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课程名称 机械制造基础 任课教师 邓效忠 第五章 机械加工工艺规程的制定 计划学时 14 教学的目的和要求：
要求学生掌握定位基准和表面加工方法的选择原则，能够拟定工艺路线，会运用 工艺尺寸链确定工序尺寸及其公差，使学生具有编制中等复杂零件加工工艺规程的 能力。
重点：
工件定位基准的选择；工序顺序的确定；工艺尺寸链及其应用。
难点：
工艺尺寸链及其应用。
思考题：
1．什么叫基准?基准分哪儿种?
2．精、粗定位基准的选择原则各有哪些?如何分析这些原则之间出现的矛盾? 3．零件表面加工方法的选择原则是什么？
4．制定机械加工工艺规程时，为什么要划分加工阶段？ 5．切削加工顺序安排的原则是什么？
6．什么叫工序集中？什么叫工序分散？各用于什么场合？ 7．什么叫工序余量？影响工序余量的因素是什么？ 8．什么叫尺寸链？它具有哪些特征？ 9．什么叫工艺规程？它有什么作用？
10．如何确定尺寸链中的增环、减环和封闭环？
第
5章 机械加工工艺规程设计
5.1 概述
一、机械加工工艺规程及其作用
将产品或零部件的制造工艺过程的所有内容用图、表、文字的形式规定下来的工艺文件汇编称为工艺规程。
二、工艺规程设计所需的原始资料
⑴ 零件图和产品整套装配图；⑵ 产品的生产纲领和生产类型；⑶ 产品的质量验收标准；
⑷ 毛坯情况；⑸ 本厂的生产条件和技术水平；⑹ 国内外生产技术发展情况。
三、工艺规程设计的步骤
⑴ 零件的工艺性分析。⑵ 确定毛坯。⑶ 拟定工艺路线，选择定位基准。⑷ 确定各工序的设备和工装。⑸ 确定主要工序的生产技术要求和质量验收标准。⑹ 确定各工序的余量，计算工序尺寸和公差。⑺ 确定各工序的切削用量。⑻ 确定工时定额。⑼ 填写工艺卡。
5.2 机械加工工艺规程设计
一、零件的结构工艺性分析
结构工艺性是指产品的结构是否满足优质、高产、低成本制造的一种性质。零件结构工艺性举见教材表5-4。
二、确定毛坯 三、定位基准的选择
粗基准是指未经机械加工的定位基准，而精基准则是经过机械加工的定位基准。 1．粗基准的选择原则
粗基准选择的主要目的是：保证非加工面与加工面的位置关系；保证各加工表面余量的合理分配。因此，选择粗基准时应考虑下列一些问题：
⑴余量分配原则 粗基准的选择应保证工件各表面加工时余量足够或均匀的要求。 图5-2所示零件的毛坯大小头的余量分别为8mm、5mm，其同轴度误差为0～3mm，若以φ108mm大头外圆为粗基准，先车小头，此时当毛坯大小头同轴度误差大于2.5mm时，则小头的加工余量不足而导致废品；反之若以φ55mm小头为粗基准，先车大头，则可避免出现废品。
图5-2 粗基准选择应使加工余量足够
再如图5-3所示车床床身加工中，导轨面是最重要的表面，不仅精度要求高，而且要求导轨面有均匀的金相组织和较高的耐磨性，因此希望加工时导轨面去除余量要小而且均匀。因此应以导轨面为粗基准，先加工底面，然后在以底面为精基准加工导轨面。这样就可以保证导轨面的加工余量均匀。否则，若违背本条原则必将造成导轨余量的不均匀。
图5-3 床身加工中的粗基准选择
⑵ 位置关系原则 粗基准的选择应尽量保证最终零件上非加工表面与加工表面之间的相互位置关系要求。当零件上有多个不加工表面时，应选择其中与加工表面有较高位置精度要求的不加工表面为粗基准。
如图5-4所示的铸件，外圆表面1为不加工表面，为保证孔加工后壁厚均匀，应采用外圆表面1作为粗基准。
图5-4 位置要求对粗基准选择的影响
⑶ 便于工件装夹的原则 选粗基准时，必须考虑定位准确，夹紧可靠以及夹具结构简单、操作方便等问题。为了保证定位准确，夹紧可靠，要求选用的粗基准尽可能平整、光洁
和有足够大的尺寸，不允许有锻造飞边、铸造浇、冒口或其它缺陷。
⑷ 粗基准一般不得重复使用的原则 在同一尺寸方向上的粗基准一般不应被重复使用。这是因为毛坯的定位面一般都很粗糙，在两次装夹中重复使用同一粗基准，就会造成相当大的定位误差（有时可达几毫米）。
如图5-5a所示的零件，其内孔、端面及3-?7mm孔都需要加工，如果按图5-5b、c所示工艺方案，即第一道工序以?30mm外圆为粗基准车端面、镗孔；第二道工序仍以?30mm外圆为粗基准钻3-?7mm孔，这样就可能使钻出的孔轴线与端面不垂直。如果用图5-5b、d所示工艺方案就可以避免上述问题，其第二道工序是用第一道工序已经加工出来的内孔和端面作精基准，就较好的解决了图5-5b、c工艺方案产生的不垂直问题。
对粗基准不重复使用原则，注意不要滥用。例如在图5-6a所示的零件图中，第一道工序加工?15H7孔和端面时，用法兰台肩面和外形定位，第二道工序钻2-?6mm孔的时候，除了用?15H7孔和端面作精基准定位外，仍需用外形粗基准来限制绕?15H7孔轴线的回转自由度。此时，粗基准的重复使用并不影响两道工序加工面之间的位置精度要求，这时的粗基准重复使用是允许的。
上述选择粗基准的四条原则，每一条原则都只说明一个方面的问题。在实际应用中，划线装夹有时可以兼顾这四条原则，而夹具装夹则不能同时兼顾，这就需要根据具体情况，抓住主要矛盾，解决主要问题。
a）零件图 b）车端面及内孔 c）重复使用钻3-?7mm孔
d）精基准定位钻3-?7mm孔 图5-5 粗基准不重复使用示例
a） 工件简图 b） 加工简图 图5-6 粗基准重复使用举例
2．精基准的选择原则
选择精基准时要考虑的主要问题是保证零件设计的位置精度要求以及装夹准确、可靠、方便。为此，一般应遵循以下原则：
⑴基准重合原则；⑵基准统一原则；⑶ 互为基准原则；⑷ 自为基准原则；⑸ 便于装夹原则
3．辅助精基准
在工件上专门设置或加工出的定位基准，称为辅助精基准。辅助精基准在零件的工作中并无用处，它仅仅是为了加工需要而设置的，例如轴类工件加工时用的中心孔，箱体工件的两个工艺孔。
四、工艺路线的拟定
1．表面加工方法的选择
1）首先根据被加工表面的质量要求，确定其最终精加工方法；然后再根据加工经济精度，依次确定前面工序或工步的加工方法。
2）确定加工方法时要考虑工件材料的性质。 3）选择加工方法时要考虑到生产类型。
4）选择加工方法时要考虑工件的结构特点和表面特点。 5）选择加工方法时要考虑工厂现有设备情况和技术条件。 2．表面加工路线的确定
外圆、内孔和平面是构成零件的典型表面，占有构成零件表面的绝大部分。在长期的生产实践中，针对这些表面形成了一些比较成熟的加工方案，熟悉这些表面的加工方案对编制
工艺路线有很大指导意义。
表5-6、表5-7、表5-8分别列出了外圆表面、孔、平面的机械加工路线及其工艺特点。（见教材）
3．加工阶段的划分
一般零件的加工常分三个加工阶段：粗加工阶段，半精加工阶段，精加工阶段。有飞边、冒口等多余材料的毛坯可安排去皮加工阶段，表面质量要求较高的需要安排光整加工阶段。
粗加工阶段的主要任务有：切除大部分表面的大部分余量；为后续加工准备定位精基准。粗加工阶段需要解决的主要问题是如何最大限度地提高生产率；
半精加工阶段的任务是：完成非重要表面的终加工；为后续加工提供精度更高的定位基准。因此，半精加工阶段需要兼顾生产率和加工精度两方面的问题；
精加工阶段就是要完成零件的终加工，保证零件的设计精度要求。加工精度是本阶段需要解决的首要问题。
光整加工阶段主要是为了得到更高的尺寸精度和更低的表面粗糙度，只从工件表面上切出极少的加工余量。
划分加工阶段的理由是：（1）易于保证加工质量。（2）有利于及早发现毛坯缺陷，避免不必要的加工浪费。（3）有助于合理使用设备。（4）便于穿插热处理工序。
4．工序集中和工序分散
工序集中是指在每道工序中安排有较多的加工内容，而多刀同时加工的集中称为工艺集中，多刀或多面依次加工的集中称为组织集中；而工序分散则相反。
工序集中的优点：
⑴ 可减少装夹次数；⑵ 便于保证各加工表面之间的位置精度；⑶ 便于采用高生产率的机床；
⑷ 有利于生产组织和管理；⑸ 减少了机床和工人，占用生产面积小。 工序集中存在的问题：
⑴ 机床结构复杂，降低了机床的可靠性，调整维护都不方便；⑵ 采用工序集中，多表面同时加工时，切削力和切削热相互影响，对高质量表面加工不利；⑶ 采用工序集中，多刀同时加工时，切削力大，要求工件的刚性要好；⑷ 采用工序集中，多刀同时加工时，有时无法优化切削用量。
5．工序顺序的安排 （1）切削加工工序的安排
1）先粗后精；2）先主后次；3）基面先行；4）先面后孔。 （2）热处理工序的安排
提高机械性能的热处理，一般安排在半精加工之后精加工之前；改善材料组织和切削加工性能的热处理，一般安排在毛坯制造之后粗加工开始之前；消除内应力的热处理，应安排在容易产生内应力的工序之后，如：毛坯制造之后，粗加工之后等。实际安排时，还需要兼顾质量、成本和生产率等问题。
（3）辅助工序的安排
1）检验工序安排 中间检验：安排在粗加工阶段后进行；转出车间前，关键工序之前和之后进行；总检验（最终检验），零件加工完成后进行。
特种检验：检查工件材料内部质量（如：毛坯超声波探伤），安排在工艺过程的开始，粗加工前；检验工件表面质量（如：磁粉探伤、荧光检验），要放在所要求表面的精加工之后；动、静平衡试验、密封性试验，根据加工过程的需要进行安排；重量检验，安排在工艺过程最后进行。
2）其它工序 如去毛刺工序；清洗工序。
五、加工余量和工序尺寸的确定
1．加工余量的确定
（1）加工余量的概念 机械加工时，为保证零件加工质量，从某一表面上所切除的金属层厚度称为加工余量。它有总余量和工序余量之分。总余量等于毛坯尺寸与零件设计尺寸之差。工序余量等于相邻两道工序的工序尺寸之差，如图5-7所示。
工序余量又有单边余量和双边余量之分。对于平面等非对称表面，其加工余量一般为单边余量。
对于外表面（图5-7a）：Zb=a–b 对于内表面（图5-7b）：Zb=b–a 式中 Zb——本道工序的工序余量； b——本道工序的基本尺寸； a——上道工序的基本尺寸。
内、外圆柱面等回转体表面的加工余量为双边余量。 对于外圆面（图5-7c）：2Zb=da–db 对于内圆面（图5-7d）：2Zb=db–da 式中 2Zb——直径上的加工余量；
db——本工序加工表面的直径；
da——上工序加工表面的直径。
图5-7 加工余量
总加工余量与工序余量的关系为： Z0=
?Zi?1ni
由于工序尺寸在加工时有偏差，实际切除的余量值也必然是变化的。故加工余量有基本（或公称）余量Z、最大余量Zmax和最小余量Zmin之分。对于图5-8所示的被包容面：
Z=La–Lb； Zmin=Lamin–Lbmax； Zmax=Lamax–Lbmin。
图5-8 加工余量及其公差
式中 La——上工序基本尺寸； Lb——本工序基本尺寸；
Lamax、Lamin——上工序最大、最小尺寸； Lbmax、Lbmin——本工序最大、最小尺寸。
公称余量的变化范围（余量公差）Tz等于本道工序工序尺寸公差Tb与上道工序工序尺寸公差Ta之和，即
Tz=Zmax–Zmin=Tb+Ta
（2）影响加工余量的因素
1）上工序留下的表面粗糙度RZ和表面缺陷层Ha。在本工序加工时要去除这部分厚度。 2）上工序的尺寸公差Ta。本工序加工余量在不考虑其它误差的存在时，不应小于Ta。 3）上工序留下的需要单独考虑的空间误差ρa。 4）本工序的安装误差εb。
由于空间误差和安装误差具有方向性，加工余量的计算公式为： 对于单边余量：Zmin=Ta+Rz+Ha+?a??b 对于双边余量：Zmin=Ta/2+Rz+Ha+?a??b （3）确定加工余量的方法
1）计算法；（2）经验估计法；（3）查表法。 2．工序尺寸的确定
在机械加工中，每道工序应保证的尺寸称为工序尺寸，其允许的变动量即为工序尺寸公差。工序尺寸往往不能直接采用零件图上的尺寸，而需要另行计算。计算工序尺寸及其变动量是制订工艺规程的重要工作之一，通常有以下两种情况：
1）基准不重合或多次转换情况下的尺寸换算
这种计算需要运用尺寸链原理，所以将在下一节“工艺尺寸链及其应用”中专门讨论。 2）工序基准与设计基准重合情况下所形成的工序尺寸（简单工序尺寸）的计算 对于简单的工序尺寸，只需根据工序的加工余量就可以算出各工序的基本尺寸，其计算顺序是由最后一道工序开始向前推算。各工序尺寸的尺寸精度按加工方法的经济精度确定，并按“入体原则”标注其两极限偏差。
?0.035mm,Ra0.8μm，孔长度为45mm，毛坯为铸件，[例5-1]某零件孔的设计尺寸为?980在成批生产条件下，其加工工艺过程为：粗镗一半精镗一精镗一浮动镗。试计算各工序尺寸及极限偏差。
解 （1）查有关机械加工手册得各工序余量和所能达到的经济精度及其数值分别为： Z浮动镗=0.25mm ，Z精镗=1mm，Z半精镗=1.4mm，Z毛坯=6mm，T毛坯=±1.2mm；
粗镗 IT13 T粗镗=0.54mm，Ra5μm；半精镗 IT11 T半精镗=0.22mm，Ra2.5μm； 精镗 IT9 T精镗=0.087mm，Ra1.25μm；浮动镗 IT7 T浮动镗=0.035mm，Ra0.8
μm。
（2）计算
Z粗镗=Z毛坯–∑Z工序=6－0.25－1－1.4=3.35mm
（3）作孔加工余量和工序尺寸分布图（图5-9），将上述数据填入。
图5-9 孔加工余量和工序尺寸分布图
（4）从最后一道工序向前推算，求出各工序尺寸和极限偏差（单位：mm）。
?0.035?0.09?0.09??97.750浮动镗?980 精镗?(98?0.25)0 半精镗
?0.22?0.22?(97.75?1)0??96.750
?0.54?0.54??95.350粗镗?(96.75?1.4)0 毛坯?(98?6)?1.2??92?1.2
六、工艺尺寸链及其应用
1．尺寸链的基本概念 （1）尺寸链的定义和特征
由一组互相联系的尺寸按一定顺序首尾相接排列成的封闭图形，称为尺寸链。其中，由单个零件在工艺过程中的有关尺寸所组成的尺寸链称为工艺尺寸链（图5-10），在机器的装配的过程中，由有关的零（部）件上的有关尺寸所组成的尺寸链，称为装配尺寸链（图5-11）。
图5- 10 套筒零件工艺尺寸链
图5-11 装配尺寸链
由尺寸链定义可知，尺寸链有以下两个特征：
①封闭性 尺寸链必须是一组有关尺寸首尾相接构成的尺寸封闭图形。其中，应包含一个间接保证的尺寸和若干个对此有影响的直接保证的尺寸。
②联系性 尺寸链中间接保证的尺寸的大小和精度，是受这些直接保证尺寸的精度所支配的，彼此间具有特定的函数关系，即A0=f（A1 A2），并且间接保证尺寸的精度必然低于直接保证尺寸的精度。
（2）尺寸链的组成和尺寸链图的作法
1）封闭环 尺寸链中间接保证的尺寸称为封闭环，用A0表示。 2）组成环 尺寸链中除封闭环以外的其它环均为组成环。
①增环——该环的变动（增大或减小）引起封闭环同向变动（增大或减小）的环，用Ap表示。
②减环——该环的变动（增大或减小）引起封闭环反向变动（减小或增大）的环，用Aq表示。
*尺寸链增减环判别 A2A0A3A1图5－12 尺寸链增减环判别 在绘制完尺寸链图后，在封闭环字母上方画一单向箭头，再按此方向依据尺寸链的走向在其余各环字母上方也画一单向箭头（如图5-12所示），凡是箭头方向与封闭环箭头方向相
反者为增环，相同者为减环。图5－12中，A0为封闭环，A2、A3为增环，A1为减环。
由此例可将工艺尺寸链图的作法归纳为：
（1）根据工艺过程或加工方法，找出间接保证的尺寸作为封闭环。
（2）从封闭环两端开始，按照零件上表面之间的联系，依次画出有关的直接获得的尺寸（即组成环），形成一个封闭图形。应当指出，必须使组成环环数达到最少。
（3）按照各尺寸首尾相接的原则，顺着一个方向在各尺寸线符号上方画箭头。凡是箭头方向与封闭环箭头方向相同的尺寸均为减环，反之均为增环。
这里还应注意以下三点：
（1）工艺尺寸链的构成完全取决于工艺方案和具体的加工方法。
（2）封闭环的确定对尺寸链计算至关重要。封闭环确定错了，将前功尽弃。 （3）一个尺寸链只能解一个封闭环或一个组成环。 3）尺寸链的分类
尺寸链按其功能不外乎有两大类，即工艺尺寸链和装配尺寸链。而按尺寸链中各环的几何特征和所处的空间位置可分为四种形式：直线尺寸链、角度尺寸链、平面尺寸链和空间尺寸链。
2．尺寸链的基本计算公式
1）尺寸链的计算方法 尺寸链的计算方法有极值法（极大极小法）和概率法两种。用极值法解尺寸链是按各组成环均处于极值条件下去分析计算封闭环与组成环之间的关系。概率法是以概率论理论为基础来解算尺寸链。
2）尺寸链的计算形式
（1）正计算。（2）反计算。（3）中间计算 3）尺寸链的基本计算公式（极值法）
一个具有m个增环的n环尺寸链可以用图5-13所示的尺寸链图来表示。根据尺寸链的联系性，可以写出尺寸链的基本计算公式。
A0mAp[n-(m+1)]Aq 图5-13 n环尺寸链
⑴封闭环的基本尺寸
A0?⑵封闭环的极限尺寸
?Ap?1mp?q?m?1?A??n?1q （5－1）
A0max=A0min=
?Ap?1mmpmaxq?m?1n?1?An?1qmin （5－2a） （5－2b）
?Ap?1mpminq?m?1?An?1qmax（3） 封闭环的上、下偏差
ESAo=EIAo=
（4） 封闭环的公差 A0max-A0min=（
m?ESA??EIApp?1q?m?1q （5－3a） （5－3b）
?EIA??ESApp?1q?m?1mn?1q?Ap?1pmpmaxn?1??Ap?1qmpminn?1）+（
q?m?1?An?1qmax?q?m?1?An?1qmin）
即 TA0=
?TA??TA??TA （5－4）
ip?1q?m?1i?1在尺寸链的反计算法中，会遇到如何将封闭环的公差值合理地分配给各组成环的问题。解决这类问题的方法有三种：
①“等公差”原则 将封闭环公差平均分配给各组成环，即：
TAi=
TA0 （5－5） n?1② “等公差等级”原则 按照公差表中的尺寸分段及所选定的公差等级规定组成环公差，并使各组成环的公差满足下列条件：
?TAi?1n?1i≤TA0
③“复合”原则 即先按等公差原则进行分配，然后再视具体情况，如加工难易、尺寸大小等进行调整。
3．工艺尺寸链的应用
（1）测量基准与设计基准不重合时工序尺寸的确定
[例5-2] 如图5-10a所示套类零件。设其余表面均已加工好，本道工序镗大孔时，要求保证设计尺寸10?0.36。加工时因该尺寸不便直接测量，要通过直接测量孔深尺寸A2间接保证。试求工序尺寸A2及其极限偏差。
0解 1）分析建立尺寸链。由题意知，封闭环A0=10?尺寸链图如图5-10b所示，0.36mm， 0其中A1=50?0.17是增环，A2是减环。
2）代入尺寸链计算公式求A2。由A0=A1-A2得：A2=A1-A0=50-10=40
0由ESA0=ESA1-EIA2得：EIA2=0； 同理得出：ESA2=+0.19
0.19所以 A2=40?mm 03）“假废品”分析
计算结果说明，只要加工中控制大孔深度在40～40.19mm范围内，该零件就是合格品。但在加工中经测量发现有些零件的A2不在此范围内，如A2=40.36mm和A2=39.83 mm，这些零件是否合格?对此问题，可用图5-14所示的公差带图解法来分析。
Ⅱ
I
图5-14 公差带图解
Ⅱ
（2）定位基准与设计基准不重合时的工序尺寸计算
[例5-3] 如图5-15所示箱体零件，已知表面A、B、C均已加工好。本道工序镗孔时，以A面为定位基准，并按工序尺寸L3进行加工。显然，孔的设计基准C面与定位表面A不重合。为保证孔中心到C面的距离满足图纸规定的要求，试求L3。
解 1）画工艺尺寸链图，如图5-15b所示。其中L0为封闭环，L3、L2为增环，L1为减环。
2）代入尺寸链计算公式求L3
因为， L0=L3+L2-L1 所以， L3=300+120-100=320（mm）
又因为， ESL0=ESL3+ESL2-EIL1 所以， ESL3=0.15+0-0=+0.15（mm）
0.15同理有， EIL3=+0.01（mm）。 即 L3=320??0.01mm
a） b） 图5-15 箱体零件工艺尺寸链
（3）多尺寸同时保证时工艺尺寸链计算
[例5-4] 图5-16所示为一具有键槽的内孔简图，其设计要求已在图中标出。内孔及键槽的加工顺序为：
0.10.051）镗孔至?39.6? 2）插键槽至尺寸A； 3）热处理； 4）磨内孔至?40? 0mm； 0mm，0.3同时保证键槽深度46? 0mm。
图5-16 键槽内孔简图
?0.3解 1）画尺寸链图（图5-16b），其中A0=460是封闭环；
?0.025?0.05插键槽尺寸A和磨孔后的半径尺寸200是增环；而镗孔后的半径尺寸19.80是减
环。
2）代入尺寸链计算公式（5-1）、（5-2）得：
A=46-20+19.8=45.8 ESA=0.3-0.025+0=+0.275 EIA=+0.05
0.275所以 A=45.8??0.05mm
按“入体”原则标注尺寸，并对第三位小数取四舍五入，可得工序尺寸及极限偏差为：
0.23A=45.85? 0mm
（4）表面处理工序的工艺尺寸链计算
表面处理是指表面渗碳、渗氮等渗入类以及镀铬、镀锌等镀层类的处理。渗入类表面处理工序要求在精加工前渗入一定厚度的材料，在加工后能获得图样规定的渗入层厚度，显然，设计要求的渗入层厚度是最后自然形成的，即为封闭环。镀层类表面处理通常是通过控制电镀工艺条件来保证镀层厚度的，且镀层后一般不再进行加工，故工件电镀后形成的尺寸则是封闭环。
[例5-5] 图5—17a所示的偏心轴，表面P要求渗碳处理，渗碳层深度为0.5～0.8mm，为了保证对该表面提出的加工要求，其工艺路线安排如下：
1）精车P面，保证直径?38.40?0.1mm；2）渗碳处理，控制渗碳层深度；3）精磨P面，保证直径?380?0.016mm，同时保证渗碳层深度为0.5~0.8mm。问：渗碳处理时渗碳层的深度应控制在多大的范围内？
图5-17 渗碳层工艺尺寸链
解 1）画尺寸链图，如图5-17所示。其中L0代表磨后的渗碳层深度0.5~0.8mm，
0 0是封闭环，L1=19.2?0.05mm是减环，L3=19?0.008mm和L2是增环。
2）由尺寸链计算公式（5-1）和（5-2）可得：
0.25L2=0.7??0.008mm
即渗碳处理时渗碳层的深度应控制在0.708～0.95mm。
《机械制造基础》第5章 机械加工工艺规程的制定
