4110发动机飞轮壳零件加工工艺与夹具设计毕业论文.doc

第1章　绪 论

1.1 选题背景和目的意义
飞轮壳是发动机上一个重要的基础件，作用是连接发动机与变速器，承担发动机及变速器的部分重量，保护离合器和飞轮，而且还是发动机的支撑部件。该零件结构复杂，形似盆状，薄壁，盆底定位面有1/3悬空，工件的刚性差，加工时易变性，属难加工零件。在选材中，了解其加工工艺，并在工艺设计中，合理安排加工工序，设计合理的夹具，对产品的最终质量具有十分重要的意义[1]。
夹具设计一般是在零件的机械加工工艺过程制订之后按照某一工序的具体要求进行的。制订工艺过程，应充分考虑夹具实现的可能性，而设计夹具时，如确有必要也可以对工艺过程提出修改意见。夹具的设计质量的高低，应以能否稳定地保证工件的加工质量，生产效率高，成本低，排屑方便，操作安全、省力和制造、维护容易等为其衡量指标。
飞轮壳是汽车发动机上的重要部件，它是连接发动机和变速器的主要零件。其结构和加工工艺直接影响零件的性能。在飞轮壳结构复杂，加工部位除了前后端面及孔之外，在周边，不同的角度上有平面加工和孔的加工。工艺设计是工艺规划的前提和基础，是连接产品设计和生产制造的重要纽带。产品的制造可以采用几种工艺方案，零件加工也可以采用不同设备、不同的加工方法。不同的工艺方案。同样一个产品，使用不同的工艺方法进行加工，就会产生不同的质量、不同的成本。飞轮壳的主要功能是实现发动机与变速器的有效联接，通过它的变化，同一型号的发动机可以搭载不同型号的汽车，飞轮壳大多采用灰铸铁铸造毛坯，材料结构特点是壁厚不均匀，加工的部位多，加工难度大，各个加工面和加工孔均要求较高的精度。其与发动机及离合器连接的两个面面积较大，压铸容易产生变形，并且变形量不容易控制，两个面连接孔必须进行机械加工 [2]。
夹具广泛应用于各种制造过程中，用以将工件定位并牢固的夹持在一定的位置，以便按照产品设计设计规定完成要求的制造过程，一个好的夹具不论在传统制造，还是现在知道系统，都起着十分重要的作用，夹具对加工质量、生产率和产品成本有直接的影响。保证加工精度，采用夹具安装，可以准确的确定工件与机床、刀具之间的相互位置，工件的位置精度由夹具保证，不受工人技术水平的影响，其加工精度高，提高了生产率。用夹具装夹工件，可以迅速定位夹紧。扩大机床的工艺范围，使用专用夹具可以改变原机床的用途和旷达机床的使用范围，实现一机多能。采用夹具安装，可以准确地确定工件与机床、刀具之间的相互位置，工件的位置精度由夹具保证，不受工人技术水平的影响，其加工精度高而且稳定。用夹具装夹工件，无需找正便能使工件迅速地定位和夹紧，显著地减少了辅助工时、多工位夹具装夹工件，并采用高效夹紧机构，这些因素均有利于提高劳动生产率。针对4110发动机飞轮壳零件进行加工工艺和夹具设计，另外，采用夹具后，产品质量稳定，废品率下降，可以安排技术等级较低的工人，明显地降低了生产成本 [3]。
除根据4110发动机飞轮壳确定参数，并完成发动机飞轮壳的工艺设计外，根据飞轮壳的工作条件和结构设计中的确定的材料性能，进行该飞轮壳毛坯和机械加工的工艺路线和加工方法的设计及专用夹具设计。同时，该设计还培养了我综合运用所学知识，独立完成产品设计的能力，以及分析和解决问题的能力。
1.2 国内外研究现状及发展趋势
飞轮壳产品是从2003年开始，比如康明斯、道依茨、卡特彼勒、水星等一些公司已经在中国寻找供应商，他们在中国设立了负责供应商目前国内生产飞轮壳的厂子不是很多，年产量一般不超过40万件。市场分散造就资源的分散，无法形成规模效益，所以谁先能创新，谁先能投入新的工艺，谁就可能形成新的发展趋势，才能占领新的市场。
目前现代生产要求企业所制造的产品品种经常更新换代，以适应市场的竞争与需求。然而，一般企业都仍习惯于大量采用传统的专用夹具，每隔三四年就要更新很多专用夹具。而夹具的实际磨损仅为10～20﹪左右。特别是近年来，数控机床、加工中心、成组技术、柔性制造系统等新加工技术的应用，对机床夹具提出了许多新的要求例如能迅速方便地装备新产品的投产，以缩短生产准备周期，降低生产成本；能装夹一些特征的工件；提高机床夹具的标准化程度。
夹具是机械加工不可或缺的部件，在机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展的带动下，夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济方向发展。
1.高精随着机床加工精度的提高。
2.高效为了提高机床的生产效率。
3.模块、组合夹具元件模块化是实现组合化的基础。
4.通用、经济夹具的通用性直接影响其经济性 [4]。
1.3 设计研究的主要内容
本设计研究的主要内容包括发动机飞轮壳的工艺规程编制、典型工序夹具设计及夹具的绘制。具体内容归纳如下：
1．4110发动机飞轮壳加工方案设计；
2．4110发动机飞轮壳工艺卡片的编制；
3．专用夹具工艺设计；
4．零件及钻床夹具的流程设计；
5．误差计算。

第2章　4110飞轮壳的制造工艺分析

2.1　飞轮壳结构特点及主要技术要求
2.1.1　飞轮壳的用途及结构特点
飞轮壳安装于发动机与变速箱之间，外接曲轴箱、启动机、油底壳，内置飞轮总成，起到连接、防护和载体的作用。飞轮壳的前端面与发动机的机箱联结，后端面内孔mm与飞轮盖配合，飞轮飞轮壳内高速转动。
飞轮在高速旋转的过程中，飞轮壳起到连接、防护和载体的作用，因此该零件应具有足够的强度且应具有较强的耐磨性，以适应飞轮壳的工作条件。该零件的主要工作表面为前端面、后端面、后端面内孔mm和马达孔mm，其表面粗糙度均为3.2，在设计工艺规程时应重点予以保证。
2.1.2　分析飞轮壳的技术要求
4110飞轮壳选用的材料为HT200，珠光体灰铸铁。该材料强度、硬度相对较高，具有良好的减振性，对机械振动起缓冲作用，从而阻止振动能量的传播；具有优良的耐磨性，缺口敏感性小，外来缺口对灰铸铁的疲劳强度影响甚微，从而增加了零件工作的可靠性。因此被广泛地用来制作各种承受压力和要求消振性的床身、机架、结构复杂的箱体、壳体。
4110飞轮壳形状简单，结构比较复杂，属壳体类零件。为实现飞轮壳连接、防护和载体的作用，其后端面内孔与飞轮盖的配合，因此加工精度要求较高。飞轮壳在工作过程中需要有良好的耐磨性，为增强其切削加工性能，去除内应力，该工件要求经过退火处理，硬度范围175～225HBS[5]。
前端面的平面度0.12mm直接影响飞轮壳与发动机箱体的接触精度及密封，且前端面中心线与后端面孔中心线的垂直度要求为0.15mm。
后端面的平面度0.15mm以及与前端面的平行度0.25mm保证了其与其他零件和接触精度；与内孔的圆跳动0.25mm则保证了飞轮在飞轮壳内的正常运转。
后端面孔要与其他零件配合，为了保证配合精度，相对与X轴、Y轴确定其位置度为0.3mm。
分析该飞轮壳的技术要求，并将其全部技术要求列于表2.1中。
表2.1 飞轮壳零件技术要求表
加工表面
/mm
尺寸及偏差
/mm
公差及
精度等级
表面粗糙度
/mm
飞轮壳
前端面
79±0.2
0.2，IT9
3.2
飞轮壳
后端面
79±0.2
0.2，IT9
3.2
后端面孔416

0.097，IT9
3.2
前端面定位孔
2-12.7

IT7
1.6
周边平面
190±0.15
154±0.15
0.15，IT11
6.3
飞轮壳马达孔82

0.087，IT9
3.2
前端面孔4-17

IT11
12.5
周边螺孔4-M12
M12
IT11
12.5
后端面螺孔
10-M10-7H
M10
IT9
6.3
前端面孔2-13
13
IT11
12.5
前端面马达螺孔
2-M12-7H
M12
IT9
6.3
周边面螺孔
4-M6-7H
M6
IT11
12.5
前端面定位孔2-mm在其后的精加工中将作为精基准，为保证位置的准
确，其自身的位置度为0.1mm。
前端面孔4-mm将直接影响飞轮壳与发动机箱体的装配，为保证装配精度，相对于X轴、Y轴确定其位置度为0.3mm。
前端面马达螺孔2-M12-7H影响飞轮壳与马达的装配，为保证装配精度，相对于马达孔中心线的位置度为0.4mm。
综上所述，该飞轮壳的各项技术要求制订的合理，符合该零件在工作中的功用。
2.1.3　审查飞轮壳的工艺性
分析零件图可知，飞轮壳前后两端面均要求切削加工，并在轴向方向上均高于相临表面，这样既减少了加工面积，又提高了工作时飞轮壳端面的接触刚度；前端面定位孔2-mm、孔4-mm的端面均为平面，可以防止加工过程中钻头钻偏，以保证孔的加工精度；另外，该零件除主要工作表面（飞轮壳前后两端面，后端面孔mm、前端面定位孔2-mm、马达孔mm）外，其余表面加工精度均较低，不需要高精度机床加工，通过铣削、钻床的粗加工就可以达到加工要求；而主要工作表面虽然加工精度相对较高，但也可以在正常的生产条件下，采用较经济的方法保质保量地加工出来。由此可见，该零件的工艺性较好。
2.2 飞轮壳毛坯及制造工艺
2.2.1　选择毛坯
由飞轮壳的技术要求分析可知，其材料为HT200，故毛坯选择铸件。由于要求铸件精度高、具有良好表面质量与机械性能，所以选择砂型铸造中的金属模机器造型，其生产效率较高，适用于大批大量生产[6]。
2.2.2　分析毛坯制造工艺
飞轮壳的材料HT200为珠光体灰口铁。其特性是该材料能承受较大的应力（抗拉强度达200MN/；抗弯强度达400MN/）。其金相组织结构为铁素体和渗碳体组成的机械混合物，由于它是硬的渗碳体和软的铁素体相间组成的混合物，所以其机械性能介于铁素体和渗碳体之间，故强度较高，硬度适中，有一定的塑性，从金相组织显微来看，铸铁中化合碳正好等于0.77%，珠光体中的铁素体与渗碳体一层层交替间隔，呈片状排列，而其余的碳是以片状石墨状态存在，使切削过程中切屑不能连续成形。
由于灰铸铁属于脆性材料，故不能锻造和冲压。灰铸铁的焊接性能很差，如焊接区容易出现白口组织，裂纹的倾向较大。但灰铸铁的铸造性能和切削加工性能优良。
由于飞轮壳尺寸较大，形状较为复杂，毛坯宜用铸件。此外，灰铸铁一般不需要热处理，但消除残余应力，铸造后应安排时效处理。
2.2.3　确定毛坯的尺寸公差和机械加工余量
查加工工艺手册大批量生产的毛坯铸件的公差等级知：砂型铸造机器造型和壳型灰铸铁的公差等级CT为8～12，故取CT为10。
查加工工艺手册毛坯铸件典型的机械加工余量等级知：砂型铸造机器造型和壳型灰铸铁的要求的机械加工余量等级为E～G，故取为G。
查加工工艺手册铸件尺寸公差和要求的铸件机械加工余量确定该铸件的尺寸公差和机械加工余量，所得结果列于表2.2中。
表2.2 飞轮壳铸造毛坯尺寸公差及机械加工余量
项目/mm
尺寸公差/mm
机械加工余量/mm
厚度79
3.2
4
孔径416
5
3.7
孔径82
3.2
1
宽度190
4
2.8
宽度154.7
3.6
2.2
2.3　加工的工艺规程
2.3.1　定位基准的选择
1.精基准的选择
根据该飞轮壳零件的技术要求和装配要求，选择飞轮壳的前端面和前端面定位孔2-mm作为精基准，它们既是装配基准，有是设计基准，零件上很多表面都可以采用它们作为基准进行加工，使加工遵循“基准统一”原则，实现壳体零件“一面二孔”的典型定位方式。前端面定位孔2-mm的轴线是设计基准，选用其作为精基准定位加工马达孔mm、前端面孔4-mm、前端面孔2-mm，实现了设计基准和工艺基准的重合，保证了被加工孔的位置度要求。选用飞轮壳前端面作为精基准同样是遵循了“基准重合”的原则，因为该飞轮壳在轴向方向上的尺寸多以该端面作设计基准；另外，由于飞轮壳零件抗拉强度低、韧性差，容易产生变形，为了避免在机械加工中产生夹紧变形，根据夹紧力应垂直于主要定位基面，并应作用在刚度较大部位的原则，夹紧力不能作用在后端面上。选用飞轮壳前端面作精基准，夹紧可作用在飞轮壳的前端面上，夹紧稳定可靠。
2.粗基准的选择
作为粗基准的表面应平整，没有飞边、毛刺或其他表面缺欠。故在本次设计中选择飞轮壳的后端面和后端面内孔mm的外圆面作为粗基准。采用mm外圆面定位加工内孔可保证孔的壁厚均匀；采用飞轮壳后端面作粗基准加工前端面，可以为后续工序准备好精基准[7]。
2.3.2　表面加工方法的确定
根据飞轮壳零件图上各加工表面的尺寸精度和表面粗糙度，确定加工件各表面的加工方法，如表2.3中。
表2.3 飞轮壳各表面加工方案
加工表面
尺寸精度
等级
表面粗糙度Ra/m
加工方案
飞轮壳前端面
IT9
3.2
粗铣—精车
飞轮壳后端面
IT9
3.2
粗车—精车
后端面内腔孔
IT9
3.2
粗车—精车
前端面定位孔2-
IT7
1.6
钻—粗铰—精铰
周边两平面
IT11
6.3
粗铣
飞轮壳马达孔
IT10
3.2
粗镗—精镗
前端面孔2-
IT11
12.5
钻
后端面孔4-
IT11
12.5
钻
周边螺孔4-M12
IT11
12.5
钻—攻丝
后端面螺孔
12-M10-7H
IT9
6.3
钻—攻丝
前端面马达螺孔
2-M12-7H
IT9
6.3
钻—攻丝
周边面螺孔
4-M6-7H
IT11
12.5
钻—攻丝

2.3.3　加工阶段的划分
该飞轮壳加工质量要求较高，可将加工粗加工和精加工几个阶段。
在粗加工阶段，首先将精基准（飞轮壳前端面和前端面定位孔）准备好，使后续工序都可以采用精基准定位加工，保证其他加工表面的精度的要求；然后粗铣周边两端面。在半精加工阶段，完成飞轮壳后端面和后端面孔的精车加工，以及各孔的钻、铰、攻丝加工。
2.3.4　工序的集中
本设计选用工序集中原则安排飞轮壳的加工工序。该飞轮壳的生产类型为大批量生产，可以采用万能机床配以专用工、夹具，以提高生产率；而且运用工序集中原则使工件的装夹次数少，不但缩短辅助时间，而且由于在一次装夹中加工了许多表面与孔，有利于保证各加工表面之间的相对位置精度要求[8]。
2.3.5　工序顺序的安排
2.3.5.1　机械加工工序
1．遵循“先基准后其他”原则，首先加工精基准——飞轮壳前端面和前端面定位孔2-mm。
2. 遵循“先粗后精”原则，先安排粗加工工序，后安排精加工工序。
3. 遵循“先主后次”原则，先加工主要表面——飞轮壳前端面与前端面定位孔2-mm和飞轮壳后端面与后端面内腔孔mm，后加工次要表面——周边平面。
4. 遵循“先面后孔”原则，先加工飞轮壳的各端面、平面，再加工飞轮壳前后端面，周边平面上的孔与螺孔。
2.3.5.2　热处理工序
铸造成型后，进行退火处理，去除内应力，硬度范围175～225HBS；为改善工件材料的切削性能，在粗加工前安排时效处理。
2.3.5.3　辅助工序
每道工序完成后，安排去毛刺工序；在半精加工后，安排清理、去尖角、毛刺、清洗和终检工序。
综上所述，该飞轮壳工序的安排顺序为：基准加工——主要表面粗加工以及一些余量大的表面粗加工——主要表面半精加工和次要表面加工[9]。
2.3.6　确定工艺路线
在综合考虑上述工序顺序安排原则的基础上，表2.4列出了飞轮壳的工艺路线。表2.4飞轮壳工艺路线及设备、工装的选用
工序号
工序名称
机床设备
刀具
量具
1
粗铣前端面
单柱立铣
密齿刀盘
游标卡尺、深度卡尺
2
粗车后端面、孔
立车C518–2
车刀
游标卡尺、深度卡尺、塞规
3
精车前端面
立车C518–2
车刀
游标卡尺、深度卡尺
4
钻前端面孔
钻铰定位孔
Z3040
锥柄麻花钻
铰刀
游标卡尺、深度卡尺
塞规
5
精车后端面孔
立车CB3750
车刀
游标卡尺、塞规
6
精车后端面
立车C518–2
车刀
游标卡尺、深度卡尺
7
铣周边平面
卧铣
铣刀
游标卡尺
8
粗镗马达孔
T716
铣刀
游标卡尺、深度卡尺
9
精镗马达孔
T716
铣刀
游标卡尺、内径量表
校表环规、塞规
10
马达孔倒角
Z3040
铣刀
游标卡尺
11
钻周边孔
Z3040
锥柄麻花钻
直柄麻花钻
锪刀
游标卡尺、深度卡尺
12
周边孔攻丝
Z3040
锥柄麻花钻
直柄麻花钻
机用丝攻
螺纹塞规
13
钻后端面孔
Z3040
直柄麻花钻
游标卡尺
14
锪后端面
2-φ35
Z3040
锪刀
游标卡尺
15
后端面孔攻丝
Z3040
锪刀
锥柄麻花钻
机用丝攻
螺纹塞规
16
钻前端面马达螺孔
Z3040
直柄麻花钻
游标卡尺
17
前端面孔攻丝
Z3040
锥柄麻花钻
机用丝攻
螺纹塞规
18
清理、去尖角、毛刺、打标记

三角刮刀
细平锉
6号钢字码

19
成检

游标卡尺、深度卡尺
高度游标卡尺
螺纹塞规、塞规
内径量表、校表环规
20
清洗
清洗机

21
油封、包装、
入库

2.4　加工工序过程
2.4.1　工序1 粗铣前端面
背吃刀量的确定：该工步的背吃刀量等于前端面的毛坯总余量减去工序3的背吃刀量，即背吃刀量=4－1=3mm
进给量的确定：走刀量即进给速度=100mm/min
切削速度的计算：根据公式（2.1）计算：
n=×1000 （2.1）
式中 d——刀具（或工件）直径（mm）；
v——切削速度（m/min）。
由加工工艺手册查得铣削速度=100m/min，由公式（2.1）可求得该工序铣刀转速n=1000×100m/min /630mm=50.56r/min，参照单柱立铣（2HX–W1–630A）主轴转速，取转速n=52r/min。再将此转速代入公式（2.1），可求出该工序的实际铣削速度=nd/1000=52r/min××630mm/1000=102.87 r/min。
时间定额的确定：基本时间=420s，辅助时间=（0.15～0.2）=0.2×=84s，其他时间（）=6%×（+）=6%×504=30.24s，单件时间=420s+84s+30.24s=534.24s。
2.4.2　工序2 粗车后端面及孔
该工序包含以下4个工步：工步1是粗车后端面；工步2是粗车后端面孔；工步3是第二次车后端面；工步4是第二次车后端面孔。
1. 工步1 粗车后端面
背吃刀量的确定：背吃刀量=2.2mm
进给量的确定：走刀量即进给速度=40mm/min
由加工工艺手册查得切削速度=55m/min，由公式（2.1）可求得该工序车刀速度n=1000×55m/min /450mm=38.93r/min，参照立式车床C518–2主轴转速，取转速n=60r/min。再将此转速代入公式（2.1），可求出该工序的实际车削速度=nd/1000=60r/min××450mm/1000=84.78 r/min。
2. 工步2粗车后端面孔
背吃刀量的确定：背吃刀量=2.2mm
进给量的确定：走刀量即进给速度=40mm/min
由加工工艺手册查得切削速度=55m/min，由公式（2.1）可求得该工序车刀速度n=1000×55m/min /416mm=42.11r/min，参照立式车床C518–2主轴转速，取转速n=60r/min。再将此转速代入公式（2.1），可求出该工序的实际车削速度=nd/1000=60r/min××416mm/1000=78.37 r/min。
3. 工步3 第二次车后端面
背吃刀量的确定：背吃刀量=0.8mm
进给量的确定：走刀量即进给速度=40mm/min
由加工工艺手册=70m/min，由公式（2.1）可求得该工序车刀速度n=1000×70m/min /450mm=41.28r/min，参照立式车床C518–2主轴转速，取转速n=60r/min。再将此转速代入公式（2.1），可求出该工序的实际车削速度=nd/1000=60r/min××450mm/1000=84.78 r/min。
4. 工步4 第二次车后端面孔
背吃刀量的确定：背吃刀量=0.8mm
进给量的确定：走刀量即进给速度=40mm/min
由加工工艺手册查得切削速度=70m/min，由公式（2.1）可求得该工序车刀速度n=1000×70m/min /416mm=53.59r/min，参照立式车床C518–2主轴转速，取转速n=60r/min。再将此转速代入公式（2.1），可求出该工序的实际车削速度=nd/1000=60r/min××416mm/1000=78.37 r/min。
时间定额的确定：基本时间=360s，辅助时间=0.2×=72s，其他时间（）=6%×（+）=6%×432=25.92s，单件时间=360s+72s+25.92s=457.92s。
2.4.3　工序3 精车前端面
背吃刀量的确定：=1mm
进给量的确定：走刀量即进给速度=30mm/min
由加工工艺手册查得切削速度=90m/min，由公式（2.1）可求得该工序车刀速度n=1000×90m/min /450mm=63.69r/min，参照立式车床C518–2主轴转速，取转速n=100r/min。再将此转速代入公式（2.1），可求出该工序的实际车削速度=nd/1000=100r/min××450mm/1000=141.3 r/min。
时间定额的确定：基本时间=540s，辅助时间=0.2×=108s，其他时间（）=6%×（＋）=6%×648=38.88s，单件时间=540s+108s+38.88s=686.88s。
2.4.4　工序4 钻前端面孔、钻铰定位孔
该工序分6个工步，工步1钻孔2-φ13mm（通）；工步2钻孔4-φ17mm（通）；工步3钻定位孔2-12.2mm深20mm；工步4是定位孔倒角1.25×45°；工步5粗铰定位孔2-12.7mm深20mm；工步6精铰定位孔2-12.7mm深20mm。
1. 工步1钻孔2-13mm（通）

专为某一工件的某道工序设计制造的夹具，称为专用夹具。专用具一般在批量生产中使用，本书主要介绍专用夹具的设计。
3.可调夹具
夹具的某些元件可调整或可更换，以适应多种工件加工的夹具，称
为可调夹具。它还分为通用可调夹具和成组夹具两类。
4.组合夹具
采用标准的组合夹具元件、部件，专为某一工件的某道工序组装的
夹具，称为组合夹具。
5.拼装夹具
用专门的标准化、系列化的拼装夹具零部件拼装而成的夹具，称为
拼装夹具[11]。
3.2.2 按使用机床分类
夹具按使用机床可分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、齿轮机床
夹具、数控机床夹具、自动机床夹具等。
3.2.3 按夹紧的动力源分类
夹具按夹紧的动力源可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、气液增力夹具、电磁夹具以及真空夹具等。
3.3 机床夹具的组成
机床夹具的种类和结构虽然繁多，但它们的组成均可概括为下面几个部分。
1.定位装置
定位装置的作用是使工件在夹具中占据正确的位置。
2.夹紧装置
夹紧装置的作用是将工件压紧夹劳，保证工件在加工过程中受到外力作用时不离
开已经占据的正确位置。
3.对刀或导向装置
对刀或导向装置用于确定刀具相对于定位元件的正确位置。
4.连接元件
连接元件是确定夹具在机床上正确位置的原元件。
5.夹具体
夹具体是机床夹具的基础件，通过它将夹具的所有元件连接成一个整体。
6.其他装置或元件
它们是指夹具中因特殊需要而设置的装置或元件[12] 。
3.4 产品零件加工部位的技术要求
后端面加工的技术要求为：加工表面/mm——后端面螺孔；尺寸及偏差/mm——M10；公差及精度等级——IT9；粗糙度/mm——6.3；形位公差/mm——相对于J基准表面位置度为0.3；加工方案——钻—攻丝。

图3.1 飞轮壳后端面孔工序图
图3.1所示为钻4110发动机后端面孔工序图。根据工艺规程，钻后端面孔之前，其它表面均已加工好。本工序的所要加工的是如图3.1所示的俯视图看到的在后端面上的10个小孔。要求设计一个钻模，按工序图要求钻出10个小孔。
3.5 工作原理
工件采用一面两销的定位方式定位，以前端面放在夹具体的垫块上，以右定位孔在圆柱定位销上限制性四个自由度，又以左定位孔在菱形定位销上限制一个自由度，又因为钻孔的力的方向与夹紧力方向一致，压紧螺杆与夹具体限制一个自由度，实现完全定位，夹具上采用两个压紧螺杆，通过拧紧压紧螺杆对工件进行夹紧。
操作时，先将飞轮壳平放在垫块上，再通过两个手柄转动手柄轴（齿轮轴），使啮合的圆柱定位销和菱形定位销，插入两个定位孔中，然后通过压块配合在压紧螺杆上，拧紧压紧螺杆，实现夹紧工件。加工完后，先拧松压紧螺杆，再通过手柄转轮轴，退出菱形对定销与定位销，再通过垫块退出工件，工步就完成了。
3.6 方案分析
1.总体方案分析
根据加工要求和工艺文件说明，钻飞轮壳后端面孔所使用的机床为摇臂钻床。因为后端面要钻的孔都在同一个平面上，所以不采用分度装置来进行加工，只要通过一次装夹就可以完成所有要钻的孔的加工，所以该钻模不用分度装置。
2.定位方案分析
根据加工要求和基准的选择，确定飞轮壳前端面及与该平面垂直的两个工艺孔为定位基准，定位方式为“一面两孔”的定位方式，以圆柱定位销配合的孔为定位基准，定位元件为圆柱定位销和棱形定位销。定位销选择用长销，可以限制四个自由度。
3.夹紧方案分析
由于该零件产量不大，根据确定夹紧力的基本原则与对工件的综合分析，选用螺旋夹紧机构。同时螺旋夹紧机构结构简单，容易制造。由于螺旋升角小，螺旋夹紧机构的自锁性能好，夹紧力和夹紧行程都较大，在手动夹具上应用较多，操作方便。与工件的接触为平面接触。
4.导向方案分析
因为钻模板有一定的厚度，所以要使用导向元件——钻套。其作用是确定刀具相对夹具定位元件的位置，并在加工中对钻头等孔加工刀具进行引导，防止刀具在加工中发生偏斜。根据工件的生产批量与钻模板的厚度，选用带肩固定钻套。由工艺卡知道工件材料为铸铁[13]。
3.7 本章小结
本章主要介绍了机床夹具在机械生产中的一些作用和机床夹具的组成与分类，这可以让我们对夹具设计有一个初步的了解和认识，可以为我们今后在做夹具设计的时候奠定基础，而后面是说了本次夹具设计的部位的技术要求，分析了整体的方案，和本次夹具设计的工作原理。

第4章 钻床夹具的设计

4.1 定位装置
由加工工艺知，在钻孔之前如图4.1已加工出2个工艺孔，且前后端面也已加工出来，所以该钻模采用“一面两孔”的组合定位方式。

图4.1飞轮壳前端面定位孔
4.1.1 定位面的选择
根据工件的加工要求可以设计出如图4.2的定位方案。
此方案以前端面作为定位面，从图4.2可以看出，前端面紧靠在垫块上，有效接触面积大，且夹紧时，工件除了与垫块能有效接触，还能通过钻模板上的压紧螺杆对工件进行压紧，所以即使受到夹紧力和较大的切削力，工件也不易变形和移动，从承受切削力的角度看，本方案比较可靠[14]。

图4.2定位面方案
1-钻模板 2-垫块
4.1.2 定位销
利用工件上的一个大平面和该平面垂直的两个圆孔作定位基准进行定位，夹具上采用一个平面支承（限制三个自由度）和两个圆柱定位销（各限制两个自由度）作定位元件，则产生过定位，为避免过定位，使工件在极端情况下能装到定位销 ，可把碰到工件孔壁的部分削去，这样，在连心线方向上，仍有减小第二销的作用，但在垂直于连心线的方向上，定位销的直径并未关减小，故工件的转角误差没有增大，有利于保证加工精度。削边削限制一个自由度。为保证削边销的强度，一般多采用菱形结构，故又称菱形销。在安装菱形销时，应注意使其削边方向垂直于连心线上
在钻飞轮壳后端面孔时，采用前端面及与该平面垂直的两个工艺孔为定位基准，所以相对的定位销为一短圆柱销和一短菱形销。若采用与夹具体直接配合的固定式定位销，结构虽简单，但因为工件装卸频繁，定位销容易磨损，采用参考图4.3所示模式的手动伸缩式定位销，能保护安全销的定位表面，同时便于更换，定位销衬套外径与夹具体的配合采用H7/n6，而内径与定位销的配合H7/g6[15]。

图4.3手动伸缩式定位销
1-定位销 2-定位销衬套 3-定位螺钉 4-手柄
确定菱形销的宽度b
① 两定位孔的尺寸为，销子与孔的配合按H7/g6，所以圆柱定位销的的直径为，菱形定位销圆弧部分直径为。
② 菱形销宽度b及B查表4.1得b=5，B=9。
表4.1削边销的结构尺寸
销子直径
d2 (mm)
4～6
6～10
10～18
18～30
30～50
50
b(mm)
2
3
5
8
12
14
B(mm)
d2－1
d2－2
d2－4
d2－6
d2－10
d2－12
4.1.3 定位销的精度选择及提高定位精度的措施
定位销的精度等级根据被加工零件的加工精度,定位销孔精度及其距离尺寸公差的大小进行选择，应满足下列等式的要求.

2：工件定位销孔中心距公差
夹：夹具两定位销中心距公差
面：圆柱销与定位孔间的最小间隙
菱：菱形销与定位孔间的最小间隙
D：定位销孔（菱形销处）的最小直径
b：菱形销圆柱部分宽度,由上一节算出的结果可知：
2=0.015 夹=0.003 面=0.016 b=4 D=10.738 菱=0.006
为了保证可靠的定位，定位销与定位孔的有效接触长度一般为5-12mm,此处取12mm。
4.2 夹紧装置
4.2.1 夹紧装置的技术要求
机床对工件进行加工时，除需要定位支承系统获得对于刀具及其导向的正确相对位置，还需依靠夹具上的夹紧机构来消除工件因受切削力和工件自重的作用而产生的位移或振动。本例夹紧装置中，工件在加工过程中能继续保持定位所得到的正确位置。
一般情况下，在加工过程中工件需要夹紧。因为在加工过程中工件受到切削力、惯性力及重力等外力的作用。若不夹紧，工件在外力作用下就发生移动。工件移动将会损坏刀具及机床，甚至发生人身事故。同时，工件在定位过程中获得的既定位置，也要依靠夹紧来保持。有时工件的定位也是在夹紧过程中实现的。因此夹紧装置是夹具的重要组成部分。对夹具夹紧机构和装置有下列基本要求：
1.在夹紧过程中应保持的工件的既定位置，更好地使工件得到定位。
2.夹紧应可靠和适当。即既要使工件在加工过程中不产生移动或振动，同时又不使工件产生不允许的变形和表面损伤；
3.夹紧机构应操作安全、方便、省力；
4.夹紧机构的自动化程度及复杂程度应与工件的产量和批量相适应。
设计夹紧装置时，首先要合理选择夹紧点、夹紧力作用方向，并正确确定所需夹紧力大小。然后设计合适的夹紧机构予以保证[16]。
4.2.2 夹紧机构
根据此工件属于成批生产的零件，本夹具选用螺旋夹紧机构夹压工件。采用螺旋装置直接夹紧或其它元件组合实现夹紧的机构，统称为螺旋夹紧机构。螺旋夹紧机构结构简单，容易制造。由于螺旋升角小，螺旋夹紧机构的自锁性能好，夹紧力的夹紧行程都较大，在手动夹具上应用较多。螺旋夹紧机构可以看作是绕在圆柱表面上的斜面，将它展开就相当于一人斜楔。在此螺旋夹紧装置中，采用螺母直接夹紧。装夹工件时，先将工件放在夹具体上，用两个定位销控制工件的五个自由度，使工件不能前后左右移动，然后将钻模板放在工件上，套上衬套，放上夹紧元件，利用一面两孔定位，然后手动拧紧螺母压紧工件。
根据夹紧力的方向应朝向主要限位面和作用点应落在定位元件的支承范围内的原则，确定夹紧力的方向。其夹紧力方向与切削力方向一致，以保证压块与工件后端面可靠接触，使工件对各定位支承都有一定的压力。
此夹具选用螺旋夹紧机构夹紧工件。先衬套放到钻模板上，再把控制压块的圆柱销放到衬套上的孔上，把压块放安装到其上，然后再通过内六角圆柱头螺钉把压紧支座与钻模板拧紧固定，最后把压紧螺杆安装上去，拧紧之后就能完成对工件的夹紧了。
4.3 导向元件的设计
4.3.1 钻套的基本类型
按钻套的结构和使用情况，可分为固定式、可换式、快换式、和特殊钻套。
4.3.2 钻套高度和排屑间隙
钻套高度与所钻孔的孔距精度、工件材料、孔加工深度、刀具刚度、工件表面形状等因素有关。钻套高度H越大，刀具的导向性越好，但刀具与钻套的摩擦越大，一般取H=（1～2.5）d。孔径越小，精度要求高时，H取较大值。但由于钻模板厚度为24，为了达到加工要求，钻套总长取32mm。
钻套底部与工件间的距离h称为排屑间隙。h值应适当选取，h值太小时，切屑难以自由排出，使加工表面被损坏；h值太大时，会降低钻套对钻头的导向作用，影响加工精度。加工铸铁时，h=（0.3～0.7）d；加工钢时，h=（0.7～1.5）d。由工艺卡知，工件的材料为铸件，所以取h=0.3d[17]。
4.4 钻模板
常见的钻模板有固定式、铰链式、可卸式、悬挂式等四种结构形式。可卸式钻模板具有以下特点：
1.适用于中批量生产中在钻孔后继续进行其它工序或大型工件的局部加工；
2.它由两个定位套与夹具体上相对应的二个定位销（其中一个通常是菱形的）准确定位，并在结构上采取措施，防止钻模板装错方向；
3.覆盖式可卸钻模板定位部分直接安装在工件的定位部分，或钻模体的定位件上，然后进行夹紧；
4.钻模板应尽量轻，以不超过8Kg为宜，以减轻操作者的劳动强度，对尺寸大的钻模板可用铝合金铸件。
根据工件的特点，本次设计我采用的就是固定式钻模板，采用一面两孔的定位方式。图如下图4.4所示：

图4.4 钻模板俯视图
4.5 夹具体
夹具体是夹具的基础件，它既要把夹具的各个元件、机构、装置连接成一个整体，而且还需考虑工件装卸方便以及夹具与机床的连接方式。因此，夹具体的形状与尺寸，主要取决于夹具各组成件的分布位置，工件的外行轮廓尺寸以及加工的条件等。在设计夹具体时应满足以下一些基本要求：
1.应有足够的刚度与强度。加工工件时，为了防止在切削力、夹紧力等外力的作用下，夹具产生不允许的变形和振动，夹具体应具有足够的壁厚，刚性不足处可适当增设加强筋。今年来许多工厂采用框形薄壁结构的夹具体，不仅减轻了重量，而且可以进一步提高其刚度与强度。
2.力求结构简单、重量轻。夹具体的外形一般尺寸较大，结构比较复杂，而且各表面间的相互位置精度要求高，应特别注意其他结构工艺性。同时，在满足刚度及强度的条件下，尽可能减轻重量、缩小体积，特别是对于手动翻转式夹具，要求重量一般不超过10㎏，以便于操作。
3.应便于排除切屑。加工过程中为了防止切屑聚积，影响工件的正确定位和夹具的正常操作，因此在设计夹具体时应考虑切屑排除问题。若加工中产生的切屑不多，可适当加大定位元件工作表面与夹具体之间的距离，以增加容屑空间；对加工中产生切屑量较大时，一般应在夹具体上设置排屑沟，以利于将切屑自动排至夹具体外。
4.在机床上安装应稳定可靠。对于固定在机床上的夹具应使其中心尽量低；对于不固定在机床上的夹具，则其中心和切削力作用点，应落在夹具体的支承范围以内，中心越高夹具支承面积应越大。为了使夹具安装稳定可靠，夹具体底面中部通常应挖空。对于翻转或移动式夹具体