机械制造工艺学.ppt

机械制造工艺与机床夹具,第一章 机械制造工艺的基本概念,工序是产品制造过程中的基本环节,也是构成生产的基本单位.即一个或一组工人，在一个工作地点对同一个或同时对几个工件进行加工所连续完成的那部分工艺过程，称之为工序.,工序又可分成若干工步。加工表面不变、切削刀具不变、切削用量中的进给量和切削速度基本保持不变的情况下所连续完成的那部分工序内容，称为工步,第一节 基本概念和定义,一、机械制造系统的概念,机械制造系统图,生产过程 是指将原材料或半成品转变为成品的所有劳动过程。,二、生产过程和工艺过程,原材料和成品的运输与保管；,生产技术准备工作；,毛坯的制造；,零件加工,产品的装配、调试、检验、油漆和包装等。,包括：,如生产计划的制订、工艺规程的编制与生产工具的准备等,锻压、铸造、焊接等,机械加工、热处理和表面处理等,工艺过程 是与改变原材料或半成品使之成为成品直接有关的过程。生产过程中，按一定顺序逐渐改变生产对象的形状（铸造、锻造等）、尺寸（机械加工）、位置（装配）和性质（热处理）使其成为预期产品的过程。,包括：锻压、铸造、机械加工、热处理、表面处理、装配等。,在具体的生产条件下，采用最合理或较合理的工艺过程，按规定的表格形式书写成的工艺文件，称为机械加工工艺规程。,三、生产纲领与生产类型1、生产纲领：指企业在计划期内应生产的产品产量。对于零件而言，产品的产量除了制造机器所需的数量外，还要包括一定的备品和废品，通常为5%的备品率和2%废品率。零件的生产纲领是指包括备品和废品在内的年产量，可按下式计算：式中，N零件的生产纲领（件/年）Q产品的生产纲领（台/年）n每台产品中含该零件的数量（件/台）a零件备品率；b零件废品率。,2、生产类型：指企业生产专业化程度的分类。根据生产纲领和产品的大小，可分为：,单件生产：单个生产，很少重复或不重复的生产类型,大量生产：产品数量很大，大多数工作地点重复进行,成批生产：一年中分批轮流地制造，工作地点周期重复,生产纲领决定生产类型，产品大小也对生产类型有影响。,表1-1 生产类型和生产纲领的关系,3、工艺特征：不同的生产类型具有不同的工艺特点。,表1-2 各种生产类型的工艺特点,【例】如下图所示，不同生产类型阶梯轴的工艺过程，如方法1、方法2所示。,阶梯轴加工,方法1（单件小批生产的工艺过程）：,方法2（大批量生产的工艺过程）：,第二节 工件的定位原则及定位元件,本节内容,一、工件定位的基本原理,二、定位方法及定位元件,自由度，六点定位原则，工件定位中的几种情况,分别以平面、孔、外圆定位,一、工件定位的基本原理,1、自由度,移动自由度,转动自由度,沿X、Y、Z轴移动,绕X、Y、Z轴转动,一个在空间处于自由状态的物体具有六个自由度。,工件的定位应解决两方面的问题：,1)“定与不定”,2)“准与不准”,工件的六个自由度,2、六点定位原则,定位，即限制自由度。用合理设置的6个支承点，限制工件的6个自由度，使工件在夹具中的位置完全确定，即工件定位的“六点定位原理”。,矩形工件的定位,轴类零件的定位,3、工件定位中的几种情况,1）完全定位,指工件的六个自由度全部被限制。,2）不完全定位,根据加工要求，并不需要限制工件的全部自由度。,在车床上加工轴的通孔，使用三爪卡盘夹外圆，限制工件的4个自由度，采用四点定位可以满足加工要求。,工件在平面磨床上采用电磁工作台装夹磨平面，且只有厚度及平行度要求，故只用三点定位。,3）欠定位,根据工件的加工要求，应该限制的自由度没有完全被限制，无法保证加工要求，是不允许的。,夹具上的两个或两个以上的定位元件，重复限制工件的同一个或几个自由度。,4）过定位,大端平面与长销组合产生的过定位,欠定位应该消除的自由度没有消除，不允许。过定位几个支承点重复限制某个自由度，一般不允许，应用是有条件的。,欠定位与过定位,正确配置支承点,正确处理过定位,提高工件定位表面与定位元件之间的位置精度；改变定位元件的结构。,一般按三、二、一布置。主要定位表面受力面积越大越好。,二、定位方法及定位元件,工件上的定位基准面与相应的定位元件合称为定位副。,定位方案的确定,1）工件在夹具中定位时，起定位支承点作用的是一定形状的定位元件；,2）必须根据工件定位所需限制的自由度数目和工件的结构，合理选择定位元件；,3）当一个定位元件所提供的支承点不能满足定位要求时，则必须考虑多个定位元件的合理搭配，使之既能满足定位要求，又不能过定位，而且结构应简单、工艺性好。,较高的制造精度,设计定位元件时，应满足以下基本要求：,足够的强度和刚度,较好的工艺性,便于清除切屑,根据平面所限制自由度的数目分为三种：,1、定位方式,主要支承面,导向支承面,止推支承面,限制工件的三个自由度的定位平面，常用于精度比较高的工件定位表面。,限制工件的两个自由度的定位平面，常做成窄长面。,限制一个自由度的平面，为了确保定位准确，往往将平面面积作的尽可能小。,（一）工件以平面定位,2、定位元件,常用支承钉和支承板作定位元件；定位基准为平面本身。,（1）标准固定支撑钉,支撑高度不变,A型：较小精基准平面定位用；,B型：水平面粗基准定位用；,C型：侧平面粗基准定位用。,（2）标准可调支撑钉,支撑高度可调,适用于毛坯分批制造，其形状和尺寸变化较大的粗基准定位。,工件从轻到重,（3）标准固定支撑板,A型：侧平面精基准定位用；,B型：水平面精基准定位用。,小平面限制一个自由度；窄长平面限制两个自由度；大平面限制三个自由度。,常用的定位元件有圆柱销和各种心轴；定位基准为孔的中心线。,圆柱定位销,（二）工件以孔定位,长销限制4个自由度；短销限制2个自由度。L/d1.2视为长。,短销可理解为一条圆母线接触；,长销可理解为相距较远的两条圆母线接触。,圆柱心轴,常用的定位元件有V形架、圆孔、半圆孔、圆锥孔等；定位基准为外圆中心线。,（三）工件以外圆柱面定位,(a)较长精基准(b)较长粗基准,(c)阶梯轴定位用(d)较长、较重工件,短接触限制2个自由度；长接触限制4个自由度。,固定V形块,第三节 工件的定位和基准,零件上用以确定其它点、线、面位置所依据的那些点、线、面，它往往是计算、测量或标注尺寸的起点。,一、基准的概念及其分类,基准,设计基准,工艺基准,零件设计图上用以确定其它点、线、面位置的基准。它是标注设计尺寸的起点。,1、设计基准,a,b,c,2、工艺基准,按用途分为：,定位基准用以确定工件在机床上或夹具中正确位置所依据的基准。,工序基准工序图上用以标定被加工表面位置的基准，即工序图上的设计基准。,测量基准零件检验时，用以测量已加工表面尺寸及位置的基准。,装配基准装配时用以确定零件在机器中位置的基准。,在零件加工、测量或装配过程中所使用的基准。,定位基准表示方法,二、工件装夹方式,机械加工过程中，为保证加工精度，固定工件，使之占有确定位置以接受加工或检测的工艺装备统称为机床夹具。,1）找正安装法,划线找正安装：钳工先按加工要求在工件表面划好线，机加工时工人按划线找正后再夹紧。,直接找正安装：操作者利用划针、百分表等量具直接校准待加工面或相关表面以获得正确位置。,找正费时，定位精度不易保证，生产率较低，仅适用于单件小批生产。,通用夹具,专用夹具,指已经标准化的，在一定范围内可用于加工不同工件的夹具。三爪卡盘、四爪卡盘、顶尖；平口虎钳、分度头和回转工作台,专为某一工件的某道工序的加工而设计制造的夹具。,2）采用夹具安装法,靠夹具将工件定位、夹紧，以保证工件相对于刀具、机床的正确位置。,操作简单，效率高，容易保证加工精度，适用于成批及大量生产。,常用的通用夹具：顶尖、三爪卡盘、四爪卡盘、花盘、跟刀架。,1夹具体 2定位元件 3导向元件 4工件,专用夹具-钻模,三、机床夹具的主要功能,使工件相对于刀具及机床占有正确的加工位置，保证其被加工表面达到工序所规定的各项技术要求。,工件定位后，经夹紧装置施力于工件，将其固定夹牢，使其在加工过程中保持正确位置不变。,1、定位,2、夹紧,安装工件从定位到夹紧的整个过程。,工件的安装方法,1）找正安装法,2）采用专用夹具安装法,划线找正安装：钳工先按加工要求在工件表面划好线，机加工时工人按划线找正后再夹紧。,直接找正安装：操作者利用划针、百分表等量具直接校准待加工面或相关表面以获得正确位置。,靠夹具将工件定位、夹紧，以保证工件相对于刀具、机床的正确位置。,找正费时，定位精度不易保证，生产率较低，仅适用于单件小批生产。,操作简单，效率高，容易保证加工精度，适用于成批及大量生产。,通用夹具,按夹具的应用范围和特点分,车床夹具,按所使用的机床分,手动夹具,按产生夹紧力的动力源分,二、机床夹具的分类,通用夹具,专用夹具,可调夹具,组合夹具,指已经标准化的，在一定范围内可用于加工不同工件的夹具。三爪卡盘、四爪卡盘、顶尖；平口虎钳、分度头和回转工作台,专为某一工件的某道工序的加工而设计制造的夹具。,适用于加工形状相似、尺寸相近、加工工艺相似的多种工件。兼有专用性与通用性。,按某一工件的某道工序的加工要求，由一套预先制造好标准元件组装成的“专用夹具”。,三、机床夹具的组成,定位元件,夹紧元件,对刀-导向元件,夹具体,连接元件,用来对刀和引导刀具进入正确加工位置的零件。钻套和导向套：用在钻床夹具和镗床夹具上；对刀块：用在铣床、刨床夹具上。,是夹具的基准零件，用它来连接并固定定位元件、夹紧机构和导向元件等，使之成为一个整体，并通过它将夹具安装在机床上。,将夹具与机床连接并确定夹具对机床主轴、工作台或导轨的相互位置。,1夹具体 2定位元件 3导向元件 4工件,固定式钻模（钻床夹具）,固定式钻模,夹具各组成部分与机床、工件、刀具的相互联系,夹具与工件选定的定位基准面接触，用以确定工件正确位置的零件即定位元件。,以平面定位用支承钉和支承板作定位元件,以外圆柱面定位用V形块和定位套筒作定位元件,以孔定位用定位心轴和定位销作定位元件,支承钉,V形块,定位销,工件定位后，为了防止工件由于受切削力等外力的作用而产生位移，而将其夹牢紧固的机构称为夹紧机构。,常用的夹紧机构有螺钉压板、偏心压板、螺旋夹紧机构、斜楔夹紧机构、铰链夹紧机构等。,螺钉压板,第四节 工件的夹紧,工件定位后将其固定，使其在加工过程中保持定位位置不变的装置，称为夹紧装置。,一、夹紧装置的组成和设计要求,本节内容,二、确定夹紧力的基本原则,三、常见的夹紧机构,一、夹紧装置的组成和设计要求,1、夹紧装置的组成,动力装置,产生夹紧作用力；通常指气缸、油缸、活塞、电磁装置等。,传力机构,介于力源和夹紧元件之间，传递力；如斜楔、连接杆、铰链等。,夹紧元件,加紧装置的最终执行元件，与工件直接接触；如压板、螺栓等。,1气缸 2连杆 3压板,夹紧装置组成示意图,2、工件夹紧的基本要求,1）夹得稳,不破坏稳定的正确定位，刚度足够。,2）夹得牢,夹紧力要合适，过大工件变形或损伤，影响加工精度，过小工件加工中易移动或产生振动，同时，夹紧装置应保证自锁，即原始夹紧力去除后，工件能保持夹紧状态。,3）夹得快,机构简单、紧凑、操作安全、省力、迅速方便。,3、设计夹具时应考虑的问题,夹紧力（三要素：大小、方向、作用点）,传力方式（手动、气动、液力、电力等）,夹紧机构（增力、快速、机动等）,二、确定夹紧力的基本原则,1、夹紧力方向的确定,（1）应有利于工件的准确定位，而不能破坏定位。一般要求主要夹紧力应垂直指向主要定位基面；,（2）主夹紧力最好与F切、F重方向一致，使所需夹紧力尽可能小；,P、W相同时，哪一情况Q可最小？,夹紧力大小与夹紧力方向直接有关，在考虑夹紧方向时，只要满足夹紧条件，夹紧力越小越好。,切削力,重力,夹紧力,（3）夹紧力的方向应是工件刚性较好的方向，以减小工件变形。,2、夹紧力作用点的选择,指在夹紧力作用方向已定的情况下，确定夹紧元件与工件接触点的位置和接触点的数目。,（1）夹紧力作用点应落在支承点上或支承面以内，避免工件翻转；,夹紧力作用点的位置,（2）夹紧力作用点应落在工件刚性较好的部位，以减小工件的夹紧变形；,夹紧力作用点的位置,径向夹紧,轴向夹紧,（3）夹紧力作用点应尽量靠近被加工表面，以防止工件产生振动和变形。,辅助支承与辅助夹紧,3、夹紧力大小的确定,夹紧力方向和作用点位置确定以后，还需合理地确定夹紧力的大小。,夹紧力不足，会使工件在切削过程中产生位移并容易引起振动；,夹紧力过大，又会造成工件或夹具不应有的变形或表面损伤。,实际所需夹紧力,安全系数,理论夹紧力,估算夹紧力的方法：,首先将工件视为分离体，分析作用在工件上的各种力；,再根据力系平衡条件，确定保持工件平衡所需的最小夹紧力；,最后将乘以一合适的安全系数，以此作为所需的夹紧力。,三、常见的夹紧机构,夹紧机构是将力源的作用力转化为夹紧力的机构。,常见的有斜楔、偏心、螺旋等夹紧机构，利用机械摩擦的斜楔自锁原理。,1、楔块夹紧机构,利用楔块的斜面将楔块的推力转变为夹紧力，从而夹紧工件。,夹紧力的计算,F（X）=0 Q=F1+Rx,F1=wtg1,Rx=wtg(+2),Q=wtg1+wtg(+2),设1=2=，很小时，,w-斜楔对工件的夹紧力；-斜楔升角；Q-加在斜楔上的作用力；1-斜楔与工件间的摩擦角；2-斜楔与夹具体间的摩擦角。,自锁条件,F1Rx,F1=wtg1 Rx=wtg(-2),又、1、2很小,tg11,tg(-2)-2,1-2,1+2,斜楔自锁条件：斜楔的升角小于斜楔与工件、斜楔与夹具体之间的摩擦角之和。,为安全可靠，手动时取=68，机动时(气动、液动)可不考虑自锁,取=1530。,增力比与夹紧行程,夹紧力与作用力之比称为增力比。i的大小表示夹紧机构在传递力的过程中扩大（或缩小）作用力的倍数。,夹紧行程,斜楔移动距离,S受到斜楔长度的限制，要增大h，就得增大，而斜角太大，便不能自锁。,当要求机构既能自锁，又有较大的夹紧行程时，可采用双斜面斜楔。,大斜角的一段使滑柱迅速上升，小斜角的一段确保自锁。,2、螺旋夹紧机构,由螺钉、螺母、压板、手柄等元件组成，采用螺旋直接夹紧或与其他元件组合实现夹紧。应用最为广泛。,结构简单，容易制造；,夹紧可靠，自锁性能好，夹紧力和夹紧行程都较大；,特点：,单螺旋夹紧机构,螺杆1在2中转动而起夹紧作用；,螺母套2采用可换式，其目的是为了内螺纹磨损后可及时更换；,螺钉3用以防止2的松动；,压块4是防止在夹紧时带动工件转动；并避免1的头部直接与工件接触而造成压痕。,螺旋自动定心夹紧机构,双向螺杆4一端为左螺纹,一端为右螺纹,拧螺杆时两个V形块同时夹紧工件。,3、偏心夹紧机构,偏心夹紧机构靠偏心轮回转时回转半径变大而产生夹紧作用。,偏心压板夹紧机构,1垫板 2手柄 3偏心轮 4轴 5压板,结构简单，操作方便，动作迅速；,自锁性能比较差，增力比较小；常用于切削平稳而切削力不大的场合。,车床夹具设计实例,本工序需加工40的孔,1、研究原始资料,明确设计任务,2、定位方案的确定,确定要限制的自由度,需限制四个方向的自由度：沿X,Y方向的水平移动以及轴向转动。,3、夹紧方案的确定,根据零件的定位方案，采用移动压板式螺旋夹紧机构。,4、夹具体的设计,5、过渡盘,6、夹具总装配图,第五节 定位误差分析,能否保证工件的加工精度，取决于刀具与工件间正确的相互位置。而影响这个正确位置关系的误差因素有：,定位误差D,安装误差和调整误差T-A,加工过程误差G,为保证加工要求，上述三项误差合成后应小于等于工件公差 T,D+T-A+G T,一、定位误差及其产生的原因,由于定位引起的加工尺寸的最大变动范围称为定位误差。,1、基准位移误差Y,定位元件的制造误差,产生原因：,工件的制造误差（定位基准面）,定位元件和工件之间的配合间隙,由于定位副制造误差及其配合间隙所引起的定位误差，即定位基准的相对位置在加工尺寸方向上的最大变动量。,(a),(b),(c),2、基准不重合误差B,由于定位基准与工序基准不重合所导致的工序基准在加工尺寸方向上的最大位置变动量。,定位误差：D=Y+B 1/3 T,并不是在任何情况下这两部分误差都同时存在。,二、定位误差的计算,（1）当B=0、Y0时，产生定位误差的原因是基准位移误差，D=Y,（2）当B0、Y=0时，产生定位误差的原因是基准不重合误差，D=B,1、工件以平面定位,2、工件以外圆定位,3、工件以内孔定位,1）基准位移误差Y,工件以已加工过的表面定位，其定位基准的位置可认为没有变动，即Y=0,2）基准不重合误差B,图b 铣顶面工序中，H尺寸定位基准与设计基准重合，不存在B,图c 铣台阶面工序中，A尺寸由于基准不重合而存在B，设计基准在T+TH与T-TH之间变化，B=2TH,定位误差：D=Y+B=2TH,如工件总高H=400.14mm,要求保证A=200.15mm.求加工阶梯面时的D，能否保证加工要求？,D=2TH=2X0.14=0.28mm,本工序公差T=0.15-(-0.15)=0.30mm,不满足 D=Y+B 1/3 T,工件在V形块上定位时的基准位移误差,1）工序基准是圆柱轴线，定位基准也是圆柱轴线，两者重合，B=0；,2）定位基准与限位基准不重合。,工件在V形块上定位时定位误差分析,工件以圆柱孔在过盈配合心轴上定位时定位误差分析,(a)D=Y+B=0,(b)D=Y+B=B=d/2,(c)D=Y+B=B=D/2,工件孔与定位心轴间隙配合时定位误差计算,D=Y+B=Y=（D+d）/2,