连杆零件加工工艺及专用钻床夹具的设计.docx
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连杆零件加工工艺及专用钻床夹具的设计
江苏城市职业学院
毕业设计（论文）
（届）
设计（论文）题目连杆零件加工工艺及专用钻床夹具的设计
办学点（系）
专业
班级
学号
学生姓名
指导教师职称
连杆零件加工工艺及专用钻床夹具的设计
摘要
本设计是关于连杆零件的加工工艺规程和专用夹具的设计，以介绍设计方法为宗旨，着重实力，力图做到内容完整、详实。
这次设计将我以前学过的机械制造工艺与装备、公差与配合、机械制图、工程材料与热处理工艺等知识很好的串联了起来，巩固了所学知识的作用。
首先是对工件机械加工工艺规程的制定，工件机械加工工艺规程的制定是至关重要的。
设计零件的工艺规程以及对典型夹具进行结构分析与精度分析；通过本课程的设计使学生具有一定的设计专用夹具的能力和分析生产中与夹具有关的技术问题的能力。
关键词：
专用钻床夹具；工艺规程；切削用量；加工余量
2.6时间定额计算9
第一章引言
机械制造工艺规程的制定需选择机械加工余量，机械加工余量的大小，不仅影响机械零件的毛坯尺寸，而且也影响工艺装备的尺寸，设备的调整，材料的消耗，切削用量的选择，加工工时的多少。
因此，正确的确定机械加工余量，对于节约金属材料，降低刀具损耗，减少工时，从而降低产品制造成本，保证加工质量具有十分重要的意义。
在这次设计过程中，广泛的收集各种资料及标准，课程设计中另一个重要的设计为专用夹具的设计。
专用夹具的设计是为了特殊加工工序的技术要求的加工。
夹具是机械制造厂使用的一种工艺装备,分为机床夹具、焊接夹具、装配夹具及检验夹具等。
各种金属切削机床上用于装夹工件的工艺装备，称机床夹具，如车床上使用的三爪自定心卡盘、铣床上使用的平口虎钳等。
第二章
连杆零件机械加工工艺规程的编制
2.1计算生产纲领，确定生产类型
生产纲领的大小对生产组织和零件加工工艺过程起着重要的作用，它决定了各工序所需专业化和自动化的程度，以及所选用的工艺方法和工艺装备。
零件生产纲领可按下式计算。
N=Qn（1+a%）（1+b%）
根据教材中生产纲领与生产类型及产品大小和复杂程度的关系，确定其生产类型。
图2-1，为某产品上的一个连杆零件。
该产品年产量为5000台。
设其备品率为25%，机械加工废品率为0.2%，每台产品中该零件的数量为1件，现制定该连杆零件的机械加工工艺规程。
图2-1连杆零件工件
N=Qn（1+a%）（1+b%）
=5000*1*（1+25%）（1+0.2%）
=6262.5件/年
连杆零件的年产量为6262.5件，现已知该产品属于轻型机械，根据生产类型与生产纲领的关系查阅参考文献，确定其生产类型为大量生产。
大量生产的工艺特征：
零件的互换性：
具有广泛的互换性，少数装配精度较高处，采用分组装配法和调整法。
1.毛坯的制造方法和加工余：
广泛采用金属模机器造型，铸或其他商效方法。
毛坯精度高，加工余量小。
2.机床设备及其布置形式：
广泛采用商效专用机床及自动机床，按流水线和自动排列设备。
3.工艺装备：
广泛采用高效夹具，复合刀具，专用量具或自动检验装置，靠调整法达到精度要求。
2.2零件的分析
（1）加工表面的尺寸精度和形状精度。
（2）主要加工表面之间的相互位置精度。
（3）加工表面的粗糙度及其他方面的表面质量要求。
（4）热处理及其他要求。
2.3选择毛坯及毛坯制造方法
（1）根据零件用途确定毛坯类型。
（2）根据批量（生产纲领）确定毛坯制造方法。
（3）根据手册查定表面加工余量及余量公差。
根据技术要求，零件材料为ZG310—570，即铸造碳钢。
如表2-1。
按GB/T5613—1995规定，铸钢牌号用“铸”和“钢”两字汉语拼音首位字母“ZG”后加工两组数字表示。
毛坯的制造方法：
根据毛坯的材料，生产类型，生产纲领及零件的复杂程度，毛坯可采用铸成型。
零件并不复杂，因此毛坯可以与零件的形状尽量接近。
两孔可不必锻出，直接加工。
通过查加工余量表，得两端面的总加工余量为3mm，毛坯尺寸可以通过加工余量确定。
ZG310—570表示бs≥310MPa，бB≥570MPa的铸钢。
铸造碳钢的碳质量分数一般为0.15%—0.6%，其铸造性能比铸造铁差，但力学性能比铸造铁好。
主要用于制造形状复杂，力学性能要求高，而在工艺又很锻压等方法成形的比较重要的机械零件，例如机车车辆的车销和联轴器等。
铸造碳钢的牌号，化学成分，力学性能见表2-1。
表2-1铸造碳钢热处理及机械性能
主要化学成分W%
主要特性
用途举例
CSiMnPS
不大于
0.400.500.900.040.04
有较好强度、塑性、焊接、性能尚好。
轨刚机架模具、箱体、缸体连杆、曲轴等。
正火或退火温度[℃]
回火温度[℃]
870—890
620—680
σb[N/mm²]
σs[N/mm²]
δs[%]
φ[%]
аk[J/cm²]
570
310
15
21
30
选择毛坯铸的主要依据：
铸可锻造形状复杂的毛坯，尺寸精度较高，尺寸偏差0.1mm~0.2mm，表面粗糙度Ra为12.5μm，毛坯的钎维组织好，强度高，生产率较高，但需要专用锻模及锻锤设备。
2.4工艺规程设计
2.4.1定位基面的选择
定位基面的选择是拟定零件的机械加工路线，确定加工方案中首先要做的重要工作。
基面选择得正确、合理与否，将直接影响工件的加工质量和生产率。
在选择定位基面时，需要同时考虑以下三个问题：
（1）以哪一个表面作为加工时的精基面或统一基准，才能保证加工精度，使整个机械加工工艺过程顺利地进行。
（2）为加工上述精基面或统一基准，应采用哪一个表面作为粗基面。
（3）是否有个别工序为了特殊的加工要求，需要采用统一基准以外的精基面。
精基面的选择：
根据精基面的选择原则，选择精基面时，首先应考虑基准重合的问题，即在可能的情况下，应尽量选择加工表面的设计基准为定位基准。
2.4.2连杆零件表面加工方法的选择
零件各表面加工方法和方案的选择，首先要保证加工表面的加工精度和表面粗糙度的要求，还须考虑生产率和经济性方面的要求，在选择时，应根据各种加工方法的特点及其经济加工精度和表面粗糙度，结合零件的特点和技术要求，慎重决定。
本零件的加工面有：
大小头孔两端面，小头孔外圆，大小头孔，十字形槽，大小孔端槽及螺纹孔。
零件各表面加工顺序的确定
①机械加工顺序安排
根据机械加工顺序安排时应遵循的原则，考虑到该工件的具体特点，先安排大小头孔两端面的加工，接着安排钻大小头两孔，再就是铣十字型通槽，再钻大头端Φ6mm、Φ8mm的孔，攻M8的螺纹，铣大头端槽，最后钻大头端Φ5mm的油孔。
②热处理工序的安排
由于毛坯为铸件，在机械加工之前，首先安排正火处理，以消除锻造应力，改善金属组织，细化晶粒，改善切削性能。
③辅助工序的安排。
检验工序：
在热处理工序后安排中间检验工序，最后安排终结检验。
2.4.3制定工艺路线
制定工艺路线主要是确定加工方法和划分加工阶段。
（1）选择加工方法应以零件加工表面的技术条件为依据，主要是加工面的尺寸精度、形状精度、表面粗糙度，并综合考虑各个方面工艺因素的影响。
（2）在各表面加工方法选定以后，就需进一步考虑这些加工方法在工艺路线中的大致顺序，以定位基准面的加工为主线，妥善安排热处理工序及其他辅助工序。
（3）排加工路线图表。
当生产批量不同时零件的工艺路线也会有较大的差别，先在列出连杆零件大量生产时的工艺路线。
2.4.4选择加工设备及工艺装备
（1）根据零件加工精度、轮廓尺寸和批量等因素，合理确定机床种类及规格。
（2）根据质量、效率和经济性选择夹具种类和数量。
（3）根据工件材料和切削用量以及生产率的要求，选择刀具，应注意尽量选择标准刀具。
（4）根据批量及加工精度选择量具。
由于生产类型为大批生产，故加工设备宜以通用机床为主，辅以少量专用机床的流水生产线。
2.5加工工序设计、工序尺寸及切削用量的计算
（1）用查表法确定工序余量。
（2）当无基准转换时，工序尺寸及其公差的确定应首先明确工序的加工精度。
（3）当有基准转换时的工序尺寸及其公差应由解算工艺尺寸链获得。
（4）确定工序尺寸一般的方法是，由加工表面的最后工序往前推算，最后工序的工序尺寸按零件图样的要求标注。
单件小批生产时，一般可由操作工人自定，大批生产条件下，工艺规程必须给定切削用量的详细数值，选择的原则是确保质量的前提下具有较高的生产率和经济性，具有选用可参考各类工艺人员手册。
⑴工序10粗铣及半精铣大小头孔两端面
查有关手册平面加工余量表，得半精加工余量Z为1mm，已知端面总余量Z总为3mm，故粗加工余量Z粗=（3-1）mm=2mm。
如表2-2所示，半精铣右端面以左端面定位，工序尺寸为：
表2-2钻、扩、大头端Φ30H11mm的孔的加工余量表
加工表面
加工方法
余量
公差等级
工序尺寸
Φ30H11
钻孔
14.1
—
Φ28.2
Φ30H11
扩孔
0.9（单边）
H11
Φ30+0.13
参考Z25140机床技术参数表，
取钻孔Φ30H11mm的进给量取f=0.4mm/r。
参考有关资料，得钻孔Φ28.2mm的切削速度Vc=0.445m/s=126.7m/min。
由此可算出转速为：
n=1000v/Πd=1000*26.7/3.14*28.2r/min=301.5r/min
按机床实际转速取n=300r/min，则实际切削速度为：
Vc=∏dn/1000=3.14*28.2*300/1000=26.56m/min
查有关资料得：
Ff=9.81*42.7dof0.8KF（N）
M=9.81*0.021dof0.8KM（N·M）
所以Φ30的Ff和M如下：
Ff=9.81*42.7*28.2*0.40.8*1N=5675.4N
M=9.81*0.021*28.2²*0.40.8*1N·M=78.71N·M
扩Φ30H11mm的孔，参考机床实际进给量取f=0.4mm/r。
参考有关资料
扩孔切削速度为钻孔时的1/2—1/3，故取扩孔时=1/2*26.56m/min=13.28m/min。
由此可算出转速为：
n=1000v/Πd=1000*13.28/3.14*30r/min=140.98r/min
按机床实际转速取n=400r/min。
⑷确定铣槽时的工序尺寸。
粗铣就可达到零件图样的要求，则该工序尺寸：
槽宽4mm、8mm、深12mm。
其工序余量既等于总余量12mm。
⑸钻大头端Φ12mm深20的孔及攻M8的螺纹：
本工序用钻孔就可以达到零件的图样要求。
本工序的切削用量及其余次要工序设计略。
图2-3半精铣右端面以左端面定位
X小精=61-0.5mm,
X大精=23mm
则粗铣右端面工序尺寸
X小精为62mm,X大精为24mm。
查教材表3－16平面加工方法，得粗铣加工公差等级为IT11~13，取IT11，其公差T小精=0.13mm，T大精=0.19mm，所以X小精=（62±0.065）mm,X大精=（24±0.095）mm，如表2-3。
Z小精=X小精min−X小精max=[（62−0.13）−（61+0）]mm=0.87mm
Z大精=X大精min−X大精max=[（24−0.19）−23]mm=0.81mm
故余量足够。
查阅有关资料手册，取粗铣的每齿进给量fz=0.2mm/z;半精铣的每转进给量f=0.05mm/z,粗铣走刀1次，ap=2mm;半精铣走刀1次，ap=1mm。
取粗铣的主轴转速为150r/min，取半精铣的主轴转速为300r/min，又前面已选定铣刀直径D为Φ50mm，故相应的切削速度分别为：
粗加工Vc=πDn粗/1000=3.14*50*150/1000m/min=23.55m/min
半精工Vc=πDn粗/1000=3.14*50*300/1000m/min=47.1m/min
表2-3加工端面的工步余量和工序尺寸及公差
加工表面
工序边余量/mm
工序尺寸及公差/mm
表面粗糙度/um
小头孔右端面
21
62±0.065 61±0.037
6.33.2
大头孔右端面
21
24±0.09523±0.026
6.33.2
小头孔左端面
21
59±0.06558-0.5
6.33.2
大头孔左端面
21
21±0.09520±0.026
6.33.2
⑵工序20：
钻、扩、铰Φ10的孔到Φ14H8
Φ14H8的孔钻、扩、铰余量参考有关资料手册Z扩=0.9mm，Z铰=0.1mm，由此可推算出Z钻=（14/2-0.9-0.1）=6mm。
参考Z25140机床技术参数表，取钻孔Φ14H8的进给量f=0.3mm/r，参考有关资料得钻孔Φ12的v=0.435m/s=26.1m/min。
由此算出转速为：
n=1000v/Πd=1000*26.1/3.14*12r/min=692.68r/min
按机床实际转速取n=630r/min，则实际切削速度为：
Vc=∏dn/1000=3.14*12*630/1000m/min=23.74m/min
扩孔Φ13.8mm，参考有关资料，并参考机床实际进给量，取f=0.3mm/r，
参考有关资料，扩孔切削速度为钻孔是的1/2-1/3，故取扩孔时=1/2*23.74m/min=11.87m/min。
由此算出转速为：
n=1000v/Πd=1000*11.87/3.14*13.8r/min=273.93r/min。
按机床实际转速取n=300r/min。
参考有关资料，取铰孔的切削速度为Vc=0.3m/s=18m/min。
由此算出转速为：
n=1000v/Πd=1000*18/3.14*14r/min=409.46r/min。
按机床实际转速取为n=400r/min。
则实际切削速度为：
Vc=∏dn/1000=3.14*14*400/1000m/min=17.58m/min。
工序30：
钻、扩大头端Φ30H11mm的孔。
Φ30H11mm的孔，扩余量参考有关手册取Z扩=0.9mm。
由此可算出Z钻=（30/2-0.9）=14.1mm。
2.6时间定额计算
1.计算工序20的时间定额
（1）机动时间。
参考有关资料，得钻孔的计算公式为：
Tj=（l+l1+l2）/fn
L1=D/2cotkr+（1~2）
L2=1~4，钻盲孔时l2=0。
对钻Φ12mm的孔有：
L1=D/2cotkr+（1~2）=[12/2cot（118°/2）+1.5]mm≈5.1mm
L=40mm，取l2=0mm。
参考有关资料，得扩孔的计算公式为：
Tj=（l+l1+l2）/fn
L1=（D-d1）/2cotkr+（1~2）
扩盲孔和铰盲控时l2=0。
对扩孔Φ13.8mm有：
L1=（D-d1）/2cotkr+（1~2）=[（13.8-12）/2cot60°+1.5]mm≈2mm
L=40mm，取l2=0mm。
将以上数据及前面已选定的f及n代入公式得：
Tj=（40+2+0）/0.3*300min≈0.47min
对铰孔Φ14mm有：
L1=（D-d1）/2cotkr+（1~2）=[（14-13.8）/2cot45°+1.5]mm≈1.6mm
将以上数据及前面已选定的f及n代入公式得：
Tj=（40+1.6+0）/0.3*400min≈0.35min
（2）总机动时间Tj（既基本时间tb）为：
Tb=（0.24+0.47+0.35）=1.06min。
2.计算工序30的时间定额
（1）机动时间。
参考有关资料得钻孔的计算公式为：
Tj=（l+l1+l2）/fn
L1=D/2cotkr+（1~2）
L2=1~4，钻盲孔时l2=0。
对钻Φ28.2mm的孔有：
L1=D/2cotkr+（1~2）=[28.2/2cot（118°/2）+1.5]mm≈9.96mm
L=21.5mm，取l2=3mm。
将以上数据及前面已选定的f及n代入公式得：
Tj=（21.5+9.96+3）/0.4*300min≈0.29min
参考有关资料，得扩孔的计算公式为：
Tj=（l+l1+l2）/fn
L1=（D-d1）/2cotkr+（1~2）
扩盲孔时l2=0。
对扩孔Φ30mm有：
L1=（D-d1）/2cotkr+（1~2）=[（30-28.2）/2cot60°+1.5]mm≈2mm
L=21.5mm，取l2=3mm。
将以上数据及前面已选定的f及n代入公式得：
Tj=（21.5+2+3）/0.4*140min≈0.47min
（3）总机动时间Tj（既基本时间tb）为：
Tb=（0.29+0.47）=0.76min。
第三章连杆零件的夹具设计
3.1机床夹具设计的基本要求和一般步骤
3.1.1对专用夹具的基本要求
1.保证工件的加工精度
专用夹具应有合理的定位方案，标注合适的尺寸、公差和技术要求，并进行必要的精度分析，确保夹具能满足工件的加工精度要求。
2.工艺性好
专用夹具的结构应简单、合理，便于加工、装配、检验和维修。
3.使用性好
专用夹具的操作应简便、省力、安全可靠，排屑应方便，必要时可设置排屑结构。
3.1.2专用夹具设计步骤
1.明确设计任务与收集设计资料
夹具设计的第一步是在已知生产纲领的前提下，研究被加工零件的零件图、工序图、工艺规程和设计任务书，对工件进行工艺分析。
其内容主要是了解工件的结构特点、材料；确定本工序的加工表面、加工要求、加工余量、定位基准和夹紧表面及所用的机床、刀具、量具等。
2.拟订夹具结构方案与绘制夹具草图
确定工件的定位方案，设计定位装置。
确定工件的夹紧方案，设计夹紧装置。
确定对刀或导向方案，设计对刀或导向装置。
确定夹具与机床的连接方式，设计连接元件及安装基面。
确定和设计其它装置及元件的结构形式。
如分度装置、预定位装置及吊装元件等。
确定夹具体的结构形式及夹具在机床上的安装方式。
绘制夹具草图，并标注尺寸、公差及技术要求。
3.2连杆零件的钻床夹具设计
如图3-1所示为连杆类零件
图3-1连杆工件图
3.2.1零件本工序的加工要求分析
钻Φ12孔和钻Φ7螺纹底孔；
②钻Φ12孔，其深为20；再用Φ7钻通，攻为M8；
③钻出的Φ12孔和Φ7螺纹底孔的总长度为40mm。
本工序前已加工的表面如下：
同时铣大小一端面（两工件一起加工）；
同时铣大小一端面（两工件一起加工）；
钻，铰Φ30H11孔并倒角；
钻，铰Φ14H8孔并倒角。
本工序使用机床为Z5125立钻；刀具为通用标准刀具。
3.2.2确定夹具类型
本工序所加工两孔（Φ12孔和Φ7螺纹底孔），位于一条直线上，孔径不大，工件质量较小，轮廓尺寸也不是很大，因此采用移动式钻模。
3.3拟订定位方案和选择定位元件
⑴定位方案根据工件结构特点，其定位方案如下。
①以Φ30H11的大头端孔及Φ14H8的小头端孔作为定位基准。
再选Φ30H11的大头端孔左端面为定位基准，限制工件的6个自由度，如图所示：
如图所示：
用小头端孔作定位基准，用心轴定位限制x、y、x、y。
用大头端孔作定位基准，用螺纹心轴定位，限制z。
用大头端左端面作为定位基准，限制了z。
以大头端Φ30H11的孔及小头端Φ14H8的孔作为定位基准，再选大小头端左端面作为定位基准。
也限制了工件的6个自由度。
如图3-2所示：
图3-2两种定位方案
如图所示：
以大头孔作为定位基准限制了z转动；
以小头孔作为定位基准限制了x的移动和y的移动及x的转动和y的转动。
以大、小头孔作为定位基准限制了z移动。
方案①此定位方案有效制了工件的6个自由度，且定位合理。
方案②此定位方案有效制了工件的6个自由度，但定位元件比较浪费，且有过定位现象。
因此，从以上的分析比较，采用方案①比较经济合理，且又能保证要求。
⑵选择定位元件
根据定位方式，选用带台阶的心轴安装在工件部分为小头端，Φ14H8的孔选用螺纹心轴安装在工件部分为大头端Φ30H11的孔。
选择可调支承钉。
⑶定位误差计算
加工Φ12孔时Φ30H11孔的最大间隙的定位误差的计算。
由于零件是一面两销定位，由于孔与心轴存在最大配合间隙，因此在
钻Φ12孔时会产生直线位移误差。
计算如下：
经表查得：
Φ30H11孔的上下偏差分别为+0.13，0；
Φ29.96h6轴的上下偏差分别为0，-0.013。
△D=△B+△Y
=δd1+ΔD1+X1min
=X1max
=30.13-29.947
=0.183㎜＜1/3δK
加工Φ7的螺纹底孔与加工Φ12孔在一条直线上，因此Φ7的螺纹底孔的定位误差的计算与Φ12孔定位误差的计算相同。
由于加工要求不高，其他精度可以不必计算。
3.4绘制夹具总装图
（1）对Φ12孔，钻套采用可换钻套。
当工件为单一钻孔工步，大批量生产时，为便于更换磨损的钻套，选用可换钻套。
钻套与衬套（GB/T6623-91）之间采用F7/K6或F7/m6配合，衬套与钻摸板之间采用H7/n6配合。
当钻摸磨损后，可卸下螺钉（GB/T2268-91），更换新的钻套。
螺钉能防止钻套加工时转动及退刀时脱落。
钻孔时钻套内径Φ12
mm，外径Φ18
mm；衬套内径Φ18
mm，外径Φ26
mm；钻套端面至加工面的距离取12㎜。
麻花钻选用Φ11.8
㎜。
（2）对Φ7的螺纹底孔。
钻套采用可换钻套。
麻花钻选用Φ6.8
㎜。
各引导元件至定位元件间的位置尺寸分别为（15±0.03）㎜和（18±0.05）㎜，各钻套轴线对基面达到直线允差为0.02㎜。
第四章总结
在这次设计过程中，使我真正的认识到自己的不足之处，以前上课没有学到的知识，在这次设计当中也涉及到了。
使我真正感受到了知识的重要性。
这次设计将我以前学过的机械制造工艺与装备、公差与配合、机械制图、工程材料与热处理工艺等知识很好的串联了起来，起到了穿针引线的作用，巩固了所学知识的作用。
在毕业设计中，首先是对工件机械加工工艺规程的制定，这样在加工工件就可以知道用什么机床加工，怎样加工，加工工艺装备及设备等，因此，工件机械加工工艺规程的制定是至关重要的。
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