锥齿轮座加工工艺规程及夹具设计说明书.doc

机 械 制 造 工 程 学

课 程 设 计
说明书

题 目：锥齿轮座机械加工工艺规程及 φ52H7孔夹具设计

班　　级：　
姓　　名：　
学 号：
指导教师：　
完成日期：　
II

任 务 书
一、设计题目:锥齿轮座机械加工工艺规程及钻φ52H7孔夹具设计
二、原始资料
(1) 被加工零件的零件图 1张
(2) 生产类型:（中批或大批大量生产）
三、上交材料
1．所加工的零件图 1张
2．毛坯图 1张
3．编制机械加工工艺过程卡片 1套
4．绘制夹具装配图（A0或A1） 1张
5．课程设计说明书. 1份
四、进度安排
本课程设计要求在1周内完成，具体细节内容听从老师安排务，必在周五早上进行答辩。

五、指导教师评语

综合评定成绩：
指导教师　　　　　　　

目 录
1 锥齿轮座的工艺分析及生产类型的确定 1
1.1 锥齿轮座的作用 1
1.2锥齿轮座的技术要求 2
1.3锥齿轮座工艺分析 2
2 确定毛坯 、绘制毛坯简图 4
2.1选择毛坯 4
2.2确定毛坯的尺寸公差和机械加工余量 4
2.3绘制锥齿轮座毛坯的铸造简图 5
3.拟定锥齿轮座工艺路线 6
3.1定位基准的选择 6
3.1.1 精基准的选择 6
3.1.2 粗基准的选择 6
3.2各面、孔加工方法的确定 6
3.3加工阶段的划分 7
3.4工序的集中与分散 7
3.5工序顺序的安排 7
3.5.1机械加工工序 7
3.5.2热处理工序 9
3.5.3辅助工序 9
3.6确定加工路线 9
4 机床设备及工艺装备的选用 11
4.1机床设备的选用 11
4.2工艺装备的选用 11
5 加工余量、工序尺寸和公差的确定 12
6 切削用量、时间定额的计算 13
6.1切削用量的计算 13
6.1.1扩孔工步 13
6.1.2粗铰工步 13
6.1.3精铰工步 13
6.2时间定额的计算 14

- 1 -

6.2.1基本时间的计算 14
6.2.2辅助时间的计算 15
6.2.3其他时间的计算 15
6.2.4单件时间的计算 16
7 夹具设计 17
7.1问题的提出 17
7.2夹具设计 17
7.2.1 定位方案 17
7.2.2 夹紧机构 17
7.2.3 定位误差分析 18
7.2.4切削力及夹紧力的计算 18
8参考文献 21

1 锥齿轮座的工艺分析及生产类型的确定
1.1 锥齿轮座的作用
锥齿轮座是一个典型的交叉孔零件（见图1—1），主要应用在混凝土拖泵中导向轮部件上，其上要安装两个配对锥齿轮座，因此主要的工作表面为Φ90mm和Φ52mm的两个孔。

图1-1

1.2锥齿轮座的技术要求
锥齿轮座的技术要求见表1-1
表1-1 锥齿轮座技术要求

加工表面

尺寸及偏差
mm

公差及精度等级

表面粗糙度 Ra
µm

形位公差/mm

Φ80mm孔

Φ80

IT13

6.3

Φ73mm的孔

Φ73

IT13

6.3

Φ90mm孔

Φ90H7

IT7

1.6

Φ52mm孔

Φ52H7

IT7

1.6

两端面

164

IT13

6.3

Φ80mm孔的外圆面

Φ100f7

IT7

1.6

φ52mm孔轴线101mm的端面

Φ101

IT9

3.2

锥销孔

Φ8

IT9

1.6

Φ52mm孔端面

Φ82

IT13

6.3

从锥齿轮座技术要求表来看，加工锥齿轮座主要存在以下加工难点：
（1）Φ52mm孔和Φ90mm孔两尺寸属于空间尺寸，加工过程中难以测量，因而两尺寸的加工精度难以保证；
（2）安装齿轮的两个交叉孔的中心线必须相交处于同一基准平面内，才能确保锥齿轮的传动效果。
为此，通过对该零件的加工工艺性分析，找出了合理的加工方法，保证零件的加工质量。

1.3锥齿轮座的工艺分析
分析可知本零件材料为灰口铸铁，HT200。该零件具有较高的强度，耐磨性，耐热性，减震性，适应于承受较大的应力，要求耐磨的零件。锥齿轮座具有两组工作表面，他们之间有一定的位置要求。
由零件图可知，φ90mm孔和φ52mm孔的中心线是主要的设计基准和加工基准。该零件的主要加工面可分为两组：
1.以φ90mm孔为中心加工表面
这一组加工表面包括，φ80mm的端面和倒角及内孔φ73mm、φ90mm的孔及退刀槽，φ120mm的孔，M5的内螺纹，M8的内螺纹，M8锥销孔。
2.φ52mm孔为中心的加工表面
这一组加工表面包括：φ52mm的端面，孔和倒角及M6的内螺纹。

这两组的加工表面有着一定的位置要求，主要是：
1.φ52mm孔的中心线与φ90mm中心线垂直度公差为0.012；
2.φ52mm孔端面与φ90mm孔中心线的距离为119mm。
由以上分析可知，对这两组加工表面而言，先加工第一组，再加工第二组。由参考文献中有关面和孔加工精度及机床所能达到的位置精度可知，上述技术要求是可以达到的，零件的结构工艺性也是可行的。另外考虑到零件的精度不高可以在普通机床上加工。

2 确定毛坯 、绘制毛坯简图
2.1选择毛坯
根据零件查资料知：零件材料确定毛坯为灰铸铁，通过计算和查询资料可知，毛坯重量约为1.45kg。生产类型为大批量，可采用金属型铸造毛坯。由于各个孔都需要预先铸造出来，故还需要安放型心。此外，为消除残余应力，铸造后应安排人工时效进行处理。
零件基本尺寸在150—170之间，由表2-1可知，差得该铸件的
2.2确定毛坯的尺寸公差和机械加工余量
尺寸公差等级CT为10级。由表2-5可知，机械加工余量等级MA为G级，故CT=10级，MA为G级。

表2-1用查表法确定各加工表面的总余量

加工表面

基本尺寸

加工余量等级

机械加工余量/mm

尺寸公差

备注

上下端面

164

G

4

4
顶面降一级，双侧加工
Φ52mm的端面

119

G

4

3.2

单侧加工

Φ52mm孔

Φ52

H

4

2.8
孔降一级，双侧加工

Φ73mm孔

Φ73

H

4

3.2
孔降一级，双侧加工

表2-2由参考文献可知，铸件主要尺寸的公差如下表：

主要加工表面

零件尺寸/mm

总余量/mm

毛坯尺寸/mm

上下端面

164

6

170

Φ52mm的端面

119

6

125

Φ52mm的孔

Φ52

6

46

Φ73mm的孔

Φ73

3

Φ70

2.3绘制锥齿轮座毛坯的铸造简图
由表2-1和表2—2所得结果，绘制毛坯简图如图2-2所示。

图2—2

3.拟定锥齿轮座工艺路线
3.1定位基准的选择
定位基准有粗基准和精基准之分，通常先确定精基准，然后再确定粗基准。基面选择是工艺规程设计中的重要工作之一。基面选择得正确与合理，可以使加工质量得到保证，生产率得以提高。否则，加工工艺过程中会问题百出，更有甚者，还会造成零件的大批报废，使生产无法正常进行。
3.1.1 精基准的选择
精基准的选择主要考虑基准重合的问题。选择加工表面的设计基准为定位基准，称为基准重合的原则。采用基准重合原则可以避免由定位基准与设计基准不重合引起的基准不重合误差，零件的尺寸精度和位置精度能可靠的得以保证。为使基准统一，先选择φ52mm孔的中心线和φ90mm孔的中心线作为精基准。
3.1.2 粗基准的选择
对一般的箱体类零件来说，以底面作为基准是合理的，按照有关零件的粗基准的选择原则：当零件有不加工表面时，应选择这些不加工的表面作为粗基准，当零件有很多个不加工表面的时候，则应当选择与加工表面要求相对位置精度较高的不加工表面作为粗基准，从零件的分析得知，锥齿轮座以下底面作为粗基准。
3.2各面、孔加工方法的确定
根据锥齿轮座零件图上各加工表面的尺寸精度和表面粗糙度，确定加工件各表面的加工方法，如表3-1：

表3-1 锥齿轮座各表面加工方案

加工表面

尺寸精度等级

表面粗糙度 Ra/µm

加工方案

Φ80mm孔

IT13

6.3

粗车

Φ73mm孔

IT13

6.3

粗车

Φ90mm孔

IT7

1.6

粗车—半精车—磨

Φ52mm孔

IT7

1.6

扩—粗铰—精铰

两端面

IT13

6.3

粗车
Φ80mm孔的外圆面

IT7

1.6

粗车—半精车
距Φ52mm孔轴线101mm的端面

IT9

3.2

粗车—半精车

Φ52mm孔端面

IT13

6.3

粗铣

锥销孔

IT9

1.6

钻

3.3加工阶段的划分
该锥齿轮座的加工质量要求较高，可将加工阶段划分成面加工和孔加工两个阶段。
加工过程中，首先加工面，然后加工各孔，最后加工各细节部分（攻丝、拉槽等）
3.4工序的集中与分散
该零件选用工序集中原则安排锥齿轮座的加工工序。该锥齿轮座的生产类型是大批生产，可以采用万能型机床配以专用工、夹具，以提高生产率；而且运用工序集中原则使工件的装夹次数少，不但可缩短辅助时间，而且由于在一次装夹中加工了许多表面，有利于保证各加工表面之间的相对位置精度要求。
3.5工序顺序的安排
3.5.1机械加工工序
由于设计加工方案时要遵循“先基准后其他”原则 、“先粗后精”原则、“先主后次”原则、“先面后孔”原则。制定机械加工工序如下：
工序00 粗车下端面
工序05 粗车内孔Φ73孔
工序10 粗车Φ90孔
工序15 粗车Φ120孔
工序20 粗车上端面
工序25 粗车外圆面Φ100
工序30 粗车Φ80孔
工序35 半精车Φ90内孔，切退刀槽3*0.5
工序40 半精车Φ100外圆面，切3*1退刀槽
工序45 粗铣右端面
工序50 扩—粗铰—精铰Φ52内孔
工序55 钻孔4—M8螺纹底孔，攻丝4—M8
工序60 钻孔4—M5螺纹底孔，攻丝4—M5
工序65 钻孔3—M6螺纹底孔，攻丝3—M6
工序70 钻孔M3螺纹底孔Φ2通孔，后攻丝
工序75 磨Φ90内孔
工序80 磨Φ100外圆
工序85 磨Φ52内孔

又因为工序集中有利于采用搞生产率机床；减少工件装夹次数，节省装夹工作时间；有利于保证各加工面的相互位置精度；减少工序数目，缩短了工艺路线，也简化了生产计划和组织工作；所以最终制定机械加工工序如下：

工序00 铸造毛坯
工序05 时效，硬度要求HBS187~220
工序10 粗车下端面，粗车内孔Φ73孔，粗车Φ90孔，粗车Φ120孔
工序15 粗车上端面，粗车外圆面Φ100，粗车Φ80孔
工序20 半精车Φ90内孔，切退刀槽3*0.5
工序25 半精车Φ100外圆面，切3*1退刀槽
工序30 粗铣右端面
工序35 扩—粗铰—精铰Φ52内孔
工序40 钻孔4—M8螺纹底孔，攻丝4—M8
工序45 钻孔4—M5螺纹底孔，攻丝4—M5
工序50 钻孔3—M6螺纹底孔，攻丝3—M6
工序55 钻孔M3螺纹底孔Φ2通孔，后攻丝
工序60 去毛刺
工序65 磨Φ90内孔
工序70 磨Φ100外圆
工序75 磨Φ90内孔
工序80 磨Φ52内孔
工序85 终检

3.5.2热处理工序
加工之前进行时效处理。时效处理指合金工件经固溶处理，冷塑性变形或铸造、锻造后，在较高的温度放置或室温保持其性能，形状，尺寸随时间而变化的热处理工艺。
3.5.3辅助工序
在半精加工后，安排去毛刺和中间检验工序；精加工后，安排去毛刺、清洗和终检工序。
综上所述，该锥齿轮座工序的安排顺序为：热处理（时效处理）——主要表面粗加工及一些余量大的表面粗加工——主要表面半精加工和次要表面加工——主要表面精加工。
3.6确定加工路线
在综合考虑上述工序安排的原则基础上，由表3-2列出锥齿轮座的工艺路线：
表3—2

工
序
号
工序内容
工艺装备
00
铸造

05
时效，硬度要求HBS187~220

10
粗车下端面，粗车内孔Φ73孔，粗车Φ90孔，粗车Φ120孔
端面车刀，内孔车刀，盲孔车刀，游标卡尺
15
粗车上端面，粗车外圆面Φ100，粗车Φ80孔
外圆车刀，端面车刀，盲孔车刀，游标卡尺
20
半精车Φ90内孔，切退刀槽3*0.5
盲孔车刀，切槽刀，游标卡尺
25
半精车Φ100外圆面，切3*1退刀槽
端面车刀，切槽刀，游标卡尺
30
粗铣右端面
端铣刀，游标卡尺
35
扩—粗铰—精铰
扩孔钻，铰刀，卡尺，塞规
40
钻孔4—M8螺纹底孔，攻丝4—M8
Φ6.7的麻花钻，M8丝锥，游标卡尺，螺纹塞规
45
钻孔4—M5螺纹底孔，攻丝4—M5
Φ4麻花钻，M5丝锥，游标卡尺，螺纹塞规
50
钻孔3—M6螺纹底孔，攻丝3—M6
Φ5麻花钻，M6丝锥，游标卡尺，螺纹塞规
55
钻孔M3螺纹底孔Φ2通孔
Φ2麻花钻，M3丝锥
60
去毛刺

65
磨Φ90内孔
砂轮，内径千分尺
70
磨Φ100外圆
砂轮，外径千分尺
75
磨Φ52内孔
砂轮，内径千分尺
80
终检

4 机床设备及工艺装备的选用
4.1机床设备的选用
在大批生产条件下，可以选用高效的专用设备和组合机床，也可选用通用设备。所选用的通用设备应提出机床型号，所选用的组合机床应提出机床特征，如“四面组合机床”。主要以由表3.2给出。
4.2工艺装备的选用
工艺装配主要包括刀具、夹具和量具。在工艺卡片中应简要写出它们的名称，如“钻头”、“百分表”、“车床夹具”等。
刀具、量具以在3.2给出。该零件的生产类型为大批生产，所选用的夹具均为专用夹具。

5 加工余量、工序尺寸和公差的确定
此处只对对第35道工序进行相关计算。
由表1-20可以依次确定各工序的加工精度等级为：精铰：IT7;粗铰：IT10;扩孔：IT12。根据上述结果，再查标准公差数值表可确定各工步的公差值分别为，精铰：0.030mm; 粗铰：0.120mm; 扩孔：0.300mm。
毛坯为空心，通孔，孔内要求尺寸精度等级介于IT7，由表2-28可查得工序尺寸及余量：
扩孔：Φ50 2z=1.75mm
粗铰: Φ51.75 2z=0.18mm
精铰：Φ51.93 2z=0.07mm
6 切削用量、时间定额的计算
6.1切削用量的计算
计算工序35—扩、粗铰、精铰φ52mm孔。
6.1.1 扩孔工步
1）背吃刀量的确定
取双边被吃刀量аp=2.75mm。
2）进给量的确定
由表5-22和表4-9，选取该工步的每转的进给量=1.20mm/r。
3）切削速度的计算
由表5-24，按工件材料为灰铸铁的条件选取，切削速度可以取为72m/min。由公式（5-1） 可求得该工序钻头转速=458.62r/min,参照表4-9所列Z5505型立式钻床的主轴转速，取转速=500r/min。再将此转速带入公式（5-1），可求出该工序的实际钻削速度：
=500r/min50mm/1000=78.5m/min。
6.1.2粗铰工步
1)背吃刀量的确定
取双面被吃刀量аp=0.18mm。
进给量的确定
2)由表5-31和表4-9，选取该工步的每转的进给量=1.20mm/r。
3)切削速度的计算
由表5-31，按工件材料为灰铸铁的条件选取，切削速度可以取为6m/min。由公式（5-1） 可求得该工序钻头转速=37.5r/min,参照表4-9所列Z550型立式钻床的主轴转速，取转速=47r/min。再将此转速带入公式（5-1），可求出该工序的实际钻削速度=47r/min51mm/1000=6m/min。
6.1.3精铰工步
1) 背吃刀量的确定
取双面被吃刀量аp=0.07mm。
2) 进给量的确定
由表5-31和表4-9，选取该工步的每转进给量=0.90mm/r。
3) 切削速度的计算
由表5-31，按工件材料为灰铸铁的条件选取，切削速度可以取为3m/min。由公式（5-1） 可求得该工序钻头转速=37.5r/min,参照表4-9所列Z550型立式钻床的主轴转速，取转速=47r/min。再将此转速带入公式（5-1），可求出该工序的实际钻削速度=47r/min51mm/1000=6m/min。
6.2时间定额的计算
6.2.1基本时间的计算
1）扩孔工步
根据表5-41，本工序时间可由公式求得。式中=59mm；=2~4mm；，取= ，2.4mm；=4mm；
=1.20mm/r；n=78.5r/min。将上述结果带入公式，则该工序的基本时间t=(59+2.4+4)/1.20mm/r / 78.5r/min=41.66s
2）粗铰工步
根据表5-41，铰圆柱孔的基本时间可由公式求得。式中、由表5-42按=、аp=0.18mm条件查得=0.37mm；=15mm；而=59mm；=1.20mm/r；n=6m/min。将上述结果代入公式，则该工序的基本时间t=(59+0.37+15)/1.20mm/r / 6m/min=172.15s。

3）精铰工步
根据表5-41，铰圆柱孔的基本时间可由公式求得。式中、由表5-42按=、аp=0.07mm条件查得=0.19mm；=13mm；而=59mm；；n=6m/min。将上述结果代入公式，则该工序的基本时间t=(59+0.19+13)/0.90mm/r / 6m/min=222.8s。
6.2.2辅助时间的计算
辅助时间与基本时间之间的关系为=(0.150.2)，该零件取=0.15,则该工序的辅助时间为：
扩孔孔工步的辅助时间：=0.1517.5=2.6s；
粗铰孔工步的辅助时间：=0.1564.2=9.6s；
精铰工步的辅助时间：=0.1562.2=9.3s；
6.2.3其他时间的计算
除了作业时间（基本时间与辅助时间之和）以外，每道工序的单件时间还包括布置工作地时间、休息与生理需要时间和准备与终结时间。由于该锥齿轮座的生产类型大批生产，分摊到每个工件上的准备与终结时间甚微，可以忽略不计；布置工作地时间是作业时间的2%7%，休息与生理需要时间是作业时间的2%4%,本工件均取3%，则各工序的其他时间（+）可按关系式（3%+3%）（+）计算，他们分别为：
扩孔孔工步的其他时间：+=6%（17.5+2.6）=1.2s；
粗铰孔工步的其他时间：+=6%（59.2+9.6）=4.2s；
精铰工步的其他时间：+=6%（57.1+9.3）=4.0s；
6.2.4单件时间的计算
工序VI的单件时间为三个工步单价时间的和，其中
扩孔工步=41.66+2.6+1.2=45.46s；
粗铰工步=172.15+9.6+4.2=185.95s；
精铰工步=57.1+9.3+4.0=70.4s；
因此，工序35的单件时间=++=45.46+185.95+70.4=301.81s。
将上述零件的工艺规程设计的结果，填入工艺文件。
7 夹具设计
夹具是一种能够使工件按一定的技术要求准确定位和牢固夹紧的工艺装备，它广泛地运用于机械加工，检测和装配等整个工艺过程中。在现代化的机械和仪器的制造业中，提高加工精度和生产率，降低制造成本，一直都是生产厂家所追求的目标。正确地设计并合理的使用夹具，是保证加工质量和提高生产率，从而降低生产成本的重要技术环节之一。同时也扩大各种机床使用范围必不可少重要手段。
根据老师给定的题目，设计工序35—扩、粗铰、精铰Φ52mm孔。本专用夹具将用于Z550立式钻床的加工。刀具为扩孔钻、套式机用铰刀等，制造夹具体毛坯的材料为HT200。通过铸造得到。
7.1问题的提出
本夹具主要用于工序35—扩、粗铰、精铰Φ52孔。由于工序较多，工艺要求相对较高，加工相对复杂。本夹具的设计工程中应主要考虑以下四点：
（1）怎样限制零件的自由度：一个长圆柱销限制5个自由度，定位销限制1个自由度。
（2）怎样夹紧:设计夹具由螺旋夹紧工件。
（3）设计的夹具怎样排削:此次加工利用扩孔钻和铰刀，排削通过钻模板与工件之间的间隙排削。
（4）怎样使夹具使用合理，便于装卸。

7.2夹具设计
7.2.1 定位方案
工件以Φ90mm孔轴线为定位基准，采用定位心轴和定位销组合的定位方案。其中定位心轴限制工件五个自由度，定位销限制一个自由度。综上，该定位方案可行。
7.2.2 夹紧机构
采用手动螺旋快速夹紧机构夹紧工件。
7.2.3 定位误差分析
定位元件尺寸及公差的确定。夹具的主要定位元件为一个支承钉和一个心轴，定位基准与工序基准相重合，所以基准不重合误差△b=0，由于存在间隙，定位基准会发生相对位置的变化即存在基准位移误差。由表2-3铸件尺寸公差，基准位移误差为2.8／√2.所以定位误差为1.98mm。
7.2.4切削力及夹紧力的计算
各工序中，铰孔过程受力最大，所以只计算该工序切削力即可。
铰孔时的切削力：

式中 P───切削力
t───钻削深度, 59mm
S───每转进给量, 0.9mm
D───铰孔钻直径, Φ50mm
HB───布氏硬度，187HBS
所以

= 173（N）
铰孔的扭矩：

式中 t───钻削深度, 59mm
S───每转进给量, 0.9mm
D───铰刀直径, Φ50mm
HB───布氏硬度，187HBS

=600（N·M）
钻孔夹紧力：

式中 φ───螺纹摩擦角
───平头螺杆端的直径
───工件与夹紧元件之间的摩擦系数,0.16
───螺杆直径
───螺纹升角
Q ───手柄作用力
L ───手柄长度
则所需夹紧力

=766（N）
根据手册查得该夹紧力满足要求，故此夹具可以安全工作。
8.参考文献
万宏强教授(西安工业大学)主编.机械制造工程学.西安 . 西安电子科技大学出版社，2011.9

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