机械制造工艺学 王越机械工程学院 第一章绪论第二章工件的定位第三章机床夹具设计第四章机械加工工艺规程的制定第五章机械加工精度第六章机械加工表面质量 第一节机械制造工程技术的发展 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 其一是指机械加工零件 或工件 的技术 更明确地说是在一种机器上用切削方法来加工 这种机器通常称为机床 工具机或工作母机 另一方面是指制造某种机械的技术 如空气压缩机 内燃机 涡轮机等 此后 由于材料性能的的不断提高在制造方法上有了很大的发展 除用机械方法加工外 还出现了电加工 激光加工 电子加工 水射流加工 化学加工 电子束 离子束等非机械加工方法 形成了新的机械制造技术 统称为机械制造技术 简称之为制造技术 二 制造技术的重要性制造技术是国家生存和发展的重要基础 它有以下四个方面的意义 1 社会发展与制造技术密切相关2 制造技术是科学技术物化的基础3 制造技术是所有工业的支柱4 国力和国防的后盾 二 广义制造论广义制造是20世纪制造技术的重要发展 它是在机械制造技术的基础上发展起来的 长期以来 由于设计与工艺分家 制造被定位于加工工艺 这是一种狭义制造的概念 随着社会发展和科技进步 需要综合 融合和复合多种技术去研究和解决问题 特别是集成制造技术的问世 提出了广义制造的概念 亦称之为 大制造 的概念 它体现了制造概念的扩展 广义制造概念的形成过程主要有以下几方面原因 一 工艺和设计一体化它体现了工艺和设计的密切结合 形成了设计工艺一体化 设计不仅是指产品设计 而且包括工艺设计 生产调度设计和质量控制设计等 人类的制造技术大体上可分为三个阶段 有三个重要的里程碑 手工业生产阶段大工业生产阶段虚拟现实工业生产阶段 二 材料成形机理的扩展在传统制造工艺中 人为地将零件的加工过程分为热加工和冷加工两个阶段 而且是以冷去除加工和热变形加工为主 主要是利用力 热原理 但现在已从加工成形机理来分类 明确地将加工工艺分为去除加工 结合加工和变形加工 材料成形机理的范畴见表1 1所示 1 去除加工去除加工又称分离加工 是从工件上去除一部分材料而成形 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 按结合机理和结合强弱又可分为附着 注入和连接三种 1 附着又称沉积 是在工件表面上覆盖一层材料 是一种弱结合 典型的加工方法是镀 2 注入又称渗入 是在工件表层上渗入某些元素 与基体材料产生物化反应 以改变工件表层材料的力学性质 是一种强结合 典型的加工方法有渗碳 氧化等 3 连接又称接合 是将两种相同或不相同材料通过物化方法连接在一起 可以是强结合 也可以是弱结合 如激光焊接 化学粘接等 3 变形加工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 三 制造技术的综合性现代制造技术是一门以机械为主体 交叉融合了光 电 信息 材料 管理等学科的综合体 并与社会科学 文化 艺术等关系密切 制造技术的综合性首先表现在机 光 电 声 化学 电化学 微电子和计算机等的结合 而不是单纯的机械 四 制造模式的发展 五 产品的全生命周期 六 丰富的硬软件工具 平台和支撑环境 三 机械制造科学技术的发展机械制造科学技术的发展主要沿着 广义制造 或称 大制造 的方向发展 其具体发展方向如图1 3所示 当前 发展的核心是 智能制造 重点是创新设计 并行设计 现代成形与改性技术 材料成形过程仿真和优化 高速和超高速加工 精密工程与纳米技术 数控加工技术 集成制造技术 虚拟制造技术 协同制造技术和工业工程等 第二节生产过程和工艺过程 一 机械产品生产过程机械产品生产过程是指从原材料开始到成品出厂的全部劳动过程 它不仅包括毛坯的制造 零件的机械加工 特种加工和热处理 机器的装配 检验 测试和涂装等主要劳动过程 还包括专用工具 夹具 量具和辅具的制造 机器的包装 工件和成品的储存和运输 加工设备的维修 以及动力 电 压缩空气 液压等 供应等辅助劳动过程 由于机械产品的主要劳动过程都使被加工对象的尺寸 形状和性能产生了一定的变化 即与生产过程有直接关系 因此称为直接生产过程 亦称为工艺过程 而机械产品的辅助劳动过程虽然未使加工对象产生直接变化 但也是非常必要的 因此称为辅助生产过程 所以 机械产品的生产过程由直接生产过程和辅助生产过程组成 二 机械加工工艺过程 一 机械加工工艺过程的概念机械加工工艺过程是机械产品生产过程的一部分 是直接生产过程 其原意是指采用金属切削刀具或磨具来加工工件 使之达到所要求的形状 尺寸 表面粗糙度和力学物理性能 成为合格零件的生产过程 由于制造技术的不断发展 现在所说的加工方法除切削和磨削外 还包括其他加工方法 如电加工 超声加工 电子束加工 离子束加工 激光束加工 以及化学加工等加工方法 二 机械加工工艺过程的组成机械加工工艺过程由若干个工序组成 机械加工中的每一个工序又可依次细分为安装 工位 工步和走刀 1 工序机械加工工艺过程中的工序是指 一个 或一组 工人在同一个工作地点对一个 或同时对几个 工件连续完成的那一部分工艺过程 根据这一定义 只要工人 工作地点 工作对象 工件 之一发生变化或不是连续完成 则应成为另一个工序 2 安装如果在一个工序中需要对工件进行几次装夹 则每次装夹下完成的那部分工序内容称为一个安装 例如 表1 2中的工序1 在一次装夹后尚需有三次调头装夹 才能完成全部工序内容 因此该工序共有四个安装 表1 2中工序2是在一次装夹下完成全部工序内容 故该工序只有一个安装 详见表1 4 3 工位在工件的一次安装中 通过分度 或移位 装置 使工件相对于机床床身变换加工位置 则把每一个加工位置上的安装内容称为工位 在一个安装中 可能只有一个工位 也可能需要有几个工位 图为通过立式回转工作台使工件变换加工位置的例子 即多工位加工 在该例中 共有四个工位 依次为装卸工件 钻孔 扩孔和铰孔 实现了在一次装夹中同时进行钻孔 扩孔和铰孔加工 可以看出 如果一个工序只有一个安装 并且该安装中只有一个工位 则工序内容是安装内容 同时也就是工位内容 4 工步加工表面 切削刀具 切削速度和进给量都不变的情况下所完成的工位内容 称为一个工步 按照工步的定义 带回转刀架的机床 转塔车床 加工中心 其回转刀架的一次转位所完成的工位内容应属一个工步 此时若有几把刀具同时参与切削 则该工步称为复合工步 5 行程行程 进给次数 有工作行程和空行程之分 工作行程是指刀具以加工进给速度相对工件所完成的一次进给运动的工步部分 空行程是指刀具以非加工进给速度相对工件所完成的一次进给运动的工步部分 行程的概念是为了反映工步中的进给次数和工序卡片中相吻合 并能精确计算工步工时 第三节制造过程 市场需求 产品开发和设计 产品的生产过程 市场对产品的评价 这个完整的循环过程 这个过程称为制造过程 生产过程 和 制造过程 从字面上看 区别不大 但是 从上述定义来分析 制造过程 的含义就丰富多了 首先 由于在制造过程的概念中 产品的开发和设计是由市场决定的 制造业必然要适应市场经济体制转变 是现代制造技术所必须的条件 其次 生产过程中人们关注的重点是将原材料转变为成品 产品 的物质形态转变 即物质流 这是传统制造工艺技术的主要内容 而在制造过程中 除了研究物质流外 还要研究控制物质流的信息流 如 对市场需求的分析 对生产过程中物质流的规划 组织 管理和控制 对物料的采购 存储和销售 经营决策和管理 市场开发和服务等 以及现代制造技术中的柔性自动化技术和控制技术 智能制造技术也都有信息流的内容 因此 需要对信息进行采集 分析和处理的信息流 制造过程中除了物质流 信息流外 还有能量流 它是指制造过程中的能量消耗及其流程 物质流 信息流和能量流统称制造过程的三流 第四节系统的概念 工艺系统过程和制造系统 一 系统的概念有若干个相互作用和相互依赖的元素 或部分 组成 具有特定功能和目标的有机整体称为系统 二 工艺系统用系统的概念 分析传统工艺过程 就产生了工艺系统 三 制造系统用系统工程的理论和方法 分析和研究制造过程 就产生了制造系统 制造系统是由制造全过程所涉及的硬件 包括厂房设施 生产设备 材料和能源等 和软件 制造工艺理论与技术 制造工艺方法 控制技术 测试技术以及制造信息等 以及相关人员 从事对物料的准备 信息流的监控以及对制造过程的决策和调度等工作 所组成的一个统一整体 第五节生产纲领 生产类型及其工艺特征 一 生产纲领生产纲领是指企业根据市场需求确定 在计划期内应当生产的产品产量和进度计划 计划期常定为一年 所以生产纲领也称年产量 二 生产类型生产类型是指企业 或车间 工段 班组 工作地 生产专业化程度的分类 一般分为大量生产 成批生产和单件生产三种类型 三 各种生产类型的工艺特征 第六节基本的加工方法 一获得尺寸精度的方法1 试切法通过试切 测量 调整 再试切 反复进行到被加工尺寸达到要求为止的加工方法称为试切法 作为试切法的一种类型 配作 它是以已加工件为基准 加工与其相配的另一工件 或将两个 或两个以上 工件组合在一起进行加工的方法 配作中最终被加工尺寸达到的要求是以与已加工件的配合要求为准的 2 调整法先调整好刀具和工件在机床上的相对位置 并在一批零件的加工过程中保持这个位置不变 以保证工件被加工尺寸的方法称为调整法 影响调整法精度的因素有 测量精度 调整精度 重复定位精度等 当生产批量较大时 调整法有较高的生产率 调整法对调整工人的技术水平要求高 对机床操作工人的技术水平要求不高 常用于成批生产和大量生产 3 定尺寸刀具法用刀具的相应尺寸来保证工件被加工部位尺寸的方法称为定尺寸刀具法 影响尺寸精度的因素有 刀具的尺寸精度 刀具与工件的位置精度等 当尺寸精度要求较高时 常用浮动刀具进行加工 就是为了消除刀具与工件的位置误差的影响 定尺寸刀具法操作方便 生产率较高 加工精度也较稳定 钻头 铰刀 多刃镗刀块等加工孔均属定尺寸刀具法 应用于各种生产类型 拉刀拉孔也属定尺寸刀具法 应用于大中批生产和大量生产 4 主动测量法在加工过程中 边加工边测量加工尺寸 并将所测结果与设计要求的尺寸比较后 或使机床继续工作 或使机床停止工作 这就称为主动测量法 目前 主动测量中的数值已经可用数字显示 主动测量法把测量装置加入工艺系统 即机床 刀具 夾具和工件组成的统一体 中 成为其第五个因素 主动测量法质量稳定 生产率高 是发展方向 5 自动控制法这种方法是把测量 进给装置和控制系统组成一个自动加工系统 加工过程依靠系统自动完成的 初期的自动控制法是利用主动测量和机械或液压等控制系统完成的 目前已采用按加工要求预先编排的程序 由控制系统发出指令进行工作的程序控制机床 简称程控机床 或由控制系统发出数字信息指令进行工作的数字控制机床 简称数控机床 以及能适应加工过程中加工条件的变化 自动调整加工用量 按规定条件实现加工过程最佳化的适应控制机床进行自动控制加工 自动控制法加工的质量稳定 生产率高 加工柔性好 能适应多品种生产 是目前机械制造的发展方向和计算机辅助制造 CAM 的基础 二 获得形状精度的方法1 刀尖轨迹法依靠刀尖的运动轨迹获得形状精度的方法称为刀尖轨迹法 刀尖的运动轨迹取决于刀具和工件的相对成形运动 因而所获得的形状精度取决于成形运动的精度 普通车削 铣削 刨削和磨削等均属刀尖轨迹法 2 仿形法刀具按照仿形装置进给对工件进行加工的方法称为仿形法 仿形法所得到的形状精度取决于仿形装置的精度及其他成形运动精度 仿形车 仿形铣等均属仿形法加工 3 成形法利用成形刀具对工件进行加工的方法称为成形法 成形刀具替代一个成形运动 成形法所获得的形状精度取决于成形刀具的形状精度和其他成形运动精度 用成形刀具或砂轮的车 铣 刨 磨 拉等都属成形法 4 展成法 滚切法 利用工件和刀具作展成切削运动进行加工的方法称为展成法 展成法所