项目七 切削加工技术
任务一 切削加工技术基础
一 学习目标
知识目标
明确切削运动及切削三要素的含义；
掌握常用车刀的组成、主要角度及作用；
熟悉刀具材料的性能要求及常用的刀具材料；
了解切屑、切削力和切削热的含义；
熟悉刀具磨损形态及刀具寿命。
能力目标
能理解切削加工中各术语的含义。
二 任务引入
金属切削加工是用切削工具（包括刀具、磨具和磨料）从毛坯上去除多余的金属，以获得具有所需的几何参数（尺寸、形状和位置）和表面粗糙度的零件的加工方法。切削加工时零件和刀具分别夹持在机床的相应装置上，靠机床提供的动力和其内部传动关系，由刀具对零件进行切削加工。机器上的零件除极少数采用精密铸造和精密锻造等无切屑加工的方法获得以外，绝大多数零件都是靠切削加工来获得。因此，如何进行切削加工，对于保证零件质量、提高劳动生产率和降低成本，有着重要的意义。
三 相关知识
1．切削运动
（1）切削运动 在切削过程中，刀具相对于工件的运动称为切削运动。它可以是直线运动，也可以是回转运动，按其所起的作用可分为主运动和进给运动，如图7－1所示。
①主运动：主运动是能够提供切削加工可能性的运动。在切削过程中主运动速度最高，消耗机床的动力最多。如图7－2所示，车削中的零件的旋转运动和钻削中的钻头的旋转运动，刨削中牛头刨床上刨刀的往复直线移动，铣削中铣刀的旋转运动等都是主运动。
图7-1 车削运动和工件上的表面
②进给运动：在切削加工中，进给运动是指能够提供连续切削可能性的运动。切削加工过程中进给运动速度相对低，消耗的动力相对少。如图7－2所示，车削中车刀的纵、横向移动，钻削中钻头的轴线移动，刨削和铣削中零件的横、纵向移动等。
切削运动中主运动一般只有一个，而进给运动可能有一个或几个。如外圆磨削中零件的旋转运动和零件的轴向移动都是进给运动。
图7-2 机械加工时的切削运动
（2）工件上形成的表面 如图7－1所示，切削加工中，随着切削层（加工余量）不断被刀具切除，工件上有三个不断变化着的表面：
①已加工表面：工件上经刀具切削后产生的新表面。
②过渡表面：切削刃正在切削的表面，介于已加工表面和待加工表面之间。
③待加工表面：工件上将被切除的表面。
2．切削要素
切削要素包括切削用量和切削层几何参数。现以车削外圆面（图7－3）为例作以介绍。
（1）切削用量及其选择 切削用量是切削速度vc、进给量f和切削深度αp的总称。
①切削速度vc：刀具切削刃上的某一点相对于待加工表面在主运动方向上的瞬时线速度称为切削速度，它是衡量主运动大小的参数。当主运动为旋转运动时，按下式计算：
vc＝πdwn/1 000
式中 vc－切削速度（m/min）；
n－工件速度（r/min）；
dw－被加工工件表面直径（mm）。
提高切削速度，则生产率和加工质量都有所提高，但切削速度的提高受到机床动力和刀具耐用度的限制。
②进给量f：工件或刀具每转或往复一次或刀具每转过一齿，工件与刀具在进给运动方向上的相对位移称为进给量（或每齿进给量），单位为mm/r。单位时间进给量称为进给速度vf，单位为mm/s或mm/min。车削时的进给速度vf为：
vf＝fn
进给量越大，生产率一般越高，但是，零件表面的加工质量也越低。
③切削深度αp：工件上已加工表面和待加工表面的垂直距离称为切削深度。
车外圆时 αp＝（dw－dm）/2
钻削时 αp＝dm/2
切削深度αp增加，生产效率提高，但切削力也随之增加，故容易引起零件振动，使加工质量下降。
切削用量直接影响工件的加工质量、刀具的磨损和寿命、机床的动力消耗及生产率，因此必须合理地选择切削用量。由于vc、f和αp对切削温度和刀具寿命的影响大小不同，因此，选择切削用量的原则是：先尽量选大的切削深度，再尽量选大的进给量，最后尽量选大的切削速度。
（2）切削层几何参数 切削层是指零件上相邻两个加工表面之间的一层金属（图7－3），即零件上正被切削刃切削着的那层金属。
bD为切削宽度，即沿主切削刃方向度量的切削层尺寸。
hD为切削厚度，即相邻两加工表面间的垂直距离。
AD为切削面积，即切削层垂直于切削速度截面内的面积。车外圆时AD＝apf。
图7-3 车削时的切削要素
3．刀具的几何角度
切削刀具的种类很多，但它们的结构要素和几何角度有许多共同的特征。各种切削刀具中，车刀最为简单，其他刀具可以看成是车刀切削部分的演变及组合，因此从车刀入手进行切削角度的研究就更具有实际意义。
（1）车刀的组成 车刀是由刀头和刀杆两部分组成。刀头是车刀的切削部分，刀杆是车刀的夹持部分。切削部分由三面、二刃、一尖组成，如图7－4所示。
①前刀面：刀具上切屑流过的表面。
②后刀面：与零件加工表面相对的表面。
③副后刀面：与零件已加工表面相对的表面。
④主切削刃：前刀面与后刀面相交的切削刃，它承担着主要的切削任务。
⑤副切削刃：前刀面与副后刀面相交的切削刃，它承担着一定的切削任务。
⑥刀尖：主切削刃与副切削刃的交接处。为了强化刀尖，常将其磨成小圆弧形。
图7-4 车刀的组成
（2）车刀角度 为确定车刀的角度，需要建3个辅助平面：切削平面、基面和正交平面，如图7－5、图7－6所示。
图7-5 车刀的前角γo和后角αo
图7-6 车刀的主要角度及辅助平面
①前角γo：前刀面与基面的夹角，在正交平面中测量。其作用是使切削刃锋利，便于切削。但前角也不能太大，否则会削弱刀头的强度，容易磨损甚至崩坏。加工塑性材料时，前角应选大些，加工脆性材料时，前角要选小些；粗加工时前角选较小值，精加工时前角选较大值，前角取值范围为－5°～25°。
②主后角αo：后刀面与切削平面间的夹角，在正交平面中测量。其作用是减少后刀面与零件的摩擦。后角取值范围为3°～12°，粗加工时主后角选较小值，精加工时主后角选较大值。
③主偏角kr′：是主切削刃在基面上的投影与进给运动方向之间的夹角，在基面中测量。减小主偏角，能使切屑的截面薄而宽，从而使切削刃单位长度的切削负荷减轻，同时加强了刀尖强度，改善散热条件，提高刀具寿命。但减小主偏角，会使刀具对零件的径向切削力增大，容易使零件变形，影响加工精度。因此，零件刚性较差时，应选用较大的主偏角。
④副偏角kr′：副切削刃在基面上的投影与进给反方向之间的夹角，在基面中测量。减小副偏角，有利于降低零件的表面粗糙度数值。但是副偏角太小，切削过程中会引起零件振动，影响加工质量。副偏角取值范围为5°～15°，粗加工时副偏角选较大值，精加工时副偏角选较小值。
⑤刃倾角λs：过主切削刃上选定点，在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角。当主切削刃呈水平时，λs＝0；刀尖为主切削刃的最高点时，λs＞0；刀尖为主切削刃的最低点时，λs＜0。刃倾角主要影响刀头的强度和排屑方向。粗加工和断续切削时，为了增加刀头强度，λs常取负值；精加工时，为了防止切屑划伤已加工表面，λs常取正值或零。
4．刀具材料
刀具切削部分的材料必须满足切削条件的要求，即其材料硬度要大于零件硬度，一般应在60HRC以上；要有一定的强度和韧性，以承受切削力和振动；要有一定的热硬性，即高温下仍具备良好的强度、韧性、硬度和耐磨性；要具有良好的工艺性能等。其角度既要使刀具锋利，又要使刀具坚固。
常用的刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷材料、人造金刚石和立方氮化硼等。根据材料切削加工性不同选用相应的刀具材料进行切削加工，以保证刀具寿命及加工工件质量。
5．切屑的形成
金属层被切离前，刀刃在力的作用下克服了材料的分子内聚力挤入刀刃前面的材料，材料产生裂纹，刀刃继续挤入，直至被挤裂的金属层脱离工件本体沿着刀具前面流出而成切屑。
由于工件材料、切削条件不同，切削过程中的变形程度也就不同，因而所产生的切屑种类也就多种多样。归纳起来，可分为以下四种类型，如图7－7所示。
图7-7 切屑的种类
（1）带状切屑 带状切屑是最常见的一种切屑。它的内表面是光滑的，外表面是毛茸的。一般在加工塑性大的金属材料时，采用较小的切削厚度和较高的切削速度，刀具前角较大时，经常会出现这类切屑。它的切削过程比较平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小，容易划伤工件。
（2）节状切屑（又称挤裂切屑） 外形和带状切屑不同之处在于外表面呈锯齿形，有明显裂痕，内表面有时有裂纹，并未断开。这种切屑在加工中等塑性金属材料时，切削速度较低，切削厚度较大，并在较小刀具前角的情况下产生。它的切削力波动较大，已加工表面粗糙度高。
（3）粒状切屑 当切屑形成时，如果整个剪切面上切应力超过了材料的破裂强度，则整个单元被切离，成为梯形的粒状切屑。它是在加工塑性更差的金属时，使用更低的切削速度，更大的切削厚度，更小的刀具前角的情况下产生的。它的切削力波动更大，已加工表面粗糙度更高，甚至有鳞片状毛刺出现。
（4）崩碎切屑 在切削铸铁、黄铜等脆性金属材料时，切屑层几乎不经过塑性变形阶段就产生崩裂，得到的切屑呈不规则的粒状，加工后的工件表面也较为粗糙。
6．切削力
刀具切削零件时，必须克服材料的变形抗力，克服切屑与前刀面以及零件与后刀面之间的摩擦阻力，才能切下切屑。这些阻力的合力就是作用在刀具上的总切削力F。常把F分解成Fc、Fp、Ff互相垂直的3个分力，以车外圆为例，如图7－8所示。
图7-8 切削合力与分力
由图7－8可知，总切削力F与各分力之间关系为：
一般情况下，切削力Fc是三个分力中最大的一个分力，它消耗了切削总功率的95%左右，是设计与使用刀具的主要依据，并且也是验算机床与夹具中主要零部件的强度和刚性以及确定机床电动机功率的主要依据。此外，它还是切削加工时选择切削用量应考虑的重要因素。
7．切削热与切削温度
在切削过程中，由于被切削金属层的变形、分离及刀具和切削材料间的摩擦而产生的热量称为切削热。切削热主要通过切屑、工件、刀具和周围介质（空气、切削液等）传散出去。
切削温度—般指切屑、工件与刀具接触表面上（切削区域）的平均温度。实际上切屑、工件和刀具上各点处的温度均不相同。刀具上的最高温度在刀尖附近，因为在这里切屑变形最大，切屑与刀具的摩擦也最大，热量集中又最不易传散。
8．刀具的磨损和刀具寿命
在切削过程中，刀具在高温高压下与切屑及工件在接触区里产生强烈的摩擦，使锋利的切削部分逐渐磨损而失去正常的切削能力，这种现象称为刀具的磨损。当刀具严重磨损时，不但影响工件的加工精度和表面质量，而且会造成重磨困难，增加刀具材料的消耗，缩短刀具的使用时间。所以，刀具磨损对产品的质量（如尺寸精度、形位精度、表面粗糙度）、生产效率以及加工成本都有直接影响。
（1）刀具磨损形式 刀具在切削过程中，承受高温、高压，切削刃和刀具表面将逐渐出现磨损，有正常磨损和非正常磨损两种。
①正常磨损：有后刀面磨损，前刀面磨损和前、后刀面同时磨损三种形式，如图7－9所示。
图7-9 刀具正常磨损的形式
②非正常磨损：由于冲击、振动、热效应等原因使刀具崩刃、碎裂而损坏。
（2）刀具磨损过程 一般刀具磨损过程分为三个阶段，如图7－10所示。
图7-10 刀具的磨损过程
①初期磨损阶段：由于刀具刃磨后，表面粗糙度值大，表层组织不耐磨，磨损较快。磨损速度取决于刀具刃磨质量。
②正常磨损阶段：磨损量随时间增长缓慢而均匀地增大，是刀具工作的有效期。
③急剧磨损阶段：磨损急剧加速，很快变钝，刀具损坏。应在此阶段前换刀。
（3）刀具的寿命 一把新磨好的刀具（或不重磨刀片上的一个新切削刃），从开始切削至达到磨损限度为止所使用的切削时间，称为刀具寿命，刀具寿命以符号T（单位为min）表示。
一把新刀具从开始切削，经过反复刃磨、使用，直至完全丧失切削能力而报废的实际总切削时间，称为刀具的总寿命。
刀具寿命还可以用磨损限度所经过的切削路程（lm）表示，有时也可用加工的零件数量（N）来表示。
四 能力训练
车刀角度的判断
五 经验交流
零件切削加工步骤
切削加工步骤安排是否合理，对零件加工质量、生产率及加工成本影响很大。因零件的材料、批量、形状、尺寸大小、加工精度及表面质量等要求不同，切削加工步骤的安排也不尽相同。在单件小批生产小型零件的切削加工中，通常按以下步骤进行。
1．阅读零件图
通过阅读零件图，了解被加工零件是什么材料，零件上哪些表面要进行切削加工，各加工表面的尺寸、形状、位置精度及表面粗糙度要求，据此进行工艺分析，确定加工方案，为加工出合格零件做好技术准备。
2．零件的预加工
加工前要对毛坯进行检查，有些零件还需要进行预加工，常见的预加工有划线和钻中心孔。
（1）毛坯划线 零件的毛坯很多是由铸造、锻压和焊接方法制成的。由于毛坯有制造误差，且制造过程中加热和冷却不均匀，会产生很大内应力，进而产生变形。为便于切削加工，加工前要对这些毛坯划线。通过划线确定加工余量，加工位置界线，合理分配各加工面的加工余量，使加工余量不均匀的毛坯免于报废。但在大批量生产中，由于零件毛坏使用专用夹具装夹，则不用划线。
（2）钻中心孔 在加工较长轴类零件时，多采用锻压棒料做毛坯，并在车床上加工。由于轴类零件加工过程中，需多次掉头装夹，为保证各外圆面间同轴度要求，必须建立同一定位基准。同一基准的建立是在棒料两端用中心钻钻出中心孔，零件通过双顶尖装夹进行加工。
3．选择加工机床及刀具
根据零件被加工部位的形状和尺寸，选择合适类型的机床，这是既能保证加工精度和表面质量，又能提高生产率的必要条件之一。一般零件的加工表面为回转面、回转体端面和螺旋面，遇有这样的加工表面时，多选用车床加工，并根据工序的要求选择刀具。
4．安装零件
零件在切削加工之前，必须牢固地安装在机床上，并使其相对机床和刀具有一个正确位置。零件安装方法主要有以下两种。
（1）直接安装 零件直接安装在机床工作台或通用夹具（如三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘等）上。这种安装方法简单、方便，通常用于单件小批量生产。
（2）专用夹具安装 零件安装在为其专门设计和制造的能正确迅速安装零件的装置中。用这种方法安装零件时，无需找正，而且定位精度高，夹紧迅速可靠，通常用于大批量生产。
5．零件的切削加工
一个零件往往有多个表面需要加工，而各表面的质量要求又不相同。为了高效率、高质量、低成本地完成各零件表面的切削加工，要视零件的具体情况，合理地安排加工顺序和划分加工阶段。
（1）加工阶段的划分
①粗加工阶段：即用较大的切削深度和进给量、较小的切削速度进行切削。这样既可以用较少的时间切除零件上大部分加工余量，提高生产效率，又可为精加工打下良好的基础，同时还能及时发现毛坯缺陷，及时报废或予以修补。
②精加工阶段：因该阶段零件加工余量较小，可用较小的切削深度和进给量、较大的切削速度进行切削。这样加工产生的切削力和切削热较小，很容易达到零件的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度要求。
（2）工艺顺序的安排 影响加工顺序安排的因素很多，通常考虑以下原则：
①基准先行原则：应在一开始就确定好加工精基准面，然后再以精基准面为基准加工其他表面。一般零件上较大的平面多作为精基准面。
②先粗后精原则：先进行粗加工，后进行精加工，有利于保证加工精度和提高生产率。
③先主后次原则：主要表面是指零件上的工作表面、装配基准面等，它们的技术要求较高，加工工作量较大，故应先安排加工。次要表面（如非工作面、键槽、螺栓孔等）因加工工作量较小，对零件变形影响小，而又多与主要表面有相互位置要求，所以应在主要表面加工之后或穿插其间安排加工。
④先面后孔原则：有利于保证孔和平面间的位置精度。
6．零件检测
经过切削加工后的零件是否符合零件图要求，要通过用测量工具测量的结果来判断。
任务二 调整手柄的车削加工
一 学习目标
知识目标
了解车削加工的基本知识；
熟悉卧式车床的名称、主要组成部分及作用；
了解轴类、盘套类零件装夹方法；
掌握外圆、端面、内孔等的车削加工操作基本方法。
能力目标
能正确选择简单零件的车削加工顺序；
能独立完成简单零件的车削加工。
二 任务引入
车削加工图7－11所示的调整手柄，材料为45钢。
图7-11 调整手柄零件
调整手柄属于轴类零件，轴类零件的结构特点是其轴向尺寸远大于径向尺寸。轴类零件的轴颈、安装传动件的外圆、装配定位用的轴肩等尺寸精度、形位精度、表面粗糙度等是要解决的主要工艺问题。
三 相关知识
车削加工是金属切削加工中最基本的一种方式。切削时，工件作旋转运动，刀具作纵向或横向进给运动。车削加工适于单件小批量和大批量零件的加工生产。
1．车削加工的工艺特点和应用
车削加工具有生产率较高、成本低、易于保证零件各加工面的位置精度等优点，所以车削适应范围广，除难以切削的高硬度淬火钢件外，可以车削黑色金属、有色金属及非金属材料（有机玻璃、橡胶等），是不同精度的各种具有回转表面零件不可缺少的工序。
在车床上使用不同的车刀或其他刀具，可以加工各种回转表面，如内外圆柱面、内外圆锥面、螺纹、沟槽、端面和成形面等。加工精度可达IT8～IT7，表面粗糙度Ra值为1．6μm～0．8μm。
2．车床的组成
机床均用汉语拼音字母和数字按一定规律组合进行编号，以表示机床的类型和主要规格。如图7－12所示为C6132型卧式车床外形，其主要组成部分如下。
图7-12 C6132型卧式车床外形
（1）床身 床身用以连接机床各主要部件，并保证各部件间有正确的相对位置。床身上的导轨用以引导刀架和尾座相对于主轴的正确移动。
（2）变速箱 变速箱内有变速齿轮，通过改变变速箱上的变速手柄的位置可以改变主轴的转速。
（3）主轴箱 内装主轴和主轴的变速机构，可使主轴获得多种转速。
（4）进给箱 进给箱是传递进给运动并改变进给速度的变速机构。
（5）溜板箱 溜板箱是进给运动的操纵机构。
（6）刀架 刀架用来装夹车刀并使其作纵向、横向和斜向运动。
（7）尾座 尾座套筒内装入顶尖用来支承长轴类零件的另一端，也可装上钻头、铰刀等刀具，进行钻孔、铰孔等工作。
除上述卧式车床外，还有立式车床和转塔车床。
3．工件的装夹方法
（1）卡盘 如图7－13（a）所示的三爪卡盘可自动定心，装夹迅速方便，应用较广，夹紧力较小，仅适于夹持表面光滑的圆柱形或六角形等零件，而不适于单独安装重量大或形状复杂的零件。四爪单动卡盘也是常见的通用夹具，如图7－13（b）所示。它的四个卡爪都可单独移动，不能自动定心，夹紧力大，适于装夹单件小批量生产的较重的圆形截面的工件，或方形截面及不规则的工件。
图7-13 三爪自定心卡盘和四爪单动卡盘
（2）顶尖 常用的顶尖有死顶尖和活顶尖两种，前顶尖采用死顶尖，后顶尖易磨损，在高速切削时常采用活顶尖。较长（L/D＞4）或加工工序较多的轴类零件，常采用两顶尖安装，如图7－14所示。车削细长（L/D＞10）轴类工件时，为减少振动和弯曲变形，常使用中心架（图7－15）或跟刀架（图7－16）作为辅助支承。
图7-14 用双顶尖安装零件
（3）心轴 形状复杂或同轴度要求较高的盘套类零件，常用心轴安装加工，以保证零件外圆与内孔的同轴度及端面与内孔轴线的垂直度的要求。心轴用双顶尖安装在车床上，以加工端面和外圆。安装时，根据零件的形状、尺寸、精度要求和加工数量的不同，采用不同结构的心轴，如圆柱心轴、小锥度心轴、胀力心轴等。
图7-15 中心架的使用
图7-16 跟刀架的使用
4．车削工艺
利用车床的各种附件，选用不同的车刀，可以加工端面、外圆、内孔及螺纹面等各种回转面。
（1）车外圆、台阶及端面 车外圆、台阶及端面最常用的方法如图7－17所示。
①90°偏刀：90°偏刀分为右偏刀和左偏刀。右偏刀可以用来车削外圆、右向阶台、端面。左偏刀一般用来车削左向阶台，也适用于车削直径较大、长度较短的工作端面和外圆，如图7－17（a）、（b）所示。
②45°车刀：45°车刀适用于刚性较好、较短工件的外圆、端面的车削和倒角，如图7－17（c）所示。
图7-17 90°偏刀及45°车刀的使用
（2）钻孔 在车床上钻孔，大都将麻花钻头装在尾座套筒锥孔中进行，如图7－2（d）所示。钻出的孔或铸孔、锻孔，若需进一步加工，可进行镗孔。镗孔可作为孔的粗加工、半精加工或精加工，加工范围很广。
（3）车圆锥面 车削圆锥面的方法有四种：宽刀法、小刀架转位法、偏移尾座法和靠模法。
①宽刀法：如图7－18所示，车刀的主切削刃与零件轴线间的夹角等于零件的半锥角α。其特点是加工迅速，能车削任意角度的内外圆锥面，但不能车削太长的圆锥面，并要求机床与零件系统有较好的刚性。
②小刀架转位法：如图7－19所示，转动小刀架，使其导轨与主轴轴线成半锥角α后再紧固其转盘，摇小刀架进给手柄车出锥面。
图7-18 宽刀法
图7-19 小刀架转位法
此法调整方便，操作简单，加工质量较好，适于车削任意角度的内外圆锥面。但受小刀架行程限制，只能手动车削长度较短的圆锥面。
③偏移尾座法：如图7－20所示，将零件置于前、后顶尖之间，调整尾座横向位置，使零件轴线与纵向走刀方向成半锥角α。
尾座偏移量为：
式中 L为前后顶尖间距离（mm）；l为圆锥长度（mm）；D为锥面大端直径（mm）；d为锥面小端直径（mm）。
图7-20 偏移尾座法
这种方法的优点是能加工较长的圆锥面，而且可以自动走刀。但由于尾座偏移量不可能太大，因此所能加工的锥角较小，而且不能加工内锥面。
④靠模法：如图7－21所示，靠模板装置的底座固定在床身的后面，底座上装有锥度靠模板，它可绕中心轴旋转到与零件轴线成半锥角α，靠模板上装有可自由滑动的滑块。
对于某些半锥角小于12°的锥面或较长的内外圆锥面，当其精度要求较高且批量较大时常采用靠模法。
图7-21 靠模法
（4）车槽及切断 回转体表面常有退刀槽、砂轮越程槽等沟槽，在回转体表面上车出沟槽的方法称车槽。切断是将坯料或零件从夹持端上分离出来，主要用于圆棒料按尺寸要求下料或把加工完毕的零件从坯料上切下来。
切槽刀（图7－22）前端为主切削刃，两侧为副切削刃。切断刀的刀头形状与切槽刀相似，但其主切削刃较窄，刀头较长，切槽与切断都是以横向进刀为主。
图7-22 切槽刀及切断刀
四 任务实施
手柄的车削加工过程见表7－1。
表7-1 调整手柄车削加工过程单位：mm
五 能力训练
液压缸车削加工工艺
如图7－23所示的液压缸属长套筒类零件，其内孔与活塞相配，因此表面粗糙度、形状及位置精度要求都较高。毛坯可选用无缝钢管，如果为铸件，其组织应紧密，无砂眼、气孔及疏松缺陷，成批生产。
图7-23 液压缸
液压缸加工工艺过程见表7－2。
表7-2 液压缸加工工艺路线
六 经验交流
车削步骤
在正确安装零件和刀具之后，通常按以下步骤进行车削。
1．试切
试切是精车的关键，为了控制切削深度，保证零件径向的尺寸精度，开始车削时，应进行试切。
试切的方法与步骤：
第一步〔图7－24（a）、（b）〕，开车对刀，使刀尖与零件表面轻微接触，确定刀具与零件的接触点，作为进切深的起点，然后向右纵向退刀，记下中滑板刻度盘上的数值。注意对刀时必须开车，因为这样可以找到刀具与零件最高处的接触点，也不容易损坏车刀。
第二步〔图7－24（c）、（d）、（e）〕，按切削深度或零件直径的要求，根据中滑板刻度盘上的数值进切深，并手动纵向切进1mm～3mm，然后向右纵向退刀。
第三步〔图7－24（f）〕，进行测量。如果尺寸合格了，就按该切深将整个表面加工完；如果尺寸偏大或偏小，就重新进行试切，直到尺寸合格。试切调整过程中，为了迅速而准确地控制尺寸，切削深度需按中滑板丝杠上的刻度盘来调整。
图7-24 试切方法
2．切削
经试切获得合格尺寸后，就可以扳动自动走刀手柄使之自动走刀。每当车刀纵向进给至末端距离3mm～5mm时，应将自动进给改为手动进给，以避免行程走刀超长或车刀切削卡盘爪。如需再切削，可将车刀沿进给反方向移出，再进切深进行车削。如不再切削，则应先将车刀沿切深反方向退出，脱离零件已加工表面，再沿进给反方向退出车刀，然后停车。
3．检验
零件加工完后要进行测量检验，以确保零件的质量。
任务三 减速箱输出轴的切削加工工艺
一 学习目标
知识目标
了解铣削、刨削、拉削和磨削的加工特点及应用；
掌握在刨床、铣床上加工水平面、垂直面及沟槽的操作；
掌握在平面磨床及外圆磨床上进行磨削的基本操作；
熟悉钻削和镗削孔的基本操作。
能力目标
能正确选择简单零件的加工工艺流程；
能独立完成简单零件的切削加工。
二 任务引入
减速箱中的输出轴如图7－25所示，属于阶梯轴。阶梯轴是轴类零件中用得最多的一种，它一般由外圆、轴肩、螺纹、螺纹退刀槽、砂轮越程槽和键槽等组成。车削和磨削是加工阶梯轴零件的主要加工方法，其一般的加工工序安排为：准备毛坯→正火→切端面打中心孔→粗车→调质→半精车→精车→表面淬火→粗、精磨外圆表面→终检。轴上的花键、键槽、螺纹、齿轮等表面的加工，一般都放在外圆半精加工以后、精磨之前进行。
图7-25 减速箱的输出轴
三 相关知识
1．铣削
铣削是平面的主要加工方法之一。铣削时，铣刀的旋转是主运动，零件随工作台的运动是进给运动。铣床的种类很多，常用的是升降台卧式铣床和立式铣床。铣削大型零件的平面则用龙门铣床，生产率较高，多用于批量生产。
（1）铣削的工艺特点和应用
①铣刀是典型的多齿刀具，有几个刀齿同时参加工作，并且参与切削的切削刃较长，切削速度也较高，且无空回行程，故生产率较高。但加工狭长平面或长直槽时，刨削比铣削生产率高。
②铣削力变动较大，切削过程不平稳，容易产生振动，这就限制了铣削加工质量和生产率的进一步提高。
③铣刀刀齿在切离零件的一段时间内，可以得到一定的冷却，散热条件较好。但是，切入和切出时热和力的冲击将加速刀具的磨损，甚至可能引起硬质合金刀片的碎裂。
铣削的形式很多，铣刀的类型和形状更是多种多样，再配上附件（分度头、圆形工作台等）使铣削加工范围较广，如图7－26所示。加工精度一般可达IT8～IT7，表面粗糙度Ra值为3．2μm～1．6μm。
铣削适用于单件小批量生产，也适用于大批量生产。
（2）铣削工艺 铣削主要用于加工平面、沟槽和成形面，另外，还能进行孔加工（钻、扩、铰、镗孔）和分度工作。
①铣平面：平面的铣削可在卧式或立式铣床上进行，分别使用圆柱铣刀和端铣刀，铣削方式如下：
端铣的铣削方式：用端铣刀加工平面时，依据铣刀与工件加工面相对位置的不同可分为三种铣削方式，如图7－27所示。
圆周铣的铣削方式：根据铣削时切削层参数变化规律的不同，圆周铣削有逆铣和顺铣两种形式，如图7－28所示。
图7-26 铣削加工的主要应用范围
图7-27 端铣的三种铣削方式
由于端铣法具有切削平稳、表面质量好和可采用高速铣削等优点，故在平面的铣削中，目前大都采用端铣法。但是，周铣法的适应性较广，可以利用多种形式的铣刀，除加工平面外还可较方便地进行沟槽、齿形和成形面等的加工，生产中仍常采用。
图7-28 圆周铣的两种方式
②铣沟槽：在卧式升降台铣床和立式升降台铣床上，铣削工件上的沟槽如图7－29所示。
图7-29 铣沟槽
2．刨削和拉削
（1）刨削 刨削是平面加工的主要方法之一，在单件、小批量生产和修配工作中得到广泛应用。常见的刨床类机床有牛头刨床、龙门刨床和插床，常用的是牛头刨床。牛头刨床最大的刨削长度一般不超过1 000mm，适合于加工中小型零件。龙门刨床主要用于加工大型零件或同时加工多个中、小型零件。刨削加工的尺寸精度一般为IT9～IT8，表面粗糙度Ra值为6．3μm～1．6μm。
①刨削加工的特点及应用：刨削加工生产率一般较低，但通用性好、适应性强，主要用于单件小批量生产、维修车间和模具车间，用于加工各种平面（水平面、垂直面和斜面）、各种沟槽（直槽、T形槽、燕尾槽等）和成形面等，如图7－30所示。
②刨削工艺：刨削主要用于加工平面、沟槽和成形面。
刨刀的几何形状与车刀相似，刨刀由于要承受较大的冲击力，所以一般刀杆的截面比车刀大。粗刨平面一般采用尖头刨刀〔图7－31（a）〕，精刨时常采用圆头刨刀或宽头刨刀〔图7－31（b）、（c）〕。
图7-30 刨削加工的主要应用
图7-31 平面刨刀
刨平面：在牛头刨床上刨平面时，小型工件可夹在虎钳内，较大的工件可直接用压板、螺钉固定在工作台上。龙门刨床刨削平面，大都采用螺钉和一般压板把工件直接夹在工作台上。当工件质量要求较高时，粗刨后再进行精刨。
刨垂直面时，必须采用偏刀，偏刀有左偏刀和右偏刀两种。
刨斜面与刨垂直面基本相同，只是刀架转盘必须按零件所需加工的斜面扳转一定角度，以使刨刀沿斜面方向移动。
刨沟槽：刨直槽时用切刀以垂直进给完成，如图7－32所示。
刨V形槽时，先按刨平面的方法把V形槽粗刨出大致形状，然后用切刀刨V形槽底的直角槽，再按刨斜面的方法用偏刀刨V形槽的两斜面，最后用样板刀精刨至图样要求的尺寸精度和表面粗糙度。
刨T形槽和燕尾槽时，应先在零件端面和上平面划出加工线，但刨燕尾槽的侧面时须用角度偏刀，刀架转盘要扳转一定角度。
图7-32 刨直槽
刨成形面：在刨床上刨削成形面，通常是先在零件的侧面划线，然后根据划线分别移动刨刀作垂直进给和移动工作台作水平进给，从而加工出成形面。也可用成形刨刀加工，使刨刀刃口形状与零件表面一致，一次成形。
（2）拉削
拉削利用只有主运动、没有进给运动的拉床，依靠拉刀的结构变化，可以加工各种形状的通孔、通槽和各种形状的内、外表面。拉刀是一种加工精度和切削效率都比较高的多齿刀具。拉削时拉刀作等速直线运动，由于拉刀的后一个（或一组）刀齿高出前一个（或一组）刀齿，从而能够一层层地从工件上切下多余的金属，如图7－33、7－34所示。由于拉削速度较低，切削厚度很小，可以获得较高的精度和较好的表面质量。
图7-33 拉削平面
图7-34 拉孔方法
拉削加工与其他切削加工方法相比较，具有以下特点：拉床结构简单、操作方便；加工精度与表面质量高（精度可达IT7、表面粗糙度Ra值为0．8μm～2．5μm）；生产率高（一次行程能完成粗、半精及精加工）；拉刀耐用度高，使用寿命长等。
拉削加工主要适用于成批和大量生产，尤其适于在大量生产中加工比较大的复合型面，如发动机的汽缸体等。在单件、小批生产中，对于某些精度要求较高、形状特殊的内外成形表面，用其他方法加工很困难时，也有采用拉削加工的。
3．磨削
磨削是用磨具以较高的线速度对零件表面进行加工的方法，是机械零件精密加工的主要方法之一。
（1）磨削加工的特点及应用
①磨削用的砂轮是由许多细小坚硬的磨粒用结合剂粘结在一起经焙烧而成的疏松多孔体，这些锋利的磨粒就像铣刀的切削刃，在砂轮高速旋转的条件下，切入零件表面，故磨削是一种多刃、微刃切削过程。
②磨削的切削厚度极薄，每个磨粒的切削厚度可小到微米，故磨削的尺寸精度可达IT6～IT5，表面粗糙度Ra值达0．8μm～0．1μm。高精度磨削时，尺寸精度可超过IT5，表面粗糙度Ra值不大于0．012μm。
③由于磨料硬度极高，故磨削不仅可加工一般金属材料，如碳钢、铸铁等，还可加工一般刀具难以加工的高硬度材料，如淬火钢、各种切削刀具材料及硬质合金等。
④磨粒破碎可形成新的锋利棱角进行磨削，同时钝化的磨粒就会自行脱落，使砂轮表面露出一层新鲜锋利的磨粒，从而使磨削加工能够继续进行。砂轮这种自锐性可使其连续进行加工，这是其他刀具没有的特性。
⑤磨削温度高，为减少摩擦和迅速散热，降低磨削温度，及时冲走屑末，以保证零件表面质量，磨削时需使用大量切削液。
常用的外圆磨床分为普通外圆磨床和万能外圆磨床。在普通外圆磨床上可磨削零件的外圆柱面和外圆锥面。在万能外圆磨床上由于砂轮架、头架和工作台上都装有转盘，能回转一定的角度，且增加了内圆磨具附件，所以万能外圆磨床除可磨削外圆柱面和外圆锥面外，还可磨削内圆柱面、内圆锥面及端平面，故万能外圆磨床较普通外圆磨床应用更广。常用的磨具有固结磨具（如砂轮、油石等）和涂附磨具（如砂带、砂布等）。
磨削可以加工的零件材料范围很广，既可以加工铸铁、碳钢、合金钢等一般结构材料，也能够加工高硬度的淬硬钢、硬质合金、陶瓷和玻璃等难切削的材料。但是，磨削不宜精加工塑性较大的有色金属零件。
磨削可以加工外圆面、内孔、平面、成形面、螺纹和齿轮齿形等各种各样的表面，还常用于各种刀具的刃磨。
（2）磨削工艺
①外圆磨削：外圆磨削是一种基本的磨削方法，它适于轴类及外圆锥零件的外表面磨削。在外圆磨床上磨削外圆常用的方法有纵磨法、横磨法和综合磨法三种。
纵磨法：如图7－35所示，磨削时砂轮高速旋转为主运动，零件旋转为圆周进给运动，零件随磨床工作台的往复直线运动为纵向进给运动。每一次往复行程终了时，砂轮作周期性的横向进给（磨削深度）。由于磨削深度很小，所以加工精度和表面质量较高。此外，纵磨法具有较大的适应性，可以用一个砂轮加工不同长度的零件。但是，它的生产效率较低，广泛用于单件、小批量生产及精磨，特别适用于细长轴的磨削。
横磨法：如图7－36所示，横磨削时，采用砂轮的宽度大于零件表面的长度，零件无纵向进给运动，而砂轮以很慢的速度连续地或断续地向零件作横向进给，直至余量被全部磨掉为止。横磨的特点是生产率高，但精度及表面质量较低。该法适于磨削长度较短、刚性较好的零件。
综合磨法：如图7－37所示，先用横磨分段粗磨，相邻两段间有5mm～15mm重叠量，然后将留下的0．01mm～0．03mm余量用纵磨法磨去。当加工表面的长度为砂轮宽度的2～3倍以上时，可采用综合磨法。综合磨法兼具纵磨、横磨法的优点，生产效率和磨削质量高。
图7-35 纵磨法
图7-36 横磨法
图7-37 综合磨法
在无心外圆磨床上磨外圆，如图7－38所示。磨削时，零件置于磨轮和导轮之间，下方靠托板支承，由于不用顶尖支承，所以称为无心磨削。无心外圆磨削主要适用于大批量生产销轴类零件，特别适合于磨削细长的光轴。
②内圆磨削：内圆磨削可以在内圆磨床上进行，也可以在万能外圆磨床上进行，其磨削运动如图7－39所示。与外圆磨削类似，内圆磨削也可以分为纵磨法和横磨法。横磨法仅适用于磨削短孔及内成形面，多数情况下是采用纵磨法。
图7-38 无心外圆磨床上磨外圆
图7-39 内圆磨削
③平面磨削：平面磨削是在铣、刨基础上的精加工。平面磨削的机床，常用的有卧轴、立轴矩台平面磨床和卧轴、立轴圆台平面磨床，其磨削运动如图7－40所示。平面磨削分为周磨和端磨两种方式，周磨常用于各种批量生产中对中、小型零件的精加工，端磨常用于大批量生产中代替铣削和刨削进行粗加工。
图7-40 平面磨床及其磨削运动
4．钻削、镗削
孔是组成零件的基本表面之一，钻孔是一种最基本的孔加工方法。钻孔经常在钻床和车床上进行，也可以在镗床和铣床上进行。常用的钻床有台式钻床、立式钻床和摇臂钻床。
（1）钻削
钻孔时最常用的刀具是麻花钻，如图7－41所示。麻花钻按其制造材料不同可分为高速钢麻花钻和硬质合金麻花钻，钻削特别适合于直径小于30mm的孔的粗加工，直径大一点的也可用于扩孔。
图7-41 锥柄麻花钻结构
在各类机器零件上经常需要进行钻孔，因此钻削的应用还是很广泛的。但是，由于钻削的精度较低，表面较粗糙，一般只能达到IT10，表面粗糙度值Ra一般为12．5μm。同时，钻孔不易采用较大的切削用量，生产效率也比较低。因此，钻孔主要用于粗加工，例如精度和粗糙度要求不高的螺钉孔、油孔和螺纹底孔等。
单件、小批量生产中，中小型零件上的小孔（一般D＜13mm）常用台式钻床加工，中小型零件上直径较大的孔（一般D＜50mm）常用立式钻床加工，大中型零件上的孔应采用摇臂钻床加工，回转体零件上的孔多在车床上加工。在成批和大量生产中，为了保证加工精度，提高工作效率和降低加工成本，广泛使用钻模（图7－42）、多轴钻（图7－43）或组合机床（图7－44）进行孔的加工。对要求较高的孔，如轴承孔和定位孔等，钻削之后还需要采用扩孔和铰孔进行半精加工和精加工，才能达到要求的精度和表面粗糙度。
钻削时，将选定的钻头装夹在夹头上，夹头再与主轴相连接（大钻头也可直接装在主轴上）。工件装在工作台上，当钻头找正后可进行切削。小孔径的孔可一次加工完成，大孔径（D＞30mm）的孔应分两次完成，第一次用（0．4～0．6）D的钻头加工，第二次再加工到所需尺寸。
（2）扩孔
扩孔是用扩孔钻对零件上已有的孔（铸出、锻出或钻出）进行扩大加工的方法（图7－45）。扩孔钻通常用于铰或磨前的预加工或毛坯孔的扩大，其外形与麻花钻相类似。扩孔时可采用较大的切削用量，而其加工质量却比麻花钻好，一般加工精度可达IT10～IT11，表面粗糙度Ra可达6．3μm～3．2μm。常见的结构形式有高速钢整体式、镶齿套式和硬质合金可转位式，如图7－46所示。
图7-42 用钻模为钻头导向
图7-43 多轴钻
图7-44 组合机床
图7-45 扩孔
图7-46 扩孔钻
扩孔的加工质量比钻孔高，表面粗糙度值小，在一定程度上可校正原有孔的轴线偏斜。扩孔常作为铰孔前的预加工，对于要求不太高的孔，扩孔也可作最终加工工序。
由于扩孔比钻孔优越，在钻直径较大的孔（一般D≥30mm）时，可先用小钻头（直径为孔径的50%～70%）预钻孔，然后再用所要求尺寸的大钻头扩孔。
（3）铰孔
铰孔是在扩孔或半精镗孔的基础上进行的，是应用较普遍的孔的精加工方法之一。铰孔的公差等级为IT8～IT6，表面粗糙度Ra为1．6μm～0．4μm。铰孔采用铰刀进行加工，铰刀可分为手铰刀和机铰刀，如图7－47所示。
铰孔余量小，切削速度低，适应性差，需施加切削液，但铰孔精度和效率高，适用于孔的精加工和半精加工，也可用于磨孔或研孔前的预加工。
（4）镗孔
镗孔是用镗刀对已有的孔进行扩大加工的方法，是常用的孔加工方法之一。对于直径较大的孔（D＞80mm）、内成形面或孔内环槽等，镗削是唯一适宜的加工方法。一般镗孔的尺寸公差等级为IT8～IT6，表面粗糙度Ra为1．6μm～0．8μm，精细镗时，尺寸公差等级可达IT7～IT5，表面粗糙度Ra为0．8μm～0．1μm。
图7-47 铰刀
镗孔可以在镗床上或车床上进行。回转体零件上的轴心孔多在车床上加工，如图7－48所示；箱体类零件上的孔或孔系（相互有平行度或垂直度要求的若干个孔）则常用镗床加工，如图7－49所示。
根据结构和用途不同，镗床分为卧式镗床、坐标镗床、立式镗床、精密镗床等，应用最广的是卧式镗床。
镗刀有单刃镗刀和多刃镗刀之分，由于它们的结构和工作条件不同，它们的工艺特点和应用也有所不同。
图7-48 在车床上镗孔
图7-49 在镗床上镗孔
四 任务实施
减速箱输出轴加工工艺过程见表7－3。
在加工工艺流程中，也可以采用粗车加工后进行调质处理。图样中键槽未标注对称度要求，但在实际加工中应保证±0．025mm的对称度，这样便于与齿轮装配。键槽对称度的检查，可采用偏摆仪及量块配合完成，也可采用专用对称度检具检查。输出轴各部分同轴度的检查，可采用偏摆仪和百分表结合进行检查。
表7-3 输出轴加工工艺过程
五 能力训练
轴承套的加工工艺
如图7－50所示为轴承套，材料为ZQSn6－6－3，每批数量为400只。加工时，应根据工件的毛坯材料、结构形状、加工余量、尺寸精度、形状精度和生产纲领，正确选择加工工艺过程，以保证达到图样要求。该零件的内孔和外圆的尺寸精度和位置精度要求均较高，其机械加工工艺过程见表7－4。
该轴承套属于短套，其直径尺寸和轴向尺寸均不大，粗加工可以单件加工，也可以多件加工。由于单件加工时，每件都要留出工件备装夹的长度，因此原材料浪费较多，所以这里采用多件加工的方法。
该轴承套的材料为ZQSn6－6－3，其外圆为IT7级精度，采用精车可以满足要求；内孔的精度也是IT7级，铰孔可以满足要求。内孔的加工顺序为钻—车孔—铰孔。
图7-50 轴承套
表7-4 轴承套机械加工工艺过程
任务四 典型零件机械加工工艺过程分析
一 学习目标
知识目标
了解机械加工工艺过程的基本概念；
掌握机械加工工艺规程拟定的方法、原则及定位基准的选择；
熟悉典型零件的工艺过程分析。
能力目标
能进行典型零件的加工工艺流程的制定。
二 任务引入
图7－51为CA6140车床主轴零件，生产类型为大批量生产，材料牌号为45号钢，毛坯种类为模锻件。
图7-51 CA6140车床的主轴
该主轴呈阶梯状，其上有安装支承轴承、传动件的圆柱、圆锥面，安装滑动齿轮的花键，安装卡盘及顶尖的内外圆锥面，联接紧固螺母的螺旋面，通过棒料的深孔等。主轴各主要部分的作用及技术要求如下：
（1）支承轴颈 主轴二个支承轴颈A、B圆度公差为0．005mm，径向跳动公差为0．005mm，支承轴颈1∶12锥面的接触率≥70%，表面粗糙度Ra为0．4μm，支承轴颈尺寸精度为IT5。
（2）端部锥孔 主轴端部内锥孔（莫氏6号）对支承轴颈A、B的跳动在轴端面处公差为0．005mm，离轴端面300mm处公差为0．01mm，锥面接触率≥70%，表面粗糙度Ra为0．4μm，硬度要求45～50HRC。
（3）端部短锥和端面 头部短锥C和端面D对主轴二个支承轴颈A、B的径向圆跳动公差为0．008mm，表面粗糙度Ra为0．8μm。
（4）空套齿轮轴颈 空套齿轮轴颈对支承轴颈A、B的径向圆跳动公差为0．015mm。
（5）螺纹 主轴上螺旋面的误差是造成压紧螺母端面跳动的原因之一，所以应控制螺纹的加工精度。
三 相关知识
把根据具体生产条件拟订的较合理的工艺过程用图表（或文字）的形式写成的工艺文件称为工艺规程。该工艺规程是生产准备、生产计划、生产组织、实际加工及技术检验的重要技术文件，也是新建、改建或扩建工厂的设计依据。
拟定机械加工工艺规程的主要步骤包括：①分析产品装配图和零件图，对零件进行工艺分析，形成拟定工艺规程的总体思路；②确定毛坯的制造方法；③拟定工艺路线，选定定位基准，划定加工阶段；④确定各工序所用的机床设备和工艺装备（含刀具、夹具、量具、辅具等）；⑤确定各工序的加工余量，计算工序尺寸和公差；⑥确定各工序的切削用量和工时定额；⑦确定各主要工序的技术要求和检验方法；⑧编制工艺文件。
1．零件的工艺分析
拟定工艺规程时，必须分析零件图以及产品装配图，充分了解产品的用途、性能和工作条件，熟悉该零件在产品中的位置和功用，分析对该零件提出的技术要求，找出技术关键，以便在拟定工艺规程时采取适当的工艺措施加以保证。同时要审查零件的尺寸精度、形状精度、位置精度、表面质量等技术要求，以及零件的结构是否合理，在现有生产条件下能否达到，以便与设计人员共同研究探讨，通过改进设计的方法达到经济合理的要求。
2．毛坯的选择及加工余量的确定
（1）毛坯的种类 目前，在机械加工中，毛坯的种类很多，有型材、铸件、锻件、焊接件以及冷冲压件和粉末冶金件等。
①型材：机械制造用的型材按截面形状可分为圆钢、方钢、六角钢、扁钢、角钢、工字钢、槽钢和其他特殊截面的型材。轧制的型材组织致密、力学性能较好。热轧型材尺寸较大，精度较低，多用于一般零件的毛坯，冷拉型材尺寸较小，精度较高，易实现自动送料，适用于毛坯精度要求较高的中小型零件。
②铸件：受力不大或以承受压应力为主的形状复杂的零件毛坯，宜采用铸造方法制造。目前生产中的铸件大多数是用砂型铸造的，少数尺寸较小和精度较高的铸件可以采用特种铸造。
③锻件：受重载、动载及复杂载荷的重要零件毛坯，宜采用锻件。自由锻的适应性较强，但锻件毛坯的形状较为简单，而且加工余量大、生产率低，适于单件小批量生产和大型锻件的生产；模锻件的尺寸精度较高、加工余量小、生产率高，而且可以获得较为复杂的零件。但是，受到锻模加工、坯料流动条件和锻件出模条件的限制，无法制造出形状复杂的锻件。尤其要求复杂内腔的零件毛坯更是无法锻出，并且生产成本高于铸件，其适于重量小于150kg锻件的大批量生产。
④焊接件：焊接是一种永久性的连接金属的方法，其主要用途是制造金属结构件，如梁、柱、桁架、容器等。焊接件的尺寸、形状一般不受限制，制造周期也比锻件和铸件要短得多。
⑤冲压件：板料冲压件具有足够的强度和刚度，有很高的尺寸精度，表面质量好，少、无切削加工及互换性好，因此应用十分广泛。但其模具生产成本高，故冲压件只适于大批量生产条件。
⑥粉末冶金：粉末冶金件一般具有某些特殊性能，主要应用于含油轴承、离合器片、摩擦片及硬质合金刀具等。
（2）毛坯的选择 选择毛坯应在满足使用要求的前提下，尽量降低生产成本。
①毛坯的选择：在选择毛坯过程中，要根据零件的材料、结构、尺寸，零件的力学性能要求，生产类型和生产条件等因素综合考虑决定。
②毛坯尺寸和形状的确定：零件的形状与尺寸基本上决定了毛坯的形状和尺寸，二者的差别在于把毛坯上需要加工表面上的余量去掉。毛坯上加工余量的大小，直接影响机械加工的加工量的大小和原材料的消耗量，从而影响产品的制造成本。因此，在选择毛坯形状和尺寸时尽量与零件达到一致，力求做到少切削或者无切削加工。确定了毛坯的形状和尺寸后，还要考虑毛坯在制造中机械加工和热处理等多方面的工艺因素。
3．工艺路线的拟定
拟定工艺路线是制订工艺规程中最重要的内容，它主要解决加工方法的选择和加工顺序的安排等问题。
（1）零件表面加工方法的选择 确定零件表面的加工方法时，在保证零件质量和技术要求的前提下，要兼顾生产率和经济性。即要综合考虑零件材料、结构形状、尺寸大小、热处理要求、加工经济性、生产效率、生产类型和企业生产条件等各个方面的情况。
（2）确定加工顺序 确定零件的加工顺序，一般可按下述方法进行。
①加工阶段的划分：零件的形状与结构各异，对加工质量要求也各不相同，因而不可能在一个工序中完成所有的加工，而必须把整个加工过程划分为几个加工阶段。
粗加工阶段：主要是从毛坯上切除较多的加工余量，所能达到的精度低而且表面质量差，所以这个阶段的主要问题是如何提高生产率。
半精加工阶段：主要为精加工表面作准备，并完成一些次要表面的加工。
精加工阶段：本阶段的切削加工余量较少，主要任务是保证重要表面达到零件工作图上所规定的质量要求。
光整加工阶段：主要提高零件的尺寸精度，降低表面粗糙度值或强化加工表面，一般不能提高位置精度。主要用于表面粗糙度要求很细（IT6以上，表面粗糙度值Ra≤0．32μm）的表面加工。
超精密加工阶段：超精密加工是以超稳定、超微量切除等原则的亚微米级加工，其加工精度在0．2μm～0．03μm，表面粗糙度值Ra≤0．03μm。
加工阶段的划分不是绝对的，主要是以零件本身的结构形状、变形特点和精度要求来确定。例如对那些余量小、精度不高，零件刚性好的零件，则可以在一次安装中完成表面的粗加工和精加工。有些刚性好的重型零件，由于装夹及运输很费时，也常在一次装夹下完成全部粗、精加工，为了弥补不分阶段带来的缺陷，重型零件在粗加工工步后，松开夹紧机构，让零件有变形的可能，然后用较小的夹紧力重新夹紧零件，继续进行精加工工步。
②工序集中与分散
工序集中是将零件各加工表面集中在少数几道工序里完成，每道工序包含的加工内容较多。其优点是减少安装次数，从而减少了定位误差，可获得较高的位置精度，同时也缩短了装卸工件的时间；缩短了工艺路线，简化了生产计划；减少了机床数量，相应减少了生产面积和操作工人。但对设备的性能和工人的技术水平都有较高的要求。
工序分散是将零件各加工表面的加工分散进行，使工序较多而每道工序中包含的内容较少。其优点是机床和工艺设备简单而且调整容易；工人技术水平要求较低；可选择最佳的切削用量。但需要的设备、场地和工人的数量都较大。
③加工顺序的安排
在安排切削加工顺序时，遵循先粗后精、先主后次、先基面后其他的原则。此外，在切削加工过程中还需要考虑穿插一些其他工序，如钳工、热处理、检验等。
热处理工序的安排，要根据热处理的目的来决定，一般可按图7－52所示顺序安排。如正火、退火、时效处理和调质等预备热处理常安排在粗加工前后，其目的是改善加工性能，消除内应力和为最终热处理作好组织准备。淬火－回火、渗碳淬火、渗氮等最终热处理一般安排在精加工（磨削）之前，或安排在精加工之后，其目的是提高零件的硬度和耐磨性。
图7-52 热处理工序
检验是保证产品质量的主要措施。除了每道工序自检外，还须适时地安排单独检验工序，如粗加工阶段结束之后、重要工序完结、零件全部加工结束等都需进行检验。
零件加工过程中还需要有钳工配合，如划线、去毛刺、钻孔、攻螺纹、研磨、抛光、打标记等。钳工工序在工艺过程中的安排根据加工过程的需要来确定。
（3）加工余量的确定 毛坯尺寸与零件图相对应的设计尺寸之差，称为加工总余量。相邻两工序的尺寸之差称为工序余量。毛坯余量等于工序余量之和。加工余量的大小对于零件的加工质量和生产率有较大的影响。余量太小，保证不了加工质量；太大，既浪费材料又浪费人力物力，因此，合理确定加工余量，对确保加工质量、提高生产率和降低成本都有很重要的意义。确定加工余量的方法主要有经验估计法（工艺人员或操作者凭经验确定加工余量，常用于单件小批量生产）、查表法（根据《金属切削手册》或有关资料中所推荐的数据，结合实际生产情况进行一定的修正后，来确定加工余量，此法应用较广泛）和分析计算法（用计算公式来确定加工余量，目前仅用于大批量生产中的一些重要的工序）。
4．加工经济性分析
技术经济分析的主要参数是成本。零件的实际生产成本是制造它所支出的总费用。工艺成本是指与加工工艺过程有关的那一部分费用，占零件生产成本的70%～75%。因此，对机械制造工艺过程而言，技术经济分析只对加工工艺成本进行分析、比较。技术经济分析涉及的因素较多，具有明显的综合性，不同生产类型适宜的加工工艺方法见表7－5。
表7-5 不同生产类型适宜的加工工艺方法
四 任务实施
车床主轴加工的主要问题是如何保证主轴支承轴颈的尺寸、形状、位置精度和表面粗糙度，主轴前端内、外锥面的形状精度、表面粗糙度以及它们对支承轴颈的位置精度。
主轴支承轴颈的尺寸精度、形状精度以及表面粗糙度要求可以采用精密磨削方法保证。磨削前应提高精基准的精度。
保证主轴前端内、外锥面的形状精度、表面粗糙度同样应采用精密磨削的方法。为了保证外锥面相对支承轴颈的位置精度，以及支承轴颈之间的位置精度，通常采用组合磨削法，在一次装夹中加工这些表面，如图7－53所示。机床上有两个独立的砂轮架，精磨在两个工位上进行，工位Ⅰ精磨前、后轴颈锥面，工位Ⅱ用角度成形砂轮，磨削主轴前端支承面和短锥面。
主轴锥孔相对于支承轴颈的位置精度是靠采用支承轴颈作为定位基准，而让被加工主轴装夹在磨床工作台上加工来保证。
主轴外圆表面的加工应该以顶尖孔作为统一的定位基准。但在主轴的加工过程中，随着通孔的加工，作为定位基准面的中心孔消失，工艺上常采用带有中心孔的锥堵塞到主轴两端孔中，如图7－54所示，让锥堵的顶尖孔起附加定位基准的作用。
图7-53 组合磨削
图7-54 锥堵与锥套心轴
1．CA6140车床主轴加工定位基准的选择
主轴加工中，为了保证各主要表面的相互位置精度，选择定位基准时，应遵循基准重合、基准统一和互为基准等重要原则，并能在一次装夹中尽可能加工出较多的表面。
由于主轴外圆表面的设计基准是主轴轴心线，根据基准重合的原则考虑应选择主轴两端的顶尖孔作为精基准面。用顶尖孔定位，还能在一次装夹中将许多外圆表面及其端面加工出来，有利于保证加工面间的位置精度，所以主轴在粗车之前应先加工顶尖孔。
为了保证支承轴颈与主轴内锥面的同轴度要求，宜按互为基准的原则选择基准面。如车小端1∶20锥孔和大端莫氏6号内锥孔时，以与前支承轴颈相邻而它们又是用同一基准加工出来的外圆柱面为定位基准面（因支承轴颈系外锥面不便装夹）；在精车各外圆（包括两个支承轴颈）时，以前、后锥孔内所配锥堵的顶尖孔为定位基面；在粗磨莫氏6号内锥孔时，又以两圆柱面为定位基准面；粗、精磨两个支承轴颈的1∶12锥面时，再次用锥堵顶尖孔定位；最后精磨莫氏6号锥孔时，直接以精磨后的前支承轴颈和另一圆柱面定位。定位基准每转换一次，都使主轴的加工精度提高一步。
2．CA6140车床主轴主要加工表面加工工序安排
CA6140车床主轴主要加工表面是φ75h5、φ80h5、φ90g5、φ105h5轴颈、两支承轴颈及大头锥孔。它们加工的尺寸精度在IT5～IT6之间，表面粗糙度Ra为0．4μm～0．8μm。
主轴加工工艺过程可划分为三个加工阶段，即粗加工阶段（包括铣端面、加工顶尖孔、粗车外圆等）；半精加工阶段（半精车外圆，钻通孔，车锥面、锥孔，钻大头端面各孔，精车外圆等）；精加工阶段（包括精铣键槽，粗、精磨外圆、锥面、锥孔等）。
在机械加工工序中间尚需插入必要的热处理工序，这就决定了主轴加工各主要表面总是循着以下顺序进行，即粗车→调质（预备热处理）→半精车→精车→淬火→回火（最终热处理）→粗磨→精磨。
综上所述，主轴主要表面的加工顺序安排如下：
外圆表面粗加工（以顶尖孔定位）→外圆表面半精加工（以顶尖孔定位）→钻通孔（以半精加工过的外圆表面定位）→锥孔粗加工（以半精加工过的外圆表面定位，加工后配锥堵）→外圆表面精加工（以锥堵顶尖孔定位）→锥孔精加工（以精加工外圆面定位）。
当主要表面加工顺序确定后，就要合理地插入非主要表面加工工序。对主轴来说，非主要表面指的是螺孔、键槽、螺纹等。这些表面加工一般不易出现废品，所以尽量安排在后面工序进行，主要表面加工一旦出了废品，非主要表面就不需加工了，这样可以避免浪费工时。但这些表面也不能放在主要表面精加工后，以防在加工非主要表面过程中损伤已精加工过的主要表面。
对凡是需要在淬硬表面上加工的螺孔、键槽等，都应安排在淬火前加工。非淬硬表面上螺孔、键槽等一般在外圆精车之后，精磨之前进行加工。因主轴螺纹与主轴支承轴颈之间有一定的同轴度要求，所以螺纹安排在以非淬火—回火为最终热处理工序之后的精加工阶段进行，这样半精加工后残余应力所引起的变形和热处理后的变形，就不会影响螺纹的加工精度。
3．CA6140车床主轴加工工艺过程
表7－6列出了CA6140车床主轴的加工工艺过程。
表7-6 大批生产CA6140车床主轴工艺过程
续表
五 能力训练
确定活塞（图7－55）的加工工艺
1．材料与毛坯
盘套类零件一般选用钢、青铜或黄铜等材料。有些滑动轴承采用双金属结构，即用离心铸造法在钢或铸铁套的内壁上浇注巴氏合金等轴承材料。套筒零件毛坯的选择与材料、结构尺寸、批量等因素有关。直径较小（如孔径小于20mm）的套筒一般选择热轧或冷拉棒料或实心铸件。直径较大的套筒，常选用无缝钢管或带孔的铸、锻件。大批量生产时可采用冷挤压和粉末冶金等先进的毛坯制造工艺。
2．加工工艺分析
套筒零件的加工主要考虑如何保证内圆表面与外圆表面的同轴度、端面与其轴线的垂直度、相应的尺寸精度、形状精度，同时兼顾其壁薄、易变形的工艺特点，所以套类零件的加工工艺过程常用的有两种：一是当内圆表面是最重要表面时，采用备料→热处理→粗车内圆表面及端面→粗、精加工外圆表面→热处理→划线（键槽及油孔线）→精加工内圆表面；二是当外圆表面是最重要表面时，采用备料→热处理→粗加工外圆表面及端面→粗、精加工内圆表面→热处理→划线（键槽及油孔线）→精加工外圆表面。
图7-55 活塞
（1）工艺过程 活塞的加工工艺过程见表7－7。
表7-7 活塞加工工艺过程
续表
（2）工艺分析
时效处理是为了消除铸件的内应力，第二次时效处理是为了消除粗加工和铸件残余应力，以保证加工质量。
活塞环槽的加工，分粗加工和精加工，这样可以减少切削力对环槽尺寸的影响，以保证加工质量。
在批量生产时，活塞环槽的加工装夹方法可采用心轴，以便提高效率，保证质量。
活塞环槽
尺寸检验可采用片塞规进行检查。活塞环槽侧面与
轴心线的垂直度检验，可采用心轴装夹零件，再将心轴装夹在两顶尖之间（或偏摆仪上），这时转动心轴，用杠杆百分表测每一环槽的两个侧面，所测最大读数与最小读数的差值，即为垂直度误差。左、右两端φ90mm内端面与
轴心线的垂直度检验方法与活塞环槽侧面垂直度检验方法基本相同。
活塞外圆
与
轴心线的同轴度检验，可采用心轴装夹零件，再将心轴装夹在两顶尖之间（或偏摆仪上），这时转动心轴，用百分表测出活塞外圆跳动的最大与最小读数差值，即为同轴度误差。
精密加工和特种加工
一、精密和光整加工
精密加工是指在精加工之后从零件上切除很薄的材料层，以提高零件精度和减小表面粗糙度为目的的加工方法。光整加工是指不切除或从零件上切除极薄材料层，以减小零件表面粗糙度为目的的加工方法。
1．研磨
研磨是用研磨工具和研磨剂，从零件上研去一层极薄表面层的精加工方法。研磨外圆尺寸精度可达公差等级IT6～IT5以上，表面粗糙度可达Ra0．1μm～0．08μm。研磨的设备结构简单，制造方便，故研磨应用在高精度和精密配合的零件加工中。
研磨方法分手工研磨和机械研磨两种。手工研磨是人手持研磨具或零件进行研磨的方法，如图7－56所示。手工研磨生产率低，只适用于单件小批量生产。机械研磨是在研磨机上进行，生产率高，适合大批大量生产。
图7-56 手工研磨外圆
研磨具有加工简单、不需要复杂设备，研磨质量高（加工后表面的尺寸误差和形状误差可以小到0．1μm～0．3μm，表面粗糙度Ra值可达0．025μm以下），生产率较低（上道工序为研磨留的余量一般不超过0．01mm～0．03mm的微量切削）等特点。
研磨应用很广，可研磨加工钢件、铸铁件、铜、铝等有色金属件和高硬度的淬火钢件、硬质合金及半导体元件、陶瓷元件等。常见的表面如平面、圆柱面、圆锥面、螺纹表面、齿轮齿面等，都可以用研磨进行精整加工。精密配合偶件如柱塞泵的柱塞与泵体、阀芯与阀套等，往往要经过多个配合件的配研才能达到要求。
2．珩磨
珩磨是利用带有磨条（由几条粒度很细的磨条组成）的珩磨头对孔进行精整加工的方法。如图7－57所示为珩磨加工示意图，珩磨精度可达IT7～IT5以上，表面粗糙度Ra值为0．1μm～0．008μm。
在大批量生产中，珩磨在专门的珩磨机上进行。在单件小批生产中，常将立式钻床或卧式车床进行适当改装，来完成珩磨加工。
珩磨具有生产率较高（珩磨余量比研磨大，一般珩磨铸铁时为0．02mm～0．15mm，珩磨钢件时为0．005mm～0．08mm）、精度高、珩磨表面耐磨损、珩磨头结构较复杂等特点。
图7-57 珩磨孔
珩磨主要用于孔的精整加工，加工范围很广，能加工直径为5mm～500mm或更大的孔，并且能加工深孔。珩磨还可以加工外圆、平面、球面和齿面等。对于某些零件的孔，珩磨已成为典型的精整加工方法，例如飞机、汽车等的发动机的汽缸、缸套、连杆以及液压缸、枪筒、炮筒等。
3．超级光磨
超级光磨是用细磨粒的磨具（油石）对零件施加很小的压力进行光整加工的方法。如图7－58所示为超级光磨加工外圆的示意图，加工时，零件旋转（一般零件圆周线速度为6m/min～30m/min），磨具以恒力轻压于零件表面，作轴向进给的同时作轴向微小振动（一般振幅为1mm～6mm，频率为5Hz～50Hz），从而对零件微观不平的表面进行光磨。
超级光磨具有设备简单、操作方便，加工余量极小（只留有3μm～10μm的加工余量），生产率较高（加工过程所需时间一般约为30s～60s），表面质量好（表面粗糙度Ra小于0．012μm）等特点。
超级光磨的应用也很广泛，如汽车和内燃机零件、轴承、精密量具等小粗糙度表面常用超级光磨作光整加工。它不仅能加工轴类零件的外圆柱面，而且还能加工圆锥面、孔、平面和球面等。
图7-58 超级光磨加工外圆
4．抛光
抛光是在高速旋转的抛光轮上涂以抛光膏，对零件表面进行光整加工的方法。抛光轮一般是用毛毡、橡胶、皮革、棉制品或压制纸板等材料叠制而成，是具有一定弹性的软轮。抛光膏由磨料（氧化铬、氧化铁等）和油酸、软脂等配制而成。
抛光时，将零件压于高速旋转的抛光轮上，在抛光膏介质的作用下，金属表面产生的一层极薄的软膜，可以用比零件材料软的磨料切除，而不会在零件表面留下划痕，可获得很光亮的表面（呈镜面状）。
抛光方法简单，成本低，但不能提高加工精度，劳动条件较差。由于弹性的抛光轮压于零件曲面时，能随零件曲面而变化，也即与曲面相吻合，容易实现曲面抛光，适宜曲面的加工。
5．超精密加工
精密加工和超精密加工是指加工精度和表面质量达到极高精度的加工工艺，一般加工精度为1μm，精密加工精度为0．01μm，超精密加工精度为0．001μm。
根据所用的工具不同，超精密加工可以分为超精密切削、超精密磨削和超精密研磨等。
二、特种加工
特种加工是指利用化学的、物理的（电、声、光、热、磁）、电化学的方法对材料进行的加工。它能解决大量普通机械加工方法难以解决甚至不能解决的问题，因而自其产生以来，得到迅速发展，并显示出极大的潜力和应用前景。
特种加工方法种类较多，如电火花加工（EDM）、电化学加工（ECM）、超声波加工（USM）、激光束加工（LBM）、离子束加工（IBM）、电子束加工（EBM）以及等离子束加工（PAM）等。这里仅简要介绍其中几种。
1．电火花加工
电火花加工就是利用工具电极和工件电极间脉冲放电时局部瞬间产生的高温将金属腐蚀去除，来对工件进行加工的一种方法。
如图7－59所示为电火花加工装置原理图，脉冲发生器的两极分别接在工具电极与工件上，当两极在工作液中靠近时，极间电压击穿间隙而产生火花放电，在放电通道中瞬时产生大量的热，达到很高的温度（10 000℃以上），使工件和工具表面局部材料熔化甚至气化而被蚀除下来，形成一个微小的凹坑。多次放电的结果，就使工件表面形成许多非常小的凹坑。电极不断下降，工具电极的轮廓形状便复印到工件上，这样就完成了零件的加工。
图7-59 电火花加工装置原理
电火花加工的应用范围很广，它可以用来加工各种型孔、小孔，如冲孔凹模、拉丝模孔、喷丝孔等，可以加工立体曲面型腔，如锻模、压铸模、塑料模的模膛，也可用来进行切断、切割以及表面强化、刻写、打印铭牌和标记等。
2．电解加工
电解加工是利用金属在电解液中发生阳极溶解的电化学反应原理，将金属材料加工成形的一种方法。如图7－60所示为电解加工的示意图，零件接直流电源的正极，工具接负极，两极间保持较小的间隙（通常为0．02mm～0．7mm），电解液以一定的压力（0．5MPa～2MPa）和速度（5m/s～50m/s）从间隙间流过。当接通直流电源时（电压约为5V～25V，电流密度为10A/cm2～100A/cm2），零件表面的金属材料就产生阳极溶解，溶解的产物被高速流动的电解液及时冲走。工具电极以一定的速度（0．5mm/min～3mm/min）向零件进给，零件表面的金属材料便不断溶解，于是在零件表面形成与工具型面近似相反的形状，直至加工尺寸及形状符合要求时为止。
图7-60 电解加工装置
电解加工不受材料硬度、强度和韧性的限制，可加工硬质合金等难切削金属材料；它能以简单的进给运动，一次完成形状复杂的型面或型腔的加工（例如汽轮叶片、锻模等），适宜易变形或薄壁零件的加工。此外，在加工各种膛线、花键孔、深孔、内齿轮以及去毛刺、刻印等方面，电解加工也获得广泛应用。
电解加工的主要缺点是：设备投资较大，耗电量大，电解液有腐蚀性，需对设备采取防护措施，对电解产物也需妥善处理，以防止污染环境。
3．超声波加工
图7-61 超声波加工原理
利用工具端面作超声频振动，使工作液中的悬浮磨粒对零件表面撞击抛磨来实现加工，称为超声波加工，原理如图7－61所示。超声发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡，然后通过换能器将此超声频电振荡转变为超声频机械振荡，由于其振幅很小，一般只有0．005mm～0．01mm，需再通过一个上粗下细的振幅扩大棒，使振幅增大到0．1mm～0．15mm。固定在振幅扩大棒端头的工具即受迫振动，并迫使工作液中的悬浮磨粒以很大的速度，不断地撞击、抛磨被加工表面，把加工区域的材料粉碎成很细的微粒后打击下来。
超声波加工适于加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料，例如玻璃、陶瓷、石英、锗、硅、玛瑙、宝石、金刚石等，对于导电的硬质合金、淬火钢等也能加工，但加工效率比较低。超声波加工具有加工精度较高（表面粗糙度Ra值为1．25μm～0．1μm），机床的结构比较简单，操作维修方便，工具可用较软的材料制造等优点。但其生产效率低，工具磨损大。
问题讨论
1．试说明下列加工方法的主运动和进给运动。
图7-62 弯头车刀刀头
（1）车端面 （2）在钻床上钻孔 （3）在铣床上铣平面 （4）在牛头刨床上刨平面 （5）在平面磨床上磨平面
2．切屑是如何形成的？常见的有哪几种形式？
3．刀具的磨损形式有哪几种？在刀具磨损过程中一般分为几个磨损阶段？刀具寿命的含义和作用是什么？
4．弯头车刀刀头的几何形状如图7－62所示，试分别说明车外圆、车端面（由外向中心进给）时的主切削刃、刀尖、前角γo、主后角αo、主偏角Kr和副偏角Kr＇。
5．车削适于加工哪些表面？为什么？
6．磨削为什么能达到较高的精度和较小的表面粗糙度值？
7．何谓周铣和端铣？为什么在大批量生产中常采用端铣而不用周铣？
8．扩孔、铰孔为什么能达到较高的精度和较小的表面粗糙度值？
9．镗床镗孔与车床镗孔有何不同？各适合于什么场合？
10．用周铣法铣平面，从理论上分析，顺铣比逆铣有哪些优点？实际生产中，目前多采用哪种铣削方式？为什么？
11．为什么刨削、铣削只能得到中等精度和较大的表面粗糙度Ra值？
12．讨论单件小批量生产如图7－63所示V形块时的加工步骤。
13．拟定加工工艺规程应考虑哪些问题？
14．某工厂生产的液压泵经常发生漏油现象，且密封圈磨损严重、寿命低，检查发现主要是活塞杆的制造工艺存在问题。如图7－64所示为活塞杆的零件图，材料为40Cr，热处理要求达到24～28HRC，试编制活塞杆制造工艺。
图7-63 V形块
图7-64 活塞杆
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