第三章 数控加工工艺

第三章数控加工的工艺基础 内容提纲 第一节机械加工工艺规程 第二节定位基准的选择 第三节机械加工工艺路线 第四节机械加工工序的设计 第五节典型零件加工工艺分析 一 生产过程与机械加工工艺过程生产过程 是由原材料 或半成品 变为产品的过程 因此一个工厂的生产过程 又可按车间分成若干个车间的生产过程 第一节机械加工工艺规程 工艺过程 生产过程中直接改变加工对象的尺寸 形状 表面质量 性能以及相对位置关系的过程 工艺过程是生产过程的一部分 生产过程 机械加工工艺过程是由若干个顺次排列的工序组成 1 工序是指一个 或一组 工人在同一个工作地对一个 或同时对几个 工件连续完成的那一部分工艺过程 工人 工作地和工件三不变加上连续完成是构成工序的四个要素 工序是组成工艺过程的基本单元 二 机械加工工艺过程的组成 实例一 阶梯轴加工工艺过程 参考 大批量生产的工艺过程 工件在加工前 在机床或夹具中相对刀具应有一个正确的位置并给予固定 这个过程称为装夹 一次装夹所完成的那部分加工过程称为安装 安装是工序的一部分 在同一工序中 安装次数应尽量少 既可以提高生产效率 又可以减少由于多次安装带来的加工误差 2 安装 工件在机床上占据每一个位置所完成的加工 3 工位 指在加工表面 刀具和切削速度和进给量均保持不变的情况下完成的部分内容 4 工步 复合工步示例 工序 安装 工位 工步和走刀之间的关系如下 是规定产品或零部件制造工艺过程和操作方法等的工艺文件 工艺规程中包括各个工序的排列顺序 加工尺寸 公差及技术要求 工艺装备及工艺措施切削用量及工时定额 工人等级等 1 机械加工工艺规程 三 机械加工工艺规程 1 机械加工工艺过程卡片 以工序为单位 主要列出零件加工的工艺路线和工序内容的概况 指导零件加工的流向 在单件小批生产中 通常不编制较详细的工艺文件 而以这种卡片指导生产 机械加工工艺过程卡片 2 机械加工工序卡片 是根据每一道工序制定的 详细地标识该工序的加工表面 工序尺寸及公差 定位基准 装夹方式 刀具 工艺参数等信息 绘有工序简图和工艺内容的符号 是指导工人操作的重要工艺文件 主要用于大批量生产或成批生产中较重要的零件 主要有以下几方面 1 工艺规程是指导生产的主要技术文件 2 工艺规程是生产组织和生产管理工作的依据 3 工艺规程是新建 扩建或改建机械制造厂的主要技术资料 2 工艺规程的作用 四 制订机械加工工艺规程的准备性工作 1 生产纲领零件的生产纲领可按下式计算 N零 N n 1 a 1十 一 生产纲领和生产类型 2 生产类型 可以反映企业生产专门化程度 分为三类 单件生产成批生产 小批 中批 大批 大量生产 二 零件的工艺分析 1 分析 审查零件图样和产品的装配图1 检查零件图的完整性和正确性检查内容 检查零件视图是否正确 足够 表达是否直观 清楚 绘制是否符合国家标准 尺寸 公差以及技术要求的标注是否齐全 合理等 2 零件的技术要求分析包括内容 精度 加工表面的粗糙度以及表面质量方面的其它要求 热处理要求 要注意分析这些要求在保证使用性能的前提下是否经济合理 在现有生产条件下能否实现 特别要分析主要表面的技术要求 3 零件的材料分析分析所提供的毛坯材质本身的机械性能和热处理状态 毛坯的铸造品质和被加工部位的材料硬度 是否有白口 夹砂 疏松等 判断其加工的难易程度 为选择刀具材料和切削用量提供依据 图a 图b 图c 4 合理的标注尺寸 图d 图e 正确 2 零件的结构工艺性分析 概念 零件的结构工艺性是指在满足使用性能的前提下 是否能以较高的生产率和最低的成本方便地加工出来的特性 可行性与经济性 零件的结构工艺性分析应考虑几方面 1 有利于达到所要求的加工质量 合理确定零件的加工精度与表面质量 保证位置精度的可能性图 2 有利于减少加工劳动量 尽量减少不必要的加工面积图 尽量避免或简化内表面的加工图 3 有利于提高劳动生产率 转下页 3 有利于提高劳动生产率 零件的有关尺寸应力求一致 并能用标准刀具加工 图 减少零件的安装次数图 零件的结构应便于加工图 避免在斜面上钻孔和钻头单刃切削图 便于多刀或多件加工图 第二节定位基准的选择 1 机械加工中获得工件尺寸精度的方法 试切法 定尺寸刀具法 调整法 自动控制法 获得加工精度的方法 轨迹法 成形法 展成法 利用切削运动中刀尖的运动轨迹形成被加工表面的形状 这种加工方法所能达到的形状精度 主要取决于这种成形运动的精度 利用成形刀具切削刃的几何形状切削出工件的形状 这种加工方法所能达到的精度 主要取决于切削刃的形状精度与刀具的装夹精度 利用刀具和工件作展成切削运动时 刀刃在被加工表面上的包络面形成成形表面 这种加工大法所能伏到的精府 主要取决干机床展成运动的传动链精度与刀具的制造精度等因素 选择定位基准主要是为了保证零件加工表面之间以及加工表面与未加工表面之间的相互位置精度 定位基准 粗基准 精基准 辅助基准 定位基准的选择 1 基准重合的原则 2 基准不变的原则 3 互为基准 反复加工的原则 4 自为基准的原则 5 应能使工件装夹稳定可靠 夹具简单 精基准的选择 尽量选择工序基准 或设计基准 为定位基准 这样可以减少由于定位不准确引起的加工误差 a b c 尽可能使各个工序的定位基准相同 如轴类零件的整个加工过程中大部分工序都以两个顶尖孔为定位基准 齿轮加工的工艺过程中大部分工序以内孔和端面为定位基准 箱体加工中 若批量较大 大部分工序以平面和两个销孔为定位基准 2 基准不变的原则 当两个表面相互位置精度要求较高时 则两个表面互为基准反复加工 可以不断提高定位基准的精度 保证两个表面之间相互位置精度 如加工套筒类 当内 外圆柱表面的同轴度要求较高时 先以孔定位加工外圆 再以外圆定位加工孔 反复加工几次就可大大提高同轴度精度 3 互为基准 反复加工的原则 当精加工或光整加工工序要求余量小而均匀时 可选择加工表面本身为精基准 以保证加工质量和提高生产率 如精铰孔时 铰刀与主轴采用浮动连接 加工时是以孔本身为定位基准 又如磨削床身导轨面时 常在磨头上装百分表以导轨面本身为基准来找正工件 或者用观察火花的方法来找正工件 应用这种精基准加工工件 只能提高加工表面的尺寸精度 不能提高表面间的相互位置精度 后者应由先行工序保证 4 自为基准的原则 箱体加工的精基准的选择 5 应能使工件装夹稳定可靠 夹具简单 1 选择要求加工余量小而均匀的重要表面为粗基准 以保证该表面有足够而均匀的加工余量 2 某些表面不需加工 则应选择其中与加工表面有相互位置精度要求的表面为粗基准 3 选择比较平整 光滑 有足够大面积的表面为粗基准 不允许有浇 冒口的残迹和飞边 以确保安全 可靠 误差小 4 粗基准在一般情况下只允许在第一道工序中使用一次 尽量避免重复使用 因为粗基准的精度和粗糙度都很差 如果重复使用 则不能保证工件相对刀具的位置在重复使用粗基准的工序中都一致 因而影响加工精度 粗基准的选择 床身加工粗标准的选择 以不加工表面为粗基准 拟定零件机械加工工艺路线时 要解决的主要问题有 一 零件各表面的加工方法及使用设备的选择 二 加工阶段的划分 三 工序的集中和分散 四 工序的安排 第三节机械加工工艺路线 1 各种加工方法的经济加工精度和粗糙度所谓某种加工方法的经济精度 是指在正常的工作条件下 包括完好的机床设备 必要的工艺装备 标准的工人技术等级 标准的耗用时间和生产费用 所能达到的加工精度 与经济加工精度相似 各种加工方法所能达到的表面粗糙度也有一个较经济的范围 一 加工方法的选择 决定加工方法时要考虑被加工材料的性质 首先要根据每个加工表面的技术要求 确定加工方法及加工方案 2 加工方法和加工方案的选择 选择加工方法还要考虑本厂 或本车间 的现有设备情况及技术条件 应该充分利用现有设备 挖掘企业潜力 发挥工人群众的积极性和创造性 有时虽有该项设备 但因负荷的平衡问题 还得改用其它的加工方法 选择加工方法要考虑到生产类型 即要考虑生产率和经济性的问题 表格应用的举例 要求孔的加工精度为IT7级 粗糙度 1 6 3 2um 确定孔的加工方案 钻一扩一粗铰一精铰 粗镗一半精镗一精镗 方案 用得最多 在大批 大量生产中常用在自动机床或组合机床上 在成批生产中常用在立钻 摇臂钻 六角车床等连续进行各个工步加工的机床上 该方案一般用于加工小于30mm的孔径 工件材料为未淬火钢或铸铁 不适于加工大孔径 否则刀具过于笨重 方案 用于加工毛坯本身有铸出或锻出的孔 但其直径不宜太小 否则因镗杆太细容易发生变形而影响加工精度 箱体零件的孔加工常用这种方案 粗镗一半精镗一粗磨一精磨 钻 扩 一拉 方案 适用于淬火的工件 方案 适用于成批或大量生产的中小型零件 其材料为未淬火钢 铸铁及有色金属 机床工作区域的尺寸应当与零件的外廓尺寸相适应 也就是根据零件的外廓尺寸来选择机床的形式和规格 以便充分发挥机床的使用性能 机床的精度应该与工件要求的加工精度相适应 机床精度过低 不能满足工件加工精度的要求 过高 则是一种浪费 二 设备的选择 机床的功率刚度和工作参数应该与最合理的切削用量相适应 粗加工时选择有足够功率和足够刚度的机床 以免切削深度和进给量的选用受限制 精加工时选择有足够刚度和足够转速范围的机床 以保证零件的加工精度和粗糙度 机床生产率应该与工件的生产类型相适应 对于大批 大量生产 宜采用高效率机床 专用机床 组合机床或自动机床 对于单件小批生产 一般选择通用机床 1 粗加工阶段 2 半精加工阶段 是加工开始阶段 在这个阶段中 尽量将零件各个被加工表面的大部分余量从毛坯上切除 这个阶段主要问题是如何提高生产率 这一阶段为主要表面的精加工做好准备 切去的余量 并达到一定的 为精加工留有一定的余量 在此阶段还要完成一些次要表面的加工 如钻孔 攻丝 铣键槽等 三 加工阶段的划分 3 精加工阶段 4 光整加工阶段 在这个阶段将切去很少的余量 保证各主要表面达到较高的精度和较低的粗糙度值 精度7 10级 0 8 3 2m 主要是为了得到更高的尺寸精度和更低的粗糙度值 精度5 9级 只从被加工表面上切除极少的余量 在粗加工阶段 由于切除大量的多余金属 可以及早发现毛坯的缺陷裂纹 气孔等 以便及时处理 避免过多浪费工时 粗加工阶段容易引起工件的变形 这是由于切除余量大 一方面毛坯的内应力重新分布而引起变形 另一方面由于切削力 切削热及夹紧力都比较大 因而造成工件的受力变形和热变形 为了使这些变形充分 应在粗加工之后留有一定的时间 然后再通过逐步减少加工余量和切削用量的办法消除上述变形 将工艺过程划分粗 精加工阶段的原因是 划分加工阶段可以合理使用机床 如粗加工阶段可以使用功率大 精度较低的机床 精加工阶段可以使用功率小 精度高的机床 这样有利于充分发挥粗加工机床的动力 又有利于长期保持精加工机床的精度 划分加工阶段可在各个阶段中插人必要的热处理工序 如在粗加工之后进行去除内应力的时效处理 在半精加工后进行淬火处理等 三 工序的划分 工序集中 工序分散 将若干个工步集中在一个工序内完成 因此一个工件的加工 只须集中在少数几个工序内完成 最大限度的集中是在一个工序内完成工件所有表面的加工 工序的数目多 工艺路线长 每个工序所包括的工步少 最大限度的分散是在一个工序内只包括一个简单的工步 工件各表面的加工顺序 一般按照下述原则安排 4 先平面加工后孔加工 1 先粗加工后精加工 2 先基准面加工后其它面加工 3 先主要表面加工后次要表面加工 1 加工顺序的确定 四 工序的安排 为了改善工件材料的机械性能和切削性能 在加工过程中常常需要安排热处理工序 分为 预备热处理 时效处理和最终热处理 2 热处理及表面处理工序的安排 一 加工余量的概念 为了保证零件图上某平面的精度和粗糙度值 需要从其毛坯表面切去全部多余的金属层 这一金属层的总厚度称为该表面的加工总余量 每一工序所切除的金属层厚度称为工序余量 可见某表面的加工总余量与该表面工序余量之间的关系为 式中n 加工该表面的工序 或工步 数目 第四节机械加工工序的设计 1 上工序表面质量Ra Da 的影响 在上工序加工后的表面上或毛坯表面上 存在着表面微观粗糙度值Ra和表面缺陷层Da 包括冷硬层 氧化层 裂纹等 必须在本工序中切除 Ra Ta的大小与所用的加工方法有关 二 影响加工余量的因素 它包括各种几何形状误差如锥度 椭圆度 平面度等 的大小可根据选用的加工方法所能达到的经济精度 查阅 金属机械加工工艺人员手册 确定 2 上工序尺寸公差 Ta 的影响 a 为外表面 被包容面 加工 本工序的基本余量为 加工余量与工序公差的关系 它包括轴线的直线度 位移及平行度 轴线与表面的垂直度 阶梯轴内外圆的同轴度 平面的平面度等 为了保证加工质量 必须在本工序中给予纠正 的数值与上工序的加工方法和零件的结构有关 可用近似计算法或查有关资料确定 若存在两种以上的空间偏差时可用向量和表示 3 上工序各表面相互位置空间偏差 的影响 此误差除包括定位和夹紧误差外 还包括夹具本身的制造误差 其大小为三者的向量和 它将直接影响被加工表面与刀具的相对位置 因此有可能因余量不足而造成废品 所以必须给予余量补偿 4 本工序加工时装夹误差 b 的影响 影响加工余量的因素 1 计算法 根据上面所述各种因素对加工余量的影响 对称表面 双边 如孔或轴 的基本余量为 或非对称表面 单边 如平面 的基本余量为 三 确定加工余量的方法 工厂中广泛应用这种方法 表格是以工厂的生产实践和试验研究所积累的数据为基础 并结合具体加工情况加以修正后制定的 如 金属机械加工工艺人员手册 2 查表法 手册查阅 主要用于单件小批生产 靠经验确定加工余量 因此不够准确 为保证不出废品 余量往往偏大 3 经验法 1 尺寸链概念 工件在加工中 检验或装配过程中所形成的具有相互联系并按一定顺序排列的封闭的尺寸链环 四 尺寸链 1 按尺寸链的应用范围分 工艺尺寸链在加工过程中 工件上各相关的工艺尺寸所组成的尺寸链 装配尺寸链在机器设计和装配过程中 各相关的零部件间相互联系的尺寸所组成的尺寸链 2 尺寸链的分类 2 按尺寸链中各组成环所在的空间位置分 线性尺寸链尺寸链中各环位于同一平面内且彼此平行 平面尺寸链尺寸链中各环位于同一平面或彼此平行的平面内 各环之间可以不平行 平面尺寸可以转化为两个相互垂直的线性尺寸链 空间尺寸链 如图中所示 A B面在上一道工序中已经加工完成 本道工序加工C面 A面为定位基准 也是加工C面的工序基准 B面为设计基准 A与B面不重合 故通过保证工序尺寸A来保证设计尺寸A0 3 尺寸链计算的基本公式 1 封闭环基本尺寸计算 式中m 组成环环数 Ai 第i环的基本尺寸 i 第i环的传递系数 图6尺寸链计算 1 极值法 2 封闭环最大和最小尺寸计算 结论 封闭环的最大值等于所有增环的最大值之和减去所有减环的最小值之和 封闭环的最小值等于所有增环的最小值之和减去所有减环的最大值之和 应用极值法解尺寸链 具有简便 可靠等优点 但当封闭环公差较小 环数较多时 则各组成环公差就相应地减小 造成了加工困难 成本增加 为了扩大组成环的公差 以便加工容易 可采用概率法解尺寸链以确定组成环的公差 而不用极值法公式T0与Ti的关系式确定 2 概率法 4 工艺尺寸链的应用 一 定位基准与设计基准不重合时 如图主轴箱体主轴孔的加工 底面 是设计基准 尺寸 是设计尺寸 其中 和 的尺寸分别为 A 600 0 20mm B 350 0 30mm 零件加工时为了保证主轴孔的精度 镗孔时以顶面 为定位基准 从而使镗模能安置中间导向支承 一 定位基准与设计基准不重合时 解题步骤如下 step1 画出尺寸链图 step2 确定封闭环 封闭环 step3 确定组成环中增环与减环 增环 减环 step4 利用工艺尺寸链原理与公式求未知环 的求解步骤如下 基本尺寸C A B 600 350 250mm 已知 A 600 0 20mm B 350 0 30mm 封闭环 增环 减环 2 上 下偏差ES C EI A EI B 0 2 0 3 0 1mmEI C ES A ES B 0 2 0 3 0 1mm C 250 0 1mm step5 验算 T B T A T C 0 60mm 结论 计算正确 分析 如果本工序采用基准重合原则 既以面2定位 则工序尺寸的公差为 0 30mm 0 60mm 而以上基准不重合时 工序尺寸的公差为 0 01mm 0 20mm 可见 这比基准重合时的公差值小 即加工该道工序尺寸C要求高 使得加工困难度提高 由此可知 在制定加工工艺时 应尽量采用基准重合原则 二 测量基准与设计基准不重合时 如图所示某套筒类零件 设计尺寸为50 0 0 17 mm和10 0 0 36 mm而大孔的深度则无明确精度要求 只要以上两个尺寸加工合格 就