機械制造技術基礎北京交通大學機電學院劉偉2/95加工余量的確定第5章機械加工工藝過程設計本章要點定位基準的選擇工藝路線擬訂工藝尺寸鏈工藝過程經濟分析計算機輔助工藝過程設計3/95機械制造技術基礎第5章機械加工工藝過程設計MachiningProcessPlanning5.1

制定工藝規程的步驟和方法StepsandMethodsofProcessPlanning4/955.1.1機械加工工藝規程

機械加工工藝過程和工藝規程

機械加工工藝過程

采用各種機械加工方法，直接用于改變毛坯的形狀、尺寸、表面質量，使之成為合格零件的全部勞動過程。

機械加工工藝規程規定零件機械加工工藝過程的工藝文件。

工藝規程的作用

連接產品設計和制造過程的橋梁，是企業組織生產活動和進行生產管理的重要依據。5/955.1.1機械加工工藝規程

工藝規程形式（工藝過程卡、工序卡、工藝卡）

6/955.1.1機械加工工藝規程

7/955.1.1機械加工工藝規程

8/955.1.2機械加工工藝規程設計原則

1）以保證零件加工質量，達到設計圖紙規定的各項技術要求為前提。2）工藝過程有較高的生產效率和較低的成本。3）充分考慮和利用現有生產條件，盡可能作到平衡生產。4）盡量減輕工人勞動強度，保證安全生產，創造良好、文明勞動條件。5）積極采用先進技術和工藝，減少材料和能源消耗，并應符合環保要求。機械加工工藝規程設計原則9/955.1.3制定工藝規程所需原始資料

產品的全套裝配圖及零件圖產品的驗收質量標準產品的生產綱領及生產類型零件毛坯圖及毛坯生產情況本廠（車間）的生產條件各種有關手冊、標準等技術資料國內外先進工藝及生產技術的發展與應用情況制定機械加工工藝規程所需原始資料10/95

1．閱讀裝配圖和零件圖

了解產品的用途、性能和工作條件，熟悉零件在產品中的地位和作用，明確零件的主要技術要求。2．工藝審查

審查圖紙上的尺寸、視圖和技術要求是否完整、正確、統一，分析主要技術要求是否合理、適當，審查零件結構工藝性。3．熟悉或確定毛坯

確定毛坯的依據是零件在產品中的作用、零件本身的結構特征與外形尺寸、零件材料工藝特性以及零件生產批量等。常用的毛坯種類有鑄件、鍛件、焊接件、沖壓件、型材等，其特點及應用見表5-4。5.1.4機械加工工藝規程設計步驟機械加工工藝規程設計步驟11/955.1.4機械加工工藝規程設計步驟表5-4各類毛坯的特點及適用范圍

毛坯種類制造精度（IT）加工余量原材料工件尺寸工件形狀機械性能適用生產類型型材型材焊接件砂型鑄造自由鍛造普通模鍛鋼模鑄造精密鍛造壓力鑄造熔模鑄造沖壓件粉末冶金件

工程塑料件

13級以下13級以下11～1510～128～118～117～108～107～9

9～11大一般大大一般較小較小小很小小很小

較小各種材料鋼

材鑄鐵,鑄鋼,青銅鋼材為主鋼,鍛鋁,銅等鑄鋁為主鋼材,鍛鋁等鑄鐵,鑄鋼,青銅鑄鐵,鑄鋼,青銅鋼鐵,銅,鋁基材料工程塑料小型大、中型各種尺寸各種尺寸中、小型中、小型小型中、小型小型為主各種尺寸中、小尺寸

中、小尺寸簡單較復雜復雜較簡單一般較復雜較復雜復雜復雜復雜較復雜復雜較好有內應力差好好較好較好較好較好好一般

一般各種類型單件單件小批單件小批中、大批量中、大批量大批量中、大批量中、大批量大批量中、大批量

中、大批量12/954.選擇定位基準（見5.2節）5.擬定加工路線（見5.3節）6.確定滿足各工序要求的工藝裝備5.1.4機械加工工藝規程設計步驟包括機床、夾具、刀具、量具、輔具等。工藝裝備的選擇在滿足零件加工工藝的需要和可靠地保證零件加工質量的前提下，應與生產批量和生產節拍相適應，并應充分利用現有條件，以降低生產準備費用。對必須改裝或重新設計的專用或成組工藝裝備，應在進行經濟性分析和論證的基礎上提出設計任務書。13/95

確定各工序加工余量，計算工序尺寸和公差（見5.5節）確定切削用量（見3.6節）確定時間定額（見5.8.1節）編制數控加工程序（對數控加工）評價工藝路線

對所制定的工藝方案應進行技術經濟分析，并應對多種工藝方案進行比較，或采用優化方法，以確定出最優工藝方案（見5.8.2節）。12.填寫或打印工藝文件5.1.4機械加工工藝規程設計步驟14/95機械制造技術基礎第5章機械加工工藝過程設計MachiningProcessPlanning5.2

定位基準的選擇SelectionofLocationDatum15/95在加工時用于工件定位的基準稱為定位基準。又可進一步分為：5.2.1定位基準

使用未經機械加工表面作為定位基準，稱為粗基準。零件上根據機械加工工藝需要而專門設計的定位基準。如用作軸類零件定位的頂尖孔，用作殼體類零件定位的工藝孔或工藝凸臺（圖5-1）等。粗基準使用經過機械加工表面作為定位基準，稱為精基準。精基準附加基準16/955.2.1定位基準

工藝凸臺A向A圖5-1小刀架上的工藝凸臺17/95a）b）c）5.2.2粗基準的選擇◆保證相互位置要求原則——如果首先要求保證工件上加工面與不加工面的相互位置要求，則應以不加工面作為粗基準。◆余量均勻分配原則——如果首先要求保證工件某重要表面加工余量均勻時，應選擇該表面的毛坯面作為粗基準。圖5-2粗基準選擇比較18/95圖5-3床身粗基準選擇比較工序1工序1工序2工序2

◆便于工件裝夾原則——要求選用的粗基準面盡可能平整、光潔，且有足夠大的尺寸，不允許有鍛造飛邊、鑄造澆、冒口或其它缺陷。也不宜選用鑄造分型面作粗基準。◆粗基準一般不得重復使用原則

5.2.2粗基準的選擇19/955.2.3精基準的選擇

◆基準重合原則——選用被加工面設計基準作為精基準◆統一基準原則——當工件以某一表面作精基準定位，可以方便地加工大多數（或全部）其余表面時，應盡早將這個基準面加工出來，并達到一定精度，以后大多數（或全部）工序均以它為精基準進行加工20/95

在實際生產中，經常使用的統一基準形式有：

1）軸類零件常使用兩頂尖孔作統一基準；

2）箱體類零件常使用一面兩孔（一個較大的平面和兩個距離較遠的銷孔）作統一基準；5.2.3精基準的選擇圖5-5主軸箱零件精基準選擇21/955.2.3精基準的選擇

圖5-7以頂面和兩銷孔定位

鏜孔支架圖5-6置于箱體中部的吊架支承

吊架22/95

在實際生產中，經常使用的統一基準形式有：

3）盤套類零件常使用止口面（一端面和一短圓孔）作統一基準；

4）套類零件用一長孔和一止推面作統一基準。

采用統一基準原則好處：

1）有利于保證各加工表面之間的位置精度；

2）可以簡化夾具設計，減少工件搬動和翻轉次數。

★注意：采用統一基準原則常常會帶來基準不重合問題。此時，需針對具體問題進行具體分析，根據實際情況選擇精基準。5.2.3精基準的選擇23/95

◆互為基準原則軸徑軸徑錐孔圖5-8主軸零件精基準選擇【例】主軸零件精基準選擇（圖5-8）5.2.3精基準的選擇◆自為基準原則

【例】床身導軌面磨削加工（圖5-9）圖5-9導軌磨削基準選擇24/95◆便于裝夾原則——所選擇的精基準，應能保證工件定位準確、可靠，并盡可能使夾具結構簡單、操作方便。5.2.3精基準的選擇25/95機械制造技術基礎第5章機械加工工藝過程設計MachiningProcessPlanning5.3

加工路線的擬訂DeterminetheMachiningRoute26/955.3.1加工方法的選擇圖5-10加工誤差與成本關系CΔ0AB

經濟精度隨年代增長和技術進步而不斷提高（圖5-11）

在正常加工條件下（采用符合質量標準的設備和工藝裝備，使用標準技術等級工人，不延長加工時間），一種加工方法所能保證的加工精度和表面粗糙度（圖5-10AB段）加工經濟精度加工誤差（μm）196010-110-210-319202000102101100年代圖5-11加工精度與年代的關系一般加工精密加工超精密加工27/955.3.1加工方法的選擇

1）零件加工表面的精度和表面粗糙度要求2）零件材料的加工性3）生產批量和生產節拍要求4）企業現有加工設備和加工能力5）經濟性選擇加工方法應考慮的問題

外圓表面、孔及平面加工方案參見教材表5-6，5-7，5-8。28/955.3.1加工方法的選擇

典型表面加工路線研磨IT5Ra0.008~0.32超精加工IT5Ra0.01~0.32砂帶磨IT5Ra0.01～0.16精密磨削IT5Ra0.008~0.08拋光Ra0.008~1.25金剛石車IT5～6Ra0.02~1.25滾壓IT6～7Ra0.16~1.25精磨IT6～7Ra0.16~1.25精車IT7～8Ra1.25～5粗磨IT8～9Ra1.25～10半精車IT10～11Ra2.5～12.5粗車IT12～13Ra10～80圖5-12外圓表面的典型加工工藝路線29/955.3.1加工方法的選擇

圖5-13孔的典型加工工藝路線珩磨IT5～6Ra0.04~1.25研磨IT5～6Ra0.008~0.63粗鏜IT12～13Ra5～20鉆IT10～13Ra5～80半精鏜IT10～11Ra2.5～10粗拉IT9～10Ra1.25～5擴IT9～13Ra1.25~40精鏜IT7～9Ra0.63～5粗磨IT9～11Ra1.25～10精拉IT7～9Ra0.16~0.63推IT6～8Ra0.08~1.25餃IT6～9Ra0.32~10金剛鏜IT5～7Ra0.16~1.25精磨IT7～8Ra0.08~0.63滾壓IT6～8Ra0.01~1.25手餃IT5Ra0.08~1.2530/955.3.1加工方法的選擇圖5-14平面典型加工工藝路線拋光Ra0.008?1.25研磨IT5～6Ra0.008?0.63精密磨IT5～6Ra0.04?0.32半精銑IT8～11Ra2.5?10精銑IT6～8Ra0.63～5高速精銑IT6～7Ra0.16?1.25導軌磨IT6Ra0.16?1.25精磨IT6～8Ra0.16?1.25寬刀精刨IT6Ra0.16?1.25粗磨IT8～10Ra1.25?10精刨IT6～8Ra0.63～5半精刨IT8～11Ra2.5～10半精車IT8～11Ra2.5～10粗銑IT11～13Ra5～20粗刨IT11～13Ra5～20砂帶磨IT5～6Ra0.01?0.32金剛石車IT6Ra0.02?1.25刮研Ra0.04?1.25精車IT6～8Ra1.25～5粗車IT12～13Ra10～80精拉IT6～9Ra0.32～2.5粗拉IT10～11Ra5～2031/955.3.2加工順序的安排

先基準后其他——先加工基準面，再加工其他表面

先面后孔——有兩層含義：

1）當零件上有較大的平面可以作定位基準時，先將其加工出來，再以面定位，加工孔，可以保證定位準確、穩定

2）在毛坯面上鉆孔或鏜孔，容易使鉆頭引偏或打刀，先將此面加工好，再加工孔，則可避免上述情況的發生

先主后次——也有兩層含義：

1）先考慮主要表面加工，再安排次要表面加工，次要表面加工常常從加工方便與經濟角度出發進行安排

2）次要表面和主要表面之間往往有相互位置要求，常常要求在主要表面加工后，以主要表面定位進行加工

先粗后精

機械加工工序的安排32/95

為改善工件材料切削性能而進行的熱處理工序（如退火、正火等），應安排在切削加工之前進行為消除內應力而進行的熱處理工序（如退火、人工時效等），最好安排在粗加工之后，也可安排在切削加工之前為了改善工件材料的力學物理性質而進行的熱處理工序（如調質、淬火等）通常安排在粗加工后、精加工前進行。其中滲碳淬火一般安排在切削加工后，磨削加工前。而表面淬火和滲氮等變形小的熱處理工序，允許安排在精加工后進行為了提高零件表面耐磨性或耐蝕性而進行的熱處理工序以及以裝飾為目的的熱處理工序或表面處理工序（如鍍鉻、鍍鋅、氧化、煮黑等）一般放在工藝過程的最后。5.3.2加工順序的安排熱處理和表面處理工序的安排33/955.3.2加工順序的安排除操作工人自檢外，下列情況應安排檢驗工序：①零件加工完畢后；②從一個車間轉到另一個車間前后；③重要工序前后。其他工序的安排

去毛刺工序通常安排在切削加工之后。清洗工序在零件加工后裝配之前，研磨、珩磨等光整加工工序之后，以及采用磁力夾緊加工去磁后，應對工件進行認真地清洗。檢驗工序的安排34/955.3.3工序集中與工序分散

使每個工序中包括盡可能多的工步內容，從而使總的工序數目減少優點：

1）有利于保證工件各加工面之間的位置精度；

2）有利于采用高效機床，可節省工件裝夾時間，減少工件搬運次數；

3）可減小生產面積，并有利于管理。

使每個工序的工步內容相對較少，從而使總的工序數目較多工序分散優點：每個工序使用的設備和工藝裝備相對簡單，調整、對刀比較容易，對操作工人技術水平要求不高工序集中工序分散35/955.3.3工序集中與工序分散

傳統的流水線、自動線生產，多采用工序分散的組織形式（個別工序亦有相對集中的情況）工序集中與工序分散的應用

由于市場需求的多變性，對生產過程的柔性要求越來越高，加之加工中心等先進設備的采用，工序集中將越來越成為生產的主流方式

多品種、中小批量生產，為便于轉換和管理，多采用工序集中方式36/955.3.4加工階段的劃分

粗加工階段——主要任務是去除加工面多余的材料

半精加工階段——使加工面達到一定的加工精度，為精加工作好準備

精加工階段——使加工面精度和表面粗糙度達到要求

光整加工階段——對于特別精密的零件，安排此階段，以確保零件的精度要求

有利于保證零件的加工精度；有利于設備的合理使用和精密機床的精度保持；有利于人員的合理安排；可及早發現毛坯缺陷，以減少損失。加工階段的劃分加工階段劃分的意義37/95機械制造技術基礎第5章機械加工工藝過程設計MachiningProcessPlanning5.4

數控加工工藝DataMachiningProcess38/955.4數控加工工藝

形狀復雜、加工面多、加工量大、生產批量較小的零件（如批量較小的復雜箱體類零件）數控加工的合理選用

普通機床無法加工或需使用復雜工裝才能加工的零件（如復雜輪廓面或復雜空間曲面）加工精度要求高的零件（如某些徑向尺寸和軸向尺寸精度要求均很高的軸類零件）零件上某些尺寸難以測量和控制的情況（如具有不開敞內腔加工面的殼體或盒型零件）零件一次裝夾，可完成銑、鏜、鉆、鉸、攻絲等多種操作圖5-15各類機床適應的加工范圍專用機床數控機床通用機床零件復雜程度零件批量39/955.4數控加工工藝

加工過程嚴格按程序指令自動進行——數控加工工藝設計要求詳細、具體和完整。如工件在機床（或夾具）上裝夾位置、工序內工步的安排、刀具選用、切削用量、走刀路線等，都必須在工藝設計中認真考慮和明確規定數控加工工藝特點

自行調整能力較差——數控加工工藝設計應十分嚴密、準確，必須注意到加工中的每一個細節，如每個坐標尺寸的計算、對刀點和換刀點的確定、攻絲時的排屑動作等。程序須經驗證正確后，方可進行正式加工多采用工序集中原則，一次裝夾可完成多個表面加工刀具（相對工件）運動路徑對生產率、加工精度影響很大，需合理規劃使用夾具相對簡單40/955.4數控加工工藝點位加工——通常按空程最短安排走刀路線。位置精度要求較求高的孔系加工，要注意避免反向間隙影響數控加工走刀路線規劃對刀點234ABCD1XY對刀點23ABCD1XY45刀具折返點圖5-16孔加工路線示例a）b）41/955.4數控加工工藝輪廓加工——刀具應從切向進入輪廓加工，加工完成后不要在切點處取消刀補，要安排一段沿切向繼續運動距離圖5-17內、外圓加工路線a）外圓加工b）內孔加工42/955.4數控加工工藝

形腔加工——在保證加工精度前提下，使走刀路徑最短a）b）c）5-18型腔加工路線比較43/955.4數控加工工藝

高速加工——保證刀具運動軌跡光滑平穩，并使刀具載荷均勻a）擺線加工b）賽車線加工圖5-19高速切削刀具路徑規劃（DELCAM公司）44/955.4數控加工工藝數控加工工藝實例確定數控加工內容：環槽、頂面和4-M10螺孔定位、夾緊方案：以底面、孔和零件后側面作為定位基準。采用孔系組合夾具，基礎板＋圓柱銷（專用件）＋移動V形塊（合件），通過螺旋壓板壓緊選擇加工方法：上表面和

mm環槽采用銑削一次走刀加工；4-M10螺紋孔先打中心孔再鉆底孔，螺紋底孔用鉆頭倒角圖5-20殼體零件簡圖45/955.4數控加工工藝數控加工工藝實例加工順序銑上平面→鉆4-M10中心孔→鉆4-M10底孔→4-M10螺紋底孔倒角→4-M10攻絲→銑環槽零件坐標系設定如圖，坐標原點為孔軸線與零件上平面的交點工藝處理對刀點選在孔軸線與孔的上端面的交點，換刀點選在所定零件坐標系（X0，Y0，Z15）點刀具軌跡坐標計算4-M10螺紋孔中心坐標計算，環槽各基點（J、B、C、D…）及四個圓弧的圓心坐標計算等46/955.4數控加工工藝零件號JS-1-26零件名稱殼體材料HT300程序編號00618機床型號HM500制表宮怡工序內容刀具號刀具種類主軸轉速進給速度長度補償量半徑補償量銑平面T1φ80硬質合金端銑刀S280F60D1D21鉆4-M10中心孔T2φ3中心鉆S1000F100D2

鉆4-M10底孔T3φ8.5高速鋼鉆S500F50D3

螺紋孔口倒角T4φ18鉆頭（90o鋒角）S500F50D4

攻螺紋4-M10T5M10×1.5絲錐S60F90D5

銑10mm環槽T6φ10高速鋼立銑刀S300F30D6D26表5-5殼體數控加工工藝卡47/95機械制造技術基礎第5章機械加工工藝過程設計MachiningProcessPlanning5.5

工序尺寸的確定DeterminetheOperationalDimensions48/955.5.1加工余量

加工余量——加工過程中從加工表面切去材料層厚度

工序（工步）余量——某一表面在某一工序（工步）中所切去的材料層厚度◎對于被包容表面（5-1）◎

對于包容表面（5-2）a）b）c）d）Zbab圖5-21工序加工余量ZbbabaZb2Zb2Zb2Zb2ab式中Zb——本工序余量；

a——前工序尺寸；

b——本工序尺寸。加工余量及其計算49/955.5.1加工余量

總加工余量——零件從毛坯變為成品切除材料層總厚度（5-3）式中ZS——總加工余量；

Zi——第i道工序加工余量；

n——該表面加工工序數。

最大余量

最小余量（5-4）（被包容尺寸）（包容尺寸）（5-5）（被包容尺寸）（包容尺寸）50/95

式中Zmax，Zmin，Zm——最大、最小、平均余量；

TZ

——余量公差；

amax，amin，am——上工序最大、最小、平均尺寸；

bmax，bmin，bm——本工序最大、最小、平均尺寸；

Ta——上工序尺寸公差；

Tb——本工序尺寸公差。

平均余量（5-6）（被包容尺寸）（包容尺寸）

余量公差（5-7）（被包容尺寸與包容尺寸）5.5.1加工余量51/955.7.2最小加工余量最小余量構成（圖5-25）◎

采用浮動鏜刀塊鏜孔式中Ry——上一工序表面粗糙度；

Ha——上一工序表面缺陷層；

ea

——上一工序形位誤差；

εb——本工序裝夾誤差。（5-8）◎

無心磨床磨外圓◎

研磨、拋光平面RyHaeaεb圖5-22最小加工余量構成52/95加工余量確定方法

計算法——采用計算法確定加工余量比較準確，但需掌握必要的統計資料和具備一定的測量手段。

經驗法——由一些有經驗的工程技術人員或工人根據現場條件和實際經驗確定加工余量。此法多用于單件小批生產。

查表法——利用各種手冊所給的表格數據，再結合實際加工情況進行必要的修正，以確定加工余量。此法方便、迅速，生產上應用較多。5.7.2最小加工余量

需要指出的是，目前國內各種手冊所給的余量多數為基本余量，基本余量等于最小余量與上一工序尺寸公差之和，即基本余量中包含了上一工序尺寸公差，此點在應用時需加以注意。53/95確定工序尺寸一般方法1）確定各工序加工余量；2）從最終加工工序開始，即從設計尺寸開始，逐次加上（對于被包容面）或減去（對于包容面）每道工序的加工余量，可分別得到各工序的基本尺寸；3）除最終加工工序取設計尺寸公差外，其余各工序按各自采用的加工方法所對應的加工經濟精度確定工序尺寸公差；4）除最終工序外，其余各工序按“入體原則”標注工序尺寸公差；5）毛坯余量通常由毛坯圖給出，故第1工序余量由計算確定。表6-9

主軸孔工序尺寸及公差的確定工序名稱工序加工余量工序基本尺寸加工經濟精度（IT）工序尺寸及公差表面粗糙度浮動鏜刀塊鏜0.11007Ra0.8精鏜0.5（100-0.1=）99.98Ra1.6半精鏜2.4（99.9-0.5=）99.410Ra3.2粗鏜5（99.4-2.4=）9712Ra6.3毛坯孔——（97-5=）92

——5.7.3工序尺寸確定54/95表6-9

主軸孔工序尺寸及公差的確定工序名稱工序加工余量工序基本尺寸加工經濟精度（IT）工序尺寸及公差表面粗糙度浮動鏜刀塊鏜0.11007Ra0.8精鏜0.5（100-0.1=）99.98Ra1.6半精鏜2.4（99.9-0.5=）99.410Ra3.2粗鏜5（99.4-2.4=）9712Ra6.3毛坯孔——（97-5=）92

——5.7.3工序尺寸確定表5-6主軸孔工序尺寸及公差的確定浮動鏜0.11007Ra0.8

精鏜0.5100-0.1=99.98Ra1.6半精鏜2.499.9-0.5=99.410Ra3.2

粗鏜599.4-2.4=9712Ra6.3毛坯孔100-8=92工序名稱加工余量工序基本尺寸加工經濟精度(IT)工序尺寸及公差表面粗糙度

主軸孔工序尺寸及公差的確定，加工過程：粗鏜→半精鏜→精鏜→浮動鏜【例5-2】55/95機械制造技術基礎第5章機械加工工藝過程設計MachiningProcessPlanning5.6

工藝尺寸鏈ProcessDimensionalChain56/955.6.1尺寸鏈基本概念

尺寸鏈定義

在零件加工或機器裝配過程中，由相互聯系的尺寸形成的封閉尺寸組，稱為尺寸鏈★

裝配尺寸鏈——在機器設計和裝配過程中，由有關零件尺寸形成的尺寸鏈★

工藝尺寸鏈——在加工過程中，由同一零件有關工序尺寸所形成的尺寸鏈57/955.6.1尺寸鏈基本概念

尺寸鏈的環

封閉環——在零件加工過程或機器裝配過程中最終形成的環（或間接得到的環）——指組成尺寸鏈的每一個尺寸

增環——該環變動（增大或減小）引起封閉環同向變動（增大或減小）的環

組成環——尺寸鏈中除封閉環以外的各環。對于工藝尺寸鏈來說，組成環的尺寸一般是由加工直接得到的

減環——該環變動（增大或減小）引起封閉環反向變動（減小或增大）的環尺寸鏈方程

——

確定尺寸鏈中封閉環（因變量）和組成環（自變量）的函數關系式，其一般形式為：（5-9）58/95圖示尺寸鏈中，尺寸A0是加工過程間接保證的，因而是尺寸鏈的封閉環；尺寸A1和A2是在加工中直接獲得的，因而是尺寸鏈的組成環。其中，A1為增環，A2為減環。

圖5-23工藝尺寸鏈a1a2a0A1A2A0b)c)A1A2A0a)ABC0.05A0.1C5.6.1尺寸鏈基本概念

工藝尺寸鏈示例（圖5-23）：工件A、C面已加工好，現以A面定位用調整法加工B面，要求保證B、C面距離A0【例5-3】尺寸鏈方程為：59/95

公差極值算法

（5-10）（5-11）★

偏差計算公式5.6.2尺寸鏈計算方法式中，ES0、EI0—封閉環的上、下偏差；

ESj、EIj—增環的上、下偏差；

ESk、EIk—減環的上、下偏差；60/95

公差極值算法

式中T0L

——封閉環公差（極值公差）；

Ti

——各組成環公差。（5-12）★

公差計算公式上式表明直線尺寸鏈封閉環的公差等于所有組成環公差之和。

5.6.2尺寸鏈計算方法61/95圖5-24測量尺寸鏈示例A2

若實測A2=40.30，按上述要求判為廢品，但此時如A1=50，則實際A0=9.7，仍合格，即“假廢品”。當實測尺寸與計算尺寸的差值小于尺寸鏈其它組成環公差之和時，可能為假廢品。采用專用檢具可減小假廢品出現的可能性

圖5-24所示零件，尺寸A0不好測量，改測尺寸A2

，試確定A2的大小和公差

A2是測量直接得到的尺寸，是組成環；A0是間接保證的，是封閉環。計算尺寸鏈可得到：【解】【例5-4】5.6.3幾種常見工藝尺寸鏈形式★

假廢品問題：

由新建立的尺寸鏈可解出：62/95D1

工序基準是尚待加工的設計基準D2xHR1R2xH1)拉內孔至；2)插鍵槽，保證尺寸x；試確定尺寸x

的大小及公差。3)熱處理建立尺寸鏈如圖b

所示，H是間接保證的尺寸，因而是封閉環。計算該尺寸鏈，可得到：4)磨內孔至，同時保證尺寸。

a）b）圖5-25鍵槽加工尺寸鏈【解】圖5-25所示鍵槽孔加工過程如下：【例5-5】5.6.3幾種常見工藝尺寸鏈形式63/95D1xD2H1

討論：在前例中，認為鏜孔與磨孔同軸，實際上存在偏心。若兩孔同軸度允差為φ0.05，即兩孔軸心偏心為e=±0.025。將偏心e

作為組成環加入尺寸鏈（圖5-26b）

a）b）圖5-26鍵槽加工尺寸鏈H20.0250.025R1xHR2e5.6.3幾種常見工藝尺寸鏈形式重新進行計算，可得到：64/95

圖5-27所示偏心零件，表面A要求滲碳處理，滲碳層深度規定為0.5～0.8mm。與此有關的加工過程如下：

表面淬火、滲碳、鍍層的工藝尺寸計算

【例5-6】【解】R2R1H1H0b)圖5-27滲碳層深度尺寸換算a)A1）精車A面，保證直徑；3）精磨A面保證直徑尺寸，同時保證規定的滲碳層深度。D2H0H12）滲碳處理，控制滲碳層深度H1；試確定H1的數值。建立尺寸鏈，如圖b,在該尺寸鏈中，H0

是最終的滲碳層深度，是間接保證的，因而是封閉環。計算該尺寸鏈，可得到：D15.6.3幾種常見工藝尺寸鏈形式65/95機械制造技術基礎第5章機械加工工藝過程設計MachiningProcessPlanning5.7計算機輔助工藝過程設計ComputerAidedProcessPlanning（CAPP）66/955.7.1CAPP意義

傳統工藝過程設計存在的問題從根本上解決人工設計效率低，周期長，成本高的問題可以提高工藝過程設計的質量，并有利于實現工藝過程設計的優化和標準化可以使工藝設計人員從煩瑣重復的工作中解放出來，集中精力去提高產品質量和工藝水平CAPP是連接CAD和CAM系統的橋梁，是發展計算機集成制造的不可缺少的關鍵技術CAPP意義設計效率低，周期長，成本高不必要的花色繁多，不利于管理設計質量參差不齊，難于實現優化設計工藝人員短缺和老化是全球機械制造業面臨的共同問題67/955.7.2CAPP工作原理派生式(變異式)CAPP系統(VariantCAPPSystem)◆該類系統以成組技術為基礎，根據零件編碼查找所屬零件組，調出零件組的標準工藝，進行適當的編輯或修改，生成所需的工藝規程。零件組矩陣零件編碼查找零件組輸入表頭信息工藝規程格式工藝規程打印輸出標準工藝路線文件標準工序文件圖5-28CAM-I推出的派生式CAPP系統框圖工作要素處理應用程序工藝路線檢索/編輯標準工序檢索/編輯工藝規程存儲器68/955.7.2CAPP工作原理標準工藝規程文件特征矩陣文件零件圖×××××××××××××××編碼第×零件組零件組形成工藝過程設計a）準備階段

圖5-29派生式CAPP系統工作的兩個階段零件圖標準工藝檢索編碼×××××第×零件組零件組搜索工藝規程（編輯）b）使用階段◆

派生式CAPP系統工作的兩個階段69/95◆

派生式CAPP系統特點：

1）程序簡單，易于實現。目前多用于回轉體類零件CAPP系統。

2）需人工參與決策，自動化程度不高。

3）具有濃厚的企業色彩，局限性較大。5.7.2CAPP工作原理創成式CAPP系統（GenerativeCAPPSystem）從無到有生成（工藝決策算法和邏輯推理）◆

零件信息描述零件工藝過程70/955.7.2CAPP工作原理◆

例：普渡大學APPAS（AutomatedProcessPlanningandSelection）系統是一個實驗性系統，適用于非回轉類零件表面加工方法的生成每一加工表面用一數組表示：孔——AT（40）面——AT（32）槽——AT（31）數組各元素含義：①表面編號；②表面類型（如：1—圓孔，2—平面，3—槽…）；③類型號碼（取決于類型，如孔：1—圓孔，2—錐孔，3—螺孔…）；④材料類型（如：1—鑄鐵，2—球鐵，3—鋼…）；⑤材料硬度…☆

零件加工表面信息輸入71/955.7.2CAPP工作原理☆

邏輯關系的建立讀入一個表面數據CALLSIMHOL精鏜孔/面/槽？光孔/臺階孔？CALLACCHOLCALLSLOTCALLSURFACECALLCOMHOLCALLCORHOLCALLDRILLCALLREAM鉆可行？鉸可行？套料否？槽面Y光孔臺階孔NNNYY圖5-30APPAS系統工藝決策程序框圖72/955.7.2CAPP工作原理☆

加工方法選擇每種加工方法均對應于一定的工作范圍

例：麻花鉆鉆孔對應的工作范圍——DMAX

=

2″,DMIN

=

0.0625″ES

=

0.007√D+0.003″,EI=0.007√D

位置精度：±0.008″

粗糙度：Ra=200μm

長徑比：L/D＜12◆

創成式CAPP系統特點：

1）不需人工干預，自動化程度高。

2）決策更科學，具有普遍性。

3）由于工藝過程設計經驗成分偏多，理論還不完善，完全徹底的創成式CAPP系統還在研究探索之中。73/955.7.2CAPP工作原理半創成式CAPP系統（Semi-GenerativeCAPPSystem）◆派生式CAPP系統完全以人的經驗為基礎，難于保證設計最優，且局限性較大；

完全創成式CAPP系統還不成熟。

將兩者結合起來，采用部分創成，部分派生（或部分人工干預）的方法是一種可取的方案。◆

半創成式CAPP系統特點：

1）集派生式及創成式系統的優點，又克服兩者的不足。

2）目前為多數CAPP系統采用。☆例：神戶大學開發的半創成式CAPP系統（圖5-31）74/955.7.2CAPP工作原理熱處理、表面處理、手工作業等補充加工順序和工序修正加工順序處理機床選擇調入一個零件數據機床組合零件數據工藝規程處理完否？NY工藝規程打印策略存儲器機床文件

加工順序存儲器1000個零件數據

余量、精

度存儲器動態制約：例軸長徑比限制；淬火后只能磨…確定加工方法策略；機床選用順序；機床選用策略…典型加工順序檢索確定加工余量劃分加工階段人工干預動態存儲器圖5-31神戶大學半創成式CAPP系統程序框圖75/955.7.3CAPP關鍵技術

零件信息輸入

零件加工表面可分為基本形面和輔助形面；形面可用特征參數進行描述；形面與一定的加工方法相聯系

較粗糙，信息輸入不完整多用于只需制定簡單工藝路線的場合只適用于派生式CAPP系統1）成組編碼法：

輸入工作量大是其主要的弱點2）形面描述法：

可完整地描述零件的幾何、工藝信息，是目前CAPP系統使用最多的信息輸入方法

多采用菜單（交互）方式輸入，便于操作76/955.7.3CAPP關鍵技術1.圓柱面2.圓錐面3.圓柱齒輪

4.圓錐齒輪5.蝸輪齒形6.花鍵

7.

螺紋8.滾花9.退出外部基本形面菜單1.直徑：上偏差：

下偏差：2.長度：上偏差：下偏差：3.

表面粗糙度（Ra）：4.是否基準面：5.形位公差代號：公差：基準：6.有無輔助面？有無外圓柱面特征參數

1.徑向孔2.端面孔3.徑向螺孔

4.端面螺孔5.圓弧槽6.矩形槽

7.

端面槽8.斜孔9.退出外部輔助形面菜單圓柱面有77/955.7.3CAPP關鍵技術3）與CAD系統相連接圖5-32

專用接口示例專用接口AutoCAD系統實體模型幾何/拓撲特征識別提取輸入工藝管理信息特征文件TJU-CAPP系統

通用接口、專用接口、共享數據庫由于目前CAD系統多為實體造型系統，需采用特征識別的方法補充輸入工藝信息發展基于特征造型的CAD系統是長久之計78/955.7.3CAPP關鍵技術工藝決策◆

特點：1）直觀，容易建立，便于編程

2）難于擴展和修改◆

形式：由樹根、節點、分支構成；分支上方給出向一種狀態轉換的可能性或條件（確定性條件）條件滿足，繼續沿分支前進，實現邏輯“與”條件不滿足，回出發節點并轉向另一分支，實現邏輯“或”分支終點列出應采取的行動（決策行動）1）決策樹79/955.7.3CAPP關鍵技術E3（螺孔）E1（孔）E2（槽）E4（位置度公差≤0.05）E5（0.05

＜位置度公差＜0.25）E6E7（直徑公差≤0.05）E8（0.05

＜直徑公差＜0.25）E9（直徑公差≥0.25）（位置度公差≥0.25）A1—坐標鏜A2—精鏜A3—半精鏜A4—粗鏜A5—銑A6—鉆孔，攻絲表面圖5-33加工方法選擇決策樹【例】80/955.7.3CAPP關鍵技術◆

特點：1）表達清晰，格式緊湊，便于編程

2）難于擴展和修改◆

用表格形式描述事件之間邏輯依存關系。◆表格分為4個區域（圖5-34），左上角為條件項目，右上角為條件組合，各條件之間為“與”的關系，左下角列出決策項目，右下角為各列對應的決策行動，決策行動之間也是“與”的關系，決策表的每一列均可視為一條決策規則。2）決策表◆

例：加工方法選擇決策表（前例）81/955.7.3CAPP關鍵技術圖5-34加工方法選擇決策表螺孔槽孔位置度公差≤0.050.05＜位置度公差＜0.25位置度公差≥0.25直徑公差≤0.050.05＜直徑公差＜0.25直徑公差≥0.25粗鏜半精鏜精鏜坐標鏜銑鉆孔，攻絲√√√√√√√√√√√√√√√××××××××××××××82/95◆

派生式CAPP系統利用成組技術原理和典型工藝過程進行工藝決策，經驗性較強。◆

創成式CAPP系統利用工藝決策算法（如決策表、決策樹等方法）和邏輯推理方法進行工藝決策，較派生式前進了一步，但存在著算法死板、結果唯一、系統不透明等弱點；且程序工作量大，修改困難。◆

采用專家系統進行工藝決策1）什么是專家系統：在特定領域內具有與該領域人類專家相當智能水平的計算機知識程序處理系統。專家系統主要用于處理現實世界中提出的需要由專家來分析和判斷的復雜問題（工藝過程設計正屬于這類問題）。CAPP

專家系統5.7.3CAPP關鍵技術83/95事實知識（手冊、資料等共有的知識）過程知識（推理原理、規則、方法）控制知識（系統本身控制策略）2）專家系統的構成：

①知識庫

——用于存儲專家知識，包括：②推理機——具有推理能力，可以根據問題導出結論③數據庫——存放事實（包括輸入信息和推理得到的事實）圖5-35專家系統的構成知識庫數據庫推理機知識獲取專家用戶接口5.7.3CAPP關鍵技術84/95其中產生式規則較符合工藝規程設計中人的思維方式，因而使用較多。產生式規則的基本形式為：

IF〈條件1〉AND〈條件2〉OR〈條件3〉

…

THEN〈結論1〉可信度a%〈結論2〉可信度b%3）知識表達與獲取

謂詞邏輯語義網絡框架產生式規則…☆

知識表達5.7.3CAPP關鍵技術85/95◆產生式規則優點：

推理過程符合人的思維方式，易于接受；推理結論的可信度使其能進行非確定性推理。◆產生式規則缺點：

格式較死板，在某些情況下需重復搜索而影響效率

4）推理機制

◆推理：依據一定規則，從已知事實和知識推出結論

◆

CAPP專家系統推理機制屬于基于知識的推理，通常采用反向推理的控制策略

☆

知識獲取：

◆由知識工程師來完成

◆由工藝人員會同軟件工程師一同來完成

◆由工藝人員構建專家系統5.7.3CAPP關鍵技術86/95最終要求（目標）→選擇適當的規則→滿足最終要求的加工方法（或加工參數）→給出最終加工方法的初始狀態→新的要求（目標）→選擇規則→…→原始狀態（毛坯）IF鉸孔加工THEN前序加工：擴孔

規則2IF擴孔加工THEN前序加工：鉆孔

規則3規則1IF孔徑≤20AND

材料：非淬火鋼AND

精度：H7THEN加工方法：鉸孔◆例：箱體零件上7級精度孔的加工路線確定5.7.3CAPP關鍵技術87/95機械制造技術基礎第5章機械加工工藝過程設計ProcessPlanning5.8工藝過程經濟性分析EconomicAnalysisforTechnologicalProcess88/95基本時間：直接改變生產對象的性質，使其成為合格產品或達到工序要求所需時間（包括切入、切出時間）時間定額

定義:

在一定生產條件下，生產一件產品或完成一道工序所需消耗的時間

組成輔助時間：為實現工藝過程必須進行的各種輔助動作時間，如裝卸工件、啟停機床、改變切削用量及進退刀等布置工作地時間：包括更換刀具、潤滑機床、清理切屑、收拾工具等。休息和生理需要時間：工人在工作班內，為恢復體力和滿足生理需要所需時間準備終結時間：如熟悉工藝文件、領取毛坯、安裝夾具、調整機床、發送成品等5.8.1時間定額與提高生產效率的途徑89/95

單件時間與單件工時定額計算◆

單件時間：（5-13）◆

單件工時定額：（5-14）式中tB——基本時間

tA——輔助時間

tC——布置工作地時間

tR——休息和生理需要時間

tP——準備終結時間

B——批量5.8.1時間定額與提高生產效率的途徑90/95提高生產效率的工藝途徑

縮短基本時間：①提高切削用量（切削速度、進給量、切削深度等）；②采用多刀多刃進行加工（如以銑削代替刨削，采用組合刀具等）；③采用復合工步，使多個表面加工基本時間重合（如多刀加工，多件加工等）。

縮短輔助時間：

①使輔助動作實現機械化和自動化（如采用自動上下料裝置、先進夾具等）；②使輔助時間與基本時間重疊（如采用多位夾具或多位工作臺，使工件裝卸時間與加工時間重疊；采用在線測量，使測量時間與加工時間重疊等）5.8.1時間定額與提高生產效率的途徑91/95

縮短布置工作地時