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(共35张PPT)
模块四　冷加工基础
课题一　金属切削机床及金属切削加工基础
课题二　车床及其应用
课题三　铣床及其应用
课题四　钻床及其应用
课题五　数控机床及其应用
课题六　其他机床及其应用
课题七　特种加工及零件生产过程的基础知识
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课题一　金属切削机床及金属切削加工基础
一、机床的分类
金属切削机床的品种和规格繁多,为了便于区别、使用和管理,国家制订了机床型号编制方法.按机床的加工方式、使用的刀具和用途,将机床分为１２类,见表４-１.
同类型机床按应用范围(通用性程度)又可分为:
(１)普通机床　它可以加工多种零件的不同工序,加工范围较广,通用性较大,但结构比较复杂.主要适用于单件小批量生产,例如卧式车床、万能升降台铣床等.
(２)专门化机床　它的工艺范围较窄,专门用于加工某一类或几类零件的某一道(或几道)特定工序,如曲轴车床、凸轮轴车床等.
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课题一　金属切削机床及金属切削加工基础
(３)专用机床　它的工艺范围最窄,只能用于加工某一种零件的某一道特定工序,适用于大批量生产.
同类型机床按工作精度又可分为:普通精度机床、精密机床和高精度机床.
机床还可按自动化程度分为:手动、机动、半自动和自动的机床.
机床还可按重量与尺寸分为:仪表机床、中型机床(一般机床)、大型机床(重量达１０吨)、重型机床(大于３０吨)和超重型机床(大于１００吨).
按机床主要工作部件的数目,可以分为单轴的、多轴的或单刀的、多刀的机床.
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课题一　金属切削机床及金属切削加工基础
通常,机床根据加工性质进行分类,再根据其某些特点进一步描述,如多刀半自动车床、高精度外圆磨床等.
二、机床的型号的编制方法
金属切削机床的品种和规格很多,为了便于区别、管理和使用,需要对每种机床编制一个型号.机床型号不仅是一个代号,而且还必须反映出机床的类别、结构特征、特性和主要技术规格.我国机床型号的编制,按GB/T１５３７５－１９９４金属切削机床型号编制方法实施,采用汉语拼音字母和阿拉伯数字按一定的规律排列组合.其型号表示方法如下:
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课题一　金属切削机床及金属切削加工基础
机床型号用“○”(汉语拼音字母)和“◎”(阿拉伯数字)按一定规律组成,以简明地表示机床的类型、主要技术参数、性能、结构和制造厂家等.
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课题一　金属切削机床及金属切削加工基础
当某类型机床,除有普通型式外,还具有表４-２所列的通用特性时,则在类代号之后用大写的汉语拼音字母表示.带括号的字母或数字,当无内容时可不表示;若有内容,则应表示,但不带括号.
三、金属切削运动与切削要素
常用的切削刀具有车刀、铣刀、刨刀、钻头、镗刀、砂轮等,常见的切削加工方法有钻削、车削、铣削、刨削、镗孔、磨削等.切削加工虽有多种不同的方式,但它们在很多方面都有着共同的规律.
１. 切削运动　　
切削加工时按工件与刀具的相对运动所起的作用不同,切削运动可分为主运动和进给运动.
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课题一　金属切削机床及金属切削加工基础
如图４-１所示,车削时工件的旋转运动是主运动,车刀平行于工件轴线的直线运动是进给运动,是为保证切削的连续进行,由这两个运动组成的切削运动,来完成工件外圆表面的加工.
(１)主运动.主运动是切削时最主要的,消耗动力最多的运动,它是刀具与工件之间产生的相对运动.如图４-２所示,车削时工件的旋转运动、钻削时刀具的旋转运动、刨削时刀具的往复直线运动、铣削时刀具的旋转运动及磨削时砂轮的旋转运动等都是主运动.可见主运动即为切去金属所需的运动,其切削速度最高、消耗功率也最大.
(２)进给运动.进给运动是刀具与工件之间产生的附加运动,以保持切削连续的进行.与主运动配合,可得到所需的已加工表面.
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课题一　金属切削机床及金属切削加工基础
如图４-２所示,车削时刀具的直线运动、钻削时刀具的轴向旋转运动、刨削时工件的间歇直线运动、铣削时工件的直线运动、磨削时工件的旋转运动及其往复直线运动都是进给运动.进给运动可以是连续的运动;也可以是间断运动.一般进给运动是切削加工中速度较低,消耗功率较少的运动.
各种切削加工,都具有特定的切削运动.切削运动的形式有旋转的、直线的、连续的、间歇的等.一般主运动只有一个,进给运动可以有一个或几个.主运动和进给运动可由刀具和工件分别完成,也可由刀具(如钻头)单独完成.
２. 切削表面　　
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课题一　金属切削机床及金属切削加工基础
在切削加工中,工件上产生三个不断变化的表面,如图４-１所示:
(１)待加工表面:加工时工件上即将切除的工件表面;
(２)已加工表面:工件上切削后形成的表面;
(３)过渡表面:工件上切削刃正在切削的表面,并且是切削过程中不断变化着的表面.
３. 切削用量三要素　　
切削用量是切削加工中切削速度、进给量和切削深度的总称.它表示主运动及进给运动量,用于调整机床的工艺参数.
以车削为例,切削过程中切削速度vc、进给量f(或进给速度vf)和切削深度ap 称为切削用量三要素,如图４-３所示.
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(１)切削速度vc.切削速度是指切削刃选定点相对于工件主运动的瞬时速度.若主运动为工件旋转运动,切削速度为其最大的线速度.计算公式为
若主运动为往复直线运动,如刨削、插削,则以其平均速度为切削速度,其公式为:
(２)进给量f.在主运动每转一周或每一行程时,刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量,单位是mm/r(用于车削、镗削等)或mm/行程(用于刨削、磨削等).进给量表示进给运动的速度.
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(３)切削深度(背吃刀量)ap.在垂直于主运动方向和进给运动方向的工作平面内,测量的刀具切削刃与工件切削表面的接触长度.对于外圆车削(如图４-３所示),切削深度为工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离,单位mm.即
四、刀具的基本知识
切削刀具是用于将毛坯上多余的材料切除,以获得预期的几何形状、尺寸精度和表面质量要求的零件.因为零件的几何形状和加工要求各不相同,因此切削刀具也各种各样.
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课题一　金属切削机床及金属切削加工基础
其中较典型、较简单的是车刀,其他刀具的切削部分都可以看成是以车刀为基本形态演变而来,如图４-４所示.
１. 刀具切削部分的组成　　
如图４-５所示为普通外圆车刀,由刀头和刀柄两部分组成.刀头用于切削,刀柄用于装夹.刀具切削部分一般由三个面、两个切削刃和一个刀尖组成,即“三面、两刃、一尖”.
(１)三个表面.
前面(前刀面)Aγ:刀具上切屑流过的表面称为刀具的前面.
后面(主后刀面)Aα:刀具上与过渡表面相对的表面称为刀具的后面.
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课题一　金属切削机床及金属切削加工基础
副后面(副后刀面)A′α:刀具上与已加工表面相对的表面称为刀具的副后面.
(２)两个切削刃.
主切削刃S:前面和后面的交线为主切削刃.
副切削刃S′:前面和副后面的交线为副切削刃.
(３)刀尖:主切削刃和副切削刃的交点.刀尖实际上是一段短直线或圆弧.
不同类型的刀具,其刀面、切削刃的数量不完全相同.
２. 刀具静止参考系
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课题一　金属切削机床及金属切削加工基础
刀具静止参考系是刀具设计时标注、刃磨和测量的基准,用此定义的刀具角度称为刀具标注角度.
刀具角度是确定刀具切削部分几何形状的重要参数.它对切削加工影响很大,为便于度量和刃磨刀具,需要假定三个辅助平面作基准,构成刀具静止参考系,如图４-６所示.
(１)基面pr:过切削刃选定点平行或垂直于刀具上的安装面(轴线)的平面,车刀的基面可理解为平行刀具底面的平面.
(２)切削平面ps:过主切削刃选定点与主切削刃相切并垂直于基面的平面.
(３)正交平面po:过切削刃选定点同时垂直于基面与切削平面的平面.
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课题一　金属切削机床及金属切削加工基础
上述三个平面在空间是相互垂直的.
３. 车刀的几何角度　　
车刀的几何角度是在刀具静止参考系内度量的,如图４-７所示.
(１)在正交平面p０ 内测量的角度.
１)前角γ０:前面与基面在正交平面内测量的夹角.
前角反映前面对基面的倾斜程度,有正、负和零之分.若基面在前面之上为正值,基面在前面之下为负值,基面与前面重合为零度前角.前角越大,刀刃就越锋利,切削时就越省力.但前角过大,使刀刃强度降低,影响刀具寿命.其选择取决于工件材料、刀具材料和加工性质.
２)后角α０:后面与切削平面在正交平面内的投影之间的夹角.
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课题一　金属切削机床及金属切削加工基础
后角反映后面对切削平面的倾斜程度,影响后面与加工表面的摩擦程度.后角越大,摩擦越小.但后角过大,使刀刃强度降低,影响刀具寿命.
３)楔角β０:前刀面与后面在正交平面内的投影之间的夹角.
如图４-７所示,前角、后角和楔角三者之间的关系为
(２)在基面内测量的角度.
１)主偏角kr:主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角.主偏角一般为正值.
２)副偏角k′r:副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角.副偏角一般为正值.
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３)刀尖角εr:主、副切削刃在基面内的投影之间的夹角.
由图４-７可知,主偏角、副偏角和刀尖角三者之间的关系为
(３)在切削平面内测量的角度.刃倾角λs:在切削平面中测量的主切削刃与基面间的夹角,如图４-７所示.当刀尖为主切削刃上的最低点时,λs 为负值;当刀尖为主切削刃上的最高点时,λs 为正值;当主切削刃为水平时,λs 为零,如图４-８所示.
４. 刀具材料　　
刀具材料一般指刀具切削部分的材料.它的性能优劣是影响加工表面质量、切削效率、刀具寿命的重要因素.
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课题一　金属切削机床及金属切削加工基础
(１)刀具材料应具备的性能.刀具应具有高的硬度、足够的强度和韧性、高的耐磨性、高的耐热性、良好的工艺性能,除此外,刀具材料还应具有一定的工艺性能,如切削性能、磨削性能、焊接性能及热处理性能等.
(２)常用刀具材料的种类.当前使用的刀具材料分为四大类:工具钢(包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢)、硬质合金、陶瓷、超硬刀具材料.一般机加工使用最多的是高速钢和硬质合金.
高速钢又称锋钢、白钢,是含有W、Mo、Cr、V等合金元素较多的合金工具钢.硬度可达６２~６７HRC,在５５０℃~６００℃时仍能保持常温下的硬度和耐磨性,有较高的抗弯强度和冲击韧度,并易磨出锋利的切削刃,如图４-９所示.
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因此,特别适宜制造形状复杂的切削刀具,如钻头、丝锥、铣刀、拉刀、齿轮滚刀等刀具,其允许切削速度一般为vc＜３０m/min.
硬质合金.是由硬度和熔点很高的碳化物和金属通过粉末冶金工艺制成的.具有高耐磨性和高耐热性,硬度可达７４~８２HRC,能耐８５０℃~１０００℃的高温,允许使用的切削速度可达１００~３００m/min,因此得到广泛的应用,如图４-１０所示.但硬质合金抗弯强度低,冲击韧性差,一般制成各种形状的刀片焊接或夹固在刀体上,使用中很少制成整体刀具.
用于制作切削刀具的材料还有陶瓷、人造金刚石、立方氮化硼、稀土硬质合金等.
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课题一　金属切削机床及金属切削加工基础
陶瓷材料制作的刀具硬度可达９０~９５HRA;人造金刚石是目前人工制成的硬度最高的刀具材料;立方氮化硼的硬度和耐磨性仅次于人造金刚石,耐热性和化学稳定性好;在各种硬质合金刀具材料中,添加少量的稀土元素,均可有效地提高硬质合金的断裂韧性和抗弯强度.
各 种刀具材料的使用性能、工艺性能和价格不同.常用刀具材料特性见表４-３.
五、金属切削过程中的物理现象
金属切削过程是指通过切削运动,用刀具从工件上切下多余的金属层而形成切屑和已加工表面的过程.在
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在这个过程中产生切削变形,形成切屑,产生切削力、切削热与切削温度、刀具磨损等诸多现象.
１. 切屑的形成及切屑类型
(１)切屑的形成.切削时,在刀具切削刃的切割和前刀面的推挤作用下,使被切削的金属层产生变形、剪切滑移的过程称为切削过程,也是切屑形成的过程.
(２)切屑的类型.由于工件材料性质和切削条件的不同,切削过程中的滑移变形程度也就不同,因此产生了以下４种类型的切屑(见图４-１１).
１)带状切屑:它的内表面光滑,外表面呈毛茸状.
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一般在加工塑性金属材料时,因切削厚度较小,切削速度较快,刀具前角较大而形成这类切屑.
形成带状切屑的切削过程较平稳,切削力变化小,因此工件表面粗糙度较小,一旦产生连绵不断的带状切屑,会妨碍工作,容易发生事故,必须采取断屑措施.
２)挤裂切屑:它的内表面有时有裂纹,外表面呈锯齿形.这类切屑大多是在切削速度较慢,切削厚度较大,刀具前角较小时,由于切屑剪切滑移量较大,在局部地方达到了破裂而形成的.
３)单元切屑:如果挤裂切屑的整个剪切面上的剪应力超过了材料的破裂强度,那么整个单元被切离,成为梯形的单元切屑.
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４)崩碎切屑:切削脆性金属材料时,由于材料的塑性很小,抗拉强度较低,刀具切入后,近切削刃和前刀面的局部金属未经塑性变形就被挤裂或脆断,形成不规则的崩碎切屑.工件材料越硬越脆,刀具前角越小,切削厚度越大,越容易产生这类切屑.
崩碎切屑与刀具前刀面的接触长度较短,切削力、切削热集中在切削刃附近,容易使刀具磨损和崩刃.
２. 积屑瘤　　
有时在车刀前刀面的近切削刃处,牢固地粘着一小块金属,这就是积屑瘤.
(１)积屑瘤的形成.
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用中等切削速度切削钢料或其他塑性金属时,由于金属的变形和摩擦,使切屑和前刀面之间产生很大的压力和很高的温度,当温度(中碳钢约３００℃)和压力条件适当时,切屑和前刀面之间将产生很大的摩擦力(尤其当前刀面表面粗糙度较大时,摩擦力就更大).当摩擦力大于切屑内部的结合力时,切屑底层的一部分金属就“冷焊”在前刀面上的近切削刃处,形成积屑瘤(见图４-１２).
(２)积屑瘤对加工的影响.
１)保护刀具.
２)增大实际前角.
３)影响工件表面质量和尺寸精度.
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积屑瘤一般在中等切削速度(１５~３０ m/min)时,切削温度约为３００℃的粗加工时允许存在.精加工时工件的表面粗糙度和尺寸精度要求较高,必须避免产生积屑瘤,一般采用较慢切削速度(５m/min以下)或较快切削速度(７０m/min以上).
３. 切削力　　
切削力的形成,是切削加工中的基本物理现象之一.在切削加工过程中,刀具上参与切削的各切削部分所产生的合力,称为总切削力F,如图４-１３所示.
(１)总切削力的分解.
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１)主切削力FC:是切削合力沿主运动方向的分力,垂直于基面,又称切向力.
２)进给力Ff:是切削合力沿进给运动方向上的分力,在基面内,与进给方向即工件轴线方向平行,故又称进给抗力或轴向力.
３)背向力FP:是切削合力沿工作平面垂直方向上的分力,在基面内,与进给方向垂直,即通过工件直径方向,故又称径向力或吃刀抗力.因为切削力在此方向上的运动速度为零,所以FP 不做功,但会使工件弯曲变形,还会引起振动,对表面粗糙度产生不利影响.
(２)影响切削力的因素.
１)工件材料是影响切削力的主要因素.
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２)刀具角度对切削力影响最大的是前角.
３)切削用量对切削力的影响主要表现在切削深度和进给量上.
４. 切削热　　
(１)切削热的来源和传散.切削热会使工件产生热变形,影响加工精度.切削热来源于切削过程中的金属弹性、塑性变形以及摩擦产生的热.切削区域(工件、切屑、刀具三者之间的接触区)温度,称为切削温度.切削温度过高会加速刀具磨损,降低刀具使用寿命.
切 削热传散的途径:切屑带走的热量最多,如不用切削液,以中等切削速度切钢时,切削热的５０％~８６％由切屑带走;４０％~１０％传入工件;９％~３％传入刀具;１％左右传入周围空气.
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(２)影响切削热的主要因素.切削力的增大,使切削热增多;减小切削力,使切削热也减少.
切削用量增大对切削温度的影响没有切削力大.另外,材料的导热性好,有利于降低切削温度.
因此,为了有效地控制切削温度,选用大的切削深度和进给量比选用大的切削速度有利.减小主偏角,将使刀刃工作长度增加,散热条件得到改善,因而利于降低切削温度.
５. 刀具磨损　　
在切削过程中,刀刃由锋利逐渐变钝以致不能正常使用.刀具磨损到一定程度后必须及时重磨,否则会产生振动并使表面质量恶化.
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(１)刀具磨损的形式.
１)前面磨损.前面磨损是指在离主切削刃一小段距离处会形成月牙洼,故又称月牙洼磨损,如图４-１４(a)所示.其磨损程度一般以月牙洼深度KT 表示.这种磨损形式比较少见,一般是由于以较快的切削速度和较大的切削深度加工塑性金属时,形成的带状切屑滑过前面所致.
２)后面磨损.切削铸铁等脆性金属,或以较慢的切削速度和较小的切削深度切削塑性金属时,摩擦主要发生在工件过渡表面与刀具后面之间,刀具磨损也就主要发生在后面,如图４-１４(b)所示.后面磨损形成后角为零的棱面,通常用棱面的平均高度VB 表示后面的磨损程度.
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３)前、后面磨损.在粗加工或半精加工塑性金属时,以及加工带有硬皮的铸铁件时,常发生前面和后面都磨损的情况,如图４-１４(c)所示,这种磨损形式比较常见.由于后面磨损的棱面高度便于测量,故前、后面磨损程度亦用KT、VB 表示.
(２)刀具耐用度与寿命.刀具两次刃磨之间实际进行切削的总时间,称为刀具耐用度,用符号T 表示,单位是min.刀具寿命等于该刀具的刃磨次数乘以刀具耐用度.刀具耐用度要合理确定,对于比较容易制造和刃磨的刀具,耐用度应低一些;反之,应高一些.
影响刀具耐用度的因素很多,主要有工件材料、刀具材料、刀具几何角度、切削用量以及是否使用切削液等因素.
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六、提高切削效益的方法
合理选用刀具几何参数、切削用量、切削液及改善材料切削加工性能等是提高切削质量、效率和降低加工成本的重要措施.
１. 合理选用刀具角度　　
在一定的切削条件下,选用合适的刀具材料和刀具角度,才能保证良好的切削效果.刀具主要几何角度的选用原则:
(１)前角γ０ 的选择.选用前角的原则是在满足强度要求的前提下选用较大前角.硬质合金车刀合理前角参考值见表４-４.
(２)后角α０ 的选择.粗加工时,刀具所承受的切削力较大并伴有冲击,为保证刃口强度,后角应选小一些.
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精加工时,切削力较小,切削过程平稳,为减少摩擦,后角应稍大一些.硬质合金车刀合理后角参考值见表４-５.
(３)主偏角kr 的选择.主偏角的大小影响刀尖的强度、散热条件、背向力的大小等.主偏角的选取见表４-６.
(４)副偏角k′r 的选择.副偏角的主要作用是减小副切削刃与已加工表面的摩擦.减小副偏角有利于降低已加工表面的残留高度,降低已加工表面的表面粗糙度值.外圆车刀的副偏角常取k′r＝６°~１０°.粗加工时,可取得大一些;精加工时可取得小一些.为了降低已加工表面的表面粗糙度,有时还可以磨出k′r＝０的修光刃.
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(５)刃倾角λs 的选择.如图４-８所示,刃倾角影响刀尖强度,并控制切屑流动的方向.负的刃倾角使切屑流向已加工表面,正的刃倾角使切屑流向待加工表面,刃倾角为零时切屑沿垂直切削刃的方向流出.粗车一般钢料和灰铸铁时,常取λs ＝０°~－５°,以提高刀尖强度;精车时常取λs ＝０°~＋５°,以防止切屑划伤已加工表面.
２. 合理选用切削用量
切削用量三要素vc、f、ap 虽然对加工质量、刀具耐用度和生产效率均有直接影响,但影响程度却不相同,且它们之间又是互相联系、互相制约的,不可能都选择得很大.因此，就存在着一个从不同角度出发,优先将哪个要素选择得最大才合理的问题.
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３. 选用切削液　　
切削液具有冷却、润滑、清洗和防锈的作用.合理选用切削液,能减少切削过程中的摩擦,改善散热条件,从而减小切削力、切削功率、切削温度,减轻刀具磨损,并能提高已加工表面质量与生产效率.常用切削液有如下三种:
１)水溶液主要成分是水,并加入防腐剂等添加剂,冷却性能好,润滑性能差.
２)乳化液用乳化剂稀释而成,具有良好的流动性和冷却作用,也有一定的润滑作用,应用广泛.低浓度乳化液用于粗车和磨削;高浓度乳化液用于精车、钻孔和铣削.
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３)切削油主要是矿物油,少量采用动、植物油或混合油,它的润滑性能好,但冷却性能差.其主要作用是减少刀具磨损和降低工件表面粗糙度值.主要用于齿轮加工、铣削加工和攻螺纹.
４. 提高工艺系统的刚度　　
切削加工时由机床、刀具、夹具(用以装夹工件或引导刀具的装置)和工件所组成的统一体,称为工艺系统.工艺系统受切削力的作用将产生变形,从而影响工件的加工精度,因此工艺系统必须有足够的刚度.
５. 改善工件材料的加工性　　
(１)工件材料的切削加工性.
(２)改善工件材料切削加工性的方法.
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