《機械制造工藝學(xué)課程設(shè)計 第2版》 課件 2.1 課程設(shè)計基礎(chǔ)知識-精度毛坯和材料

第二章

課程設(shè)計基礎(chǔ)：

精度、毛坯和材料第一節(jié)

機械的生產(chǎn)過程和工藝過程第二節(jié)

零件的工藝分析(重點)第三節(jié)毛坯和材料的選擇第四節(jié)元件裝夾和定位基準(zhǔn)的選擇（難點）第五節(jié)工藝路線的擬定(重點)第六節(jié)工序尺寸及其公差的確定（難點）第七節(jié)機械加工生產(chǎn)率第八節(jié)工藝裝備的選擇第一節(jié)機械的生產(chǎn)過程和工藝過程一生產(chǎn)過程

1.生產(chǎn)過程指把原材料轉(zhuǎn)變?yōu)槌善返娜^程。

機械工廠的生產(chǎn)過程一般包括原材料的驗收、保管、運輸，生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備，毛坯制造，零件加工（含熱處理），產(chǎn)品裝配，檢驗以及涂裝等。二 工藝過程及其組成

1．工藝過程工藝過程可根據(jù)其具體工作內(nèi)容分為鑄造、鍛造、沖壓、焊接、機械加工、熱處理、表面處理、裝配等不同的工藝過程。

把生產(chǎn)過程中改變生產(chǎn)對象的形狀、尺寸、相

對位置和物理、力學(xué)性能等，使其成為成品或半成品的過程稱為工藝過程。2．工藝過程由工序組成

（1）工序：一個（或一組）工人，在一個工作地點（或一臺機床上），對同一個零件（或一組零件）進行加工所連續(xù)完成的那部分工藝過程（2）安裝：定位＋夾緊（3）工位：待加工位置（4）工步：在一道工序中，當(dāng)加工表面不變、切削工具不變、切削用量中的進給量和切削速度基本不變的情況下所完成的那部分工藝過程（5）走刀：切去一層金屬，一個工步可以包括一次或幾次走刀多工位加工復(fù)合工步階梯軸

當(dāng)加工批量較小時，其工序的劃分見表2-1；當(dāng)加工批量較大時，其工序劃分見表2-2。表2-1階梯軸加工工藝過程（生產(chǎn)批量較小時）序號工序內(nèi)容設(shè)備序號工序內(nèi)容設(shè)備1車端面，鉆中心孔；車全部外圓，車槽與倒角車床3粗磨各外圓外圓磨床4熱處理高頻淬火機2銑鍵槽，去毛刺銑床5精磨外圓外圓磨床表2-2階梯軸加工工藝過程（成批生產(chǎn)時）序號工序內(nèi)容設(shè)備序號工序內(nèi)容設(shè)備1銑端面、鉆中心孔銑端面鉆中心孔機床5去毛刺鉗工臺2車一端外圓，車槽與倒角車床6粗磨外圓外圓磨床3車另一端外圓，車槽與倒角車床7熱處理高頻淬火機4銑鍵槽銑床8精磨外圓外圓磨床三 生產(chǎn)綱領(lǐng)與生產(chǎn)類型1.生產(chǎn)綱領(lǐng)

產(chǎn)品的年生產(chǎn)綱領(lǐng)就是產(chǎn)品的年生產(chǎn)量。2．生產(chǎn)類型

①單件生產(chǎn)

②成批生產(chǎn)

③大量生產(chǎn)①.單件生產(chǎn)

產(chǎn)品品種不固定，每一品種的產(chǎn)品數(shù)量很少，大多數(shù)工作地點的加工對象經(jīng)常改變。例如，重型機械、造船業(yè)等一般屬于單件生產(chǎn)。③.大量生產(chǎn)

產(chǎn)品品種固定，每種產(chǎn)品數(shù)量很大，大多數(shù)工作地點的加工的對象固定不變。例如，汽車、軸承制造等一般屬于大量生產(chǎn)。

②.成批生產(chǎn)

產(chǎn)品品種基本固定，但數(shù)量少，品種較多，需要周期性地輪換生產(chǎn)，大多數(shù)工作地點的加工對象是周期性的變換。

表2-3各種生產(chǎn)類型工藝過程的主要特點

生產(chǎn)類型工藝特征單件生產(chǎn)成批生產(chǎn)大批量生產(chǎn)工件的互換性一般是配對制造，沒有互換性，廣泛用鉗工修配大部分有互換性，少數(shù)用鉗工修配全部有互換性，某些精度較高的配合件用分組選擇裝配法毛坯的制造方法及加工余量鑄造用木模手工造型；鍛件用自由鍛。毛坯精度低，加工余量大部分鑄件用金屬模；部分鍛件用模鍛。毛坯精度中等，加工余量中等鑄件廣泛采用金屬模機器造型；鍛件廣泛采用模鍛及其他高生產(chǎn)率的毛坯制造方法。毛坯精度高，加工余量小機床設(shè)備通用機床或數(shù)控機床或加工中心數(shù)控機床、加工中心或柔性制造單元。設(shè)備條件不夠時，也采用部分通用機床、部分專用機床專用生產(chǎn)線、自動生產(chǎn)線、柔制造生產(chǎn)線或數(shù)控機床

生產(chǎn)類型工藝特征單件生產(chǎn)成批生產(chǎn)大批量生產(chǎn)夾具多采用標(biāo)準(zhǔn)附件，很少采用夾具，靠劃線及試切法達到精度要求廣泛采用夾具或組合夾具，部分靠加工中心一次安裝廣泛采用高生產(chǎn)率夾具，靠夾具及調(diào)整法達到精度要求刀具與量具采用通用刀具和萬能量具可以采用專用刀具及專用量具或三坐標(biāo)測量機廣泛采用高生產(chǎn)率刀具和量具，或采用統(tǒng)計分析法保證質(zhì)量對工人的要求需要熟練的技術(shù)工人需要一定熟練程序的工人和編程技術(shù)人員對操作工人的技術(shù)要求較低，對生產(chǎn)線維護人員要求有高的素質(zhì)工藝規(guī)程有簡單的工藝路線卡有工藝規(guī)程，對關(guān)鍵零件有詳細的工藝規(guī)程有詳細的工藝規(guī)程（續(xù)）四 機械加工工藝規(guī)程1.工藝規(guī)程的作用工藝規(guī)程是指導(dǎo)生產(chǎn)的主要技術(shù)文件工藝規(guī)程是組織生產(chǎn)和管理工作的基本依據(jù)工藝規(guī)程是新建或擴建工廠或車間的基本資料2．機械加工工藝規(guī)程的格式

生產(chǎn)類型不同，所有的工藝規(guī)程的模式和內(nèi)容也不相同。（1）機械加工工藝過程卡片(工藝路線)。（2）機械加工工藝卡片。（3）機械加工工序卡片。

機械加工工藝過程卡片的格式見下表。表2-4機械加工工藝過程卡片表2-5機械加工工序卡片工序簡圖（工藝附圖）繪制方法：（1）視圖中與本工序無關(guān)的次要結(jié)構(gòu)和線條可略去不畫，除加工面、定位面、夾緊面、主要輪廓面外，其余線條均可省略。（2）直觀，視圖方向盡量與工件在機床上的裝夾方向一致。

（3）工序圖應(yīng)該是工件在本工序完成之后所具有的形狀和尺寸，本工序加工表面用粗實線表示，工件的主要特征輪廓（如工件輪廓及特征表面）用細實線表示，不要將后面工序中才能形成的結(jié)構(gòu)形狀在本工序的工序簡圖中反映出來。3機械加工工藝規(guī)程制定的原則（1）保證加工質(zhì)量（2）保證生產(chǎn)效率（3）較低制造成本（4）良好勞動條件產(chǎn)品整套裝配圖、零件圖質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)綱領(lǐng)、生產(chǎn)類型毛坯情況本廠現(xiàn)有生產(chǎn)條件先進技術(shù)、工藝有關(guān)手冊、圖冊4.制訂機械加工工藝規(guī)程的原始資料5步驟分析研究產(chǎn)品圖紙工藝性分析選擇毛坯擬訂工藝路線選擇設(shè)備、工裝確定工序余量、工序尺寸確定切削用量、工時定額技術(shù)經(jīng)濟分析填寫工藝文件第二節(jié) 零件的工藝分析一 零件圖的完整性和正確性檢查零件的視圖、尺寸、公差和技術(shù)要求是否齊全、合理、符合國家標(biāo)準(zhǔn)，若有錯誤或遺漏，應(yīng)提出修改措施?；痉枺硎颈砻婵捎萌魏畏椒ǐ@得。表示表面是用去材料的方法獲得，如車、銑、鉆、磨等。表示表面是用不去材料的方法獲得，如鑄、鍛、沖壓、軋、等。3、精度設(shè)計二 零件的技術(shù)要求分析零件的技術(shù)要求包括下列幾個方面：

1）加工表面的尺寸精度。大小

2）主要加工表面的形狀精度。方、園、豬腰子臉

3）主要加工表面之間的相互位置精度。五官勻稱

4）加工表面的粗糙度以及表面質(zhì)量方面的其他要求。臉光滑、麻子

5）熱處理要求。臉皮硬

6）其他要求（如動平衡、未注圓角或倒角、去毛剌、毛坯要求等）。三 零件的結(jié)構(gòu)工藝性分析鑄件：便于造型、拔模斜度璧厚均勻、無尖邊、尖角鍛件：形狀簡單、無尖邊、尖角、飛刺，便于出模在毛坯制造方面在裝配方面便于裝配、減少修配量結(jié)構(gòu)工藝性內(nèi)容在加工方面合理標(biāo)注零件的技術(shù)要求便于加工、減少加工數(shù)控加工工藝性分析（見表9-1）

下表列出了一些零件結(jié)構(gòu)工藝性示例。序號結(jié)構(gòu)工藝性差結(jié)構(gòu)工藝性好1孔離箱壁太近，鉆頭在圓角處易引偏；箱壁高度尺寸大，需加長鉆頭方能鉆孔加長箱耳，不需加長長頭（見圖a）；只要使用上允許將箱耳設(shè)計在某一端，則不需加長箱耳，即可方便加工(見圖b)2車螺紋時，螺紋根部易打刀，且不能清根留有退刀槽，可使螺紋清根，避免打刀

表2-6零件結(jié)構(gòu)工藝性示例序號結(jié)構(gòu)工藝性差結(jié)構(gòu)工藝性好3插齒無退刀空間，小齒輪無法加工大齒輪可進行滾齒或插齒，小齒輪可進行插齒加工4兩端軸頸需磨削加工，因砂輪圓角而不能清根留有砂輪越程槽，磨削時可以清根5斜面鉆孔，鉆頭易引偏只要結(jié)構(gòu)允許留出平臺，可直接鉆孔6錐面加工時，易碰傷圓柱面，且不能清根可方便地對錐面進行加工7加工面高度不同，需兩次調(diào)整刀具加工，影響生產(chǎn)率加工面在同一高度，一次調(diào)整刀具可加工兩個平面（續(xù)）序號結(jié)構(gòu)工藝性差結(jié)構(gòu)工藝性好8三個退刀槽的寬度有三種尺寸，需用三把不同尺寸的刀具加工同一寬度尺寸的退刀槽，使用一把刀具即可加工9加工面大，加工時間長，平面度誤差大加工面減小，節(jié)省工時，減少刀損耗且易保證平面度要求10內(nèi)壁孔出口處易鉆偏或鉆頭折斷內(nèi)壁孔出口處平整，鉆孔方便，易保證孔中心位置11鍵槽設(shè)置在階梯軸90°方向上，需兩次裝夾加工將階梯軸的兩個鍵槽設(shè)計在同一方向上，一次裝夾即可對兩個鍵槽加工（續(xù)）第三節(jié) 毛坯和材料的選擇

選擇毛坯的基本任務(wù)是選定毛坯的制造方法及其制造精度。一毛坯的種類

1．鑄件

2．鍛件

3．型材

4．焊接件液態(tài)成形——鑄造塑性成形——鍛造連接成形——焊接1、鑄造

鑄造(casting)：將液態(tài)金屬澆注到與零件形狀、尺寸相適應(yīng)的鑄型型腔中，待其冷卻凝固后，獲得一定形狀的毛坯或零件的方法。鑄造是生產(chǎn)機器零件毛坯的主要方法之一，其實質(zhì)是液態(tài)金屬逐步冷卻凝固成形。鑄造優(yōu)缺點

砂型鑄造是應(yīng)用最廣的鑄造方法，約占總產(chǎn)量的80%以上，其基本工藝過程如下：砂型鑄造方法

零件圖鑄造工藝圖模樣圖、芯盒圖、鑄型裝配圖制造模樣及芯盒混制芯砂預(yù)處理造型材料混制型砂造型制芯準(zhǔn)備爐料熔煉金屬澆注化驗落砂、清理檢驗熱處理合格鑄件合型烘干鑄型烘干芯子鑄件中較大的孔、槽應(yīng)當(dāng)鑄出，以減少切削量和熱節(jié)，提高鑄件力學(xué)性能。較小的孔和槽不必鑄出，留待以后加工更為經(jīng)濟。下表為鑄件最小鑄出孔尺寸。當(dāng)孔深與孔徑比L/D>4時，也為不鑄孔。正方孔、矩形孔或氣路孔的彎曲孔，當(dāng)不能機械加工時原則上必須鑄出。正方孔、矩形孔的最短加工邊必須大于30mm才能鑄出。批量單件小批中等批量大批生產(chǎn)尺寸/mm30～5015～3012～15

鑄件最小鑄出孔尺寸最小鑄出孔(不鑄孔)和槽（1）、收縮余量：為補償收縮，模樣比鑄件圖樣尺寸增大的數(shù)值。其大小與鑄件尺寸大小、結(jié)構(gòu)、壁厚，鑄造合金的線收縮率及收縮時受阻礙情況有關(guān)。常以鑄件線收縮率表示。即（2）、加工余量：指在鑄件表面上留出的準(zhǔn)備切削去的金屬層厚度。影響加工余量的因素有合金種類、鑄造方法、鑄件結(jié)構(gòu)、尺寸及加工面在型內(nèi)的位置等。灰鑄鐵件比鑄鋼件要小，機器比手工要小。最小鑄出孔和槽：較小孔槽一般不鑄出。（3）、起模斜度：為便于取模，在平行于出模方向的模樣表面上所增加的斜度稱拔模斜度。一般用角度或?qū)挾缺硎?，如圖所示。起模斜度應(yīng)根據(jù)模樣高度及造型方法來確定。對有加工余量的側(cè)面應(yīng)加上加工余量再給拔模斜度，一般按增加厚度法或加減厚度法。非加工面用減小厚度法。

2、鍛造技術(shù)及其工藝（1）塑性成形鍛壓塑性成形：指固態(tài)金屬在外力作用下產(chǎn)生塑性變形，獲得所需形狀、尺寸及力學(xué)性能的毛坯或零件的加工方法。具有較好塑性的材料如鋼和有色金屬及其合金均可在冷態(tài)或熱態(tài)下進行塑性成形加工。3、焊接技術(shù)及其工藝（1）焊接

焊接技術(shù)在汽車制造中得到廣泛的應(yīng)用。汽車的發(fā)動機、變速箱、車橋、車架、車身、車廂六大總成都離不開焊接技術(shù)的應(yīng)用。在汽車零部件的制造中，應(yīng)用了點焊、凸焊、縫焊、滾凸焊、焊條電弧焊、CO2氣體保護焊、氬弧焊、氣焊、釬焊、摩擦焊、電子束焊和激光焊等各種焊接方法。在飛行器制造中，為保證產(chǎn)品的高質(zhì)量與可靠性以及在運行中的全壽命可維修性，高能束流（激光、電子束、等離子體）焊接和固態(tài)焊（擴散焊、摩擦焊、超塑成形/擴散連接、擴散釬焊）的比例正在擴大。熔化焊堆焊與噴涂高能焊電渣焊電弧焊氣焊激光焊電子束焊等離子弧焊氣體保護焊埋弧自動焊焊條電弧焊壓力焊摩擦焊擴散焊電阻焊超聲波焊爆炸焊對焊點焊縫焊釬焊真空釬焊感應(yīng)釬焊爐中釬焊電阻釬焊鹽浴釬焊火焰釬焊烙鐵釬焊手工電弧焊手工電弧焊，通常焊厚板時，需要較高的溫度，常采用直流正接法，而焊薄板時，為了避免燒穿工件，常采用直流反接法。（2）、影響焊接接頭性能的因素

焊接接頭的力學(xué)性能決定于它的化學(xué)成分和組織。具體有：1）焊接材料，焊絲和焊劑都要影響焊縫的化學(xué)成分；2）焊接方法，一方面影響組織粗細，另一方面影響有害雜質(zhì)含量；3）焊接工藝，焊接時，為保證焊接質(zhì)量而選定的物理量（如焊接電流、電弧電壓、焊接速度、線能量等）的總稱；線能量:指熔化焊時，焊接能源輸入給單位長度焊縫上的能量。顯然焊接工藝參數(shù)，影響焊接接頭輸入能量的大小，影響焊接熱循環(huán)，從而影響熱影響區(qū)的大小和接頭組織粗細。

焊接工藝設(shè)計的主要內(nèi)容是根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)工作時的負(fù)荷大小和種類、工作環(huán)境、工作溫度等使用要求，合理選擇結(jié)構(gòu)材料、焊接材料和焊接方法，正確設(shè)計焊接接頭、制定工藝和焊接技術(shù)條件等。焊接結(jié)構(gòu)的主要生產(chǎn)工藝過程為：備料——裝配——焊接——焊接變形矯正——質(zhì)量檢驗——表面處理。4）焊后熱處理：如正火，能細化接頭組織，改善性能。5）接頭形式，工件厚度、施焊環(huán)境溫度和預(yù)熱等均會影響焊后冷卻速度，從而影響接頭的組織和性能。（3）、焊條的種類、型號、牌號1）焊條的種類

按用途分有：碳鋼焊條、低合金鋼焊條、不銹鋼焊條、鑄鐵焊條、堆焊焊條、鎳和鎳合金焊條、銅合銅合金焊條、鋁和鋁合金焊條等。

按藥皮性質(zhì)分：酸性焊條（酸性氧化物為主），堿性焊條（堿性氧化物和螢石CaF2為主）。

2）焊條型號：是國家標(biāo)準(zhǔn)中的焊條代號。如E4303，E表示焊條，43表示熔敷金屬抗拉強度最小值kgf/mm2；03表示焊接位置為全位置、電流種類為交直流及藥皮類型為鈦鐵礦型。3）焊條牌號：是焊條行業(yè)統(tǒng)一的焊條代號，用一個大寫漢語拼音字母和三個數(shù)字表示；如J422，J表示結(jié)構(gòu)鋼焊條，42表示焊縫金屬抗拉強度等級kgf/mm2，2表示藥皮類型和電流種類。4）堿性焊條和酸性焊條特性兩者性能差別很大，使用時不能隨意互換。堿性焊條的特點有：機械性能好；工藝性能差；焊縫金屬抗裂性好；對銹、油、水的敏感性大，易出氣孔；有毒煙塵多。用于重要的結(jié)構(gòu)鋼或合金鋼結(jié)構(gòu)。酸性焊條機械性能較差，但工藝性能好；用于一般結(jié)構(gòu)鋼。（4）焊條的選用：1）等強度原則；2）同成分原則；3）抗裂性要求；4）抗氣孔要求；5）低成本要求。焊接缺陷二毛坯的選擇原則

1．零件材料及力學(xué)性能要求。

2．零件的結(jié)構(gòu)形狀與大小

3．生產(chǎn)類型

4．現(xiàn)有生產(chǎn)條件

5．充分利用新工藝、新材料中碳鋼0.25~0.6%C高碳鋼

0.6%C低碳鋼

0.25%C低合金鋼合金元素總量

5%中合金鋼合金元素總量5~10%高合金鋼合金元素總量

10%碳素鋼合金鋼

表2-7機械設(shè)計常用材料及性能三工件材料的切削加工性衡量材料切削加工性的指標(biāo)工件材料切削加工性

指材料被加工成合格零件的難易程度是一個相對的概念。

（1）.以刀具使用壽命T或切削速度vT來衡量

相同切削條件比T

；T一定，比速度vT

或切除材料體積。（3）.以已加工表面質(zhì)量來衡量

一般精加工，用Ra；精密零件，用加工硬化、殘余應(yīng)力。（2）.以切削力或切削溫度來衡量粗加工、機床剛性或功率不足用力或功率;導(dǎo)熱差用溫度。（4）.以斷屑性能來衡量

自動機床、數(shù)控機床、自動線等，斷屑性能是主要指標(biāo)。1工件材料的相對加工性

（1）.切削速度vT的含義：當(dāng)?shù)毒呤褂脡勖鼮門(min)時切削某種材料所允許的切削速度。

vT越高，材料的切削加工性越好。通常取T=

60

min，

vT寫作v60

；難加工材料，vT為v15或v30。（2）.相對加工性Kr：以σb=0.637GPa的45鋼的v60作為基準(zhǔn)，寫作(v60)j，將某種材料的v60與其相比的比值，即

Kr

＝

v60/(v60)jKr僅反映不同材料對刀具使用壽命的影響程度，并未反映表面粗糙度和斷屑問題，僅對選擇切削速度有指導(dǎo)意義。若以某材料的Kr乘以45鋼的切削速度即得該材料的許用切削速。2常用金屬材料的切削加工性（1）有色金屬普通鋁及鋁合金、銅及銅合金，強度硬度低，導(dǎo)熱性好，易切削。（2）鑄鐵白口鑄鐵硬度高（HBS600)，難切削；灰口鑄鐵硬度適中，強度塑性小，切削力較小，但高硬度碳化物對刀具有擦傷，崩碎切屑，切削力熱集中刀刃上且有波動，刀具磨損率并不低，應(yīng)采用低于加工鋼的切削速度。球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵的強度塑性比灰鐵高，切削性良好工件表面若有硬皮應(yīng)進行退火處理。（3）結(jié)構(gòu)鋼

碳素結(jié)構(gòu)鋼切削加工性取決于含碳量。

低碳鋼硬度低，塑韌性高，變形大，斷屑難，粘屑，加工表面粗糙，加工性較差；

高碳鋼硬度高，塑性低，切削力大，溫度高，刀具耐用度低，加工性差；

中碳鋼性能適中，加工性良好。合金結(jié)構(gòu)鋼強度硬度提高，切削加工性變差。（4）難加工材料高強度硬度，高塑性韌性或高脆性，耐高溫，導(dǎo)熱性差。切削力大，溫度高，刀具磨損快，斷屑難，加工性差。3改善材料切削加工性的途徑（1）.調(diào)整材料的化學(xué)成分

鋼中加硫、鉛等元素；鑄鐵中增加石墨成分。（2）.進行適當(dāng)?shù)臒崽幚?/p>

低、中碳鋼宜選正火處理，均勻組織，調(diào)整硬度塑性；

高碳鋼宜用球化退火,降低硬度,均勻組織,改善加工性；

中碳以上的合金鋼硬度較高，需退火以降低硬度；

不銹鋼常要進行調(diào)質(zhì)處理，降低塑性，以便加工；

鑄鐵需進行退火處理，降低表皮硬度，消除內(nèi)應(yīng)力。4改善切削加工條件（1）.選擇合適的刀具材料和切削用量

難加工材料，導(dǎo)熱性差，選YG、YW合金或涂層刀片；刀具合理幾何參數(shù)，斷屑槽、卷屑槽，控制排屑；選擇合理切削用量等。（2）.選用合適的設(shè)備和加工方法難加工材料加工，機床要有足夠的功率和剛性；選擇合適的切削液，供給充足；高硬度材料加工采用磨削加工更容易。（3）.選擇切削加工性好的材料狀態(tài)

低碳鋼選冷拔狀態(tài)；中碳鋼選熱軋狀態(tài)。5切削用量的合理選擇

粗加工中選擇切削用量時，應(yīng)首先選擇盡可能大的背吃刀量ap，其次在工藝條件允許下選擇較大的進給量f，最后根據(jù)合理的刀具使用壽命，用計算法或查表法確定切削速度v。這樣使v、f、ap的乘積最大，以獲得最大的生產(chǎn)率。精加工時則主要按表面粗糙度和加工精度要求確定切削用量。

（1）背吃刀量ap的選擇（以車