机械制造工艺学常同立第2版课件全集下

机械制造工艺学常同立等编著第2版下集教学要求掌握机械加工外表质量的影响因素；熟悉机械加工工艺系统的振动及其对外表质量的影响；掌握控制机械加工外表质量的途径以车削或刨削加工零件外表为例。切削残留面积的高度与以下因素有关刀尖圆弧半径re主偏角Kr副偏角Kr’进给量f刀刃本身的粗糙度等因素有关。切削深度较大且刀尖圆弧半径很小时，或者采用尖刀刃具切削时，残留面积的高度为

圆弧刀刃切削加工时，残留面积的高度与刀尖圆弧半径re和进给量f有关，如下图的几何关系可近似为减小进给量、增大刀尖圆弧半径、减小主偏角或副偏角都会使外表粗糙度得到改善，但以进给量和刀尖圆弧半径的影响最为明显。实际加工外表的粗糙度总是大于上面两个残留面积高度公式的理论计算值，只有切削脆性材料或高度切削塑性材料时，计算结果才比较接近实际。影响磨削加工外表粗糙度的因素粒度↓→Ra↓金刚石笔锋利↑，修正导程、径向进给量↓→Ra↓磨粒等高性↑→Ra↓硬度↑→钝化磨粒脱落↓→Ra↑硬度↓→磨粒脱落↑→Ra↑硬度合适、自励性好↑→Ra↓太硬、太软、韧性、导热性差↑→Ra↓砂轮粒度工件材料性质砂轮修正磨削用量砂轮硬度砂轮V↑→Ra↓ap、工件V↑→塑变↑→Ra↑粗磨ap↑→生产率↑精磨ap↓→Ra↓(ap=0光磨)

影响磨削加工外表粗糙度的因素外表物理力学性能影响金相组织变化因素影响显微硬度因素影响剩余应力因素塑变引起的冷硬金相组织变化引起的硬度变化冷塑性变形热塑性变形金相组织变化切削热影响外表层物理力学性能的主要因素

⑴刀具几何形状的影响切削刃rε↑、前角↓、后面磨损量VB↑→表层金属的塑变加剧→冷硬↑⑵切削用量的影响切削速度v↑→塑变↓→冷硬↓f↑→切削力↑→塑变↑→冷硬↑⑶工件材料性能的影响

材料塑性↑→冷硬↑影响外表层加工硬化的因素磨削烧伤的三种形式目前通用的冷却方法较差，由于砂轮的高速旋转，圆周方向产生强大气流，使得磨削液很难直接送入磨削区，冷却效果很差。而内冷却是一种较为有效的方法，如下图。内冷却工作原理是将严格过滤后的冷却液通过中空主轴法兰套引入砂轮的中心腔内，在离心力的作用下冷却液会通过砂轮内部的孔隙向砂轮四周的边缘洒出，冷却液就有可能直接注入磨削区。内冷却装置会产生大量水雾，影响加工条件，而且磨削冷却液必须严格过滤，要求杂质不超过0.02%，以防止堵塞砂轮内部孔隙。所以，其应用不广。实际中多采用开槽砂轮，即在砂轮的圆周上开一些横槽，开槽砂轮的形状如下图，这就能使砂轮将冷却液带入磨削区；同时，开槽可使砂轮间断磨削，工件受热时间缩短，金相组织来不及转变，开槽砂轮还能起到风冷作用，改善散热条件。因此，开槽砂轮可有效地防止烧伤现象产生。开槽的形状主要有两种形式：均匀等距开槽和变距开槽。磨削用量砂轮与工件材料改善冷却条件1〕砂轮转速↑→磨削烧伤↑2〕径向进给量fp↑→磨削烧伤↑3〕

轴向进给量fa↑→磨削烧伤↓4〕工件速度vw↑→磨削烧伤↓1)磨削时，砂轮外表上磨粒的切削刃口锋利↑→磨削力↓→磨削区的温度↓2)磨削导热性差的材料(耐热钢、轴承钢、不锈钢)↓→磨削烧伤↑3)应合理选择砂轮的硬度、结合剂和组织→磨削烧伤↓采用内冷却法→磨削烧伤↓

图采用开槽砂轮间断磨削→受热↓→磨削烧伤↓

图影响磨削烧伤的因素及改善途径机械加工振动自激振动自由振动强迫振动当系统受到初始干扰力鼓励破坏了其平衡状态后，系统仅靠弹性恢复力来维持的振动称为自由振动。由于总存在阻尼，自由振动将逐渐衰减。(占5%)系统在周期性激振力(干扰力)持续作用下产生的振动，称为强迫振动。强迫振动的稳态过程是谐振动，只要有激振力存在振动系统就不会被阻尼衰减掉。(占35%)在没有周期性干扰力作用的情况下，由振动系统本身产生的交变力所激发和维持的振动，称为自激振动。切削过程中产生的自激振动也称为颤振。(占65%)机械加工中振动的种类及其主要特点单自由度系统是最简单的振动系统。下面以图a内圆磨削加工为例，讨论单自由度受迫振动情况。磨削加工过程中磨头受周期性变化的干扰力作用会产生振动。当工件的刚度远大于磨头系统的刚度时，可简化为如图b所示质量—弹簧—阻尼的单自由度系统。磨头系统的等效质量是m，等效弹簧刚度为K，等效黏性阻尼系数为c。将作用在磨头与工件之间的激振力取定为简谐激振力，Fsinωt简谐激振力的幅值F,角频率ω系统的运动方程式为

两边分别除以m，那么有二阶常系数线性非齐次微分方程式的解为

上式的第一项(齐次方程的通解)表示为有阻尼的、逐渐衰减的自由振动过程，如图a所示；第二项(非齐次方程的特解)表示由激振力引起的频率等于激振力频率的受迫振动，如图b所示。这两局部振动的叠加为振动的响应，如图c所示。动态放大系数的概念。动态放大系数V定义为受迫振动的振动幅值与系统静位移的比值，

静位移A0反映了激振力的影响，说明振动幅值与激振力幅值成正比。频率比λ对振动的影响比较复杂，可用动态放大系数与频率特性曲线表示，如下图。〔1〕λ→0时，激振力频率极低，相当于激振力作为静载荷作用系统上，从而使系统产生的位移等于静位移，V≈1。0≤λ≤0.7为静力区。〔2〕λ接近或等于1时，振幅急剧增加，这种现象称为共振。0.7≤λ≤1.3称为共振区。工程上常把系统的固有频率作为共振频率，而把固有频率前后20%~30%的区域作为禁区，防止产生共振。〔3〕λ>>1时，V→0，振幅迅速下降，甚至消失。这说明振动系统的惯性跟不上快速变化的激振力。λ≥1.3称为惯性区。图也反映了阻尼比ξ对振动的影响。在共振区域增加阻尼比对抑制振动的效果较为明显，而其它区域阻尼比对振动的影响作用不大。当时，阻尼几乎不起作用。

〔1〕激振频率ω=0时，系统受到静载荷作用，动刚度等于静刚度；〔2〕ω≈ω0时，系统将发生共振，此时系统动刚度值最小；〔4〕相同频率比的条件下，随着阻尼比的增大，系统的动刚度增大；〔3〕ξ=0，且ω=ω0时，系统动刚度，失去物理意义。显然，系统的动刚度越大或系统阻尼比越大，说明产生一定振幅或动态位移的激振力越大，即振动鼓励能量要求越大，说明系统的抗振能力强。提高工艺系统的动态刚度和阻尼比，能够提高工艺系统的动态特性。自激振动的产生机理非常复杂，针对某些特定问题，许多学者提出了一些解释自激振动的学说，比较公认的理论有再生颤振机理、负摩擦机理及振型耦合机理等。这些学说都是从振动维持的能量补偿来源及规律这一最根本、最必要的物理条件进行分析和研究的。(1)再生颤振机理切削加工过程中，多数情况下刀具总是完全重复或局部重复地切削已加工的外表。2.自激振动的产生机理再生颤振机理假定切削过程在某一时刻受到瞬时的偶然性扰动，那么刀具和工件会发生相对振动，并在加工外表留下振纹，见图b。当再次切削残留振纹的外表时，切削厚度将发生波动，见图c，从而引起切削力的周期性变化。如果动态变化的切削力在一定条件下是促进和维持振动的，这种切削力和振纹相互作用引起的自激振动将进一步开展为颤振，称为再生颤振，见图d。综上所述，加工系统产生自激振动的根本条件为W振出>W振入，即在力与位移的关系曲线中，振出过程曲线的包络范围要大于振入过程曲线的包络范围。例如图中，对于振动运动轨迹上任一点而言，振动系统在振出阶段通过该点的力F振出(yi)应大于振入阶段通过同一位置的力F振入(yi)，因而自激振动的条件也可描述为F振出(yi)>F振入(yi)。2)自激振动机理的分析根据自激振动的产生条件，可以分析工艺系统是否能够产生和维持自激振动。以切削加工出现的再生性颤振为例，本次(转)切削产生的振纹与前次(转)的振纹根本上是不可能完全同步的，两者之间存在一定的相位差。定义前次切削残留的振纹与本次切削的振纹间的相位差为φ，且两次切削的产生的振动幅值相等，那么前次切削和本次切削的振动方程分别为瞬时切削厚度a(t)和切削力F(t)的表达式为2)滚压加工滚压加工是利用经过淬硬和精细研磨过的滚轮或滚珠，在常温状态下对金属外表进行挤压，将工件表层的原有凸起的局部向下压，凹下局部往上挤，使其产生塑性变形，逐渐将前工序留下的波峰压平，从而修正工件外表的微观几何形状。同时使工件外表金属组织细化，形成剩余压应力。典型滚压加工示意图如下图。消除和减弱自激振动产生的条件措施如下。〔1〕调整振动系统小刚度主轴的位置合理配置小刚度主轴的位置，使小刚度主轴位于切削力和加工外表法线方向的夹角范围之外，可抑制振型耦合型自激振动的发生。如图5.15所示，不同的尾座结构其小刚度主轴位置不同。配置小刚度主轴的位置可通过调整主轴系统、进给系统的间隙，改进机床的结构或合理安排刀具和工件的相对位置等。〔2〕增加工艺系统阻尼在共振区及其附件区域，阻尼对振动的影响十分显著。工艺系统的阻尼主要来自零部件材料的内阻尼、结合面上的摩擦阻尼以及其它附加阻尼。增大工艺系统的阻尼，可选用内阻尼比较大的材料制造加工设备或零件，如铸铁内阻尼比钢大，所以多用于机床的床身、立柱等大型支承件。此外，还可把高阻尼的材料附加到零件上，提高抗振性，如图5.16所示。机床阻尼大多来自零部件结合面间的摩擦阻尼，有时可占到总阻尼的80%。所以对于机床的活动结合面，要注意间隙调整，必要时施加预紧力以增大摩擦；而对于固定结合面，可选用合理的加工方法、外表粗糙度等级、结合面上的比压以及固定方式等来增加摩擦阻尼。〔2〕动力式减振器动力式减震器的工作原理是利用附加质量的动力作用，使其作用在主振系统上的力或力矩与激振力的力矩相抵消。一般镗床上采用动力式阻尼器消除镗杆的振动，如下图。〔3〕冲击式减振器冲击式减振器由一个与振动系统刚性连接的壳体和一个在壳体内自由冲击的质量块所组成，当系统振动时，自由质量块反复冲击壳体，以消耗振动能量，到达减振的目的。如下图。冲击式减振器虽然具有因碰撞产生噪声的缺点，但其结构简单、质量轻、体积小，在较大的频率范围内部都适用，所以应用较广。第7章机器装配工艺设计7.1机器装配与装配精度7.2装配的组织形式及生产纲领7.3装配尺寸链7.4保证装配精度的装配方法7.5装配工艺规程的制定书配套课件，教学要求掌握装配的根本概念与装配精度；掌握装配的组织形式及其工艺特点；掌握装配尺寸链分析与计算；掌握保证装配精度的方法；掌握装配工艺规程设计要点。机器装配概念组件是指一个或几个合件与零件的组合，没有显著完整的作用.如主轴箱中轴与其上的齿轮、套、垫片、链和轴承的组合体。部件是假设干组件、合件及零件的组合体，部件在机器中具有完整的功能与用途。例如汽车的发动机、变速箱;车床主轴箱和溜板箱等。装配系统图与装配工艺系统图常用装配单元系统图来清晰表示装配顺序。装配单元系统图的绘制方法如下：用一个长方格表示一个零件或装配单元。即用该长方格可以表示参加装配的零件、合件、组件、部件和机器。在该方格内，上方注明零件或装配单元名称，左下方填写零件或装配单元的编号，右下方填写零件或装配单元的件数，如下图。零件部件装配单元系统图绘制方法与步骤如入：首先，画一条较粗的横线．横线右端指向装配单元的长方格，横线左端为基准件的长方格。其次，按装配先后顺序，从左向右依次将装入基准件的零件、合件、组件和部件引入。表示零件的长方格画在横线上方；表示合件、组件和部件的长方格画在横线下方。合件装配系统图组件装配系统图部件装配系统图机器装配系统图比较简单的产品也可把所有装配单元的装配系统图画在机器装配系统图中，称之为装配单元系统合成图。在装配单元系统图上加注所需的工艺说明内容，如焊接、配钻、配刮、冷压、热压和检验等，就形成装配工艺系统图，如下图。装配工艺系统图比较清楚而全面地反响了装配单元的划分、装配顺序和装配工艺方法。它是装配工艺规程制定中的主要文件之一，也是划分装配工序的依据。如果机器的装配精度是由一个零件的精度来控制与保证，那么称这种情况是“单件自保〞。受相应零件精度〔特别是关键零件精度〕的影响，如车床尾座移动相对溜板移动的平行度要求，主要取决于溜板用导轨与尾座用导轨之间的平行度，如下图。2.查找组成环装配尺寸链的组成环是对装配精度发生直接影响的那些零、部件的尺寸。在查找装配尺寸链组成环时，遵循最短路线原那么。最短路线原那么要求每个装配相关的零、部件只应有一个尺寸作为组成环列入装配尺寸链，即将连接两个装配基准面间的位置尺寸直接标注在零件图上。这样，组成环的数目就等于有关零、部件的数目，即“一件一环〞，此时装配尺寸链环数最少。链轮装配尺寸链中，组成环为A1、A2、A3、A4和A5。装配尺寸链的建立3.画尺寸链图并确定组成环的性质根据封闭环和找到的组成环画出尺寸链图，并根据尺寸链理论可以确定增减环〔见第一章〕。建立链轮装配尺寸链图见图，其中A2是增环，A1、A3、A4和A5是减环。假设装配尺寸链由n个组成环和一个装配环组成。对称公差法计算公式如下：封闭环的根本尺寸式中为封闭环的根本尺寸；为第i个组成环根本尺寸。(7)整理计算结果见表概率法的计算以一定置信水平P(%)为依据。置信水平表示了装配后合格品所占的百分比，1-P表示了超差品的百分数。相对分布系数K0与置信水平的关系见表。

(7)整理计算结果见表例7.3：发动机活塞销孔与活塞销的结构如下图，冷态装配要求活塞销孔与活塞销过盈量是0.0025～0.0075mm。试用分组装配法设计活塞销孔和活塞销的相关加工尺寸。问题分析：从装配精度看，冷态装配要求活塞销孔与活塞销过盈量是0.0025～0.0075mm，装配精度要求很高。尽管装配涉及零件少，采用互换法计算组成环公差小，零件加工精度要求很高。解：1)采用完全互换法装配，那么可以设计活塞销孔，活塞销直径。可以验证它们配合的过盈量符合要求。但是按照完全互换法设计的活塞和活塞销的相当于IT2。机械加工较为困难。2)在实际生产中，分组装配法将活塞销孔和活塞销采用相同的制造公差等级，也即公差带宽相同。在相同方向上同时放大四倍，并将零件按照放大后的公差进行加工制造。通过测量零件实际尺寸，按照表7.5给出的设计尺寸分为四组，零件分组公差带图示见以下图。为了生产操作方便，将分组后零件用颜色标识。同种颜色零件进行装配，具有完全互换性。(3)为保证对应组内相配件的数量要配套，相配零件的尺寸分布应相同；否那么，将产生剩余零件。如下图。为解决积压剩余件问题，生产中常常专门生产一些与剩余件配套的零件。例如右图表示了铣床矩形导轨的装配结构。压板是修配件。装配精度要求是控制装配间隙。分析，可知：修磨A面可以使装配间隙减小，这是“越修越小〞的情况。修磨B面可以使装配间隙增大，这是“越修越大〞的情况。在“越修越小〞情况下封闭环公差带要求值和实际公差带的相对关系见图。为保证修配量足够和最小，放大组成环公差后实际封闭环的公差带和设计要求封闭环的公差带之间的相对关系应满足A0Dmin=A0min。假设己经A0Dmax<A0max，那么修配补偿环A0Dmax后会更小，不能满足设计要求。T0为设计要求封闭环的公差A0max为设计要求最大极限尺寸A0min为设计要求最小极限尺寸T0D表示放大组成环后封闭环的公差A0Dmax放大组成环后最大极限尺寸A0Dmin放大组成环后最小极限尺寸Fmax表示最大修配量在“越修越大〞情况下封闭环公差带要求值和实际公差带的相对关系见图。为保证修配量足够和最小，放大组成环公差后实际封闭环的公差带和设计要求封闭环的公差带之间的相对关系应满足A0Dmax=A0max。假设己经A0Dmin>A0min，那么修配补偿环A0Dmin后会更大，不能满足设计要求。T0为设计要求封闭环的公差A0max为设计要求最大极限尺寸A0min为设计要求最小极限尺寸T0D表示放大组成环后封闭环的公差A0Dmax放大组成环后最大极限尺寸A0Dmin放大组成环后最小极限尺寸Fmax表示最大修配量由于这是一例“越修越大〞情况，配置修配量要求。因此，需要对初步拟定的mm进行修正。是减环，确定补偿环尺寸mm。(10)整理计算结果见下表。3.固定调整法应用实例例7.5如下图链轮装配，装配精度要求链轮轴向间隙A0应在0.05～0.20mm之间。：A1=2.5，A2=52，A3=4.5，A4=40，Ak=5。试用调整法确定装配尺寸关系中各组成环的设计尺寸。问题分析：从装配精度看，例7.5与例7.4相同，链轮轴向间隙A0要求控制在0.05～0.20mm之间。装配精度高于例7.1和例7.2，根据极值法和概率法计算过程与结果看，采用互换法无法实现装配精度要求。装配精度与例7.4相同，但是修配法不适合生产线采用，因此考虑其它装配方法。那么mm，mm，mm，mm。

(10)整理计算结果见下表。5．其它调整装配法简介1)可动调整装配法采用调整的方法改变补偿环的位置，使封闭环到达其公差与极限偏差要求的方法，称为可动调整装配法。简称可动调整法。常用的补偿环有螺栓、斜面、挡环或孔轴连接中的间隙等。例如，如下图齿轮箱中，用调节螺钉调整轴承安装位置精度，再用锁紧螺母锁紧。该装置用螺栓旋入程度来改变压盖的位置，补偿装配中零件误差累计。7.5装配工艺规程设计书配套课件，在晶体管放电回路脉冲电源中，由于开关电路可以强制断开电流，放电消失以后容易恢复电极间隙的绝缘。可以增大脉冲宽度〔放电持续时间〕和减小放电停止时间。因此，使用晶体管放电回路脉冲电源，可以缩短放电间隔，提高加工效率。此外，由于放电电流的峰值、脉冲宽度可由改变多谐振荡器输出的波形来控制，所以晶体管放电回路脉冲电源能够在很宽的范围内选择加工条件。电解加工整体叶轮1)工作原理电子束加工原理如下图。电子束加工是在真空条件下，利用电流加热阴极发射电子束，带负电荷的电子束高速飞向阳极，途中经加速极加速，并通过电磁透镜聚焦，使能量密度非常集中，可以把一千瓦或更高的功率集中到直径为5～10μm的斑点上，获得高达109w/cm2左右的功率密度。如此高的功率密度，可使任何材料被冲击局部的温度，在百万分之一秒时间内升高到摄氏几千度以上，热量还来不及向周围扩散，就已把局部材料瞬时熔化、气化直到蒸发去除。随着孔不断变深，电子束照射点亦越深入。由于孔的内侧壁对电子束产生"壁聚焦"，所以加工点可能到达很深的深度，从而可打出很细很深的微孔。

1)工作原理离子束加工与电子束加工类似，其原理如下图。离子束加工是在真空条件下，采用离子源将Ar、Kr、Xe等惰性气体电离产生离子束，并经过加速、集束、聚焦后，投射到工件外表的加工部位，以实现去除材料加工。3)应用领域离子束加工主要有离子刻蚀、离子溅射沉积、离子镀、离子注入四个方面。(1)离子刻蚀当所带能量为0.1～5keV、直径为十分之几纳米的氩离子轰击工件外表时，此高能离子所传递的能量超过工件外表原子〔或分子〕间键合力时，材料外表的原子〔或分子〕被逐个溅射出来，以到达加工目的。离子刻蚀加工本质上属于一种原子尺度的切削加工，通常又称为离子铣削。离子束刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材料及超高精度非球面透镜，还可用于刻蚀集成电路等的高精度图形。(2)离子溅射沉积采用能量为0.1～5keV的氩离子轰击某种材料制成的靶材，将靶材原子击出并令其沉积到靶材附近的工件外表上，在其上形成一层薄膜。实际上，离子溅射沉积是一种镀膜工艺。(3)离子镀将能量为0.5～5千电子伏的氩离子分成两束，同时轰击靶材和工件外表，以增强膜材与工件基材之间的结合力。(4)离子注入用能量为5～500千电子伏的所需元素的离子束轰击工件外表而注入工件表层，含量可达10％～40％，注入深度可达1mm，以改变工件表层性能。8.1.4超声波加工超声加工(UltrasonicMachining,USM)，也称超声波加工，是利用工具端面作超声频振动，使工作液中的悬浮磨粒对工件外表撞击抛磨实现加工。超声波加工是一种常见的加工形式，在农业、国防、医疗等方面的应用十分广泛。不仅应用在半导体硅片、锗片的加工，还可以用于清洗、探伤和焊接等工作。

1．工作原理超声波加工原理图见图。超声波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，通过换能器将超声频电振荡转变为超声机械振动。换能器产生超声机械振动的振幅一般较小，需要通过变幅杆使固定在变幅杆端部的工具振幅增大到0.01～0.15mm。利用工具端面的超声〔16～25kHz〕振动，使工作液〔普通水〕中的悬浮磨粒〔碳化硅、氧化铝、碳化硼或金刚石粉〕对工件外表产生撞击抛磨，实现加工。图7-9激光加工示意图a）b）传统加工与快速成型比较模具模具设计铸造焊接锻压毛坯（大于工件）半成品半成品工件去除加工设计模具样品快速成形快速成型机床及快速成型件1)工艺原理右图的储液槽中盛满液态光敏树脂，激光经过光纤传输和聚焦镜聚焦后形成激光束，一定波长(A=325nm)和功率(P=30mw)的紫外激光束在计算机控制下，在液体外表上扫描，光点扫描到的地方，液体就固化。成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度，液面始终处于激光的焦点平面内，聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描即逐点固化。当一层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度(约0.1mm)，已成型的层面上又布满一层液态树脂，刮平器将黏度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地黏在前一层上，如此重复，直到整个零件制造完毕，制造出三维原形实体零件。

树脂材料

现在有SCR-710，SCR-735，SCR950，SCR-11120四种树脂材料，它们有不同的特性，可以用于不同需求情况。成品SLA系统机器1)工艺原理FDM工艺原理如下图，丝状热塑性材料通过送丝机构送进加热喷头，热塑性材料在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料黏结，层层堆积成型。1)工艺原理LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等作为成型材料，片材外表事先涂覆上一层热熔胶。用激光束在已黏接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的