WP12D250蓝擎发动机缸盖铣侧面专用夹具设计和加工工艺设计要点.docx
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WP12D250蓝擎发动机缸盖铣侧面专用夹具设计和加工工艺设计要点
目录
中文摘要…………………………………………………………………………………Ⅰ
英文摘要…………………………………………………………………………………Ⅱ
前言2
1零件工艺分析4
1.1气缸盖4
1.2本工序待加工处的技术要求5
1.3审查气缸盖本次加工的工艺性5
1.4气缸盖的生产类型5
2铣床夹具设计6
2.1铣床专用夹具的设计要点6
2.2定位方案的选取6
2.3夹具机构设计8
2.4夹具机构的夹具工作过程和锁紧机构要求9
3刀具结构的选择13
4缸盖的加工工艺过程14
结束语15
参考文献16
致谢17
前言
夹具最早出现在18世纪后期。
随着科学技术的不断进步，夹具已从一种辅助工具发展成为门类齐全的工艺装备。
1．机床夹具的现状
国际生产研究协会的统计表明，目前中、小批多品种生产的工件品种已占工件种类总数的85％左右。
现代生产要求企业所制造的产品品种经常更新换代，以适应市场的需求与竞争。
然而，一般企业都仍习惯于大量采用传统的专用夹具，一般在具有中等生产能力的工厂里，约拥有数千甚至近万套专用夹具；另一方面，在多品种生产的企业中，每隔3~4年就要更新50~80％左右专用夹具，而夹具的实际磨损量仅为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（FMS）等新加工技术的应用，对机床夹具提出了如下新的要求：
（1）能迅速而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；
（2）能装夹一组具有相似性特征的工件；
（3）能适用于精密加工的高精度机床夹具；
（4）能适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具；
（5）采用以液压站等为动力源的高效夹紧装置，以进一步减轻劳动强度和提高劳动生产率；
（6）提高机床夹具的标准化程度。
2．现代机床夹具的发展方向
现代机床夹具的发展方向主要表现为标准化、精密化、高效化和柔性化等四个方面。
（1）标准化机床夹具的标准化与通用化是相互联系的两个方面。
目前我国已有夹具零件及部件的国家标准：
GB/T2148~T2259－91以及各类通用夹具、组合夹具标准等。
机床夹具的标准化，有利于夹具的商品化生产，有利于缩短生产准备周期，降低生产总成本。
（2）精密化随着机械产品精度的日益提高，势必相应提高了对夹具的精度要求。
精密化夹具的结构类型很多，例如用于精密分度的多齿盘，其分度精度可达±0.1"；用于精密车削的高精度三爪自定心卡盘，其定心精度为5μm。
（3）高效化高效化夹具主要用来减少工件加工的基本时间和辅助时间，以提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度。
常见的高效化夹具有自动化夹具、高速化夹具和具有夹紧力装置的夹具等。
例如，在铣床上使用电动虎钳装夹工件，效率可提高5倍左右；在车床上使用高速三爪自定心卡盘，可保证卡爪在试验转速为9000r/min的条件下仍能牢固地夹紧工件，从而使切削速度大幅度提高。
目前，除了在生产流水线、自动线配置相应的高效、自动化夹具外，在数控机床上，尤其在加工中心上出现了各种自动装夹工件的夹具以及自动更换夹具的装置，充分发挥了数控机床的效率。
（4）柔性化机床夹具的柔性化与机床的柔性化相似，它是指机床夹具通过调整、组合等方式，以适应工艺可变因素的能力。
工艺的可变因素主要有：
工序特征、生产批量、工件的形状和尺寸等。
具有柔性化特征的新型夹具种类主要有：
组合夹具、通用可调夹具、成组夹具、模块化夹具、数控夹具等。
为适应现代机械工业多品种、中小批量生产的需要，扩大夹具的柔性化程度，改变专用夹具的不可拆结构为可拆结构，发展可调夹具结构，将是当前夹具发展的主要方向。
在机械制造过程中，用来固定加工对象，使之占有正确位置，以便接受施工或检测的装置，都可统称为夹具。
机床夹具是制造业中机床工艺装备的重要组成部分。
机床夹具种类繁多，其结构型式通常受使用的机床类型、被加工工件的外形尺寸、工艺要求及生产性质等多种因素的影响而千变万化。
由于现代加工技术的发展，需要从不同的角度将机床夹具进行分类，以便于管理并在技术上深化。
1零件工艺分析
1.1气缸盖
（1）气缸盖的功用及工作条件
气缸盖的功用是密封汽缸并形成燃烧室的顶面。
其用螺栓紧固在汽缸体上。
汽缸盖与高温燃气直接接触，还要承受很高的气体压力和缸盖螺栓预紧力，故其所受热应力和机械应力均较严重。
因此，气缸盖应具有足够的刚度、强度和良好的铸造性，并应保证冷却可靠，密封良好。
图1.1气缸盖
（2）气缸盖材料
气缸盖一般采用优质灰铸铁或合金铸铁制造，也有的采用铝合金铸造。
（3）气缸盖结构
气缸盖的结构形状极其复杂，其上面设有进、排气门及火花塞或喷油器等，而缸盖内部还铸有进、排气道、冷却水道、冷却水套、润滑油道等。
气缸盖的整体结构可分为单体式、分块式和整体式三种。
单体式气缸盖的每一个汽缸均有一个气缸盖。
其优点是刚度大，通用性强，加工简便，但在缩短气缸中心距离方面受到一定限制。
目前常应用于风冷式内燃机中。
分块式气缸盖的每两缸或三缸共用一个气缸盖。
其优点是铸造容易，加工精度要求较低，刚度较高，通用性好，但气缸的中心距离较大，使内燃机的质量和长度增加。
目前多应用于缸径较大的柴油机中。
整体式气缸盖的所有气缸共用一个气缸盖。
其优点是结构简单，气缸的中心距离小，可减小内燃机的质量和长度。
但其铸造工艺和加工精度要求较高。
多应用在气缸数不超过六个的内燃机中。
1.2本工序待加工处的技术要求
加工面
尺寸及偏差
公差及精度等级
表面粗糙度
形位公差
侧面
IT10
Ra3.2μm
表1-1
气缸盖零件结构复杂，孔加工较多。
本次加工中对气缸盖侧面的加工精度要求较低，且无形位精度要求。
属于非重要面加工
1.3审查气缸盖本次加工的工艺性
本次加工的精度要求较低，考虑到经济性可以分为粗精加工两个工序进行。
并且可由采用滑台驱动轴向进给，以挡铁和行程开关保证其尺寸精度。
本次铣削加工的加工面较大，加工时的切削力和振动较大，产生的切削热也较多。
因此粗精加工应有一定时间间隔，以防工件热变形影响加工的精度。
并且应保证夹具能提供足够的压紧力，以免工件在加工过程中发生活动。
造成定位失效。
平面铣削属于间断切削，在铣削时，切削厚度的改变和切削刀齿交替变化，都会使切削力产生急剧的变化,从而导致机床产生振动，其振幅值的大小，取决于机床系统刚性的强弱。
1.4气缸盖的生产类型
已知Q=8000台/年，m=1件/台；结合生产实际备品率和废品率分别取3%和0.5%代如公式得
N=50000台/年*m=1件/台*（1+3%）*（1+0.5%）=8281.2件/年
可知该零件为重型零件，生产类型为大批生产
2铣床夹具设计
本次设计中的机床夹具为直线送进的专用铣床夹具，这类夹具安装在机床工作台上，加工中工作台是按直线进给方式运动的。
在铣削工序中，为了提高夹具的工作效率，对于这类铣削夹具，可采用联动夹紧机构和气动、液动传动装置；亦可采用多工件夹具使加工的机动时间和装卸工件事件重合等项措施。
本次设计中，考虑到生产任务等因素决定采用液压夹紧方式。
2.1铣床专用夹具的结构特点
（1）铣削加工的切削用量和切削力一般较大，切削力的大小和方向也是变化的而且又是断续切削，因而，加工时的冲击和振动也较严重。
所以设计这类夹具时，要特别注意工件定位稳定性和夹紧可靠性；夹紧装置要能产生足够的夹紧力，手动夹紧时要有良好的自锁性能；夹具上各组成元件的强度和刚度要高。
为此，要求铣床夹具的结构比较粗壮低矮，以降低夹具重心，增加刚度、强度，夹具体的高度H和宽度B之比取H/B=1—1.25为宜，并应合理布置加强筋和耳槽。
夹具体较宽时，可在同一侧布置两个耳槽，这两个耳槽的距离要与所选择床工作台两T型槽之间的距离相同，耳槽的大小要与T型槽宽度一致。
（2）铣削的切屑较多，夹具上应有足够的排屑空间，应尽量避免切削堆积在定位支承面上，因此，定位支承面应高出周围的平面，而且在夹具体内尽可能做出便于清除切屑和排出冷却液的出口。
（3）粗铣时振动较大，不宜采用偏心夹紧，因振动时偏心夹紧易松开。
（4）在侧面夹紧工件时，压板的着力点应低于工件侧面的定位支承点，并使夹紧力有一垂直分力，将工件压向主要定位支承面，以免工件向上抬起；对于毛坯件，压板与工件接触处应开有尖齿纹，以增大摩擦系数。
2.2定位方案的选取
2.2.1.定位基准的选择
（1）粗基准的选择原则
选择粗基准时，主要考虑的问题是如何使各道工序均有足够的加工余量以及工件安装的稳定性。
选择原则为：
①为了保证加工面与不加工面之间的位置要求，应选不加工面为粗基准；
若工件上有几个不需加工的表面，应选其中与加工表面间的位置精度要求较高者为粗基准。
②合理分配各加工表面的余量
考虑两点：
第一，为了保证各加工表面都有足够的加工余量，应选择毛坯余量最小的面为粗基准
第二，为了保证重要加工面的余量均匀，应选择重要加工面为粗基准。
（2）精基准的选择原则
选择精基准时，主要考虑的问题是如何保证零件的加工精度以及安装可靠。
选择原则为：
①基准重合原则。
即选择设计基准作为定位基准，以避免基准不重合误差。
②基准统一原则
即尽可能选用统一的定位基准加工各个表面，以保证各表面间的位置精度。
③自为基准原则
当精加工某些重要表面时，常用其加工表面本身为定位基准。
可以提高加工面本身的尺寸和形状精度，但不能提高加工面的位置精度。
尽量选用面积大而平整的表面为粗基准，以保证定位准确、夹紧可靠。
④互为基准
对于有位置精度要求较高的表面，采用互为基准反复加工，更有利于精度的保证。
⑤保证工件定位准确、夹紧可靠、操作方便的原则。
粗基准一般不重复使用，同一尺寸方向的粗基准一般只能使用一次
由零件分析可知，气缸盖的外形轮廓规则，故夹紧定位方便，可采用一面两销方式定位。
为得到足够的压紧力定位销采用固定定位销。
压紧部位设在上下面的边沿和孔腔之间，压紧则依靠液压缸驱动压块压紧。
由于铣床的切削力和震动均较大，因此需要压紧机构提供足够大的压紧力。
考虑采用斜楔夹紧机构锁紧主压紧机构，同时设置辅助压紧机构以防止零件在加工过程中发生轴向窜动。
辅助加紧力的方向在铣刀的轴向方向
2.2.2.定位方式
定位器的作用是要使工件在夹具中具有准确和确定不便的位置，在保证加工要求的情况下，限制足够的自由度。
工件的定位原理：
自由物体在空间直角坐标系中有六个自由度，即沿OX,OY,OZ三个轴向的平动自由度和三个绕轴的转动自由度。
要使工件在夹具体中具有准确和确定不变的位置，则必须限制六个自由度。
工件的六个自由度均被限制的定位叫做完全定位；工件被限制的自由度少于六个，但仍然能保证加工要求的定位叫不完全定位。
在焊接生产中，为了调整和控制不可避免产生的焊接应力和变形，有些自由度是不必要限制的，故可采用不完全定位的方法。
在焊接夹具设计中，按加工要求应限制的自由度而没有被限制的欠定位是不允许的；而选用两个或更多的支撑点限制一个自由度的方法称为过定位，过定位容易位置变动，夹紧时造成工件或定位元件的变形，影响工件的定位精度，过定位也属于不合理设计。
①以工件的平面为基准进行定位时，常采用挡铁、支撑钉进行定位
②工件以圆孔内表面为基准进行定位时常采用销定位器
③工件以圆柱外表面为基准进行定位时常采用V形铁定位器
④利用以定位工件的轮廓对被定位工件进行定位可采用样板定位器
2.3夹具机构设计
（1）斜楔机构设计
由方案选取可知，机械手臂机构需要足够的压紧力。
因此考虑采用斜楔压紧机构提高压紧力。
斜楔夹紧是利用斜面移动所产生的压力夹紧工件，在生产中，直接使用楔块压紧的较少，往往和其他机构联合使用，常广泛用于气动和液动夹具中。
压紧力的计算
斜楔夹紧时产生的夹紧力按下式计算：
式中
——斜楔夹紧产生的夹紧力（N）
Q——原始作用力（N）
——斜楔升角
——平面摩擦时作用在斜楔面上的摩擦角
——平面摩擦时作用在斜楔基面上的摩擦角
自锁条件
斜楔夹紧后应能自锁。
条件为斜楔升角
必须小于斜楔基面与基面两处摩擦角之和即
<
+
一般钢铁件接触面的摩擦系数
，故得摩擦角
，而相应升角
。
为保证夹紧的自锁性能，手动夹紧一般取
。
气动或液压加紧在不考虑自锁时可取
。
斜楔增力特征与升角的关系
在斜楔夹紧力的计算公式中，如设
为增力比（或称增力系数），则
在不考虑摩擦力时，理想增力比为：
工件所要求的夹紧行程h和斜楔相应的移动距离s有如下关系：
式中
——行程比；
h——夹紧行程（mm）；
s——斜楔在外力作用下的位移（mm）。
下表为斜楔夹紧机构所需推力、斜楔移动距离及传动效率的计算公式如表2-1
表2-1
计算项目
符号
计算公式
所需推力
Q
式中
——实际所需压紧力
——增力比
斜楔移动距离
S
式中h——加紧所需行程
——行程比
——斜楔升角
传动效率
（2）定位销联动机构
由一个原始作用力来完成若干个夹紧动作的机构称为联动夹紧机构。
设计时应注意运动分析和力的分析，以确保设计意图的实现。
本次设计采用的联动机构为多点联动夹紧机构，用一个原始作用力，通过浮动压头或浮动夹紧机构分散到数点上对工件进行夹紧。
图2.1定位销联动机构
2.4夹具机构的夹具工作过程和锁紧机构要求
根据铣床加工的设计要点和所选取的定位方案初步设计夹具结构如图（2.2）
图2.2夹具总图
（1）夹具工作过程
工件输送到位→输送带落下→零件定位→夹具主夹紧油缸加紧→锁紧油缸加紧→辅助支撑油缸加紧→铣头复位→侧置底座滑台工进→铣削加工完成→铣头让刀→侧置底座滑台快退→辅助支撑油缸松开→锁紧油缸松开→主夹紧油缸松开→加工循环结束
（2）锁紧机构要求
夹具采用了斜楔机构以实现夹具的锁紧所以应使斜楔机构满足自锁条件。
即斜楔升角
必须小于斜楔基面与基面两处摩擦角之和即
<
+
。
一般钢铁件接触面的摩擦系数
，故得摩擦角
，而相应升
。
为保证夹紧的自锁性能，手动夹紧一般取
。
气动或液压加紧在不考虑自锁时可取
图2.3斜楔压紧机构
（3）夹具设计及组装时应注意的问题
①为了简化定位与安装，夹具的每个定位面相对加工中心的加工原点，都应有精确的坐标尺寸。
②为保证零件安装方位与编程中所选定的工件坐标系及机床坐标系方向一致性，及定向安装。
能经短时间的拆卸，改成适合新工件的夹具。
由于加工中心的辅助时间已经压缩的很短，配套夹具的装卸不能占用太多时间。
夹具应具有尽可能少的元件和较高的刚度。
③夹具要尽量敞开，夹紧元件的空间位置能低则低，安装夹具不能和工步刀具轨迹发生干涉。
④保证在主轴的行程范围内使工件的加工内容全部完成。
对于有交互工作台的加工中心，由于工作台的移动、上托、下托和旋转等动作，夹具设计必须防止夹具和机床的空间干涉。
⑤尽量在一次装夹中完成所有的加工内容。
当非要更换夹紧点时，要特别注意不能因更换夹紧点而破坏定位精度，必要时在工艺文件中说明。
⑥夹具底面与工作台的接触，夹具的底面平面度必须保证在0.01-0.02mm以内，表面粗糙度不大于Ra3.2µm。
（4）夹具设计的基本要求
①工装夹具应具备足够的强度和刚度。
夹具在生产中投入使用时要承受多种力度的作用，所以工装夹具应具备足够的强度和刚度。
②夹紧的可靠性。
夹紧时不能破坏工件的定位位置和保证产品形状、尺寸符合图样要求。
既不能允许工件松动滑移，又不使工件的拘束度过大而产生较大的拘束应力。
③焊接操作的灵活性。
使用夹具生产应保证足够的装焊空间，使操作人员有良好的视野和操作环境，使焊接生产的全过程处于稳定的工作状态。
④便于焊件的装卸。
操作时应考虑制品在装配定位焊或焊接后能顺利的从夹具中取出，还要制品在翻转或吊运时不受损害。
⑤良好的工艺性。
所设计的夹具应便于制造、安装和操作，便于检验、维修和更换易损零件。
设计时还要考虑车间现有的夹紧动力源、吊装能力及安装场地等因素，降低夹具制造成本。
（5）夹具使用注意事项、保养及维护
①使用前对限位尺寸检查是否还保持正确位置。
②如果挡销磨损超差，可以进行打磨修复；如果挡板、插销、定位锥头销磨损超差，可以重新组装，错开磨损部位后继续使用。
③使用后需要涂防锈油。
在机械设计和制造过程中，普遍存在尺寸链问题。
在把零件组装成机器的过程中，也就是将零件上有关的尺寸进行组合和积累。
由于零件尺寸存在制造误差，因此装配时也就会有误差的综合和积累。
累积后形成的总误差将会影响机器的工作性能和质量。
这就形成了零件的尺寸误差和综合误差之间的相互影响关系。
设计工装夹具也不例外，合理地确定零件的尺寸公差和形位公差显得很重要。
3刀具结构的选择
正确选择刀具结构，对保证组合机床正常工作极为重要。
根据工艺要求和加工精度不同，常用刀具有一般刀具、复合刀具及特种刀具等。
选择刀具结构应注意以下问题：
只要条件许可，应尽量选用标准刀具和一般简单刀具。
为提高工序集中程度和保证加工精度，可采用先后加工或同时加工两个或两个以上表面的复合刀具。
选择刀具结构必须考虑工件材料特点。
如加工硬度较高的铸铁，为提高刀具使用寿命采用多刃铰刀或多刃镗头。
在本次加工中选用硬质合金可转位铣刀。
既减少了刃磨次数，又提高了刀具耐用度。
有利于生产效率和工艺经济性的提高。
注意相关联的机床夹具结构的统一性。
确定成套或流水线上的机床型式时，应尽量使机床和夹具型式一致，以保证加工精度，提高通用化程度，便于设计、制造和维修。
应注意机床使用条件从以上方面出发同时考虑到本次加工的具体情况，决定组合机床的配置形式为多工位固定式夹具组合机床。
两铣头由工作台同时驱动进给，极大的缩短了加工时间。
夹具为铣床专用夹具，应进行专门设计。
同时考虑到通用化和便于维修，在设计夹具时应尽量选用生产线内同型号的配件。
4缸盖的加工工艺过程
在机械制造企业中，常采用各种机械加工方法将毛坯加工成零件，再将零件装配成机械。
加工过程中为了确保零件的设计性能、质量、经济性要求，应该首先制定加工工艺规程，然后再根据工艺规程对零件进行加工。
零件的机械加工工艺规程与生产类型密切相关，在制定机械加工工艺规程时，首先要确定生产类型，而生产类型主要与生产纲领有关。
表4-1
工序号
工序名称
工序内容
车间
刀具
名称
10
粗铣
粗铣上表面
加工车间
铣刀
组合机床
20
钻导杆孔1
钻导杆孔1至Ф16
加工车间
钻刀
组合机床
30
钻导杆孔2
钻导杆孔2至Ф16
加工车间
钻刀
组合机床
40
钻铰孔
钻铰孔Ф29.8
加工车间
钻刀和铰刀
组合机床
50
倒角
倒角2处
加工车间
车刀
组合机床
60
钻螺纹孔
钻螺纹孔
加工车间
钻刀
组合机床
70
粗铣
粗铣下表面
加工车间
铣刀
组合机床
80
精铣
精铣下表面
加工车间
铣刀
组合机床
90
精铰法座1
精铰法座1至Ф53深度为14.8
加工车间
铰刀
组合机床
100
精铰法座2
精铰法座2至Ф深度为14.8
加工车间
铰刀
组合机床
110
精铰导杆孔1
精铰导杆孔1至Ф17
加工车间
铰刀
组合机床
120
精铰导杆孔2
精铰导杆孔2至Ф17
加工车间
铰刀
组合机床
130
加工螺纹孔1
加工螺纹孔1至Ф12
加工车间
铰刀
组合机床
140
加工螺纹孔2
加工螺纹孔2至Ф10
加工车间
铰刀
组合机床
150
倒角2处
倒角2处R0.2
加工车间
铰刀
组合机床
结束语
近三个月的毕业设计即将结束，在这段时间里我学到了很多课堂上学不到的东西。
它不但增强了我的实际动手能力，而且使我学会了如何把现实中的实践知识和自己所学的理论知识联系起来，并学会了多种查阅资料的方法，自己有一种“原来获取知识的途径如此之多”的感觉，激发了我的学习、探讨各种知识的热情！
现在我已能用自己所学的知识来分析和解决生活中的一些简单的机械设计工作原理和制造方法。
毕业设计是我们在大学里的一个重要环节，是对我们大学四年学习的全部课程的一次综合性的检测。
它不但使我有了一次复习过去所学课程的机会，而且更重要的是它把我们所学的各科课程都穿插起来，组成了一个整体，使我们对所学知识有了一个综合性、整体性的认识，加深了对所学专业的理解和运用。
毕业设计是我们第一次自己独立的运用所学知识设计或改进某个机器零部件，使我对机械设计工作过程有了一个基本的了解。
当我们成功的设计出一个零件并且经过检验后正确无误，那滋味别提多高兴了。
当然也有苦恼的时候，如果对某个零件经过多次设计、计算后仍然需要改进，或者是需要从头开始从新计算设计时，这种痛苦让人难以忍受。
从某种意义上说，毕业设计锤炼了我的意志，使我戒骄戒躁，胜利不骄傲，失败不气馁，始终以平静的心态去面对生活中的任何事情，为我们今后的学习、工作打下一个良好的基础。
本次毕业设计除了对所学的复习、巩固、提高和更新外，还使我学到了一些道理。
设计工作与别的工作不同，在工作时必须养成扎扎实实和一丝不苟的工作作风。
就拿计算来说吧，如果其中的一个零件计算错误而又不去修改的话，这个数据可能影响到机器的某种工作特性和拖延工期，严重时可能还会对企业经济造成影响。
所以说在进行设计工作中要养成一个好的工作习惯很重要。
总之，这次毕业设计给我上了人生中完美的一课，为我接下来的深造打下了一个良好的基础。
我会以积极的心态去面对我们最为美丽的人生！
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