机械制造技术课程设计-课程设计指导书.doc

机械制造工艺学课程设计指导书
一、机械制造工艺学课程设计的目的
《机械制造工艺学》是一门综合性和实践性都很强的课程，机械制造工艺学课程设计是课程教学中的一项重要内容，是完成教学计划达到教学目标和培养同学们创新能力的重要环节；也是同学们知识和能力深化和升华的重要过程。
本课程设计应达到一下教学目的：
1、进一步加深同学们对机械制造工艺学理论知识的理解；
2、培养同学们综合应用机械制造工艺学和其他多门课程的理论知识解决实际问题的能力；培养学生的实践和实际动手能力、提高同学们的全面素质。
3、通过查阅相关手册，掌握获取工程数据的方法，提高同学们收集信息、对信息进行价值判断、信息整理、信息加工的能力；
4、培养同学们制订机械加工工艺规程的原则、步骤和方法；
5、培养同学们掌握机床夹具设计的基本原理、方法和步骤，进一步提高同学们的工程设计能力；
6、培养同学们编写技术文件的能力。
二、机械制造工艺学课程设计的内容
1、绘制工件的零件图和毛坯图
对零件进行工艺分析，确定零件的加工余量和毛坯的制造方法，在零件图的基础上添加加工余量，获得毛坯图。毛坯图的画法：（见下图c）：仅标注加工余量的尺寸，其余不需标注。

2、拟定工艺路线图
要求拟定工艺路线二套以上，课程说明书中对它们进行分析、比较后，确定选用综合最优的方案，最后填写一套机械加工工艺过程卡和两道工序的机械加工工序卡。
填写两道工序的工序卡：一道为粗基准定位的那道工序；
                      另一道为设计夹具所在的工序。

注意：工序简图表达内容应完整（如：加工图中右端孔工序）

工序图的画法：
工序简图应表达的内容有：
1、加工表面（加粗线表示）
2、定位基准
3、夹紧力的方向和作用点
4、工序(测量）尺寸及其公差
5、加工表面粗糙度
6、形位公差
7、其它需特别注意的项目

设计一道工序的专用夹具
编写设计说明书一份
要求：
每个学生必须独立完成课程设计报告；
课程设计报告书写规范、文字通顺、图表清晰、数据和计算完整、结论明确；
课程设计报告后应附参考文献；
要求A4纸张15~20页，装订成册。
机械制造工艺学课程设计任务书
（适用：机械设计制造及其自动化专业）
题目：设计“车床杠杆”零件的机械加工工艺规程及工艺装备
（年生产纲领：5000件）
内容和要求：
1、绘制“车床杠杆”零件题目的零件图（图纸大小不限） 1张；
2、绘制毛坯图 1张；
3、设计该零件的机械加工工艺规程：填写该零件的机械加工工艺过程卡1张和工序卡2张；
4、设计该零件机械加工工艺规程中指定工序的专用夹具的机械装配图 1张；
5、绘制该装配图中一个典型零件的零件图（图纸大小不限） 1张；
6、编写课程设计说明书一份（内容按课程设计指导书要求编写），16开，不得少于15页。
进程安排：（共2周）
设计动员、准备工作
设计工艺规程（含过程卡、工序卡）
专用夹具设计方案草图
绘制夹具装配图、零件图等
编写课程设计说明书
1天
2天
2天
4天
1天
学生班级：                        姓名：
指导教师：                        日期：
三、机械制造工艺学课程设计的方法和步骤
1、了解零件及产品的设计要求
1）认真研究被加工零件样图
了解该零件所属产品的用途、性能和工作条件以及零件在产品中的地位与作用。根据零件在产品中的作用进一步分析零件结构设计和精度要求的合理性。
2）检查零件图的完整性
分析和审查零件图时，应审查零件视图和尺寸以及加工表面的要求。
3）审查零件的结构工艺性
从机械加工工艺观点出发，结合零件的用途，分析零件精度和技术要求的合理性。若发现精度要求不合理或结构工艺性不好，可向设计人员提出修改意见。
4）确定零件的主要加工表面
根据零件各表面精度要求和作用确定出零件的主要加工表面的加工方法，以便确定正确的加工流程，提高切削效率。
2、计算生产纲领
1）计算零件的生产纲领
在总体方案设计阶段，首先可根据设计任务书上给定的被加工零件年产量，计算生产纲领。
其计算方法如下：
N=Q*n(1+α%)(1+β%)
Q------年产量（台/年）
N--------每台产品所需该零件数量（件/台）
α--------备品率
β--------废品率
2）确定生产类型
根据零件的生产纲领确定其生产类型，它是机械加工工艺过程（或规程）设计必须具备的原始资料之一。
单件小批量生产：通常采用通用工艺装备（通用机床、通用夹具等），生产效率较低。
成批（中批）生产：通常采用高效的专用工艺装备（专用机床、专用夹具等）组织生产。生产效率高。
大批大量生产：通常采用自动化程度和生产效率较高的自动化加工机床和自动化加工生产线。如：汽车、轴承的生产。
3、绘制毛坯图
对型材毛坯，只需要选择其型号、直径和长度等，无需画毛坯图。
对铸件、锻件，则应在零件图的基础上，确定毛坯的分型面、毛坯的加工余量、铸造（或模锻）斜度及毛坯圆角。
绘制毛坯图时，以实线表示毛坯表面轮廓，以双点划线表示经切削加工后的表面，在剖面图上用交叉十字线表示加工余量。图上要标注出主要尺寸及其公差。
4、机床和工艺装备的选择与设计
（1）机床的选择
机床选择的原则是：
机床的生产率应与工件的成产类型相适应；
机床的精度应与零件的加工精度相适应；
机床的加工以及尺寸范围应零件毛坯的外形尺寸相适应；应考虑到生产的经济性，尽可能利用工厂现有设备，或对现有机床进行改装。
（2）刀具选择
    选择刀具时，应考虑工件的种类、生产率、工件材料、加工精度和所采用机床的性能。刀具的尺寸规格尽可能采用系列、标准的尺寸。具体选择时还应考虑一下因素：
符合工件材料的加工要求；
满足加工精度要求；
与所使用的机床相适应。
在成批或大量生产中，若特殊要求，可采用成形刀具、组合刀具、非标准尺寸的钻头、绞刀等来提高生产率，但需自行设计。
（3）量具选择
    在小批量生产中尽量选用标准的通用量具；在成批大量生产中，一般应根据所检验尺寸设计专用量具和各种专门检验夹具。
（4）夹具的选择和设计
    在小批量生产中尽量采用通用夹具；当被加工件的表面精度要求较高或在成批大量生产时，一般应设计专用夹具，以保证加工表面的位置精度。
在设计工艺规程时，设计者应对要采用的夹具有一初步考虑和选择，在工序图上应表示出定位、夹紧方式以及同时加工的工件数等。
（5）切削用量的选择
 粗加工时，一般以提高生产效率为主，但也应考虑经济性和加工成本。切削用量的选择原则首先选取尽可能大的背吃刀量；其次要根据机床动力和刚性的限制条件等，选取尽可能大的进给量；最后根据刀具耐用度确定最佳的切削速度。 
半精加工和精加工时, 应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。切削用量的选择原则首先根据粗加工后的余量确定背吃刀量；其次根据已加工表面的粗糙度要求，选取较小的进给量；最后在保证刀具耐用度的前提下，尽可能选取较高的切削速度。具体数值应根据机床说明书、切削用量手册，并结合实践经验而定。 
（6）制定机械加工工艺规程
机械加工工艺规程的制订，可以按以下设计步骤进行：
1）确定零件主要加工表面的加工方法；
2）分析零件各加工表面所必须限制的自由度，选择定位基准；
3）考虑加工阶段的划分以及工序的集中与分散；
4）确定加工顺序（基准先行、先粗后精、先主后次、先面后孔）；
5）被加工零件工艺路线；
6）填写工艺过程卡片和工序卡片，绘制工序图。
四、专用夹具设计
专用的机床夹具设计是机械制造工艺装备设计的一部分，它用来确定工件与刀具间的相对位置，将工件定位与夹紧。夹具设计的优劣对零件加工精度、生产效率、制造成本、生产安全、劳动生产条件等都起着重要的作用。
要设计出较理想可行的夹具，必须充分了解和分析有关资料，吸取先进技术经验，制订出可行的夹具结构方案，绘制出总装图，并提出合理的技术要求。在专用夹具设计时应从以下几方面着手：
1、明确要求
夹具设计是根据机械加工工艺规程中提出的具体要求进行的，设计前应对产品的批量、任务与要求、工艺规程及有关技术资料进行分析研究。
2、设计依据
工装设计任务书（主要依据）和工装明细表；
产品图纸及有关设计文件；
工艺规程文件，主要是作业指导书和工人自检指导卡；
工装设计手册；
与工装及其设计有关的各种标准；
本企业设备的有关资料；
国内外典型工装图样及有关资料；
本企业同类工装的图样和设计资料。
3、选定定位基准和定位原件
为使一批工件中的每一个工件放在夹具中都能获得一致的位置，必须使工件上的定位基准与夹具中的定位原件相接处或相配合。由于工件的结构形状多种多样，故定位基准各不相同，所以要合理选择、设计、安置定位原件，以达到定位目的。
（1）定位基准的选择
定位基准的选择直接影响工艺路线中工序的数目、夹具结构的复杂程度以及零件精度是否易于保证。选择定位基准的原则是：
◆ 定为基准必须与工艺重合，并尽量与设计基准重合，以减小定位误差。当定为基准与工艺基准或设计基准不重合时，需进行必要的加工尺寸及其公差的换算；
◆ 应选择工件上最大的平面、最长的圆柱面或圆柱轴线为主要定位基准，以提高定位精度，并使定位稳定可靠；
◆ 在选择定位元件时，应以六点定位原理来分析，要尽量避免过定位现象；
◆ 在工件各加工工序中，力求采用统一基准，以避免因基准更换而 降低工件各表面的相互位置精度；
◆ 分以铸、锻件的毛坯面作为粗基准时，应避开浇、胃口或分型面等不平整表面。
  （2）对定位元件的要求
◆   工件定位基准与定位元件接触或配合后，应限制住必须限制的工作自由度数；
◆   由定位元件产生的定位误差最小；
◆   定位元件的定位表面应具有较高的尺寸精度、配合精度、表面粗糙度和硬度；
◆   定位元件结构应尽量简单，并具有足够的刚度、强度，且便于装卸工件，便于清除切屑；
◆   对尺寸较大的表面，在不影响定位精度的前提下，尽量减少与工件定位表面的接触面积。
 （3）对定位精度的要求
◆   对夹具作必要的定位误差分析与计算，实际定位误差值必须小于或等于工序尺寸公差与该工序加工方法经济精度值之差；
◆   提高夹具在机床上的定位精度；
◆   保证刀夹具上的导向精度；
◆   保证对刀元件表面到工件被加工表两间的尺寸精度。
4、确定夹紧机构
为保证工件安装的正确可靠，再设计夹紧机构时，应考虑夹紧力的大小、方向和作用点的数量、位置，以及夹紧力的力源装置。
（1）夹紧力方向的选择原则：夹紧力方向应朝向对保证工件精度影响最大的定位面，即至少要有夹紧力指向主定位面；应使工件变形最小，最好与工作重力和切削力同向；
（2）夹紧力作用点的选择原则：应选在不破坏工件定位时已经获得的正确位置，应使夹紧时变形最小和受切削力而产生的变形和震动最小；
（3）估算夹紧力和选择动力源
 工件在加工过程中受切削力、惯性力、离心力和重力等作用。从理论上讲，夹紧力的作用必须与上述作用了（或力矩）相平衡，据此可列出静平衡方程式，算出夹紧力。
但在实际加工过程中，由于工件加工表面的加工余量、硬度不均匀，刀具的磨钝以及断续切削等因素，所以，实际的夹紧力比理论夹紧力要大得多。为了加工安全可靠，保证加工质量，则必须将理论夹紧力乘以安全系数k.粗加工时，取k=2.5～3.0;精加工时，取k=1.5～2.0。
5、绘制夹具草图
先用双点划线画出工件外形，在夹具图中，工件视为透明体，然后围绕工件依次画出定位元件、夹紧装置和刀具导向元件等，最后用夹具把各种元件连成一整体，有的还需画出夹具与机床连接的元件。
      6、绘制夹具工作图
   经审查，所设计的夹具结构和夹具精度符合要求之后，即可绘制夹具总图和零件图。
7、夹具设计的分析与评价
   工装的先进性与使用的现实性；
   工装设计的可靠性与经济上的继承性；
   设计工装的创造性与科学的合理性；
  工装设计的标准化原则（夹具、量具、刀具设计标准化）。
五、典型夹具机构
常见的有斜楔、偏心、螺旋和铰链等夹紧机构，斜楔、偏心、螺旋是利用机械摩擦的斜楔自锁原理。
1. 斜楔夹紧

斜楔夹紧的特点：
 （1）斜楔机构简单，有增力作用。一般扩力比（约为3），α愈小增力作用愈大。

  (2) 斜楔夹紧行程小，且受斜楔升角α可加大行程，但自锁性能变差。
 为解决增力、行程之间矛盾，斜楔还可采用双升角形式，大升角用于夹紧前的快速行程，小升角则满足增力和自锁条件。
 （3）夹紧和松开要敲击大、小端，操作不方便。
 手动操作的简单斜楔夹紧很少应用，在常见的夹紧装置中，改变夹紧力方向和大小一般采用增力机构。
如：气一液压夹紧时，斜楔上作用的动力源是不间断的，所以不必自锁，a可增大到15～300。

材料:斜楔一般用20钢渗碳，淬硬HRC58～62。批量不大时也可用45钢，淬硬HRC42～46。
具有双升角斜楔滑块夹紧机构：

2.螺旋夹紧
螺旋夹紧结构简单，增力比大，自锁性好，夹紧可靠，所以在夹具中得到最广泛的应用。
简单的螺旋夹紧机构

螺杆1在2中转动而起夹紧作用。
螺母2采用可换式，其目的是为了内螺纹摩损后可及时更换。       
螺钉3用以防止2的松动。
压块4是防止在夹紧时带动工件转动；并避免1的头部直接与工件接触而造成压痕，同时也可增大夹紧力作用面积，是夹紧更为可靠。螺旋夹紧力的计算公式：

式中：P-原始作用力；
      L -手柄长度；
      r＇-螺杆下端（或压块）与工件接触处的当量摩擦半径；
      r平均-螺旋作用中径
      φ1  -螺杆上端与工件接触的摩檫角
      Φ2 - 螺杆下端（或压块）与工件接触的摩檫角；
        -螺旋配合面的摩檫角（常取8°30´）。
    实际生产中，采用螺旋--压板的组合夹紧，在手动操作时用得比单螺旋夹紧更为普遍。较典型有三种：

图a的扩比力最低；
图c的操作省力，但结构受工件形状限制；
图b基本不变。故设计这类夹具时，要注意合理布置杠杆比例，寻求最省力、最方便的方案。
3、联动夹紧机构

4、偏心夹紧
螺旋夹紧的主要缺点安装、拆卸工件的辅助时间长，而偏心夹紧是一种快速的夹紧机构。
常用的有圆偏心和曲线偏心两种，可以做成平面凸轮的形状。因圆偏心机构简单，制造方便，较曲线偏心应用广泛。

偏心夹紧必须保证自锁条件
偏心夹紧必须保证自锁，否则就不能应用。
D/e值反映了偏心轮的偏心特性，它可以用来表示偏心轮工作的可靠性；比值大，自锁性能好，但结构尺寸也大。满足偏心轮D/e≥14～20条件时，机构即能自锁。
5、多件夹紧
加工时采用多件夹紧，可以大大提高生产率，尤其是在小件加工时应用更为广泛。
按夹紧力的方向及作用情况，多件夹紧可以分为两种：
（1）连续式夹紧——由一个力的来源，以同样大小的夹紧力，一次连续朝同一个方向由一个工件传递到其他工件。

    使用连续式夹紧，沿夹紧方向，每个工件与定位——夹紧元件接触处的误差，必定要传到另一个工件上。如此积累，使最后一个方向的工件沿此定位精度非常低。
 因此，连续式多件夹紧只适用于被加工表面与夹紧方向平行，因此时的定位误差，并不影响工件的加工精度。
（2）平行式夹紧——总的原始力按几个平行的相同方向，分布在不同的多个夹紧位置上。
工件安装在V形块上，旋紧螺母1，通过一特殊压板2，使四个工件同时夹紧。

图c是用液性塑料的平行式多件夹紧

六、典型零件的工艺规程设计实例
下图所示摇杆零件：

零件毛坯为HT200，毛坯为铸件，生产批量5000件
1、零件工艺分析
1）加工面：
底面A、顶面D、φ20H7孔、φ12H7孔、B面、C面和M8螺纹孔。
2）主要加工要求——φ20H7孔、φ12H7孔、60±0.05
3）确定加工方法：
φ20H7孔——车床上进行钻、扩、饺；
底面A——车端面；
顶面D——为提高加工效率，多件铣削；
B面、C面——采用复合铣（分粗铣、半精铣）
φ12H7孔——在钻床上进行钻、扩、饺；
M8螺纹孔——在钻床上进行钻螺纹底孔、攻丝。
2、定位基准分析：
底面A、顶面D——φ20H7孔高度方向的设计基准；
Φ20H7孔轴线——φ12H7孔孔的设计基准。
1）精基准选择
底面——限制3个自由度
基准重合（底面是顶面、φ16H7孔高度方向的设计基准）
基准统一（在大多数工序中使用）
定位稳定可靠、夹具结构简单。
Φ20H7孔——限制2个自由度
基准重合（φ12H7孔的设计基准）
基准统一（在大多数工序中使用）
φ12H7孔——限制1个自由度
加工M8螺纹孔时使用的精基准。
（2）粗基准的选择
Φ40外圆——限制4个自由度
用三爪卡盘装夹，可保证加工面与不加工面间的位置关系（φ20H7孔与φ40外圆壁厚均匀）；
并能保证采用φ20H7孔与端面A垂直，φ20H7孔与端面A作为统一的精基准，定位稳定可靠、夹紧方便。
斜面——限制1个自由度
保证B面和C面的位置关系（保证尺寸45）

七、设计中应注意的问题
1、工序号编制方法：10、20、30……中间留可添加的序号；
2、编写工序内容时，应采用工程语言，如：
     30   以××、××和××定位，加工×××，留××加工余量，达到IT××、Ra为××；
3、应注意削边销的布置方向；

4、设计钻套应注意的问题：

5、钻套高度问题

6、回转式镗套的设计

7、铣床夹具设计要注意的问题：

（1）夹具底座与机床工作台的配合尺寸L应根据工作台T行槽来决定；
（2）设置对刀块时，刀具与对刀块的距离应考虑留有塞尺的厚度；

八、典型夹具结构分析
1、通用夹具

2、滑柱式钻模

3、连杆铣结合面专用夹具

4、钻孔夹具

5、回转式钻模

九、参考教材和课程设计题目
1、参考教材：（普通高等教育机电类规划教材）
《机械制造工艺学课程设计指导书》
            哈尔滨工业大学 赵家齐 编 机械工业出版社
2、设计题目
（1）拨叉（CA6140车床）
（2）钢板弹簧吊耳
（3）拨叉（CA6140车床）