第三节机械制造方法与过程

第三节机械制造方法与过程一、机械制造方法机械制造方法是指使原材料改变其形状或特性最终形成产品的方法。生产中制造方法一般包括机械加工与机械装配两方面，而机械加工与装配中又有多种不同方法，如图1-5。制造方法机械加工机械装配材料成型法材料去除法材料累加法材料改性法永久结合法机械紧固法图1-5制造方法的分类1、材料成型法材料成型法指将原材料加热成液体、半液体并在特定模具中冷却成型、变形或将粉末状的原材料在特定型腔中加热、加压成型的方法，材料在成型前后没有质量的变化，故又常称“质量不变工艺”。生产中常用的铸造、锻造、粉末冶金、挤压、轧制、拉拔方法均属此类。（1）铸造指将熔炼成液态的金属浇入事先制造好的铸型，金属凝固后获得一定形状和性能的铸件。生产中常用于毛坯制造。铸造方法又分为砂型铸造和特种铸造（含熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造）。各种铸造方法的过程、特点、质量及应用等相关知识可参阅“机械工程材料”类课程，在此不再叙述。（2）锻造指利用外力使材料产生塑性变形，获得所需尺寸、形状的零件的方法。亦是生产中制造毛坯的主要方法之一。锻造又有自由锻和模锻两种，其过程、特点、质量及应用参阅“机械工程材料”类课程。（3）粉末冶金将粉末状的原材料在特定型腔中加热、加压成型。（4）挤压将金属从挤压模孔中挤出成形的方法，常用于生产各种形状复杂、深孔、薄壁、异型断面的零件。（5）轧制是使金属坯料通过一对回转轧辊的空隙而受压产生塑性变形获得所需产品的加工方法。主要用于各种金属型材、板材和管材以及其他如连杆、齿轮、轴类等各种零件的生产。（6）拉拔是利用金属坯料通过拉拔模的模孔产生塑性变形而获得产品的加工方法。生产中主要用于各种细线材、薄壁管及各种特殊几何形状的型材的制造。2、材料去除法材料去除法是指利用机械能、热能、光能、化学能等能量去除毛坯上多余材料而获得所需形状、尺寸的零件的方法，与毛坯相比，零件上因材料的去除而质量减少，故又称“质量减少工艺”。根据去除材料机理的不同，材料去除工艺又分四类：机械作用（用刀具克服工件材料硬度去除材料）、热的作用（利用热能溶化或汽化工件材料）、电化学作用（通过电场产生电化学反应，断开原子连接而去除材料）、化学作用（通过化学反应去除材料）。通过机械作用的切削加工方法是生产中最常用的材料去除法，如车削、铣削、钻削等，另外，还可利用磨具去除工件材料，它不仅能获得较高的加工精度，而且能加工较硬的材料，是生产中常用的精加工方法。这类加工方法有较好的材料适应性（加工各类钢和大多数有色金属，磨削还可加工陶瓷，一些聚合物和复合材料也能加工），生产成本相对材料成型也较低，对工件形状、大小及质量的适应性也较好，即该类工艺具有很大的柔性，在生产中的应用最大（机械产品材料90%以上为金属，金属零件的制造90%以上采用切削加工），可以说是整个机械工业制造的脊梁。其他的材料去除工艺由于使用能源的特殊常被称为特种加工或传统加工，包括：电火花加工、电解加工、超声波加工、激光加工、电子束和离子束加工等。其工作特点及应用范围简述如下：（1）电火花加工是利用工具电极和工件间瞬时火花放电所产生的高温来熔蚀工件表面材料，亦称放电加工或电蚀加工。电火花加工适用于导电性较好的金属材料，且不受材料硬度、强度、韧性及熔点的影响，为生产中的难切削材料加工提供了方便；由于加工中工具、工件不直接接触，不存在切削力，故工具也无须硬过工件。电火花加工又分电火花成型加工和电火花线切割加工，在模具制造中均有广泛应用。（2）电解加工是利用金属在电解液中的“阳极溶解”作用使工件加工成型的。电解加工同样不受材料硬度、强度和韧性的限制，可方便加工难切削材料，能以较高的生产率（比电火花高5～10倍）加工复杂型面；可加工薄壁、深孔零件，无残余应力，表面粗糙度较低。但电解加工设备投资大，耗电量大，电解液具有腐蚀性，电解产物会污染环境，需妥善处理。电解加工在兵器、航空、航天、汽车、模具等制造行业应用广泛。（3）超声波加工是利用工具端面作超声频振动，使工作液中的悬浮磨粒对工件表面撞击抛磨的加工。加工工具可用较软的材料（如45钢、20钢、黄铜等）制造；加工用机床结构亦较简单，操作维修都方便。超声波加工特别适合于硬、脆的非金属材料（如玻璃、陶瓷、石英、硅、锗、玛瑙、宝石、玉石及金刚石等）工件的切割、打孔和型面加工。（4）激光加工利用具有极高能量密度的激光照射工件表面并被吸收，迅速转换成热能后使材料熔化甚至汽化而被蚀除。激光加工几乎适用于任何难加工材料，特别适合进行微细加工；通用性强、生产率高；不需要工具，亦不存在切屑处理问题，非常利于自动生产。但激光加工设备价格高，一次性投资大。（5）电子束、离子束加工利用电子束（离子束）作用得到的热能，使工件材料熔化、汽化而被蚀除的加工。3、材料累加法材料累加法是指将分离的原材料通过加热、加压或其它手段结合成零件的方法，又称“质量增加工艺”。属于此类工艺的有焊接、快速原型制造等。（1）焊接通过加热或加压（或两者并用），使用填充材料（或不用）使两部分分离的金属结合成零件。生产中焊接的方法很多，应用亦较广泛。（2）快速原型制造是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的技术总称。其核心是将零件（或产品）的三维实体按一定厚度分层，以平面制造方式将材料层层堆叠，并使每个薄层自动粘接成形，形成完整的零件。它是一个材料堆积累加的过程，故亦称“材料生长制造”。根据采用材料及对材料处理方式的不同，快速原型制造有多种不同方法。由于它可以将计算机中所设计的零件快速转换成零件的实物模型，因此，目前快速原型制造主要用于产品开发。4、材料改性法材料改性主要是指生产中常用的热处理工艺，其主要目的是改变材料性能以改善材料加工性，去除内应力及提高零件使用性能，如退火、正火、淬火等。5、永久结合法在装配方法中，属于永久结合的主要有焊接、锡焊、粘接等。焊接是生产中最常用的永久结合工艺，工件焊后不可拆卸，连接质量好、接头密封性好，并可承受高压，但会产生焊接变形、裂纹等缺陷。锡焊主要适应于没有负载的场合，广泛应用于电子工业。粘接则广泛应用于聚合物、复合材料的装配。另外，生产中还有较为特殊的半永久结合工艺，如铆接和孔轴的过盈配合所形成的联结。6、机械紧固法机械紧固法是机械装配中最常用的工艺，如螺纹连接、钉子、铰链、滑道等。与永久结合不同的是机械紧固连接是可拆卸的，便于产品、零件的维护和修理。二、机械制造过程机械产品的制造是一个包含产品开发、设计、生产、检验、经营和售后服务等多个环节和过程的系统工程。其中的核心是产品的生产制造，它是将产品设计的信息转化为产品的关键，直接影响产品质量，并关系到企业在市场定位的实现。1、生产过程根据产品设计信息将原材料或半成品制成成品的全过程为生产过程。一个产品的生产过程常常有生产准备工作（如原材料采购、工装、工具的准备、专用装备的准备等），毛坯制造（如铸造、锻造等），零件加工（如车、铣、磨、钻等），零件热处理，产品装配、调试、检验，产品包装、发运等工作。为便于组织管理生产和有利于保证质量、提高生产率、降低成本，一个产品往往会由几个企业或生产部门联合生产完成，因此，一个企业（或部门）的成品可以是另一企业（或部门）的原材料或半成品，一个企业（或部门）的生产过程可能只是一个产品生产过程的部分，企业的生产过程又分成各部门（车间）的生产过程。2、工艺过程及其组成在生产过程中，能直接改变毛坯的形状、尺寸、相对位置和性能的部分称为工艺过程，如毛坯制造、零件加工、热处理、表面处理、零部件的装配等。显然，工艺过程是生产过程的主要组成部分。采用机械加工方法并将它们合理有序地组织在一起去逐步改变毛坯形状、尺寸及表面质量使其成为合格零件的过程称机械加工工艺过程；将组成产品的零件按设计要求正确结合成合格产品的过程称装配工艺过程。按照工作内容的不同，另外还有毛坯制造工艺过程，热处理、表面处理工艺过程等。每个零件的机械加工工艺过程都是由若干个基本单元组成，该组成单元称作工序。每一工序又分若干步骤即工步、安装、工位和走刀。（1）工序指一个或一组工人，在同一工作地对一个或同时对几个相同工件所连续完成的那部分工艺过程。它强调三点：工作地不变动；加工对象唯一；工作连续完成。同一零件的加工可以有不同的机加工艺过程，例如图1-6所示的圆盘零件，当加工数量少时，工序划分如表1-3所示；当加工数量较大时，工序划分如表1-4所示。图1-6圆盘零件表1-3圆盘零件单件小批机械加工工艺过程工序号工序名称安装工步工序内容Ⅰ1234（用三爪自定心卡盘夹紧毛坯小端外圆）车大端端面车大端外圆至Φ100钻Φ20孔倒角1车削Ⅱ123（工件调头，用三爪自定心卡盘夹紧大端外圆）车小端端面，保证尺寸35mm车小端外圆至Φ48，保证尺寸20mm倒角2钻削Ⅰ12（用夹具装夹工件）依次加工三个Φ8孔在夹具中修去孔口的锐边及毛刺表1-4圆盘零件单件成批机械加工工艺过程工序号工序名称安装工步工序内容1车削Ⅰ1234用三爪自定心卡盘夹紧毛坯小端外圆）车大端端面车大端外圆至Φ100钻Φ20孔倒角2车削Ⅰ123（以大端面及涨胎心轴）车小端端面，保证尺寸35mm车小端外圆至Φ48，保证尺寸20mm倒角3钻削Ⅰ1（钻床夹具）钻3-Φ84钳Ⅰ1修去孔口的锐边及毛刺由表1-3可知，该零件的机械加工分车削和钻削两道工序，缘于两者的操作工人、机床及加工的连续性均已发生了变化；而在车削加工工序中，虽然包含有多个加工表面和多种加工方法（如车、钻等），但其划分工序的要素未改变，故属同一工序。而表1-4分为四道工序，其中虽然工序1、2同为车削，但由于加工连续性已发生变化，因此应为两道工序；同样，工序4因为使用设备和工作地点均已变化，也应作为另一道工序。工序不仅是制定工艺过程的基本单元，也是制定生产计划和进行质量检验、生产管理的基本单元。（2）工步同一工序中，有时需要对不同表面采用不同刀具及用量进行加工，可将工序进一步细分为若干工步。工步指采用同一刀具和不变的机床用量对同一表面所完成的那部分工作。它亦强调三点：刀具不同，机床用量不变，加工表面不变。例如车加工如图1-7所示小轴零件时，需完成9个工步的工作。一般讲，构成工步的任一要素发生变化，其内容将形成一个新的工步。图1-7小轴零件图为提高生产率，生产中常会采用数把刀具（或复合刀具）组合，同时加工几个表面，这种工步称复合工步。图1-8为采用组合刀具加工零件时的复合工步。另外，生产中还习惯地将相同要素的连续加工看成一个工步，如连续加工图1-6所示零件上3个直径为8mm的孔。（a）（b）图1-8复合工步（a）同时车外圆和倒角（b）同时铣削两凸台面（3）走刀一个工步中，若加工表面余量不能一次去除，则每次刀具去除一层金属所作的工作称一次走刀，每个工步可以一次走刀或多次走刀。（4）安装进行每个工序或工步前，工件应有正确的安装，安装包括定位和夹紧。一道工序中，工件可以安装数次（如轴类零件加工中的调头安装）。安装次数多，除会增加辅助时间外，还会降低加工精度。因此，一道工序中，应尽量减少工件安装次数。（5）工位工件一次安装后，工件在机床上所占的每一位置称工位。为减少工件的安装次数，可采用各种回转工作台、回转夹具，使工件在一次安装中获得多个工位而便于加工。如在铣床上加工六方棒，可采用分度头装夹工件，若用单刀加工需回转五次获六个工位，若以组合铣刀加工，则只需回转两次获三个工位即可。3、工艺规程及其内容对任何一个零件或产品，在不同的生产条件下，其加工工艺过程可以是多种多样的，且各具特点，但对于确定的生产背景和工艺要求可以有一个较为合理的工艺过程。将合理的工艺过程编写成规范的工艺文件，用以作为指导企业生产过程的依据，这一工艺文件便是工艺规程。即工艺规程是指用文字和图表表达的技术上可行、符合当时当地条件并且能获得高效率、低成本的零件加工工艺过程。一般情况下，工艺规程一经确定便不再擅自变动，企业以此组织生产过程，管理企业的各项工作，同时作为财务核算的依据，对企业的多项工作都具有重要的参考价值。当然，工艺规程并非一层不变，随技术进步、生