机械制造过程与工艺机械制造过程与工艺

第一节 机械加工过程与工艺规程

在实际生产中，由于零件的结构形状、几何精在实际生产中，由于零件的结构形状、几何精度、技术条件和生产数量等要求不同，一个零件往度、技术条件和生产数量等要求不同，一个零件往往要经过一定的加工过程才能将其由图样变成成品往要经过一定的加工过程才能将其由图样变成成品零件。机械加工工艺人员必须从工厂现有的生产条零件。机械加工工艺人员必须从工厂现有的生产条件和零件的生产数量出发，根据零件的具体要求，件和零件的生产数量出发，根据零件的具体要求，在保证加工质量、提高生产效率和降低生产成本的在保证加工质量、提高生产效率和降低生产成本的前提下，对零件上的各加工表面选择适宜的加工方前提下，对零件上的各加工表面选择适宜的加工方法，合理地安排加工顺序，科学拟定加工工艺过程，法，合理地安排加工顺序，科学拟定加工工艺过程，才能获得合格的机械零件。才能获得合格的机械零件。

一、生产过程与工艺过程一、生产过程与工艺过程

生产过程的概念 机械产品制造时，将原材料转变为产品的所有劳动过

程 对于机器的制造而言，生产过程包括： 生产技术准备过程 毛坯的制造过程 零件的机械加工、热处理和其他表面处理 产品的装配、调试、检验和油漆 原材料和成品的运输与保管

工艺过程的概念工艺过程的概念

工艺过程：在生产过程中，改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质，使其成为半成品或成品的过程，亦即生产过程中由毛坯制造起到油漆为止的过程

工艺过程包括： 毛坯制造过程热处理过程机械加工工艺过程装配工艺过程等

工艺过程的组成工艺过程由一个或若干个顺序排列的

工序组成工序：一个（或一组）工人，在一个

工作地点（或一台机床上），对同一个零件（或一组零件）进行加工所连续完成的那部分工艺过程

• 划分工序的主要依据是：工作地点（或机床）是否改变加工是否连续

安装：加工前，使工件在机床上（或夹具中）定位后（即占据正确位置）然后夹紧的过程

工位：工件在机床上所占据的每一个待加工位置

工步：在一道工序中，当加工表面不变、切削工具不变、切削用量中的进给量和切削速度不变的情况下所完成的那部分工艺过程

工序划分不同，工步可能相同，也可 能不同

对于一次安装中连续进行的若干相同多工位加工的工步，通常算作一个工步

用几把不同刀具或复合刀具同时加工一个零件的几个表面的工步，也看作一个工步，称为复合工步走刀：切削刀具在工件表面上每切削去一层金属所完成的那部分工艺过程

一个工步可以包括一次或几次走刀

生产纲领与生产类型生产纲领：企业在计划期内应当生产的

产品产量和进度计划，即一年中制造产品的数量。零件的生产纲领还应包括备品和废品，可按下式计算：

N = Qn(1+a%)(1+b%)生产类型：企业生产专业化程度的分类

单件生产：单个生产不同结构和尺寸的产品，很少重复甚至不重复 特点是：品种多；产量小；工作地点的加工对象经常改变

大量生产：同一产品生产数量很大，大多数工作地点按一定节奏重复进行某一零件的某道工序的加工 特点是：产量大；工作地点的加工对象较少改变；加工过程重复

批量生产：一年中分批轮流制造几种不同的产品，每种产品均有一定的数量，工作地点的加工对象周期性重复特点是：有一定的生产数量；加工对象周期性改变；加工过程周期性重复

二、工艺规程概述二、工艺规程概述工艺规程的概念 按一定的格式，用文件的方式规定零

件制造工艺过程和操作方法等的工艺文件，称为机械加工工艺规程

工艺规程的分类机械加工工艺过程卡机械加工工艺卡机械加工工序卡

工艺规程的作用 它是机械制造厂最主要的技术文件之一，

是生产一线的法规性文件。新工艺是衡量生产部门技术力量的标志，是产品设计和技术革新的内容之一

指导生产的主要技术文件组织和管理生产的基本依据新建和扩建工厂的基本资料交流和推广经验的基本文件

制订工艺规程的原则保证产品质量；提高劳动生产率；降低成本；充分利用本企业现有的生产条件；采用国内外先进工艺技术；保证良好的劳动条件。

制订工艺规程的原始资料产品的整套装配图和零件工作图产品验收的质量标准产品的生产纲领和生产类型现有的生产条件和资料（包括毛坯生产条

件、协作关系、工艺装备、工人技术状态等）

工厂的发展前景国内外的生产技术发展状态等

制订工艺规程的步骤（十大步骤） 分析零件图和产品装配图； 选择毛坯； 拟定工艺路线； 选择定位基准； 确定各工序的设备、工装确定各工序的加工余量，计

算工序尺寸和公差； 确定各主要工序的技术要求及检验方法； 确定切削用量和工时定额； 进行经济分析，选择最佳方案；填写工艺文件

三、制订工艺规程时要解决的主要问题三、制订工艺规程时要解决的主要问题

零件图的研究和工艺分析零件图的研究

检查产品图样的完整性和正确性分析零件材料选择是否恰当分析零件的技术要求

零件的结构工艺性分析 零件结构工艺性的主要要求：• 零件图的尺寸标注应适应机械加工工艺和检

验的要求•尽可能减少机械加工量，提高生产率• 提高生产效率，保证产品质量•减少装夹次数，缩短辅助时间• 结构应适应刀具要求• 保证装配的方便和可拆性

零件的技术要求分析加工表面的尺寸精度 主要加工表面的形状精度主要加工表面之间的位置精度加工表面的粗糙度以及表面质量方面的其它要求热处理要求其它要求

毛坯的选择选择毛坯的基本任务：选定毛坯的制

造方法及其制造精度毛坯的种类：•铸件 ; 锻件 ; 冲压件 ; 压制件 ; 型

材 ; 焊接件

选择毛坯时应考虑的因素：零件的材料及机械性能要求零件的结构形状与尺寸生产纲领及生产类型现有生产条件充分考虑利用新技术、新工艺、新材料的可能性

定位基准的确定

定位和夹紧过程的总和称为装夹。

工件加工前，在机床上或夹具中占据某一正确位置的过程称为定位。

为了使定位的工件在切削力的作用下不发生偏移，还需将工件压紧夹牢，这个过程称为夹紧。

工件的装夹方式

划线找正法

直接找正法

夹具找正法

划线找正法

直接找正法

基准的概念基准的概念

基准 -用来确定生产对象上几何要素间的几 何关系所依据的那些点、线、面。

基准的分类基准的分类

基 准

设计基准 工艺基准

工序基准 定位基准 测量基准 装配基准

粗基准 精基准 辅加基准

设计基准 在设计过程中使用的、在图纸上标注的尺寸基准称为设计基准，设计基准又分为主要设计基准和辅助设计基准两种。在零件图中起主要作用的基准称主要设计基准，而且在同一尺寸方向上有且只有一个主要基准，设计中常以零件的中心线、对称面、重要轴肩及箱体类零件最大的底面作为主要基准。对一个零件而言，它有长、宽、高三个尺寸方向，所以它有三个主要基准。零件图中除主要基准之外的基准称辅助基准，辅助基准可以没有，也可以有若干个。形象地理解，图纸中两个或两个以上箭头的点、线、面才是基准，而箭头最多的点、线、面就是主要基准，其余的基准则是辅助基准。

工艺基准工艺基准

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、位置的基准

装配基准装配时用以确定零件在部件或产品中的相对位置所采用的基准

定位基准加工中使工件在机床或夹具中占据正确位置所依据的基准

测量基准工件在加工中或加工后测量时所有的基准

定位原理

工件加工前，在机床上或夹具中占据某一正确位置的过程称为定位。

自由度：放在空间的物体如果不受任何约束，它可以运动或具有运动的趋势，我们将这种运动或运动趋势称为自由度。直线上的物体具有一个移动自由度，平面上的物体具有两个移动自由度和一个转动自由度，空间内的物体具有三个移动自由度以及三个转动自由度。

自由度概念

六点定位原理

反向判断法，也就是说先看工件哪个方向能动，而并不影响加工要求，则工件这个方向的自由度就不需要限制，其余的自由度则必须限制。

不必限制的自由度示例

因定位结构必须多限制的自由度

完全定位状态 对应定位状态

欠定位状态 重复 ( 过 ) 定位状态

六点定位规则的四种定位状态

工件欠定位

工件重复定位

以不加工表面即没有经过切削加工就用作定位基准的表面，称为粗基准。

以已加工表面用作定位基准的表面，称为精基准。

基准的选择基准的选择

1.精基准的选择： 主要应保证加工精度和装夹方便，选择精基准

一般应遵循以下原则：• 1 ）基准重合原则 设计 ( 工序 ) 与定位• 2）基准统一原则 各工序的基准相同• 3）互为基准原则 两表面位置精度高• 4）自为基准原则 加工余量小而均匀

在保证得到所选精基准的前提下确定粗基准选择粗基准一般应遵循以下原则：• 1 ）余量最小原则• 2）重要表面原则• 3）非加工表面原则 • 4）同方向上粗基准不得重复使用原则

粗基准的选择粗基准的选择

非加工表面原则

重要表面原则

余量最小原则

非加工表面原则

不重复使用原则

4.5 4.5 加工工艺路线的拟定加工工艺路线的拟定

1.表面加工方法的选择• 要保证加工表面的加工精度和表面粗糙度的要求 • 应考虑材料的性质• 应考虑生产类型• 应考虑本厂的现有设备及技术条件• 应考虑工件的形状、重量、物理特性• 应作加工经济精度和经济粗糙度分析

加工阶段的划分 工艺过程的四个加工阶段：粗加工阶段—切除各表面大部分余量（ 75% ），主要考虑劳动效率；半精加工阶段——完成次要表面的加工，切除 20%左右的余量，为精加工作准备；精加工阶段——保证各主要表面达到图纸要求。光整阶段——提高尺寸精度，降低粗糙度 ,不能纠正各表面的位置误差。

划分加工阶段的原因

保证加工质量（粗加工切削力、切削热、夹紧力、变形都大，不可能达到高精度）；合理利用机床设备；合理安排热处理和检验工序；及时发现毛坯缺陷，及时修补或报废；精加工应放在最后，避免损伤已加工表面。

加工顺序的安排 复杂工件的机械加工工艺路线通常要经

过切削加工、热处理和辅助工序。 切削加工安排顺序四原则：

基准先行（便于定位）先粗后精（防止变形）先主后次（避免浪费）先面后孔（保证孔的位置精度）

热处理工序的安排：预热处理：退火，正火，调质，时效处理去应力处理：人工时效，自然时效，退火，冰冷处理（ 0--80℃， 1--2小时）最终热处理：淬火 - 回火，渗碳淬火，渗氮，正火，调质。

辅助工序的安排：包括：检验、去毛刺、倒棱、清洗、防锈、表面强化、退磁、平衡等。

加工余量的确定加工余量的确定

加工余量的基本概念 加工过程中从加工表面上所切除的金属层厚度称为加工余量，它又有工序加工余量和加工总余量之分。

工序加工余量是指某表面在一道工序中所切除的金属层厚度，它取决于同一表面前后相邻工序尺寸之差。

加工总余量是指所有工序加工余量之和。

对于外表面 Zb=a-b

对于内表面 Zb=b-a

式中 Zb——本工序的工序加工余量； a—— 前工序的工序尺寸； b—— 本工序的工序尺寸。

非对称单边加工余量

对于轴， 2Zb=da-db对于孔， 2Zb= db-da 式中 2Zb——直径上的加工余量； da——前工序的加工表面的直径； db——本工序的加工表面的直径。

对称加工余量

确定加工余量的方法经验估算法：根据工艺人员的经验确定加工余量。（适应于单件、小批量生产）查表修正法：先查手册，然后根据实际情况进行适当修正。（查工艺手册，广泛采用）分析计算法：分析各项因素，根据关系式计算。（贵重材料，大批生产；需要资料，较少 采用）

四、工序尺寸及其公差的确定四、工序尺寸及其公差的确定

基准重合时，工序尺寸及其公差的计算

当工序基准、定位基准或测量基准与设计基准重合，表面多次加工时，计算顺序是由最后一道工序开始，即由设计尺寸开始向前推算到毛坯尺寸

计算步骤：定毛坯总余量和工序余量定工序公差求工序基本尺寸标注工序尺寸公差

基准不重合时，工序尺寸及其公差的计算

当零件加工过程中多次转换工艺基准，引起测量基准、定位基准或工序基准与设计基准不重合时，需利用工艺尺寸链原理进行工序尺寸及其公差的计算

工艺尺寸链的基本概念 尺寸链的定义

尺寸链——由相互联系的尺寸按一定顺序首尾相接排列成的尺寸封闭图形。

工艺尺寸链——由单个零件在工艺过程中的有关尺寸所形成的尺寸链。

环——组成尺寸链的各个尺寸

尺寸链的组成封闭坏——最终被间接保证精度的那个环

组成环——除封闭环之外的所有其他环增环——当其余各组成环不变，而该环增大时使封闭环也增大者

减环——当其余各组成环不变，而该环增大时使封闭环反而减小者

尺寸链图 将尺寸链中各相应的环，用尺寸或符号标注在示意图上，这种尺寸图称为尺寸链图

作法：首先确定间接保证的尺寸，定为封闭环；然后从封闭环起，画出各组成环；尺寸首尾相接，顺一个方向画箭头，构成封闭图形

工艺尺寸链的构成，取决于工艺方案和加工方法，确定封闭环是关键；

一个尺寸链只能解一个封闭环；请注意箭头方向： 与封闭环同向者为减环 与封闭环异向者为增环

• A1

• A∑ A2

尺寸链的形式按环的几何特征分：长度、角度、组合

尺寸链按应用场合分：装配、工艺、零件尺寸链

按各环所处空间位置分：直线、平面、空间尺寸链

尺寸链的特性封闭性：尺寸链必是一组有关尺寸首尾相接

所形成的尺寸封闭图。其中应包含一个间接保证的尺寸和若干个对此有影响的直接获得的尺寸

关联性：尺寸链中间接保证的尺寸即精度直接保证的尺寸精度支配，且间接保证的尺寸精度必然低于直接获得的尺寸精度

尺寸链的计算公式• 封闭环的基本尺寸 = 组成环基本尺寸的代数和

• 封闭环的极限尺寸：

• 封闭环的上、下偏差

• 封闭环的公差

1

11

n

mj j

m

i iAAA

minmax

maxjiAAA

maxmin

minjiAAA

)()()( jiiss AEAEAE�

)()()( jsiii AEAEAE�

)()()( ji ATATAT�

计算封闭环的竖式 口诀：增环上下偏差照抄； 减环上下偏差对调、反号

例 ： 尺 寸 链 图 ： C 1 6 - 0 . 3 5

A Σ

6 0 - 0 . 1 7

1 6 - 0 . 3 5

6 0 - 0 . 1 7

尺 寸 链 解 算 竖 式 ：基 本 尺 寸 E s（ 上 偏 差 ） E i（ 下 偏 差 ）增 环 + 6 0 0 . 0 0 - 0 . 1 7

减 环 - 1 6 + 0 . 3 5 0 . 0 0

封 闭 环 + 4 4 + 0 . 3 5 - 0 . 1 7

于 是 得 到 封 闭 环 35.017.040

A

尺寸链的分析与解算 测量基准与设计基准不重合时的工序尺寸计算

尺寸链图为 16-0.35 基 本 尺 寸 Es Ei AΣ X 增 环 + 60 0.00 -0.17 减 环 - 44 0.00 -0.18 60-0.17 封闭环 + 16 0.00 -0.35

于是求得减环为：X=4418.00。（请学生自行计算）

由此出现两个问题：① 测量尺寸的精度明显提高； ② 存在假废品的问题（必须核算）。

定位基准与设计基准不重合时的工序尺寸计算

A6 230-1.0

A4 144-1.0

A1 A2 A3 A5

20-0.28 22-0.6 100-0.8 20± 0.3

A1’ A2’ A3’ A4’ A5’ A6’

尺寸链的分析与解算:

序号 尺寸链图 尺寸链计算式 尺寸及公差 1

A1（20-0.28） AΣ =A2（22-0.6） A2’

2A

’ +42 –0.28 –0.60

1A�

-20 +0.28 0.00

AΣ =A2 +22 0.00 -0.60

A2’=42 28.060.0

2

A2’ AΣ =A3（100-0.8） A3’

3A

’ +142 –0.60 –1.08

2A�

’ -42 +0.60 +0.28 AΣ =A3 +100 0.00 -0.80

A3’=142 60.008.1

3

A1（20-0.28） AΣ =A4（144-1.0） A4’

4A

’ +164 –0.28 –1.0

1A�

-20 +0.28 0.00 AΣ =A4 +144 0.00 -1.0

A4’=164 28.00.1

4

A4’=164 28.00.1

AΣ =A5(20± 0.3)

A5’

5A

’ +184 -0.70 -0.58

4A�

’ -164 +1.00 +0.28

AΣ =A5 +20 +0.30 -0.30

A5’=184 70.058.0

( 显 然 不 合理， 分析见后)

4’

A4”=164 28.054.0

AΣ =A5(20± 0.3)

A5”

5A

” +184 -0.24 -0.58

4A�

” -164 +0.54 +0.28 AΣ =A5 +20 +0.30 -0.30

A5”=184 24.058.0

从计算结果可知， A5’的 Es〈 Ei，显然这是不合理的。这主要是因为公共环 A4’的公差值太大，所以应调整 A4’的上下偏差。现按等公差原则重新分配封闭环公差。

T （ Ai ） =T （ Aj ） =

T(A4”) = T(A5”) = = = 0.30再考虑到 A5” 〉 A4” 故取 TA4”=0.26 ，

TA5”=0.34所以 A4”=164 （ 0.28+0.26 ） A5”

=184 （ 0.24+0.34 ）

1

)(

n

AT

13

)( 5

AT

2

)30.0(30.0

28.054.0

24.058.0

保证渗氮、渗碳层深度的工艺计算

加工过程为： 磨内孔至 Φ144.76+0.04mm； 渗氮，深度 t1 ； 磨内孔至 Φ145+0.04mm ，并保持渗氮层深度 t0=0.3~0.5mm。

分析题意可知， t0=0.3+0.2mm是间接获得的，为封闭环

尺寸链图为 尺寸链解算竖式 72.38+0.02 t1 + 72.38 + 0.02 0.00 t1 + 0.42 + 0.18 + 0.02 72.5+0.02 t0 0.3

+0.2 - 72.50 0.00 - 0.02 t0 + 0.30 + 0.20 0.00

于是解得t1=0。4218.002.0

。 即渗氮层深度为0.44~0.60mm。

测量基准与设计基准不重合

定位基准与设计基准不重合

五、机械加工生产率和技术经济分析五、机械加工生产率和技术经济分析制订工艺规程的根本任务在于保证产

品质量的前提下，提高劳动生产率和降低成本，即做到高产、优质、低消耗。要达到这一目的，制订工艺规程时，还必须对工艺过程认真开展技术经济分析，有效地采取提高机械加工生产率的工艺措施。

时间定额机械加工生产率是指工人在单位时间

内内的合格产品的数量，或者指制造单件产品所消耗的劳动时间。它是劳动生产率的指标。

时间定额是指在一定的生产条件下，规定每个工人完成单件合格产品或某项工作所必需的时间。

完成零件一道工序的时间定额称为单件时间。它由下列部分组成： 基本时间（ Tb ） 辅助时间（ Ta ） 布置工作场地时间（ Tsw） 生理和自然需要时间（ Tr） 准备与终结时间（ Te）

Tc= Tp +Te／ n= Tb+ Ta+ Tsw+ Tr+ Te／ n

提高机械加工生产率的工艺措施 劳动生产率是一个综合技术经济指标，它与产品设计、生产组织、生产管理和工艺设计都有密切关系。

缩短基本时间提高切削用量减少或重合切削行程长度采用多件加工

缩短辅助时间采用先进高效的机床夹具采用多工位连续加工采用主动测量或数字显示自动测量装置采用两个相同夹具交替工作的方法

缩短布置工作场地时间缩短与准备终结时间

工艺过程的技术经济分析生产成本和工艺成本

制造一个零件或一件产品所必需的一切费用的总和，称为该零件或产品的生产成本。只需分析、评价与工艺过程直接相关的生产费用，即所谓工艺成本。

不同工艺方案的经济性比较