机械零件加工表面的形成概述

第二章 机械零件加工表面的形成
第一节 机械零件加工表面的形成过程
一、工件的加工表面及其形成方法:1. 机械零件常用的表面形状2.工件表面的形成:工件表面可
以看成是一条线沿着另一条线移动或旋转而形成的。

并且我们把这两条线叫着母线和导线，统称
发生线。

3.发生线的形成1)成型法——利用成形刀具来形成发生线，对工件进行加工的方法。

2)轨迹法——靠刀尖的运动轨迹来形成所需要表面形状的方法.3)相切法——由圆周刀具上的多
个切削点来共同形成所需工件表面形状的方法。

4)展成法——利用工件和刀具作展成切削运动来
形成工件表面的方法。

4. 表面成型运动
二、切削运动与切削要素:1.切削加工中的工件表面 2.切削运动与切削用量(1) 主运动：由机
床或人力提供的主要运动，能使刀具从工件上切除金属层使之变为切屑。

例如：车削时，车床主
轴带动工件作的旋转运动；铣削时，铣床主轴带动铣刀作的旋转运动。

主运动是一个矢量,主运动方向：是指切削刃选定点相对于工件的瞬时主运动方向。

主运动速度：也就是切削速度，是指切削刃选定点相对于工件主运动的瞬时速度，用vc 表示，单位：m/min （或m/s ）。

外圆车削时，
切削速度的计算公式为： .dw:工件或切削刃上选定点的直径，计算时常以工件待加
工表面的直径来计算。

(2) 进给运动:由机床或人力提供的附加运动，它能使把工件切削层
不断地投入切削过程。

进给运动方向：是指切削刃选定点相对于工件的瞬时进给运动方向。

进
给运动速度：指切削刃选定点相对于工件进给运动的瞬时速度，用vf 表示，单位常取为(mm/s)
或(mm/min).进给运动速度:例：外圆车削时，进给运动速度常常用进给量f 来表述,单位：mm/r ；
刨削时，进给运动速度用每一行程多少毫米来表述，单位为mm/str 。

铣削时，进给运动速度常
用每齿进给量f 来表述，单位：mm/z 。

进给速度vf 、进给量f 、每齿进给量fz 和刀具齿数Z 之
间的关系如下：vf=nf= nzfz 。

(3) 切削过程中刀具的工作平面：通过切削刃选定点并同时包含
主运动方向和进给运动方向的平面，工作平面的符号为Pfe 。

(4)吃刀量：是指过切削刃的两个
端点，且垂直于所选定的测量方向的两平面间的距离。

确定吃刀量有三点要注意：1）确定切削刃的两个端点；2）确定测量的方向；3）确定两界限平面。

在一般切削加工中，常用的吃刀量有背吃刀量asp （或ap ）和侧吃刀量ase （或ae ）两个，其单位为mm 。

例：车削背吃刀量asp ；
铣削背吃刀量asp 、侧吃刀量ase 。

背吃刀量 （dw:待加工表面直径，dm:已加工表
面直径）是指过切削刃选定点在垂直于工作平面方向上测量的吃刀量。

切削用量三要素：背吃刀
量asp 、进给量f 、切削速度vc 。

(6)合成切削运动：切削过程中，由主运动和进给运动合成的
运动称为合成切削运动。

合成切削运动方向：就是切削刃选定点相对于工件的瞬时合成切削运动
1000
w c n d v π=2m
w p d d s -=αD D b A h D
=
的方向；合成切削速度ve：就是切削刃选定点相对于工件的合成切削运动的瞬时速度。

3.切削层参数：切削层：切削过程中，由刀具的一个单一动作所切除的工件材料层。

切削层尺寸平面：通过切削刃基点并垂直于该点主运动方向的平面。

切削刃基点：切削刃等分中点。

例：平行四边形BCDF即为切削层尺寸平面，它截切削层于BCDE四边形。

（1）切削层公称横截面积AD（切削面积）：是指在给定瞬间，切削层在切削层尺寸平面里的实际横截面积，单位：mm2。

AD=aspf。

（2）切削层公称宽度bD（切削宽度）：是指在给定瞬间，在切削层尺寸平面中测量的作用主切削刃截形上两个极点间的距离，单位：mm。

（3）切削层公称厚度hD（切削厚度）：是指在同一瞬间的切削层横截面积与其公称切削层宽度之比，单位：mm。

即。

(4)切削层的工艺参数4.材料切除率Q：在特定瞬间，单位时间所切除的材料体积。

单位：mm3/s。

Q=1000vc AD
= 1000vc hD bD
= 1000vc aspf
第二节金属切削机床
一、对金属切削机床的基本要求:1. 机床的性能方面:（1）工艺范围:是指机床适应不同加工要求的能力。

1）通用机床 2）专用机床（2）加工精度:是指该机床加工零件表面的实际几何参数与理想几何参数的符合程度，如：零件加工表面的尺寸、形状、位置及粗糙度。

（3）生产效率及自动化程度:生产效率即是单位时间内机床所能加工的工件数量。

全自动机床、半自动机床、普通机床。

（4）人机适应性：人机适应性的基本要求是可靠、安全和舒适。

2. 机床的经济性方面：两方面：机床制造厂的经济效益、机床使用厂的经济效益。

产品定义、外观设计、结构设计、工艺设计、成本核算、质保措施、运输安装、合理使用、维修折旧，报废回收。

机床品种系列化、零部件通用化和标准化是生产和使用机床的一项重要的技术经济措施。

二、金属切削机床的分类：（1）按机床的加工性能分类：车床C、钻床 Z、铣床X 、镗床T、磨床M 、齿轮加工机床Y、拉床L、螺纹加工机床S、锯床G 、刨插床B、其他机床Q。

（2）按机床的通用性分类：1）通用机床2）专门化机床 3）专用机床。

（3）按机床的自动化程度分类：1）手动机床2）机动机床3）半自动机床4）全自动机床。

（4）按机床的工作精度分类：1）普通精度机床 2）精密机床3）高精度机床。

（5）按机床的主要工作部件数目精度分类：1）单刀机床 2）多刀机床3）单轴机床4）多轴机床。

（6）按机床的重量和尺寸分类:1）仪表机床2）中型机床3）大型机床 4）重型机床 5）超大型机床.（7）按加工过程的控制方式分类:1）普通机床2）数控机床3）加工中心4）柔性制造单元.
三、金属切削机床型号的编制:1.机床的技术参数及其结构尺寸系列:机床的技术参数是表示机床尺寸大小及加工能力的各种数据。

2、机床的技术参数包括：主参数、第二主参数、主要工作部件的结构尺寸（如工作台面）、主要工作部件的移动行程范围、各种运动的速度范围和级数、电机功率、机床轮廓尺寸。

主参数：机床主参数是表示机床规格大小的一种参数，它直接反应出机床的加工能力的大小。

3、机床型号：机床型号是用来表明机床的类型、通用特性、结构特性、主要技术参数等。

（△）分类代号,○类代号,（○）通用特性、结构特性代号,△组代号,△系代号,△主参数或设计顺序号,（Ⅹ△）主轴数或第二主参数,（○）重大改进顺序,（）其它特性代号.
例：1、C A 6 1 40:C 类代号（车床）,A 通用特性（重大改进序号）,6组代号（卧式车床）,1系代号（1）,40主参数（最大加工直径320mm）.
2、X 6 2：X铣床,6组：卧式升降台铣床 ,2主参数（主轴直径20mm）.
3、Y 3 1 50 E：Y齿轮加工机床,3组：滚齿机,1系代号（1）,50主参数（最大工件直径500mm）,E 重大改进序号.
4、Z 5 25：Z钻床,5组：立式钻床,25主参数（最大钻孔直径25mm）.
第三节机械零件的公差与配合
一、公差与配合的基本概念：公差、加工误差。

1. 有关“尺寸”的术语和意义:（1）尺寸：是
用特定单位表示长度的数字。

（2）基本尺寸：是由设计者经过计算或按经验确定后，再按标准
选取的标注在设计图上的尺寸。

（3）实际尺寸：是通过测量所得的尺寸。

(4）极限尺寸:
是允许尺寸变化的两个界限值。

其中：较大的一个称为最大极限尺寸,较小的一个称为最小极限
尺寸.2. 有关“公差、偏差及误差”的术语和定义:（1）尺寸偏差=某一尺寸-基本尺寸,偏差包
括：实际偏差=实际尺寸-基本尺寸,极限偏差:上偏差=最大极限尺寸—基本尺寸,ES（孔）、es
（轴）；下偏差=最小极限尺寸—基本尺寸,EI（孔）、ei（轴)。

（2）尺寸公差（公差）:是指
尺寸允许的变动量。

尺寸公差 =最大极限尺寸—最小极限尺寸=上偏差—下偏差.
（3）零线：是在公差带图中，确定偏差的一条基准直线，也叫零偏差线。

（4）公差带：在公差
带图中，由代表上、下偏差两条直线所限定的一个区域称为公差带。

在国家标准中，公差带包括：
公差带大小（由标准公差确定）公差带位置（由基本偏差确定）（5）标准公差：
标准公差就是国家标准所确定的公差。

（6）基本偏差：就是用来确定公差带相对于零线位置的
上偏差或下偏差，一般指靠近零线的那个偏差。

（7）误差：是指零件的设计值X0与加工后的实
测值Xi之差，用△Xi表示。

△Xi=Xi—X0 式中，i = 1、2、3、…、n，为测量次数。

误差△Xi恒不为零。

3. 有关“配合”的术语和定义：
（1）配合：就是基本尺寸相同的、相互结合的孔与轴公差带之间的相配关系。

基孔制：
是基本偏差固定不变的孔公差带，与不同基本偏差的轴公差带形成各种配合的一种制度。

基孔制
的孔为基准孔，它的下偏差为零。

基准孔的代号为“H”。

基轴制：是基本偏差固定不变的轴公
差带，与不同基本偏差的孔公差带形成各种配合的一种制度。

基轴制的轴为基准轴，它的上偏差
为零。

基准轴的代号为“h”。

(2)配合类型：间隙配合：当孔的公差带在轴的公差带之上，形成
具有间隙的配合（包括最小间隙等于零的配合）。

过盈配合：当孔的公差带在轴的公差带之下，
形成具有过盈的配合（包括最小过盈等于零的配合）。

过渡配合：当孔与轴的公差带相互交迭，
既可能形成间隙配合，也可能形成过盈配合。

(3)配合公差：允许间隙或过盈的变动量称为配合
配合公差=最大过盈
+孔公差
,单位μm）
当尺寸≤500mm时，（μm），加号左边反映加工误差，加号右
边反映测量误差。

（2）公差等级：标准公差共分20级:IT01、IT0、IT1、IT2、…到IT18。

IT—国际标准公差（ISO Tolerance）的缩写代号，IT7表示标准公差7级。

从IT01至IT18，
公差等级依次降低，相应的标准公差数值依次增大。

公差等级系数a（见表2-6），标准公差的
值T=ai。

表2-6尺寸≤500mm的IT5至IT18级标准公差计算表：
公差等级 IT5 IT6 IT7 IT8 IT9 IT10 IT11 IT12
公差值7i 10i 16i 25i 40i 64i 100i 160i
（3）基本尺寸分段：标准公差的值T=ai。

例：基本尺寸φ45
mm（在＞30mm～50mm 尺寸段）的IT6与IT7的公差值。

计算基本尺寸：
（mm）例：基本尺寸φ45 mm（在＞30mm～50mm 尺寸段）的IT6
与IT7的公差值。

公差单位
（μm ），IT6 = 10 i = 10×1.56≈16 (μm)IT7 = 16 i = 16×1.56≈24.97≈25(μm)
2. 基本偏差系列: （1）轴的基本偏差:有了基本偏差和标准公差，就不难求出轴的另一个偏差
（上偏差或下偏差）： es=ei+IT ei=es–IT ,1）a、b、c三种用于大间隙或热动配合；
2）d、e、f主要用于旋转运动；3）g主要用于滑动和半液体摩擦，或用于定位配合；4）cd、ef、
fg适用于小尺寸的旋转运动件；5）j ~ h主要用于过渡配合，对中性好；6）p ~ zc主要
用于过盈配合，保证轴和孔有足够的连接强度。

（2）孔的基本偏差:当基本尺寸≤500mm时，孔
D
001
.0
D
45
.03
i+
=
D
001
.0
D
45
.03
i+
=
56
.1
73
.
38≈
⨯
的基本偏差是从轴的基本偏差换算得来的。

孔与轴基本偏差换算的前提是：“基本偏差代号相当时，应保持配合相同”。

换算规则：1）通用规则a）全部间隙配合A~H；b）标准公差>IT8的K、M、N；c）标准公差>IT7的P~ZC；孔的基本偏差与轴的基本偏差数值相等，但符号相反。

但有个别例外，对公差等级>IT8，基本尺寸>3mm的N，其基本偏差ES=0。

2）特殊规则
a）标准公差≤IT8的K、M、N；
b）标准公差≤IT7的P~ZC；
孔的基本偏差要在上述基础上增加一个Δ值。

三、公差与配合的基准制与公差等级
1. 国家标准规定的公差与配合
图2-17 尺寸≤500mm轴的（方框内的）一般常用和（圆圈内的）优先公差
图2-18 尺寸≤500mm孔的（方框内的）一般常用和
（圆圈内的）优先公差
图2-19 基孔制优先配合公差带图2-20 基轴制优先配合公差带
三、公差与配合的基准制与公差等级
2. 基准制的选用
一般情况下，应优先选用基孔制。

三、公差与配合的基准制与公差等级
3. 公差与配合的选用
选择公差与配合的主要内容有：
1）确定基准制；
2）确定公差等级；
3）确定配合种类。

选择公差与配合的原则是在保证机械产品基本性能的前提下，充分考虑制造的可行性，并应使制造成本最低。

三、公差与配合的基准制与公差等级
4. 公差等级的选用
选用的原则如下：
(1) 对于基本尺寸≤500mm的轴孔配合，当标准公差≤IT8时，国家标准推荐孔比轴低一级相配合；但当标准公差＞IT8级或基本尺寸＞500mm的配合，推荐采用同级孔、轴配合。

(2) 选择公差等级，既要满足设计要求，又要考虑加工的可能性与经济性。

4. 公差等级的选用
1）IT01、IT0、IT1级公差一般用于高精度量块和其它精密标准量块的尺寸。

2）IT2~IT5级公差用于特别精密的零件尺寸。

3）IT5（孔到IT6）级公差用于高精度和重要表面的配合尺寸；
4）IT6（孔到IT7）级公差用于零件较精密的配合尺寸；
5）IT7~IT8级用于一般精度要求的配合尺寸；
6）IT9~IT10级常用于一般要求的配合尺寸，或精度要求较高的与键配合的槽宽尺寸。

7）IT11~IT12级公差用于不重要的配合尺寸。

8）IT12~IT18级公差用于未注公差的尺寸。

三、公差与配合的基准制与公差等级
5. 配合的选用
应尽可能选用优先配合和常用配合。

四、形状公差与位置公差
（一）形状公差和形状误差
1. 形状公差
构成机械零件形状的几何要素所允许的变动量称为形状公差。

四、形状公差与位置公差
（一）形状公差和形状误差
2. 形状误差：
形状误差是指被测实际要素对理想要素的变动量。

四、形状公差与位置公差
形状误差的评定原则
最小条件：是指被测实际要素对其理想
要素的最大变动量为最小。

例：
四、形状公差与位置公差
（二）形状公差的项目
（二）形状公差的项目
1. 直线度公差
实际被测要素对理想直线的允许变动量。

1. 直线度公差
1）在给定平面内的直线度公差带
图2-21 给定平面内的直线度公差带
1. 直线度公差
2）在给定一个方向上的直线度公差带
图2-22 给定一个方向上的直线度公差带
1. 直线度公差
3）在给定相互垂直的两个方向上的直线度公差带
图2-23 给定两个方向上的直线度公差带
2. 平面度公差
平面度公差是实际被测要素对理想平面的允许变动量，其公差带是距离为公差值t的两平行平面之间的区域。

图2-24 平面度公差带
3. 圆度公差
实际被测要素对理想圆的允许变动量，其公差带是垂直于轴线的任一截面上半径差为公差值t的两个同心圆间的区域。

图2-25 圆度公差带
4. 圆柱度公差
实际被测要素对理想圆柱的允许变动量，其公差带是半径差为公差值t的两同轴圆柱面之间的区域。

图2-26 圆柱度公差带
5. 线轮廓度公差
实际被测要素对理想轮廓线的允许变动量，其公差带是距离为公差值t，对理想轮廓线对称分布的两等距曲线之间的区域。

图2-27 线轮廓度公差带
6. 面轮廓度公差
实际被测要素对理想轮廓面的允许变动量，其公差带是距离为公差值t，对理想轮廓面对称分布的两等距曲面之间的区域，理想轮廓面由理论正确尺寸标出。

图2-28 面轮廓度公差带
四、形状公差与位置公差
（三）位置公差和位置误差
几何要素→关联要素→基准要素→基准
四、形状公差与位置公差
（三）位置公差和位置误差
位置公差是关联实际要素的位置对基
准的变动全量。

位置公差带是限制关联实际要素变动的区域，被测实际要素要在此区域内才合格。

四、形状公差与位置公差
（三）位置公差和位置误差
位置公差包括：定位位置公差
定向位置公差
跳动位置公差
1.定向位置公差—平行度
被测实际要素相对于基准要素的方向成0º的要求。

图2-29 以平面为基准的平行度公差带
1.定向位置公差—垂直度
被测实际要素相对于基准要素的方向成90º的要求。

图2-30 以轴线为基准的
垂直度公差带
1.定向位置公差—倾斜度
被测实际要素相对于基准要素的方向成一定角度的要求。

图2-31 倾斜度公差带
2.定位位置公差—同轴度
要求被测实际要素与基准要素同轴。

图2-32 同轴度公差带
2.定位位置公差—对称度
要求被测实际要素与基准要素共面。

图2-33 对称度公差带
2.定位位置公差—位置度
要求被测实际要素与基准要素有一定的位置关系。

图2-34 孔轴线的位置度公差带
3.跳动位置公差
圆跳动
全跳动
3.跳动位置公差—圆跳动
单个被测实际要素在任一截面上相对于基准要素的允许跳动量。

根据允许变动的方向的不同，圆跳动可分为：
径向圆跳动
端面圆跳动
斜向圆跳动
径向圆跳动
径向圆跳动用于控制圆柱表面任一横截面上的跳动量。

图2-35 径向圆跳动公差带
端面圆跳动
端面圆跳动用于控制端面任一测量直径处，在轴向方向的跳动量。

图2-36 端面圆跳动公差带
斜面圆跳动
斜面圆跳动用于控制圆锥面在法线方向的跳动量。

3.跳动位置公差—全跳动
整个被测实际要素相对于基准要素的允许跳动总量。

根据允许变动的方向的不同，全跳动可分为：
径向全跳动
端面全跳动
斜向全跳动
径向全跳动
径向全跳动用于控制整个圆柱表面上的跳动总量。

图2-37 径向全跳动公差带
端面全跳动
端面圆跳动用于控制整个端面在轴向方向的跳动总量。

图2-38 端面全跳动公差带
四、形状公差与位置公差
（四）形位公差的选用
（四）形位公差的选用
(1) 形状公差应比尺寸公差小：
例如：圆柱形零件的形状公差（轴线直线度除外），一般情况下应小于其尺寸公差值，平行度公差值应小于相应的距离尺寸公差值。

圆度、圆柱度公差值约为同级的尺寸公差值的50%，故一般可按同级选取。

比如，尺寸公差为IT6，则圆度、圆柱度公差也选6级。

但并不是圆度、圆柱度公差必须按尺寸公差同级选取，也可根据零件的功能要求选取相邻级，必要时可按比尺寸公差等级高半级到2级。

（四）形位公差的选用
(2) 一般形状公差应比位置公差小：
同一要素上给定的形状公差值应小于位置公差值。

如同一平面上，平面度公差值应小于该平面对基准的平行度公差值。

(3) 表面粗糙度与形状公差的大概的比例关系：
通常，表面粗糙度的Ra值可取为形状公差值的(20%~25%)。

（四）形位公差的选用
(4) 对于制造难度大的零件应该选取较大的形位公差：
对刚性较差的零件（如细长轴）和结构特殊的要素（如大跨距的孔或轴的同轴度公差），在保证零件功能的前提下，考虑到制造较困难，应适当降低1-2级形位公差值。