第四章 第九节 工序设计

第四章生产过程的基本概念及加工工艺规程的制定09【工序设计】工序设计一二三加工余量及其公差的确定机床及工艺设备的选择工序尺寸及其公差的确定四五切削用量的确定时间定额的确定拟定零件机械加工工艺路线是确定工艺规程的整体框架,而每道工序的加工内容及具体技术要求的确定称为工序设计。在工序设计中关键就是确定和计算每道工序的尺寸及技术要求。工序尺寸是零件在加工过程中各工序应该保证的尺寸。在机械加工过程中,毛坯的形状和尺寸通过机械切削加工逐步向成品演变,演变过程中的各工序尺寸能否满足一定要求,决定零件最终能否满足设计技术要求。因而,工序尺寸确定与加工余量和定位基准转换有联系。一、加工余量及其公差的确定1.加工余量的基本概念加工余量是指为使加工表面达到所需要的精度和表面质量而应从毛坯上切除的金属层厚度。加工余量可分为工序余量和加工总余量。工序设计

工序设计图4-18机械加工余量

工序设计

由于毛坯尺寸和各个工序尺寸都不可避免地存在着误差,因而无论加工总余量还是工序余量都是变动值。所以,加工余量又可分为基本加工余量(Z)、最大加工余量(Zmax)和最小加工余量(Zmim)。它们的关系如图3-19所示。由图3-19可知,轴的最小工序余量Zmim为上道工序的最小工序尺寸amin和本工序最大工序尺寸bmax之差,而最大工序余量Zmax为上道工序的最大工序尺寸amax与本工序最小工序尺寸bmin之差,即工序设计2、加工余量影响因素加工余量大小对零件加工质量和生产率都有较大影响。加工余量不足,不能切除和修正上道工序残留的表面层缺陷和位置误差,不能保证加工质量。加工余量过大,又将使切削工时、材料、刀具和电力的消耗增大,从而使成本提高,生产率降低。因此,在工序设计中应选取合理的加工余量值。最小工序余量的选取,应保证在本工序加工中切去足够的金属层以获得一个完整的新的加工表面,这取决于(图4-19):工序设计

工序设计3、加工余量的确定方法(1）经验估计法―是工艺人员根据积累的生产经验来确定加工余量的方法。为避免产生废品,所估计的加工余量值一般偏大,常用于单件、小批生产。(2）查表修正法﹑是以生产实践和有关加工余量的资料数据为基础,并按具体生产条件加以修正来确定加工余量的方法。该方法应用比较广泛。应用的数据表格可在《金属机械加工工艺人员手册》等有关手册中找到,但需注意表中所列数据未考虑零件热处理变形、机床及夹具在使用中的磨损等许多具体情况,此时应适当加大余量数值。(3）分析计算法惇最小余量的分析计算法由于缺少具体数据目前尚很少应用。工序设计

二、工序尺寸及其公差的确定工序尺寸是各工序应该控制或保证的尺寸是工序设计的重要内容,只有最后一道工序的尺寸是零件设计图纸的尺寸,除此之外中间各工序的尺寸及公差则应由工艺设计者根据加工工序间尺寸演变的联系进行确定和计算。在机械加工工艺过程中工序尺寸的确定有如下几种情况:工艺基准与设计基准重合时各工序尺寸;工艺基准与设计基准不重合需要重新确定工序尺寸;设计基准有待进一步加工导致工序尺寸不断变化;表面工艺处理时工序尺寸确定。其计算方法需要借助于尺寸链原理。

1、尺寸链(1)尺寸链定义。尺寸链是在零件机械加工和机器装配过程中,由若干个相互连接的尺寸形成的封闭形式的尺寸组合。以下为两个尺寸链的例子。

如图4-20a所示的结构中,轴承内环端面与轴用弹性挡圈侧面间的间隙A0由不同零件上的尺寸A1、A2和A3决定。各尺寸与间隙之间的相互关系可用如图4-20b所示的尺寸链表示。工序设计工序设计图4-20

工序设计图4-21零件加工中的尺寸链

工序设计

⑶尺寸链分类①工艺过程尺寸链：零件按一定顺序安排的各个加工工序（包括检验工序）中，先后获得的各工序尺寸所构成的封闭尺寸组合，称为工艺过程尺寸链。②装配尺寸链：在机器设计或装配过程中，由机器或部件内若干个相关零件构成互相有联系的封闭尺寸组合，称为装配尺寸链。③工艺系统尺寸链：在零件生产过程中某工序的工艺系统内，由工件、刀具、夹具、机床及加工误差等有关尺寸所形成的封闭尺寸组合，称为工艺系统尺寸链。工序设计

⑷尺寸链的计算①正计算已知全部组成环的尺寸以及偏差，计算封闭环尺寸及偏差。尺寸链正计算主要用于设计尺寸校核。②反计算已知封闭环尺寸及偏差，计算各组成环尺寸及偏差。它主要用于根据机器装配精度，确定各零件尺寸及偏差的设计计算。③中间计算已知封闭环及某些组成环的尺寸及偏差，计算某一组成环的尺寸及偏差。求解工艺尺寸链经常用到中间计算。⑸极值法解尺寸链的基本计算公式

尺寸链的计算方法有极值法和概率法两种。极值法适用于组成环数较少的尺寸链计算，而概率法适用于组成环数较多的尺寸链计算。工序设计

工序设计-A∑=

②封闭环的极限尺寸封闭环的最大极限尺寸等于所有增环的最大极限尺寸之和，减去所有减环的最小极限尺寸之和。而其最小极限尺寸等于所有增环的最小极限尺寸之和，减去所有减环的最大极限尺寸之和，即=-工序设计-A∑，max式中：A∑，max

，A∑，min——封闭环的最大及最小极限尺寸；

，——增环的最大及最小极限尺寸；

，，——减环的最大及最小极限尺寸。

工序设计ESA∑=EIA∑=ESA∑、EIA∑——封闭环的上、下偏差；、

、——增环的上、下偏差；、——减环的上、下偏差。

④封闭环的极值公差

封闭环的极值公差T∑（即按极值法计算所得的可能出现的误差范围）等于各组成环公差之和，即

⑤封闭环中间偏差

封闭环的中间偏差Δ∑,等于所有增环中间偏差之和减去所有减环中间偏差之和,即工序设计T∑

=∑Ti式中：

T∑——封闭环公差；

Ti——组成环公差。式中：Δ∑，Δi，ΔJ分别是封闭环、增环、减环的中间偏差。而中间偏差为上偏差与下偏差的平均值，即Δ=(ES+EI)/2上式又可表示为

ES=Δ+T/2

EI=Δ–T/2

⑹工艺尺寸链问题的解题步骤①确定封闭环解工艺尺寸链问题时能否正确找出封闭环是求解关键。工艺尺寸链的封闭环必须是在加工过程中最后间接形成的尺寸，即该尺寸是在获得若干直接得到的尺寸后而自然形成的尺寸。②查明全部组成环、画出尺寸链图确定封闭环后，由该封闭环尺寸循一个方向按照尺寸的相互联系依次找出全部组成环，并把它们与封闭环一起，按尺寸联系的相互顺序首尾相接，即得到尺寸链图。③判定组成环中的增、减环，并用箭头标出。箭头向左为减环，箭头向右为增环。④利用基本计算公式求解在计算中同一问题可用不同公式求解，而不影响题解的正确性。工序设计2、几种情况下工序尺寸的确定和计算⑴工艺基准与设计基准重合时工序尺寸的确定与计算例1某法兰盘零件上有一个孔，孔径φ600＋0.03mm，表面粗糙度Ra值为0.8µm，需淬硬。工艺上考虑需经过粗镗、半精镗和磨削加工。各工序的公称加工余量如下：磨削余量0.4mm

半精镗余量1.6mm

粗镗余量7mm各工序的尺寸计算如下：磨削后孔径应达到图样确定尺寸，故磨削工序尺寸即图样上的尺寸。即工序设计

D=600＋0.03

工序设计按规定各工序尺寸的公差应取“入体”方向，则各工序尺寸及其公差如图4-22所示。工序设计图4-22内孔工序尺寸计算

⑵工艺基准与设计基准不重合时工序尺寸的确定与计算①定位基准与设计基准不重合时工序尺寸的确定与计算在零件加工过程中有时为方便定位或加工，选用不是设计基准的几何要素作定位基准。在这种定位基准与设计基准不重合的情况下，需要通过尺寸换算，改注有关工序尺寸及公差，并按换算后的工序尺寸及公差加工，以保证零件的原设计要求。现举两例说明这类问题的计算。工序设计一、机床及工艺装备的选择在工艺文件中需要确定每一工序所使用的机床及工艺装备。机床的选择主要依据如下几个方面：⑴机床的加工尺寸范围应与零件外廊尺寸相适应；⑵机床精度应与工序要求的加工精度相适应；⑶机床功率应与工序加工需要的功率相适应。在没有适宜的机床可供选用时，要考虑外协加工、修改工艺规程或是改装、制造专用机床。机床夹具的选择主要依据生产类型和技术要求，如单件小批生产应尽量选用通用夹具，大批大量生产要多使用高生产率专用夹具。刀具的选择主要取决于所采用的加工方法、工件材料、要求加工的尺寸、精度和表面粗糙度、生产率要求以及加工经济性等，并应尽量采用标准刀具，因为外购标准刀具要比自己制造专用刀具价格低廉。在大批大量生产中可采用高生产率的复合刀具或专用刀具。量具主要根据零件生产类型和要求检验的尺寸大小及精度来选择。单件小批生产中尽量采用通用量具，在大批大量生产中则应广泛使用各种量规和高效率的专用检验夹具及检验仪器等。当需要设计制造专用机床、专用夹具和专用的刀具、量具时，应由工艺人员根据工序中的具体要求提出设计任务书。工序设计

四、切削用量的定义在工艺文件中还要规定每一工步的切削用量（背吃刀量、进给量及切削速度），尤其在数控加工中，选择合理的加工用量是非常重要的。选择切削用量可以采用查表法或计算法。其步骤为：⑴由工序余量确定背吃刀量，背吃刀量又称切削深度。为提高生产率，应在保证加工精度的前提下，尽量加工背吃刀量。⑵按本工序加工表面粗糙度确定进给量。对粗加工工序，进给量按加工粗糙度初选后还要校验刀片强度及机床进给机构强度。⑶确定刀具磨钝标准及耐用度。⑷确定切削速度，并按机床实有的主轴转速表选取接近的主轴转速。⑸最后较验机床功率。在单件小批生产中，为简化工艺文件，常不具体规定切削用量，而是由操作工人在加工时自行确定。工序设计

四、时间定额的确定时间定额是指在一定的生产规模下，当生产条件正常时，为完成某一工序所规定的时间。工时定额由以下几部分组成：⑴基本时间T基基本时间是直接改变生产对象的尺寸、形状、相对位置、表面状态或材料性持等工艺过程所消耗的时间。⑵辅助时间T辅辅助时间是为实现工艺过程所必须进行的各种辅助动作所消耗的时间。这些辅助动作包括装夹和卸下工件、开动和停止机床、改变切削用量、进、退刀具、测量工件尺寸等。⑶布置工作地时间T布布置工作地时间，是指工人在工作班时间内，照