机械制造工艺学第一章

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机械制造工艺学

第一章
【支柱产业】【
冶金机械
建筑机械

绪 论

§1.1 机械制造工程学科的发展
? 机械工业在国民经济中的地位、任务和作用

提供技术装备】【促进经济发展】 动力机械 纺织机械
家用电器

交通工具环保设备

制造业
机器制造 农业机械
当今制造业的社会功能

通讯设备
出版印刷

军事装备
医疗设备

网络媒体
文化娱乐

化工设备

§1.1 机械制造工程学科的发展
? 机械工业的制造方法
?

传统的制造方法

热加工：铸造、塑 性加工、焊接、热 处理、表面改性等 冷加工：切削加工、 特种加工等
?

现代制造技术 以机械为主体，交叉融合了光、电、声、信息、材料、 管理等学科的综合体，并与社会科学、文化、艺术等关 系密切

§1.1 机械制造工程学科的发展
? 机械工业的发展 ? 17世纪60年代，瓦特改进蒸汽机，标志第一次工业革命兴 起，工业化大生产从此开始 ? 18世纪中，麦克斯韦尔建立电磁场理论，电气化时代开始 ? 20世纪初，福特汽车生产线，泰勒科学管理方法，标志自 动化时代到来（以大量生产为特征—Mass Production） ? 二战后，计算机、微电子技术，信息技术及软科学的发展 ，以及市场竞争的加剧和市场需求多样性的趋势，使中小批量 生产自动化成为可能，并产生了综合自动化和许多新的制造哲 理与生产模式。

? 进入21世纪，制造技术向自动化、柔性化、集成化、智能 化、精密化和清洁化的方向发展。

§1.1 机械制造工程学科的发展
? 机械制造工艺和机械制造工艺学
?

机械制造工艺
机械制造过程中将原材料或半 成品转变成产品的方法和过程

?

评价工艺优劣的指标：

质量要求、生产效率、 制造成本
?
?
?

机械制造工艺学
对上述方法和过程的 分析、科学研究和探索 对前人机械制造成果 和经验的总结和提炼

§1.2 生产过程、工艺过程与工艺系统
?

机械产品生产过程
原材料转变为产品（机器）的全过程（相关作业总和）。

压力加工

车身装配

油漆

内部装饰

变速箱装配 锻造 热处理 机械加工

熔化 浇铸 造型 油漆

自动线

发动机装配

发动机试验

机械加工 热处理 驱动桥装配

底盘装配

车身安装 最后试验

压铸

轮胎装配

汽车生产物流示意图

§1.2 生产过程、工艺过程与工艺系统
生产过程大致分为四个阶段： a) 毛坯的制造 b) 零件加工 c) 部件和产品的装配 d) 试验 这几个阶段有着密切的联系，前阶段的质量的好坏直接影 响后阶段的加工过程进行。

生产过程按功能可划分为直接生产过程和辅助生产过 程。
?

直接生产过程— 直接改变生产对象的形状、尺寸和 性质的过程（相关作业总和），由基本车间完成。 辅助过程—为工艺过程服务的过程。

?

? 机械加工工艺过程

机械加工工艺过程是机械产品生产过程的一部分，是 直接生产过程。 工艺过程由若干个工序组成，毛坯依次通过这些工序变 成合格的产品。 工序是组成工艺过程的基本单元。
? 机械加工工艺过程的组成
①

工序— 一个（组）工人在一台机床（工作地点）上对 一个（同时对几个）工件连续完成的那一部分工艺过程。

工序包括三要素

? ? ?

一组（个）工人 一个工作地（指机床） 连续地加工

三要素任何一个改变都将视为不同工序。如热处理后再一次回到同一 工作地，则为不同的工序。

§1.2 生产过程、工艺过程与工艺系统
同一零件，同样的加工内容可以有不同的工序安排。

§1.2 生产过程、工艺过程与工艺系统
②

安装—每一
次装夹下完成 的工序内容

③

工位—在工件的
一次安装中，通 过分度（或移位） 装置，使工件相 对于机床床身变 换加工位置，我 们把每一个加工 位置上的安装内 容称为工位。

§1.2 生产过程、工艺过程与工艺系统
④

工步—加工表面、刀具、切削用量不变的情况下所连
续完成的那一部分工序。 例题

为简化工艺文件，对于那些连续 进行的若干个相同的工步，通常都看 作一个工步。如图加工的零件，在同 一工序中，连续钻四个Ф 20mm的孔， 就可看作一个工步。

复合工步—为提高生产效率用多把调整好的刀具同时加 工多个表面，这也可看作一个工步。

例如：用该刀架加工齿轮内孔及 外圆

例如：铣端面、钻中心孔，每个工位都是用两把刀具同时铣两 端面或钻两端中心孔，
它们都是复合工步。

§1.2 生产过程、工艺过程与工艺系统
⑤

走刀（工作行程）—切削刀具在加工表面切削一次所完
成的工步内容

根据 被切除的 金属厚度 不同，一 个工步可 以包括一 次或数次 走刀。

§1.2 生产过程、工艺过程与工艺系统
? 机械加工工艺过程组成小结

工序1 工序2 … 工序i … 工序n

安装1

工艺过程

安装2 …
安装i …

工位1 工位2 … 工位i … 工位p

工步1 工步2 … 工步i … 工步k

走刀1 走刀2 … 走刀i … 走刀q

安装m

★

n m p k q均为除零以外的自然数

六角螺钉加工工艺过程为 例

工艺过程见表1-2

§1.2 生产过程、工艺过程与工艺系统
? 机械制造工艺系统—用于给机械制造提供条件或支持

的系统。由若干分系统构成。
需求 规划 误差流 信息流 实施 （车间或现场） 资金流 控制 产品与服务

原材料 物流
能 量 流

能源

制造系统的组成

§1.3 生产类型与工艺特点
? 生产纲领—企业计划期内应当生产的产品产量

和进度计划 年生产纲领： N=Qn(1+a%+b%) 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%：备品百分率 b%：废品百分率

§1.3 生产类型与工艺特点
? 生产批量—一次投入或产出的同一产品或零件数量

?

按企业生产专业 化程度划分
单件生产、 成批生产（小批生产、中批生产、 大批生产） 大量生产

?

?
?

?各种生产类型的工艺特征
工艺特征 毛坯 单件小批量 自由锻、木模手工 造型；精度低、余 量大 通用机床， 机群式布置 通用工装 简单工艺过程卡 中批生产 模锻、金属模； 精度和余量中等 大批大量 模锻、机器造型； 精度高，余量小

机床

通用机床，部分专机， 自动机床，专用机 床 按零件类别分工段排 列 生产流水线排列 专用工装 详细工艺过程卡 高效专用工装 详细工艺过程卡 工序卡、调整卡

工装 工艺文件

计算机集成制造系 成组技术、数控技 统 术、 发展趋势 柔性制造系统(FMS) (CIMS)，加工自动 加工中心 化

装夹的含义

§1.4 工件的定位和基准

装夹又称安装，包括定位和夹紧两项内容。
?定位 — 使工件相对于机床和刀具占有正确位置 ?夹紧 — 对工件施加一定的外力，保持其已确定的正确 位置在加工过程中不变

工件装夹方法
?直接找正装夹—对于形状 简单的工件可以采用直接找 正定位的装夹方法，即用划 针、百分表等直接在机床上 找正工件的位置。 精 度 高， 效 率低， 对工 人技术水平高

直接找正安装

?划线找正装夹—对于形状复杂 的零件(例如车床主轴箱)，采 用直接找正装夹法会顾此失彼 ，这时就有必要按照零件图在 毛坯上先划出中心线，对称线 及各待加工表面的加工线，并 检验它们与各不加工表面的尺 寸和位置，然后按照划好的线 找正工件在机床上的位置。对 于形状复杂的工件，常常需要 经过几次划线。其定位精度一 般只能够达到0.2~0.5mm。 精度不高，效率低，多用于形 状复杂的铸件

?夹具装夹—夹具以一定的位 置(用定位键)安装在机床上， 工件按照六点定位的原则在夹 具中定位并夹紧，，不需要进行 找正。这样既能保证工件在机 床上的定位精度(可达0.01mm), 而且装卸方便，科研节省大量 辅助时间。 精度和效率均高，广泛采用

工件在夹具上装夹（滚齿夹具）

?定位的原理
六个合理分布的定位支承点限制工件的六个自由度 任何一个物体在空间直角坐标系中都有 6 个自由度 要确定其空间位置，就需要限制其 6 个自由度 将 6 个支 承抽象为6个 “点”，6个 点限制了工 件的6 个自 由度 Z

Y X
图 2-13 六点定位原理

六个点合 理分布

两点注意： ?“点”的含义 ——对自由度的限制，与实际接触点不同 ? 与理论力学、机构学自由度概念差别 ——位置不定度 ——夹紧与定位概念分开 ——工件、夹具是弹性体
Z Y
X

工件以平面3点定位

完全定位与不完全定位
?按工件的加工要求分析应限制的自由度： 完全定位:工件的6个自由度均被限制，称为完全定位。 不完全定位:工件6个自由度中有1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 3 个自由度就够了。 ?工件应该完全定位还是不完全定位由工件的加工要求和自身 形状决定。

完全定位与不完全定位实例
Z Y X Z Y X Z Y X Z Y

a）

b）

c）

X
d） 工件应限制的自由度

欠定位
?工件加工时必须限制的自由度未被完全限制，称为欠定 位。欠定位不能保证工件的正确安装，因而是不允许的。
Z Y X

B

B

a）

b）

图2-16 欠定位示例

过定位
? 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）约束点约束，称为过定位。
? 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 定位干涉等情况。

过定位分析（桌子与三角架）

过定位分析

过定位分析
Z Z

Y

Y

Y Y

Y

X X

b） a）

X

c）

过定位分析
Z Z

Y

Y

Y

Y

X

X

a）

b）

一面两孔定位分析
D1 d1 D2 d2

l ?

1 2

Tl

L ? 1 TL 2

b?

D2 ?2 min Tl ? TL ? ?1min

b

l ?

1 2

Tl

L ? 1 TL 2

图2-20 一面两孔定位干涉分析

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。 下图给出了平面定位的几种情况。
Z
Z Z

Y X Z X Z

Y X Z

Y

Y X X

Y X

Y

工件以平面定位

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。工件以圆孔 定位所限制的自由度见图。
Z X Y Z X Y Z Y

X Z

Z X Y

Z X Y

X

Y

工件以圆孔定位

工件以外圆柱面定位
工件以外圆柱面定位两种形式：定心定位和支承定位。工 件以外圆柱面定心定位的情况与工件以圆孔定位的情况相 仿（用套筒和卡盘代替心轴或柱销）。工件以外圆柱面支 承定位的元件常采用V型块，短V型块限制2个自由度，长 V型块（或两个短V型块组合）限制4个自由度。
Z Y X Z X Z Z Y X Z Y

X

Y

X

Y

工件以外圆柱面定位

三、基准
确定加工对象上几何要素间几何关系所依据的那些 点、线、面称为基准。

基准分类

设计基准

在设 计图 样上 所采 用的 基准

定位支座零件

工艺基准
在工艺过程中所采用的基准。按照用途可分为：工序基 准、定位基准、测量基准与装配基准。
加工面

d

D

设计基准

C

C+d/(2*sin(a/2))
定位基面

定位基准 工序基准 测量基准

合理选择定位基准对保证加工精度和确定加工顺序都有决定 性影响。因此，它是制订工艺过程中要解决的首要问题。 粗基面(毛基面)：在机械加工的第一道工序中，只能使用毛 坯表面来定位，这种定位基面就称为粗基面。 精基面(光基面)：采用已经加工过的表面作为定位基面，这 种基面称为精基面(或光基面)。 附加基准：工件上没有能作为定位基面的恰当表面，这是有 必要在工件上专门加工出定位基面，这种基面称为辅助基面 。辅助基面在零件工作中一无用处，它是仅为加工的需要而 设置的，如：加工用的中心孔，活塞加工用的止口和下端面 ，用作壳体类零件定位的工艺孔或工艺凸台图示等。

A 工艺凸台 A向

图 小刀架上的工艺凸台

分析基准问题时，必须注意几点： 作为基准的点、线、面在工件上不一定具体存在(例 如，孔的中心。轴心线、对称面等)，而常由某些具 体的表面来体现，这些表面称为基面。例如，在机床 上用三爪卡盘夹持一根短圆轴，实际定位表面(基面) 是外圆柱面，而它所体现的定位基准是这根圆轴的轴 心线。因此，选择定位基准的问题就是选择恰当的定 位基面问题。 作为基准，可以是没有面积的点和线或很小的面，但 是代表这种基准的点线在工件上具体的基面总是具有 一定的面积的。例如，代表轴心线的是中心孔锥面， 用V型块使支承轴颈定位，理论上是两条线，但实际 上由于弹性变形的关系也还是具有一定的接触面积。



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