机械加工工艺规程设计

一、机械加工工艺规程设计的内容及步骤
(1) 分析零件图和产品装配图 设计工艺规程时，首先应分析零件图和该零件所在部件或总成的装配图，了解该零件在部件或总成中的位置和功用以及部件或总成对该零件提出的技术要求，分析其主要技术关键和应相应采取的工艺措施。
(2) 对零件图和装配图进行工艺审查 审查图纸上的视图、尺寸公差和技术要求是否正确、统一、完整，对零件设计的结构工艺性进行评价（评价方法及要领参见本章第六节），如发现有不合理之处应及时提出，并同有关设计人员商讨图纸修改方案，报主管领导审批。
(3) 由产品的年生产纲领和产品自身特性研究确定零件生产类型(参见第一章第三节)。
(4) 确定毛坯 提高毛坯制造质量，可以减少机械加工劳动量，降低机械加工成本，但同时可能会增加毛坯的制造成本，须根据零件生产类型和毛坯制造的生产条件确定毛坯制造方法。应当指出，我国机械制造工厂的材料利用率较低，只要有可能，应提倡采用精密铸造、精密锻造、冷轧、冷挤压、粉末冶金等先进的毛坯制造方法。材料利用系数是衡量工艺规程设计是否合理的一个重要参数。
(5) 拟订工艺路线 其主要内容包括：选择定位基准，确定各加工表面的加工方法，划分加工阶段，确定工序集中和分散程度，确定工序顺序等。在拟定工艺路线时，须同时提出几种可能的加工方案，然后通过技术和经济的对比分析，最后确定一种最为合理的工艺方案。
(6) 确定各工序所用机床设备和工艺装备（含刀具、夹具、量具、辅具等），对需要改装或重新设计的专用工艺装备要提出设计任务书。
(7) 确定各工序的加工余量，计算工序尺寸及公差。
(8) 确定各工序的技术要求及检验方法。
(9) 确定各工序的切削用量和工时定额。
(10) 编制工艺文件。
二、工艺路线的拟订
拟订工艺路线是设计工艺规程最为关键的一步，需顺序完成以下几个方面的工作。
（一）选择定位基准
在工艺规程设计中，正确选择定位基准，对保证零件技术要求、确定加工先后顺序有着至关重要的影响。定位基准有精基准与粗基准之分。用毛坯上未经加工的表面作定位基准，这种定位基准称为粗基准；用加工过的表面作定位基准，这种定位基准称为精基准。在选择定位基准时一般都是先根据零件的加工要求选择精基准，然后再考虑用那一组表面作粗基准才能把精基准加工出来。
1．精基准的选择原则
选择精基准一般应遵循以下几项原则：
（1）基准重合原则
（2）统一基准原则
（3）互为基准原则
（4）自为基准原则
2．粗基准的选择原则
工件加工的第一道工序所用基准都是粗基准，粗基准选择得正确与否，不但与第一道工序的加工有关，而且还将对该工件加工的全过程产生重大影响。选择粗基准，一般应遵循以下几项原则：
（1）保证零件加工表面相对于不加工表面具有一定位置精度的原则
（2）合理分配加工余量的原则
（3）便于装夹的原则
（4）在同一尺寸方向上粗基准一般不得重复使用的原则
（二）零件表面加工方法的选择
(三)加工阶段的划分
当零件的加工质量要求较高时，一般都要经过粗加工、半精加工和精加工等三个阶段；如果零件的加工精度要求特别高、表面粗糙度要求特别小时，还要经过光整加工阶段。各个加工阶段的主要任务是：
（1）粗加工阶段
（2）半精加工阶段
（3）精加工阶段
（4）光整加工阶段
将零件的加工过程划分为几个加工阶段的主要目的是：
（1）保证零件加工质量
（2）有利于及早发现毛坯缺陷并得到及时处理
（3）有利于合理利用机床设备
在选择加工方法时，一般总是首先根据零件主要表面的技术要求和工厂具体条件，先选定该表面终加工工序加工方法，然后再逐一选定该表面各有关前导工序的加工方法。例如，加工一个精度等级为1T6、表面粗糙度 为0.2 的钢件外圆表面，其终加工工序选用精磨，则其前导工序可分别选为粗车、半精车和粗磨（参见图5-5）。主要表面的加工方案和加工方法选定之后，再选定次要表面的加工方案和加工方法。
(三)加工阶段的划分
当零件的加工质量要求较高时，一般都要经过粗加工、半精加工和精加工等三个阶段；如果零件的加工精度要求特别高、表面粗糙度要求特别小时，还要经过光整加工阶段。各个加工阶段的主要任务是：
（1）粗加工阶段 高效地切除加工表面上的大部分余量，使毛坯在形状和尺寸上接近成品零件。
(2) 半精加工阶段 去除粗加工后留下的误差和缺陷，使被加工工件达到一定精度，为精加工作准备，并完成一些次要表面的加工，例如钻孔、攻丝、铣键槽等。
（3）精加工阶段 保证各主要表面达到零件图规定的加工质量要求。
（4）光整加工阶段 对于精度要求很高（IT5以上）、表面粗糙度值要求很小（ 0.2μm）的表面，尚需设置光整加工阶段，其主要任务是降低表面粗糙度和进一步提高尺寸精度和形状精度，但一般没有提高表面间位置精度的作用。
将零件的加工过程划分为几个加工阶段的主要目的是：
（1）保证零件加工质量 粗加工阶段要切除加工表面上的大部分余量，切削力和切削热都比较大，装夹工件所需夹紧力亦较大，被加工工件会产生较大的受力变形和受热变形；此外，粗加工阶段从工件上切除大部分余量后，残存在工件中的内应力要重新分布，也会使工件产生变形。如果加工过程不划分阶段，把各个表面的粗、精加工工序混在一起交错进行，那么安排在工艺过程前期通过精加工工序获得的加工精度势必会被后续的粗加工工序所破坏，这是不合理的。加工过程划分为几个阶段以后，粗加工阶段产生的误差和缺陷，可以通过半精加工和精加工阶段逐步予以修正，零件的加工质量可以得到保证。
（2）有利于及早发现毛坯缺陷并得到及时处理 粗加工各表面后，由于切除了各加工表面的大部分加工余量，可及早发现毛坯的缺陷（气孔、砂眼、裂纹和加工余量不够），以便及时报废或修补，不会浪费后续精加工工序的制造费用。
（3）有利于合理利用机床设备 粗加工工序需选用功率大、精度不高的机床加工，精加工工序则应选用高精度机床加工。在高精度机床上安排做粗加工工作，机床精度会迅速下降，将某一表面的粗、精加工工作安排在同一机床上加工是不合理的。
应当指出，将工艺过程划分成几个不同的加工阶段进行是对零件整个加工过程而言的，不能拘泥于某一表面的加工，例如，工件的定位基面，在半精加工阶段（有时甚至在粗加工阶段）中就需要加工得很精确；而在精加工阶段中安排某些钻、攻螺纹孔之类的粗加工工序也是常见的。
当然，划分加工阶段并不是绝对的。在高刚度、高精度机床设备上加工刚性好、加工精度要求不特别高或加工余量不太大的工件就可以不必划分加工阶段；有些精度要求不太高的重型零件，由于运送工件和装夹工件费时费工，一般也不划分加工阶段，而是在一个工序中完成全部粗加工和精加工工作；在这类加工中，为减少夹紧变形对工件加工精度的影响，一般都在粗加工后松开夹紧装置，然后用较小的夹紧力重新夹紧工件，继续进行精加工，这对提高工件加工精度有利。
（四）工序的集中与分散
确定加工方法之后，就要按零件加工的生产类型和工厂（车间）生产条件确定工艺过程的工序数。确定零件加工过程工序数有两种迥然不同的原则，一种是工序集中原则，另一种是工序分散原则。按工序集中原则组织工艺过程，就是使每个工序所包括的加工内容尽量多些，组成一个集中工序；最大限度的工序集中，就是在一个工序内完成工件所有表面的加工。按工序分散原则组织工艺过程，就是使每个工序所包括的加工内容尽量少些；最大限度的工序分散就是使每个工序只包括一个简单工步。
按工序集中原则组织工艺过程的特点是：
1）有利于采用自动化程度较高的高效率机床和工艺装备进行加工，生产效率高；
2）工序数少，设备数少，可相应减少操作工人数和生产面积；
3）工件的装夹次数少，不但可缩短辅助时间，而且由于在一次装夹中加工了许多表面，有利 于保证各加工表面之间的相互位置精度要求。
按工序分散原则组织工艺过程的特点是：
1）所用机床和工艺装备简单，易于调整；
2）对操作工人的技术水平要求不高；
3）工序数多，设备数多，操作工人多，占用生产面积大。
按工序集中原则和工序分散原则组织工艺过程各有特点，生产上都有应用。传统的以专用机床、组合机床为主体组建的流水生产线、自动生产线基本是按工序分散原则组织工艺过程的，可以实现高效生产，但对产品改型的适应性较差，转产比较困难。采用数控机床和加工中心加工零件都按工序集中原则组织工艺过程，虽然设备的一次性投资较高，但由于可重组生产的能力较强，生产适应性好，转产相对容易，仍然受到愈来愈多的重视。
（五）工序先后顺序的安排
1．机械加工工序的安排
机械加工工序先后顺序的安排，一般应遵循以下几个原则：
1）先加工定位基面，再加工其它表面；
2）先加工主要表面，后加工次要表面；
3）先安排粗加工工序，后安排精加工工序；
4）先加工平面，后加工孔。
安排数控加工顺序，尚须考虑以下情况：（1）在换刀时间大于工作台转位时间的情况下，为减少换刀次数和换刀时间，在不影响加工精度的条件下，宜将所有能用同一把刀具加工的表面都集中在一起依次完成；（2）为减少工作台转位误差和由于工作台转位带来的时间损失，在换刀时间小于工作台转位时间的情况下，采用工位集中加工原则安排加工顺序，即将所有能在一个工位加工的表面通过不断更换刀具的办法都集中在同一工位加工；（3）对于位置精度要求很高的孔系，宜在同一工位中安排该孔系各相关表面的加工工作，以消除工作台转位重复定位误差对孔系位置精度要求的影响。
2．热处理工序及表面处理工序的安排
为改善工件材料切削性能安排的热处理工序，例如退火、正火、调质等，应在切削加工之前进行。
所谓人工时效，就是将毛坯件以50~100℃/h的速度加热到500~550℃，保温3~5h，然后以20~50℃/h的速度随炉冷却。所谓自然时效就是将毛坯件在露天放置几个月到几年时间，让毛坯件在自然界经受日晒雨淋的“锤炼”，使材料组织内部应力松弛并逐渐趋于稳定。
3．其它工序的安排
为保证零件制造质量，防止产生废品，需在下列场合安排检验工序：1）粗加工全部结束之后；2）送往外车间加工的前后；3）工时较长工序和重要工序的前后；4）最终加工之后，除了安排几何尺寸检验工序之外，有的零件还要安排探伤、密封、称重、平衡等检验工序。
零件表层或内腔的毛刺对机器装配质量影响甚大，切削加工之后，应安排去毛刺工序。
零件在进入装配之前，一般都应安排清洗工序。工件内孔、箱体内腔易存留切屑，研磨、珩磨等光整加工工序之后，微小磨粒易附着在工件表面上，要注意清洗。
在用磁力夹紧的工序之后，要安排去磁工序，不让带有剩磁的工件进入装配线。
(六)机床设备与工艺装备的选择
(七)实例
三、加工余量
(一)概述
用去除材料方法制造机器零件时，一般都要从毛坯上切除一层层材料之后最后才能制得符合图纸规定要求的零件。毛坯上留作加工用的材料层，称为加工余量。加工余量有总余量和工序余量之分。某一表面毛坯尺寸与零件设计尺寸的差值就是总余量值，以Z0表示。上工序与本工序基本尺寸的差值为本工序的工序余量Zi 。
工序余量有单边余量和双边余量之分。
由于工序尺寸有偏差，各工序实际切除的余量值是变化的，工序余量有公称余量（简称余量）、最大余量 和最小余量 之分。
工序尺寸偏差一般按“入体原则”标注，对被包容尺寸（例如轴径），上偏差为0，其最大尺寸就是基本尺寸；对包容尺寸（例如孔径、槽宽），下偏差为0，其最小尺寸就是基本尺寸；孔距类工序尺寸偏差按“对称偏差”配置。
(二)影响加工余量的因素
为了合理确定加工余量，必须深入了解影响加工余量的各项因素。影响加工余量的因素有以下四个方面：
（1）上工序留下的表面粗糙度值Rz（表面轮廓的最大高度）和表面缺陷层深度Ha
（2）上工序的尺寸公差Ta
（3）Ta 值没有包括的上工序留下的空间位置误差ea
（4）本工序的装夹误差εb
(三)加工余量的确定
确定加工余量有计算法、查表法和经验估计法等三种方法：计算法；经验估计法；查表法。
四、工序尺寸及其公差的确定
零件图上所标注的尺寸公差是零件加工最终所要求达到的尺寸要求，工艺过程中许多中间工序的尺寸公差，必须在设计工艺规程中予以确定。工序尺寸及其公差一般都是通过解算工艺尺寸链确定的。为掌握工艺尺寸链计算规律，这里先介绍尺寸链的概念及尺寸链计算方法，然后再就工序尺寸及其公差的确定方法进行论述。
(一)尺寸链及尺寸链计算公式
1． 尺寸链的定义
在工件加工和机器装配过程中，由相互连接的尺寸形成的封闭尺寸组，称为尺寸链。组成尺寸链的每一个尺寸，称为尺寸链的环。尺寸链中凡属间接得到的尺寸称为封闭环，尺寸链中凡属通过加工直接得到的尺寸称为组成环；组成环按其对封闭环的影响又可分为增环和减环。当其它组成环的大小不变，若封闭环随着某组成环的增大而增大，则此组成环就称为增环；若封闭环随着某组成环的增大而减小，则此组成环就称为减环。
2． 尺寸链的分类
按尺寸链在空间分布的位置关系，可分为直线尺寸链、平面尺寸链和空间尺寸链。
3． 尺寸链计算
尺寸链计算有正计算、反计算和中间计算等三种类型。已知组成环尺寸、公差求封闭环尺寸、公差的计算方式称作正计算；已知封闭环尺寸、公差反求各组成环尺寸、公差称作反计算；已知封闭环及部分组成环的尺寸、公差，求其余的一个或几个组成环尺寸、公差，称作中间计算。
尺寸链计算有极值法与统计法两种。用极值法解尺寸链是按尺寸链各环均处于极值条件来分析计算封闭环尺寸与组成环尺寸之间关系的。用统计法解尺寸链则是运用概率论理论来分析计算封闭环尺寸与组成环尺寸之间关系的。
4． 用极值法解算直线尺寸链基本计算公式
5． 用统计法解算直线尺寸链基本计算公式
(二)工艺尺寸及其公差的计算实例
1．定位基准与设计基准不重合时工序尺寸公差的计算
2．一次加工满足多个设计尺寸要求时工序尺寸及其公差的计算
3．用综合图表跟踪法计算工序尺寸及其公差
五、工艺过程的生产率
(一)时间定额 所谓时间定额是指在一定生产条件下规定生产一件产品或完成一道工序所需消耗的时间。时间定额是安排作业计划、进行成本核算的重要依据，也是设计或扩建工厂（或车间）时计算设备和工人数量的依据。 时间定额规定得过紧会影响生产工人的劳动积极性和创造性，并容易诱发忽视产品质量的倾向；时间定额规定得过松就起不到指导生产和促进生产发展的积极作用。合理制订时间定额对保证产品加工质量、提高劳动生产率、降低生产成本具有重要意义。 时间定额由以下几个部分组成： （1）基本时间
（2）辅助时间
（3）布置工作地时间
（4）休息和生理需要时间
（5）准备与终结时间
(二) 提高生产率的工艺途径
劳动生产率是以工人在单位时间内所生产的合格产品的数量来评定的。不断提高劳动生产率是降低成本、增加积累和扩大社会再生产的根本途径。提高劳动生产率是一个与产品设计、制造工艺、组织管理等都有关的综合性任务，此处仅就提高生产率的工艺途径作一简要说明。
1. 缩减基本时间的工艺途径
(1)提高切削用量
(2）缩减工作行程长度
(3）多件加工
2. 缩减辅助时间的工艺途径
(1）直接缩减辅助时间
(2）将辅助时间与基本时间重合
3. 缩减布置工作地时间
4. 缩减准备终结时间
1）运用成组工艺原理
2）采用可换刀架或刀夹
3）采用刀具微调和快调机构
4）采用数控加工过程拟实技术
六、工艺方案的经济分析
所谓经济分析就是通过比较各种不同工艺方案的生产成本，选出其中最为经济的加工
方案。生产成本包括两部分费用，一部分费用与工艺过程直接有关，另一部分费用与工艺
过程不直接有关（例如行政人员工资、厂房折旧费、照明费、采暖费等）。与工艺过程直接
有关的费用称为工艺成本，工艺成本约占零件生产成本的70%~75%。
（一）工艺成本的组成及计算
工艺成本由可变费用与不变费用两部分组成。
（二）工艺方案的经济评比
对几种不同工艺方案进行经济评比时，有以下两种不同情况：
1．当需评比的工艺方案均采用现有设备或其基本投资相近时，可用工艺成本评比其优劣。
（1）两加工方案中少数工序不同，多数工序相同时，可通过计算少数不同工序的单件成本S t1与S t2进行评比。
（2）两加工方案中，多数工序不同，少数工序相同时，则以该零件加工全年工艺成本S1与S2进行比较。
2. 两种工艺方案的基本投资差额较大时，则在考虑工艺成本的同时，还要考虑基本投资差额的回收期限。
投资回收期必须满足以下要求：
1）回收期限应小于专用设备或工艺装备的使用年限；
2）回收期限应小于该产品的市场寿命（年）；
3）回收期限应小于国家所规定的标准回收期，采用专用工艺装备的标准回收期为2-3年，采 用专用机床的标准回收期为4-6年。
七、编制工艺规程文件
工艺规程设计出来以后，须以图表、卡片和文字材料的形式固定下来，以便贯彻执行，这些 图表、卡片和文字材料统称为工艺文件。在生产中使用的工艺文件种类很多，这里只介绍两种最常用的工艺文件。
(1) 机械加工工艺过程卡片
(2) 机械加工工序卡片