同濟大學機械製造技術基礎期末複習重點

04-29

同濟大學機械製造技術基礎期末複習重點（18年初）

由PhilHE開始於20180108，最終更新於20180119

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緒論

製造系統中包含了三種流：物質流、信息流、資金流

物質流：主要指由毛坯到產品的有形物質的流動
信息流：主要指生產活動的設計、規劃、調度與控制
資金流：包括成本管理、利潤規劃與費用流動

製造系統的產品生命周期：生命周期分析 （Life Cycle Assessment: LCA）

流程：設計-->製造-->裝配-->銷售-->回收

五大特性TQCSE：T表示時間(Time)，Q表示質量(Quality)，C表示成本(Cost)，S表示服務(Service)，E表示環境友善性(Environment)

第一章機械加工方法

P6 順銑與逆銑概念，注重圖1-3

精度：IT8~7 = 6.3~0.8 $mu m$

銑削（X）運動構成：刀具的旋轉運動為主運動，工件本身不動，由機床的工作台完成進給運動。

加工方法：立銑和卧銑，後者又分為順銑和逆銑（按照銑削時主運動速度方向/銑削水平分力與工件進給方向的相同或相反）

#順銑# - 易引起工件和工作台向前竄動,使進給量突然增大，容易引起打刀 - 刀具首先接觸工件的硬皮，加劇了刀具的磨損 - 垂直分力有利於夾緊 - 表面粗糙度好，屬於精加工（相對） #逆銑# - 避免了順銑時可能產生的向前竄動 - 銑削時刀刃要在已發生加工硬化的加工表面上擠壓滑行，加速了刀具的磨損 - 易將工件上抬的趨勢，也容易產生振動 - 表面粗糙度差，屬於粗加工（相對）

P8 滾齒機滾切斜齒輪工藝原理，注重圖1-8

齒面加工（Y）分為成形法與展成法兩大類

滾齒機滾切斜齒輪——兩個複合成形運動：展成運動、差動運動

展成運動：滾刀的旋轉運動與工件的旋轉運動——產生漸開線齒形

差動運動：刀架軸向運動與工件附加旋轉運動——產生螺旋線齒長

P9 4種特種加工，掌握應用不用背原理

電火花加工——利用工具電極和工件電極間瞬時火花放電所產生的高溫

加工各種導電材料，可以加工各種型孔以及型腔，也可以切割、切斷

電解加工——利用金屬在電解液中產生陽極溶解的電化學原理對工件進行成形加工

加工各種型腔與型孔，複雜型面，去毛刺以及刻印

激光加工——利用相關原理熔蝕材料進行加工成形

用於打孔與切割

超聲波加工——利用超聲頻振作的工具端面衝擊工作液中的懸浮磨粒，由磨粒對工件撞擊拋磨來實現加工

加工玻璃等非金屬凹腔

第二章金屬切削原理與刀具

P16 五個角度與三個平面（主後面參考系），注重圖2-6

三個坐標系平面

基面 $P_r$ 是通過切削刃上選定點，垂直於主運動方向的平面。
切削平面 $P_s$ 是通過主切削刃選定點與主切削刃相切並垂直於基面的平面。 $P_s perp P_r$
正交平面 $P_o$ 是通過主切削刃選定點並同時垂直於切削平面和基面的平面。 $P_o perp P_r$ ， $P_o perp P_s$

三個刀具平面：前刀面、主後面、副後面

三個刀具線：主切削刃、副切削刃、刀尖

五個角度：

前角——前角增大，刀尖鋒利，刀頭強度下降，刀具壽命減少后角——后角增大，刀頭強度減小主偏角——影響切削分力的大小副偏角——影響已加工表面的粗糙度刃傾角——影響刀頭強度和切屑的流向

P27 刀具材料，一共七種需要熟悉，重點掌握硬質合金

刀具的相關要求：高硬度、耐磨性、耐熱性、足夠的強度和硬度、良好的工藝性、良好的熱物理性能和耐衝擊能力

常用材料：

- 碳素工具鋼——常用於製造手工工具和一些形狀較簡單的低速刀具 - 合金工具鋼——與碳素工具鋼相比，其熱處理變形有所減少，耐熱性也有所提高 - 高速鋼——較高的熱穩定性，高的強度和韌性，一定的硬度和耐磨性、良好的工藝性。廣泛用於製造中速切削及形狀複雜的刀具，如麻花鑽 - 陶瓷材料——硬度高，化學性能穩定。強度低、韌性差。主要用於精加工。 - 立方氮化硼——屬於超硬材料，但韌性極差。切削速度比硬質合金高5倍，適合高速切削。 - 金剛石——具有很高的硬度和耐磨性，熱穩定性差 - 硬質合金——硬度、耐磨性、耐熱性都很高。強度和韌性小於高速鋼，工藝性差，適於製造高速切削刀具。

硬質合金：按ISO標準可分為K、P、 M三類，按國標分為YG、YT、YW三類

K類硬質合金(紅色)——鎢鈷(WC—Co)類硬質合金（YG）牌號數字越大，Co含量越多，耐磨性越差，韌性越好韌性較好、耐磨性較差，用於加工黑色金屬（鑄鐵）、有色金屬（銅合金）及非金屬（硬橡膠）等脆性材料 P類硬質合金(藍色)——鎢鈦鈷(WC—TiC—Co)類硬質合金（YT）牌號數字越大， TiC含量越多，硬度、耐熱性、粘結溫度以及抗氧化能力越強比YG類硬度高,耐熱性好,韌性差用於加工長切屑的黑色金屬，如加工碳鋼、合金鋼、耐熱鋼等 M類硬質合金(黃色)——鎢鈦鉭(鈮)鈷〔WC—TiC—TaC(NbC)—Co〕類硬質合金（YW）牌號數字越大，耐磨性越低，韌性越大在YG類和YT類合金的基礎上添加少量的TaC 提高硬質合金的硬度、耐磨性、耐熱性和抗氧化能力用於加工長、短切屑的黑色金屬，如鋼(包括難加工鋼)、鑄鐵及有色金屬。

P29 切削過程變形區分類，注重圖2-31

第Ⅰ變形區剪切變形區——金屬剪切滑移，成為切屑。金屬切削過程的塑性變形主要集中於此區域。第Ⅱ變形區摩擦變形區——切屑排出時受前刀面擠壓與摩擦。此區變形造成前刀面磨損和積屑瘤的產生。第Ⅲ變形區加工表面變形區——已加工面受到後刀面擠壓與摩擦此區變形是造成已加工面加工硬化和殘餘應力的主要原因。

P30、31 切屑與積屑瘤特徵，注重圖2-32

切屑類型與形成條件

主要是藉助分析不同狀態的切屑，以達到卷屑和斷屑的目的

擠裂切屑可以通過減小前角，增大切削厚度，降低切削速度來獲得單元切屑，反之得到帶狀切屑

# 塑性材料切削 - 帶狀切屑剪切滑移尚未達到斷裂程度加工塑性材料，切削速度較高。切削過程平穩，表面粗糙度小。妨礙切削工作，應設法斷屑 - 擠裂切屑局部剪切應力達到斷裂強度加工塑性材料，切削速度較低,加工欠平穩，表面粗糙度欠佳 - 單元/節狀切屑剪切應力完全達到斷裂強度工件材料硬度較高，韌性較低.切削力波動較大，表面粗糙度不佳 # 脆性材料切削 - 崩碎切屑未經塑性變形即被擠裂加工硬脆材料,切削力波動大，有衝擊，表面粗糙度惡劣，易崩刀

積屑瘤

條件： - 切削速度不高 - 能形成連續切屑 - 加工銅料或其他塑性材料成因： - 一定溫度、壓力作用下，切屑底層與前刀面發生粘接 - 粘接金屬嚴重塑性變形，產生加工硬化過程：滯留 - 粘結 - 長大影響： - 增大前角，保護刀刃 - 影響加工精度和表面粗糙度 - 積屑瘤硬度很高，可以代替刀刃進行切削

P42 磨鈍標準與刀具壽命相關概念

磨鈍標準：1/2背吃刀量處後刀面上測定的磨損帶寬度VB

刀具壽命：刀具從切削開始至磨鈍標準的切削時間/兩次刃磨之間的切削時間

刀具總壽命：一把新刀從投入切削開始至報廢為止的總切削時間，其間包括多次重磨。

刀具總壽命 = 刀具壽命 x 刃磨次數

P45 切削三要素影響因素排序，注重表格排序作業

切削用量切削力切削溫度切削熱切削壽命切削速度小中大大進給量中小中中背吃刀量（切削深度）大大小小

綜合影響順序：切削速度 > 進給量 > 背吃刀量

綜合切削用量三要素對刀具壽命、生產率和加工質量的影響，選擇切削用量的順序應為：首先選儘可能大的切削深度，其次選儘可能大的進給量，最後選儘可能大的切削速度。

粗加工時，應以提高生產率為主，同時還要保證規定的刀具壽命。因此，一般選取較大的切削深度和進給量，切削速度不能很高。

精加工時，應以保證零件的加工精度和表面質量為主，同時也要考慮刀具壽命和獲得較高的生產率。採用逐漸減小切削深度的方法來逐步提高加工精度，進給量的大小主要依據表面粗糙度的要求來選取。

第三章金屬切削機床

P55 機床基本組成部分

動力源：電動機
執行機構：主軸、刀架或工作台 ps: 銑床刀具放在主軸
控制系統：計算機控制的軟硬體（數控）、手動控制（普通）
傳動系統：「三轉」——轉矩、轉向與轉速傳動方式：齒輪齒條，絲杠螺母，蝸輪蝸桿【機械】、【氣液】、【電氣】

P56 機床參數與相關性能指標（尺寸參數、運動參數與動力參數）

機床性能指標包括：機床工藝範圍和機床參數
尺寸參數：加工範圍
運動參數：運動速度 max or min
動力參數：電動機功率
機床精度：幾何精度、傳動精度、運動精度、定位精度、工作精度、精度保持性

P59 類別代號與參數代號，注重表3-2、3-3、例3-1

12類機床類別代號與通用特性代號

# 機床代號的首要字母，七類為主要 C 車床 Z 鑽床 T 鏜床 M 磨床 X 銑床 Y 齒輪加工 S 螺紋加工 D 特種加工：起源於電火花 --- B 刨插床 L 拉床（用於鍵槽的加工） G 鋸床坐標測量機熱處理機器（四把「火」） ================= G 高精度 M 精密 Z 自動 B 半自動 K 數控 H 加工中心 X 數顯 S 高速

第四章機床夾具原理與設計

夾具的作用：定位與夾緊

P101 夾具分類，注重圖4-3，共5類

按用途分四類：機床附件類夾具（如三爪卡盤，分度頭，虎鉗等）、成組/可調專用夾具、隨行/自動線夾具、專用夾具

按性質分五類（書上分法）：機床附件類夾具、可調傢具、隨形夾具、組合夾具、專用夾具

P102 夾具主要組成部分：定位元件、夾緊裝置、夾具體

定位元件——定位作用，保證工件相對於夾具的位置夾緊裝置——將工件夾緊，保證所限制的自由度夾具體——各元件都安裝在上，保證了各元件之間的相對位置，因而精度要求比較高

P123 夾緊裝置的組成裝置：力源裝置、中間傳力機構、夾緊元件

要求：夾緊可靠適當，一般要有自鎖作用，不能破壞定位，容易夾緊、製造與維修。
概括為三個字「穩、牢、快」

# 力源裝置產生夾緊作用力的裝置。力源有人力，氣液動、電機、電磁 # 中間傳力機構作用如下： - 改變作用力的方向 - 改變作用力的大小 - 使夾緊實現自鎖 # 夾緊元件

P126 三類典型夾緊機構：斜楔夾緊（注重特點）、螺旋夾緊、偏心夾緊

# 斜楔夾緊利用斜面摩擦力來進行夾緊特點：有增力作用；夾緊行程相對較小；結構簡單，但操作不方便升角越小==>自鎖性會更好，夾緊力越大，但夾緊行程大，夾緊時間短進而演化出「雙升角斜楔夾緊」升角先大後小，先縮短夾緊行程，提高效率，後又獲得較大的夾緊力與自鎖性 # 螺旋夾緊利用螺紋的自鎖性進行夾緊特點：結構簡單，自鎖性好；擴力比大，遠比斜楔夾緊力大；夾緊行程不受限制；夾緊速度慢，效率低 # 偏心輪夾緊機構由偏心件作為夾緊元件，利用轉動中心與幾何中心偏移的圓盤或軸作為夾緊特點：快速夾緊；夾緊力小；夾緊行程小；自鎖性不好

P145 定位：完全/不完全/過/欠/六點定位，注重習題4-7

六點定位原理：空間任何一個物體在空間直角坐標系都有六個自由度，三個移動和轉動自由度，要使工件完全定位，必須要限制六個自由度
支承點與工件保持緊貼；原則上支承點不超過六個；分析支承點，暫時不考慮力的影響

相關典型支承方式和元件：

- 三個支承釘等同於一個面，兩塊支承板（限制三個自由度） - 兩個支承釘等同於支承板即，一條線（限制兩個自由度） - 自位支承可隨工件基準面發生改變，一般只限制一個自由度 - 輔助支承不限制自由度，僅僅提高剛度和穩定性 - 短孔/定位套/半圓孔/V型塊只能限制定位銷x和y兩個平移自由度長的限制除自轉和軸向移動以外的自由度 - 單個錐銷/錐套固定x,y,z三個平移自由度固定和浮動錐銷/套組合固定除繞中心軸z(轉)旋轉以外自由度 - 錐心軸固定除自轉以外的自由度

完全/不完全定位：限制的工件六個全部自由度為完全定位，限制少於六個則為不完全定位

過/欠定位：工件定位點的冗餘/不足

第五章機械製造質量分析與控制

零件的加工精度——尺寸/形狀/位置

保證精度方法如下：

# 尺寸 - 試切法 - 定尺寸刀具法 - 調整法 - 自動控制法 # 形狀 - 軌跡法 - 成形法 - 展成法 # 位置保證裝夾方式和加工方式 - 一次裝夾（依靠機床的精度） - 多次裝夾（依靠夾具的正確定位）

機械加工工藝系統：機床、夾具、刀具和工件（四大金剛）
P151 原始誤差各種分類

工藝系統的誤差，是造成零件加工誤差的根源，故稱之為原始誤差，分類如下

# 原始誤差 ## 與工藝系統原始狀態有關的原始誤差(靜/幾何誤差，發生在加工前) ### 工件相對於刀具靜止狀態下的誤差 - 原理誤差 - 定位誤差 - 調整誤差 - 刀具誤差 - 夾具誤差 ### 工件相對於刀具運動狀態下的誤差 - 機床誤差 + 主軸迴轉誤差 + 導軌導向誤差 + 傳動誤差 ## 與工藝過程有關的原始誤差(動誤差，) ### 發生在加工中 - 工藝系統受力變形（包括夾緊變形） - 工藝系統受熱變形 - 刀具磨損 ### 發生在加工後 - 測量誤差 - 工件殘餘應力引起的變形

也可概括為這張圖：

P152 三類誤差：導軌、主軸、傳動鏈

對加工精度具有重要作用的誤差：導軌誤差、主軸誤差、傳動鏈誤差

P153 導軌誤差：誤差的敏感方向

誤差的敏感方向——對加工精度影響最大的方向，稱為誤差敏感方向。一般為加工法線方向。

誤差主要表現與影響程度：水平面的直線度——影響顯著垂直面的直線度——影響小前後導軌的平行度——（導軌扭曲）影響顯著

P155 主軸誤差：端面誤差控制

誤差基本形式：徑向跳動、軸向竄動、角度擺動原因：軸頸圓度誤差，軸頸同軸度誤差，軸承同軸度誤差等等影響：徑向跳動——加工孔軸近似正圓，實為橢圓，對端面無影響軸向竄動——端面平面度、垂直度影響，螺紋加工產生螺距誤差角度擺動——加工孔軸近似正圓，實為橢圓，螺紋加工產生螺距誤差，對端面無影響提高主軸迴轉精度的措施： - 提高主軸及其支承座孔的加工精度，選用高精度軸承，提高主軸部件裝配精度 - 對滾動軸承進行預緊消除間隙或產生微量過盈，對高速主軸部件進行平衡 - 採用合理的工藝方法消除主軸迴轉誤差對加工精度的影響，主軸只起傳遞動力和運動的作用如：採用固定頂尖加工，工件軸線不變

P159 傳動鏈誤差：提高傳動鏈精度的方式

誤差形式：傳動鏈始末兩端執行元件間相對運動的誤差，其中轉角誤差將會造成加工平面的形狀誤差。減小誤差/提高精度措施： - 儘可能縮短傳動鏈 - 提高傳動件的製造和安裝精度，尤其是末端零件的精度 - 儘可能採用降速運動，且傳動比最小的一級應放在最後 - 消除傳動鏈中齒輪副的間隙 - 採用誤差校正機構

P166、167 受力變形加工計算！

受力變形引起的誤差，系統剛度 $k_{system} = dfrac{F_p}{y}$

且各部分引起的受力變形 $y = y_{機床} + y_{夾具} + y_{刀具} + y_{工件}$

因而系統的剛度也可以表示為 $K_{systwm} = dfrac{1}{dfrac{1}{K_{機床}} + dfrac{1}{K_{夾具}} + dfrac{1}{K_{刀具}} + dfrac{1}{K_{工件}}}$

可以得出，整個工藝系統的剛度比其中剛度最小的那個環節的剛度還小。

若不考慮夾具的剛度，則系統的剛度為

$K_{systwm} = dfrac{F_y}{y_{system}} = dfrac{1}{dfrac{1}{K_{刀架}} + dfrac{1}{k_{主}} (dfrac{l-x}{l})^2 + dfrac{1}{K_{尾}} (dfrac{x}{l})^2 + dfrac{ (l-x)^2 x^2 }{3EIl}}$

P168、169 誤差復映規律對應計算！

由於工藝系統受力變形，使毛坯誤差部分反映到工件上，此種現象稱為「誤差復映」。定義式： $varepsilon = dfrac{Delta_{工件}}{Delta_{毛坯}} = dfrac{dfrac{C a_{p1}}{K_{system}} - dfrac{C a_{p2}}{K_{system}} }{a_{p1} - a_{p2}}$

工藝系統剛度越大，誤差復映係數越小，工件上復映的誤差越小， $varepsilon = dfrac{C}{K_{system}}$

工藝系統受力 $F_y = C a_p$ ，則 $y = dfrac{F_y}{K_{system}} = dfrac{C a_p}{K_{system}}$

多道工序後，復映係數逐漸降低，誤差也降到允許的範圍之內

P188 加工誤差綜合分析，注重P218 習題5-17（計算！）

算術平均值與均方根誤差為重要參數

在範圍內，圍成面積為0.9973，定為原則

一般，應使所選擇加工方法的標準差與公差帶寬度滿足

不合格率在公差之外可修復率 + 不可修復率 = 不合格率不可修復率尺寸小於設計極限尺寸，應該理解為加工小就報廢，加工大了還有可以修（對於軸）

一般改進方法：向工件中心重新調整刀具

P193 工藝能力係數5個等級

工藝能力用 $C_p$ 來表示，是實際公差範圍T和實際加工誤差分散範圍 $pm 3 sigma$ 之比。

$C_p = dfrac{T}{6 sigma}$ 分為5個等級，如下所示：

特級 Cp >= 1.67 過剩，不經濟一級 1.67 >= Cp > 1.33 足夠，允許一定波動二級 1.33 >= Cp > 1.00 勉強，密切注意三級 1.00 >= Cp > 0.67 不足，會出現少量不合格品四級 Cp <= 0.67 改變加工工藝

P198 加工表面質量

表面質量主要內容

## 表面幾何形狀特徵 - 表面粗糙度 - 表面波度 ## 表面層物理、力學性能改變 - 表面層塑性變形引起的冷作硬化 - 表面層因切削熱引起的金相組織變化 - 表面層產生的殘餘應力

表面質量變化產生的影響

## 耐磨性 - 表面粗糙度太大和太小都不耐磨 - 表面冷作硬化一般能提高耐磨性 - 金相組織變化改變材料表面原有硬度，進而會影響耐磨性 ## 零件疲勞強度 - 表面粗糙度值愈大，抗疲勞破壞的能力就愈差 - 殘餘拉應力將使疲勞裂紋擴大，加速疲勞破壞 - 殘餘壓應力能夠阻止疲勞裂紋的擴展，延緩疲勞破壞的發生 - 適度的表面層冷作硬化能提高零件的疲勞強度 ## 耐蝕性 - 表面粗糙度值愈大，抗蝕性就愈差。 - 零件在應力狀態下，會產生應力腐蝕 ## 配合質量 - 表面粗糙度越大，降低連接強度 - 表面粗糙度越大，降低間隙配合的穩定性與過盈配合的可靠

工藝規程設計

P221 生產綱領公式 $N = Qn(1+a)(1+b)$ 與生產類型

- 單件生產單個地生產不同結構尺寸的產品，且很少重複的生產。無互換性，廣泛使用鉗工修配；木模鑄件，自由鍛，生產率低成本較高。 - 批量生產成批地製造相同產品，且周期性地重複生產，如機床製造等。根據產品特徵及批量大小又分為**小批、中批和大批**生產三種。大部分有互換性，部分用金屬模與模鍛，廣泛使用夾具。 - 大（批）量生產產品數量很大，大多數工作地一直**按照一定的節拍進行同一種零件的某一道工序的加工** 稱為大量生產。全部具有互換性，廣泛使用金屬模、模鍛，使用專用生產線。高效率夾具、刀具。

P229、230 定位基準（包含精基準與粗基準）的選擇原則（注意例子！）

定位基準 ：在加工時用於工件定位的基準稱為定位基準。進一步可以分為粗基準、精基準（前兩者的區別在於使用（未）經過機械加工表面作為定位基準）與輔助基準（零件上根據機械加工工藝需要而專門設計的定位基準）。
選擇基面有兩個基準要求：1.各加工表面要有足夠的加工餘量 2.定位基面應有足夠大的接觸面積和分布面積 注意結合圖進行理解！

精基面選擇重點——如何減小誤差，提高定位精度

基準重合原則——選用被加工面設計基準作為精基準
統一基準原則——儘可能選用統一的基準加工各個表面 e.g. 主軸加工採用中心作為統一的基準
互為基準原則——互為基準，反覆加工 e.g. 以齒面為基準磨內孔，以內孔為基準加工精磨齒面
自為基準原則——以加工面本身為基準面 e.g. 床身導軌面磨削加工

粗基面選擇重點——如何保證各加工表面有足夠的餘量

保證零件加工表面相對於不加工表面有一定位置精度原則——被加工零件上有不加工表面應選不加工表面作為粗基準。有多個時，應選與加工面相對位置精度比較高的不加工表面作為粗基準
合理分配加工餘量的原則——從保證重要表面加工餘量均勻考慮，應選擇重要表面作為粗基準
便於裝夾原則——為使工件裝夾穩定、定位可靠，粗基面儘可能平整光滑，不能有飛邊、澆口等缺陷。
粗基準一般不得重複使用原則——在同一尺寸方向上粗基準通常只允許使用一次。

P239、240 影響加工餘量的精度——共有五個，單、雙邊餘量

在由毛坯變為成品的過程中，加工過程中從加工表面切去材料層厚度成為加工餘量。

對於外圓和孔而言，加工餘量是從直徑上考慮的，因此稱為對稱/雙邊餘量；平面加工餘量則為單邊餘量。

影響因素主要有五個，與書上稍有不同（上下兩道工序的下標分別為a和b）

上工序的表面粗糙度（表面輪廓最大高度） —— 後續工序都應降低表面粗糙度，因此應在本道工序中首先切去
上工序留下的表面缺陷層深度 —— 由於切削加工留下一層塑性變形區
上工序的尺寸公差
上工序留下的空間位置誤差 —— 未包含的尺寸和位置誤差
本工序的安裝誤差 —— 包括定位和夾緊誤差

因此，加工工序間最小餘量的計算式分為四種情況，可見書本P40

對於平面單邊最小餘量而言是 $Z_{b min} = T_a + R_{ya} + H_a + | e_a + {varepsilon}_b |$
對於外孔和圓雙邊最小餘量而言是 $2 Z_{b min} = T_a + 2 [ R_{ya} + H_a + | e_a + {varepsilon}_b | ]$
對於安裝在兩頂尖的工件而言，安裝誤差為0，公式為 $2 Z_{b min} = T_a + 2 [ R_{ya} + H_a + | e_a| ]$
對於浮動鏜孔以及精磨、拋光等光整加工而言，公式為 $2 Z_{b min} = T_a + 2 [ R_{ya} + H_a ]$