机械制造工程学复习重点

第一章金属切削的基本原理

第一节金属切削的基本概念

一、金属切削的基本概念

1、切削运动：金属切削时所需要的运动。

主运动：实现切削的最基本运动；方向：假设工件不动，刀具相对工

件的运动方向。

进给运动：实现主运动连续切削的运动；方向：假设工件不动，刀具

相对于工件的运动方向。

2、切削过程中的工件表面

已加工表面过渡表面待加工表面

3、刀具切削部分的构成（三面两刃一尖）

1）前刀面Ar 铁屑流出的表面

2）主后刀面Aα与过渡表面对应的刀面

3）副后刀面Aα＇与已加工表面对应的刀面

4）主切削刃S 前刀面与主后刀面的交线Ar×Aα

5）副切削刃S＇前刀面与副后刀面的交线Ar×Aα＇

6）刀尖主切削刃与副切削刃的交点S×S＇

4、刀具标注角度

1）参考系的建立

假定运动条件（不考虑进给运动）

A、假定条件刀尖过截面圆心

假定安装条件（理想安装

刀具中心线垂直于工件轴线

B、参考平面（描述刀具切削部分的空间位置）

a、切削平面Ps：过主切削刃上的选定点与过渡表面相切的表面。

b、基面Pr：（过切削刃上选定点，垂直于主运动向量的表面）

c、正交平面Po：（过切削刃上选定点分别与Ps、Pr垂直）

2）角度标注

主偏角Kr

A、在Pr内：

（如图1）副偏角Kr＇

（图1）

B、在Ps面内刃倾角λs：Pr与S分别向Ps投影

下的夹角（若刀尖为S上的最高点则λs为

正，反之为负）

前角γ0：前刀面Ar与Pr

分别向P0投影

C、在Ps面内

（如图2）后角α0：主后刀面Aα与

ps分别向P0上投影

（图2）

D、在P0＇内：副后角α0＇如图3

E、刀具工作角（切削角）

（1）进给运动对工作角度的影响：若刀尖位置

低于工件轴线所在水平面则其切削前角

减小后角增大。

（2）安装位置对工件工作角的影响

中心不等高

（图3）

刀杆中心线与进给方向不垂直

二、切削用量

1、切削速度v S上的选定点与主运动的速度；方向：主运动方向m/s

2、进给量f 进给运动的速度v f：工件每转一周刀具相对工件轴向的

位移量车削mm/r 刨削mm/行程钻mm/min

3、背吃刀量a r 待加工表面与已加工表面的垂直距离。

三、切削层参数

切削层的截面尺寸（如图4）

1、切削厚度a c

2、切削宽度a w

3、切削面积Ac

Ac ＝a c×a w＝f ×a p图4

七、金属切除率Z w

单位时间内所切除金属材料的体积Z w＝v×f×ap mm3/min

八、切削方式

自由切削：只有一条直线刃参与切削

非自由切削：两条以上直线刃同时参与切削，如铣削加工、车球头等。

直角切削：λs＝00

斜角切削：λs≠00

第二节金属切削变形理论

一、切削变形的特点（摩擦、剪切、变形）

第一变形区（工件上被剥离的部分通过该区变成铁屑）

第二变形区（铁屑与A r发生摩擦的区域）

第三变形区（已加工表面与Aα摩擦的区域）

二、切削变形过程

剪切滑移过程（剪切滑移面）

剪切角：剪切滑移面与切削方向的夹角。

三、铁屑的状态

1、袋装铁屑

2、挤裂铁屑（由于剪切面上局部点的剪切力达到了应力极限使铁屑背面局

部开裂成脊状）

3、单元铁屑（由于剪切面上局部点的剪切力达到了强度极限使铁屑断裂）

4、崩碎铁屑（脆性材料）

四、切屑变形程度的度量方法

1、相对滑移ε：衡量第一变形区的滑移变形程度。

2、变形参数δ：利用铁屑外形尺寸的变化来衡量切屑变形程度。

五、前刀面上的积屑瘤和摩擦（第二变形区的变形）

1、前刀面摩擦特点：外摩擦

2、粘结摩擦区：内摩擦

3、积屑瘤：高硬度（是被切削金属硬度的1~2倍）

（1）积屑瘤塑性材料v降低带状切屑

（2）形成由于由于粘结摩擦构成，经过生成、长大、破碎三个阶段。

形成条件：刀具与工件间的压力和温度

与切屑速度的关系如图5

图5

代替刀刃切削

4、特点γ0增大

加工精度降低

表面粗糙度增大

5、防止切削速度过高以减少积屑瘤的方法

降低切削速度

利用高速切削

采用润滑性能好的切削液

γ0增大

提高工件材料的硬度

六、第一、二变形区的切削变形规律

1、工件材料对切削变形的影响

强度、硬度增大切削变形减小

2、刀具前角γ0对切削变形的影响

γ0增大切削变形减小

3、切削速度对切削变形的影响

考虑积屑瘤及切削温度的影响则：切削速度增加切削变形减小

4、切削厚度对切削变形的影响

a c = f×sink r f增大a c增大切削变形减小

第三节金属切削的基本规律

一、切削力

被切金属的弹、塑性变形

1、来源

铁屑、工件和刀具间的摩擦

合力Fr

Fz 切削力切向分力在Ps面内大小为0.8~0.9Fr

2、切削分力Fy吃刀抗力工件截面径向力大小为0.4~0.5Fr

Fx进给抗力沿工件轴向大小为0.3~0.4Fr

3、切削功率

P m＝Fz×v＋Fx×v f≈Fz×v

4、切削力的计算（经验公式的建立）

单因素实验法

多因素实验法

保证v、F不变的情况下改变背吃刀量a p测Fz的方法。

1）材料强度、硬度增加，切削力减小

2）切削面积Ac增大，切削力增大

3）切削速度增大，切削力减小

4）前角增大，切削力减小

5）Kr影响Fy与Fx的比值

6）λs影响Fy与Fx的比值

二、切削温度和切削热

第一变形区的剪切变形功

1、来源第二变形区的摩擦功

第三变形区的摩擦变形功

切屑

2、切削热的传出工件

刀具

周围介质（空气、冷却液）

3、切削温度（热量的体现）切削区平均温度

Qmax＞1000 0C Qm＜500 0C

切削温度的测量

自热电偶（切削区平均温度）

热电偶

热辐射人工热电偶（切削区某点的温度）

远红外

热敏涂色

4、切削温度变化规律

1）切削速度、进给速度、背吃刀量增大产生的热量高

对温度的影响程度v＞f＞a p

2）γ0 增大 F 减小Q 减小

3) Kr 增大Q 增大（有效切削刃长度的变化）

4）被加工材料的强度和硬度升高产生的热量升高，材料导热系数大则温度降低。

三、刀具的磨损

1、磨损状态

前刀面磨损月牙洼

后刀面磨损主要磨损

边界磨损主切削刃

2、磨损原因

1）硬质点磨损

2）粘结磨损

3）扩散磨损（前刀面上的铁屑与前刀面压紧使自身元素向对方扩散，使化学成分发生变化从而改变了刀具的切削性能）

4）化学磨损（刀具与周围介质中相关元素发生化学反应）

3、刀具的磨损过程（如图6）

后刀面VB （平均磨损量）

评价标准

精加工NB （刀具轴向磨损量）

1）初期磨损阶段

2）正常磨损阶段

3）激剧磨损阶段

图6

五、刀具的耐用度

新刃磨的刀具从开始切削到磨损量达到磨损限度所经过的切削时间t min

第二章机床夹具的基本原理

第一节工件的加工与获得加工精度的方法

一、工件的安装方法

定位：确定工件在机床或夹具上占据正确的加工位置的过程

夹紧：保持定位位置不变的操作

安装= 定位+ 夹紧

直接找正安装法

划线找正安装法

夹具安装

二、工件获得精确尺寸（精度）的方法

1、试切法（单件小批量生产）

切-----测-----切-----测-----切

2、定尺寸刀具法

3、调整法，夹具

在线检测

4、自动调整法

数控控制

三、工件获得形状精度的方法

1、轨迹法

2、成形法（如：用普车成形刀车球面）

3、展成法（齿轮齿面加工）

第三节机床夹具的组成和分类

一、机床夹具的分类

通用夹具

1、按使用范围分专用夹具：针对某一工件的某一道工序专门制造的

组合夹具：可调、组合、成组工艺

2、按使用机床分类（铣、钻、刨等）

3、按动力源分类（手动、气动、液动）

二、机床夹具的组成

定位元件确定工件在夹具中的正确位置

夹紧元件是工件保持正确的位置

对刀元件在铣削加工时确定刀与工件的相对位置

引导元件钻、镗床上引导刀具的运动的设备

连接元件连接表面

其他装置分度头、分度板

第四节工件在夹具中的定位原理

一、定位的基本原理

定位：在空间直角坐标系中决定刚体的位置（限制自由度）即根据工件的加工要求，用定位元件来限制影响加工精度的自由度，使工件在夹具中

占据正确的加工位置

二、工件在夹具中定位的几种情况

1、完全定位

2、不完全定位：限制自由度数少于6个

3、欠定位：应该被限定的自由度而没有被限制因此不能够满足加工要求

4、重复定位：几个定位元件重复限定某一个自由度。

第五节常见的定位元件及定位方式

一、单个典型表面定位方式

1、平面定位定位分析------限定三个自由度

毛坯表面三点支撑（支撑钉）

定位形式

已加工表面

2、圆孔定位

过盈配合心轴

1）圆柱心轴间隙配合心轴

锥形定位

长L/d≥0.8～1 4个自由度

柱面长度

短L/d≤0.4 4个自由度

2）圆柱定位销间隙配合

工件理论直径D

V形块高度H

V形块开口尺寸N

定位高度T

夹角α6009001200

对中特征

3）特征定心特征

位置特征

长v形块4个自由度

4）定位分析

短V形块2个自由度

支撑板定位外圆柱表面/内锥套定位外圆柱表面

4、圆锥孔定位方式

长圆锥孔5个自由度

短圆锥孔3个自由度

二、组合定位方式

1、定位要点：限制自由度的总数之和=每个定位元件单独限制自由度之和

2、移动自由度+转动自由度

3、消除组合定位中重复定位现象的措施

1）移动自由度消除

2）转动自由度清除----自位支承结构

3）改变定位元件的结构形式

三、典型的组合定位方式

一面两孔定位方式

定位分析

重复定位

缩小销钉直径

消除重复定位的措施

削边销（如图7）

图7

第五节定位误差的分析与计算

定位误差-----定位过程中所产生的误差

一、基准的基本概念

基准：点、线、面

1、设计基准

2、工艺基准-----制造过程中产生的基准

工序基准

定位基准由工件上的表面所体现

3、测量基准测量基准

装配基准

调刀基准-----调整加工刀具所依据的基准由夹具上元件定

位工作面来体现

定位误差ΔP

1）第一类定位误差：定位误差ΔP B

定位基准与设计基准不重合二产生的定位误差ΔP B

2）第二类定位误差：定位误差ΔP E

定位副制造精度不够而产生的误差ΔP E

定位误差ΔP＝ΔP B＋ΔP E

3）典型表面定位误差分析与计算

（1）平面定位方式

ΔPB = 定位基准与设计基准间联系尺寸的公差值

ΔP E = 0

（2）圆孔定位方式

a、过盈配合心轴ΔP E = 0

接触点固定不变ΔP E = (T(D)+T(d))

2

b、间隙配合心轴

接触点随机ΔP E =T(D)＋T(d)＋εmin （3）外圆定位方式-------V形块定位

ΔP E =

T(d)

(2sin(0.5α))

（4）圆锥孔定位方式轴向位置误差

径向：ΔP E = 0

轴向：ΔP E = T(D)

2×ctg

α

2

第六节工件在夹具中的夹紧原理

力源装置

夹紧装置中间递力机构

夹紧元件

一、夹紧力的三要素原则

1、合理选择夹紧力的作用点

1）应作用于工件刚性较好的部位

2）应正对定位元件或定位元件所应形成的稳定受力区（无附加扭矩）3）尽可能靠近加工部位

4）避免直接作用于精加工表面

2、合理选取夹紧方向

1）主要夹紧力方向应指向主要定位面

主要定位面：限制3个自由度

异向定位面：限制2个自由度

2）应尽可能有利于减小夹紧力

3）有助于定位，而不能破坏定位

3、准确计算夹紧力大小（依据：夹紧力）

静力平衡条件J0：理论夹紧力实际夹紧力J k:安全系数J ＝k ×J0粗加工k＝2.52 精加工k＝1.52

二、基本夹紧机构

1、斜楔夹紧机构

1）具有增力作用

2）自锁性能（如图8）

α＜β1＋β2

β1、β2分别为斜楔与工件和夹具间

的摩擦角。

图8

3）可改变原始作用力方向

4）夹紧行程小

2、螺旋夹紧机构

3、园偏心夹紧机构

4、对中定心夹紧机构

定心定位+ 夹紧

1）对中定心夹紧元件以均匀等速移动原理实现定心夹紧

2）对中定心夹紧以均匀等速弹性变形原理实现定心夹紧

第三章机械加工工艺设计基础

第一节工艺过程设计概论

一、工艺过程的组成

1、生产过程

2、工艺过程（工艺，制造产品的方法）

3、机械加工工艺过程------机械加工方法

1）工序

2）工步----加工表面、切削用量、加工工具不变的情况下所完成的步骤。

3）走刀

4）安装

5）工位

二、实施工艺过程必须遵循的原则

优质、高产、低耗能

三、设计工艺过程的主要依据

1、加工对象的工作图及全部技术要求

2、产品的生产纲领和生产类型

1）生产纲领：企业在计划期内应为生产的产品数量。

N＝Q×n(1＋a%)×(1＋b%)

式中：N----生产纲领Q----的年产量n----每台产品的零件数

a%-----该批零件备品率b%-----该批零件废品率

单位生产小批量生产

2）生产类型成批生产中批量生产

大量生产大批量生产

3、现有生产条件

四、设计工艺过程的步骤

尺寸精度

形状精度

主要技术要求位置精度

1、加工对象的工艺要求表面粗糙度

热处理

关键技术要求

2、工艺审查

3、确定生产类型和组织形式

4、确定毛坯

5、设计工艺路线，选择定位基准

6、设计工序

7、计算工时定额

8、技术经济分析

9、填写工艺文件

五、工艺路线的设计

1、加工方法的选择

1）依据每个表面的技术要求确定加工方法

2）被加工材料的性质（如：铝材不可上磨床等）

3）生产类型、生产率和经济性

4）现有设备及技术条件

2、加工阶段的划分

粗加工阶段（切除大量金属）高效1）机械加工阶段半精加工阶段（为主要表面加工做准备）

精加工阶段（完成主要表面加工）IT6以上

Ra＜0.4μm 2）划分加工阶段的原因

（1）、保证加工质量

（2）、合理使用机床

（3）、便于安排热处理工序

（4）、及时发现毛坯缺陷

（5）、可减少主要表面的损坏

因此：划分加工阶段是保证加工精度的一种工艺措施

3、加工顺序的安排

先粗后精

1）切削加工顺序先主后次

先基面后其他

2）热处理工序安排

（1）、预备热处理

机械加工之前（Wc＞0.5% 退火Wc＜0.5% 正火

中碳钢调质）

（2）、最终热处理

半精加工之后，精加工之前（淬火、渗碳、氮化、调质等）

（3）、去应力处理粗加工之后精加工之前

时效处理（粗加工之后长时间半年或更长放置以释放内应力）

退火、冰冷处理

3）辅助工序的安排

检验工序（保证产品质量的主要措施）

半精加工之后

重要工序之后

从一个车间到另一个车间之间

特种性能检验之前（高费用，高消耗等）

全部结束之后

4、工序的集中与分散

分散一般情况，但件小批量生产时采用工序集中；大批一般

集中发展趋势

六、加工余量的确定

1、加工余量

从加工表面切去的金属层厚度

双边余量

工序间的加工余量

单边余量

加工总余量

2、工序尺寸----专供加工用

入体原则

1）被包容面（轴、键宽）工序尺寸公差带取上偏差为0

2）包容面（孔、键槽宽）工序尺寸公差带取下偏差为0

3）毛坯尺寸取对称偏差

3、影响加工余量的因素

1）前工序表面质量

2）前工序尺寸公差

3）前工序形状和位置公差

4）本工序的安装误差

4、加工余量的确定方法

1）分析计算法

2）经验值法（适用于单件小批量）

3）查表修正法

七、工序尺寸的计算

1、基准不重合的尺寸计算-------尺寸链原理

2、简单工序尺寸计算

反推法

工艺：粗镗---半精镗---精镗---浮动镗

3、孔系坐标尺寸的计算

尺寸链

八、工艺文件

1、工艺过程综合卡片

2、机械加工工艺卡片

3、机械加工工序卡片

第二节工艺基准的选择

------------ 定位基准基面体现基准

一、定位基面的种类

1、粗基准、粗基面----使用毛坯表面作为定位基准

2、经济准面-------------使用切削加工过的表面作定位基准

3、辅助基准面----------为了加工的需要而专门加工出的定位表面

二、精基准的选择

1、重点考虑

如何保证加工表面有足够的余量，使不加工表面尺寸和位置符合图纸要求。

2、粗基准的选择原则

1）重要表面原则

必须保证某些重要表面的加工余量均匀，则选满足要求的面为基准面2）相互位置要求原则

（1）必须保证零件上加工表面与不加工表面的位置选择不加工表面为粗基准

（2）若有几个不加工表面则选择与加工表面位置要求最高的表面

（3）若所有表面均需加工，则选择加工余量最小的表面

3、平整光洁表面原则

选毛坯制造中尺寸、位置比较准确且平整、光洁的表面

4、粗基准不允许重复使用原则（定位精度低） 在同一方向上只允许使用一次

三、精基准选择原则

1、重点考虑的问题

如何减小定位误差，提高定位精度 2、精基准的选择原则： 1）基准重合原则

尽可能选择设计基准作为定位基准

2）基准统一原则

尽可能选择同一基准加工零件上所有表面 3）互为基准原则 4）自身基准原则

5）定位基准稳定可靠

第三节 工艺尺寸链

一、尺寸链的定义及组成

1、尺寸链：在加工过程中由相关的尺寸所组成的一组封闭尺寸图形

封闭性

2、工艺尺寸链的特点

制约性 3、工艺尺寸链的组成

1）环-----构成尺寸链的每一个尺寸 2）封闭环A z -----间接得到的尺寸

3）组成环A-----直接得到的尺寸（除封闭环外）

A

----在其他组成环不变，该环增大使封闭环增大的组成环

减环A

----在其他组成环不变，该环增大使封闭环减小的组成环

4、建立尺寸链应注意的几个问题 1）尺寸链的构成取决于工艺过程

2）对封闭环的判断是计算尺寸链中最关键的问题 3）一个尺寸链中只能有一个封闭环 4）增减环的判断

二、工艺尺寸链的计算公式

极值法：一般用于加工工艺过程中 概率法：一般用于装配过程

1、封闭环的基本尺寸计算

1

1

1

z i m n i i m A A Ai -==+=∑∑

－

2、封闭环的极限尺寸计算

z m a x

i m a x m A A A i =∑∑

－ m i n

i m i n i m A z A A =∑∑ －

3、封闭环的上偏差ES(A Z )和下偏差EI(A Z )

ES(A Z ) (z)(i)ES A EI A =∑∑

－

EI(A Z ) (i)(i)EI A ES A =∑∑

－

4、封闭环的公差值T(AZ)

T(AZ) = (i)(i)(i)T A T A T A =∑∑∑

＋

三、尺寸链的计算形式

1、正计算：已知各组成环计算结果唯一；用于工艺过程尺寸校核。

2、反计算：已知封闭环求各组成环。

1）等公差值法-----各组成环公差值相等（相近）

(z )

1

T A TM n =-

2）等公差等级法（等精度） T(A i ×i i 式中：a i 为公差等级；i i 为公差因子 A m (i)

T A i

=

∑ 3）经济精度分配法

3、中间计算法

已知封闭环和部分组成环求某一组成环。

四、工艺尺寸链的竖式计算法 1、表格

2、求列的代数和

五、典型尺寸链的分析与计算

1、测量基准与设计基准不重合的工序尺寸计算

假废品

如果实际换算后的尺寸超差，只要起超差量小于另外几个组成环的公差值之和，则有可能是假废品，因此需要复检。

2、设计基准与定位基准不重合的尺寸换算。 例如加工如图9所示轴的过程中：

（图9）

1）、基准重合

B1=A1=220-0.5

B3=A3=14401

0.520.8

122

B --= 2122B =+

-0.5 -0.8

122A =- +0.5 0

A 2 =100 0 -0.8

0.7

40.3184B --= 4B = +184 -07 -0.3

3A =

-144 +1 0

这个是错的 A 4Z =40 +0.3 -0.3

* 基准的转换必然提高加工难度！

第四章 机械加工精度

加工精度

表面质量

第一节 加工精度和加工误差

一、加工精度与加工误差

1、加工精度：理想零件

2、加工误差

3、两者之间的关系：几何参数间的准确程度

二、原始误差

1、工艺系统-------由机床、夹具、刀具和工件所构成的加工系统。

2、原始误差-------由工艺系统所构成的误差。

3、原始误差的种类

1）、原理误差（由工艺原理所产生的误差）*

2）、工件安装误差 3）、工艺系统静误差（机床、夹具*、刀具等） 4）、调整误差* 5）、工艺系统动误差（由工件、机床、刀具等变形引起；如热变形、

刀具磨损、内应力等原因）

6）、度量误差

三、经济精度

正常情况下采用标准设备及标准技术等级的工人在不延长加工时间的情况下所能达到的精度。

第二节影响加工精度的因素及分析

一、原理误差-----由于采用了近似的加工运动或近似的刀具轮廓而产生的误差

如：用成型刀具加工复杂的曲线表面

成型车、成型铣以及齿轮的加工（齿轮粗加工铣齿、插齿、滚

齿、刨齿；精加工磨齿、剃齿等）一套同模数铣刀为8到26

把。

如滚齿加工的误差原因

渐开线基本蜗杆

近似造型法阿基米德基本蜗杆

法向直齿基本蜗杆

刀刃刃数有限

车削模数蜗杆螺距t = 涡轮的周节πm

二、机床误差

1、来源磨损

水平面影响较大

2、导轨误差

垂直面

原始误差的敏感方向--------加工表面的法向

3、主轴误差

1）、主轴回转精度

2）、基本形式

纯径向跳动

纯轴向窜动

纯角度摆动

轴心线飘移：Δ径+ Δ轴+ Δ角= Δ飘移3）、主轴回转精度对加工精度的影响

（1）、纯径向移动即水平方向简谐直线运动如：图10示

图10

（2）、纯轴向移动导致端面与轴线不垂直如：图11示

图11

4）、提高主轴回转精度的措施

（1）、结构措施：轴承精度（滚动轴承，高精滑动轴承，磨床上用油楔

动压轴承）

（2）、工艺措施：减小回转误差对加工精度的影响用两顶尖以替换三抓

卡盘。如图12所示

图12