机械制造工艺编制及实施

前    言
　　针对高职高专机械、机电专业人才培养的要求，本书根据典型机械零件工艺特点和工艺员岗位的工作过程，整合机械制造工艺理论知识和实践知识，实现课程内容综合化。教材内容以项目、工作任务为引领，适合"教、学、做"合一的教学模式改革。本书的主要内容有机械制造工艺编制基础知识、轴类零件加工工艺编制及实施、套类零件加工工艺编制及实施、箱体类零件加工工艺编制及实施、齿轮类零件加工工艺编制及实施、装配工艺编制及实施，配备企业生产用零件图集，供学生工艺编制时选用。本书突出工作过程在教材中的主线地位，每一单元均具有较强的范例性、可迁移性及可操作性。
　　本书具有以下几个特点。
　　(1) 根据企业的工作岗位和工作任务，开发设计以工作过程为导向，具有"工学结合"特色的课程体系，具有明显的"职业"特色，实现了实践技能与理论知识的整合，将工作环境与学习环境有机地结合在一起。
　　(2) 体现以工艺规程编制应用能力的培养为主线、相关知识为支撑的编写思路，注重理论联系实际，突出应用。每一单元都有工作情景的引入和情景任务实施及检查，并且都具有拓展实训和工程实践常见问题的解析，有利于帮助学生掌握知识、提高解决工程问题的能力。
　　(3) 按照学生的认知规律和职业成长规律合理编排教材内容，第1章主要介绍基础知识，第2～5章主要介绍轴、套、箱体、齿轮类零件的工艺编制及实施，第6章主要介绍装配工艺的编制及实施，各学校可根据学时数和不同专业的需要进行取舍。为便于学生自学和巩固所学内容，各章均有相关思考与练习习题和拓展训练。
　　(4) 突出教材的关联性。本书选用的工作情景均选自企业产品8E160C-J机油泵的零件和部件，零件与零件之间、零件与部件之间具有关联性。
　　本书第1版已经使用了4年，实际使用效果较好，受到师生的广泛好评。但随着机械制造工艺技术的发展，机械制造技术在不断更新，第1版教材已不能满足学习和工作的需要，我们通过修订来反映和融入新标准、新技术要求，满足高职院校对人才培养目标的需要。教材第1版中每一单元都配有实际工作场景导入和拓展实训，但企业生产用零件图数量偏少，训练案例单一，同时工作场景导入、计划、实施与检查、评价与讨论还不够完善，缺乏专业能力自评和互评、职业核心能力自评和互评等。针对上述情况并结合江苏省高等学校"十二五"重点教材建设的要求，对第1版《机械制造工艺编制及实施》教材进行了修订、调整，以保证新的教学改革顺利进行和满足人才培养新目标的迫切需要。第2版融入了的国内外相关标准，增加了大量企业真实产品案例，将职业岗位要求和职业标准具体化，增加学生专业能力自评和互评、职业核心能力自评和互评，完善评价体系，并对第1版使用过程中师生发现的所有谬误进行了修改。本书更加符合高职院校学生的认知规律和特点，满足高职教学改革的要求，具有明显高职教育特色。
　　本书由马敏莉任主编，陈广健、肖红升、陈旭东、陈振玉任副主编。马敏莉编写第1～3章，马敏莉、陈旭东合编第4章，马敏莉、肖红升、陈振玉合编第5章和附录，陈广健编写前言、第6章，南通柴油机股份有限公司王建章、南通科技投资股份有限公司沈峰参与企业真实产品案例的收集，南通职业大学学生彭立、许志参与企业真实产品案例的整理，全书由马敏莉统稿。
　　南通职业大学李业农教授、周开俊博士、周小青博士和南通高级技师学院葛小平副教授等对本书的编写提出了许多宝贵的意见和建议，清华大学出版社的编辑也给予了热情的帮助和指导，在此表示衷心的感谢！
　　由于编者水平所限，书中难免有疏漏和不妥之处，殷切希望读者和各位同仁提出宝贵意见。
　　
　　编  者  

《机械制造工艺编制及实施（第2版）》根据“高职高专教育机械制造类专业人才培养目标及规格”的要求，结合编者在机械制造应用领域多年的教学改革和工程实践的经验编写而成。
　　《机械制造工艺编制及实施（第2版）》以项目、工作任务为带领，适合“教、学、做”合一的教学模式改革。
　　《机械制造工艺编制及实施（第2版）》的主要内容有机械制造工艺编制基础知识、轴类零件加工工艺编制及实施、套类零件加工工艺编制及实施、箱体类零件加工工艺编制及实施、齿轮类零件加工工艺编制及实施、装配工艺编制及实施。配备企业生产用零件图集，供学生工艺编制时选用。
　　《机械制造工艺编制及实施（第2版）》可作为高职高专院校及本科院校的二级职业技术学院机械制造类专业的教学用书，也可作为社会相关从业人员的业务参考书及培训用书。
　　《机械制造工艺编制及实施（第2版）》为“十二五”江苏省高等学校重点教材（编号：2014-1-132）。
　　《机械制造工艺编制及实施（第2版）》特色：
　　依据职业岗位的需要，选择并组织教材内容。
　　以就业为导向，以能力为本位，突出实践性，以提高学生的职业能力。
　　项目案例丰富，且源于实际。

第1章 机械制造工艺编制基础知识
1．1 工作场景导入
1．2 基础知识
1．2．1 机械制造过程、工艺系统及生产系统
1．2．2 机械加工工艺过程及其组成
1．2．3 生产纲领和生产类型
1．2．4 机械加工工艺规程
1．3 零件的工艺性分析
1．3．1 分析和审查产品的装配图和零件图
1．3．2 衡量零件结构工艺性的一般原则及实例
1．3．3 工艺条件对零件结构工艺性的影响
1．4 毛坯的选择
1．4．1 机械加工中常用毛坯的种类
1．4．2 选择毛坯应考虑的因素
1．4．3 毛坯形状和尺寸的确定
1．5 机械加工工艺路线拟订
1．5．1 定位基准的选择
1．5．2 表面加工方法的选择
1．5．3 加工阶段的划分
1．5．4 工序的集中与分散
1．5．5 加工顺序的安排
1．6 机械加工工序的设计
1．6．1 加工余量
1．6．2 I序尺寸与公差的确定
1．6．3 机床及工艺装备的选择
1．6．4 切削用量的选择
1．6．5 工时定额的确定
1．7 工艺尺寸链
1．7．1 工艺尺寸链的概念及计算
1．7．2 工艺尺寸链的计算
1．8 回到工作场景
1．8．1 项目分析
1．8．2 项目工作计划
1．8．3 项目实施准备
1．8．4 项目实施与检查
1．8．5 项目评价与讨论
1．9 拓展实训
本章小结
思考与练习

第2章 轴类零件加工工艺编制及实施
2．1 工作场景导入
2．2 基础知识
2．2．1 轴类零件的功用及结构特点
2．2．2 轴类零件的技术要求
2．2．3 轴类零件的材料、毛坯及热处理
2．3 轴类零件表面加工方法
2．3．1 外圆车削
2．3．2 外圆磨削
2．3．3 外圆加工方法的选择
2．4 轴类零件加工常用设备
2．4．1 金属切削机床的基本知识
2．4．2 车床
2．4．3 磨床
2．5 轴类零件加工刀具
2．5．1 刀具材料
2．5．2 刀具角度的选择
2．5．3 车刀
2．5．4 砂轮
2．6 轴类零件的装夹
2．7 轴类零件的测量
2．8 简单轴类工件的工艺分析
2．9 回到工作场景
2．9．1 项目分析
2．9．2 项目工作计划
2．9．3 项目实施准备
2．9．4 项目实施与检查
2．10 拓展实训
2．11 工作实践中常见问题解析
本章小结
思考与练习
……

第3章 套类零件加工工艺编制及实施
第4章 箱体类零件加工工艺编制及实施
第5章 齿轮类零件加工工艺编制及实施
第6章 装配工艺编制及实施

《机械制造工艺编制及实施（第2版）》根据“高职高专教育机械制造类专业人才培养目标及规格”的要求，结合编者在机械制造应用领域多年的教学改革和工程实践的经验编写而成。
　　《机械制造工艺编制及实施（第2版）》以项目、工作任务为带领，适合“教、学、做”合一的教学模式改革。
　　《机械制造工艺编制及实施（第2版）》的主要内容有机械制造工艺编制基础知识、轴类零件加工工艺编制及实施、套类零件加工工艺编制及实施、箱体类零件加工工艺编制及实施、齿轮类零件加工工艺编制及实施、装配工艺编制及实施。配备企业生产用零件图集，供学生工艺编制时选用。
　　《机械制造工艺编制及实施（第2版）》可作为高职高专院校及本科院校的二级职业技术学院机械制造类专业的教学用书，也可作为社会相关从业人员的业务参考书及培训用书。
　　《机械制造工艺编制及实施（第2版）》为“十二五”江苏省高等学校重点教材（编号：2014-1-132）。
　　《机械制造工艺编制及实施（第2版）》特色：
　　依据职业岗位的需要，选择并组织教材内容。
　　以就业为导向，以能力为本位，突出实践性，以提高学生的职业能力。
　　项目案例丰富，且源于实际。

本书具有以下几个特点。
　　(1) 根据企业的工作岗位和工作任务，开发设计以工作过程为导向，具有"工学结合"特色的课程体系，具有明显的"职业"特色，实现了实践技能与理论知识的整合，将工作环境与学习环境有机地结合在一起。
　　(2) 体现以工艺规程编制应用能力的培养为主线、相关知识为支撑的编写思路，注重理论联系实际，突出应用。每一单元都有工作情景的引入和情景任务实施及检查，并且都具有拓展实训和工程实践常见问题的解析，有利于帮助学生掌握知识、提高解决工程问题的能力。
　　(3) 按照学生的认知规律和职业成长规律合理编排教材内容，第1章主要介绍基础知识，第2～5章主要介绍轴、套、箱体、齿轮类零件的工艺编制及实施，第6章主要介绍装配工艺的编制及实施，各学校可根据学时数和不同专业的需要进行取舍。为便于学生自学和巩固所学内容，各章均有相关思考与练习习题和拓展训练。
　　(4) 突出教材的关联性。本书选用的工作情景均选自企业产品8E160C-J机油泵的零件和部件，零件与零件之间、零件与部件之间具有关联性。
　　本书第1版已经使用了4年，实际使用效果较好，受到师生的广泛好评。但随着机械制造工艺技术的发展，机械制造技术在不断更新，第1版教材已不能满足学习和工作的需要，我们通过修订来反映和融入新标准、新技术要求，满足高职院校对人才培养目标的需要。教材第1版中每一单元都配有实际工作场景导入和拓展实训，但企业生产用零件图数量偏少，训练案例单一，同时工作场景导入、计划、实施与检查、评价与讨论还不够完善，缺乏专业能力自评和互评、职业核心能力自评和互评等。针对上述情况并结合江苏省高等学校"十二五"重点教材建设的要求，对第1版《机械制造工艺编制及实施》教材进行了修订、调整，以保证新的教学改革顺利进行和满足人才培养新目标的迫切需要。第2版融入了的国内外相关标准，增加了大量企业真实产品案例，将职业岗位要求和职业标准具体化，增加学生专业能力自评和互评、职业核心能力自评和互评，完善评价体系，并对第1版使用过程中师生发现的所有谬误进行了修改。本书更加符合高职院校学生的认知规律和特点，满足高职教学改革的要求，具有明显高职教育特色。

第2章  轴类零件加工工艺编制及实施

* 轴类零件概述。
* 轴类零件外圆表面的粗、精加工方法。
* 轴类零件外圆表面加工常用设备。
* 轴类零件外圆表面加工常用刀具。
* 轴类零件加工常用装夹方式。
* 轴类零件的测量。
* 简单轴类零件的加工工艺分析。

* 具有轴类零件工艺性分析能力。
* 掌握轴类零件毛坯的选择方法。
* 具有编制简单轴类零件机械加工工艺过程卡的能力。
* 具有编制简单轴类零件机械加工工序卡的能力。
* 初步具备较复杂轴类零件的工艺路线编写能力。
2.1  工作场景导入
　　【工作场景】
　　工作对象：8E160C-J型机油泵传动轴零件图、机油泵部件装配图分别如图2-1、图2-2所示，现为中小批量生产。 
　　任务要求：编制传动轴零件的机械加工工艺过程卡、机械加工工序卡；在条件允许的情况下操作机床加工零件、验证工艺的合理性。
　　【引导问题】
　　(1) 仔细阅读传动轴零件图，回顾1.3节知识点--零件的工艺性分析，检查零件图的完整性和正确性；根据各校实际制造能力分析审查零件的结构、尺寸精度、形位精度、表面粗糙度、材料及热处理等技术要求是否合理，是否便于加工和加工的经济性。根据零件结构工艺性的一般原则，判断该零件的结构工艺性是否良好？如果结构工艺性不好，如何改进？
　　(2) 回顾1.4节知识点--毛坯的选择，如何选择传动轴零件毛坯？如何确定传动轴零件毛坯尺寸？
　　(3) 一般轴类零件的功用、结构特点、技术要求、材料、毛坯及热处理有哪些内容？
　　(4) 一般轴类零件外圆表面加工方法有哪些？如何选择？
　　(5) 轴类零件常用外圆表面加工设备有哪些？如何选择？
　　(6) 轴类零件的外圆表面常用加工刀具有哪些？如何选择？
　　(7) 如何测量轴类零件的外径？
　　

　　
　　
(8) 企业生产参观实习。
　　① 生产现场加工哪些轴类零件？批量如何？采用什么毛坯？
　　② 生产现场各种轴类零件加工工艺有何特点？一般使用什么机床加工？采用何种刀具？使用哪种量具测量？工件如何夹紧？
2.2  基 础 知 识
　　【学习目标】了解一般轴类零件的功用及结构特点、技术要求，轴类零件的材料、毛坯及热处理。
2.2.1  轴类零件的功用及结构特点
　　轴类零件是一种常用的典型零件，主要用于支承齿轮、带轮等传动零件及传递运动和扭矩，故其结构组成中具有许多外圆、轴肩、螺纹、螺尾退刀槽、砂轮越程槽和键槽等。外圆用于安装轴承、齿轮、带轮等；轴肩用于轴上零件和轴本身的轴向定位；螺纹用于安装各种锁紧螺母和高速螺母；螺尾退刀槽供加工螺纹时退刀用；砂轮越程槽则是为了能完整地磨削出外圆和端面等；键槽用来安装键，以传递扭矩。
　　轴类零件的种类如图2-3所示。

图2-3  轴的种类
2.2.2  轴类零件的技术要求
　　轴通常是由其轴颈支承在机器的机架或箱体上，实现运动和动力的传递。根据其功用及工作条件，轴类零件的技术要求通常包括以下几个方面。
　　(1) 尺寸精度和形状精度。轴类零件的尺寸精度主要是指轴的直径尺寸精度。轴上支承轴颈和配合轴颈(装配传动件的轴颈)的尺寸精度和形状精度是轴的主要技术要求之一，它将影响轴的回转精度和配合精度。
　　(2) 位置精度。为保证轴上传动件的传动精度，必须规定支承轴颈与配合轴颈的位置精度。通常以配合轴颈相对于支承轴颈的径向圆跳动或同轴度来保证。
　　(3) 表面粗糙度。轴上的表面以支承轴颈的表面质量要求，其次是配合轴颈或工作表面。这是保证轴与轴承以及轴与轴上传动件正确可靠配合的重要因素。
　　在生产实际中，轴颈的尺寸精度通常为IT6～IT9，精密的轴颈可达IT5；一般轴的形状精度应控制在直径公差范围之内；精密轴颈的形状精度应控制在直径公差的1/5～l/2之内。表面粗糙度Ra值，支承轴颈一般为0.63～0.16mm，配合轴颈一般为2.5～0.63mm；配合轴颈对支承轴颈的径向圆跳动一般为0.01～0.03 mm，高精度轴为0.001～0.005 mm。
2.2.3  轴类零件的材料、毛坯及热处理
　　1. 材料
　　一般轴类零件的材料常用综合力学性能优异且价格较便宜的45钢，这种材料经调质或正火后，能得到较好的切削性能及较高的强度和一定的韧性，具有较好的综合力学性能。对于中等精度且转速较高的轴类零件，可选用40Cr等合金结构钢，经调质和表面淬火处理后具有较好的综合力学性能。对于较高精度的轴，可选用轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn等材料，经调质和表面高频感应加热淬火后再回火，表面硬度可达50～58HRC，并具有较高的耐疲劳性能和较好的耐磨性。对于高转速和重载荷轴，可选用20CrMnTi、20Cr等渗碳钢或38CrMoAl渗氮钢，经过淬火或氮化处理后获得更高的表面硬度、耐磨性和心部强度。  
　　2. 热处理
　　轴的质量除与所选的钢材种类有关，还与热处理有关。轴的锻造毛坯在机械加工之前，均需进行正火或退火(高碳钢)处理，使钢材的晶粒细化，以消除残余应力，降低毛坯硬度，改善切削加工性能。
　　凡要求局部表面淬火以提高耐磨性的轴，须在淬火前安排调质处理(有的采用正火)。当毛坯加工余量较大时，调质放在粗车之后、半精车之前，使粗加工产生的残余应力能在调质时消除；当毛坯加工余量较小时，调质可安排在粗车之前进行。表面淬火一般放在精加工之前，可以保证淬火引起的局部变形在精加工中得到纠正。
　　对于精度要求较高的轴，在局部淬火和粗磨之后，还需安排低温时效处理，以消除淬火和磨削中产生的残余应力和残余奥氏体，控制尺寸稳定；对于整体淬火的精密主轴，在淬火后，还要进行定性处理，定性处理一般采用冰冷处理方法，以进一步消除加工应力，保持主轴精度。
　　3. 轴类零件的毛坯
　　毛坯制造方法主要与零件的使用要求和生产类型有关。光轴或直径相差不大的阶梯轴，一般常用热轧圆棒料毛坯。当成品零件尺寸精度与冷拉圆棒料相符合时，其外圆可不进行车削，这时可采用冷拉圆棒料毛坯。比较重要的轴多采用锻件毛坯。由于毛坯加热锻打后，能使金属内部晶格组织沿表面均匀分布，从而能得到较高的机械强度。对于某些大型、结构复杂的轴(如曲轴等)，可采用铸件毛坯。
2.3  轴类零件表面加工方法
　　【学习目标】掌握轴类零件外圆车削、外圆磨削、外圆表面的光整加工方法，并掌握外圆加工方法的选择。
　　
　　轴类零件的主要加工表面是外圆，常用的加工方法有车削、磨削和光整加工3种。
2.3.1  外圆车削
　　车外圆是车削加工中常见、基本和有代表性的加工方法，是加工外圆表面的主要方法，既适用于单件、小批量生产，也适用于成批、大量生产。单件、小批量、中批量生产中常采用卧式车床加工；成批、大量生产中常采用转塔车床和自动、半自动车床加工；对于大尺寸工件常采用大型立式车床加工；对于高精度的复杂零件，宜采用数控车床加工。
　　车削外圆一般分为粗车、半精车、精车和精细车。
　　1. 粗车
　　粗车的主要任务是迅速切除毛坯上多余的金属层，通常采用较大的背吃刀量、较大的进给量和中速车削，以尽可能提高生产率。车刀应选取较小的前角、后角和负值的刃倾角，以增强切削部分的强度。粗车尺寸精度等级为ITl3～IT11，表面粗糙度Ra为50～12.5µm，故可作为低精度表面的终加工和半精车、精车的预加工。
　　2. 半精车
　　半精车是在粗车之后进行的，可进一步提高工件的精度和降低表面粗糙度。它可作为中等精度表面的终加工，也可作为磨削或精车前的预加工。半精车尺寸精度等级为IT10～IT9，表面粗糙度Ra为6.3～3.2µm。
　　3. 精车
　　精车一般是在半精车之后进行的作为较高精度外圆的终加工或作为光整加工的预加工，通常在高精度车床上加工，以确保零件的加工精度和表面粗糙度符合图样要求。一般采用很小的切削深度和进给量进行低速或高速车削。低速精车一般采用高速钢车刀，高速精车常用硬质合金车刀。车刀应选用较大的前角、后角和正值的刃倾角，以提高表面质量。精车尺寸精度等级为IT8～IT6，表面粗糙度Ra为1.6～0.2µm。
　　4. 精细车
　　精细车所用车床应具有很高的精度和刚度。刀具采用金刚石或细晶粒的硬质合金，经仔细刃磨和研磨后可获得很锋利的刀刃。切削时，采用高的切削速度、小的背吃刀量和小的进给量。其加工精度可达IT6以上，表面粗糙度Ra在0.4µm以下。精细车常用于高精度中、小型有色金属零件的精加工或镜面加工，因有色金属零件在磨削时产生的微细切屑极易堵塞砂轮气孔，使砂轮磨削性能迅速变坏；也可用于加工大型精密外圆表面，以代替磨削，提高生产率。
　　值得注意的是，随着刀具材料的发展和进步，过去淬火后的工件只能用磨削加工方法的局面有所改变，特别是在维修等单件加工中，可以采用金刚石车刀、CBN车刀或涂层刀具直接车削硬度达62HRC的淬火钢。
2.3.2  外圆磨削
　　磨削是外圆表面精加工的主要方法。它既能加工淬火的黑色金属零件，也可以加工不淬火的黑色金属和有色金属零件。外圆磨削根据加工质量等级分为粗磨、精磨、精密磨削、超精密磨削和镜面磨削。一般磨削加工后工件的精度可达到IT8～IT7，表面粗糙度Ra为1.6～0.8µm；精磨后工件的精度可达IT7～IT6，表面粗糙度Ra为0.8～0.2µm。常见的外圆磨削应用如图2-4所示。
　　1. 普通外圆磨削
　　根据工件的装夹状况，普通外圆磨削分为中心磨削法和无心磨削法两类。
　　(1) 中心磨削法。工件以中心孔或外圆定位，根据进给方式的不同，中心磨削又可分为以下几种磨削方法。

图2-4  外圆磨削加工的应用
　　① 纵磨法。如图2-5(a)所示，磨削时工件随工作台做直线往复纵向进给运动，工件每往复一次(或单行程)，砂轮横向进给一次。由于走刀次数多，故生产率较低，但能获得较高的精度和较小的表面粗糙度，因而应用较广泛，适于磨削长度与砂轮宽度之比大于3的工件。
　　② 横磨法。如图2-5(b)所示，工件不做纵向进给运动，砂轮以缓慢的速度连续或断续地向工件做径向进给运动，直至磨去全部余量为止。横磨法生产效率高，但磨削时发热量大，散热条件差，且径向力大，故一般只用于大批量生产中磨削刚性较好、长度较短的外圆及两端都有台阶的轴颈。

图2-5  外圆磨削方式/类型
　　③ 综合磨削法。如图2-5(c)所示，先用横磨法