《现代制造技术》教案

《现代制造技术》

第一章 绪论

教学目的与要求：

1、掌握现代制造技术内涵及技术构成 2、熟悉现代制造技术体系的结构 3、熟练对现代制造技术进行分类 4、了解现代制造技术的发展趋势 教学重难点：

1、现代制造技术的内涵

2、现代制造技术包含的几个技术方面

3、传统制造业的技术及缺陷，以及现代制造技术的特点 教学内容： 一、生产过程系统

在生产中将原料通过许多专业化工厂，利用科学知识及技术（技

能），利用客观物质工具将之加工成人们所需要的、要求的产品过程——生产过程。

在生产过程中：物料、能源、资源、设备、工具、设计、加工、

装配、储运等与技术情报分析与市场环境动态分析、经营管理、劳动力的调配。资源、能源的开发与利用、国家政策及国际影响，使得现代制造加工构成一个原料、设备、工件的一个闭环系统——生产过程系统。

一般来说：生产过程系统主要由决策层、经营管理层、生产技术层以及发展谋划（development plans）等层次构成。 二、生产制造技术（Manchining Technology） 1、传统机制发展

A、19世纪末20世纪初的英国工业革命—→机器工业。 B、20世纪中叶，Henley Ford 1903年建立世界上第一个汽车巨头Ford公司；1913年以互换性技术（inter change ability technology）来装备汽车，到20世纪50年代—→大工业体系的形成。

C、柔性化、集成化、智能化及网络化的现代制造技术（Modren Machining Technology）

20世纪80年代随着技术更新、产品精密加工要求以传统加工缺陷。计算机发展而逐步地不断的发展至今。 2、传统机制特点

A、个人技巧 + a mount of刚性生产线.AND细密专业分工 + 一

体化

B、技术界限明显 AND 专业独立 C、仅为生产系统中的某一环节 D、不能有效地进行信息流控制

E、生产的管理与技术分离—→人力资源浪费及分配离散和不公正 3、现代制造技术

社会发展，科技进步及市场经济的刺激，为响应市场刺激，使产品质量更高，企业更具生命力及创造力。

A、品种多，批量更换容易 B、信息控制自由 + 知识密集型 C、柔性自动线 + 智能自动化

D、CAD — CAM — CAPP — CAT — CAE AND NC — CNC AND FMC — CIMS — MISMS（管理信息系统） E、先进的管理模式

工业工程 + 并行工程（CE concurrent engineering）AND、信息流 + 物料流 + 能源流（handling）控制。 4、现代制造技术内涵及技术构成

以优质、高效、低耗及无污染的基础技术，以适应市场需求而产生的单元技术，从而进行高效率、高质量、高利益的集成技术完成产品的加工、设计、优化及评测，以适应现代工业生产需求。 三、体系结构及分类 1、结构

在良好优质的环境下（制造技术环境），通过先进、高效类的支撑技术群，完成产品的生产（主技术群）。 2、分类

①现代设计技术

计算机技术 + 基础优良设计技术 + 优势竞争环境创建技术 + 产品生命周期设计技术 + 可持续发展（sustainable development）设计 + 可靠性、仿真性、虚拟性实验。

②现代制造技术

精密、超紧密技术 + 特种加工（nonterditional machining） ③制造自动化技术

数控 + 工业机器人 + FMS + CAT + CAE ④Machining system AND Machining modrel

CIMS + AMS（敏捷制造）+ IMS + LP（精良生产） + CE CE +MRP（制造资源计划）+ JIT（准时生产） + ABC VT（virua teachnology）等。 四、现代制造技术发展（了解）

第二章 特种加工（nontraditional machining）

教学目的与要求：

AND AND 1、掌握特种加工分类、特点及适用范围 2、掌握电火花加工的原理、规律及基本设备应用 3、掌握电解加工的原理、规律、应用 4、熟悉超声波及激光加工的原理及应用

5、了解电子束、等离子、电铸等加工的原理和应用 教学重难点： 1、特种加工的范围

2、电火花及电解加工原理、规律 3、电解磨削的原理、特点 4、激光及超声波加工应用 教学内容：

§2.1 特种加工的概念

利用电能、光能、声能、热能及化学能来去除金属及非金属材料的非传统的加工方法。 一、分类

1、力学加工——机械能，如：超声波、喷射、水流加工等。 2、电物理加工——电能—→热能、机械能及光能，如：电火花成形、

电火花线切割、电子束、离子束加工等。

3、电化学加工——电能—→化学能，如：电解加工、电镀、刷镀、

镀膜机电铸加工等。

4、激光加工——激光光能—→热能。

5、化学加工——化学能或光能转化为化学能，如：化学铣削、化学

刻蚀（即光刻）加工等。

6、复合加工——机械加工 + 特种加工，如：电解磨削、超声电解磨削及超声电火花电解磨削等。 二、特点及运动应用范围

1、工件与工具间无明显切削力，仅存在微作用力。 2、包括去除与结合加工

去除加工，即为分离加工，去除材料

结合： 附着——在被加工面上覆盖—→镀膜等。

注入——将元素离子注入工件表层—→离子注入、化学镀、

氧化等。

结合——工件或两种材料结合成一体—→激光焊接、化学粘

结等。

3、工件硬度、强度可低于工件硬度与强度，工具损耗微小。 4、能量易于转换与控制。 5、加工精度易于保证，生产率等。

§2.2 电火花加工（Electrical Dissolve Machining，EDM） 一、加工原理

利用脉冲放电对导电材料的磨蚀来去除材料，从而满足一定的形状与尺寸要求的加工方法。

参阅P16 图2—1

①充满液体介质的工具及电极之间存在一小间隙 0.01～0.02mm ②脉冲电压施加：间隙中产生极强的脉冲电压，于是两极间的液体介质随脉冲电压频率不断放电电离击穿—→脉冲放电。

③放电持续时间为10-8—10-5s，由于其放电压区域面积极小，所以能量高度集中，在放电压产生10000～12000oC的高温。

④放电小区域部分的金属材料被熔化与汽化。这里由于速度非常快，固有爆炸性质。

⑤爆炸力将熔化的微小的金属颗粒抛出，被液体介质冷却、凝固，并带出间隙—→主要表现为冲走，工件表面出现圆形凹坑。

⑥重复放电过程，随着工具电极不断进给，材料不断被蚀除 ⑦直至工具电极轮廓形状精确复印至工件上，为下一次做准备。 二、加工设备简介

1、电火花加工必须要使用脉冲电源，将200V或380V、50Hz交流电源—→频率较高的脉冲电源—→加工提供电能量。 2、在每次脉冲放电间隔内： 电极冷却，工作液恢复绝缘状态点进行。 三、规律 1、影响因素 （1）极间效应

单位时间内蚀除金属材料的体积或重量——蚀除量（速度） 由于正负极性接法不同—→蚀除量不同—→极性效应 短脉宽—— <50us

电子质量轻，惯性小—→极易获得高速度轰击阳极 阳极蚀除量大，用于正极性的精加工。 长脉宽—— >300us

放电时间长，离子获得高速度，又因离子质量大，轰击阳极动能

下一次放电在二极间另一凸

大 阴极蚀除量大，用于负极性的半精加工及粗加工。 （2）工作液

煤油、去离子水及乳化液等。详见P19表2—3 （3）电极材料

紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜

首先要导电，其次是加工损耗小，稳定，再次机械加工性能好。 四、应用 1、成型加工

穿孔加工——加工冲模，型孔及小孔（φ0.05～φ2mm） 型腔加工——型腔模及型腔零件，相当于加工成型盲孔 2、电火花线切割

A、用于连续移动的钼丝或铜丝作为工具阳极，工件为阳极。 B、工作台可在水平面作进给运动—→三维图形。

C、在B状态下，丝架绕工作台X轴小角度摆动 + 丝架上下臂对Y轴移动—→带斜面的平面及二次曲线型体。 D、高速走丝与低速走丝。

a）高速走丝：V=10m/s上下，往复走丝；

b）低速走丝：用成卷铜丝在无绢丝筒（导丝轮呈锯齿状）的情况下，V=0.01～0.1m/s，单向走丝，其平稳无振动，损耗小，加工精度高，为发展的主要方向。（应用：型孔、型腔、线切割回转共轭） 五、特点

可加工任何导电材料，适用精密微细刚性差工件。其加工精度等

见P14 表2—1 六、可完成的加工

1、穿孔——型孔、曲线孔（弯螺纹）、小微孔

2、穿腔——锻、压、铸、挤压模加工及整体式叶轮、叶片曲面 3、线切割——切断、开槽、窄逢

4、回转共轭——同模数内外齿轮及同螺距、牙型的内外螺纹 5、电火花回转——类似铣削及磨削 6、金属表面强化，打印，仿形刻字 作业：P52 1、说明特种加工的工艺特点。

2、电火花成形加工原理及极性效应 3、快、慢走丝电火花线切割加工优缺点

课时：2学时

§2.3 电解加工（Electricton Machining，ECM）

一、加工基本原理

利用金属在电解液中可以产生阳极溶解的电化学原理来进行的成形加工方法。

例如：Nacl水溶液加工Fe 电离方程式：Nacl → Na+ + cl-

H2O

H+ + OH-

Fe2+,进入电解液中与OH- ，

通电后，阳极（工件）表面Fecl-发生氧化反应→Fe(OH)2及Fe cl2。

Fe – 2e → Fe2+ 实现：间隙→法拉第电解定律 Fe2++2(OH-) → Fe(OH)2↓ 原理→冲刷→加工区 Fe2+ + 2 cl-

Fe cl2 电流密度平衡，停止加工

此时：①、Fe(OH)2为易氧化绿色沉淀物，在水溶液中溶解度极小，与溶液中O2产生黄褐色Fe(OH)3沉淀，即：

4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 → 4 Fe(OH)3

②、阴极上有大量剩余电子，带正电的游离H+被吸，遇

电还原成H2从阴极析出：

2H+ + 2e → H2↑

结论：a、阳极→Fe不断被溶解，生产Fe(OH)2↓。

b、阴极→析出氢气，本身不变化。

c、电解液中水不断被消耗，cl-、Na+无损耗（主要起导电

作用）。

d、随电解不断进行，电解液浓度愈来愈高，沉淀愈来愈

多。

e、加工过程中： 加水 过滤

工作原理即成形原理：

①、二极间的间隙0.1～1mm，压力为0.5～2MPa，高速（5～50m/s），电解液从间隙流过。

②、由法拉第电解定律：（Faraday electrolytic Theorem） W =θ2K = KIt （g）

K为电化当量，g/c，θ—电量 说明：a、W与电流密度呈正比；

b、距离愈小，电流密度愈大 → 溶解愈快；

c、当工件与工具间距一致（复制，加工完毕）→ 整个加工表面的电流密度相同； d、加工电流 → Imax ③、电解液的主要作用：P27～28

二、特点与应用

1、低电压6～24V，大电流500～20000A； 2、以简单进给 → 加工复杂型面和型腔； 3、生产率高，为电火花5～10倍； 4、无机切力及热；

5、加工精度不高，±0.1mm左右，设备昂贵，占地面积大，有污染； 6、主要用于型孔、型腔、复杂型面、深小孔、膛线、去毛刺、刻印等；可加工淬火钢、钛合金等高硬、高韧等难切削金属材料；适用于易变形等薄壁零件的加工。

三、电解磨削简介 间P31～32 （Electric Corrode grinding machining，ECM）

作业： 1、P52 4

2、电解特点与应用

§2.4 超声波及激光加工

一、超声波加工（Use Sound-wave Machining） 1、加工原理

利用超声频振动（16～30KHz）的工具冲击磨料或直接对工件进行加工的一种方法。

①、加工时，工具（不淬火45＃钢）以一定的静压力压在工件上。

②、加工区的磨料（碳化硼、碳化钴、氧化铝、金刚砂粉末）是悬液进入。

③、超声波发生器产生超声频震荡

超声频机械振动。

④、变幅杆→振动位移放大→驱动工具振动。

⑤、工具端部振动锤击磨料→磨料粉碎材料成细微颗粒。 ⑥、磨料悬浮液流动—— 更新

带走微粒 ⑦、最终使工具形状复现在工件上。

注：利用超声频振动的工具冲击磨料或直接对工件进行加工的方法。

2、加工的特点及应用

①、磨料加工——各类硬材，特别非导体及半导体、玻璃、陶瓷、

宝石、金刚石等（硬质合金加工效率低）。

②、加工碎除量小，加工精度0.05～0.02mm，Ra0.8～0.4um。 ③、工件愈硬，加工效果愈明显，工具宜用软材。 ④、加工尺寸不宜过大。

⑤、穿孔、切割及研磨等硬材加工。 3、设备简介

超声波电源 + 超声波振动系统 + 机床整体 ↓

（核心为超声换能器）

铁氧体、镍钛合金在高频磁场中作周期变化→纵向超声频振动—磁致伸缩或石英、Batio3压电晶体三端面加以交变电压→工作端机械振动→压电陶瓷式。

二、激光加工（Laser Burst Machining）

激光是一种亮度高，方向性好，单色性好的相干光。激光束具有发散角小，单色性好，亮度集中的特性。激光束经过光学透镜聚焦，使其焦点光斑直径理论上可达1um以下，其功率密度为107～

1011W/cm2，温度可高达万度左右。 1、加工原理

在激光聚焦高温下坚硬材料瞬时急剧熔化与蒸发，同时产生强烈的冲击波→熔化物质爆炸式或喷射地被去除。

①、激光工作物质受光泵（激励脉冲氙灯）激发→吸收特定波长的光。

②、一定条件下，形成工作物质中—压稳态粒子大于低能级粒子束—粒子数反转现象

③、一旦少量激发粒子受辐射跃迁→光放大，通过全反及部分反射镜反馈→振荡→激光。

④、透镜将激光束聚焦至加工表面。

⑤、激光工作物质—红宝石、钕玻璃、掺钕钇铅的石榴石等。 2、加工应用

①、打孔—φ0.1～φ1mm，深径比为500～100，IT11～IT10，Ra0.4～0.1um。

金刚石拉丝模、宝石轴承、陶瓷、玻璃、硬质合金、不锈钢小孔加工。

②、切割—高效

金属材料可达10um以上，非金属几十微米。 ③、焊接—同种及不同种材料

集成电路，晶体管元件的微密精焊。 ④、热处理

激光束照射金属表面→表面原子蒸发，产生微冲击波→晶格畸变→表面硬化。

处理均匀，变形小，速度快，硬化深度可精确控制。 3、设备简介 激光器 + 光学系统 + 电气系统 + 机械系统 作业： P52 6、7

§2.5 其它特种加工简介

一、电子束加工（Electric Beam Machining，EBM） 1、在真空条件下，利用电子枪产生电子。 2、电子经加速、聚焦→高能、高密度电子束。 3、 轰击工件→轰击部位材料熔化，蒸发

的加工方法。 照射→化学变化

4、加工特硬难熔金属及非金属。 5、穿孔孔径可小至几微米。

6、真空加工，故工件污染与氧化可有效控制。 7、主用于微细加工和焊接。 8、工作时应防止X射线逸出。

二、等离子体加工（Plasma Arc Machining，PAM）

1、利用氩（Ar）或其他带有10Kve数量级动能的惰性气体离子在电场中加工。

2、高速离子以及具有的高动能轰击工件。 3、金属表面被加热直至熔化。

4、熔化金属被高速高速运动电离气体流速吹走。 5、溅射加工，溅射镀膜及溅射注入三种应用方式。 6、为一种有效的超精密加工方法。

7、加工表面无变形，可达到0.01um的机械分辨率。 三、磨料喷射加工（Air Jet Machining，AJM）

1、利用高速喷射的气体带动激励的磨料。 2、磨料具有高动能，侵蚀加工工件表面。 3、气体介质要无毒、经济、易于净化与干燥。 4、硬脆金属与非金属的清理、切割、刻蚀。 5、小型精密零件的窄槽及交叉孔。 6、成本低、功率小，但污染环境。 7、为防止无法磨蚀，故不适宜软材加工。

四、电铸成形加工（Electric Froming Machining，EFM） 1、利用金属电解沉积，复制金属制品。

2、对金属材料，为便于脱模，故要对之进行钝化处理，以形成不牢固的钝化膜。

对非金属材料，用加热方法软化，使之脱落。 3、与电镀区别（0.02～0.05mm电镀）

①、成形以形成坚硬壳体，0.05～6mm。 ②、与原模要易分离。 ③、复制精度高，可达几微米。 ④、可获得高纯度金属制品。

4、制做圧塑唱片模板、Ra标准样板、玩具、电加工电极、雷达及电子元件等。

注：电铸:利用电解沉积形成绝缘体（在金属模）模体。 五、液力加工（Water Jet Machining，WJM） 1、利用高压水束来切除材料。

2、任意工件点都可开始与终结加工，无热量、切屑等产生。 3、主用于木材、纸张、皮革及易燃物加工。

4、用间歇形式向金属工件表面喷射，可使金属表面塑变，相当于喷丸加工。

5、金属切割切边质量好，生产率较高。 六、各种特种加工设备的介绍。见教材P41—51 作业： 1、电铸原理

2、等离子加工应用

课时：2学时

第三章 精密加工及超精密加工

教学目的与要求：

1、熟悉精密与超精密加工范畴及特点 2、掌握各种加工方法 3、掌握齿轮的加工要求与方法 4、了解国内加工动态 教学重难点： 1、加工特点 2、精密车、磨加工 3、齿轮加工 教学内容：

§3.1加工范畴

1、一般加工——相当于IT5—IT7精度，Ra0.2—0.8，如:车、铣、刨、磨、镗等。（粗—半—精）

在机床、模具及机床制造中选用。

2、精密加工——精度在1—0.1um，Ra0.1—0.01um，如:金刚车、高精磨、研磨、珩磨、冷压、电火花、超声波、激光等。（粗—半—精） 在精密丝杆、计量量值传递系统中标准元件、集成电路、磁盘等常用元件。

3、超精加工——精度在<0.1um，Ra<0.25um，如:金刚石精切、超精磨料电子束、离子束加工，其已达到纳米（nm）级。

在精密元件、计量量值传递系统中标准元件、集成电路、磁盘等

常用元件。

§3.2加工特点

1、对象

精密元件作为加工对象的生产过程系统。 2、加工环境

由于环境微小变化影响加工精度，故加工环境要超稳定——封闭系统。 ①、恒温

钢制件T℃↑→ L↑→热稳定。

生产中，因加工及生产条件要求恒温→多级、多层面的恒温保障。 ②、防振

生产中，振动→损坏加工各系统的动态稳定性→动态稳定。 生产中，设置隔振及减振的多层面防护。 ③、超净

加工区域有尘埃→刮伤表面，影响检测→净态真空。 生产中，设置超净的或真空空间一级工作保障及检测系统。 3、切削性能指标

①、总要求——极度均匀去除小于加工精度机械分辨率的金属层。 ②、切削通常在晶粒间进行。 ③、刀具剪切力大，产生热量高。 ④、刀具具备很好的切削性质。 ⑤、刀具材料要求高。

4、加工设备特征

①、机床主轴具备高的回转性能，极高的刚性及热稳定性。 ②、机床进给系统具备极其精确的运动。（静压导轨）

斜面微动，差动丝杠——机械

③、具备极高的微进给机构。 精微动—→热性

精位移——电磁及电致伸缩 超精位移——机电耦合

④、避免手工操作，使用微机控制或智能化自适应控制的控制系统。

5、工件材料特征 ①、加工工艺性极好。 ②、工件本身无缺陷。

③、工件组织不能有方向性纤维层。 6、测量特征

为保证高质量的加工，采用适宜的，先进的检测系统。 在线检测、在位检测，在线补偿设计多层面系统支撑。 7、方法——切削加工、磨料加工、特种加工及复合加工。 作业： 1、加工特点

2、加工方法分类

课时：2学时

§3.3 精超加工方法

一、金刚石刀具切削加工——精密切削与超精密切削 1、精密切削

用金刚石车刀加工工件表面，其尺寸与形状精度等级为0.1um，Ra=0.01um。

金刚石自身有很高的高温、强度及硬度，且刃口可以研磨的极为锋利，金刚石与有色金属的亲和力极低，摩擦系数小，故刀刃处不会有积屑瘤，故有色金属的精密切削常用该方法。

一般情况下，精密切削加工余量仅几微米，切屑异常薄，基本上在0.1um之下。

令车刀切削刃口圆角半径为r，r愈小→刃锋利→微余量切除愈好，背吃刀量为ap。

①、r < ap，切屑排除顺畅，切屑变形小，厚度均匀。

②、r > ap，刀具明显挤压工件→切屑→“犁耕”现象→切削失败。 ③、r精研达微米级，以维持其锋利程度，r≈0.02mm。 2、超精密切削

切屑厚度比精密切削还小，在晶粒间进行。

要求：

①、切削力 > 晶间原子结合力。

②、刀刃处剪切应力异常巨大，在13000MPa以上。 ③、刃间端处→巨大应力及巨高热量→高温高应力状态。 ④、金刚石刃口半径r < 0.02um，甚至r = 1nm时，因金刚石耐高温、抗高应力，故仍保持异常锋利，且保持硬度及不软化。 ⑤、同精密切削一样，r < ap情况完成切削工作。 ⑥、Ra0.003um， 0.2um。 3、 影响因素

①、金刚石刀具材质，刃磨质量及精确对刀。

②、刀具的几何角度设计及金刚石晶体晶面选择（最好为单晶体）。 ③、机床的精度、刚度、稳定性及抗震性。 ④、必备的数据（微机控制 + 自适应控制）。 ⑤、工件材料的无缺陷及材质的均匀。 ⑥、工件的正确夹紧与定位。 ⑦、恒温、横热、净化等。

⑧、由于金刚石高温高应力下与Fe亲和力，使之成为石墨，故超精密加工通常用于Al、Cu及其合金加工。 二、超硬磨料砂轮精密与超精密磨削

指用金刚石砂轮或立方氮化硼（CBN）砂轮来加工硬质合金、陶瓷、玻璃及半导体与石材等难加工材料。 1、尺寸公差 < 10um，Ra < 0.1um——精密磨削。

尺寸公差 <0.2um，Ra < 0.05um——超精密磨削。 2、砂轮磨削特点

①、高硬、高脆材料；CBN只适于钢铁材料。 ②、磨削能力强，易于实现自动化。 ③、磨削力小、温度低、表面质量好。 ④、效率高、成本低。

⑤、但砂轮的修整的问题目前尚未完全解决。 3、加工实现 ①、 砂轮工作面

等高微粒磨刃

Ra↓ 砂轮与工件摩擦、挤压→抛光、压光工件→Ra↑ 高的表面粗糙度→镜面

②、机床回转精度高，径向跳动<1um，低速时工作台无爬行，径向进给精度<1.5um ③、砂轮V<15～30m/s ④、冷却液恒温、纯净。 作业：1、金刚石精超加工影响因素。

2、精超磨削特点。 课时：2学时

三、珩磨及研磨 1、珩磨

利用珩磨工具对工件内圆柱面施加压力，珩磨工具同时作旋转机直线往复高速喷→切出工件上极小加工余量。 原理如图：

①、工件不动，珩磨头作旋转及上下往复运动。 ②、工件孔壁自行导向。

③、切削轨迹为交叉而不重复的网状。

④、径向加压——横向进给运动，由珩磨头调整而设，F↑→进给量愈大。

⑤、珩磨时，油石与孔壁接触面积大，参与磨削的磨粒多，由于每一个磨粒的磨削力小，故切削热小，加工表面质量好。

⑥、θ↑→切削η↑，Ra↑，为Ra与η的主要影响因素，粗珩时：θ=40°～60°，精珩时：θ=20°～40°。 ⑦、珩磨可达加工标准：

精度IT6，圆度及圆柱度0.003～0.005mm，Ra=0.63～0.64um，

高精珩磨可达Ra0.02～0.01um。

⑧、加工交叉网纹有利于加工表面润滑。

⑨、缺陷：珩磨头沿工件孔壁自由导向，故原孔轴线歪斜时，不能纠正。 2、研磨

利用研磨工具和研磨剂从加工表面上去除极薄金属层的光整加工方法。 实现：

①、由铸铁、青铜、软钢等比工件材料软的金属制成研具。 ②、研具与工件表面形状吻合。 ③、很细的磨料+润滑剂→研磨剂。 ④、施加研磨压力，磨料嵌入研具表面挤压及微量切削。

游离状磨粒刮划，滚擦加工表面。

⑤、化学作用，研磨剂中的硬脂酸→加工表面氧化→很薄的氧化膜。

突起氧化膜首先被磨除→新的金属表面又被氧化→磨除→凸

起被逐渐磨平。

化学过程加速了研磨过程。 ⑥、手工与机械两种。

⑦、尺寸误差在0.003～0.01mm，Ra0.16～0.01um。 ⑧、外圆、内孔、平面及球面均可加工。

加工表面产生

四、抛光及挤压珩磨 1、抛光

利用高速旋转，涂有磨膏的软质抛光轮对工件进行光整加工的方法。 实现：

①、用帆布、皮革、毛毡制成抛光轮。 ②、V=30～50m/s。

③、依照不同工件材料，在轮上涂以不同抛光膏及磨料。 ④、磨料对工件表面产生微切削。

⑤、磨料在与工件接触点处产生高温、高压→物理作用挤压工件。 ⑥、抛光膏中硬脂酸→工件凸起产生氧化→氧化膜。 同研磨。

⑦、由于抛光轮为软质弹性体，故而可抛光曲面。 ⑧、Ra0.1～0.01um。 ⑨、不能改善加工表面精度。 2、挤压珩磨 又称磨料流加工。

利用磨料室中冲载磨料及具有一定粘弹性的告状研磨介质，通过活塞压力F强迫磨料流以一定的压强与速度通过零件待加工表面→研磨、抛光。

不受零件表面限制，对异形曲面、弯曲孔、交叉孔等复杂型面均可加工。

可同时加工工件多个表面或多个工件，η高，Ra≤0.4um。 缺陷：

降低Ra，但不能改善工件精度。 作业： 1、珩磨原理。

2、研磨机理。

课时：2学时

§3.4 精密圆柱齿轮

齿轮加工关键为齿形加工，由于切削加工的精度高，故要求齿轮的齿形加工精密且随工作要求不同设置不同的切削加工方式。一般认为精密齿轮精度等级为5～6级。 加工方式有：经切削加工来获得——

铣齿、滚齿、插齿、刨齿、磨齿、剃齿、珩齿等。 一、加工原理 1、成形方法——铣齿

利用与齿轮的齿槽形状一致的刀具，在齿坯上加工出齿形。 2、展成法——滚、插、磨、剃、珩及刨

利用齿轮啮合原理或齿轮齿条啮合原理，将其中之一作为刀具，啮合过程中，刀具切削刃形状虽然与齿槽形状不一样，但其运动轨迹形成的包络线构成了齿轮的齿廓。

用同一刀具可加工模数、压力角相同而齿数不同的齿轮。 它是精密齿轮主要的加工方法，是本小节学习内容。 二、展成法加工精度及适用范围。

方法 滚 刀具 机床 精度及范围 6～10级，最高4级，η高。通用性大。直齿，斜齿轮滚刀 滚齿机 齿的外啮合圆柱齿及涡轮。 插 剃 珩 插齿刀 剃齿刀 珩磨轮 剃齿机 插齿机 7～9级，最高6级，η较高。通用性大。内、外啮合直齿、多联齿、扇齿、齿条等。 剃齿机 5～7级，η高。用于滚、插加工后淬火前精加工。 珩磨机 6～7级，η高。剃齿及高频淬火后齿形精加工。 磨 刨 砂轮 刨齿刀 磨齿机 5～7级，η低，成本高。齿形淬硬后的精加工 刨齿机 加工直齿圆柱齿，η低。 三、滚齿

应用最广，通用性好，生产效率高，加工质量好， 加工圆柱齿轮，螺纹及花键轴 可加工变位齿轮

需有专用刀具及设备，设备费用高 适用于各种批量的精度高的齿轮加工 1、加工原理 P83图3—27

主运动——齿轮滚刀做高速旋转。

展成运动——工件与滚刀按一定比例慢速旋转（—分齿运动）。 轴以滚刀沿工件轴线作垂直进给运动 a. 相当于齿轮与轮条啮合

齿条为切削刀具，工件吃坯与之相啮合的齿轮 齿坯旋转，齿条同时作平行和垂直齿坯端面运动 b．加工时

齿条每移动一个齿距P=πm时，齿坯分度圆相应转过一齿距P 的弧长，为使切削连续，将齿条改变为类似蜗杆的齿轮滚刀来代替 c．滚刀在螺旋法向剖面上为刀齿相当于一齿条，连续转动时，相当于齿条刀具在连续移动，滚刀每转一圈，齿条刀具便向前移动一个齿距，齿坯相应可转过一个周节。 2、直齿圆柱齿轮加工方法 a．滚刀旋向

b.加工时，为保证滚刀刀齿切削方向与齿坯方向一致，滚刀应有安装角。

右旋时，顺时针扳动刀架 左旋时，逆时针扳动刀架

3、斜齿轮加工

加工时，由于斜齿轮齿形与齿轮轴线有螺旋角β故要对工件附加—回转运动

a、用右旋刀加工右旋|γ|＞|β| 及 |γ|＜|β|时

b、左旋刀加工右旋|γ|＞|β| 及 |γ|＜|β|时

c、右旋刀加工左旋|γ|＞|β| 同③ d、右旋刀加工左旋|γ|＜|β同④ e、左旋刀加工左旋|γ|＞|β|同① f、右旋刀加工右旋|γ|＜|β同② 规律：①、工件，滚刀——右旋 角度取正值 ②、工件滚刀——左旋 角度取负值 ③、δ=γ-β

④、δ＞0 刀架顺时针扳动 ⑤、δ＜0 刀架逆时针扳动 作业：1、齿轮加工原理方法及滚齿原理

2、滚齿时，直斜齿圆柱齿加工原理 课时：2学时

三、精密齿轮工艺路线安排

滚齿时，由于机床、刀具、齿坯的制造误差及加工时安装误差等因素，从而使滚齿是按一定规律，以不同程度反映到被加工齿轮上，从而形成齿轮的运动误差，平稳性误差及齿的接触误差等

为了减少误差来源，由生产经验对滚齿加工工艺路线提出以下要求：

1、齿轮齿坯加工时尽量符合“基准重合”原则 ① 、淬火前齿坯基面：钻—拉—多刀车

选用较大批量生产—毛坯经模锻和正火后再钻床上钻孔或扩孔 上拉床拉孔到各刀半自动车床上以内孔定心，粗，精加工端面和外圆 适用于成批量生产---在通用车床上或转塔车床上，粗车与钻孔、拉孔、穿心轴，以孔定位加工，粗精车端面与外圆 ②、淬火后齿坯基面加工

由于淬火较齿轮基准孔有形变，故一般在内圆磨床上进行修正，亦可用精镗床修正 2、轮齿加工

A、不需淬硬齿轮—滚插方案 使用滚齿——运动精度高 使用插齿——齿形精度高 小模数——插齿η↑

中模数（m≥2.5） 齿数可重加工→滚齿η B、剃齿方案 滚（插）齿→剃齿 与A同不淬硬

C、珩齿方案 滚齿→剃齿→淬火→珩齿 D、磨齿方案 滚齿→淬火→磨齿

E、研齿方案 滚齿→剃齿→淬火→研齿→多联齿轮 F、目前轮齿加工的最常用方案 滚→剃→珩 滚→磨

四、滚齿误差产生原因及消除 1、调节累积误差 A、齿圆径向跳动 a、齿坯几何偏心、安装偏心

b、顶尖装夹定位时，顶尖与机床中心偏心

c、顶尖定位时，顶尖与顶尖孔，制造不良，定位面接触不好，导致偏心

B.公法线长度变动量超差

a、该齿机分度涡轮精度过低—提高机床分度蜗轮精度 b、依据机工作台圆形导轨磨程—用滚齿机校正机构

c、分度蜗轮与工作台圆形导轨不同轴—以之为基准精滚分度蜗轮 2、齿形误差超差

A.齿顶变肥变瘦但齿形左右对称

滚刀齿形角误差

前面刀刃磨使之有较大前角

B、一边齿顶变肥，另一边变瘦，齿形不对称

a、刃磨时导程误差或直接滚刀非轴向向性误差 b、滚刀对中不好

C、齿面上个别点突出或凹进 滚刀容屑槽距误差—重磨依刀前面 D、齿形面误差近似正弦分布短周期误差 a、刀杆径向跳动过大——找刀杆径向跳动 b、依刀齿形角误差——更换依刀或重磨前面 E、齿形一侧齿顶多切，另一侧齿根多切，且成正弦分布 a、刀杆轴向窜动——防止刀杆窜动

b、滚刀端面与孔轴线不垂直——找正滚刀偏摆，转动滚刀或刀杆垫圈

c、垫圈二端面不平行——重磨垫圈两端面 3、基面偏差 超差

滚动轴向齿距误差——提高滚刀铲磨精度 滚刀齿形角误差——更换滚刀或重磨前面

机床蜗轮副固节偏差过大——精化滚齿或更换蜗轮副 4、齿向误差超差

A、机床几何精度低或使用磨损——定期核修几何精度 B、夹具制造 安装 调整精度低——提高夹具精度 C、齿坯制造 安装 调整精度低——提高毛坯精度 D、滚切斜齿轮时

a、差动挂轮计算误差大——重新挂轮

b、差动使动链齿轮误差调整误差过大——提高差动链传动齿轮的精度

E.滚切斜齿轮时

走刀丝杠间隙大。走刀时窜动，齿面波纹大——控制丝杠间隙5、齿面粗糙度超差 A、滚刀因素

a、刃磨质量差——用合格滚刀或重新刃磨 b、滚刀径跳动大——重新校正滚刀 c、磨损——刃磨

d、刀未夹紧——振动——夹紧刀具 e、辅助支撑不好——调整间隙 B、切削用量不当——合理选择 C、切屑挤压——增加冷却液流量

D、加工时振动→齿坯刚性不好齿坯未夹紧→用小切削量，夹紧齿轮，增加齿坯刚度 E、机床影响——间隙

工作台蜗轮副间隙

滚刀轴向窜动和径向大→控修机床排除间隙 刀架导轨与刀架有间隙 走刀丝杠有间隙

五、精密齿轮常用检验组推荐

作业：1、齿坯工艺路线与齿形常用路线。 2、熟悉与识别滚齿误差产生原因及消除。

3、结合“圆柱齿轮推测”项目，熟悉应用精密圆柱齿轮的常用检验组配对。

课时：4 学时（讨论课）

§3.5 数控精密滚齿实现

一、组半 1、滑座设置

径向滑座，垂直滑座及切向滑座 刀架在垂向及切向构成平面内转动 工作台在齿坯内转动及沿齿坯轴线上下移动 用于支撑齿坯的外支架铅垂方向移动 滚刀在齿坯端面垂直方向转动

为一7坐标立式滚齿 2、应具备特点

① 、冷却，液压及自动排屑在机外 ② 、工作区域封闭 ③ 、控制系统稳定

④ 、运动部分都具有自身伺服电机独立驱动 ⑤ 、人机对话方式——键盘输入或调用存储程序 ⑥ 、内链全部由NC系统控制 ⑦ 、高度的自动化及柔性控制 ⑧ 、有具体的操作程序及提示

⑨ 、使用模块式多嵌机控制，软硬件标准化

§3.6 插齿与剃齿

一、插齿

不宜加工斜齿轮圆柱齿轮，不能加工蜗轮 1、齿轮的运动

① 主运动——插齿刀沿平行于工件轴向的直线往复 运动向下→工作行程，向上——空行程

② 展成运动——刀与工件严格保持一对圆柱齿轮啮合运动插齿刀每转过一个齿，工件相应转过一个齿，控制转速比 ③ 圆周进给运动——控制插齿刀转速，以圆周进给量完成 圆周进给量——插齿刀往复一次，刀具在分度圆周上转过的弧长 ④ 径向进给运动——加工时，刀具相对工件逐渐沿径向切入，直至完成全齿条加工

⑤ 让刀运动——回程时刀与工件留有间隙，以确保与工件加工齿摩擦，下一齿加工，再回复至啮合位置

2、与滚齿相比

① 插齿刀无齿形近似造型误差（高精度磨削面而得渐开线齿形）故齿形精度高

② 加工时，刀沿轮廓齿全长连续切割，故获得表面粗糙高 ③ 减小圆周进给量，可增加渐开线齿形包路线折线数量，工件的齿形精度高及表面粗糙度可获得较高的等级

④ 刀具做往复运动且有空行程，生产率低，齿向偏差大，运动

精度低

二、剃齿 1、剃齿刀 P96

沿齿面高方向上开有很多容屑槽加工时疏形槽面与齿面四交棱构成了切削刃。

2、加工原理P96图3-42

①、工件装在安装于机床上二个顶尖的心轴上。 ②、机床主轴常动剃齿刀旋转——主运动。

③、刀轴线与工件轴线成一夹角λ，在啮分压力带动下，工件亦被带动。

④、剔齿刀与工件为螺旋齿啮合，，故其啮合点速度方向不一样。使刀与工件齿面在齿宽方面产生相对滑动。 ⑤、滑动速度νat——剃削速度

Vat是梳形刀刃从工件齿面切下微细切屑的主要原因。

⑥、为使齿形二倒获得相剃削，加工时，剃刀应交替交换转动方向。

⑦、齿形全宽由工作台往复完成，每次单向行程线，剃刀反转，工作台反向，剃削较齿的另一侧面。

⑧、工作台双向行程线，刀沿工件径向间歇进给，知道剃削全部余量

3、特点与应用（机械设计1.3__10.12） ①、加工效率高（2-4min/个）

②、一次刀磨加工数量高1500次/个，一把剃齿刀能加工10000个左右齿轮，成本低。

③、齿形精度高（可有效修正齿形及基节误差） ④、切向误差不能修正

⑤、剃齿精度S=7级，Ra0.2~0.8μm ,齿面HRC35以下机床及机床齿轮加工。

作业：1、数控精密滚齿具备特征

2、插齿运动分析 3、剃齿加工原理 课时：2学时

§3.7 磨齿方法

适应于淬硬齿轮加工，精度4-6级。Ra0.2~0.8um。 常用方法为展成法。 一、大平面砂轮磨齿P101 二、蝶形砂轮磨齿P100

利用二片蝶形砂轮模拟与被加工齿轮相啮合的齿条来加工齿面。

砂轮高速回转，齿轮在V面往复移动及转动。 精度极高可达超精水平，最高3级精度，但生产率低。 三、蜗杆砂轮磨齿P102

1、与滚齿相似，利用一对螺旋齿轮啮合原理加工。

2、砂轮为蜗杆形状。 3、加工连续，效率高。 4、但精度一般5-6级。 四、行齿介绍

利用剃齿原理，由行齿与被加工自由度对滚。 行齿余量为22（10 ~15um）。

§3.8 粗糙加工展望（简介）（1学时） §3.9 本章重点内容回顾（1学时）

课时：2学时

作业：磨齿的方法及原理

第四章 CAD与CAM

教学目的与要求：

1、掌握CAD/CAM系统组成与工作过程。 2、熟悉CAD/CAM软硬件。

3、掌握CAD基本功能及UGⅡ选型。 4、掌握CAPP工作原理及开10CAPP功能。 5、熟悉NC机床及NC程序。 6、CAD/CAM系统集成及POM方案。 教学重难点：

1、CAD软硬件开发与UGⅡ选型方法。 2、CAPP功能。 3、POM集成方案。 教学内容：

§4.1 CAD/CAM概述

计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing.CAM）就是利用分级计算机来控制机械制造过程多环节的现代制造系统。 硬件：数控机床、控制装置、数字计算机、其它装置。

软件：计算机编程系统、联接网络，用以检测、处理和最终控制信息流及CAM硬件。 一、计算机的分级结构

一般CAM系统通常由三级计算机组成的分级结构。

第Ⅲ级：小型计算机，直接控制生产设备及与制造有关的各组成应该能及时输出各加工设备所需信息，并反馈信息加以分析、判断、逻辑运算后，再输出控制信息。

第Ⅱ级：主机，管理一群小计算机。

从Ⅲ级收集数据与发出指令；对数据集中分配；与Ⅰ级通讯。做管理文件及转换数据等工作。

第Ⅰ级：中央计算机，从管理角度统一控制Ⅱ级，完成生产，技术及财会等方面的工作。

一般：Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ存在互流信息，Ⅲ横向保证信息联系。 二、计算机在系统内工作过程方式——直接及间接应用

1、监测——收集与记录工序数据，一之作为人控指导。 2、控制

计算机数字控制（Computer Numerical Control,CNC）：以小型计算机部分或全部代替数控机床的专用控制机。其逻辑功能完全由计算机程序实现，故程序修改于增删方便，系统扩展功能方便，柔性极强。

直接数字控制(Direct Numerical Control,DNC)：又称群控，以一台计算机控制多台数控机床。生产过程自动进行，不需人工干预。广泛用于有输送装置将数控机床，自动仓库，工夹具管理连接且工件安装。取件及清理自动化系统，自动化极强。

适应控制（Adaptive Control,AC）：按先给定评价指标，自动改变系统参数，使工作尽可能接近给定指标，以达到最佳的加工控制状态。

按逻辑功能分为ACC、ACD及TAC三种，详见设计指导书。

线外完成：辅助工艺设计CAPP；辅助数控编程；制定最优切削用量；辅助平衡生产线（最佳布置）；制定工时定额；成本预算；生产及库存控制；制定供料计划。

三、计算机辅助设计与计算机辅助制造一体化

1、计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）——以计算机位辅助工具，完成产品为组成构件设计及总体设计及产品开发，从而实现制造使用的数据库建立。

2、生产实践要求设计与制造一体化。 3、CAD + CAD→集成制造系统。

§4.2 计算机辅助设计编制工艺规程

计算机辅助编程工艺规程（Computer Aided Process Planning，CAPP）， 即工艺过程的自动设计，也叫工艺设计计算机化。 一、概述

1、基本概论―用计算机设计零件,部件制造工艺过程。 2、编制方式―。

A、制造工艺路线：亦即确加工顺序及相应加工机床。 B、A+工序设计： 1、工序尺寸； 2、解算工艺尺寸链； 3、夹、刀、量具选择； 4、确定切削参数；

5、计算工时,从而制订完整的工艺规程。

3、功能―是CAD的一部分,同时也是CAM和CAD系统中间互相搭桥的关键环节,是IMS一个不可缺少的环节。 二、应用CAPP效应

1、减少工艺设计费用,降低设计劳动量.

2、缩短设计周期,利于产品质量提高,使典型工艺程序化―软件开放―非货币效应

3、提高设计质量,使加工工艺标准化及最优化 4、从中央数据库获得一致信息,便于用户 5、修改更快,响应快速

6、工艺规程编制详细与完整 三、软件系统的工作原理

有产品图纸——人工编制工艺规程——正常方式

图纸信息代码化——技能系统化、理论化、代码化——CAPP 经验化又称修订式或检索式。

它是在成组技术远离的基础实现工艺设计自动化的,又称派生式。

①、零件分类编码,按零件组编制标准工艺文件―数据库 ②、某一工件,先对之编码―划分到一定的零件组 ③、输入零件的成组编码—调用相应零件组标准工艺规程 ④、工件特性→分析、判断→筛选工序、参数计算（自动进行） ⑤、人、机对话修改、插入及删除左编程加工 ⑥、输出零件工艺规程

⑦、易实现，但可行性依赖于图纸及工艺信息确切程度、工艺合理性取决于人，故不一定最佳的 四、创成式

主要是由系统“创造”一个新的工艺规程，应用图论及拓扑理论，将工件几何形状要素表面关系代码氏，然后从代码信息处理中找出必然的加工顺序。

①、信息准确代码氏在技术上存在难度 ②、加工性触及图纸外信息工艺信心难以识别 ③、几何要素的加工方法多样及顺序组合多元 ④、进一步发展与研究

五、综合式——又称折衷式

综合经验及创成式方案：主要以经验为主，包括部分创成式 六、对系统软件要求

1、完全模块化—便于扩充，并适应不同工作条件

2、通用性—适应不同编码系统及输出要求，但在参数计算机及微机上应用

3、使用方便—独立的程序调用及访问接口

4、完善的人机对话功能—快速响应及有秩序的人工干预 七、CAPP的技术支撑—成组技术

1、由许多问题是相似的，把相似的问题归并成组—找到单一的解决该组问题的解答，从而节省时间与精力—成组技术 2、机械加工

①、零件由其几何形状、结构及加工工艺相似→分类分组 ②、零件工艺要求→若干机计床

③、依工艺流程，排列组内机床→零件组→机床组

④、同一组零件共同工艺过程，在同一机床组稍加调整进行加工

课时：2学时

作业：1、CAPP工作原理。 2、GT工作原理。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/s5qa.html