毕业设计（论文）-4125型柴油机气缸体的机械加工工艺及夹具设计（含全套CAD图纸）

全全日日制制普普通通本本科科生生毕毕业业设设计计 41254125 型柴油机气缸体的机械加工工艺及夹具设计型柴油机气缸体的机械加工工艺及夹具设计 MECHANICAL PROCESSING TECHNOLOGY AND FIXTURE DESIGN OF 4125 DIESEL ENGINE CYLINDER BLOCK 由于部分原因，说明书已删除大部分，完整版说明书，由于部分原因，说明书已删除大部分，完整版说明书， CADCAD 图纸等，联系图纸等，联系 153893706153893706 学生姓名学生姓名： 学学 号：号： 年级专业及班级：年级专业及班级：2008 级级机械机械设计设计制造及其自制造及其自动动 化化 指导老师及职称：指导老师及职称： 学学 部：部：理工学部理工学部 提交日期：20 年 月 全日制普通本科生 毕业论文（设计）诚信声明 本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文（设计）是本人在指导老师 的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除 文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中 均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 毕业设计作者签名： 年 月 日 目 录 摘要1 关键词1 1 前言2 2 零件的分析3 2.1 零件结构分析3 2.2 零件工艺分析4 2.3 零件主要技术要求4 3 机械加工工艺规程设计5 3.1 计算零件生产纲领、确定生产类型5 3.1.1 计算生产纲领5 3.1.2 确定生产类型、分析工艺特点5 3.2 毛坯及机械加工余量的确定5 3.2.1 毛坯的确定5 3.2.2 铸件的机械加工余量确定6 3.3 气缸体的工艺规程设计7 3.3.1 定位基准的选择7 3.3.2 表面加工方法的选择7 3.3.3 工艺路线的制定9 4 专用夹具的设计23 4.1 夹具设计概述23 4.1.1 夹具的基本组成23 4.2 粗铣气缸体平面夹具的设计23 4.2.1 零件本工序的加工要求分析23 4.2.2 夹具的类型的确定24 4.2.3 拟定定位方案和选择定位元件24 4.2.4 确定夹紧方案25 4.2.5 确定对刀装置26 4.2.6 夹紧力的分析计算26 5 总结28 参考文献29 致谢29 附录30 1 41254125 型柴油机气缸体的机械加工工艺及夹具设计型柴油机气缸体的机械加工工艺及夹具设计 摘 要：本课题是对 4125 型柴油机气缸体进行工艺设计和夹具的设计。对气缸体的 主要加工表面、气缸体顶面、主轴承座侧面、气缸孔、主轴承孔及凸轮轴承孔等的工艺规 程进行了详细的分析，填写了工艺过程卡片及工序卡片，设计了粗铣气缸体平面专用机床 夹具。在对此气缸体的工艺设计中为减少箱体在加工过程中的误差，我们考虑基准的重合 原则，统一原则，互为基准原则以及粗基准的选择原则，为使定位稳定夹紧可靠，要求所 选用的粗基准尽可能不重复使用原则。夹具的设计，保证了零件的加工精度，同时提高了 生产效率，降低了工人的劳动强度。 关键词：气缸体；机械加工工艺规程；工序卡；专用机床夹具； Mechanical Processing Technology and Fixture Design of 4125 Diesel Engine Cylinder Block Abstract: This topic is for 4125 diesel engine cylinder block process design and fixture design. The main processing of the cylinder block surface, the cylinder block end face, Lord side, cylinder bearing holes, the main bearing hole and CAM bearing hole and techniques procedure are analyzed in detail, and fill out the process card and process card, design the rough milling cylinder block plane special machine tool fixtures. This cylinder block in the process design to reduce the error in the process, we consider the benchmark superposition principle, unified principle, thus the principles and the benchmark crude benchmark the choosing principle, positioning for stable clamping reliable, request chooses not to repeat the benchmark crude as far as possible, use the principle.The fixture design ensure the parts processing precision, While improving production efficiency and reduce the labor intensity of the workers. Key words: Cylinder block; Machining processes; Process card; Dedicated fixture 1 前言 本课题主要研究 4125 型柴油机气缸体的机械加工工艺规程和的设计粗铣气 2 缸体平面的专用机床夹具，具体进行零件加工工艺设计和夹具设计。 机械制造工业是国民经济各部门赖以发展的基础，而机床工业是机械制造 工业的基础,一个国家工业的技术水平集中体现在制造业,其很大程度上标志着 这个国家工业生产的能力和科学技术水平。随着科学技术的迅猛发展,现代制造 业中需要精密加工的零件越来越多,加工精度和对工件表面复杂程度要求也越来 也高。随着制造技术的不断发展和进步,加工工艺的不断改进和提升,先进工艺 的开发、引进和应用,在将来的制造和加工技术中,用先进的加工工艺取代落后 的不适应生产要求的加工工艺,使现代制造和加工业技术水平处在不断更新和发 展,制造技术不仅是衡量一个国家科技发展水平的重要标志，也是国际间科技竞 争的重点。 随着大型工程项目的增多和规模的扩大，工程机械有向大型化发展的趋势。 与其配套的柴油机也在向系列化、提高单机功率、降低燃油消耗率和减少排放 及噪声污染的方面发展。气缸体作为柴油机的基础体架，是柴油机的重要部件, 气缸体内腔复杂，包括气道，水道既油道，外表面安装相关的各种配件。工艺 是将产品设计图样和技术要求物化为实际产品的方法和过程，工艺规程制定的 原则是优质、高产、低成本。首先，制定几种可能的工艺方案进行分析对比论 证，选择合理的方案；其次，分配切削用量；最后，制定每道工序的工序卡片1。 在对此气缸体的工艺规程采用一面两销对其进行定位以限制其六个自由度。为 减少箱体在加工过程中的误差，我们考虑基准的重合原则，统一原则，互为基 准原则以及粗基准的选择原则，为使定位稳定夹紧可靠，要求所选用的粗基准 尽可能不重复使用原则。 夹具设计是按照某一道工序的加工要求，把一些事先制造好的标准件和部 件进行组装而成的夹具，夹具通常由使用单位根据要求自行设计和制造，适用 于产品固定且批量较大的生产中2。为了保证加工零件的质量、产量和降低成本， 首先应该指定合理的工艺方案，然后按照工艺方案的要求，确定机床的配置型 式，选择合理的通用部件，设计专用部件和工作循环的控制系统。 零件加工工艺设计必须按照 JB/T9165.21998工艺规程格式规定进行； 夹具设计要求定位合理，夹紧可靠，结构简单，操作简便，调试及维修便利， 提高 生产效率；应尽量保证以最低的加工成本达到符合零件图要求的加工精度。 由于水平有限，经验不足，第一次全面的系统的设计本次设计难免有许多 3 不妥和错误之处，恳请指导老师和读者批评指正错误，以便及时改正。 2 零件分析 2.1 零件结构分析 该零件是 4125A 型柴油发动机的气缸体。气缸体为一整体铸造结构，其上 部有四个缸套安装孔，它的左侧是八个挺杆安装孔和通过缸盖的冷却水孔，并 加工有 21 个缸盖紧固螺栓孔和向缸盖输送润滑油的垂直深油孔。如图 2-1 为 4125 柴油机气缸体零件结构图。 图 1 4125 柴油机气缸体零件图 Fig.1 Cylinder block of 4125 diesel engine parts diagram 气缸体的水平隔板将缸体分成上下两部分，上段为缸体水套，下段为曲轴 箱。在隔板上四个缸套安装孔壁的环形槽内装有橡胶密封圈，防止水套中的水 漏入曲轴箱，垂直隔板将缸体水套和挺杆室分开。曲轴箱有五个安装曲轴的主 轴承座和两个定位侧面。 气缸体的前端面从前到后排列有三个同轴线的凸轮轴安装孔和惰轮轴孔。 在三个凸轮轴孔的下方，沿气缸体的全长有一长主油道孔，其两端用螺栓堵住。 从主油道到各主轴承、凸轮轴承和惰轮轴承都有油道相通，使从机油滤清器来 4 的压力油能对各轴颈和惰轮等进行润滑。 气缸体的左侧有工艺孔，加油管安装法兰，减压机构轴孔，机油滤清器安 装平面，机油泵出油孔，油标尺座孔和机油泵安装平面。气缸体的右上方有铸 成的分水管，将水泵流出的水分流到缸体的各缸水套，达到冷却的目的。气缸 体的后端面有飞轮壳的安装面。气缸体的下平面用以安装油底壳，其内储存润 滑油。 2.2 零件工艺分析 气缸体是发动机的基础零件和骨架，同时又是发动机总装配时的基准零件。 发动机的各机构和系统的零部件都安装在它的内部或外部3。气缸体的作用是 支承和保证活塞、连杆、曲轴等各运动部件工作时的准确位置；保证发动机的 换气、冷却和润滑（其上有气道、水道和油道） ；提供各种辅助系统、部件及发 动机的安装基面。 发动机工作时，气缸体承受着各种大小、方向呈周期性变化的气体压力、 惯性力及力矩的作用，因此要求气缸体具有合适的材料，合理的结构、尺寸及 重量，足够的刚度，加工性能好，使用、安装和维护方便，且密封性、抗震性 和抗腐蚀性能良好。 它的工艺特点是：结构的形状复杂；加工的平面、孔多，内部成空腔，壁 厚不均，刚度不好；加工的精度要求高，是典型的箱体类加工零件。其主要加 工表面有气缸体顶面、主轴承座侧面、气缸孔、主轴承孔及凸轮轴孔等，它们 的加工精度将直接影响发动机的装配精度和工作性能3。为此，我们主要靠设 备精度、工夹具可靠性和加工工艺的正确合理来保证。 2.3 零件的主要技术要求 1）主轴承孔的精度为95(+0.03 0)，表面质量为 Ra=1.6m。 2）主轴承孔的圆度为 0.02 mm。 3）气缸孔的精度为144（+0.08 0） ，底孔的表面粗糙度 Ra=6.3m。 4）气缸孔中心线对曲轴中心线的对称度为 0.05 mm。 5）第二、三、四主轴承孔对第一、五主轴承孔的同轴度为 0.02 mm。 6）各凸轮轴承孔的同轴度为 0.03 mm。 7）曲轴中心线对凸轮轴中心平行度为 0.1 mm。 8）顶面的表面粗糙度为 Ra=3.2m。 3 机械加工工艺规程设计 5 3.1 计算零件生产纲领，确定生产类型 生产纲领和生产类型与工艺过程的关系十分密切，生产纲领不同，生产类 型也不同，工艺过程也就具有不同的特点。生产纲领是指企业在计划期内应当 生产的产品产量和进度计划。生产类型是指生产专业化程度的分类，分为大量 生产、成批生产和单件生产 3 种类型。 3.1.1 计算生产纲领 生产纲领是指企业在计划内应生产的产品产量和进度计划。此设计中，生 产纲领已给定：N=20000 件。 3.1.2 确定生产类型、分析工艺特点 此处已删除此处已删除 4 专用夹具的设计 4.1 夹具设计概述 在发动机气缸体零件的机械加工过程中，为了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。为了保证工件 占有确定位置，就需要专用的装置。箱体零件结构复杂、不易定位；尺寸公差、 形状公差、和位置公差要求很严，内孔的粗糙度要求很高，这就需要设计箱体 专用的夹具来满足加工要求11。专用的夹具对保证零件的质量、提高加工效率、 降低生产成本、改善劳动条件、保证生产安全、扩大机床的使用范围、缩短产 品的使用周期等方面有着极明显的经济效益。 4.1.1 夹具的基本组成 1）定位元件：它与工件的定位基准相接触，是确定工件在夹具中正确位置 的主要元件12。定位元件的结构与所定位工件的基准面有关。本次设计中的支 承板、支撑钉、预定位板、摆动压板。 2）夹紧机构：它是夹紧工件用的，其结构与所夹紧工件的部位和作用有关。 夹紧机构通过原始力产生夹紧力将工件夹紧，保持工件定位所取得的正确位置 在受到切削力的作用时不产生位移和变形。本次设计中的摆动压板。 3）夹具体：它是将定位元件、夹紧机构等联接成一体的主体件，并与机床 相联接。 6 4）引导元件：为了预先调正刀具的位置，在夹具中设有确定刀具位置或导 引刀具方向。本次设计中的对刀块。 5）连接元件：它是设有供夹具本身在机床上定位和夹紧用的连接元件，也 可以承受铣削时的切削扭转力矩，加强夹具在工作过程中的稳定性。本次设计 中的定位键。 6）其他辅助元件 4.2 粗铣气缸体平面夹具的设计 4.2.1 零件本工序的加工要求分析 该设计零件是气缸体，它是发动机的基础零件及骨架，同时又是发动机总 装配时的基准零件，是一个形状复杂、加工要求较高的薄壁零件。其毛坯材料 为 HT150。 从第一部份的工艺路线可看出，该零件的加工工序较多，形状较复杂，任 务书中指出，要求我们设计工序十（粗铣气缸体平面）的专用夹具。从工艺表 中可知，在此工序前我们已把气缸体左侧面四块基平面和三个凸台面加工完毕， 而本工序要求为上下顶底面间距为 650（+1.5 +1.0） ，表面的表面粗糙度为 6.3。在定位时以对中面作为基准，使气缸体与对口面的间距为 143.50.5，另 外在加工右侧放水阀平面时，保证该平面与与气缸中间平面的定位尺寸 108， 并且表面粗糙度为 6.3。本要序可采用三轴龙门铣床配合专用夹具完成那三部 份的加工。如图 2 为气缸体零件加工工序 10 的工序图。 图 2 气缸体零件 10 号工序图 Fig.2 The cylinder block parts 10 process figure 4.2.2 夹具的类型的确定 7 由于零件本工序需加工的三个部份均是平面，故采用铣削加工较为合理， 故在设计夹具时，我们就必须选择铣夹具。铣床是用来加工一般平面、沟槽及 各种成形面。特别是一些形体复杂的回转体零件上的平面加工，在加工时，铣 削用量一般较大，因此产生的切削力也较大13。并且由于加工时铣刀齿的不连 续工作，以及切削余量的变化。作用在每个刀齿的切削力的变化所引起的振动 亦较大。因此要求铣床夹具的夹紧装置要产生足够大的夹紧力，并且对夹具体 及夹具各部份的刚度和强度也较其它夹具为高，夹具上的定位元件的布置因应 使元件的加工表面尽可能的靠近工作台，使夹具重心尽量低些。 铣床夹具的形式较多，由于铣削加工中多数情况是夹具和工作台一起作送 进运动，而夹具的整体结构在很大程度上取决于铣削加工的进给方式，因此通 常按进给方式将其分为直线进给式夹具、圆周进给式夹具和靠模夹具等三种14。 在此，综合机床零件的结构特性及加工特性选择直线进给式夹具。 4.2.3 拟定定位方案和选择定位元件 （1）定位方案的拟定 要保证加工出来零件的精度要求，使加工出来的零件合格就必须保证定位 正确及定位准确。 在粗铣气缸体顶面、底面和右侧放水阀平面工序 10 中，可在其夹具分布 支承板 9 和 11 各两个，支承钉 1 两个，让其分别与气缸体上道工序加工完的四 个基平面和对口面接触，实现气缸体零件的完全定位。 （2）定位元件的选择 在上面我们用来定位的元件有两对支承板 16，以及两个支承钉 1，它们均 属于固定支承。选用工件以平面定位的定位元件时，要求定位平面的精度高， 若以毛基面或粗基面定位时，可采用支承钉。而以精基面，特别是以大的精基 面定位时，可采用支承板。 在定位方案中，气缸体只有四个基平面和三个凸台面，已完成了加工操作， 有一定的精度，而对口面就没作加工处理，其精度较低。故在选择定位元件时， 与四个基平面配合的定位元件用支承板 16 各两个，与对口面配合的定位元件用 支承钉 1。 支承钉可用基孔制 H7/n6 的过渡配合直接压入夹具体内，若支承钉经常更 换，为防止换坏夹具体，可加装一个淬硬的钢质衬套，在支承钉的材料选时， 8 由于 D 大于 12mm，按 YB4-63 规定为 20 号钢或 40Cr 钢，淬后的硬度分别为 HRC60-64、HRC48，有必要时还可以对其进行发兰，磷化等防锈处理。 支承板最好采用带有排屑槽的，其材料可选用 T7A 或是 20Cr 钢制造，淬硬 后的硬度分别为 HRC60-64、HRC59。 4.2.4 确定夹紧方案 夹紧装置是夹具的重要组成部份，用于防止工件在切削力、自重及惯性力 等作用下产生移动或振动，即保持工件定位后的正确位置。 夹紧机构的种类有很多，分类方法也不一定完全一样，就其夹紧特性可分 为：直接夹紧机构和自锁夹紧机构两种15。在此设计中，我们采用直接夹紧机 构用气动夹紧。这样的优点是：（1）无介质费用和供用上的困难，维护简 单，介质清洁，管道不易堵塞，亦不存在介质变质、补充和更换等问题；（2） 空气的粘度很小，在管道中的阻力小，能够实现远距离控制；（3）压缩空气的 工作压力低，因此可降低对换气动元件的材料和制造精度上的要求；（4）空气 的流速快，反应灵敏，可缩短辅助时间；（5）夹紧力恒定，能保证夹紧精度， 也易调整，同时夹紧力不受，周围环境温度的影响16。 4.2.5 确定对刀装置 通常在铣床夹具和刨床夹具中采用对刀装置，以保证刀具与夹具定位元件 间具有正确的相对位置，这种相互间的位置可以采用三种方法进行调整：试切 工件凋整；用已加工好的样件调整；用对刀装置调整。 对刀装置由对刀块和塞尺组成，在夹具中对刀块做成单独的元件，用定位 销和螺丝钉紧固在夹具体上，对刀时为了避免对刀块碰伤刀具刃口并便于控制 对刀精度，在刀具和对刀块间塞进一规定厚度的塞尺，当塞尺刚好通过对刀块 与刀具间的间障时，即认为刀具的位置已被调整好17。 由于零件本工序加工对象均是平面，宜采用高度对刀块，如图所示，高度 对刀装置分为两种类型，其 A 型适于加工水平面，B 型适于加工两相互垂直的 平面。因此，我们选择 A 型，分别安装在夹具体的三个位置。 （另外，还要在夹 具体上增加导向键，实现夹具与机床的定位） 。 4.2.6 夹紧力的分析计算 根据工件加工要求、定位元件的结构和布置、加工工程中的受力状况等来 合理确定夹紧力的三要素方向、作用点和大小18。本设计中采用四个气缸 单独驱动的摆动式压板杠杆结构。四个垂直安装的气缸驱动缸体右侧两端的四 9 块摆动压板将气缸体夹紧，另外还设计了勾头压板夹紧气缸体，防止在 Y 轴的 窜动。 1）夹紧力应朝向主要限制面，根据夹具机构和工件加工形式可知，夹紧力 主要方向应在 Z 方向，其次是 Y 轴方向。 2）夹紧力的作用点应落在定位元件的支承范围内，在工件刚度高的方向和 部位，并应靠近工件的加工表面。 3）夹紧力大小的估算:加紧过程中，工件受到切削力、重力、支承力，摩 擦力等的作用。理论上，夹紧力的作用应与上述力的作用平衡；而实际上，夹 紧力的大小与工艺系统的刚度、夹紧机构的传递效率等有关，而且切削力的大 小在加工工程是变化的，夹紧力主要平衡切削力，夹紧力只能进行粗略的估算。 在计算切削力时，必须考虑安全系数，安全系数19 K=K0K1K2K3 （1） 式中 K0基本安全系数，K0=1.5； K1加工性质系数，K1=1.12； K2刀具钝化系数，K2=1.15； K3切削特点系数，K3=1.1； 由前面已知 Fc=4332.5N，所以 Z 轴方向的受力 Fc1=KFc=9207.5N。 Y 轴方向的受力 Fv1=KFv= Fc10.52=4788N X 轴方向的受力 Fe1=KFe= Fc10.5=4604N 图 3 杠杆夹紧机构受力图 Fig.3 The lever clamping mechanism diagram 考虑 Z 轴方向的夹紧情况，如图 4.2 10 由公式20 Ffl=Fl1 （2） 式中，r-销轴半径，r=25mm； f-销轴与压板之间的摩擦系数，f=0.20； l1-气缸推杆对销轴的力臂，l1=70mm； l-压板作用点对销轴的力臂，l=155mm； 由于选气缸工作压力为 0.4Mpa,根据气缸表 10-33，选气缸推力 F=12000N。可以求出 Fj=5419N,于是总夹紧力 F总 j=4Fj=21677N.此时，F总 j已 大于所需的 9207.5N 的夹紧力。则 Z 轴方向的夹具设计合理。 考虑 Y 轴方向的夹紧力情况 加工气缸体底面时 Fj2l2/2=Fv2l2 Fv2= Fv1=4788N 则 Fj2=9576N12000N 加工气缸体顶面时，Y 轴方向的受力 Fv1=KFv= Fc10.52=4788N12000N，则 Y 轴方向的夹具设计合理。 考虑 X 轴方向的夹紧力情况 铣削的横向进给为 X 正方向，在夹具的右侧与气缸体之际安装预定位板就 行了，没有必要再增加另外的的夹紧机构。 X 轴方向的受力 Fe1=KFe= Fc10.5=4604N12000N 经过上面的夹紧力的分析，夹具安全可靠。 由此可以选用此夹紧机构，从而最终设计出本道工序的铣床夹具的装配图， 如下图 4-3。 11 图 3 铣床夹具图 Fig.3 Milling machine fixture figure 5 总结 毕业设计是大学的最后一堂课了，通过这次毕业设计，我很好的巩固了大 学所学的知识同时也学到了很多新的知识，各种学科的综合运用在这次设计中 得到了很好的体现。本次设计内容是 4125 型柴油机气缸体的加工工艺和粗铣气 缸体平面的夹具设计，设计的主要工作有：了解零件的结构特点和技术要求； 根据生产类型和所拟企业的生产条件，对零件进行结构分析和工艺分析；确定 毛坯的种类及制造方法；制定零件的机械加工工工艺过程；填写机械加工工艺 过程卡片、机械加工工序卡片；设计指定工序的专用夹具，绘制装配总图和主 要零件图。气缸体的结构很复杂，为了能够圆满的完成此次毕业设计，我结合 自己的实习工作岗位，参考了很多有关工艺夹具方面的资料，合理利用网络上 的资源，以及向老师和同学们请教，最终完善了设计方案。 本次设计由于时间紧任务重，加上本人的知识水平有限，因此，会存在很 多错误。问题不可避免发生，关键是要在这个过程中总结经验教训，希望各位 老师多多指教。 总之，这次毕业设计对我来说无疑是一次真实的检验和全面的提高，意义 深刻，将为我以后的工作打下坚实的基础。 参考文献 1高秀华,郭建华.内燃机M.北京:化学工业出版社,2005:5-10. 12 2马守明.柴油机M.北京:煤炭工业出版社,1998:6-8. 3池建军,侯妮娜.国内柴油机电控技术的现状及发展方向J.机械管理开发,2007,(01): 5-11. 4徐小红,汤仲平.国内外柴油机油发展与国内现状C.兰州:中国石油兰州润滑油研究 发中心:2-4. 5周庆玲.柴油机制造工艺设计M.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2009:20-24. 6于骏一,邹青.机械制造技术基础M.北京:机械出版社,2004:78-82. 7施平.机械工程专业英语教程M.北京:电子工业出版社,2004:22-28. 8吴佳常.机械制造工艺学M.北京:中国标准出版社,1992: