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机械加工工艺规程设计

作者:worms  信息来源:51base.com  2006-2-12

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一:机械加工工艺规程设计的内容及步骤 1。确定各工序所用机床设备和工艺装备(含刀具、夹具、量具、辅具等),对需要改装或重新设计的专用工艺装备要提出设计任务书。确定各工序的加工余量,计算工序尺寸及公差。确定各工序的技术要求及检验方法。...
一:机械加工工艺规程设计的内容及步骤 

1.分析零件图和产品装配图; 
2.对零件图和装配图进行工艺审查; 
3.由今生产纲领研究零件生产类型; 
4.确定毛坯; 
5.拟定工艺路线; 
6.确定各工序所用机床设备和工艺装备(含刀具、夹具、量具、辅具等),对需要改装或重新设计的专用工艺装备要提出设计任务书。 
7.确定各工序的加工余量,计算工序尺寸及公差; 
8.确定各工序的技术要求及检验方法; 
9.确定各工序的切削用量和工时定额; 
10.编制工艺文件。 

二:工艺路线的拟订 

拟订工艺路线是设计工艺规程最为关键的一步,需顺序完成以下几个方面的工作。 
内容 
原则 
原则说明 
具体实例 
选择定位基准精基准的选择原则 
基准重合原则 
应尽可能选择被加工表面的设计基准为精基准,这样可以避免由于基准不重合引起的定位误差。 ———— 

统一基准原则 
应尽可能选择用同一组精基准加工工件上尽可能多的加工表面,以保证各加工表面之间的相对位置关系。 例如,加工轴类零件时,一般都采用两个顶尖孔作为统一精基准来加工轴类零件上的所有外圆表面和端面,这样可以保证各外圆表面间的同轴度和端面对轴心线的垂直度。 

互为基准原则 
当工件上两个加工表面之间的位置精度要求比较高时,可以采用两个加工表面互为基准反复加工的方法。 例如,车床主轴前后支承轴颈与主轴锥孔间有严格的同轴度要求,常先以主轴锥孔为基准磨主轴前、后支承轴颈表面,然后再以前、后支承轴颈表面为基准磨主轴锥孔,最后达到图纸上规定的同轴度要求。 
自为基准原则 
一些表面的精加工工序,要求加工余量小而均匀,常以加工表面自身为基准 图示为在导轨磨床上磨床身导轨表面,被加工床身1通过楔铁2支承在工作台上,纵向移动工作台时,轻压在被加工导轨面上的百分表指针便给出了被加工导轨面相对于机床导轨的不平行度读数,根据此读数操作工人调整工件1底部的4个楔铁,直至工作台带动工件纵向移动时百分表指针基本不动为止,然后将工件1夹紧在工作台上进行磨削。 
在导轨磨床上磨床身导轨面 

粗基准的选择原则 
保证零件加工表面相对于不加工表面具有一定位置精度的原则 
被加工零件上如有不加工表面应选不加工面作粗基准,这样可以保证不加工表面相对于加工表面具有较为精确的相对位置 图示套筒法兰零件,表面为不加工表面,为保证镗孔后零件的壁厚均匀,应选表面作粗基准镗孔、车外圆、车端面。当零件上有几个不加工表面时,应选择与加工面相对位置精度要求较高的不加工表面作粗基准。 
套筒法兰加工实例 

合理分配加工余量的原则 
从保证重要表面加工余量均匀考虑,应选择重要表面作粗基准。 在床身零件中,导轨面是最重要的表面,它不仅精度要求高,而且要求导轨面具有均匀的金相组织和较高的耐磨性。由于在铸造床身时,导轨面是倒扣在砂箱的最底部浇铸成型的,导轨面材料质地致密,砂眼、气孔相对较少,因此要求加工床身时,导轨面的实际切除量要尽可能地小而均匀,故应选导轨面作粗基准加工床身底面,然后再以加工过的床身底面作精基准加工导轨面,此时从导轨面上去除的加工余量可较小而均匀。 




床身加工粗基准选择 

便于装夹的原则 
为使工件定位稳定,夹紧可靠,要求所选用的粗基准尽可能平整、光洁,不允许有锻造飞边、铸造浇冒口切痕或其它缺陷,并有足够的支承面积。 ———— 

粗基准一般不得重复使用的原则 
在同一尺寸方向上粗基准通常只允许使用一次,这是因为粗基准一般都很粗糙,重复使用同一粗基准所加工的两组表面之间位置误差会相当大,因此,粗基一般不得重复使用。 ———— 

表面加工方法的选择 
在选择加工方法时,首先根据零件主要表面的技术要求和工厂具体条件,先选定它的最终工序方法,然后再逐一选定该表面各有关前导工序的加工方法。 同一种表面可以选用各种不同的加工方法加工,但每种加工方法所能获得的加工质量、加工时间和所花费的费用却是各不相同的,工程技术人员的任务,就是要根据具体加工条件(生产类型、设备状况、工人的技术水平等)选用最适当的加工方法,加工出合乎图纸要求的机器零件。具有一定技术要求的加工表面,一般都不是只通过一次加工就能达到图纸要求的,对于精密零件的主要表面,往往要通过多次加工才能逐步达到加工质量要求。 例如,加工一个精度等级为IT6、表面粗糙度Ra为0.2μm的钢质外圆表面,其最终工序选用精磨,则其前导工序可分别选为粗车、半精车和粗磨。主要表面的加工方案和加工工序选定之后,再选定次要表面的加工方案和加工工序。 
加工阶段的划分 
粗加工阶段 将零件的加工过程划分为加工阶段的主要目的是: 
(1)保证零件加工质量; 
(2)有利于及早发现毛坯缺陷并得到及时处理; 
(3)有利于合理利用机床设备。 
此外,将工件加工划分为几个阶段,还有利于保护精加工过的表面少受磕碰损坏。 ———— 

半精加工阶段 
精加工阶段 
光整加工阶段 
工序的集中与分散工序集中原则 按工序集中原则组织工艺过程,就是使每个工序所包括的加工内容尽量多些,将许多工序组成一个集中工序,最大限度的工序集中,就是在一个工序内完成工件所有表面的加工。 传统的流水线、自动线生产基本是按工序分散原则组织工艺过程的,这种组织方式可以实现高生产率生产,但对产品改型的适应性较差,转产比较困难。 
工序分散原则 按工序分散原则组织工艺过程,就是使每个工序所包括的加工内容尽量少些,最大限度的工序分散就是每个工序只包括一个简单工步。 采用数控机床、加工中心按工序集中原则组织工艺过程,生产适应性反而好,转产相对容易,虽然设备的一次性投资较高,但由于有足够的柔性,仍然受到愈来愈多的重视。 
工序顺序的安 排 机械加工工序的安排 先加工定位基准面,再加工其它表面 ———— 

先加工主要表面,后加工次要表面 
先安排粗加工工序,后安排精加工工序 
先加工平面,后加工孔 
热处理工序及表面处理工序的安排 为改善工件材料切削性能安排的热处理工序,例如,退火、正火、调质等,应在切削加工之前进行。 为消除工件内应力安排的热处理工序,例如,人工时效、退火等,最好安排在粗加工阶段之后进行。为了减少运输工作量,对于加工精度要求不高的工件也可安排在粗加工之前进行。对于机床床身、立柱等结构较为复杂的铸件,在粗加工前后都要进行时效处理(人工时效或自然时效),使材料组织稳定,日后不再有较大的变形产生。为提高工件表面耐磨性、耐蚀性安排的热处理工序以及以装饰为目的而安排的热处理工序,例如镀铬、镀锌、发兰等,一般都安排在工艺过程最后阶段进行。 
其它工序的安排 为保证零件制造质量,防止产生废品,需在下列场合安排检验工序:1)粗加工全部结束之后;2)送往外车间加工的前后;3)工时较长和重要工序的前后;4)最终加工之后。除了安排几何尺寸检验工序之外,有的零件还要安排探伤、密封、称重、平衡等检验工序。 零件表层或内腔的毛刺对机器装配质量影响甚大,切削加工之后,应安排去毛刺工序。零件在进入装配之前,一般都应安排清洗工序。工件内孔、箱体内腔易存留切屑,研磨、珩磨等光整加工工序之后,微小磨粒易附着在工件表面上,要注意清洗。在用磁力夹紧工件的工序之后,要安排去磁工序,不让带有剩磁的工件进入装配线。 

机床设备与工艺装备的选择 
所选机床设备的尺寸规格应与工件的形体尺寸相适应,精度等级应与本工序加工要求相适应,电机功率应与本工序加工所需功率相适应,机床设备的自动化程度和生产效率应与工件生产类型相适应。工艺装备的选择将直接影响工件的加工精度、生产效率和制造成本,应根据不同情况适当选择。在中小批生产条件下,应首先考虑选用通用工艺装备(包括夹具、刀具、量具和辅具);在大批大量生产中,可根据加工要求设计制造专用工艺装备。机床设备和工艺装备的选择不仅要考虑设备投资的当前效益,还要考虑产品改型及转产的可能性,应使其具有足够的柔性。 


三:加工余量 

(一)概述 

用材料去除法制造机器零件时,一般都要从毛坯切除一层层材料之后最后才能得到符合图纸规定要求的零件。坯上留作加工用的材料层,称为加工余量。加工余量又有总余量和工序余量之分。某一表面毛坯尺寸与零件设计尺寸之差称为总余量,以Zo表示。该表面加工相邻两工序尺寸之差称为工序余量Zi。总余量Z0与工序余量Zi的关系可用下式表示: 
式中:n—某一表面所经历的工序数。 


单边余量与双边余量 
被包容面加工工序余量及公差 



工序余量有单边余量和双边余量之分。对于非对称表面,其加工余量用单边余量Zb表示: 
Zb=la-lb 式中:Zb—本工序的工序余量; lb—本工序的基本尺寸; la—上工序的基本尺寸。 
对于外圆与内圆这样的对称表面,其加工余量用双边余量2Zb表示, 
对于外圆表面有:2Zb=da-db;对于内圆表面有:2Zb=Db-Da 
由于工序尺寸有偏差,故各工序实际切除的余量值式变化的,因此工序余量有公称余量(简称余量)、最大余量Zmax、最小余量Zmin之分,对于上图所示被包容面加工情况,本工序加工的公称余量:Zb=la-lb 
公称余量的变动范围:TZ=Zmax—Zmin=Tb+Ta 式中:Tb—本工序工序尺寸公差; Ta—上工序工序尺寸公差。 
工序尺寸公差一般按“入体原则”标注。对被包容尺寸(轴径),上偏差为0,其最大尺寸就是基本尺寸;对包容尺寸(孔径、键槽)、下偏差为0,其最小尺寸就是基本尺寸。 
(二)影响加工余量的因素 

(1)上工序留下的表面粗糙度值Ry(表面轮廓最大高度)和表面缺陷层深度 
(2)上工序的尺寸公差Ta 
(3)Ta值没有包括的上工序留下的空间位置误差ea 
(4)本工序的装夹误差εb 


(三)加工余量的确定——计算法、查表法和经验估计法 

四、工序尺寸及其公差的确定 

零件图上所标注的尺寸公差是零件加工最终所要求达到的尺寸要求,工艺过程中许多中间工序的尺寸公差,必须在设计工艺过程中予以确定。工序尺寸及其公差一般都是通过解算工艺尺寸链确定的,为掌握工艺尺寸链计算规律,这里先介绍尺寸链的概念及尺寸链计算方法,然后再就工序尺寸及其公差的确定方法进行论述。 

(一)尺寸链及尺寸链计算公式 

1.尺寸链的定义 

在工件加工和机器装配过程中,由相互连接的尺寸形成的封闭尺寸组,称为尺寸链。 图示工件如先以A面定位加工C面,得尺寸A1然后再以A面定位用调整法加工台阶面B,得尺寸A2,要求保证B面与C面间尺寸A0;A1、A2和A0这三个尺寸构成了一个封闭尺寸组,就成了一个尺寸链。组成尺寸链的每一个尺寸,称为尺寸链的环。尺寸链中凡属间接得到的尺寸称为封闭环,在图b所示尺寸链中,A0是间接得到的尺寸,它就是图b所示尺寸链的封闭环。尺寸链中凡属通过加工直接得到的尺寸称为组成环,尺寸链中A1与A2都是通过加工直接得到的尺寸,A1、A2都是尺寸链的组成环。组成环按其对封闭环的影响又可分为增环和减环。当其它组成环的大小不变,若封闭环随着某组成环的增大而增大,则此组成环就称为增环;若封闭环随着某组成环的增大而减小,则此组成环就称为减环;在图b所示尺寸链中,A1是增环,A2是减环。 


尺寸链示例 


2.尺寸链的分类 

按尺寸链在空间分布的位置关系,可分为直线尺寸链、平面尺寸链和空间尺寸链。 

3.尺寸链的计算 

尺寸链计算有正计算、反计算和中间计算等三种类型。已知组成环求封闭环的计算方式称作正计算;已知封闭环求各组成环称作反计算;已知封闭环及部分组成环,求其余的一个或几个组成环,称为中间计算。 
尺寸链计算有极值法与统计法两种。用极值法解尺寸链是从尺寸链各环均处于极值条件来求解封闭环尺寸与组成环尺寸之间关系的。用统计法解尺寸链则是运用概率论理论来求解封闭环尺寸与组成环尺寸之间关系的。 

4.极值法解尺寸链的计算公式 机械制造中的尺寸公差通常用基本尺寸(A)、上偏差(ES)、下偏差(EI)表示,还可以用最大极限尺寸(Amax)与最小极限尺寸(Amin)或基本尺寸(A)、中间偏差(Δ)与公差(T)表示,它们之间的关系参见图。 
(1)封闭环基本尺寸Ao等于所有增环基本尺寸(Ap)之和减去所有减环基本尺寸(Aq)之和,即 

式中:m—组成环数; k—增环数; 
ξi—第i组成环的尺寸传递系数,对直线尺寸链而言,增环的ξi=1,减环的ξi=-1。 
(2)环的极限尺寸 Amax=A+ES Amin=A-EI 
(3)环的极限偏差 ES=Amax-A EI=A-Amin   

基本尺寸、极限偏差、公差与中间偏差 

(4)封闭环的中间偏差 

式中:Δi—第i组成环的中间偏差。 
(5)封闭环公差 

(6)组成环中间偏差 Δi=(ESi+EIi)/2 
(7)封闭环极限尺寸 


(8)封闭环极限偏差 



5.统计法解直线尺寸链基本计算公式 

机械制造中的尺寸分布多数为正态分布,但也有非正态分布,非正态分布又有对称分布与不对称分布。统计法解算尺寸链的基本计算公式除可应用极限法解直线尺寸链的有些基本公式外,尚有以下两个基本计算公式: 

(1)封闭环中间偏差 


(2)封闭环公差 
式中:ei—第i组成环尺寸分布曲线的不对称系数; 
eiTi/2—第i组成环尺寸分布中心相对于公差带的偏移量; 
ko—封闭环的相对分布系数; 
ki—第i组成环的相对分布系数。 

不同分布曲线的e值与k值 


(二)几种工艺尺寸链的分析与计算 

1.定位基准与设计不重合时工序尺寸公差的计算 

2.一次加工满足多个设计尺寸要求时工序尺寸及其公差的计算 

3.用工艺尺寸图表追迹法计算工序尺寸和余量 

在制定工艺过程或分析现行工艺时,经常会遇到既有基准不重合得工艺尺寸换算,又有工艺基准的多次转换,还有工序余量变化得影响,整个工艺过程中有着较复杂的基准关系和尺寸关系。为了经济合理地完成零件的加工工艺过程,必须制定一套正确而合理的工艺尺寸。在这种情况下,可以应用上述单个尺寸链来逐个解算,也可以用图表追迹法或称公差表法综合求出。 
图示一个套类零件有关轴向表面的工艺过程是: 

工序1.以大端面A定位,车小端面D,保证全长工序尺寸A1±T(A1)/2;车小外圆到B,保证M。 
工序2.以小端面D定位,精车大端面A,保证全长工序尺寸为A2±T(A2)/2;镗大孔,保证到C面的孔深工序尺寸为A3±T(A3)/2。 
工序3.以小端面D定位,磨大端面A,保证全长尺寸A4=L。 

工序尺寸追迹法具体过程 
(FLASH动画) 


五:时间定额 
时间定额指在一定生产条件下规定生产一件产品和完成一道工序所需消耗的时间。由基本时间(tm)、辅助时间(ta)、布置工作地时间(ts)、休息和生理需要时间(tr)和准备与终结时间(tbe)。其中:单件时间tp=tm+ta+ts+tr,单件计算时间tpc=tp+tbe/m 。 

六:工艺方案的经济分析 

经济分析即通过比较各种不同工艺方案的生产成本,选出其中最为经济的加工方案。生产成本包括两部分费用,一部分费用与工艺过程直接有关,另一部分费用与工艺过程不直接有关。与工艺过程直接有关的费用称为工艺成本,工艺成本约占零件生产成本的70%~75%。对工艺方案进行经济分析时,只要分析与工艺过程直接有关的工艺成本即可,因为在同一生产条件下与工艺过程不直接有关的费用两相比方案基本上是相等的。
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