机械制造技术基础(第二章)

机械制造技术基础

(第二章机械制造中的加工方法)主讲:肖新华天津工业大学机械工程学院2.1概述

机械零件的结构形状千变万化。零件结构形式的不同，使之有很多的加工方法，根据加工过程中零件质量的变化情况，零件的制造过程可分为Δm<0，Δm=0和Δm>0三种形式，不同的类型有不同的工艺方法。

一.Δm<0的制造过程

质量减少的加工过程,即零件的切削加工,零件的主要加工形式,是本书的研究重点。2.1概述

切削加工是通过刀具与工件之间的相对运动，逐渐切除材料而得到所需要的零件表面形状的方法。为了保证工件与刀具之间的相互位置关系，工件往往通过夹具安装在机床上，机床主轴带动刀具或工件运动。在切削加工过程中，由于力、热、振动、磨损等因素会综合影响零件最终的加工精度和表面质量。

二.Δm＝0的制造过程

在制造过程中，如果工件加工前后质量基本不变

。比如铸造、锻造、焊接、冲压等。加工特点是生产效率高，但是精度较低，多用于制造毛坯。据统计，机电产品40%~50%的零件是由模具成形的。模具可分为注射模、压铸模、锻模、冲裁模、拉伸模、吹塑膜等。模具设计制造是一个技术密集型的产业，涉及CAD、CAE、CAM等一系列技术。

三.Δm>0的制造过程

可以成形任意复杂形状的零件，而无须刀具、夹具等生产准备活动。这类加工方法包括电镀、化学镀、喷涂等沉积加工以及快速原型制造等。 快速原形（RapidPrototyping：RP，3D打印）技术是在零件三维CAD模型建立之后，可立即输入快速成形系统，然后自动生成数控代码控制成形机进行零件的制造。快速制造出来的原型可作为设计评估、投标或展示的样件，有些甚至可以用于样机试验。2.2零件的成形方法一、零件表面的形状内孔外圆平面锥面渐开线表面螺纹表面二、零件表面成形原理

零件表面可看成母线沿着导线运动形成的轨迹。母线A和导线B统称为形成表面的发生线。根据母线和导线的运动关系，常见零件表面可分成3类

1.旋转表面2.纵向表面3.特形表面

三、零件表面成形方法1.轨迹法2.成形法3.相切法4.展成法

四、零件表面的成形运动1.主运动(只有一个)2.进给运动3.辅助运动分度运动切入运动外圆表面的技术要求一般为：（1）外圆面直径和长度的尺寸精度。（2）圆度、圆柱度和轴线的直线度等形状精度。（3）与其他外圆面（或孔）之间的同轴度，与相关平面的垂直度和径向圆跳动等。（4）表面粗糙度、表面层硬度等热处理要求等。

2.3外圆表面加工1.车削2.磨削3.光整加工

2.3外圆表面加工2.3外圆表面加工车削加工钳工和机械加工

车削加工范围车削的四个阶段：IT10～IT9

Ra6.3～3.2m

IT7～IT6

Ra0.8～0.2m

七.磨削特点:主运动是砂轮的旋转运动；磨削过程:实际上是磨粒对工件表面的切削、刻削和滑擦三种作用的综合效应；砂轮的“自锐性”：磨削中，磨粒本身也会由尖锐逐渐磨钝，使切削能力变差，切削力变大，当切削力超过粘结剂强度时，磨钝的磨粒会脱落，露出一层新的磨粒，这就是砂轮的“自锐性”。砂轮的修整由于砂轮的“自锐性”以及切屑和碎磨粒会阻塞砂轮，在磨削一定时间后，需用金刚石车刀等对砂轮进行修整七.磨削

磨床是精加工机床,磨削精度可达IT6—IT4,表面粗糙度Ra可达1.25—0.01μm,甚至可达0.1—0.008μm.往往作为最终加工工序.磨削的另一特点是可以对淬硬的金属材料进行加工。磨削时,产生热量大,需有充分的切削液进行冷却。1.中心磨削(1)纵磨(2)横磨(3)复合磨2.无心磨削(纵磨、横磨、复合磨)外圆表面的磨削纵磨特点：工件或砂轮需作轴向进给。磨削深度小、磨削接触面积小，散热较好，容易得到较高的精度和表面质量，因而应用广泛。但由于走刀次数多，生产效率低，适用于单件小批生产中磨削较长的外圆表面。横磨横磨特点：砂轮宽度大于磨削宽度。工件不需作轴向进给，砂轮相对工件连续或断续地作径向进给。横磨法生产效率高，但加工精度低，表面粗糙度大。主要原因是磨削时工件与砂轮的接触面积大，磨削力大，发热较多，容易产生磨削烧伤和变形。适用于大批大量生产中磨削刚性较好的工件外圆。

复合磨

对于刚性较好的长轴外圆表面，可以先用横磨法分段粗磨外圆表面的全长，相邻各段留5~15mm重合区域，最后用纵磨法进行精磨，此法即为复合磨法。复合磨法兼有横磨法的高生产效率和纵磨法加工质量较好的优点。无心磨削加工视频无心磨削特点 1）生产效率较高，省去了打中心孔的工序。同时，由于有导轮和托板全长支撑工件，即使刚度较差的工件也可以用较大的磨削深度进行磨削。

2）无心磨削所获得的外圆表面的尺寸精度和形状精度较高，表面质量也比较好。这是因为没有中心孔之间误差的影响，主轴跳动的影响。

3）配以适当的自动装卸工件机构，容易实现加工过程的自动化。

4）工件的外圆表面与其它表面的位置精度较低。

5）调整比较费时，批量小时不宜采用。外圆表面的光整加工

光整加工是从工件表面不切除或切除极薄金属层，以提高工件表面的尺寸和形状精度、减小表面粗糙度和提高表面性能为目的的加工方法。加工精度能达到IT6以上，表面粗糙度能达到小于0.2μm。外圆表面的光整加工方法有高精度磨削、超精加工、研磨、珩磨及抛光等。(1)高精度磨削

高精度磨削是在普通磨削方法的基础上：提高砂轮磨粒的等高性选择合适的砂轮(材料、粒度、硬度)选择合适的磨削用量(磨削速度、进给量、磨削深度)性能良好的切削液精度和刚度较高的磨床(2)超精加工

强烈切削阶段、正常切削阶段、微弱切削阶段、停止切削阶段超精加工视频(3)研磨

研磨是由游离的磨粒通过研具对工件进行微量切削的过程，其精度可达到亚微米级

研磨视频1研磨视频2研磨剂孔加工比外圆加工困难得多，主要是因为：

1）加工孔的刀具尺寸受被加工孔尺寸的限制，刚性差，容易产生弯曲变形和振动；

2）被加工孔的尺寸往往直接取决于刀具的尺寸，刀具的制造误差和磨损将直接影响孔的加工精度

3）加工孔时，切削区在工件内部，排屑及散热条件差，加工精度和表面质量都不易控制。 孔的技术要求与外圆的技术要求相似，只不过孔的加工精度不易保证，加工成本较高。 常用的孔加工方法有：钻孔、扩孔和铰孔，镗孔，拉孔，磨孔，研磨孔，珩磨孔

2.4孔加工2.4.1钻孔、扩孔和铰孔

钻削运动构成:钻头的旋转运动为主切削运动，加工精度较低。可分成钻头旋转、工件不动和工件旋转、刀具不动钻孔钻孔在夹具上进行钻孔（连杆钻孔）钻孔在夹具上进行钻孔（支架钻孔）在夹具上进行钻孔（套筒钻孔）二、扩孔

当使用特形状的扩孔钻（亦称锪钻），锪钻有三种形式：外锥面锪钻、内锥面锪钻和平面锪钻。

三、铰孔

铰孔是孔的精加工方法之一，适用于直径较小的孔的精加工，在实际生产中应用广泛。铰削过程不完全是一个切削过程，而是切削、刮削、挤压、烫平和摩擦等综合作用的结构。 铰削的工艺特点是精度高。由于加工余量小、齿数多，又有较长的修光刃，铰孔精度可到IT6~IT8，表面粗糙度可到Ra3.2~0.2μm。采用浮动铰孔时，不能提高孔的位置精度，只能提高尺寸精度和形状精度。 铰孔的效率较高，费用较低，因此在铰孔的精加工中应用广泛。2.4.2镗孔

镗孔是用镗刀对已钻出孔或毛坯孔作进一步加工的方法，可分为粗镗、半精镗、精镗和精细镗（金刚镗）。

镗孔视频镗孔方式镗孔方式镗孔方式2.4.3拉孔

拉孔是在拉床上用拉刀对孔进行精加工的一种方法。拉刀是一种多齿刀具，沿着拉刀运动方向刀齿高度逐渐增加，从而一层层地从工件上切下余量，并获得较高的尺寸精度和较好的表面质量。

2.4.3拉孔加工范围

2.4.4磨孔

磨孔是精加工孔的一种方法，精度可达IT7，表面粗糙度Ra可达1.6~0.4μm。孔的磨削有两种方式，一种是工件和砂轮均回转；另一种是工件不回转，砂轮作行星式运动。前者用于加工一般孔，后者用于大型工件孔的加工。

研磨孔是孔的一种光整加工方法，精度可达IT7～IT6，表面粗糙度Ra0.4～0.025m，形状精度也有相应的提高，但不能提高位置精度。 内孔研磨分手工研磨和在车床上手工研磨。研磨过程中不断调整研磨棒直径，以使工件得到相应的尺寸和精度。 研磨孔与研磨外圆的机理相同，只是在研具结构上有所不同，见表2-3。

2.4.5研磨孔不开槽式：不可调研棒，是实心整体圆柱体。刚性好、研磨精度高。用于精研内圆柱面

整体式：不开槽，开槽开槽式：不可调研棒，是在实心圆柱体外圆表面上开直槽或螺旋槽或交叉槽，螺旋槽研棒研磨效率高，但研磨表面粗糙度和圆度较差；交叉螺旋槽或十字交叉槽研棒加工质量好、水平研磨开直槽较好；垂直研磨开螺旋槽较好。用于粗研内圆柱面。可调式：心棒锥度与研磨套的配合锥度为1:20～1:50。锥套外径比工件小0.01～0.02mm，大端壁厚为被研磨孔径的0.125～0.8倍，研具长度为开槽式研磨用于粗研被研表面长度的0.7～1.5倍，其结构有开槽或不开槽两种。；不开槽式研磨用于精研可调式：可调式，简易可调式简易可调式：中间沿轴向开有一条宽度为B的槽，用几个平头螺钉调节研磨棒的直径。结构简单，容易制造，但调整不便，可靠性差，精度差。用于研磨精度不高的内圆柱面盲孔式：利用螺纹，通过锥度使外径胀大，研棒的工作部分长度必须大于被研磨孔的长度20～30mm。锥度为1:50～1:20研磨盲孔由于磨料不易均布，可在外径开螺旋槽，或在轴向做反锥。用于研盲孔的内圆柱面。弹性式：由300～320HBS的弹簧丝制成，可研孔径d为1～4mm的小孔。用于研一般精度的小孔或母线为曲线的小孔。研磨孔视频

珩磨孔是利用安装于珩磨头圆周上的油石，采用特定结构推动油石径向扩张，直至与工件接触，并保持一定的压力，以较低的切削速度对孔进行精加工。加工过程中，油石不断作径向进给运动，珩磨头作旋转和沿孔轴心方向的直线运动，从而实现对孔的低速切削，显著提高孔的尺寸精度和形状精度，降低表面粗糙度值。采用珩磨加工孔时，加工精度可达IT7～IT6，孔的圆度和圆柱度误差可控制在5～3m，表面粗糙度Ra为0.025～0.2m，加工质量好，切削效率高。

珩磨视频2.4.6珩磨孔

图2-22所示为圆柱孔珩磨头的结构，磨条4装入磨条座5中，砂条座6两端用弹簧箍在磨条座5中，旋转螺母1可推动调整锥向下运动，通过顶销7使珩磨头直径扩张。本体通过浮动联轴节与机床主轴相连，因此珩磨精度主要取决于珩磨头的精度。这种珩磨头结构简单，但只能手工调节珩磨头直径，适用于单件小批量生产中，在大批量生产中常用液压或气动装置自动调整珩磨头直径。2.4.6珩磨研磨与珩磨区别研磨：

利用涂敷或压嵌在研具上的磨料颗粒，通过研具与工件在一定压力下的相对运动对加工表面进行的精整加工（如切削加工）。研磨可用于加工各种金属和非金属材料，加工的表面形状有平面，内、外圆柱面和圆锥面，凸、凹球面，螺纹，齿面及其他型面。加工精度可达IT5，表面粗糙度可达Ra0.63～0.01微米。

珩磨：

用镶嵌在珩磨头上的油石（又称珩磨条）对精加工表面进行的精整加工。又称镗磨。主要加工直径5～500毫米甚至更大的各种圆柱孔，孔深与孔径之比可达10或更大。在一定条件下，也可加工平面、外圆面、球面、齿面等。珩磨头外周镶有2～10根长度约为孔长1／3～3／4的油石，在珩孔时既旋转运动又往返运动，同时通过珩磨头中的弹簧或液压控制而均匀外涨，所以与孔表面的接触面积较大，加工效率较高。珩磨后孔的尺寸精度为IT7～4级，表面粗糙度可达Ra0.32～0.04微米。珩磨余量的大小，取决于孔径和工件材料，一般铸铁件为0.02～0.15毫米，钢件为0.01～0.05毫米。珩磨头的转速一般为100～200转／分，往返运动的速度一般为15～20米／分。为冲去切屑和磨粒，改善表面粗糙度和降低切削区温度，操作时常需用大量切削液，如煤油或内加少量锭子油，有时也用极压乳化液。

平面是箱体、支架、盘类零件的主要表面之一，平面加工的主要技术要求包括直线度、平面度、表面粗糙度、表面层物理力学性能以及与其他平面或孔的位置精度（平行度、垂直度）等。平面加工的常用方法有车、铣、刨、磨、拉、研磨、刮研及抛光等。2.5平面加工2.5.1铣平面

铣削加工的特点是,生产率较高.不连续切削,易形成冲击,切削过程容易产生振动,表面质量较差,也加剧了刀具的磨损和破损,但是散热条件较好.主切削运动是刀具的旋转.

按铣床主轴与工件表面间位置关系不同分为端铣和周铣；按主运动方向与进给运动方向的不同分顺铣和逆铣.2.5.1铣平面工件台进给丝杠与固定螺母之间一般有间隙存在，因此切削力容易引起工件和工作台一起向前窜动，使进给量突然增大，引起打刀。在铣削铸件或锻件等表面有硬度的工件时，顺铣刀齿首先接触工件硬皮，加剧了铣刀的磨损。顺铣(动画演示)周铣铣刀主运动方向在加工表面方向的分量与铣刀进给运动方向相同时逆铣(动画演示)切削厚度从零开始逐渐增大切削硬化的已加工表面上挤压滑行加速了刀具的磨损铣削力将工件上抬，易引起振动适于切削带硬皮的工件周铣铣刀主运动方向在加工表面方向的分量与铣刀进给运动方向相反时端铣①对称铣削。铣刀位于工件加工表面的对称线上，切入和切出的切削层厚度相同且最小。常用于铣削淬硬钢或机床导轨，工件表面粗糙度均匀，刀具耐用度较高。②不对称顺铣。铣刀以最小切削厚度切入工件，以最大切削厚度切出工件，减小了冲击力而使切削平稳，对提高刀具耐用度有利，适合于铣削碳钢、铸铁等。③不对称逆铣。铣刀以最大切削厚度切入工件，以最小切削厚度切出工件，虽然有一定冲击力，但金属粘刀量小，适合铣削冷硬性材料和不锈钢、耐热合金等。

铣削的加工精度一般可达IT8—IT7,表面粗糙度为6.3—1.6μm.数控铣床可以实现几轴联动,铣出复杂曲面来.立式铣床加工数控铣视频

2.5.2刨平面

运动构成:刀具的往复直线运动为切削主运动，生产率较低。刨削比铣削平稳,其加工精度一般可达IT8—IT7,表面粗糙度为Ra6.3—1.6μm,精刨平面度可达0.02/1000,表面粗糙度为0.8—0.4μm.

数控铣刨削视频存在空行程和冲击，生产效率较低。刨削加工精度一般可达IT8～IT7，表面粗糙度Ra6.3～1.6m。具有较高的直线度，特别适合加工狭长的平面（如机床导轨、箱体平面等）。2.5.2刨削2.5.3磨平面

平面磨削是平面的精加工方法之一，可以得到较高的加工精度和表面质量。磨削平面2.5.4刮研平面

刮研是利用刮刀在工件表面上刮去很薄一层金属的光整加工方法，一般是在精刨之后进行的。刮研可以得到很高的表面质量，表面粗糙度可达Ra1.6~0.4μm。平面直线度可达0.01mm/m，甚至可达0.005~0.0025mm/m。 刮研由于生产率低、劳动强度大，故常用于单件、小批生产和修理车间，加工未淬火的、要求高的固定连接面、导向面等。2.6成形表面加工

1)回转成形面由一条母线绕以固定轴线旋转而成。2)直线成形面由一条直母线沿一条曲线平移而形成的曲面.3)立体成形面零件各个剖面具有不同的轮廓形状。

2.6.1用成形刀具加工两种方法:成形法和展成法(又称范成法)；2.6.1用成形刀具加工齿轮加工在滚齿机上滚切斜齿圆柱齿轮时，由展成运动和差动运动组成齿轮加工插齿加工常见齿面加工：插齿、铣齿、滚齿齿轮加工铣齿加工滚齿加工2.6.2仿形加工

仿形加工是利用仿形装置，根据样板或样件的表面控制简单刀具做一定轨迹的运动，从而复制出相应的成形表面，亦即模仿样板或样件来进行加工。仿形装置有机械仿形、液压仿形、电气仿形等（表2-5）。

2.6.2仿形加工

机械仿形结构简单，但靠模压力大，样板容易磨损，仿形精度和效率低，一般只用于卧式车床改装，型面角较小的工件2.6.2仿形加工

液压仿形液压仿形装置的体积小、质量小、惯性小、运动平稳、工作可靠、应用较多

主要方法:仿形铣、数控铣、特种加工方法2.6.2仿形加工

仿形铣:必须有原型作为靠模，加工中球头仿形头始终以一定压力接触原型曲面。仿形头的运动变换为电感量，信号经过放大控制铣床运动，形成刀头沿曲面运动的轨迹。2.6.2仿形加工

数控铣:曲面是通过球头铣刀逐点按曲面坐标值加工而成。在编制数控程序时，要考虑刀具半径补偿。2.6.2仿形加工

1．能加工轮廓形状复杂或可用数学模型描述的零件，如壳体零件内腔中的成形面，螺旋桨及自由曲面等。2．能加工超精零件。例如在高精密的数控机床上，可加工出几何轮廓精度达0.1μm，表面粗糙度Ra0.02μm的零件。3．一次装夹定位后，可进行多道工序加工。在加工中心机床上可方便地实现对箱体类零件进行钻孔、扩孔、镗孔及攻螺纹、铣端面等多道工序的加工，从保证表面之间较高的位置精度。

2.7数控加工特点

数控加工1数控加工2数控换刀4．一台数控机床可同时加工两个或多个相同的零件，也可同时加工多工序的不同零件。5．数控机床加工的自动化程度很高，除刀具的进给运动外，对零件的装夹、刀具的更换、切屑的排除等项工作均能自动完成。同时，由于其加工过程多为封闭式，故能极大地减轻操作者的劳动强度和紧张程度。6．在数控机床上加工零件，一般可省去前期划线、中间检验等工作，通常还可省去复杂的工装，减少零件的安装、调整等工作，故能明显缩短加工的准备时间，提高生产率。

2.7数控加工特点

2.8特种加工特种加工方法区别于传统切削加工方法，而是利用化学、物理(电、声、光、热、磁)或电化学方法对工件材料进行去除的一系列加工方法的总称。应用范围:具有高硬度、高强度、高脆性或高熔点的各种难加工材料零件的加工，具有较低刚度或复杂曲面形状的特殊零件的加工等。主要技术:电火花加工、电解加工、激光加工、超声波加工。2.8.1特种加工概述特种加工技术与常规的机械加工方法主要区别体现在：①能量密度高，能加工常规切削方法难以加工的材料。②非机械接触加工，加工时间短、工件受力受热小、工件不易变形。③加工能量容易控制，可进行微细零件的精密加工。④无切屑或仅有粉末状切削，易于自动处理。⑤加工过程易于实现自动化。

2.8.2电火花加工原理：电火花加工是利用工具电极和工件电极间瞬时火花放电所产生的高温，熔蚀工件材料来获得工件成形的．分类：电火花成形加工机床；电火花线切割机床．电火花成形加工

工件1与工具电极4分别连接脉冲电源2的两输出端。自动进给调节装置3使工具和工件间经常保持很小的放电间隙，当脉冲电压加至两极时会击穿介质，局部产生放电火花，瞬时高温使工件熔蚀掉部分金属

电火花加工视频电火花线切割加工

电火花线切割加工视频电火花加工工艺特点

电火花加工时工具不与工件直接接触，没有切削力作用，对机床加工系统的刚度要求不高；可加工任何导电材料的工件，不受工件材料强度、硬度、脆性和韧性的影响，为耐热钢、淬火钢、硬质合金等难加工材料的加工提供了有效的加工手段。电火花加工中一组配好的电参数，如电压、电流、频率、脉宽等称为电规准。电规准通常分粗规准和精规准，以适应不同的加工要求。 电火花加工的应用范围很广，可加工各种型孔、曲线孔、微小孔及各种曲面型腔，还可用于切割、刻字和表面强化等

2.8.3电解加工原理：电解加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的电化学原理对工件进行成形加工的一种方法；电解加工视频主要特点：工作电压小,工作电流大；能以简单的进给运动一次加工出形状复杂的型面或型腔；可加工难加工材料；生产率较高,约为电火花加工的5～10倍；加工中无机械切削力或切削热，适于易变形或薄壁零件的加工；平均加工公差可达±0.1mm左右2.8.3电解加工附属设备多,占地面积大,造价高；电解液既腐蚀机床,又容易污染环境。应用范围：电解加工主要用于加工型孔、型腔、复杂型面、小直径深孔、膛线以及进行去毛刺、刻印等；2.8.3电解加工2.8.4激光加工原理:利用激光的能量密度高、方向性好、单色性好、相干性好的特点,通过光学系统聚焦成一个极小的光斑,从而获得极高的能量密度和极高的温度,使坚硬的材料瞬时急剧熔化和蒸发,并产生强烈的冲击波,使熔化的物质爆炸式地喷射去除;激光加工视频1激光加工视频2特点:⑴不需要加工工具;⑵几乎对任何难加工的金属和非金属材料都可以加工;⑶非接触加工，工件无受力变形;⑷激光打孔、切割的速度很高,加工部位周围的材料几乎不受切削热的影响，工件,热变形很小。2.8.4激光加工2.8.5电子束加工

1.加工原理电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高（106～109W/cm2）的电子束，以极高的速度冲击到工件表面的极小位置上，在极短的时间内（几分之一微秒）内，这些极高的能量大部分转化为热能，而此时被加工的位置达到几千度的高温，从而引起材料局部的熔化和气化，被真空系统带走。

2.工艺特点①电子束加工