第2章机械制造过程

机械制造工艺学-2.1-第2章机械制造过程学习指南:本章在介绍机械制造工艺方法与工艺过程的基础上，重点介绍有关机械加工的基础知识和基本理论，包括：机械加工的成形运动与常见表面的机械加工方法，基准与装夹的概念，定位原理与定位方法，由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工系统，刀具材料与刀具几何角度，零件结构工艺性等。学习本章内容，在了解机械加工方法和机械加工装备的同时，应深入理解有关机械加工的基本概念和基本原理，如基准的概念，工件的定位原理，刀具几何角度的定义等。学员可以通过练习和自测，检验和巩固对所学内容的掌握程度。本章建议学时为12学时。参考文献:[1]宾鸿赞，曾庆福主编.机械制造工艺学.北京：机械工业出版社，1990[2]王先逵主编.机械制造工艺学.北京：机械工业出版社，1995[3]颜永年等.快速成形技术发展状况与趋势研究.机械工艺师，1998（11）[4]胡永生.机械制造工艺原理.北京：北京理工大学出版社，1992[5]冯敬之主编.机械制造工程原理.北京：清华大学出版社，1998[6]于俊一，夏卿，包善斐编.机械制造工艺学.长春：吉林教育出版社，1985[7]丁年雄主编.机械加工工艺词典.北京：学苑出版社，1990[8]荆长生.机械制造工艺学.西安：西北工业大学出版社，1996[9]徐嘉元.机械加工工艺基础.北京：机械工业出版社，1990[10]李绍明.机械加工工艺基础.北京：北京理工大学出版社，1993[11]金问楷.机械加工工艺基础.北京：清华大学出版社，1990[12]东北重型机械学院，洛阳农业机械学院，长春汽车厂工人大学.机床夹具设计手册（第2版）.上海：上海科学技术出版社，19882.1机械制造工艺方法与工艺过程学习要点：了解机械制造工艺方法，熟悉机械加工工艺过程，理解工序、安装、工位、工步及走刀的含义。工艺是指制造产品的技巧、方法和程序。机械制造过程中，凡是直接改变零件形状、尺寸、相对位置和性能等，使其成为成品或半成品的过程，称为机械制造工艺过程。它通常包括零件的制造与机器的装配两部分。机械制造工艺学-2.2-2.1.1机械加工工艺过程及其组成采用机械加工方法直接改变毛坯的形状、尺寸、各表面间相互位置及表面质量，使之成为合格零件的过程，称为机械加工工艺过程。它由按一定的顺序排列的若干个工序组成，而每一个工序又可细分为安装、工位、工步及走刀等。工序指由一个或一组工人在同一台机床或同一个工作地，对一个或同时对几个工件所连续完成的那一部分工艺过程。工作地、工人、工件与连续作业构成了工序的四个要素，若其中任一要素发生变更，则构成了另一道工序。一个工艺过程需要包括哪些工序，是由被加工零件的结构复杂程度、加工精度要求及生产类型所决定的，如图2-1所示的阶梯轴，因不同的生产批量，就有不同的工艺过程及工序，如表2-1与表2-2(动画)所示。安装工件每经一次装夹后所完成的那部分工序称为安装。如表2-2中的第2、3及5工序中，须经过两次安装才能完成其工序的全部内容。工位当采用多工位夹具或多轴（多工位）机床时，使工件在一次安装中先后经过若干个不同位置顺次进行加工。则工件在机床上占据每一个位置所完成的那部分工序称为工位。图2-4是通过立轴式回转工作台使工件变换加工位置的例子。在该例中，有4个工位，可在一次安装中实现钻孔、扩孔和绞孔加工。如果一个工序只有一次安装，该安装又只有一个工位，则工序内容就是安装内容，同时也是工位内容。工步是指在加工表面不变、切削刀具不变的情况下所连续完成的那部分工序内容。按照此定义，带回转刀架的机床（如转塔车床）或带自动换刀装置的机床（如加工中心），当更换不同刀具时，即使加工表面不变，也属不同工步。在一个工步内，若有几把刀具同时加工几个不同表面，称此工步为复合工步（图2-5）。采用复合工步可以提高生产效率。走刀每次工作进给所完成的工步称为一次走刀。机械制造工艺学-2.3-[思考题2-1]表2-1所示阶梯轴单件生产工艺过程中的第1工序，包括几次安装？每次安装中有几个工步？2.1.2机械装配工艺过程机械装配过程是指将组成机器的全部零、部件按一定的精度要求和技术条件连接与固定在一起，构成合格机械产品的过程。图2-6所示为一钻夹具的装配过程。机械装配工作包括：组装、部装、总装、调试、检验、平衡、试车、涂装与包装等工作。机械装配过程由一系列的工序、工步和操作组成。装配工序是指在一个工作地点，由一个或一组工人所连续完成的那一部分装配工作。装配工步是装配工序的组成部分，在装配工步中，装配对象、装配工具和装配方法均不改变。装配操作是指装配工步中各个装配动作。2.1.3生产类型及其工艺特点生产纲领企业根据市场要求和自身能力决定生产计划。在计划期内应当生产的产品数量称为生产纲领。计划期通常为一年，零件的年生产纲领N按下式计算：N=Qn（1+α%+β%）（2-1）式中Q-产品年产量（件/年）；n-每台产品中该零件数量（件/台）；α-备品率；β-废品率。生产类型生产类型是指企业（或车间）生产专业化程度的分类。主要根据产品的生产纲领，并考虑产品的体积、重量和其他特征，生产类型一般可分成：单件小批量生产、成批生产和大批大量生产。目前，常规的机械制造工艺基本上是在批量法则之下组织生产活动的，不同的生产类型有着不同的工艺特点，如表2-3所示。2.2机械加工方法学习要点：了解零件制造工艺方法——成形法、累加法和去除法；掌握机械加工方法——轨迹法、成形法、相切法和展成法；熟悉零件常见表面（外圆、孔、平面、螺纹、齿面）的机械加工方法；掌握切削加工中的运动、切削用量与切削层截面参数。2.2.1零件制造工艺方法的分类根据零件制造工艺过程中原有物机械制造工艺学-2.4-料与加工后物料在重量（或质量）上有无变化及变化的方向（增大或减少），可将零件制造工艺方法分为三类：材料成形法，材料去除法和材料累加法。材料成形法特点是进入工艺过程的物料，其初始重量等于（或近似等于）加工后的最终重量。常用的材料成形法有铸造、锻压、冲压、粉末冶金、注塑成形等，这些工艺方法使物料受控地改变其几何形状，多用于毛坯制造，但也可直接成形零件。材料去除法特点是零件的最终几何形状局限在毛坯的初始几何形状范围内，零件形状的改变是通过去除一部分材料，减少一部分重量来实现的。根据工件形态的变化过程和能源作用的形式，材料去除法又可分为四种类型，见表2-4。材料去除法是目前机械零件的主要制造方法。材料累加法传统的累加方法主要是焊接、粘接或铆接，通过这些不可拆卸的连接方法使物料结合成一个整体，形成零件。近几年才发展起来的快速原型制造技术（RPM），是材料累加法的新发展。它将计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数控（CNC）、精密伺服驱动、新材料等先进技术集于一体，依据计算机上构成的产品三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面轮廓。按照这些轮廓，激光束选择性地切割一层层的纸（或固化一层层的液态树脂，或烧结一层层的粉末材料），或喷射源选择性地喷射一层层的粘接剂或热熔材料等，形成一个个薄层，并逐步迭加成三维实体，见图2-7。图2-8所示为切纸型快速成形机床工作原理示意图。〖请观看快速成形机床工作原理及加工过程演示（视频2-1）〗快速原型制造技术彻底摆脱了传统的去除方法的束缚，它采用了全新的增长方法（见图2-10），并将复杂的三维加工分解为简单的二维加工机械制造工艺学-2.5-的组合。快速原型制造技术的精华在于快速，它直接由CAD模型驱动，采用分层制造的方法，是对传统零件成形方法的一次革命。虽然，目前快速原型制造方法还主要用于制造产品样品和模具，但可以预见其应用将不断扩大。2.2.2零件表面的切削加工成形方法零件表面的生成零件表面可看成是一条母线沿着另一条导线运动的轨迹。母线与导线统称为形成表面的生线。切削加工时，具体实现这两根生线的是刀具的切削刃与工件的相对运动，并通过此运动将工件的表面切削成形。图2-11中，可将直线或曲线1视为母线，将绕O-O轴心旋转所形成的圆或按一定方向移动所形成的直线（或曲线）2视为导线。需要指出的是：①虽然母线相同，导线也相同，但若两者间原始相对位置不同，则所形成的表面也就不同，如图2-11中b）及c)。②在某些情况下，母线、导线没有严格的区分，特别是对于自由曲面（图2-11f）更是如此。不同的加工运动、不同的切削刀刃形状，形成生线的方式不同，形成零件表面的方法也不同，可归纳为以下四种表面成形方法。1）轨迹法工件表面的生线（母线和导线）均由轨迹运动生成（图2-12）。2）成型法工件的一条生线是通过刀刃的形状直接获得的（图2-13）。3）相切法工件的一条生线是刀刃运动轨迹的包络线（图2-14）。4）范成法又称展成法，其工件的一条生线也是刀刃运动轨迹的包络线，且包络线需通过刀具与工件之间的范成运动来生成（图2-15）。各种形式的齿轮、链轮大多数采用范成法加工。2.2.3切削加工的成形运动在切削和磨削加工中，工件表面的形状、尺寸及相互位置关系是通过刀具相对于工件的运动形成的。按照在切削过程中所起的作用，切削运动可分三类：1）主运动直接切除工件上的切削层，以形成工件新表面的基本运动。主运动通常是切削运动中速度最高、消耗功率最多的运动，且主运动只有一个。主运动的速度以表示，称作切削速度。2）进给运动是指不断地把切削层投入切削的运动。它的速度较低。进机械制造工艺学-2.6-给运动可能是连续性的运动，也可能是间歇性的。进给运动有时仅有一个，但也可能有几个。进给运动的速度用进给量f或进给速度vf表示。切削加工的主运动与进给运动往往是同时进行的，因此刀具切削刃上某一点与工件的相对运动应是上述两运动的合成。其合成速度。3）定位和调整运动使工件或刀具进入正确加工位置的运动。如调整切削深度，工件分度等。主运动和进给运动是实现切削加工的基本运动，可以由刀具来完成，也可以由工件来完成，还可以由刀具和工件共同来完成。同时，主运动和进给运动可以是直线运动（平动），也可以是回转运动（转动），还可以是平动和转动的复合运动。正是由于上述不同运动形式和不同运动执行元件的多种组合，产生了不同的加工方法。在加工中，工件上出现三个不断变化着的表面：待加工表面--即将被切除切削层的表面；加工表面--切削刃正在切削着的表面；已加工表面--已经切去切屑形成的新表面。（如图2-16）2.2.4典型表面加工方法外圆表面加工方法表2-5列出了一些常用的外圆表面加工方法。表中T表示平动，R表示转动，T/R表示平动与转动的复合运动。实线箭线表示主运动，虚线箭线表示进给运动，点划线箭线表示调整运动。1）车削外圆表面加工中，车削应用最为广泛。通常，工件通过夹具安装在车床主轴上，并与车床主轴一起回转，形成主运动。刀具安装在刀架上，与纵溜板一起作平行于主轴回转轴线的直线进给运动，形成圆柱面；或作与主轴回转轴线成一定角度的的直线进给运动，形成圆锥面；或沿靠模曲线运动，形成回转曲面。2）成形车削用成形车刀车削外圆通常采用径向进给方式，少数也有采用切向进给方式的。成形车削多用于自动车床上的小件加工。3）旋转拉削工件旋转，拉刀沿切向作直线进给运动，完成外圆加工。旋转拉削是一种高生产率的加工方式，适用于大批量生产。4）研磨工件回转，研具沿工件轴向作往复直线进给运动。研磨属零件表面光整加工，材料去除量很小。5）铣削外圆刀具与工件均作回转运动（刀具运动为主运动，工件运动为进给运动），可用于加工长度较短、具有不完整圆柱形的表面。6）成形外圆磨（横磨）运动形式与铣削外圆相同，多用于长度较短或不完整圆柱形表面的精加工。机械制造工艺学-2.7-7）普通外圆磨砂轮回转运动为主运动，工件进给运动包括转动和移动。多用于黑色金属、特别是淬硬钢外圆表面的精加工。8）无心磨工件放在砂轮和导轮之间，砂轮高速回转进行磨削，导轮低速回转，带动工件旋转并作轴向移动，实现进给运动。无心磨生产率高，适用于大批量生产。9）车铣加工这是一种新的加工方法。加工偏心零件外圆表面时，由于零件不能高速旋转，采用车削方法无法充分发挥刀具的潜力。此时若采用端铣刀铣