机械制造工艺学清华大学出版社课后习题答案.doc

机械制造工艺学习题参考答案 常同立、杨家武、佟志忠编著清华大学出版社第一章 机械制造工艺预备 1-1 参考答案要点：现代机械产品的开发与改进是极其复杂的持续的动态过程，大致可以用图1.1描述。机械产品开发与改进系统可以描述为一个负反馈系统，它描述了机械产品依据用户需求反馈信息，不断改进和不断发展的动态过程。机械产品开发与改进系统中包含产品决策、产品设计、工艺编制、产品制造、市场检验等环节。上述环节之中任何一个环节的断裂，都会导致系统的崩溃。因此上述环节都具有与系统同等的重要性，每个组成环节都具有无可替代的重要性。因此学习机械制造工艺学很重要，很有意义。图1.1 机械产品开发与改进系统1-2 参考答案要点：按照专业教学指导委员会制定大纲，机械制造工艺学研究内容主要包含两个部分，即机械加工工艺学和机器装配工艺学。它们分别以机械加工工艺过程和机器的装配工艺过程为研究对象。其中机械加工工艺过程指冷加工工艺过程。机械制造的工艺过程特指零件的机械加工工艺过程和机器的装配工艺过程。 此外，机械制造工艺学还包括非常规加工方法概述，随着技术发展进步，非常规制造方法越来越多在工程实际中获得应有，并取得效果。1-3 参考答案要点：生产过程是指机械产品从原材料开始到成品之间各相互关联的劳动过程的总和。工艺过程是指在生产过程中，通过改变生产对象的形状、相互位置和性质等，使其成为成品或半成品的过程。工艺规程参看第二章机械制造工艺规程。 工艺规程在生产中的作用参看第二章机械制造工艺规程作用。 1-4 参考答案要点：人们按照产品的生产纲领、投入生产的批量，可将生产分为：单件生产、批量生产和大量生产三种类型。各种生产类型的工艺特征如下表： 工艺特点 单件或小批量生产中批量生产大批或大量生产 毛坯的制造方法铸件用木模手工造型；锻件用自由锻部分铸件用金属模造型；部分锻件用模锻铸件广泛用金属模机器造型，锻件广泛用模锻 机械制造工艺学习题参考答案 常同立、杨家武、佟志忠编著 清华大学出版社 第二章机械加工工艺规程制定 2-1 参考答案要点： 机械工艺规程在指导生产上发挥重要作用，主要体现在如下几个方面： 1）工艺规程是指导生产的主要技术文件； 2）工艺规程是生产组织和管理工作的基本依据； 3）工艺规程是新、扩建工厂或车间的基本资料。 机械加工工艺规程应遵循如下原则： 1）机械加工工艺规程制定应保证零件设计图样上所有技术要求能够实现； 2）机械加工工艺规程制定应必须能满足生产纲领的要求； 3）在满足技术要求和生产纲领要求的前提下，所制定机械加工工艺规程应使生产成本最低； 4）机械加工工艺规程制定应注意减轻工人的劳动强度，保障生产安全。 （理解基础上，适当展开，参看教材相应文字） 2-2 参考答案要点： 机械加工工艺审查主要审查内容包括四个方面： 1、审查设计图纸的完整性、统一性； 2、审查设计图纸的结构工艺性； 3、审查图样标注的合理性； 4、审查材料选用的合理性。 （理解基础上，适当展开，参看教材相应文字） 2-3 参考答案要点： 零件的结构工艺性是指在满足使用要求的前提下，机械零件制造的可行性和经济性。 功能相同的零件，其结构工艺性可能有很大差异。零件结构工艺性好是指在一定的工艺条件下，既能方便制造，又有较低的制造成本。零件结构工艺性差可以概括为三个层次，分别是零件结构无法加工或几乎无法加工；零件结构可以加工，但是加工非常困难；零件加工不存在技术障碍，但是零件加工的经济性不好。 2-4 参考答案要点： 零件毛坯选择需综合考虑多方面因素。通常主要包括如下几个方面因素： 1) 零件的材料；设计图纸选用材料是毛坯选择考虑的重要因素。 2) 零件的力学性能要求；零件的力学性能要求通常是选择毛坯种类的主要考虑因素。 3) 零件的形状及尺寸；零件的形状复杂程度和零件的尺寸也是选择毛坯种类的重要因素。 4) 零件毛坯的生产条件；毛坯的选择还要考虑特定企业现场生产能力以及外协生产的可行性。 5) 毛坯制造的经济性。毛坯选择还应考虑毛坯制造的经济性。进行毛坯生产方案的经济技术分析，确定出经济性较好的毛坯制造方案。 2-5 参考答案要点： 定位基准可分为粗基准和精基准两种，因此定位基准的选择原则也分为粗基准选择的原则和精基准的选择原则。 粗基准选择的原则： 1) 选择重要表面作为粗基准； 2) 选择不加工表面作为粗基准； 3) 选择加工余量最小的表面为粗基准； 4) 选择定位可靠、装夹方便、面积较大的表面为粗基准； 5) 粗基准在同一自由度方向上只能使用一次。 （理解基础上，适当展开，参看教材相应文字） 精基准的选择原则： 1) 基准重合的原则； 2) 基准统一原则； 3) 互为基准原则； 4) 自为基准原则。 （理解基础上，适当展开，参看教材相应文字） 2-6 浮动铰刀铰孔； 拉齿坯内孔； 无心磨削销轴外圆； 磨削床身导轨面；箱体零件攻螺纹； 珩磨连杆大头孔。 参考答案要点： 1）浮动铰刀铰孔定位基准应该按照自为基准原则，选择加工孔内表面本身作为定位基准。 2）拉齿坯内孔的定位基准应该按照自为基准原则，选择加工孔内表面本身作为定位基准。 3）无心磨削销轴外圆定位基准应按照自为基准原则，选择加工外圆表面本身作为定位基准。 4）磨削床身导轨面定位基准应按照自为基准原则，选择床身导轨面本身为定位基准。 5）箱体零件攻螺纹定位基准应按照自为基准原则，选择预先加工孔内表面作为定位基准。 6）珩磨连杆大头孔定位基准应按照自为基准原则，选择加工孔内表面本身作为定位基准。 2-7 参考答案要点： 机械制造过程采用工序集中原则拟定工艺路线时的特点如下： 1) 采用柔性或多功能机械加工设备及工艺装备，生产率高； 2) 工件装夹次数少，易于保证加工表面间位置精度，减少工序间运输量，缩短生产周期； 3) 机床数量、操作工人数量和生产面积可以较少，从而简化生产组织和计划工作； 4) 因采用柔性或多功能设备及工艺装备，所以投资大，设备调整复杂，生产准备工作量大，转换产品费时 2-8 参考答案要点： 加工方法选择的基本原则是保证加工表面的加工精度和表面粗糙度的要求。同时还要考虑经济因素、形位公差因素、热处理因素、生产因素、工厂条件因素。 （理解基础上，适当展开，参看教材相应文字） 2-9 参考答案要点： 为什么要划分加工阶段? 零件加工往往分阶段进行，其原因是机械加工过程中存在误差复映规律，需要分多次加工才可能得到较高加工质量。铸件或锻件往往具有内应力或平衡内应力。经过切削加工后，零件内应力平衡被打破，零件会产生变形而影响加工精度。分阶段加工（或中间加入时效处理）可以减少内应力对加工精度影响。 分阶段进行零件加工有如下好处。 1）有益于保证加工质量 2）有益于及时发现毛坯的缺陷 3）有益于合理使用设备 4）方便安排热处理工序安排 5）精加工工序安排在零件加工过程的最后有利于避免重要表面和精密表面受损伤。 如何划分加工阶段？ 对于加工质量要求较高或结构比较复杂的零件，可将零件的整个工艺路线划分为如下几个阶段： (1) 粗加工阶段 在粗加工阶段，机械加工主要任务是快速去除多余金属。因此粗加工采用大切削用量提高生产率。粗加工阶段还要加工出精基准，供下道工序加工定位使用。 (2) 半精加工阶段 半精加工阶段是过度阶段，主要任务是依据误差复映规律，采用多次加工，减少粗加工留下的误差，为主要表面的精加工做准备。并完成一些次要表面的加工。半精加工阶段通常安排在热处理前完成。 (3) 精加工阶段 在精加工阶段，机械加工的主要任务是保证零件各主要表面达到图样规定要求。实现手段是均匀切除少量加工余量。精加工阶段通常安排在热处理后进行。 (4) 光整加工阶段 光整加工主要任务是提高零件表面粗糙度，它不用于纠正几何形状和相互位置误差。常用光整加工方法有镜面磨、研磨、珩磨、抛光等。 当毛坯余量特别大时，可以在毛坯车间进行去皮加工，切除多余加工余量。并检查毛坯缺陷。 加工阶段的划分应依据具体情况而定，不是必需的。对于那些刚性好、余量小、加工质量要求不高或内力影响不大的工件，可以不划分加工阶段或少划分加工阶段。如有些重型零件安装和搬运困难，亦可不划分加工阶段。对于加工精度要求极高的重要零件需要在划分加工阶段的基础上，适当插入的时效处理环节，消除残余应力影响。 2-10 参考答案要点： (1) 先加工基准面原则 零件加工顺序安排应尽早加工用作精基准的表面，以便为后续加工提供可靠的高质量的定位基准。 (2) 先主要后次要原则 零件的主要表面是加工精度和表面质量要求较高的面，其加工过程往往较为复杂，工序数目多，且零件主要表面的加工质量对零件质量影响较大，因此安排加工顺序时应优先考虑零件主要表面加工；零件一些次要表面如孔、键槽等，可穿插在零件主要表面加工中间或其后进行。 (3) 先面后孔原则 零件机械加工顺序应先进行平面加工工序，后进行孔加工工序。如箱体、支架和连杆等工件，因平面轮廓平整，定位稳定可靠，应先加工平面，然后以平面定位加工孔和其它表面，这样容易保证平面和孔之间的相互位置精度。 (4) 先粗后精原则 零件加工顺序安排应先进行粗加工工序，后进行精加工工序。机械加工精度要求较高零件的主要表面应按照粗加工、半精加工、精加工、光整加工的顺序安排，使零件加工质量逐步提高。 2-11。 参考答案要点： (1) 预备热处理安排 通常，退火与正火处理安排在粗加工之前进行；正火处理可以匀化金相组织，改善材料切削性。退火处理可以降低锻件硬度，提高材料切削性，去除冷、热加工的应力，细化匀化晶粒，使碳化物球化，提高冷加工性能。 调质处理可以使零件具有在强度、硬度、塑性和韧性等方面普遍较好的综合机械性能。调质处理通常安排在粗加工后进行。 (2) 最终热处理安排 淬火、渗碳淬火等用于提高材料强度、表面硬度和耐磨性。它们通常被安排在半精加工之后和磨削加工之前。 氮化处理可以获得更高的表面硬度和耐磨性，更高的疲劳强度。由于氮化层较薄，所以氮化后磨削余量不能太大，故一般将其安排在粗磨之后，精磨之前进行。通常氮化处理前应对零件进行调质处理和去内应力处理，消除内应力，减少氮化变形，改善加工性能。 (3) 时效处理安排 时效处理可以消除毛坯制造和机械加工中产生的内应力。若铸件毛坯零件精度要求一般，可在粗加工前或粗加工后进行一次时效处理。铸件毛坯零件精度要求较高时，可安排多次时效处理。 (4) 表面处理安排 零件的表面处理工序一般都安排在工艺过程的最后进行。表面处理包括表面金属镀层处理、表面磷化处理、表面发蓝、发黑处理、表面钝化处理、铝合金的阳极化处理等。 2-12 参考答案要点： 1）工序设计内容包括为每一道加工工序选择适当的机床设备并配备工艺装备； 2）确定每一道加工工序的切削用量； 3）确定每一道加工工序的加工余量； 4）确定每一道加工工序的工序尺寸及公差等。 （理解基础上，适当展开，参看教材相应文字） 2-13 确定工件加工余量的方法有以下三种： 1）查表法 查表法是根据有关切削加工手册或机械加工工艺手册提供的加工余量数据，或者依据工厂自身积累的经验数据，以查表的方式拟定的加工余量。 2）经验估计法 工艺人员根据自身积累的机械加工经验，确定加工余量的方法称为经验估计法。经验估计法最为快捷、方便。 3）分析计算法 分析计算法是根据理论公式和试验资料，对影响加工余量的各因素进行分析、计算从而确定加工余量的方法。 2-14 参考答案要点： 工序名称 工序余量 工序的经济精度工序尺寸及公差 精磨 0.1 0.013（IT6） 0 0.013-30 粗磨 0.4 0.033（IT8） 0 0.033-30.1 半精镗 1.5 0.084（IT10） 0 0.084-30.5 粗镗 6 0.21（IT12） 0 0.21-32 毛坯孔 (1.2) 1.238 机械制造工艺学习题参考答案 常同立、杨家武、佟志忠编著清华大学出版社第三章 机床夹具设计 3-1 参考答案要点： 工件装夹是将工件在机床上或夹具中定位、夹紧的过程。工件装夹的包含了定位、夹紧两个方面内涵。工件一般可采用如下几种装夹方式： (1)直接装夹是将工件的定位基准面直接密切贴合在机床的装夹面上，不需找正即可完成定位，通过夹紧工件，使其在整个加工过程中保持正确位置。(2) 找正装夹是利用可调整工具将工件夹持在机床上，并使机床作慢速运动，利用划针或千分表检测和调整工件的位置，使之处于正确位置的装夹方式。(3)夹具装夹是将夹具预先安装在机床上并精确调整其位置，在机械加工过程中利用该夹具迅速而准确地装夹工件的方式。3-2 参考答案要点： 夹具一般包含如下几个组成部分： （1）定位装置其作用是确定工件在夹具中的位置。（2）夹紧装置其作用是将工件压紧夹牢，保证工件在定位时所占据的位置在加工过程中因受外力而产生位移，同时防止或减少震动。 (3) 连接元件其作用是使夹具与机床装夹面连接，并确定夹具对机床的相互位置。(4) 对刀元件和导向元件对刀元件用于确定刀具在加工前正确位置。(5) 夹具体是夹具的基座和基础件。 (6) 其它装置或元件 主要有分度装置、排屑装置等。3-3 参考答案要点： 夹具的分类方法比较多， 1）机床夹具按应用范围、使用特点可分为通用夹具、专用夹具、可调夹具、成组夹具、组合夹具和随行夹具等类型。2）按照使用夹具的机床类型，夹具可分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具等类型。按照夹具的用途，可将夹具分为机床夹具、装配夹具、检测夹具等。3）按照夹紧力的力源类型，夹具还可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、电磁和电动夹具等。机床夹具在生产中的作用：采用夹具装夹工件，不仅有助于保证工件的加工件质量、缩短辅助时间、提高生产效率、减轻工人劳动强度和降低对工人的技术水平要求，还能够扩大机床工艺范围和改变机床用途。3-4 参考答案要点：利用夹具装夹工件进行加工，产生加工误差的主要因素有： (1) 工件装夹误差； (2) 夹具对定误差； (3) 加工过程误差（理解基础上，适当展开，参看教材相应文字） 3-5 参考答案要点： 六点定位原理是在进行工件定位分析时，通常是用一个支承点限制工件的一个自由度，用合理分布的六个支承点限制工件的六个自由度，使工件在夹具中的位置完全正确。空间六个支撑点能否确定刚体的位置？ 非任意空间六个支撑点都能确定刚体的位置。只有位置合理分布的6个支撑点，才能限制刚体的6个自由度，确定刚体的位置。3-6 参考答案要点： 在夹具上布置了六个支承点，当工件基准面安置在这六个支承点上时，就限制了它的全部自由度，见图T3-6(b)。工件底面（M面）紧贴在支承点1、2、3上，限制了工件的x)、y)、zr三个自由度；工件侧面（N面）紧靠在支点4、5上，限制了、yrz)两个自由度；工件的端面（P面）在支承点6上，限制了xr自由度。(a) (b) (c) 图3-2 平行六面体定位时支承点的分布示例3-7 参考答案要点： 完全定位是指工件的六个自由度全部被限制的定位。 不完全定位是指根据工件加工要求并不需要限制其全部自由度的定位。 欠定位是应该限制的自由度没有被加以限制的定位。 过定位是指工件的同一个或几个自由度被重复限制的定位。 3-8 参考答案要点： 工件主要定位方式有哪些? 1）工件以平面定位：1）主要支承它又分为固定支承、可调支承、自位支承等。2) 辅助支承。2）工件以圆柱孔定位：1) 在圆柱体上定位常用定位元件有定位销和定位心轴。2) 在圆锥体上定位常用定位元件是小锥度心轴和圆锥销。3）工件以外圆柱面定位：常用V型块、半圆定位块、定位套、自动定心机构等。4）工件以一组表面定位：以“一面两孔”定位为最常见的组合位方式。主要采用的定位元件有哪些？ 支撑钉、支撑板、定位销、定位心轴、V型块、半圆定位块、定位套、自动定心机构等3-9 参考答案要点： 图（a）分析平面定位限制工件绕水平轴两个转动自由度，一个铅垂方向平动自由度。 固定短V形块定位，限制水平方向两个平动自由度。活动短V形块定位，限制1个水平方向平动自由度。有过定位，即活动短V形块定位限制的1个水平方向平动自由度。无欠定位。改进措施：有多种改进措施。只要能去掉过定位即可。如将活动短V形块。换成平板。图（b）分析三爪夹盘外圆定位限制工件绕水平轴1个转动自由度和2个水平平动。限制了1个绕铅垂轴旋转自由度和1个铅垂方向平动自由度。顶尖孔定位，限制绕水平轴1个转动自由度和1个绕铅垂轴旋转自由度。有过定位，即顶尖孔定位，限制绕水平轴1个转动自由度和1个绕铅垂轴旋转自由度。改进措施：当工件较长时，这种过定位是允许的 图（c）分析固定长V形块定位，限制水平方向1个平动自由度和2个转动自由度。一个铅垂方向平动自由度。固定短V形块定位，限制1个水平方向转动自由度和1个平动自由度。无过定位、无欠定位。 改进措施： 3-10 参考答案要点： 机床夹具功能：图示夹具是钻床夹具，用于加工图示工件小端均布的径向小孔。 机床夹具组成：图示机床夹具由定位元件、夹紧装置、导向元件、分度元件、连接元件、夹具体等组成。 定位元件：图中序号6的平面定位，限制三个平动自由度；序号7的圆柱面定位限制2个转动自由度。允许1个绕工件回转轴的转动自由度。共限制工件5个自由度。图示机床夹具采用了螺旋夹紧装置。采用了分度机构，由序号4与6零件构成。3-11 参考答案要点： (1) V形块定位（参见教材75页公式） 定位误差：(1sin)22sin2daTda 机械制造工艺学习题参考答案 常同立、杨家武、佟志忠编著清华大学出版社第四章 机械加工精度控制 4-1 参考答案要点： 原始误差是工艺系统中能够直接引起加工误差因素的统称。 例子见教材4.2节，选择其一即可4-2 参考答案要点： 误差的敏感方向是指原始误差对加工精度影响最大的方向。 由于车床刀具固定，则误差敏感方向不变。 由于镗床镗刀是旋转的，加工时误差敏感方向和切削力方向随主轴回转而不断变化。 4-3 参考答案要点： 固定顶尖（死顶尖）的优点： 1）具有较高的支撑刚度，有助于提高工艺系统刚度。2）死顶尖没有可旋转顶尖（活顶尖）中的旋转轴承结构，因此具有更高的定位精度，工件具有更高的回转精度，两个顶尖可以保持更高的同轴度。因此，使用死顶尖的目的是提高加工精度。 顶尖本身具有形状误差时，会引起工件外圆的圆度。改进措施要求工件上顶尖孔加工准确。 两个顶尖的同轴度误差可以引起外圆的圆度和锥度误差。改进措施要求机床的顶尖形状准确，具有较高的同轴度。工件上顶尖孔加工准确。4-4 参考答案要点： 卧式车床的误差敏感方向为水平方向，不敏感方向为铅垂方向。 平面磨床对导轨的误差敏感方向为铅垂方向，不敏感方向为水平方向。 镗床误差敏感方向是随主轴回转而变化的，导轨在垂直和水平面上的误差都会影响加工精度。 4-5 参考答案要点： 车削螺纹时，要求工件旋转一周，相应刀具移动一个螺距，这种运动关系是由刀具与工件间的传动链来保证的，即保持传动比恒定，SfiTiTzzzzzzzzSf=87654321 （为总传动比）。fi如果机床丝杆导程或各齿轮制造存在误差，将会引起工件螺纹导程的加工误差。总传动比反映了误差传fi递的程度，增速传动比会放大加工误差，而减速传动比能够减小加工误差。4-6 参考答案要点： 接触刚度是指零件接合面在外力作用下，抵抗接触变形的能力。 影响连接表面接触刚度的因素有：法向载荷大小；接触表面材料硬度、表面粗糙度；表面纹理方向；表面几何形状误差等。减小接触变形通常采用的措施：提高配合表面质量；在接触面间预加载荷；合理使用、减少间隙、减少悬伸量等。4-7 参考答案要点： 何谓误差复映规律？ 误差复映是指切削加工过程中，工艺系统在切削力作用下产生的变形大小取决于切削力，但在加工余量不均匀、材料硬度不均匀或机床、夹具和刀具等在不同部位时的刚度不同的影响下切削力将会发生变化，导致相应的受力变形量变化，从而使工件加工后存在相应误差的现象。误差复映系数的含义是什么？ 通常以加工前后误差的比值衡量误差复映的程度，定义为误差复映系数。 哪些因素影响其大小？ 影响误差复映系数的因素有： 1）加工余量不均匀； 2)材料硬度不均匀3)机床、夹具和刀具等在不同部位时的刚度不同。减小误差复映工艺措施有： 经多次走刀或多道工序能够减小误差复映的程度，可以降低工件的加工误差。 4-8 参考答案要点：45.001.0=mgx 0.45 解得0.450.250.01xx=5=x 4-9 参考答案要点： (1)2211yjcy zxwzLxxF KLKLK.+. 222160011160011100600060050006004000606005060040xxxx.=+=+. 600maxy11y05040jcjc=+= mm (2) 222222()100(600)(600)y3360018ygFLxxxxxxEILEIEI.= 44max43005300300yy0.007350181821064ggEI=mm （3）xtjcgyyy=+ xtmaxxt300yy0.04500.045mm=+= 4-10 参考答案要点： 钻床上加工时，钻头旋转而工件不动，孔径是直接受到钻头的影响，由于小钻头刚性差导致了轴线偏弯。而车床加工时，工件时旋转的，孔的形成与主轴回转有关，回转中心与钻头中心不一致就会导致孔径扩大。 4-11 参考答案要点： 具的制造误差和磨损在哪些加工场合直接影响加工精度？ (1) 定尺寸刀具(如钻头、铰刀、拉刀、槽铣刀等)的尺寸精度将直接影响工件的尺寸精度。(2) 成形刀具(如成形车刀、成形铣刀、成形砂轮等)的切削刃形状精度将直接影响加工表面形状精度。 (3) 展成加工(如齿轮加工、花键加工等)时，刀具切削刃形状精度和有关尺寸精度都会影响加工精度。在精加工以及大型工件加工时，刀具磨损对加工精度可能会有较大的影响。刀具磨损磨损往往是影响工序加工精度稳定性的重要因素。刀具的制造误差是与工艺系统初始状态有关的原始误差，几何误差 刀具的磨损误差是与工艺系统加工过程有关的原始误差，动误差 4-12 参考答案要点： 产生残余应力的主要原因： 1）毛坯制造过程中产生的残余应力； 2）工件冷校直时产生的残余应力； 3）切削加工中产生的残余应力 （理解基础上，适当展开，参看教材相应文字） 减小或消除残余应力的措施： 1）合理设计零件结构； 2）设立消除残余应力的热处理工序； 3）合理安排工艺过程 （理解基础上，适当展开，参看教材相应文字） 4-13 参考答案要点： 根据统计规律，加工误差分为：系统误差和随机误差。 系统误差：在相同的工艺条件下、顺序加工一工件时，加工误差的大小和方向都保持不变，或者按照一定的规律性变化，称这类误差为系统误差。称前者为常值系统误差，称后者为变值系统误差。 随机误差：在相同工艺条件厂、顺序加工一批工件时，其加工误差的大小、方向及其变化是随机性的，称这类误差为随机误差。 统计分析方法有：分布图分析法和点图分析法。 分布图分析法是通过测量某工序加工所得一批零件的实际尺寸，用作图(如直方图或曲线)分析的方法此判断加工方法产生误差的性质和大小。 点图分析法是用点图研究加工精度，估计工件加工误差的变化趋势。点图是按照加工顺序绘制的尺寸分布图。 4-14 参考答案