机械工艺学第一章

机械工艺学第一章第一页，共64页。MMT2

第1章

绪论

学习指南

本章首先介绍机械工程学科的发展，强调制造技术在当今社会发展中的重要地位；然后介绍机械加工工艺的一些基本知识，包括工艺过程与工艺系统，生产类型与其工艺特点等；最后对加工中的重要问题——基准与定位进行详细论述。

学习本章应对机械工程学科的发展有较全面的了解，对机械制造工艺过程和工艺系统、生产类型与工艺特点有正确理解；特别是对基准与定位概念有深入理解，并能将其正确应用在实际生产中。

为准确把握基准与定位概念，需对大量工程实例进行分析，并应进行较多的练习。针对练习中的问题，可以安排习题课，必要时也可以组织课堂讨论。

本章建议学时6。第二页，共64页。MMT3

机械制造工艺学

第1章

绪论

Intrduction1.1

机械制造工程学科的发展

Development

of

Mechanical

Manufacturing

Technology第三页，共64页。MMT

1.1.1

制造的永恒性机械制造技术的发展

机械制造技术两方面含义：

1）用机械来加工零件（或工件）

的技术；

2）制造某种机械的技术。

先进制造技术：将机械、电子、信息、材料、能源和管理等方面技术，进行交叉、融合和集成，综合应用于产品全生命周期的制造全过程，包括市场需求、产品设计、工艺设计、加工装配、检测、销售、使用、维修、报废处理等，以实现优质、敏捷、高效、低耗、清洁生产，快速响应市场的需求。

制造技术是一个永恒的主题，是设想、概念、科学技术物化的基础和手段，是国家经济与国防实力的体现，是国家工业化的关键。

4第四页，共64页。MMT5

1.1.1

制造的永恒性

制造技术的重要性

社会发展与制造技术密切相关：人类的发展过程就是一个不断制造的过程。第五页，共64页。MMT61.1.1

制造的永恒性

制造技术是科学技术物化的基础

制造系统工程学体系结构第六页，共64页。MMT1.1.1

制造的永恒性

制造技术是所有工业的支柱

世界发达国家无不具有强大的制造业。

机械制造业是制造业的基础，是重中之重。当今制造业的社会功能

7第七页，共64页。MMT1.1.1

制造的永恒性

国力和国防的后盾

国家经济和军事实力与制造技术密不可分。

日本、德国由于重视制造业，二次大战后国力很快恢复，经

济实力处于世界前列。

与此相反，美国在相当长一段时

间内忽视了制造技术发展，结果导

致经济衰退，竞争力下降，直至克

林顿执政期间情况才有所改变。

2008年美国爆发的次贷危机及其

引起的金融海啸，2011年开始的欧债

危机，从另一个角度表明制造业的重

要地位。

8第八页，共64页。MMT9

1.1.2

广义制造论

狭义制造与广义制造

狭义制造——传统意义上的制造，由于设计和工艺分家，制造被定位于制造工艺。它是指生产过程从原材料转变成成品直接起作用的那部分工作内容，包括毛坯制造、零件加工、产品装配、检验、包装等具体操作（物质流）。

广义制造——狭义制造的扩展，又称为“大制造”。CIRP（国际生产工程科学院）定义：制造包括制造企业的产品设计、材料选择、制造生产、质量保证、管理和营销一系列有内在联系的运作和活动。第九页，共64页。MMT1.1.2

广义制造论

广义制造形成因素

制造设计一体化

工艺与设计密切结合（设计不仅指产品设计，而且包括工艺

设计、生产调度设计和质量控制设计等）。

制造技术发展的三个重要里程碑：

手工业生产阶段——依靠工匠技艺，体脑结合，设计工艺

一体，生产率低下。

大工业生产阶段——18世纪～20世纪中叶，使用机器，劳

动分工，设计与工艺分开，专业技术发展，机械化与自动化

使生产率大幅度提升。

虚拟现实工业生产阶段——信息技术与制造技术融合，形

成计算机集成制造模式，设计与工艺高度结合，生产率进一

步提升，市场响应能力大大加强。

10第十页，共64页。MMT1.1.2

广义制造论

去除加工而成形。

结合加工又称为分离加工，是从工件上去除一部分材料利用物理和化学方法将相同材料或不同材料结合（bonding）在一起而成形。按结合机理和结合强弱又可分为附着（deposition）、注入（injection）和连接（jointed）三种。

变形加工又称为流动加工，是利用力、热、分子运动等手段使工件产生变形，改变其尺寸、形状和性能，如特种锻造、特种铸造等。

11

材料成形机理的扩展

传统制造工艺：冷加工，热加工

现代加工成形机理：去除加工，结合加工，变形加工第十一页，共64页。MMT121.1.2

广义制造论

材料成形机理的范畴第十二页，共64页。MMT1.1.2

广义制造论

制造技术综合性

现代制造技术是一门以机械为主体，交叉融合光、电、信息、材料、管理等学科的综合体，并与社会科学，文化、艺术等密切相关。

制造模式发展

计算机集成制造是制造技术与信息技术相结合的产物。集成制造系统首先强调信息集成，即计算机辅助设计、计算机辅助制造和计算机辅助管理的集成。进一步发展出柔性制造、敏捷制造、虚拟制造、网络制造、智能制造和协同制造等多种制造模式。

丰富的硬软件工具、平台和支撑环境（硬件是基础，软件是支撑）

产品全生命周期

13第十三页，共64页。MMT141.1.2

广义制造论产品生命周期全过程第十四页，共64页。MMT15现代制造技术现代设计技术1.1.3

机械制造科学技术的发展

设计方法学和创新设计

生命周期设计和并行工程现代加工技术现代成形与改进技术反求工程设计绿色产品设计微型产品设计

现代成形与改进技术材料成形过程仿真质量监控与无损检测清洁成形与改进技术制造系统与管理技术高速与超高速加工精密工程与纳米技术特种加工技术数控加工技术自动化加工技术

柔性制造技术

集成制造技术虚拟制造技术智能制造技术先进制造技术工业工程机械制造科学技术的发展方向第十五页，共64页。MMT16

机械制造工艺学

第1章

绪论

Intrduction1.2

生产过程、工艺过程与工艺系统

Production

Process，Manufacturing

Process

andManufacturing

System第十六页，共64页。MMT17

1.2.1

机械产品生产过程

机械产品生产过程

指从原材料开始到成品出厂的全部劳动过程。

包括直接生产过程和辅助生产过程。

直接生产过程：用于直接改变加工对象形状、尺寸、性能

等，包括毛坯的制造、零件的机械加工和热处理、机器的装

配、检验、测试和油漆等主要劳动过程。

辅助生产过程：专用工具、夹具、量具和辅具的制造、机

器的包装、工件和成品的储存和运输、加工设备的维修，以

及动力（电、压缩空气、液压等）供应等。

生产过程可以由一个车间或一个工厂完成，也可以由多个工厂协作完成。第十七页，共64页。MMT18

1.2.2

机械加工工艺过程机械加工工艺过程

是机械产品直接生产过程的一部分，传统上指采用金属

切削刀具或磨具加工零件，使之达到要求的形状、尺寸、

表面粗糙度和力学物理性能，成为合格零件的生产过程。

现在指各种加工方法——

除切削和磨削外，还包括其

他加工方法，如电加工、超

声加工、电子束加工、离子

束加工、激光束加工，以及

化学加工等

。第十八页，共64页。MMT19

1.2.2

机械加工工艺过程机械加工工艺过程的组成

工序——由一个或一组工人在同一台机床或同一个工作地，对一个或同时对几个工件所连续完成的那一部分机械加工工艺过程。

安装——在一道工序中，工件每经一次装夹后所完成的那部分工序。

阶梯轴零件第十九页，共64页。MMT201.2.2

机械加工工艺过程阶梯轴单件生产工艺过程工序号

1

2

3

4

工序名称和内容车端面，打中心孔，车外圆，切退刀槽，倒角铣键槽磨外圆去毛刺

阶梯轴大批量生产工艺过程工序号

1

2

3

4

5

6

工序名称和内容铣端面，打中心孔粗车外圆精车外圆，倒角，切退刀槽铣键槽磨外圆去毛刺

设备铣钻联合机床

车床

车床

铣床

磨床

钳工台

设备

车床

铣床

磨床钳工台

第二十页，共64页。MMT21

1.2.2

机械加工工艺过程

工位——工件在机床上占据每一个位置所完成的那部分工序。

多工位加工1－装卸工件2－钻孔3－扩孔4－绞孔第二十一页，共64页。MMT

1.2.2

机械加工工艺过程

工步——指在加工表面不变、切削刀具不变的情况下所连续完成的那部分工序。（在一个工步内，若有几把刀具同时加工几个不同表面，称此工步为复合工步）a）立轴转塔车床的一个复合工步b）钻孔、扩孔复合工步

复合工步示例

走刀——同一加工表面加工余量较大，可以分作几次工作进给，每次工作进给所完成的工步称为一次走刀。

22第二十二页，共64页。MMT23

1.2.3

机械加工工艺系统

零件进行机械加工时，必须具备一定的条件，即要有一个系统来支持，称之为机械制造工艺系统。通常，一个系统由物质分系统、能量分系统和信息分系统所组成。

物质分系统（系统硬件）：由工件、机床、工具和夹具所

组成。

信息分系统（系统软件）：包括加工方法、工艺过程、数

控程序等。工艺系统软件是对工艺系统硬件的必要支持。

能量分系统：指动力供应。

研究机械制造工艺系统的组成及其内在规律，其目的是为了使工艺系统的软、硬件有机地结合起来，以达到工艺过程最佳化的目标。第二十三页，共64页。MMT24

机械制造工艺学

第1章

绪论

Intrduction1.3

生产类型与工艺特点

Production

Type

and

Technology

Features第二十四页，共64页。MMT

1.3.1

生产纲领

生产纲领：指在计划期内，应当生产的产品产量和进度计划。

年生产纲领：计划期为一年的生产纲领。

零件生产纲领计算公式式中

N

——年生产纲领（件/年）；

Q——产品年产量（台/年）；

n

——每台产品中该零件数量（件/台）；

α％——备品率；

β％——废品率。

年生产纲领是设计或修改工艺规程的重要依据，是车间（或工段）设计的基本文件。

25N

Qn(1%%)（1-1）第二十五页，共64页。MMT

1.3.2

生产批量

生产批量：指一次投入戓产出的同一产品戓零件的数量。

式中

n′

——每批中的零件数量；

N

——年生产纲领规定的零件数量；

A——零件应该储备的天数；

F——一年中工作日天数。

确定生产批量考虑的因素

满足市场需求（当前需求及可预见的未来需求）。

便于生产组织与安排，保证多品种产品均衡生产。

产品的制造工作量：大型产品，批量可少些。

资金投入：批量小，次数多，有利于资金周转。

制造效率和成本：批量大，可采用先进、专用高效工装。

26NA

Fn

（1-2）第二十六页，共64页。MMT271.3.3

生产类型及工艺特点生产类型单件生产批量生产小批量生产中批量生产大批量生产中批生产

生产类型划分

大量生产

生产类型规范

各种生产类型规范生产类型单件生产小批生产重型机械

≤5＞5～100零件年生产纲领（件/年）

中型机械

≤20

＞20～200

轻型机械

≤100＞100～500中批生产大批生产大量生产

＞100～300＞300～1000

＞1000

＞200～500＞500～5000

＞5000

＞500～5000＞5000～50000

＞50000单件小批生产大批大量生产第二十七页，共64页。MMT28各种生产类型的工艺特点第二十八页，共64页。MMT29

机械制造工艺学

第1章

绪论

Intrduction1.4

工件加工时的定位和基准

Location

and

Datum

for

machining第二十九页，共64页。MMT30

1.4.1

工件的定位工件的装夹

装夹又称安装，包括定位和夹紧两项内容。

定位

——

使工件在机床或夹具上占有正确位置。

夹紧

——

对工件施加一定的外力，使其已确定的位置在

加工过程中保持不变。

工件装夹方法

夹具中装夹——

精度和效率均高，

广泛采用。

直接找正装夹——精度高，效率低，

对工人技术水平要求高。

划线找正装夹——精度不高，效率

低，多用于形状复杂的铸件。第三十页，共64页。MMT划线找正安装31

1.4.1

工件的定位直接找正安装第三十一页，共64页。MMT32工件在夹具上装夹（滚齿夹具）1.4.1

工件的定位第三十二页，共64页。

任何一个物体在空间直角坐标系中都有

6

个自由度——分MMT33之为六点定位原理。六点定位原则

1.4.1

工件的定位

定位原理

六点定位原理

别用

X、Y、Z、X、Y、Z

表示。

工件的定位就是采取一定的约束措施来限制自由度，一个

自由度只需要一个约束点来限制。

采用六个按一定规则布置

的约束点来限制工件的六个

自由度，实现完全定位，称第三十三页，共64页。MMT34与理论力学、机构学自由度概念差别：

——实质上是位置不定度；

——夹紧与定位概念分开；

——工件、夹具是弹性体。

工件以平面3点定位

1.4.3

定位原理

两点注意：

“点”的含义

——对自由度的限制，与实际接触点不同。第三十四页，共64页。MMT工件以平面定位

35

1.4.1

工件的定位

工件的实际定位

工件以平面定位

平面定位的主要形式是支承定位。常用的定位元件有支承

钉、支承板、夹具支承件和夹具体的凸台及平面等。第三十五页，共64页。MMT工件以圆孔定位

36

1.4.1

工件的定位

工件以圆孔定位

工件以圆孔定位多属于定心定位（定位基准为圆柱孔轴线）。

常用的定位元件是定位销和心轴。定位销有圆柱销、圆锥销、

菱形销等形式；心轴有刚性心轴（又有过盈配合、间隙配合和

小锥度心轴等）、弹性心轴之分。第三十六页，共64页。MMT37

工件以外圆柱面定位工件以外圆柱面定位有两种形式：定心定位和支承定位。定心定位与工件以圆孔定位情况相仿。工件以外圆柱面支承定位元件常采用V形块——短V形块限制两个自由度，长V形块（或两个短V形块组合）限制四4个自由度。

1.4.1

工件的定位

工件以外圆柱面定位第三十七页，共64页。MMT38

1.4.1

工件的定位

工件以其他表面定位

除平面、圆孔、外圆柱面外，工件有时还可能以其他表面

（如圆锥面、渐开线齿面、曲面等）定位。下图为工件以锥

孔定位的例子，锥度心轴限制了除绕工件自身轴线转动外的

5

个自由度。

工件以锥孔定位第三十八页，共64页。MMT多个表面同时参与定位情况下，各定位表面所起作用有主次之分。通常称定位点数最多的表面为主要定位面或支承面，称定位点数次多的表面为第二定位基准面或导向面，称定位点数为

1

的表面为第三定位基准面或止动面。

定位表面的组合在分析多个表面定位情况下各表面限制的自由度时，分清主次定位面很重要。如图所示工件在两顶尖上的定位，应首先确定前顶尖限制的自由度，它们是

X、

Y、

Z。然后再分析后顶尖限制的自由度。此时，应与前顶尖一起综合考虑，可以确定其限制的自由度是

X、

Y。

工件在两顶尖上定位

391.4.1

工件的定位第三十九页，共64页。MMT40

1.4.1

工件的定位

完全定位与不完全定位

工件的六个自由度均被限制，称为完全定位。工件

六个自由度中有一个或几个自由度未被限制，称为不

完全定位。

不完全定位主要有两种情况：

①工件本身相对于某个点、线是完全对称的，则工件绕此

点、线旋转的自由度无法被限制（即使被限制也无意义）。

例如球体绕过球心轴线的转动、圆柱体绕自身轴线的转动等。

②工件加工要求不需要限制某一个或某几个自由度。如加

工平板上表面，要求保证平板厚度及与下平面的平行度，则

只需限制三个自由度就够了。第四十页，共64页。MMT工件应限制的自由度

41

1.4.1

工件的定位

完全定位与不完全定位示例第四十一页，共64页。MMT42工件的欠定位

欠定位与过定位

欠定位——工件加工时必须限制的自由度未被完全限制。欠

定位不能保证工件的正确安装，因而是不允许的。

1.4.1

工件的定位第四十二页，共64页。MMT43

1.4.1

工件的定位

过定位——工件某一个自由度（或某几个自由度）被两个（或两个以上）约束点限制。

过定位是否允许，要视具体情况而定。

1）如果工件的定位面经过机械加工，且形状、尺寸、位置精度均较高，则过定位是允许的，有时还是必要的，因为合理的过定位不仅不会影响加工精度，还会起到加强工艺系统刚度和增加定位稳定性的作用。

2）反之，如果工件的定位面是毛坯面，或虽经过机械加工，但加工精度不高，这时过定位一般是不允许的，因为它可能造成定位不准确，或定位不稳定，或发生定位干涉等。第四十三页，共64页。MMT44过定位示例——桌子与三脚架

1.4.1

工件的定位过定位示例（1）第四十四页，共64页。MMT45平面定位的过定位

1.4.1

工件的定位过定位示例（2）第四十五页，共64页。MMT46

1.4.1

工件的定位过定位示例（3）b）改进后a）定位干涉

一面两孔组合定位的过定位第四十六页，共64页。MMT47一面两孔定位干涉分析——削边销的由来

1.4.1

工件的定位

一面两孔定位分析第四十七页，共64页。MMT

1.4.1

工件的定位过定位示例（4）

——孔与端面组合定位的过定位

如图所示，齿轮坯以内孔和一小端面定位，车削外圆和大端面。加工后检测发现大端面与内孔垂直度超差。试分析原因，提出改进意见。

48第四十八页，共64页。MMT491.4.1

工件的定位

过定位引起夹紧变形第四十九页，共64页。MMT50过定位处理分析1.4.1

工件的定位第五十页，共64页。MMT过定位应用

1.4.1

工件的定位第五十一页，共64页。MMT52

讨论

分析图示定位方案：①各方案限制的自由度；②有无欠定位或过定位；③对不合理的定位方案提出改进意见。1.4.1

工件的定位第五十二页，共64页。MMT过定位示例分析

531.4.1

工件的定位第五十三页，共64页。MMT54过定位示例分析1.4.1

工件的定位

第五十四页，共64页。MMT55过定位示例分析1.4.1

工件的定位

第五十五页，共64页。度Z,

X,Y，条形支承板1限支承板

2

同样限制两个自MMT56定位分析方法

定位分析方法

总体分析法：分析工件实际限制的自由度（图中X

未被限制，

欠定位）。

分件分析法：分析各定位元件实际限制的自由度（图中矩形支承板限制三个自由

制两个自由度

Y,

Z

，条形

由度

Y,

Z

，过定位）。

总体分析法易于判断