机械制造技术基础4

机械制造技术基础第五章：机械加工工艺规程的制定

（约11学时）

本章提要

首先需要掌握工序、安装、工位、工步、走刀、基准、生产过程与机械加工过程等概念，在此基础上将重点学习机械加工工艺规程的作用、内容及编制方法，其中包括基准内容及工艺基准选用原则；加工方法选用原则；加工阶段和加工顺序安排原则；加工余量确定和工艺尺寸链的计算等内容。5.1.零件制造的工艺过程

5.1.1.生产过程

生产过程：由原材料(或半成品)变为产品的过程。

它包括：产品设计、生产准备、原材料的运输和保管、毛坯制造、机械加工、热处理、装配和调试、检验和试车、喷漆和包装等。5.1.2.工艺过程

工艺过程：用机械加工的方法，直接改变原材料或毛坯的形状、尺寸和性能等，使之变为合格零件的过程。5.1.2.1.工艺过程的组成*⑴工序一个(或一组)工人，在一台机床(一个固定的工作地点)，对一个(或同时对几个)工件所连续完成的那部分工艺过程，称为工序。

图5.1为阶梯轴的零件图，如表5.1所示，棒料毛坯依次通过这五个工序就变成阶梯轴的产品零件。

图5.1阶梯轴的零件图⑵安装工件加工前，在机床或夹具中相对刀具应有一个正确的位置并给予固定，这个过程称为安装。

每个工序可能有一次安装,也可能有几次安装。

⑶工位为减少工序中的装夹次数，常采用回转工作台或回转夹具，使工件在一次安装中，可先后在机床上占有不同的位置进行连续加工，那每一个位置称一个工位。

如图5.2(a)，工件装夹在回转夹具A上，铣削四个侧面，共有四个工位；如图5.2(b)，也有四个工位。⑷工步工步是工序的组成单位。在被加工的表面、切削用量(指切削速度和进给量，这里不包含背吃刀量)、切削刀具均保持不变的情况下所完成的那部分工序，称为一个工步。⑸走刀被加工的某一表面，由于余量较大或其它原因，在切削用量不变的条件下，用同一把刀具对它进行多次加工，每加工一次，称一次走刀。5.1.2.2.生产类型对工艺过程的影响①单件生产单个地生产不同结构和不同尺寸的产品，并且很少重复性。(例如，重型机器制造、专业设备制造和新产品试制等)②成批生产一年中分批地制造相同的产品，制造过程有一定的重复性。(例如，机床制造)③大量生产产品数量很大，大多数工作地点经常重复地进行某一个零件的某一道工序的加工。(例如，汽车、拖拉机、轴承的制造通常都是以大量生产的方式进行)*****5.2.工艺规程的作用及设计步骤5.2.1.工艺规程的格式

工艺规程：规定产品或零部件制造工艺过程操作方法等的工艺文件。在单件小批生产中，一般只编制内容比较简单的工艺过程综合卡片(简称过程卡)，见表5.3。在成批生产中，一般编制较详细的工艺卡片，见表5.4。在大批、大量生产中，则要求在工艺卡片的基础上，分别为每一工序编制工序卡，见表5.5。5.2.2.工艺规程的作用

工艺规程的作用主要有以下几方面：⑴工艺规程是指导生产的主要技术文件⑵工艺规程是生产组织和生产管理工作的依据⑶工艺规程是新建、扩建或改建机械制造厂的主要技术资料5.2.3.工艺规程设计和步骤⑴研究和分析零件的工作图⑵根据零件的生产纲领确定零件的生产类型零件的生产纲领可按下式计算：式中N零：零件的生产纲领(件/年)N：产品的生产纲领(台/年)n：每台产品中包含该零件的数量(件/台)α：该零件备件的百分率

β：该零件废品的百分率表5.6为划分生产类型的参考数据⑶确定毛坯的种类铸件、锻件、型材、焊接件和工程塑件⑷拟定零件加工的工艺路线⑸拟定各工序的机床设备、工艺装备（刀、夹、量具）和辅助工具⑹确定各工序的加工余量、工序尺寸及公差⑺确定各工序的切削用量及工时定额⑻技术经济分析⑼填写工艺文件5.3.定位基准的选择

5.3.1.基准的分类

5.3.1.1.设计基准

设计人员在零件图上标注尺寸或相互位置关系时所依据的那些点、线、面称为设计基准。5.3.1.2.工艺基准

零件在加工或装配过程中所用的基准，称为工艺基准。工艺基准按用途又可分为：⑴工序基准在工序图上标注被加工表面尺寸(称工序尺寸)和相互位置关系时，所依据的点、线、面称为工序基准。如右图5.3(a)的零件，加工端面B时的工序图为图5.3(b)

⑵定位基准工件在机床上加工时，在工件上用以确定被加工表面相对机床、夹具、刀具位置的点、线、面称为定位基准。如图5.3〔c〕,定位基准则是Ød外圆的轴心线。⑶测量基准在工件上用以测量已加工表面位置时所依据的点、线、面称为测量基准。如图5.3(d)，表面E的设计基准为中心O，而测量基准为ØD外圆的母线F，则此时的测量尺寸为l。⑷装配基准在装配时，用来确定零件或部件在机器中的位置时所依据的点、线、面称为装配基准。5.3.2.工件的装夹与获得加工精度的方法*

5.3.2.1.工件的装夹

⑴直接找正定位的装夹图5.5，在大型滚齿机上滚切齿形

⑵按划线找正装夹工件在切削加工前，预先在毛坯表面上划出要加工表面的轮廓线，然后按所划的线将工件在机床上找正、夹紧。划线时又有误差，因此它的装夹精度较低，一般在0.2~0.5mm之间。⑶在夹具中装夹见右图5.3.2.2.获得加工精度的方法⑴机械加工中获得工件尺寸精度的方法①试切法②定尺寸刀具法(如较刀、扩孔钻、钻头等)③调整法利用机床上的定程装置或预先调整好的刀架，使刀具相对于机床或夹具达到一定的位置精度，然后加工一批工件。④自动控制法利用一定的装置，在工件达到要求的尺寸时，自动停止加工。具体方法有两种：

自动测量、数字控制。⑵机械加工中获得工件形状精度的方法①轨迹法②成形法③相切法④展成法5.3.3定位基准的选择*

定位基准又分为粗定位基准、精定位基准和辅助定位基准。粗基准：以未加工过的表面进行定位的基准称粗基准，第一道工序所用的定位基准必为粗基准；精定位基准：以已加工过的表面进行定位的基准称精基准；辅助定位基准：专为零件加工而设置的基准称辅助定位基准（如加工轴时常用的顶尖孔等)。5.3.3.1.精基准的选择

⑴基准重合的原则尽量选择工序基准(或设计基准)为定位基准。重合不重合⑵基准不变的原则尽可能使各个工序的定位基准相同。⑶互为基准，反复加工的原则两个表面相互位置精度要求较高时，则两个表面互为基准反复加工。⑷自为基准的原则当精加工或光整加工工序要求余量小而均匀时，可选择加工表面本身为精基准(如精铰孔、磨削床身导轨面等)。⑸应能使工件装夹稳定可靠、夹具简单一般常用面积大、精度较高和粗糙度较低的表面为精基准。5.3.3.2.粗基准的选择

⑴选择要求加工余量小而均匀和重要表面为粗基准，以保证该表面有足够而均匀的加工余量好坏⑵某些表面不需要加工，则应选择其中与加工表面有相互位置精度要求的表面为粗基准

⑶选择比较平整、光滑、有足够大面积的表面为粗基准，不允许有浇、冒口的残迹和飞边，以确保安全、可靠、误差小。⑷粗基准应尽量避免重复使用（一般情况下只在第一道工序中使用）。5.4.工艺路线的拟定

5.4.1.零件各表面的加工方法及使用设备的选择

5.4.1.1.加工方法的选择

⑴各种加工方法的经济加工精度和粗糙度经济精度:在正常的工作条件下(包括完好的机床设备、必要的工艺装备、标准的工人技术等级、标准的耗用时间和生产费用)所能达到的加工精度。各种加工方法的经济加工精度和粗糙度可查《金属机械加工工艺人员手册》。经济精度段II

⑵加工方法和加工方案的选择①首先要根据每个加工表面的技术要求，确定加工方法和加工方案表5.7、表5.8、表5.9分别介绍了机械零件的三种最基本的表面(外圆表面、内孔表面和平面)的较常用的加工方案及其所能达到的经济精度和表面粗糙度。②决定加工方法时要考虑被加工材料的性质。例如，淬火钢用磨削的方法加工；而有包色金属则磨削困难，一般采用金刚镗或高速精密车削的方法进行精加工。③选择加工方法要考虑到生产类型。例如，平面和孔还可用拉削加工，轴类零件可采用半自动液压仿型车床加工。④选择加工方法还要考虑本厂（或车间）的现有设备情况及技术条件。【例题5.1】表格应用的举例：要求孔的加工精度为IT7级，粗糙度Ra=1.6~3.2μm，确定孔的加工方案。查表5.8可有下列四种加工方案：①钻-扩-粗铰-精铰②粗镗-半精镗-精镗③粗镗-半精镗-粗磨-精磨④钻(扩)-拉方案①用得最多(常用在大批、大量生产和成批生产中，但不适于加工大孔径)；方案②用于加工毛坯本身有铸出或锻出的孔；方案③适用于淬火的工件；方案④适用于成批或大量生产的中小型零件，其材料为未淬火钢、铸铁及有色金属。5.4.1.2.设备的选择①机床工作区域的尺寸应当与零件的外廓尺寸相适应。②机床的精度应该与工件要求的加工精度相适应。③机床的功率、刚度和工作参数应该与最合理的切削用量相适应。④机床生产率应该与工件的生产类型相适应。5.4.2.加工阶段的划分*

要求较低的零件，分为粗加工和精加工两个阶段；精度要求很高、粗糙度值要求很低的零件，则常划分为粗加工阶段、半精加工阶段、精加工阶段和光整加工阶段。

粗加工阶段：是加工开始阶段，在这个阶段中，尽量将零件各个被加工表面的大部分余量从毛坯上切除，这个阶段主要问题是如何提高生产率。

半精加工阶段：这一阶段为主要表面的精加工做好准备，切去的余量介于粗、精加工之间，并达到一定的精度和粗糙度值，为精加工留有一定的余量。

精加工阶段：在这个阶段将切去很少的余量，保证各主要表面达到较高的精度和较低的粗糙度值(精度IT7~IT10级、Ra≈0.8~3.2μm)。

光整加工阶段：主要是为了得到更高的尺寸精度和更低的粗糙度值(精度IT5~IT9级，Ra<0.32μm)，只从被加工表面上切除极少的余量。

将工艺过程划分粗、精加工阶段的原因是：①可以及早发现毛坯的缺陷，避免过多浪费工时；②可减少受力、受热变形；③划分加工阶段可以合理使用机床。5.4.3.工序的划分*①工序集中：将若干个工步集中在一个工序内完成。②工序分散：工序的数目多，工艺路线长，每个工序所包括的工步少。

单件生产使工序集中；成批和大量生产可集中(加工中心)，也可分散。

5.4.4.工序的安排

5.4.4.1.加工顺序的确定

加工顺序安排原则：

先粗

加工后精加工；

先基

准面加工后其它面加工；

先主

要表面加工后次

要表面加工；

先平面加工后孔加工。5.4.4.2.热处理及表面处理工序的安排①退火和正火可以消除内应力和改善材料的加工性能，一般安排在加工前进行，正火有时也安排在粗加工后进行。②对于大而复杂的铸件，为了尽量减少由于内应力引起的变形，常常在粗加工后进行人工时效处理。粗加工前最好采用自然时效。③调质处理可以改善材料的机械性能，因此许多中碳钢和合金钢常采用这种热处理方法，一般安排在粗加工之后进行，但也有安排在粗加工之前进行的。④淬火处理或渗碳处理，可以提高零件表面的硬度和耐磨性，一般安排在磨削之前进行。⑤表面处理（如电镀或发黑等）可提高零件的抗腐蚀能力，增加耐磨性，使表面美观等，一般最后进行。5.4.4.3.检验工序的安排

粗加工全部结束后，精加工之前；送往其它车间加工的前后(特别是热处理工序的前后)；重要工序的前后；最终加工之后。5.4.4.4.其它工序的安排

在加工工艺过程中，还可根据需要在一些工序的后面安排去毛刺、去磁、清洗等工序。5.5.加工余量的确定

为了保证零件图上某表面的精度和粗糙度值，需从其毛坯表面上切去全部多余的金属层，这一金属层的总厚度称为该表面的加工总余量Z总。每一工序所切除的金属层厚度称为工序余量Zi

n――加工该表面的工序数目

5.5.1.加工余量的概念

5.5.2.影响加工余量的因素

5.5.2.1.上工序表面质量Ra、ta的影响

在上工序加工后的表面上或毛坯表面上，存在着表面微观粗糙度值Ra和表面缺陷层ta(包括冷硬层、氧化层、裂纹等)。

Ra的数值可参考表5.7、5.8、5.9；

ta可参考表5.10.5.5.2.2.上工序尺寸公差(Ta)的影响

一般情况下零件的形状和位置误差都包括在尺寸公差范围内。加工余量与工序尺寸公差之间的关系见图5.12

图5.12(a)为外表面(被包容面)加工，本工序的基本余量Zb为：

Zb=La-Lb

式中

La:上工序的基本尺寸

Lb:本工序的基本尺寸

本工序的最大余量Zbmax为：Zbmax=Lamax-Lbmin

本工序的最小余量Zbmin为：Zbmin=Lamin-Lbmax

图5.12(b)为内表面(包容面)加工，则有：

Zb=Lb-LaZbmax=Lbmax-Lamin

Zbmin=Lbmin-

Lamax

从图5.12(a)、(b)可看出，上工序的尺寸公差将影响本工序基本余量和最大余量的数值。

5.5.2.3.上工序各表面相互位置空间偏差(ρa)的影响

它包括轴线的直线度、位移及平行度；轴线与表面的垂直度；阶梯轴内外圆的同轴度；平面的平面度等。5.5.2.4.本工序加工时装夹误差(Δεb)的影响

此误差除包括定位和夹紧误差外，还包括夹具本身的制造误差。

图5.13为上述各种因素对车削类零件加工余量影响的示意图。

5.5.3.确定加工余量的方法

5.5.3.1.计算法

可以确定最合理的加工余量，适用于大量生产。