机电一体化毕业设计论文典型机械零件加工工艺及工艺装备分析与研究.docx

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机电一体化毕业设计论文典型机械零件加工工艺及工艺装备分析与研究

毕业设计（论文）报告

题目典型机械零件加工工艺及工艺装备分析与研究

系别机电工程系

专业机电一体化

班级机电一体化074

姓名

学号

指导教师

2010年4月

引言

改革开放30年来，我国机电工业引进了大量的先进产品设计制造技术和生产工艺装备，机电工业的产值、利润占整个工业的25%左右。

目前，我国与WTO成员的贸易额已占我国对外贸易总额的90%以上，机电产品在我国外贸进出口中占据重要地位。

　　但从整体来看，我国机电工业与发达国家相比仍存在较大差距，总体技术水平的差距达15—20年。

加入WTO后，政府对企业的管理和企业自身的生产经营行为，都要遵循WTO的有关原则，企业所面临的外部环境将发生重大变化，加入WTO对整个机电行业的影响，也是深刻而深远的。

　　由于我国机电工业的产业结构尚不合理，各地的重复建设，导致地区结构趋同化倾向十分明显，技术水平低、生产工艺落后、浪费严重、企业达不到经济合理的生产规模，进而导致经济效益低下。

加入WTO的冲击会直接波及到那些效益差、长期亏损的企业，而那些依靠关税和非关税措施保护的行业，也同样会受到冲击。

同时，由于市场竞争的加强，某些行业的利润率会下降，长线产品的生产将会得到相应的抑制。

那些管理落后、效益低下的企业必然要进行资产重组。

从这个意义上看，加入WTO，也为我国机电工业的产业结构调整提供了有利时机和发展动力，但也对机电行业提出了更高要求。

机械设计基础和机械制造基础是机电工程系针对机械专业类学生安排的非常重要的专业基础教学内容。

其目的是培养学生的产品设计能力和零件制造能力,而机构零件的工艺分析和加工能力是机械专业的学生必须掌握的一门综合技能。

引言··················································

（2）

论文摘要··············································（5）

一零件的分析

1.1零件功能分析···································（6）

1.2零件的工艺分析·································（6）

二零件工艺规程的设计

2.1确定毛坯的制造形式·····························（7）

2.2基准的选择····································（9）

2.3制订工艺路线··································（11）

2.4机械加工余量\工序尺寸及毛坯尺寸的确定·········（13）

2.5确定切削余量··································（14）

2.6刀具的选择·····································（15）

三专用夹具设计

3.1问题的指出····································（16）

3.2夹具设计·······································（17）

四填写工艺文件

4.1机械加工工艺规程······························（18）

4.2数控加工工序卡································（19）

4.3数控加工刀具卡································（20）

4.4数控走刀路线图·································（21）

4.5数控加工程序编制表·····························（24）

致谢················································（26）

参考文献············································（27）

论文摘要

本次毕业设计要求承担课题的学生根据三年中所学过的专业理论知识和实践知识并查阅与之相关的技术资料，完成一个典型复杂机械零件的机械加工工艺分析,编制该零件的机械加工工艺规程和机构加工工艺卡片,并完成该零件其中一道工序的专用夹具设计,完成设计说明书的编写。

关键词:

工艺分析设计夹具零件

Thisgraduationprojectrequeststoundertakethetopicstudenttoactaccordingtofouryearshavestudiedthespecializedtheoreticalknowledgeandthepracticeknowledgeandconsultswithitrelatedtechnicaldata,completesmodelcomplexmechanismcomponentsthemachine-finishingprocessstudy,establishesthiscomponentsthemachine-finishingtechnologicalprocessandtheorganizationprocessingprocesschart,andcompletesthiscomponentsworkingproceduretheunitclampdesign,completesthedesigninstructionbookletthecompilation。

Keywords:

ProcessAnalysisDesignFixtureParts

一、零件的分析

1.1零件功能分析

薄板类支架零件，大都是整块仪表装配的支撑骨架，对整块仪表的使用性能有着重要的影响。

1.2零件的工艺分析

A结构分析：

由图1可知，该零件的加工轮廓由圆弧及直线构成，形状复杂，加工、检验较为困难，除底平面采用普通铣削加工，其余部位均需采用数控铣削加工．

B精度分析：

该零件的曲线公差为0.2mm，其余尺寸公差为1TI4，表面粗糙度均为Ra6.3μm，加工精度较容易保证．但零件腹板厚度只有2mm，且面积较大，加工时极易因振动影响壁厚公差及表面粗糙度，应作为工艺上考虑的重点。

基于此，宜采用小直径铣刀加工，减少切削力；安排粗、精加工及钳工矫形工序；加工顺序安排：

先铣加强筋，后铣腹板，最后铣外形及鲫孔，以提高刚性，防止振动．

C毛坯、余量分析：

支架的材料为锻铝LD5，毛坯为铸件，形状与零件相

似，各处均有单边加工余量5mm。

D结构工艺性分析：

该零件被加工轮廓表面的最大高度H=4l-2=39mm，该处的转接圆弧为R10，两者比值为0.256大于0.2，能满足铣削工艺性要求．全部圆角为R10、B5、RI.5不统一，需采用多把不同圆角半径的铣刀加工。

二零件工艺规程的设计

2.1确定毛坯的制造形式

产品从原材料加工到成品一般要经过多道工序才能完成，对于金属制品，虽然可以应用少无切削加工新工艺直接从原材料制成成品。

但目前大多数是通过铸造、锻造、冲压或焊接等加工方法制成毛坯，在经过切削加工制成。

毛坯的质量直接影响成品的质量。

毛坯的选择是否合适，影响到成品的制造周期、成本、性能、以及使用寿命。

因此正确的选择毛坯是机械设计与制造当中的首要问题。

毛坯种类的选择不仅影响毛坯的制造工艺及费用，而且也与零件的机械加工工艺和加工质量密切相关。

为此需要毛坯制造和机械加工两方面的工艺人员密切配合，合理地确定毛坯的种类、结构形状，并绘出毛坯图。

2.1.1、常见的毛坯种类

常见的毛坯种类有以下几种：

（一）铸件对形状较复杂的毛坯，一般可用铸造方法制造。

目前大多数铸件采用砂型铸造，对尺寸精度要求较高的小型铸件，可采用特种铸造，如永久型铸造、精密铸造、压力铸造、熔模铸造成和离心铸造等。

（二）锻件锻件毛坯由于经锻造后可得到连续和均匀的金属纤维组织。

因此锻件的力学性能较好，常用于受力复杂的重要钢质零件。

其中自由锻件的精度和生产率较低，主要用于小批生产和大型锻件的制造。

模型锻造件的尺寸精度和生产率较高，主要用于产量较大的中小型锻件。

（三）型材型材主要有板材、棒材、线材等。

常用截面形状有圆形、方形、六角形和特殊截面形状。

就其制造方法，又可分为热轧和冷拉两大类。

热

轧型材尺寸较大，精度较低，用于一般的机械零件。

冷拉型材尺寸较小，精度较高，主要用于毛坯精度要求较高的中小型零件。

（四）焊接件焊接件主要用于单件小批生产和大型零件及样机试制。

其优点是制造简单、生产周期短、节省材料、减轻重量。

但其抗振性较差，变形大，需经时效处理后才能进行机械加工。

（五）其它毛坯包括冲压件，粉末冶金件，冷挤件，塑料压制件等。

2.1.2、毛坯的选择原则

选择毛坯时应该考虑如下几个方面的因素：

（一）零件的生产纲领大量生产的零件应选择精度和生产率高的毛坯制造方法，用于毛坯制造的昂贵费用可由材料消耗的减少和机械加工费用的降低来补偿。

如铸件采用金属模机器造型或精密铸造；锻件采用模锻、精锻；选用冷拉和冷轧型材。

单件小批生产时应选择精度和生产率较低的毛坯制造方法。

（二）零件材料的工艺性例如材料为铸铁或青铜等的零件应选择铸造毛坯；钢质零件当形状不复杂，力学性能要求又不太高时，可选用型材；重要的钢质零件，为保证其力学性能，应选择锻造件毛坯。

（三）零件的结构形状和尺寸

形状复杂的毛坯，一般采用铸造方法制造，薄壁零件不宜用砂型铸造。

一般用途的阶梯轴，如各段直径相差不大，可选用圆棒料；如各段直径相差较大，为减少材料消耗和机械加工的劳动量，则宜采用锻造毛坯，尺寸大的零件一般选择自由锻造，中小型零件可考虑选择模锻件。

（四）现有的生产条件

选择毛坯时，还要考虑本厂的毛坯制造水平、设备条件以及外协的可能性和经济性等。

毛坯选择的原则，应在满足使用要求的前提下，尽可能地降低生产成本，使产品在市场上具有竞争能力。

2.1.3毛坯成形方法选择的经济性分析

1.材料的成本效益分析

降低基本材料成本对机械制造者和使用者（物主）都是有利的。

通常以单位质量的工程材料价格（元/kg）来衡量材料的价值，从满足使用性能的若干材料中选择价格较低者。

这样比较并不全面，如果正在设计一种大量生产的零件，可用聚合物、陶瓷或金属来制造，那么，考察一下每单位体积的价格（元/m3）对选择材料更为有益。

因为塑料的密度平均是钢的四分之一左右，某些塑料其单位体积的价格低于钢铁材料，而属于便宜的结构材料。

2.实现净成形和净终成形的经济分析

随着铸造技术的不断提高，铸件的尺寸和形状日趋接近零件，目前，铸件的切削量较锻件和轧材低25～50％。

在各种毛坯中，铸件的金属利用率最高，达90～92％，而模锻件只能达55～75％，自由锻件只有33％～47％，轧材制品的金属利用率也只有40～45％。

此外，铸件可利用废料（锻压的飞边、料头、机械。

2.1.4确定支架毛坯的制造形式

从零件的生产纲领、材料的工艺性、零件的结构形状和尺寸、现有的生产条件和经济性分析可确定本次零件材料为锻铝2A50，单件小批量生产，故可采用铸造成型。

这对提高生产效率、保证加工质量也是有利的。

2.2基准的选择

在加工时，用以确定零件在机床夹具中的正确位置所采用的基准，称为定位基准。

基准的选择是工艺规程设计中的重要工作之一。

基面选的正确、合理，可以保证加工质量，提高生产效率。

否则就会使加工工艺过程问题百出，严重的还会造成零件大批量报废，使生产无法进行。

根据工件上定位基准的表面状况不同，定位基准又分为精基准和粗基准。

（1）粗基准的选择原则

1）如果主要要求保证工件上某重要表面的加工余量均匀，则应选该表面为粗基准。

2）若主要要求保证加工面与不加工面间的位置要求，则应选不加工面为粗基准。

3）作为粗基准的表面，应尽量平整，无浇口、冒口或飞边等缺陷，以使工件定位可靠、夹紧方便。

4）一些重要表面为使其加工余量均匀，应选余量小的面作粗基准。

5）粗基准在同一尺寸方向上只能使用一次。

（2）精基准的选择原则

1）基准重合原则尽量选择设计基准作为定位基准，以避免定位基准与设计基准不重合而引起的基准不重合误差。

2）基准统一原则多道工序中一直采用相同的基准加工工件。

3）自为基准原则某些要求加工余量小而均匀的精加工工序，选择加工表面本身作为定位基准。

4）互为基准原则当对工件上两个相互位置精度要求很高的表面进行加工时，需要用两个表面互相作为基准，反复进行加工，以保证位置精度要求。

5）所选精基准应保证工件安装可靠，夹具设计简单、操作方便。

根据上述分析，针对提出的主要问题（变形及2mm厚的腹板难加工），采取如下工艺措施：

①因为是薄壁零件，为提高薄板件的装夹刚性可设计专用夹具：

②安排粗、精加工及钳工矫形；

③采用小直径铣刀加工，减小切削力；

④先铣加强筋，后铣腹板，最后铣外形及Φ70孔，有利于提高刚性，防止振动；

⑤在毛坯右侧对称轴线处增加一工艺凸耳，并在该凸耳上加工一工艺孔，解决缺少的定位基准；

⑥工件腹板与扇形框周缘相接的底圆角半径为R10，采用底圆为R10带7°斜角的球头成型铣刀加工．

2.3制定工艺路线

数控加工通常采用工序集中的方法，这可有利于保证各加工表面间的相互位置精度，有利于采用高生产率的机床，节省工件的装夹时间，减少工件的搬运次数。

加工顺序的安排因考虑以下几个原则：

（1）先粗后精原则在一个零件的所有表面的加工中，一般包括粗加工、半精加工和精加工。

在安排加工顺序时应将各表面的粗加工集中在一起进行，再依次集中进行各表面的半精加工和精加工。

（2）先主后次原则零件上的装配基面和主要工作表面先安排加工，而键

槽、紧固用的光孔和螺孔，由于加工面小，又和主要表面有相互位置要求，一般安排在主要表面达到一定精度之后进行加工，但应在最后精加工之前进行加工。

（3）基面先行原则每一加工阶段总先安排基面加工工序，然后以此为基准加工其他表面。

（4）先面后孔原则因平面所占的轮廓尺寸较大，用平面定位比较稳定可靠，因此其工艺过程总是选择平面作为定位精基面，先加工平面再加工孔。

加工阶段的划分，通常划分为：

粗加工、半精加工、精加工和光整加工，粗加工是为了切除大部分的加工余量，但产生的内应力也大。

半精加工消除粗加工产生的误差和内应力，以达到一定的精度，留精加工余量，为精加工做准备，并完成一些次要表面（钻孔、铣槽等）的加工。

精加工主要是去除半精加工所留的余量，使工件达到图纸规定的要求。

光整加工主要是针对那些尺寸精度和表面粗糙度要求高的面而实施的（IT6级以上表面粗糙度Ra0.4μm以下的

零件可以采用光整加工）。

将工艺过程划分阶段有以下作用：

（1）保证产品质量；

（2）便于及时发现毛坯缺陷和保护已加工表面；

（3）合理使用设备；

（4）便于热处理工序的安排。

根据以上分析，可制定如下的薄板类支架零件的工艺路线：

（1）准备毛坯：

铸造，单边留有5mm余量。

（2）钳：

划两侧宽度线。

（3）铣：

铣两侧宽度。

（4）钳：

划底面铣切线。

（5）铣：

铣底平面。

（6）钳：

娇平底平面，划轴线。

制定位孔。

（7）数控粗铣，粗铣薄板厚度、型面轮廓：

1）铣削筋板、扇形和框架高度；

2）粗铣腹板厚度；

3）型面轮廓（铣刀尺寸），均采用Φ20R5段铣刀，主轴转速1200r/min,进给速度200mm/min。

（8）钳：

娇平底面。

（9）数控精铣，精铣腹板厚度、型面轮廓及内外形：

1）铣型面轮廓周边R5；

2）腹板厚度精铣削，两者采用Φ20R5端铣刀；

3）扇形框内外形精加工，使用小头Φ20成型铣刀；

4）内孔Φ70，使用Φ20端铣刀，以主轴转速1500r/min,进给速度300mm/min；

5）R1.5倾角，R1.5加长球头铣刀，主轴转速3000r/min，进给速度120mm/min。

（10）铣：

铣去工艺凸耳。

（11）钳：

娇平底面，表面光整，尖边倒角。

（12表面处理。

2.4机械加工余量\工序尺寸及毛坯尺寸的确定

1）加工余量

加工余量是为了达到规定的尺寸从某一表面上切除的金属层。

加工余量的大小及其均匀性对模具零件的加工质量及加工成本有一定的影响，加工余量不够，将不足以切除零件上有误差和缺陷的表面。

加工余量过大，不但增加了机械加工劳动量，也增加了材料、工具和电力的消耗，从而增加了模具零件的成本。

此外，加工余量的不均匀，还会影响加工精度。

因此，应该合理地确定加工余量。

加工余量的确定有经验估算法、查表修正法和分析计算法

1.经验估计法

根据工艺人员和工人的长期生产实际经验，采用类比法来估计确定加工余量的大小。

此法简单易行，但有时为经验所限，为防止余量不够生产废品，估计的余量一般偏大。

多用于单件小批量生产。

2.分析计算法

以一定的实验资料和计算公式为依据，对影响加工余量的诸多因素进行逐项的分析和计算以确定加工余量的大小。

该法所确定的加工余量经济合理，但要有可靠的实验数据和资料，计算较复杂，仅在贵重材料及大批生产和大量生产中采用。

3.查表修正法

以有关工艺手册和资料所推荐的加工余量为基础，结合实际加工情况进行修正以确定加工余量的大小。

此法应用较广。

查表时应注意表中数值是单边加工余量还是双边加工余量。

2）工序尺寸

工件上的设计尺寸一般要经过几道工序的加工才能得到，每道工序所应保证的尺寸叫工序尺寸，它们是逐步向设计尺寸接近的，直到最后工序才保证设计尺寸。

3）毛坯尺寸

毛坯尺寸和零件图上的设计尺寸之差称为加工余量，又叫毛坯余量。

毛坯尺寸的公差、毛坯余量的大小同毛坯的制造方法有关。

生产中可参照有关工艺手册和标准确定。

毛坯余量的确定后，将毛坯余量附加在零件相应的加工表面上，即可大致确定毛坯的形状和尺寸，此外还要考虑毛坯制造、机械加工及热处理等许多工艺因素。

2.5确定切削余量

粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本；

半精加和精加时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本;

具体数值应根据机床说明书、切削用量手册，刀具切削参数，并结合实际经验而定。

在选择切削用量时，一定要充分考虑影响切削的各种因素，正确的选择切削条件，合理地确定切削用量，可有效地提高机械加工质量和产量。

影响切削条件的因素有：

机床、工具、刀具及工件的刚性；切削速度、切削深度、切削进给率；工件精度及表面粗糙度；刀具预期寿命及最大生产率；切削液的种类、冷却方式；工件材料的硬度及热处理状况；工件数量；机床的寿命。

上述诸因素中以切削速度、切削深度、切削进给率为主要因素。

切削速度快慢直接影响切削效率。

若切削速度过小，则切削时间会加长，刀具无法发挥其功能；若切削速度太快，虽然可以缩短切削时间，但是刀具容易产生高热，影响刀具的寿命。

决定切削速度的因素很多，概括起来有：

（1）刀具材料

（2）工件材料（3）刀具寿命（4）切削深度与进刀量（5）刀具的形状（6）冷却液使用

上述影响切削速度的诸因素中，刀具材质的影响最为主要。

切削深度主要受机床刚度的制约，在机床刚度允许的情况下，切削深度应尽可能大，如果不受加工精度的限制，可以使切削深度等于零件的加工余量。

这样可以减少走刀次数。

主轴转速要根据机床和刀具允许的切削速度来确定。

可以用计算法或查表法来选取。

进给量f（mm／r）或进给速度F（mm／min）要根据零件的加工精度、表面粗糙度、刀具和工件材料来选。

最大进给速度受机床刚度和进给驱动及数控系统的限制。

在选取切削用量时，一定要根据机床说明书的要求和刀具耐用度，选择适合机床特点及刀具最佳耐用度的切削用量。

当然也可以凭经验，采用类比法去确定切削用量。

不管用什么方法选取切削用量，都要保证刀具的耐用度能完成一个零件的加工，或保证刀具耐用度不低于一个工作班次，最小也不能低于半个班次的时间。

切削用量包括：

切削速度、进给速度、背吃刀量。

从刀具耐用度出发，切削用量的选择方法是：

先选择背吃刀量，其次确定进给速度，然后确定切削速度。

切削用量主要根据工件材料、加工精度和表面粗糙度德要求，同时兼顾刀具的耐用度、工艺系统的刚度等条件确定。

数控精铣工序加工的表面，其加工余量、加工精度和表面粗糙度要求都相同；铣刀材料同为高速钢，直径大小也基本差不多；故可选择相同的切削用量。

主轴转速n=800r/min，进给速度Vf=400mm/min.

2.6刀具的选择

选择刀具时一般优先采用标准刀具。

必要时可采用高效的专用刀具、复合刀具和多刃刀具等。

刀具的类型、规格和精度等级应符合加工要求。

刀具的选择主要取决于各工序所采用的加工方法、加工表面尺寸的大小、工件材料、所要求的加工精度和表面粗糙度、生产率和经济性等。

数控机床的主轴转速一般要比普通机床的主轴转速高1～2倍，同时，其主

轴功率也较普通机床的大，再综合数控机床的其他特点，数控加工对刀具就提出了更高、更严格的要求：

不仅要求数控刀具的强度、刚度、可靠性、耐用度、精度都要高，而且还要求尺寸稳定、安装调整方便。

数控刀具对刀具的特殊要求如下：

（1）高强度与高刚度

（2）高可靠性与高耐用度

（3）较高的精度

（4）可靠的断屑。

由以上分析可看出本课题中的支架零件在精铣工序中应选用铣刀为小直径细齿立铣刀和成型铣刀，刀具材料为高速钢。

3专用夹具设计

3.1问题的指出

机床夹具的选择主要考虑生产类型，在大批大量生产的条件下，应广泛使用专用夹具，并在零件加工的工艺规程中提出设计专用夹具的要求。

单件小批量生产时，应尽量使用通用夹具（或组合夹具），如标准卡盘、平口虎钳、回转台等。

由于模具的生产大都属于单件小批生产，一般情况下不使用专用的高效夹具。

但当零件形状结构较复杂，且各表面间的相互位置精度要求较高时，也可采用专用机床夹具或考虑采用成组夹具。

数控机床高精度、高速度和高度自动化的加工特点，对夹具的设计提出了更高的要求：

为保证加工的精度，数控机床夹具的装夹必须精确、可靠，且使工件在加工过程中具有足够的刚度；为提高加工的效率，数控机床夹具的装夹必须方便、快捷，以缩短辅助工作的时间；为方便机床的自动化加工，数控机床夹具要开敞，不能因装夹工件而阻碍刀具的运动。

本课题的零件在加工后各处厚壁尺寸相差非常大，除扇形框外，其余各处

刚性较差，尤其是腹板两面切削余量相对值较大，故该零件在铣削过程中及铣削后都将产生较大变形．

3.2夹具设计

1）定为基准的选择

由零件图可知，该零件只有底面及Φ70mm孔（先制成Φ20H7的工艺孔）可作为定位基准，还缺一孔，需要在毛坯上专做一辅佐工艺基准孔，实现一面两孔定位。

2）夹具的设计

在数控铣削加工工序中，选择底面、Φ70孔位置上预制的（Φ20H7工艺孔以及工艺凸耳上的工艺孔为定位基准，即一面两孔定位．数控加工中使用的真空夹具是通过真空泵将工件与夹具接面间的空气抽出，形成真空，在大气压的作用下将工件夹紧在夹具上．真空夹具适用于有较大定位平面或具有较大可密封面积的工件，铣削时不易产生振动，尤其适用于薄板件装夹。

为保险起见，可在其周围准备一些螺栓压板等机械式夹紧元件，必要时进行辅助夹紧（图2）。

4填写工艺文件

4.1机械加工工艺规程

序号

工序名称

工序内容

设备及工装

1

铸

2A50材料制作毛坯，各部留单边余量3～5mm

2

钳

划全线，合理分配加工余