联系，故选底面和侧面为定位基准，不仅消除了孔加工时的基准不重合误差，而且由于定位基准的统一，在同工序多次安装加工各表面时，夹具设计也简化。此外，底面的面积大，定位稳定可靠，安装误差较小。加工各孔时，由于箱口朝上，所以更换导向套，安装调整刀具、测量孔径尺寸、观察加工情况都很方便。
5.9．孔系的加工
生产中保证孔距精度的方法有以下几种
（1）找正法
1）划线找正法，为提高划线找正的精度，可采用试切法。
2）用心轴和块规找正法 ，用这种方法，孔距精度可达到+/-0.03毫米。
3）样板找正法， 此法找正比较迅速，工艺装备不太复杂，孔距精度可达到+/-0.05毫米。
4）用定心套找正法，能保证精度0.02毫米左右，操作技术要求较高。
（2）镗模法
采用镗模可以大大提高机床-夹具-工件-刀具之间的工艺系统刚度和抗振性，此外，可节省调整找正的辅助时间，并可采用高效率的定位、夹紧装置，生产率高。
（3）坐标法
坐标法镗孔是按孔系间相互位置的水平和垂直坐标尺寸的关系，在普通镗床、立式铣床、坐标镗床等借助测量装置，调整主轴在水平和垂直方向的相对位置，来保证孔距精度的一种镗孔方法，因此，孔距精度取决于坐标移动精度。
5.10.箱体的检验
箱体检验包括以下几个方面
（1）各加工的表面粗糙度及外观检查，通常用表面粗糙度样块和目测的方法。
（2）孔的尺寸精度检验， 一般采用塞规或采用内径千分尺、内径千分表等万能量具。
（3）孔和平面的几何形状精度， 圆度或圆柱度误差常用内径千分尺、内径千分表检验，平面度误差常用涂色法或用平尺和厚薄规检验，当精度要求较高时，可采用仪器检验。
（4）孔系的相互位置精度
孔心距、孔轴心线间平行度误差、孔轴心线垂直误差以及孔轴心线与端面垂直度误差的检验可利用检验棒、千分尺，百分表，直角尺以及平台等相互组合而进行测量，孔系同轴度可利用检验棒来测量，如果检验棒能自由推入同轴线的孔内，即表明误差在允许范围内。
10 结论
毕业论文是大学学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整箱体加工工艺和夹具设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。
虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。各种系统的适用条件，各种设备的选用标准，各种夹具的适用范围，我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。和老师的沟通交流更使我从经济的角度对设计有了新的认识也对自己提出了新的要求，通过这次毕业设计让我提前了解了很多知识，这是很珍贵的。
提高是有限的但提高也是全面的，正是这一次设计让我积累了无数实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通力和理解力。
顺利如期的完成本次毕业设计给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心，无论是机械加工还是设计，我都采用了一些新的技术和设备，他们有着很多的优越性但也存在一定的不足，这新不足在一定程度上限制了我们的创造力。比如在夹具设计上就有很大的不足，在这个机械制造业被高度重视的社会中，这无疑是很让我自身感到遗憾的，可这些不足正是我们去更好的研究更好的创造的最大动力，只有发现问题面对问题才有可能解决问题，不足和遗憾不会给我打击只会更好的鞭策我前行，今后我更会关注新技术新设备新工艺的出现，并争取尽快的掌握这些先进的知识，更好的为祖国的四化服务。
总之，设计是灵活性很大的创造过程，同时也认识了自己的不足，为今后的设计，工作打下了坚实的基础。
11致 谢
为期三个月的毕业设计即将接近尾声，在指导老师的亲切指导和同学的帮助下，此次设计才得以完成。
首先，向本设计的指导老师表示最诚挚的谢意。在自己紧张的工作中，仍然尽量抽出时间对我们进行指导，时刻关心我们的进展状况，督促我们抓紧学习。老师给予的帮助贯串于设计的完全过程，从借阅参考资料到现场的实际操作，他都给予了指导，不仅使我们学会逗乐书本中的知识，更学会了学习操作方法。也懂得了如何把握设计重点，如何合理安排时间和论文的编写，同时在毕业设计过程中，他和我们在一起共同解决了设备出现的各种问题。
其次，要向给予此次毕业设计帮助的老师们，以及同学们以诚挚的谢意，在整个设计过程中，他们也给我很多帮助和无私的关怀，更重要的是为我们提供不少技术方面的资料，在此感谢他们，没有这些资料就不是一个完整的论文。
总之，本次设计是在老师的指导下和同学的帮助下共同完成的，在设计的三个月里，我们合作的非常愉快，教会了我许多道理，是我人生的一笔财富，我再次向给予我帮助的老师和同学表示感谢
在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。
并向本文所参考的文献的作者们表示我最真诚的谢意。
祝我们的母校在未来的发展中越办越好。
X年X月X日
12参考文献
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装夹误差：
定义：工件在装夹过程中产生的误差，为装夹误差。 装夹误差包括定位误差和夹紧误差 。
定位误差是指一批工件采用调整法加工时因定位不正确而引起的尺寸或位置的最大变动量。定位误差由基准不重合误差和定位副制造不准确误差造成。
1、基准不重合误差
在零件图上用来确定某一表面尺寸、位置所依据的基准称为设计基准。在工序图上用来确定本工序被加工表面加工后的尺寸、位置所依据的基准称为工序基准。一般情况下，工序基准应与设计基准重合。在机床上对工件进行加工时，须选择工件上若干几何要素作为加工（或测量）时的定位基准（或测量基准），如果所选用的定位基准（或测量基准）与设计基准不重合，就会产生基准不重合误差。基准不重合误差等于定位基准相对于设计基准在工序尺寸方向上的最大变动量。
基准不重合误差分析示例
图示零件，设e面已加工好，今在铣床上用调整法加工f面和g面。在加工f面时若选e面为定位基准，则f面的设计基准和定位基准都是e面，基准重合，没有基准不重合误差，尺寸A的制造公差为TA。加工g面时，定位基准有两种不同的选择方案，一种方案（方案Ⅰ）加工时选用f面作为定位基准，定位基准与设计基准重合，没有基准不重合误差，尺寸B的制造公差为TB；但这种定位方式的夹具结构复杂，夹紧力的作用方向与铣削力方向相反，不够合理，操作也不方便。另一种方案（方案Ⅱ）是选用e面作为定位基准来加工g面，此时，工序尺寸C是直接得到的，尺寸B是间接得到的，由于定位基准e与设计基准f不重合而给g面加工带来的基准不重合误差等于设计基准f面相对于定位基准e面在尺寸B方向上
的最大变动量TA。
定位基准与设计基准不重合时所产生的基准不重合误差，只有在采用调整法加工时才会产生，在试切法加工中不会产生。
2、定位副制造不准确误差
工件在夹具中的正确位置是由夹具上的定位元件来确定的。夹具上的定位元件不可能按基本尺寸制造得绝对准确，它们的实际尺寸（或位置）都允许在分别规定的公差范围内变动。同时，工件上的定位基准面也会有制造误差。工件定位面与夹具定位元件共同构成定位副，由于定位副制造得不准确和定位副间的配合间隙引起的工件最大位置变动量，称为定位副制造不准确误差。
如图所示工件的孔装夹在水平放置的心轴上铣削平面，要求保证尺寸h，由于定位基准与设计基准重合，故无基准不重合误差；但由于工件的定位基面（内孔D）和夹具定位元件（心轴d1）皆有制造误差，如果心轴制造得刚好为d1min，而工件得内孔刚好为Dmax（如图示），当工件在水平放置得心轴上定位时，工件内孔与心轴在P点接触，工件实际内孔中心的最大下移量△ab＝（Dmax－d1min）/2，△ab就是定位副制造不准确而引起的误差。
基准不重合误差的方向和定位副制造不准确误差的方向可能不相同，定位误差取为基准不重合误差和定位副制造不准确误差的矢量和。
这些对于写论文来说比较合适，好的话加分。
1 引言
高速铣削工艺在汽车、飞机和模具制造业中应用广泛。由于铣刀高速旋转时刀具各部分承受的离心力已远远超过切削力本身的作用而成为刀具的主要载荷，而离心力达到一定程度时会造成刀具变形甚至破裂，因此研究高速铣刀的安全性技术对发展高速铣削技术有着极其重要的意义。
2 高速铣刀安全性基数研究的现状
20世纪90年代初德国就开始了对高速铣刀的安全性技术研究，并制订了DIN6589-1《高速铣刀的安全要求》标准草案，规定了高速铣刀失效的试验方法和标准，在技术上提出了高速铣刀设计、制造和使用的指导性意见，规定了统一的安全性检验方法。该标准草案已成为各国高速铣刀安全性的指导性文件。
2.1 高速铣刀的安全失效形式与试验方法
标准草案规定了高速切削的速度界限，超过该速度后离心力将成为铣刀的主要载荷，必须采用安全技术。在刀具直径与高速切削范围关系图中，曲线以上区域为该标准规定的铣刀必须经过安全检验的高速切削范围：对于直径d1≤32mm的单件刀具（整体或焊接刀具），其切削速度超过10000m/mm为高速切削范围；对于直径d1>32mm的装配式机夹刀具，高速切削范围为线段BC以上区域。
高速铣刀的安全失效形式有两种：变形和破裂。不同类型铣刀的安全试验方法也不同。对于机夹可转位铣刀，有两种安全试验方法：一种方法是在1.6倍最大使用转速下进行试验，刀具的永久性变形或零件的位移不超过0.05mm；另一种方法是在2倍于最大使用转速下试验，刀具不发生破裂（包括夹紧刀片的螺钉被剪断、刀片或其他夹紧元件被甩飞、刀体的爆裂等）。而对于整体式铣刀，则必须在2倍于最大使用转速条件下试验而不发生弯曲或断裂。
2.2 高速铣刀强度计算模型
高速刀具在离心力的作用下是否发生失效的关键在于刀体的强度是否足够、机夹刀的零件夹紧是否可靠。当把离心力作为主要载荷计算刀体强度时，由于刀具形状的复杂性，用经典力学理论计算得出的结果误差很大，常常不能满足安全性设计的要求。
为了在刀具设计阶段对其结构强度在离心力作用下的受力和变形进行定性和定量的分析，可通过有限元方法计算不同转速下的应力大小，模拟失效过程和改进设计方案。高速铣刀有限元计算模型中包括刀体、刀体座、刀片和夹紧螺钉。首先计算刀体（包括螺钉、刀片等零件质量）的弹性变形，再对分离出的刀座作详细分析，把所获得的刀体弹性变形作为边界条件加到刀座分离体；然后由切出的刀座、刀片、螺钉及无质量的摩擦副组成刀片夹紧系统的模型，进行夹紧的可靠性分析。有限元模型能模拟刀片在刀座里的倾斜、滑动、转动以及螺钉在夹紧时的变形，可计算出在不同转速下刀片位移和螺钉受力的大小。
3 提高高速铣刀安全性的措施
结合高速铣刀安全性标准，通过有限元计算模型的分析，为适应安全性要求，可采取以下措施：
（1）减轻刀具质量，减少刀具构件数，简化刀具结构
由试验求得的相同直径的不同刀具的破裂极限与刀体质量、刀具构件数和构件接触面数之间的关系，经比较发现，刀具质量越轻，构件数量和构件接触面越少，刀具破裂的极限转速越高。研究发现，用钛合金作为刀体材料减轻了构件的质量，可提高刀具的破裂极限和极限转速。但由于钛合金对切口的敏感性，不适宜制造刀体，因此有的高速铣刀已采用高强度铝合金来制造刀体。
在刀体结构上，应注意避免和减小应力集中，刀体上的槽（包括刀座槽、容屑槽、键槽）会引起应力集中，降低刀体的强度，因此应尽量避免通槽和槽底带尖角。同时，刀体的结构应对称于回转轴，使重心通过铣刀的轴线。刀片和刀座的夹紧、调整结构应尽可能消除游隙，并且要求重复定位性好。目前，高速铣刀已广泛采用HSK刀柄与机床主轴连接，较大程度地提高了刀具系统的刚度和重复定位精度，有利于刀具破裂极限转速的提高。此外，机夹式高速铣刀的直径显露出直径变小、刀齿数减少的发展趋势，也有利于刀具强度和刚度的提高。
（2）改进刀具的夹紧方式
模拟计算和破裂试验研究表明，高速铣刀刀片的夹紧方法不允许采用通常的摩擦力夹紧，要用带中心孔的刀片、螺钉夹紧方式，或用特殊设计的刀具结构以防止刀片甩飞。刀座、刀片的夹紧力方向最好与离心力方向一致，同时要控制好螺钉的预紧力，防止螺钉因过载而提前受损。对于小直径的带柄铣刀，可采用液压夹头或热胀冷缩夹头实现夹紧的高精度和高刚度。
（3）提高刀具的动平衡性
提高刀具的动平衡性对提高高速铣刀的安全性有很大的帮助。因为刀具的不平衡量会对主轴系统产生一个附加的径向载荷，其大小与转速的平方成正比。
设旋转体质量为m，质心与旋转体中心的偏心量为e，则由不平衡量引起的惯性离心力F为：
F=emω2=U（n/9549）2
式中：U为刀具系统不平衡量（g•mm），e为刀具系统质心偏心量（mm），m为刀具系统质量（kg），n为刀具系统转速（r/min），ω为刀具系统角速度（rad/s）。
由上式可见，提高刀具的动平衡性可显著减小离心力，提高高速刀具的安全性。因此，按照标准草案要求，用于高速切削的铣刀必须经过动平衡测试，并应达到ISO1940－1规定的G4.0平衡质量等级以上要求。
4 结语
高速铣刀安全性技术是研究高速刀具的一个重要内容，应加强刀具安全性的定量分析，精确确定影响高速铣刀安全性的微量因素，并从刀具的材料、结构、制造工艺等方面解决好高速铣刀的安全性。
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刀具的分类
刀具按工件加工表面的形式可分为五类：
■ 加工各种外表面的刀具，包括车刀、刨刀、铣刀、外表面拉刀和锉刀等；
■ 孔加工刀具，包括钻头、扩孔钻、镗刀、铰刀和内表面拉刀等；
■ 螺纹加工刀具，包括丝锥、板牙、自动开合螺纹切头、螺纹车刀和螺纹铣刀等；
■ 齿轮加工刀具，包括滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮加工刀具等；
■ 切断刀具，包括镶齿圆锯片、带锯、弓锯、切断车刀和锯片铣刀等等。
此外，还有组合刀具。
按切削运动方式和相应的刀刃形状，刀具又可分为三类：
■ 通用刀具，如车刀、刨刀、铣刀(不包括成形的车刀、成形刨刀和成形铣刀)、镗刀、钻头、扩孔钻、铰刀和锯等；
■ 成形刀具，这类刀具的刀刃具有与被加工工件断面相同或接近相同的形状，如成形车刀、成形刨刀、成形铣刀、拉刀、圆锥铰刀和各种螺纹加工刀具等；
■ 展成刀具是用展成法加工齿轮的齿面或类似的工件，如滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮刨刀和锥齿轮铣刀盘等。
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刀具的结构
各种刀具的结构都由装夹部分和工作部分组成。整体结构刀具的装夹部分和工作部分都做在刀体上；镶齿结构刀具的工作部分(刀齿或刀片)则镶装在刀体上。
刀具的装夹部分有带孔和带柄两类。带孔刀具依靠内孔套装在机床的主轴或心轴上，借助轴向键或端面键传递扭转力矩，如圆柱形铣刀、套式面铣刀等。
带柄的刀具通常有矩形柄、圆柱柄和圆锥柄三种。车刀、刨刀等一般为矩形柄；圆锥柄靠锥度承受轴向推力，并借助摩擦力传递扭矩；圆柱柄一般适用于较小的麻花钻、立铣刀等刀具，切削时借助夹紧时所产生的摩擦力传递扭转力矩。很多带柄的刀具的柄部用低合金钢制成，而工作部分则用高速钢把两部分对焊而成。
刀具的工作部分就是产生和处理切屑的部分，包括刀刃、使切屑断碎或卷拢的结构、排屑或容储切屑的空间、切削液的通道等结构要素。有的刀具的工作部分就是切削部分，如车刀、刨刀、镗刀和铣刀等；有的刀具的工作部分则包含切削部分和校准部分，如钻头、扩孔钻、铰刀、内表面拉刀和丝锥等。切削部分的作用是用刀刃切除切屑，校准部分的作用是修光已切削的加工表面和引导刀具。
刀具工作部分的结构有整体式、焊接式和机械夹固式三种：
■ 整体结构是在刀体上做出切削刃；
■ 焊接结构是把刀片钎焊到钢的刀体上；
■ 机械夹固结构又有两种，一种是把刀片夹固在刀体上，另一种是把钎焊好的刀头夹固在刀体上。
硬质合金刀具一般制成焊接结构或机械夹固结构；瓷刀具都采用机械夹固结构。
刀具切削部分的几何参数对切削效率的高低和加工质量的好坏有很大影响。增大前角，可减小前刀面挤压切削层时的塑性变形，减小切屑流经前面的摩擦阻力，从而减小切削力和切削热。但增大前角，同时会降低切削刃的强度，减小刀头的散热体积。
在选择刀具的角度时，需要考虑多种因素的影响，如工件材料、刀具材料、加工性质(粗、精加工)等，必须根据具体情况合理选择。通常讲的刀具角度，是指制造和测量用的标注角度在实际工作时，由于刀具的安装位置不同和切削运动方向的改变，实际工作的角度和标注的角度有所不同，但通常相差很小。
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刀具的材料
制造刀具的材料必须具有很高的高温硬度和耐磨性，必要的抗弯强度、冲击韧性和化学惰性，良好的工艺性(切削加工、锻造和热处理等)，并不易变形。
通常当材料硬度高时，耐磨性也高；抗弯强度高时，冲击韧性也高。但材料硬度越高，其抗弯强度和冲击韧性就越低。高速钢因具有很高的抗弯强度和冲击韧性，以及良好的可加工性，现代仍是应用最广的刀具材料，其次是硬质合金。
聚晶立方氮化硼适用于切削高硬度淬硬钢和硬铸铁等；聚晶金刚石适用于切削不含铁的金属，及合金、塑料和玻璃钢等；碳素工具钢和合金工具钢现在只用作锉刀、板牙和丝锥等工具。
硬质合金可转位刀片现在都已用化学气相沉积涂覆碳化钛、氮化钛、氧化铝硬层或复合硬层。正在发展的物理气相沉积法不仅可用于硬质合金刀具，也可用于高速钢刀具，如钻头、滚刀、丝锥和铣刀等。硬质涂层作为阻碍化学扩散和热传导的障壁，使刀具在切削时的磨损速度减慢，涂层刀片的寿命与不涂层的相比大约提高1～3倍以上。
由于在高温、高压、高速下，和在腐蚀性流体介质中工作的零件，其应用的难加工材料越来越多，切削加工的自动化水平和对加工精度的要求越来越高。为了适应这种情况，刀具的发展方向将是发展和应用新的刀具材料；进一步发展刀具的气相沉积涂层技术，在高韧性高强度的基体上沉积更高硬度的涂层，更好地解决刀具材料硬度与强度间的矛盾；进一步发展可转位刀具的结构；提高刀具的制造精度，减小产品质量的差别，并使刀具的使用实现最佳化。
刀具材料大致分如下几类：高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、聚晶立方氮化硼以及聚晶金刚石。
我主要提下陶瓷，陶瓷用于切削刀具的时间比硬质合金早，但由于其脆性，发展很慢。但自上世纪70年代以后，还是得到了比较快的发展。陶瓷刀具材料主要有两大系，即氧化铝系和氮化硅系。陶瓷作为刀具，具有成本低、硬度高、耐高温性能好等优点，有很好的前景。 目前国内国外产品差别很大，刀具算是高技术的消费品!
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刀具的涂层技术
对刀具进行涂层是机械加工行业前进道路上的一大变革，它是在刀具韧性较高的基体上涂覆一层、二层乃至多层具有高硬度、高耐磨性、耐高温材料的薄层（如TiN、TiC等），使刀具具有全面、良好的综合性能。未涂层高速钢的硬度仅为62~68HRC（760~960HV），硬质合金的硬度仅为89~93.5HRA（1300~1850HV）；而涂层后的表面硬度可达2000~3000HV以上。在工业生产中，使用涂层刀具可以提高加工效率、加工精度、延长寿命、降低成本。
近30余年来，刀具涂层技术迅速发展，涂层刀具得到了广泛应用。现在，涂层高速钢刀具和涂层硬质合金刀具已占全部刀具使用总量的50%以上。在西欧，由于资源匮乏和机械加工的高效化，以及数控技术进步及难加工材料增多，涂层刀具正以惊人的发展速度被动式向前挺进。西方工业发达国家使用的涂层刀具占可转位刀片的比例已由1978年的26%上升到2005年的90%，新型的数控机床所用的刀具中80%左右是涂层刀具。
涂层刀具有以下优点：
■ 由于表面涂层材料具有很高的硬度和耐磨性，且耐高温。故与未涂层的刀具相比，涂层刀具允许采用较高的切削速度，从而提高了切削加工效率；或能在相同的切削速度下，提高刀具寿命。
■ 由于涂层材料与被加工材料之间的摩擦系数较小，故涂层刀具的切削力小于未涂层的刀具。
■ 用涂层刀具加工，零件的已加工表面质量较好。
■ 由于涂层刀具的综合性能良好，故涂层硬质合金刀片有较好的通用性，一种涂层硬质合金牌号的刀片具有较宽的使用范围。
中国的刀具涂层技术与工业发达国家相比尚有很大差距，涂层刀具的数量也差得很远，大致只占全部刀具的20%。其中数控机床和加工中心上使用得居多，在普通的非数控机床上则相当少，主要是受到认识问题和价格等因素的影响。因此，在中国，刀具涂层技术的发展和应用都有很多潜在的提升空间。
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切削刀具的发展趋势
根据制造业发展的需要，多功能复合刀具、高速高效刀具将成为刀具发展的主流。面对日益增多的难加工材料，刀具行业必须改进刀具材料、研发新的刀具材料和更合理的刀具结构。
■ 硬质合金材料及涂层应用增多。细颗粒、超细颗粒硬质合金材料是发展方向；纳米涂层、梯度结构涂层及全新结构、材料的涂层将大幅度提高刀具使用性能；物理涂层（PVD）的应用继续增多。
■ 新型刀具材料应用增多。陶瓷、金属陶瓷、氮化硅陶瓷、PCBN、PCD等刀具材料的韧性进一步增强，应用场合日趋增多。
■ 切削技术快速发展。高速切削、硬切削、干切削继续快速发展，应用范围在迅速扩大。
