目 录 序 第二节靡削过程与特点… 153 前言 第三节磨削运动与磨削用量…154 绪论 第四节 磨床 6 第一章 机械加工工艺系统的基本知 第五节 精密、超精密磨削与光 整加工 163 识 第一节机械零件加工表面的形成…4 习题与思考题 何 第七章齿形加工 第二节金尾切削机床与数控机床的基木 第一节 滚齿 第二节插齿 170 第三节金属切削刀具… .16 第四节 机床夹具… 第三节齿面精加工 181 习题与思考题… 184 习题与思考题· 38 第二章 金属切削过程及控制 第八章其他加工方法 186 第一节 刨削加工 186 第一节金属切削的切削要素… 40 第二节拉削加工 189 第二节 金属切削过程基本规律及应用 第三节 螺纹加工 第三节合理切削条件的洗择: 56 第四节数控线切割加工 193 习题与思考题…66 习题与思考颗 % 第三章车削加工… 68 第九章 机械加工质量分析与控制… 197 第 节 车床 69 第一节 概述 19 第二节车削及车削刀具 91 第二节 影响加工精度的主要因素 第三情左庆来且 第三节 加丁识筹综合分折,213 习题与思考题 第四节 影响表面质量的因素… 221 第四章铣削加工 第五节机械加工中的振动 225 第一节 铣削原理 100 习题与思考题 229 第一节统床 6 第十章 机械制造工艺规程设计 233 第三节 铣刀及铣削用量 13 算一节基木概今 233 第四节统床夹具… 118 第二节 机械加工工艺规程设 236 习题与思考题 第三节数控加工工艺规程设计 ……260 第五章钻削与镗削加工 122 第四节机器装配工艺规程设计 ,266 第一节 钻床、床及加工中心 习题与思考题 第一节钻削与钻削刀具 130 第十一章典型零件的加工 276 第三节 铰削与铰刀 第一节 轴类零件的加工 276 第四节幢削与镗刀………… 138 第二节箱体类零件的加工 284 第五节钻床与造床夹且 140 ]题与思考题 296 习题与思考题 148 第十二章专用夹具设计方法… 298 第六章磨削加工 149 第 一节 专用夹具的基本要求和设计步 第一节 砂轮的特性与选用 149 298
目 录 序 前言 绪论 ……………………………………………… 1 第一章 机械加工工艺系统的基本知 识……………………………………… 4 第一节 机械零件加工表面的形成 ………… 4 第二节 金属切削机床与数控机床的基本 知识 ………………………………… 8 第三节 金属切削刀具 ……………………… 16 第四节 机床夹具 …………………………… 23 习题与思考题 ………………………………… 38 第二章 金属切削过程及控制 …………… 40 第一节 金属切削的切削要素 ……………… 40 第二节 金属切削过程基本规律及应用 …… 42 第三节 合理切削条件的选择 ……………… 56 习题与思考题 ………………………………… 66 第三章 车削加工…………………………… 68 第一节 车床 ………………………………… 69 第二节 车削及车削刀具 …………………… 91 第三节 车床夹具 …………………………… 95 习题与思考题 ………………………………… 97 第四章 铣削加工 ………………………… 99 第一节 铣削原理 ………………………… 100 第二节 铣床 ……………………………… 106 第三节 铣刀及铣削用量 ………………… 113 第四节 铣床夹具 ………………………… 118 习题与思考题 ……………………………… 121 第五章 钻削与镗削加工………………… 122 第一节 钻床、镗床及加工中心 ………… 122 第二节 钻削与钻削刀具 ………………… 130 第三节 铰削与铰刀 ……………………… 135 第四节 镗削与镗刀 ……………………… 138 第五节 钻床与镗床夹具 ………………… 140 习题与思考题 ……………………………… 148 第六章 磨削加工 ………………………… 149 第一节 砂轮的特性与选用 ……………… 149 第二节 磨削过程与特点 ………………… 153 第三节 磨削运动与磨削用量 …………… 154 第四节 磨床 ……………………………… 156 第五节 精密、超精密磨削与光 整加工 …………………………… 163 习题与思考题 ……………………………… 167 第七章 齿形加工 ………………………… 169 第一节 滚齿 ……………………………… 169 第二节 插齿 ……………………………… 179 第三节 齿面精加工 ……………………… 181 习题与思考题 ……………………………… 184 第八章 其他加工方法 …………………… 186 第一节 刨削加工 ………………………… 186 第二节 拉削加工 ………………………… 189 第三节 螺纹加工 ………………………… 191 第四节 数控线切割加工 ………………… 193 习题与思考题 ……………………………… 196 第九章 机械加工质量分析与控制 …… 197 第一节 概述 ……………………………… 197 第二节 影响加工精度的主要因素 ……… 198 第三节 加工误差综合分析 ……………… 213 第四节 影响表面质量的因素 …………… 221 第五节 机械加工中的振动 ……………… 225 习题与思考题 ……………………………… 229 第十章 机械制造工艺规程设计 ……… 233 第一节 基本概念 ………………………… 233 第二节 机械加工工艺规程设计 ………… 236 第三节 数控加工工艺规程设计 ………… 260 第四节 机器装配工艺规程设计 ………… 266 习题与思考题 ……………………………… 274 第十一章 典型零件的加工 …………… 276 第一节 轴类零件的加工 ………………… 276 第二节 箱体类零件的加工 ……………… 284 习题与思考题 ……………………………… 296 第十二章 专用夹具设计方法 ………… 298 第一节 专用夹具的基本要求和设计步 骤 ………………………………… 298
第二节夹具总图上技术要求的制订…299 (CAPP ,311 第三节 工件在夹具中的加工精度分析一 300 第三节柔性制造系统(FMS …3引6 第四节专用夹具设计示例…301 第四节计算机辅助制造(CAMD和计算机 习题与里考题 初5 集成制造系统(CIMS) 31g 第十三章机械制造自动化及先进的生 第五节 先进的生产模式 中 产模式… 306 习题与思考题 325 第一节成组技术(GT)…306 附录 第二节计算机辅助工艺规程设计 参考文献
第二节 夹具总图上技术要求的制订 …… 299 第三节 工件在夹具中的加工精度分析 … 300 第四节 专用夹具设计示例 ……………… 301 习题与思考题 ……………………………… 305 第十三章 机械制造自动化及先进的生 产模式 ………………………… 306 第一节 成组技术 (GT) ………………… 306 第二节 计算机辅助工艺规程设计 (CAPP) ………………………… 311 第三节 柔性制造系统 (FMS) ………… 316 第四节 计算机辅助制造 (CAM)和计算机 集成制造系统 (CIMS) ………… 319 第五节 先进的生产模式 ………………… 323 习题与思考题 ……………………………… 325 附录 …………………………………………… 327 参考文献 ……………………………………… 335 Ⅸ
绪 论 一、机械制造业与机械制造技术 在国民经济的各个部门(如工业、农业、交通运输、科研和国防等)中,广泛使用着大 量的机械、仪器和工具。生产这些机械、仪器和工具的工业,称为机械制造业。机械制造业 的主要任务就是为国民经济各个部门研究、设计和制造现代的技术装备。机械制造技术则是 研究用于制造上述机械产品的加工原理、工艺过程和方法及相应设备的一门工程技术。 机械制造业作为国民经济的基础产业,不仅对提高人们的生活水平起着重要的作用,而 且对科学技术的发展,尤其是现代高新技术(如信息技术、新材料技术、生物工程技术和空 间技术等)的发展起着重要的推动作用。而机械制造业的发展和进步,在很大程度上又取决 于机械制造技术的发展。在科学技术高度发展的今天,现代工业对机械制造技术提出了越来 越高的要求,如要求达到纳米(10~6mm)级的超精密加工,大规模集成电路硅片划片的超 微细加工,重型设备超大型件的加工,难加工材料和具有特殊物理性能材料的加工等等,诸 如此类,给现代机械制造技术提出了许多新的课题。因此,在未来的竞争中,谁掌握先进的 制造技术,谁就有控制市场的主动权。 另一方面,正是由于科学技术的发展,又为机械制造技术的发展提供了工具和手段。特 别是计算机技术的发展,促使常规机械制造技术与数控技术、精密检测技术等相互结合,向 着高精度、高效率、高柔性和自动化的方向发展,使生产效率和质量大幅度提高。 精密与超精密加工是机械制造技术发展的主要方向之一。在现代高科技领域中,产品的 精度要求越来越高,这就要求机械制造精度不断提高,能与产品的精度要求相适应。近20 年来,机械加工精度已从20世纪初的1m(精密加工)提高到0.001m,即纳米(m 1nm=10~m=10-m)级,最近已达到0.1~0.01nm,即超精密加工,如量规、光学平晶 和集成电路的硅基片的精密研磨抛光。超精密加工技术的发展有力地推动了各种新技术的发 展,己成为国际竞争中能否成功的关键技术。目前,日本大阪大学与美国LLL实验室合作 研究超精密切削时,成功地实现了lm切削厚度的稳定切削。美、英等国还研制出几台具 有代表性的大型超精密机床,可完成超精密车削、磨削和坐标测量等工作,机床的分辨率可 达0.7nm,代表了现代机床的最高水平。 机械制造过程的自动化和柔性化是机械制造技术发展的又一方向。随着国内外市场的激 烈竞争,机电产品的更新换代越来越频繁,多品种的中小批量生产将成为今后的一种主要生 产类型。因此,解决中小批量生产的自动化和柔性化制造技术越来越受到重视。目前,随着 数控机床和加工中心的广泛使用,计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAMD和柔 性制造系统FMS)己经进入了实用阶段。在一些工业发达国家,正在大力发展计算机集 成制造系统(CMS),通过计算机网络对企业的物质流、信息流和能量流进行有效的控制和 管理,不仅实现了自动化、柔性化、智能化和集成化,而且使产品质量和生产效率大大提 高,生产周期缩短,收到了很好的经济效益
绪 论 一、机械制造业与机械制造技术 在国民经济的各个部门 (如工业、农业、交通运输、科研和国防等) 中,广泛使用着大 量的机械、仪器和工具。生产这些机械、仪器和工具的工业,称为机械制造业。机械制造业 的主要任务就是为国民经济各个部门研究、设计和制造现代的技术装备。机械制造技术则是 研究用于制造上述机械产品的加工原理、工艺过程和方法及相应设备的一门工程技术。 机械制造业作为国民经济的基础产业,不仅对提高人们的生活水平起着重要的作用,而 且对科学技术的发展,尤其是现代高新技术 (如信息技术、新材料技术、生物工程技术和空 间技术等) 的发展起着重要的推动作用。而机械制造业的发展和进步,在很大程度上又取决 于机械制造技术的发展。在科学技术高度发展的今天,现代工业对机械制造技术提出了越来 越高的要求,如要求达到纳米 (10-6mm)级的超精密加工,大规模集成电路硅片划片的超 微细加工,重型设备超大型件的加工,难加工材料和具有特殊物理性能材料的加工等等,诸 如此类,给现代机械制造技术提出了许多新的课题。因此,在未来的竞争中,谁掌握先进的 制造技术,谁就有控制市场的主动权。 另一方面,正是由于科学技术的发展,又为机械制造技术的发展提供了工具和手段。特 别是计算机技术的发展,促使常规机械制造技术与数控技术、精密检测技术等相互结合,向 着高精度、高效率、高柔性和自动化的方向发展,使生产效率和质量大幅度提高。 精密与超精密加工是机械制造技术发展的主要方向之一。在现代高科技领域中,产品的 精度要求越来越高,这就要求机械制造精度不断提高,能与产品的精度要求相适应。近20 年来,机械加工精度已从20世纪初的1μm(精密加工) 提高到0001μm,即纳米 (nm, 1nm=10-9m=10-3μm) 级,最近已达到01~001nm,即超精密加工,如量规、光学平晶 和集成电路的硅基片的精密研磨抛光。超精密加工技术的发展有力地推动了各种新技术的发 展,已成为国际竞争中能否成功的关键技术。目前,日本大阪大学与美国 LLL实验室合作 研究超精密切削时,成功地实现了1nm切削厚度的稳定切削。美、英等国还研制出几台具 有代表性的大型超精密机床,可完成超精密车削、磨削和坐标测量等工作,机床的分辨率可 达07nm,代表了现代机床的最高水平。 机械制造过程的自动化和柔性化是机械制造技术发展的又一方向。随着国内外市场的激 烈竞争,机电产品的更新换代越来越频繁,多品种的中小批量生产将成为今后的一种主要生 产类型。因此,解决中小批量生产的自动化和柔性化制造技术越来越受到重视。目前,随着 数控机床和加工中心的广泛使用,计算机辅助设计 (CAD)、计算机辅助制造 (CAM) 和柔 性制造系统 (FMS)已经进入了实用阶段。在一些工业发达国家,正在大力发展计算机集 成制造系统 (CIMS),通过计算机网络对企业的物质流、信息流和能量流进行有效的控制和 管理,不仅实现了自动化、柔性化、智能化和集成化,而且使产品质量和生产效率大大提 高,生产周期缩短,收到了很好的经济效益
发展高速切削、强力切削,提高切削加工效率,是机械制造技术发展的另一趋势。机床 结构设计与制造水平的提高和新型刀具材料的应用,使切削加工效率大为提高。目前数控车 床的主轴转速已达到5000r/mim,国外有的加工中心(如日本森精机制作所的立式加工中心) 的主轴转速达到70000r/mi,高速铣床(如日本新泻铁工UHS10数控铣床)的主轴转速达 到100000r/min:高速电主轴采用陶瓷轴承、气浮轴承,德国研制的高速静压轴承,转速可 达160000r/mim:机床进给系统采用直流或交流伺服电动机驱动、大导程滚珠丝杠螺母传动, 其快进速度最高可达60m/min:采用直线电动机传动装置时,快进速度可达150~210m/ mi:高速磨削的切削速度可达100~200m/s:高速加工中心工作台的进给速度已高达20~ 30 m/min。新型刀具材料如涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼的应用,使常规切削速度提高 了5~10倍。当用立方氮化硼(CBN)刀具高速铣削和镗削铸铁件时,切削速度可高达 10O0mmin,采用氮化硅陶瓷(Si,N)刀具加工铸铁零件,切削速度可达1500m/min。 新中国成立以来,我国的机械制造业和机械制造技术得到了长足发展,己建成了门类齐 全、具有较大规模的机械制造体系。大型、精密装备的水平,自动化程度和成套能力明显提 高。不少新的制造技术在一定程度上得到推广应用,制造能力显著加强,为国民经济各个部 门提供大量的技术和生产装备。为进一步满足国民经济发展的需要和缩小与发达国家制造水 平的差距,机械工业正努力开发新产品,积极研究推广先进制造技术。开发的机床新产品 中,数控机床就占70%以上。生产的DIGT165型高速铣削中心,主轴转速达到40000 min,进给速度可达30m/min,定位精度为8rm,重复定位精度为5ym,可实现5轴联动: PV4一C型高速立式加工中心,主轴转速达10000rmin,定位精度为±2m,重复定位精度 为±1m:XHSF-2420型高速仿形定梁龙门筐铣加工中心,快速移动速度达15m/min, 件在一次装夹下,可实现五面加工,达到20世纪80年代中后期国际先进水平。柔性制造系 统和计算机集成制造系统在我国相关的机械行业也相继出现。这些成就为我国机械工业适应 现代技术发展,提高制造技术水平,加快产品结构调整,适应市场经济发展的要求,提高国 际市场竞争力奠定了基础。 但是,我们也应看到,我国的机械制造技术水平与国际先进水平相比还有很大差距。大 部分高精度机床性能不能满足要求,特别是数控机床的产量、技术水平和质量保证等方面都 明显落后。以1993年为例,我国机床数控化率仅为3.74%,而发达国家已达70%以上。国 外已做到15~19轴联动,分辨率达0.1~0.01m,而我国只能做到5~6轴联动,分辨率为 1,质量和可靠性也不稳定。引进技术吸收缓慢,国产化周期长,科技成果商品化进程 慢,规模经济效益不明显等问题普遍存在。这些问题的根本原因在于机械制造技术水平的落 后。因此,大力发展先进制造技术是当前机械制造业的当务之急。 二、本课程的内容及学习要求 本果程主要介绍机械产品的机威制造过程及其系统。它包括了金属切削原理及其基本规 律,机床、刀具、夹具的基本知识,机械加工精度及表面质量的概念及其控制方法,机械制 造工艺规程的基本知识及设计,现代制造技术新知识及发展趋势 通过本课程的学习,要求学生能从技术与经济紧密结合的角度出发,围绕加工质量与生 产率这两个目标,掌握和熟悉机械制造过程中包括传统和现代的各种常用加工方法和制造工 艺,以及与其相关的切削原理、加工原理、工艺装备的性能与选用原则、加工质量分析与控
发展高速切削、强力切削,提高切削加工效率,是机械制造技术发展的另一趋势。机床 结构设计与制造水平的提高和新型刀具材料的应用,使切削加工效率大为提高。目前数控车 床的主轴转速已达到5000r?min,国外有的加工中心 (如日本森精机制作所的立式加工中心) 的主轴转速达到70000r?min,高速铣床 (如日本新泻铁工 UHS10数控铣床) 的主轴转速达 到100000r?min;高速电主轴采用陶瓷轴承、气浮轴承,德国研制的高速静压轴承,转速可 达160000r?min;机床进给系统采用直流或交流伺服电动机驱动、大导程滚珠丝杠螺母传动, 其快进速度最高可达60m?min;采用直线电动机传动装置时,快进速度可达150~210m? min;高速磨削的切削速度可达100~200m?s;高速加工中心工作台的进给速度已高达20~ 30m?min。新型刀具材料如涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼的应用,使常规切削速度提高 了5~10倍。当用立方氮化硼 (CBN)刀具高速铣削和镗削铸铁件时,切削速度可高达 1000m?min,采用氮化硅陶瓷 (Si3N4)刀具加工铸铁零件,切削速度可达1500m?min。 新中国成立以来,我国的机械制造业和机械制造技术得到了长足发展,已建成了门类齐 全、具有较大规模的机械制造体系。大型、精密装备的水平,自动化程度和成套能力明显提 高。不少新的制造技术在一定程度上得到推广应用,制造能力显著加强,为国民经济各个部 门提供大量的技术和生产装备。为进一步满足国民经济发展的需要和缩小与发达国家制造水 平的差距,机械工业正努力开发新产品,积极研究推广先进制造技术。开发的机床新产品 中,数控机床就占70%以上。生产的 DIGIT165型高速铣削中心,主轴转速达到40000r? min,进给速度可达30m?min,定位精度为8μm,重复定位精度为5μm,可实现5轴联动; PV4—C型高速立式加工中心,主轴转速达10000r?min,定位精度为±2μm,重复定位精度 为±1μm;XHSF—2420型高速仿形定梁龙门镗铣加工中心,快速移动速度达15m?min,工 件在一次装夹下,可实现五面加工,达到20世纪80年代中后期国际先进水平。柔性制造系 统和计算机集成制造系统在我国相关的机械行业也相继出现。这些成就为我国机械工业适应 现代技术发展,提高制造技术水平,加快产品结构调整,适应市场经济发展的要求,提高国 际市场竞争力奠定了基础。 但是,我们也应看到,我国的机械制造技术水平与国际先进水平相比还有很大差距。大 部分高精度机床性能不能满足要求,特别是数控机床的产量、技术水平和质量保证等方面都 明显落后。以1993年为例,我国机床数控化率仅为374%,而发达国家已达70%以上。国 外已做到15~19轴联动,分辨率达01~001μm,而我国只能做到5~6轴联动,分辨率为 1μm,质量和可靠性也不稳定。引进技术吸收缓慢,国产化周期长,科技成果商品化进程 慢,规模经济效益不明显等问题普遍存在。这些问题的根本原因在于机械制造技术水平的落 后。因此,大力发展先进制造技术是当前机械制造业的当务之急。 二、本课程的内容及学习要求 本课程主要介绍机械产品的机械制造过程及其系统。它包括了金属切削原理及其基本规 律,机床、刀具、夹具的基本知识,机械加工精度及表面质量的概念及其控制方法,机械制 造工艺规程的基本知识及设计,现代制造技术新知识及发展趋势。 通过本课程的学习,要求学生能从技术与经济紧密结合的角度出发,围绕加工质量与生 产率这两个目标,掌握和熟悉机械制造过程中包括传统和现代的各种常用加工方法和制造工 艺,以及与其相关的切削原理、加工原理、工艺装备的性能与选用原则、加工质量分析与控 2
3 制方法等。其具体要求为: 1)掌握金属切削的基本规律,并能用于各种切削参数和刀具几何参数的合理选择,对 加工质量进行正确的分析与控制。 2)掌握常用机械加工方法的工作原理、工艺特点、保证措施,以及常用机床(包括数 控机床)和刀具的性能、加工范围、主要结构,并能合理选用机床和刀具。 3)掌握制订机械加工工艺规程、数控加工工艺规程及机器装配工艺规程和设计专用夹 具的基本知识,具有拟定中等复杂程度零件加工工艺规程、设计中等复杂程度零件专用夹具 的能力。 4)掌握机械加工精度和表面质量的基本理论和基本知识,初步具有分析现场工艺问题 的能力。 5)对机械制造技术的新发展有一定的了解。 三、本课程的特点及学习方法 机械制造技术是一门综合性、实践性、灵活性强的专业技术课程。学习本课程应注意下 列几点: )本课程包含面广、内容丰富、综合性强,不仅包含了金属切削原理、机床、刀具、 夹具和加工工艺等,还涉及到毛坯制造、金属材料、热处理和公差配合等方面的知识。因 此,在学习时,要善于将已学过的有关知识同本课程的知识结合起来,合理地综合运用。 2)机械制造技术同生产实际密切相关,其理论源于生产实际,是长期生产实践的总结。 只有通过实践环节(实验、课程设计及实习)的配合,通过深入生产实际,才能掌握本课程 的知识,提高对知识的应用能力。 3)机械制造技术的应用有很大的灵活性。例如,对同一个零件,在工艺设计上可能有 多种方案。因此,在实践中,必须针对具体问题进行具体分析,在不同的现场条件下,灵活 运用理论知识,优选最佳方案
制方法等。其具体要求为: 1)掌握金属切削的基本规律,并能用于各种切削参数和刀具几何参数的合理选择,对 加工质量进行正确的分析与控制。 2)掌握常用机械加工方法的工作原理、工艺特点、保证措施,以及常用机床 (包括数 控机床) 和刀具的性能、加工范围、主要结构,并能合理选用机床和刀具。 3)掌握制订机械加工工艺规程、数控加工工艺规程及机器装配工艺规程和设计专用夹 具的基本知识,具有拟定中等复杂程度零件加工工艺规程、设计中等复杂程度零件专用夹具 的能力。 4)掌握机械加工精度和表面质量的基本理论和基本知识,初步具有分析现场工艺问题 的能力。 5)对机械制造技术的新发展有一定的了解。 三、本课程的特点及学习方法 机械制造技术是一门综合性、实践性、灵活性强的专业技术课程。学习本课程应注意下 列几点: 1)本课程包含面广、内容丰富、综合性强,不仅包含了金属切削原理、机床、刀具、 夹具和加工工艺等,还涉及到毛坯制造、金属材料、热处理和公差配合等方面的知识。因 此,在学习时,要善于将已学过的有关知识同本课程的知识结合起来,合理地综合运用。 2)机械制造技术同生产实际密切相关,其理论源于生产实际,是长期生产实践的总结。 只有通过实践环节 (实验、课程设计及实习) 的配合,通过深入生产实际,才能掌握本课程 的知识,提高对知识的应用能力。 3)机械制造技术的应用有很大的灵活性。例如,对同一个零件,在工艺设计上可能有 多种方案。因此,在实践中,必须针对具体问题进行具体分析,在不同的现场条件下,灵活 运用理论知识,优选最佳方案。 3