机械加工工艺规程的制订

6.2.1 概述

一个零件的加工方法很多，本着“优质、高效、低成本”的原则，把最合理的加工方案用文字或表格表达出来，即成为工艺规程。

1.工艺规程的内容和作用

工艺规程是在具体生产条件下说明并规定工艺过程的工艺文件。机械加工工艺规程是规定零件机械加工工艺过程和操作方法的工艺文件。它是机械制造厂最主要的技术文件。一般包括下列内容：工件加工的工艺路线、各工序的具体内容及所用的设备和工艺装备、工件的检验项目及检验方法、切削用量、时间定额等。

工艺规程有以下几方面的作用。

（1）指导生产的主要技术文件，是指挥现场生产的依据。

（2）生产组织和管理工作的基本依据。

（3）新建或扩建工厂或车间的基本资料。

2.机械制造工艺文件的格式

将工艺规程的内容填入一定格式的卡片，即成为生产准备和加工依据的工艺文件。机械加工工艺文件的格式没有统一的标准，各厂格式不尽相同。常用的工艺文件格式有下列几种。

（1）机械加工工艺过程卡片 这种卡片以工序为单位，简要地列出了整个零件加工所经过的工艺路线（包括毛坯制造、机械加工和热处理等）。它是制订其他工艺文件的基础，也是生产技术准备、编排作业计划和组织生产的依据。

在这种卡片中，由于各工序的说明不够具体，故一般不能直接指导工人操作，而大多作为生产管理方面使用。但是，在单件、小批生产中，由于通常不编制其他较详细的工艺文件，故也可以这种卡片指导生产。机械加工工艺过程卡片的格式如表6－5所示。

表6－5 机械加工工艺过程卡片

（2）机械加工工艺卡片 机械加工工艺卡片是以工序为单位，详细说明整个工艺过程的工艺文件。它是用来指导工人生产和帮助车间管理人员和技术人员掌握整个零件加工过程的一种主要技术文件，广泛用于成批生产的零件和小批生产中的重要零件。工艺卡片内容包括：零件的材料、重量、毛坯的种类、工序号、工序名称、工序内容、工艺参数、操作要求以及采用的设备和工艺装备等。工艺卡片的格式如表6－6所示。

（3）机械加工工序卡片 机械加工工序卡片是根据工艺卡片为每一道工序制订的。它更详细地说明了整个零件各个工序的加工要求，是用来具体指导工人操作的工艺文件。在这种卡片上，要画出工序图，注明该工序每一工步的内容、工艺参数、操作要求以及所用的设备和工艺装备。它主要用于大量生产的零件。机械加工工序卡片的格式如表6－7所示。

表6－6 机械加工工艺卡片

表6－7 机械加工工序卡片

3.制订工艺规程的步骤

（1）计算年生产纲领，确定生产类型。

（2）分析零件图及产品装配图，对零件进行工艺分析。

（3）选择毛坯。

（4）拟订工艺路线。其主要工作是：选择定位基准，确定各表面的加工方法，安排加工顺序，确定工序分散与集中的程度，安排热处理以及检验等辅助工序。

（5）确定各个工序的加工余量，计算工序尺寸及公差。

（6）确定各个工序所用的设备及刀具、夹具、量具和辅助工具。

（7）确定切削用量及时间定额。

（8）确定各主要工序的技术要求及检验方法。

（9）填写工艺文件。

6.2.2 零件结构的工艺性分析与毛坯选择

1.零件结构的工艺性分析

结构工艺性是指在不同生产类型和具体生产条件下，毛坯的制造、零件加工、产品的装配和维修的可行性与经济性。

通过分析产品的装配图和零件图，可熟悉产品的用途、性能、工况，明确被加工零件在产品中的作用，进而审查设计图样是否完整和正确。

了解被加工零件的功用，可加深对各项技术要求的理解。这样，在制订工艺规程时，就能抓住为保证零件使用要求应解决的主要矛盾，为合理地制订工艺规程奠定基础。

在保证使用要求的前提下，结构工艺性的好坏直接影响到生产率、劳动量、材料消耗、生产成本。这就要求在进行产品和零件设计时，一定要保证合理的结构工艺性。

（1）对产品来讲，主要从以下几个方面来衡量其结构工艺性。

①组成产品的零件总数。

②组成产品的零件的平均精度。

③材料种类及需求量。

④各种不同制造方法在加工中所占的比例。

⑤产品装配的复杂程度。

（2）对零件来讲，主要从以下几个方面来优化其结构工艺性。

①加工工具进出方便。

②减少内表面加工。

③减轻重量，减少加工面积。

④形状简单、进给调刀次数少。

⑤尺寸标准化、规格化。

⑥按基准重合原则选择设计基准。

⑦按尺寸链最短原则标注零件尺寸。

表6－8列出了常见零件的机械加工结构工艺性对比实例。

表6－8 零件的机械加工结构工艺性对照表

续表

续表

2.零件毛坯选择

1）毛坯种类的选择

常用毛坯种类有铸件、锻件、型材、焊接件、冲压件等。通常情况下，当零件材料确定下来后，毛坯的种类就基本确定。一般来讲，毛坯的制造方法越先进，毛坯精度越高，材料的损耗量越少，则机械加工成本就越低，但是毛坯的制造成本却因采用了先进的设备而提高。

2）毛坯形状与尺寸的确定

毛坯形状与尺寸的确定主要依据零件的形状、各加工表面的总余量和毛坯的类型等。从机械加工工艺角度考虑还应注意下列问题。

（1）为了工件加工时装夹方便，考虑毛坯是否需要做出工艺凸台（工艺搭子），如图6－7所示。

（2）考虑某些零件结构的特殊性，可以将若干个零件做成一个整体毛坯。如图6－8所示，车床开合螺母外壳为一整体毛坯，加工到一定阶段后再切割分离。

（3）为了提高机械加工生产率，可将多个零件做成一个毛坯。如短小的轴套、垫圈和螺母等零件，在选择棒料、钢管等毛坯时就可采用这种方法，加工到一定阶段再切割分离成单个零件，也有利于保证加工质量。

（4）还应注意铸件的分型面、起模斜度、铸造圆角、锻件敷料、分模面、模锻斜度及圆角半径等。

图6－7 具有工艺搭子的下刀架毛坯

A—工艺搭子；B—加工表面；C—定位面

图6－8 车床开合螺母外壳简图

3）选择毛坯时考虑的因素

（1）零件材料的工艺特性（如铸造性能、锻造性能等）及其力学性能。具有良好铸造性能的材料，如铸铁、青铜应采用铸件毛坯；对力学性能要求较高的钢件，其毛坯最好采用锻件而不用型材。

（2）生产类型。不同的生产类型决定了不同的毛坯制造方法。大量生产应选精度和生产率都比较高的毛坯制造方法，用于毛坯制造增加的费用可用材料消耗的减少和机械加工费用的降低来补偿，如大量生产时，铸件应采用金属模造型，锻件应采用模锻，而单件、小批生产一般采用木模手工造型或自由锻。

（3）零件的结构形状和尺寸。一般用途的钢制阶梯轴，若各台阶直径相差不大时可用棒料；若各台阶直径相差很大时宜用锻件，这样可节省材料。尺寸大的零件，因受设备限制一般用自由锻；中小型零件可用模锻。形状复杂的毛坯，一般采用铸造方法。

（4）具体生产条件。要考虑现场毛坯制造的实际水平和能力、毛坯车间近期的发展情况以及组织专业化工厂生产毛坯的可能性。此外，还应充分考虑利用新工艺、新技术和新材料的可能性，如精铸、精锻、冷挤压、冷轧、粉末冶金和工程塑料等。

4）毛坯的图示

毛坯的类型、制造方法及各加工表面的总余量确定后，即可绘制毛坯－零件综合图。先画出经简化了次要细节的零件图的主视图，将已确定的总余量画在相应的加工面上，可得毛坯轮廓图。然后在图上标出毛坯的主要尺寸及公差，标明毛坯的技术要求，如毛坯精度、圆角尺寸、起模斜度、表面质量要求（气孔、夹砂、缩孔）等，如图6－9所示。

图6－9 CA6140车床拨叉的毛坯－零件综合图

6.2.3 加工工艺路线的拟订

零件机械加工的工艺路线是指零件生产过程中由毛坯到成品所经过工序的先后顺序。在拟订工艺路线时，除了首先考虑定位基准的选择外，还应考虑各表面加工方法的选择、加工阶段的划分、工序先后顺序的安排、工序集中与分散的程度等问题。

1.表面加工方法的选择

1）选择表面加工方法时应考虑的因素

表面加工方法的选择，就是为零件上每一个有质量要求的表面选择一套合理的加工方法。在选择时，一般根据表面的粗糙度要求选定最终加工方法，然后再确定精加工前准备工序的加工方法，即确定加工方案。由于获得同一精度和表面粗糙度的加工方法往往有几种，在选择时除了考虑生产率要求和经济效益外，还应考虑下列因素。

（1）工件材料的性质。例如，淬硬钢零件的精加工要用磨削的方法；有色金属零件的精加工应采用精细车或精细镗等加工方法，而不应采用磨削。

（2）工件的结构和尺寸。例如，对于IT7级精度的孔采用拉削、铰削、镗削和磨削等加工方法都可。但是箱体上的孔一般不用拉或磨，而采用铰孔和镗孔，直径大于60mm的孔不宜采用钻、扩、铰。

（3）生产类型。选择加工方法要与生产类型相适应。大批、大量生产应选用生产率和质量稳定的加工方法。例如，大批大量生产中平面和孔采用拉削加工。单件、小批生产则采用刨削、铣削平面和钻、扩、铰孔。又如为保证质量可靠和稳定，保证较高的成品率，在大批大量生产中采用珩磨和超精加工工艺加工较精密零件。

（4）具体生产条件。应充分利用现有设备和工艺手段，不断引进新技术，对老设备进行技术改造，挖掘企业潜力，提高工艺水平。

2）典型表面的加工路线

（1）外圆表面的加工路线。外圆表面的加工方法主要是车削和磨削。这里用图示的方法列出不同要求的表面加工方法（见图6－10），供参考。

图6－10 外圆表面的典型加工路线

①粗车—半精车—精车

这是一般常用材料（除淬火钢）外圆表面加工最主要的加工路线。

②粗车—半精车—粗磨—精磨

这条路线适用于黑色金属材料，特别是有淬火要求的外圆表面。

③粗车—半精车—精车—金刚石车

这条路线适用于精度要求较高的有色金属材料及其他不宜采用磨削加工的外圆表面。

④粗车—半精车—粗磨—精磨—光整加工

对于精度要求特别高和表面粗糙度值要求较低的黑色金属材料，最终工序可采用光整加工，如研磨、超精加工、超精磨、抛光、滚压等。其中，抛光、滚压等以减小表面粗糙度为主要目的。

（2）孔的加工路线。孔的加工方法主要有钻、扩、铰、镗、拉、磨以及光整加工等。不同要求的孔加工路线参见图6－11。

图6－11 孔的典型加工路线

①钻—扩—铰

这条路线多用于加工除淬火钢以外的金属，多加工孔径在40mm以下的中小孔，加工精度可达IT8～IT7级。当直径小于20mm时，可以采用钻—铰方案。

②粗镗—半精镗—精镗

这条加工路线适用于直径较大的孔或位置精度要求较高的孔系加工，单件、小批生产中的非标准中小尺寸孔也可采用这条路线。当孔的精度要求更高时，还要增加浮动镗或金刚镗等精密加工方法。

③粗镗—半精镗—粗磨—精磨

这条路线主要用于淬硬零件的孔加工。当孔的精度要求更高时，可增加研磨或珩磨等光整加工。

④钻—扩—拉

这条路线多用于大批、大量生产的盘套类零件的内孔加工。加工要求高时可分为粗拉和精拉。

（3）平面的加工路线。平面的加工方法主要有铣削、刨削、车削、磨削和拉削等。不同要求平面的加工路线选择参见图6－12。

图6－12 平面的典型加工路线

①粗铣（或粗刨）—精铣（或精刨）—宽刃精刨、刮研或研磨

在平面加工中铣削比刨削的生产率高。刮研多用于单件、小批生产中不淬硬的配合表面的加工。宽刃精刨适于加工高精度的狭长表面，是成批生产中常用的精加工方法。

②粗铣（或粗刨）—精铣（或精刨）—粗磨—精磨

这条路线主要用于淬硬零件或精度要求较高的平面。精度要求更高的平面可在精磨后安排研磨或精密磨等加工。

③粗铣（或粗刨）—拉削

拉削适用于大量生产中加工质量要求较高且面积较小的平面。对于带有沟槽或台阶的表面，用拉削更为方便。

（4）平面轮廓和曲面轮廓加工方法的选择。平面轮廓常用的加工方法有数控铣、线切割和磨削等。数控铣削加工适用于除淬火钢以外的各种金属；数控线切割加工可用于各种金属；数控磨削加工适用于除有色金属以外的各种金属。

立体曲面轮廓的加工方法主要是数控铣。

2.加工阶段的划分

对于那些加工质量要求较高或较复杂的零件，通常将整个工艺路线划分为粗加工、半精加工、精加工、光整加工等。其中粗加工的主要任务是切除各表面上的大部分余量，其关键问题是提高生产率；半精加工的主要任务是完成次要表面的加工，并为主要表面的精加工做准备；精加工的主要任务是保证各主要表面达到图样要求，其主要问题是如何保证加工质量；光整加工主要任务是提高表面质量。对于表面粗糙度值要求很小和尺寸精度要求很高的表面需要进行光整加工，这个阶段一般不能用于提高形状精度和位置精度，常用的加工方法有研磨、珩磨、超精加工、镜面磨、抛光及无屑加工等。

划分加工阶段的主要目的有如下几点。

（1）保证加工质量。工件在粗加工时，由于夹紧力和切削力等的作用，使工艺系统产生误差，可通过半精加工和精加工予以消除。

（2）合理使用设备。粗加工以采用功率大、刚性好的机床设备为主，此时机床精度可作为次要因素考虑；精加工时，则应在精度高的机床上进行，这样有利于长期保持机床的精度。

（3）便于安排热处理工序。划分加工阶段有利于在各阶段间合理安排热处理工序。粗加工后，一般要安排去应力的热处理；对于精度要求高的机床主轴等工件，精加工前一般要安排淬火等最终热处理工序。

（4）便于及时发现毛坯缺陷。对于毛坯的缺陷，如气孔、夹砂和余量不足等，经粗加工后能及时发现，以便及时修补或报废，以免继续加工造成浪费。

需要提出的是，加工阶段的划分不能绝对化，应根据零件的质量要求、结构特点和生产类型等灵活运用。当工件批量小、加工质量要求不高且刚性好时，可以不分或少分几个阶段；对于刚性好的重型工件，考虑运输及装夹困难，一般在一次装夹下完成粗、精加工。但为了减少因不划分加工阶段而使粗加工中产生的各种变形对加工质量的影响，常常在粗加工后松开夹紧机构，让工件变形充分恢复，然后再用较小的夹紧力重新夹紧，进行精加工。

3.加工顺序的安排

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）先主后次 先安排零件的装配基面和工作表面等主要表面的加工，后安排键槽、紧固用的小孔和螺纹孔等次要表面的加工。由于次要表面加工余量小，又常与主要表面有位置精度要求，所以一般放在主要表面的半精加工之后，精加工之前进行。

（3）先面后孔 对于箱体、支架、连杆、底座等零件，先加工用作定位的平面和孔的端面，然后再加工孔。这样可使工件定位夹紧稳定可靠，有利于保证孔与平面的位置精度，减小刀具的磨损，同时也给孔加工带来方便。

（4）基面先行 用作精基准的表面要首先加工出来。所以，第一道工序一般是进行定位面的粗加工和半精加工（有时包括精加工），然后再以精基准定位加工其他表面。例如，轴类零件顶尖孔的加工。

2）热处理工序的安排

热处理可以提高材料的力学性能，改善金属的切削性能以及消除残余应力。在制订工艺路线时，应根据零件的技术要求和材料的性质，合理地安排热处理工序。

（1）退火与正火 退火或正火的目的是为了消除组织的不均匀，细化晶粒，改善金属的加工性能。对高碳钢零件用退火降低其硬度，对低碳钢零件用正火提高其硬度，以获得较好的可切削性，同时能消除毛坯制造中的应力。退火与正火一般安排在机械加工之前进行。

（2）时效处理 时效处理以消除内应力，减少工件的变形为目的。对于高精度的复杂铸件，应安排两次时效，即铸造→粗加工→时效→半精加工→时效→精加工。对于一些刚性较差、精度要求特别高的重要零件（如精密丝杠、主轴等），常常在每个加工阶段之间都安排一次时效处理。

（3）调质 对零件淬火后再高温回火，称为调质，调质能消除内应力、改善加工性能并能获得较好的综合力学性能，一般安排在粗加工之后进行。对一些性能要求不高的零件，调质也常作为最终热处理。

（4）淬火、渗碳淬火和渗氮 它们的主要目的是提高零件的硬度和耐磨性，常安排在精加工（磨削）之前进行，其中渗氮由于热处理温度较低，零件变形很小，也可以安排在精加工之后。

3）辅助工序安排

检验工序是主要的辅助工序，除每道工序由操作者自行检验外，在粗加工之后，精加工之前，零件转换车间时，以及重要工序之后和全部加工完毕、进库之前，一般都要安排检验工序。

除检验外，其他辅助工序有：表面强化和去毛刺、倒棱、清洗、防锈等。正确地安排辅助工序是十分重要的。如果安排不当或遗漏，将会给后续工序和装配带来困难，甚至影响产品的质量。

4.工序的集中与分散

零件加工的工步顺序排定后，如何将这些工步组成工序，需要考虑采用工序集中还是分散的原则。

1）工序集中

工序集中就是将零件的加工集中在少数几道工序中完成，每道工序加工内容多，工艺路线短。其主要特点是：

（1）可以采用高效机床和工艺装备，生产率高；

（2）减少了设备数量以及操作工人人数和占地面积，节省人力、物力；

（3）减少了工件安装次数，有利于保证表面间的位置精度；

（4）采用的工装设备结构复杂，调整维修较困难，生产准备工作量大。

2）工序分散

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，工艺路线很长。其主要特点是：

（1）设备和工艺装备比较简单，便于调整，容易适应产品的变换；

（2）对工人的技术要求较低；

（3）可以采用最合理的切削用量，减少机动时间；

（4）所需设备和工艺装备的数目多，操作工人多，占地面积大。

在拟订工艺路线时，工序集中或分散的程度，主要取决于生产规模、零件的结构特点和技术要求，有时，还要考虑各工序生产节拍（指在一定时间长度内，总有效生产时间与客户需求数量的比值）的一致性。一般情况下，单件、小批生产时，只能工序集中，在一台普通机床上加工出尽量多的表面；大批、大量生产时，既可以采用多刀、多轴等高效自动机床，将工序集中，也可以将工序分散后组织流水生产。批量生产应尽可能采用效率较高的半自动机床，使工序适当集中，从而有效地提高生产率。

对于重型零件，为了减少工件装卸和运输的劳动量，工序应适当集中；对于刚性差且精度高的精密工件，则工序应适当分散。

据统计，在我国的机械产品中，属于成批生产性质的企业已超过了企业总数的90％，单件中小批生产方式占绝对优势。随着数控技术的普及，在多品种成批的生产中，使用加工中心机床的情况越来越多，从发展趋势来看，倾向于采用工序集中的方法来组织生产。