第4章機械制造工藝基礎知識

（時間：3次課，6學時）第4章機械制造工藝基礎知識

【教學目標】

工藝的概念是針對設計提出來的。設計是指技術人員根據零件或產品的使用要求，構思、設想、想象出零件或產品的結構、形狀大小、材料及技術要求，依據機械制圖《國家標準》的規定繪畫出零件圖或產品裝配圖的過程。設計主要用于新產品開發或設備維修之中。第4章機械制造工藝基礎知識

【本章要點】工序概念及編制方法工件加工時定位基準確定加工方法確定及加工階段劃分加工余量確定工藝尺寸鏈概念及計算第4章機械制造工藝基礎知識

【案例導入】

圖4-1所示為直齒圓柱齒輪減速器輸出軸的零件簡圖，材料為45鋼，大批量生產，試編制其機械加工工藝規程。圖4-1減速器中輸出軸零件圖

4.1概述4.2零件的工藝分析4.3毛坯的選擇4.4定位基準的確定4.5機械加工工藝路線的擬定4.6加工余量的確定4.7工序尺寸及其公差的確定4.8本章實訓習題與思考第4章機械制造工藝基礎知識

4.1概述4.1.1生產過程和工藝過程4.1.2機械加工工藝過程的組成4.1.3生產類型和工藝特征4.1.4機械加工工藝規程4.1概述

本節主要講授生產過程和工藝過程以及機械加工工藝過程的概念；工藝過程的組成；三種常見的生產類型及其工藝特性；機械加工工藝規程的編制等內容。4.1.1生產過程和工藝過程1.生產過程工業產品的生產過程是指產品由原材料轉變成成品之間各個相互關聯的勞動過程的總和。生產過程包括以下主要內容：

(1)物質準備過程。指原材料的購買、運輸、保管工作等。

(2)技術準備過程。包括產品的市場預測、新產品開發、產品或零件的結構設計、繪制裝配圖和零件圖等工作。

(3)毛坯制作過程。零件毛坯的產生過程，即鑄造、鍛造、型材、焊接等。

(4)機械加工過程。包括車、銑、刨、磨、鉆等機械加工。

4.1.1生產過程和工藝過程(5)熱處理過程。包括零件的退火、正火、回火、淬火及調質等熱處理方法等。

(6)檢驗過程。包括初檢、中檢、終檢等檢驗零件或產品是否合格的過程。

(7)裝配過程。由零件組裝成部件、零件和部件組裝成產品的過程。

(8)安裝、調試及售后服務等過程。

4.1.1生產過程和工藝過程2.工藝過程在生產過程中直接改變零件或產品的結構形狀、尺寸大小、表面性質及相對位置的那一部分生產過程稱為工藝過程。常見的工藝過程有鑄造工藝、鍛造工藝、焊接工藝、機加工工藝、熱處理工藝及裝配工藝等。

4.1.1生產過程和工藝過程3.機械加工工藝過程在工藝過程中采用金屬切削方法，改變零件形狀、大小，使之符合技術要求的那一部分工藝過程稱為機械加工工藝過程，如車削、銑削、刨削、磨削、鉆削等工藝過程。

4.1.2機械加工工藝過程的組成

每一個零件在加工過程中需要分成若干道工序來完成，所以組成工藝過程的最基本單元是工序。每一道工序又可分為幾個工步、幾次走刀、幾次安裝、幾個工位。

4.1.2機械加工工藝過程的組成1.工序一個或一組工人，在一個工作地或同一臺設備上，對一個工件或同時對幾個工件所連續完成的那一部分工藝過程稱為工序。但工人、設備、工件、連續四個要素中只要有一個要素改變，即變成另一道工序。4.1.2機械加工工藝過程的組成2.工步工步是指加工時，在一道工序內其加工表面、切削刀具、切削用量都不變的條件下所完成的那部分工序內容，三要素只要任一要素改變則成為另一個工步。一道工序可以只有一個工步，也可以分為幾個工步。但在加工多個平行孔時，如圖4-2所示，雖然加工表面改變了，但只要四個孔的結構、尺寸及技術要求一樣，而且是連續加工，通常看成是一個工步，即鉆4-15mm孔。4.1.2機械加工工藝過程的組成3.走刀在一個工步內，若遇到加工余量比較大時，則需要分幾次加工。在加工表面、切削刀具、切削用量都不變的情況下每加工一次則稱為一次走刀。一個工步內可分為一次走刀或幾次走刀。4.安裝工件在加工時，每定位、夾緊、拆卸一次，稱為一次安裝。在一道工序內，工件可能只需要一次安裝，也可能需要幾次安裝才能完成其加工內容。如在普通車床上車削軸類零件的兩端面及鉆中心孔(表4-1所示工序l)時，就需要分兩次安裝：先裝夾工件的一端車端面、鉆中心孔，稱為安裝1；再調頭裝夾車另一端面、鉆中心孔，稱為安裝2。4.1.2機械加工工藝過程的組成5.工位為減少安裝次數，加工時常采用各種專用夾具，使工件在一次安裝中先后處于幾個待加工位置進行加工，那么工件所處的每一個待加工位置稱為一個工位。圖4-4所示為利用回轉工作臺在一次安裝過程中循序完成安裝拆卸工件、鉆孔、擴孔、鉸孔四工位加工的實例。4.1.3生產類型和工藝特征1.生產綱領零件的生產綱領(件/年)和產品的年產量(臺/年)均指在一年內生產零件或產品的數量。生產綱領的大小對零件的加工過程和生產組織形式起著非常重要的作用，同時它決定了零件工序的劃分、各工序所需專業化和自動化程度及工藝方法和加工設備的選用。4.1.3生產類型和工藝特征2.生產類型生產類型是對企業(或車間、工段等)生產專業化程度的分類。企業的生產類型取決于零件的生產綱領，生產類型對工藝過程的規劃與制定有較大的影響。根據生產綱領的大小，企業的生產形式可分為三種基本類型：大量生產、成批生產和單件生產。4.1.3生產類型和工藝特征3.工藝特征生產類型不同，產品和零件的制造工藝、所選用的設備及工藝裝備、所采取的技術措施、達到的技術及經濟效果也不一樣。各種生產類型的工藝特征如表4-5所示。4.1.4機械加工工藝規程1.機械加工工藝規程的作用機械加工工藝規程簡稱工藝規程，是規定零件加工工藝過程和操作方法的工藝文件。它是在具體的生產條件下，將最合理或較合理的工藝過程與操作方法，按規定的形式制成工藝文本，用來指導生產的技術文件。4.1.4機械加工工藝規程2.機械加工工藝規程的編制生產類型不同，所用工藝規程的格式和內容也不相同。通常將工藝規程的內容填入一定的卡片中，即成為生產準備和生產過程所依據的工藝文件。各種工藝文件的格式如下：

(1)工藝過程卡片。

(2)工藝卡片。

(3)工序卡片。4.1.4機械加工工藝規程3.制定工藝規程的原則、原始資料及步驟(1)制定工藝規程的原則。(2)制定工藝規程的原始資料。(3)制定工藝規程的步驟。4.2零件的工藝分析4.2.1零件的技術要求分析4.2.2零件的結構及其工藝性分析4.2零件的工藝分析

零件圖是制定工藝規程最基本的原始資料之一。對零件圖的分析是否透徹，將直接影響所制定工藝規程的科學性、合理性和經濟性。分析零件圖，主要從零件技術要求分析和工藝結構合理性分析兩個方面進行。4.2.1零件的技術要求分析

分析零件的技術要求是制定工藝規程的重要環節。只有認真地分析零件的技術要求，分清主次后，才能合理地選擇每一加工表面應采用的加工方法和加工方案，以及整個零件的加工路線。零件技術要求分析主要有以下幾方面的內容：

(1)尺寸精度分析。

(2)形位精度分析。

(3)表面粗糙度及其他表面質量要求的分析。

(4)工件選材分析。

(5)熱處理要求和其他方面要求(如動平衡、去磁等)的分析。4.2.2零件的結構及其工藝性分析1.零件的表面組成分析零件的結構千差萬別，但都是由一些基本表面和特形表面所組成。基本表面主要有內外圓柱面、平面等；特形表面主要指成形表面。首先分析組成零件的基本表面和特形表面，然后針對每一種基本表面和特形表面，選擇出相應的加工方法。2.零件各表面的組合情況分析對于零件結構分析的另一方面是分析零件表面的組合情況和尺寸大小。組合情況和尺寸大小的不同，形成了各種零件在結構特點上和加工方案選擇上的差別。4.2.2零件的結構及其工藝性分析3.零件的工藝結構合理性分析零件的工藝結構合理性是指零件的結構在保證使用要求的前提下，是否能以較高的生產率和最低的成本方便地制造出來的特性。許多功能相同而結構不相同的零件，它們的加工方法與制造成本往往差別很大，所以應仔細分析零件的結構工藝性。4.3毛坯的選擇4.3.1毛坯的種類4.3.2毛坯的選擇4.3毛坯的選擇

零件是由毛坯按照其技術要求經過各種加工而最后形成的。毛坯選擇的正確與否，不僅影響產品的質量和生產效率，而且對制造成本也有很大影響。因此，能否正確地選擇毛坯對生產加工有著重大的技術經濟意義。4.3.1毛坯的種類

選擇毛坯的主要任務是選定毛坯的種類以及毛坯的制造方法。毛坯的種類很多，同一種毛坯又有多種制造方法。機械制造中常用的毛坯有以下幾種。1.鑄件形狀復雜的毛坯宜采用鑄造方法制造。目前生產中的鑄件大多數是用砂型鑄造的，少數尺寸較小的優質鑄件可采用特種鑄造，如金屬型鑄造、離心鑄造、熔模鑄造和壓力鑄造等。4.3.1毛坯的種類2.鍛件鍛件有自由鍛件和模鍛件兩種。

自由鍛件的加工余量大，鍛件精度低，生產率不高，要求工人的技術水平較高，適用于單件小批生產。模鍛件的加工余量小，鍛件精度高，生產率高，但成本也高，適用于大批大量生產小型鍛件。4.3.1毛坯的種類3.型材下料件型材下料件是指從各種不同截面形狀的熱軋和冷拉型材上切下的毛坯件。如角鋼、工字鋼、槽鋼、圓棒料、鋼管、塑鋼等。熱軋型材的精度較低，適用于一般零件的毛坯。冷拉型材的精度較高，多用于毛坯精度要求較高的中小型零件和自動機床上加工零件的毛坯。型材下料件的表面一般不再加工。4.焊接件焊接件是用焊接的方法將同種材料或不同的材料焊接在一起，從而獲得的毛坯。如焊條電弧焊、氬弧焊、氣焊等。焊接方法特別適宜于實現大型毛坯、結構復雜毛坯的制造。4.3.2毛坯的選擇

在進行毛坯選擇時，應考慮下列因素。1.零件材料的工藝性零件材料的工藝性是指材料在鑄造、鍛造、金屬切削、熱處理等工藝過程中所體現出來的性能以及零件對材料組織和力學性能的要求，例如材料為鑄鐵或青銅的零件，應選擇鑄件毛坯。對于一些重要的傳動零件，為保證良好的力學性能，一般均選擇鍛件毛坯，而不選用棒料或鑄件。車床主軸箱里其他軸類零件的毛坯可采用型材，而主軸必須采用鍛造。4.3.2毛坯的選擇2.零件的結構形狀與外形尺寸鋼質的一般用途的階梯軸，如臺階直徑相差不大，單件生產時可用棒料；若臺階直徑相差較大，則宜用鍛件，以節約材料和減少機械加工工作量。大型零件毛坯受設備條件限制，一般只能用模鍛件或砂型鑄造件；中小型零件根據需要可選用自由鍛件或特種鑄造件。3.生產類型大批大量生產時，應選擇毛坯精度和生產率都高的先進毛坯制造方法，使毛坯的形狀、尺寸盡量接近零件的形狀、尺寸，以節約材料，減少機械加工工作量，由此而節約的費用往往會超出毛坯制造所增加的費用，獲得好的經濟效益。4.3.2毛坯的選擇4.生產條件選擇毛坯時，應考慮現有生產條件，如現有毛坯的制造水平和設備情況，外協的可能性等。可能時，應盡量組織外協，實現毛坯制造的社會專業化生產，以獲得好的經濟效益。5.充分考慮利用新技術、新工藝和新材料隨著毛坯制造專業化生產的發展，目前毛坯制造方面的新工藝、新技術和新材料的應用越來越多，精鑄、精鍛、冷軋、冷擠壓、粉末冶金和工程塑料的應用日益廣泛，這些方法可以大大減少機械加工量，節約材料，并有十分顯著的經濟效益。4.4定位基準的確定4.4.1工件的裝夾方式4.4.2基準的概念4.4.3定位原理4.4.4定位基準的選擇原則4.4定位基準的確定

在制定零件加工工藝規程時，正確選擇定位基準對保證加工表面的尺寸精度和位置精度要求，以及合理安排工序都有重要的影響。選擇的定位基準不同，工藝過程也會隨之改變。4.4.1工件的裝夾方式

工件加工前，在機床上或夾具中占據某一正確位置的過程稱為定位。為了使定位的工件在切削力的作用下不發生偏移，還需將工件壓緊夾牢，這個過程稱為夾緊。定位和夾緊過程的總和稱為裝夾。4.4.2基準的概念

工件在夾具中的定位實際上是以工件上的某些基準面與夾具上的定位元件保持接觸，從而限制工件的自由度。那么，究竟選擇工件上的哪些表面與夾具的定位元件接觸呢?這就是定位基準的選擇問題。1.基準的定義2.基準的分類4.4.3定位原理1.定位概念在工件裝夾的方式一節中我們已講過：工件加工前，在機床上或夾具中占據某一正確位置的過程稱為定位。為了使定位的工件在切削力的作用下不發生偏移，還需將工件壓緊夾牢，這個過程稱為夾緊。4.4.3定位原理2.六點定位原理如圖4-16所示，工件在空間直角坐標系中如果不加任何約束，有六個自由度，即三個移動自由度、、和三個轉動自由度、、。在機床夾具中用合理分布的或按一定規律分布的六個支撐點限制工件的六個自由度，即相當于用一個支撐點限制工件一個自由度的方法，使工件在夾具中的位置完全確定，這個過程就是六點定位原理。4.4.3定位原理圖4-16工件的六點定位

4.4.3定位原理3.六點定位規則的四種定位狀態(1)完全定位狀態。(2)對應定位狀態。(3)欠定位狀態。(4)重復(過)定位狀態。4.4.4定位基準的選擇原則

定位基準能否正確選擇將直接影響工件的加工精度和生產效率。定位基準分為粗基準和精基準。以不加工表面即沒有經過切削加工就用作定位基準的表面，稱為粗基準。以已加工表面用作定位基準的表面，稱為精基準。4.5機械加工工藝路線的擬定4.5.1基本表面加工方法的選擇4.5.2加工階段的劃分4.5.3劃分加工階段的原因4.5.4加工順序的安排4.5機械加工工藝路線的擬定

擬定工藝路線是制定工藝規程的一項重要工作。工藝路線擬定得是否合理，直接影響到工藝規程的合理性、科學性、經濟性。擬定工藝路線時，主要考慮以下幾方面的問題。4.5.1基本表面加工方法的選擇

機械零件的基本表面由外圓面、內圓面、平面和成形面等組成。機械零件的加工就是對這些基本表面的加工，每一種基本表面通常有多種不同的加工方法。選擇時應考慮以下三方面的問題。1.要保證加工表面的加工精度和表面粗糙度的要求2.應考慮生產率和經濟性的要求3.應考慮工件的材料4.5.2加工階段的劃分

在選定了零件上各表面的加工方法后，還需進一步確定這些加工方法在工藝路線中的順序及位置。這與加工階段的劃分有關，當零件的加工質量要求較高時，一般都要經過粗加工、半精加工和精加工三個階段，如果零件精度要求特別高或表面粗糙度值要求特別小時，還要經過光整加工階段，各個加工階段的主要任務如下：

1.粗加工階段

2.半精加工階段

3.精加工階段

4.光整加工階段4.5.3劃分加工階段的原因加工過程中劃分加工階段的主要原因如下：1.保證加工質量2.合理使用設備3.便于安排熱處理工序4.及時發現缺陷4.5.4加工順序的安排1.機械加工工序的安排機械加工工序的安排應遵循以下原則。(1)先基準后其他。(2)先粗后精。(3)先主后次。(4)先面后孔。4.5.4加工順序的安排2.輔助工序的安排輔助工序種類很多，包括工件的檢驗、去毛刺、平衡及清洗工序等，其中檢驗工序是主要的輔助工序。3.熱處理工序的安排為了滿足工件的力學性能要求或改善切削性能，消除內應力，應在工藝過程的適當位置安排熱處理工序。圖4-25所示為一般熱處理工序的安排位置。退火、正火為預先熱處理；整體淬火、表面淬火、滲碳、氮化等屬于最終熱處理。4.5.4加工順序的安排圖4-25熱處理工序的安排

4.6加工余量的確定4.6.1加工余量的計算公式4.6.2確定加工余量的方法4.6加工余量的確定

加工過程中從加工表面上所切除的金屬層厚度稱為加工余量，它又有工序加工余量和加工總余量之分。工序加工余量是指某表面在一道工序中所切除的金屬層厚度，它取決于同一表面前后相鄰工序尺寸之差。而加工總余量是指所有工序加工余量之和。4.6.1加工余量的計算公式對于外表面Zb=a-b(圖4-26(a))(4-2)對于內表面Zb=b-a(圖4-26(b))(4-3)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。4.6.2確定加工余量的方法(1)查表修正法。確定加工余量時，可直接從手冊中獲得所需數據，然后結合生產實際情況進行適當修正。本方法比較可靠，目前應用最廣。

(2)經驗估算法。此方法是根據實踐經驗確定加工余量，只適用于單件、小批生產。

(3)分析計算法。此方法是根據一些經驗資料和公式，通過對各項影響因素逐項分析和綜合計算確定加工余量的方法。這種方法比較精確，對保證加工質量和節約材料有重要的意義。4.7工序尺寸及其公差的確定4.7.1基準重合時工序尺寸及其公差的確定4.7.2基準不重合時工序尺寸及其公差的確定4.7工序尺寸及其公差的確定

工序尺寸是加工過程中各道工序應保證的加工尺寸，其公差即工序尺寸公差。正確地確定工序尺寸及其公差，是制定工藝規程的重要工作之一。4.7.1基準重合時工序尺寸及其公差的確定

當工件的定位基準、測量基準、裝配基準與設計基準重合時，由于不存在基準不重合誤差，其工序尺寸可以推算出來。

如圖4-28所示零件的平面加工，由圖可知，B面和C面的設計基準都是A面，加工時以A面作為定位基準刨削或銑削B面、C面時，由于基準重合，其工序尺寸即是它本身的尺寸。圖4-28基準重合加工平面工序尺寸

4.7.2基準不重合時工序尺寸及其公差的確定

零件的尺寸及技術要求一般是設計人員按其工作情況及配合要求而提出的。零件加工時為消除基準不重合誤差，降低加工難度，盡量采用基準重合原則，即選擇設計基準為定位基準。但在實際進行機械加工時完全保證基準重合有時是很困難的，那么當采用基準不重合定位時，如何使基準變換后所加工的零件仍能符合產品圖樣要求，就必須應用工藝尺寸鏈換算的原理進行分析計算。4.8本章實訓實訓題目實訓目的實訓過程實訓總結習題與思考1.填空題(1) 確定工序的工人、設備、工件和連續四要素中，________是關鍵要素。(2) 加工表面、加工刀具及__________為判斷工步的三要素。(3) 鑄造、鍛造、________、________、熱處理、_______工藝為常見六大工藝過程。(4) ________的公差等于所有組成環公差之和。設備切削用量焊接機加工裝配封閉環習題與思考(5) 封閉環的特征是指________、________、________形成的尺寸。(6) 單件小批量生產的鑄件常采用________、________造型。(7) ____________在加工過程中是固定不變的。(8) 工藝尺寸鏈由封閉