设计气门摇杆轴支座零件的机械加工工艺规程及专用夹具-机械制造工艺学课程设计.doc

机械制造工艺学
课程设计说明书

设计题目：设计气门摇杆轴支座零件的机械加工工艺规程及工艺装备

2010-12-30

机械制造工艺学课程设计任务书

题目：设计气门摇杆轴支座零件的机械加工工艺规程及专用夹具
内容：（1）零件一毛坯合图 1张
（2）机械加工工艺规程卡片 9张
（3）夹具装配总图 1张
（4）夹具零件图 1张
（5）课程设计说明书 1份
原始资料：该零件图样一张；生产类型为中批生产。

目录

第一部分：
设计目的……………………………………………… 1
第二部分：设计步骤
一、零件的作用……………………………………… 1

二、确定毛坯，画毛坯——零件合图……………… 2

三、工艺规程设计…………………………………… 2

四、夹具设计………………………………………… 9

参考文献……………………………………………… 13

设计目的：
机械制造工艺学课程设计是在学完了机械制造工艺学(含机床夹具设计)和大部分专业课，并进行了生产实习的基础上进行的一个教学环节。这次设计使我们能综合运用机械制造工艺学中的基本理论，并结合生产实习中学到的实践知识，独立地分析和解决工艺问题。初步具备了设计一个中等复杂程度零件（气门摇杆轴支座）的工艺规程的能力和运用夹具设计的基本原理和方法，拟订夹具设计方案，完成家具结构设计的能力，也是熟悉和运用有关手册，图表等技术资料及编写技术文件技能的一次实践机会，为今后的毕业设计及未来从事的工作打下良好的基础。
一、零件的分析

（一） 零件的作用
气门摇杆轴支座是柴油机一个主要零件。是柴油机摇杆座的结合部，Ø20（+0.10—+0.16）孔装摇杆轴，轴上两端各装一进气门摇杆，摇杆座通过两个Ø13mm孔用M12螺杆与汽缸盖相连，3mm轴向槽用于锁紧摇杆轴，使之不转动。其零件图如下图：

（二）零件的工艺分析
由附图1得知，其材料为HT200。该材料具有较高的强度，耐磨性，耐热性及减振性，适用于承受较大应力，要求耐磨的零件。
该零件上主要加工面为上端面，下端面，左右端面，2-Ø13mm孔和Ø20（+0.1——+0.06）mm以及3mm轴向槽的加工。
Ø20（+0.1——+0.06）mm孔的尺寸精度以及下端面0.05mm的平面度与左右两端面孔的尺寸精度，直接影响到进气孔与排气门的传动精度及密封，2——Ø13mm孔的尺寸精度，以上下两端面的平行度0.055mm。因此，需要先以下端面为粗基准加工上端面，再以上端面为粗基准加工下端面，再把下端面作为精基准，最后加工Ø20（+0.1——+0.06）mm孔时以下端面为定位基准，以保证孔轴相对下端面的位置精度。
由参考文献（1）中有关孔的加工的经济精度机床能达到的位置精度可知上述要求可以达到的零件的结构的工艺性也是可行的。

二、确定毛坯，画毛坯—零件合图（附图2）

根据零件材料确定毛坯为铸件，通过计算，该零件质量约为3Kg，其生产类型为中批生产，毛坯的铸造方法选用砂型机器造型造型。此外，为消除残余应力，铸造后安排人工时效处理。
参考文献（1）表2.3—12；该种铸造公差等级为CT10~11级，加工余量等级MA为H级。故取CT为10级，MA为H级。
参考文献（1）表2.3-12，用查表方法确定各表面的加工余量如下表所示：

表1 各加工表面总余量
加工表面
基本尺寸
加工余量等级
加工余量数值
说明
上端面
40mm
H
4mm
单侧加工
下端面
50mm
H
3mm
单侧加工
左端面
35mm
H
3mm
单侧加工
右端面
35mm
H
3mm
单侧加工

参考文献（1）表2.3-12，铸件主要尺寸的公差，如表2

表2 主要毛坯尺寸及公差

主要面尺寸
零件尺寸
总余量
毛坯尺寸
尺寸公差
下端面
50mm
—
50mm
4
下端面距上端面尺寸
78mm
3+4
85mm
2.8
下端面距Ø20的中心孔尺寸
60mm
3
63mm
2.8
三、工艺规程设计

（一） 定位基准的选择：
精基准的选择：气门摇杆轴支座的下端面既是装配基准又是设计基准，用它作为精基准，能使加工遵循基准重合的原则，实现V形块定位方式（V形块采用联动夹紧机构夹紧）。Ø20（+0.1——+0.06）mm孔及左右两端面都采用底面做基准，这使得工艺路线又遵循“基准统一”的原则，下端面的面积比较大，定位比较稳定，夹紧方案也比较简单，可靠，操作方便。
粗基准的选择：考虑到以下几点要求，选择零件的重要面上端面作粗基准。
在保证各加工面均有加工余量的前提下，使重要孔或面的加工余量尽量均匀，此外，还要保证定位夹紧的可靠性，装夹的方便性，减少辅助时间，所以粗基准为上端面。
在钻、镗削Ø20（+0.1——+0.06）mm孔时可有两种夹紧方案：
方案一：用一菱形销加一圆柱销定位两个Ø13mm的孔，再加上底面定位实现一面两销完全定位，这种方案适合于大批生产类型中。
方案二：用V形块定位
V形块采用联动夹紧机构实现对R10的外圆柱表面进行定位限制5个自由度，再加底面限制1个自由度实现完全定位。由于Ø13mm孔的表面精度不是很高，故用做定位销孔很难保证精度，所以选择方案二。
（二） 制定加工工艺路线
根据各表面加工要求，和各种加工方法能达到的经济精度，确定各表面及孔的加工方法如下：
上端面：粗铣；下端面：粗铣—精铣；左端面：粗铣—精铣；右端面：粗铣—精铣
2—Ø13mm孔：钻孔；Ø20（+0.1—+0.006）mm：钻孔—粗镗—精镗；3mm 轴向槽—精铣
因左右两端面均对Ø20（+0.1—+0.006）mm孔有较高的位置要求，故它们的加工宜采用工序集中原则，减少装次数，提高加工精度。
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，将粗铣上端面和钻两通孔放在前面，下端面的精铣放在后面，每一阶段要首先加工上端面后钻孔，左右端面上Ø20（+0.1—+0.006）mm孔放后面加工。初步拟订加工路线如下：

工序号
工序内容

铸造

时效

涂漆
10
车上端面
20
钻两通孔
30
铣左右端面
40
精铣下端面
50
钻通孔¢18mm
60
镗孔Ø20mm，孔口角1x45度
70
铣左端面
80
铣轴向槽
90
检验
100
检查各部分精度和尺寸
110
入库
上述方案遵循了工艺路线拟订的一般原则，但某些工序还有一些问题还值得进一步讨论。如车上端面，因工件和夹具的尺寸较大，在卧式车床上加工时，它们惯性力较大，平衡困难；又由上端面不是连续的圆环面，车削中出现断续切削容易引起工艺系统的震动，故改动为铣削加工。
工序30应在工序20前完成，使上端面在加工后有较多的时间进行自然时效，减少受力变形和受热变形对2—Ø13mm通孔加工精度的影响。
修改后的工艺路线如下：

序号
工序内容
简要说明

10
20
30
40
50
60
70
80
90
100

铸造
时效
涂漆
粗铣下端面
粗铣上端面
粗铣左右端面（同时，不准调头）
钻两通孔¢13
精铣下端面
精铣左右端面（同时，不准调头）
钻通孔Ø18
镗孔到Ø20，孔口倒角0.5*45度
粗精铣轴向槽
检验
入库

消除内应力
防止生锈
减小加工粗基准面误差
加工粗基准面
保证左右端面的跳动度
先面后孔
加工精基准
保证左右端面的跳动度

后镗削余量

（三）选择加工设备及刀、夹、量具
由于生产类型为中批生产，故加工设备适宜通用机床为主，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动均由人工完成。
粗铣下端面：考虑到工件的定位夹紧方案及夹具结构设计等问题，采用立铣选择X51立式铣床。（参考文献（1）表6-18），选择直径D为Ø80mm面铣刀，参考文献（1）表7-88，通用夹具和游标卡尺。
粗铣上端面：采用上述相同的机床与铣刀，通用夹具及游标卡尺。
精铣下端面：采用上述相同的机床与铣刀，通用夹具及游标卡尺。
粗铣左端面：采用卧式铣床X6132，参考文献（1）表6—21，采用以前的刀具，专用夹具及游标卡尺。
精铣左端面：采用卧式铣床X6132,参考文献（1）表6—21，专用夹具及游标卡尺。
钻2xØ13mm孔：采用Z525，参考文献（1）表6—26，通用夹具。刀具为d为Ø13.0的直柄麻花钻，参考文献（1）表7—111。
钻Ø18孔：钻孔直行为Ø18mm，选择摇臂钻床Z525参考文献（1）表6—26，采用锥柄麻花钻，通用夹具及量具。
镗Ø20（+0.1——+0.06）mm孔：粗镗：采用卧式镗床，选择功率为1.5KM的ITA20镗削头，参考文献（1）。选择镗通孔镗刀及镗杆，专用夹具，游标卡尺。

（四）、加工工序设计
工序10：粗铣下端面
(1)加工条件
工件材料：HT200,=170~240MPa，铸造;工件尺寸：=13，l=36;
加工要求：粗铣上端面加工余量4
机床：X51立式铣床；刀具：立铣刀。
铣削宽度ae≤90,深度ap≤6,齿数z=12,故根据《机械制造工艺设计简明手册》表3.1，取刀具直径d0=80。根据《切削用量手册后》表3.16，选择刀具前角γ0＝0°后角α0＝16，副后角α0’=8°，刃倾角：λs=－10°,主偏角Kr=60°,过渡刃Krε=30°,副偏角Kr’=5°。
(2)切削用量
1）确定切削深度ap
根据手册等，选择ap=1.15，两次走刀即可完成。
2）确定每齿进给量fz
由于本工序为粗加工，尺寸精度和表面质量可不考虑，从而可采用不对称端机床功率为4.5kw（据《简明手册》表4.2-35，X51立式铣床）选择： fz=83.9mm/min。
3）确定刀具寿命及磨钝标准
根据《切削手册》表3.7，铣刀刀齿后刀面最大磨损量为1.5mm；由于铣刀直d0=80，故刀具使用寿命T=180min（据《简明手册》表3.8）。
4）计算切削速度vc和每分钟进给量vf
根据《切削手册》表3.16，当d0=80，Z=12，ap≤7.5，fz≤0.18mm/z时，vt=98m/min,nt=250r/min,vft=471mm/min。各修正系数为：kMV= 1.0，kSV= 0.8。 切削速度计算公式为：

其中 ，，，，，，，，，，，，
将以上数据代入公式：

确定机床主轴转速： 。
根据《简明手册》表4.2-36，选择,因此，实际进给量和每分钟进给量为：
=

5)校验机床功率
根据《切削手册》表3.24，近似为,根据机床使用说明书，主轴允许功率。
故校验合格。最终确定:

6)计算基本工时
，
查《切削手册》表3. 26，入切量及超切量为：则：

工序20 粗铣上表面
粗铣上端面： 刀具，机床与上到工序相同，得出
,

工序30 粗铣左右端面
粗铣左右端面：同时粗铣左右端面，圆盘铣刀一次加工完成不准调头
计算切削用量： =2
由 《机械加工工艺手册》表15.53可知：

由《切削用量手册》表9.4-8可知：
Vt=10.91m/s,nt=1.35r/s,Vft=1.70m/s
各系数为

所以有 V=0.34x0.69x0.8=0.19m/s
V=0.75r/s
V=0.94mm/s
取
所以实际切削速度：
确定主轴转速：

切削工时：
工序40 钻两¢13通孔
钻孔
查《机械制造工艺设计手册》表3-38，取
查《机械制造工艺设计手册》表3-42，取

查表《机械制造工艺设计简明手册》4.2-15，机床为Z525，选择转速

实际切削速度：
v==
切削工时带入公式：
工序50 精铣下端面与工序10相同。.
工序60 精铣左右端面与工序30相同
工序70 钻通孔Ø18
钻通孔Ø18，工序步骤与工序20#相同，代入数据得出结果:
,

工序80 镗孔到Ø20
因精镗与粗镗的定位的下底面与V型块，精镗后工序尺寸为20.02±0.08，与下底面的位置精度为0.05,与左右端面的位置精度为0.06, 且定位夹、紧时基准重合，故不需保证。0.06跳动公差由机床保证。粗镗余量取为1.8，精镗切削余量为0.2,精镗后尺寸为20H8,各工步余量和工序尺寸公差列于下表
表3.2 各工步加工尺寸
加工表面
加工方法
余量
公差等级
工序尺寸及公差

粗镗

___

精镗

粗镗孔时因余量为1.8,故ap=1.8,
查《机械制造工艺设计手册》2-8
V=0.4m/s=24m/min
取进给量为 f=0.02mm/r

故实际切削速度为：
此时作台每分钟进给量应为：

计算切削基本工时：

工序90 粗精铣轴向槽：
加工条件：机床：x6132卧式铣.床.
刀具：直齿三面刃铣刀其中 d=80, z=18
计算切削用量：
由《机械加工工艺手册》表15-53，表15-55可知：

确定主轴转速：
切削工时： tm=0.75min

四、夹具设计

本次设计的夹具为第5道工序粗——精镗Ø20（+0.1—+0.06）mm孔。该夹具为双支承前后引导镗床夹具。
1.确定设计方案
该孔的设计基准为下端面，故以下端平面做定位基准，实现“基准重合”原则；另加两Ｖ形块从前后两方向实现对R10的外圆柱面进行夹紧，从对工件的结构形状分析，若工件以下端面朝下放置在支承板上，定位夹紧就比较稳定，可靠，也容易实现。
工件以下端面在夹具上定位，限制了三个自由度，其余三个自由度也必须限制。用哪种方案合理呢？
方案1　在2—Ø13的通孔内插入一现边销限制一个移动自由度，再以两孔的另一个孔内侧面用两个支承钉限制一个移动自由度和一个转动自由度。这种定位方案从定位原理上分析是合理的，夹具结构也简单。但由于孔和其内侧面均不规定其精密度，又因结构原因，夹紧力不宜施加在这样的定位元件上，故工件定位面和定位元件之间很可能会接触不好，使定位不稳定。这个方案不宜采用。
方案2　用两个V形块夹紧前后两外圆柱面，用两铰链压板压在工件的下端，这样就限制了两个移动自由度和一个转动自由度，这种方案定位可靠，可实现完全定位。
2.计算夹紧力并确定螺杆直径
参考文献（3）表1－2－11，因夹具的夹紧力与切削力方向相反，实际所需夹紧力F夹与切削力F之间的关系F夹＝KF
安全系数Ｋ在夹紧力与切削力方向相反后时，K=3，由前面的计算可知
F=1452.3N
所以F夹＝KF＝3x1452.3=4356.9N
F0= F夹/2=1178.4（N）
参考文献3表1-24，从强度考虑，用一个M10的螺柱完全可以满足要求，M10
3.定位精度分析
Ø20（+0.10—+0.16）孔的精加工是在一次装夹下完成的，具体采用的是前后支撑引导的夹具机构，机床与镗杆之间所采用的是浮动连接，故机床主轴振动可略不计，Ø20（+0.10—+0.16）孔的加工精度主要由镗模来保证。
图见附表。
因为孔的轴线与底面的平行度要求为0.05。故两镗模装配后同轴度要求应小于故两镗模装配后同轴度要求应小于0.05，又因为镗套与镗杆Ø18 H6（+0.03—0）/h5(0—-0.009)，其最大间隙为
Xmax=0.013+0.009=0.022mm
=0.022/310=0.00007
被加工孔的长度42mm
取两孔同轴度误差为0.03mm
则 ΔT1=2×42×0.00007=0.006
ΔT2=0.03mm
所以ΔT=ΔT1+ΔT2=0.036
又以为
0.036<0.05
0.006<0.06
所以夹具能满足零件加工精度的要求。
4.定位元件与夹紧装置的设计
(1)定位元件
定位元件是用来确定工件正确位置的元件。被加工工件的定位基面与夹具定位元件直接接触或相配合。工件定位方式不同，夹具定位元件的结构形式也不同，V形块定位，工件的定位基准始终在V型块两定位面的对称中心平面内，对中性好，能使工件的定位基准轴线在V形块两斜面的对称平面上，而不受定位基准直径误差的影响，其次V形块定位安装方便。本设计中采用两个Ｖ形块（图4.1）夹紧前后两外圆柱面，用压板压在工件的下端，这样就限制了两个移动自由度和一个转动自由度。其次设计中，采用了定位块保证工件在加工时，螺杆和工件不会偏移。
(2)夹紧装置的设计
夹紧装置是使工件在外力作用下仍能保持其正确 定位位置的装置。本设计采用的夹紧装置是一对螺旋 压板夹紧机构。螺旋夹紧机构具有结构简单、制造容易、自锁性能好、夹紧可靠，是手动夹紧中常用的一种夹紧机构 。其结构如图4.2所示
(3)镗模与夹具体的设计
①镗模的设计
1-v形块 2-支座
I镗套 图4.1 v形块
本设计镗套采用轴承外滚式镗套，作用：回转精度低，但是刚性好，适合适合转速高的粗加工和精加工。其与镗杆的配合主要采用H7/h6/h5。精加工时，镗套内孔的圆度公差取被加工孔的圆度公差的1/6或者1/5。镗套内外圆的同轴度一般小于0.005～0.01。如图4.3所示，滚动轴承外滚式回转镗套，镗套2支承在两个滚动轴承上，轴承安装在镗模支架 1的轴承孔中，轴承孔的两端用轴承端盖3封住。这种镗套采用标准滚动轴承，所以设计、制造和维修方便，镗杆转速高，一般摩擦面线速度 v＞ 0.4m/s 。但径向尺寸较大，回转精度受轴承精度影响。可采用滚针轴承以减小径向尺寸，采用高精度轴承提高回转精度。

II.镗杆
镗杆的直径按经验公式一般去d=（0.7～0.8）D，一般应大于25，不得小于15。同根镗杆的直径应相同，便于制造和保证加工加工精度。
主要的技术参数：
导向部分的圆度和圆柱度的公差为其直径的1/2；
镗杆的同轴度在500内为0.01；
镗杆的传动销孔轴线和镗杆轴线的垂直度和位置度均小于0.01；
导向部分的表面粗糙度R一般在0.8～0.4，刀孔的表面粗糙度在0.4.[17]
1-镗模支架 2-镗套 3-轴承套
图4.3 镗套
②夹具体
夹具体是用于连接夹具各元件及装置,使其成为一个整体的基础件,并与机床有关部位连接,以确定夹具相对于机床的位置.
其在设计时应满足以下基本要求:
I.应有足够的强度和刚度保证在加工过程中, 夹具体在夹紧力,切削力等外力作用下,不至于产生不允许的变形和震动.
II.结构应简单,具有良好工艺性. 在保证强度和刚度条件下,力求结构简单,体积小,重量轻,以便于操作.
III.尺寸要稳定.对于铸造夹具体,要进行时效处理,以消除内应力.保证夹具体加工尺寸的稳定.
IV.便于排屑为防止加工中切削聚积在一起定位元件工作表面或其他装置中,而影响工件的正确定位和夹具的 正常工作,在设计夹具体时,要考虑切削的排除问题.
选择夹具体毛坯结构时,应以结构合理性,工艺性,经济性,标准化的可能性以及工厂的具体条件为依据综合考虑.
零件图，零件——毛坯合图另附

参 考 文 献
【1】 邹青主编 《机械制造技术基础课程设计指导教程》机械工业出版社
【2】 李华主编 《机械制造技术》高等教育出版社出
【3】 刘登平主编《机械制造工艺及机床夹具设计》北京理工大学出版社
【4】 刘友才，肖继德主编 .《机床夹具设计》.机械工业版社
【5】 马霄主编《互换性与测量技术基础》北京理工大学出版社
【6】孟少农主编《机械加工工艺手册.》机械工业出版社
【7】李益民主编《机械制造工艺设计简明手册》机械工业出版社
【8】薛源顺主编《机床夹具设计》机械工业出版社