第1章　机械零件热处理概述

1.1　常用机械零件的机械加工工艺流程

工艺规程是指导生产的技术文件，它必须满足产品质量、生产率和经济性等多方面的要求。工艺规程应适应生产发展的需要，尽可能采用先进的工艺方法，但先进的高生产率的设备的成本较高，因此，所制定的工艺规程必须经济合理。

1.1.1　制定工艺规程的要求和步骤

零件的工艺规程就是零件的加工方法与步骤，它包括：排列加工工艺（包括热处理工序），确定各工序所用的机床、装夹方法、检测方法、加工余量、切削用量和工时定额等。将各项内容填写在一定形式的卡片上，这就是机械加工工艺的规程，即通常所说的“机械加工工艺卡片”。

（1）制定工艺规程的要求

不同的零件，由于结构、尺寸、精度和表面粗糙度等要求不同，其加工工艺也随之不同，即使是同一零件，由于生产批量、机床设备以及工、夹、量具等零件的不同，其加工工艺也不尽相同，在一定的生产条件下，一个零件可能有几种工艺方案，但其中总有一个更为合理的。

合理的加工工艺必须能保证零件的全部技术要求；在一定的生产条件下，使生产效率最高，成本最低；有良好、安全的劳动条件。因此，制定一个合理的加工工艺，并非轻而易举。除了具有一定的工艺理论知识和实践经验外，还要深入工厂或车间，了解生产的实际情况。一个较复杂的零件的工艺，往往要经过反复实践、反复修改，使其逐步完善的过程。

（2）制定工艺规程的步骤

制定工艺规程的步骤大致如下。

①对零件进行工艺分析。

②毛坯的选择。

③定位基准的选择。

④工艺路线的制定。

⑤选择或设计、制造机床设备。

⑥选择或设计、制造刀具、夹具、量具及其他辅助工具。

⑦确定工序的加工余量、工序尺寸及公差。

⑧确定工序的切削用量。

⑨估算时间定额。

⑩编制工艺文件。

1.1.2　制定工艺规程时要解决的主要问题

（1）零件的工艺分析

要熟悉有关产品的装配图，了解产品的用途、性能、工作条件以及该零件在产品中的作用和地位，然后根据零件图对其全部技术要求作全面的分析，了解全局抓住重点，从加工的角度出发，对零件进行工艺分析，其主要内容有以下几点。

①检查零件的图纸是否完整和正确，分析零件主要表面的精度、表面完整性、技术要求等在现有生产条件下能否达到。

②检查零件材料的选择是否恰当，是否会使工艺变得困难和复杂。

③审查零件的结构工艺性，检查零件结构是否能经济地、有效地加工出来。

如果发现问题，应及时提出，并与有关设计人员共同研究，按规定程序对原图纸进行必要修改与补充。

（2）毛坯的选择

毛坯的选择对经济效益影响很大，因为工序的安排、材料的消耗、加工工时的多少等，都在一定程度上取决于所选择的毛坯。毛坯的类型一般有型材、铸件、锻件以及焊接件等，具体选择要根据零件的材料、形状、尺寸、数量和生产条件等因素综合考虑决定。单件、小批量生产箱体零件时，一般采用砂型铸造毛坯，成批生产中小箱体零件时，一般采用金属型铸造毛坯。

（3）定型基准的选择

在拟定加工路线时，先要选择工件的粗基准与主要精基准。粗基准与精基准的选择必须遵循一定的原则，以下是几种常见零件的主要精基准。

①轴类零件的主要精基准　传动用的阶梯轴，一般选用两端的中心孔作为主要精基准，如图1-1所示，因为阶梯轴的主要位置精度是各外圆之间的同轴度或径向圆跳动及各轴肩对轴线的垂直度或端面圆跳动。以两端中心孔作为精基准加工各段外圆及端面，符合基准同一原则，能较好地保证它们之间的位置精度。轴线是各外圆的设计基准，两端的中心孔是基准轴线的体现，选用中心孔作为定位精基准，符合基准重合原则。在磨削前一定要研磨中心孔，其目的是提高定位精度，从而提高被加工表面的位置精度。

②盘套类零件的主要精基准　盘套类零件一般以中心部位的孔作为主要精基准，具体应用时有以下3种情况。

a.在一次装夹中精车齿轮坯的孔、大外圆和大端面，以保证这些表面的位置精度要求，如图1-2所示。

b.先精加工孔，然后以孔作为精基准，加工其他各表面。如图1-2所示的齿轮坯，也能较好地保证其位置精度。

c.外圆与孔互为基准。如图1-3所示的套类零件，因小端外圆和孔的精度以及小端外观对孔的同轴度要求都很高，表面粗糙度要求很低，在车削后均须磨削。车削后可先以外圆和小端面作为基准，用百分表找正后磨孔；再以孔作为精基准，用心轴装夹磨外圆。由于内、外圆互为基准，每一工序都为下一工序准备了精度更高的定位基准，因此可以得到较高的同轴度要求。

③支架箱体类零件的主要精基准　对于支架箱类零件，一般采用机座上的主要平面（即轴承支承孔的设计基准）作为主要基准加工各轴承支承孔，以保证各轴承支承孔之间以及轴承孔与主要平面的位置精度要求。

（4）工艺路线的拟定

拟定工艺路线就是把加工零件所需要的各个工序按顺序排列起来，它主要包括以下几个方面。

①加工方案的确定　根据零件每个加工表面（特别是主要表面）的精度、粗糙度及技术要求，选择合理的加工方案，确定每个表面的加工方法和加工次数。在确定加工方案时，还要考虑以下几个方面的内容。

a.被加工材料的性能及热处理要求。

b.加工表面的形状与尺寸。

c.考虑本公司或车间的现有设备状况、技术条件与工人的技术水平。

②加工阶段的划分　当零件的精度要求较高或零件形状较复杂时，应将整个工艺过程划分为以下几个阶段。

a.粗加工阶段。其主要目的是切除绝大部分余量。

b.半精加工阶段。使各主要表面达到图纸要求，并为主要表面的精加工提供基准。

c.精加工阶段。保证各主要表面达到图纸要求。

划分阶段的目的如下。

·有利于保证加工质量。由于粗加工余量大，切削力大，切削温度高，工件变形大，变形恢复时间长，如果不划分加工阶段，连续进行粗、精加工，会使已加工好的表面精度因变形恢复受到破坏。

·有利于合理使用设备。粗加工采用精度低、功率大、刚性好的机床，有利于提高生产率。精加工采用精度高的机床，既有利于保证加工质量，也有利于长期保持设备精度。

·有利于安排热处理工序。

·可避免损伤已加工好的主要表面，也可及时发现毛坯缺陷，及时采取补救措施或报废，以免浪费过多工时。

③加工顺序的安排　就是要合理地安排机械加工工序、热处理工序、检验工序和其他辅助工序，以便保证加工质量，提高生产率，提高经济效益。

a.机械加工工序的安排。在安排机械加工工序时，必须遵循以下几项原则。

·基准先行。作为精基准的表面应首先加工出来，以便用它作为定位基准加工其他表面。

·先粗后精。先进行粗加工，后进行精加工，有利于保证加工精度和提高生产率。

·先主后次。先安排主要表面的加工，然后根据情况相应安排次要表面的加工。主要表面就是要求精度表面粗糙度低的一些表面，次要表面是除了主要表面以外的其他表面。因为主要表面是零件上最难加工且加工次数最多的表面，因此安排好了主要表面的加工，也就容易安排次要表面的加工。

·先面后孔。在加工箱体零件时，应先加工平面，然后以平面定位加工各个孔，这样有利于保证孔与平面间的位置精度。

b.热处理工序的安排。根据热处理工序的目的不同，可将热处理工序分为以下几项。

·预备热处理。是为了改善工件的组织和切削性能而进行的热处理，如低碳钢的正火和高碳钢的退火。

·时效处理。是为了消除工件内部因毛坯制造或切削加工所产生的残余应力而进行的热处理。

·最终热处理。是为了提高零件（或表面层）的硬度和强度而进行的热处理，如调质处理、淬火、渗碳、氮化等。

上述热处理工序的安排位置如图1-4所示。退火或正火安排在毛坯制造之后、粗加工之前。时效处理一般安排一次，通常安排在毛坯制造之后、粗加工之前，也可安排在粗加工之后、半精加工之前。对于复杂零件时效处理可安排两次。调质处理工序安排在粗加工之后、半精加工之前。淬火工序与渗碳（渗碳+淬火）工序安排在半精加工之后、精加工之前。因为淬火后零件表面会产生脱碳层，需要继续加工以去除零件表面上的脱碳层。氮化工序安排在精加工之后，因为氮化后的零件不需要淬火，零件表面没有脱碳层，不需要再加工。如果零件的精度、硬度要求较高，则可在氮化后再精磨一次或进行高频淬火，或进行复合热处理。

c.检验工序的安排。为了保证产品的质量，除了每道工序由操作者自检以外，还应该在下列情况下安排检验工序。

·粗加工之后。毛皮表面层有无缺陷，粗加工之后就能发现，如果能及时发现毛坯缺陷，就能有效降低生产成本。

·工件在转出车间或工序之前。在工件转出之前，工件是否合格，需要进行检验与确认，以避免扯皮现象的发生。

·关键工序的前后。关键工序是最难加工的工序，加工时间长，加工成本高，如果能在关键工序之前发现工件已经超差，可避免不必要的加工，从而降低生产成本。另一方面，关键工序是最难保证的工序，工件容易超差。因此，关键工序的前后要安排检验工序。

·特种检验之前。因为特种检验费用较高，因此在特种检验之前必须知道工件是否合格。

d.辅助工序的安排。辅助工序主要有表面处理、特种检验、去毛刺、去磁、清洗等。

·零件表面处理工序。为了提高零件表面的耐蚀性、耐磨性等而采取的一些工艺措施。主要包括电镀、氮化和喷漆等。一般安排在加工过程的最后。

·特种检验。为了特殊目的而进行的非常规检验。最常用的是无损探伤，例如X射线、γ射线、超声波探伤等用于检验工件内部质量，一般安排在毛坯制造之后、粗加工之前；磁粉探伤、荧光探伤等用于检验工件表面层的质量，通常安排在精加工阶段；密封性检验根据情况而定；平衡检验则安排在工艺过程的最后。

·去毛刺、去磁、清洗等。根据加工过程的具体情况而定。

④工序的集中与分散　在制定工艺路线时，在确定了加工方案后，就要确定零件加工工序的数目和每道工序所要加工的内容。可以采用工序集中原则，也可以采用工序分散原则。

a.工序集中原则。使每道工序包括尽可能多的加工内容，因而工序数目减少。工序集中到极限时，只有一道加工工序。其特点是工序数目少，工序内容复杂，工件安装次数少，生产设备少，易于生产组织管理，但生产准备工作量大。

b.工序分散原则。使每道工序包括尽可能少的加工内容，因而使工序数目增加。工序分散到极限时，每道工序只包括一个工步。其特点是工序数目多，工序内容少，工件安装次数多，生产设备多，生产组织管理复杂。

在制定工艺路线时，是采用工序集中，还是采用工序分散，要根据下列条件确定。

a.生产类型。单件、小批量生产时，采用工序集中原则；大批、大量生产时，采用工序分散原则，有利于组织流水线生产。

b.工件的尺寸与重量。对于大尺寸和大重量的工件，由于安装与运输的问题，一般采用工序集中原则。

c.工艺设备条件。自动化程度高的设备一般采用工序集中原则，如加工中心、柔性制造系统。

（5）确定加工余量

要使毛坯变成合格零件，从毛坯表面上所切除的金属层称为加工余量。加工余量分为总余量和工序余量。从毛坯到成品总共需要切除的余量称为总余量。在某工序中所要切除的余量称为该工序的工序余量。总余量应等于各工序的余量之和。工序余量的大小应按加工要求来确定。余量过大，既浪费材料，又增加切削工时；余量过小，会使工件的局部表面切削不到，不能修正前道工序的误差，从而影响加工质量，甚至造成废品。

（6）填写工艺文件

工艺过程拟定之后，将工序号、工序内容、工艺简图、所用机床等项目内容用图表的方式填写成技术文件。工艺文件的繁简程度主要取决于生产类型和加工质量，常用的工艺文件有以下几种。

①机械加工工艺过程卡片　其主要作用是简要说明机械加工的工艺路线。实际生产过程中，机械加工工艺过程卡片的内容也不完全相同，最简单的只有工序目录。较详细的则附有关键工序的工艺卡片。主要用于单件、小批量生产中。

②机械加工工序卡片　要求工艺文件尽可能地详细、完整，除了有工序目录外，还有每道工序的工序卡片。工序卡片的主要内容有：加工简图、机床、刀具、夹具、定位基准、夹紧方案、加工要求等。

③机械加工工艺（综合）卡片　对于成批生产而言，机械加工工艺过程卡片太简单，而机械加工工序卡片太复杂且没有必要。因此，应采用一种比机械加工工艺过程卡片详细，比机械加工工序卡片简单且灵活的机械加工工艺卡片。工艺卡片既要说明工艺路线，又要说明各工序的主要内容，甚至要加上关键工序的工序卡片。

1.1.3　典型实例：轴类零件典型工艺路线

对于7级精度、表面粗糙度Ra0.8～0.4μm的一般传动轴，其典型工艺路线为：正火→车端面钻中心孔→粗车各表面→精车各表面→铣花键、键槽→热处理→研磨中心孔→粗磨外圆→精磨外圆→检验。

轴类零件一般采用中心孔作为定位基准，以实现基准统一的方案。在单件小批生产中，钻中心孔的工序常在普通车床上进行；在大批量生产中，常在铣端面钻中心孔专用机床上进行。中心孔是轴类零件加工全过程中使用的定位基准，其质量对加工精度有着重大影响，所以必须安排研磨中心孔工序。研磨中心孔一般在车床上用金刚石或硬质合金顶尖加压进行。

对于空心轴（如机床主轴），为了能使用顶尖孔定位，一般采用带顶尖孔的锥套心轴或锥堵，若外圆和锥孔需要反复多次、互为基准进行加工，则在重装锥堵或心轴时，必须按外圆找正或重新修磨中心孔。

轴上的花键、键槽等次要表面的加工，一般安排在外圆精车之后、磨削之前进行。因为如果在精车之前就铣出键槽，在精车时由于断续加工而易产生振动，影响加工质量，又容易损坏刀具，也难以控制键槽的尺寸，但也不应安排在外圆精磨之后进行，以免破坏外圆表面的加工精度和表面质量。

在轴类零件的加工过程中，应当安排必要的热处理工序，以保证其机械性能和加工精度，并改善工件的切削加工性。一般毛坯锻造后安排正火工序，而调质处理则安排在粗加工后进行，以便消除粗加工后产生的应力以及获得良好的综合力学性能。淬火工序则安排在磨削工序之前，如轴类零件的机械加工工艺文件的制定。

1.1.3.1　零件的工艺分析

图1-5所示零件是减速器中的传动轴，该零件小批生产。属于阶梯轴类零件，由圆柱面、轴肩、螺纹、螺尾退刀槽、砂轮越程槽和键槽等组成。轴肩一般用来确定安装在轴上零件的轴向位置，各环槽的作用：是使零件装配时有一个正确的位置，并使加工中磨削外圆或车螺纹时退刀方便；键槽用于安装键，以传递转矩；螺纹用于安装各种锁紧螺母和调整螺母。

根据工作性能与条件，该传动轴图样规定了主要轴颈M、N，外圆P、Q以及轴肩G、H、I有较高的尺寸、位置精度和较小的粗糙度值，并有热处理要求。这些技术要求必须在加工中给予保证。因此，该传动轴的关键工序是轴颈M、N和外圆P、Q的加工。

1.1.3.2　毛坯的选择

该传动轴的材料为45钢，因其属于一般传动轴，故选45钢可满足要求。本例传动轴属于中、小传动轴，并且各外圆直径尺寸相差不大，故选择ф60mm的热轧圆钢作为毛坯。

1.1.3.3　定位基准的选择

合理地选择定位基准，对于保证零件的尺寸和位置精度有着决定性的作用。由于该传动轴的几个主要配合表面（Q、P、N、M）及轴肩面（H、G）对基准A—B均有径向圆跳动和端面圆跳动的要求，它又是实心轴，所以应选择两端中心孔为基准，采用双顶尖装夹方法，以保证零件的技术要求。

粗基准采用热轧圆钢的毛坯外圆。中心孔加工采用三爪定心卡盘装夹热轧圆钢的毛坯外圆，车端面、钻中心孔。但必须注意，一般不能用毛坯外圆装夹两次钻两端中心孔，而应该以毛坯外观做粗基准，先加工一个端面，钻中心孔，车出一端外圆；然后以已车过的外圆做基准，用三爪定心卡盘装夹（有时在上工步已车外圆处搭建中心架），车另一端面，钻中心孔。如此加工中心孔，才能保证两中心孔同轴。

1.1.3.4　工艺路线的拟定

①各表面加工方法的选择　传动轴大都是回转表面，主要采用车削和外圆磨削成形。由于该传动轴的主要表面M、N、P、Q的公差等级（IT6）较高，表面粗糙度Ra值较小，故车削后还需要磨损，外圆表面的加工方案可为：粗车→半精车→磨削。

②加工顺序的确定　对精度要求较高的零件，其粗、精加工应分开，以保证零件的质量。该传动轴加工划分为三个阶段：粗车（粗车外圆、钻中心孔等），半精加工（半精车各处外圆、台阶和修研中心孔及次要表面等），粗、精磨（粗、精磨各处外圆），各阶段划分大致以热处理为界。

轴的热处理要根据其材料和使用要求确定。对于传动轴，正火、调质和表面淬火用得最多。该轴要求调质处理，并安排在粗车各外圆之后，并精车各外圆之前。

综合以上分析，传动轴的工艺路线如下：下料→车两端面，钻中心孔→粗车各外圆→调质处理→修研中心孔→半精车各外圆，车槽，倒角→车螺纹→划键槽加工线→铣键槽→修研中心孔→磨削→检验。

定位基准面中心孔应在粗加工之前加工，在调质处理之后和磨削之前，各需安排一次修研中心孔的工序。调质处理之后修研中心孔的目的是消除中心孔的热处理变形和氧化皮；磨削之前修研中心孔是为了提高定位基准面的精度，减小锥面的表面粗糙度。

拟定传动轴的工艺过程时，在考虑主要表面加工的同时，还要考虑次要表面的加工。在半精加工ф52mm、ф44mm和M24外圆时，应车到图样规定的尺寸，同时加工出各退刀槽、倒角与螺纹；三个键槽应在半精车后及磨削之前铣削加工出来。这样既可保证铣键槽时有较精确的定位基准，又可避免在精磨后铣键槽时破坏已精加工的外圆表面。在拟定工艺规程时，应检验工序的安排、检查项目及检验方法的是否已确定。

1.1.3.5　轴类零件的检验

（1）加工中的检验

自动测量装置作为辅助装置安装在机床上，这种检验方式能在不影响加工的情况下，根据测量结果，主动控制机床的工作过程，如改变进给量，自动补偿刀具磨损，自动退刀、停刀等，是指适应加工条件的变化，防止产生废品，故又称为主动检验。主动检验在线检测，即在设备运行、生产不停顿的情况下，根据信号处理的基本原理，掌握设备运行状况，对生产过程进行预测预报及必要调整。目前，在线检测在机械制造中的应用越来越广。

（2）加工后的检验

单件小批生产中，尺寸精度一般用外径千分尺检验；大批大量生产时，常采用光滑极限量规检验，长度大而精度高的工件可用比较仪检验，表面粗糙度可用粗糙度仪进行检验；要求较高时可用光学显微镜或轮廓度仪检验。圆度误差可用千分尺测量出的工件同一截面直径的最大差值之半来确定。也可用千分尺借助V形铁来测量，若条件许可，可用圆度仪检验。圆柱度误差通常用千分尺测出同一轴向剖面内最大与最小值之差来确定。主轴相互位置精度检验一般以轴两端顶尖孔或工艺锥堵上的顶尖孔为定位基准，在两支承轴颈上方分别用千分表测量。