工艺路线的制定

5.3　工艺路线的制定

制定零件的机械加工工艺路线是根据工件的结构形状、精度要求、生产类型、材料及硬度等，将工件加工所需各工序按顺序排列出来。主要包括：选定各被加工表面的加工方法；划分加工阶段；安排加工顺序；确定工序的集中与分散。

5.3.1　加工方法的选择

零件表面的加工要求通常都不是通过一次加工能满足的，而达到同样的加工精度要求也可有多种加工方法可供选择。制定工艺路线，首先要确定工件上各加工表面的加工方法和加工次数。在进行这一工作时，要综合考虑下面几方面的因素：

1.加工方法的经济精度及表面粗糙度

各种加工方法（车、铣、刨、磨、钻、镗、铰等）所能达到的加工精度和表面粗糙度，都是在一定范围内的。一种加工方法其加工精度越高，表面粗糙度值越小，则其加工成本也会越高。加工方法的经济精度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）所能保证的加工精度。

生产上加工精度的高低是用加工误差的大小来表示的。统计资料表明，加工误差与加工成本成反比的关系。如图5－18所示，当加工精度超过A点后，即使再增加成本，加工精度也很难再提高；同样，当加工精度低于B点后，即使再降低加工精度，加工成本也降低极少。曲线中的AB段，加工精度与加工成本是相适应的，属于经济精度的范围。而在A点左侧，B点右侧加工都不经济。

图5－18　加工误差与加工成本关系图

各种加工方法能达到的经济精度和表面粗糙度可以从机械加工工艺手册中查到。

应该指出，随着机械工业的发展，各种加工方法所能达到的加工精度也在不断提高。因此，各种加工方法的经济精度指标是与特定的发展阶段相对应的。

2.加工方法的选择

机械零件都是由一些简单的几何表面如外圆、孔、平面或成形表面等组合而成的。根据这些表面所要求的加工精度的粗糙度以及零件结构的特点，选用相应的加工方案来予以保证。表5－7～表5－9分别给出了对不同加工精度和表面粗糙度要求的外圆面、内圆面（孔）、平面的典型加工工艺路线。

表5－7　　　　　　外圆表面的机械加工工艺路线

表5－8　　　　　　内圆表面的机械加工工艺路线

续表

表5－9　　　　　　平面的机械加工工艺路线

续表

在选择加工方法时应考虑的主要问题有：

（1）所选择的加工方法能否达到零件精度的要求。

（2）零件材料的可加工性如何。硬度很低而韧性较大的金属材料应采用切削加工的方法，而不宜采用磨削加工的方法。淬火钢、耐热钢因硬度高很难切削，故最好采用磨削的方法加工。

（3）生产批量对加工方法的要求。大批大量生产时应尽量采用先进的加工方法和高效的机床设备。在单件小批生产中一般多采用通用机床和常规加工方法。为了提高企业的竞争力，也应该注意采用数控机床、柔性加工系统以及成组技术等先进的技术和工艺装备。

（4）本厂的工艺能力和现有的加工设备的加工经济精度。选择加工方法不能脱离本厂的设备现状和工人的技术水平。既要充分利用现有的设备，也要注意不断地对现有设备进行技术改造。

5.3.2　工序顺序的安排

合理安排加工顺序，不但关系到加工质量能否保证，而且对提高生产率、降低加工成本也有重要影响。

1.机械加工工序的安排

排列切削加工工序一般应遵循以下原则：

（1）先加工基准表面，后加工其他表面，即基准先行原则。这条原则有两个含义：一是工艺路线开始安排的加工面应该是选作定位基准的精基准面，然后再以精基准定位加工其他表面；二是当加工精度要求很高时，精加工前一般应先精修一下精基准。例如，精度要求较高的轴类零件（机床的主轴、丝杠、汽车发动机的曲轴等），其第一道工序就是铣端面打中心孔，然后再以中心孔定位加工其他表面。对于箱体零件（如机床的主轴箱、汽车发动机的汽缸体等），也是先安排定位基准面的加工（多为一个大平面，两销孔）。

（2）先加工平面，后加工孔，即“先面后孔”原则。这条原则的含义：一是当零件上有较大的平面可作定位基准时，可先加工出来作定位面，以面定位加工孔，这样可以保证定位的稳定、准确，装夹工件往往也比较方便；二是在毛坯上钻孔，容易使钻头引偏，若该平面需要加工，则应安排在钻孔工序之前。

（3）先加工主要表面，后加工次要表面，即“先主后次”原则。零件的主要表面指工作表面、装配基面等，这些表面一般都是表面质量和精度要求比较高的表面，它们的加工工序比较多，而且其加工质量对整个零件的加工质量影响很大，因此应首先安排加工。次要表面指非工作表面、键槽、螺钉孔、螺纹孔等，这些表面的精度要求低，其加工可适当安排在后面加工。与主要表面有位置关系要求的次要表面的加工，一般应安排在相应的主要表面半精加工之后，最后精加工或光整加工之前。

（4）先安排粗加工，后安排精加工，即“先粗后精，粗精分开”原则。加工质量要求较高的零件，各个表面的加工顺序应按照粗加工、半精加工、精加工、光整加工的过程依次安排。

2.热处理工序的安排

（1）预备处理。为改善金属组织和切削性能而进行的热处理，如退火、正火等。通常安排在切削加工之前。调质也可作为预备热处理，但若以提高力学性能为目的，则应放在粗、精加工之间进行。

（2）时效处理。为消除坯料制造和切削加工中残留在工件内的应力对加工精度的影响，需时效处理。大而结构复杂的铸件或要求精度很高的非铸件类工件，需在粗加工前后各安排一次人工时效；对一般铸件，只需在粗加工前或后安排一次人工时效。

（3）最终处理。为提高零件表层硬度或强度进行的热处理，如淬火、渗氮等处理，一般应安排在工艺过程后期，该表面最终加工之前。氮化处理前应调质。

（4）表面镀层及发蓝等工序一般应在该零件机械加工完毕后进行。

3.检验工序的安排

检验是保证质量的主要措施，在加工过程中，除每道工序的操作者自检外，在下列情况下还需安排检验工序：

（1）零件从一个车间送往另一个车间的前后；

（2）粗加工阶段之后，精加工前；

（3）关键工序前后；

（4）全部加工完成后。

特种性能检验，如X射线检查、超声波探伤检查等用于检查工件内部质量的检验，一般安排在工艺过程开始的时候进行；荧光检查和磁力探伤检查主要用来检查工件表面质量，通常安排在精加工阶段进行；密封性检查、工件的平衡及重量检查，一般安排在工艺过程的最后进行。

4.辅助工序的安排

辅助工序包括去毛刺、清洗、涂防锈油漆等。辅助工序应适当地穿插在工艺过程中进行。零件装配前，一般都应安排清洗工序，尤其是在研磨、珩磨等工序之后，要进行清洗，以防止砂粒嵌入工件表面，加剧工件的磨损。采用磁力夹紧的工序后，应安排去磁工序。

5.3.3　加工阶段的划分

1.加工阶段的划分

零件精度要求较高时，往往需要将加工过程按粗精分开的原则划分为几个阶段，其他表面的工艺过程根据同一原则作相应的划分，并分别安排到由主要表面所确定的各个加工阶段中去。一般分为粗加工、半精加工、精加工和光整加工等阶段。

（1）粗加工阶段。粗加工阶段的主要任务是，切除工件各加工表面上的大部分余量，并加工出精基准。粗加工能达到的精度较低，一般在IT12以下、表面粗糙度值较大，Ra为50～12.5μm。其主要问题是提高生产率。

（2）半精加工阶段。此阶段的主要任务是，消除主要表面粗加工后留下的误差，为精加工做好准备。并完成一些次在表面的加工。表面经半精加工后，精度可达IT10～IT12级，粗糙度R_a为6.3～3.2μm。

（3）精加工阶段。此阶段的任务是，保证各主要加工表面达到图纸所规定的质量要求。表面经精加工后尺寸精度可达到IT7～IT10级和较低的表面粗糙度值，Ra为1.6～0.4μm。

（4）光整加工阶段。对于精度要求很高（IT5级以上）、表面粗糙度值要求很低的零件，必须有光整加工阶段。光整加工的典型方法有珩磨、研磨、超精加工及无屑加工等。这些加工方法不但能提高表面层的物理机械性能、降低表面粗糙度值，而且能提高尺寸精度和形状精度，但一般都不能提高位置精度。

2.划分加工阶段的作用

（1）保证加工质量。工件毛坯都存在内应力，切削加工也会使工件产生内应力，并使工件中的内应力重新分布引起工件变形。划分加工阶段后，一方面，各加工阶段之间有一停顿，可使工件内应力消除并充分变形，在后续的工序中逐步加以修正；另一方面，精加工中工件被切除的金属层较薄，由此引起的变形也较小。

工件粗加工时要切除较厚的金属层，因切削力大，夹紧力大，切削热多，工件内应力大，故变形也大，加工精度不高。因此，必须通过精加工等阶段提高加工精度，保证加工质量。

（2）合理使用设备。粗加工可在功率大、精度低、刚性好的机床上进行，充分发挥设备潜力，提高劳动生产率。精加工可安排在精度高的机床上进行，以确保零件的加工精度要求，同时有利于设备精度的保持，延长设备使用寿命。

（3）及早发现毛坯缺陷。粗加工切除了各加工表面大部分切削余量，可及早发现毛坯缺陷（如裂纹、气孔、夹砂、余量不足等），以便及时报废或修补，避免继续加工所造成的浪费。

（4）热处理工序的需要。很多工件在加工过程中需要安排热处理，热处理工序的插入，使加工过程自然划分为不同的阶段。一般热处理工序前安排粗加工，为热处理提供一定精度的表面；热处理后安排精加工，以修正热处理产生的变形。例如，精密主轴的加工中，在粗加工后安排去应力时效处理，半精加工后进行淬火，精加工后有冷处理及低温回火，最后再进行光整加工。

应该指出，加工阶段的划分是对一种工件的整个加工过程而言的，不能简单地以某一工序的性质或某一表面加工特点来确定。同时，加工阶段的划分并不是绝对的，对加工精度要求不高、批量又小或受设备条件限制时，往往粗、精加工安排在同一工序；对某些大型零件的加工，考虑到运输、装夹困难，也常在同一机床上完成某些表面的粗、精加工。

5.3.4　工序的集中与分散

工序集中原则和工序分散原则，是制定工艺路线的两个不同的原则。

工序集中就是一种零件的加工只集中在少数几道工序里完成，工艺路线短，而每道工序所包含的加工内容却很多；工序分散则相反，一种零件的加工分得很细，工序多，工艺路线长，而每道工序所包含的加工内容却很少。

工序集中的特点：

1）减少工件装夹次数

当零件各加工表面相互位置精度要求较高时，最好在一次装夹中把各个表面都加工出来。这样既有利于保证这些表面的相互位置精度，又可以减少装卸工件的辅助时间，并减少工件在机床之间的搬运次数和工作量，缩短生产周期。

2）减少机床数量，节省车间面积

同时还可简化生产计划和生产组织工作。

工序分散的特点：

（1）机床设备及工、夹具比较简单，调整比较容易，能较快地适应新的生产对象，操作工人易于掌握。

（2）有利于选择最合理的切削用量，减少机动时间。

（3）生产、技术准备工作量小，投产期短，易于变换产品。

工序集中和分散各有特点，要根据生产规模，零件结构特点和技术要求、机床设备等具体生产条件来综合分析，以便决定按照哪一种原则来制定工艺过程。

在大批大量生产中，既可采取工序集中，也可采取工序分散。工序集中时，广泛采用多刀车床、单轴多轴自动和半自动车床、多轴龙门铣床、组合机床等高效自动机床。对那些不便于集中加工零件，各个工序可以广泛采用效率高而结构简单的专用机床和夹具，按照工序分散的原则制定工艺过程。

在成批生产中，应尽可能使工序集中。在单件小批量生产中，为了使生产计划和组织工作简化，也应尽可能在一台机床上加工出零件的更多表面。特别是重型机器的大零件，集中在一个工序中加工尽可能多的表面，可以大大减少装卸工件和运输工作的劳动量。

从今后的发展趋势看，由于数控机床、柔性制造单元和柔性制造系统的发展，应该提高工序集中的程度。