仪器制造工艺学.ppt

课程要点与要求 了解仪器开发过程 掌握仪器制造工艺过程的基本概念及工艺组成 学会分析工艺基准并掌握工艺基准的选择原则 了解六点定位原理和夹具结构 全面掌握加工精度与加工表面质量的有关概念 学会分析影响加工精度和表面质量的因素并找到控制方法 了解仪器仪表零件的常用材料特性及其选用原则 了解并尽可能掌握几种典型的精密制造技术和特种加工技术 了解常用装配方法并学会选用 掌握尺寸链的计算方法 教材 曲兴华 仪器制造技术 北京 机械工业出版社 2006年6月参考教材 郑志达 仪器制造工艺学 北京 机械工业出版社 1994年5月 本课程的地位与性质 本专业重要的学科基础课程 第一章工艺过程基本概念与组成 1 1仪器的生产过程1 1 1仪器生产过程的主要内容产品构思与实验 注意先进性 新颖性和实用性产品设计 注意可制造性产品制造产品销售与售后服务 注意市场信息反馈 生产过程 指原料到制成产品之间的全过程 包括 原材料的运输和保存 生产技术准备工作 毛坯制造 零件加工 部件和整机的装配 检验 包装等 铸造 锻造 冲压或焊接工艺过程 由原料经浇铸 锻造 冲压或焊接而分别成为铸件 锻件 冲压件或焊接件的过程 机械加工工艺过程 采用机械加工的方法直接改变毛坯的形状 尺寸和表面质量 使之成为零件的过程 热处理工艺过程 对机器零件的半成品通过各种热处理方法 直接改变他们材料性质和材料的机械性能的过程 装配工艺过程 按规定的技术要求 将零件或部件进行配合和连接 使之成为成品或半成品的工艺过程 返回 1 1 2仪器的开发过程1 仪器开发的必要性2 仪器开发的内容3 仪器开发的途径4 仪器开发的实施 1 1 3生产的组织形式1 制造活动的定义生产是将各种生产要素的输入转变为产品输出的过程 生产对象生产劳动生产资料生产信息仪器的制造活动 2 生产的组织方式1 生产全部零部件 组装机器2 生产一部分关键的零部件 其余由其他企业供应3 完全不生产零部件 自己只负责设计 装配和销售敏捷制造 AgileManufacturing 3 生产与工艺系统 工艺系统 机床 刀具 工件 生产系统 敏捷制造是作为替代大量生产的一种新型制造模式 是一种新的制造战略 敏捷制造技术的操作方式为 某供应商或企业获得用户需要某种商品的信息后 立刻为其提供产品构成软件 让其自选设计和选择产品的外观等 由用户选择 用户满意了就组织采购和生产 产品形成了 联盟即解体 其核心是建立一种对用户需求作出灵敏快速反应的市场机制 这种作为替代传统产业生产模式的一种新型制造技术 预示着21世纪新的生产与管理战略已经开始形成 敏捷制造技术使汽车工业 机械工业 化学工业等传统产业的生产方式在未来的世纪中变得更 灵活 其特点是着眼于各种规模的模块化组合和企业间合作生产 发挥众多特长企业的优势来适应变化多端的市场需求 以体现灵活性和快捷性 这一概念是1991年美国国防部为解决国防制造能力问题 拟定一个同时体现工业界和国防部共同利益的中长期制造技术规划框架 提出了 21世纪制造企业战略 研究报告 报告指出敏捷制造具有如下特征 1 敏捷制造是信息时代最有竞争力的生产模式它在全球化的市场竞争中能以最短的交货期 最经济的方式 按用户需求生产出用户满意的具有竞争力的产品 2 敏捷制造具有灵活的动态组织机构它能以最快的速度把企业内部和企业外部不同企业的优势力量集中在一起 形成具有快速响应能力的动态联盟 因为在企业内部它将多级管理模式变为扁平结构的管理方式 把更多的决策权下放到项目组 在企业外部 它将企业之间的竞争变为协作 通过高速网络通信能充分调动 利用分布在世界各地的各种资源 所以能保证迅速 经济地生产出有竞争力的产品 3 敏捷制造采用了先进制造技术敏捷制造一方面要 快 另一方面要 准 其核心就在于快速地生产出用户满意的产品 因此 敏捷制造必须在其各个制造环节都采用先进制造技术 例如柔性制造 计算机辅助管理 企业经营过程重构 计算机辅助质量保证 产品数据管理以及产品数据交换标准等技术 4 敏捷制造必须建立开放的基础结构因为敏捷制造要把世界范围内的优势力量集成在一起 所以敏捷制造企业必须采取开放结构 只有这样 才能把企业的生产经营活动与市场和合作伙伴紧密联系起来 使企业能在一体化的电子商业环境中生存 返回 1 2工艺过程设计的基本概念工艺过程设计 把产品的设计信息转化为制造信息的过程设计 工艺过程设计步骤 1 建立零件的描述 建立零件的信息模型2 设计加工工艺方法和线路 选择机床和其他设备3 确定加工基准 选用或设计夹具4 确定工序等加工工艺过程5 设计加工余量和工序尺寸参数6 计算工时和制造成本7 设计检验方法 选择或设计检验量具8 生成工艺卡片等 1 2 1机械加工工艺过程的组成加工工艺过程 在生产过程中 改变生产对象的形状 尺寸 相对位置和物理化学性质使其成为成品或半成品的过程 机械加工工艺过程可划分为一系列工序工序 一个或一组工人在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 不改变操作者 设备 工作地 和工件的情况下连续完成的工作 例 一个工人在一台车床上完成车外圆 端面 螺纹一组工人刮研一台机床导轨一组工人在对一批零件去毛刺 安装 在某一工序中 有时需对零件进行多次装夹 工件一次装夹后所完成的那一部分工序称为安装 工位 在某一工序中 工件在机床所占的每一个位置上所完成的那一部分工艺过程称为工位 工步 一道工序 一次安装或一个工位 中 在加工表面和加工工具不变的情况下 所连续完成的那一部分工序 加工表面 刀具 切削用量中的转速 进给量都不变 进给 在一个工步中 余量较大或其他原因 需同一刀具在同一切削用量下 对同一表面进行多次切削 每一次切削就称为一次进给 动作 工艺过程最小单位 如一次进给中可以有开车 送进 停车 退刀等各种动作 1 装卸工位2 预钻孔3 钻孔4 扩孔5 粗铰孔6 精铰孔 工序如下 钻中心孔粗车精车铣键槽精磨去毛刺 写出小批生产图例所示螺钉零件的机械加工工艺过程 工序 安装 工步 走刀 工位 工件的毛坯为圆棒料 注意工艺路线可以有多种 课堂讨论 1 2 2生产类型生产规模是影响工艺规程的重要因素 根据生产规模的大小 即生产纲领 可分为三种生产类型 生产纲领N Qn 1 其中Q 产品的年产量 n 一台产品中该零件的数量 和 分别为备品率和平均废品率 1 2 3加工工艺规程1 工艺规程的内容工艺规程 以工艺文件的形式确定下来的工艺过程 指导工人操作和用于生产 工艺管理等各种文件内容 工件加工工艺路线及所经过的车间 工段各工序内容及采用的机床和工艺装备工件的检验项目和检验方法等参见图1 42 制定工艺规程的原则满足生产纲领 与生产类型相适应保证零件的加工质量 达到图样上各种技术指标使工艺过程有较高的生产率和较好的经济性减轻劳动强度 保证安全生产 创造文明劳动条件 3 工艺规程的作用按它组织和生产能做到科学衔接 实现优质 高产和低消耗它是生产准备和计划调度的主要依据进行准备工作 原材料和毛坯的供应 机床的调整 夹具 量具等专用工艺装备的设计和制造 劳动力组织 生产作业计划编排是新建和扩建工厂 车间的基本技术文件确定生产所需机床的种类和数量 工厂车间的面积 生产工人的工种等 4 制定工艺规程的步骤1 研究产品样图 进行工艺分析2 计算生产纲领 确定生产类型3 选择毛坯4 拟定工艺路线5 确定各工序的加工余量 计算工序尺寸和公差6 确定工艺装备7 确定各主要工序技术要求及检验方法8 确定工序的切削用量和时间定额9 填写工艺文件 1 2 4机械加工余量和工序尺寸机械加工余量 工件加工前后的尺寸之差工序余量 相邻两工序的工序尺寸之差加工总余量 毛坯余量 毛坯尺寸和零件图的设计尺寸之差 其值等于各工序余量总和 根据加工表面形状不同 加工余量分为单边余量 平面加工 即实际切除的金属层厚度双边余量 轴 孔回转面加工 即实际切除的金属层厚度为工序余量的一半 A Zb a bB Zb b aC 2Zb da dbD 2Zb db daZb 2Zb本工序加工余量a da前工序的工序尺寸b db本工序的工序尺寸 加工余量大小要合适大 浪费材料 工时 增加机床和刀具的磨损 降低生产率小 不能修正上道工序的误差和加工痕迹 影响加工质量影响工序余量的因素 前一工序的公差前一工序的表面粗糙度和表面缺陷度前一工序各表面间相互位置的空间偏差本工序的装夹误差确定工序余量的方法 分析计算法 大批量生产中的重要工序经验估算法 类比法单件小批量 1 2 5时间定额与技术经济分析时间定额 完成某一工序所规定的时间 单件生产时间 注 时间定额用单件生产时间计算 为保证生产线的节拍一致 并保证工艺过程按需要的生产率进行 应保证按零件的年生产纲领计算的单件工时tp与按照工艺规程确定的工序单件时间td相等 即 其中 提高劳动生产率的工艺措施 工艺方案的技术经济分析 1 平衡工序单件时间 2 缩短单件时间 包括缩短基本时间 辅助时间 服务时间 准备结束时间等 1 计算分析技术经济指标如 每台仪器生产所需的劳动量 工时 每台生产设备的产量 材料消耗 动力消耗等 2 对不同工艺方案进行工艺成本的分析和比较 生产成本 制造一个零件或一台产品所消耗费用的总和 工艺成本 制造一个零件或一台产品所消耗的 与工艺过程直接有关的费用的总和 包括可变费用V 如 材料费 工人工资 电费 通用机床和通用夹具费用等 和不可变费用S 如 专用机床和专用夹具费用等 年工艺成本E S VN 最佳生产纲领 1 3基准1基准 用来确定生产对象上几何要素间的几何关系所依据的那些点 线 面 在零件的设计和加工过程中 按不同要求选择的点 线 面基准是直接影响零件加工工艺性和各表面尺寸 位置精度的主要因素之一 例 2基准分类按作用和应用场合分类1 设计基准 设计图纸上所采用的用于确定尺寸起始位置的那些点 线 面 体现零件设计的基本要求 2 工艺基准 零件在工艺过程中采用的基准a 工序基准 在工序图上 用以标定加工表面后位置的基准称为工序基准 实际存在或理想几何要素 b 定位基准 工件在机床上或夹具上加工时 用来决定工件在工序尺寸方向上相对刀具确定位置的点 线 面 必须是实际存在的几何要素 粗基准 加工的最初工序中 只能用毛坯上未经加工的表面做定位基准精基准 在以后的工序中 则尽量使用的已加工表面做定位基准 c 装配基准 装配时用来确定需要组装的零部件在产品中相对位置所采用的那些点 线 面 必须是实际存在的几何要素 3 测量基准 测量时所采用的基准 必须是实际存在的几何要素 1 3 2定位的基准选择是设计工艺过程的一项重要意义 涉及工序数目 夹具结构 零件精度 1 粗基准的选择粗基准影响各加工表面的余量分配和不需要加工表面之间的位置精度 1 便于装夹原则考虑定位准确 夹紧可靠 选择加工余量小 较精确光滑 面积较大的毛面 2 余量均匀原则要保证工件某重要表面余量均匀 选择该表面为粗基准 3 相互位置原则保证加工面和不加工面的位置要求 以不加工面作为粗基准 同时在一次装夹下 尽量加工更多的表面 4 一次性原则粗基准只能用一次 毛面定位基准位移误差大 以免产生较大的位置误差 2 精基准的选择考虑因素 如何保证加工精度和装夹准确方便1 基准重合原则尽量选用设计基准为定位基准和测量基准 以消除基准不重合误差的影响 2 基准统一原则零件上所有加工表面 特别是相互位置要求精确的表面 尽可能在多数工序中采用同一组精基准定位 减少装夹次数和夹具数量 轴类零件 两个顶尖孔作为精基准盘类零件 端面及内孔作为精基准箱体零件 底平面和较远的两个孔作精基准3 互为基准原则对空间位置要求高的零件 通常采用互为基准的更迭加工原则 如 精密轴套件的加工 以内圆为基准加工外圆 再以外圆面加工内孔 由粗到精反复进行 图1 12 4 自为基准原则加工余量小而均匀 精加工或光整加工时采用加工表面为定位基准 该表面与其他表面间的位置精度由先行工序保证 如 床身导轨面的磨削 在磨床上安装百分表 床身下装可调支撑 以导轨面为精基准调整找正 如 浮动铰刀铰孔无心磨削外圆 不提高位置精度 但可提高尺寸和形状精度 零件A B C面以及 10H7和 30H7孔均已加工分析加工 12H7孔时 选用那些表面定位合理 工艺尺寸链 工序尺寸及公差的确定1工艺尺寸链在零件的机械加工工艺过程中 各工序的工序尺寸及工序余量在不断变化 其中一些工序尺寸在零件图上往往不标出或不存在 需要在制定工艺过程时予以确定 而这些不断变化的工序尺寸之间又存在一定联系 需要用工艺尺寸链原理分析 确定各工序的工序尺寸 为了加工和检验方便 常需要进行工艺尺寸计算 按照尺寸链的原理将有关尺寸按一定顺序首尾相连 成为一个封闭尺寸链环 构成工艺尺寸链 它是一个封闭环和若干组成环构成 组成环 加工过程中直接获得的尺寸封闭环 加工过程中间接获得的派生尺寸A0组成环分类 增环 尺寸链中其它组成环不变 某一组成环增加 使封闭环也增加 其减小 使封闭环也减小 减环 尺寸链中其它组成环不变 某一组成环增加 使封闭环减小 其减小 而使封闭环增加 Ai 工艺尺寸链特征A封闭性 工艺尺寸彼此首尾相连构成封闭形 B关联性 封闭环随所有组成环变动而变动C封闭环一次性工艺尺寸链简图作法 先从封闭环出发 按照有关尺寸在工序图上的原有位置和顺序依次首尾相接作出代表各有关尺寸的线段 直到尺寸线段的起端和封闭环尺寸的终端形成一个封闭的图形 举例 车削阶梯轴 工艺尺寸链的计算方法 极值法和概率法工艺尺寸链有关参数名称 符号 计算公式封闭环的基本尺寸等于增环基本尺寸之和减去减环基本尺寸之和 封闭环的最大极限尺寸是组成环的增环都是最大极限尺寸 减环都是最小极限尺寸的时候 封闭环的最小极限尺寸和上面相反 即增环最小而减环最大 封闭环的公差为组成环的公差之和 封闭环上偏差为封闭环的最大极限尺寸减去封闭环基本尺寸 等于所有增环上偏差之和减去所有减环下偏差之和 封闭环下偏差为封闭环最小极值尺寸减去封闭环基本尺寸 等于所有增环下偏差之和减去所有减环上偏差之和 2 工序基准与设计基准重合的工序尺寸及公差的确定定位基准与设计基准不重合时的工序尺寸计算基准不重合时 该表面的设计尺寸不能直接得到 要进行有关工序尺寸计算 将计算的工序尺寸标注在工序图上 分析 加工孔o1和o2 K面定位基准 o1孔的设计基准和定位基准重合是k面 o2孔的设计基准o1 定位基准是K o1o2的尺寸是间接得到的 A1减环A2增环A2 ES2 EI2 尺寸链计算求得新的工序尺寸及公差来间接保证封闭环的要求 若设计尺寸A1 20 0 1 孔心距A0 30 0 1时 得到的工序尺寸A2为0 若设计尺寸A1 20 0 15 孔心距A0 30 0 1 不能满足封闭环的公差大于或等于组成环公差之和的关系封闭环公差较大时 需要提高本工序的加工精度 封闭环的公差小于或等于组成环的公差 不仅要提高本工序加工精度 还要提高上工序的加工精度 这样加大了加工难度设计和定位基准重合 3 测量基准与设计基准不重合工序尺寸计算加工或检查零件的某个表面时 有时不便按设计基准直接测量 就要另选测量基准 以间接保证设计尺寸 A2减环A1增环A0 ES0 EI0 假废品 4 零件加工过程中的中间工序尺寸计算中间工序尺寸 与前后工序有关的尺寸1 工序基准是尚待继续加工的设计基准时加工带键槽内孔 加工过程a 镗孔至 39 6b 插键槽 工序基准为镗孔后的内孔母线 工序尺寸为Ac 热处理d 磨内孔至 40 同时保证43 6的设计尺寸 现在要计算工序尺寸A 0 10 0 050 0 340 2 保证应有的渗氮 或电镀等 层深度的工序尺寸计算套筒内壁镀铜 单边厚度0 01 0 03mm 镀后孔径为 20 确定镀前内孔尺寸 0 0520 以工件底面1为定位基准 镗孔2 然后以同样的定位基准镗孔3 设计尺寸25mm不是直接获得的 试分析1 加工后 如果A1 60mm A2 35mm 尺寸25能否保证 2 如果在加工时确定A1的尺寸为60mm A2为何值才能保证尺寸25mm的精度 0 4 0 05 0 4 0 05 0 4 0 05 0 20 0 0 2 0 20 3 2 1 A1 A2 1 4夹具设计原理1 4 1夹具的组成1 工件的装夹方式机床夹具 它是用来在机床上迅速 准确地装夹工件 保证加工中工件与刀具有正确相对位置的一种工艺设备 装夹 将工件在机床上或夹具中定位 夹紧的过程 定位 为保证一个工件加工表面的精度 以及一批工件的加工表面精度一致 那么一个工件放到机床上或夹具上 首先必须占有某一相对刀具及切削成形运动的正确位置 且逐次加工的一批工件都占有相同的正确位置 工件在机床或夹具中的位置确定 夹紧 为了使工件在加工中的切削力 重力 离心力和惯性力等的作用下 保持定位时已经获得的正确位置 必须把工件压紧 夹牢 工件在机床上的装夹方式 1 直接找正法2 划线找正法3 夹具 效率低 找正精度较高 适用单件小批量中形状简单的工件 装夹的方法 位置精度 百分表 通用性好 但效率低 精度不高 适用于单件小批量中形状复杂的铸件 操作简单 效率高 容易保证加工精度 适用于各种生产类型 夹具的分类 专用夹具 专门为某工件加工过程中某一工序而设计通用夹具 有通用性 可用来加工各种形式各种尺寸的零件 如卡盘成组夹具 其特点是夹具的部分元件可以更换 部分装置可以调整 以适应不同零件的加工 用于相似零件的成组加工所用的夹具 称为成组夹具 组合夹具 指按零件的加工要求 由一套事先制造好的标准元件和部件组装而成的夹具 其特点是灵活多变 万能性 通用性 强 制造周期短 元件能反复使用 特别适用于新产品的试制和单件小批生产 随行夹具 随行夹具是一种在自动线上使用的夹具 该夹具既要起到装夹工件的作用 又要与工件成为一体沿着自动线从一个工位移到下一个工位 进行不同工序的加工 机床夹具的组成 1 定位元件 定位装置的作用是使工件在夹具中占据正确的位置 2 夹紧装置 夹紧装置的作用是将工件压紧夹牢 保证工件在加工过程中受到外力作用时不离开已经占据的正确位置 3 夹具体 夹具上的所有组成部分 需要通过一个基础件使其联接成为一个整体 这个基础件称为夹具体 4 对刀 引导元件为了调整刀具的位置 在夹具上设有确定刀具 如铣刀等 位置或引导刀具 孔加工用刀具 方向的元件 5 连接元件 6 其它元件及装置如分度装置等 1 4 2定位原理与自由度分析 六点定位原理完全定位与不完全定位欠定位与过定位 六点定位原理 任何一个自由刚体 在空间均有六个自由度 即沿空间坐标轴X Y Z三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 工件安装时主要紧靠机床工作台或夹具上的这六个支承点 它的六个自由度即全部被限制 工件便获得一个完全确定的位置 工件定位时 用合理分布的六个支承点与工件的定位基准相接触来限制工件的六个自由度 使工件的位置完全确定 称为 六点定位 刚体自由度数目 工件在空间的自由度与工件六点定位 工件的底面在xoy坐标平面内 三个支承点限制三个自由度此面称主定位面 工件的左侧面处在yoz坐标平面内 二个支承点起限制二个自由度 此面称为导向面 工件的后面处在xoz坐标平面内 一个支承点限制一个自由度 此面称为止推面从上述分析可知 要使工件在夹具中完全定位 可用合理分布的六个支承点限制工件的六个自由度 使工件在夹具中占有惟一正确的位置 完全定位 工件的六个自由度完全被限制的定位称为完全定位 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不完全定位 完全定位与不完全定位 欠定位与过定位 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 称为欠定位 在确定工件定位方案时 欠定位是绝对不允许的 工件的同一自由度被二个或二个以上的支撑点重复限制的定位 称为过定位 在通常情况下 应尽量避免出现过定位 过定位 当以两个或两个以上的组合表面定位时 重复定位可能造成不良后果 当以形位精度较低的毛坯面定位时 不允许过定位 为提高定位稳定性和刚度 以加工过的表面定位时 可以出现过定位 消除过定位及其干涉一般有两个途径 其一是改变定位元件的结构 以消除被重复限制的自由度 其二是提高工件定