ca6140手柄轴的加工工艺及夹具设计毕业论文.doc

课 程 设 计 说 明 书
——机械制造技术基础

设计题目：

手柄轴（CA6140车床）的加工工艺
钻8.5螺纹孔的钻床夹具设计

学院：机械工程学院
班级：机自0606
学号：
姓名：
指导：薛国祥老师

题目：设计“手柄轴（CA6140车床）”零件的机械加工工艺规程及相关工序

内容：
零件图 1张
毛坯图 1张
机械加工工艺过程卡片 1张
机械加工工序卡片 2张
夹具装配图 1张
夹具体零件图 1张
课程设计说明书 1份

目录

一、 零件的工艺分析及生产类型的确定
1. 零件的作用-------------------------------------------------------------------------- 3
2. 热处理-------------------------------------------------------------------------------- 3
3. 零件的生产类型-------------------------------------------------------------------- 3
二、选择毛坯，确定毛坯尺寸，设计毛坯图
1.选择毛坯------------------------------------------------------------------------------- 3
2.确定机械加工余量、毛胚尺寸和公差------------------------------------------- 3
3.确定机械加工余量------------------------------------------------------------------- 4
4确定毛坯尺-----------------------------------------------------------------------------4
5.确定毛坯尺寸公差--------------------------------------------------------------------5
6.设计毛坯图-----------------------------------------------------------------------------5
三、选择加工方法，制定工艺路线
1.定位基准的选择-----------------------------------------------------------------------6
2.零件表面加工方法的选择-----------------------------------------------------------6
3.制定工艺路线--------------------------------------------------------------------------6
四、工序设计
1.选择加工设备与工艺装备-----------------------------------------------------------8
2.确定工序尺寸--------------------------------------------------------------------------9
五、确定切削用量及基本时间------------------------------------11
六、夹具设计---------------------------------------------------------20
七 参考文献---------------------------------------------------------22

一 零件的工艺分析及生产类型的确定
1. 零件的工艺性分析
通过对该零件图的重新绘制，知原图样的视图正确，完整，尺寸，公差及技术要求齐全。该零件属轴类回转体零件，它的所有表面均需切屑加工，各表面的加工精度和表面粗糙度都不难获得。 表面粗糙度要求较高 需经多次切削才能满足要求，手柄处镀铬，在镀铬之前须进行抛光处理以使镀铬均匀。本零件的最难加工的地方就是在斜面上钻孔，且要保证孔与键槽成，需要专用夹具。总体来说，本零件的工艺性较好。
2. 零件的生产类型
依设计的题目知：生产纲领 N = 30000万/年 ， 生产类型为大批大量生产
零件是机床CA6140的手柄轴，质量为0.445Kg.
二 选择毛坯，确定毛坯尺寸，设计毛坯图
1. 选择毛坯
该材料为45钢。该零件在工作过程中则经常承受交变载荷，因此应选用锻件，以使金属纤维尽量不被切断，保证零件工作可靠。零件属批量生产，而且零件的轮廓尺寸不大，故采用摸锻成型。这从提高生产率，保证加工精度上考虑，也是应该的。

2．确定机械加工余量，毛坯尺寸和公差
钢质摸锻件的公差及机械加工余量按GB/T12362-2003确定。要确定毛坯尺寸公差及机械加工余量，，应先确定如下各项因素。
（1） 锻件公差等级 由该零件的功用和技术要求，确定其锻件公差等级为普通级。
（2） 锻件质量Mf 根据零件0.445kg,估算为mf=1.0kg.
（3） 锻件形状复杂系数S
S=Mf/Mn
该锻件为圆形，假设其最大直径为φ46mm,长126mm
Mn = 1.6kg
S = 1/1.6 = 0.62
故该零件的形状复杂系数S属S2级。
（4） 锻件材质系数M 由于该零件材料为45钢，是碳的质量分数小于0.65%的碳素钢，故该锻件的材质系数属M1级。
（5） 零件表面粗糙度 由零件图可知，除φ17.2mm, φ15.7mm 粗糙度Ra = 1.6,圆锥面处Ra=0.8，其余均为6.3。
3. 确定机械加工余量
根据锻件质量，零件表面粗糙度，形状复杂系数查表5-9，由此得单边余量在厚度方向为1.7-2.2mm，水平方向亦为1.7-2.2mm，即锻件各外径的单面余量为1.7-2.2mm，各轴向尺寸的单面余量为1.7-2.2mm。
4． 确定毛坯尺寸
上面查的加工余量适用于机械加工表面粗糙度Ra大于等于1.6m。Ra小于1.6m的表面，余量要适当加大。
分析本零件，除φ17.2mm, φ15.7mm 粗糙度Ra = 1.6, 其余均为6.3，因此这些表面的毛坯尺寸只需将零件的尺寸加上所查的余量即可。
综上所述，确定毛坯尺寸见下表

手柄轴毛坯（锻件）尺寸
零件尺寸
单面加工余量
锻件尺寸
φ17.2
2
φ21.2
φ
2
φ24
大端φ40圆锥面
2
44

5. 确定毛坯尺寸公差

毛坯尺寸公差根据锻件质量，材质系数，形状复杂系数从表5-6，表5-7中查的。本零件毛坯尺寸允许偏差见下表
手柄轴毛坯（锻件）尺寸允许偏差
锻件尺寸
偏差
根据
φ21.2

表5-6
φ24

φ44

22

表5-7
102

126

6． 设计毛坯图
（1） 确定圆角半径
锻件的外圆角半径按表5-12确定，内圆角半径按表5-13确定。
分析本锻件可确定外圆角R2, R3
内圆角R3
(2) 确定模锻斜度
按表5-11，外模锻斜度α= 3°
（3）确定分模位置
由于毛坯为轴类锻件，应采取轴向分模。
为了便于起模及便于发现上，下模在模锻过程中的错移，选择最大直径即圆锥面处的对称平面为分模面，分模线为直线，属平直分模线。
（4）确定毛坯的热处理方式
钢质毛坯经锻造后应安排正火，以消除残余的锻造应力，并使不均匀的金相组织通过重新结晶而得到细化，均匀的组织，从而改善加工性。

三 选择加工方法，制定工艺路线
1.定位基准的选择
以φ44的外圆和端面为粗基准，以φ17.2的外圆和端面为精基准。
2.零件表面加工方法的选择
本零件的加工面有外圆，端面，键槽，倒角，倒圆，沟槽，锥面，孔，螺纹。
（1）φ17.2的外圆面，未标注公差尺寸，表面粗糙度Ra 1.6，需要粗车，半精车，精车
（2）φ20的外圆，公差等级IT6，需要粗车，半精车，精车。
（3）圆锥面，为保证镀铬均匀，在镀铬之前圆锥面需要粗车，半精车，精车，保证Ra = 1.6 然后抛光。
（4）槽3x2.15 表面粗糙度为Ra3.2,需要粗车，半精车
槽1.5x1 表面粗糙度为Ra6.3,粗车即可。
槽3x0.5 表面粗糙度为Ra6.3,粗车即可
(5) 两孔的表面粗糙度Ra6.3 需钻，扩
（6）键槽5314 粗糙度Ra6.3 需要粗铣，半精铣。
（7）端面 本零件为回转体端面，尺寸精度要求不高，所以大端面粗车即可满足要求，但是小端面作为精基准应该粗车，半精车
3制定工艺路线
方案一
工序1 正火
工序2 以φ20mm处的外圆及端面定位，车大端面，粗车φ41的外圆
工序3 以粗车后的φ40mm处外圆面及端面定位，粗车另一端面，粗车φ17.2mm的
外圆，粗车φ20mm的外圆，车1.5mm×1mm沟槽，粗车3mm×0.5mm沟槽，粗车3mm×2.15mm沟槽
工序4 以粗车的φ20mm的外圆及端面定位 ，半精车，精车φ40mm的外圆。
工序5 以精车后的φ40mm的外圆及端面定位，半精车，φ17.2mm的外圆，半精车φ20mm的外圆，半精车3mm×2.15 mm的沟槽
工序6 精车φ17.2mm的外圆，精车φ20mm的外圆，车倒角。
工序7 以φ20mm的外圆定位，粗车，半精车，精车圆锥面。
工序8 粗铣，半精铣键槽
工序9 抛光
工序10 镀铬
工序11 钻，扩φ14mm孔及 φ8.5mm的螺纹孔
工序12 攻螺纹
工序13 去毛刺
工序14 终检

方案 二
工序1 正火
工序2 粗车小端面，粗车φ17.2mm的
外圆，粗车φ20mm的外圆粗车，车1.5mmx1mm沟槽，粗车3mmx0.5mm沟槽，粗车3mm×2.15mm沟槽
工序3 粗车大端面及φ41mm的外圆
工序4 半精车小端面，半精车，φ17.2mm的外圆，半精车φ20mm的外圆，半精车3mm×2.15mm的沟槽，车倒角
工序5 精车φ17.2mm的外圆，精车φ20mm的外圆
工序6 以加工过的φ20mm外圆及端面定位，粗车圆锥面
工序7 半精车圆锥面
工序8 精车圆锥面
工序9 抛光
工序10 镀铬
工序11 钻φ14mm的孔和φ8.5mm的螺纹孔
工序12 扩φ14mm的孔和φ8.5mm的螺纹孔
工序13 攻M10的螺纹
工序14 以φ20mm圆柱面及端面定位铣键槽5mm×3mm×14mm
工序15 去毛刺
工序16 终检
方案比较：
方案二比方案一更容易保证尺寸精度，方案二以车过的41mm的外圆定位保证了定位精度，方案一的小端面知粗车一次可能不能保证要求的表面粗糙度，方案一的粗加工，精加工拍的比较混乱，不符合加工要求。
综上所述，工艺路线应选择方案二。

四 工序设计
1 选择加工设备与工艺装备
（1） 选择机床 根据不同的工序选择机床。
a 工序1-8是粗车合半精车。各工序的工步数不多，成批生产不要求很高的生产率，故选用卧式车床就能满足要求。本零件外廓尺寸不大，精度要求不是很高，选CM6125即可。
b 工序11 钻孔，可采用专用夹具在立式钻床上加工，故选Z525型立式钻床。
c 工序14是用整体硬质合金直柄立铣刀粗铣，半精铣键槽，用选用卧式铣床。考虑本零件属成批生产，所选机床使用范围较广为宜，故选常用的X62型铣床能满足加工要求。
d 工序13攻螺纹，需要丝锥。
( 2 ) 选择夹具
本零件处粗铣及半精铣槽，钻孔等工序需要专用夹具外，其他工序使用通用夹具即可，选用三抓自定心卡盘。
（3） 选择刀具 根据不同的工序选择刀具
A 在车床上的加工工序，一般选用硬质合金车刀。加工钢质零件采用YT类硬质合金，粗加工用YT5，半精加工用YT15，精加工用YT30.为提高生产率及经济性，应选用可转位车刀（GB5343.1-1985,GB5343.2-1985）.
B 铣刀按表5-104选直柄键槽铣刀
键槽bxh=5mmx3mm,半精铣铣刀选择直径d = 5 mm l = 8mm L = 52mm
由于粗铣后宽度方向单边余量1mm，故粗铣时的铣刀选择d=3mm l =5mm L =37mm

（b ） 确定进给量f 根据表5-114，在粗车钢料，刀杆尺寸为16mm ×25mm，小于等于3.0mm f= 0.4-0.5mm/r 按CM6125车床的进给量，选择f =0.4 mm/r
确定的进给量尚需满足机床进给机构的轻度要求，故需进行校验。
根据表5-123，当钢料= 570—670MPa , <=2mm ,f<= 0.75mm/r = 45 v = 65m/min 预计是进给力为760N
修正系数 =1.0 =1.0 =1.17
故实际进给力为889.2N，满足要求。
（c） 选择刀具磨钝标准及耐用度 根据表5-119，车刀后刀面的最大磨损量为1mm，可转位车刀耐用度T =30min
（d） 确定切削速度V 根据表5-120，当用YT5硬质合金刀具加工= 570—670MPa , <=3mm ,f<= 0.75mm/r 切削速度V = 138m/min
切削速度的修正系数为 = 0.8 = 0.65 =0.81 =1.15 = =1.0 故
V = 138×0.8×0.65×0.81×1.15 = 66m/min
n = 1000v/πd = 1000 ×67.8/3.14× 21.2 = 954 r/min
按CM6125车床的转速，选择 n = 1000 r/min
（e） 校验机床功率 当钢料= 570—670MPa , <=2mm ,f<= 0.75mm/r v = 46m/min时， = 1.7KW
切削功率的修正系数为=1.17 = = =1.0 =1.13 =0.8 =0.65
故实际切削功率为 =0.72KW
满足要求。
最后确定的切削用量为 ：= 1 mm f = 0.4mm/r n = 1000r/min v = 66 m/min
（2）粗车φ22.4mm外圆的切削用量
所选刀具为YT5硬质合金可转为车刀。选刀杆尺寸B×H = 16mm ×25mm ,刀片厚度为4.5mm。根据表5-113，选择车刀几何形状为卷屑槽倒淩型前刀面，前角=12 后角=6 ，主偏角= 90 ，副偏角 = 10 刃倾角 = 0
刀尖圆弧半径= 0.8mm
（a） 确定背吃刀量 粗车双边余量为1.6mm 所以 = 0.8mm
（b） 确定进给量f 根据表5-114，在粗车钢料，刀杆尺寸为16mm ×25mm，小于等于3.0mm f= 0.4-0.5mm/r 按CM6125车床的进给量，选择f =0.4 mm/r
确定的进给量尚需满足机床进给机构的轻度要求，故需进行校验。
根据表5-123，当钢料= 570—670MPa , <=2mm ,f<= 0.75mm/r = 45 v = 65m/min 预计是进给力为760N
修正系数 =1.0 =1.0 =1.17
故实际进给力为889.2N，满足要求。
（c） 选择刀具磨钝标准及耐用度 根据表5-119，车刀后刀面的最大磨损量为1mm，可转位车刀耐用度T =30min
（d） 确定切削速度V 根据表5-120，当用YT5硬质合金刀具加工= 570—670MPa , <=3mm ,f<= 0.75mm/r 切削速度V = 138m/min
切削速度的修正系数为 = 0.8 = 0.65 =0.81 =1.15 = =1.0 故
V = 138×0.8×0.65×0.81×1.15 = 66m/min
n = 1000v/πd = 1000 ×67.8/3.14× 24 = 875 r/min
按CM6125车床的转速，选择 n = 1000 r/min
（e） 校验机床功率 当钢料= 570—670MPa , <=2mm ,f<= 0.75mm/r v = 46m/min时， = 1.7KW
切削功率的修正系数为=1.17 = = =1.0 =1.13 =0.8 =0.65
故实际切削功率为 =0.72KW
满足要求。
最后确定的切削用量为 ：= 1 mm f = 0.4mm/r n = 1000r/min v = 66 m/min
（3）粗车端面的切削用量
= 1.2 mm f = 0.2mm/r n = 1000r/min v = 66 m/min
（4） 确定沟槽的切削用量
进给量f 手动 转速v = 630r/min
工序2基本时间确定
(a) 确定粗车φ19.2mm的外圆基本时间
根据表2-21 ，车外圆的基本时间为Tj1= L i/fn = i(+++ )/f n
式中=20mm = 3mm = 0mm = 0 f = 0.4mm/r n= 16r/min i = 1
所以Tj1= 4 S
(b) 确定粗车φ22.4mm的外圆基本时间
根据表2-21 ，车外圆的基本时间为Tj1= L i/fn = i(+++ )/f n
式中=82mm = 3mm = 0mm = 0 f = 0.4mm/r n= 16r/min i = 1
所以Tj1= 14 S
(c) 确定车端面的基本时间
Tj2 =i L/fn L = (d—d1)/2 + + +
d = 24mm = 2mm = 4mm = 0
所以 Tj2 = 6S
因此，总的基本时间为24S
3 工序5切削用量确定
（1）确定精车外圆φ17.2mm的切削用量。
所选刀具为YT30硬质合金可转为车刀。选刀杆尺寸B×H = 16mm ×25mm ,刀片厚度为4.5mm。根据表5-113，选择车刀几何形状为卷屑槽倒淩型前刀面，前角=12 后角=6 ，主偏角= 30 ，副偏角 = 10 刃倾角 = 0
刀尖圆弧半径= 0.8mm
(a) 确定背吃刀量 粗车双边余量为0.9mm 所以 =0.45mm
( b) 确定进给量f 根据表5-114，在精车钢料，刀杆尺寸为16mm ×25mm，小于等于3.0mm ， 按CM6125车床的进给量，选择f =0.2mm/r
(c)速度V 根据表5-120，当用Y30硬质合金刀具加工= 570—670MPa , <=3mm ,f<= 0.75mm/r 切削速度V = 138m/min
切削速度的修正系数为 = 0.8 = 1.4 =0.81 =1.15 = =1.0 故
V = 138×0.8×1.4×0.81×1.15 = 145m/min
n = 1000v/πd = 1000 ×67.8/3.14× 18.1= 2549r/min
按CM6125车床的转速，选择 n = 2500r/min
精车φ20mm外圆切削用量确定
所选刀具为YT30硬质合金可转为车刀。选刀杆尺寸B×H = 16mm ×25mm ,刀片厚度为4.5mm。根据表5-113，选择车刀几何形状为卷屑槽倒淩型前刀面，前角=12 后角=6 ，主偏角= 30 ，副偏角 = 10 刃倾角 = 0
刀尖圆弧半径= 0.8mm
a 确定背吃刀量 粗车双边余量为0.9mm 所以 =0.45mm
b 确定进给量f 根据表5-114，在精车钢料，刀杆尺寸为16mm ×25mm，小于等于3.0mm ， 按CM6125车床的进给量，选择f =0.2mm/r
c 确定切削速度V 根据表5-120，当用Y30硬质合金刀具加工= 570—670MPa , <=3mm ,f<= 0.75mm/r 切削速度V = 138m/min
切削速度的修正系数为 = 0.8 = 1.4 =0.81 =1.15 = =1.0 故
V = 138×0.8×1.4×0.81×1.15 = 145m/min
n = 1000v/πd = 1000 ×67.8/3.14× 20.9= 2208r/min
按CM6125车床的转速，选择 n = 2000r/min
（2） 基本时间确定
确定精车φ17.2mm的外圆基本时间
根据表2-21 ，车外圆的基本时间为Tj1= L i/fn = i(+++ )/f n
式中=20mm = 0mm = 0mm = 0 f = 0.2mm/r n= 33r/min i = 1
所以Tj1= 4 S
确定精车φ20mm的外圆基本时间
根据表2-21 ，车外圆的基本时间为Tj1= L i/fn = i(+++ )/f n
式中=82mm = 0mm = 0mm = 0 f = 0.2mm/r n= 33r/min i = 1
所以Tj1= 13S
因此 ，总的基本时间为15S
(4) 工序6切削用量确定
（1） 切削用量 本工序为粗车圆锥面。已知材料为45钢，= 670MPa
,锻件，有外皮；机床为CM6125型卧式车床，工件装卡在三爪自定心卡盘中。
确定粗车圆锥面的切削用量（以小端确定）。
所选刀具为YT5硬质合金可转为车刀。选刀杆尺寸B×H = 16mm ×25mm ,刀片厚度为4.5mm。根据表5-113，选择车刀几何形状为卷屑槽倒淩型前刀面，前角=12 后角=6 ，主偏角= 90 ，副偏角 = 10 刃倾角 = 0
刀尖圆弧半径= 0.8mm
a 确定背吃刀量 粗车双边余量为5.0mm 所以 = 2.5mm
b 确定进给量f 根据表5-114，在粗车钢料，刀杆尺寸为16mm ×25mm，小于等于3.0mm f= 0.4-0.5mm/r 按CM6125车床的进给量，选择f =0.4 mm/r
确定的进给量尚需满足机床进给机构的轻度要求，故需进行校验。
根据表5-123，当钢料= 570—670MPa , <=2mm ,f<= 0.75mm/r = 45 v = 65m/min 预计是进给力为760N
修正系数 =1.0 =1.0 =1.17
故实际进给力为889.2N，满足要求。
c 选择刀具磨钝标准及耐用度 根据表5-119，车刀后刀面的最大磨损量为1mm，可转位车刀耐用度T =30min
d 确定切削速度V 根据表5-120，当用YT5硬质合金刀具加工= 570—670MPa , <=3mm ,f<= 0.75mm/r 切削速度V = 140m/min
切削速度的修正系数为 = 0.8 = 0.65 =0.81 =1.15 = =1.0 故
V = 140×0.8×0.65×0.81×1.15 = 67.8m/min
n = 1000v/πd = 1000 ×67.8/3.14× 41 = 526r/min
按CM6125车床的转速，选择 n = 500 r/min
e 校验机床功率 当钢料= 570—670MPa , <=2mm ,f<= 0.75mm/r v = 46m/min时， = 1.7KW
切削功率的修正系数为=1.17 = = =1.0 =1.13 =0.8 =0.65
故实际切削功率为 =0.72KW
满足要求。
最后确定的切削用量为 ：=2.5 mm f = 0.4mm/r n = 500r/min v = 64.4m/min
(2) 基本时间
确定粗车圆锥面的基本时间
根据表2-21 ，车外圆的基本时间为Tj1= L i/fn = i(+++ )/f n
式中=20mm = 2mm = 3mm = 0 f = 0.4mm/r n= 8r/min i = 1
所以Tj1= 8 S

六 夹具设计
本夹具是工序11用麻花钻钻14，8.5孔的专用夹具，所设计的夹具装配图，供需简图及夹具体零件图如图所示。有关说明如下。
（1） 定位方案 工件以 20的圆柱面及圆锥大端面为定位基准，采用V形块和平面的组合定位方案，两个V形块限制4个自由度，右边V形块的右端面限制一个自由度，共限制5个自由度。孔在圆周上无位置要求，该自由度不用限制。
（2） 夹紧机构 根据生产率要求，运用手动夹紧可以满足。采用二位螺旋压板夹紧机构，拧紧螺母即可实现压紧，使用方便。压板夹紧力主要作用是防止工件在钻销力的作用下摆动和震动，手动螺旋夹紧是可靠的，可免去夹紧力计算。
（3） 导引装置 为方便快捷的钻14 8.5两个孔，本夹具采用快换钻套，刀具在钻套的引导下准确的钻孔。
（4） 夹具与机床的连接元件 采用10的定位销确定夹具与机床的相对正确位置，夹具体底座上开有两个U 形槽，用M14的螺栓固定在机床工作台上。
（5） 夹具体 工件的定位元件，夹紧元件，导引装置用螺钉与夹具体底座连接起来，夹具体底座铸造加工出来，这样该夹具便有机连接起来，实现定位，夹紧，导引等功能。
（6） 使用说明 安装工件时，松开右边铰链螺栓上的螺母，将两个铰链螺栓顺时针转动一个角度，然后将两块压板后撤，把工件放在V形块上，注意工件的圆锥大端面一定要紧贴在右边V 形块的右端面，实现可靠定位，然后把铰链螺栓放在铰链压板的U 形槽中，拧紧螺母实现可靠夹紧。
（7） 结构特点 该夹具结构简单，操作方便。但斜面的制造误差以及V 形块在斜面上的安装误差，使孔的加工位置精度受到了限制，故适用于加工要求不高的场合。
（8） 定位误差计算 工件采用V 形块定位，V 形块的定位误差= = 0.002692 因为斜面角度为15度，所以工件的水平方向的定位误差为y = 0.002692 sin(15)= 0.000696 ,满足定位要求。

七 参考文献

1、《机械制造技术基础课程设计指南》 主编： 崇凯

2、《金属加工工艺及工装设计》 主编： 黄如林 汪群

3、《工程图学》 主编： 鲁屏宇

4、《机械制造装备设计》 主编： 冯辛安

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