第八章机械加工工艺过程设计(与司乃钧主编《机械加工基础》配套)

第8章机械加工工艺过程设计由于零件的结构形状、尺寸精度、形位精度、技术条件和生产数量等要求不同，针对某一零件，需要经过一定的加工工艺过程才能制成。8.1定位基准的选择8.1.1粗基准与精基准粗基准：最初工序中所用的定位基准，是毛坯上未经加工的表面。粗基准的选择应保证所有加工表面都具有足够的加工余量，而且各加工表面对不加工表面具有一定的位置精度。其选择的具体原则如下：1)选取不加工的表面作粗基准，如果零件上有好几个不加工的表面，则应选择与加工表面相互位置精度要求高的表面作粗基准。如图1-45所示，以不加工的外圆表面作为粗基准，既可在一次安装中把绝大部分要加工的表面加工出来，又能够保证外圆面与内孔同轴以及端面与孔轴线垂直。2)选取要求加工余量均匀的表面为粗基准，这样可以保证作为粗基准的表面加工时，余量均匀。例如车床床身(图1-46)，要求导轨面耐磨性好，希望在加工时只切去较小而均匀的一层余量，使其表层保留均匀一致的金相组织和物理力学性能。若先选择导轨面作粗基准，加工床腿的底平面(图1-46a)，然后再以床腿的底平面为基准加工导轨面(图1-46b)，这样就能达到目的。3)对于所有表面都要加工的零件，应选择余量和公差最小的表面作粗基准，以避免余量不足而造成废品。如图1-47所示阶梯轴，表面B加工余量最小，应选择表面B作为基准。4)为使工件定位稳定，夹紧可靠，要求所选用的粗基准尽可能平整、光洁，不允许有锻造飞边、铸造浇冒口切痕或其它缺陷，并有足够的支承面积。5)在同一尺寸方向上粗基准通常只允许使用一次，这是因为粗基准一般都很粗糙，重复使用同一粗基准，所加工的两组表面之间的位置误差会相当大，因此，粗基准一般不得重复使用。(4)精基准精基准的选择应保证加工精度和装夹可靠方便。其选择的具体原则如下：

1)尽可能选择尺寸较大的表面作为精基准，以提高安装的稳定性和精确性。

2)基准重合原则，尽可能选用设计基准为定位基准，即。这样可以避免定位基准与设计基准不重合而产生的定位误差。

3)基准统一原则。零件上的某些精确表面，其相互位置精度往往有较高的要求，在精加工这些表面时，要尽可能选用同一定位基准，以利于保证各表面间的相互位置精度。4)互为基准原则。当工件上两个加工表面之间的位置精度要求比较高时，可以采用两个加工表面互为基准反复加工的方法。5)自为基准原则。当有的表面精加工工序要求余量小而均匀(如导轨磨)时，可利用被加工表面本身作为定位基准，这叫做自为基准原则。此时的位置精度应由先行工序保证。在生产实际中，工件上定位基准面的选择不一定能完全符合上述原则，这就要根据具体情况进行分析，并加以灵活运用。8.1.2工件的定位原理1、工件的六点定位原理任何一个工件，在其位置尚未确定前，均具有六个自由度，即沿空间三个直角坐标轴x、y、z方向的移动与绕它们的转动，如图1-48a所示。要使工件在机床夹具中正确定位，必须限制或约束工件的这些自由度，如图1-48b所示。采用六个定位支承点合理布置，使工件有关定位基准面与其相接触，每一个定位支承点限制了工件的一个自由度，便可将工件六个自由度完全限制，使工件在空间的位置被唯一地确定。这就是通常所说的工件的六点定位原理。2、完全定位与不完全定位如图1-50所示，若在工件上铣键槽，要求保证工序尺寸x、y、z

及键槽侧面和底面分别与工件侧面和底面平行，那么加工时必须限制全部六个自由度，采用完全定位，如图1-50a所示。若在工件上铣阶梯，要求保证工序尺寸y、z及其两平面分别与工件底面、侧面平行，那么加工时只要限制除以外的另五个自由度就够了，因为对工件的加工精度并无影响，如图1-50b所示。若在工件上铣顶平面，仅要求保证工序尺寸z及与底面平行，那么只限制、和三个自由度就行了，如图1-50c所示。不完全定位：按加工要求，允许有一个或几个自由度不被限制的定位称为。在实际生产中，工件被限制的自由度数一般不少于三个。欠定位：按工序的加工要求，工件应该限制的自由度而未予限制的定位。在确定工件定位方案时，欠定位是绝对不允许的。过定位：工件的同一自由度被二个或二个以上的支承点重复限制的定位。在通常情况下，应尽量避免出现过定位。8.1.3夹具的基本知识1.机床夹具的分类和组成机床夹具可根据其使用范围，分为通用夹具、专用夹具、组合夹具、通用可调夹具和可调整夹具等类型。根据所使用的机床可将夹具分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具(钻模)、镗床夹具(镗模)、磨床夹具和齿轮机床夹具等。根据产生夹紧力的动力源可将夹具分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、电动夹具、电磁夹具和真空夹具等。2、夹具的组成夹具一般由以下部分组成：

（1）定位元件夹具上与工件选定的定位基准面接触，用以确定工件正确位置的零件。工件以平面定位时，用支承钉和支承板作定位元件。工件以外圆柱面定位时，用V形块和定位套筒作定元件，如图1-41所示。工件以孔定位时，用定位心轴和定位销作定位元件。图1-42a为圆柱销，图1-42b为菱形销。图1-41外圆柱面定位用的定位元件图1-42定位销(2)夹紧机构工件定位后，为了防止工件由于受切削力等外力的作用而产生位移，而将其夹牢紧固的机构。常用的夹紧机构有螺钉压板(图1-43a)、偏心压板(图1-43b)、斜楔夹紧机构、铰链夹紧机构等。（3）导向元件用来对刀和引导刀具进入正确加工位置的零件，例如钻套。其它导向元件还有导向套、对刀块等。钻套和导向套主要用在钻床夹具和镗床夹具上，对刀块主要用在铣床夹具上。

(4)夹具体和其它部分夹具体是夹具的基准零件，用它来连接并固定定位元件、夹紧机构和导向元件等，使之成为一个整体，并通过它将夹具安装在机床上。根据加工工件的要求，有时还在夹具上设有分度机构、导向键、平衡铁和操作件等。整个夹具及其零件都要具有足够的精度和刚度，并且结构要紧凑，形状要简单，装卸工件和清除切屑要方便等。3、夹具设计的步骤明确设计任务，收集设计资料。拟定夹具结构方案。绘制夹具总图。确定并标注有关尺寸、配合及夹具技术条件。绘制夹具零件工作图，先绘制夹具体，然后按装配顺序逐个绘制全部非标准零件。8.2机械加工工艺规程的制定8.2.1工艺规程的作用把根据具体生产条件拟定的、较合理的产品或零部件制造的工艺过程和操作方法，用图表或文字形式写成的指令性技术文件称为工艺规程。工艺规程的主要作用在于：（1）指导生产的重要技术文件（2）组织生产、安排管理工作的重要依据（3）设计或改（扩）建工厂的主要依据（4）工艺规程有助于技术交流和推广先进经验

在一定的生产条件下，应以最少的劳动量和最低的成本，在规定的时间内，可靠地加工出符合图样及技术要求的零件。制定工艺规程应注意以下问题:1)技术上的先进性

2)经济上的合理性

3)具有良好的劳动条件8.2.2工艺规程的制定步骤1、零件的工艺分析①分析和审查零件图纸

a.了解零件在产品中的功用

b.图纸的完整性和正确性

c.提出修改和补充②审查零件材料是否恰当③分析零件的技术要求④审查零件的结构工艺性零件结构工艺性——是指零件结构在保证使用要求的前提下，是否能以较高的生产率和最低的成本方便地制造出来的特性。2、选择毛坯确定毛坯的因素：a.零件材料及其机械性能b.零件的结构及外形尺寸c.生产纲领及生产类型d.毛坯车间现有生产条件确定毛坯的步骤：①确定毛坯种类②确定毛坯形状③绘制毛坯——零件综合图毛坯种类毛坯制造方法材料形状复杂性公差等级(IT)特点及适应的生产类型型材热轧钢、有色金属(棒、管、板、异形等)简单11-12常用作轴、套类零件及焊接毛坯分件,冷轧坯尺寸精度高、但价格昂贵,多用于自动机冷轧(拉)9-10

铸件木模手工造型铸铁、铸钢和有色金属复杂12-14单件小批生产铸造毛坯可获得复杂形状,其中灰铸铁因其成本低廉,耐磨性和吸振性好而广泛用作机架,箱体类零件毛坯木模机器造型-12成批生产金属模机器造型-12大批大量生产离心铸造有色金属部分黑色金属回转体12-14成批或大批大量生产压铸有色金属可复杂9-10大批大量生产熔模铸造铸钢、铸铁复杂10-11成批或大批大量生产失腊铸造铸铁、有色金属9-10大批大量生产机械制造业常用毛坯种类及其特点(a)毛坯种类毛坯制造方法材料形状复杂性公差等级(IT)特点及适应的生产类型锻件自由锻造钢简单12-14单件小批生产金相组织纤维化且走向合理,零件机械强度高模锻较复杂11-12大批大量生产精密模椴10-11冲压件板料加压钢、有色金属较复杂8-9适用于大批大量生产粉末冶金件粉末冶金较复杂7-8机械加工余量极小或无机械加工余量，适用于大批大量生产粉末冶金热模锻6-7焊接件普通焊接铁铜铝基材料较复杂12-13用于单件小批或成批生产,因其生产周期短、不需准备模具、刚性好及材料省而常用以代替铸件精密焊接10-11工程塑料件注射成型吹塑成型精密模压工程塑料复杂9-10适用于大批大量生产机械制造业常用毛坯种类及其特点(b)3、拟定工艺路线（1）选择定位基准；（2）确定各表面的加工方法；（3）安排加工顺序；划分加工阶段 零件加工时，粗、精加工一般分开进行，通常将整个工艺过程分为四个加工阶段：粗加工阶段半精加工阶段精加工阶段光整加工阶段划分加工阶段的主要目的是：保证加工质量合理利用设备及早发现毛坯的缺陷适应热处理工序的需要划分加工阶段并非是绝对的，拟定工艺过程时，要视实际情况作具体分析。需要注意的是，划分加工阶段是对零件加工的整个过程而言的，不能以某一表面或某一工序的加工来判断。2）切削加工工序的安排切削加工工序的安排一般需要遵循以下原则：基准先行先粗后精先主后次先面后孔3）画线工序的安排4）热处理工序的安排5）检验工序的安排6）其它辅助工序的安排（4）确定工序分散与集中4、工序设计工序设计的内容是为每一工序选择机床和工艺装备，确定加工余量、工序尺寸和公差，确定切削用量、工时定额及工人技术等级。（1）机床和工艺装备的选择（2）加工余量及工序尺寸的确定加工余量的确定方法主要有估计法、查表法和计算法。（3）确定切削用量、工时定额5、填写工艺文件工艺规程制定后，以表格或卡片的形式确定下来，作为生产准备和施工依据的技术文件，称为工艺文件。工艺文件主要有以下三种：（1）机械加工工艺过程卡片（2）机械加工工艺卡片（3）机械加工工序卡片6、其它根据需要设计必要的工具、夹具、刀具和量具等。8.3回转面加工方法综合分析每一种回转面都有很多种加工方法，应根据零件的具体要求和加工条件等决定具体的加工方法。8.3.1外圆表面的加工1、外圆表面加工的技术要求外圆表面的零件占有很大比重，如轴类、套筒类、圆盘类等零件。外圆表面的技术要求包括：尺寸与形状精度；位置精度；表面质量。2、外圆表面加工方案的分析各种加工要求的外圆表面的加工方案如下图所示。（1）一般最终工序采用车加工方案的，适用于各种金属。（2）最终工序采用磨削加工方案的，适用于淬火钢、未淬火钢和铸铁，但不宜加工强度低、韧性大的有色金属。（3）最终工序采用精细车或研磨方案的，适用于有色金属的精加工。（4）研磨、超级光磨和高精度、小表面粗糙度值磨削前的外圆精度和表面粗糙度对生产率和加工质量影响极大，所以在研磨或高精度磨削前一般都要进行精磨。（5）对尺寸精度要求不高，而粗糙度值要求小而光亮的外圆，可通过抛光达到要求。8.3.2孔加工1、孔加工的技术要求零件上的孔多种多样，其技术要求与外圆面的技术要求基本相同。2、孔加工方案的分析孔加工刀具的尺寸受孔径的限制，一般为细长状，刚性差。加工时刀具处在工件材料包围中，散热条件差，排屑困难，切削液不易注入切削区。因此，加工孔比加工同样质量要求的外圆面困难，成本也高。为适应不同的需要和不同的生产类型，孔的加工方法很多。常用的各种孔加工方案如下图。加工公差等级IT9的孔，孔径小于10mm时，可采用钻——铰方案；孔径小于30mm时，可采用钻模钻孔，或采用钻孔后扩孔；孔径大于30mm时，一般采用钻孔后镗孔。加工公差等级IT8的孔，孔径小于20mm时，可采用钻后铰孔的方案；孔径大于20mm时，可视情况而定，采用钻——扩——铰方案适用于加工除淬火钢外的各种金属，但孔径应在20~80mm范围内。淬火钢可采用磨削加工。加工公差等级IT7的孔，孔径小于12mm时，可采用钻后进行两次铰孔的方案；孔径大于12mm时，采用钻——扩——粗铰——精铰方案。加工公差等级IT6的孔，其最终工序要视情况而定。对于已经铸出或锻出的孔，可直接进行扩孔或镗孔。8.3.3轴类零件加工工艺过程分析轴类零件长度大于直径，其主要表面是同轴线的若干个外圆柱面、圆锥面、孔和螺纹等。按结构形状，可分为光滑轴、台阶轴、空心轴和曲轴四大类。在机械中，轴类零件主要用来支撑传动零件和传递转矩。1、机械加工工艺特点（1）定位基准的选择

A用两中心孔定位。装夹方便、符合基准统一和基准重合原则，容易保证较高的位置精度，应用广泛。

B用外圆表面定位。一般用卡盘装夹，因基准面的加工和工件装夹都比较方便，所以应用也较多。但卡盘定位精度低。（2）工艺过程分析轴类零件一般机械加工工艺过程如下：1）预备加工校直、车断、车端面和钻中心孔。2）粗车工序粗车顺序是先加工直径较大的外圆表面或端面，后加工小直径外圆表面或端面。3）精车工序按粗车的顺序精车外圆和端面，然后进行车槽、倒角、车螺纹等。4）其他工序铣键槽、铣花键、钻孔、磨轴颈外圆等。5）热处理工序按工艺需要可在粗车或半精车工序后安排热处理工序。6）磨削工序当加工面要求精度较高、表面粗糙度值较小，以及淬火后的工件，可用磨削加工。2、传动轴机械加工工艺过程（1）传动轴个主要部分的作用及技术要求（2）基准选择为保证各主要外圆表面和端面的相互位置精度，选用两端的中心孔作为粗、精加工定位基准。（3）生产类型和材料的确定生产类型为单件小批生产，选用直径为35的圆钢料为毛坯。（4）工艺分析该零件个加工面均有一定的尺寸精度和位置精度、表面粗糙度的要求。可采用粗车——半精车——粗磨——精磨的加工顺序。8.3.4套类零件加工工艺过程分析套类零件在机械中应用很多，其主要功用是起支承或导向，在工件中承受径向力或轴向力。如，滑动轴承、液压缸等。套类零件的结构特点是：主要表面为同轴度要求较高的内、外旋转表面，壁厚较薄易变形，端面和轴线垂直，长度一般大于直径。1、机械加工工艺特点（1）加工方法的选择套类零件主要加工面是孔、外圆和端面。定位基准为外圆或孔。外圆按加工精度要求，采用车削和磨削加工。孔的加工方法比较复杂，根据其结构形状、尺寸、长径比、精度等因素，选择钻、扩、铰、镗、拉、磨等加工方法。套类零件加工的主要工艺问题是保证各表面间位置精度和防止变形。（2）保证个表面相互位置精度的方法1）在一次装夹中完成内外表面及端面的全部加工。2）主要表面分在几次装夹中加工，先粗加工外圆并精加工孔，而后以孔为精基准最后精加工外圆。3）主要表面分在几次装夹中加工，先粗加工外圆，然后以外圆为精基准最后精加工孔。（3）防止变形的工艺措施1）采用轴向夹紧工件的夹具或在工件上作出辅助凸边，以增加工件刚性。2）用增大主偏角和采用内外表面同时加工的方法，使径向力减小或相互抵消；将粗、精加工分开，使粗加工产生的变形在精加工中纠正。3）为减少热变形引起的误差，精加工时应使工件在轴向或径向能自由伸缩。在粗、精加工之间使工件充分冷却，合理使用切削液。4）将热处理工序安排在精加工前，以使热处理造成的变形在后续工序中得到纠正。 2、衬套机械加工工艺过程图中衬套主要表面的尺寸精度、相互位置精度要求高，表面粗糙度值较小。可采用粗车——精车的工艺来达到要求。8.3.5轮盘类零件加工工艺过程分析轮盘类零件种类较多，如齿轮、带轮、端盖等。一般齿轮毛坯用锻件，也可用铸件；带轮、端盖等形状复杂的零件常用灰铸铁件。轮盘类零件的结构一般由孔、外圆、端面和沟槽等组成，有的零件有齿形。技术要求出表面本身的尺寸精度、形状精度和表面粗糙度外，还可能有内、外圆间的同轴度、端面与孔轴线的垂直度等位置精度要求。对孔的精度要求一般比较高。1、机械加工工艺特点轮盘类零件一般以孔为设计基准，以一个主要端面为轴向尺寸的设计基准。一般选用外圆作为粗基准。当零件有较大和较准确的毛坯孔时，选择孔为粗基准。精基准可选孔和外圆。实际上大多选孔为零件最后的加工基准。而在加工过程中则往往采用外圆与孔反复互相作为精基准。当孔直径过小或长度过短时，可采用外圆或齿轮渐开线作为精基准，最后精加工孔。有些精度要求不高的轮盘类零件，如结构上允许或选用棒料为毛坯时，可在一次装夹中加工完毕。2、典型工艺过程（1）拉孔方案（大批大量生产）调质——车端面、钻孔、扩孔——拉孔——粗、精车另一端面和外圆——滚齿或插齿——热处理——齿形精整加工——以齿形定位磨内孔。（2）车孔方案车端面、钻孔、粗车孔——以孔定位粗车另一端面及外圆——调质——以外圆定位半精车、精车端面和内孔——以孔定位精车另一端面和外圆——滚齿或插齿——热处理——齿形精整加工——磨内孔。8.4平面加工方法综合分析8.4.1平均加工的技术要求平面是盘形、板形和箱体类零件的主要表面之一。根据平面所起的作用不同，可分为非接合面、接合面、导向平面、测量工具的工作面等。平面加工的技术要求主要包括：形状精度、位置精度、表面质量等。8.4.2平面加工方案的分析常用的平面加工方案如下图。（1）最终工序采用刮削时，用于要求直线度高、表面粗糙度小且不淬硬的平面。批量较大时，可采用宽刃细刨代替刮削。（2）最终工序采用高速精铣时，适合加工精度要求高的有色金属工件。（3）最终工序采用磨削时，适合加工要求直线度高、表面粗糙度值小的淬硬工件和薄片工件，也用于不淬硬的钢件或铸件上较大平面的精加工。（4）精