机械加工工艺的基础知识

第3章　机械加工工艺过程

3.1　机械加工工艺的基础知识

3.1.1　工艺过程的有关概念

（1）生产过程与工艺过程

1）生产过程

生产过程是指由原材料到成品之间各个相互关联的劳动过程的总和。它包括原材料运输和保管、生产准备工作、毛坯制造、零件加工和热处理、产品装配、调试以及油漆和包装等。

2）工艺过程

工艺过程是指生产过程中直接改变原材料或毛坯的性能、形状、尺寸或零件相互位置关系（装配）使之变为成品的过程。在机械加工车间的生产过程中，直接用来改变原材料或毛坯的形状、尺寸使之变为成品的过程，称为机械加工工艺过程。在装配车间的生产过程中，将零件装配成机器的过程称为装配工艺过程。工艺过程是由一个或若干个工序组成的。

3）工序

在工艺过程中，由一个（或一组）工人在一个固定的工作场地（或机床、钳台），对一个（或同时对几个）工件进行连续加工所完成的那一部分工艺过程称为工序。

（2）生产纲领与生产类型

1）生产纲领

生产纲领是指企业生产某种产品（或零件）的年产量。

2）生产类型

根据产品的大小和生产纲领的不同，机械制造业对生产所划分3种不同的类型，即单件生产、成批生产（小批、中批、大批）和大量生产。生产类型的划分及其工艺特征见表5．3．1和表5．3．2。

表5.3.1　生产类型的划分

表5.3.2　各种生产类型的工艺特征

3.1.2　工件的安装与定位

（1）工件的安装

1）安装的概念

加工零件时，必须先把工件安置在机床（或夹具）上，使它占有一个正确位置，称为定位。零件定位后，要使它在加工中保持定位精度，还必须把它压紧夹牢，称为夹紧。零件从定位到夹紧的整个过程称为安装。

2）安装的主要方式

①找正安装　由工人用目测或用划针、百分表等工具反复找正工件的某些表面（或预先划好的找正线），以能确定出工件的正确位置并夹紧。此法的安装精度取决于操作工的技术水平和找正方法，生产效率低，仅适用于单简生产。

②夹具安装　将工件放在夹具中，无须调整和找正，就能保证它与刀具的正确位置。此法需用专用夹具，适用于大批量生产。

（2）定位原理

在三维坐标系中，无任何约束的物体具有6个自由度，即沿3个坐标轴的移动（用表示）和绕3个坐标轴的转动（用，表示），如图5．3．1所示。要使物体在机床（或夹具）上具有确定的位置（即定位），就必须约束这6个自由度。用6个支承点来限制工件的6个自由度的方法称为6点定位（或称6点定则）。如图5．3．2所示，用分布在3个坐标平面内的6个支承点限制工件的6个自由度。支承点1，2，3在XOY平面上，限制和3个自由度；支撑点4，5在YOZ平面上，限制和

两个自由度；支承点6在XOZ平面上，限制一个自由度。

图5．3．1　物体的6个自由度

图5．3．2　工件6点定位简图

图5．3．3　完全定位

（3）完全定位与不完全定位

1）完全定位

根据工件的加工需要，6个自由度全部被限制的定位称为完全定位。例如，要在图5．3．3所示的矩形工件上铣削一半封闭的槽，为了保证尺寸a、b和c的要求。必须利用工件的底平面和XOY坐标平面相接触来限制工件沿Z轴的移动、绕X轴的转动和绕Y轴的转动；利用左侧面和YOZ坐标平面的接触来限制工件沿X轴的移动和绕Z轴的转动；利用端平面和XOZ坐标平面的接触来限制工件沿Y轴的移动，该定位就属于完全定位。

图5．3．4　不完全定位

2）不完全定位

根据工件的加工需要，6个自由度部分被限制的定位称为不完全定位。例如，图5．3．4所示磨削平板工件的上平面，需要保证尺寸A。仅需要限制工件绕X轴的转动和绕Y轴的转动以及沿Z轴的移动）3个自由度，其余自由度不必限制，该定位就属于不完全定位。

（4）基准和定位基准的概念

基准就是“根据”的意思。在零件图和工艺文件上，总是要根据一些指定的点、线、面来确定另一些点、线、面的位置，这些作为“根据”的点、线、面称为基准。根据基准的作用不同，常把基准分为设计基准和工艺基准两大类。

1）设计基准

在零件的设计图纸上，标注尺寸和确定表面相互位置关系时所使用的基准称为设计基准。如图5．3．5所示，表面2，3和孔5的设计基准是表面1；孔4的设计基准是孔5的中心线。

2）工艺基准

在零件的制造和机器的装配过程中所使用的基准称为工艺基准。按用途不同，工艺基准又分为定位基准、度量基准和装配基准3种。

图5．3．5　设计基准

①定位基准　在机械加工过程中，用来确定被加工工件在机床或夹具上正确位置时所使用的基准称为定位基准。

②度量基准　检验已加工表面的尺寸及位置精度时所使用的基准称为度量基准。

③装配基准　装配时用以确定零件或部件在机器中位置的基准称为装配基准。

（5）定位基准的选择

毛坯加工时，第一道工序只能以毛坯表面定位，这种定位基准称为粗基准。用作定位基准的表面如果已经过加工，则称为精基准。在拟订零件加工工艺时，总要首先利用合适的粗基准，加工出将要作为精基准的表面。

1）粗基准选择的一般原则

①选取不需要加工的表面作为粗基准。这样有利于减小加工表面与不加工表面之间的位置误差，有时还可能在一次装夹中对所有需要加工的表面进行加工。例如，图5．3．6所示的筒形零件，以不需要加工的外圆面作为粗基准，可以在一次安装中把绝大部分需要加工的表面加工出来，并能保证筒壁厚均匀，端面与内孔轴线垂直。

图5．3．6　筒形零件的粗基准

图5．3．7　床身的粗基准

②选取加工余量最小的表面作为粗基准。这样不仅可以保证该表面加工时余量均匀，而且可以避免因余量不足而造成废品。如图5．3．7所示的车床床身，要求导轨面A切除的余量层薄而均匀，以达到保留铸铁表面耐磨性好、硬度高的特点，于是就先选择导轨面A作为粗基准，加工床身底面B，再以底面B为精基准加工导轨面A。

③应选择平整、光洁、并有足够大的面积和刚性的表面作为粗基准，以确保定位准确，夹紧可靠。

④粗基准一般只在第一道工序中使用一次，不重复使用。因为粗基准表面粗糙，每次装夹位置不能保证一致。

2）精基准的选择原则

①基准重合原则　应尽可能选用设计基准作为精基准，以减少定位误差。

②基准同一原则　应尽可能选择同一定位基准加工各个表面，以保证各个表面之间的位置精度。

③若两个表面之间相互位置精度要求较高，可采用互为基准反复加工的原则。

应当指出，在实际工作中，精基准的选择要完全符合上述原则，有时是不可能的。这时就要根据具体情况进行分析，选择最合理的方案。

3）几种常见零件的主要精基准

①轴类零件的主要精基准　一般选用两端的中心孔作为主要精基准，符合基准同一原则，能较好地保证这些表面之间的位置精度。

②盘套类零件一般以中心部位的孔作为主要精基准。

③支架、箱体类零件一般用装配在机座上的主要平面（即轴承支承孔的设计基准）作为主要精基准，以保证各轴承支承孔之间以及轴承支承孔与主要平面之间的位置精度要求。

3.1.3　主要表面的加工方案

（1）表面加工方法选择的依据

①应根据表面的精度和粗糙度的要求选择加工方法，确定加工顺序。

②选择加工方法时应考虑被加工材料的性能及热处理要求。例如，强度低、韧性大的有色金属不宜磨削，而钢件淬火后一般要采用磨削加工。

③选择加工方法应考虑生产批量的大小。如盘形齿轮上的孔，单件小批生产时应选择在车床上镗削的方法；大批量生产时选用拉削的方法。

④表面加工方法的选择与表面所在零件的结构有关。如轴类零件上与回转轴线同心的孔宜采用车床镗孔；箱体零件上的轴孔宜采用镗床镗孔。

⑤还应考虑本厂或本车间的现有设备情况、技术条件和工人技术水平。

（2）外圆面的加工方案

外圆表面是轴、盘套类零件的主要表面之一，其技术要求一般包括表面粗糙度、尺寸精度以及相应的圆度、圆柱度、同轴度等形位精度。常用的外圆加工方法有车削、磨削、研磨和超精加工等。各种精度的外圆表面的加工方案见表5．3．3。

一般说来，公差等级低于IT9～IT8，表面粗糙度R a＞3.2的外圆通常由车削加工完成。粗车—半精车—磨削的加工方案主要用于加工尺寸公差等级为IT7～IT6、表面粗糙度R a为0.8～0.4的轴类和套类零件的外圆表面。需经磨削的外圆，磨前的车削精度无须很高，否则对车削不经济，对磨削也无意义。若精度等级要求更高（＞IT5），表面粗糙度R a值要求更小（＜0.2），则需在磨削后进行研磨或高精度磨削。研磨和高精度磨削前的外圆精度和粗糙度对生产效率和加工质量都有极大影响，所以在研磨或高精度磨削前一般都要进行精磨。

有色金属不宜磨削，公差等级为IT7～IT6，表面粗糙度R a为1．6～0．8的外圆，一般采用粗车—半精车—精车的加工方案，要求更高的，则需再进行研磨。

表5.3.3　外圆表面加工方案

（3）孔的加工方案

孔是组成零件的基本表面之一，其技术要求与外圆表面基本相同。零件上的孔很多。常见的有螺钉孔，套筒、法兰盘、齿轮等零件轴线上的孔以及箱体零件上的轴承孔等。但由于孔的作用不同，致使孔径、长径比以及孔的精度和粗糙度等方面的要求差别很大。常用的加工方法有钻、扩、铰、镗、拉、磨、研磨和珩磨等。各种精度孔的加工方案见表5．3．4。

表5.3.4　孔加工方案

钻孔适用于各种批量生产中对各类零件实体部位进行孔加工时用。

有色金属一般不宜磨削和珩磨。公差等级在IT9～IT7，表面粗糙度R a为3．2～0．8，可采用钻—扩—铰或采用粗镗—半精镗—精镗的方案加工，要求更高的，可再进行研磨。

轴类零件、盘套类零件中间部位的孔，为保证其与外圆、端面的位置精度，一般要在车床上与外圆、端面一次装夹加工出来。若零件需要淬火，则应在半精加工之后进行磨削。支架、箱体零件上的轴承孔可根据零件的结构、尺寸大小等具体情况来决定是在车床上还是镗床上加工。至于采用镗削还是铰削，是否需要珩磨或研磨则根据孔的有关技术要求来确定。分布在盘套类零件端面上或支架、箱体上的螺纹底孔、穿螺钉孔等可在钻床上钻孔。

（4）平面的加工方案

平面是零件上常见的表面之一。平面本身没有尺寸精度要求，只有表面粗糙度以及平面度、直线度等形状精度要求。根据平面的不同技术要求及其所在零件的结构特点，可分别采用车、铣、刨、磨、拉等加工方法。平面加工的常用方案见表5．3．5。

表5.3.5　平面加工方案

注：表中所列的尺寸精度等级是指平行平面之间距离尺寸的精度等级。

铣削、刨削是平面加工的主要方法。加工精度要求不高的平面（如无外观要求的非配合表面）一般粗铣或粗刨即可。一般箱体及支架类零件上的固定连接平面则采用粗刨（粗铣）—精刨（或精铣）的加工方案。若精度要求高（如车床主轴箱与床身的接合面）尚需进行磨削或刮研。对于各种导向平面，由于有较高的直线度及较低的粗糙度要求，需在粗刨、精刨之后采用宽刀细刨或磨削、刮研的方法。要求较高的中小型六面体零件，常用粗铣（粗刨）—精铣（精刨）—磨削的方案加工，要求更高时，如块规还要进行研磨。

有色金属的平面，宜采用粗铣—精铣—高速精铣的加工方案。

（5）螺纹的加工方案

螺纹一般用攻丝、套扣、车削和磨削的方法加工。批量特别大时（如螺纹标准件生产），用滚丝或搓丝的方法加工。

3.2　零件机械加工工艺的制订

3.2.1　制订零件机械加工工艺的要求

零件的机械加工工艺就是零件加工的方法和步骤。它的内容包括排列加工工序（包括热处理工序），确定各工序所用的机床、装夹方法、加工方法、度量方法、加工余量、切削用量和工时定额等。将各项内容填写在一定形式的卡片上，这就是机械加工工艺规程，即通常所说的“机械加工工艺卡片”。

不同的零件，由于结构、尺寸、精度和表面粗糙度等要求不同，其加工工艺自然不同。即使是同一零件，由于批量和机床设备、工夹量具等条件不同，加工工艺也不尽相同，因此，在制订零件的加工工艺时，要从实际出发，择优制订。

合理的加工工艺必须能保证实现零件的全部技术要求；在一定生产条件下，使生产率最高，成本最低；有良好、安全的劳动条件。因此，制订一个合理的加工工艺，并非轻而易举。除需具备一定的工艺理论知识和实践经验外，还要深入工厂或车间，了解生产的实际情况。一个较复杂零件的工艺，往往要经过反复实践、反复修改的过程，才能使之逐渐完善。

3.2.2　零件机械加工工艺的制订

（1）零件图纸分析

认真分析研究图纸及其技术要求，最好能先熟悉一下有关产品的装配图，了解产品的用途、性能、工作条件以及该零件在产品中的作用。然后根据零件图对其技术要求作全面的分析，既要了解全局，又要抓住关键，这是制订零件加工工艺的前提。

（2）选择毛坯的类型

正确选择毛坯的类型，对经济效益有很大影响。因为工序的安排、材料的消耗、加工工时的多少等，都在一定程度上取决于所选择的毛坯。毛坯的类型一般有型材、铸件、锻件、焊接件等。具体选择要根据零件的材料、形状、尺寸、数量和生产条件等因素综合考虑决定。

（3）进行工艺分析

拟订工艺过程之前，一般要着重分析和确定主要加工表面的加工方法、主要定位精基准以及热处理工序的安排。这3个问题不仅是保证零件质量的关键，而且是拟订工艺过程的核心部分，对其他表面加工工序的安排也有很大影响。

热处理工序在工艺过程中的安排，主要取决于零件材料和热处理的目的。一般情况下可按图5．3．8所示安排。

（4）拟订工艺过程

拟订工艺过程就是把零件各表面的加工按顺序作合理的安排，这是制订零件加工工艺的主要一步，工序安排合理与否将直接影响零件的质量。工序安排一般要考虑以下两条原则：

1）基准先行

作为精基准的表面一般应首先加工，以便用它定位加工其他表面。例如，轴类零件的中心孔，支架、箱体的主要平面等。

图5．3．8　热处理工序安排

2）粗、精加工分开

对于具有较高精度表面的零件，一般应在全部粗加工之后再进行较高精度表面的精加工。这样有利于减少或消除粗加工时因切削力和切削热等因素所引起的变形，以保证零件的质量。此外，粗加工切除的余量较大，容易发现毛坯内部缺陷，便于及早处理，以免浪费精加工工时。

（5）确定各工序所用的机床、装夹方法、加工方法及度量方法

这方面内容在拟订工艺过程时就应作初步考虑，至此进一步具体确定。对于单件小批生产的零件，应尽量选用通用的机床和工、夹、量具，以缩短生产准备时间和减少费用。对大批量生产的零件，应合理选用专用机床和专用的工、夹、量具，以提高生产效率和降低成本。

（6）确定各工序的加工余量、切削用量和工时定额

从毛坯上切除的那层金属称为加工余量。加工余量分为总余量和工序余量。从毛坯到成品总共需要切除的余量称为总余量。某工序要切除的余量称为该工序的工序余量。工序余量的大小应按加工要求来合理确定。余量过大，既浪费材料，又增加了切削工时消耗；余量过小，会使工件的局部表面切削不到，不能修正前工序的误差，从而影响加工质量，甚至造成废品。

单件小批生产时中小型零件的加工总余量按不同毛坯来源建议取为：手工造型铸件3．5～7 mm，自由锻件2.5～7 mm，模锻件1.5～3 mm，圆钢料1.5～2.5 mm。工序余量按不同加工阶段建议取为：粗车余量1.5～2 mm，半精车0.8～1 mm，高速精车0.4～0.5 mm，低速精车0.1～0.5 mm，磨削为0.15～0.25 mm。所给的数据，对内、外圆柱面是指半径方向的余量，对平面是指单边余量。

切削用量只有在大批量生产中为了保证流水线或自动线的统一节拍，才予以规定。

在单件小批量生产中，工时定额根据经验估定。在大批量生产中，工时定额根据计算和实测确定。

（7）编制工艺卡片

在上述各项内容确定之后，将工序号、工序内容、工艺简图、所用机床等项内容填入规定的卡片中，就成为正式的工艺文件。一般说来，单件小批生产的工艺卡片较为简单，大批量生产的工艺卡片较为详细。

3.3　典型零件的机械加工工艺

3.3.1　轴类零件

轴类零件是常见的典型零件之一，它在机器中用来支承齿轮、皮带轮等传动零件，传递扭矩和运动。按结构形状不同，轴类零件一般可分为简单轴、阶梯轴和异形轴3类，如图5．3．9所示。

图5．3．9　轴类零件举例

阶梯轴的加工工艺较为典型，反映了轴类零件加工的基本规律。以图5．3．10所示减速箱的传动轴为例介绍一般阶梯轴的工艺过程。

图5．3．10　减速箱传动轴

（1）技术要求分析

根据工作图上的技术要求可知，该轴主要加工表面是轴颈M，N，外圆P，Q以及轴肩G，H，I，其精度要求较高，粗糙度较低。此外，零件需要调质处理。生产数量为10件。这些是制订加工工艺的重要依据。

该传动轴各外圆直径尺寸差距不大，且数量不多，可选择φ60的热轧圆钢作为毛坯。

（2）工艺分析

1）确定主要加工表面的加工方法

传动轴大都是回转表面，应车削成形。由于该轴的主要表面M，N，P，Q的精度等级较高（IT6）、粗糙度较低（R a= 0.8），车削后还需进行磨削。这些表面的加工顺序应该是：粗车—半精车—磨削。

图5.3.11　中心孔及其加工

2）确定定位精基准

由于该传动轴的几个主要配合表面及台阶面对基准轴线A-B均有径向圆跳动和端面圆跳动要求，应选择两端的中心孔作为定位精基准，以便采用顶尖装夹。

中心孔分为不带护锥的（A型）、带护锥的（B型）、带螺孔的（C型）3种。由于该轴的零件图无明确要求，故可选用A型或B型中心孔，并用相应的中心钻头钻出，如图5．3．11所示。

3）热处理工序安排

调质处理应安排在粗车之后。这样不仅可获得零件的综合机械性能，而且还可在一定程度上消除粗加工引起的内应力。

（3）拟订工艺过程

定位精基准中心孔应在粗车之前加工，在调质之后和磨削之前各需安排一次修研中心孔工序。前者为消除中心孔的热处理变形和氧化皮；后者为提高定位精基准的精度和减小表面粗糙度。拟订零件的工艺过程时，在考虑主要表面加工的同时，还要考虑次要表面的加工。半精车阶段，外圆φ52达到图纸规定的尺寸，同时加工出各退刀槽、倒角和螺纹；3个键槽应在磨削之前铣出。

综合上述分析，所确定的传动轴工艺过程见表5．3．6。

中小型阶梯轴，特别是传动轴，不论尺寸大小和复杂程度如何，其工艺过程均与上述传动轴大同小异，只要根据其复杂程度和具体要求，增减或调整某些工序即可。

表5.3.6　传动轴工艺卡片

续表

3.3.2　支架箱体类零件

（1）结构特点

支架、箱体属于机器的基础零件，其主要作用是支承并保证各零部件在机器中的正确位置。因此，支架箱体类零件的加工质量对机器的质量有很大影响。如图5．3．12所示，这类零件的特点是：结构复杂，有互相平行或垂直的孔系，有平面作为装配基准，孔系与基准平面的位置精度要求较高。支架的结构与箱体类似，但比箱体简单。

（2）工艺原则

1）先面后孔

图5．3．12　支架箱体类零件

支架箱体类零件的装配基准（平面）可作为工艺过程中的定位基准，一般应先加工。这既符合基准重合原则，又符合先基准后其他的原则，故对于支架箱体类零件应遵循先面后孔的原则。

2）粗精加工分开

支架箱体类零件结构复杂、刚性较差，为了减少粗加工后的变形，一般要在主要平面和支承孔的粗加工全部完成之后，再进行精加工。

3）合理选用机床

根据支架箱体的结构、尺寸和精度要求，选择合适的设备加工。

（3）工艺过程

单件、小批生产精度要求较高的支架箱体类零件的主要工艺过程建议为：铸造毛坯（包括铸件退火）—划线—粗加工主要平面—粗加工支承孔—精加工主要平面—精加工支承孔。其他次要表面的加工，可根据情况穿插进行。螺钉孔的加工往往放在最后进行。

（4）单孔支架加工工艺

单孔支架虽然结构简单，工艺也不复杂，但却反映了一般支架箱体类零件的基本工艺过程。图5．3．13所示的单孔支架的工艺见表5．3．7。

表5.3.7　单孔支架工艺卡片

续表

注：因本支架刚性较好，技术要求也不很高，故粗、精加工不必分开，也不安排时效处理。

图5．3．13　单孔支架

3.3.3　套类零件

盘套类零件的种类很多，如图5．3．14所示，按用途大致可分为传动轮、轴承套、轴承端盖和套筒等，其结构基本类似。位置精度主要有外圆对内孔轴线的径向圆跳动（或同轴度）、端面对内孔轴线的端面圆跳动（或垂直度）等。现以图5．3．15所示的法兰盘为例介绍一般盘套类零件的基本工艺过程。

图5．3．14　盘套类零件

图5．3．15　法兰盘

该法兰的结构特点是中孔回转体，带有键槽和法兰螺栓孔。其关键的技术要求有：φ550-0．019外圆表面对φ350+0．025孔基准轴线的同轴度要求；两端面相对基准轴线的端面圆跳动要求；各表面粗糙度R a值均在1．6以上，尺寸精度等级IT7～IT6。故可按回转面在车床上加工，键槽在插床上加工，粗、精加工分开来安排工艺过程，见表5．3．8。

表5.3.8　法兰盘工艺卡片

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复习思考题

1．什么是工艺过程？它与生产过程有何区别？

2．什么叫作基准？根据其作用不同可分为哪几种？

3．试述6点定位原理。

4．选择粗基准和精基准各应遵循哪些原则？

5．如何选用轴、盘套、支架箱体类零件的主要精基准？简述其理由。

6．零件的加工工艺包括哪些内容？叙述制定零件加工工艺的一般步骤。

7．拟订零件工艺过程时，为什么粗、精加工要分开？

8．正火、调质、时效和淬火等热处理工序在工艺过程中应如何安排？为什么？

9．在制定盘套类零件加工工艺时，常采用哪些方法保证零件的径向圆跳动（或同轴度）、端面圆跳动（或垂直度）要求？

10．拟订支架箱体类零件工艺过程的原则是什么？

11．在加工单孔支架支承孔时，可选用哪几种机床？各有何特点？

12．按下列不同要求，见表5．3．9，选择加工方法和加工顺序（包括热处理）。

表5.3.9

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