轴架工艺及夹具设计.docx
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轴架工艺及夹具设计
本科生毕业设计（论文）
学院（系）：
机电工程系
专业：
机械设计制造及其自动化
学生：
…
指导教师：
完成日期年月
［摘 要]本次设计内容是轴架加工工艺规程及钻孔夹具设计包括零件加工的工艺设计、工序设计以及专用夹具的设计三部分。
本次设计涉及了机械制造工艺及机床夹具设计、金属切削机床、公差配合与测量等多方面的知识。
在工艺设计中要首先对零件进行分析，了解零件的工艺再设计出毛坯的结构，并选择好零件的加工基准，设计出零件的工艺路线；接着对零件各个工步的工序进行尺寸计算，关键是决定出各个工序的工艺装备及切削用量；然后进行专用夹具的设计，选择设计出夹具的各个组成部件，如定位元件、夹紧元件、引导元件、夹具体与机床的连接部件以及其它部件；计算出夹具定位时产生的定位误差，分析夹具结构的合理性与不足之处，并在以后设计中注意改进。
［关键词］：
工艺工序；切削用量；夹紧；定位；误差
Axisframetechnologyandequipmentdesignandproductionofsomeparts
MechanicalDesign，ManufacturingandAutomationMajorCHUWen-guo
Abstract:
Thedesigncoversthemechanicaldesignofmanufacturingprocessesandmachinetoolfixture,metalcuttingmachinetools,tolerancesandmeasurement,andmanywithknowledge.AxisframeprocessingproceduresanddrillholeФ15H7fixturedesignedtoincludethemachiningprocessdesign,processdesignandthedesignofthree-partspecialfixture.Intheprocessdesigntoanalyzethefirstparttounderstandthepartsoftheprocessre-designthestructureofrough,andtheprocessingpartisselectedbenchmark,partoftheprocessroutedesign;thensteponthepartofvariousindustrialprocessesforsizecalculation,Thekeyistodeterminethevariousprocessesandcuttingprocessingequipment;andthedesignofspecialfixture,selectthecomponentdesignandfixtureparts,suchaspositioningdevices,clampingdevices,guidedevices,foldersandmachinespecificpartsandothercomponentsconnected;calculatedfixturepositioningerrorgeneratedwhenanalyzedfixturestructureisreasonableandinadequateattentioninthefuturedesignimprovements.
Keywords:
Processprocess;Cutting;clamping;positioning;error
1引言
随着我国专用机械市场的迅猛发展，与之相关的核心生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。
技术工艺的优劣直接决定企业的市场竞争力。
了解国内外专用机械生产核心技术的研发动向、工艺设备、技术应用对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分关键。
在工业界，对一指定产品加工生产前，根据工艺要求，所进行的通用设备选型、通用工位器具的选型；专用设备设计、制造；专用刀具、专用夹具、专用辅具、专用模具、专用工具、专用检具、专用量具等工位器具的设计、制造都称为“工艺工装”。
“工艺工装”是工业企业不可缺少的一个重要组成部分。
随着社会的进步和经济的发展，多品种、小批量的生产类型已占主导地位，具有元件全部标准化的高柔性组合夹具已成为制造系统的必备辅助手段。
另外，因组合夹具是标准化、系列化、通用化程度很高的工艺装备，其平均设计和组装时间是专用夹具的5％～20％，所以称其为柔性夹具，组合夹具因其灵活性已成为现代夹具的发展方向。
现代机械加工行业发生着深刻的结构性变化，工艺工装的设计与改良已成为相关企业生存和发展的必要条件。
2零件的工艺分析
由轴架零件图（见图2-1）得知，其材料是HT200。
该材料具有较高的强度、好的耐磨性和良好的减振性，铸造性好，需要人工时效，适用于承受较大的应力、要求耐磨的零件。
该零件的主要加工面为A面、B面、C面、E面、F面、G面（以上各个表面如图1-1所示）和Ф22H7的孔、Ф15H7的孔及G11/8的螺纹。
Ф15H7的孔的轴线与Ф22的孔的轴线垂直，其垂直度为Ф0.005，直接影响转动的平稳，使传动轴与轴架产生摩擦和轴架与轴不能正确定位。
为了保证Ф15H7的孔的轴线能与Ф22的孔的轴线垂直度达到要求，因此，加工时先把Ф22的孔加工完成后，以Ф22H7的孔为定位基准来加工Ф15H7的孔。
A面、B面、C面、E面、F面和G面的表面粗糙度要求不太高，现有机床加工精度能够达到要求。
由参考文献[1]面和孔加工的经济精度及机床能达到的位置精度可知，上述技术要求是可以达到的，零件的结构工艺性也是可行的。
3确定毛坯、画零件—毛坯合图
3.1确定毛坯的材料和尺寸公差等级CT和加工余量等级MA
根据零件图的材料确定毛坯为铸件，其生产类型为大批量生产。
毛坯的铸造方法选用砂型机器造型。
又由于G11/8的螺纹底孔需要铸出，故还应该安放型芯。
此外，为消除残余应力，铸造后安排人工时效。
图2-1轴架零件图
参考文献[1]表1.3–1（常用毛坯的制造方法与工艺特点），该种铸件的尺寸公差等级CT为8～10级，加工余量等级MA为G级。
故取CT为10级，MA为G级。
3.2确定各加工表面总余量、主要毛坯尺寸及公差
参考文献[1]表2.2–6（铸造孔的最小尺寸），用查表法确定各表面的总余量如表2–1所示。
表2–1各加工表面总余量
加工表面
基本尺寸（mm）
加工余量等级
加工余量（mm）
说明
A面、B面
70
G
3.5
侧面，单侧加工（取上行数据）
C面、G面
28
G
2.5
圆柱面，双侧加工（取下行数据）
E面
45
G
3.5
顶面，双侧加工
F面
45
H
2.5
底面降1级，双侧加工
G11/8的底孔
35.2
H
3
孔降1级，双侧加工
由参考文献[1]表2.2–7（各种铸造方法的铸件最小壁厚），可得铸件的主要尺寸的公差，如表2–2所示。
表2–2主要毛坯尺寸及公差
主要面尺寸
零件尺寸
（mm）
总余量
（mm）
毛坯尺寸
（mm）
公差CT
（μm）
A面、B面轮廓尺寸
12
3.5
15.5
4
C面、G面轮廓尺寸
38
2.5﹢2.5
43
4
E面距Ф15H7孔中心尺寸
53
3.5
49.5
3.6
F面距Ф15H7孔中心尺寸
110
2.5
112.5
3.6
G11/8的底孔
Ф35.2
3﹢3
Ф16
3.2
由以上可以知道轴架的毛坯尺寸，画出轴架零件-毛坯合图（见图3-1）。
图3-1轴架零件-毛坯合图
4工艺规程设计
设计工艺过程时所涉及的内容主要是划分工艺过程的组成，选择定位基准、选择零件表面的加工方法、安排加工顺序和组合工序等。
4.1定位基准的选择
4.1.1精基准的选择
精基准的选择原则（参考文献[6]第三节工艺路线的制定）：
（1）基准重合原则应尽可能选择被加工表面的设计基准作为精基准。
在对加工面位置尺寸有决定作用的工序中，特别是当位置公差很小的时候，一般不应违反这一原则。
（2）统一基准原则当工件以某一精基准定位，可以比较方便地加工大多数（或所有）其它表面，则应尽早地把这个基准面加工出来，并达到一定精度，以后工序均以它为精加工基准加工其它表面。
采用基准统一原则可以简化夹具设计，可以减少工件搬动和翻转次数，在自动化生产中广泛应用。
（3）互为基准原则某些位置要求很高的表面，常采用互为基准反复加工的方法来达到要求。
（4）自为基准原则旨在减少表面粗糙度，减小加工余量和保证加工余量均匀的工序，常以加工面本身为基准进行加工。
（5）便于装夹原则所选择的精基准，应能保证定位准确、可靠，夹紧机构简单，操作方便。
精基准的选择：
F面、C面、E面、Ф22H7的孔既是装配基准又是设计基准，用它们作精基准，能使加工遵循“基准重合”的原则，实现轴架零件的定位；其它面和孔的加工也能用它定位，这样使工艺路线遵循了“基准统一”的原则。
此外，F面的面积较大，定位比较稳定，夹具方案也比较简单、可操作方便。
4.1.2粗基准的选择
粗基准的选择准则：
（1）首先保证工件上的加工面与不加工面之间的位置要求，应以不加工面作为粗基准（如果在工件上有很多不需要加工的表面，则应以其中与加工面的位置要求较高的表面作为粗基准）；
（2）如果必须保证工件某重要表面加工余量均匀，应选择该表面作为粗基准；
（3）粗基准一般只能使用一次，即不应重复使用；
（4）便于装夹的原则选择粗基准时，必须考虑定位准确，夹紧可靠以及夹具结构简单、操作方便等的问题。
为了保证定位准确，夹紧可靠，要求选用的粗基准尽可能平整、逛街和有足够大的尺寸，不允许有锻造飞边、铸造浇、冒口或其它缺陷。
粗基准的选择：
考虑到以下两个要求，选择轴架零件的F面和G11／8底孔的毛坯孔作为粗基准；第一，在保证各加工面均有加工余量的前提下，使重要孔的位置精度达到要求；第二，应能保证定位准确、夹紧可靠。
4.2加工方法的选择
根据各表面加工要求和加工方法能达到的经济精度，确定各表面的加工方法如下：
（1）A面、B面、C面、E面、F面、G面：
粗铣；
（2）7级精度未铸出的孔：
钻-扩-铰；
（3）螺纹孔：
钻孔-攻螺纹。
4.3加工顺序的安排
（1）按加工的性质和作用的不同，工艺过程可划分如下几个阶段:
①粗加工阶段；
②半精加工阶段:
如完成一些次要表面的加工（如钻孔、攻丝和铣键槽等，一般在热处理前进行）；
③精加工阶段：
对零件上精度和表面粗糙度要求高（精度在IT7级或以上，表面粗糙度在Ra0.8以下）的表面，应安排精加工阶段。
（2）工艺过程划分加工阶段是指零件加工的整个过程而言，不能以某一表面的加工和某一工序的加工来判断。
例如有些定位基准面，在半精加工阶段甚至在粗加工阶段得很准确，而某些钻小孔的粗加工工序，又常常安排在精加工阶段。
4.4制订工艺路线
机械加工顺序安排
（1）作为精基准的表面应在工艺过程一开始就进行加工，即粗铣E面、粗铣F面，因为后续工序中加工其它表面是要用它来定位，即“先基准后其它”；
（2）在加工精基准面时，需要用粗基准定位，如铣A面、B面、C面时，以G面作为粗基准；
（3）精基准加工好以后，接着应对精度要求较高的各主要表面进行粗加工、半精加工和精加工，即Ф15H7的孔和Ф22H7的孔加工时，需要进行钻孔、扩孔、粗铰孔和精铰孔四个阶段来完成；
4.5初步拟定加工工艺路线及修改后的加工工艺路线
根据先面后孔、先主要表面后次要表面和先粗加工后精加工的原则，将粗铣E面、粗铣F面放在铣G11/8螺纹低孔的前面和钻孔、扩孔、粗铰孔和精铰孔依照这样的顺序依次完成。
初步拟订加工工艺路线如下：
工序号
工序内容
铸造
时效
涂底漆
10
粗铣E面
20
粗铣F面
30
钻G11/8螺纹底孔，并孔口倒角1×45°，攻G11/8的螺纹
40
钻扩铰Ф22H7的孔
50
粗铣A面、B面、C面
60
粗铣F面
70
钻扩铰Ф15H7的孔，并孔口倒角1×45°
80
钻Ф5mm的孔，并锪沉孔Ф8×90°
90
钻4×M6螺纹底孔，并攻螺纹4×M6–7H
100
检验
110
入库
上述方案遵循了工艺路线拟订的一般原则，但某些工序有些问题还值得进一步讨论。
如把工序90：
钻4×M6螺纹底孔，并攻螺纹4×M6–7H,放在工序30：
钻扩铰Ф15H7的孔，并孔口倒角1×45°之后，这两个工序可在一次装夹后完成，减少加工误差。
把工序10，工序20和工序30放在工序70之后，因为Ф15H7的孔的轴线与Ф22H7的轴线的垂直度是Ф0.005，并且是以Ф22H7的轴线为基准。
修改后的工艺路线如下：
工序号
工序内容
铸造
时效
涂底漆
10
粗铣E面
20
粗铣F面
30
钻G11/8螺纹底孔，并孔口倒角1×45°，攻G11/8的螺纹
40
钻扩铰Ф22H7的孔
50
粗铣A面、B面、C面
60
粗铣G面
70
钻扩铰Ф15H7的孔，并孔口倒角1×45°
80
钻4×M6螺纹底孔，攻螺纹4×M6–7H
90
钻Ф5mm的孔，并锪沉孔Ф8×90°
100
检验
110
入库
4.6选择加工设备及刀具、夹具、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柱，辅以少量专用机床。
其生产方式为以通用机床加专用夹具为主，辅以少量装用机床的流水生产线。
工件在各机床上的装卸及各机床间的传送均由人工完成。
（1）粗铣E面。
考虑到工件的定位夹紧及夹具结构设计等问题，采用立铣，选择XA5032立式铣床（参考文献[2]）。
选择直径D为Ф80mm的标准硬质合金端铣刀（参考文献[2]表3.13）、专用铣E面夹具和游标卡尺。
（2）粗铣F面。
采用立铣，选择XA5032立式铣床（参考文献[2]）。
选择直径为Ф80mm的标准硬质合金端铣刀（参考文献[2]表3.13）。
采用铣F面夹具及游标卡尺。
（3）钻G11/8螺纹的底孔，并攻G118的螺纹。
考虑到工件的定位夹紧及夹具结构设计等问题，采用立钻，选择立式钻床Z525（参考文献[1]表4.2–14、表4.2–15和表4.2–16）选择Ф34.0mm。
高速钢麻花钻（GB6078–85）（参考文献[1]表3.1–5）、Ф24.8mm锥柄扩孔钻（GB1141–84）（参考文献[1]表3.1–8），选用直柄机用铰刀加工G118的底孔、专用钻夹具、快换夹头、丝锥、游标卡尺及塞规。
（4）钻扩铰Ф22H7的孔。
考虑到工件的定位夹紧及夹具结构设计等问题，采用立钻，选择立式钻床Z525（参考文献[1]表4.2–14、表4.2–15和表4.2–16）。
选用Ф20.0mm高速钢麻花钻（GB6078–85）（参考文献[1]表3.1–5）、Ф21.8mm锥柄扩孔钻（GB1141–84）（参考文献[1]表3.1–8），选用直柄机用铰刀加工Ф22H7的孔、专用钻夹具、快换夹头、游标卡尺及塞规。
（5）粗铣A面、B面、C面。
考虑到工件的定位夹紧及夹具结构设计等问题。
采用卧铣，选择卧式铣床X62W（参考文献[1]表4.2–38、表4.2–39和表4.2–40）。
选择硬质合金端铣刀（参考文献[2]表3.13）。
采用专用铣夹具和游标卡尺。
（6）粗铣G面。
采用立铣，选择立式铣床XA5032（参考文献[2]），硬质合金端铣刀（参考文献[2]3.13）。
采用专用铣夹具和游标卡尺。
（7）钻扩铰Ф15H7的孔，并孔口倒角1×45°。
选用立钻，选择立式钻床Z525（参考文献[1]表4.2–14、表4.2–15和表4.2–16）。
选用Ф14.0mm高速钢麻花钻（GB6078–85）（参考文献[1]表3.1–5）、Ф14.85mm锥柄扩孔钻（GB1141–84）（参考文献[1]表3.1–8），选用硬质合金直柄机用铰刀（GB4251–84）（参考文献[1]表3.1–18）加工Ф15H7的孔、专用钻夹具、快换夹头、游标卡尺及塞规。
（8）钻4×M6螺纹底孔，攻螺纹4×M6–7H。
选用立钻，选择立式钻床Z525（参考文献[1]表4.2–14、表4.2–15和表4.2–16）。
选用Ф5mm锥柄阶梯麻花钻（参考文献[2]2.13），攻螺纹采用机用丝锥（参考文献[1]表3.1–47）及丝锥夹头。
4–M6螺纹孔用螺纹塞规检验。
采用专用夹具。
（9）钻Ф5mm的孔、并锪沉孔Ф8×90°。
采用立钻，选用立式钻床Z525（参考文献[1]表4.2–14、表4.2–15和表4.2–16）。
选用Ф4.8mm锥柄阶梯麻花钻（参考文献[2]2.13），锪沉孔Ф8×90°选90°锥柄面锪钻（参考文献[1]表3.1–12）选用专用量具、专用夹具。
4.7加工工序设计
4.7.1工序10：
粗铣E面
（1）选择刀具
①根据参考文献[2]表1.2,选择YG6硬质合金刀片
根据参考文献[2]表3.1,铣削深度阿ap≤4mm时，端铣刀直径d0为80mm，ae60mm。
已知铣削宽度ae≤45mm，故端铣刀直径d0＝80mm。
由于采用标准＝硬质合金铣刀，故齿数Z＝10（参考文献[2]表3.13）。
②铣刀几何形状（参考文献[2]表3.2）：
由于铸铁的硬度HBS＞150,故选择r0＝0，a0＝8°（假定acmax＞0.008mm），a´＝10°，λs＝-20°,kr＝60°,kr´＝5,kεr＝30°。
（2）选择切削用量
①决定铣削深度
由于加工余量不大，故可在一次走刀内切完。
则ap＝h＝2.5mm
②决定每齿进给量fz,采用不对称端铣以提高进给量。
当使用YG6铣削功率为7.5kw（参考文献[2]表3.30，XA503型立式铣床说明书）时，
fz＝0.14～0.24mm/z
但因采用不对称端铣，故取fz＝0.24mm/z。
③选择铣刀磨钝标准及刀具寿命
根据参考文献[2]表3.7，
铣刀刀齿后刀面最大磨损量为1.2mm；由于铣刀直径d0＝80mm，故刀具寿命T＝180min（参考文献[2]表3.8）。
④决定切削速度vc和每分钟进给量vf
切削速度vc可根据参考文献[2]表3.27中的公式计算，也可以直接由表查出。
根据参考文献[2]表3.16，
当d0＝80mm,z＝10,ap≤3.5mm,fz≤0.14mm/z时，vt＝97m/min,nt＝387r/min,vft＝433mm/min。
各修正系数:
kmv＝kMn＝kMvf＝0.89
Ksv＝ksn＝ksvf＝0.85
故vc＝vt·kv＝97×0.89×0.85m/min＝73.4m/min
n＝nt·kn＝387×0.89×0.85r/min＝292.8r/min
vf＝vft·kvt＝4330.890.85＝327.6mm/min
根据XA5032型立式铣床说明书（参考文献[2]表3.30），选择
nc＝300r/min,vfc＝375mm/min
因此实际切削速度和每齿进给量为
vc＝
＝75.36m/min
fzc＝
＝0.13mm/z
⑤校验机床功率
根据参考文献[2]表3.24，
当铸铁硬度HBS＝174～207，ae≤50mm,ap≤2.7mm,d0＝125mm,z＝10,vf＝357mm/min,近似为pcc＝1.9kw。
根据XA5032型立式铣床说明书（参考文献[2]表3.330），机床主轴允许的功率为
pcM＝7.5×0.75kw＝5.63kw
故pcc＜pcM。
因此选择的切削用量可以采用，即ap＝2.5mm,vf＝375m/min,n＝300r/min,vc＝73.4m/min,fz＝0.13mm/z。
⑥计算基本工时
＝
式中L＝l﹢y﹢△,l＝45mm,根据参考文献[2]表3.26，不对称安装铣刀，入切量及超切量l﹢y＝25mm,则L＝2
＝
min＝0.187min＝11.2s
4.7.2工序40：
钻扩铰Ф22H7的孔
钻扩铰Ф22的孔：
钻Ф20.0mmm→扩孔钻Ф21.80mm→粗铰Ф21.9mm→精铰15H7（一般孔直径的加工余量：
粗铰孔为0.15mm，半精铰孔为0.05mm）。
（1）刀具的选用
Ф20mm的孔一次钻出。
由工件的毛坯尺寸可知，其加工余量为z钻＝6/2mm＝3.0mm。
钻Ф20mm的孔，采用Ф20.0mm的高速麻花钻。
钻头的几何形状（参考文献[2]表2.1和表2.2）：
双锥修磨横刃，β＝30°,2Ф＝130°Ψ＝50°а0＝12°，b＝2mm，l＝4mm
（2）选择切削用量
①按加工要求决定进给量
a.根据参考文献[2]表2.7，当铸铁硬度为200HBS,l＝57mm,d0＝20mm时，f＝0.70～0.86mm/r。
由于
＝57/20＝2.85，
故应乘孔深修正系数kcf＝0.50，
f＝（0.70～0.86）×0.5mm/r＝0.35～0.43mm/rb.
②按钻头强度决定进给量：
根据参考文献[2]表2.8，当灰铸铁为200HBS，d0＝20mm，钻头强度允许的进给量f＝1.75mm/r。
c.按机床（Z525型立式钻床）机构强度决定进给量
根据参考文献[2]表2.9，当铸铁硬度小于等于210HBS，d0≤20.5mm时，机床进给机构允许的轴向力为8830N，见参考文献[2]表2.35），进给量f＝0.93mm/r。
从以上三个进给量比较可以看出，受限制的进给量是工艺要求，其值为f＝0.35～0.43mm/r。
根据Z525立式钻床说明书（见参考文献[2]表2.35），选择f＝0.40mm/r。
此外机床（Z525型立式钻床）进给机构强度也可根据初步确定的进给量查出轴向力再进行比较来实验。
由参考文献[2]表2.19可查出，钻头钻孔时的轴向力。
当f＝0.40mm/r,d0≤21mm时，轴向力Ff＝7330N。
（3）决定钻头磨钝标准及刀具寿命
由参考文献[2]表2.12可知，
当d0＝20mm时，钻头后面最大磨损量取为0.8mm,寿命T＝60min速度
由参考文献[2]表2.13可知，
当f＝0.40mm/r，双横刃磨得钻头d0＝20mm，vt＝18m/min
切削速度的修正系数为kv＝0.91，故
v＝vc·kv＝18×0.91＝17m/min
n＝
r／min＝270.7r/min
根据Z525型立式钻床说明书（参考文献[2]表2.35）,可考虑选择nc＝272r/min。
（4）检验机床扭矩及功率
根据参考文献[2]表2.21，
当f≤0.41mm/r，d0≤21mm时，Mt＝43.16N·m，扭矩的修正系数均为1.0，故Mc＝53.86M·m。
根据Z525型立式钻床说明书（参考文献[2]表2.35），
当vc＝272r/min,Mm＝144.2N·m。
根据参考文献[2]表2.23，
当铸铁硬度为170～213HBS，d0＝20mm，f≤0.45mm/r时，pc＝1.0kw。
根据Z525型立式钻床说明书，PE＝2.8×0.81＝2.2
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