曲柄的机械加工工艺及夹具设计

1、 华中科大设计曲柄的机械加工工艺规程及工艺装备 摘要：本次课程设计的课题是曲柄的机械加工工艺规程及工艺装备的设计，主要的设计内容包括曲柄的毛坯图，零件图，夹具装配图及装配图上的两个零件图，还有工艺过程卡片和工序卡各一张。首先是设计机械加工工艺规程，然后是机械加工工序设计，最后是机床夹具的设计。1 引言 机械制造技术基础是机械设计制造及其自动化专业的一门主干专业基础课，内容覆盖金属切削原理和刀具、机械加工方法及设备、机械制造工艺学及工艺装备等知识，贯穿大学的整个专业课程，是一门要求实践性和综合性的课程，通过我们做课程设计这个实践性环节才使我们对机械设计制造技术基础的基础理论有更加深刻的认识，为以

2、后的工作打下扎实基础。课程设计是我们在学完了机械制造技术基础后进行的、这个课程设计是我们在进行毕业设计之前对所学各专业课程的一次综合性的复习。这次设计使我们能综合运用机械制造技术基础中的基本理论，并结合生产实习中学到的实践知识，独立地分析和解决了零件机械制造工艺问题，分析零件的工艺机构，对其工艺性进行分析，然后确定加工的路线，最后设计出机床夹具。设计机床专用夹具这一典型的工装，是我们对工程训练的提升，是实践运用到理论上来，这个对提高我们认识机械制造技术基础的基本知识，为今后的毕业设计及未来从事的机械加工工艺方向的工作打下了良好的坚实的基础。1.零件的工艺分析该设计是零件曲柄面和孔的加工，现分析

3、如下：32mm、22 mm孔左端表面32mm、22 mm孔右端面 孔32 mm、22 mm及倒角，锥销孔5mmM6 -6H的内螺纹，孔5mm。这孔有着一定的位置要求，主要是：32 mm孔内与22中心线平行度公差为0.02；32 mm孔与22中心线的距离为50mm。图1-1零件工艺项目公差等级偏差()粗糙度位置要求孔16IT70 0.0183.20.02B孔12 IT70 0.0183.222端面12.532外端面12.516内端面3.2内螺纹M6IT600.0083.2锥销孔5GB1804-C±0.31.6孔5GB1804-C±0.312.5倒角GB1804-C±

4、0.412.5尺寸18GB1804-C±0.5尺寸9GB1804-C±0.5尺寸22CT12±2.3尺寸32CT12±2.5尺寸64GB1804-C±0.8尺寸17GB1804-C±0.52.机械加工工艺设计2.1毛坯的制造形式零件材料为HT200，考虑到零件材料的综合性能及材料成本和加工成本,保证零件工作的可靠,采用铸造。由于年产量为50000件，属于大批生产的水平，而且零件轮廓尺寸不大，故可以采用铸造成型。图2-1毛坯工艺（毛坯的尺寸公差和加工余量）（表2-2）铸造类型（砂型）基本尺寸尺寸公差等级加工余量等级公差CT加工余量底、侧

5、面25.3CT9MA-G1.72.5顶面22.8CT9MA-H 1.73.5底、侧面72CT9MA-G62.5 2.2基面的选择 基面选择是工艺规程设计中的重要的设计之一，基面的选择正确与合理，可以使加工质量得到保证，生产率得到提高。否则，加工工艺过程中会问题百出，更有甚者，还会造成零件大批量的报废，使生产无法进行。 2.2.1  粗基面的选择 作为粗基准的表面应平整，没有飞边、毛刺或其他表面缺欠。该工件选择22圆面和左端面作为粗基准。采用22圆面定位加工内孔可保证的壁厚均匀；采用左端面作粗基准加工右端面，可以为后续工序准备好精基准。 2.2.2  精基面的选择 12轴线是

6、设计基准，选择12轴线作为定位基准加工16孔，实现设计基准和工艺基准重合，保证被加工孔轴线平行度的要求。选择右端面为加工内螺纹M6、锥销孔5的工序精基准，孔16轴线为加工孔5的精基准，设计基准和工序基准重合，保证尺寸要求。3.制订机械加工工艺路线 生产过程是指将原材料转变为成品的全过程。它包括原材料的准备、运输和保存，生产的准备，毛坯的制造，毛坯经过加工、热处理而成为零件，零件、部件经装配成为产品，机械的质量检查及其运行试验、调试，机械的油漆与包装等。 工艺过程是指在生产过程中，通过改变生产对象的形状、相互位置和性质等，使其成为成品或半成品的过程。机械产品的工艺过程又可分为铸造、锻造、冲压、焊

7、接、机械加工、热处理、装配、涂装等工艺过程。其中与原材料变为成品直接有关的过程，称为直接生产过程，是生产过程的主要部分。而与原材料变为产品间接有关的过程，如生产准备、运输、保管、机床与工艺装备的维修等，称为辅助生    由于零件加工表面的多样性、生产设备和加工手段的加工范围的局限性、零件精度要求及产量的不同，通常零件的加工过程是由若干个顺次排列的工序组成的。工序是加工过程的基本组成单元。每一个工序又可分为一个或若干个安装、工位、工步或走刀。毛坯依次通过这些工序而变成零件。 工序是一个或一组工人，在相同的工作地对同一个或同时对几个工件连续完成的那一部分工艺

8、过程。 工序是组成工艺过程的基本单元，也是生产计划、成本核算的基本单元。一个零件的加工过程需要包括哪些工序，由被加工零件的复杂程度、加工精度要求及其产量等因素决定3.1表面加工方法的确定根据零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求，以及加工方法所能达到的经济精度，在生产纲领已确定的情况下,可以考虑采用万能性机床配以专用工卡具,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下降。查机械制造课程设计指导书10页表1-7、1-8、1-9，选择零件的加工方法及工艺路线方案如下： 曲柄零件各表面加工方案加工项目尺寸公差等级粗糙度加工方案备注曲柄左端面GB1804-C1

9、2.5粗铣表1-8曲柄右端面GB1804-C12.5粗铣表1-8曲柄内端面GB1804-C3.2粗铣-半精铣表1-816孔IT73.2钻-铰表1-712孔IT73.2钻-铰表1-75孔GB1804-C12.5钻表1-7内螺纹M6IT63.2钻-攻螺纹表1-10锥销孔5GB1804-C1.6钻铰表1-93.2加工阶段的划分在粗加工阶段。首先将精基准准备好，使后续工序都可以采用精基准定位加工，保证其他加工表面的精度要求；首先22左端面作为粗基准粗铣右端面，然后以此端面为精基准加工其他面和孔。采用22圆面定位加工内孔12可保证的壁厚均匀，以孔1为精基准加工16。3.3 工序的集中与分散选用工序集中原

10、则安排拔叉的加工工序。该拔叉的生产类型为大批生产，可以采用万能型机床配以专用工、夹具，以提高生产率；而且运用工序集中原则使工件的装夹次数少，不但可以缩短辅助时间，而且由于与一次装夹中加工了许多表面，有利于保证各种加工表面之间的相对位置精度要求。3.3工序顺序的安排机械加工工序（1）遵循“先基准后其他”原则，首先加工基准曲柄左端面和右端面。（2）遵循“先粗后精”原则，先安排粗加工工序，后安排精加工工序。（3）遵循“先主后次”原则，先加工主要表面（4）遵循“先面后孔”原则，先加工曲柄端面，再加工孔，确定工艺路3.4确定工艺路线工序号工序名称机床装备刀具量具1 粗铣曲柄外端面铣床铣刀游标卡尺2精铣曲

11、柄内端面铣床铣刀游标卡尺3钻铰16孔钻床麻花钻、铰刀塞规.卡尺4钻铰12孔钻床麻花钻、铰刀塞规.卡尺5钻铰5孔钻床麻花钻、铰刀塞规.卡尺6钻、攻螺纹M6钻床麻花钻、丝锥塞规.卡尺7钻、铰5锥销孔、钻床麻花钻锥度铰刀塞规.卡尺8去毛刺钳工台平锉9终检塞规、百分表、卡尺等3.4.1加工设备和工艺设备1 机床的选择：采用Z525立式钻床、钻床。 2 选择夹具：该曲柄的生产纲领为大批生产，所以采用专用夹具。3 选择刀具：在铣床上加工的各工序，采用高速钻刀即可保证加工质量。4选择量具：采用塞规.双用游标卡尺。4.机械加工余量、工序尺寸及公差的确定4.1锥销孔5的工序尺寸由表2-28课查得，精铰余量Z=0

12、.2mm，加工等级为IT8，公差为0.018钻孔余量为Z钻=4.8mm，加工等级为IT12，公差为0.12。锥销孔加工工序的加工余量项目内容精度等级工序尺寸粗糙度工序余量公差5锥销孔钻IT124.812.54.80.12铰IT851.60.20.0184.2确定切削用量及时间定额4.2.1主轴转速的确定1.钻、铰5锥孔，以22左端面为基准。刀具：钻头直径为4.8mm的高速钢钻头，锥度铰刀头直径为5mm高速钢铰刀。机床：Z525立式钻床2.钻孔工步背刀吃量p的选择粗加工时根据加工余量和工艺系统刚度确定p=4.8mm。进给量的确定 由表5-22，选取该工步得进量f=0.1mm/r。切削速度的计算

13、由表5-31，按工件材料为铸铁的条件选取，切削速度v=20m/min选取。由公式n=1000v/d可求得该工序钻头钻速n=1326r/min,参照表4-9所列Z525型立式钻床得主轴转速，取转速n=1360r/min。再将此转速代入公式v=nd/1000=20.5m/min。3.精铰锥孔工步1）背吃刀量的确定 取p=0.2mm。2）进给量的确定 由表5-31，选取该工步得进给量f=1mm/r。3切削速度的计算 由表5-31，按工件材料为铸铁的条件选取，切削速度v=3m/min选取。由公式n=1000v/d可求得该工序钻头钻速n=191r/min,参照表4-9所列Z525型立式钻床得主轴转速，取

14、转速n=195r/min。再将此转速代入公式v=nd/1000=3.06m/min4.2.2时间定额的计算：工序9：钻、铰5锥孔钻孔工步根据表5-51，钻孔的基本时间可由公式 求得。,;f=0.1mm/r;n=1360r/min。则该工步的基本时间t=(22+2.4+2)/0.1mm/r x 1360r/min=10.8s精铰孔工步 根据表5-41，铰孔基本时间可由公式t=L*i/fn=(LP+l1)*i/fn, LP=(D-d)/2*tankr, kr=15°，l1=1mm，f=1mm/r，n=195r/min则该工步的基本时间t=20s。辅助时间的计算tf辅助时间tf基本时间t之

15、间的关系为tf=（0.15-0.2）t钻孔辅助时间tf=0.2×10.8=2.2s铰孔辅助时间tf=0.2×20=4s4.2.3其它时间计算除了作业时间以外，每道工序的单件时间还包括布置工作时间、休息与生理需要时间和准备与终结时间。由于该设计的生产类型为大批量生产，分摊到每个工件上的准备与终结时间甚微，可忽略不计。布置工作地时间tb是作业时间的2%-7%，休息与生理时间tx是作业时间的2%-4%，本设计均取3%，则工序的其他时间（tb +tx）可按关系式（3%+3%）×（tf+t）计算。工序9的其他时间：tb +tx=6%×（10.8s+20s+4s）=

16、2s单件计算时间td=2s+10.8s+20s+4s=36.8s。5.夹具设计5.1夹具选择夹具是一种能够使工件按一定的技术要求准确定位和牢固夹紧的工艺装备，它广泛地运用于机械加工，检测和装配等整个工艺过程中。在现代化的机械和仪器的制造业中，提高加工精度和生产率，降低制造成本，一直都是生产厂家所追求的目标。正确地设计并合理的使用夹具，是保证加工质量和提高生产率，从而降低生产成本的重要技术环节之一。同时也扩大各种机床使用范围必不可少重要手段。 （夹具装配图5-1）（一）提出问题（1）怎样限制零件的自由度；一个面限制3个自由度，短圆柱销限制2个自由度，削边销限制1个自由度。（2）怎样夹紧；设计夹具

17、由螺旋夹紧配合V形块夹紧工件，定位块起支撑工件的作用。（3）设计的夹具怎样排削；此次加工利用麻花钻和铰刀，排削通过钻模板与工件之间的间隙排削。（4）怎样使夹具使用合理，便于装卸。（二）设计思想设计必须保证零件的加工精度，保证夹具的操作方便，夹紧可靠，使用安全，有合理的装卸空间，还要注意机构密封和防尘作用，使设计的夹具完全符合要求。本夹具主要用来对5锥销孔进行加工，这个孔尺寸精度要求为GB1840-C，表面粗糙度Ra1.6，钻、精铰以可满足其精度。所以设计时要在满足精度的前提下提高劳动生产效率，降低劳动强度。5.2夹具设计5.2.1定位分析（1）定位基准的选择据夹具手册知定位基准应尽可能与工序基

18、准重合，在同一工件的各道工序中，应尽量采用同一定位基准进行加工。故加工5锥销孔时，采用曲柄右端面和12孔内圆柱面作为定位基准。（2）定位误差的分析定位元件尺寸及公差的确定。夹具的主要定位元件为一个面与两个孔定位，因为该定位元件的定位基准为孔的轴线，所以基准重合b=0，由于加工向下孔即不存在基准位移误差j=0。 5.2.2切削力及夹紧力的计算2、切削力及夹紧力的计算刀具：4.8的麻花钻，5的锥度铰刀。钻孔切削力：查机床夹具设计手册P70表3-6，得钻削力计算公式： 式中 P钻削力t钻削深度, 22mmS每转进给量, 0.1mmD麻花钻直径, 4.8mmHB布氏硬度，140HBS 所以 =400（

19、N）铰孔时的切削力：查机床夹具设计手册P70表3-6，得钻削力计算公式：式中 P切削力t钻削深度, 22mmS每转进给量, 1mmD铰孔钻直径, 5mmHB布氏硬度，140HBS 所以 = 473（N）式中 t钻削深度, 22mmS每转进给量, 0.1mmD麻花钻直径, 5mmHB布氏硬度，140HBS =600（N·M）钻孔夹紧力：查机床夹具设计手册P70表3-6，查得工件以一个面和两个孔定位时所需夹紧力计算公式：式中 螺纹摩擦角平头螺杆端的直径工件与夹紧元件之间的摩擦系数,0.16螺杆直径 螺纹升角Q 切削力L 孔到定位面距离则所需夹紧力 =399（N）5.3夹具操作说明此次设计

20、的夹具夹紧原理为：通过12孔和侧面为定位基准，在圆柱销、平面和菱边销实现完全定位，以钻模板引导刀具进行加工。采用螺母夹紧工件。定位元件：定位元件是用以确定正确位置的元件。用工件定位基准或定位基面与夹具定位元件接触或配合来实现工件定位。该设计用可换定位销5.4.确定导向装置本工序要求对被加工的孔依次进行钻、铰的加工，最终达到工序简图上规定的加工要求，故选用快换钻套作为刀具的导向元件，查表9-13，确定钻套高度H=2d=2×4.8=9.6mm，排泄空间h=0.7d=3.4mm。d：基本偏差F7(0.0100.022);D=10mm，偏差m6（0.0010.010）。6.机床夹具设计体会与

21、展望 通过此次课程设计，能运用所学基本理论知识，正确解决工件在加工时的定位和夹紧问题，选择合理的方案，进行必要的计算，根据题意设计出符合优质、高效、低成本的夹具。学习正确的调查研究方法，收集国内外有关资料，掌握正确的夹具设计思想、方法和手段，学会正确使用有关手册及其它技术资料。分析研究结构工艺性问题，提高结构设计能力。进一步了解有关机床、刀具和量具等工装知识。夹具是机械加工不可缺少的部件，在机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展的带动下，夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济方向发展。一、高精，随着机床加工精度的提高，为了降低定位误差，提高加工精度，对夹具的制

22、造精度要求更高。世界知名的夹具制造公司都是精密机械制造企业。为了适应不同行业的需求和经济性，夹具有不同的型号，以及不同档次的精度标准供选择。二、高效，为了提高机床的生产效率，双面、四面和多件装夹的夹具产品越来越多。为了减少工件的安装时间，各种自动定心夹紧、精密平口钳、杠杆夹紧、凸轮夹紧、气动和液压夹紧等，快速夹紧功能部件不断地推陈出新。三、模块、组合，夹具元件模块化是实现组合化的基础。利用模块化设计的系列化、标准化夹具元件，快速组装成各种夹具，已成为夹具技术开发的基点。省工、省时，节材、节能，体现在各种先进夹具系统的创新之中。模块化设计为夹具的计算机辅助设计与组装打下基础，应用CAD技术，可建立元件库、典型夹具库、标准和用户使用档案库，进行夹具优化设计，为用户三维实体组装夹具。模拟仿真刀具的切削过程，既能为用户提供正确、合理的夹具与元件配套方案，又能积累使用经验，了解市场需求，不断地改进和完善夹具系统。组合夹具分会与华中科技大学合作，正在着手创建夹具专业技术网站，为夹具行业提供信息交流、夹具产品咨询与开发的公共平台，争取实现夹具设计与服务的通用化、远程信息化