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机械制造技术基础
做这张思维导图的目的是为了应对考研复试，方便复习。所用书本是吉林大学 于骏一，邹青主编。有需要的可以看看。
编辑于2025-03-14 10:39:46- 机械制造
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机械制造技术基础
一、绪论
工艺过程
生产过程中，直接改变生产对象的尺寸、形状、物理化学性能以及相对位置关系的过程
工序
一个工人或一组工人在同一个工作地对同一个工件或同时对几个工件所连续完成的那一部分工艺过程
安装
工件经一次装夹后所完成的那一部分工艺过程
工位
工件的一次安装中，工件相对于机床每占据一个确切位置所完成的那一部分工艺过程
工步
在加工表面、切削刀具和切削用量都不变的情况下所完成的那一部分工艺过程
走刀
一个工步中，每切削一次，就称为一次走刀
零件生产类型
单件生产
同一种产品，数量少，很少重复生产
成批生产
成批制造相同零件的生产
大量生产
产品品种少，数量大，设备经常重复某一工件的某一工序的生产
基准
设计基准
设计图样上标注设计尺寸所依据的基准
工艺基准
工序基准
工序图上确定本工序加工表面尺寸、形状、位置所依据的基准
定位基准
加工中用作定位的基准
测量基准
工件在加工中或加工后，测量尺寸和形位误差所依据的基准
装配基准
装配时用来确定零件或部件在产品中相对位置所依据的基准
基准选择原则
设计机器零件时，尽量选用装配基准为设计基准；编制零件加工工艺规程时，尽量选用设计基准为工序基准；加工及测量工件时，尽量选用工序基准作为定位基准及测量基准
夹紧与定位
定位
使工件在夹紧前位于某一正确的位置
夹紧
使工件在加工过程中始终保持在正确位置
工件的定位
六点定位原理
工件在空间中具有6个自由度，选用与加工件相适应的6个支撑点来限制工件的这6个自由度
完全定位
工件的6个自由度全被限制
不完全定位
工件的6个自由度没有被完全限制，但仍能满足加工要求
欠定位
工件所需限制的自由度，没有被完全限制
过定位
几个定位元件重复限制某一自由度
常见定位方式所限制的自由度
平面
支撑钉：1个自由度
支撑板：2个自由度
圆孔
定位销：短销2个自由度，长销4个自由度
锥销：3个自由度
外圆柱面
V型块：短v型块2个自由度，长v4个自由度，两个短v4个自由度，浮动v1个自由度
定位套：短2个自由度，长4个自由度
半圆孔：短2个自由度，长4个自由度
二、金属切削过程
1. 切削用量三要素
1. 切削速度
切削刃相对于工件主运动速度称为切削速度
2. 进给量
工件或刀具每转一周，两者在进给运动方向上的相对位移量
3. 背吃刀量
工件已加工表面与待加工表面的垂直距离，即切削深度
2. 刀具的切削部分
三刀两刃一刀尖
前刀面：切屑沿其流出的刀具表面
主后刀面：与工件过渡表面相对的刀具表面
副后刀面：与工件已加工表面相对的表面
主切削刃：前刀面与主后刀面的交线
副切削刃：前刀面与副后刀面的交线
刀尖：连接主切削刃和副切削刃的一段刀刃
3. 参考平面
1. 基面Pr：通过主切削刃上某一点，并与该点切削速度方向相垂直的平面，即刀柄所在面
2. 切削平面Ps：通过主切削刃上某一点，并与主切削刃相切且垂直于该点基面的平面
3. 正交平面Po：通过主切削刃上某一点，并垂直于该点的基面和切削平面
4. 刀具的标注角度
前角：正交平面测得的前刀面与基面的夹角
前角越大切削刃越锋利
后角：正交平面内测得的主后刀面与切削平面的夹角
防止刀具与已加工面的摩擦，应大，但不应过大
主偏角：基面内测得的主切削刃在基面上的投影与进给方向间的夹角
副偏角：副切削刃与进给方向的夹角，其他条件同上
刃倾角：切削平面内测得的主切削刃与基面间的夹角
5. 刀具材料
高速钢
较高的硬度和耐热性
硬质合金
常用于车刀和铣刀
陶瓷
立方氮化硼
人造金刚石
主要用于有色金属的高速精细切削
6. 切削形成过程
在刀具作用下被加工材料发生变形的过程
三个变形区域
第一变形区：切削金属与工件分离的剪切滑移区域
第二变性区：前刀面与切屑底部的摩擦区域
第三变形区：后刀面与已加工表面的摩擦区域
7. 切削变形程度的三种表示方法
变形系数
相对滑移量
剪切角
8. 积屑瘤的形成与影响
形成：切削时，切屑与前刀面接触处发生强烈摩擦，接触面达到一定温度和压力时，被切材料粘接在前刀面上
影响：使刀具前角变大，切屑力减小；切削厚度增大；加工表面粗糙度增大；对刀具寿命影响具有两面性
措施：选用正确切削速度，使用润滑性好的切削液，增大前角，提高工件材料硬度
9. 切屑的类型
1. 带状切屑
内表面光滑，外表面呈毛绒状。在切削厚度较小，切削速度较高，刀具前角较大的工况形成
2. 节状切屑
外表面呈锯齿状，内表面有裂纹。切削速度低，切削厚度较大，刀具前角小的工况形成
3. 粒状切屑
剪切面切应力超过材料强度
4. 崩碎切屑
加工脆性材料，切削厚度大时得到
10. 切屑的控制
采用断屑槽
增大刀具主偏角，切削厚度变大，易断屑；减小前角，切削变形大，切屑易折断；刃倾角可控制切屑流向
增大进给量，有利断屑，但增大粗糙度
11. 切削力及影响因素
切削力指切削时，使被加工材料发生变形成为切屑所需的力
切削力来源：切削层材料和工件表面层材料对弹性变形，塑性变形的抗力；刀具前刀面与切屑，刀具后刀面与工件表面间的摩擦阻力
影响因素
工件材料强度，硬度越高，切屑力越大
增大切削用量，影响程度：背吃刀量＞进给量＞切削速度
刀具几何参数：前角越大，切屑力越小，切削塑性材料时
刀具磨损，后刀面磨损大，切屑力大
切削液，润滑好，切屑力小
刀具材料
12. 切削热的来源
切削层金属发生弹性和塑性变形所消耗的能量转换为热能；切屑与前刀面，工件与后刀面产生的摩擦热
13. 散热影响因素
工件材料导热系数高，散热好
刀具材料导热系数高，散热好
周围介质，利用好的冷却液
14. 影响切削温度的主要因素
切削用量影响程度：切削速度＞进给量＞背吃刀量，速度大温度高，进给量大温度低，背吃刀量大，温度低
刀具几何参数：前角大，温度低；主偏角小，温度低
工件材料强度和硬度高，温度高
刀具磨损大，温度高
切削液
15. 刀具磨损
磨损形态
前刀面磨损：切削塑性材料，切削速度和厚度较大，前刀面磨出月牙洼
后刀面磨损：切削铸铁和以较小的切削厚度、切削速度切削塑性材料时发生
边界磨损：切削钢料时，在主切削刃靠近工件外皮处与副切削刃靠近刀尖处的后刀面上磨出沟纹
磨损机制
硬质点划痕：低速切削刀具产生磨损的主要原因
冷焊粘接：中等偏低切削速度下
扩散磨损：高温下发生且随温度升高加剧
化学磨损：较高切削速度下
磨损过程
初磨磨损，磨损速度快
正常磨损：磨损速度较缓，是刀具的有效工作阶段
急剧磨损：磨损速度加快，进入这一阶段前需更换
磨钝标准：刀具磨损到一定限度就不能再继续使用的磨损限度。精加工时磨钝标准取较小值，粗加工时取较大值
刀具寿命
刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止所经历的总切削时间。指的是两次刃磨之间所经历的时间
刀具总寿命：刀具寿命乘于刃磨次数
刀具寿命影响因素：切削速度＞进给量＞背吃刀量
确定刀具寿命的两种原则
最高生产率刀具寿命：按单件时间最少的原则确定的刀具寿命
最小成本刀具寿命：按单件工艺成本最低的原则确定的刀具寿命
16. 刀具破损
形式
脆性破损
崩刃：陶瓷刀具切削和硬质合金刀具断续切削时
碎断：硬质合金刀具和陶瓷刀具断续切削时
剥落：陶瓷刀具端铣时
裂纹破损：长时间进行断续切削后，因疲劳产生。
塑性破损
由于过高的温度和压力，刀具表层材料因发生塑性流动而丧失切削能力。取决于刀具材料硬度和耐热性，高速钢易发生
防治措施
合理选择刀具材料，韧性好
合理选择刀具几何参数
保证刀具的刃磨质量
合理选择切削用量
工艺系统应有较好的刚性
对刀具状态进行实时监控
17. 切削用量的选择
切削用量的基本原则：背吃刀量＞进给量＞切削速度
18. 刀具几何参数的选择
前角的选择：前角增大，切削变形减小，切削力和温度降低，但会使切削刃强度降低，刀具温度升高，寿命下降；工件材料的强度、硬度较低时前角取得大些；切削塑性材料时，前角小些；粗加工，小些；精加工大些，工艺系统刚性差大些；减小刃形误差，前角小些
后角的选择：后角功用为减小切削过程中刀具后刀面与工件间的摩擦。后角大，摩擦小。选用原则如下：切削厚度小，后角大；粗加工、强力切削、承受载荷的刀具，后角小些；工件材料硬度、强度较高时，后角小些；工件材料较软、塑性大时，后角大些；脆性材料，后角小些；精度要求高的刀具，后角小些
主偏角和副偏角：减小它们，可以降低粗糙度，提高刀尖强度，改善散热，提高刀具寿命。工件材料硬度、强度较高时，取小的主偏角；工艺系统刚性差时，大主偏角；精加工时，较小的副偏角
刃倾角：改变刃倾角可以改变切削流出方向。增大刃倾角绝对值，切削刃锋利，减小刀具冲击，提高切削平稳性
三、机械制造中的加工方法与装备
机械制造中的加工方法
材料去除加工：切削材料，材料利用率低，加工精度高，表面质量好，应用广泛
材料成型加工：利用模具，生产率高，精度低，用于毛坯
材料累积加工：材料叠加，无需刀具与夹具
表面发生线的形成方法
轨迹法
刀具有一个独立的成形运动
成型法
不需要专门的成形运动
相切法
刀具的旋转和刀具中心按一定规律作轨迹运动
展成法
刀具和工件有一个独立的复合运动
机床基本结构
动力源
运动执行机构
传动机构
控制系统和伺服系统
支撑系统
传动链
外联系传动链：机床动力源和运动执行机构之间的传动联系
内联系传动链：执行件与执行件之间的传动联系
外圆表面加工
外圆表面的车削加工
加工方法
粗车，提高生产率为主要目的，切削速度较低
精车，保证零件所要求的加工精度和表面质量，切削速度较高
细车，背吃刀量，进给量极小，切削速度高
提高生产效率途径
采用高速切削
采用强力切削，增大切削面积
采用多刀加工方法
外圆表面的车拉加工
加工精度高
外圆表面的磨削加工（精加工，可在淬火后加工）
加工方法
工件有中心支撑
纵向进给磨削
横向进给磨削
无中心支撑
快速点磨
外圆表面的光整加工
精加工之后，提高加工表面尺寸和形状精度，降低粗糙度，但无法提高位置精度
研磨、超精加工、滚压、抛光
孔加工
钻孔与扩孔
钻孔，加工孔的第一道工序
扩孔，对已经有的孔进行加工，扩大孔径和质量
两者相比，扩孔钻齿数多，导向性好，切削稳定，切削条件好，加工余量较小
铰孔
精加工
与磨孔，镗孔相比，其生产率高，易保证孔的精度
镗孔
扩大预制孔，加工范围广
珩磨孔
光整加工，能获得较高的尺寸精度和形状精度
拉孔
精加工，高生产率
平面及复杂平面加工
铣平面
铣平面生产效率比刨平面高，加工质量相当。铣平面最常用
端铣
铣刀旋转做主运动，工件做进给运动
周铣
主运动方向与进给运动方向相对关系分
顺铣，两者运动方向相同
逆铣，运动方向相反
刨平面
生产效率低，仅适用于单件小批量生产
车平面
主要用于加工轴、套、盘等回转体零件的端面
拉平面
加工精度高，生产效率高，适于在大批大量生产中加工质量要求较高，但面积不大的平面
磨平面
精加工，能加工淬硬工件
齿轮加工
齿面切削加工
成型法（利用成型刀具）
铣齿
拉齿
磨齿
展成法（利用齿轮啮合原理）
滚齿
插齿
剃齿
精加工，高生产率，可修正轮齿的径向误差，齿型误差，齿面粗糙度
珩齿
磨齿
加工精度高，生产率低，成本高
特种加工
电火花加工
加工工具不与工件直接接触，无切削力作用，可加工任何导电材料的工件，不受其材料强度、硬度、脆性和韧性的影响
电解加工
生产效率极高，可加工复杂型面
激光加工
可加工各种金属材料和非金属材料
超声波加工
既能加工导电材料也能加工不导电体和半导体材料，适于加工脆硬材料
快速原型与制造技术
利用计算机辅助设计
四、机械加工质量及其控制
加工精度与加工误差
加工精度指零件加工后的实际几何参数与理想几何参数的接近程度
尺寸精度
加工方法
试切法
生产率低，适用于单件，小批量生产
调整法
生产率高，加工精度稳定可靠，适用于成批，大量生产
定尺寸刀具法
生产率较高，刀具结构复杂，常用于孔，螺纹和成形表面
自动控制法
生产率高，加工精度高装备较复杂，适用于成批大量生产
形状精度
加工方法
轨迹法、成形法、相切法、展成法
位置精度
加工方法
直接找正法，划线找正法，夹具装夹法
加工误差指零件加工后的实际几何参数与理想几何参数的偏移量
公差
零件尺寸、形状和表面间相互位置允许的变动范围
加工经济精度
正常生产条件下所能保证的加工精度
影响机械加工精度的因素
工艺系统的几何误差
机床的几何误差
主轴回转误差
径向圆跳动，轴向圆跳动，角度摆动
导轨误差
导轨在水平面，垂直平面的直线度误差以及导轨间的平行度误差
传动误差
传动链始末两端传动元件间相对运动的误差
刀具的几何误差
刀具的尺寸，形状误差，磨损等
夹具的几何误差
工件装夹误差
定位误差
定位误差由基准不重合误差和定位基准位移误差两部分组成
夹紧误差
工件或夹具刚度不足，夹紧力作用方向、作用点选择不当，会使工件或夹具产生变形，引起误差
工艺系统受热变形引起的加工误差
工艺系统的热源
切削热
摩擦热和动力装置能量损耗发出的热
外部热源
工艺系统热变形对加工精度的影响
工件热变形，刀具热变形，机床热变形对加工精度的影响
减小工艺系统热变形的途径
减小发热量
改善摩擦条件，控制切削用量，选择合适刀具角度等
改善散热条件
利用切削液
均衡温度场
改进机床结构
工艺系统受力变形引起的加工误差
工艺系统刚度
定义
平行于基面并与机床主轴中心线相垂直的径向切削分力对工艺系统在该方向上的变形的比值
工艺系统刚度对加工精度的影响
待加工表面上有什么样的误差，加工表面上必有同样性质的误差，这就是切削加工中的误差复映系数
加工前后误差之比值称为误差复映系数
工艺系统刚度越大，误差复映系数越小，误差值越小
减小工艺系统受力变形的途径
提高系统刚度
减小切削力及其变化
减小加工余量，适当增加刀具前角和后角等
工件内应力重新分布引起的变形
内应力及其对加工精度的影响
内应力：在没有外力作用下或去除外力作用后残留在工件内的应力
内应力产生原因
热加工中产生内应力
冷校直产生的内应力
内应力重新分布引起的变形
减小或消除内应力的途径
合理设计零件结构
合理安排工艺过程
其他误差
原理误差
由于采用了近似的成形运动，近似的切削刃形状等原因而产生的误差
调整误差
测量误差
提高加工精度的途径
减小和消除原始误差
转移原始误差
均分原始误差
采用误差补偿技术
系统性误差与随机性误差
系统性误差
常值性误差
与加工顺序无关，可通过调整消除
顺序加工一批工件时，加工误差的大小，方向均不变
变值性误差
与加工顺序有关，可通过采取自动补偿措施消除
按一定规律变化的误差
随机性误差
顺序加工一批工件时，加工误差的大小方向都是随机的误差
加工表面的几何形貌
表面粗糙度
表面波纹度
表面纹理方向
表面缺陷
表面质量对机器使用性能的影响
表面质量对耐磨性的影响
对零件疲劳强度的影响
对抗腐蚀性能的影响
对零件配合性质的影响
冷作硬化
机械加工过程中表面层金属产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲，晶粒间剪切滑移，是表面金属硬度增加，塑型减小
磨削烧伤类型
磨削区温度超过马氏体转变温度而未超过相变临界温度时，马氏体转变为回火组织，称为回火烧伤
磨削区温度超过相变温度，切削液进入磨削区，淬火烧伤
工件表层温度超过相变温度，但磨削区没有切削液进入，退火烧伤
控制磨削烧伤的因素
一是尽可能减少磨削热的产生，二是改善冷却条件，尽量减少传入工件的热量
机械零件失效的形式
疲劳破坏
滑动磨损
滚动磨损
机械加工中的振动
危害
刀具会使加工表面产生波纹
刀具易磨损
降低生产效率
分类
强迫振动
来源
机内振源，机外振源
在外界周期性干扰力的持续作用下，振动系统受迫产生振动
自激振动
在没有周期性外力干扰下产生的振动
减小振动的途径
消除或减弱强迫振动的途径
消除或减小内部振源
调整振源频率
采取隔振措施
消除或减弱自激振动的途径
减小重叠系数
减小切削刚度
合理布置振动系统小刚度主轴的位置
五、工艺规程设计
工艺规程
定义
人们把合理工艺过程的有关内容写在工艺文件中，用以指导生产，这些工艺文件就是工艺规程
作用
工厂进行生产准备工作的主要依据
企业组织生产的指导性文件
新建和扩建机械制造厂的重要技术文件
精基准和粗基准
精基准（加工过的表面做定位基准）
选择原则
基准重合原则（尽可能选择所加工表面设计基准为精基准）
统一基准原则（尽可能选同一组精基准加工尽可能多的表面）
互为基准原则（工件两个加工表面间位置精度要求高，可采用两个加工表面互为基准）
自为基准原则（加工余量小而均匀常以自身为精基准）
粗基准（未经加工的表面做粗基准）
选择原则
保证零件加工表面相对于不加工表面具有一定位置精度的原则
合理分配加工余量原则（选择重要表面做粗基准）
便于装夹原则
同一尺寸方向上粗基准一般不得重复使用原则
选择加工方法
先根据零件主要表面技术要求和工厂器具条件，先选定表面终加工工序加工方法，然后再逐一选定该表面各有关前导工序的加工方法
加工阶段划分
粗加工阶段
切除加工表面的大部分余量，使其在形状和尺寸上接近产品零件
半精加工阶段
去除粗加工留下的误差和缺陷，使其达到一定精度
精加工阶段
保证各主要表面达到零件图规定的加工质量要求
光整加工阶段
降低表面粗糙度，进一步提高尺寸精度和形状精度
工序的集中与分散
工序集中原则
特点
自动化程度高，生产率高，工序数少，设备少，工件装夹次数少，有助于保证各加工表面间的相互位置关系
工序分散原则
特点
机床和工艺装备简单，易调整，对工人操作水平要求低，工序数多，设备多，工人多
加工工序安排
先加工定位基面，再加工其他表面；先加工主要表面再加工次要表面；先安排粗加工工序，在安排精加工工序；先加工平面，后加工孔
加工余量
加工过程中切除的材料层厚度
总余量
毛坯尺寸与零件设计尺寸的差值
工序余量
上工序与本工序基本尺寸的差值
入体原则
被包容尺寸，上偏差为0，其最大尺寸就是基本尺寸；对包容尺寸，下偏差为0，其最小尺寸就是基本尺寸
影响加工余量因素
上工序留下的表面粗糙度值和表面层深度
上工序的尺寸公差
上工序留下的空间位置误差
本工序装夹误差
尺寸链
定义
在机器加工和机器装配过程中，由相互连接的尺寸形成的封闭尺寸组
封闭环
组成尺寸链的每一个尺寸，称为尺寸链的环，封闭环是尺寸链中间接得到的尺寸。组成环是通过加工直接得到的尺寸
增减环判定
沿着尺寸链顺时针方向画箭头，与封闭环方向相同为减环，相反为增环
时间定额
定义
指在一定生产条件下规定生产一件产品或完成一道工序所消耗的时间
基本时间
直接改变生产对象的尺寸，形状，性能，相对位置关系所消耗的时间
辅助时间
实现基本工艺所作各种辅助动作消耗的时间
作业时间=基本时间+辅助时间
提高生产率途径
缩短基本时间的工艺途径
提高切削用量，缩短工作行程，多件加工
缩减辅助时间的工艺途径
直接缩减辅助时间
采用先进夹具与上下料装置
间接缩短辅助时间
将辅助时间与基本时间重合
缩减布置工作地时间的主要途径
减少换刀次数和时间
缩减准备终结时间的主要途径
减少调整机床，刀具，夹具的时间，缩短编程和试调时间
套件，组件，部件，机器
套件是在基准零件上装上一个或若干个零件构成的
组件是在基准件上，装上若干个零件和套件组成的
部件是在基准件上，装上若干组件，套件和零件构成的。这一装配工作称为部装
机器则是在基准件上，装上若干部件，组件，套件和零件构成的。这一装配工作称为总装
保证装配精度的四种装配方法
互换装配法
完全互换装配法
成批大量生产，组成环数少，装配质量稳定可靠，装配简单，效率高
统计互换装配法（将组成环的制造公差适当放大）
组成环制造公差大，零件制造成本低
分组装配法
精度要求特别高，组成环数少，大批大量生产
修配装配法
单件、小批生产，装配精度要求高，组成环数多
调整装配法
可动调整法
操作简便，易于实现，生产中应用广，成批生产
固定调整法
适于在大批大量生产，装配精度要求较高，灵活
误差抵消调整法
装配精度高，装配效率高，用于成批生产
六、机床夹具设计
作用
减少加工误差，提高加工精度
提高生产效率
减轻劳动强度
扩大机床的工艺范围
分类
按应用范围分
通用夹具
适用于多品种，中小批量生产
专用机床夹具
适于在产品稳定，产量大的成批生产和大量生产中
组合夹具
单件小批生产或新产品试制中
成组夹具
适于在多品种生产和中小批生产中应用
随行夹具
适于大批大量生产
按使用机床类型
车，钻，铣，镗，磨，组合等
按夹具动力源分
手动夹紧
气动夹紧
液压夹紧
气液夹紧
电磁夹紧
真空夹紧
组成
定位元件
制造要求
精度高，耐磨性好，足够的刚性，良好的工艺性
分类
平面定位
支撑钉，限制一个自由度
支撑板，限制两个自由度
可调支撑，一个自由度
自位支承，一个自由度
辅助支撑，只用以增加加工时工件的刚性
孔定位
定位销
短圆柱销，2个自由度
长圆柱销，4个自由度
短圆锥形，3个自由度
心轴
过盈配合心轴，4个自由度
间隙配合心轴，5个自由度
小锥度心轴，5个自由度
外圆定位
V型块
一个短v两个自由度
两个短v或一个长v4个自由度
浮动式v一个自由度
定位套
短定位套孔2个自由度，长定位套孔4个自由度，锥孔3个自由度
半圆孔
短半圆孔2个自由度，长半圆孔4个自由度
组合表面定位
夹紧装置
组成
动力装置
夹紧元件
中间传力机构
要求
不得破坏工件的定位位置
夹紧力要适当
操作安全，省力
结构简单，便于制造，维修
夹紧力的确定
夹紧力作用点的选择
作用点应正对定位元件或位于定位元件形成的支撑面内
作用点应位与工件刚性较好的部位
夹紧力作用点应尽量靠近加工表面
夹紧力作用方向的选择
作用方向应垂直于工件的主要表面
作用方向应与工件刚度最大方向一致
夹紧力作用方向尽量与工件切削力，重力作用方向一致
夹紧力的预估
夹具体
对刀元件
连接元件
典型夹紧机构
斜楔夹紧机构
螺旋夹紧机构
偏心夹紧机构
定心夹紧机构
铰链夹紧机构
联动夹紧机构
浮动主题
影响因素：前角越大，剪切角越大，变形越小；摩擦角越大，剪切角减小，变形增大；工件材料强度高，变形小；切削速度大，变形系数小，切削层厚度大，变形小