多拐曲轴的加工工艺及夹具设计【钻中心孔】【说明书+CAD】
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湖南科技大学本科生毕业设计（论文）目 录第一章 绪论 .2第二章 零件分析.3 2.1 零件的作用.3 2.2 零件的技术要求分析.3 2.3 零件的结构及其工艺性分析.3第三章 机械加工工序过程设定.6 3.1 选择毛坯的材料与成型方式.6 3.2 机械加工工艺特点.7 3.3 工艺过程的设定.9 3.4 机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定.12第四章 夹具的设计.22 4.1 机床夹具的功能.22 4.2 机床夹具应满足的要求.22 4.3 机床夹具的基本类型.23 4.4 机床夹具的基本组成.23 4.5 工件的定位.24 4.6 钻中心孔夹具的设计.28第五章 设计体会 .39第六章 参考文献.40 第七章 附录. .41第一章 绪 论 曲轴的主要作用是将活塞连杆组传来的气体压力转变为转矩，然后通过飞轮传递到汽车底盘的传递系统，此外，还用来驱动发动机的配气机构和水泵、发电机、空调机、风扇等辅助装置。所以说曲轴是机动车动力的核心来源。曲轴在工作中，要承受周期性变化的气体压力、往复的惯性力、离心力及扭矩和弯矩的共同作用，还要承受高温，因此曲轴要有足够的刚度、强度、各表面的润滑性要好、耐磨，各轴颈表面要达到必要的加工精度，达到较高的动平衡要求。曲轴一般是由前端轴、平衡块、连杆轴颈、主轴颈、曲柄和后端轴组成。曲轴按结构型式分为整体式和组合式两大类，整体式曲轴具有较高的强度和刚度、结构紧凑和重量轻；组合式曲轴的优点是加工方便，便于系列产品通用，缺点是强度和刚度差，装配复杂。本设计产品是型号为YC4108Q的柴油机曲轴，主要用于轻型汽车和农用车，它很好的沿用了YC6108Q的技术。它为整体式曲轴，有4个曲拐，主轴颈和连杆颈分布在同一平面内，4个连杆轴颈在主轴颈两侧呈两两分布，相互夹角180；主轴颈与连杆颈之间有4个斜油孔相通，以便对连杆轴颈润滑。YC4108Q采用了强度、冲击韧性和耐磨性都比较高的球墨铸铁QT900-3材料。曲轴的工艺特点是：结构复杂，加工的尺寸精度、形位精度和表面质量要求较高；刚性特差，属于易弯曲变形的异形轴类零件。制定工艺路线的出发点，应该是应当使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求得到合理的保证。选用适当的机床，既保证生产进度，又要考虑经济效果，以降低生产成本。此产品年生产纲领15万件/年。已经达到了大量生产的水平，从生产效率，生产成本，保证加工质量，降低劳动强度的角度考虑，为YC4108Q产品设计一套专用机床夹具是非常必要的，曲轴在加工过程中要需要车、铣、钻、磨等工艺装备，本设计中涉及到钻直油孔夹具和铣键槽夹具设计。本设计的主要工作是：对YC4108Q曲轴进行工艺分析、工艺规程的制订及夹具的设计，并进行工艺论证，对关键工序的加工余量、工序尺寸、工序公差、切削用量和工时定额进行计算。在夹具设计中，对夹具结构及定位方案进行论证分析，对定位误差、夹紧力进行详细的计算。第二章 零件分析2.1 零件的作用题目所给定的零件是多拐曲轴（见图2-1），曲轴零件是柴油机机体中一个重要的零件。在柴油机工作时，动力源是气缸内因受压而使温度剧增从而导致爆炸的雾化柴油与空气的混合气体，在这个过程中活塞受到强大的推力作用，被迅速的向外推出，在这个过程中气体对活塞做功，但这只是柴油机工作四个冲程中的一个，接下来的三个冲程排气冲程、吸气冲程和压缩冲程中外界对活塞并不做功，为了使活塞能自行的完成四个冲程，就需要一个装置将做功冲程的能量储存下来，以便在其他三个冲程中为活塞提供足够的能量，于是，飞轮便产生了。但是，活塞的运动形式是往复式的直线运动，而飞轮的运动形式是绕固定轴的转动，在它们之间就需要一个运动形式的转换元件，于是，曲轴就成为它们的媒介，同时曲轴还可以把这部分能量提供给柴油机发动机各辅助系统进行工作。为了给工作机械和柴油机各辅助系统提供足够的能量，需要一根曲轴与多个气缸相连接，这就需要曲轴有相应个数的曲柄。在多缸发动机中，为了满足点火顺序，及运行无死点等要求，就需要曲轴有相应的形状改变，例如，曲柄之间成120夹角和曲柄之间成180夹角等。2.2 零件的技术要求分析 1加工表面的尺寸精度 2主要加工表面的形状精度 3主要加工表面之间的相互位置精度 4各加工表面粗糙度以及表面质量方面的其它要求 5热处理要求及其它技术要求（如动平衡等） 6零件的视图、技术要求是否齐全主要技术要求和加工关键 7零件图所规定的加工要求是否合理 8零件的选材是否恰当，热处理是否合理 另外，曲轴在工作时承受着不断变化的压力、惯性力和它们的力矩作用，因此要求曲轴具有强度高、刚度大、耐磨性好，轴颈表面加工尺寸精确，且润滑可靠。2.3 零件的结构及其工艺性分析曲轴是柴油机发动机中的一个重要的零件。曲柄和连杆，活塞等组成曲柄连杆机构。发动机工作时，活塞向下的推力经连杆传到曲轴，由曲轴将活塞的直线运动变为曲轴自身轴线的旋转运动，并向外输出功率，经传动系统驱动其它部件的运动。曲轴一般由曲轴前端，连杆轴颈，曲柄，主轴颈，曲轴后端组成。本次设计的曲轴（图2-1）为整体式曲轴：图2.1 曲轴结构示意图机构工艺性保证使用要求的前提下，能否以高生产率和低成本制造。曲轴的工艺特点是：结构复杂，加工的尺寸精度、形位精度和表面质量要求较高；刚性特差，属于易弯曲变形的异形轴类零件。制定工艺路线的出发点，应该是应当使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求得到合理的保证。选用适当的机床，既保证生产进度，又要考虑经济效果，以降低生产成本。第3章 机械加工工艺过程设定3.1 选择毛坯的材料与成型方式考虑到曲轴在工作时承受这不断变化的压力、惯性力和它们的力矩作用，因此要求曲轴具有强度高、刚度大、耐磨性好，轴颈表面加工尺寸精确，且润滑可靠。因此应选铸造件，以使金属纤维尽量不被切断，保证零件工作可靠。由于零件的年产量为15万件，已达到大量生产的水平，而且零件轮廓较大，用球墨铸铁代替钢材来做曲轴，因为材料本来就便宜，再加上可以省曲锻打工序，故可以大幅的降低成本，故可采用铸造成型。这是从提高生产率、降低成本上考虑的，也是应该的。以热模锻压力机、电液锤为主机的自动线是锻造曲轴生产的发展方向，这些生产线将普遍采用精密剪切下料、辊锻（楔横轧）制坯、中频感应加热、精整液压机精压等先进工艺，同时配有机械手、输送带、带回转台的换模装置等辅机，形成柔性制造系统（FMS）。通过FMS可自动更换工件和模具以及自动进行参数调节，在工作过程中不断测量。显示和记录锻件厚度和最大压力等数据并与定值比较，选择最佳变形量以获得优质产品。由中央控制室监控整个系统，实现无人化操作。此锻造方法锻造的曲轴，具有内部金属流线的全纤维性，可以提高20%以上的疲劳强度.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。引进的设备有AEG全自动曲轴淬火机床、EMA淬火机床等。各种毛坯制造方法的特点以及应用范围见表3-1。3.1.1 强化处理 据国外资料介绍，球墨铸铁曲轴采用圆角滚压工艺与离子氮化结合使用进行复合强化，可使整条曲轴的抗疲劳强度提高130%以上。国内部分厂家近几年也进行了这方面的实践，取得了良好的效果。 曲轴圆角滚压加工方面，德国赫根塞特（HEGENSCHEIDT-MFD AUTOMATIC）生产的机床应用了变压力滚压和矫正专利技术，是比较好的圆角滚压设备，但价格昂贵。目前国内在这方面的研究也有了一定的成果，东风汽车有限公司工艺研究所的“曲轴圆角滚压强化与滚压校直技术研究开发及应用”解决了国内企业化巨资引进国外技术的问题，该课题获得了原国家机械工业局科技进步二等奖。表3-1 各种毛坯制造方法的特点及应用范围毛坯类型制造精度（IT）加工余量原材料工件外形尺寸工件形状适用生产形状生产成本型材大各种材料小简单各种类型低型材焊接件一般钢中、大较复杂单件生产低砂型铸造13级以下大铸铁、青铜各种尺寸复杂各种类型较低自由铸造13级以下大钢各种尺寸较简单单件小批生产较低普通模锻1113一般钢、锻铝小、中一般中大批生产一般钢模铸造1012较小铸铝小、中较复杂中大批生产一般精密铸造811较小钢、铝合金小较复杂大批生产较高压力铸造811小铸铁、铸钢、铝合金小、中复杂中大批生产较高熔模铸造710很小铸铁、铸钢、青铜小复杂中大批生产高3.2 机械加工工艺特点3.2.1 定位基准的选择轴类零件加工最常用的定位基准是两顶尖孔。这是因为零件各外圆表面、锥孔、螺纹表面的同轴度，端面对旋转轴线的垂直度是其相互位置精度的主要项目，而这些表面的设计基准一般都是轴的中心线。采用两顶尖孔定位具有以下优点：一是符合基准重合原则，二是能够最大限度地在一次安装中加多个外圆的端面，符合基准统一原则。所以，只要可能就应尽量采用顶尖孔作为轴加工的定位基准。加工过程中，顶尖孔应始终保持准确和清洁。每次热处理后，以及转入下一加工阶段前，应对顶尖孔经行研磨或休整，以去除顶尖孔表面的氧化皮和其他损伤。当不能用顶尖孔作为定位基准时，或粗加工时为了提高零件的刚度，可采用轴的外圆表面作为定位基准，或采用外圆表面和顶尖孔共同作为定位基准。用外圆表面定位时，一般用卡盘夹。因基准面的加工和工件装夹都比较方便，故此法应用较多。但是，卡盘的定位精度较低，且工件掉头车削时，两端外圆表面会产生同轴度误差，影响位置精度。 1、选最大尺寸表面作为安装面，选最长距离表面作为导向面，选最小尺寸的表面为支承面2、首先考虑保证空间位置精度，再考虑保证尺寸精度。因为在加工中保证空间位置精度要比保证尺寸精度困难得多。3、应尽量选择零件的主要表面为定位基准。因为零件的主要表面是决定其他表面的基准，也是主要设计基准。4、所选择的定位基准应有利于加紧，在加工过程中稳定可靠。3.2.2 粗基准的定位基准的选择的一般原则选择1、选加工余量小的面作为粗基准，以保证各加工面都有足够的加工余量。2、选重要表面为粗基准，以保证重要表面的加工余量均匀。3、选不加工表面作粗基准，以保证加工加工表面和不加工表面之间的相对位置要求，同时可以在一次安装下加工多个表面4、应选平整、光洁、面积较大的表面作为粗基准，避开锻造飞边和铸造绕冒口、分型面、毛刺等缺陷，以保证定位准确，加紧可靠。5、粗基准一般只能用一次。因为粗基准为非加工面，定位基准位移误差较大，如重复使用，将造成较大的定位误差，不能保证加工要求。3.2.3 精基准的选择1、基准重合原则选择设计基准作为定位基准称为基准重合为原则，这样可以避免因基准不重合引起的基准不重合误差2、基准统一原则为了减少夹具的种类和数量或为了进行自动化生产，在零件的加工过程中应尽可能采取基准统一原则3、互为基准原则加工某些空间位置精度要求很高的零件时，常采用互为基准、反复加工的原则。4、自为基准原则精加工某些精度要求很高的表面时，为了保证加工精度，要求加工表面的余量很小并且均匀，常以加工面本身作为定位基准。3.3 工艺过程的设定 械加工工艺过程是机械产品生产过程的一部分，是直接生产过程，其原意是指采用金属切削刀具或磨具来加工工件，使之达到所要求的形状、尺寸、表面粗糙度和力学物理性能，成为合格零件的生产过程。由于制造技术的不断发展，现在所说的加工方法除切削和磨削外，还包括其他加工方法，如电加工、超声波加工、电子束加工、激光束加工，以及化学加工等几乎所有的加工方法。它是在具体的生产条件下，把最合理或较合理的工艺过程和操作方法，并按规定的形式写成工艺文件，经审批后用来指导生产的。工艺规程中包括各个工序的排列顺序、加工尺寸、公差及技术要求、工艺设备及工艺措施、切削用量及工时定额等内容。3.3.1 加工方法的选择 一般情况下，应根据零件的精度要求（包括尺寸精度、形状精度和位置精度以及表面粗糙度），考虑现场工艺条件和加工经济精度的因素来选择加工的方法。 1、所选择的加工方法能否满足零件加工精度的要求。2、零件材料的机械加工工艺性。例如，由于非金属易堵塞砂轮工作面，故宜采用切削加工的方法，不宜采用磨削加工方法。3、生产率对加工方法有无特殊要求。例如，为满足大批大量生产的需要，齿轮内孔常采用拉削方法加工。4、现场工艺能力和现有加工设备的加工经济精度。工艺人员必须熟悉本车间现有加工设备的种类、数量、加工范围和精度水平以及工人的技术水平，以充分利用现有资源，并不断地对原有设备、工艺装备进行技术改造，挖掘企业潜力，创造经济效益。3.3.2 机械加工工艺过程的组成 机械加工工艺过程由若干个按一定顺序排列的工序组成，每道工序又包括若干工步，每个工步又包括几次走刀。 1、工序一个工人或一组工人在一个工作地点，连续完成一个或几个零件的工艺过程中的某一部分。 2、安装工件经一次装夹后完成的那一部分工序内容。 3、工位一次装夹后，工件在机床上所占的每个位置 4、工步工序中加工表面、切削工具、切削用量均保持不变的部分 5、走刀切削刀具在加工表面上切削一次所完成的工步内容。3.3.3 工艺规程的作用 1、指导生产 2、组织生产和管理生产 3、新建、扩建和改建工厂和车间3.3.4工艺规程的设计原则 1、技术上的新近性 2、经济上的合理性 3、良好的劳动条件3.3.5 确定生产类型不同的生产类型，其生产过程和生产组织、车间的机床布置、毛坯的制造方法、采用的工艺装备、加工方法以及工人的熟练程度等都有很大的不同，因此在制定工艺路线时必须明确该产品的生产类型，其中该曲轴的生产纲领是15万件/年，从机械制造技术基础第二版表3-2表3-2 各种生产类型的规范生产类型零件的年生产纲领（件/年）重型机械重型机械轻型机械单件生产520100小批生产510020200100500中批生产1003002005005005000大批生产30010005005000500050000大量生产1000500050000中可知，是属于大量生产类型。其工艺总过程如表3-3.表3-3 多拐曲轴机械加工工艺过程工序号工序名称工序内容工艺装备1铸造铸造2清砂清砂3热处理人工时效处理4清砂细清砂5涂漆非加工表面涂红色防锈漆6划线以毛坯外形找正，画主要加工线，偏心距（760.075）mm及外形加工线7粗铣用V形块和辅助支撑调整装夹工件后加紧（按线找正），铣大、小两端面X61428半精铣用V形块和辅助支撑调整装夹工件后加紧（按线找正），铣大端面X61429检验超声波检查超声波检测仪10划线画轴两端中心孔线，照顾各部分加工余量11钻将工件夹紧后，压大段面，钻左端中心孔；压左端面，钻右端中心孔TK6511/112粗车夹右端，顶左边中心孔，车左端外圆CW616313粗车夹左端，顶右端中心孔，车右端外圆CW616314粗车粗车拐径，粗车拐径内侧面（装夹在车拐颈专用工装上）C43100专用车拐工装15粗车粗车轴径，粗车轴径内侧面（装夹在车轴径专用工装上）C4210016半精车半精车右端外圆，直至满足要求CW616317半精车半精车左端外圆，直至满足要求CW616318半精车半精车拐径，倒角C43100专用车拐工装19半精车半精车轴径，倒角C4210020粗磨以两端中心孔定位，磨轴径MKS814021粗磨以两端中心孔定位，磨拐径MKS8240续表3-3工序号工序名称工序内容工艺装备22钻以两轴径定位夹紧，钻攻拐径螺纹X3050钻模23钻以两轴径定位夹紧，钻右端面孔X3050钻模24磨以两端中心孔定位，磨拐径，磨圆角MKS824025磨以两端中心孔定位，磨轴径，磨圆角MKS814026钻以两轴径定位，采用专用工装装夹，钻攻左端面螺纹，钻扩右端，直到如图样所示X3050钻模27铣以两轴径定位，采用专用工装装夹，铣左端键槽至图样尺寸X52K专用工装28钳修孔缘、倒角、清污垢29检验检查各部分尺寸30入库涂油入库3.4 机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定进行机械加工余量的分析计算，是为了确定最有利的加工余量，以节省材料。利用分析计算法，必须要有可靠的实验数据，否则难以进行。影响机械加工余量的因素：1、前工序（或毛坯）加工后其表面粗糙度及表面缺陷。2、前工序（或毛坯）的尺寸公差。3、前工序（或毛坯）各表面相互位置的空间偏差，如弯曲度、垂直度和同轴度误差等等。4、本工序装夹误差。确定毛坯的形状和尺寸尽量与零件接近毛坯加工余量毛坯制造尺寸与零件相应尺寸的差值加工总余量毛坯公差毛坯制造尺寸的公差3.4.1 加工余量的确定 曲轴的主要加工表面有：大小两端面、大小两端外圆、轴颈、拐径以及轴颈侧面、拐径侧面。1、大、小端面1 曲轴两端有大、小两端面，其中大段面用于基面较多，其要求厚度为180.4mm，且表面粗糙度要求为Ra1.6，基本尺寸为1600-0.04 mm,采用粗铣、半精铣两道工序，加工余量及加工精度尺寸见下表3-4：表3-4 大端面加工余量及加工精度尺工序名称工序加工余量粗糙度要求Ra工序尺寸及公差粗 铣1.2mm3.2190.2半精铣1.0mm1.6180.42 小端面要求较低，只要保证小端面与第主轴颈最靠近侧长度尺寸为1004-03.0 mm即可，采用粗铣一道工序，加工余量及加工精度尺寸见下表3-5：表3-5 小端面加工余量及加工精度尺寸工序名称工序加工余量粗糙度要求Ra工序尺寸及公差粗 铣2.0mm3.210040-3.02、大、小两端外圆 1 曲轴两端有大、小两端面外圆，大端外圆有A1600-0.04 mm,B1100-0.16mm、C85-0.1-0.2mm三个外圆，粗糙度要求为Ra1.6，采用粗车、半精车两道工序，加工余量及加工精度尺寸见下表3-6、表3-7、表3-8：表3-6 曲轴大端外圆A加工余量及加工精度尺寸工序名称工序加工余量粗糙度要求Ra工序尺寸及公差粗 车2.53.21620-0.4半精车2.01.61600-0.04表3-7 曲轴大端外圆B加工余量及加工精度尺寸工序名称工序加工余量粗糙度要求Ra工序尺寸及公差粗 车2.53.21120-0.4半精车1.81.61100-0.16表3-8 曲轴大端外圆C加工余量及加工精度尺寸工序名称工序加工余量粗糙度要求Ra工序尺寸及公差粗 车2.53.2870-0.4半精车1.81.6 85-0.1-0.2 2 小端面有E380-0.1mm、F45+0.034-0.009mm两外圆，粗糙度要求均为Ra1.6，采用粗车、半精车两道工序，加工余量及加工精度尺寸见下表3-9、表3-10：表3-9 曲轴小端外圆E加工余量及加工精度尺寸工序名称工序加工余量粗糙度要求Ra工序尺寸及公差粗 车2.33.2400-0.4半精车1.81.6380-0.1表3-10 曲轴小端外圆F加工余量及加工精度尺寸工序名称工序加工余量粗糙度要求Ra工序尺寸及公差粗 车2.33.2470-0.4半精车1.81.6 45+0.034-0.0093、轴颈 曲轴有5个轴颈，其尺寸要求均为85-0.10-0.08mm，其表面粗糙度要求为Ra0.8，采用粗车、半精车、粗磨、半精磨四道工序，加工余量及加工精度尺寸见下表3-11：表3-11 曲轴轴颈加工余量及加工精度尺寸工序名称工序加工余量粗糙度要求Ra工序尺寸及公差粗 车2.512.5 88-0.40半精车1.83.2 85+0.15+0.25粗 磨0.251.6 850.15-0.08半精磨0.150.8 85-0.10-0.084、拐颈曲轴有4个拐颈，其尺寸要求与轴颈的要求一致，尺寸要求均为85-0.10-0.08mm，其表面粗糙度要求为Ra0.8，采用粗车、半精车、粗磨、半精磨四道工序，加工余量及加工精度尺寸见下表3-12：表3-12 曲轴拐颈加工余量及加工精度尺寸工序名称工序加工余量粗糙度要求Ra工序尺寸及公差粗 车2.512.5 88-0.40半精车1.83.2 85+0.15+0.25粗 磨0.251.6 850.15-0.08半精磨0.150.8 85-0.10-0.085、轴颈侧面曲轴轴颈侧面，经粗车一道工序，表面粗糙度为Ra25，其厚度为29mm即可，加工余量及加工精度尺寸见下表3-13：表3-13 曲轴轴颈侧面加工余量及加工精度尺寸工序名称工序加工余量粗糙度要求Ra工序尺寸及公差粗车2.525296、拐颈侧面曲轴拐颈侧面，经粗车一道工序，表面粗糙度为Ra25，其厚度为29mm即可，加工余量及加工精度尺寸见下表3-14：表3-14 曲轴拐颈侧面加工余量及加工精度尺寸工序名称工序加工余量粗糙度要求Ra工序尺寸及公差粗车2.525293.4.2 加工工艺分析1、粗铣大、小两端面选择万能铣床X6142，主电机功率为11KW，主轴转速为18至1400r/min，级数为20，查有实用机械加工工艺手册第三版表11-89，粗铣端面时候用的硬质合金端铣刀粗铣时每齿进给量为0.3mm/z，铣削速度选190m/min，背吃刀量为4mm，根据公式（1.1） （1.1）其中Vs表示切削速度、dw表示工件直径，根据公式 （1.2） （1.2） 变换有 （1.3）而其中表示传动比，而Z表示主轴转速级数，nmax 表示主轴最高转速，而nmin表示主轴的最低转速，而查机械制造装备设计第三版表2-8有各变速组的传动比依次有1.00、1.06、1.12、1.19、1.25、1.33、1.41、1.50、1.60、1.68、1.78、1.88、2.00、2.11、2.24、2.37、2.51、2.66、2.82、2.99、3.16、3.35、3.55、3.75、3.98、4.22、4.47、4.73因而可以计算得到的结果最接近于传动比为1.25,故选择主轴转速为210r/min。2、半精铣大、小两端面仍选择万能铣床X6142，主电机功率为11KW，半精铣端面时候用的硬质合金端铣刀粗铣时每齿进给量为0.2mm/z，铣削速度选225m/min，背吃刀量为1mm，仍选择主轴转速为210r/min。3、钻大、小两端中心孔选择数控卧式镗床TK6511/1，主电机功率为15KW，主轴转速为15至1500r/min，无级数，查实用机械加工工艺手册第三版表11-310，粗镗中心孔时候选择硬质合金刀头，进给量0.3-1.0mm/r，背吃刀量为5-8mm，切削速度为40-60m/min。4、粗车左端外圆 选择卧式车床CW6163，主电机功率为11KW，主轴转速为6-800r/min，级数为18，查实用机械加工工艺手册第三版表11-28，硬质合金车刀（1625）粗车外圆，直径为38mm、45mm，选背吃刀量为3mm，进给量为0.5mm/r，计算得传动比为1.33，选择主轴转速为325r/min，根据公式1.3，从而计算 得到切削速度为39m/min（38mm）、46m/min（45mm）。5、粗车右端外圆同样选择卧式车床CW6163，同样选择硬质合金外圆车刀，需加工的外圆直径有160mm、110mm、85mm，同样选择背吃刀量为3mm，进给量为0.6mm/r（85mm）、0.8mm/r（110mm、160mm），主轴转速仍为325r/min，根据公式1.3，计算 得切削速度依次为163m/min、112m/min、87m/min。6、粗车拐颈及拐颈内侧选择曲轴连杆颈车床C43100，主电机功率30KW，工作台转速为25-100r/min，级数为6，进给量纵向为0.71-125mm/min，查有实用机械加工工艺手册第三版表11-28,硬质合金车刀（2030）背吃刀量为3mm，进给量0.8mm/r，传动比为1.33，选取工作台转速为78r/min，根据公式1.3，从而计算 可得切削速度为21m/min。7、粗车轴颈及轴颈内侧选择曲轴轴颈车床C42100，主电机功率为55KW，工作台转速为1.73-84r/min，无级数，进给量横向为0.15-30mm,/min，查有实用机械加工工艺手册第三版表11-28,硬质合金车刀（2030）背吃刀量为3mm，进给量0.8mm/r，选择工作台转速为最大值84r/min，从而通过公式1.3代入有 计算可得切削速度为22.4m/min。8、半精车右端外圆 选择卧式车床CW6163，主电机功率为11KW，主轴转速为6-800r/min，级数为18，查实用机械加工工艺手册第三版表11-29，选择硬质合金外圆车刀，需加工的外圆直径有160mm、110mm、85mm，其表面粗糙度要求为Ra1.6，进给量选择0.22mm/r，背吃刀量为3mm，根据公式（1.4） （1.4）可导出 （1.5）其中nmax=800r/min,nmax=6r/min,Z=18 计算得到公比为1.33，而主轴转速为325r/min恰好是其整数倍，符合公比所得。故选取主轴转速为325r/min，从而在根据公式1.3 有 这里dw有160mm、110mm、85mm，故而有切削速度依次为163r/min、112r/min、87r/min。9、半精车左端外圆 选择卧式车床CW6163，主电机功率为11KW，主轴转速为6-800r/min，级数为18，查实用机械加工工艺手册第三版表11-29，选择硬质合金外圆车刀需加工的外圆有38mm、45mm，同样选择主轴转速为325r/min，进给量选择0.22mm/r，根据公式1.3 计算得到切削速度依次为39m/min（38mm）、46m/min（45mm）。10、半精车拐颈选择曲轴连杆颈车床C43100，主电机功率30KW，工作台转速为25-100r/min，级数为6，进给量纵向为0.71-125mm/min，查有实用机械加工工艺手册第三版表11-29，硬质合金外圆车刀，工作台转速可以通过公式（1.4） 计算得到传动比为1.33，选取工作台转速为78r/min，其最符合传动比所得，进给量为0.25mm/r，而在此通过导出公式1.3 有 可以计算得到切削速度为21m/min。11、半精车轴颈选择曲轴轴颈车床C42100，主电机功率为55KW，工作台转速为1.73-84r/min，无级数，进给量横向为0.15-30mm,/min，硬质合金外圆车刀，其切削速度选50m/min,进给量为0.25mm/r。12、粗磨轴颈选择数控高速曲轴主轴颈磨床MKS8140，主电机功率为15KW，主轴转速为20300r/min，无级数，砂轮线速为50恒线m/s，纵向进给量mm，其式中bs表示砂轮宽度，其砂轮的尺寸为1100（2050）305mm（外径宽内径），选取主轴转速为80r/min，砂轮宽度为1.6mm，从而计算可得进给量为0.8mm，工作台单行程背吃刀量为0.0151mm/st，而根据公式1.3 计算得到实际切削速度为21.4m/min。13、粗磨拐颈选择数控高速曲轴连杆颈磨床MKS8240，主电机功率为15KW，其具体的加工参数与轴颈的大体一致，取主轴转速为80r/min，砂轮宽度为1.6mm，从而计算可得进给量为0.8mm，工作台单行程背吃刀量为0.0151mm/st，而根据公式1.3 计算得到实际切削速度为21.4m/min。14、钻拐颈孔 选择Z35A摇臂钻床进给量：f=0.2mm/r机械加工工艺实用手册表15-33切削速度：v=21m/min机械加工工艺实用手册表15-37根据公式1.2 按机床选取n=630r/min，所以实际切削速度： 15、钻孔16mm 同样选择Z35A摇臂钻床进给量：f=0.2mm/r机械加工工艺实用手册表15-33切削速度：v=21m/min机械加工工艺实用手册表15-37根据公式1.2 按机床选取n=630r/min，所以实际切削速度： 16、磨拐颈选择万能外圆磨床MKS8240，主电机功率为15KW，主轴转速为20300r/min，无级数，砂轮线速为50恒线m/s，其要求是要达到Ra0.8，固有，而选择砂轮宽度为20mm，则查实用机械加工工艺手册第三版表11-166，有工件纵向进给量为10mm/r，背吃刀量为0.15mm/st，取主轴转速为200r/min，则可以公式1.3 计算得到实际切削速度53.4m/min。17、磨轴颈选择数控高速曲轴主轴颈磨床MKS8140，主电机功率为15KW，主轴转速为20300r/min，无级数，其加工的具体参数与磨拐颈的参数大致相同。18、钻孔攻螺纹选择Z35A摇臂钻床进给量：f=0.2mm/r机械加工工艺实用手册表15-33切削速度：v=21m/min机械加工工艺实用手册表15-37根据公式1.2 按机床选取n=630r/min，所以实际切削速度： 19、铣键槽选择X52K铣床，根据机械加工工艺设计手册第一卷表9.2-4选用硬质合金钢直柄键槽铣刀d1=12mm，l=22mm，L=65mm，z=6，铣削深度ap=11.7，两次走刀完成切除，选用每齿进给量af=0.03mm/z，根据机械加工工艺手册表32.4-87的切削速度v=1.79m/s,工件转速取1400r/min，则实际切削速度根据公式1.2计算 有 计算得到实际切削速度为v=52.8m/min，此时的工作台每分钟进给量为：fm=fz z nw=0.0361400=25.2mm/min。第四章 夹具的设计零件在工艺规程制定之后，就要按工艺规程顺序进行加工。加工中除了需要机床、刀具、量具之外，成批生产时还需要用机床夹具。它们是机床和工件之间的连接装置，使工件相对于机床或刀具获得正确位置。机床夹具的好坏将直接影响工件加工表面的位置精度，所以机床夹具设计是装备设计中一项重要的工作，是加工过程中最活跃的因素之一。4.1 机床夹具的功能 1、保证加工精度。 工件通过机床夹具进行安装，包含两层含义：一是工件通过夹具上的定位元件获得正确的位置，称为定位；二是通过夹紧机构使得工件的既定位置在加工过程中保持不变，称为夹紧。这样，就可以保证工件加工表面的位置精度，且精度稳定。 2、提高生产率。 使用夹具来安装工件，可以减少划线、找正、对到等辅助时间，采用多件、多工位夹具，以及气动、液压动力装置夹紧装置，可以进一步减少辅助时间，提高生产率。3、扩大机床的使用范围。有些机床夹具实质上是对机床进行了部分改装，扩大了原有机床的功能和使用范围。如在车床车鞍上安放镗模夹具，就可以进行箱体零件的孔系加工。4、减轻工人的劳动强度，保证生产安全。4.2 机床夹具应满足的要求1、保证加工精度。这是必须做到的最基本要求。其关键是正确的定位、加紧和导向方案，夹具制造的技术要求，定位误差的分析和验算。2、夹具的总体方案应与年生产纲领相适应。在大批生产时，尽量采用快速、高效的定位、夹紧机构和动力装置，提高自动化程度，符合生产节拍要求。在中、小批量生产时，夹具应有移动的可调性，以适应多品种工件的加工。3、安全、方便、减轻劳动强度。机床夹具要有安全性考虑，必要时加保护装置。要符合工人的操作位置和习惯，要有合适的工件装卸位置和空间，是工人操作方便。大批量生产和工件笨重时，更需要减轻工人的劳动强度。4、拍屑顺畅。机床夹具中积集切屑会影响到工件的定位精度，切屑的热量使工件和夹具产生热变形，影响加工精度。清理切屑将增加辅助时间，降低生产率。因此夹具设计中要给予排屑问题充分的重视。5、机床夹具应有良好的强度、刚度和结构工艺性。机床夹具设计时，要方便制造、检测、调整和装配，有利于提高夹具的制造精度。4.3 机床夹具的类型机床夹具有很多分类方式，如俺夹具的使用范围来分，有下面五中类型：1、通用家具 例如车床上的卡盘，铣床上的平口钳、分度头，平面磨床上的电磁吸盘等，这些夹具通用性强，一般不需要调整就可适应多种工件的安装加工，在单件小批量生产中广泛应用。2、专用夹具 用于某一特定工件特定工序的夹具称为专用夹具。专用夹具广泛用于成批和大批量生产中3、可调整夹具和成组夹具这一类家具的特点是具有一定的可调性，或称为“柔性”。夹具中部分元件可更换，部分装置可调整，以适应不同工件的加工。可调整夹具一般适用于同类产品不同品种的生产，略作更换或调整就可用来安装不同品种的工件。成组夹具适用于一组尺寸相似、结构相似、工艺相似工件的安装和加工，在多品种、中批量生产中有广泛的应用前景。4、组合家具 它是由一系列的标准化元件组装而成，标准元件有不同的形状、尺寸和功能，其配合部分有良好互换性和耐磨性。使用时。可根据被加工工件的结构和工序要求，选用适当原件进行组合连接，形成一专用夹具。用完后可将工件拆卸、清洗、涂油、入库，以备后用。它特别适合单件小批量生产中位置精度要求较高的工件的加工。5、随行夹具这是一类在自动线和柔性制造系统中使用的夹具。它既要完成工件的定位和加紧，又要作为运载工具将工件在机床间进行传送。传送到下一道工序的机床后，随行夹具应能在机床赏准确地定位和可靠地夹紧。一条生产线上有许多随行夹具，每一随行夹具随着工件经历生产线的全过程，然后卸下已加工的工件，装上新的待加工工件，循环使用。4.4 机床夹具的基本组成 1、定位元件和定位装置 用于确定工件正确位置的原件和装置。 2、夹紧元件及夹紧装置 用于固定元件已获得的正确位置的元件或装置。 3、导向及对刀元件 用于确定工件与刀具相互位置的元件。 4、动力装置 在成批生产中，为了减轻工人劳动强度，提高生产率，常采用启动、液压等动力装置。 5、夹具体 用于将各种元件、装置连接在一体，并通过它将整个夹具体安装在机床上。 6、其他元件及装置 根据加工需要来设置的原件或装置。以上所述，是机床夹具的基本组成。对于一个具体的夹具，可能略少或略多一些，但定位、夹紧和夹具体三部分一般是不可缺少的。 4.5 工件的定位4.5.1 定位原理 在制定工件的工艺规程时，已经初步考虑了加工中的工艺基准问题，有时还绘制了工序简图。设计夹具时原则上应选该工艺基准为定位基准。无论是工艺基准还是定位基准，均应符合六点定位原理。六点定位原理是采用六个按一定规则布置的约束点，限制工件的六个自由度，使工件实现完全定位。4.5.2 完全定位和不完全定位根据工件加工表面的位置要求，有时需要将工件的六个自由度完全限制，称为完全定位。有时需要限制的自由度小于六个，称为不完全定位。如在平面磨床上磨长方体工件的上表面，工件上表面只要求保证上下面的厚度尺寸和平行度，以及上表面的表面粗糙度，那么此工序的定位只需要限制三个自由度就可以了，这是不完全定位。在加工中，有时为了使定位元件帮助承受切削力、夹紧力，为了保证一批工件进给长度一致，减少机床的调整和操作，常常会对无位置尺寸要求的自由度也加以限制，只要这种定位方案符合六点定位原理，是允许的，有时也是必要的。4.5.3 定位的正常情况与非正常情况根据加工表面的位置尺寸要求，需要限制的自由度均已被限制，这就称为定位的正常情况，它可以使完全定位，也可以是不完全定位。根据加工表面的位置尺寸要求，需要限制的自由度没有完全被限制，或某自由度被两个或两个以上的约束重复限制，称之为非正常情况。前者又称为欠定位，他不能保证位置精度，是绝对不允许的；后者称为过定位（或重复定位、超定位），加工中一般是不允许的，因为它不能保证正确的位置精度。过定位在以下两种特殊场合中是允许的。 1、工件刚度很差，在夹紧力、切削力作用下会产生很大变形，此时过定位只是提高工件某些部分的刚度，减小变形。 2、工件的定位表面和定位元件在尺寸、形状、位置精度已很高时，过定位不仅对定位精度影响不大，而且有利于提高刚度。4.5.4 定位误差的分析与计算 1、定位误差 工件的加工误差，是指工件加工后在尺寸、形状和位置三方面偏离理想工件的大小，它由三部分因素产生： 工件在夹具中的定位、加紧误差。 夹具带着工件安装在机床上，相对于机床主轴（或刀具）或运动导轨的位置误差，也称相对误差。 加工过程中的误差，如机床几何精度、工艺系统的受力与受热变形、切削振动等原因引起的误差。其中，定位误差是指工序基准在加工方向上的最大位置变动量所引起的加工误差。可见，定位误差只是工件加工误差的一部分。设计夹具定位方案时，要充分考虑此定位方案的定位误差的大小是否在允许的范围内。一般定位误差应控制在工件允许的1/5至1/3之内。 2、产生误差的原因 基准不重合带来的定位误差 此次我选择的有V形块定位。 见图4.1： 图4.1 V形块 下面对其误差以及我选择90V形块的原因进行解析假设工件轴径d的中心对其尺寸公差的中心时，调整夹具中对刀块位置来补偿基准基准转换误差，使槽底距下母线的距离满足H1要求。但当工件轴径分别为d+/2、d-/2时（为工件轴径公差），如图4-2所示：图4.2 铣键槽的定位及尺寸标注其中（a）表示以轴心为测量基准；（b）以轴外表面为测量基准；（c）测量键槽深度 工件与V形块接触位置为B、D和A、C，又带来新的基准误差，槽底至下母线距离分别为H1、H1。定位误差为H1=H1-H1=QQ从图4-3中可知： 图4.3 铣键槽的定位误差其中QQ表示H1； OQ 表示小轴颈以轴外表面为测量基准 OQ表示大轴颈以轴外表面为测量基准 QQ=OQ-OQ=OQ+OQ式中，OQ=1/2（d+/2），OQ=1/2（d-/2）;， 代入可得： 并记为H1=k， 由于V形块角度已标准化，因此有如下结果：/1209060k0.0770.2070.5可见，120的V形块定位精度高，但稳定性差，而60的V形块定位精度低，但是稳定性高，90的V形块定位精度和稳定性都是居中，故而应用最多。同理，可推导出图（a）所示情况的定位误差为 图（c）的定位误差为 4.6 钻中心孔夹具的设计 夹具为了提高劳动生产率，保证加工质量，降低劳动强度，需要设计专用夹具。曲轴在加工过程中要需要车、铣、钻、磨等工艺装备，经过与指导老师协商，决定进行钻端面中心孔夹具设计。中心孔对于曲轴轴颈、拐颈加工以及端面铣削都具有不可或缺的作用。 1、 夹紧装置的组成夹紧装置由两部分组成： （1）力源装置力源装置是产生夹紧作用力的装置，其一般分为两种，来自人力的，称为手动夹紧；来自动力的，如气动、液压、电动等，称为机动夹紧。本夹具采用人力操作手柄杆旋动压板螺栓，从而夹紧工件，属于手动夹紧。 （2）夹紧机构用来接受和传递作用力，使之变为夹紧力并执行夹紧任务的机构称为夹紧机构。 2、 对夹紧装置的基本要求夹紧装置的设计或选用是否合理，直接影响到加工质量与生产率，夹紧装置是决定一个工序能否实现的关键，同时，该工序的精度等级的高低也受其直接影响。因此，对夹紧装置提出如下基本要求： （1）在夹紧过程中应能保持工件定位时所获得的正确的位置。 （2）夹紧可靠、适当。夹紧机构一般要有自锁作用，要在保证工件在加工过程中不会产生松动和振动，还要保证工件在加工过程中不产生过大夹紧变形和表面损伤。 （3）夹紧机构的自动化程度和复杂程度与工件的生产批量和生产方式相适应，并有良好的机构工艺性，结构设计力求简单、紧凑，并尽可能采用标准化元件。 （4）夹紧动作迅速，操作方便、安全、省力。 3、相关夹紧机构简介几种夹紧机构的对比及选择：表4-1 夹紧机构对比表类型机构增力比自锁性夹紧速度应用范围斜楔简单大好快广泛螺旋简单大好慢手动夹紧偏心简单欠大欠好快有限铰链一般大差快较少此外，还有两种夹紧机构，一种是结构比较简单的定心夹紧机构，但其要求是夹压的是加工表面且该表面须精加工；另外一种是联动夹紧机构。 综合考虑到结构、增力比、自锁性、夹紧速度、定位精度等条件，决定在本夹具种采用斜楔夹紧机构。 4、斜楔夹紧机构斜楔夹紧机构是利用其斜面移动所产生的压力夹紧工件。生产中，直接使用楔块楔紧工件的情况比较少。在手动夹紧中，楔块往往和其他机构联合使用。通常广泛应用于气动和液压夹具中。 5 、夹紧力要素的确定夹紧力包括大小、方向和作用点三个要素，它们的确定是夹紧机构设计中首要解决的问题。 （1）夹紧方向的选择：夹紧力方向的选择一般应遵循以下原则： 夹紧力方向应有利于工件的准确定位，而不能破坏定位。为此，一般要求主要夹紧力应垂直指向主要定位面。 夹紧力的方向应尽可能与工件刚度最大的方向一致，以减小工件变形。 夹紧力的作用方向应尽可能与切削力、工件重力方向一致，以减小所需夹紧力。 （2）夹紧力作用点的选择夹紧力作用点的选择是指在夹紧力作用方向一定的情况下，确定夹紧元件与工件接触点的位置和接触点的数目。在选择夹紧力作用点的时候，应注意以下几点：夹紧力作用点应正对支承元件或位于支撑元件所形成的支撑面内，以保证工件已获得的定位不变。夹紧力作用点应处在工件刚性好的部位，以减小工件的夹紧变形。 夹紧力作用点应尽可能靠近被加工表面，以便减少切削力对工件造成的反转力矩。必要时应在工件刚度差的部位增加辅助支承并施加夹紧力，以减少切削过程中的振动和变形。 夹紧力的反作用力不应使夹具产生影响加工精度的变形。 （3）夹紧力的计算斜楔夹紧时产生的夹紧力查机床夹具设计手册第三版按下式（1.5）计算： （1.5）式中W0斜楔夹紧产生的夹紧力（N） Q原始作用力（N） A斜楔升角（） 1平面摩擦时作用在斜楔面上的摩擦角（） 2平面摩擦时作用在斜楔基面上的摩擦角（）自锁条件 斜楔夹紧后应能自锁。条件为斜楔升角a必须小于斜楔斜面与基面两处摩擦角之和及a1 + 2。一般钢铁件接触面的摩擦因数=arctg（0.10.5）=543830，而相应的升角a=1117，为了保证夹紧的自锁性能，手动夹紧一般取a=68。气动或液压夹紧在不考虑自锁时可取a=1530。斜楔增力特性与升角的关系在斜楔夹紧力的计算公式中，如设 为增力比（或称增力系数），则 在不考虑摩擦力时，理想增力比为： 工件所需要的夹紧行程h和斜楔相应的移动距离s有如下关系： 式中行程比： h 夹紧行程（mm）： S 斜楔在外力作用下的位移(mm)。表4-2 斜楔夹紧机构所需推力、斜楔移动距离及传动效率的计算公式计算项目符号计算公式所需推力Q斜楔移动距离s式中夹紧所需行程（mm）； 行程比； 斜楔升角（）传动效率 而我选择的是单斜楔面、单头导向、斜面滚动的移动柱塞式斜楔夹紧机构，其结构简图如下： 图4.4 斜楔夹紧机构简图而其装配剖面图4-5有如下: 图4.5 夹具装配剖面其运作原理：通过V形块与挡板的定位后，以液压形式提供推力F，推力在经过单斜楔面、单头导向、斜面滚动的移动柱塞式斜楔夹紧机构后变向向上提供顶力，力在经柱塞顶杆的传递后到达转动压板上，通过杠杆原理，从而使得压板的另一头往下压住轴颈，从而达到夹紧的效果；在此工序加工完成后，液压推杆反向运作，从而推力变拉力，斜楔往后拉时，由于重力的作用，柱塞往下掉，杠杆的一头失去动力，在弹簧的拉力作用下，压板逆时针旋转，从而松开轴颈，这时候就可以将曲轴从夹具上取出。以下将对此夹具的夹紧力进行计算 而根据生产纲领15万/年，为了更有效率地提高生产力，选择斜楔角15至30，查机床夹具设计手册第三
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