机械制造加工工艺与夹具设计

1、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

2、：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

3、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

4、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90 右端面、 90 左端面、 52 外圆面、 13H7孔、 4× 9 孔、 2× 4 孔、 41H7圆面及端面。图 1-2零件毛坯图90 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。13H7 孔的尺寸精度， 41

5、H7 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 1113 级，时效处理： 150200HB，加工余量一般。2.2 定位基准的选择精基准的选择泵体的 A 面和 13H7孔既是装配基准， 又是设计基准， 用它们作精基准，

6、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，13H7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。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 90 外圆面与右端面为粗基准。2.3 制定工艺路线工序 铸造工序 时效工序 粗铣 90右端面，精铣 90 右端面工序 粗车 90左端面工序 粗车 52外圆面，半精车 52 外圆面，精车 52 外圆面工序 钻 13孔，扩钻 13 孔，粗铰 13 孔，精铰 13 孔工序 镗 41圆面，扩钻 41 圆面，粗铰 41

7、 圆面，精铰41 圆面工序 钻9孔工序 钻4孔工序 车 41 端面工序 粗铣圆弧断面工序 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 150200HB，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 90 右端面2522711 52 外圆面5235511 41 內圆面41239113.2 机械加工余量铣 90 右端面表面质量为 Ra3.2，参考工艺手册

8、表8-15 ，确定工序尺寸及余量（见表 3-2 ）。表 3-2 90 右端面基本尺寸及余量（单位： mm ）加工余量 Z工艺尺寸毛坯2.027粗车1.325.7半精车0.7253.2.2车 90 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 90 左端面基本尺寸及余量（单位： mm ）加工余量 Z工艺尺寸毛坯28粗车（两次）163.2.3车 52h6 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 52h6 外圆面基本尺寸及余量（单位：mm ）加工余量 Z工艺尺寸毛坯355

9、精车2.3 54.3半精车1.8 53.8精车1 52h63.2.4钻 13H7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 13H7 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 12扩孔钻0.85 12.85粗铰0.1 12.95精铰0.0513H7镗 41 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 41 內圆面基本尺寸及余量（ mm ）加工余量 Z工艺尺寸毛坯2 39镗0.340.7扩孔钻0.05 40.75粗铰0.17 40.93精铰0.0741H7

10、3.2.6 钻 4x9 孔及 2x4 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3-74x9 孔及2x 4 孔基本尺寸及余量（ mm ）加工余量Z工艺尺寸钻 9 孔09钻 4 孔04车41 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 41 端面基本尺寸及余量（ mm）加工余量 Z工艺尺寸毛坯210粗车1.18.7半精车0.78铣90 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 41端面基本尺寸及余量

11、（ mm）加工余量Z工艺尺寸毛坯278.8粗铣076.8四确定切削用量及基本工时4.1 加工条件加工材料： HT200，HB150200，铸造 .加工要求：铣 90 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：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 90 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ae6mm铣削深度a p2mm机床选用 X51K型立式铣

12、床。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03mm；铣刀直径 d20mm ，查机床刀具使用手册表 3.8 可得耐用度 T60 min 。确定切削速度 v 和工作台每分钟进给量f Mz根据文献 5表 3.27中的公式vCvd qvkvT m a p xv f z yv aeu v z pv式中： C v48 ，qv0.25 ，xv0.1， yv0.2 ，uv0.3 ， pv0.1，m0.2 ， T 60 min ， ap2mm ， f z0.18 mm z ， ae6mm ， z5 ，d20mm， kv1.0所以有v48200. 250.

13、1 = 65m min600.20 .10.180.260.352n1000v100065 =1030r mind20根据文献5 ，X51K型立式铣床主轴转速表4.2-36 ， 选 择n1000r min实际切削速度vn201.05 m100062.83 mmins工作台每分钟进给量为f Mz0.185 1000900mm min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f Mz 900mm z则实际每齿进给量为：f z9000.18 mm z51000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PcFc v1000FcC F aP xF f

14、z yF aeu F z kFcd qF nWF式中：C F650 ，xF1.0，yF0.72，uF0.86 ，WF0 ，q F0.86 ，ap2mm，f z0.18 mm z ，ae6mm ，z5 ，d20mm，n1000rmin ，kFc0.63Fc65021.00.180.7260 .8650.63 =2918.15N200.8610000v1.05m sPc2918.151.053.06 KW1000X51K型立式铣床主动电机的功率为5 KW ，故所选切削用量是可以采用的。所确定的切削用量为：f z0.18 mm zf Mz900mm minn 1000r min v 1.06m s计

15、算工时工步一：L =75mm L2 =13mm,取2 mmL1 =0.5(20-20262 )+2=2.5mmf mzf zzn0.185 1000900 mm min基本时间：LL1L275 2 2.5t j0.088 min 5.3sfmz900辅助时间：t f0.15t j0.795s工作地服务时间：t bt x(3%3%)(t jt f )0.37 s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、扩大机床使用围、缩短新产品试制周期等方面有着显著

16、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 90 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 90 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

17、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。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

18、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 415 。夹具体结构型式应便

19、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。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：B 0.0210.1 ，即小于相位位置度公差的1 ，所以定位方案能够满33足加工要求。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， d20mm，齿

20、数 5。粗铣时 B=6mm。由文献 5 表 3-24 得：FZ 9.81 58ae0.9 f z0.8a1p.0 Zd00.9其中：a p2mm,ae6mm, f z0.18mm / z所以：F9.815860.921.00.180.8680 0.9511N水平分力：FH1.1F1.1 511562N垂直分力：FV0.3F0.3511153N在计算切削力时必须把安全系数考虑在。安全系数KK1K 2 K3K 41其中： K1 基本安全系数，1.5 ； K2 加工性质系数， 1.1 ； K3 刀具钝化系数， 1.1 ； K 4 断续切削系数， 1.1 ；F=KFH1.51.1 1.1 1.15621122N为克服水平切削力，实际夹紧力N 应为Nf1f 2KFH所以：NKF Hf1f2其中 f1 和 f2 为夹具定位面及夹紧面上的摩擦系数，取 f1f20.25 。则1122N