第一章工艺过程基本概念与组成

第一章工艺过程基本概念与组成§1.1仪器的生产过程•新产品构思与实验•仪器生产过程：产品设计•产品制造•产品销售与售后服务⑴新产品构思与实验：•科技人员根据具体的使用需要和现有科学技术的水平和制造能力，对新型仪器的开发进行规划。•在此阶段应该注意!产品应具有：•●先进性•●新颖性•●实用性⑵产品设计：•将成熟的构思落实到具体可实现的技术和方法上。⑶产品制造：•仪器生产过程，是形成最终仪器的主要工作，目的是获取具有一定几何特性和物理、化学性能的产品。•原材料、工具的供应、筛选、运输、保管和检验；•毛坯制造•制造活动包括：零件制造：即机械加工与热处理★•仪器的装配过程：部件和成品的装配•产品质量检查及运行试验•表面装饰和包装热处理工艺•如退火、正火、淬火、回火、发黑、煮兰、表面处理等，可以使机械零件获得一定的力学性能（强度、硬度）、物理特性、化学特性（耐磨、耐腐蚀）。所谓退火退火是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组织准备。所谓正火•正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。所谓淬火淬火是将工件加热保温后，在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同时变脆。所谓回火为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于710℃的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”，其中的淬火与回火关系密切，常常配合使用，缺一不可。主要的仪器制造工艺方法：•材料成形：铸、锻、焊、注塑、冲压、冷锻等所谓铸造•铸造－熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得具有一定形状、尺寸和性能金属零件毛坯的成型方法••铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。铸造毛坯因近乎成形，而达到免机械加工或少量加工的目的降低了成本并在一定程度上减少了制作时间．铸造是现代装置制造工业的基础工艺之一。所谓锻造•在锻压设备及工(模)具的作用下，使坯料或铸锭产生塑性变形，以获得一定几何尺寸、形状和质量的锻件的加工方法。•锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法，锻压(锻造与冲压)的两大组成部分之一。通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，同时由于保存了完整的金属流线，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。相关机械中负载高、工作条件严峻的重要零件，除形状较简单的可用轧制的板材、型材或焊接件外，多采用锻件。所谓焊接所谓注塑所谓冲压：•冲压加工是借助于常规或专用冲压设备的动力，使板料在模具里直接受到变形力并进行变形，从而获得一定形状,尺寸和性能的产品零件的生产技术。板料，模具和设备是冲压加工的三要素。按冲压加工温度分为热冲压和冷冲压。前者适合变形抗力高，塑性较差的板料加工；后者则在室温下进行，是薄板常用的冲压方法。它是金属塑性加工（或压力加工）的主要方法之一，也隶属于材料成型工程技术。所谓冷锻：机械加工•车、•铣、•刨、•磨等所谓车削•就是在车床上，利用工件的旋转运动和刀具的直线运动或曲线运动来改变毛坯的形状和尺寸，把它加工成符合图纸的要求。••车削加工是在车床上利用工件相对于刀具旋转对工件进行切削加工的方法。车削加工的切削能主要由工件而不是刀具提供。车削是最基本、最常见的切削加工方法，在生产中占有十分重要的地位。•车削适于加工回转表面，大部分具有回转表面的工件都可以用车削方法加工，如内外圆柱面、内外圆锥面、端面、环形沟槽（与圆柱面母线相垂直的）、螺纹和回转成形面等，所用刀具主要是车刀。所谓铣削•一种常见的金属冷加工方式，和车削不同之处在于铣削加工中刀具在主轴驱动下高速旋转，而被加工工件处于相对静止。•车削加工和铣削加工的区别•车削用来加工回转体零件，把零件通过三爪卡盘夹在机床主轴上，并高速旋转，然后用车刀按照回转体的母线走刀，切出产品外型来。车床上还可进行内孔，螺纹，咬花等的加工，后两者为低速加工。所谓刨削•刨刀与工件作水平方向相对直线往复运动的切削加工方法。•刨削是平面加工的主要方法之一。常见的刨床类机床有牛头刨床、龙门刨床和插床等。•刨削是单件小批量生产的平面加工最常用的加工方法，加工精度一般可达IT9~IT7级，表面粗糙值为Ra12.5~1.6μm。•Ra:表示表面轮廓算术平均偏差•精度IT：按照国家标准，将标准公差分为20级，即IT01、IT02、IT20.数字越大，精度越低，加工误差越大。表面粗糙度(2.27)•是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷不平度。其两波峰或两波谷之间的距离（波距）很小（在1mm以下），用肉眼是难以区别的，因此它属于微观几何形状误差。表面粗糙度越小，则表面越光滑。表面粗糙度的大小，对机械零件的使用性能有很大的影响。•刨削可以在牛头刨床或龙门刨床上进行，刨削的主运动是变速往复直线运动。因为在变速时有惯性，限制了切削速度的提高，并且在回程时不切削，所以刨削加工生产效率低。但刨削所需的机床、刀具结构简单，制造安装方便，调整容易，通用性强。因此在单件、小批生产中特别是加工狭长平面时被广泛应用。刨削运动构成：刀具的往复直线运动为切削主运动，生产率较低。••刨削加工•由于刨削的特点，刨削主要用在单件、小批生产中，在维修车间和模具车间应用较多。•刨削主要用来加工平面(包括水平向、垂直面和斜面)，也广泛地用于加工直槽，如直角槽、燕尾槽和T形槽等、如果进行适当的调整和增加某些附件，还可以用来加工齿条.齿轮、花键和母线为直线的成形面等。磨削•磨削加工在机械制造行业中应用比较广泛，经热处理淬火的碳素工具钢和渗碳淬火钢零件，在磨削时与磨削方向基本垂直的表面常常出现大量的较规则排列的裂纹—磨削裂纹，它不但影响零件的外观，更重要的还会直接影响零件质量。•利用高速旋转的砂轮等磨具加工工件表面的切削加工。磨削用于加工各种工件的内外圆柱面、圆锥面和平面,以及螺纹、齿轮和花键等特殊、复杂的成形表面。•由于磨粒的硬度很高,磨具具有自锐性,磨削可以用于加工各种材料，包括淬硬钢、高强度合金钢、硬质合金、玻璃、陶瓷和大理石等高硬度金属和非金属材料。特种加工•电化学、•电火花、•激光、•超声波、•高能粒子束等•表面加工•光整、•电镀、•镀膜、•转换膜、•装涂、•表面改性加工常用元器件加工•弹性、•陶瓷、•光学、•塑料零件加工仪器常用工艺•钎焊、•粘接、•刻划、•MEMS工艺、•电子装联加工※MEMS：•MicroElectromechanicalSystem，即微电子机械系统，是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。MEMS具有以下几个基本特点•●微型化、•●智能化、•●多功能、•●高集成度•●适于大批量生产。※1：MEMS的理论基础•在当前MEMS所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响（ScalingEffects），许多物理现象与宏观世界有很大区别，因此许多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。这一方面的研究虽然受到重视，但难度较大，往往需要多学科的学者进行基础研究。※2：MEMS的技术基础•MEMS的技术基础可以分为以下几个方面：•①设计与仿真技术;•②材料与加工技术;•③封装与装配技术;•④测量与测试技术;•⑤集成与系统技术等。※3：MEMS的应用研究•人们不仅要开发各种制造MEMS的技术，更重要是将MEMS技术与航空航天、信息通信、生物化学、医疗、自动控制、消费电子以及兵器等应用领域相结合，制作出符合各领域要求的微传感器、微执行器、微结构等MEMS器件与系统。§1.2工艺过程设计的基本概念•完整的工艺过程设计可分为以下步骤：•①进行零件的描述、建立零件的信息模型。•②设计加工工艺方法和路线，选择机床或其他设备。•③确定加工基准，选用或设计夹具。•④确定工序等加工工艺过程。•⑤设计加工余量和工序尺寸参数。•⑥计算工时和制造成本。•⑦设计检验方法，选择或设计检验量具。•⑧生成工艺卡片等。1.2.1机械加工工艺过程的组成•工艺过程：直接改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性能等，使其成为成品或半成品的过程称为～。工艺过程•①机械加工工艺过程：直接改变毛坯的形状、尺寸和表面质量，使之成为零件的过程，称为～。•②装配加工工艺过程：按规定的技术要求，将零件或部件进行配合和连接，使之成为仪器的过程，称为～。⑴工序•一个或一组工人，在一个工作地对同一个或同时对几个工件所连续完成的那一部分工艺过程。•工序是工艺过程的基本单元。如图所示，阶梯小轴可分为下表所列的五个工序。工序号工序名称加工设备1备料2车端面、车大端外圆及倒角3车端面、车小端外圆及倒角4铣键槽5去毛刺⑵安装：•是指在某一道工序中，有时需要对零件进行多次装夹加工，每装夹一次所完成的那一部分工艺过程称为一次安装。•工序2和工序3都是两次安装。•再如上图的阶梯轴，如表中，若工序2和工序3合并成一个工序，则需要进行两次装夹；先装夹工件一端，车端面、大端外圆及倒角，称为安装1，再掉头装夹工件，车另一端面、小端外圆及倒角，称为安装2。⑶工位：•是指在某一道工序中，工件在机床所占的每一个位置上所完成的那一部分工艺过程，称为一个工位。这是因为有些机床有多个加工位置，比如多轴车床、六角车床、组合车床、多位机床，或者在普通机床上通过安装转台也可实现多位加工，在这种情形下，就有工位的概念。⑷工步：•一次安装或一个工位中，加工表面、切削刀具及切削用量都不变的情况下所进行的那一部分工艺过程，即称为一个工步。•这里指的切削用量是指主轴转速和进给量，不包括切削深度。⑸进给•有些工件，由于余量大，需要用同一刀具，在同一转速和进给量下对同一表面进行多次切削，这每一次切削就称为一次进给。•如下图所示，将棒料加工成阶梯轴，第二工步车右端外圆分两次进给。⑹动作•是指工人或机器本身的一个行动单元。例如在一次进给中可有开车、接近、送进、停车、退刀等各种动作。1.2.4加工余量的确定•⑴基本概念•①加工余量：工件加工前后尺寸之差，即使加工表面达到所需的精度和表面质量而应切除的金属表层。•它分为工序余量和加工总余量。•工序余量：相邻两工序的尺寸之差。用Zbi表示。•加工总余量（毛坯余量）：毛坯尺寸与零件图设计尺寸之差。用Zb0表示。n—工序或工步数目nibibZZ10单面余量与双面余量•a)对回转面加工：•单面余量是指相邻两工序的半径差，以Zb表示。•双面余量是指相邻两工序的直径差，以2Zb表示。•一般多采用双面余量（直径余量）；回转表面的加工余量如图所示。•对于外圆表面而言：•对于内圆表面而言：•其中：、——上工序直径尺寸；、——本工序直径尺寸2babZdd2bbaZDDadaDbdbD•b)对于平面加工•单面余量是指一个表面为基准加工另一表面时相邻两工序的尺寸差，以Zb表示。•双面余量是指以加工表面的对称平面为基准同时加工两表面时相邻两工序的尺寸差，以2Zb表示。•对于外表面：单面余量：•双面余量：•对于内表面：单面余量：•双面余量：bZab2bZabbZba2bZba⑵加工余量对机械加工的影响•由于毛坯不能达到零件所要求的精度和表面粗糙度，因此要留有加工余量，以便经过机械加工来达到这些要求。•①如果加工余量过大，增加了材料、电能、工具等的消耗，降低了生产率，而且有可能无法保存零件的最耐磨的表面层，降低了被加工表面的机械性质。•②如果加工余量过小，不能修正上道工序的误差和加工后的痕迹，即不能保证去除零件表面的