《机械制造工艺学课程设计 第2版》 课件 2.1 课程设计基础知识-精度毛坯和材料

第二章

课程设计基础：

精度、毛坯和材料第一节

机械的生产过程和工艺过程第二节

零件的工艺分析(重点)第三节毛坯和材料的选择第四节元件装夹和定位基准的选择（难点）第五节工艺路线的拟定(重点)第六节工序尺寸及其公差的确定（难点）第七节机械加工生产率第八节工艺装备的选择第一节机械的生产过程和工艺过程一生产过程

1.生产过程指把原材料转变为成品的全过程。

机械工厂的生产过程一般包括原材料的验收、保管、运输，生产技术准备，毛坯制造，零件加工（含热处理），产品装配，检验以及涂装等。二 工艺过程及其组成

1．工艺过程工艺过程可根据其具体工作内容分为铸造、锻造、冲压、焊接、机械加工、热处理、表面处理、装配等不同的工艺过程。

把生产过程中改变生产对象的形状、尺寸、相

对位置和物理、力学性能等，使其成为成品或半成品的过程称为工艺过程。2．工艺过程由工序组成

（1）工序：一个（或一组）工人，在一个工作地点（或一台机床上），对同一个零件（或一组零件）进行加工所连续完成的那部分工艺过程（2）安装：定位＋夹紧（3）工位：待加工位置（4）工步：在一道工序中，当加工表面不变、切削工具不变、切削用量中的进给量和切削速度基本不变的情况下所完成的那部分工艺过程（5）走刀：切去一层金属，一个工步可以包括一次或几次走刀多工位加工复合工步阶梯轴

当加工批量较小时，其工序的划分见表2-1；当加工批量较大时，其工序划分见表2-2。表2-1阶梯轴加工工艺过程（生产批量较小时）序号工序内容设备序号工序内容设备1车端面，钻中心孔；车全部外圆，车槽与倒角车床3粗磨各外圆外圆磨床4热处理高频淬火机2铣键槽，去毛刺铣床5精磨外圆外圆磨床表2-2阶梯轴加工工艺过程（成批生产时）序号工序内容设备序号工序内容设备1铣端面、钻中心孔铣端面钻中心孔机床5去毛刺钳工台2车一端外圆，车槽与倒角车床6粗磨外圆外圆磨床3车另一端外圆，车槽与倒角车床7热处理高频淬火机4铣键槽铣床8精磨外圆外圆磨床三 生产纲领与生产类型1.生产纲领

产品的年生产纲领就是产品的年生产量。2．生产类型

①单件生产

②成批生产

③大量生产①.单件生产

产品品种不固定，每一品种的产品数量很少，大多数工作地点的加工对象经常改变。例如，重型机械、造船业等一般属于单件生产。③.大量生产

产品品种固定，每种产品数量很大，大多数工作地点的加工的对象固定不变。例如，汽车、轴承制造等一般属于大量生产。

②.成批生产

产品品种基本固定，但数量少，品种较多，需要周期性地轮换生产，大多数工作地点的加工对象是周期性的变换。

表2-3各种生产类型工艺过程的主要特点

生产类型工艺特征单件生产成批生产大批量生产工件的互换性一般是配对制造，没有互换性，广泛用钳工修配大部分有互换性，少数用钳工修配全部有互换性，某些精度较高的配合件用分组选择装配法毛坯的制造方法及加工余量铸造用木模手工造型；锻件用自由锻。毛坯精度低，加工余量大部分铸件用金属模；部分锻件用模锻。毛坯精度中等，加工余量中等铸件广泛采用金属模机器造型；锻件广泛采用模锻及其他高生产率的毛坯制造方法。毛坯精度高，加工余量小机床设备通用机床或数控机床或加工中心数控机床、加工中心或柔性制造单元。设备条件不够时，也采用部分通用机床、部分专用机床专用生产线、自动生产线、柔制造生产线或数控机床

生产类型工艺特征单件生产成批生产大批量生产夹具多采用标准附件，很少采用夹具，靠划线及试切法达到精度要求广泛采用夹具或组合夹具，部分靠加工中心一次安装广泛采用高生产率夹具，靠夹具及调整法达到精度要求刀具与量具采用通用刀具和万能量具可以采用专用刀具及专用量具或三坐标测量机广泛采用高生产率刀具和量具，或采用统计分析法保证质量对工人的要求需要熟练的技术工人需要一定熟练程序的工人和编程技术人员对操作工人的技术要求较低，对生产线维护人员要求有高的素质工艺规程有简单的工艺路线卡有工艺规程，对关键零件有详细的工艺规程有详细的工艺规程（续）四 机械加工工艺规程1.工艺规程的作用工艺规程是指导生产的主要技术文件工艺规程是组织生产和管理工作的基本依据工艺规程是新建或扩建工厂或车间的基本资料2．机械加工工艺规程的格式

生产类型不同，所有的工艺规程的模式和内容也不相同。（1）机械加工工艺过程卡片(工艺路线)。（2）机械加工工艺卡片。（3）机械加工工序卡片。

机械加工工艺过程卡片的格式见下表。表2-4机械加工工艺过程卡片表2-5机械加工工序卡片工序简图（工艺附图）绘制方法：（1）视图中与本工序无关的次要结构和线条可略去不画，除加工面、定位面、夹紧面、主要轮廓面外，其余线条均可省略。（2）直观，视图方向尽量与工件在机床上的装夹方向一致。

（3）工序图应该是工件在本工序完成之后所具有的形状和尺寸，本工序加工表面用粗实线表示，工件的主要特征轮廓（如工件轮廓及特征表面）用细实线表示，不要将后面工序中才能形成的结构形状在本工序的工序简图中反映出来。3机械加工工艺规程制定的原则（1）保证加工质量（2）保证生产效率（3）较低制造成本（4）良好劳动条件产品整套装配图、零件图质量标准生产纲领、生产类型毛坯情况本厂现有生产条件先进技术、工艺有关手册、图册4.制订机械加工工艺规程的原始资料5步骤分析研究产品图纸工艺性分析选择毛坯拟订工艺路线选择设备、工装确定工序余量、工序尺寸确定切削用量、工时定额技术经济分析填写工艺文件第二节 零件的工艺分析一 零件图的完整性和正确性检查零件的视图、尺寸、公差和技术要求是否齐全、合理、符合国家标准，若有错误或遗漏，应提出修改措施。基本符号，表示表面可用任何方法获得。表示表面是用去材料的方法获得，如车、铣、钻、磨等。表示表面是用不去材料的方法获得，如铸、锻、冲压、轧、等。3、精度设计二 零件的技术要求分析零件的技术要求包括下列几个方面：

1）加工表面的尺寸精度。大小

2）主要加工表面的形状精度。方、园、猪腰子脸

3）主要加工表面之间的相互位置精度。五官匀称

4）加工表面的粗糙度以及表面质量方面的其他要求。脸光滑、麻子

5）热处理要求。脸皮硬

6）其他要求（如动平衡、未注圆角或倒角、去毛剌、毛坯要求等）。三 零件的结构工艺性分析铸件：便于造型、拔模斜度璧厚均匀、无尖边、尖角锻件：形状简单、无尖边、尖角、飞刺，便于出模在毛坯制造方面在装配方面便于装配、减少修配量结构工艺性内容在加工方面合理标注零件的技术要求便于加工、减少加工数控加工工艺性分析（见表9-1）

下表列出了一些零件结构工艺性示例。序号结构工艺性差结构工艺性好1孔离箱壁太近，钻头在圆角处易引偏；箱壁高度尺寸大，需加长钻头方能钻孔加长箱耳，不需加长长头（见图a）；只要使用上允许将箱耳设计在某一端，则不需加长箱耳，即可方便加工(见图b)2车螺纹时，螺纹根部易打刀，且不能清根留有退刀槽，可使螺纹清根，避免打刀

表2-6零件结构工艺性示例序号结构工艺性差结构工艺性好3插齿无退刀空间，小齿轮无法加工大齿轮可进行滚齿或插齿，小齿轮可进行插齿加工4两端轴颈需磨削加工，因砂轮圆角而不能清根留有砂轮越程槽，磨削时可以清根5斜面钻孔，钻头易引偏只要结构允许留出平台，可直接钻孔6锥面加工时，易碰伤圆柱面，且不能清根可方便地对锥面进行加工7加工面高度不同，需两次调整刀具加工，影响生产率加工面在同一高度，一次调整刀具可加工两个平面（续）序号结构工艺性差结构工艺性好8三个退刀槽的宽度有三种尺寸，需用三把不同尺寸的刀具加工同一宽度尺寸的退刀槽，使用一把刀具即可加工9加工面大，加工时间长，平面度误差大加工面减小，节省工时，减少刀损耗且易保证平面度要求10内壁孔出口处易钻偏或钻头折断内壁孔出口处平整，钻孔方便，易保证孔中心位置11键槽设置在阶梯轴90°方向上，需两次装夹加工将阶梯轴的两个键槽设计在同一方向上，一次装夹即可对两个键槽加工（续）第三节 毛坯和材料的选择

选择毛坯的基本任务是选定毛坯的制造方法及其制造精度。一毛坯的种类

1．铸件

2．锻件

3．型材

4．焊接件液态成形——铸造塑性成形——锻造连接成形——焊接1、铸造

铸造(casting)：将液态金属浇注到与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固后，获得一定形状的毛坯或零件的方法。铸造是生产机器零件毛坯的主要方法之一，其实质是液态金属逐步冷却凝固成形。铸造优缺点

砂型铸造是应用最广的铸造方法，约占总产量的80%以上，其基本工艺过程如下：砂型铸造方法

零件图铸造工艺图模样图、芯盒图、铸型装配图制造模样及芯盒混制芯砂预处理造型材料混制型砂造型制芯准备炉料熔炼金属浇注化验落砂、清理检验热处理合格铸件合型烘干铸型烘干芯子铸件中较大的孔、槽应当铸出，以减少切削量和热节，提高铸件力学性能。较小的孔和槽不必铸出，留待以后加工更为经济。下表为铸件最小铸出孔尺寸。当孔深与孔径比L/D>4时，也为不铸孔。正方孔、矩形孔或气路孔的弯曲孔，当不能机械加工时原则上必须铸出。正方孔、矩形孔的最短加工边必须大于30mm才能铸出。批量单件小批中等批量大批生产尺寸/mm30～5015～3012～15

铸件最小铸出孔尺寸最小铸出孔(不铸孔)和槽（1）、收缩余量：为补偿收缩，模样比铸件图样尺寸增大的数值。其大小与铸件尺寸大小、结构、壁厚，铸造合金的线收缩率及收缩时受阻碍情况有关。常以铸件线收缩率表示。即（2）、加工余量：指在铸件表面上留出的准备切削去的金属层厚度。影响加工余量的因素有合金种类、铸造方法、铸件结构、尺寸及加工面在型内的位置等。灰铸铁件比铸钢件要小，机器比手工要小。最小铸出孔和槽：较小孔槽一般不铸出。（3）、起模斜度：为便于取模，在平行于出模方向的模样表面上所增加的斜度称拔模斜度。一般用角度或宽度表示，如图所示。起模斜度应根据模样高度及造型方法来确定。对有加工余量的侧面应加上加工余量再给拔模斜度，一般按增加厚度法或加减厚度法。非加工面用减小厚度法。

2、锻造技术及其工艺（1）塑性成形锻压塑性成形：指固态金属在外力作用下产生塑性变形，获得所需形状、尺寸及力学性能的毛坯或零件的加工方法。具有较好塑性的材料如钢和有色金属及其合金均可在冷态或热态下进行塑性成形加工。3、焊接技术及其工艺（1）焊接

焊接技术在汽车制造中得到广泛的应用。汽车的发动机、变速箱、车桥、车架、车身、车厢六大总成都离不开焊接技术的应用。在汽车零部件的制造中，应用了点焊、凸焊、缝焊、滚凸焊、焊条电弧焊、CO2气体保护焊、氩弧焊、气焊、钎焊、摩擦焊、电子束焊和激光焊等各种焊接方法。在飞行器制造中，为保证产品的高质量与可靠性以及在运行中的全寿命可维修性，高能束流（激光、电子束、等离子体）焊接和固态焊（扩散焊、摩擦焊、超塑成形/扩散连接、扩散钎焊）的比例正在扩大。熔化焊堆焊与喷涂高能焊电渣焊电弧焊气焊激光焊电子束焊等离子弧焊气体保护焊埋弧自动焊焊条电弧焊压力焊摩擦焊扩散焊电阻焊超声波焊爆炸焊对焊点焊缝焊钎焊真空钎焊感应钎焊炉中钎焊电阻钎焊盐浴钎焊火焰钎焊烙铁钎焊手工电弧焊手工电弧焊，通常焊厚板时，需要较高的温度，常采用直流正接法，而焊薄板时，为了避免烧穿工件，常采用直流反接法。（2）、影响焊接接头性能的因素

焊接接头的力学性能决定于它的化学成分和组织。具体有：1）焊接材料，焊丝和焊剂都要影响焊缝的化学成分；2）焊接方法，一方面影响组织粗细，另一方面影响有害杂质含量；3）焊接工艺，焊接时，为保证焊接质量而选定的物理量（如焊接电流、电弧电压、焊接速度、线能量等）的总称；线能量:指熔化焊时，焊接能源输入给单位长度焊缝上的能量。显然焊接工艺参数，影响焊接接头输入能量的大小，影响焊接热循环，从而影响热影响区的大小和接头组织粗细。

焊接工艺设计的主要内容是根据焊接结构工作时的负荷大小和种类、工作环境、工作温度等使用要求，合理选择结构材料、焊接材料和焊接方法，正确设计焊接接头、制定工艺和焊接技术条件等。焊接结构的主要生产工艺过程为：备料——装配——焊接——焊接变形矫正——质量检验——表面处理。4）焊后热处理：如正火，能细化接头组织，改善性能。5）接头形式，工件厚度、施焊环境温度和预热等均会影响焊后冷却速度，从而影响接头的组织和性能。（3）、焊条的种类、型号、牌号1）焊条的种类

按用途分有：碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、铸铁焊条、堆焊焊条、镍和镍合金焊条、铜合铜合金焊条、铝和铝合金焊条等。

按药皮性质分：酸性焊条（酸性氧化物为主），碱性焊条（碱性氧化物和萤石CaF2为主）。

2）焊条型号：是国家标准中的焊条代号。如E4303，E表示焊条，43表示熔敷金属抗拉强度最小值kgf/mm2；03表示焊接位置为全位置、电流种类为交直流及药皮类型为钛铁矿型。3）焊条牌号：是焊条行业统一的焊条代号，用一个大写汉语拼音字母和三个数字表示；如J422，J表示结构钢焊条，42表示焊缝金属抗拉强度等级kgf/mm2，2表示药皮类型和电流种类。4）碱性焊条和酸性焊条特性两者性能差别很大，使用时不能随意互换。碱性焊条的特点有：机械性能好；工艺性能差；焊缝金属抗裂性好；对锈、油、水的敏感性大，易出气孔；有毒烟尘多。用于重要的结构钢或合金钢结构。酸性焊条机械性能较差，但工艺性能好；用于一般结构钢。（4）焊条的选用：1）等强度原则；2）同成分原则；3）抗裂性要求；4）抗气孔要求；5）低成本要求。焊接缺陷二毛坯的选择原则

1．零件材料及力学性能要求。

2．零件的结构形状与大小

3．生产类型

4．现有生产条件

5．充分利用新工艺、新材料中碳钢0.25~0.6%C高碳钢

0.6%C低碳钢

0.25%C低合金钢合金元素总量

5%中合金钢合金元素总量5~10%高合金钢合金元素总量

10%碳素钢合金钢

表2-7机械设计常用材料及性能三工件材料的切削加工性衡量材料切削加工性的指标工件材料切削加工性

指材料被加工成合格零件的难易程度是一个相对的概念。

（1）.以刀具使用寿命T或切削速度vT来衡量

相同切削条件比T

；T一定，比速度vT

或切除材料体积。（3）.以已加工表面质量来衡量

一般精加工，用Ra；精密零件，用加工硬化、残余应力。（2）.以切削力或切削温度来衡量粗加工、机床刚性或功率不足用力或功率;导热差用温度。（4）.以断屑性能来衡量

自动机床、数控机床、自动线等，断屑性能是主要指标。1工件材料的相对加工性

（1）.切削速度vT的含义：当刀具使用寿命为T(min)时切削某种材料所允许的切削速度。

vT越高，材料的切削加工性越好。通常取T=

60

min，

vT写作v60

；难加工材料，vT为v15或v30。（2）.相对加工性Kr：以σb=0.637GPa的45钢的v60作为基准，写作(v60)j，将某种材料的v60与其相比的比值，即

Kr

＝

v60/(v60)jKr仅反映不同材料对刀具使用寿命的影响程度，并未反映表面粗糙度和断屑问题，仅对选择切削速度有指导意义。若以某材料的Kr乘以45钢的切削速度即得该材料的许用切削速。2常用金属材料的切削加工性（1）有色金属普通铝及铝合金、铜及铜合金，强度硬度低，导热性好，易切削。（2）铸铁白口铸铁硬度高（HBS600)，难切削；灰口铸铁硬度适中，强度塑性小，切削力较小，但高硬度碳化物对刀具有擦伤，崩碎切屑，切削力热集中刀刃上且有波动，刀具磨损率并不低，应采用低于加工钢的切削速度。球墨铸铁、可锻铸铁的强度塑性比灰铁高，切削性良好工件表面若有硬皮应进行退火处理。（3）结构钢

碳素结构钢切削加工性取决于含碳量。

低碳钢硬度低，塑韧性高，变形大，断屑难，粘屑，加工表面粗糙，加工性较差；

高碳钢硬度高，塑性低，切削力大，温度高，刀具耐用度低，加工性差；

中碳钢性能适中，加工性良好。合金结构钢强度硬度提高，切削加工性变差。（4）难加工材料高强度硬度，高塑性韧性或高脆性，耐高温，导热性差。切削力大，温度高，刀具磨损快，断屑难，加工性差。3改善材料切削加工性的途径（1）.调整材料的化学成分

钢中加硫、铅等元素；铸铁中增加石墨成分。（2）.进行适当的热处理

低、中碳钢宜选正火处理，均匀组织，调整硬度塑性；

高碳钢宜用球化退火,降低硬度,均匀组织,改善加工性；

中碳以上的合金钢硬度较高，需退火以降低硬度；

不锈钢常要进行调质处理，降低塑性，以便加工；

铸铁需进行退火处理，降低表皮硬度，消除内应力。4改善切削加工条件（1）.选择合适的刀具材料和切削用量

难加工材料，导热性差，选YG、YW合金或涂层刀片；刀具合理几何参数，断屑槽、卷屑槽，控制排屑；选择合理切削用量等。（2）.选用合适的设备和加工方法难加工材料加工，机床要有足够的功率和刚性；选择合适的切削液，供给充足；高硬度材料加工采用磨削加工更容易。（3）.选择切削加工性好的材料状态

低碳钢选冷拔状态；中碳钢选热轧状态。5切削用量的合理选择

粗加工中选择切削用量时，应首先选择尽可能大的背吃刀量ap，其次在工艺条件允许下选择较大的进给量f，最后根据合理的刀具使用寿命，用计算法或查表法确定切削速度v。这样使v、f、ap的乘积最大，以获得最大的生产率。精加工时则主要按表面粗糙度和加工精度要求确定切削用量。

（1）背吃刀量ap的选择（以车