毕业设计凿岩机缸体加工工艺与夹具设计

1、凿岩机缸体加工工艺及夹具设计摘要：分析了凿岩机工况特点，为了保证凿岩机缸体的加工质量，提高劳动生产率，通过对凿岩机缸体零件的工艺分析，进行了缸体零件机械加工工艺规程和专用机床夹具的设计设计的气动车床夹具确保了缸体的加工精度，提高加工效率，减轻劳动强度，具有可观的经济效益。关键词：凿岩机；工艺分析；夹具设计；Design ofRock Drill Machining Process and Fixture(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)Abstract：T

2、he characteristics of working conditions of hammer drill were analyzed，in order to guarantee the processing quality ofthe cylinderofhammerdrilland improve laborproductivity，throughprocess study for cylinder partofhammer drill，both machining technicsrules to the cylinder partand design of special mac

3、hine fixture were carried out，airpowered lathe fixture designed can ensuremachining accuracy for the cylinder，improve manufacturing efficiency and relieve labor intensity andhas considerable economic benefitsKey words：hammerdrill；process study；fixture design；1前言机械制造指从事各种动力机械、起重运输、农业机械、冶金矿山机械、化工机械、纺织

4、机械、机床、工具、仪器、仪表及其他机械设备等生产的工业部门。机械制造业为整个国民经济提供技术装备，其发展水平是国家工业化程度的主要标志之一。机械制造的制造过程通常分为：产品设计、工艺设计、零件加工、检测、装配调试、入库六方面。不管简单还是复杂，加工方法都可以归纳为五大类：钻削、车削、铣削、磨削、刨削。凿岩机是用来直接开采石料的工具。具有矿山开采凿孔石、建筑施工、水泥路面、柏油路面等各种劈裂、破碎、捣实、铲凿等功能，广泛用于矿山、筑路、采石、建筑、国防工程等。凿岩机按其动力来源可分风动凿岩机、内燃凿岩机、电动凿岩机和液压凿岩机等四类。通过本次对凿岩机缸体的机械加工工艺规程的设计和两道工序的专用夹

5、具设计，保证缸体的加工精度，提高加工效率，减轻劳动强度。凿岩机是按冲击破碎原理进行工作的。工作时活塞做高频往复运动，不断地冲击钎尾。在冲击力的作用下，呈尖楔状的钎头将岩石压碎并凿入一定的深度，形成一道凹痕。活塞退回后，钎子转过一定角度，活塞向前运动，再次冲击钎尾时，又形成一道新的凹痕。两道凹痕之间的扇形岩块被由钎头上产生的水平分力剪碎。活塞不断地冲击钎尾，并从钎子的中心孔连续地输入压缩空气或压力水，将岩渣排出孔外，即形成一定深度的圆形钻孔。缸体是凿岩机的基础件，其加工精度直接影响到凿岩机的各项性能。“凿岩机缸体加工工艺及夹具设计”选题来源于生产实际现场，具有较强的实际应用价值。该课题需设计人综

6、合运用大学所学课程去分析研究和解决工程设计中遇到的一些工程技术问题。2 设计分析凿岩机缸体位于凿岩机的中部，活塞在缸体内做往复运动，在气压力和液压力作用下，使活塞不断冲击钎子的钎杆的尾端，以实现凿岩机的功能。通过对该缸体零件分析，其主要是对孔和面加工要求的精度比较低，只有82H7、76H7孔要求的精度高一些。通过珩磨使其达到要求的精度。同时该缸体要加工几个轴向深孔，由于孔的直径小和在缸体上的位置比较难确定，在加工的时候一定要选好使用的工具及其找好各孔的位置。缸体零件如图 1所示。2.1 设计任务根据任务书，本次毕业设计的任务如下：1、凿岩机缸体的加工工艺规程编制；2、5个钻浅孔夹具设计；3、铣

7、槽夹具设计（槽宽9）。另外，按照学校规定，毕业设计的工作量如下：1、3张以上0号图纸（全部CAD出图）；2、设计说明书一份（1.2万字以上）图1 工件零件图Fig.1 Drawings of workpieces2.2 工艺规程的制定机械加工工艺规程是规定产品或零部件机械加工工艺过程和操作方法等的工艺文件1。规模的大小、工艺水平的高低以及解决各种工艺题的方法和手段都是要通过机械加工工艺规程来体现。因此，机械加工工艺规程设计是一项重要又严肃的工作。它要求设计者必须具备丰富的生产实践经验和广博的机械制造工艺基础理论知识。机械产品生产过程是指从原材料到该机械产品出厂的全部劳动过程。它既包括：毛坯的制

8、造、机械加工、热处理、装配、检验、油漆等主要劳动过程，还包括：包装、储存和运输等辅助劳动过程。机械产品复杂程度不同，其生产过程可以由一个车间或一个工厂来完成，也可以由多个工厂联合完成。机械加工工艺过程是机械产品生产的一部分。是对机械产品中的零件采用各种加工方法直接用于改变毛坯的形状、尺寸、表面粗糙度以及力学物理性能，使之成为合格零件的全部劳动过程。2.3 零件结构工艺性分析所谓零件的结构工艺性是指在满足使用要求的前提下制造该零件的可行性和经济性1。功能相同有零件，其结构工艺性可以有很大的差异。所谓结构工艺性好，是指在现有工艺条件下既能方便制造，又有较低的制造成本。发动机机体从立体来说有3组加工

9、面：1、缸体主体：缸体内部圆柱度要求较高，表面粗糙度要求也较高，除此之外，还有一些角度要求较高的孔需要加工。2、缸体的上面：缸体上部分是有一个与主体相贯的空心圆柱，在交界面上有一个宽为9的槽。3、缸体的下部分：缸体的下部分是一个开有阶梯孔的半圆体，该半圆体加工难度大，需要用镗床或者车床加工。零件工艺结构比较复杂，但是零件的刚性比较好，所以零件的工艺加工过程偏向于工序集中，这样可以使总的工序数目减少，夹具的数目和工件安装次数也相应减少，这样有利于保证各加工面间的相互位置精度要求，有利于采用高生产率的机床，节省装夹工件的时间，减少工件的搬动次数。2.3.1 零件图的分析 A、中心孔76和82的孔公

10、差要求为H7，表面粗糙度要求分别为0、2和0.8；B、阶梯内孔要求同轴度为0.03；C、圆柱度要求0.012；D、阶梯界面以及右端面圆跳动为0.015；E、阶梯孔锥度为1:3，表面粗糙度为0.8；F、其他各处无特殊要求。2.3.2 结构工艺性分析A、中心孔76和82的孔公差要求为H7，表面粗糙度要求分别为0、2和0.8，其工艺简单，研磨就可以使其达到工艺要求；B、阶梯内孔要求同轴度为0.03,保证加工该阶梯孔时，不松开装夹，其工艺简单；C、圆柱度要求0.012，该工艺要求不高，要求加工是要上磨床；D、阶梯界面以及右端面圆跳动为0.015，此范围内的公差要求还是不高，也主要上磨床即可；E、阶梯孔

11、锥度为1:3，表面粗糙度为0.8，该锥度孔上有阶梯孔，加工时比较特殊，要用镗床，如果批量生产时，可以用成型刀；F、其他各处无特殊要求。3 零件毛坯3.1 毛坯材料的选择 凿岩机缸体是凿岩机的主体结构，是安装其他零部件和附件支撑骨架，承受极为复杂的载荷；该零件的工作条件恶劣，要求有足够的刚度和强度，需要具有良好的机械性能，它直接影响到凿岩机的性能。故在材料选择上采用20Cr作为零件的材料。由机械加工工艺手册2表1-9查得20Cr具表面耐磨损而且此钢也可在调质状态下使用，用于制造工作速度较大并承受中等冲击负荷的零件，这种钢还可用作低碳马氏体淬火用钢，更进一步增加钢的屈服强度和抗拉强度用于制造高负荷

12、，受磨损的零件和大尺寸零件，如汽缸，齿轮，活塞等2。3.2 零件的毛坯种类的确定 此处已删除10.1 钻五个浅孔夹具设计钻五个浅孔是凿岩机缸体加工的第三个工序，该工序的加工前后的零件图如图3：图3工件工序图Fig.3 Workpiece process map 夹具设计方案的确定该工序为钻五个浅孔，所需设计的夹具是钻床夹具。夹具定位方式的选择：在加工这道工序前只完成缸孔的加工和两端面的加工，在设计定位时，必须利用已加工的表面和缸孔，如图4。而且只利用这个还属于欠定位，通过分析零件图，知道这五个孔的位置精度不高，而且外轮廓面是模锻成型，精度比较高，可以通过外轮廓面定位，如图4。这样就可以实现完全

13、定位。图4钻孔夹具定位装置Fig.4 Drilling clamp positioning device夹具夹紧方式的选择：该两件生产批量为大批量，所以我们采用气动夹紧的方式。由于该夹具是钻床夹具，在加工的过程中，主要的切削力是向下的，向四周的力不大，几乎可以忽略，所以设计的夹具只要的夹紧力要在竖直方向。具体夹具图5。1、 气缸 2、顶升滑块 3、夹具体 4、主定位心轴 5、七角旋钮 6、防转轴 7、传动轴 8、钻模板 9、钻套 10、钢套 11、螺钉 12、垫板 13、压紧块 14、螺栓15、螺栓 16挡块 17、弹簧 18、垫板 19、螺栓 20、螺栓21、定位销 22、导套 23、定位板

14、 24、螺栓 25、螺栓 26、导套 27、V型滑块图5钻孔夹具Fig.5 Drilling jig 夹具操作说明（一）夹具的操作步骤（1）在夹具加工需要正确可靠的固定在机床座上；（2）气缸控制于收缩状态，将工件套入主定位心轴4和压紧块13中，控制气缸活塞向上伸出带动顶升滑块2和主定位心轴4向上运动，使工件贴紧压紧块13，压紧工件；（3）待夹紧工件后，旋转七角旋钮5，使V型滑块27与工件接触，并使工件的两边对称于V型块两边接触，其对应方向上的挡块16是消除在水平方向力的作用力，采用弹性装置是防止其过定位；（4）完成加工后，控制气缸向下收缩，旋转七角旋钮5使其松开，取下工件。（二）夹具使用注意事

15、项、保养及维护（1）使用前对限位尺寸检查是否还保持正确位置；（2）如果主定位心轴有磨损超差，可以进行更换；如果压紧块、挡块超差，可以重新组装；错开磨损部位后继续使用；（3）使用后需要涂防绣油；（4）活动部位定期加润滑。 切削力的确定该工序钻孔一共有五个，这五个孔大小不同，在计算切削力的过程中，我们只需计算较大孔。这五个孔中最大的孔直径为14mm，深度为5mm。刀具材料：硬质合金直柄麻花钻刀具有关几何参数：d=14mm、l=169mm、l1=114mm，查表金属切削刀具6表5-134，查得，取由机床夹具设计手册7表1-2-9 可得钻孔切削力的计算公式：···

16、3;··············································(10)查机床夹具设计手册7表得：D=5、f

17、=0.2、Kp=1 所以 由金属切削刀具6表1-2可得：垂直切削力 ：····································(11)背向力：·······

18、;·································（12） 夹紧力的计算根据工件受力切削力、夹紧力的作用情况，找出在加工过程中对夹紧最不利的瞬间状态，按静力平衡原理计算出理论夹紧力。最后为保证夹紧可靠，再乘以安全系数作为实际所需夹紧力的数值。即：

19、83;·················································

20、83;·····（13）安全系数K可按下式计算：··········································

21、;····（14）式中：为各种因素的安全系数，见机床夹具设计手册7表可得： 所以 ······························（15）·········&

22、#183;····················（16）····························

23、83;···（17）10.1.5夹具气动系统的设计气缸的结构基本上可以分为缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置和排气装置五部分。一般地说，钢筒和缸盖的结构形式和其使用的材料有关。工作压力小于10MPa时使用铸铁，小于20MPa时使用无缝钢管，大于20MPa时使用铸钢或锻钢。密封装置主要有四种:间隙密封、摩擦环密封、 O型圈密封、 V型圈密封 。缓冲装置的工作原理是利用活塞或缸筒仔其走向行程终端是在活塞和缸盖之间封住一部分油液，强迫他从小孔或细缝中挤出，以产生很大的阻力，使工作部件受到制动，逐渐减慢运动速度，达到避免活塞和缸盖相互撞击的目的。气缸的选择

24、83;··························（18）由气缸传动的计算公式：式中: -压缩空气压力6atm6kg/cm2-气缸摩擦系数，取0.8i-压板与工件的摩擦系数,取0.8n-夹紧气缸个数,本夹具为1-气缸直径(cm)可得：cm········

25、;······························（19）D=8.6mm气缸压力大小的确定：由 ，有··········（20）图6 单杆活塞缸Fig.6 Single rod pisto

26、n cylinder考虑到有气压冲击等原因，在设计的过程中采用了单向节流阀，其起到有背压的作用，根据实际情况，选择0.05Mpa的背压。所以气缸的压力为0.28Mpa。通过以上理论计算，可以选择直径为20mm的气缸。但是，考虑到由于工厂所供压缩空气压力不稳定，零件加工余量发生变化，零件材料缺陷，以及其它不可预见性因素的影响，为安全可靠起见，选择直径为25mm的气缸。气路的设计该夹具气路非常简单，只有夹紧力是由气动控制，所以夹具的气路控制也非常简单，由一个空气压缩机、单杆活塞缸、两位两通手动换向阀、单向节流阀组成。工作说明：在上件时，活塞处于收缩状态，上件后，按下两位两通换向阀，两位两通换向阀处

27、于右位，气流经过右位进入气缸使气缸向上运动，使夹具夹紧工件；加工完后，活塞处于伸长状态，按压两位两通换向阀，两位两通处于左位，气流经过左位气路进入气缸，活塞向下运动，松开工件。另：为了保证气路运动的平稳，在气路上安装单向节流阀，也能起到背压的作用。根据工作方式及实用性，该夹具的气路图如下图7。图7气路图Fig.7Gas road map10.2 铣槽夹具设计铣槽是凿岩机缸体加工的第八个工序，该工序的加工前后的零件图如图8：图8工件工序图Fig.8 Workpiece process map 夹具设计方案确定该工序为铣槽，所需设计的夹具是铣床夹具。夹具定位方式的选择：在加工这道工序前完成了所有孔

28、的加工和两端面的加工，在设计定位时，必须利用已加工的表面和缸孔。在这里我们采用“一面两销”定位。如下图9：图9钻孔夹具定位装置Fig.9 Drilling clamp positioning device夹具夹紧方式的选择：该两件生产批量为大批量，所以我们采用气动夹紧的方式。由于该夹具是钻床夹具，在加工的过程中，主要的切削力是向下的，向四周的力不大，几乎可以忽略，所以设计的夹具只要的夹紧力要在竖直方向。具体夹具图10。1、 钢套 2、联动螺杆 3、杠杆 4、螺母 5、拉套 6、螺栓 7、销座 8、销轴 9、限位销10、锁紧螺栓 11、螺母 12、销套 13、压板 14、垫板 15、心轴 16、

29、螺钉 17、对刀块 18、定位板 19、螺母 20、菱形销 21、螺栓 22、螺栓 23、夹具体 24、螺钉 25、定位键图5钻孔夹具Fig.5 Drilling jig 夹具操作说明 （一）夹具的操作步骤（1）安装工件时，将压板13旋转至图示位置，插上限位销9，操作气路，使气缸伸长，使联动螺杆2、拉套5右移，推动杠杆3绕轴销8逆时针转动，使压板13抬起；（2）用手将垫板14移开；（3）将工件的基准孔套在心轴15和菱形销20上，然后将垫板14放在工件上，反向操作气路，将工件夹紧，进行加工；（4）完成加工后，取下限位销9，将压板13旋转移开，取下工件，将各部移回原回，入库安放。（二）夹具使用注意

30、事项、保养及维护（1）使用前对限位尺寸检查是否还保持正确位置；（2）如果定位销有磨损超差，可以进行更换；如果挡板、插销磨损超差，可以重新组装；错开磨损部位后继续使用；（3）使用后需要涂防绣油；（4）活动部位定期加润滑。10.2.3铣削切削力的确定刀具材料：（高速钢端面铣刀） 刀具有关几何参数：由机床夹具设计手册7表1-2-9 可得铣削切削力的计算公式：····················

31、83;·····················（21）查机床夹具设计手册7表得：对于20Cr：························

32、83;··················（22）取 ， 即所以 由金属切削刀具6表1-2可得：垂直切削力 ：··························

33、;·····（23）背向力：10.2.4铣削夹紧力的计算根据工件受力切削力、夹紧力的作用情况，找出在加工过程中对夹紧最不利的瞬间状态，按静力平衡原理计算出理论夹紧力。最后为保证夹紧可靠，再乘以安全系数作为实际所需夹紧力的数值。即：··························

34、3;····························（24）安全系数K可按下式计算：···················

35、··························（25）式中：为各种因素的安全系数，见机床夹具设计手册7表可得： 所以 ··················

36、·······（26）························（27）·················

37、3;········（28）10.2.5夹具气动系统的设计气缸的结构基本上可以分为缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置和排气装置五部分。一般地说，钢筒和缸盖的结构形式和其使用的材料有关。工作压力小于10MPa时使用铸铁，小于20MPa时使用无缝钢管，大于20MPa时使用铸钢或锻钢。密封装置主要有四种:间隙密封、摩擦环密封、 O型圈密封、 V型圈密封 。气缸的选择由气缸传动的计算公式：式中: -压缩空气压力6atm6kg/cm2-气缸摩擦系数，取0.8i压板与工件的摩擦系数,取0.8n夹紧气缸个数,本夹具为1

38、-气缸直径(cm)有，cmD=44.6cm气缸压力大小的确定：由 ，有··········（29）考虑到有气压冲击等原因，在设计的过程中采用了单向节流阀，其起到有背压的作用，根据实际情况，选择0.5Mpa的背压。所以气缸的压力为3Mpa。图6单杆活塞缸Fig.6 Single rod piston cylinder通过以上理论计算，可以选择直径为50mm的气缸。但是，考虑到由于铣削过程中每个刀齿的不连续切削，作用于每个刀齿的切削力大小及方向随时都在变化，致使在铣削过程中产生较大的振动，因此，夹具

39、需有足够的夹紧力。此外还考虑到工厂所供压缩空气压力不稳定，零件加工余量发生变化，零件材料缺陷，以及其它不可预见性因素的影响，为安全可靠起见，选择直径为60mm的气缸。气路的设计该夹具气路非常简单，只有夹紧力是由气动控制，所以夹具的气路控制也非常简单，由一个空气压缩机、单杆活塞缸、两位两通手动换向阀、单向节流阀组成。工作说明：在上件时，活塞处于收缩状态，上件后，按下两位两通换向阀，两位两通换向阀处于右位，气流经过右位进入气缸使气缸向上运动，使夹具夹紧工件；加工完后，活塞处于伸长状态，按压两位两通换向阀，两位两通处于左位，气流经过左位气路进入气缸，活塞向下运动，松开工件。另：为了保证气路运动的平稳

40、，在气路上安装单向节流阀，也能起到背压的作用。根据工作方式及实用性，该夹具的气路图如下图7。图7气路图Fig.7Gas road map11 结论在本次毕业设计的过程中，在大学四年所学知识，以及查阅其他资料的基础上，深入理解课题及其课题方向，认真研究机械加工工艺过程，针对凿岩机缸体加工工艺过程。学习凿岩机缸体加工方法，比较各种方法间的差异以及各自的优缺点，选择最合理经济的加工方法，且要保证加工精度。对机械加工工艺的学习得到了进一步充分的理解，掌握了工艺编制的整个过程。凿岩机缸体是凿岩机的关键零件，其内孔、侧面槽以及侧面锥孔精度要求很高，为此在加工时能很好保证加工质量，在加工的最后安排了珩磨工序

41、，在加工锥孔时为能保证锥孔的锥度，就要求有精度很高的成型刀，为此专为铣齿工序设计了加工所用的专用夹具，此外在凿岩机缸体的机械加工工艺过程中，为了改善工件的切削性能、消除工件内应力、改善工件材料的力学性能和提高工件表面性能等，在整个加工过程中先后热处理工序，并在最后具体安排各项精度的检测及检测方法。在这次毕业设计过程中，我学到了很多以前所没有学过的知识与经验。大学四年学习了很多专业课知识，但是没能得到很好的运用，没有很好的将它们统一联系起来，通过这次毕业设计，将所学知识融会贯通，而且还能独立的查阅资料，与同组人相互讨论，增进了独立思考与团队协作能力。参考文献1 李庆寿，机械制造工艺装备设计适用手册M，银州：宁夏人民出版社，1991。2 李洪，机械加工工艺手册M，北京：机械工业出版社，1990。3吕明，机械制造技术基础（第二版）M，武汉：武汉理工大学出版社，2001。4 金属机械加工工艺人员手册修订组，金属机械加工工艺人员手册M，上海：上海科学技术出版社，1979。5 马贤智，机械加工余量与公差手册M，北京：中国标准出版社，1994。6 乐兑谦，金属切削刀具，机械工业出版社，2005：4-17。7 王光斗，王春福，机床