机械制造工艺学第一章-绪论

《机械制造工艺学》

清华大学、王先逵主编

机械工业出版社学时：40，44课程安排：,4-13，14周，周二1、2节周四下午5、6节

第一章绪论第一节

机械制造工程学科的发展

一、制造的永恒性

(一)机械制造技术的发展机械制造技术有两方面的含义：1）用机械来加工零件(或工件)的技术，即是在机床上用切削方法来加工；2）制造某种机械的技术，如汽车、涡轮机等。机械方法加工方法：机械加工、电加工、光学加工、电子加工、化学加工等

机械制造的宗旨

以最小的资源消耗、最低的环境污染，产生最大的社会和经济效益。

第一章绪论先进制造技术：将机械、电子、信息、材料、能源和管理等方面的技术，进行交叉、融合和集成，综合应用于产品全生命周期的制造全过程，包括市场需求、产品设计、工艺设计、加工装配、检测、销售、使用、维修、报废处理等，以实现优质、敏捷、高效、低耗、清洁生产，快速响应市场的需求。(二)制造技术的重要性

1．社会发展与制造技术密切相关蒸汽机制造技术→工业单命和大工业生产，内燃机制造技术→现代汽车、火车和舰船，喷气涡轮发动机制造技术→现代喷气客机和超音速飞机的发展，集成电路制造技术→现代计算机的水平，纳米技术→微型机械，

第一章绪论2．制造技术是科学技术物化的基础

从设想到现实，从精神到物质，是靠制造来转化的，制造是科学技术物化的基础，科学技术的发展反过来又提高了制造的水平。

第一章绪论

4．国力和国防的后盾只有在制造上是一个强国，才能在军事上是—个强国，

第一章绪论纺织机械动力机械家用电器通讯设备出版印刷网络媒体文化娱乐冶金机械建筑机械交通工具环保设备军事装备医疗设备机器制造农业机械化工设备制造业

当今制造业的社会功能3．制造技术是所有工业的支柱如：冶金行业需要冶炼、轧制没备，建筑行业需要塔吊、挖掘机和推土机等程机械

第一章绪论二、广义制造论狭义制造：设计和工艺分家，制造被定位于加工工艺广义制造：综合、融合和复合多种技术去研究和解决问题，集成制造技术。(—)制造设计一体化人类的制造技术大体上可以分为三个阶段。

1．手工业生产阶段主要靠工匠的手艺来完成，加工方法和工具都比较简单。

2．大工业生产阶段设计与工艺分开，形成了设汁、装配、加工、监测、试验、供销、维修、设备、工具和工装等直接生产部门和间接生产部门，出现了以零件为对象的加工流水线和自动生产线，以部件或产品为对象的装配流水线和自动装配线，适应了大批大量生产需求。

第一章绪论3．虚拟现实工业生产阶段借助于信息技术、计算机技术、网络技术，采用集成制造、并行工程、计算机仿真、虚拟制造、协同制造、电子商务等举措，将设汁与制造高度结合，进行计算机辅助设计、计算机辅助工艺设计和数控加工。虚拟现实工业生产阶段，在计算机上进行系统完整的仿真，从而可以避免在生产制造时才能发现的一些问题及其造成的损失。因此，它既是虚拟的，又是现实的。

(二)材料成形机理的扩展传统制造工艺中，将零件的加工过程分为热加工、和冷加工。从加工成形机理来分类，加工工艺分为去除加工、结合加工和变形加工。第一章绪论分类加工机理加工方法去除加工力学加工切削、磨削、磨粒流、磨料喷射加工、液体喷射加工电物理加工电火花、线切割、等离子体、电子束、离子束加工电化学加工电解加工物理加工超声波加工、激光加工化学加工化学铣削加工、光刻加工复合加工电解、超声磨削、超声电火花电解磨削、化学机械抛光结合加工附着加工物理加工物理气相沉积、离子镀热物理加工蒸镀、熔化镀化学加工化学气相沉积、化学镀电化学加工电镀、电铸、刷镀注入加工物理加工离子注入、离子束外延热物理加工晶体生长、分子束外延、渗碳、搀杂、烧结化学加工渗氮、氧化。活性化学反应电化学加工阳极氧化连接加工激光焊接、化学粘接、快速成形制造、卷绕成形制造变形加工冷、热流动加工锻造、辊锻、轧制、挤压、辊压、液态模锻、粉末冶金粘滞流动加工金属型铸造、压力铸造、离心铸造、熔模铸造、壳型铸造、低压铸造、负压铸造分子定向加工液晶定向表1-1材料成形机理的范畴

第一章绪论1．去除加工又称分离加工，是从工件上去除—部分材料而成形。2．结合加工结合加工是利用物理和化学方法将相同材料或不同材料结合在一起而成形，是一种堆积成形、分层制造方法：附着又称沉积，在工件表面覆盖一层材料，是—种弱结合，如：电镀

注入又称渗入，是在工件表面渗入某些元素，与基体材料产生物化反应，以改变工件表面层材料的力学性质，是—种强结合，如：渗碳、渗氮、氧化等；3．变形加工

又称流动加工，是利用力、热、分子运动等手段使工件产生变形，改变其尺寸、形状和性能，如锻造、铸造等。

第一章绪论(三)制造技术的综合性表现在机、光、电、声、化学、电化学、微电子和计算机等的接合，不是单纯的机械。制造与管理已经不可分割，工业设计学科是制造技术与美学、艺术结合的体现．(四)制造模式的发展计算机集成制造技术。柔性制造、敏捷制造、虚拟制造、网络制造、智能制造和协同制造等多种制造模式，

第一章绪论(五)产品的全生命周期制造的范畴从过上的设计、加工和装配发展成为产品全生命周期，包括市场调研、设计制造、销售、维修和报废处理等。

产品制造的全过程市场需求调研产品设计开发产品制造售后服务回收

产品销售制造系统

是指覆盖产品全生命周期的制造活动所形成的系统，即设计、制造、装配及市场乃至回收的全过程。三、机械制造科学技术的发展沿着“广义制造”或称“大制造”的方向发展

可以分为4个方面：1.现代设计技术、2.现代成形和改性技术、3.现代加工技术、4.制造系统和管理技术。FMS自动仓库工厂计算机中央计算机物流控制计算机信息传输网络加工单元1加工单元2加工单元n运输小车工夹具站教学内容3.机床夹具设计

2.机械加工工艺规程设计5.机械加工表面质量及其控制6.机械装配工艺过程设计4.机械加工精度及其控制1.制造工艺和技术的发展工艺：使各种原料、半成品成为产品的方法、技术和过程。机械制造工艺：指各种机械的制造方法、技术和过程。

第一章绪论机械制造工艺学：主要研究零件加工和机械装配过程所具有的共同规律。课程内容随科学技术和经济的发展不断更新和充实本课程特点和学习方法

课程特点注意掌握基本概念，如工件定位、加工精度、表面质量等

学习方法

工程性很强，许多方法和内容需从工程应用角度理解和掌握

注意学习解决问题的基本方法，如工艺尺寸链解算、工艺规程制定、机床夹具设计方法等。综合性很强，内容与多门先修课程有密切联系实践性很强，内容与生产实际联系密切理论联系实际，结合作业、实习和设计不断积累实践经验，加深理论认识考试及评分及学习要求

期末考试有限开卷,占70%平时成绩占30%

平时成绩的构成:(1)作业(2)上课表现，回答问题三、学习要求

1.上课认真听讲，不迟到、早退、旷课；

2.独立完成作业，按时交作业。一、机械产品生产过程

在机械制造中，将原材料转变成为成品的全过程称为生产过程。原材料成品（机器）§1.2生产过程、工艺过程与工艺系统工艺过程—直接改变生产对象的形状、尺寸和性质的过程。机械加工工艺过程§1.2生产过程、工艺过程与工艺系统工艺过程可逐级分为工序、工步、走刀以及安装、工位生产过程按功能可划分为工艺过程和辅助过程。辅助过程—为工艺过程服务的过程。机械零件(产品）的生产过程生产过程包括：1)

原材料的运输、保管和准备；2)

生产的准备工作；3)

毛坯的制造；4)

零件的机械加工与热处理；5)

零件装配成机器；6)

机器的质量检查、测试及运行试验；7)

机器的油漆、包装和入库。二、机械加工工艺过程（一)概念

生产过程中，改变生产品产对象的形状、尺寸、表面粗糙度和力学物理性能等，使其成为成品或半成品的过程称为工艺过程。工艺过程包括：1)毛坯制造工艺过程2)机械加工工艺过程3)热处理工艺过程4)装配工艺过程

机械加工工艺过程的组成§1.2生产过程、工艺过程与工艺系统工序：一个（组）工人在一台机床（工作地点）上对一个（同时对几个）工件连续完成的那一部分工艺过程工序示例：表7-1单件小批生产的工艺过程工序号工序内容设备1车一端面，钻中心孔*；

调头，车另一端面，钻中心孔车床I

2车大外圆及倒角；调头，车小外圆、切槽及倒角车床II3铣键槽、去毛刺铣床表7-2大批大量生产的工艺过程工序号工序内容设备1铣两端面，钻两端中心孔*铣端面钻中心孔机床2车大外圆及倒角车床I3车小外圆、切槽及倒角车床II4铣键槽专用铣床5去毛刺钳工台图7–1阶梯轴讨论：生产规模不同，工序的划分不一样。机械加工工序的组成§1.2生产过程、工艺过程与工艺系统安装—每一次装夹下完成的工序内容工位—通过分度或移位装置改变加工位置时每一位置上完成的加工内容安装示例：表7-1单件小批生产的工艺过程工序号工序内容设备1车一端面，钻中心孔*；

调头，车另一端面，钻中心孔车床I

2车大外圆及倒角；调头，车小外圆、切槽及倒角车床II3铣键槽、去毛刺铣床表7-2大批大量生产的工艺过程工序号工序内容设备1铣两端面，钻两端中心孔*铣端面钻中心孔机床2车大外圆及倒角车床I3车小外圆、切槽及倒角车床II4铣键槽专用铣床5去毛刺钳工台图7–1阶梯轴两次两次一次一次一次一次一次讨论：安装次数多好还是少好？机械加工工序的组成§1.2生产过程、工艺过程与工艺系统工步—加工表面、刀具、切削用量不变的情况下完成的工位内容复合工步—为提高生产效率用多把调整好的刀具同时加工多个表面工步示例：表7-1单件小批生产的工艺过程工序号工序内容设备1车一端面，钻中心孔*；

调头，车另一端面，钻中心孔车床I

2车大外圆及倒角；调头，车小外圆、切槽及倒角车床II3铣键槽、去毛刺铣床表7-2大批大量生产的工艺过程工序号工序内容设备1铣两端面，钻两端中心孔*铣端面钻中心孔机床2车大外圆及倒角车床I3车小外圆、切槽及倒角车床II4铣键槽专用铣床5去毛刺钳工台图7–1阶梯轴四个五个一个两个三个两个一个机械加工工序的组成§1.2生产过程、工艺过程与工艺系统走刀：切削刀具在加工表面切削一次所完成的工步内容

根据被切除的金属厚度不同，一个工步可以包括一次或数次走刀。机械加工工艺过程组成小结§1.2生产过程、工艺过程与工艺系统工序1工艺过程工序2工序i工序n……安装1安装2安装i安装m……工位1工位2工位i工位p……工步1工步2工步i工步k……走刀1走刀2走刀i走刀q……nmpkq均为除零以外的自然数误差流物流资金流规划控制需求信息流实施（车间或现场）原材料产品与服务能源能量流

制造系统的组成机械制造工艺系统—用于给机械制造提供条件或支持的系统。由若干分系统构成。§1.2生产过程、工艺过程与工艺系统压力加工油漆车身装配内部装饰驱动桥装配变速箱装配轮胎装配底盘装配

车身安装最后试验发动机装配发动机试验机械加工热处理锻造熔化造型浇铸压铸油漆机械加工自动线热处理汽车生产物流示意图例、汽车产品的生产过程铸铁废钢铝锭辅助材料┊热处理机械加工部件装配铸造铁粉碳粉┊粉末冶金烧结粉末冶金件铸件锻件钢板冲压铆、焊接装配油漆缸体曲轴变速箱壳体齿轮┊发动机变速器转向器驱动桥┊协作件、电器系统轮胎其它部件总装配试车汽车钢材锻造生产纲领—企业计划期内应当生产的产品产量和进度计划

§1.3生产类型与工艺特点年生产纲领：

N=Qn(1+a%+b%)

式中：

Q：产品的年产量（台/年）

a%：备品百分率

b%：废品百分率n：每台产品中该零件的数量（件/台）二、生产批量生产批量：是指一次投入或产出的同一产品或零件的数量式中n’——每批中零件的数量；

N——零件的年生产纲领规定的零件数量；

A——零件应储备的天数

F——年中工作天数

§1.3生产类型与工艺特点生产批量：一次投入或产出的同一产品或零件数量§1.3生产类型与工艺特点企业确定生产批量应主要考虑几个因素：按企业生产专业化程度划分市场需求及趋势生产组织安排的方便性产品制造的工作量生产资金的投入制造的生产率和成本单件生产、小批生产、中批生产、大批生产、大量生产三、生产类型及其工艺特征

1）单件生产

产品数量少，但种类、规格较多，多数产品只能单个或少数几个地生产，很少重复。例如，重型机器、大型船舶制造及新产品试制等常属于这种生产类型。2）成批生产

产品数量较多，每年生产的产品结构和规格可以预先确定，而且在某一段时间内是比较固定的，生产可以分批进行，大部分工作地的加工对象是周期轮换的。根据批量的大小，成批生产又可分为小批生产、中批生产和大批生产。例如，通用机床（一般为车、铣、刨、钻、磨床）等产品制造往往属于这种生产类型。三、生产类型及其工艺特征

3）大量生产

产品的数量很大，产品的结构和规格比较固定，产品生产可以连续进行，大部分工作地的加工对象是单一不变的。例如，汽车、拖拉机、轴承等产品的制造，通常是以大量生产方式进行的。三、生产类型及其工艺特征

各种生产类型的工艺特征工艺特征单件小批量中批生产大批大量毛坯自由锻、木模手工造型；精度低、余量大模锻、金属模；精度和余量中等模锻、机器造型；精度高，余量小机床通用机床，机群式布置通用机床，部分专机，按零件类别分工段排列自动机床，专用机床生产流水线排列工装通用工装专用工装高效专用工装工艺文件简单工艺过程卡详细工艺过程卡详细工艺过程卡工序卡、调整卡发展趋势成组技术、数控技术、加工中心柔性制造系统(FMS)计算机集成制造系统(CIMS)，加工自动化§1.4工件的定位和基准

划线找正装夹—

精度不高，效率低，多用于形状复杂的铸件直接找正装夹—

精度高，效率低，对工人技术水平高夹具装夹—

精度和效率均高，广泛采用装夹的含义

装夹又称安装，包括定位和夹紧两项内容。定位

—使工件相对于机床和刀具占有正确位置夹紧

—对工件施加一定的外力，保持其已确定的正确位置在加工过程中不变工件装夹方法

直接找正安装（动画）毛坯孔加工线找正线

划线找正安装（动画）夹具安装法

工件在夹具上装夹（滚齿夹具）

六点定位原理XZY

六个合理分布的定位支承点限制工件的六个自由度

要确定其空间位置，就需要限制其6个自由度

将6个支承抽象为6个“点”，6个点限制了工件的6个自由度

六个点合理分布

任何一个物体在空间直角坐标系中都有6个自由度定位的原理

工件以平面3点定位XYZ与理论力学、机构学自由度概念差别——位置不定度——夹紧与定位概念分开——工件、夹具是弹性体2.工件的实际定位“点”的含义——对自由度的限制，与实际接触点不同，定位元件定位元件所限制的自由度与其大小、长度、数量及组合有关（1）长短关系：如：圆柱面

（2）大小关系：如：平面大小（3）数量关系（4）组合关系

完全定位:工件的6个自由度均被限制，称为完全定位。不完全定位:工件6个自由度中有1个或几个自由度未被限制，称为不完全定位。3.完全定位与不完全定位按工件的加工要求分析应限制的自由度：工件应该完全定位还是不完全定位由工件的加工要求和自身形状决定。完全定位与不完全定位实例ZYXa）ZYXb）ZYXc）ZYXd）e）ZYXf）ZYX

工件应限制的自由度欠定位与过定位对工件的定位情况分析：欠定位—工件加工时必须限制的自由度未被完全限制，称为欠定位。欠定位是不允许的。过定位—工件某一个自由度（或某几个自由度）被两个（或两个以上）约束点约束，称为过定位。过定位是否允许，要视具体情况而定：

1）如果工件的定位面经过机械加工，且形状、尺寸、位置精度均较高，则过定位是允许的。有时还是必要的，因为合理的过定位不仅不会影响加工精度，还会起到加强工艺系统刚度和增加定位稳定性的作用。2）反之，如果工件的定位面是毛坯面，或虽经过机械加工，但加工精度不高，这时过定位一般是不允许的，因为它可能造成定位不准确，或定位不稳定，或发生定位干涉等情况。XZYa）b）BBB欠定位实例

平面定位的过定位分析a）ZYXYc）ZYXYb）ZYYX图1-22．平面定位的过定位

一面两孔定位的过定位分析XYa）ZYb）ZYXY图1-23．一面两孔定位的过定位

孔与端面组合定位的过定位讨论

齿轮坯以内孔和一小端面定位，车削外圆和大端面。加工后检测发现大端面与内孔垂直度超差。试分析原因，提出改进意见。4A0.02A间隙配合刚性心轴

图1-24孔与端面组合定位的过定位过定位引起夹紧变形橡胶垫

过定位处理分析刀柄主轴拉杆涨套

过定位应用HSK刀柄与传统刀柄结构HSK刀柄传统刀柄1:107:24间隙主轴拉杆刀柄定位端面配合锥面

如果工件的定位面经过精加工，定位面和定位元件的尺寸、形状和位置精度很高，则过定位不会影响定位，反而会增强工件的刚性，这时过定位是允许的。

讨论分析图示定位方案：①各方案限制的自由度②有无欠定位或过定位③对不合理的定位方案提出改进意见。

b）XZYXc）XZYXa）YXZ

过定位分析a）YXZa1）YXZa2）YXZa3）YXZ

过定位示例分析b）XZYXb1）XZYXXZb2）YXXZb3）YX

过定位示例分析c）XZYXc’）XZYXc1）YXXZ

过定位示例分析ZXYZXYZXYZ