机械制造工艺学讲义

机械制造工艺学讲义机械制造工艺学讲义机械制造工艺学讲义概论1什么是机械制造工艺过程？制造工艺=制造技术。机械制造工艺过程——改变零件的形状、尺寸、相对位置和材料的性质等，使其成为半成品或成品的过程。包括冷加工工艺过程和装配工艺过程。2机械制造工艺学的研究对象研究的对象——机械制造工艺过程的理论及规律。它是生产实践和科学研究的积累和总结。3研究的目的优质——质量好

高产——生产率高

低消耗——成本低、经济性好

有些学者还提出：可持续性、环保等4内容和任务4.1研究如何达到优质、高产、低消耗。质量是首要的，是设计要求。这三者是辨证关系，要全面考虑。4.2学习和掌握工艺规程设计的原则、步骤、方法。通过学习典型零件的工艺规程设计，获得思考的方法、分析的思路途径、决策的要点。4.3打好基础，为探索和开发新工艺作准备。5学习的方法综合各门专业基础课，抓住质量、生产率、经济性的关系，重视实践，理论及实践相结合是学好本课程的关键。第一章

典型零件机械加工工艺规程的设计第一节制订工艺规程的步骤1.1分析研究装配图和零件图1）了解产品的性能、技术要求、零件在整机中的作用。2）工艺审查：工艺性好不好。比如：结构工艺性，精度、表面粗糙度是否过高。1.2确定毛坯的制造形式1.2.1制造形式：铸造、锻造、焊接结构、型材、冷轧、粉末冶金、精密铸造等。

1.2.2加工余量：在现有精度的条件下，余量尽可能小，加工得过即可。1.2.3是否安排工艺搭子1.3拟定零件的机械加工工艺路线

1.3.1加工方法的选择

1)按经济精度和表面粗糙度来确定加工表面的最终加工方法。2)同时考虑材料的性质、生产类型、本厂条件。问题：车、铣、磨、钻、铰、镗等加工方法的经济精度是什么？1.3.2加工阶段的划分

1粗加工阶段：去除余量，重点考虑生产率。如粗车、粗铣、强力粗磨等

2半精加工阶段：为主要表面的精加工作准备（比如留下精加工的余量，定位基准等），并完成一些次要表面的加工（如螺栓孔、键槽等）。半精加工一般安排在热处理前。

3精加工阶段：达到图纸的精度要求。对精度、表面粗糙度要求很高的表面，还要安排光整加工。（光整加工一般只提高精度和表面粗糙度，不纠正形状位置精度）问题：为什么要划分加工阶段？1.3.3工序的集中和分散

1工序集中在一台机床上完成多个加工表面的加工。如多工位组合机床、加工中心等

2工序分散把各个加工表面安排到多台机床上加工。用在产品固定、产量大、生产率高的生产。趋势：多品种、小批量的生产，向工序集中发展1.3.4加工顺序的安排

1原则：先粗后精、先主后次、先面后孔、基准先行。

2热处理的安排

预备热处理：安排在切削加工之前，为改善材料的切削性能。

最终热处理：安排在半精加工之后、精加工之前，为提高材料的强度硬度（设计要求）

去内应力处理：粗加工之后、精加工之前。如人工时效、退火等

3辅助工序的安排检验（每道工序自检、粗加工后、重要工序后、全部加工完成后要安排检验）、去毛刺、清洗、探伤、防锈等。1.4确定各工序的定位基准和夹紧方法问题1：设计基准、工艺基准是什么？问题2：粗基准、精基准指的是什么？1.4.1粗基准的选择原则1）用重要的表面作为粗基准——保证这个重要表面的加工余量均匀。如车床导轨面。2）用及加工表面有位置精度的非加工表面为粗基准——保证所要求的位置精度。3）以各个加工表面中余量最小的表面为粗基准——保证有最小的加工余量。4）用尺寸较大、平整、光洁的表面为粗基准——保证定位可靠。1.4.2精基准的选择原则

1）基准重合尽量用设计基准作为定位基准。设计基准及定位基准不重合会产生什么误差？

2）基准统一尽量用同一个基准来加工各表面，保证位置精度。

3）互为基准先用要加工的表面为基准，将基准面加工出来，再用此基准来加工要加工的表面。如磨齿：先用齿面为基准磨内孔，再用内孔为基准磨齿面。

4）自为基准直接用要加工的表面为基准。如用百分表找正导轨面后，磨削导轨面。浮动镗也是自为基准。1.5确定设备、刀、夹、量具及辅助工具1.6确定工序间的余量、工序尺寸和公差、毛坯尺寸1.6.1加工余量

一般按经验选取，可查手册。1.6.2工序尺寸及公差表明每到工序应加工到什么尺寸、什么精度。根据加工顺序，先确定每道工序的余量及（经济）精度，从最后一道工序向前推算。工序尺寸的公差一般按入体原则标注（毛坯按对称标注）1.7确定各工序的切削用量和工时定额

一般按经验或查手册及本厂条件确定1.8填写工艺文件

零件机械加工工艺设计具体体现在工艺文件上。工艺文件很重要，是指导生产的法律文件。根据不同的生产条件有工艺过程卡、工艺卡、工序卡等多种。第二节车床主轴箱箱体工艺过程设计图1-1车床主轴箱箱体2.1精度分析

1轴孔的精度：——难度在此！精度高

主轴孔最高IT6，圆度0.01

2轴孔的位置精度：——基准是关键

同轴度、轴线及端面的垂直度，平行度最高：主轴孔及底面D、导向面E的距离偏差及平行度

3平面精度：

D、E面接触面积及垂直度，顶面B的平面度

4表面粗糙度：

主轴孔0.8~1.6，孔1.6，基面1.6-3.2，其他面1.6-6.32.2毛坯制造材料：HT20-40手工木模造型——精度低、余量不均匀。2.3加工方法的选择

1平面加工平面加工常用：刨削、铣削、磨削等。

平面的精度不算高，精铣、精磨便可达到。 D、E面是设计基准面，也是装配的基准面，是重要表面。其表面粗糙度1.6，虽用精铣也可达到，但考虑到质量的稳定性等因素，加工能力应留有裕量，采用精磨作为最终的加工方法。加工方法如下：粗铣——半精铣——粗磨——精磨其他平面：粗铣——精铣

2孔系加工

箱体上一系列有相互位置要求的孔—孔系。

2.1划线找正、试切镗孔 孔距精度±0.05mm，效率低，操作水平要求高。

2.2利用镗模镗孔 平行度同轴度可达0.02-0.03(一端加工),0.04-0.05(两端加工),孔距精度0.04-0.08。效率高，镗模成本高，在中大批量生产常用。

2.3坐标法镗孔 普通镗床借助测量工具，移动主轴的相对位置来镗孔。效率低，精度由测量手段决定。 一般使用坐标镗床，效率高、精度高。定位精度0.003-0.008mm,孔距精度0.01-0.03。 3主轴孔精度较高，要仔细考虑，其他孔精加工即可。

孔精加工可采用：粗镗——半精镗——精镗或精铰（经济精度IT6-IT7，Ra1.6）

对主轴孔，精度更高（IT6），再加上浮动镗作为其最终加工方法。图1-2浮动镗刀镗孔图1-3浮动镗刀块2.4定位基准的选择

1、精基准的选择：（两种方案）1）定位基准及设计基准重合，用底面D、导向面E为定位基准。这种方案，要从顶面上加入中间支承（因镗杆变形），使用起来很不方便。

2）大批量可用顶面作为定位基准，加上两定位销孔（一面两销）。中间支承好加。但由于基准不重合，必须提高定位基准顶面的精度，以及做出定位用的销孔。图1-4以底面为定位基准的镗模示意图（a为镗模，b为用于插入箱体内的吊模）图1-5以顶面定位的镗模2.5加工顺序的安排先面后孔、基准先行、先主后次。2.6热处理工序的安排1）铸件——加工前人工时效，消除内应力。2）在粗加工后精加工前，自然时效。2.7检验工序的安排1）各工序自检。2）终检：按图纸要求检验。2.8确定工艺过程2.9加工余量的确定

按经验和手册选取。平面用单边表示，孔用双边表示。2.10工艺尺寸的计算工序尺寸基本上可以直接由余量计算达到，没有复杂的计算。对孔系的加工，需要将孔的位置换算成坐标尺寸。例子：1）由定位面D、E，确定主轴孔Ⅳ的坐标尺寸，按经济精度选取其公差（±0.05）。2）以主轴孔Ⅳ轴心为原点，计算Ⅲ、Ⅴ孔的坐标尺寸及公差：Ⅲ-Ⅴ孔中心距99±0.09为组成环最多的封闭环，因此，由此开始计算，求出组成环的尺寸及公差。（平面孔系，求出公差的关系）3）验算另两个中心距尺寸链。图1-6车床主轴箱箱体轴孔位置的换算图1-7轴孔轴心坐标尺寸换算结果2.11确定切削用量、时间定额

经验、手册，根据本厂条件确定。2.12填写工艺文件第三节车床主轴工艺过程设计3.1主轴的主要技术条件

1设计要求：1）扭转刚度、弯曲刚度2）回转精度（尺寸及形位精度、Ra）3）耐磨性、抗振性、稳定性4）抗疲劳强度

2主轴支承轴径的精度1）IT5，中间支承轴径IT5，力争中间公差。2）圆度：对普通精度机床：<尺寸公差的1/4~1/2，约5~8μm。

对高精度机床：<尺寸公差的5%~10%，<1μm。3）同轴度：对普通精度机床：<Φ0.01~Φ0.05对高精度机床：<Φ0.003~Φ0.0054)支承轴径的轴肩的端面圆跳动：<6~8μm（普通），<2~3μm（高精度）。

3主轴工作表面的精度包括：1）尺寸及形位精度、Ra、接触精度。2）及支承轴径的同轴度。3）定位端面及支承轴径的垂直度。通过规定：1）端面的圆跳动（0.005~0.01）2）定心锥孔的径向跳动：近端：0.01（普通精度），0.002~0.003（高精度）300mm处：0.01~0.03（普通），0.005~0.01（高）

4次要轴径及其他表面精度

IT6，圆度0.005，Ra0.8~0.2

5表面粗糙度

6表面层硬度对滚动轴承轴径：HRC45~50

对滑动轴承轴径：依轴瓦而定：HRC50（锡青铜轴瓦时）>HRC65（钢轴瓦时）7材料及热处理8主轴的分类

3.2主轴机械加工工艺过程分析

同轴的阶梯轴，主要表面为内、外圆——车、磨

螺纹、键槽、花键

以C6150型车床主轴加工为例。1材料及精度分析（同前）2加工方法：1）支承轴径：精磨可达：IT6，Ra0.8~0.2，仔细操作可达IT5。

粗车——半精车——精车——粗磨——半精磨——精磨——光整（Ra更小时，镜面磨削、研磨、珩磨等)2）次要轴径

IT6级——及支承轴径类似的加工方法

3）主轴锥孔（1）采用车——磨的方式专用锥孔磨床、专用锥孔夹具（以支承轴径定位，有中心架、用挠性传动）（2）直接磨削（自磨自）把主轴装配后，在刀架装内圆磨头，调整角度来磨。4）中心通孔

L/D>5，属深孔加工

深孔钻、扩——拉铰（拉镗）3定位基面的选择1）轴径外圆：中心孔（基准统一）在加工中心通孔后，则：（1）用倒角锥面代替中心孔（孔径小时）。（2）配堵头、过桥（用堵头、过桥上的中心孔）（3）找正（自为基准）2）锥孔加工时，用支承轴径为基准（基准重合）4热处理5检验1）尺寸精度2）同轴度、垂直度（跳动）：包括近端及300mm处径向及端面跳动。3）锥孔接触率：>70%6C6150型车床主轴机械加工工艺过程第3节 圆柱齿轮的加工工艺1齿轮的精度要求1）传动的准确性：传动的精度，公差组I。2）传动的平稳性：振动、噪声，瞬时传动比，公差组II。3）载荷分布的均匀性：应力、磨损，公差组III。4）齿侧间隙：合适的间隙，润滑，补偿误差。2齿形的加工

2.1仿形法 用成形刀具进行加工：模数铣刀铣齿、成形砂轮磨齿、齿轮拉刀拉齿等。刀具的齿形为近似齿轮，精度低，效率低。

2.2展成法

利用齿轮啮合原理进行加工。 1）滚齿 滚刀就是一个齿数很少，螺旋角大的螺旋齿轮，开出刀刃。 由于渐开线滚刀制造困难，用近似滚刀来代替。 连续加工，效率高。常用的加工方法。 2）插齿 插齿刀就是有前后角形成刀刃的齿轮或齿条。 插齿精度较高，加工时有空行程，效率略低。也是常用的加工方法，尤其适用于加工双联齿轮。 3）剃齿 剃齿刀是高精度的螺旋齿轮，沿渐开线方向开槽，形成刀刃。利用齿面的相对滑动，进行细微切削。4）珩齿 珩齿及剃齿的原理和运动是相同的。珩磨轮是含有磨料和粘结剂的螺旋齿轮。珩齿过程是低速磨削，研磨和抛光的综合过程。5）磨齿 磨齿按照加工原理又可分为仿形法及展成法两类。展成法磨齿是将砂轮修整成假想齿条的一个侧面或一个齿。是加工精度最高的方法。3圆柱齿轮加工工艺过程分析

序号工序名称工序内容定位基准1锻造毛坯锻造

2热处理正火

3粗车粗车各档外圆及端面，留余量1.5-2.5，钻Ф33孔，车内齿轮孔Ф65x17端面和外圆4半精车半精车两端面，车花键孔和内齿轮孔端面和外圆5拉拉花键孔端面和内孔6精车精车各档外圆到尺寸端面和内孔7精车精车内齿轮孔至尺寸，割槽端面和外圆8滚齿滚齿，Z=56A面和花键孔9插齿插齿：Z=21A面和花键孔10插齿插内齿：Z=26B面和花键孔11倒角齿端倒角，去齿部毛刺端面和花键孔12剃齿剃齿：Z=56，21端面和花键孔13热处理齿面高频淬火

14拉推花键孔端面15珩齿珩齿：Z=56，21端面和花键孔16检验检验，入库

第三章计算机辅助工艺过程设计第一节概述

一、基本概念： CAPP：ComputerAidedProcessPlanning

用计算机完成工艺过程设计，输出工艺规程。

现发展为广义CAPP:ProductionPlanning生产计划，包括生产计划、作业计划等 MRPII或ERP二、传统工艺设计方法的存在的不足： 1）要求工艺设计人员有丰富的经验：生产经验、设备使用、生产规范等。 2）工艺多样性，一致性差。 3）设计出来的工艺质量不稳定，一般难以优化。 4）设计周期长，重复劳动多。三、CAPP的意义：1）减少设计周期，提高产品的竞争力。2）工艺标准化和优化。3）使工艺设计人员可以从事更多的新工艺开发等创造性的工作。4）CAD和CAM集成的桥梁，CIMS的信息集成的关键。5）有助于经验的总结和继承。四、CAPP的基本结构及组成包括以下的基本模块：

1）控制模块：协调各模块的运行。

2）零件信息获取模块：人工输入，从CAD中自动获取。

3）工艺过程设计模块（工艺生成模块）：工艺决策、工艺过程卡生成。

4）工序生成模块：生成工序卡。

5）工步决策模块：生成工步卡。

6）输出模块：输出各种工艺文件。

7）工序图自动生成模块8）NC指令生成模块9）加工过程动态仿真五、CAPP的关键技术1）成组技术：把相似的问题归类成组，寻求解决这一组问题相对统一的最优方案，以取得所期望的经济效益。2）零件信息的描述和获取3）工艺设计决策方法包括：工艺决策；工步决策；工艺参数决策等。4）工艺知识的表示和获取。5）工序图的自动生成。6）工艺数据库的建立。六、CAPP的分类 1）交互式：完全人工设计，交互式的输入到计算机。 2）变异式（派生式）：通过修改现有工艺来获得新工艺。 3）半创成式（综合式）：有部分内容自动生成。 4）创成式：自动生成工艺规程。第二节 CAPP零件信息描述和输入一、零件信息 1）表头信息：零件名称、零件图号等 2）结构形状、尺寸：几何拓扑信息。 3）加工信息：精度、表面粗糙度、热处理、技术要求等。 CAPP的难点之一：如何把这些文字、图形、符号等表示的复杂信息转化成计算机能识别的信息（数据结构）。二、对零件信息描述的要求 1）准确性。2）完整性。3）简明。

利于计算机存储、使用。三、 CAPP常用零件信息描述和输入方法1）成组代码描述法：建立在成组技术基础上的零件信息描述方法，它将零件的信息进行整理分类，用不同的代码表示不同的零件信息。优点：表达形式简单，用十几位代码表示，有相当的信息量。缺点：不易做到完整，不易对数值进行准确描述。结构：有层次结构（树状结构）、链式结构、混合结构。工业上多为混合结构，如Opitz,KK-3,JLBM-1等。类型：（1） 基于零件设计的编码系统。（2） 基于零件制造的编码系统。（3） 基于零件设计和制造的编码系统。（4） 基于零件生产和管理的编码系统。2）特征表面描述法（图素法）

将零件划分成由一系列具有一定几何结构，包括精度信息在内的特征型面组成（如回转体可以划分为：外圆柱、外圆锥、外花键、外螺纹等）。这些特征包括几何参数、工艺参数（公差、Ra等）以及型面结合参数（方位及坐标）。优点：直观、完整、准确。缺点：复杂、多解。3）方位特征描述法按照三维空间坐标系的不同方向，对零件在不同方向上的待加工表面进行分析，分解成不同的形状特征，用不同特征参数表示出来。

主要用于箱体类零件的描述。4） 拓扑法一个零件用点、线、面、体之间的拓扑关系来表示。拓扑关系可用点及边之间、边及面之间的关联矩阵来表示，于是，一个零件的图形就可以通过关联矩阵来表示出来。优点：有效地表示零件的几何信息。缺点：要借助其他方法表示工艺参数（精度、表面粗糙度等）。5） 框架描述输入法以框架的形式建立零件的信息模型，逐层逐项输入。特点：可做到全面，但复杂。四、现状和发展方向：尚无法解决自动获取零件信息的问题，因为CAD中使用点线面造型的几何数据，工艺信息（精度、表面粗糙度）等无法自动识别解决方法：提出在CAP中使用特征造型代替几何造型。我们在集装箱零件CAPP系统的研究中，基于特征分类，用编码系统来表示零件信息。第三节 CAPP系统工艺生成一、工艺生成的内容 1）工艺路线的确定 2）工序、工步内容：包括切削用量的选择。 3）设备、夹具、刀具、模具的确定。 4）工艺文件：包括工序图。二、工艺生成的两种基本类型1、变异式（派生式）工艺生成方法：1）原理：建立在成组技术的基础上，利用“相似零件有相似工艺”的原理，一个新零件的工艺是通过检索相似零