机械制造加工工艺及夹具设计.doc

前 言

机械工业是一种基本工业形式，对于我们国家来说，它关系到国计民生的方方面面。近年来机械工业领域向着高精度、高质量、高效率、低成本方向发展，数字化，自动化水平日益提高。同时由于机械工业的发展，其他各工业部门也向着高深度迈进，机械工业的发展日趋重要。
机械制造过程及检测，检验中，都要使用大量的夹具。为了达到提高劳动效率，提高加工精度，减少废品，扩大机床的工艺范围，改善操作的劳动条件，如何设计好夹具则成了机械制造的一项重要任务。
机床夹具是夹具中的一种，将其固定到机床上，可以使被加工件对刀具与机床保持正确的相对位置，并克服切削力的影响。使加工顺利进行。机床夹具分为通用夹具和专用夹具两种。

夹具设计中的特点：
1.夹具的设计周期较短，一般不用进行强度和刚度的计算。
2.专用夹具的设计对产品零件有很强的针对性。
3.“确保产品加工质量，提高劳动生产率”是夹具设计工作的主要任务，加工质量包括被加工表面的本身精度和位置精度，后者主要用夹具来保证。
4.夹紧装置的设计对整个夹具的结局有具定性的影响。设计一个好的夹具可以减少废品率。
因此，夹具设计要保证以下几个条件：
1.夹具的结构应与其用途及生产规模相适应。
2.保证工件的精度。
3.保证使用方便与安全。
4.正确处理作用力的平衡问题。
5.注意结构的工艺性，便于制造和维修。注意夹具与机床、辅助工具、刀具、量具之间的联系。
在机械制造中，为了适应新产品的不断发展要求。因此,夹具设计过程中有朝着下列方向发展的趋势：
1.发展通用夹具的新品种
由于机械产品的加工精度日益提高，因此需要发展高精度通用夹具。
广泛的采用高效率夹具，可以压缩辅助时间，提高生产效率。
2.推广和发展组合夹具及拼拆夹具。
3.加强专用夹具的标准化和规范化。
4.大力推广和使用机械化及自动化夹具。
采用新结构、新工艺、新材料来设计和制造夹具。
本设计属于工艺夹具设计范围，机械加工工艺设计在零件的加工制造过程中有着重要的作用。工艺性的好坏，直接影响着零件的加工质量及生产成本，在设计中为了适应中批批量的生产情况，以提高产品的生产效率，在设计中所采用的零件尽量采用标准件，以降低产品的生产费用。

一．零件的分析

1.1 零件的作用
该题目所给的零件是与叶轮配合，实现叶轮旋转的定位导向零件。由于其工作性质要求零件耐磨强度高，故对该零件的表面精度要求较高。

图1-1 零件图
1.2 零件的工艺分析
由零件样图得知，其材料为HT200。该材料具有较高的强度、耐磨性、耐热性及减振性，适用于承受较大应力、要求耐磨的零件。
该零件上的是主要加工面为φ90右端面、φ90左端面、φ52外圆面、φ13H7孔、4×φ9孔、2×φ4孔、φ41H7内圆面及内端面。

图1-2 零件毛坯图
φ90右端面与A面的垂直度0.02mm直接影响泵体与泵的连接精度及密封。
φ13H7孔的尺寸精度，φ41H7内圆面的尺寸精度，与A面的平行度0.02mm，直接影响泵体与壳体的配合精度、运动精度及正确定位。因此，最好能在一次装夹下完成对这一面两孔的加工。
由参考文献[1]中有关面和孔的加工精度及机床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。

二．工艺规程设计

2.1 确定毛坯的制造形式
根据零件材料确定毛坯为铸件，其生产类型为批量生产。毛坯的铸造方法选用砂型机械造型。为消除残余应力，铸造后应安排人工时效。精度11~13级，时效处理：150~200HB，加工余量一般。
2.2 定位基准的选择
2.2.1 精基准的选择
泵体的A面和φ13H7孔既是装配基准，又是设计基准，用它们作精基准，能使加工遵循“基准重合”的原则，实现泵体零件“一面两孔”的典型定位方式，其余各面和孔的加工也能用它定位，这样使工艺路线遵循了“基准统一”的原则。此外，φ13H7孔的精度高，定位比较稳定，夹紧方案比较简单、可靠、操作方便。
2.2.2 粗基准的选择
考虑到零件各面的平行度及垂直度要求，选择零件的最大端面，即φ90外圆面与右端面为粗基准。
2.3 制定工艺路线
工序Ⅰ 铸造
工序Ⅱ 时效
工序Ⅲ 粗铣Φ90右端面，精铣Φ90右端面
工序Ⅳ 粗车Φ90左端面
工序Ⅴ 粗车Φ52外圆面，半精车Φ52外圆面，精车Φ52外圆面
工序Ⅵ 钻Φ13孔，扩钻Φ13孔，粗铰Φ13孔，精铰Φ13孔
工序Ⅶ 镗Φ41内圆面，扩钻Φ41内圆面，粗铰Φ41内圆面，精铰 Φ41内圆面
工序Ⅷ 钻Φ9孔
工序Ⅸ 钻Φ4孔
工序Ⅹ 车Φ41内端面
工序Ⅺ 粗铣圆弧断面
工序Ⅻ 终检

三．加工余量、工序及毛坯尺寸的确定

零件材料采用HT200灰口铸铁，硬度150~200HB，重约3kg，生产类型为批量生产，采用砂型铸造，毛坯为实心，不铸孔。根据上述原始资料及加工工艺，分别确定各加工表面的机械加工余量。
3.1 毛坯
毛坯基本尺寸及各工序加工余量参见 表3-1
表3-1 毛坯基本尺寸及余量 （单位：mm）

基本尺寸
Rma
毛坯尺寸
公差等级
φ90右端面
25
2
27
11
φ52外圆面
52
3
55
11
φ41內圆面
41
2
39
11
3.2．机械加工余量
3.2.1 铣φ90右端面
表面质量为Ra3.2，参考《工艺手册》表8-15，确定工序尺寸及余量（见表3-2）。

表3-2 φ90右端面基本尺寸及余量 （单位：mm）

加工余量Z
工艺尺寸
毛坯
2.0
27
粗车
1.3
25.7
半精车
0.7
25
3.2.2 车φ90左端面
表面加工质量Ra6.3，参考《工艺手册》表8-13，确定工序尺寸及余量（见表3-3）。
表3-3 φ90左端面基本尺寸及余量 （单位：mm）

加工余量Z
工艺尺寸
毛坯
2
8
粗车（两次）
1
6
3.2.3 车φ52h6外圆面
表面加工质量Ra1.6，参考《工艺手册》表8-15，确定工序尺寸及余量（见表3-4）。
表3-4 φ52h6外圆面基本尺寸及余量 （单位：mm）

加工余量Z
工艺尺寸
毛坯
3
φ55
精车
2.3
φ54.3
半精车
1.8
φ53.8
精车
1
φ52h6
3.2.4 钻φ13H7孔
表面加工质量H7，参考《工艺手册》表8-15，确定工序尺寸及余量（见表3-5）。
表3-5 φ13H7孔基本尺寸及余量 （单位：mm）

加工余量Z
工艺尺寸
毛坯
2

钻
1.9
φ12
扩孔钻
0.85
φ12.85
粗铰
0.1
φ12.95
精铰
0.05
φ13H7
3.2.5 镗φ41內圆面
表面加工质量H7，参考《工艺手册》表8-15，确定工序尺寸及量（见表3-6）。
表3-6 φ41內圆面基本尺寸及余量 （mm）

加工余量Z
工艺尺寸
毛坯
2
φ39
镗
0.3
φ40.7
扩孔钻
0.05
φ40.75
粗铰
0.17
φ40.93
精铰
0.07
φ41H7
3.2.6 钻4xφ9孔及2xφ4孔
表面加工质量Ra3.2，仅需粗加工，参考《工艺手册》表8-15，确定工序尺寸及量（见表3-7）。

表3-7 4xφ9孔及2xφ4孔基本尺寸及余量 （mm）

加工余量Z
工艺尺寸
钻φ9孔
0
9
钻φ4孔
0
4
3.2.7 车φ41内端面
表面加工质量Ra3.2，仅需粗加工，参考《工艺手册》表8-15，确定工序尺寸及量（见表3-8）。
表3-8 φ41内端面基本尺寸及余量 （mm）

加工余量Z
工艺尺寸
毛坯
2
10
粗车
1.1
8.7
半精车
0.7
8
3.2.8 铣φ90圆弧断面
表面加工质量Ra3.2，仅需粗加工，参考《工艺手册》表8-15，确定工序尺寸及量（见表3-9）。
表3-9 φ41内端面基本尺寸及余量 （mm）

加工余量Z
工艺尺寸
毛坯
2
78.8
粗铣
0
76.8

四．确定切削用量及基本工时

4.1 加工条件
加工材料：HT200，HB150~200，铸造.
加工要求：铣φ90圆弧缺面，毛坯尺寸78.8mm，保证尺寸76.8mm.
机床：X51型 立式铣床.
刀具：φ直柄立铣刀.
在大批量生产条件下，可以选用高效的专用组合机床，也可以选用通用设备。根据经济性和零件的特点所选用X51立式铣床。
4.2 计算切削用量
铣φ90圆弧缺面，其加工尺寸为76.8mm。查《机床刀具使用手册》表6－13，选择直柄立铣刀，由于do=20mm,z=5,
已知：铣削宽度

铣削深度

机床选用X51K型立式铣床。
4.2.1 铣刀磨钝标准及寿命
查《机床刀具使用手册》表3.7用直柄立铣刀粗加工钢料，铣刀刀齿后刀面最大磨损量为0～3mm；铣刀直径，查《机床刀具使用手册》表3.8可得耐用度。
4.2.2 确定切削速度和工作台每分钟进给量
根据文献[5]表3.27中的公式

式中： ，，，，，，，，，，，，，
所以有
=
=
根据文献[5]，X51K型立式铣床主轴转速表4.2-36，选择
实际切削速度

工作台每分钟进给量为

根据文献[5]，X51K型立式铣床工作台横向进给量表4.2-37，选择

则实际每齿进给量为：

4.2.3 校检机床功率
根据文献[5]表3.28的计算公式，铣削时的功率为

式中：，，，，，，，
=2918.15N

X51K型立式铣床主动电机的功率为5，故所选切削用量是可以采用的。
所确定的切削用量为：

4.2.4 计算工时
工步一：
=75mm =1～3mm,取2 mm
=0.5(20-)+2=2.5mm

基本时间：

辅助时间：

工作地服务时间：

五．夹具设计
在机械加工中，为完成需要的加工工序、装配工序及检验工序等，首先要将工件固定，使之占有确定的位置，这种装置即为夹具。它对保证工件的加工质量、提高加工效率、降低生产成本、改善劳动条件、扩大机床使用范围、缩短新产品试制周期等方面有着显著的经济效益。
本题目加工的零件为中批量生产，设计通用夹具即可。
经过与指导老师的协商，决定设12道工序：铣φ90圆弧断面。本夹具将用于 X51立式铣床，采用端面铣刀对其加工。
5.1 问题的提出
本夹具主要用来铣φ90圆弧断面，精度要求不高，并与其它的加工部位之间的技术要求不是很高。因此，在本道工序加工时，主要应考虑的问题是如何能保证加工表面的精度要求，同时还应考虑如何可以提高劳动生产率，降低劳动强度，而与其它之间的技术要求不是主要问题。
5.2．夹具的设计
5.2.1 设计夹具的基本要求
1.保证工件的加工精度
专用夹具应有合理的定位方案，标注合理的尺寸公差和技术要求，并进行必要的精度分析，确保夹具能满足工件的加工要求。
2.提高生产效率
应根据工件生产批量的大小设计不同复杂程度的高效夹具，以缩短辅助时间，提高生产效率。
3．工艺性好
专用夹具的结构应简单合理便于加工装配检验和维修。
专用夹具的制造属于单件生产，当最终精度由调整或修配保证时，夹具应设置调整或修配结构，如设置适当的调整间隙，采用可修磨的垫片等。
4.使用性好
专用夹具的操作应简单省力安全可靠，排屑应方便，必要时可设置排泄结构。
5.经济性好
除考虑专用夹具本身结构简单。标准化程度高，成本低廉外，还应根据生产纲领对夹具方案进行必要的经济分析，以提高夹具在生产中的经济效益。
5.2.2 对夹具体的要求
1. 有适当的精度和尺寸稳定性
夹具体上的重要表面，如安装定位元件的表面，安装对刀或导向元件的表面以及夹具体的安装基面等，应有适当的尺寸和形状精度，它们之间应有适当的位置精度。
为使夹具体尺寸稳定，铸造夹具体要进行时效处理，焊接和锻造夹具体要进行退火处理
2. 有足够的强度和刚度
加工过程中，夹具体要求承受较大的切削力和加紧力。为保证夹具体不产生不容许的变形和振动，夹具体应有足够的强度和刚度。因此夹具体需有一定的壁厚，铸造和焊接夹具体常设置加强筋，或在不影响工件装卸的情况下采用框架式夹具体
3. 结构工艺性好
夹具体应便于制造装配和检验。铸造夹具体上安装各种元件的表面英铸出凸台，以减少加工面积。夹具体毛面与工件之间应留有足够的间隙，一般为4～15㎜。夹具体结构型式应便于工件的装卸。
4. 排屑方面
切屑多时，夹具体上应考虑排屑结构。
由于此零件是中批量生产且根据要求，采用通用夹具，手动加紧。
5.2.3 定位误差的分析
定位元件尺寸及公差的确定。根据定位方案，设计定位元件的结构如附图（夹具装配图）所示。该设计中的定位销为主要的定位元件，其公差根据文献[5]表2.9-6得0.02mm，所以影响位置度的定位误差为：，即小于相位位置度公差的，所以定位方案能够满足加工要求。
5.2.4 夹紧力的计算及夹紧元件的强度校核
夹紧装置如夹具装配图，根据零件的形状，以及夹紧机构在夹具中安装，可确定夹紧力的位置。
切削力及夹紧力的计算
刀具： 硬质合金直齿端面铣刀，， 齿数5。粗铣时B=6mm。
由文献[5]表3-24得：

其中：

所以：

水平分力：

垂直分力：

在计算切削力时必须把安全系数考虑在内。安全系数

其中：—基本安全系数，1.5；—加工性质系数，1.1；—刀具钝化系数，1.1；—断续切削系数，1.1；
F’=K
为克服水平切削力，实际夹紧力N应为

所以：

其中和为夹具定位面及夹紧面上的摩擦系数，取。则

夹具设计合格可靠。

总 结

为期两周的机械制造加工工艺及夹具设计即将结束了，两周是时间虽然短暂但是它对我们来说受益菲浅的，通过这两周的设计使我们不在是只知道书本上的空理论，不在是纸上谈兵，而是将理论和实践相结合进行实实在在的设计，使我们不但巩固了理论知识而且掌握了设计的步骤和要领，使我们更好的利用图书馆，更好的更熟练的利用我们手中的各种设计手册和AUTOCAD等制图软件，为我们的毕业设计打下了好的基础。
课程设计使我们认识到了只学好书本上的知识是不够的，还应该更好的做到理论和实践的结合。因此同学们非常感谢XX老师给我们的辛勤指导，使我们学到了好多，也非常珍惜学院给我们的这次设计的机会，它将是我们毕业设计完成的更出色的关键一步。
最后，衷心的感谢X老师的悉心帮助，使我顺利的完成此次设计。谢谢！

参 考 文 献

1 孟少农.机械加工工艺手册.北京：机械工业大学出版社.
2 金属机械加工工艺人员手册组编．金属机械加工工艺人员手册．上海：上海科学技术出版社，1979.
3 东北重型机械学院、 洛阳工学院第一汽车制造厂职工大.机床夹具设计手册.上海：上海科学技术出版社.
4 赵家齐.机械制造工艺学课程设计指导书.北京：机械工业出版社.
5 南京市机械研究所.金属切削机床夹具图册.北京：机械工业出版社.
6 浦林祥.金属切削机床夹具设计手册.北京：机械工业出版社.
7 东北工学院机械教研室.机械零件设计手册.北京：冶金工业出版社.
8 濮良贵.机械设计.北京：高等教育出版社.
9 孙玉芹.机械精度设计基础.北京：科学出版社，2003.
10 石光源.机械制图.北京：高等教育出版社.

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