10.1 工艺过程
10.1.1 生产过程与工艺过程
(1) 生产过程
生产过程是指把原材料(半成品)转变为成品的全过程.机械产品的生产过程,一般包括: ①生产与技术的准备,如工艺设计和专用工艺装备的设计和制造,生产计划的编制,生产资料的准备;②毛坯的制造,如铸造,锻造,冲压等;③零件的加工,如切削加工,热处理,表面处理等;④产品的装配,如总装,部装,调试检验和油漆等;⑤生产的服务,如原材料,外购件和工具的供应,运输,保管等.
机械产品的生产过程一般比较复杂,目前很多产品往往不是在一个工厂内单独生产,而是由许多专业工厂共同完成的.例如:飞机制造工厂就需要用到许多其他工厂的产品(如发动机,电器设备,仪表等),相互协作共同完成一架飞机的生产过程.因此,生产过程即可以指整台机器的制造过程,也可以是某一零部件的制造过程.
(2) 工艺过程
工艺过程是指在生产过程中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.如毛坯的制造,机械加工,热处理,装配等均为工艺过程. 在工艺过程中,若用机械加工的方法直接改变生产对象的形状,尺寸和表面质量,使之成为合格零件的工艺过程,称为机械加工工艺过程.同样,将加工好的零件装配成机器使之达到所要求的装配精度并获得预定技术性能的工艺过程,称为装配工艺过程.
机械加工工艺过程和装配工艺过程是机械制造工艺学研究的两项主要内容.
10.1.2 机械加工工艺过程的组成
机械加工工艺过程是由一个或若干个顺序排列的工序组成的,而工序又可分为若干个安装,工位,工步和走刀,毛坯就是依次通过这些工序的加工而变成为成品的.
(1) 工序
工序是指一个或一组工人,在一个工作地点对一个或同时对几个工件所连续完成的那一部分工艺过程.区分工序的主要依据,是工作地点(或设备)是否变动和完成的那部分工艺内容是否连续.如图 4.1所示的零件,孔1需要进行钻孔和铰孔,如果一批工件中,每个工件都是在一台机床上依次地先钻孔,而后铰孔,则钻孔和铰孔就构成一个工序.如果将整批工件都是先进行钻孔,然后整批工件再进行铰孔,这样钻孔和铰孔就分成两个工序了.
工序不仅是组成工艺过程的基本单元,也是制订工时定额,配备工人,安排作业和进行质量检验的依据.
通常把仅列出主要工序名称的简略工艺过程称为工艺路线.
(2) 安装与工位
工件在加工前,在机床或夹具上先占据一正确位置 (定位 ),然后再夹紧的过程称为装夹.工件(或装配单元)经一次装夹后所完成的那一部分工艺内容称为安装.在一道工序中可以有一个或多个安装.工件加工中应尽量减少装夹次数,因为多一次装夹就多一次装夹误差,而且增加了辅助时间 .因此生产中常用各种回转工作台,回转夹具或移动夹具等,以便在工件一次装夹后,可使其处于不同的位置加工.为完成—定的工序内容,一次装夹工件后,工件 (或装配单元)与夹具或设备的可动部分一起相对刀具或设备固定部分所占据的每一个位置,称为工位.图4.2所示为一种利用回转工作台在—次装夹后顺序完成装卸工件,钻孔,扩孔和铰孔四个工位加工的实例.
(3) 工步与走刀
1)工步 工步是指被加工表面(或装配时的连接表面 )和切削(或装配)工具不变的情况下所连续完成的那一部分工序.一个工序可以包括几个工步,也可以只有一个工步.一般来说,构成工步的任一要素 (加工表面,刀具及加工连续性)改变后,即成为一个新工步.但下面指出的情况应视为一个工步.①对于那些一次装夹中连续进行的若干相同的工步应视为一个工步.如图 4.1所示,两孔1的加工,可以作为一个工步.② 为了提高生产率,有时用几把刀具同时加工一个或几个表面,此时也应视为一个工步.称为复合工步.
2)走刀 在一个工步内,若被加工表面切去的金属层很厚,需分几次切削,则每进行一次切削就是一次走刀.一个工步可以包括一次走刀或几次走刀.
10.1.3 机械加工生产类型和特点
(1) 生产纲领
企业在计划期内生产的产品的数量和进度计划称为生产纲领.零件的年生产纲领.可按下式计算
N=Qn(1+a%+b%)
式中 N——零件的年生产纲领,件/年;
Q——产品的年生产纲领,台/年;
n——每台产品中该零件的数量,件/台;
a%--备品的百分率;
b%--废品的百分率.
生产纲领的大小对生产组织形式和零件加工过程起着重要的作用,它决定了各工序所需专业化和自动化的程度,决定了所应选用的工艺方法和工艺装备.
(2) 生产类型和工艺特点
企业 (或车间,工段,班组,工作地)生产专业化程度的分类称为生产类型.生产类型一般可分为:单件生产,成批生产,大量生产三种.
1)单件生产 单件生产的基本特点是:生产的产品种类繁多,每种产品的产量很少,而且很少重复生产.例如,重型机械产品制造和新产品试制等都属于单间生产.
2)成批生产 成批生产的基本特点是:分批的生产相同的产品,生产呈周期性重复.如机床制造,电机制造等属于成批生产,成批生产又可按其批量大小分为小批量生产,中批量生产,大批量生产三种类型.其中,小批量生产和大批生产的工艺特点分别与单件生产和大量生产的工艺特点类似;中批量生产的工艺特点.介于小批生产和大批生产之间.
3)大量生产 大量生产的基本特点是:产量大,品种少,大多数工作长期重复的进行某个零件的某一道工序的加工.例如,汽车,拖拉机,轴承等的制造都属于大量生产.
生产类型的划分除了与生产纲领有关外,还应考虑产品的大小及复杂程度,生产类型不同,产品制造的工艺方法,所用的设备和工艺装备以及生产的组织形式等均不同.大批大量生产应尽可能采用高效率的设备和工艺方法,以提高生产率;单件小批生产应采用通用设备和工艺装备,也可采用先进的数控机床,以降低各类生产类型的生产成本.
10.2 机械加工工艺规程
10.2.1 概述
机械加工工艺规程是规定零件机械加工工艺过程和操作方法等的工艺文件之一,它是在具体的生产条件下,把较为合理的工艺过程和操作方法,按照规定的形式书写成工艺文件,经审批后用来指导生产.机械加工工艺规程一般包括以下内容:工件加工的工艺路线,各工序的具体内容及所用的设备和工艺装备,工件的检验项目及检验方法,切削用量,时间定额等.
10.2.1.1 机械加工艺规程的作用
(1)是指导生产的重要技术文件
工艺规程是依据工艺学原理和工艺试验,经过生产验证而确定的,是科学技术和生产经验的结晶.所以,它是获得合格产品的技术保证,是指导企业生产活动的重要文件.正因为这样,在生产中必须遵守工艺规程,否则常常会引起产品质量的严重下降,生产率显著降低,甚至造成废品.但是,工艺规程也不是固定不变的,工艺人员应总结工人的革新创造,可以根据生产实际情况,及时地汲取国内外的先进工艺技术,对现行工艺不断地进行改进和完善,但必须要有严格的审批手续.
(2)是生产组织和生产准备工作的依据
生产计划的制订,产品投产前原材料和毛坯的供应,工艺装备的设计,制造与采购,机床负荷的调整,作业计划的编排,劳动力的组织,工时定额的制订以及成本的核算等,都是以工艺规程作为基本依据的.
(3)是新建和扩建工厂(车间)的技术依据
在新建和扩建工厂(车间)时,生产所需要的机床和其它设备的种类,数量和规格,车间的面积,机床的布置,生产工人的工种,技术等级及数量,辅助部门的安排等都是以工艺规程为基础,根据生产类型来确定.除此以外,先进的工艺规程也起着推广和交流先进经验的作用,典型工艺规程可指导同类产品的生产.
10.2.1.2 工艺规程制订的原则
工艺规程制订的原则是优质,高产和低成本,即在保证产品质量的前提下,争取最好的经济效益.在具体制定时,还应注意下列问题:
1)技术上的先进性 在制订工艺规程时,要了解国内外本行业工艺技术的发展,通过必要的工艺试验,尽可能采用先进适用的工艺和工艺装备.
2)经济上的合理性 在一定的生产条件下,可能会出现几种能够保证零件技术要求的工艺方案.此时应通过成本核算或相互对比,选择经济上最合理的方案,使产品生产成本最低.
3)良好的劳动条件及避免环境污染 在制订工艺规程时,要注意保证工人操作时有良好而安全的劳动条件.因此,在工艺方案上要尽量采取机械化或自动化措施,以减轻工人繁重的体力劳动.同时,要符合国家环境保护法的有关规定,避免环境污染.
产品质量,生产率和经济性这三个方面有时相互矛盾,因此,合理的工艺规程应用该处理好这些矛盾,体现这三者的统一.
10.2.1.3 制订工艺规程的原始资料
1) 产品全套装配图和零件图.
2) 产品验收的质量标准.
3) 产品的生产纲领(年产量).
4) 毛坯资料 毛坯资料包括各种毛坯制造方法的技术经济特征;各种型材的品种和规格,毛坯图等;在无毛坯图的情况下,需实际了解毛坯的形状,尺寸及机械性能等.
5) 本厂的生产条件 为了使制订的工艺规程切实可行,一定要考虑本厂的生产条件.如了解毛坯的生产能力及技术水平;加工设备和工艺装备的规格及性能;工人技术水平以及专用设备与工艺装备的制造能力等.
6) 国内外先进工艺及生产技术发展情况 工艺规程的制订,要经常研究国内外有关工艺技术资料,积极引进适用的先进工艺技术,不断提高工艺水平,以获得最大的经济效益.
7) 有关的工艺手册及图册.
10.2.1.4 制订工艺规程的步骤
1) 计算年生产纲领,确定生产类型.
2) 分析零件图及产品装配图,对零件进行工艺分析.
3) 选择毛坯.
4) 拟订工艺路线.
5) 确定各工序的加工余量,计算工序尺寸及公差.
6) 确定各工序所用的设备及刀具,夹具,量具和辅助工具.
7) 确定切削用量及工时定额.
8) 确定各主要工序的技术要求及检验方法.
9) 填写工艺文件.
在制订工艺规程的过程中,往往要对前面已初步确定的内容进行调整,以提高经济效益.在执行工艺规程过程中,可能会出现前所未料的情况,如生产条件的变化,新技术,新工艺的引进,新材料,先进设备的应用等,都要求及时对工艺规程进行修订和完善.
10.2.1.5 工艺文件的格式
将工艺规程的内容,填入一定格式的卡片,即成为生产准备和施工依据的工艺文件.常用的工艺文件格式有下列几种:
(1)综合工艺过程卡片
这种卡片以工序为单位,简要地列出了整个零件加工所经过的工艺路线(包括毛坯制造,机械加工和热处理等),它是制订其它工艺文件的基础,也是生产技术准备,编排作业计划和组织生产的依据.
在这种卡片中,由于各工序的说明不够具体,故一般不能直接指导工人操作,而多作生产管理方面使用.但是,在单件小批生产中,由于通常不编制其它较详细的工艺文件,而是以这种卡片指导生产.
机械加工工艺卡片是以工序为单位,详细说明整个工艺过程的工艺文件.它是用来指导工人生产和帮助车间管理人员和技术人员掌握整个零件加工过程的一种主要技术文件,广泛用于成批生产的零件和小批生产中的重要零件.
(3)机械加工工序卡片
机械加工工序卡片是根据工艺卡片为毎一道工序制订的.它更详细地说明整个零件各个工序的加工要求,是用来具体指导工人操作的工艺文件.在这种卡片上,要画出工序简图,注明该工序每一工步的内容,工艺参数,操作要求以及所用的设备和工艺装备.工序简图就是按一定比例用较小的投影绘出工序图,可略去图中的次要结构和线条,主视图方向尽量与零件在机床上的安装方向相一致,本工序的加工表面用粗实线或红色粗实线表示,零件的结构,尺寸要与本工序加工后的情况相符合,并标注出本工序加工尺寸及上下偏差,加工表面粗糙度和工件的定位及夹紧情况.用于大批量生产的零件.
10.2.2 零件的工艺分析
在制订零件的机械加工工艺规程时,首先要对照产品装配图分析零件图,熟悉该产品的用途,性能及工作条件,明确零件在产品中的位置,作用及相关零件的位置关系;了解并研究各项技术条件制定的依据,找出其主要技术要求和技术关键,以便在拟定工艺规程时采用适当的措施加以保证.然后着重对零件进行结构分析和技术要求的分析.
10.2.2.1 零件结构分析
零件的结构分析主要包括以下三方面:
(1)零件表面的组成和基本类型
尽管组成零件的结构多种多样,但从形体上加以分析,都是由一些基本表面和特形表面组成的.基本表面有内外圆柱表面,圆锥表面和平面等;特形表面主要有螺旋面,渐开线齿形表面,圆弧面(如球面)等.在零件结构分析时,根据机械零件不同表面的组合形成零件结构上的特点,就可选择与其相适应的加工方法和加工路线,例如外圆表面通常由车削或磨削加工;内孔表面则通过钻,扩,铰,镗和磨削等加工方法获得.
机械零件不同表面的组合形成零件结构上的特点.在机械制造中,通常按零件结构和工艺过程的相似性,将各类零件大致分为轴类零件,套类零件,箱体类零件,齿轮类零件和叉架类零件等.
(2)主要表面与次要表面区分
根据零件各加工表面要求的不同,可以将零件的加工表面划分为主要加工表面和次要加工表面;这样,就能在工艺路线拟定时,做到主次分开以保证主要表面的加工精度.
(3)零件的结构工艺性
所谓零件的结构工艺性是指零件在满足使用要求的前提下,制造该零件的可行性和经济性.功能相同的零件,其结构工艺性可以有很大差异.所谓结构工艺性好,是指在现有工艺条件下,既能方便制造又有较低的制造成本.
10.2.2.2 零件的技术要求分析
零件图样上的技术要求,既要满足设计要求,又要便于加工,而且齐全和合理.其技术要求包括下列几个方面:
1)加工表面的尺寸精度,形状精度和表面质量;
2)各加工表面之间的相互位置精度;
3)工件的热处理和其它要求,如动平衡,镀铬处理,去磁等.
零件的尺寸精度,形状精度,位置精度和表面粗糙度的要求,对确定机械加工工艺方案和生产成本影响很大.因此,必须认真审查,以避免过高的要求使加工工艺复杂化和增加不必要的费用.
在认真分析了零件的技术要求后,结合零件的结构特点,对零件的加工工艺过程便有一个初步的轮廓.加工表面的尺寸精度,表面粗糙度和有无热处理要求,决定了该表面的最终加工方法,进而得出中间工序和粗加工工序所采用的加工方法.如,轴类零件上 IT7 级精度,表面粗糙度 R a 1.6 μ m 的轴颈表面,若不淬火,可用粗车,半精车,精车最终完成;若淬火,则最终加工方法选磨削,磨削前可采用粗车,半精车(或精车)等加工方法加工.表面间的相互位置精度,基本上决定了各表面的加工顺序.
10.2.3 毛坯的选择
毛坯的确定,不仅影响毛坯制造的经济性,而且影响机械加工的经济性.所以在确定毛坯时,既要考虑热加工方面的因素,也要兼顾冷加工方面的要求,以便从确定毛坯这一环节中,降低零件的制造成本.
10.2.3.1 机械加工中常用毛坯的种类
毛坯的种类很多,同一种毛坯又有多种制造方法,机械制造中常用的毛坯有以下几种:
(1)铸件
形状复杂的零件毛坯,宜采用铸造方法制造.目前铸件大多用砂型铸造,它又分为木模手工造型和金属模机器造型.木模手工造型铸件精度低,加工表面余量大,生产率低,适用于单件小批生产或大型零件的铸造.金属模机器造型生产率高,铸件精度高,但设备费用高,铸件的重量也受到限制,适用于大批量生产的中小铸件.其次,少量质量要求较高的小型铸件可采用特种铸造(如压力铸造,离心制造和熔模铸造等).
(2)锻件
机械强度要求高的钢制件,一般要用锻件毛坯.锻件有自由锻造锻件和模锻件两种.自由锻造锻件可用手工锻打(小型毛坯) , 机械锤锻(中型毛坯)或压力机压锻(大型毛坯)等方法获得.这种锻件的精度低,生产率不高,加工余量较大,而且零件的结构必须简单;适用于单件和小批生产,以及制造大型锻件.
模锻件的精度和表面质量都比自由锻件好,而且锻件的形状也可较为复杂,因而能减少机械加工余量.模锻的生产率比自由锻高得多,但需要特殊的设备和锻模,故适用于批量较大的中小型锻件.
(3)型材
型材按截面形状可分为:圆钢,方钢,六角钢,扁钢,角钢,槽钢及其它特殊截面的型材.型材有热轧和冷拉两类.热轧的型材精度低,但价格便宜,用于一般零件的毛坯;冷拉的型材尺寸较小,精度高,易于实现自动送料,但价格较高,多用于批量较大的生产,适用于自动机床加工.
(4)焊接件
焊接件是用焊接方法而获得的结合件,焊接件的优点是制造简单,周期短,节省材料,缺点是抗振性差,变形大,需经时效处理后才能进行机械加工.
除此之外,还有冲压件,冷挤压件,粉末冶金等其它毛坯.
10.2.3.2 毛坯种类选择中应注意的问题
(1)零件材料及其力学性能
零件的材料大致确定了毛坯的种类.例如材料为铸铁和青铜的零件应选择铸件毛坯;钢质零件形状不复杂,力学性能要求不太高时可选型材;重要的钢质零件,为保证其力学性能,应选择锻件毛坯.
(2)零件的结构形状与外形尺寸
形状复杂的毛坯,一般用铸造方法制造.薄壁零件不宜用砂型铸造;中小型零件可考虑用先进的铸造方法;大型零件可用砂型铸造.一般用途的阶梯轴,如各阶梯直径相差不大,可用圆棒料;如各阶梯直径相差较大,为减少材料消耗和机械加工的劳动量,则宜选择锻件毛坯.尺寸大的零件一般选择自由锻造;中小型零件可选择模锻件;一些小型零件可做成整体毛坯.
(3)生产类型
大量生产的零件应选择精度和生产率都比较高的毛坯制造方法,如铸件采用金属模机器造型或精密铸造;锻件采用模锻,精锻;型材采用冷轧或冷拉型材;零件产量较小时应选择精度和生产率较低的毛坯制造方法.
(4)现有生产条件
确定毛坯的种类及制造方法,必须考虑具体的生产条件,如毛坯制造的工艺水平,设备状况以及对外协作的可能性等.
(5)充分考虑利用新工艺,新技术和新材料
随着机械制造技术的发展,毛坯制造方面的新工艺,新技术和新材料的应用也发展很快. 如精铸,精锻,冷挤压,粉末冶金和工程塑料等在机械中的应用日益增加.采用这些方法大大减少了机械加工量,有时甚至可以不再进行机械加工就能达到加工要求,其经济效益非常显著.我们在选择毛坯时应给予充分考虑,在可能的条件下,尽量采用.
10.2.3.3 毛坯形状和尺寸的确定
毛坯形状和尺寸,基本上取决于零件形状和尺寸.零件和毛坯的主要差别,在于在零件需要加工的表面上,加上一定的机械加工余量,即毛坯加工余量.毛坯制造时,同样会产生误差,毛坯制造的尺寸公差称为毛坯公差.毛坯加工余量和公差的大小,直接影响机械加工的劳动量和原材料的消耗,从而影响产品的制造成本.所以现代机械制造的发展趋势之一,便是通过毛坯精化,使毛坯的形状和尺寸尽量和零件一致,力求作到少,无切削加工.毛坯加工余量和公差的大小,与毛坯的制造方法有关,生产中可参考有关工艺手册或有关企业,行业标准来确定.
在确定了毛坯加工余量以后,毛坯的形状和尺寸,除了将毛坯加工余量附加在零件相应的加工表面上外,还要考虑毛坯制造,机械加工和热处理等多方面工艺因素的影响.下面仅从机械加工工艺的角度,分析确定毛坯的形状和尺寸时应考虑的问题.
(1)工艺搭子的设置
有些零件,由于结构的原因,加工时不易装夹稳定,为了装夹方便迅速,可在毛坯上制出凸台,即所谓的工艺搭子.工艺搭子只在装夹工件时用,零件加工完成后,一般都要切掉,但如果不影响零件的使用性能和外观质量时,可以保留.
(2)整体毛坯的采用
在机械加工中,有时会遇到如磨床主轴部件中的三瓦轴承,发动机的连杆和车床的开合螺母等类零件.为了保证这类零件的加工质量和加工时方便,常做成整体毛坯,加工到一定阶段后再切开.
(3)合件毛坯的采用
为了便于加工过程中的装夹,对于一些形状比较规则的小形零件,如 T 形键,扁螺母,小隔套等,应将多件合成一个毛坯,待加工到一定阶段后或者大多数表面加工完毕后,再加工成单件. 图 5.3a 为 T815 汽车上的一个扁螺母.毛坯取一长六方钢, 图 5.3b 表示在车床上先车槽,倒角;图 5.3c 表示在车槽及倒角后,用 24.5mm 的钻头钻孔.钻孔的同时也就切成若干个单件.合件毛坯,在确定其长度尺寸时,既要考虑切割刀具的宽度和零件的个数,还应考虑切成单件后,切割的端面是否需要进一步加工,若要加工,还应留有一定的加工余量.
在确定了毛坯种类,形状和尺寸后,还应绘制一张毛坯图,作为毛坯生产单位的产品图样.绘制毛坯图,是在零件图的基础上,在相应的加工表面上加上毛坯余量.但绘制时还要考虑毛坯的具体制造条件,如铸件上的孔,锻件上的孔和空档,法兰等的最小铸出和锻出条件;铸件和锻件表面的起模斜度(拔模斜度)和圆角;分型面和分模面的位置等.并用双点划线在毛坯图中表示出零件的表面,以区别加工表面和非加工表面.
10.2.4 工艺路线的拟订
工艺路线的拟订是制订工艺规程的关键,它制订的是否合理,直接影响到工艺规程的合理性,科学性和经济性.工艺路线拟订的主要任务是选择各个表面的加工方法和加工方案,确定各个表面的加工顺序以及工序集中与分散的程度,合理选用机床和刀具,确定所用夹具的大致结构等.关于工艺路线的拟订,经过长期的生产实践已总结出一些带有普遍性的工艺设计原则,但在具体拟订时,特别要注意根据生产实际灵活应用.
10.2.4.1 表面加工方案的选择
(1)各种加工方法所能达到的经济精度及表面粗糙度
为了正确选择表面加工方法,首先应了解各种加工方法的特点和掌握加工经济精度的概念.任何一种加工方法可以获得的加工精度和表面粗糙度均有一个较大的范围.例如,精细的操作,选择低的切削用量,可以获得较高的精度,但又会降低生产率,提高成本;反之,如增大切削用量提高生产率,虽然成本降低了,但精度也降低了.所以对一种加工方法,只有在一定的精度范围内才是经济的,这一定范围的精度是指在正常的加工条件下(采用符合质量的标准设备,工艺装备和标准技术等级的工人,不延长加工时间)所能保证的加工精度.这一定范围的精度称为经济精度.相应的粗糙度称为经济表面粗糙度.
各种加工方法所能达到的加工经济精度和表面粗糙度,以及各种典型表面的加工方案在机械加工手册中都能查到.这里要指出的是,加工经济精度的数值并不是一成不变的,随着科学技术的发展,工艺技术的改进,加工经济精度会逐步提高.
(2)选择表面加工方案时考虑的因素
选择表面加工方案,一般是根据经验或查表来确定,再结合实际情况或工艺试验进行修改.表面加工方案的选择,应同时满足加工质量,生产率和经济性等方面的要求,具体选择时应考虑以下几方面的因素:
1)选择能获得相应经济精度的加工方法 例如加工精度为 IT7 ,表面粗糙度为 Ra0.4 m 的外圆柱面,通过精细车削是可以达到要求的,但不如磨削经济.
2)零件材料的可加工性能 例如淬火钢的精加工要用磨削,有色金属圆柱面的精加工为避免磨削时堵塞砂轮,则要用高速精细车或精细镗(金刚镗).
3)工件的结构形状和尺寸大小 例如对于加工精度要求为 IT7 的孔,采用镗削,铰削,拉削和磨削均可达到要求.但箱体上的孔,一般不宜选用拉孔或磨孔,而宜选择镗孔(大孔)或铰孔(小孔).
4)生产类型 大批量生产时,应采用高效率的先进工艺,例如用拉削方法加工孔和平面,用组合铣削或磨削同时加工几个表面,对于复杂的表面采用数控机床及加工中心等;单件小批生产时,宜采用刨削,铣削平面和钻,扩,铰孔等加工方法,避免盲目地采用高效加工方法和专用设备而造成经济损失.
5)现有生产条件 充分利用现有设备和工艺手段,发挥工人的创造性,挖掘企业潜力,创造经济效益.
10.2.4.2 加工阶段的划分
(1)划分方法
零件的加工质量要求较高时,都应划分加工阶段.一般划分为粗加工,半精加工和精加工三个阶段.如果零件要求的精度特别高,表面粗糙度很细时,还应増加光整加工和超精密加工阶段.各加工阶段的主要任务是:
1) 粗加工阶段 主要任务是切除毛坯上各加工表面的大部分加工余量,使毛坯在形状和尺寸上接近零件成品. 因此,应采取措施尽可能提高生产率.同时要为半精加工阶段提供精基准,并留有充分均匀 的加工余量,为后续工序创造有利条件.
2) 半精加工阶段 达到一定的精度要求,并保证留有一定的加工余量,为主要表面的精加工作准备.同时完成一些次要表面的加工(如紧固孔的钻削,攻螺纹,铣键槽等).
3) 精加工阶段 主要任务是保证零件各主要表面达到图纸规定的技术要求.
4) 光整加工阶段 对精度要求很高( IT6 以上),表面粗糙度很小(小于 R a 0.2 m )的零件,需安排光整加工阶段.其主要任务是减小表面粗糙度或进一步提高尺寸精度和形状精度.
(2)划分加工阶段的原因
1) 保证加工质量的需要 零件在粗加工时,由于要切除掉大量金属,因而会产生较大的切削力和切削热,同时也需要较大的夹紧力,在这些力和热的作用下,零件会产生较大的变形.而且经过粗加工后零件的内应力要重新分布,也会使零件发生变形.如果不划分加工阶段而连续加工,就无法避免和修正上述原因所引起的加工误差.加工阶段划分后,粗加工造成的误差,通过半精加工和精加工可以得到修正,并逐步提高零件的加工精度和表面质量,保证了零件的加工要求.
2) 合理使用机床设备的需要 粗加工一般要求功率大,刚性好,生产率高而精度不高的机床设备.而精加工需采用精度高的机床设备,划分加工阶段后就可以充分发挥粗,精加工设备各自性能的特点,避免以粗干精,做到合理使用设备.这样不但提高了粗加工的生产效率,而且也有利于保持精加工设备的精度和使用寿命.
3) 及时发现毛坯缺陷 毛坯上的各种缺陷(如气孔,砂眼,夹渣或加工余量不足等),在粗加工后即可被发现,便于及时修补或决定报废,以免继续加工后造成工时和加工费用的浪费.
4) 便于安排热处理 热处理工序使加工过程划分成几个阶段,如精密主轴在粗加工后进行去除应力的人工时效处理,半精加工后进行淬火,精加工后进行低温回火和冰冷处理,最后再进行光整加工.这几次热处理就把整个加工过程划分为粗加工——半精加工——精加工——光整加工阶段.
在零件工艺路线拟订时,一般应遵守划分加工阶段这一原则,但具体应用时还要根据零件的情况灵活处理,例如对于精度和表面质量要求较低而工件刚性足够,毛坯精度较高,加工余量小的工件,可不划分加工阶段.又如对一些刚性好的重型零件,由于装夹吊运很费时,也往往不划分加工阶段而在一次安装中完成粗精加工.
还需指出的是,将工艺过程划分成几个加工阶段是对整个加工过程而言的,不能单纯从某一表面的加工或某一工序的性质来判断.例如工件的定位基准,在半精加工阶段甚至在粗加工阶段就需要加工得很准确,而在精加工阶段中安排某些钻孔之类的粗加工工序也是常有的.
10.2.4.3 工序的划分
工序集中就是零件的加工集中在少数工序内完成,而每一道工序的加工内容却比较多;工序分散则相反,整个工艺过程中工序数量多,而每一道工序的加工内容则比较少.
(1)工序集中的特点
① 有利于采用高生产率的专用设备和工艺装备,如采用多刀多刃,多轴机床,数控机床和加工中心等,从而大大提高生产率.
② 减少了工序数目,缩短了工艺路线,从而简化了生产计划和生产组织工作.
③ 减少了设备数量,相应地减少了操作工人和生产面积.
④ 减少了工件安装次数,不仅缩短了辅助时间,而且在一次安装下能加工较多的表面,也易于保证这些表面的相对位置精度.
⑤ 专用设备和工艺装置复杂,生产准备工作和投资都比较大,尤其是转换新产品比较困难.
(2)工序分散特点
① 设备和工艺装备结构都比较简单,调整方便,对工人的技术水平要求低.
② 可采用最有利的切削用量,减少机动时间.
③ 容易适应生产产品的变换.
④ 设备数量多,操作工人多,占用生产面积大.
工序集中和工序分散各有特点;在拟订工艺路线时,工序是集中还是分散,即工序数量是多还是少,主要取决于生产规模和零件的结构特点及技术要求.在一般情况下,单件小批生产时,多将工序集中.大批量生产时,既可采用多刀,多轴等高效率机床将工序集中,也可将工序分散后组织流水线生产;目前的发展趋势是倾向于工序集中.
10.2.4.4 工序顺序的安排
(1) 机械加工工序的安排
1)基准先行 零件加工一般多从精基准的加工开始,再以精基准定位加工其它表面.因此,选作精基准的表面应安排在工艺过程起始工序先进行加工,以便为后续工序提供精基准.例如轴类零件先加工两端中心孔,然后再以中心孔作为精基准,粗,精加工所有外圆表面.齿轮加工则先加工内孔及基准端面,再以内孔及端面作为精基准,粗,精加工齿形表面.
2)先粗后精 精基准加工好以后,整个零件的加工工序,应是粗加工工序在前,相继为半精加工,精加工及光整加工.按先粗后精的原则先加工精度要求较高的主要表面,即先粗加工再半精加工各主要表面,最后再进行精加工和光整加工.在对重要表面精加工之前,有时需对精基准进行修整,以利于保证重要表面的加工精度,如主轴的高精度磨削时,精磨和超精磨削前都须研磨中心孔;精密齿轮磨齿前,也要对内孔进行磨削加工.
3)先主后次 根据零件的功用和技术要求.先将零件的主要表面和次要表面分开,然后先安排主要表面的加工,再把次要表面的加工工序插入其中.次要表面一般指键槽,螺孔,销孔等表面.这些表面一般都与主要表面有一定的相对位置要求,应以主要表面作为基准进行次要表面加工,所以次要表面的加工一般放在主要表面的半精加工以后,精加工以前一次加工结束.也有放在最后加工的,但此时应注意不要碰伤已加工好的主要表面.
4)先面后孔 对于箱体,底座,支架等类零件,平面的轮廓尺寸较大,用它作为精基准加工孔,比较稳定可靠,也容易加工,有利于保证孔的精度.如果先加工孔,再以孔为基准加工平面,则比较困难,加工质量也受影响.
(2)热处理工序的安排
热处理可用来提高材料的力学性能,改善工件材料的加工性能和消除内应力,其安排主要是根据工件的材料和热处理目的来进行.热处理工艺可分为两大类:预备热处理和最终热处理.
1) 预备热处理 预备热处理的目的是改善加工性能,消除内应力和为最终热处理准备良好的金相组织.其热处理工艺有退火,正火,时效,调质等.
① 退火和正火.退火和正火用于经过热加工的毛坯.含碳量高于 0.5 %的碳钢和合金钢,为降低其硬度易于切削,常采用退火处理;含碳量低于 0.5 %的碳钢和合金钢,为避免其硬度过低切削时粘刀,而采用正火处理.退火和正火尚能细化晶粒,均匀组织,为以后的热处理做准备.退火和正火常安排在毛坯制造之后,粗加工之前进行.
② 时效处理.时效处理主要用于消除毛坯制造和机械加工中产生的内应力.为减少运输工作量,对于一般精度的零件,在精加工前安排一次时效处理即可.但精度要求较高的零件 ( 如坐标镗床的箱体等 ) ,应安排两次或数次时效处理工序.简单零件一般可不进行时效处理.除铸件外,对于一些刚性较差的精密零件 ( 如精密丝杠 ) ,为消除加工中产生的内应力,稳定零件加工精度,常在粗加工,半精加工之间安排多次时效处理.有些轴类零件加工,在校直工序后也要安排时效处理.
③ 调质.调质即是在淬火后进行高温回火处理,它能获得均匀细致的回火索氏体组织,为以后的表面淬火和渗氮处理时减少变形做准备,因此调质也可作为预备热处理.由于调质后零件的综合力学性能较好,对某些硬度和耐磨性要求不高的零件,也可作为最终热处理工序.
2) 最终热处理 最终热处理的目的是提高硬度,耐磨性和强度等力学性能.
① 淬火.淬火有表面淬火和整体淬火.其中表面淬火因为变形,氧化及脱碳较小而应用较广,而且表面淬火还具有外部强度高,耐磨性好,而内部保持良好的韧性,抗冲击力强的优点.为提高表面淬火零件的机械性能,常需进行调质或正火等热处理作为预备热处理.其一般工艺路线为:下料一锻造一正火 ( 退火 ) 一粗加工一调质一半精加工一表面淬火一精加工.
② 渗碳淬火.渗碳淬火适用于低碳钢和低合金钢,先提高零件表层的含碳量,经淬火后使表层获得高的硬度,而心部仍保持一定的强度和较高的韧性和塑性.渗碳分整体渗碳和局部渗碳.局部渗碳时对不渗碳部分要采取防渗措施 ( 镀铜或镀防渗材料 ) .由于渗碳淬火变形大,且渗碳深度一般在 0.5~2mm 之间,所以渗碳工序一般安排在半精加工和精加工之间.其工艺路线一般为:下料一锻造一正火一粗,半精加工一渗碳淬火一精加工.
当局部渗碳零件的不渗碳部分,采用加大余量后切除多余的渗碳层的工艺方案时,切除多余渗碳层的工序应安排在渗碳后,淬火前进行.
③ 渗氮处理.渗氮是使氮原子渗入金属表面获得一层含氮化合物的处理方法.渗氮层可以提高零件表面的硬度,耐磨性,疲劳强度和抗蚀性.由于渗氮处理温度较低,变形小,且渗氮层较薄 ( 一般不超过 0.6 ～ 0.7mm) ,因此渗氮工序应尽量靠后安排,常安排在精加工之间进行.为减小渗氮时的变形,在切削后一般需进行消除应力的高温回火.
(3)检验工序的安排
检验工序一般安排在粗加工后,精加工前;送往外车间前后;重要工序和工时长的工序前后;零件加工结束后,入库前.
(4)其它工序的安排
1)表面强化工序 如滚压,喷丸处理等,一般安排在工艺过程的最后.
2)表面处理工序 如发蓝,电镀等一般安排在工艺过程的最后.
3)探伤工序 如 X 射线检查,超声波探伤等多用于零件内部质量的检查,一般安排在工艺过程的开始.磁力探伤,荧光检验等主要用于零件表面质量的检验,通常安排在该表面加工结束以后.
4)平衡工序 包括动,静平衡,一般安排在精加工以后.
在安排零件的工艺过程中,不要忽视去毛刺,倒棱和清洗等辅助工序.在铣键槽,齿面倒角等工序后应安排去毛刺工序.零件在装配前都应安排清洗工序,特别在研磨等光整加工工序之后,更应注意进行清洗工序,以防止残余的磨料嵌入工件表面,加剧零件在使用中的磨损.
10.2.5 加工余量的确定
10.2.5.1 加工余量的概念及其影响因素
在选择了毛坯,拟订出加工工艺路线之后,就需确定加工余量,计算各工序的工序尺寸.加工余量大小与加工成本有密切关系,加工余量过大不仅浪费材料,而且增加切削工时,增大刀具和机床的磨损,从而增加成本;加工余量过小,会使前一道工序的缺陷得不到纠正,造成废品,从而也使成本增加,因此,合理地确定加工余量,对提高加工质量和降低成本都有十分重要的意义.
(1)加工余量的概念
在机械加工过程中从加工表面切除的金属层厚度称为加工余量.加工余量分为工序余量和加工总余量.
工序余量是指为完成某一道工序所必须切除的金属层厚度,即相邻两工序的工序尺寸之差.
加工总余量是指由毛坯变为成品的过程中,在某加工表面上所切除的金属层总厚度,即毛坯尺寸与零件图设计尺寸之差.
由于毛坯尺寸和各工序尺寸不可避免地存在公差,因此无论是加工总余量还是工序余量实际上是个变动值,因而加工余量又有基本余量,最大余量和最小余量之分,通常所说的加工余量是指基本余量.加工余量,工序余量的公差标注应遵循"入体原则"即:"毛坯尺寸按双向标注上,下偏差;被包容表面尺寸上偏差为零,也就是基本尺寸为最大极限尺寸(如轴);对包容面尺寸下偏差为零,也就是基本尺寸为最小极限尺寸(如内孔).
加工过程中,工序完成后的工件尺寸称为工序尺寸.由于存在加工误差,各工序加工后的尺寸也有一定的公差,称为工序公差.工序公差带的布置也采用"入体原则"法.
表示加工余量及其公差的关系,不论是被包容面还是包容面,其加工总余量均等于各工序余量之和.
Z = Z + Z + Z + …
加工余量还有双边余量和单边余量之分,平面加工余量是单边余量,它等于实际切削的金属层厚度.对于外圆和孔等回转表面,加工余量是指双边余量,即以直径方向计算,实际切削的金属为加工余量数值的一半.
(2)确定加工余量应考虑的因素
为切除前工序在加工时留下的各种缺陷和误差的金属层,又考虑到本工序可能产生的安装误差而不致使工件报废,必须保证一定数值的最小工序余量.为了合理确定加工余量,首先必须了解影响加工余量的因素.影响加工余量的主要因素有:
1) 前工序的尺寸公差 由于工序尺寸有公差,上工序的实际工序尺寸有可能出现最大或最小极限尺寸.为了使上工序的实际工序尺寸在极限尺寸的情况下,本工序也能将上工序留下的表面粗糙度和缺陷层切除,本工序的加工余量应包括上工序的公差.
2) 前工序的形状和位置公差 当工件上有些形状和位置偏差不包括在尺寸公差的范围内时,这些误差又必须在本工序加工纠正,在本工序的加工余量中必须包括它.
3) 前工序的表面粗糙度和表面缺陷 为了保证加工质量,本工序必须将上工序留下的表面粗糙度和缺陷层切除.
4)本工序的安装误差 安装误差包括工件的定位误差和夹紧误差,若用夹具装夹,还应有夹具在机床上的装夹误差.这些误差会使工件在加工时的位置发生偏移,所以加工余量还必须考虑安装误差的影响.
10.2.5.2 确定加工余量的方法
确定加工余量的方法有 3 种:分析计算法,经验估算法和查表修正法.
(1)分析计算法
本方法是根据有关加工余量计算公式和一定的试验资料,对影响加工余量的各项因素进行分析和综合计算来确定加工余量.用这种方法确定加工余量比较经济合理,但必须有比较全面和可靠的试验资料.目前,只在材料十分贵重,以及军工生产或少数大量生产的工厂中采用.
(2)经验估算法
本方法是根据工厂的生产技术水平,依靠实际经验确定加工余量.为防止因余量过小而产生废品,经验估计的数值总是偏大,这种方法常用于单件小批量生产.
(3)查表修正法
此法是根据各工厂长期的生产实践与试验研究所积累的有关加工余量数据,制成各种表格并汇编成手册,确定加工余量时,查阅有关手册,再结合本厂的实际情况进行适当修正后确定,目前此法应用较为普遍.
10.2.6 工序尺寸及其公差的确定
机械加工过程中,工件的尺寸在不断地变化,由毛坯尺寸到工序尺寸,最后达到设计要求的尺寸.在这个变化过程中,加工表面本身的尺寸及各表面之间的尺寸都在不断地变化,这种变化无论是在一个工序内部,还是在各个工序之间都有一定的内在联系.应用尺寸链理论去揭示它们之间的内在关系,掌握它们的变化规律是合理确定工序尺寸及其公差和计算各种工艺尺寸的基础,因此,本节先介绍工艺尺寸链的基本概念,然后分析工艺尺寸链的计算方法以及工艺尺寸链的应用.
10.2.6.1 工艺尺寸链的概念
(1)工艺尺寸链的定义
在零件的加工过程中,为了加工和检验的方便,有时需要进行一些工艺尺寸的计算.为使这种计算迅速准确,按照尺寸链的基本原理,将这些有关尺寸以一定顺序首尾相连排列成一封闭的尺寸系统,即构成了零件的工艺尺寸链,简称工艺尺寸链.
(2)工艺尺寸链的组成
① 环 组成工艺尺寸链的各个尺寸都称为工艺尺寸链的环.
② 封闭环 工艺尺寸链中间接得到的环称为封闭环.封闭环以下角标" 0 "表示,如" A 0 "," L ".
③ 组成环 除封闭环以外的其它环都称为组成环.组成环分增环和减环两种.
④ 增环 当其余各组成环保持不变,某一组成环增大,封闭环也随之增大,该环即为增环.一般在该环尺寸的代表符号上,加一向右的箭头表示.
⑤ 减环 当其余各组成环保持不变,某一组成环增大,封闭环反而减小,该环即为减环.一般在该尺寸的代表符号上,加一向左的箭头表示.
(3)工艺尺寸链的特征
① 关联性 组成工艺尺寸链的各尺寸之间必然存在着一定的关系,相互无关的尺寸不组成工艺尺寸链.工艺尺寸链中每一个组成环不是增环就是减环,其尺寸发生变化都要引起封闭环的尺寸变化.对工艺尺寸链中的封闭环尺寸没有影响的尺寸,就不是该工艺尺寸链的组成环.
② 封闭性 尺寸链必须是一组首尾相接并构成一个封闭图形的尺寸组合,其中应包含一个间接得到的尺寸.不构成封闭图形的尺寸组合就不是尺寸链.
(4)建立工艺尺寸链的步骤
① 确定封闭环 即加工后间接得到的尺寸.
② 查找组成环 从封闭环一端开始,按照尺寸之间的联系,首尾相连,依次画出对封闭环有影响的尺寸,直到封闭环的另一端,形成一个封闭图形,就构成一个工艺尺寸链. 查找组成环必须掌握的基本特点为:组成环是加工过程中"直接获得"的,而且对封闭环有影响.
③ 按照各组成环对封闭环的影响,确定其为增环或减环 确定增环或减环可先给封闭环任意规定一个方向,然后沿此方向,绕工艺尺寸链依次给各组成环画出箭头,凡是与封闭环箭头方向相同的就是减环,相反的就是增环.
10.2.6.2 工艺尺寸链的计算
尺寸链的计算方法有两种:极值法与概率法.极值法是从最坏情况出发来考虑问题的,即当所有增环都为最大极限尺寸而减环恰好都为最小极限尺寸,或所有增环都为最小极限尺寸而减环恰好都为最大极限尺寸,来计算封闭环的极限尺寸和公差.事实上,一批零件的实际尺寸是在公差带范围内变化的.在尺寸链中,所有增环不一定同时出现最大或最小极限尺寸,即使出现,此时所有减环也不一定同时出现最小或最大极限尺寸.概率法解尺寸链,主要用于装配尺寸链,其计算方法在装配中讲授.
10.2.6.3 工序尺寸及其公差的确定
(1)基准重合时工序尺寸及公差的确定
当零件定位基准与设计基准(工序基准)重合时,零件工序尺寸及其公差的确定方法是:先根据零件的具体要求确定其加工工艺路线,再通过查表确定各道工序的加工余量及其公差,然后计算出各工序尺寸及公差;计算顺序是:先确定各工序余量的基本尺寸,再由后往前逐个工序推算,即由工件上的设计尺寸开始,由最后一道工序向前工序推算直到毛坯尺寸.
(2)测量基准与设计基准不重合时工序尺寸及其公差的计算
在加工中,有时会遇到某些加工表面的设计尺寸不便测量,甚至无法测量的情况,为此需要在工件上另选一个容易测量的测量基准,通过对该测量尺寸的控制来间接保证原设计尺寸的精度.这就产生了测量基准与设计基准不重合时,测量尺寸及公差的计算问题.
(3)定位基准与设计基准不重合时工序尺寸计算
在零件加工过程中有时为方便定位或加工,选用不是设计基准的几何要素作定位基准,在这种定位基准与设计基准不重合的情况下,需要通过尺寸换算,改注有关工序尺寸及公差,并按换算后的工序尺寸及公差加工.以保证零件的原设计要求.
(4)中间工序的工序尺寸及其公差的求解计算
在工件加工过程中,有时一个基面的加工会同时影响两个设计尺寸的数值.这时,需要直接保证其中公差要求较严的一个设计尺寸,而另一设计尺寸需由该工序前面的某一中间工序的合理工序尺寸间接保证.为此,需要对中间工序尺寸进行计算.
(5)保证应有渗碳或渗氮层深度时工艺尺寸及其公差的计算
零件渗碳或渗氮后,表面一般要经磨削保证尺寸精度,同时要求磨后保留有规定的渗层深度.这就要求进行渗碳或渗氮热处理时按一定渗层深度及公差进行(用控制热处理时间保证),并对这一合理渗层深度及公差进行计算.
10.2.7 机械加工的生产率及技术经济分析
10.2.7.1 机械加工时间定额的组成
(1)时间定额的概念
所谓时间定额是指在一定生产条件下,规定生产一件产品或完成一道工序所需消耗的时间.它是安排作业计划,核算生产成本,确定设备数量,人员编制以及规划生产面积的重要依据.
(2)时间定额的组成
1)基本时间 T 基本时间是指直接改变生产对象的尺寸,形状,相对位置以及表面状态或材料性质等工艺过程所消耗的时间.对于切削加工来说,基本时间就是切除金属所消耗的时间(包括刀具的切入和切出时间在内).
2)辅助时间T 辅助时间是为实现工艺过程所必须进行的各种辅助动作所消耗的时间.它包括:装卸工件,开停机床,引进或退出刀具,改变切削用量,试切和测量工件等所消耗的时间.
基本时间和辅助时间的总和称为作业时间.它是直接用于制造产品或零部件所消耗的时间.
辅助时间的确定方法随生产类型而异.大批大量生产时,为使辅助时间规定得合理,需将辅助动作分解,再分别确定各分解动作的时间,最后予以综合;中批生产则可根据以往统计资料来确定;单件小批生产常用基本时间的百分比进行估算.
3)布置工作地时间 T 布置工作地时间是为了使加工正常进行,工人照管工作地(如更换刀具,润滑机床,清理切屑,收拾工具等)所消耗的时间.它不是直接消耗在每个工件上的.而是消耗在一个工作班内的时间,再折算到每个工件上的.一般按作业时间的 2% ~ 7% 估算.
4)休息与生理需要时间 T 休息与生理需要时间是工人在工作班内恢复体力和满足生理上的需要所消耗的时间. T 是按一个工作班为计算单位,再折算到每个工件上的.对机床操作工人一般按作业时间的 2% 估算.
以上四部分时间的总和称为单件时间 T ,即
T = T +T + T + T
5)准备与终结时间T 准备与终结时间是指工人为了生产一批产品或零部件,进行准备和结束工作所消耗的时间.在单件或成批生产中,每当开始加工一批工件时,工人需要熟悉工艺文件,领取毛坯,材料,工艺装备,安装刀具和夹具,调整机床和其它工艺装备等所消耗的时间以及加工一批工件结束后,需拆下和归还工艺装备,送交成品等所消耗的时间.T 既不是直接消耗在每个工件上的,也不是消耗在一个工作班内的时间,而是消耗在一批工件上的时间.因而分摊到每个工件的时间为T / n ,其中 n 为批量.故单件和成批生产的单件工时定额的计算公式 T 应为:
T = T +T / n
大批大量生产时,由于 n 的数值很大,T / n ≈ 0,故不考虑准备终结时间,即:
T = T
10.2.7.2 提高机械加工生产率的途径
劳动生产率是指工人在单位时间内制造的合格产品的数量或制造单件产品所消耗的劳动时间.劳动生产率是一项综合性的技术经济指标.提高劳动生产率,必须正确处理好质量,生产率和经济性三者之间的关系.应在保证质量的前提下,提高生产率,降低成本.劳动生产率提高的措施很多,涉及到产品设计,制造工艺和组织管理等多方面,这里仅就通过缩短单件时间来提高机械加工生产率的工艺途径作一简要分析.
由式( 5.8 )所示的单件时间组成,不难得知提高劳动生产率的工艺措施可有以下几个方面:
(1)缩短基本时间
在大批大量生产时,由于基本时间在单位时间中所占比重较大,因此通过缩短基本时间即可提高生产率.缩短基本时间的主要途径有以下几种:
1)提高切削用量 增大切削速度,进给量和背吃刀量,都可缩短基本时间,但切削用量的提高受到刀具耐用度和机床功率,工艺系统刚度等方面的制约.随着新型刀具材料的出现,切削速度得到了迅速的提高,目前硬质合金车刀的切削速度可达 200m/min ,陶瓷刀具的切削速度达 500m/min .近年来出现的聚晶人造金刚石和聚晶立方氮化硼刀具切削普通钢材的切削速度达 900m/min .
在磨削方面,近年来发展的趋势是高速磨削和强力磨削.国内生产的高速磨床和砂轮磨削速度已达 60m/s ,国外已达 90~120m/s ;强力磨削的切入深度已达 6~12mm ,从而使生产率大大提高.
2)采用多刀同时切削每把车刀实际加工长度只有原来的三分之一; 每把刀的切削余量只有原来的三分之一;用三把刀具对同一工件上不同表面同时进行横向切入法车削.显然,采用多刀同时切削比单刀切削的加工时间大大缩短.
3) 多件加工 这种方法是通过减少刀具的切入,切出时间或者使基本时间重合,从而缩短每个零件加工的基本时间来提高生产率.多件加工的方式有以下三种:
① 顺序多件加工.即工件顺着走刀方向一个接着一个地安装,这种方法减少了刀具切入和切出的时间,也减少了分摊到每一个工件上的辅助时间.
② 平行多件加工.即在一次走刀中同时加工 n 个平行排列的工件.加工所需基本时间和加工一个工件相同,所以分摊到每个工件的基本时间就减少到原来的 1/n ,其中 n 是同时加工的工件数.这种方式常见于铣削和平面磨削.
③ 平行顺序多件加工.这种方法为顺序多件加工和平行多件加工的综合应用,.这种方法适用于工件较小,批量较大的情况.
4)减少加工余量 采用精密铸造,压力铸造,精密锻造等先进工艺提高毛坯制造精度,减少机械加工余量,以缩短基本时间,有时甚至无需再进行机械加工,这样可以大幅度提高生产效率.
(2)缩短辅助时间
辅助时间在单件时间中也占有较大比重,尤其是在大幅度提高切削用量之后,基本时间显著减少,辅助时间所占比重就更高.此时采取措施缩减辅助时间就成为提高生产率的重要方向.缩短辅助时间有两种不同的途径,一是使辅助动作实现机械化和自动化,从而直接缩减辅助时间;二是使辅助时间与基本时间重合,间接缩短辅助时间.
1)直接缩减辅助时间 采用专用夹具装夹工件,工件在装夹中不需找正,可缩短装卸工件的时间.大批大量生产时,广泛采用高效气动,液动夹具来缩短装卸工件的时间.单件小批生产中,由于受专用夹具制造成本的限制,为缩短装卸工件的时间,可采用组合夹具及可调夹具.
此外,为减小加工中停机测量的辅助时间,可采用主动检测装置或数字显示装置在加工过程中进行实时测量,以减少加工中需要的测量时间.主动检测装置能在加工过程中测量加工表面的实际尺寸,并根据测量结果自动对机床进行调整和工作循环控制,例如磨削自动测量装置.数显装置能把加工过程或机床调整过程中机床运动的移动量或角位移连续精确地显示出来,这些都大大节省了停机测量的辅助时间.
2)间接缩短辅助时间 为了使辅助时间和基本时间全部或部分地重合,可采用多工位夹具和连续加工的方法.
(3)缩短布置工作地时间
布置工作地时间,大部分消耗在更换刀具上,因此必须减少换刀次数并缩减每次换刀所需的时间,提高刀具的耐用度可减少换刀次数.而换刀时间的减少,则主要通过改进刀具的安装方法和采用装刀夹具来实现.如采用各种快换刀夹,刀具微调机构,专用对刀样板或对刀样件以及自动换刀装置等,以减少刀具的装卸和对刀所需时间.例如在车床和铣床上采用可转位硬质合金刀片刀具,既减少了换刀次数,又可减少刀具装卸,对刀和刃磨的时间.
(4)缩短准备与终结时间
缩短准备与终结时间的途径有二:第一,扩大产品生产批量,以相对减少分摊到每个零件上的准备与终结时间;第二,直接减少准备与终结时间.扩大产品生产批量,可以通过零件标准化和通用化实现,并可采用成组技术组织生产.
10.2.7.3 机械加工技术经济分析的方法
制订机械加工工艺规程时,在同样能满足工件的各项技术要求下,一般可以拟订出几种不同的加工方案,而这些方案的生产效率和生产成本会有所不同.为了选取最佳方案就需进行技术经济分析.所谓技术经济分析就是通过比较不同工艺方案的生产成本,选出最经济的加工工艺方案.
生产成本是指制造一个零件或一台产品所必须的一切费用的总和.生产成本包括两大类费用:第一类是与工艺过程直接有关的费用叫工艺成本,约占生产成本的 70% ~ 75% ;第二类是与工艺过程无关的费用,如行政人员工资,厂房折旧,照明取暧等.由于在同一生产条件下与工艺过程无关的费用基本上是相等的,因此对零件工艺方案进行经济分析时,只要分析与工艺过程直接有关的工艺成本即可.
(1)工艺成本的组成
工艺成本由可变费用和不变费用两大部分组成.
1)可变费用 可变费用是与年产量有关并与之成正比的费用,用" V "表示(元 / 件).包括:材料费,操作工人的工资,机床电费,通用机床折旧费,通用机床修理费,刀具费,通用夹具费.
2)不变费用 不变费用是与年产量的变化没有直接关系的费用.当产量在一定范围内变化时,全年的费用基本上保持不变,用" S "表示(元 / 年).包括:机床管理人员,车间辅助工人,调整工人的工资,专用机床折旧费,专用机床修理费,专用夹具费.
(2)工艺成本的计算
1)零件的全年工艺成本
E = V N +S
式中 E ——零件(或零件的某工序)全年的工艺成本(元 / 年);
V ——可变费用(元 / 件);
N ——年产量(件 / 年);
S ——不变费用(元 / 年).
由上述公式可见,全年工艺成本 E 和年产量 N 成线性关系.它说明全年工艺成本的变化Δ E 与年产量的变化Δ N 成正比;又说明 S 为投资定值,不论生产多少,其值不变.
2)零件的单件工艺成本
单件工艺成本 E 与年产量 N 呈双曲线关系.在曲线的 A 段, N 很小,设备负荷也低,即单件小批生产区,单件工艺成本 E 就很高,此时若产量 N 稍有增加(Δ N )将使单件成本迅速降低(Δ E ).在曲线 B 段, N 很大,即大批大量生产区.此时曲线渐趋水平,年产量虽有较大变化,而对单件工艺成本的影响却很小.这说明对于某一个工艺方案,当 S 值(主要是专用设备费用)一定时,就应有一个与此设备能力相适应的产量范围.产量小于这个范围时,由于 S/N 比值增大,工艺成本就增加.这时采用这种工艺方案显然是不经济的,应减少使用专用设备数,即减少 S 值来降低工艺成本.当产量超过这个范围时,由于 S/N 比值变小,这时就需要投资更大而生产率更高的设备,以便减少 V 而获得更好的经济效益.
10.3 典型零件机械加工工艺过程
10.3.1 轴类零件加工分析
(1)轴类零件加工的工艺路线
1)基本加工路线
外圆加工的方法很多,基本加工路线可归纳为四条.
① 粗车—半精车—精车
对于一般常用材料,这是外圆表面加工采用的最主要的工艺路线.
② 粗车—半精车—粗磨—精磨
对于黑色金属材料,精度要求高和表面粗糙度值要求较小,零件需要淬硬时,其后续工序只能用磨削而采用的加工路线.
③ 粗车—半精车—精车—金刚石车
对于有色金属,用磨削加工通常不易得到所要求的表面粗糙度,因为有色金属一般比较软,容易堵塞沙粒间的空隙,因此其最终工序多用精车和金刚石车.
④ 粗车—半精—粗磨—精磨—光整加工
对于黑色金属材料的淬硬零件,精度要求高和表面粗糙度值要求很小,常用此加工路线.
2)典型加工工艺路线
轴类零件的主要加工表面是外圆表面,也还有常见的特特形表面,因此针对各种精度等级和表面粗糙度要求,按经济精度选择加工方法.
对普通精度的轴类零件加工,其典型的工艺路线如下:
毛坯及其热处理—预加工—车削外圆—铣键槽—(花键槽,沟槽)—热处理—磨削—终检.
(1)轴类零件的预加工
轴类零件的预加工是指加工的准备工序,即车削外圆之前的工艺.
校直 毛坯在制造,运输和保管过程中,常会发生弯曲变形,为保证加工余量的均匀及装夹可靠,一般冷态下在各种压力机或校值机上进行校值,
(2) 轴类零件加工的定位基准和装夹
1)以工件的中心孔定位 在轴的加工中,零件各外圆表面,锥孔,螺纹表面的同轴度,端面对旋转轴线的垂直度是其相互位置精度的主要项目,这些表面的设计基准一般都是轴的中心线,若用两中心孔定位,符合基准重合的原则.中心孔不仅是车削时的定为基准,也是其它加工工序的定位基准和检验基准,又符合基准统一原则.当采用两中心孔定位时,还能够最大限度地在一次装夹中加工出多个外圆和端面.
2)以外圆和中心孔作为定位基准(一夹一顶) 用两中心孔定位虽然定心精度高,但刚性差,尤其是加工较重的工件时不够稳固,切削用量也不能太大.粗加工时,为了提高零件的刚度,可采用轴的外圆表面和一中心孔作为定位基准来加工.这种定位方法能承受较大的切削力矩,是轴类零件最常见的一种定位方法.
3)以两外圆表面作为定位基准 在加工空心轴的内孔时,(例如:机床上莫氏锥度的内孔加工),不能采用中心孔作为定位基准,可用轴的两外圆表面作为定位基准.当工件是机床主轴时,常以两支撑轴颈(装配基准)为定位基准,可保证锥孔相对支撑轴颈的同轴度要求,消除基准不重合而引起的误差.
4)以带有中心孔的锥堵作为定位基准 在加工空心轴的外圆表面时,往往还采用代中心孔的锥堵或锥套心轴作为定位基准.
锥堵或锥套心轴应具有较高的精度,锥堵和锥套心轴上的中心孔即是其本身制造的定位基准,又是空心轴外圆精加工的基准.因此必须保证锥堵或锥套心轴上锥面与中心孔有较高的同轴度.在装夹中应尽量减少锥堵的安装此书,减少重复安装误差.实际生产中,锥堵安装后,中途加工一般不得拆下和更换,直至加工完毕.
图 10.1 锥堵和锥套心轴
a)锥堵 b)锥套心轴
10.3.2 典型套筒类零件的加工工艺分析
10.3.2.1 典型零件的工艺分析
(1)轴承套加工工艺分析
图 10.2 所示为 1 轴承套,材料为 ZQSn6-6-3 ,每批数量为 400 只.加工时,应根据工件的毛坯材料,结构形状,加工余量,尺寸精度,形状精度和生产纲领,正确选择定位基准,装夹方法和加工工艺过程,以保证达到图样要求.其主要技术要求为: 34mmjs7 外圆对 22mmH7 孔的径向圆跳动公差为 0.01mm ;左端面对 22mmH7 孔的轴线垂直度公差为 0.01mm .由此可见,该零件的内孔和外圆的尺寸精度和位置精度要求均较高.
图 10.2 轴承套
该轴承套属于短套,其直径尺寸和轴向尺寸均不大,粗加工可以单件加工,也可以多件加工.由于单件加工时,每件都要留出工件备装夹的长度,因此原材料浪费较多,所以这里采用多件加工的方法.
该轴承套的材料为 ZQSn6-6-3 .其外圆为 IT7 级精度,采用精车可以满足要求;内孔的精度也是 IT7 级,铰孔可以满足要求.内孔的加工顺序为钻—车孔—铰孔.
(2)液压缸加工工艺分析
图 10.3 所示某液压缸零件图,生产纲领为成批生产.
该液压缸属长套筒类零件,与前述短套类零件在加工方法及工件安装方式上都有较大差别.该液压缸内孔与活塞相配,因此表面粗糙度,形状及位置精度要求都较高.毛坯可选用无缝钢管,如果为铸件,其组织应紧密,无砂眼,针孔及疏松缺陷.必要时要用泵验漏.该液压缸为成批生产.
图 10.3 液压缸简图
该零件长而壁薄,为保证内外圆的同轴度,加工外圆时参照空心主轴的装夹方法.即采用双顶尖顶孔口 1 o 30 1 的锥面或一头夹紧一头用中心架支承.加工内孔与一般深孔加工时的装夹方法相同,多采用夹一头,另一端用中心架托住外圆.孔的粗加工采用镗削,半精加工多采用铰削 ( 浮动铰孔 ) .该液压缸内孔的表面质量要求很高,内孔精加工后需滚压.也有不少套筒类零件以精细镗,珩磨,研磨等精密加工作为最终工序.内孔经滚压后,尺寸误差在 0.01mm 以内,表面粗糙度为 Ra0.16 或更小,且表面经硬化后更为耐磨.但是目前对铸造液压缸尚未采用滚压工艺,原因是铸件表面的缺陷 ( 如疏松,气孔,砂眼,硬度不均匀等 ) ,哪怕是很微小,都对滚压有很大影响,会导致滚压加工产生适得其反的效果.
10.3.2.2 保证表面相互位置精度的方法及防止加工中工件变形的措施
(1)保证表面相互位置精度的方法
套类零件内外表面的同轴度以及端面与孔轴线的垂直度要求一般都较高,一般可用以下方法来满足: ① 在 1 次安装中完成内外表面及端面的全部加工,这样可消除工件的安装误差并获得很高的相互位置精度.但由于工序比较集中,对尺寸较大的套筒安装不便,故多用于尺寸较小的轴套车削加工. ② 主要表面的加工分在几次安装中进行 ( 先加工孔 ) ,先加工孔至零件图尺寸,然后以孔为精基准加工外圆.由于使用的夹具 ( 通常为心轴 ) 结构简单,而且制造和安装误差较小,因此可保证较高的相互位置精度,在套筒类零件加工中应用较多. ③ 主要表面的加工分在几次安装中进行 ( 先加工外圆 ) 先加工外圆至零件图尺寸,然后以外圆为精基准完成内孔的全部加工.该方法工件装夹迅速可靠,但一般卡盘安装误差较大,使得加工后工件的相互位置精度较低.如果欲使同轴度误差较小,则须采用定心精度较高的夹具,如弹性膜片卡盘,液性塑料夹头,经过修磨的三爪自定心卡盘和软爪等.
(2)防止套类零件变形的工艺措施
套类零件的结构特点是孔的壁厚较薄,薄壁套类零件在加工过程中,常因夹紧力.切削力和热变形的影响而引起变形.为防止变形常采取—些工艺措施:
1) 将粗,精加工分开进行 为减少切削力和切削热的影响,使粗加工产生的变形在精加工中得以纠正.
2) 减少夹紧力的影响 在工艺上采取以下措施减少夹紧力的影响: ① 采用径向夹紧时,夹紧力不应集中在工件的某一径向截面上,而应使其分布在较大的面积上,以减小工件单位面积上所承受的夹紧力.如可将工件安装在一个适当厚度的开口圆环中,在连同此环一起夹紧.也可采用增大接触面积的特殊卡爪.以孔定位时,宜采用张开式心轴装夹. ② 夹紧力的位置宜选在零件刚性较强的部位,以改善在夹紧力作用下薄壁零件的变形. ③ 改变夹紧力的方向,将径向夹紧改为轴向夹紧. ④ 在工件上制出加强刚性的工艺凸台或工艺螺纹以减少夹紧变形,加工时用特殊结构的卡爪夹紧,加工终了时将凸边切去.
3)减小切削力对变形的影响 ① 增大刀具主偏角和主前角,使加工时刀刃锋利,减少径向切削力. ② 将粗,精加工分开,使粗加工产生的变形能在精加工中得到纠正,并采取较小的切削用量. ③ 内外圆表面同时加工,使切削力抵销.
4) 热处理放在粗加工和精加工之间 这样安排可减少热处理变形的影响.套类零件热处理后一般会产生较大变形,在精加工时可得到纠正,但要注意适当加大精加工的余量.
