机械行业及制造管理技术知识分析基础

1、Fundamentals of Manufacturing Technology机械制造技术基础第一章 绪 论第一节 机械制造工业在发展我国国民 经济中的地位与作用（略）第二节 机械制造厂的生产过程 和工艺过程制造是人类按照所需目的，运用主观掌握的知识和技能，借助于手工或可以利用的客观物质工具，采用有效的方法，将原材料转化为最终物质产品，并投放市场的全过程。一、生产过程和工艺过程1生产过程将自然界的物质作成对人们有用的机械装备，需要经历一系列的过程。机械制造厂一般都从其他工厂取得制造机械装备所需要的原材料或半成品，从原材料（或半成品）进厂一直到把成品制造出来的各有关劳动过程的总和统称为工厂的生

2、产过程（即将原材料或半成品转变为产品的全过程）。附图 载货汽车主要生产过程方框图原材料的运输保管毛坯的制造及热处理零件的加工制造机器部件的装配产品的装配产品的检验和调试工厂的生产过程又可按车间分为若干车间的生产过程。2工艺过程工艺是指劳动者利用生产工具对各种原材料、半成品进行加工或处理（如切削加工、热处理、装配等），最后使之成为产品的方法。它是人类在劳动中积累起来并经过总结的操作技术经验。在生产过程中凡属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，统称为工艺过程；其它过程则称为辅助过程，例如统计报表、动力供应、运输、保管、工具的制造修理等。工艺过程又可分为铸造、锻造、冲压

3、、焊接、机械加工、热处理、装配等工艺过程。本门课程只研究机械加工工艺过程和装配工艺过程。将铸、锻件毛坯或钢材经机械加工方法（如切削加工、磨削加工、特种加工等），改变它们的形状、尺寸、表面质量以及力学物理性能，使其成为合格零件的全部劳动过程，称为机械加工工艺过程。一个有规定加工要求的零件，可以采用几种不同的工艺过程来加工，但其中总有一种工艺过程在给定的条件下是最合理的，人们把该工艺过程的有关内容用文件的形式固定下来，用以指导生产，这个文件称为工艺规程。工艺规程是规定产品或零部件制造工艺过程和操作方法等的工艺文件。二、工艺过程的组成机械加工工艺过程，是由若干道按一定顺序排列的工序组成的。下面以机械

4、加工工艺过程为例，说明工艺过程的组成。在机械加工过程中，毛坯顺序通过一系列工序的机械加工，逐渐变成所需要的机械零件。1工序一个工人或一组工人，在一个工作地对同一工件或同时对几个工件所连续完成的那一部分工艺过程，称为工序。工序划分的最主要依据是：工作地是否改变，对一个工件不同表面的加工是否连续（顺序或平行）完成。附图 铣削变速器第一轴两端面简图a）同时铣削大、小头两端面附图 铣削变速器第一轴两端面简图b）在两道工序中分别铣削大、小头两端面附图 铣削变速器第一轴两端面简图c）在一道工序中连续（顺序）铣削大、小头两端面图1-1 零件图工序号工序名称工作地1车外圆、端面并加工孔转塔车床2粗磨外圆及端面

5、外圆磨床3热处理高频淬火机4精磨外圆及端面外圆磨床5钳修钳工台表1-1 工艺过程工序是组成工艺过程的基本组成部分，是制订生产计划和进行成本核算的基本单元。在一道工序中，它又分为安装、工位和工步等内容。2安装工件经一次装夹后所完成的那一部分工艺过程称为安装。3工位在工件的一次安装中，工件相对于机床（或刀具）每占据一个确切位置所完成的那一部分工艺过程称为工位。在同一工序中，有时为了减少由于多次装夹而带来的误差及时间损失，往往采用转位工作台或转位夹具。图1-2 多工位加工4工步在加工表面、切削刀具和切削用量（仅指机床主轴转速和进给量）都不变的情况下所完成的那一部分工艺过程称为工步。上述三个要素中只要

6、有一个要素改变了，就不能认为是同一个工步。例如一个工序（或一次安装或一个工位）中需要加工若干个表面；或只加工一个表面，但却要用几把不同的刀具轮流加工；或只用一把刀具但却要在加工表面上切多次，而每次切削所选用的切削用量不全相同。附图 车削变速器第一轴阶梯外圆示意图a）在五个工步分别车削五段不同直径的外圆表面附图 车削变速器第一轴阶梯外圆示意图b）在一个复合工步车削多个外圆及端面为了提高生产效率，机械加工中有时用几把刀具 同时加工几个表面，这也被看作是一个工步，称为复合工步。5走刀在一个工步中，如果要切掉的金属层很厚，可分几次切削，每切削一次，就称为一次走刀；图1-3 所示为两次走刀。走刀是构成工

7、艺过程的最小单元。图1-3 走刀示例第三节 生产类型及其工艺特征根据被加工零件的年生产纲领和零件本身的特性（轻重、大小、结构复杂程度、精密程度等），可将零件的生产类型划分为单件生产、成批生产和大量生产三种生产类型。各种生产类型可按产品的生产纲领来划分。产品的生产纲领是指企业在计划期内应当生产的产品产量。单件生产是指产品的种类很多，但同一种产品的数量不多，生产很少重复。大量生产是指产品的品种较少，但数量很大，每台设备经常重复地进行某一工件的某一工序的生产。成批生产是指成批地制造相同零件的生产。每批制造的相同零件的数量，称为批量。批量可根据零件的年产量及一年中的生产批数计算确定，一年中的生产批数，

8、需根据零件的特征、流动资金的周转速度、仓库容量等具体情况确定。按照批量多少和被加工零件自身的特性，成批生产又可进一步划分为小批生产、中批生产和大批生产；小批生产接近单件生产，大批生产接近大量生产；中批生产介于单件生产和大量生产之间。 若生产类型不同，则无论是在生产组织和管理，车间机床布置方式，还是在毛坯制造方法，机床及工艺装备的种类，加工和装配方法的选择，工人技术要求等方面均有所不同。一般将上述的这些特征统称为生产类型的工艺特征。 生 产 类 型同种零件的年生产纲领（件/年）重型零件中型零件轻型零件单 件 生 产520100成 批生 产小 批510020200100500中 批10030020

9、05005005000大 批30010005005000500050000大 量 生 产1000500050000表1-2 加工零件的生产类型表1-3 不同机械产品各种类型零件的质量范围机械产品类别加工零件的重量 / kg轻型零件中型零件重型零件电子工业机械443030机 床15155050重型机械10010020002000加工零件的年生产纲领 N 可按下式计算式中 Q 产品的年产量（台/年）； n 每台产品中该零件的数量（件/台）； a%备品率； b%废品率。由各种生产类型的工艺特征表1-4可知，不同的生产类型具有不同的工艺特征。在制订零件机械加工工艺规程时，必须首先确定生产类型，生产类型

10、确定之后，工艺过程的总体轮廓就逐渐清晰了。工艺规程的详细程度与生产类型有关。在同一个工厂中，可能同时存在几种不同生产类型的生产。表1-4 各种生产类型的工艺特征名称大量生产成批生产单件生产生产对象品种较少，数量很大品种较多，数量较多品种很多，数量少零件互换性 具有广泛的互换性，某些高精度配合件用分组选择法装配，不允许用钳工修配 大部分零件具有互换性，同时还保留某些钳工修配工作 广泛采用钳工修配毛坯制造广泛采用金属模机器造型、模锻等毛坯精度高，加工余量小部分采用金属模造型、模锻等，部分采用木模手工造型、自由锻造毛坯精度中等广泛采用木模手工造型、自由锻造毛坯精度低，加工余量大机床设备及其布置采用高

11、效专用机床，组合机床、可换主轴箱(刀架)机床、可重组机床采用流水线或自动线进行生产部分采用通用机床，部分采用数控机床、加工中心、柔性制造单元、柔性制造系统机床按零件类别分工段排列 广泛采用通用机床、重要零件采用数控机床或加工中心，机床按机群布置获得规定加工精度的方法在调整好的机床上加工 一般是在调整好的机床上加工，有时也用试切法试切法装夹方法 高效专用夹具装夹 夹具装夹通用夹具装夹，找正装夹工艺装备 广泛采用高效率夹具、量具或自动检测装置，高效复合刀具 广泛采用夹具，广泛采用通用刀具、万能量具，部分采用专用刀具、专用量具 广泛采用通用夹具、量具和刀具对工人要求 调整工技术水平要求高，操作工技术

12、水平要求不高 对工人技术水平要求较高 对工人技术水平要求高工艺文件 工艺过程卡片，工序卡片，检验卡片 一般有工艺过程卡片，重要工序有工序卡片 只有工艺过程卡片一般说来，生产同样一个产品，大量生产要比成批生产、单件生产的生产效率高，成本便宜，性能稳定，质量可靠。对于中小批生产，如果产品结构的标准化、系列化程度较高，或推行成组技术，组织成组加工，即可在各类产品的生产数量不大的条件下组织区域性专业化的大批量生产，也会取得很高的经济效益。第四节 基 准机械零件是由若干几何要素（点、线、面）组成的，各几何要素之间都有一定的尺寸和位置公差要求。用来确定生产对象几何要素间几何关系所依据的那些点、线、面，称为

13、基准。基准可分为设计基准和工艺基准两大类。一设计基准设计图样上采用的基准称为设计基准。如图 1-4所示，设计基准就是设计图纸上标注设计尺寸所依据的点、线、面。图1-4 设计基准示例由图 1- 4知，设计基准即可以是实际存在的，也可以是假想的，有时还是互为的。设计图样上标注的尺寸均称为设计尺寸。需要注意的是基准不仅涉及尺寸间的关系，还涉及表面间的相互位置关系（如平行度、垂直度、对称度等）。二工艺基准工艺过程中采用的基准称为工艺基准。按其用途不同，又可分为工序基准、定位基准、测量基准和装配基准。1工序基准在工序图上用来确定本工序加工表面尺寸、形状和位置所依据的基准，称为工序基准。而工序图则是在工序

14、卡上用以表示工件加工表面加工要求及工件装夹情况的简图。如图 1-5 所示，联系加工表面与工序基准间的加工尺寸，是本道工序应直接得到（保证）的尺寸，称为工序尺寸。工序尺寸具有方向性，即由工序基准指向加工表面。图1-5 工序简图同理，工序基准即可以是实际存在的，也可以是假想的点、线、面。为减少基准转换误差，应尽量使工序基准和设计基准重合。2定位基准在加工中用作定位（确定工件在机床上或机床夹具中占有正确位置）的基准，称为定位基准。有时，作为定位基准的点、线、面，在工件上不一定都具体存在（如孔、轴的中心线，平面的对称中心面等），而常常是由某些具体的表面来体现的，这些体现假想定位基准的表面称为定位基面。

15、定位基准（基面）有粗基准和精基准之分。 一般情况下，定位基准应与工序基准和设计基准重合，否则将产生基准不重合误差。3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，称为测量基准。测量基准可以是实际存在的，也可以是假想的。实际存在的测量基准亦称为测量基面。附图 测量基准与测量基面图1-5 工序简图4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，称为装配基准。装配基准可以是实际存在的，也可以是假想的。实际存在的装配基准亦称为装配基面。附图 汽车倒档齿轮的装配基准上述各种基准应尽可能使之重合。基准重合是工程设计中应遵循的一个基本原则。在产品设计时，应尽量选用装配基准作为

16、零件图样上的设计基准；在零件加工时，应尽量选用设计基准作为工序基准；在工件定位及进行测量时，应尽量选用工序基准作为定位基准及测量基准。第五节 工件的装夹与定位一、工件的装夹在机床上加工工件时，为使工件在该工序中所加工的表面能达到规定的尺寸与形位公差要求，必须首先将工件放在机床上或夹具中，使它相对于机床占有某一正确的位置，此过程称为定位。为使工件在加工过程中保持其正确位置不变，还必须把它压紧，此过程称为夹紧。工件的装夹过程就是定位过程和夹紧过程的综合。定位的任务是使工件相对于机床占有某一正确的位置，夹紧的任务则是保持工件的定位位置不变。定位过程与夹紧过程都可能使工件偏离所要求的正确位置而产生定位

17、误差与夹紧误差。定位误差与夹紧误差之和称为装夹误差。工件的装夹有找正装夹和夹具装夹两种方式。找正装夹又可分为直接找正装夹、划线找正装夹两种方法。1. 直接找正装夹直接找正装夹是以工件的实际表面作为定位的依据，用找正工具（如划针和百分表）找正工件的正确位置以实现定位，然后将工件夹紧的方法。附图 直接找正装夹直接找正装夹方法生产率低，对操作工人技术水平要求高，一般只适用于单件小批生产或装夹精度要求特别高的场合。其找正的精度取决于找正工具的精密程度以及工人的技术水平。2. 划线找正装夹划线找正装夹是以划线工人在工件上划出的待加工表面所在位置的线痕作为定位依据，定位时用划针找正其位置，然后将工件夹紧的

18、装夹方法。附图 拨叉的划线找正装夹该装夹方法生产率低，定位精度也低，而且对工人的技术水平要求较高，一般只适用于单件小批生产中加工那些形状复杂而笨重的铸件或锻件，或零件难以采用直接找正装夹或使用夹具装夹的场合。由上述可知，找正装夹法对于产量不大、加工质量要求不高的场合，仍不失为一种简单、实用、经济的装夹方法。3. 夹具装夹采用夹具装夹方法时所使用的夹具应为专用机床夹具。专用机床夹具是为某种零件在某一道工序上的装夹而专门设计和制造的机床夹具。该夹具可事先按要求安装在机床上，工件无需找正即可直接装夹在夹具中。图1-7 夹具装夹示例使用夹具装夹工件，不仅可以保证装夹精度，而且可以显著提高装夹效率，还可

19、减轻工人的劳动强度，对工人技术水平要求也不高。但专用机床夹具的设计与制造的周期较长，费用较高。因此，该方法主要适用于产品相对稳定而产量较大的成批生产和大量生产类型。二、工件的定位一个自由刚体，在空间直角坐标系中有六个自由度，即沿三个坐标轴方向的移动自由度（分别用符号 、 、 表示）和绕三个坐标轴方向的转动自由度（分别用 、 、 表示）。要使工件在某个方向有确定位置，就必须限制工件在该方向的自由度。如果完全限制了工件的六个自由度，则工件在空间的位置就完全确定了。XYZ附图 工件在空间的六点定位综上分析所知，欲使工件在空间处于完全确定的位置，必须选用与加工件相适应的六个支承点来限制工件的六个自由度

20、，这就是工件定位的六点定位原理。（注意：六点定位原理中“点”的含义是限制自由度，不要机械地理解成接触点。）工件的定位应使工件在空间相对于机床占有某一正确的位置，即为保证工件的加工要求，工件必须正确定位。图1-8 定位分析示例工件相对于机床占有某一正确的位置，其实质是使工件的工序基准相对于机床和刀具间保持一正确位置。工件的正确定位，就是工序基准的正确定位。工序基准的正确定位，可以转化为在空间直角坐标系中用限制工件工序基准的自由度来分析和保证。工件正确定位，完全由其加工要求和工序基准的形式决定。下面结合实例，根据加工要求分析应限制工件的自由度。例1 在右图所示的一圆球上铣平面 B，保证工序尺寸 H

21、。试分析为保证加工要求应限制工件的自由度。例2 在下图所示的一圆柱体上铣平面，保证工序尺寸H。试分析为保证加工要求应限制的自由度。例3 在右图所示的圆柱体工件上扩孔，要保证扩孔尺寸及内孔对外圆的同轴度公差的加工要求。试分析工件正确定位应限制的自由度。从以上几个实例的分析过程可知，在根据工序的加工要求，分析工件定位时应限制的自由度数，其大致的解题步骤如下：a. 根据工序简图列出本工序中的加工要求；b. 根据工序尺寸确定各工序基准；c. 逐个分析应限制工序基准的哪些自由度； d. 将应限制工件的自由度数目按顺序归纳整理。例4 如图所示的圆柱体上铣一通槽，要保证：槽宽尺寸b；槽深尺寸H；槽对圆柱体轴

22、线的 对称度公差 t 。试分析工件正确定位 应限制的自由度。综上分析可知，限制工件自由度时并不一定要将六个自由度全部限制住，只是对加工要求有影响的自由度应必须加以限制。由刀具直接保证的加工要求和不影响加工要求的自由度，都可不必限制。在实际中工件被限制的自由度数一般不得少于三个。 在具体的夹具中，限制工件自由度的支承点是由对工件起定位作用的定位元件来体现的。工件在定位时，其自由度是通过工件的定位基准（面）与定位元件工作表面接触或配合而被限制的。不同的定位基准（面）与不同的定位元件接触与配合，所能限制的自由度是不同的。一个定位元件可以体现（转化）一个或几个支承点的作用，即相当于一个或几个支承点。某

23、一定位元件相当支承点的数目，由该定位元件限制工件的自由度数来判断。必须注意的是，分析工件定位所限制的自由度数时，必须把定位与夹紧区别开来。第二节 工件在夹具中的定位工件的定位基面有各种形式，不同形状的定位基面应选择与之相适应的定位元件。由于夹具定位元件是确定工件位置的元件，且经常与工件定位基面接触，定位元件的设计制造应满足以下基本要求。（1）精度高 定位元件的精度直接影响工件的加工精度，定位元件应具有较高的精度。定位元件工作表面的尺寸公差和形位公差一般应是工件定位基面相应公差的1/5 1/2。（2）耐磨性好 定位元件与定位基面直接接触，为能较长期地保持其精度，定位元件必须具有良好的耐磨性。定位

24、元件工作表面的硬度一般要求为55 68HRC。（3）足够的刚性 为减少因切削力和夹紧力作用产生的变形，定位元件必须具有足够的刚性。（4）良好的工艺性 定位元件应便于制造、装配与维修。本节只介绍一些最常用的基本定位元件，实际生产中使用的定位元件都是这些基本定位元件的组合。一、工件以平面定位常用定位元件1支承钉图6-1 常用支承钉的结构形式平头支承钉球头支承钉网纹顶面支承钉图6-1 常用支承钉的结构形式一个支承钉限制一个自由度；在一个平面内，两个支承钉限制两个自由度；不在同一条直线上的三个支承钉限制三个自由度。2. 支承板图6-2 常用支承板的结构形式平面型支承板带斜槽形支承板当支承的定位基准平面

25、较大时，常用几个支承板组成一个较大的支承平面，限制三个自由度；一个支承板相当于两个支承点，限制两个自由度。3. 可调支承可调支承多用于支承工件的粗基准面，其支承的高度可根据需要进行调节。图6-3 常用可调支承的结构形式 可调支承的定位作用与支承钉相同4. 自位支承图6-4 自位支承的结构形式由于自位支承是摆动的或浮动的结构，所以无论该支承是以两点或三点与工件定位基准（面）接触，其实质只能起到一个定位支承点的作用，即只能限制工件的一个自由度。自位支承的主要作用是通过增加与工件表面支承点的数目，以减小工件的变形或减小接触应力。5. 辅助支承辅助支承不是定位元件，只是用以增加工件在加工中的支承刚性作

26、用，不能限制工件的自由度。附图 辅助支承的应用示例辅助支承图6-5 辅助支承螺旋式辅助支承自位式辅助支承图6-5列出了辅助支承的几种结构形式。图6-5 辅助支承螺旋式辅助支承推引式辅助支承二、工件以孔定位常用定位元件 1. 定位销图6-6 固定式定位销的结构形式D=1018mmD18mm组合定位销短锥销图6-6 固定式定位销的结构形式圆柱定位销分为长圆柱销和短圆柱销。长圆柱销限制四个自由度，短圆柱销限制两个自由度，短锥销限制三个自由度。2. 心轴图6-7 定位心轴过盈配合心轴间隙配合心轴小锥度心轴图6-7 定位心轴1）过盈配合心轴限制四个自由度。2）间隙配合心轴（有轴肩）可限制五个自由度，（无

27、轴肩）可限制四个自由度。3）小锥度心轴限制五个自由度。三、 工件以外圆定位常用定位元件1. V形块图6-8 V形块（局部）短V型块两短V型块组合分体结构V型块粗基准用V型块图6-8 V形块（局部）一个短V形块限制两个自由度；两个短V形块的组合或一个长V形块均可限制四个自由度。 图6-8 V形块（局部）用V形块定位，工件的定位基准始终处于V形块两工作表面的对称中心平面内，对中性能好。 浮动V型块浮动V型块 浮动V型块只限制一个自由度。 2. 定位套图6-9 定位套短定位套孔限制两个自由度；长定位套孔限制四个自由度；定位套锥孔限制三个自由度。短定位套长定位套定位锥套3. 半圆孔图6-10 半圆孔定

28、位装置短半圆孔限制两个自由度；长半圆孔限制四个自由度。四、工件以组合表面定位常用定位元件在实际生产中，为满足加工要求，一般都采用工件上的几个定位基准（基面）相组合的方式进行定位，即组合定位。工件上常用的组合定位形式有：两顶尖孔、一端面一孔、一端面一外圆、一面两孔等。与之相对应的定位元件也是组合式的。下面通过几个实例，介绍定位元件组合定位时的自由度分析。附图1 轴在前、后顶尖上的定位1固定顶尖 2活动顶尖例1 如图所示为用前、后顶尖支承一长轴。前顶尖为固定顶尖，后顶尖为移动式顶尖。试分析定位元件所限制的自由度。在分析几个定位元件组合定位限制工件的自由度时，应分清主要和次要定位元件。所谓主要定位元

29、件是指限制工件自由度数目多的定位元件，应先对其进行分析；而次要定位元件是指限制工件自由度数相对少的。应分析完主要定位元件之后再分析次要定位元件。这样做可以达到事半功倍的效果。例2 如图所示为单缸曲轴定位在组合的定位元件上。试分析定位元件所限制的自由度。附图2 曲轴在定位元件上的定位1、2固定式短V形块 3浮动短V形块 4支承钉例3 如左图所示为杠杆零件定位在组合定位元件上。试分析定位元件所限制的自由度。附图3 杠杆零件在组合定位元件上的定位1固定式短V形块 2支承环 3移动式短V形块 4螺杆工件加工所需限制的所有自由度必须全部限制，否则就会产生欠定位现象。欠定位是指定位元件所限制的自由度数少于工件按加工要求应限制的自由度数。其后果是无法保证工序所规定的加工要求。因