柴油发动机气缸盖的加工工艺与夹具设计【含CAD图纸、说明书】
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含CAD图纸、说明书
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毕 业 设 计（论 文） 题 目： 柴油发动机气缸盖的加工工艺与夹具设计 学生姓名 指导教师 二级学院机电工程学院 专 业 机械设计制造及自动化 班级14机械设计制造及自动化 学号 提交日期 答辩日期 目录目 录摘 要Abstract1绪论12零件的分析22.1零件的作用及性能22.2气缸盖的技术条件和分析23工艺规程设计43.1确定毛坯制造形式43.2加工顺序的确定44确定零件的加工余量和毛坯尺寸104.1确定机械加工余量104.2气缸盖的毛坯尺寸105确定切削用量和基本工时115.1切削用量的确定115.2基本工时的确定116零件的装备和重点工序分析136.1零件的装备和零件的设计特点136.2重点工序分析147夹具设计157.1问题的提出157.2夹具设计157.3夹紧力的确定与计算167.4定位元件的设计177.5求取零件的定位误差177.6夹具体的设计197.7其它元件的设计197.8轴的设计19总结24参考文献25致谢26II 1 摘要柴油发动机气缸盖的加工工艺与夹具设计摘 要气缸盖是一个重要的零件，它的加工质量会直接影响柴油机的好坏，其结构相对较复杂。这次我设计的主要是柴油机的气缸盖，主要是对它的加工顺序进行分析，也对它的夹具进行了设计。通过图纸可以看出来，气缸盖的底面、气道孔和底面座孔的加工面要求较高一点。从生产纲领上看的出来，这是个需要大批量生产的零件，所以确定要用HT20灰铸铁机砂型铸造。粗加工时，装夹的是需要精铣的平面，比如气缸盖的下底面，精加工时，装夹的是粗糙度要求不高的平面，比如气缸盖的上底面。不仅仅是我这次的加工，我想大部分的加工都要遵循着先主后次，先粗后精，先面后孔的原则。做设计之前，得先分析它的量产是多少，最后选择工序集中与工序分散的加工方法，根据设计说明书中提到的，使用组合机床和专用的夹具来提高生产率。此次设计当中没有提到专用的机床，但是我们需要使用，也需要设计专用的夹具，也通过一面两销的方法来定位工件。关键词：精加工；加工顺序；基面选择； III AbstractProcessing technology and fixture design of diesel engine cylinder headAbstractCylinder head is an important part, it will directly affect the quality of processing quality diesel engine, its structure is relatively complex. This time I design mainly cover cylinder diesel engine, is its main processing sequence analysis, but also its fixture has been designed. Can be seen through the drawings, the bottom surface of the cylinder head, machined surface and bottom hole airway seat hole a little higher. From the point of view of the specification came out, this is a need for mass production of parts, so make sure to use the HT20 rough gray iron sand casting machine. When roughing, finishing fixture is the need of the plane, such as the underside of the cylinder head, finishing, clamping roughness is less demanding too flat, such as the cylinder head on the bottom. I just this process, I think most of the processing to be followed after the first primary times, after the first crude refined, after the first surface of the hole of principle. Before doing the design, it must first analyze its production is the number of the last step selecting centralized and decentralized processing step of the method, according to the design specification to use a combination of machine tools and special fixtures to improve productivity. The designs did not mention specific machine, but we need to use, but also need to design special jig, also by the method of two sells to locate the workpiece.Keywords: Precision machining; machining sequence; base selection;IV 绪论1绪论柴油机是一种内燃机，内燃机是一种能量转换装置，它是一种由作用于机器内部燃烧和能量释放的能量转换装置。柴油机是内燃机，其工作原理是：油料和空气进入油缸后点火，化学能转化为机械能，通过活塞推动连杆，向外输送功。从课题上也不难看出，设计的重点主要是两方面构成。一是对气缸盖有一个详细的加工工艺的叙述。二是对这次的加工设计专用的夹具。气缸盖是一个非常重要的零件，我们需要根据他的实物，分析它的加工工艺，对工艺进行改造。在做这些之前，肯定要先画出图纸，将各种技术参数都标上。然后对加工方案进行一步一步的改进，最后得到最好的加工方法。在做这个设计的时候，突然觉得自己学的知识好少，只能通过查看资料的方式来快速补充，也向实习单位的厂里的老师傅们学习经验。然后对这些课外获得的学习资料进行了整理，并将其应用到自己的设计当中去，老师也很积极地帮助我，在这里真是太感谢了。24 第二章 零件的分析2零件的分析2.1零件的作用及性能气缸盖是安在柴油机的顶部，通过螺栓与燃烧室进行密封的连接。气缸盖的下面就是燃烧室了，它要承受高温高压，还要保持位置精度。因为对热应力和机械应力的要求比较高，所以就要求气缸盖有较高强度和较高的刚度，最好让气缸盖的结构不要太复杂，布置合理，厚度均匀，要能够使其内部快速的冷却。一个好的气缸盖它要符合抗热疲劳强，导热性能好，线膨胀系数小，高温疲劳强度高这几个标准。在组合中，高强度铸铁比铝合金好，所以内燃机的大部分气缸盖都是灰铸铁制成的。所以，用灰铸铁HT20-40的气缸盖材料设计。气缸盖的外形尺寸为：275*200*100，重量为4.8kg。2.2气缸盖的技术条件和分析2.2.1 尺寸精度分析气缸盖的底部与气缸相连，其他的面用来安装其他的零部件，要满足装配工艺的需求，所以对尺寸也有技术要求，长：2750.34；宽：200；高：1000.23。引导管孔和阀孔是重要的孔，这些孔对加载其上的力和定位安装的坐垫的要求都是很高的，导管孔直径：，进气门座孔直径，排气门座孔直径，两孔中心距为。2.2.2 几何精度分析气缸盖是整体式结构，他有缸中心距离和总体长度短，结构紧凑的优点。也有刚性、热应力、密封性较差的缺点。因为气缸盖的底面与缸体的接触面较大，所以很难保证密封性。因此对零件的几何形状要求较高，表面粗糙度不超过0.05毫米，也需要确保密封圈的密封性能和表面粗糙度的要求是0.1毫米。2.2.3 位置精度分析阀座、排气阀座孔深度的位置精度为80.1mm，燃烧室深度精度为360.1mm，紧固螺栓的密封性能要好，可以通过均匀分布螺栓孔来实现，以减少气缸盖承受载荷变形，位置精度公差为0.20mm。2.2.4 表面粗糙度气缸盖的底面与缸体接触，这就必须有较高的密封性，还要求能承受高温和高压，在这样的情况下往往会产生疲劳裂纹，所以要求表面粗糙度，而上顶面和左右两个侧面是。但是，前面，后面。导管孔和气门座孔要和导管及垫子配合，所以导管孔为， 进、排气门。其它的孔保证。凸台面要保证。 第三章 工艺规程设计3工艺规程设计3.1确定毛坯制造形式因为缸盖是箱体类零件，所以毛坯使铸件。灰铸铁比铝合金刚性好，加工性能好而且便宜，虽然导热系数较小，不易压缩，但还是要选灰铸铁作为材料。该零件是年产量很高的零件，所以用沙铸造，这样的毛坯精度高，生产率高，可以减少加工余量。3.2加工顺序的确定3.2.1气缸盖的结构分析 1) 所谓加工过程好，就是设计的零部件，在确保产品的性能合格，高生产率的前提下，低劳动力消耗，材料消耗和经济的成本加工出来。 (1)平面加工可以通过车削、铣削、刨削、镗削、磨削和切削加工等方式来加工平面。因为气缸盖的表面积很大，车削和镗削又很慢，所以不建议用这两种方式加工。磨削加工的精度虽然很高，但是同样它的效率也很低。对于刨削，零件是有精度要求的，刨削达不到。还有拉削，在国内应用不是很多。所以，对于精度较高的零件，需要加工的表面也很大，建议使用铣削。 (2)孔的加工气缸盖上有几十个孔，不是所有的孔都具有相同尺寸精度和位置精度。孔可以通过钻孔、扩孔、铰孔、铰孔、镗孔来加工，如何来选择呢？主要是通过孔的表面粗糙度来确定。3.2.2工艺路线的拟定首先就是要让零件的尺寸精度和位置精度符合要求。因为该零件需要大量生产，有一个办法，那就是用通用设备和专用设备一起作用，从而产生这样的生产模式。因为要大量生产，所以需要自动化程度高的机床、专用夹具和工具。使用自动线和流水线相结合的加工方式，不仅提高了效率，还降低了成本。1) 基准的选择 (1)粗基准气缸盖有五个要求不同的表面需要加工。底面的加工要求是比较高的，所以底面要在最后加工。只有这样才能保证加工要求的底面。在每一个表面，只有底部的表面面积较大，而且更光滑，以确保加工的稳定性和可靠性。(2)精基准底面与孔可以用一面两销来定位。为什么这样做: 不会因为更换位置造成误差，这样定位精度也有保证。 下底面的平面较大，安装比较稳定。 夹具的结构不复杂，安装方便。2) 加工方案(1)零件的上底面先粗铣，再半精铣，然后精铣。(2)零件的下底面先粗铣，再半精铣，然后精铣。(3)上下底面以外的平面先粗铣，再精铣。(4)对导管孔的加工先钻孔，再扩孔，然后粗镗，最后精镗。(5)对气道孔的加工先粗锪，再精锪。(6)对座孔的加工先扩孔，再镗孔，然后精铰。(7)对工艺孔的加工先钻孔，再铰孔。(8)不特殊孔的加工先钻孔，再扩孔。加工深孔的问题有:(1)切削不易排出，钻头容易断。(2)钻头的温度很难下降，这样使用时间不会太长。这也是一种钻孔的办法，能够保证零件的位置精度，不让其变形。3)加工阶段(1)首先，很重要的是零件的质量得有保证。(2)各种装备得充分的使用起来。(3)加工的同时不能忘了检查。(4) 先粗后精，不可同时，有顺序要求。(5) 其他的加工原则不能违背。从上面看得出来，零件的加工大概可以分下面几个阶段:第一阶段: 零件的各个表面进行粗精铣的加工。第二阶段:对排气阀孔和导向孔等进行加工。第三阶段: 接着进行倒角、扩孔、铰孔和攻丝。第四阶段: 最后就是对零件的各个部分进行装配。4) 具体的加工工序第一种 工序 工步内容 1 气缸盖铸造毛坯 2 查看毛坯 3 对气缸盖上顶面进行粗铣 4 对气缸盖的下底面进行粗铣 5 找到定位孔，进行扩孔 6 将气缸盖的侧面铣毛刺 7 将气缸盖的前面和后面铣毛刺 8 查看经过几步粗加工的零件 9 零件经过流水线后被夹住 10 对气缸盖的上平面进行半精铣 11 对气缸盖的下平面进行半精铣 12 对气缸盖的上平面进行精铣 13 对气缸盖的下平面进行精铣 14 对气缸盖上底面进行钻孔加工 15 再次查看经过半精加工过的气缸盖 16 对气缸盖的后面进行铣削加工和钻孔加工 17 对气缸盖的前面进行铣削加工和钻孔加工 18 查看经过半精加工过的气缸盖 19 将气缸盖旋转90度 20 对气缸盖的侧面进行铣削加工 21 对气缸盖进排气的侧面进行铣削加工 22 对气缸盖的侧面进行钻孔加工 23 对气缸盖侧面的孔进行攻丝 24 再将气缸盖旋转90度 25 对气缸盖的导管孔平面进行锪加工 26 对气缸盖的导管孔进行钻孔加工 27 对气缸盖的气道孔进行粗锪加工 28 对气缸盖的气道孔进行精锪加工 29 对气缸盖进行钻深油孔加工 30 对气缸盖的导管孔和座孔进行扩加工 31 流水线和机床自动卸下零件 32 查看零件 第二种 工序 工步内容 1 气缸盖铸造毛坯 2 查看毛坯 3 对毛坯的上底面进行粗铣加工 4 对毛坯的下底面进行粗铣加工 5 查看毛坯 6 通过流水线和机床进行零件的装夹 7 对零件的上平面进行半精铣加工 8 对零件的下底面进行半精铣加工 9 对零件的上平面进行精铣加工 10 对零件的下平面进行精铣加工 11 对零件的上底面进行钻孔加工 12 查看气缸盖 13 对气缸盖的后面进行铣削加工 14 对气缸盖的前面进行铣削加工 15 对气缸盖的两侧面进行铣削加工 16 对气缸盖的后面进行钻孔加工 17 对气缸盖的前面进行钻孔加工 18 查看钻过孔的气缸盖 19 将气缸盖旋转90度 20 对气缸盖的侧面进行钻孔加工 21 对气缸盖的侧面孔进行攻丝 22 再将气缸盖旋转90度 23 对气缸盖的导管孔平面进行锪加工 24 找到零件的导管孔位置，进行孔加工 25 对零件的气道孔进行粗锪加工 26 对零件的气道孔进行精锪加工 27 找到气缸盖深油孔的位置，进行钻孔加工 28 找到零件导管孔，座孔的位置，进行扩孔加工 29 经机床和流水线零件自动下来 30 查看气缸盖 5) 两种加工方法的比较第一种的加工方法是比第二种多了几步。在方案1中，气道的扩张和定位是根据气道的性质来寻找合适的加工过程。以气道为基础的几个过程，使加工过程中的孔相互作为基准，提高加工孔的位置精度。其次，在方案2中，其中的两步，先处理后表面，然后加工孔表面，体现了“先面后孔”的加工原理，但用方案1中的几步，内容处理完全相同，只是不一样的顺序处理。要比较两者，发现在方案1中，铣，刨，钻，等几个工作步骤，都是在一个位置，减少了安装时间，提高加工精度。比较看来还是第一种加工比较好。 第四章 确定零件的加工余量和毛坯尺寸4确定零件的加工余量和毛坯尺寸4.1确定机械加工余量加工余量太大，我们就会感到切削花的时间太长而且对刀具也有坏的影响；余量要是太小，首先就会影响加工的效率，甚至影响产品质量，甚至造成浪费。一般原则是：保证质量的前提下，尽量减少加工余量。气缸盖的毛坯是用HT20-40做的铸件，各个表面的加工余量是：上、下面可取4.5-6.0mm；两侧面、前、后面可取为3.0-5.0mm；铸造尺寸偏差，可取0.5mm。我们可以用Ab来表示被切的切削，在不考虑其他的情况下，没有被切的切削总和可以用Ab来表示，综上所述，则有：对零件的粗铣余量可以留A1，A1可以是2个毫米，对零件的半精铣余量可以留A2，A2可以是1.5个毫米，对零件的精铣余量可以留A3，A3可以是0.5个毫米，所以被切削的总的余量为和上面的思考方式相同，我们可以得到气缸盖一个侧面的加工余量可以为4个毫米，另一个侧面可以留2个毫米。4.2气缸盖的毛坯尺寸气缸盖的长度a是由零件的长度、零件前面被切削量、零件后面的被切削量和零件的尺寸偏差所组成，所以 气缸盖的宽度b是由零件的宽度、零件左侧的被切削量、零件右侧的被切削量和零件的尺寸偏差所组成，所以 气缸盖的高度c是由零件的高度、零件上底面的切削量和尺寸偏差所组成，所以 所以，气缸盖毛坯的尺寸为283*206*108。 第五章 确定切削用量和基本工时5确定切削用量和基本工时5.1切削用量的确定影响切削用量的因素我想是肯定有很多的，比如像生产率，加工质量，还有切削力引起的弹性变形，还有其他的一些。就一般情况而言，切削的深度还是大一点好，切削的进给量也是大一点好。但是，不能无休止的大下去。比如，加工的时候肯定会引起变形，那么就要求变形不能超过误差范围，还有也不能因为进给量的问题影响了表面的粗糙度。对于切削速度的选择也是有好几个标准的，比如要尽量不让刀具磨损，还得充分利用机床。还可以通过时间的长短来充分利用机床，就这次的设计而言，采用了复合刀具，这就要求切削速度尽量大，此外，组合机床有一个特点，是动力头的工作，每分钟进给量都是一样的，需要考虑的方面，只有妥善的方案，我们选择工具的结果是独立合理，选择一个中间值作为切削刀具参数。5.2基本工时的确定主要有以下几部分组成：1) 基本时间t加工零件所需要的时间。2) 辅助时间t零件的上下料，开机、关机，停车检查等所消耗时间。3) 工作和身体休息需要的时间t在工作时间，刀具调整，以确保其正常工作，砂轮，清除切割，擦试机床所消耗的时间，还有必要的休息时间。4) 准备时间t开始熟悉工艺处理的文件，接收毛坯，夹具，调整机床和一些需要调工艺设备所要花的时间。各个时间是这样计算的:基本的时间为计算长度与S做商后再与走刀次数的积。辅助的时间为百分之15个基本时间。服务的时间为百分之15个基本时间。准备的时间为百分之15个基本时间。单件的加工时间为基本时间、辅助时间和准备时间的总和，对单件加工时间检验大概是基本加工时间的1.35倍。如何计算定额的时间：t基=L的意思是零件的长度是多少I的意思是加工零件走了多少刀L1，L2的意思是总共超出的长度。 第六章 零件的装备和一些工序分析6零件的装备和一些工序分析6.1零件的装备和零件设计特点6.1.1 挑什么样的刀具挑到对的刀具就要看下面的内容：1)工件不能比刀还硬。2)大切削力加在刀具上，它要承受得住。3)刀具不仅要耐磨还要容易造出来。6.1.2 挑什么样的机床选择对的机床要看下面的内容了：1)首先他的重量一定要达标。2)再者他的工作效率不能低。3)第三个，性价比要高。6.1.3 辅助工具的选择1）有较高的生产率。2）能有良好的经济效果。6.1.4零件设计的特点1）尽量减少卸零件装夹的次数，这样可以保证零件符合图纸的要求。2）加工不仅仅是一把刀的事，它涉及到方方面面，还要遵循好多原则。3）还一点比较重要的是，他的生产率一定要高。6.2重点工序分析从这个图可以看出，主要是对导管孔、座孔和螺纹的加工：图1导管孔和其他孔的简图座孔和导管孔的同轴度不能超过0.05mm，和导孔与平面的垂直度误差为毫米。阀座孔的加工在这几个工序里面是比较重要的，需要加倍谨慎，不能不符合加工的要求。 第七章 夹具设计7夹具设计7.1问题的提出利用本夹具主要用来加工25.5的孔。它基本要满足下面三点：（1） 底面要与孔的轴线形成的夹角。（2） 孔要加工到这样的深度。（3） 最后就是让孔的内侧粗糙度有。7.2夹具设计7.2.1夹具的组成1) 定位装置2) 夹紧装置3) 夹具体4) 其它装置或元件7.2.2分析如何夹紧1)怎样确定零件的定位基准定位基准的选择最好就是我们一开始确定的设计基准。零件孔的加工是用粗镗和精镗加工出来的，还以零件的内侧作为一个基准面。气缸盖安在机床后，怎样来确定它的位置，主要是通过限制他的六个自由度，首先根据切削力和夹紧力来选择零件的内侧为平面，这一下就限制了三个自由度，还有三个自由度是在外面定位的，使用两个定位销来限制。2) 确定有多少夹紧点在确定夹紧力时，应遵循工件的低刚度原则，在正常的情况下，夹紧点多点还是好的，可以防止夹紧力过度集中从而使工件变形，但是，夹紧点如果太多的话，那么夹具就会越复杂，这就给加工带来了不便，所以，也不能太多。这次我们的气缸盖的材料是铸铁，而且加紧点多，夹紧力也分散，所以用四个夹块就能将其夹紧。3) 如何确定工件在哪夹紧 夹紧的位置一般都是选在平面的中心，而且夹紧力的方向和轴向力的方向不能相向，观看气缸盖的形状，选择从外面夹紧，从内侧加工。4) 夹具的种类都有哪些 夹具的种类有很多，都是应用在不同的情况下，常见的夹具有通用夹具、组合夹具、可调夹具、随行夹具等。而这些夹具并不能满足此次设计，所以我们要设计专门的夹具。5) 确定夹紧方式(动力装置)装夹装置中的功率发生装置的一部分称为功率器件，而功率器件通常用于气动、液压、电气等。夹紧装置直接与工件夹紧的工件表面接触并完成夹紧件称为夹紧元件。为什么选择液压是有道理的，液压的压力比气压大，而且安装在机床上时，液压缸的体积要比气压缸小得多。使用液压力还解决了一个问题，那就是每次手动压紧力不同的问题。7.3夹紧力的确定与计算7.3.1 确定夹紧力的方向和位置1) 工件原来的定位你是不可以改变的。2) 不能因为压紧就使工件变形而破坏了工件。3) 在能夹紧保证加工的情况下，夹紧力越小越好。所以，在气缸盖的外表面选四个作用点。7.3.2 夹紧力的计算 夹紧力： 公式中K的意思是安全系数 K= 公式中的意思是一般安全系数，在考虑了零件的夹紧没问题、零件材料没问题还有切削力没问题的情况下，这个值用1.4 。公式中的意思是加工性质系数。这个值取1。公式中的意思是刀具钝化系数。我们用1.4。公式中的意思是断续切削系数。我们这里用1.2。公式中的意思是夹紧力的稳定性，我们这里用1。经过上面的计算，安全系数用。公式中WK的意思是实际的夹紧力（N）；公式中P的意思是切削力（N）；通过上面的数值计算出轴向力为16.8N，最后算出夹紧力为38N。7.4定位元件的设计1) 为了增加孔心线。2) 因为连接线与第二个销是相互垂直的，所以工件可以任意旋转。3) 边切销垂直于中心线，保证切割强度，一般用菱形结构。 选取“一面两销”的定位方式是有它的道理的：1）六个自由度能够保证零件定位可靠，六个自由度也好保证。2）五个表面他都可以集中处理，而且不影响孔的位置精度。3）“一面双孔”的定位一直贯穿着工件的加工，从而保证了零件的加工精度，避免了安装误差，这也提高了加工的效率。4）自动定位和夹紧，并能防止切削在基准位置掉落。7.5求取零件的定位误差1) 销的直径 公式中 b的意思是销的宽度； 公式中是公差的意思，两个中心孔的； 公式中也是公差的意思，定位销的； 公式中的意思是间隙，销与孔配合时用的，； 公式中的意思是最小直径，圆柱销定位孔的，计算结果是 图2 误差的示意图2) 如何去确定零件的转角误差 公式中的意思是公差，菱形销定位孔直径的；公式中的意思也是公差，菱形销的直径；公式中的意思是配合间隙，菱形销与孔的。 从上面的公式可以得到： 最终当工件旋转时，转角误差不能超过0.02度。3) 基准位移误差 4) 基准不重合误差参考误差根据什么来确定，通过工件的定位基准还有尺寸的的投影，最后决定误差=0。上面两个误差有结果后，可以知道定位误差。最后这个结果比工件位置度的三分之一还小，所以取0.01mm。7.6夹具本身的设计夹具和气缸盖一样都是铸造而形成箱体类零件，要保证每个面的厚度有35mm，有这么厚就有了足够的力来夹零件，因为是铸造的，所以他的刚度是有保证的，在对零件进行加工的时候，不会造成什么偏差。夹具本身也是通过螺栓连接安装在机床上。7.7其它元件的设计这都是一些辅助的器件，如连杆、推杆、齿轮、轴等等。7.8轴的设计如图3：图3 轴的简图1) 轴的结构如图所示 (1) 算出轴的最小直径根据材料力学，轴的扭转强度条件为 公式中T的意思是扭转切应力；公式中T的意思是传递转距；公式中P 的意思是传递功率；公式中N的意思是转速；公式中WT的意思是抗扭截面系数；公式中T的意思是许用转距切应力。所以最小直径d0min（单位为mm）为 式中 C计算常数。(2) 确定轴各个段的直径和长度(3) 轴上各个方向的零件是怎样固定的 通过键连接的是周向上的零件；通过螺母和垫片连接的是轴向上的零件。(4) 对轴进行工艺分析 轴应该便于加工、安装，还要方便维修，利于制造，成本还不能高。 (5) 提高轴的强度和刚度的措施调制处理。2) 算出该轴的强度 (1) 轴的转矩T算一下：液压泵的转速是每分钟一千转；液压油的工作压力为5.9兆帕；则 传递功率：则 (2) 齿轮上的受力计算一下：(3) 进行受力分析支承反力得计算如下：水平面上的计算出来：垂直面上的计算出来：水平面上的计算出来， 垂直面上的计算出来， 最后的弯矩计算出来， (4) 画弯矩图图4弯扭矩图3) 找出需要校核的截面 因为支撑力都在右侧，所以右侧比较危险，只要校核轴的右侧就行了。4) 校核轴的弯扭强度右侧支撑点得力的大小相同，方向相反。5)校核下疲劳强度安全系数查资料知：，。
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