教学PPT机械制造工艺过程基本概念.ppt

第一章机械制造工艺过程基本概念 一 生产过程和生产系统1 生产过程生产过程是指产品由原材料到成品之间的各个相互联系的劳动过程的总和 包括原材料的运输与管理 生产的准备工作 毛坯的制定 零件的加工 部件和产品的装配 检验 油漆和包装等 1 1生产过程与工艺过程 生产过程特征要求不同产品的生产过程大不一样 同一产品在不同厂家生产其生产过程也各有特点 不完全一样 虽然各个厂家的生产过程各不一样 但有一点是共同的 就是在满足生产质量前提下 使生产效率最高 生产费用最低 实现优质 高效 低成本的有效措施采用多个工厂联合协作 有利于组织专业化的生产 有利于达到这一目的 一个工厂的生产过程是为了便于组织生产和管理 常分为各个车间或分厂的生产过程 一个车间或分厂生产成品 往往又是其它车间或分厂车间的原材料 2 系统及其属性 系统 根据其构成单元和功能的不同有多种不同的定义 较普遍的定义是 系统是由两个或两个以上相互依赖 相互作用 共同配合实现预定功能的各单元组成的有机集合体 如生态系统 水利系统 铁路运输系统 一台机器 一套化工设备 一个工厂都可看成是一个系统 如 铸造和锻造车间的成品就是机械加工车间的 毛坯 机械加工车间的成品 又是装配车间的 原材料 系统具有如下属性 基本特征 集合性 关联性 目的性 环境适应性 集合性 系统是由若干个要素组成 单元既可以是实体 也可以是概念 信息 可以是天然的 也可以是人工的 机床 夹具等 系统中各要素不是简单地相加 只有各要素构成有机整体时系统才具备其功能 一个系统 即使各要素都很优良 如果整体性能差 不能成为一个好系统 反之 一些不算很理想的要素 如果综合得好 可成为具有优良性能的系统 关联性 各个单元要素集合在一起构成的是一个 群体 或 整体 要使这一 群体 成为系统 各单元要素间必然存在相互联系或相互影响 它们的关系可以是物理关系 逻辑关系或法定关系 如社会中上 下级关系 可表现为某个单元从另一个单元接受输入 而其输出又往往是别的单元的输入 如 汽车系统中 发动机 变速箱 传动轴 后桥叉速器 行走轮胎 目的性 为达到一定的目的 系统都具有一定的功能 如 电力系统 目的是向用户供电 它必须具有将其它形式的能转化为电能 进行传输的功能 制造系统 目的是向社会提供产品或设备 它应具有将材料制成各种零件 并装配成产品的功能 测试系统 它通过许多传感器 电器元件 存储器 芯片及电缆导线组成 其目的是对信号进行采集 存贮 分析和处理 环境适应性 任何系统都有一定的边界和环境 与外部环境有一定的联系和相互作用 外部环境的变化与系统是相互影响的 它们之间随时进行着物质 能量 信息的交换 如机械加工系统受周围环境的影响 若系统能找出一种办法进行自我控制 即便外部环境发生了变化 也能始终保持最优状态的系统 这样 系统具有环境适应性 首先来看生产系统的两个子系统 机械加工工艺系统和机械制造系统 3 生产系统 它们彼此关联 相互影响 满足特定加工要求的系统 机械加工工艺系统的组成 1 机械加工工艺系统 金属切削机床刀具夹具工件 该系统的目的 是在特定的生产条件下 适应环境的要求 各要素间相互关联 相互影响 在保证质量和产量前提下 采用合理的工艺过程 降低该工艺的加工成本 要求 从机床 刀具 夹具 工件四个要素的整体出发 综合分析 研究各种有关问题 实现系统的最佳化方案 机械加工工艺系统中的流 物质流能量流信息流 如坯料在各工序间流动加工中机床要耗费电力资源控制着系统中物质要素的动作和流动的工艺文件和数控程序 机械加工工艺系统中 坯料经一工序加工 检验后 然后作为本工序加工完成的零件才传输到下一工序 这样一来 系统中存在物质的流动 我们称之为 物质流 同时在加工中 机床要耗费电力资源 也就是说系统中存在着 能量流 另外 当今电子计算机和自动控制等技术广泛深入到机械加工领域中 如工艺文件通过数控程序和适应性控制模型控制着系统中物质要素的动作和流动 这种要素被称之为 信息流 一个工序很优秀 并不一定能获得零件最低加工成本 必须全盘考虑组成零件加工的各道加工工序 才能实现零件加工的最佳化 这样综合的结果就是机械制造系统 2 机械制造系统 机械制造系统是以整个机械加工车间为更高一级的系统来考虑问题 其整体目的是使该车间能最有效地全面完成全部零件的机械加工任务 它由各机械加工工艺系统要素组成 其中信息流除机械加工工艺系统中工艺参数信息外 还有计划 调度 管理等方面的信息 生产系统是以整个制造工厂为整体来看待的 工厂是社会生产的基层单位 在工厂进行的所有生产活动的总和就构成了一个典型的具有输入和输出的生产系统 工厂 企业 是一个复杂的非线性大动力学系统 为了有效地经营并获得最高的经济效益 就不仅要把原材料 毛坯制造 机械加工 热处理 装配油漆 试车 运输和保管等属于 物质 范畴的要素进行考虑 而且还必须把技术情报 经营管理 劳动力调配 市场动态等信息作为影响系统效果的要素来考虑 3 生产系统 采购订单 物料 生产派工单 资源 设备 人员 信息流过程 资金 支出 收入 物流过程 劳务流 能量流 生产系统除物质流 能量流和信息流外 还包含劳务流和资金流 在工厂内部动态地流动 资金流 物流 收货 领料 生产 入库 发运 物流带动资金流 生产 信息流指挥物流 生产 销售 订单 派工单 采购订单 信息流 物流 资金流的统一 生产 采购订单 销售 订单 派工单 由此可见 生产系统是包含制造系统更高一级的系统 制造系统是生产系统中比较重要的子系统 我们之所以要来分析系统的概念 就是要用系统工程技术的观点来分析所研究的系统及其组成 树立 局部 服从 整体 整体 融于 局部 的观点 以实现整个生产系统的最佳化 1 工艺过程生产过程包含了工艺过程和辅助过程 工艺过程 直接改变工件形状 尺寸 位置 性质 辅助过程 运输 保管 刃磨 设备维护等 工艺过程 生产过程中 按一定顺序逐渐改变生产对象的形状 铸造 锻造等 尺寸 机械加工 位置 装配 和性质 热处理 使其成为预期产品的主要过程 或者与原材料变为成品直接有关的过程 可具体的分为铸造 锻造 冲压 焊接 机械加工 热处理 电镀 装配等工艺过程 本课程主要是研究机械加工工艺过程中的系列问题 二 工艺过程 生产纲领 根据国家计划 市场需要和企业的生产能力编制企业在计划期内应当生产的产品产量和进度计划 产量的组成 需求产品数量 备品数量 废品数量 因此 年生产纲领n可由下式计算 n q n 1 1 q 年产量 台 年 n 每台产品所需该零件数量 件 台 备品率 废品率本生产纲领确定后 就可以根据车间的具体情况按一定期限分批投产 每批投产的零件数量称为批量 1 2生产纲领和生产类型 生产类型 产品有大有小 小到螺钉 大至飞机 大炮 船舶 其特征有的复杂 有的简单 批量和生产纲领也各不相同 1 单件 小批生产特征 产品做得少 只做一件或数件 一个工作地进行多工序和多品种的作业 重型机器 大型船舶 新样机制造属此类型 根据产品的大小 特征 批量和生产纲领 我们通常将产品的生产分成三种生产类型 生产类型 单件 小批生产成批生产大批 大量生产 2 成批生产特征 产品生产数量较多 周期地成批投入生产 一个工作地顺序地 分批地完成不同工件的某些工序 通用机床 数量需求不大 但常更新产品就属此类型 3 大批 大量生产特征 产品生产数量大 需连续不断地进行生产 一个工作地重复不断地进行某工序的加工 如汽车通用件 轴承 螺栓等 自行车等属此类生产类型 生产类型的划分 生产类型不仅决定于生产纲领 而且和产品的大小和复杂程度有关 划分依据可参照下表 表1 1生产类型与生产纲领 年产量 的关系 生产类型重型机械中型机械小型机械单件生产5000 50000 划分生产类型有利于进行生产的规划和管理 大批 大量生产宜广泛采用高产专用机床和自动化生产系统 按流水线或自动生产线排列进行生产 可大大提高生产率 从而降低成本 提高竞争力 单件 小批生产宜采用通用性好的机床进行生产 以减少设备投资 从而降低成本 划分生产类型的意义 随着科技的发展和人民生产水平的提高 人们对产品的样式要求越来越高 而同一样式的数量越来越少 同一产品获取较高利润 有效寿命 愈来愈短 因此要求制造系统具有高效生产能力 又具快速转产的 柔性 特性 既是由计算机赋予的 零件变更时只需变换其 程序 不必改动设备 传统的专用机和生产线 对一种产品有较高的生产效率 但很难适应新产品的需要 因此 它是有很大的 刚性 即专用性 而数控机床 加工中心能很好地适用于当今产品多品种 少批量生产自动化的要求 1 定位 在进行机加工前 使工件在机床或夹具上 占据某一正确位置的过程 2 夹紧 工件定位后 通过一定的机构给工件施以一定的力 避免工件因受切削力或重力等力的作用而改变原有的位置 注 夹紧力不是越大越好 夹紧力 工件形变 精度 夹具结构庞大 1 3工件的定位与基准 一 工件的装夹 定位夹紧 1 装夹的概念 2 安装对机加工的影响 直接影响加工精度 影响生产率和劳动者的劳动强度 3 工件的安装方式 1 直接找正安装 2 划线找正安装 3 采用夹具安装 工件在机床上的应有位置 是通过一系列尝试而获得的 具体做法 用千分尺或划盘上的划针 以目测法校正工件位置 一边校正 一边找正 1 直接找正安装 工件装夹 直接找正安装的特点 缺点 安装时费时 效率低 需凭经验操作 对工人技术要求高 优点 夹具结构简单 可避免因夹具本身的制造误差而产生的定位误差 因此 定位精度高 如 加工误差 0 01 0 005mm 采用夹具加工难以达到 适用场合 单件小批生产中 如工具修理车间 2 划线找正安装对重 大 复杂工件的加工 往往是在待加工处划线 然后装上机床 工件在机床或夹具上位置按所划的线进行找正定位 划线找正安装特点 定位精度不高 定位误差来源 划线误差 观察误差适用场合 生产批量小 毛坯精度低 以及大型工件等不适宜采用夹具的粗加工中 3 采用夹具安装夹具 是用来使加工对象 占有正确位置 以便接受施工 检测的装置 利用夹具进行加工 由于工件相对夹具的位置是一定的 而夹具与机床的位置关系预先调整好 这样 在切削一批零件时 不必再逐个找正定位 就能达到规定的技术要求 特点 采用夹具安装是一种先进的安装方式 既能保证质量 又能节省工时 对操作者的技能要求较低 特别适用于成批大量生产中 工艺装备 在机械加工中 通常将夹具 刀具 量具及各种刀具间的辅助工具统称为工艺装备 工件装夹 工件在夹具上装夹 滚齿夹具 二 基准 1 基准概念 我们知道零件总是由若干表面组成 各表面之间总有一定的尺寸和相互位置要求 基准 就零件零件而言 就是用来确定该零件上其他点 线 面所依据的那些点 线 面 设计基准 零件图上用以确定其它点 线 面的基准 设计基准是尺寸标注的起始点 基准关系是可逆的 拟定多种定位方案 进行比较择优 选定基准的方法 基准分类 设计基准工艺基准 按其作用的不同分为 工艺基准又可分为 工序基准定位基准度量基准装配基准 定位基准 在加工时使工件在机床或夹具上占有正确位置所采用的基准 定位基准可分为 粗 精 辅助基准 装配基准 装配时用来确定零件或部件在机器上位置的表面 工艺基准 在加工和装配中使用的基准 度量基准 检验时用来确定被测零件在度量工具上位置的表面 工序基准 确定本工序被加工表面加工后的尺寸 形状 位置所采用的基准 各种基准 作为基准的点 线 面在工件上不一定存在 如中心线 槽的对称平面 平面的交线等 但若选作为定位基准 则必须由某些具体表面来体现 即基面 如轴的中心孔 体现的定位基准是轴心线 以上均以长度尺寸关系讨论基准的问题 对于位置要求 如平行度 垂直度等均具有同样的基准关系 对基准的两点说明 粗基准 选用毛坯表面来定位的基准 在第一道工序中只能选用毛坯表面来定位 精基准 采用已加工过的表面来定位的基准 在第一道工序之后的各工序中 2 定位基准 设计基准在零件的工程图中已经标出 加工中是否就是以设计基准作为定位基准呢 回答是否定的 定位基准有粗 精 辅助基准之分 辅助基准 有时会遇到这种情况 工件上没有能作为定位基准用的恰当表面 而在工件上专门设置或加工出定位表面 常用的有工艺孔和工艺塔子 辅助基准在零件上不起作用 纯粹是为了工艺上的需要 加工完毕后 若有需要 如有碍外观等 可予以去除 粗基准和精基准所起作用不同 两者的选择原则也不一样 三 工件的定位原理 任何刚体在空间都有六个自由度 它们分别是沿空间直角坐标系x y z轴方向的移动自由度 x y z 和绕三轴的转动自由度 x y z 1 刚体的六个自由度 工件在空间的六个自由度 不定度 是使工件在机床上 或夹具中 占有正确的位置 也就是使它相对于刀具刀刃有正确的相对位置 2 工件定位之目的 假定工件也是一个刚体 要使工件在机床上 或夹具中 完全定位 就必须限制它在空间的六个自由度 3 工件定位的实质 若工件脱离定位支承点而失去了定位 这是由于工件还没有夹紧的缘故 因此 定位是使工件占有一个正确的位置 夹紧才使它不能移动和转动 把工件保持在一个正确的位置 所以定位与夹紧是两个概念 决不能混淆 4 定位与夹紧 由此工件定位可归纳为以下三点 1 一个工件在空间有六个不定度 2 运用各种定位元件限制工件某一方向上的不定度 工件在该方向上的位置就确定了 3 通过多个定位元件的组合 限制一定数目的不定度 才可满足该工序的加工精度要求 六点定位原理 要确定其空间位置 就需要限制其6个自由度 将6个支承抽象为6个 点 6个点限制了工件的6个自由度 工件既不能移动 也不能转动 刚体在空间的位置是确定的 由此可见 要使工件完全定位就必须限定工件在空间的六个自由度 这就是六点定位原理 与理论力学 机构学自由度概念差别 位置不定度 工件 夹具是弹性体 两点注意 点 的含义 对自由度的限制 与实际接触点不同 定位原理 工件定位一般有下述四种情况 完全定位不完全定位欠定位过定位在工件定位分析中 常将定位元件抽象为定位支承点 完全定位 全部限定工件的六个自由度 不完全定位 至少有一个自由度未被限制 是否所有的工件加工时在夹具中都必须完全定位呢 不一定 究竟应该限制哪几个自由度 根据零件的具体加工要求来定 因我们讨论的是调整法定程切削加工 即刀具或工作台的行程调整至规定的距离为止 这样 在哪一个方向上有尺寸要求 就必须限制与此尺寸方向有关的自由度 否则用定程切削 就得不到该工序所要求的加工尺寸 5 完全定位和不完全定位 工件的6个自由度均被限制 称为完全定位 工件6个自由度中有1个或几个自由度未被限制 称为不完全定位 完全定位与不完全定位 不完全定位主要有两种情况 工件本身相对于某个点 线是完全对称的 则工件绕此点 线旋转的自由度无法被限制 即使被限制也无意义 例如球体绕过球心轴线的转动 圆柱体绕自身轴线的转动等 工件加工要求不需要限制某一个或某几个自由度 如加工平板上表面 要求保证平板厚度及与下平面的平行度 则只需限制3个自由度就够了 定位原理 完全定位 工件在夹具中定位时 六个不定度均被限制 称为完全定位 定位原理 完全定位与不完全定位 工件应限制的自由度 图 a 中 工件上铣键槽 在沿x y z三个轴的移动和转动方向上都有尺寸要求 所以加工时必须将全部六个自由度限制 图 b 为工件上铣台阶面 只要限制五个自由度就够了 图 c 为工件铣上平面 它只需保持高度尺寸z 只要在工件底面上限制三个自由度就已足够 这也是 不完全定位 注 不需完全定位的加工工序中 采用完全定位固然可以 但增加了夹具的复杂程序 在机械加工中 一般为了简化夹具的定位元件结构 只需要对影响本工序加工尺寸的自由度加以限制即可 定位原理 6 过定位与欠定位 分析 工件的定位支承点少于应限制的自由度数时 会造成什么后果 结果 应限制的自由度未被限制 导致加工时达不到要求的加工精度 定位原理 欠定位 工件加工时必须限制的自由度未被完全限制 称为欠定位 欠定位不能保证工件的正确安装 因而是不允许的 定位原理 过定位 过定位 工件某一个自由度 或某几个自由度 被两个 或两个以上 约束点约束 称为过定位 过定位是否允许 要视具体情况而定 1 如果工件的定位面经过机械加工 且形状 尺寸 位置精度均较高 则过定位是允许的 有时还是必要的 因为合理的过定位不仅不会影响加工精度 还会起到加强工艺系统刚度和增加定位稳定性的作用 2 反之 如果工件的定位面是毛坯面 或虽经过机械加工 但加工精度不高 这时过定位一般是不允许的 因为它可能造成定位不准确 或定位不稳定 或发生定位干涉等情况 定位原理 过定位分析 桌子与三角架 过定位分析 定位原理 过定位分析 过定位示例 定位原理 一面两孔定位分析 一面两孔定位干涉分析 定位原理 一般来说过定位将使工件定位不确定 夹紧后会使工件或定位元件产生变形 定位原理 定位情况 销 限制了xy 移动 xy 转动 四个自由 支承板 限制z 移动 xy 转动 三个自由度 挡销 限制z 转动 结果 xy重复限制 后果 当工件定位孔与端面垂直度误差较大 而且孔与长销的间隙又很小时 若长销刚度好 工件被压歪 连杆变形 若长销刚度不足时 长销被夹歪 两种情况均会引起所加工左孔的位置精度 使连杆大小头孔轴心线不能平行 当以两个或两个以上的组合表面定位时 过定位可能造成不良后果 为减少过定位造成的加工误差 可采取如下措施 1 改变定位元件结构 2 撤消重复定位的定位元件 3 提高工件定位基准之间 定位元件定位面之间的位置精度 讨论 分析图示定位方案 各方案限制的自由度 有无欠定位或过定位 对不合理的定位方案提出改进意见 图2 23过定位分析 定位原理 图2 23a过定位示例分析 定位原理 图2