阀盖加工工艺及夹具设计

阀盖加工工艺及夹具设计摘要：此次设计是球阀盖的加工工艺规程及其中一道工序的专用夹具设计。其零件为铸件，体积小，不易于加工,因此部分工序在加工过程中采用了专用夹具。本次设计的最后一道工序为钻四个孔，采用二面一孔定位并以操作简单的手动夹紧方式夹紧，其机构设计简单，方便且能满足要求。关键词：加工工艺规程，专用夹具，夹紧，设计IValveCoverMachiningProcessAndFixtureDesignAbstract：Thisdesignisaballvalvecoverprocessingprocedureandtheprocedureofthespecialfixturedesign.Thepartisacasting,smallvolume,easytomachining,sopartoftheoperationintheprocessofusingspecialfixture.Thedesignofthelastoperationtodrillfourholes,thetwosurfaceofapositioningholeandoperatesthesimplemanualclampingmeansforclamping,theorganizationdesignissimple,convenientandcanmeettherequirementsof.Keywords:manufacturingprocess,specialfixture,clamping,DesignII目录1绪论.11零件的分析.21.1零件的结构分析.21.2零件的作用.21.3零件的工艺分析.32确定毛坯、画毛坯零件合图.42.1确定毛坯的制造形式.42.2确定零件表面余量.43工艺规程设计.63.1确定各表面加工方案.63.1.1影响加工方法的因素.63.1.2加工方案的选择.73.2基准的选择.73.2.1粗基准选择的原则.73.2.2精基准选择的原则.83.3工艺方案的比较和分析.83.4机床、刀具设备的选择与工艺路线.93.5加工工序设计.103.5.1工序45.103.5.2工序15和工序23.113.6时间定额的计算.123.7填写机械加工工艺过程卡和机械加工工序卡.144钻夹具设计.154.1定位基准的选择.154.2切削力和夹紧力计算.154.3钻套、钻模板及夹具体设计.164.4定位误差分析.164.5夹具设计及操作的简要说明.175夹具立体建模.185.1软件介绍.185.2钻套的建模.185.3夹具的装配.246结论.26参考文献.27致谢.2801绪论随着科学技术的发展，各种新材料、新工艺和新技术不断涌现，机械制造工艺正向着高质量、高生产率和低成本方向发展。各种新工艺的出现，已突破传统的依靠机械能、切削力进行切削加工的范畴，可以加工各种难加工材料、复杂的型面和某些具有特殊要求的零件。数控机床的问世，提高了更新频率的小批量零件和形状复杂的零件加工的生产率及加工精度。特别是计算方法和计算机技术的迅速发展，极大地推动了机械加工工艺的进步，使工艺过程的自动化达到了一个新的阶段。“工欲善其事，必先利其器。”工具是人类文明进步的标志。自20世纪末期以来，现代制造技术与机械制造工艺自动化都有了长足的发展。但工具（含夹具、刀具、量具与辅具等）在不断的革新中，其功能仍然十分显著。机床夹具对零件加工的质量、生产率和产品成本都有着直接的影响。因此，无论在传统制造还是现代制造系统中，夹具都是重要的工艺装备。此外好的方法同样的重要。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。本次对于球阀盖加工工艺及夹具设计的主要任务是：（1）完成球阀盖零件加工工艺规程的制定；（2）完成专用钻夹具的设计。通过对球阀盖零件的初步分析，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，从而制定出球阀盖加工工艺规程；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。01零件的分析1.1零件的结构分析如图1.1所示：图1.1零件简图据零件图的分析，重要尺寸4-14mm，53mm、50mm、41mm。加工时要确保此三个尺寸的精度，才能够保证零件在机器当中的性能（零件图见附图1）。1.2零件的作用据资料所示，球阀盖是球阀中的一个重要的零件，球阀主要作用是用来做切断、分配和改变介质的流动方向，而球阀盖则是保证球阀的密封性和装卸的方便。在设计球阀盖机械加工工艺过程时要通过查表法准确的确定各表面的总余量及余量公差，合理选择机床加工设备以及相应的加工刀具，进给量，切削速度、功率，扭矩等用来提高加工精度，保证其加工质量。11.3零件的工艺分析由零件图得知，其材料为HT200。该材料具有较高的强度、耐磨性、耐热性及减震性，能适用于承受较大应力、要求耐磨的零件。该零件的主要加工面为A、B面，28.5mm、2Omm、36mm、414mm的孔41mm、50mm、53mm的外圆及M36X2的螺纹。如图1-2所示：图1.2零件加工面02确定毛坯、画毛坯零件合图2.1确定毛坯的制造形式根据零件材料确定毛坯为铸件。又由题目已知生产纲领为大批大量。毛坯的铸造方法选用砂型机器造型。此外，为消除残余应力，铸造后应安排人工时效。2.2确定零件表面余量参考文献1表2.3-6该种铸件的尺寸公差等级CT为810级，加工余量等级MA为H级。故取CT为10级，MA为H。铸件的分型面选择通过32mm的圆柱。参考文献1表2.3-5，用查表法确定各表面的总余量如表2-1所示表2.1给定加工表面总余量加工表面基本尺寸（mm）加工余量等级加工余量数值（mm）说明A面6H4单侧加工（取上行数据）B面16H4单侧加工（取上行数据）凸台面53H3双侧加工（取下行数据）M3636H3双侧加工（取下行数据）参考文献1表2.3-9，可得铸件主要尺寸公差，如表2-2所示。1表2.2主要毛坯尺寸及公差（mm）主要面尺寸零件尺寸总余量毛坯尺寸公差CTA面轮廓尺寸536591.4A面轮廓尺寸104101B面轮廓尺寸164201.2B面轮廓尺寸366421.4图2.1零件毛坯图03工艺规程设计3.1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。对于我们设计球阀盖的加工工艺来说，应选择能够满足孔系和槽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。3.1.1影响加工方法的因素（1）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。（2）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（3）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。（4）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。（5）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。13.1.2加工方案的选择（1）由参考文献1表2.1-11确定，孔的表面粗糙度要求为6.3，则选择孔的加方案序为：粗镗精镗。（2）小头孔加工方法：加零件毛坯不能直接锻出孔，只能锻出一个小坑，以便在以后加工时找正其中心，但其表面粗糙度的要求为，所以选择加工的方法是钻扩铰。6.1Ra（3）孔加工方法：因为孔的表面粗糙度的要求都不高，是，所以我们采用一次钻孔的加工方12.5Ra法。3.2基准的选择3.2.1粗基准选择的原则（1）余量均匀原则。在很多工件上有一些重要的表面，加工这些表面时希望它们被切去均匀的余量。余量均匀则加工时的切屑力和工艺系统的弹性变形也就比较均匀，不易发生振动，同时能保留毛坯制造时获得的较好的表面力学性能，有利于获得规定的形状精度。在开始加工时就应当选择这些要求加工的余量均匀的重要表面为粗基准，以保证加工面与定位几面之间有一正确的位置，在以后加工该表面时，余量就能均匀。（2）保证不加工面位置正确的原则。工件上若有一些不加工，它们与加工面之间也要求有一个正确的位置关系，这些位置关系有时并不直接标注在图样上，但是经过分析从图面上可以看出来，如果不注意它们，将会影响到零件的美观甚至零件的使用性能。（3）粗基准只能有效使用一次的原则。因为粗基准本身都是未经机械加工的毛坯表面，其精度和表面粗糙度都较差，如果在某一个自由度上重复使用粗基准，则不能保证两次装夹下工件与机床、刀具的相对位置一致，因而使得两次装夹下加工出来的表面之间位置精度降低。（4）粗基准平整光洁，定位可靠的原则。粗糙度虽然是毛坯表面，但应当尽量平2整、光洁，无飞边，不应当选毛坯分型面或分模面所在的表面为粗基准。3.2.2精基准选择的原则（1）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。（2）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。例如：轴类零件常用顶针孔作为定位基准。车削、磨削都以顶针孔定位，这样不但在一次装夹中能加工大多数表面，而且保证了各外圆表面的同轴度及端面与轴心线的垂直度。（3）余量均匀原则。选择精基准时，对某些精加工工序，特别要求余量小而均匀，则应当先以这些表面为精基准。例如：对淬火后的齿轮磨齿，是以齿面为基准磨内孔，再以孔为基准磨齿面，这样能保证齿面余量均匀。（4）便于装夹原则。所选择的精基准应能保证定位基准的可靠，夹紧机构简单，操作方便。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。零件粗基准的选择：在确保各加工表面均有加工余量，此外还能保证定位准确、夹紧可靠的情况下。零件精基准的选择：20mm的孔既是装配基准又是设计基准，用他们作精基准，能遵偱“基准重合”的原则，其余各面和孔也能用它定位，这种使工艺路线遵循了“基准统一”的原则。3.3工艺方案的比较和分析综上制定工艺卡如表3.1：3表3.1方案比较序号工序内容序号工序内容00铸造00铸造05时效05时效10粗铣A面10粗车A面15钻17mm的通孔15钻17mm的通孔20铣53mm、50mm、41mm的外圆20车53mm、50mm、41mm的外圆25镗20mm的通孔、36mm的内孔25镗20mm的通孔、36mm的内孔30铣B面30车B面、36mm的外圆35镗28.5mm的内孔35镗28.5mm的内孔40车M36x2的螺纹40车M36x2的螺纹45钻2-14mm的孔45钻2-14mm的孔50检验50检验55入库55入库考虑到加工的经济性，方案一采用的是铣床，加工的经济性比较高。方案二采用的是CA6140车床，加工的经济性相对较低。再考虑到工件的加工要求，所以认为方案二较为合理一些。3.4机床、刀具设备的选择与工艺路线由于生产类型为大批大量生产，故加工设备应以通用机床为主，辅以少量专用机床。其生产方式为通用机床加专用夹具为主辅以少量专用机床的流水生产线。工件在各机床上的装卸及各机床间的传送均由人工完成。机床的选择工件的对加工质量，生产率和经济性有很大的影响，为使所选的机床能满足工序的要求，必须综合考虑机床的工作精度、加工精度、功率、机床工作区的尺寸等因素。根据以上的图示的分析，现有的生产设备及零件自身的尺寸、形状、位置精度的要4求，各工序机床选择如下所示：工序10：车A面。考虑到工件定位夹紧方案及夹具结构设计问题，采用卧式车床CA6140（参考文献1表3.1-73）。选择YG6型90偏刀（参考文献1表4.4-4）、通用夹具和游标卡尺050/0.02mm。工序15：钻18mm的通孔。采用卧式车床CA6140,选择YG8型18mm的通用麻花钻、通用车夹具。工序20：车53mm、50mm、41mm的外圆。采用卧式车床CA6140。选择YG6型90偏刀、通用夹具和游标卡尺050/0.02mm。工序25：镗20mm的通孔36mm的内孔，采用卧式车床CA6140，YG8型60盲孔镗刀，通用车夹具和游标卡尺050/0.02mm。工序30：车B面、36mm的外圆，采用卧式车床CA6140，选择YG6型90偏刀，专用车夹具和游标卡尺050/0.02mm。工序35：镗28.5mm的内孔，采用卧式车床CA6140，YG8型60盲孔镗刀，通用车夹具和游标卡尺050/0.02mm。工序40：车M36x2的螺纹。采用卧式车床CA6140，YG3型三角螺纹刀，专用车夹具和环规。工序45：钻2-14mm的孔。台式钻床Z515，YG8型14mm的麻花钻，专用钻夹具。3.5加工工序设计3.5.1工序45（1）确定工序尺寸的一般方法是：由加工表面的最后工序往前推算，最后工序的尺寸按零件图样的要求标注，当无基准转换时，同一表面多次加工的工序尺寸只与工序的加工余（2）钻14mm孔:该孔先由硬质合金钢钻头钻出孔。由参考文献1表2.4-39，取钻孔的进给量为；又由参考文献1表2.4-43，得钻孔时的切削速度。rmf/4.0min/2.64/07.1sv由此算出转速为：min/46in/1.32.601rrdvn5按车床的实际转速取，则实际切削速度为：min/10rnmin/4.8in/014.3v由参考文献1表2.4-69得)(12.898.0.75.NKfdMFMFf因求出钻14mm孔的和如下：f、rmf/4.01FkmNFf8.12.8934980.75.它们均小于机床所能提供的进给力和扭转力矩，故机床刚度足够。3.5.2工序15和工序2320mm的镗孔余量参考文献1表2.3-48取，m2TZ由此算出8m2-0Z36mm的镗孔余量取5.1T由此算出6.-21Z各工步的余量和工序尺寸及公差列于表3-1表3.2各工步余量和工序尺寸及公差(mm)加工表面加工方法余量公差等级工序尺寸及公差20钻孔8.5-1620镗孔2-2036粗镗孔6.5-3336半精镗孔1.5-366参考文献1表2.4-39并参考Z515机床说明书，取钻16mm孔的进给量。参考文献表12.4-43，用插入法求得钻16mm孔的切削速度rmf/4.0，由此算出转速为：in/.681svmin/136in/614.3.80rrdv按机床实际转速取，min/10rn则实际切削速度为：in/3.5in/064.3v由参考文献1表2.4-69，得：)(012.8948.0.75.mNKfdMFMFf求出钻19mm孔的和如下：f、rmf/4.01MFkmNMFf2.5.162.897408.75.它们均小于机床的最大进给力15680N和机床的最大扭转力490N，故机床的刚度足够，镗20mm孔，参考文献1表2.4-180，并参考机床实际进给量，取镗rf/2.0孔的切削速度为min/57/9.0sv由此算出转速in/6.907214.3rrdn按机床实际转速取i/则实际切削速度为：mi/5.i/0.v3.6时间定额的计算根据本次设计要求，只计算其中指定的一道工序工时。下面计算工序15的时间定额。（1）机动时间。参考文献1表2.5-7。得钻孔的计算公式为：7212121rjctgkDlfnlt，钻盲孔时。412l02l钻19mm孔：mllctg2575.91816o将以上数据及前面已选定的及代入公式，得fnin16.0i14.09jt基本时间为bTmtjb.T（2）辅助时间。参考文献1表2.5-41确定如表3-2所示。表3.3辅助时间钻16mm操作内容每次需要时间（s）操作次数时间（s）主轴变速变换进给量移动摇臂升降钻杆装卸套筒刀具试切塞规测量卡尺测量开停车主轴运转清除铁削0.0250.0250.0150.0150.060.180.250.10.0150.020.04112411111110.0250.0250.030.060.060.180.250.10.0150.020.048该工步的辅助时间为：钻16mm孔0.805min装卸工件时间参考文献1表2.5-42取1.5min。所以，辅助时间为：aTmin305.2i.1805.aT（3）作业时间：46.6.bB（4）布置工作地时间。考文献2取。则：s%in07.345.2BT（5）休息与生理需要时间。考文献2取。则：rmi.6.B（6）准备与终极时间。参考文献1表2.5-44，取各部分时间为：中等件33min升降摇臂1min深度定位0.3min使用夹具3minmin3.7.013eT由题目已知生产批量为大批大量，非常大，则可以忽略不计。nTe（7）单件时间i605.2in7.0.35.216.0pT（8）单件计算时间mi.nepc3.7填写机械加工工艺过程卡和机械加工工序卡工艺文件详见附表1、附表2。04钻夹具设计经过与老师协商，决定设计第45道工序的工装夹具，在给定的零件中，针对第45道工序价格的主要要求考虑尺寸，由于公差要求较低，因此本工序的重点应在加紧的方便与快速性上。为增加夹具使用的可靠性，延长夹具使用寿命，必须考虑夹具使用中的耐磨补偿问题，因此，应根据工厂的现有设备条件和制造夹具的技术水平，在不增加制造困难的前提下，尽量把夹具的公差订的小一些。4.1定位基准的选择出于定位简单和快速的考虑，选择B面和20mm的内圆柱面为基准定位，在零件侧面加辅助支撑钉，使工件完全定位，再使用固定手柄压紧螺钉进行夹紧。4.2切削力和夹紧力计算钻削轴向力和扭矩，参考文献1表2.4-69得：轴向力F：Fkfd75.02.148.9扭矩M：M8.0.求出钻14mm孔的轴向力F和扭矩M如下：、md140rf/4.01kNFf3.498.28.9750.1mM14.8.2.钻削轴向力与底面支撑板垂直，所以容易保证钻削力；扭矩使用固定手柄压紧螺钉快速人工夹紧，调节夹紧力调节装置，即可产生指定可靠的夹紧力以抵消扭矩。14.3钻套、钻模板及夹具体设计孔的加工只需钻削加工就能满足加工要求。考虑到钻套可能出现的磨损较小，故查参考文献1，表5.2-13选用可换钻套（GB2264-80其结构如下图所示）。图4.1钻套图钻模板选用铰链式钻模板，用销将其连接在夹具体上。安装前先调整好位置然后用销定位。钻模板参见钻孔装配图。4.4定位误差分析定位误差是指一批工件在用调整法加工时，仅仅由于定位不准而引起工序尺寸或位置要求的最大可能变动范围。即定位误差主要是由基准位置误差和基准不重和误差两项组成。形成误差的原因有两个，一个是由于定位基准与设计基准不重合而造成的。二是定位基准与限位基准不重和造成的。本工序采用二个面一孔为基准定位，重要尺寸由钻模板直接保证，能很好的保证定2位的精度。4.5夹具设计及操作的简要说明本夹具使用在台式钻床上，加工球阀盖上的4个14mm的通孔。工件以底面和短销限制5个自由度，再通过侧面的短销限制一个自由度。钻完4个孔后，掀起铰链钻模板，卸下工件；然后再次装上工件，合下铰链钻模板，此为工件的装卸过程。夹具体的设计参考钻夹具体零件图附图2。05夹具立体建模根据本次毕业设计大纲要求现需要对所设计的钻夹具进行立体建模分析。本章以钻夹具中的钻套为例进行建模，其他零件可按同样的方法进行建模，同时将所有零件装配成一个整体。5.1软件介绍传统二维产品设计只能建立单一的二维零部件图或者简单的三维实体模型，而不能进行运动机构的运动检查、仿真分析及结构分析。三维CAD软件可以在虚拟环境下对实体进行建模、实现运动机构的仿真分析及结构分析等，在产品制造加工前发现产品设计问题并及时予以纠正，不仅节省时间和金钱，还能大幅度提高产品设计质量。这样的三维软件有CATIA、Pro/E、SolidWorks和UG等。其中SolidWorks软件采用了特征建模技术和设计过程的全相关技术，是目前领先的、主流的三维CAD软件。它具有配置管理、协同工作、零件建模、装配设计、全相关工程图、钣金设计、有限元分析和动态仿真等多项功能，它为广大用户提供了多种多样的设计过程专用工具。借助SolidWorks软件，用户可以灵活地在一个文档中创建零件、装配体和工程图的多个版本，由此最大程度地提供重用机会。并且操作简单方便，易学易懂易用。因此，本次设计选用了SolidWorks作为三维CAD建模的平台。5.2钻套的建模钻套是钻模上特有的元件，用来引导刀具以保证被加工孔的位置精度和提高工艺系统的刚度。本次设计为大批量生产为了便于更换磨损的钻套，因此选用可换钻套。（1）单击【新建】按钮，新建一个零件文件。（2）选取前视基准面，单击【草图绘制】按钮，进入草图绘制，绘制如图5-1所示的草图。1图5.1草图（3）单击【旋转凸台/基体】按钮，出现【旋转】属性管理器，在【旋转类型】下拉伸表框内选择【单向】选项，【旋转轴】选择“直线1”，在【角度】文本框内输入“360”，如图5-2所示，然后单击【确定】按钮，建立如图5-3所示的立体图。图5.2属性管理器图5.3（4）选取前视基准面，单击【草图绘制】按钮，进入草图绘制，绘制如图5-4所示的草图。2图5.4草图（5）单击【拉伸切除】按钮，出现【切除拉伸】属性管理器，在【终止条件】下拉列表框内选择【两侧对称】选项，在【深度】文本框内输入“32mm”，如图5-5所示，然后单击【确定】按钮，建立如图5-6所示的立体图。至此完成钻套的立体建模。图5.5属性管理器图5.6钻套其他零件可按同样地方法建模，其立体图如图5-75-21所示。图5.7衬套图5.8钻套螺钉3图5.9钻模板图5.10支撑座4图5.11心轴图5.12垫圈图5.13六角螺母图5.14开口垫圈图5.15内六角圆柱头螺钉5图5.16销图5.17销图5.18固定式定位销图5.19固定式定位销图5.20支撑座6图5.21底座5.3夹具的装配SolidWorks中的装配是采用零件与零件之间的位置关系来进行约束，以限制零件自由度及各零件相对位置关系的，各个零件通过一定的约束关系形成一个完整的装配体。大致的流程如下：（1）单击【新建】按钮，出现【新建SolidWorks文件】对话框，选择【装配体】模板，单击【确定】按钮，进入装配体窗口，出现【插入零件部件】属性管理器，选择【生成新装配体时开始指令】和【图形预览】选项，单击【浏览】按钮，出现【打开】对话框，选择要插入的零件“底板”，单击【打来】按钮，打击原点，插入“底板”，定位在原点，插入其余零件，单击【保存】按钮，保存为“钻夹具装配体”（2）单击配合按钮，出现配合属性管理器，根据零件与零件间的不同配合关系进行配合。（3）至此完成夹具图的装配。装配图如图5-22所示7图5.22装配图86结论这次毕业设计持续的时间为16周，时间相对于我们以前搞设计来说是非常非长的。这次我毕业设计的题目是：阀盖加工工艺及夹具设计。刚刚接受到这个题目的时候，感觉很难，因为以前从来没有接触过这方面的设计，头脑里一个最基本的概念都没有，后来老师给我们大体上讲了一下基本过程，再经过我们两个星期的研究，终于有一点眉目，经过几个星期资料搜集，包括夹具相关书等等，设计并进入了正式的轨道。因为我们以前的基础知识掌握得不牢固，在这次设计中确实是遇到了很多的问题，但在这过程中，我们又学会了很多东西，在以前的小设计中，有些能马马虎虎过去的问题，就糊里糊涂过去了，可这次是一切