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壳体机械论文
摘要
论述了航空发动机上活门壳体的机械加工工艺规程的制定过程，及一套夹具的设计过程。
本文参考了大量的与机床夹具相关的文献，并分析了国内外机床夹具的发展研究现状。
论文对零件进行了工艺性分析，确定了毛坯的制造形势及技术要求，为工艺路线的编制奠定了基础，最终确定了零件加工的工艺路线方案。
通过六点定位原理设计了一套铣床夹具。
关键词：
壳体；工艺规程；夹具；
1.1 课题的研究目的和意义
保证加工精度方面，采用夹具安装，可以准确地确定工件与机床、刀具之间的相互位置，工件的位置精度由夹具保证，不受工人技术水平的影响，其加工精度高而且稳定。
提高生产率、降低成本方面，用夹具装夹工件，无需找正便能使工件迅速地定位和夹紧，显著地减少了辅助工时；用夹具装夹工件提高了工件的刚性，因此可加大切削用量；可以使用多件、多工位夹具装夹工件，并采用高效夹紧机构，这些因素均有利于提高劳动生产率。
另外，采用夹具后，产品质量稳定，废品率下降，可以安排技术等级较低的工人，明显地降低了生产成本。
扩大机床的工艺范围方面，使用专用夹具可以改变原机床的用途和扩大机床的使用范围，实现一机多能。
例如，在车床或摇臂钻床上安装镗模夹具后，就可以对箱体孔系进行镗削加工；通过专用夹具还可将车床改为拉床使用，以充分发挥通用机床的作用。
减轻工人的劳动强度方面，用夹具装夹工件方便、快速，当采用气动、液压等夹紧装置时，可减轻工人的劳动强度。
1.2 国内外的研究现状
1.2.1 国内研究现状
国内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。
标准化就是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。
精密化就是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。
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。
1.2.2 国外研究现状
从国际上看俄国、德国和美国是组合夹具的主要生产国。
当前国际上的夹具企业均为中小企业，专用夹具、可调整夹具主要接受本地区和国内订货，而通用性强的组合夹具已逐步成熟为国际贸易中的一个品种。
有关夹具和组合夹具的产值和贸易额尚缺乏统计资料，但欧美市场上一套用于加工中心的央具，而组合夹具的大型基础件尤其昂贵。
由于我国在组合夹具技术上有历史的积累和性能价格比的优势，随着我国加入WTO和制造业全球一体化的趋势，特别是电子商务的日益发展，其中蕴藏着很大的商机，具有进一步扩大出口良好前景。
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，机床夹具发展迅速，如图1.1所示为ＫＨＦＲ伸缩卡爪式卡盘。
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。
1.3 可视化技术
最近几年计算机图形学的发展使得三维表现技术得以形成，这些三维表现技术使我们能够再现三维世界中的物体，能够用三维形体来表示复杂的信息，这种技术就是可视化（Visualization）技术。
可视化技术使人能够在三维图形世界中直接对具有形体的信息进行操作，和计算机直接交流。
这种技术已经把人和机器的力量以一种直觉而自然的方式加以统一，这种革命性的变化无疑将极大地提高人们的工作效率。
可视化技术赋予人们一种仿真的、三维的并且具有实时交互的能力，这样人们可以在三维图形世界中用以前不可想象的手段来获取信息或发挥自己创造性的思维。
机械工程师可以从二维平面图中得以解放直接进入三维世界，从而很快得到自己设计的三维机械零件模型。
1.4 课题研究的主要内容
1） 查阅壳体零件的相关资料，了解该零件的结构特性及制造工艺特性；
2）绘制壳体零件工程图及三维图；
3）绘制壳体零件毛坯图；
4）制定壳体零件机械加工工艺规程；
5） 绘制壳体零件专用夹具装配图及夹具体零件图。
2 机械加工工艺规程设计
2.1 机械加工工艺规程概述
2.1.1 机械加工工艺规程的设计的主要依据
制定工艺规程的原则是：
在一定的生产条件下，以近可能少的劳动消耗和最少的费用损失，按计划规定的速度，可靠的加工出符合图纸和设计要求的零件。
机械加工工艺过程的设计主要依靠产品装配图样和零件图样；产品的生产纲领； 现有生产条件和资料，它包括毛坯的生产条件或协作关系、工艺装备及专用设备的制造能力、有关机械加工车间的设备和工艺装备的条件、技术工人的水平以及各种工艺资料和标准等。
2.1.2 确定零件的生产类型
生产类型是企业（或车间、工段、班组、工作地）生产专业化程度的分类。
一般分为大量生产、成批生产和单件生产三种类型。
不同的生产类型有不同的机械加工工艺特征。
考虑到该零件形状特殊，外形中等复杂，根据工厂实际调研结果，活门壳体的年生产量为500件。
同时要考虑生产中的备品与废品的比例。
在进行零件机械加工工艺设计时，一般使用一年的生产纲领。
计算公式如下：
N =Qn（1+α）（1+β） （2.1）
其中, Q：
零件产量数
n：
比例因子 n=1
α：
备品的百分率 α=5%
β：
废品的百分率 β=1%
带入公式中：
N=500×1×（1+5%）×（1+1%）=5302（件）
年产总量为5302件，由资料中查出为成批生产。
2.2 确定毛坯的种类和制造方法
毛坯的种类形式（铸件、锻件和轧制的各种钢型）和质量对整个加工过程有着重要的意义。
它确定了机械加工的质量，加工要素，材料的使用，劳动生产率和成本作用；即毛坯的总体状况决定了机械加工过程的制定。
毛坯的种类和质量对机械加工余量的质量、材料的节约、劳动生产率的提高和成本的降低有着重要的作用。
毛坯的选择应使毛坯的形状和尺寸尽量与零件成品相接近，从而可以减少加工余量，提高材料利用率，减少劳动时间和降低成本，而且考虑以下几个方面：
1.零件的结构形状和外形尺寸：
2.零件材料的公益性及零件对材料组织的要求：
3.零件生产纲领的大小；
4.零件的机械性能；
5.现有生产能力和发展前途；
活门壳体零件的材料选用1Cr17Ni2不锈钢，并考虑到其形状特殊，外形中等复杂，生产周期属于周期性成批生产，故零件毛坯采用锤上模锻件。
尺寸和形状精度要求较高，光洁度要求较高，故应采用二级模锻。
2.3 拟定机械加工工艺路线
2.3.1 零件的工艺分析
通过分析零件图及产品装配图可以得出如下分析结论：
1.总体结构上，该零件为一较复杂的小型壳体零件，特别是内部形状复杂，圆环槽很多，是一个刚度很低的薄壁零件，最小壁厚仅为1.2mm。
2.局部结构上，本零件可以分为四组加工表面，现在分述如下：
（1） 以F16027.00+mm为中心的加工表面组。
这组表面包括：
M27×1.5外螺纹、F24.8mm外槽面、相距24028.0−mm的两平行平面、及60°内锥面、M18×1.5内螺纹、F15.624.00+mm、F1824.00+mm、F16.524.00+mm、F16027.00+mm各内环槽面。
M27×1.5外螺纹与一带内螺纹的座配合，使一堵头压靠在60°内锥面上起密封作用，这就要求60°锥面有较高的位置精度及表面粗糙度。
外螺纹因要与带内螺纹的座配合，为防止在高温下（活门壳体零件最高工作温度可达300℃）粘连，所以其表面需要镀铜，镀层厚度3～5um。
F16027.00+mm因要与一衬套互相配合，为一较主要的配合表面，故对其精度及粗糙度要求也较高。
其余表面为非配合表面，故尺寸，形状位置精度及表面及表面粗糙度都没做特殊要求。
（2） 以F416.008.0+−mm为中心的加工表面组
这组表面包括：
M18×1.5外螺纹、F15.8018.0−mm外环槽、及60°内锥面F1424.00+mmF8.520.00+mm、F6018.00+mm、F416.008.0+−mm各内环槽面。
M18×1.5外螺纹及60°内锥面的作用与上一组加工表面中的M27×1.5外螺纹及60°内锥面的作用类似，所以也提出了与之相同的加工要求。
F6018.00+mm因也与一衬套相配合，属于较重要的配合表面，所以其尺寸、形状位置精度及表面粗糙度也较高。
其余表面为非配合表面，故尺寸，形状位置精度及表面及表面粗糙度只做一般要求。
（3） 以F616.008.0+−mm为中心的加工表面组及以F312.006.0+−mm为中心的加工表面组 这两组表面中的一些表面形状及作用相同。
M18×1.5外螺纹同样需要镀铜，60°内锥面形状位置精度及表面及表面粗糙度同样要求较高。
F1003.00+mm内孔面与过滤器相配合，故其尺寸精度及表面粗糙度要求较严格。
球面SR8.75±0.2因要与管接头的内圆锥面相接触，已达到密封作用，所以其形状精度要求对环槽F14024.0−mm的跳动量为0.08mm。
表面粗糙度为Ra0.8。
由以上可以看出，该零件的重要加工表面有以下几个：
三个60°内锥面：
形状位置精度要求对外螺纹的跳动不大于0.1mm；表面粗糙度Ra0.8。
F16027.00+mm内孔表面：
尺寸精度IT8；表面粗糙度Ra1.6。
两个F1003.00+mm内孔表面：
尺寸精度IT8；表面粗糙度Ra1.6。
SR8.75±0.2球面：
形状位置精度要求对环槽F14024.0−mm的跳动量不大于0.08mm，表面粗糙度Ra0.8。
2.3.2 确定工艺组合
工序集中与分散的选择有如下几条原则：
从生产批量的观点看，单件生产的工序越集中越好，生产批量越小，工序越集中越有利于缩短生产同周期，生产费用也会相对降低；当大批量生产工件时，工序分散易于组织流水生产，便于实现自动化。
从设备选择的观点看，工序越分散，越能选用生产率高的设备；而工序集中的工序加工则只能选用通用性较强的设备。
从零件的尺寸和重量上看，尺寸大，重量大的零件，搬迁运输等均不很方便，因此，比较适宜采用工序集中进行加工。
从加工精度上看，工序分散度愈大，所引起的定位误差越大，而工序越集中，则各表面的精度及相互位置关系的精度就越高。
根据零件及工厂中设备的具体情况，并综合考虑上述选用的原则，该零件加工工序采用工序集中与分散相结合的工艺组合方式。
2.3.3 拟定工艺路线
制定工艺路线时，其基本出发点是保证加工质量，提高生产效率和降低生产成本。
为了避免切削力大、切削温度高、切削粘附性强的不利因素，采用受用丝锥攻螺纹这样虽然会使成产效率有所降低，但加工质量易于保证。
磁力探伤检验在镀铜及研磨加工之前进行比较好，因为研磨加工效率低，工人的劳动强度也不打，而且镀铜及研磨均属于光整加工，一般不会出现废品，所以将磁力探伤检验安排在这些工序以前进行，可以事先检查出废品，避免在废品上再继续这些工序的加工而造成人力、物力的浪费，有利于降低生产成本，提高生产效益。
通过以上分析，结合壳体技术要求，拟定加工方案如下：
工序0：
模锻
工序5：
挫毛边
工序10：
铣端平面
工序15：
铣平面
工序20：
车外圆内孔
工序25：
攻螺纹M18×1.5-6H
工序30：
钻孔和车球面
工序35：
钻孔和车槽
工序40：
钻孔和车度
工序45：
铣两侧面
工序50：
铣螺纹M18×1.5
工序55：
铣螺纹M27×1.5
工序60：
铣螺纹M18×1.5
工序65：
打磨锐边
工序70：
车锥度
工序75：
车锥度
工序80：
打磨锐边
工序85：
洗涤
工序90：
电镀前检验
工序95：
磁力探伤
工序100：
钳工打磨
工序105：
洗涤
工序110：
镀铜
工序115：
磨孔F16027.00+
工序120：
研磨锥孔
工序125：
研磨锥孔
工序130：
研磨锥孔
工序135：
研磨球面
工序140：
用润滑油加压冲洗壳体
工序145：
洗涤
工序150：
研磨后检验
2.3.4 划分加工阶段
由于此加工零件为薄壁壳体零件，最小壁厚仅为1.2mm，所以是刚性较差的零件。
同时，其主要表面的精度要求又较高，加工余量较大，因此，在加工过长中，有必要划分就爱共阶段，以减少各种因素所引起的零件变形，从而保证加工质量，此外，划分加工阶段，还有利于合理使用设备，即使发现和处理毛坯缺陷等等。
根据已经拟定的工艺路线方案，该零件的加工过程大致可以划分为如下三个加工阶段：
（1） 粗加工及半精加工阶段（工序0——工序65）
本加工阶段严格地讲应再细划分为粗加工阶段和半精加工阶段，但由于为了便于保证各加工表面间的相互位置精度，各工序，尤其是工序比较集中的几个工序中（工序20，工序30，工序35，工序40）均采用了一次装夹工作的方法来予以保证，这样就很难明确地划分出哪是粗加工阶段，哪是半精加工阶段，因此，就统一合并为一个加工阶段。
（2） 精加工阶段（工序70——工序105）
本加工阶段主要完成６０°内锥孔的精加工，保证其对外螺纹的跳动量要求。
（3） 光整加工阶段（工序110——工序150）
本加工阶段主要完成对F16027.00+mm、三个60°内锥孔及SR8.75±0.2球面的研磨加工，确保其加工表面光洁度达到设计图纸要求。
2.3.5 基准的选择
（1） 精基准的选择
在制定零件的机械加工工艺规程时，一般是先考虑选择怎样的精基准定位把各个表面加工出来，然后考虑选择怎样的粗基准把精基准加工出来。
因此，我们先确定精基准。
研磨孔及锥孔时，由于加工表面余量在非常小而且均匀，按照“自为基准原则”，选择基本身为精基准。
车锥度时，由于设计要求60°内锥孔对外螺纹的跳动量不大于0.1mm，所以选择设计基准——外螺纹的中心线为定位基准，即所谓“基准重合原则”。
加工工序30——工序60时，按照“基准统一原则”，在这些道工序中均采用同一组精基准——第一组加工表面中的F16027.00+mm内孔表面及
M27×1.5螺纹外径端面来定位（详见机械加工工艺综合卡片）。
这样既保证了各表面间的相互位置精度，又简化了夹具的设计与制造，缩短了生产准备的时间，这对减少生产成本，提高经济效益均为有利。
（2） 粗基准的选择
通过分析零件图可以看出，在F22mm和F23mm及R9±1毛坯表面处，零件壁厚最小，为了满足设计要求，（这两处壁厚分别不小于1.6mm和1.2mm），降低废品率，在工序20车外圆内孔工序中，选择了这几处毛坯表面为粗基准，这体现了通常所说的“相互位置要求原则”。
2.3.6 工艺规程的分析
工序0模锻件：
此工序中包括：
模锻、热处理、吹砂三个工步。
热处理安排在毛坯制造完之后，采用回火，目的是消除毛坯因为锻造加工所产生的内应力和脆性，增加塑性和韧性，提高材料的综合机械性能并改善材料的加工性能。
热处理后对毛坯表面进行吹砂，消除氧化皮，有利于以后切削加工。
工序5锉毛边：
本工序主要清楚毛坯上的残留毛边及沿分模面的错移，尤其是基准面上的毛边，因为如果不在其它加工工序之前将这些毛边去除，将会严重影响工作的定位精度。
工序10铣端平面：
此工序所加工出的端平面主要是为后续工序做定位基准，并起定向夹紧、压紧的作用。
工序15铣平面：
本工序包括铣工作大头端的两组相距24018.0−mm的平行平面。
工序20车外圆内孔：
本工序除60°内锥孔及F16mm以外，其余表面均加工到图样设计尺寸。
F16mm的孔要求在本道工序加工之后达到较高的精度及表面粗糙度，目的是为后续工序提供基准，因此，加工F16mm孔的最后工步为精铰。
本工序虽然在尺寸精度及位置精度上没有过高的要求，但由于加工面多，需要保证的尺寸多，所以操作者应头脑清醒，技术熟练，经验丰富。
工序25攻螺丝毫M18×1.5-6H：
内螺纹要求对端面ＬＣ垂直，因此要求定位基准精度较高，所以选用已加工外圆柱表面作定位基准，由夹具保证内螺纹对端面LC的垂直度要求。
工序30钻孔和车球面：
本工序加工球面用YG8成形车刀，为达到光洁度要求，再对其进行抛光处理，并着色检查球面，密接度沿圆周无间断，球面对外环槽的跳动量，由一次装夹保证。
与工序20相似，本道工序尺寸精度要求没有多高，但需要保证的尺寸较多，所以操作者需要头脑清醒，技术熟练，经验丰富。
工序35钻孔和车槽：
本工序除60°内锥孔以外其余表面均达到图样设计尺寸。
工序40钻孔和车度：
本工序除60°内锥孔以外其余表面加工均达到图样设计尺寸。
孔
F6018.00+mm的精度，采用分组钻套夹予以保证，分组钻套套在孔F8.520
.00+mm内，在加工F6mm孔之前，通过测量孔F8.520.00+mm的实际尺寸选用不同的钻套，即可有效地保证加工精度。
孔F6018.00+mm还不允许有倒锥，这由合
格刀具来保证。
工序45铣两侧面：
加工两侧面的目的是为了以后工序的加工做定向加紧面。
工序50、55、60铣螺纹：
由于本零件是薄壁工作，强度和刚度均不够，因此采用铣削加工螺纹而不采用滚压法加工。
因为铣螺纹时，工作只需要较小的夹持力即可，从而减少了工作变形，有利于保证产品质量。
该零件也不宜用螺纹车刀或板牙来加工外螺纹，因为螺纹车刀加工螺纹，虽然精度和光洁度较高，但需要多次走刀才能切出完整的螺纹廓形，故生产率较低；而板牙虽然加工生产率较高，但由于板牙成形表面是内螺纹表面，热处理后很难磨削，以至螺纹廓形难予保证，故板牙加工精度较低，同时，板牙使用寿命也较短，所以均不宜采用。
工序65打磨锐边：
该工序目的是打光铣螺纹后的毛刺，为以后工序的定位和操作方便打下基础。
工序70、75车锥度：
设计零件图要求椎体对其外螺纹的跳动量不大于0.1mm，今采用工艺方法保证，即以外螺纹定位夹紧，精车即可。
并且从理论上看，精车加工也可以达到表面光洁度要求。
工序80打磨锐边：
打光不加工表面上的缺陷。
如：
皱、折、裂缝、发纹等。
打光机械加工后的锐边，为以后的磁力探伤检验做准备。
工序85洗涤：
将零件放于汽油中仔细的洗涤，并用干燥而洁净的压缩空气吹干。
工序90电镀前检验：
由于下道工序安排的是磁力探伤检验，需要换车间，所以之前安排在中间检验工序，便于分清责任，更好地保证质量。
工序95磁力探伤检验：
磁力探伤又称磁粉探伤。
它能发现工作表面及近表面的缺陷（如：
裂纹、气孔、夹渣等），而不能发现较深的缺陷。
它的基本原则是：
磁性材料制成的工件若放在磁场中，在外加磁场的作用下即被磁化，在材料中产生磁力线的传布。
当被检工作不存在缺陷时，磁力线在工件表面上均匀分布；若被检工件存在缺陷，则缺陷会阻碍磁力线通过，使磁力线产生弯曲，当缺陷位于表面附近时，会产生漏磁场，形成一个小ＮＳ磁极；若工件表面事先撒上了一层很细的磁性粉末（通常用Fe2O3或Fe3O4），此时就会被小磁极吸引，缺陷处由于堆积较多的磁粉而被显示出来。
另外，工件进行磁力探伤时，只有当磁力线方向与缺陷（裂纹）方向相垂直或接近垂直时，漏磁场最大，灵敏度最高，才能将缺陷显露出来，若两者平行就不能显露出来，因此，必须将工件分别在垂直成90°的两个方向上进行磁化，才能将所有可能的缺陷检查出来。
零件磁化后，其上的剩余磁场影响航空仪表的正常工作，也会对部件的工作起不良影响，因此，零件经磁力探伤后必须进行退磁处理。
工序100钳工打磨：
工件经磁力探伤以后，对于有严重缺陷的工作，即可以断定为废品；对于只有轻度缺陷的工件，如：
表面裂纹、发纹，则可以由钳工打磨去除，而且完成打磨之后，应重新进行探伤检验，直到没有缺陷为止。
工序105洗涤：
将零件放于汽油中仔细的洗涤，并用干燥而洁净的压缩空气吹干。
工序110镀铜：
前面已经叙述，零件上的三个外螺纹因为要与外加螺母进行配合，为了防止其高温下的粘结而不能正常工作，所以安排在此工序对三个外螺纹进行表面镀铜处理，镀层厚度3-5um（HB899-66）。
工序115研磨孔F16027.00+mm：
在工序20工序中，孔F16027.00+mm的最后加工工步为精铰，理论上来说，精铰F16027
.00+mm孔即可达到图样设计尺寸精度及表面光洁度要求，但由于设备、刀具等原因或后续工序中F16027.00+mm孔作精基准定位时，难免对其表面有划伤，故在光整加工阶段，为保证其质量，对其经行研磨加工。
由于该孔的尺寸误差要求很严，所以工艺上要求保证该孔的圆柱度误差不大于0.005mm，并允许该孔加工超差至F16.15mm。
工序120、125、130、135研磨锥孔和球面：
在这四道工序进行之前，先对被加工表面进行检验，检验内容按工序图表的内容进行，若达到设计图纸要求，则不进行本工序的加工，否则进行研磨加工。
工序140用润滑油加压冲洗壳体 工序145研磨后检验（终检）：
对检验合格的零件打上机械加工检验印，并油封保存。
2.4 确定工序间的加工余量、工序尺寸和公差
2.4.1 确定工序间加工余量应考虑的因素
由于零件机械加工过程中涉及的因素很多，按计算法确定工序间的机械加工余量目前还缺少充分的实践数据资料，因此查表法和经验加查表在生产中应用广泛。
按查表法确定的工序间加工余量应考虑的因素：
（1） 为缩短加工的时间，降低制造成本，应采用最小的加工余量。
（2）选择加工余量时应保证得到图样上规定的精度和表面粗糙度。
（3）选择加工余量时，要考虑零件热处理时引起的变形。
（4） 选择加工余量时，要考虑所采用的加工设备、方法以及加工过程中零件可能产生的变形。
（5） 选择加工余量时，要考虑被加工的零件的尺寸；尺寸越大加工余量越大，因为零件的尺寸增大后，由切削力、应力等引起变形的可能性也增加。
（6） 选择加工余
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