机械制造工艺课程设计任务书.doc
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机械制造工艺课程设计
任务书
设计题目：
设计“16V240柴油机进气门”零件的机械加工工艺及夹具设计
年产量：
5000件
被加工零件：
图样另附
设计内容：
一、零件图一张
二、毛坯图一张
三、工艺过程综合卡一套
四、专用夹具装配图一张
五、设计说明书一份
序言
机械制造工艺学课程设计是在我们学完了大学的全部基础课、技术基础课以及大部分的专业课之后进行的。
这是我们在进行毕业设计之前对所学各课程的一次深入的综合性的总复习，也是一次理论联系实际的训练，因此，它在我们四年的大学生活中占有重要的地位。
就个人而言，我希望通过这次课程设计对自己未来将从事的工作进行一次适应性的训练，希望在设计中能锻炼自己分析问题、解决问题的能力，为自己将来的工作打下一个良好的基础。
由于能力所限，设计尚许多不足之处，希望各位老师给予指教。
一、零件的分析
（二）零件的作用
我设计的零件是16V240柴油机的进气门，气阀的作用是专门负责向柴油机内输入燃料并排出废气。
气阀主要分为三个部分材料组成，气门体采用的材料是耐热钢，主要是要保证其耐高温性能，还要采用固溶时效热处理，碳化物分布均匀，保证成品晶粒度4级以上。
阀面堆焊一层钴铬钨合金，在高温下具有很强的耐磨，耐腐蚀，耐冲击及高的蠕变强度，对气门寿命至关重要，堆焊层硬度为HRC40～49。
小头杆端焊钢片，钢片表面高频淬火，有效提高小头端的耐冲击点蚀性能。
（三）零件的工艺分析
从零件图可以看出，它一共有两个加工部分，分别是阀杆、阀体，而这两个部分加工表面之间有一定的位置要求，现将这两部分加工表面分述如下：
1、Φ18的阀杆加工表面
这一部分加工表面包括：
阀杆的轴面，直径是Φ18mm,公差等级为c8。
阀杆顶端焊接钢片，阀杆顶端表面粗糙度为1.6um。
阀杆小头还有锁夹槽，锁夹槽长度为12mm,直径为Φ15mm。
2、阀体
阀体又由R颈部、阀面和阀盘三部分组成，R颈部的圆角部分半径是R40，直径为Φ17.6±0.05mm，R颈部和阀杆都要抛光，抛光后表面粗糙度达到Ra0.8um。
阀面有堆焊层，与阀盘的夹角为30度，表面粗糙度为Ra0.4um。
阀盘直径为Φ82mm，阀盘底面中心打中心孔。
这两组加工表面之间有一定的位置要求，主要是：
（1）阀杆顶端平面相对阀杆轴线的圆跳动公差是0.03mm，阀面相对轴线的圆跳动公差是0.02mm；
（2）阀杆表面的圆柱度是0.015mm，直线度为0.01mm。
工艺规程设计
（-）确定毛胚的形式
零件材料为耐热钢，考虑到气阀在柴油机工作时不停地运动，同时承受高温的燃气，故零件在运用过程中经常承受交变及冲击性载荷，因此应该选用锻件，以便使金属纤维尽量不被切断，保证零件工作可靠。
由于零件年产量为5000件，已达成批生产的水平，而且零件的轮廓尺寸不大，可以采用模锻成型，这从提高生产率，保证加工精度上考虑，也是应该的。
（二）基面的选择
基面选择是工艺规程设计中的重要工作之一，基面选择的正确与合理，可以使加工质量得到保障，生产率得到提高。
否则，不但使加工工艺过程中的问题百出，更有甚者，还会造成零件大批报废，使生产无法正常进行。
基准的选择：
对于气阀来说，基准的选择比较简单，因为加工表面不是很多，但是要求很精细。
其次考虑到毛胚的选择，气阀毛胚是又棒料通过电墩锻造，棒料已经经过车削加工，有很高的精度，按照有关粗基准的选择原则（即当零件有不加工表面时，则应该与加工表面要求相对位置精度较高的不加工表面作为粗基准），所以选择阀杆的外圆柱面。
对于后序的工序中，主要应该考虑基准重合的问题，当设计基准与工序基准不重合时，应该进行尺寸换算，这在以后还要专门计算。
（三）制定工艺路线
制定工艺路线的出发点，应当是使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求能得到合理的保证。
在生产纲领已确定为成批生产的条件下，可以考虑采用专用车床加工，并尽量使工序集中来提高生产率。
除此以外，还应当考虑经济效果，以便时生产成本尽量下降。
1、工艺路线方案一
工序一热处理
工序二阀杆校直
工序三切定长、倒角
工序四焊钢片
工序五粗磨阀杆
工序六车阀盘外圆、平面、打中心孔
工序七车R颈部、堆焊槽
工序八堆焊阀面
工序九车阀盘及外圆
工序十车阀面堆焊层
工序十一去应力退火
工序十二粗磨阀盘外圆
工序十三半精磨阀杆
工序十四小头切定长，倒角
工序十六半精磨阀盘平面，修整中心孔
工序十七精车锁夹槽
工序十八粗磨阀面
工序十九精磨阀杆
工序二十阀杆辉光离子氮化
工序二十一杆端高频淬火
工序二十二精磨阀盘外圆
工序二十三粗磨R颈部
工序二十四精车阀盘平面、倒R2圆角
工序二十五阀杆抛光
工序二十六精磨杆端平面
工序二十七精磨阀面
工序二十八探伤
2、工艺路线二
工序一固溶、时效处理
工序二阀杆校直
工序三焊钢片
工序四杆端切定长、倒角
工序五粗磨阀杆
工序六仿堆焊槽、R颈部
工序七阀面堆焊
工序八半成品探伤
工序九去应力退火
工序十车阀面堆焊层
工序十一半精车底平面、盘外圆、打中心孔
工序十二半精磨阀杆
工序十三精磨盘外圆
工序十四精车锁夹槽、倒R角
工序十五粗磨R颈部
工序十六精磨R颈部
工序十七精磨阀杆
工序十八阀杆辉光离子氮化
工序十九杆端高频淬火
工序二十粗磨阀面
工序二十一精车底平面
工序二十二精磨阀面
工序二十三阀杆抛光
工序二十四精磨杆端平面
工序二十五成品渗透探伤
3、工艺方案的比较和分析
上述两个工艺方案的特点在于：
方案一在加工阀盘外圆时，分成三个三步——粗车、半精车、精车，而方案二只要半精车和精车两步就可以达到精度要求，节省工时。
方案一在堆焊阀面之后没有半成品探伤这一道工序，这对产品的合格率影响很大，因为堆焊可能会出现缝隙、气泡等缺陷，如果没有半成品探伤，继续加工，到最后探伤又不合格，浪费时间和精力。
方案一在加工R颈部时，是用数控车床加工，但在成批生产时，在能保证加工精度的情况下，应尽量不选用数控车床这种昂贵的设备，而方案二工序是仿堆焊槽和R颈部，设备是仿形车床，降低了加工成本。
综上考虑，决定将方案二作为最后的加工工艺，如下：
工序一固溶、时效处理
工序二阀杆校直
工序三切定长
工序四焊钢片
工序五杆端切定长、倒角90°
工序六粗磨阀杆
工序七仿堆焊槽、R颈部
工序八阀面堆焊
工序九半成品探伤
工序十去应力退火
工序十一车阀面堆焊层
工序十二半精车底平面、盘外圆、打中心孔
工序十三半精磨阀杆
工序十四精磨盘外圆
工序十五精车锁夹槽、倒R2角
工序十六粗磨R颈部
工序十七精磨R颈部
工序十八精磨阀杆
工序十九阀杆辉光离子氮化
工序二十杆端高频淬火
工序二十一粗磨阀面
工序二十二精车底平面
工序二十三精磨阀面
工序二十四阀杆抛光
工序二十五精磨杆端平面
工序二十六成品渗透探伤
以上工艺过程详见本指导书机械加工工序卡片
（四）机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定
240进气门的零件材料为耐热钢2Cr22Ni11N，毛坯重量约为0.8KG，生产类型为成批生产。
因为精密模锻能提供形状复杂和精度高的毛坯，采用双盘摩擦压力机精密模锻毛坯，10级精度组。
根据上述原始资料及加工工艺，分别确定各加工表面的机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸如下：
1、阀杆表面
阀杆直径是Φ18mm,公差等级为c8，表面粗糙度要求为Ra0.8um,选用外圆磨床加工，加工工序为粗磨，半精磨，精磨和阀杆抛光，粗磨和半精磨中间有道热处理工序是去应力退火，考虑到阀杆的公称直径为18mm，在10~18mm范围内，查“机械加工余量手册”表5-20，得热处理前粗磨的加工余量是0.2mm，热处理后半精磨的加工余量是0.3mm，精磨的加工余量是0.08mm，查表5-23，得到抛光的加工余量是0.02mm。
2、阀杆沿轴线长度方向的加工余量
在焊钢片之前，工件要切定长，选用卧式车床，切断长度为5mm。
阀杆沿轴线方向有一道关键工序——焊钢片，采用焊钢片机焊接，钢片厚度为6mm。
焊钢片之后，小头切定长倒90°角，加工余量为1mm。
阀杆顶端平面有表面粗糙度要求为Ra1.6mm，所以添加精磨杆端平面这一道工序。
考虑到阀杆公称直径为18mm，零件长度为319mm，选用端面磨床加工，查表5-28，得到加工余量是0.5mm。
3、阀盘外圆
阀盘外圆的加工工序有半精车阀盘外圆和精磨阀盘外圆，考虑到阀盘外圆的公称直径是Φ82mm,加工设备选用卧式车床，折算长度在200~400mm范围内，查表5-14得到热处理后半精车加工余量是2mm，半精车后精磨，查表5-28得到加工余量是0.6mm。
4、阀盘底面
阀盘底面需要经过两次车削加工，半精车和精车，考虑到阀盘外圆的公称直径是Φ82mm，零件长度为319mm，查表5-25和表5-26，得到半精车的加工余量是2.3mm，精车的加工余量是1.2mm。
5、R颈部和堆焊槽
用仿形车床车R颈部，R颈部半径为R40mm,表面粗糙度为Ra3.2um,再用外圆磨床粗磨R颈部，表面粗糙度达到Ra1.6um,最后是精磨R颈部，表面粗糙度达到Ra0.8um。
选用卧式车床加工堆焊槽，堆焊槽的半径是R10mm。
6、阀面
阀面是在堆焊槽上堆焊钴铬钨合金，然后再加工，主要工序有车阀面堆焊层，粗磨阀面和精磨阀面。
进气门阀面的与底平面夹角为30°，阀面厚度为3mm。
考虑到阀面公称直径为Φ82mm,加工设备选用外圆磨床，查表5-15得到粗磨的加工余量是0.3mm，精磨的加工余量是0.2mm，表面粗糙度达到Ra0.4um。
最后，根据手册上查到的加工余量确定毛坯的基本尺寸
1、阀杆直径
工序二十三阀杆抛光加工余量0.02mm
工序十七精磨阀杆加工余量0.08mm
工序十二半精磨阀杆加工余量0.3mm
工序五粗磨阀杆加工余量0.2mm
阀杆直径：
18+0.02+0.08+0.3+0.2=18.6mm，毛坯锻造前经过半精车得，所以直径偏差为±0.5mm
2、阀盘外圆
工序十一半精车底平面、盘外圆、打中心孔加工余量2mm
工序十三精磨盘外圆0.6mm
阀盘外圆直径：
82+0.6+2=84.6mm，由于毛坯为模锻件，锻件精度等级为E级，查表4-12得到，直径偏差为±2mm。
3、零件长度
工序四杆端切定长、倒角90°加工余量1mm
工序十一半精车底平面、盘外圆、打中心孔加工余量2.3mm
工序二十一精车底平面加工余量1.2mm
工序二十四精磨杆端平面加工余量0.5mm
零件长度：
319+0.5+1.2+2.3+1-6+5=323mm，由于毛坯锻造前是棒料切断加工而成，长度偏差为±0.5mm。
（五）确定切削用量
（1）切定长及倒角
刀具：
外圆车刀，材料：
，因其单边余量：
Z=1.9mm
所以车削深度：
根据参考文献[3]表2.4-75，取车削速度：
参照参考文献[7]表30—34，取。
机床主轴转速：
式（2.1）
式中V—车削速度；
d—刀具直径。
由式2.1机床主轴转速：
按照参考文献[3]表3.1-74
实际铣削速度：
进给量：
工作台每分进给量：
：
根据参考文献[7]表2.4-81,
（2）仿堆焊槽，R颈部
加工条件：
工件材料：
2Cr22Ni11N
机床：
CA6140。
参考文献[7]表30—31
刀具：
端面车刀：
。
车削深度：
每齿进给量：
根据参考文献[7]表30—31，取
车削速度：
参照参考文献[7]表30—31，取
机床主轴转速，由式（2.1）有：
按照参考文献[7]表3.1-31
实际车削速度：
进给量，由式（1.3）有：
工作台每分进给量：
（3）切定长及倒角
加工条件：
工件材料：
2Cr22Ni11N
机床：
CA6140
刀具：
外圆车刀
粗车的切削工时
被切削层长度：
由毛坯尺寸可知l=320毫米，
刀具切入长度：
刀具切出长度：
取
走刀次数为1
机动时间：
根据参考文献[5]表2.5-45可查得车削的辅助时间
车的切削工时
被切削层长度：
由毛坯尺寸可知
刀具切入长度：
车时
刀具切出长度：
取
走刀次数为1
机动时间：
（4）粗磨阀杆
确定磨削用量
1）确定进给量根据参考文献[7]表28-10可查出，故。
查MW1420外圆磨床说明书，取。
根据参考文献[7]表28-8，磨砂轮强度所允许的进给量。
由于机床进给机构允许的轴向力（由机床说明书查出），根据表28-9，允许的进给量。
由于所选进给量远小于及，故所选可用。
2）确定切削速度、轴向力F、转矩T及磨削功率根据表28-15，由插入法得：
，
，
由于实际加工条件与上表所给条件不完全相同，故应对所的结论进行修正。
由参考文献[7]表28-3，，，故
查MW1420机床说明书，取。
实际切削速度为：
由表28-5，，故
3）校验机床功率切削功率为
机床有效功率
故选择的,磨削用量可用。
即
，，，
相应地
，，
4）确定磨削速度及由参考文献[7]表28-39，取。
由
参考文献[7]表28-3，得修正系数，
故
查MW1420说明书，取，实际磨削速度
5）各工序实际切削用量根据以上计算，各工序切削用量如下：
按照参考文献[3]表3.1-31
（6）仿堆焊槽、R颈部
进给量：
根据文献[7]表2.4-39，取
切削速度：
参照文献[7]表2.4-41，取
机床主轴转速：
，取
实际切削速度：
被切削层长度：
刀具切入长度：
刀具切出长度：
走刀次数为1
机动时间：
三、检具设计
为了提高劳动生产率，保证产品合格率，降低劳动强度，需要设计专用检具
经过与指导老师协商，决定设计零件加工后的检具，检查进气门阀面的圆跳动公差和阀杆的直线度、圆柱度公差。
（一）问题的提出
要求加工的气阀是个十分精密的零件，对精度要求非常高，所以加工合格率很重要，而加工完的检验必然是一道关键的工序，设计专门检测跳动公差的检具，可以很方便地检测，提高工作效率。
检具设计
检具设计原则
应具有足够的检测精度
应具有足够的测量效率
结构应尽量简单
应具有经济性
2、检具组成
（1）定位装置
要检测气阀的圆跳动公差和直线度、圆柱度公差，就要限制工件五个方向的自由度，指定气阀阀杆轴线方向为X方向，分别是X,Y,Z，绕X轴旋转，绕Z轴旋转这五个自由度，所以用支承钉和V形块，其中支撑钉限制Y方向自由度，V形块限制Z方向和X方向自由度，两个V形块并列可限制绕X轴旋转，绕Z轴旋转这两个方向自由度。
1、V形块设计
V形块的尺寸计算：
类别：
V形块的开口尺寸N（mm）
公式：
N=2*tan（α/2）*（D/（2*sin（α/2））-a
式中D——工件定位基准的直径；
α为工作角度；
a=0.16D；
参数:
α=90
参数:
D=18
参数:
a=2.88
计算结果=19.695
类别：
V形块的标准定位高度T（mm）（工作角度α=120°）
公式：
T=H+0.577D-0.289*N
式中H——V形块的高度，用于大直径时，H≤0.5D，用于小直径时，H≤1.2D；
参数:
H≤21.6
参数:
D=18
参数:
N=19.695
计算结果≤24.478
查机床夹具设计软件版V形块规格及尺寸，根据上面的计算结果，选择如下标准的V形块：
N:
18
D:
>15～20
L:
46
B:
25
H:
16
b:
6
l:
8
h1:
9
r:
1。
考虑到检测工件气阀的盘外圆直径为82mm，要使工件能平稳地放在工作台上，V形块的标准定位高度T≥41mm，取H=46mm，则计算T=49.727mm，为方便加工，取T=50mm，符合要求。
2、支承钉
支承钉主要起固定支承的作用，可以满足精基准定位的要求，这里选用A型支承钉，平头钉可以减少磨损，避免压坏定位基准表面，可以满足精基准定位的要求。
查《机床夹具设计手册软件版》这里选用A型D5的支承钉，参数规格如下：
D:
5
H:
5
H1:
5
L:
9
尺寸d:
3
尺寸r:
5
尺寸t:
1
C:
0.5
3、T形槽
根据GB/T158-1996,选用基本尺寸A为10的T形槽，参数规格如下：
A=10；
B=16~18；
C=7~8；
H=17~21；
与之相配的T形槽螺栓的参数规格如下（GB/T37—1988）
d=M8;
S=14;
h=4.1;
l=28;
K=6。
4、底板
根据检测工件的尺寸，基本尺寸L*B*H=360*100*30。
底板平行度公差为：
0.1/1000。
（二）检测装置
检测装置是检具中的重要组成部分。
测量装置的精度、测量点的位置的选择，都会直接影响测量结果的可靠性。
Cc测量装置是用以指示被测参数实际数值或误差大小的装置，可分为定性型和定量型。
因为零件图纸上有关键特性点的要求，如检测气阀圆跳动和直线度等公差，检具必须设计成为定量型检具，具有数值的反映，这里选用的是百分表，所以测量精度高，能够为产品的过程能力的评价提供依据。
（三）定位误差分析
用V形块定位的定位误差计算如下：
由零件图可得检测工件的直径尺寸和公差为Φ18mm，mm
（四）检具操作方法
首先把零件的标准样件放在检具的V形块上，阀杆顶端与支承钉点接触，把百分表放在检具上，调整高度和角度，使指针与阀杆圆柱面、阀面刚好接触，接着取出标准样件，不动百分表，把需要检测的工件放在检具上，让工件绕轴线方向旋转，观察百分表指针，看是否符合零件图的公差要求。
参考资料：
一、工艺课教材
二、夹具设计手册（教师提供，电子版）
三、孙丽媛，机械制造工艺及专用夹具设计指导
四、哈工大，机械制造工艺学课程设计指导书
五、机械工程师电子手册（教师提供，电子版）
六、杨振祥，制造与修理工艺学课程设计指导书
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