机械加工工艺设计基础

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•规定产品或零部件制造工艺过程和操作方法等的工艺文件称为工艺规程。•工艺规程是指导生产组织生产、管理生产的主要工艺文件，是加工、检验验收、生产调度与安排的主要依据。1.机械加工工艺规程的作用（1）指导生产的主要技术文件；（2）生产组织管理和准备工作的技术依据；（3）新建或扩建工厂或车间的技术依据。2．工艺规程制订时所需的原始资料（1）产品装配图和零件工作图。（2）产品的生产纲领。（3）产品验收的质量标准。（4）现有的生产条件和资料。（5）国内、外同类产品的有关工艺资料等。3．对工艺规程的要求（1）技术上的先进性（2）经济上的合理性（3）良好的劳动条件（4）格式上的规范性二、数控加工工艺文件的格式（1）机械加工工艺过程卡（2）机械加工工序卡（3）数控加工工序卡（4）数控刀具卡片（5）数控加工走刀路线图（6）数控加工工件安装和原点设定卡片(简称装夹图和零件设定卡)（7）数控编程任务书三、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）详细拟定工序的具体内容（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定一、零件工艺分析零件的工艺分析，是指对所设计的零件在满足使用要求的前提下进行加工制造的可行性和经济性分析。包括零件的铸造、锻造、冲压、焊接、热处理、切削加工工艺性能分析。在制定机械加工规程时，主要进行零件的切削加工工艺性能分析。二、毛坯选择机械零件的制造包括毛坯成形和切削加工两个阶段。正确选择毛坯的类型和成形方法对于机械制造具有重要意义：毛坯成形对后续切削加工、对零件乃至产品的质量、使用性能、生产周期和成本等都有影响。1、毛坯的种类机械零件的常用毛坯包括铸件、锻件、轧制型材、挤压件、冲压件、焊接件、粉末冶金件和注射成型件。1）铸件形状较复杂的零件毛坯，宜采用铸造方法制造。目前生产中的铸件大多数是砂型铸造，少数尺寸较小的优质铸件可采用特种铸造，如金属性铸造、熔模铸造和压力铸造等。2）锻件锻件适用于强度要求较高，形状比较简单的零件毛坯，锻造方法有自由锻和模锻。自由锻的加工余量大，锻件精度低，生产率不高，适用于单件小批量生产以及大型零件毛坯制造。模锻加工余量小，锻件精度高，生产率高，适用于中小型零件毛坯的大批量生产。3）型材型材有热轧和冷拉两种。热轧型材的精度较低，适用于一般零件的毛坯。冷拉型材的精度较高，适用于对毛坯精度要求较高的中小型零件的毛坯制造，可用于自动机床加工。4）焊接件焊接件是根据需要用焊接的方法将同类材料或不同的材料焊接在一起而成的毛坯件。焊接件制造简单，生产周期短，但变形较大，需经时效处理后才能进行机械加工。焊接方法适用于大型毛坯、结构复杂的毛坯制造。5）冷冲压件适用于形状复杂的板料零件。低碳钢中碳钢高碳钢灰铸铁铝合金铜合金不锈钢工模具具钢钢塑料橡胶砂型铸造⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙金属型铸造⊙⊙⊙压力铸造⊙⊙熔模铸造⊙⊙⊙⊙⊙锻造⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙冷冲压⊙⊙⊙⊙⊙⊙粉末冶金⊙⊙⊙⊙⊙⊙焊接⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙挤压型材⊙⊙⊙⊙⊙冷拉型材⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙备注可压制及吹塑可压制2.毛坯种类的选择选择毛坯的基本任务是选定毛坯的制造方法及其制造精度。毛坯的选择不仅影响毛坯的制造工艺和费用，而且对零件的加工质量、加工方法、生产率及生产成本都有很大的影响。因此，选择毛坯要从毛坯的制造和机械加工两方面综合考虑，以求得最佳的技术经济效果。1）零件材料及力学性能要求例如材料为铸铁的零件，应选择铸造毛坯。对于重要的钢制零件，为获得良好的力学性能，应选用锻件毛坯；形状较简单及力学性能不太高时，可用型材毛坯；有色金属零件常用型材或铸造毛坯。2）零件的结构形状与大小轴类零件毛坯，如直径和台阶相差不大，可用棒料；如各台阶尺寸相差较大，则宜选用锻件。大型零件毛坯多用砂型铸造或自由锻；中小型零件可用模锻件或特种铸造件。3）生产类型大批大量生产时，应选用毛坯精度和生产率均较高的毛坯制造方法，和精密如模锻、金属型机器造型铸造和精密铸造。单件小批生产时，可采用木模手工造型铸造或自由锻造。4）现有生产条件选择毛坯时，必须考虑现有生产条件，如现有毛坯制造的水平和设备情况，外协的可能性及经济性等。5）充分利用新工艺、新材料为节约材料和能源，提高机械加工生产率，应充分考虑应用新工艺、新技术和新材料。如精铸、精锻、冷轧、冷挤压和粉末冶金等在机械中的应用日益广泛，这些方法可以大大减少机械加工量，节约材料，大大提高了经济效益。3.典型零件的毛坯选择轴杆类零件1）轴杆类零件•轴杆类零件是机械产品中支承传动件、承受载荷、传递扭矩和动力的常见典型零件。•其结构特征是轴向尺寸远大于径向尺寸。•包括各种传动轴、机床主轴、丝杠、光杠、曲轴、偏心轴、凸轮轴、齿轮轴、连杆、摇臂、螺栓等。•轴类零件最常用的毛坯是型材和锻件，对于某些大型的、结构形状复杂的轴也可用铸件或焊接结构件。•对于光滑的或有阶梯但直径相差不大的一般轴，常用型材（即热轧或冷拉圆钢）作为毛坯。•对于直径相差较大的阶梯轴或要承受冲击载荷和交变应力的重要轴，均采用锻件作为毛坯。当生产批量较小时，应采用自由锻件；当生产批量较大时，应采用模锻件。•对于结构形状复杂的大型轴类零件，其毛坯可采用砂型铸造件、焊接结构件或铸一焊结构毛坯。图2减速器传动轴•如图2所示为减速器传动轴，工作载荷基本平衡，材料45钢，小批量生产。由于该轴工作时不承受冲击载荷，工作性质一般，且各阶梯轴径相差不大，因此，可选用热轧圆钢作为毛坯。下料尺寸为Ф45㎜×220㎜。•减速器传动轴的加工路线可设计为：热轧棒料下料－粗加工－调质处理－精加工－磨削。图3磨床主轴简图如图3所示为磨床砂轮主轴，生产批量中等。•砂轮主轴主要用于传递动力。该零件精度要求高，工作中将承受弯曲、扭转、冲击等载荷，要求具有较高的强度；•砂轮主轴与滑动轴承相配合,由于主轴转速高容易导致轴颈与轴瓦磨损，故要求轴颈具有较高的硬度和耐磨性；•砂轮在装拆过程中易使外圆锥面拉毛，影响加工精度，所以要求这些部位具有一定的耐磨性。根据以上要求，材料选择为65Mn，毛坯采用模锻件。•砂轮主轴的加工路线设计为：下料－锻造－退火－粗加工－调质处理－精加工－表面淬火－粗磨－低温人工时效－精磨。•退火的目的是消除锻造应力及组织不均匀性，降低硬度，改善加工性。•调质处理是为了提高主轴的综合性能，以满足心部的强度要求，同时在表面淬火时能获得均匀的硬化层。•表面淬火是为了使轴颈和外圆锥部分获得高硬度，提高耐磨性。•人工时效的作用是进一步稳定淬硬层组织和消除磨削应力，以减少主轴的变形。如图4所示为汽车排气阀的外形简图。该零件在高温状态下工作，要求材料为耐热钢，大批量生产。在保证满足零件的使用要求的前提下，为节约较贵重的耐热钢，故采用焊接件毛坯。阀杆部分采用耐热钢，阀帽部分采用碳素结构钢，焊接方法采用电阻焊。图4汽车排气阀示意图2）盘套类零件的毛坯选择•盘套类零件是指直径尺寸较大而长度尺寸相对较小的回转体零件（一般长度与直径之比小于1）,如图5所示。•属于这类零件的有各种齿轮、带轮、飞轮、联轴节、套环、轴承环、端盖及螺母、垫圈等。图5盘套类零件（1）带轮的毛坯选择•带轮是通过中间挠性件（各种带）来传递运动和动力的，一般载荷比较平稳。•对于中小带轮多采用HT150制造，故其毛坯一般采用砂型铸造，生产批量较小时用手工造型；生产批量较大时可采用机器造型；•对于结构尺寸很大的带轮，为减轻重量可采用钢板焊接毛坯。（2）链轮的毛坯选择•链轮是通过链条作为中间挠性件来传递动力和运动的，其工作过程中的载荷有一定的冲击，且链齿的磨损较快。•链轮的材料大多使用钢材，最常用的毛坯为锻件。•单件小批生产时，采用自由锻造；•生产批量较大时使用模锻；对于新产品试制或修配件，亦可使用型材；•对于齿数大于50的从动链轮也可采用强度高于HT150的铸铁，其毛坯可采用砂型铸造，造型方法视生产批量决定。（3）圆柱齿轮的毛坯选择•齿轮的毛坯选择取决于齿轮的选材、结构形状、尺寸大小、使用条件及生产批量等因素。•对于钢制齿轮，如果尺寸较小且性能要求不高，可直接采用热轧捧料。•除此之外，一般都采用锻造毛坯。•生产批量较小或尺寸较大的齿轮采用自由锻造；生产批量较大的中小尺寸齿轮采用模锻。•对于直径比较大，结构比较复杂的不便于锻造的齿轮，采用铸钢毛坯或焊接组合毛坯。图6车床主轴箱中三联滑动齿轮简图一般来说，机床齿轮载荷不大，运动平稳，工作条件好，故对齿轮的耐磨性及冲击韧度要求不高，材料选用中碳钢，用热轧圆钢作为毛坯。该齿轮主要用来传递动力并改变转速，通过拨动箱外手柄使齿轮在Ⅲ轴上作滑移运动，与Ⅱ轴上的不同齿轮啮合，以获得不同的转速。考虑到整个齿轮较厚，采用中碳钢难以淬透，生产中也可选用中碳合金钢如40Cr，齿面经高频淬火提高表面硬度和耐磨性。其加工工艺路线为：•下料－锻造－正火－粗加工－调质－精加工－齿轮高频淬火及回火－精磨•正火处理对锻造齿轮毛坯是必须的热处理工序，它可消除锻造压力，均匀组织，改善切削加工性。对于一般齿轮，正火也可作为高频淬火前的最后热处理工序。•调质处理可以使齿轮获得较高的综合力学性能，齿轮可承受较大的弯曲应力和冲击力，并可减少淬火变形。•高频淬火及低温回火提高了齿轮表面硬度和耐磨性，并且使齿轮表面产生压应力，提高了抗疲劳破坏的能力。低温回火可消除淬火应力，对防止产生磨削裂纹和提高抗冲击能力是有利的。图7解放牌汽车变速齿轮•汽车变速箱中的齿轮主要用来调节发动机曲轴和主轴凸轮的转速比，以改变汽车的运行速度，其工作较为繁重，因此在疲劳极限、耐磨性以及抗冲击等性能方面均比机床齿轮要求高，因此变速齿轮的材料大多选用合金渗碳钢。•图7为解放牌汽车变速齿轮，采用20CrMnTi钢，经渗碳淬火处理及低温回火后表面硬度为58～62HRC，心部硬度为30～45HRC，这种钢具有良好的工艺性能，这对大量生产来说极为重要。毛坯生产方法采用模锻。20CrMnTi钢经锻造及正火后，切削加工性较好，同时有良好的淬透性、过热倾向小、渗碳速度快及淬火变形小等热处理工艺性能。具体加工工艺路线如下：•下料－模锻－正火－机械粗、半精加工(内孔及端面留磨量)－渗碳(孔防渗)淬火、低温回火－喷丸－校正花键孔－珩(或磨)齿•正火是为了均匀和细化组织，消除锻造应力，获得较好的切削加工性。•渗碳、淬火及低温回火是为了使齿面具有高硬度及耐磨性，而心部可得到低碳马氏体组织，有高的强度和足够的韧性。•喷丸处理是一种强化手段，可使零件渗碳表层的压应力进一步增大，有利于提高疲劳强度，同时也可清除氧化皮。图8箱体、机架类零件3）箱体机架类零件•是机器的基础件，包括机身、齿轮箱、阀体、泵体、轴承座等。•由于箱体类零件的结构形状一般都比较复杂，且内部呈腔形，为满足减振和耐磨等方面的要求，其材料一般都采用铸铁。•为达到结构形状方面的要求，最常见的毛坯是砂型铸造的铸件。•在单件小批生产、新产品试制或结构尺寸很大时，也可采用钢板焊接毛坯。图9泵体零件图•如图9所示为泵体零件图，材料为HT150，大批生产。•考虑到该零件是泵的支承件，结构比较复杂，材料为灰铸铁，而且生产批量大等因素，选择机器造型的砂型铸造方法生产零件毛坯比较适宜。车床进给箱体，材料HT200，中批量生产阶梯轴，材料45钢，小批生产双联齿轮，材料40Cr，大批生产三、工艺路线的拟定•拟定工艺路线时，首先考虑定位基准的选择，还要考虑加工方法的经济精度和经济表面粗糙度，考虑加工阶段划分，结合工序集中和工序分散的特点，合理安排加工顺序。1.表面加工方法的选择（1）加工方法的经济精度（2）选择表面加工方法的考虑因素1）工件材料的性质2）工件的形状和尺寸3）生产类型4）现有生产条件（3）典型加工路线1）外圆表面的常用加工路线2）孔的常用加工路线3）平面的常用加工路线2.加工阶段的划分⑴粗加工阶段主要任务是尽快从毛坯上去除大部分余量，关键问题是提高生产率。⑵半精加工阶段在粗加工阶段的基础上提高零件精度和表面质量，并留合适