机械制造技术 吉卫喜 编 第三章 工艺基本知识

1.生产过程指把原材料转变为成品的全过程。机械工厂的生产过程一般包括原材料的验收、保管、运输，生产技术准备，毛坯制造，零件加工（含热处理），产品装配，检验以及涂装等。一、生产过程和工艺过程第一节基本概念企业组织产品生产的模式：1）生产全部零部件、组装机器。2）生产一部分关键的零部件，其余的由其它企业供应。3）完全不生产零部件，自己只负责设计与销售。企业在市场导向下，产品的生产过程主要可划分为四个阶段，即新产品开发、产品制造、产品销售和售后服务阶段。2.工艺过程把生产过程中改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和物理、力学性能等，使其成为成品或半成品的过程称为工艺过程。工艺过程可根据其具体工作内容分为铸造、锻造、冲压、焊接、机械加工、热处理、表面处理、装配等不同的工艺过程。铸造、锻造、冲压、焊接工艺过程热处理工艺过程机械加工工艺过程装配工艺过程二、生产系统和工艺系统1．机械加工工艺系统传统的机械制造过程，尤其是进行单件小批生产时，基本上是一个离散的生产过程。各个工步、工序之间甚至可以不相关联。切削过程中机床、刀具、夹具、工件等，被视为各自独立的单元。通过长年的生产经验的积累，并随着机械制造由一种劳动技艺逐步转化成一门工程技术学科时，人们才逐渐认识了“工艺系统”这个科学的概念，以及它在制造过程中的作用和价值。前文所述的把工艺过程看作物质流动、信息流动、能量流动(简称物质流、信息流和能量流)的综合动态过程，是在时间上的一种描述。对于物质流来说，这种物质的流动还必须存在于一定的空间，也就是工艺系统。一般把机械加工中由机床、刀具、夹具和工件组成的相互作用、相互依赖，并具有特定功能的有机整体，称为机械加工工艺系统，简称为工艺系统。对信息流和能量流来说，也同样以工艺系统为其存在的空间。把“系统”的概念引入制造过程，只是指示人们在制造过程中对各种现象和问题进行认识、分析和解决时，不要局限于对各个单一因素作孤立的研究，而应该把工艺过程、生产过程的全过程中的各有关要素看成一有机整体，并从系统的视角作全面的分析和研究，才能对加工质量、产品质量以及制造过程实行有效的控制和管理，并取得理想的效果。优质的机床、刀具、夹具和工件毛坯，并不一定能获得优良的加工质量，而只有在工艺系统中，对四者进行合理的配置或优化组合，才能取得事半功倍的效果。机械加工工艺系统的整体目标是在特定的生产条件下，适应环境要求，在保证机械加工工序质量和生产率的前提下，采用合理的工艺过程，并尽可能降低工序的加工成本。因此，必须从系统这个整体出发，去分析和研究各种有关问题，才能实现系统的最佳工艺方案。2.机械制造系统如果以整个机械加工车间为更高一级的系统来考虑，则该系统的整体目标就是使该车间能最有效地全面完成所承担的零件机械加工任务。机械加工过程中，将毛坯、刀具、夹具、量具和其它辅助物料作为“原材料”输入机械制造系统，经过存储、运输、加工、检测等环节，最后作为机械加工后的成品输出，形成物质流，由加工任务、加工顺序、加工方法、物质流要求等确定的计划、调度、管理等属于信息流。机械制造系统中能量的消耗及其流程为能量流。图3-2所示为机械制造系统图。3．生产系统如果以整个机械制造工厂为整体，为了实现最有效的经营管理，以获得最高的经济效益，则不仅要把原材料、毛坯制造、机械加工、热处理、装配、油漆、试车、包装、运输和保管等属于物质范畴的因素作为要素来考虑，而且还必须把技术情报、经营管理、劳动力调配、资源和能源利用、环境保护、市场动态、经济欧策、社会问题和国际因素等信息作为影响系统效果更为重要的要素来考虑。工厂是社会生产的基层单位，在市场经济体制下，工厂应根据市场供销情况及自身的生产条件，决定自己生产的产品类型和产量，制定生产计划，进行产品设计、制造和装配等，最后输出产品。所有这些生产活动的总和，用系统的观点来看，就是一个具有输入和输出的生产系统。图3-3为生产系统图。随着计算机技术和信息技术的飞速发展，以运筹学为理论基础，以计算机为工具的系统工程理论和实践在制造过程中获得日益广泛的应用，促使机械制造技术产生了质的飞跃。机械制造自动化生产的较高级的层次FMS(柔性制造系统)和CIMS(计算机集成制造系统)，就是近几十年来，特别是近20年来，微电子科学与技术、计算机科学与技术、系统科学与技术、信息科学与技术、人工智能技术、虚拟现实技术等，与机械制造技术相结合的产物。它们为机械制造自动化提供了重要的系统理论、方法与实现的技术，使生产系统与制造系统的各个子系统之间，能够用统一的数据形式、语言定义实现言息传递与信息资源共享，从而取代产品工程图样与其它技术文件。利用计算机网络和数据库技术实现各子系统互连，可构成一个具有有机联系的整体，即自动化工厂。CIMS充分反映了制造系统的这一新发展。一个或一组工人在一个工作地点，对一个或同时对几个工件所连续完成的那部分工艺过程叫工序。三、工艺过程及其组成零件的制造过程是指按一定顺序直接改变生产对象的形状、尺寸，物理、化学、力学性能，以及决定零件相互位置关系的过程，简称为工艺过程。工艺过程是生产过程中的主要部分。1.工序工序是指一个（或一组）工人在同一个工作地对一个（或同时对几个）工件连续完成的那一部分工艺过程。工人、工作地和工件三不变加上连续完成是构成工序的四个要素，工序是组成工艺过程的基本单元。工序数目和工艺过程的确定与零件的技术要求、零件的数量和现有工艺条件等有关，如阶梯轴零件的加工。如图所示工件，可按下列两种方案加工。方案Ⅰ：对一个工件钻孔①，然后调头车外圆②。此方案中两个表面的加工属同一道工序。方案Ⅱ：钻孔①对一批工件；车外圆②对一批工件。此方案中两个表面的加工分属两道工序。在车床上加工一批轴，既可以对每一根轴连续地进行粗加工和精加工，也可以先对整批轴进行粗加工，然后再依次对它们进行精加工。在第一种情形下，加工只包括一个工序；在第二种情形下，由于加工过程的连续性中断，虽然加工是在同一台机床上进行的，但却成为两个工序。工序是组成工艺过程的基本单元，也是生产计划的基本单元。工序号工序内容设备1车端面，打中心孔车床2车两外圆及倒角车床3铣键槽，去毛刺铣床大批量生产的工艺过程单件小批生产的工艺过程工序号工序内容设备1铣端面，打中心孔铣端面打中心孔机床2车大外圆及倒角车床3车小外圆及倒角车床4铣键槽铣床5去毛刺钳工台2.工步与复合工步在加工表面、切削刀具和切削用量（仅指转速和进给量）都不变的情况下，所连续完成的那部分工艺过程，称为一个工步。例图3-5所示2.工步与复合工步有时为了提高生产效率，经常把几个待加工表面用几把刀具同时进行加工，这可看作为一个工步，并称为复合工步，如图3-7所示。例：表7-1单件小批生产的工艺过程工序号工序内容设备1车一端面，钻中心孔*；调头，车另一端面，钻中心孔车床I2车大外圆及倒角；调头，车小外圆、切槽及倒角车床II3铣键槽、去毛刺铣床表7-2大批大量生产的工艺过程工序号工序内容设备1铣两端面，钻两端中心孔*铣端面钻中心孔机床2车大外圆及倒角车床I3车小外圆、切槽及倒角车床II4铣键槽专用铣床5去毛刺钳工台图7–1阶梯轴四个五个一个两个三个两个一个3.走刀在一个工步内，有些表面由于加工余量太大，或由于其它原因，需用同一把刀具以及同一切削用量对同一表面进行多次切削。这样刀具对工件的每一次切削就称为一次走刀。例如轴类零件如果要切去的金属层很厚，则需分几次切削，这时每切削一次就称为一次走刀。因此在切削速度和进给量不变的前提下刀具完成一次进给运动称为一次走刀。工件在机床或夹具中定位并夹紧的过程称为安装。在一个工序中应尽量减少安装次数，以免增加辅助时间和安装误差.4.安装在机械加工工序中，使工件在机床上或在夹具中占据某一正确位置并被夹紧的过程，称为装夹。有时，工件在机床上需经过多次装夹才能完成一个工序的工作内容。安装是指工件经过一次装夹后所完成的那部分工序内容。例如，在车床上加工轴，先从一端加工出部分表面，然后调头再加工另一端，这时的工序内容就包括两个安装。例：表7-1单件小批生产的工艺过程工序号工序内容设备1车一端面，钻中心孔*；调头，车另一端面，钻中心孔车床I2车大外圆及倒角；调头，车小外圆、切槽及倒角车床II3铣键槽、去毛刺铣床表7-2大批大量生产的工艺过程工序号工序内容设备1铣两端面，钻两端中心孔*铣端面钻中心孔机床2车大外圆及倒角车床I3车小外圆、切槽及倒角车床II4铣键槽专用铣床5去毛刺钳工台图阶梯轴两次两次一次一次一次一次一次讨论：安装次数多好还是少好？5.工位工件在一次安装后，工件与夹具或设备的可动部分一起相对于刀具或设备的固定部分所占据的每一个位置上所完成的那一部分工艺过程称为工位。如图3-9所示采用转位（或移位）夹具、回转工作台或在多轴机床上加工时，工件在机床上一次装夹后，要经过若干个位置依次进行加工，工件在机床上所占据的每一个位置上所完成的那一部分工序就称为工位。简单来说，工件相对于机床或刀具每占据一个加工位置所完成的那部分工序内容，称为工位。图3－9多工位加工工序、安装、工位、工步和走刀之间的关系如下：由若干个顺序排列的工序组成的，而工序又可分为安装、工位、工步和走刀。基本概念一个（或一组）工人，在一个工作地（或一台机床）上对一个（或同时对几个工件）连续完成的那一部分工艺过程称为工序。安装是指工件经过一次装夹后所完成的那部分工序内容。工艺过程的组成工序安装基本概念在加工表面、切削刀具、切削速度和进给量不变的条件下，连续完成的那一部分工序内容称为工步。工件相对于机床或刀具每占据一个加工位置所完成的那部分工序内容，称为工位。加工刀具在加工表面上加工一次所完成的工步部分称为走刀。工步工位走刀零件的年生产纲领按下列公式计算：N=Qn(1+a)(1+b)(3-1)式中N——零件的生产纲领，单位为件／年；Q——产品的年产量，单位为台／年；n——每台产品中所含该零件的数量，单位为件／台；a——零件的备品百分率；b——零件的废品百分率。1.生产纲领产品的年生产纲领就是产品的年生产量。第二节、生产纲领与生产类型2.生产类型的划分根据产品投入生产的连续性，可大致分为三种不同的生产类型。1.单件生产产品品种不固定，每一品种的产品数量很少，大多数工作地点的加工对象经常改变。例如，重型机械、造船业等一般属于单件生产。2.大量生产产品品种固定，每种产品数量很大，大多数工作地点的加工的对象固定不变。例如，汽车、轴承制造等一般属于大量生产。在成批生产中，根据批量大小可分为小批、中批和大批生产。小批生产的特点接近于单件生产的特点，大批生产的特点接近于大量生产的特点，中批生产的特点介于单件和大量生产特点之间。因此生产类型可分为：单件小批生产，大批大量生产，中批生产。各种生产类型的工艺特点见表3-3。3.成批生产产品品种基本固定，但数量少，品种较多，需要周期性地轮换生产，大多数工作地点的加工对象是周期性的变换。例：表7-1单件小批生产的工艺过程工序号工序内容设备1车一端面，钻中心孔*；调头，车另一端面，钻中心孔车床I2车大外圆及倒角；调头，车小外圆、切槽及倒角车床II3铣键槽、去毛刺铣床表7-2大批大量生产的工艺过程工序号工序内容设备1铣两端面，钻两端中心孔*铣端面钻中心孔机床2车大外圆及倒角车床I3车小外圆、切槽及倒角车床II4铣键槽专用铣床5去毛刺钳工台图7–1阶梯轴讨论：生产规模不同，工序的划分不一样。计算节拍的公式：t=60Φ/N（3-2）式中t——节拍，单位为min/件；Φ——机床每年工作时数，单位为h；N——零件生产纲领，单位为件。Φ=cmnη式中c——每天班次（以2计算）；m——每年周数（以51计算）；n——每周一班工作时数（以35计算）；η——设备利用率，一般取0.94～0.96。三、节拍节拍是指生产每一个零件所规定的时间指标。1.工艺规程的作用1.工艺规程是指导生产的主要技术文件2.工艺规程是组织生产和管理工作的基本依据3.工艺规程是新建或扩建工厂或车间的基本资料第三节机械加工工艺规程机械加工工艺规程简称为工艺规程，是指导机械加工的主要技术文