铣夹具设计说明书.doc

机械制造工艺学课程设计任务书
题目：设计气门摇杆轴支座零件的机械加工工艺规程及专用夹具
内容：（1）零件一毛坯合图 1张
（2）机械加工工艺规程卡片 12张
（3）夹具装配总图 1张
（4）夹具零件图 一张
（5）课程设计说明书 一份
原始资料：该零件图样一张；生产纲领6000件/年。

班级：
学生：
指导老师：
2008年9月20日

目录
第一部分：
序言 ………………………………………………………………………… 2
一 设计目的……………………………………………………………… 2
二 设计感想与体会 …………………………………………………… 2
第二部分：工艺规程与夹具设计过程
工艺规程与夹具设计过程 ……………………………………………… 4
一、设计题目,计算生产纲领及生产型………………………………… 4
二、零件的分析………………………………………………………5 (一) 零件的作 ……………………………………………………………… 5
(二) 零件的工艺分析 ……………………………………………………… 5
三、确定毛坯的制造方法，初步确定毛坯 ……………………… 6
四、工艺规程设计 ………………………………………………………… 6
(一) 定位基准的选择 ……………………………………………………6
（二）零件表面加工方法的选择………………………………………… 7
（三）制定加工工艺路线 ……………………………………………… 8
（四）选择加工设备及刀、夹、量具 ………………………………… 10
五、加工工序设计 ……………………………………………………… 11
(一) 确定切削用量及基本工时 ………………………………………… 11
六、填写机械加工工艺卡和机械加工工序卡 …………………………17
七、夹具设计…………………………………………………………………17
（一）问题的提出………………………………………………………………17
（二）　夹具设计的有关计算………………………………………………17
（三）　夹具结构设计及操作简要说明…………………………………20八、主要参考文献…………………………………………………………21

序 言
一、设计目的：
现代机械制造工艺设计是机械类专业学生在学完了《机械制造技术基础》等技术基础和专业课理论之后进行的一个实践教学环节。其目的是巩固和加深理论教学内容，培养学生综合运用所学理论，解决现代实际工艺设计问题的能力。通过工艺规程及工艺装备设计，学生应达到：
1、掌握零件机械加工工艺规程设计的能力；
2、掌握加工方法及其机床、刀具及切削用量等的选择应用能力；
3、掌握机床专用夹具等工艺装备的设计能力；
4、学会使用、查阅各种设计资料、手册和国家标准等，以及学会绘制工序图、夹具总装图，标注必要的技术条件等。

二、设计感想与体会：
三周的课程设计就是一个团队合作的过程。所谓1+1>2，一个团队的合作，使我们的设计成果不到三周时间就渐渐呈现在我们的眼前。看着眼前的手工图纸、CAD图和设计计算的手稿，三周的设计过程一幕幕浮现在眼前。
三周的设计让我们学到了很多东西。这次设计可以说是三年的课程学习所掌握的所有机械工程学科的基础知识的融会贯通，因为我们以前曾经学得很好，但是都是理论的东西，学习了马克思主义哲学之后，终于知道理论联系实际才使我们有了更进一步的体会。
在这次设计中，我学会的如何设计、如何计算，更重要的是我学会了合作，我懂得了团队合作的重要性。我们以前做的设计都是一个人的，而且规模小，不需要什么规划，这次可以说是综合了我们的所有智慧。同时，得到了我们的指导老师的大力支持。
由于我们水平所限，设计中难免有错误和不妥之处，在此还诚请指导老师批评指正。

工艺规程与夹具设计过程
一、根据生产纲领，确定生产类型：
该零件是柴油机上的气门摇杆轴支座，按照指导老师的要求，设计此零件为大批量生产。
二 零件的分析
（一） 零件的作用
气门摇杆轴支座是柴油机一个主要零件。是柴油机摇杆座的结合部，Ø20孔装摇杆轴，轴上两端各装一进气门摇杆，摇杆座通过两个Ø13mm孔用M12螺杆与汽缸盖相连，3mm轴向槽用于锁紧摇杆轴，使之不转动
（二） 零件的工艺分析
由附图1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。
该零件上主要加工面为上端面、下端面，左、右端面，2-φ13mm孔和φ20mm以及3mm轴向槽的加工。φ20mm孔的尺寸精度与下端面0.05mm的平行度与左右两端面孔的尺寸精度，直接影响到进气门与排气门的传动精度及密封，2—Ø13mm孔的尺寸精度，以上下两端面的平行度0.05mm。因此，需要先以下端面为粗基准加工上端面，再以上端面为粗基准加工下端面，再把下端面作为精基准，最后加工φ20mm孔与左右两端面时以下端面为定位基准以保证孔轴线与两端面相对下端面的位置精度。
由参考文献（1）中有关孔的加工的经济精度机床能达到的位置精度可知上述要求可以达到的零件的结构的工艺性也是可行的。
三 确定毛坯的制造方法，初步确定毛坯形状，（附图2）
根据零件的用途及其结构，材料确定为HT200，毛坯为铸件，零件形状简单，因此毛坯形状需与零件的形状尽量接近，又因内孔很小，不可铸出。已知零件的生产纲领为6000件/年，通过计算，该零件质量约为3Kg，由参考文献（5）表1—4、表1—3可知，其生产类型为大批生产，毛坯的铸造方法选用砂型机器造型。此外，为消除残余应力，铸造后安排人工时效处理。参考文献（1）表2.3—12；该种铸造公差等级为CT10~11，MA-H级。参考文献（1）表2.3-12，用查表方法确定各表面的加工余量如下表所示：
表1
加工表面
基本尺寸
加工余量等级
加工余量数值
说明
上端面
82mm
H
2mm
单侧加工
下端面
82mm
H
2mm
单侧加工
左端面
46mm
H
2mm
单侧加工
右端面
46mm
H
2mm
单侧加工
四　　工艺规程设计
（一） 　　定位基准的选择：
定位基准的选择是工艺规程设计中的重要工作之一，定位基准选择得正确与合理，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，还会造成零件大批报废，使生产无法正常进行。
粗基准的选择：考虑到以下几点要求，选择零件的重要面和重要孔做基准。在保证各加工面均有加工余量的前提下，使重要孔或面的加工余量尽量均匀，此外，还要保证定位夹紧的可靠性，装夹的方便性，减少辅助时间，所以粗基准为上端面。加工左右两端平面时,为了保证位置度求,采用一面两孔定位,限制六个自由度,用下端面与两φ13孔作为定位基准. 镗削Ø20mm孔的定位夹紧方案为：用一菱形销加一圆柱销定位两个Ø13mm的孔，再加上底面定位实现，两孔一面完全定位，这种方案适合于大批生产类型中。
精基准的选择：主要考虑基准重合问题，气门摇杆轴支座的下端面既是装配基准又是设计基准，用它作为精基准，能使加工遵循基准重合的原则。Ø20孔及左右两端面都采用底面做基准，这使得工艺路线又遵循“基准统一”的原则，下端面的面积比较大，定位比较稳定，夹紧方案也比较简单，可靠，操作方便。
（二）　　零件表面加工方法的选择：
本零件的加工面有端面、内孔、槽等，材料为HT200灰铸铁，参考《机械制造工艺设计简明手册》（以下简称《工艺手册》）表1.4-7、表1.4-8及表1.4-17其加工方法选择如下：
上端面：粗铣。 下端面：精铣
左端面：粗铣—精铣 右端面：粗铣—精铣
2—Ø13mm孔：钻孔。 3mm 轴向槽—精铣
Ø20mm：钻孔—粗镗—精镗
（三）　制定加工工艺路线
制定工艺路线的出发点，应当是使零件的加工精度（尺寸精度、形状精度、位置精度）和表面质量等技术要求能得到合理的保证。在生产纲领已经确定为中批量生产的条件下，可以考虑采用通用机床配以专用夹具并尽量使工序集中来提高生产率。除此以外，还应当考虑经济效果，以便使生产成本尽量下降。
方案一：表2
工序号
工序内容
01
铸造
02
时效
03
涂漆
04
车上端面
05
钻两φ13通孔
06
精铣下端面
07
铣右端面
08
钻通孔¢18mm
09
镗孔φ20mm，孔口角１*４５度
10
铣左端面
11
铣轴向槽
12
检验
13
入库
方案二：表3
序号
工序内容
简要说明
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13

铸造
时效
涂漆
铣上端面
粗,精铣下端面
钻两φ13通孔
铣右端面
钻通孔φ18
镗孔到φ20，孔口倒角1*45度
铣左端面
铣轴向槽
检验
入库

消除内应力
防止生锈
先加工粗基准面
加工经基准
先面后孔
先面后孔

后镗削余量

次要工序后加工

工艺方案的比较与分析：
因左右两端面均对φ20mm孔有较高的位置要求，故它们的加工宜采用工序集中原则，减少装次数，提高加工精度。
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，将端面的精铣和下端面的粗铣放在前面，下端面的精铣放在后面，每一阶段要首先加工上端面后钻孔，左右端面上φ20mm孔放后面加工。初步拟订加工路线方案一。方案一遵循了工艺路线拟订的一般原则，但某些工序还有一些问题还值得进一步讨论。如车上端面，因工件和夹具的尺寸较大，在卧式车床上加工时，它们惯性力较大，平衡困难；又由上端面不是连续的圆环面，车削中出现断续切削容易引起工艺系统的震动，故改动铣削加工。工序05应在工序06前完成，使上端面在加工后有较多的时间进行自然时效，减少受力变形和受热变形对2—Ø13mm通孔加工精度的影响。
通过以上的两工艺路线的优、缺点分析，最后确定工艺路线方案一为该零件的加工路线。该工艺过程详见附表１和附表2，机械加工工艺过程卡片和机械加工工序卡片。
（四） 选择加工设备及刀、夹、量具
由于生产类型为大批生产，故加工设备适宜通用机床为主，辅以少量专用机床的流水生产线，工件在各机床上的装卸及各机床间的传动均由人工完成。
铣上端面：考虑到工件的定位夹紧方案及夹具结构设计等问题，采用立铣选择X1632立式铣床。（参考文献（1）表6-18），选择直径D为φ80mm立铣刀，参考文献（1）表7-88，通用夹具和游标卡尺。
粗铣下端面：采用上述相同的机床与铣刀，通用夹具游标卡尺。
精铣下端面：采用上述相同的机床与铣刀，通用夹具游标卡尺。
粗铣左端面：采用立式铣床X1632，参考文献（1）表6—21，采用以前的刀具，专用夹具游标卡尺。
精铣左端面：采用卧式铣床X1632,参考文献（1）表6—21，专用夹具及游标卡尺。
钻2-φ13mm孔：采用Z3025，参考文献（1）表6—26，通用夹具。刀具为d为φ13mm的直柄麻花钻，参考文献（1）表7—111。
钻φ18mm孔：钻孔直行为φ18mm，选择摇臂钻床Z3025参考文献（1）表6—26，采用锥柄麻花钻，通用夹具及量具。
镗φ20mm孔：粗镗：采用卧式组合镗床，选择功率为1.5KM的ITA20镗削头，参考文献（1）白喔—88。选择镗通孔镗刀及镗杆，专用夹具，游标卡尺。

五 加工工序设计
(一)　确定切削用量及基本工时（机动时间）
在工艺文件中还要确定每一工步的切削用量。(1)切削用量指：背吃刀量asp(即切削深度ap)、进给量f及切削速度Vc 。(2)确定方法是：确定切削深度——>确定进给量——>确定切削速度．(3)具体要求是：①由工序或工步余量确定切削深度：精、半精加工全部余量在一次走刀中去除；在中等功率机床上一次走刀ap可达8～10mm。②按本工序或工步加工表面粗糙度确定进给量：对粗加工工序或工步按加工表面粗糙度初选进给量后还要校验机床进给机构强度：③可用查表法或计算法得出切削速度Vc查，用公式 换算出查表或计算法所得的转速nc查，根据Vc查在选择机床实有的主轴转速表中选取接近的主轴转速n机作为实际的转速，再用 换算出实际的切削速度Vc机填入工艺文件中。对粗加工，选取实际切削速度Vc机、实际进给量f机和背吃刀量asp之后，还要校验机床功率是否足够等，才能作为最后的切削用量填入工艺文件中。
１　工序钻２个φ１３mm孔
(1)、加工条件
工件材料：HT200正火，бb=220MPa，190～220HBS
加工要求：钻扩孔φ１３mm
机床选择：选用立式钻床Z525（见《工艺手册》表4.2-14）
(2)、确定切削用量及基本工时
选择φ１３mm高速钢锥柄标准麻花钻（见《工艺手册》P84）
d=13 L=238mm L1=140mm
f机=0.48mm/r (见《切削手册》表2.7和《工艺手册》表4.2-16)
Vc查=13m/min （见《切削手册》表2.15）
按机床选取n机=195r/min（按《工艺手册》表4.2-15）
所以实际切削速度： m/min.
基本工时：
l=80mm ) l2=(1～4)mm(取4mm)
按《工艺手册》表6.2-5公式计算1.24（min）

２　工序 粗、精铣左右端面
（２） 粗铣
1）、选择刀具：
根据《工艺手册》表3.1-27，选择用一把YG6硬质合金端铣刀，其参数为：铣刀外径d0=100mm，铣刀齿数Z=10。
2）、确定铣削深度a p：
单边加工余量Z=２±0.27，余量不大，一次走刀内切完，则：a p=２mm
3）、确定每齿进给量fz:
根据《切削手册》表3.5，用硬质合金铣刀在功率为4.5kw的X51铣床加工时，选择每齿进给量fz=0.14～0.24mm/z，由于是粗铣，取较大的值。现取：fz=0.18mm/z
4）、选择铣刀磨钝标准及刀具耐用度：
根据《切削手册》表3.7，铣刀刀齿后刀面最大磨损量为1.0～1.5mm，现取1.2mm，根据《切削手册》表3.8铣刀直径d0=100mm的硬质合金端铣刀的耐用度T=180min。
5）、确定切削速度Vc：
根据《切削手册》表3.16可以查Vc：
由 ap=２mm fz=0.18mm/z，查得
Vc=77mm/z n=245mm/z Vƒ=385mm/z
根据X1632型立铣床说明书（表4.2-35）
nc=255 r/min Vƒc=400 mm/min (横向)
6）、计算基本工时：
l=47mm l2=2 T=0.１４ min
（２）精铣
1）、选择刀具：
根据《工艺手册》表3.1-27，选择用一把YG6硬质合金端铣刀，铣刀外径d0=100mm，铣刀齿数Z=10
2）、确定铣削深度ap：
由于单边加工余量Z1，故一次走刀内切完，则：a p= 1 mm
3）、确定每齿进给量fz:
由《切削手册》表3.5，用硬质合金铣刀在功率为4.5kw的X51铣床加工时，选择每齿进给量fz=0.14～0.24mm/z，半精铣取较小的值。现取：fz=0.14mm/z
4）、选择铣刀磨钝标准及刀具耐用度：
根据《切削手册》表3.7，铣刀刀齿后刀面最大磨损量为1.0～1.5mm，现取1.2mm，根据《切削手册》表3.8铣刀直径d0=100mm的硬质合金端铣刀的耐用度T=180min。
5）、确定切削速度Vc：
根据《切削手册》表3.16可以查Vc：
由 ap≤4mm ƒz=0.14mm/z，查得：
Vc=110mm/z n=352mm/z Vƒ=394mm/z
根据X1632型立铣床说明书（表4.2-35）
nc=380 r/min Vƒc=400 mm/min (横向)
6）、计算基本工时：
l=40 mm l2 =2
  所以本工序的基本时间为：
T=t1+t2=0.14+0.12=0.26min
（３）工序粗镗φ１８工序
φ１８粗镗余量参考文献［１］表３－８３取粗镗为１.８mm，粗镗切削余量为0.2mm,铰孔后尺寸为　　20H8,各工部余量和工序尺寸公差列于表２－３
加工表面
加工方法
余量
公差等级
工序尺寸及公差
φ18
粗镗
1.8
____
ø19.8
φ19.2
精镗
0.2
H8
20H8
孔轴线到底面位置尺寸为６0mm，精镗后工序尺寸为20.02±0.08mm，与下底面的位置精度为0.05mm,与左右端面的位置精度为0.06mm,且定位夹紧时基准重合，故不需保证。0.06mm跳动公差由机床保证。
(2.1) 钻孔φ18mm
选择φ18mm高速钢锥柄标准麻花钻（见《工艺手册》P84）
d=18 L=238mm L1=140mm
f机=0.48mm/r (见《切削手册》表2.7和《工艺手册》表4.2-16)
Vc查=13m/min 见《切削手册》表2.15）
按机床选取n机=195r/min（按《工艺手册》表4.2-15）
所以实际切削速度：
基本工时：
l=80mm ) l2=(1～4)mm(取4mm)
按《工艺手册》表6.2-5公式计算 1.10min

粗镗孔时因余量为1mm,故ap=1mm,
查文献［１］表２. 4-8
取V=0.4m/s=24m/min
去进给量为f=002mm/r
n=1000V/πd=1000*24/3.14*20=380r/min
查文献的Fz=9.81*60^nFzCFzapXFzV^nFzKFz
pm=FzV*10^-3
CF2=180,
XFz=1
Yfz=0.75
nFz=0
Rfz=9.81*60°*180*2.75ˊ*0.2^0.75*0.4°*1
=1452 N
P=0.58 kw
　　　　取机床效率为０.８５
0.78*0.85=0.89kw>0.58kw
故机床的功率足够。
下面计算工序09的时间定额
（１） 机动时间
粗镗时：L/(f*n)=45/0.2*380=7.5s
精镗时：f取0.1mm/s
L/(f*n)=45/0.1*380=15s
总机动时间:T=7.5+15=0.38min
六 填写机械加工工艺卡和机械加工工序卡
工艺文件详见附表。

七 夹具设计
为了提高劳动生产率，保证加工质量，降低劳动成本，需要设计专用夹具。按指导老师的布置，设计第07与１０道工序——粗，精铣φ３２mm左右两端面铣床夹具。本夹具将用于X51立式铣床，刀具为YG6硬质合金端铣刀，对工件φ３２mm端面。
（一）　问题的提出：
本夹具主要用于铣φ３２mm端面，由于该端面精度要求高，所以，在本道工序加工时，应该考虑其精度要求，同时也要考虑如何提高劳动生产率。
（二）　夹具设计的有关计算：
⑴、定位基准的选择：
由零件图可知，φ３２mm端面应对下端面有垂直度要求，并且左右两端面有平行度要求。为了使定位误差为零，应该选择以φ20孔定位的定心夹具但这种定心夹具在结构上将过于复杂，因此这里只选用以φ13和下端面为主要定位基面。
⑵、切削力及夹紧力计算：
刀具：YG6硬质合金端铣刀
(见《切削手册》表3.28)
其中：CF=54.5，ap=4.5，XF=0.9，fZ=0.18，YF=0.74，ae=28，UF=1.0，d0=100，qF=1.0，n=255，WF=0，Z=10
∴F=54.5×4.50.9×0.180.74×28×10/(100×2550)≈166.1(N)
水平分力：FH=1.1F实≈182.7(N)
垂直分力：FV=0.3F实≈49.8(N)
在计算切削力时，必须安全系数考虑在内。
安全系数: K=K1K2K3K4。
其中：K1=1.5 K2=1.1 K3=1.1 K4=1.1
∴F／=KFH=（1.5×1.1×1.1×1.1）×182.7=364.8 (N)
实际加紧力为F加= KFH/（U1*U2）=364.8/0.5=729.6 (N)
其中U1和U2为夹具定位面及加紧面上的磨擦系数，U1=U2=0.025
螺母选用M16X1.5细牙三角螺纹，产生的加紧力为
W=2M/D2tg(a+6055)+0.66(D3- d3 )/（D2- d2)
其中： M=19000 N.M D2=14.8mm a=2029， D=23mm d=16mm
解得： W=1O405 (N)
此时螺母的加紧力W已大于所需的729.6的加紧力F加，故本夹具可安全工作。
1. 心轴取材料为Q235
2. 查表得Q235的许用弯曲应力为： 158Mpa
3. 弯曲应力=M/Wz=32FL/ 3.14 d3=99.4X32X0.028/[3.14X(0.022)2]
4. =2.67<< 许用弯曲应力158Mpa
(3)定位误差分析
由于基准重合,故轴,径向尺寸无极限偏差、形状和位置公差，故径向尺寸无基准不重合度误差。即不必考虑定位误差，只需保证夹具的心轴的制造精度和安装精度。且工件是以内孔在心轴上定位，下端面靠在定位块上，该定位心轴的尺寸及公差现规定为与零件内孔有公差相同。因为夹紧与原定位达到了重合，能较好地保证了铣φ３２mm端面所得到的尺寸和下端面形位公差要求。
（三）　夹具结构设计及操作简要说明：
如前所述，在设计夹具时，应该注意提高劳动率。为此，在螺母夹紧时采用活动手柄，以便装卸，夹具体底面上的一对定位槽可使整个夹具在机床工作台上有正确的安装位置，以利于铣削加工。结果，本夹具总体的感觉还比较紧凑。
为了保证零件加工精度，我们采用可换定位销来进行定心加紧。夹具体底面上的一对定位槽
与铣床工作台的T型槽相连接，保证夹具与铣床纵向进给方向相平行的位置，使夹具在机床工作台上占有一正确加工位置。此外，为了把夹具紧固在铣床工作台上，夹具体两端设置供T型螺栓穿过夹具用的两个U型耳座。
夹具上装有对刀块装置，可使夹具在一批零件的加工之前很好的对刀（与塞尺配合使用）；同时，夹具体底面上的一对定位键可使整个夹具在机床工作台上有一正确的安装位置，以有利于铣削加工。
铣床夹具的装配图及夹具体零件图分别见附图3附图4。

主要参考文献
 1．段明扬主编.现代机械制造工艺设计实训教程.桂林:广西师范大学出版社,2007
2．段明扬主编.现代制造工艺设计方法.桂林:广西师范大学出版社,2007
3.    李益民主编.机械制造工艺设计简明手册.北京:机械工业出版社,2003
4. 艾 兴等编.切削用量简明手册.北京:机械工业出版社,2002
5. 东北重型机械学院等编.机床夹具设计手册.上海:上海科技出版社,1990
6．华楚生主编.机械制造技术基础（第二版）.重庆:重庆大学出版社,2003
7．互换性及测量技术(东南大学出版社 2000)
8．朱冬梅等编.画法几何及机械制图.北京:高等大学出版社,2000

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