机械加工基本知识.doc

机械加工培训教材

技术篇
Ⅰ 机械加工基础知识

2011年8月
第一部分：机械加工基础知识

一、 机 床
(一) 机床概论
机床是工件加工的工作母机.一个工件或零件从原始的毛胚状态加工成所需的形状和尺寸,都需在机床上完成.
从加工的对象来分类,机床可以分为：
◆金属加工机床
◆木材加工机床
◆石材加工机床 等等….

机械加工的对象大多为金属材料,所以,我们以下涉及的机床只针对金属加工机床.

金属加工机床分类:

◆锻压机床---通过压力使工件产生塑形变形，例如：压力机、弯板机、剪板机等等。
◆特种机床---通过特种办法加工工件，例如：电火花机床、线切割机床、激光切割机床、水压切割机床等等。
◆金属切削机床---采用刀具、砂轮等工具,除去工件上多余的材料, 将其加工成所需的形状和尺寸的机床,主要包括:
车 床:工件与主轴一起旋转,刀具作轴向与径向进给运动.主要用于旋转工件、盘类零件、轴类零件的加工.车床的分类如下：
Ø 根据主轴中心线的方向：卧式车床,立式车床.
Ø 根据车床的大小：仪表车床、小型车床、普通车床、大型车床。
Ø 根据控制方式：普通（手动）车床、简易数控车床、全功能数控车床
Ø 根据控制轴数：普通（手动）车床与数控车床（X、Z轴）、车铣中心（X、Z、C轴）、复合车铣中心（X、Y、Z、C轴）
Ø 根据主轴及刀塔数量：单主轴、双主轴、双刀塔车床。
铣 床: 刀具旋转，工件与工作台一起作轴向运动。主要用于方型及箱体零件加工。铣床的分类如下：
Ø 根据主轴中心线的方向：卧式铣床,立式铣床.
Ø 根据控制方式：普通（手动）铣床、数控铣床
Ø 根据控制轴数：普通铣床（X、Y、Z轴）、4轴数控铣床（X、Y、Z、A轴）、5轴数控铣床（X、Y、Z、A、B轴）
Ø 根据主轴数量:双主轴铣床。
镗（铣）床: 刀具旋转，工件与工作台一起作轴向运动。主要用于铣削与镗孔。一般为卧式。镗床分类如下：
Ø 根据镗床大小：台式镗床、大型落地镗铣床。
Ø 根据控制方式：普通（手动）镗床、坐标镗床、数控镗床
Ø 根据控制轴数：普通镗床（X、Y、Z、B轴）、带W轴的数控镗床（W、X、Y、Z、B轴）、带平园盘的数控镗床（W、X、Y、Z、B、U轴）
钻 床:钻孔用机床。有台式、摇背钻之分，也有数控钻床。
攻丝机床:攻丝用机床。一般钻床也有攻丝功能。
加工中心：带刀库及自动换刀系统的数控铣床或镗床。有钻削中心、立式加工中心、卧式加工中心、卧式镗铣加工中心、龙门加工中心、五面体加工中心、落地镗铣加工中心等等。
磨 床:有外圆磨、内圆磨、平面磨床等
专用机床:为加工某个零件的某些部位专门设计的机床。

(二) 机床的控制轴
机床的控制轴是以刀具作为基点，按照右手坐标系来定义的（车削以装刀具的刀塔为基点，铣削以装刀具的主轴为基点）：
Ø 三个直线轴：X,Y,Z
Ø 三个旋转轴: A,B,C
Ø 其它辅助轴：W,U

Z轴
C轴

Y轴
B轴

X轴

A轴

(三) 常见的数控机床及所能完成的加工内容
1. 全功能卧式数控车床
Ø 车外圆（包括直线，曲线，台阶，倒角）
Ø 车端面
Ø 轴向钻孔
Ø 镗内孔（包括直线，曲线，台阶，倒角）
Ø 外圆切槽
Ø 内孔切槽
Ø 端面切槽
Ø 外螺纹
Ø 内螺纹
Ø 切断

2. 全功能立式数控车床

所能完成的加工内容同上

3. 立式加工中心
Ø 铣平面
Ø 铣沟槽
Ø 铣侧面，斜面，台阶面
Ø 铣型腔，铣曲面
Ø 钻孔
Ø 攻丝
Ø 铣内外螺纹
Ø 铣沉孔，扩孔，镗孔
Ø 铰孔
Ø 孔口倒角，侧边倒角

4. 卧式加工中心
所能加工的内容与立式加工中心相同，但因为其工作台可以旋转，控制轴数比立式的X,Y,Z轴多一个旋转轴---B轴，所以更适合箱体类零件的四周加工。
卧式加工中心的另一个特点，是双工作台，可以自动交换。
卧式加工中心一般按工作台大小（方形工作台），作为主要的规格参数，分为：
400*400
500*500
630*630
800*800
1000*1000

5. 卧镗加工中心
卧镗加工中心与卧式加工中心的区别在于多出一个与Z轴平行的W轴，也就是说在主轴里面还有一个“镗杆”可以伸出（可以进给），以便镗孔作业，所以卧镗加工中心的镗孔能力比卧式加工中心强。
另外，卧镗加工中心一般为大型设备，只有一个工作台。主规格一般按可伸出的镗杆直径来定义，比如：φ110，130，150，200，250mm等等

6. 落地镗铣床（加工中心）
大型卧式镗铣床，床身与立柱分离，工作台与地面平行，便于大型工件上下。

7. 龙门立式加工中心，龙门五面体加工中心
大型机床，Y轴为主轴在龙门横梁上的移动，Z轴可以是滑枕的上下移动，也有的是整体横梁的上下移动。
规格主要按工作台面尺寸来定义，比如：3000*1500（长、宽），3000*2000，4000*2000, 6000*2500，等等
如果除了刀具可以自动交换之外，主轴还可以进行立、卧头的交换（或转换），则称之为五面体加工中心，即除了工件的底面不能加工之外，其它五个面都可以加工。

8. 车铣中心
在一般的数控车床基础上，加上一个C轴（即主轴的分度轴），再加上可以旋转的动力刀头，就可以进行铣削加工，称之为车铣中心。
能安装动力刀头的刀塔，不同于一般数控车床所采用的日本式刀塔，我们称之为德国标准的VDI刀塔。VDI刀塔有几个刀位可以装一般的车刀杆，另外几个刀位可以安装动力刀座。动力刀座又分为轴向动力刀座（与主轴中心线平行）与径向动力刀座（与主轴中心线垂直），分别进行轴向与径向铣削。

9. 复合车铣中心
比上述车铣中心功能更强大，可以进行复杂的车削与铣削，相当于数控车床+立（卧）加工中心，这种复合车铣机床的结构、形式有多种。总之，最终目标就是要尽可能在一次装夹的情况下完成工件原来需要几台机床才能完成的的多种加工。

二、 机械加工工艺
机械技术工作主要分为：设计与工艺
设计人员负责设计产品。
工艺人员负责如何将产品制造出来。所以简单地说：机械加工工艺就是零件的加工流程、方法、技巧、艺术。

有关机械加工工艺的几个概念：
1. 工艺流程
就是工艺人员制作的完成一个零件加工的总的过程和顺序。例如：

2. 工序
是整个工艺流程中的某一个局部的加工工作，比如上述流程中的车削工序、铣削工序等，一个零件的加工工艺可能由多个工序组成。

3. 工位，工步
简单说，工位就是一个工作位置，工步就是一个工作步骤。
在一道工序中可能包含了多个工位及工步。
比如：一个棒料在车削这道工序中，要分两头加工，即要两次装夹，一次装夹就是一个工位。
一个工位又可能由几个工步组成。比如，在装夹一头来加工另一头时，要更换外圆车刀、外圆切槽、钻内孔、镗内孔4把刀来完成加工，也就是4个工步。

4．工艺卡
是工艺人员就某道工序编制的正式的、详细的加工步骤。包括该道工序分几个工位或工步完成，每一步的切削参数，装夹方式，刀具型号，精度与表面质量控制要求，如何测量及测量工具等等，数控加工还包括加工程序。

5. 工艺文件
工艺人员编制的工艺流程、工艺卡、加工程序以及设计的刀具、夹具图纸等统称为某零件的工艺文件。

三、 机械加工精度
机械加工的精度即为加工的精密程度，也就是加工后的实际参数与理论参数（名义参数）的符合程度。在加工中，不可能完全达到理论值，总会有误差，对一批零件加工时，每一个零件的加工误差都不一样，所以对理论参数规定一个公差（公共误差），在此范围之内的零件即为合格，反之即为超差。我们用公差的大小作为衡量精度的标准。公差越小，精度越高，加工成本越高，加工难度越大；公差越大，精度越低加工成本越低，加工难度越小。
机械加工精度分为：
Ø 尺寸精度
Ø 形状、位置精度
Ø 综合精度

(一) 尺寸精度
单一的尺寸，如长度，直径的公差大小。包括线性尺寸（孔与轴）与角度尺寸，
1. 线性尺寸精度
Ø 精度等级
国家标准将线性尺寸精度分为20个等级，代号为：

每一精度等级的公差大小（公差带宽度）与基本尺寸相关，国家标准将基本尺寸分成若干段，基本尺寸、精度等级与公差值得对应关系如下：

Ø 公差带两个基本要素：
ü 公差带大小（宽度）
ü 公差带位置

ES---代表孔的上极限偏差（简称上偏差）
EI----代表孔的下极限偏差（简称下偏差）

es---代表轴的上极限偏差（简称上偏差）
ei---代表轴的下极限偏差（简称下偏差）

Ø 孔与轴
线性尺寸分为孔尺寸与轴尺寸，这里的孔与轴的概念是广义的：

如下图：

Ø 基本偏差的国家标准
国家标准除对公差带宽度（精度等级）作了规范之外，还就公差带位置，按基本偏差进行了规范：

Ø 公差带代号及标注

2. 角度尺寸精度
角度尺寸精度没有专门的标准，而是采用锥度精度标准，共分12级，分别为：

AT1、AT2、AT3…….AT12
高 低

(二) 形状与位置精度（形位公差）
1. 形状精度
零件上某一形状的精度，包括：
Ø 直线度：

Ø 平面度：

Ø 园度：

Ø 圆柱度：

Ø 线轮廓度：

Ø 面轮廓度

2．位置精度
表示零件上2个要素相对位置的精度，包括：
Ø 平行度

Ø 垂直度

Ø 倾斜度

Ø 同轴度

Ø 对称度

Ø 位置度

Ø 园跳动

Ø 全跳动

.

(三) 综合精度
是对某个零件，特别是标准件，或某个零件的某一部分的多个要素（尺寸，形状，位置）的公差进行规范，从而形成该零件的综合精度，比如：齿轮精度，轴承精度，螺纹精度等等。
公制螺纹精度：
内螺纹：分4,5,6,7,8级（小径及中径），基本偏差规定了2个位置：G,H
标识：M10*1-6H
外螺纹：分3,4,5,6,7,8,9（中径）
分4，6，8（大径），基本偏差规定了4个位置：e,f,g,h
标识：M10-5g6g

四、 加工表面质量
加工表面质量主要包括两方面内容：
Ø 表面的几何形状----主要指表面粗糙度
Ø 表面的物理品质---加工硬化程度，冷硬层深度，表面残余应力等等

(一) 表面粗糙度
表面粗糙度表示已加工表面的平滑程度。

1. 三个指标：

Ø Ra-----算术平均值------我国一般采用此指标
Ø Rz-----十点平均值
Ø Ry-----最大值

如下图：

Ra

Rz

Ry
2. 粗糙度标识方法：

3. Ra，Rz，Ry三者的大致关系

Ra≈1/4Rz≈1/4Ry

4. 光洁度（我国老标准），粗糙度Ra，日本三角记号之间的关系

我国老标准（▽） 我国新标准（Ra ） 日本老三角记号（▽）
25 ▽
12.5 ▽
▽4 6.3 ▽▽
▽5 3.2 ▽▽
▽6 1.6 ▽▽▽
▽7 0.8 ▽▽▽
▽8 0.4 ▽▽▽
0.2 ▽▽▽▽
0.1 ▽▽▽▽

(二) 粗糙度对零件的使用性能的影响
Ø 粗造度影响零件的耐磨性
Ø 粗造度影响配合的稳定性
Ø 粗造度影响零件的疲劳强度
Ø 粗造度影响零件的抗腐蚀性
Ø 粗造度影响零件的密封性

(三) 主要加工办法能达到的表面粗糙度
影响机械加工表面粗糙度的因素很多，主要有如下几种：
Ø 机床（加工方法）
Ø 加工形态（切削参数）
Ø 工件材质
Ø 刀具
Ø 切削液

以下是主要加工方法所能达到的粗糙度大致范围：

车削外圆，端面，镗内孔： Ra12.5-Ra0.4
切槽： Ra 6.3--Ra1.6
钻削： Ra6.3—Ra3.2
铣平面，沟槽，台阶 Ra12.5-Ra0.8
镗孔： Ra6.3---Ra0.4
铰孔： Ra3.2—Ra0.4
磨削： Ra0.8—Ra0.1
滚压： Ra0.4—Ra0.1

五、 金属材料及热处理
(一) 金属材料
1. 概述
工业中所用的材料总体分为：
Ø 非金属材料：工程塑料，石墨……..等等
Ø 金属材料
黑色金属材料：如钢，铁等
有色金属材料：铝，铜，镁及其合金等

在机械工程中，钢铁应用最为广泛，钢与铁都是以铁元素（Fe）为基体，以碳（C）为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金。
Ø 钢：含碳量＜2.11%的铁碳合金称为“钢”
Ø 铁：含碳量≥2.11%的铁碳合金称为“铁”

2. 钢的分类
Ø 按用途分类
ü 结构钢：一般工程及机械零件用钢
ü 工具钢：工刃具、模具、量具用钢
ü 特殊用途钢：不锈钢，耐热钢等等
Ø 按化学成分分类
ü 碳素钢---低碳钢（≤0.25%C），中碳钢（0.25-0.6%C），高碳钢（＞0.6%C）
ü 合金钢---除Fe，C元素之外，还含有其他元素，如Si，Mo，Ni等
ü 锰钢，Cr钢等
Ø 按品质分类（含P,S杂质的多少）
ü 普通钢
ü 优质钢
ü 高级优质钢

3. 铁的分类
Ø 生铁：即含碳量≥2.11%的铁碳合金
Ø 铁合金：锰铁合金，铬铁合金等
Ø 铸铁：生铁中添加了1-3%硅（Si）元素，铸铁又分为：
ü 灰口铸铁：HT250--------------数字表示抗拉强度
ü 球墨铸铁: QT400-17--------抗拉强度—延伸率

4. 金属材料的性能
金属材料的性能分为：使用性能与工艺性能。
Ø 使用性能
ü 物理性能：比重，熔点，导电性，导热性，磁性等等
ü 化学性能：耐腐蚀性，抗氧化性等
ü 机械性能：须重点掌握的性能。
² 抗拉强度---在拉断或压破时所承受的最大应力，N/mm
² 屈服强度
² 延伸率---拉伸断裂时的总伸长与原长之比
² 断面收缩率---拉伸断裂后，断面的最大缩小面积与原面积之比
² 抗冲击韧性：抗冲击能力
² 硬度：抵抗更硬物体压入其表面的能力，根据不同的测量方法，有如下几种表示方法：
布氏硬度：HB×××
洛氏硬度：HRA,HRB,HRC
维氏硬度：HV

Ø 工艺性能----指材料的加工性能，比如：
ü 铸造性能
ü 焊接性能
ü 冷弯性能
ü 冲压性能
ü 锻造性能
ü 切削性能

(二) 金属材料热处理
1. 热处理的概念
Ø 热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺。
Ø 热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其它加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。

2. 热处理的目的
为使金属工件具有所需要的使用性能（机械性能、物理性能和化学性能），除合理选用材料和各种成形工艺外，通过热处理工艺往往可以达到提高这些性能的目的。

3. 热处理的对象
钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。
另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其机械、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。

4. 热处理过程
热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接，不可间断。
Ø 加热是热处理的重要工序之一：金属热处理的加热方法很多，最早是采用木炭和煤作为热源，进而应用液体和气体燃料。电的应用使加热易于控制，且无环境污染。利用这些热源可以直接加热，也可以通过熔融的盐或金属，以至浮动粒子进行间接加热。
金属加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳(即钢铁零件表面碳含量降低)，这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热，也可用涂料或包装方法进行保护加热。
加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度，是保证热处理质量的主要问题。加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。
Ø 保 温：当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全。采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般就没有保温时间，而化学热处理的保温时间往往较长。
Ø 冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的一环：冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。

5. 热处理种类
热处理工艺大体可分为三大类：
Ø 整体热处理
整体热处理是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却，以改变其整体机械性能的热处理工艺。
钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。
² 退 火：是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组织准备。
² 正 火：是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。
² 淬 火：是将工件加热保温后，在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同时变脆。
² 回 火：为了降低淬火后钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于650℃的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。
² 调 质：退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”，其中的淬火与回火关系密切，常常配合使用，缺一不可。 “四把火”随着加热温度和冷却方式的不同，又演变出不同的热处理工艺。为了获得一定的强度和韧性，把淬火和高温回火结合起来的工艺，称为调质。
² 时效处理：某些合金淬火形成过饱和固溶体后，将其置于室温或稍高的适当温度下保持较长时间，以提高合金的硬度、强度或电性磁性等。这样的热处理工艺称为时效处理。（将工件置于室外保持较长时间（半年以上），从而消除内应力，称为自然时效处理）

Ø 表面热处理
表面热处理只加热工件表层，以改变其表层力学性能的热处理工艺。为了只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部，使用的热源须具有高的能量密度，即在单位面积的工件上给予较大的热能，使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温。表面热处理的主要方法有火焰淬火和感应加热热处理，常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感应电流、激光和电子束等。

Ø 化学热处理
化学热处理是通过改变工件表层化学成分、组织和性能的金属热处理工艺。化学热处理与表面热处理不同之处是后者改变了工件表层的化学成分。化学热处理是将工件放在含碳、氮或其它合金元素的介质(气体、液体、固体)中加热，保温较长时间，从而使工件表层渗入碳、氮、硼和铬等元素。渗入元素后，有时还要进行其它热处理工艺如淬火及回火。化学热处理的主要方法有：
² 渗碳
² 渗氮
² 渗金属

六、 机械制图与识别
详见机械制图相关教材。

基本要求：
Ø 能熟练手工绘制简单的零件图或零件的局部图，最好能用AUTOCAD绘制简单的机械制图。
Ø 能熟练识别复杂的机械图样，包括手工与CAD绘制的图纸。
Ø 掌握机械制图的基本标准、规范及规定，包括：
² 图纸幅面及格式：
绘制机械图样时，优先采用5种规定的图纸基本幅面，分别是：A0、A1、A2、A3、A4。在图纸上，图框线必须用粗实线画出，其格式分为不留装订边和留有装订边两种，但同一产品的图样只能采用一种格式。标题栏的文字方向应为看图方向，标题栏的外框为粗实线，里边是细实线，其右边线和底边线应与图框线重合
² 绘图比例：
比例是图中图形与实物相应要素的线性尺寸之比。为了能从图样上得到实物大小的真实感，应尽量采用原值比例(1:1)，当机件过大或过小时，可选用表规定的缩小或放大比例绘制，但尺寸标注时必须注实际尺寸。一般来说，绘制同一机件的各个视图应采用相同的比例，并在标题栏中填写。当某个视图需要采用不同比例时，可在视图名称的下方或右侧标注比例

² 字 体：
图样中书写的字体必须做到：字体工整、笔画清楚、间隔均匀、排列整齐。
汉字汉字应写成长仿宋体，并应采用国家正式公布推行的简化字。汉字的高度不应小于3.5mm，其字宽一般为字高的2/3。长仿宋体的书写要领是：横平竖直，注意起落，结构匀称，填满方格.
数字和字母 数字和字母有直体和斜体两种。一般采用斜体，斜体字字头向右倾斜，与水平线约成75°角。在同一图样上，只允许选用一种形式的字体。

² 图 线
8种线型：粗实线、细实线、波浪线、双折线、虚线、粗点划线、细点划线、双点划线。

² 图样种类
零件图、装配图、轴测图，此外还有布置图、示意图等

² 各种视图---三视图、剖视图、剖面图（断面图）、向视图、局部视图、局部放大图，等等。

² 尺寸标注

² 粗造度、公差标注

² 有关螺纹、齿轮、花键和弹簧等结构或零件的简化画法

² 投影法
l 投影的三要素：光线或投影线（观察者）----物体----投影面。
l 投影的方法：中心投影法与平行投影法，平行投影法又分为：正投影法（垂直投影）与斜投影法。机械制图采用正投影法。

l 投影的方位：
第一视角投影法（又成欧洲方法法或E法）与第三视角投影法（又称美国方法或A法）
如下图所示，将空间分为8个角：

第一视角投影法就是将物体放在第1象角内，使物体置于观察者与投影面之间，即保持：人-----物体----投影面 的位置关系，按照正投影（垂直投影）的方式从而得到投影视图的方法。
下图为第一视角的示意图，

下图为物体在第一视角内的投影方式及得到的三视图：

第三视角投影法就是将物体放在第3象角内，使投影面置于观察者与物体之间，即保持：人-----投影面----物体 的位置关系，按照正投影（垂直投影）的方式从而得到投影视图的方法。很明显，这时是将投影面假想成透明的面来处理的，否则就看不到物体了。如下图：

l 各个主要国家与地区采用的投影法：
采用第一视角投影法的国家与地区：中国，法国，德国，俄罗斯，国际标准ISO
采用第三视角投影法的国家与地区：美国，英国，日本，台湾
l 投影法的识别
机械制图采用何种投影法（第一或第三视角），有两种方式来辨别：
l 机械图纸的右上角有标注：

第一视角法 第三视角法
l 图纸上的各视图方位：
第一视角法：主视图在正面，下面是俯视图，左视图在主视图的右边。
第三视角法：顶视图在上面，前视图在下面，左视图在主视图的左边。
两种视角法的各视图详细关系如下图：