第四章机械加工工艺规程设计

第四章 第一节 概述

一、什么是机械加工工艺规程?

是规定产品或零部件机械加工工艺过程和操作方法等的工艺文件，是一切有关生产人员都应严格执行、认真贯彻的纪律性文件。 工艺规程由一个或若干个顺序排列的工序组成

二、机械加工工艺规程的作用？

工艺规程是指导生产的主要技术条件。

工艺规程是生产组织和生产管理工作的依据。（3）工艺规程是新建或扩建工厂及车间的基本资料。

三、制订工艺规程所需的原始资料 ？

①产品的全套装配图和零件工作图 ②产品验收的质量标准 ③产品的生产纲领 ④毛坯资料 ⑤现场生产条件

⑥应尽可能多了解新工艺、新方法

四、工艺规程的设计原则？

①技术要求必须保证 ②生产纲领要能够满足 ③工艺成本最低

④尽量减轻工人劳动强度

五、设计工艺规程的步骤？

①阅读图纸；了解产品、熟悉零件 ②工艺审查 ③选择毛坯

④拟定机械加工工艺路线 ⑤确定设备和相应的工艺装备

⑥确定各主要工序的技术要求和检验方法

⑦确定各工序的加工余量、计算工序尺寸和公差。⑧确定切削用量 ⑨确定时间定额 ⑩填写工艺文件

第二节 工艺路线的制订

制订工艺路线考虑的主要问题？

（1）怎样选择定位基准？ （2）怎样确定加工方法？

（3）怎样安排加工顺序、热处理工序、检验等其他工序？

一、定位基准的选择?

粗基准—加工的起始工序中，只能用毛坯上未经加工的表面作定位基准，则该表面称为粗基准。

精基准—利用已加工过的表面做为定位基准。 1、粗基准的选择

A．保证相互位置要求的原则：为保证不加工表面与加工表面之间的相互位置关系，

应首先选择不加工表面作粗基准，若零件上有多个不加工表面，则应选择其中与加工表面相对位置要求较高的不加工表面为粗基准。

B．合理分配加工余量的原则：对于具有较多加工平面的工件，粗基准选择时，应考虑合理地分配各表面的加工余量。

a.应保证各加工表面有足够的余量 ，应选择毛坯余量最小的表面作为粗基准

b.对于某些重要表面，为了尽可能使其加工余量均匀，应选择该主要毛坯面作粗基准。

C.便于装夹工件的原则：为了使定位稳定、可靠，夹具结构简单，操作方便，作为粗基准的表面应不是分型面，应尽可能平整光洁，且有足够大的尺寸。

D．不得重复使用的原则：同一方向上的粗基准原则上只允许使用一次，因为粗基准本身都是未经加工的表面，精底低，表面粗糙度数值大，在不同工序中重复使用同一尺寸方向上的粗基准，则不能保证被加工面之间的相互位置精度。 2、精基准的选择

A．基准重合原则：设计基准作为定位基准。

B．基准统一原则：尽可能在多数工序中采用此基准作为定位基准，称为“基准统一”可以各个工序中采用的夹具统一，可减少设计和制造夹具的时间和费用，提高生产率。

C．便于装夹原则：保证工件定位稳定，准确，夹紧可靠，夹具结构简单操作方便 D．互为基准原则：为了获得均匀的加工余量及较高的相互位置精度，可采用互为基准，反复加工的原则

E．自为基准原则：当精加工或光整加工工序要求余量小而均匀时，可选择加工面本身为精基准，以保证加工质量和提高生产率。

二、怎样确定加工方法？

加工方法的选择主要与以下因素有关：

（1）零件上的加工表面的种类 （2）零件的材料及毛坯 （3）零件的结构形式及大小 （4）零件的生产纲领

（5）零件上加工表面的技术要求 （6）工厂的现有生产设备

当以上条件明确后，要准确选择出加工方法，必须熟悉一下几个问题： 1、各种加工方法的经济加工精度

经济加工精度：是指在正常的加工条件下，（包括完好的机床设备、必要的工艺装备、标准的工人技术等级、标准的耗用时间和生产费用）所能达到的加工精度和表面质量。加工精度和加工成本的关系 2、熟悉各种机床的结构特点及应用特点 3、了解各种典型表面的加工工艺方案 三、怎样安排工艺顺序？

1、机械加工顺序的安排原则

①先基准后基它 ②先面后孔 ③先主后次 ④先粗后精

综合以上原则，常见的机械加工顺序为：定位基准的加工——主要表面的粗加工——次要表面加工——主要表面的半精加工——次要表面加工——修基准——主要表面的精

加工

2、热处理工序的安排

热处理按照其目的不同，分为预备热处理和最终热处理两大类：

①预备热处理：正火和退火可以消除毛坯制造时产生的内应力，稳定金属组织和改善金属的切削性能，一般安排在粗加工之前；时效处理主要用于消除毛坯缺陷和机械加工过程中产生的内应力，一般安排在粗加工前后进行；调质处理可以改善材料的综合力学性，能获得均匀细致的索氏体组织，为表面淬火和氮化处理作组织准备。对硬度和耐磨性要求不高的零件，调质处理可以作为最终热处理工序，一般安排在粗加工之后，半精加工之前。

②最终热处理：淬火处理或渗碳淬火处理，可以提高零件表面的硬度和耐磨性，常需进行预先正火及调质处理，淬火处理一般安排在精加工或磨削之前进行，当用高频淬火时，也可安排为最终工序。

渗碳淬火处理，适用于低碳钢和低合金钢，其目的是使零件表层含碳量增加，经淬火后可使表层获得高的硬度和耐磨性，而心部仍可保持一定强度和较高的塑韧性，渗碳淬火一般安排在半精加工之后进行。

渗氮处理是使氮原子渗入金属表面，从而获得一层含氮化合物的处理方法渗氮可提高零件表面的硬度，耐磨性疲劳强度和耐蚀性。渗氮处理温度低，变形小，应尽量靠后安排。

表面处理（电镀及氧化）可提高零件的抗腐蚀能力。增加耐磨性，使表面美观，一般安排在工艺过程最后进行。

零件机械加工的一般工艺路线为：毛坯制造——退火或正火——主要表面的粗加工——次要表面的加工——调质（或时效）——主要表面的半精加工—次要表面加工——淬火（或渗碳淬火）——修基准——主要表面的精加工。 3、辅助工序的安排

检验是主要的辅助工序，除每道工序由操作者自行检验外，在粗加工之后，精加工之前，零件转车间前后，重要工序加工前后，以及零件全部加工完成之后，还要安排独立的检验工序。

除检验外，去毛刺工序，清洗、防锈、去磁、平衡等，都是辅助工序。

四、工序的集中与分散

划分工序时有两种不同的方法，即工序集中和工序分散 工序集中：就是将工件的加工集中在几道工序内完成。

工序集中的特点：有利于保证各加工面间的相互位置精度、有利于采用高效设备、节省装夹工件时间、减少工件搬动次数

工序分散：就是将工件的加工内容分散在较多的工序内完成

工序分散的特点：各工序使用的设备和夹具比较简单、调整、对刀比较容易、对操作工人技术水平要求低

工序集中和分散的程度应对生产规模，零件的结构特点，技术要求和设备等具体生产条件综合考虑后决定。

五、怎样划分加工阶段？

通常将工艺过程划分为粗加工，半粗加工，精加工三个阶段，三个阶段的目的不同。 粗加工阶段的目的：是尽快切除零件各个表面上的大部分加工余量。 半精加工阶段的目的：继续减少加工余量，为主要表面的精加工作准备。 精加工阶段的目的：主要表面达到技术要求。 精密、光整加工阶段的目的：达到高精度要求。

划分加工阶段的原因： ①保证加工质量 ②合理使用设备

③便于安排热处理工序

④便于发现毛坯缺陷，保护精加工表面。但各要阶段划分不是绝对的。

第三节 加工余量、工序尺寸及公差的确定

一、怎样确定加工余量？

1、加工余量的概念

?加工余量：从加工表面上切除的金属层厚度称为机械加工余量 ?加工总余量：从要加工的表面上切除全部多余金属层的厚度

?工序余量：完成某工序而从某一表面上切除的金属层厚度 （相邻两工序的工序尺寸之差）

工序余量有单边和双边余量之分

零件非对称结构的非对称表面，其加工余量为单边余量 工序余量Zb=工件某一工序前后尺寸之差

Zb=a-b （b-a)

零件对称结构的对称表面，加工余量为双边余量

对称的双边余量：轴： 2Zb=da-db 孔： 2Zb=db-da

因为尺寸的加工误差，加工余量是变动的，因此加工余量又有公称（或基本）加工余量，最大加工余量和最小加工余量之分。

公称加工余量：前工序与本工序基本尺寸之差（通常情况下，指加工余量或手册中查到的加工余量）

最小加工余量：对包容面，等于本工序最小工序尺寸与前工序最大工序尺寸之差；对被包容面，等于前工序最小工序尺寸与本工序最大工序尺寸之差。

最大加工余量：对包容面，等于本工序最大工序尺寸与前工序最小工序尺寸之差；对被包容面，等于前工序最大工序尺寸与本工序最小工序尺寸之差； 公差带尺寸的标注：

工序尺寸公差带，一般按规定“单向入体”原则，即：

对被包容面，工序基本尺寸为最大极限尺寸，上偏差为零 对包容面，工序基本尺寸即为最小极限时，下偏差为零 孔与孔（或平面）之间的距离尺寸应按对称分布标注 毛坯尺寸通常是正负分别标注的 2．影响加工余量的因素

（1）前工序的表面粗糙度Ra和表面缺陷层深度Ha。 （2）前工序的尺寸公差Ta

（3）前工序的相互位置偏差ρa

（4）本工序的加工时的安装误差εb 3．确定加工余量的方法

（1）计算法

非对称加工面（如平面） Zb≥Ta+(Ra+Ha)+

对称加工面（如轴或孔）

说明：（a）两个基本公式应用时可根据具体加工条件简化

（b）光整加工主要是降低表面粗糙度值。加工余量只需要去掉前工序Ra值就行。 （2）查表修正法 （3）经验估算法

六、工序尺寸的确定（如何正确地确定工序尺寸及其公差）

工序尺寸及其公差的确定，不仅取决于设计尺寸及加工余量，而且还与工序尺寸的标注方法以及定位基准的选择和转换有关。因此，计算工序尺寸时应根据不同情况采用不同的方法。

外圆，内孔和某些平面的加工，其定位基准与设计基准重合，同一表面需经过多道工序加工才能达到图纸要求。此时，各工序尺寸及公差取决于各工序的加工余量及加工精度。

计算方法：①先确定各工序的基本余量和各工序加工的经济精度，②然后根据设计尺寸和各工序余量，从后向前推算各工序基本尺寸，直到毛坯尺寸，再将各工序尺寸的公差按“单向入体原则”标注。 说明：

（1）粗车余量一般在表中无法查出，是通过毛坯余量减去其余工序余量之和计算出来的。

（2）根据余量，可向前推出各工序尺寸，各工序尺寸公差按“单向入体原则”标 （3）毛坯的余量及毛坯公差根据毛坯生产类型和结构特点及生产厂的具体条件参照有关毛坯手册。

第四节 工艺尺寸链

一、工艺尺寸链的定义

1．尺寸链——互相联系，且按一定顺序排列的封闭的尺寸图形。

2．工艺尺寸链——在机械加工过程中，同一个工件的各有关工艺尺寸所组成的尺寸链。

自然形成的尺寸 直接获得的尺寸 3. 尺寸链的特征

(1)封闭性：尺寸链的各尺寸应构成封闭形式,并且是按照一定顺序首尾相接的。 (2)关联性：尺寸链中的任何一个尺寸变化都将直接影响其它尺寸的变化。 二、工艺尺寸链的组成

1、环——尺寸链中的每一个尺寸称为尺寸链中的环。

2、环的分类：环可分为封闭环和组成环，组成环又分为增环和减环。

3、封闭环——加工过程中最后自然形成的尺寸，称为封闭环，用AO表示，一个尺寸链中只能有一个封闭环。

4、组成环——加工过程中直接获得的尺寸称为组成环，又分为增环和减环。

（1）增环——尺寸链的组成环中，若其它组成环不变，该环增大时，引起封闭环相应增大，则该组成环称为增环。用表示。

（2）减环——尺寸链的组成环中，若其它组成环不变，该环增大时，引起封闭环的相应减小，则该组成环称为减环。用表示

三、增减环的判定方法

对于环数较少的尺寸链，可以用增减环的定义来判别组成环的增减性质。

对环数较多的尺寸链，可在尺寸链图上，先假设封闭环为减环方向，沿减环方向绕尺寸链回路一圈，顺次给每一个环画出箭头，所得的即为各组成环的方向。

四、工艺尺寸链的建立

工艺尺寸链的核心问题：找出工艺尺寸之间的内在联系。

1．封闭环的确定：封闭环不是在加工过程中直接找到的，而是通过其它工序尺寸间接获得的，它随着零件加工工艺方案的变化而变化

必须根据零件的具体加工方案仔细分析 2．组成环的查找:

组成环的基本特点：加工过程中直接获得。而且对封闭环有影响的工序尺寸。 [一般是指从定位基准面（或测量基准面）到加工面之间的尺寸]

查找方法：从构成封闭环的两面开始，同步地按照工艺过程的顺序，分别向前查找该表面最近一次加工的尺寸，之后再进一步向前查找此加工尺寸的工序基准的最近一次加工时的加工尺寸，如此继续向前查找，直到两条路线最后得到的加工尺寸的工序基准重合，（即两者的工序基准为同一表面）

五、尺寸链的极值法计算的基本公式

1．封闭环的基本尺寸（等于所有增环的基本尺寸之和减去所有减环的基本尺寸之和。即： nm

Oii i?1i?n?12．封闭环的中间偏差

封闭环的中间偏差等于所有增环的中间偏差之和减去所有减环的中间偏差之和： 即： nm

Oii

i?1i?n?13．封闭环的极限尺寸

封闭环的最大极限尺寸等于所有增环的最大极限尺寸之和减去所有减环的最小极限

n????尺寸之和 ???m????AOmax?Aimax?Aimin

i?1i?n?1

封闭环的最小极限尺寸等于所有增环的最小极限尺寸之和减去所有减环的最大极限尺寸之和。

n????m???????即：

Aomin?Aimin?Aimax

i?1i?n?1

4．封闭环的上、下偏差

封闭环的上偏差等于所有增环的上偏差之和减去所有减环的下偏差之和

nm

0ii5．封闭环的公差 i?1i?n?1封闭环的公差等于各组成环的公差之和

n? ?m??mTo?Ti?Ti?Ti

i?i?n?1i?1

6．封闭环的平均尺寸

封闭环的平均尺寸等于所有增环的平均尺寸之和减去所有减环的平均尺寸之和。

n???即： ?m???????A??A?????A???A?????????????????ES??ES??????EI???Aoav??Aiav?i?1i?n?1?Aiav

六、工艺尺寸链的应用：

1、基准不重合时工序尺寸及公差的确定

（1）测量基准与设计基准不重合时尺寸的换算 存在“假废品”的问题

（2）定位基准与设计基准不重合时尺寸的换算。 2、中间工序的工序尺寸换算

（1）从尚需继续加工表面标注的工序尺寸计算

零件加工中，有些加工表面的定位基准是一些尚需继续加工的表面；当加工这些表面时，不仅要保证本工序对该加工表面的尺寸要求，同时还要间接保证从该加工表面标注的工序尺寸要求。

（2）产品中有些零件表面需要进行渗碳和渗氮处理，而且在精加工后还要保证规定的渗层深度。必须正确的确定精加工前渗层的深度尺寸，因此要进行类似的尺寸链换算。

七、工序尺寸的图解跟踪法

当零件的加工工序和同一方向尺寸都较多，工序中工艺基准和设计基准又不重合，且多次转换工艺基准时，工序尺寸及其公差的换算会很复杂。 关健是：用图解跟踪法如何直观，简便地建立工艺尺寸链 如何绘制跟踪图

1）画出工件简图（当零件形状为对称时，可只画出一半）标出与工艺尺寸链有关的设计尺寸。从有关表面向下引出表面线，代表不同加工工序中有余量区别的不同加工表面

2）按图左上方规定的符号，按加工的先向顺序依次标出定位基准，工序基准，工序尺寸及加工余量，加工余量的剖面线按“单向入体”方向标出 3）在下方标出零件图纸要求的尺寸。

八、平面尺寸链计算

第五节时间定额和提高生产率的途径

一、时间定额

1、定义：指在一定的生产条件下，规定生产一件产品或完成一道工序所需消耗的时间。 2、时间定额的组成

（1）基本时间t基：直接改变生产对象

注意：对切削加工来说，基本时间就是切去金属所消耗的时间，同时不同的加工方法其计算公式也不同。

（2）辅助时间：为实现工艺过程而必须进行的各种辅助动作所消耗的时间。

主要包括：装、卸工件；开动、停止机床；改变切削用量；测量工件尺寸；退刀等 基本时间和辅助时间总和称为操作时间

（3）布置工作地时间：工人照管工作地所消耗时间（更换刀具；润滑机床；清理切屑；收拾工具等）

（4）休息和生理需要时间：恢复体力和满足生理需要所消耗的时间

（5）准备和终结时间：生产一批产品的零部件，进行准备和结束工作所消耗的时间 包括熟悉工艺文件、领取毛坯、安装刀具和夹具、调整机床和刀具；加工完后拆下和归还工艺装备、发送成品等；

二、提高生产率的工艺途径

1、缩短基本时间

（1）提高切削用量（例如刀具材料的改变） （2）采用复合工步

多刀单件加工；单刀多件或多刀多件；

2、减少辅助时间和辅助时间与基本时间重合 3、减少布置工作地时间 4、减少准备和终结时间

第六节 工艺方案的比较与技术经济分析

生产成本：整个生产过程中所消耗的费用，称为生产成本，由两部分组成：一部分与工艺过程直接有关，称为工艺成本；另一部分与工艺过程不直接有关。

1．工艺成本的组成及计算。

工艺成本由可变费用V和不变费用C两部分组成部分组成 零件加工全年工艺成本S与单件工艺成本Sd可由下式表示 S=VN+C N——零件的年产量 V ——可变成本 Sd=V+ C——不变成本

全年工艺成本S与年产量 N 及单件工艺成本Sd与年产量的关系图 2．工艺方案的经济性评比。

（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，可用工艺成本评比各方案经济性的优劣。

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成本Sd1与Sd2进行评比。 当年产量N为一定时，若Sd1>Sd2,则第二方案为可选方案，若年产量N为一变量，则可根据上式作出曲线进行比较。

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、S2）进行比较 S1=NV1+C1 S2=NV2+C2

当年产量N为一定数时，若S1>S2, 则选择第二方案；若年产量为变量时，可根据上式作图比较。

（2）两种工艺方案的基本投资差额较大时，还要考虑基本投资差额的回收期限。

K1?K2?K

??△K——基本投资差额

(S2?S1)??Q?S??Q△S——全年工艺成本差额

△Q——由于采用先进设备促使产品上市快，工厂从产品销售中取得的全年增收总额

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