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《机械制造技术基础》

《机械制造技术基础》学习指导

（倪小丹,杨继荣等.机械制造技术基础.北京:

清华大学出版社）

第一部分基础知识

第一章机械制造技术概论

一、机械加工基本概念

1．工件表面成形原理：

所有机械零件的表面，都是由一些基本几何表面形成的（如平面、圆柱面、圆锥面等），而这些基本几何表面都属于“线性表面”，即由一条母线沿着另一条导线运动而形成。

母线和导线统称为发生线。

2．工件表面成形方法：

要使工件表面成形，需要借助于一定形状的刀具切削刃以及刀具与工件之间的相对运动来形成两条发生线。

在机床上形成发生线的方法有四种：

轨迹法、成形法、相切法、展成法

3．成形运动

（1）直接参与表面的成形过程、使其在工件上形成几何表面的刀具与工件之间的相对运动称为成形运动

（2）分类：

按其作用不同，成形运动分为主运动和进给运动两种；按其组成不同，成形运动分为简单成形运动和复合成形运动。

4．切削用量三要素：

切削速度、进给量、背吃刀量（俗称切削深度）

二、机械加工工艺系统

1．工艺系统和工艺装备

（1）工艺系统：

由机床、夹具、刀具和工件组成的系统称为工艺系统

（2）工艺装备：

在机械加工中使用的各种机床、夹具、刀具、量具和辅助工具统称为工艺装备，简称“工装”。

按其使用范围可将工装划分为“通用工装”和“专用工装”两大类。

注意：

制造行业通常将机床设备不包含在工艺装备之中（参考教材P8和P127）。

参考：

JB/T9167.2-1998工艺装备设计管理导则工艺装备设计选择规则术语：

“产品制造过程中所使用的各种工具总体，包括刀具、夹具、模具、量具、检具、辅具、钳工工具和工位器具”

2．机床分类及型号

（1）划分原则：

按照类（12类）——组（每类10组）——系（每组10系）划分

（2）机床型号：

类代号——组代号——系代号——主参数或设计顺序号

3．机床的传动原理

（1）机床传动链：

组成传动联系的一系列传动件称为传动链

（2）机床应具备的三个基本部分：

执行件、运动源、传动装置

（3）定比传动装置和换置机构、内联系传动链和外联系传动链

4．典型机床工艺范围：

在机床上可以完成的工序种类、能够加工的零件类型、使用的刀具、所能达到的加工精度和表面粗糙度、适用的生产规模等称为机床的工艺范围，如车削、铣削、钻削、刨削、镗削、磨削等都有自己的工艺范围。

5．刀具常用材料：

高速钢（如W18Cr4V）、硬质合金（YG类、YT类、YW类、YN类）、超硬刀具材料（陶瓷、人造金刚石、立方氮化硼）。

6．刀具几何角度

（1）三面两刃一刀尖：

前刀面、后刀面、副后刀面、主切削刃、副切削刃、刀尖

（2）正交平面参考系：

基面Pr、切削平面PS、正交平面Pa

（3）五个基本角度：

前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角

（4）刀具几何角度（标注角度）与工作角度（实际角度）的区别

例如：

纵向进给和横向进给的影响、刀具安装高低的影响等。

7．刀具种类及选用

（1）车刀（焊接车刀、可转位车刀、成形车刀）

（2）孔加工刀具（麻花钻、扩孔钻、铰刀、镗刀）

（3）拉刀：

高精度和高生产率多齿刀具，用于大批量生产

（4）铣刀（圆柱铣刀、三面刃铣刀、立铣刀、键槽铣刀等）

（5）齿轮刀具（盘状齿轮铣刀、指状齿轮铣刀、齿轮滚刀、插齿刀、剃齿刀）

8．砂轮

（1）磨料、结合剂、气孔三者构成了砂轮三要素

（2）砂轮的特性主要由磨料、粒度、结合剂、硬度和组织5个参数决定。

9．夹具组成、作用与分类

（1）夹具组成：

由定位元件、夹紧装置、对刀及导向装置、夹具体以及其它元件或装置所组成

其中，定位元件、夹紧装置和夹具体是不可缺少的。

（2）夹具作用：

一是容易地、稳定地保证加工精度；二是提高劳动生产率；三是扩大机床工艺范围；四是改善劳动条件。

（3）夹具分类：

按照应用范围（通用夹具、专用夹具、组合夹具等）、夹具动力源（手动夹具、气动夹具、液压夹具、电动夹具、磁力夹具等）、使用机床（车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、磨床夹具等）来划分。

三、基准

1．基准概念：

确定零件上点、线、面位置所依据的那些点、线、面称之为基准。

2．基准分类：

3．设计基准：

在产品或零件图上使用的基准

4．工艺基准（制造基准）：

在加工和装配等工艺过程中使用的基准

5．工序基准：

在工序图上使用的基准（即在工序图上用来规定所加工表面加工后的尺寸、形状、位置的基准）

6．定位基准：

工件在机床或夹具中占有正确位置时所使用的基准。

四、六点定位定则

1．定位：

工件在机床或夹具中占有正确位置的过程称为定位。

2．夹紧：

工件定位后，使其在加工过程中始终保持位置不变的操作。

注意：

定位与夹紧的区别。

①定位是指一批工件在夹紧前要占有一致的、正确的位置。

而夹紧在任何位置均可被夹紧，并不保证一批工件在夹具中的一致位置；②定位必须使工件与定位元件保持接触，这样才能限制工件的自由度，而夹紧是保证在整个加工过程中的工件位置始终不发生改变。

3．装夹：

工件在机床或夹具中定位、夹紧的过程

4．工件定位方式：

直接找正定位、划线找正定位、使用夹具定位

5．六点定则：

按照一定要求合理布置夹具上的六个定位点，使工件在夹具中的位置完全确定的方法称为六点定则。

（注意完全定位与不完全定位、过定位与欠定位的区别）

五、获得加工精度的方法

1．获得尺寸精度的方法：

试切法、调整法、定尺寸刀具法、自动控制法

2．获得形状精度的方法：

轨迹法、成形法、展成法

3．获得位置精度的方法：

直接找正装夹、划线找正装夹、夹具装夹

第二章金属切削基本原理

一、金属切削过程

1．基本概念：

将工件上多余的金属层，通过切削加工被刀具切除而形成切屑的过程称为金属切削过程。

在此过程中将产生一系列现象，如形成切屑、切削力、切削热、刀具磨损等。

2．切削层参数：

切削层公称厚度hD、切削层公称宽度bD、切削层公称横截面积AD

3．切削变形本质：

金属材料受外力挤压时，其材料内部产生弹性变形，并在大约与受力方向成45°的斜截面内剪应力为最大。

当剪应力达到材料屈服极限时，剪切变形进入塑性流动阶段，材料内部沿着剪切面发生相对滑移，使材料被压扁（塑性材料）或者被剪断（脆性材料）。

4．切屑的形成与三个变形区：

（1）切屑形成过程：

被切削层金属在刀具切削刃和前刀面作用下，因受挤压而产生剪切滑移变形的过程（当刀具与工件开始接触的最初瞬间，工件内部产生弹性变形。

随着切削运动的继续，切削刃对工件材料挤压作用加强，使金属材料内部的应力和应变逐渐增大。

当材料内部的应力达到屈服极限时，被切削的金属层开始沿着剪应力最大的方向滑移，从而产生塑性变形，并沿着前刀面流出）。

（2）三个变形区：

第一变形区：

剪切面金属的剪切滑移变形，发生在约45°C的剪切面内，从OA到OM，厚度约0.02~0.2mm宽。

第二变形区：

前刀面金属的挤压摩擦变形，发生在刀具前刀面与切屑底层之间。

第三变形区：

后刀面金属的挤压摩擦变形，发生在刀具后刀面与已加工表面之间。

5．切屑类型：

带状切屑、挤裂切屑（节状切屑）、单元切屑（粒状切屑）、崩碎切屑

二、前刀面上的摩擦与积屑瘤

1．前刀面上的摩擦：

切屑在流经刀具前面时，在高温高压的作用下产生剧烈的摩擦，致使刀具前刀面与切屑底层接触区形成了粘结区和滑移区两部分。

粘结区的摩擦为内摩擦（金属内部产生剪切滑移），滑移区的摩擦为外摩擦（金属外部（即切屑底面）与前刀面产生滑动磨擦）。

2．积屑瘤

（1）积屑瘤的形成：

在切削塑性材料、切削速度为20m/min左右时，由于刀屑接触区的粘结摩擦和滞流作用，当前刀面上的温度和压力适宜时，使切屑底层金属粘结在前刀面的刃口附近而形成硬度很高的楔块，这个硬块就称为积屑瘤。

积屑瘤的硬度可达工件材料硬度的2~3.5倍。

（2）积屑瘤的影响：

增大前角、影响尺寸精度、增大表面粗糙度值、减小刀具磨损

三、已加工表面的形成过程

1．表面形成过程：

由于刀具切削刃的刃口实际上无法磨得绝对锋利，总是存在刃口圆弧，所以在切削时，刃口对切削层既有切削作用又有挤压作用，使得刃口前区的金属内部产生复杂的塑性变形。

这层金属被刃口圆弧挤压后，还继续受到后刀面的摩擦，使变形更加剧烈，最后形成已加工表面层。

2．加工硬化：

经切削产生的变形使得已加工表面层的金属晶格产生扭曲、挤压和碎裂造成已加工表面的硬度增高，这种现象称为加工硬化（冷硬）。

3．鳞刺：

在较低切削速度切削塑性材料时，有时会在已加工表面上产生一种鳞片状毛刺，这就是鳞刺，对表面粗糙度的影响严重。

四、切削力

1．切削力的来源：

一是在加工过程中，使切削层产生弹性变形和塑性变形的切削抗力作用在刀具上；二是前刀面与切屑间、后刀面与已加工表面间的摩擦力作用在刀具上。

2．切削力分解：

切削力（切向力）、背向力（径向力）、进给力（轴向力）

3．影响切削力因素：

工件材料、切削用量、刀具几何参数、刀具磨损、切削液

五、切削热与切削温度

1．切削热的来源：

切削层金属发生弹性和塑性变形所消耗的能量98%以上转换成热能、前刀面与切屑之间的摩擦产生的热量、后刀面与工件之间的摩擦产生的热量。

2．切削温度：

一般指切屑与前刀面接触区域的平均温度

3．影响切削温度的因素：

切削用量、刀具几何参数、刀具磨损、工件材料、切削液

4．切削液

（1）作用：

冷却作用、润滑作用、清洗作用、防锈作用

（2）种类：

水溶液、乳化液、切削油

六、刀具磨损与刀具耐用度

1．刀具磨损形态：

前刀面磨损、后刀面磨损、前后刀面同时磨损

2．刀具磨损原因：

磨料磨损（硬质点磨损）、粘结磨损（冷焊磨损）、扩散磨损、氧化磨损

3．刀具磨损过程：

初期磨损阶段、正常磨损阶段、急剧磨损阶段

4．刀具耐用度：

刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止的切削时间

七、磨削机理

1．磨削过程：

磨削是利用砂轮上无数个微小磨粒的微切削刃对工件表面进行的切削加工

2．磨削的三个阶段：

滑擦阶段、刻划阶段、切削阶段

3．磨削特点：

能加工高硬度材料、能获得较高的加工精度和较细的表面粗糙度、磨削速度高、磨削温度高、磨削余量小、磨削工艺范围广

4．磨削温度：

磨粒磨削点温度（可达1000℃）、磨削区温度（500~800℃）

5．磨削方法

（1）按磨削表面形状：

外圆面磨削、内圆面磨削、平面磨削、成形磨削

（2）按磨削装夹方式：

中心磨削（以工件轴心为定位基准）、平面磨削（以工件平面为定位基准）、无心磨削（以工件外圆面为定位基准）

（3）按磨削送进方式：

纵磨（贯穿磨）、横磨（切入磨）

（4）按磨削加工精度：

普通磨削、高精度磨削（包括精密磨削、超精密磨削、镜面磨削）

（5）按磨削生产率：

一般磨削、高速磨削、强力磨削、砂带磨削

第三章工艺规程设计

一、工艺过程基本概念

1．生产过程和工艺过程

（1）生产过程：

机械产品的生产过程是将原材料或半成品转变为产品的全过程。

（2）工艺过程：

在生产过程中直接改变生产对象的形状、尺寸、性能以及相对位置关系的过程。

（3）机械加工工艺过程：

采用各种机械加工方法，使零件从毛坯变为成品的工艺过程。

（4）机械加工工艺规程：

规定产品或零部件机械加工工艺过程的工艺文件。

（5）机械加工工艺路线：

仅列出主要工序名称及其加工顺序的简略工艺过程。

2．工艺过程的组成

工序、安装、工位、工步、走刀

3．生产类型及其工艺特点

生产纲领（年产量）、生产类型、工艺特征

4．经济加工精度

在正常生产条件下（采用符合质量标准的设备、工艺装备和标准技术等级的工人，合理的工时定额），所能保证的加工精度。

二、毛坯的选择

1．毛坯的种类：

铸件、锻件、型材、焊接件、冲压件、冷挤压件、粉末冶金

2．毛坯制造方法：

铸造、锻造、焊接、冲压、烧结

3．毛坯的选择原则：

零件材料、零件结构、外形尺寸、生产类型、生产条件

三、定位基准选择

1．精基准选择：

基准重合原则、基准统一原则、自为基准原则、互为基准原则、便于装夹