机械加工工艺过程设计(ppt 162页).pptx

第五章机械加工工艺过程设计ProcessPlanningofMachining 1 本章主要内容 本章首先介绍制订机械加工工艺规程的步骤和方法 然后重点讨论机械加工工艺过程设计中的主要问题 包括定位基准的选择 加工路线的拟订 工序尺寸及公差的确定等 学习方法和要点 学习本章内容 应牢牢把握住机械加工工艺过程设计的基本原理 原则和方法 如选择定位基准的原则 选择加工方法的原则 工序划分及工序顺序安排的原则 确定余量的原则和方法 工序尺寸及公差的确定方法等 并通过一定的实践掌握制订机械加工工艺规程的步骤和方法 2 制订零件机械加工工艺规程是一件经验性和综合性很强的工作 除要密切联系生产实际外 综合运用所学知识是十分必要的 学习者应有意识地将本章内容与前面各章内容联系起来 将工艺过程设计看作是本课程前面各章内容的综合和实际应用 3 学习要点 了解机械加工工艺规程的作用 掌握机械加工工艺规程设计的原则和步骤 了解常用毛坯的特点及适用范围 4 一 机械加工工艺规程及其作用 1 机械加工工艺过程及规程 机械加工工艺过程采用各种机械加工方法 直接用于改变毛坯的形状 尺寸 表面质量 使之成为合格零件的全部劳动过程 机械加工工艺规程将制订好的零 部 件的机械加工工艺过程按一定的格式 通常为表格或图表 和要求描述出来 作为指令性技术文件 即为机械加工工艺规程 它包括了如下几个方面的内容 5 1 机械加工工艺过程卡 说明零件机械加工工艺过程的工艺文件 2 工序卡 对每道工序作详细说明 可直接用于指导工人操作的工艺文件 3 检验工序卡 对成批或大量生产中重要检验工序作详细说明 指导检验的工艺文件 4 机床调整卡 大批量生产中对由自动线 流水线上的机床以及由自动机或半自动机完成的工序 为调整工提供机床调整依据的工艺文件 6 不同的生产类型对工艺规程的要求不同 机械加工工艺规程的格式 大批量生产因其生产组织严密 分工细致 工艺规程应尽量详细 要求对每道加工工序的加工精度 操作过程 切削用量 使用的设备及刀 夹 量具等均作出具体规定 因此除了工艺过程卡外 还应有相应的加工工序卡 此外 必要时还需要检验工序卡和机床调整卡 单件小批生产由于生产的分工较粗 通常只需说明零件的加工工艺路线 即其加工工序顺序 填写工艺过程卡 7 车间生产新零件时 首先要制订该零件的机械加工工艺规程 再根据工艺规程进行生产准备 2 机械加工工艺规程的作用 1 工艺规程是指导生产的主要技术文件 机械加工车间生产的计划 调度 工人的操作 零件的加工质量检验 加工成本的核算等 都是以工艺规程为依据的 处理生产中的问题 也常以工艺规程作为共同依据 2 工艺规程是生产准备工作的主要依据 如处理质量事故时 是按工艺规程来确定各有关单位 人员的责任 8 新建 改 扩建 批量或大批量机械加工车间 工段 时 应根据工艺规程确定所需机床的种类和数量以及在车间的布置 再由此确定车间的面积大小 动力和吊装设备配置以及所需工人的工种 技术等级 数量等 如 新零件加工工艺中的关键工序的分析研究 准备所需的刀 夹 量具 外购或自行制造 原材料及毛坯的采购或制造 新设备的购置或旧设备改装等 均必须根据工艺来进行 3 工艺规程是新建机械制造厂 车间 的基本技术文件 9 5 积极采用先进技术和工艺 力争减少材料和能源消耗 并应符合环境保护要求 三 机械加工工艺规程的设计原则 1 编制工艺规程应以保证零件加工质量 达到设计图纸规定的各项技术要求为前提 2 在保证加工质量的基础上 应使工艺过程有较高的生产效率和较低的成本 3 应充分考虑和利用现有生产条件 尽可能作到均衡生产 4 尽量减轻工人劳动强度 保证安全生产 创造良好 文明劳动条件 10 三 制订机械加工工艺规程所需的原始资料 制订零件的机械加工工艺规程时 需具备下列原始资料 1 产品的全套装配图及零件图 2 产品的验收质量标准 3 产品的生产纲领及生产类型 4 零件毛坯图及毛坯生产情况 11 7 国内外先进工艺及生产技术的发展与应用情况 5 本厂 车间 的生产条件 6 各种有关手册 标准等技术资料 零件毛坯图通常由毛坯车间技术人员设计 机械加工工艺人员应研究毛坯图并了解毛坯的生产情况 如了解毛坯的余量 结构工艺性等 以便正确选择零件加工时的装夹部位和装夹方法 合理确定工艺过程 应全面了解工厂 车间 设备的种类 规格和精度状况 工人的技术水平 现有的刀 夹 量具规格 以及专用设备 工艺装备的设计制造能力 等等 12 1 分析零件工作图和产品装配图 阅读零件工作图和产品装配图 以了解产品的用途 性能及工作条件 明确零件在产品中的位置 功用及其主要的技术要求 四 机械加工工艺规程的设计步骤及内容 2 工艺审查 主要审查零件图上的视图 尺寸和技术要求是否完整 正确 分析各项技术要求制订的依据 找出其中的主要技术要求和关键技术问题 以便在设计工艺规程时采取措施予以保证 审查零件的结构工艺性 13 3 确定毛坯的种类及其制造方法 常用的机械零件的毛坯有铸件 锻件 焊接件 型材 冲压件以及粉末冶金 成型轧制件等 零件的毛坯种类有的已在图纸上明确 如焊接件 有的随着零件材料的选定而确定 如选用铸铁 铸钢 青铜 铸铝等 此时毛坯必为铸件 且除了形状简单的小尺寸零件选用铸造型材外 均选用单件造型铸件等 14 15 工艺装备包括夹具 刀具 量具 辅具等 机床和工艺装备的选择应在满足零件加工工艺的需要和可靠地保证零件加工质量的前提下 与生产批量和生产节拍相适应 并应优先考虑采用标准化的工艺装备和充分利用现有条件 以降低生产准备费用 对必须改装或重新设计的专用机床 专用或成组工艺装备 应在进行经济性分析和论证的基础上提出设计任务书 4 拟定机械加工工艺路线 这是机械加工工艺规程设计的核心部分 其主要内容有 选择定位基准 确定加工方法 安排加工顺序以及安排热处理 检验和其它工序等 5 确定各工序所需的机床和工艺装备 16 对所制定的工艺方案应进行技术经济分析 并应对多种工艺方案进行比较 或采用优化方法 以确定出最优工艺方案 6 确定各工序的加工余量 计算工序尺寸和公差 7 确定切削用量和各工序工时定额 8 评价工艺路线 9 填写工艺文件 17 18 5 2定位基准的选择 拟订加工路线的第一步是选择定位基准 定位基准的选择合理与否 将直接影响所制订的零件加工工艺规程的质量 基准选择不当 往往会增加工序 或使工艺路线不合理 或使夹具设计困难 甚至达不到零件的加工精度 特别是位置精度 要求 学习要点 定位基准的选择是零件加工工艺规程制定的重要问题 要深刻理解并牢固掌握粗基准及精基准的选择原则 并会灵活地使用这些原则 19 5 2 1精基准的选择 1 基准重合 原则 在对加工面位置尺寸和位置关系有决定性影响的工序中 特别是当位置公差要求较严时 一般不应违反这一原则 否则 将由于存在基准不重合误差 而增大加工难度 尽量选择工序基准 或设计基准 为定位基准 以减少由于定位基准转化引起的加工误差 即谓 基准重合 原则 20 例1 上图 a 是在钻床上成批加工工件孔的工序简图 若选N面为尺寸B的定位基准见图 b 钻头相对1面位置已调整好且固定不动 则加工这一批工件时尺寸B不受尺寸A变化的影响 若选择M面为定位基准见图 c 钻头相对2面已调整好且固定不动 则加工的尺寸B要受到尺寸A变化的影响 使尺寸B精度下降 21 例2 如下图所示活塞零件 设计要求活塞销孔与顶面距离C1 公差一般为0 1 0 2mm 1 若加工销孔时以止口面 一大平面加一短圆柱面 定位 直接保证的尺寸是C2 2 为使尺寸C1达到规定精度 必须同时严格控制尺寸C和C2 3 C1 C2两个尺寸从功能要求出发 均不需严格控制 因此在大批量生产中 常以顶面定位加工销孔 以使尺寸C1容易保证 22 有关基准不重合误差问题的注意 1 当设计基准与定位基准不重合 且采用的是调整法加工获得加工尺寸时 才会出现基准不重合误差 2 基准不重合误差值的大小等于两个基准之间的联系尺寸的差值 3 基准不重合误差的形式既有尺寸也有位置 既在于设计基准 工序基准 与定位基准不重合的加工时 也在于设计基准 工序基准 与测量基准的不重合的检验时 4 基准不重合通常发生在用设计基准定位不可能或不方便 在选择基准时优先考虑了基准统一原则而不得不放弃的场合 23 在实际生产中 经常使用的统一基准形式有 2 统一基准 原则 工件在整个加工工艺过程中 以某一组表面作统一的精基准定位面 以便方便地加工大多数 或全部 其余的表面时 常见的统一精基准形式 1 轴类零件常使用两顶尖孔作统一精基准 2 箱体类零件常使用一面两孔 一个较大的平面和两个距离较远的销孔 作统一精基准 3 套类零件用一长孔和一止推面作统一精基准 24 4 盘套类零件常使用止口面作统一精基准 例如活塞零件 采用裙部止口面定位可以方便地加工活塞的其他表面 故选其为统一精基准 实际上 活塞止口面的圆孔并无功能要求 之所以对其进行加工 完全是为了作定位基准使用 需要指出 采用统一基准原则常常会带来基准不重合问题 此时 需针对具体问题进行具体分析 根据实际情况选择精基准 例如活塞零件 采用止口面作统一精基准 而在销孔加工工序中 为方便可靠的保证尺寸C1 则可采用顶面作精基准 25 3 互为基准 的原则 对某些位置精度要求高的表面 可以采用互为基准 反复加工的方法来保证其位置精度 这就是 互为基准 的原则 如卧式铣床主轴 前端7 24锥孔 图中3 对支承轴径 图中1 2 的同轴度要求很高 为保证这一要求 采用互为基准的原则进行加工 有关的工艺过程如下 26 先以精车后的前后支撑轴颈1 2为基准粗 精车锥孔及后端 38H9锥孔 图中4 锥度为1 5 作辅助基准 分别以7 24锥孔和 38H9锥孔定位装前 后堵 粗 精磨支承轴颈及各外圆面 再以支承轴颈为基准粗 精磨7 24锥孔 27 4 自为基准 的原则 对一些精度要求很高的表面 在精密加工时 为保证加工精度 要求加工余量小而且均匀 这时以已经精加工过的表面自身作为定位基准 这就是 自为基准 的原则 如 机床床身导轨面的精加工 28 又如连杆小头孔最后金刚镗时就以精镗后的小头孔自身定位 待工件夹紧后再将定位销移去 5 便于装夹原则 所选择的精基准 尤其是主要定位面 应有足够大的面积和精度 以保证定位准确 可靠 同时还应使夹紧机构简单 操作方便 29 粗基准选择一般应遵循以下原则 5 2 2粗基准的选择 1 保证相互位置要求原则 如果首先要求保证工件上加工面与不加工面的相互位置要求 则应以不加工面作为粗基准 2 余量均匀分配原则 如果首先要求保证工件某重要表面加工余量均匀时 应选择该表面的毛坯面作为粗基准 上述两个原则是选择粗基准时最主要的原则 这两个原则常常是相互矛盾的 需根据具体情况加以选择 30 3 选择高精度表面原则 如果零件上有多个非加工表面 则应选择其中与加工表面有较高精度要求的表面作为粗基准 选用的粗基准面尽可能平整 光洁 且有足够大的尺寸 不允许有锻造飞边 铸造浇 冒口或其它缺陷 也不宜选用铸造分型面作粗基准 4 选择加工余量最小原则 31 因为粗基准本身是毛坯表面 精度和粗糙度均较差 如果在两次装卡中重复使用同一粗基准 就会造成两次加工出的表面之间出现较大的位置误差 5 粗基准一般不得重复使用原则 例如 图5 5a所示零件 如果第一道工序以不加工外圆表面1定位 加工内孔2 而第二道工序仍以外圆表面定位加工均布孔4 见图5 4a 时 则孔4将与孔2产生较大的同轴度误差 32 33 5 3 1表面加工方法的选择 指在正常的加工条件下 采用符合质量标准的设备和工艺装备 使用标准技术等级的工人 不延长加工时间 一种加工方法所能保证的加工精度和表面粗糙度 1 加工经济精度 2 加工精度与成本的关系 任何一种加工方法的加工精度与加工成本之间都有如下图所示的一种相互关系 34 图中曲线表达出加工误差与加工成本关系的总趋势是 加工成本随着加工误差的下降而上升 但在不同的误差范围内成本上升的比率不同 A点左侧曲线 加工误差减少一点 加工成本会上升很多 加工误差减少到一定程度 投入的成本再多 加工误差的下降也微乎其微 这说明某种加工方法加工精度的提高是有极限的 35 B点右侧 即使加工误差放大许多 成本下降却很少 这说明对于一种加工方法 成本的下降也是有极限的 即有最低成本 AB段 只有在曲线的AB段 加工成本随着加工误差的减少而上升的比率相对稳定 小结1 只有当加工误差等于曲线AB段对应的误差值时 采用相应的加工方法加工才是经济的 该误差值所对应的精度即为该加工方法的经济精度 小结2 加工经济精度是指一个精度范围而非一个值 36 3 加工精度与年代的关系 各种加工方法的经济精度随年代增长和技术进步而不断提高 见图5 8 37 4 加工方法的选择 在进行零件各加工表面的加工方法选择时 一般先选择零件上精度要求最高表面的加工方法 即该表面的终加工方法 选择时应考虑以下几个问题 1 加工表面的精度和粗糙度要求 2 零件的材料和热处理要求 3 零件的生产类型要求 4 本厂现有技术水平 生产条件等 38 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 生产批量和生产节拍要求4 企业现有加工设备和加工能力5 经济性 5 典型表面的加工路线 39 1 外圆表面的加工路线 3条 40 2 孔的加工路线 4条 41 3 平面加工路线 5条 42 5 3 2加工阶段的划分 为了保证零件的加工质量 生产效率和经济性 通常在安排工艺路线时 将其划分成几个阶段 对于一般精度零件 可划分成粗加工 半精加工和精加工三个阶段 对精度要求高和特别高的零件 还需安排精密加工 含光整加工 和超精密加工阶段 1 加工阶段的划分原则 1 粗加工阶段 主要去除各加工表面的大部分余量 并加工出精基准 各阶段的主要任务是 43 2 半精加工阶段 减少粗加工阶段留下的误差 使加工面达到一定的精度 为精加工做好准备 并完成一些精度要求不高表面的加工 3 精加工阶段 主要是保证零件的尺寸 形状 位置精度及表面粗糙度 这是相当关键的加工阶段 大多数表面至此加工完毕 也为少数需要进行精密加工或光整加工的表面做好准备 4 精密和超精密加工阶段 精密和超精密加工采用一些高精度的加工方法 如精密磨削 珩磨 研磨 金刚石车削等 进一步提高表面的尺寸 形状精度 降低表面粗糙度 最终达到图纸的精度要求 44 4 便于组织生产 2 加工阶段划分的意义 1 有利于保证零件的加工质量 2 便于及时发现毛坯的缺陷 可以避免以后精加工的经济损失 3 可以合理安排加工设备和操作工人 有利于延长精加工设备的寿命 注意1 加工过程阶段的划分不是绝对的 主要应从工件在加工过程中的变形对精度的影响程度来决定 注意2 加工阶段的划分应根据具体条件 如零件技术要求 生产纲领和生产条件以及毛坯情况来决定 45 5 3 3加工顺序的安排 1 机械加工顺序的安排原则 1 先基准 面 后其它 面 应首先安排被选作精基准的表面的加工 再以加工出的精基准为定位基准 安排其它表面的加工 该原则还有另外一层意思 是指精加工前应先修一下精基准 安排机械加工顺序时一般应遵循以下原则 例如 精度要求高的轴类零件 第一道加工工序就是以外圆面为粗基准加工两端面及顶尖孔 再以顶尖孔定位完成各表面的粗加工 精加工开始前首先要修整顶尖孔 以提高轴在精加工时的定位精度 然后再安排各外圆面的精加工 46 3 先主后次 主要表面一般指零件上的设计基准面和重要工作面 这些表面是决定零件质量的主要因素 对其进行加工是工艺过程的主要内容 因而在确定加工顺序时 要首先考虑加工主要表面的工序安排 以保证主要表面的加工精度 在安排好主要表面加工顺序后 常常从加工的方便与经济角度出发 安排次要表面的加工 2 先粗后精 指先安排各表面粗加工 后安排精加工 此外 次要表面和主要表面之间往往有相互位置要求 常常要求在主要表面加工后 以主要表面定位进行加工 47 4 先面后孔 主要是指箱体和支架类零件的加工而言 一般这类零件上既有平面 又有孔或孔系 这时应先将平面 通常是装配基准 加工出来 再以平面为基准加工孔或孔系 此外 在毛坯面上钻孔或镗孔 容易使钻头引偏或打刀 此时也应先加工面 再加工孔 以避免上述情况的发生 2 热处理和表面处理工序的安排 1 预备热处理 为改善材料切削性能而进行的热处理工序 如退火 正火等 应安排在切削加工之前进行 48 2 为消除内应力而进行的热处理工序 如退火 人工时效等 最好安排在粗加工之后 精加工之前进行 有时也可安排在切削加工之前进行 3 为改善工件材料的力学物理性质而进行的热处理工序 如调质 淬火等 通常安排在粗加工后 精加工前进行 其中渗碳淬火一般安排在切削加工后 磨削加工前进行 而表面淬火和渗氮等变形小的热处理工序 允许安排在精加工后进行 4 为了提高零件表面耐磨性或耐蚀性而进行的热处理工序以及以装饰为目的的热处理工序或表面处理工序 如镀铬 镀锌 氧化 煮黑等 一般放在工艺过程的最后 49 4 零件的全部加工结束以后 3 辅助工序的安排 检验工序是辅助工序中的重要工序 其工序的安排原则如下 1 重要工序的加工前后 2 不同加工阶段的前后 如粗加工结束 精加工前 精加工后 精密加工前 3 工件从一个车间转到另一个车间前后 50 零件的加工顺序确定以后 在确定各工序的具体加工内容时 可有两种设计思路 一种是工序数多而各工序的加工内容少 称之为工序分散 另一种是工序数少而各工序的加工内容多 称之为工序集中 5 3 4工序的集中与分散 1 在一次安装中可加工出多个表面 不但减少了安装次数 而且易于保证这些表面之间的位置精度 1 工序集中特点 2 有利于采用高效的专用机床和工艺装备 3 所用机器设备的数量少 生产线的占地面积小 使用的工人也少 易于管理 4 机床结构通常较为复杂 调整和维修比较困难 51 3 使用的设备数量多 占地面积较大 使用的工人数量也多 2 工序分散的特点 1 使用的设备较为简单 易于调整和维护 2 有利于选择合理的切削用量 3 工序集中与工序分散的应用 工序设计时是采取工序分散还是工序集中 应根据生产纲领 零件的技术要求 产品的市场前景以及现场的生产条件等因素综合考虑后决定 52 传统的流水线 自动线生产 主要通过采用组合机床等高效率加工装备来实现对工序合理有效的分散与集中 对大批量生产而言 这种组织形式可以获得高的生产效率和低的生产成本 缺点是柔性差 产品转换困难 对于多品种 中小批量生产 为便于产品的转换和管理 多采用通用 或柔性化 加工装备来达到工序集中的目的 数控加工中心采用的便是典型的工序集中方式 由于市场需求的多变性 对生产过程的柔性要求越来越高 工序集中将越来越成为生产的主流方式 53 54 5 4 1加工余量的概念 在零件的加工过程中 为使加工表面达到所需精度和表面质量应该切除的金属表层厚度被称为加工余量 加工余量分为工序余量和加工总余量 加工余量有基本余量 最大余量和最小余量之分 1 加工总余量与工序 工步 余量 55 加工总余量即毛坯余量 是指毛坯尺寸与零件设计尺寸之差 也就是某加工表面上切除的金属层总厚度 工步 工序 余量是指相邻两工序 工步 的尺寸之差 也就是某道工序 工步 所切除的金属层厚度 显然有 式中 ZS 某表面加工总余量 n 该表面的机械加工工序 工步 数 Zi 该表面第i个工序 工步 加工余量 1 加工总余量与工序余量的关系 56 设加工表面上某道工序 工步 的尺寸为a 本道工序 工步 的尺寸b 则本道工序 工步 的基本余量Zb可表示如下 2 工序余量计算公式 被包容表面 包容表面 57 工序 工步 余量有单边余量和双边余量之分 通常平面加工属于单边余量 图a b 回转面 外圆 内孔等 和某些对称平面 键槽等 加工属于双边余量 图c d 双边余量的各边余量等于工序 工步 余量的一半 58 2 最大 最小余量 平均余量 余量公差 余量作为尺寸 也有基本尺寸 上 下偏差和公差 即有基本余量 余量基本尺寸 最大余量 最小余量和余量公差 余量变动量 其计算公式为 最大余量 最小余量 平均余量 余量公差 59 3 加工余量及工序尺寸公差对机械加工的影响 加工余量的大小对零件加工质量和生产率有较大的影响 余量过大 增加机械加工量 降低生产率 浪费材料和能源等 余量过小 不能保证消除前工序的各种误差和表面缺陷层 4 影响工序余量的因素 加工余量主要取决于前一工序加工面 或毛坯面 的状态 为保证本工序的加工精度 需将前一工序加工面 或毛坯面 的缺陷部分去除 因此 最小加工余量应包括 60 1 上一工序产生的表面粗糙度Rya 表面轮廓最大高度 和表面缺陷层深度Ha 2 上一工序留下的形位误差ea 3 本工序的装夹误差 b 包括定位误差和夹紧误差 这项误差直接影响被加工面对于切削刀具的相对位置 因此也应该包含在最小余量之中 最小加工余量包括 61 最小余量计算公式 平面加工时 轴 孔加工时 62 5 4 2确定加工余量的方法 在影响因素清楚 统计分析资料齐全的情况下 可以采用分析计算法 用上面的计算式计算出最小工序余量 计算时应根据所采用的加工方法的特点 将计算式合理简化 1 分析计算法 1 在采用浮动镗刀镗孔或浮动铰刀铰孔或拉刀拉孔时 由于这些加工方法不能纠正位置误差 故将上式简化为 例 根据公式 63 3 对于研磨 珩磨 抛光等加工方法 其主要任务是去掉前一工序所留下的表面痕迹 因而最小余量只包含一项Ry值 即 2 无心磨床磨削外圆时无装夹误差 故上式简化为 说明 分析计算法确定加工余量的过程较为复杂 多用于大批量生产或贵重材料零件的加工 对于成批单件生产 目前大部分工厂都采用查表法或经验法来确定工序余量和总余量 64 查表法是根据 机械加工工艺手册 提供的资料查出各表面的总余量以及不同加工方法的工序余量 该方法方便迅速 使用广泛 2 查表法 在采用查表法查出各表面的加工余量时 需要注意以下几个方面的问题 1 目前国内各种手册所给的余量多数为基本余量 基本余量等于最小余量与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 2 各种手册提供的数据不一定与具体加工情况完全相符 余量值大多偏大 须根据工厂的具体情况加以修正 65 3 各种铸 锻件的总余量已由有关国家标准给出 并由热加工工艺人员在毛坯图上标定 对于圆棒料毛坯 在选用标准直径的同时 总余量也就确定 因此 用查表法确定加工余量时 粗加工工序余量一般应由总余量减去后续各半精加工和精加工的工序余量之和而得 经验法是由一些有经验的工艺设计人员或工人根据经验确定余量 这种方法大都用于单件小批生产 3 经验法 66 5 4 3工序尺寸及公差的确定 工序尺寸及公差的确定分两种情况 当工序尺寸及其公差与零件上某设计尺寸或其他工序尺寸相关时 需要用 工艺尺寸链 的方法来确定 见下节 当工序尺寸及其公差仅与工序余量有关时 各工序尺寸的计算采用由后向前依次推算的简单方法来进行确定 确定工序尺寸及公差的过程 1 确定加工表面的加工余量 2 自终加工工序起 即从设计尺寸开始至第一道工序 或毛坯 为止 逐次加 对被包容面 或减 对包容面 去各工序的基本余量 即各工序基本尺寸 67 例 对某车床主轴箱体主轴孔进行加工 该零件的材料为铸铁 孔的设计要求为 Ra0 8um 孔的加工路线选择如下表所示 确定各工序尺寸 公差 表面粗糙度及毛坯尺寸 3 根据各工序的加工方法及经济加工精度 确定除终加工工序外 其余各工序的工序尺寸公差和表面粗糙度 4 按 入体原则 以单向偏差方式标注工序尺寸及偏差 并可作适当的调整 68 0 10 52 45 H7 0 035 H8 0 054 H10 0 14 H13 0 54 1 2 Ra0 8Ra1 25Ra2 5Ra16 10099 999 497 092 100 0 035 99 9 0 054 99 4 0 14 97 0 54 92 1 2 Ra0 8Ra1 25Ra2 5Ra16 69 70 5 5 1尺寸链概述 1 尺寸链的定义与组成 由若干相互有联系的尺寸按一定顺序首尾相接形成的尺寸封闭图形定义为尺寸链 在零件加工过程中 由同一零件有关工序尺寸所形成的尺寸链 称为工艺尺寸链 在机器设计和装配过程中 由有关零件设计尺寸形成的尺寸链 称为装配尺寸链 71 工艺尺寸链示例 工件上尺寸A1已加工好 现以底面A定位 用调整法加工台阶面B 直接保证尺寸A2 显然 尺寸A1和A2确定以后 在加工中未予直接保证的尺寸A0也就随之确定 尺寸A0 A1和A2构成了一个尺寸封闭图形 即工艺尺寸链 如图b所示 72 装配尺寸链示例 下图为主轴部件装配图 为保证弹性挡圈装入 要保持轴向间隙A0 由图中看到A0与Al A2 A3有关 并按照一定顺序构成装配尺寸链 73 2 尺寸链特征 1 封闭性 尺寸链中的各尺寸按一定顺序排列最后形成一个封闭的图形 2 关联性 尺寸链中的尺寸之间都有相互关系 且任何一个尺寸的变化都会引起其他尺寸发生变化 3 至少有三个或以上的尺寸组成 74 3 尺寸链的组成 组成尺寸链的每一个尺寸或角度都被称为尺寸链中的一环 根据环的特征 可分为封闭环和组成环 封闭环为零件在加工或机器在装配过程中间接得到或最后形成的环 一个尺寸链中只有一个封闭环 除封闭环以外的尺寸为组成环 1 封闭环 2 组成环 除封闭环以外的尺寸为组成环 组成环按对封闭环的影响性质又分为增环和减环 凡该环变动 增大或减小 引起封闭环同向变动 增大或减小 的环 称为增环 1 增环 75 尺寸链的建立及组成环增 减环的判断 A0 A2 A1 该环变动 增大或减小 引起封闭环反向变动 减小或增大 的环 称为减环 2 减环 76 3 尺寸链的分类 1 按构成尺寸链各环的几何特征分类 1 长度尺寸链 构成尺寸链的各尺寸环全部为长度尺寸或既有长度尺寸又有角度量的尺寸链为长度尺寸链 77 2 角度尺寸链 构成尺寸链的各尺寸环全部为角度量的尺寸链为角度尺寸链 2 按尺寸链的作用分类 1 装配尺寸链 全部组成环由不同零件的设计尺寸形成 78 2 零件设计尺寸链 全部组成环由同一零件的设计尺寸形成 3 工艺尺寸链 全部组成环由同一零件的工艺尺寸形成 79 3 按构成尺寸链各环的空间位置分类 1 直线尺寸链 全部组成环平行于封闭环的尺寸链 2 平面尺寸链 平面尺寸链由直线尺寸和角度尺寸组成 且各尺寸均处于同一个或几个相互平行的平面内 如图所示 在该尺寸链中 参与组成的尺寸不仅有直线尺寸 X Y1 Y2 L0 还有角度尺寸 0以及各坐标尺寸之间的夹角 其基本值为90 而且封闭环也不仅有直线尺寸L0 还有角度尺寸 0 80 3 空间尺寸链 组成环位于几个不平行平面内的尺寸链 称为空间尺寸链 空间尺寸链在空间机构运动分析和精度分析中 以及具有空间角度关系的零部件设计和加工中会遇到 平面尺寸链和空间尺寸链的分析计算较为复杂 本课程不作讨论 3 按尺寸链间的相互关系分类 1 独立尺寸链 组成环与封闭环只属于同一尺寸链 不属于任何其他尺寸链 81 2 并联尺寸链 由若干个独立尺寸链通过一个 或几个 共存于两个 或以上 独立尺寸链的环相互联系起来的尺寸链 共存于独立尺寸链中的公用环称为公共环 组成环和封闭环都可能成为公共环 并联尺寸链的特点 组成并联尺寸链的各独立尺寸链间通过公共环相互联系 互相影响 并联尺寸链可合并为一个多环的独立尺寸链 反之 一个多环的尺寸链亦可转换为两个或多个并联尺寸链 82 3 串联尺寸链 每一个后继尺寸是通过前面一个尺寸链的基面开始的 即每两个相邻尺寸链有一个共同基面 83 5 5 2尺寸链的基本计算方法 1 极值法 按误差综合最不利的情况 即各增环均为最大 小 极限尺寸 各减环均为最小 大 极限尺寸来计算封闭环极限尺寸 偏差计算公式 基本尺寸计算公式 84 用概率理论进行尺寸链的计算 主要用于环数多 大批大量自动化生产中 2 概率法 公差计算公式 平均尺寸计算公式 在极值法计算中 认为所有组成环都同时达到极限尺寸 但在实际生产过程中 出现这种现象的可能性很小 根据概率理论 组成环尺寸同时达到极限尺寸的概率应等于各组成环出现极限尺寸概率的乘积 因此 采用概率原理进行尺寸链的解算应该是更合理和更科学的方法 85 5 5 3几种常见工艺尺寸链形式 1 定位 测量 基准与设计基准不重合时的尺寸换算 86 87 如图所示零件 尺寸A0不好测量 改测尺寸A2 试确定A2的大小和公差 例2 88 可知 若实测A2 40 30 按上述要求判为废品 但此时如果测量出的A1 50 A0 9 7 则该工件仍为合格品 即此时所测出的工序废品为 假废品 假废品问题 根据计算所得到的测量尺寸 小结 当实测尺寸与计算尺寸的差值小于尺寸链其它组成环公差之和时 可能为假废品 89 2 工序基准是尚待加工的设计基准 D2 x H 1 拉内孔至 2 插键槽 保证尺寸x 试确定尺寸x大小及公差 3 热处理 建立尺寸链如图b所示 H是间接保证的尺寸 因而是封闭环 计算该尺寸链 可得到 4 磨内孔至 同时保证尺寸 解 90 D2 H1 讨论 在前例中 认为镗孔与磨孔同轴 实际上存在偏心 若两孔同轴度允差为 0 05 即两孔轴心偏心为e 0 025 将偏心e作为组成环加入尺寸链 图b所示 H2 重新进行计算 可得到 91 例4 如图所示 小轴的轴向尺寸加工时安排如下 3 余量校核 1 车端面1 2 车端面2 保证端面1和2之间距离尺寸A2 49 5 0 3mm 3 车端面3 保证总长尺寸A3 80 0 2mm 4 磨端面2 保证端面2与端面3之间距离尺寸A1 30 0 14mm试较核磨端面2的加工余量 92 解 2 解尺寸链 3 分析令Zmin 0 1则A2max 49 7mm故A2 49 5 0 2mm 1 建立尺寸链 A2 49 5 0 3 A3 80 0 2 Z0 A1 30 0 14 Z 0 5mm Zmax 0 64mm Zmin 0mm 结论 最小余量为零不合适 应将工序尺寸及公差及偏差重新制定 93 如图所示偏心零件 表面A要求渗碳处理 渗碳层深度规定为0 5 0 8mm 与此有关的加工过程如下 4 表面处理工序的工艺尺寸链计算 例5 图5 33渗碳层深度尺寸换算 1 精车A面 保证直径 D2 H0 H1 2 渗碳处理 控制渗碳层深度H1 试确定H1的数值 D1 3 精磨A面保证直径尺寸 同时保证规定的渗碳层深度 94 图5 31渗碳层深度尺寸换算 D2 H0 H1 D1 建立尺寸链 如图b 在该尺寸链中 H0是最终的渗碳层深度 是间接保证的 因而是封闭环 计算该尺寸链 可得到 解 95 5 5 4工艺尺寸链图表法 当零件在同一尺寸方向上加工尺寸较多 且工序 测量 基准需多次转换时 尺寸链建立和计算比较困难 采用图表法可较好解决这个问题 1 以 面定位 粗车 面 保证 面距离尺寸A1 粗车 面 保证 面距离尺寸A2 96 4 靠火花磨削 面 控制余量Z7 0 1 0 02 同时保证设计尺寸6 0 1 试确定各工序尺寸及公差 2 以 面定位 精车 面 保证 面距离尺寸A3 粗车 面 保证 面距离尺寸A4 3 以 面定位 精车 面 保证 面距离尺寸A5 同时保证设计尺寸31 69 0 31 精车 面 保证设计尺寸A6 27 07 0 07 97 A1 A2 A3 A4 A5 A6 R1 R2 1 画尺寸联系图 1 画零件简图 加工面编号 向下引线 2 按加工顺序和规定符号自上而下标出工序尺寸和余量 用带圆点的箭线表示工序尺寸 箭头指向加工面 圆点表示测量基准 余量按入体原则标注 3 在最下方画出间接保证的设计尺寸 两边均为圆点 4 工序尺寸为设计尺寸时 用方框框出 以示区别 注 靠火花磨削余量视为工序尺寸 也用带圆点的箭线表示 解 98 2 用追踪法查找工艺尺寸链 结果尺寸 间接保证的设计尺寸 和余量是尺寸链的封闭环 沿封闭环两端同步向上追踪 遇箭头拐弯 逆箭头方向横向追踪 遇圆点向上折 继续向上追踪 直至两追踪线交于一点 追踪路径所经工序尺寸为尺寸链的组成环 99 3 初拟工序尺寸公差 中间工序尺寸公差按经济加工精度或生产实际情况给出 0 5 0 3 0 1 0 3 0 07 0 02 0 1 0 31 0 1 100 4 校核结果尺寸公差 修正初拟工序尺寸公差 0 23 0 08 校核结果尺寸链 若超差 减小组成环公差 首先压缩公共环公差 101 0 55 0 83 1 0 30 3 0 480 85 1 83 0 18 5 计算余量公差和平均余量根据余量尺寸链计算 0 02 0 08 0 1 102 25 59 3426 7 6 1 6 18 6 计算中间工序平均尺寸在各尺寸链中 首先找出只有一个未知数的尺寸链 解出此未知数 继续下去 解出全部未知工序尺寸 103 工序尺寸图表法 104 105 5 6 1CAPP的意义 传统工艺过程设计存在的问题 设计效率低 周期长 成本高不必要的花色繁多 不利于管理设计质量参差不齐 难于实现优化设计工艺人员短缺和老化是全球机械制造业面临的共同问题 106 从根本上解决人工设计效率低 周期长 成本高的问题可以提高工艺过程设计的质量 并有利于实现工艺过程设计的优化和标准化可以使工艺设计人员从烦琐重复的工作中解放出来 集中精力去提高产品质量和工艺水平CAPP是连接CAD和CAM系统的桥梁 是发展计算机集成制造的不可缺少的关键技术 CAPP的意义 107 5 6 2CAPP工作原理 1 派生式CAPP系统 VariantCAPPSystem 该类系统以成组技术为基础 根据零件编码查找所属零件组 调出零件组的标准工艺 进行适当的编辑或修改 生成所需的工艺规程 查找零件组 输入表头信息 工艺规程格式 工艺路线检索 编辑 标准工序检索 编辑 108 b 使用阶段 1 派生式CAPP系统工作的两个阶段 109 2 派生式CAPP系统特点 1 程序简单 易于实现 目前多用于回转体类零件CAPP系统 2 需人工参与决策 自动化程度不高 3 具有浓厚的企业色彩 局限性较大 2 创成式CAPP系统 GenerativeCAPPSystem 110 派生式CAPP系统完全以人的经验为基础 难于保证设计最优 且局限性较大 完全创成式CAPP系统还不成熟 将两者结合起来 采用部分创成 部分派生 或部分人工干预 的方法是一种可取的方案 半创成式CAPP系统特点 1 集派生式及创成式系统的优点 又克服两者的不足 2 目前为多数CAPP系统采用 3 半创成式CAPP系统 Semi GenerativeCAPPSystem 111 5 6 2CAPP工作原理 112 5 6 3CAPP关键技术 1 零件信息输入 零件加工表面可分为基本形面和辅助形面 形面可用特征参数进行描述 形面与一定的加工方法相联系 较粗糙 信息输入不完整多用于只需制定简单工艺路线的场合只适用于派生式CAPP系统 1 成组编码法 2 形面描述法 113 输入工作量大是其主要的弱点 可完整地描述零件的几何 工艺信息 是目前CAPP系统使用最多的信息输入方法 多采用菜单 交互 方式输入 便于操作 3 与CAD系统相连接 通用接口 专用接口 共享数据库由于目前CAD系统多为实体造型系统 需采用特征识别的方法补充输入工艺信息发展基于特征造型的CAD系统是长久之计 114 115 特点 1 直观 容易建立 便于编程2 难于扩展和修改 条件不满足 回出发节点并转向另一分支 实现逻辑 或 分支终点列出应采取的行动 决策行动 条件满足 继续沿分支前进 实现逻辑 与 2 工艺决策 1 决策树 形式 由树根 节点 分支构成 分支上方给出向一种状态转换的可能性或条件 确定性条件 116 例 117 特点 1 表达清晰 格式紧凑 便于编程2 难于扩展和修改 用表格形式描述事件之间逻辑依存关系 表格分为4个区域 左上角为条件项目 右上角为条件组合 各条件之间为 与 的关系 左下角列出决策项目 右下角为各列对应的决策行动 决策行动之间也是 与 的关系 决策表的每一列均可视为一条决策规则 2 决策表 例 加工方法选择决策表 前例 118 119 派生式CAPP系统利用成组技术原理和典型工艺过程进行工艺决策 经验性较强 创成式CAPP系统利用工艺决策算法 如决策表 决策树等方法 和逻辑推理方法进行工艺决策 较派生式前进了一步 但存在着算法死板 结果唯一 系统不透明等弱点 且程序工作量大 修改困难 采用专家系统进行工艺决策1 什么是专家系统 在特定领域内具有与该领域人类专家相当智能水平的计算机知识程序处理系统 3 CAPP专家系统 120 专家系统主要用于处理现实世界中提出的需要由专家来分析和判断的复杂问题 工艺过程设计正属于这类问题 2 专家系统的构成 知识库 用于存储专家知识 包括 121 推理机 具有推理能力 可以根据问题导出结论 数据库 存放事实 包括输入信息和推理得到的事实 122 其中产生式规则较符合工艺规程设计中人的思维方式 因而使用较多 产生式规则的基本形式为 IF 条件1 AND 条件2 OR 条件3 THEN 结论1 可信度a 结论2 可信度b 3 知识表达与获取 知识表达 123 产生式规则优点 推理过程符合人的思维方式 易于接受 推理结论的可信度使其能进行非确定性推理 产生式规则缺点 格式较死板 在某些情况下需重复搜索而影响效率 知识获取 由知识工程师来完成 由工艺人员会同软件工程师一同来完成 由工艺人员构建专家系统 124 4 推理机制 推理 依据一定规则 从已知事实和知识推出结论 CAPP专家系统推理机制属于基于知识的推理 通常采用反向推理的控制策略 例 箱体零件上7级精度孔的加工路线确定 最终要求 目标 选择适当的规则 满足最终要求的加工方法 或加工参数 给出最终加工方法的初始状态 新的要求 目标 选择规则 原始状态 毛坯 125 126 127 5 7 1生产率与经济性 生产率是指单位时间内生产的合格产品数量 在针对不同对象时 其生产率可具有不同的含义 生产率常常用生产时间来度量 而生产时间的表现形式有三种 生产节拍时间 在流水生产中 每生产一个产品的时间 生产节拍时间可反应一个企业的生产规模 128 生产劳动时间 生产一个产品所需要的劳动时间 劳动生产时间直接反应劳动生产率 生产流程时间 产品从投料到最终产出的时间 即一个产品在企业的停留时间 生产流程时间常常在一定程度上代表了企业的管理水平 企业生产率的提高的两条途径 增加劳动量 劳动密集型生产和提高劳动生产率 技术密集型生产 提高劳动生产效率是使企业降低生产成本 获得高额利润的有效手段 而劳动生产率与时间定额有着密切的联系 因此 缩短时间定额是提高劳动生产率的一条有效途径 129 基本时间Tm 直接改变生产对象的性质 使其成为合格产品或达到工序要求所需时间 包括切入 切出时间 1 时间定额 定义 在一定生产条件下 生产一件产品或完成一道工序所需消耗的时间组成 辅助时间Ta 为实现工艺过程必须进行的各种辅助动作时间 如装卸工件 启停机床 改变切削用量及进退刀等 5 7 2时间定额与提高