机械加工工艺过程的基本概念.docx
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机械加工工艺过程的基本概念
机械加工工艺过程的基本概念
第一章机械加工工艺过程的基本概念
●学习目标
知识目标
1．能简单叙述船机制造的生产过程和工艺过程；
2．能正确描述船机加工工艺过程的组成部分；
3．能简单叙述生产纲领和生产类型的含义。
能力目标
1．会结合具体的加工实例分析其中的工序、安装、工位、工步及走刀的组成；
2．对不同生产类型的具体内容能选择合适的工艺方法。
第一节生产过程和工艺过程
船舶机器设备或机械产品进行制造时，将原材料转变为成品的全过程称为生产过程。
它包括原材料的运输、保管与准备、产品的技术和生产准备、毛坯制造、零件的机械加工和热处理、部件及产品的装配、检验、调试、油漆包装以及产品销售和售后服务等。
一个产品的生产过程又可分为若于车间的生产过程。
某一车间所用的原材料（或半成品）可能是另一车间的成品，而它的成品又可能是其他车间的原材料（或半成品）。
例如，机械加工车间的毛坯是铸造车间的成品；机械加工车间的成品又是装配车间的半成品。
船舶机器就是通过总装车间进行的部件装配、总装和调整试验才达到规定的性能和可靠性指标的。
比如船舶柴油机的生产过程中，柴油机的活塞、连杆、缸套、轴瓦、油泵油嘴及增压器等重要零部件和设备都是由许多专业厂分工协作完成的。
这样做有利于专业化生产，可以提高产品质量和劳动生产率，并能降低生产成本。
工艺过程是指生产过程中直接改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质，使其成为成品或半成品的过程。
它是生产过程中的主要组成部分，如铸造、锻造、热处理、机械加工和装配作业等工艺过程。
而机械加32／．艺过程是指用机械加工方法改变毛坯的形状、尺寸、相对位置和性质，使其成为零件的全过程，它直接决定零件及产品的质量和性能，对产品的成本、生产周期都有较大影响。
工艺过程不包括工件的运输、包装和贮存、生产准备、机床设备维修等辅助工作。
第二节机械加工工艺过程的组成
机械加工工艺过程按一定顺序由若干个工序组成，所以其基本单元是工序。
每一个工序又是由安装、工步、工位和走刀组成的。
1．工序
工序是指一个或一组工人，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。
如对轴的外圆表面粗车后接着进行精车，则整个粗、精车外圆为一个工序；如果轴的生产批量大，宜先完成这批轴的粗车，然后再进行精车。
由于粗、精车外圆中间有了间断，因此成为两个工序。
划分工序的依据是工作地点是否改变和加工是否连续完成。
2．安装
在一道工序中，工件在加工位置上至少要装夹一次，有时也可能装夹几次，才能完成加工。
安装是工件（或装配单元）经一次装夹后所完成的那一部分工序。
从减少装夹误差及装夹工件花费的工时考虑，应尽量减少装夹次数。
因此在生产中常采用不需要重新装夹工件而又能改变工件在机床上的位置以加工不同表面的分度夹具或机床回转工作台。
3．工步
在一个工序中往往需要采用不同的刀具来加工许多不同的表面。
为了便于分析和描述较复杂的工序，可将工序再划分为若干个工步。
工步是在加工表面、切削刀具和切削用量（仪指主轴转速和进给量）都不变的情况下所完成的那一部分工艺过程。
变化其中的一个就是另一个工步。
一般说来，当加工表面或刀具改变时，即构成一个新的工步。
但对于那些连续进行的若干个相同的工步，习惯上常常称为一个工步，如在摇臂钻床上连续钻箱体上多个相同直径的孔，就是一个工步。
为了提高生产率，生产中常常采用复合刀具或多刀同时加工，这样的工步称为复合工步。
4，工位
当应用转位（或移位）加工的机床（或夹具）进行加工时，在一次装夹中，工件（或刀具）相对于机床要经过几个位置依此进行加工，在每一个工作位置—卜所完成的那一部分工序，称为工位。
图1—1所示为工件在三轴组合钻床上钻、扩、铰孔加工的情况。
工件装夹在回转工作台上，这时工件与回转工作台一起相对于刀具位置改变4次，一个工件便完成了该工序的工作（工位1为工件的装卸工位）。
所以这种情况为4个工位加工。
采用多工位加工可以减少装夹次数，减少装夹误差，提高生产率。
又如，在单轴立式镗床上镗机体的气缸孔时，每镗一个孔，机体与机床工作台一起移动一个气缸轴线距离后的位置就是一个工位。
5．走刀
在一个工步中，如果要切掉的金属层很厚，可分几次切削，每切削一次就称为一次走刀。
下面以图1—2所示的从圆柱毛坯加工成阶梯轴的例子来分析机械加工工艺过程的组成：
若阶梯轴的精度和表面粗糙度要求不高，则加工这根阶梯轴的工艺过程将包含下列加工内容：
①切一端面，②打中心孔，③切另一端面，④打中心孔，⑤车大外圆，⑥大外圆倒角，⑦车小外圆，⑧小外圆倒角，⑨铣键槽，⑩去毛刺。
根据车间加工条件和生产规模的不同，可以采用不同的方案来完成这个工件的加工。
单件小批生产的工艺过程：
第二章机械加工工艺规程的制订
●学习目标
知识H标
1．能正确叙述机械加工工艺规程的内容和作用；
2．熟知机械加上工艺规程的制订步骤；
3．能简单叙述提高劳动生产率的措施。
能力目标
1．会对零件进行正确的工艺分析；
2．会为零件的加工选择适当的定位基准；
3．会为各表面的加工选择合适的加工方法和划分合理的加工阶段；
4．会进行加工余量和工序尺寸的计算；
5．会结合具体的零件图要求，制订出较合理的机械加工工艺规程的主要内容。
第一节机械加工工艺规程的概念
如前所述，在机械制造企业中，采用各种机械加工方法将毛坯加工成零件，再将这些零件装配成机器。
为了使上述工艺过程满足“优质、高产、低消耗”的要求，首先必须制订零件的机械加工工艺规程和机器的装配工艺规程，然后按照所制订的工艺规程来进行机械加工和装配。
在许多情况下，一个零件或产品的工艺过程并不是唯一的，但在一定的生产条件下，总是存在着一个（或几个）相对最佳的合理方案。
通常将比较合理的工艺过程确定下来，写成工艺文件，作为组织生产和进行技术准备的依据。
这种规定产品或零部件制造和装配工艺过程及操作方法的工艺文件称为工艺规程。
一、机械加工工艺规程的作用
1．机械加工工艺规程是生产准备工作的主要依据
根据它来组织原材料和毛坯的供应，进行机床调整、专用工装设备（如专用夹具、刀具和量具）的设计与制造，编制生产作业计划，调配劳动力，以及进行生产成本核算等。
2．机械加工工艺规程是组织生产、进行计划调度的依据
可用来制定生产产品的进度计划和相应的调度计划，并能做到各工序科学衔接，使生产均衡，实现优质高产低消耗。
3．机械加工工艺规程是新建工厂或车间的基本技术史件
根据它和生产纲领，能确定所需机床的种类和数量，工厂或车间面积，机床的平面布置，工人的工种、等级和数量等。
二、机械加工工艺规程的内容和种类
1．机械加工工艺规程的内容
工件的加工工艺路线和所经过的车间与工段；各工序的内容和所采用的机床与工艺装备（包括刀具、夹具、量具、检具、辅具、钳工工具等）；工序尺寸和公差；检验项目；切削用量；时间定额和工人技术等级等。
2．机械加工工艺规程的种类
机械加工工艺过程卡片和机械加工工序卡片是两个主要的工艺文件。
对于检验工序还有检验要序卡片；自动、半自动机床完成的工序还有机床调整卡片。
机械加工工艺过程卡是说明零件加工丁艺过程的工艺文件。
由于各工序内容规定得不够具体，因此不能直接指导工人操作，只能作为生产管理用的技术文件。
但在单件小批生产中，因不编制其他文件，所以过程卡可编制得较详细，以用于指导生产。
机械加工工序卡是为每个工序详细制定的，用于直接指导工人进行生产，多用于大批量生产的零件和成批生产中的重要零件。
检验工序卡片只对关键零什或精度较高的零件才使用。
三、制订机械加工工艺规程的步骤
在一定的生产条件下，以最少的劳动消耗和最低的费用，按计划加工出符合要求的零件，是制订机械加工工艺规程的原则。
具体来说就是保证产品质量，获得较高的生产率和最好的经济效益，并使工人有良好而安全的劳动条件，做到技术上先进和经济上合理。
一般按下述步骤制定工艺规程：
1．确定生产类型和生产组织形式
根据零件的生产纲领确定生产类型，再按照生产类型确定具体生产组织形式。
在制订工艺规程之前，必须首先确定生产组织形式。
例如，在大批大量生产的单一流水线中，应采用高效率的加工方法和机床，广泛应用专用工艺装备。
同时还要严格平衡各工序的时间，使之按节拍生产。
而在单件小批量生产中，应广泛采用万能机床和通用工艺装备，不需平衡各工序的时间，但应考虑机床的负荷率。
2．分析被加工零件的工艺性
包括审查零件的结构工艺性和分析零件的各项技术要求，并结合车间生产条件和加工类似零件的情况及经验提出必要的修改意见。
3．选择毛坯的种类和制造方法
这里应全面考虑毛坯的制造成本和机械加工成本，以达到降低零件总成本的目的。
在条件可能的情况下，应尽可能选择高精度的毛坯，以节约原材料和减少机械加工的劳动量。
在有条件时，最好委托专业厂家提供毛坯。
同时注意新工艺、新材料、新技术的应用。
4，工艺路线的拟订
它包括确定装夹方式；选择定位基准；确定各表面的加工方法和划分加工阶段；合理安排各表面加工顺序；决定工序集中或分散的程度。
第三章机械加工精度
●学习目标
知识目标
1．能正确阐述加工精度的基本概念；
2．能简单叙述获得加工精度的方法；
3．熟知影响加上精度的主要因素有哪几个方面。
能力目标
1．会根据实际加工案例，分析出造成加工误差的主要原因；
2．会根据造成加工误差的原因，采取相应的工艺措施来减少误差，提高加工精度。
第一节加工精度的基本概念
对零件制造的基本要求就是要做到多、快、好、省。
其中“好”的含义包括不断提高零件的质量，提高其使用效能与使用寿命，最大限度地消灭废品，降低次品率，提高零件的合格率。
因为零件的质量直接影响着机器的性能、寿命、效率、可靠性等指标，是保证机器质量的基础，而零件的制造质量，是依靠其毛坯的制造方法、机械加工、热处理以及表面处理等工艺来保证的。
因此，在零件制造的各个环节都要始终把保证质量放在首位。
衡量零件的加丁质量的指标有两大类：
一是机械加工精度，二是机械加工表面质量。
一、加工精度和加工误差
加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和位置）与图纸规定的理想几何参数符合的程度。
这种相符合的程度越高，加工精度也越高。
所谓理想几何参数，对于尺寸而言，就是零件的公差带中心；对于表面形状而言，就是绝对准确的圆柱面、平面、圆锥面等；对表面位置而言，就是绝对的平行、垂直、同轴和一定的角度等。
在加工中，由于各种因素的影响，实际上不可能将零件的每一个几何参数加工得与理想几何参数完全相符，总会产生一些偏离。
这种偏离，就是加工误差。
实际上，从多快好省的全面观点出发，也没有必要将零件的尺寸、形状和位置加工得绝对精确。
因此，只要能保证零件在机器中的功能，则加工时允许零件的几何参数存在一定的加工误差。
只要零件的加上误差不超出零件图上按零件的设计要求所规定的公差，就可以说保证了零件的加工精度要求。
由此可见，“加工精度”和“加工误差”这两个概念是从两个侧面来评定零件几何参数这个同一事物的。
加工精度的低和高是通过加工误差的大和小来表示的。
所以，保证和提高加工精度的问题，实际上就是限制和减小加工误差的问题。
二、获得加工精度的方法
加工精度可以分为尺寸精度、形状精度和位置精度。
因此，加工精度的高、低是以尺寸公差、形状公差和位置公差来衡量的。
1．获得零件尺寸精度的方法
（1）试切法。
这种方法就是通过试切、测量、调整、再试切，反复进行直到被加工尺寸达到要求为止。
例如，在车床亡车削外圆时，首先在工件端部试切一小段，然后停车、退刀，用外卡钳或游标卡尺测量其直径，再调整切削深度，之后再切削。
经多次试切，直到尺寸达到要求时再车出整个表面来。
这种方法能达到较高的加工精度，但它的效率低，对操作者的技术水平要求高，主要适用于单件小批生产。
（2）调整法。
这种方法是先调整好刀具和工件在机床上的相对位置，并在——批零件的加工过程中保持这个位置不变，以此保证被加工尺寸的精度。
工件的加工精度很大程度上取决于调整精度，调整好之后，能自动保证加工精度，大大缩短了加工所需的辅助时间，因此生产率高。
这种方法广泛用于各类半白动、自动机床和自动线卜，适用于成批、大量生产。
（3）定尺寸刀具法。
这种方法是用刀具的相应尺寸和形状来保证被加工部位的尺寸和形状。
例如，钻孔、铰孔、拉孔、镗孔、攻螺纹和铣槽等。
这种方法的加工精度主要由刀具本身的精度来保证。
由于可以提高刀具制造精度，因此用尺寸刀具加工能达到相当高的加工精度，同时又避免了试切过程，生产率较高。
其主要缺点是刀具的制造复杂和耗费较大，使用的尺寸范围受到一定的限制。
此法适用于各种生产规模中的孔、螺纹和成形表面的加工。
（4）自动控制法。
这种方法是用度量装置、进给机构和控制系统构成加工过程的自动循环，即自动完成加工巾的切削、度量、补偿调整等一系列工作，当工件达到要求的尺寸时，机床自动退刀停止加工。
此法适用于成批和大量生产。
图3—1示出在内圆磨床上用自动控制法磨孔的示意图。
砂轮座带动砂轮，每往复走刀一次，塞规5借弹簧6之力测量孔一次。
孔的尺寸若不到位，塞规插不进孔内，这时没有信号发出，机床则继续工作。
待孔的尺寸磨到公差范围以内时，塞规5插入孔内，这时触杆1向右运动，推动信号开关，发出改变磨削用量的信号，机床进入精磨过程。
当塞规4也能插入孔内时，
第四章机械加工表面质量
●学习目标
知识目标
1．能正确叙述机械加工表面质量的含义；
2．能简单解释表面质量对零件使用性能的影响；
3，能正确说明影响表面质量的工艺因素有哪些。
能力目标
1．会采取相应的措施来控制影响表面质量的工艺因素；
2．会针对零件的不同使用要求采用相应的加工方法来提高零件的表面质量；
3．会简单分析加工中振动的原因和掌握几种减振的方法。
反映船机零件的机械加工质量，除了加工精度之外，表面质量也是极其重要的一个方面。
研究表面质量的目的，在于了解表面质量对零件使用性能的影响，了解机械加工过程中各工艺因素对零件加工表面质量的影响，从而利用这些规律，控制加工过程中的各个工艺因素，以获得要求的表面质量，提高零件的使用寿命。
第一节表面质量对零件使用性能的影响
一、表面质量的基本概念
机器零件的损坏如磨损、疲劳断裂等多数都是从零件表面开始的，机器的工作性能，尤其是它的可靠性及寿命，在很大程度上取决于主要零件的表面质量。
工件在机械加工后的表面质量包括以下内容：
1．加工表面的几何形状特征
（1）表面粗糙度。
表面粗糙度是表面的微观几何形状误差，其大小以表面轮廓算术平均偏差Ra、微观不平度十点高度Rz和轮廓最大高度及，来评定。
（2）表面波度。
表面波度是介于宏观形状误差与微观形状误差之间的带周期性的几何形状误差，其大小以波长λ和波高Hb来评定，主要是由加工过程中工艺系统的振动所引起。
2．加工表面层的物理机械性能的变化
（1）加工表面层因塑性变形产生的冷硬层；
（2）加工表面层因切削热引起的金相组织变化；
（3）加工表面层因应力或热的作用而产生的残余应力，
二、表面质量对零件使用性能的影响
1．表面质量对耐磨性的影响
（1）表面粗糙度对零件耐磨性的影响。
经机械加工后的零件表面都具有一定的粗糙度。
当摩擦副两表面接触时，最初接触的只是一些凸峰的顶部，如图4-1中9）所示，因此实际接触面积只占理论接触面积的—小部分。
由于接触面积小，单位面积上的实际压力大。
当压力超过材料的屈服极限时，凸峰部分产生塑性变形。
当两接触表面作相对运动时就会发生剪切变形，凸峰部分折断或塑性移动，出现初期急剧磨损阶段，如图中b）所示的曲线AB段。
此阶段结束后，零件表面的粗糙度将减小65％～70％，此时接触面积增大，单位面积上的压力降低，摩擦副进入正常磨损阶段，如曲线BC部分。
由实践和实验得知，在一定的摩擦条件下，表面粗糙度有一个最佳数值，如图4—2所示。
粗糙度过大，磨损会加剧。
反之，如果表面粗糙度小于最佳数值，由于两光滑表面间润滑油被挤出，油膜遭到破坏，分子亲和力也增加，结果磨损反而显著增加。
（2）表面冷硬层对耐磨性的影响。
零件表面的冷硬层可以提高零件表面的硬度和刚度，减小摩擦表面的塑性变形和金属的粘：
结现象，从而能显著提高零件的耐磨性。
但硬度过大，会使金属变脆，表层金属易剥落，磨损反而增大。
2．表面质量对零件工作精度的影响
表面粗糙度小的表面，摩擦系数小，使动配合表面运动的灵活性提高，工作表面的接触刚度也高，故可提高零件的工作精度，减少发热和功率损失。
加工表面层的残余应力，会使零件在使用中继续变形，失去原有的精度，甚至导致表面出现细微裂纹。
因此，已加工表面存在过大的残余应力，会使零件的工作精度下降。
3．表面质量对疲劳强度的影响
（1）表面粗糙度对疲劳强度的影响。
表面粗糙度大的表面，微观不平的凹谷处会造成应力集中，在交变载荷的作用下会产生疲劳裂纹而加速零件的疲劳破坏，如图4—3所示。
零件上易产生应力集中的沟槽、倒角、圆角等形状突变处的表面粗糙度对疲劳强度的影响更大。
因此，承受交变载荷的零件如连杆、曲轴，即使是非工作表面，通常也要求很小的表面粗糙度。
第五章先进制造技术
●学习目标
知识目标
1．能简单叙述CAD／CAM、CAPP、FMS、CIMS、GT的概念；
2．能正确描述CAD／CAM、CAPP、FMS、CIMS、GT的内容组成；
3．能简单叙述CAD／CAM、CAPP、FMS、CIMS、GT的功能。
能力目标
1．会结合具体的先进制造技术实例分析设计、制造的工作过程；
2．会利用先进制造技术制订产品生产的工艺规程。
第一节计算机辅助设计和制造系统（CAD／CAM）
一、CAD／CAM的基本概念
计算机辅助设计和计算机辅助制造，即CAD／CAM（ComputerAidedDesignandComputerAidedManufacturing）是一项利用计算机帮助人们完成设计与制造任务的新技术。
其中，计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）是在计算机硬件与软件的支持下，通过对产品的描述、造型、系统分析、优化、仿真和图形处理的研究，使设计人员完成产品的全部设计过程，最后输出满意的设计结果和产品图形，并达到提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品成本的目的。
CAD系统的功能一般包括：
草图设计、零件设计、装配设计、复杂曲面设计、工程图样绘制、工程分析、真实感及渲染、数据交换接口等。
而计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM）可分为狭义CAM和广义CAM。
狭义CAM仅包括计算机辅助编制数控加工程序。
广义的CAM指利用计算机辅助完成从生产准备到产品制造整个过程的活动，其具体内容有：
编制制造工艺规程和数控加工程序；工夹量具设计；控制数控机床、机器人等生产设备；安排生产计划和进度；进行车间生产控制和质量控制等。
当前，科技发展水平已能做到借助于计算机来辅助企业生产的全过程。
其中首先包括产品的设计，并将有关产品信息存放于数据库中。
产品信息是制造产品的重要依据，可以用来制定工艺规程和生产作业的计划。
按照制定的生产作业计划来组织各项制造活动，包括及时进行备料和物料的采购，及时向机床提供毛坯和所需的工夹量具。
与此同时，编制零件加工用的数控程序，并将之传输给加工机床。
在加工和装配过程中，检测加工、装配和物料搬运中的有关数据，并反馈给计算机系统，以便进行监控和工艺过程的自动校正。
这一过程就是CAD／CAM集成系统。
二、CAD／CAM的主要内容
1．计算机辅助设计（CAD）的主要内容
（1）曲面造型。
根据给定的离散数据和工程问题的边界条件，来定义、生成、控制和处理过渡曲面与非矩形曲面的拼合问题，提供汽车、飞机、船舶等产品的设计和制造，以及某些用自由曲面构造产品几何模型所需要的曲面造型（surfacemodeling）技术。
（2）实体造型。
研究定义和生成各类实体的方法，并且能提供机械产品总体、部件、零件以及用规则几何形体构造产品几何模型所需要的实体造型（solidmodeling）技术。
（3）物体质量特性计算。
根据产品几何模型计算相应物体的体积、表面积、质量、密度、重心、轴的转动惯量以及网转半径等几何特性，以便为系统对产品进行工程分析和数值计算提供必要的基本参数和数据。
（4）二维和三维图形的转换。
（5）三维几何模型的显示处理。
研究和解决动态显示图形、消除隐藏线（面）问题、彩色浓淡处理等问题，以便使设计师通过视觉盲接观察、构思、分析和检验产品的模型，解决三维几何模型设计的复杂空间布局问题。
2．计算机辅助制造（CAM）的主要内容
（1）数控加工技术。
CAM系统应具有三、四、五坐标数控机床加工产品零件的能力，并能在图形显示终端L识别、校核刀具轨迹和刀具干涉，以及对加工过程的状态进行仿真。
（2）机器人技术。
采用人机交互方式对机器人的动作编程并进行仿真，以检查机器人的动作是否正确，从而实现机器人的在线控制。
三、产品生产过程与CAD／CAM系统结构
1．产品生产过程
产品是市场竞争的核心。
对于产品有不同的定义和理解。
从生产的观点来看，产品是从需求分析开始，经过设计过程、制造过程最后变成可供用户使用的成品，这一总过程也称为产品生产过程。
产品生产过程具体包括产品设计、工艺设计、加工、装配过程。
每一过程又划分为若干个阶段，如图5-1所示。
在上述各过程、阶段内，计算机获得不同程度的应用，并形成了相应的CAD／CAPP（计算机辅助工艺编程）／CAM过程。
从产品生命阶段整体考虑，产品的生命周期可分为产品研究、
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