第 5 章 机械加工工艺规程设计

5.1 机械加工工艺的基本概念

5.1.1 生产过程与机械加工工艺过程1 ．生产过程

生产过程是指将原材料转变为成品的全过程。

一般包括以下过程：• 原材料的运输和保管；• 生产和技术准备工作；• 毛坯制造，如铸造、锻造、冲压、切割和焊接等；• 零件的机械加工与热处理；• 成品（部件或机器）的装配、调整、检验等；• 成品的运输和保管。

2 ．工艺过程

• 机械产品的工艺过程包括毛坯制造、零件的机械加工与热处理及成品（部件或机器）的装配、调整、检验等，它是生产过程中的主要和重要组成部分。

工艺过程是指生产过程中，直接改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和物理力学性质等，使其成为成品或半成品的过程。

3 ．机械加工工艺过程

• 一般的机械加工包括车、钳、刨、铣、拉、割等金属切削加工和磨削加工，但从广义上说，电加工、超声加工、激光加工、电子束和离子束加工等特种加工也是机械加工工艺过程中的一部分。

• 机械加工工艺过程直接决定了零件及机械产品的质量和性能，是整个工艺过程的重要组成部分。

机械加工工艺过程是指用机械加工的方法直接改变毛坯的形状、尺寸、相对位置和表面质量等，使其成为合格零件或机械成品的过程。

5.1.2 机械加工工艺过程的组成

1 、工序

工序是一个或一组工人，在一个工作地对同一个或同时对几个工件所连续完成的那一部分工艺过程。

•划分工序的主要依据是工人是否变动、工作地是否变动、工件是否变动和工作是否连续。•若机械加工中，工人、工作地、工件三不变且工作连续，则属同一工序，否则该加工要划分成多个工序。•工序是机械加工工艺过程中的基本单元，也是制订生产计划，组织生产及进行成本核算的基本单元。

如图所示的阶梯轴 , 零件，当单件小批生产时，其加工工艺的工序可划分成 4 道（见表 1 所示）。当批量生产时，其加工工艺的工序就要划分成 6 道（见表 2 所示）。

表 1 阶梯轴加工工艺过程（单件小批生产）

工序号 工序内容 工艺装备 车两端面、钻两中心孔、

车全部外圆、车槽与倒角、去毛刺

C616普通车床，标准车刀通用夹具、通用量具

2 铣键槽、去毛刺 X51立式铣床，标准铣刀通用夹具、通用量具

3 钻孔、去毛刺 Z525立式钻床，标准钻头通用夹具、通用量具

4 磨外圆 M114W外圆磨床，标准砂轮通用夹具、通用量具

表 2 阶梯轴加工工艺过程（批量生产）

工序号 工序内容 工艺装备

1 铣端面、钻中心孔 铣端面钻中心孔专用车床，标准或专用刀具，专用夹具，通用或专用量具

2 车外圆、车槽与倒角 C616普通车床或专用车床，标准车刀通用或专用夹具，通用或专用量具

3 铣键槽 X51立式铣床或专用铣床，标准铣刀通用或专用夹具，通用或专用量具

4 钻孔 Z525立式钻床或专用钻床，标准钻头通用或专用夹具，通用或专用量具

5 去毛刺 钳工台6 磨外圆 M114W外圆磨床或专用磨床，标准砂

轮通用或专用夹具，通用或专用量具

2 ．安装

• 工件在加工前，先要把工件放准，确保工件在机床上或夹具中占有正确位置，这个过程称为定位。

• 工件定位后要将其固定，使其在加工过程中保持定位位置不便，这个操作称为夹紧。

• 定位和夹紧几次就构成了几次安装。

安装是经一次装夹（定位和夹紧）后所完成的那一部分工序。

3 ．工位

• 为了减少工件的装夹次数，常采用各种回转工作台，回转夹具或移动夹具，使工件在一次装夹中，先后处于几个不同的位置进行连续加工。

• 利用多工位加工的最大优点是可以大大提高加工生产率。

工位是指为完成一定的工序部分，一次装夹工件后，工件与夹具或设备的可动部分一起，相对刀具或设备的固定部分所占据的每一个位置。

多工位加工工位 —Ⅰ 装卸工件；工位 —Ⅱ 钻孔工位 —Ⅲ 扩孔；工位 —Ⅳ 铰孔

4 ．工步

• 工步的要点有三个，即加工表面不变、加工刀具不变和机床的切削参数不变。若其中一个要素发生变化，就形成了一个新工步。

• 一个工序可以包含一个工步，也可以包含多个工步。 • 为了提供生产率，有时用几把刀具同时加工几个表面，这也可看出一个工步，称为复合工步。

工步是在加工表面、加工工具及切削用量中转速和进给量（不包括背吃刀量）均保持不变的情况下，所连续完成的那一部分工序。

5 ．走刀

• 走刀是构成机械加工工艺过程的最小单元。

走刀是在一个工步中所进行的每一次切削。如果在一个工步中的加工余量较大，就需要进行多次切削，即需要多次走刀。

工艺过程结构图

工艺过程 `

工序 1 工序 2

安装 1 安装 2 安装 1

1 工位 2 工位

工步 1 工步 2工步 1

1 工位

工步 1 工步 2

走刀 1 走刀 2走刀 1 走刀 1 走刀 2 走刀 1 走刀 1

5.1.3 生产纲领、生产类型与工艺特征

1 ．生产纲领

生产纲领主要指企业在计划期内，应当生产的产品产量和和进度计划，计划期常定为一年，因此生产纲领也称零件的年产量。

零件的年生产纲领或年产量按以下公式计算 : N=Qn(1+a)(1+b) 其中 N----零件的生产纲领 ( 件 / 年 ) ； Q----产品的年产量 ( 台 / 年 ) ； n----每台产品中所含该零件的数量（件 / 台 ) ； a----零件的备品率； b----零件的废品率；

2 ．生产类型

• 根据生产纲领的大小、产品本身的大小以及产品结构的复杂性，产品的制造可分为三种生产类型：– 单件生产– 成批生产–大批量生产

生产类型是指企业（或车间、工段、班组、工作地）生产专业化程度的分类。

生产纲领与生产类型的关系

生产类型

单件小批生产 成批生产 大量生产

重型零件（件 / 年）（质量〉 2000 kg

）<5 5-1000 >1000

中型零件（件 / 年）（质量 100~2000kg

）<10 10-5000 >5000

轻型零件（件 / 年）（质量〈 100kg 〉 <100 100-50000 >50000

各种生产类型的工艺特征

生产类型

单件生产 成批生产 大量生产

机床设备 通用的设备 部分地采用专用设备 广泛使用高效率专用的设备

夹具 通用夹具 部分地采用专用夹具 广泛使用高效率专用夹具

刀具 标准刀具 部分地采用专用刀具 部分地采用专用刀具

量具 通用量具 部分地采用专用量具 广泛使高效率专用量具

毛坯 木摸铸造和自由锻 部分采用金属摸铸造和摸锻

机器造型、压力铸造，摸锻等

对工人的技术要求

需要技术熟练的工人 需要比较熟练的工人 调整工要求技术熟练，操

作工不要求技术熟练

生产效率 低 中 高

生产成本 高 中 低

5.1.4 机械加工工艺规程

1 ．机械加工工艺规程的概念

机械加工工艺规程一般简称工艺规程，是规定产品或零部件制造工艺过程和操作方法等的工艺文件。

它是结合具体的生产条件，把最合理或较合理的工艺过程和操作方法按规定的格式书写成工艺文件，经审批后用来指导生产。

2 ．机械加工工艺规程的形式

（ 1 ）机械加工工艺过程卡片 它是以工序为单位说明零件加工工艺过程的工艺

文件。由于各工序中的内容规定得不够具体，因此不能指导成批生产和大批量生产类型下一般操作工人的生产，但可用于指导单件或小批量生产类型下技术工人的生产。它主要用来表示零件的加工工艺过程，可供生产计划、生产组织、生产调度等生产管理使用。

机械加工工艺过程卡片

（ 2 ）机械加工工序卡片

机械加工工序卡片如表所示（摘自 JB/T9165-1998 ）。它是为每道工序详细制订的，用来具体指导操作工人进行批量生产和大批量生产的工艺文件。

机械加工工序卡片

3 ．机械加工工艺规程的作用

机械加工工艺规程是机械制造厂最主要的技术文件之一，是工厂规章条例的重要组成部分，其具体作用如下：

• 它是指导生产的主要技术文件；• 它是组织和管理生产的基本依据；• 它是新建和扩建车间或工厂的原始资料；• 它是交流和推广先进加工经验的渠道。

4 ．制订机械加工工艺规程的步骤

• 零件图样分析和结构工艺性分析• 确定零件的生产类型• 选择毛坯和毛坯制造方法• 拟订零件的加工路线• 确定各工序的加工方法• 填写工艺文件

5.2 零件结构工艺性分析

5.2.1零件结构工艺性的概念

零件结构工艺性是指所设计的零件在能满足使用要求的前提下，其制造的可行性和经济性。

•制订零件的机械加工工艺规程的第一步是审查零件图样和对零件进行结构工艺性分析。 •零件的结构工艺性包括零件在各个制造过程中的工艺性，有零件结构在铸造、锻造、冲压、焊接等毛坯制造的工艺性和切削加工的工艺性。

5.2.2毛坯制造加工对零件结构工艺性的要求

1 ．铸造加工对零件结构工艺性的要求• 铸件的壁厚应合适、均匀、不得有突然变化；• 铸造结构的转角处要有圆角；• 铸件的结构要尽量简化，并要有合理的起模斜度；• 加强肋的厚度和分布要合理，以免冷却时铸件变形或产生裂纹；

• 铸件的选材要合理，应有较好的可铸性。

2 ．锻造加工对零件结构工艺性的要求• 自由锻件的结构力求简单、对称，避免锥体或斜面结构；

• 模锻件应有合理的锻造斜度和圆角半径；• 避免凸台、筋板、工字形等结构；• 材料应具有良好的可锻性；

3 ．冲压加工对零件结构工艺性的要求•结构应力求简单、对称 ;

•外型和内孔应尽量避免尖角 ;

•圆角大小要利于成型。冲裁的圆角半径应大于或等于板厚的 1/2，拉伸件的底部圆角半径一般为板厚的 3-5倍。

4 ．焊接加工对零件结构工艺性的要求• 焊接件的材料应具有良好的可焊性；• 焊缝布置应分散，不能交叉密集；• 焊缝的布置应有利于减小焊接应力及变形；• 焊接接头的形式、位置和尺寸应能满足焊接质量的要求。

5.2.3 切削加工对零件结构工艺性的要求

1 ．零件要便于在夹具上装夹及减少在夹具上装夹的次数

（ 1 ）增加可装夹的工艺面、工艺边或工艺孔

（ 2 ）增加可装夹的工艺凸台

（ 3 ）箱体中多个孔要从大到小排列

（ 4 ）增加工艺轴段

（ 6 ）相同孔和槽的加工方向要尽可能一致

2 ．零件的加工要减少刀具的种类、调整次数和走刀次数

（ 1 ）尽量采用相同的螺孔结构

（ 2 ）被加工平面要尽能设计在一个平面

（ 3 ）尽量采用相同的槽和圆角

（ 4 ）使用可多件加工的结构

3 ．要便于进刀和退刀

（ 1 ）车螺纹要有退刀槽，磨削表面要有砂轮越程槽

a b

（ 2 ）沟槽表面不应与其他表面重合

4 ．零件结构要便于加工（ 1 ）避免在斜面上钻孔或单刃切削

（ 2 ）避免在箱体内表面加工

（ 3 ）减少切削加工难度

（ 4 ）减少加工面积

5.3 定位基准的选择

在制订机械加工工艺规程时，选择出合适的定位基准是至关重要的。它是继对零件作结构工艺性审查后要考虑的重要问题，因为它直接影响到零件的加工精度能否得到保证，加工顺序如何安排，机床、夹具、刀具和量具的复杂程度。

5.3.1基准的概念及其分类

1 ．基准的概念

基准是用来确定生产对象上几何要素间几何关系所依据的那些点、线和面。

在零件图或实际零件上，每个尺寸的标注、加工、测量都有一个参考点、线或面，这些参考点、线和面就是所谓的基准

零件的尺寸基准（点、线和面）

2 ．基准的分类

根据基准的作用不同，常把基准分为两类，即设计基准和工艺基准。

（ 1 ）设计基准

设计基准是从设计角度考虑，为满足零件在机器或部件之中对其结构、性能的特定要求而选定的一些基准。

设计基准可以从零件的作用和尺寸的标注中分析出来。

（ 2 ）工艺基准

工艺基准是在制造零件和装配机器的工程中所使用的基准。

工艺基准按其用途又分为工序基准、定位基准、测量基准和装配基准。

1 ）工序基准

• 为消除基准不重合误差，应尽量使工序基准和设计基准重合。

工序基准是在工序图上用来确定本工序上零件加工表面尺寸、形状和位置所依据的基准。

法兰盘加工的工序基准

2 ）定位基准

• 作为设计基准的点、线和面在实际零件上不一定存在（如轴和孔的轴线，槽的对称面等），此时需要用工件上实际存在的面对工件定位，这些面称为定位基准面。定位基准面所产生的定位基准与设计基准间的位置差值就是定位误差。

定位基准是在机械加工中，用作工件定位的基准。

法兰盘加工的定位基准

3 ）测量基准

• 同样，测量基准不一定和设计基准重合，测量基准面所产生的测量基准与设计基准面间的位置差值就是测量原理误差。

测量基准是零件在加工中和加工后，测量尺寸、形位误差时所依据的基准。

4 ）装配基准

图为蜗轮轴装配基准的示意图，从图中看出蜗轮定位轴肩与轴向主要设计基准是重合的。

装配基准是用来确定零件或部件在机器中位置的基准。

5.3.2 定位基准的选择

合理选择定位基准，对保证加工精度、安排加工顺序和提高加工生产率有着重要的影响。定位基准有定位精基准和定位粗基准之分。

• 定位精基准简称精基准是用加工过的表面作为定位基准。

• 定位粗基准简称粗精基准是用毛坯上未加工过的表面作为定位基准。

• 选择定位基准的总原则应该是从有位置精度要求的表面中进行选择，要达到此要求，在思考时就应该先选精基准，后选粗基准，但在零件的实际加工中是先使用粗基准，后使用精基准的。

1 ．精基准选择原则

（ 1 ）基准重合原则 基准重合原则为应尽可能选择所加工表面

的设计基准为精基准。当精基准与设计基准不重合时会产生基准不重合的定位误差。因此对位置精度要求较高表面的加工，应遵循基准重合原则。

（ 2 ）基准统一原则 基准统一原则为在工件的整个加工过程中

尽可能地采取统一的定位基准。采用基准统一原则便于保证各加工表面间的位置精度。这样可避免由基准转换所产生的误差，并简化夹具的设计和制造。

（ 3 ）互为基准原则 互为基准原则是对于相互位置精度要求高

的表面，可以采用互为基准，反复加工的方法。

• 例如车床主轴的主轴颈与主轴锥孔的同轴度要求高，一般先以轴颈定位加工锥孔，再以锥孔定位加工轴颈，如此反复加工来达到同轴度要求。

（ 4 ）自为基准原则

自为基准原则为在加工精度和表面粗糙度要求较高而加工余量又较小的表面时，直接用该加工表面为定位基准并依据测量值对刀具作微调或用定尺寸刀具进刀的定位方法。

2 ．粗基准选择原则

（ 1 ）选取不加工的表面为粗基准原则 这样可使加工表面与不加工表面具有较正确的相对位置，

并有可能在一次安装中把大部分加工表面加工出来。

（ 2 ）选取加工余量为最小的表面为粗基准原则 若零件上有多个表面要加工，则应选取加工余量为最

小的表面为粗基准。这样可保证各表面加工余量均匀，并可保证在加工含有最小加工余量的表面时仍有足够加工余量。

（ 3 ）选取重要的表面为粗基准原则

若零件上有一个加工精度和表面粗糙度均要求非常高的表面，则应选取该表面为粗基准。

（ 4 ）选取加工面积较大的表面为粗基准原则

选取加工面积较大的表面为粗基准有两个好处，一个好处是粗加工时定位面积较大，定位刚度较高，可选用较大的切削用量，因而生产效率较高；另一个好处是粗加工后零件加工面积较大的表面其位置精度已基本正确，对其加工余量的要求就相对较小。

（ 5 ）选取便于工件装夹的表面为粗基准原则

作为粗基准的表面应平整、光滑，不允许有锻造飞边，铸造浇、冒口或其它缺陷。这样可使工件定位可靠、装夹方便。

（ 6 ）粗基准只能使用一次原则 由于用于粗基准的表面是毛坯表面、精度低、表面粗糙，两次装夹时，该表面会产生较大的定位误差，因此粗基准一般不能重复使用。

5.4 工艺路线的制定

制订机械加工工艺规程的主要工作是制定工艺路线，它是制订工艺规程的关键阶段。工艺规程设计员要跟据零件的技术要求和和所具有的工艺设备拟定几套机械加工工艺路线，通过分析对比，从中选出最佳方案。制定工艺路线要考虑毛坯及其制造方式，各种表面的经济加工方法，加工顺序的安排等。

5.4.1 毛坯及其制造方式的选择

1 ．毛坯的选择 一般零件图仅标注零件的材料，对于个别重要的零件除

明确标注材料外还隐含指出毛坯的种类和有关的热处理方式。因此机械加工工艺设计人员要能根据零件的图纸要求和零件的生产纲领选择毛坯的种类和毛坯的制造方式。机械加工中常用的毛坯有铸件、锻件、型材、焊接件和冲压件等，选用时要考虑以下因素：

• 零件图的要求• 零件的力学性能 • 零件的结构形状 • 生产类型

2 ．各种毛坯的适用范围毛坯种类 制造精度 加工余量 原材料 工件尺寸 工件形状 机械性能 适用生产类

型

型材 大 各种材料 大型 简单 较好 各种类型

型材焊接件 一般 钢材 大、中型 较复杂 有内应力 单件小批

砂型铸造 11~13 大 铸铁、铸钢、青铜 各种尺寸 复杂 差 单件小批

自由锻造 11~13 大 钢材为主 各种尺寸 较简单 好 单件小批

普通模锻 11~12 一般 钢、锻铝、铜等 中、小型 一般 好 中批、大批

量

钢模铸造 10~12 较小 铸铝为主 中、小型 较复杂 较好 中批、大批量

精密铸造 8~11 较小 钢材、锻铝等 小型 较复杂 较好 大批量

压力铸造 8~11 小 铸铁、铸钢、青铜 中、小型 复杂 较好 中批、大批

量

熔模铸造 7~10 很小 铸铁、铸钢、青铜 小型为主 复杂 较好 中批、大批

量

冲压件 8~10 小 钢 各种尺寸 复杂 好 大批量

粉末冶金件 7~9 很小铁基、铜基、

铝基材料

中、小尺寸 较复杂 一般 中批、大批量

工程塑料件 9~11 较小 工程塑料 中、小尺寸 复杂 一般 中批、大批量

5.4.2 表面加工方法的选择

1 ．加工误差与加工成本的关系 为了正确选择加工路线，要了解用特定设备加工其加工

误差（包括加工精度和表面粗糙度）与加工成本（包括工人的技术水平，特别的夹具、刀具和量具）的关系。

加工误差与加工成本的关系

2 ．各种加工方法的经济加工精度和表面粗糙度

5.4.3 加工顺序的安排

1 ．划分加工阶段 零件的加工质量较高时，应把整个加工过

程划分成以下几个加工阶段：•粗加工阶段•半精加工阶段 •精加工阶段 •光整加工阶段

2 ．划分加工阶段的作用

•保证加工质量和提高劳动生产率；•合理使用各种精度的工艺装备；•便于安排热处理工序；•便于及早发现各种毛坯缺陷。 加工阶段的划分不是绝对的，有些情况可以不划分加工阶段。例如，加工质量要求不高，或虽然加工质量要求较高，但毛坯刚性好，制造精度高的零件，就可以不划分加工阶段。

3 ．工序的集中和分散 确定加工方法以后，就要按生产类型、零

件的结构特点、技术要求和机床设备等具体生产条件，确定工艺过程的工序数。确定工序数有以下两种基本原则可供选择。

•工序分散原则 •工序集中原则

（ 1 ）工序分散原则 工序分散的特点是工序多、工艺过程长，

每个工序所包含的加工内容很少，极端情况下每个工序只有一个工步，所使用的工艺设备与装备比较简单，易于调整和掌握，有利于选用合理的切削用量，但设备的数量多，生产面积大。

（ 2 ）工序集中原则 零件各表面的加工集中在几个工序内完成，每个

工序的内容和工步数都较多，有利于采用高效的数控机床，生产计划和生产组织工作得到简化，生产面积和操作工人数量减少，工件装夹次数减少，辅助时间缩短，各加工面间的位置精度易于保证，但设备、工装投资大，调整、维护复杂，生产准备工作量大。

4 ．加工顺序的安排

加工顺序的总体安排原则为“先粗后精”、“先主后次”、“先基准面后其他”和“先面后孔”。机械加工顺序和辅助工序的一般安排原则如下：

• 对于形状复杂、尺寸较大的毛坯，或尺寸偏差较大的毛坯，应首先安排划线工序，为粗加工找正基准；

• 按“先基准面后其他”的顺序，首先加工精基准面；• 在重要表面加工前应对精基准进行修正；

• 按“先主后次、先粗后精”的顺序，对精度要求较高的各主要表面进行粗加工、半精加工和精加工；

• 对于与主要表面有位置精度要求的次要表面，应安排在主要表面加工之后加工；

• 一般情况，主要表面的精加工和光整加工应放在最后阶段进行，对于易出现废品的工序，精加工和光整加工可适当提前；

• 对于批量生产应安排去毛刺和清洗工序，该工序应安排在粗加工之后和精加工之前，及精加工之后和最终检验之前。

• 中间检验一般安排在粗加工之后，精加工之前；• 荧光检验和磁力探伤主要用于表面质量的检验，通常安排在粗加工之后，精加工之前。

• 在机械加工的最后要安排最终检验。

5 ．热处理工序的安排

热处理工序在工艺路线中的位置安排主要取决于热处理的作用。

（ 1 ）正火或退火 正火或退火的作用主要有两个，一个是改善材料和毛坯的切削性能，另一个是消除毛坯制造后的内应力，故一般安排在粗加工之前进行。

（ 2 ）人工时效处理 人工时效处理的主要作用有两个，一个是消除大型或重型零件毛坯制造后的残余应力，该人工时效处理一般安排在粗加工之前进行，另一个消除精密零件在粗加工之后的残余应力，该人工时效处理一般安排在粗加工之后进行。

（ 3 ）调质 调质的主要作用是改善工件材料的力学物理性质，故一般安排在粗加工之后和半精加工之前进行。

（ 4 ）淬火、表面淬火和渗氮处理 淬火、表面淬火和渗氮处理的作用是提高工件内

部或表面的硬度，故一般安排在粗加工和半精加工之后和使用磨削的精加工之前进行。

（ 5 ）表面装饰性镀层、发蓝和发黑处理 表面装饰性镀铬、镀锌、发蓝和发黑等处

理的作用是提高零件表面的耐磨性和耐腐蚀性。因此此类表面装饰性处理一般安排在机械加工最后进行。

5.4.4 加工设备与工艺装备的选择

1 ．机床的选择（ 1 ）普通机床 对于单件小批量生产为降低加工成本，应优先考虑使用普通机床。

（ 2 ）专用机床 对于批量生产和大批量生产为提高生产率应优先考虑使用专用机床。

（ 3 ）数控机床 对于中小批量生产为提高生产率和减低生产成本应优先考虑使用数控机床。

2 ．夹具的选择

（ 1 ）通用夹具 通用夹具已作为机床的附件由机床附件厂制造和

供应。单件小批量生产为降低加工成本，应优先考虑使用通用夹具。

（ 2 ）专用夹具 专用夹具使指为某一工件的某一道工序专门设计、

制造的夹具。对于批量生产和大量生产为提高生产率应优先考虑使用专用夹具。

（ 3 ）组合夹具 组合夹具是用标准元件根据工件的加工要

求组合而成的夹具。对于中小批量生产和新产品的试制为提高生产率和减低生产成本应优先考虑使用组合夹具。

3 ．刀具和量具的选择

（ 1 ）通用标准刀具和通用量具 对于单件小批量生产为降低加工成本，应优先考

虑使用标准刀具和通用量具。• 常用的标准刀具有：各种车刀、各种钻头、丝锥和绞刀、各种铣刀、各种镗刀、各种滚刀等。

• 常用的通用量具有：游标卡尺、千分尺、百分表、千分表等。

（ 2 ）专用刀具和专用量具 对于批量生产和大批量生产为提高生产率应优先考

虑使用专用刀具和专用量具。

5.5 加工余量及其工序尺寸的确定

5.5.1加工余量的确定1 ．机械加工余量的概念机械加工余量是指机械加工过程中 , 被切除的金属层厚度。余量有工序余量和总加工余量（毛坯余量）之分。

•工序加工余量是指为完成某一工序，从某一表面上所切除的金属层厚度。用 Zi表示。•总加工余量是指在由毛坯变为成品的过程中，在工件加工表面上切除的金属层总厚度，用 Z0表示。

• 总加工余量等于各工序加工余量之和，即：

n

iin ZZZZZ

1210

其中： n—为某一表面所经过的加工工序数。

2 ．影响加工余量的因素

影响加工余量的因素见表所示。

3 ．加工余量的确定

（ 1 ）计算法确定加工余量 计算法确定加工余量是首先分析影响加工

余量的因素，分别计算各项因素，再合成为工序的加工余量。计算加工余量时要考虑具体加工情况 ，计算法确定加工余量工作量很大，不实用，一般仅用于计算个别重要工序的加工余量。

（ 2 ）经验估计法确定加工余量

经验估计法确定加工余量是根据工厂的毛坯制造和机械加工的水平，凭经验估计确定出加工余量。加工余量的经验估计应由一些有经验的机械制造工艺员或熟练技术工人做出。由于加工余量估计者主观上有防止余量过小而产生废品的想法，所估计的加工余量往往偏大。因此，此法仅适用于单件小批量生产。

（ 3 ）查表法确定加工余量 查表法确定加工余量是以工厂生产实际和实验研究积累的数据为基础制定的各种表格依据，通过查阅工艺手册或工厂中的生产经验统计表，获得工序的加工余量。查表法简单实用，是生产实际中最常用的确定加工余量方法。

5.5.2 工序尺寸的确定

1 ．工序基准与设计基准重合时工序尺寸的确定

工序尺寸是标注在机械加工工序简图上的尺寸，它的度量的起点是工序基准。为了消除基准不重合误差，应使工序基准、定位基准和测量基准都与设计基准重合。如果工序基准与设计基准不重合，则工序尺寸就需要用工艺尺寸链列方程求解（具体计算见下节工艺尺寸链）。如果工序基准与设计基准重合，则工序尺寸按以下步骤计算。

（ 1 ）最后一道工序的工序尺寸计算

用零件图上标注的表面设计参数（包括基本尺寸、尺寸公差和表面粗糙度）作为最后一道工序的工序基本尺寸，尺寸公差和表面粗糙度。通过查表确定本道工序的加工余量和加工精度。

• 注意实际加工是从毛坯开始，一道一道工序加工，最后获得所要求的设计尺寸。

• 工序尺寸计算则是反过来，从已知设计尺寸的最后一道工序开始逐步计算每道工序的尺寸，直至计算出毛坯的尺寸。

（ 2 ）中间工序的工序尺寸计算

对于被包容面（如轴的表面），用后道工序的基本尺寸（前面已算出）加上后道工序的加工余量获得本道工序的工序基本尺寸。根据所确定的表面加工方法和精度等级查表获得本道工序的尺寸公差（一般上偏差为 0 ，下偏差为公差数值）、表面粗糙度和加工余量。

• 对于包容面（如孔的表面），用后道工序的基本尺寸减去前道工序的加工余量获得本道工序的工序基本尺寸。

• 根据所确定的表面加工方法和精度等级查表获得本道工序的尺寸公差（一般下偏差为 0 ，上偏差为公差数值）、表面粗糙度和加工余量。

（ 3 ）毛坯的尺寸计算

• 对于被包容面（如轴的表面），毛坯的基本尺寸为第1 道工序尺寸减去第 1 道机械加工工序的加工余量。根据所确定的毛坯加工方法查表获得本道工序的尺寸公差（一般标注成对称公差形式，即上下偏差相等，为公差数值的一半）。

• 对于包容面（如孔的表面），毛坯的基本尺寸为第 1道工序尺寸减去第 1 道工序的加工余量。根据所确定的毛坯加工方法查表获得本道工序的尺寸公差（一般标注成对称公差形式，即上下偏差相等，为公差数值的一半）。

5.5.3 切削用量的选择

1 ．切削用量与切削时间的关系 选择切削用量，就是在已经选择好刀具材料和刀具几何角度的基础上，确定背吃刀量、进给量和切削速度。切削用量的选择将直接影响到工件的切削时间，从而影响到劳动生产率。

切削时间与背吃刀量、进给量和切削速度的关系如式所示。

式中 —切削时间（基本时间），单位为 min（分钟）； —每次进给的行程长度，单位为 mm； —单边加工总余量，单位为 mm； —转速，单位为 r/min； —进给量，单位为 mm/r； —背吃刀量，单位为 mm； —工件直径，单位为 mm。 —切削速度，单位为 mm/min。

p

b

p

bj vfa

dlZ

a

Z

nf

lt

1000

π

2 ．切削用量的选择原则

（ 1 ）粗加工应首先尽可能选取较大的背吃刀量

粗加工时，切削用量的选取要考虑提高零件加工的生产率。从切削时间与切削用量的关系可知切削时间与切削用量成反比。因此从提高生产率角度考虑，应使用较大的背吃刀量、进给量和切削速度。

（ 2 ）精加工应首先选取合适的进给量 精加工时，切削用量的选取要考虑达到零

件的加工精度和表面粗糙度。精加工时应首先在保证加工精度和表面粗糙度的前提下选取合适的进给量和背吃刀量，其次适当提高切削速度，以提高生产率。

5.5.4 时间定额的确定

1 ．时间定额的概念

时间定额是在一定生产条件下，规定生产一件产品或完成一道工序所需消耗的时间。

•时间定额是安排生产计划，进行成本核算的主要依据。•在设计新厂时，时间定额是计算设备数量、布置车间、计算工人数量的依据。•时间定额的确定一般由两种方式，一种是工艺人员与熟练技术工人相结合，通过总结过去加工实践的经验、并参考有关的技术资料综合估计确定；另一种是工艺人员以同类产品的工艺或工序时间为依据，进行类比分析后推算出来，并参考熟练技术工人的意见确定的。

2. 时间定额的组成

（ 1 ）基本时间 tj

基本时间是直指改变生产对象的尺寸、形状、相对位置、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，基本时间就是切削时间，是切除金属所消耗的机动时间（包括刀具切入和切出时间）。

（ 2 ）辅助时间 tf

辅助时间是指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。

• 它包括工件的装卸时间、改变切削用量时间、试切和测量时间、引进刀具和退出刀具时间等。

• 确定辅助时间要考虑生产类型。• 基本时间和辅助时间的总和称为作业时间，即直接用于制造产品零、部件所消耗的时间。

（ 3 ）布置工作地时间 tb

布置工作地时间是为使加工正常进行，工人布置工作地所消耗的时间。它包括更换刀具时间、润滑机床时间和收拾工具时间等。布置工作地时间又称工作地服务时间，一般按作业时间的 2%~7%估算。

（ 4 ）休息和生理需要时间 tx

休息和生理需要时间是工人在工作期间，为恢复体力和满足生理上的需要所消耗的时间。

•一般按作业时间的 2%估算。•单件定额时间 td是以上四部分的总和，即 td = tj + tf + tb + tx

（ 3 ）准备与终结时间 tz

准备与终结时间是指工人为了生产一批产品的零、部件，进行准备和结束工作所消耗的时间。

•准备时间包括熟悉工艺文件、领取毛坯、领取工艺装备、调整设备和工艺装备等；

•终结时间包括拆卸工艺装备、送交成品等。

•这样单件定额时间为单件时间 tdj加上准备与终结时间 tz，即：

tdj = tj + tf + tb + tx+ tz/n

5.6 工艺尺寸链

5.6.1 工艺尺寸链的基本概念1 ．工艺尺寸链的定义

工艺尺寸链是在机械加工和装配过程中，从零件的加工面或装配面之间找到的互相联系并按一定顺序链接而成的封闭尺寸组合。

• 例如图1 中 A1尺寸是底面到顶面的尺寸， A2尺寸是底面到中间台阶的尺寸， A3尺寸是中间台阶面到顶面的尺寸，尺寸 A1、尺寸 A2和尺寸 A3构成了一个首尾相接的封闭线性尺寸链，其可用如图2 所示的单箭头尺寸链图表示（注意：初始箭头向上或向下都可以）。

图 1 尺寸链示例 图 2 单箭头尺寸链图

2 ．工艺尺寸链的组成（ 1 ）组成环 组成环为构成尺寸链的各个尺寸。图中尺寸 A1 、

尺寸 A2 和尺寸 A3都是尺寸链的组成环。

（ 2 ）封闭环

封闭环是在尺寸链中这样的环，其尺寸是在加工或装配过程中，最后自然或间接得到的尺寸。在尺寸链的组成环中仅有一个最后得到的尺寸，该尺寸的组成环就是封闭环。封闭环的尺寸用 “A0” 表示。

（ 3 ）增环 增环是在尺寸链中这样的组成环，其尺寸的增大将使最后间接得到的封闭环尺寸也增大。例如对于图中的零件，如果封闭环是 A3 则 A1 是增环。

（ 4 ）减环 减环是在尺寸链中这样的组成环，其尺寸的增大将使最后间接得到的封闭环尺寸相应减少。例如对于图中的零件，如果封闭环是 A3 ，则 A2 是减环。

（ 5 ）尺寸链图

尺寸链图是将尺寸链中各组成环尺寸按大致比例，用首尾相接的单箭头顺序画出的尺寸图。一般可先画出封闭环尺寸，然后从封闭环的箭头端开始找出首尾相接的组成环尺寸并连接，直至连接到封闭环尺寸的起始段为止。从单箭头尺寸链图可方便地确定增环和减环，即与封闭环箭头方向一致的组成环为减环，与封闭环箭头方向相反的组成环为增环。

3 ．工艺尺寸链的分类

（ 1 ）直线尺寸链 直线尺寸链是所有组成环尺寸均互相平行的工

艺尺 寸链。如图所示的尺寸链是直线尺寸链。

（ 2 ）平面尺寸链 平面尺寸链是所有组成环尺寸均位于互相

平行的平面上但相互不一定平行的工艺尺寸链。如图所示的尺寸链就是平面尺寸链。

（ 3 ）空间尺寸链 空间尺寸链是组成环尺寸位于互相不平行

平面上的工艺尺寸链。由于这种尺寸链中组成环尺寸的相互位置的加工精度难以保证，因此其在机械制造工序尺寸换算中很少用到。

5.6.2工艺尺寸链的计算

1 ．极值法计算直线尺寸链的计算公式 极值法计算的依据是要考虑工艺尺寸链中

各组成环尺寸的所有可能取值情况，即可能所有得增环都同时取最大值，所有的减环都同时取最小值等。

（ 1 ）封闭环基本尺寸的计算公式 封闭环的基本尺寸等于所有增环基本尺寸

之和减去所有减环基本尺寸之和，即：

1

110

n

mii

m

i

i AAA

式中 m —增环的个数； n — 尺寸链中组成环的个数（包括增环、减环和封闭环）。

（ 2 ）封闭环极限尺寸的计算公式

封闭环的最大极限尺寸等于所有增环的最大极限尺寸之和减去所有减环的最小极限尺寸之和。

1

1

min

1

maxmax0

n

mi

i

m

i

i AAA

封闭环的最小极限尺寸等于所有增环的最小极限尺寸之和减去所有减环的最大极限尺寸之和。

1

1

max

1

minmin0

n

mi

i

m

i

i AAA

（ 3 ）封闭环尺寸上下偏差和公差的计算公式

封闭环尺寸的上偏差等于所有增环尺寸上偏差之和减去所有减环尺寸下偏差之和。

1

110

n

mi

i

m

i

i AEIAESESA

封闭环尺寸的下偏差等于所有增环尺寸下偏差之和减去所有减环尺寸上偏差之和。

1

110

n

mi

i

m

i

i AESAEIEIA

封闭环的尺寸公差等于所有增环尺寸公差之和加上所有减环尺寸公差之和，即封闭环的尺寸公差等于所有不包括封闭环本身的组成环尺寸公差之和。

1

10

n

iiTT

2 ．概率法计算直线尺寸链的计算公式

当封闭环的尺寸公差较小、用极值法计算出的组成环公差太小时，可根据概率统计原理和加工误差分布的实际情况，采用概率法求解计算直线尺寸链。

（ 1 ）封闭环尺寸平均数和均方差的计算公式 根据概率理论，若将各组成环的尺寸取值看成随机变量，则封闭环尺寸（为其它组成环尺寸的代数和）的取值也为随机变量。各组成环尺寸取值的随机变量是相互独立的，这样封闭环尺寸的数学期望（平均数）为其它组成环尺寸数学期望（平均数）的代数和，封闭环尺寸方差或均方差的平方为其它组成环尺寸方差或均方差平方的代数和。

式中 m —增环的个数； n — 尺寸链中组成环的个数（包括增环、减环和封闭环）。

1

110

n

mi

iM

m

i

iMM AAA

1

1

220

n

ii

（ 2 ）组成环尺寸接近正态分布时封闭环尺寸公差的计算公式

当各组成环尺寸接近正态分布时，组成环尺寸的公差可以看成是 6 （其概率为 99.73% ）。此时封闭环尺寸也接近正态分布，封闭环尺寸的公差也可以看成是 6 （其概率为 99.73% ）。

i0

1

1

21

1

21

1

200 )

6(666

n

ii

n

i

in

ii T

TT

5.6.3 工艺尺寸链的应用

1 ．基准不重合时工艺尺寸换算 在零件加工中，当加工表面的定位基准或

测量基准与设计基准不重合时，其工序加工尺寸或测量尺寸要通过尺寸链换算获得。

2 ．中间工序尺寸及其公差的计算 在工件的加工过程中 , 有些加工表面的定

位基准和测量基准是待加工的表面，在加工这样表面时要考虑后道工序的工序尺寸，此时本道工序的工序尺寸要通过工艺尺寸链计算。

3 ．保证渗氮、渗碳层深度的工序尺寸计算 有些零件的表面需要进行渗氮或渗碳处理，

并要求精加工后仍能保证一定含氮或含碳的深度。为此要根据要求的渗氮或渗碳层的深度、精加工前后的加工的工序尺寸，确定热处理时渗氮或渗碳的深度。

5.7工艺方案的经济分析及提高生产率的途径

5.7.1工艺方案的技术经济分析 在制订某一零件的机械加工工艺规程时，一般可以拟订出几种不同的加工方案，其中有些方案具有很高的生产率，但机械设备（主要指机床、机械加工流水线等）和工艺装备（主要指夹具、刀具和量具等）方面的投资却很大；相反，另一些方案则在机械设备和工艺装备方面的投资较小，但生产率却很低。因此在确定具体的工艺方案之前，有必要对其作技术经济分析。工艺方案的技术经济分析是通过比较不同工艺方案的生产成本、生产率等，选出较经济、较合理且生产率较高的工艺方案。

1 ．生产成本和工艺成本

生产成本是指制造一个零件或一台产品必需的一切费用总和。生产成本包括以下两大类费用：

•工艺成本 –可变费用–不变费用

•非工艺成本

2 ．工艺成本与年产量的关系

零件全年的工艺成本 E 和单件工艺成本Ed 可按下式计算。

E=VN+C Ed=E/N=V+C/N

式中 V — 可变工艺费用； C — 不变工艺费用； N — 零件的生产纲领或年产量。

零件全年的工艺成本 E 与年产量的关系 零件单件的工艺成本 Ed与年产量的关系

3 ．工艺方案的技术经济评比

对不同的零件加工工艺方案进行技术经济比较时，有以下两种情况：

（ 1 ）使用现有设备的情况此时，可按零件全年的工艺成本E 来比较工艺方案的优劣。若有两种零件加工工艺方案，其零件全年的工艺成本 E 与年产量的关系如图所示。 两种工艺方案的工艺成本比较

（ 2 ）追加基本投资的情况

当年产量较大时，追加基本投资较多的工艺方案其工艺成本较低，但此时不能单纯比较工艺成本，还需考虑不同方案基本投资的回收期。回收期是新旧两种工艺方案的投资差值与新旧两种工艺方案的全年工艺成本差值之比，即多余的投资需要几年方能收回，其计算公式如式所示。

E

K

式中 — 投资回收期（年）； — 新旧工艺方案的投资差值（元）； — 新旧工艺方案的工艺成本差值（元 / 年）。

若有两种追加基本投资的零件加工工艺方案，投资回收期较少的方案较好，除此之外，一般投资回收期还需满足以下要求。

• 投资回收期应小于所用设备或工艺装备的使用年限。• 投资回收期应小于该产品由于结构性能或市场需求等因素所决定的生产年限。

• 投资回收期应小于国家规定的标准回收期（新设备的回收期应小于 4~6年，新夹具的回收期应小于2~3年）。

5.7.2 提高劳动生产率的工艺方案

1 ．缩减时间定额的工艺途径（ 1 ）缩减基本时间• 提高切削用量 • 缩短工作行程长度 • 多件同时加工 （ 2 ）缩减辅助时间• 采用先进的夹具 • 采用多工位加工• 采用在线测量• 采用自动装卸工件装置

（ 3 ）缩减布置工作地时间（ 4 ）缩减准备与终结时间• 扩大零件的生产批量• 减少调整机床和夹具的时间

2 ．其他提高劳动生产率的途径• 采用新工艺和新方法• 提高机械加工的自动化程度