综合件零件加工优化方案

时间：2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：进行综合件的工艺分析、编程与加工，并进行零件尺寸的自检。工件经一次装夹后所完成的那一部分工序称为安装。工件的机械加工工艺路线中要经过切削加工、热处理和辅助工序。其任务是保证各主要表面达到规定的精度和表面质量。工件加工划分阶段后，粗加工因加工余量大、切削力大等因素造成的加工误差，可通过半精加工和精加工逐步得到纠正，保证加工质量。

综合件零件加工优化方案

【任务描述】

进行综合件的工艺分析、编程与加工，并进行零件尺寸的自检。

【任务目标】

知识目标：正确识读零件图样；掌握综合件的加工工艺分析方法；掌握制订一般轴类、盘类零件加工方案的方法；正确填写数控加工刀具卡、工序卡等工艺卡片；熟练运用编程指令进行编程。

技能目标：熟练并正确编制轴类和盘类零件的数控加工程序，掌握综合件的加工方法。

情感目标：严格遵守安全文明操作规程，树立安全意识，提高职业素养。

活动一轴类零件加工

在规定时间内完成图5-40所示零件的工艺分析、编程与加工，并进行零件尺寸自检。

图5-40 轴类零件

【相关知识】

1.机械加工工艺

（1）基本概念

1）生产过程。生产过程是指将原材料转变为成品的全过程。

2）工艺过程。凡是改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等，使其成为成品或半成品的过程都称为工艺过程。

机械加工工艺过程的组成：工序、安装、工位、工步和走刀。

3）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，称为工序。划分工序的主要依据是工作地是否变动和工作是否连续。

4）安装。工件经一次装夹后所完成的那一部分工序称为安装。在一道工序中，工件可能被装夹一次或多次，才能完成加工。

5）工位。为了完成一定的工序，一次装夹工件后，工件与夹具或设备的可动部分一起相对刀具或设备的固定部分所占据的每一个位置，称为工位。

6）工步。在加工表面和加工工具不变的情况下，所连续完成的那一部分工序内容称为工步。划分工步的依据是加工表面和工具是否变化。

7）走刀。在一个工步内，若被加工表面需切去的金属层很厚，就可分几次切削，每切削一次为一次走刀。

8）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。计划期常定为一年，所以生产纲领常称为年产量。零件的生产纲领要计入备品和废品的数量。

9）生产类型及其工艺特征。生产类型是指企业（或车间、工段、班组、工作地）生产专业化程度的分类，一般分为大量生产、成批生产和单件生产三种类型。生产类型的划分主要根据生产纲领确定，同时还与产品的大小和结构复杂程度有关。

（2）划分工序

1）工序划分的原则。根据工序数目（或工序内容的多少），工序的划分有下列两种不同的原则。

①工序集中原则。工序集中就是将工件的加工集中在少数几道工序内完成，每道工序的加工内容较多。工序集中有利于采用数控机床和高效专用设备及工装。

②工序分散原则。工序分散就是将工件的加工分散在较多的工序内进行，每道工序的加工内容很少。工序分散使用的设备及工艺装备比较简单，调整和维修方便。

2）数控加工工序划分的方法。数控加工工序划分的方法有刀具集中分序法，粗、精加工分序法和按加工部位分序法。

3）工序顺序的安排。工件的机械加工工艺路线中要经过切削加工、热处理和辅助工序。因此，在拟定工艺路线时，要合理全面安排好切削加工、热处理和辅助工序的顺序。

工序顺序的安排原则如下：

①基准先行。选为精基准的表面，应先进行加工，以便为后续工序提供可靠的精基准。

②先粗后精。各表面均应按照粗加工—半精加工—精加工—光整加工的顺序依次进行，以便逐步提高加工精度和降低表面粗糙度值。

③先主后次。先加工主要表面（如定位基面、装配面和工作面），后加工次要表面（如自由表面、键槽和螺孔等）。次要表面常穿插进行，一般安排在主要表面达到一定精度之后、最终精加工之前进行。

④先面后孔。对于箱体、支架、连杆和机体类工件，一般应先加工平面后加工孔。这是因为先加工好平面后，就能以平面定位加工孔，定位稳定可靠，保证平面和孔的位置精度。

4）热处理工序的安排。为提高材料的力学性能，改善金属可加工性以及消除残余应力，在工艺过程中应适当安排一些热处理工序。其安排原则如下：

①预备热处理。其目的是改善工件的可加工性，消除内应力，改善金相组织，为最终热处理做准备，如正火、退火和调质等。预备热处理一般安排在粗加工前，但调质处理常安排在粗加工后进行。

②消除残余应力处理。其目的是消除毛坯制造和切削加工过程中产生的残余应力，如时效处理和退火处理。

③最终热处理。最终热处理的目的是提高零件的力学性能，如强度、硬度和耐磨性，包括调质、淬火—回火以及各种表面热处理（渗碳淬火、氰化和氮化）。最终热处理一般安排在精加工前。

5）辅助工序的安排。辅助工序包括检验、去毛刺、倒棱、清洗、防锈、去磁和平衡等。

（3）划分加工阶段

1）各加工阶段的主要任务。

①粗加工阶段。其任务是切除毛坯大部分余量，使毛坯接近成品的形状和尺寸。

②半精加工阶段。其任务是留下精加工余量后使主要表面达到一定的精度，为精加工（如精车、精磨）做好准备，并完成一些次要表面的加工，如扩孔、攻螺纹和铣键槽等。

③精加工阶段。其任务是保证各主要表面达到规定的精度和表面质量。

④光整加工阶段。对零件精度和表面质量要求很高（IT6级以上、Ra0.2μm以下）的表面，需进行光整加工。其主要目的是获得很高的尺寸精度、降低表面粗糙度值或使其表面得到强化，一般不用来提高位置精度。

2）划分加工阶段的原因。

①保证加工质量。工件加工划分阶段后，粗加工因加工余量大、切削力大等因素造成的加工误差，可通过半精加工和精加工逐步得到纠正，保证加工质量。

②有利于合理使用设备。粗加工要求使用功率大、刚性好、生产率高的设备，可用精度不高的普通机床来完成；精加工则要求在精度高的设备或数控机床上完成。可见，划分加工阶段后，就可充分发挥粗、精加工设备的特点，避免以精干粗，做到合理使用设备。

③便于安排热处理工序。如粗加工后一般要安排时效处理，以消除残余应力；精加工前要安排淬火等最终热处理，引起的变形又可在精加工中消除，使冷热工序配合得更好。

④便于及时发现毛坯缺陷。毛坯的各种缺陷，如气孔、砂眼和加工余量不足等，在粗加工后即可发现，便于及时修补或报废，以免继续加工后造成工时和费用的浪费。

⑤精加工和光整加工安排在后，可保护精加工和光整加工过的表面少受磕碰，以免损坏。

2.基准

（1）基准的概念和分类零件是由若干表面组成的，各表面之间都有一定的尺寸和相互位置要求。用以确定零件上点、线、面间的相互位置关系所依据的点、线、面称为基准。按其作用不同，基准可分为设计基准和工艺基准两大类。

1）设计基准。设计图样上所采用的基准称为设计基准。

2）工艺基准。在工艺中采用的基准称为工艺基准。工艺基准按用途不同，又分为定位基准、工序基准、测量基准和装配基准。

（2）定位基准的选择选择工件的定位基准，实际上就是确定工件的定位基面。根据选定的基面是否已加工，又将定位基准分为粗基准和精基准。在起始工序中，只能选择未经加工的毛坯表面作为定位基准，这种基准称为粗基准。用加工过的表面作为定位基准，则称为精基准。

1）精基准的选择原则。

①基准重合原则。直接选择加工表面的设计基准为定位基准，称为基准重合原则。采用基准重合原则可以避免由定位基准与设计基准不重合而引起的定位误差（基准不重合误差Δ_B）。

②基准统一原则。同一零件的多道工序尽可能选择同一个定位基准，称为基准统一原则。这样既可保证各加工表面间的相互位置精度，避免或减少因基准转换而引起的误差，又简化了夹具的设计与制造工作，降低了成本，缩短了生产准备周期。

③自为基准原则。精加工或光整加工工序要求余量小而均匀，选择加工表面本身作为定位基准，称为自为基准原则。

④互为基准原则。为使各加工表面之间具有较高的位置精度，或使加工表面具有均匀的加工余量，可采取两个加工表面互为基准反复加工的方法，称为互为基准原则。

⑤便于装夹原则。所选精基准应能保证工件定位准确稳定，装夹方便可靠，夹具结构简单适用，操作方便灵活。同时，定位基准应有足够大的接触面积，以承受较大的切削力。

2）粗基准的选择原则。粗基准选择的要求应能保证加工面与不加工面之间的位置要求和合理分配各加工面的余量，同时要为后续工序提供精基准，具体可按下列原则选择。

①非加工表面原则。为了保证加工面与不加工面之间的位置要求，应选不加工面作为粗基准。

②加工余量最小原则。以余量最小的表面作为粗基准，以保证各加工表面有足够的加工余量。

③重要表面原则。为保证重要表面的加工余量均匀，应选择重要加工面作为粗基准。

④不重复使用原则。粗基准未经加工，表面比较粗糙且精度低，二次安装时，其在机床上（或夹具中）的实际位置可能与第一次安装时不一样，从而产生定位误差，导致相应加工表面出现较大的位置误差，故不重复使用。

⑤便于工件装夹原则。作为粗基准的表面，应尽量平整光滑，没有飞边、冒口、浇口或其他缺陷，以便使工件定位准确、夹紧可靠。

3）辅助基准的选择。辅助基准是为了便于装夹或易于实现基准统一而人为制成的一种定位基准，如轴类零件加工所用的两个中心孔，它不是零件的工作表面，只是出于工艺上的需要才做出的。为安装方便，毛坯上专门铸出工艺凸台，也是典型的辅助基准，加工完毕后应将其从零件上切除。

【引导操作】

1.工作准备

（1）机床准备选用FANUC0iMateC系统数控车床（前置式刀架），并保存有相关零件图样的加工程序。

（2）毛坯准备选用ϕ50mm×100mm（孔ϕ20mm×27mm）45钢料毛坯。

（3）夹具准备选用数控车床常用夹具——自定心卡盘进行装夹。

（4）工、量、刃具准备

1）0～150mm游标卡尺一把，用于测量外圆、内孔和长度尺寸。

2）25～50mm外径千分尺一把，用于测量25～50mm外圆直径尺寸。

3）0～25mm内径千分尺一把，用于测量0～25mm内孔直径尺寸。

4）93°外圆车刀一把，刀尖圆弧半径R0.8mm。

5）ϕ16mm内孔车刀一把，刀尖圆弧半径R0.4mm。

2.加工程序的修改

1）右端外圆加工程序见表5-16。

表5-16 右端外圆加工程序

2）左端外圆加工程序见表5-17。

表5-17 左端外圆加工程序

3）左端内孔加工程序见表5-18。

表5-18 左端内孔加工程序

（续）

3.工艺分析及加工

考虑零件安装的问题，先加工左端外圆和内孔，并调头控制总长后，再加工右端外圆。

（1）左端轮廓加工夹住工件毛坯，伸出长度大于45mm（注：夹住没有孔的一端），调用程序O2112进行左端外圆的加工，再调用程序O2113进行左端内孔的加工，并保证如图5-41所示的尺寸要求。

图5-41 左端轮廓加工的尺寸要求

（2）控制总长调头夹住ϕ36mm外圆，加工工件右端面并控制总长，尺寸如图5-42所示。

（3）右端轮廓加工调用O2111程序进行右端外圆的加工，并保证如图5-43所示的尺寸要求。

图5-42 控制总长尺寸

图5-43 右端外圆加工的尺寸要求

【应用训练】

1.在规定时间内完成图5-44所示工件的工艺分析、编程与加工，并进行零件尺寸的自检。

图5-44 应用训练（七）

2.在规定时间内完成图5-45所示工件的工艺分析、编程与加工，并进行零件尺寸的自检。

3.在规定时间内完成图5-46所示工件的工艺分析、编程与加工，并进行零件尺寸的自检。

图5-45 应用训练（八）

图5-46 应用训练（九）

活动二盘类零件加工

在规定时间内完成图5-47所示零件的工艺分析、编程与加工，并进行零件尺寸的自检。

图5-47 盘类零件

【相关知识】

1.数控车削加工工艺的制订

（1）零件图样分析分析零件图是制订数控车削工艺的首要工作，主要包括以下内容。

1）尺寸标注应适应数控车床加工的特点。零件图上的尺寸应以同一基准标注或直接给出坐标尺寸，这种标注方法既便于编程，又有利于设计基准、工艺基准、测量基准和编程原点的统一。

2）轮廓几何要素应完整、准确。在手工编程时，要计算每个节点的坐标；在自动编程时，要对构成零件轮廓的所有几何元素进行定义。因此，在分析零件图时，要分析几何元素的给定条件是否充分。

3）正确分析精度及技术要求。对被加工零件的精度及技术要求进行分析，是零件工艺性分析的重要内容，分析的主要内容如下：

①分析精度及各项技术要求是否齐全、合理。

②分析本工序的数控车削加工精度能否达到图样要求。若达不到，需采取其他措施（如磨削）弥补时，则应给后续工序留有余量。

③找出图样上有位置精度要求的表面，这些表面应在一次安装下完成加工。

对表面质量要求较高的表面，应确定用恒线切削速度。

4）结构工艺的合理性分析。零件的结构工艺性是指零件对加工方法的适应性，即所设计的零件结构应便于加工成形。在数控车床上加工零件时，应根据数控车削的特点，认真分析零件结构的合理性。

（2）工序的划分

1）按安装次数划分。对于加工内容较少的零件，加工完后就能达到待检状态，可以一次安装、加工作为一道工序。

2）按刀具划分。有些零件虽然能在一次安装中加工出很多待加工表面，但考虑到程序太长，会受到某些限制，如控制系统的限制（主要是内存容量）和机床连续工作时间的限制（如一道工序在一个工作班内不能结束）等，可以同一把刀具加工的内容划分工序。

3）按加工部位划分。对于加工内容很多的工件，可按其结构特点将加工部位分成几个部分，如内腔、外形、曲面或平面，并将每一部分的加工作为一道工序。(www.xing528.com)

4）按粗、精加工划分。对于经加工后易发生变形的工件，由于需要对粗加工后可能发生的变形进行校形，故一般来说，凡要进行粗、精加工的过程，都要将工序分开。

（3）工序顺序的安排

1）基面先行。先加工定位基准面，以减少后面工序的装夹误差。如轴类零件，先加工中心孔，再以中心孔为精基准加工外圆表面和端面。

2）先粗后精。先对各表面进行粗加工，然后再进行半精加工和精加工，逐步提高加工精度。

3）先近后远。离对刀点近的部位先加工，离对刀点远的部位后加工，以便缩短刀具移动距离，减少空行程时间，同时有利于保持工件的刚性，改善切削条件。

4）内外交叉。先进行内、外表面的粗加工，后进行内、外表面的精加工。不能加工完内（或外）表面后，再加工外（或内）表面。

（4）进给路线的确定进给路线是刀具在加工过程中相对于工件的运动轨迹，也称走刀路线。进给路线既包括切削加工的路线，又包括刀具切入、切出的空行程，不但包括了工步的内容，也反映出了工步的顺序，是编写程序的依据之一。因此，以图形的方式表示进给路线图，可为编程带来很大方便。

1）粗加工进给路线的确定。

①矩形循环进给路线。利用数控系统的矩形循环功能，确定矩形循环进给路线。这种进给路线刀具切削时间最短，刀具损耗最小，为常用的粗加工时的进给路线。

②三角形循环进给路线。利用数控系统的三角形循环功能，确定三角形循环进给路线。

③沿工件轮廓循环进给路线。利用数控系统的复合循环功能，确定沿工件轮廓循环的进给路线。这种进给路线的刀具切削总行程最长，一般只适用于单件小批量生产。

④阶梯切削路线。当零件毛坯的切削余量较大时，可采用阶梯切削进给路线。

2）精加工进给路线的确定。

①各部位精度要求一致的进给路线。在多刀进行精加工时，最后一刀要连续加工，并且要合理确定进、退刀位置，尽量不要在光滑连接的轮廓上安排切入和切出或换刀及停顿，以免因切削力变化造成弹性变形，产生表面划伤、形状突变或滞留刀痕等缺陷。

②各部位精度要求不一致的进给路线。当各部位精度要求相差不大时，要以精度高的部位为准，连续加工所有部位；当各部位精度要求相差很大时，可将精度相近的部位安排在同一进给路线上，并且先加工精度低的部位，再加工精度高的部位。

③切入、切出及接刀点位置的选择。这些点应选在工件上有退刀槽或表面间有拐点和转角的位置，不应选在曲线相切或光滑连接的部位。

（5）切削用量的选择切削用量的选择原则是：粗车时，首先考虑选择尽可能大的背吃刀量a_p，其次选择较大的进给速度F，最后确定一个合适的切削速度v_c。增大背吃刀量a_p可使走刀次数减少，增大进给速度F有利于断屑。精车时，加工精度和表面质量要求较高，加工余量不大且较均匀，选择切削用量时应着重考虑如何保证加工质量，并在此基础上尽量提高生产率。因此，精车时应选用较小（但不能太小）的背吃刀量a_p和进给速度F，并选用性能高的刀具材料和合理的几何参数，以尽可能提高切削速度v_c。

（6）数控车削工艺文件主要包括以下几种。

1）数控编程任务书。

2）数控加工工序卡。

3）数控加工刀具卡。

2.轴类零件的加工工艺

（1）数控车削外圆柱面的加工方案根据毛坯的制造精度和工件的加工要求，外圆柱面车削一般可分为粗车、半精车、精车和精细车。

粗车的目的是切去毛坯硬皮和大部分余量，加工后工件尺寸精度达IT11～IT13级，表面粗糙度值为Ra12.5～50μm。

半精车的尺寸精度可达IT8～IT10级，表面粗糙度值为Ra3.2～6.3μm。半精车可作为中等精度表面的终加工，也可作为磨削或精加工的预加工。

精车后的尺寸精度可达IT7～IT8级，表面粗糙度值为Ra0.8～1.6μm。

精细车后的尺寸精度可达IT6～IT7级，表面粗糙度值为Ra0.025～0.4μm。精细车尤其适合于有色金属的加工。有色金属一般不宜采用磨削，所以常用精细车代替磨削。

因此，加工轴类零件可选择以下加工方案。

1）加工精度为IT8～IT10级、表面粗糙度值Ra3.2～6.3μm的除淬火钢以外的常用金属，可采用普通型数控车床，按粗车、半精车方案加工。

2）加工精度为IT7～IT8级、表面粗糙度值Ra0.8～1.6μm的除淬火钢以外的常用金属，可采用普通型数控车床，按粗车、半精车、精车的方案加工。

3）加工精度为IT6～IT7级、表面粗糙度值Ra0.025～0.4μm的除淬火钢以外的常用金属，可采用精密型数控车床，按粗车、半精车、精车、精细车的方案加工。

4）加工精度高于IT5级、表面粗糙度值Ra＜0.08μm的除淬火钢以外的常用金属，可采用高档精密型数控车床，按粗车、半精车、精车、精细车的方案加工。

5）对淬火钢等难车削材料，其淬火前可采用粗车、半精车的方法，淬火后安排磨削加工；对最终工序有必要用数控车削方法加工的难切削材料，可参考有关难加工材料的数控车削方法进行加工。

（2）轴类工件的加工方法

1）车短小的工件时，一般先车某一端面，以便于确定长度方向的尺寸；车铸锻件时，最好先适当倒角后再车削，以免刀尖轻易碰到型砂和硬皮而损坏车刀。

2）轴类工件的定位基准通常选用中心孔。加工中心孔时，应先车端面后钻中心孔，以保证中心孔的加工精度。

3）工件车削后还需磨削时，只需粗车或半精车，并注意留磨削余量。

3.套类零件的加工工艺

（1）孔加工方案内孔有不同的精度和表面质量要求，也有不同的结构尺寸，如通孔、不通孔、阶梯孔、深孔、浅孔、大直径孔和小直径孔等。常用的孔加工有钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、磨孔、拉孔、研磨孔、珩磨孔和滚压孔等。

1）钻孔。用钻头在工件实体部位加工孔称为钻孔。钻孔属粗加工，可达到的尺寸公差等级为IT11～IT12级，表面粗糙度值为Ra12.5μm。钻孔的工艺特点是钻头容易偏斜，孔径容易扩大，孔的表面质量较差，钻削时进给力大。因此，当钻孔直径d＞30mm时，一般分两次进行钻削，第一次钻出（0.5～0.7）d，第二次钻到所需的孔径。

2）扩孔。扩孔是用扩孔钻对已钻出的孔做进一步加工，以扩大孔径并提高精度和降低表面粗糙度值。扩孔可达到的尺寸公差等级为IT10～IT11级，表面粗糙度值为Ra6.3～12.5μm，属于孔的半精加工方法，常用于铰削前的预加工，也可作为精度不高的孔的终加工。扩孔与钻孔相比，其刚性较好，导向性好，切削条件较好。

3）铰孔。铰孔是对未淬硬孔进行精加工的一种方法。铰孔的尺寸公差等级可达IT6～IT9级，表面粗糙度值为Ra0.1～3.2μm。铰孔的方式有机铰和手铰两种。铰削的余量很小，一般粗铰余量为0.15～0.25mm，精铰余量为0.05～0.15mm。铰削应采用低切削速度，以免产生积屑瘤和引起振动，一般粗铰v_c=4～10m/min，精铰v_c=1.5～5m/min。机铰的进给量可比钻孔时高3～4倍，一般可取0.5～1.5mm/r。

4）镗孔。镗孔是很经济的孔加工方法，一般广泛应用于单件和小批生产中。生产中的非标准孔、大直径孔、精确的短孔、不通孔和有色金属孔等，一般多采用镗孔。镗孔既可作为粗加工，也可作为精加工。镗孔是修正孔中心线偏斜的有效方法，也有利于保证孔的坐标位置。镗孔的尺寸精度一般可达IT6～IT9级，表面粗糙度值为Ra0.4～3.2μm。

5）拉孔。拉孔是一种高效率的精加工方法。除拉削圆孔外，还可拉削各种截面形状的通孔及内键槽。拉削圆孔可达的尺寸公差等级为IT7～IT9级，表面粗糙度值为Ra0.4～1.6μm。

（2）孔加工质量分析影响孔加工质量的因素有以下几种。

1）工艺因素。

2）切削热因素。

3）操作方法因素。

4）刀具因素。

5）编程因素。

（3）套类工件的加工方法

1）一般把轴套、衬套等零件称为套类零件。为了与轴类工件相配合，套类工件上一般有加工精度要求较高的内轮廓，尺寸公差等级为IT7～IT8级，表面粗糙度值要求达到Ra0.4～3.2μm。

2）内轮廓加工刀具由于受到孔径和孔深的限制，刀杆细而长，刚性差。因此对于切削用量的选择，如进给量和背吃刀量的选择，较切削外轮廓时稍小。

3）切削内轮廓时切削液不易进入切削区域，切屑不易排出，切削温度可能会较高，因此镗深孔时可以采用工艺性退刀，以促进切屑的排出。

4）内轮廓加工工艺常采用钻—粗镗—精镗，孔径较小时也可采用手动方式或MDI方式进行钻—铰加工。