教学目标 | 能力目标：要求理解生产过程、机械加工工艺过程、生产类型、工序、安装、加工工艺性、工艺规程等基本概念；初步掌握典型零件的工艺规程的制定方法和步骤。 素质目标： | |
教学重点 | 机械加工工艺规程的制定方法 | |
教学难点 | 机械加工工艺规程的制定方法 | |
教学手段 | 理实一体 实物讲解 小组讨论、协作 | |
教学学时 | 6 | |
教 学 内 容 与 教 学 过 程 设 计 | 注 释 | |
模块八 机械加工工艺过程基础 〖任务描述〗 试编制图8-1所示套筒零件的加工工艺过程，生产类型为中批量生产，材料为HT200。 图8-1 套筒零件 〖任务分析〗 加工箱体类零件要具备的知识包括：箱体零件定位基准的选择、箱体类零件的结构特点及结构工艺性分析、箱体类零件的机械加工工艺性分析以及相关的热处理。 〖相关知识〗 学习情境一 机械加工工艺过程的基本概念 一、机械产品的生产过程 机械产品的生产过程是指将原材料转变为成品的全过程，它一般包括原材料的运输和保管，毛坯的制造，零件的机械加工和热处理，机器的装配、检验、测试和涂装，专用工具、夹具、量具和辅具的制造，加工设备的维修以及动力供应等。机械产品的生产过程由直接生产过程和辅助生产过程组成。 二、机械加工工艺过程及组成 1.工序 一个（或一组）工人在一个工作地点对一个（或同时对几个）工件所连续完成的那部分工艺过程称为工序。划分工序的主要依据是工作地点是否变动和加工是否连续。同一个零件、同样的加工内容可以有不同的工序划分方法，如图8-2所示的阶梯轴，其加工内容为：加工右端面、钻中心孔，加工左端面、钻中心孔，车右边外圆、倒角、切槽，掉头车左边外圆倒角，铣键槽，去毛刺。 图8-2 阶梯轴示意图 2.安装 在一个加工工序中，有时需要对零件进行一次或多次装夹才能完成加工，工件经一次装夹所完成的那部分工序内容称为安装。 3.工位 图8-3多工位加工在工件的一次安装中，通过分度（或移位）装置，使工件相对于机床床身变换加工位置，则把每一个加工位置上的安装内容称为工位。一次安装中，可能有一个工位，也可能有多个工位。如图8-3所示为通过立轴式回转工作台使工件变换加工位置，图中共有四个工位，依次为装卸工件、钻孔、扩孔和铰孔。采用多工位加工可以减少安装次数，从而可以提高加工精度和生产率。 图8-3 多机位加工 4.工步 在加工表面、切削用量和加工刀具都不变的情况下，所连续完成的那一部分工位内容称为工步。以上不变因素中只要有一个因素改变，即成为新的工步。 5.走刀 在一个工步中，若需切去的金属层很厚，则可分为几次切削。每进行一次切削就是一次走刀。一个工步可以包括一次或几次走刀。 三、生产纲领与生产类型 1.生产纲领 生产纲领是指企业在计划期内应当生产的产品产量和进度计划。计划期通常为一年，所以生产纲领也称为年产量。 对于零件而言，产品的产量除了制造机器所需要的数量外，还要包括一定的备品和废品，因此，零件的年产量计算公式为 N＝Qn（1+a%）（1+b%） （8-1） 式中，N为零件的年产量（件/年）； Q为产品的年产量（台/年）；n为每台产品中该零件的数量（件/台）；a%为该零件的备品率；b%为该零件的废品率。 2.生产类型 生产类型是指企业（或车间、工段）生产专业化程度的分类。按产品的年产量、投入生产的批量，可将生产分为单件生产、批量生产和大量生产三种类型。亿万像素 学习情境二 工件的定位与夹具的基本知识 一、工件的定位 1.工件的定位原理 不受任何约束的物体在空间具有六个自由度，即沿三个互相垂直的坐标轴的移动和绕这三个坐标轴的转动，如图8-6所示。因此，要使物体在空间具有确定的位置（即定位），就必须约束这六个自由度。 图8-6 物体的六个自由度 2.六点定位原则的应用 工件在夹具上定位时，并非在任何情况下都必须限制六个自由度，究竟哪几个自由度需要限制，主要取决于工件的技术要求、结构尺寸和加工方法等。 1）完全定位折叠音箱 工件上的六个自由度全部被限制的定位称为完全定位，如图8-8所示。在铣床上给一批长方体工件上铣一槽，保证x、y、z 三个尺寸，就必须限制工件上的六个自由度，其实现方法如图8-9所示。 图8-8 完全定位 图8-9 铣槽零件 2）不完全定位 工件上的六个自由度没有被全部限制的定位称为不完全定位，如图8-10所示零件。在铣床上给一批长方体工件上铣一台阶，保证z、y两个尺寸，只需要限制工件上的五个自由度，沿x移动的自由度没有被限制，并不影响工件的加工精度。其实现方法如图8-11所示。 图8-10 不完全定位 图8-11 铣台阶零件 3）欠定位 根据工件的加工要求，应该限制的自由度定位时未被限制的定位称为欠定位（定位不足）。如果把图8-9所示的yOz平面内的支承点去掉，沿x轴移动的自由度即为应该限制而未被限制，这样在加工沟槽时，就无法保证长度x尺寸。因此，欠定位在加工过程中是不允许出现的。 4）过定位 有一个或一个以上的自由度被重复限制了两次或两次以上的定位称为过定位（或超定位）。如图8-12（a）所示为加工连杆大头孔的一种定位情况。连杆以其一个端面和小头孔在夹具的支承板和长销上定位，支承板限制了三个自由度，长销限制了四个自由度，其中、被重复限制，产生过定位。由于夹具的定位件和工件都不可避免地存在位置误差，使工件的位置不确定，在夹紧力的作用下，会造成长销或连杆弯曲变形。另一方面，连杆的未被限制，使连杆在此方向的位置不确定，产生欠定位。因此，图8-12（a）所示的定位必须改进。图8-12（b）所示为加工连杆大头孔的正确定位方案。支承板限制了三个自由度，短销限制了两个自由度，在大端侧面的止动销限制了一个自由度，使连杆获得完全定位。过定位一般情况下不允许采用。 图8-12 连杆的定位 3.基准的概念 1）设计基准 在零件图上用以标注尺寸和表面相互位置关系时所用的基准（点、线或面）称为设计基准。 2）工艺基准 在制造零件和装配机器的过程中所使用的基准称为工艺基准。按用途不同，工艺基准又分为工序基准、定位基准、测量基准和装配基准四种 4.定位基准的选择 1）粗基准的选择 选择粗基准一般要遵循以下原则。 （1）选取不加工的表面作为粗基准。这样可以保证零件的加工表面与不加工表面之间的相互位置关系，并可能在一次装夹中加工出更多的表面。如图8-15所示，以不需要加工的小外圆面作为粗基准，可以在一次安装中把绝大部分需要加工的表面加工出来，并能保证大外圆面与内孔的同轴度、端面与内孔轴线的垂直度。如果零件上有几个不加工表面，则应选取与加工表面有相互位置要求的表面作粗基准。 （2）选取要求加工余量均匀的表面作为粗基准。如图8-16所示为车床床身，要求导轨面A耐磨性好，希望在加工时能均匀地切去较薄的一层金属，以保证铸件表面耐磨性好、硬度高的特点。若先选择导轨面A作为粗基准，加工床身底面B，见图8-16（a），再以底面B为精基准加工导轨面A，见图8-16（b），就能达到此目的。 图8-15 不加工表面作为粗基准 图8-16 加工余量要求均匀的表面作为粗基准 （3）选取余量和公差最小的表面作为粗基准。 （4）选作粗基准的表面应尽可能平整，并有足够大的面积。这样使定位准确，夹紧可靠。 （5）粗基准在一个方向上只使用一次，应尽量避免重复使用。因为粗基准表面粗糙，定位精度不高，若重复使用，在两次装夹中会使加工表面产生较大的位置误差，对于相互位置精度要求较高的表面，常常会造成超差而使零件报废。 2）精基准的选择 （1）基准重合原则。应尽可能选用设计基准作为定位基准。这样就可以避免定位基准与设计基准不重合而引起的定基误差。 （2）基准同一原则。加工位置精度较高的某些表面时，应尽可能选用一个精基准。 （3）一次安装原则。在一次安装中加工出有相互位置要求的所有表面，这样加工表面之间的相互位置精度只与机床精度有关，而与定位误差和定基误差无关。 （4）互为基准原则。有位置精度要求的两个表面在加工时，用其中任意一个表面作为定位基准来加工另一表面，用这种方法来保证两个表面之间的位置精度称为互为基准。 （5）选择精度较高、安装方便且稳定可靠的表面作为精基准。 二、夹具的基本概念 1.夹具的分类 1）通用夹具 已经标准化的且能较好地适应工序和工件变换的夹具称为通用夹具。如车床的三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘，铣床的平口钳、分度头，平面磨床的电磁吸盘等。 用通用夹具安装工件时，主要有直接正安装和划线正安装两种方式。 2）专用夹具 针对某一工件的某一工序的要求而专门设计制造的夹具称为专用夹具。常用的有车床类夹具、铣床类夹具、钻床类夹具等。这些夹具上有专门的定位和夹紧装置，工件无须进行正就能获得正确的位置。专用夹具一般用于大批、大量的生产中。 2.专用夹具的组成 在图8-20（a）所示零件上加工孔d，要求保证尺寸l，且保证孔的轴线与工件轴线的垂直度及对称度。其所使用的专用夹具如图8-20（b）所示。钻模中定位板和定位心轴起定位作用，螺母起夹紧作用，钻套起引导刀具作用，夹具体起与机床的连接作用。根据夹具各部件的作用，专用夹具主要由以下部分组成。 图8-20 钻模 1）定位元件 定位元件是指夹具上与工件的定位基准接触，用来确定工件正确位置的零件。 2）夹紧机构 夹紧机构是指把定位后的工件压紧在夹具上的机构。 美容喷雾器3）导向元件 导向元件是指用来对刀和引导刀具进入正确加工位置的零件。 4）夹具体 夹具体用于连接夹具上的各种元件及机构，使之成为一个夹具整体。 5）其他辅助元件 根据工件的加工要求，有时还需要在夹具上设有分度机构、导向键、平衡铁等。 学习情境三 工艺规程的拟定 一、工艺规程的基本概念 机械加工工艺规程是规定产品或零部件机械加工工艺过程和操作方法等的工艺文件，是一切有关生产人员都应严格执行、认真贯彻的纪律性文件。工艺规程是指导生产的技术文件，它必须满足产品质量、生产率和经济性等多方面要求。工艺规程应适应生产发展的需要，尽可能采用先进的工艺方法。但先进的高生产率的设备成本较高，因此，所制定的工艺规程必须经济合理。 二、工艺规程的制定步骤 制定零件的机械加工工艺规程的步骤如下。 （1）分析零件工作图和产品装配图。 （2）工艺审查。 （3）确定毛坯的种类及其制造方法。 （4）拟定机械加工工艺路线。这是机械加工工艺规程设计的核心部分，其主要内容有：选择定位基准；确定加工方法；安排加工顺序以及安排热处理、检验和其他工序等。 子液位计（5）确定各工序所需的机床和工艺装备。 （6）确定各工序的加工余量，计算工序尺寸和公差。 （7）确定切削用量。 （8）确定各工序工时定额。 （9）评价工艺路线。对所制定的工艺方案应进行技术经济分析，并应对多种工艺方案进行比较，或采用优化方法，以确定出最优工艺方案。 （10）填写或打印工艺文件。 学习情境四 零件的结构工艺性 一、零件结构工艺性的基本概念 切削加工对零件结构的一般要求如下。 （1）设计的结构要有足够的加工空间，以保证刀具能够接近加工部位，且应留有必要的退刀槽和越程槽等。 （2）设计的结构应便于加工，如应尽量避免使用钻头在斜面上钻孔。 （3）尽量减少加工表面面积，特别是减少精度高的表面数量和面积，合理规定零件的精度和表面粗糙度。 （4）从提高生产率的角度考虑，在结构设计中应尽量使零件上相似的结构要素，如退刀槽、键槽等规格相同，并应使类似的加工面，如凸台面、键槽等位于同一平面上或同一轴截面上，以减少换刀或安装次数，以及调整时间。 （5）零件结构设计应便于加工时的安装与夹紧。 （6）零件的结构尺寸（如轴径、孔径、齿轮模数、螺纹、键槽、过渡圆角半径等）应标准化，以便在生产中采用标准刀具和通用量具，使生产成本降低。 （7）零件具有足够的刚度，才能承受夹紧力和切削力，提高切削用量，提高工效。 二、零件结构的切削加工工艺性示例 零件的结构工艺性与加工方法和工艺过程有密切的关系。零件结构设计时要考虑能否加工和便于加工，要便于保证加工质量，减少刀具、加工工时等消耗以降低成本，减少刀具和工件的调整、安装次数等以提高生产率。在现行生产条件下，一般零件切削加工的结构工艺性都有一定的设计原则。 学习情境五 典型零件的工艺过程 一、轴类零件的加工 1.CA6140型车床主轴技术要求及功用 如图8-25为CA6140型车床主轴零件简图。主轴呈阶梯状，其上有安装支承轴承和传动件的圆柱、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，连接紧固螺母的螺旋面，通过棒料的深孔等。 图8-25 CA6140型车床主轴 2.CA6140型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（因支承轴颈是外锥面不便装夹）；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准面；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。 3.CA6140型车床主轴主要加工表面加工工序安排 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）。 4.CA6140型车床主轴加工工艺过程 5.轴类零件的检验 1）加工中的检验 2）加工后的检验 二、箱体类零件的加工 1.箱体类零件的功用与结构特点 箱体类零件是各类机器的基础零件之一，它将机器和部件中的轴、套、齿轮等有关零件连接成一个整体，并使之保持正确的相互位置，按规定的传动关系协调地运动。箱体的结构形状一般都比较复杂，壁薄且不均匀，内部呈腔形，在箱壁上既有许多精度较高的轴承支承孔和平面需要加工，也有许多精度要求不高的紧固孔需要加工。因此，一般来讲，箱体零件不仅需要加工的部位多，而且加工难度也较大。据统计资料表明，一般中型机床制造厂用在箱体类零件的机械加工工时为总工时的15%～20%。 2.箱体的材料及毛坯 四爪螺母箱体材料一般选用HT200～HT400的各种牌号的灰铸铁，最常用的为HT200。灰铸铁不仅成本低，而且具有较好的耐磨性、可铸性、切削加工性和阻尼特性。在单件生产或生产某些简易机床的箱体时，为了缩短生产周期和降低成本，可采用钢材焊接结构。此外，精度要求较高的坐标镗床主轴箱则选用耐磨铸铁。载荷大的主轴箱也可采用铸钢件。 毛坯的加工余量与生产批量、毛坯尺寸、结构、精度和铸造方法等因素有关。有关数据可查有关资料及根据具体情况决定。毛坯铸造时，应防止砂眼和气孔的产生。为了减少毛坯制造时产生残余应力，应使箱体壁厚尽量均匀，箱体浇注后应安排时效或退火工序。 3.箱体零件的主要技术要求 1）主要平面的形状精度和表面粗糙度 2）孔的尺寸精度、几何形状精度和表面粗糙度 3）主要孔之间以及与平面之间的相互位置精度 4.箱体的加工工艺过程 5.制定箱体工艺过程的共同性原则 1）加工顺序为先面后孔 2）加工阶段粗、精分开 3）工序间合理安排热处理 4）用箱体上的重要孔作粗基准 6.定位基准的选择 1）粗基准的选择 虽然箱体类零件一般都选择重要孔（如主轴孔）为粗基准，但随着生产类型不同，实现以主轴孔为粗基准的工件装夹方式是不同的。 （1）中小批量生产时，由于毛坯精度较低，一般采用划线装夹，其方法如下。 如图8-27所示，首先将箱体用千斤顶安放在平台上，调整千斤顶，使主轴孔Ⅰ和A面与台面基本平行，D面与台面基本垂直，根据毛坯的主轴孔划出主轴孔的水平线Ⅰ—Ⅰ，在四个面上均要划出，作为第1校正线。划Ⅰ—Ⅰ线时，应根据图样要求，检查所有加工部位在水平方向是否均有加工余量，若有的加工部位无加工余量，则需要重新调整Ⅰ—Ⅰ线的位置，作必要的借正，直到所有的加工部位均有加工余量，才将Ⅰ—Ⅰ线最终确定下来。Ⅰ—Ⅰ线确定之后，即画出A面和C面的加工线。然后将箱体翻转90°，D面一端置于三个千斤顶上，调整千斤顶，使Ⅰ—Ⅰ线与台面垂直（用大角尺在两个方向上校正），根据毛坯的主轴孔并考虑各加工部位在垂直方向的加工余量，按照上述同样的方法划出主轴孔的垂直轴线Ⅱ—Ⅱ作为第二校正线，也在四个面上均划出。依据Ⅱ—Ⅱ线划出D面加工线。再将箱体翻转90°，将E面一端置于三个千斤顶上，使Ⅰ—Ⅰ线和Ⅱ—Ⅱ线与台面垂直。根据凸台高度尺寸，先划出F面，然后再划出E面加工线。加工箱体平面时，按线正装夹工件，这样，就体现了以主轴孔为粗基准的原则。 图8-27 主轴箱的划线 （2）大批量生产时，毛坯精度较高，可直接以主轴孔在夹具上定位，采用如图8-28所示的夹具装夹。 图8-28 以主轴孔为粗基准铣顶面的夹具 2）精基准的选择 （1）单件小批量生产用装配基面作定位基准。车床主轴箱单件小批加工孔系时，选择箱体底面导轨B、C面作定位基准，B、C面既是主轴箱的装配基准，又是主轴孔的设计基准，并与箱体的两端面、侧面及各主要纵向轴承孔在相互位置上有直接联系，故选择B、C面作定位基准，不仅消除了主轴孔加工时的基准不重合误差，而且用导轨面B、C定位稳定可靠，装夹误差较小，加工各孔时，由于箱口朝上，所以更换导向套、安装调整刀具、测量孔径尺寸、观察加工情况等都很方便。 这种定位方式也有它的不足之处。加工箱体中间壁上的孔时，为了提高刀具系统的刚度，应在箱体内部相应的部位设置刀杆的导向支承。由于箱体底部是封闭的，中间支承只能用如图8-29所示的吊架从箱体顶面的开口处伸入箱体内，每加工一件需装卸一次，吊架与镗模之间虽有定位销定位，但吊架刚度差，制造安装精度较低，经常装卸也容易产生误差，且使加工的辅助时间增加，因此，这种定位方式只适用于单件小批量生产。 pm2.5监测图8-29吊架式镗模夹具 （2）大批量生产时采用一面两孔作定位基准。大批量生产的主轴箱常以顶面和两定位销孔作为精基准，如图8-30所示。以一面两孔定位的定位方式加工时箱体口朝下，中间导向支架可固定在夹具上。由于简化了夹具结构，提高了夹具的刚度，同时工件的装卸也比较方便，因而这种定位方式提高了孔系的加工质量和劳动生产率。 这种定位方式的不足之处在于定位基准与设计基准不重合，产生了基准不重合误差。为了保证箱体的加工精度，必须提高作为定位基准的箱体顶面和两定位销孔的加工精度。另外，由于箱口朝下，加工时不便于观察各表面的加工情况，因此，不能及时发现毛坯是否有砂眼、气孔等缺陷，而且加工中不便于测量和调刀。所以，用箱体顶面和两定位销孔作精基准加工时，必须采用定径刀具（扩孔钻和铰刀等）。 图8-30 箱体以一面两孔定位 〖拓展训练〗 如图8-31所示为用无缝钢管材料制成的液压缸。试分析液压缸的加工工艺过程。 图8-31 液压缸 | 明确任务，在任务的驱动下学习。 掌握各工艺过程包含的工作，并思考各工艺工程之间的关系。 掌握年产量的计算方法。 掌握六点定位原则。 区分完全定位和不完全定位。 思考欠定位在实际生活中的应用。 分析图8-12合理及不合理的做法，说明原因。 分析套路图8-12、8-13、8-14中哪些是设计标准，哪些是工艺标准。 掌握选择粗基准的一般原则，能够正确选择粗基准。 掌握选择精基准的一般原则，能够正确选择精基准。 区分直接正安装和划线正安装的不同及适用范围。 掌握工艺规程的制定步骤，能够制定工艺规程。 掌握零件结构工艺性的基本概念。 在图8-25中出轴类零件，并对技术进行分析。 学生结合前面所学知识讨论CA6140型车床主轴加工定位基准的选择，教师指导。 在图8-25中出箱体类零件进行分析。 分析讨论制定箱体工艺过程的共同性原则的合理性。 总结箱体精基准选择的两种方案，比较分析两者的优缺点。 | |
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