机械加工时工艺路线的拟订

来源:热处理工程师手册作者:崔振铎

 

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机械加工时工艺路线的拟订
2007/12/21/09:52  
 
 
   拟订工艺路线是指拟订零件加工所经过的有关部门和工序的先后顺序。工艺路线的拟订是制订工艺规程的重要内容,其主要任务是选择各个加工表面的加工方法,确定各个表面的加工顺序以及整个工艺过程的工序数目和工序内容。它与零件的加工要求,生产批量及生产条件等多种因素有关。本节主要叙述工艺路线拟订的一些共性问题,具体拟订时,应结合实际情况分析比较,确定较为合理的工艺路线。

  一、表面加工方法的选择

  选择表面加工方法时,一般先根据表面的加工精度和表面粗糙度要求,选定最终加工方法,然后再确定精加工前的准备工序的加工方法,即确定加工方案。由于获得同一精度和同一粗糙度的方案有好几种,选择时还要考虑生产率和经济性,考虑零件的结构形状、尺寸大小、材料和热处理要求及工厂的生产条件等。下面分别简要说明表面加工方法选择时主要考虑的几个因素。

  (一)经济精度与经济粗糙度

  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,这一定范围的精度就是指在正常加工条件下(采用符合质量标准的设备、工艺装备和标准技术等级的工人,合理的加工时间)所能达到的精度,这一定范围内的精度称为经济精度。相应的粗糙度称为经济粗糙度。

  表 3-14 、表 3-15 、表 3-16 分别摘录了外圆、内孔和平面等典型加工方法和加工方案能达到的经济精度和经济粗糙度(经济精度以公差等级表示)。表 3-17 摘录了各种加工方法加工轴线平行的孔系时的位置精度(用距离误差表示)。

  各种加工方法所能达到的经济精度精度和经济粗糙度等级,在机械加工的各种手册中均能查到。

表 3-14 外圆柱面加工方法

序号

 

加工方法

 

经济精度
( 公差等级表示 )

 

经济粗糙度值
Ra / um

 

适用范围

 

1

 

粗车

 

IT18~13

 

12.5~50

 

适用于淬火钢以外的各种金属

 

2

 

粗车 - 半精车

 

IT11~10

 

3.2~6.3

 

3

 

粗车 - 半精车 - 精车

 

IT7~8

 

0.8~1.6

 

4

 

粗车 - 半精车 - 精车 -滚压(或抛光)

 

IT7~8

 

0.25~0.2

 

5

 

粗车 - 半精车 -磨削

 

IT7~8

 

0.4~0.8

 

主要用于淬火钢,也可用于未淬火钢,但不宜加工有色金属

 

6

 

粗车 - 半精车 -粗磨 -精磨

 

IT6~7

 

0.1~0.4

 

7

 

粗车 - 半精车 -粗磨 -精磨 -超精加工(或轮式超精磨)

 

IT5

 

0.012~0.1

( 或 R Z 0.1)

 

8

 

粗车 - 半精车 -精车 -精细车(金刚车)

 

IT6~7

 

0.025~0.4

 

主要用于要求较高的有色金属加工

 

9

 

粗车 - 半精车 - 粗磨 -精磨 -超精磨(或镜面磨)

 

IT5 以上

 

0.006~0.025

( 或 R Z 0.05)

 

极高精度的外圆加工

 

10

 

粗车 - 半精车 -粗磨 -精磨 -研磨

 

IT5 以上

 

0.006~0.1

( 或 R Z 0.05)

 

 

1

1

1

  (二)零件结构形状和尺寸大小

  零件的形状和尺寸影响加工方法的选择。如小孔一般用铰削而较大的孔用镗削加工;箱体上的孔一般难于拉削而采用镗削或铰削;对于非圆的通孔,应优先考虑用拉削或批量较少时用插削加工;对于难磨削的小孔,则可采用研磨加工。

  (三)零件的材料及热处理要求

  经淬火后的表面,一般应采用磨削加工;材料未淬硬的精密零件的配合表面,可采用刮研加工;对硬度低而韧性较大金属,如铜、铝、镁铝合金等有色金属,为避免磨削时砂轮的嵌塞,一般不采用磨削加工,而采用高速精车、精镗、精铣等加工方法。

  (四)生产率和经济性

  对于较大的平面,铣削加工生产率较高,而窄长的工件宜用刨削加工;对于大量生产的低精度孔系,宜采用多轴钻;对批量较大的曲面加工,可采用机械靠模加工、数控加工和特种加工等加工方法。

  二、加工阶段的划分

  当零件表面精度和粗糙度要求比较高时,往往不可能在一个工序中加工完成,而划分为几个阶段来进行加工。

  (一)工艺过程的四个加工阶段

  1 .粗加工阶段 主要切除各表面上的大部分加工余量,使毛坯形状和尺寸接近于成品。该阶段的特点是使用大功率机床,选用较大的切削用量及尽可能提高生产率和降低刀具磨损等。

  2 .半精加工阶段 完成次要表面的加工,并为主要表面的精加工作准备。

  3 .精加工阶段 保证主要表面达到图样要求。

  4 .光整加工阶段 对表面粗糙度及加工精度要求高的表面,还需进行光整加工。这个阶段一般不能用于提高零件的位置精度。

  应当指出,加工阶段的划分是指零件加工的整个过程而言,不能以某个表面的加工或某个工序的性质来判断。同时在具体应用时,也不可以绝对化,对有些重型零件或余量小、精度不高的零件,则可以在一次装夹后完成表面的粗精加工。

  (二)划分加工阶段的原因

  1 .有利于保证加工质量

  工件在粗加工后,由于加工余量较大,所受的切削力、夹紧力也较大,将引起较大的变形及内应力重新分布。如不分粗精阶段进行加工,上述变形来不及恢复,将影响加工精度。而划分加工阶段后,能逐步恢复和修正变形,提高加工质量。

  2 .便于合理使用设备

  粗加工要求采用刚性好、效率高而精度较低的机床,精加工则要求机床精度高。划分加工阶段后,可以避免以精干粗,充分发挥机床的性能,延长机床使用寿命。

  3 .便于安排热处理工序和检验工序

  如粗加工阶段之后,一般要安排去应力的热处理,以消除内应力。某些零件精加工前要安排淬火等最终热处理,其变形可通过精加工予以消除。

  4 .便于及时发现缺陷及避免损伤已加工表面

  毛坯经粗加工阶段后,缺陷即已暴露,可以及时发现和处理。同时,精加工工序放在最后,可以避免加工好的表面在搬运和夹紧中不受损伤。

  在拟订零件的工艺路线时,一般应遵循划分加工阶段这一原则,但具体应用时要灵活处理。例如对一些精化毛坯,加工精度要求较低而零件的刚性又好的零件,可不必划分加工阶段。又如对于一些刚性较好的重型零件,由于吊装较困难,往往不划分加工阶段而在一次装夹后完成粗精加工。

  前已指出,工艺路线的划分加工阶段是指零件的整个过程来说的,不能从某一表面的加工或某一工序的性质来判断。例如某些定位基面的精加工,在半精加工甚至粗加工阶段就要完成而不能放在精加工阶段。

  三、加工顺序安排

  总的原则是前面的工序为后续工序创造条件,作为基准的准备。具体原则有:

  (一)切削加工顺序安排的原则

  1 .先粗后精

  零件的加工一般应划分加工阶段,先进行粗加工,然后进行半精加工,最后是精加工和光整加工,应将粗精加工分开进行。

  2 .先主后次

  先考虑主要表面的加工,后考虑次要表面的加工。因为主要表面加工容易出废品,应放在前阶段进行,以减少工时的浪费。应当指出,先主后次的原则应正确理解和应用。次要表面一般加工量较小,加工比较方便,因此把次要表面加工穿插在各加工阶段中进行,就能使加工阶段更明显和顺利进行,又能增加加工阶段的时间间隔,可以有足够的时间让残余应力重新分布并使其引起的变形充分表现,以便在后续工序中修正。

  3 .先面后孔

  先加工平面,后加工孔。因为平面一般面积较大,轮廓平整,先加工好平面,便于加工孔时的定位安装,利于保证孔与平面的位置精度,同时也给孔的加工带来方便。另外,由于平面已加工好,对于平面上的孔加工时,使刀具的初始工作条件得到改善。

  4 .先基准后其他

  用作精基准的表面,要首先加工出来。所以第一道工序一般进行定位基面的粗加工或半精加工(有时包括精加工),然后以精基面定位加工其它表面。

  (二)热处理工序的安排

  热处理的目的是提高材料的机械性能、消除残余应力和改善金属的切削加工性。按照热处理不同的目的,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。其热处理工艺退火正火、时效、调质等。

  ( 1 )退火正火 退火和正火用于经过热加工的毛坯。含碳量大于 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,为以后的热处理作准备。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。

  为避免过多运输工作量,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(如座标镗床的箱体等),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作准备,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——锻造——正火(退火)——粗加工——调质——半精加工——表面淬火——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—锻造—正火—粗、半精加工—渗碳淬火—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 ),渗氮工序应尽量靠后安排,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 .辅助工序的安排

  辅助工序一般包括去毛刺、倒棱、清洗、防锈、退磁、检验等。其中检验工序是主要的辅助工序,它对产品的质量有着极重要的作用。检验工序一般安排在:

  ( 1 )关键工序或工序较长的工序前后。

  ( 2 )零件换车间前后,特别是进行热处理工艺前后。

  ( 3 )在加工阶段前后。如在粗加工后精加工前。

  ( 4 )零件全部加工完毕。

  四、工序集中和工序分散

  在划分了加工阶段以及各表面加工先后顺序后,就可以把这些内容组成为各个工序。在组成工序时,有两条原则:即工序集中和工序分散。

  工序集中就是将工件加工内容集中在少数几道工序内完成,每道工序的加工内容较多。

  工序分散就是将工件加工内容分散在较多的工序中进行,每道工序的加工内容较少,最少时每道工序只包含一个简单工步。

  工序集中可用多刀刃、多轴机床、自动机床、数控机床和加工中心等技术措施集中,称为机械集中;也可采用普通机床顺序加工,称为组织集中。

  工序集中有如下特点:

  ( 1 )在一次安装中可完成零件多个表面的加工,可以较好地保证这些表面的相互位置精度,同时减少了装夹时间和减少工件在车间内的搬运工作量,利于缩短生产周期。

  ( 2 )减少机床数量,并相应减少操作工人,节省车间面积,简化生产计划和生产组织工作。

  ( 3 )可采用高效率的机床或自动线、数控机床等,生产率高。

  ( 4 )因为采用专用设备和工艺装备,使投资增大,调整和维修复杂,生产准备工作量大。

  工序分散有如下的特点

  ( 1 )机床设备及工艺装备简单,调整和维修方便,工人易于掌握,生产准备工作量少,便于平衡工序时间。

  ( 2 )可采用最合理的切削用量,减少基本时间。

  ( 3 )设备数量多,操作工人多,占用场地大。

  工序集中和工序分散各有利弊,应根据生产类型、现有生产条件、企业能力、工件结构特点和技术要求等进行综合分析,择优选用。

  单件小批生产采用通用机床顺序加工,使工序集中,可以简化生产计划和组织工作。多品种小批量生产也可采用数控机床等先进的加工方法。

  对于重型工件,为了减少工件装卸和运输的劳动量,工序应适当集中。

  大批大量生产的产品,可采用专用设备和工艺装备,如多刀、多轴机床或自动机床等,将工序集中,也可将工序分散后组织流水生产。但对一些结构简单的产品,如轴承和刚性较差、精度较高的的精密零件,则工序应适当分散。

 
       
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