机械工艺夹具毕业设计82110型柴油机气缸盖加工工艺规程设计及夹具设计论文.docx
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机械工艺夹具毕业设计82110型柴油机气缸盖加工工艺规程设计及夹具设计论文
第一章前言
一、柴油机的工作原理
内燃机是一种能量转换装置,由燃料在机器内部燃烧进而将能量释放出来做功.其主要组成部分有:
机体、曲柄连杆机构、配气机构、供油系统、供气系统、点火系统、润滑系统、冷却系统及起动装置等.
它是以柴油为燃料的内燃机，其工作原理是：
往气缸内按一定比例和一定的时间与规律送进空气，使柴油和空气混合被压缩到一定的压力和温度而进行自燃，产生高温高压的燃气，利用燃气的不断膨胀，推动活塞运动，通过曲柄连杆机构将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，这样将柴油的化学能转变成热动能，对外做机械功，输出动力。
二、本次设计的内容
本次毕业设计的是2110型柴油机气缸盖的机械加工工艺规程设计及其中一道重点工序的夹具设计，其设计重点为夹具设计。
气缸盖是柴油机的重要零部件之一，属于结构复杂的箱体类零件，它的加工精度对柴油机的综合性能指标高低有着很重要的影响。
因此，气缸盖的机械加工工艺有较高的技术要求。
在设计过程中，要使零件的质量达到图纸上的要求，同时又要尽可能的降低生产成本。
这就要求在安排加工工艺方案时，要兼顾多方面的要求，尽可能选取最佳方案。
在本次毕业设计中，我查阅了一些和本次设计内容有关的资料，参照和仔细分析了大连柴油机厂的气缸盖加工工艺规程，并结合其它同类产品的生产线状况，进而制定了本次的设计方案。
在这次毕业设计过程中，得到指导教师吴雪松老师的悉心指导，特此表示深深的谢意.
第二章零件的分析
一、零件的作用及性能
气缸盖位于封闭气缸上部，与气缸上部及活塞顶构成燃烧室，他用螺栓固定于机体上。
气缸盖上根据不同情况装有排气门，气门摇臂和喷油器和火化塞等零部件，并布置有排气道。
燃烧室位于气缸之上，气缸盖承受着高温气体的压力和热负荷，还承受着气缸盖螺栓的预紧力。
其热应力和机械应力都比较严重，因此鉴于它的工作方式和恶劣的工作条件，要求气缸盖必须有足够的刚度和强度，以便能承受各种形式负载，同时气缸盖的结构形式也要力求简单，布置要尽可能对称，厚薄要尽可能均匀，内部铸管冷却水套要尽可能使高温部分得到冷却。
气缸盖应该用抗热疲劳性能好的材料铸造，材料导热性越好，线膨胀系数越小，高温疲劳强度越高，越能承受热负荷的反复作用。
综合起来看，高强度铸铁优于铝合金，因此绝大多数内燃机的气缸盖多用高等级的灰口铸铁铸造而成。
鉴于此，本次设计中选用的气缸盖材料为灰口铸铁HT20-40。
气缸盖的外形尺寸为：
274*198*100，重量为4.5kg。
二、零件的生产纲领
由设计任务书知：
产品的生产纲领为1.5万台/年。
产品的某零件的生产纲领（N0）除规定的产品的生产纲领外，还必须包括备品率α及平均废品率β，零件的年生产纲领N0为：
N0=N*n*（1+α）*（1+β）
式中：
N-产品的生产纲领N=15000
n-每一产品中包含该零件的数量n=1
α-备品率取α=10%
β-平均废品率取β=5%
N0=15000*1*（1+10%）*（1+5%）
≈17500
故零件的生产纲领为17500个/年，属于大批生产。
零件的生产纲领确定后，根据生产车间的具体情况，零件在一年中分批投产，每批投产的数量为批量，按月分批的投产，则：
批量=N0/12
=17500/12
≈1500
即每月的生产批量为1500件。
考虑到零件的生产类型为大批量生产，以我国目前的机械工业的发展水平，为取得很好的经济效益，选用万能设备与专用设备共同的形成的流水线生产加工方式。
生产节拍t的确定
t=60tc/N0（分）
式中：
tc=300*8*班次*η
300-全年工作日
班次为一班
η-自动线效率：
从300天中扣除一天缺勤时间，通常工人工作时间损失率均为8%，维护设备的停工维修时间取
tc=2150
则t=（60*2150）/17500
≈7.5（分钟）
三、气缸盖的主要技术条件极其分析
1、尺寸精度
气缸盖是以底平面与缸体连接的，其他平面用来安装有关零部件，为既能保证装配技术要求，又能满足组装后柴油机的总体尺寸，故对气缸盖的外形尺寸有一定的技术要求，长：
274±0。
34；宽：
198；高：
100±0.23。
在诸多的孔中，重要的是导管孔、气门孔及工艺孔、这些孔分别咬压装导管，座垫及定位安装用，故要求很高，导管孔直径：
Φ15±0.027进气门座孔直径Φ44±0.027，排气门座孔直径Φ44±0.027，两孔中心距为50±0.05。
2、几何精度
2110型柴油机气缸盖是采用整体式结构,与单体式结构相比较,据有以下特点:
零件数少、缩短气缸中心距和发动机的总长、结构紧凑.
但同时存在着刚性差,受热受力后易变形而影响密封,因底面与缸体接触面积较大,密封性能差等缺点.所以对零件的几何加工精度要求较高,其表面不平度不大于0.05mm,同时,刚盖顶面安装盖罩,同样需要保证密μ封性能,因而表面不平度要求为0.1mm,前后两端面积及左侧面的不平度要求为0.1mm.
3、位置精度
为了压装气门座垫,进、排气门座孔的加工深度有一定的位置精度要求为8±0.1,燃烧室的深度精度要求为36±0.1,缸盖上有一些多轴线孔系,如紧固螺栓孔,其本身精度不高,但它们是用来连接缸盖和缸体的,保证其密封性能要求,故要求螺栓要尽可能的均匀分布,以减少气缸盖承受负载时的变形,因此其位置精度要求较高,公差为±0.20.
4、表面粗糙度
气缸盖底面是与气缸体的接触面,有密封性能要求,而且其受高温、高压燃气侵蚀,承受较大的负载,易产生疲劳断裂裂纹,因此要求其表面粗糙度Ra=1.6μm,同样上顶面要求也较高Ra=3.2μm.左右两个侧面同上顶面一样,要求Ra=3.2μm,而其前后两个面要求较低,前面Ra=6.3μm,后面Ra=12.5μm.导管孔及气门座孔因与导管及座垫有配合要求,表面粗糙度要求较高,导管孔为Ra=1.6μm,进、排气门座孔为Ra=1.6μm.而其它孔Ra=12.5μm即可.而凸台面的表面粗糙度为Ra=3.2μm.
第三章工艺规程设计
一、确定毛坯制造形式
由于气缸盖的结构较复杂,属箱体类零件,故可以采用铸造毛坯.材料采用灰口铸铁HT20--40,其刚度较好,使用时不易产生变形,机械加工性能良好.但与铸铝合金比较,导热性能较差,压缩比较低,但有良好的经济效益,所以材料选用灰口铸铁.
由于零件年产量为17500件,属于大批量生产,因而铸造采用砂模铸造,机器造型.这样生产率高,毛坯尺寸准确、精度较高,并可以有效的减少机械加工时的余量.
二、制定工艺路线
（一）零件的结构工艺性分析
1、零件的结构工艺性是指该零件被加工的难以程度,是评价零件结构优劣的技术经济指标之一.所谓工艺性良好是说所设计的零件在保证产品的使用性能前提下,能用生产率高,劳动量小,材料消耗少和生产成本低的经济加工方法制造出来.
气缸盖是一种箱体类零件,有较大的平面,因而便于定位和夹紧,零件的主要加工内容为平面加工和孔加工.
（1）平面加工
气缸盖外表面有五个大平面需要加工.在机械加工中,平面的加工方式很多.车削、铣削、刨削、镗削、磨削和拉削都可以对平面进行加工.但是,由于缸盖工件较大,又为箱体类零件,所以不宜采用车削和镗削加工;其次,磨削加工属于高精度加工,且其效率较低,故在其他加工方式下,可以达到精度要求的情况下，就不宜采用磨削加工;刨削加工,效率较低,且加工精度不高;而拉削加工,在我国现阶段还不宜采用.由以上分析,可以看出,就本零件所加工的平面而言,采用铣削加工为最佳.而且随着刀具的发展,端铣刀的大进给,可大大提高生产率,降低成本.所以本次设计,所需加工平面主要以铣削加工为主.只是,对于上下底面,由于表面粗糙度要求较高,在最后采用磨削加工.
（2）孔系的加工
气缸盖上分布着各种孔几十个,比较复杂,且都有不同的尺寸精度和位置精度要求.加工时,可以根据孔的内表面的粗糙度高、低要求不同,通过钻、扩、铰、锪、镗等加工方法来实现.具体的孔采用的加工方法,在后面的加工方案中具体说明.
（二）工艺路线的拟定
拟定工艺路线的出发点,应当使零件的尺寸精度及位置精度等技术要求能够得到妥善的保证.在生产纲领中,已经确定该零件为大批量生产的条件下,可以考虑选用万能性设备和专用设备共同形成流水线的生产方式,配以专用夹具,并尽可能的使工序集中来提高生产效率.除此之外,还应当考虑经济效果,以便使生产成本下降.
该零件为大批生产,因此应采用高效率的自动化程度高的机床,专用夹具和刀具.采用自动加工生产线来进行生产,这样可以大大提高产品的制造精度.生产中,采用自动线和流水线相结合的方式,其中以自动线加工为主.
1、基准的选择
基准是指机器零件上用来确定各有关表面相互位置的几何元素.合理的选择定位基准,尽量使基准重合,可以在加工过程中减少加工误差,提高加工精度.
1）粗基准
虽然气缸盖有五个外表面需要加工,但各表面的技术要求不尽相同,其中要求最高的是下底面,最好使其余量均匀,故选底面为粗基准来加工顶面,然后再以加工后的顶面为基准加工底面,这样可以保证底面的加工要求.另外,粗加工时,由于加工余量较大,切削力较大.各表面中,只有底面面积较大,且较平整,才能保证装夹时的稳定与可靠.
2）精基准
选择精基准,主要从保证工件的位置精度和装夹方便,即尽可能使基准重合、统一来考虑.本设计采用气缸盖底面及底面上的两个直径为14的工艺孔作为精基准,即"一面两销"定位.这样做的好处有:
（1）各加工表面基本上都是以一面两销作为精基准,减少了由于基准转换而引起的定位误差,且两孔位于底面两边,距离长,定位精度高.
（2）底面轮廓尺寸大,时的工件安装稳定可靠.
（3）大部分工序夹具结构相同,且夹紧方便.夹具设计、制造及维修简单,缩短了生产准备周期,降低了成本.
（4）便于实现自动化定位,有同时加工多个工作面,提高了生产效率.
2、加工方法的选择
加工方法的选择应该符合产品的质量、产量及经济性的要求.达到同样的精度要求采用的加工方法是多种多样的.问题的关键在于如何通过分析、比较,在这些方法中选择出一种能在满足零件的技术条件和完成生产批量的前提下,最简单、生产效率最高、消耗原料最少、动力最少、成本最低的加工方法来.
本着上述原则,气缸盖的各加工表面加工方法选择如下:
（1）上下底面
粗铣--半精铣--精铣--磨削
（2）其他平面
粗铣--精铣
（3）导管孔
钻孔--扩孔--粗镗--精镗--精铰
（4）气道孔
粗锪--精锪
（5）座孔
扩孔--镗孔--精铰
（6）工艺孔
钻孔--铰孔
（7）一般的孔
钻孔--扩孔
另外,需要注意一点:
在孔加工中,有一些属于深孔加工.如直径为5.8的孔,钻深74,长径比达到13;又如直径为15的斜孔,钻深79.98,长径比为5.4.同一般的孔加工相比,深孔加工中存在着下列问题:
（1）排削困难、切屑阻塞、扭矩较大、易造成钻头折断.
（2）刀具冷却困难.处于半封闭状态下的钻头发热严重,降低了钻头的使用寿命.
（3）由于钻头细长,强度和刚度较差,特别是当钻头刃磨不对称时,钻头很容易引偏,并引起刀头的振动.
为了解决上述问题,应适当提高转速,降低走刀量,并提高钻头切削力的对称性和采用较长的导向,缩小导向距工件的距离等措施,改善排屑条件.
为保证孔的加工精度,特别是孔的位置精度,在生产线上广泛使用专用夹具.其上设有导向的钻模,以作为刀具的支撑,确保其位置精度,以减少刀具变形.同时,各种专用组合机床及许多复合刀具都大大减少了工件的安装次数和传送时间,既保证了加工精度,又提高了劳动成产率.
3、加工阶段的划分
当工件的加工质量要求较高时,常把工艺路线分成几个阶段,一般可分为:
粗加工阶段、半精加工阶段、精加工阶段.这样分:
（1）能保证零件的加工质量.粗加工阶段,主要是切除较大余量,精度要求不高,切削用量比较大,切削力大,切削时发热振动大.此外,工件的内应力,因表面去掉一层金属而从新分布,产生新的变形,若将粗、精加工混在一起势必会破坏了精加工的表面精度.
（2）使设备得到了合理的使用.粗加工应安排在功率大、精度底的机床上进行,充分发挥设备潜力,提高生产率.而精加工应安排在精度较高的机床上进行,既有利于长期保持设备的精度,又有利于加工精度的稳定,并可以合理的配备操作工等级.
（3）在粗加工阶段,可及时发现毛皮缺陷,便于及时确定后续工序是否可以进行,以免浪费.同时,将精加工安排在最后,可减少精加工后的表面受碰撞的机会.
（4）粗、精加工要求不同的夹紧力,将粗、精加工分开,就可以在精加工采用较小的夹紧力,以减少夹紧变形保证加工精度.
（5）气缸盖是箱体类零件,在加工中,应遵循着"粗精分开""先粗后精""先面后孔",及"先主要表面,次要表面插入其中"的原则,使面与孔的粗、精加工交替进行,有利于提高零件加工时的定位精度和加工精度.
总上说述,气缸盖的加工过程可大致分为以下几个阶段:
第一阶段:
主要完成气缸盖顶面、底面、两端面及侧面的粗铣、半精铣和顶面、底面的精铣.使零件有一较准确的毛坯尺寸,为工件上自动线提供保证.还要完成钻、铰工艺孔的加工,为以下工序提供定位基准.
第二阶段:
主要完成火花塞孔的钻、锪、攻丝、锪气门弹簧座孔平面、锪进排气门孔及导管孔.
第三阶段:
完成顶面、底面、两端面及侧面上的钻孔、倒角、扩孔、铰孔和攻丝等工序.
第四阶段:
完成压气门座、导管、滚压气门孔的加工及磨削顶面、底面和清洗、试漏、钳工等后续工序.
为保证产品质量,在整个工艺过程中安排了几道检查工序.这样做,可以及时发现零件的质量问题,马上解决,避免不合格零件进入下一道工序.
4、工艺路线的拟定（列表）
-------------------------------------------------------方案一工序主要加工内容
10铸造
20检查
30粗铣上顶面
40粗铣下低面
50扩定位气道飞刺
60铣侧面飞刺
70铣前后面飞刺
80检查
90自动线上料
100半精铣上平面
110半精铣下平面
120精铣上平面
130精铣下平面
140钻铰工艺孔及顶面钻孔
150检查
160加工后面（铣平面,钻孔,攻丝）
170加工前面（铣平面,钻孔,攻丝）
180检查
190翻转90度
200铣侧面
210铣进排气侧面
220钻侧面孔
230攻侧面孔丝
240翻转90度
250锪导管孔平面,钻螺纹孔
260钻导管孔
270粗锪气道孔,划平面
280精锪气道孔,划平面
290钻深油孔,划平面
300扩导管孔,座孔,钻油嘴子大孔
310扩导管孔,座孔,钻油嘴子小孔
320镗导管孔,座孔,钻油嘴子螺孔
330镗导管孔,座孔,划油嘴子平面,扩小孔
340精铰导管孔,座孔,攻油嘴丝孔
350精铰导管孔,座孔,攻上面丝
360下料
370检查
380清洗
390压闷头
400水压试验
410去飞刺,清理铁屑
420磨上平面
430磨下平面
440全面检查
450检查入库,上防锈油
-------------------------------------------------------方案二工序主要加工内容
10铸造
20检查
30粗铣上顶面
40粗铣下低面
50检查
60上料
70半精铣上平面
80半精铣下平面
90精铣上平面
100精铣下平面
110钻铰工艺孔及顶面钻孔
120检查
130铣后面
140铣前面
150铣两侧面
160后面钻孔攻丝
170前面钻孔攻丝
180检查
190翻转90度
200钻侧面孔
210攻侧面孔丝
220翻转90度
230锪导管孔平面,钻螺孔
240钻导管孔,钻孔
250粗锪气道孔,划平面
260精锪气道孔,划平面
270钻深油孔,划平面
280扩导管孔,座孔,钻油嘴子大孔
290扩导管孔,座孔,钻油嘴子小孔
300镗导管孔,座孔,钻油嘴子螺孔
310镗导管孔,座孔,划油嘴子平面,扩小孔
320精铰导管孔,座孔,攻油嘴丝孔
330精铰导管孔,座孔,攻上面丝
340下料
350检查
360清洗
370压闷头
380水压试验
390去飞刺,清理铁屑
400磨上平面
410磨下平面
420全面检查
430检查入库,上防锈油
5、工艺路线方案的比较
上述方案1,为大连柴油机厂缸盖加工工艺路线.方案2,以北京内燃机总厂缸盖加工工艺路线为参考而拟定的.同方案1相比,方案2少了两道工序,但通过分析发现方案2有一定的缺陷.
首先,方案2在工序50（检查）前较方案1省略了三道工序,分别为扩定位气道飞刺,铣侧面飞刺,铣前、后面飞刺.在方案1中扩定位气道飞刺是按工艺孔找正加工的.并把气道作为下面几道工序的基准.使得工艺孔的加工有了互为基准,提高了工艺孔的位置精度.又在正式加工侧面及前、后面之前加了去飞刺一道工序,有利于提高零件毛坯的尺寸精度.可见,在生产条件允许的条件下,确实这三道工序不应该被省略.
其次,在方案2中,工序130至工序210,为先将各表面加工完毕,后接着分别加工各面的孔,体现了"先面后孔"的加工原则,但同方案1中,工序160至工序230,加工内容完全一样,只是加工顺序不一样.二者作比较,发现方案1中,将铣后平面、钻孔、攻丝变成一道工序的几个工步,虽然使一道工序中出现了多工位,但是由于是用一台组合机床来完成的,减少了安装的次数,提高了加工精度.同时,也提高了劳动生产率.
综上所述,由于方案2中存在着一些不完备的地方,所以这次设计的工艺过程取方案1即大连柴油机厂的气缸盖生产的加工工艺过程.在对多孔系的加工中,广泛采用了工序集中的方式,如工序160和170,将铣平面、钻孔、攻螺纹丝等集中在一道工序中.这样,既缩短了工艺路线,又减少了机床的占地面积,使生产周期变短.而在粗加工阶段,工序30至工序70,主要采取了工序分散的方式.这样做是因为,这几道工序的加工精度要求不高,且容易安装,可采用较简单的专用或通用机床.另外,使得机床的调整更容易了,从而降低了生产成本.
6、定位误差分析
下面着重分析一下这套设计方案的定位误差:
如附图所示,工作以孔1、2定位加工孔3时,此时,两销在X方向上的误差为δx,将引起孔1、3中心距l=0.03的误差δl,一般认为:
δl≈δ1=Δ1+δxl+δy1
转角误差δα,将引起中心连线0.03与X轴夹角α的误差.孔3的中心线将在扇形区域abed中变动,其误差域最大的坐标误差为δx、δy有下面的公式:
δx=δ1x/√（x²+y²）+y/L*（δ1+δ2）
δy=δ1y/√（x²+y²）+x/L*（δ1+δ2）
附图No.1两销定位误差对加工误差的影响
由上面的估算可以看出,一面两销定位时,因间隙引起的定位误差是不容忽视的.
三、机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定
（一）确定机械加工余量
机械加工中毛坯尺寸同完成零件尺寸之差称为毛坯的机械加工余量.加工余量的大小,取决于加工过程中各个工步切除的金属层的总和,以及毛坯尺寸与规定的公称尺寸间的偏差数值.加工余量过大浪费材料,增加切削工时,加快刀具的磨损;余量过小时,则不能修正前一工序的误差,造成局部切不到的毛病,影响加工质量,甚至会造成废品.因此,通常根据经验数据,并结合实际的加工情况,合理的选择加工余量.总的原则是:
在保证加工质量的前提下,尽可能地使加工余量减小.
气缸盖毛坯为铸件，零件材料为铸铁HT20-40,铸造精度为二级，铸件在最大尺寸260-500mm之间，查表可知六个面的加工余量为：
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。
在机械加工的各个工步中，所切除的金属厚度用Zm来代表。
如不考虑其他因素，则总的余量大小将为ΣZm，如用符号Z1,Z2,Z3…Zm…来代替各个工步或工序的加工余量大小，则有：
ΣZm=Z1+Z2+Z3+……+Zm
综上所述：
上、下面的加工精度高，要求Ra=1.6μm，加工过程为粗铣→半精铣→精铣→磨削，则有：
粗铣余量为Z1,取Z1=2mm
半精铣余量为Z2,取Z2=1.5mm
精铣余量为Z3,取Z3=0.5mm
磨削余量为Z4,取Z4=0.05mm
总的余量为ΣZm=Z1+Z2+Z3+Z4
=4.0mm
同时，前后面的加工过程为铣飞刺→精铣，故：
铣飞刺的余量，Z1=2mm
精铣余量Z2,Z2=2mm
总的加工余量ΣZ=Z1+Z2
=4mm
同理，两侧面的加工余量分别为4mm和2mm.
（二）确定零件毛坯尺寸
长=零件的长度+前面加工余量+后面加工余量±尺寸偏差
=274+4+4±0.5
=282±0.5mm
宽=零件宽度+左侧面加工余量+右侧面加工余量±尺寸偏差
=198+4+2±0.5
=204±0.5mm
高=零件高度+上面余量+下面余量±尺寸偏差
=100+4+4±0.5
=108+0.5mm
故,毛坯的尺寸为282*204*108
四、确定切削用量和基本工时
（一）切削用量的确定
切削用量是指切削速度v，进给量s和切削深度t.确定切削用量时，应考虑生产率，加工质量及切削力引起的工艺系统的弹性变形，工艺系统的振动，刀具的耐用度，机床的功率等综合因素的影响。
在一般的情况下，应尽量选取大的切削深度t,其次，尽量取大的进给量s，在选择进给量s时应考虑两个问题：
一是因切学力而引起的系统的弹性变形，不能使工件的尺寸超出误差范围；而应保证零件表面的粗糙度要求，具体来说，就是粗加工时，切削力、进给量主要按照工件材料、工艺系统的刚性来选取。
精加工时，按照表面粗糙度来选取。
最后，选取合适的切削速度v。
合适的切削速度，能满足充分的发挥刀具的切削条件的能力。
即刀具的磨损量控制在最小，机床的利用率最高，并能保证零件的加工质量。
以上所述是就普通机床而言的，在本次设计中，零件的大部分工序是在组合机床自动线上进行的，故其切削用量有自己的特点。
组合机床采用多把刀具同时加工，受生产节拍的限制，为使机床不经常停车换刀，从而达到较高的生产率，他的切削用量比一般的机床的切削用量要小30%；其次，缸盖生产线多采用复合刀具，而复合刀具的进给量，应按其最小直径来选取，切削速度应按其最大直径来选取，即“就高不就低”；再着，组合机床有一特点，就是动力头工作时，每分钟仅给只有一种，这样就使所有刀具的每分钟进给量相同，而这一进给量并不是每一刀具的合理进给量，为兼顾多方面，只有采用互相迁就的办法解决，即首先选出各刀具独立合理的选定结果，再造一中间值，以此为标准，调整多刀具的切削用量，靠近适合本身的需要为止。
在选择切削用量时，还应使每分钟进给量高于动力头所允许的最小值。
因受温度等其他因素的影响，若选得太低则不能够稳定的进给，以至于影响了加工精度。
总之，要对上面提到的各种因素综合考虑，并加以细致地分析，选出经济的、合理的切削用量。
下面，就本次设计的具体实际，列举几个工序切削用量的切削过程。
（一）切削用量选择
1、工序30的切削用量选择
（1）加工内容：
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