1、2.1 机械制造工艺方法与工艺过程机械制造工艺是指制造机械产品的技巧、方法和程序。机械制造过程中，凡是直接改变零件形状、尺寸、相对位置和性能等，使其成为成品或半成品的过程、称为机械制造工艺过程。它通常包括零件的制造与机器的装配两部分。2.1.1 零件制造工艺方法的分类根据零件制造工艺过程中原有物料与加工后物料在重量(或质量)上有无变化及变化的方向(增大或减少)，可将零件制造工艺方法分为三类：1.材料成形法材料成形法的特点是进入工艺过程的物料，其初始重量等于(或近似等于)加工后的最终重量。常用的材料成形法有铸造、锻压、冲压、粉木冶金、注塑成形等，这些工艺方法使物料受控地改变其几何形状，多用于毛坯
2、制造，但也可直接成形为零件。2.材料去除法材料去除法的特点是零件的最终几何形状局限在毛坯的初始几何形状范围内，零件形状的改变是通过去除一部分材料，减少一部分重量来实现的。在材料去除法中，根据工件形态的变化过程和能源作用的形式，又可分为四种类型(见表 2.1)：1)产生机械变化过程的加工方法 这类方法主要是利用机械力使工件材料产生剪切、断裂，从而去除材料，即通常所说的“以硬切软”的原理。利用机械力去除材料的加工方法通常标为机械加工方法，最典型的机械加丁方法是切削加工与磨削加工。机械加工方法是目前以及在可以预见的一段时期内机械零件的最主要加工方法，因而也是本课程讨论的主要内容。除切削加工与磨削加工
3、外，利用机械力去除材料的加工方法还有磨料喷射加工、喷水加工、超声波加工、弹性发射加工、磨料流加工等。这些方法以及下面谈到的利用热、光、化学等能量去除材料的方法统称为特种加工方法。2)产生热过程的加工方法 这类方法一般是利用电能、光能、化学能等作用在工件上，这些不同的能转化成热能，产生瞬时高温，使固体材料变成液体或气体，以达到材料去除的目的。典型的加工方法有电火花加工、电子束加工、离子束加工、激光加工、热力去毛刺等。3)产生化学过程的加工方法 这类方法是利用工件材料在化学溶剂内的腐蚀、溶解去除余量。电解加工、化学铣削、电铸等均属于这类加工方法。4)产生复合过程的加工方法 指综合利用以上三种过程的
4、加工方法。如电解磨削(利用机械-化学复合过程)、加热切削(利用机械-热复合过程)、电解电火花加工(利用热-化学复合过程)、超声切削(利用机械-机械复合过程)等。3.材料累加法传统的累加方法主要是焊接、粘接或铆接，通过这些不可拆卸的连接方法使物料结合成一个整体，形成零件。近几年才发展起来的快速原型制造技术(RPM)，是材料累加法的新发展：它将计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机数控(CNC)、精密伺服驱动、新材料等先进技术集于一体，依据计算机上构成的产品三维设计模型，对其进行分层切片得到各层截面轮廓。按照这些轮廓，激光束选择性地切割一层层的纸(或固化一层层的液态树脂，或烧结
5、一层层的粉末材料)，或喷射源选择性地喷射一层层的粘接剂或热熔材料等，形成一个个薄层，并逐步迭加成三维实体，见图 2.1。图 2.2 所示为切纸型快速成形机床工作原理示意图、由图可见机床的主要组成部分有计算机、原材料存储与送进机构、热压机构、激光切割系统、可升降工作台和数控系统等。其中计算机的功用是接受和存储产品的三维模型，沿模型高度方向，提取一系列的横截面轮廓线，并据此发出控制指令。原材料存储与送进机构将存储于其中的原材料(底面涂有热熔胶和填加剂的纸)，按要求逐步送至工作台上方，热压机构将一层层纸粘接在一起。激光切割系统按计算机指令提取横截面轮廓信息，逐一将位于工作台上的纸切割出轮廓线，并将纸
6、的无轮廓区切割成小碎片，可升降工作台支承正在成形的样品或模具，并在每层成形之后，降低一层纸厚，以便送近、粘合和切割新的一层纸。数控系统执行计算机发出的控制指令，控制纸的送进及工作台的运动，完成切割、粘接，最终形成产品。快速原型制造技术彻底摆脱了传统的“去除”方法的束缚，它采用了全新的“增长”方法(见图 2.3)，并将复杂的三维加工分解为简单的一维加工的组合、快速原型制造技术的精华在于“快速” ，它直接出 CAD 模型驱动，采用“分层制造”的方法，是对传统零件成形方法的一次革命。虽然，目前快速原型制造方法还主要用于制造产品样品和模具，但可以预见其应用将不断扩大。2.1.2 机械加工工艺过程及其组
7、成采用机械加工方法直接改变毛坯的形状、尺寸、各表面间相互位置及表面质量，使之成为合格零件的过程，称为机械加工工艺过程。它由按一定的顺序排列的若干个工序组成，而每一个工序又可细分为安装、工位、工步及走刀等。1)工序 工序是机械加工工艺过程的基本单元，是指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工艺过程。工作地、工人、工件与连续作业构成了工序的四个要素，若其中任一要素发生变更，则构成了另一道工序。一个工艺过程需要包括哪些工序，是由被加工零件的结构复杂程度、加工精度要求及生产类型所决定的，如图 2.4 所示的阶梯轴，因不同的生产批量，就有不同的工艺过程及
8、工序，如表 2.2 与表 2.3 所示。2)安装 在一道工序中，工件在加工位置上至少要装夹一次，但有的工件也可能会装夹几次，工件每经一次装夹后所完成的那部分工序称为安装。如表 2.3 中的第 2、3 及 5 工序,须经过两次安装才能完成其工序的全部内容。应尽可能减少装夹次数，多次装夹就多一次安装误差，又增加了装卸辅助时间。3)工位 为减少装夹次数，常采用多工位夹具或多轴(多工位)机床，使工件在一次安装中先后经过若干个不同位置顺次进行加工。则工件在机床上占据每一个位置所完成的那部分工序称为工位。4)工步 工步是指在加工表面不变、切削刀具不变的情况下所连续完成的那部分工序。5)走刀 有时，同一加工
9、表面因加工余量较大，可以作几次工作进给，每次工作进给所完成的工步称为一次走刀。2.1.3 机械装配工艺过程 任何机械产品都是由零、部件组成的。将组成机器的全部零、部件按一定的精度要求和技术条件连接与固定在一起，构成合格机械产品的过程，称为机械装配过程。机械装配工艺过程是整个机械制造过程中的最后阶段，是决定机械产品质量的关键环节。机械装配工作包括；组装、部装、总装、调试、检验、试车、涂装与包装等工作。机械装配过程由一系列的工序、工步和操作组成。装配工序是指在一个工作地点，由一个或一组工人所连续完成的那一部分装配工作。装配工步是装配工序的组成部分，在装配工步中，装配对象、装配工具和装配方法均不改变
10、。装配操作是指装配工步中各个装配动作。制定装配工艺规程的内容包括：选择装配方法、划分装配单元，拟订装配顺序，划分装配工序，确定各装配工序检测手段，进行装配尺寸链的计算，绘制装配工艺系统图，填写装配工艺卡、工序卡及检验卡等。装配工艺规程是装配生产的指导性技术文件，又是制订装配生产计划、组织管理装配生产的主耍依据，也是设计装配工艺装备和装配流水线作业区的重要依据。2.1.4 生产类型及其工艺特点1.生产纲领企业根据市场要求和自身能力决定生产计划。在计划期内应当生产的产品数量称为生产纲领。计划期通常为一年，零件的年生产纲领 N 按下式计算：N=Qn(1+) (2.1)式中：Q-产品年产量，件年；n-
11、每台产品中该零件数量，件/台；-备品率，；-废品率，。2.生产类型生产类型是指企业(或车间)生产专业化程度的分类。主要根据产品的生产纲领，并考虑产品的体积、重量和其他特征，生产类型一般可分成：单件小批量生产、成批生产和大批大量生产。目前，常规的机械制造工艺基本上是在“批量法则”之下组织生产活动的，不同问的生产类型有着不同的工艺特点，如表 2.4 所示。需要指出的是，随着市场需求水的变化和先进制造技术的发展及其广泛应用，传统的生产制造方式正在发生巨大的变革，各种生产类型的工艺乙特点也在逐渐发生变化，并存在向柔性化的方向发展的总趋势。2.2 机械加工方法2.2.1 零件表面的切削加工成形方法与成形
12、运动1.切削加工成形方法零件表面通常可看成是一条母线沿着另一条导线运动的轨迹。母线与导线统称为形成表面的生线，又称生成线或成形线 切削加工时，具体实现这两根生线的是刀具的削削刃与工件的相对运动，并通过此运动将工件的表面切削成形。图 2.5 中，可将直线或曲线 1视为母线、将绕 O-O 轴心旋转所形成的圆或按一定方向移动所形成的直线(或曲线)2 视为导线。需要指出的是：虽然母线相同，导线也相同，但若两者间原始相对位置不同，则所形成的表面也就不同，如图 2.5 中 b 及c。在某些情况下，母线、导线没有严格的区分，特别是对于自由曲面四(图 2.5f)更是如此。不同的加工运动、不同的切削刀刃形状，形
13、成生线的方式不同，形成零件表面的方法也不向，可归纳为以下四种(图 2.6)：1)轨迹法 工件表面的生线(母线和导线)均由轨迹运动生成。如图 2.6a 所示，刀刃为切削点 1，它按照一定的规律作轨迹运动 3，生成母线 2，工件绕自身轴线作回转运动，形成导线，最终获得回转曲面。2)成型法 工件的一条生线是通过刀刃的形状直接获得的。如图 2.6b 所示，刀刃 l 的形状与工件的母线 2 相同，工件绕自身轴线作回转运动，形成导线，最终也获得回转曲面。3)相切法 工件的一条生线是刀刃运动轨迹的包络线。如图 2.6c 所示，刀刃(点 1)作回转运动，其回转轴线按一定规律作轨迹运动3，刀刃切削点运动轨迹的包
14、络线形成生线 2。自由曲面的数控加工是相切法的典型例子。4)范成法 又称展成法，其工件的一条生线也是刀刃运动轨迹的包络线，且包络线需通过刀具与工件之间的范成运动来生成。如图2.6d 中，刀具刀刃的形状为一条直线，通过刀具的运动 A 与工件的运动 B 所组合而成的范成运动 3，使切削刃 1 相对于工件的位置按确定的规律变化，形成共扼生线 2，共扼生线 2 是切削线 1 的包络线，各种形式的齿轮、链轮大多数采用范成法加工。2.切削加工成形运动在切削和磨削加工中工件表面的形状、尺寸及相互位置关系是通过刀具相对于工件的运动形成的。工件表面的成形运动有三种：1)主运动 直接切除工件上的切削层，以形成工件
15、新表面的基本运动。主运动通常是切削运动中速度最高、消耗功率最多的运动，且主运动只有一个。主运动的速度以 vc 表示，称作切削速度。2)进给运动 是指不断地把切削层投入切削的运动。它的速度较低。进给运动可能是连续性的运动，也可能是间歇性的。进给运动有时仅有一个，但也可能有几个。进给运动的速度用进给量 f 或进给速度 vf 表示。切削加工的主运动与进给运动往往是同时进行的，因此刀具切削刃上某一点与工件的相对运动应是上述两运动的合成。其合成速度 ve vc+vf 3)定位和调整运动 使工件或刀具进入正确加工位置的运动。如调整切削深度，工件分度等。主运动和进给运动是实现切削加工的基本运动，可以由刀具完
16、成，也可以由工件完成，还可以由刀具和工件共同完成。同时，主运动和进给运动可以是直线运动(平动)，也可以是回转运动(转动)，还可以是平动和转动的复合运动。正是由于上述不同运动形式和不同运动执行元件的多种组合，产生了不同的加工方法。2.2.2 典型表面加工方法1.外圆表面加工方法表 2.5 列出了一些常用的外圆表面加工方法：表中 T 表示平动，R 表示转动，TR 表示平动与转动的复合运动。实线箭线表示主运动，虚线箭线表示进给 运动，点画线箭线表示调整运动。1)车削 外圆表面加工中，车削应用最为广泛 通常，工件通过夹具安装在车床主轴上，并与车床主轴一起转动，形成主运动。刀具安装在刀架上，与纵溜板一起
17、作平行于主轴回转轴线的直线进给运动，形成圆柱面；或作与主轴回转轴线成一定角度的直线进给运动，形成圆锥面；或沿靠模曲线运动，形成回转曲面。2)成形车削 用成形车刀车削外圆通常采用径向进纶方式，少数也有采用切向进给方式的。成形车削多用于自动车床上的小件加工。3)旋转拉削 工件旋转，拉刀沿切向作直线进给运动，完成外圆加工。旋转拉削是一种高生产率的加工方式，适用于大批量生产。4)研磨 工件回转，研具沿工件轴向作往复直线进给运动。研磨属零件表面光整加工，材料去除量很小。5)铣削外圆 刀具与工件均作回转运动(刀具运动为主运动，工件运动为进给运动)，可用于加工长度较短、具有不完整圆柱形的表面。6)成形外圆磨
18、(横磨) 运动形式与铣削外圆相同，多用于长度较短或不完整圆柱形表面的精加工。7)普通外圆磨 砂轮回转运动为主运动工件进给运动包括转动和移动。多用于黑色金属、特别是淬硬钢外圆表面的精加工。8)无心磨 工件放在砂轮和导轮之间，砂轮高速回转进行磨削，导轮低速回转带动工件旋转并作轴间移动，实现进给运动。无心磨生产率高，适用于大批量生产。9)车铣加工 这是一种新的加工方法。加工偏心零件外圆表面时，由于零件不能高速旋转，采用车削方法无法充分发挥刀具的潜力。此时若采用端铣刀铣外圆，不仅可以获得高的切削效率，且可保证可靠的断屑。车铣时，端铣刀与工件互相垂直布置：通过改变工件转速、轴向进给和切深，可在工件上车铣
19、出不同的形状。由于其运动模型较复杂，需采用计算机进行数据处理和加工过程仿真。10)滚压加工 通过自由旋转的碾子对工件表面均匀施加压力，使被滚压表面得到强化，并形成表面残余压应力，表面粗糙度也得到减小。滚压加工还常用来成形表面花纹。2.内圆表面加上方法表 2.6 列出了几种常用的内圆表面加工方法1)钻孔 通常用于在实心材料上加工直径 0.5- 50mm 的孔。钻孔加工有不同的运动形式：在钻床或镗床上加工，主运动和进给运动均由刀具完成；在车床上钻孔，主运动由工件完成，进给运动由刀具完成；在组合机床上加工时，刀具完成主运动，进结运动或由工件完成，或由刀具完成。钻孔刀具有麻花钻、扁钻、深孔钻及中心钻等
20、。2)扩、铰孔 扩、铰孔是孔加工的中间或终结工序，其成形运动与钻孔相似。3)镗孔 一般刀具的回转运动为主运动，刀具或工件的作直线进给运动。镗孔加工可在镗床上进行，也可在车床、铣床、组合机床或加工中心上进行。4)拉孔 利用多刃刀具，通过刀具相对于工件的直线运动完成加工工作。可以拉圆柱孔、花键孔、成形孔等，是一种高生产率的加工方法，多用于大批量生产。5)挤孔 可以用挤刀挤孔，也可以用钢球挤孔。挤孔在获得尺才精度的同时，可使孔壁硬化，使被加工孔表面粗糙度降低。6)磨孔 是高精度、淬硬内孔的主要加工方法，其基本加工方式有内圆磨削、无心磨削和行星磨削。3.平面加工平面加工方法有刨、铣、磨、车、研等、见表
21、 2.7。1)刨平面 对于牛头刨床，刨刀的直线运动为主运动，进给运动通常由工件完成。对于龙门刨床，工件的直线往复运动为主运动，进结运动通常由刀具完成。目前，牛头刨床已逐渐被各种铣床所代替，但龙门刨床仍广泛用于大件的平面加工。宽刃精刨工艺在一定条件下可代替磨削或刮研工作。2)插削 是内孔键槽的常用加工方法，其主运动通常为插刀的直线运动。3)铣平面 有周铣和端铣两种形式。端铣刀由于刀盘转速高，刀杆刚性好，可进行高速铣削和强力铣削。4)磨削平面 也可以分圆周磨和端面磨两大类。圆周磨由于砂轮与工件接触面积小，磨削区散热排屑条件好，加工精度较高；端面磨允许采用较大的磨削用量，可获得高的加工效率，但加工精
22、度不如圆周磨。平面磨削一般作为精加工工序，安排在粗加工之后进行。由于缓进给磨削的发展，毛坯也可直接磨削成成品。5)车(镗)平面 在车床上车平面时，工件的回转运动是主运动，刀具作垂直于主轴回转轴线的进给运动：镗平面时，主运动和进给运动均由刀具来完成。6)拉平面 平面拉刀相对于工件作直线运动，实现拉削加工效率的加工方法，适用于大批量生产。4.螺纹加工表 2.8 列出了儿种常用的螺纹加工方法。1)车螺纹 螺纹车刀结构简单，通用性好，可用于加工各种尺寸、形状和精度的内外螺纹。但加工效率较低，多用于单件小批生产。2)攻螺纹和套螺纹 用丝锥攻螺纹和用板牙套螺纹常用于加工精度要求不高的标难内、外螺纹。3)盘
23、形铣刀铣螺纹 主要用于加工大螺距的梯形螺纹及蜗杆。4)梳形铣刀铣螺纹 梳形螺纹铣刀相当于若干把盘形铣刀的组合，一般在专用的螺纹铣床上加工短而螺距不大的内、外螺纹。5)旋风铣螺纹 利用装在特殊旋转刀盘上的硬质合金刀头进行内、外螺纹的高速铣削。是一种高效率的加工方法。6)磨螺纹 是一种高精度的螺纹加工方法，主要用于加工外螺纹。7)滚压螺纹 是一种高效率的螺纹加工方法，它利用压力加工方法使金属材料产生塑件变形以形成螺纹，所用工具有滚丝轮和搓丝板。5.齿形加工方法齿形有多种形式，其中以渐开线齿形最为常见。渐开线齿形常用的加工力法有两大类，即成形法和展成法，见表 2.9。1)铣齿 采用盘形模数铣刀或指状
24、铣刀铣齿属于成形法加工，铣刀刀齿截面形状与齿轮齿间形状相对应。此种方法加工效率和加工精度均较低，仅适用于单件小批生产。2)成形磨齿 也属于成形法加工，因砂轮不易修整，使用很少。3)滚齿 属于展成法加工，其工作原理相当于一对螺旋齿轮啮合。齿轮滚刀的原型是一个螺旋角很大的螺旋齿轮，因齿数很少(通常齿数 z1)，牙齿很长，绕在轴上形成一个螺旋升角很小的蜗杆，再经过开槽和铲齿，便成为了具有切削刃和后角的滚刀。4)剃齿 在大批量生产中剃齿是非淬硬齿面常用的精加工方法。其工作原理是利用剃齿刀与被加工齿轮作自由啮合运动，借助于两者之间的相对滑移，从齿面上剃下很细的切屑，以提高齿面的精度、剃齿还可形成鼓形齿，
25、用以改善齿面接触区位置。5)插齿 插齿是除滚齿以外常用的一种利用展成法的切齿工艺。插齿时，插齿刀与工件相当于一对圆柱齿轮的啮合，插齿刀的往复运动是插齿的主运动，而插齿刀与工件按一定比例关系所作的圆周运动是插齿的进给运动。6)展成法磨齿 展成法磨齿的切削运动与滚齿相似，是一种齿形精加上方法，特别是对于淬硬齿轮，往往是唯一的相加工方法。展成法磨齿可以来用蜗杆砂轮磨削，也可以采用链形砂轮线碟形砂轮磨削。2.2.3 切削用量与切削层截面参数1.切削用量切削用量包括：切削速度 vc ，进给量 f(或进给速度 vf)和背吃刀量(或切削深度)ap 。1)切削速度 vc 主运动速度即为切削速度。 当主运动为旋
26、转运动时，刀具或工件以最大直径处的切削速度来计算，如下式：(2.2) 式中：n-主运动转速，rs;d-刀具或工件的最大直径，mm。若主运动为往复运动时，其平均速度为(2.3)式中: L-往复运动行程长度，mm；n-主运动每秒钟往复次数，strs。2)进给量 f 进给量 f 是指工件或刀具每转一周时(或主运动一循环时)，两者沿进给方向上相对移动的距离，其单位为 mm/r。车削时，工件转速 n、进给速度 vf 与进给量 f 间有下列的关系：vf =nf mm/s (2.4)3)背吃刀量 ap 背吃刀量 ap 是指主刀刃与工件切削表面接触长度,在主运动方向及进给运动方向所组成的平面的法线方向上测量的
27、值。对于外圆车削，如图 2.7 所示，背吃刀量可出下式计算：(2.5)式中：dw -待加工表面直径,mm；dm -已加上表面直径,mm。2.切削层截面参数在主运动和进结运动作用下、工件上将有一层多余的材料被切除，这层多余的材料称为切削层。切削层在垂直于主运动方向上的断面称为切削层截面。切削层截面对研究切削过程机理具有重要的意义。图 2.7 所示为纵车外圆的情况，进给量 f 和背吃刀量 ap 是切削层截面上的两个工艺参数。为了进一步分析切削过程,尚需掌握另外两个物理参数：切削厚度 hD 和切削宽度 bD。称它们为切削层截面参数。1)切削厚度 hD 切削厚度即切削层的厚度，它是垂直于切削刃的方向上
28、度量的切削层截面的尺寸。 hD 的大小能反映切削刃单位长度上工作负荷的大小。由图可知：(2.6)2)切削宽度 bD 切削宽度即切削层的宽度，它是沿切削刃方向度量的切削层截面的尺寸。bD 的大小影响刀具的散热情况。由图可得：(2.7)公式(2.6)及(2.7)建立了切削层截面的工艺参数与物理参数的换算关系。式中 kr 为车刀主偏角。当工艺参数进给量 f 与背吃刀量 ap 确定后，主偏角 kr 越大，则切削厚度 hD 也越大 hD 但切削宽度 bD 却越小。显然，当 kr90时： hDf， bDap 。2.3 基准与装夹在机械加工时，工件在机床上或者夹具中装夹好以后才能进行加工。装夹应做到定位并夹
29、紧。为了使工件的待加工表面加工后获得尺寸、位置精度要求，必须使工件在机床上或夹具中占有某一个正确的位置，即为定位；在加工过程中,工件在各种力的作用下应当保持定位后的正确位置不变动，这就需要夹紧的操作。装夹是否正确、稳固、合理、方便，对加工质量、生产率和经济性均有较大的影响，必须认真对待和处理。工件装夹时又必须依赖于相关的基准。基准的概念无论在设计时还是在制造过程中都是十分重要的。 2.3.1 基准工件是个几何形体，它由一些几何元素(如点、线及面)所构成。工件上任何一个点、线、面的位置总是要用它与另外一些点、线、面的相互关系(如尺寸距离、平行度、垂直度、同轴度等)来确定。将用来确定加工对象上几何
30、要素间的几何关系所依据的那些点、线、面称为基准。按照其作用的不同，基准可分为设计基准和工艺基准两大类。1.设计基准在设计图样上所采用的基准称为设计基准：如图 2.8 所示的箱体零件，顶面 B 的设计基准为底面 A(尺寸 H)；孔 I 的设计基准为底面 A 与角尺面 C(尺寸 X1、Y1)；孔的设计基准为底面 A 孔 I 的中心(尺寸 Y2 、R1)；孔的设计基准为孔 I 与孔的中心(尺寸 R2 、R3)。设计人员是从零件的工作性能耍求出发而确定设计基准的。图 2.8 中孔 I 与孔、孔之间，孔与孔之间均有齿轮啮合传动关系。为保证齿侧啮合间隙量，孔采用了孔 I 中心作设计基难，孔采用了孔 I 与
31、孔的中心作为的设计基准。2.工艺基准工艺基准是指在工艺过程中所采用的基准。又可分为:工序基准、定位基准、测量基准与装配基准。(1)工序基准工序基准是在工序图上用来确定本道工序所加工的表面加工后位置尺寸和位置关系的基准。工序基准的选择应主要考虑如下两个方面的问题：尽可能用设计基准作工序基准。当采用设计基准为工序基准有困难时，可另选工序基准，但必须可靠地保证零件的设计尺寸和技术要求。所选工序基准应尽可能用于工件的定位和工序尺寸的检查。(2)定位基准定位基准是加工中用作定位的基准。定位基准可进一步分为粗基准、精基准和附加基准。使用未经机械加工的表面作定位基准,称为粗基准；使用已经机械加工的表面作定位
32、基准、称为精基准。面仅仅是为了机械加工工艺需要设计的定位基准，称为附加基准。例如，轴类零件常用的顶尖孔，某些箱体零件加工所用的工艺孔，支架类零件用到的工艺凸台等都属于附加基准。(3)测量基准零件测量时所采用的基准，称为测量基准。(4)装配基服装配时用来确定零件或部件在机器中的相对位置所采用基准，称为装配基准。装配基准一般与零件的主要设计基准相一致。另外，需注意以下几点：作为基准的点、线、面在工件上不一定都具体存在，而常常是由某些具体的表面来体现的，所以基准又可说成基面。作为基准，可以视作纯几何意义上的点、线、面。但是具体的基面与定位元件实际接触总是有一定的面积。基准均具有方向性。基准不仅涉及尺
33、寸间的关系，还涉及表面间的相互位置关系(如平行度、垂直度等)。2.3.2 工件的装夹工件在机床上的装夹方式，取决于生产批量、工件大小及复杂程度、加工精度要求及定位的特点等。主要形式有三种：直接找正装夹、划线找正装夹和夹具装夹。1.直接找正装夹 将工件装在机床上，然后按工件的某个(或某些)表面，用划针或用百分表等量具进行找正。以获得工件在机床上的正确位置。直接找正装夹效率较低，但找正精度可以很高，适用于单件小批生产或定位精度要求特别高的场合。 2.划线找正装夹这种装夹方法是按图纸要求在工件表面上事先划出位置线、加工线和找正线，装夹工件时，先按找正线找正工件的位置，然后夹紧工件。划线找正装夹不需要
34、专用设备，通用性好，但效率低，精度也不高，通常划线找正精度只能达到 0.10.5mm 。此方法多用于单件小批生产中铸件的粗加工工序。3.使用夹具装夹使用夹具装夹，工件在夹具中可迅速而正确的定位和夹紧。这种装夹方式效率高、定位精度好而可靠，还可以减轻工人的劳动强度和降低对工人技术水平的要求，因而广泛应用于各种生产类型。2.3.3 定位原理1.六点定位原则任何一个工件，在其位置尚未确定前，均具有六个自由度，即沿空间三个直角坐标轴 x 、 y 、 z 方向的移动与绕它们的转动，分别以 、 、 、 、 、 表示。要使工件在机床夹具中正确定位，必须限制或约束工件的这些自由度，如图 2.9 所示。采用六个
35、定位支承点合理布置，使工件有关定位基面与其相接触，每一个定位支承点限制了工件的一个自由度，便可将工件六个自由度完全限制，使工件在空间的位置被唯一地确定。这就是通常所说的工件的六点定位原则。需要说明的是：1)机械加工中关于自由度的概念与力学中自由度的概念不完全相同。机械加工中的自由度实际上是指工件在空间位置的不确定性，故有些文献称此为不确定度。这里特别要注意将定位与夹紧的概念区分开来。工件一经夹紧，其空间位置就不能再改变。但这并不意味着其空间位置是确定的。例如，图 2.10 所示板状工件安放在平面磨床的磁性工作台上，扳动磁性开关后，工件即被夹紧，其位置就被固定。但工件放在工作台什么位置上并不确定
36、，既可以放在 1 的位置上(图中实线所示)，也可以放在 2 的位置上(图中虚线所示)，也即工件的 、 和 三个自由度末被限制。2)六点定位原则中“点”的含义是限制自由度，不要机械地理解成接触点。例如，图 2.10 所示板状工件安放工作台上限制了 3 个自由度，是三点定位：实际上，工件与工作台面接触点可能有多个。在实际生产中，工件总是通过定位元件实现其在夹具或机床上的定位。定位元件有多种形式，常用的有支承钉、支承板、定位销、定位套、心轴、V 型块等，其中多数已标准化。表 2.10 结出一些典型定位元件的定位分析。在多个表面(或多个定位元件)同时参与定位的情况下，各定位表面(或定位元件)所起的作用
37、有主次之分，通常称定位点数最多的表面(或元件)为主要定位面(或主要定位元件)或支承面(如图 2.9 工件底面 A)，称定位点数次多的表面(或元件)为第二定位基准面(或第二定位元件)或导向面(如图 2.9 工件侧面 B)，称定位点数为 1 的表面为第三定位基准面(或第三定位元件)或止动面(如图 2.9 工件端面 C)。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(或定位元件)很重要，如表 2.10 中工件以孔在固定锥销与浮动锥销上的定位一例，应首先确定固定锥销限制的自由度，他们是 、 、 。然后再分析浮动锥销限制的自由度。孤立地看，浮动锥销限制 、 两个自由度，但与固定锥销一起综
38、合考虑，它实际限制的是自由度 和 。2.完全定位与不完全定位工件定位时 6 个自由度完全被限制，称为完全定位。工件定位时 6 个自由度中有 1 个或 1 个以上自由度未被限制，称为不完全定位。在工件定位时，需要限制哪几个自由度，首先与工序的加工内容及要求有关，其次还与所用的工件定位基面的形状有关。图 2.11a 所示的在长方体工件上铣削上平面工序，要求保证 z 方向上的高度尺寸及上平面与底面的平行度，只需限制 、 、 三个自由度即可：而图 2.11b 所示为铣削一个通槽，需限制除 外的其他 5 个自由度。图 c 所示在同样的长方体工件上铣削一个键槽，在三个坐标轴的移动和转动方向上均有尺寸及相互
39、位置的要求，因此，这种情况必须限制全部的 6 个自由度，即完全定位。若将图 2.11 中的 e 与 b 相比较，图 e 为圆柱体的工件，而图 b 为长方体工件。虽然，它们均是铣一个通槽，加工内容、要求相同。但是，加工定位时，图 b 的定位基面是一个底面与一个侧面，而图 e 只能采用外圆柱面作为定位基面。因此，图 e 对于 的限制就无必要，则限制 4 个自由度就可以了。再如图 2.11d 所示过球体中心打一通孔，定位基面为球面，则对三个坐标轴的转动自由度均无必要限制，所以，限制 、 2 个移动就够了。若将图 2.11 的 f 与 e 对照：均是在圆柱体工件上铣通槽，但图 f 的加工要求增加了一条
40、，被铣通槽与下端槽需对中。虽然，它们的定位基面仍是外圆面，但图 f 需增加对 自由度的限制，共需限制 5 个自由度才正确。3.欠定位与过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位置，因而是不允许的。如果工件的某一个自由度被定位元件重复限制，称为过定位。过定位是否允许，要视具体情况而定。通常，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。有时过定位不但允许，而且是必要的，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。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，
41、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。下面通过几个例子加以说明。图 2.12 所示为加工连杆小头孔工序中以连杆大头孔和端面定位的两种情况，先看图 b，长圆柱销限制了 、 、 、 4 个自由度，支承板限制了 、 、 3 个自由度。显然， 、 被 2 个定位元件重复限制，出现了过定位。如果工件孔与端面能保证很好的垂直度，则此过定位是允许的。但若工件孔与端面的垂直度误差较大，且孔与销的配合间隙又很小的，定位后会引起工件歪斜且端面接触不好，压紧后就会使工件产生变形或圆柱销歪斜，结果将导致加工后的小头孔与大头孔的轴线平行度达不到要求。这种情况下应避免过定
42、位的产生。最简单的解决办法是将长圆柱定位销改成短圆柱销(图 a 所示)，由于短圆柱销仅限制 、 2 个移动自由度， 、 的重复定位就可以避免。图 2.13 所示工件以底平面定位，要求限制 3 个自由度 、 、 。图 a 采用了 4 个支承钉，属过定位。若工件定位面较粗糙，则该定位面实际只能与 3 个支承钉接触，造成定位不稳定。如施加夹紧力强行使工件定位面与 4 个支承钉均接触，则必然导致工件变形而影响加工精度。为避免过定位，可将支承钉改为 3 个。也可将 4 个支承钉中的 1 个改为辅助支承，辅助支承只起支承作用而不起定位作用。如果工件的定位面是已加工面，且很规整，则完全可以采用 4 个支承钉
43、，而不会影响定位精度，反面能增强支承刚度，有利于减小工件的受力变形。此时，还可用支承板代替支承钉(如图 2.13b 所示)，或用一个大平面代替支承钉(如平面磨床的磁性工作台)。图 2.14 所示工件以底面及与其垂直的两圆柱孔为定位基准。若采用一个平面和两个短圆柱销定位(如图 a 所示)，则平面限制 3个自由度 、 、 ，短圆柱销 1 限制 2 个自由度 、 ，短圆柱销 2 限制 2 个自由度 、 。其中自由度 被重复限制，属过定位。此时，由于工件孔心距的误差和两定位销中心距的误差，可能导致两定位销无法同时进入工件孔内。为解决这一过定位问题，可将两定位销之一在定位干涉方向(y 向)上削边，做成菱
44、形销(图 b)，以避免干涉。另外，过定位还常常与夹紧力的作用方向有关。例如，表 2.10 长销小平面组合定位的情况，若夹紧力作用在工件右端面指向定位小平面，则属于过定位。实际上在这种情况下，定位导向接触面积虽小，但呈环形，相当于较大的平面。但若夹紧力的方向作用于定位孔的径向(如采用可涨心轴)，则不存在过定位。此时即使采用较大平面也无妨。2.3.4 定位误差1.定位误差的概念定位误差是由于工件在夹具上(或机床上)定位不准确而引起的加工误差。例如在一根轴上铣短槽，要求保证槽底至轴心的距离H，若采用 V 型块定位，键槽铣刀按规定尺寸 H 调整好位置(如图 2.15 所示)，则实际加工时，由于工件外圆
45、直径尺寸有大有小，会使外圆中心位置发生变化。若不考虑加工过程中产生的其他加工误差，仅由于工件圆心位置的变化也会使工序尺寸 H 发生变化。此变化量(即加工误差)是由于工件的定位面引起的，故称为定位误差。定位误差的来源主要有两方面：由于工件的定位表面或夹具上的定位元件制作不准确引起的定位误差，称为基准位置误差。例如图 2.15 所示例子，其定位误差就是由于工件定位面(外圆表面)尺寸不准确而引起的。由于工件的工序基准与定位基准不重合而引起的定位误差，称为基准不重合误差。例如，图 2.16 所示工件以底面定位铣台阶面，要求保证尺寸 a，即工序基准为工件顶面。如刀具已调整好位置，则由于尺寸 b 的误差会
46、使工件顶面位置发生变化，从而使工序尺寸 a 产生误差。2.定位误差的计算在采用调整法加工时，工件的定位误差实质上就是工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量。因此计算定位误差，首先要找出工序尺寸的工序基准，然后求其在工序尺寸方向上的最大变动量即可，为此，可采用几何方法，也可以来用微分方法。(1)几何方法采用几何方法计算定位误差通常要画出定位简图，并在图中夸张地画出工件变动的极限位置，然后运用三角几何知识，求出工序基准在工序尺寸方向上的最大变动量，即为所求定位误差。例 2.1 图 2.17 所示为孔与销间隙配合的情况，若工件的工序基准为孔心，试确定其定位误差。解 当工件孔径为最大，定位销的直径为最小
47、时，孔心在任意方向上的最大变动量等于孔与销配合的最大间隙量，即无论工序尺寸方向如何，只要工序尺寸方向垂直于孔心轴线，其定位误差均为(图 2.17a)（2.8）式中： -定位误差；-工件卜定位扎的最大直径；-夹具上定位销的最小直径。在某些特定的情况下，工件上的孔可能与夹具上的定位销保持固定边接触(见图 2.17b)，此时可求出孔心在接触点与销子中心连线方向上的最大变动量为孔径公差的一半。若工件的定位基准仍为孔心，且工序尺寸方向与固定接触点和销子中心连线方向相同，则其定位误差为(2.9) ：式中： -定位孔最大豆径：-定位孔最小直径；-定位孔直径公差上式即为孔销间隙配合并保持固定边接触的情况下定位
48、误差的计算公式。此时，孔在销上的定位已由定心定位转化为支承定位的形式，定位基准也由孔心变成了与定位销固定边接触的一条母线(图 2.17b 所示为孔的上母线)。这种情况下，定位误差是由于定位基准与工序基准不重合所造成的，属于基准不重合误差，与定位销直径无关。(2)微分方法下面仅以 v 形块定位为例进行说明。例 2.2 工件在 V 形块上定位铣键槽(图 2.18)、试计算其定位误差。 解 工件在 V 形块上定位铣键槽时，需要保证的工序尺寸和工序要求是：槽底至工件外圆中心的距离 H(或槽底至外圆下母线的距离H1，或槽底至外圆上母线的距离 H2)；键槽对工件外圆中心的对称度。对于第项要求，首先考虑第
49、1 种情况(工序基准为圆心 O，见图 2.18a)，写出 O 点至加工尺寸方向上某一固定点(例如 V 形块两斜面交点 A)的距离：式中：d-工件外圆直径；-V 形块两斜面夹角。对上式求全微分，得到以微小增量代替微分，并将尺寸(包括直线尺寸和角度)误差视为微小增量，且考虑到尺寸误差可正可负，各项误差均取绝对值，可得到工序尺寸 H 的定位误差：（2.10）式中： -工件外圆直径公差；-V 形块两斜面夹角角度公差。若忽略 V 形块两斜面夹角的角度误差(在支承定位的情况下，定位元件的误差-此处为 V 形块的角度误差，可以通过调整刀具相对于夹具的位置来进行补偿)，可以得到用 V 形块对外圆表面定位，当定位基准为外圆中心时，在垂直方向(图 2.18a 中尺寸 H 方向)上的定位误差为（2.11）若工件的工序基准难为外圆的下母线时(相应的工序尺寸为 H1，参考图 2.18b)，则可用同样的方法可求出其定位误差。此时 C 点至 A 点的距离为取全微分，并忽略 V 形块的角度误差(即将 视为常量)，可得到此种情况的定位误差（2.12）用完全相同的方法可以求出当工件的工序基准为外圆上母线(相应的工序尺寸为 H2，参考图
