机械制造工艺基础知识

机械制造工艺的基础知识 基本概念 生产过程 工艺过程 机械加工工艺过程 生产过程包括 产品设计 生产准备 原材料的运输和保管 毛坯制造 机械加工 热处理 装配和调试 检验和试车 喷漆和包装等 生产过程 生产过程的实质是由原材料 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 零件的机械加工工艺过程 工艺路线或工艺流程 用机械加工的方法 直接改变原材料或毛坯的形状 尺寸和性能等 使之变为合格零件 工艺过程 将零件装配成部件或产品的过程 称为装配工艺过程 机械制造工艺的基础知识 一个 或一组 工人 在一个固定的工作地点 一台机床或一个钳工台 对一个 或同时对几个 工件所连续完成的那部分工艺过程 称为工序 它是工艺过程的基本单元 又是生产计划和成本核算的基本单元 工艺过程的组成 工艺过程是由一个或若干个依次排列的工序所组成 毛坯顺次通过这些工序就变成了成品或半成品 工序 若生产批量比较小则其加工工艺过程可由六个工序组成 如下表所示 棒料毛坯依次通过这六个工序就变成阶梯轴的产品零件 阶梯轴 阶梯轴加工工艺过程 阶梯轴加工工艺过程 同样加工上述零件 若生产批量比较大时 其加工工序如下 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 安装 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 每一个工序可能有一次安装 也可能有几次安装 如表5 l中第一工序 若对一个工件的两端连续进行车端面 钻中心孔 就需要两次安装 分别对两端进行加工 每次安装有两个工步 车端面和钻中心孔 采用多工位加工 可以提高生产率和保证被加工表面间的相互位置精度 工位 为减少工序中的装夹次数 常采用回转工作台或回转夹具 使工件在一次安装中 可先后在机床上占有不同的位置进行连续加工 每一个位置所完成的那部分工序 称一个工位 当其中有一个因素变化时 则为另一个工步 当同时对一个零件的几个表面进行加工时 则为复合工步 工步是工序的组成单位 在被加工的表面 切削用量 指切削速度 背吃刀量和进给量 切削刀具均保持不变的情况下所完成的那部分工序 称工步 工步 被加工的某一表面 由于余量较大或其它原因 在切削用量不变的条件下 用同一把刀具对它进行多次加工 每加工一次 称一次走刀 走刀 生产类型对工艺过程有着重要影响 当生产类型不同时 生产组织和生产管理 车间的机床布置 毛坯的制造方法 采用的工艺装备 刀 夹 量具 加工方法以及工人的熟练程度等都有很大的不同 因此在制订工艺路线之前必须明确该产品的生产类型 生产类型对工艺过程的影响 零件的生产纲领可按下式计算 N零 N n 1 a 1十 式中N零 零件的生产纲领 件 年 N 产品的生产纲领 台 年 n 每台产品中包含该零件的数量 件 台 a 该零件备件的百分率 该零件废品的百分率 根据零件的生产纲领确定零件的生产类型 划分生产类型的参考数据 划分生产类型 既要根据生产纲领 同时还要考虑零件的体积 质量等因素 1 单件生产 生产类型是指企业 或车间 工段 班组 工作地 生产专业化程度的分类 一般分为 单个地生产不同结构和不同尺寸的产品 并且很少重复 例如 重型机器制造 专业设备制造和新产品试制等 生产类型 成批生产 一年中分批地制造相同的产品 制造过程有一定的重复性 例如 机床制造就是比较典型的成批生产 每批制造的相同产品的数量称为批量 根据批量的大小 成批生产又可分为 小批生产 其工艺过程的工艺特点和单件小批生产相似 大批生产 其工艺过程的特点和大量生产相似 中批生产 其工艺过程的特点则介于单件小批生产和大批大量生产之间 大量生产 例如 汽车 拖拉机 轴承等的制造通常都是以大量生产的方式进行 产品数量很大 大多数工作地点经常重复地进行某一个零件的某一道工序的加工 各种生产类型的工艺过程的特点可归纳成表 返回 确定毛坯的种类 与零件的结构形状 尺寸大小 材料的机械性能和零件的生产类型及毛坯车间的具体生产条件有关 铸件 包括铸钢 铸铁 有色金属及合金的铸件等 铸件毛坯的形状可以相当复杂 尺寸可以相当大 且吸振性能较好 但铸件的机械性能较低 一般壳体零件的毛坯多用铸件 锻件 机械性能较好 有较高的强度和冲击韧性 但毛坯的形状不宜复杂 如轴类和齿轮类零件的毛坯常用锻件 型材 包括圆形 方形 六角形及其它断面形状的棒料 管料及板料 棒料常用在普通车床 六角车床及自动和半自动车床上加工轴类 盘类及套类等中小型零件 冷拉棒料比热轧棒料精度高且机械性能好 但直径较小 板料常用冷冲压的方法制成零件 但毛坯的厚度不宜过大 焊接件 对尺寸较大 形状较复杂的毛坯 可采用型钢或锻件焊接成毛坯 但焊接件吸振性能差 容易变形 尺寸误差大 工程塑料 它是近年来在机械制造业中普遍推广的一种毛坯 其形状可以很复杂 尺寸精度高 但机械性能差 返回 在单件小批生产中 一般采用木模手工砂型铸造和自由锻造 因此毛坯的精度低 成本高 废品率高 切削加工劳动量大 毛坯的选择 在大批 大量生产中 常采用精度和生产率较高的毛坯制造方法 如金属型铸造 精密铸造 模锻 冷冲压 粉末冶金等 使毛坯的形状更接近于零件的形状 因此可大量减少切削加工的劳动量 甚至可不需要进行切削加工 从而提高了材料的利用率 降低了机械加工的成本 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 加工余量的确定 工件加工余量的大小 将直接影响工件的加工质量 生产率和经济性 例如加工余量太小时 不易去掉上道工序所遗留下来的表面缺陷及表面的相互位置误差而造成废品 加工余量太大时 会造成加工工时和材料的浪费 甚至因余量太大而引起很大的切削热和切削力 使工件产生变形 影响加工质量 影响加工余量的因素 5 5 2 1上工序表面质量Ra Ta 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Ta 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 Ra的数值可参考表5 7 5 8 5 9 Ta的数值可参考 表5 10 表5 10各种加工方法ta的数值 um 上工序尺寸公差 Ta 的影响 图5 12 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 加工余量与工序尺寸公差之间的关系见 图5 12加工余量与工序公差的关系 a 为外表面 被包容面 加工 本工序的基本余量为 5 5 2 3上工序各表面相互位置空间偏差 的影响 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 5 5 2 4本工序加工时装夹误差 b 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 空间偏差与装夹误差在空间是有不同方向的 二者对加工余量的影响应该是向量和 为上述各种因素对车削轴类零件加工余量影响的示意图 图5 13 图5 13影响加工余量的因素 观看动画 5 5 3确定加工余量的方法 5 5 3 1计算法 根据上面所述各种因素对加工余量的影响 并由图5 13可得出下面的计算公式 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 5 5 3 2查表法 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 5 5 3 3经验法 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 5 7工序尺寸的确定 零件图上的尺寸 公差是毛坯经过加工之后最终达到的尺寸 在加工过程中 各工序所达到的尺寸称工序尺寸 也就是在工序图上所标注的尺寸 5 7 l用计算法确定工序尺寸工序尺寸的计算可分为四种 1 经过几道工序加工所形成的表面的工序尺寸计算 2 工序基准与设计基准不重合而弓l起的工序尺寸计算 3 从尚需继续加工表面标注的工序尺寸计算 4 对某表面进行加工 要同时保证多个设计尺寸的工序尺寸计算 5 7 2用图表法综合确定工序尺寸 在加工过程中 当同一个方向上的尺寸较多而又需要多次转换定位基准 或者当设计基准与其它基准不重合而需要进行尺寸换算时 确定相应的各工序尺寸 公差和余量的工作就显得很杂乱 很麻烦 如果采用图表法来解决这类问题 就比较方便 明了 有次序 关干图表的制作和应用的例子 请读者自行参阅有关资料 5 8时间定额及经济分析 5 8 1时间定额 时间定额是在一定的生产规模 生产技术和生产组织的条件下 为完成某一工件的某一工序所需要的时间 称为工序单件时间或工序单件时间定额 它是计算产品成本和企业经济核算的依据 也是新建或扩建工厂 或车间 时决定所需设备和人员的依据 工序单件时间的组成 可表示如下 t单 t基十t辅十t服十t休 5 8 2工艺过程的经济分析 5 8 2 1生产成本的组成 5 8 2 2工艺过程经济方案的选择 返回 6 2工件的定位 6 2 1六点定位原理一个自由的物体 它对三个相互垂直的坐标系来说 有六个活动可能性 其中三种是移动 三种是转动 习惯上把这种活动的可能性称为自由度 因此空间任一自由物体共有六个自由度 如图6 2所示 物体的六个自由度分别为 同时还规定 1 沿X轴移动 用表示 2 沿Y轴移动 用表示 3 沿Z轴移动 用表示 4 绕X轴转动 用表示 5 绕Y轴转动 用表示 6 绕Z轴转动 用表示 六点定位原理 这种用正确分布的六个支承点来限制工件的六个自由度 使工件在夹具中得到正确位置的规律 称为六点定位原理 图6 4工件的六点定位 若使物体在某个方向有确定的位置 就必须限制该方向的自由度 所以要使工件在空间处于相对固定的位置 就必须对六个自由度加以限制 限制的方法就是用相当于六个支承点的定位元件与工件的定位基准面接触 如图6 4所示 在底面XOY内的三个支承点限制了 三个自由度 在侧面YOZ内的两个支承点限制了 两个自由度 在端面XOY内的一个支承点限制了一个自由度 下面我们来了解一下关于六点定位原理的一些概念 完全定位 六个自由度都需要限制的定位方法 称为完全定位 不完全定位 没有完全限制六个自由度而仍然保证有关工序尺寸的定位方法称为不完全定位 过定位 当两种定位元件均能限制工件的同一个方向自由度时称为过定位 欠定位 若定位支承点少于所应消除的自由度数时 则工件定位不足 称为欠定为 5 4定位基准的选择 概念 粗基准精基准有时工件上没有能作为定位基准用的恰当表面 这时就必须在工件上专门设置或加工出定位基面 这种基面称为辅助基面 辅助基面在零件的工作中并无用处 它完全是为了加工需要而设置的 轴加工时用的中心孔 活塞加工用的止口 图5 26 就是典型的例子 一 粗基准的选择 粗基准不同的影响零件毛坯在铸造时内孔与外圆之间难免会有偏心 如图5 27所示 因此在加工时 如果用不需加工的外圆1作为粗基准 用三爪卡盘夹持外圆 加工内孔2 由于此时外圆1的中心线和机床主轴回转中心线重合 所以加工后内孔2与外圆1是同轴的 即加工后孔的壁厚是均匀的 但是内孔的加工余量却是不均匀的 相反 见图5 28 如果选择内孔2作为粗基准 用四爪卡盘夹持外圆1 然后按内孔2找正 由于此时内孔2的中心线和机床主轴回转中心线重合 所以内孔2的加工余量是均匀的 但加工后的内孔2与外圆1不同轴 即加工后的壁厚是不均匀的 由此可见 粗基准的选择 主要影响不加工表面与加工表间的相互位置精度 如上例加工后的壁厚均匀性 以及影响加工表面的余量分配 因此 选择粗基准的基本原则如下 1 若工件必须首先保证某重要表面的加工余量均匀 则应选择该表面为粗基准 2 在没有要求保证重要表面加工余量均匀的情况下 若零件上每个表面都要加工 则应该以加工余量最小的表面作为粗基准 3 在与上项相同的前提条件下 若零件上有的表面不需加工 则应以不加工表面中与加工表面的位置精度要求较高的表面为粗基准 以达到壁厚均匀 外形对称等要求 4 选用粗基准的表面应尽量平整光洁 不应有飞边 浇口 冒口及其他缺陷 这样可减小定位误差 并能保证零件夹紧可靠 5 粗基准一般只使用一次 但是当毛坯是精密铸件或精密锻件时 毛坯的质量很高 如果工件的精度要求不高 这时可以重复使用某一粗基准 二 精基准的选择 精基准的选择应从保证零件的加工精度 特别是加工表面的相互位置精度来考虑 同时也要照顾到装夹方便 夹具结构简单 因此 选择精基准一般应遵循下列原则 1 基准重合 原则 应尽量选用设计基准和工序基准作为定位基准 这就是基准重合原则 如果加工的是最终工序 所选择的定位基准应与设计基准重合 若是中间工序 应尽可能采用工序基准作为定位基准 例如图5 32和图5 33 关于基准不重合产生定位误差的说明 2 基准统一 原则 应尽可能选择加工工件多个表面时都能使用的定位基准作为精基准 即遵循基准统一的原则 这样便于保证各加工面间的相互位置精度 避免基准变换所产生的误差 并简化夹具的设计和制造 例如图5 34 3 互为基准 原则 当两个表面相互位置精度以及它们自身的尺寸与形状精度都要求很高时 可以采取互为精基准的原则 反复多次进行精加工 例如图5 35 4 自为基准 原则 有些精加工或光整加工工序要求余量小而均匀 在加工时就应尽量选择加工表面本身作为精基准 即遵循自为基准的原则 而该表面与其他表面之间的位置精度则由先行的工序保证 例如图5 36和图5 37 5 6尺寸链 5 6 l尺寸链概念 在机械设计和工艺工作中 为保证加工 装配和使用的质量 经常要对一些相互关联的尺寸 公差和技术要求进行分析和计算 为使计算工作简化 可采用尺寸链原理 将相互关联的尺寸从零件或部件中抽出来 按一定顺序构成的封闭尺寸图形 称为尺寸链 见图5 14 观看动画 5 6 2尺寸链的分类 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 如图5 14 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 如 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 如 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 如 平面尺寸可以转化为两个相互垂直的线性尺寸链 如 图5 15 图5 16 图5 17 a 图5 17 b c 图5 15装配尺寸链 观看动画 图5 17平面尺寸链观看动画 a b c 3 按尺寸链各环的几何特征分 长度尺寸链尺寸链中各环均为长度量 角度尺寸链尺寸链中各环均为角度量 由于平行度和垂直度分别相当于00和900 因此角度尺寸链包括了平行度和垂直度的尺寸链 如图5 18所示 图5 18角度尺寸链观看动画 4 按尺寸链之间相互联系的形态分 独立尺寸链尺寸链中所有的组成环和封闭环只从属于一个尺寸链