机械制造加工工艺及夹具设计

1、机械工业是一种基本工业形式，对于我们国家来说，它关系到国计 民生的方方面面。近年来机械工业领域向着高精度、高质量、高效率、 低成本方向发展，数字化，自动化水平日益提高。同时由于机械工业的 发展，其他各工业部门也向着高深度迈进，机械工业的发展日趋重要。机械制造过程及检测，检验中，都要使用大量的夹具。为了达到提 高劳动效率，提高加工精度，减少废品，扩大机床的工艺范围，改善操 作的劳动条件，如何设计好夹具则成了机械制造的一项重要任务。机床夹具是夹具中的一种，将其固定到机床上，可以使被加工件对刀具与机床保持正确的相对位置，并克服切削力的影响。使加工顺利进 行。机床夹具分为通用夹具和专用夹具两种。夹具设

2、计中的特点:1. 夹具的设计周期较短，一般不用进行强度和刚度的计算。2. 专用夹具的设计对产品零件有很强的针对性。3. “确保产品加工质量，提高劳动生产率”是夹具设计工作的主要任务，加工质量包括被加工表面的本身精度和位置精度，后者主要用夹 具来保证。4.夹紧装置的设计对整个夹具的结局有具定性的影响。设计一个好的夹具可以减少废品率。因此，夹具设计要保证以下几个条件：1. 夹具的结构应与其用途及生产规模相适应。2. 保证工件的精度。3. 保证使用方便与安全。4. 正确处理作用力的平衡问题。5. 注意结构的工艺性，便于制造和维修。注意夹具与机床、辅助工具、刀具、量具之间的联系。在机械制造中，为了适应

3、新产品的不断发展要求。因此，夹具设计过 程中有朝着下列方向发展的趋势:1. 发展通用夹具的新品种由于机械产品的加工精度日益提高，因此需要发展高精度通用夹具。广泛的采用高效率夹具，可以压缩辅助时间，提高生产效率。2. 推广和发展组合夹具及拼拆夹具。3. 加强专用夹具的标准化和规范化。4. 大力推广和使用机械化及自动化夹具。采用新结构、新工艺、新材料来设计和制造夹具。本设计属于工艺夹具设计范围，机械加工工艺设计在零件的加工制 造过程中有着重要的作用。工艺性的好坏，直接影响着零件的加工质量 及生产成本，在设计中为了适应中批批量的生产情况，以提高产品的生 产效率，在设计中所采用的零件尽量采用标准件，以

4、降低产品的生产费 用。零件的分析1.1零件的作用该题目所给的零件是与叶轮配合，实现叶轮旋转的定位导向零件。由于其工作性质要求零件耐磨强度高，故对该零件的表面精度要求较高。、1-P &图1-1 零件图1.2零件的工艺分析由零件样图得知，其材料为 HT20Q该材料具有较高的强度、耐磨性、耐热性及减振性，适用于承受较大应力、要求耐磨的零件。该零件上的是主要加工面为© 90右端面、© 90左端面、© 52外圆面、© 13H7孔、4X© 9孑L、2X© 4孔、© 41H7内圆面及内端面。JJ11图1-2零件毛坯图©

5、90右端面与A面的垂直度0.02mm直接影响泵体与泵的连接精度 及密封。© 13H7孔的尺寸精度，© 41H7内圆面的尺寸精度，与A面的平行度0.02mm直接影响泵体与壳体的配合精度、运动精度及正确定位。因此，最好能在一次装夹下完成对这一面两孔的加工。由参考文献1中有关面和孔的加工精度及机床能达到的位置精度 可知，上述技术要求是可以达到的，零件的结构工艺性也是可行的。匚艺规程设计2.1确定毛坯的制造形式根据零件材料确定毛坯为铸件，其生产类型为批量生产。毛坯的铸 造方法选用砂型机械造型。为消除残余应力，铸造后应安排人工时效。精度1113级，时效处理：150200HB加工余量一

6、般。2.2定位基准的选择221精基准的选择泵体的A面和© 13H7孔既是装配基准，又是设计基准，用它们作精 基准，能使加工遵循“基准重合”的原则，实现泵体零件“一面两孔” 的典型定位方式，其余各面和孔的加工也能用它定位，这样使工艺路线 遵循了 “基准统一”的原则。此外，© 13H7孔的精度高，定位比较稳定,夹紧方案比较简单、可靠、操作方便。2.2.2粗基准的选择考虑到零件各面的平行度及垂直度要求，选择零件的最大端面，即 © 90外圆面与右端面为粗基准。2.3制定工艺路线工序I铸造工序n时效粗车90左端面 粗车52外圆面，半精车52外圆面，精车52外圆面 钻13孔，

7、扩钻13孔，粗铰13孔，精铰13孔工序镗41内圆面，扩钻41内圆面，粗铰41内圆面，精铰41内圆面工序毗钻9孔钻4孔工序X车41内端面工序幻粗铣圆弧断面工序刘终检加工余量、工序及毛坯尺寸的确定零件材料采用HT200灰口铸铁，硬度150200HB重约3kg，生产类型为批量生产，采用砂型铸造，毛坯为实心，不铸孔。根据上述原始资 料及加工工艺，分别确定各加工表面的机械加工余量。3.1毛坯毛坯基本尺寸及各工序加工余量参见表3-1基本尺寸Rma毛坯尺寸公差等级© 90右端面2522711© 52外圆面5235511© 41內圆面4123911表3-1毛坯基本尺寸及余量（单位

8、：mm）3.2 .机械加工余量3.2.1 铣© 90右端面表面质量为Ra3.2，参考工艺手册表 8-15，确定工序尺寸及余量（见表3-2 ）。表3-20 90右端面基本尺寸及余量（单位：mm）加工余量Z工艺尺寸毛坯2.027粗车1.325.7半精车0.7253.2.2车© 90左端面表面加工质量Ra6.3，参考工艺手册表 8-13，确定工序尺寸及余量（见表3-3） 0表 3-3(b 90左端面基本尺寸及余量（单位：mm）加工余量Z工艺尺寸毛坯28粗车（两次）163.2.3车© 52h6外圆面表面加工质量Ra1.6，参考工艺手册表8-15，确定工序尺寸及余量（见表3

9、-4）0加工余量Z工艺尺寸毛坯30 55精车2.30 54.3半精车1.80 53.8精车10 52h6表3-40 52h6外圆面基本尺寸及余量（单位：mm）3.2.4 钻0 13H7 孔表面加工质量H7,参考工艺手册表8-15，确定工序尺寸及余量表3-50 13H7孔基本尺寸及余量（单位：mm）（见表3-5 ）。加工余量Z工艺尺寸毛坯2钻1.90 12扩孔钻0.850 12.85粗铰0.10 12.95精铰0.050 13H73.2.5镗0 41內圆面表面加工质量H7,参考工艺手册表8-15,确定工序尺寸及量（见表 3-6）0加工余量Z工艺尺寸毛坯20 39镗0.30 40.7扩孔钻0.05

10、0 40.75粗铰0.170 40.93精铰0.070 41H7表3-60 41內圆面基本尺寸及余量(mm)326钻4x0 9孔及2x 0 4孔表面加工质量Ra3.2，仅需粗加工，参考工艺手册表 8-15，确定工序尺寸及量（见表3-7 ）。表3-7 4x 0 9孔及2x 0 4孔基本尺寸及余量(mm)加工余量Z工艺尺寸钻0 9孔09钻0 4孔043.2.7 车0 41内端面表面加工质量Ra3.2，仅需粗加工，参考工艺手册表 8-15，确定工序尺寸及量（见表3-8 ）。加工余量Z工艺尺寸毛坯210粗车1.18.7半精车0.78(mm表3-80 41内端面基本尺寸及余量3.2.8 铣0 90圆弧断

11、面表面加工质量Ra3.2，仅需粗加工，参考工艺手册表 8-15，确定工序尺寸及量（见表3-9 ）。加工余量Z工艺尺寸毛坯278.8粗铣076.8(mm表3-90 41内端面基本尺寸及余量四.确定切削用量及基本工时4.1加工条件加工材料：HT200 HB150200铸造.加工要求：铣© 90圆弧缺面，毛坯尺寸78.8mm保证尺寸76.8mm.机床：X51型立式铣床.刀具：©直柄立铣刀.在大批量生产条件下，可以选用高效的专用组合机床，也可以选用通用设备。根据经济性和零件的特点所选用 X51立式铣床。4.2计算切削用量铣© 90圆弧缺面，其加工尺寸为 76.8mm查机床

12、刀具使用手册do=20mm,z=5.表6 13，选择直柄立铣刀，由于已知：铣削宽度ae6mm铣削深度ap2mm机床选用X51K型立式铣床。4.2.1铣刀磨钝标准及寿命查机床刀具使用手册表3.7用直柄立铣刀粗加工钢料，铣刀刀齿后刀面最大磨损量为 03mm铣刀直径d 20mm，查机床刀具使 用手册表3.8可得耐用度T 60min。4.2.2确定切削速度v和工作台每分钟进给量fMz根据文献表3.27中的公式CvcTV Tmap taT式中：Cv 48，qv0.25，Xv 0.1， yv 0.2，Uv0.3，Pv0.10.2，T60 min， ap2mm， fz 0.18mmz， ae6mm， z5，

13、20mm，kv1.0mdkv所以有48 200.25V 600.220.10.180.260.350.1=65m mi n根据文献，n畔=1030”minX51K型立式铣床主轴转速表4.2-36，选择n 1000r/mi n实际切削速度v辺.83%“JO吹工作台每分钟进给量为fMz 0.18 5 1000 900 mm mi n根据文献5，X51K型立式铣床工作台横向进给量表 4.2-37，选择Mz 900 mm z则实际每齿进给量为:fz 9000.18mm'z5 1000423校检机床功率根据文献 表3.28的计算公式，铣削时的功率为PcFcv1000FcCXfyF UFC F a

14、p f z ae zkFcdqF nWF式中：Cf650 ,Xf 1.0，y 0.72 ,UF 0.86 , Wf0 , q，0.86 ,ap 2mm, fz0.18mmz , ae6mm , z 5 , d 20mm，n 1000r/min，kFc0.63Fc650 200.18一065 0.63 =2918.15N200.86 10000v 1.05msr 2918.15 1.05 cP c 3.06KW1000X51K型立式铣床主动电机的功率为 5KW，故所选切削用量是可以米用的。所确定的切削用量为:0.18mmzfMz900mm mi n1000r/mi n1.06ms424计算工时工

15、步一:L =75mmL2=1 3mm 取 2 mm基本时间:辅助时间:Li=0.5(20- j20262 )+2=2.5mmfmzfz z n 0.185 1000900 %tjL L1 L2fmz75 29002 50.088min5.3stf0.15tj0.795s工作地服务时间:tbtx(3% 3%)(tj tf)0.37s五.夹具设计在机械加工中，为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，这种装置即为夹具。它对保 证工件的加工质量、提高加工效率、降低生产成本、改善劳动条件、扩 大机床使用范围、缩短新产品试制周期等方面有着显著的经济效益。本题目加

16、工的零件为中批量生产，设计通用夹具即可。经过与指导老师的协商，决定设 12道工序：铣© 90圆弧断面。本夹具将用于X51立式铣床，采用端面铣刀对其加工。5.1问题的提出本夹具主要用来铣© 90圆弧断面，精度要求不高，并与其它的加工 部位之间的技术要求不是很高。因此，在本道工序加工时，主要应考虑 的问题是如何能保证加工表面的精度要求，同时还应考虑如何可以提高 劳动生产率，降低劳动强度，而与其它之间的技术要求不是主要问题。5.2 .夹具的设计5.2.1设计夹具的基本要求1. 保证工件的加工精度专用夹具应有合理的定位方案，标注合理的尺寸公差和技术要求, 并进行必要的精度分析，确保

17、夹具能满足工件的加工要求。2. 提高生产效率应根据工件生产批量的大小设计不同复杂程度的高效夹具，以缩短 辅助时间，提高生产效率。3 工艺性好专用夹具的结构应简单合理便于加工装配检验和维修。专用夹具的制造属于单件生产，当最终精度由调整或修配保证时, 夹具应设置调整或修配结构，如设置适当的调整间隙，采用可修磨的垫 片等。4.使用性好专用夹具的操作应简单省力安全可靠，排屑应方便，必要时可设置 排泄结构。5.经济性好除考虑专用夹具本身结构简单。标准化程度高，成本低廉外，还应 根据生产纲领对夹具方案进行必要的经济分析，以提高夹具在生产中的 经济效益。522对夹具体的要求1.有适当的精度和尺寸稳定性夹具体

18、上的重要表面，如安装定位元件的表面，安装对刀或导向元 件的表面以及夹具体的安装基面等，应有适当的尺寸和形状精度，它们 之间应有适当的位置精度。为使夹具体尺寸稳定，铸造夹具体要进行时效处理，焊接和锻造夹 具体要进行退火处理2.有足够的强度和刚度加工过程中，夹具体要求承受较大的切削力和加紧力。为保证夹具 体不产生不容许的变形和振动，夹具体应有足够的强度和刚度。因此夹 具体需有一定的壁厚，铸造和焊接夹具体常设置加强筋，或在不影响工 件装卸的情况下采用框架式夹具体3. 结构工艺性好夹具体应便于制造装配和检验。铸造夹具体上安装各种元件的表面 英铸出凸台，以减少加工面积。夹具体毛面与工件之间应留有足够的间

19、 隙，一般为415 mm。夹具体结构型式应便于工件的装卸。4. 排屑方面切屑多时，夹具体上应考虑排屑结构。由于此零件是中批量生产且根据要求，采用通用夹具，手动加紧。523定位误差的分析定位元件尺寸及公差的确定。根据定位方案，设计定位元件的结构 如附图（夹具装配图）所示。该设计中的定位销为主要的定位元件，其公差根据文献 表2.9-6得0.02mm所以影响位置度的定位误差为：11B 0.02丄0.1，即小于相位位置度公差的1，所以定位方案能够满33足加工要求。524夹紧力的计算及夹紧元件的强度校核夹紧装置如夹具装配图，根据零件的形状，以及夹紧机构在夹具中 安装，可确定夹紧力的位置。切削力及夹紧力的

20、计算刀具： 硬质合金直齿端面铣刀，d 20mm，齿数5。粗铣时B=6mm由文献表3-24得:L C C/1 UC 0.9 r 0.8 I.O7. 0.9FZ 9.81 58ae fz ap Zd0其中:ap 2mm,ae 6mm, fz 0.18mm/z所以:9.815860.921.00.180.80 96 80 .511N水平分力:Fh1.1F1.1 511562N垂直分力:Fv0.3F0.3 511153N在计算切削力时必须把安全系数考虑在内。安全系数KK1K2K3K41其中：K1 基本安全系数，1.5 ； K2 加工性质系数，1.1 ； K3 刀具钝化系数，1.1 ； K4 断续切削系数，1.1 ；F' =KFh 1.5 1.11.1 1.1 562 1122N为克服水平切削力，实际夹紧力N应为N f1f2KFh所以:KFh1 f2其中f1和f2为夹具定位面及夹紧面上的摩擦系数，取f1 f2 0.25。N一11