机械制造工艺的基础知识

第六讲机械制造工艺的基础知识基本概念一、生产过程和工艺过程生产过程:机械产品制造时，将原材料或半成品变为产品的各有关劳动过程的总和，称为生产过程。它包括：生产技术准备工作(如产品的开发设计、工艺设计和专用工艺装备的设计与制造、各种生产资料及生产组织等方面的准备工作)；原材料及半成品的运输和保管；毛坯的制造；零件的各种加工、热处理及表面处理；部件和产品的装配、调试、检测及涂装和包装等。应该指出，上述的“原材料”和“产品”的概念是相对的，一个工厂的“产品”可能是另一个工厂的“原材料”，而另一个工厂的“产品”又可能是其他工厂的“原材料”。因为在现代制造业中，通常是组织专业化生产的，如汽车制造，汽车上的轮胎、仪表、电器元件、标准件及其他许多零部件都是由其他专业厂生产的，汽车制造厂只生产一些关键零部件和配套件，并最后组装成完整的产品一汽车。产品按专业化组织生产，使工厂的生产过程变得较为简单，有利于提高产品质量，提高劳动生产率和降低成本，是现代机械工业的发展趋势。工艺过程：在生产过程中，凡直接改变生产对象的尺寸、形状、性质(物理性能、化学性能、力学性能)及相对位置关系的过程，统称为工艺过程。如毛坯制造、机械加工、热处理、表面处理及装配等，它是生产过程中的主要过程，其他过程称为辅助过程。机械加工工艺过程：用机械加工方法，直接改变毛坯的形状、尺寸和表面质量，使其成为产品零件的过程称为机械加工工艺过程。二、工艺过程的组成一个零件的加工工艺往往是比较复杂的，根据它的技术要求和结构特点，在不同的生产条件下，常常需要采用不同的加工方法和设备，通过一系列的加工步骤，才能使毛坯变成零件。我们在分析研究这一过程时，为了便于描述，需要对工艺过程的组成单元给于科学的定义。机械加工工艺过程是由一个或若干们匝序排列的工序组成，而工序又可分为安装、工位、工步和走刀。1．工序－个或一组工人，在一台机床或一个工作地，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。区分工序的主要依据是工作地是否变动和加工是否连续。如图2－1所示阶梯轴，当加工数量较少时，可按表2－1划分工序；当加工数量较大时，可按表2－2划分工序。从表2－1和2－2可以看出，当工作地点变动时，即构成另一工序。同时，在同一工序内所完成的工作必须是连续的，若不连续，也即构成另一工序。下面着重解释“连续”的概念。所谓“连续”有按批“连续”和按件“连续”之分，表2－1与表2－2中，整批零件先在磨床上粗磨外圆后，再送高频淬火机高频淬火，最后再到磨床上精磨外圆，即使是在同一台磨床上，工作地点没有变动，但由于对这一批工件来说粗磨外圆和精磨外圆不是连续进行的，所以，粗磨和精磨外圆应为二道独立工序。除此以外，还有一个按件“不连续”问题，如表2－2中的工序2和工序3，先将一批工件的一端全部车好，然后调头在同一车床上再车这批工件的另一端，虽然工作地点没有变动，但对每一个工件来说，两端的加工已不连续，严格按着工序的定义也可以认为是两道不同工序。不过，在这种情况下，究竟是先将工件的两端全部车好再车另一阶梯轴，还是先将这批工件一端全部车好后再分别车工件的另一端，对生产率和产品质量均无影响，完全可以由操作者自行决定，在工序的划分上也可以把它当作一道工序。综上所述，我们知道，如果工件在同一工作地点的前后加工，按批不是连续进行的，肯定是两道不同工序；如果按批是连续的而按件不连续，究竟算一道工序还是两道工序，要视具体情况而定。工序是组成工艺过程的基本单元，也是制定生产计划和进行成本核算的基本单元。2．安装在同一工序中，工件的工作位置可能只装夹一次，也可能要装夹几次。所谓安装是指工件经一次装夹后所完成的那一部分工序。如表2－1所示的工序1要进行两次装夹：先夹工件一端，车端面、钻顶尖孔，称为安装；再调头车另一端面，钻顶尖孔，称为安装.工件在加工中，应尽量减少装夹次数，以减少装夹误差和装夹工件所花费时间。3．工位为了减少工件装夹次数，常采用各种回转工作台、回转夹具或移动夹具，使工件在一次装夹中，先后处于几个不同的位置进行加工。工件相对于机床或刀具每占据一个加工位置所完成的那部分工艺过程，称为工位。如表2－2中工序1铣端面、钻顶尖孔，就有两个工位。工件装夹后，先在工位=1\*ROMANI铣端面，然后移动到工位Ⅱ钻顶尖孔，如图2－2所示。4．工步在一道工序中，可能要加工几个不同表面，也可能用几把不同刀具进行加工，还有可能用几种不同切削用量分几次进行加工。为了描述这个过程，工序下面又可细分工步。工步是指加工表面、加工工具和切削用量(不包括背吃刀量)都不变的情况下，所完成的那一部分工序内容。一般情况下，上述三个要素任意改变一个，就认为是不同工步了。但下述两种情况可以作为一种例外。第一种情况，对那些连续进行的若干个相同的工步，可看作一个工步。如图2－3所示零件，连续钻四个15mm的孔，可看作一个工步钻4孔15mm，以简化工艺文件。另一种情况，有时为了提高生产率，用几把不同刀具，同时加工几个不同表面，如图2－4所示，也可看作一个工步，称为复合工步。第七讲工件的装夹与获得加工精度的方法一、工件装夹的概念工件在开始加工前，首先必须使工件在机床上或夹具中占有某一正确的位置，这个过程称为定位。为了使定位好的工件不致于在切削力的作用下发生位移，使其在加工过程始终保持正确的位置，还需将工件压紧夹牢，这个过程称为夹紧。定位和夹紧的整个过程合起来称为装夹。工件的装夹不仅影响加工质量，而且对生产率、加工成本及操作安全都有直接影响。二、工件装夹的方式1．直接找正装夹此法是用百分表、划线盘或目测直接在机床上找正工件位置的装夹方法。2．划线找正装夹此法是先在毛坯上按照零件图划出中心线、对称线和各待加工表面的加工线，然后将工件装上机床，按照划好的线找正工件在机床上的装夹位置。这种装夹方法生产率低，精度低，且对工人技术水平要求高，一般用于单件小批生产中加工复杂而笨重的零件，或毛坯尺寸公差大而无法直接用夹具装夹的场合。3．用夹具装夹夹具是按照被加工工序要求专门设计的，夹具上的定位元件能使工件相对于机床与刀具迅速占有正确位置，不需找正就能保证工件的装夹定位精度，用夹具装夹生产率高，定位精度高，但需要设计、制造专用夹具，广泛用于成批及大量生产。三、获得加工精度的方法机械加工是为了使工件获得一定的尺寸精度、形状精度、位置精度及表面质量要求。机械加工中获得这些精度的主要方法有：1．获得尺寸精度的方法(1)试切法该法是通过试切—测量—调整—再试切，反复进行，直至达到要求的加工尺寸。试切法生产效率低，加工精度取决于工人的技术水平，但有可能获得较高精度，且不需复杂的装置。主要用于单件小批生产。(2)调整法调整法是先按要求的尺寸调整好刀具相对于工件的位置，并在一批零件的加工过程中始终保持这个位置不变，以获得规定的加工尺寸。调整法比试切法加工精度的保持性好，且具有较高的生产率，对操作工人要求不高，但对调整工要求较高，在成批及大量生产中广泛应用。(3)定尺寸刀具法该法是用具有一定尺寸精度的刀具来保证工件的加工尺寸的。如钻头、扩孔钻、铰刀、拉刀、槽铣刀等。这种方法具有较高的生产率，加工精度主要取决于刀具的精度及刀具与工件的位置精度。为了消除刀具与工件位置精度对加工精度的影响，可采用将刀具与机床主轴浮动联接的方法来解决。(4)自动控制法这种方法是将测量装置、进给装置和控制系统组成一个自动加工系统。加工过程中由自动测量装置测量工件的加工尺寸，并与所要求的尺寸进行比较后发出信号，信号通过转换、放大后控制机床或刀具作相应调整，直到达到规定的加工尺寸要求，加工自动停止。早期的自动控制法多采用机械—液压控制系统，近年来，由于数控技术的发展，数控机床得到广泛的应用。在数控机床上，加工尺寸的获得，由预先编好的程序自动控制，使工件获得规定的加工精度更为方便。特别是计算机数字控制(CNC)，更为发展计算机辅助制造(CAM)奠定了基础。2．获得形状精度的方法(1)轨迹法这种加工方法是利用刀尖运动的轨迹来形成被加工表面的形状的。普通的车削、铣削、刨削和磨削等均属于刀尖轨迹法。用这种方法得到的形状精度主要取决于成形运动的精度。(2)成形法成形法是利用成形刀具的几何形状来代替机床的某些成形运动而获得加工表面形状的。如成形车削、铣削、磨削等。成形法所获得的形状精度主要取决于刀刃的形状。(3)展成法利用刀具和工件作展成运动所形成的包络面来得到加工表面的形状，如滚齿、插齿、磨齿、滚花键等均属展成法。这种方法所获得的形状精度主要取决于刀刃的形状精度和展成运动精度等。3．获得位置精度方法机械加工中，被加工表面对其他表面位置精度的获得，主要取决工件的装夹。前述的三种工件装夹方式(直接找正、划线找正、用夹具装夹)，即是三种获得位置精度的方法，这里不再赘述。第八讲工件的定位与定位基准的选择机械加工中，为了保证工件的位置精度和用调整法获得尺寸精度时，工件相对于机床与刀具必须占有一正确位置，即工件必须定位。而工件装夹定位的方式有：直接找正、划线找正和用夹具装夹三种方式，下面我们讨论工件在夹具中的定位问题。工件在夹具中的定位涉及到定位原理、定位误差、夹具上采用的定位元件和工件上选用的定位基准等几方面的问题，有关定位误差的计算和定位元件的选用在夹具设计一章讲授，这里只介绍定位原理和定位基准的选择。一、定位原理1．六点定则工件在夹具中的定位的目的，是要使同一工序中的所有工件，加工时按加工要求在夹具中占有一致的正确位置(不考虑定位误差的影响)。怎样才能各个工件按加工要求在夹具中保持一致的正确位置呢?要弄清楚这个问题，我们先来讨论与定位相反的问题，工件放置在夹具中的位置可能有哪些变化?如果消除了这些可能的位置变化，那么工件也就定了位。任一工件在夹具中未定位前，可以看成空间直角坐标系中的自由物体，它可以沿三个坐标轴平行方向放在任意位置，即具有沿三个坐标轴移动的自由度X，Y，Z；同样，工件沿三个坐标轴转角方向的位置也是可以任意放置的，即具有绕三个坐标轴转动的自由度X，Y，Z。因此，要使工件在夹具中占有一致的正确位置，就必须限制工件的X，Y，Z；X，Y，Z六个自由度。图2-16工件的六个自由度为了限制工件的自由度，在夹具中通常用一个支承点限制工件一个自由度，这样用合理布置的六个支承点限制工件的六个自由度，使工件的位置完全确定，称为“六点定位规则”，简称“六点定则”。例如用……使用六点定则时，六个支承点的分布必须合理，否则不能有效地限制工件的六个自由度。在具体的夹具结构中，所谓定位支承是以定位元件来体现的，如上例中长方体的定位以六个支承钉代替六个支承点(图2-17c)，这种形式的六点定位方案比较明显，下面再介绍其他形式工件的定位方案。2．对定位的两种错误理解我们在研究工件在夹具中的定位时，容易产生两种错误的理解。一种认为：工件在夹具中被夹紧了，也就没有自由度而言，因此，工件也就定了位。这种把定位和夹紧混为一谈，是概念上的错误。我们所说的工件的定位是指所有加工工件在夹紧前要在夹具中按加工要求占有一致的正确位置，(不考虑定位误差的影响)而夹紧是在任何位置均可夹紧，不能保证各个工件在夹具中处于同一位置。如图2-20所示定位方式，由于在x方向上没有定位销，工件在x方向的任一位置均可被夹紧，实际上就是工件沿x方向移动的自由度没有消除，使一批工件在x方向的位置不确定，造成各个工件孔到端面的尺寸不一。另一种错误的理解认为工件定位后，仍具有沿定位支承相反的方向移动的自由度，这种理解显然也是错误的。因为工件的定位是以工件的定位基准面与定位元件相接触为前提条件，如果工件离开了定位元件也就不成为其定位，也就谈不上限制其自由度了。至于工件在外力的作用下，有可能离开定位元件，那是由夹紧来解决的问题。3．工件定位时应限制的自由度与加工要求的关系上述几例中，工件的定位都采用了六个支承点，限制了工件全部六个自由度，使工件在夹具中占有唯一确定的位置，称为完全定位。当工件在x、y、z三个方向都有尺寸精度或位置精度要求时，需采用这种完全定位方式。但是，并不是所有加工