曲轴工艺规程设计及系列夹具设计

摘 要 本次设计的主要内容包括 空压机曲轴的 工艺规程设计 和 系列夹具设计的两大方面。 制定工艺规程设计的原始资料包括：零件 的 图样，产品验收质量标准，产品的年生产纲领和生产类型、毛坯图样、生产条件、 零件材料 等。制定工艺规程设计步骤如下：审查零件的 图样， 工艺方案的确定， 对 样品 进行工艺分析， 零件的毛坯选择以及毛坯图说明 ； 工艺设计 过程 （包括 加工段的分析，工序的集中和分散，工序顺序的安排， 定位基准的选择，零件表面加工方法的选择 )； 制定工艺路线 （ 工艺方案，工艺方案的比较与分析 ）， 工序间尺、公差、表面粗糙度及毛坯尺寸的 确定，加工余量、切削用量、工时定额的确定， 填写工艺文件。夹具设计必须满足的要求有：保证加工精度，夹具的总体方案应与年生产纲领相适应，安全、方便、减轻劳动强度，排屑顺畅，具有良好的强度、刚度和结构工艺性。夹具设计包括工件的定位，定位误差的分析与计算，夹紧机构的确定，夹具力的确定（包括方向，作用点和大小）。 当工艺规程及夹具设计确定后，再绘制夹具总装配图、主要零件图和说明书的编写。 关键词： 工艺规程设计 ； 夹具设计 ；加工余量；定位误差 II Abstract The design of the main contents include two aspects of the M3400 thermostat process planning and fixture series. The original development of process planning include: part drawings and assembly drawings must be quality standards for product acceptance, the agenda for the annual production and production type, rough drawings, production conditions. Development of process planning, follow these steps: review of part design, process analysis part, select the part of the rough, draw a rough diagram, process design (including positioning reference choice, the choice of the parts of the surface processing methods, processing the order of arrangement process combinations), process design (including choice of machine tool equipment and tooling, the determination of allowance in the process, the process of determination of dimensions and tolerances, the choice of cutting the amount of time quota determined), the technical and economic analysis, the complete process documents. The fixture design requirements that must be met: ensure accuracy the fixture overall program should be adapted to the agenda for the annual production, safe, convenient, reduce labor intensity and smooth chip, has good strength, stiffness and structure of the process. Fixture design including jigs and fixtures design overview, the choice of positioning with locating datum clamp mechanism design, positioning error analysis and calculation, the clamping mechanism to determine the clamping force OK. When the process planning and fixture design is determined, and then draw a the fixture assembly drawings, preparation of the main parts diagram and instructions. Keywords: process planning； fixture design； allowance； positioning error V 目 录 摘 要 . I Abstract . II 目 录 . V 1 绪论 . 1 1.1 本课题研究的内容及意义 . 1 1.2 国内外发展情况 . 1 1.3 本课题应达到的要求 . 2 2 工艺方案的确定 . 3 2.1 曲轴零件的结构特点 . 3 2.2 曲轴零件的技术要求 . 3 3 零件工艺分析 . 4 3.1 根据零件图和产品装配图，对零件进行工艺分析 . 4 3.2 计算零 件的生产纲领，确定生产类型 . 4 4 毛坯选择和毛坯图说明 . 5 4.1 毛坯技术分析 . 5 4.2 确定毛坯种类和制造方法 . 5 4.3 确定毛坯总余量 . 5 5 工艺设计过程 . 6 5.1 加工阶段的划分 . 6 5.2 工序的集中与分散 . 6 5.3 工序顺序的 安排 . 6 5.4 定位基准的选择 . 6 5.5 零件的表面加工方法的选择 . 6 6 制定工艺路线 . 7 6.1 工艺路线方案一 . 7 6.2 工艺路线方案二 . 7 6.3 工艺方案的比较与分析 . 8 7 工序间尺寸、公差、表面粗糙度及毛坯尺寸的确定 . 9 8 加工余量，切削用量，工时定额的确定 . 10 8.1 工序一 ： 铣两端面，打中心孔 . 10 8.1.1 工步一：铣两端面 . 10 8.1.2 工步二：两端面打中心孔 . 10 8.2 工序 二： 粗车大端主轴颈及平衡块外轮廓 . 11 8.2.1 工步一：粗车大端 40 主轴颈外圆面及轴肩 . 11 8.2.2 工步二：车平衡块 174外轮廓 . 11 8.3 工序 三 ：粗车小端外轮廓 . 12 8.3.1 工步一：粗车小端 40 主轴颈外圆面及轴肩 . 12 VI 8.4 工序四 ： 半精车大端主轴颈及倒角 . 12 8.4.1 工步一：半精车大端 40主轴颈外圆面及轴肩 . 12 8.5 工序五 ： 精车大端主轴颈及倒角 . 13 8.5.1 工步一：精车大端 40主轴颈外圆面及轴肩 . 13 8.5.2 工步二：精车大端主轴颈上 145倒角 . 14 8.6 工序六 ： 半精车 40外圆面及轴肩锥面、小端锥面 . 14 8.6.1 工步一：半精车小端 40主轴颈外圆面及轴肩 . 14 8.6.2 工步二：倒 40主轴颈上角 . 15 8.7 工序七 ： 铣键槽 . 15 8.7.1 工步一：铣键槽 . 15 8.8 工序八 ： 精车 40外圆面及轴肩锥、小端锥面 . 16 8.9 工序九 ： 粗车连杆轴颈及其轴肩 . 17 8.9.1 工步一：粗车连杆轴颈及其轴肩 . 17 8.10 工序十 ： 半精车连杆轴颈及其轴肩 . 17 8.10.1 工步一：半精车连杆轴颈及其轴肩 . 17 8.11 工序十一 ： 精车连杆轴颈及其轴肩 . 18 8.11.1 工步一：精车连杆轴颈及其轴肩 . 18 8.12 工序十二 ： 打通孔及打 M12 螺纹孔并攻丝 . 18 8.12.1 工步一 : 打通孔 . 18 8.13 工 序十三 ： 主轴颈、连杆轴颈淬火 . 19 8.14 工序十四 ： 磨连杆轴颈外圆及其轴肩面 . 19 8.15 工序十五 ： 磨大端主轴颈及其轴肩面 . 20 8.15.1 工步一 :磨大端主轴颈及其轴肩面 . 20 8.16 工序十六 ： 磨小端主轴颈及其轴肩面 . 20 8.16.1 工步一 :磨小端主轴颈及其轴肩面 . 20 8.17 工序十七 ： 去毛刺 . 21 8.18 工序十八 ： 检验 . 21 9 专用夹具设计 . 22 9.1 机床夹具设计概述 . 22 9.1.1 机床夹具概述 . 22 9.1.2 机床夹具的分类 . 22 9.1.3 机床夹具的组成和功用 . 22 9.1.4 夹具总体方案设计 . 23 9.2 夹具设计 . 24 9.2.1 问题的提出 . 24 9.2.2 定位方式与定位基准的选择 . 24 9.2.3 夹具机构设计 . 24 9.2.4 定位销长度的分析 . 26 VII 9.2.5 定位 误差的分析与计算 . 26 10 结论与展望 . 31 10.1 结论 . 31 10.2 不足之处与未来展望 . 31 致 谢 . 32 参考文献 . 33 曲轴的加工工艺规程设计及系列夹具设计 1 1 绪论 1.1 本课题研究的内容及意义 本课题研究的内容是：空压机曲轴工艺规程设计和系列夹具设计，包括零件机械加工的工艺过程卡片及各工序的工序卡片，主要机械加工工序的夹具总装配图及主要零件图，并有相关的计算和说明的说明书及专业外语文献翻译。 本课题研究的意义： 工艺规程设计的意义： 1)指导生产的主要技术文件 是工艺规程 ：机械加工车间生产的计划、调度，工 人的操作，零件的加工质量检验，加工成本的核算，都是以工艺规程为依据的。处理生产中的问题，也常以工艺规程作为共同依据。如处理质量事故，应按工艺规程来确定各有关单位、人员的责任。 2)生产准备工作的主要依据 是 工艺规程：车间要生产新零件时，首先要制订该零件的机械加工工艺规程，再根据工艺规程进行生产准备。如：新零件加工工艺中的关键工序的分析研究；准备所需的刀、夹、量具（外购或自行制造）；原材料及毛坯的采购或制造；新设备的购置或旧设备改装等，均必须根据工艺来进行。 3)新建机械制造厂（车间）的基本技术文件 是 工艺规 程：新建（改、扩建）批量或大批量机械加工车间（工段）时，应 按照 在车间的布置 和 工艺规程确定所需机床的种类和数量，再由此确定车间的面积大小、动力和吊装设备配置以及所需技术等级、工人的工种、数量等。 此外，先进的工艺规程还起着交流和推广先进制造技术的作用。典型工艺规程可以缩短工厂摸索和试制的过程。因此，工艺规程的制订是对于工厂的生产和发展起到非常重要的作用，是工厂的基本技术文件。 夹具设计的意义： 机 床夹具是机械制造业中不可或缺的重要工业装备，可以保证机械加工质量、实现生产过程自动化 、 降低生产成本、提高生产效率、减轻劳动强度，使用专用夹具还可以改变原机床的用途和扩大机床的使用范围，实现一机多能，所以，夹具在机械加工中发挥着重要的作用 。 1.2 国内外发展情况 曲轴制造技术 /工艺的进展 :曲轴的生产继 QT800-2、 QT900-2 等几种牌号后，广西玉柴等经过攻关已能稳定生产 QT800-6 牌号的曲轴，为曲轴 “以铁代钢 ”奠定了基础。 1 熔炼 高温低硫纯净铁水的获得是生产高质量球墨铸铁的关 键。国内主要是以冲天炉为主的生产设备，铁水未进行预脱硫处理；其次是高纯生铁少、焦炭质量差。目前已采用双联外加预脱硫的熔炼方法，采用冲天炉熔化铁水，经炉外脱硫，然后在感应电炉中升温并调整成分。 2 造型 目前，国内已有一些曲轴生产厂家从 日本 、 法国 、 加拿大 等国引进气流冲击造型工艺， 而且还 引进 了许多 生产线的只有极少数厂家，如文登天润曲轴有限公司引进了德国 KW 铸造生产线 。 从总体上来讲，需改造和更新的陈旧的普通锻造设备多，同时，江南大学学士学位论文 2 落后的工艺和设备仍占据主导地位，先进技术有所应用但还不普遍。 3 机械加工技术 目前国内曲轴生产线多数由普通机床和专用机床组成，生产效率和自动化程度相对较低。粗加工设备多采用多刀车床车削曲轴主轴颈及拐颈，工序的质量稳定性差，容易产生较大的内应力，难以达到合理的加工余量。 随着贸易全球化的到来，各厂家已意识到了形势的严峻性，纷纷进行技术改造，全力提升企业的竞争力，近年来引进了许多先进设备和技术，进展速度很快。就目前状况来讲，这些设备和技术基本依赖进口。 4 热处理和表面强化处理技术 曲轴的热处理关键技术是表面强化处理。球墨铸铁曲轴一般均采用正火处理， 为表面处理做好组织准备，表面强化处理一般采用感应淬火或氮化工艺。锻钢曲轴则采用轴颈与圆角淬火工艺。曲轴制造技术的发展趋势。 1.3 本课题应达到的要求 1）工艺规程设计（工艺卡片和工序卡片） 2）夹具设计 (3 套） 包括总图及零件图，折合零件图不少于 3 张 3）设计说明书一份（不少于 10000 字） 4）专业论文翻译（不少于 10000 字符） 曲轴的加工工艺规程设计及系列夹具设计 3 2 工艺方案的确定 2.1 曲轴零件的结构特点 曲 轴类 大部分的 零件的 主要作用 用为 承载 载荷 、 支撑传动 的 零件和以 及保证 安 装在 曲轴上的 零件 （刀具）具有一定的回转精度 空间 。 曲轴在轴类零件 的地位普通的 属于异型轴，是 空压机 上 以及其他机器 的一个 不可缺少的零件部分，能够承载多部分零件传输过来的力， 并将活塞往复运动通过曲柄连杆机构变为旋转运动，将 许多零件 所做的 有用 功 全输 出去。曲轴在工作时所承受的是很大的扭转力矩以及大小和方向都有变化的弯曲力。 2.2 曲轴零件的技术要求 材质，金相组织，机械性能和表面缺陷均应符合 ZBJ7201688 容积式压缩机用球墨铸铁技术条件的规定。 铸件应经热处理，热处理后硬度为 HB190269 。 加工后主轴径，曲拐径及圆弧过渡处均不允许有肉眼可见的毛刺，裂纹，折叠，凹痕，缩松，缩孔，夹杂物等缺陷存在。 圆弧过渡应均匀，光滑，无接痕。 曲轴加工后应探伤，其要求应符合 ZBJ72016-88 容积式压缩机用球墨铸铁技术条件的规定。 锥面应进行着色检查，其接触面积不少于 75%。 未铸造圆角 R3 R5，保留中心孔。 江南大学学士学位论文 4 3 零件工艺分析 3.1 根据零件图和产品装配图，对零件进行工艺分析 在对 我要设计的零件 进行工艺规程设计 的 时 候 ， 首先 应掌握该零件在 机器 中的 相对位置、 作 用，对该零件提出的 主要的 技术要求进行 理解 ，明确零件的主要 的运行方式 ， 保证该零件能在机器中运行正常 。 掌握零件的结构形状、材料、硬度及热处理等情况，了解该零件的主要工艺特点，形成工艺规程设计的总体构想。 审视改零件的工作方式 ， 另外和 各 零件的要出理的标准 精度、 外形 精度、 相对 精度、表面粗糙度及 其他各种方面的要求 ；明确哪些表面是主要加工表面，以便在选择表面加工方法及拟定工艺路线时重点考虑；对全部技术要求应进行归纳整理。 3.2 计算零件的生产纲领，确定生产类型 根据零 件图查表可知，曲轴为轻型零件，根据生产要求将确定该零件为小批量生产。 曲轴的加工工艺规程设计及系列夹具设计 5 4 毛坯选择和毛坯图说明 4.1 毛坯技术分析 1）确定铸造斜度 :铸模斜度不大于 5。 2） 保证 分型面 因为该零件的外形是相互 对称，且 最大的对称轴是中心轴 ，为了 防止起模以及 更好的及时的 发现上下模在 经过中的错位。 3） 零件 的热处理 的方法形式 想解除 内应力， 减少 切削性能 。 4.2 确定毛坯种类和制造方法 机械加工 铸件应经热处理，热处理后硬度为 HB190269 。 加工后主轴径，曲拐径及圆弧过渡处均不允许有肉眼可见的毛刺，裂纹，折叠，凹痕，缩松，缩孔，夹杂物等缺陷存在。 选择 零件的 的制造方法 改想想下面的要点 ： a、 曲轴的工艺特点 ； b、毛坯尺寸、形状和精度要求； c、零件生产纲领； d、采用新型材料、新工艺、新技术的可能性。在这里毛坯选择铸件。 4.3 确定毛坯总余量 材料： QT600-3 铸造方法：金属型铸造 查表（ P38），可知铸件公差等级为 CT7-CT9，取铸件公差等级为 CT8，再根据铸件基本尺寸查表（ P41），可得相应铸件公差尺寸查表可得铸件加工 余量等级为 F，再根据铸件最大轮廓尺寸（长度方向为 250 400），查阅铸件加工余量表（ P39），确定铸件加工余量为 4.03.5 故铸件总长为 318+3.5+3.5=325mm(双侧 ) 加工余量见下表 4-1 表 4-1 加工余量 加工 表面 基本尺寸 铸件尺寸公差 机械加工余量 铸件尺寸 备注 通轴 1 锥面 此 4 段位同一 轴 键槽 40 外圆面 40 1.4 1.5（双侧加工） 40 外圆面 40 1.4 1.5（双侧加工） 平衡块外圆 174 174 2.0 2.5（双侧加工） 1791.0 连杆轴颈 46.5 46.5 1.4 1.5（双侧加工） 49.50.7 40 外圆面 40 1.4 1.5（双侧加工） 430.7 工件总长 318 318 2.2 3.5（双侧加工） 3251.1 连杆轴颈长 49 49 1.4 1.5（双侧加工） 520.7 江南大学学士学位论文 6 5 工艺设计过程 5.1 加工阶段的划分 此零件的要生产的要求比较高，可以把生产的阶段可以分为粗加工阶段，半精加工阶段、精加工阶段、猝火阶段、磨阶段等 几个阶段。 在粗加工的时候，可以先将粗基准选好，也就是平衡块凸台、使后续的工序都可以采用精基、平衡块凸台加工出来，使后续的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。 5.2 工序的集中与分散 本零件采用工序集中原则安排零件的加工工序。这个零件曲轴 加工后主轴径，曲拐径及圆弧过渡处均不允许有肉眼可见的毛刺，裂纹，折叠，凹痕，缩松，缩孔，夹杂物等缺陷存在。圆弧过渡应均匀，光滑，无接痕。 5.3 工序顺序的安排 1）遵循“先基准后其他”原则，首先加工精基准，即在前面加工阶段先加工小端装夹外圆面、平 衡块定位凸台。 2）遵循“先主后次”原则，先加工主要外圆表面，再加工螺纹孔。 3）遵循“先面后孔”原则，比如先加工主轴外圆面再加工小端轴螺纹孔。 5.4 定位基准的选择 加工后主轴径，曲拐径及圆弧过渡处均不允许有肉眼可见的毛刺，裂纹，折叠，凹痕，缩松，缩孔，夹杂物等缺陷存在。 圆弧过渡应均匀，光滑，无接痕。 粗基准：毛坯中小端 46.5 通轴外圆面和大端 40 外圆面所确定的轴线 小端 46.5 外圆轴肩面，未经加工的平衡块凸台 精基准：主轴颈轴线、小端 40 外圆轴 肩面、平衡块凸台 互为基准的：平衡块凸台和大端主轴颈端面 5.5 零件的表面加工方法的选择 表 5-1 表面加工方法 加工表面 加工方案 端面、平衡块凸台 铣 M12 螺纹孔 钻 1:10 锥面 粗车 半精车 精车 两端 40主轴颈 粗车 半精车 精车 174 平衡块外轮廓 粗车 30连杆轴颈 粗车 半精车 精车 10内孔 钻 倒角 车 曲轴的加工工艺规程设计及系列夹具设计 7 6 制定工艺路线 以下为设计的两种方案，分析比较如下： 6.1 工艺路线方案一 工序一：铣两端面，打中心孔 工序二：粗车大端主轴颈及平 衡块外轮廓 工序三：粗车小端外轮廓 工序四：半精车大端主轴颈及倒角 工序五：精车大端主轴颈及倒角 工序六：半精车小端主轴颈 40外圆及锥面 工序七：打键槽 工序八 : 精车 40外圆及锥面 工序九：仿形车床粗车连杆轴颈及其轴肩 工序十：仿形车床半精车连杆轴颈及其轴肩 工序十一：仿形车床精车连杆轴颈及其轴肩 工序十二：打通孔及打 M12 螺纹孔并攻丝 工序十三：主轴颈、连杆轴颈淬火 工序十四：仿形磨床磨连杆轴颈外圆及其轴肩面 工序十五：磨大端主轴颈及其轴肩面 工序十六：磨小端主轴颈及其轴肩面 工序十七：去毛 刺 工序十八：检验 6.2 工艺路线方案二 工序一：铣两端面，打中心孔 工序二：粗车大端主轴颈及平衡块外轮廓 工序三：粗车小端外轮廓 工序四：半精车大端主轴颈及倒角 工序五：半精车小端主轴颈 40外圆及锥面 工序六：精车大端主轴颈及倒角 工序七：打键槽 工序八 : 精车小端主轴颈 40外圆及锥面 工序九：利用偏心夹具在车床上粗车连杆轴颈及其轴肩 工序十：利用偏心夹具在车床上半精车连杆轴颈及其轴肩 工序十一：利用偏心夹具在车床上精车连杆轴颈及其轴肩 工序十二：钻直通孔及 M12 螺纹孔并攻丝 工序十三：主轴颈、连 杆轴颈淬火 工序十四：利用偏心夹具在车床上磨连杆轴颈外圆及其轴肩面 工序十五：磨大端主轴颈及其轴肩面 江南大学学士学位论文 8 工序十六：磨小端主轴颈及其轴肩面 工序十七：去毛刺 工序十八：检验 6.3 工艺方案的比较与分析 这几个方案的最主要不同时在于对连杆的加工的上，一个是用机床来加工曲轴的，另一个是用偏心夹具来生产曲轴的连杆。考虑到现实客观条件因素，选工艺路线方案一 ,机床选择较为方便，经济性好。 曲轴的加工工艺规程设计及系列夹具设计 9 7 工序间尺寸、公差、表面粗糙度及毛坯尺寸的确定 主要 表面加工余量分配： 1）小端 40 外圆 表 7-1 表面加工余量分配 工序名称 工序余量 工序基本尺寸 工序尺寸及偏差 磨 0.4 40 40 精车 0.25 40.4 40.4 半精车 0.45 40.85 40.85 粗车 1.2 41.1 41.1 毛坯 2.3 42.3 42.3 2）大端 40 外圆 表 7-2 表面加工余量分配 工序名称 工序余量 工序基本尺寸 工序尺寸及偏差 磨 0.4 40 40 精车 0.25 40.4 40.4 半精车 0.45 40.85 40.85 粗车 1.2 41.1 41.1 毛坯 2.3 42.3 42.3 3） 46.5 连杆轴颈 表 7-3 表面加工余量分配 工序名称 工序余量 工序基本尺寸 工序尺寸及偏差 磨 0.4 46.5 46.5 精车 0.25 46.9 46.9 半精车 0.45 47.15 47.15 粗车 1.2 47.6 47.6 毛坯 2.3 48.8 48.8 4） 轴向尺寸的加工余量则根据被加工表面的精度等级，非重要表面粗加工余量留 3，重要加工表面如主轴颈轴肩面、连杆轴颈轴肩面则按下表分配加 工余量 。 表 7-4 表面加工余量分配 工序名称 工序余量 精加工 0.5 半精加工 1 粗加工 1.5 毛坯 3 江南大学学士学位论文 10 8 加工余量，切削用量，工时定额的确定 8.1 工序一 ： 铣两端面 ，打中心孔 8.1.1 工步一：铣两端面 本工序为粗铣（同时铣两端面）。已知加工材料为 QT600-3，铸件。机床为 铣 床XA6132，工件 被 夹具 夹 在工作台上。同时由加工工序余量可知粗铣的单边余量为3.5mm. 1）确定切削深度pa=3.5mm 2）确定每齿进给量 此工序选择 YG6 硬质合金端铣刀，查机械制造技术基础课程设计指南，zf =0.14-0.24 zmm 根据 工件 的 实际尺寸， 则 选择铣刀的具体参数如下： D=700mm，齿数由 书上参考 选为 z=3，取 zf 错误 !未找到引用源。 =0.2 zmm 错误 !未找到引用源。 ，则进给量 f=0.24=0.8 rmm 。 3）确定切削速度和工作台每分钟进给量 工件材料 QT600-3，硬度 HB190-269，选择切削速度 cV=65m/min，计算主轴转速 n= 8014.3 100065 =258.35 minr ,查表选 得到最相似 的标准转速 n=255 minr ,然后计算的实际转速cV= 1000 14.380255 =64 minm 4) 计 算 基 本 时 间jT=mzflll 21 , 主轴转速 n=255 r/min ， 工 作 台 进 给 量znff zm =0.2 4 255=204mm/min,根据机床取 错误 !未找到引用源。 =190 mm/min，切削加工面 L=40（取大端尺寸），查表 21 ll =7，故jT=190742=0.24min 5 ）计算xfwfj TTTTT 总, 查表得辅助时间fT=0.2min, 布置工作地时间fwT=0.3min, 休息与生理需要时间xT=0.1min, 则 :xfwfj TTTTT 总=0.24+0.2+0.3+0.1=0.84min 6）小结 综上所述，机床为铣床 XA6130，主轴转速为 255r/min，切削速度 64m/min，进给量f=0.8mm/r，切削深度 3.5mm，机动时间 0.24min， 辅助时间 0.2min。 8.1.2 工步二：两端面打中心孔 1） 确定切削深度pa错误 !未找到引用源。 =10mm 2） 选用中心钻 d=2.5, 1d =6.3, l =45,f=0.11-0.13mm/r,取 f=0.12 mm/r 3） 确定切削速度 查表得cV=50 minm ,则 n=1014.3 1000500 =1592 m