机械制造基础课程设计-扇形板加工工艺夹具设计.doc

机械制造基础课程设计扇形板钻夹具说明书 设计者：学 号：1006110127井冈山大学机电工程学院，江西吉安343009指导老师： 2013年03月20日目录目录11绪 论12 扇形板的分析32.1扇形板的工艺分析32.2扇形板的工艺要求33 工艺规程设计53.1 加工工艺过程53.2确定各表面加工方案53.2.1影响加工方法的因素53.2.2加工方案的选择63.3 确定定位基准63.3.1粗基准的选择63.4工艺路线的拟订73.4.1工序的合理组合73.4.2工序的集中与分散83.4.3加工阶段的划分83.4.4加工工艺路线方案的比较93.5扇形板的偏差，加工余量，工序尺寸及毛坯尺寸的确定103.5.1毛坯的结构工艺要求103.5.2扇形板的偏差计算114夹具设计1241研究原始质料1242定位基准的选择1243钻削力及夹紧力的计算1244误差分析与计算1345夹具设计及操作的简要说明145心得体会156参考文献161绪 论机械设计制造及其夹具设计是我们融会贯通3年所学的知识，将理论与实践相结合，对专业知识的综合运用训练，为我们即将走向自己的工毕业设计打下良好的基础。机械加工工艺是规定产品或零件机械加工工艺过程和操作方法，是指导生产的重要的技术性文件。它直接关系到产品的质量、生产率及其加工产品的经济效益，生产规模的大小、工艺水平的高低以及解决各种工艺问题的方法和手段都要通过机械加工工艺来体现，因此工艺规程的编制的好坏是生产该产品的质量的重要保证的重要依据。在编制工艺时须保证其合理性、科学性、完善性。而机床夹具是为了保证产品的质量的同时提高生产的效率、改善工人的劳动强度、降低生产成本而在机床上用以装夹工件的一种装置，其作用是使工件相对于机床或刀具有个正确的位置，并在加工过程中保持这个位置不变。它们的研究对机械工业有着很重要的意义，因此在大批量生产中，常采用专用夹具。而本次对于扇形板加工工艺及夹具设计的主要任务是： 完成扇形板零件加工工艺规程的制定； 完成钻孔专用夹具的设计。通过对扇形板零件的初步分析，了解其零件的主要特点，加工难易程度，主要加工面和加工粗、精基准，从而制定出扇形板加工工艺规程；对于专用夹具的设计，首先分析零件的加工工艺，选取定位基准，然后再根据切销力的大小、批量生产情况来选取夹紧方式，从而设计专用夹具。162 扇形板的分析2.1扇形板的工艺分析扇形板是一个很重要的零件，因为其零件尺寸比较小，结构形状较复杂，但其加工孔和表面的精度要求较高，上下表面、圆弧表面都有粗糙度要求，精度要求较高，此外还有22+00.021孔要求加工，对精度要求也很高。孔粗糙度要求都是，所以都要求精加工。其小头孔与下平面有平行度的公差要求，和22+00.021孔有对称度公差要求，因为其尺寸精度、几何形状精度和相互位置精度，以及各表面的表面质量均影响机器或部件的装配质量，进而影响其性能与工作寿命，因此它们的加工是非常关键和重要的。2.2扇形板的工艺要求一个好的结构不但要应该达到设计要求，而且要有好的机械加工工艺性，也就是要有加工的可能性，要便于加工，要能够保证加工质量，同时使加工的劳动量最小。而设计和工艺是密切相关的，又是相辅相成的。设计者要考虑加工工艺问题。工艺师要考虑如何从工艺上保证设计的要求。图2.1 扇形板的零件图图2.2 扇形板的零件实体图该零件需要切削加工的地方有5个处：平面加工包括扇形板上端面、下端面；孔系加工包括22+00.021；小孔8和扇形板两个外圆弧面的加工。不去除材料加工上下两个表面。 以平面为主有： 扇形板上端面的粗、精铣加工，其粗糙度要求是Ra=6.3；下端面的粗、精铣加工，其粗糙度要求是Ra=3.2； 扇形板R48弧面采用数控机床加工，其粗糙度要求是Ra=3.2。 孔系加工有： 22+00.021孔的粗镗、半精镗，精镗加工，并且进行倒角1x45。其表面粗糙度为Ra=1.6； 8孔钻、铰加工，其表面粗糙度要求；并且与下端面的平行度要求为0.08m，与22+00.021的对称度为0.1m。扇形板毛坯的选择用铸造，因为生产率较高，所以可以免去每次造型。单边余量一般在3.5-4mm，结构细密，能承受较大的压力，占用生产的面积较小。由3由于是中批量生产。上面主要是对扇形板零件的结构、加工精度和主要加工表面进行了分析，选择了其毛坯的的制造方法为铸造和中批的批量生产方式，从而为工艺规程设计提供了必要的准备。3 工艺规程设计3.1 加工工艺过程由以上分析可知，该扇形板零件的主要加工表面是平面、孔系。一般来说，保证平面的加工精度要比保证孔系的加工精度容易。因此，对于扇形板来说，加工过程中的主要问题是保证孔的尺寸精度及位置精度，处理好孔和平面之间的相互关系以及槽的各尺寸精度。由上面的一些技术条件分析得知：扇形板的尺寸精度，形状精度以及位置关系精度要求都不是很高，这样对加工要求也就不是很高。3.2确定各表面加工方案一个好的结构不但应该达到设计要求，而且要有好的机械加工工艺性，也就是要有加工的可能性，要便于加工，要能保证加工的质量，同时使加工的劳动量最小。设计和工艺是密切相关的，又是相辅相成的。对于我们设计扇形板的加工工艺来说，应选择能够满足平面孔系和轴向孔系加工精度要求的加工方法及设备。除了从加工精度和加工效率两方面考虑以外，也要适当考虑经济因素。在满足精度要求及生产率的条件下，应选择价格较底的机床。3.2.1影响加工方法的因素 要考虑加工表面的精度和表面质量要求，根据各加工表面的技术要求，选择加工方法及分几次加工。 根据生产类型选择，在大批量生产中可专用的高效率的设备。在单件小批量生产中则常用通用设备和一般的加工方法。如、柴油机连杆小头孔的加工，在小批量生产时，采用钻、扩、铰加工方法；而在大批量生产时采用拉削加工。 要考虑被加工材料的性质，例如：淬火钢必须采用磨削或电加工；而有色金属由于磨削时容易堵塞砂轮，一般都采用精细车削，高速精铣等。 要考虑工厂或车间的实际情况，同时也应考虑不断改进现有加工方法和设备，推广新技术，提高工艺水平。 此外，还要考虑一些其它因素，如加工表面物理机械性能的特殊要求，工件形状和重量等。选择加工方法一般先按这个零件主要表面的技术要求来选定最终加工方法。再选择前面各工序的加工方法，如加工某一轴的主要外圆面，要求公差为IT6，表面粗糙度为Ra0.63m，并要求淬硬时，其最终工序选用精度，前面准备工序可为粗车半精车淬火粗磨。3.2.2加工方案的选择 由参考文献机械制造工艺机床夹具课程设计指导表2-6可以确定，平面的加工方案为：粗铣精铣（），粗糙度为Ra6.31.6，一般不淬硬的平面，精铣的粗糙度可以较小。故上下端面可用粗铣精铣。 由参考文献机械制造工艺机床夹具课程设计指导表2-5可以确定， 22+00.021孔的表面粗糙度要求为1.6，则选择孔的加方案序为：粗镗半精镗-精镗。并且进行倒角1x45。 小孔8加工方法：零件毛坯不能直接铸出孔，只能铸出一个小坑，以便在以后加工时找正其中心，但其表面粗糙的要度求为，并且其孔径较小，所以选择加工的方法是钻-铰-精铰。 R48圆弧面的加工方法：采用数控机床进行加工。3.3 确定定位基准3.3.1粗基准的选择选择粗基准时，考虑的重点是如何保证各加工表面有足够的余量，使不加工表面与加工表面间的尺寸、位子符合图纸要求。粗基准选择应当满足以下要求： 粗基准的选择应以加工表面为粗基准。目的是为了保证加工面与不加工面的相互位置关系精度。如果工件上表面上有好几个不需加工的表面，则应选择其中与加工表面的相互位置精度要求较高的表面作为粗基准。以求壁厚均匀、外形对称、少装夹等。 选择加工余量要求均匀的重要表面作为粗基准。 应选择加工余量最小的表面作为粗基准。这样可以保证该面有足够的加工余量。 应尽可能选择平整、光洁、面积足够大的表面作为粗基准，以保证定位准确夹紧可靠。有浇口、冒口、飞边、毛刺的表面不宜选作粗基准，必要时需经初加工。 （5）便于装夹原则。 （6）保证不加工表面位置准确原则。 (7) 粗基准一般不得重复使用原则。要从保证孔与孔、孔与平面、平面与平面之间的位置，能保证扇形板在整个加工过程中基本上都能用统一的基准定位。从扇形板零件图分析可知，主要是选择加工扇形板上下底面的装夹定位面为其加工粗基准。故这里选用扇形板的下端面做为粗基准。3.3.2精基准选择的原则 基准重合原则。即尽可能选择设计基准作为定位基准。这样可以避免定位基准与设计基准不重合而引起的基准不重合误差。 基准统一原则，应尽可能选用统一的定位基准。基准的统一有利于保证各表面间的位置精度，避免基准转换所带来的误差，并且各工序所采用的夹具比较统一，从而可减少夹具设计和制造工作。 互为基准的原则。当两个表面位置精度以及它们自身的尺寸与形状精度都要求很高时，可以互为基准反复加工。 （4）自为基准原则，有些精加工或光整加工工序要求余量小而均匀，在加工时就应尽量选择加工表面本身作为精基准。此外，还应选择工件上精度高，尺寸较大的表面为精基准，以保证定位稳固可靠。并考虑工件装夹和加工方便、夹具设计简单等。要从保证孔与孔、孔与平面、平面与平面之间的位置，能保证扇形板在整个加工过程中基本上都能用统一的基准定位。从扇形板零件图分析可知，它的上端面与22+00.021，适于作精基准使用。但用一个平面和一个孔定位限制工件自由度不够，如果使用典型的一面两销定位方法，则可以满足整个加工过程中基本上都采用统一的基准定位的要求，所以再在分度盘上加上一个定位销，这样零件的六个自由度就都限制好了。综上所述，选择精基准的原则时，考虑的重点是有利于保证工件的加工精度并使装夹方便。3.4工艺路线的拟订对于批量生产的零件，一般总是首先加工出统一的基准。扇形板的加工的第一个工序也就是加工统一的基准。具体安排是先以孔和面定位粗加工扇形板上下端面，再精加工上下端面。后续工序安排都应当遵循粗精分开和先面后孔等原则。3.4.1工序的合理组合确定加工方法以后，就按生产类型、零件的结构特点、技术要求和机床设备等具体生产条件确定工艺过程的工序数。确定工序数的基本原则： 工序分散原则工序内容简单，有利选择最合理的切削用量。便于采用通用设备。简单的机床工艺装备。生产准备工作量少，产品更换容易。对工人的技术要求水平不高。但需要设备和工人数量多，生产面积大，工艺路线长，生产管理复杂。 工序集中原则工序数目少，工件装，夹次数少，缩短了工艺路线，相应减少了操作工人数和生产面积，也简化了生产管理，在一次装夹中同时加工数个表面易于保证这些表面间的相互位置精度。使用设备少，大量生产可采用高效率的专用机床，以提高生产率。但采用复杂的专用设备和工艺装备，使成本增高，调整维修费事，生产准备工作量大。一般情况下，单件小批生产中，为简化生产管理，多将工序适当集中。但由于不采用专用设备，工序集中程序受到限制。结构简单的专用机床和工夹具组织流水线生产。加工工序完成以后，将工件清洗干净。清洗是在的含0.4%1.1%苏打及0.25%0.5%亚硝酸钠溶液中进行的。清洗后用压缩空气吹干净。保证零件内部杂质、铁屑、毛刺、砂粒等的残留量不大于。3.4.2工序的集中与分散制订工艺路线时，应考虑工序的数目，采用工序集中或工序分散是其两个不同的原则。所谓工序集中，就是以较少的工序完成零件的加工，反之为工序分散。 工序集中的特点工序数目少，工件装夹次数少，缩短了工艺路线，相应减少了操作工人数和生产面积，也简化了生产管理，在一次装夹中同时加工数个表面易于保证这些表面间的相互位置精度。使用设备少，大量生产可采用高效率的专用机床，以提高生产率。但采用复杂的专用设备和工艺装备，使成本增高，调整维修费事，生产准备工作量大。 工序分散的特点工序内容简单，有利选择最合理的切削用量。便于采用通用设备，简单的机床工艺装备。生产准备工作量少，产品更换容易。对工人的技术水平要求不高。但需要设备和工人数量多，生产面积大，工艺路线长，生产管理复杂。工序集中与工序分散各有特点，必须根据生产类型。加工要求和工厂的具体情况进行综合分析决定采用那一种原则。一般情况下，单件小批生产中，为简化生产管理，多将工序适当集中。但由于不采用专用设备，工序集中程序受到限制。结构简单的专用机床和工夹具组织流水线生产。由于近代计算机控制机床及加工中心的出现，使得工序集中的优点更为突出，即使在单件小批生产中仍可将工序集中而不致花费过多的生产准备工作量，从而可取的良好的经济效果。3.4.3加工阶段的划分零件的加工质量要求较高时，常把整个加工过程划分为几个阶段： 粗加工阶段粗加工的目的是切去绝大部分多于的金属，为以后的精加工创造较好的条件，并为半精加工，精加工提供定位基准，粗加工时能及早发现毛坯的缺陷，予以报废或修补，以免浪费工时。粗加工可采用功率大，刚性好，精度低的机床，选用大的切前用量，以提高生产率、粗加工时，切削力大，切削热量多，所需夹紧力大，使得工件产生的内应力和变形大，所以加工精度低，粗糙度值大。一般粗加工的公差等级为IT11IT12。粗糙度为Ra80100m。 半精加工阶段半精加工阶段是完成一些次要面的加工并为主要表面的精加工做好准备，保证合适的加工余量。半精加工的公差等级为IT9IT10。表面粗糙度为Ra101.25m。 精加工阶段精加工阶段切除剩余的少量加工余量,主要目的是保证零件的形状位置几精度,尺寸精度及表面粗糙度,使各主要表面达到图纸要求.另外精加工工序安排在最后,可防止或减少工件精加工表面损伤。精加工应采用高精度的机床小的切前用量，工序变形小，有利于提高加工精度精加工的加工精度一般为IT6IT7，表面粗糙度为Ra101.25m。此外，加工阶段划分后，还便于合理的安排热处理工序。由于热处理性质的不同，有的需安排于粗加工之前，有的需插入粗精加工之间。但须指出加工阶段的划分并不是绝对的。在实际生活中，对于刚性好，精度要求不高或批量小的工件，以及运输装夹费事的重型零件往往不严格划分阶段，在满足加工质量要求的前提下，通常只分为粗、精加工两个阶段，甚至不把粗精加工分开。必须明确划分阶段是指整个加工过程而言的，不能以某一表面的加工或某一工序的性质区分。例如工序的定位精基准面，在粗加工阶段就要加工的很准确，而在精加工阶段可以安排钻小空之类的粗加工。3.4.4加工工艺路线方案的比较在保证零件尺寸公差、形位公差及表面粗糙度等技术条件下，成批量生产可以考虑采用专用机床，以便提高生产率。但同时考虑到经济效果，降低生产成本，拟订两个加工工艺路线方案。见下；1. 工艺路线方案一:工序1：粗铣零件的上端面，以下端面为粗基准。工序2：粗铣零件的上端面，以下端面为粗基准。工序3：精铣零件的下端面，以上端面为精基准。工序4：精铣零件的上端面，以下端面为精基准。工序5：对22+00.021孔进行粗镗，以下端面为基准。工序6：对22+00.021孔进行半精镗，以下端面为基准。工序7：对22+00.021孔进行倒角1X45，以上、下端面为基准。工序8：对22+00.021孔进行精镗，以下端面为基准。工序9：用数控机床加工R48外圆弧，以下端面和孔为基准。工序10：中检。工序11：对8孔空进行钻铰-精铰。以22+00.021孔和下端面为基准。工序12：清洗表面。工序13：剔除毛刺。工序14：终检。工艺路线方案二：工序1：用数控机床加工R48外圆弧，以下端面和孔22+00.021为基准。工序2：粗精铣上端面，以R48外圆弧为基准。工序3：粗精铣下端面，以R48外圆弧和上端面为基准。工序：对22+00.021孔进行粗镗半精镗-精镗。并且进行倒角1x45，以又端面为基准。工序4：对8孔空进行钻铰-精铰。以22+00.021孔和下端面为基准。工序5：对22+00.021孔进行粗镗半精镗-精镗。并且进行倒角1x45。工序11：清洗表面。工序12：剔除毛刺。工序13：终检。3.工艺方案比较与分析。 从工序可以看出：方案二由于铣面夹具设计非常难造价太高，并且由于8和2200.021有对称度要求，故应先加工22+00.021 ，再钻8的孔，还有对于倒角，我们应把倒角放在精铰前。 通过以上分析：方案一为合理、经济的加工工艺路线方案。3.5扇形板的偏差，加工余量，工序尺寸及毛坯尺寸的确定扇形板的毛胚采用的是HT150制造,其材料是HT150（最小抗拉强度150）,生产类型为批量生产，采用铸造毛坯。3.5.1毛坯的结构工艺要求 扇形板为铸造件，对毛坯的结构工艺性有一定要求： （1） 由于铸造件尺寸精度较高和表面粗糙度值低，因此零件上只有与其它机件配合的表面才需要进行机械加工，其表面均应设计为非加工表面。 （2） 工艺基准与设计基准相一致。 （3) 便于装夹、加工和检查。 (4) 结构要求统一，尽量使用普通设备和标准刀具进行加工。在确定毛坯时，要考虑经济性。虽然毛坯的形状尺寸与零件接近，可以减少加工余量，提高材料的利用率，降低加工成本，但这样可能导致毛坯制造困难，需要采用昂贵的毛坯制造设备，增加毛坯的制造成本。因此，毛坯的种类形状及尺寸的确定一定要考虑零件成本的问题但要保证零件的使用性能。在毛坯的种类、形状及尺寸确定后，必要时可据此绘出毛坯图。3.5.2扇形板的偏差计算 扇形板上下端面的偏差及加工余量计算铸件尺寸公差为CT13，公差为8mm，加工余量等级为H，加工余量数值上下面都为4.5mm，所以铸造出来的实际尺寸一般是在设计尺寸上下波动。上下端面加工余量的计算。根据工序要求，其加工分粗、精铣加工。粗铣：由机械余量加工手册知，其单边余量值规定为1.41.8mm，现取1.5mm。可知其粗铣时精度等级为IT12，粗铣平面时厚度偏差取。根据毛胚的实际尺寸来定粗铣工步。精铣：由机械余量加工手册知，其单边余量值规定为0.7mm。 22+00.021孔的偏差及加工余量计算该孔精度要求为IT7，由考参考文献1知确定工序尺寸及余量为：粗镗：21.8mm 2Z=1.8mm半精镗:21.94mm 2Z=0.14（Z为单边余量）精镗: 22+00.021mm 2Z=0.06mm（Z为单边余量）铸件毛坯孔的基本尺寸分别为：22-1.8-0.14-0.06=20mm （3） 8孔孔的偏差及加工余量计算 该孔精度设为为IT7，由考参考文献1知确定工序尺寸及余量为： 钻孔：7.8mm 粗铰：7.96mm 2Z=0.16mm（Z为单边余量） 精铰：8H7mm 2Z=0.04mm（Z为单边余量）该孔就可达到精度要求。 （4）外圆弧表面沿轴线长度加工余量及公差。 由机械余量加工手册知铸件复杂系数S1，重0.68kg，则铸件偏差为+1.1-0.5mm。长度方向的余量由机械余量加工手册其余量规定值是3.54mm现取4.0mm。4夹具设计41研究原始质料利用本夹具主要用来钻圆周面上3个8的孔，加工时要满足粗糙度要求。为了保证技术要求，最关键是找到定位基准。同时，应考虑如何提高产品生产率和降低劳动强度，提高企业经济效益。42定位基准的选择由零件图可知：上下端面进行了粗、精铣加工，22+00.021孔进行了粗、半精、精镗加工。因此，定位、夹紧方案有：方案：即一面、心轴和销定位，夹紧方式选用螺母开口垫圈在心轴上夹紧。图中对孔的的加工有位置公差要求，所以我们选择底平面、孔和销为定位基准来设计钻模模具，从而满足孔的加工要求。工件定位用底面和孔定位限制5个自由度，用削限制一个自由度，保证了6个自由度都得到限制。利用分度盘转到，可以加工出3个空。43钻削力及夹紧力的计算 钻该孔时选用：台式钻床Z4006A，刀具用高速钢刀具。由参考文献5查表可得：钻削力公式： Ff=210DfKp 式中 D=7.8mm ，f=0.2mm/r查表得：Kp= 其中：HB=229 则Kp=1.118即：Ff=3942.4（N)实际所需夹紧力：由参考文献5表得： 有：安全系数K可按下式计算有：式中：为各种因素的安全系数，见参考文献5表 可得： 所以 Wa=KxF=880.7x1.56=1373.892(N) 由计算可知所需实际夹紧力不是很大，为了使其夹具结构简单、操作方便，决定选用手动螺旋夹紧机构。取，查参考文献51226可知压板螺旋夹紧时产生的夹紧力按以下公式计算：式中参数由参考文献5可查得： 其中：L=32mm 螺旋夹紧力：W0 =4952.32(N)由上述计算易得： 因此采用该夹紧机构工作是可靠的。44误差分析与计算该夹具以底面、两孔为定位基准，要求保证被加工和孔粗糙度为1.6。由参考文献5可得： 圆柱位销的定位误差 ：由于是孔的误差引起取=0.03mm 夹紧误差 ： 其中接触变形位移值： 查5表1215有。 磨损造成的加工误差：通常不超过 夹具相对刀具位置误差：取 （5）分度误差1.直线分度误差查机床夹具设计知Smin=S-(+X1+X2+e） Smax=S+(+X1+X2+e） 所以F=2(+X1+X2+e）2.回转分度误差查机床夹具设计知a=4artcg( f/4+2X3)/4R误差总和：0.070mm满足要求。45夹具设计及操作的简要说明本夹具用于在钻床上加工孔。工件以端面、一孔、一销为定位基准，在定位环上实现完全定位，采用手动螺旋压板机构夹紧工件，该夹紧机构操作简单、夹紧可靠。拧紧开口垫圈旁的螺母，可以使工件与分度机构贴紧，拧紧另一个螺母整个装配体就夹紧了，这样就可以开动机床进行第一个孔的加工，先钻孔然后换刀具进行铰孔，这样一个孔就加工好了，旋转螺套，使分度盘与加具体之间有空隙，这样拔出对位销就可以旋转分度盘，旋转到下一个孔，松开对位销反转螺套直到不能再转，这样就可以进行加工第二个孔，用同样的方法加工第三个孔，加工完后，松开开口垫圈旁的螺母，开口垫圈取下，换上下一个工件，如此往复进行。 此次设计是对扇形板零件的加工工艺和夹具设计，其零件为铸造，具有体积小，零件复杂的特点，由于面比孔易加工，在制定工艺规程时，就先加工面，再以面为基准来加工其它，其中各工序夹具都采用专用夹具，特别的对于加工8孔工序中，选一面两销的定位方式，并以操作简单的手动