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1、机械制造之工艺规程设计与制定第2章工艺规程设计与制定教学目标与要求 熟悉工艺规程制定的原则与步骤 熟悉并掌握工件定位基准的选择及其定位 熟悉并掌握工序加工余量与工序尺寸的确定方法 掌握典型工艺尺寸链的解算方法教学重点 工件定位基准的选择及其定位 工序余量与工序尺寸的确定 典型工艺尺寸链的解算2.1 工艺规程制定的基本原则与步骤1 .制定工艺规程的原则制定工艺规程的总体原则是优质、高产、低消耗，即在保证产品质量的前提下，尽可能提高生产率与降低成本。同时，还应在充分利用本企业现有生产条件的基础上，尽可能使用国内外先进工艺技术与检测技术，在规定的生产批量下使用最经济并能取得最好经济效益的加工方法，此
2、外还应保证工人具有良好而安全的劳动条件。2 .制定工艺规程的原始资料产品装配图与零件图与产品验收的质量标准。零件的生产纲领及投产批量、生产类型。毛坯与半成品的资料、毛坯制造方法、生产能力及供货状态等。现场的生产条件，包含工艺装备及专用设备的制造能力、规格性能、工人技术水平及各类工艺资料与相应标准等。国内外同类产品的有关工艺资料等。3 .制定工艺规程的步骤制定工艺规程的要紧步骤如下。计算零件生产纲领，确定生产类型。图样分析，要紧进行零件技术要求分析与结构工艺性分析。选择毛坯，确定毛坯制造方法。拟定工艺路线，选择表面加工方法，划分加工阶段，安排加工顺序等。确定各工序所用机床及工艺装备。确定各工序的
3、加工余量及工序尺寸。确定各工序的切削用量与工时定额。填写工艺文件，即填写工艺过程卡、工艺卡、工序卡等。2.2 机械零件的结构工艺性分析评价2.2.1 概念1 .零件表面构成零件的结构千差万别，但都是由一些基本表面与特形表面所构成。基本表面要紧有内外圆柱面、平面等；特形表面要紧指成型表面。2 .零件表面组合情况分析关于零件结构分析的另一方面是分析零件表面的组合情况与尺寸大小。组合情况与尺寸大小的不一致，形成了各类零件在结构特点与加工方案选择上的差别。在机械制造业中，通常按零件结构特点与工艺过程的相似性，将零件大体上分为轴类、箱体类、盘体类等。3 .零件的结构工艺性分析零件结构工艺性是指零件的结构
4、在保证使用要求的前提下，是否能以较高的生产率与最低的成本而方便地制造出来的特性。许多功能相同而结构不一致的零件，它们的加工方法与制造成本往往差别很大，因此应认真分析零件的结构工艺性。2.2.2典型实例表2-1列出了常见零件机械加工工艺性对比的示例。零件机械加工工艺性对比工艺性合理说明键槽的尺寸、方位相 同，可在一次装夹中 加工出全部键槽，以 提高生产效率孔中心与箱体壁之间 尺寸太小，无法引进 刀具减少接触面积，减 少加工量，提高稳 固性Un4避免深孔加工，提高连接强度,节约材料，减少加工量续表工艺性合理说明工艺性不合理/./为减少刀具种类与换刀时间，应设计为相同的宽度为便于加工，内螺纹 根部应
5、有退刀槽为便于加工，槽的底面不应与其他加工面重合为便于一次加工，生产效率高，凸台表面应处于同一水平面2.3零件毛坯的选择与确定2.3.1 毛坯类型机械制造中常用的毛坯有下列几种。1 .铸件形状复杂的毛坯宜使用铸造方法制造。目前生产中的铸件大多数是用砂型铸造的，少数尺寸较小的优质铸件可使用特种铸造，如金属型铸造、离心铸造、熔模铸造与压力铸造等。2 .锻件锻件有自由锻与模锻两种。自由锻件的加工余量大，锻件精度低，生产率不高，要求工人的技术水平较高，适用于单件小批生产。模锻件的加工余量小，锻件精度高，生产率高，但成本也高，适用于大批大量生产且小型锻件。3 .型材下料件型材下料件是指从各类不一致截面形
6、状的热轧与冷拉型材上切下的毛坯件。如角钢、工字钢、槽钢、圆棒料、钢管、塑钢等。热轧型材的精度较低，适用于通常零件的毛坯。冷拉型材的精度较高，多用于毛坯精度要求较高的中小型零件与自动机床上加工零件的毛坯。型材下料件的表面通常不再加工，但需注意其规格。4 .焊接件焊接件是用焊接的方法将同种材料或者不一致种材料焊接在一起，从而获得的毛坯，如焊条电弧焊、菰弧焊、气焊等。焊接方法特别适宜于实现大型毛坯、结构复杂毛坯的制造。焊接的优点是生产周期短、效率高、成本低，但缺点是焊接变形比较大。5 .3.2毛坯选择的方法在进行毛坯选择时，应考虑下列因素。1 .零件材料的工艺性零件材料的工艺性是指材料的铸造、锻造、
7、切削性与热处理性能等与零件对材料组织与力学性能的要求，比如材料为铸铁或者青铜的零件，应选择铸件毛坯。2 .零件的结构形状与外形尺寸通常用途的阶梯轴，如台阶直径相差不大，单件生产时可用棒料；若台阶直径相差较大,则宜用锻件，以节约材料与减少机械加工量。大型零件毛坯受设备条件限制，通常只能用自由锻件或者砂型铸造件；中小型零件根据需要可选用模锻件或者特种铸造件。3 .生产类型大批大量生产时，应选择毛坯精度与生产率均高的先进毛坯制造方法，使毛坯的形状、尺寸尽量接近零件的形状、尺寸，以节约材料，减少机械加工量，由此而节约的费用往往会超出毛坯制造所增加的费用，以获得良好的经济效益。单件小批生产时，若使用先进
8、的毛坯制造方法，则所节约的材料与机械加工成本，相关于毛坯制造所增加的设备与专用工艺装备费用就得不偿失了，故应选择毛坯精度与生产率均比较低的通常毛坯制造方法，如自由锻与手工砂型铸造等方法。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与设备情况，外协的可能性等。在可能时，应尽量组织外协，实现毛坯制造的社会专业化生产，以获得好的经济效益。5 .充分考虑利用新技术、新工艺与新材料随着毛坯制造专业化生产的进展，目前毛坯制造方面的新工艺、新技术与新材料的应用越来越多，精铸、精锻、冷轧、冷挤压、粉末冶金与工程塑料的应用日益广泛，这些方法能够大大减少机械加工量，节约材料并有十分显著的经济
9、效益。2.3.3毛坯选择实例为使工件安装稳固，有些铸件毛坯需要铸出工艺搭子。工艺搭子在零件加工后应切除。为提高机械加工生产率，关于一些类似图2-1所示须经锻造的小零件，常将若干零件先锻造成一件毛坯，经加工之后再切割分离成单个零件。关于一些垫圈类较小零件，应将多件合成一个毛坯，先加工外圆与切槽，然后再钻孔切割成若干个零件，如图2-2所示。图2-2垫圈的整体毛坯及加工2.4工件的定位基准与定位2.4.1 定位基准的选择工件在装夹时务必根据一定的基准，否则便无法实现正确定位与夹紧，为此先讨论基准的概念。1 .基准的概念在零件的设计与制造过程中，确定生产对象上的某些点、线、面的位置时所根据的那些点、线
10、、面就是基准。按照作用的不一致，基准可分为设计基准与工艺基准2大类。(1)设计基准。就是设计工作图上所使用的基准。如齿轮的内孔、外圆与分度圆的设计基准是齿轮的轴线，两端面能够互为基准。(2)工艺基准。就是加工或者装配过程中所使用的基准。它又分为工序基准、定位基准、测量基准与装配基准。工序基准：工序图上用来确定本工序所加工表面加工后的尺寸、形状与位置的基准。定位基准：就是在加工中用作定位的基准。测量基准：就是测量时所使用的基准。装配基准：装配时用来确定零件或者部件间相互位置所选用的基准。本节仅重点介绍定位基准。2.定位基准的选择定位基准分为精基准与粗基准。(1)粗基准的选择。在起始工序中，只能选
11、用未经加工过的毛坯表面作为定位基准，这种基准称之粗基准。粗基准在同一方向只同意使用一次。粗基准的选择，要紧考虑如何保证加工表面与不加工表面之间的位置与尺寸要求，加工表面的加工余量是否均匀与足够，与减少装夹次数等。选择粗基准时应坚持如下原则。假如零件上有一个不需要加工的表面，在该表面能够被利用的情况下，应尽量选择该表面作为粗基准。假如零件上有几个不需要加工的表面,应选择其中与加工表面有较高位置精度要求的不加工表面作为第1次装夹的粗基准。假如零件上所有表面都需要机械加工，则应选择加工余量最小的毛坯表面作为粗基准。同一尺寸方向上，粗基准只能使用一次。图23粗基准选择示例粗基准要选择平整、面积大的表面
12、。如图2-3所示，内孔与端面需要加工，外圆表面不需要加工。铸造时内孔B与外圆A之间有偏心。为保证加工后零件的壁厚均匀，即内、外圆同心度好，应以不加工表面A作为粗基准来加工内孔8(使用三爪卡盘夹持外圆)；若以内孔8作为粗基准（用四爪卡盘夹持外圆，然后按内孔找正定位），则加工后内孔与外圆不一致轴，壁厚必定不均匀。如图2所示的机床床身，要求导轨面应有较好的耐磨性，以保持其导向精度。由于铸造时的浇注位置（床身导轨面朝下）决定了导轨面处的金属组织均匀而致密，为此，应选择导轨面作为粗基准，先加工床腿底面，如图2/（a）所示；然后再以床腿底面为基准加工导轨面，如图24（b）所示，这样就能保证导轨面的加工余量
13、小而均匀。如图2-5所示，以表面B为粗基准加工表面A之后，若仍以表面B为粗基准来加工表面C,由于作为粗基准的毛坯表面通常精度比较低，两次装夹会出现较大误差，故不能保证工件轴心线在前后两次装夹中位置的一致性，则必定导致加工后的表面A与C之间产生较大的同轴度误差。图2-4机床床身加工的粗基准选择图25粗基准重且使用示例（2）精基准的选择。用加工过的表面作为定位基准，便称之精基准。选择精基准时应坚持下列5个原则。基准重合原则：以设计基准为定位基准，可避免基准不重合误差，用调整法加工零件时，假如基准不重合，将出现基准不重合误差。所谓调整法，是指预先调整好刀具与机床的相对位置，并在一批零件的加工过程中保
14、持这种相对位置不变的加工方法。与之相对应的是试切法加工，即试切一测量一调整一再试切，循环反复直至达到零件尺寸要求。试切法适用于单件小批生产下的逐个零件的加工。基准统一原则：选用统一的定位基准来加工工件上的各个加工表面，以避免基准转换而带来的误差，它有利于保证各表面的位置精度，可简化工艺规程与夹具的设计与制造，缩短生产准备周期。典型的基准统一原则要紧表达在轴类零件、盘类零件与箱体类零件。轴的精基准为轴两端的中心孔；齿轮是典型的盘类零件，常以中心孔及一个端面为精基准；而箱体类零件常以一个平面及平面上2个定位用的工艺孔为精基准。自为基准原则：当某些精加工表面要求加工余量小而均匀时，可选择该加工表面本
15、身作为定位基准，以提高加工面本身的精度与表面质量。图2-4所示的机床床身零件在最后精磨床身导轨面时，经常在磨头上装上百分表，床身置于可调支承上，以导轨面本身为基准进行找正定位，来保证导轨面与磨床工作台平行，然后进行磨削加工，这样可使磨削余量小而均匀，以利于提高导轨面的加工质量与磨削生产率。自为基准原则在生产中有着较多的运用，如拉孔、浮动较孔、施磨孔与攻螺纹等，这些都是以加工面本身作为定位基准的实例。互为基准原则：若工件上存在2个相互位置精度有要求的表面时，那么在加工中让这2个表面互相作为定位基准，反复加工另一个面，便称之互为基准原则。互为基准原则不仅符合基准重合原则，而且在反复加工过程中可使两
16、加工表面获得高的位置精度，旦使加工余量小而均匀。因此一些同轴度或者平行度等相互位置精度要求较高的精密零件在加工中经常使用这一原则。图2-6基准垂合示例保证工件定位准确，夹紧安全可靠，操作方便、省力的原则：如图2-6所示，表面A、B及底面。已经加工过，要加工表面C。为了遵循基准重合原则，应选择加工面C的设计基准面A作为定位基准。这样按调整法加工时，表面C对设计基准4的位置精度的保证，只要。面对A面的平行度误差不超过0.05mm,位置尺寸Li的加工误差不超过其设计公差，就能保证加工精度。但是，当表面C的设计基准不是A面而是B面时，若仍以A面作为定位基准，就违背了基准重合原则，则必定要产生基准不重合
17、误差。2.4.2工件定位原理1.六点定位原理任何一个自由刚体，在空间均有6个自由度，即沿空间坐标轴x、y、z3个方向的移动与绕此三坐标轴的转动。工件定位的实质就是限制工件的自由度。若在x-y平面上设置3个不共线的抽象支承点（如图2-7所示点1、2、3）,工件紧靠在这3个支承点上，便限制了工件的、学、z3个自由度；在X-Z平面上设置2个抽象支承点4、5（在理论上这2点尽量相距远一点，它们的连线与x-y平面平行），工件紧靠这2个支承点便可限制2、92个自由度；在yz平面上设置1个支承点6,工件靠向它便限制了犬自由度。由此可见，工件安装时要紧靠机床工作台或者夹具上的这6个支承点，它的6个自由度即被全
18、部限制，工件便获得一个完全确定的位置。工件定位时，用夹具上合理分布的6个支承点与工件的定位基准相接触来限制其6个自由度，使其位置完全确定，称之六点定位原理。六点定位原理是工件定位的基本法则。用于实际生产时，这些支承点应是具有一定形状的几何体，这些限制工件自由度的几何体就是定位元件。图2-7工件六点定位原理关于六点定位原理作下列2点说明。6个支承点务必适当分布。若3个支承点分布在一直线上，就不可能限制3个自由度;若不在一条线上的3个支承点所形成的三角形面积越大，则定位就越稳固。工件与定位支承点相接触就实现了定位，至于工件在加工过程中始终保持已定好的位置不变则是靠夹紧来实现的。另外，若认为工件定位
19、后夹紧前在支承点的反方向仍有移动的可能性，便认为定位不确定，这种懂得是错误的。在实际生产中，定位支承点总是以具体定位元件来实现的，因此直接分析各类定位元件所能限制的自由度，与它们的组合所能限制的自由度，对研究定位问题更具有实际意义。表2-2列出了常用定位元件所能限制的自由度。续表工件的定位面夹具的定位元件外圆柱面圆锥面圆柱销圆锥销心轴V形块定位套锥顶尖及锥度心袖定位情况1块短V形块2块短V形块1块长V形块I-1*I;.;图小/1F限制自由度X、ZX、Z、旦、ZA2、$、Z定位情况1个短定位套2个短定位套1个长定位套图示vrfrX1意,l.限制自由度火Zy、z、夕、z八Z、Z定位情况固定顶尖浮动
20、顶尖锥度心轴图示11-,.e.!/L.l,X限制自由度xyzXy2X、了、z、Z2.工件自由度的限制工件定位时，影响加工精度要求的自由度务必限制，不影响加工精度要求的自由度可限制也可不限制，具体视加工情况而定。因此，按照工件加工要求确定工件务必限制的自由度数是工件定位中首要解决的问题。(I)完全定位与不完全定位。加工时工件的6个自由度被完全限制的定位称之完全定位。但生产中并不是所有工序都需要使用完全定位的方式，毕竟应该限制几个自由度与哪几个自由度，应由工件的加工要求来决定。工件的6个自由度没有被完全限制的现象便称之不完全定位。比如在一个长轴上铳一个两头不通的键槽，加工要求除了键槽本身的宽度、深
21、度与长度外，还需保证槽距轴端的尺寸及槽对外圆轴线的对称度，如今除绕工件轴线转动的自由度不需限制外，其余5个自由度均需限制。再如在平面磨床上磨削平板型零件的平面时，也是一个不完全定位的例子。(2)欠定位与过定位。在工件加工中应该限制的自由度而没有被限制的现象，称之欠定位。我们明白，在满足加工要求的前提下，使用不完全定位是同意的。但是根据加工要求应该限制的自由度而没有被限制的现象是绝对不同意的，由于欠定位是不能保证加工要求的。工件的某个自由度被重复限制的现象称之过定位。图2-8所示为加工连杆小头孔时的定位方式。图2-8(a)所示为定位正确，短圆柱销1限制了元、y2个移动自由度，支承面3限制了攵、y
22、、N3个自由度，挡销2限制了？自由度，这是一个完全定位；图2-8(b)所示为过定位，由于长圆柱销限制了工件元、了、戈、y4个自由度，而支承面限制了工件N、y3个自由度,其中自由度攵、y被重复限制。在定位元件与工件制造精度不高的情况下，过定位一方面会使工件无法装入夹具中；另一方面即使工件装在夹具上，夹紧时也会引起工件或者夹具定位元件的变形，以致无法保证工件的加工精度。图28连杆的定位分析1 一短圆柱销：2挡销：3一支承而图2-9跟刀架过定位图2.5工艺路线的拟定1 .5.1表面加工方法的选择零件上各类典型表面都有多种加工方法(车、铳、刨、磨、像、钻等)，但每种加工方法所能达到的加工精度与表面粗糙
23、度相差较大。在拟定零件机械加工工艺路线时，表面加工方法的选择应根据零件各表面所要求的加工精度与表面粗糙度，应尽可能选择与经济加工精度与表面粗糙度相习惯的加工方法。2 .经济加工精度所谓经济加工精度(简称经济精度)，是指在正常生产条件下(使用符合质量标准的设备、工艺装备与标准技术等级的工人,不延长加工时间),使用某种加工方法所能达到的加工精度。各类加工方法都有一个经济加工精度与表面粗糙度的范围。选择表面加工方法时，应使工件的加工要求与之相习惯。各类加工方法的经济精度详见表2-3、表2-4与表2-5。表2-3外圆加工的方法加工方法加工性质加工经济精度(IT)表面粗糙度m车粗车13-1280-10半
24、精车1170102.5精车8751.25金刚石车651.25-0.02外磨粗磨9810-1.25半精磨8-72.50.63精磨761.250.16精密磨650.320.08镜面磨50080.008研磨粗研650.63-0.16精研50.32-0.04超精加工精50.320.08精密50.160.01砂带磨精磨650.16-0.02精密磨50.04-0.01滚压761.250.16表2-4孔加工方法加工方法加工性质加工经济精度(IT)表面粗糙度RJm钻实心材料12-1120-2.5扩粗扩1220-10铸或者冲孔后一次扩12Il精扩IO102.5较辛精较11-10105精锐9-85L25细较761
25、.250.32拉粗拉11105-2.5精拉972.50.63膛粗镖1220-10半精镇Il105精镣1085-1.25细馍7-61.25-0.32内磨粗磨910-1.25精磨871.25-0.32衍粗布651.25-0.32精斯50.32-0.04研粗研6-51.25-0.32精研50.32-0.01滚压870.63-0.16表2-5平面加工方法加工方法加工性质加工经济精度（IT）表而粗糙度RJm周铳粗铳1211205精铳105-1.25端铳粗铳1211205精铳1095-0.63车半精军117010-5精车910-2.5细车（金刚石车）8-71.25-0.63刨粗刨12712070精刨10-
26、910-2.5宽刃精刨971.25-0.32平磨粗磨95-2.5半精磨872.51.25精磨70.63-0.16精密磨60.16-0.016刮研手工刮研1020点25mm25mm1.25-0.16研磨粗研760.630.32精研50.32-0.083 .选择表面加工方法应考虑的要紧因素在选择表面加工方法时，除应保证加工表面的加工精度与表面粗糙度外，还应综合考虑如下因素。（1）工件材料的性质。加工方法的选择常要受到工件材料性质的限制。比如淬火钢的精加工要用到磨削，而有色金属的精加工不宜使用磨削（易堵塞砂轮），通常使用金刚镇或者高速精细车等高速切削方法。（2）工件的形状与尺寸。形状复杂、尺寸较大的
27、零件，其上的孔通常不使用拉削或者磨削，应使用锋削；直径较大（d60mm的孔）或者长度较短的孔，宜选镇削；孔径较小时宜使用较削。（3）生产类型。加工方法的选择应与生产类型相习惯，关于大批大量生产，应尽可能选用专用高效率的加工方法，如平面与孔的加工选用拉削方法；而单件小批生产应尽量选择通用设备与常用刀具进行加工，如平面使用刨削或者铳削，但刨削因生产率低，在成批生产以上逐步被铳削所代替。关于孔加工来说，因锋削刀具简单，在单件小批生产中得到广泛地应用。(4)具体生产条件。工艺人员务必熟悉企业的现有加工设备及其工艺能力，工人的技术水平，与利用新工艺、新技术的可能性等。只有做到熟练掌握，方能充分利用现有设
28、备与工艺手段，挖掘企业潜能。4 .各类表面的典型加工路线在综合考虑各类因素而选择某种加工方法后，即可拟定它们的预加工方案，与热处理工序的适当插入。下面介绍几种典型表面的加工路线。(1)外圆表面的加工路线。粗车一半精车一精车：常用材料，中等要求的工作表面。粗车一半精车一粗磨一精磨：需要淬硬的材料，要求较高的工作表面。粗车一半精车一精车一金刚石车：要求高的铜、铝等合金工件。粗车一半精车一粗磨一光整加工或者(超)精密加工：黑色金属材料，表面精度、粗糙度要求质量高的表面。外圆表面加工路线如图2-10所示。图2-10外圆表面的加工路线(2)孔加工路线。孔加工常用的加工路线如下。钻孔一扩孔一较一精较：要紧
29、用于中、小直径(dl）（2-5）式中，L11工序尺寸;Zi工序余量。图2-17装夹误茏对加工余量的影响图2-18各工序尺寸之间的关系关于工序尺寸的公差，可根据加工方法来确定。通常最终工序尺寸的公差为零件图样上的设计尺寸的公差;而其他中间工序尺寸的公差均按本工序加工方法的经济加工精度来确定,并按“入体原则”进行标注。【例2-1某箱体零件外形尺寸为50OmrnX40OmmX35Omrn,其上有一孔，设计尺寸为098丁*mm,孔长45mm。已知其加工工艺为粗镇一半精神一精健一较孔（用浮动镇刀块）,试画出该孔加工余量与工序尺寸分布图。解：（1）查表，得各工序余量与公差Zn=0.25mmT校=0.035mmZrt=1mmTww=0.09mmZ半精B=1.4mmT华楷Kf=O.22mmZfiM=?T/N=0.54mmZ=Z毛杯=6mmTjf=1.2mm（2）计算Z粗值=Z
