机加工及其工艺培训教材

机加工及其工艺培训教材本文编者俞群华九牧研发部刖言部门现有设计中，不仅在打样过程中经常会有一些加工工艺性的问题，也有很多归档转产的零件存在加工困难的情况，不仅影响开发进度和量产，也影响结构件的质量。“一次做好，次次做对”，所以当收到外观工程师发来的外观效果图时，各工程师需要对产品首先进 行模具成型及后加工的工艺分析，以避免产品先天不良。编写该教材的目的， 就是为了方便工程师在结构设计时清楚一些常用的、基本的、关键的加工工艺知识，更好地保证工程师设计出的零件有较好的加工工艺性，统一结构要素，减少不必要的开模，加快加工进度，降低加工成本，提高产品质量。本来机械加工工艺知识是机 械行业，特别是我司五金研发部设计、制造、管理人员所必备的知识。为熟悉和解决加工工艺问题的方法，掌握加工工艺方面的基本理论和基本知识，了解机械加工方面的发展，结合我司现场的工艺设备重点介绍车削、钻削、铳削加工工艺过程的主要问题。由于时间和实际经验有限，培训资料中错误在所难免，恳请大家批评指正，希望经过一 定时间的实践检验， 经过将来补充、修订、完善之后，能够成为一部非常实用的培训教程参 考书，对我们的设计工作起到很好的指导作用。考虑培训资料手册的篇幅和实用性，以及我们的设计主要是五金铸造类零件设计，因此，本培训资料机加工艺主要以车、 钻、铳等为主。第一节机械加工工艺规程概述 1.1基础知识和术语工艺过程改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等，使其成为成品或半成品的过程。1.1.2 工艺过程的组成由一个或若干个顺序排列的工序组成的。工序是工艺过程的基本组成单位，也是生产组织和计划的基本单元。工序又可细划分若干个安装、工位、工步等，见图1.1-1。它们的含义见表1.1-1 O 1.2组成部分的区别1.2.1区分工序的主要依据是工作地（或设备）是否变动和完成的那 一部分工艺内容是否连续。图 1.2-1 所示的圆盘零件，单加工工艺过程如表1.2-1所示；成批 生产时其加工工艺过程如表 1.2-2所 示O件小批生产时其1、79.图 1.2-120-5L0Q寸0圆盘零件图1.1-1工艺过程的组成表1.1-1工艺过程各组成部分的含义名称含义工序一个或一组工人，在一个工作地对同一个或同时对几个工件所连续完成的那一 部分工艺过程安装工件经一次装夹后所完成的那一部分工序工位为完成一定的工序部分，一次装夹工件后，工件（或装配单兀）与夹具或设备 的可动部分一起相对刀具或设备的固定部分所占据的每一个位置所完成的那 一部分工序工步在加工表面（或装配时的连接表面）和加工（或装配）工具不变的情况下，所连续 完成的那一部分工序走刀在一个工步内当加工表面切削余量较大，需分几次切削时，则每一次切削称为一次走刀表1.2-1圆盘零件单件小批机械加工工艺过程工序号工序名称工装工步工序内容设备1车削I1234（用三爪自定心卡盘夹紧毛坯小端外圆）车大端面车大端外圆至0100钻0 20孔倒角车床（工件调头，用三爪卡盘夹紧毛坏大端外圆）n5车小端端面，保证尺寸 35mm6车小端外圆至0 48,保证尺寸20mm7倒角2钻削I12（用夹具装夹工件）依次加工三个08孔在夹具中修去孔口的锐边和毛刺钻床表1.2-2圆盘零件成批机械加工工艺过程工序号工序名称工装工步工序内容设备1车削I1234（用三爪自定心卡盘夹紧毛坯小端外圆）车大端面车大端外圆至0100钻0 20孔倒角车床12车削I123（以大端面涨胎心轴）车小端端面，保证尺寸 35mm 车小端外圆至0 48,保证尺寸20mm 倒角车床23钻削I1（钻床夹具）钻三个0 8孔钻床4钳工I1修孔口的锐边和毛刺由表1.2-1可知，该零件的机械加工分车削和钻削两道工序。因为两者的操作工人、机床及 加工的连续性均已发生变化。而在车削加工序中，虽然含有多个加工表面和多种加工方法（如车、钻等），其划分工序的要素未改变，故属同一工序。而表1.2-2分为四道工序。虽然工序1与工序2同为车削，但考虑质量和效率等方面的因素分为两台机器加工，故加工的连续性已变化，因此应为两道工序；同样工序4修边口锐边及毛刺，因为场地和使用设备均发生变化， 因此也应作为另一道工序。由此可见工序不仅是组成工艺过程的基本单元，也是制订时间定额，配备工人，安排作业和进行质量检验的基本单元。工步与走刀为了便于分析和描述工序的内容，工序还可以进一步划分工步。一个工序 可以包括几个工步，也可以只有一个工步。 如表1.2-1中的工序1。在安装I中进行车大端面、 车外圆、钻0 20孔、倒角等加工，由于加工表面和使用刀具的不同，即构成四个工步。一般来多，构成工步的任一要素（加工表面、刀具及加工连续性）改变后，即成为另一 个工步。但下面指出一些的情况应视为一个工步：（1）对于那些一次装夹中连续进行的若干相同的工步应视为一个工步。如图1.2-1零件上级三个0 8孔钻削。可以作为一个工步。钻3- 0 8。（2）为了提高生产效率，有时用几把刀具同时加工几个表面，此时也应视为一个工步，就刀诜刀（X）同时车外圆和倒角称为复合工步。 如图1.2-2的加工方 案。图1.2-2 复合工步在一个工步内，若 被加工表面切去的金 属层很厚，需分几次切 削，则每进行一次切削 就是一次走刀。一个工 步可以包括一次走刀 或几次走刀。安装与工位工件在加工前，在机床或夹具上先占据一正确位置（定位），然后再夹紧的过程称为装夹。工件（或装配单元）经一次装夹后所完成的那一部分工序内容称为安装。 在一道工序中可以有一个或多个安装。表)TTI1.2-1中工序1即有两个安装，而工序 2有一个 安装。工件加工应尽量减少装夹次数，因为多 一次装夹就多一次装夹误差，而且增加了辅助 时间。因此生产中常用各种回转工作台、回转 夹具或移动夹具等，以便在工件一次装夹后， 可使其处于不同的位置加工。为完成一定的工序内容，一次装夹工件后，工件 （或装配单元 与夹具或设备固定部分所占据的每一个位置 称为工位。工位I -装卸工件工位n -钻孔 工位皿-扩孔图1.2-3 多工位加工工位W -铰孔工艺规程及其制订工艺规程 规定产品或零件制造工艺过程和操作方法等的工艺文件。 制定工艺规程的原则保证图样上规定的各项技术要求，有较高的生产效率,图1.2-3所示为一种利用回转工作台在一 次装夹后顺序完成装卸工件、钻孔、扩孔和铰 孔四个工位加工的实例。 1.3技术先进,经济效率高，劳动条件良好。制定工艺规程的原始材料产品装配图及零件图； 产品质量验收标准；产品的生产纲领及生产类型；原材料及毛坯的生产水平；现场生产条件（机床设备与工艺装备、工人技术水平等）；国内外有关工艺、技术发展状况。制定工艺规程的程序计算生产纲领，确定生产类型；分析产品装配图，对零件图样进行工艺审查；确定毛坯的种类、形状、尺寸及精度；拟定工艺路线（划分工艺过程的组成、 选择定位基准、选择零件表面的加工方法、安排加工顺序、选择机床设备等）；进行工序设计（确定各工序加工余量、切削用量、工序尺寸及公差，选择工艺装备，计算时间定额等） 确定工序的技术要求及检验方法，填写工艺文件。 1.4生产纲领和生产类型年生产纲领是包括生产纲领 企业在计划期内企业应当生产的产品产量和进度计划。备品和废品在内的某产品的年产量。零件的生产纲领按下式计算：N=Q n （1+a +3）式中N 零件的生产纲领（件/年）；Q 机器产品年产量（台/年）n每台产品中该零件的数量（件/台）；a 备品的百分率；B 废品的百分率1.4.2 生产类型企业（或车间、工段、班组、工作地）生产专业化程度的分类。根据企业生产的产品特征（即产品属于重型、中型或轻型零件）、年生产纲领、批量以及投入生产的连续性，一般分为三种生产类型，即单件生产、成批生产和大量生产。生产批量一次投入或产出的同一产品（或零件）的数量。生产类型与生产纲领的关系见表1.4-1,各种生产类型的特点见表 1.4-2 。表1.4-1生产类型与生产纲领的关系生产类型某类零件的年产量（件/年）产品类型重型机械中型机械轻型机械单件生产5201000500050000表1.4-2生产类型的工艺特点工艺特点生产类型单件小批生产中批生产大批大量生产加工对象经常变换，很少重复周期性变换，重复固定不变零件的互换 性用修配法，缺乏互换性多数互换，部分修配全部互换，高精度偶件采用 分组装配毛坯情况锻件自由锻造，铸 件木工手工造型，毛坯精度低锻件部分采用模锻，铸件 部分用金属模，毛坯精度 中等广泛采用锻模，机器造型等 咼效方法生产毛坏，毛坏精 度咼机床设备及 其布置形式通用机床，机群式 布置，也可用数控机床部分通用机床，部分专用 机床，机床按零件类别分工段布置广泛采用自动机床，专用机 床，按流水线、自动线排列 设备工件尺寸获 得方法试切法，划线找正定程调整法，部分试切，找正调整法自动化加工工艺装置通用刀具、量具和 夹具，或组合夹具， 找正法装夹工件广泛采用夹具，部分靠找 正装夹工件，较多采用专用量具和刀具高效专用夹具，多用专用刀 具，专用量具及自动检测装置对工人的技 术要求高中等对调整工人的技术水平要 求高，对操作工人技术水平 要求低工艺文件仅要工艺过程卡工艺过程卡，关键零件的工序卡详细的工艺文件，工艺过程 卡、工序卡、调整卡等加工成本较咼中等低发展趋势米用成组工艺、数 控机床、加工中心 及柔性制造单元采用成组工艺、柔性制造 系统或柔性自动线采用计算机控制的自动化 系统、车间或无人工厂，实 现自适应控制第二节零件的工艺分析 2.1审查零件图样和产品的装配图制订工艺规程时，通过分析零件图样和部件的装配图，主要是明确被加工零件在产品中的位置与作用，找出该零件上有多少主要加工表面，找出该零件主要的技术要求和加工中的关键的技术问题，了解各项公差与技术要求制定的依据，在编制工艺过程中，有针对性的解决这些问题。具体内容包括：(1) 审查零件图的视图、尺寸、公差和技术条件等是否完整。(2) 审查各项技术要求是否合理。(3) 审查零件材料及热处理选用是否合适。 2.2零件的结构工艺性分析零件的结构工艺性是指所设计的零件在满足使用要求的前提下，制造的方便性、可行 性和经济性。即零件的结构应方便于加工时工件的装夹、对刀、测量，可以提高切削效率等。结构工艺性不好会使加工困难，浪费材料和工时，有时甚至无法加工。所以应该对零件的结构进行工艺性审查，如发现零件结构不合理之处.应与有关设计人员一起分析，按规定手续对图样进行必要的修改及补充。表2.2-1所示为便于加工零件结构示例表2.2-1零件机械加工工艺性实例工艺性坪的序号工匕性不好的第构A箱韓A的ftflT不伸引曲刀且JMTKW A |血扎钻实茅掛引W臨折酣 2.3数控加工对零件结构工艺性的影响踣枸B秸的忙寸、方位相同 一密裝光申加工岀金部lWX生产車詁樹B凹(W比寸梧1叽J M Z1 M 農.拈恂廿齡应商jfettiiH稠小，加匸小. 足性好说 切苗禅H杏迢川ft憬证丁加H的Ffttffc, 少R具(-)的剧熨常构B避免了琛扎加工，审釣丁蓦件材H.琴阖逹推樹宦可靠数控加工的特点是自动化程度高，加工精度高，对加工对象的适应性强，可以与计算 机通讯(DNC,实现计算机辅助设计与制造一体化。因此数控加工对传统的零件结构工艺性衡量标准产生了很大影响，在下列情况下采用数控加工，其工艺性是好的：(1) 单件小批生产的零件的加工，成批生产中的关键工序的加工。(2) 加工精度高，具有形状复杂的曲线或曲面的零件加工。(3) 需要多次改型设计的零件的加工。(4) 需要钻、镗、铰、攻丝及铳削多个工步加工的工件，如箱体零件的加工。(5) 价值高的零件。(6) 进行精密复制的零件的加工。(7) 用通用机床加工时，需要复杂的专用夹具或需要很长的调整时间的零件的加工。 零件的外形、内腔最好是采用统一的几何形状和尺寸，这样可以减少换刀次数，还有可能应用控制程序或专用程序以缩短程序长度。例如图2.3-1 a)所示，有的数控机床有对称加工的功能，编程时对于一些对称零件，例如图 2.3-1 b)所示的零件，只需编其半边的程 序,这样可以节省许多编程时间。b)数控工艺性实例第三节毛坯的选择 3.1选择毛坯应考虑的因素零件的力学性能要求相同的材料采用不同的毛坯制造方法，其力学性能有所不同。铸铁件的强度，离心浇注，压力浇注，金属型浇注，砂型浇注的铸件依次递减；钢质零件的 锻造毛坯，其力学性能高于钢质捧料和铸钢件。零件的结构形状与外廓尺寸直径相差不大的阶梯轴宜采用捧料，相差较大时宜采用锻件。形状复杂、力学性能要求不高可采用铸钢件。形状复杂和薄壁的毛坯不宜采用金属型锻造。尺寸较大毛坯，不宜采用模锻，压铸和精铸，多采用砂型铸造和自由锻造。外形复杂 的小零件宜采用精密铸造方法，以避免机械加工。生产纲领和批量生产纲领大时宜采用高精度与高生产率的毛坯制造方法，生产纲领 小时，宜采用设备投资小的毛坯制造方法。现场生产条件和发展应经过技术经济分析和论证。 3.2常用的毛坯类型冷冲件 指各种不同型号、不同厚度的金属板形料，根据零件几何形状的具 体要求制作相应的模具、模块，用冲压机将其冲制成各种类型的零件毛坯，即为冷冲件。322铸件 将熔融金属浇入铸型，凝固后所得到的金属毛坯。适用于形状比较复杂，所用 材料又具备可铸性的零件。铸件的材料可以是铸铁、铸钢或有色金属。表3.2-1所示为例铸件与锻件毛坯制造方法的工艺特点。锻件 金属材料经过锻造变形而得到的毛坯。适用于力学性能要求高，材料（钢材） 又具有可锻性，形状比较简单的零件。生产批量大时，可用模锻代替自由锻。表3.2-1所示为例铸件与锻件毛坯制造方法的工艺特点。表3.2-1铸件与锻件毛坯制造方法的工艺特点ifi方史/mm生产方式(17尺寸公理值丿mm41屢牛m黄ft手工砂不fit制wAft*ft产生产14-H1 8辔梵.紀肖 lOnirn;由越舉和F詰亀庭 的廃品脈霸；盘dt需箱砂饕 A.蛊姑忡曲人；it屮怜 盖大ft；生产事後惬3 3UA牧*佥金.丸批生产 宅产-.14左!-3j生产車忧于制砂喟UBtflfc 至于倍r设暮寺； 求工人魅拽*惟；idrwAX 100iU3 平 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辅助基准零件设计图中某不要求加工的表面，有时为了工件装夹的需要，而专门将其加工作为定位用；或者为了定位需要，加工时有意提高了零件设计精度的表面，这种表面不是零件上的工作表面，只是由于工艺需要而加工的基准面，称为辅助基准或工艺基准。零件的加工过程是首先用粗基准定位，加工出精基准表面；然后采用精基准定位，加工零件的其它表面。在选择定位基准时，首先考虑用那一组精基准定位加工出工件的主要表面， 然后确定用怎样的粗基准定位加工出精基准的表面。 4.2粗基准的选择粗基准的选择影响一是影响工件上加工表面与不加工表面的相互位置，二是影响加工余量的分配。粗基准的选择原则(1) 对于同时具有加工表面和不加工表面的零件，当必须保证其不加工表面与加工表面的相互位置时，应选择不加工表面为粗基准。如果零件上有多个不加工表面，应选择其中与加工表面相互位置要求高的表面为粗基准。(2) 对于有较多加工表面的工件，粗基准的选择应能合理分配加工余量。合理分配加 工余量指：a)若工件必须首先保证某重要表面的余量均匀，应选择该表面为粗基准。b)选择毛坯上余量最小的表面为粗基准，以保证各加工表面都有足够加工余量。(3) 作为粗基准的表面应尽量平整，不应有飞边、浇口、冒口及其它缺陷，这样可减 少定位误差，并使工件夹紧可靠。(4) 为保证重要加工面的余量均匀，应选择重要加工面为粗基准。(5) 应避免重复使用粗基准，在同一尺寸方向上粗基准只准使用一次。因为粗基准是 毛坯表面，定位误差大，两次以同一粗基准装夹下加工出的各表面之间会有较大的位置误差。 4.34.3.1考虑。4.3.2精基准的选择精基准的选择考虑选择精基准主要应从保证工件的位置精度和装夹方便这两方面来 精基准的选择原则(1) 基准重合原则应尽量选择加工表面的设计基准作为定位基准，这一原则称为基准重合原则。(2) 基准统一原则当零件需要多道工序加工时，应尽可能在多数工序中选择同一组精基准定位，称为基准统一原则。(3) 自为基准原则有时精加工或光整加工工序要求余量小而均匀，则应以加工表面本身作为定位基准，称为自为基准原则。如拉孔、铰孔、研磨、无心磨等。(4) 互为基准原则某个工件上有两个相互位置精度要求很高表面，采用工件上的这两个表面互相作为定位基准，反复加工另一表面，称为互为基准。(5) 所选精基准应能保证工件定位准确，装夹方便，夹具结构简单适用。第五节工艺路线的选择 5.1工序顺序的确定确定工序顺序考虑精基准的选择在选定零件各表面加工方法和加工时的定位基准之后，要把对零件的加工分散到各工序中去完成，确定工艺路线中各工序的内容和工序的顺序，这时须考虑两个问题：一是加工阶段的划分，二是机械加工顺序的安排。划分加工阶段的原则将工艺路线划分为几个加工阶段，会增加工序数目，从而增加加工成本。因此在工件刚度高， 工艺路线不划分阶段也能够保证加工精度的情况下，就不应该划分加工阶段，即在一个工序内连续完成某一表面的粗、半精和精加工工步。例如重型零件的加工中，为减少工件的运输和装夹，常在一次装夹中完成某些表面的加工。数控加工中因其设备的刚度高、 功率大、精度高，常不划分加工阶段，通常加工中心就是在一次装夹下 完成工件多个表面的粗加工、半精加工和精加工工步，达到零件的设计尺寸要求。加工阶段的划分 在加工较高精度的工件时，如工序数较多，可把工件各表面的粗加 工工序集中起来，安排工序顺序时，首先加工，称为粗加工阶段；然后集中进行各表面的半精加工工序，称为半精加工阶段；最后集中完成各表面的精加工工序，称为精加工阶段。即把工艺路线分成几个加工阶段，各加工阶段的作用是：(1) 粗加工阶段高效率地去除各加工表面上的大部分余量，并为半精加工提供精度准备和表面粗糙度的准备。粗加工阶段所能达到的精度较低，表面粗糙度大，要求粗加工中能够有高的生产率。(2) 半精加工阶段目的是消除主要表面上经粗加工后留下的加工误差，使其达到一定的精度，为进一步精加工做准备，同时完成一些次要表面的加工。(3) 精加工阶段该阶段中的加工余量和切削用量都很小，其主要任务是保证工件的主要表面的尺寸、形状、位置精度和表面粗糙度。(4) 光整加工阶段包括珩磨、超精加工、镜面磨削等光整加工方法，其加工余量极小，主要目的是进一步提高尺寸精度和减小表面粗糙度，一般不能用于纠正位置误差。机械加工顺序的安排 机械加工顺序应该遵循下述原则：(1) 先加工基准面，后加工其他面；即先用粗基准定位加工精基准表面，为其他表面 的加工提供可靠的定位基准，然后再用精基准定位加工其他表面。(2) 先加工平面后加工孔；箱体零件一般先以主要孔为粗基准加工平面，再以平面为 精基准加工孔系。(3) 先安排粗加工工序，后安排精加工工序。(4) 先加工主要表面，后加工次要表面；零件的主要表面是加工精度和表面质量要求 高的表面，它的工序较多，其加工质量对零件质量影响大，因此先加工。 5.2工序的组合工序的组合 在一个工序中安排多个工步，所以在确定加工顺序后，还要把工步序列进行适当组合，以形成以工序为单位的工艺过程。在工序的组合中，主要要考虑以下两个方面。确定工序内容确定一个工序所包括的若干工步，需要考虑这几个工步是否能在同一 机床上加工；是否需要在一次安装中加工，以保证相互位置精度。 几个工步能在同一机床完成是它们能被组合成一个工序的先决条件。此外，零件的一组表面在一次安装中加工，可以保证这些表面间的相互位置精度。所以对于有较高位置精度要求的一组表面，应安排在一个工序内加工。523工序的集中与分散如何确定零件工艺过程中的工序数目，就是工序的集中与分散问 题。如果一个零件的加工集中在少数工序内完成，每道工序加工内容多，称为工序集中。反之，称为工序分散。工序集中使得工艺路线短，减少了工件的装夹次数，即可提高生产率， 又有利于保证加工表面的位置精度，降低生产成本。工序分散便于采用简单的加工设备和工艺装备，加工调整容易，可采用最合理的切削用量，便于划分加工阶段。 在拟定工艺路线时，通常单件小批生产多采用工序集中。 5.3辅助工序的安排辅助工序包括去毛刺、倒棱、清洗、防锈、检验等工序。其中检验工序是保证产品质量的有效措施之一，检验工序一般可安排在：关键工序前后；零件从一个车间转到另一个 车间加工前后；粗加工阶段结束后；零件全部加工完毕后。应该注意的是某一工序后面不再 有去毛刺工序时，本工序产生的毛刺应由本工序去除。 5.4零件表面加工方法的选择加工经济精度和加工经济表面粗糙度一种加工方法能够保证的加工精度有一个相当大的范围，但如果要求它保证的加工精度过高，需要采取的一些特殊的工艺措施，加工成本随之加大。一种加工方法的加工经济精度是指在正常加工条件下（采用符合质量标准的设备、工艺装备和标准技术等级的工人，不延长加工时间）所能保证的加工精度。各种加工方法达到的加工经济精度和加工经济表面粗糙度可查阅各种金属切削加工工艺手册。典型表面的加工路线机械零件是由一些简单的几何表面如外圆柱、孔、平面等组合而成的，因此零件的工艺路线就是这些表面加工路线的恰当组合，表5.3-1、表5.3-2和表5.3-3分别是外圆柱、孔、平面的典型加工路线，供选用时参考。表5.3-1外圆柱面的加工路线序号加工方法公差等级粗糙度Ra值/m适用范围1粗车IT11 1312.5502粗车-半精车IT8 103.26.5适用于淬火钢以外的 各种金属3粗车-半精车-精车IT780.81.64粗车-半精车-精车-滚压 （或抛光）IT780.0250.25粗车-半精车-磨削IT780.40.8主要用于淬火钢，也 可以用于未淬火钢， 不宜加工有色金属6粗车-半精车-粗磨-精磨IT670.10.47粗车-半精车粗磨-精磨- 超精加工IT50.0120.1粗车-半精车-精车-精细 车8IT670.0250.4王要用于精度咼旳有 色金属加工9粗车-半精车-粗磨-精磨-超精磨IT50.006 0.025极高精度的外圆加工10粗车-半精车粗磨-精磨- 研磨IT50.0060.1表5.3-2孔的加工路线序号加工方法公差等级粗糙度Ra值/1 m适用范围1钻IT11 1312.5加工未淬火钢及铸