1、第三章机械加工工艺设计基础第一节机械加工工艺规程一、工艺规程的作用1.机械加工工艺规程的作用机械加工工艺规程是零件生产中关键性的指导文件，主要有以下几个方面的作用。(1)机械加工工艺规程是指导生产的主要技术文件生产工人必须严格按工艺规程进行生产，检验人员必须严格按照工艺规程进行检验。(2)机械加工工艺规程是生产组织管理和生产准备工作的依据生产计划的制订，投入生产前原材料和毛坯的供应，工艺装备的设计、制造和采购，机床负荷的调整，作业计划的编排，劳动力的组织，工时定额及成本核算等，都是以工艺规程作为基本依据的。一、工艺规程的作用(3)机械加工工艺规程是新设计和扩建工厂(车间)的技术依据新设计和扩建
2、工厂(车间)时，生产所需设备的种类和数量，机床的布置，车间的面积，生产工人的工种、等级和数量以及辅助部门的安排等都是以工艺规程为基础、根据生产类型来确定的。一、工艺规程的作用2.对工艺规程的要求工艺规程设计的原则是：在一定的生产条件下，以保证产品的质量要求为前提，尽量提高生产率、降低成本，以获得良好的经济效益和社会效益。设计工艺规程时应注意以下四个方面的问题。(1)技术的先进性所谓技术的先进性，是指产品高质量、生产高效益的获得不是建立在提高工人劳动强度和操作技能的基础上，而是用相应的技术措施来保证的。(2)经济的合理性在一定的生产条件下，可能会有几个均能满足产品质量要求的工艺方案。一、工艺规程
3、的作用(3)良好的劳动条件，避免污染环境设计工艺规程时，要注意保证工人具有良好而安全的劳动条件，并尽可能地采用先进的技术措施，将工人从繁重的体力劳动中解放出来。(4)格式的规范性工艺规程应做到正确、完整、统一和清晰，所用术语、符号、计量单位、编号等都要符合相应标准。二、工艺规程的格式1.机械加工工艺过程卡片这种卡片主要列出了零件加工所经过的工艺路线（包括毛坯、机械加工和热处理等），主要用来了解零件的加工流向，是制订其他工艺文件的基础，也是生产技术准备、编制作业计划和组织生产的依据。二、工艺规程的格式表3-1机械加工工艺过程卡片2.机械加工工序卡片这种卡片更详细地说明了零件的各个工序如何进行加工
4、。在这种卡片上，要画出工序简图，说明该工序的加工表面及应达到的精度、零件的装夹方法、刀具的类型和位置、进给方向和切削用量等。一般只在大批大量生产中才会使用这种卡片。其格式见表32。二、工艺规程的格式3.数控加工工序及刀具卡片使用数控加工方法加工批量较小的零件时，为简化工艺文件，可采用表33所示的数控加工工序及刀具卡片。表3-3数控加工工序及刀具卡片二、工艺规程的格式表3-3数控加工工序及刀具卡片二、工艺规程的格式4.数控加工走刀路线图在数控加工中，还可以通过走刀路线图来告诉操作者数控程序的刀具运动路线，包括编程原点、下刀点、抬刀点、刀具的走刀方向和轨迹等，以防止程序运行过程中刀具与夹具或机床发
5、生意外碰撞。表34所示为数控加工走刀路线图的常用格式。表3-4数控加工走刀路线图三、工艺规程设计的步骤1)分析产品的装配图和零件图。2)选择和确定毛坯。3)拟定工艺路线。4)详细拟订工序的具体内容。5)进行技术经济分析，选择最佳方案。6)确定工序尺寸。7)填写工艺文件。第二节机械加工工艺规程的制订一、零件工艺分析1.读图和审图首先要认真分析与研究产品的用途、性能和工作条件，了解零件在产品中的位置、装配关系及其作用，弄清各项技术要求对装配质量和使用性能的影响，找出主要和关键的技术要求，然后对零件图样进行分析。1)分析零件图样是否完整、正确，视图是否正确、清楚，尺寸、公差、表面粗糙度及有关技术要求
6、是否齐全、明确。2)分析零件的技术要求，包括尺寸精度、几何公差、表面粗糙度及热处理是否合理。3)尺寸标注应符合数控加工的特点。图3-1汽车板弹簧和吊耳一、零件工艺分析2.数控加工的内容选择对于某个零件而言，并非全部加工工艺过程都适合在数控机床上完成，往往只有其中的一部分才适合于数控加工。这就需要对零件图样进行仔细的工艺分析，选择那些最适合、最需要进行数控加工的内容和工序。在选择并作出决定时，应结合本企业设备的实际，立足于解决难题、攻克关键和提高生产效率，以充分发挥数控加工的优势。选择数控加工的内容时，一般可按下列顺序考虑。1)通用机床无法加工的内容，应作为优选内容(如内腔成形面)。2)通用机床
7、难加工、质量也难以保证的内容应作为重点选择的内容。3)通用机床效率低、工人劳动强度大的内容，可在数控机床尚存有富余能力时选择采用。一、零件工艺分析3.零件结构的工艺性零件结构的工艺性是指所设计零件的结构在满足使用要求的前提下制造的可行性和经济性。它包括零件各个制造过程中的工艺性，如零件的铸造、锻造、冲压、焊接、热处理和切削加工工艺性等。好的结构工艺性会使零件加工容易、节省工时、降低消耗，差的结构工艺性会使零件加工困难（甚至无法加工）、多耗工时、增大消耗。图3-2在普通车床上用成形车刀加工沟槽一、零件工艺分析图3-3在数控车床上对不同槽型进行加工 图3-4所示为一个端面形状比较复杂的盘类零件，其
8、轮廓剖面由多段直线、斜线和圆弧组成。虽然形状比较复杂，但用标准的45菱形刀片可以毫无障碍地完成整个型面的切削。这一结构形式的数控加工工艺性是良好的。一、零件工艺分析图3-4复杂轮廓形面的数控加工 在审核工艺时，对某些细小的部位要加以注意，以避免可能给数控加工带来的问题。如图3-5所示的工件，在圆弧上端出口处没有安排一段45倒角，而是圆弧与端面直接相交，则会导致零件的数控车削工艺性极差(刀具干涉)、难以加工。一、零件工艺分析图3-5不利于数控车削的设计一、零件工艺分析图3-6数控加工结构工艺性图3-6a所示的零件，由于圆角的大小决定着刀具直径的大小，故内形的多个圆角应选用相同的半径，并且其半径应
9、与刀具的结构尺寸相匹配。图3-6b所示的结构在设计时应尽量避免。二、毛坯选择1.毛坯的种类毛坯的种类很多，同一种毛坯又有很多种制造方法。机械制造中常用的毛坯有以下几种。(1)铸件形状复杂的毛坯，宜采用铸造方法制造。(2)锻件机械强度要求较高的钢制件一般要采用锻件作为毛坯。(3)型材型材有冷拉和热轧两种。(4)焊接件焊接件是将型材或钢板焊接成所需结构后得到的毛坯，适合作为单件小批量生产中制造的大型零件的毛坯。(5)冲压件冲压件是在压力机上用冲模将板料冲制而成的。(6)冷挤压件冷冲压件是在压力机上通过挤压模挤压而成的。(7)粉末冶金件粉末冶金件是以金属粉末为原料，在压力机上用模具压制成坯料后经高温
10、烧结而成的。二、毛坯选择2.毛坯种类的选择毛坯的种类和制造方法对零件的加工质量、生产率、材料消耗及加工成本都有影响。提高毛坯精度，可减少机械加工工作量、提高材料利用率、降低机械加工成本，但毛坯制造成本会增加，两者是相互矛盾的。选择毛坯时应综合考虑以下几个方面的因素，以在成本和效率之间追求最佳效益。(1)零件的材料及对零件力学性能的要求如零件的材料是球墨铸铁或青铜，则只能选择铸造毛坯，不能选用锻造毛坯。(2)零件的结构形状与外形尺寸钢质的一般用途的阶梯轴，如台阶直径相差不大，宜用棒料；若台阶直径相差较大，则宜用锻件或铸件，以节约材料、减少机械加工切削量。二、毛坯选择(3)生产类型大批大量生产时，
11、毛坯的制造应选毛坯精度和生产率都较高的先进的制造方法，以使毛坯的形状、尺寸尽量接近零件的形状、尺寸，从而节约材料、减少机械加工工作量，由此节约的费用会远远超出毛坯制造增加的费用，将会获得好的经济效益。(4)生产条件选择毛坯时，应考虑现有生产条件，如现有毛坯的制造水平和设备状况、外协的可能性等。(5)充分考虑利用新工艺、新技术和新材料随着毛坯制造专业化生产的发展，目前毛坯制造方面的新工艺、新技术和新材料的应用越来越多，如精铸、精密锻造、冷轧、冷挤压、粉末冶金和工程塑料的应用日益广泛。二、毛坯选择3.毛坯形状和尺寸的特殊处理选择毛坯形状和尺寸的总要求是：毛坯形状要力求接近成品形状，以减少机械加工的
12、劳动量。但也有以下四种特殊情况，需作特别考虑。1)采用锻件、铸件毛坯时，模锻时因欠压量与允许的错模量不等，铸造时因砂型误差、收缩量及金属液体的流动性差不能充满型腔等，均会造成余量的不等。2)尺寸小或薄的零件，为便于装夹并减少材料浪费，可将多个工件连在一起，由一个组合毛坯制出。图3-7活塞环筒状毛坯二、毛坯选择图3-8凿岩机棘爪毛坯 如图3-7所示的活塞环的筒状毛坯、图3-8所示的凿岩机棘爪毛坯都是组合毛坯。待机械加工到一定程度后，再将组合毛坯分割开来成为一个个零件。二、毛坯选择3)装配后形成同一工作表面的两个相关零件，为保证加工质量并使加工方便，常把两件(或多件)合为一个整体毛坯，待加工到一定
13、阶段后再切开。图3-9两件合制的整体毛坯a)开合螺母外壳b)发动机连杆和曲轴轴瓦盖4)对于不便装夹的毛坯，可考虑在毛坯上增加装夹余料或工艺凸台、工艺凸耳等辅助基准。二、毛坯选择图3-10在毛坯上增加工艺凸耳三、工艺路线的拟订1.表面加工方法的选择(1)表面加工方法的经济精度各种表面加工方法(如车、铣、刨、磨、钻等)所能达到的加工精度和表面粗糙度是有一定范围的。图3-11零件成本和加工误差的关系三、工艺路线的拟订表3-5用不同加工方法加工不同表面时的经济精度等级和表面粗糙度Ra值三、工艺路线的拟订表3-5用不同加工方法加工不同表面时的经济精度等级和表面粗糙度Ra值三、工艺路线的拟订(2)选择表面
14、加工方法时应考虑的因素选择表面加工方法时，应首先根据零件的加工要求，查表或根据经验来确定哪些加工方法能达到所要求的加工精度。(3)各种表面的典型加工路线根据上述因素确定了某个表面的最终加工方法后，必须同时确定该表面的预加工方法，形成一个表面的加工路线后，才能付诸实施。图3-12外圆表面的加工路线三、工艺路线的拟订图3-13孔的加工路线三、工艺路线的拟订2.加工阶段的划分工件每一个表面的加工，总是按先粗后精的顺序。粗加工去掉大部分余量，要求生产率高；精加工保证工件的精度要求。对于加工精度要求较高的零件，应当将整个工艺过程划分成粗加工、半精加工、精加工和精密加工（光整加工）等几个阶段，在各个加工阶
15、段之间安排热处理工序。划分加工阶段有如下优点。(1)有利于保证加工质量粗加工时，由于切去的余量较大，切削力和所需的夹紧力也较大，因而工艺系统的受力变形和热变形都比较严重。(2)合理地使用设备粗加工应采用功率大、刚度高、精度一般的机床，而精加工应在精度高的机床上进行。三、工艺路线的拟订(3)有利于及早发现毛坯的缺陷(如铸件的砂眼、气孔等)将粗加工安排在前，有利于及早发现毛坯缺陷，及时予以报废，以免继续加工造成工时的浪费。3.工序的集中与分散(1)工序集中与分散的概念安排零件的工艺过程时，还要解决工序的集中与分散问题。(2)工序集中与分散的特点(3)工序集中与分散程度的确定在制订机械加工工艺规程时
16、，选择恰当的工序集中与分散程度是十分重要的。三、工艺路线的拟订4.工序顺序的安排(1)安排工序顺序的原则(2)热处理工序的安排热处理工序在工艺路线中安排得是否恰当，对零件的加工质量和材料的使用性能影响很大，因此应当根据零件的材料和热处理的目的妥善安排。(3)辅助工序的安排第三节工件的定位及定位基准的选择一、工件的安装方式1.直接找正装夹图3-14直接找正装夹一、工件的安装方式 2.划线找正装夹 这种装夹方式是先按加工表面的要求在工件上划出中心线、对称线和各待加工表面的加工线，加工时在机床上按划线找正以使工件获得正确的位置。图315所示为在牛头刨床上工件的划线找正装夹。找正时可在工件底面垫上适当
17、的纸片或铜片以获得正确的位置，也可将工件支承在几个千斤顶上，调整千斤顶的高低以使工件获得正确的位置。这种装夹方式受到划线精度的限制，找正精度比较低，多用于批量较小、毛坯精度较低的大型零件的粗加工中。3.用夹具装夹一、工件的安装方式机床夹具是指在机械加工工艺过程中用以装夹工件的机床附加装置，常用的有通用夹具和专用夹具两种类型。车床的自定心卡盘和铣床用平口钳便是最常用的通用夹具，图316所示的钻模是专用夹具。从图中可以看出，工件4以其内孔套在夹具定位销2上，用螺母和压板夹紧工件，钻头通过钻套3的引导，在工件上钻出孔来。图3-15划线找正装夹图3-16钻模1夹具体2定位销3钻套4工件二、工件的定位1
18、.工件的自由度及其限制一个在空间处于自由状态的工件，位置的不确定性可描述如下：如图317a所示，将一未定位的工件放在空间直角坐标系中，工件可以沿X、Y、Z轴有不同的位置，称作工件沿X、Y、Z轴的移动自由度，用、表示；工件也可以绕X、Y、Z轴有不同的位置，称作工件绕X、Y、Z轴的转动自由度，用、表示。用以描述工件位置不确定性的、和、，称为工件的六个自由度。图3-17六点定位原理二、工件的定位图3-18长方体定位支承点的分布二、工件的定位2.对工件定位的两种错误理解在分析工件的定位时，容易产生两种错误的理解。一种认为：工件用夹具夹紧了，也就没有自由度可言了，因此，工件也就定位了。这种观点把定位和夹
19、紧混为了一谈，犯了概念上的错误。我们所说的工件的定位，是指一批工件在夹紧前要在夹具中按加工要求占有一致的正确位置（不考虑定位误差的影响）；而夹紧强调工件在任何位置均可被夹紧，不能保证一批工件中的全部工件在夹具中均处于同一位置。3.限制工件自由度与加工要求的关系工件定位的实质就是要限制对加工要求有不良影响的自由度。影响加工要求的自由度必须限制；不影响加工要求的自由度，有时需要限制，有时可以不限制，要视具体情况而定。二、工件的定位(1)完全定位和不完全定位如图3-19所示，在工件上铣槽，保证槽底与A面的平行度和h尺寸两项加工要求，需限制、三个自由度；保证槽侧面与B面的平行度及b尺寸两项加工要求，需
20、限制、两个自由度。图3-19按加工要求确定必须限制的自由度二、工件的定位图3-20工件的不完全定位 如图3-20所示，图a为加工内孔时限制了工件的四个自由度，图b为加工顶平面时限制了工件的三个自由度。二、工件的定位图3-21工件的欠定位(2)欠定位和过定位根据工件的加工要求，应该限制的自由度而没有被限制的定位状态称为欠定位。图3-22工件的过定位1心轴2平面3定位凸台4工件5压板6垫圈7螺母二、工件的定位图3-23过定位对装夹的影响a)夹紧前b)夹紧后工件或心轴的变形三、定位基准的选择1.基准的概念及分类基准就是根本的依据。机械制造中所说的基准是指那些用来确定生产对象上几何要素间的几何关系所依
21、据的点、线、面。根据作用和使用场合的不同，基准可分为设计基准和工艺基准两大类，其中，工艺基准又可分为工序基准、定位基准、测量基准和装配基准。(1)设计基准零件图上用来确定零件上某些点、线、面位置所依据的点、线、面。(2)工艺基准工艺基准是零件加工与装配过程中采用的基准，可分为以下四种。三、定位基准的选择图3-24设计基准三、定位基准的选择2.定位基准的选择 定位基准是指零件加工过程中安装、定位的基准。通过定位基准可使工件在机床或夹具上获得正确的位置。对机械加工的每一道工序来说，都要求考虑工件安装、定位的方式和定位基准的选择问题。(1)定位精基准的选择选择定位精基准时，应重点考虑减少工件的定位误
22、差，以保证零件的加工精度和加工表面之间的几何精度，同时也要考虑零件装夹的方便、可靠、准确。图3-25加工机床导轨面时自为基准原则应用实例三、定位基准的选择图3-26加工精密齿轮时互为基准原则应用实例1夹紧块2精密圆柱3齿轮三、定位基准的选择(2)定位粗基准的选择选择定位粗基准时要重点考虑如何保证各个加工表面都能分配到合理的加工余量，以保证加工面与不加工面间的几何精度、尺寸精度，同时还要考虑为后续工序提供可靠的精基准。图3-27以不加工表面作为定位粗基准三、定位基准的选择图3-28以加工余量最小的表面作为定位粗基准三、定位基准的选择图3-29加工床身导轨面时定位粗基准的比较第四节工序尺寸的确定一
23、、加工余量与工序尺寸1.加工余量及其确定方法(1)加工余量的概念加工余量是指加工过程中所切去的金属层的厚度。(2)确定加工余量的方法在保证加工质量的前提下，加工余量越小越好。图3-30工序尺寸、工序公差、加工余量三者的关系一、加工余量与工序尺寸2.工序尺寸及其公差的确定 每道工序完成后应保证的尺寸称为该工序的工序尺寸。工件上的设计尺寸及其公差是经过各加工工序加工后得到的。每道工序的工序尺寸都不相同，其逐步接近设计尺寸。为了保证工件的设计要求，需要计算确定各中间工序的工序尺寸及其公差。例3-1一套筒零件?60+0019mm内孔的加工路线为：毛坯孔粗车半精车磨削珩磨，求各工序尺寸。一、加工余量与工
24、序尺寸表3-5工序尺寸及其公差的计算(单位：mm)二、工艺尺寸链与工序尺寸1.尺寸链的基本概念在零件加工或机器装配过程中，由相互连接的尺寸按照一定的顺序排列成为封闭的尺寸组称为尺寸链。2.工艺尺寸链的组成(1)封闭环在尺寸链中，凡是最后间接获得的尺寸，称为封闭环。(2)组成环在加工过程中直接形成的尺寸(在零件加工的工序中出现或直接控制的尺寸)，称为组成环。图3-31零件加工过程中的尺寸链a)台阶零件图样b)尺寸链图二、工艺尺寸链与工序尺寸3.计算工艺尺寸链的基本公式工艺尺寸链的计算方法有极值法和概率法两种，生产中多采用极值法。其基本计算公式如下。(1)封闭环的公称尺寸封闭环的公称尺寸A0等于所
25、有增环的公称尺寸之和减去所有减环的公称尺寸之和。二、工艺尺寸链与工序尺寸(2)封闭环的上极限偏差封闭环的上极限偏差ES(A0)等于所有增环的上极限偏差之和减去所有减环的下极限偏差之和。(3)封闭环的下极限偏差封闭环的下极限偏差EI(A0)等于所有增环的下极限偏差之和减去所有减环的上极限偏差之和。(4)封闭环的公差封闭环的公差T0等于所有组成环公差之和。二、工艺尺寸链与工序尺寸4.工艺尺寸链的应用在机械加工过程中，每一道工序的加工结果都以一定的尺寸数值表示出来。工艺尺寸链反映了相互关联的一组尺寸之间的关系，也就反映了这些尺寸所对应的加工工序之间的相互关系。(1)定位基准与设计基准不重合零件加工过程中，当定位基准与设计基准不重合时，必须通过求出工序尺寸的方法来间接保证设计尺寸的要求，要进行工序尺寸的换算。图3-32定位基准与设计基准不重合二、工艺尺寸链与工序尺寸(2)设计基准与测量基准不重合由于测量基准和设计基准不重合，需测量的尺寸不能直接测量，只能由其他测量尺寸来间接保证时，也需要进行尺寸换算。图3-33设计基准与测量基准不重合二、工艺尺寸链与工序尺寸(3)工序尺寸的基准有加工余量时工艺尺寸链的计算有时零件图上存在几个以同一基准面进行标注的尺寸。图3-34内孔键槽加工尺寸链
