机械制造工艺.ppt

机械制造工艺 机械制造工艺 第章工艺过程设计ProcessPlanning 加工余量的确定 第5章工艺过程设计 本章要点 定位基准的选择 工艺路线拟订 工艺尺寸链 工艺过程经济分析 计算机辅助工艺过程设计 5 1 1机械加工工艺规程 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 机械加工工艺规程规定零件机械加工工艺过程的工艺文件 工艺规程的作用连接产品设计和制造过程的桥梁 是企业组织生产活动和进行生产管理的重要依据 拟定加工工艺路线主要包括确定定位基准 选择表面加工方法 划分加工阶段 安排加工顺序等工作 拟定加工工艺路线是工艺规程设计中的关键性工作 其结果会直接影响加工质量 加工效率 工人的劳动强度 生产成本等 对新建工厂将影响设备投资额度 车间面积大小等 拟定合理的工艺路线往往需要丰富的工程实际经验 较为扎实的机械加工工艺基础 需要掌握特定企业的设备数量 分布 技术指标以及设备状况等等现实条件因素 还需要掌握产品的生产类型等等 5 1 1机械加工工艺规程 表5 1机械加工工艺过程卡片 5 1 1机械加工工艺规程 表5 1机械加工工艺过程卡片 5 1 1机械加工工艺规程 表5 1机械加工工艺过程卡片 5 1 2机械加工工艺规程设计原则 1 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 工艺过程有较高的生产效率和较低的成本 3 充分考虑和利用现有生产条件 尽可能作到平衡生产 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 5 积极采用先进技术和工艺 减少材料和能源消耗 并应符合环保要求 5 1 3制定工艺规程所需原始资料 产品的全套装配图及零件图产品的验收质量标准产品的生产纲领及生产类型零件毛坯图及毛坯生产情况本厂 车间 的生产条件各种有关手册 标准等技术资料国内外先进工艺及生产技术的发展与应用情况 1 阅读装配图和零件图了解产品的用途 性能和工作条件 熟悉零件在产品中的地位和作用 明确零件的主要技术要求 2 工艺审查审查图纸上的尺寸 视图和技术要求是否完整 正确 统一 分析主要技术要求是否合理 适当 审查零件结构工艺性 3 熟悉或确定毛坯确定毛坯的依据是零件在产品中的作用 零件本身的结构特征与外形尺寸 零件材料工艺特性以及零件生产批量等 常用的毛坯种类有铸件 锻件 焊接件 冲压件 型材等 其特点及应用见表5 4 5 1 4机械加工工艺规程设计步骤 5 1 4机械加工工艺规程设计步骤 4 选择定位基准5 拟定加工路线6 确定满足各工序要求的工艺装备 5 1 4机械加工工艺规程设计步骤 包括机床 夹具 刀具 量具 辅具等 工艺装备的选择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 应与生产批量和生产节拍相适应 并应充分利用现有条件 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 确定各工序加工余量 计算工序尺寸和公差确定切削用量确定时间定额编制数控加工程序 对数控加工 评价工艺路线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12 填写或打印工艺文件 5 1 4机械加工工艺规程设计步骤 1零件结构工艺性基本概念 零件结构工艺性是指这种结构的零件被加工制造的难易程度 是评价零件结构有劣的重要技术指标 工艺性与零件的生产批量及具体生产条件相关 2 加工表面的几何形状应尽可能简单 3 便于安装 定位准确 夹紧可靠 4 便于加工 易于测量 1 零件的加工精度 表面粗糙度值选择应合理 5 提高标准化程度 注意 零件的结构工艺性 一 工件要便于安装 1 便于装夹 D 工艺凸台 零件结构工艺性实例分析 2 减少安装次数 二 减小切削面积 简化加工面形状 三 便于加工和测量 1 便于进刀和退刀 要有退刀槽或越程槽 2 便于采用标准刀具加工 钻孔 3 钻孔时 1 孔与壁应离开一定的距离 2 避免在斜面上钻孔 3 避免弯曲孔 4 镗孔时 四 有利于提高生产率 尺寸差别不太大时 零件上的槽宽 圆角半径 孔 螺纹等尺寸应尽可能一致 2 应尽可能减少机床的调整和走刀次数 3 便于多件一起加工 机械制造工艺 第5章工艺过程设计ProcessPlanning 在加工时用于工件定位的基准称为定位基准 又可进一步分为 5 2 1定位基准 使用未经机械加工表面作为定位基准 称为粗基准 零件上根据机械加工工艺需要而专门设计的定位基准 如用作轴类零件定位的顶尖孔 用作壳体类零件定位的工艺孔或工艺凸台 图5 1 等 使用经过机械加工表面作为定位基准 称为精基准 图2 9a支座零件第1工序 车削 图2 9a支座零件第1工序 车削 图2 9d支座零件第4工序 磨内孔 端面 5 2 1定位基准 如图所示套筒镗孔加工 粗基准可以选择外圆柱面 用三爪卡盘安装工件 参见图 a 也可以用内孔作粗基准 用四爪卡盘装夹工件 参见图 b 两种定位基准产生的加工效果是不同的 因此粗基准选择不是随意的 5 2 2粗基准的选择 粗基准选择需要遵循如下原则 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 图5 2粗基准选择比较 5 2 2粗基准的选择 钻 铰 18H7及 6H7孔如何选择 5 2 2粗基准的选择 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 若零件有多个表面需要加工 则应选择其中加工余量最小的表面作为粗基准 以保证零件各加工表面都有足够的加工余量 例如 图a所示零件 毛坯不同轴 如何选择粗基准 应选择其中加工余量最小的 95圆柱表面作为粗基准 见图b 选择加工余量最小的表面为粗基准 否则选用 68表面作为粗基准 导致 90表面加工余量不够 如图2 3 c 所示 便于工件装夹原则 要求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 粗基准一般不得重复使用原则 5 2 2粗基准的选择 粗基准在同一自由度方向上只能使用一次 重复使用粗基准并重复进行装夹工件操作会产生较大的定位误差 重复使用B面去加工A C面 则必然会使A面与C面的轴线产生较大的同轴度误差 5 2 2粗基准的选择 图 4粗基准重复使用错误示例 毛坯外圆定位加工内孔端面 而钻孔时又用外圆定位 改进内孔端面定位加小孔外圆弧用V形爪定位合理 5 2 3精基准的选择 基准重合原则 选用被加工面设计基准作为精基准 统一基准原则 当工件以某一表面作精基准定位 可以方便地加工大多数 或全部 其余表面时 应尽早将这个基准面加工出来 并达到一定精度 以后大多数 或全部 工序均以它为精基准进行加工 5 2 3精基准的选择 在实际生产中 经常使用的统一基准形式有 1 轴类零件常使用两顶尖孔作统一基准 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 作统一基准 3 盘套类零件常使用止口面 一端面和一短圆孔 作统一基准 4 套类零件用一长孔和一止推面作统一基准 采用统一基准原则好处 1 有利于保证各加工表面之间的位置精度 2 可以简化夹具设计 减少工件搬动和翻转次数 注意 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 5 2 3精基准的选择 对于两个表面间相互位置精度要求很高 同时其自身尺寸与形状精度都要求很高的表面加工 常采用 互为基准 反复加工 原则 如图2 4所示连杆磨削工序 包含两个安装 两个安装的定位基准关系是互为基准 互为基准原则 互为基准原则 图5 8主轴零件精基准选择 例 主轴零件精基准选择 图5 8 5 2 3精基准的选择 自为基准原则 例 床身导轨面磨削加工 图5 9 图5 11浮动镗刀块1 工件2 镗刀块3 镗杆 便于装夹原则 所选择的精基准 应能保证工件定位准确 可靠 并尽可能使夹具结构简单 操作方便 图5 10外圆研磨示意图 例 铰孔 拉孔 研磨 图5 10 5 2 3精基准的选择 例 浮动镗刀块镗孔 图5 11 5 2 3精基准的选择 定位夹紧符号 2小孔 大孔 机械制造工艺 5 3 1加工方法的选择 经济精度随年代增长和技术进步而不断提高 图5 14 在正常加工条件下 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 图5 13AB段 反比 且在A左B右不经济 5 3 1加工方法的选择 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 外圆表面 孔及平面加工方案参见下表所示 加工方法和加工方案 5 3 1加工方法的选择 5 3 1加工方法的选择 图5 16孔的典型加工工艺路线 5 3 1加工方法的选择 例题5 要求孔的加工精度为IT7级 粗糙度Ra 1 6 3 2 m 确定孔的加工方法与加工方案 查经济精度及方法与方案表 采用从终加工方法 满足精度的方法 倒推追查合适的加工方案可有下面四种加工方案 钻 扩 粗铰 精铰 粗镗 半精镗 精镗 粗镗 半精镗 粗磨 精磨 钻 扩 拉 比较优选最佳加工方法与加工方案 5 3 2加工顺序的安排 基面先行 先加工基准面 再加工其他表面先面后孔 有两层含义 1 当零件上有较大的平面可以作定位基准时 先将其加工出来 再以面定位 加工孔 可以保证定位准确 稳定2 在毛坯面上钻孔或镗孔 容易使钻头引偏或打刀 先将此面加工好 再加工孔 则可避免上述情况的发生先主后次 也有两层含义 1 先考虑主要表面加工 再安排次要表面加工 次要表面加工常常从加工方便与经济角度出发进行安排2 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先粗后精 加工工序一般包括 机械加工工序 热处理工序 检验工序等 机械加工的安排顺序原则 基面先行 先主后次 先粗后精 先面后孔综上所述一般具体机械加工的顺序是先加工精基准 粗加工主要面 精度要求高的表面 精加工主要面 次要表面的加工适当穿插在各阶段之间进行 为改善工件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 也可安排在切削加工之前为了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 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 5 3 2加工顺序的安排 5 3 2加工顺序的安排 除操作工人自检外 下列情况应安排检验工序 零件加工完毕后 从一个车间转到另一个车间前后 重要工序前后 去毛刺工序通常安排在切削加工之后 清洗工序在零件加工后装配之前 研磨 珩磨等光整加工工序之后 以及采用磁力夹紧加工去磁后 应对工件进行认真地清洗 5 3 3工序集中与工序分散 使每个工序中包括尽可能多的工步内容 从而使总的工序数目减少优点 1 有利于保证工件各加工面之间的位置精度 2 有利于采用高效机床 可节省工件装夹时间 减少工件搬运次数 3 可减小生产面积 并有利于管理 使每个工序的工步内容相对较少 从而使总的工序数目较多工序分散优点 每个工序使用的设备和工艺装备相对简单 调整 对刀比较容易 对操作工人技术水平要求不高 5 3 3工序集中与工序分散 传统的流水线 自动线生产 多采用工序分散的组织形式 个别工序亦有相对集中的情况 由于市场需求的多变性 对生产过程的柔性要求越来越高 加之加工中心等先进设备的采用 工序集中将越来越成为生产的主流方式 多品种 中小批量生产 为便于转换和管理 多采用工序集中方式 5 3 4加工阶段的划分 粗加工阶段 主要任务是去除加工面多余的材料半精加工阶段 使加工面达到一定的加工精度 为精加工作好准备精加工阶段 使加工面精度和表面粗糙度达到要求光整加工阶段 对于特别精密的零件 安排此阶段 以确保零件的精度要求 有利于保证零件的加工精度 有利于设备的合理使用和精密机床的精度保持 有利于人员的合理安排 便于合理安排热处理可及早发现毛坯缺陷 以减少损失 5 4 1 2设备的选择 机床工作区域的尺寸应当与零件的外廓尺寸相适应 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 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 工艺路线的拟定 设备的选择 5 3 5数控加工工艺 形状复杂 加工面多 加工量大 生产批量较小的零件 如批量较小的复杂箱体类零件 数控加工的合理选用 普通机床无法加工或需使用复杂工装才能加工的零件 如复杂轮廓面或复杂空间曲面 加工精度要求高的零件 如某些径向尺寸和轴向尺寸精度要求均很高的轴类零件 零件上某些尺寸难以测量和控制的情况 如具有不开敞内腔加工面的壳体或盒型零件 零件一次装夹 可完成铣 镗 钻 铰 攻丝等多种操作 5 3 5数控加工工艺 加工过程严格按程序指令自动进行 数控加工工艺设计要求详细 具体和完整 如工件在机床 或夹具 上装夹位置 工序内工步的安排 刀具选用 切削用量 走刀路线等 都必须在工艺设计中认真考虑和明确规定 数控加工工艺特点 自行调整能力较差 数控加工工艺设计应十分严密 准确 必须注意到加工中的每一个细节 如每个坐标尺寸的计算 对刀点和换刀点的确定 攻丝时的排屑动作等 程序须经验证正确后 方可进行正式加工多采用工序集中原则 一次装夹可完成多个表面加工刀具 相对工件 运动路径对生产率 加工精度影响很大 需合理规划使用夹具相对简单 5 3 5数控加工工艺 点位加工 通常按空程最短安排走刀路线 位置精度要求较求高的孔系加工 要注意避免反向间隙影响 数控加工走刀路线规划 5 3 5数控加工工艺 轮廓加工 刀具应从切向进入轮廓加工 加工完成后不要在切点处取消刀补 要安排一段沿切向继续运动距离 5 3 5数控加工工艺 形腔加工 在保证加工精度前提下 使走刀路径最短 5 21型腔加工路线比较 5 3 5数控加工工艺 高速加工 保证刀具运动轨迹光滑平稳 并使刀具载荷均匀 a 摆线加工b 赛车线加工图5 22高速切削刀具路径规划 DELCAM公司 5 3 5数控加工工艺 数控加工工艺实例 确定数控加工内容 环槽 顶面和4 M10螺孔定位 夹紧方案 以底面 孔和零件后侧面作为定位基准 采用孔系组合夹具 基础板 圆柱销 专用件 移动V形块 合件 通过螺旋压板压紧 选择加工方法 上表面和mm环槽采用铣削一次走刀加工 4 M10螺纹孔先打中心孔再钻底孔 螺纹底孔用钻头倒角 图5 23壳体零件简图 5 3 5数控加工工艺 数控加工工艺实例 加工顺序铣上平面 钻4 M10中心孔 钻4 M10底孔 4 M10螺纹底孔倒角 4 M10攻丝 铣环槽零件坐标系设定如图 坐标原点为孔轴线与零件上平面的交点工艺处理对刀点选在孔轴线与孔的上端面的交点 换刀点选在所定零件坐标系 X0 Y0 Z15 点刀具轨迹坐标计算4 M10螺纹孔中心坐标计算 环槽各基点 J B C D 及四个圆弧的圆心坐标计算等 5 3 5数控加工工艺 表5 5壳体数控加工工艺卡 机械制造工艺 零件图上的尺寸 公差是毛坯经过加工之后最终要求达到的设计尺寸 在加工过程中 各工序所达到的尺寸及公差称工序尺寸 也就是在各工序图上所标注的尺寸 5 4 1加工余量 加工余量 加工过程中从加工表面切去材料层厚度工序 工步 余量 某一表面在某一工序 工步 中所切去的材料层厚度 对于被包容表面 5 1 对于包容表面 5 2 式中Zb 本工序余量 a 前工序尺寸 b 本工序尺寸 5 4 1加工余量 总加工余量 零件从毛坯变为成品切除材料层总厚度 5 3 式中ZS 总加工余量 Zi 第i道工序加工余量 n 该表面加工工序数 最大余量 最小余量 Zs Z1 Z2 Zi Zn 式中Zmax Zmin Zm 最大 最小 平均余量 TZ 余量公差 amax amin am 上工序最大 最小 平均尺寸 bmax bmin bm 本工序最大 最小 平均尺寸 Ta 上工序尺寸公差 Tb 本工序尺寸公差 平均余量 余量公差 5 4 1加工余量 5 4 2最小加工余量 最小余量构成 图5 25 采用浮动镗刀块镗孔 式中Ry 上一工序表面粗糙度 Ha 上一工序表面缺陷层 ea 上一工序形位误差 b 本工序装夹误差 5 8 无心磨床磨外圆 研磨 抛光平面 加工余量确定方法 计算法 采用计算法确定加工余量比较准确 但需掌握必要的统计资料和具备一定的测量手段 经验法 由一些有经验的工程技术人员或工人根据现场条件和实际经验确定加工余量 此法多用于单件小批生产 查表法 利用各种手册所给的表格数据 再结合实际加工情况进行必要的修正 以确定加工余量 此法方便 迅速 生产上应用较多 5 4 2最小加工余量 需要指出的是 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 此点在应用时需加以注意 确定工序尺寸一般方法 基准重合时采用倒推法 1 确定各工序加工余量 2 从最终加工工序开始 即从设计尺寸开始 逐次加上 对于被包容面 或减去 对于包容面 每道工序的加工余量 可分别得到各工序的基本尺寸 3 除最终加工工序取设计尺寸公差外 其余各工序按各自采用的加工方法所对应的加工经济精度确定工序尺寸公差 4 除最终工序外 其余各工序按 入体原则 标注工序尺寸公差 5 毛坯余量通常由毛坯图给出 故第1工序余量由计算确定 表6 9主轴孔工序尺寸及公差的确定 5 4 3工序尺寸确定 例题5 图示为一平面经过粗加工 精加工和光整加工三道工序达到零件上规定尺寸和公差 要求计算各工序尺寸 解 加工该表面时定位基准不变 各工序尺寸都从同一基准标出 对这一类的工序尺寸 只要将各工序的基本余量及公差 根据现场经验或查有关手册确定后 就可按工艺过程的顺序由后向前逐步计算得到 某工序的工序尺寸等于下一个工序的工序尺寸加上 对内表面是减去 下一工序的基本余量 这种工序尺寸的计算 只牵涉余量 不涉及基准转换 可不用尺寸链来计算 在图5 27中 若光整加工 精加工 粗加工等各工序的基本余量和精加工 粗加工 毛坯的公差 查手册分别为Z3 Z2 Zl和T3 T2 T1 且已知光整加工的工序尺寸为A4 T4 零件图上的尺寸 则得 精加工工序尺寸A3 A4 Z4 公差T3粗加工工序尺寸A2 A3 Z3 公差T2毛坯尺寸A1 A2 Z2 公差T1铸造和锻造的毛坯都规定双向偏差 但当计算毛坯尺寸时只取入体方向的偏差值T1 工序尺寸的确定 表6 9主轴孔工序尺寸及公差的确定 5 4 3工序尺寸确定 200 例题 小轴大批量生产毛坯为热轧棒料 经粗车 精车 淬火 粗磨 精磨后达到图纸要求 各工序的加工余量查得如下表 毛坯尺寸公差为 1 5mm试计算工序尺寸及偏差 1 确定加工余量已知各工序余量可得总余量为 3 1 1 0 4 0 1 4 6 2 计算工序公称尺寸精磨 30粗磨 30 0 1 30 1精车 30 1 0 40 30 5粗车 30 5 1 10 31 6毛坯 31 6 3 00 34 6 各余量3 1 1 0 4 0 1 加工轴时的工序尺寸 采用倒推法 机械制造工艺 工序基准与设计基准不重合而引起的工序尺寸计算在加工过程中 有时为了定位 加工 测量或调整方便 将零件图上的尺寸改变注法 由此而引起的工序尺寸计算 又称为尺寸换算 它是由设计基准与工序基准不重合而造成的 因此这种工序尺寸只牵涉基准转换而不涉及余量 可用工艺尺寸链来计算 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 可采用尺寸链求解 将相互关联的尺寸从零件或部件中抽出来 按一定顺序构成的首尾相接的封闭尺寸图形 称为尺寸链 5 5 1尺寸链基本概念 尺寸链定义 在零件加工或机器装配过程中 由相互关联的尺寸形成的封闭尺寸组 称为尺寸链 尺寸链特征 关联性封闭性 尺寸链组成 尺寸链的环 封闭环 在零件加工过程或机器装配过程中最终形成的环 或间接得到的环 封闭环在一个线性尺寸链中只有一个 指组成尺寸链的每一个尺寸 增环 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 组成环 尺寸链中除封闭环以外的各环 对于工艺尺寸链来说 组成环的尺寸一般是由加工直接得到的 它将直接影响封闭环尺寸的大小 减环 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 环又分为封闭环 或称终结环 和组成环 而组成环又有增环和减环之分 尺寸链的概念 尺寸链组成 同一个尺寸链中的各个环最好用同一个字母表示 如Al A2 A3 A0 下标1 2 表示组成环的序号 0表示封闭环 对于增环 在字母的上边加符号 对于减环在字母的上边加符号 如 在尺寸链中判断增 减环的方法一据定义 二单箭头法顺着尺寸链的一个方向 任定一循环方向 向着尺寸线的终端画单箭头 则与封闭环同向的组成环为减环 反之则为增环 即同减异增 判断增 减环方法 图示尺寸链中 尺寸A0是加工过程间接保证的 因而是尺寸链的封闭环 尺寸A1和A2是在加工中直接获得的 因而是尺寸链的组成环 其中 A1为增环 A2为减环 尺寸链的建立 尺寸链方程为 工艺尺寸链 在加工过程中 由同一零件有关工序尺寸所形成的尺寸链 装配尺寸链 在机器设计和装配过程中 由有关零件尺寸形成的尺寸链 尺寸链的分类 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 如前述图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 如图5 15 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 如图5 16 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 如图5 17 a 平面尺寸可以转化为两个相互垂直的线性尺寸链 如图5 17 b c 空间尺寸链尺寸链中各环不在同一平面或彼此平行的平面内 空间尺寸链可以转化为三个相互垂直的平面尺寸链 每一个平面尺寸链又可转化为两个相互垂直的线性尺寸链 因此线性尺寸链是尺寸链中最基本的尺寸链 尺寸链的各种分类方法 图5 17平面尺寸链 尺寸链的分类 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0o和90o 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 以A面为基准分别加工C面和B面 则要求C A 即 1 90o B A 即 2 0o 加工后应使B C 即 0 90o 但这种关系是通过 1 2 0间接得到的 所以 1 2和 0组成了角度尺寸链 其中 0为封闭环 图5 18角度尺寸链 尺寸链的分类 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 如图5 16 图5 17 并联尺寸链两个或两个以上的尺寸链 通过公共环将它们联系起来组成并联形式的尺寸链 如图5 19 图5 19 a 中 A2 Bl 为A B两个尺寸链的公共环 并分别从属于该两尺寸链的组成环 这种并联尺寸链 当公共环变化时 各尺寸链的封闭环将同时发生变化 图5 19 b 中 C0 D2 是C D两个尺寸链的公共环 也就是一个尺寸链的封闭环是其它尺寸链的组成环 这种并联尺寸链 通过公共环可将所有尺寸链的组成环联系起来 图5 19并联尺寸链 应用尺寸链原理解决加工和装配工艺的三种问题 已知组成环公差求封闭环公差的正计算问题 已知封闭环公差求各组成环公差的反计算问题 已知封闭环公差和部分组成环公差求其它组成环公差的中间计算问题 解决正计算问题比较容易 而解决反计算问题比较难 尺寸链解决的问题 尺寸链计算尺寸链计算是根据结构或工艺上的要求 确定尺寸链中各环的基本尺寸及公差或偏差 计算方法主要有两种 极值法 也称极大极小法 是以各组成环的最大值和最小值为基础 求出封闭环的最大值和最小值 概率法 是以概率理论为基础来解算尺寸链 5 5 2尺寸链计算方法 对式 5 9 两边取全微分 有 5 9 5 10 式中偏导数表示组成环对封闭环影响的大小 称为误差传递系数 记为 i式 5 10 也可以写成如下形式 5 11 上述两式为尺寸链特定偏差值计算公式 即误差传递公式 确定尺寸链中封闭环 因变量 和组成环 自变量 的函数关系式的一般形式为 5 5 2尺寸链计算方法 对L0式两边取全微分 并将偏差值代入 得到 用同样的方法可求得 5 5 2尺寸链计算方法 公差极值算法 式中T0L 极值公差 Ti 各组成环公差 5 12 5 13 5 14 偏差计算公式 公差计算公式 上式表明在极端的情况下 尺寸链封闭环的公差等于所有组成环公差与误差传递系数绝对值乘积之和 5 5 2尺寸链计算方法 公差概率算法 为计算方便 作如下近似处理 令k1 k2 kn k 得到近似概率算法公差计算公式 k值常取1 2 1 6 各组成环均接近正态分布时 公差计算公式 5 15 式中T0Q称为平方公差 各组成环偏离正态分布时 公差计算公式 式中T0Q称为统计公差 k为分布系数 定义如下 5 16 5 18 5 17 5 5 2尺寸链计算方法 极值算法 5 19 概率算法 5 20 式中 为分布不对称系数 定义如下 图5 28 5 21 5 5 2尺寸链计算方法 几种常见误差分布曲线的分布系数k和分布不对称系数 的数值见教材表5 7 5 5 2尺寸链计算方法 5 5 2尺寸链计算方法 对上式求全微分 有 各组成环的误差传递系数分别为 最终结果 采用极值算法C 20 981 0 016mm采用概率算法C 20 981 0 026mm 由式 5 14 可求出 TC 0 032 由式 5 18 可求出 TC 0 052 k 1 4 5 5 2尺寸链计算方法 式中n 包括封闭环在内的尺寸链总环数 m 尺寸链中组成环环数 尺寸链的计算 极值法 结论 尺寸链封闭环的基本尺寸 等于各增环的基本尺寸之和减去各减环基本尺寸之和 写成普遍式为 5 5 2 1极值法 1 封闭环基本尺寸计算图5 20的尺寸链中 A0为封闭环 A1 A2 A5为增环 A3 A4为减环 各环的基本尺寸分别以A1 A2 Ai表示 由图可知 图5 20尺寸链计算 直线尺寸链极值计算法公式 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 3 封闭环上偏差ESA0 或esA0 和下偏差EIA0 或eiA0 的计算 尺寸链的计算 极值法 2 封闭环最大和最小尺寸计算由公式 5 10 可知 当尺寸链中所有增环为最大值 所有减环为最小值时 则封闭环为最大值 反之为最小值 写成普遍公式为 由式 5 11 减式 5 10 得 由式 5 12 减式 5 10 得 结论 封闭环的上偏差等于所有增环的上偏差之和减去所有减环的下偏差之和 封闭环的下偏差等于所有增环的下偏差之和减去所有减环的上偏差之和 式中 Ti为尺寸Ai的公差 同理 尺寸链的计算 极值法 4 封闭环公差T0或中间偏差 0的计算由式 5 11 减式 5 12 得 式中 i为尺寸Ai的误差 5 25 尺寸链的计算 极值法 结论 封闭环公差 或误差 等于各组成环公差 或误差 之和 由此可知 若各组成环公差一定 减少环数可提高封闭环精度 若封闭环公差一定 减少环数可放大各组成环公差 使其加工容易 5 平均尺寸Aav的中间偏差 的计算为使复杂的尺寸链计算简化 可采用平均尺寸和中间偏差来进行计算 平均尺寸Aav 最大尺寸和最小尺寸的平均值 中间偏差 公差带中点偏离基本尺寸的大小 由 式 5 11 式 5 12 2 得 由式 5 17 减式 5 10 得 结论 封闭环平均尺寸等于所有增环平均尺寸之和减去所有减环平均尺寸之和 封闭环的平均偏差等于所有增环平均偏差之和减去所有减环平均偏差之和 尺寸链的计算 极值法 基本尺寸计算公式 5 22 偏差计算公式 公差计算公式 平均尺寸计算公式 5 23 5 24 5 25 5 26 直线尺寸链极值计算法公式总汇 5 5 3几种常见工艺尺寸链形式 若实测A2 40 30 按上述要求判为废品 但此时如A1 50 则实际A0 9 7 仍合格 即 假废品 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 采用专用检具可减小假废品出现的可能性 图5 30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 由新建立的尺寸链可解出 例5 7 5 5 3几种常见工艺尺寸链形式 假废品问题 工序基准与设计基准不重合而引起的工序尺寸计算 图5 28 a 图5 28 b 图5 28c 工序尺寸的确定 例题5 图5 28 a 是皮带运输机滚筒零件图 尺寸720 0 6的标注方法不便于测量 因此可改为图5 28 b 的标注方法 通过测量A2 A3的尺寸来保证A0 720 0 6 且A2 A3的尺寸 要求确定工序尺寸A2 A3 解 画出尺寸链图 图5 28c A0 720 0 6为封闭环 是由尺寸Al A2 A3间接得到的 A1 750 0 4为增环 A2 A3为减环 计算 由上求得A2 A3的工序尺寸为 工序尺寸的确定 工序基准与设计基准不重合而引起的工序尺寸计算 图5 29 a 图5 29 b 图5 29 c 例题5 9 图5 29 a 是加工梯板的零件图 其高度方向的设计尺寸为及 加工过程为 以面1为基准加工面3 保证工序尺寸A1 为了定位和调整方便 仍然用面1为定位基准加工面2 保证工序尺寸A2 如图5 29 b 为满足设计尺寸的要求 计算工序2的工序尺寸A2 解 画出尺寸链图 图5 29 c A0 为封闭环 A1 为增环 A2为减环 计算基本尺寸 上偏差 下偏差 因此 工序2的尺寸为 取入体方向为 工序尺寸的确定 例题5 10 图5 30 a 为加工齿轮内孔和键槽的简图 设计尺寸为键槽深及孔径 加工过程如下 拉 或 内孔 至尺寸2r 拉 或插 键槽 至尺寸A 热处理 淬火 磨内孔 至尺寸2R 求工序尺寸A 从加工过程看出 工序尺寸A是从尚需继续加工的孔表面标注的 键槽深是通过工序1 2 4间接得到的 解 列出尺寸链 如图5 30 b 尺寸A0 43 6为封闭环 尺寸A和为增环 工序尺寸的确定 尺寸为减环 尺寸为减环 计算基本尺寸A A0 R r 43 6 20 19 8 43 4上偏差 ESA ESA0 ESR EIr 0 35 0 025 0 0 315下偏差 EIA EIA0 EIR ESr 0 0 0 05 0 05 因此 工序尺寸为 或取人体方向标注为 工序尺寸的确定 为了分析磨孔时半径加工余量Z对键槽深度的影响 也可将尺寸链分解为两个并联的尺寸链进行计算 如图5 30 c 其公共环余量为Z 由尺寸R r Z所构成的尺寸链中 Z为封闭环 R为增环 r为减环 由此可计算出 基本余量 Z R r 20 19 8 0 2最大余量 Zmax Rmax rmin 20 025 19 8 0 225最小余量 Zmin Rmin rmax 20 19 85 0 15 因此 由尺寸A0 A Z所构成的尺寸链中 Z A为增环 A0为封闭环 由此可计算出 基本尺寸 A A0 Z 43 6 0 2 43 4上偏差 ESA ESA0 ESZ 0 35 0 025 0 315下偏差 EIA EIA0 EIZ 0 0 05 0 05因此 工序尺寸A为或计算结果与上面解法完全一样 工序尺寸的确定 图5 33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 表面淬火 渗碳 镀层的工艺尺寸计算 例5 9 解 图5 33渗碳层深度尺寸换算 1 精车A面 保证直径 3 精磨A面保证直径尺寸 同时保证规定的渗碳层深度 2 渗碳处理 控制渗碳层深度H1 试确定H1的数值 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 5 5 3几种常见工艺尺寸链形式 工序基准与设计基准不重合而引起的工序尺寸计算 图5 31 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 工序尺寸的确定 例题5 图5 31为加工阶梯轴的轴向尺寸简图 因为端面M的粗糙度值很小 故需磨削M面 并要求同时保证两个设计尺寸30 0 10和100 0 15 加工过程如下 以M面为基准 精车N面 Q面 至尺寸A1 及A2 见图5 31 b 以N面为基准 磨削M面 至尺寸A3 30 0 10 尺寸A0 100 0 15是间接得到的 如图5 31 求工序尺寸A2 解 列出有关尺寸链 如图5 31 d 尺寸A0为封闭环 A2 A3为增环 A4为减环 计算 因此 工序尺寸A2为 此例也可按并联尺寸链分为两个尺寸链进行计算 基本尺寸 A2 A0 A3 A1 100 30 30 25 100 25上偏差 ESA2 ESA0 ESA3 EIA1 0 15 0 1 0 05 下偏差 EIA2 EIA0 EIA3 ESA1 0 15 0 0 0 15 工序尺寸的确定 机械制造工艺 5 6 1CAPP意义 传统工艺过程设计存在的问题 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意义 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 5 6 2CAPP工作原理 派生式 变异式 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 图5 42CAM I推出的派生式CAPP系统框图 工艺路线检索 编辑 标准工序检索 编辑 5 6 2CAPP工作原理 图5 43派生式CAPP系统工作的两个阶段 b 使用阶段 派生式CAPP系统工作的两个阶段 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 5 6 2CAPP工作原理 5 6 2CAPP工作原理 例 普渡大学APPAS AutomatedProcessPlanningandSelection 系统是一个实验性系统 适用于非回转类零件表面加工方法的生成 数组各元素含义 表面编号 表面类型 如 1 圆孔 2 平面 3 槽 类型号码 取决于类型 如孔 1 圆孔 2 锥孔 3 螺孔 材料类型 如 1 铸铁 2 球铁 3 钢 材料硬度 零件加工表面信息输入 5 6 2CAPP工作原理 逻辑关系的建立 5 6 2CAPP工作原理 创成式CAPP系统特点 1 不需人工干预 自动化程度高 2 决策更科学 具有普遍性 3 由于工艺过程设计经验成分偏多 理论还不完善 完全彻底的创成式CAPP系统还在研究探索之中 5 6 2CAPP工作原理 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 5 6 2CAPP工作原理 5 6 3CAPP关键技术 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 输入工作量大是其主要的弱点 2 形面描述法 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 5 6 3CAPP关键技术 圆柱面 有 5 6 3CAPP关键技术 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 5 6 3CAPP关键技术 工艺决策 特点 1 直观 容易建立 便于编程2 难于扩展和修改 1 决策树 5 6 3CAPP关键技术 例 5 6 3CAPP关键技术 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 图4 22 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 5 6 3CAPP关键技术 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 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 CAPP专家系统 5 6 3CAPP关键技术 2 专家系统的构成 知识库 用于存储专家知识 包括 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 5 6 3CAPP关键技术 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 5 6 3CAPP关键技术 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 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 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 5 6 3CAPP关键技术 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 例 箱体零件上7级精度孔的加工路线确定 5 6 3CAPP关键技术 机械制造工艺 基本时间 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 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 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 布置工作地时间 包括更换刀具 润滑机床 清理切屑 收拾工具等 休息和生理需要时间 工人在工作班内 为恢复体力和满足生理需要所需时间 准备终结时间 如熟悉工艺文件 领取毛坯 安装夹具 调整机床 发送成品等 5 7 1时间定额与提高生产效率的途径 单件时间与单件工时定额计算 单件时间 5 27 单件工时定额 5 28 式中tB 基本时间tA 辅助时间tC 布置工作地时间tR 休息和生理需要时间tP 准备终结时间B 批量 5 7 1时间定额与提高生产效率的途径 提高生产效率的工艺途径 缩短基本时间 提高切削用量 切削速度 进给量 切削深度等 采用多刀多刃进行加工 如以铣削代替刨削 采用组合刀具等 采用复合工步 使多个表面加工基本时间重合 如多刀加工 多件加工等 缩短辅助时间 使辅助动作实现机械化和自动化 如采用自动上下料装置 先进夹具等 使辅助时间与基本时间重叠 如采用多位夹具或多位工作台 使工件装卸时间与加工时间重叠 采用在线测量 使测量时间与加工时间重叠等 5 7 1时间定额与提高生产效率的途径 缩短布置工作地时间 缩短准备终结时间 5 7 1时间定额与提高生产效率的途径 主要是减少换刀时间和调刀时间 采用自动换刀装置或快速换刀装置使用不重磨刀具采用样板或对刀块对刀采用新型刀具材料以提高刀具耐用度 在中小批量生产中采用成组工艺和成组夹具在数控加工中 采用离线编程及加工过程仿真技术 工艺成本 5 7 2工艺方案技术经济分析 生产成本 生产一件产品或一个零件所需费用总和工艺