机械制造过程基础知识

*,1,第一讲,2,机械制造过程基础,主要内容,机械制造工艺总论,机械制造工艺过程,基准与装夹,2,机械制造技术基础,第一讲,2,机械制造过程基础,Fundamental of Mechanical Manufacturing Process,1.1,机械制造工艺总论,Introduction to Mechanical Manufacturing Process,3,1.1.1,机械制造工艺过程,机械制造中与产品生成直接有关的生产过程常被称为机械制造工艺过程,机械制造工艺过程,主要内容,毛坯和零件成形,铸造、锻压、冲压、焊接 、压制、烧结、注塑、压塑,机械加工,切削、磨削、特种加工,材料改性与处理,热处理、电镀、转化膜、涂装、热喷涂,机械装配,把零件按一定的关系和要求连接在一起，组合成部件和整台机械产品，包括零件的固定、连接、调整、平衡、检验和试验等工作,4,1.1.2,机械制造工艺方法,机械制造工艺方法与分类,JB,/,T5992-92,按大、中、小和细分类四个层次划分,大类,中类代码,代码,名称,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,中类名称,0,铸造,砂型铸造,特种铸造,1,压力加工,锻造,轧制,冲压,挤压,旋压,拉拔,其他,2,焊接,电弧焊,电阻焊,气焊,压焊,特种焊接,钎焊,3,切削加工,刃具 加工,磨削,钳加工,4,特种加工,电物理加工,电化学加工,化学加工,复合加工,其他,5,热处理,整体热处理,表面热处理,化学热处理,6,覆盖层,电镀,化学镀,真空 沉积,热侵镀,转化膜,热喷涂,涂装,其他,7,8,装配包装,装配,试验与检验,包装,9,其他,粉末冶金,冷作,非金属成形,表面 处理,防锈,缠绕,编织,其他,表,1-1,机械制造工艺方法类别划分及代码（,JB/T5992-92,）,5,1.1.3,零件成形方法,零件成形方法,材料成形法,进入工艺过程物料初始重量近似等于加工后最终重量。如,铸造,、,压力加工,、,粉末冶金,、,注塑成形,等，这些方法多用于,毛坯制造,，但也可,直接成形零件,。,材料去除法,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。如,切削,与,磨削,，,电火花,加工、,电解加工,等特种加工等。,材料累加法,传统的累加方法有,焊接,、,粘接,或,铆接,等，通过不可拆卸连接使物料结合成一个整体，形成零件。,20,世纪,80,年代出现,快速原型制造技术,（,RPM,视频,），是材料累加法的典型代表。,6,快速原型制造技术（,RPM,）,快速原型制造,（,Rapid Photograph Manufacturing RPM,）,，又称“快速成形技术”,（,Rapid Photograph RP,）,或“分层制造”,（,Layer Manufacturing LM,）,，是,20世纪,80,年代后期迅速发展起来的一种新型制造技术。,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，得到各层截面的轮廓。,按照这些轮廓，激光束选择性地切割一层层的箔材（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结剂或热熔材料等，形成一个个薄层，并逐步迭加成三维实体（见图,1-1,）。,1.1.3,零件成形方法,7,图,1-1,快速成型过程,喷粘结剂,喷热熔材料,三维产品（样品,/,模具）,表面处理,构造三维模型,模型近似处理,切片处理,激光,喷射源,固化树脂,切割箔材,烧结粉末,1.1.3,零件成形方法,8,a,）,b,）,图,1-2,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,1.1.3,零件成形方法,9,图,1-2a,快速成型机床及快速成型件,1.1.3,零件成形方法,10,图,1-3,快速成型机床及快速成型件,1.1.3,零件成形方法,快速原型制造技术的发展,3D,打印技术,3D,打印机：,一个数字化、智能化、全自动化制造系统。它的研发及制造，亟需自动控制及加工制造的软件控制系统，以及高精度、高速度、高效率的硬件。,该技术主要用于,制造机械领域的工具及模具、生物医疗领域的生物植入零件或替代零件、电子领域的散热器件、航空航天领域的超轻结构件，以及梯度功能复合材料零件,等。,11,图,1-3 3D,打印成型件,（华中科技大学）,1.1.3,零件成形方法,快速原型制造技术的发展,3D,打印技术,12,图,1-3 3D,打印成型件,-,人造耳朵,（,美国康奈尔大学,）,1.1.3,零件成形方法,快速原型制造技术的发展,3D,打印技术,首先利用快速旋转的,3D,相机拍摄数名儿童现有耳朵的三维信息，然后将其输入计算机，,3D,打印机会据此打印出耳朵模子。,研究人员随后在模子中注入特殊的胶原蛋白凝胶，这种凝胶含有能生成软骨的牛耳细胞。此后数周内，软骨逐渐增多并取代凝胶。,3,个月后，模子内出现一个具有柔韧性的人造外耳，其功能和外表均与正常人耳相似。,13,1.1.3,零件成形方法,广义的增材制造,设备是成形的必要手段，材料是决定成形件性能的根本，工艺是指导设备最大限度地发挥材料特性的优化技巧，三者共同决定了成形技术的发展，,广义增材制造除了采用能源激光束和电子束外，还有化学能、电能、电化学能、机械能等，尤以块体组焊、直接成型金属结构件为特征。,由于增材制造材料研发难度大，导致其制造成本较高,要从功率源、新材料、工艺创新、大量应用中降低成本，最后达到“从产品研发工具走向批量生产模式”。,14,机械制造技术基础,第一讲,2,机械制造过程基础,Fundamental of Mechanical Manufacturing Process,1.2,机械制造工艺过程,Mechanical Manufacturing Process,15,1.2.1,机械加工工艺过程及其组成,200.07,21,0.8,图,1-3,阶梯轴,32,40,250.07,35,0,-0.017,0.8,0.8,35,40,30,5,50,150,其余,倒角,145,3.2,21,工序,是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机械加工工艺过程。,安装,在一道工序中，工件每经一次装夹后所完成的那部分工序称为安装。,单件加工视频,大批量加工视频,16,1.2.1,机械加工工艺过程及其组成,工位,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,1-4,多工位加工,工位,1,：装卸工件,2,：钻孔,3,：扩孔,4,：绞孔,17,1.2.1,机械加工工艺过程及其组成,工步,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。（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）,走刀,同一加工表面加工余量较大，可以分作几次工作进给，每次工作进给所完成的工步称为一次走刀。,a,）立轴转塔车床的一个复合工步,b,）钻孔、扩孔复合工步,图,1-5,复合工步,18,1.2.2,机械装配工艺过程,机械装配工艺过程,将组成机器的零、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。,机械装配工作,包括：组装、部装、总装、调试、检验、试车、涂装与包装等。,装配工序、工步和操作,装配工序,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,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,装配工步中各个装配动作,19,2.2.3,生产类型及其工艺特点,生产纲领,N,=,Q n,（,1+,% +,%,）,（,-1,）,单件小批生产,批量生产,大批大量生产,参见表,1-5,各种生产类型的规范,表,1-6,各种生产类型的工艺特点,式中,Q,产品年产量（件,/,年）；,n,每台产品中该零件数量（件,/,台）；,备品率；,废品率。,生产类型,20,机械制造技术基础,第一讲,2,机械制造过程基础,Fundamental of Mechanical Manufacturing Process,1.3,零件机械加工方法,Mechanical Machining Method for Parts,21,1.3.1,零件表面形成方法,轨迹法,成形法,相切法,展成法,a,）轨迹法,b,）成形法,c,）相切法,d,）展成法,图,1-6,零件表面成形方法,22,主运动,指直接切除工件上的余量形成加工表面的运动。主运动的速度即切削速度，用,v,（,m/s,）表示。,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；可以是直线运动（用,T,表示），也可以是回转运动（用,R,表示）。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。,进给运动,指为不断把余量投入切削的运动。进给运动的速度用进给量（,f,mm/r,）或进给速度（,v,f,mm/min,）表示。,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。,1.3.2,切削加工的成形运动,23,外圆磨,无心磨,车铣加工,滚压加工,铣削,成形磨（横磨）,主运动,进给运动,表,1-2,外圆表面加工方法,刀 具,T/ R,T,主运动,进给运动,工 件,表 面 成 形 原 理 图,R,R,R,R,R,T,R,R,T/ R,车削,成形车削,拉削,研磨,1.3.3,典型表面加工方法,24,表,1-3,内圆表面加工方法,表 面 成 形 原 理 图,钻,扩,铰,镗,拉,挤,行星式内圆磨,主运动,进给运动,刀 具,主运动,进给运动,工 件,R,R,T,R,R,T/ R,T,R,T,R,T,T,R,T,T,内圆磨,无心磨,1.3.3,典型表面加工方法,25,主运动,进给运动,表,1-4,平面加工方法,刀 具,主运动,进给运动,工 件,表 面 成 形 原 理 图,R,T,R,T,T,T,刨,插,周铣,端铣,平磨,端面平磨,车,拉,T,1.3.3,典型表面加工方法,26,车螺纹,板牙,主运动,进给运动,表,1-5,螺纹加工方法,刀 具,主运动,进给运动,工 件,表 面 成 形 原 理 图,R,T,R,R,T,T,R,滚压,丝锥,铣螺纹,梳形铣刀,旋风铣,磨螺纹,R,R,1.3.3,典型表面加工方法,27,主运动,进给运动,表,1-6,齿形加工方法,刀 具,主运动,进给运动,工 件,表 面 成 形 原 理 图,R,T,R,T,T,R/T,R,R,R/T,铣齿,指状铣刀铣齿,成形磨齿,滚齿,剃齿,插齿,蜗杆砂轮磨齿,碟形砂轮磨齿,锥形砂轮磨齿,1.3.3,典型表面加工方法,28,1.3.4,切削用量与切削层截面参数,切削用量,切削速度,v,c,若主运动为往复运动时，其平均速度为：,（,1-2,）,式中,n,主运动转速（,r/s,）；,d,刀具或工件的最大直径（,mm,）。,式中,nr,主运动每秒钟往复次数（,str/s,）；,l,往复运动行程长度（,mm,）。,（,1-3,）,进给量：,工件或刀具每转一周时,(,或主运动一循环时,),，两者沿进给方向上相对移动的距离，单位为,mm/r,。,背吃刀量,：,主刀刃与工件切削表面接触长度在主运动方向及进给运动方向所组成的平面的法线方向上测量的值。,29,1.3.4,切削用量与切削层截面参数,切削层截面参数,切削,厚度,（,1-4,）,切削,宽度,（,1-5,）,图,1-7,切削层截面,b,D,h,D,= f,f,d,w,D,m,a,p,a,）,r,h,D,b,D,=,a,p,b,）,c,）,30,机械制造技术基础,第一讲,2,机械制造过程基础,Fundamental of Mechanical Manufacturing Process,1.4,基准与装夹,Datum and Fixing,31,1.4.1,基准,基准,确定加工对象上几何要素间几何关系所依据的那些,点,、,线,、,面,称为基准。,设计基准,在,设计图样,上所采用的基准,图,1-8,定位支座零件,32,1.4.1,基准,工艺基准,在,工艺过程,中所采用的基准。又可分为：,工序基准,、,定位基准,、,测量基准,与,装配基准,。,图,1-9a,支座零件第,1,工序（车削）,33,1.4.1,基准,图,1-9b,支座零件第,1,工序（钻孔）,34,1.4.1,基准,图,1-9c,支座零件第,3,工序（钻、锪,4,分布孔）,35,1.4.1,基准,图,1-9d,支座零件第,4,工序（磨内孔、端面）,图,1-9e,支座零件第,5,工序（磨外圆、台阶面）,36,1.4.2,工件装夹,划线找正装夹（图,1-11,）,精度不高，效率低，多用于形状复杂的铸件,直接找正装夹（图,1-10,）,精度高，效率低，对工人技术水平高,夹具装夹（图,1-12,）,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,使工件在机床或夹具上占有正确位置,夹紧,对工件施加一定的外力，使其已确定的位置在加工过程中保持不变,工件装夹方法,37,1.4.2,工件装夹,毛坯孔,加工线,找正线,图,1-10,直接找正安装,图,1-11,划线找正安装,38,1.4.2,工件装夹,图,1-12,工件在夹具,上装,夹（滚齿夹具）,39,1.4.3,定位原理,图,1-13,六点定位原理,X,Z,Y,六点定位原理,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，这就是六点定位原理。,任何一个物体在空间直角坐标系中都有,6,个自由度,用 表示,40,实际定位,一面两孔定位,Z,Y,X,Y,1.4.3,定位原理,六点定位原理,X,Z,Y,41,实际定位,一面两孔定位,Z,Y,X,Y,1.4.3,定位原理,工件上的,定位表面,与适当布置的定位元件的定位表面,密切接触,，工件,应限制的自由度,就被限制了,应弄清,2,个问题：,1.,定位表面与定位基准的关系,2.,工件应限制的自由度（与工艺有关）,42,定位表面与定位基准,一面两孔定位,Z,Y,X,Y,1.4.3,定位原理,关系,：定位表面应体现定位基准的功能,工件的,定位基准,：,底平面,两通孔的轴线,工件的,定位表面,：,底平面,两通孔的内圆表面,（关于其中心线对称）,43,定位表面与定位基准,一面两孔定位,Z,Y,X,Y,1.4.3,定位原理,关系,：定位表面应体现定位基准的功能,定位元件,定位表面 定位基准,定位板 平面 平面,定位销,（圆柱销 外圆面 外圆中心线,+,削边销） 外圆面 外圆中心线,结论：,定位依据是定位基准；,定位功能由定位元件实现,44,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,图,1-24,工件以平面定位,常用的定位元件：,支承钉、支承板、夹具支承件和夹具体的凸台及平面等。,Z,X,Y,Z,X,Y,1.4.3,定位原理,工件以平面定位,平面支承,45,图,1-25,工件以圆孔定位,多属于定心定位（定位基准为圆柱孔轴线）。,常用定位元件：定位销和心轴。定位销有圆柱销、圆锥销、菱形销等形式；心轴有刚性心轴（又有过盈配合、间隙配合和小锥度心轴等）、弹性心轴之分。,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,1.4.3,定位原理,工件以圆孔定位,46,图,1-26,工件以外圆柱面定位,两种形式,：,定心定位,和,支承定位,。工件以外圆柱面定心定位的情况与工件以圆孔定位的情况相仿（用套筒和卡盘代替心轴或柱销）。工件以外圆柱面支承定位的元件常采用,V,型块，短,V,型块限制,2,个自由度，长,V,型块（或两个短,V,型块组合）限制,4,个自由度。,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,1.4.3,定位原理,工件以外圆柱面定位,47,除平面、圆孔、外圆柱面外，工件有时还可能以其它表面（如圆锥面、渐开线齿面、曲面等）定位。图,4-27,为工件以锥孔定位的例子，锥度心轴限制了除绕工件自身轴线转动外的,5,个自由度。,图,1-27,工件以锥孔定位,1.4.3,定位原理,工件以其他表面定位,48,在多个表面同时参与定位情况下，各定位表面所起作用有主次之分。通常称定位点数最多的表面为,主要定位面,或,支承面,，称定位点数次多的表面为,第二定位基准面,或,导向面,，称定位点数为,1,的表面为,第三定位基准面,或,止动面,。,1.4.3,定位原理,定位表面的组合,六点定位原理,X,Z,Y,支承面,XOY,导向面,YOZ,止动面,ZOX,49,1.4.3,定位原理,定位表面的组合,X,Z,Y,图,1-28,工件在两顶尖上定位,在分析多个表面定位情况下各表面限制的自由度时，分清主次定位面很重要。如图,4-28,所示工件在两顶尖上的定位，应首先确定前顶尖限制的自由度，他们是 。然后再分析后顶尖限制的自由度。此时，应与前顶尖一起综合考虑，可以确定其限制的自由度是 。,以上说明了定位基准与定位表面间的关系,50,1.4.3,定位原理,工件应该被限制的自由度,Z,Y,X,a,）,Z,Y,X,b,）,Z,Y,X,c,）,Z,Y,X,d,）,e,）,Z,Y,X,f,）,Z,Y,X,图,1-29,工件应限制的自由度,51,完全定位,定位的类型,不完全定位,1.4.3,定位原理,过定位,欠定位,52,工件的,6,个自由度均被限制，称为完全定位。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。,完全定位与不完全定位,不完全定位主要有两种情况：,工件本身相对于某个点、线是完全对称的，则工件绕此点、线旋转的自由度无法被限制（即使被限制也无意义）。例如球体绕过球心轴线的转动，圆柱体绕自身轴线的转动等。,工件加工要求不需要限制某一个或某几个自由度。如加工平板上表面，要求保证平板厚度及与下平面的平行度，则只需限制,3,个自由度就够了。,1.4.3,定位原理,53,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。欠定位不能保证工件的正确安装，因而是,不允许的,。,图,1-30,欠定位示例,X,Z,Y,a,）,b,）,B,B,B,1.4.3,定位原理,54,过定位,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。,1.4.3,定位原理,定位分析举例,55,过定位分析,（,桌子与三角架）,图,1-31,过定位分析,1.4.3,定位原理,56,过定位分析,图,1-32,过定位示例,a,）,Z,Y,X,Y,c,）,Z,Y,X,Y,1.4.3,定位原理,b,）,Z,Y,Y,X,57,过定位分析,图,1-33,过定位及干涉,X,Y,a,）,Z,Y,1.4.3,定位原理,D,1,D,2,d,2,d,1,58,过定位分析,图,1-34,过定位干涉的消除,X,Y,a,）,Z,Y,b,）,Z,Y,X,Y,1.4.3,定位原理,59,刀柄,主轴,拉杆,涨套,过定位应用,图,4-21 HSK,刀柄与传统刀柄结构,HSK,刀柄,传统刀柄,1:10,7:24,间隙,主轴,拉杆,刀柄,1.4.3,定位原理,定位端面,配合锥面,60,过定位讨论,如图示，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。,4,A,0.02 A,间隙配合刚性心轴,图,1-35,过定位示例,1.4.3,定位原理,61,图,1-35a,过定位引起夹紧变形,1.4.3,定位原理,62,橡胶垫,图,1-35b,过定位处理分析,1.4.3,定位原理,63,定位分析举例,分析图示定位方案：,各方案限制的自由度,有无欠定位或过定位,对不合理的定位方案提出改进意见。,b,）,X,Z,Y,X,c,）,X,Z,Y,X,a,）,Y,X,Z,图,1-36,过定位分析,1.4.3,定位原理,64,a,）,Y,X,Z,a1,）,Y,X,Z,a2,）,Y,X,Z,a3,）,Y,X,Z,图,1-36a,过定位示例分析,1.4.3,定位原理,65,b,）,X,Z,Y,X,b1,）,X,Z,Y,X,X,Z,b2,）,Y,X,X,Z,b3,）,Y,X,图,1-36b,过定位示例分析,1.4.3,定位原理,66,c,）,X,Z,Y,X,c,）,X,Z,Y,X,c1,）,Y,X,X,Z,图,1-36c,过定位示例分析,1.4.3,定位原理,67,定位的相关概念,确定定位要求的依据：,根据加工面的尺寸、形状、位置要求确定所需限制的自由度（尤其要注意隐含的要求）；,同时考虑工件的结构特点,分析定位方案,过定位 （分件分析法,分析各,定位元件,限制的自由度,）,不完全定位,欠定位 （总体分析法,分析,工件,各自由度是否被限制,）,1.4.3,定位原理,定位分析小结,