机械加工工艺过程设计

机械制造技术基础北京交通大学机电学院刘伟2/95加工余量的确定第5章机械加工工艺过程设计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3/95机械制造技术基础第5章机械加工工艺过程设计MachiningProcessPlanning5.1

制定工艺规程的步骤和方法StepsandMethodsofProcessPlanning4/955.1.1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，是企业组织生产活动和进行生产管理的重要依据。5/955.1.1机械加工工艺规程

工艺规程形式（工艺过程卡、工序卡、工艺卡）

6/955.1.1机械加工工艺规程

7/955.1.1机械加工工艺规程

8/955.1.2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。机械加工工艺规程设计原则9/955.1.3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10/95

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5-4。5.1.4机械加工工艺规程设计步骤机械加工工艺规程设计步骤11/955.1.4机械加工工艺规程设计步骤表5-4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12/954.选择定位基准（见5.2节）5.拟定加工路线（见5.3节）6.确定满足各工序要求的工艺装备5.1.4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。13/95

确定各工序加工余量，计算工序尺寸和公差（见5.5节）确定切削用量（见3.6节）确定时间定额（见5.8.1节）编制数控加工程序（对数控加工）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（见5.8.2节）。12.填写或打印工艺文件5.1.4机械加工工艺规程设计步骤14/95机械制造技术基础第5章机械加工工艺过程设计MachiningProcessPlanning5.2

定位基准的选择SelectionofLocationDatum15/95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：5.2.1定位基准

使用未经机械加工表面作为定位基准，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5-1）等。粗基准使用经过机械加工表面作为定位基准，称为精基准。精基准附加基准16/955.2.1定位基准

工艺凸台A向A图5-1小刀架上的工艺凸台17/95a）b）c）5.2.2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。◆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5-2粗基准选择比较18/95图5-3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

5.2.2粗基准的选择19/955.2.3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20/95

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；5.2.3精基准的选择图5-5主轴箱零件精基准选择21/955.2.3精基准的选择

图5-7以顶面和两销孔定位

镗孔支架图5-6置于箱体中部的吊架支承

吊架22/95

在实际生产中，经常使用的统一基准形式有：

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。5.2.3精基准的选择23/95

◆互为基准原则轴径轴径锥孔图5-8主轴零件精基准选择【例】主轴零件精基准选择（图5-8）5.2.3精基准的选择◆自为基准原则

【例】床身导轨面磨削加工（图5-9）图5-9导轨磨削基准选择24/95◆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。5.2.3精基准的选择25/95机械制造技术基础第5章机械加工工艺过程设计MachiningProcessPlanning5.3

加工路线的拟订DeterminetheMachiningRoute26/955.3.1加工方法的选择图5-10加工误差与成本关系CΔ0AB

经济精度随年代增长和技术进步而不断提高（图5-11）

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5-10AB段）加工经济精度加工误差（μm）196010-110-210-319202000102101100年代图5-11加工精度与年代的关系一般加工精密加工超精密加工27/955.3.1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）生产批量和生产节拍要求4）企业现有加工设备和加工能力5）经济性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5-6，5-7，5-8。28/955.3.1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5-12外圆表面的典型加工工艺路线29/955.3.1加工方法的选择

图5-13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IT5Ra0.08~1.2530/955.3.1加工方法的选择图5-14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IT10～11Ra5～2031/955.3.2加工顺序的安排

先基准后其他——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

先粗后精

机械加工工序的安排32/95

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。5.3.2加工顺序的安排热处理和表面处理工序的安排33/955.3.2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34/955.3.3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35/955.3.3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36/955.3.4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37/95机械制造技术基础第5章机械加工工艺过程设计MachiningProcessPlanning5.4

数控加工工艺DataMachiningProcess38/955.4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5-15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39/955.4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40/955.4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5-16孔加工路线示例a）b）41/955.4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5-17内、外圆加工路线a）外圆加工b）内孔加工42/955.4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）5-18型腔加工路线比较43/955.4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5-19高速切削刀具路径规划（DELCAM公司）44/955.4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5-20壳体零件简图45/955.4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46/955.4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5-5壳体数控加工工艺卡47/95机械制造技术基础第5章机械加工工艺过程设计MachiningProcessPlanning5.5

工序尺寸的确定DeterminetheOperationalDimensions48/955.5.1加工余量

加工余量——加工过程中从加工表面切去材料层厚度

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（5-1）◎

对于包容表面（5-2）a）b）c）d）Zbab图5-21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49/955.5.1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（5-3）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（5-4）（被包容尺寸）（包容尺寸）（5-5）（被包容尺寸）（包容尺寸）50/95

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（5-6）（被包容尺寸）（包容尺寸）

余量公差（5-7）（被包容尺寸与包容尺寸）5.5.1加工余量51/955.7.2最小加工余量最小余量构成（图5-25）◎

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。（5-8）◎

无心磨床磨外圆◎

研磨、抛光平面RyHaeaεb图5-22最小加工余量构成52/95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。5.7.2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。53/95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加工经济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

——5.7.3工序尺寸确定54/95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

——5.7.3工序尺寸确定表5-6主轴孔工序尺寸及公差的确定浮动镗0.11007Ra0.8

精镗0.5100-0.1=99.98Ra1.6半精镗2.499.9-0.5=99.410Ra3.2

粗镗599.4-2.4=9712Ra6.3毛坯孔100-8=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5-2】55/95机械制造技术基础第5章机械加工工艺过程设计MachiningProcessPlanning5.6

工艺尺寸链ProcessDimensionalChain56/955.6.1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57/955.6.1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：（5-9）58/95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5-23工艺尺寸链a1a2a0A1A2A0b)c)A1A2A0a)ABC0.05A0.1C5.6.1尺寸链基本概念

工艺尺寸链示例（图5-23）：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5-3】尺寸链方程为：59/95

公差极值算法

（5-10）（5-11）★

偏差计算公式5.6.2尺寸链计算方法式中，ES0、EI0—封闭环的上、下偏差；

ESj、EIj—增环的上、下偏差；

ESk、EIk—减环的上、下偏差；60/95

公差极值算法

式中T0L

——封闭环公差（极值公差）；

Ti

——各组成环公差。（5-12）★

公差计算公式上式表明直线尺寸链封闭环的公差等于所有组成环公差之和。

5.6.2尺寸链计算方法61/95图5-24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5-24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

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5-4】5.6.3几种常见工艺尺寸链形式★

假废品问题：

由新建立的尺寸链可解出：62/95D1

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5-25键槽加工尺寸链【解】图5-25所示键槽孔加工过程如下：【例5-5】5.6.3几种常见工艺尺寸链形式63/95D1xD2H1

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5-26b）

a）b）图5-26键槽加工尺寸链H20.0250.025R1xHR2e5.6.3几种常见工艺尺寸链形式重新进行计算，可得到：64/95

图5-27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5-6】【解】R2R1H1H0b)图5-27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：D15.6.3几种常见工艺尺寸链形式65/95机械制造技术基础第5章机械加工工艺过程设计MachiningProcessPlanning5.7计算机辅助工艺过程设计ComputerAidedProcessPlanning（CAPP）66/955.7.1CAPP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67/955.7.2CAPP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5-28CAM-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68/955.7.2CAPP工作原理标准工艺规程文件特征矩阵文件零件图×××××××××××××××编码第×零件组零件组形成工艺过程设计a）准备阶段

图5-29派生式CAPP系统工作的两个阶段零件图标准工艺检索编码×××××第×零件组零件组搜索工艺规程（编辑）b）使用阶段◆

派生式CAPP系统工作的两个阶段69/95◆

派生式CAPP系统特点：

1）程序简单，易于实现。目前多用于回转体类零件CAPP系统。

2）需人工参与决策，自动化程度不高。

3）具有浓厚的企业色彩，局限性较大。5.7.2CAPP工作原理创成式CAPP系统（GenerativeCAPPSystem）从无到有生成（工艺决策算法和逻辑推理）◆

零件信息描述零件工艺过程70/955.7.2CAPP工作原理◆

例：普渡大学APPAS（AutomatedProcessPlanningandSelection）系统是一个实验性系统，适用于非回转类零件表面加工方法的生成每一加工表面用一数组表示：孔——AT（40）面——AT（32）槽——AT（31）数组各元素含义：①表面编号；②表面类型（如：1—圆孔，2—平面，3—槽…）；③类型号码（取决于类型，如孔：1—圆孔，2—锥孔，3—螺孔…）；④材料类型（如：1—铸铁，2—球铁，3—钢…）；⑤材料硬度…☆

零件加工表面信息输入71/955.7.2CAPP工作原理☆

逻辑关系的建立读入一个表面数据CALLSIMHOL精镗孔/面/槽？光孔/台阶孔？CALLACCHOLCALLSLOTCALLSURFACECALLCOMHOLCALLCORHOLCALLDRILLCALLREAM钻可行？铰可行？套料否？槽面Y光孔台阶孔NNNYY图5-30APPAS系统工艺决策程序框图72/955.7.2CAPP工作原理☆

加工方法选择每种加工方法均对应于一定的工作范围

例：麻花钻钻孔对应的工作范围——DMAX

=

2″,DMIN

=

0.0625″ES

=

0.007√D+0.003″,EI=0.007√D

位置精度：±0.008″

粗糙度：Ra=200μm

长径比：L/D＜12◆

创成式CAPP系统特点：

1）不需人工干预，自动化程度高。

2）决策更科学，具有普遍性。

3）由于工艺过程设计经验成分偏多，理论还不完善，完全彻底的创成式CAPP系统还在研究探索之中。73/955.7.2CAPP工作原理半创成式CAPP系统（Semi-GenerativeCAPPSystem）◆派生式CAPP系统完全以人的经验为基础，难于保证设计最优，且局限性较大；

完全创成式CAPP系统还不成熟。

将两者结合起来，采用部分创成，部分派生（或部分人工干预）的方法是一种可取的方案。◆

半创成式CAPP系统特点：

1）集派生式及创成式系统的优点，又克服两者的不足。

2）目前为多数CAPP系统采用。☆例：神户大学开发的半创成式CAPP系统（图5-31）74/955.7.2CAPP工作原理热处理、表面处理、手工作业等补充加工顺序和工序修正加工顺序处理机床选择调入一个零件数据机床组合零件数据工艺规程处理完否？NY工艺规程打印策略存储器机床文件

加工顺序存储器1000个零件数据

余量、精

度存储器动态制约：例轴长径比限制；淬火后只能磨…确定加工方法策略；机床选用顺序；机床选用策略…典型加工顺序检索确定加工余量划分加工阶段人工干预动态存储器图5-31神户大学半创成式CAPP系统程序框图75/955.7.3CAPP关键技术

零件信息输入

零件加工表面可分为基本形面和辅助形面；形面可用特征参数进行描述；形面与一定的加工方法相联系

较粗糙，信息输入不完整多用于只需制定简单工艺路线的场合只适用于派生式CAPP系统1）成组编码法：

输入工作量大是其主要的弱点2）形面描述法：

可完整地描述零件的几何、工艺信息，是目前CAPP系统使用最多的信息输入方法

多采用菜单（交互）方式输入，便于操作76/955.7.3CAPP关键技术1.圆柱面2.圆锥面3.圆柱齿轮

4.圆锥齿轮5.蜗轮齿形6.花键

7.

螺纹8.滚花9.退出外部基本形面菜单1.直径：上偏差：

下偏差：2.长度：上偏差：下偏差：3.

表面粗糙度（Ra）：4.是否基准面：5.形位公差代号：公差：基准：6.有无辅助面？有无外圆柱面特征参数

1.径向孔2.端面孔3.径向螺孔

4.端面螺孔5.圆弧槽6.矩形槽

7.

端面槽8.斜孔9.退出外部辅助形面菜单圆柱面有77/955.7.3CAPP关键技术3）与CAD系统相连接图5-32

专用接口示例专用接口AutoCAD系统实体模型几何/拓扑特征识别提取输入工艺管理信息特征文件TJU-CAPP系统

通用接口、专用接口、共享数据库由于目前CAD系统多为实体造型系统，需采用特征识别的方法补充输入工艺信息发展基于特征造型的CAD系统是长久之计78/955.7.3CAPP关键技术工艺决策◆

特点：1）直观，容易建立，便于编程

2）难于扩展和修改◆

形式：由树根、节点、分支构成；分支上方给出向一种状态转换的可能性或条件（确定性条件）条件满足，继续沿分支前进，实现逻辑“与”条件不满足，回出发节点并转向另一分支，实现逻辑“或”分支终点列出应采取的行动（决策行动）1）决策树79/955.7.3CAPP关键技术E3（螺孔）E1（孔）E2（槽）E4（位置度公差≤0.05）E5（0.05

＜位置度公差＜0.25）E6E7（直径公差≤0.05）E8（0.05

＜直径公差＜0.25）E9（直径公差≥0.25）（位置度公差≥0.25）A1—坐标镗A2—精镗A3—半精镗A4—粗镗A5—铣A6—钻孔，攻丝表面图5-33加工方法选择决策树【例】80/955.7.3CAPP关键技术◆

特点：1）表达清晰，格式紧凑，便于编程

2）难于扩展和修改◆

用表格形式描述事件之间逻辑依存关系。◆表格分为4个区域（图5-34），左上角为条件项目，右上角为条件组合，各条件之间为“与”的关系，左下角列出决策项目，右下角为各列对应的决策行动，决策行动之间也是“与”的关系，决策表的每一列均可视为一条决策规则。2）决策表◆

例：加工方法选择决策表（前例）81/955.7.3CAPP关键技术图5-34加工方法选择决策表螺孔槽孔位置度公差≤0.050.05＜位置度公差＜0.25位置度公差≥0.25直径公差≤0.050.05＜直径公差＜0.25直径公差≥0.25粗镗半精镗精镗坐标镗铣钻孔，攻丝√√√√√√√√√√√√√√√××××××××××××××82/95◆

派生式CAPP系统利用成组技术原理和典型工艺过程进行工艺决策，经验性较强。◆

创成式CAPP系统利用工艺决策算法（如决策表、决策树等方法）和逻辑推理方法进行工艺决策，较派生式前进了一步，但存在着算法死板、结果唯一、系统不透明等弱点；且程序工作量大，修改困难。◆

采用专家系统进行工艺决策1）什么是专家系统：在特定领域内具有与该领域人类专家相当智能水平的计算机知识程序处理系统。专家系统主要用于处理现实世界中提出的需要由专家来分析和判断的复杂问题（工艺过程设计正属于这类问题）。CAPP

专家系统5.7.3CAPP关键技术83/95事实知识（手册、资料等共有的知识）过程知识（推理原理、规则、方法）控制知识（系统本身控制策略）2）专家系统的构成：

①知识库

——用于存储专家知识，包括：②推理机——具有推理能力，可以根据问题导出结论③数据库——存放事实（包括输入信息和推理得到的事实）图5-35专家系统的构成知识库数据库推理机知识获取专家用户接口5.7.3CAPP关键技术84/95其中产生式规则较符合工艺规程设计中人的思维方式，因而使用较多。产生式规则的基本形式为：

IF〈条件1〉AND〈条件2〉OR〈条件3〉

…

THEN〈结论1〉可信度a%〈结论2〉可信度b%3）知识表达与获取

谓词逻辑语义网络框架产生式规则…☆

知识表达5.7.3CAPP关键技术85/95◆产生式规则优点：

推理过程符合人的思维方式，易于接受；推理结论的可信度使其能进行非确定性推理。◆产生式规则缺点：

格式较死板，在某些情况下需重复搜索而影响效率

4）推理机制

◆推理：依据一定规则，从已知事实和知识推出结论

◆

CAPP专家系统推理机制属于基于知识的推理，通常采用反向推理的控制策略

☆

知识获取：

◆由知识工程师来完成

◆由工艺人员会同软件工程师一同来完成

◆由工艺人员构建专家系统5.7.3CAPP关键技术86/95最终要求（目标）→选择适当的规则→满足最终要求的加工方法（或加工参数）→给出最终加工方法的初始状态→新的要求（目标）→选择规则→…→原始状态（毛坯）IF铰孔加工THEN前序加工：扩孔

规则2IF扩孔加工THEN前序加工：钻孔

规则3规则1IF孔径≤20AND

材料：非淬火钢AND

精度：H7THEN加工方法：铰孔◆例：箱体零件上7级精度孔的加工路线确定5.7.3CAPP关键技术87/95机械制造技术基础第5章机械加工工艺过程设计ProcessPlanning5.8工艺过程经济性分析EconomicAnalysisforTechnologicalProcess88/95基本时间：直接改变生产对象的性质，使其成为合格产品或达到工序要求所需时间（包括切入、切出时间）时间定额

定义:

在一定生产条件下，生产一件产品或完成一道工序所需消耗的时间

组成辅助时间：为实现工艺过程必须进行的各种辅助动作时间，如装卸工件、启停机床、改变切削用量及进退刀等布置工作地时间：包括更换刀具、润滑机床、清理切屑、收拾工具等。休息和生理需要时间：工人在工作班内，为恢复体力和满足生理需要所需时间准备终结时间：如熟悉工艺文件、领取毛坯、安装夹具、调整机床、发送成品等5.8.1时间定额与提高生产效率的途径89/95

单件时间与单件工时定额计算◆

单件时间：（5-13）◆

单件工时定额：（5-14）式中tB——基本时间

tA——辅助时间

tC——布置工作地时间

tR——休息和生理需要时间

tP——准备终结时间

B——批量5.8.1时间定额与提高生产效率的途径90/95提高生产效率的工艺途径

缩短基本时间：①提高切削用量（切削速度、进给量、切削深度等）；②采用多刀多刃进行加工（如以铣削代替刨削，采用组合刀具等）；③采用复合工步，使多个表面加工基本时间重合（如多刀加工，多件加工等）。

缩短辅助时间：

①使辅助动作实现机械化和自动化（如采用自动上下料装置、先进夹具等）；②使辅助时间与基本时间重叠（如采用多位夹具或多位工作台，使工件装卸时间与加工时间重叠；采用在线测量，使测量时间与加工时间重叠等）5.8.1时间定额与提高生产效率的途径91/95

缩短布置工作地时