机械加工工艺过程基本概念

机械加工工艺过程基本概念

一、工艺过程的基本概念

1. 生产过程和工艺过程

生产过程：由原材料制成各种零件并装配成机器的全过程。其中包括原材料的运输、保管、生产准备、制造毛坯、切削加工、装配、检验及试车、油漆和包装等。

工艺过程：在生产过程中，直接改变生产对象的形状、尺寸、表面质量、性质及相对位置等，使其成为成品或半成品的过程。如毛坯的制造(包括铸造工艺、锻压工艺、焊接工艺等) 、机械加工、热处理和装配等。工艺过程是生产过程的核心组成部分。

机械加工工艺过程：采用机械加工的方法按一定顺序直接改变毛坯的形状、尺寸及表面质量，使其成为合格零件的工艺过程。它是生产过程的重要内容。

2. 机械加工工艺过程的组成

零件的机械加工工艺过程由许多工序组合而成，每个工序又可分为若干个安装、工位、工步和走刀。

(1) 工序 工序是机械加工工艺过程的基本单元，是指由一个或一组工人在同一台机床或同一个工作地，对一个或同时对几个工件所连续完成的那一部分工艺过程。

工作地、工人、工 件与连续作业构成了工序的四个要素，若其中任一要素发生变更，则构成了另一道工序。

一个工艺过程需要包括哪些工序，是由被加工零件的结构复杂程度、加工精度要求及生产类型所决定的。如图1-36所示的阶梯轴，因不同的生产批量，就有不同的工艺过程及工序，如表1-4与表1-5所列。

图1-36 阶梯轴

表1-4 单件生产阶梯轴的工艺过程 表1-5 大批量生产阶梯轴的工艺过程

（2）安装 工件每经一次装夹后所完成的那部分工序

在一道工序中，工件在加工位置上至少要装夹一次，但有的工件也可能会装夹几次。如表1-5中的第2、3及5工序，须调头经过两次安装才能完成其工序的全部内容。

应尽可能减少装夹次数，多一次装夹就多一次安装误差，又增加了装卸辅助时间。

(3)工位 工件在机床上占据每一个位置所完成的那部分工序

为减少装夹次数，常采用多工位夹具或多轴(多工位) 机床，使工件在一次安装中 先后经过若干个不同位置顺次进行加工。

(4)工步 工步是加工表面、切削刀具和切削用量(仅指主轴转速和进给量) 都不变的情况下 所完成的那一部分工艺过程。

变化其中的一个就是另一个工步。

如图1-37所示车削阶梯轴Ф85 mm外圆面为第一工步，车削Ф65 mm外圆面为第二工步。这是因为加工的表面变了。有时为了提高生产率，把几个待加工表面用几把刀具同时加工，这也可看作一个工步，称为复合工步，如图1-38所示。

图1-37 车削阶梯轴 图1-38 复合工步

(5)走刀 在一个工步中，如果要切掉的金属层很厚，可分几次切削，每切削一次就称为一次走刀。

如图1-37所示车削阶梯轴的第二工步中，就包含了两次走刀。

3. 生产纲领和生产类型

(1)生产纲领 生产纲领是指企业在计划期内应当生产的产品产量和进度计划。

零件在计划 期为一年的生产纲领N 可按下式计算

N =Qn (1+α)(1+β)

式中：N —零件的年产量(件/年) ；

Q —产品的年产量(台/年) ；

n —每台产品中该零件的数量(件/台) ；

α、β—备品率(%)和废品率(%)。

当零件的生产纲领确定后，还要根据车间的情况按一定期限分批投产，每批投产的数量，称为生产批量。

(2)生产类型 根据生产纲领的大小和产品品种的多少，机械制造企业的生产可分为单件生产、成批生产和大量生产三种生产类型。

1) 单件生产：产品的种类多而同一产品的产量很小，工件地点的加工对象完全不重复或很少重复，

例如重型机器、专用设备或新产品试制都属于单件生产。

2) 成批生产：工作地点的加工对象，周期性地进行轮换。

普通机床、纺织机械等的制造等多属此种生产类型。

按照批量的大小，成批生产又可分为小批生产、中批生产和大批生产三种类

型。

3) 大量生产：产品数量很大，大多数工作地点长期进行某一零件的某一道工序的加工。

如汽车、轴承、自行车等的制造多属此种生产类型。

生产类型取决于产品(零件) 的年产量、尺寸大小及复杂程度。表1-6列出了各种生产类型的生产纲领及工艺特点。

表1-6 各种生产类型的生产纲领及工艺特点 单位：件

二、工件的安装和夹具

1. 工件的安装

定位：在进行机械加工之前，必须将工件放在机床的工作台或夹具上，使它占有正确的位置。

工件在定位之后，为了使它在切削过程中，不致因切削力、重力和惯性力的作用而偏离正确的位置，还需把它夹紧。

安装：工件从定位到夹紧的全过程。

安装工件时，一般是先定位后夹紧，而在三爪卡盘上安装工件时，定位与夹紧是同时进行的。

安装方式：

(1)直接安装法 工件直接安放在机床工作台或者通用夹具(如三爪卡盘、四爪卡盘、平口钳、电磁吸盘等标准附件) 上，有时不另行找正即夹紧，例如利用三爪卡盘或电磁吸盘安装工件；有时则需要根据工件上某个表面或划线找正工件，再行夹紧，例如在四爪卡盘或在机床工作台上安装工件。

用这种方法安装工件时，找正比较费时，且定位精度的高低主要取决于所用工具或仪表的精度，以及工人的技术水平，定位精度不易保证，生产率较低，所以通常仅适用于单件小批生产。

(2)专用夹具安装法 为某一零件的加工而专门设计和制造夹具，无需进行找正，就可以迅速而可靠地保证工件对机床和刀具的正确相对位置，并可迅速夹紧。

利用专用夹具加工工件，既可保证加工精度，又可提高生产效率，但没有通用性。专用夹具的设计、制造和维修需要一定的投资，所以只有在成批生产或大批大量生产中，才能取得比较好的效益。

2. 机床夹具的分类和组成

机床夹具(jig and fixture for machine tool)可根据其使用范围，分为通用夹具、专用夹具、组合夹具、通用可调夹具和成组夹具等类型。

根据所使用的机床可将夹具分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具(钻模) 、镗床夹具(镗模) 、磨床夹具和齿轮机床夹具等。

根据产生夹紧力的动力源可将夹具分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、电动夹具、电磁夹具和真空夹具等。

图1-40 平面定位用的定位元件

专用夹具一般由以下部分组成：

(1) 定位元件 夹具与工件选定的定位基准面接触，用以确定工件正确位

置的零件。

工件以平面定位时，用支承钉和支承板作定位元件，如图1-40所示。 工件以外圆柱面定位时，用V 形块和定位套筒作定元件，如图1-41所示。 工件以孔定位时， 用定位心轴和定位销作定位元件。图1-42a 为圆柱销，图1-42b 为菱形销。

图1-41 外圆柱面定位用的定位元件 图1-42 定位销

(2) 夹紧机构 工件定位后，为了防止工件由于受切削力等外力的作用而产生位移，而将其夹牢紧固的机构。

常用的夹紧机构有螺钉压板(图1-43a) 、偏心压板(图1-43b) 、斜楔夹紧机构、铰链夹紧机构等。

（3）导向元件 用来对刀和引导刀具进入正确加工位置的零件，例如图1-39所示夹具上的钻套。其它导向元件还有导向套、对刀块等。

钻套和导向套主要用在钻床夹具和镗床夹具上，对刀块主要用在铣床夹具上。

(4)夹具体和其它部分 夹具体是夹具的基准零件，用它来连接并固定定位元件、夹紧机构 和导向元件等，使之成为一个整体，并通过它将夹具安装在机床上。

根据加工工件的要求，有时还在夹具上设有分度机构、导向键、平衡铁和操作件等。

整个夹具及其零件都要具有足够的精度和刚度，并且结构要紧凑，形状要简单，装卸工件和清除切屑要方便等。

3. 基准及其选择

在零件的设计和加工过程中，经常要用到某些点、线、面来确定其要素间的几何关系，这些作为依据的点、线、面称为基准。

基准：分为设计基准和工艺基准两大类。

(1)设计基准 设计基准是设计时在零件图纸上所使用的基准。

以设计基准为依据来确定各几何要素之间的尺寸及相互位置关系如图1-44a 所示，齿轮内孔、外圆和分度圆的设计基准是齿轮的轴线，两端面可以认为是互为基准。

(2)工艺基准 工艺基准是在制造零件和装配机器的过程中所使用的基准。工艺基准又分为定位基准、测量基准和装配基准，它们分别用于工件加工时的定位、工件的测量检验和零件的装配。

定位基准：工件在加工时，用以确定工件对于机床及刀具相对位置的表面。 例如车削图1-44a 所示齿轮轮坯的外圆和左端面时，若用已经加工过的内孔将工件安装在心轴上，则孔的轴线就是外圆和左端面的定位基准。

图1-44 设计基准

粗基准：最初工序中所用的定位基准，是毛坯上未经加工的表面。

精基准：在其后各工序加工中所用的定位基准是已加工的表面。

(3)粗基准 粗基准的选择应保证所有加工表面都具有足够的加工余量，而且各加工表面对不加工表面具有一定的位置精度。

其选择的具体原则如下：

1) 选取不加工的表面作粗基准，如果零件上有好几个不加工的表面，则应选择与加工表面相互位置精度要求高的表面作粗基准。

如图1-45所示，以不加工的外圆表面作为粗基准，既可在一次安装中把绝大部分要加工的表面加工出来，又能够保证外圆面与内孔同轴以及端面与孔轴线垂直。

2) 选取要求加工余量均匀的表面为粗基准，这样可以保证作为粗基准的表面加工时，余量均匀。

例如车床床身(图1-46) ，要求导轨面耐磨性好，希望在加工时只切去较小而均匀的一层余量，使其表层保留均匀一致的金相组织和物理力学性能。若先选择导轨面作粗基准，加工床腿的底平面(图1-46a) ，然后再以床腿的底平面为基准加工导轨面(图1-46b) ，这样就能达到目的。

图1-45 套筒法兰加工实例 图1-46 床身加工的粗基准 图1-47

阶梯轴的加工

3) 对于所有表面都要加工的零件，应选择余量和公差最小的表面作粗基准，以避免余量不足而造成废品。

如图1-47所示阶梯轴，表面B 加工余量最小，应选择表面B 作为基准。

4) 为使工件定位稳定，夹紧可靠，要求所选用的粗基准尽可能平整、光洁，不允许有锻造飞边、铸造浇冒口切痕或其它缺陷，并有足够的支承面积。

5) 在同一尺寸方向上粗基准通常只允许使用一次，这是因为粗基准一般都很粗糙，重复使用同一粗基准，所加工的两组表面之间的位置误差会相当大，因此，粗基准一般不得重复使用。

(4)精基准 精基准的选择应保证加工精度和装夹可靠方便。

其选择的具体原则如下：

1) 尽可能选择尺寸较大的表面作为精基准，以提高安装的稳定性和精确性。

2) 基准重合原则，尽可能选用设计基准为定位基准，即。这样可以避免定位基准与设 计基准不重合而产生的定位误差。

3) 基准统一原则。零件上的某些精确表面，其相互位置精度往往有较高的要求，在精加工这些表面时，要尽可能选用同一定位基准，以利于保证各表面间的相互位置精度。

4) 互为基准原则。当工件上两个加工表面之间的位置精度要求比较高时，可以采用两个加工表面互为基准反复加工的方法。

5) 自为基准原则。当有的表面精加工工序要求余量小而均匀(如导轨磨) 时，可利用被加工表面本身作为定位基准，这叫做自为基准原则。此时的位置精度应由先行工序保证。

在生产实际中，工件上定位基准面的选择不一定能完全符合上述原则，这就

要根据具体情况进行分析，并加以灵活运用。

4. 工件在夹具中的定位

(1)工件的六点定位原理

任何一个工件，在其位置尚未确定前，均具有六个自由度，即沿 空间三个

直角坐标轴x 、y 、z 方向的移动与绕它们的转动，分别以x 、y 、z 、x 、y 、z

表示，如图1-48a 所示。要使工件在机床夹具中正确定位，必须限制或约束工件的这些自由度，如图1-48b 所示。采用六个定位支承点合理布置，使工件有关定位基准面与其相接触，每一个定位支承点限制了工件的一个自由度，便可将工件六个自由度完全限制，使工件在空间的位置被唯一地确定。这就是通常所说的工件的六点定位原理。

其中三个支承点在xOy 平面上，限制x 、y 和z 三个自由度；两个支承点在xOz

平面上，限制y 和z 两个自由度；最后一个支承点在yOz 平面上，限制x 一个自由

度。

工件定位时，其六个自由度并非在任何情况下都要全部加以限制，要限制的只是那些影响工件加工精度的自由度。

如图1-50所示，若在工件上铣键槽，要求保证工序尺寸x 、y 、z 及键槽侧面和底面分别与工件侧面和底面平行，那么加工时必须限制全部六个自由度，采用完全定位，如图1-50a 所示。

若在工件上铣阶梯，要求保证工序尺寸y 、z 及其两平面分别与工件底面、侧面平行，那么加工时只要限制除x 以外的另五个自由度就够了，因为x 对工件的加工精度并无影响，如图1-50b 所示。

若在工件上铣顶平面 ，仅要求保证工序尺寸z 及与底面平行，那么只限制x 、 y 和z 三个自由度就行了，如图1-50c 所示。

图1-48 工件的六点定位 图1-49 连杆的定位

不完全定位：按加工要求，允许有一个或几个自由度不被限制的定位称为。在实际生产中，工件被限制的自由度数一般不少于三个。

欠定位：按工序的加工要求，工件应该限制的自由度而未予限制的定位。。在确定工件定位方案时，欠定位是绝对不允许的。

过定位：工件的同一自由度被二个或二个以上的支承点重复限制的定位。在通常情况下，应尽量避免出现过定位。

(2) 常见定位方式及定位元件

工件在夹具中的定位，是通过工件上选定的定位基准面与夹具定位元件的工作表面接触或配合实现的。工件上被选作定位基准的表面常有平面、圆柱面、圆锥面、成型表面(如导轨面、齿形面等) 及它们的组合。所采用的定位方法和定位元件的具体结构应与工件基准面的形式相适应。

图1-50 工件应限制自由度的确定 图1-51 连杆的过定位情况