气门摇臂轴支座加工工艺及夹具研究设计说明书[].doc

序 言
由于知能力所限，设计中尚有许多不足之处，恳请各位老师给予指教。机械制造技术基础课程设计是我们学完大学的全部基础课程课、技术基础课以及专业课之后进行的。这是我们在进行毕业设计以前对所学课程的一次深入的综合性的总复习，也是一次理论联系实际的训练，因此，它在我们四年的大学学习中占有重要的地位。本次设计的内容是柴油机气门摇臂支座的加工工艺及主要工序夹具设计。具体是工艺设计，工序卡、工艺过程卡的编制，夹具设计。
就我个人而言，我希望能通过这次课程设计对自己未来将从事的工作进行一次适应性训练，从中锻炼自己分析问题、解决问题的能力，能够更深入理解课本知识，并能够很好的应用理论知识，为以后更好地胜任我的工作岗位打好基础。

一. 零件的分析
（一）零件的作用
该零件是1105型柴油机中的摇臂结合部的气门摇臂轴支座。mm孔装摇臂轴，轴两端各安装一进、排气气门摇臂。mm孔内装一个减压轴，用于降低汽缸内压力，便于启动柴油机，两孔间距mm，可以保证减压轴在摇臂上打开气门，实现减压。该零件通过mm小孔用M10螺杆与汽缸相连。该零件是柴油机气门控制系统的一个重要零件。
（二）零件的工艺分析
分析零件图纸，图纸的各视图尺寸标注完整，能够表达清楚零件的各个部分，技术条件标注合理，表面粗糙度标注合理，尺寸公差标注完整，能够完整表述加工要求。该零件加工表面分两种，主要是孔的加工，圆柱端面平面加工。将零件图重新绘制在A3图纸上，详见附图。如图一，现将主要加工部分表述如下：
1.孔加工
该零件共有4个孔要加工，其中mm、mm孔加工要求较高，两孔中间距mm，mm孔中心与底平面距离mm，mm孔中心与底面距离490.05mm。有平行度要求，表面粗糙度1.6，需精加工，mm小孔直接钻出即可，另斜小孔直接钻出。
2.面的加工
该零件需加工平面为22×36底面精度要求较高，是后续工序的精基准面，需精加工，上端面要求高，粗铣即可。26圆柱两端面粗铣，　28圆柱两端粗糙度要求3.2，要精铣。
分析知，该零件的加工应先加工面，孔以面为基准。保证孔中心与底面的距离，平行度。

图一

二、工艺规程设计
（一）确定毛坯的制造形式
零件材料为HT200，生产纲领为6000件/年，根据选择毛坯应考虑的因素，该零件体积较小、形状不是很复杂，外表面采用不去除材料方法获得粗糙度，由于零件生产类型为成批、大批生产，而砂型铸造生产成本低，设备简单，故本零件毛坯采用砂型机器造型。
（二）基面的选择
基面选择是工艺规程设计中的重要工作之一，基面选择的正确与合理，可以使加工质量得到保证，生产率得到提高。否则，加工工艺过程中的问题百出，更有甚者，还会造成零件大批报废，使生产无法正常进行。
（1）粗基准选择：按照有关粗基准的选择原则（即当零件有不加工表面时应以这些不加工表面作粗基准：若零件有若干个不加工表面时，则应以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）。粗基准选择应为后续加工提供精基准，保证加工面与不加工面之间的位置要求或合理分配各加工面的余量，对该零件应以要求与余量均匀的重要表面为粗基准，故该零件选择未加工的底面为粗基准加工上端面。
（2）精基准选择：应该主要考虑如何保证加工精度和装夹方便，为消除基准不重合误差，应该以设计基准为精基准。
（三）制订工艺路线
制订工艺路线出发点，应当是使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求能得到合理的保证。在生产纲领已确定为大批量生产地条件下，可以考虑万能性能机床配以专用夹具，并尽量使工序集中来提高生产率。除此之外，还应当考虑经济效果，以便使生产成本尽量降低。
1.工艺路线方案一：
工序号
工序内容
1
2
3
4
5
6
7
8

9
10
11
铸造
退火
粗铣φ28、φ26圆柱两端面
精铣φ28圆柱两端面
粗铣φ22圆柱端面22×36底面
精铣22×36底面
钻孔φ11
钻、扩、粗铰、精铰φ18、φ16两孔至图样尺寸并锪
倒角1×45
钻孔φ3
去锐边、毛刺
终检、入库

2.工艺路线方案二：
工序号
工序内容
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
铸造
退火
粗铣φ22圆柱端面、22×36底面
精铣22×36底面
精铣φ28圆柱端面、φ26圆柱端面
精铣φ28圆柱两端面
钻孔φ11
钻、扩、铰φ18、φ16两孔至图样尺寸并锪倒角1×45
钻孔φ3
去锐边、毛刺
终检、入库

3.工艺方案的比较与分析
上述两个方案的特点在于：方案一是先加工φ28、φ26两圆柱端面，然后以此为基面加工22×36底面，再以该底面为定位基准加工孔；方案二则与此相反，先是加工22×36底面，然后以此为基准加工各端面和孔。两者相比较可以看出，方案二的精基准符合“基准重合”原则，而方案一前后精基准选择不符合。用方案一加工的两、孔达不到图样的要求，因此方案二好，但是仔细考虑后还是有问题。根据先面后孔、先主要表面后次要表面和先粗加工后精加工的原则，最后的加工路线确定如下：
序号
工序内容
定位基准
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
铸造
退火
粗铣底平面
粗铣圆柱上端面
粗铣、圆柱两端面
精铣底平面
钻孔
精铣圆柱端面
钻→扩→铰、孔
、两孔两端倒角°
钻孔
去毛刺、锐边
终检，入库

改善材料性能
以上圆柱端面定位
以底面定位

以上圆柱端面定位
划线
以底面定位
以底面定位
各圆柱端面
、两孔

4.选择加工方法：
选择加工方法应该考虑各种加工方法的特点、加工精度、表面粗糙度及各种加工方法的经济性。
分析该零件，该零件要加工的内容有端面和孔，零件为非回转体零件，端面加工选择铣削加工。对于上端面圆柱端面，粗糙度12.5，无其他要求，粗铣即可。底面22×36采用粗铣→精铣。圆柱端面粗糙度要求12.5，无其他要求，采用粗铣即可。圆柱2端面粗糙度要求3.2，圆跳动0.1，采用粗铣→精铣。
孔的加工：、3孔粗糙度12.5，直接钻孔即可。、孔粗糙度要求1.6，精度等级较高，有平行度要求，采用钻→扩→铰孔即可满足要求。
（四）机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定
“气门摇臂轴支座”零件的材料为HT200，硬度170~220HBS，生产类型为成批、大批生产，考虑毛坯生产成本和机械加工成本，毛坯制造方法为砂型机器造型，18、16孔需精加工，要留加工余量，故孔不宜铸出，其他小孔不铸出。
确定加工余量：
由文献[1]表2.2-3，砂型铸造，公差等级：（CT8~10），取CT8
由文献[1] 表2.2-5，加工余量等级：8~10CT，取G
由文献[1] 表2.2-4，切削余量：基本尺寸小于100mm，故加工余量为单侧3.0mm，双侧2.5mm
由文献[1] 表2.2-1，铸件尺寸公差值：基本尺寸小于50mm，取1.0，小于30mm，取0.9mm
表1各加工表面总余量

加工表面
基本尺寸（mm）
加工余 量等级
加工余量数值（mm）

说 明
22×36底平面
44
G
2.5
底面，双侧加工（取下行数据）
Φ22圆柱上端面
44
G
2.5
双侧加工
Φ28圆柱端面
42
G
2.5
双侧加工（取下行数据）
Φ26圆柱端面
21
G
2.5
双侧加工
表2主要毛坯尺寸及公差（mm）
主要面尺寸
零件尺寸
总余量
毛坯尺寸
公差CT
Φ22圆柱与底平面
39
4.5
44
9
Φ28圆柱
42
3.5
42
9
Φ26圆柱

16

3.5

21

9

零件-毛坯综合图（见附图）：零件-毛坯综合图一般包括以下内容：铸造毛坯形状、尺寸及公差、加工余量与工艺余量、铸造斜度及圆角、分型面、工艺基准及其他有关技术要求等。
平面加工余量：
圆柱轴向尺寸，上端面铣削，余量2.5mm，下底面粗铣余量2mm，精铣余量0.5mm。圆柱轴向尺寸370.1mm，两端面粗铣余量2mm，精铣余量0.5mm。轴向尺寸16mm，圆柱两端面粗铣，余量2.5mm
钻孔加工余量：
孔mm钻→扩→铰余量：
钻孔：
扩孔：至5 2Z=1.8mm
铰孔：mm 2Z=0.2mm
孔mm钻→扩→铰余量：
钻孔：
扩孔：至5 2Z=1.8mm
铰孔：mm 2Z=0.2mm
、两孔直接钻出
（五）选择加工设备及工艺装备
1.平面加工：
采用铣削，工序3、4、5、6、8由于是批量生产，要求加工效率较高，选择立式铣床采用端铣效率较高。选择机床型号X52
2.孔加工：
工序7、9、11，选择立式钻床Z525，工序9采用摇臂钻床Z3025。
3.夹具选择：
该零件的加工内容是孔和端面，其中孔、精度要求高，孔是斜小孔，铣底平面，都需要专用夹具。精铣圆柱两端面精度要求较高，且有圆跳动要求，需采用专用夹具其余加工采用通用夹具。
4.刀具选择：
铣削加工：选择错齿三面刃铣刀。
钻削加工：钻孔采用锥柄麻花钻（GB1438-85）直径d=11mm，采用d=3mm锥柄麻花钻。钻孔采用d=16mm锥柄麻花钻，钻孔采用d=14mm锥柄麻花钻。（由文献[1]表3.1-6）。
扩孔、分别采用d=17.8mm，d=15.8mm锥柄扩孔钻（GB1141-84）（由文献[1]表3.1-8）
铰孔、分别选择d=18mm，d=16mm锥柄机用铰刀（GB1133-84）（由文献[1]表3.1-17）。
（六） 确定切削用量及基本工时：
1.工序3（粗铣底平面）切削用量及时间定额：(由同组郭远波得)
工序实际切削用量=0.105mm/z，=950mm/min，n=750 r/min=12.5r/s
v=2.18m/s
时间定额： min
2. 工序4粗铣上端面：(由同组郭远波得)
工序实际切削用量=0.105mm/z，=900mm/min，n=750 r/min=12.5r/s
v=2.18m/s
时间定额：0.022 min
3. 工序5（粗铣、两圆柱两端面）切削用量及时间定额：（由同组郭辉强得）
工序时间定额:
本工序加工面为两个圆柱的4个端面,时间为加工4个端面的和.
0.04 min
0.037 min
=0.077 min。
由于每个圆柱要铣2个端面，时间是计算时间的2倍，总时间=0.15min。
4.工序6 （精铣底平面）切削用量及时间定额:(由同组郭远波得)
实际切削速度：V=47.1m/min。
实际=375mm/min，0.067mm/z
工序时间定额：0.116 min
5.工序7（钻孔）切削用量及时间定额：（由同组宋田峰得）
切削工时：=17.8 s =0.3min
6.工序8 (精铣圆柱两端面) 切削用量及时间定额:（由同组郭辉强得）
工序时间定额：0.097min
7. 工序9（钻、扩、铰孔、）切削用量及时间定额：
A.钻孔 至，
由文献[11]表9-32，f=0.26~0.32mm/r，取f=0.26 mm/r
由文献[11]表9-36，取v=0.35 m/s
代入公式=8 r/s=480 r/min
由文献[1]表4.2-12，机床为Z3025，选择转速=500r/min
则实际切削速度：
v==0.37 mm/r
扩孔至15.8钻孔
f=0.5 mm/r （由文献[11]表9-42）
v=0.48 m/s （由文献[11]表9-44）
=9.7 r/s=582 r/min
由文献[1]表4.2-12，机床为Z3025，选择转速：=630r/min =10.5 r/s
实际切削速度：v==0.52 m/s
铰孔：
由文献[11]表9-50，f=1.0mm/r，v=0.155m/s带入：
=3.09r/s=185.4r/min。
由文献[1]表4.2-12，机床为Z3025，选择转速=200r/min。
实际速度：v=0.167m/s。
时间定额：
s
s
5.3s
=18.819 s
B.钻至
由文献[11]表9-32，取f=0.26 mm/r
由文献[11]表9-36，取v=0.30 m/s
代入公式：
=5.95r/s=357 r/min
取机床实际转速：=400m/min，则实际切削速度：v=0.32 m/s
扩孔至17.8
f=0.5 mm/r （由文献[11]表9-42）
v=0.48 m/s （由文献[11]表9-44）代入公式：
=8.6 r/s=516r /min
取机床实际转速：n=630 r/min=10.5r/s
实际切削速度：v=0.599m/s
铰孔
由文献[11]表9-50，f=1.8mm/r，v=0.13m/s 代入
=2.3 r/s=138 r/min。
取机床实际转速：n=125 r/min=2.08r/s
实际速度：v=0.11m/s
时间定额：
26 s
8.7s
1.3 s
=36 s
工序总时间定额：55 s≈1min
8.工序11（钻孔）切削用量及时间定额：（由同组郭辉强得）
切削工时： =17.1 s

三、夹具设计

由于生产类型为成批，大批生产，要考虑生产效率，降低劳动强度，保证加工质量，故需要设计专用夹具。
（一）问题的提出：
本次设计选择设计工序9 钻→扩→铰孔、的夹具。该工序加工的精度要求较高，粗糙度要求1.6，平行度要求0.05。工序基准为底平面。需要保证的尺寸要求：保证孔中心与底面距离mm，孔中心与底面距离mm。两孔中心距mm。夹具设计应首先满足这些要求，并保证较高的生产效率，还应考虑夹具零件制造的工艺性和生产经济性，加工过程中夹具的操作应方便，定位夹紧稳定可靠，夹具体应具有较好的刚性。
（二）夹具的设计：
1. 定位方案分析
根据图纸要求，为保证加工质量，在工件上钻孔，工序基准应与设计基准相同。工序基准为：11、36×22底平面、和圆柱端面。
方案一：工件以36×22底平面作为主要定位面，限制3个自由度，以28侧面定位一个移动自由度和一个转动自由度，还有一个移动自由度由短定位螺钉侧面定位。如图二、三：

图二
图三

方案二：工件以圆柱端面作为主要定位面，限制3个自由度，和圆柱面用一固定V型块和活动V型块定位，限制3个自由度。再在端面加一辅助支撑。如图四：
D
D

图四
综上，进行两方案比较。本工序的主要加工要求是、及保证两孔的距离56和底平面的距离并保证两孔的中心轴与底平面的平行度0.05mm。两孔的精度和距离要求由钻模板保证。而余下的就由定位方案决定。方案一工件以底平面作为主要定位面，能保证两孔的中心轴与底平面的距离24、49，也能保证两孔与底平面的平行度。定位基准与工序基准重合。方案二工件以圆柱端面和外圆表面分别在夹具上的V 形块上定位，夹紧工件两V型块夹紧时，由于两外圆端面是铸造没有处理加工是保证不了两孔之间的距离，且加工直径16的孔会由于受力不匀损坏D-D处，更无法保证钻两孔的中心轴与36×22底平面的平行度和距离。所以选用方案一。
2.定位误差分析：
定位误差是指由于定位不准引起的某一工序的尺寸或位置精度要求方面的加工误差。对夹具设计中采用的定位方案，只要可能产生的定位误差小于工件相应尺寸或位置公差的三分之一，或满足装夹+对定+过程≤T，即可认为定位方案符合加工要求。
对于本次设计的夹具，需要保证的尺寸要求：保证孔中心与底面距离mm，孔中心与底面距离mm。两孔中心距mm。其中两孔中心距由钻模板上两钻套的中心距保证。孔与底面的距离靠钻模板与3个C型定位支承保证，3个尺寸都是以工件底面为基准的，基准不重合误差为0。
导向装置的设计：
导向装置主要是钻模板，导向元件是钻套，加工中需要钻→扩→铰3个工步，为减少装夹时间，减少辅助时间，钻套分别选择φ16和φ18的固定钻套。

钻模板图见附图
3.夹紧装置的设计：
根据夹紧力方向的原则
（1），夹紧力的作用方向不应破坏工件的既定位置。
（2），夹紧力的作用方向应使所需夹紧力尽可能小；
（3），夹紧力的作用方向应使工件的夹紧变形最小。
根据夹紧力作用点的原则
（1），夹紧力的作用点应正对夹具定位支承元件或位于支承元件所形成的稳定受力区域内，以免工件产生位移和偏转；
（2），夹紧力的作用点应在工件刚性较好的部位上，以使夹紧变形尽可能少，有时可采用增大工件受力面积或合理布局夹紧点位置等措施来实现；
（3），夹紧力的作用点应尽可能靠近工件的加工表面，以保证夹紧力的稳定性和可靠性，减小工件的夹紧力，防止加工过程产生振动。
根据以上要求，考虑加工零件的特点及定位方式，确定夹紧方式，通过前面工序加工出的孔用拉杆夹紧，方向为水平向右，这样能保证主要定位基准面与定位元件的良好接触。
4.切削力及夹紧力的计算：
A切削力的计算：
刀具为高速钢锥柄麻花钻，直径d=16mm，f=0.26mm/r，由文献[4]表2—32，钻孔的轴向力计算公式：

其中=365.9，ZF=1.0，YF=0.8 ，=0.94带入公式
钻孔至的轴向力：
=1873 N
钻孔至的轴向力：
=1639 N
B夹紧力的确定：
分析工件夹具中的受力情况：
切削力方向为孔的轴线方向，夹紧力垂直于切削力方向，由定位面与定位元件之间的摩擦力平衡切削轴向力，定位面板材料为铸铁，工件材料为铸铁，摩擦系数为0.5。由文献[12]公式5-2：

式中为摩擦力，为静摩擦因素，为正压力，带入式
得：
=3746 N，则实际夹紧力F=K，K为安全系数。
K=
由文献[2]表1-2-1、表1-2-2：
K=1.2×1.2×1.0×1.0×1.0=1.44
F=1.44×3746=5394N
5.校验夹紧元件的强度：
夹紧拉杆材料为20Cr，材料塑性大，受力为拉力，发生塑性变形，当达到一定限度或断裂，零件不能正常工作，就发生失效。失效发生在零件的薄弱环节。拉杆示意图如下：
图五 夹紧拉杆图
A- A截面是该零件最易失效的部分，取该截面分析：
故拉杆强度合格。
，=190MPa
对塑性材料有： （由文献[7]公式2.11）
20Cr钢540MPa，取2，则：
==270>

四 设计心得
作为机械制造专业的学生，最重要的就是机械加工工艺规程的制定和工装夹具的设计。通过夹具设计，我掌握了机械加工工艺规程的设计和工装夹具设计的基本步骤和方法。工艺规程设计首先是分析了零件的技术要求，包括被加工面的尺寸精度和几何形状精度，各被加工表面之间的相互位置精度，被加工表面的表面加工质量及热处理要求，对毛坯的要求等等。夹具设计首先是确定工件的定位方案，然后确定夹紧方案，选择动力装置。选择合理的机床组合，拟订合理的加工路线，确定机床、刀具、夹具，如果需要专用夹具，就需要设计专用夹具。计算确定切削用量，机床转速、时间定额等。然后编制工艺规程文件，如工艺过程卡，工序卡片。

[参考资料
(一) 李益民.机械制造工艺设计简明手册[M].北京：机械工业出版社，1993.4
(二) 《加工工艺手册》
(三) 《机械加工工艺手册》
(四) 《机械加工工艺设计实用手册》
(五) 《机床夹具设计手册》
(六) 《机械制造工艺设计手册》
(七) 《夹具-非标准夹紧装置》
(八) 《课程设计指导手册》
(九) 《切削用量简明工艺手册》