第1章 机械制造的工艺过程

1、沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学动力系动力系-牛玲牛玲第一章第一章机械制造工艺过程概述机械制造工艺过程概述一、生产过程和工艺过程一、生产过程和工艺过程各种热能与动力机械各种热能与动力机械(如内燃机、汽轮机、燃气轮机、压气如内燃机、汽轮机、燃气轮机、压气机、锅炉装置等机、锅炉装置等)都是由许多零件、组件和部件装配而成的。它都是由许多零件、组件和部件装配而成的。它们的制造是一个比较复杂的过程。们的制造是一个比较复杂的过程。机械产品生产基本过程如下：机械产品生产基本过程如下：机械产品生产基本过程机械产品生产基本过程1、生产过程：、生产过程：是指由是指由原材料原材料或或半成品半成品制成制成产品产品的全

2、部过程。的全部过程。例如，生产一台内燃机，首先将各种例如，生产一台内燃机，首先将各种原材料原材料(如生铁或钢材如生铁或钢材)在在铸铸造、锻造车间造、锻造车间等制成等制成零件毛坯零件毛坯，在，在机械加工、热处理车间机械加工、热处理车间制成制成合格零合格零件件，再把加工好的零件，再把加工好的零件(或半成品或半成品)送到送到装配车间装配车间装配成一台合格的装配成一台合格的内内燃机燃机。除上述。除上述直接生产部门直接生产部门外，工厂中还必须有生产准备和为生产服外，工厂中还必须有生产准备和为生产服务的务的辅助部门辅助部门，包括原材料及半成品供应、生产工具制造、设备维，包括原材料及半成品供应、生产工具制造

3、、设备维修、质量检测等部门。因此，生产过程是由原材料到成品之间各个相修、质量检测等部门。因此，生产过程是由原材料到成品之间各个相互关联的劳动过程的总和。互关联的劳动过程的总和。一个机械产品的全部生产过程又是其一个机械产品的全部生产过程又是其主机厂主机厂和和外协件工厂外协件工厂的生产的生产过程之总和。过程之总和。任何一台机械产品所需零件，不可能也无必要由一个工厂全部自制，任何一台机械产品所需零件，不可能也无必要由一个工厂全部自制，这样做，工厂将会很庞杂，生产效率和经济效益低下。实际上，总有这样做，工厂将会很庞杂，生产效率和经济效益低下。实际上，总有相当数量的零部件由其他工厂协作生产。通过专业化协

4、作生产，有利相当数量的零部件由其他工厂协作生产。通过专业化协作生产，有利于组织多品种生产、提高劳动生产率和产品质量、降低成本、缩短产于组织多品种生产、提高劳动生产率和产品质量、降低成本、缩短产品开发周期。这就意味着某工厂所用的半成品就是其他工厂品开发周期。这就意味着某工厂所用的半成品就是其他工厂(协作厂协作厂)的产品。的产品。像内燃机制造厂像内燃机制造厂(主机厂主机厂)就要利用其他工厂的产品，如火花塞、化就要利用其他工厂的产品，如火花塞、化油器、燃油泵、轴瓦、活塞组以及各种附件等；而它所生产的内燃机油器、燃油泵、轴瓦、活塞组以及各种附件等；而它所生产的内燃机又成为其他工厂又成为其他工厂(如造船

5、厂、汽车厂、拖拉机厂等如造船厂、汽车厂、拖拉机厂等)的半成品。的半成品。2、工艺过程：、工艺过程：是直接改变工件的形状、尺寸及其材料性能而最后成为零件，以及将是直接改变工件的形状、尺寸及其材料性能而最后成为零件，以及将零件、部件装配成机器的部分生产过程。零件、部件装配成机器的部分生产过程。在全部生产过程中，工艺过程占主导地位，它主要包括铸造、锻造、在全部生产过程中，工艺过程占主导地位，它主要包括铸造、锻造、焊接、冲压、机械加工、热处理、装配工艺过程等焊接、冲压、机械加工、热处理、装配工艺过程等(此外还有辅助工艺此外还有辅助工艺过程，如毛坯清理、质量检测等过程，如毛坯清理、质量检测等)。-机械加

6、工工艺过程：机械加工工艺过程：是指利用机械加工方法逐步改变毛坯的形态是指利用机械加工方法逐步改变毛坯的形态(形状、尺寸和表面质形状、尺寸和表面质量量)的工艺过程。的工艺过程。在产品生产中，它起着十分重要的作用，因为它是获得复杂构形和高在产品生产中，它起着十分重要的作用，因为它是获得复杂构形和高精度零件的主要技术手段。精度零件的主要技术手段。-装配工艺过程：装配工艺过程：是把零件、组件及部件按一定的技术要求装配成合格产品的过程。是把零件、组件及部件按一定的技术要求装配成合格产品的过程。二、机械加工工艺过程的组成二、机械加工工艺过程的组成-机械加工工艺过程：机械加工工艺过程：是由若干个按一定顺序排

7、列的工作次序是由若干个按一定顺序排列的工作次序(工序工序)组成，毛坯依次通过组成，毛坯依次通过这些工序被加工成零件。这些工序被加工成零件。-为什么要划分成若干工序呢为什么要划分成若干工序呢?一方面是由于零件具有不同形状和精度的表面，这些表面的加工往往一方面是由于零件具有不同形状和精度的表面，这些表面的加工往往不是一台机床所能完成的；另一方面是划分工序可以提高效率、降低不是一台机床所能完成的；另一方面是划分工序可以提高效率、降低生产成本。生产成本。每道工序又由安装、工位、工步和走刀等步骤组成。每道工序又由安装、工位、工步和走刀等步骤组成。机械加工工艺过程的组成机械加工工艺过程的组成图图12所示为

8、螺钉机械加工工艺过程的组成。所示为螺钉机械加工工艺过程的组成。三、基准的概念及分类三、基准的概念及分类-基准：基准：是在确定零件上其他面、线或点的位置准确度时所依据的该零件上的是在确定零件上其他面、线或点的位置准确度时所依据的该零件上的面、线或点。在计算和度量某些面、线、点的位置尺寸时，基准就是面、线或点。在计算和度量某些面、线、点的位置尺寸时，基准就是计算和度量的起点。计算和度量的起点。在机械加工过程中，按不同要求选择哪些面、线或点作为基准，是直在机械加工过程中，按不同要求选择哪些面、线或点作为基准，是直接影响工件表面之间相互位置精度的主要因素之一，从而间接影响产接影响工件表面之间相互位置精

9、度的主要因素之一，从而间接影响产品设计的精度和功能。品设计的精度和功能。基准的分类如下：基准的分类如下：1设计基准设计基准它是设计零件图样时用以确定其他面、线或点的位置所依据的基准。它是设计零件图样时用以确定其他面、线或点的位置所依据的基准。设计人员从零件在产品中的工作条件和性能要求出发，在零件图样上设计人员从零件在产品中的工作条件和性能要求出发，在零件图样上用位置尺寸或相互位置关系用位置尺寸或相互位置关系(如平行度、垂直度、同轴度等如平行度、垂直度、同轴度等)确定各表确定各表面的相对位置。面的相对位置。对于整个零件来说，尽管有很多位置尺寸和相互关系的要求，但在每对于整个零件来说，尽管有很多位

10、置尺寸和相互关系的要求，但在每个方向上往往只有一个主要设计基准。个方向上往往只有一个主要设计基准。如图如图13所示的所示的曲轴，曲轴，A面分别是面分别是A、B、D、F和和H面的设计基准；面的设计基准；B面是面是C面、面、D面是面是E面、面、F面是面是G面的面的设计基准；轴线设计基准；轴线O-O是是O-O和和O”-O”的设计基的设计基准。准。2工艺基准工艺基准在制造过程在制造过程(包括加工、度量和装配包括加工、度量和装配)中采用的各种基准，总称工艺中采用的各种基准，总称工艺基准，也称制造基准。基准，也称制造基准。按用途不同，工艺基准又可分为工序基准、定位基准、度量基准及装按用途不同，工艺基准又可

11、分为工序基准、定位基准、度量基准及装配基准。配基准。(1)工序基准工序基准工序基准也称原始基准，是在工序卡片工序基准也称原始基准，是在工序卡片(或其他工艺文件或其他工艺文件)上用以确上用以确定被加工表面位置的基准。确定被加工表面位置的尺寸称为工序尺定被加工表面位置的基准。确定被加工表面位置的尺寸称为工序尺寸，工序尺寸的起点就是工序基准。寸，工序尺寸的起点就是工序基准。工序基准和工序尺寸可用于工艺过程的任一工序中。工序基准和工序尺寸可用于工艺过程的任一工序中。如图如图14a所示，在加工所示，在加工齿轮毛坯的端面齿轮毛坯的端面E及内孔及内孔F的工序中，的工序中，B面及轴线面及轴线0-0是是E及及F

12、的工序基准，尺寸的工序基准，尺寸口口F是工序尺寸。在图是工序尺寸。在图14b中，对于加工齿轮端面中，对于加工齿轮端面D及外圆及外圆C的工序来说，的工序来说，E面及轴线面及轴线0-0是是D及及C的工的工序基准，尺寸序基准，尺寸b及及C是工是工序尺寸。序尺寸。(2)定位基准定位基准定位基准是工件在夹具上定位基准是工件在夹具上(或直接在机床上或直接在机床上)定位时，用以使工件在定位时，用以使工件在工序尺寸方向上相对于刀具得到确定位置的基准。工序尺寸方向上相对于刀具得到确定位置的基准。从图从图14a可以看出，在加工齿轮端面可以看出，在加工齿轮端面E及内孔及内孔F的第一工序中，由于的第一工序中，由于是以

13、毛坯外圆面是以毛坯外圆面A及端面及端面B确定工件在夹具上的位置，所以确定工件在夹具上的位置，所以A、B面就是面就是此工序的定位基准。此工序的定位基准。在图在图14b中，是用中，是用E面及面及F内孔面确定工件的位置，加工齿轮端面内孔面确定工件的位置，加工齿轮端面D及外圆及外圆C，E及及F就是此工序的定位基准。就是此工序的定位基准。由于工序尺寸方向不同，作为定位基准的表面也不同。由于工序尺寸方向不同，作为定位基准的表面也不同。图图1-5为加工活为加工活塞的两个工序的情塞的两个工序的情况。况。图图1-5a是加工底是加工底端面端面E及内止口及内止口F的的工序，毛坯外圆工序，毛坯外圆A及及顶面顶面B是定

14、位基准。是定位基准。图图1-5b是加工上是加工上端面端面C、外圆、外圆D及环及环槽槽G的工序，的工序，E及及F就是定位基准。就是定位基准。作为定位基准的表面可用未经加工的表面或已经加工过的表面。作为定位基准的表面可用未经加工的表面或已经加工过的表面。-粗基准粗基准(毛基准毛基准):未经加工的表面作为定位基准，如图未经加工的表面作为定位基准，如图15a中的中的A、B面。面。-精基准精基准(光基准光基准)：已经过加工的表面作为定位基准，如图已经过加工的表面作为定位基准，如图15b中的中的E、F面。面。精基准中又可分为基本精基准和辅助精基准。精基准中又可分为基本精基准和辅助精基准。-基本精基准：基本

15、精基准：若在装配时也是作为装配基准的精基准，如图若在装配时也是作为装配基准的精基准，如图1-4b的内孔的内孔F和端面和端面E。-辅助精基准：辅助精基准：若在装配和使用时没有用处者的精基准，如图若在装配和使用时没有用处者的精基准，如图l-5b的内止口的内止口F和底端和底端面面E。(3)度量基准度量基准指用以度量加工表面位置的基准。在工件进行加工或加工完毕进行检指用以度量加工表面位置的基准。在工件进行加工或加工完毕进行检验时，用到度量基准。验时，用到度量基准。如图如图1-6所示，图所示，图1-6a为零件简图，为零件简图，图图1-6b为加工一个为加工一个孔的工序简图，图孔的工序简图，图1-6c和和d

16、表示检验表示检验已加工孔位置的已加工孔位置的两种方法，其工序两种方法，其工序基准和度量基准是基准和度量基准是不一致的。不一致的。(4)装配基准装配基准指当零件装配成部件和机器时，用以确定零、部件在机器中位置的基指当零件装配成部件和机器时，用以确定零、部件在机器中位置的基准。准。例如，将曲轴装进机体，曲轴上与机体接触、限制曲轴轴向运动的两例如，将曲轴装进机体，曲轴上与机体接触、限制曲轴轴向运动的两轴肩面轴肩面(图图13中的中的A、A面面)即为曲轴的轴向装配基准，它确定了曲轴即为曲轴的轴向装配基准，它确定了曲轴轴向各表面与机体各有关表面之间的相互位置。轴向各表面与机体各有关表面之间的相互位置。最后

17、应当指出，作为工艺基准的面、线、点，在工件上有时并不一定最后应当指出，作为工艺基准的面、线、点，在工件上有时并不一定具体存在具体存在(如轴线、基准中心平面如轴线、基准中心平面)，而常由具体的表面体现，该表面，而常由具体的表面体现，该表面称为基面。如图称为基面。如图1-4所示，齿轮孔的内表面可为齿轮的定位基面、度量所示，齿轮孔的内表面可为齿轮的定位基面、度量基面和装配基面，它所体现的基准是孔的轴线。基面和装配基面，它所体现的基准是孔的轴线。同一表面由于所起作用不同，基准的类型名称也不相同。同一表面由于所起作用不同，基准的类型名称也不相同。-基准重合：基准重合：不同基准重合在一起的情况称为基准重合

18、。上述各种基准，在可能情不同基准重合在一起的情况称为基准重合。上述各种基准，在可能情况下应尽量做到重合。况下应尽量做到重合。例如，设计零件图样时，应尽量以装配基准作为设计基准，这样可直接保证例如，设计零件图样时，应尽量以装配基准作为设计基准，这样可直接保证装配精度；在制定工艺规程时，应尽量以设计基准作为工序基准，或以工序基装配精度；在制定工艺规程时，应尽量以设计基准作为工序基准，或以工序基准作为定位基准，否则，由于基准不重合产生基准不重合误差而提高了对工件准作为定位基准，否则，由于基准不重合产生基准不重合误差而提高了对工件加工精度的要求。同样，应尽量以工序基准作为度量基准，这样能直接反映加加工

19、精度的要求。同样，应尽量以工序基准作为度量基准，这样能直接反映加工精度。工精度。-基准统一：基准统一：在工件加工同一表面及各表面的各个工序中，应尽量采用相同的基在工件加工同一表面及各表面的各个工序中，应尽量采用相同的基准。准。这是由于基准统一可减少换算误差，容易保证精度的要求，并可提高生产率这是由于基准统一可减少换算误差，容易保证精度的要求，并可提高生产率等。等。四、关于生产系统和机械加工系统的概念四、关于生产系统和机械加工系统的概念合理和科学地使用合理和科学地使用“系统系统”的概念，可以更清晰地了解与所研究事物的概念，可以更清晰地了解与所研究事物相关联的各种要素，找出相互间的内在联系或规律，

20、用整体和综合的相关联的各种要素，找出相互间的内在联系或规律，用整体和综合的观点，完成所要解决的问题。观点，完成所要解决的问题。1“系统系统”的含义和属性的含义和属性所谓系统，是指有目的、有一定秩序的一些事物的有机的集合。所谓系统，是指有目的、有一定秩序的一些事物的有机的集合。系统按其组成的成分、输入、输出等数量以及作用的复杂程度，可以系统按其组成的成分、输入、输出等数量以及作用的复杂程度，可以分为简单系统和复杂系统。分为简单系统和复杂系统。“系统系统”是多层次的，研究是多层次的，研究“系统系统”，必须首先确定其作用的范围。，必须首先确定其作用的范围。系统的属性：系统的属性：1)集合性：系统由两

21、个以上可以识别的要素集合性：系统由两个以上可以识别的要素(元素或单元元素或单元)组成。组成。例如，把一个工厂作为一个系统，则人员、设备、材料等都是组成系例如，把一个工厂作为一个系统，则人员、设备、材料等都是组成系统的要素。统的要素。2)相关性：组成系统的各个要素是相互关联并相互作用的。相关性：组成系统的各个要素是相互关联并相互作用的。不相互关联的要素，不能成为一个系统。不相互关联的要素，不能成为一个系统。3)目的性：系统是有目的性的。目的性：系统是有目的性的。对一个系统而言，必须有其追求的目标，其目标可以是单一的亦可有对一个系统而言，必须有其追求的目标，其目标可以是单一的亦可有多个。多个。4)

22、环境的适应性：即系统在变化的环境中能保持其最佳状态。环境的适应性：即系统在变化的环境中能保持其最佳状态。5)整体性：系统中各要素要服从整体要求，以整体观念来协调系统整体性：系统中各要素要服从整体要求，以整体观念来协调系统各要素。各要素。这里，这里，“整体整体”思想是系统概念的核心。研究系统问题时，必须明确思想是系统概念的核心。研究系统问题时，必须明确整体的目的性，各个要素都不能离开整体去研究，而且要相互协调才整体的目的性，各个要素都不能离开整体去研究，而且要相互协调才能最有效地达到整体的目的。能最有效地达到整体的目的。2机械加工工艺系统的基本概念机械加工工艺系统的基本概念如果以一个零件的机械加

23、工工艺过程作为一个系统来考察，则可认为机床、如果以一个零件的机械加工工艺过程作为一个系统来考察，则可认为机床、刀具、夹具与工件四个要素组成一个机械加工工艺系统。该系统的整体目的刀具、夹具与工件四个要素组成一个机械加工工艺系统。该系统的整体目的是在不同条件下能适应环境，保质、保量、经济地完成零件的加工要求。是在不同条件下能适应环境，保质、保量、经济地完成零件的加工要求。作为一个系统，必须从组成该系统的机床作为一个系统，必须从组成该系统的机床-刀具刀具-夹具夹具-工件这四个要素的整工件这四个要素的整体出发，分析与研究各种有关问题，才可能实现该系统的工艺最佳加工方体出发，分析与研究各种有关问题，才可

24、能实现该系统的工艺最佳加工方案。案。带有数字控制和适时控制等新型的机械加工方法：要实现系统带有数字控制和适时控制等新型的机械加工方法：要实现系统最佳控制，要考虑三方面：最佳控制，要考虑三方面：“物质流物质流”-坯料由上工序输入本工序并经过存储、机械加工和检测，然坯料由上工序输入本工序并经过存储、机械加工和检测，然后作为本工序加工完成的零件输入下一工序这一物质流动的流程；后作为本工序加工完成的零件输入下一工序这一物质流动的流程；“信息流信息流”-合理编制包括工艺文件、数控程序和适控模型等控制着物质合理编制包括工艺文件、数控程序和适控模型等控制着物质系统工作的信息的流程；系统工作的信息的流程；“能

25、量流能量流”-系统中能量的消耗及其流程。系统中能量的消耗及其流程。充分综合考虑这三种物质形态的相互关系和作用，以寻求系统运行达充分综合考虑这三种物质形态的相互关系和作用，以寻求系统运行达到最佳状态。到最佳状态。3机械制造系统的概念机械制造系统的概念如果以整个机械加工车间作为更高一级的系统来考察，则该系统的整如果以整个机械加工车间作为更高一级的系统来考察，则该系统的整体目的就是使该车间能在最佳状态下完成本车间全部零件的机械加工体目的就是使该车间能在最佳状态下完成本车间全部零件的机械加工任务。任务。4生产系统的概念生产系统的概念若以整个机械制造工厂作为系统看待，就是一个生产系统，它的整体若以整个机

26、械制造工厂作为系统看待，就是一个生产系统，它的整体目的应是生产质优价廉的产品，以满足日益增长的市场需求，获得优目的应是生产质优价廉的产品，以满足日益增长的市场需求，获得优良的社会效益和经济效益。因此，该系统不仅要考虑上述制造系统中良的社会效益和经济效益。因此，该系统不仅要考虑上述制造系统中的各要素，还要把技术信息、经营管理、劳动力、资源和能源的利的各要素，还要把技术信息、经营管理、劳动力、资源和能源的利用、环境保护、市场动态、经济政策、社会问题等，都作为系统的组用、环境保护、市场动态、经济政策、社会问题等，都作为系统的组成要素看待。成要素看待。综上所述，分析和研究系统必须确定范畴。上述几个层次

27、中，生产系综上所述，分析和研究系统必须确定范畴。上述几个层次中，生产系统是包括制造系统的更高一级系统；而制造系统则是生产系统中比较统是包括制造系统的更高一级系统；而制造系统则是生产系统中比较重要的一部分，在其下面还可以包括诸如机械加工系统等更多下属子重要的一部分，在其下面还可以包括诸如机械加工系统等更多下属子系统。明确各种要素在该系统中的作用、地位及其相互联系，才能保系统。明确各种要素在该系统中的作用、地位及其相互联系，才能保证系统运行的最佳化。证系统运行的最佳化。生产系统生产系统制造系统制造系统机械加工系统机械加工系统图图1-9所示为机所示为机械制造工厂的生产械制造工厂的生产系统框图，从图中

28、系统框图，从图中可以看出各种物质可以看出各种物质形态之间的关系。形态之间的关系。它主要由厂部决它主要由厂部决策、计划管理及生策、计划管理及生产技术三部分组产技术三部分组成。成。五、生产纲领和类型五、生产纲领和类型1生产纲领和批量生产纲领和批量工厂或产品的生产纲领工厂或产品的生产纲领-是指包括备品和废品在内的该产品的年产是指包括备品和废品在内的该产品的年产量。量。零件的生产纲领可按下式计算：零件的生产纲领可按下式计算：N=Qn(1+)(1+)式中，式中，N为零件的生产纲领为零件的生产纲领(件年件年)；Q为机器产品的年产量为机器产品的年产量(台年台年)；n为每台机为每台机器中该零件的数量器中该零件

29、的数量(件台件台)；为备件百分率为备件百分率()；为废品百分率为废品百分率()。批量批量-将生产纲领所确定的零件数量，在一年中分批投产，其每批将生产纲领所确定的零件数量，在一年中分批投产，其每批投产的数量就称。投产的数量就称。2生产类型生产类型工厂或产品的生产纲领决定了工厂的生产规模和生产方式。工厂或产品的生产纲领决定了工厂的生产规模和生产方式。根据生产纲领、产品的复杂程度和质量的大小，其生产方式可以分为根据生产纲领、产品的复杂程度和质量的大小，其生产方式可以分为单件生产、成批生产单件生产、成批生产(又可分为小批、中批和大批生产又可分为小批、中批和大批生产)、大量生产三、大量生产三种类型。就其

30、工艺过程的特点而言，小批生产和单件生产相似，大批种类型。就其工艺过程的特点而言，小批生产和单件生产相似，大批生产和大量生产相似；因此，通常也可分成单件小批生产、成批生产和大量生产相似；因此，通常也可分成单件小批生产、成批(中中批批)生产、大批大量生产三种类型。生产、大批大量生产三种类型。(1)单件生产单个或少量地制造不同结构和尺寸的产品而不重复和较少重复单件生产单个或少量地制造不同结构和尺寸的产品而不重复和较少重复制造的生产方式，称为单件生产。制造的生产方式，称为单件生产。例如，大型船用柴油机或大型汽轮机、重型机器的制造和新产品的试制，就属于这例如，大型船用柴油机或大型汽轮机、重型机器的制造和

31、新产品的试制，就属于这种生产类型。单件生产的工厂，由于需要制造不同类型且数量又少的产品，所以在生种生产类型。单件生产的工厂，由于需要制造不同类型且数量又少的产品，所以在生产组织上应有大的灵活性。产组织上应有大的灵活性。(2)大量生产产品数量很大，在每台机床或设备上，连续重复地做某工件的大量生产产品数量很大，在每台机床或设备上，连续重复地做某工件的一个工序。一个工序。例如，汽车、汽车内燃机、内燃机上某些零件及附件的专业化生产，均采用这种大例如，汽车、汽车内燃机、内燃机上某些零件及附件的专业化生产，均采用这种大量生产方式。大量生产方式多采用专用机床，按流水的方式组织生产，宜采用自动化量生产方式。大量生产方式多采用专用机床，按流水的方式组织生产，宜采用自动化技术。因此，生产效率高、成本低