制造工程基础（总稿-4-工艺部分）

1、课程主要内容（34学时,第一章 总论（1h） 第二章 公差与互换性（7h） 第三章 金属切削基本要素（2h） 第四章 金属切削过程（4h） 第五章 金属切削机床与刀具 （7h） 第六章 工件的安装及夹具 （2h） 第七章 机械加工表面质量与精度 （3h） 第八章 机械加工工艺规程制订（4h） 实验一：刀具角度测量（2h） 实验二：加工质量检测 （2h,第五章 工件的安装及夹具,5.1 机床夹具的概念 5.2 工件在夹具上的定位 5.3 工件在夹具上的夹紧 5.4 夹具举例,5.1 机床夹具的概念,一、机床夹具定义 机床夹具：是将工件进行定位、夹紧，将刀具进行导向或对刀，以保证工件和刀具间的相对

2、位置关系的附加装置。多专用，需设计。 机床工具：将刀具在机床上进行定位、夹紧的装置，或称机床附件。已标准化，可买到。 二、夹具组成 由定位元件、夹紧装置、导向元件和对刀装置、连接元件、夹具体、其它零件及装置等六部分组成,实例一（卧式钻削）：机床、工件、夹具、工具、刀具,工件,夹具,钻头（刀具,夹头（工具,机床,事例二：铣削夹具,三、夹具的作用 1.保证加工质量：保证相对位置精度，精度一致性。 2.提高生产率：避免手工操作划线，缩短了安装工件的时间。 3.减轻劳动强度：可用气动、电动紧。 4.扩大机床的工艺范围：如铣床上加分度盘，车床上加三爪卡盘 四、夹具的分类 1. 按通用化程度分 可分为通用

3、夹具、专用夹具、成组夹具、组合夹具、随行夹具等。 2. 按从使用机床的类型来分 可分为车床夹具、磨床夹具、钻床夹具、镗床夹具、铣床夹具等。 3. 从用途来分 可分为机床夹具、装配夹具和检验夹具等。 4. 从动力来源来分 可分为手动、气动、气压、液压、电动、电磁、真空、自紧夹具等,五、工件安装的定义 安装：是由定位与夹紧两部分组成。 定位：使工件和刀具之间有相对正确位置的确定过程。 夹紧：使定位位置不变的固定过程。 六、工件在机床上或夹具中安装方式 直接找正安装：借助量具手工找正工件安装。 划线找正安装：在工件表面上划出位置线找正安装。 夹具安装：直接由夹具保证工件在机床上的正确位置,5.2 工

4、件在夹具上的定位,一、定位原理 1. 六点定位原理：采用6个按一定规则布置的约束点，可以限制工件的6个自由度，实现完全定位，称为六点定位原理,2. 典型定位元件及限制的自由度,3. 完全定位和不完全定位,5. 工件定位的合理性：a. 满足自由度的限制；b. 能够承受切削力,过定位：约束点过剩的定位，具体看是否允许,不完全定位：限制6个以下自由度的定位,完全定位：限制6个自由度的定位,4. 欠定位和过定位,欠定位：约束点不足的定位，不允许,铣通槽限定5个自由度,铣不通槽限定6个自由度,二、常用定位方法与定位元件 1. 工件以平面定位：主要形式是支承定位。一点限一个自由度，三点定面,1）固定支承：

5、支承点不可调,2）可调支承：支承点可调,3）自位支承：可以随工件定位基准面的变化而自动调整并与之相适应,4）辅助支承：在工件定位后才参与支承的元件，不起定位作用，能承受切削力,2. 工件以圆柱孔定位：定位基准为孔的轴线，定位元件为心轴和定位销,过盈配合心轴,间隙配合心轴,小锥度心轴,圆柱定位销过盈装在夹具体上,间隙装在夹具体上,2）定位销（圆柱定位销限2个移动自由度,1）心轴（限轴线4个自由度,2）定位销,圆锥销定位销限3个移动自由度,菱形定位销限1个移动自由度,毛坯孔,光孔,3. 工件以外圆表面定位：分为定心定位和支承定位,1）定心定位,套筒定位外圆,锥套定位外圆,V形块：一般夹角为90；长

6、V形块4个自由度；短V形块限2个自由度,4. 工件以其它表面定位 如：锥孔定位（限5个自由度,5. 定位表面的组合 如：平面与平面的组合，平面与外圆表面的组合，平面与其它表面的组合，锥面与锥面的组合等。 如前后顶尖定位轴时，前顶尖限3个移动自由度，后顶尖限2个转动自由度,再如一面两孔箱体在一面两销上的定位，一个销为菱形销，防止过定位。完全定位,圆柱销,菱形销,5.3 工件在夹具上的夹紧,一、对夹紧装置的要求 1、保证位置 2、夹紧稳定 3、方便安全 4、简单紧凑,端面定位夹紧：保证端面与 镗孔的垂直度,1、夹紧力方向,三爪夹盘夹薄壁件易变形,端面压紧薄壁件不变形,夹紧力要与切削力方向一致,好，

7、夹紧力小,不好，夹紧力大,夹紧力作用点与工件变形,点支撑差,面支承好,锥支承好,2、夹紧力作用点,夹紧力作用点不当导致颠覆,夹紧力尽量靠近切削点,5.4 夹具举例,钻套：限制钻头的横向摆动,固定钻套 可换钻套 快换钻套,特殊钻套,分离式钻模板（4-为工件,悬挂式钻模板（4-为工件,第六章 机械加工表面质量与精度,6.1 表面质量及表面粗糙度 6.2 机械加工精度 6.3 加工误差产生的原因及提高精度措施,6.1 表面质量及表面粗糙度,一、表面质量 1、机械加工表面质量：是指经过机械加工后，在零件已加工表面上几微米至几百微米表面层所产生的物理机械性能的变化以及表面层微观几何形状误差。 2、表面粗

8、糙度 表面粗糙度是指表面的微观几何形状误差，它是切削运动后，刀刃在被加工表面上形成的峰谷不平的痕迹。 3、表面层物理机械性能 表面层金属材料在切削加工时产生物理、机械以及化学性质的变化： 1）表面层硬化深度和程度。工件在机械加工过程中，表面层金属产生强烈的塑性变形，使表面层的硬度提高，这种现象称表面冷作化。 2）表面层内残余应力的大小、方向及分布情况。 3）表面层金相组织的改变。 4）表面层内其它物理机械性能的变化。这就变化包括极限强度、疲劳强度、导热性和磁性等的变化。 4、表面质量的作用：耐磨性、耐疲劳性、耐腐蚀性、配合质量,二、切削加工后的表面粗糙度 1、残留面积的高度（理论粗糙度,横向粗

9、糙度：垂直于切削速度方向的粗糙度，是几何因素和物理因素的综合。 纵向粗糙度：切削方向的粗糙度，是由物理因素所造成,三、影响表面粗糙度主要因素：切削速度、被加工材料的性质及刀具的几何形状、材料和刃磨质量。 1）切削速度的影响： 切屑和加工表面的塑性变形、积屑瘤与鳞刺,积屑瘤,鳞刺,积屑瘤影响,切削速度影响,2）被加工材料性质的影响 一般来说，韧性愈大的塑性材料，加工后粗糙度愈差，而脆性材料的加工粗糙度比较接近理想粗糙度。对于同样的材料，晶粒组织愈粗大，加工后粗糙度也愈差。 3）刀具的几何形状、材料、刃磨质量的影响 刀具的前角。切削过程的塑性变形有很大影响。 。值增大时，塑性变形程度减小，粗糙度就

10、能降低。 。为负值时，塑性变形增大，粗糙度也将增大。 后角。过小会增加摩擦，刃倾角s的大小又会影响刀具的实际工作前角，因此都会影响加工表面的粗糙度。刀具的材料与刃磨质量对产生积屑瘤、鳞刺等现象影响甚大,四、磨削加工表面粗糙度的影响因素 1）砂轮的粒度 2）砂轮的修整 3）砂轮速度 4）磨削切深与工件速度,磨削深度与回弹,磨粒粒度与修整微刃,五、控制表面加工质量的途径 1. 控制磨削参数 降低磨削温度来避免烧伤；修整砂轮来降低粗糙度；优化加工质量和效率。 2. 采用珩磨等光整加工方法作为最终加工工序 为低速、低温光整加工，可达Ra0.1m,3. 采用喷丸、滚压、辗光等强化工艺 使表面层产生残余压

11、应力、冷作硬化、降低表面粗糙度。 4采用振动工艺，提高表面质量 超声波振动切削降低积屑瘤、振动研抛降低表面粗糙度等。 5 抑制切削过程的有害振动（强迫振动和自激振动） 强迫振动是切削外部振源导致的刀具与工件之间的振动，可以隔离抑制。 自激振动是切削本身激励出的振动，可以通过提高工艺系统刚度抑制,普通切削,振动切削,椭圆振动切削原理,6.2 机械加工精度,一、机械加工精度的含义 加工精度：是指零件几何参数的实际值与设计理想值相符合的程度 加工误差：是指零件几何参数的实际值与设计理想值相偏离的程度 加工精度包括：尺寸精度、几何形状精度、相互位置精度 二、机械加工误差分类 系统误差：凡是误差的大小和

12、方向均已掌握的误差。 随机误差：凡是没掌握规律的误差。 发展趋势：随着人们对误差规律的逐渐掌握，随机误差不断向系统误差转移。 静态误差：工艺系统在不切削状态下所出现的误差。如机床几何精度和传动精度 切削状态误差：工艺系统在切削状态下所出现的误差。如机床在切削时的受力变形和受热变形等,三、工艺过程的精度保证 1. 试切法：试切一小段合格后，再切全部表面。 2. 调整法：预先调整好机床、夹具、刀具和工件的相对位置及进给行程。 1）静调整法 静调整法又称样件法，它是在不切削的情况下，用对刀块或样件来调整刀具的位置。 2）动调整法 动调整法又称尺寸调整法，它是按试切零件进行调整，直接测量试切零件的尺寸

13、，可以试切一件或一组零件，所有试切零件合格，即调整完毕，可以进行加工,3. 尺寸刀具法 利用定尺寸的孔加工刀具，如钻头、镗刀块、拉刀及铰刀等来加工孔。 4. 主动测量法 在加工过程中，边加工边测量加工尺寸，达到要求时就立即停止加工,6.3 加工误差产生的原因及提高精度措施,一、加工误差产生的原因 （一）原理误差 近似的加工运动、近似的刀具轮廓导致的原理性误差。如多直线段代替曲线。 （二）工艺系统（机床、刀具、夹具）的制造精度和磨损对加工精度的影响 1. 机床的制造精度和磨损 1）导轨误差：车床导轨水平方向精度直接影响工件精度，垂直方向几乎不影响,2）主轴误差 主轴误差产生：制造误差、受力变形、

14、受热变形导致主轴回转产生轴线变动。 主轴误差形式：纯径向跳动、纯角度摆动、纯轴向窜动和轴心漂移,主轴误差形式,纯径向跳动对镗孔圆度的影响,主轴纯轴向窜动对端面加工不平度的影响,2. 刀具的制造精度和尺寸磨损 尺寸刀具精度、刀具磨损：直接影响加工尺寸精度,刀具磨损影响加工精度,尺寸刀具精度影响加工精度,3. 夹具的制造精度和磨损 夹具元件的位置度、元件磨损会直接影响加工精度,夹具精度（如钻模磨损）影响加工精度,三）工艺系统受力变形对加工精度的影响 1. 工艺系统刚度,Fy导致车刀Y、Z方向变形,Fz导致车刀Y、Z方向变形,系统接触变形导致加载变形非线性,接触面导致“磁滞,多次加载改善接触面“磁滞

15、,工艺系统的变形曲线特点： 1）变形曲线是非线性的，有凸形和凹形两种。可根据曲线求瞬时刚度和平均刚度。 2）加载变形曲线与卸载曲线不重合，且不回到起始点。 3）多次重复加卸载变形曲线不重合，随着重复次数的增加，变形曲线逐渐接近。 4）单件零件的变形曲线与一个机器或部件的变形曲线相差很大,影响工艺系统刚度的因素： （1）接触面质量与刚度：接触弹性变形恢复，塑性变形保留， 这是造成加载与卸曲线不重合的原因之一。 （2）系统存在薄弱环节：使整个系统刚度变差，变形曲线成凹形。 （3）连接件夹紧力与外力相反：刚度较差，多出现凸形变形曲线。 （4）振动会减小接触摩擦导致的“磁滞”。 （5）间隙导致加载点与

16、卸载点不重合,接触面模型,振动减小变形 “磁滞,间隙导致加载点与 卸载点不重合,工艺系统柔度（刚度倒数）：为机床、刀具、工件及夹具的柔度之和,2. 切削力对加工精度的影响,切削变形与切削力成正比“误差复映现象,3. 其它力对加工精度的影响： 1）传动力对加工精度的影响 2）惯性力对加工精度的影响 3）夹紧力对加工精度的影响 4）重力对加工精度的影响 5）内应力对加工精度的影响,4、提高工艺系统刚度的措施 工艺系统刚度的提高可以从各部分元件本身的刚度和接触刚度这两方面着手。 1）机床构件自身刚度的提高 在机床设计时要注意支承件、传动件及主轴系统本身刚度的提高。 2）提高工件安装时的刚度 工件在安

17、装时应考虑刚度问题。应避免因工件伸太高而刚度较差现象。 3）提高加工时刀具的刚度 加工时刀具的悬伸应尽量短，刀杆应尽可能粗些，以提高自身的刚度。要特别注意多刀加工时，整个刀具系统的刚度。 4）提高零件表面质量 接触刚度与零件的表面质量有密切关系，因此要注意接触表面的粗糙度、形状精度及物理机械性质等。 5）减少接触面 加预紧力使接触面产生预变形，减小间隙，提高刚度。对于相互静止的结构，可加150MPa的预紧力；对于相互运动的结构（如滚动导轨等），可加1020MPa的预紧力。 6）加预紧力 加预紧力使接触面产生预变形，减小间隙，提高刚度。对于相互静止的结构，可加150MPa的预紧力；对于相互运动的

18、结构（如滚动导轨等），可加1020MPa的预紧力,四）工艺系统受热变形对加工精度的影响 1. 工艺系统的热源：切削热、传动摩擦热、切屑散落派生热源、外部热源。 2. 工件的热变形,4. 机床的热变形,3. 刀具的变形,工件热变形变弯,刀具热变形伸缩,机床热变形弯曲,二）减小热变形对加工精度影响的措施 1）减少热源的能量 减少、外置、隔离、冷却热源。 2）用热补偿方法减小热变形 使机床仅产生不影响加工精度的均匀变形。 3）改善机床结构来减小热变形 改善机床热传导性能。 4）保持工艺系统的热平衡 预热稳定后加工精度才有保证。 5）控制环境温度 对精密机床则应安装在恒温车间,第七章 机械加工工艺规程

19、制订,7.1 工艺规程设计的内容和基本要求 7.2 工艺路线的制订 7.3 定位基准及选择,7.1工艺规程设计的内容和基本要求,一、机械加工工艺过程： 概念：毛坯工件机械加工机械零件。 组成：工序、安装、工位、工步和走刀。 1、工序：在同一工作地点对工件连续完成的那一部分加工过程。如阶梯轴加工内容,加工小端面 对小端面钻中心孔 加工大端面 对大端面钻中心孔 车大端外圆 对大端倒圆 车小端外圆 对小端倒圆 铣键槽 去毛刺,2个工序安排方案,4个工序安排方案,工序安排和工序数目的确定与零件的技术要求、零件的数量和现有工艺条件有关,2、安装 在同一个工序中，工件每定位和夹紧一次所完成的那部分加工称为

20、一个安装。 在一个工序中，工件可能只需要安装一次，也可能需要安装几次。在阶梯轴的2个工序安装方案中，工序1需4次定位和夹紧，为4次安装；而工序2是在一次定位和夹紧，为一次安装。如下表,3、工位 一次安装变换加工位置的工艺过程称为工位。 4、工步 在一个工位中，加工表面、切削刀具、切削和进给量都不变的情况下所完成的加工、称为一个工步。若有几把刀具同时参与切削，该工步称为复合工步,5、走刀 切削刀具在加工表面上切削一次所完成的工步内容，称为一次走刀。是构成工艺过程的最小单元,工位,工步,3. 生产类型与机械加工工艺规程 机械加工工艺过程：就是工艺文件。 生产类型：取决于产品的生产纲领即年产量,机械

21、加工工艺规程的作用： a. 生产的计划、调度，工人的操作，质量检查的依据。 b. 生产准备、技术准备的依据。 c. 机床、布置、生产面积和工人的数量的依据。 机械加工工艺规程的格式： 包括加工条件、加工用量、质量检验等,4. 机械加工工艺规程的设计原则、步骤和内容 1） 制订机械加工工艺规程的原始资料 工作图，包括必要的装配图； 零件的生产纲领和生产类型； 毛坯的生产条件和供应条件； 本厂的生产条件； 各有关手册、标准和指导性文件。 2） 设计机械加工工艺规程的步骤和内容 阅读装配图和零件图； 工艺审查； 或确定毛坯； 拟定机械加工工艺路线； 确定满足和工序要求的工艺装备（包括机床、夹具、和量

22、具等），对需要改装或重新设计的专用工艺装备应提出具体设计任务书； 确定各工序的技术要求和检验方法； 确定各工序的加工余量、计算工序尺寸和公差； 确定切削用量； 确定时间定额； 赶写工艺文件,7.2 定位基准及选择,一、基准：是用来确定生产对象上几何要素之间关系的那些点、线或面。 1、设计基准：设计图样上所采用的基准就是设计基准。 下图的阶梯轴，端面1和中心线2就是设计基准,2、工艺基准：零件在加工、测量和装配中所采用的基准称为工艺基准。 定位基准：在加工时用于工件定位的基准，称为定位基准。用于获得零件尺寸。 粗基准：未经机械加工的定位基准称为粗基准。 精基准：经过机械加工的定位基准称为精基准。

23、 附加基准：加工工艺需要而专门设计的定位基准，称为附加基准。如顶尖孔定位。 测量基准：在加工中或加工后用来测量工件的形状、位置和尺寸误差所采用的基准。 装配基准：在装配时用来确定零件或部件在产品中的相对位置所采用的基准,2. 定位基准的选择 1） 一般原则 选最大尺寸的表面为安装面（能限制3个自由度），选最长距离的表面为导向面（能限制2个自由度），选最小尺寸的表面为支承面（只限制1个自由度,误差导致偏角小，好,误差导致偏角大，差,首先考虑保证空间位置精度，再考虑保证尺寸精度,M、N面定位加工孔,尽量选择零件的主要表面为定位基准 定位基准应有利于夹紧，在加工过程中稳定可靠,2） 粗基准的选择 选

24、加工余量小的、较准确的、光洁的、面积较大的毛面做粗基准。 选重要表面为粗基准，因为重要表面一般都要求余量均匀,选不加工的表面做粗基准，这样可以保证加工表面和不加工表面之间的相对位置要求，同时可以在一次安装下加工更多的表面。 粗基准一般只能使用一次,腿底面作粗基准使顶面导轨余量不均，不好,导轨面作粗基准加工腿面，再以腿面为精基准加工顶面导轨余量均匀，好,3） 精基准的选择 基准重合原则：选设计基准为定位基准，这样就没有基准不重合误差。 基准单一原则：采取单一基准，以减少夹具及自动化生产。 互为基准原则：互为基准、反复加工，保证空间位置精度。 自为基准原则：加工面本身定位，保证余量很小并且均匀,基准重合,互为基准,自为基准 夹紧 移走定位销 精加工,7.3 工艺路线的制订,加工经济精度与加工方法的选择 1） 加工经济精度：根据加工条件确定的性能价格比经济、合理的加工精度。 一种加工方法在A点的左侧或B点的右侧应用都是不经济的,成本,误差,经济精度区,2） 加工方法的选择 所选择的加工方法能否达到零件精度的要求。 零件材料的可加工性能如何。例如有色金属宜采用切削加工方法，不宜采用磨削加工方法，因为有色金属易堵塞砂轮工作面。 生产率对加工方法有无