机械制造基础知识

一、金属切削过程方面的一些基本概念

1、金属切削过程是用刀具从金属材料（毛坯）上切去多余的金属层，从而获得几何形状、尺寸精度和表面粗糙度都符合要求的零件的过程。

2、金属切削机床的运动分为基本运动和辅助运动。

（1）基本运动 按切削时工件与刀具相对运动所起的作用来分，金属切削机床的基本运动可分为主运动和进给运动。

1）主运动是刀具与工件之间的相对运动。它使刀具的前刀面能够接近工件，切除工件上的被切削层，使之转变为切屑，从而完成切屑加工。一般，主运动速度最高，消耗功率最大，机床通常只有一个主运动。例如，车削加工时，工件的回转运动是主运动。

2）进给运动是配合主运动实现依次连续不断地切除多余金属层的刀具与工件之间的附加相对运动。进给运动与主运动配合即可完成所需的表面几何形状的加工，根据工件表面形状成形的需要，进给运动可以是多个，也可以是一个；可以是连续的，也可以是间歇的。

（2）辅助运动 是除主运动和进给运动之外，为完成工件的加工全过程所需的其它运动。它包括以下几类：空行程运动、切入运动、分度运动、操纵及控制运动。

3、工件表面

（1）待加工表面——是工件上有待切除的表面。

（2）已加工表面——是工件上经刀具切削后产生的新表面。

（3）过渡表面（加工表面）——过渡表面是工件上由切削刃形成的那部分表面。

4、切削用量三要素：切削速度vc、进给速度vf（进给量f）、切削深度ap（背吃刀量）

5、金属切削过程中发生的现象 金属切削过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等。

6、金属切削过程四大规律：金属切削变形、切削力变化、切削热与切削温度、刀具磨损与耐用度变化四大规律。

7、四大规律在生产实际中的应用：改善工件材料的切削加工性、合理选择切削液、刀具几何参数合理选择、切削用量合理选择等。

二、机械加工工艺系统的组成

机械加工工艺系统由机床、刀具、夹具和工件组成。 （一）机床

1、金属切削机床是一种用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器，它是制造机器的机器，因比又称为“工作母机”或“工具机”，习惯上简称为机床。 2、机床的分类：以机床的加工方法和所用刀具的特征来分，根据我国制定的金属切削机床型号编制方法(GB/T15975-1994)，目前将机床分为12类：车床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、铣床、刨插床、拉床、特种加工机床、锯床和其他机床。在每类机床中，又按工艺特点、布局型式、结构性能的不同，细分为若干组，而每一组又细分为系(系列)。

3、机床的型号编制方法

机床的型号是机床产品的代号，用以简明表示机床的类型、通用和结构特性、主要技术参数等。按照GB/T15375-94《金属切削机床型号编制方法》规定，我国机床的型号由汉语拼音字母和阿拉伯数字按一定规律排列组成。通用机床型号的表示方法为：

（二）刀具

1、刀具材料应具备的性能 高的硬度和耐磨性、足够的强度和韧性、高耐热性、良好的工艺性、良好的工艺性。生产中所用的刀具材料以高速钢和硬质合金居多。

2、刀具的类型 根据用途和加工方法不同，刀具分为如下几大类：

车刀、麻花钻、扩孔钻、铰刀、拉刀、圆柱铣刀、面铣刀、成形铣刀、插齿刀、丝锥、键槽铣刀、齿轮滚刀、剃齿刀、砂轮等。

（三）工件 工件是机械加工过程中被加工对象的总称，是机械加工工艺系统的核心。

（四）夹具 夹具是在机械加工过程中，为保证加工精度而采用的保证工件相对于机床和刀具正确的相对位置，并保证加工过程中不因外力的作用而改变已有正确位置的工艺装备的总称。（机床夹具见后面）

三、机械加工工艺规程方面的一些基本概念

1、机械加工工艺过程的组成

用机械加工的方法，直接改变毛坯形状、尺寸和机械性能的过程，称为机械加工工艺过程。

工序是组成加工过程的基本单元 (机械加工工艺过程由一系列的工序组成)

指一个（或一组）工人在一个工作地点对一个（或同时对几个）

（1）工

工件连续完成的那部分工艺过程，称为工序。区分工序的主要依

序

据是：工作地点是否变动。 （2）安工件加工前，使其在机床上占据正确位置的过程，称为安装。 安装 装分：定位和夹紧两过程。 （3）工

指工件在工作台上占据的每一个加工位置，称为工位。

位

（4）工当加工表面、切削刀具、切削速度和进给量都不变的情况下所完步 成的那部分加工过程，称为工步。 （5）走

刀具对工件的每一次切削，称为走刀。

刀

各种生产类型工艺过程的主要特点

单件生产

成批生产

大批量生产

一般是配对制

全部有互换性。某些精度

工件的造，没有互换大部分有互换性，少

较高的配合件用分组选择

互换性 性，广泛用钳工数用钳工修配

装配法

修配 铸件用木模手

毛坯的部分铸件用金属模；

工造型；锻件用

制造方部分锻件用模锻。毛

自由锻。毛坯精

法及加坯精度中等，加工余

度低，加工余量

工余量 量中等。

大

铸件广泛采用金属模机器造型，锻件广泛采用模锻，以及其他高生产率的毛坯制造方法。毛坯精度高，加工余量小。

数控机床加工中心或

通用机床。或数柔性制造单元。设备专用生产线、自动生产线、

机床设

控机床，或加工条件不够时，也采用柔性制造生产线或数控机

备

中心。 部分通用机床、部分床。

专用机床。 多用标准附件，

极少采用夹具，广泛采用夹具或组合广泛采用高生产率夹具，

夹具 靠划线及试切夹具，部分靠加工中靠夹具及调整法达到精度

法达到精度要心一次安装。 要求。 求。 可以采用专用刀具及广泛采用高生产率刀具和

刀具与采用通用刀具

专用量具或三座标测量具，或采用统计分析法

量具 和万能量具。

量机。 保证质量。 对工人需要技术熟练

的要求 的工人。 工艺规有简单的工艺

需要一定熟练程度的对操作工人的技术要求较工人和编程技术人低，对生产线维护人员要员。 求有高的素质。 有工艺规程，对关键有详细的工艺规程。

程 路线卡。

零件有详细的工艺规程。

3、机械加工工艺规程的概念：

（1）定义：规定零件制造工艺过程和操作方法等的工艺文件，称为机械加工工艺规程。

（2）工艺规程的作用：（见教材P130）

a) 指导生产的主要技术文件：起生产的指导作用；

b) 是生产组织和生产管理的依据：即生产计划、调度、工人操作和质量检验等的依据。

c) 是新建或扩建工厂或车间基础； （3）工艺规程卡片格式：（见教材P128）

a) 工艺过程综合卡片（或工艺过程卡片）： 其格式见教材p128表5.3。 此卡片的特点：列出了整个零件加工所经过的工艺路线，工序内容说明不具体。 适用范围：单件小批生产。

b) 机械加工工艺卡片： 其格式见教材p128表5.4。 此卡片的特点：以工序为单位详细说明整个工艺过程，能直接指导生产。 适用范围：成批生产。 c) 机械加工工序卡片： 其格式见教材p128表5.5。 此卡片的特点：以工序为单位详细完整地记载了该工序加工所必须的工艺资料，用来具体指导工人进行操作。适用范围：大批大量生产。

4、零件的结构工艺性分析：

（1）结构工艺性： 零件的结构在一定的生产条件下，能够采用较经济的机械加工方法，保质保量的制造出来的特性，称为结构工艺性。

（2）机械加工对结构工艺性的要求：

1）考虑实际加工的可能性：如方形盲孔的加工； 2）便于刀具的趋进和退出：如边缘孔的钻削；

3）应统一或减少尺寸种类：如轴上的退刀槽尺寸的统一、凸台的统一高度等待；

4）尽可能减少加工表面面积：如箱体底面凹进；

5）避免深孔加工：如深孔设计成阶梯孔；

6）应外表面联接代替内表面联接：因外表面加工比内表面加工容易； 7）零件的结构应与生产类型相适应。 5、基准的概念及分类：

（1）基准的定义：零件上用来确定其它点、线、面位置时所依据的那些点、线、面，称为基准。

（2）基准的分类：

1）设计基准：零件工作图上用来确定其它点、线、面位置的基准，为设计基准。

2）工艺基准：是加工测量和装配过程中使用的基准，又称制造基准。 a) 工序基准：是工序文件上标定加工表面位置的基准。

b) 定位基准：是加工过程中，使工件占据正确位置所使用的基准。 c) 度量基准（测量基准）：是用来测量加工表面位置和尺寸而使用的基准。 d) 装配基准：是装配过程中用以确定零部件在产品中位置的基准。 6、工艺路线的拟订 （见教材P136）

拟订工艺路线是设计工艺规程最为关键的一步，需顺序完成以下几个方面的工作。

（1）选择定位基准

（2）表面加工方法的选择

在选择加工方法时，首先根据零件主要表面的技术要求和工厂具体条件，先选定它的最终工序方法，然后再逐一选定该表面各有关前导工序的加工方法。 1）各种加工方法的经济加工精度和粗糙度（见P136） 某种加工方法的经济加工精度：是指在正常的工作条件下（包括完好的机床设备、必要的工艺装备、标准的工人技术等级、标准的耗用时间和生产费用）所能达到的加工精度。（加工成本与加工精度的关系见P136图5.11）（各种加工方法所能达到的经济精度、表面粗糙度等可查《金属机械加工工艺人员手册》）

2）加工方法和加工方案的选择

a) 根据加工表面的技术要求，确定加工方法和加工方案；

（教材P136表5.7、表5.8、表5.9分别为外圆表面、内孔表面和平面加工方案及其经济精度）

b) 要考虑被加工材料的性质；如：有色金属铜的加工，就不能采用磨削的加工方法做为精加工； 淬硬的材料必须选用磨削的方法进行加工。

c) 要考虑生产纲领，即考虑生产率和经济性问题。如：大批大量生产应选用高效率的加工方法，采用专用设备。

d) 应考虑本厂的现有设备和生产条件： 即充分利用本厂现有设备和工艺装备。

小结：具有一定技术要求的加工表面，一般都不是只通过一次加工就能达到图纸要求的，对于精密零件的主要表面，往往要通过多次加工才能逐步达。

具体实例：

例如，加工一个精度等级为IT6、表面粗糙度Ra为0.2μm的钢质外圆表面，其最终工序选用精磨，则其前导工序可分别选为粗车、半精车和粗磨。主要表面的加工方案和加工工序选定之后，再选定次要表面的加工方案和加工工序。

（3）加工阶段的划分

1、根据零件的技术要求划分加工2、将零件的加工过程划分为加工阶段的阶段。（见P139） 主要目的是：（见P139） (1) 保证零件加工质量（精度、表粗加在此阶段主要是尽量切除面质量只能逐步提高）； 工阶大部分余量，主要考虑生

(2) 有利于及早发现毛坯缺陷并得段 产率。

到及时处理；

半精在此阶段主要是为主要表加工面的精加工做准备，并完

(3) 有利于合理利用机床设备。

阶段 成次要表面的终加工。

精加在此阶段主要是保证各主(4) 便于穿插热处理工序：穿插热工阶要表面达到图纸要求，主处理工序必须将加工过程划分成几个阶段 要任务是保证加工质量。 段，否则很难充分发挥热处理的效果。 光整在此阶段主要是为了获得

此外，将工件加工划分为几个阶段，加工高质量的主要表面和尺寸

还有利于保护精加工过的表面少受磕碰阶段 精度。

分以下几个阶段

损坏。

（4）工序的集中与分散

工序集中原则 工序分散原则

采用数控机床、加工中心按工

按工序集中原则组织工艺过程，就是使

序集中原则组织工艺过程，生

每个工序所包括的加工内容尽量多些，

产适应性反而好，转产相对容

将许多工序组成一个集中工序，最大限

易，虽然设备的一次性投资较

度的工序集中，就是在一个工序内完成

高，但由于有足够的柔性，仍

工件所有表面的加工。（见P139-140）

然受到愈来愈多的重视。 传统的流水线、自动线生产基

按工序分散原则组织工艺过程，就是使本是按工序分散原则组织工每个工序所包括的加工内容尽量少些，艺过程的，这种组织方式可以最大限度的工序分散就是每个工序只实现高生产率生产，但对产品包括一个简单工步。 改型的适应性较差，转产比较

困难。

（5）工序顺序的安排

1)先基准后其它表面 2)先粗加工后精加工

先把基准面加工出来，再以基准面定位来加工其它表面，以保证加工质量。 即粗加工在前，精加工在后，粗精分开。

如主要表面是指装配表面、工作表面，次要表面是指键糟、联接用的光孔等。 平面轮廓尺寸较大，平面定位安装稳定，通常均以平面定位来加工孔。

机械加工工序的安排原则 3)主要表面后次要表面

4)先加工平面后加工孔

其作用是：提高强度和韧性，

1）退火 ： 将钢加热到一定的降低硬度，改善切削加工性。

热处理工序温度，保温一段时间，随后由炉应用： 高碳钢采用退火，以及表面处理中缓慢冷却的一种热处理工序。 降低硬度； 放在粗加工前，工序的安排 毛坯制造出来以后。 根据热处理的目的，安排热处理在加工过程中的位置。

2)正火： 将钢加热到一定温度，其作用是：提高钢的强度和保温一段时间后从炉中取出，在硬度，使工件具有合适的硬空气中冷却的一种热处理工序。 度，改善切削加工性。应用： 注：加热到的一定的温度，其与低碳钢采用正火，以提高硬钢的含C量有关，一般低于固相度。放在粗加工前，毛坯制线200度左右。 造出来以后。 3）回火： 将淬火后的钢加热到其作用是：稳定组织、消除一定的温度，保温一段时间，然内应力、降低脆性。

后置于空气或水中冷却的一种热处理的方法。

4）调质处理（淬火后再高温回

火）：其作用：是获得细致均匀应用：安排在粗加工后，半的组织，提高零件的综合机械性精加工前。 能。

5）时效处理： 其作用：是消除

应用：一般安排在毛坯制造

毛坯制造和机械加工中产生的

出来和粗加工后。

内应力。

6）淬火： 将钢加热到一定的温

度，保温一段时间，然后在冷却其作用是：提高零件的硬度。 介质中迅速冷却，以获得高硬度应用：一般安排在磨削前。 组织的一种热处理工艺。

7）为提高工件表面耐磨性、耐蚀性安排的热处理工序以及以装饰为目的而安排的热处理工序，例如镀铬、镀锌、发兰等，一般都安排在工艺过程最后阶段进行

为保证零件制造质量，防止产生零件表层或内腔的毛刺对机废品，需在下列场合安排检验工器装配质量影响甚大，切削序： 加工之后，应安排去毛刺工

1)粗加工全部结束之后；

序。

零件在进入装配之前，

2)送往外车间加工的前后；

一般都应安排清洗工序。工

其它工序的件内孔、箱体内腔易存留切

3)工时较长和重要工序的

安排 屑，研磨、珩磨等光整加工

前后；

工序之后，微小磨粒易附着在工件表面上，要注意清洗。 4)最终加工之后。

在用磁力夹紧工件的工除了安排几何尺寸检验工

序之外，有的零件还要安排探序之后，要安排去磁工序，伤、密封、称重、平衡等检验工不让带有剩磁的工件进入装

配线。 序。

（6）机床设备与工艺装备的选择

机床设备和工艺装备的选择

1、所选机床设备的尺寸规格应与工件的形体尺寸相适应；

2、精度等级应与本工序加工要求相适应； 3、电机功率应与本工序加工所需功率相适应；

4、机床设备的自动化程度和生产效率应与工件生产类型相适应。

工艺装备的选择将直接影响工件的加工精度、生产效率和制造成本，应根据不同情况适当选择。

1、在中小批生产条件下，应首先考虑选用通用工艺装备(包括夹具、刀具、量具和辅具)；

2、在大批大量生产中，可根据加工要求设计制造专用工艺装备。 机床设备和工艺装备的选择不仅要考虑设备投资的当前效益，还要考虑产品改型及转产的可能性，应使其具有足够的柔性。

四、机床夹具方面的一些基本概念

（一）机床夹具的作用、组成和分类： 1、机床夹具的定义：

（1）定位：使工件在机床上占据正确位置的过程，称为定位。 （2）夹紧：将工件在加工时保持在原先确定位置上的过程，称为夹紧。 （3）装夹（安装）：使工件占据正确的加工位置，并使其在加工过程中保持不变的过程，称为装夹或安装。

（4）机床夹具：用于装夹或安装工件的工艺装备，称为机床夹具。 2、机床夹具的作用：

（1）易于保证工件的加工精度，稳定加工质量：

例如：在钻床上用钻夹具加工平行孔系时，位置精度可达0.1～0.2mm；在钻床上用划线法加工平行孔系时，位置精度只能达到0.4～1.0mm。

（2）扩大机床的工艺范围：

例如：在车床上使用镗模，可代替镗床镗孔。

（3）缩短辅助时间，提高劳动生产率，减轻劳动强度： 使用机床夹具能快速装夹工件，减少划线、找正等的辅助时间。 3、机床夹具的组成：

（1）定位元件：确定工件在夹具中位置的元件。 作用：是确定工件在夹具中的位置。 （2）夹紧装置：用以夹紧工件的装置。

作用：是保持工件在夹具中的既定位置。

（3）对刀和引导装置：引导刀具或调整刀具相对于夹具位置的装置。 作用：确定刀具相对于夹具的位置。

（4）夹具体：联接夹具上各个元件或装置，使之成为一个整体的零件。 作用：保证各元件或装置之间的位置关系。 （5）联接元件：使夹具与机床相联接的元件。 作用：保证夹具与机床之间的相互位置关系。 （6）其它：如传动装置、分度装置等。 4、机床夹具的分类：

按夹具的使用范围，夹具可分为五种基本类型： 1)通用夹具：特点：具有很大的通用性。如三爪卡盘。

2)专用夹具：针对某一产品的某一特定工序而专门设计。特点：用途专一。 3)可调夹具：按一组零件而设计一套可调整的夹具。特点：夹具的部分元件可以更换，部分装置可以调整。

4)组合夹具：用标准化元件组装成的夹具。特点：灵活多变，万能性强，制造周期短，零件可以重复使用。

5)随行夹具：在自动线上使用的一种夹具。特点：夹具随工件在各工序中的机床上被定为和夹紧。

（二）工件在夹具中的定位 1、工件在加工时的定位方式： 1)找正法：

a)直接找正：按照工件或刀具的切削运动轨迹进行比较，经多次修正比较后，使工件占有正确位置，再进行夹紧的方法。 例如：加工齿轮时，外圆与工作台的同轴找正。

特点：比较费时，并要求操作者具有较高的技术水平。 适用场合：单件小批生产。

b)划线找正： 事先在毛坯表面或已加工表面上，划出所需加工表面的位置线，然后在机床上用划针进行找正的方法。

特点：找正费时，定位精度低，可以比较合理地分配毛坯各表面的加工余量。 适用场合：单件小批生产。

2)夹具法：用夹具的定位元件对工件表面进行定位。 特点：省时方便，具有很高的重复定位精度，成本较高。 适用场合：成批、大量生产。

（三）工件的定位原理及其应用：

1.六点定位原理：用正确分布的六个支承点来限制工件的六个自由度，从而使工件在夹具中得到正确位置的原理，称为六点定位原理，见左图。

2.在底面XOY内的三个支承点限制了X、Y、Z三个自由度；在侧面YOZ内的两个支承点限制了X、Z两个自由度；在端面XOZ内的—个支承点限制了Y一个自由度。

3.六点定位原理的合理应用 （1）完全定位：

定义：用六个支承点限制工件全部六个自由度的定位，称为完全定位。 （2）准定位（不完全定位）：

定义：根据加工要求不需要限制工件全部六个自由度的定位，称为准定位。 例如：在轴上铣通槽，通槽方向的自由度不需要限制。 （3）重复定位（过定位）：

定义：定位元件重复限制了工件的同一个或几个自由度的定位，称为重复定位。 例如：齿轮加工，用底面和心轴定位。 （4）欠定位：

定义：实际定位限制的工件自由度少于加工要求所必需限制的自由度的定位，称为欠定位。

（四）常用定位方式

1.工件以平面定位 2.工件以内孔定位 3.工件以外圆柱面定位 4.工件以圆锥孔定位 5.组合定位 （五）常用夹紧机构 1.斜楔夹紧机构 2.螺旋夹紧机构 3.偏心夹紧机构

五、装配方面的一些基本概念

1、定义：根据规定的技术要求，将零件或部件进行配合和连接，使之成为半成品或成品的过程，称为装配。

2、机器的装配是整个机器制造过程中的最后一个过程。它包括安装、调整、检验、实验、油漆及包装等。

机器装配过程一般分为三个阶段：

1) 组件装配 将两个以上零件连结组合成为组件的过程，称为组件装配。 2) 部件装配 将组件、零件连接组合成为独立部件的过程称为部件装配。 3) 总装配 将部件、组件、零件连接组合成为整台机器的过程称为总装配。 3、保证装配精度的方法：互换装配法、选择装配法、修配装配法和调整装配法四大类

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