機械加工工藝規程

10.1 工藝過程

10.1.1 生產過程與工藝過程

(1) 生產過程

生產過程是指把原材料(半成品)轉變為成品的全過程.機械產品的生產過程,一般包括: ①生產與技術的準備,如工藝設計和專用工藝裝備的設計和製造,生產計劃的編製,生產資料的準備;②毛坯的製造,如鑄造,鍛造,衝壓等;③零件的加工,如切削加工,熱處理,表面處理等;④產品的裝配,如總裝,部裝,調試檢驗和油漆等;⑤生產的服務,如原材料,外購件和工具的供應,運輸,保管等.

機械產品的生產過程一般比較複雜,目前很多產品往往不是在一個工廠內單獨生產,而是由許多專業工廠共同完成的.例如:飛機製造工廠就需要用到許多其他工廠的產品(如發動機,電器設備,儀錶等),相互協作共同完成一架飛機的生產過程.因此,生產過程即可以指整台機器的製造過程,也可以是某一零部件的製造過程.

(2) 工藝過程

工藝過程是指在生產過程中改變生產對象的形狀,尺寸,相對位置和性質等,使其成為成品或半成品的過程.如毛坯的製造,機械加工,熱處理,裝配等均為工藝過程. 在工藝過程中,若用機械加工的方法直接改變生產對象的形狀,尺寸和表面質量,使之成為合格零件的工藝過程,稱為機械加工工藝過程.同樣,將加工好的零件裝配成機器使之達到所要求的裝配精度並獲得預定技術性能的工藝過程,稱為裝配工藝過程.

機械加工工藝過程和裝配工藝過程是機械製造工藝學研究的兩項主要內容.

10.1.2 機械加工工藝過程的組成

機械加工工藝過程是由一個或若干個順序排列的工序組成的,而工序又可分為若干個安裝,工位,工步和走刀,毛坯就是依次通過這些工序的加工而變成為成品的.

(1) 工序

工序是指一個或一組工人,在一個工作地點對一個或同時對幾個工件所連續完成的那一部分工藝過程.區分工序的主要依據,是工作地點(或設備)是否變動和完成的那部分工藝內容是否連續.如圖 4.1所示的零件,孔1需要進行鑽孔和鉸孔,如果一批工件中,每個工件都是在一台機床上依次地先鑽孔,而後鉸孔,則鑽孔和鉸孔就構成一個工序.如果將整批工件都是先進行鑽孔,然後整批工件再進行鉸孔,這樣鑽孔和鉸孔就分成兩個工序了.

工序不僅是組成工藝過程的基本單元,也是制訂工時定額,配備工人,安排作業和進行質量檢驗的依據.

通常把僅列出主要工序名稱的簡略工藝過程稱為工藝路線.

(2) 安裝與工位

工件在加工前,在機床或夾具上先佔據一正確位置 (定位 ),然後再夾緊的過程稱為裝夾.工件(或裝配單元)經一次裝夾後所完成的那一部分工藝內容稱為安裝.在一道工序中可以有一個或多個安裝.工件加工中應盡量減少裝夾次數,因為多一次裝夾就多一次裝夾誤差,而且增加了輔助時間 .因此生產中常用各種迴轉工作台,迴轉夾具或移動夾具等,以便在工件一次裝夾後,可使其處於不同的位置加工.為完成—定的工序內容,一次裝夾工件後,工件 (或裝配單元)與夾具或設備的可動部分一起相對刀具或設備固定部分所佔據的每一個位置,稱為工位.圖4.2所示為一種利用迴轉工作台在—次裝夾後順序完成裝卸工件,鑽孔,擴孔和鉸孔四個工位加工的實例.

(3) 工步與走刀

1)工步 工步是指被加工表面(或裝配時的連接表面 )和切削(或裝配)工具不變的情況下所連續完成的那一部分工序.一個工序可以包括幾個工步,也可以只有一個工步.一般來說,構成工步的任一要素 (加工表面,刀具及加工連續性)改變後,即成為一個新工步.但下面指出的情況應視為一個工步.①對於那些一次裝夾中連續進行的若干相同的工步應視為一個工步.如圖 4.1所示,兩孔1的加工,可以作為一個工步.② 為了提高生產率,有時用幾把刀具同時加工一個或幾個表面,此時也應視為一個工步.稱為複合工步.

2)走刀 在一個工步內,若被加工表面切去的金屬層很厚,需分幾次切削,則每進行一次切削就是一次走刀.一個工步可以包括一次走刀或幾次走刀.

10.1.3 機械加工生產類型和特點

(1) 生產綱領

企業在計劃期內生產的產品的數量和進度計劃稱為生產綱領.零件的年生產綱領.可按下式計算

N=Qn(1+a%+b%)

式中 N——零件的年生產綱領,件/年;

Q——產品的年生產綱領,台/年;

n——每台產品中該零件的數量,件/台;

a%--備品的百分率;

b%--廢品的百分率.

生產綱領的大小對生產組織形式和零件加工過程起著重要的作用,它決定了各工序所需專業化和自動化的程度,決定了所應選用的工藝方法和工藝裝備.

(2) 生產類型和工藝特點

企業 (或車間,工段,班組,工作地)生產專業化程度的分類稱為生產類型.生產類型一般可分為:單件生產,成批生產,大量生產三種.

1)單件生產 單件生產的基本特點是:生產的產品種類繁多,每種產品的產量很少,而且很少重複生產.例如,重型機械產品製造和新產品試製等都屬於單間生產.

2)成批生產 成批生產的基本特點是:分批的生產相同的產品,生產呈周期性重複.如機床製造,電機製造等屬於成批生產,成批生產又可按其批量大小分為小批量生產,中批量生產,大批量生產三種類型.其中,小批量生產和大批生產的工藝特點分別與單件生產和大量生產的工藝特點類似;中批量生產的工藝特點.介於小批生產和大批生產之間.

3)大量生產 大量生產的基本特點是:產量大,品種少,大多數工作長期重複的進行某個零件的某一道工序的加工.例如,汽車,拖拉機,軸承等的製造都屬於大量生產.

生產類型的劃分除了與生產綱領有關外,還應考慮產品的大小及複雜程度,生產類型不同,產品製造的工藝方法,所用的設備和工藝裝備以及生產的組織形式等均不同.大批大量生產應儘可能採用高效率的設備和工藝方法,以提高生產率;單件小批生產應採用通用設備和工藝裝備,也可採用先進的數控機床,以降低各類生產類型的生產成本.

10.2 機械加工工藝規程

10.2.1 概述

機械加工工藝規程是規定零件機械加工工藝過程和操作方法等的工藝文件之一,它是在具體的生產條件下,把較為合理的工藝過程和操作方法,按照規定的形式書寫成工藝文件,經審批後用來指導生產.機械加工工藝規程一般包括以下內容:工件加工的工藝路線,各工序的具體內容及所用的設備和工藝裝備,工件的檢驗項目及檢驗方法,切削用量,時間定額等.

10.2.1.1 機械加工藝規程的作用

(1)是指導生產的重要技術文件

工藝規程是依據工藝學原理和工藝試驗,經過生產驗證而確定的,是科學技術和生產經驗的結晶.所以,它是獲得合格產品的技術保證,是指導企業生產活動的重要文件.正因為這樣,在生產中必須遵守工藝規程,否則常常會引起產品質量的嚴重下降,生產率顯著降低,甚至造成廢品.但是,工藝規程也不是固定不變的,工藝人員應總結工人的革新創造,可以根據生產實際情況,及時地汲取國內外的先進工藝技術,對現行工藝不斷地進行改進和完善,但必須要有嚴格的審批手續.

(2)是生產組織和生產準備工作的依據

生產計劃的制訂,產品投產前原材料和毛坯的供應,工藝裝備的設計,製造與採購,機床負荷的調整,作業計劃的編排,勞動力的組織,工時定額的制訂以及成本的核算等,都是以工藝規程作為基本依據的.

(3)是新建和擴建工廠(車間)的技術依據

在新建和擴建工廠(車間)時,生產所需要的機床和其它設備的種類,數量和規格,車間的面積,機床的布置,生產工人的工種,技術等級及數量,輔助部門的安排等都是以工藝規程為基礎,根據生產類型來確定.除此以外,先進的工藝規程也起著推廣和交流先進經驗的作用,典型工藝規程可指導同類產品的生產.

10.2.1.2 工藝規程制訂的原則

工藝規程制訂的原則是優質,高產和低成本,即在保證產品質量的前提下,爭取最好的經濟效益.在具體制定時,還應注意下列問題:

1)技術上的先進性 在制訂工藝規程時,要了解國內外本行業工藝技術的發展,通過必要的工藝試驗,儘可能採用先進適用的工藝和工藝裝備.

2)經濟上的合理性 在一定的生產條件下,可能會出現幾種能夠保證零件技術要求的工藝方案.此時應通過成本核算或相互對比,選擇經濟上最合理的方案,使產品生產成本最低.

3)良好的勞動條件及避免環境污染 在制訂工藝規程時,要注意保證工人操作時有良好而安全的勞動條件.因此,在工藝方案上要盡量採取機械化或自動化措施,以減輕工人繁重的體力勞動.同時,要符合國家環境保護法的有關規定,避免環境污染.

產品質量,生產率和經濟性這三個方面有時相互矛盾,因此,合理的工藝規程應用該處理好這些矛盾,體現這三者的統一.

10.2.1.3 制訂工藝規程的原始資料

1) 產品全套裝配圖和零件圖.

2) 產品驗收的質量標準.

3) 產品的生產綱領(年產量).

4) 毛坯資料 毛坯資料包括各種毛坯製造方法的技術經濟特徵;各種型材的品種和規格,毛坯圖等;在無毛坯圖的情況下,需實際了解毛坯的形狀,尺寸及機械性能等.

5) 本廠的生產條件 為了使制訂的工藝規程切實可行,一定要考慮本廠的生產條件.如了解毛坯的生產能力及技術水平;加工設備和工藝裝備的規格及性能;工人技術水平以及專用設備與工藝裝備的製造能力等.

6) 國內外先進工藝及生產技術發展情況 工藝規程的制訂,要經常研究國內外有關工藝技術資料,積極引進適用的先進工藝技術,不斷提高工藝水平,以獲得最大的經濟效益.

7) 有關的工藝手冊及圖冊.

10.2.1.4 制訂工藝規程的步驟

1) 計算年生產綱領,確定生產類型.

2) 分析零件圖及產品裝配圖,對零件進行工藝分析.

3) 選擇毛坯.

4) 擬訂工藝路線.

5) 確定各工序的加工餘量,計算工序尺寸及公差.

6) 確定各工序所用的設備及刀具,夾具,量具和輔助工具.

7) 確定切削用量及工時定額.

8) 確定各主要工序的技術要求及檢驗方法.

9) 填寫工藝文件.

在制訂工藝規程的過程中,往往要對前面已初步確定的內容進行調整,以提高經濟效益.在執行工藝規程過程中,可能會出現前所未料的情況,如生產條件的變化,新技術,新工藝的引進,新材料,先進設備的應用等,都要求及時對工藝規程進行修訂和完善.

10.2.1.5 工藝文件的格式

將工藝規程的內容,填入一定格式的卡片,即成為生產準備和施工依據的工藝文件.常用的工藝文件格式有下列幾種:

(1)綜合工藝過程卡片

這種卡片以工序為單位,簡要地列出了整個零件加工所經過的工藝路線(包括毛坯製造,機械加工和熱處理等),它是制訂其它工藝文件的基礎,也是生產技術準備,編排作業計劃和組織生產的依據.

在這種卡片中,由於各工序的說明不夠具體,故一般不能直接指導工人操作,而多作生產管理方面使用.但是,在單件小批生產中,由於通常不編製其它較詳細的工藝文件,而是以這種卡片指導生產.

機械加工工藝卡片是以工序為單位,詳細說明整個工藝過程的工藝文件.它是用來指導工人生產和幫助車間管理人員和技術人員掌握整個零件加工過程的一種主要技術文件,廣泛用於成批生產的零件和小批生產中的重要零件.

(3)機械加工工序卡片

機械加工工序卡片是根據工藝卡片為毎一道工序制訂的.它更詳細地說明整個零件各個工序的加工要求,是用來具體指導工人操作的工藝文件.在這種卡片上,要畫出工序簡圖,註明該工序每一工步的內容,工藝參數,操作要求以及所用的設備和工藝裝備.工序簡圖就是按一定比例用較小的投影繪出工序圖,可略去圖中的次要結構和線條,主視圖方向盡量與零件在機床上的安裝方向相一致,本工序的加工表面用粗實線或紅色粗實線表示,零件的結構,尺寸要與本工序加工後的情況相符合,並標註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夾緊情況.用於大批量生產的零件.

10.2.2 零件的工藝分析

在制訂零件的機械加工工藝規程時,首先要對照產品裝配圖分析零件圖,熟悉該產品的用途,性能及工作條件,明確零件在產品中的位置,作用及相關零件的位置關係;了解並研究各項技術條件制定的依據,找出其主要技術要求和技術關鍵,以便在擬定工藝規程時採用適當的措施加以保證.然後著重對零件進行結構分析和技術要求的分析.

10.2.2.1 零件結構分析

零件的結構分析主要包括以下三方面:

(1)零件表面的組成和基本類型

儘管組成零件的結構多種多樣,但從形體上加以分析,都是由一些基本表面和特形表面組成的.基本表面有內外圓柱表面,圓錐表面和平面等;特形表面主要有螺旋面,漸開線齒形表面,圓弧面(如球面)等.在零件結構分析時,根據機械零件不同表面的組合形成零件結構上的特點,就可選擇與其相適應的加工方法和加工路線,例如外圓表面通常由車削或磨削加工;內孔表面則通過鑽,擴,鉸,鏜和磨削等加工方法獲得.

機械零件不同表面的組合形成零件結構上的特點.在機械製造中,通常按零件結構和工藝過程的相似性,將各類零件大致分為軸類零件,套類零件,箱體類零件,齒輪類零件和叉架類零件等.

(2)主要表面與次要表面區分

根據零件各加工表面要求的不同,可以將零件的加工表面劃分為主要加工表面和次要加工表面;這樣,就能在工藝路線擬定時,做到主次分開以保證主要表面的加工精度.

(3)零件的結構工藝性

所謂零件的結構工藝性是指零件在滿足使用要求的前提下,製造該零件的可行性和經濟性.功能相同的零件,其結構工藝性可以有很大差異.所謂結構工藝性好,是指在現有工藝條件下,既能方便製造又有較低的製造成本.

10.2.2.2 零件的技術要求分析

零件圖樣上的技術要求,既要滿足設計要求,又要便於加工,而且齊全和合理.其技術要求包括下列幾個方面:

1)加工表面的尺寸精度,形狀精度和表面質量;

2)各加工表面之間的相互位置精度;

3)工件的熱處理和其它要求,如動平衡,鍍鉻處理,去磁等.

零件的尺寸精度,形狀精度,位置精度和表面粗糙度的要求,對確定機械加工工藝方案和生產成本影響很大.因此,必須認真審查,以避免過高的要求使加工工藝複雜化和增加不必要的費用.

在認真分析了零件的技術要求後,結合零件的結構特點,對零件的加工工藝過程便有一個初步的輪廓.加工表面的尺寸精度,表面粗糙度和有無熱處理要求,決定了該表面的最終加工方法,進而得出中間工序和粗加工工序所採用的加工方法.如,軸類零件上 IT7 級精度,表面粗糙度 R a 1.6 μ m 的軸頸表面,若不淬火,可用粗車,半精車,精車最終完成;若淬火,則最終加工方法選磨削,磨削前可採用粗車,半精車(或精車)等加工方法加工.表面間的相互位置精度,基本上決定了各表面的加工順序.

10.2.3 毛坯的選擇

毛坯的確定,不僅影響毛坯製造的經濟性,而且影響機械加工的經濟性.所以在確定毛坯時,既要考慮熱加工方面的因素,也要兼顧冷加工方面的要求,以便從確定毛坯這一環節中,降低零件的製造成本.

10.2.3.1 機械加工中常用毛坯的種類

毛坯的種類很多,同一種毛坯又有多種製造方法,機械製造中常用的毛坯有以下幾種:

(1)鑄件

形狀複雜的零件毛坯,宜採用鑄造方法製造.目前鑄件大多用砂型鑄造,它又分為木模手工造型和金屬模機器造型.木模手工造型鑄件精度低,加工表面餘量大,生產率低,適用於單件小批生產或大型零件的鑄造.金屬模機器造型生產率高,鑄件精度高,但設備費用高,鑄件的重量也受到限制,適用於大批量生產的中小鑄件.其次,少量質量要求較高的小型鑄件可採用特種鑄造(如壓力鑄造,離心製造和熔模鑄造等).

(2)鍛件

機械強度要求高的鋼製件,一般要用鍛件毛坯.鍛件有自由鍛造鍛件和模鍛件兩種.自由鍛造鍛件可用手工鍛打(小型毛坯) , 機械錘鍛(中型毛坯)或壓力機壓鍛(大型毛坯)等方法獲得.這種鍛件的精度低,生產率不高,加工餘量較大,而且零件的結構必須簡單;適用於單件和小批生產,以及製造大型鍛件.

模鍛件的精度和表面質量都比自由鍛件好,而且鍛件的形狀也可較為複雜,因而能減少機械加工餘量.模鍛的生產率比自由鍛高得多,但需要特殊的設備和鍛模,故適用於批量較大的中小型鍛件.

(3)型材

型材按截面形狀可分為:圓鋼,方鋼,六角鋼,扁鋼,角鋼,槽鋼及其它特殊截面的型材.型材有熱軋和冷拉兩類.熱軋的型材精度低,但價格便宜,用於一般零件的毛坯;冷拉的型材尺寸較小,精度高,易於實現自動送料,但價格較高,多用於批量較大的生產,適用於自動機床加工.

(4)焊接件

焊接件是用焊接方法而獲得的結合件,焊接件的優點是製造簡單,周期短,節省材料,缺點是抗振性差,變形大,需經時效處理後才能進行機械加工.

除此之外,還有衝壓件,冷擠壓件,粉末冶金等其它毛坯.

10.2.3.2 毛坯種類選擇中應注意的問題

(1)零件材料及其力學性能

零件的材料大致確定了毛坯的種類.例如材料為鑄鐵和青銅的零件應選擇鑄件毛坯;鋼質零件形狀不複雜,力學性能要求不太高時可選型材;重要的鋼質零件,為保證其力學性能,應選擇鍛件毛坯.

(2)零件的結構形狀與外形尺寸

形狀複雜的毛坯,一般用鑄造方法製造.薄壁零件不宜用砂型鑄造;中小型零件可考慮用先進的鑄造方法;大型零件可用砂型鑄造.一般用途的階梯軸,如各階梯直徑相差不大,可用圓棒料;如各階梯直徑相差較大,為減少材料消耗和機械加工的勞動量,則宜選擇鍛件毛坯.尺寸大的零件一般選擇自由鍛造;中小型零件可選擇模鍛件;一些小型零件可做成整體毛坯.

(3)生產類型

大量生產的零件應選擇精度和生產率都比較高的毛坯製造方法,如鑄件採用金屬模機器造型或精密鑄造;鍛件採用模鍛,精鍛;型材採用冷軋或冷拉型材;零件產量較小時應選擇精度和生產率較低的毛坯製造方法.

(4)現有生產條件

確定毛坯的種類及製造方法,必須考慮具體的生產條件,如毛坯製造的工藝水平,設備狀況以及對外協作的可能性等.

(5)充分考慮利用新工藝,新技術和新材料

隨著機械製造技術的發展,毛坯製造方面的新工藝,新技術和新材料的應用也發展很快. 如精鑄,精鍛,冷擠壓,粉末冶金和工程塑料等在機械中的應用日益增加.採用這些方法大大減少了機械加工量,有時甚至可以不再進行機械加工就能達到加工要求,其經濟效益非常顯著.我們在選擇毛坯時應給予充分考慮,在可能的條件下,盡量採用.

10.2.3.3 毛坯形狀和尺寸的確定

毛坯形狀和尺寸,基本上取決於零件形狀和尺寸.零件和毛坯的主要差別,在於在零件需要加工的表面上,加上一定的機械加工餘量,即毛坯加工餘量.毛坯製造時,同樣會產生誤差,毛坯製造的尺寸公差稱為毛坯公差.毛坯加工餘量和公差的大小,直接影響機械加工的勞動量和原材料的消耗,從而影響產品的製造成本.所以現代機械製造的發展趨勢之一,便是通過毛坯精化,使毛坯的形狀和尺寸盡量和零件一致,力求作到少,無切削加工.毛坯加工餘量和公差的大小,與毛坯的製造方法有關,生產中可參考有關工藝手冊或有關企業,行業標準來確定.

在確定了毛坯加工餘量以後,毛坯的形狀和尺寸,除了將毛坯加工餘量附加在零件相應的加工表面上外,還要考慮毛坯製造,機械加工和熱處理等多方面工藝因素的影響.下面僅從機械加工工藝的角度,分析確定毛坯的形狀和尺寸時應考慮的問題.

(1)工藝搭子的設置

有些零件,由於結構的原因,加工時不易裝夾穩定,為了裝夾方便迅速,可在毛坯上制出凸台,即所謂的工藝搭子.工藝搭子只在裝夾工件時用,零件加工完成後,一般都要切掉,但如果不影響零件的使用性能和外觀質量時,可以保留.

(2)整體毛坯的採用

在機械加工中,有時會遇到如磨床主軸部件中的三瓦軸承,發動機的連桿和車床的開合螺母等類零件.為了保證這類零件的加工質量和加工時方便,常做成整體毛坯,加工到一定階段後再切開.

(3)合件毛坯的採用

為了便於加工過程中的裝夾,對於一些形狀比較規則的小形零件,如 T 形鍵,扁螺母,小隔套等,應將多件合成一個毛坯,待加工到一定階段後或者大多數表面加工完畢後,再加工成單件. 圖 5.3a 為 T815 汽車上的一個扁螺母.毛坯取一長六方鋼, 圖 5.3b 表示在車床上先車槽,倒角;圖 5.3c 表示在車槽及倒角後,用 24.5mm 的鑽頭鑽孔.鑽孔的同時也就切成若干個單件.合件毛坯,在確定其長度尺寸時,既要考慮切割刀具的寬度和零件的個數,還應考慮切成單件後,切割的端面是否需要進一步加工,若要加工,還應留有一定的加工餘量.

在確定了毛坯種類,形狀和尺寸後,還應繪製一張毛坯圖,作為毛坯生產單位的產品圖樣.繪製毛坯圖,是在零件圖的基礎上,在相應的加工表面上加上毛坯餘量.但繪製時還要考慮毛坯的具體製造條件,如鑄件上的孔,鍛件上的孔和空檔,法蘭等的最小鑄出和鍛出條件;鑄件和鍛件表面的起模斜度(拔模斜度)和圓角;分型面和分模面的位置等.並用雙點劃線在毛坯圖中表示出零件的表面,以區別加工表面和非加工表面.

10.2.4 工藝路線的擬訂

工藝路線的擬訂是制訂工藝規程的關鍵,它制訂的是否合理,直接影響到工藝規程的合理性,科學性和經濟性.工藝路線擬訂的主要任務是選擇各個表面的加工方法和加工方案,確定各個表面的加工順序以及工序集中與分散的程度,合理選用機床和刀具,確定所用夾具的大致結構等.關於工藝路線的擬訂,經過長期的生產實踐已總結出一些帶有普遍性的工藝設計原則,但在具體擬訂時,特別要注意根據生產實際靈活應用.

10.2.4.1 表面加工方案的選擇

(1)各種加工方法所能達到的經濟精度及表面粗糙度

為了正確選擇表面加工方法,首先應了解各種加工方法的特點和掌握加工經濟精度的概念.任何一種加工方法可以獲得的加工精度和表面粗糙度均有一個較大的範圍.例如,精細的操作,選擇低的切削用量,可以獲得較高的精度,但又會降低生產率,提高成本;反之,如增大切削用量提高生產率,雖然成本降低了,但精度也降低了.所以對一種加工方法,只有在一定的精度範圍內才是經濟的,這一定範圍的精度是指在正常的加工條件下(採用符合質量的標準設備,工藝裝備和標準技術等級的工人,不延長加工時間)所能保證的加工精度.這一定範圍的精度稱為經濟精度.相應的粗糙度稱為經濟表面粗糙度.

各種加工方法所能達到的加工經濟精度和表面粗糙度,以及各種典型表面的加工方案在機械加工手冊中都能查到.這裡要指出的是,加工經濟精度的數值並不是一成不變的,隨著科學技術的發展,工藝技術的改進,加工經濟精度會逐步提高.

(2)選擇表面加工方案時考慮的因素

選擇表面加工方案,一般是根據經驗或查表來確定,再結合實際情況或工藝試驗進行修改.表面加工方案的選擇,應同時滿足加工質量,生產率和經濟性等方面的要求,具體選擇時應考慮以下幾方面的因素:

1)選擇能獲得相應經濟精度的加工方法 例如加工精度為 IT7 ,表面粗糙度為 Ra0.4 m 的外圓柱面,通過精細車削是可以達到要求的,但不如磨削經濟.

2)零件材料的可加工性能 例如淬火鋼的精加工要用磨削,有色金屬圓柱面的精加工為避免磨削時堵塞砂輪,則要用高速精細車或精細鏜(金剛鏜).

3)工件的結構形狀和尺寸大小 例如對於加工精度要求為 IT7 的孔,採用鏜削,鉸削,拉削和磨削均可達到要求.但箱體上的孔,一般不宜選用拉孔或磨孔,而宜選擇鏜孔(大孔)或鉸孔(小孔).

4)生產類型 大批量生產時,應採用高效率的先進工藝,例如用拉削方法加工孔和平面,用組合銑削或磨削同時加工幾個表面,對於複雜的表面採用數控機床及加工中心等;單件小批生產時,宜採用刨削,銑削平面和鑽,擴,鉸孔等加工方法,避免盲目地採用高效加工方法和專用設備而造成經濟損失.

5)現有生產條件 充分利用現有設備和工藝手段,發揮工人的創造性,挖掘企業潛力,創造經濟效益.

10.2.4.2 加工階段的劃分

(1)劃分方法

零件的加工質量要求較高時,都應劃分加工階段.一般劃分為粗加工,半精加工和精加工三個階段.如果零件要求的精度特別高,表面粗糙度很細時,還應増加光整加工和超精密加工階段.各加工階段的主要任務是:

1) 粗加工階段 主要任務是切除毛坯上各加工表面的大部分加工餘量,使毛坯在形狀和尺寸上接近零件成品. 因此,應採取措施儘可能提高生產率.同時要為半精加工階段提供精基準,並留有充分均勻 的加工餘量,為後續工序創造有利條件.

2) 半精加工階段 達到一定的精度要求,並保證留有一定的加工餘量,為主要表面的精加工作準備.同時完成一些次要表面的加工(如緊固孔的鑽削,攻螺紋,銑鍵槽等).

3) 精加工階段 主要任務是保證零件各主要表面達到圖紙規定的技術要求.

4) 光整加工階段 對精度要求很高( IT6 以上),表面粗糙度很小(小於 R a 0.2 m )的零件,需安排光整加工階段.其主要任務是減小表面粗糙度或進一步提高尺寸精度和形狀精度.

(2)劃分加工階段的原因

1) 保證加工質量的需要 零件在粗加工時,由於要切除掉大量金屬,因而會產生較大的切削力和切削熱,同時也需要較大的夾緊力,在這些力和熱的作用下,零件會產生較大的變形.而且經過粗加工後零件的內應力要重新分布,也會使零件發生變形.如果不劃分加工階段而連續加工,就無法避免和修正上述原因所引起的加工誤差.加工階段劃分後,粗加工造成的誤差,通過半精加工和精加工可以得到修正,並逐步提高零件的加工精度和表面質量,保證了零件的加工要求.

2) 合理使用機床設備的需要 粗加工一般要求功率大,剛性好,生產率高而精度不高的機床設備.而精加工需採用精度高的機床設備,劃分加工階段後就可以充分發揮粗,精加工設備各自性能的特點,避免以粗干精,做到合理使用設備.這樣不但提高了粗加工的生產效率,而且也有利於保持精加工設備的精度和使用壽命.

3) 及時發現毛坯缺陷 毛坯上的各種缺陷(如氣孔,砂眼,夾渣或加工餘量不足等),在粗加工後即可被發現,便於及時修補或決定報廢,以免繼續加工後造成工時和加工費用的浪費.

4) 便於安排熱處理 熱處理工序使加工過程劃分成幾個階段,如精密主軸在粗加工後進行去除應力的人工時效處理,半精加工後進行淬火,精加工後進行低溫回火和冰冷處理,最後再進行光整加工.這幾次熱處理就把整個加工過程劃分為粗加工——半精加工——精加工——光整加工階段.

在零件工藝路線擬訂時,一般應遵守劃分加工階段這一原則,但具體應用時還要根據零件的情況靈活處理,例如對於精度和表面質量要求較低而工件剛性足夠,毛坯精度較高,加工餘量小的工件,可不劃分加工階段.又如對一些剛性好的重型零件,由於裝夾吊運很費時,也往往不劃分加工階段而在一次安裝中完成粗精加工.

還需指出的是,將工藝過程劃分成幾個加工階段是對整個加工過程而言的,不能單純從某一表面的加工或某一工序的性質來判斷.例如工件的定位基準,在半精加工階段甚至在粗加工階段就需要加工得很準確,而在精加工階段中安排某些鑽孔之類的粗加工工序也是常有的.

10.2.4.3 工序的劃分

工序集中就是零件的加工集中在少數工序內完成,而每一道工序的加工內容卻比較多;工序分散則相反,整個工藝過程中工序數量多,而每一道工序的加工內容則比較少.

(1)工序集中的特點

① 有利於採用高生產率的專用設備和工藝裝備,如採用多刀多刃,多軸機床,數控機床和加工中心等,從而大大提高生產率.

② 減少了工序數目,縮短了工藝路線,從而簡化了生產計劃和生產組織工作.

③ 減少了設備數量,相應地減少了操作工人和生產面積.

④ 減少了工件安裝次數,不僅縮短了輔助時間,而且在一次安裝下能加工較多的表面,也易於保證這些表面的相對位置精度.

⑤ 專用設備和工藝裝置複雜,生產準備工作和投資都比較大,尤其是轉換新產品比較困難.

(2)工序分散特點

① 設備和工藝裝備結構都比較簡單,調整方便,對工人的技術水平要求低.

② 可採用最有利的切削用量,減少機動時間.

③ 容易適應生產產品的變換.

④ 設備數量多,操作工人多,佔用生產面積大.

工序集中和工序分散各有特點;在擬訂工藝路線時,工序是集中還是分散,即工序數量是多還是少,主要取決於生產規模和零件的結構特點及技術要求.在一般情況下,單件小批生產時,多將工序集中.大批量生產時,既可採用多刀,多軸等高效率機床將工序集中,也可將工序分散後組織流水線生產;目前的發展趨勢是傾向於工序集中.

10.2.4.4 工序順序的安排

(1) 機械加工工序的安排

1)基準先行 零件加工一般多從精基準的加工開始,再以精基準定位加工其它表面.因此,選作精基準的表面應安排在工藝過程起始工序先進行加工,以便為後續工序提供精基準.例如軸類零件先加工兩端中心孔,然後再以中心孔作為精基準,粗,精加工所有外圓表面.齒輪加工則先加工內孔及基準端面,再以內孔及端面作為精基準,粗,精加工齒形表面.

2)先粗後精 精基準加工好以後,整個零件的加工工序,應是粗加工工序在前,相繼為半精加工,精加工及光整加工.按先粗後精的原則先加工精度要求較高的主要表面,即先粗加工再半精加工各主要表面,最後再進行精加工和光整加工.在對重要表面精加工之前,有時需對精基準進行修整,以利於保證重要表面的加工精度,如主軸的高精度磨削時,精磨和超精磨削前都須研磨中心孔;精密齒輪磨齒前,也要對內孔進行磨削加工.

3)先主後次 根據零件的功用和技術要求.先將零件的主要表面和次要表面分開,然後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.次要表面一般指鍵槽,螺孔,銷孔等表面.這些表面一般都與主要表面有一定的相對位置要求,應以主要表面作為基準進行次要表面加工,所以次要表面的加工一般放在主要表面的半精加工以後,精加工以前一次加工結束.也有放在最後加工的,但此時應注意不要碰傷已加工好的主要表面.

4)先面後孔 對於箱體,底座,支架等類零件,平面的輪廓尺寸較大,用它作為精基準加工孔,比較穩定可靠,也容易加工,有利於保證孔的精度.如果先加工孔,再以孔為基準加工平面,則比較困難,加工質量也受影響.

(2)熱處理工序的安排

熱處理可用來提高材料的力學性能,改善工件材料的加工性能和消除內應力,其安排主要是根據工件的材料和熱處理目的來進行.熱處理工藝可分為兩大類:預備熱處理和最終熱處理.

1) 預備熱處理 預備熱處理的目的是改善加工性能,消除內應力和為最終熱處理準備良好的金相組織.其熱處理工藝有退火,正火,時效,調質等.

① 退火和正火.退火和正火用於經過熱加工的毛坯.含碳量高於 0.5 %的碳鋼和合金鋼,為降低其硬度易於切削,常採用退火處理;含碳量低於 0.5 %的碳鋼和合金鋼,為避免其硬度過低切削時粘刀,而採用正火處理.退火和正火尚能細化晶粒,均勻組織,為以後的熱處理做準備.退火和正火常安排在毛坯製造之後,粗加工之前進行.

② 時效處理.時效處理主要用於消除毛坯製造和機械加工中產生的內應力.為減少運輸工作量,對於一般精度的零件,在精加工前安排一次時效處理即可.但精度要求較高的零件 ( 如坐標鏜床的箱體等 ) ,應安排兩次或數次時效處理工序.簡單零件一般可不進行時效處理.除鑄件外,對於一些剛性較差的精密零件 ( 如精密絲杠 ) ,為消除加工中產生的內應力,穩定零件加工精度,常在粗加工,半精加工之間安排多次時效處理.有些軸類零件加工,在校直工序後也要安排時效處理.

③ 調質.調質即是在淬火後進行高溫回火處理,它能獲得均勻細緻的回火索氏體組織,為以後的表面淬火和滲氮處理時減少變形做準備,因此調質也可作為預備熱處理.由於調質後零件的綜合力學性能較好,對某些硬度和耐磨性要求不高的零件,也可作為最終熱處理工序.

2) 最終熱處理 最終熱處理的目的是提高硬度,耐磨性和強度等力學性能.

① 淬火.淬火有表面淬火和整體淬火.其中表面淬火因為變形,氧化及脫碳較小而應用較廣,而且表面淬火還具有外部強度高,耐磨性好,而內部保持良好的韌性,抗衝擊力強的優點.為提高表面淬火零件的機械性能,常需進行調質或正火等熱處理作為預備熱處理.其一般工藝路線為:下料一鍛造一正火 ( 退火 ) 一粗加工一調質一半精加工一表面淬火一精加工.

② 滲碳淬火.滲碳淬火適用於低碳鋼和低合金鋼,先提高零件表層的含碳量,經淬火後使表層獲得高的硬度,而心部仍保持一定的強度和較高的韌性和塑性.滲碳分整體滲碳和局部滲碳.局部滲碳時對不滲碳部分要採取防滲措施 ( 鍍銅或鍍防滲材料 ) .由於滲碳淬火變形大,且滲碳深度一般在 0.5~2mm 之間,所以滲碳工序一般安排在半精加工和精加工之間.其工藝路線一般為:下料一鍛造一正火一粗,半精加工一滲碳淬火一精加工.

當局部滲碳零件的不滲碳部分,採用加大餘量後切除多餘的滲碳層的工藝方案時,切除多餘滲碳層的工序應安排在滲碳後,淬火前進行.

③ 滲氮處理.滲氮是使氮原子滲入金屬表面獲得一層含氮化合物的處理方法.滲氮層可以提高零件表面的硬度,耐磨性,疲勞強度和抗蝕性.由於滲氮處理溫度較低,變形小,且滲氮層較薄 ( 一般不超過 0.6 ～ 0.7mm) ,因此滲氮工序應盡量靠後安排,常安排在精加工之間進行.為減小滲氮時的變形,在切削後一般需進行消除應力的高溫回火.

(3)檢驗工序的安排

檢驗工序一般安排在粗加工後,精加工前;送往外車間前後;重要工序和工時長的工序前後;零件加工結束後,入庫前.

(4)其它工序的安排

1)表面強化工序 如滾壓,噴丸處理等,一般安排在工藝過程的最後.

2)表面處理工序 如發藍,電鍍等一般安排在工藝過程的最後.

3)探傷工序 如 X 射線檢查,超聲波探傷等多用於零件內部質量的檢查,一般安排在工藝過程的開始.磁力探傷,熒光檢驗等主要用於零件表面質量的檢驗,通常安排在該表面加工結束以後.

4)平衡工序 包括動,靜平衡,一般安排在精加工以後.

在安排零件的工藝過程中,不要忽視去毛刺,倒棱和清洗等輔助工序.在銑鍵槽,齒面倒角等工序後應安排去毛刺工序.零件在裝配前都應安排清洗工序,特別在研磨等光整加工工序之後,更應注意進行清洗工序,以防止殘餘的磨料嵌入工件表面,加劇零件在使用中的磨損.

10.2.5 加工餘量的確定

10.2.5.1 加工餘量的概念及其影響因素

在選擇了毛坯,擬訂出加工工藝路線之後,就需確定加工餘量,計算各工序的工序尺寸.加工餘量大小與加工成本有密切關係,加工餘量過大不僅浪費材料,而且增加切削工時,增大刀具和機床的磨損,從而增加成本;加工餘量過小,會使前一道工序的缺陷得不到糾正,造成廢品,從而也使成本增加,因此,合理地確定加工餘量,對提高加工質量和降低成本都有十分重要的意義.

(1)加工餘量的概念

在機械加工過程中從加工表面切除的金屬層厚度稱為加工餘量.加工餘量分為工序餘量和加工總餘量.

工序餘量是指為完成某一道工序所必須切除的金屬層厚度,即相鄰兩工序的工序尺寸之差.

加工總餘量是指由毛坯變為成品的過程中,在某加工表面上所切除的金屬層總厚度,即毛坯尺寸與零件圖設計尺寸之差.

由於毛坯尺寸和各工序尺寸不可避免地存在公差,因此無論是加工總餘量還是工序餘量實際上是個變動值,因而加工餘量又有基本餘量,最大餘量和最小餘量之分,通常所說的加工餘量是指基本餘量.加工餘量,工序餘量的公差標註應遵循"入體原則"即:"毛坯尺寸按雙向標註上,下偏差;被包容表面尺寸上偏差為零,也就是基本尺寸為最大極限尺寸(如軸);對包容面尺寸下偏差為零,也就是基本尺寸為最小極限尺寸(如內孔).

加工過程中,工序完成後的工件尺寸稱為工序尺寸.由於存在加工誤差,各工序加工後的尺寸也有一定的公差,稱為工序公差.工序公差帶的布置也採用"入體原則"法.

表示加工餘量及其公差的關係,不論是被包容面還是包容面,其加工總餘量均等於各工序餘量之和.

Z = Z + Z + Z + …

加工餘量還有雙邊餘量和單邊餘量之分,平面加工餘量是單邊餘量,它等於實際切削的金屬層厚度.對於外圓和孔等迴轉表面,加工餘量是指雙邊餘量,即以直徑方向計算,實際切削的金屬為加工餘量數值的一半.

(2)確定加工餘量應考慮的因素

為切除前工序在加工時留下的各種缺陷和誤差的金屬層,又考慮到本工序可能產生的安裝誤差而不致使工件報廢,必須保證一定數值的最小工序餘量.為了合理確定加工餘量,首先必須了解影響加工餘量的因素.影響加工餘量的主要因素有:

1) 前工序的尺寸公差 由於工序尺寸有公差,上工序的實際工序尺寸有可能出現最大或最小極限尺寸.為了使上工序的實際工序尺寸在極限尺寸的情況下,本工序也能將上工序留下的表面粗糙度和缺陷層切除,本工序的加工餘量應包括上工序的公差.

2) 前工序的形狀和位置公差 當工件上有些形狀和位置偏差不包括在尺寸公差的範圍內時,這些誤差又必須在本工序加工糾正,在本工序的加工餘量中必須包括它.

3) 前工序的表面粗糙度和表面缺陷 為了保證加工質量,本工序必須將上工序留下的表面粗糙度和缺陷層切除.

4)本工序的安裝誤差 安裝誤差包括工件的定位誤差和夾緊誤差,若用夾具裝夾,還應有夾具在機床上的裝夾誤差.這些誤差會使工件在加工時的位置發生偏移,所以加工餘量還必須考慮安裝誤差的影響.

10.2.5.2 確定加工餘量的方法

確定加工餘量的方法有 3 種:分析計演算法,經驗估演算法和查表修正法.

(1)分析計演算法

本方法是根據有關加工餘量計算公式和一定的試驗資料,對影響加工餘量的各項因素進行分析和綜合計算來確定加工餘量.用這種方法確定加工餘量比較經濟合理,但必須有比較全面和可靠的試驗資料.目前,只在材料十分貴重,以及軍工生產或少數大量生產的工廠中採用.

(2)經驗估演算法

本方法是根據工廠的生產技術水平,依靠實際經驗確定加工餘量.為防止因餘量過小而產生廢品,經驗估計的數值總是偏大,這種方法常用於單件小批量生產.

(3)查表修正法

此法是根據各工廠長期的生產實踐與試驗研究所積累的有關加工餘量數據,製成各種表格並彙編成手冊,確定加工餘量時,查閱有關手冊,再結合本廠的實際情況進行適當修正後確定,目前此法應用較為普遍.

10.2.6 工序尺寸及其公差的確定

機械加工過程中,工件的尺寸在不斷地變化,由毛坯尺寸到工序尺寸,最後達到設計要求的尺寸.在這個變化過程中,加工表面本身的尺寸及各表面之間的尺寸都在不斷地變化,這種變化無論是在一個工序內部,還是在各個工序之間都有一定的內在聯繫.應用尺寸鏈理論去揭示它們之間的內在關係,掌握它們的變化規律是合理確定工序尺寸及其公差和計算各種工藝尺寸的基礎,因此,本節先介紹工藝尺寸鏈的基本概念,然後分析工藝尺寸鏈的計算方法以及工藝尺寸鏈的應用.

10.2.6.1 工藝尺寸鏈的概念

(1)工藝尺寸鏈的定義

在零件的加工過程中,為了加工和檢驗的方便,有時需要進行一些工藝尺寸的計算.為使這種計算迅速準確,按照尺寸鏈的基本原理,將這些有關尺寸以一定順序首尾相連排列成一封閉的尺寸系統,即構成了零件的工藝尺寸鏈,簡稱工藝尺寸鏈.

(2)工藝尺寸鏈的組成

① 環 組成工藝尺寸鏈的各個尺寸都稱為工藝尺寸鏈的環.

② 封閉環 工藝尺寸鏈中間接得到的環稱為封閉環.封閉環以下角標" 0 "表示,如" A 0 "," L ".

③ 組成環 除封閉環以外的其它環都稱為組成環.組成環分增環和減環兩種.

④ 增環 當其餘各組成環保持不變,某一組成環增大,封閉環也隨之增大,該環即為增環.一般在該環尺寸的代表符號上,加一向右的箭頭表示.

⑤ 減環 當其餘各組成環保持不變,某一組成環增大,封閉環反而減小,該環即為減環.一般在該尺寸的代表符號上,加一向左的箭頭表示.

(3)工藝尺寸鏈的特徵

① 關聯性 組成工藝尺寸鏈的各尺寸之間必然存在著一定的關係,相互無關的尺寸不組成工藝尺寸鏈.工藝尺寸鏈中每一個組成環不是增環就是減環,其尺寸發生變化都要引起封閉環的尺寸變化.對工藝尺寸鏈中的封閉環尺寸沒有影響的尺寸,就不是該工藝尺寸鏈的組成環.

② 封閉性 尺寸鏈必須是一組首尾相接並構成一個封閉圖形的尺寸組合,其中應包含一個間接得到的尺寸.不構成封閉圖形的尺寸組合就不是尺寸鏈.

(4)建立工藝尺寸鏈的步驟

① 確定封閉環 即加工後間接得到的尺寸.

② 查找組成環 從封閉環一端開始,按照尺寸之間的聯繫,首尾相連,依次畫出對封閉環有影響的尺寸,直到封閉環的另一端,形成一個封閉圖形,就構成一個工藝尺寸鏈. 查找組成環必須掌握的基本特點為:組成環是加工過程中"直接獲得"的,而且對封閉環有影響.

③ 按照各組成環對封閉環的影響,確定其為增環或減環 確定增環或減環可先給封閉環任意規定一個方向,然後沿此方向,繞工藝尺寸鏈依次給各組成環畫出箭頭,凡是與封閉環箭頭方向相同的就是減環,相反的就是增環.

10.2.6.2 工藝尺寸鏈的計算

尺寸鏈的計算方法有兩種:極值法與概率法.極值法是從最壞情況出發來考慮問題的,即當所有增環都為最大極限尺寸而減環恰好都為最小極限尺寸,或所有增環都為最小極限尺寸而減環恰好都為最大極限尺寸,來計算封閉環的極限尺寸和公差.事實上,一批零件的實際尺寸是在公差帶範圍內變化的.在尺寸鏈中,所有增環不一定同時出現最大或最小極限尺寸,即使出現,此時所有減環也不一定同時出現最小或最大極限尺寸.概率法解尺寸鏈,主要用於裝配尺寸鏈,其計算方法在裝配中講授.

10.2.6.3 工序尺寸及其公差的確定

(1)基準重合時工序尺寸及公差的確定

當零件定位基準與設計基準(工序基準)重合時,零件工序尺寸及其公差的確定方法是:先根據零件的具體要求確定其加工工藝路線,再通過查表確定各道工序的加工餘量及其公差,然後計算出各工序尺寸及公差;計算順序是:先確定各工序餘量的基本尺寸,再由後往前逐個工序推算,即由工件上的設計尺寸開始,由最後一道工序向前工序推算直到毛坯尺寸.

(2)測量基準與設計基準不重合時工序尺寸及其公差的計算

在加工中,有時會遇到某些加工表面的設計尺寸不便測量,甚至無法測量的情況,為此需要在工件上另選一個容易測量的測量基準,通過對該測量尺寸的控制來間接保證原設計尺寸的精度.這就產生了測量基準與設計基準不重合時,測量尺寸及公差的計算問題.

(3)定位基準與設計基準不重合時工序尺寸計算

在零件加工過程中有時為方便定位或加工,選用不是設計基準的幾何要素作定位基準,在這種定位基準與設計基準不重合的情況下,需要通過尺寸換算,改注有關工序尺寸及公差,並按換算後的工序尺寸及公差加工.以保證零件的原設計要求.

(4)中間工序的工序尺寸及其公差的求解計算

在工件加工過程中,有時一個基面的加工會同時影響兩個設計尺寸的數值.這時,需要直接保證其中公差要求較嚴的一個設計尺寸,而另一設計尺寸需由該工序前面的某一中間工序的合理工序尺寸間接保證.為此,需要對中間工序尺寸進行計算.

(5)保證應有滲碳或滲氮層深度時工藝尺寸及其公差的計算

零件滲碳或滲氮後,表面一般要經磨削保證尺寸精度,同時要求磨後保留有規定的滲層深度.這就要求進行滲碳或滲氮熱處理時按一定滲層深度及公差進行(用控制熱處理時間保證),並對這一合理滲層深度及公差進行計算.

10.2.7 機械加工的生產率及技術經濟分析

10.2.7.1 機械加工時間定額的組成

(1)時間定額的概念

所謂時間定額是指在一定生產條件下,規定生產一件產品或完成一道工序所需消耗的時間.它是安排作業計劃,核算生產成本,確定設備數量,人員編製以及規劃生產面積的重要依據.

(2)時間定額的組成

1)基本時間 T 基本時間是指直接改變生產對象的尺寸,形狀,相對位置以及表面狀態或材料性質等工藝過程所消耗的時間.對於切削加工來說,基本時間就是切除金屬所消耗的時間(包括刀具的切入和切出時間在內).

2)輔助時間T 輔助時間是為實現工藝過程所必須進行的各種輔助動作所消耗的時間.它包括:裝卸工件,開停機床,引進或退出刀具,改變切削用量,試切和測量工件等所消耗的時間.

基本時間和輔助時間的總和稱為作業時間.它是直接用於製造產品或零部件所消耗的時間.

輔助時間的確定方法隨生產類型而異.大批大量生產時,為使輔助時間規定得合理,需將輔助動作分解,再分別確定各分解動作的時間,最後予以綜合;中批生產則可根據以往統計資料來確定;單件小批生產常用基本時間的百分比進行估算.

3)布置工作地時間 T 布置工作地時間是為了使加工正常進行,工人照管工作地(如更換刀具,潤滑機床,清理切屑,收拾工具等)所消耗的時間.它不是直接消耗在每個工件上的.而是消耗在一個工作班內的時間,再折算到每個工件上的.一般按作業時間的 2% ~ 7% 估算.

4)休息與生理需要時間 T 休息與生理需要時間是工人在工作班內恢復體力和滿足生理上的需要所消耗的時間. T 是按一個工作班為計算單位,再折算到每個工件上的.對機床操作工人一般按作業時間的 2% 估算.

以上四部分時間的總和稱為單件時間 T ,即

T = T +T + T + T

5)準備與終結時間T 準備與終結時間是指工人為了生產一批產品或零部件,進行準備和結束工作所消耗的時間.在單件或成批生產中,每當開始加工一批工件時,工人需要熟悉工藝文件,領取毛坯,材料,工藝裝備,安裝刀具和夾具,調整機床和其它工藝裝備等所消耗的時間以及加工一批工件結束後,需拆下和歸還工藝裝備,送交成品等所消耗的時間.T 既不是直接消耗在每個工件上的,也不是消耗在一個工作班內的時間,而是消耗在一批工件上的時間.因而分攤到每個工件的時間為T / n ,其中 n 為批量.故單件和成批生產的單件工時定額的計算公式 T 應為:

T = T +T / n

大批大量生產時,由於 n 的數值很大,T / n ≈ 0,故不考慮準備終結時間,即:

T = T

10.2.7.2 提高機械加工生產率的途徑

勞動生產率是指工人在單位時間內製造的合格產品的數量或製造單件產品所消耗的勞動時間.勞動生產率是一項綜合性的技術經濟指標.提高勞動生產率,必須正確處理好質量,生產率和經濟性三者之間的關係.應在保證質量的前提下,提高生產率,降低成本.勞動生產率提高的措施很多,涉及到產品設計,製造工藝和組織管理等多方面,這裡僅就通過縮短單件時間來提高機械加工生產率的工藝途徑作一簡要分析.

由式( 5.8 )所示的單件時間組成,不難得知提高勞動生產率的工藝措施可有以下幾個方面:

(1)縮短基本時間

在大批大量生產時,由於基本時間在單位時間中所佔比重較大,因此通過縮短基本時間即可提高生產率.縮短基本時間的主要途徑有以下幾種:

1)提高切削用量 增大切削速度,進給量和背吃刀量,都可縮短基本時間,但切削用量的提高受到刀具耐用度和機床功率,工藝系統剛度等方面的制約.隨著新型刀具材料的出現,切削速度得到了迅速的提高,目前硬質合金車刀的切削速度可達 200m/min ,陶瓷刀具的切削速度達 500m/min .近年來出現的聚晶人造金剛石和聚晶立方氮化硼刀具切削普通鋼材的切削速度達 900m/min .

在磨削方面,近年來發展的趨勢是高速磨削和強力磨削.國內生產的高速磨床和砂輪磨削速度已達 60m/s ,國外已達 90~120m/s ;強力磨削的切入深度已達 6~12mm ,從而使生產率大大提高.

2)採用多刀同時切削每把車刀實際加工長度只有原來的三分之一; 每把刀的切削餘量只有原來的三分之一;用三把刀具對同一工件上不同表面同時進行橫向切入法車削.顯然,採用多刀同時切削比單刀切削的加工時間大大縮短.

3) 多件加工 這種方法是通過減少刀具的切入,切出時間或者使基本時間重合,從而縮短每個零件加工的基本時間來提高生產率.多件加工的方式有以下三種:

① 順序多件加工.即工件順著走刀方向一個接著一個地安裝,這種方法減少了刀具切入和切出的時間,也減少了分攤到每一個工件上的輔助時間.

② 平行多件加工.即在一次走刀中同時加工 n 個平行排列的工件.加工所需基本時間和加工一個工件相同,所以分攤到每個工件的基本時間就減少到原來的 1/n ,其中 n 是同時加工的工件數.這種方式常見於銑削和平面磨削.

③ 平行順序多件加工.這種方法為順序多件加工和平行多件加工的綜合應用,.這種方法適用於工件較小,批量較大的情況.

4)減少加工餘量 採用精密鑄造,壓力鑄造,精密鍛造等先進工藝提高毛坯製造精度,減少機械加工餘量,以縮短基本時間,有時甚至無需再進行機械加工,這樣可以大幅度提高生產效率.

(2)縮短輔助時間

輔助時間在單件時間中也佔有較大比重,尤其是在大幅度提高切削用量之後,基本時間顯著減少,輔助時間所佔比重就更高.此時採取措施縮減輔助時間就成為提高生產率的重要方向.縮短輔助時間有兩種不同的途徑,一是使輔助動作實現機械化和自動化,從而直接縮減輔助時間;二是使輔助時間與基本時間重合,間接縮短輔助時間.

1)直接縮減輔助時間 採用專用夾具裝夾工件,工件在裝夾中不需找正,可縮短裝卸工件的時間.大批大量生產時,廣泛採用高效氣動,液動夾具來縮短裝卸工件的時間.單件小批生產中,由於受專用夾具製造成本的限制,為縮短裝卸工件的時間,可採用組合夾具及可調夾具.

此外,為減小加工中停機測量的輔助時間,可採用主動檢測裝置或數字顯示裝置在加工過程中進行實時測量,以減少加工中需要的測量時間.主動檢測裝置能在加工過程中測量加工表面的實際尺寸,並根據測量結果自動對機床進行調整和工作循環控制,例如磨削自動測量裝置.數顯裝置能把加工過程或機床調整過程中機床運動的移動量或角位移連續精確地顯示出來,這些都大大節省了停機測量的輔助時間.

2)間接縮短輔助時間 為了使輔助時間和基本時間全部或部分地重合,可採用多工位夾具和連續加工的方法.

(3)縮短布置工作地時間

布置工作地時間,大部分消耗在更換刀具上,因此必須減少換刀次數並縮減每次換刀所需的時間,提高刀具的耐用度可減少換刀次數.而換刀時間的減少,則主要通過改進刀具的安裝方法和採用裝刀夾具來實現.如採用各種快換刀夾,刀具微調機構,專用對刀樣板或對刀樣件以及自動換刀裝置等,以減少刀具的裝卸和對刀所需時間.例如在車床和銑床上採用可轉位硬質合金刀片刀具,既減少了換刀次數,又可減少刀具裝卸,對刀和刃磨的時間.

(4)縮短準備與終結時間

縮短準備與終結時間的途徑有二:第一,擴大產品生產批量,以相對減少分攤到每個零件上的準備與終結時間;第二,直接減少準備與終結時間.擴大產品生產批量,可以通過零件標準化和通用化實現,並可採用成組技術組織生產.

10.2.7.3 機械加工技術經濟分析的方法

制訂機械加工工藝規程時,在同樣能滿足工件的各項技術要求下,一般可以擬訂出幾種不同的加工方案,而這些方案的生產效率和生產成本會有所不同.為了選取最佳方案就需進行技術經濟分析.所謂技術經濟分析就是通過比較不同工藝方案的生產成本,選出最經濟的加工工藝方案.

生產成本是指製造一個零件或一台產品所必須的一切費用的總和.生產成本包括兩大類費用:第一類是與工藝過程直接有關的費用叫工藝成本,約佔生產成本的 70% ~ 75% ;第二類是與工藝過程無關的費用,如行政人員工資,廠房折舊,照明取曖等.由於在同一生產條件下與工藝過程無關的費用基本上是相等的,因此對零件工藝方案進行經濟分析時,只要分析與工藝過程直接有關的工藝成本即可.

(1)工藝成本的組成

工藝成本由可變費用和不變費用兩大部分組成.

1)可變費用 可變費用是與年產量有關並與之成正比的費用,用" V "表示(元 / 件).包括:材料費,操作工人的工資,機床電費,通用機床折舊費,通用機床修理費,刀具費,通用夾具費.

2)不變費用 不變費用是與年產量的變化沒有直接關係的費用.當產量在一定範圍內變化時,全年的費用基本上保持不變,用" S "表示(元 / 年).包括:機床管理人員,車間輔助工人,調整工人的工資,專用機床折舊費,專用機床修理費,專用夾具費.

(2)工藝成本的計算

1)零件的全年工藝成本

E = V N +S

式中 E ——零件(或零件的某工序)全年的工藝成本(元 / 年);

V ——可變費用(元 / 件);

N ——年產量(件 / 年);

S ——不變費用(元 / 年).

由上述公式可見,全年工藝成本 E 和年產量 N 成線性關係.它說明全年工藝成本的變化Δ E 與年產量的變化Δ N 成正比;又說明 S 為投資定值,不論生產多少,其值不變.

2)零件的單件工藝成本

單件工藝成本 E 與年產量 N 呈雙曲線關係.在曲線的 A 段, N 很小,設備負荷也低,即單件小批生產區,單件工藝成本 E 就很高,此時若產量 N 稍有增加(Δ N )將使單件成本迅速降低(Δ E ).在曲線 B 段, N 很大,即大批大量生產區.此時曲線漸趨水平,年產量雖有較大變化,而對單件工藝成本的影響卻很小.這說明對於某一個工藝方案,當 S 值(主要是專用設備費用)一定時,就應有一個與此設備能力相適應的產量範圍.產量小於這個範圍時,由於 S/N 比值增大,工藝成本就增加.這時採用這種工藝方案顯然是不經濟的,應減少使用專用設備數,即減少 S 值來降低工藝成本.當產量超過這個範圍時,由於 S/N 比值變小,這時就需要投資更大而生產率更高的設備,以便減少 V 而獲得更好的經濟效益.

10.3 典型零件機械加工工藝過程

10.3.1 軸類零件加工分析

(1)軸類零件加工的工藝路線

1)基本加工路線

外圓加工的方法很多,基本加工路線可歸納為四條.

① 粗車—半精車—精車

對於一般常用材料,這是外圓表面加工採用的最主要的工藝路線.

② 粗車—半精車—粗磨—精磨

對於黑色金屬材料,精度要求高和表面粗糙度值要求較小,零件需要淬硬時,其後續工序只能用磨削而採用的加工路線.

③ 粗車—半精車—精車—金剛石車

對於有色金屬,用磨削加工通常不易得到所要求的表面粗糙度,因為有色金屬一般比較軟,容易堵塞沙粒間的空隙,因此其最終工序多用精車和金剛石車.

④ 粗車—半精—粗磨—精磨—光整加工

對於黑色金屬材料的淬硬零件,精度要求高和表面粗糙度值要求很小,常用此加工路線.

2)典型加工工藝路線

軸類零件的主要加工表面是外圓表面,也還有常見的特特形表面,因此針對各種精度等級和表面粗糙度要求,按經濟精度選擇加工方法.

對普通精度的軸類零件加工,其典型的工藝路線如下:

毛坯及其熱處理—預加工—車削外圓—銑鍵槽—(花鍵槽,溝槽)—熱處理—磨削—終檢.

(1)軸類零件的預加工

軸類零件的預加工是指加工的準備工序,即車削外圓之前的工藝.

校直 毛坯在製造,運輸和保管過程中,常會發生彎曲變形,為保證加工餘量的均勻及裝夾可靠,一般冷態下在各種壓力機或校值機上進行校值,

(2) 軸類零件加工的定位基準和裝夾

1)以工件的中心孔定位 在軸的加工中,零件各外圓表面,錐孔,螺紋表面的同軸度,端面對旋轉軸線的垂直度是其相互位置精度的主要項目,這些表面的設計基準一般都是軸的中心線,若用兩中心孔定位,符合基準重合的原則.中心孔不僅是車削時的定為基準,也是其它加工工序的定位基準和檢驗基準,又符合基準統一原則.當採用兩中心孔定位時,還能夠最大限度地在一次裝夾中加工出多個外圓和端面.

2)以外圓和中心孔作為定位基準(一夾一頂) 用兩中心孔定位雖然定心精度高,但剛性差,尤其是加工較重的工件時不夠穩固,切削用量也不能太大.粗加工時,為了提高零件的剛度,可採用軸的外圓表面和一中心孔作為定位基準來加工.這種定位方法能承受較大的切削力矩,是軸類零件最常見的一種定位方法.

3)以兩外圓表面作為定位基準 在加工空心軸的內孔時,(例如:機床上莫氏錐度的內孔加工),不能採用中心孔作為定位基準,可用軸的兩外圓表面作為定位基準.當工件是機床主軸時,常以兩支撐軸頸(裝配基準)為定位基準,可保證錐孔相對支撐軸頸的同軸度要求,消除基準不重合而引起的誤差.

4)以帶有中心孔的錐堵作為定位基準 在加工空心軸的外圓表面時,往往還採用代中心孔的錐堵或錐套心軸作為定位基準.

錐堵或錐套心軸應具有較高的精度,錐堵和錐套心軸上的中心孔即是其本身製造的定位基準,又是空心軸外圓精加工的基準.因此必須保證錐堵或錐套心軸上錐面與中心孔有較高的同軸度.在裝夾中應盡量減少錐堵的安裝此書,減少重複安裝誤差.實際生產中,錐堵安裝後,中途加工一般不得拆下和更換,直至加工完畢.

圖 10.1 錐堵和錐套心軸

a)錐堵 b)錐套心軸

10.3.2 典型套筒類零件的加工工藝分析

10.3.2.1 典型零件的工藝分析

(1)軸承套加工工藝分析

圖 10.2 所示為 1 軸承套,材料為 ZQSn6-6-3 ,每批數量為 400 只.加工時,應根據工件的毛坯材料,結構形狀,加工餘量,尺寸精度,形狀精度和生產綱領,正確選擇定位基準,裝夾方法和加工工藝過程,以保證達到圖樣要求.其主要技術要求為: 34mmjs7 外圓對 22mmH7 孔的徑向圓跳動公差為 0.01mm ;左端面對 22mmH7 孔的軸線垂直度公差為 0.01mm .由此可見,該零件的內孔和外圓的尺寸精度和位置精度要求均較高.

圖 10.2 軸承套

該軸承套屬於短套,其直徑尺寸和軸向尺寸均不大,粗加工可以單件加工,也可以多件加工.由於單件加工時,每件都要留出工件備裝夾的長度,因此原材料浪費較多,所以這裡採用多件加工的方法.

該軸承套的材料為 ZQSn6-6-3 .其外圓為 IT7 級精度,採用精車可以滿足要求;內孔的精度也是 IT7 級,鉸孔可以滿足要求.內孔的加工順序為鑽—車孔—鉸孔.

(2)液壓缸加工工藝分析

圖 10.3 所示某液壓缸零件圖,生產綱領為成批生產.

該液壓缸屬長套筒類零件,與前述短套類零件在加工方法及工件安裝方式上都有較大差別.該液壓缸內孔與活塞相配,因此表面粗糙度,形狀及位置精度要求都較高.毛坯可選用無縫鋼管,如果為鑄件,其組織應緊密,無砂眼,針孔及疏鬆缺陷.必要時要用泵驗漏.該液壓缸為成批生產.

圖 10.3 液壓缸簡圖

該零件長而壁薄,為保證內外圓的同軸度,加工外圓時參照空心主軸的裝夾方法.即採用雙頂尖頂孔口 1 o 30 1 的錐面或一頭夾緊一頭用中心架支承.加工內孔與一般深孔加工時的裝夾方法相同,多採用夾一頭,另一端用中心架托住外圓.孔的粗加工採用鏜削,半精加工多採用鉸削 ( 浮動鉸孔 ) .該液壓缸內孔的表面質量要求很高,內孔精加工後需滾壓.也有不少套筒類零件以精細鏜,珩磨,研磨等精密加工作為最終工序.內孔經滾壓後,尺寸誤差在 0.01mm 以內,表面粗糙度為 Ra0.16 或更小,且表面經硬化後更為耐磨.但是目前對鑄造液壓缸尚未採用滾壓工藝,原因是鑄件表面的缺陷 ( 如疏鬆,氣孔,砂眼,硬度不均勻等 ) ,哪怕是很微小,都對滾壓有很大影響,會導致滾壓加工產生適得其反的效果.

10.3.2.2 保證表面相互位置精度的方法及防止加工中工件變形的措施

(1)保證表面相互位置精度的方法

套類零件內外表面的同軸度以及端面與孔軸線的垂直度要求一般都較高,一般可用以下方法來滿足: ① 在 1 次安裝中完成內外表面及端面的全部加工,這樣可消除工件的安裝誤差並獲得很高的相互位置精度.但由於工序比較集中,對尺寸較大的套筒安裝不便,故多用於尺寸較小的軸套車削加工. ② 主要表面的加工分在幾次安裝中進行 ( 先加工孔 ) ,先加工孔至零件圖尺寸,然後以孔為精基準加工外圓.由於使用的夾具 ( 通常為心軸 ) 結構簡單,而且製造和安裝誤差較小,因此可保證較高的相互位置精度,在套筒類零件加工中應用較多. ③ 主要表面的加工分在幾次安裝中進行 ( 先加工外圓 ) 先加工外圓至零件圖尺寸,然後以外圓為精基準完成內孔的全部加工.該方法工件裝夾迅速可靠,但一般卡盤安裝誤差較大,使得加工後工件的相互位置精度較低.如果欲使同軸度誤差較小,則須採用定心精度較高的夾具,如彈性膜片卡盤,液性塑料夾頭,經過修磨的三爪自定心卡盤和軟爪等.

(2)防止套類零件變形的工藝措施

套類零件的結構特點是孔的壁厚較薄,薄壁套類零件在加工過程中,常因夾緊力.切削力和熱變形的影響而引起變形.為防止變形常採取—些工藝措施:

1) 將粗,精加工分開進行 為減少切削力和切削熱的影響,使粗加工產生的變形在精加工中得以糾正.

2) 減少夾緊力的影響 在工藝上採取以下措施減少夾緊力的影響: ① 採用徑向夾緊時,夾緊力不應集中在工件的某一徑向截面上,而應使其分布在較大的面積上,以減小工件單位面積上所承受的夾緊力.如可將工件安裝在一個適當厚度的開口圓環中,在連同此環一起夾緊.也可採用增大接觸面積的特殊卡爪.以孔定位時,宜採用張開式心軸裝夾. ② 夾緊力的位置宜選在零件剛性較強的部位,以改善在夾緊力作用下薄壁零件的變形. ③ 改變夾緊力的方向,將徑向夾緊改為軸向夾緊. ④ 在工件上制出加強剛性的工藝凸台或工藝螺紋以減少夾緊變形,加工時用特殊結構的卡爪夾緊,加工終了時將凸邊切去.

3)減小切削力對變形的影響 ① 增大刀具主偏角和主前角,使加工時刀刃鋒利,減少徑向切削力. ② 將粗,精加工分開,使粗加工產生的變形能在精加工中得到糾正,並採取較小的切削用量. ③ 內外圓表面同時加工,使切削力抵銷.

4) 熱處理放在粗加工和精加工之間 這樣安排可減少熱處理變形的影響.套類零件熱處理後一般會產生較大變形,在精加工時可得到糾正,但要注意適當加大精加工的餘量.