武汉理工 能动学院 动力机械制造与维修教案.docx
《武汉理工 能动学院 动力机械制造与维修教案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《武汉理工 能动学院 动力机械制造与维修教案.docx（56页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
武汉理工能动学院动力机械制造与维修教案
《动力机械制造与维修》
（教案1）
能源与动力工程学院
2006.01
第一篇
船机制造工艺学基础
MarineMechanicalManufacturingTechnologyHowtomanufacture?
第一章生产过程基本概念
basicconceptionofproductioncourse
§1-1生产过程和生产系统
1.生产过程
1）定义:
从原料或半成品转变成为成品的多种劳动过程。
包括范围
（1）生产技术准备过程（资料、设计、研究、工装设计等）；
（2）毛坯制造过程。
锻造、铸造、冲压或采用型材等；（forging,casting,punching）
（3）加工过程。
机加工、焊接、热处理；（processing,welding,heattreatment）
（4）产品装配过程（fittingprocess）。
组装、部装、总装、检验与试车（test）；
（5）辅助劳动过程。
工具供应、设备维修、包装、保管发送等。
Engine,piston,crankshaft
Δ现代很多企业采用专业化生产，可实现效率高、质量好、成本低、标准化、通用化、产品系列化（standardization,universalization,seriation）。
2.生产系统（productionsystem）
系统:
任何事物都是由数个相互作用和相互依赖的部分组成，并具有特定功能的有机整体。
1）生产系统
从系统观点看，社会生产的基层单位—工厂根据市场，自身条件，制定自己的生产计划，进行产品设计、制造装配等，最后输出产品，所有这些生产活动的总和就是一个具有输入与输出的生产系统。
生产系统具有3大部分:
厂部决策、计划管理、生产技术（生产制造）。
2）机械制造系统（mechanicalmanufacturingsystem）
该系统是生产系统中的主要部分之一，一般由物质子系统、信息子系统与能量子系统等组成。
物质子系统
负责物料存储、运输、加工、检验的多元件的总称。
毛坯、刀具、夹具、量具以及其它辅助原材料输入，经过存储、运输、加工等环节→成品。
信息子系统
进行信息存储处理和交换的有关软硬件资源，信息子系统包括加工任务、顺序、方法及物流要求确定的计划、调度、管理指令等属于信息范围，形成信息流。
能量子系统
进行能量传递、转换的有关元件为能量系统，如发电机、电机、电站锅炉等。
§1-2加工工艺过程及其组成
1.工艺过程（technologyprocess）
1）定义:
在生产过程中，按一定顺序逐步改变生产对象的形状（铸造、锻造等）、尺寸（机加工）、位置（装配）和性质（热处理及表面处理），使其成为成品或半成品的这部分主要过程。
2）工艺过程划分
铸造、锻造、机械加工、热处理、装配等工艺过程。
2）机械加工过程
1）定义
采用切削加工的方法，直接改变毛坯的形状、尺寸和表面质量，使之成为产品零件的过程。
2）组成
工序、工位、安装、工步、走刀等。
（1）工序（workingprocedure）基本单元。
指由一个（或一组）工人，在一台机床（或其它设备及工作地）上，对一个（或同时对几个）工件所连续完成的那部分过程。
例:
垫块上钻孔
毛坯→铣
（1）→钻孔
（2）;
（1）
（2）两道工序
（2）安装与工位
a:
安装:
指在同一工序中，工件在机床或夹具中经一次装夹后所完成的那部分加工过程。
例:
某光轴车两端面（两次装夹在同一工序中）车A面
（1）→车B面
（2）
b:
工位：
加工中采用转位（或移位夹具）回转工作台或在多轴机床上加工时，工件在机床上一次装夹后，要经过若干个位置依次进行加工，工件在机床上所占据的每一个位置上相对刀具所完成的那部分加工过程。
（3）工步：
指在一道工序（一次安装或一个工位中），加工表面、加工刀具和切削用量不变条件下所连续完成的那一部分加工过程。
（切削用量：
切削速度、切削进给量及吃刀量）。
几个加工表面完全相同，所用刀具与切削用量不变，工艺规程上也可看作一个“工步”
复合工步:
例:
走刀:
即工作行程，是指加工刀具，在加工表面上切削一次所完成的工步部分。
例:
加工一阶梯轴（单件小批量），若轴的各处转度与粗糙度要求不同，其加工安排。
①:
车一端面，打中心孔（一次安装;2个工步），调头车另一端,打中心孔（一次安装;2个工步）。
②车大外圆及例角（一次安装;2个工步），调头车小外圆及例角（一次安装;2个工步）。
③铣链槽,去毛刺（一次安装;2个工步）
§1-3生产纲领与生产类型
1.生产纲领（productionprogramme）
定义:
年生产量。
是指企业在计划期内应当生产的产品产量和进度计划。
某零件的每年生产纲领应包括备品和废品（spare,waster）在内的年生产量.
N=Q∙n（1+α%）（1+ß%）
α—备品；
ß—废品。
2.生产类型
定义:
是指企业生产专业化程度的分类,根据生产纲领和产品品种的多少,可分为单件生产﹑成批生产和大量生产.
1）单件生产
生产的品种繁多,每种产品仅制造一个或少数几个,且很少再重复生产.
2）成批生产
生产品种较多,每种产品均有一定数量,多种产品分期分批轮番进行生产（可分为小批﹑中批﹑大批）.
3）大量生产
产品数量大,大多数工作地点经常重复地进行某一个零件的某一道工序的加工.
生产零件划分轻﹑中﹑重型的依据为其重量.
轻型≤100kg;
中型>100～2000kg;
大型>2000kg
3.工艺特征（technologycharacteristic）
生产类型不同，产品和零件的制造工艺，所用的设备、工艺装备和生产组织形式也不同。
例:
夹具、技术人员方面不同。
§2-1加工精度的基本概念Basicconceptionofworkingaccuracy
机械零件的加工质量指标有两大类:
加工精度,加工表面质量.
1.加工精度
零件加工以后的几何参数（尺寸、形状和位置）与理想零件的几何参数相符和程度。
例:
IT6、IT7。
理想零件（idealworkpiece）:
对表面形状而言，就是绝对正确的圆柱面、平面、锥面等；
对于表面位置而言，就是绝对平行、垂直、同轴和一定角度。
对尺寸而言，就是零件尺寸的公差带中心。
2.加工误差
零件加工后的几何参数与理想零件几何参数的偏差程度。
Δ精度是一定尺寸、形状、位置的精确程度。
Δ误差是对一定尺寸、形状、位置的相差程度。
误差是精度的度量。
加工精度高低是通过加工误差大小来反映。
所谓保证加工精度，实际上就是限制与减少加工误差问题。
§2-2影响加工精度的因素及其分析factorsofinfluencingprocessingprecessionandanalysis
加工误差包括:
原理误差、工艺系统静误差（机床、夹具、刀具）、工艺系统动误差（受力、高热、刀具磨损、内应力变形）、度量误差、调度误差、工件安装误差。
1.加工原理误差
（errorofprocessingprinciple）
即加工方法误差，在加工中采用近似的刀刃形状或成型运动代替理论的刀刃形状或成型运动而产生的。
例:
模数铣刀铣齿
mz=d；m相同，d不同，则齿型不同。
每一种模数的齿轮设计一套模数铣刀，每把铣刀可加工某一点数范围的齿轮（8～26）。
只要将加工误差控制在某一范围内，这种方法都可以认为是可行的。
modulusofintwogeargroupssame，buttheirgearnumbersofnot
例:
活塞部椭圆弧加工采用偏心法
2.机床的制造误差和磨损（wear）
一定精度的机床只能加工出相应精度的工件.影响加工精度的机床误差主要有以下几个方面:
机床主轴误差
机床导轨的误差
主轴轴线与导轨的平行度误差（parallelismerror）
机床传动误差
机床主轴是工件、刀具的位置基础和运动基准。
主轴回转精度与受力、受热、制造精度有关.
（1）主轴颈圆度误差;
（2）轴颈同轴度误差（axiality）;
（3）轴承本身的多种误差;
（4）轴承之间的同轴度误差;
（5）主轴磨损;
（6）支承端面对轴颈轴线的垂直度误差。
FORCEDDEFORMATION
纯径向跳动（radialrunout）Boring,workpiecenotmoves,toolturns
车削时主轴径向跳动（circularrunout）
对工件圆度（rundness）影响很小
轴向窜动对于孔与外圆无影响，对加工端面有影响。
向前窜动，右旋面；向后窜动，左旋面。
主轴部件制造误差对加工精度的影响.
1）滑动轴承（slidingbearing）
（1）车削
车削时：
Δ轴承孔误差对加工精度影响较小；
Δ工作时误差敏感方向固定不变，主轴上的载荷大小与方向可看作不变，轴承上承载区位置也固定不变；
Δ主轴颈误差对加工精度影响较大。
Δ轴承孔形状对主轴回转精度仍有一定影响；镗孔时，切削力的方向是变化的，也就是说轴颈与滑动轴承的接触点A是变化的。
Δ轴承孔误差对加工精度影响较大；
Δ主轴颈误差对加工精度影响较小。
2）滚动轴承（rollingbearing）
内外环滚道圆度误差，内环的壁厚以及滚动体的尺寸误差和圆度误差。
这些误差综合造成主轴线的跳动和漂移（excursion），并传给工件，形成工件加工表面的圆度误差和波度。
漂移（excursion）:
主轴每一转的跳动方位和跳动量都是变化的一种现象。
滚锥、向心推力轴承的内外滚道的倾斜→窜动+径向窜动。
推力轴承滚道端面跳动→轴向窜动。
（1）水平内误差
床身导轨水平面内弯曲，在纵向切削过程内，刀尖的运动轨迹相对于工件轴线之间就不能保持平行。
2）垂直面误差
导轨在垂直平面内的弯曲对加工精度的影响小。
（R+δR）2=δz2+R2;R2+2RδR+δR2=δz2+R2∴δR=δz2/2R
误差敏感方向是工件的法线（normal）方向,在切线（tangent）方向上产生的误差可以忽略。
例:
六角车床经常将刀具垂直安装，导轨水平面产生误差时，其误差发生在工件切线方向，可以略去。
（3）前后导轨的平行误差（扭曲）
导轨产生扭曲后，刀架和工件之间相对位置也就发生了变化。
3）主轴轴线与床身导轨的平行度误差（parallelerror）
（1）主轴回转轴线与导轨在水平面内不平行，圆柱工件加工成锥面。
（2）垂直平面内不平行时，工件成曲面。
AC为刀尖运动轨迹。
设x=0;r0—半径；c’处半径为rx；
tgα=bx/x,tgα=b/l,bx=xtgα
rx2=bx2+r02
rx2/r02-x2b2/（r02l2）=1（双曲线）
4）传动链误差（errorofdrivingchain）
机床传动链中多个传动元件（如齿轮、分度蜗轮副及螺杆螺母副等）的制造误差，装配误差以及使用中的磨损，对成形运动间速度关系有影响。
各元件在传动中的位置不同，其影响程度也不同。
i1-2=z2/z1=ω1/ω2
齿轮1有传动误差I1-2=（ω1+∆ω1）/ω2=i1-2+∆i1-2
3.夹具的制造误差和磨损
processingerrorandwearofjigs
由于定位元件、刀具导向装置、对刀装置，分度机构以及夹具体等零件制造误差。
例:
刀具导向间距误差（钻套），钻2孔。
S措施:
①精加工时，尺寸精度规定为工件上相应尺寸公差的1/2～1/3;
②粗加工时，则可取1/5～1/10。
L=100.00～100.04→100.02±0.02
S精=100.02±0.01
S粗=100.02±0.004
4.刀具的制造误差和磨损
1）定尺寸刀具（dimensiontool）例:
钻头、铰刀、板牙（screwdie）的制造精度;
2）成形刀具（formingtool）例:
成形车刀、成形铣刀、成形砂轮（刀具形状直接决定工件被加工表面的形状,刀具刃口及有关尺寸）.
3）创成刀具（creationtoolofvacuum）例:
齿轮铣刀、插齿刀、花键铣刀。
一般刀具,分普通车刀、镗刀、铣刀、砂轮等。
刀具本身的制造误差对工件的加工精度没有直接影响,但刀具磨损对工件加工精度有影响。
刀具开始磨损快,到正常磨损时，磨损量与切削路程成正比，最后再增加。
砂轮磨损大，尤其在磨孔时，砂轮小，影响大，应修正；磨外圆，砂轮大，影响小。
5.工件安装误差fittingerrorofworkpiece
工件安装包括定位与夹紧整个过程（在夹具章详讲）。
6.工艺系统受力变形所引起的误差theerrorresultedfromdeformationintechnologysystem
工艺系统:
由机床、夹具、工件（刀架）所组成的系统。
它是一个弹性系统，变形由外力作用引起（切削刀、夹紧力、传动力、重力和惯性力）。
1）工艺系统刚度概念
工艺系静刚度：
工艺系统在静载荷作用下，会产生静变形，静力与静力作用下产生变形的比值Jj=Fy/yj（N/mm），Fy=N;yj=mm
工艺系统刚度:
工艺系统在切削力综合作用下，Y方向的切削分力Fy与Y方向的变形的比值。
J=Fy/Y
y值是Fx、Fy、Fz共同作用下，产生的变形。
总变形有可能等于”0”或负值，所以刚度”无穷大”或”负刚度”。
2）工艺系统的刚度及其对加工精度的影响（stiffness）
（1）机床刚度对加工精度的影响（stiffnessofmachinetool）
工艺系统刚度由多个环节（机床、刀具、工件）刚度计算求得。
Staticstiffnesscalculation
在任意点”C”Fy作用下，工件AB→A’B’处，刀尖由C移到C’。
这时机床总位移量：
y机=yx+y刀yx=y头+kk=（y头−y尾）.x/L;y机=y刀+y头+（y头−y尾）.x/L;F头=Fy（L−x）/L;F尾=Fy.x/L;y头=F头/j头=Fy（L-x）/j头.L ;
y尾=Fyx/（L.j尾）;y刀=Fyx/（L.j刀）;j机=Fy/y机=1/{（1/j刀+[（L-x）／L]2/j头+（x/L）2/j尾}
机床刚度随刀具所处位置不同而不同，它是Ｘ的函数。
y=FL3/3EI;J杆=F/y=3EI/L3
L增大，J杆 下降。
减少悬伸长度L，可提高加工精度。
（2）刀具刚度及其对加工精度的影响
例:
镗孔时镗杆变形.Workpiecenotmoves,boringrodmovesforward
（3）工件刚度及其对加工精度的影响
工件刚度计算
例:
在机床上车削一根Ø80mm，2000mm长轴，工件材料为45钢，бb=600～700Ｍpa。
已知床头J头=50kN/mm，J尾=40kN/mm，J刀=30kN/mm，切削用量ap=1mm，f=0.25mm/round，v=120m/min，使用YT15硬质合金刀具，λ=0.5。
求:
车床和工件变形对工件轴向截面精度的影响。
计算切削力:
Fy=Cp∙ap∙f0.75
=0.5×1910.1×0.250.75
=337.6（N）
y机=Fy{（1/j刀+［（L-x）／L]2/j头+（x/.L）2/j尾.}
=337.6{1/30000+[（2000-x）/2000]2/50000
+（x/20000）2/40000}
（不考虑工件刚度）
仅考虑工件刚度
y工=[FyL3（x/L）2（（L-x）/L）2]/（3EI）
=337.6（20003/（2*1011））（106/（0.05*804）（x/2000）2[（2000-x）/2000]2
=0.000002197（x/2000）2[（2000-x）/2000]2.106
=20197（x/2000）2[（2000-x）/2000]2
其中:
E=2×1011（pa）
=2×105（Mpa）
=2×105（N/mm2）
y系统＝y工+y机
x025050075010001250150017502000
y0.0180.04290.09280.13570.1520.13620.09360.04410.019
（５）误差复映规律
定义:
加工后工件表面仍保留着与毛坯表面相类似的，但数值已大大缩小的尺寸或形状误差，这种现象称为”误差复映”。
一次起到后的半径误差:
Δ工=y1–y2=Fy1/jy-Fy2/jy
=λ*CFZ*f0.75（ap1-ap2）/jy
=Δ毛λ*CFZ*f0.75/jy
Δ工/Δ毛=λ*CFZ*f0.75/jy=ε
ε误差复映系数<1。
Δ工=Δ毛.ε
毛坯误差较大时,可采用多次走刀（cuttingfeed）。
Δ工=ε1.ε２.ε３………εn..Δ毛
=（CFZ/jy）n.Δ毛Π（fi）0.75λI
例:
车销一批轴件，材料为45钢，毛坯直径为50±3mm，用YT15车刀（r0=0°，xr=75°） 一次车到工序尺寸，所用的进给量1mm/r,
v（切削速度）1.66m/s，系统刚度为19600N/mm，求这批工件加工后的直径误差。
解:
Δ毛=3-（-3）=6（mm）;CFZ=1872;λ=0.35
ε1=λ∙CFZ∙f0.75/jy=0.0334<1
Δ工=ε∙Δ毛=0.2
如果误差太大，可精车一次；
f=0.25mm/r,λ2=0.5
ε2=λ2∙CFZ∙f0.75/jy=0.0169
Δ工2=0.2×0.0169=3.38（µm）
=Δ工1×0.0169=3.38（µm）
将误差复映概念推广到下列几点:
每一件毛坯的形状误差，不论是圆度、圆柱度（cylindricity）、同轴度（axialty）、平直度误差等都以一定的复映系数复映成工件的加工误差（由于切削余量不均匀）。
ε复映系数<1。
工艺系统刚度高，ε减小快。
在粗加工时用误差复映规律估算加工误差有实际意义。
Δ大批量生产中，易造成“尺寸分散（dimensionscattering）”。
Δ毛坯材料硬度不均匀（offsetting）使切削力发生变化，工艺系统也产生相应的变形，从而产生加工误差（例:
铸造件）。
Δ惯性力（internalforce），在高速切削中，惯性力产生周期性变化。
Δ工艺系统中其它作用力变化，例传动力K在拨盘每一转中，经常改变方向。
Fy′=f▪cosθ
Δ夹紧力，例三爪卡盘（camringchuck）夹持薄壁套筒的镗孔。
Δ机床部件和工件本身重量，以及它们仍在移动中位置的变化而引起的误差。
例:
大立车刀架下垂，影响工件平面度。
3）机床变形原因和提高机床刚度措施
thecauseofdeformationofmachinetoolandmeasurementofraisingstiffnessofmachinetool
变形原因与组成部件弹性变形、制造质量、装配质量有关；
①接触刚度；②个别零件薄弱环节③结合件夹紧力④摩擦力⑤间隙
例:
接触刚度
接触刚度=接触变形增量/名义压强的增量
例:
零件制造或装配质量太差出现薄弱环节，刀架与溜板中的楔铁，长而薄，受Fy后，易变形。
间隙影响
例:
车削时,主轴与轴承间的间隙影响不大;
镗削时，主轴与轴承间的间隙影响较大（原因是力的方向在变化）。
结合件夹紧力
例:
两零件通过螺栓固定，其固定作用力为F，外力f>F时产生位移。
（２）提高刚度措施（measurementofenhancingstiffness）
质量（制造与装配质量），例:
轴承安装时，使用预紧力；减少配合面及其间隙；防止螺栓松动；改善机床结构。
7.工艺系统热变形所引起的误差
工艺系统在加工过程中的热源可分为两大类，即内部热源和外部热源。
（Internalthermalsourceandoutsidethermalsource）
内部热源（摩擦热、切削热）
外部热源（环境温度、热辐射heatradiation）
环境温度（气温、室温、热冷风、空气流动）热辐射（阳光、灯、人体）。
３）机床热变形对加工精度的影响
例:
镗活塞销孔。
精镗孔时，主轴箱由冷态升温到70℃以上，在这种过程中，主轴轴心线高度不断变化，是不能进行加工，否则销孔轴心线到止口距离变化会超出允许范围。
措施（measure）
（1）结构措施:
①采用对称结构,例机床大件结构采用单立柱易产生扭曲变形;双立柱由于左右对称,仅产生垂直方向的平行.
②设计上使关键件热变形在无害于加工精度方向上移动.
③合理安排支承,使产生热位移的有效部分缩短.
④均衡关键件的温升,防止弯曲,用热空气加热温升较低的立柱后壁,以均衡立柱前后的温升（热补偿法）.
⑤热隔离,将油箱等移到机床外面。
（2）工艺措施
①精加工前，机床空转，进行热平衡。
②加工一批零件，中断时间内不停车或尽量减少停车时间。
③严格控制切削用量，减少工件发热。
例:
坐标镗床:
ap=0.5~1mm;mm/r=0.5~0.7。
粗精分开，工件冷却后再精加工。
④精密机床应安装于恒温室内，恒温精度（一般取±1℃，精度取±0.5℃）。
⑤采用充分冷却。
２）刀具热变形（thermaldeformationoftool）
刀具温升一般能较快到达到热平衡。
减少切削热和改善刀具散热条件两方面来采取措施。
（1）改进刀具几何角度、切削用量、减少切削热.；
（2）减少伸出长度；
（3）充分冷却（冷却液）。
３）工件热变形
主要由切削热所引起。
例：
磨丝杆（screwrod），3m长，每磨一次温升3℃，则丝杆伸长量。
ΔL=αLΔt=3000＊12＊10-6＊3=0.1mm
α=12＊10-6（1/℃）
以下情况。
工件热变形对加工精度影响较大：
精磨外圆,工件热变形严重。
（砂轮钝化,工件产生形状误差,同时工件发热,被顶尖顶弯）;
狭长工件翘曲,中部多切掉（因发热）;
钻孔后即扩、铰,精度受到影响.
采取措施:
①充分冷却；
②提高切削速度或加快进给，减少热量传到工件上；
③粗加工后,冷却后再进行精加工；
④刀具或砂轮在过分磨钝前就进行刃磨（shapening）或修正（amendment），以减少切削热和
升级会员 