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机加工工艺设计

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2020年5月29日
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机械加工工艺设计

一、机械零件概述

1.零件的分类
¡ 零件按其结构一般可分为六类:轴类 、盘套类 、支架箱体类 、六面体类、机身机座类和特殊类
¡ 选择零件时以轴类 、盘套类 、支架类零件为主。(比较常见)
2．零件表面构成
1)零件表面构成 :三种基本表面
①    回转面:圆柱面、圆锥面、回转成形面等
②    平面:大平面、端面、环面等
③    成形面:渐开线齿面、螺旋面等
3．零件表面成形方法
(１)成形法:被加工工件的廓形是刀具的刃形(或者刃形的投影)”复印”出来的。
(２)包络法:被加工工件的廓形是切削刃在切削运动过程中,连续位置的包络线。
4．零件的材料
零件常见材料:
¡ 碳素结构钢Q235A 、优质碳素结构钢(35 、45) 、合金结构钢(40Cr)
¡ 铸钢(ZG570)、 铸铁(HT150、HT200)
¡ 有色金属及其合金等。
¡ 标注在标题栏中
５．零件的热处理
• 常见零件的热处理方法:退火、正火、淬火、回火、调质、时效等。
• 在技术要求中给出
¡ 45常见:轴类
¡ 调质220—240HBS
¡ 表面淬火,硬度HRC40—50
６．零件的加工质量
¡ 零件的加工质量包括:加工精度和表面质量两个方面。
¡ 零件的加工精度是指零件在加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数的符合程度。零件的加工精度包括尺寸精度、形状精度、位置精度。
¡ 表面质量主要指表面粗糙度。
¡ 产品图纸中分别用尺寸公差、形状公差、位置公差、表面粗糙度来表示。
(１)尺寸精度
¡ 指的是零件的直径、长度、表面间距离等尺寸的实际数值与理想数值的接近程度。尺寸精度是用尺寸公差来控制的。尺寸公差是切削加工中零件尺寸允许的变动量。在基本尺寸相同的情况下,尺寸公差愈小,则尺寸精度愈高。
¡ 国标GB/T1800.1-1997规定尺寸精度的标准公差等级分为20级,分别为IT01,IT0,IT1,IT2,…,IT18,其中IT01的公差最小,尺寸精度最高。
¡ 尺寸精度愈高,零件的工艺过程愈复杂,加工成本也愈高。
¡ 不同的加工方法,能够达到不同的尺寸公差等级。
(２)形状精度
¡ 形状精度是指加工后零件上的线、面的实际形状与理想形状的符合程度。
¡ 评定形状精度的项目有直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度和面轮廓度等6项(GB/T1182-1996)。
¡ 形状精度是用形状公差来控制的。各项形状公差,除圆度、圆柱度分13个精度等级(0~12)外,其余均分为12个精度等级。1级最高,12级最低。
(３)位置精度
¡ 指加工后零件上的点、线、面的实际位置与理想位置的符合程度。评定位置精度的项目有平行度、垂直度、倾斜度、同轴度、对称度、位置度、圆跳动和全跳动等8项(GB/T1182-1996)。位置精度是用位置公差来控制的。各项目的位置公差亦分为12个精度等级。
(4)表面粗糙度
¡ 在切削加工中,由于振动、刀痕以及刀具与工件之间的摩擦,在工件已加工表面不可避免地留下一些微小峰谷。
¡ 零件表面上这些微小峰谷的高低程度称为表面粗糙度,也称微观不平度。
¡ 常见的是轮廓算术平均偏差Ra评定。GB/T1031-1995规定Ra值14级,从100,50,25,12.5,6.3,3.2,1.60,0.80.12。另外还有补充系列值。
¡ 表面粗糙度符号:Ra
¡ 表面粗糙度单位:μm
¡ 不同的加工方法能够达到不同的表面粗糙度。
(5)公差与配合
¡ 尺寸公差(简称公差):允许尺寸的变动量。公差等于最大极限尺寸与最小极限尺寸之代数差的绝对值。
轴用小定字母,如h7 、js6 、g6 、m7
孔用大写字母。如H7 、H6
¡ 配合:基本尺寸相同的、相互结合的孔和轴公差带之间的关系。分为间隙配合、过盈配合、过渡配合。
¡ 确定配合关系,然后可查手册确定公差值。
7．零件设计注意事项
(1)标注尺寸及公差、形位公差、表面粗糙度。
(2)技术要求:轴类零件应有热处理(调质、淬火)要求,其它类可没有热处理要求。
(3)材料牌号。
(4)按制图标准画零件图,图纸一般A4或A3。

二、机械加工工艺设计
1、机械加工工艺过程基本知识
(1)工艺过程
在产品的生产过程中,与原材料变为成品有直接关系的过程称为工艺过程。例如,铸造、锻造、焊接和零件的机械加工等。
(2)机械加工工艺过程
在工艺过程中,采用机械加工的方法,直接改变毛坯的形状、尺寸和性能使之变为成品的工艺过程,称为机械加工工艺过程。
(3)机械加工工艺过程的组成
机械加工工艺过程是由若干个顺次工序组成的,经过这些不同的工序把毛坯加工成合格的零件。
(4)工序
一个(或一组)工人,在一台机床上(或一个工作地点),对一个(或同时几个)工件连续加工所完成的那一部分机械加工工艺过程。
这里必须注意,构成一个工序的主要特点是不改变加工对象、设备和操作者,而且工序内的工作是连续完成的。
2、机械加工工艺规程
(1)机械加工工艺规程
¡ 机械加工工艺规程(简称工艺规程)是规定零件机械加工工艺过程和操作方法等的工艺文件。
(2)工艺规程的内容
¡ 工艺路线;
¡ 各工序加工的内容、要求;
¡ 所采用的机床、工艺装备;
¡ 工件的检验项目、检验方法;
¡ 切削用量、工时定额等。
¡ 工艺路线是指产品或零部件在生产过程中由毛坯准备到成品包装入库经过企业各有关部门或工序的先后顺序。
¡ 工艺装备(简称工装)是产品制造过程中所用的各种工具的总称。它包括刀具、夹具、模具、量具、检验工具及辅助工具等。
(3)工艺规程的格式
机械加工工艺规程主要有机械加工工艺过程卡片和机械加工工序卡片两种基本形式。机械加工工艺过程卡是以工序为单位简要说明零件加工过程的一种工艺文件。一般适用于单件小批生产。(零件加工的流向)

制定合理的零件加工工艺过程:
¡ 首先要掌握当前有哪些可供选用的加工方法,并能够针对零件的具体要求较合理地选用。
¡ 其次还必须解决各表面的加工顺序和热处理如何安排的问题。

3制定工艺规程的步骤
1)分析产品的零件图与装配图,分析零件图的加工要求、结构工艺性,检验图样的完整性;
2)根据零件的生产纲领确定生产类型;
3)选择毛坯;
4)确定单个表面的加工方法;
5)选择定位基准,确定零件的加工路线;
6)确定各工序所用的设备及工艺装备;
7)计算加工余量、工序尺寸及公差;
8)确定切削用量,估算工时定额;
9)填写工艺文件。 
4、生产类型
¡ 在制定机械加工工艺规程时,一般按照零件的生产纲领,把零件划分为三种生产类型。
5、典型机械零件毛坯的选用
¡ 毛坯的选用主要包括毛坯的材料、类型和生产方法的选用。
(1)常见的毛坯类型
各种轧制型材、铸件、锻件、焊接件、冲压件、粉末冶金件以及注塑成形件等。(联合加工)
(2)典型机械零件毛坯的选用
¡ 轴类、盘套类和机架箱体类三大类
j装有齿轮和轴承的轴,多采用锻件毛坯,也可采用圆钢
其轴颈处要求有较高的综合力学性能,常选用中碳调质钢;如45
承受重载或冲击载荷,以及要求耐磨性较高的轴多选用合金结构钢,40Cr

k盘套类毛坯的选择
¡ 常见的有齿轮、带轮、飞轮、手轮、法兰、联轴器、套环、垫圈、轴承座等。
¡ 齿轮选用中碳结构钢;承受较大冲击载荷的重要齿轮选用合金渗碳钢;其毛坯均采用型材经锻造而成。
¡ 带轮、飞轮、手轮等受力不大或以受压为主的零件一般采用灰铸铁件毛坯,也可采用低碳钢焊接件毛坯。
¡ 法兰、套环、垫圈等零件可采用铸铁件、锻件或圆钢做毛坯;厚度小(<40)也可用钢板直接下料作为毛坯。
l机架箱体类零件的毛坯选择
¡ 常见有各种机械设备的机身、机架、底座、横梁、工作台、减速器箱体、箱盖、轴承座、阀体、泵体等。
¡ 一般多选用铸铁件毛坯;
¡ 对受力较大,且较复杂的零件应采用铸钢件毛坯;
¡ 单件小批量生产时也可采用焊接件毛坯。
¡ 优质碳素结构钢(35 、45) 、合金结构钢(40Cr)、 铸钢(ZG570)、 铸铁(HT150、HT200)
6、常见表面的加工方法
¡ 零件的加工过程,就是零件表面经加工获得符合要求的零件表面的过程。
(1)常见加工方法
¡ 零件表面的类型和要求不同,采用的加工方法也不一样。(五大类机床)
车削加工:各种回转表面。如外圆、内圆、螺纹
钻削加工:孔
铣削加工:平面、沟槽(键槽、螺旋槽)
刨削加工:平面、V型槽
磨削加工:外圆、内圆、锥面、平面
此处还有镗削加工、拉削加工、光整加工、特种加工

(2)加工阶段的划分
根据零件表面质量要求不同,一般将表面加工划分为以下几个阶段。
1)粗加工阶段 主要任务是切除各加工表面上大部分余量。
2)半精加工阶段 任务是减小精加工留下的误差,为主要表面的精加工做好准备,并完成一些次要表面的加工。
3)精加工阶段 任务是保证各主要表面达到图样规定要求。

(3)零件加工遵循下述原则:
①粗、精加工分开。为了保证零件的加工质量,提高生产效率和经济效益,以达到各自不同的目的和要求。
②零件的加工,一般不是在一台机床上用一种工艺方法就可完成,往往需要几种加工方法互相配合,经过一定的工艺过程才能逐步地完成零件表面的加工。
③若一种表面可采用不同的加工方法进行加工的话,那么就生产的具体条件而言,其中必有一种加工方法是最合适的。
(4)外圆面常见加工方案
¡ 外圆是组成轴类和盘套类等零件的主要表面或辅助表面。
¡ 外圆表面加工最常见的方法有:车削、磨削
①车削类:用于加工中等精度的盘、套、短轴销类零件的外圆表面;有色金属件的外圆;零件结构不宜磨削的外圆表面(如止口外圆)
¡ 粗车[IT12～IT11,Ra25～12.5um]→调质(按需)→半精车[IT10～IT9,Ra6.3～3.2um]→精车[IT8～IT7,Ra1.6～0.8um]
(4)外圆面常见加工方案
②车磨类:用于加工除有色金属件以外的结构形状适宜磨削而精度又高的各类零件上的外圆表面,特别是要求淬火处理的外圆表面。
¡ 粗车[IT12～IT11,Ra25～12.5um]→调质(按需)→半精车[IT10～IT9,Ra6.3～3.2um]→淬火(按需)→粗磨[IT8～IT7,Ra16～0.8um]→精磨[IT6～IT5,Ra0.4～0.2um]
(5)内圆表面(孔)常见加工方案
¡ 内圆(即孔)表面是组成机械零件的基本表面,特别是盘套类和支架箱体类零件,孔是重要表面之一。
¡ 孔的加工常见的方法有:
钻孔、扩孔、铰孔、车孔、镗孔、拉孔、磨孔
①车(镗)类:用于加工除淬硬钢件以外孔径D>15的各种金属件上的孔。
¡ 钻孔/粗车或粗镗[IT12～IT11,Ra25～12.5um]→调质(按需)→半精车或半精镗[IT10～IT9,Ra6.3～3.2um]→精车或精镗[IT8～IT7,Ra1.6～0.8um]
②车(镗)磨类:用于加工淬硬和不淬硬钢件的孔除有色金属件以外的轴、盘套类金属件上的高精度孔。
¡ 钻孔/粗车或粗镗[IT12～IT11,Ra25～12.5um]→调质(按需)→半精车或半精镗[IT10～IT9,Ra6.3～3.2um]→淬火(按需) →粗磨[IT8～IT7,Ra1.6～0.8um]→精磨[IT7～IT6,Ra0.4～0.2um]
(6)平面的加工方案
¡ 平面是盘形、板形、箱体类零件的主要表面。
¡ 平面的加工方法常见的有:
铣削、刨削、车削、磨削。其中铣、刨、磨为主要的加工方法。
①铣(刨)类:用于加工除淬硬件以外各种零件上中等精度的平面。铣削适宜各种批量,刨削适宜单件小批生产和维修工作。
¡ 粗铣或粗刨[IT13～IT11,Ra25～12.5um]→调质(按需)→半精铣或半精刨[IT10～IT9,Ra6.3～3.2um]→精铣或精刨[IT8～IT7,Ra3.2～1.6um]
(6)平面的加工方案
②铣(刨)磨类:用于加工除有色金属件以外的各种零件上精度较高、Ra值较小的平面。
¡ 粗铣或粗刨[IT13～IT11,Ra25～12.5um]→调质(按需)→半精铣或半精刨[IT10～IT9,Ra6.3～3.2um]→淬火(按需) →粗磨[IT8～IT7,Ra1.6～0.4um]→精磨[IT7～IT6,Ra0.4～0.2um]
③车削类:多用于加工轴、盘、套等零件上的端平面和台阶面。
¡ 粗车[IT13～IT11,Ra25～12.5um]→调质(按需)→半精车[IT10～IT9,Ra6.3～3.2um]→精车[IT8～IT7,Ra3.2～1.6um]
(7)螺纹加工
螺纹的加工方法
¡ 切削加工--车螺纹、铣螺纹、磨螺纹、攻螺纹、套螺纹;
¡ 无切削加工--搓螺纹、滚螺纹;
①车螺纹:粗糙度可达3.2~0.8;9~4级
②攻螺纹:粗糙度可达6.3~1.6;8~6级
③套螺纹:粗糙度可达3.2~1.6;8~6级
¡ 标注示例:如内螺纹M12—6H,外螺纹M12—6g。
7、定位基准的选择
¡ 基准是用来确定生产对象上几何要素间的几何关系所依据的那些点、线、面。
¡ 基准根据其功能的不同可分为设计基准和工艺基准。
¡ 工艺基准是工艺过程中所采用的基准。
¡ 工艺基准又可分为:
1)定位基准 2)测量基准
3)装配基准 4)工序基准
设计基准
¡ 设计基准是设计图样上所采用的基准,是标注设计尺寸或位置公差的起点。
定位基准
¡ 是加工中用作定位的基准
¡ 在零件的加工过程中,每一道工序都有定位基准的选择问题。对保证零件的加工精度,合理安排加工顺序都有着决定性的作用,因此是制定工艺过程的一个重要问题。
1) 粗基准选择的原则
在机械加工工艺过程中,第一道工序所用的基准总是粗基准 。影响以后各加工表面加工余量的分配;不加工表面与加工表面间的尺寸、相互位置。
¡ 选择重要表面为粗基准
¡ 选择不加工表面为粗基准
¡ 选择加工余量最小的表面为粗基准
¡ 选择平整光洁、加工面积较大的表面为粗基准
¡ 粗基准在同一加工尺寸方向上只能使用一次
2)精基准选择的原则
选择精基准时,应重点考虑所选用的精基准应有利于保证加工精度,并使加工过程操作方便。
(1)基准重合的原则
即尽量选用被加工表面的设计基准作为精基准,这样能够避免因基准不重合而引起的误差。
(2)基准统一的原则
即尽可能选择统一的精基准来加工工件上的多个表面。
¡ 轴类零件,常采用顶尖孔作为统一的基准,加工各外圆表面,这样能够保证各表面之间有较高的同轴度;
¡ 一般箱体常见一大平面和两个距离较远的孔作为精基准;
8、工艺路线的拟定
主要任务:
¡ 表面加工方法的选择 ,
¡ 加工顺序 的安排,
¡ 整个工艺过程中工序的数量 。
1)表面加工方法的选择
零件的加工,实质上就是这些简单几何表面(外圆柱面、孔、平面或成形表面)加工的组合。因此,在拟定零件的加工工艺路线时,首先要确定构成零件各表面的加工方案。
①选择加工方法要能保证加工表面尺寸精度 要求和表面粗糙度 要求
②所选择的加工方法要能保证加工表面的几何形状精度和表面相互位置精度要求。
③选择加工方法要与零件材料加工性 能、热处理 状况相适应。
④选择加工方法要与生产类型(批量) 相适应。
⑤选择加工方法要与本厂现有生产条件 相适应。
2)加工顺序的安排
加工顺序的安排对保证加工质量,提高生产效率和降低成本都有重要的作用,是拟定工艺路线的关键之一。
¡ 切削加工顺序的安排
¡ 热处理工序的安排
¡ 辅助工序的安排
(1)切削加工顺序的安排
①先粗后精
先安排粗加工,中间安排半精加工,最后安排精加工和光整加工。
(2)热处理工序的安排
加工阶段的划分一般以热处理为界。
(3)辅助工序的安排
检验工序是保证产品质量的必要措施之一。
¡ 一般安排在粗加工完全结束以后,
¡ 重要工序加工前后,
¡ 零件在车间之间转换时,
¡ 零件全部加工结束之后进行。
有时在某些工序之后还应安排一些如去毛刺、清洗、去磁、涂防锈油等辅助工序。
(4)工序的集中与分散(确定工序的原则—数量)
在安排了加工顺序以后,就需将加工表面的各步加工,按不同的加工阶段和加工顺序组合成若干个工序,从而拟定出整个加工路线。
组合成工序时可采用工序集中或工序分散的原则。  
¡ 工序集中就是将零件的加工集中在少数几道工序中完成,每道工序加工的内容多。
¡ 工序分散就是将零件的加工分散到很多道工序内完成,每道工序加工的内容少。
9、加工余量的确定
1)加工余量
¡ 加工余量是指在加工过程中从被加工表面上切除的金属层厚度。
¡ 加工余量可分为总加工余量和工序加工余量(工序余量)两种。工序余量又可分单边余量和双边余量两种。
(1)在平面上,加工余量为非对称的单边余量。
(2)在回转表面(外圆和孔)上,加工余量为对称的双边余量,其实际切除的金属层的厚度为加工余量之半。
2)加工余量的确定
(1)分析计算法
(2)查表修正法 (应用广泛 )
(3)经验估计法
单件小批量生产时,中小型零件常见工序的加工余量为:
• 粗加工余量约为1—1.5mm;
• 半精加工余量约为0.5—lmm;
• 高速精车余量约为0.4—0.5mm; 低速精车余量约为0.1—0.3mm; 磨削余量约为0.15—0.25mm。
10、切削用量和工时定额的确定
切削用量:切削速度、进给量、背吃刀量---- 切削三要素。
工时定额:加工一个零件所用时间。

在单件小批生产中
¡ 工时定额一般由工艺员确定,
¡ 切削用量则一般根据加工者的经验自行确定。
11、机床与工艺装备的选择
1)机床的选择
成形要求、规格尺寸、机床的精度 、生产率
2)工艺装备的选择
(1)夹具的选择:单件小批生产,应尽量选用通用夹具
(2)刀具的选择 一般采用通用刀具或标准刀具,必要时也可采用高生产率的刀具。刀具的类型、规格和精度应符合零件的加工要求。
(3)量具的选择 单件小批生产应采用通用量具。

三、典型零件工艺过程分析----实例
(一)轴类零件的加工过程
如图所示传动轴则是轴类零件中使用最多、结构最为典型的一种阶梯轴。现以它为例介绍一般阶梯轴的工艺过程。
传动轴材质为40Cr,传动轴技术要求为:调质处理HBS220~240;生产数量5件。
1、传动轴零件的主要表面及其技术要求
零件图和装配图分析:
由传动轴图和其装配图可知,传动轴的轴颈M,N是安装轴承的支承轴颈,也是该轴装入箱体的安装基准。轴中间的外圆P装有蜗轮,运动可经过蜗杆传给蜗轮,减速后,经过装在轴左端外圆Q上的齿轮将运动传出。为此,轴颈M,N,外圆P,Q尺寸精度高,公差等级均为IT6。轴肩G,H,1的表面粗糙度Ra值为0. 8um,而且有相互位置精度的要求。
2、加工工艺过程分析
(1)选择毛坯的类型
该轴毛坯为锻件。
(2)主要表面的加工方法
该轴大部分为回转表面,应以车削为主。表面M,N,P,Q的尺寸公差等级较高,表面粗糙度Ra值小,车削加工后还需进行磨削。为此这些表面的加工顺序应为:粗车一调质一半精车一磨削。
(3)确定定位基面
该轴的几个主要配合表面和台阶面对基准轴线A-B均有径向圆跳动和端面圆跳动要求,两端中心孔作为定位精基准面。
传动轴工艺过程卡片
(4)拟定工艺过程
拟定该轴的工艺过程中,在考虑主要表面加工的同时,还要考虑次要表面的加工及热处理要求。要求不高的外圆在半精车时就可加工到规定尺寸,退刀槽、越程槽、倒角和螺纹应在半精车时加工,键槽在半精车后进行划线和铣削,调质处理安排在粗车之后。调质后一定要修研中心孔,以消除热处理变形和氧化皮。磨削之前,一般还应修研一次中心孔,以提高定位精度。
综上所述,该零件的工艺过程卡片见表。
(二)盘套类零件的加工过程
如图所示接盘是盘套类零件下面以它为例介绍接盘零件的工艺过程。
接盘材质为45钢,接盘技术要求为:调质处理HBS220~240;生产数量10件。
1、接盘零件的主要表面及其技术要求
(1)选择毛坯的类型
该接盘毛坯为锻件。
(2)主要表面的加工方法
该接盘大部分为回转表面,应以车削为主。表面M,N,G,Q的尺寸公差等级较高,表面粗糙度Ra值较小,需要进行精车,为此这些表面的加工顺序应为:粗车一调质一半精车一精车。
(3)确定定位基面
该接盘的表面N对表面M有较高的同轴度要求。 G,Q表面对表面M均有径向圆跳动和端面圆跳动要求,表面M作为定位精基准面。
(4)拟定工艺过程
拟定该接盘的工艺过程中,在考虑主要表面加工的同时,还要考虑次要表面的加工及热处理要求。要求不高的外圆在半精车时就可加工到规定尺寸,倒角应在半精车时加工,调质处理安排在粗车之后。铣圆弧槽和钻孔安排精车之后。
综上所述,该零件的工艺过程卡片见表。