柴油机排气管接头的工艺及夹具设计教学文稿.doc

柴油机排气管接头的工艺及夹具设计

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毕业设计（论文）
（ 2013 届）

设计（论文）题目：柴油机排气管接头的工艺及夹具设计

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目 录
目 录 II
一、 排气管接头零件的工艺分析 0
1、分析柴油机排气管接头的零件图 0
（1） 柴油机排气管接头零件的成形 1
（2） 柴油机排气管接头零件的加工成本 1
（3） 柴油机排气管接头零件的加工生产率 1
2、柴油机排气管接头的材料以及热处理 1
（1）毛坯的种类 1
（2） 零件形状以及尺寸的确定 1
（3） 毛坯的材料热处理 2
3、零件加工的主要问题和工艺过程设计所采取的相应措施 2
（1） 平面和孔的加工顺序排序 2
（2） 孔系的加工方案选择 2
（1）粗基准的选择 3
（2） 精基准的选择 3
1、分析零件图的尺寸公差和技术要求 4
2、排气管接头的加工工序安排 4
（3）确定切削用量及基本工时（机动时间） 6
（4）时间定额计算及生产安排 7
—布置工作地、休息和生理需要时间占操作时间的百分比值 8
：依靠我们所学的《机械加工工艺手册》表2.4-45， 8
：依靠我们所学的《机械加工工艺手册》表2.5-43， 8
三、 夹具设计 9
（1）定位基准的选择 9
（2） 切削力及夹紧力的计算 9
（3）误差分析与计算 11
（4）钻套、衬套、钻模板设计与选用 12
（5）夹具设计及操作的简要说明 14
2、 铣端面夹具设计 14
（1）定位方案的分析和定位基准的选择 14
（2）定位误差分析 15
（3） 夹紧装置及夹具体设计 15
（4） 铣削力与夹紧力计算 16
结束语 17
致 谢 18
参考文献 19

柴油机排气管接头的工艺及夹具设计
谢英凡
摘要：制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国家或地区的经济实力、科技水平、生活水准和国防实力。而制造业的生产能力主要取决于制造装备——机床的先进程度。
本文对发动机排气管接头的加工工艺进行了详细的分析，就其孔的加工提出了“一次装夹，多工位加工，达到产品图样的精度要求”的思路。根据这一思路设计了钻孔组合机床设计。该组合机床由立柱、立柱底座、中间底座、左恻底座、右侧底座、液压滑台、动力箱、多轴箱等组成。本文对各部分的设计进行了详细的计算和论证。
本设计是发动机排气管接头零件的加工工艺规程及一些设计。发动机排气管接头零件的主要加工表面是平面及孔系。一般来说，保证平面的加工精度要比保证孔系的加工精度容易。因此，本设计遵循先面后孔的原则。整个加工过程均选用组合机床。夹具选用专用夹具，夹紧方式多选用气动夹紧，夹紧可靠，机构可以不必自锁。因此生产效率较高。适用于大批量、流水线上加工。能够满足设计要求。
关键词:排气管接头;加工工艺;组合机床。

一、 排气管接头零件的工艺分析
1、分析柴油机排气管接头的零件图

图1.1
首先我们要对柴油机排气管接头进行合理的分析以及如何解决柴油机排气管接头中的加工表面之间的加工工艺关系，并且要认真核对柴油机排气管接头零件的视图是不是相当完备，是不是标注的尺寸与零件技术要求的有空缺或者是有其它不严谨的地方，零件加工的精准度是不是与零件的表面的粗糙度、材料、技术要求等关系符合，最后零件的材料、批量、零件的结构外形、零件的标注尺寸是不是都符合我们所制造的工艺要求。

（1） 柴油机排气管接头零件的成形
柴油机排气管接头零件的材料与加工工艺方式的形成性能和每个公司生产
车间的生产条件有关。例如柴油机排气管接头所有的材料一般选择为HT200,
所以我们都是进行铸造的方式来生产。柴油机排气管接头加工工艺由零件的材料和结构形状以及机床的效率和零件的尺寸大小，精确度的高与低有关系。从排气管接头的零件图上能够明显的看出零件既有孔又有端面，所以要注意机床的选择。零件为排气管接头。
（2） 柴油机排气管接头零件的加工成本
在对零件的加工工艺的设计的时候，一定要考虑到生产和加工的能力。尽量在对柴油机排气管接头零件的加工过程，在达到技术要求的同时，尽量使能源以及人力投入到最小话。
（3） 柴油机排气管接头零件的加工生产率
在进行加工工艺的设计过程中，柴油机排气管接头零件的设计一定要采用加工工序的集中制的原则；一定要做到各个加工工序的所用的额定时间是不是和生产节拍符合，是不是符合高生产率和我们所学的工艺方法。
2、柴油机排气管接头的材料以及热处理
（1）毛坯的种类
柴油机排气管接头是大批大量的生产，因为对零件内部性能要求不是特别细致，考虑到加工效率以及经济性我们一般用HT200的材料。
（2） 零件形状以及尺寸的确定
因为柴油机排气管接头是在柴油机的内部要求体积不能太大，也不能太小，太小了起不到接头作用，太大又不经济，也多占用空间，所以我们一定要制定合理设计方案。在确定零件的外形时，为了便于生产和加工，我们还应该思考以下问题：
（1）一定要要便于装夹和加工。
（2）一定要考虑加工效率和经济性。

（3）如果零件结构确实麻烦那我也要考虑多工序制作。

（3） 毛坯的材料热处理
实际使用证明，因为灰铸铁有很多的技术上和经济上的优点，排气管接头材料采用灰铸铁，排气管接头的毛坯都用整体铸铁件。
在我们制造的零件毛坯还没有拿到加工车间进行加工之前，我们一定不能减少零件内部的作用力。对一些很容易变形的大型零件毛坯，在我们把零件进行粗
加工后再进行一次有必要的热处理。
我们的零件毛坯在进行铸造成形的时候，一定要进行防治非金属夹杂物、沙眼、缩孔、气泡等不足。特别要注意的是那些要求比较高的加工面。还有一些箱体毛坯必须符合我们所查到的各种性能的要求。
3、零件加工的主要问题和工艺过程设计所采取的相应措施
（1） 平面和孔的加工顺序排序
根据我们所学的知识对柴油机排气管接头零件的加工工艺进行排序，首先要遵循先面后孔的顺序。其次柴油机排气管接头零件也必须遵循先面后空的基本原则，所以被加工面的面积相对较大，我们必须考虑用精度较高的面定位，这样我们就可以确保定位的可靠性，用我们设计的夹具夹紧牢固，这样就很容易确保孔的加工精度。其它的一定要先将加工面上的不平的地方切去，我们这样做目的，是为了进一步提高孔的加工精度，也更便于刀具的调整。
（2） 孔系的加工方案选择
首先我们对于排气管接头零件孔系进行加工方法的进行安排，我们必须要考虑选择能够符合孔系加工精度要求的加工方案以及精度相对较高的设备。除次之外，我们还要从零件的加工精度和零件的加工效率以及零件制作的经济性因素来考虑，在制作零件时符合精度要求以及生产率的条件下，我们还要选用价格比便宜的机械设备进行加工。四、排气管接头加工定位基准的选择

4、零件加工定位基准的选择
（1）粗基准的选择
粗基准的选择一定要符合下面的几个要求：
（1）、确保每个重要配合孔的加工剩余的均匀；
（2）、保证装配时的零件与螺栓有一定的间隙。
为了符合上面几点的要求，一定要选择排气管接头的不重要加工平面作为主
要基准。就是以柴油机排气管接头的底面作为粗基准。也就是以与下底面的接近的非加工平面作为主要基准面以限制工件的3个自由度，再用与另一个底面近的非加工平面上的一点限制第四个自由度。因为是不太重要的平面作为零件加工的粗基准加工。所以，不重要加工的平面的剩余量均匀也可以随之保证了孔与面的相对位置。
（2） 精基准的选择
从确保排气管接头的孔与孔、孔与面、面与面之间的相对位置 。精基准的选择一定要确保排气管接头在整个加工过程中都能用一个的基准定位。由于柴油机排气管接头是非重要部件，因此，对零件的加工精度及相对位置精度要求不高，又考虑到生产效率等一系列影响因素，选择零件“一次装夹，多次加工”则可以满足要求。至于两底面，虽然它是已粗加工适合作为基准来加工孔，但因为这样会使生产率大大降低，所以不予采用。
二、 排气管接头的加工工艺过程
1、分析零件图的尺寸公差和技术要求
首先排气管的底面和上顶面以及侧面的粗糙度要求为6.3其要求不高，可以考虑只进行一次粗铣。端面的粗糙度要求1.6，必须进行一次精铣加工。底面及底孔以图中端面和侧面为基准面。排气管的上顶面和上顶孔以排气管的底面为基准。侧面及侧面孔端面为基准。排气管的端面以它的底面为基准。对内孔粗糙度要求不高。其它的平面要求零件的粗糙度为12.5，对于要求不是太高的平面一般都能满足。
图1.2
2、排气管接头的加工工序安排
（1）柴油机排气管接头加工主要工序安排
对于大批量生产的零件，一般总是首先加工出统一的基准，而柴油机排气管接头加工精度要求不高，且需要考虑生产效率的因素，因此只需遵循先面后孔的原则既可达到所需要的精度位置度要求。
根据以上分析过程，下面我们就把柴油机排气管接头加工工艺路线确定如下工序：
工序1：铸造。
工序2：热处理。
工序3：涂漆。
工序4：粗铣零件的底面。
工序5：粗铣零件的上顶面。
工序6：粗铣零件的侧面。
工序7：粗铣零件的端面。
工序8：粗镗端面孔。
工序9：粗镗底面孔。
工序10：钻端面孔。
工序11：钻底面孔。
工序12：钻上顶面的孔。
工序13：钻侧面的孔。
工序14：精铣底面。
工序15：精铣端面。
工序16：攻顶面M5的丝。
工序17：攻侧面M5的丝。
工序18：去除零件的毛刺。
工序19：终检。
工序20：入库。
以上工艺过程详见机械加工工艺过程综合卡片（附表1）。
（2）机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定
“柴油机排气管接头”零件材料采用灰铸铁制造。硬度HB为200—250，生产类型为大批量生产，采用铸造毛坯。
（1）、排气管接头端面加工的余量。
精铣：参照《机械加工工艺手册》表2.0-55，其零件余量值规定为0.55mm。
铸造零件的毛坯的基本尺寸为130+3.5+1.5=135mm。依靠我们所学的《机械加工工艺手册》表2.3-9,铸件尺寸公差等级选用IT7，然后查表2.3-7可得铸件尺寸公差为
毛坯的名义尺寸为：130+3.5+1.5=135mm
毛坯最小尺寸为：135-0.6=134.4mm
毛坯最大尺寸为：135+0.6=135.6mm
粗铣后最大尺寸为：135+1.5=136.5mm
粗铣后最小尺寸为：135-0.28=132.2mm
精铣后零件尺寸与零件图尺寸相同，即135（+-0.11）mm
（2）五个工艺孔8xΦ8mm。
零件毛坯为孔心，不进行冲孔。两孔精度无要求，选择IT8精度加工即可满足要求，零件表面的粗糙度无没有任何要求。依靠我们所学的《机械加工工艺手册》表2.2-41，表2.1-40。那么我们确定了工序尺寸及加工余量为：
钻孔： 8xΦ8mm
（3）确定切削用量及基本工时（机动时间）
工序1：精铣端面
机床：卧式铣床X62
刀具：硬质合金端铣刀（面铣刀）
（2）、精铣
铣削深度：
每齿进给量：根据《机械加工工艺手册》表2.4-73，取
铣削速度：参照《机械加工工艺手册》表2.4-81，取
机床主轴转速：，取
实际铣削速度：
进给量：
工作台每分进给量：
被切削层长度：由毛坯尺寸可知
刀具切入长度：精铣时
刀具切出长度：取
走刀次数为1
机动时间：
本工序机动时间
工序2：钻底面的八个孔
机床：组合钻床
刀具：锥柄麻花钻、
（1）、钻底面孔8xΦ8mm
切削深度：
进给量：根据《机械加工工艺手册》表2.4-39，取
切削速度：参照《机械加工工艺手册》表2.4-41，取
机床主轴转速：，取
实际切削速度：
被切削层长度：
刀具切入长度:=5～10 取=8 mm
刀具切出长度： =1/3d+（3～8） 取=8mm
走刀次数为1
机动时间：
（4）时间定额计算及生产安排
根据零件设计的要求，本系列的柴油机排气管接头的年产量为50万件。我们一年以300个工作日计算，每天的生产产量应一般不低于900件。那么设每天的产量为950件。再以每天9小时工作时间计算，则每个零件的生产时间应不大于0.46min。
依靠我们所学的《机械加工工艺手册》表2.3-2，机械加工零件的方式（生产类型：大批大量）运算时间的计算公式为：
（大量生产时）
因此在大批量生产时单件时间定额计算公式为：

其中： —单件时间定额 —基本时间（机动时间）
—辅助时间。用于某工序加工每个工件时都要进行的各种辅助动
作所消耗的时间，包括装卸工件时间和有关工步辅助时间
—布置工作地、休息和生理需要时间占操作时间的百分比值
工序1：、精铣顶面
机动时间：
辅助时间：依靠我们所学的《机械加工工艺手册》表2.3-40，取得加工工步的辅助时间为。因为我们加工零件在生产线上装卸工件时间很短，所以取装卸工件时间为。则
：依靠我们所学的《机械加工工艺手册》表2.4-45，
单间时间定额：

所以我们应该布置几台机床同时完成本工序的加工。当布置两台机床时，
即能满足生产要求
工序2：钻底面孔
最大的一个机动时间：
辅助时间：依靠我们所学的《机械加工工艺手册》表2.2-45，取得加工工步辅助的时间为。因为在生产线上的装卸工件非常时间短，所以取装卸工件时间为。则
：依靠我们所学的《机械加工工艺手册》表2.5-43，
单间时间定额：

因此我们需要布置几台机床才能符合生产要求。
三、 夹具设计
为了增加生产率，确保零件的加工质量，降低零件的劳动强度。在加工柴油机排气管接头时，需要设计专用夹具。
依靠零件设计任务要求中的设计内容，需要进行设计加工端面的夹具和孔夹具各一套。加工孔的夹具将用于钻床加工，刀具为硬质合金车刀。加工端面的夹具将用于铣床，刀具为硬质合金端铣刀。
1、钻孔夹具设计
（1）定位基准的选择
因为孔的加工的位置公差要求较低，位置公差的孔加工，由零件图可知：加工，在端面，端面上定位销和菱形销定位夹具，夹紧机构。所以根据零件技术要求，以保证加工精度要求，合理选择定位基准。定位基准选取已经加工好的加工面。
（2） 切削力及夹紧力的计算
钻孔选用高速钢钻头。
由参考文献可得：
切削力公式：
式中 D=8mm
查表得：
其中：
即：
夹紧力由文献得：

有：
零件的安全系数K可以按照下列计算方式：

式中：因素安全系数
可得：

所以
通过计算实际夹紧力不大，夹具构造简易操作方便，采用的结构是螺旋夹紧机构。
取，，
根据切削力，夹紧力的影响因素，在夹紧不利状态过程，该夹紧力的计算应该根据机械平衡原理来设计。最后，为了确保可靠夹紧，用零件的数值乘以它的安全系数就得它的实际所需夹紧力。
即：

安全系数K可按下式计算有：：

式中：因素安全系数，查文献可得：

所以有：

螺旋夹紧夹紧力按公式有：

螺旋夹紧力：
该夹具采用螺旋夹紧机构
原动力计算公式
即：
由上述计算易得：
通过计算实际所需夹紧力不大，结构很容易，操作很简易，选取的结构是手动螺旋夹紧机构。
（3）误差分析与计算
由参考文献可得：
⑴ 1个侧面定位销和1个端面定位销的定位误差 ：

其中：
，
，
，

⑵ 夹紧误差 ：
其中接触变形位移值：

查[5]表1～2～15有。

⑶磨损加工误差：不超过
⑷ 夹具相对刀具位置误差：取
误差总和：
从以上、所设计的夹具满足零件加工精度要求。
（4）钻套、衬套、钻模板设计与选用
为了减少辅助时间采用可换钻套，以来满足达到孔的加工的要求。

图3.1 可换钻套
d
H
D

公称尺寸
允差
8
20
15
+0.028
+0.013
18
18
20
3
9
0.5
18

钻套结构如下表
4表3.4 钻套

衬套选用固定衬套：

图3.2 固定衬套
其结构参数如下表3.5：
表3.5 固定衬套
D
H
D
C

公称尺寸
允差
公称尺寸
允差
12
+0.034
+0.016
12
18
+0.023
+0.012
0.5
2
（5）夹具设计及操作的简要说明
本夹具用在钻床上加工8-φ8mm孔。如前所述，夹具的设计，要符合夹具结构很简单，很容易操作，成本低。为了提高夹具的价格。加工过程余量小切削力小，手动夹紧可以达到工艺要求，而不会出问题的。

2、 铣端面夹具设计
（1）定位方案的分析和定位基准的选择
在进行排气管接头端面铣加工工序时，底面为基准面。排气管的底面和底面工艺孔组合成基准定位，工艺孔为第一定位基准限制工件的三个自由度，底面接触，限制六个自由度，零件以底面工艺孔及底面为定位基准，在铣夹具上实现完全定位。夹紧时，由螺母夹紧底面，再用压板固定于铣床工作台面。为防止加工误差在零件后面加一个辅助支撑。

图2.1

（2）定位误差分析
这次工序选用的工件以零件的圆孔在定位销上定位，定位销垂直放置在夹具体上，由于定位销的定位副间存在径向间隙，所以必定将引起径向基准位移的误差。在排气管接头零件的重力作用下定位副只能存在单边间隙，就是工件始终以孔壁与心轴上母线接触，故此时的径向基准位移误差仅存在Z轴方向，且向下，见下图。

式中 ——定位副间的最小配合间隙（mm）；
——工件的圆孔直径公差（mm）；
——定位销的外圆直径公差（mm）。

图3.2 定位销水平放置时定位分析图
（3） 夹紧装置及夹具体设计
铣床夹具在工作过程中要受到各种切削力的作用，它们力的大小与方向对于工件的定位基准又是变化的，所以夹紧装置要求夹紧装置要有足够的夹紧力和良好的自锁性，以保证夹紧安全可靠。本夹具是以连动压板组成的。
（4） 铣削力与夹紧力计算
根据《机械加工工艺手册》可查得：
铣削力计算公式为
圆周分力 式（3-1）
查表可得：

代入公式（3-1）得

=
根据表格可以得到铣削方向的比值为：

铣削加工产生的水平分力应由夹紧力产生的摩擦力平衡。
即： （）

计算出的理论夹紧力F再乘以安全系数k既为实际所需夹紧力
即： 取k=2

夹具体的设计主要考虑零件的外形及将上述各主要元件联成一个整体。这些主要元件设计好后即可画出夹具的设计装配草图。

铣夹具装配图

结束语
通过对柴油机排气管接头的机械加工工艺及对内孔和外端面加工夹具的设计，使我学到了许多有关机械加工的知识,主要归纳为以下两个方面：
第一方面：排气管接头的结构不是很复杂，而刚性较差。且其技术要求不高，所以适当的选择机械加工中的定位基准,是能否保证排气管接头技术要求的重要问题之一。在排气管接头的实际加工过程中，选用加工的端面为主要加工基准。
对于加工主要表面，按照“先基准后其它”的加工原则。排气管接头的主要加工表面为端面和内孔的加工，较重要的加工表面为为右端端面，因为以后的加工都要以此为基准面。次要的加工表面为内孔的加工，其要求精度为所有表面加工中要求最高的。排气管接头机械加工路线是围绕主要加工表面来安排的。
第二方面：主要是关于夹具的设计方法及其步骤。
（1）、定位方案的设计：主要确定工件的定位基准及定位基面；工件的六点定位原则；定位元件的选用等。
（2）、导向及对刀装置的设计：由于本设计主要设计的是镗内孔、铣端面夹具，所以主要考虑的是选用钻套的类型及排屑问题，以及对刀块的类型，从而确定钻套和对刀块的位置尺寸及公差。
（3）、夹紧装置的设计：针对连杆的加工特点及加工的批量，对排气管接头的夹紧装置应满足装卸工件方便、迅速的特点。
（4）、夹具体设计：排气管接头的结构特点是比较小，设计时应注意夹具体结构尺寸的大小。夹具体的作用是将定位及夹具装置连接成一体，并能正确安装在机床上，加工时能承受一部分切削力。所以夹具体的材料一般采用铸铁。
（5）、定位精度和定位误差的计算：对用于粗加工的夹具，都应该进行定位误差和稳定性的计算，以及设计的夹具能否满足零件加工的各项尺寸要求。
（6）、绘制夹具装备图及夹具零件图。

致 谢
本次毕业设计是我们大学最后也是最重要的一次设计，所以在此对那些帮助过、知道过我的人致以最诚挚的感谢。
感谢我的指导老师的悉心指导，如果不是指导老师耐心的教导，我也完不成我的设计。当我的设计出现问题时，当我的知识薄弱时，指导老师总会及时的帮助我，我想我的设计其实也凝聚着指导老师的一份心血。指导老师严谨治学的精神给我们留下了深刻的印象。所以特别感谢指导老师，致以最崇高的敬意。
这里我还要感谢我们机电工程系的所有老师，当我们有疑难困惑的时候，总能及时得到你们的帮助。作为你们的学生是幸福的，也是幸运的。
感谢我的父母，是你们把我带到这个世界上，让我去生活，去学习。
其实还要感谢很多人，就用我今后的表现去报答你们爱。

参考文献
[1] 李旦等，机床专用夹具图册，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2005。
[2] 孙已德，机床夹具图册，北京：机械工业出版社，1984。
[3] 何玉林，机械制图，重庆：重庆大学出版社，1983。
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[5] 淘济贤等，机床夹具设计，北京：机械工业出版社，1986。
[6] 李洪，机械加工工艺师手册，北京：机械工业出版社，1990。