机械制造行业第九章机械加工工艺设计实验.docx
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机械制造行业第九章机械加工工艺设计实验
第九章机械加工工艺设计实验
机械零件设计后，首先必须制造出零件的毛坯，然后再用机械加工方法制造出来。
一个零件可以用几种不同的加工方法制造，但在一定条件下只有某一种方法是较合理的。
因此，合理地设计零件的机械加工工艺，并把合理的工艺过程中的各项内容以规定的表格形式设计成技术文件，最后用技术文件来指导零件的加工和生产，这就是机械加工工艺设计实验的基本内容。
9.1机械加工工艺的设计原则、原始资料及步骤
1．机械加工工艺的设计原则
机械加工工艺的设计原则是：
在保证产品质量的前提下，努力提高生产率和降低工艺成本；在充分利用企业现有生产条件的基础上，尽可能采用先进生产技术；工艺设计应正确、完整、清晰和统一，所用术语、符号、单位、编号等，要符合最新的国家标准。
2．机械加工工艺设计的原始资料
（1）产品的全套技术文件包括产品图样，技术说明书，产品验收的质量标准。
（2）产品的生产纲领。
（3）工厂的生产条件包括毛坯的生产条件或协作关系，工厂的设备和工艺装备情况，专用设备和专用工艺装备的制造能力，工人的技术等级等。
（4）各种技术资料包括有关手册、标准以及国内外先进的工艺技术资料等。
3．机械加工工艺设计的步骤
（l）根据产品生产纲领决定生产类型在成批生产时，要确定零件的生产批量；在大批量生产时，要确定各工序、各工步或工位上的生产节拍。
（2）分析研究产品的图样熟悉产品的性能和工作原理，明确零件的作用，审查视图、尺寸、技术条件、零件的结构工艺性和材料选用等方面是否完整合理。
（3）选择毛坯根据图样要求，按设计原则，选择毛坯的种类和制造方法。
（4）拟订工艺路线选择定位基准及各表面加工方法，划分加工阶段，工序组合及安排等。
（5）工序设计确定加工余量、工序尺寸及公差、切削用量、工时定额、设备和工装等。
（6）填写工艺文件如机械加工工艺过程卡片和机械加工工序卡片。
9.2机械加工工艺过程的基本概念
机械加工工艺过程是由一系列工序组成的。
每一工序又可分为若干个安装、工位、工步或走刀。
其关系如下：
1．工序
工序是指在一个工作地点，对一个或一组工件所连续完成的那部分工艺过程。
如图9－1所示零件，其工艺过程可分为两个工序。
工序1：
在车床上镗孔，车外圆，车端面A、B、C，内孔倒角。
工序2：
在钻床上钻出六个φ20的小孔。
图9-1轮坯
2．安装
安装是指在一次装夹中所完成的那部分工序。
一个工序可以包括一次或几次安装。
如图9－1所示零件，在车削工序中一般有两次安装。
安装1：
在三爪自定心卡盘内以φ102外圆定位并夹紧。
车端面C、镗孔、内孔倒角、车φ223外圆。
安装2：
调头在三爪自定心卡盘内以φ223外圆定位并夹紧。
车端面A、内孔倒角、车端面B。
3．工位
图9-2多工位加工
工位是指在一次装夹内工件在机床中所占的每个位置。
如图9－2所示为在三轴钻床上所进行的一道工序，在该工序中，利用回转夹具，在一次安装中连续完成钻孔、扩孔、铰孔等工艺过程，共四个工位。
第一工位装卸工件；第二工位钻孔；第三工位扩孔；第四工位铰孔。
可见，采用多工位加工，可以减少零件安装次数，以缩短辅助时间。
图9-3分层走刀
4．工步
工步是指在一次安装或一个工位中，在加工表面、刀具、转速和进给量都不变的情况下所完成的那一部分工序。
一个工序包括一个或几个工步。
如图9－1所示的零件，在车削加工工序中，可分为：
粗车外圆、半精车外圆、粗镗孔、半精镗孔、精镗孔、粗车端面等若干个工步。
5．走刀
走刀是指在一个工步中，由于余量较大，要在转速及进给量不变的情况下进行多次切削，每一次切削称为走刀。
一个工步可包括一次或数次走刀。
如图9－3要加工出φ60的外圆，需在直径方向切去10mm厚的金属，而设备及工具条件不能一次切削完，必须分二次切削，则每次切削就是一次走刀。
9.3机械加工工艺设计的内容
在确定了待加工零件的生产类型、选好材料和毛坯形式、审查和分析了零件图纸之后，就可进行该零件的机械加工工艺设计。
9.3.1选择定位基准
定位基准是指在机械加工中用来确定工件位置的基准面，它的合理选择对保证加工精度，安排加工顺序和提高加工生产率有重要影响。
图9-4套筒铸件
第一道工序只能以毛坯表面作为定位基准面，这种基准面称为粗基准。
在以后的工序中用已加工过的表面定位，这种基准面称为精基准。
1．粗基准的选择原则
（1）保证不加工表面与加工表面相互位置要求原则当有些不加工表面与加工表面间有相互位置要求时，一般选择不加工表面为粗基准。
如图9-4所示毛坯，铸造时孔B和外圆A有偏心，若采用不加工表面外圆A为粗基准加工孔B，则内外圆是同轴的，即壁厚均匀，而孔B的加工余量不均匀。
当工件上有多个不加工表面和加工表面间有一定的位置要求时，则应以其中要求较高的不加工表面为粗基准。
（2）保证各加工表面的加工余量合理分配的原则应选择重要加工表面为粗基准，如图9－5中，选择导轨面为粗基准加工床腿底面，再以底面为基准加工导轨面，使加工余量均匀，并保证导轨面的组织均匀和耐磨性一致。
应选择余量最小的表面为粗基准，如图9-6中的台阶轴直径φ50mm余量为5mm，直径φ108mm的余量为8mm，当毛坯两外圆柱面毛坯制造偏心量为3mm时，若选φ108mm为粗基准加工外圆φ50mm时，有可能因φ50mm的余量不足而使零件报废。
图9-5床身加工的粗基准选择图9-6台阶轴加工的粗基准选择
图9-7重复使用粗基准
（3）粗基准不重复使用的原则粗基准的精度低，粗糙度数值大，重复使用会造成较大的定位误差。
因此，同一尺寸方向的粗基准，通常只允许使用一次。
如图9－7所示，如果重复使用毛坯面B定位，加工A面和C面，则A面与C面的轴线必然会出现较大的同轴度误差。
2．精基准的选择原则
（1）基准重合原则尽可能使设计基准与定位基准重合，以减少定位误差。
图9-8齿形表面定位
l—卡盘2—滚柱3—齿轮
（2）基准统一原则尽可能使用同一定位基准加工各表面，以保证各表面间的位置精度。
如轴类零件常用两端顶尖孔作为统一的定位基准。
（3）互为基准原则当两个加工表面间相互位置精度要求很高（包括本身尺寸与形状精度要求）时，可运用互为基准反复加工的原则。
加工如图9－8所示的精密齿轮，因齿面高频淬火后必须进行磨齿，为消除淬火后的变形和提高齿面、支承孔的位置精度，应以齿面为基准磨内孔，再以内孔为基准磨齿面，其齿面磨削余量均匀。
图9－9自为基准磨削定子外圆
1—心轴2—定位套3—定位销
4—工件5—开口压板6—螺母
（4）自为基准原则当要求加工余量小而均匀（如精加工或光整加工）时，可选择加工表面本身作为定位基准，即自为基准原则。
图9－9为磨削叶片泵外圆柱表面，因其定子内腔是特形曲面而不宜作定位基面，当磨削定子外圆柱面时，将工件4套在心轴1上，以待加工的外圆柱面作为定位基准，夹具上的定位套2定心，定位销3作周向定位，然后用开口压板5及螺母6夹紧工件，再取下定位套，工件即可连同心轴一起装在磨床上完成外圆磨削。
在进行机械加工工艺设计时，应根据具体情况进行综合的分析，灵活运用各项原则。
在工艺过程卡的加工简图中，各工序的定位基准应用专门符号表示出来，常用符号参见表9－1的定位基准选择示例。
表9-1定位基准选择示例
序号
零件类型
示例
备注
1
轴类零件
两顶尖孔定位
2
轴类零件
外圆定位（三爪自定心卡盘：
定位→夹紧）
3
盘类零件
端面及孔定位
（“短销”：
定位→夹紧）
4
套类零件
孔及端面定位（可胀心轴或长销：
定位→夹紧）
5
杆类零件
底面及两端圆弧面定位（活动V形块或联动定心结构：
定位→夹紧）
6
箱体
“一面及两销孔”定位
（两销孔是工艺孔）
7
齿轮坯
拉削齿轮坯的孔实际上是以孔本身作为定位基准，底面为球面支承，仅约束一个自由度并承受拉削力
注：
定位符号的脚标1、2、3等表示约束的自由度数。
9.3.2拟定零件的加工工艺路线
1．选择加工方法
一般先根据这个零件主要表面的技术要求选定它的最后加工方法（参考表9－2），再选前面各工序的加工方法。
例如当一轴的主要外圆面要求精度等级为IT6、表面粗糙度值Ra为0.4，并要淬硬时，其最后工序可选用精磨，前面的准备工序可为粗车——半精车——淬火——粗磨。
主要表面的加工方法选定后，再选各次要表面的加工方法。
各种常用的加工方法所能达到的精度和表面粗糙度以及需留的加工余量列于表9－2中。
表9－2常用加工方法能达到的精度和表面粗糙度以及需留的加工余量
加工
表面
加工方法
表面粗糙度值
/μm
精度等级IT
加工余量
/mm
说明
外圆柱面和端面
粗车
Ra 14～320
11～13
1～5
指尺寸在φ180以下，长度在500以下的钢件直径余量
半精车
Ra2.5～10
9～10
0．45～0．55
精车
Ra0.63～2.5
7～8
0．20～0．45
粗磨
Ra1.25～5
8～9
0．25～0．85
精磨
Ra0.16～1.25
6
0．06
研磨
Ra＜0.16
5
0．01～0．03
超精加工
Ra＜0.16
5～6
细车（金刚车）
Ra0.02～0．63
6
平
面
粗刨、粗铣
Ra40～320
11～13
0．9～2．3
指平面最大尺寸在500以下的钢件的平面余量
半精刨、半精铣
Ra2.5～10
8～11
0．25～0．3
精刨、精铣
Ra0.63～5
7～9
0．16
拉削
Ra0.63～2.5
7～9
粗磨
Ra1.25～5
8～7
0．05
精磨
Ra0.16～1.25
6～5
0．03
研磨
Ra＜0.16
5
0．01～0．03
圆
柱
孔
钻孔
Ra40～320
11～13
指孔径在180以下的钢件的直径余量。
扩孔
Ra2.5～10
10～11
为所扩孔径的0．3～0．5倍
粗铰
Ra1.25～5
8～9
0．l～0．55
精铰
Ra0.62～2.5
7～8
0．04～0．2
粗镗
Ra2.5～10
10～11
＞1．8
精镗（浮动镗）
Ra0.63～2.5
7～9
1．3～1．8
细镗（金刚锋）
Ra0.08～0.63
6～7
0．1～0．3
粗磨
Ra1.25～5
8～9
热处理后0．2～0．3
精磨
Ra0.32～1.25
7
0．1～0．2
研磨
Ra0.01～0.32
6
0．01～0．02
2．安排加工顺序
（1）基面先行工件的精基准表面应先进行加工，以便为后续工序加工提供精基准。
当基准不统一时，应作基准转换，并按逐步提高精度的原则安排基准面加工。
（2）先主后次即先加工主要表面（如装配表面、工作表面等），后加工次要表面（如键槽、紧固用的光孔或螺孔等）。
次要表面加工量较少，通常安排在主要表面半精加工与精加工（或光整加工）之间。
（3）先粗后精即粗加工→半精加工→精加工或光整加工。
（4）先面后孔对于箱体、支架和连杆等工件，应先加工平面后加工孔，使安装方便、定位可靠，以平面定位加工孔，易保证平面与孔的精度及位置精度，并改善刀具初始工作条件。
3．热处理工序的安排
（1）预备热处理常用的方法有退火和正火，一般安排在机械加工之前。
用以改善切削性能，使组织均匀，细化晶粒，消除毛坯制造时的内应力。
（2）去除内应力处理包括人工时效、退火等，通常在粗加工与精加工之间进行。
对于一般精度的零件，应安排在粗加工后作人工时效，以消除铸造和粗加工时产生的内应力，减少后续加工的变形；对精度要求较高的零件，应在半精加工后进行第二次时效处理，使加工精度稳定；对精度要求很高的零件（如丝杆、主轴等），应安排多次去应力处理；对于精密丝杆、精密轴承等零件，为消除残余奥氏体，稳定尺寸，常在回火后进行冷处理。
（3）最终热处理可以提高材料的强度、表面硬度和耐磨性。
变形较大的热处理，如调质、淬火、渗碳淬火等，应在磨削前进行，通过磨削来纠正热处理变形。
变形较小的热处理（如氮化），应安排在精加工后。
表面装饰性镀层和发蓝工序，一般在精加工后进行。
电镀工序后应进行抛光，以增加耐腐蚀性和美观。
耐磨性镀铬则放在粗磨和精磨之间进行。
4．辅助工序的安排
包括检验、去毛刺、倒棱边、去磁、清洗和涂防锈油等。
其中检验工序是保证产品质量的重要措施，它应在粗加工与精加工之间，或重要工序前后进行；进入装配和成品库前应作最终检验，对于重要件还应作特种性能检验，如磁力探伤、密封性等。
9.3.3确定各工序的加工余量、工序尺寸和公差
工艺路线拟订以后，应确定每道工序的加工余量、工序尺寸及其公差。
工序尺寸是工件加工过程中，各个工序应保证的加工尺寸，工序尺寸允许的变动范围就是工序尺寸公差。
工序尺寸的确定与工序的加工余量有密切关系。
零件图上的尺寸和公差就是最终工序的尺寸和公差。
可以用“倒推”的办法，将此尺寸加上此工序的余量，就是上一工序的工序尺寸。
各种加工方法需要的加工余量值列于表9－2中。
这些余量值范围较大，要根据零件尺寸大小和毛坯情况来合理选取。
如需更精细的数据可参阅有关的《机械制造工艺设计手册》。
工序尺寸的公差可按该工序的加工方法所能达到的精度（见表9－2中公差等级一栏）查标准公差数值表来确定。
除毛坯公差和最终尺寸的公差为双向公差外，机械加工的工序间尺寸的公差均按“入体分布”，即标注为向着零件体内的单向公差。
例如一轴的某一直径尺寸在粗磨后精磨前的工序尺寸为φ44，由表9－2得粗磨后能达到的尺寸公差等级为IT8～IT9，现取尺寸公差等级为IT8，其标准公差数值为0.039，则此工序尺寸和公差应标注为
。
又如一孔在扩孔后粗铰前的工序尺寸为φ15.85，由表9－2得扩孔后能达到的尺寸公差等级为IT10～IT11，现取尺寸公差等级为IT10，查其标准公差数值为0.07。
则此工序尺寸和公差应标注为
。
再举一例说明工序尺寸的计算过程。
某滑动轴承座的内孔尺寸为
，表面粗糙度值Ra为1.6，若制订的工艺过程为：
粗镗——精镗——粗铰——精铰。
各工序尺寸及其公差计算如表9—3所示。
表9—3轴承孔（φ55）的工序尺寸及公差（单位/mm）
工序名称
工序间余量
工序能达到的公差等级及其标准公差
最小极限尺寸
工序尺寸及公差
精铰
0．15
IT8（0．046）
55
粗铰
0．45
IT10（0．12）
55—0.15＝54.85
精镗
1．4
IT10（0．12）
54.85—0.45＝54.4
粗镗
3
IT13（0．46）
54.4—1.4＝53
注：
毛坯孔尺寸：
53—3＝50，其公差由制坯工序决定。
9.3.4机床设备及工艺装备的选择
选择机床设备的基本原则为：
1．机床的精度应与工序要求的精度相适应。
2．机床的规格应与零件的外形尺寸相适应。
3．机床的生产率应与零件要求的生产纲领相适应。
当大批大量生产时，根据零件相关工序的加工要求和批量等，设计专用机床及专用夹具。
工艺装备包括夹具、刀具和量具等，应根据零件的生产类型和加工精度等进行选择。
单件小批生产时，一般选用通用夹具或组合夹具、标准刀具和通用量具；采用成组工艺时，应设计成组夹具；大批大量生产时，常采用复合刀具和极限量规或高效的专用检验量具。
9.3.5估算时间定额
零件的加工工艺成本通常由材料费、动力费、工资、车间管理费和企业管理费等项构成。
除材料费外，其余各项都和加工时间有关。
因此，在估算产品或零件的制造费用的时候，在零件的加工工艺设计过程中，都要估算时间定额。
这是一件很关键的工作。
偏松的定额会使成本上升；偏紧的定额又会影响操作人员的积极性。
因此是一件不容易做的工作，尤其对缺乏生产经验的初学者来说更是这样。
对于单件小批生产来说，采用经验估工法和类推比较法较多。
同学们因实践较少，一下子估计出很准确的时间定额是有困难的。
但也应大胆尝试，不应望而却步；应多向有经验的人员请教，并注意积累参考资料，收集在定额试行过程中各方面的反应，逐步订出比较合理的时间定额。
对于批量较大的定型产品，可采用统计分析，实际测定加工时间等办法，也可采用技术测定法。
例如知道了某一工步中的走刀长度、走刀量和工件转速时，就可计算出车削这段外圆表面所需的机动时间。
把各工步、各工序所需的机动时间累加起来，再考虑到一些必要的辅助性时间，便可得较精确的时间定额。
9.3.6编制工艺文件
工艺文件的种类和形式有多种多样，其繁简程度亦有很大不同，要视生产类型而定。
单件小批生产中，一般只编写简单的综合工艺过程卡片，这种卡片亦有简繁之分，最简单的只写出加工工艺过程中各工序的名称和顺序，较详细的则附有主要工序的简图，工艺设计见下述例题分析。
大批大量生产中要求工艺文件更加完整和详细。
各工作地点都有所完成工序的工序卡片，生产管理部门，按零件将各工序卡片汇装成册，随时可查阅。
半自动和自动机床有机床调整卡片，检验工序有专门的检验工序卡片等等。
9.4例题分析
9.4.1减速器低速轴机械加工工艺设计
图9－10所示减速器低速轴简图。
轴颈A、B安装滚动轴承；E部位安装齿轮；D部位上装有用于齿轮轴向固定的轴套；G部位安装传动输出的皮带轮。
零件承受中等载荷，受冲击力很小，轴颈部位磨损不严重。
主要技术要求如下：
（1）D、E、B、G各外圆表面的圆度误差不大于其尺寸公差值的一半；
（2）轴颈A、B对轴心线A－B的径向圆跳动误差不大于0.02；E、G对轴心线A－B的径向圆跳动误差不大于0.025；
（3）端面C、F对轴心线A－B的端面圆跳动误差不大于0.025；
（4）键槽对轴心线A－B的对称度误差不大于0.03。
零件年产量500件。
试选择零件的材料，并制定零件的机械加工工艺规程。
解：
1．选择零件的材料
从减速器传动轴的受力分析可知，它受扭转一弯曲复合作用力，由于其承受中等载荷，工作又较平稳，冲击力很小，所以可采用优质碳素结构钢的45号钢，坯料用热轧圆钢。
为了改善组织、提高力学性能，坯料要经过正火热处理。
2．选择定位基准
加工实心轴类零件的定位精基准，最常用的是两端中心孔。
在单件小批生产情况下，坯料直径、长度又不很大时，可以在普通车床上加工出所需的中心孔；如果坯料直径较大，长度较长，特别是当坯料为较大的模锻件时，则可以在立式钻床上用专用夹具定位夹紧坯料钻出中心孔；在生产批量较大时，可以在专用的双面铣床上铣端面和钻中心孔。
此减速器低速轴坯料直径较大，所以在立式钻床Z535上钻出A型中心孔。
为保证中心孔定位准确，在粗车后精车前，一端要重新加工出带120°保护锥的B型中心孔，另一端按要求加工出C型M16中心孔，但螺纹不攻。
在磨削轴颈A、B之前，两端中心孔还必须经过修研。
3．选择加工方法
轴颈A、B的尺寸精度和表面粗糙度都要求较高（公差等级为IT6，表面粗糙度值Ra为1.6）。
必须经过粗车→半精车→磨削。
因为磨削可以经济地达到IT6～IT7级公差和Ra1.6～0.8表面粗糙度。
其它外圆表面，通过车削便可以达到所需的尺寸精度、表面粗糙度等技术要求，不必进行磨削。
E、G部位的键槽可以在立式铣床上用立铣刀铣削的方法获得。
I端面上的φ6孔可以在立式钻床上钻出，M16螺纹则是用丝锥手工攻出。
4．安排加工顺序
两端A型中心孔是以后加工各外圆面的精基准，所以应安排先加工。
车削外圆面时，粗、精加工分阶段进行。
粗车与精车之间安排正火热处理，以消除粗车时产生的内应力。
铣键槽安排在精车后、磨削前进行，钻φ6孔和攻M16螺纹则放在最后。
机械加工完毕，最终要进行检验。
5．确定各工序的加工余量，工序尺寸和公差
从零件图可知，最大直径为φ90，这一尺寸未标公差，但并非随意的尺寸，一般是按公差等级IT13来取其公差。
由于坯料是热轧圆钢，其直径便不能随意定一个尺寸，必须根据型材规格表选取合适的直径（见表9-4）。
为此选用坯料直径φ95，总的加工余量为95－90＝5。
表9-4常用型材（圆钢）规格表
直
径
5
5．5
6
6．5
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
38
40
42
45
48
50
52
55
56
58
60
63
65
68
70
75
80
85
90
95
100
105
110
115
120
125
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
240
250
长度
优质钢2m~6m，普通钢当直径小于25时为4m~10m，小于10时常卷成盘状。
考虑到粗、精加工分阶段进行，在粗车时应切去大部分余量，故取粗车的加工余量为3.5，那么精车的加工余量为总的加工余量减去粗车的加工余量，即5－3.5＝l.5。
φ70部位的尺寸亦属未标公差的尺寸，其公差等级同理可取IT13，精车加工余量亦可以取1.5，那么粗车的加工余量=90－70－1.5=18.5。
各外圆表面的工序间余量，工序尺寸及公差如表9－5所示。
表9-5减速器低速轴的加工尺寸（单位/mm）
加工表面
工序
名称
工序间
余量
工序能达到的公差等
级及其标准公差值
最大极
限尺寸
工序尺寸及公差
轴颈
A、B
磨削
0.16
IT6（0.019）
60.03
φ60
（m6）
半精车
0.61
IT8（0.046）
60.19
φ60.19
粗车
34.2
IT10（0.12）
60.8
φ60.8
外圆D
精车
0.63
IT9（0.074）
69.97
φ70
（f9）
粗车
24.4
IT10（0.12）
70.6
φ70.6
外圆E
精车
0.638
IT7（0.03）
80.062
φ80
（p7）
粗车
14.3
IT10（0.12）
80.7
φ80.7
外圆G
精车
0.568
IT7（0.03）
55.032
φ50
（k7）
粗车
39.4
IT10（0.12）
55.6
φ55.6
外圆
φ70
精车
1.5
IT13（0.46）
70
φ70
粗车
23.5
IT14（0.74）
71.5
φ71.5
外圆
φ90
精车
1.5
IT13（0.54）
90
φ90
粗车
3.5
IT14（0.87）
91.5
φ91.5
6．估算时间定额
表9－6列出了此减速器低速轴零件分别用技术测定法和经验估工法估算得出的时间定额。
其中技术测定法所列数据普遍偏紧，适用于生产稳定，工具设备齐全，生产管理较完善，劳动效率较高的情况。
经验估工法中，由操作工估计的数据普遍偏松，这是由于他们较多地从单件
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