机械加工工艺过程设计课件

1第5章机械加工工艺过程设计本章要点

掌握并能正确运用选择定位基准的原则（5.2）理解经济加工精度概念，掌握制订工艺路线的基本原则和方法（加工方法选择，加工阶段划分，加工顺序安排，工序集中与工序分散）（5.3）理解成组工艺过程设计方法（补充）理解数控加工工艺的特点（5.4）理解加工余量概念，掌握工序尺寸及公差确定方法（5.5）掌握并能正确运用工艺尺寸链求解工序尺寸（5.6）了解计算机辅助工艺过程设计的意义及工作原理（5.7）理解工时定额的组成，了解提高生产效率的方法（5.8.1）理解工艺成本概念，了解工艺方案比较方法（5.8.2）1第5章机械加工工艺过程设计本章要点掌握并能正确运用选2机械制造技术基础第5章机械加工工艺过程设计MachiningProcessPlanning5.1

制订机械加工工艺规程的步骤和方法StepsandMethodsofMachiningProcessPlanning2机械制造技术基础第5章机械加工工艺过程设计5.135.1.1机械加工工艺规程及其作用

机械加工工艺过程和工艺规程

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35.1.1机械加工工艺规程及其作用机械加工工艺过程和4表5-1机械加工工艺过程卡片表5-1机械加工工艺过程卡片5.1.1机械加工工艺规程及其作用

工艺规程形式（工艺过程卡、工序卡、工艺卡）

4表5-1机械加工工艺过程卡片表5-1机械加工工艺5表5-2机械加工工序卡片5.1.1机械加工工艺规程及其作用

5表5-2机械加工工序卡片5.1.1机械加工工艺规6表5-1机械加工工艺过程卡片表5-3机械加工工艺卡片5.1.1机械加工工艺规程及其作用

6表5-1机械加工工艺过程卡片表5-3机械加工工艺75.1.2机械加工工艺规程的设计原则

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工艺过程有较高的生产效率和较低的成本充分考虑和利用现有生产条件，尽可能做到平衡生产尽量减轻工人劳动强度，保证安全生产，创造良好、文明的劳动条件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75.1.2机械加工工艺规程的设计原则保证零件85.1.3制订机械加工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85.1.3制订机械加工工艺规程所需原始资料产品的全套9

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5.1.4机械加工工艺规程的设计步骤及内容2.工艺审查

审查图纸上尺寸、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5-491.阅读装配图和零件图5.1.4机械加工10表5-4各类毛坯的特点及适用范围

毛坯种类制造精度（IT）加工余量原材料工件尺寸工件形状机械性能适用生产类型型材型材焊接件砂型铸造自由锻造普通模锻钢模铸造精密锻造压力铸造熔模铸造冲压件粉末冶金件

工程塑料件

13级以下13级以下11～1510～128～118～117～108～107～9

9～11大一般大大一般较小较小小很小小很小

较小各种材料钢材铸铁、铸钢、青铜钢材为主钢、锻铝、铜等铸铝为主钢材、锻铝等铸铁、铸钢、青铜铸铁、铸钢、青铜钢铁、铜、铝基材料程塑料小型大、中型各种尺寸各种尺寸中、小型中、小型小型中、小型小型为主各种尺寸中、小尺寸

中、小尺寸简单较复杂复杂较简单一般较复杂较复杂复杂复杂复杂较复杂复杂较好有内应力差好好较好较好较好较好好一般

一般各种类型单件单件小批单件小批中、大批量中、大批量大批量中、大批量中、大批量大批量中、大批量

中、大批量5.1.4机械加工工艺规程的设计步骤及内容10表5-4各类毛坯的特点及适用范围毛坯种类制114.选择定位基准（见5.2节）5.拟定加工路线（见5.3节）6.确定满足各工序要求的工艺装备5.1.4机械加工工艺规程的设计步骤及内容7.确定工序余量，计算工序尺寸和公差（见5.5和5.6节）

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8.确定切削用量（见3.5节）9.确定时间定额（见5.8节）114.选择定位基准（见5.2节）5.1.4机械加工工1210.编制数控加工程序（数控加工见5.4节）5.1.4机械加工工艺规程的设计步骤及内容11.评价工艺路线

对所制订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（见5.8节）12.填写或打印工艺文件

1210.编制数控加工程序（数控加工见5.4节）5.1.413机械制造技术基础5.2

定位基准的选择SelectionofLocationDatum第5章

机械加工工艺过程设计MachiningProcessPlanning13机械制造技术基础5.2定位基准的选择第5章机械14补图5-1主轴箱零件精基准选择5.2.1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14补图5-1主轴箱零件精基准选择5.2.1精基准155.2.1精基准的选择补图5-2a以顶面和两销孔定位

镗孔支架补图5-2置于箱体中部的吊架支承

吊架155.2.1精基准的选择补图5-2a以顶面和两销161617

5.2.1精基准的选择X62W铣床立柱选择立导轨A、C面为统一精基准。首先将立导轨加工好，以后的各工序均以此为精基准定位，依次加工出底面1、悬梁导轨2、侧面4以及孔系3（轴孔Ⅰ～Ⅴ），以保证主轴孔Ⅴ、悬梁导轨及底面与立导轨的垂直度；侧面与Ⅲ轴孔的平行度以及轴孔Ⅰ～Ⅴ间的中心距和平行度

铣床立柱统一基准举例ⅤⅣⅢⅡⅠ234

图5-1铣床立柱简图1AC175.2.1精基准的选择X62W铣床立18

在实际生产中，经常使用的统一基准形式如下：5.2.1精基准的选择

轴类零件常使用两顶尖孔作统一基准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）作统一基准补图5-3活塞统一基准

盘套类零件常使用止口面（一端面和一短圆孔）作统一基准套类零件用一长孔和一止推面作统一基准补图5-4轴套统一基准18在实际生产中，经常使用的统一基准形式如下：5.2.1195.2.1精基准的选择

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

采用统一基准原则的好处：

有利于保证各加工表面之间的位置精度可以简化夹具设计，减少工件搬动和翻转次数195.2.1精基准的选择注意：采用统一基准原则常常会20

互为基准原则锥孔轴径轴径图5-2主轴零件精基准选择例：主轴零件精基准选择（轴径、锥孔互为基准，图5-2）5.2.1精基准的选择又例：齿轮加工（孔与齿面互为基准，补图5-5）补图5-5齿轮孔与齿面互为基准20互为基准原则锥孔轴径轴径图5-2主轴零件精基准21

5.2.1精基准的选择

自为基准原则

例：床身导轨面磨削加工（找正导轨面，图5-3）图5-3导轨磨削基准选择找正前找正后215.2.1精基准的选择自为基准原则22

图5-13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外圆研磨示意图又例：铰孔、拉孔、研磨（图5-10）5.2.1精基准的选择再例：浮动镗刀块镗孔（图5-13）22图5-13浮动镗刀块便于装夹原则：所选择235.2.2粗基准的选择

保证相互位置要求原则：如果首先要求保证工件加工面与不加工面相互位置要求，则应以不加工面作为粗基准

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（a）（b）（c）图5-4粗基准选择比较235.2.2粗基准的选择保证相互位置要求原则：如果首24图5-5床身粗基准选择比较工序1工序1工序2工序2

便于工件装夹原则：选用粗基准面尽可能平整、光洁，且有足够大尺寸，不允许有锻造飞边、铸造浇冒口或其他缺陷。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24图5-5床身粗基准选择比较工序1工序1工序2工序225

5.2.2粗基准的选择

（a）（b）补图5-6粗基准重复使用错误示例及改进255.2.2粗基准的选择26补图5-7摇杆零件图【例5-1】选择补图5-7所示摇杆零件的定位基准。零件材料为HT200，毛坯为铸件，生产批量5000件

5.2.3定位基准选择实例分析26补图5-7摇杆零件图【例5-1】选择补图5-7所示27

5.2.3定位基准选择实例分析图5-6数控车削中心主轴箱体零件图【例5-2】车削加工中心主轴箱箱体，材料HT200，毛坯铸件，单件小批生产275.2.3定位基准选择实例分析图5-628

5.2.4定位基准选择实例分析表5-5数控车削中心主轴箱箱体加工工艺过程285.2.4定位基准选择实例分析表5-529机械制造技术基础5.3

工艺路线的拟订DeterminetheMachiningRoute第5章

机械加工工艺过程设计MachiningProcessPlanning29机械制造技术基础5.3工艺路线的拟订第5章机械305.3.1加工方法的选择图5-7加工误差与成本关系CΔ0AB

经济精度随年代增长和技术进步而不断提高（图5-8）

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5-7中的AB段）加工误差/μm196010-110-210-319202000102101100年代图5-8加工精度与年代的关系一般加工精密加工超精密加工加工经济精度305.3.1加工方法的选择图5-7加工误差与成本关315.3.1加工方法的选择

零件加工表面的精度和表面粗糙度要求零件材料的加工性生产批量和生产节拍要求企业现有加工设备和加工能力经济性选择加工方法应考虑的问题

外圆表面、孔及平面加工方案参见表5-6，表5-7，表5-8315.3.1加工方法的选择零件加工表面的精度和表面粗325.3.1加工方法的选择

表5-6外圆加工中各种加工方法的加工经济精度及表面粗糙度

注：加工有色金属时，表面粗糙度Ra取小值325.3.1加工方法的选择表5-6外圆加335.3.1加工方法的选择

表5-7孔加工中各种加工方法的加工经济精度及表面粗糙度

注：加工有色金属时，表面粗糙度Ra取小值。335.3.1加工方法的选择表5-7孔加工345.3.1加工方法的选择

表5-8平面加工中各种加工方法的加工经济精度及表面粗糙度

注：加工有色金属时，表面粗糙度Ra取小值345.3.1加工方法的选择表5-8平面加355.3.1加工方法的选择研磨IT5Ra0.008~0.32超精加工IT5Ra0.01~0.32砂带磨IT5Ra0.01～0.16精密磨削IT5Ra0.008~0.08抛光Ra0.008~1.25金刚石车IT5～6Ra0.02~1.25滚压IT6～7Ra0.16~1.25精磨IT6～7Ra0.16~1.25精车IT7～8Ra1.25～5粗磨IT8～9Ra1.25～10半精车IT10～11Ra2.5～12.5粗车IT12～13Ra10～80图5-9外圆表面的典型加工工艺路线典型表面加工路线355.3.1加工方法的选择研磨超精365.3.1加工方法的选择图5-12孔的典型加工工艺路线珩磨IT5～6Ra0.04~1.25研磨IT5～6Ra0.008~0.63粗镗IT12～13Ra5～20钻IT10～13Ra5～80半精镗IT10～11Ra2.5～10粗拉IT9～10Ra1.25～5扩IT9～13Ra1.25~40精镗IT7～9Ra0.63～5粗磨IT9～11Ra1.25～10精拉IT7～9Ra0.16~0.63推IT6～8Ra0.08~1.25铰IT6～9Ra0.32~10金刚镗IT5～7Ra0.16~1.25精磨IT7～8Ra0.08~0.63滚压IT6～8Ra0.01~1.25手铰IT5Ra0.08~1.25365.3.1加工方法的选择图5-12孔的典型加工工375.3.1加工方法的选择图5-17平面典型加工工艺路线抛光Ra0.008～1.25研磨IT5～6Ra0.008～0.63精密磨IT5～6Ra0.04～0.32半精铣IT8～11Ra2.5～10精铣IT6～8Ra0.63～5高速精铣IT6～7Ra0.16～1.25导轨磨IT6Ra0.16～1.25精磨IT6～8Ra0.16～1.25宽刀精刨IT6Ra0.16～1.25粗磨IT8～10Ra1.25～10精刨IT6～8Ra0.63～5半精刨IT8～11Ra2.5～10半精车IT8～11Ra2.5～10粗铣IT11～13Ra5～20粗刨IT11～13Ra5～20砂带磨IT5～6Ra0.01～0.32金刚石车IT6Ra0.02～1.25刮研Ra0.04～1.25粗车IT12～13Ra10～80精拉IT6～9Ra0.32～2.5粗拉IT10～11Ra5～20精车IT6～8Ra1.25～5375.3.1加工方法的选择图5-17平面典型加工385.3.2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，为精加工做好准备精加工阶段——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可及早发现毛坯缺陷，以减少损失加工阶段的划分加工阶段划分的意义385.3.2加工阶段的划分粗加工阶段——主要395.3.3加工顺序的安排

先基准后其他——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

机械加工工序安排原则395.3.3加工顺序的安排先基准后其他——先40

为改善工件材料切削性能进行的热处理工序（如退火、正火等），应安排在切削加工之前进行为消除内应力进行的热处理工序（如退火、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改善工件材料力学物理性质进行的热处理工序（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5.3.3加工顺序的安排热处理和表面处理工序的安排40为改善工件材料切削性能进行的热处理工序（如退火415.3.3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：

其他工序的安排

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

检验工序的安排

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辅助工序的安排415.3.3加工顺序的安排除操作工人自检外，下列情况应425.3.4工序集中与分散

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

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

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，并有利于管理工序集中工序分散425.3.4工序集中与分散使每个工序中包括尽435.3.3工序集中与分散

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）

由于市场需求多变性，对生产过程柔性要求越来越高，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补图5-8五面体加工中心（工序集中代表）工序集中与工序分散的应用435.3.3工序集中与分散传统的流水线、自动445.3.5工艺路线拟定实例图5-18多用磨床油缸筒零件图

实例1：油缸筒零件加工工艺445.3.5工艺路线拟定实例图5-18多用磨床油455.3.5工艺路线拟定实例表5-10多用磨床油缸筒工艺路线455.3.5工艺路线拟定实例表5-10多用磨床油465.3.5工艺路线拟定实例

实例2：中间轴齿轮零件加工工艺补图5-9中间轴齿轮零件图465.3.5工艺路线拟定实例实例2：中间轴齿轮零件加475.3.5工艺路线拟定实例补图5-10中间轴齿轮毛坯图475.3.5工艺路线拟定实例补图5-10中间轴齿48补表5-1中间轴齿轮第一工艺方案48补表5-1中间轴齿轮第一工艺方案495.3.5工艺路线拟定实例补表5-2中间轴齿轮第二工艺方案495.3.5工艺路线拟定实例补表5-2中间轴齿轮505.3.5工艺路线拟定实例

两种方案比较

方案2工序相对集中，便于管理，且由于采用普通机床，较少使用专用夹具，易于实现方案1采用工序分散原则，各工序工作相对简单。考虑到该零件生产批量较大（年产量2万件），工序分散可简化调整工作，易于保证加工质量，且采用气动夹具，可提高加工效率

工序设计：02、09工序为例（方案1）

综合考虑企业生产条件，决定采用方案1505.3.5工艺路线拟定实例两种方案比较方案2工序51工序图排刀图51工序图5252535.3.6成组工艺过程设计（补充）

综合零件法

综合路线法

综合零件包含了零件组内所有零件的结构要素，它可以是一个实际零件，但更多情况是一个假想零件按综合零件编制工艺规程，则该工艺规程包含了零件组内所有零件的工艺内容综合零件法多用于回转体零件的成组工艺过程设计

将零件组内所有零件的工艺内容综合在一起，形成成组工艺多用于非回转体零件的成组工艺过程设计535.3.6成组工艺过程设计（补充）综合零件法545.3.6成组工艺过程设计综合零件补图5-11综合零件实际零件【例5-3】小轴类零件成组工艺过程编制545.3.6成组工艺过程设计综合零件补图5-11555.3.6成组工艺过程设计特征矩阵

综合零件成组工艺过程卡车间零件组代号页工序号工序名称及内容机床适用零件车右端面,打中心孔,车外圆(留磨量)车螺纹,倒角,车槽,切断1C6132

ABCDE2车左端面,打中心孔,倒角铣键槽（铣横槽,铣扁）3C6132X51W4调质5研中心孔C61326磨外圆M121∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨

12

3

4

5

6

7

8

90123456789补表5-3小轴类零件成组工艺过程卡555.3.6成组工艺过程设计特征矩阵综合零件成组工565.3.6成组工艺过程设计补图5-12综合路线法编制成组工艺规程565.3.6成组工艺过程设计补图5-12综合路线法编57机械制造技术基础5.4

数控加工工艺TechnologyofNumericalMachining第5章

机械加工工艺过程设计MachiningProcessPlanning57机械制造技术基础5.4数控加工工艺第5章机械加工工585.4.1数控加工的合理选用

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）

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）图5-19各类机床适应的加工范围专用机床数控机床通用机床零件复杂程度零件批量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、攻螺纹等多种操作585.4.1数控加工的合理选用形状复杂、加工59补图5-13

数控车床及数控车削零件5.4.1数控加工的合理选用59补图5-13数控车床及数控车削零件5.4.1数控60

补图5-14

数控铣床（加工中心）及数控铣削加工示例5.4.1数控加工的合理选用60补图5-14数控铣床（加工中心）及数控铣削加615.4.2数控加工工艺过程设计

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、攻螺纹时的排屑动作等。程序须经验证证明正确后，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）的运动路径对生产率、加工精度影响很大，需合理规划使用夹具相对简单615.4.2数控加工工艺过程设计加工过程严格按程序指625.4.2数控加工工艺过程设计

零件工艺分析数控加工工艺设计的主要问题

除一般工艺性分析内容外，应着重审查零件结构与尺寸标注是否便于数控加工和数控编程

零件内腔和外形尽量统一，以方便编程，提高生产效率内槽圆角半径不能过小槽底圆角半径不能过大。过大，铣刀端刃铣削平面的能力越差，效率也越低

零件图样尺寸标注应适应数控加工特点：应尽量从同一基准标注尺寸，或给出相应的坐标值图5-20底面加工工艺性625.4.2数控加工工艺过程设计零件工艺分析数控635.4.2数控加工工艺过程设计

零件装夹与夹具选择

数控机床使用夹具，一般只需要“定位”和“夹紧”两项功能，结构相对较简单，但精度要求高，且在机床上安装时应实现完全定位数控机床常用的夹具有通用夹具、组合夹具、通用可调整夹具及专用夹具等。其中，孔系组合夹具由于其精度高、刚性好、万能性强等特点，得到广泛应用

装夹工件两个原则：

应尽量减少装夹次数，力争做到一次装夹后能加工出全部待加工表面零件需要二次装夹时，要尽可能利用同一基准面来加工另一些待加工面，以减少加工误差635.4.2数控加工工艺过程设计零件装夹与夹具选择64补图5-15

孔系组合夹具实例

1－工件；2－组合压板；3－调解螺栓；4－基础板；5－方形定位连接板；6－切边圆柱支承；7－台阶支承

孔系组合夹具实例5.4.2数控加工工艺过程设计64补图5-15孔系组合夹具实例孔系组合夹具实例5.4655.4.2数控加工工艺过程设计

工步划分

采用工序集中原则：很多情况下，一次装夹完成粗、精加工

数控加工工步划分则比较灵活，并常常按刀具来划分工步（而非按加工表面划分工步）

对于结构刚性较差、精度要求较高的零件，应将粗、精加工分开，且在粗加工后安排暂停指令，略微松开压板（或其他夹紧装置），以使工件弹性变形得以恢复，然后再用较小的夹紧力夹紧工件，进行精加工655.4.2数控加工工艺过程设计工步划分采用工665.4.2数控加工工艺过程设计

路径规划

点位加工：通常按空程最短安排走刀路线。位置精度要求较高的孔系加工，要注意避免反向间隙的影响对刀点234ABCD1XY对刀点23ABCD1XY45刀具折返点图5-21孔加工路线示例（a）（b）665.4.2数控加工工艺过程设计路径规划点位加67

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5.4.2数控加工工艺过程设计67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68

型腔加工：在保证加工精度前提下，使走刀路径最短（a）（b）（c）图5-23型腔加工路线比较5.4.2数控加工工艺过程设计68型腔加工：在保证加工精度前提下，使走刀路径最短（a）（69

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5-24高速切削刀具路径规划（DELCAM公司）5.4.2数控加工工艺过程设计69高速加工：保证刀具运动轨迹光滑平稳，并使刀具载荷均匀（705.4.2数控加工工艺过程设计

工艺处理

编程原点：确定编程原点主要考虑便于编程和测量，并应尽量与设计基准重合，但不一定与定位基准相一致图5-25编程原点选择示例

对刀点：刀具相对于工件运动的起始点。选择对刀点应使找正容易，便于检查，并易于数据处理和编程。对刀点可选在工件上，也可选在工件外。对刀点应尽量选在零件设计基准或定位基准换刀点：即刀架转位换刀的位置。换刀点一般设在工件或夹具的外部，以刀架转位时不碰工件和夹具为准705.4.2数控加工工艺过程设计工艺处理编程原715.4.3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：上表面和环槽10采用铣削一次走刀加工；4-M10螺纹孔先打中心孔再钻孔，并用钻头倒角

确定加工顺序：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攻螺纹→铣环槽图5-26壳体零件简图715.4.3数控加工工艺实例确定数控加工内容：环槽、顶72A2A3A5A6Z6（c）A3A5Z5（d）A3Z4A4A1（e）25.593426.7平均余量平均尺寸ZiMAiMⅠⅡⅢⅣ0.480.851.8327.07A1A2A3A4A5Z7R1R2Z6Z5Z4631.690.1A66.16.18A5R1Z7（a）A5R2A4（b）6.计算中间工序平均尺寸

在各尺寸链中，首先找出只有一个未知数的尺寸链，解出此未知数。继续下去，解出全部未知工序尺寸5.6.4工艺尺寸链的图表法72A2A3A5A6Z6（c）A3A5Z5（d）A3Z4A473工序公差余量公差最小余量平均余量平均尺寸单向偏差形式标注ZiminZiMAiMAi初拟修正后±0.23±0.02A6ⅠⅡⅢⅣ±0.5±0.3±0.1±0.3±0.1±0.07±0.08±0.55±0.8310.30.30.480.851.836.127.076.5825.593426.7A1A2A3A4A5Z7R1R2Z6Z5Z4±0.1±0.31631.69±0.18±0.020.080.134－126.4＋0.6006.68－0.225.82－0.46006.18－0.1627＋0.14005.6.4工艺尺寸链的图表法73工序公差余量最小平均平均单向偏差ZiminZiMAi74R1A6ⅠⅡⅢⅣA1A2A3A4A5Z7R2Z6Z5Z45.6.5工序尺寸计算机求解方法（附加内容）1234567891413122412132212141－1－1－11－11000001－1－11001.

尺寸联系矩阵（T矩阵）

对应尺寸联系图，在计算机中可用矩阵形式表达

矩阵的每一行对应联系图的一个尺寸第1列表示自上而下尺寸线序号

第2、3列表示尺寸线左、右端点所在尺寸界限序号

第4列表示工序尺寸箭头方向，1表示箭头向左，－1表示向右

第5列表示余量性质，1表示箭头指向余量左侧，－1表示箭头指向余量右侧。结果尺寸没有箭头，对应第4列和第5列元素均为0

尺寸联系矩阵表达了尺寸联系图的所有有用信息补图5-18尺寸联系图与尺寸联系矩阵74R1A6ⅠⅡⅢⅣA1A2A3A4A5Z7R2Z6Z5Z475

尺寸联系矩阵（T矩阵）的处理1141

0231

－10321

－10442

－115121－1631

－1

－17221

18120

09140

0补图5-19尺寸联系矩阵变换为便于尺寸链查找，将T矩阵第2、3列元素位置进行调整，使工序尺寸箭头对应的尺寸界线序号排在第2列，圆点对应的尺寸界线序号排在第3列。这只需通过对第4列元素值的判断即可实现5.6.5工序尺寸计算机求解方法（附加内容）R1A6ⅠⅡⅢⅣA1A2A3A4A5Z7R2Z6Z5Z41234567891413122412132212141－1－1－11－11000001－1－110075尺寸联系矩阵（T矩阵）的处理11761141

0231－10321－104

42－115121－1631－1－17221

18120

09140

0A6ⅠⅡⅢⅣA1A2A3A4A5Z7R1R2Z6Z5Z4补图5-20

尺寸链计算机查找

向上追踪至第5行，左追踪线遇箭头拐弯,至圆点向上折。对应于：至第5行时出现L=T(5,2)=1，令：L=T(5,3)=2，表明左追踪线由尺寸线1移至尺寸线2，且A5为该尺寸链的组成环（又，左追踪线遇左箭头可判断A5为增环）

追踪至第4行，右追踪线遇右箭头，即：R=T(4,2)=4，令：R=T(4,3)=2，并可判断A4为增环。此时有L=R，表明左右追踪线汇交于一点，追踪结束2.尺寸链查找（结果尺寸链查找）

以R2为例：设变量L

和R分别为R2左右端点所在尺寸界线的序号，即令：L=T(9,2)=1，R=T(9,3)=4。211442225.6.5工序尺寸计算机求解方法（附加内容）761141077

C(i,j)=1，表示工序尺寸Aj是第i

个尺寸链的增环

C(i,j)=－1，表示工序尺寸Aj

是第i

个尺寸链的减环

C(i,j)=0，表示第i个尺寸链不包括工序尺寸Aj3.尺寸链矩阵（C矩阵）C

矩阵的每一行对应一个封闭环（结果尺寸和余量），每一列对应一个组成环（工序尺寸），矩阵每一元素表示封闭环与组成环的关系00000000000000000000010－1

－1

0000010

－1000－110

－11000000000000

10－1000

11

00A6ⅠⅡⅢⅣA1A2A3A4A5Z7R1R2Z6Z5Z4补图5-21尺寸链矩阵12345671234567895.6.5工序尺寸计算机求解方法（附加内容）77C(i,j)=1，表示工序尺寸Aj是第i个尺寸链78

尺寸联系矩阵设计尺寸及公差（按平均尺寸和对称偏差形式输入）初拟工序尺寸公差（按对称偏差形式输入）最小余量4.已知条件输入5.校核结果尺寸公差，修正初拟工序尺寸公差

压缩各组成环公差方法：1）按超差量自动压缩；2）采用人机对话例：校核结果尺寸R1和R2

，均超差，计算机将显示如下信息

根据显示结果，设计者可按实际情况灵活地修正有关工序尺寸公差。输入修正值后，计算机重新进行校核，直至达到要求为止5.6.5工序尺寸计算机求解方法（附加内容）78尺寸联系矩阵4.已知条件输入5.校核结果尺寸公差，796.计算余量公差和平均余量

利用解线性方程组的标准程序求解用类似图表法的算法，首先找出只有一个未知数的尺寸链方程，解出此未知数，重复此过程，直至解出全部的未知数为止7.尺寸链方程求解

大大缩短计算时间准确、可靠，可避免人为错误可使用概率法，使工序尺寸的确定更趋合理

计算机方法的优点5.6.5工序尺寸计算机求解方法（附加内容）796.计算余量公差和平均余量利用解线性方程组的标准程序80机械制造技术基础5.7计算机辅助工艺过程设计ComputerAidedProcessPlanning（CAPP）第5章

机械加工工艺过程设计MachiningProcessPlanning80机械制造技术基础5.7计算机辅助工艺815.7.1CAPP的意义

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繁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的意义

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815.7.1CAPP的意义传统工艺过程设计存在的问题825.7.2CAPP系统工作原理

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补图5-22CAM-I推出的派生式CAPP系统框图零件组矩阵零件编码查找零件组输入表头信息工艺规程格式工艺规程打印输出标准工艺路线文件标准工序文件工作要素处理应用程序工艺路线检索/编辑标准工序检索/编辑工艺规程存储器派生式

(变异式)CAPP系统

(VariantCAPPSystem)825.7.2CAPP系统工作原理该类系统以成组技术为83标准工艺规程文件特征矩阵文件零件图×××××××××××××××编码第×零件组零件组形成工艺过程设计（a）准备阶段图5-43派生式CAPP系统工作的两个阶段零件图标准工艺检索编码×××××第×零件组零件组搜索工艺规程（编辑）（b）使用阶段5.7.2CAPP系统工作原理83标准工艺规程文件特征矩阵文件零件图×××××编码第×零件84

派生式CAPP系统的特点从无到有生成（工艺决策算法和逻辑推理）

零件信息描述零件工艺过程

程序简单，易于实现。目前多用于回转体类零件CAPP系统需人工参与决策，自动化程度不高具有浓厚的企业色彩，局限性较大5.7.2CAPP系统工作原理创成式CAPP系统（GenerativeCAPPSystem）84派生式CAPP系统的特点从无到有生成（工艺决策算法85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生成

每一加工表面用一数组表示：孔——AT（40）面——AT（32）槽——AT（31）

数组各元素含义：

零件加工表面信息输入①表面编号②表面类型（如：1－圆孔，2－平面，3－槽…）③类型号码（取决于类型，如孔：1－圆孔，2－锥孔，3－螺孔…）④材料类型（如：1－铸铁，2－球铁，3－钢…）⑤材料硬度…5.7.2CAPP系统工作原理85例：普渡大学APPAS（AutomatedProces86

逻辑关系的建立读入一个表面数据CALLSIMHOL精镗孔/面/槽？光孔/台阶孔？CALLACCHOLCALLSLOTCALLSURFACECALLCOMHOLCALLCORHOLCALLDRILLCALLREAM钻可行？铰可行？套料否？槽面Y光孔台阶孔NNNYY图5-44APPAS系统工艺决策程序框图5.7.2CAPP系统工作原理86逻辑关系的建立读入一个表面数据CALLSIMHOL87

创成式CAPP系统特点：

不需人工干预，自动化程度高决策更科学，具有普遍性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5.7.2CAPP系统工作原理

加工方法选择每种加工方法均对应于一定的工作范围例：麻花钻钻孔对应的工作范围——

Dmax

=

2″，Dmin

=

0.0625″ES=0.007√D+0.003″，EI=0.007√D″

位置精度：±0.008″

粗糙度：Ra

=200μm

长径比：L/D＜1287创成式CAPP系统特点：不需人工干预，自动化程度高588

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系统特点例：神户大学开发的半创成式CAPP系统（图5-45）

集派生式及创成式系统的优点，又克服两者的不足目前为多数CAPP系统采用5.7.2CAPP系统工作原理半创成式CAPP系统（Semi-GenerativeCAPPSystem）88派生式CAPP系统完全以人的经验为基础，难于保证设计最89热处理、表面处理、手工作业等补充加工顺序和工序修正加工顺序处理机床选择调入一个零件数据机床组合零件数据工艺规程处理完否？NY工艺规程打印策略存储器机床文件

加工顺序存储器1000个零件数据

余量、精

度存储器动态制约：例轴长径比限制；淬火后只能磨……确定加工方法策略；机床选用顺序；机床选用策略…典型加工顺序检索确定加工余量划分加工阶段人工干预动态存储器图5-45神户大学半创成式CAPP系统程序框图89热处理、表面处理、手工作业等补充加工顺序和工序修正加工顺905.7.3CAPP关键技术

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

成组编码法

形面描述法

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

输入工作量大是其主要的弱点

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

多采用菜单（交互）方式输入，便于操作

零件信息输入905.7.3CAPP关键技术较粗糙，信息输入不完整915.7.3CAPP关键技术1.圆柱面2.圆锥面3.圆柱齿轮

4.圆锥齿轮5.蜗轮齿形6.花键

7.

螺纹8.滚花9.退出外部基本形面菜单1.直径：上偏差：

下偏差：2.长度：上偏差：下偏差：3.

表面粗糙度（Ra）：4.是否基准面：5.形位公差代号：公差：基准：6.有无辅助面？有无外圆柱面特征参数

1.径向孔2.端面孔3.径向螺孔

4.端面螺孔5.圆弧槽6.矩形槽

7.

端面槽8.斜孔9.退出外部辅助形面菜单圆柱面有915.7.3CAPP关键技术1.圆柱面925.7.3CAPP关键技术

与CAD系统相连接补图5-23

专用接口示例CAD系统实体模型几何/拓扑特征识别提取输入工艺管理信息特征文件TJU-CAPP系统专用接口

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925.7.3CAPP关键技术与CAD系统相连接补图5935.7.3CAPP关键技术

特点：

形式：

条件满足，继续沿分支前进，实现逻辑“与”条件不满足，回出发节点并转向另一分支，实现逻辑“或”分支终点列出应采取的行动（决策行动）

决策树

由树根、节点、分支构成；分支上方给出向一种状态转换的可能性或条件（确定性条件）

直观，容易建立，便于编程难于扩展和修改工艺决策935.7.3CAPP关键技术特点：形式：条件满足945.7.3CAPP关键技术E3（螺孔）E1（孔）E2（槽）E4（位置度公差≤0.05）E5（0.05

＜位置度公差＜0.25）E6E7（直径公差

≤

0.05）E8（0.05＜直径公差＜0.25）E9（直径公差

≥

0.25）（位置度公差≥0.25）A1—坐标镗A2—精镗A3—半精镗A4—粗镗A5—铣A6—钻孔，攻螺纹表面图5-46加工方法选择决策树例：945.7.3CAPP关键技术E3（螺孔）E1（孔）955.7.3CAPP关键技术

特点：

用表格形式描述事件之间的逻辑依存关系表格分为4个区域（表5-16），左上角为条件项目，右上角为条件组合，各条件之间为“与”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

决策表例：加工方法选择决策表（前例）

表达清晰，格式紧凑，便于编程难于扩展和修改955.7.3CAPP关键技术特点：用表格形式描述事965.7.3CAPP关键技术表5-16加工方法选择决策表螺孔槽孔位置度公差≤0.050.05＜位置度公差＜0.25位置度公差≥0.25直径公差≤0.050.05＜直径公差＜0.25直径公差≥0.25粗镗半精镗精镗坐标镗铣钻孔，攻螺纹√√√√√√√√√√√√√√√××××××××××××××965.7.3CAPP关键技术表5-16加工方法选97

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CAPP

专家系统5.7.3CAPP关键技术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）97派生式CAPP系统利用成组技术原理和典型工艺过程进98事实知识（手册、资料等共有的知识）过程知识（推理原理、规则、方法）控制知识（系统本身控制策略）2）专家系统的构成①知识库——用于存储专家知识，包括：②推理机——具有推理能力，可以根据问题导出结论③数据库——存放事实（包括输入信息和推理得到的事实）图5-47专家系统的构成知识库数据库推理机知识获取专家用户接口5.7.3CAPP关键技术98事实知识（手册、资料等共有的知识）99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

谓词逻辑语义网络框架产生式规则……

知识表达5.7.3CAPP关键技术99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100

产生式规则优点①推理过程符合人的思维方式，易于接受②推理结论的可信度使其能进行非确定性推理4）推理机制

知识获取5.7.3CAPP关键技术

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

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100产生式规则优点4）推理机制知识获取5.7.3101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）IF铰孔加工THEN前序加工：扩孔

规则2IF扩孔加工THEN前序加工：钻孔

规则3规则1IF孔径≤20AND

材料：非淬火钢AND

精度：H7THEN加工方法：铰孔例：箱体零件上7级精度孔的加工路线确定5.7.3CAPP关键技术101最终要求（目标）→选择适当的规则→满足最终要求的102机械制造技术基础5.8工艺过程经济分析EconomicAnalysisforTechnologicalProcess第5章

机械加工工艺过程设计MachiningProcessPlanning102机械制造技术基础5.8工艺过程经济分析第5章机103

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）

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、发送成品等时间定额5.8.1时间定额与提高生产效率的途径103基本时间：直接改变生产对象的性质，使其成为合格产品或104

单件时间与单件工时定额计算

单件时间：

单件工时定额：式中：Tm——基本时间；

Ta——辅助时间；

Tl

——布置工作地时间；

Tr——休息和生理需要时间；

Te——准备终结时间；

n——批量。5.8.1时间定额与提高生产效率的途径（5-28）（5-27）104单件时间与单件工时定额计算单件时间：单件工时定额105

缩短基本时间提高生产效率的工艺途径5.8.1时间定额与提高生产效率的途径补图5-24多刀车削加工补图5-25组合铣刀铣平面

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）105缩短基本时间提高生产效率的工艺途径5.8.1时间1065.8.1时间定额与提高生产效率的途径补图5-26多轴组合钻床补图5-27齿轮串联加工1－定位支承；2－心轴；3－滚珠；4－工件；5－压盖；6－拉杆6543211065.8.1时间定额与提高生产效率的途径补图5-26107

缩短辅助时间5.8.1时间定额与提高生产效率的途径

使辅助时间与