曲柄零件的加工工艺及夹具设计.docx

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曲柄零件的加工工艺及夹具设计

扬州市职业大学

毕业设计说明书

设计题目：

曲柄零件的加工工艺及

夹具设计

学生姓名：

李彦成

学号：

120101713

院（系）：

机械工程学院

年级专业：

机械制造与自动化

指导教师：

冯晋

2015年4月

摘要

在制造业中得到广泛应用的夹具，是产品制造各工艺阶段中十分重要的工艺装备之一。

目前实际生产中，通用夹具往往不能满足生产要求。

使用通用夹具装夹往往有工件效率低、劳动强度大、加工质量不高等问题。

夹具的质量、工作效率，及可靠性，都对产品的加工质量和生产效率有着决定性的影响。

现在夹具都朝着柔性化、自动化、标准化、通用化和高效化方向发展。

所以机械的加工工艺及夹具设计具有十分重要的意义。

一、零件的分析

1.1零件的作用

曲柄的作用是将直线运动和圆周运动相互转化。

在汽车发动机、曲柄连杆等机构中得到了广泛的应用。

1.2零件的工艺分析

由零件图可得，这个零件以一个φ22的圆柱为基准，它内孔的表面粗糙度为

3.2，两端面的表面粗糙度为Ra12.5。

侧面有一个φ5锥销孔，它的表面粗糙度为Ra1.6。

在圆柱的两端分别对称放置一个φ32的圆柱，它们和φ22的圆柱有平行度要求。

它们外侧表面粗糙度要求为Ra12.5,内侧表面粗糙度为Ra3.2。

在两个φ32圆柱的侧面各有一个φ12沉头孔，它的表面粗糙度为Ra6.3，内孔表面粗糙度为Ra3.2。

在两个φ32圆柱的侧面上各有一个M6螺钉孔。

由此可先，此曲柄零件的加工复杂程度一般，表面粗糙度要求也一般。

二、工艺规程设计

2.1确定毛坯的制造形式

考虑到零件的材料为HT200，年产量为5000件，零件的尺寸不大，因此采用金属型浇注的制造方法。

金属型浇注的特点为结构细密，能承受较大压力.且表面粗糙度为Ra12.5～Ra6.3，符合此零件的要求。

2.2基准的选择

（一）粗基准的选择

粗基准的选择一般以不加工面作为粗基准。

如果在工件上有许多不加工的面，则以与加工面位置精度较高的表面作为粗基准。

如果需要保证工件某重要表面的加工余量均匀，应选择它为粗基准。

应优先选择加工余量较小的表面作为粗基准。

选择作为粗基准的表面不应有浇口、冒口、飞边等缺陷，以便定位可靠。

粗基准一般只能使用一次，特别是主要定位基准，以避免较大的位置误差。

综上所述，此零件选择φ22圆柱的端面作为粗基准。

（二）精基准的选择

精基准的选择一般以“基准重合”、“基准统一”、“自为基准”、“互为基准”、等作为选择原则。

2.3工件表面加工方法的选择

本零件的加工面有数个端面、孔等，材料为HT200。

根据《机械制造工艺设计简明手册》表1.4—6、表1.4—7、表1.4—8，其加工方法选择如下：

1.Φ22端面：

经济精度IT12~14,表面粗糙度Ra12.5~6Ra.3，粗铣。

2.Φ32圆柱外端面：

经济精度IT12~14,表面粗糙度Ra12.5~Ra6.3，粗铣。

3.Φ32圆柱内端面：

经济精度IT11~12,表面粗糙度Ra6.3~1.6，粗铣→半精铣。

4.Φ12沉头孔端面：

经济精度IT11~12,表面粗糙度Ra6.3~1.6，粗铣→半精铣。

5.M6螺纹孔：

表面粗糙度Ra3.2~0.8，钻→攻。

6.Φ5.5孔：

经济精度IT8~10，表面粗糙度Ra3.2~0.8，钻→绞。

7.Φ5锥销孔：

经济精度IT8~10，表面粗糙度Ra3.2~0.8，钻→绞。

8.φ12沉头孔：

经济精度IT12~14,表面粗糙度Ra12.5~Ra6.3，锪。

9.φ12内孔：

经济精度IT8~10，表面粗糙度Ra3.2~0.8，扩→绞。

10.φ16内孔：

经济精度IT8~10，表面粗糙度Ra3.2~0.8，扩→绞。

2.4制定工艺路线

制定工艺路线的目的，是使在零件的几何形状，尺寸精度及位置精度等技术要求能得到保证的同时，在生产纲领确定的生产条件下，尽可能采用通用性的机床配以专用工装夹具，并尽量使工序集中来提高生产率。

除此以外，还应当考虑经济因素，使生产成本尽可能的降低。

工艺路线方案一：

工序1：

铸造。

工序2：

消砂。

工序3：

热处理。

工序4：

粗铣曲柄φ22和φ32外端面，然后调头粗铣另外两端面。

工序5：

粗铣、半精铣曲柄φ32内端面。

工序6：

扩、绞φ12孔。

工序7：

扩、绞φ16孔。

工序8：

粗铣、半精铣两个φ12圆台面。

工序9：

锪φ12的沉头锥孔。

工序10：

钻、绞φ5.5孔。

工序11：

钻、攻M6螺纹孔。

工序12：

钻、绞φ5锥销孔。

工序13：

去毛刺。

工序14：

终检。

工艺路线方案二：

工序1：

铸造。

工序2：

消砂。

工序3：

热处理。

工序4：

粗铣曲柄外端面。

工序5：

扩、绞φ12孔。

工序6：

粗铣、半精铣曲柄内端面。

工序7：

扩、绞φ16孔。

工序8：

粗铣、半精铣φ12圆台面。

工序9：

锪φ12的沉头锥孔。

工序10：

钻、绞φ5.5孔。

工序11：

钻、攻M6螺纹孔。

工序12：

钻、绞φ5锥销孔。

工序13：

去毛刺。

工序14：

终检。

工艺方案比较与分析：

工艺路线方案二以曲柄零件外端面作为粗基准，分步加工端面与孔，有效的减少了因基准带来的误差。

但是这样极大的增加了零件的装夹时间和工步切换时间。

不利于增加生产效率和提高经济效益。

因此综合考虑，选择工序集中的方案一作为最终工艺路线。

2.5机械加工余量及毛坯尺寸的确定

曲柄零件材料为HT200，硬度为200HBS，毛坯重量约为0.35KG，生产类型为中批生产，毛坯采用金属型浇注的方法制造。

查表2.2-2得公差等级为8~10级。

1）Φ22mm外端面:

参照《机械切削工艺参数速查手册》、《实用机械加工工艺手册》确定加工余量为2mm。

2）Φ32mm外端面：

参照《机械切削工艺参数速查手册》、《实用机械加工工艺手册》确定加工余量为2mm。

3）Φ32mm内端面：

参照《机械切削工艺参数速查手册》、《实用机械加工工艺手册》确定加工余量为2mm。

4）Φ12mm内孔：

，参照《机械切削工艺参数速查手册》、《实用机械加工工艺手册》确定加工余量为1mm。

5）Φ16mm内孔：

参照《机械切削工艺参数速查手册》、《实用机械加工工艺手册》确定加工余量为1mm。

6）Φ12mm沉头孔端面：

参照《机械切削工艺参数速查手册》、《实用机械加工工艺手册》确定加工余量为0.5mm。

7）Φ5.5mm内孔：

参照《机械切削工艺参数速查手册》、《实用机械加工工艺手册》确定加工余量为0.4mm。

8）M6螺纹孔：

参照《机械切削工艺参数速查手册》、《实用机械加工工艺手册》确定加工余量为0.5mm。

6）Φ5mm锥销孔：

参照《机械切削工艺参数速查手册》、《实用机械加工工艺手册》确定加工余量为0.4mm。

将零件图上各尺寸加上所查得的余量值即可得到毛坯尺寸。

选取原则是，对于只需粗加工的表面，可取所查数据的最小值，当表面需要经过多次加工时，可取其较大值。

2.6工序设计

2.6.1选择加工设备及工艺设备

1.选择机床

工序4、8是粗铣和半精铣，各工序工步数不多，成批生产不需要很高的生产率，故选用立式铣床即可满足要求。

本零件外轮廓尺寸不大，精度要求不是很高，选用最常用的X51。

工序5是粗铣和半精铣，使用三面刃铣刀，应选卧式铣床，考虑到所选机床应具有较广的使用范围，供选用X62。

工序6、7、9、10、11为钻孔，因此选用立式钻床，所以选择Z518型立式钻床。

2.选择夹具

本零件除了铣端面之外使用通用夹具之外，其他工序都需要使用专用夹具。

3.选择刀具

铣刀按表3.1-27选择立铣刀，因为零件仅要求粗加工端面，因此选择立铣刀，粗加工直径d=36mm，d1=32mm，L=133mm，l=53mm，Z=4。

直齿三面刃铣刀按表3.1-39选择d=50mm，D=16mm，d1=27mm，L=12mm。

麻花钻按表3.1-5选择d=4.8mm，d=5的右旋直柄麻花钻。

扩孔钻按表3.1-8选择d=11.85mm和d=15.85mm的直柄扩孔钻。

沉头孔按表3.1-12选择d=12mm的直柄锥面锪钻完成。

铰刀按表3.1-16选择d=5.5mm，d=5mm，d=6，d=12，d=16的直柄机用铰刀。

丝锥按表3.1-48选择d=6mm的M6粗牙普通螺纹丝锥。

4.选择量具

本零件属于成批生产，一般采用通用量具即可。

因此按表5.2-9分别选择分度值为0.05，测量范围为0~150的游标卡尺和分度值为0.01，测量范围为0~150的游标卡尺测量零件要求的各项尺寸。

2.6.2确定工序尺寸

确定工序尺寸的一般方法是，在加工表面的最后一步工序往前推算，最后完成后的尺寸按照零件要求标注。

1.确定端面的工序尺寸

加工表面

工序双边余量

工序尺寸及公差

表面粗糙度

粗

半精

粗

半精

粗

半精

Φ22外端面

2mm

Ra12.5

Φ32外端面

2mm

Ra12.5

Φ32内端面

1mm

0.3mm

Ra12.5

Ra3.2

Φ12沉头孔端面

0.5

Ra6.3

2.确定孔的工序尺寸

加工孔

工序尺寸

表面粗糙度

钻

扩

绞

钻

扩

绞

Φ12

11.85

12

Ra6.3

Ra3.2

Φ16

15.85

16

Ra6.3

Ra3.2

Φ5.5

4.8

5.5

Ra12.5

Ra3.2

Φ6

5

Ra12.5

Φ5

4.8

5

Ra12.5

Ra3.2

2.7确定切削用量和基本时间

切削用量一般包括切削深度，进给量和切削速度三项。

确定方法的方法是先确定切削深度、进给量，再确定切削速度。

现根据《切削用量简明手册》确定本零件各工序的切削用量。

2.7.1切削用量和基本时间的确定

工序4铣φ22和φ32外端面

（一）刀具选择

根据《机械制造工艺设计简明手册》表3.1选择立铣刀，直径d=36mm，d1=32mm，L=133mm，l=53mm，Z=4。

（二）切削用量

ap=1mm,走刀一次完成。

（三）机床选择

机床选择为X51，由《机械制造工艺设计简明手册》表4.2当机床功率为4.5KW,采用YG6硬质合金材料加工铸铁f=0.12-0.2mm/r,取f=0.2mm/r。

（四）确定切削速度Vc

由《机械切削工艺参数速查手册》表4-31，取Vc=100m/min时，根据公式

得，n =497.611r/min。

根据X51机床《机械制造工艺设计简明手册》4.2-29取主轴转速n机=490r/min.则实际切削速度为V =98m/min。

当n机=490r/min时,工作台为每分钟进给量是进给速度Vf=fm=f×z×n=0.12×4×490=235.2mm/min.由X51机床《机械制造工艺设计简明手册》4.2-29取Vf=230mm/min。

计算基本工时 

由《机械制造工艺设计简明手册》表6.2-7公式得：

L2=1~3mm。

因为是两边端面，所以需乘以2，因此Tj=0.78min。

辅助时间

，同理得Tf=0.4min。

工序5粗铣、半精铣曲柄内端面。

1.粗铣曲柄内端面

（一）刀具选择

（二）根据《机械制造工艺设计简明手册》表3.1选择直齿三面刃铣刀按表3.1-39选择d=50mm，D=16mm，d1=27mm，L=12mm。

（三）切削用量

ap=0.6mm,走刀一次完成。

（四）机床选择

机床选择为X62，由《机械制造工艺设计简明手册》表4.2当机床功率为4KW,采用YG6硬质合金材料加工铸铁f=0.12-0.2mm/r,取f=0.2mm/r。

（五）确定切削速度Vc

由《机械切削工艺参数速查手册》表4-31，取Vc=100m/min时，根据公式

得，n =497.611r/min。

根据X62机床《机械制造工艺设计简明手册》4.2-29取主轴转速n机=490r/min.则实际切削速度为V =98m/min。

当n机=490r/min时,工作台为每分钟进给量是进给速度Vf=fm=f×z×n=0.2×4×490=392mm/min.由X62机床《机械制造工艺设计简明手册》4.2-29取Vf=375mm/min。

（六）计算基本工时 

由《机械制造工艺设计简明手册》表6.2-7公式得：

L2=1~3mm。

，因为要铣两个端面所以Tj=0.3min。

辅助时间

。

同理得，Tf=0.4min。

2.精铣曲柄内端面

（一）刀具选择

（二）根据《机械制造工艺设计简明手册》表3.1选择直齿三面刃铣刀按表3.1-39选择d=50mm，D=16mm，d1=27mm，L=12mm。

（三）切削用量

ap=0.4mm,走刀一次完成。

（四）机床选择

机床选择为X62，由《机械制造工艺设计简明手册》表4.2当机床功率为4KW,采用YG6硬质合金材料加工铸铁f=0.12-0.2mm/r,取f=0.12mm/r。

（五）确定切削速度Vc

由《机械切削工艺参数速查手册》表4-31，取Vc=100m/min时，根据公式

得，n =497.611r/min。

根据X62机床《机械制造工艺设计简明手册》4.2-29取主轴转速n机=490r/min.则实际切削速度为V =98m/min。

当n机=490r/min时,工作台为每分钟进给量是进给速度Vf=fm=f×z×n=0.12×4×490=235.2mm/min.由X62机床《机械制造工艺设计简明手册》4.2-29取Vf=250mm/min。

（六）计算基本工时 

由《机械制造工艺设计简明手册》表6.2-7公式得：

L2=1~3mm。

，因为要铣两个端面所以Tj=0.3min。

辅助时间

。

同理得，Tf=0.4min。

工序6：

粗铣、半精铣φ12圆台面。

1.粗铣：

刀具选择

根据《机械制造工艺设计简明手册》表3.1选择直径d=36mm，d1=32mm，L=133mm，l=53mm，Z=4的立铣刀。

切削用量

ap=0.3mm,走刀一次完成。

机床选择

机床选择为X51，由《机械制造工艺设计简明手册》表4.2当机床功率为4.5KW,采用YG6硬质合金材料加工铸铁f=0.12-0.2mm/r,取f=0.2mm/r。

确定切削速度Vc

由《机械切削工艺参数速查手册》表4-31，取Vc=55m/min时，根据公式

得，n =1458.92r/min。

根据X51机床《机械制造工艺设计简明手册》4.2-29取主轴转速n机=1500r/min.则实际切削速度为V =56.54m/min 

当n机=1500r/min时,工作台为每分钟进给量是进给速度Vf=fm=f×z×n=0.2×4×1500=1200mm/min。

由X51机床《机械制造工艺设计简明手册》4.2-29取Vf=980mm/min。

计算基本工时 

由《机械制造工艺设计简明手册》表6.2-7公式得：

L2=1~3mm。

，

辅助时间

。

2.精铣：

刀具选择

根据《机械制造工艺设计简明手册》表3.1选择直径d=36mm，d1=32mm，L=133mm，l=53mm，Z=4的立铣刀。

切削用量

ap=0.2mm,走刀两次完成。

机床选择

机床选择为X51，由《机械制造工艺设计简明手册》表4.2当机床功率为4.5KW,采用YG6硬质合金材料加工铸铁f=0.12-0.2mm/r,取f=0.12mm/r。

确定切削速度Vc

由《机械切削工艺参数速查手册》表4-31，取Vc=55m/min时，根据公式

得，n =1458.92r/min。

根据X51机床《机械制造工艺设计简明手册》4.2-29取主轴转速n机=1500r/min.则实际切削速度为V =56.54m/min。

当n机=1500r/min时,工作台为每分钟进给量是进给速度Vf=fm=f×z×n=0.12×4×1500=720mm/min。

由X51机床《机械制造工艺设计简明手册》4.2-29取Vf=725mm/min。

计算基本工时 

由《机械制造工艺设计简明手册》表6.2-7公式得：

L2=1~3mm。

，

辅助时间

。

工序 7 锪φ12孔

1.锪Φ12孔

（一）机床选择选用Z518型立式钻床。

（二）刀具选择d=12mm的直柄锥面锪钻。

（三）确定切削用量

一次走刀完成，由《机械切削工艺参数速查手册》表9.5.1得,f=0.13~0.18mm/r,由《机械制造工艺设计简明手册》4.2-13取进给量f=0.13mm/r.。

由《机械切削工艺参数速查手册》9.4，取V=37m/min,因此取n=981.45r/min。

由钻床说明书，取n机=960r/min,故V=36.19m/min。

（四）计算工时

，因为有两个孔，因此乘以2，得Tj=0.14min。

Tf=0.05+0.04+0.02+0.01+0.02+0.01+0.02=0.17min，同理得Tf=0.34min。

工序8  扩、绞φ12孔

1.扩Φ12孔

（一）机床选择选用Z518型立式钻床。

（二）刀具选择d=11.85mm锥柄扩孔钻。

（三）确定切削用量

一次走刀完成，由《机械切削工艺参数速查手册》表9.5.1得,f=0.7—0.9mm/r,由《机械制造工艺设计简明手册》4.2-13取进给量f=0.81mm/r.。

由《机械切削工艺参数速查手册》9.5，取V=16m/min由钻床说明书，取n机=680r/min,故V=35.63m/min。

（四）计算工时

。

Tf=0.05+0.04+0.02+0.01+0.02+0.01+0.02=0.17min

2.铰Φ12孔

（一）机床选择选用Z518型立式钻床。

（二）刀具选择直径12mm高速钢直柄机用铰刀。

（三）确定切削用量

一次走刀完成，由《机械切削工艺参数速查手册》表9-27，当d=12时，f=0.25mm/r,由《机械制造工艺设计简明手册》4.2-13取f=0.28mm/r.由《机械切削工艺参数速查手册》，取V=24m/min，则n=636.61r/min。

由钻床说明书，取n机=680r/min,故V=25m/min。

（四）计算工时

。

Tf=0.05+0.04+0.02+0.01+0.02+0.01+0.02=0.17min。

工序9  扩、绞φ16孔

1.扩Φ16孔

（一）机床选择选用Z518型立式钻床。

（二）刀具选择d=15.85mm锥柄扩孔钻。

（三）确定切削用量

一次走刀完成，由《机械切削工艺参数速查手册》表9.5.1得,f=0.8~1.1mm/r,由《机械制造工艺设计简明手册》4.2-13取进给量f=0.81mm/r。

由《机械切削工艺参数速查手册》9.5，取V=16m/min,因此取n=282.942r/min。

由钻床说明书，取n机=272r/min,故V=25.38m/min。

（四）计算工时

，因为有两个孔，因此乘以2，得Tj=0.16min。

Tf=0.05+0.04+0.02+0.01+0.02+0.01+0.02=0.17min，同理得Tf=0.34min。

2.铰Φ16孔

机床选择选用Z518型立式钻床。

刀具选择直径16mm高速钢直柄机用铰刀。

确定切削用量

一次走刀完成，由《机械切削工艺参数速查手册》表9-27，当d=18时，f=0.36mm/r,由《机械制造工艺设计简明手册》4.2-13取f=0.36mm/r.由《机械切削工艺参数速查手册》，取V=24m/min，则n=424.41r/min。

由钻床说明书，取n机=545r/min,故V=30.81m/min。

计算工时

，因为钻两个孔，因此Tj=0.42min。

Tf=0.05+0.04+0.02+0.01+0.02+0.01+0.02=0.17min，Tf×2=0.34min。

工序 10 钻、绞φ5.5孔

1.钻Φ5.5孔

（五）机床选择选用Z518型立式钻床。

（六）刀具选择d=4.8mm的右旋直柄麻花钻。

（七）确定切削用量

一次走刀完成，由《机械切削工艺参数速查手册》表9.5.1得,f=0.27~0.33mm/r,由《机械制造工艺设计简明手册》4.2-13取进给量f=0.28mm/r.。

由《机械切削工艺参数速查手册》9.4，取V=16m/min,因此取n=1061.03r/min。

由钻床说明书，取n机=960r/min,故V=14.47m/min。

（八）计算工时

，因为有两个孔，因此乘以2，得Tj=0.1min。

Tf=0.05+0.04+0.02+0.01+0.02+0.01+0.02=0.17min，同理得Tf=0.34min。

2.铰Φ5.5孔

机床选择选用Z518型立式钻床。

刀具选择直径5.5mm高速钢直柄机用铰刀。

确定切削用量

一次走刀完成，由《机械切削工艺参数速查手册》表9-27，当d=5.5时，f=0.15mm/r,由《机械制造工艺设计简明手册》4.2-13取f=0.13mm/r.由《机械切削工艺参数速查手册》，取V=20m/min，则n=1157.49r/min。

由钻床说明书，取n机=960r/min,故V=16.587m/min。

计算工时

，因为绞两个孔，因此Tj=0.68min。

Tf=0.05+0.04+0.02+0.01+0.02+0.01+0.02=0.17min，Tf×2=0.34min。

工序 11 钻、攻M6孔

1.钻Φ6孔

（一）机床选择选用Z518型立式钻床。

（二）刀具选择d=5mm的右旋直柄麻花钻。

（三）确定切削用量

一次走刀完成，由《机械切削工艺参数速查手册》表9.5.1得,f=0.27~0.33mm/r,由《机械制造工艺设计简明手册》4.2-13取进给量f=0.28mm/r.。

由《机械切削工艺参数速查手册》9.4，取V=16m/min,因此取n=878.09r/min。

由钻床说明书，取n机=960r/min,故V=17.49m/min。

（四）计算工时

，因为有两个孔，因此乘以2，得Tj=0.14min。

Tf=0.05+0.04+0.02+0.01+0.02+0.01+0.02=0.17min，同理得Tf=0.34min。

2.钻M6孔

机床选择选用Z518型立式钻床。

刀具选择M6粗牙普通螺纹丝锥。

确定切削用量

一次切削完成，由于进给量很小，所以采用手动进给，暂定f=0.16mm/r。

由《机械切削工艺参数速查手册》，取V=10m/min，则n=530.52r/min。

由钻床说明书，取n机=545r/min,故V=10.27m/min。

计算工时

，因为钻两个孔，因此Tj=1.32min。

Tf=0.05+0.04+0.02+0.01+0.02+0.01+0.02=0.17min，Tf×2=0.34min。

工序 12 钻、绞φ5孔

1.钻Φ5孔

（一）机床选择选用Z518型立式钻床。

（二）刀具选择d=4.8mm的右旋直柄麻花钻。

（三）确定切削用量

一次走刀完成，由《机械切削工艺参数速查手册》表9.5.1得,f=0.27~0.33mm/r,由《机械制造工艺设计简明手册》4.2-13取进给量f=0.28mm/