机械制造工艺基础Word下载.docx

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它将计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数控（CNC）、精密伺服驱动、新材料等先进技术集于一体，依据计算机上构成的产品三维设计模型，对其进行分层切片．得到各层截面轮廓。

按照这些轮廓，激光束选择性地切割一层层的纸（或固化一层层的液态树脂，或烧结一层层的粉末材料），或喷射源选择性地喷射一层层的粘接剂或热熔材料等，形成一个个薄层，并逐步迭加成三维实体，见图2.1。

图2.2所示为切纸型快速成形机床工作原理示意图、由图可见机床的主要组成部分有计算机、原材料存储与送进机构、热压机构、激光切割系统、可升降工作台和数控系统等。

其中计算机的功用是接受和存储产品的三维模型，沿模型高度方向，提取一系列的横截面轮廓线，并据此发出控制指令。

原材料存储与送进机构将存储于其中的原材料（底面涂有热熔胶和填加剂的纸），按要求逐步送至工作台上方，热压机构将一层层纸粘接在一起。

激光切割系统按计算机指令提取横截面轮廓信息，逐一将位于工作台上的纸切割出轮廓线，并将纸的无轮廓区切割成小碎片，可升降工作台支承正在成形的样品或模具，并在每层成形之后，降低一层纸厚，以便送近、粘合和切割新的一层纸。

数控系统执行计算机发出的控制指令，控制纸的送进及工作台的运动，完成切割、粘接，最终形成产品。

快速原型制造技术彻底摆脱了传统的“去除”方法的束缚，它采用了全新的“增长”方法（见图2.3），并将复杂的三维加工分解为简单的一维加工的组合、快速原型制造技术的精华在于“快速”，它直接出CAD模型驱动，采用“分层制造”的方法，是对传统零件成形方法的一次革命。

虽然，目前快速原型制造方法还主要用于制造产品样品和模具，但可以预见其应用将不断扩大。

2.1.2机械加工工艺过程及其组成

采用机械加工方法直接改变毛坯的形状、尺寸、各表面间相互位置及表面质量，使之成为合格零件的过程，称为机械加工工艺过程。

它由按一定的顺序排列的若干个工序组成，而每一个工序又可细分为安装、工位、工步及走刀等。

1）工序工序是机械加工工艺过程的基本单元，是指由一个或一组工人在同一台机床或同一个工作地，对一个或同时对几个工件所连续完成的那一部分工艺过程。

工作地、工人、工件与连续作业构成了工序的四个要素，若其中任一要素发生变更，则构成了另一道工序。

一个工艺过程需要包括哪些工序，是由被加工零件的结构复杂程度、加工精度要求及生产类型所决定的，如图2.4所示的阶梯轴，因不同的生产批量，就有不同的工艺过程及工序，如表2.2与表2.3所示。

2）安装在一道工序中，工件在加工位置上至少要装夹一次，但有的工件也可能会装夹几次，工件每经一次装夹后所完成的那部分工序称为安装。

如表2.3中的第2、3及5工序,须经过两次安装才能完成其工序的全部内容。

应尽可能减少装夹次数，多次装夹就多一次安装误差，又增加了装卸辅助时间。

3）工位为减少装夹次数，常采用多工位夹具或多轴（多工位）机床，使工件在一次安装中先后经过若干个不同位置顺次进行加工。

则工件在机床上占据每一个位置所完成的那部分工序称为工位。

4）工步工步是指在加工表面不变、切削刀具不变的情况下所连续完成的那部分工序。

5）走刀有时，同一加工表面因加工余量较大，可以作几次工作进给，每次工作进给所完成的工步称为一次走刀。

2.1.3机械装配工艺过程

任何机械产品都是由零、部件组成的。

将组成机器的全部零、部件按一定的精度要求和技术条件连接与固定在一起，构成合格机械产品的过程，称为机械装配过程。

机械装配工艺过程是整个机械制造过程中的最后阶段，是决定机械产品质量的关键环节。

机械装配工作包括；

组装、部装、总装、调试、检验、试车、涂装与包装等工作。

机械装配过程由一系列的工序、工步和操作组成。

装配工序是指在一个工作地点，由一个或一组工人所连续完成的那一部分装配工作。

装配工步是装配工序的组成部分，在装配工步中，装配对象、装配工具和装配方法均不改变。

装配操作是指装配工步中各个装配动作。

制定装配工艺规程的内容包括：

选择装配方法、划分装配单元，拟订装配顺序，划分装配工序，确定各装配工序检测手段，进行装配尺寸链的计算，绘制装配工艺系统图，填写装配工艺卡、工序卡及检验卡等。

装配工艺规程是装配生产的指导性技术文件，又是制订装配生产计划、组织管理装配生产的主耍依据，也是设计装配工艺装备和装配流水线作业区的重要依据。

2.1.4生产类型及其工艺特点

1.生产纲领

企业根据市场要求和自身能力决定生产计划。

在计划期内应当生产的产品数量称为生产纲领。

计划期通常为一年，零件的年生产纲领N按下式计算：

N=Qn（1+α％+β％）（2.1）

式中：

Q--产品年产量，件／年；

n--每台产品中该零件数量，件/台；

α--备品率，％；

β--废品率，％。

2.生产类型

生产类型是指企业（或车间）生产专业化程度的分类。

主要根据产品的生产纲领，并考虑产品的体积、重量和其他特征，生产类型一般可分成：

单件小批量

生产、成批生产和大批大量生产。

目前，常规的机械制造工艺基本上是在“批量法则”之下组织生产活动的，不同问的生产类型有着不同的工艺特点，如表2.4所示。

需要指出的是，随着市场需求水的变化和先进制造技术的发展及其广泛应用，传统的生产制造方式正在发生巨大的变革，各种生产类型的工艺乙特点也在逐渐发生变化，并存在向柔性化的方向发展的总趋势。

2.2机械加工方法

2.2.1零件表面的切削加工成形方法与成形运动

1.切削加工成形方法

零件表面通常可看成是一条母线沿着另一条导线运动的轨迹。

母线与导线统称为形成表面的生线，又称生成线或成形线切削加工时，具体实现这两根生线的是刀具的削削刃与工件的相对运动，并通过此运动将工件的表面切削成形。

图2.5中，可将直线或曲线1视为母线、将绕O-O轴心旋转所形成的圆或按一定方向移动所形成的直线（或曲线）2视为导线。

需要指出的是：

①虽然母线相同，导线也相同，但若两者间原始相对位置不同，则所形成的表面也就不同，如图2.5中b及c。

②在某些情况下，母线、导线没有严格的区分，特别是对于自由曲面四（图2.5f）更是如此。

不同的加工运动、不同的切削刀刃形状，形成生线的方式不同，形成零件表面的方法也不向，可归纳为以下四种（图2.6）：

1）轨迹法工件表面的生线（母线和导线）均由轨迹运动生成。

如图2.6a所示，刀刃为切削点1，它按照一定的规律作轨迹运动3，生成母线2，工件绕自身轴线作回转运动，形成导线，最终获得回转曲面。

2）成型法工件的一条生线是通过刀刃的形状直接获得的。

如图2.6b所示，刀刃l的形状与工件的母线2相同，工件绕自身轴线作回转运动，形成导线，最终也获得回转曲面。

3）相切法工件的一条生线是刀刃运动轨迹的包络线。

如图2.6c所示，刀刃（点1）作回转运动，其回转轴线按一定规律作轨迹运动3，刀刃切削点运动轨迹的包络线形成生线2。

自由曲面的数控加工是相切法的典型例子。

4）范成法又称展成法，其工件的一条生线也是刀刃运动轨迹的包络线，且包络线需通过刀具与工件之间的范成运动来生成。

如图2.6d中，刀具刀刃的形状为一条直线，通过刀具的运动A与工件的运动B所组合而成的范成运动3，使切削刃1相对于工件的位置按确定的规律变化，形成共扼生线2，共扼生线2是切削线1的包络线，各种形式的齿轮、链轮大多数采用范成法加工。

2.切削加工成形运动

在切削和磨削加工中工件表面的形状、尺寸及相互位置关系是通过刀具相对于工件的运动形成的。

工件表面的成形运动有三种：

1）主运动直接切除工件上的切削层，以形成工件新表面的基本运动。

主运动通常是切削运动中速度最高、消耗功率最多的运动，且主运动只有一个。

主运动的速度以vc表示，称作切削速度。

2）进给运动是指不断地把切削层投入切削的运动。

它的速度较低。

进给运动可能是连续性的运动，也可能是间歇性的。

进给运动有时仅有一个，但也可能有几个。

进给运动的速度用进给量f或进给速度vf表示。

切削加工的主运动与进给运动往往是同时进行的，因此刀具切削刃上某一点与工件的相对运动应是上述两运动的合成。

其合成速度ve＝vc+vf

3）定位和调整运动使工件或刀具进入正确加工位置的运动。

如调整切削深度，工件分度等。

主运动和进给运动是实现切削加工的基本运动，可以由刀具完成，也可以由工件完成，还可以由刀具和工件共同完成。

同时，主运动和进给运动可以是直线运动（平动），也可以是回转运动（转动），还可以是平动和转动的复合运动。

正是由于上述不同运动形式和不同运动执行元件的多种组合，产生了不同的加工方法。

2.2.2典型表面加工方法

1.外圆表面加工方法

表2.5列出了一些常用的外圆表面加工方法：

表中T表示平动，R表示转动，T／R表示平动与转动的复合运动。

实线箭线表示主运动，虚线箭线表示进给运动，点画线箭线表示调整运动。

1）车削外圆表面加工中，车削应用最为广泛通常，工件通过夹具安装在车床主轴上，并与车床主轴一起转动，形成主运动。

刀具安装在刀架上，与纵溜板一起作平行于主轴回转轴线的直线进给运动，形成圆柱面；

或作与主轴回转轴线成一定角度的直线进给运动，形成圆锥面；

或沿靠模曲线运动，形成回转曲面。

2）成形车削用成形车刀车削外圆通常采用径向进纶方式，少数也有采用切向进给方式的。

成形车削多用于自动车床上的小件加工。

3）旋转拉削工件旋转，拉刀沿切向作直线进给运动，完成外圆加工。

旋转拉削是一种高生产率的加工方式，适用于大批量生产。

4）研磨工件回转，研具沿工件轴向作往复直线进给运动。

研磨属零件表面光整加工，材料去除量很小。

5）铣削外圆刀具与工件均作回转运动（刀具运动为主运动，工件运动为进给运动），可用于加工长度较短、具有不完整圆柱形的表面。

6）成形外圆磨（横磨）运动形式与铣削外圆相同，多用于长度较短或不完整圆柱形表面的精加工。

7）普通外圆磨砂轮回转运动为主运动．工件进给运动包括转动和移动。

多用于黑色金属、特别是淬硬钢外圆表面的精加工。

8）无心磨工件放在砂轮和导轮之间，砂轮高速回转进行磨削，导轮低速回转．带动工件旋转并作轴间移动，实现进给运动。

无心磨生产率高，适用于大批量生产。

9）车铣加工这是一种新的加工方法。

加工偏心零件外圆表面时，由于零件不能高速旋转，采用车削方法无法充分发挥刀具的潜力。

此时若采用端铣刀铣外圆，不仅可以获得高的切削效率，且可保证可靠的断屑。

车铣时，端铣刀与工件互相垂直布置：

通过改变工件转速、轴向进给和切深，可在工件上车铣出不同的形状。

由于其运动模型较复杂，需采用计算机进行数据处理和加工过程仿真。

10）滚压加工通过自由旋转的碾子对工件表面均匀施加压力，使被滚压表面得到强化，并形成表面残余压应力，表面粗糙度也得到减小。

滚压加工还常用来成形表面花纹。

2.内圆表面加上方法

表2.6列出了几种常用的内圆表面加工方法

1）钻孔通常用于在实心材料上加工直径Φ0.5--Φ50mm的孔。

钻孔加工有不同的运动形式：

在钻床或镗床上加工，主运动和进给运动均由刀具完成；

在车床上钻孔，主运动由工件完成，进给运动由刀具完成；

在组合机床上加工时，刀具完成主运动，进结运动或由工件完成，或由刀具完成。

钻孔刀具有麻花钻、扁钻、深孔钻及中心钻等。

2）扩、铰孔扩、铰孔是孔加工的中间或终结工序，其成形运动与钻孔相似。

3）镗孔一般刀具的回转运动为主运动，刀具或工件的作直线进给运动。

镗孔加工可在镗床上进行，也可在车床、铣床、组合机床或加工中心上进行。

4）拉孔利用多刃刀具，通过刀具相对于工件的直线运动完成加工工作。

可以拉圆柱孔、花键孔、成形孔等，是一种高生产率的加工方法，多用于大批量生产。

5）挤孔可以用挤刀挤孔，也可以用钢球挤孔。

挤孔在获得尺才精度的同时，可使孔壁硬化，使被加工孔表面粗糙度降低。

6）磨孔是高精度、淬硬内孔的主要加工方法，其基本加工方式有内圆磨削、无心磨削和行星磨削。

3.平面加工

平面加工方法有刨、铣、磨、车、研等、见表2.7。

1）刨平面对于牛头刨床，刨刀的直线运动为主运动，进给运动通常由工件完成。

对于龙门刨床，工件的直线往复运动为主运动，进结运动通常由刀具完成。

目前，牛头刨床已逐渐被各种铣床所代替，但龙门刨床仍广泛用于大件的平面加工。

宽刃精刨工艺在一定条件下可代替磨削或刮研工作。

2）插削是内孔键槽的常用加工方法，其主运动通常为插刀的直线运动。

3）铣平面有周铣和端铣两种形式。

端铣刀由于刀盘转速高，刀杆刚性好，可进行高速铣削和强力铣削。

4）磨削平面也可以分圆周磨和端面磨两大类。

圆周磨由于砂轮与工件接触面积小，磨削区散热排屑条件好，加工精度较高；

端面磨允许采用较大的磨削用量，可获得高的加工效率，但加工精度不如圆周磨。

平面磨削一般作为精加工工序，安排在粗加工之后进行。

由于缓进给磨削的发展，毛坯也可直接磨削成成品。

5）车（镗）平面在车床上车平面时，工件的回转运动是主运动，刀具作垂直于主轴回转轴线的进给运动：

镗平面时，主运动和进给运动均由刀具来完成。

6）拉平面平面拉刀相对于工件作直线运动，实现拉削加工效率的加工方法，适用于大批量生产。

4.螺纹加工

表2.8列出了儿种常用的螺纹加工方法。

1）车螺纹螺纹车刀结构简单，通用性好，可用于加工各种尺寸、形状和精度的内外螺纹。

但加工效率较低，多用于单件小批生产。

2）攻螺纹和套螺纹用丝锥攻螺纹和用板牙套螺纹常用于加工精度要求不高的标难内、外螺纹。

3）盘形铣刀铣螺纹主要用于加工大螺距的梯形螺纹及蜗杆。

4）梳形铣刀铣螺纹梳形螺纹铣刀相当于若干把盘形铣刀的组合，一般在专用的螺纹铣床上加工短而螺距不大的内、外螺纹。

5）旋风铣螺纹利用装在特殊旋转刀盘上的硬质合金刀头进行内、外螺纹的高速铣削。

是一种高效率的加工方法。

6）磨螺纹是一种高精度的螺纹加工方法，主要用于加工外螺纹。

7）滚压螺纹是一种高效率的螺纹加工方法，它利用压力加工方法使金属材料产生塑件变形以形成螺纹，所用工具有滚丝轮和搓丝板。

5.齿形加工方法

齿形有多种形式，其中以渐开线齿形最为常见。

渐开线齿形常用的加工力法有两大类，即成形法和展成法，见表2.9。

1）铣齿采用盘形模数铣刀或指状铣刀铣齿属于成形法加工，铣刀刀齿截面形状与齿轮齿间形状相对应。

此种方法加工效率和加工精度均较低，仅适用于单件小批生产。

2）成形磨齿也属于成形法加工，因砂轮不易修整，使用很少。

3）滚齿属于展成法加工，其工作原理相当于一对螺旋齿轮啮合。

齿轮滚刀的原型是一个螺旋角很大的螺旋齿轮，因齿数很少（通常齿数z＝1），牙齿很长，绕在轴上形成一个螺旋升角很小的蜗杆，再经过开槽和铲齿，便成为了具有切削刃和后角的滚刀。

4）剃齿在大批量生产中剃齿是非淬硬齿面常用的精加工方法。

其工作原理是利用剃齿刀与被加工齿轮作自由啮合运动，借助于两者之间的相对滑移，从齿面上剃下很细的切屑，以提高齿面的精度、剃齿还可形成鼓形齿，用以改善齿面接触区位置。

5）插齿插齿是除滚齿以外常用的一种利用展成法的切齿工艺。

插齿时，插齿刀与工件相当于一对圆柱齿轮的啮合，插齿刀的往复运动是插齿的主运动，而插齿刀与工件按一定比例关系所作的圆周运动是插齿的进给运动。

6）展成法磨齿展成法磨齿的切削运动与滚齿相似，是一种齿形精加上方法，特别是对于淬硬齿轮，往往是唯一的相加工方法。

展成法磨齿可以来用蜗杆砂轮磨削，也可以采用链形砂轮线碟形砂轮磨削。

2.2.3切削用量与切削层截面参数

1.切削用量

切削用量包括：

切削速度vc，进给量f（或进给速度vf）和背吃刀量（或切削深度）ap。

1）切削速度vc主运动速度即为切削速度。

当主运动为旋转运动时，刀具或工件以最大直径处的切削速度来计算，如下式：

（2.2）

n--主运动转速，r／s;

d--刀具或工件的最大直径，mm。

若主运动为往复运动时，其平均速度为

（2.3）

式中:

L--往复运动行程长度，mm；

n--主运动每秒钟往复次数，str／s。

2）进给量f进给量f是指工件或刀具每转一周时（或主运动一循环时），两者沿进给方向上相对移动的距离，其单位为mm/r。

车削时，工件转速n、进给速度vf与进给量f间有下列的关系：

vf=nfmm/s（2.4）

3）背吃刀量ap背吃刀量ap是指主刀刃与工件切削表面接触长度,在主运动方向及进给运动方向所组成的平面的法线方向上测量的值。

对于外圆车削，如图2.7所示，背吃刀量可出下式计算：

（2.5）

dw--待加工表面直径,mm；

dm--已加上表面直径,mm。

2.切削层截面参数

在主运动和进结运动作用下、工件上将有一层多余的材料被切除，这层多余的材料称为切削层。

切削层在垂直于主运动方向上的断面称为切削层截面。

切削层截面对研究切削过程机理具有重要的意义。

图2.7所示为纵车外圆的情况，进给量f和背吃刀量ap是切削层截面上的两个工艺参数。

为了进一步分析切削过程,尚需掌握另外两个物理参数：

切削厚度hD和切削宽度bD。

称它们为切削层截面参数。

1）切削厚度hD切削厚度即切削层的厚度，它是垂直于切削刃的方向上度量的切削层截面的尺寸。

hD的大小能反映切削刃单位长度上工作负荷的大小。

由图可知：

（2.6）

2）切削宽度bD切削宽度即切削层的宽度，它是沿切削刃方向度量的切削层截面的尺寸。

bD的大小影响刀具的散热情况。

由图可得：

（2.7）

公式（2.6）及（2.7）建立了切削层截面的工艺参数与物理参数的换算关系。

式中kr为车刀主偏角。

当工艺参数进给量f与背吃刀量ap确定后，主偏角kr越大，则切削厚度hD也越大hD但切削宽度bD却越小。

显然，当kr＝90°

时：

hD＝f，bD＝ap。

2.3基准与装夹

在机械加工时，工件在机床上或者夹具中装夹好以后才能进行加工。

装夹应做到定位并夹紧。

为了使工件的待加工表面加工后获得尺寸、位置精度要求，必须使工件在机床上或夹具中占有某一个正确的位置，即为定位；

在加工过程中,工件在各种力的作用下应当保持定位后的正确位置不变动，这就需要夹紧的操作。

装夹是否正确、稳固、合理、方便，对加工质量、生产率和经济性均有较大的影响，必须认真对待和处理。

工件装夹时又必须依赖于相关的基准。

基准的概念无论在设计时还是在制造过程中都是十分重要的。

2.3.1基准

工件是个几何形体，它由一些几何元素（如点、线及面）所构成。

工件上任何一个点、线、面的位置总是要用它与另外一些点、线、面的相互关系（如尺寸距离、平行度、垂直度、同轴度等）来确定。

将用来确定加工对象上几何要素间的几何关系所依据的那些点、线、面称为基准。

按照其作用的不同，基准可分为设计基准和工艺基准两大类。

1.设计基准

在设计图样上所采用的基准称为设计基准：

如图2.8所示的箱体零件，顶面B的设计基准为底面A（尺寸H）；

孔I的设计基准为底面A与角尺面C（尺寸X1、Y1）；

孔Ⅱ的设计基准为底面A孔I的中心（尺寸Y2、R1）；

孔Ⅲ的设计基准为孔I与孔Ⅱ的中心（尺寸R2、R3）。

设计人员是从零件的工作性能耍求出发而确定设计基准的。

图2.8中孔I与孔Ⅱ、孔Ⅲ之间，孔Ⅱ与孔Ⅲ之间均有齿轮啮合传动关系。

为保证齿侧啮合间隙量，孔Ⅱ采用了孔I中心作设计基难，孔Ⅲ采用了孔I与孔Ⅱ的中心作为的设计基准。

2.工艺基准

工艺基准是指在工艺过程中所采用的基准。

又可分为:

工序基准、定位基准、测量基准与装配基准。

（1）工序基准

工序基准是在工序图上用来确定本道工序所加工的表面加工后位置尺寸和位置关系的基准。

工序基准的选择应主要考虑如下两个方面的问题：

①尽可能用设计基准作工序基准。

当采用设计基准为工序基准有困难时，可另选工序基准，但必须可靠地保证零件的设计尺寸和技术要求。

②所选工序基准应尽可能用于工件的定位和工序尺寸的检查。

（2）定位基准

定位基准是加工中用作定位的基准。

定位基准可进一步分为粗基准、精基准和附加基准。

使用未经机械加工的表面作定位基准,称为粗基准；

使用已经机械加工的表面作定位基准、称为精基准。

面仅仅是为了机械加工工艺需要设计的定位基准，称为附加基准。

例如，轴类零件常用的顶尖孔，某些箱体零件加工所用的工艺孔，支架类零件用到的工艺凸台等都属于附加基准。

（3）测量基准

零件测量时所采用的基准，称为测量基准。

（4）装配基服

装配时用来确定零件或部件在机器中的相对位置所采用基准，称为装配基准。

装配基准一般与零件的主要设计基准相一致。

另外，需注意以下几点：

①作为基准的点、线、面在工件上不一定都具体存在，而常常是由某些具体的表面来体现的，所以基准又可说成基面。

②作为基准，可以视作纯几何意义上的点