机械加工工艺的制定

第一讲机械加工工艺的编制学习指南：通过本次课程设计能熟练运用机械制造工艺课程中的基本理论，正确地解决一个零件在加工中的定位、夹紧以及工艺路线安排、工艺尺寸确定等问题，保证零件的加工质量。本讲首先介绍了机械加工工艺编制的基本步骤，然后将每个步骤详细地进行讲解。一、加工工艺规程的设计步骤分析零件工作图和产品装配图阅读零件工作图和产品装配图，以了解产品的用途、性能及工作条件，明确零件在产品中的位置、功用及其主要的技术要求。工艺审查主要审查零件图上的视图、尺寸和技术要求是否完整、正确；分析各项技术要求制订的依据，找出其中的主要技术要求和关键技术问题，以便在设计工艺规程时采取措施予以保证；审查零件的结构工艺性。确定毛坯的种类及其制造方法常用的机械零件的毛坯有铸件、锻件、焊接件、型材、冲压件以及粉末冶金、成型轧制件等。零件的毛坯种类有的已在图纸上明确，如焊接件。有的随着零件材料的选定而确定，如选用铸铁、铸钢、青铜、铸铝等，此时毛坯必为铸件，且除了形状简单的小尺寸零件选用铸造型材外，均选用单件造型铸件。对于材料为结构钢的零件，除了重要零件如曲轴、连杆明确是锻件外，大多数只规定了材料及其热处理要求，这就需要工艺规程设计人员根据零件的作用、尺寸和结构形状来确定毛坯种类。如作用一般的阶梯轴，若各阶梯的直径差较小，则可直接以圆棒料作毛坯；重要的轴或直径差大的阶梯轴，为了减少材料消耗和切削加工量，则宜采用锻件毛坯。常用毛坯的特点及适用范围见表1-1。　拟定机械加工工艺路线这是机械加工工艺规程设计的核心部分，其主要内容有：选择定位基准；确定加工方法；安排加工顺序以及安排热处理、检验和其它工序等。确定各工序所需的机床和工艺装备工艺装备包括夹具、刀具、量具、辅具等。机床和工艺装备的选择应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，与生产批量和生产节拍相适应，并应优先考虑采用标准化的工艺装备和充分利用现有条件，以降低生产准备费用。对必须改装或重新设计的专用机床、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。确定各工序的加工余量，计算工序尺寸和公差。　　确定切削用量。　确定各工序工时定额。　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。填写或打印工艺文件。一、分析零件技术要求及其合理性一般将零件图上提出的有关技术要求分为以下几类：1.加工表面本身的要求（尺寸精度、形状和粗糙度）：据其选择加工方法、加工步序；2.表面之间的相对位置精度（包括位置尺寸、位置精度）：与基准的选择有关；3.表面质量及镀层要求：涉及选材及热处理工艺的确定；4.其它要求：如等重、平衡、探伤等。同时，还要审查材料选用是否恰当、技术要求是否合理。过高的精度要求、粗糙度以及其它要求，会使工艺过程复杂化，加工困难，成本增加。二、零件的结构工艺性审查审查零件结构工艺性是工艺分析工作的一项重要内容。工艺性分析的内容除了审查零件图上视图、尺寸、公差是否齐全、正确之外，主要是审查零件的结构工艺性。所谓零件结构工艺性是指所设计的零件在满足使用要求的前提下，制造的可行性和经济性。有时功能完全相同而结构工艺性不同的零件其制造方法与制造成本往往相差很大。关于零件在机械加工中的结构工艺性，主要考虑如下几方面：1.合理标注尺寸（1）零件图上重要尺寸应直接标注，在加工时尽量使工艺标准与设计基准重合，符合尺寸链最短的原则。图1-1从工艺基准标注尺寸（2）零件图上标注的尺寸应便于测量，不要从轴线、中心线、假想平面等难以测量的基准标注尺寸。（3）零件图上的尺寸不应标注成封闭式，以免产生矛盾。（4）零件的自由尺寸，应按加工顺序尽量从工艺基准注出。如图1-1齿轮轴，图a标注方法大部分尺寸要换算，不能直接测量。图b标注方式，与加工顺序一致，便于加工测量。（5）零件所有加工表面与非加工面之间只标注一个联系尺寸。2.零件结构便于加工，有利于达到所要求的加工质量。（1）合理确定零件的加工精度与表面质量：加工精度定得过高会增加工序，增加制造成本;过低会影响其使用性能，必须根据零件在整个机器中的作用和工作条件合理的进行选择。（2）保证位置精度的可能性：为保证零件的位置精度，最好使零件能在一次装夹下加工出所有相关表面。这样由机床的精度来达到要求的位置精度。如图1-2a结构，保证Ф80mm与内孔Ф60mm的同轴度较难。如改成图b结构，就能在一次装夹下加工外圆与内孔。3.有利于减少加工和装配的劳动量图1-2保证同轴度的结构图1-3减少内部结构加工（1）减少不必要的加工面积可减少机械加工量；对于安装表面的减少有利于保证配合面的接触质量。（2）尽量避免、减少或简化内表面的加工：因为外表面要比内表面加工方便经济，又便于测量。因此，在零件设计时应力求避免在零件内腔进行加工。如图1-3所示，将图a的内沟槽改成图b轴的外沟槽加工，使加工与测量都很方便。4.有利于提高劳动生产率，与生产类型相适应（1）零件的有关尺寸应力求一致，并能用标准刀具加工。如退刀槽尺寸一致，可减少刀具种类。图1-4孔轴线平行图1-5结构便于多件加工（2）零件加工表面应尽量分布在同一方向，或互相垂直的表面上。如图1-4b所示孔的轴线应当平行。（3）零件结构应便于加工。对于零件上那些不能进行穿通加工的结构，应设退刀槽、越程槽或孔。（4）避免在斜面或弧面上钻孔和钻头单刃切削，从而避免造成切削力不等使钻孔轴线倾斜或折断钻头。（5）便于多刀或多件加工。零件设计的结构要便于多件加工，如图1-5，图b结构可将毛坯排列成行便于多件连续加工。（6）要与具体的生产类型相适应。三、工艺规程中的基准1.工艺基准工艺基准是在工艺过程中所采用的基准。按其不同用途又可分为：1）工序基准工序基准是在工序图上用来确定本工序所加工的表面，加工后的尺寸、形状、位置。它是某一工序所要达到的加工尺寸（即工序尺寸）的起点。2）定位基准定位基准是在加工中用作定位的基准。如图1-7所示的齿轮，用内孔装在心轴上磨削Ф50h8外圆表面时，内孔中心线就是定位基准。3）测量基准测量基准是零件测量时所采用的基准。4）装配基准装配基准是装配时确定零件或部件在产品中的相对位置所采用的基准。如图1-12所示的齿轮，Ф30H7内孔及端面为装配基准。2.定位基准的选择（1）精基准的选择选择精基准时，应重点考虑保证加工精度，使加工过程操作方便。选择精基准一般要考虑以下原则：图1-8车床床头箱1)基准重合的原则尽量选用被加工表面的设计基准作为精基准，这样可以避免因基准不重合而引起的误差。如图1-8所示车床床头箱零件，要求主轴孔距底面M的距离H1=205±0.1。在大批量生产时在组合机床上采用调整法进行加工。为方便布置中间导向装置，床头箱体用顶面N为定位基准。镗孔工序直接保证的工序尺寸是H，而H1是由H及H2间接保证的；要求TH+TH2≤TH1。如果以底面M定位，定位基准与设计基准重合，可以直接按设计尺寸H1加工。2)基准统一原则选择尽可能多的表面加工时都能使用的基准做精基准。如轴类零件，常用顶尖孔做统一基准加工外圆表面，这样可保证各表面之间同轴度：一般箱体常用一平面和两个距离较远的孔作为精基准；盘类零件常用一端面和一端孔为一精基准完成各工序的加工。采用基准统一原则可避免基准变换产生的误差，简化夹具设计和制造。3)互为基准原则对于两个表面间相互位置精度要求很高，同时其自身尺寸与形状精度都要求很高的表面加工，常采用“互为基准、反复加工”原则。如机床主轴前端锥孔，与轴颈外圆的加工，常以锥孔为基准加工外圆轴颈，再以外圆轴颈为基准加工内锥孔，以保证二者间的位置精度。4）自为基准原则对于加工精度要求很高，余量小而且均匀的表面，加工中常用加工表面本身作为定位基准。例如磨削机床床身导轨面时，为保证导轨面上切除余量均匀，以导轨面本身找正定位磨削导轨面。5）所选精基准，应保证工件装夹稳定可靠，夹具结构简单，操作方便。首先选用基准重合原则，实在做不到基准重合原则时，采用基准统一原则，关系位置比较重要的地方采用互为基准原则。2）粗基准选择的原则在机械加工工艺的过程中，第一道工序总是用粗基准定位。粗基准的选择对各加工表面加工余量的分配、保证不加工表面与加工表面间的尺寸、相互位置精度均有很大的影响。图1-9a和b分别给出了不同的粗基准选择方案对加工效果的影响。具体选择时应考虑以下原则：图1-9选用不同粗基准时的不同加工效果图1-10用床身导轨面为粗基准图1-11不加工表面作粗基准1）选择重要表面为粗基准对于工件的重要表面，为保证其本身的加工的余量小而均匀，应优先选择该重要表面为粗基准。如加工床身、主轴箱时，常以导轨面（如图1-9）或主轴孔为粗基准。2）选择不加工表面为粗基准为了保证加工表面与不加工表面之间的相互位置要求，一般应选择不加工表面为粗基准。如图1-10所示。3）选择加工余量最小的表面为粗基准若零件上有多个表面要加工，则应选择其中加工余量最小的表面为粗基准，以保证各加工表面都有足够的加工余量。如图1-11所示，铸造或锻造的轴，一般大头直径上的余量比小头直径上的余量大，故常用小头外圆表面为粗基准来加工大头直径外圆。4）选择较为平整光洁，无分型面、冒口，面积较大的为粗基准，以使工件定位可靠、装夹方便，减少加工劳动量。5）粗基准在同一自由度方向上只能使用一次。粗基准重复使用会造成较大的定位误差。四、表面加工方法的选择任何复杂的表面都是由若干个简单的几何表面（外圆柱面、孔、平面或成形表面）组合而成的。零件的加工，实质上就是这些简单几何表面加工的组合。因此，在拟定零件的加工工艺路线时，首先要确定构成零件各个表面的加工方法。选择加工方法的具体做法就是根据被加工表面的加工要求、材料性质等，选择合适的加工方法及加工路线。在具体选择时应综合考虑下列各方面的原则：（1）所选择加工方法的经济加工精度及表面粗糙度应满足被加工表面的要求。图1-18、图1-19、图1-20分别给出三种基本表面的典型加工方法。其中的数据是在正常加工条件下（采用符合质量标准的设备、工艺装备和标准技术等级工人、不延长加工时间）所能保证的加工精度，即经济加工精度。随着生产技术的发展，工艺水平的提高，同一种加工方法能达到的经济加工精度和表面粗糙度也会不断提高。（2）所选择的加工方法要能保证加工表面的几何形状精度和表面相互位置要求。各种加工方法所能达到的几何形状精度和相互位置精度可参阅有关机械加工工艺手册。（3）选择加工方法要与零件的加工性能、热处理状况相适应。对于硬度低、韧性较高的金属材料，如有色金属等不宜采用磨削加工，而淬火钢、耐热钢等材料多用磨削加工。（4）所选择的加工方法要与生产类型相适应。大批量生产可采用高效机床和先进加工方法，如平面和内孔的拉削，轴类零件可用半自动液压仿形车；而小批生产则用通用车床、通用工艺装备和一般的加工方法。（5）所选择的加工方法要与工厂现有的生产条件相适应，不能脱离现有设备状况和工人技术水平，要充分利用现有设备，挖掘生产潜力。五、加工工艺路线的拟定１.加工阶段的划分对于加工质量要求较高或比较复杂的零件，整个工艺路线常划分为几个阶段来进行：（1）粗加工阶段主要任务是切除各加工表面上的大部分加工余量，并作出精基准。其关键问题是提高生产率。（2）半精加工阶段任务是减少粗加工留下的误差，为主要表面的精加工做好准备（控制精度和适当余量），并完成一些次要表面的加工（如钻孔、攻螺纹、铣键槽等）。（3）精加工阶段任务是保证各主要表面达到图样规定要求，主要问题是如何保证加工质量。（4）光整加工阶段主要任务是提高表面本身的精度（表面粗糙度和精度），不纠正几何形状和相互位置误差。常用加工方法有金钢镗、研磨、珩磨、镜面磨、抛光等。划分加工阶段的原因是：（1）保证加工质量粗加工时切削余量大，切削力、切削热、夹紧力也大，毛坯本身具有内应力，加工后内应力将重新分布，工件会产生较大变形。划分加工阶段后，粗加工产生的误差和变形，通过半精加工和精加工予以纠正，并逐步提高零件的精度和表面质量。（2）及时发现毛坯的缺