机械制造之工艺规程设计与制定

第2章 工艺规程设计与制定教学目标与要求 了解工艺规程制定的原则与步骤 了解并掌握工件定位基准的选择及其定位 熟悉并掌握工序加工余量和工序尺寸的确定方法 掌握典型工艺尺寸链的解算方法教学重点 工件定位基准的选择及其定位 工序余量与工序尺寸的确定 典型工艺尺寸链的解算2.1 工艺规程制定的基本原则和步骤1制定工艺规程的原则制定工艺规程的总体原则是优质、高产、低消耗，即在保证产品质量的前提下，尽可能提高生产率和降低成本。同时，还应在充分利用本企业现有生产条件的基础上，尽可能采用国内外先进工艺技术和检测技术，在规定的生产批量下采用最经济并能取得最好经济效益的加工方法，此外还应保证工人具有良好而安全的劳动条件。2制定工艺规程的原始资料 产品装配图和零件图以及产品验收的质量标准。 零件的生产纲领及投产批量、生产类型。 毛坯和半成品的资料、毛坯制造方法、生产能力及供货状态等。 现场的生产条件，包括工艺装备及专用设备的制造能力、规格性能、工人技术水平及各种工艺资料和相应标准等。 国内外同类产品的有关工艺资料等。3制定工艺规程的步骤制定工艺规程的主要步骤如下。 计算零件生产纲领，确定生产类型。 图样分析，主要进行零件技术要求分析和结构工艺性分析。 选择毛坯，确定毛坯制造方法。 拟定工艺路线，选择表面加工方法，划分加工阶段，安排加工顺序等。 确定各工序所用机床及工艺装备。 确定各工序的加工余量及工序尺寸。 确定各工序的切削用量和工时定额。 填写工艺文件，即填写工艺过程卡、工艺卡、工序卡等。2.2 机械零件的结构工艺性分析评价2.2.1 概念1零件表面组成零件的结构千差万别，但都是由一些基本表面和特形表面所组成。基本表面主要有内外圆柱面、平面等；特形表面主要指成型表面。2零件表面组合情况分析对于零件结构分析的另一方面是分析零件表面的组合情况和尺寸大小。组合情况和尺寸大小的不同，形成了各种零件在结构特点和加工方案选择上的差别。在机械制造业中，通常按零件结构特点和工艺过程的相似性，将零件大体上分为轴类、箱体类、盘体类等。3零件的结构工艺性分析零件结构工艺性是指零件的结构在保证使用要求的前提下，是否能以较高的生产率和最低的成本而方便地制造出来的特性。许多功能相同而结构不同的零件，它们的加工方法与制造成本往往差别很大，所以应仔细分析零件的结构工艺性。2.2.2 典型实例表2-1列出了常见零件机械加工工艺性对比的示例。表2-1零件机械加工工艺性对比序 号工艺性不合理工艺性合理说 明1键槽的尺寸、方位相同，可在一次装夹中加工出全部键槽，以提高生产效率2孔中心与箱体壁之间尺寸太小，无法引进刀具3减少接触面积，减少加工量，提高稳定性4应设计退刀槽，减少刀具或砂轮的磨损5钻头容易引偏或折断6避免深孔加工，提高连接强度，节约材料，减少加工量续表序 号工艺性不合理工艺性合理说 明7为减少刀具种类和换刀时间，应设计为相同的宽度8为便于加工，槽的底面不应与其他加工面重合9为便于加工，内螺纹根部应有退刀槽10为便于一次加工，生产效率高，凸台表面应处于同一水平面2.3 零件毛坯的选择与确定 2.3.1 毛坯类型机械制造中常用的毛坯有以下几种。1铸件形状复杂的毛坯宜采用铸造方法制造。目前生产中的铸件大多数是用砂型铸造的，少数尺寸较小的优质铸件可采用特种铸造，如金属型铸造、离心铸造、熔模铸造和压力铸造等。2锻件锻件有自由锻和模锻两种。自由锻件的加工余量大，锻件精度低，生产率不高，要求工人的技术水平较高，适用于单件小批生产。模锻件的加工余量小，锻件精度高，生产率高，但成本也高，适用于大批大量生产且小型锻件。3型材下料件型材下料件是指从各种不同截面形状的热轧和冷拉型材上切下的毛坯件。如角钢、工字钢、槽钢、圆棒料、钢管、塑钢等。热轧型材的精度较低，适用于一般零件的毛坯。冷拉型材的精度较高，多用于毛坯精度要求较高的中小型零件和自动机床上加工零件的毛坯。型材下料件的表面一般不再加工，但需注意其规格。4焊接件焊接件是用焊接的方法将同种材料或不同种材料焊接在一起，从而获得的毛坯，如焊条电弧焊、氩弧焊、气焊等。焊接方法特别适宜于实现大型毛坯、结构复杂毛坯的制造。焊接的优点是生产周期短、效率高、成本低，但缺点是焊接变形比较大。2.3.2 毛坯选择的方法在进行毛坯选择时，应考虑下列因素。1零件材料的工艺性零件材料的工艺性是指材料的铸造、锻造、切削性和热处理性能等以及零件对材料组织和力学性能的要求，例如材料为铸铁或青铜的零件，应选择铸件毛坯。2零件的结构形状与外形尺寸一般用途的阶梯轴，如台阶直径相差不大，单件生产时可用棒料；若台阶直径相差较大，则宜用锻件，以节约材料和减少机械加工量。大型零件毛坯受设备条件限制，一般只能用自由锻件或砂型铸造件；中小型零件根据需要可选用模锻件或特种铸造件。3生产类型大批大量生产时，应选择毛坯精度和生产率均高的先进毛坯制造方法，使毛坯的形状、尺寸尽量接近零件的形状、尺寸，以节约材料，减少机械加工量，由此而节约的费用往往会超出毛坯制造所增加的费用，以获得良好的经济效益。单件小批生产时，若采用先进的毛坯制造方法，则所节约的材料和机械加工成本，相对于毛坯制造所增加的设备和专用工艺装备费用就得不偿失了，故应选择毛坯精度和生产率均比较低的一般毛坯制造方法，如自由锻和手工砂型铸造等方法。4生产条件选择毛坯时，应考虑现有生产条件，如现有毛坯的制造水平和设备情况，外协的可能性等。在可能时，应尽量组织外协，实现毛坯制造的社会专业化生产，以获得好的经济效益。 5充分考虑利用新技术、新工艺和新材料随着毛坯制造专业化生产的发展，目前毛坯制造方面的新工艺、新技术和新材料的应用越来越多，精铸、精锻、冷轧、冷挤压、粉末冶金和工程塑料的应用日益广泛，这些方法可以大大减少机械加工量，节约材料并有十分显著的经济效益。2.3.3 毛坯选择实例 为使工件安装稳定，有些铸件毛坯需要铸出工艺搭子。工艺搭子在零件加工后应切除。 为提高机械加工生产率，对于一些类似图2-1所示须经锻造的小零件，常将若干零件先锻造成一件毛坯，经加工之后再切割分离成单个零件。图2-1 滑键的零件图及毛坯图 对于一些垫圈类较小零件，应将多件合成一个毛坯，先加工外圆和切槽，然后再钻孔切割成若干个零件，如图2-2所示。图2-2 垫圈的整体毛坯及加工2.4 工件的定位基准与定位2.4.1 定位基准的选择工件在装夹时必须依据一定的基准，否则便无法实现正确定位与夹紧，为此先讨论基准的概念。1基准的概念在零件的设计与制造过程中，确定生产对象上的某些点、线、面的位置时所依据的那些点、线、面就是基准。按照作用的不同，基准可分为设计基准和工艺基准2大类。（1）设计基准。就是设计工作图上所采用的基准。如齿轮的内孔、外圆与分度圆的设计基准是齿轮的轴线，两端面可以互为基准。（2）工艺基准。就是加工或装配过程中所采用的基准。它又分为工序基准、定位基准、测量基准和装配基准。 工序基准：工序图上用来确定本工序所加工表面加工后的尺寸、形状和位置的基准。 定位基准：就是在加工中用作定位的基准。 测量基准：就是测量时所采用的基准。 装配基准：装配时用来确定零件或部件间相互位置所选用的基准。 本节仅重点介绍定位基准。2定位基准的选择定位基准分为精基准和粗基准。（1）粗基准的选择。在起始工序中，只能选用未经加工过的毛坯表面作为定位基准，这种基准称为粗基准。粗基准在同一方向只允许使用一次。粗基准的选择，主要考虑如何保证加工表面与不加工表面之间的位置和尺寸要求，加工表面的加工余量是否均匀和足够，以及减少装夹次数等。选择粗基准时应坚持如下原则。 如果零件上有一个不需要加工的表面，在该表面能够被利用的情况下，应尽量选择该表面作为粗基准。 如果零件上有几个不需要加工的表面，应选择其中与加工表面有较高位置精度要求的不加工表面作为第1次装夹的粗基准。 如果零件上所有表面都需要机械加工，则应选择加工余量最小的毛坯表面作为粗基准。图2-3 粗基准选择示例 同一尺寸方向上，粗基准只能使用一次。 粗基准要选择平整、面积大的表面。如图2-3所示，内孔和端面需要加工，外圆表面不需要加工。铸造时内孔B与外圆A之间有偏心。为保证加工后零件的壁厚均匀，即内、外圆同心度好，应以不加工表面A作为粗基准来加工内孔B（采用三爪卡盘夹持外圆）；若以内孔B作为粗基准（用四爪卡盘夹持外圆，然后按内孔找正定位），则加工后内孔与外圆不同轴，壁厚必然不均匀。如图2-4所示的机床床身，要求导轨面应有较好的耐磨性，以保持其导向精度。由于铸造时的浇注位置（床身导轨面朝下）决定了导轨面处的金属组织均匀而致密，为此，应选择导轨面作为粗基准，先加工床腿底面，如图2-4（a）所示；然后再以床腿底面为基准加工导轨面，如图2-4（b）所示，这样就能保证导轨面的加工余量小而均匀。如图2-5所示，以表面B为粗基准加工表面A之后，若仍以表面B为粗基准来加工表面C，由于作为粗基准的毛坯表面一般精度比较低，两次装夹会出现较大误差，故不能保证工件轴心线在前后两次装夹中位置的一致性，则必然导致加工后的表面A与C之间产生较大的同轴度误差。 图2-4 机床床身加工的粗基准选择 图2-5 粗基准重复使用示例（2）精基准的选择。用加工过的表面作为定位基准，便称为精基准。选择精基准时应坚持以下5个原则。 基准重合原则：以设计基准为定位基准，可避免基准不重合误差，用调整法加工零件时，如果基准不重合，将出现基准不重合误差。所谓调整法，是指预先调整好刀具与机床的相对位置，并在一批零件的加工过程中保持这种相对位置不变的加工方法。与之相对应的是试切法加工，即试切测量调整再试切，循环反复直至达到零件尺寸要求。试切法适用于单件小批生产下的逐个零件的加工。 基准统一原则：选用统一的定位基准来加工工件上的各个加工表面，以避免基准转换而带来的误差，它有利于保证各表面的位置精度，可简化工艺规程和夹具的设计与制造，缩短生产准备周期。典型的基准统一原则主要体现在轴类零件、盘类零件和箱体类零件。轴的精基准为轴两端的中心孔；齿轮是典型的盘类零件，常以中心孔及个端面为精基准；而箱体类零件常以一个平面及平面上2个定位用的工艺孔为精基准。 自为基准原则：当某些精加工表面要求加工余量小而均匀时，可选择该加工表面本身作为定位基准，以提高加工面本身的精度和表面质量。图2-4所示的机床床身零件在最后精磨床身导轨面时，经常在磨头上装上百分表，床身置于可调支承上，以导轨面本身为基准进行找正定位，来保证导轨面与磨床工作台平行，然后进行磨削加工，这样可使磨削余量小而均匀，以利于提高导轨面的加工质量与磨削生产率。自为基准原则在生产中有着较多的运用，如拉孔、浮动铰孔、珩磨孔以及攻螺纹等，这些都是以加工面本身作为定位基准的实例。 互为基准原则：若工件上存在2个相互位置精度有要求的表面时，那么在加工中让这2个表面互相作为定位基准，反复加工另一个面，便称为互为基准原则。互为基准原则不仅符合基准重合原则，而且在反复加工过程中可使两加工表面获得高的位置精度，且使加工余量小而均匀。所以一些同轴度或平行度等相互位置精度要求较高的精密零件在加工中经常采用这一原则。图2-6 基准重合示例 保证工件定位准确，夹紧安全可靠，操作方便、省力的原则：如图2-6所示，表面A、B及底面D已经加工过，要加工表面C。为了遵循基准重合原则，应选择加工面C的设计基准面A作为定位基准。这样按调整法加工时，表面C对设计基准A的位置精度的保证，只要C面对A面的平行度误差不超过0.05mm，位置尺寸L1的加工误差不超过其设计公差，就能保证加工精度。但是，当表面C的设计基准不是A面而是B面时，若仍以A面作为定位基准，就违背了基准重合原则，则必然要产生基准不重合误差。2.4.2 工件定位原理1六点定位原理任何一个自由刚体，在空间均有6个自由度，即沿空间坐标轴x、y、z3个方向的移动和绕此三坐标轴的转动。工件定位的实质就是限制工件的自由度。若在x-y平面上设置3个不共线的抽象支承点（如图2-7所示点1、2、3），工件紧靠在这3个支承点上，便限制了工件的、3个自由度；在x-z平面上设置2个抽象支承点4、5（在理论上这2点尽量相距远一点，它们的连线与x-y平面平行），工件紧靠这2个支承点便可限制、2个自由度；在y-z平面上设置1个支承点6，工件靠向它便限制了自由度。由此可见，工件安装时要紧靠机床工作台或夹具上的这6个支承点，它的6个自由度即被全部限制，工件便获得一个完全确定的位置。工件定位时，用夹具上合理分布的6个支承点与工件的定位基准相接触来限制其6个自由度，使其位置完全确定，称为六点定位原理。六点定位原理是工件定位的基本法则。用于实际生产时，这些支承点应是具有一定形状的几何体，这些限制工件自由度的几何体就是定位元件。图2-7 工件六点定位原理关于六点定位原理作以下2点说明。 6个支承点必须适当分布。若3个支承点分布在一直线上，就不会限制3个自由度；若不在一条线上的3个支承点所形成的三角形面积越大，则定位就越稳定。 工件与定位支承点相接触就实现了定位，至于工件在加工过程中始终保持已定好的位置不变则是靠夹紧来实现的。另外，若认为工件定位后夹紧前在支承点的反方向仍有移动的可能性，便认为定位不确定，这种理解是错误的。在实际生产中，定位支承点总是以具体定位元件来实现的，因此直接分析各种定位元件所能限制的自由度，以及它们的组合所能限制的自由度，对研究定位问题更具有实际意义。表2-2列出了常用定位元件所能限制的自由度。表2-2常用定位元件所能限制的自由度工件的定位面夹具的定位元件平面支承钉定位情况1个支承钉2个支承钉3个支承钉图示限制自由度支承板定位情况1块条形支承板2块条形支承板1块矩形支承板图示限制自由度续表工件的定位面夹具的定位元件孔圆柱销定位情况短圆柱销长圆柱销2段短圆柱销图示限制自由度圆锥销定位情况固定锥销浮动锥销固定锥销与浮动锥销组合图示限制自由度 心轴定位情况长圆柱心轴短圆柱心轴小锥度心轴图示限制自由度外圆柱面V形块定位情况1块短V形块2块短V形块1块长V形块图示限制自由度定位套定位情况1个短定位套2个短定位套1个长定位套图示限制自由度圆锥面锥顶尖及锥度心轴定位情况固定顶尖浮动顶尖锥度心轴图示限制自由度 2工件自由度的限制 工件定位时，影响加工精度要求的自由度必须限制，不影响加工精度要求的自由度可限制也可不限制，具体视加工情况而定。因此，按照工件加工要求确定工件必须限制的自由度数是工件定位中首要解决的问题。（1）完全定位与不完全定位。加工时工件的6个自由度被完全限制的定位称为完全定位。但生产中并不是所有工序都需要采用完全定位的方式，究竟应该限制几个自由度和哪几个自由度，应由工件的加工要求来决定。工件的6个自由度没有被完全限制的现象便称为不完全定位。例如在一个长轴上铣一个两头不通的键槽，加工要求除了键槽本身的宽度、深度和长度外，还需保证槽距轴端的尺寸及槽对外圆轴线的对称度，此时除绕工件轴线转动的自由度不需限制外，其余5个自由度均需限制。再如在平面磨床上磨削平板型零件的平面时，也是一个不完全定位的例子。（2）欠定位与过定位。在工件加工中应该限制的自由度而没有被限制的现象，称为欠定位。我们知道，在满足加工要求的前提下，采用不完全定位是允许的。但是根据加工要求应该限制的自由度而没有被限制的现象是绝对不允许的，因为欠定位是不能保证加工要求的。工件的某个自由度被重复限制的现象称为过定位。图2-8所示为加工连杆小头孔时的定位方式。图2-8（a）所示为定位正确，短圆柱销1限制了、 2个移动自由度，支承面3限制了 3个自由度，挡销2限制了自由度，这是一个完全定位；图2-8（b）所示为过定位，因为长圆柱销限制了工件、 4个自由度，而支承面限制了工件、 3个自由度，其中自由度被重复限制。在定位元件与工件制造精度不高的情况下，过定位一方面会使工件无法装入夹具中；另一方面即使工件装在夹具上，夹紧时也会引起工件或夹具定位元件的变形，以致无法保证工件的加工精度。 图2-8 连杆的定位分析 图2-9 跟刀架过定位图1短圆柱销；2挡销；3支承面2.5 工艺路线的拟定2.5.1 表面加工方法的选择零件上各种典型表面都有多种加工方法（车、铣、刨、磨、镗、钻等），但每种加工方法所能达到的加工精度和表面粗糙度相差较大。在拟定零件机械加工工艺路线时，表面加工方法的选择应根据零件各表面所要求的加工精度和表面粗糙度，应尽可能选择与经济加工精度和表面粗糙度相适应的加工方法。1经济加工精度所谓经济加工精度（简称经济精度），是指在正常生产条件下（采用符合质量标准的设备、工艺装备和标准技术等级的工人，不延长加工时间），采用某种加工方法所能达到的加工精度。各种加工方法都有一个经济加工精度和表面粗糙度的范围。选择表面加工方法时，应使工件的加工要求与之相适应。各种加工方法的经济精度详见表2-3、表2-4和表2-5。表2-3外圆加工的方法加 工 方 法加 工 性 质加工经济精度（IT）表面粗糙度Ra/mm车粗车13128010半精车1110102.5精车8751.25金刚石车651.250.02外磨粗磨98101.25半精磨872.50.63精磨761.250.16精密磨650.320.08镜面磨50.080.008研磨粗研650.630.16精研50.320.04超精加工精50.320.08精密50.160.01砂带磨精磨650.160.02精密磨50.040.01滚压761.250.16表2-4孔加工方法加 工 方 法加 工 性 质加工经济精度（IT）表面粗糙度Ra/mm钻实心材料1211202.5扩粗扩122010铸或冲孔后一次扩1211精扩10102.5铰半精铰1110105精铰9851.25细铰761.250.32拉粗拉111052.5精拉972.50.63镗粗镗122010半精镗1110 5精镗10851.25细镗761.250.32内磨粗磨9101.25精磨871.250.32珩粗珩651.250.32精珩50.320.04研粗研651.250.32精研50.320.01滚压870.630.16表2-5平面加工方法加 工 方 法加 工 性 质加工经济精度（IT）表面粗糙度Ra/mm周铣粗铣1211205精铣1051.25端铣粗铣1211205精铣10950.63车半精车1110105精车9102.5细车（金刚石车）871.250.63刨粗刨12112010精刨109102.5宽刃精刨971.250.32平磨粗磨952.5半精磨872.51.25精磨70.630.16精密磨60.160.016刮研手工刮研1020点/25mm25mm1.250.16研磨粗研760.630.32精研50.320.082选择表面加工方法应考虑的主要因素在选择表面加工方法时，除应保证加工表面的加工精度和表面粗糙度外，还应综合考虑如下因素。（1）工件材料的性质。加工方法的选择常要受到工件材料性质的限制。例如淬火钢的精加工要用到磨削，而有色金属的精加工不宜采用磨削（易堵塞砂轮），通常采用金刚镗或高速精细车等高速切削方法。（2）工件的形状和尺寸。形状复杂、尺寸较大的零件，其上的孔一般不采用拉削或磨削，应采用镗削；直径较大（d60mm的孔）或长度较短的孔，宜选镗削；孔径较小时宜采用铰削。（3）生产类型。加工方法的选择应与生产类型相适应，对于大批大量生产，应尽可能选用专用高效率的加工方法，如平面和孔的加工选用拉削方法；而单件小批生产应尽量选择通用设备和常用刀具进行加工，如平面采用刨削或铣削，但刨削因生产率低，在成批生产以上逐步被铣削所代替。对于孔加工来说，因镗削刀具简单，在单件小批生产中得到广泛地应用。（4）具体生产条件。工艺人员必须熟悉企业的现有加工设备及其工艺能力，工人的技术水平，以及利用新工艺、新技术的可能性等。只有做到熟练掌握，方能充分利用现有设备和工艺手段，挖掘企业潜能。3各种表面的典型加工路线在综合考虑各种因素而选择某种加工方法后，即可拟定它们的预加工方案，以及热处理工序的适当插入。下面介绍几种典型表面的加工路线。（1）外圆表面的加工路线。 粗车半精车精车：常用材料，中等要求的工作表面。 粗车半精车粗磨精磨：需要淬硬的材料，要求较高的工作表面。 粗车半精车精车金刚石车：要求高的铜、铝等合金工件。 粗车半精车粗磨光整加工或（超）精密加工：黑色金属材料，表面精度、粗糙度要求质量高的表面。外圆表面加工路线如图2-10所示。图2-10 外圆表面的加工路线（2）孔加工路线。孔加工常用的加工路线如下。 钻孔扩孔铰精铰：主要用于中、小直径（d50mm）的精密孔。 钻或扩（粗镗）粗拉精拉：用于大量生产中尺寸中等的孔、花键孔或带键槽的孔。 钻或粗镗半精镗精镗浮动镗金刚镗：广泛用于箱体零件的孔系加工、有色金属零件的精密孔的加工，具有高的生产率。 钻或粗镗半精镗粗磨精磨珩磨或研磨：主要用于淬硬零件或要求高的零件。孔加工常用加工路线如图2-11所示。图2-11 孔加工路线（3）平面加工路线。平面加工方法主要是铣削、刨削和磨削，其加工路线有如下4条。 粗铣半精铣精铣高速铣：用于精度和粗糙度要求高的平面加工，生产率高。 粗刨半精刨精刨刮或研磨：多用于单件、小批生产，生产率低。 粗铣（刨）半精铣（刨）粗磨精密磨、导轨磨、研磨、砂带磨：主要用于淬硬零件和精度要求高、表面粗糙度值要求小的平面加工。 粗拉精拉：用于大量生产，尤其适用于冷拉铸件。平面加工路线如图2-12所示。图2-12 平面加工路线2.5.2 加工阶段的划分粗加工阶段：主要切除各加工表面的大部分加工余量。此阶段应尽量提高生产率。半精加工阶段：完成次要表面的终加工，并为主要表面的精加工作准备。精加工阶段：保证各主要表面达到图样的全部技术要求，此阶段的主要问题是保证加工质量。超精加工阶段：当零件上有要求特别高的表面时，需在精加工之后再用精密磨削、金刚石车削、金刚镗、研磨、珩磨、抛光或无屑加工等达到图样要求的精度。2.5.3 加工顺序的确定1机械加工顺序的安排原则一般原则如下。 先粗后精。即粗加工半精加工精加工，最后安排主要表面的终加工。 先主后次。零件的主要工作表面、装配基准应先加工，以便尽快为后续工序的加工提供精基准。 先面后孔。这是因为平面定位比较稳定可靠，故对于箱体、支架、连杆等类平面轮廓尺寸较大的零件，一般先加工平面，然后以平面定位再去加工孔。 基面先行。在各阶段中，先加工基准面，然后以其定位去加工其他表面。此外，除用作基准的表面外，精度越高、粗糙度Ra值越小的表面应放在后面加工，以防铁屑等划伤。2热处理工序的安排热处理工序在工艺路线中的位置安排，主要由零件的材料及热处理的目的来决定。为了改善工件材料的切削加工性、消除残余应力，正火和退火常安排在粗加工之前；若为最终热处理作组织准备，则调质处理一般安排在粗加工与精加工之间进行；时效处理用以消除毛坯制造和机械加工中产生的内应力；为了提高零件的强度，表面硬度和耐磨性及防腐等，淬火及渗碳淬火（淬火后应回火）、氰化、氮化等应安排在精加工磨削之前进行；对于某些硬度和耐磨性要求不高的零件，调质处理也可作为最终热处理，其工序位置应安排在精加工之前进行；表面装饰性发蓝、镀层处理，应安排在全部机械加工完后进行。3辅助工序的安排（1）检验工序。为了确保工件的加工质量，应合理安排检验工序。通常在重要关键工序前后，各加工阶段之间及工艺过程的最后均应安排检验工序。（2）划线工序。在单件、小批生产中，对一些形状复杂的铸件，为了在机械加工中安装方便，并使工序余量均匀，应安排划线工序。（3）去毛刺和清洗。切削加工后在零件表层或内部有时会留下毛刺，它们将会影响装配质量甚至影响产品的性能，应专门安排去毛刺工序。工件在装配前，应安排清洗工序。清洗一方面要去掉黏附在工件表面上的砂粒；另一方面要清洗掉易使工件发生锈蚀的物质，例如切削液含有的硫、氯等物质。（4）特殊需要的工序。如平衡应安排在零件或部件完成后。退磁工序则一般安排在精加工之后、终检之前。2.5.4 工序的集中与分散在选定零件各表面的加工方法及加工顺序之后，制定工艺路线时可采用2种完全相反的原则，一是工序集中原则，另一是工序分散原则。所谓工序集中原则，就是每一工序中尽可能包含多的加工内容，从而使工序的总数减少，实现工序集中；而工序分散原则正好与工序集中原则含义相反。工序集中与工序分散各有特点，在制定工艺路线时，究竟采用哪种原则须视具体情况决定。1工序集中的优点 可减少工件的装夹次数。在一次装夹下即可把各个表面全部加工出来，有利于保证各表面之间的位置精度和减少装夹次数。尤其适合于表面位置精度要求高的工件的加工。 可减少机床数量和占地面积，同时便于采用高效率机床加工，有利于提高生产率。 简化了生产组织计划与调度工作。因为工序少、设备少、工人少，自然便于生产的组织与管理。工序集中的最大不足之一是不利于划分加工阶段；二是所需设备与工装复杂，机床调整、维修费时，投资大，产品转型困难。工序分散的优点与不足正好与上述相反。其优点是工序包含的内容少，设备工装简单、维修方便，对工人的技术水平要求较低，在加工时可采用合理的切削用量，更换产品容易；缺点是工艺路线较长。2工序集中与工序分散的实际应用在拟定工艺路线时，工序集中或分散影响整个工艺路线的工序数目。具体选择时，依据如下。（1）生产类型。对于单件、小批生产，为简化生产流程、减少工艺装备，应采用工序集中。尤其数控机床和加工中心的广泛使用，多品种小批量产品几乎全部采用了工序集中；中批生产或现场数控机床不足时，为便于装夹、加工检验，并能合理均衡地组织生产，宜采用工序分散的原则。（2）零件的结构、大小和重量。对于尺寸和重量大、形状又复杂的零件，宜采用工序集中，以减少安装与搬运次数。为了使用自动机床，中、小尺寸的零件，多数也采用了工序集中。（3）零件的技术要求与现场工艺设备条件。零件上技术要求高的表面，需采用高精度设备来保证其质量时，可采用工序分散的原则；生产现场多数为数控机床和加工中心，此时应采用工序集中原则；零件上某些表面的位置精度要求高时，加工这些表面易采用工序集中的方案。2.6 工序内容的拟定2.6.1 机床工艺装备的选择1机床的选择 根据零件加工的每一道工序选择机床时，应坚持下列几项原则。 机床的加工规格范围应与零件的形状、尺寸相适应。 机床的加工精度必须与被加工零件的精度等级相适应。尺寸精度高、表面粗糙度要求小的零件应选精度高的机床；反之，选精度低的机床。 机床的生产率应与工件的生产类型相适应。单件小批生产以选用通用机床为宜，成批大量生产以选用专用机床、组合机床、自动机床、数控机床为宜。 机床的选择应与现有生产条件相适应。除了新厂投产以外，一般应根据现有的生产条件，尽量发挥原有设备的作用。 在多品种小批量且工件精度要求高的生产中，应优先选用数控机床和加工中心，这样一方面精度容易保证；另一方面会减少大量工艺装备的设计。2工艺装备的选择工艺装备的选择主要是对夹具、刀具和量具的选择。具体选择原则如下。（1）夹具的选择。在单件小批生产中，应尽量选用通用夹具或组合夹具，这有利于制造成本的降低；在成批大量生产中，应根据加工要求设计制造专用夹具，这对保证加工精度、提高生产效率和降低加工成本是极其重要的。（2）刀具的选择。在生产中能否合理选用刀具的类型、结构、尺寸和刀片材料等，对于改善切削加工条件等具有十分重要的意义。具体选择原则如下。 单件小批生产，应尽量选用标准刀具；大批大量生产或按工序集中的原则组织生产时，应选用专用刀具和复合刀具等，以获得高的生产效率。 不同的工艺方案，要选用不同类型的刀具。例如孔的加工可采用钻扩铰，也可以采用钻粗镗精镗等。显然，工艺方案不同，所选用的刀具类型也就不同。 根据工件的材料和加工性质确定刀具的材料。例如车削铸铁等脆性材料时，一般选用YG类硬质合金；加工钢料时，一般选用YT类硬质合金。工件的形状和尺寸不同时，就应选择与其相适应的刀具结构及尺寸，例如加工梯形槽，就应选择梯形铣刀，加工成形面一般选成形铣刀。（3）量具的选择。选择量具时，首先要考虑所要检验工件的精度，以便正确地反映工件的实际加工情况。关于量具的类型，则主要取决于生产的类型。在单件小批生产时，广泛采用通用量具。在大批大量生产中，主要采用专用量具，例如极限量规等，有时也采用自动检验量具以提高生产率。2.6.2 加工余量和工序尺寸的确定加工余量是指在机械加工过程中从加工表面上切除的金属层厚度。加工余量的大小直接影响着生产率和加工成本的高低。若毛坯的余量过大，一是浪费材料，二是增加机械加工的劳动量，从而使生产率下降，产品成本增高；反之，若余量过小，一方面提高了对毛坯的要求使加工困难，另一方面会因余量过小而使安装困难，甚至造成废品。1总加工余量和工序余量（1）总加工余量和工序余量。为了获得零件上某一表面所要求的精度和表面粗糙度，从毛坯相应的表面上切去的全部多余金属层，便为该表面的总加工余量。在完成一道工序时，从某一表面上所切去的金属层即为工序余量，如图2-13所示。总加工余量与工序余量的关系如下：（2-1）式中，ZS总加工余量；Zi工序余量；n 工序数目。 在设计工艺过程时，应根据各工序的性质来确定工序余量，进而求出各工序尺寸。但在加工过程中，由于工序尺寸有公差，因此工序余量有最大工序余量和最小工序余量之分，如图2-14所示。其最大工序余量Zmax与最小工序余量Zmin计算如下：（2-2）（2-3） 图2-13 加工余量与工序余量 图2-14 加工余量及公差（2-4）式中，Z工序余量；Li1、Li上、下两道工序的工序尺寸;Ti1、Ti上、下两道工序尺寸的公差。（2）影响工序余量的因素。在确定工序余量时，应考虑下列几方面的因素。 前道工序的表面质量：前一道工序形成的表面粗糙度、轮廓最大高度和表面缺陷层深度，应在本工序加工中切除，如图2-15所示。 上道工序尺寸的公差：如图2-14加工余量及公差所示，上道工序尺寸公差的大小对本工序余量有直接的影响，也就是说，上道工序的公差越大，本工序余量变化就越大。 前道工序的形状和位置公差：当工件上有些形状和位置偏差不包括在尺寸公差的范围内时，这些误差就必须在本工序的加工中纠正，本工序加工余量中必须包括ea，否则加工后必然为废品，如图2-16所示。 图2-15 工件的加工表面层 图2-16 轴线弯曲对加工余量的影响 本工序的安装误差：安装误差包括工件的定位误差与夹紧误差，由于这部分误差要影响被加工表面和刀具的相对位置，依次也应计在工序余量内，如图2-17所示。（3）确定工序余量的方法。工序余量确定的方法有3种，即分析计算法、经验估算法和查表修正法。 分析计算法。通过分析影响工序余量的因素，并逐一计算确定加工余量。这种方法虽然考虑问题全面，确定的工序余量比较精确，但由于计算繁琐，故一般使用较少，只在大批大量生产中的某些重要工序中应用。 经验估算法。这种方法是依靠工艺人员的经验采用类比法来确定工序余量，虽然比较简便，但精度不高。为防止废品出现，一般选取较大的工序余量，故此法多用于单件小批量生产。 查表修正法。这种方法简便、准确、应用广泛。但需注意的是，各种手册所提供的数据对轴和孔一类的对称表面是双边余量，非对称表面则是单边余量。2工序尺寸的计算在一般情况下，加工某表面的最终工序尺寸及公差可直接按零件图的要求来确定。中间工序尺寸是由零件图样尺寸（最终工序尺寸）加上（轴为加）或减去（孔为减）工序余量而得到的。即采用“倒推法”（由后往前推的方法），由零件图的尺寸一直可推算到毛坯的尺寸。图2-18所示为加工外表面时各工序尺寸之间的关系，其中L1为最终工序尺寸，L5为毛坯尺寸，L2、L3、L4为中间工序尺寸。对于外表面加工，本工序的尺寸加上本工序的余量即为前一道工序的尺寸，如L2=L1+Z1，L3=L2+Z2= L1+Z1+Z2，L5=L4+Z4=L1+Z1+Z2+Z3+Z4。由此可知，某一表面经过n-1次加工，其工序尺寸为 （n1）（2-5）式中，Ln工序尺寸；Zi工序余量。 图2-17 装夹误差对加工余量的影响 图2-18 各工序尺寸之间的关系关于工序尺寸的公差，可根据加工方法来确定。通常最终工序尺寸的公差为零件图样上的设计尺寸的公差；而其他中间工序尺寸的公差均按本工序加工方法的经济加工精度来确定，并按“入体原则”进行标注。【例2-1】 某箱体零件外形尺寸为500mm400mm350mm,其上有一孔，设计尺寸为mm，孔长45mm。已知其加工工艺为粗镗半精镗精镗铰孔（用浮动镗刀块），试画出该孔加工余量和工序尺寸分布图。解：（1）查表，得各工序余量和公差Z铰=0.25mm T铰=0.035mmZ精镗=1mm T精镗=0.09mmZ半精镗=1.4mm T半精镗=0.22mmZ粗镗=？ T精镗=0.54mmZS=Z毛坯=6mm T毛坯=1.2mm（2）计算 mm（3）画孔的加工余量和工序尺寸分布图（如图2-19所示）图2-19 孔加工余量和工序尺寸分布图（4）按“倒推法”计算各工序尺寸与公差铰mm精镗 mm半精镗mm粗镗mm毛坯mm2.6.3 切削用量的确定切削用量能否合理选择，对于加工质量、切削效率和加工成本具有重要的影响作用。在具体选择时，应综合考虑工件材料、加工精度与表面粗糙度、刀具材料与结构、机床功率与刚度等因素。在粗加工时，首先尽量选取大的背吃刀量ap，然后选取尽可能大的进给量f，最后根据刀具耐用度和机床功率选择合适的切削速度vc。在精加工时，切削用量的选择以提高加工质量为主，并兼顾生产率和加工成本。因此，先按加工余量选择背吃刀量ap，按表面质量要求选择合理的进给量f，然后在保证刀具耐用度和加工质量的前提下选择尽可能大的切削速度vc。切削用量的选择可以计算，也可以查表，查表法详见机械加工工艺设计实用手册。2.6.4 时间定额的制定时间定额是在一定的生产条件下，规定完成一件产品或一道工序所需要的时间。它是生产计划、成本核算的主要依据之一。时间定额的规定，应具有平均先进水平，过高过低的时间定额均不利于提高操作者的积极性和生产水平。时间定额由如下几部分构成。 （1）基本时间tj。它是指直接改变工件的尺寸、形状和性质所需要的时间，亦称机动时间，一般可用计算法确定。对于车削，基本时间tj为（min）（2-6）式中，L光轴的车削长度（单位为mm）；La、Lb刀具切入、切出长度（mm）；n工件转速（r/min）；f刀具进给量（mm/r）；i走刀次数。（2）辅助时间tf。它是指在完成基本工艺工作中需要的辅助动作所消耗的时间，主要包括装卸工件、开停机床、改变切削用量和测量工件等所消耗的时间。辅助时间通常有2种确定办法，一是在单件小批生产条件下，按基本时间tj的百分比进行估算；二是在成批量生产条件下，按以往统计资料予以确定。（3）布置工作地、休息与生理需要时间tbx。它是指在工作班时间内照管工作地和保持工作状态所消耗的时间，主要包括更换和修磨刀具、润滑机床、清理切屑与场地，以及工作班内允许的必要休息和生理需要时间等。一般按基本时间和辅助时间的百分比来计算，例如按（tj+tf）的2%7%进行估算。（4）准备与终结时间tzz。它是指操作者在加工一批工件的开始和结束时必须的准备工作和结束工作所需要的时间，主要包括熟悉工艺文件，借还工具、夹具、量具，领取毛坯，调整机床，首件检验，发送成品等所用的时间。若一批工件的数量为N，那么分摊到每一工件上的准结时间为tzz/N，当N很大时，tzz/N就可忽略不计。综上所述，对于单件小批生产，其单件时间定额Td为Td=tj+tf+tbx+tzz =tj(1+k)+tbx+tzz（min）（2-7）式中，tj基本时间（min）；tf辅助时间（min），可按tf=tjk来计算，k为百分比；tbx布置工作地、休息与生理需要时间（min）；tzz准备与终结时间（min）。对于成批大量生产，因分摊到每一工件的准备与终结时间tzz/N很小，故可忽略不计。因此单件时间定额Td为Td=tj(1+k)+tbx(min)（2-8）2.6.5 工艺文件前面讲到，把制定工艺过程的各项内容归纳成文件形式便成为工艺规程。工艺规程是多种多样的，没有统一的格式，一般是根据生产类型、实际需要和企业的具体情况，并本着力求简单明了的原则确定的。常用的工艺规程有机械加工工艺过程卡片、机械加工工艺卡片和机械加工工序卡片，如表2-6、表2-7和表2-8所示。2.7 工艺尺寸链的计算在机械加工中，工件由毛坯到成品，期间经过多道加工工序，然而这些工序之间存在一定的联系，应用尺寸链理论揭示它们之间的内在联系，并确定工序尺寸极其公差，是尺寸链计算的主要任务。由此可知，尺寸链理论是分析机械加工过程各工序之间以及各工序内相关尺寸之间的关系，进而合理地确定机械加工工艺的重要手段。2.7.1 尺寸链的基本概念1尺寸链的概念尺寸链是零件加工过程中，由相互联系的尺寸组成的封闭图形。图2-20（a）所示为一台阶零件，Lc和Lb为图样上标准尺寸。在加工中该零件以A面定位先加工C面，得尺寸Lc；再加工B面得尺寸La，从而间接得到尺寸Lb。于是尺寸Lc、La、Lb就组成一个封闭的尺寸图形，即形成一个尺寸链，如图2-20（b）所示。再如图2-21（a）所示，A1和A0为图样上的标注尺寸，若按图样尺寸加工时尺寸A0不便测量，但通过保证尺寸A1和易于测量的尺寸A2，间接得到尺寸A0，那么尺寸A1、A2和A0就组成一个尺寸链，如图2-21（b）所示。图2-20 加工台阶零件的尺寸链2工艺尺寸链的组成图2-21 加工套筒零件的尺寸链在工艺尺寸链中，每一个尺寸称为尺寸链的环，尺寸链的环按性质不同可分为组成环和封闭环。组成环是加工过程中直接得到的尺寸，如图2-20（b）所示的尺寸La、Lb和图2-21（b）所示的尺寸A2、A1均为加工过程直接得到的尺寸，故为组成环。封闭环是在加工过程中间接得到的尺寸，如图2-20（b）所示的尺寸Lo和图2-21（b）所示的尺寸A0均为封闭环。封闭环的右下角通常用“0”表示。在尺寸链中，若其余组成环保持不变，当某一组成环增大时，则封闭环也随之增大，该组成环便为增环；反之，使封闭环减小的环，便为减环。图2-20（b）中的La和图2-21（b）中的A1为增环，其上用一向右的箭头表示，即、；图中的Lb和A2为减环，其上用一向左的箭头表示，即、。3工艺尺寸链的特征工艺尺寸链具有如下特征。（1）关联性。组成工艺尺寸链的各尺寸之间存在内在关系，相互无关的尺寸不会组成尺寸链。在工艺尺寸链中每一个组成环不是增环就是减环，其中任何一个尺寸发生变化时，均要引起封闭环尺寸的变化。对工艺尺寸链的封闭环没有影响的尺寸，就不是该工艺尺寸链的组成环。（2）封闭性。尺寸链是一个首尾相接且封闭的尺寸图形，其中包含一个间接得到的尺寸。不构成封闭的尺寸图形就不是尺寸链。2.7.2 工艺尺寸链的分类