机械制造技术基础总复习

机械制造技术基础

总复习关于本课程

性质：专业基础课知识要求：通过本课程的学习，能够应用金属切削和机械制造工艺的基本理论，机床、刀具和夹具的基本知识，根据质量、生产率和生产成本要求，按照加工条件选择刀具几何参数、刀具材料及切削用量等，能够根据被加工零件的具体情况和常用金属切削机床的用途、工艺范围，对合理选择金属切削机床。基本掌握分析机床传动系统的能力，初步了解设计机床传动系统的基本方法。能力要求：通过本课程的学习，使学生具备设计批量生产机械产品加工工艺规程和专用夹具的基本能力，使学生初步具有分析和解决机械制造过程中一般技术问题的能力。特点：系统性、综合性和实践性强。

1、机械制造及其生命周期

机械制造是一个将物料、能源、设备、工具、资金、技术、信息和人力等制造资源通过制造系统转化为可以供人们使用或利用的产品的过程。

制造系统是指覆盖全部产品生命周期的制造活动所形成的系统，它涉及从产品的设计、制造、装配、市场乃至回收的全过程。

机械制造的根本宗旨是以最小的资源消耗、最低的环境污染度，产生最大的社会和经济效益总复习之一：概论部分要点技术开发经济投入：10影响度：10%中间实验经济投入：100影响度：10%生产上市经济投入：1000影响度：10%开发决策经济投入1影响度：70%新产品开发意向开发调研科技调研市场调研竞争环境调研企业内部调研调研分析立项评估开发决策产品概念设计产品方案设计产品技术设计产品生产设计产品小批试制产品开发决策产品样品试制产品试销产品投产2、机械产品的开发与构成；3、机械制造系统零件制造过程原料或毛坯存储运输制造检验成品机械制造系统信息系统能源能量系统物流信息流能量流图例：物流信息流能量流原料或毛坯存储机床刀具夹具机械加工工艺过程检验成品机械制造系统信息系统能源能量系统工艺规程、数控程序、适用控制模型等上工序下工序图例：

生产纲领的计算：N=Qn(1+a)(1+b)>50000>5000>1000大量生产5000~50000500~5000300~1000大批生产500~5000200~500100~300中批生产

100~50020~2005~100小批生产<100<20<5单件生产轻型机械中型机械

重型机械生产纲领（件/年）

生产类型

生产类型与生产纲领的关系

4、制造过程与生产组织5、各种生产类型工艺过程的重要特点类型特点单件生产成批生产大量生产加工对象经常变换周期性变换固定不变毛坯木模造型、自由锻金属模造型、模锻金属模机器造型、模锻机床设备通用设备、数控设备通用、专门及部分专用设备专用、自动设备及自动线机床布局按机群式布置按零件类别、按工段排列按流水线或自动线排列夹具通用或组合夹具专用夹具高效率的专用夹具刀具量具通用刀具和量具专用或通用刀具量具专用刀具量具、自动测量装配方法零件不互换，钳工修配多数互换，部分试配或修配全部呼唤或分组互换生产周期不一定周期重复长时间连续生产生产率低，用数控机床可提高中等高成本高中等低工人技术高中等一般工艺文件简单比较详细详细编制各种生产类型工艺过程的主要特点生产类型工艺过程特点

单件生产

成批生产

大批量生产工件的互换性一般是配对制造，没有互换性，广泛采用钳工修配大部分有互换性，少数用钳工修配全部有互换性，某些精度较高的配合件用分组选择装配法毛坯的制造方法及加工余量铸件用木模手工造型；锻件用自由锻。毛坯精度低，加工余量大

部分铸件用金属型；部分锻件用模锻。毛坯精度中等，加工余量中等铸件广泛采用金属模机器造型，锻件广泛采用模锻，以及其他高生产率的毛坯制造方法。毛坯精度高，加工余量小

机床设备

通用机床、数控机床或加工中心数控机床、加工中心或柔性制造单元。设备条件不够时，也采用部分通用机床、部分专用机床

专用生产线、自动生产线、柔性制造生产线或数控机床

夹具多用标准附件，极少采用夹具，靠划线及试切法达到精度要求广泛采用夹具和组合夹具，部分靠加工中心一次安装广泛采用高生产率夹具，靠夹具及调整法达到精度要求刀具与量具采用通用刀具和万能量具可以采用专用刀具和专用量具或三坐标测量机广泛采用高生产率刀具和量具，或采用统计分析法保证质量对工人的要求

需要技术熟练的工人需要一定熟练程度的工人和编程技术人员对操作工人的技术要求较低，对生产线维护人员要求有高的素质工艺规程有简单的工艺路线卡有工艺规程，对关键零件有详细的工艺规程有详细的工艺规程总复习之二：金属切削过程与控制部分要点1.金属切削刀具基础切削运动、切削时的工作面、切削用量三要素、切削层参数（切削宽度aw、切削厚度ac、切削层面积ac）、刀具切削部分的组成要素、正交平面参考系（切削平面Ps

、基面Pr、正交平面Po）。

基本知识刀具的标注角度（几何角度）

确定刀具主切削刃位置的角度：主偏角Кr、刃倾角λs。

确定前刀面与后刀面位置的角度：主前角γo、主后角αo

确定副切削刃位置的角度：副偏角К′r、副后角α′o。刀具在正交平面参考系内的标注角度刀具的工作角度（实际角度）横向进给运动对刀具工作角度的影响纵向进给运动对刀具工作角度的影响刀具安装高低对工作角度的影响刀杆中心线与进给方向不垂直对工作角度的影响刀具材料刀具材料必须具备的性能常用刀具材料2.金属切削过程与切屑种类以塑性材料的切屑形成为例，金属切削区可大致划分为三个变形区。第一变形区：ε=Δs/Δy=PN/MK=(NK+KP)/MK=ctanØ+tan(Ø-γo)切屑相对变形程度ε与Ø和γo有关。γo越大，Ø增大，则ε越小。第二变形区(刀-屑接触区的变形与摩擦)：切屑与前刀面的摩擦，切屑的形成，滞留层现象。积屑瘤的形成及其对切削过程的影响。。第三变形区：刀-工接触区的应力和变形对工件表面的加工质量产生巨大的影响。带状切屑、挤裂切屑、单元切屑和崩碎切屑的控制（γ0

、v

、ac）及其对切削过程的影响。3.切削力切削力的形成、分解和计算。影响切削力的因素：工件材料、切削用量、刀具几何参数、刀具磨损、刀具材料、切削液。关于积屑瘤在金属切削过程中，在刀-屑接触面之间压力达2~3GPa，切削液极难流入，温度达几百度，切屑底层以新生面与前刀面接触，因此使刀-屑接触面之间产生粘结，从而使一部分切屑流动速度减慢形成滞留层。当滞留层金属与前刀面的外摩擦力大于切屑内部的分子结合力时，部分滞留层金属就会粘结在前刀面主切削刃附近形成积屑瘤。积屑瘤由于剧烈的塑变而强化，可代替刀刃进行切削，从而起到保护刀刃、增大前角的作用。但是，积屑瘤时大时小，时有时无，使切削过程不稳定，降低加工精度和表面质量。积屑瘤只有在一定速度范围内切削钢、铝合金等塑性材料时才有可能出现。

4.切削热和切削温度切削热的产生和传出及切削温度的分布。影响切削温度的主要因素：工件材料、切削用量、刀具几何参数、刀具磨损、刀具材料、切削液。5.刀具的破损、磨损及使用寿命磨损形式：前刀面磨损、后刀面磨损和便捷磨损。磨损原因：磨料磨损、粘接磨损、化学磨损、扩散磨损、热电磨损。刀具磨损标准及磨钝标准和使用寿命，影响刀具使用寿命的主要因素：工件材料（强度、硬度↑、导热性↓→T↓）、切削用量（Vc、f、ap↑→T↓，Vc有最佳值）、刀具材料（耐磨性、耐热性↑→T↑）、工作角度（前角有最佳值；

刀尖圆弧半径↑、主偏角↓→切削温度↓→T↑（但太过易振动））、刀具表面粗糙度（Ra↑→T↓）、切削液。6.工件材料的切削加工性材料的相对加工性，工件材料切削加工性分级表。改善工件材料切削加工性能的基本途径。衡量材料切削加工性的指标:刀具耐用度-加工表面质量-切削层单位面积切削力-断屑性能相对加工性：Kr=v60/（v60）j

刀具摩擦的原因粘结磨损-磨料磨损-扩散磨损-化学磨损-热电磨损正常磨损初期磨损加剧磨损后刀面磨损量VB时间

刀具的磨钝标准：刀具磨损到不能继续使用的限度为磨钝标准。切削用量与刀具耐用度的关系:fTm1=C1vTm=CoapTm2=C2T=CT/（vxfyapz）切削速度对刀具耐用度的影响最大，进给量次之，背吃刀量最小。工件的材料：强度、硬度↑、导热性↓→T↓

切削用量：Vc、f、aP↑→T↓（Vc有最佳值）

刀具：

刀具材料的耐磨性、耐热性↑→T↑

前角：有最佳值

刀尖圆弧半径↑、主偏角↓→切削温度↓→T↑（但太过易振动）

刀具表面粗糙度：Ra↑→T↓刀具的破损：脆性破损、塑性破损。1最高生产率使用寿命

Tp=（1-m）tct/m2最低成本使用寿命

Tc=（1-m）（tct+Ct/

M）/m3最大利利润使用寿命

Tpr={[（1-m）/m]（tct+taCt/

S）}+（CtKTmpr）/mS刀具使用寿命选择使用寿命T最短加工时间tw最低生产成本C最大利润率Prtw-TPr-TC-TTprTpTc刀具使用寿命选择当销售价大于或等于产品成本时：Tc>Tpr>Tp当产品销路不畅或初创时，选最低成本耐用度Tc；当产品畅销甚至供不应求时，选最大利润耐用度Tpr；当产品急需时，选最高生产率耐用度Tp。目前多采用经验数据并附以必要的计算选择切削用量。切削用量的优化选择和建立切削数据库是合理选用切削用量的发展趋势。

切削用量的合理选择

粗加工：以提高生产率为基本原则，粗加工中首先选择尽可能大的背吃刀量ap；其次按照工艺系统刚性和技术条件的允许选择最大的进给量f，；最后根据刀具使用寿命确定切削速度vc。精加工：以满足工件需要的加工精度和表面质量为原则,首先选择尽可能大的切削速度vc背吃刀量ap；其次按照生产率要求和工件技术要求选择尽量小的背吃刀量ap和进给量f。

采用切削性能更好的新型刀具材料；

在保证工件力学性能的前提条件下，改善关键材料的切削加工性；

采用性能优良的切削液和高效的冷却润滑方法，改善冷却润滑条件；改进刀具结构，提高刀具制造质量。

提高切削用量的途径切削液的作用冷却润滑冲洗防锈控制过程参数v、ap、fγo、αo、κr、λs

切削条件优化最理想的加工效率合格的加工质量良好的经济性控制中间因素刀具使用寿命T结果过程优化金属切削过程与控制总复习之三：金属切削机床部分要点1、金属切削机床的基本概念基本知识

机床的分类和编号、机床的技术性能，常用金属切削机床的基本功能和选用。机床的运动分析工件表面的形成：母线沿导线运动的轨迹形成工件表面。母线和导线统称为形成表面的发生线。形成发生线的

方法：轨迹法、成形法、展成法、相切法。形成发生线所需的运动叫成形运动，其分为主运动和进给运动。成形运动分为简单成形运动和复合成形运动。除了成形运动外，机床分度运动、切入运动、辅助运动以及操纵及

控制运动等。

机床运动分析的基本方法：表面—运动—传动—机构

机床的传动

机床的基本组成部分：动力源、传动件、执行件。传动链、外联系传动链、内联系传动链；换置机构和移换机构。

机床传动原理图、机床传动系统图的使用。2、

典型机床的传动原理和传动系统分析

CA6140型普通卧式车床和Y3150E型滚齿机的传动原理和传动系统分析。3、组合机床及组合机床自动线

总复习之四：机械加工方法部分要点1、零件的种类及组成零件的表面

轴类零件、盘套类零件、支架箱体类零件、六面体类零件、机身机座类零件、特殊类零件。组成零件常见的表面有外圆、内圆、锥面、平面、螺纹、齿形和成形面，以及各种沟槽等。2、常用的加工方法常用的切削加工方法、磨削加工方法、精密加工方法和特种加工方法。

切削加工方法的选择

表面形状加工方法平面孔外圆回转曲面自由曲面齿轮齿面车车端面车内孔内锥空车外圆成形车靠模车数控车铣立铣卧铣铣孔数控铣旋风铣数控铣仿形铣铣齿滚切齿轮刨牛头刨龙门刨插键槽锥齿刨插齿磨平面磨磨内孔内锥孔外磨圆成形磨仿形磨数控磨曲线磨靠模磨齿轮磨数控齿轮磨钻锪台阶钻孔扩孔镗镗孔保证中心距、垂直度总复习之五：机床夹具部分要点1、夹具的功用、组成及分类：在机床上用于工件的定位和夹紧或者引导刀具的装置，以保证工件相对机床有一个正确的、准确的和可靠的位置。夹具主要由定位元件、夹紧装置、对刀装置或刀具引导装置，以及夹具体组成。此外，连接元件、分度机构、和操作元件也是夹具不可或缺的组成部分。夹具通常按照通用程度、使用机床和动力源不同进行分类。2、工件在夹具中的定位：工件定位目的：使同批工件在机床或夹具上有正确位置。工件定位方法：直接找正、划线找正和定位夹具定位。六点定位原理：合理布置夹具上留个六个定位支承点的位置，使工件上相应的定位基准面与之保持接触，工件在空间的六个自由度被分别限制，在在空间得到唯一的位置。完全定位与不完全定位，过定位与欠定位。定位与夹紧的区别：定位是使工件占有一个正确的位置，夹紧是使工件保持这个正确位置。定位方案设计：先工具加工要求分析工件哪些自由度必须被限制，再选定关键上的定位基准面以相应的定位原件去限制。确定定位方案时，必须很清晰的知道哪个定位元件与工件的哪个定位支撑面配合，限制了工件的哪些自由度；必须保证没有过定位和欠定位现象存在，尤其是欠定位现象，绝对不允许存在。

组合表面定位一个平面和与其垂直的两个孔组合组合表面定位一个平面和与其垂直的两个孔组合总复习之五：机床夹具部分要点

3、定位误差的分析计算定位误差概念指一批工件在夹具中定位时，工件的设计基准（或工序基准）在加工尺寸方向上的最大变动量。定位误差包括基准不重合误差和基准位移误差。由于定位基准副制造误差造成工序基准的位置变动对加工精度有直接影响。以平面作定位基准面时的定位误差计算

平面度误差很小，定位副制造不准确误差可忽略，所以定位误差主要由基准不重合引起。(2)以圆孔作定位基准面时的定位误差计算工件孔与定位心轴无间隙配合，不存在定位副制造不准确误差，定位精度较高。工件定位副单向靠紧定位可以把基准位移误差减小一半。如在定位心轴水平放置，或单向推移工件靠紧定位时。保证加工精度实现若规定工件的加工允差为δ工件，以Δ夹具表示与采用夹具有关的误差，以Δ加工表示除夹具外与工艺系统其它因素（如机床误差、刀具误差、受力受热变形等）有关的加工误差，为保证工件的加工精度要求，必须满足误差计算不等式：

δ工件≥Δ夹具＋Δ加工制订夹具公差时，应保证夹具的定位、制造和调整误差的总和不超过零件公差的三分之一。总复习之五：机床夹具部分要点4、工件在夹具中的夹紧：

夹紧装置的组成及基本要求：组成：力源装置、中间传力机构和夹紧元件。夹紧装置的作用：改变作用力的方向，改变作用力的大小，使夹紧实现自锁。

夹紧机构应该满足的要求：夹紧时不破坏工件定位后的正确位置

稳夹紧时夹紧力大小要适当牢夹紧动作要迅速、可靠快夹紧力大小的估算夹紧力的大小根据切削力、工件重力的大小、方向和相互位置关系具体计算，并乘以安全系数K，一般精加工K=1.5～2，粗加工K=2.5～3。

5、夹具的连接元件、对刀装置和引导元件：总复习之五：机床夹具部分要点5、夹具的连接元件、对刀装置和引导元件：

总复习之六：机械加工质量的分析与控制部分要点工艺系统受力变形工艺系统受热变形刀具磨损工艺残余应力引起的变形测量误差加工前的误差加工过程中的误差加工后的误差原始误差加工原理误差调整误差工件装夹误差机床误差夹具误差刀具制造误差1、机械加工精度的基本概念2、影响加工精度的因素1）原始误差一、机械加工精度2）工艺系统几何误差（1）加工原理误差（2）机床误差主轴回转误差径向跳动、轴向跳动和角度摆动。导轨误差导轨在水平面及铅垂平面内的直线度误差,导轨的平行度误差对加工精度的影响：机床导轨直线度误差对不同的机床的不同的加工过程的影响也不同。若导轨误差引起切削刃与工件的相对位移产生在工件已加工表面的法线方向，对加工精度的影响较大，应重视；若产生在切线方向，则影响较小，可以忽略不计。机床传动链（内联系传动链）误差减小传动误差对加工精度影响的措施：缩短传动链；提高传动元件特别是传动链末端件的制造精度；调整机床，消除传动件之间的间隙；采用误差修正或补偿机构。定尺寸刀具和成形刀具的制造误差，展成加工中刀具切削刃的几何形状和有关尺寸误差，刀具不正确的安装和刀具的磨损都会直接造成被加工工件的尺寸和形状误差，影响加工精度。

一般刀具的制造精度对零件的加工精度无直接影响。（3）刀具的几何误差对加工精度的影响包括定位元件、刀具引导元件、分度机构和夹具体的制造误差，定位元件之间的相互位置误差、使用中的磨损及其它误差都会影响被加工工件的加工精度。

（4）夹具的几何误差对加工误差的影响（5）定位误差对加工误差的影响含基准位移误差和基准不重合误差。机械加工过程中，对工艺系统的各个环节进行调整时造成的误差叫调整误差。如安装夹具、调整刀具，对刻度盘、定程机构的精度及与它们配合使用的离合器、电器开关、控制阀等元件的灵敏度，测量所用仪表、量具的制造和使用误差等。（6）调整误差

3）工艺系统的刚度对加工精度的影响零件刚度、刀具刚度、机床部件刚度和夹具刚度对加工精度都有影响。受力点位置变化引起的工件几何形状误差；

误差复映规律：由于毛坯误差导致加工余量的变化和材料性能的变化，引起切削力和工艺系统受力变形的变化，从而使工件产生尺寸和形状误差的现象称为误差复映。

ε

=C/（KXT+C）ε=

ε1

ε2

ε3

…减少工艺系统受力变形的途径提高工艺系统中零件的配合质量,以提高接触刚度；设置辅助支承提高部件刚度；缩短切削力与支承点之间的距离。工艺系统热变形对加工精度的影响

减少发热和隔热；强制冷却，均衡温度场；采用“热对称结构”；使零件的热变

形尽量发生于不影响加工精度的方向上。工件残余应力引起的变形采用时效处理等措施消除残余应力3.加工误差统计分析1）加工误差的分类(1)系统误差在顺序加工一批零件中出现大小保持不变（常值系统误差）或有规律变化（变值系统误差）的误差，称为系统误差。常值系统误差：原理误差、工艺系统各部分的制造误差和受力变形误差等。变值系统误差：工艺系统各部分的热变形及刀具的磨损等引起的加工误差。(2)

随机误差在顺序加工一批零件中出现大小和方向都无规律变化的误差，称为随机误差。如，毛坯误差的复映、定位误差、夹紧误差、操作误差及内应力引起的误差等。

如果工艺系统不存在系统误差，只有随机误差，则被加工零件的尺寸按正态规律分布；如果工艺系统还有常值系统误差存在，则工件尺寸分别曲线形状不变，只是沿工件尺寸坐标轴发生平移；如果工艺系统还存在变值随机误差，则工件尺寸的分布曲线不再是简单的正态分布。2）正态分布yxoFX3σ3σX正态分布曲线法ESEILCLUCLXX/mmX点图2）工艺过程分布图分析：采用顺序小样本分析ESEILCLUCLRR/mmR点图4.提高加工精度的途径1)直接消除或减小原始误差消除误差产生的根源。2)误差补偿利用专门装置产生反向误差。3)误差转移将原工艺系统中难以控制的误差转移到新的工艺装置上。4)误差分组用较经济的方法获得精密的配合。如滚动轴承的装配。5)误差平均利用密切关联的表面进行相互比较和检查，找出差异后进行相互修正或互为基准进行加工。6)“就地加工”达到最终精度将零件安装到机器确定的位置上，利用机器本身的相互运动关系对零件上关键的定位表面进行加工。7)加工过程中的积极控制利用测量装置连续测量工件的实际尺寸，并与基准尺寸进行比较，随时修正刀具与工件的相互位置，直到二者差值不超过允许的误差为止。二、机械加工表面质量1、表面质量表面质量的基本概念：表面的几何形状特征-表面层的物理、力学性能的变化零件加工表面层沿深度的组织及变化显微硬度Q+残余应力压缩区吸附区纤维层热影响区基体材料2、表面加工质量对零件使用性能的影响表面加工质量对零件的耐磨性、疲劳强度、抗腐蚀性和零件之间的配合性质有重要影响。初期磨损量与表面粗糙度的关系初期磨损量表面粗糙度重载荷轻载荷OO1O2װו3、影响表面粗糙度的因素1）几何因素刀具在加工表面上的切削层残留面积的形状完全与刀具形状一致,其高度即为理论表面粗糙度值。Rmax≈H=f2/8γε2）物理因素刀具刃口钝圆及后刀面与工件的挤压和摩擦;积屑瘤和鳞刺；

工件材料性能；刀具角度；材料刃磨质量。3）切削用量4、磨削加工影响表面粗糙度的因素砂轮、磨削用量、工件材料、切削液。

1)影响表面层加工硬化的因素（1）刀具刀具的刃口钝圆和后刀面磨损越大硬化层的硬度和深度就越大。（2）切削用量V增高，温度提高，硬化程度减小；f增大，切削力提高，塑变加剧，硬化程度提高