汽车发动机凸轮轴加工工艺及专用夹具设计(附电子CAD图纸)[钻法兰盘孔+油孔].docx

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摘要

我的毕业设计课题是凸轮轴的工艺工装，凸轮轴对其工作要求、部分精度较高，如轴上的油孔的加工、法兰盘孔的加工等。

凸轮轴的工艺过程，我们尽量做到清晰明了，在保证表达清楚的基础上，尽量做到简练。

在此设计中，巩固了机械制造专业的专业知识，学习机械加工工艺、夹具设计、金属切削原理与刀具及金属切削机床。

在此，我们设计了两套钻床夹具，并进行了一些机构的设计，如分度机构、顶尖机构、液压传动机构等，还借用了机床尾座、手轮等大量通用件，既有利于加工，又节省不少力气。

其中，夹具设计需要保证被加工面的位置精度；减少辅助时间，提高劳动生产虑；扩大机床的使用范围；实现工件的装夹加工并减轻劳动强度，改善工作条件，保证了生产安全。

此次设计，由于我的水平有限，难免会出现错误，望读者进行批评指正。

关键词：

凸轮轴；钻床夹具；分度机构；液压传动机构

32

Abstract

Mygraduationprojectsubjectisacraftfrockofthecamshaft,thecamshaftisbytheirjobrequirements.Totheprecisionbeingrelativelyhigh,forinstance,oilprocessingofholeofaxle.Processingoftheholeoftheringflange,etc.,thecourseofthecamshaft,wetryourbesttoaccomplishclearly,onthegroundofguaranteeingtoexpressclearly.Tryone’sbesttoaccomplishasperfectascrystal.Inthecourseofdesign,consolidateourknowledgeaboutmechanismmanufacturing,andIhavegraspedmechaniccraft,tongsdesign,theprincipleofmetalcuttingtoolsandthemetalscuttingthemachinetools.Inthisdesign,wehavedesignedtwosetsofdrillingmachinesdigs.Inthedesign,Ihavedesignedsomesetsofmechanisms.

Suchas,graduationorganization,topstructure,hydraulictransmissionmechanismandsoon.Itakeadvantageoflathetailflatalso,aslargeamountofcommonparts,suchashandwheelfavorabletoprocessandsoon.Savemuchstrength.Amongthem,thetongsdesigndemandguaranteewhichisprocessedthepositionaccuracy;Reducetolendsupportthetimeandincreasementslaborproduce,extendtheusagescopeofthemachinetools.Realizetheworkpiecepacktocliptoprocesstocombinealleviativelaborstrength,improvetheworktermandguaranteetheproductionsafety.Thisdesign,becausewehavelimitedlevel.Unavoidabletoappearsomemistakes,soIhopethatreaderscanmakesomere-comments.

Keyword:

camshaft; drilling machines digs; graduation organization; hydraulictransmissionmechanism

目录

摘要

外文摘要

1零件的功用与结构分析 1

1.1零件的功用 1

1.2凸轮轴的结构特点和技术要求 1

1.2.1各种凸轮轴的技术要求 1

1.2.2以发动机该凸轮轴为例具体说明 1

2生产类型的确定 3

3确定毛坯的种类 4

4机械加工工艺路线的拟定 5

4.1加工工艺路线的分析 5

4.1.1凸轮加工工艺分析 6

4.1.2加工阶段的划分与工序顺序的安排 6

4.1.3加工工艺路线的拟定 6

4.2工艺方案比较与分析 8

5确定机械加工余量工序尺寸及公差 9

6确定切削用量工件定额切削力及功率 10

6.1 钻孔 10

6.2 扩孔 10

7夹具的设计 12

7.1法兰盘孔的夹具设计 12

7.1.1工件的加工工艺性分析 12

1、工件属于轴类零件，结构形式简单 12

2、确定定位方案，设计定位元件 13

3、确定设计导向元件 13

4、确定夹紧方式和设计夹紧机构 14

5、确定夹具体 15

7.1.2夹具体部件设计分析 15

1、顶尖部分设计 15

2、齿条传动部分设计 15

3、液压缸设计 15

7.2绘制夹具装配图 16

1、确定并标注有关尺寸 16

2、与安装有关的技术要求 16

3、零件图的技术要求的定制 16

7.3夹具体的设计步骤 17

1、研究原始资料，明确设计任务 17

2、对工件加工工艺的分析 17

3、夹具设计方案的设计 18

4、加工精度的分析 18

8量规的设计 20

9刀具的设计 21

9.1铰刀的直径D及直径公差 21

9.2铰刀的齿数及槽数 21

9.3铰刀的几何角度 21

9.4工作部分的尺寸 22

9.5铰刀非加工部分的结构尺寸 22

10CAD绘图简单说明 23

结论 24

致谢 25

参考文献 26

附录A Metal-CuttingProcessandMachining 27

附录B 金属切削加工和机械加工 32

引言

毕业设计是大学生在校期间的最后的关键所在，它既是对所学知识的一次全面性考查，也是我们真正动手、模拟真实环境下的设计过程，这就使我们对本专业的设计工作有一次更深刻的认识，从而，为今后的工作奠定了扎实的基础。

为了切实地做好毕业设计，我们结合了以往的生产现场的实际情况，并通过查找大量的资料和教科书等工具书，编写了这套夹具设计说明书。

它通过工艺规程的设计，进一步的明确了机车配气导块的加工程序。

通过编写夹具、量具、刀具设计说明书，进一步阐明了设计思路，巩固了所学的多种知识。

本次设计编制了一套中批生产的工艺规程。

简单实用的夹具设计更体现了经济技术指标在设计中的重要地位。

设计工作是一项细致、艰苦、复杂、涉及面十分广泛的工作，它不仅巩固了所学的知识，更提高和锻炼了我们的计算能力、绘图能力等综合能力。

但是由于我学时和水平有限，设计中难免存在一些缺点和错误，在此，恳请各位老师批评指正

设计者：

毕波

2006.06

1 零件的功用与结构分析

1.1零件的功用

凸轮轴是机车发动机上的一个重要零件，它对各气缸的进、排气门的开启和关闭起控制作用，同时，还用来驱动分电器，汽油泵等辅助装置。

1.2凸轮轴的结构特点和技术要求

各种发动机凸轮轴的结构基本差不多，主要差别是凸轮轴的数量、形状和位置不同，其中以四缸、六缸、八缸发动机的凸轮轴用的最多。

就凸轮轴的结构特点而言，其形状复杂，长径比大，工件刚性较差。

1.2.1各种凸轮轴的技术要求

1）支承轴颈的尺寸精度及各支承轴颈间的同轴度。

2）止推面对于支承轴线的垂直度。

3）凸轮轴基面的尺寸精度和相对于支承轴颈的轴线的同轴度。

4）凸轮的位置精度。

5）凸轮的形状精度。

1.2.2以发动机该凸轮轴为例具体说明

1）支承轴颈

两个支承轴颈的外圆尺寸φ82mm表面粗糙度Ra≤0.4μm.。

2）凸轮

1，2，4，5位的凸轮基圆尺寸R50±0.2，3，6位的凸轮基圆尺寸R45±0.02，表面粗糙度Ra≤0.8μm。

3）法兰盘孔

0

左右法兰盘孔尺寸为φ15-0.007mm。

4）轴上油壁孔

轴上油壁孔尺寸为φ8mm。

2生产类型的确定

根据设计认为书所给定的原始资料来确定生产类型。

设计任务书给出的资料显示并按车间的工作情况及工件的重量可知，按产量可分单位生产、小批量生产、中批量生产及大批量生产。

由《金属机械加工工艺人员手册》表15-5查 零件重48KG<100KG，且年产量为3000件，属于中批量生产。

根据该生产特性可以初步确定零件的机械加工工艺过程，由于中批量生产，一般采用高效机床和专用机床；对刀具一般采用通用刀具，也可以根据工厂实际情况采用专用刀具；量具采用专用量具；夹具使用专用夹具及辅助夹具来提高生产率，同时节省了人力、物力，达到经济可行的目的。

3确定毛坯的种类

在制定工艺规程时，正确的选择毛坯具有重要意义。

它不仅影响毛坯的制造工艺设备及制造费用，还影响零件的机加工工艺，设备和刀具的消耗及工时订额。

正确的选用毛坯需要毛坯制造和机加工工艺人员紧密配合，兼顾冷热加工两个方面的要求。

由于发动机工作时，凸轮轴承受气门开启的周期性冲击载荷。

所以，要求凸轮轴

和支承轴颈表面应耐磨，凸轮轴本身应具有足够的韧性和刚性。

为此，凸轮轴的主要工作表面需经热处理。

对于凸轮轴材料目前国内外主要选用铸铁（冷硬铸铁，可淬硬铸铁，球墨铸铁）和钢（中碳钢，渗碳钢）。

在国外，冷硬铸铁凸轮轴多用于凸轮承受随动件高负荷的场合，这在英国较为普遍，可淬硬的低合金铸铁凸轮轴多用于凸轮承受随动件低负荷的场合，这在美国较为普遍，高合金铸铁和特殊合金铸铁凸轮轴则多用于高速发动机。

对于钢凸轮轴，一般是选用中碳钢和渗碳钢经热模锻制坯。

就毛坯精度来说，铸件的精度明显的高于锻件。

目前，国内外普遍趋向于精铸和精锻。

鉴于此，该凸轮轴选用50Mn材料毛坯由精锻而成。

4机械加工工艺路线的拟定

机械加工工艺规程的制定，可分为两大步骤1）拟定零件的加工工艺路线；2）确定每道工序的工序尺寸、所用设备和工艺装备及切削用量和工时定额。

4.1加工工艺路线的分析

在凸轮轴的加工过程中的加工精度，其中受两个主要因素的影响：

1）变形

从细长角度来说，突出的问题就是工件本身的刚度低。

切削加工时产生较大的受力变形，其表面余应力也会影响其变形，尤其在加工凸轮时，这种变形更为显著。

另一方面，采用材料为钢的凸轮轴在主要工作表面精加工产生变形。

凸轮轴在加工过程中的变形，不仅影响到后工序加工的余量分配是否均匀，而且变形过大会导致后续加工无法进行，甚至造成中途报废。

凸轮轴加工后的变形，将直接影响到装配后凸轮轴的使用性能。

因此，在安排其工艺过程时，必须针对工件变形这一特点采取必要的措施，不仅要把各主要表面的精度加工工序分开，以使粗加工事故时产生的变形在半精加工中得修正，半精加工的变形在精加工中也得以修正。

2）加工难度大

从形状复杂角度来讲，突出的问题就是凸轮的表面的加工。

对于这些表面，不仅有尺寸精度要求，还有形状位置要求。

如采用普通的加工设备和一般表面常规的加工方法，显然是无法保证其加工质量和精度。

例如对凸轮的加工，从满足使用要求的角度来讲，既要求其相位角准确又要求凸轮曲线的行程满足气门开启和关闭时升降过程的运动为规律，但要注意到凸轮曲线上

的各点相对其转的中心是变化的。

当试用一般的靠模机加工时，由于加工半径的变化，势必引起切削速度与切削力的变化，这样将会使加工后的凸轮曲线产生形状误差，从而影响凸轮的使用性能。

4.1.1凸轮加工工艺分析

定位基准的选择一般常规的方法是采用两顶尖作为轴类零件的定位基准。

这样避免了工件在多次装夹具中固定基准的转换而引起的误差，也可以作为后续工序的定位基准，即符合“基准同意”的原则。

1）粗基准的选择

粗基准的选择是否合理，不仅关系到工件的装夹是否方便、可靠，也关系到精加工中能否保证加工精度。

该凸轮轴加工中粗基准是铣两端面并打中心孔时定位基准的选择，其目的是加工出后续工序的精基准。

为保证后续工序余量均匀，选用支承轴颈的毛坯外圆柱面及一个侧面作为定位基准。

2）精基准的选择

在凸轮轴的加工过程中，精基准选择有下面两种情况：

对于各支承轴颈、外圆表面的粗加工、半精加工、精加工均以两顶尖孔作为精基准进行定位的；钻孔时以两支承轴颈作为基准进行定位。

4.1.2加工阶段的划分与工序顺序的安排

1）加工阶段的划分

由于凸轮轴的加工精度较高，整个加工不可能在一个工序内全部完成。

为了利于逐步达到加工要求，必须把整个工艺过程分几个阶段。

该凸轮轴加工分为以下三个阶段：

粗加工阶段包括车各支承轴颈、车凸轮钻通孔、钻法兰盘孔；半精加工阶段包括凸轮轴外形的初磨；精加工阶段包括凸轮外形、支承轴颈的二次磨削。

2）工序顺序的安排

对于凸轮、支承轴颈，是按车——初磨——精磨的顺序加工的。

各表面加工顺序从粗到精，且主要表面与次要表面加工工序相互交叉进行，而从整体上说又符合“先粗后精”的原则。

4.1.3加工工艺路线的拟定

综上所述拟工艺路线如下：

工艺路线方案一：

工序号 工序名称

1备料

2锻模

3热处理

4探伤

5铣端面、钻中心孔

6精车两端面凸轮外圆面

7调质

8精车外圆面、左端面及凸轮圆

9钻深孔

10两端面顶尖孔倒角

11加工法兰孔

12锪倒角

13仿形铣凸轮

14精磨凸轮

15钻铣轴壁孔

16中频淬火热处理

17法兰盘倒角

18凸轮倒角

19热处理

20精磨凸轮

21精磨轴

22清洗、去孔内毛刺

23最终检查

工艺路线方案二：

工序号 工序名称

1模锻

2热处理

3铣端面、钻中心孔

4粗车凸轮轴各外圆面

5调质处理

6精车两端面凸轮外圆面

7铣凸轮

8钻通孔φ38

9加工通孔两端

10加工法兰盘孔

11钻、锪轴壁油孔

12粗磨凸轮

13加工法兰盘倒角

14加工凸轮倒角

15精磨凸轮

16精磨轴

17终检

4.2 工艺方案比较与分析

上述两个工艺方案的特点在于：

方案一将整个过程的粗—精加工分开加工，符合先粗后精的原则，且定位基准以孔（两顶尖孔）为基准进行加工，符合基准统一原则。

而方案二虽然也符合基准统一原则，但先粗后精基准分开的不是太好。

孔加工由于切削力较大使工件变形也较大，即使在以后的半精、精加工中也很难纠正，而凸轮作为主要加工表面是不允许的。

因此，方案一较方案二好。

5 确定机械加工余量工序尺寸及公差

根据机体最大外形尺寸为810mm，毛坯采用精磨锻，选其加工精度等级为二级。

则由《金属机械加工工艺人员手册》表45-38确定毛坯的加工余量。

1）大端法兰面

表5.1工序的尺寸及加工余量

工序名称

工序基本余量

工序精度

工序尺寸

尺寸及Ra

精铣

1.5

IT10

810

8100 Ra=6.3

-1

粗铣

1075

IT10

811.75

811.75+0.7

0

毛坯

3.25

—

813.25

813.25+2.4

-1.2

2）支承轴颈的加工

表5.2工序的尺寸及加工余量

工序名称

工序基本余量

工序精度

工序尺寸

尺寸及Ra

磨轴

0.4

IT5

810

Ra=0.4

精车轴

1.1

IT7

82.4

82.4

粗车轴

2.5

IT9

83.5

83.5 Ra=6.3

毛坯

4.0

—

86.0

86.0

0

3）钻法兰盘孔φ15+0.027mm

4）锪法兰盘孔φ18mm

5）钻轴壁油孔φ8mm

6 确定切削用量工件定额切削力及功率

6.1钻孔

1）确定切削速度V

由《金属机械加工工艺人员手册》表10-67知S=0.10mm/r。

2）计算轴向力P扭矩M的值

根据《金属机械加工工艺人员手册》表10-64知

P=61.2DS0.7（公斤力） （6-1）

M=31D2S0.8（公斤力·毫米） （6-2）

则P=61.2×1.48×0.10.7=180.7（公斤力）

M=31×14.82×0.10.8=107.6（公斤力·毫米）

3）计算机动时间T

根据《金属机械加工工艺人员手册》 P987知

T=L+l

sn

n=1000V

pD

由公式（6-4）得n=318´45=967mm/r

14.8

l=0.35D=0.35×14.8=5.2mm

（6-3）

（6-4）

由公式（6-3）得T=5.2+12

0.1´967

=0.18min

6.2铰孔

1）确定切削速度V

根据《金属机械加工工艺人员手册》表10-63

v=

式中T——刀具的耐用度

S——进给量

D——孔的直径

Cv

p

Tmaxvfyv



Kvm/min



（6-5）

t——切削深度

根据《金属机械加工工艺人员手册》表10-83的T=30min

表10-81的s=0.6mm/r t=0.2mmD=15mm12.1´150.3

则v=300.40.20.20.80.65=11m/min

2）计算机动时间T

由公式（6-4）得n=318´11

15

T=l+l1+l2

sn

=233.2mm/r

（6-6）

l1=12mm

由公式（6-3）得T=12+8.6+12=0.24min

0.6´233.2

3）工时定额计算

查表可知：

a装卸工件时间：

k1=0.22min

b钻换时间：

k2=0.10min

c扩换时间：

k3=0.10min

d排屑时间：

k4=0.06min

e电动起动时间：

k5=0.02min

f快进、快退时间：

k6=0.05min

g工作台移动：

k7=0.10min

h液压缸夹紧时间：

k8=0.05min

i快速工作其他时间：

k9=0.13min

总的辅助时间为T=6（k2+k3+k4）+k1+k5+k6+k7+k8+k9=2.13min

加工此工序需要的总时间：

T总=0.18+0.24+2.13=2.55min

7夹具的设计

根据设计任务给出的要求，我们需设计两套夹具，且两套夹具均为钻床夹具。

不同的是一套夹具用于加工法兰盘孔，而另一套用于加工轴壁上的油孔。

在专用夹具设计之前，首先应该弄清楚夹具设计的基本要求，其基本要求可概括为以下四点：

1）稳定保证工件的加工技术要求。

夹具设计首先应保证工件的位置要求，其次应保证工件的尺寸要求精度、粗糙度及其他技术指标的要求。

2）提高机械加工的劳动生产率，降低工件的成本。

专用夹具设计时，既要提高劳动的生产率，又要降低成本。

夹具的复杂程度和工件的经济效益必须与生产规模相适宜，才能获得良好的经济效益。

因此，应根据工件的生产批量的大小，选择夹具的结构，防止盲目的采用高效率先进的结构和传动装置，造成夹具的结构复杂而加大制造成本。

同时，尽可能采用标准零部件，以降低夹具制造成本。

尽可能采用多件加工或机动时间与辅助时间重合的结构，以减少单件加工的时间，提高劳动生产率，降低工件的成本。

3）专用夹具应有良好的结构工艺性，以便零件的制造和夹具的装配，结构设计时应便于易损零件的更换和维修。

4）操作安全、方便。

夹具设计应使工人操作时方便、省力，便于装卸工件及清理切削，创造文明的生产环境，夹具在机床是装卸应迅速、方便、安全。

特别注意夹具在装卸工件中的安全，为此夹具上不得有影响操作者安全的突出部分，保证工人的人身安全。

7.1法兰盘孔的夹具设计

一套凸轮轴零件，工件材料50Mn，年产3000—4000件大批生产，需设计用钻法兰孔的专用夹具，加工直径为φ15mm的孔。

7.1.1工件的加工工艺性分析

1、工件属于轴类零件，结构形式简单

端面已加工，其它与法兰端面孔无关，本工序所要钻直径为φ14.8mm的孔，再铰直径为φ15mm的孔，Ra1.6,精度等级7级较高，应依靠钻模来保证加工表面的下列要求：

1）钻直径为φ14.8mm的孔

2）铰直径为φ15mm的孔

中心轴线与凸轮轴线的平行度为0.03以内，因为以后要以其中一个孔为定位基准，使整体性好，即保证同轴度。

端面已加工和法兰盘孔加工精度尤为重要，由于其精度要求高，故夹具设计难度高。

2、确定定位方案，设计定位元件

零件φ15mm孔是通孔，沿轴线方向的位移自由度不予限制。

由于均布6-φ15mm的孔，故不许其能绕凸轮轴线旋转，即在法兰端面加上一个外力使轴不能旋转。

同样，由于凸轮轴并不能单独运用，所以不许其上下窜动，左右摆动，即除沿其轴向方向以

外其余方向的自由度必须限制，又因为位置加工精度高，故在之前不采用预定位板。

拟用两顶尖将其定位，保证其端面，并防止轴的转动。

同时，设计与φ138 mm配合使用的孔，使其嵌入其中，防止其上下、左右窜动，由于工件较重，故必须保证顶尖的强度、刚度。

以下确定一种定位方案：

1）两同轴受活动顶尖两个自由度的限制，即使不能上下、左右窜动。

2）端面嵌入后限制两个自由度，防止其转动。

这要求夹爪有一定压力，使摩擦力足够大，其动力可由液压传动来实现。

整个夹具体可采用铸造，并用螺栓把合在导轨上。

两顶尖的同轴度可由修磨导轨内侧来找正。

夹具体放在导轨上时，先钻两个定位销孔，用其定位后，钻螺栓孔，以保证其精度和位置要求。

在夹具体上配合活塞