机械加工工艺和加工工艺规程设计

第一章 机械加工工艺和加工工艺规程设计Machining Technogical Process Planning工艺规程：是规定产品或零部件机加工工艺过程和操作方法的工艺文件。体现：生产规模的大小，工艺水平的高低及解决各种工艺问题的方法和手段1-1 基本概念一、机械加工的生产过程1、生产过程：原材料f 机械产品（全部劳动过程）主要生产过程：制坯一一机加工一一热处理一一装备一一检验一j式车 y油漆辅助生产过程： 包装，储运，能源供应等。2、加工工艺过程：直接改变毛坯的形状、尺寸、表面粗糙度及力学物理 性能，使之成为合格零件的全部劳动过程。二、机械加工工艺过程的组成（若干工序组成）工艺过程:工序1安装1次工位1工步1走刀12222233333工序：一个（或一组）工人在一个工作地点，对一个（或同时对几个）工 件连续完成的那一部分加工过程。安装：在每一工序中工件一次装夹（定位和夹紧）所完成的那部分工序。 工位：工件在一次安装中（工件相对机床床身变换加工位置），在一个位 置所完成加工。（图1-2）工步：加工表面、切削工具、进给量都不变的情况下所完成的那部分加工。 （复合工步：几把刀具同时参与切削。图1-3、1-4、1-5）走刀：同一切削速度及进给量对同一表面进行切削一次。 例： 齿轮零件图一序号工序名称工序内容工艺过程细分1车外圆0100车端面A车端面B钻扩铰孔025粗车 半精车 外圆0100粗车半精车A面倒角粗车半精车B面倒角钻扩铰025孔一次安装一个工位，二个工步，三 次走刀二个工步，三次走刀一个工步二次安装一个工位，二个工步，三 次走刀一个工步三个工步，三次走刀。2钻铰4012孔钻孔4012铰孔4012一次安装，一个工位，4个工步，4 次走刀4个工步，4次走刀3刨（插）键槽刨键槽一次安装，一个工位，一个工步，多 次走刀4滚齿一次安装，一个工位，一个工步，多 次走刀5热处理齿面咼频6钳工修键槽修键槽Ra1.67去毛刺，清洗， 上油三、生产类型与机械加工工艺规程（一）生产纲领和生产批量生产纲领（年产量）：在计划期内，应生产产品产量的进度计划 生产批量：一次投入或产出同一产品或零件的数量（二）生产类型（表1- 41-5）生产类型：批量大小的分类 J年产量I产品大小和结构的复杂性 生产类型的工艺特点：单件小批生产的工艺特点一一通用设备、通用工装 中批和大批大量生产的工艺特点一一专用设备、专用工装（三）机械加工工艺规程的作用1、工艺规程是指导生产的主要技术文件生产的计划、调度、工人的操作、质量检查等的依据2、组织生产，生产准备主要技术文件（ 原有生产条件、新建） 原材料，设备购置，厂房建造 工装设计制造 技术关键分析与研究（四）机械加工工艺规程的格式（卡片）工艺过程卡单件小批量生产 （表16） 工艺卡中批生产 （表17） 工序卡大批量生产 （表18） 检验卡检验工序调整卡半自动，自动机床四、机械加工工艺规程的设计原则、内容及步骤（一） 工艺规程的设计原则处理好质量，生产率和经济性三者的辩证关系二） 设计工艺规程的内容和步骤工艺规程内容：毛坯的选择拟定工艺路线确定切削用量、加工余量及工时定额步骤： 分析研究零件图纸：零件作用，尺寸、技术要求，结构工艺性 毛坯选择：毛坯的种类、质量（加工质量、生产率、成本性能）新技术，新工艺（精铸、精锻、冲压、粉末冶金、型 材、工程塑料） 拟定工艺路线：a确定加工顺序和工序内容、安排工序集中与分散程度， 划分工艺阶段b选工艺基准：定位基准、装配基准、检验基准。 确定各工序所用加工设备和工装 计算加工余量、工序尺寸及公差 计算切削用量（查阅手册或经验定） 估算工时定额（手册、统计资料） 确定各主要工序的技术要求及检验方法 填好工艺文件 12工件加工时的定位及基准、工件的定位（一）工件的装夹（定位与夹紧）1、装夹（图1-8）定位一一工件在机床工作台或夹具上，相对刀具占有正确位置 夹紧一一工件定位后将其固定，使其在加工过程中位置不变。2、装夹方法： 直接找正装夹：定位是由工人用千分表、划针等工具，找正某些 表面，以保证被加工表面相对刀具的正确位置（精度高，效率低） 适用于（图1-9） 划线找正装夹：在工件上画出加工表面的位置，按划线用划针找正被加工表面相对刀具的正确位置（精度低、效率低）一一适 用于（图 1-10） 夹具装夹：工件放在夹具的定位元件上并夹紧，保证加工面与刀具相对正确位置（精度较高，效率高）适用于（图 2-1） 二）定位原理1、六点定位原理（图 1-11、 1-12）xoy 面三点： Zxoz 面二点： Zyoz 面一点： X2、用定位元件代替约束点（表 1-10）3、完全定位和不完全定位（图 1-13、1-14、1-15） 根据加工面的要求,需要限制 6个自由度，称完全定位 根据加工面的要求，需要限制的自由度少于 6 个，称不完全定位4、欠定位和过定位（图 1-16、1-18） 欠定位：要求限制的自由度没得到限制 过定位：个自由度被两个以上约束点约束二、基准 基准：确定生产对象上的几何要素之间的几何关系所依据的那些点线面 设计基准：（图 119）工艺基准：工序基准在工序图上用来确定本工序所加工表面加工后的尺寸形状，位置的基准定位基准一一是获得零件尺寸的直接基准装配基准一一测量基准一一13工艺路线的制定一、定位基准的选择（一）粗基准的选择1、保证相互位置要求的原则（图1-21、1-22）选不加工面为粗基准：加工面与不加工面有相互位置要求2、保证重要表面余量合理分配的原则（图1-23）选重要加工面为粗基准：保证该面余量均匀3、粗基准一般不的从重复使用原则（图1-24）（二）精基准的选择1、基准重合的原则：设计基准与定位基准重合2、统一基准原则：某工序均以某一基准定位（表1-11）3、互为基准原则：某些位置度要求很高的表面，互为基准反复加工。 （表 1-12）4、自为基准原则：保证被加工面余量均匀，以被加工面为基准。（图1-26）二、加工经济精度与加工方法的选择（一）加工经济精度 定义：在正常生产条件下，所能保证的加工精度和表面粗糙度。 加工误差与成本的关系（图 1-27 1-28）（二）加工方法的选择（表 1-131-141-15 1-16）依零件的要求，考虑零件精度、现有工艺条件、加工经济精度。三、典型表面的加工路线外圆、内孔、平面（图 129 1-33 1-37）四、工序顺序的安排一） 工序顺序的安排原则1先基准，后其它2先面后孔3先主后次4粗精分开二） 热处理及表面处理安排1改善切削性能安排在加工前（退火，正火，调质）2消除内应力安排在粗加工后（时效，正火，退火）3改善材料力学物理性能排在精加工前（淬火，回火，渗碳）4高精度精密件淬火后冷处理5. 表面处理排在最后（镀铬，镀锌，发蓝）（三）其他工序安排检查、检验：一般性尺寸检查零件加工后；转车间；关键工序 内部质量检查一一X射线，磁力探伤，超声波探伤 密封性、平衡、重量一一去毛刺、清洗五、工序的集中与分散广工序集中工序数少，每工序工步内容多，夹具少，安装次数少，工 艺路线短（加工中心，高效自动化机床）。.工序分散一一工序数多，每工序工步少（传统流水线，自动线）。六、加工阶段的划分（热变形，残余应力，缺陷；合理利用设备；人力、技术、资源）1、粗加工阶段切削量大，生产率高，产生的热多热变形，残余应力2、半精加工阶段减少误差，为精加工打基础。3、精加工阶段4、超精加工阶段例：齿轮零件加工方法的选择：端面 A、B （IT11、R3.2）： 粗车（IT1213）,半精车（IT10 a11）外圆（IT11、R3.2）： 粗车（IT1213）,半精车（IT1011） 内孔（IT7、R1.6）：钻、扩、精扩、半精铰、精铰a齿面（8-7-7-DC、R1.6）： 滚齿键槽（IT9、R1.6）： 粗刨、半精刨、钳工修R1.6 孔412 （R1.6）：钻、半精铰a一序号工序名 称工序内容基准工装设备1热处理正火2粗车粗车端面A、外圆0100 钻孔025粗车端面B端面B 外圆中心线端面A 外圆中心线卡盘 卡尺车床3粗刨粗刨（插）键槽8外圆中心线刨床4钻孔钻孔4012端面A 外圆中心线钻床5半精车半精车端面A、半精车外 圆0100；粗扩半精铰 025孔半精车B面端面B 外圆中心线端面A 外圆中心线卡盘 卡尺车床6半精刨半精刨（插）键槽外圆中心线刨床7铰孔铰孔4012端面A 外圆中心线钻床8精加工精扩、精铰025端面A 外圆中心线卡盘车床9滚齿滚齿端面A 内孔中心线滚齿机10修键槽钳工修键槽（R 1.6）a去毛刺、11热处理齿面咼频端面A 内孔中心线12清洗清洗13检验14上油上油14 加工余量工序间尺寸及公差的确定一、加工余量的概念（一）加工总余量与工序余量 加工总余量毛坯尺寸与零件尺寸之差称为加工总余量 工序余量每一工序所切除的金属层厚度称为工序余量工序余量：单边余量非对称表面的加工余量（ 图 138a） 双边余量对称表面的加工余量为双边余量 （图 138b）外表面（工序尺寸公差 按入体原则） 图内表面图+ T 二 T + R + H + e +ab二） 工序余量的影响因素 对于单边余量Z二Zmin对于双边余量 Z 二 2(Z+ Ta)二 T + 2(R + H ) + 2 丁 +min 2ayaTa上工序的工序尺寸公差Ry上工序产生的表面粗糙度Ha上工序产生的表面缺陷层深度本工序的装夹误差上工序产生的形位误差b二、加工余量的确定1、计算法2、查表法3、经验法三、工序尺寸与公差的确定（确定基准重合时工序尺寸与公差：工序基准或定位 基准与设计基准重合）1. 确定各工序加工余量查表2. 确定各工序基本尺寸（从设计尺寸开始（最终加工工序），逐次向前推算）DnZn=Dn1n n n-1 本工序基本尺寸本工序余量 = 上工序基本尺寸（+ 号外表面；-号内表面）3. 确定工序误差按所选定加工方法的经济精度确定（除终加工工序）4. 标注按入体原则标注例：轴50、IT5、Ra0.04高频、锻件锻造粗车半精磨高频粗磨精磨研磨余量 工序尺寸 经济精度 工序尺寸及公差锻造.6.01 T 6564056 + 2粗车,.4.5 T 4.49.51.51h1（3 0.39）051.510-0.39半精车1.1高频50.41h1（1 0.16）050.410-0.16粗磨0.350.11h（8 0.039）050.110-0.039精磨0.150.01h（6 0.016）050.010-0.016研磨，.0.0150. h5（0.011）0500-0.011 1-5工艺尺寸链一. 直线尺寸链的基本计算公式（一）极值法L = L0ii=1n-iT =T0ii=1Es = Es - EI0pqp =1q=m 十 1EI =EeI -艺 ES0pp=1q=m+1气封闭环基本尺寸L 一一组成环基本尺寸in总环数T封闭环公差T 一一组成环公差iEs封闭环的上偏差0EI封闭环的上偏差0Es增环的上偏差pEI增环的上偏差pEI减环下偏差qEI减环下偏差pm增环数（三）概率法ToQL + L .maxmin2la平均尺寸A中间偏差Es上偏差EI下偏差ToQ封闭环公差i=1二、 直线尺寸链在工艺过程中的应用（一）工艺基准和设计基准不重合时工艺尺寸的计算1. 测量基准和设计基准不重合例： 知：车床主轴箱体III轴和W轴孔80+0.004-0.01865+0.0300中心距127 土 0.07求：测量尺寸（测孔外缘）（图1-43）L = L -L -L0213L = 127 + 32.5 + 40 = 199.52LEs = Es - 0 - (-0.009)00pLEs = 0.0612 pLEI = LEI -0.015-0.002002 pL EI = -0.0442 pL = 199.5+0.0612- 0.044L , L , L 最大 t 199.587 T 199.5+0.08713002.定位基准与设计基准不重合例：已知：A、B面前面已经加工好，本工序加工C,保证尺寸12。 求：对刀工序尺寸（图 1-44）L070300- 0.52T 0.07T = T = -0 = 0.0351 2 2 2IT14L = 3Oo1- 0.035L = L - L L = 30 -12 = 180 1 2. 20 = 0 - LEILEI = 02 q2 q-0.070 = -0.035 - LES2 qLES = 0.0352 qL = 18+0.0352 0（二）一次加工满足多个设计尺寸要求的工艺尺寸计算例：已知上工序镗孔 49.8 +0.046，问插键槽多深，在磨内孔50+0.00030 后，才能保证尺寸53.8 +0.30(图1-45)解：L =24.9+o.o23 ,10L=2，L=25 +0.01530，L =53.8 +0.3000求得L = 53.7 +0.2852+ 0.023如果磨孔与镗孔同轴度误差为0.5L =00.25)求得L = 53.7 +0.2602+ 0.048三）表面淬火、渗碳层深度及镀层、涂层厚度工艺尺寸链 1、例：偏心轴零件工艺安排如下：精车（ 38.4 0）渗碳（？）精磨（ 380）,同时保-0.1 -0.016 证渗碳层深度0.50.8（图 1-47）解：L =19.20 ,L =, L =190 , L =0.5+o.3o1-0.0523-0.00800求得L二0.7 +0.2502+ 0.0082、例：轴套镀铬镀层厚0.0250.04，并保证尺寸280 ，求镀前尺寸（图 1-48）解:求得-0.045L =140 , L =, L =0.025 +0.0150-0.0225120L = 13.975 -0.01527.95-0.0301-0-0225-0.045（四）余量校核三、工序尺寸与加工余量计算图表法同一方向上尺寸多，工艺基准多次转换（图1-50） 工艺安排：1）轴向以D面定位粗车A面，又以A面为基准（测量基准）粗车C面， 保证尺寸L和L22）轴向以A面定位，粗车和精车B面，保证工序尺寸L3 ,粗车D面保 证工序尺寸l4。3）轴向以B面定位，精车A面，保证工序尺寸5 ；精车C面，保证工5序尺寸L6；64）用靠火花磨削法磨B面，控制磨削余量Z7（一）绘制加工过程尺寸联系图设计尺寸加工表面加工余量（方位；封闭环） 加工顺序（严格） 加工符号（键头指向加工面） 结果尺寸（L01 L02； 封闭环） 基准重合的工序尺寸（l6；不需换算，用方框框起来）6（二）工艺尺寸链的查找从结果尺寸（L01 L ）或加工余量（Z4 Z5 Z6）开始，遇键头逆向0102456转弯，当两条路线汇交，得到工艺尺寸链 （图 1-52）（三）计算项目栏的填写1、初步选定工序公差（按经济精度）：修正（缩小公共环；实际加工 的可能性）确定工序最小余量Z.（查表） min2、计算余量的变动量（余量公差）Tz.（式1-16）（图1-52C）ZiT =T +T +T = （0.5+0.1+0.23）=0.83Z4 1343、计算平均余量Z “=Z +1/2 TiM iminZiZ M=Z +1/2 T =0.3+0.18=0.48 5M 5minZ54、计算平均尺寸（从结果尺寸开始）（1）LiM 由尺寸链求 （2）从拟求尺寸两端向下找与其有关的工序尺寸和其平均加工余量 相加减L3M=L5m+Z5m=6.1+0.48=6.585、标注工序尺寸（按入体原则）6-580-1-6-680-0.2 1-8成组技术产品的更新快，品种多，批量少生产率低，周期长 机械产品（用途和功能不同）零件类型存在一定的规律性A类：复杂件或特殊件数量少（5-10%）再用性低，如：机床床身，主轴箱，床鞍，飞机和发动机中的一些大件B类：相似件 种类多，数量大（70%），中等复杂程度，如：轴，套， 法兰盘，支座，盖板，齿轮等C类：简单件或标准件结构简单，再用性高，如：螺钉，螺母，垫圈（大量生产）（图 1-75）相似件（70%） 结构功能和加工工艺等存在大量的相似性（客观相 似性）利用相似性，将各不相同，杂乱无章的多种生产对象组织起来，统一形成 若干零件组，采取措施，可显著提高生产水平。一、成组技术的概念成组技术从成组工艺基础上发展起来的。成组技术是把形状、工艺、尺寸相似的零件组成一个零件族（组）按零件 族统一制定工艺规程进行制造，扩大了批量，便于采用高效生产方法。二、零件的成组分类编码零件的分类编码（零件特征的数字化） 用数字描绘零件的名称、几何形状、工艺特征、尺寸和精度等。机械零件编码系统（JLBM-1系统）实施成组技术的指导性文件。 系统由名称类别矩阵、形状及加工码、辅助码三部分15个码组成。（图 1-76 1-77）三、产品零件设计的成组技术将成组编码相同的零件汇集在一起，经成组零件的标准处理，制定出成组 零件设计图册，在总图设计好后按草图编码检索图册，利用现有图纸或进行局部 修改加以利用（检索方法）四、成组工艺一）划分零件族按零件编码划分零件族（组）1特征码域法：依全部零件的结构特征分布情况、设备加工范围和负荷、以及工艺设备等制定分组的码域。零件编码的码位落在码域内，划分在同一 零件族内，最后做相应调整。2势函数法：先用二维矩阵对零件的几何和工艺特征进行描述，然后 计算势函数值，再依势函数值对零件进行分类成组。3生产流程分析法：把加工工艺相同的零件划分在同一组内，主要考 虑零件制造过程的相似性（非结构相似）。例：汽车轮毂、水泵叶轮、法兰盘等 （铸件，加工一个垂直端面的中孔）图 1-78 )生产流程分析法划分零件组只需零件工艺信息-按工艺过程和使用设备 的相似程度分组：1）整理每种零件的工艺过程卡和所用设备清单2）把零件按工艺过程类别分组，按主要工序类型、数目和顺序完全一致的放 在一起，称基本组。3） 将基本组合并成零件组或生产单元并组原则-尽量减少跨组加工的 零件，即保证在生产单元内完成进入该单元的全部或大部分工序。4）调整机床负荷根据工厂生产纲领和零件工时定额，计算出生产单元中 各机床的负荷量，然后进行负荷平衡。例：生产流程法分组一一同时产生零件组与机床组不改变现行工艺路线（图 1-79）（二）设计主样件和制定典型工艺选主样件（能包括该组全部要素结构），编制工艺规程（使用于该组零件） （图 1-80）（三）机床的选择与布置1. 成组单机能在同一设备上基本加工完毕的零件族（组）独立的 成组加工机床或成组加工柔性制造单元。2. 成组制造单元（图1-82）将一个零件族（组）的加工设备封闭在一块面积中，使管理和运输方便， 不要求工序间保持一定节拍，其中有成组单机，普通机床或专用机床。3. 成组流水线 按零件组的成组工艺建立的，各台设备工序节拍基本一致。与传统流水线区别：生产线上流动的不是单一零件，而是一组相似零件。（每种零件不一定经 过线上的每一台设备加工）4. 成组加工柔性制造系统 成组工艺的最高组织形式，适于多个零件 组。（四）设计成组工艺设备 成组夹具及刀具（工件变时，夹具及刀具不更换，只调整）五、成组技术的效益新设计零件数减少50%，新绘图减少30%，生产设备时间减少6%，生产周 期缩短70%，废品率下降 90%，零件总成本降低 40%1-10 计算机辅助工艺过程设计CAPP（Computer Aided Process Planning）用计算机编制零件的加工工艺规程。CAPP改变了依赖个人经验编制工艺规程的落后状况，提高了工艺设计的质量，使工艺人员从烦琐重复的工作中摆脱出来，集中精力去考虑，提高工 艺水平和产品质量的问题。CAPPCAD 与 CAM 的联系桥梁一、计算机辅助工艺设计的基本方法（一）样件法（派生法）在成组技术的基础上，将同一零件族中所有零件的主要形面特征合成主样 件，再按主样件制造出适合本厂条件的典型工艺规程，并以文件的形式存储在计 算机中。（图 1-84）（二）创成法利用对各种工艺决策制定的逻辑算法语言自动生成工艺规程。自动分析组成该零件的各种几何要素，对每个几何要素规定相应的加工要 素（如：加工方法、加工顺序等逻辑关系），以及各几何要素间的逻辑关系（如: 先粗后精，先基准后其他），即按决策逻辑和优化公式在无人干预的条件下自动 生成工艺规程人工智能原理引入CAPP专家系统：1、工艺过程设计是一项经验性强而制约条件多的工作，2、依工艺人员多年积累的丰富经验和知识作出决策。（三）综合法：以样本法为主，创成法为辅二、样件法CAPP的基本原理（一）各种工艺信息的数字化1.零件编码的矩阵化：选分类编码系统（如：JLBM-1）,将零件编码-矩阵（一维数组转换成二 维；第一个数表示编码的数位序号，第二位数表示该零件编码在该数位上的数） 行的序号：二维数组的第一个数； 列的序号：二维数组的第二个数（图 145）如轴： 252700300467679零件编码转换（表 1-26）一维数组2527.二维数组1，22，53，2.图 1-86)2零件族特征的矩阵化同一组内所有零件的编码特征矩阵叠加得到组的特征矩阵3主样件的设计结构工艺特征方面的频谱分析：频数大的反映到主样件上，（三相似原则）从形面、尺寸及工艺特征三方面进行分析。（图 1-87） 零件形面的数字化：具体表面的工序工步 工序工步名称的数字化：32 （粗车）33 （精车）44 （磨削）1（装夹）5（检验） 10（掉头装夹）主样件综合加工工艺路线的矩阵表示（NX4）（图 1-88）工序工步矩阵（图 1-89）（二） CAPP数据库工艺信息数字化数据文件-数据库典型文件：成组编码特征矩阵文件，典型工艺（主样件工艺）文件，工艺数 据文件等。