机械加工技术教案.docx

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机械加工技术教案

教学课程：

绪论

教学目的：

1.了解课程的性质和内容

2.了解机械制造技术的发展现状

3.了解先进制造技术及其发展方向

4.了解课程的目的和要求

教学重点：

1.了解课程的性质和内容

2.了解课程的目的和要求

教学过程：

讲授新课：

一、本课程的性质和内容

本课程所讲的机械制造技术主要是指机械冷加工技术和机械装配技术。

内容包括：

（1）掌握金属切削过程的基本规律和机械加工的基本知识。

合理选择机械加工方法与机床、刀具、夹具及切削加工参数，并初步具备制订机械加工工艺规程的能力。

（2）掌握机械加工精度和表面质量的基本理论和基本知识。

初步具备分析和解决现场工艺问题的能力。

二、机械制造技术的发展现状

我国的制造业得到长足发展，但还存在阶段性的差距。

1.数控机床在我国机械制造领域的普及率不高。

2.国产先进数控设备的市场占有率较低。

3.数控刀具、数控检测系统等数控机床的配套设备不能适应技术发展的需要。

4.机械制造行业的制造精度、生产效率、整体效益等都不能满足市场经济发展的要求。

三、先进制造技术的及其发展方向

先进制造技术是传统制造业不断吸收机械、电子、信息、材料及现代管理等方面的最新成果，将其综合应用于制造的全过程以实现优质、高效、低消耗、敏捷及无污染生产的前沿制造技术的总称。

先进制造技术的主要发展趋势

（1）制造技术向自动化、集成化和智能化的方向发展（CNC）机床、加工中心（MC）、柔性制造系统（FMS）以及计算机集成制造系统（CIMS）等自动化制造设备或系统的发展适应了多品种、小批量的生产方式，它们将进一步向柔性化、对市场快速响应以及智能化的方向发展，敏捷制造设备将会问世，以机器人为基础的可重组加工或装配系统将诞生，智能制造单元也可望在生产中发挥作用。

加速产品开发过程的CAD／CAM一体化技术、快速成形（RP）技术、并行工程（CE）和虚拟制造（VM）将会得到广泛的应用。

（2）制造技术向高精度方向发展

21世纪的超精密加工将向分子级、原子级精度推进，采用一般的精密加工也可以稳定地获得亚微米级的精度。

精密成形技术与磨削加工相结合，有可能覆盖大部分零件的加工。

以微细加工为主要手段的微型机电系统技术将广泛应用于生物医学、航空航天、军事、农业、家庭等领域，而成为下世纪最重要的先进制造技术前沿之一。

（3）综合考虑社会、环境要求及节约资源的可持续发展的制造技术将越来越受到重视。

绿色产品、绿色包装、绿色制造过程将在下个世纪普及。

四、学习本课程的目的和要求

通过本课程的学习，使学生掌握机械制造技术的基本加工技术和基本理论，再通过后续课程的学习，进一步掌握先进制造技术的有关知识，从而为将来胜任不同职业和不同岗位上的专业技术工作、掌握先进制造技术手段应用、具备突出的工程实践能力奠定良好的基础。

1.掌握机械制造过程中工艺系统、表面成形和切削加工的基本理论；掌握常用加工方法及其工艺装备的基本知识和基本理论；了解现代制造技术的知识、应用及发展。

2.掌握常用加工方法的综合应用、机械加工工艺、装配工艺设计的方法，初步掌握工艺装备选用和夹具设计的方法。

3.初步具备解决机械制造过程中工艺技术问题的能力和产品质量控制的能力。

教学后记：

激发学习兴趣，提高学习质量

教学课程：

机械加工的基本概念

教学目的：

1.了解机械加工的概念及分类

2.理解机械制产品生产过程

3.掌握机械加工工艺过程的组成

4.理解生产纲领和生产类型

教学重点：

1.机械加工工艺过程的组成

2.生产类型

教学难点：

机械加工工艺过程的组成

教学过程：

讲授新课：

机械加工是一种用加工机械对工件的外形尺寸或性能进行改变的过程。

按被加工的工件处于的温度状态﹐分为冷加工和热加工。

一般在常温下加工，并且不引起工件的化学或物相变化﹐称冷加工。

一般在高于或低于常温状态的加工﹐会引起工件的化学或物相变化﹐称热加工。

冷加工按加工方式的差别可分为切削加工和压力加工。

热加工常见有热处理﹐煅造﹐铸造和焊接。

一、机械产品生产过程和机械加工工艺过程

1.机械产品生产过程

生产过程是指从原材料（或半成品）制成产品的全部过程。

对机器生产而言包括原材料的运输和保存，生产的准备，毛坯的制造，零件的加工和热处理，产品的装配、及调试，油漆和包装等内容。

生产过程的内容十分广泛，现代企业用系统工程学的原理和方法组织生产和指导生产，将生产过程看成是一个具有输入和输出的生产系统。

能使企业的管理科学化，使企业更具应变力和竞争力。

2.机械加工工艺过程

在生产过程中，直接改变原材料（或毛坯）形状、尺寸和性能，使之变为成品的过程，称为工艺过程。

它是生产过程的主要部分。

例如毛坯的铸造、锻造和焊接；改变材料性能的热处理；零件的机械加工等，都属于工艺过程。

机械加工工艺过程是机械产品生产过程的一部分。

二、机械加工工艺过程的组成

零件的机械加工工艺过程由许多工序组合而成，每个工序又可分为若干个安装、工位、工步和走刀。

（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1-36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1-4与表1-5所列。

图1-36阶梯轴

表1-4单件生产阶梯轴的工艺过程表1-5大批量生产阶梯轴的工艺过程

（2）安装

工件每经一次装夹后所完成的那部分工序。

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。

如表1-5中的第2、3及5工序，须调头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，多一次装夹就多一次安装误差，又增加了装卸辅助时间。

（3）工位

工件在机床上占据每一个位置所完成的那部分工序。

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。

（4）工步

工步是加工表面、切削刀具和切削用量（仅指主轴转速和进给量）都不变的情况下所完成的那一部分工艺过程。

变化其中的一个就是另一个工步。

如图1-37所示车削阶梯轴Ф85mm外圆面为第一工步，车削Ф65mm外圆面为第二工步。

这是因为加工的表面变了。

有时为了提高生产率，把几个待加工表面用几把刀具同时加工，这也可看作一个工步，称为复合工步，如图1-38所示。

图1-37车削阶梯轴图1-38复合工步

（5）走刀

在一个工步中，如果要切掉的金属层很厚，可分几次切削，每切削一次就称为一次走刀。

如图1-37所示车削阶梯轴的第二工步中，就包含了两次走刀。

三、生产纲领和生产类型

（1）生产纲领

生产纲领是指包括备品和废品在内的该产品的年产量。

零件在计划期为一年的生产纲领N可按下式计算

式中：

N—零件的年产量（件/年）；

Q—产品的年产量（台/年）；

n—每台产品中该零件的数量（件/台）；

α、β—备品率（%）和废品率（%）。

当零件的生产纲领确定后，还要根据车间的情况按一定期限分批投产，每批投产的数量，称为生产批量。

（2）生产类型

根据生产纲领的大小和产品品种的多少，机械制造企业的生产可分为单件生产、成批生产和大量生产三种生产类型。

1）单件生产：

产品的种类多而同一产品的产量很小，工件地点的加工对象完全不重复或很少重复，

例如重型机器、专用设备或新产品试制都属于单件生产。

2）成批生产：

工作地点的加工对象，周期性地进行轮换。

普通机床、纺织机械等的制造等多属此种生产类型。

按照批量的大小，成批生产又可分为小批生产、中批生产和大批生产三种类型。

3）大量生产：

产品数量很大，大多数工作地点长期进行某一零件的某一道工序的加工。

如汽车、轴承、自行车等的制造多属此种生产类型。

生产类型取决于产品（零件）的年产量、尺寸大小及复杂程度。

表1-6列出了各种生产类型的生产纲领及工艺特点。

表1-6各种生产类型的生产纲领及工艺特点单位：

件

课后作业：

1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6

教学课程：

工件的定位基准

教学目的：

1.理解基准的定义

2.掌握基准的分类

教学重点：

基准的分类

教学难点：

基准的分类

教学过程：

复习提问：

1.何谓机械加工它分为哪两类

2.什么是机械产品的生产过程，它包括哪些内容

3.何谓生产类型，分为哪几类，各有何特点

4.什么是工序、安装、工位、工步和走刀

讲授新课：

零件是由若干几何表面组成的，这些表面之间有一定的相互位置和距离尺寸的要求。

因此，在加工过程中必须相应的以某个或某几个表面为依据来加工其他表面，以保证图样上所规定的要求。

一、基准的定义

基准是确定零件上某一个点、线、面的位置时所依据的那些点、线、面。

二、基准的分类

根据其作用的不同，基准可分为设计基准和工艺基准两大类，前者用于产品零件的设计图上，后者用于机械制造的工艺过程中。

1．设计基准

在零件图上用以确定其它点、线、面位置的基准，称为设计基准。

2．工艺基准

零件在加工和装配过程中所使用的基准，称为工艺基准。

工艺基准按用途不同又分为装配基准、测量基准及定位基准。

（1）装配基准

装配时用以确定零件在部件或产品中的位置的基准，称为装配基准。

（2）测量基准

用以检验已加工表面的尺寸及位置的基准，称为测量基准。

（3）定位基准

加工时工件定位所用的基准，称为定位基准。

作为定位基准的表面（或线、点），在第一道工序中只能选择未加工的毛坯表面，这种定位表面称粗基准.

在以后的各个工序中就可采用已加工表面作为定位基准，这种定位表面称精基准。

（4）工序基准

工序图上用来标注本工序加工的尺寸和形位公差的基准。

就其实质来说，与设计基准有相似之处，只不过是工序图的基准。

工序基准大多与设计基准重合，有时为了加工方便，也有与设计基准不重合而与定位基准重合的。

课后作业：

1-7

教学课程：

机械加工的劳动生产率

教学目的：

1.了解劳动生产率的概念

2.理解时间定额的分类

3.掌握时间定额的组成

4.理解提高劳动生产率的工艺途径

教学重点：

1.时间定额的组成

2.提高劳动生产率的工艺途径

教学难点：

提高劳动生产率的工艺途径

教学过程：

复习提问：

1.什么是基准

2.基准分为哪几类

讲授新课：

制度机械加工工艺规程的基本原则是优质、高效、低成本，即在保证零件质量要求的前提下，尽量提高劳动生产率和降低成本。

劳动生产率是指在单位时间内制造出的合格产品的数量，或者是指用于制造单件合格产品所消耗的时间。

一、时间定额

劳动定额是衡量劳动生产率的一项重要指标，它表现为时间定额（计时）和产量定额（计件）两种基本形式。

时间定额是在一定生产技术组织条件下，规定生产一件产品或完成一道工序所消耗的时间。

产量定额在一定生产技术组织条件下，规定在单位时间内生产合格产品数量的标准。

目前，时间定额这一劳动定额形式为多数企业所采用。

1.单件工序时间（t0）

在机械加工中，完成一个工件的一道工序所需要的时间，称为单件工序时间，简称单件时间。

它包括下列组成部分：

（1）基本时间（tb）

基本时间是指直接改变生产对象的尺寸、形状、性能或相对位置等工艺过程所消耗的时间。

（2）辅助时间（ta）

辅助时间是指为保证完成基本工作而执行的各种辅助工作所需的时间。

它包括：

装卸工件的时间、开动和停止机床的时间、机床工作中变换刀具的时间、改变加工规范的时间、试切和测量工件等所消耗的时间等。

（3）技术服务时间（tc）

技术服务时间是指在工作班内，消耗在照看工作地而分摊到每一个零件上所消耗的时间。

一般包括：

更换刀具、润滑机床、清理切屑、修磨刀具、修整砂轮和修整工具所消耗的时间。

（4）组织服务时间（tg）

组织服务时间是指在整个工作班内，消耗在照管工作地而分摊到每一个上所消耗的时间。

一般包括：

班前和班后领换及收拾工具、检查及试运转设备、更换切削液或润滑剂、下班前打扫工作场地、清理设备等消耗的时间。

（5）自然需要及休息时间（tn）

自然需要及休息时间是指工人在工作班内为恢复体力和满足生理上的需要而分摊到每一个零件上所消耗的时间。

2.调整时间（tj）

调整时间是指在成批生产中，为了更换工件或工序而对设备及工艺装备进行重新调整所需要的时间。

调整时间是消耗在一批工件上的时间，所以分摊到每一个工件上的时间为Tj/N（N为批量数）。

3.计价时间（tp）

计件时间是指完成一件产品的一道工序所规定的时间定额。

二、提高劳动生产率的工艺途径

机械加工生产率在很大程度上取决于所采用的加工工艺和生产组织管理方式。

采用各种行之有效的先进工艺方法和高效的自动化加工设备以及科学的生产组织管理方式都可以显着地提高机械加工的生产率。

缩减时间定额

⒈缩短基本时间的工艺措施

⑴提高切削用量增大切削速度、切削深度和进给量都可以缩短基本时间，这是机械加工中广泛采用的提高生产率的有效方法。

近年来出现的聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼等新型刀具材料，切削普通钢材的切削速度可达900m/min。

在加工60HRC以上的淬火钢、高镍合金钢时，在980℃仍能保持其红硬性，切削速度可在900m/min以上。

高速滚齿机的切削速度可达65～75m/min。

采用强力磨削，其速度可达60m/s。

提高切削用量的主要途径是采用优质的刀具材料、合理的刀具角度、合适的冷却润滑液和完善的加工设备等。

⑵减少切削行程长度

减少切削行程长度也可以缩短基本时间。

例如右图13-1中采用三把刀具同时加工同一表面。

⑶合并工步用几把刀具对同一工件的几个不同表面、一把复合刀具对同一表面同时进行加工，把原来单独的几个工步集中为一个复合工步。

各工步的基本时间就可以全部或部分相重合，从而减少了工序的基本时间。

图13-2（a）为在六角车床上常见的合并工步，两把不同刀具同时切削；图13-2（b）为几个砂轮同时磨削导轨面。

⑷采用多件加工多件加工有三种方式：

顺序多件加工，即工件顺着行程方向一个接着一个地装夹，如图13-3（a）所示。

这种方法减少了刀具切入和切出的时间，也减少了分摊到每一个工件上的辅助时间。

平行多件加工，即在一次行程中同时加工n件平行的工件，如图13-3（b）所示。

平行顺序多件加工为上述两种方法的综合应用，如图13-3（c）所示。

这种方法适合于工件较小、批量较大是情况。

（a）（b）（c）

图13-3多件加工

⒉缩短辅助时间的工艺措施

辅助时间在单件工时内所占的比例较大，有时甚至超出基本时间数倍。

当采取一些措施将基本时间缩短以后，辅助时间所占的比例就会变得更大。

因此，通过缩短辅助时间来提高劳动生产率也很重要。

可以采用以下措施来缩短辅助时间：

⑴采用先进夹具如成批生产时采用气动或液动快速夹紧装置、多品种小批量生产时采用成组夹具等，这不仅可以保证加工质量，而且能大大地节省装卸和找正工件的时间。

⑵尽量将辅助时间与基本时间重合采用可换夹具或可换工作台、转位夹具或转位工作台、回转夹具或回转工作台，可以实现在加工的同时装卸另一个或另一组工件，使工件的装卸时间与辅助时间重合。

如图13-4所示。

（a）（b）

图13-4辅助时间与基本时间重合的示例

⑶提高机床操作的机械化与自动化水平，实现集中控制、自动调速与变速以缩短开、停机床和改变切削用量的时间。

⑷采用先进的检测设备，实施在线主动检测。

⒊缩短布置工作地时间的工艺措施

⑴采用快速换刀、自动换刀及机外对刀装置，可以节省刀具的装卸和对刀的辅助时间。

⑵采用机夹刀具和硬质合金刀具，以减少换刀和刃磨时间。

⑶利用压缩空气吹切屑。

⒋缩短准备与终结时间的工艺措施

把结构形状、技术条件和工艺过程相似的工件组织起来，采用成组工艺和成组夹具，可以明显缩短准备与终结时间。

有条件时也可选用准备终结时间极短的先进加工设备，如数控机床、加工中心等。

（二）实施机床多台的看管

多台机床看管是一种先进的劳动组织措施。

一个工人同时管理几台机床可以提高生产率是显而易见的，但应满足两个必要条件：

一是若一人看管M台机床，则任意（M–1）台机床上的工人操作时间之和，应小于另一台机床的机动时间；二是每台机床都要有自动停车装置。

（三）采用先进的工艺方法

1．毛坯准备

采用冷挤压、热挤压、粉末冶金、精密锻造、爆炸成形等新工艺，可以大大提高毛坯精度，减少机械加工工作量，节省原材料，可以明显地提高生产率。

2．特种加工

对特硬、特韧、特脆等难加工材料或复杂型面，采用特种加工方法能极大地提高生产率。

如用电解加工一般锻模，可以将加工时间从40～50小时减少到1～2小时。

3．采用少无切削加工

如冷挤压齿轮、滚压丝杠等。

4．改进加工方法

减少手工和低效率加工方法。

如大批量生产中以拉削、滚压代替铣、铰、磨削，以精刨、精磨、金刚镗代替刮研等。

（四）提高机械加工的自动化程度

广义地讲，自动化制造系统（AutomaticManufacturingSystem—AMS）是由一定范围的被加工对象、一定柔性和自动化水平的各种设备和高素质的人组成的一个有机整体，它接受外部信息、能源、资金、配套件和原材料等，在人和计算机控制系统的共同作用下，实现一定程度的柔性自动化制造，最后输出产品、文档资料、废料和对环境的污染。

采用自动化制造系统可以有效改善劳动条件，显着提高劳动生产率，大幅度提高产品的质量，有效缩短生产周期，并能显着降低制造成本。

课后作业：

1-8、1-9、1-10、1-11

教学课程：

切削运动和切削要素

教学目的：

1.掌握切削运动的概念、组成

2.掌握切削用量三要素

3.掌握选择切削用量的基本原则

4.了解切削层横截面要素包括的内容

教学重点：

1.切削运动的组成

2.切削用量三要素

教学难点：

切削用量三要素和切削横截面要素的计算

教学过程：

复习提问：

1.什么叫金属切削加工

2.金属切削加工的主要方法有哪些

新课讲授：

一、切削运动

定义：

指在切削过程中刀具与工件之间的相对运动。

包括：

主运动和进给运动。

1．主运动

定义：

指由机床或人力提供的主要运动,它促使刀具和工件之间产生相对运动,从而使刀具前面接近工件。

特点：

速度最高,消耗的功率最大。

2．进给运动

定义：

指由机床或人力提供的运动,它使刀具与工件产生附加的相对运动,加上主运动,即可不断地或连续地切削,并得出具有几何特性的加工表面。

通常,主运动只有一个,而进给运动可能有多个。

3．切削过程中工件上三个不断变化的表面

（1）待加工表面工件上有待切除的表面。

（2）已加工表面工件上经刀具切削后产生的表面。

（3）过渡表面工件上由切削刃形成的那部分表面。

二、切削要素

包括：

切削用量和切削层横截面要素。

1．切削用量

包括：

切削速度、进给量和背吃刀量三个要素

（1）切削速度（

）指切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度，单位m/s。

当主运动是旋转运动时，可按下式计算:

（m/min）

—工件或刀具每分钟转速（m/min）；

—工件待加工表面直径或刀具的最大直径（mm）。

当主运动是往复直线运动时

（m/min）

L—往复直线运动的行程长度（mm）；

n——主运动每分钟的往复次数（str/min）。

（2）进给量f指在进给运动方向上刀具相对工件的位移量，单位是mm/r或mm/行程。

（3）背吃刀量指在通过切削刃上基点并垂直于工作平面的方向上测量的吃刀量，单位是mm。

如车外圆、镗孔、扩孔、铰孔等时，可按下式计算：

钻削加工时

式中：

—工件已加工表面的直径，mm。

选择切削用量的基本原则：

首先尽量选择较大的背吃刀量，其次在工艺装备和技术条件允许的情况下选择最大的进给量；最后根据刀具耐用度确定合适的切削速度。

2．切削层横截面要素

定义：

指刀具与工件相对移动一个进给量时，相邻两个过渡表面之间的切削层。

包括：

切削宽度、切削厚度和切削面积

（1）切削宽度（aw）指刀具切削刃与工件的接触长度，单位是mm。

（2）切削厚度（ac）指刀具或工件每移动一个进给量时，刀具切削刃相邻的两个位置之间的距离，单位是mm。

（3）切削面积（Ac）指切削层横截面的面积，单位是mm2。

课后作业：

2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6

教学课程：

切削力

教学目的：

1.掌握总切屑力的来源

2.理解总切削力的分解

3.理解影响总切削力的因素

教学重点：

1.总切削力的分解

2.影响总切削力的因素

教学难点：

总切削力的分解

教学过程：

复习提问：

1.什么叫切削运动

2.切削用量包括哪个三要素

3.选择切削用量的基本原则

新课讲授：

切削时将刀具切入工件，使工件发生变形而成为切屑所需要的力，称为切削力。

切削力对机床、夹具和刀具的设计和使用，都具有很重要的意义。

一、总切削力的来源

在切削过程中，被切层金属产生弹性变形和塑形变形，就有变形抗力作用在刀具上，其方向分别与前面、后面垂直，如下图中Ffy和Fna；切屑与刀具前面相摩擦，已加工表面与刀具后面相摩擦，产生了摩擦阻力，其方向与刀具的相对运动方向相反，如图中Fnr和Ffa。

这里的变形抗力和摩擦阻力就是总切削力的来源。

二、总切削力的分解

将总切削力Fr分解为三个互相垂直的分力：

1.主切削力Fc（切向力）

总切削力在主运动方向上的投影。

消耗动力最多，占机床总功率的95%～99%。

2.走刀抗力Ff（轴向力/进给力）

总切削力在进给方向上的投影。

它一般只消耗总功率的1%～5%。

3.吃刀抗力Fp（径向力/背向力）

总切削力在吃刀方向上的投影。

因为这个方向上运动速度为零，所以不做功。

但它一般作用在工件刚度较弱的方向上，容易使工件变形，引起振动，影响加工精度。

各切削力的关系：

三、影响总切削力的因素

在切削过程中，凡对切削过程中的变形和摩擦有影响的因素，都将对总切削力产生影响，其中主要是工件材料的力学性能、刀具的几何角度、切削用量和切削液等因素。

1.工件材料

工件材料的强度、硬度越高，切削时变形抗力越大，总切削力也越大。

如果材料的强度、硬度大致相同，而塑形、韧性较大的材料，其总切削力也较大。

2.刀具角度

刀具角度中，对总切削力影响较大的是前角（ro）和主偏角（kr）。

前角适当增大，能减少切削变形，排屑也较顺利，使总切削力减小。

3.切削用量

切削用量中的进给量和背吃刀量越大，切削面积也越大，切屑又宽又厚，切削力亦随之增大。

切削速度对总切削力的影响不大。

4.切削液

合理使用切削液可以减小材料的变形抗力和摩擦阻力，使总切削力减小。

课后作业：

2-10、2-11

教学课程：

切削热

教学目的：

1.掌握切削热的产生

2.理解切削热的传散

3.了解切削温度

教学重点：

1.切削热的产生

2.切削热的传散

教学难点：

切削热的传散

教学过程：

复习提问：

1.总切削力的来源

2.总切削力的分解

3.影响总切削力的因素

新课讲授：

切削热是指在切削过程中，由变形抗力和摩擦阻力所消耗的能量而转变成的热量。

一、切削