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机械制造工程训练 一 成本要素二 切削加工的基础知识三 金属切削机床四 机械加工工艺过程五 零件表面的加工方案六 下料七 焊接 索引 一 成本计算变动成本 计件工人工资 辅料 材料费 能耗固定成本 设备 厂房 管理费用计算方法 产生费用分摊到单个时间费用 如车工序36元 H 返回索引 二 切削加工的基础知识 返回索引 切削加工是利用刀具和工件的相对运动 刀具从毛坯或型材上切除多余的材料 以便获得精度和表面粗糙度均符合要求的零件的加工过程 切削加工分为机械加工和钳工 1 切削加工的概念 1 1钳工与机械加工 钳工 通过工人手持工具进行切削加工 机械加工 采用不同的机床 如车床 铣床 刨床 磨床 钻床等 对工件进行切削加工 2 零件表面质量的概念 零件几何参数 宏观几何参数 包括 尺寸 形状 位置等要素 微观几何参数 指 微观表面粗糙程度 2 1加工精度 加工精度 指零件经切削加工后 其尺寸 形状 位置等参数同理论参数的相符合的程度 偏差越小 加工精度越高 它包括 a 尺寸精度 零件尺寸参数的准确程度 b 形状精度 零件形状与理想形状接近程度 c 位置精度 零件上实际要素 点 线 面 相对于基准之间位置的准确度 2 1加工精度 国家标准规定 常用的精度等级分为20级 分别用IT01 IT0 IT1 IT2 IT18表示 数字越大 精度越低 其中IT5 IT13常用 高精度 IT5 IT6通常由磨削加工获得 中等精度 IT7 IT10通常由精车 铣 刨获得 低精度 IT11 IT13通常由粗车 铣 刨 钻等加工方法获得 2 1 1尺寸精度 25 0 0 04 零件尺寸要素的误差大小 问 精度的高低与哪两个因素有关 基本尺寸和公差大小 2 1 2形状精度 25轴加工后可能产生的形状误差 0 0 013 2 1 2形状精度 指零件上实际要素的形状与理想形状相符合的程度 国家标准规定了六类形状公差 见下表 形状精度的标注 框格分为2格 箭头指向待表达的表面 数字表示允许误差的大小 单位为毫米 2 1 3位置精度 指零件的实际要素 点 线 面 相对于基准之间位置的准确度 圆圈中的英文字母表示基准 框格分3格 箭头指向待表达的表面 零件精度等级及其相应的加工方法 2 2表面粗糙度 表面粗糙度 零件微观表面高低不平的程度 产生的原因 1 切削时刀具与工件相对运动产生的磨擦 2 机床 刀具和工件在加工时的振动 3 切削时从零件表面撕裂的切屑产生的痕迹 4 加工时零件表面发生塑性变形 2 2表面粗糙度 国家标准规定 表面粗糙度分为14个等级 分别用表示 数字越大 表面越粗糙 表面粗糙度符号上的数值Ra 单位是微米 m 2 2表面粗糙度表面粗糙度符号的意义及应用 2 3常见加工方法的Ra表面特征 机器零件的基本表面包括 外圆 内圆 孔 平面和成型面基本表面主要由如下的加工方法获得 3 切削运动与切削用量 3 1切削运动 机床的切削运动 3 2切削用量 切削量三要素包括切削速度 进给量和背吃刀量切削速度 切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时速度 用V表示 单位为m s或m min进给量 刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量 用f表示 车 钻和铣削时单位为mm r背吃刀量 已加工表面和待加工表面之间的垂直距离 用ap表示 单位为mm 如下图 3 2 1车削切削速度 背吃刀量的计算 V 切削速度d 工件直径n 工件转速 背吃刀量 切削速度 dmax 待加工表面直径dmin 已加工表面直径ap 背吃刀量 3 3切削用量的合理选择问题 1 粗加工按ap 吃刀量 f 进给量 v 转速 的顺序选择a 粗加工的主要目的是用最少的走刀次数尽快切除多余金属 只留后续工序的加工余量 所以应根据毛坯尺寸首先选择apb 粗加工不必考虑表面粗糙度 在ap确定后 选取大的f 减少走刀时间c ap和f确定后 在机床功率和刀具耐用度允许的前提下选择v 2 精加工按v 转速 f 进给量 ap 吃刀量 的顺序选择精加工的主要目的是保证产品质量和降低零件的表面粗糙度 因此首先应选择尽可能高的v 然后选择达到表面粗糙度要求的f 最后再根据精加工余量决定ap 三 金属切削机床 返回索引 1 机床的类型 金属切削机床是用来对工件进行加工的机器 故称为 工作母机 习惯上称机床 按加工性质和所用刀具分类 分为车床 铣床 钻床 磨床 齿轮加工机床等12大类 按精度分类 分为普通精度 精密和高精度三种 按重量分类 分为一般机床 大型机床和重型机床 机床的型号 如 CW6163表示 2 机床的基本结构 1 主传动部件 用来实现机床主运动 2 进给传动部件 主要用来实现机床进给运动 3 工件安装装置 用来安装工件 4 刀具安装装置 用来安装刀具 5 支承件 用来支承和连接机床各零部件 是机床的基础构件 6 机床动力部件 为机床提供动力 3 机床的传动 机床的传动有机械 液压 气动 电气等多种形势 最常见的是机械传动和液压传动 机械传动包括皮带传动 齿轮传动 涡轮蜗杆传动 齿轮齿条传动和丝杆螺母传动 3 1皮带传动 皮带传动是靠胶带与带轮之间的磨擦作用 将主动皮带轮的转动传递到另一个被动皮带轮上去的 皮带传动的优点是传动平稳 轴间距较大 结构简单 制造维修方便 过载时皮带打滑 不易引起机器损坏 其缺点是不能保证精确的传动比 且磨擦损失大 传动效率较低 3 2齿轮传动 齿轮传动是目前机床中应用最多的一种传动方式 这种传动方式种类多 如直齿 斜齿 人字齿 圆弧齿轮传动等 最常见的是直齿圆柱齿轮 设 z1和n1分别为主动轮的齿数和转速z2和n2分别为被动轮的齿数和转速传动比i z1 z2 n2 n1 3 3涡轮 蜗杆传动 采用这种方式 只能由蜗杆带动蜗轮传动 其传动的优点是 可获得较大的降速比 传动平稳 噪音小 结构紧凑 其缺点是传动效率低 并需要良好的润滑条件 3 4齿轮 齿条传动 齿轮齿条传动机构可将旋转运动转变为直线运动 当齿轮为主动轮时 也可将直线运动转变为旋转运动 当齿条为主动件时 在实际运用中 以前者居多 齿轮齿条传动的效率很高 但制造精度不高时 传动的平稳性和准确性较差 3 5丝杆 螺母传动 丝杆 螺母传动可使旋转运动变成直线运动 例如在车床上车螺纹时 丝杆旋转 合上开合螺母后 刀架便作纵向运动 其传动的优点是工作平稳 无噪音 其缺点是传动效率较低 4 机床的变速机构 在一般的通用机床上通过变速机构实现接近理想值的切削速度 变换机床转速的主要装置是机床的齿轮箱 齿轮箱变速机构的形式多样 最常见的为滑动齿轮变速机构和离合器式齿轮变速机构 4 1滑动齿轮变速机构 带长键的从动轴 上装有滑动齿轮z2 z4 z6 通过手柄上的拨叉可使它们分别与固定在主动轴 上的齿轮z1 z3 z5相啮合 其传动比i1 z1 z2i2 z3 z4i3 z5 z6轴 的转速分别为 n2 i1n1或n2 i2n1或n2 i3n1 式中n1为轴 的转速 n2为轴 的转速 4 2离合器式齿轮变速机构 从动轴 两端空套有齿轮z2和z4 它们分别与固定在主动轴 上的齿轮z1和z3啮合 轴 中部带有键3 并装有压嵌式离合器4 当手柄左移或右移离合器时 离合器的爪1与齿轮z2啮合或爪2与齿轮z4啮合 这样轴 可得到两种不同的转速 其传动比是 i1 z1 z2i2 z3 z4 5 车床的基本结构 主电机及变速机构 挂轮箱 床头箱 进给箱 卡盘 中心架 溜板箱 尾架 丝杆 光杆 5 1车削的加工范围 车削是以加工回转体为主要加工目的 在车床上可以加工 外圆 端面 锥度 钻孔 钻中心孔 镗孔 铰孔 切断 切槽 滚花 车螺纹 车成型面 绕弹簧等 5 2车削的工艺特点 粗加工 经济精度可达到IT10 表面粗糙度在25 12 5之间 精加工 经济精度可达IT7左右 表面粗糙度Ra6 3 1 6之间 2 易于保证相互位置精度要求 一次装夹可加工几个不同的表面 避免安装误差 3 刀具简单 制造 刃磨和安装方便 容易选用合理的几何形状和角度 有利于提高生产率 4 应用范围广泛 几乎所有绕定轴心旋转的内外回转体表面及端面 均可以用车削方法达到要求 5 可以用精细车的办法实现有色金属零件的高精度的加工 有色金属的高精度零件不适合采用磨削 6铣削加工 主轴箱 主轴 横溜板 工作台 升降台 底座 6 1立式铣床的基本结构 6 2铣削的主要加工范围 6 3铣床的分度加工功能 分度头手柄 工件 铣刀 卡盘 尾架 扇形夹 1 分度头手柄与卡盘中心轴之间的传动比为40 1 即手柄转40圈 卡盘或工件转1圈 2 孔圈和扇形夹的张开角度用于非整数圈的定位 孔圈 6 4逆铣和顺铣 逆铣 铣刀旋向 或铣削力 与进给方向相反顺铣 铣刀旋向与进给方向一致 F F V V 6 5铣削的工艺特点 1 铣削加工的精度可达IT10 IT7 表面粗糙度可达6 3 1 6左右2 生产效率高 铣刀是多刀齿刀具 铣削时有几个刀齿同时参加切削 主运动是刀具的旋转 所以铣削的生产效率比刨削高 3 容易产生振动 铣刀的刀齿切入和切出时产生振动 加工过程中切削面积和切削力变化较大 4 刀齿的散热条件较好 在刀具旋转过程的不切削时间内 刀具可以得到一定的冷却 5 与刨床相比 铣床价格高 适用于批量生产 7 刨 插 削加工 刨床主要有牛头刨床和龙门刨床两种 牛头刨床 刨刀的直线往复运动是主运动 工件在刨刀返回行程将结束时作横向进给运动 牛头刨床主要用于加工中小型零件 龙门刨床 工作台往复运动 横梁上的刀架可以水平或垂直运动龙门刨床主要用于加工大型零件 7 1牛头刨床的摆杆机构 牛头刨床的摆杆机构摆杆齿轮带动摇杆左右摆动 摇杆带动滑枕做往复运动 摆杆机构的特点 返回行程比工作行程时间快 7 2刨削加工的范围 3 1插削加工 插床又称立式刨床 其运动原理与牛头刨床相似 主要用于孔内表面加工 如方孔 多边形孔 键槽等的加工 工件在工作台上可做纵向 横向和回转的运动 滑枕做上下往复运动 7 3插削主要加工范围 7 4刨削加工的工艺特点 1 加工精度通常为 精刨 IT7 IT10 粗糙度Ra为6 3 1 6之间 2 通用性好 刨床简单 价格低 调整和操作简便 刨刀形状简单 制造 刃磨方便 3 生产率一般比较低 主运动为往复直线运动 返回行程不参加切削 4 适用于单件小批生产 8 钻削加工 钻床包括台式钻床 立式钻床和摇臂钻床 如图 工件直径 12mm的孔一般使用台式钻床加工 孔径 50mm的中小型零件在立式钻床上加工 大型工件上的孔在摇臂钻床上加工 钻夹头是钻孔的常用夹具 一般用于孔径较小 12mm 的工件 大直径的零件用锥度套筒装入钻轴 对精度要求高 粗糙度低的零件钻孔后还必须进行精加工 钻削加工的范围 8 1扩孔 用扩孔钻对已经钻出或铸出 锻出的孔进行扩大和提高精度的加工 称为扩孔 扩孔钻如下图所示 其结构与麻花钻相似 但切削刃有3 4个 前端是平的 无横刃 螺旋槽较浅 钻头刚度好 扩孔余量小 切削比较平稳 所以扩孔精度比钻孔高 其尺寸公差等级可达IT10 IT9 表面粗糙度Ra值可达6 3 3 2 m 扩孔可作为终加工 也可作为铰孔前的预加工 8 2铰孔 铰刀有手用铰刀和机用铰刀两种 图a 手用铰刀为直柄 工作部分较长 机用铰刀多为锥柄 可装在钻床 车床或镗床上铰孔 铰刀的工作部分由切削部分和修光部分组成 切削部分呈锥形 担负切削工作 修光部分起导向和修光作用 铰刀有6 12个切削刃 制造精度高 心部直径较大 刚度和导向性好 铰孔余量小 切削平稳 铰孔尺寸公差等级可达IT8 IT6 表面粗糙度Ra值达1 6 0 4 m 手铰孔时 用铰杆转动铰刀并轻压进给 图b 铰刀不能倒转 否则铰刀与孔壁之间易挤住切屑 造成孔壁划伤或刀刃崩裂 铰孔适用于加工精度高 直径不大孔的终加工 手铰时 切削速度低 切削力小 不受机床振动等影响 加工质量比机铰好 但生产率低 镗削一般是指在镗床上进行的切削加工 图为常用的卧式镗床 由床身 立柱 主轴箱 尾架和工作台等部分组成 镗床的主轴能作旋转主运动和轴向进给运动 安装工件的工作台可以实现纵向 横向进给运动 并可回转一定的角度 主轴箱可沿立柱导轨作上下运动 尾架可沿床身导轨水平移动 其上的镗杆支承也可与主轴箱同时上下运动 8 3镗削加工 8 4镗孔加工的工艺特点 1 镗床主要用于加工大型工件或形状复杂工件上的孔和孔系 例如变速箱 发动机缸体等 2 镗孔尺寸公差等级可达IT8 IT7 表面粗糙度值一般为1 6 0 8 m 3 镗孔可以校正孔原有的轴线偏差或位置偏差 镗刀的形状 8 5钻削的工艺特点 1 钻削属于低精度 IT11 IT13 和高表面粗糙度的 Ra50 12 5 加工方法2 容易产生 引偏 是加工过程中由于钻头弯曲产生孔径扩大 孔不圆等缺陷 原因是刀具呈细长状 刚性较差 3 排屑困难 钻孔在半封闭的状态下进行 切下来的切屑沿刀具两侧的螺旋槽上升 容易与已经加工出的表面发生摩擦和挤压 刮伤已加工表面 降低表面质量4 切削热不容易传散 切削液难以传到切削区 限制切削速度的提高 9 磨削加工 磨削加工的机床是磨床 刀具是砂轮磨削加工可以磨削外圆 孔和平面 磨削加工的夹具通常有电磁吸盘 三爪卡盘 顶尖等 2019 12 20 59 可编辑 磨床包括外圆磨 内圆磨 无心磨等几种 下图是万能外圆磨床的图形 M1432A万能外圆磨床 M 磨床 14 万能外圆磨床 32 最大磨削直径的1 10 即最大磨削直径为320mm A 性能和结构上经过一次重大改进 9 1磨床类型 9 2磨削的工艺特点 1 磨削的精度高 IT6 IT5 粗糙度低 Ra0 8 0 2 砂轮表面有极多的切削刃同时参加切削 2 可以加工一些难以加工的材料 如淬火钢 高速钢以及毛坯的清理 3 切削速度高 30m s以上 切削温度高 1000 以上 使用冷却液 4 砂轮有自锐作用 这是其它刀具所不具备的 即磨粒不断脱落 新的磨粒又是锋利的 5 磨削力的径向分力较大 因此 在达到尺寸以后 还要进行多次无进给磨削 10 1齿轮加工之铣齿轮 铣齿通常是利用成型刀具 如齿轮铣刀 以及分度盘来进行加工 通过铣削加工的齿轮通常精度不高 这是由于分度盘的精度不高导致的 铣齿适用于加工单件小批量低精度的齿轮 通常铣齿成本较低 生产率较低 图为在卧式万能铣床上铣直齿轮的示意图 齿坯安装在铣床的分度头上 铣刀旋转作主运动 工作台带动齿坯作直线进给运动 每铣完一个齿槽后 工件退回 进行分度 再铣下一个齿槽 重复进行上述过程 直至铣出全部齿面为止 10 2齿轮加工之插齿原理和插齿 插齿加工是用插齿刀在插齿机上加工齿轮的 它是按一对圆柱齿轮的啮合原理进行的 如图 一个是工件 另一个是刀具 插齿刀采用高速钢制造 在刀具上磨出前角和后角度 工件和刀具之间按传动比做纯滚动旋转 插齿刀同时再做上下往复运动 可在工件上插出齿轮来 插齿过程中 插齿刀与工件之间必须维持严格的啮合关系 这种运动称为分齿运动 齿轮加工之插齿原理和插齿 插齿运动的主运动是刀具的上下往复运动 进给运动包括分齿运动 展成运动 径向进给运动 让刀运动 让刀运动的作用是 避免刀具在返回时 刀齿的后刀面与工件发生摩擦 10 3齿轮加工之滚齿原理和滚齿 滚刀形状类似蜗杆 其加工过程与蜗杆蜗轮的啮合过程相似 为了形成切削刃和容屑槽 滚刀在垂直螺旋线方向等分地开出若干刀槽 并经过铲背 淬火和前 后刀面的刃磨 其刃形又近似于齿条齿形 滚齿时 每个齿形都是由滚刀在旋转中依次对齿坯切削的若干条切削刃包络而成的 图 当滚刀与齿坯进行强制啮合运动时 就在齿坯上切出了渐开线齿形 齿轮加工之滚齿原理和滚齿 主运动即滚刀的旋转运动 展成运动即滚刀与齿坯之间的啮合运动 两者应准确地保持齿轮啮合传动比关系 设滚刃的头数为K 通常K 1 被加工齿轮的齿数为Z 则滚刀每转一转 齿坯应沿啮合运动方向转K个齿 即转K Z转 垂直进给运动为了切出整个齿宽上的齿形 滚刀须沿齿坯轴线方向作连续进给运动 四 机械加工工艺过程 返回索引 1 下料2 粗车3 焊接4 精车5 磨削6 钻孔 生产过程中 直接改变毛坯形状 尺寸和性能 使之变为合格零件的过程 称为工艺过程 工艺过程由很多工序组成 工序是指在一个工作地点对一个或一组工件所连续完成的部分工艺过程 例 4 1毛坯选择及加工余量的确定 加工余量 为了加工出合格零件 必须从毛坯上切去一层金属 称加工余量 加工余量分为工序余量和总余量 某道工序切除的余量称为工序余量 各工序余量的和称总余量 工序余量的确定 决定工序余量的大小 是在保证加工质量的前提下 使余量尽可能的小 过大影响生产效率 过小不能切去工件表面的缺陷层 加工余量的确定可采用如下方法 大焊接件型结构余量是单边7 5mm 小焊接件是单边4mm 不是焊接件减三分之一 锻件余量单边10mm 1 根据生产经验估计2 查表 根据工艺手册查表3 计算法 可查阅 机制工艺学 有关内容 第八章零件表面的加工方案 第八章零件表面的加工方案 五 零件表面的加工方案 返回索引 1 外圆表面的加工方案 2 平面的加工方案 3 孔的加工方案 4 齿轮的加工方案 5 螺纹的加工方法 螺纹的结构简单 形式多样 传动稳定 连接可靠 调整迅速准确 装拆方便 成本低廉 在机械行业中应用广泛 5 1螺纹的种类和用途 螺纹按其用途分为联接螺纹和传动螺纹1 联接螺纹 主要起联接和调整的作用 1 普通螺纹 牙形角为60 又分为粗牙螺纹和细牙螺纹两种 代号为M 2 管螺纹 牙形角为55 常用于水管 气管 油管等防泄露要求的场合 5 1螺纹的种类和用途 2 传动螺纹 主要用于传递运动和动力 1 梯形螺纹 牙形角为30 牙形为等腰梯形 代号为Tr 它是传动螺纹的主要形式 如机床丝杠等 5 1螺纹的种类和用途 2 矩形螺纹 主要用于力的传递 其特点是传动效率较其它螺纹高 但强度较低 对中准确性较差 特别是磨损后轴向和径向的间隙较大 因此应用受到了一定的限制 5 1螺纹的种类和用途 3 锯齿形螺纹 其牙形为锯齿形 代号为B 它只用于承受单向压力 由于它的传动效率及强度比梯形螺纹高 常用于螺旋压力机及水压机等单向受力机构 5 1螺纹的种类和用途 4 模数螺纹 即蜗杆蜗轮螺纹 其牙形角为40 它具有传动比大 结构紧凑 传动平稳 自锁性能好等特点 主要用于减速装置 5 2螺纹的加工 1 车螺纹 其特点是通过车床机构的调整 能方便地车出不同螺距 不同直径 不同线数和不同牙形的螺纹 适合于单件小批量生产 5 2螺纹的加工 2 攻螺纹和套螺纹 攻螺纹是用丝锥在工件的光孔内加工出内螺纹的方法 如下图左 套螺纹是用板牙在工件光轴上加工出螺纹的方法 如下图右 5 2螺纹的加工 3 铣螺纹 磨螺纹和滚压螺纹 1 铣螺纹 是在专用的螺纹铣床上进行 也可在万能卧式铣床上进行 铣螺纹比车螺纹的加工精度略低 表面粗糙度略大 但铣螺纹的生产率高 适宜于大批大量螺纹生产的粗加工和半精加工 2 磨螺纹 是在专用的螺纹磨床上进行 主要是对需要热处理 硬度较高和精度要求高 的螺纹进行精加工 一般需要磨削的螺纹是经过车螺纹或铣螺纹等半精加工后才进行的 5 2螺纹的加工 3 滚压螺纹 是使坯料在滚压工具的压力下产生塑性变形 强制压制出相应的螺纹 滚压方式主要有两种 A 搓螺纹 是在搓丝机上进行 利用搓丝机压出来的螺纹精度高 可达5级 表面粗糙度为Ra1 6 0 8 目前市场上购买的螺钉 螺栓等螺纹零件大都是由搓丝机生产出来的 B 滚螺纹 是在专用的滚压螺纹机上进行的 被滚压出来的螺纹精度可达3级 表面粗糙度为Ra0 8 0 2 其优点是大大提高了螺纹的抗拉强度 抗剪强度和疲劳强度 且生产率很高 缺点是需要贵重的专用设备 对坯料精度要求较高 而且只能滚压外螺纹 6 典型零件的工艺过程 我们对轴类 盘类零件进行工艺过程分析 6 1轴类零件 6 1轴类零件 1 技术要求本零件的轴颈 24和 16分别装在箱体的两个孔中 轴通过螺纹M10和孔 10紧固在箱体上 轴上 20h6处是用来安装滚动轴承的 轴承上装有齿轮 轴中间对称地加工出相距22的两个平行平面 是为了卡扳手而设计的 2 工艺分析 毛坯选择 由于轴受力不大 主要是支承齿轮 所以可直接选用不经锻造的45钢 6 1轴类零件 定位基准的选择A 以圆钢外圆面为粗基准 粗车端面并钻中心孔 B 为保证外圆面的位置精度 以轴两端的中心孔为定位精基准 这样满足了基准重合和基准统一的原则 C 调质处理后 以外圆面定位 精车两端面并修整中心孔 D 以修整的两中心孔作为半精车和磨削的定位精基准 满足了互为基准的原则 制订机械加工工艺过程 单件小批量生产机床某轴的工艺过程 6 2盘类零件 盘类零件主要由外圆面和内圆面组成 其特征是径向尺寸大于轴向尺寸 如联轴节 法兰盘等 6 2盘类零件 1 技术要求本零件的底板为80 80的正方形 它的周边不需要加工 精度直接由铸造保证 底板上有四个均匀分布的通孔 9 其作用是将法兰盘与其它零件相连接 外圆面 60是与其它零件相配合的基孔制的轴 内圆面 47是与其它零件相配合的基轴制的孔 它们的Ra值均为3 2 本零件的精度要求较低 可采用一般的加工工艺完成 6 2盘类零件 2 工艺分析 毛坯选择 零件材料为HT100 工艺过程分析 由于本零件精度要求较低 只要选择好定位基准 则只须采用铸造 车削 画线钻孔 检验工艺路线 定位基准的选择A 以 60的外圆面为粗基准 加工底板的的底平面 B 以加工好的底平面和不需加工的侧面为精基准 实际上是 60的轴线为精基准 以四爪卡盘和底平面