从毛坯到零件：机械加工工艺详解

从毛坯到零件：机械加工工艺详解

引用

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https://blog.csdn.net/zh954496/article/details/145140444

机械结构工程师需要了解工艺知识，这包括生产制造中毛坯的选择、机床的选择，以及考虑数量对工艺要求和成本的影响。本文将从毛坯选择、基准确定、加工顺序安排以及加工余量计算等方面，详细介绍机械加工工艺的关键环节。

毛坯的选择

选择毛坯的基本任务是选定毛坯的制造方法及其制造精度。毛坯的选择不仅影响毛坯的制造工艺和费用，而且影响到零件机械加工工艺及其生产率与经济性。如果选择高精度的毛坯，可以减少机械加工劳动量和材料消耗，提高机械加工生产率，降低加工的成本。但是却提高了毛坯的费用。因此，选择毛坯要从机械加工和毛坯制造两方面综合考虑，以求得到最佳效果。

毛坯的种类

1. 铸件
   铸件适用于形状较复杂的零件毛坯。铸造方法有砂型铸造、精密铸造、金属型铸造、压力铸造等，较常用的是砂型铸造。当毛坯精度要求低、生产批量较小时，采用木模手工造型法；当毛坯精度要求高、生产批量很大时，采用金属型机器造型法。铸件材料有铸铁、铸钢及铜、铝等有色金属。

2. 锻件
   锻件适用于强度要求高、形状比较简单的零件毛坯。其锻造方法有自由锻和模锻两种。自由锻毛坯精度低、加工余量大、生产率低，适用于单件小批生产以及大型零件毛坯。模锻毛坯精度高、加工余量小、生产率高，但成本也高，适用于中小型零件毛坯的大批大量生产。

3. 型材
   型材有热轧和冷拉两种。热轧适用于尺寸较大、精度较低的毛坯；冷拉适用于尺寸较小、精度较高的毛坯。

4. 焊接件
   焊接件是根据需要将型材或钢板焊接而成的毛坯件，它简单方便，生产周期短。但需经时效处理后才能进行机械加工。

5. 冷冲压件
   冷冲压件毛坯可以非常接近成品要求，在小型机械、仪表、轻工电子产品方面应用广泛。但因冲压模具昂贵而仅用于大批大量生产。

在选择毛坯时应考虑下列一些因素：

1. 零件的材料及机械性能要求
   材料的工艺特性决定了其毛坯的制造方法。零件的材料选定后，毛坯的类型就大致确定了。例如，材料为灰铸铁的零件必用铸造毛坯；为获得良好的机械制造工艺的力学性能，重要的钢质零件应选用锻件，在形状较简单及机械性能要求不太高时，可用型材毛坯；有色金属零件常用型材或铸造毛坯。

2. 零件的结构形状与大小
   大型且结构较简单的零件毛坯多用砂型铸造或自由锻；结构复杂的毛坯多用铸造；小型零件可用模锻件或压力铸造毛坯；板状钢质零件多用锻件毛坯；轴类零件的毛坯，如直径和台阶相差不大，可用棒料；如各台阶尺寸相差较大，则宜选择锻件。

3. 生产纲领的大小
   当零件的生产批量较大时，应选用精度和生产率均较高的毛坯制造方法，如模锻、金属型机器造型铸造和精密铸造等。当单件小批生产时，则应选用木模手工造型铸造或自由锻造。

4. 现有生产条件
   确定毛坯时必须结合具体的生产条件，如现场毛坯制造的实际水平和能力、外协的可能性等。

5. 充分利用新工艺、新材料
   为节约材料和能源、提高机械加工生产率，应充分考虑精炼、精锻、冷轧、冷挤压、粉末冶金和工程塑料等在机械中的应用，这样，可大大减少机械加工量，甚至不需要加工，大大提高经济效益。

基准的选择

选择好毛坯之后，我们就开始构思加工。一个复杂的零件由好几道工序加工而成，每一序都要考虑到位。假设我们现在设计好了一个零件，选择好了毛坯，接下来加工就需要开始找他的基准了。

这里的基准就是定位基准，在加工中起定位作用。定位基准分为粗基准和精基准。

粗基准的选择

主要是第一道工序定位基准的选择，选择的好坏对以后各加工表面的余量分配以及保证不加工表面与加工表面间的尺寸、相互位置都有很大影响。具体选择可参照下列原则：

1. 余量均匀原则
   对于一些重要表面，要求其总加工余量均匀一致，则以它作为粗基准。

2. 保证不加工面位置正确的原则
   工件上若有一些不加工的表面，它们与加工面之间也要求有一个正确的位置关系，这些位置关系有时并不直接标注在图样上，但是经过分析，可以从图面上看出来，如果不注意它们，将会影响到零件的美观甚至零件的使用性能。零件外形上的对称、孔的壁厚均匀、箱体零件的内腔尺寸等都是这方面常见的例子。用不加工表面作为粗基准，就能保证不加工面与加工面之间的位置比较正确。

3. 粗基准只能有效使用一次的原则
   因为粗基准本身都是未经机械加工的毛坯表面，其精度和表面粗糙度都较差，如果在某一个（或几个）自由度上重复使用粗基准，则不能保证两次装夹的工件与机床、刀具的相对位置一致，因而使得两次装夹加工出来的表面之间位置精度降低。

4. 粗基准平整光洁、定位可靠的原则
   粗基准虽然是毛坯表面，但应当尽量平整、光洁、无飞边，不应当选毛坯分型面或分模面所在的表面为粗基准。

5. 有多个相关表面需要加工时
   应采用加工余量最小的表面作为粗基准。这样可保证该表面的余量小而均匀，有效避免了余量不够甚至出现黑斑的情况。以免影响定位的准确性和可靠性。

加工后的表面为基准可以称呼精基准，精基准选择时，主要考虑保证加工质量减少定位误差。

精基准的选择

具体选择时，可参考以下原则：

1. 基准重合原则
   基准重合原则是指定位基准与设计基准重合，主要用于保证被加工表面尺寸精度。被加工表面从哪设计就从哪定位，这样可以避免因基准不重合而产生的误差。

   例如，车床床头箱上的主轴孔的中心高H1=(205±0.1)mm，其设计基准是底面M。若镗主轴孔时以底面M为定位基准，则定位基准与设计基准重合，可以直接保证尺寸H1。若为了便于安装镗模导向支架，将工件倒过来以顶面N为定位基准，则定位基准与设计基准不重合。这时直接保证的尺寸是H，而尺寸H1是通过H及H2间接得到的，则H2的误差就会影响H1的加工精度。所以，尺寸H2的误差即为基准不重合误差。

   

2. 基准统一原则
   若干被加工表面尽量选用同一组基准来加工，用于保证各被加工表面位置要求。例如，轴类零件常用顶尖孔作为统一的定位基准来加工各外圆表面，这样可保证各外圆表面之间较高的同轴度；箱壳类零件常用一平面和两孔作为精基面；盘类零件常用一端面和一短孔作为统一的基准。

3. 互为基准的原则
   对于相对位置精度及自身的尺寸与形状精度都要求很高的一对表面，可采用互为基准反复多次精加工，以达到很高的相互位置精度。

4. 自为基准的原则
   在精加工或光整加工中，要求加工余量小而均匀，则加工时就应选择加工表面本身作为基准（即自为基准），而该表面与其他表面之间的位置精度则由先行工序保证。

5. 便于装夹原则
   除了上述讨论的原则方法以外，精基准的选择还应考虑到相应的夹具设计和人工操作，应保证足够的装夹刚度，使工件变形尽量小，应使装夹表面尽量靠近加工面，减少切削力产生的力矩。

在此过程中选用的卡盘要满足精度，有的为特殊卡盘要保持零件的尺寸精度和形位公差。

加工顺序的安排

划分加工阶段

切削加工是加工过程的主体，工件的绝大多数加工质量要求是通过切削加工实现的。通常，根据加工要求将其分为以下4个加工阶段：

1. 粗加工阶段
   大部分切削余量在这一阶段完成。由于通常这一阶段不作为表面加工的终结工序，因此加工质量不是主要因素，而生产率则是重点考虑对象，以在尽量短的时间内完成大部分的切削余量。

2. 半精加工阶段
   通常在热处理前进行，主要是为一些重要表面的精加工做准备，以及一些次要表面的终结工序加工（如钻孔、攻丝、铣键槽等）。对于一些重要表面，应保证留有一定的精加工余量，并保证一定的加工精度。

3. 精加工阶段
   全面达到图纸设计要求。对于一些精度特别高（主要指尺寸精度和表面粗糙度）的加工表面，还需经过光整加工。

4. 光整加工阶段
   以提高尺寸精度、降低表面粗糙度为主，而几何形状精度和位置精度应依靠前道工序保证。

之所以要划分加工阶段，主要是出于以下几方面的原因：

• 保证加工质量，提高生产效率
  粗加工阶段切削余量大，可采用较大的切削用量以提高生产率，但由此产生的大切削力和切削热及所需的大夹紧力会使工件产生较大内应力和变形，不可能获得高的加工精度。而通过半精加工和精加工阶段，逐步减小切削用量、切削力和热，减少变形，提高加工精度，从而达到图纸要求。同时，在各个加工阶段的时间间隔所产生的自然时效处理效果，有利于工件内应力的消除，便于在最后工序中修正。

• 合理使用机床设备
  划分加工阶段后，可在不同阶段使用不同类型的机床，充分发挥各种设备的使用效率。例如在粗加工阶段，可以采用高效率大功率的低精度机床设备，以提高生产率为主要目的；而在精加工阶段，则采用高精度机床，以保证加工精度为首要任务，并且还保证精密机床的使用寿命。

• 便于安排热处理工序
  在各个加工阶段之间，根据上一阶段的加工特点及下一阶段的加工要求，安排合理的热处理工序。例如在主轴粗加工后进行时效处理，消除内应力；在半精加工后，淬火处理，达到表面物理机械性能的要求；在精加工后，进行冷处理及低温回火，保证主轴的低温特性，最后再光整加工。

• 及时发现毛坯缺陷，避免浪费工时
  由于粗加工阶段切削余量大，能尽早暴露致命缺陷，可以及时报废，以避免后续工序的浪费。

• 保护重要表面
  将精加工放在最后，减少了重要表面加工完成后的运输路线，避免受到损伤。

当然，上述加工阶段的划分不是绝对的，对一些特殊工件或特定加工条件，也有不划分加工阶段的。例如一些特大型工件，若加工精度不高，也可一次装夹完成，避免了困难的多次安装和运输。

切削加工顺序的安排

根据加工阶段的划分，切削加工顺序可参考下列原则安排：

1. 先粗后精
   先安排粗加工，中间安排半精加工，最后安排精加工和光整加工。

2. 先主后次
   先加工主要表面，后加工次要表面。

3. 先基面后其他
   基面由于在工艺过程中的重要作用，自然应先加工出来，通常在第一道工序中便加工出所需的精基面。

4. 先面后孔
   加工孔时，先加工孔口平面再加工孔。

热处理工序

有以下几道：

1. 预备热处理
   主要目的在于改善切削性能，消除内应力，常安排在机械加工前。常用的方法有退火、正火、调质。

2. 最终热处理
   根据零件设计要求安排热处理，以达到指定的热处理效果。主要是为了获得材料的高强度和高硬度。常用方法有淬火—回火；还有其他一些特定的热处理方法，如氮化、发蓝等。

3. 消除内应力处理
   消除工件内应力，避免工件变形。通常安排在粗加工之后、半精加工之前。常用方法有人工时效、退火等。

辅助工序

除上述切削加工工序和热处理工序外，为了保证加工质量及工艺过程顺利，还需安排必要的辅助工序。其中，检验工序是主要的辅助工序。除了每个操作者需自行检验本工序的加工质量外，还需在下列情况下安排另外的检验工序：

1. 粗加工阶段结束后
   避免致命缺陷造成进一步的加工浪费。

2. 重要工序之后
   保证工序加工质量。

3. 转换车间前
   明确可能产生的质量问题所在位置。

4. 全部加工完成后
   终检。

在实际过程中，每个零件的工艺都不一样，有的工序比较多，有的少。酌情分析。

工序集中的特点

有以下两点：

1. 便于一次安装完成多个表面加工
   因为每道工序包含许多加工内容，需加工多表面，这些表面的定位基准符合统一基准原则，便可以通过一次装夹一起完成。

2. 可以减少机床、操作工人的数量
   从而节省车间面积，简化生产计划和生产组织工作。

工序分散的特点

有以下两点：

1. 机床设备及工装结构简单，便于调整
   由于每一工序只需完成少量的加工内容，因此相应的设备较简单，更新新产品所需的调整工作量较小。

2. 技术要求低
   由于每一个工人只需掌握该工序很少的加工内容所需的技术，所以相对技术要求较低。

加工余量的计算

机械加工时，从工件表面切去的一层金属称为加工余量。在一个工序中，从工件表面切去机械制造工艺的一层金属厚度称为工序余量，它等于相邻两工序的工序尺寸之差。

我们深层次的讨论和介绍下加工余量的影响。

影响加工余量的因素

影响加工余量的因素比较复杂，主要因素如下：

• 上道工序产生的表面粗糙度Ry 和表面缺陷层深度Hi-1
• 上道工序的尺寸公差Ti-1
• 上道工序留下的空间位置误差Pi-1
• 本工序的装夹误差εi

因为空间位置误差和装夹误差都是有方向的，所以应采用矢量相加的方法。工序余量的组成可用下式来表示：

对于单边余量 Zi=Ti-1+Ry+Hi-1+|Pi-1+εi|；
对于双边余量 2Zi=Ti-1+2(Ry+Hi-1 )+2|Pi-1+εi|。