本书是为适应机械制造专业教学体系改革的需要,将机械制造几门专业课程中的核心教学内容,以机械制造工程基础原理为主线进行综合编写而成的一门系统的机械制造专业基础课教材。主要内容有:金属切削的基本要素,金属切削过程及切削参数优化选择,机床、刀具和加工方法,工件的定位夹紧与夹具设计,机械加工表面质量,机械加工精度,机械加工工艺规程的制定,装配工艺规程的制定,精密、特种加工和新工艺技术方法简介等。章末附有习题与思考题。
本书可作为高等工科院校机械制造专业的技术基础课教材,也可作为机械类通用的专业基础课教材。
制造工业是在国民经济中起着重要作用的基础工业。
高等工科院校机械制造专业为培养能适应现代制造工业发展的高层次的工程技术人才和科学研究人才,进行课程体系和教学内容的改革是十分必要的。
机械制造专业原来的课程体系结构分为金属切削原理、金属切削刀具、机床、机械制造工艺学等几门大课,分类细化,深度增加,在培养计划中占用学时比例大,体现的培养理念是专、深。随着现代科学技术的进步,为使学生将来能够适应工业技术的高速发展,高校培养的学生不仅要建立坚实的专业基础和专业能力,还要注重学习大量涌现的新知识,拓宽知识面,注重综合能力的培养,提高毕业后对工作环境的适应性,因此教学计划中产生了新的专业知识、新的教学内容大量增加引起的学时分配问题,教学改革思想上提出了通识教育和专业教育的合理平衡的新培养理念。为适应教学改革的需要,以新的培养理念为指导思想,本书对机械制造原专业课程中的核心教学内容进行了综合提炼以及新的专业基础知识的扩展,以机械制造工程基础原理为主线,形成一门系统的机械制造专业技术基础课程,力图达到强化工程基础原理、扩大专业讲授知识面、反映专业新技术和发展趋势、加强教材系统性、避免重复、减少学时、精化教学、注重学生专业基础能力和专业适应能力培养的目的。为编好本书,我曾于1996年8月编写了试用教材,在清华大学机械制造专业和仪器仪表专业试讲,经过3年积累教学经验并进行认真修改后于1999年2月正式完成出版了本书第1版。教材出版以来在清华大学多届学生授课中获得优良的教学效果。由于这本书在当时是较早出现的机械制造新编综合性教材,符合很多重点高校教学改革的迫切需要,很快受到多所高校制造学科的重视和采纳,在推动国内高校机械制造专业教学改革中发挥了重要作用。
本书修订工作2006年入选了普通高等教育“十一五”国家级教材规划项目,于2008年6月完成出版了第2版。第2版修订的特点主要有: ①力求语言严谨,学术概念准确。例如,“系统误差”和“随机误差”不再像以前的教材和本书第1版那样按照是否有规律或是否被人们掌握来分类,而是严格按数学概念描述为具有确定性规律的误差和具有统计分布规律的误差;再如,以前教材都一直使用“定位基准选择的原则”一词,如称“原则”本应普遍适用,而其实每个所谓“原则”都只适用于某种工艺条件,因此经过反复推敲,改用“选择定位基准的基本方法”这样准确的描述。②注重工程基础原理和学术性。例如,在以往的教材中,加工误差分析与控制的“点图法”,定时抽样均值图和极差图的上下控制线都只说是通过直接[1]机械制造工程原理(第3版)前言[2]给出的公式和系数表进行计算,而没有阐述公式和系数表得来的原理,修订版中根据概率论抽样分布理论推演,阐明“点图法”的基本原理,使教科书区别于手册,体现大学教材注重讲清道理的理论教学特征,也充实了学术性。③精编习题。每章精编了不同类型的习题,提高了教学和自学效果。有些习题需要查阅课外参考书和工程手册,有助于扩展知识面,增强独立解决工程问题的能力。有些习题不是课程讲授内容的验证性练习,具有扩展的更深层次概念和内容,例如习题716,通过尺寸链计算得到测量尺寸,转而要求讨论和计算这个测量尺寸如果超差,零件是否应判定为废品等一连串问题,这就带出了正课上工艺尺寸链计算理论没有讲到的另一个侧面知识,也通过对比,促使进一步提高对工艺尺寸链计算是适应什么样的工艺目的和生产条件等一系列深层次问题的认识,这样一来,习题本身成为超出正课内容的新知识和课程的补充。书上没有附习题参考答案,是考虑到机械制造工程的习题注重的是思路启发和钻研精神,很多习题并非有唯一答案,而通过师生讨论,教学相长,教师会在教学过程中积累经验,逐步掌握习题的精髓,使习题在教学过程中焕发生机。本书第2版于2012年获评北京市高等教育精品教材。
本书第3版修订工作2012年入选了清华大学名优教材建设计划。修订着眼的目标是教材内容要跟进新技术发展,要点主要有: ①详解刀具材料按切削用途分类标识的方法,阐明新国家标准体现以用户为关注焦点,为用户服务的企业运营理念,列举切削用途与材质组分、结构、工艺之间的关联,表明刀具材料按材质组分分类方法是刀具研发的技术基础,使得刀具材料这样两种分类方法的技术原理达到辩证统一。②与CA6140机床传动系统相呼应,引入了数控机床传动系统的内容。CA6140机床传动系统是机床传动设计的一个典范,包含了机床设计原理必要的技术知识基础,再引入数控机床传动系统,则使得教学内容紧紧跟上机床数控的主流发展。③在工件的定位夹紧中吸收引入了曲面随形支承定位组合夹具的案例,通过企业研发的新技术迅速扩展了定位夹紧原理研究的视野。④以简短注释的方式,写进了《金属切削基本术语》国家标准制定过程中学界关于“背吃刀量”和“切削深度”两个名词术语的争议,起到增添学术活力的作用。
在本书写作过程中,始终特别追求语言的准确、精练、严谨、富含学术性,意使工程技术教材也能从字里行间展现秀美文字艺术的魅力。
本教材可作为高等工科院校机械制造专业的技术基础课教材,也可作为机械类通用的专业基础课教材。
本书第1版编写人员及负责的编写工作如下: 潘尚峰、冯平法第1章,潘尚峰第2章,冯平法、冯之敬第3章,刘成颖第4、7、8章,郁鼎文第5、6章,冯之敬第9章。冯之敬为主编,参与了第1版各章的修改定稿,并负责全书第2版、第3版的修订。
在本教材的规划和编写过程中,汪劲松、王先逵、金之垣、张玉峰、姚健、池去病、傅水根、段广洪、叶蓓华、陈田养、成晔等许多有经验的教师对教材编写大纲和编写方法提出了宝贵的意见和建议。在本书的修订过程中,北京理工大学的庞思勤老师,上海交通大学的陈明老师,浙江工业大学的王秋成老师,合肥工业大学的张崇高老师、谢峰老师、朱政红老师,北京农业大学的朱红梅老师,北京航空航天大学的陈五一老师,北京毕阳德科技有限公司的王勇彪高级工程师,以及清华大学出版社的张秋玲老师等都提出了许多非常中肯的修订建议,在此致以衷心的感谢。
作者在本书中融入了新的教学指导思想、新的学术见解和研究成果,也参考了相关的文献,在此谨向所列参考文献的作者致以诚挚的谢意,也向所有对本书提出过建议和给予帮助的同行和同事致谢。
诚恳希望对教材中的错误和不足之处提出批评指正。
冯之敬
2015年1月
1金属切削的基本要素1
1.1工件表面的形成方法和成形运动1
1.1.1工件的加工表面及其形成方法1
1.1.2表面成形运动3
1.2加工表面和切削用量三要素7
1.2.1切削过程中工件上的加工表面7
1.2.2切削用量三要素7
1.3刀具角度9
1.3.1刀具切削部分的结构要素9
1.3.2刀具角度的参考系10
1.3.3刀具标注角度12
1.3.4刀具角度换算13
1.3.5刀具工作角度15
1.4切削层参数18
1.5刀具材料21
1.5.1刀具材料应具备的基本性能21
1.5.2高速钢21
1.5.3硬质合金23
1.5.4超硬刀具材料27
1.5.5刀具材料按用途分类标识方法29
习题与思考题372金属切削过程及切削参数优化选择39
2.1金属切削的变形过程39
2.1.1研究金属切削变形过程的实验方法39
2.1.2金属切削变形过程的基本特征40
2.1.3金属切削过程中的3个变形区41
2.1.4变形系数和剪应变42
2.1.5剪切角44
2.2切屑的种类及卷屑、断屑机理45
2.2.1切屑的分类方法45
2.2.2切屑的形态46
2.2.3切屑的形状及卷屑、断屑机理46
2.3前刀面上的摩擦与积屑瘤49
2.3.1前刀面上的摩擦49
2.3.2积屑瘤的形成及其对切削过程的影响50
[1]机械制造工程原理(第3版)目录[2]2.4影响切削变形的因素52
2.5切削力54
2.5.1切削力的来源54
2.5.2切削合力、分力和切削功率54
2.5.3切削力的理论公式55
2.5.4切削力的经验公式55
2.5.5影响切削力的因素59
2.6切削热和切削温度65
2.6.1切削热的产生及传导65
2.6.2刀具上切削温度的分布规律66
2.6.3影响切削温度的因素67
2.7刀具的失效和切削用量的优化选择71
2.7.1刀具磨损的形态71
2.7.2刀具磨损机理72
2.7.3刀具的磨损过程及磨钝标准73
2.7.4刀具的使用寿命及与切削用量的关系75
2.7.5切削用量的优化选择77
2.7.6刀具合理使用寿命的选择80
2.7.7刀具破损82
2.8刀具几何参数的选择83
2.8.1优选刀具几何参数的一般性原则83
2.8.2刀具角度的功用及其合理值的选择84
2.8.3刀尖几何参数的功用及其合理值的选择88
2.9工件材料的切削加工性89
2.9.1工件材料切削加工性的概念89
2.9.2衡量材料切削加工性的指标89
2.9.3影响材料切削加工性的因素91
2.9.4改善材料切削加工性的途径93
2.10切削液94
2.10.1切削液的种类94
2.10.2切削液的作用机理94
2.10.3提高切削液性能的添加剂95
2.10.4切削液的选用97
习题与思考题983机床、刀具和加工方法100
3.1机床的分类、型号编制与机床的运动分析100
3.1.1金属切削机床的分类与型号编制100
3.1.2机床的运动分析102
3.2车床和车刀104
3.2.1车床的加工范围和运动104
3.2.2CA6140型车床的传动系统106
3.2.3CA6140型车床的主要操纵机构115
3.2.4车刀118
3.3钻床和麻花钻122
3.3.1钻床的加工范围与分类122
3.3.2麻花钻123
3.4铣床和铣刀131
3.4.1铣床的功用和类型131
3.4.2铣刀132
3.4.3铣削方式139
3.5拉床和拉刀142
3.5.1拉床及其工作方法142
3.5.2拉刀143
3.6齿轮加工机床和齿轮加工刀具147
3.6.1插齿原理、插齿机床和插齿刀148
3.6.2滚齿原理、滚刀与滚齿机床152
3.6.3磨齿机床169
3.6.4锥齿轮的加工方法171
3.7磨床和砂轮173
3.7.1磨床的种类和应用范围173
3.7.2磨床的液压控制系统175
3.7.3砂轮的特性和选择178
3.8组合机床183
3.9数控机床和加工中心机床184
3.9.1数控机床184
3.9.2加工中心机床190
习题与思考题1904工件的定位夹紧与夹具设计193
4.1夹具的基本概念193
4.1.1机床夹具的定义及组成193
4.1.2夹具的作用194
4.1.3夹具的分类194
4.1.4工件在夹具中加工时加工误差的组成195
4.2工件在夹具上的定位196
4.2.1工件的安装196
4.2.2定位原理198
4.2.3常用定位方法与定位元件204
4.2.4定位误差的分析与计算211
4.3工件在夹具中的夹紧213
4.3.1对夹紧装置的要求213
4.3.2夹紧力的确定213
4.4各类机床夹具举例216
4.4.1钻床夹具216
4.4.2铣床夹具221
4.4.3车床夹具223
习题与思考题2255机械加工表面质量231
5.1机械加工表面质量的概念231
5.1.1机械加工表面质量的含义231
5.1.2表面质量对使用性能的影响232
5.2表面粗糙度及其影响因素233
5.3机械加工后表面物理机械性能的变化237
5.3.1加工表面的冷作硬化237
5.3.2加工表面的金相组织变化——磨削烧伤238
5.3.3加工表面层的残余应力239
5.4控制加工表面质量的途径243
5.5振动对表面质量的影响及其控制244
5.5.1振动对表面质量的影响244
5.5.2自由振动245
5.5.3强迫振动245
5.5.4自激振动246
习题与思考题2496机械加工精度251
6.1机械加工精度的概念251
6.1.1机械加工精度的含义及内容251
6.1.2机械加工误差分类252
6.2获得加工精度的方法252
6.3影响加工精度的因素253
6.3.1原理误差254
6.3.2工艺系统的制造精度和磨损对加工精度的影响254
6.3.3工艺系统受力变形和零件内应力对加工精度的影响258
6.3.4工艺系统受热变形对加工精度的影响270
6.3.5调整误差274
6.3.6度量误差275
6.4加工误差的分析与控制276
6.4.1分布曲线法276
6.4.2点图法279
6.4.3相关分析法283
6.4.4分析计算法285
习题与思考题2907机械加工工艺规程的制定294
7.1基本概念294
7.1.1机械产品生产过程与机械加工工艺过程294
7.1.2机械加工工艺过程的组成294
7.1.3生产类型与机械加工工艺规程297
7.1.4机械加工工艺规程的设计步骤和内容301
7.2定位基准及选择303
7.2.1基准303
7.2.2定位基准的选择304
7.3工艺路线的制定306
7.3.1加工经济精度与加工方法的选择306
7.3.2典型表面的加工路线309
7.3.3工序顺序的安排312
7.3.4工序的集中与分散314
7.3.5加工阶段的划分314
7.4加工余量、工序尺寸及公差的确定315
7.4.1加工余量的概念315
7.4.2加工余量的确定318
7.4.3工序尺寸与公差的确定318
7.5工艺尺寸链319
7.5.1直线尺寸链的基本计算公式319
7.5.2直线尺寸链在工艺设计中的应用320
7.6时间定额和提高生产率的工艺途径323
7.6.1时间定额323
7.6.2提高劳动生产率的工艺措施325
7.7工艺方案的比较与技术经济分析328
7.7.1机械加工工艺成本328
7.7.2工艺方案的技术经济对比330
7.8自动生产线和柔性制造系统330
7.8.1自动生产线330
7.8.2柔性制造系统334
习题与思考题3378装配工艺规程的制定342
8.1机器的装配过程和装配精度342
8.1.1机器的装配过程342
8.1.2机器的装配精度344
8.1.3装配工艺规程的制定方法348
8.2装配尺寸链350
8.2.1装配尺寸链的定义和形式350
8.2.2装配尺寸链的建立352
8.3利用装配尺寸链达到装配精度的方法355
8.3.1互换法355
8.3.2分组法357
8.3.3修配法360
8.3.4调整法364
习题与思考题3689精密、特种加工和新工艺技术方法简介370
9.1金刚石超精密切削370
9.2精密磨料加工371
9.2.1金刚石砂轮和CBN(立方氮化硼)砂轮磨削371
9.2.2精密砂带抛光371
9.2.3游离磨料研磨抛光372
9.2.4珩磨373
9.2.5超精研373
9.3超声波加工374
9.4电解加工375
9.5电铸加工375
9.6电火花成形加工与线切割376
9.6.1电火花成形加工376
9.6.2电火花线切割加工377
9.7电子束加工和离子束加工378
9.7.1电子束加工378
9.7.2离子束加工379
9.8激光加工380
9.9快速成形制造技术381
9.10微机械的制造技术382
9.11高速切削技术384参考文献386