机械制造技术基础课程设计-输出轴加工工艺规程制定及铣十字槽专用夹具设计.doc

课程设计（设计说明书)课 题 名 称 输出轴加工工艺规程制定及铣十字槽专用夹具设计学 生 姓 名 学 号 0941101012 系、年级专业 09级机械与能源工程系 指 导 教 师 职 称 高级工程师 2012年 10 月 16 日机 械 制 造 技 术 基 础课程设计说明书目录1绪论.31.1前言.31.2加工工艺及夹具设计的发展.41.3加工工艺的发展趋势.42输出轴零件分析.42.1 输出轴的零件分析.52.2 输出轴的生产纲领.63工艺规程设计.93.1定位基准的选择.93.2零件加工方法的选择.103.3加工顺序.103.4选择加工设备及刀具、夹具、量具.113.5加工工序设计.124编制工艺文件.134.1机械加工工艺过程的组成.134.2工序的合理组合.135机床夹具设计.135.1夹具的定义.135.2机床夹具的组成.145.3钻床夹具设计.16结束语. 21参考文献.221绪论1 .1 前言 加工工艺及夹具设计是在学完了机械制造工艺学等专业相关知识后，对整个专业知识的一次综合运用。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。对加工工艺规程的设计，可以了解了加工工艺对生产、工艺水平有着极其重要的影响。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。对专用夹具的设计，可以了解机床夹具在切削加工中的作用：可靠地保证工件的加工精度，提高加工效率，减轻劳动强度，充分发挥和扩大机床的给以性能。本夹具设计可以反应夹具设计时应注意的问题，如定位精度、夹紧方式、夹具结构的刚度和强度、结构工艺性等问题。1.2 加工工艺及夹具设计的发展 改革开放以来，机械工业充分利用国内外两方面的技术资源，有计划地进行企业的技术改造，引导企业走依靠科技进步的道路，使制造技术、产品质量和水平以及经济效益有了很大的提高，为繁荣国内市场、扩大出口创汇、推动国民经济的发展起了重要作用。夹具从产生到现在，大约可以分为三个阶段：第一个阶段主要表现在夹具与人的结合上，这是夹具主要是作为人的单纯的辅助工具，是加工过程加速和趋于完善；第二阶段，夹具成为人与机床之间的桥梁，夹具的机能发生变化，它主要用于工件的定位和夹紧。人们越来越认识到，夹具与操作人员改进工作及机床性能的提高有着密切的关系，所以对夹具引起了重视；第三阶段表现为夹具与机床的结合，夹具作为机床的一部分，成为机械加工中不可缺少的工艺装备。 随着机械工业的迅速发展，对产品的品种和生产率提出了愈来愈高的要求，使多品种，中小批生产作为机械生产的主流，为了适应机械生产的这种发展趋势，必然对机床夹具提出更高的要求。目前，大批量生产正逐渐成为现代机械制造业新的生产模式。在这种模式中，要求加工机床和夹具装备具有更好的柔性，以缩短生产准备时间、降低生产成本，所以，按手动夹紧的方法已不能满足生产发展的要求，而气动、液压夹紧等夹具正是适应这一生产模式的工装设备。它对缩短工艺装备的设计、制造周期起到至关重要的作用。国外为了适应这种生产模式,也把柔性制造系统作为开发新产品的有效手段，并将其作为机械制造业的主要发展。1.3加工工艺的发展趋势长时间以来，加工工艺及夹具设计都朝着标准化、自动化、高效率、高精度、低劳动强度方面发展。 加工工艺作为制造技术的主要基础工艺，随着制造技术的发展，在20世纪末也取得了很大的进步，进入了以发展高速切削、开发新的加工工艺和加工方法、提供成套技术为特征的发展新阶段。它是制造业中重要工业部门，如汽车工业、航空航天工业、能源工业、军事工业和新兴的模具工业、电子工业等部门主要的加工技术，也是这些工业部门迅速发展的重要因素。因此，在制造业发达的美、德、日等国家保持着快速发展的势头。金属切削刀具作为数控机床必不可少的配套工艺装备，在数控加工技术的带动下，进入了“数控刀具”的发展阶段，显示出“三高一专”(即高效率、高精度、高可靠性和专用化)的特点。显而易见，在21世纪初，尽管近净成形技术、堆积成形技术是非常有前途的新工艺，但切削加工作为制造技术主要基础工艺的地位不会改变。从当前制造业发展的趋势中可以看到，制造业发展和人类社会进步对切削加工提出的双重挑战，这也是21世纪初切削加工技术发展的主要趋势。2.零件的工艺分析2.1零件的功用该零件是基于株洲某汽车企业的车用转向系统所用的输出轴的改进设计，该企业此种转向系统远销海内外，充分证明其工艺是成熟的。本文主要是针对输出轴工艺规划和铣十字轴工序的专用夹具设计，该轴主要是作为转向系统输出端传动增力轴，连接EPS电动机和转向轴。2.2零件的工作条件和结构特点该轴工作条件恶劣，在行驶过程中面对各种路况都要能精准的传达驾驶员的意图。所受的扭转力矩经常发生突变，故对材质和加要求较高。该轴为实心轴，一端加工有用于传动用的花键和配合用的十字槽。2.3主要加工面(1).以25.4孔为中心的加工面：b.10的工艺孔。 e. 17.5的外圆面。e.小径为16.4的花键。 (2).以31.4外圆加工面：a. 27.5的外圆面。 c. 24的外圆面。d. 16的外圆面。2.4设计基准输出轴加工面主要是外圆面和中心孔，故主要设计基准为轴中线为基准。设计基准如图1.1.4。. 图1.1.4如图：面A、B、D、F、G以轴中心线为基准；孔E、C以G外圆面为基准；槽H角向定位； 长度基准以左端面为基准。2.5零件形状与位置精度分析24的外圆面对中心轴线中心线的同轴度误差为0.03mm，且表面粗糙度值为Ra=1.6um；16的外圆面表面粗糙度值为Ra=1.6um；左端面粗糙度值为Ra=1.6um；25.4孔的同轴度误差为0.10，内壁粗糙度值为Ra=1.6um；10工艺孔同轴度误差为0.10，内壁粗糙度值为Ra=1.6um；槽的位置度误差为0.1由1P219表5-6知，普通机床加工均可达到以上精度要求。3毛坯的选择3.1毛坯的类型及制造方法考虑输出轴在工作时受扭转力作用，且须经常承受载荷突变，在使用寿命上可靠性上都有严格要求，所以材料的抗扭系数应比较高，强度高耐磨性要好。因此，使用热轧圆钢GB/T1702作为制造材料。又因为零件结构简单，生产类型为大批量，故选择棒料加工，采用数控机床生产。另外，考虑到零件结构的特殊性，将工艺流程分为粗精加工两部分，中间插入热处理过程，保证零件加工精度。3.2加工总余量的确定查2P127表4-2，选用圆钢尺寸公差等级为CT5，加工余量等级MA为D级，可以确定各个加工面的余量，如下表2.2.1。图2.2.0表2.2.1铸件图加工面基本尺寸加工余量备注见图2.2.0A31.442已切削B27.50.62 C100.62孔降一级双侧加工D160.62E25.40.62孔降一级双侧加工F16.40.62G240.623.3工件尺寸及其偏差的确定考虑加工余量，查2的铸件尺寸及偏差，如下表2.3.1。表2.3.1工序号毛坯元素偏差值尺寸值3031.5外圆面0.131.50.0520 27.5外圆面0.0127.50.016016外圆面0.2160.27016.88外圆面0.0216.880.028025.4内孔+0.3325.4+0.858010工艺孔0.12100.129024外圆面0.33240.333.4工件简图图2.4.14零件工艺规程的设计4.1机械加工工艺过程的组成 工艺过程。改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等,使其成为成品或半成品的过程。工艺过程又可分为铸造、锻造、冲压、焊接、机械加工、热处理、装配等工艺过程。 机械加工工艺过程。用机械加工方法,改变毛坯的形状、尺寸和表面质量,使其成为零件的过程。零件的机械加工工艺过程由许多工序组合而成,每个工序又可分为若干个安装、工位、工步和行程。 工序。一个或一组工人,在一个工作地对同一个或同时对几个工件所连续完成的那一部分工艺过程。 安装。工件经一次装夹(定位和夹紧)后所完成的那一部分工序。 工位。为了完成一定的工序部分,一次装夹工件后,工件与夹具或设备的可动部分一起,相对刀具或设备的固定部分所占据的每一个位置。 工步。当加工表面、加工工具和切削用量中的转速和进给量均保持不变的情况下完成的那一部分工序。4.2 工序的合理组合确定加工方法以后,就要按生产类型、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。确定工序数有两种基本原则可供选择： 工序分散原则。工序多,工艺过程长,每个工序所包含的加工内容很少,极端情况下每个工序只有一个工步,所使用的工艺设备与装备比较简单,易于调整和掌握,有利于选用合理的切削用量,减少基本时间,设备数量多,生产面积大。 工序集中原则。零件的各个表面的加工集中在少数几个工序内完成,每个工序的内容和工步都较多,有利于采用高效的机床,生产计划和生产组织工作得到简化,生产面积和操作工人数量减少,工件装夹次数减少,辅助时间缩短,加工表面间的位置精度易于保证,设备、工装投资大,调整、维护复杂,生产准备工作量大。批量小时往往采用在通用机床上工序集中的原则,批量大时即可按工序分散原则组织流水线生产,也可利用高生产率的通用设备按工序集中原则组织生产。将工艺规程的内容，填入具有规定的格式的卡片中，使之成为生产准备和施工依据的工艺规程文件。“机械加工工艺过程卡”和“机械加工工序卡”附后所示。4.3定位基准的选择(1)粗基准的选择由于该输出轴毛坯选择时已经过前面的工序加工表面粗糙度达到Ra3.2,精度等级达到IT9，故以两顶尖孔加工毛坯，对外圆面进行半精加工，对25.4的外圆进行精加工以作为镗孔时精基准。对此零件来说，两端面为不加工表面（前面工序已达到精度），且零件长度基准以左端面为基准，因此以顶尖定位为粗基准。分析零件的加工工艺，顶尖在精加工工序中也是定位基准，符合基准重合原则较为合理，因此选取此定位方案较为合适。4.4工艺路线的制定(1).根据零件尺寸及精度要求确定表面加工方案查1P220表5.9，P224表5.17可知：a.端面尺寸精度和粗糙度要求经粗车后精车均可达到；b. 31.4的外圆面表面要求粗糙度为Ra=3.2um，精度达到IT7粗车后半精车加精车即可达到；c. 14花键外圆面和16外圆面表面粗糙度为Ra=1.6um，精度等级为IT6粗车后精车加研磨基本可达到；d. 25.4的孔要求公差等级为IT8，表面粗糙度为Ra=1.6um，粗车后半精车加精车即可达到；e. 10的工艺孔要求粗糙度为Ra=1.6，精度等级为IT8，粗车后精车即可达到；f.十字槽求表面粗糙度为Ra=1.6um，精度等IT8级精铣即可达到；(2).工艺路线方案的设定与比较方案一：工序号工序名称定位基准10毛坯20毛坯检验30车31.4的外圆两端顶尖40车各成型面两端顶尖50两槽处滚直花两端顶尖60磨16的外圆面两端顶尖70磨16.88的外圆面两端顶尖80车内孔24外圆面90车内控及外圆24外圆面，顶尖100去毛刺110铣槽24外圆面，顶尖120去毛刺130滚花键24外圆面，顶尖140清洁150检验160软氮化170标印180检验190检验方案二：工序号工序名称定位基准10毛坯 20毛坯检验30车31.4的外圆两端顶尖40车各成型面两端顶尖50两槽处滚直花两端顶尖60车内孔24外圆面70车内控及外圆24外圆面80去毛刺90铣槽100去毛刺110滚花键120磨16的外圆面两端顶尖130磨16.88的外圆面两端顶尖140清洁150检验160软氮化170标印180检验190检验方案的比较：方案二中，粗加工与精加工混在一起，使得粗加工后要重新对刀进行精加工，因此效率很低，不经济，在整体上不符合“先粗后精”的加工原则。方案一为此作了修改，将粗加工与精加工分开，提高了效率。因此，方案而更为合理。4.5加工设备与工艺装备的选择4.5.1机床设备及刀具的选择根据各个工序的加工方式查7可得到各加工方法所用到的机床和刀具如下：a.工序30：CY6140，高速刚车刀；b.工序40：TK40A镗床；c.工序50：CK6140数控车床；d.工序60：M1420万能磨床；e.工序70：M1420万能磨床；f.工序80：C336-1数控加工中心；g.工序90：CK7516/JCL-60A数控车床；h.工序110：JJC-CTX加工中心；i. 工序160: BMD50氮化设备;4.5.2量具的选择游标卡尺、百分表、偏摆仪、杠杆表、铣刀、铣刀杆、位置度量规、游标卡尺、杠杆表、表架、位置度量规、卡规。4.6机械加工工序设计 4.6.1外圆和孔工序尺寸查5得各工序尺寸如下表：工序号工序内容加工余量公差等级铸件CT930精车31.5外圆面1.5IT740粗车各成型面2.0IT860磨16外圆面0.1IT770磨16.88外圆面0.1IT790精车24外圆面1.5IT780镗25.4内孔0.2IT880钻10工艺孔2.0IT84.6.2切削用量的确定(1).工序30：精车31.4外圆面，查2本工序选用SSPR1616-09硬质合金车刀，因为是精加工，故选背吃刀量=1mm,两次次走刀即可完成。加工铸铁可取大值，即=0.035mm/s。查7P9.40表9-14知=80-400m/min。精加工为提高生产效率，可选较大转速，取机床主轴转速n=1500r/min，m/min，在推荐范围内，因此车削速度=380m/min。(2).工序40：粗车半精车各成型面，查2本工序选用SSPR1616-09硬质合金菱体成型车刀。背吃刀量与每齿进给量确定方式与工序30相同，=1.0mm，=0.03mm/z。选取主轴转速n=600r/min，m/min。（其中D取保守值20mm）(3).工序60：磨16外圆面，磨16.88外圆面，查2(4).工序90：精车24外圆面，查2本工序选用SSPR1616-09硬质合金车刀。背吃刀量与每齿进给量确定方式与工序30相同，=0.5mm，=0.03mm/z。选取主轴转速n=1500r/min，m/min。(5)工序80：精镗25.4内孔，查2本工序选用CK7516/JCL-60A加工中心，单边加工余量为0.5mm，因此背吃刀量为=1.0mm。查7P101表322，得进给量=0.52mm/r。(6).工序80：钻9.3的孔本工序刀具选择9.3钻头，进给量可查6P7.21表7-9，取=0.24mm/r，钻削速度=25m/min。(7).工序80：精镗10工艺孔，查2本本工序刀具选择与工序20相同，单边加工余量为0.5mm，因此背吃刀量为=1.0mm。查7P101表322，得进给量=0.52mm/r。（8）工序110：铣十字槽，专用夹具安装，JJC-CTX机床加工，5mm宽铣刀一次铣削。 （9）.工序110：滚轧花键，专用机。 5.专用夹具的设计 5.1机床夹具设计5.1.1夹具的定义在机械制造工业中,为了达到保证产品质量、改善劳动条件、提高劳动生产效率以及降低成本的目的,在工艺过程中,除机床等设备外,还大量使用着各种工艺装备，它包括夹具、模具、刀具、辅助工具及测量工具等。因此，广义地说，夹具是一种保证产品质量并便于实现加工工艺过程的一种工艺装备。不同的夹具，其结构形式、工作情况、设计原则都不相同，但就其数量和在生活中所占的地位来说，应以“机床夹具”为首。所谓机床夹具就是机床上所使用的一种辅助设备，用它来准确地确定工件与刀具的相对位置，即将工件定位及夹紧，以完成加工所需要的相对运动。所以机床夹具是用以使工件定位和夹紧的机床附加装置（以后简称夹具）。至于使刀具定位、夹紧并实现某种特定切削运动的辅助设备称为辅助工具，也称为刀具用的夹具。对工件进行机械加工时，为了保证加工要求，首先要使工件相对于刀具及机床有正确的位置，并使这个位置在加工过程中不因外力的影响而变动。为此，在进行机械加工前，先要将工件装夹好。工件的装夹方法有两种：一种是工件直接装夹在机床的工作台或卡盘上，即找正装夹；另一种是工件装夹在夹具上。采用第一种方法装夹工件时，一般要先按零件图样要求在工件表面划线，划出加工表面的尺寸和位置，装夹时用划针或百分表找正后再夹紧。这种方法无需专用装备，但效率低，一般用于单件和小批量生产。批量较大时，大都用夹具装夹工件。5.1.2 机床夹具的组成 定位装置。定位装置的作用是使工件在夹具中占据正确的位置。 夹紧装置。夹紧装置的作用是将工件压紧夹牢,保证工件在加工过程中受到外力(切削力等)作用时不离开已经占据的正确位置。 对刀或导向装置。对刀或导向装置用于确定刀具相对于定位元件的正确位置。 连接元件。连接元件是确定夹具在机床上正确位置的元件，夹具体可兼作连接元件。车床夹具上的过渡盘、铣床夹具上的定位键都是连接元件。 夹具体。夹具体是机床夹具的基础件,通过它将夹具的所有元件连接成一个整体。 其它装置或元件。它们是指夹具中因特殊需要而设置的装置或元件。如需加工按一定规律分布的多个表面时,常设置分度装置；为能方便、准确地定位,常设置预定位装置；对于大型夹具,常设置吊装元件等。5.1.3 用夹具装夹工件有下列优点：a. 能稳定地保证工件的加工精度，并使一批工件的加工精度稳定。用夹具装夹工件时，工件相对于刀具及机床的位置精度由夹具保证，不受工人技术水平的影响，使一批工件的加工精度趋于一致。b. 缩短辅助时间，能提高劳动生产率。使用夹具装夹工件方便、快速，工件不需要划线找正，可显著地减少辅助工时，提高劳动生产率；工件在夹具中装夹后提高了工件的刚性，因此可加大切削用量，提高劳动生产率；可使用多件、多工位装夹工件的夹具，并可采用高效夹紧机构，进一步提高劳动生产率。c. 能降低生产成本。在批量生产中使用夹具后，由于劳动生产率的提高，使用技术等级较低的工人以及废品率下降等原因，明显地降低了生产成本。夹具制造成本分摊在一批工件上，每个工件增加的成本是极少的，远远小于由于提高劳动生产率，而降低的成本。工件批量愈大，使用夹具所取得的经济效益就愈显著。 d. 减少生产准备时间，缩短新产品试制周期。对多品种小批量生产，在加工中大量应用通用、可调、成组和组合夹具，可以不再花费大量的专用夹具设计和制造时间，从而减少了生产准备时间。5.2 铣床夹具设计本次夹具设计是设计直线进给式铣床夹具。5.2.1 总体设计方案的拟定如零件装配图所示，由工序的要求需要设计一个铣十字槽的铣床夹具。根据零件的外形，因而以其外圆面和端面进行定位，由定位的简易性而选取一个固定和一个活动的V形块经行定位。由生产纲领的需要而选取偏心轮来进行夹紧，这样可以减少设计周期和生产成本。同时，也满足生产的需求。对铣十字槽要保证刀具的正确位置于是选取直角对刀块来进行对刀，可确保铣刀的准切位置来进行铣削加工。5.2.2该定位方案的主要特点为： 符合一般零件加工精基准的选择原则，定位稳定可靠。 定位元件简单，可减少设计制造周期，且便于装夹。5.2.3 定位精度和误差的分析定位精度：加工孔都是在数控铣床一次装夹下完成加工的，它们之间的垂直度由数控铣床的编程来确定，零件的轴线和底面定位面的垂直度由定位块来保证。两V形块形成的轴线与定位面的垂直度0.1mm。定位面的平面度0.03mm。定位误差分析：计算结果：0.2mm。 即定位误差满足要求。5.2.4主要定位元件、夹紧件尺寸的确定及夹紧力计算定位元件、夹紧件尺寸：定位键：X61卧式铣床工作台T形槽宽B=14mm。夹紧力计算：设偏心轮的手柄上所加原始力为Q，其作用点至回转中心O的距离为L，则所产生的力矩为： 在此力矩M作用下，在夹紧接触点处必然有一相当的楔紧力,它对于点O的力矩为：因为 故有 即 偏心圆的夹紧作用可看作在偏心轴与夹紧接触点之间有一个升角等于的斜楔在楔紧。因此斜楔上除受有力外，还受到夹紧触点处的夹紧力W和摩擦力以及偏心轴给予斜楔的反力N和摩擦力。N与的合力为又可分解为水平分力和垂直分力。根据静力平衡条件 而 将后三式代入上式中得 所以 因为 式中之值可由图3.28中求出，在该图的XOM中其中 而 将 与值代入上式中，得 所以 将值代入上式中，得因很小，因此代入数据得：式中 作用于圆偏心轮手柄上的原始作用力， 手柄至偏心轮回转轴的距离， 圆偏心轮的偏心距， 圆偏心轮转过角时对应的升角，一般 圆偏心轮直径， 圆偏心轮的回转角； 圆偏心轮与工件间的摩擦角； 圆偏心轮与回转轴间的摩擦角。5.2.4夹紧结构为了保证夹紧可靠，还应选择合适的夹紧作用点。从零件图上可以看出，由于夹紧部位要求不高，又因铣削力不是很大，拟采用圆偏心夹紧机构，其结构简单，容易制造且是一种可以快速动作的夹紧机构，它的工作效率较高。由于偏心轮上各点的升角是变化的，只有当偏心圆在某点的升角小于摩擦角来保证其自锁，其自锁条件必须使得，则其他各点的升角都小于摩擦角。但鉴于切削过程切削负荷不是很大，又无很大振动的情况可以使用该夹紧机构。5.2.5对刀装置的设计对刀装置由对刀块和塞尺构成的，如夹具体的装配图可知，该夹具使用的直角对刀块，用来铣削十字槽。塞尺用于检查刀具与对刀块之间的间隙，避免刀具与对刀块直接接触。该塞尺选用的是已标准化的塞尺，其后S=2mm，公差取h8。5.4.7 夹具定位键的设计该铣十字槽夹具通过定位键与铣床工作台T形槽的配合来确定夹具在机床上的方位。定位键用沉头螺钉固定在夹具体底面的纵向槽中，一共使用了两个定位键以确保其稳定性。两位键的距离越远，其定向精度越好。于是该夹具的定位键之间的距离选为130mm，以确保其定位精度。5.2.6 夹具体设计夹具体主要承受连同工件在内的全部重量和加工进程的切削力，要求夹具体的刚性较好，变形小，底座臂厚H=30mm。底面上