机械零件制造工艺简介附表

机械加工工艺过程是一个从毛坯成形后通过切削加工使之变为成品的过程。由于零件的形状、尺寸和技术条件不同，往往要利用不同的设备、不同的加工方法来完成，通过一定的加工工序、一定的工艺流程来达到所规定的质量要求。

1.生产过程和工艺过程

生产过程是指将原材料制成毛坯，再由毛坯加工成零件，经过装配成为机器的全过程。在生产过程中，直接改变毛坯的尺寸、形状和材料性能，使之变为成品的过程称为工艺过程。可见，生产过程除了包括工艺过程以外，还包括一些准备工作（如运输、保管、生产准备）和检验、试车、包装等环节。工艺过程由一系列工序、安装和工步组成。

工序是指在同一工作地点，对一个或一组零件所连续完成的那一部分工艺过程。安装是指在同一道工序中，工件可能要经过多次安装，而每装夹一次所完成的那一部分工艺过程称为安装。所以在一个工序中可以包含几次安装。工步是指加工表面、切削工具和切削用量均保持不变的情况下所完成的那一部分工艺过程。每次安装又可分为若干工步。

零件的加工过程一般要编成工艺过程，将各工步写成文件，以便指导生产，这就是制定工艺规程。零件的加工必须依据零件的图纸和技术要求、生产类型以及现有的设备条件和一些技术文件等来制定合理的工艺规程。

2.生产类型

在零件生产过程中，由于生产批量不同，常常有三种生产类型。

（1）单件生产　单个地制造某一零件，很少重复，或者重复件数极少的生产称为单件生产。例如，重型机械设备制造厂的生产以及一般工厂中的修理车间的生产，都属于单件生产。

（2）批量生产　成批地制造相同零件的生产，称为批量生产。每批中的相同零件的数量，称为批量。根据批量的大小、产品的特征又分为小批生产、中批生产、大批生产。一般机床制造厂和通用机械厂大都属于批量生产。

（3）大量生产　产品的数量很大，大多数工作地点经常是重复地进行一种零件某一工序的生产，称为大量生产。例如，汽车制造厂和轴承厂等都属于大量生产。

1.工件的六点定位原理

加工零件时，将工件安放在机床上，使其相对于刀具有一正确位置，称为定位。任何一个工件在机床中未定位前，都可看成在空间直角坐标系中的自由物体，即具有六个自由度。即对x、y、z坐标轴的三个移动及三个转动，如图1所示，要使工件在空间占有确定的位置，即定位，就必须约束这六个自由度。所以要完全确定工件的正确位置，必须有六个支承点来限制工件的六个自由度，称此为六点定位原则。在图1中，六个支承点分布在三个互相垂直的平面内。其中，支承点的1、2和3三个自由度在xOy平面内，限制了三个方向的转动。支承点4和5在yOz平面内，限制了x、z方向的自由度，支承点6在xOz平面内，限制了y方向的自由度。

2.六点定位原理的应用

在实际生产中.并不要求在任何情况下都要限制工件的六个自由度，一般要根据工件的加工要求来确定工件必须限制的自由度数。工件定位只要相应的限制那些对加工精度有影响的自由度即可，由此产生了各种定位情况。

（1）完全定位　工件的六个自由度都限制了的定位称为完全定位。在铣床上准确地加工出短槽（图2），就属于一种完全定位法。

（2）不完全定位　没有完全限制六个自由度，但能保证加工要求的定位，称为不完全定位。

图1　六点定位简图

图2　完全定位

如图3（a）所示的铣工件台阶面，只需限制五个自由度，沿x向的移动自由度不必限制，所以为五点定位。图3（b）为磨工件的顶面，为保证加工尺寸z，仅需限制x、y方向的转动以及z方向的移动，所以是三点定位。

图3　不完全定位

（3）欠定位　按照加工要求应该限制的自由度而未得到限制，致使工件定位不足，这种情况称为欠定位。很显然，欠定位不能保证加工要求，因此欠定位是不允许出现的。

（4）过定位　若定位方案中的有些定位点重复限制了同一个自由度，这样的定位称为重复定位或过定位。

1.基准

工件的基准一般是指零件上作为基准的一些点、线、面。根据基准的作用不同，分为设计基准和工艺基准两类。前者是设计图样上标注尺寸所依据的点、线、面，后者是工件在加工过程中所依据的面、线或点。工件定位所依据的表面称为定位基准。

2.定位基准的选择

在加工零件时合理选择定位基准，对保证加工精度、安排生产工序和提高生产效率有着重要影响。在零件的实际加工过程中，一般有两种定位基准：一种是粗基准，即以毛坯上未经加工的表面作为基准来定位；一种是精基准，即以已加工过的表面作为基准来定位。

（1）粗基准的选择

①为了保证加工面与不加工面的位置要求，应选不加工面为粗基准。若工件上某些表面不需加工，应选择其中与加工表面有相互位置精度要求的表面作为粗基准，以保证这些不加工表面与加工表面之间的相互位置变动最小。如图4所示。以不加工外圆表面作为粗基准，可以在一次安装中把绝大部分表面加工出来，并能保证外圆与内孔同轴以及端面与孔轴垂直。

②选取加工余量均匀的表面为粗基准，在后续工序中对作为粗基准的表面加工时，余量均匀，从而只需切除较小而均匀的一层金属，有利于工件表层保留均匀一致的金相组织和力学性能。如车床床身（图5）要求导轨面耐磨性能好，选用导轨面A作为粗基准，然后翻倒过来底面B精基准为加工导轨面A。

图4　用不加工表面作为粗基准

图5　床身加工的粗基准

③选择光滑、平整、面积足够的表面为粗基准，要避开锻造飞边和铸造浇冒口、分型面等缺陷，使得定位准确、工作可靠。

④粗基准只能在第一道工序中使用一次，不得重复使用。因为粗基准表面粗糙，在每次安装中位置不可能一致，从而使加工表面的位置很差。

以上粗基准的选择原则，具体使用时需全面考虑、灵活运用，保证主要方面的要求。

（2）精基准的选择

①基准重合原则　尽可能选用设计基准作为定位精基准，以避免定位基准与设计基准不同而引起的定位误差。

②基准同一原则　当零件某些表面位置精度要求较高，尽量选用同一个定位基准，有利于保证各个表面之间都具有较高的位置精度。例如，加工一个阶梯轴，各外表面位置精度要求都较高，往往选取中心孔为定位基准，车削各表面，然后磨削有关外表面。

应当指出，基准同一原则常常会带来基准不重合的问题。在这种情况下，要针对具体问题进行认真分析，在满足设计要求的前提下，决定最终选择的精基准。

③自为基准原则　某些精加工工序，要求加工余量小而均匀时，选择加工表面本身作为定位基准称为自为基准原则。采用自为基准原则时，不能提高加工面的位置精度，只能提高加工面本身的精度。

④互为基准原则　当两个表面的相互位置精度要求很高，而表面自身的尺寸和形状精度又很高时，常采用互为基准、反复加工的办法来达到位置精度要求。例如，车床主轴轴颈和前锥孔是主轴的主要工作表面，它们之间的同轴度要求很高，因此常以轴颈为基准粗磨锥孔，再以锥孔定位粗、精磨轴颈，最后以轴颈定位精磨内锥孔。

此外，铣削箱体类零件的上、下表面，特别是加工薄壁易变形的零件，更需要应用这一原则反复进行加工，这样可以获得较高的位置精度。

⑤便于装夹原则　尽量选择精度较高、稳定可靠的大平面作为精基准，以提高安装的稳定性和精确性。在实际工作中，上述粗、精基准的选择，有时也是相互矛盾的，应根据具体情况进行分析，选取最有利的定位基准。

工件的装夹是将工件定位后进行安装和夹紧的全过程。夹紧就是在加工过程中不使工件因切削力、重力、离心力等作用而偏离正确位置，将工件定位后把它压紧和夹牢。安装是从定位到夹紧的全过程。工件在加工时的安装方法有以下两种：

1.直接安装法

直接安装法是将工件直接安放在机床上，按工件上某个表面作为找正用的基准面，或者先在毛坯上画出被加工表面位置线，然后按此线作为基准来找正的方法。如图6（a）所示，为了使Φ50mm的被加工孔中心位置准确，可逐个调整四爪卡盘上的四个卡爪，以保证A和B尺寸，然后夹紧。这种方法费时且定位误差较大，操作技术要求较高，只适用于单件、小批量生产。

2.夹具安装法

夹具安装法是将工件安装在夹具中，以迅速找正的方法（图6（b））。此法快捷，定位误差小，适用于批量生产。

1.夹具的种类

夹具是指为了完成某一道工序，用来正确迅速安装工件的装置。机床夹具一般分为四类：

（1）通用夹具　是指一般已经标准化的、可以用来加工不同工件的夹具，如车床上的三爪和四爪卡盘，铣床上的万能分度头，圆形工作台和平钳，平面磨床上的电磁吸盘等。这类夹具广泛用于单件和小批生产。

图6　两类安装方式

（2）专用夹具　是指根据被加工零件的形状、尺寸，由使用单位专门设计制造的夹具。这种夹具可使得工件安装以后，不需任何调整便可获得正确的加工位置。这种夹具定位精度高，操作简便，但制造成本较高，适用于大量生产。(www.xing528.com)

（3）可调夹具　是指当加工完一种工件后，经过调整或更换个别元件，即可用于另一种工件的夹具。它主要用于形状相似、尺寸相近的工件，多用于中、小批量生产。

（4）组合夹具　是指在夹具零部件完全标准化的基础上，针对不同的工件对象和加工要求拼装组合而成的夹具。此类夹具在使用完毕后可拆散重新装成其他夹具，具有组装迅速、准备周期短、能反复使用等优点，适用于单件、小批量、多品种生产。

2.夹具的结构

夹具的结构一般由定位元件、夹紧机构、导向元件、夹具体等部分组成。定位元件是夹具中用来确定工件正确位置的元件，夹紧机构是工件定位后将其夹紧以承受切削力等作用的机构，导向元件是用来对刀和引导刀具进入正确加工位置的元件，夹具体和其他部分是用来连接并固定定位元件、夹紧机构和导向元件，并使之成为一个整体的基准体。

联轴节端面钻孔的夹具如图7所示。以工件1齿口定位，约束了除绕工件轴线旋转之外的五个自由度；垫圈4径向开槽，以便在拧松或拧紧螺母5时可抽出或插入，使操作简捷；钻模2被压紧于工件后，钻头6便可依次伸入各个套件7，正确地钻出工件上的全部孔。

图7　联轴节夹具

1—工作　2—钻模　3—螺杆　4—垫圈5—螺母　6—钻头　7—钻套

工件的加工精度在很大程度上取决于夹具的精度和结构，因此整个夹具及其零件都应具有足够的精度和刚度。并且结构要紧凑，形状要简单，装卸工件和清除切屑要方便等。

1.制订零件加工工艺的内容和要求

零件的加工工艺就是零件加工的方法和步骤。其内容包括：排列加工工序（包括毛坯制造、切削加工、热处理和检验工序），确定各工序所用的机床、装夹方法、加工方法、测量方法、工装、夹具、量具、加工余量、切削用量和工时定额等。将这些内容用工艺文件形式表示出来，就是机械加工工艺规程，即通常所说的机械加工工艺卡片。

制定零件加工工艺必须确保零件的全部技术要求，并使生产效率高、生产成本低、劳动生产条件好。在制定零件加工工艺时，尤其对较复杂零件的加工工艺，要根据客观生产条件，经过反复实践、反复修改，才能使之合理与完善。

2.制定零件加工工艺的步骤

（1）零件的工艺分析　首先要熟悉整个产品的用途、性能和工作条件，结合装配图了解零件在产品中的位置、作用、装配关系及其精度等技术要求对产品质量和使用性能的影响，然后从加工的角度对零件进行工艺分析，主要内容如下：

①检查零件的图样是否完整和正确　如视图是否足够、正确，所标注的尺寸、公差、表面粗糙度和技术要求等是否齐全、合理，并要分析零件主要表面的精度、表面质量和技术要求等在现有的生产条件下能否达到，以便采取适当的措施。

②审查零件材料的选择是否恰当　零件材料的选择应立足于国内，尽量采用我国资源丰富的材料，不要轻易选用贵重材料。另外，还要分析所选的材料会不会使工艺变得困难和复杂。

③审查零件的结构工艺性　零件的结构是否符合工艺性一般原则的要求，现有生产条件能否经济、高效、合格地加工出来。如果发现有问题，应与有关设计人员共同研究，按规定程序对原图样进行必要的修改与补充。

（2）毛坯的选择　机械加工的加工质量、生产效率和经济效益，在很大程度上取决于所选用的毛坯。常用的毛坯类型有型材、铸件、锻件、冲压件和焊件等。应根据零件的作用、受力情况、生产批量及工厂现场条件综合考虑。例如，一般轴、套类零件都要承受动载荷，故应选用钢件型材做毛坯。对于某些要求高的零件，通常需经过锻造后，以锻件做毛坯。对于箱体类零件，其特点是形状、结构复杂，大多数情况下是承受静载荷，一般选择铸件做毛坯。若零件数量很少，如试制产品阶段，则可以选择焊件做箱体零件的毛坯。这样，既可以节约切削加工的工时，还可以节约大量材料。

图8　阶梯轴

（3）定位基准的选择　在加工过程中，合理地选择定位基准面，对保证零件的技术要求和工序的安排有着决定性的影响。粗基准与精基准的选择应该遵循前面所述的原则。一般在选择主要表面加工方法的同时就要确定其定位基准面。对于三类典型零件，常作如下选择：

①阶梯轴类零件　常选择两端中心孔作为定位基而。如图8所示，采用双顶尖装夹、车削或磨削外圆、螺纹和轴肩端面，这样能较好地保证各外圆、螺纹的同轴度（或径向圆跳动）和轴肩对轴线的垂直度（或端面圆跳动）要求。在热处理后或磨削前，一般要研磨中心孔，以提高中心孔的定位精度。

②盘套类零件　一般以轴线部位的孔作为定位基面，采用心轴装夹，如图9（a）所示。车削或磨削其他表面能较好地保证各外圆和端面对孔轴线的圆跳动要求。值得注意的是，如果零件结构允许，常在一次装夹中完成孔及与其有关表面的精加工，不仅可获得较高的位置精度，而且加工十分方便，如图9（b）所示。

图9　盘套类零件定位基准的选择

③机架箱体类零件　该类零件形状、结构复杂，除有尺寸精度要求外，一般孔的轴线相对于底面（安装基准面）有位置精度要求。因此.箱体类零件多采用主要的装配基准面（一般为最大的底平面）作为定位精基准，如图10所示。

图10　变速箱体的定位简图

（4）工艺路线的制定　制定工艺路线，就是把加工工件所需的各个工序按顺序合理地排列出来，这是制定工艺规程的核心，主要内容包括：

①确定加工方案　确定加工方案即根据零件每个加工表面（特别是主要表面）的技术要求，选择较合理的加工方案。在确定加工方案时，除了表面的技术要求外，还要考虑零件的生产类型、材料性能以及本单位现有的加工条件等。

②加工阶段的划分　零件的机械加工一般要经过粗加工、半精加工和精加工几个阶段才能完成，对于特别精密的零件还要进行精密加工。

粗加工阶段应高效率地切除各加工表面的大部分余量，并为半精加工提供定位基准。

半精加工阶段的任务是完成次要表面的加工，使之达到图样要求，并为主要表面的精加工做好准备。

精加工阶段主要是保证零件的尺寸精度、形状、位置精度以及表面粗糙度。

精密加工阶段的任务是在改善零件的表面质量的同时，使加工表面的尺寸精度和形状精度达到图样要求。

划分加工阶段有利于保证加工质量，合理使用设备，及时发现毛坯缺陷，避免浪费工时，同时还可避免精加工后的表面被碰伤。

划分加工阶段应结合具体生产情况，避免生搬硬套。例如，对于刚性好、加工精度要求又不高或生产批量较小的工件，则不一定要划分加工阶段，以免增加工序，延长生产周期，导致产品成本提高。

③工序集中与分散　选定加工方案和划分加工阶段后，就要确定工序的数目，即工序的集中或分散的问题。

工序集中是使每道工序所加工的表面数量尽量多，而使零件加工总的工序数目减少，所用机床和夹具的数量也相应减少。工序集中有利于保证零件各表面之间的相互位置精度，简化生产组织，节省辅助时间。工序分散则是减少每道工序的加工内容，增加总的工序数目，其所用设备较简单，对工人的技术水平要求较低，且生产准备工作量小，容易适应产品的变换。

在制定工艺路线时，工序集中或分散的程度主要取决于生产类型、零件的结构特点及技术要求。在单件、小批量生产时，由于使用通用机床、通用夹具和量具，工序安排通常尽可能集中；当产品固定且产量很大时，由于有条件采用各种专用机床和专用工装、夹具、量具，则常常采用工序分散的原则；在重型机械制造厂，由于零件笨重，安装搬运困难，应尽可能实行工序集中。由于工序集中的优点较多，以及数控机床、柔性制造单元和柔性制造系统等的发展，现代生产多趋于工序集中。

④安排加工顺序　安排加工顺序即较合理地安排切削加工工序、热处理工序、检验工序和其他辅助工序的先后次序。

a.切削加工工序的安排应遵循的原则：

第一，基准先行原则。首先加工用做精基准的表面，这是确定加工顺序的一个重要原则。第二，先主后次原则。主要表面一般是指零件上的工作表面、装配基准面等，它们的技术要求较高，加工工作量较大，应先安排加工。其他次要表面如非工作面、键槽、螺钉孔、螺纹孔等，一般可穿插在主要表面加工工序之间或稍后进行加工，但应安排在主要表面最后精加工之前。第三，先粗后精原则。粗加工时切削力大，切削热多，工件变形大。此外，被加工零件的内应力会由于表面被切掉一层金属而重新分布，也会使工件产生变形，先粗后精有利于保证加工精度和提高生产率。第四，先面后孔原则。底座、箱体之类零件的加工，应先加工平面后加工孔，因为这些零件上平面的轮廓尺寸较大，用平面定位比较稳定可靠，易于保证孔与平面之间的位置精度。

b.划线工序的安排　形状较复杂的铸件、锻件和焊件等，在单件、小批生产中，为了给安装和加工提供依据，一般在切削加工之前要安排划线工序。有时为了加工的需要，在切削加工工序之间，可能还要进行第二次或多次划线。但是在大批、大量生产中，由于采用专用夹具等，可免去划线工序。

c.热处理工序的安排　根据热处理工序的性质和作用不同，一般可以分为：

第一，预备热处理。是指为改善金属的组织和切削加工性而进行的热处理，如退火、正火等，一般安排在切削加工之前。调质也可以作为预备热处理，但若是以提高材料的力学性能为主要目的，则应放在粗加工之后、精加工之前进行。

第二，时效处理。在毛坯制造和切削加工的过程中，都会有内应力残留在工件内，为了消除它对加工精度的影响，需要进行时效处理。对于大而结构复杂的铸件，或者精度要求很高的非铸件类工件，需在粗加工前、后各安排一次人工时效。对于一般铸件，只需在粗加工前或后进行一次人工时效。对于要求不高的零件，为了减少工件的往返搬运，有时仅在毛坯铸造以后安排一次时效处理。

第三，最终热处理。是指为提高零件表层硬度和强度而进行的热处理，如淬火、渗氮等，一般安排在工艺过程的后期。淬火一般安排在切削加工之后、磨削之前，渗氮则安排在粗磨与精磨之间。应注意在氮化之前要进行调质。

d.检验工序的安排　检验工序是保证产品质量的有效措施之一，是工艺过程中不可缺少的内容。除了加工过程中操作者的自检外，在下列情况下还应安排检验工序：粗加工阶段之后，关键工序前后，特种检验（如磁力探伤、密封件试验、动平衡试验等）之前，从一个车间转到另一车间加工之前，全部加工结束之后。

e.其他辅助工序的安排　零件的表面处理，如电镀、油漆等，一般均安排在工艺过程的最后；去毛刺、倒棱边、去磁、清洗等，应适当穿插在工艺过程中进行。这些辅助工序不能忽视，否则会影响装配工作，妨碍机器的正常运行。

（5）工艺文件的编制　常用的工艺文件有以下三种：

①机械加工工艺过程卡（工艺过程卡）　主要列出零件加工所经过的工艺路线（包括毛坯制造、机械加工、热处理等），是制定其他工艺文件的基础，也是生产技术准备、编制作业计划和组织生产的依据。由于这种卡片对各工序的说明不够具体，一般不能直接指导操作，而多作为生产管理方面使用。在单件小批生产中，通常不编制其他较详细的工艺文件，只用其指导操作者操作。

②机械加工工序卡　是用来指导生产的各种详细的工艺文件。它详细地说明该工序中的每个工步的加工内容、工艺参数、技术要求、所用设备和工艺装备等。一般都有工序简图，注明该工序的加工表面和应达到的尺寸公差、形位公差和表面粗糙度值等。它主要用于大批大量生产。

③机械加工工艺卡　是以工序为单位详细说明具体的工序、工步的顺序和内容等整个工艺过程的工艺文件。它用来指导操作者操作和帮助管理人员及技术人员掌握零件加工过程，广泛用于成批生产的零件和小批生产的重要零件。