西安交通大学在职硕士复试机械制造技术基础复习大纲.doc

机械制造技术基础复习大纲西安交通大学机械工程学院绪论产品生产过程与组织产品的生产过程主要可划分为新产品开发、产品制造、产品的销售和服务三个阶段。新产品开发主要在市场导向下，根据技术的发展和企业的资源特征，通过设计、试制、生产准备等活动，推出有市场前景的产品。特保证了企业的发展与未来。产品的制造活动，主要是根据市场和定单所决定的批量，把开发的产品制造和装配出来。制造活动包括了零件毛坯的制造，粗、精加工，热处理，表面处理和部件与整机的装配、检验，它也涉及了制造过程的规划、调度与控制。产品销售与服务，主要指把生产的产品通过一定的渠道推向市场，把产品变为企业实际的利润。在现代社会，售后服务是一个重要方面。IBM营销总裁曾说过“IBM并不销售产品，而是销售解决问题的方法”，指的就是服务。第一节 产品开发一、产品开发的重要性科学技术的发展与进步，为满足人类的更高消费提供了许多新的产品方案。消费者随着生活水平的提高及社会环境的进步，对产品功能、质量、外观、价格提出了新的需求，这些都要求企业有可能和有必要不断开发新的产品。同时，企业处于一个国际国内的竞争环境中，对利润较高的适销产品，势必不断吸引一大批竞争者不断加入市场，争夺市场。企业为了赢得竞争，也需要不断推出新产品。任何产品都有一定的寿命周期，它一般可以分为四个阶段。介绍期：这是一个市场宣传、产品改进及为批量生产作准备的阶段。这时期销售量有限，制造成本高，销售价也较高。此间，销售年增长一般小于10%。成长期：此时销售额迅速上升，生产成本大幅度下降，利润迅速增大。成熟期：这一阶段销售量较大，但增速趋缓，市场接近饱和，企业利润丰厚。其间，销售增长率一般为0.110%.衰退期：由于市场上已出现性能或规格品格改进的新产品，或经过激烈竞争，原有产品价格已压到极低的水平，使销售量和利润持续下降，企业已无法取得利润。对一个有烊力的企业，既应该很好地经营管理处于成长期和成熟期的产品，对其进行产品改进，延长寿命周期，又要不断开发新产品，尤其是创新产品，抢占市场的制高点。二、新产品开发的决策新产品可分为：全新产品、换代产品、改进产品、仿制产品四大类。开发什么样的产品，必须来源于详细的市场调查、认真的评价分析、科学的决策。如果说产品开发的决策、技术开发、中试、生产上市几个阶段的资金投入比例可能是1：10：100：1000，但它们对该产品是否成功，即市场前景和企业效益的影响度则可能是70%：10%：10%：10%，正确的决策是至关重要的。1.开发调研新产品开发决策的依据是开发调研。开发调研可由以下几个方面进行，即科技调研、市场调研、竞争环境调研、企业内部调研。调研的方法可采限信息归纳、调查表调查、实地考察、专家论证等方法。2.立项决策根据调研分析，确定新产品开发的目标市场定位、价格定位、功能设计定位。然后进行产品概念设计，对产品的经济性及风险性进行评估。(1).经济分析经济分析有盈亏平衡销售量法、投资回收期法、资金利润法、利润贴现率等。(2).风险分析对风险的评估饮食在资金投入效益中，可采用新产品系数法。三、开发实施途径新产品开发，可有如下途径：1.独立开发依靠本企业独立进行新产品开发的全部工作。对开发不太复杂的产品或开发仿制、改进型产品比较适合。2.合作开发由企业和高校或科研机构合作进行技术开发。由于新产品开发可能涉及到较广泛的学科领域，需要各种检测、实验设备，需要各类人才进行创新工作，而学校科研机关在这些方面有较强的优势。这种方式是比较值得推广的。3.技术引进通过购买专利，引进国外技术等方式，这样可以使企业产品迅速赶上先进水平，进入国际市场。但对项目的引进应充分掌握国内外技术发展，进行充分市场分析，以避免风险和损失。四、新产品开发的实施1.整体产品概念整体产品概念，它由核心部分，形式部分及延伸部分组成。产品的核心部分是其使用价值。如洗衣机是用于洗衣的，汽车是用于代步或运输。形式部分指产品的品质、包装、品牌、款式等内容。产品延伸部分主要指的是服务。如运送安装、质量承诺、售后服务保证。2.新产品开发实施步骤新产品开发的顺序是概念设计、方案设计、评细设计、样机试制与评审、工艺设计、新产品鉴定、试销、生产准备、批量生产。（1）.产品概念设计概念设计在立项决策时就基本形成了，实际上以新产品开发任务书的形式有了较明确的规定，它一般包括了产品基本特征、技术原理、主要结构形式、主要功能、市场定位、技术规格、主要参数、目标成本与国内外类似产品的比较等项要求。（2）.产品方案设计方案设计主要确定实现概念设计的总体方案，包括机械结构方案、电气控制方案、外形方案等。在详细设计阶段进一步完成其结构设计，以装配图、部件装配图、零件图、电气线路图、控制软件等形式体现出来。详细设计后要组织设计部门、工艺部门、生产管理部门、销售部门人员进行设计评审。评审后进行修改，然后完成样机制造。产品的许多性能往往要靠样机的试验才能真正确定下来。样机经济试后，连同设计资料及工艺设计一起进行新产品鉴定。由于产品的制造方法与批量生产也不一致。因此，鉴定后，还应按照工艺设计进行生产准备，即组织生产设备或生产线，设计制造专门的刀具、模具、夹具、检具等工艺装备，然后才进入小批量试制、试销、最后大批量投产。（3）.产品开发的技术手段产品的设计以图纸或软件的形式确定下来。由于计算机在制造业中的广泛应用，计算机辅助设计（CAD）得到越来越普遍的应用。机械CAD软件主要分二维软件和三维软件。AutoCAD、国内的华正、开目等软件主要是二维功能。三维实体造型软件有Ideas、UG、Pro-E、Solidwork、Uclied等软件。在以普通机床为主的企业中，二维图还是传递设计信息的主要手段。在以数探加工为主的企业、实现CIMS管理的企业或者三维曲面比较多的场合（如叶轮机械、模具行业），则三维CAD的应用较为广泛。CAD设计信息容易以软盘、磁盘或通过INTERNET及工厂局域网进行信息传递，用CAD容易实现设计信息的保存及修改，CAD信息还容易变为CNC数控加工程序，实现CAD/CAD一体化。根据零件的CAD信息也容易进行模具、工夹具等的设计、制造和管理。有了CAD信息也便于用有限元等CAE软件对零部件进行强度、变形及振动计算，实现CAE/CAD的集成。CAD/CAM信息也容易与工厂其它管理信息软件（MIS）集成，实现生产管理的现代化，因而CAD的应用越来越普及。基于CAE/CAD/CAM以及多媒体技术发展起来的虚拟制造技术可以大大加速产品的开发过程。虚拟制造可以用计算机软件模拟产品的装配运行和使用，在设计阶段及早发现问题，减少试制、运行测试、改进设计的多次反复过程，也节约了开发费用，是正在发展中的一项技术。将虚拟与现实技术用于制造，人们可在计算机前，戴了头罩及传感手套，驾驶一辆在计算机上设计的汽车，可以获得该汽车在高速公路上行驶一样的感受，对产品的评价就更详细、直观。利用这些技术可以在产品未试制出来以前就进行市场宣传和开拓。快速成形制造技术可以以较低的费用、很短的时间完成开发时单机或小批量的试制，是现代产品快速开发的重要技术。美国GM公司将此技术用于汽车零部件开发，使开发时间和费用都降低了50%80%。第二节 制造过程与生产组织一、制造活动的定义制造活动包括了设计、材料选择、计划、加工、质量保证等活动。经过这些活动将原料转变为产品。二、生产类型与组织方式产品的用途不同，决定了其市场需求量是不同的，因此不同的产品有不同的生产批量。如家电产品的市场需求可能是几千万台，而专用模具、长江三峡巨型发电机组等需求则往往只是单件。需求的批量不同，形成了不同的生产规划类型，如大批量、中小批量、单件生产等。不同的生产类型即生产规模不同，生产组织的方式及相应的工艺过程也大不相同。大批量生产往往是由自动生产线，专用生产线来完成的，单件、小批生产往往是由通用设备，靠人的技术或技艺来完成的。数控技术及机器的智能化改善了这一状况，使单件小批生产也接近大批生产的效率及成本。单件、小批生产时，往往采用多工序集中在一起。大指量生时，一个零件往往分成了许多工序，在流水线上协调完成加工任务。大批量生产时产品的开发过程和大批量制造过程中间往往还有小批量试制阶段，以避免市场风险及完善生产准备工作。这些阶段间往往有较明确的界限，中间还要进行评估与分析。单件、小批生产中，产品的开发过程与生产过程往往结合为一体。但这些界限并不是绝对的，在敏捷制造、并行工程等先进制造模式下，大批量生产时，产品开发和生产组织阶段之间往往消除了明显的界限，这就是为了迅速响应市场，占有市场，在高技术群的支撑下所达到的制造技术的理想境界。针对不同的产品所选用的生产模式及制造技术的准则是什么？质量、成本、生产率长期以来是评价机电产品制造过程的三准则。然而随着技术的飞速发展及人们消费水平的提高，消费的个性化及制造业的竞争日趋激烈，使大批量生产类型越来越被多品种、小批量所取代。质量、成本、生产率这三准则的内涵有了新的发展，T（交货时间）Q（质量）C（成本）S（服务）的准则被提出来了。服务实际上也可看作质量的一个要素，单独提出来，是引起更多重视。TQCS四要素孰轻孰重？由于市场竞争的日趋激烈，快速响应制造的概念被提出来了。最大程度地满足用户需求的产品往往并不是一次设计和制造就能定位的，快速制造可以加速质量改进迭代的进程，以求继续保持质量的领先。最早上市的几家公司往往占有市场份额的80%以上。最早实现顾客某些功能需求的厂商，由于市场的独占性，往往可以有较高的价格，即使生产成本较大，企业仍能获得丰厚利润。因此决策一个产品的生产组织、开发方式及制造工艺时，要灵活掌握运用以上思想和原则。不仅要对工艺技术有深刻透彻的掌握，而且能从管理学角度作出有战略眼光的选择。产品的制造过程实际上包括了零件、部件、整机的制造。部件和整机的制造一般是一个装配的过程。企业组织产品的生产可以有多种模式。生产全部零部件、组装机器。生产一部分关键的零部件，其余的由其它企业供应。完全不生产零部件，自己只负责设计及销售。第一种模式的企业，必须拥有加工所有零件、完成所有工序的设备，形成大而全，小而全的工厂。当市场发生变化时，适应性差，难以作到设备负载的平衡，而且固定资产利用率差，定岗人员也有忙闲不均情况，影响管理和全员的积极性。第三种模式具有场地占用少、固定设备投入少、转产容易等优点，较适宜市场变化快的产品生产。但对核心技术和工艺应该自己掌握时，或大批量生产中附加值比较大的零部件生产，这一模式就有不足之处。许多高新技术开发区“两头在内、中间在外”的企业均是这种方式。国外敏捷制造中的动态联盟，其实质即是在INTERNET信息技术支持下，在全球范围内实现这一生产模式。这种组织方式中，更显示出知识在现代制造业的突出作用和地位。实际上是将制造业由资金密集型向知识密集型过渡的模式。许多产品复杂的大工业多采用第二种模式，如汽车制造业。对第二种模式及第三种模式来说，零部件供应的质量是重要的。保证质量的措施可以采取主机厂有一套完善的质量检测手段，对供应零件进行全检或按数理统计方法进行抽检。为了保证及时供货及质量的另一个措施是可以向两个供应商定货，以便有选择和补救的余地，同时形成了一定的竞争机制。三、零件的制造过程零件的制造过程实际上是获取具有一定几何特性和物理、化学、机械性能的零件的过程，使零件具有一定几何形状的工艺方法。主要有材料成形工艺方法，如铸造、锻压、焊接、注塑、冲压、冷锻等。机械加工工艺，主要指车、铣、刨、磨等方法。特种加工（电加工、电解加工、三束加工、水射流等）。而热处理工艺（如退火、淬火、正火、发黑、表面处理）则是使零件获得一定的机械性能（强度、硬度）物理、化学（耐磨、耐蚀）等特性的工艺方法。1.材料成形工艺材料成形工艺一般用于制造零件毛坯或精度要求不太高的零件，批量大、形状复杂的零件也往往直接由模具成形。如各种家用电器的壳体、发动机的壳体、汽车内外覆盖件及各种零件。随着近净成形技术（Near Net Shape Manufacturing）的发展，越来越多的零件可直接成形制造。近净成形对模具的精度提出了越来越高的要求。这种制造方法的费用较低、生产效率高，但专用模具的投资较大，模具制造周期较长，不太适合小批量生产。2.机械加工工艺机械加工主要是切削加工方法，是一种很重要的制造方法。对获得同样一种几何形状的零件，可以有不同的加工方法、不同工艺方案，形成不同的加工顺序和加工过程，确定这些加工顺序、加工过程就是制订机械加工工艺。(1).制订机械加工工艺过程的组成：工序是组成加工过程的基本单元。一个工序是指一个（或一组）工人，在一台机床（或一个工作地点），对同一工件（或同时对几个工件）所连续完成的那一部分工艺过程。制订机械加工工艺过程，首先必须确定该工件要经过几道工序及这几道工序完成的先后顺序。仅就加工顺序列出主要工序名称的简略工艺过程称为工艺路线。(2).机械加工工艺与生产类型生产类型的划分可按照年生产纲领划分，产品的年生产纲领就是产品的年生产量。而零件的年生产纲领由下式计算：出于生产效率、成本、质量等方面的考虑，单件、小批量生产与大批量生产可能有不同的工艺过程。不仅如此，生产类型不同，工艺规程制订的要求也不同。对单件小批生产，可能只要制订一个简单的工艺路线就行了；对于大批量生产，应该制订一个详细的工艺规程，对每个工序、工步和工作行程，都要进行设计详细地给出各种工艺参数。这样做主要是因为对大批量生产来说，每个工序、工步节省1秒钟，就会带来可观的效益。应该经过计算和实验优化设计工艺规程，并详细规定下来，照章执行。同时，详细的工艺规程，也是进行工夹具设计制造的依据。第三节 制造技术概论按照由原材料或毛坯制造成为零件过程中，其质量M的变化可分为M0，M=0，M0三类技术。切削加工等，属于M0，在制造过程中材料逐渐被切除而获得几何形状。铸造、锻造及模具成型（注塑、冲压等）中M=0，材料主要是改变其形状，而不改变其质量。新近出现的快速成型（Rapid Prototyping）技术，又称为材料累加法制造（Material Incress Manufacturing），就是M0的情况。一、M0的制造过程M0主要指切削加工，这是本书重点讲述的内容。切削加工是通过工件和刀具之间的相对运动及相互力的作用下实现的。工件往往通过夹具安装在机床上，机床带动刀具或工件或两者同时进行运动。二、M=0的制造过程M=0的工艺内容由材料成形课程研究，此处值得注意的是统计数据表明机电产品4050%的零件是由模具成形的，模具的作用是可想而知。模具可分为注塑模、压铸模、锻模、冲裁模、拉伸模、吹塑模等等。三、M0的制造过程近年来出现的材料累加法制造（MIM）中M0，零件是逐渐生长出来的。在M0的制造过程中，材料在计算机控制下，逐渐累加成型，这一工艺方法的长处是可以成型任意复杂形状的零件，而无需刀、夹具等生产准备活动。这一工艺又称RP技术（Rapid Prototyping）。快速制造出来的原型可供设计评估、投标或展示的样件。RP技术已形成了几种成熟方法，进入了商品化阶段，主要有：1.光固化法/SL法（Stereolithography）该技术以光敏树脂为原料，将计算机控制下的紫外激光按预定零件分层截面的轮廓为轨迹对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面。当一层固化完毕，移动工作台，在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树指以便进行下一层扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上，如此重复直到整个零件原形制造完毕。SL法是第一个投入商业应用的RP技术。截止1994年底全球共销售SL设备595台，占RP设备总数的69.4%，据1995年统计，SL设备占RP设备销售总量的比例已上升至78%。这种方法的特点是精度高、表面质量好、原材料利用率将近100%，适合制造壳体类零件及开头复杂、特别精细（如首饰、工艺品等）的零件。2.叠层制造法/LOM法（Lamited Object Manufacturing）LOM工艺将单面涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接一起，位于上方的激光器按照CAD分层模型所获数据，用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓，然后新的一层纸再叠加在上面，通过热压装置和下面已切割层粘合在一起，激光束再次切割，这样反复逐层切割一粘合一切割直到整个零件模型制作完成。该法只需切割轮廓，特别适合制造实心零件。3.激光选区烧结/SLS法（Selective Laser Sinering）该法彩CO2激光器作能源，目前使用的造型材料多为各种粉末材料。在工作台上均匀辅上一层很薄（100200）的粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结，一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结完后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理便获得零件。目前，成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉，用金属粉或陶瓷粉进行直接烧结的工艺正在实验研究阶段。它可以直接制造工程材料的零件，具有诱人的前景。4.熔积法/FDM法（FUSED Daposition Modeling）FDM工艺的关键是保持半流动成型材料刚好的熔点之上（通常控制在比熔点高1左右）。FDM喷头受CAD分层数据控制，使半流动状态的熔丝材料从喷头中挤压出来，凝固形成轮廓形状的薄层。每层厚度范围在0.0250.762mm，一层叠一层最后形成整个零件模型。绪论复习思考题1.新产品分为哪几类？产品的寿命周期分那几个阶段？2.什么是零件的制造过程？零件的加工工艺主要有那几种？3.按制造过程中毛坯质量的变化可将制造方式分为哪三类？试简述什么是RP技术？它有那几种较成熟的加工方法？第一章 机械加工方法与装备第一节 机械加工方法根据机床运动的不同、刀具的不同。可将去除零件毛坯多余材料的切削方法分为几种主要不同方法。主要有：车削、刨削、磨削、钻削和特种加工等。本节对这些主要方法逐一介绍。一、车削车削中工件旋围，形成主切削运动。刀具沿平行旋转轴线运动时，就形成内、外园柱面。刀具沿与轴线相交的斜线运动，就形成锥面。仿形车床或数控车床上，可以控制刀具沿着一条曲线进给，则形成一特定的旋转曲面。采用成型车刀，横向进给时，也可加工出旋转曲面来。车削还可以加工螺丝面、端平面及偏心轴等。车削加工精度一般为IT8-IT7，表面精糙度为6.3-1.6。精车时，可达IT16-IT15。粗糙度可达0.4-0.1.车削的生产率较高，切削过程比较平稳，刀具较简单。二、铣削主切削运动是刀具的旋转。卧铣时，平面的形成是由铣刀的外园面上的刃形成的。立铣时，平面是由铣刀的端面刃形成的。提高铣刀的转速可以获得较高的切削速度，因此生产率较高。但由于铣刀刀齿的切入、切出，形成冲击，切削过程容易产生振动，因而限制了表面质量的提高。这种冲击，也加剧了刀具的磨损和破损，往往导致硬质合金刀片的碎裂，在切离工件的一般时间内，可以得到一定冷却，因此散热条件较好。按照铣削时主运动速度方向与工件进给方向的相同或相反，又分为顺铣和道铣。顺铣时，铣削力的水平分布力与工件的进给方向相同，而工件台进给丝杠与固定螺母之间一般又有间隙存在，因此切削力容易引起工件和工作台一起向前窜动，使进给量突然增大，容易引起打也。逆铣则可以避免这一现象。因此，生产中多采用逆铣。在铣削铸件或锻件等表面有硬度的工件时，顺铣刀齿首先接触工件的硬皮，加剧了铣刀的磨损；逆铣则无这一缺点。但逆铣时，切削厚度从零开始逐渐增大，因而刀刃开始经历了一段在切削硬化的已加工表面上挤压滑行的阶段，加速了刀具的磨损。同时，逆铣时，铣削力将工作上抬，易引起振动，这是逆铣的不利之处。铣削的加工精度一般可达IT8-IT7，表面粗糙度为6.3-1.6。普通铣削一般只能加工平面，用成形铣刀也可以加工出固定的曲面。数控铣床可以用软件通过数控系统控制几个轴按一定关系联动，铣出复杂曲面来，这时一般采用球头铣刀。数控铣床对加工叶轮机械的叶片、模具的模芯和型腔等形状复杂的工件，具有特别重要的意义。三、刨削刨削时，刀具的往复直线运动为划削主运动。因此，刨削速度不可能太高，生产率较低。刨削比铣削平稳，其加工精度一般可达IT8-IT7，表面粗糙度为Ra6.3-1.6，精刨平面度可达0.02/1000，表面粗糙度为0.8-0.4。牛头刨床一般只用于单件生产，加工中小型工件；龙门刨床主要用来加工大型工件，加工精度和生产率都高于牛头刨床。插床实际上可以看作立式的牛头刨床，主要用来加工键槽等内表面。插齿机的插刀与转动的工件形成范成运动用于加工齿轮的齿面。四、磨削磨削以砂轮或其它磨具对工件进行加工，其主运动是砂轮的旋转。砂轮上的每个磨粒都可以看成一个微小刀齿。砂轮的磨削过程，实际上是磨粒对工件表面的切削、刻削和滑擦三种作用的综合效应。磨削中，磨粒本身也由尖锐逐渐磨钝，使切削作用变差，切削力变大。当切削力超过粘合剂强度时，圆钝的磨粒脱落，露出一层新的磨粒，形成砂轮的“自锐性”。但切屑和碎磨粒仍会将砂轮阻塞。因而，磨削一定时间后，需用金刚石车刀等对砂轮进行修整。磨削时，由于刀刃很多，所以加工时平稳、精度高。磨床是精加工机床，磨削精度可达IT6-IT4，表面粗糙度Ra可达1.25-0.01，甚至可达0.1-0.08。磨削的另一特殊点是可以对淬硬的金属材料进行加工。因此，往往作为最终加工工序。磨削时，产生热量大，需有充分的切削液进行冷却。强力磨削技术，可以在单位时间内达到很大的切除量，因而可以一次完成粗精加工。按功能不同，磨削还可分为外园磨、内孔磨、平磨等，用于外园面、内孔及平面的加工，各有对应的机床。外园磨床和内园磨床的运动与车床相似，平面磨床的运动与铣床相似。五、钻削和镗削在钻床上，用钻头旋转钻削孔，是孔加工的最常用方法，钻削的加工精度较低，一般只能达到IT10，表面立式钻床加工；大中型工件上的孔，用摇臂钻床加工。精度高、表面要求光洁的小孔，在钻削后常常彩扩孔和铰孔来进行半精加工和精加工。扩孔采用扩孔钻，铰孔采用铰刀进行加工。铰削加工精度一般为IT9-IT6，表面粗糙度为Ra1.6-1.4。扩孔、铰孔时，钻头、铰刀一般顺着原底孔的轴线，无法提高孔的位置精度。镗孔可以较正孔的位置。镗孔可在镗床上或车床上进行，在镗床上镗孔时，镗刀基本与车刀相同，不同之处是工件不动，镗刀在旋转。镗孔加工精度一般为IT9-IT7，表面粗糙为Ra6.3-0.8。数控钻床、数控镗床只要将刀具控制移到孔中心的座标上，即实现点位控制即可。六、齿面加工齿轮齿面加工方法可分为两大类：成形法和展成法。成形法加工齿面所使用的机床一般为普通铣床，刀具为成形铣刀，需要两个简单成形运动：刀具的旋转运动和直线移动。机床的传动原理与前述加工平面时差不多。展成法加工齿面的常用机床有滚齿机（如Y3150型滚齿机）、插齿机（如工件径向进给和调位型插齿机）等。滚齿机滚切斜齿圆柱齿轮时，一般需要两个复合成形运动：由滚刀的旋转运动和工件的旋转运动组成的展成运动，由刀架轴向移动和工件附加旋转运动组成的差动运动。前者产生渐开线齿形，后者产生螺旋线齿长。七、复杂曲面加工系统三维曲面的切削加工，主要采用仿形铣和数控铣的方法或特种加工方法（见本节八）。仿形铣必须有原型作为靠模。加工中球头仿形头，一直以一定压力接触原型曲面。仿形头的运动变换为电感量，加工放大控制铣床三个轴的运动，形成刀头沿曲面运动的轨迹。铣刀多采用与仿形头等半径的球头铣刀。原型一般可采用工件样件、手工制作或快速原型（RP）技术制造。这种方法加工的误差取决于原型精度、靠模压力、切削用量及曲面本身的复杂程度。数控技术的出现为曲面加工提供了更有效的方法。在数控铣床或加工中心上加工时，是通过球头铣刀逐点按坐标值加工而成。在编制加工程序时，要考虑刀具半径补偿。因为数控系统控制的是球头铣刀球心位置轨迹，而成型面是球头铣刀的包络面。曲面加工数控程序的编制，一般情况下，可由CAD/CAM集成软件包（大型商用CAD软件都有CAM模块）自动生成。特殊情况下，还要二次开发。采用加工中心加工复杂曲面的优点是：加工中心上有刀库，配备几十把刀具。曲面的精、精加工，可用不同刀具对凹曲面的不同曲率半径，也可选用适当的刀具。同时，可在一次安装中加工各种辅助表面，如孔、螺纹、槽等。这样充分保证了各表面的相对位置精度。八、特种加工技术的发展提出了许多传统切削加工方法和加工系统难以胜任的制造任务，如具有高硬度、高强度、高脆性或高熔点的各种难加工材料（如硬质合金、钛合金、淬火工具钢、陶瓷、玻璃等）的加工，具有较低刚度或复杂曲面形状的特殊零件（如薄壁件、弹性元件、具有复杂曲面形状的模具、叶轮机的叶片、喷丝头等）的加工等。特种加工方法正是为完成这些制造任务而产生和发展起来的。特种加工方法指区别于传统切削加工方法，利用化学、物理（电、声、光、热、磁）或电化学方法对工作材料进行加工的一系列加工方法的总称。这些加工方法包括：化学加工（CHM）、电化学加工（ECM）、电化学机械加工（ECMM）、电火花加工（EDM）、电接触加工（RHM）、超声波加工（USM）、激光束加工（LBM）、离子束加工（IBM）、电子束加工（EBM）、等离子体加工（PAM）、电液加工（EHM）、磨料流加工（AFM）、磨料喷射加工（AJM）、液体喷射加工（HDM）及各类复合加工等。1.电为花加工电火花加工是利用工具电极和工件电极间瞬时火花放电所产生的高温熔蚀工件表面材料来实现加工的。电火花加工机床已有系列产品。根据加工方式，可将其分成两种类型：一种是用特殊形的电极工具加工相应工件的电火花成形加工机床（如前所述）；另一种是用线（一般为钼丝、钨丝锃铜丝）电极加工二维轮廓形状工件的电火花线切割机床。电火花加工的应用范围很广，即可以加工种硬、脆、韧、软和高熔点的导电材料，也可以在满足一定条件的情况下加工半导体材料及非导电材料；即可以另工各种型孔（圆孔、方孔、条边孔、异形孔）、曲线孔和微小孔（如拉丝模和喷丝头小孔），也可以加工各种立体曲面型腔，如锻模、压铸模、塑料模的模膛；既可以用来进行切断、切割，也可以用来进行表面强化、刻写、打印铭牌和标记等。2.电解加工电解加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的电化学原理对工件进行成形加工的一种方法。工件接直流电源正极，工具接负极，两极之间保持狭小间隙（0.1mm0.8mm）。具有一定压力（0.5MPa2.5MPa）的电解液从两极间的间隙中高速15m/s60m/s流过。当工具阴极向工件不断进给时，在面对阴极的工件表面上，金属材料按阴极型面的形状不断溶解，电解产物被高速电解液带走，于是工具型面的形状就相应地“复印”在工件上。电解加工具有以下特点：工作电压小（6V24V），工作电流大（500A2000A）；能以简单的进给运动一次加工出形状复杂的型面或型腔（如锻模、叶片等）；可加工难加工材料；生产率较高，约为电火花加工的510倍；加工中无机械切削力或切削热，适于易变形或薄壁零件的加工；平均加工公差可达0.1左右；附属设备多，占地面积大，造价高；电解液既腐蚀机床，又容易污染环境。电解加工主要用于加工型孔、型腔、复杂型面、小直径深孔、膛线以及进行去毛刺、刻印等。3.激光加工激光是一种亮度高、方向性好（泊光束的发散角极小）、单色性好（波长和频率单一）、相干性好的光。由于激光的上述四大特点，通过光学系统可以使它聚焦成一个极小的光斑（直径几微米至几十微米），从而获得极高的能量密度（1071010W/2）和极高的温度(1000以上)。在高温下，任何坚硬的材料都交瞬时急剧熔化和蒸发，并产生强烈的冲击波，使熔化的物质爆炸式地喷射去除。激光加工就是利用这种原理蚀除材料进行加工的。为了帮助蚀除物的排除，还需对加工区吹氧（加工金属用），或吹保护性气体，如二氧化碳、氨等（加工可燃物质时用。）对工件的激光加工由激光加工机完成。激光加工机通常由激光器、电源、光学系统和机械系统等组成。激光器（常用的有固体激光器和气体激光器）把电能转变为光能，产生所需的激光束，经光系统聚焦后，照射在工件上进行加工。工件固定在三坐标精密工作台上，由数控系统控制和驱动，完成加工所需的进给运动。激光加工具有以下特点：不需要加工工具，故不存在工具磨损问题，同时也不存在断屑、排屑的麻烦；激光束的功率密度很高，几乎对任何难加工的金属和非金属材料（如高熔点材料、耐热合金及陶瓷、宝石、金刚石等硬脆材料）都可以加工；激光加工是非接触加工，工件无受力变形；激光打孔、切割的速度很高（打一个孔只需0.001s，切割20厚的不锈钢板，切割速度可达1.27m/min），加工部位周围的材料几乎不受切削热的影响，工件热变形很小。另外，激光切割的切缝窄，切割边缘质量好。目前，激光加工已广泛用于金刚石拉丝模、钟表宝石轴承、发散式气冷冲片的多孔蒙皮、发动机喷油咀、航空发动机叶片等的小孔加工，以及多种金属材料和非金属材料的切割加工。在大规模集成电路的制作中，已采用激光焊接、激光划片、激光热处理等工艺。4.超声波加工超声波加工是利用超声频(16KHZ25KHZ)振动的工具端面冲击工作液中的悬浮磨料，由磨粒对工件表面撞击抛磨来实现对工件加工的一种方法。超声发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡，通过换能器将此超声频电振荡转为超声机械振动，借助于振幅扩大棒把振动的位移幅值由0.005mm0.01mm放大到0.010.15mm，驱动工具振动。工具端面在振动中冲击工作液中的悬浮磨粒，使其以很大的速度，不断地撞击、抛磨被加工表面，把加工区域的材料粉碎成很细的微粒后打击下来。虽然每次打击下来的材料很少，但由于打击的频率高，仍有一定的加工速度。由于工作液的循环流动，被打击下来的材料微粒被及时带来。随着工具的逐渐伸入，其形状便“复印”在工件上。工具材料常采用不淬火的45#钢，磨料常采用碳化硼、碳化硅、氧化铅或金黄色刚砂粉等。超声波加工适宜加工各种硬脆材料，特别是电火花加工和电解加工无法加工的不导电材料和半导体材料，如玻璃、陶瓷、石英、锗、硅、玛瑙、宝石、金刚石等；对于导电的硬质合金、淬火钢等也能加工，但加工效率比较低。适宜超声波加工的工件表面有各种型孔、型腔及成型表面等。超声波加工能获得较好的加工质量，一般尺寸精度可达0.010.05，表面粗糙度Ra值为0.40.1。在加工难切削材料时，常将超声振动与其它加工方法配合进行复合加工，如超声车削、超声磨削、超声电解加工、超声线切割等。这些复合加工方法把两种甚至多种加工方法结合在一起，能起到取长补短的作用，使加工效率、加工精度及工件的表面质量显著提高。九、加工方法选择机械零件的形状千变万化，但其轮廓通常由平面，内、外回转曲面及自由曲面等表面按一定位置关系组合而成。选择加工方法主要考虑零件表面形状、尺寸精度和位置精度要求、表面粗糙度要求，以及现有机床、刀具等资源情况、生产批量、生产率和经济技术分析等因素。第二节 机床机床是制造机器的机器，被称为工作母机。根据加工工艺方法的不同，机床有几大类，如金属切削机床、锻压机床、电加工机床、座标测量机、铸造机床、热处理机床（表面淬火机床）等。本书以介绍金属切削机床为主。一、机床的基本结构机械加工时，工件和刀具都安装在机床上，由机床驱动二者形成相对运动，产生切削作用。因此，机床的几个主要组成部分是：动力源执行机构控制系统传动系统。机床动力源一般采用交流异步电机、步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等。它们为机床执行机构的运动提供动力，提供切削阻力及磨擦阻力所消耗的能量。机床可以几个运动共同一个动力源，也可以每个运动单独使用一个动力源。前者如普通机床。后者如数控机床。执行机构为执行运动的部件，如主轴、刀架、工作台等，它们带动工件或刀具完成运动。控制系统一般指数控机床的计算机控制部分的软、硬件。它完成机床运动的控制，实现几个运动的准确协调。它同时能控制几个运动则称为几轴联动。如X、Y、Z三轴联动，X、Y、Z、C四轴联动等。不同的控制软件（数控程序）使几个运动以不同的形式联动，使刀具或工件走出不同的轨迹，以完成各类表面加工。普通机床没有数控系统，各方面运动的开停主要由手柄的手动操作控制。传动系统把动力源的动力传递给执行机构，或将运动由一个执行机构传递到另一个执行机构，以保持二个运动之间的准确关系。传递机构还可以变换运动的方向、速度及运动的类别，如将旋转变以直线运动。联系动力源与执行机构之间的传动系统，称为外传动链。联系一个执行机构和另一个执行机构之间运动的传动系统为内传动链。如普通车床在电机与主轴之间的传动链为外传动链。车削螺纹时，保证主轴和刀架之间的严格运动关系的传动链为内传动链。二、机床的分类和型号机床是机械加工系统的主要线成部分。为适应不同的加工对象和加工要求，机床有许多品种和规格。为便于区别、使用和管理，须对机床加以分类并编制型号。1.机床的分类机床的分类方法很多，最基本的是按机术的主要加工方法、所用刀具及其用途进行分类。根据国家制定的机床型号编制方法，机床共分为12类：车床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、铣床、刨插床、拉床、特种加工机床、锯床和其它机床。在每一类机床中，又按工艺范围、布局型式和结构性能等，分为10个组，每一组又分为若干系（系列。）在上述基本分类的基础上，机床还可根据其它特征进一步细分。同类机床按应用范围（通用性程序）又可分为：通用机床（或万能机床）、专门化机床和专用机床。通用机床的工艺范围很宽，可以加工一定尺寸范围内的各种类型零件，完成多种多样的工序。台卧式车床，摇臂钻床、万能升降台铣床等都是这样。专门化机床的工艺范围较窄，只能加工一定尺寸范围内的某一类（或少数几类）零件，完成某一种（或少数几种）特定工序。如曲轴车床、凸轮轴车床等即是如此。专用机床的工艺范围最窄，通常只能完成某一特定零件的特定工序。如加工机床主轴箱的专用镗床、加工机床导轨的专用导轨磨床等。组合机床也属于专用机床。同类机床按工作精度又可分为：普通业度机床、精密机床和高精度机床。机床还可按重量与尺寸、自动化程度、主要器官（如主轴等）的数目等进行分类。随着机床特别是数控机床的不断发展，机床的分类方法将不断变化。2.机床的型号编制机床型号是机床产品的代号，用以简明地表示机床的类型、性能和结构特点、主要技术参数等。我国的机床型号，现在是按1985年颁布的标准JB1838-85金属切削机床型号编制方（适用于各类通用机床和除组合机床外的专用机床）编制。此标准规定，机床型号由一组汉语拼音字线和阿拉伯数字按一定规律组合而成。三、数控机床与加工中心数控机床价值高，在选用时更要慎重，要对生产任务、机床及供应商作说细认真的调查、分析、比较。首先对加工工件的类型、尺寸范围、批量作调查、分析及评估，提出拟加工零件的形状、尺寸大小、加工精度及表面粗糙的要求范围。确定数控机床种类的考虑，如采用数控车或数控铣的考虑，与普通机床大体相同。下面主要针对数控机床的一些特殊问题加以介绍。1.数控装置数控装置是数控机床的控制中心，一般由一台通用或专用微型计算机充任。按其功能分为输入装置、控制运算器和输出装置。数控装置一般有两种类型：专用数控装置（简称NC数控装置）和通用数控装置（简称CNC数控装置）。目前，数控机床大多采用通用数控装置。2.伺服系统是数控机床的执行机构，包括驱动和执行两大部分。伺服系统接受数控装置的指令信息，并按照指令信息的要求带动机床的移动部件运动或使执行部分动作，以加工出符合要求的零件。指令信息是以脉冲信息体现的，每一脉冲使机床移动部件产生的移量叫脉冲当量。常用的脉冲当量为0.0010.01。目前，伺服系统常用的位移执行机构有功率步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机，后两者都带有光电编码器等部位置测量元件。3.机床本体机床本体就是数控机床上完成各种切削加工的机械部分，它是数控机床的主体，具有以下特点：（1）采用高性能的主轴及伺服传动系统，机械传动部分，它是传动部分的结构简单，传动链较短。（2）具有较高的刚度、阻尼及耐磨性，热变形小。（3）一般采用高效传动部件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨副等。除上述四个主要部分外，数控机床还有一些辅助装置和附属设备，如电器、液压、气动系统，冷却、排屑、润滑、照明、储运装置，以及编程机、对刀仪等。4.加工中心加工中心比数控制机床有更高的集成度。往往配有刀库、换刀机械手、交换工作台、多动力头等装置。在程序控制下，可以方便地在一次安装中执行多工序作业，实现了工序的最高集成。因而，加工质量，尤其是表面间的位置精度得到了更好的保证。由于工件装夹、换刀、对刀等辅助时间大为减少，生产效率也大为提高。第二章 切削过程及控制金属切削过程是指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。在这一过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与数屑等。对这些现象进行研究，揭示其内的在机理，探索和掌握金属切削过程的基本规律，从而主动地加以有效的控制，对保证加工精度和表面质量，提高切削效率，降低生产成本和劳动强度具有十分重大的意义。第一节 金属切削层的变形一、切屑形成过程及变形区的划分大量的实验和理论分析证明，塑性金属切削过程中切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。二、前刀面的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响由磨擦而产生的热量使切屑与刀具接触温度升高，进一步加剧变形。三、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢料或其它塑性材料时，常常在前刀面处粘着一块剖面有时呈三角状的硬块。它的硬度很高，通常是工件材料是2-3倍，在处于比较稳定的状态时，能够代替刀刃进行切削。这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤或刀瘤。积屑瘤对切削过程有积极的影响，也有削极的影响：1.实际前角增大 积屑瘤粘附在前刀面加大了刀具的实际前角，可使切削力减小，对切削过程起积极的作用。积屑瘤愈高，实际前角愈大。2.增大切削厚度 积屑瘤使切削厚度增大了，因而有可能引起振动。3.使加工表面粗糙度增大 积屑瘤的底部则相对稳定一些，其顶部很不稳定，容易破裂，一部分连附于切屑底部而排出，一部分残留在加工表面上，积屑瘤凸出刀刃部分使加工表面切得非常粗糙，因此在精加工时必须设法避免或减小积屑瘤。4.对刀具寿命的影响 积屑瘤粘附在前刀面上，在相对稳定时，可代替刀刃切削，有减少刀具磨损、提高寿命的作用。但在积屑瘤比较不稳定的情况下使用硬质合金刀具时，积屑瘤的破裂有可能使硬质合金刀具颗位剥落，反而使磨损加剧。防止积屑瘤的主要方法是：1.降低切削速度，使温度较低，粘结现象不易发生；2.采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤削失的相应温度；3.采用润滑性能好的切削液，减小磨擦；4.增加刀具前角，以减小切屑与前刀面接触区的压力；5.适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。第二节 切屑的类型及控制一、切屑的类型及其分类由于工件材料不同，切削过程中的变形程度也就不同，因而产生的切屑种类也就多种多样。1.带状切屑 这是最常见的一种切屑。它的内表面是光滑的，外表面是毛茸的。如用显微镜观察，在外表面上也可看到剪切面的条纹，但每个单元很薄，肉眼看来大体上是平整的。加工塑性金属材料，当切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大时，一般常得到这类切屑。它的切削过程平衡，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。2.挤裂切屑 这类切屑与带状切屑不同之处在外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。这类切屑这所以呈锯齿形，是由于它的第一变形区较高宽，在剪切滑移过程中滑移量较大。由滑移变形所产生的加工硬化使剪切力增加，在局部地方达到材料的破裂强度。这种切屑大多在切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时产生。3.单元切屑 如果在挤裂切屑的剪切面上，裂纹扩展到整个面上，则整个单元被切离，成为梯形的单元切屑。以上三种切屑只有在加工塑性材料时才可能得到。其中，带状切屑的切削过程最平稳，单元切屑的切削力波动最大。在生产中最常见的是带状切屑，有时得到挤裂切屑，单元切屑则很少见。假如改变挤裂切屑的条件，如进一步减小刀具前角，减低切削速度，或加大切削厚度，就可以得到单元切屑。反之，则可以得到带状切屑。这说明切屑的形态是可以随切削条件而转化的。掌握了它的变化规律，就可以控制切屑的变形、形态和尺寸，以达到卷屑和断屑的目的。4.崩碎切屑 这是属于脆性材料的切屑。这种切屑的形状是不规则的，加工表面是凸凹不平的。从切削过程来看，切屑在破裂前变形很小，和塑性材料的切屑形成机理也不同。它的脆断主要是由于材料所受应力超过了它的抗拉极限。加工脆硬材料，如高硅铸铁、白口铁等，特别是当切削厚度较大时常得到这种切屑。由于它的切削过程很不平稳，容易破坏刀具，也有损于机床，已加工表面又粗糙，因此在生产中应力求避免。基方法是减小切削厚度，使切屑成针状或片状；同时适当提高切削速度，以增加工件材料的塑性。以上是四种典型的切屑，但加工现场获得的切屑，基形状是多种多样的。在现代切削加工中，切削速度与金属切除率达到很高的水平，切削条件很恶劣，常常产生大量“不可接受”的切屑。这类切屑或拉伤工件的已加工表面，使表面粗糙度恶化；或划伤机床，卡在机床运动副之间；或造成刀具的早期破损；有时甚至影响操作者的安全。特别对于数控机床、生产自动线及柔性制造系统，如不能进行有效的切屑控制，轻则限制了机床能力的发挥，重则使生产无法正常进行。所谓切屑控制（又称切屑处理，工厂中一般简称为“断屑”），是指在切削加工中采取适当的措施来控制切屑的卷曲、流出与折断，使形成“可接受”的良好屑形。从切屑控制的角度出发，国际标准化组织（ISO）制订了切屑分类标准。二、切屑控制的措施在实际加工中，应用最广的切屑控制方法就是在前刀面上磨制出断屑槽或使用压块式断屑器。由于磨槽与压块的调整工作一般是由操作者单独进行的，因此使用效果取决于他们的经验与技术，往往难以以获得满意的效果。一个可行的而且较为理想的解决方法就是结合推广使用可转位刀具，由专业化生产的工具厂家和研究单位来集中解决合理的槽形设计和精确的制造工艺问题。第