1.3 机制工艺基础

工艺是指制造产品的技巧、方法和程序。机制工艺是机械制造工艺的简称，是机械制造全程（包括从原材料转变到产品的全过程）中的技巧、方法和程序。机械制造全程中，凡是直接改变零件形状、尺寸、相对位置和性能等，使其成为成品或半成品的过程，均为机械制造工艺过程。它通常包括零件的制造和机器的装配两部分。

为保证零件的加工及机器的装配质量，在生产加工前，工艺技术人员必须针对所加工零件的结构或装配机器的技术要求，确定加工工艺方案，制定相应的工艺规程（工艺规程是工艺技术人员根据产品图纸的要求和该工件的特点、生产批量以及本企业现有设备和生产能力等因素，拟订出的一种技术上可行、经济上合理的最佳工艺方案，是指导零件生产过程的技术文件），此外，对于一些难以保证加工要求的零件或难以达到技术要求的装配，还往往需要通过设计夹具加工来满足相应的零件加工精度及装配要求。因此，对生产操作人员来讲，了解一些基本的机械制造工艺与夹具知识是很有必要的。

1.3.1 常见机械加工工艺

采用机械加工方法直接改变毛坯的形状、尺寸、各表面间相互位置及表面质量，使之成为合格零件的过程，称为机械加工工艺过程，它是由按一定顺序排列的若干个工序组成的。在机械制造过程中，机械加工工艺方法主要有机械加工及热加工两大类。机械加工中使用最广泛的是切削加工，常见的切削加工方法主要有车削、铣削、刨削、磨削等。

1.3.1.1 车削加工

利用车床、车刀完成工件的切削加工称为车削加工。车削加工时，工件被夹持在车床主轴上做旋转主运动，车刀做纵向或横向的直线进给运动。其中，做直线进给运动的车刀对做旋转主运动的工件进行切削加工的机床称为车床。车床的种类很多，生产中尤以普通车床最为常见。

普通车床由三箱（主轴箱、进给箱、溜板箱）、两杠（光杠、丝杠）、两架（刀架、尾架）、一床身组成。其中普通车床中又以卧式车床使用最为广泛。
图1-1所示为CA6140型卧式车床的外形图。

车削适于加工回转表面，如内外圆柱面、内外圆锥面、端面、沟槽、螺纹和回转成形面等，此外，在车床上既可用车刀对工件进行车削加工，又可用钻头、铰刀、丝锥和滚花刀进行钻孔、铰孔、攻螺纹和滚花等操作。

（1）切削用量三要素

切削用量是表示主运动及进给运动大小的参数，包括切削速度vc、进给量f和背吃刀量（切削深度）ap，如图1-2所示。

① 切削速度vc指主运动的线速度，即刀具切削刃上的某一点相对于待加工表面在主运动方向上的瞬时速度。表达式为：

vc=πDn/1000

式中 D—待加工表面最大直径，mm；

n—工件的转速，r/min；

vc—切削速度，m/min。

切削速度vc的选择。当背吃刀量与进给量选定以后，可根据刀具寿命来确定。如粗车使用高速钢车刀时，切削速度一般取25m/min左右；用硬质合金车刀时，切削速度一般取50m/min；精车时切削速度一般取60～200m/min。

② 进给量f是指在车削加工中工件每转一周，车刀沿进给方向所移动的距离，其单位为mm/r。

进给量f的选择：为提高生产率，在保证刀具寿命的前提下，车削进给量应尽可能选择大一些。如果刀具或工件刚度较差，进给量会受切削力的限制不允许太大。在实践中，粗车时进给量一般取f=0.3～1.5mm/r，精车时进给量一般取f=0.05～0.2mm/r。

③ 背吃刀量ap是指待加工表面与已加工表面之间的垂直距离，即ap=
（D-d） /2。

背吃刀量的选择：背吃刀量应根据加工余量来确定。粗车时，除留下精加工的余量外，应尽可能一次进给切除大部分加工余量，以减少进给次数，提高生产率，且取较大背吃刀量可保证刀具寿命。

一般在中等功率的机床上加工，粗车时背吃刀量最深可达8～10mm，半精车时背吃刀量取0.5～2mm，精车时背吃刀量取0.1～0.4mm。

（2）车刀

车刀是实现车削加工必不可少的刀具。车刀的种类很多，如图1-3所示。

① 刀具材料。常用的刀具材料主要有高速钢和硬质合金两大类。

高速钢也称白钢，我国常用的牌号为T51841（W18Cr4V），能耐温600～700℃，最高切削速度可达30m/min左右。

硬质合金是由碳化物及黏结剂高压成形后烧结而成的。一般分为钨钴和钨钛钴两大类。切削时能耐温800～1000℃，最高切削速度可达100m/min。

② 车刀形状。车刀由刀头和刀柄两部分组成，如图1-4所示。

③ 车刀的刃磨。车刀经过一段时间的使用会产生磨损，使切削力增大，切削温度增高，工件表面粗糙度值增大，所以需及时刃磨。

常用的磨刀砂轮主要有两种：一种是氧化铝砂轮（刚玉砂轮），另一种是碳化硅砂轮（绿色）。高速钢车刀应使用氧化铝砂轮刃磨；硬质合金车刀，因刀体部分是碳钢材料，可先用氧化铝砂轮粗磨，再用碳化硅砂轮刃磨刀头的硬质合金部分。

④ 车刀的安装。安装车刀时，如果安装不正确，即使车刀有了合理的车刀角度，也起不到应有的作用。

车刀的正确安装要求：刀尖与工件的中心线等高；刀柄应与工件轴心线垂直；车刀伸出方刀架的长度，一般应小于刀体高度的2倍（不包括车内孔）；车刀的垫铁要放置平整，且数量尽可能少。

（3）工件的装夹

根据所切削工件形状、大小、加工精度的不同，工件装夹的方式也有所不同，最常用的有以下几种。

① 用三爪自定心卡盘装夹工件。三爪自定心卡盘是车床最常用的附件，具有装卸工件方便、能自动对心的特点，装夹直径较大的工件时，还可“反爪”
装夹。

② 用四爪单动卡盘装夹工件。四爪单动卡盘的四个爪是用四根螺杆分别带动的，故四个爪可单独调整，适合装夹形状不规则的工件，如方形、长方形、椭圆形工件等。

③ 用顶尖装夹工件。用卡盘夹持工件，当所车削的工件细长时，工件若只有一端被固定，此时工件往往会出现“让刀”现象，导致车出的工件在靠近卡盘的一端尺寸小，另一端尺寸大的现象。这就要采用一端用卡盘另一端用顶尖装夹的办法，以提高工件的刚度。有时需要用双顶尖来装夹工件，一些要求较高的长工件在用顶尖装夹时还需要用跟刀架。

在车削加工时，除了用上述方法外，有些还可用心轴、花盘来装夹工件。

（4）车削加工的应用

以下以车端面为例，简述车削加工的应用。车削工件端面时，常用弯头车刀和90°偏刀，如图1-5所示。

使用弯头车刀车削端面时，由外向中心进给。当背吃刀量较大或加工余量不均匀时，一般用手动进给；当背吃刀量较小且加工余量均匀时，可用自动进给。当车到离工件中心较近时，应改用手动慢慢进给，以防崩刃。

用90°偏刀车端面时，常从中心向外进给，通常用于端面精加工，或有孔端面的车削，车削出的端面表面粗糙度值较低。也可从外向中心进给，但用这种方法时，车削到靠近中心时车刀容易崩刃。

1.3.1.2 铣削加工

利用铣床、铣刀共同完成工件的切削加工称为铣削加工。在铣削加工时，铣刀做旋转的主运动，工件夹持在铣床工作台上做前后、上下、左右的直线进给运动。铣削加工是通过铣床及刀具共同完成零件加工的。其中，铣床是机械制造业的重要设备，是一种应用广、类型多的金属切削机床。由于铣削能完成多种任务的加工，为适应各类任务的切削加工需要，所用铣床必须配备多种类型的刀具才能完成。

铣床有多种形式，并各有特点，常见的是升降台式铣床。升降台式铣床又称曲座式铣床，它的主要特征是有沿床身垂直导轨运动的升降台（曲座）。工作台可随着升降台做上下（垂直）运动。工作台本身在升降台上面又可做纵向和横向运动，故使用灵便，适宜于加工中小型零件。因此，升降台式铣床是用得最多和最普遍的铣床。这类铣床按主轴位置可分为卧式和立式两种。

卧式铣床的主要特征是主轴与工作台台面平行，成水平位置。铣削时，铣刀和刀轴安装在主轴上，绕主轴轴心线做旋转运动；工件和夹具装夹在工作台台面上做进给运动。卧式铣床主要用于铣削一般尺寸的平面、沟槽和成形表面等。

图1-6所示的X6132型卧式万能铣床是国产万能铣床中较为典型的一种，该机纵向工作台可按工作需要在水平面上做45°范围内左右转动。

立式铣床的主要特征是主轴与工作台台面垂直，主轴呈垂直状态。立式铣床安装主轴的部分称为立铣头，立铣头与床身结合处呈转盘状，并有刻度。立铣头可按工作需要，在垂直方向上左右扳转一定角度。这种铣床除了完成卧式升降台铣床的各种铣削外，还能进行螺旋槽和斜面一类工件的加工。图1-7给出了立式铣床的结构。

（1）铣削用量

铣削用量是表示主运动及进给运动大小的参数，包括铣削速度vc、进给量、背吃刀量ap、侧吃刀量ae。

1）铣削速度

一般是指铣刀最大直径处的线速度，其公式为：

vc=πDn/1000

式中 D—铣刀直径，mm；

n—铣刀转速，r/min；

vc—铣削速度，m/min。

2）进给量

指铣刀与工件之间沿进给方向的移动量，单位为mm/min，在铣床上有三种。

① 每分钟进给量vf指在1min内，工件相对于铣刀沿进给方向的位移，单位为mm/min，这也是铣床铭牌上标示的进给量。

② 每齿进给量fz指铣刀每转过一个齿时，工件相对于铣刀沿着进给方向的位移，单位为mm/z。

③ 每转进给量f指铣刀每转一周，工件相对于铣刀沿进给方向的位移，单位为mm/r。

它们三者的关系是：vf=fnz

式中 z—铣刀齿数。

3）背吃刀量ap和侧吃刀量ae

在铣削时，铣刀是多齿旋转刀具，在切入工件时有两个方向的吃刀深度，即背吃刀量ap和侧吃刀量ae，如图1-8所示。

背吃刀量ap是平行于铣刀轴线方向测量的切削层尺寸，即铣削深度，单位为mm。

侧吃刀量ae是垂直于铣刀轴线方向测量的切削层尺寸，即铣削宽度，单位为mm。

铣削用量选择的原则是：在保证铣削加工质量和工艺系统刚度条件下，先选较大的吃刀量（ap和ae），再选取较大的进给量fz，根据铣床功率，并在刀具寿命允许的情况下选取vc。当工件的加工精度要求较高或要求表面粗糙度Ra值小于6.3μm时，应分粗、精铣两道工序进行加工。

（2）铣刀

铣刀主要分为带孔铣刀和带柄铣刀两大类。带孔铣刀多用于卧式铣床。带孔铣刀又分为圆柱铣刀和三面刃铣刀，如图1-9（a）、图1-9（b）所示。带柄铣刀分为直柄铣刀（一般直径较小）和锥柄铣刀（一般直径较大），多用于立式铣床，如图1-9（c）、图1-9（d）所示。

（3）铣削加工的应用

铣削加工已成为机械加工中必不可少的一种加工方式。铣刀有较多的刀齿，连续地依次参加切削，没有空程损失。主运动是旋转运动，故切削速度可以提高。此外，还可进行多刀、多件加工。由于工作台移动速度较低，故有可能在移动的工作台上装卸工件，使辅助时间与机动时间重合，因此提高了工作效率。

在铣床上可以实现的工作有以下几种。

1）铣平面

铣平面是铣削加工中最重要的工作之一，可以在卧式铣床或立式铣床上
进行。

① 在卧式铣床上铣平面。在卧式铣床上用圆柱形铣刀铣平面，称为周铣。周铣的特点是使用方便，在生产中常采用。

② 在立式铣床上铣平面。在立式铣床上用面铣刀铣平面，称为端铣。

③ 其他铣平面的方法。在卧式铣床或立式铣床上采用三面刃圆盘铣刀铣台阶面，用立铣刀铣垂直面等。

2）铣斜面

铣斜面的加工方法主要有以下几种。

① 偏转工件铣斜面。工件偏转适当的角度，使斜面转到水平的位置，然后就可按铣平面的各种方法来铣斜面。

② 偏转铣刀铣斜面。这种方法通常在立式铣床或装有万能铣头的卧式铣床上进行，即使铣刀轴线倾斜成一定角度，工作台采用横向进给进行铣削。另外，在铣一些小斜面工件时，可采用角度铣刀进行加工。

3）铣沟槽

在铣床上对各种沟槽进行加工是最方便的。

① 铣开口式键槽。可在卧式铣床上用三面刃盘铣刀进行铣削（盘铣刀宽度应按键槽宽度来选择）。

② 铣封闭式键槽。封闭式键槽一般是在立式铣床上用键槽铣刀或立铣刀进行铣削。

③ 铣T形槽。T形槽应用较广，如铣床、钻床的工作台都有T形槽，用来安装紧固螺栓，以便于 将夹具或工件紧固在工作台上。铣T形槽一般在立式铣床上进行。

④ 铣半圆键槽。铣半圆键槽一般在卧式铣床上进行。工件可采用V形架或分度头等安装。采用半圆键槽铣刀，铣槽形状由铣刀保证。

⑤ 铣螺旋槽。在铣削加工中，经常会遇到铣削螺旋槽的工作，如圆柱斜齿轮、麻花钻头、螺旋齿轮刀、螺旋铣刀等。铣削螺旋槽常在万能铣床上用分度头进行。

4）成形法铣直齿圆柱齿轮的齿形

在铣床上铣削直齿圆柱齿轮可采用成形法。成形法铣齿刀的形状制成被切齿的齿槽形状，称为模数铣刀（或齿轮铣刀）。用于立式铣床的是柱状模数铣刀，用于卧式铣床的是盘状模数铣刀。

5）铣成形面

在铣床上一般可用成形铣刀铣削成形面，也可以用附加靠模来进行成形面的仿形铣削。

1.3.1.3 刨削加工

在刨床类机床上进行的切削加工称为刨削加工。在刨削加工时，对于牛头刨床，刀具的运动为主运动，工件运动为进给运动；对于龙门刨床，则工件运动为主运动，刀具的运动为进给运动。

牛头刨床的外形如图1-10。它因滑枕和刀架形似牛头而得名。牛头刨床的滑枕可沿床身导轨在水平方向做往复直线运动，使刀具实现主运动。刀架座可绕水平轴线调整至一定的角度位置，以便加工斜面；刀架可沿刀架座的导轨上下移动，以调整吃刀深度。工件可直接安装在工作台上，或安装在工作台上的夹具（如台虎钳等）中。加工时，工作台带着工件沿滑板的导轨做间歇的横向进给运动。滑板还可沿床身的竖直导轨上下移动，以调整工件与刨刀的相对位置。

（1）刨刀的结构特点及种类

刨刀的几何参数与车刀相似，但由于刨削时受到较大的冲击力，故一般刨刀刀杆的横截面积较车刀大1.25～1.5倍。刨刀的前角、后角均比车刀小，刃倾角一般取较大的负值，以提高刀具的强度，同时采用负倒棱。

刨刀往往做成弯头，这是因为当刀具碰到工件表面的硬点时，能绕O点转动，如图1-11所示，使刀尖离开工件表面，防止损坏刀具及已加工表面。

刨刀的种类很多，按加工形式和用途不同，一般有平面刨刀、偏刀、切刀、角度刀及成形刀。

（2）刨刀的安装

刨刀安装正确与否将直接影响到工件的加工质量。如图1-12所示，安装时将转盘对准零线，以便准确控制吃刀深度。刀架下端与转盘底部基本对齐，以增加刀架的强度。刨刀的伸出长度一般为刀杆厚度的1.5～2倍。刨刀与刀架上锁紧螺栓之间通常加垫T形垫铁，以提高夹持稳定性。夹紧时夹紧力大小要合适，由于抬刀板上有孔，过大的夹紧力会压断刨刀。

（3）刨削加工的应用

由于牛头刨床的刀具在反向运动时不加工，浪费了不少时间；滑枕在换向的瞬间有较大的惯量，限制了主运动速度的提高，使切削速度较低；此外，在牛头刨床上通常只能单刀加工，不能用多刀同时切削，所以牛头刨床的生产率比较低。但在牛头刨床上加工时使用的刀具较简单。所以牛头刨床主要用于单件、小批生产或修理车间。

当加工表面较大时，如仍应用类似牛头刨床形式的机床，则滑枕悬伸过长，而且工作台的刚度也难以满足要求，这时就需应用龙门刨床。龙门刨床主要用来加工大平面，尤其是长而窄的平面，也可用来加工沟槽或同时加工几个中小型零件的平面。应用龙门刨床进行精细刨削，可得到较高的精度和表面粗糙度（表面粗糙度Ra=0.32～2.5μm），大型机床的导轨通常是用龙门刨床精细刨削来完成终加工工序的。

使用刨床加工，刀具较简单，但生产率往往不如铣削高（加工长而窄的平面例外），所以刨床主要用于单件、小批生产及机修车间，大批、大量生产中它往往被铣床所代替。

在刨床上可以实现的工作有以下几种。

1）刨平面

刨削平面可按以下方法和步骤进行加工。

① 刨平面时工件的装夹。小型工件可夹在平口虎钳上，较大的工件可直接固定在工作台上。若工件直接装夹在工作台上，则可用压板来固定，此时应分几次逐渐拧紧各个螺母，以免夹紧时工件变形。为使工件不致在刨削时被推动，需在工件前端加挡铁。如果所加工工件要求相对的面平行，相邻的面互成直角，则应采用平行垫块和垫圆棒夹紧。

② 刨削的步骤。

首先，工件和刨刀安装正确后，调整升降工作台，使工件在高度上接近刨刀。

然后，根据工件的长度及安装位置，调整好滑枕和行程位置；调整变速手柄位置，调出所需的往返速度；调整棘轮机构，调出合适的进给量。

再转动工作台的横向手柄，使工件移到刨刀下方，开动机床，慢慢转动刀架上的手柄，使刀尖和工件表面相接触，在工件表面上划出一条细线。

最后，移动工作台，使工件一侧退离刀尖3～5mm后停机。转动刀架，使刨刀达到所需的吃刀深度，然后开机刨削。若余量较大可分几次进给完成。

刨削完毕，用量具测量工件尺寸，尺寸合格后方可卸下工件。

2）刨垂直面和斜面

刨垂直面是指用刀架垂直进给来加工平面的方法。为了使刨削时刨刀不会刨到平口虎钳和工作台，一般要将加工的表面悬空或垫空，但悬伸量不宜过长。若过长，刀具刚度变差，刨削时容易产生让刀和振动现象。刨削时采用偏刀，安装偏刀时刨刀伸出的长度应大于整个刨削面的高度。

刨削时，刀架转盘的刻线应对准零线，以使刨出的平面和工作台平面垂直。为了避免回程时划伤工件已加工表面，必须将刀座偏转10°～15°，这样抬刀板抬起时，刨刀会抬离工件已加工表面，并且可减少刨刀磨损。

刨削斜面的方法很多，常用的方法为倾斜刀架法。即将刀架倾斜一个角度，同时偏转刀座，用手转动刀架手柄，使刨刀沿斜向进给。刀架倾斜的角度是工件待加工斜面与机床纵向铅垂面的夹角。刀座倾斜的方向与刨垂直面时相同，即刀座上端偏离被加工斜面。

3）刨沟槽

刨直槽可用车槽刀以垂直进给来完成。可根据槽宽分一次或几次刨出，各种槽均应先刨出窄槽。

在刨削T形槽时，先刨出各关联平面，并在工件端面和上平面上划出加工线。用车槽刀刨出直角槽，使其宽度等于T形槽槽口的宽度，深度等于T形槽的深度。然后用弯切刀刨削一侧的凹槽，刨好一侧再刨另一侧。刨燕尾槽的过程与刨T形槽相似。

4）刨矩形零件

矩形零件要求对面平行，相邻两面垂直。其刨削步骤如下。

① 选择一个较大、较平整的平面作为底面定位，刨出精基准面。

② 将精基准面贴紧在钳口一侧，在活动钳口与工件之间垫一圆棒，使夹紧力集中在钳口中部，然后刨第二平面（与精基准面垂直）。

③ 精基准面紧贴钳口，将工件转180°，刨第三个平面。

④ 把精基准面放在平行垫铁上，固定工件，刨出第四个平面。

1.3.1.4 磨削加工

磨削是在磨床上利用砂轮或其他磨具、磨料作为切削工具对工件进行加工的工艺过程。磨削加工所用设备主要为磨床，磨床的种类较多，按其加工特点及结构的不同，常见的主要有平面磨床、外圆磨床、内圆磨床及工具磨床、抛光机等。

图1-13给出了M1432A型万能外圆磨床的结构，该磨床的使用性能与制造工艺性都比较好。主要由床身、工作台、头架、尾座、砂轮架、横向进给手轮和内圆磨具等组成。

（1）磨削运动及磨削用量

磨削运动是为了切除工件表面多余材料，加工出合格的、完整的表面，是磨具与工件之间必须产生的所有相对运动的总称。下面以磨削外圆柱面为例加以说明，如图1-14所示。

① 主运动。砂轮的高速旋转是主运动。用砂轮外圆的线速度vs来表示，单位为m/s。

② 圆周进给运动。指工件绕自身轴线的旋转运动。用工件回转时待加工表面的线速度vw表示，单位为m/s。

③ 纵向进给运动。指工作台带动工件做纵向往复运动。用工件每转一转沿自身轴线方向的移动量fa表示，单位为mm/r。

④ 横（径）向进给运动。工作台带动工件每一次纵向往复行程内，砂轮相对于工件的径向移动的距离ap称为背吃刀量，单位为mm。

（2）磨削加工的应用

磨削属精加工，能加工平面、内外圆柱表面、内外圆锥表面、内外螺旋表面、齿轮齿形及花键等成形表面，还能刃磨刀具和进行切断钢管、去除铸件或锻件的硬皮及粗磨表面等粗加工。磨削以平面磨削、外圆磨削和内圆磨削最为常用，这些表面的加工都必须在相对应的平面磨床、外圆磨床、内圆磨床上进行。

① 磨平面。磨削平面一般在平面磨床上进行。钢和铸铁等导磁性工件可直接装夹在有电磁吸盘的机床工作台上。非导磁性工件，要用精密平口钳或导磁直角铁等夹具装夹。根据磨削时砂轮工作表面的不同，磨削平面的工艺方法有两种，即周磨法和端磨法。

② 磨外圆及外圆锥面。磨外圆时工件常用前、后顶尖装夹，用夹头带动旋转；还可用心轴装夹，用三爪自定心或四爪单动卡盘装夹，用卡盘和顶尖装夹。磨削方法有纵磨法、横磨法、综合磨法、深磨法，如图1-15所示。

磨外圆锥面时可采用转动工作台、转动头架、转动砂轮架和用角度修整器修整砂轮等方法，如图1-16所示。

③ 磨内圆柱孔。内圆柱孔的磨削，可以在内圆磨床上进行，也可以在万能外圆磨床上用内圆磨头进行磨削。磨内孔时，一般都用卡盘夹持工件外圆，其运动与磨外圆时基本相同，但砂轮的旋转方向相反。磨削的方法有两种，纵向磨和切入磨，如图1-17所示。

1.3.2 常见热加工工艺

常见的热加工主要有热处理、表面处理、铸造、锻造等加工工艺方法。

1.3.2.1 热处理

金属材料的热处理是一种将金属材料在固态下加热到一定温度并在这个温度停留一段时间，然后把它放在水、盐水或油中迅速冷却到室温，从而改善其力学性能的工艺方法。

热处理主要有两方面的作用：一是获得零件所要求的使用性能，如提高零件的强度、韧性和使用寿命等；二是作为零件加工过程中的一个中间工序，消除生产过程中妨碍继续加工的某些不利因素（如改善切削加工性、冲压性），以保证继续加工正常进行。

金属材料热处理的原理就是通过控制材料的加热温度、保温时间和冷却速度，使材料内部组织和晶粒粗细产生需要的变化，从而获得所加工零件需要的力学性能。按热处理材料的不同，主要分为钢的热处理及有色金属的热处理两种。其中，钢的热处理应用最为广泛。

实际操作中，热处理方法分为普通热处理和表面热处理两大类，常用钢的热处理方法见图1-18。

（1）普通热处理

普通热处理方法可分为退火、正火、淬火和回火四种，俗称“四把火”。

① 退火。退火是将材料加热到某一温度范围，保温一定时间，然后缓慢而均匀地冷却到室温的操作过程。根据不同的目的，退火的规范也不同，所以退火又分为去应力退火、球化退火和完全退火等。

钢的去应力退火，又称低温退火，加热温度大约是500～650℃，保温适当时间后缓慢冷却。目的是消除变形加工、机械加工等产生的残余应力。

钢的球化退火可降低钢的硬度，提高塑性，改善切削性能。减少钢在淬火时发生变形和开裂的倾向。

钢的完全退火，又称重结晶退火，即加热温度比去应力退火高，当达到或超过重结晶的起始温度时，经适当的时间保温后再缓慢冷却。完全退火的目的是细化晶粒，消除热加工造成的内应力，降低硬度。

② 正火。正火是将钢件加热到临界温度以上，保持一段时间，然后在空气中冷却，其冷却速度比退火快。正火的目的是细化组织，增加强度与韧性，减少内应力，改善切削性能。

正火与完全退火加热温度、保温时间相当，主要不同在于冷却速度。正火为自然空冷（快），完全退火为控制炉冷（慢），因此，同一材料正火后强度、硬度要高。

表1-2为常用结构钢完全退火及正火工艺规范。

③ 淬火。淬火是将材料加热到某一温度范围保温，然后以较快的速度冷却到室温，使材料转变成马氏体或下贝氏体组织的操作过程。淬火方法有普通淬火、分级淬火及等温淬火等。

④ 回火。回火是将已淬火钢件重新加热到奥氏体转变温度以下的某一温度并保温一定时间后再以适当方式（空冷、油冷）冷至室温。

钢的回火是紧接淬火的后续工序，一般都是在淬火之后马上进行，工艺上都要求淬火后多少小时必须进行。回火方法有低温回火（加热温度在150～250℃）、中温回火（加热温度在350～500℃）、高温回火（加热温度在500～650℃）三种。

回火的目的是减少或消除淬火应力，提高塑性和韧性，获得强度与韧性配合良好的综合力学性能，稳定零件的组织和尺寸，使其在使用中不发生变化。

⑤ 调质。淬火和高温回火的双重热处理方法称为调质。调质是热处理中一项极其重要的工艺，通过调质处理可获得强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合性能，主要用于结构钢所制造的工件。

（2）表面热处理

表面热处理就是通过物理或化学的方法改变钢的表层性能，以满足不同的使用要求。常用的表面热处理方法如下。

① 表面淬火。表面淬火是将钢件的表面层淬透到一定的深度，而中心部分仍保持淬火前状态的一种局部淬火方法。它是通过快速加热，使钢件表层很快达到淬火温度，在热量来不及传到中心时就迅速冷却，实现表面淬火。

表面淬火的目的在于获得高硬度的表面层和具有较高韧性的内层，以提高钢件的耐磨性和疲劳强度。

② 渗碳。为增加低碳钢、低合金钢等的表层含碳量，在适当的媒剂中加热，将碳从钢表面扩散渗入，使表面层成为高碳状态，并进行淬火使表层硬化，在一定的渗碳温度下，加热时间越长，渗碳层越厚。根据钢件要求的不同，渗碳层的厚度一般在0.5～2mm。

③ 渗氮。渗氮通常是把已调质并加工好的零件放在含氮的介质中，在500～600℃的温度内保持适当时间，使介质分解生成的新生态氮渗入零件的表面层。渗氮的目的是提高工件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度和抗咬合性，提高零件抗大气、过热蒸气腐蚀的能力，提高耐回火性，降低缺口敏感性。

1.3.2.2 表面处理

金属表面处理是一种通过处理使金属表面生成一层金属或非金属覆盖层，用以提高金属工件的防腐、装饰、耐磨或其他性能的工艺方法。金属表面处理的方法如下。

（1）电镀

电镀是一种在工件表面通过电沉积的方法生成金属覆盖层，从而获得装饰、防腐及某些特殊性能的工艺方法。根据工件对腐蚀性能的要求，镀层可分为阳极镀层和阴极镀层两种，阳极镀层能起到电化学保护基体金属免受腐蚀的作用，阴极镀层只有当工件被镀层全部覆盖且无孔隙时，才能保护基体金属免受腐蚀。常用镀层的选择见表1-3。

（2）化学镀

化学镀是借助于溶液中的还原剂使金属离子还原成金属状态，并沉积在工件表面上的一种镀覆方法。其优点是任何外形复杂的工件都可获得厚度均匀的镀层，镀层致密，孔隙小，并有较高的硬度，常用的有化学镀铜和化学镀镍。

（3）化学处理

化学处理是将金属置于一种化学介质中，通过化学反应，在金属表面生成一种化学覆盖层，使之获得装饰、耐蚀、绝缘等不同的性能。常用的金属表面化学处理方法有氧化和磷化处理，氧化和磷化对工件精度无影响。氧化主要用于机械零件及精密仪器、仪表的防护与装饰；磷化的耐腐蚀性能高于氧化，并且具有润滑性和减摩性及较高的绝缘性，主要用于钢铁工件的防锈及硅钢片的绝缘等。

钢的氧化处理是将钢件放在空气-水蒸气或化学药物中，在室温或加热到适当温度后，使其表面形成一层蓝色或黑色氧化膜，以改善钢的耐腐蚀性和外观的处理工艺，又叫发蓝处理。

表1-4给出了钢件磷化处理工艺及其性能，表1-5给出了钢件发蓝处理工艺。

（4）阳极氧化处理

在含有硫酸、草酸或铬酸的电解液中，将金属工件作为阳极，电解后使其表面氧化而生成一层坚固的氧化膜，这种方法适用于铝、锆等金属的表面处理。常用的铝及其合金的阳极氧化处理的特性是提高工件的抗蚀性与装饰性，提高工件的耐磨性。阳极氧化处理广泛应用于航空、机械、电子、电气等工业。用于抗蚀与装饰时氧化膜厚度10～20μm，用于提高耐磨性时氧化膜厚度60～200μm。

1.3.2.3 铸造

铸造是将液体金属浇铸到与零件形状相适应的铸造空腔中，待其冷却凝固后，以获得零件或毛坯的加工工艺方法。采用铸造工艺生产的零件称为铸件，铸件在毛坯中占有很大的比例，这与铸造生产的特点有关。其一，铸造是应用金属液体成形，故可铸造复杂形状的铸件，如机床床身的加强肋等。这是其他许多成形方法无法实现的。铸件的质量可大可小，从几克到几百吨不等。大多数金属材料（如钢铁、铝、铜等）都适合于铸造，其中尤以灰铸铁铸造性能最佳，因此在铸造中应用范围广泛。其二，铸造生产应用的型腔形状、尺寸可以制成很接近于零件的形状、尺寸，有些精密铸造可以直接成为零件，这为实现少切削、无切削加工提供了有利条件，故铸造可省材料。另外，铸造造型的主要原料如型砂、芯砂来源广，价格便宜，并且铸造生产中可以利用废旧金属材料，这样也可降低生产成本。因此，铸造生产具有应用广、材料省、成本低的优点，但也存在着铸造组织较为粗糙、劳动条件较差、细长件和薄件较难铸造等缺点。随着机器造型和特种铸造方法的出现，这些问题正被逐渐克服。

铸造生产方法有多种，通常分为砂型铸造和特种铸造。其中，砂型铸造是应用最广泛、最基本的铸造方法。

（1）砂型铸造生产工艺过程

砂型铸造的生产工艺过程主要包括：模样、芯盒、型砂、芯砂的制备，造型、造芯，合箱，熔化金属及浇注，落砂、清理及检验，等等。其工艺过程如图1-19所示。

（2）铸型的结构

以应用最多的两箱造型方法为例，铸型的结构如图1-20所示。铸型结构主要包括上、下砂箱，形成型腔的砂型、型芯以及浇注系统等。上、下砂箱多为金属框架。

金属液体在砂型里的通道称为浇注系统，主要包括浇口、冒口两大部分。浇口依次序包括浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道四个部分，如图1-21所示。浇口杯引导液体进入浇注系统。直浇道引入横浇道并调节静压。横浇道引入内浇道，并撇渣、挡渣。内浇道引入型腔，可控制浇注速度和方向。

（3）铸铁的熔炼

铸件中铸铁件占大多数，约占60%～70%。其余为铸钢件、有色金属铸件。目前铸铁的熔炼设备主要是冲天炉及感应电炉。

冲天炉炉料为新生铁、回炉旧铸铁件、废钢等，燃料主要是焦炭，也有用煤粉的。熔剂常用的有石灰石（CaCO3）和氟石（CaF2）等。

熔炼时先以木柴引火烘炉，烧旺。加入焦炭至一定高度形成底焦，鼓风烧旺。再依一定的比例，按熔剂、金属料、焦炭的顺序加料。铁液和炉渣分别由前炉的出铁槽和出渣口排出。

（4）铸铁的浇注

浇注是将金属熔液浇入铸型，若操作不当，则容易诱发安全事故，也影响铸件质量。

浇注前要充分做好准备，清理浇注场地，安排被浇注砂箱等。浇注前还要控制正确的浇注温度，各种金属浇注不同厚度的铸件时，应采用不同的浇注温度，铸铁件一般为1250～1350℃。采用适中的浇注速度，浇注速度与铸件大小、形状有关，但浇注开始和快结束时都要慢速浇注，前者可减少冲击，也有利于型腔中空气的逸出，后者将减少金属液体对上砂箱的顶起力。

1.3.2.4 锻造

锻造是使金属材料在外力（静压力或冲击压力）的作用下发生永久变形的一种加工方法。锻造可以改变毛坯的形状和尺寸，也可以改善材料的内部组织，提高锻件的物理性能和力学性能。锻造生产可以为机械制造工业及其他工业提供各种机械零件的毛坯。一些受力大、要求高的重要零件，如汽轮机及发电机的主轴、转子、叶轮、叶片，轧钢机轧辊，内燃机曲轴、连杆，齿轮、轴承、刀具、模具以及国防工业方面所需要的重要零件等，都采用锻造生产。

锻造与其他机械加工方法相比，具有显著的特点：节约金属材料，能改善金属材料的内部组织、力学性能和物理性能，提高生产率，增加零件的使用寿命。另外，锻造生产的通用性强，既可单件、小批量生产，也可大批量生产。因此，锻造生产广泛地应用于冶金、矿山、汽车、工程机械、石油、化工、航空、航天、兵器等行业。锻造生产能力及其工艺水平的高低，在一定程度上反映了一个国家的工业水准。在现代机械制造业中，锻造生产具有不可替代的重要地位。

（1）锻造的种类

锻造属于压力加工生产方法中的一部分，锻造生产可以按不同方法分类。

1）按毛坯锻打时的温度分类

① 热锻。将坯料加热到一定温度再进行锻造称为热锻，它是目前应用最为广泛的一种锻造工艺。

② 冷锻。将坯料在常温下进行锻造称为冷锻，如冷镦和冷挤压等。冷锻所需的锻压设备吨位较大。冷锻可以获得较高精度和强度以及表面粗糙度值较小的锻件。

③ 温锻（又称半热锻）。坯料加热的温度小于热锻时的温度。它所需要的设备吨位较冷锻小，可锻造强度较高和表面较粗糙的锻件，是目前正在发展中的一种新工艺。

2）按作用力分类

① 手工锻造（手锻）。依靠手锻工具和人力的打击，在铁砧上将毛坯锻打成预定形状的锻件。常用于修配零件和学习训练等。

② 机器锻造（机锻）。依靠锻造工具在各种锻造设备上将坯料制成锻件。按所用的设备和工具不同，又可分为自由锻造、模型锻造、胎模锻造和特种锻造
四类。

（2）自由锻的基本工序

自由锻造简称自由锻，它是将加热到一定温度的金属坯料放在自由锻造设备上下砧之间进行锻造，由操作者控制金属的变形而获得预期形状的锻件。它适用于单件、小批量生产。

自由锻加工工序可分为基本工序和辅助工序。基本工序主要有镦粗、拔长、冲孔、弯曲，其次有扭转、错移、切割等。如锻件形状较为复杂，锻造过程就需由几个工序组合而成。辅助工序主要有切肩、压痕、精整（其中包括摔圆、平整、校直等）。常用工序如图1-22所示。

1.3.3 机械加工精度

零件经机械加工后的实际尺寸、表面形状、表面相互位置等几何参数符合其理想的几何参数的程度称为机械加工精度。两者不符合的程度称为加工误差。加工误差越小，加工精度越高。

1.3.3.1 零件的加工精度

零件的机械加工精度主要包括尺寸精度、形状精度、位置精度。

（1）尺寸精度

尺寸精度是指加工后零件的实际尺寸与理想尺寸的符合程度。理想尺寸是指零件图上所注尺寸的平均值，即所注尺寸的公差带中心值。尺寸精度用标准公差等级表示，分为20级。

（2）形状精度

加工后零件表面实际测得的形状和理想形状的符合程度。理想形状是指几何意义上的绝对正确的圆柱面、圆锥面、平面、球面、螺旋面及其他成形表面。形状精度等级用形状公差等级表示，分为12级。

（3）位置精度

它是加工后零件有关表面相互之间的实际位置和理想位置的符合程度。理想位置是指几何意义上的绝对的平行、垂直、同轴和绝对准确的角度关系等。位置精度用位置公差等级表示，分为12级。

零件表面的尺寸、形状、位置精度有其内在联系，形状误差应限制在位置公差内，位置公差要限制在尺寸公差内。一般尺寸精度要求高，其形状、位置精度要求也高。

1.3.3.2 获得尺寸精度的方法

机械加工中，获得尺寸精度的方法有试切法、定尺寸刀具法、调整法和自动控制法四种。

① 试切法。试切法就是通过试切→测量→调整→再试切的反复过程来获得尺寸精度的方法。它的生产效率低，同时要求操作者有较高的技术水平，常用于单件及小批量生产中。

② 定尺寸刀具法。加工表面的尺寸由刀具的相应尺寸保证的一种加工方法，如钻孔、铰孔、拉孔、攻螺纹、套螺纹等。这种方法控制尺寸十分方便，生产率高，加工精度稳定。加工精度主要由刀具精度决定。

③ 调整法。它是按工件规定的尺寸预先调整机床、夹具、刀具与工件的相对位置，再进行加工的一种方法。工件尺寸是在加工过程中自动获得的，其加工精度主要取决于调整精度。它广泛应用于各类自动机、半自动机和自动线上，适用于成批及大量生产。

④ 自动控制法。这种方法是用测量装置、进给装置和控制系统组成一个自动加工的循环过程，使加工过程中的测量、补偿调整和切削等一系列工作自动完成。图1-23（a）为磨削法兰肩部平面时，用百分表自动控制尺寸h的方法。
图1-23（b）是磨外圆时控制轴颈直径的方法。

1.3.3.3 获得零件几何形状精度的方法

零件的几何形状精度，主要由机床精度或刀具精度来保证。如车圆柱类零件时，其圆度及圆柱度等几何形状精度，主要取决于主轴的回转精度、导轨精度及主轴回转轴线与导轨之间的相对位置精度。

1.3.3.4 获得零件的相对位置精度的方法

零件的相对位置精度，主要由机床精度、夹具精度和工件的装夹精度来保证。如在车床上车工件端面时，其端面与轴心线的垂直度取决于横向溜板送进方向与主轴轴心线的垂直度。

1.3.3.5 产生加工误差的原因及消减方法

加工误差的产生是由于在加工前和加工过程中，由机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统存在很多的误差因素。

（1）原理误差

加工时，由于采用了近似的加工运动或近似的刀具轮廓而产生的误差，称为原理误差。如用成形铣刀加工锥齿轮、用近似的刀具形状加工模数相同而齿数不等的齿轮将产生齿形误差。

（2）装夹误差

工件在装夹过程中产生的误差称为装夹误差。它是定位误差和夹紧误差
之和。

1）定位误差

定位误差是工件在夹具中定位时，其被加工表面的工序基准在加工方向尺寸上的位置不定性而引起的一项工艺误差。定位误差与定位方法有关，包括定位基准与工序基准不重合引起的基准不重合误差和定位基准制造不准确引起的基准位移误差。计算方法为：

ΔD=Δy+ΔB

基准位移误差与基准不重合误差分别为：

Δy=（Th+TS+Xmin） /2

ΔB=Td/2

式中 Th—工件孔的制造公差，mm；

TS—心轴的制造公差，mm；

Td—工序基准所在的外圆柱面的直径公差，mm。

例如某工件的A、B外圆直径分别为φ40 0-0.1mm及φ20 0-0.1mm，它们的同轴度公差值为0.07mm，按图1-24所示的加工精度及装夹方法进行加工，则可计算出其定位误差为：

ΔB=TSA/2+δ=0.05+0.07=0.12（mm）

由于加工时以A圆的下母线为工序基准，而定位基准是B圆中心线，属基准不重合误差。误差为垂直方向上A圆下母线与B圆中心线距离的变动量，包括A、B圆的同轴度误差δ及A圆下母线到A圆中心线的变动量。

B圆在90°的V形架上定位，其中心线在垂直方向的变动量为基准位移
误差：

Δy=TSB/2=≈0.0707（mm）

因此，ΔD=ΔB+Δy≈0.12+0.0707=0.1907（mm）

此定位误差超过了尺寸精度公差，无法达到加工要求。

2）夹紧误差

结构薄弱的工件，在夹紧力的作用下会产生很大的弹性变形，在变形状态下形成的加工表面，当松开夹紧、变形消失后将产生很大的形状误差，如图1-25所示。

3）消减定位误差和夹紧误差的方法

消减定位误差和夹紧误差的方法主要有以下几方面。

① 正确选择工件的定位基准，尽可能选用工序基准（工艺文件上用以标定加工表面位置的基准）为定位基准。图1-24的加工实例，如果采用图1-26的方法进行装夹，则ΔB为零，且Δy可以忽略不计，故ΔD为零，可大幅度地降低其误差。如必须在基准不重合的情况下加工，一定要计算定位误差，判断能否加工。

② 采用宽卡爪或在工件与卡爪之间衬一开口圆形衬套，可减小夹紧变形，如图1-27所示。

（3）机床误差

机床误差对机械加工精度的影响主要有以下几方面。

① 机床主轴误差。它是由机床主轴支承轴颈的误差、滚动轴承制造及磨损造成的误差。主轴回转时将出现径向圆跳动及轴向窜动。径向圆跳动使车、磨后的外圆及镗出的孔产生圆度误差，轴向窜动会使车削后的平面产生平面度误差。因此，主轴误差会造成加工零件的形状误差、表面波动和表面粗糙度值变大。

消减机床主轴误差，可采用更换滚动轴承、调整轴承间隙、换用高精度静压轴承的方法。在外圆磨床上用前、后固定顶尖装夹工件，使主轴仅起带动作用，是避免主轴误差的常用方法。

② 导轨误差。导轨误差是导轨副实际运动方向与理论运动方向的差值。它包括在水平面及垂直面内的直线度误差和在垂直面内前后导轨的平行度误差（扭曲度）。导轨误差会造成加工表面的形状与位置误差。如车床、外圆磨床的纵向导轨在水平面内的直线度误差，将使工件外圆产生母线的直线度误差［图1-28（a）］；卧式镗床的纵向导轨在水平面内的直线度误差，当工作台进给镗孔时，孔的中心线会产生直线度误差［图1-28（b）］。

为减小加工误差，须经常对导轨进行检查及测量。及时调整床身的安装垫铁，修刮磨损的导轨，以保持其必需的精度。

③ 机床主轴、导轨等位置关系误差。该类误差将使加工表面产生形状与位置误差。如车床床身纵向导轨与主轴在水平面内存在平行度误差，会使加工后的外圆出现锥形；立式铣床主轴与工作台的纵向导轨不垂直，铣削平面时将出现下凹度，如图1-29所示。

④ 机床传动误差。机床传动误差是刀具与工件速比关系误差。传动机构的制造误差、装配间隙及磨损，将破坏正确的运动关系。如车螺纹时，工件每转一转，床鞍不能准确地移动一个导程，会产生螺距误差。

提高传动机构的精度，缩短传动链的长度，减小装配间隙，可减小因传动机构而造成的加工误差。

（4）夹具误差

使用夹具加工时，工件的精度取决于夹具的精度。影响工件加工精度的夹具误差如下。

① 夹具各元件的位置误差。夹具的定位元件、对刀元件、刀具引导装置、分度机构、夹具体的加工与装配所造成的误差，将直接影响工件的加工精度。为保证零件的加工精度，一般将夹具的制造公差定为相应尺寸公差的1/5～1/3。

② 夹具磨损造成的误差。夹具在使用一定时间后，因与工件及刀具摩擦而磨损，使加工时产生误差。因此，应定期检查夹具的精度及磨损情况，及时修理及更换磨损的夹具。

（5）刀具误差

刀具的制造误差、装夹误差及磨损会造成加工误差。用定尺寸刀具加工时，刀具的尺寸误差将直接反映在工件的加工尺寸上。如铰刀直径过大，则铰孔后的孔径也过大，此时应将铰刀直径研小。成形刀具的误差直接造成加工表面的形状误差，如普通螺纹车刀的刀尖角不是60°时，则螺纹的牙型角便产生误差。

刀具在使用过程中会磨损，并随切削路程增加而增大。磨损后刀具尺寸的变化直接影响工件的加工尺寸，如车削外圆时，工件的直径将随刀具的磨损而增大。因此，加工中应及时刃磨、更换刀具。

（6）工艺系统变形误差

机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统，受到力与热的作用，都会产生变形误差。主要体现在以下几方面。

① 工艺系统的受力变形。工艺系统在切削力、传动力、重力、惯性力等外力作用下，产生变形，破坏了刀具与工件间的正确位置，造成加工误差。其变形的大小与工艺系统的刚度有关。

工艺系统刚度不足造成的误差有：工艺系统刚度在不同加工位置上的差别较大时造成的形状误差，毛坯余量或材料硬度不均引起切削力变化造成的加工误差，切削力变化造成加工尺寸变化。此外，刀具的锐、钝变化及断续切削都会因切削力变化使工件的加工尺寸造成较大的误差。

减少工件受力变形误差的措施包括：零件分粗、精阶段进行加工；减少刀具、工件的悬伸长或进行有效的支承以提高其刚度，减小变形及振动；改变刀具角度及加工方法，以减小产生变形的切削力；调整机床，提高刚度。

② 工艺系统的受热变形。切削加工时，切削热及机床传动部分发出的热量，使工艺系统产生不均匀的温升而变形，改变了已调整好的刀具与工件的相对位置，产生加工误差。热变形主要包括：工件受热变形，即在切削过程中，工件受切削热的影响而产生的热变形；刀具受热变形，刀具体积较小，温升快、温度高，短时间内会产生很大的伸长量，然后变形不再增加；机床受热变形，机床结构不对称及不均匀受热，会使其产生不对称的热变形。

减少热变形误差的措施有：减轻热源的影响，切削时，浇注充分的切削液，可减小工件及刀具的温升及热变形；进行空运转或局部加热，保持工艺系统热平衡；在恒温室中进行精密加工，减少环境温度的变化对工艺系统的影响；探索温度变化与加工误差之间的规律，用预修正法进行加工。

（7）工件残余应力引起的误差

工件材料的制造和机械加工过程中会产生很大的热应力。热加工应力超过材料强度时，工件产生裂纹甚至断裂。因此，残余应力是在没有外力作用的情况下，存在于构件内部的应力。存在残余应力的工件处于不稳定状态，具有恢复到无应力状态的倾向，直到此应力消失。工件在材料残余应力的消失过程中，会逐渐地改变形状，丧失其原有的加工精度。具有残余应力的毛坯及半成品，经切削后原有的平衡状态被破坏，内应力重新分布，使工件产生明显的变形。减小工件的残余应力的措施如下。

① 铸、锻、焊接件进行回火后退火，零件淬火后回火。

② 粗、精加工间应间隔一定时间，松开后施加较小的夹紧力。

③ 改善结构，使壁厚均匀，减小毛坯的残余应力。

（8）测量误差

测量时，由量具本身及测量方法造成的误差称为测量误差。减少测量误差，要选用精度及最小分度值与工件加工精度相适应的量具。测量方法要正确并正确读数，避免因工件与量具热膨胀系数不同而造成误差。精密零件应在恒温室中进行测量。要定期检查量具并注意维护保养。

1.3.3.6 工艺尺寸链及其计算

在机械加工过程中，互相联系的尺寸按一定顺序首尾相接，排列成的尺寸封闭图就是尺寸链。在加工过程中的有关尺寸形成的尺寸链，称为工艺尺寸链。

（1）尺寸链的组成

一个尺寸链由封闭环、组成环组成。

① 链环。尺寸链图中的每一个尺寸都称为链环。

② 封闭环。尺寸链中，最终被间接保证尺寸的那个环称为封闭环，代号为A∑。一个尺寸链中只有一个封闭环。

③ 组成环。尺寸链中，能人为地控制或直接获得尺寸的环，称为组成环。组成环按它对封闭环的影响，又可分为增环与减环。组成环中，某组成环增大而其他组成环不变，使封闭环随之增大，此组成环为增环，记为；某组成环增大而其他组成环不变，使封闭环随之减小，此组成环为减环，记为。

（2）尺寸链的基本计算

尺寸链的基本计算公式为：

；；

式中 A∑ —封闭环的基本尺寸，mm；

A∑max —封闭环的最大极限尺寸，mm；

—各增环的基本尺寸，mm；

A∑min —封闭环的最小极限尺寸，mm；

—各减环的基本尺寸，mm；

——各增环的最大极限尺寸，mm；

—各增环的最小极限尺寸，mm；

—各减环的最大极限尺寸，mm；

—各减环的最小极限尺寸，mm；

m —增环的环数；

n —减环的环数；

T∑ —封闭环的公差，mm；

—各增环的公差，mm；

—各减环的公差，mm；

Ti —各组成环的公差，mm。

（3）计算实例

如图1-30所示的零件，工件平面1和3已经加工，平面2待加工，尺寸A及其公差可按以下方法求解。

根据零件的工序图要求，可画出如图1-30（b）所示的尺寸链图，已知组成环A1、A2，则

故A∑最大为60.2mm，最短为59.9mm。

1.3.4 工件的定位及夹紧

在生产加工中，要使工件的各个加工表面的尺寸、形状及位置精度符合规定要求，必须使工件在机床或夹具中占有一个确定的位置。使工件在机床上或夹具中占有正确位置的过程称为定位。工件的定位可以通过找正实现，也可以由工件上的定位表面与夹具的定位元件接触来实现。

1.3.4.1 工件的定位原理

工件的定位是通过六点定位原理来实现的。

（1）六点定位原理

物体在空间中的任何运动，都可以分解为相互垂直的空间直角坐标系中的六种运动。其中三个是沿三个坐标轴的平行移动，分别以及表示；另三个是绕三个坐标轴的旋转运动，分别以、及表示。这六种运动的可能性，称为物体的六个自由度，如图1-31所示。

在夹具中适当地布置六个支承，使工件与六个支承接触，就可限制工件的六个自由度，使工件的位置完全确定。这种采用布置恰当的六个支承点来限制工件六个自由度的方法，称为“六点定位”，如图1-32所示。

在图1-32中，xOy坐标平面上的3个支承点限制了工件的及3个自由度，yOz坐标平面的两个支承点限制了及2个自由度，xOz坐标平面上的一个支承点限制了 l个自由度。这种必须使定位元件所相当的支承点数目刚好等于6个，且按3∶2∶1的数目分布在3个相互垂直的坐标平面上的定位方法称为六点定则，或称为六点定位原理。

（2）六点定位的应用

按工件在夹具中的定位情况，有以下几种定位。

① 完全定位。工件在夹具中定位时，如果夹具中的6个支承点恰好限制了工件的6个自由度，使工件在夹具中占有完全确定的位置，这种定位方式称为“完全定位”，简称“全定位”，见图1-32。

② 不完全定位。定位元件的支承点完全限制了按加工工艺要求需要限制的自由度数目，但却少于6个自由度。

图1-33为阶梯面零件，需要在铣床上铣阶梯面。由于其底面和左侧面为高度和宽度方向的定位基准，阶梯槽是前后贯通的，故只需限制5个自由度（底面3个支承点，侧面2个支承点），装夹定位如图1-34所示。

又如在平面磨床上磨平面，如图1-35所示，要求保证工件的厚度尺寸H及平行度δa，只需限制、、3个自由度即可。

以上说明，并非任何工件在夹具中一定要完全定位，只要满足加工工艺要求，限制的自由度少于6个也是合理的，且可简化夹具的结构。

③ 欠定位。工件定位时，定位元件所能限制的自由度数，少于按加工工艺要求所需要限制的自由度数，称为欠定位。欠定位不能保证加工精度要求，不允许在欠定位情况下进行加工。

图1-36 （a）所示的零件，需在铣床上铣不通槽。如果端面没有定位点C［见图1-36（b）］，铣不通槽时，其槽的长度尺寸不能确定，因此，不能满足加工工艺要求，这就是欠定位。

④ 过定位。定位元件所相当的支承点数多于所能限制的自由度数，即工件上有某一自由度被两个或两个以上支承点重复限制的定位，称为过定位，也称重复定位。

图1-37（a）所示的装夹方法中，较长的心轴对内孔定位消除了、及、

4个自由度，夹具平面P对工件大平面定位，消除、及3个自由度，和被心轴和平面P重复限制，故是过定位。

由于工件与定位元件都存在误差，无法使工件的定位表面同时与两个进行重复定位的定位元件接触，如果强行夹紧，工件与定位元件将产生变形，甚至损坏。

图1-37（b）及图1-37（c）是改进后的定位方法。图1-37（b）采用短圆柱、大平面定位，短圆柱仅限制、 2个自由度，避免了过定位。图1-37（c）采用长圆柱、小平面定位，小平面仅限制 1个自由度，避免了过定位。这两种都是正确的定位方法，其中图1-37（b）主要保证加工表面与大平面的位置精度，图1-37（c）主要保证加工表面与内孔的位置精度。

1.3.4.2 常用的定位方法及定位元件

（1）平面定位

工件以平面作定位基准，是常见的定位方式，如加工箱体、机座、平板、盘类零件时，常以平面定位。

当工件以一个平面为定位基准时，一般不以一个完整的大平面作为定位元件的工作接触表面，常用三个支承钉或两三个支承板作定位元件。

① 支承钉。支承钉主要用于毛坯平面定位。如图1-38（a）、图1-38（b）分别为球头钉及尖头钉，可减小与工件接触面；图1-38（c）为网纹顶面支承钉，能增大与工件的摩擦力；图1-38（d）、图1-38（e）为可调支承钉。当各批毛坯尺寸及形状变化很大时，可调节其高度，调节后用螺母锁紧。

② 支承板。支承板主要用于已加工过的大、中型工件的定位基准。它有A型和B型两种结构，如图1-39所示。其中B型接触面积小，有碎屑时不易影响定位精度。

（2）圆柱孔定位

利用工件上的圆柱孔作定位基准，也是常见的定位方式之一。根据所定位圆柱孔长短的不同，又可分为长圆柱孔定位及短圆柱孔定位两种。

① 长圆柱孔定位。长圆柱孔定位是用相对于直径有一定长度的孔定位，是能限制工件4个自由度的定位方法。定位元件有刚性心轴与自动定心心轴两大类。其中，刚性心轴与工件孔的配合，可采用过盈配合、间隙配合或小锥度
心轴。

当工件定位孔的精度很高，且要求定位精度很高时，可采用具有较小过盈量的过盈配合。心轴的结构如图1-40（a）所示。它由导向部分盘起引导作用，使工件能迅速套上心轴。

图1-40（b）为间隙配合心轴结构，以心轴轴肩端面作小平面定位，工件由螺母作轴向夹紧。心轴直径与工件孔一般采用H7/e7、H7/f6或H7/g5的配合。间隙配合使装卸工件比较方便，但也形成了工件的定位误差。

图1-40（c）为小锥度心轴。其锥度C=5000～1/1000，工件套入心轴需要大端压入一小段距离，以产生部分过盈，提高定位精度。小锥度心轴消除了间隙，并且能方便地装卸工件。

图1-41为自动定心心轴。该心轴的两端Ⅰ—Ⅰ、Ⅱ一Ⅱ截面处都有三块一组的滑块，旋动螺母，由于斜面A与B的作用，两组滑块同时向外撑紧内孔，使孔得到自动定心。

② 短圆柱孔定位。短圆柱孔定位是定位孔与定位元件的接触长度较短的一种定位方法。它一般需要与其他定位方法同时使用。其定位元件是短定位销及短圆柱，如图1-42所示。

（3）外圆柱面定位

工件以外圆柱面定位，可分为长、短圆柱表面定位。定位方法有以下几种。

① 自动定心定位。三爪自定心卡盘、弹簧夹头及双V形架自动定心装置都属于这种定位。这种定位方法一般用于长圆柱表面定位，如图1-43所示。

② 定位套定位

图1-44（a）为短圆柱套定位，图1-44（b）为长圆柱套定位。

③ V形架定位

工件以V形架作定位元件，不仅安装方便，且对中性好。不论定位基准如何，均可保证工件定位基准线（轴线）落在两斜面的对称平面上，即x轴方向定位误差为零。但当圆柱直径大小有变化时，在z轴方向有定位误差。其定位情况如图1-45所示。

V形架有长短之分，短V形架仅限制2个自由度，长V形架可限制4个自由度。为减小工件与V形架的接触面积，可将长V形架做成两个短V形架。

（4）锥孔定位

锥孔定位有长锥孔与短锥孔定位。长锥孔一般采用锥度心轴定位，可限制5个自由度。锥度较小时，工件不再作轴向定位，不夹紧就可进行切削力较小的加工。锥度较大的工件应进行轴向夹紧［图1-46（a）］。如果工件的定位表面是外圆锥面，可采用定位套定位［图1-46（b）］。

锥孔定位时，工件与心轴间无间隙，且能自动定心，具有很高的定心精度。

（5）几种定位方法的组合定位

除上述定位方式外，常见的还有一些组合定位方法。

① 两面一销定位。两面一销定位是一种完全定位，定位情况如图1-47所示。工件底面作三点定位，右侧面作两点定位，削边销仅限制 向自由度。

② 一面两销定位。定位情况如图1-48所示。图中工件大平面限制3个自由度，短圆柱销限制2个自由度，削边销限制绕圆柱销l转动的自由度。削边销既可保证定位精度，又可补偿两定位销的销距误差。

③ 平面、短V形架及削边销定位。这种定位如图1-49所示。工件的大端面限制3个自由度，短V形架作两点定位，削边销限制绕轴线转动的自由度。

1.3.4.3 工件的夹紧

工件在夹具上正确定位后，还必须通过夹紧装置来固定工件，使其保持正确的位置，当切削加工时，不使零件因切削力的作用而产生位移，从而保证零件的加工质量。

由于加工零件外形结构、生产批量、技术要求不同，因此，所用的夹紧装置也有所不同。夹紧装置分类的方法较多，按夹紧力的来源不同，可分为手动夹紧装置（力源来自人力）、气压夹紧装置（力源来自气动压力）、液压夹紧装置（力源来自液压）、电力夹紧装置（力源来自电磁、电动机等动力装置）等；按传递夹紧力机构形式的不同，可分为螺旋夹紧、杠杆夹紧、斜楔夹紧、螺旋压边夹
紧等。

（1）夹紧装置的基本要求

不论采用何种夹具形式，夹具中所用的夹紧装置，必须满足以下基本要求。

① 保证加工精度，即夹紧时不能破坏工件的定位准确性，并使工件在加工过程中不产生振动和工件的受压面积最小。

② 手动夹紧机构要有自锁作用，即原始作用力消除后，工件仍能保持夹紧状态而不会松开。

③ 夹紧机构操作时安全省力、迅速方便，以减轻工人劳动强度，缩短辅助时间，提高生产效率。

④ 结构简单、紧凑，并具有足够的刚度。

（2）常用夹紧装置的结构

① 斜楔夹紧机构。图1-50为斜楔夹紧机构，它由螺杆1、楔块2、铰链压板3、弹簧4和夹具体5组成。当转动螺杆时，推动楔块向前移动，铰链压板转动从而夹紧工件。

② 螺钉夹紧机构。螺钉夹紧机构如图1-51所示。它通过旋转螺钉直接压在工件上，螺钉前端的圆柱部分通常淬硬。为了防止拧紧螺钉时其头部压伤工件表面，常制成压块与螺钉浮动连接。压块结构见图1-52。

③ 螺母夹紧机构。当工件以孔定位时，常用螺母夹紧。该机构具有增力大、自锁性好的特点，很适合手动夹紧。它夹紧缓慢，在快速机动夹紧中应用很少，常见结构如图1-53所示。

④ 螺旋压板夹紧机构。螺旋压板夹紧机构是螺旋机构与压板及其他机构组合成的复合式夹紧机构。图1-54（a） ～（c）的螺旋压紧位于中间，螺母下用球面垫圈，压板尾部的支柱顶端也做成球面，以便在夹紧过程中做少量偏转。图1-54（d）是L压板，结构紧凑，但夹紧力小。图1-54（e）是可调高度压板，它适应性广。图1-54（f）的螺旋夹紧机构，在夹紧过程中做少量偏转及高度调整。

⑤ 偏心夹紧机构。偏心夹紧机构是利用转动中心与几何中心偏移的圆盘或轴作为夹紧元件进行夹紧的。常用的偏心结构有带手柄的偏心轮［图1-55（a）（b）］、偏心凸轮［图1-55（c）（d）］和偏心轴［图1-55（e） ～（g）］。

1.3.5 钻床夹具的结构

夹具是在机械制造过程中，用来固定加工对象，使之占有正确的位置，以接受施工和检测的工艺装置。其种类很多，如焊接夹具、检验夹具、装配夹具以及机床夹具。而机床夹具是指在机械加工时，用以装夹工件的附加于机床上的工艺装置。按使用机床的不同，可分为钻床夹具、铣床夹具、车床夹具、镗床夹具等多种。钳工在机械加工中使用最为广泛的是钻床夹具。在各类钻床和组合机床等设备上进行钻、扩、铰孔的夹具，统称钻床夹具，简称钻模。

（1）钻模的组成

图1-56（a）为轴套的零件图，其上需钻φ12H9孔。为满足图样要求，并提高工作效率，设计制造了在钻床上钻削该孔所用的钻模，见图1-56（b）。

和其他夹具一样，钻模也是由定位元件、夹紧装置、导向元件和夹具体等几个部分组成。图1-56（b）所示的钻模，其分别由以下元件和装置组成。

① 定位元件。保证工件在夹具中具有正确的加工位置的元件，称为定位元件。图1-56（b）中定位心轴3可保证φ12H9孔中心线对φ40孔中心线的垂直度，定位销7则保证φ12H9孔的对称度。

② 夹紧装置。保证已确定的工件位置在加工过程中不发生变更的装置，称为夹紧装置。图1-56（b）中的螺母4和开口垫圈5，通过定位心轴前端的螺纹把工件夹紧在夹具上，以保证工件在加工过程中不产生位移。

③ 引导元件。用来引导刀具并与工件有相对正确位置的元件，称为引导元件。引导元件主要有刀具导向元件、对刀装置和靠模装置等。

图1-56（b）中的钻套1用来引导钻头到正确位置上钻孔，同时增加钻削钻头的稳定性，提高加工精度。

④ 夹具体。夹具体是组成夹具的基体，它与钻床工作台连接，并将钻模上的其他元件和装置连成一体。图1-56（b）中的夹具体6是组成夹具的基础件，并将上述各元件、装置连成一体。因此，夹具体必须要有足够的强度、刚性及足够的容屑空间和排屑口，以保证切削液畅通，同时要求其结构简单，具有良好的工艺性。

通常，夹具体按毛坯制造方法可分为铸造夹具体、焊接夹具体、锻造夹具体、装配式夹具体四种。其中：铸造夹具体可获得各种复杂的形状且刚性、强度较好，但生产周期长；焊接夹具体易于制造，生产周期短，重量轻，适用于结构较简单的夹具体；锻造夹具体只适用于尺寸不大、形状简单的夹具体；装配式夹具体是由标准毛坯件连接装配而成的夹具体，常用于封闭式或半封闭式结构中。

⑤ 其他元件。此外，有些钻模除了以上四种元件外，还有分度、对定装置等其他元件及装置。

（2）钻模的种类及结构

钻模的种类较多，按加工过程中工件的位置状况可分为五类：固定式钻模、移动式钻模、翻转式钻模、盖板式钻模和回转式钻模。按自动化的程度不同可分为手动的、机动的和自动的三类。

① 固定式钻模。固定式钻模使用时，被固定在机床上不动，用它加工出的零件精度较高，故应用很广。当钻孔直径大于10mm时，因切削扭矩大，必须用T形槽螺钉将钻模夹紧在机床工作台上，因此这类夹具上设有专供夹压的凸缘或凸边。

图1-57（b）为钻图1-57（a）中φ6斜孔用的固定式钻模结构，这个钻模的夹具体7底部留有可供固定的部位，如图中箭头所示。工件4上底面及两孔为定位基准，夹具上则以平面支承板6、圆柱心轴3和削边销5为定位元件。为便于工件的快速装卸，采用了快速夹紧螺母2，并采用下端伸长且成斜面形状的特殊钻套1，保证钻头在锥面上良好地起钻和正确引导。

固定式钻模适于在立钻或台钻上钻孔，也适于在摇臂钻床上钻铰同一方向的孔系。目前以手动夹紧和气动夹紧用得最多。

在立钻上有时也用固定式钻模加工同一方向的孔系，但必须在机床主轴上加一个专用的多轴头才行。

组合机床或生产线中的专用钻床，大量使用固定式钻模。为了适应自动化或半自动化生产的要求，多用气动或液压夹紧工件。

② 移动式钻模。移动式钻模主要用于单轴立式钻床，先后钻削在同一表面上有多个孔的工件，如图1-58所示。

该夹具能在两导板中移动，当移至右端靠紧定位板时钻孔1，夹具移至左端与定位板靠紧时钻孔2。这样既可缩短钻头对准钻套的时间，同时导轨还能承受钻孔时的
转矩。

③ 翻转式钻模。对于在几个方向上都要加工孔的工件，为了减少装夹次数，提高各孔之间的位置精度，可采用翻转式钻模。

图1-59所示为工件在互相垂直的两个面上钻孔时所用的翻转式钻模。这种钻模不是固定在工作台上，而是根据待加工孔的分布位置将夹具翻转。所以夹具连同工件的重量不能太重，一般限于8～10kg。翻转式钻模多在立钻或台钻上使用，主要适用于加工小型工件上有多个不同方向的孔。在中小批生产中，有时也用翻转式钻模在摇臂钻床上对某些中等尺寸的零件进行钻孔，不过劳动强度
较大。

④ 盖板式钻模。盖板式钻床夹具没有夹具体，供定位用的定位元件和夹紧机构全部安装在钻模板上。使用时钻模像盖子一样盖在工件上，用这种钻模加工孔系时，可以得到较高的位置精度。图1-60是在工件上加工小孔的钻模。其主体是钻模板1，利用定位销2和两个摇动压块3组成的V形槽对中夹紧机构，实现工件的定位和夹紧。

盖板式钻床夹具结构简单，清除切屑方便，多在摇臂钻床上加工机体或有基准面的箱体，但每次从工件上装卸时比较费事。所以适用于在体积大而笨重的工件（如内燃机的气缸体、缸盖，机床的各种箱体等）上钻孔。

⑤ 回转式钻模。回转式钻模主要用来加工分布在工件同一圆周面上的孔，或加工分布在工件上几个不同表面上的孔。可根据工件的大小、钻模的尺寸或工件的加工精度，酌情安排在立钻、台钻或摇臂钻床上使用。回转式钻模的结构形式有水平轴、立轴及倾斜轴三种类型，生产中以水平轴和立轴的回转式钻模使用较多。

图1-61为在凸缘上加工同心圆周上小孔所用的立轴回转式钻模。图中下部为标准回转台，上部为工作夹具，它通过中心销在回转台上定位，然后用螺钉固定，采用铰链式模板加工。

1.3.6 机制工艺规程示例

零件机械加工工艺规程是规定零件机械加工工艺过程和方法等的工艺文件。它是在具体的生产条件下，将最合理或较合理的工艺过程，用图表（或文字）的形式制成文本，用来指导生产、管理生产的文件。

（1）机械加工工艺规程的内容

工艺规程中，一般明确规定了该零件所用的毛坯和它的加工方式、具体的加工尺寸，各道工序（工序指操作人员在一台机床或一个工作地点对工件所连续完成的那部分加工，是组成工艺过程的基本单元）的性质、数量、顺序和质量要求，各工序所用的设备型号、规格，各工序所用的加工工具（如辅具、刀具、模具等）形式，各工序的质量要求和检验方法及要求等。

（2）机械加工工艺文件格式

将工艺文件的内容，填入一定格式的卡片，即成为生产准备和施工依据的工艺文件。常用的工艺文件的格式有以下两种。

① 机械加工工艺过程卡片。这种卡片以工序为单位，简要地列出整个零件加工所经过的工艺路线（包括毛坯制造、机械加工和热处理等）。其内容包括工序号、工序名称、工序内容、加工车间、设备及工艺装备、各工序时间定额等，它是制订其他工艺文件的基础，也是生产准备、编排作业计划和组织生产的依据。在这种卡片中，由于各工序的说明不够具体，故一般不直接指导工人操作，而多被生产管理方面使用。但在单件小批生产中，由于通常不编制其他较详细的工艺文件，而就以这种卡片指导生产。

② 机械加工工序卡片。机械加工工序卡片更详细地说明了整个零件各工序的要求，是用来具体指导工人操作的工艺文件，一般用于大批大量生产的零件。机械加工工序卡片内容包括工序简图、零件的材料及重量、毛坯种类、工序号、工序名称、工序内容、工艺参数、操作要求以及采用的设备、工艺装备等。它通过工序简图详细说明了该工序的加工内容、尺寸及公差、定位基准、装夹方式、刀具的形状及其位置等，并注明了切削用量、工步内容及工时等。

（3）V形架的机械加工工艺过程

V形架的结构如图1-62所示。该零件的主要技术要求为：90°两面垂直度全长允差0.003mm，45°半角对称度允差0.01mm/100mm，热处理淬火45～50HRC。

V形架的加工工艺过程见表1-6。从该零件的技术要求及加工工艺过程的加工内容描述可以了解到以下信息。

① 该零件技术图纸中给出了两件有关尺寸的允差，因此，可判定为两件配对使用，这是加工工艺中重点强调及加工后重点保证的尺寸，为此，操作过程中应做好检测控制工作。

② 由于V形架的精度要求很高，因此，应通过研磨加工来保证。具体安排研磨加工工步时，应先研磨A、B平面，再研磨C、D平面。研磨时，先研一侧面，再研另一侧面。

③ 该零件需具有一定的强度及耐磨性能，因此，需进行热处理及表面氧化处理。

（4）中部外环的车削工序图

图1-63为中部外环的第20道工序机械加工卡片，从工序卡片右边的文字描述，同时结合卡片中部所画的工序图可以了解到以下信息。

① 该零件以端面为定位基准，夹紧φ166外圆，车另一端。

② 车削范围为φ164外圆及端面、φ138 0+0.025内孔。

③ 该零件的φ164外圆无公差，外圆表面粗糙度Ra6.3，端面表面粗糙度Ra3.2，要求不高；内孔φ138 0+0.025有0.25μm的公差要求，表面粗糙度Ra1.6，要求较高。

从该零件的外圆及内孔尺寸还可以发现，该零件虽然尺寸较小，零件形状比较简单，但这是一个薄壁件，内孔的公差要求仅为0.25μm。加工过程中除要保证公差要求外，还要防止变形，特别要防止出现三角形，有一定的加工难度。

④ 该零件的第20道工序使用的加工设备名称为C616普通车床。

⑤ 零件的材料为不锈钢0Cr18Ni12Mo2Ti。

⑥ 为保证零件加工尺寸，需使用0～200mm的游标卡尺用来测量外径和轴向尺寸，杠杆百分表用来测量内孔。

⑦ 加工该零件的第20道工序需使用到以下车削刀具：90°车刀、外圆车刀。