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机 械
制 造 工 程
教
案
原 理
绪
论
一、课程概述
1、课程名称：机械制造工程原理
2、课程内容：
3、学习目的：培养专业人材
4、基本要求：识记
理解
应用
二、制造行业现状
发展快，要求高，专业人员缺乏
现代制造的目标：高质量、高效率、低成本和自动化
第一章
工件的定位夹紧与夹具设计
本章内容：第一节
工件在机床上的安装
第二节
夹具概念
第三节
定位原理
第四节 工件在夹具中的夹紧 第五节 夹具举例
第一节
工件在机床上的安装
一、安装概念
定位：把工件安放在机床工作台上或夹具中，使它和刀具之间有相对正确的位置。
夹紧：工件定位后，将工件固定，使其在加工过程中保持定位位置不变。
二、工件在机床或夹具上的三种安装方式
1、直接找正安装
2、划线找正安装
3、夹具安装
夹具安装指直接由夹具来保证工件在机床上的正确位置，并在夹具上直接夹紧工件。
第二节
夹具概念
一、夹具的概念
机床夹具是将工件进行定位、夹紧，将刀具进行导向或对刀，以保证工件和刀具间的相对运动关系的附加装置，简称夹具。
二、夹具的基本构成夹具构成：
1、定位元件；
2、夹紧装置；；
3、导向元件和对刀装置；
4、连接元件；
5、夹具体；
6、其它元件及装置。
三、夹具的分类
1、通用夹具
2、专用夹具
3、成组夹具
4、组合夹具
5、随行夹具
第三节
定位原理一、六点定位原理
长方体六点定位
三、定位方法
1、平面定位 ⑴支承钉
固定支承钉
可调支承钉
自定位支承
辅助支承
辅助支承和可调支承的区别：辅助支承是在工件定位后才参与支承的元件，其高度是由工件确定的，因此它不起定位作用，但辅助支承锁紧后就成为固定支承，能承受切削力。辅助支承主要用来在加工过程中加强被加工部位的刚度和提高工作的稳定性，通过增加一些接触点防止工件在加工中变形，但又不影响原来的定位。⑵支承板
支承板
2、圆孔定位 ⑴圆柱定位销
圆柱定位销
菱形销
⑵圆锥销
圆锥销 ⑶心轴
刚性心轴
3、外圆柱面定位 ⑴V形块
⑵定位套
工件外圆以套筒和锥套定位
4、圆锥孔定位
工件在锥度心轴上定位
三、完全定位与不完全定位 实例一：如何对下图所示工件定位？
解：方案一：不完全定位
球体上通铣平面限制2 个自由度：X、Z
方案二：不完全定位
球体上通铣平面限制2 个自由度：X、Y、Z 实例二：不完全定位
实例三：完全定位
四、欠定位和过定位
1、欠定位：应该限制的自由度没有被限制。
2、过定位：有重复限定的自由度 ⑴平面的过定位
注意：这种过定位只用于已加工表面，以加强刚度。⑵大端平面与长销组合产生的过定位
解决方法一：长销小平面组合方法二：短销大端平面组合方法三：使用球面垫圈
⑶一面两销组合产生的过定位
解决方法：销2采用菱形销，释放了重复限制的自由度Y。
五、定位误差分析与计算
1、基准不重合误差
2、定位基准位移误差 用支承钉作定位元件
3、用V形块定位的定位误差分析
定位误差的分解解析
第四节
工件在夹具中的夹紧
一、夹紧机构的作用
夹紧机构保证了在加工力的作用下工件正确的定位状态。
二、夹紧机构的动力源
夹紧机构的动力源大致可以分为三类：手动夹紧机构、气（液）动夹紧装置和电磁夹紧装置。
三、电磁无心夹具的两种工作状态
电磁无心夹具常见的两种工作情况是以外圆定位加工内孔和以外圆定位加工外圆。其主要调整参数为偏心量ｅ、偏心方向角θ、支承角α及两支承的夹角β。
四、夹紧力
1、夹紧力的作用方向的选择
2、夹紧力的作用点的选择
第五节 夹具举例
本节将简要介绍钻床、镗床、铣床和车床等机床使用的夹具，并结合各灯机床夹具对夹具中有关元件或装置进行简要说明。一．钻床夹具
钻床夹具因大都具有刀具导向装置，习惯上又称为钻模，在机床夹具中，钻模占有相当大的比例。
1.钻模的类型
钻模根据其结构特点可分为固定式钻模、回转式钻模、翻转式钻模、盖板式钻模和滑柱式钻模等。
2.钻模设计要点（1）钻套
钻套是引导刀具的元件，用以保证孔的加工位置，并防止加工过程中刀具的偏斜。钻套按其结构特点可分为四种类型，即固定钻套、可换钻套、快换钻套和特殊钻套。（2）钻模板
钻模板用于安装钻套。
钻模板与夹具体的联接方式有固定式、铰链式、分离式和悬挂式等几种。（3）夹具体
二、镗床夹具
具有刀具导向的镗床夹具，习惯上又称为镗模，镗模与钻模有很多相似之处。
1.镗模的种类
镗模根据其镗套支架的布置形式可分为单面导向和双面导向两类。
2.镗模的设计要点
（1）镗套
镗套用于引导镗杆。根据其在加工中是否运动可分为固定式镗套和回转式镗套丙类。（2）镗模支架与夹具体
镗模支架用于安装镗套，保证被加工孔系的位置精度，并可承受切削力的作用。
三、铣床夹具
铣床夹具主要用于加工零件上的平面、键槽、缺口及成形表面等。1.铣床夹具的类型
由于铣消过程中，夹具大都与工作台一起进给运动，耐铣床夹具的整体结构又常常取决于铣削加工的进给方式。因此，常按不同的进给方式将铣床夹具分为直线进给式、圆周进给式和仿形进给式三种类型。
2.铣床夹具的设计要点（1）夹具总体结构
铣削加工的切削力较大，又是断续切削，加工中易引起振动，因此铣床夹具的受力元件要有足够的强度和刚度。夹紧机构所提供的夹紧力应足够大，且要求有较好的自锁性能。为提高夹具的工作效率，应尽可能采用机动夹紧机构和联动夹紧机构，并在可能的情况下，采用多件夹紧和多件加工。
（2）对刀装置
对刀装置用以确定夹具相对于刀具的位置。铣床夹具的对刀装置主要由对刀块和塞尺构成。（3）夹具体
铣床夹具的夹具体要承受较大的切削力，因此要有足够的强度、刚度和稳定性，通常在夹具体要适当地布置筋板，夹具体的安装面应足够大，且尽可能作成周边接触的形式。
四、车床夹具
车床夹具主要用于加工零件的内外圆柱面、圆锥面、回转成形面、螺纹及端平面等。1.车床夹具的类型
根据工件的定位基准和夹具本身的结构特点，车床夹具可分为以下四类： 1）以工件外圆定位的车床夹具，如种类夹盘和夹头。2）以工件内孔定位的车床夹具，如各种心轴。3）以工件顶尖孔定位的车床夹具，如顶尖、拨盘等。
4）用于加工非回转体的车床夹具，如各种弯板式、花盘式车床夹具。
2.车床夹具设计要点（1）车床夹具总体结构
车床夹具大都安装在机床主轴上，并与主轴一起作回转运动。（2）夹具与机床主轴的联接
车床夹具与机床主轴的联接方式取决于机床主轴轴端的结构以及夹具的体积和精度要求。
第二章
机械加工表面质量
机械加工表面质量包含了几何参数方面的质量和物理机械参数方面的质量。几何参数方面质量是指机械加工表面本身精度和表面这间相对位置精度即尺寸精度、几何形状精度和位置精度；物理机械参数方面的质量是指机械加工表面层因塑性变形引起的冷作硬化，因切削热引起的金相组织变化和残余应力。其中表面物理机械参数方面质量和微观几何形状精度属于表面质量范畴，在配音将作详细介绍，耐尺寸精度、宏观几何精度和位置精度属加工精度范畴，将在下章详细介绍。
第一节
机械加工表面质量的概念
一、机械加工表面质量的含义
机械加工表面质量指经过机械加工后，在零件已加工表面上几微米至几百微米表面层所产生的物理机械性能的变化，以及表面层微观几何形状误差，所以机械加工表面质量的主要内容包含了表面层微观几何形状和表面层物理机械性能。
1.表面层几何形状误差
表面层几何形状误差主要由表面粗糙度和波度两个部分组成。表面粗糙度是指表面的微观几何形状误差，它是切削运动后，刀刃在被加工表面上形成的峰谷不平的痕迹。波度是介于加工精度（宏观几何形状误差）和表面粗糙度之间的周期性几何形状误差，它主要是由加工过程中工艺系统的振动所引起的。
2.表面层物理机械性能
表面层的金属材料在切削加工时会产生物理、机械以及化学性质的变化。它主要有： 1）表面层硬化深度和程度。工件在机械加工过程中，表面层金属产生强烈的塑性变形，使表面层的硬度提高，这种现象称表面冷作硬化；
2）表面层内残余应力的大小、方向及分布情况。在切削或磨削加工过程中，由于切削变形和切削热的影响，加工表面层会产生残余应力，其应力状态（拉应力或压应力）和大小对零件合作性能有很大影响。
3）表面层金相组织的改变。这种改变包括日粒大小和形状、析出物和再结晶等的变化。如磨削淬火零件时由于磨削烧伤引起的表面层金相组织由马氏体转变为屈氏体、索氏体，表面层硬度降低。
4）表面层内其它物理机械性能的变化。这种变化包括极限强度、疲劳强度、导热性和磁性等的变化。
二、表面质量对使用性能的影响
表面质量对零件合作性能，如耐磨性、耐疲劳性、耐腐蚀性、配合质量等都有一定程度的影响。
1、耐磨性
2、耐疲劳性
3、耐腐蚀性
4、配合质量
第二节
表面粗糙度及其影响因素
影响表面粗糙度的因素主要有几何因素和物理因素。
1.切削加工后的表面粗糙度
（1）切削速度的影响。
（2）被加工材料性质的影响。
（3）刀具的几何形状、材料、刃磨质量的影响。2.磨削加工后的表面粗糙度
图5-10 磨粒在工件上的刻痕
图5-11 磨粒上的微刃 影响磨削表面粗糙度的主要因素是：（1）砂轮的粒度。（2）砂轮的修整。（3）砂轮速度。
（4）磨削切深与工件速度。
第三节 机械加工后表面物理机械性能的变化
一．加工表面的冷作硬化
图5-12 切削加工后表面层的冷硬
图5-13 切削速度与进给量对冷作硬化的影响 影响冷作硬化的主要因素有： 1）刀具的影响。2）切削用量的影响。3）被加工材料的影响。
二．加工表面的金相组织变化—磨削烧伤
避免烧伤的途径是减少热量的产生和加速热量的传出。具体措施与消除裂纹措施相同，将在后面叙述。三．加工表面层的残余应力
1.表面残余应力的产生原因（1）冷塑性变化的影响。（2）热塑性变形的影响。（3）金相组织变化的影响。2.磨削裂纹及避免产生裂纹的措施
磨削裂纹的产生与材料热处理工序有很大关系。解决这一问题的主要措施有：
（1）提高冷却效果。
（2）磨削用量的选择。（3）改善砂轮的磨削性能。
第四节 控制加工表面质量的途径
1.控制磨削参数
2.采用超精加工、珩磨等光整加工方法作为最终加工工序。3.采用喷丸、滚压、辗光等强化工艺。
第五节 振动对表面质量的影响及其控制
一．振动对表面质量的影响
图5-22 切削加工中振动的类型 二．自由振动
自由振动是当系统所受的外界干扰力去除后系统本身的衰减振动。三．强迫振动
强迫振动是由外界周期性的干扰力所支持的不衰减振动。1.切削加工中产生强迫振动的原因。2.强迫振动的特点
1）强迫振动的稳态过程是谐振动，只要干扰力存在，振动不会被阻尼衰减掉，去除了干扰力，振动停止。
2）强迫振动的频率等于干扰力的频率。
3）阻尼愈小，振幅愈大，谐波响应轨迹的范围大。增加阻尼，能在效地减小振幅。4）在共振区，较小的频率变化会引起较大的振幅和相位角的变化。3.消除强迫振动的途径 1）消振与隔振。
2）消除回转零件的不平衡。3）提高传动件的制造精度。4）提高系统刚度，增加阻尼。四．自激振动
1.自激振动的原理
图5-23 机床自激振动系统
2.自激振动的特点 3.消除自激振动的途径
1）合理选择与切削过程有关的参数。2）提高工艺系统本身的抗振性。3）使用消振装置。
第三章
机械加工精度
第一节
机械加工精度的概念
一、机械加工精度的含义及内容
加工精度是指零件经过加工后的尺寸、几何形状以及各表面相互位置等参数的实际值与理想值相符合的程度，而它们之间的偏离程度则称为加工误差。
零件的几何参数包括几何形状、尺寸和相互位置三个方面，故加工精度包括：（1）尺寸精度（2）几何形状精度（3）相互位置精度
二、机械加工误差分类
1、系统误差与随机误差
从误差是否被人们掌握来分，可分为系统误差和随机误差。
2、静态误差与切削状态误差
从误差是否与切削状态有关来分，可分为静态误差与切削状态误差。
第二节
获得加工精度的方法
1、试切法
2、调整法
调整法可分为静调整法和动调整法两大类：
3、尺寸刀具法
尺寸刀具法大多利用定尺寸的孔加工刀具，如钻头、镗刀块、拉刀及铰刀等来加工孔。
4、主动测量法
在加工过程中，边加工边测量加工尺寸，达到要求时就立即停止加工，这就是主动测量法。
第三节 影响加工精度的因素
一、原理误差
原理误差是由于采用了近似的加工运动或者近似的刀具轮廓而产生的。
二、工艺系统的制造精度和磨损对加工精度的影响
工艺系统中机床、刀具、夹具本身的制造精度及磨损将对工件的加工精度有不同程度的影响。
1、机床的制造精度和磨损（1）导轨误差
2、刀具的制造精度和尺寸磨损
3、夹具的制造精度和磨损
三、工艺系统受力变形对加工精度的影响
1、刚度的概念
刚度是物体受力后抵抗外力的能力，也就是物体在受力方向上产生单位弹性变形所需要的力。
2、刚度曲线及影响刚度的因素（1）工艺系统的变形曲线 1）加载变形曲线
2）正反加卸载变形曲线 3）多次重复加卸载变形曲线
（2）影响工艺系统刚度的因素 1）接触面的表面质量
2）系统存在薄弱环节—刚度较差的零件
3）连接件夹紧力的影响 4）摩擦力的影响 5）间隙的影响
（3）工艺系统刚度及其组成3、工艺系统受力变形对加工精度的影响（1）切削力对加工精度的影响
工艺系统受切削力的作用将产生变形，当切削力变化时造成变形量的变化，因此将会影响工件的尺寸精度、形状精度及位置精度。
（2）传动力对加工精度的影响（3）惯性力对加工精度的影响（4）夹紧力对加工精度的影响（5）重力对加工精度的影响、内应力对加工精度的影响（1）毛坯制造中产生的内应力（2）冷校直带来的内应力
5、提高工艺系统刚度的措施（1）机床构件自身刚度的提高（2）提高工件安装时的刚度（3）提高加工时刀具的刚度（4）提高零件表面质量（5）减少接触面（6）加预紧力
四、工艺系统受热变形对加工精度的影响
1、工艺系统的热源（1）切削热
（2）传动系统的摩擦热和能量损耗（3）外部热源
2、工件的热变形（1）工件比较均匀地受热（2）工件不均匀受热
3、刀具的热变形
4、机床的热变形
5、减少热变形对加工精度影响的措施（1）减少热源的能量（2）用热补偿方法（3）改善机床结构（4）保持工艺系统的热平衡（5）控制环境温度
五、调整误差
不同的调整方式，有不同的误差来源： 1）试切法调整（1）度量误差（2）加工余量的影响（3）微进给误差 2）按定程机构调整 3）按样件或样板调整
六、度量误差
（1）度量方法和度量仪器的选择（2）测量力引起的变形误差（3）度量环境的影响（4）读数误差
第四节
加工误差的分析与控制
一、分布曲线法
1、正态分布曲线
2、利用分布曲线研究加工精度（1）工艺验证—工艺能力系数（2）误差分析
3、运用分布曲线研究加工精度所存在的问题
二、点图法
三、相关分析法
1、相关性
2、回归直线
3、应用举例
四、分析计算法
1、系统误差的综合2、随机系统的综合3、系统误差与随机误差的综合4、应用举例
第四章
机械加工工艺规程的制定
第一节
基本概念
一、机械产品生产过程与机械加工工艺过程 机械加工工艺过程是机械产品生产过程的一部分。
二、机械加工工艺过程的组成1、工序
工序是指一个（或一组）工人在一个工作地点对一个（或同时对几个）工件连续完成的那一部分加工过程。
2、安装
在同一个工序中，工件每定位和夹紧一次所完成的那部分加工称为一个安装。
3、工位
每一个加工位置上所完成的工艺过程称为工位。
4、工步
在一个工位中，加工表面、切削刀具、切削速度和进给量都不变的情况下所完成的加工，称为一个工步。
5、走刀
切削刀具在加工表面上切削一次所完成的工走内容，称为一次走刀。
三、生产类型与机械加工工艺规程
用工艺文件规定的机械加工工艺过程，称为机械加工工艺规程。
1、生产纲领
产品的生产纲领就是年生产量。
2、生产类型
机械制造业的生产类型一般分为三类即大量生产、成批生产和单件生产。
3、机械加工工艺规程的作用
4、机械加工工艺规程的格式
四、机械加工工艺规程的设计原则、步骤和内容
制订机械加工工艺规程是工艺准备中最重要的一项工作。其主要内容和顺序包括以下几方面。
1、制订机械加工工艺规程的原始资料
2、设计机械加工工艺规程的步骤和内容 1）阅读装配图和零件图 2）工艺审查 3）熟悉或确定毛坯 4）拟定机械加工工艺路线 5）确定满足各工序要求的工艺装备 6）确定各主要工序的技术要求和检验方法 7）确定各工序的加工余量、计算工序尺寸和公差。8）确定切削用量 9）确定时间定额 10）填写工艺文件
第二节
定位基准及选择
一、基准
1、设计基准
2、工艺基准（1）定位基准（2）测量基准（3）装配基准
二、定位基准的选择
1、选择定位基准的基本方法
2、粗基准的选择
1）选加工余量小的、较准确的、光洁的、面积较大的毛面做粗基准 2）选重要表面为粗基准 3）选不加工的表面做粗基准 4）粗基准一般只能使用一次
3、精基准的选择（1）基准重合原则（2）基准单一原则（3）互为基准原则（4）自为基准原则
第三节
工艺路线的制定
一、加工经济精度与加工方法的选择
1、加工经济精度
2、加工方法的选择
二、典型表面的加工路线
1、外圆表面的加工路线
2、孔的加工路线
3、平面的加工路线
三、工序顺序的安排
1、工序顺序的安排原则
（1）先加工基准面，再加工其它表面（2）一般情况下，先加工平面，后加工孔（3）先加工主要表面，后加工次要表面（4）先安排粗加工工序，后安排精加工工序
2、热处理工序及表面处理工序的安排
3、其它工序的安排
四、工序的集中与分散
同一个工件，同样的加工内容，可以安排两种不同形式的工艺规程：一种是工序集中，另一种是工序分散。
五、加工阶段的划分
根据精度要求的不同，可以划分为工：（1）粗加工阶段（2）半精加工阶段（3）精加工阶段
（4）精密、超精密加工、光整加工阶段
第四节
加工余量、工序间尺寸及公差的确定
一、加工余量的概念
1、加工总余量与工序余量
2、工序余量的影响因素（1）上道工序的加工精度（2）上道工序的表面质量（3）本道工序的安装误差
二、加工余量的确定 确定加工余量的方法有三种：计算法、查表法和经验法。
三、工序尺寸与公差的确定
1）拟定该加工表面的工艺路线，制定工序及工步
2）按各工序所采用加工方法的经济精度，确定工序尺寸公差和表面粗糙度 3）按工序用分析计算法或查表法确定其加工余量 4）填写工序尺寸并按“入体原则”标注工序尺寸公差
第五节
工艺尺寸链
一、直线尺寸链的基本计算公式
1、极值法计算公式（1）封闭环的基本尺寸
（2）封闭环的公差
（3）封闭环的上下偏差
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