第4章机械加工工艺过程设计

加工余量的确定第4章机械加工工艺规程的制定本章要点定位基准的选择工艺路线拟订工艺尺寸链工艺过程经济分析计算机辅助工艺过程设计本章的学习要求(1)

掌握工艺过程的基本概念、组成；(2)

了解生产纲领、生产类型及其工艺特点；(3)

掌握工艺规程的制订步骤；(4)

掌握工艺规程制订中的毛坯选择、结构工艺性、基准选择、加工方法与加工顺序的确定、加工余量的确定、工序尺寸计算；(5)掌握工艺尺寸链的概念与计算；(6)了解劳动生产率和加工经济性的概念。重点和难点：工艺过程的概念与组成工艺规程的制订工艺尺寸链的概念与计算基本概念机械制造系统、生产过程、工艺过程与机械加工工艺过程机械制造系统是指从机械产品的市场分析、经营决策、工程设计、加工装配、质量控制、生产指挥到售后服务等一系列过程的总和。生产过程是机械制造系统的一个子系统，一般是指从原材料（或半成品）进厂，一直到把产品制造出来的各有关过程的总和，它包括从原材料→毛坯→零件加工(外购件采购)→部件装配→整机装配→检验→试车→油漆→包装等环节。工艺过程是生产过程的一部分，凡是直接改变生产对象的尺寸、形状、物理化学性能以及相对位置关系的过程，统称为工艺过程。其他过程称为辅助过程，如动力供应、原材料采购、运输、保管、工具制造、修理等。工艺过程又可分为铸造、锻压、冲压、焊接、机械加工、热处理、装配等工艺过程。机械加工工艺过程是工艺过程的一部分。机械加工工艺过程的组成（1）工序：一个或一组工人利用同一机床或在同一地点对一个或几个工件所连续完成的那部分工艺过程。（2）安装：工件在机床上定位夹紧一次所完成的那部分工序。（3）工位：一次安装下，相对于机床或刀具每占据一个加工位置所完成的那部分工序。（4）工步：加工表面、切削工具、切削用量（切削速度和进给量）不变时连续完成的那部分工序。

通常多工位、多刀具加工被看作一个工步，称为复合工步。（5）走刀：切削刀具在加工表面切削一次完成的工序。

阶梯轴不同生产条件下的加工工艺过程

阶梯轴单件小批生产的工艺过程阶梯轴大批量生产的工艺过程阶梯轴几把不同刀具同时加工几个不同表面——称为复合工步一次安装,多工位加工连续钻4个相同孔——算一个工步多次走刀工序、安装、工位、工步和走刀的关系

工序、安装和工位的关系工序、工步和走刀的关系机械制造基础第4章机械加工工艺规程的制定4.1

制定工艺规程的步骤和方法StepsandMethodsofProcessPlanning4.1.1机械加工工艺规程

机械加工工艺过程和工艺规程

机械加工工艺过程

采用各种机械加工方法，直接用于改变毛坯的形状、尺寸、表面质量，使之成为合格零件的全部劳动过程。

机械加工工艺规程规定零件机械加工工艺过程的工艺文件。工艺规程的作用连接产品设计和制造过程的桥梁，是指导生产的主要技术文件；是企业组织生产活动和进行生产管理的重要依据；也是新建机械厂（车间）的基本技术文件。4.1.1机械加工工艺规程

表5-1机械加工工艺过程卡片工艺规程形式（工艺过程卡、工序卡、工艺卡）

4.1.1机械加工工艺规程

表5-1机械加工工艺过程卡片4.1.1机械加工工艺规程

表5-1机械加工工艺过程卡片4.1.2机械加工工艺规程设计原则

1）以保证零件加工质量，达到设计图纸规定的各项技术要求为前提。2）工艺过程有较高的生产效率和较低的成本。3）充分考虑和利用现有生产条件，尽可能作到平衡生产。4）尽量减轻工人劳动强度，保证安全生产，创造良好、文明劳动条件。5）积极采用先进技术和工艺，减少材料和能源消耗，并应符合环保要求。

技术上——先进；经济上——合理；劳动条件——良好。

机械加工工艺规程设计原则

4.1.3制定工艺规程所需原始资料

产品的全套装配图及零件图产品的验收质量标准产品的生产纲领及生产类型零件毛坯图及毛坯生产情况本厂（车间）的生产条件各种有关手册、标准等技术资料国内外先进工艺及生产技术的发展与应用情况制定机械加工工艺规程所需原始资料

1)阅读装配图和零件图

了解产品的用途、性能和工作条件，熟悉零件在产品中的地位和作用，明确零件的主要技术要求。2)工艺审查

审查图纸上的尺寸、视图和技术要求是否完整、正确、统一，分析主要技术要求是否合理、适当，审查零件结构工艺性。3)熟悉或确定毛坯

确定毛坯的依据是零件在产品中的作用、零件本身的结构特征与外形尺寸、零件材料工艺特性以及零件生产批量等。常用的毛坯种类有铸件、锻件、焊接件、冲压件、型材等，其特点及应用见表4-4。4.1.4机械加工工艺规程设计步骤机械加工工艺规程设计步骤4.1.4机械加工工艺规程设计步骤表4-4各类毛坯的特点及适用范围

毛坯种类制造精度（IT）加工余量原材料工件尺寸工件形状机械性能适用生产类型型材型材焊接件砂型铸造自由锻造普通模锻钢模铸造精密锻造压力铸造熔模铸造冲压件粉末冶金件

工程塑料件

13级以下13级以下11～1510～128～118～117～108～107～9

9～11大一般大大一般较小较小小很小小很小

较小各种材料钢

材铸铁,铸钢,青铜钢材为主钢,锻铝,铜等铸铝为主钢材,锻铝等铸铁,铸钢,青铜铸铁,铸钢,青铜钢铁,铜,铝基材料工程塑料小型大、中型各种尺寸各种尺寸中、小型中、小型小型中、小型小型为主各种尺寸中、小尺寸

中、小尺寸简单较复杂复杂较简单一般较复杂较复杂复杂复杂复杂较复杂复杂较好有内应力差好好较好较好较好较好好一般

一般各种类型单件单件小批单件小批中、大批量中、大批量大批量中、大批量中、大批量大批量中、大批量

中、大批量4)选择定位基准5)拟定加工路线6)确定满足各工序要求的工艺装备4.1.4机械加工工艺规程设计步骤包括机床、夹具、刀具、量具、辅具等。工艺装备的选择在满足零件加工工艺的需要和可靠地保证零件加工质量的前提下，应与生产批量和生产节拍相适应，并应充分利用现有条件，以降低生产准备费用。对必须改装或重新设计的专用或成组工艺装备，应在进行经济性分析和论证的基础上提出设计任务书。

7)确定各工序加工余量，计算工序尺寸和公差确定切削用量8)确定时间定额9)编制数控加工程序（对数控加工）10)评价工艺路线

对所制定的工艺方案应进行技术经济分析，并应对多种工艺方案进行比较，或采用优化方法，以确定出最优工艺方案。11)填写或打印工艺文件4.1.4机械加工工艺规程设计步骤4.1.5零件结构工艺性分析

零件结构工艺性：零件制造、装配、维修的难易程度，是评价零件结构优劣的重要技术经济指标。

零件结构工艺性是相对的，与生产规模、设备条件、技术水平等因素密切相关。

衡量零件结构工艺性的依据：（1）零件结构通用化、标准化、系列化的程度；

（2）零件加工工艺复杂程度及经济性；（3）材料的利用率；（4）加工面积的大小和实现自动化加工的可能性。常见的零件切削加工结构工艺性分析实例4.1.6装配工艺对零件结构工艺性的要求改善机器结构的装配工艺性的原则（1）机器结构应能分解成为独立装配单元，以便于组织平行的流水装配作业，缩短装配周期。（2）应便于装配和调整、减轻劳动量。（3）零件数量、规格减小，简化装配结构。（4）有利于达到和提高装配质量要求。改进前后对比思考题什么是零件结构工艺性？分析下图改进理由。

简述工艺规程设计的原则与步骤。机械制造基础第4章机械加工工艺规程的制定4.2

定位基准的选择SelectionofLocationDatum基准的概念及分类基准：用来确定生产对象上的几何要素之间的几何关系所依据的那些点、线、面，称为基准。基面:

基准不一定具体可见（如孔的中心线等），在零件上通常是通过有关具体表面表现出来的，这些表面称为基面。基准分类：根据基准作用的不同，可分为设计基准和工艺基准两大类。设计基准：设计图样上所采用的基准，即标注设计尺寸的起点。工艺基准：工艺过程中所采用的基准。按其作用的不同分为：装配基准、测量基准、工序基准和定位基准。在加工时用于工件定位的基准称为定位基准。又可进一步分为：4.2.1定位基准

使用毛坯上未经机械加工过的表面作为定位基准，称为粗基准。零件上根据机械加工工艺需要而专门设计的定位基准。如用作轴类零件定位的顶尖孔，用作壳体类零件定位的工艺孔或工艺凸台（图4-1）等。粗基准

使用经过机械加工过的表面作为定位基准，称为精基准。精基准附加基准4.2.1定位基准

工艺凸台A向A图4-1小刀架上的工艺凸台活塞的止口和中心孔附加基准4.2.2粗基准的选择◆保证相互位置要求原则——如果首先要求保证工件上加工面与不加工面的相互位置要求，则应以不加工面作为粗基准。4.2.2粗基准的选择◆余量均匀分配原则——如果首先要求保证工件某重要表面加工余量均匀时，应选择该表面的毛坯面作为粗基准。图4-2粗基准选择比较a）b）c）图4-3床身粗基准选择比较工序1工序1工序2工序2

◆便于工件装夹原则——要求选用的粗基准面尽可能平整、光洁，且有足够大的尺寸，不允许有锻造飞边、铸造浇、冒口或其它缺陷。也不宜选用铸造分型面作粗基准。◆粗基准一般不得重复使用原则

4.2.2粗基准的选择

4.2.2粗基准的选择

a)b)

图4-4粗基准重复使用错误示例及改进图4-5主轴箱零件精基准选择4.2.3精基准的选择

◆基准重合原则——选用被加工面设计基准作为精基准◆统一基准原则——当工件以某一表面作精基准定位，可以方便地加工大多数（或全部）其余表面时，应尽早将这个基准面加工出来，并达到一定精度，以后大多数（或全部）工序均以它为精基准进行加工4.2.3精基准的选择

图4-7以顶面和两销孔定位

镗孔支架图4-6置于箱体中部的吊架支承

吊架

在实际生产中，经常使用的统一基准形式有：

1）轴类零件常使用两顶尖孔作统一基准；

2）箱体类零件常使用一面两孔（一个较大的平面和两个距离较远的销孔）作统一基准；

3）盘套类零件常使用止口面（一端面和一短圆孔）作统一基准；

4）套类零件用一长孔和一止推面作统一基准。

采用统一基准原则好处：

1）有利于保证各加工表面之间的位置精度；

2）可以简化夹具设计，减少工件搬动和翻转次数。

★注意：采用统一基准原则常常会带来基准不重合问题。此时，需针对具体问题进行具体分析，根据实际情况选择精基准。4.2.3精基准的选择

◆互为基准原则轴径轴径锥孔图4-8主轴零件精基准选择【例】主轴零件精基准选择（图4-8）4.2.3精基准的选择◆自为基准原则

【例】床身导轨面磨削加工（图4-9）图4-9导轨磨削基准选择自为基准实例拉孔加工镗削连杆小头孔

图4-11浮动镗刀块1—工件2—镗刀块3—镗杆◆便于装夹原则——所选择的精基准，应能保证工件定位准确、可靠，并尽可能使夹具结构简单、操作方便。图4-10外圆研磨示意图【例】铰孔、拉孔、研磨（图4-10）4.2.3精基准的选择【例】浮动镗刀块镗孔（图4-11）

4.2.3精基准的选择图4-12摇杆零件图φ40φ12H7铸造圆角R3其余倒角1×45°60±0.059.5φ20H71.63.23.23.21.64018M83.2R12710±0.1ABDC1545【例4-1】选择图4-12所示摇杆零件的定位基准。零件材料为HT200，毛坯为铸件，生产批量：5000件。

思考题粗基准选择应遵循的基本原则是什么？试举例说明。精基准选择应遵循的基本原则是什么？为什么尽可能要就选择“基准重合”原则？试举例说明。机械制造基础第4章机械加工工艺规程的制定4.3

加工路线的拟订DeterminetheMachiningRoute4.3.1加工方法的选择图4-13加工误差与成本关系CΔ0AB

经济加工精度随年代增长和技术进步而不断提高（图4-14）

在正常加工条件下（采用符合质量标准的设备和工艺装备，使用标准技术等级工人，不延长加工时间），一种加工方法所能保证的加工精度和表面粗糙度（图4-13AB段）经济加工精度

加工误差（μm）196010-110-210-319202000102101100年代图4-14经济加工精度与年代的关系

一般加工精密加工超精密加工4.3.1加工方法的选择

1）零件加工表面的精度和表面粗糙度要求2）零件材料的加工性3）零件的结构形状和尺寸大小4）生产批量和生产节拍要求5）企业现有加工设备和加工能力选择加工方法应考虑的问题

外圆表面、孔及平面加工方案参见教材表4-9。4.3.1加工方法的选择外圆表面的典型加工路线粗车——半精车——精车应用最为广泛的一条工艺路线。粗车——半精车——粗磨——精磨主要用于黑色金属，半精车后有淬火要求的零件。粗车——半精车——粗磨——精磨——光整加工

第二条工艺路线仍不能满足加工精度要求，特别是表面粗糙度要求，在精磨后增加一道光整加工工序。粗车——半精车——精车——金刚石车

适用于铜、铝等有色金属及其合金高精度外圆加工。4.3.1加工方法的选择

典型表面加工路线研磨IT5Ra0.008~0.32超精加工IT5Ra0.01~0.32砂带磨IT5Ra0.01～0.16精密磨削IT5Ra0.008~0.08抛光Ra0.008~1.25金刚石车IT5～6Ra0.02~1.25滚压IT6～7Ra0.16~1.25精磨IT6～7Ra0.16~1.25精车IT7～8Ra1.25～5粗磨IT8～9Ra1.25～10半精车IT10～11Ra2.5～12.5粗车IT12～13Ra10～80图4-15外圆表面的典型加工工艺路线

4.3.1加工方法的选择孔的加工路线钻——扩——铰

适用于直径＜φ50mm的中小孔加工，应用最广泛钻（粗镗）——粗拉——精拉

多用于大批量生产中加工盘套类零件的圆孔、键槽或花键。钻（粗镗）——半精镗——精镗——浮动镗（或金刚镗）

应用广泛，适用于各种生产类型。加工孔径范围大。钻（粗镗）——半精镗——粗磨——精磨——研磨（珩磨）

用于黑色金属特别是淬火零件的高精度的孔加工。4.3.1加工方法的选择

图4-16孔的典型加工工艺路线珩磨IT5～6Ra0.04~1.25研磨IT5～6Ra0.008~0.63粗镗IT12～13Ra5～20钻IT10～13Ra5～80半精镗IT10～11Ra2.5～10粗拉IT9～10Ra1.25～5扩IT9～13Ra1.25~40精镗IT7～9Ra0.63～5粗磨IT9～11Ra1.25～10精拉IT7～9Ra0.16~0.63推IT6～8Ra0.08~1.25饺IT6～9Ra0.32~10金刚镗IT5～7Ra0.16~1.25精磨IT7～8Ra0.08~0.63滚压IT6～8Ra0.01~1.25手饺IT5Ra0.08~1.254.3.1加工方法的选择平面加工路线粗铣——半精铣——精铣——高速精铣

应用最广泛。粗刨——半精刨——精刨削——宽刀精刨（刮研）

重型机械单件小批生产。粗铣（刨）——半精铣（刨）——粗磨——精磨——研磨、精密磨、砂带磨、抛光

淬硬表面或高精度表面加工。粗拉——精拉

适用于大批量生产。粗车——半精车——精车——金刚石车

非铁零件外圆或内孔的端面加工。4.3.1加工方法的选择图4-17平面典型加工工艺路线

抛光Ra0.008¬1.25研磨IT5～6Ra0.008¬0.63精密磨IT5～6Ra0.04¬0.32半精铣IT8～11Ra2.5¬10精铣IT6～8Ra0.63～5高速精铣IT6～7Ra0.16¬1.25导轨磨IT6Ra0.16¬1.25精磨IT6～8Ra0.16¬1.25宽刀精刨IT6Ra0.16¬1.25粗磨IT8～10Ra1.25¬10精刨IT6～8Ra0.63～5半精刨IT8～11Ra2.5～10半精车IT8～11Ra2.5～10粗铣IT11～13Ra5～20粗刨IT11～13Ra5～20砂带磨IT5～6Ra0.01¬0.32金刚石车IT6Ra0.02¬1.25刮研Ra0.04¬1.25精车IT6～8Ra1.25～5粗车IT12～13Ra10～80精拉IT6～9Ra0.32～2.5粗拉IT10～11Ra5～204.3.2加工阶段的划分

粗加工阶段——主要任务是去除加工面多余的材料

半精加工阶段——使加工面达到一定的加工精度，为精加工作好准备

精加工阶段——使加工面精度和表面粗糙度达到要求

光整加工阶段——对于特别精密的零件，安排此阶段，以确保零件的精度要求

有利于保证零件的加工精度；有利于设备的合理使用和精密机床的精度保持；有利于人员的合理安排；可及早发现毛坯缺陷，以减少损失。加工阶段的划分加工阶段划分的意义4.3.3加工顺序的安排

总原则：先粗后精、基面先行、先面后孔、先主后次

先粗后精——当零件的加工精度要求较高时，一般都要经过粗加工、半精加工和精加工三个阶段，当加工质量要求特别高时，还要经过光整加工。主要目的：粗、精加工分开，可以合理地使用设备；保证加工质量；有利于及早发现毛坯缺陷并得到及时处理；应当注意：加工阶段的划分也不是绝对的。

机械加工工序的安排4.3.3加工顺序的安排

基准先行——先加工基准面，再加工其他表面

先面后孔——有两层含义：

1）当零件上有较大的平面可以作定位基准时，先将其加工出来，再以面定位，加工孔，可以保证定位准确、稳定

2）在毛坯面上钻孔或镗孔，容易使钻头引偏或打刀，先将此面加工好，再加工孔，则可避免上述情况的发生

先主后次——也有两层含义：

1）先考虑主要表面加工，再安排次要表面加工，次要表面加工常常从加工方便与经济角度出发进行安排

2）次要表面和主要表面之间往往有相互位置要求，常常要求在主要表面加工后，以主要表面定位进行加工机械加工工序的安排

为改善工件材料切削性能而进行的热处理工序（如退火、正火等），应安排在切削加工之前进行。为消除内应力而进行的热处理工序（如退火、人工时效等），最好安排在粗加工之后，也可安排在切削加工之前。为了改善工件材料的力学物理性质而进行的热处理工序（如调质、淬火等）通常安排在粗加工后、精加工前进行。其中渗碳淬火一般安排在切削加工后，磨削加工前。而表面淬火和渗氮等变形小的热处理工序，允许安排在精加工后进行。为了提高零件表面耐磨性或耐蚀性而进行的热处理工序以及以装饰为目的的热处理工序或表面处理工序（如镀铬、镀锌、氧化、煮黑等）一般放在工艺过程的最后。4.3.3加工顺序的安排热处理和表面处理工序的安排4.3.3加工顺序的安排除操作工人自检外，下列情况应安排检验工序：①零件加工完毕后；②从一个车间转到另一个车间前后；③重要工序前后。其他工序的安排

去毛刺工序通常安排在切削加工之后。清洗工序在零件加工后装配之前，研磨、珩磨等光整加工工序之后，以及采用磁力夹紧加工去磁后，应对工件进行认真地清洗。检验工序的安排3.3.4工序集中与工序分散

使每个工序中包括尽可能多的工步内容，从而使总的工序数目减少。优点：

1）有利于保证工件各加工面之间的位置精度；

2）有利于采用高效机床，可节省工件装夹时间，减少工件搬运次数；

3）可减小生产面积，并有利于管理。

使每个工序的工步内容相对较少，从而使总的工序数目较多。工序分散优点：每个工序使用的设备和工艺装备相对简单，调整、对刀比较容易，对操作工人技术水平要求不高。工序集中工序分散4.3.4工序集中与工序分散

传统的流水线、自动线生产，多采用工序分散的组织形式（个别工序亦有相对集中的情况）。工序集中与工序分散的应用

由于市场需求的多变性，对生产过程的柔性要求越来越高，加之加工中心等先进设备的采用，工序集中将越来越成为生产的主流方式。

多品种、中小批量生产，为便于转换和管理，多采用工序集中方式。思考题什么是经济加工精度？选择表面加工方法的依据是什么？为什么对加工质量要求较高的零件在拟定工艺路线时要划分加工阶段？工序集中与工序分散各有什么优缺点？目前的发展趋势是什么？在零件的工艺过程中，时效处理、调质处理和渗碳淬火处理通常安排在什么时候？在零件的工艺过程中，检验工序通常是如何安排的？4.3.5数控加工工艺

形状复杂、加工面多、加工量大、生产批量较小的零件（如批量较小的复杂箱体类零件）数控加工的合理选用

普通机床无法加工或需使用复杂工装才能加工的零件（如复杂轮廓面或复杂空间曲面）加工精度要求高的零件（如某些径向尺寸和轴向尺寸精度要求均很高的轴类零件）零件上某些尺寸难以测量和控制的情况（如具有不开敞内腔加工面的壳体或盒型零件）零件一次装夹，可完成铣、镗、钻、铰、攻丝等多种操作图4-18各类机床适应的加工范围专用机床数控机床通用机床零件复杂程度零件批量4.3.5数控加工工艺

加工过程严格按程序指令自动进行——数控加工工艺设计要求详细、具体和完整。如工件在机床（或夹具）上装夹位置、工序内工步的安排、刀具选用、切削用量、走刀路线等，都必须在工艺设计中认真考虑和明确规定。数控加工工艺特点

自行调整能力较差——数控加工工艺设计应十分严密、准确，必须注意到加工中的每一个细节，如每个坐标尺寸的计算、对刀点和换刀点的确定、攻丝时的排屑动作等。程序须经验证正确后，方可进行正式加工。多采用工序集中原则，一次装夹可完成多个表面加工。刀具（相对工件）运动路径对生产率、加工精度影响很大，需合理规划。使用夹具相对简单。4.3.5数控加工工艺点位加工——通常按空程最短安排走刀路线。位置精度要求较求高的孔系加工，要注意避免反向间隙影响数控加工走刀路线规划

对刀点234ABCD1XY对刀点23ABCD1XY45刀具折返点图4-19孔加工路线示例a）b）4.3.5数控加工工艺轮廓加工——刀具应从切向进入轮廓加工，加工完成后不要在切点处取消刀补，要安排一段沿切向继续运动距离图4-20内外圆加工路线a）外圆加工b）内孔加工4.3.5数控加工工艺

形腔加工——在保证加工精度前提下，使走刀路径最短a）b）c）4-21型腔加工路线比较

4.3.5数控加工工艺

高速加工——保证刀具运动轨迹光滑平稳，并使刀具载荷均匀a）摆线加工b）赛车线加工图4-22高速切削刀具路径规划（DELCAM公司）4.3.5数控加工工艺数控加工工艺实例

确定数控加工内容：环槽、顶面和4-M10螺孔。定位、夹紧方案：以底面、孔和零件后侧面作为定位基准。采用孔系组合夹具，基础板＋圆柱销（专用件）＋移动V形块（合件），通过螺旋压板压紧。选择加工方法：上表面和

mm环槽采用铣削一次走刀加工；4-M10螺纹孔先打中心孔再钻底孔，螺纹底孔用钻头倒角。图4-23壳体零件简图4.3.5数控加工工艺数控加工工艺实例

加工顺序铣上平面→钻4-M10中心孔→钻4-M10底孔→4-M10螺纹底孔倒角→4-M10攻丝→铣环槽零件坐标系设定如图，坐标原点为孔轴线与零件上平面的交点工艺处理对刀点选在孔轴线与孔的上端面的交点，换刀点选在所定零件坐标系（X0，Y0，Z15）点刀具轨迹坐标计算4-M10螺纹孔中心坐标计算，环槽各基点（J、B、C、D…）及四个圆弧的圆心坐标计算等4.3.5数控加工工艺零件号JS-1-26零件名称壳体材料HT300程序编号00618机床型号HM500制表宫怡工序内容刀具号刀具种类主轴转速进给速度长度补偿量半径补偿量铣平面T1φ80硬质合金端铣刀S280F60D1D21钻4-M10中心孔T2φ3中心钻S1000F100D2

钻4-M10底孔T3φ8.5高速钢钻S500F50D3

螺纹孔口倒角T4φ18钻头（90o锋角）S500F50D4

攻螺纹4-M10T5M10×1.5丝锥S60F90D5

铣10mm环槽T6φ10高速钢立铣刀S300F30D6D26表4-5壳体数控加工工艺卡机械制造基础第4章机械加工工艺规程的制定4.4

工序尺寸的确定DeterminetheOperationalDimensions4.4.1加工余量

加工余量——加工过程中从加工表面切去材料层的厚度。

工序（工步）余量——某一表面在某一工序（工步）中所切去的材料层厚度。◎

对于被包容表面（轴、外表面）（4-1）◎

对于包容表面（孔、内表面）（4-2）a）b）c）d）Zbab图4-24工序加工余量ZbbabaZb2Zb2Zb2Zb2ab式中Zb——本工序余量；

a——前工序尺寸；

b——本工序尺寸。加工余量及其计算

4.4.1加工余量

总加工余量——零件从毛坯变为成品切除材料层总厚度（4-3）式中ZS——总加工余量；

Zi——第i道工序加工余量；

n——该表面加工工序数。

最大余量

最小余量（4-4）（被包容尺寸）（包容尺寸）（4-5）（被包容尺寸）（包容尺寸）工序尺寸及公差与各工序余量的关系

式中Zmax，Zmin，Zm——最大、最小、平均余量；

TZ

——余量公差；

amax，amin，am——上工序最大、最小、平均尺寸；

bmax，bmin，bm——本工序最大、最小、平均尺寸；

Ta——上工序尺寸公差；

Tb——本工序尺寸公差。

平均余量（4-6）（被包容尺寸）（包容尺寸）

余量公差（4-7）（被包容尺寸与包容尺寸）4.4.1加工余量4.4.2最小加工余量最小余量构成（图4-25）◎

采用浮动镗刀块镗孔式中Ry——上一工序表面粗糙度；

Ha——上一工序表面缺陷层；

ea

——上一工序形位误差；

εb——本工序装夹误差。（4-8）◎

无心磨床磨外圆◎

研磨、抛光平面RyHaeaεb图4-25最小加工余量构成加工余量确定方法

计算法——采用计算法确定加工余量比较准确，但需掌握必要的统计资料和具备一定的测量手段。

经验法——由一些有经验的工程技术人员或工人根据现场条件和实际经验确定加工余量。此法多用于单件小批生产。

查表法——利用各种手册所给的表格数据，再结合实际加工情况进行必要的修正，以确定加工余量。此法方便、迅速，生产上应用较多。4.4.2最小加工余量

需要指出的是，目前国内各种手册所给的余量多数为基本余量，基本余量等于最小余量与上一工序尺寸公差之和，即基本余量中包含了上一工序尺寸公差，此点在应用时需加以注意。确定工序尺寸一般方法1）确定各工序加工余量；2）从最终加工工序开始，即从设计尺寸开始，逐次加上（对于被包容面）或减去（对于包容面）每道工序的加工余量，可分别得到各工序的基本尺寸；3）除最终加工工序取设计尺寸公差外，其余各工序按各自采用的加工方法所对应的经济加工精度确定工序尺寸公差；4）除最终工序外，其余各工序按“入体原则”标注工序尺寸公差；5）毛坯余量通常由毛坯图给出，故第1工序余量由计算确定。表6-9

主轴孔工序尺寸及公差的确定工序名称工序加工余量工序基本尺寸加工经济精度（IT）工序尺寸及公差表面粗糙度浮动镗刀块镗0.11007Ra0.8精镗0.5（100-0.1=）99.98Ra1.6半精镗2.4（99.9-0.5=）99.410Ra3.2粗镗5（99.4-2.4=）9712Ra6.3毛坯孔——（97-5=）92

——4.4.3工序尺寸确定表6-9

主轴孔工序尺寸及公差的确定工序名称工序加工余量工序基本尺寸加工经济精度（IT）工序尺寸及公差表面粗糙度浮动镗刀块镗0.11007Ra0.8精镗0.5（100-0.1=）99.98Ra1.6半精镗2.4（99.9-0.5=）99.410Ra3.2粗镗5（99.4-2.4=）9712Ra6.3毛坯孔——（97-5=）92

——4.4.3工序尺寸确定表4-6主轴孔工序尺寸及公差的确定浮动镗0.1100H7Ra0.8

精镗0.5100-0.1=99.9H8Ra1.6半精镗2.499.9-0.5=99.4H10Ra3.2

粗镗

599.4-2.4=97H12Ra6.3毛坯孔97-5

=92工序名称加工余量工序基本尺寸加工经济精度(IT)工序尺寸及公差表面粗糙度

主轴孔工序尺寸及公差的确定，加工过程：粗镗→半精镗→精镗→浮动镗【例4-2】主轴孔工序尺寸及公差示意图思考题何谓加工余量？影响工序余量的因素有哪些？确定加工余量的方法有哪几种？有一光轴，直径尺寸要求为φ30f6,加工工艺路线为:粗车-半精车-粗磨-精磨,查工艺手册可知其工序余量和工序公差分别为:

粗车:3.0mm，0.39mm;

半精车:1.1mm，0.16mm;

粗磨:0.3mm，0.062mm;

精磨:0.1mm

毛坯制造公差为2mm。试计算外圆表面各加工工序尺寸及其极限偏差。机械制造基础第4章机械加工工艺规程的制定4.5工艺尺寸链ProcessDimensionalChain4.5.1尺寸链基本概念

尺寸链定义

在零件加工或机器装配过程中，由相互联系的尺寸形成的封闭尺寸组，称为尺寸链★

装配尺寸链——在机器设计和装配过程中，由有关零件尺寸形成的尺寸链★

工艺尺寸链——在加工过程中，由同一零件有关工序尺寸所形成的尺寸链4.5.1尺寸链基本概念

尺寸链的环

封闭环——在零件加工过程或机器装配过程中最终形成的环（或间接得到的环）——指组成尺寸链的每一个尺寸

增环——该环变动（增大或减小）引起封闭环同向变动（增大或减小）的环

组成环——尺寸链中除封闭环以外的各环。对于工艺尺寸链来说，组成环的尺寸一般是由加工直接得到的

减环——该环变动（增大或减小）引起封闭环反向变动（减小或增大）的环尺寸链方程

——

确定尺寸链中封闭环（因变量）和组成环（自变量）的函数关系式，其一般形式为：（4-9）4.5.1尺寸链基本概念尺寸链计算的三种类型正计算：已知全部组成环的尺寸及偏差，计算封闭环尺寸及偏差。主要用于设计尺寸校核。反计算：已知封闭环的尺寸及偏差，计算组成环的尺寸及偏差。主要根据机器装配精度，确定各零件尺寸及偏差的设计计算。中间计算：已知封闭环及部分组成环的尺寸及偏差，计算某一组成环尺寸及偏差。求解工艺尺寸链经常用到中间计算。4.5.1尺寸链基本概念工艺尺寸链问题的解题步骤确定封闭环，是正确求解工艺尺寸链的关键；查明全部组成环，画出尺寸链图；判定组成环的增减环，并用箭头标出；利用基本计算公式求解。难点：确定封闭环画尺寸链图增环、减环的判断A0——封闭环;A2，A3，A6——增环;A1，A4，A5——减环图示尺寸链中，尺寸A0是加工过程间接保证的，因而是尺寸链的封闭环；尺寸A1和A2是在加工中直接获得的，因而是尺寸链的组成环。其中，A1为增环，A2为减环。

图4-26工艺尺寸链a1a2a0A1A2A0b)c)A1A2A0a)ABC0.05A0.1C4.5.1尺寸链基本概念

工艺尺寸链示例（图4-26）：工件A、C面已加工好，现以A面定位用调整法加工B面，要求保证B、C面距离A0【例4-3】尺寸链方程为：4.5.2尺寸链计算方法

对式（4-9）两边取全微分，有：（4-9）（4-10）式中偏导数表示组成环对封闭环影响的大小，称为误差传递系数，记为ζi。式（3-10）也可以写成如下形式：（4-11）基本尺寸计算公式

误差与公差计算公式

上述两式为尺寸链特定偏差值计算公式，即误差传递公式

图4-27a所示零件，加工两φ80H7孔，要求保证孔心距L0=300±0.02，两孔中心连线与A面夹角α0=15°±2′。Y1的基本尺寸为160，根据几何关系可确定X和Y2的基本尺寸分别为289.778和237.646。若加工后实测结果为：X=289.780，Y1=159.995，Y2=237.648。试确定L0和α0的偏差。【例4-4】图4-27误差传递计算示例a）b）Y1Y2AXL0α0α0L0XY1Y24.5.2尺寸链计算方法对L0式两边取全微分，并将偏差值代入，得到：用同样的方法可求得：X、Y1、Y2、L0和α0构成一平面尺寸链（图b）。其中L0和α0是封闭环。尺寸链方程为：【解】Y1Y2图4-27误差传递计算示例AXL0α0a）α0L0b）XY1Y24.5.2尺寸链计算方法

公差极值算法

式中T0L

——极值公差；

Ti

——各组成环公差。（4-12）（4-13）（4-14）★

偏差计算公式★

公差计算公式上式表明在极端的情况下，尺寸链封闭环的公差等于所有组成环公差与误差传递系数绝对值乘积之和。3.5.2尺寸链计算方法

公差概率算法

为计算方便，作如下近似处理：令k1=k2=…=kn=k，得到近似概率算法公差计算公式（k值常取1.2～1.6）：★

各组成环均接近正态分布时，公差计算公式：（4-15）式中T0Q

称为平方公差。★

各组成环偏离正态分布时，公差计算公式：式中T0Q

称为统计公差。k为分布系数，定义如下：（4-16）（4-18）（4-17）4.5.2尺寸链计算方法

极值算法（4-19）

概率算法（4-20）式中α为分布不对称系数，定义如下（图3-28）图4-28分布系数与不对称系数

TΔ=α

2Amin分布中心AMAmaxXAAEIEST/2T/2φ(X)X（3-21）4.5.2尺寸链计算方法平均尺寸计算公式

几种常见误差分布曲线的分布系数k和分布不对称系数α的数值见教材表4-7。4.5.2尺寸链计算方法α000-0.280.26-0.26K11.221.731.141.171.173σ3σαT/2αT/2αT/2分布特征正态分布三角分布均匀分布瑞利分布偏态分布外尺寸内尺寸

分布曲线

表4-7几种常见误差分布曲线L=30±0.05A=10±0.01DC±—TC12θ=60°±2′

L0θCAEda）b）图4-29平面尺寸链示例

图4-29a所示斜孔钻模板。采用工艺孔d辅助进行加工和测量。求孔d至斜孔中心线的距离尺寸C。已知孔d与孔D的偏移量为E=±0.01mm，θ，A值如图示。【例4-5】

建立尺寸链（图b）【解】4.5.2尺寸链计算方法对上式求全微分，有：各组成环的误差传递系数分别为：最终结果：采用极值算法C=20.981±0.016mm

采用概率算法C=20.981±0.026mm由式（4-14）：可求出：TC=0.032由式（4-18）：可求出：TC=0.052（k=1.4）4.5.2尺寸链计算方法

基本尺寸计算公式直线尺寸链极值算法公式

（4-22）偏差计算公式公差计算公式平均尺寸计算公式（4-23）（4-24）（4-25）（4-26）4.5.2尺寸链计算方法l

计算实例l

竖式计算法：

增环尺寸和偏差照抄，减环尺寸变号且上下偏差对调、变号，最后求代数和得出封闭环的尺寸及偏差。基本尺寸ESEI

增环

减环

封闭环

注意：当计算封闭环的公差小于各组成环公差之和时，则不能保证设计尺寸，故需要调整各组成环的公差。500-0.17100-0.36

-400-0.19

图示工件

，以底面A定位，加工台阶面B，保证尺寸，试确定工序尺寸A2及平行度公差Ta2。【例4-6】

尺寸链b）中，A0为封闭环，A1和A2是组成环；角度尺寸链（图4-26c）中，a0为封闭环，a1

和a2是组成环。【解】4.5.3几种常见工艺尺寸链形式图4-26工艺尺寸链示例b)c)a)A1A2A0a1a2a0A1A2A0ABC0.05A0.1C求解图4-26b和图4-26c的尺寸链，可得到：工序尺寸：平行度公差：工艺基准与设计基准不重合时的工艺尺寸计算

图4-30测量尺寸链示例A2

若实测A2=40.30，按上述要求判为废品，但此时如A1=50，则实际A0=9.7，仍合格，即“假废品”。当实测尺寸与计算尺寸的差值小于尺寸链其它组成环公差之和时，可能为假废品。采用专用检具可减小假废品出现的可能性

图4-30所示零件，尺寸A0不好测量，改测尺寸A2

，试确定A2的大小和公差

由新建立的尺寸链可解出：

A2是测量直接得到的尺寸，是组成环；A0是间接保证的，是封闭环。计算尺寸链可得到：【解】【例4-7】4.5.3几种常见工艺尺寸链形式★

假废品问题：D1

工序基准是尚待加工的设计基准D2xHR1R2xH1)拉内孔至；2)插键槽，保证尺寸x；试确定尺寸x

的大小及公差。3)热处理建立尺寸链如图b

所示，H是间接保证的尺寸，因而是封闭环。计算该尺寸链，可得到：4)磨内孔至，同时保证尺寸。

a）b）图4-31键槽加工尺寸链【解】图4-31所示键槽孔加工过程如下：【例4-8】4.5.3

几种常见工艺尺寸链形式D1xD2H1

讨论：在前例中，认为镗孔与磨孔同轴，实际上存在偏心。若两孔同轴度允差为φ0.05，即两孔轴心偏心为e=±0.025。将偏心e

作为组成环加入尺寸链（图4-32b）

a）b）图4-32键槽加工尺寸链H20.0250.025R1xHR2e重新进行计算，可得到：4.5.3几种常见工艺尺寸链形式

图4-33所示偏心零件，表面A要求渗碳处理，渗碳层深度规定为0.5～0.8mm。与此有关的加工过程如下：

表面淬火、渗碳、镀层的工艺尺寸计算

【例4-9】【解】R2R1H1H0b)图4-33渗碳层深度尺寸换算a)A1）精车A面，保证直径；3）精磨A面保证直径尺寸，同时保证规定的渗碳层深度。D2H0H12）渗碳处理，控制渗碳层深度H1；试确定H1的数值。建立尺寸链，如图b,在该尺寸链中，H0

是最终的渗碳层深度，是间接保证的，因而是封闭环。计算该尺寸链，可得到：D14.5.3几种常见工艺尺寸链形式4.5.4工序尺寸图表法

当零件在同一尺寸方向上加工尺寸较多，且工序（测量）基准需多次转换时，尺寸链建立和计算比较困难，采用图表法可较好解决这个问题

图4-34所示零件有关轴向尺寸加工过程如下：【例4-10】31.69±0.316±0.127.07±0.07ⅠⅡⅢⅣ图4-34图表法示例零件4）靠火花磨削Ⅱ面，控制余量Z7=0.1±0.02，同时保证设计尺寸6±0.1试确定各工序尺寸及公差。1）以Ⅳ面定位，粗车Ⅰ面，保证Ⅰ、Ⅳ面距离尺寸A1，粗车Ⅲ面，保证Ⅰ、Ⅲ面距离尺寸A2；2）以Ⅰ面定位，精车Ⅱ面，保证Ⅰ、Ⅱ面距离尺寸A3，粗车Ⅳ面，保证Ⅱ、Ⅳ面距离尺寸A4；3）以Ⅱ面定位，精车Ⅰ面，保证Ⅰ、Ⅱ面距离尺寸A5，同时保证设计尺寸31.69±0.31；精车Ⅲ面，保证设计尺寸A6=27.07±0.07；Z6Z4Z7Z5ⅠⅡⅢⅣA1A2A3A4A5A6R1R21)画尺寸联系图

1）画零件简图，加工面编号，向下引线2）按加工顺序和规定符号自上而下标出工序尺寸和余量——用带圆点的箭线表示工序尺寸，箭头指向加工面，圆点表示测量基准；余量按入体原则标注。3）在最下方画出间接保证的设计尺寸，两边均为圆点。4）工序尺寸为设计尺寸时，用方框框出，以示区别。注：靠火花磨削余量视为工序尺寸，也用用带圆点的箭线表示。图4-35尺寸联系图【解】4.5.4工序尺寸图表法A5R1Z7a）Z5A3A5d）A3Z4A4A1e）Z6A2A3A5A6c）图4-37工艺尺寸链A5R2A4b）2)用追踪法查找工艺尺寸链A6ⅠⅡⅢⅣA1A2A3A4A5Z7R1R2Z6Z4

图4-36尺寸链追踪Z5

结果尺寸（间接保证的设计尺寸）和余量是尺寸链的封闭环

沿封闭环两端同步向上追踪，遇箭头拐弯，逆箭头方向横向追踪，遇圆点向上折，继续向上追踪…直至两追踪线交于一点，追踪路径所经工序尺寸为尺寸链的组成环4.5.4工序尺寸图表法3)初拟工序尺寸公差中间工序尺寸公差按经济加工精度或生产实际情况给出±0.5±0.3±0.1±0.3±0.07±0.02±0.1±0.31±0.1工序公差余量公差最小余量平均余量平均尺寸单向偏差形式标注初拟修正后ZiminZiMAiMAiA6ⅠⅡⅢⅣA1A2A3A4A5Z7R1R2Z6Z5Z44.5.4工序尺寸图表法4)校核结果尺寸公差，修正初拟工序尺寸公差

校核结果尺寸链，若超差，减小组成环公差（首先压缩公共环公差）±0.23±0.08工序公差余量公差最小余量平均余量ZiminZiM±0.02ⅠⅡⅢⅣ初拟修正后±0.5±0.3±0.1±0.3A1A2A3A4A5Z7R1R2Z6Z5Z4±0.1±0.07A6±0.1±0.31A5R1Z7a）A5R2A4b）4.5.4工序尺寸图表法工序公差余量公差最小余量平均余量ZiminZiMA6ⅠⅡⅢⅣ初拟修正后±0.5±0.3±0.1±0.3±0.1±0.07±0.08A1A2A3A4A5Z7R1R2Z6Z5Z4±0.1±0.31±0.23±0.02A2A3A5A6Z6c）A3A5Z5d）A3Z4A4A1e）±0.55±0.8310.30.30.480.851.83±0.185)计算余量公差和平均余量

根据余量尺寸链计算±0.020.080.14.5.4工序尺寸图表法A2A3A5A6Z6c）A3A5Z5d）A3Z4A4A1e）25.593426.7平均余量平均尺寸ZiMAiMⅠⅡⅢⅣ0.480.851.8327.07A1A2A3A4A5Z7R1R2Z6Z5Z4631.690.1A66.16.18A5R1Z7a）A5R2A4b）6)计算中间工序平均尺寸

在各尺寸链中，首先找出只有一个未知数的尺寸链，解出此未知数。继续下去，解出全部未知工序尺寸4.5.4工序尺寸图表法工序公差余量公差最小余量平均余量平均尺寸单向偏差形式标注ZiminZiMAiMAi初拟修正后±0.23±0.02A6ⅠⅡⅢⅣ±0.5±0.3±0.1±0.3±0.1±0.07±0.08±0.55±0.8310.30.30.480.851.836.127.076.5825.593426.7A1A2A3A4A5Z7R1R2Z6Z5Z4±0.1±0.31631.69±0.18±0.020.080.14.5.4工序尺寸图表法A6ⅠⅡⅢⅣA1A2A3A4A5Z7R1R2Z6Z5Z44.5.5工序尺寸计算机求解方法1234567891413122412132212141-1-1-11-11000001-1-11001)尺寸联系矩阵（T矩阵）

对应尺寸联系图，在计算机中可用矩阵形式表达

矩阵的每一行对应联系图的一个尺寸第1列表示自上而下尺寸线序号

第2、3列表示尺寸线左、右端点所在尺寸界限序号

第4列表示工序尺寸箭头方向，1表示箭头向左，-1表示向右

第5列表示余量性质，1表示箭头指向余量左侧，-1表示箭头指向余量右侧。结果尺寸没有箭头，对应第4列和第5列元素均为0。◆

尺寸联系矩阵表达了尺寸联系图的所有有用信息图4-38尺寸联系图与尺寸联系矩阵

尺寸联系矩阵（T矩阵）的处理1141

0231

-10321

-10442

-115121-1631

-1-17221

18120

09140

0图4-39尺寸联系矩阵变换4.5.5工序尺寸计算机求解方法A6ⅠⅡⅢⅣA1A2A3A4A5Z7R1R2Z6Z5Z41234567891413122412132212141-1-1-11-11000001-1-1100为便于尺寸链查找，将T矩阵第2、3列元素位置进行调整，使工序尺寸箭头对应的尺寸界线序号排在第2列，圆点对应的尺寸界线序号排在第3列。这只需通过对第4列元素值的判断即可实现1141

0231-10321-104

42-115121-1631-1-17221

18120

09140

0A6ⅠⅡⅢⅣA1A2A3A4A5Z7R1R2Z6Z5Z4图3-40

尺寸链计算机查找◆向上追踪至第5行，左追踪线遇箭头拐弯,至圆点向上折。对应于：至第5行时出现L=T(5,2)=1，令：L=T(5,3)=2，表明左追踪线由尺寸线1移至尺寸线2，且A5为该尺寸链的组成环（又，左追踪线遇左箭头可判断A5为增环）◆追踪至第4行，右追踪线遇右箭头，即：R=T(4,2)=4，令：R=T(4,3)=2，并可判断A4为增环。此时有L=R，表明左右追踪线汇交于一点，追踪结束2)尺寸链查找（结果尺寸链查找）

以R2为例：

◆设变量L和R分别为R2左右端点所在尺寸界线的序号，即令：L=T(9,2)=1，R=T(9,3)=4。211442224.5.5工序尺寸计算机求解方法C（i，j）=1，表示工序尺寸Aj是第i

个尺寸链的增环;C（i，j）=-1，表示工序尺寸Aj

是第i

个尺寸链的减环;C（i，j）=0，表示第i个尺寸链不包括工序尺寸Aj。3)尺寸链矩阵（C矩阵）C矩阵的每一行对应一个封闭环（结果尺寸和余量），每一列对应一个组成环（工序尺寸），矩阵每一元素表示封闭环与组成环的关系00000000000000000000010-1-10000010-1000-110-11000000000000

10-1000

11

00A6ⅠⅡⅢⅣA1A2A3A4A5Z7R1R2Z6Z5Z4图4-41尺寸链矩阵12345671234567894.5.5工序尺寸计算机求解方法

尺寸联系矩阵设计尺寸及公差（按平均尺寸和对称偏差形式输入）初拟工序尺寸公差（按对称偏差形式输入）最小余量4)已知条件输入5)校核结果尺寸公差，修正初拟工序尺寸公差

压缩各组成环公差方法：1）按超差量自动压缩；2）采用人机对话例：校核结果尺寸R1和R2

，均超差，计算机将显示如下信息

根据计算机显示结果，设计者可按实际情况灵活地修正有关工序尺寸公差。输入修正值后，计算机重新进行校核，直至达到要求为止4.5.5工序尺寸计算机求解方法6)计算余量公差和平均余量

利用解线性方程组的标准程序求解用类似图表法的算法，首先找出只有一个未知数的尺寸链方程，解出此未知数，重复此过程，直至解出全部的未知数为止。7)尺寸链方程求解

大大缩短计算时间；准确、可靠，可避免人为错误；可使用概率法，使工序尺寸的确定更趋合理。◆计算机方法的优点4.5.5工序尺寸计算机求解方法机械制造基础第4章机械加工工艺规程的制定4.6计算机辅助工艺过程设计ComputerAidedProcessPlanning（CAPP）4.6.1CAPP意义

传统工艺过程设计存在的问题从根本上解决人工设计效率低，周期长，成本高的问题可以提高工艺过程设计的质量，并有利于实现工艺过程设计的优化和标准化可以使工艺设计人员从烦琐重复的工作中解放出来，集中精力去提高产品质量和工艺水平CAPP是连接CAD和CAM系统的桥梁，是发展计算机集成制造的不可缺少的关键技术

CAPP意义设计效率低，周期长，成本高不必要的花色繁多，不利于管理设计质量参差不齐，难于实现优化设计工艺人员短缺和老化是全球机械制造业面临的共同问题4.6.2CAPP工作原理派生式(变异式)CAPP系统(VariantCAPPSystem)◆该类系统以成组技术为基础，根据零件编码查找所属零件组，调出零件组的标准工艺，进行适当的编辑或修改，生成所需的工艺规程。零件组矩阵零件编码查找零件组输入表头信息工艺规程格式工艺规程打印输出标准工艺路线文件标准工序文件图4-42CAM-I推出的派生式CAPP系统框图工作要素处理应用程序工艺路线检索/编辑标准工序检索/编辑工艺规程存储器4.6.2CAPP工作原理标准工艺规程文件特征矩阵文件零件图×××××××××××××××编码第×零件组零件组