机械加工工艺基础【苍松书屋】

1、Central South University,机械加工工艺基础,主讲人：孔存生,多媒体教学课件,CEP-P32-NPL-工装组,1,深层分析,机械加工工艺基础： 主要介绍机械加工的基本概念、切削 基本原理、切削机床与刀具、切削加工基 本工艺过程、选择切削加工方法的基本原 则，以及零件机械加工结构工艺性,2,深层分析,第一章.切削加工的基础知识 第二章.金属切削机床 第三章.机械加工工艺过程 第四章.零件表面的加工方案 第五章.零件的结构工艺性,索引,3,深层分析,第一章 切削加工的基础知识,返回索引,4,深层分析,1.1 钳工与机械加工,钳工：通过工人手持工具进行切削加工。 机械加工：采用

2、不同的机床（如车床、铣 床、刨床、磨床、钻床等）对工 件进行切削加工,5,深层分析,2.零件表面质量的概念,零件几何参数： 宏观几何参数： 包括：尺寸、形状、位置等要素。 微观几何参数： 指：微观表面粗糙程度,6,深层分析,2.1 加 工 精 度,加工精度：指零件经切削加工后，其尺寸、形状、位置等参数同理论参数的相符合的程度，偏差越小，加工精度越高，它包括： a. 尺寸精度：零件尺寸参数的准确程度。 b.形状精度：零件形状与理想形状接近程度。 c.位置精度：零件上实际要素（点、线、面）相对于基准之间位置的准确度,7,深层分析,2.1 加 工 精 度,国家标准规定：常用的精度等级分为20级，分别

3、用IT01、IT0、IT1、IT2IT18表示。数字越大，精度越低。其中IT5-IT13常用。 高 精 度：IT5、IT6 通常由磨削加工获得。 中等精度：IT7-IT10 通常由精车、铣、刨获得。 低 精 度：IT11-IT13 通常由粗车、铣、刨、钻 等加工方法获得,8,深层分析,2.1.1 尺 寸 精 度,25,0 -0.04,零件尺寸要素的误差大小。 问：精度的高低与哪两个因 素有关,基本尺寸和公差大小,9,深层分析,2.1.2 形 状 精 度,25 轴加工后可能产生的形状误差,0 0.013,10,深层分析,2.1.2 形 状 精 度,指零件上实际要素的形状与理想形状相符合的程度；

4、国家标准规定了六类形状公差（见下表） 形状精度的标注：框格分为2格， 箭头指向待表达的表面，数字表示 允许误差的大小，单位为毫米,11,深层分析,2.1.3 位 置 精 度,指零件的实际要素（点、线、面）相对于基准之间位置的准确度,圆圈中的英文字母表示基准，框格分3格，箭头指向待 表达的表面,12,深层分析,零件精度等级及其相应的加工方法,13,深层分析,2.2 表 面 粗 糙 度,表面粗糙度：零件微观表面高低不平的 程度。 产生的原因： 1）切削时刀具与工件相 对运动产生的磨擦； 2）机床、刀具和工件在加工时的振动； 3）切削时从零件表面撕裂的切屑产生的痕迹； 4）加工时零件表面发生塑性变形

5、,14,深层分析,2.2 表 面 粗 糙 度,表面粗糙度对零件质量的影响： 零件的表面粗糙度对机器零件的性能和使用寿命影响较大，主要有以下几个方面： 1）零件表面粗糙，将使接触面积减小，单位面积压力加大，接触 变形加大，磨擦阻力增大，磨损加快； 2) 表面粗糙度影响配合性质。对于间隙配合，表面粗糙易磨损， 造成间隙迅速加大；对于过盈配合，在装配时，可使微小凸峰 挤平，有效过盈量减少，使配合件强度降低； 3）零件表面粗糙，低谷处容易聚积腐蚀性物质，且不易清除，造 成表面腐蚀； 4）当零件承受载荷时，凹谷处易产生应力集中，以致产生裂纹而 造成零件断裂,15,深层分析,2.2 表 面 粗 糙 度评定

6、参数：常用的是轮廓算术平均偏差Ra,16,深层分析,2.2 表 面 粗 糙 度,Ra,h1 h2 h3hn,17,深层分析,2.2 表 面 粗 糙 度,国家标准规定：表面粗糙度分为14个等级，分别用 表示，数字越大，表面越粗糙。 表面粗糙度符号上的数值Ra,单位是微米（m,18,深层分析,2.2 表 面 粗 糙 度表面粗糙度符号的意义及应用,19,深层分析,2.3 常见加工方法的Ra表面特征,20,深层分析,碳素工具钢：如T7、T8、T9T13等。适合于制造简单的手工工具，如锉刀、锯条等； 合金工具钢：在碳素工具钢中加入少量的钨、铬、锰、硅等元素，耐热性较低，如9SiCr等，适合于制造低速成型

7、刀具，如丝锥； 高速钢：含较多的钨、铬、钒等合金元素、常用的有：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V等。适合于制造中速精加工刀具； 硬质合金：成分由WC、TiC和Co组成，采用烧结方法获得,4.1.1 常用的刀具材料,21,深层分析,4.1.1 常用的刀具材料,常用的硬质合金有： 钨钴钛类（牌号YT）硬质合金：适合于加工钢等塑性材料，其代号有YT5、YT15、YT30等，粗加工用YT5, 精加工用YT30; 钨钴类（牌号YG）硬质合金：适合于加工铸铁、青铜等脆性材料，其代号有YG3、YG6、YG8等，粗加工用YG8，精加工用YG3,22,深层分析,4.1.2其它刀具材料,陶瓷：常用的刀具陶瓷有两

8、种： Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷。陶瓷刀具的最大特点是具有很高的硬度、很高的耐磨性和耐热性，其主要缺点是抗弯强度低，冲击韧性很差，不能承受较大的冲击载荷。 金刚石：它分三种 天然单晶金刚石刀具 整体人造聚晶金刚石刀具 金刚石复合刀片 立方氧化硼：由软的立方氧化硼在高温高压下加入催化剂转变而成,23,深层分析,常用的刀具材料,24,深层分析,第二章 金属切削机床,返回索引,25,深层分析,1、机床的类型,金属切削机床是用来对工件进行加工的机器，故称为“工作母机”，习惯上称机床。 按加工性质和所用刀具分类：分为车床、铣床、钻床、磨床、齿轮加工机床等12大类； 按精度分类：分为普通精度、精密

9、和高精度三种； 按重量分类：分为一般机床、大型机床和重型机床。 机床的型号：如：C6136表示,26,深层分析,2、机床的基本结构,1.主传动部件： 用来实现机床主运动； 2 .进给传动部件：主要用来实现机床进给运动； 3 .工件安装装置：用来安装工件； 4 .刀具安装装置 ：用来安装刀具； 5 .支承件：用来支承和连接机床各零部件，是机 床的基础构件； 6 .机床动力部件：为机床提供动力,27,深层分析,5、 车床的基本结构,主电机及变速机构,挂轮箱,床头箱,进给箱,卡盘,中心架,溜板箱,尾架,丝杆,光杆,28,深层分析,5.2车削的加工范围,车削是以加工回转体为主要加工目的。在车床上可以加

10、工：外圆、端面、锥度、钻孔、钻中心孔、镗孔、铰孔、切断、切槽、滚花、车螺纹、车成型面、绕弹簧等,29,深层分析,5.3 车削的工艺特点,粗加工：经济精度可达到IT10，表面粗糙度在25-12.5之间; 精加工：经济精度可达IT7左右，表面粗糙度Ra6.3-1.6之间。 2. 易于保证相互位置精度要求。一次装夹可加工几个不同的表面，避免安装误差。 3. 刀具简单，制造、刃磨和安装方便，容易选用合理的几何形状和角度，有利于提高生产率。 4. 应用范围广泛，几乎所有绕定轴心旋转的内外回转体表面及端面，均可以用车削方法达到要求。 5. 可以用精细车的办法实现有色金属零件的高精度的加工（有色金属的高精度

11、零件不适合采用磨削,30,深层分析,6 铣削加工,主轴箱,主轴,横溜板,工作台,升降台,底座,6.1立式铣床的基本结构,31,深层分析,6.2 铣削的主要加工范围,32,深层分析,6.5 铣削的工艺特点,1.铣削加工的精度可达IT10-IT7，表面粗糙度可达6.3-1.6左右 2.生产效率高，铣刀是多刀齿刀具，铣削时有几个刀齿同时参加切削，主运动是刀具的旋转，所以铣削的生产效率比刨削高。 3.容易产生振动，铣刀的刀齿切入和切出时产生振动，加工过程中切削面积和切削力变化较大。 4.刀齿的散热条件较好，在刀具旋转过程的不切削时间内，刀具可以得到一定的冷却。 5.与刨床相比，铣床价格高，适用于批量生

12、产,33,深层分析,7. 刨（插）削加工,刨床主要有牛头刨床和龙门刨床两种,牛头刨床:刨刀的直线往复运动是主运动，工件在刨刀返回行程将结束时作横向进给运动。牛头刨床主要用于加工中小型零件,龙门刨床:工作台往复运动，横梁上的刀架可以水平或垂直运动 龙门刨床主要用于加工大型零件,34,深层分析,7.2 刨削加工的范围,35,深层分析,3. 1 插削加工,插床又称立式刨床，其运动原理与牛头刨床相似，主要用于孔内表面加工，如方孔、多边形孔、键槽等的加工,工件在工作台上可做纵向、横向和回转的运动，滑枕做上下往复运动,36,深层分析,7.3 插削主要加工范围,37,深层分析,7.4 刨削加工的工艺特点,1

13、.加工精度通常为：精刨：IT7-IT10，粗糙度Ra为6.3-1.6之间。 2.通用性好，刨床简单、价格低、调整和操作简便，刨刀形状简单，制造、刃磨方便。 3.生产率一般比较低，主运动为往复直线运动，返回行程不参加切削。 4.适用于单件小批生产,38,深层分析,8.钻削加工,钻床包括台式钻床、立式钻床和摇臂钻床。如图： 工件直径12mm的孔一般使用台式钻床加工，孔径50mm的中小型零件在立式钻床上加工，大型工件上的孔在摇臂钻床上加工,钻夹头是钻孔的常用夹具，一般用于孔径较小( 12mm)的工件，大直径的零件用锥度套筒装入钻轴。 对精度要求高，粗糙度低的零件钻孔后还必须进行精加工,39,深层分析

14、,钻削加工的范围,40,深层分析,8.1扩孔,用扩孔钻对已经钻出或铸出、锻出的孔进行扩大和提高精度的加工，称为扩孔。扩孔钻如下图所示。其结构与麻花钻相似，但切削刃有34个，前端是平的，无横刃，螺旋槽较浅，钻头刚度好。扩孔余量小，切削比较平稳，所以扩孔精度比钻孔高。其尺寸公差等级可达IT10IT9，表面粗糙度Ra值可达6.33.2m。扩孔可作为终加工，也可作为铰孔前的预加工,41,深层分析,第三章 机械加工工艺过程,返回索引,42,深层分析,4.工艺规程的拟定,A.工艺分析,检查图纸,做出修改,审查材料,审查零件的结构工艺性,下一步,B.毛坯的选择及加工余量的确定,43,深层分析,4.1工件的基

15、准,工件的基准：在零件的设计和制造过程中，要确定一些点、线或面的位置，必须以一些指定的点、线或面作为依据，这些作为依据的点、线或面，称为基准。 按照作用的不同，常把基准分为设计基准和工艺基准两类,44,深层分析,4.2 工件的基准,设计基准：即设计零件的基准，如下图左：齿轮内孔、外圆和齿轮分度圆均以轴线为基准；而两端面是互为基准。下图右：表面2和3及孔4的轴线的设计基准是表面1的。孔5的轴线的设计基准是孔4的轴线。 工艺基准：在制造零件时所使用的基准，它又分为工序基准、定位基准、测量基准、装配基准。下图左在加工时、轴线并不实际存在，所以内孔实际是加工外圆和左端面的定位基准,45,深层分析,4.

16、3.1 工艺基准,工艺基准分为工序基准、定位基准、测量基准、装配基准。 1、工序基准：在工艺文件上用以标定加工表面 位置的基 准。 2、定位基准：在机械加工中，用来使工件在机床或夹具中 占有正确位置的点、线或面。它是工艺基准 中最主要的基准。 定位基准选择是否合理，对保证工件加工后的尺寸精度和形位精度、安排加工顺序、提高生产率以及降低生产成本起着决定性的作用，它是制定工艺过程的主要任务之一。 定位基准可分为粗基准和精基准两种,46,深层分析,4.3.1 工艺基准,3、测量基准：用以测量已加工表面尺寸及 位置的基准。 4、装配基准：用来确定零件或部件在机器 中的位置的基准,47,深层分析,4.4

17、 机械加工工艺过程的制定,机械加工工艺过程的制定按三个步骤进行： 1、拟定加工工艺路线 分析研究零件图的各项内容及技术要求拟定零件加工的加工方法、加工方案及工艺路线。 2、安排好加工工序 （1）选择毛坯,48,深层分析,4.4工艺路线的制定,3、拟订加工工艺过程 制定工艺规程的目的是确保产品质量、提高经济效益，同时它是确定生产人员数量以及定设备、定生产厂房面积和投资额的原始材料。 安排加工顺序的原则：“基面先行、粗精分开、先粗后精、先面后孔,49,深层分析,4.4 工艺路线的制定,1)基面先行原则 ,零件加工时，必须选择合适的表面作为定位基面，以便正确安装工件。在第一道工序中，只能用毛坯面(未

18、加工面)作为定位基面，在后续工序中，为了提高加工质量，应尽量采用加工过的表面为定位基面，显然，安排加工工序时，精基面应先加工。例如，轴类零件的加工多采用中心孔为精基准。因此，安排其加工工艺时，首先应安排车端面、钻中心孔工序。 (2)粗精分开，先粗后精的原则 零件加工质量要求高时，对精度要求高的表面，应划分加工阶段。一般可分为粗加工、半精加工和精加工三个阶段，精加工应放在最后进行。这样，有利于保证加工质量，有利于某些热处理工序的安排,50,深层分析,4.4工艺路线的制定,3)先面后孔的原则 对于箱体、支架类等零件应先加工平面后加工孔。这是因为平面的轮廓平整，安放和定位稳定可靠。先加工好平面，就能

19、以平面定位加工孔，保证平面和孔的位置 综上所述，一般机械加工的顺序是：先加工精基准粗加工主要面(精度要求高的表面)精加工主要面。次要表面的加工适当穿插在各阶段之间进行,51,深层分析,第四章 零件表面的加工方案,返回索引,52,深层分析,零件是由多个表面组成的，每一个表面又可以用多种加工方法获得。因此，应该对零件的结构特点、形状大小、技术要求、材料性能、生产批量、设备现状以及经济性等多方面进行分析，选择合适的加工方法。将多种加工方法按照一定的加工顺序链接起来，依次对各个表面进行加工，多种加工方法的有机组合成为加工方案。加工方案是拟订工艺过程的基础,53,深层分析,1. 外圆表面的加工方案,54

20、,深层分析,2.平面的加工方案,55,深层分析,3. 孔的加工方案,56,深层分析,5.螺纹的加工方法,螺纹的结构简单、形式多样、传动稳定、连接可靠、调整迅速准确、装拆方便、成本低廉，在机械行业中应用广泛,57,深层分析,5.1 螺纹的种类和用途,螺纹按其用途分为联接螺纹和传动螺纹 1、联接螺纹：主要起联接和调整的作用 （1）普通螺纹：牙形角为60，又分为粗牙螺纹和细牙螺纹两种，代号为M。 （2）管螺纹：牙形角为55，常用于水管、气管、油管等防泄露要求的场合,58,深层分析,5.1 螺纹的种类和用途,2、传动螺纹：主要用于传递运动和动力。 (1) 梯形螺纹：牙形角为30，牙形为等腰梯形，代号为

21、Tr，它是传动螺纹的主要形式，如机床丝杠等,59,深层分析,5.1 螺纹的种类和用途,2）矩形螺纹：主要用于力的传递，其特点是传动效率较其它螺纹高，但强度较低、对中准确性较差，特别是磨损后轴向和径向的间隙较大，因此应用受到了一定的限制,60,深层分析,5.1 螺纹的种类和用途,3) 锯齿形螺纹：其牙形为锯齿形，代号为B。 它只用于承受单向压力，由于它的传动效率 及强度比梯形螺纹高，常用于螺旋压力机及 水压机等单向受力机构,61,深层分析,5.1 螺纹的种类和用途,4）模数螺纹：即蜗杆蜗轮螺纹，其牙形角为40，它具有传动比大、结构紧凑、传动平稳、自锁性能好等特点，主要用于减速装置,62,深层分析

22、,5.2 螺纹的加工,1、车螺纹：其特点是通过车床机构的调整，能方便地车出不同螺距、不同直径、不同线数和不同牙形的螺纹，适合于单件 小批量生产,63,深层分析,5.2 螺纹的加工,2、攻螺纹和套螺纹: 攻螺纹是用丝锥在工件的光孔内加工出内螺纹的方法，如下图左。 套螺纹是用板牙在工件光轴上加工出螺纹的方法，如下图右,64,深层分析,5.2 螺纹的加工,攻螺纹和套螺纹的特点是特别适宜于小尺寸的螺纹加工，对于特别小的螺纹，攻螺纹和套螺纹几乎是其它方法不能代替的。 攻螺纹和套螺纹的另一特点是操作十分灵活，特别适宜于成批大量箱体类零件上小螺纹的加工,65,深层分析,5.2 螺纹的加工,3、铣螺纹、磨螺纹

23、和滚压螺纹 （1）铣螺纹：是在专用的螺纹铣床上进行，也可在万能卧式铣床上进行。铣螺纹比车螺纹的加工精度略低、表面粗糙度略大，但铣螺纹的生产率高，适宜于大批大量螺纹生产的粗加工和半精加工。 （2）磨螺纹：是在专用的螺纹磨床上进行，主要是对需要热处理（硬度较高和精度要求高）的螺纹进行精加工，一般需要磨削的螺纹是经过车螺纹或铣螺纹等半精加工后才进行的,66,深层分析,5.2 螺纹的加工,3）滚压螺纹：是使坯料在滚压工具的压力下产生塑性变形，强制压制出相应的螺纹，滚压方式主要有两种： A. 搓螺纹：是在搓丝机上进行，利用搓丝机压出来的螺纹精度高，可达5级，表面粗糙度为Ra 1.60.8 ，目前市场上购

24、买的螺钉、螺栓等螺纹零件大都是由搓丝机生产出来的。 B. 滚螺纹：是在专用的滚压螺纹机上进行的，被滚压出来的螺纹精度可达3级，表面粗糙度为Ra 0.8 0.2，其优点是大大提高了螺纹的抗拉强度、抗剪强度和疲劳强度，且生产率很高，缺点是需要贵重的专用设备，对坯料精度要求较高，而且只能滚压外螺纹,67,深层分析,6.典型零件的工艺过程,我们对轴类、盘类以及箱体类零件进行工艺过程分析,68,深层分析,6.1 轴类零件,轴类零件按其结构特点可分为光轴、阶梯轴、空心轴、曲轴等，其主要表面为外圆面、轴肩和端面，某些轴类零件还有内圆面、键槽、退刀槽、螺纹等其它表面。外圆面主要用于安装轴承和轮系（带轮、齿轮、

25、链轮等），轴肩的作用是使上述零件在轴上轴向定位。轴类零件通过轴上安装的零件起支承、传递运动和扭矩的作用,69,深层分析,6.1 轴类零件,70,深层分析,6.1 轴类零件,1）技术要求 本零件的轴颈24和16分别装在箱体的两个孔中，轴通过螺纹M10和孔10紧固在箱体上，轴上20h6处是用来安装滚动轴承的，轴承上装有齿轮，轴中间对称地加工出相距22的两个平行平面，是为了卡扳手而设计的。 2）工艺分析 毛坯选择：由于轴受力不大，主要是支承齿轮，所以可直接选用不经锻造的45钢,71,深层分析,6.1 轴类零件,定位基准的选择 A. 以圆钢外圆面为粗基准，粗车端面并钻中心孔； B. 为保证外圆面的位置精度，以轴两端的中心孔为定位精基准，这样满足了基准重合和基准统一的原则； C. 调质处理后，以外圆面定位，精车两端面并修整中心孔； D. 以修整的两中心孔作为半精车和磨削的定位精基准，满足了互为基准的原则。 制订机械加工工艺过程,72,深层分析,单件小批量生产机床某轴的工艺过程,73,深层分析,74,深层分析,75,深层分析,76,深层分析,第五章 零件的结构工艺性,返回索引,77,