发动机下支架的机械加工工艺和工艺装备设计-毕业论文

发动机下支架的机械加工工艺和工艺装备设计1 引 言发动机支架是发动机与车身的连接部件，支撑着整台发动机，它的强度和动态性能直接影响到汽车行驶的安全性和舒适性。汽车发动机下支架的形状复杂，各项要求精度较高，在实际加工过程中，会遇到许多诸如工件变形、干涉、配合不准等多方面工艺问题。所以按照需要大批量生产的现状，采用工序分散的生产原则，设计出一套合理的机械加工工艺流程，在实际生产中，这套工艺可以保证机器零件加工质量，提高生产率；降低制造成本；减轻工人的劳动强度，保证生产安全，有着较高的应用价值。为了保证每一道工序的加工精度和加工效率，根据工装夹具的设计原理，设计出一套切实可行的专用工装夹具也是非常必要的。它的应用价值在于保证零件在加工和装配过程中尺寸的高精度要求，研制专用工装夹具与特殊加工工艺相结合，减少零件在加工中的变形、保证整体部件装配尺寸精良、配合准确。当今市场变化迅速，企业必须不断应用创新技术以快速适应时时变化的市场环境。不断变化的环境归因于新一代的用户，他们可以在全球范围内购买产品。而另一方面，变化迅速的市场环境不断淘汰以往的产品，大部分产品的性能很难跟上用户需求。在这种情况下，能够生产使顾客满意的低价位、高质量产品成了企业能否成功的关键所在。发动机作为汽车的心脏，约占整车质量的15%，其制造质量直接影响着汽车的使用性能。汽缸是发动机里最重要的零件，其制造精度对发动机的整体性能有着重要的影响。要提高发动机的使用性能，就必须控制发动机制造过程中关键零件的加工精度与加工质量。随着我国经济的发展，国内对汽车的需求大量增加，提高汽车产品零部件的生产效率和加工质量，成为了汽车行业发展至关重要因素。发动机是汽车五大部件之一，它的生产效率和加工质量直接影响到汽车的生产效率和能性。近几年我国的发动机制造水平有着显著的提高，但是大多数发动机关键零部件技术还掌握在跨国公司手中，我们的发动机水平与世界先进水平相比还有不小的差距。目前我国汽车发动机下支架大都可以中批或大批量生产，工序较为分散，故采用的加工工艺难度较大。2 发动机下支架的设计说明2.1 零件分析下支架作为发动机的次要部件，往往容易被人所忽视，但是它的作用是不可忽视的。下支架在发动机机体的下方，起固定和承载发动机的作用，它的重要性不言而喻。2.1.1 零件的工作条件及状态某发动机下支架的材料为40CrNiMoA钢，在常温和高温的条件下其持久强度和拉伸强度很高，冲击韧性和抗氧化性能良好。发动机下支架是发动机承受主要载荷的重要部件之一，其工作条件特别恶劣。发动机下支架在机械和振动负荷下工作。其工作特点是：（1）强度和硬度高 发动机下支架在发动机的下部，发动机重量和部分载荷需要被其承受。因此，发动机下支架需要具有很高的强度和硬度要求。（2）耐磨性好 发动机下支架需要在上有振动下有移动条件下工作，需要具有良好的耐磨性。（3）弹性模量大 热膨胀系数小，韧性高，形状保持性能好。2.1.2 零件的技术条件分析因为下支架的加工质量会直接影响到汽车的性能和寿命，所以下支架的加工精度对机器加工精度要求特别高。在下支架类零件各个表面的加工中，容易保证的是平面的加工精度，但精度要求相对较高的孔与孔之间的相互位置精度和支承孔的加工精度则难以保证。发动机下支架零件的技术要求有：（1）下支架主要平面的形状精度和表面粗糙度下支架的平面是发动机的装配基准，同时也是机械加工时的定位基准，故其要求平面度高和表面粗糙度值小。下支架平面度要求0.10.03mm，表面粗糙值Ra2.50.63m。（2）孔的尺寸精度、几何形状精度和表面粗糙度下支架上的支承孔要求较高的形状精度、尺寸精度和表面粗糙度，不然则影响与汽车的配合精度。由于发动机的工作容易引起汽车产生振动和噪声，从而影响用户的使用舒适度。一般下支架支承孔的尺寸精度要求为IT6，圆度、圆柱度公差不能超过孔径公差的二分之一，表面粗糙度值应Ra0.630.32m。2.1.3 零件材料分析选材的一般原则：（1）材料的机械性能良好，使零件能够经久耐用。（2）材料的工艺性能良好，使材料能够容易加工、铸造、锻造、焊接以及热处理。 （3）材料的经济性好，是零件在满足各种使用性能的情况下，尽量降低零件的成本，增加利润。由于下支架的工作状态和工作条件比较恶劣，因此选择的零件材料必须要具有良好综合的机械性能，例如耐高温、抗氧化性、抗冲击性和组织稳定等。根据上述的这些条件和参照相关资料，下支架材料选择为40CrNiMoA钢，其主要成分见下表2-1表2-1 下支架化学成分项目CCrNiMo技术要求0.30-0.5010.50-12.001.40-1.800.35-0.50实际测量值0.4010.981.640.43发动机下支架的材料为40CrNiMoA钢，属于热稳定马氏体型不锈钢，其常温和高温的条件下具有良好的拉伸强度、持久强度和蠕变极限，并且具有很好的抗冲击韧性及抗氧化性。2.1.4 材料的切削性能分析零件材料的切削性能分析如表2-2所示：表2-2 零件材料的切削性能分析牌号材料状态瞬时机械性能抗拉强度MPa屈服极限MPa伸长率%收缩率%Ak冲击韧性kj/m40CrNiMoA10001020正火1078882125068610001020油或空淬107888212506862.1.5 材料的检验（II类检验）由锻压、切屑等变形加工后，对经过热处理强化的零件检验分为四个检验类别。检验类别分别为：I、II、III、IV类。在此选择II类检验，即对材料进行100%的硬度检验，对零件机械性能进行抽样检查，在每一炉中抽检1到2个零件。2.1.6 零件的尺寸标注表面间尺寸的标注形式有坐标式，链接式及混合式。从零件图我们可以知道，轴向位置尺寸适合采用混合式标注，其它大部分标注形式都是以一端面为基准或者对称于轴线，这样标注的尺寸相对来说比较统一，测量起来比较方便看起来比较直观。2.2 毛坯设计论述2.2.1 确定毛坯种类常见的机械加工毛坯种类有锻造类，铸造类和型材类。参照发动机下支架在工作中的作用及条件选用材料性能要求有质量低，耐高压，耐腐蚀，抗疲劳等，选用材料40CrNiMoA。毛坯如图2-1所示：图2-1 毛坯图零件的构形不复杂，为了零件具有良好的机械性能和较长使用寿命，节约原材料和节省切削加工的时间，提高零件的生产效率，降低生产成本，可选择模锻件毛坯，容易实现机械化生产。发动机下支架为成批生产，选择模锻件毛坯比较好。不但能够满足锻件表面光滑整洁，尺寸精度较高的要求，而且与自由锻比较，模锻还有以下一些优点：（1）由于模膛可以引导金属流动，锻件的形状可以设计或制造得相对复杂；（2）锻件的内部流线相对来说比较完整，从而提高了下支架的各方面的机械性能和使用寿命；（3）锻件表面相对光滑整洁，尺寸精度较高，节约原材料和节省切削加工时间；（4）生产效率高；（5）生产数量越多，成本越低。自由锻的尺寸精度低，加工余量大，金属原材料消耗多，锻件形状一般也比较简单，生产率不高，劳动强度大。由上比较可选用模锻加工方法加工零件毛坯。2.2.2 毛坯的工艺分析及要求模锻是在锻模中加工的，为了避免应力集中和方便拔模，锻模应具有一定的拔模斜度和圆角，斜度一般为7，圆角一般为R5。另外要求毛坯的缺陷深度小于按名义尺寸的每面机械加工余量的一半，采用打磨法抽样检验。锻模偏移量小于等于2，允许欠压7。锻件不需要清洗，但需要标刻锻件号，材料牌号，锭节号和熔炼号。2.3 工艺路线设计2.3.1 零件图的工艺分析零件图是生产制造零件的主要参考依据。在设计产品工艺路线之前，首先必须进行细致的工艺分析，充分掌握零件的功能和工作环境，了解精度等其他技术要求，以便于更好的把握零件的结构特点。零件主要的表面的加工精度要求很高，且零件的结构精度和毛坯材料的加工性能等问题，都会体现在加工的主要表面上，主要表面的加工精度与零件可靠性和使用寿命息息相关。所以，在设计零件工艺路线时，首要思考的是如何确保主要表面的精度。依照主要表面的形状、尺寸、精度等条件，即能够初步确定主要表加工方法，然后参照这些加工方法更进一步确定零件的加工方法。重要的技术要求包括精度、热处理、表面处理、无损探伤等。影响工艺路线要素之一是重要的技术要求，其中影响十分大的是位置关系精度。下支架的热处理应该放在粗加工的后面，从而能够去除掉热处理时零件变形对成型产生不利影响。下支架采用无损探伤中的磁力探伤来探查其内部质量。零件图如图2-2所示：图2-2 零件图2.3.2 加工方法的选择选择零件表面的加工方法时，不但要考虑零件的加工质量，而且也要考虑生产率和生产成本，必须充分了解机械加工的过程，工艺特点和使用范围。（1）表面形状和尺寸所选择的加工方法应该适合工件表面的形状，采用铣削的方法加工零件表面，采用钻、铰、攻丝等方法来加工下支架上的螺纹孔。（2）表面精度与粗糙度所选择工件表面加工方法应适应经济加工精度。下支架零件端面精度一般为IT7，粗糙度一般为Ra1.6，故可以选择精铣加工方法。（3）工件的材料与热处理工件材料和热处理后硬度值的确定，对加工性有着巨大的影响。由于下支架的材料强度、硬度及韧性等性能都特别高，在加工中应合理选择刀具同时应注意切削要素以及合理的切削角。（4）工件的整体构形与重量毛坯粗加工去表皮时，由于较大的切削量和毛坯的重量大，为了避免在重力作用下对零件径向尺寸和精度的不利影响，一般应采用立式车床对工件进行加工。（5）生产条件在确定加工方法的时候，首先要确定主要表面最后一步的加工方法，再确定前面的各个准备工序的加工方法，最后才确定次要表面的加工方法。2.3.3 阶段的划分如果零件的精度要求比较高时，不能将加工面从毛坯面到最后加工完成的表面都集中在一个工序连续加工完成，这样无法保证零件的精度要求，增加成本。这是由于粗加工时，切削量较大，产生的热量大，容易引起热变形从而造成误差，后面其他加工可能会划伤已加工好的加工面。这样不利于在生产中发现有缺陷的毛坯。不利于设备得到充分利用。不利于科学使用技术人员，造成了人力资源的浪费、增加生产成本降低生产效率。工艺路线一般有：粗加工阶段、细加工阶段及精加工阶段。2.3.4 工序的集中与分散（1）工序集中的特点工序总的数目减少，但工序内容多，因而有：简化了生产组织工作；使设备总数目减少，节省车间面积；设备安装次数减少，工件加工时总的运输路线缩短，提高了劳动生产率和缩短了生产周期；适合采用自动化设备，例如数控机床和加工中心等，可以提高质量和效率；设备成本费用高，调整，维修时生产准备时间长。（2）工序分散的特点工序总的数目增多，但工序内容少，因而有：设备比较简单，方便维修调整；生产前准备量少，可快速更换生产产品；但设备数量多，占用生产车间较多的面积，组织生产工作繁杂，产品生产周期较长。两种工序原则各自有自己的优点和缺点，生产中应该结合产品和车间的实际情况合适的集中与分散。如果加工的零件精度要求较高，这时就需要把工艺过程分开为几个不同的加工阶段，这样就造成了工序比较分散。（3）工序集中与分散的影响因素工序的分散和集中程度是参照工厂生产规模、零件的结构复杂程度和精度要求、机床设备等车间实际生产条件综合分析得出的。2.3.5 拟订下支架工艺方案（1）工艺定义零件机械加工工艺过程和操作方法等的工艺文件称为机械加工工艺规程。它是在实际的生产情况下，最合理或者较为合理的工艺和方法，书写成符合国家规定的工艺文件，经过检验审批后用来指导实际生产的。（2）机械加工工艺过程的组成工艺过程组成如图2-3所示：图2-3 工艺过程组成如图机械加工工艺过程由不确定数量按照一定顺序排列的工序构成。 工序：一个或一班工人在同一个工作地点对一个或对几个零件持续操作完成的那一部分工艺过程； 安装：一次装夹工件后所完成的那部分工序内容； 工位：工件与工装可动部分在工装固定部位的位置； 工步：不改变加工表面和加工工具所完成的工艺过程； 走刀：每开始一次切削就是一次走刀。（3）工艺规程的作用 指导生产； 组织生产和管理生产； 新建、扩建或改建工厂及车间。（4）工艺规程的设计原则 技术上的先进性； 经济上的合理性； 良好的劳动条件。2.3.6 基准的选择（1）设计基准零件在设计时，依据工件在装配时的装配关系和零件自身结构因素之间的相互位置关系，标注尺寸（或角度）的起始位置称为设计基准。（2）工艺基准工艺基准是零件在加工工艺过程中的基准。工艺基准分类有：工序基准、定位基准、测量基准及装配基准。（3）工序基准工序基准是在工序图上保证本工序加工表面所加工的尺寸、形状、位置的基准。（4）定位基准 定位基准是指加工时给工件定位的基准。定位基准是得到工件尺寸的直接基准，定位基准可分为：粗基准、精基准及附加基准。测量基准 工件加工完成后用来测量的基准叫做测量基准。装配基准 工件加工完成后装配时确定各自相互位置关系的基准叫做测量基准。2.3.7 工艺方案的经济分析暂定该产品年生产量为2500件/年，备品率为10%，次品率为1%。N=Qn(1+a%+b%) （2-1）=2500x1x(1+10%+1%)=2775件/年由于生产不同的产品，其生产过程和生产条件有很大的差异，所以在制定工艺路线时需要充分掌握产品的生产类型。生产类型如表2-3所示：表2-3 各种生产类型的规范生产类型零件的年生产纲领（件/年）重型机械中型机械小型机械单件生产5件20件1000件5000件50000件由表可知本零件选用中批量生产。依据各个加工表面精度要求和各种加工方法所合适的经济精度。确定各个加工表面的加工方法如表2-4所示：表2-4 发动下支架各表面的加工要求和加工方法加工表面加工精度（IT）加工粗糙度Ra(m)加工方法上下面73.2粗铣精铣两端面73.2粗铣精铣两侧面73.2粗铣精铣端面孔61.6钻铰螺纹孔钻攻根据先面后孔先主要表面后次要表面和先粗加工后精加工的原则，将上下面、两侧面、两端面的粗加工放在前面，精加工放在后面，将螺纹孔放在最后面。2.4 制定方案制定工艺路线方案如下：10 模锻 制造毛坯20 铣 粗铣上表面、底面30 铣 粗铣两侧面40 铣 粗铣两端面50 铣 精铣上表面、底面60 铣 精铣两侧面70 铣 精铣两端面80 钻 钻端面孔及端面各螺纹孔90 铰 铰端面孔100 攻 攻端面螺纹孔110 钻 钻底面螺纹孔120 攻 攻下底面的螺纹孔130 检查140 清洗 清洗150 终检 入库2.5 加工设备及工艺装备的选择因为生产的类型为中批生产，所以加工设备主要使用通用机床，并辅助使用少量专用机床。工件主要生产方式选择通用机床和专用夹具，辅助使用一部分专用机床的生产线的流线生产。工件在各个机床上的装夹拆卸和各个机床之间的运输传送都是由人工或机械设备完成。粗铣上表面、下底面、两个侧面、两个端面。充分考虑到工件的定位夹紧方式和夹具的结构，故加工采用立铣，选择X5032立式铣床。选择的刀具为镶齿套式面铣刀，刀片的材料为硬质合金钢，刀具直径d=250mm，齿数Z=20。使用专用机体粗铣夹具夹持工件和游标卡尺测量。（2）精铣上表面、下底面、两侧面、两端面。考虑到工件的定位夹紧方案及夹具的结构，适宜采用立铣，选择X5032立式铣床，选择与粗铣相同型号的刀具。采用支架精铣专用夹具及游标卡尺、刀口形直尺。（3）钻端面孔。选用摇臂钻床Z3025，选用直径为29.8mm锥柄麻花钻。使用专用钻孔夹具，选用游标卡尺和塞规来检查孔径。（4) 铰端面孔。选用钻床加工，采用直径为30mm的铰刀。采用专用夹具，使用游标卡尺和塞规来检查孔径。（5）钻螺纹孔。选用摇臂钻床Z3025，选用高速钢麻花钻，直径为6.8mm。（6）攻螺纹。攻螺纹选用摇臂钻Z3025来加工。采用高速钢机动丝锥W18Gr4V、专用夹具、丝锥夹头和螺纹塞规。2.6 加工工序设计确定工序尺寸的一般方法是，由加工表面的最后工序往前面推算，最后工序的工序尺寸按零件图样的要求标注。当没有基准转换时，同一表面多次加工的工序尺寸只与工序（或工步）的加工余量有关。有基准转换时，工序尺寸应该用工艺尺寸链计算。 （1）粗铣两端面及精铣两端面面查有关手册平面加工余量表得：精切削用量，已知两端面总加工余量mm，故粗切削用量可求： (2-2)查阅有关手册，取粗铣的每齿进给量mm/r，精铣的每转进给量mm/r，粗铣走刀一次，mm；精铣走刀一次，mm，选取粗铣的铣床主轴转速为150r/min，选取精铣时的铣床主轴转速为300 r/min，所选刀具的直径为250mm，因此相对应的切削速度分别为：粗加工： (2-3)精加工： (2-4)校核功率 （一般用来校核粗加工工序）：查阅有关资料可知：切削功率计算公式为： (2-5)式中： ； ；查有关资料得铣削力可由下面公式求得： (2-6)查机械加工工艺手册可得：由公式得： (2-7) (2-8)又从机床X5032技术说明书（主要技术参数）得到机床功率为7.5kw，一般来说机床传动效率取0.750.85，此处传动效率取，则机床电动机所需功率 (2-9)因此机床功率符合要求。（2）粗铣上表面、下底面及精铣上表面、下底面，粗铣两侧面及精铣两侧面计算过程同（1），故此处省略。（3）钻下支架端面孔。端面孔尺寸，钻孔因一次加工，所以其加工余量：钻孔，铰孔，。根据Z3025钻床技术参数表，选取钻孔的进给量。 参考相关资料得：钻孔的切削速度,由此得出转速为 (2-10)根据钻床实际转速选取n=630r/min，则实际切削速度为 (2-11)（4）螺纹孔加工余量钻孔（麻花钻直径），攻丝（内螺纹小径）2.7 工时的计算查金属机械加工工艺人员手册得铣削基本时间计算公式均为 (2-12)式中：为加工长度，单位：mm 为走刀速度，单位：mm 进给次数（1）粗铣上表面和下底面工件尺寸：上表面长108mm宽18mm，下底面长188mm宽38mm。根据铣床选择：，粗铣上表面时间 粗铣下底面时间 （2）粗铣两侧面工件尺寸：两侧面对称，长228mm宽18mm。根据上述公式得出粗铣两侧面时间 （3）粗铣两端面工件尺寸:两端面对称，长228mm，宽108mm。根据上述公式得出粗铣两端面时间 （4）精铣上表面和下底面工件尺寸：上表面长103mm宽13mm，下底面长183mm宽33mm。根据铣床选择：精铣上表面时间 精铣下表面时间 （5）精铣两侧面工件尺寸：两侧面对称