发动机箱体结构设计及加工路线拟定.docx
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摘要
本设计是汽车变速箱箱体零件的加工工艺规程及一些工序的专用夹具设计。
汽车变速箱箱体零件的主要加工表面是平面及孔系。
一般来说，保证平面的加工精度要比保证孔系的加工精度容易。
因此，本设计遵循先面后孔的原则。
并将孔与平面的加工明确划分成粗加工和精加工阶段以保证孔系加工精度。
基准选择以变速箱箱体的输入轴和输出轴的支承孔作为粗基准，以顶面与两个工艺孔作为精基准。
主要加工工序安排是先以支承孔系定位加工出顶平面，再以顶平面与支承孔系定位加工出工艺孔。
在后续工序中除个别工序外均用顶平面和工艺孔定位加工其他孔系与平面。
支承孔系的加工采用的是坐标法镗孔。
整个加工过程均选用组合机床。
夹具选用专用夹具，夹紧方式多选用气动夹紧，夹紧可靠，机构可以不必自锁。
因此生产效率较高。
适用于大批量、流水线上加工。
能够满足设计要求。
关键词：
变速箱；加工工艺；专用夹具
Abstract
Thedesignisaboutthespecial-purposeclampingapparatusofthemachiningtechnologyprocessandsomeworkingproceduresofthecargearboxparts.Themainmachiningsurfaceofthecargearboxpartsistheplaneandaseriesofhole.Generallyspeaking,toguaranteetheworkingaccuracyoftheplaneiseasierthantoguaranteethehole’s.Sothedesignfollowstheprincipleofplanefirstandholesecond.Andinordertoguaranteetheworkingaccuracyoftheseriesofhole,themachiningoftheholeandtheplaneisclearlydividedintoroughmachiningstageandfinishmachiningstage.Thesupportingholeoftheinputbearingandoutputbearingisastheroughdatum.Andthetopareaandtwotechnologicalholesareasthefinishdatum.Themainprocessofmachiningtechnologyisthatfirst,theseriesofsupportingholefixandmachinethetopplane,andthenthetopplaneandtheseriesofsupportingholefixandmachinetechnologicalhole.Inthefollow-upworkingprocedure,allworkingproceduresexceptseveralspecialonesfixandmachineotherseriesofholeandplanebyusingthetopplaneandtechnologicalhole.Themachiningwayoftheseriesofsupportingholeistoboreholebycoordinate.Thecombinationmachinetoolandspecial-purposeclampingapparatusareusedinthewholemachiningprocess.Theclampingwayistoclampbypneumaticandisveryhelpful.Theinstructiondoesnothavetolockbyitself.Sotheproductefficiencyishigh.Itisapplicableformassworkingand
machininginassemblyline.Itcanmeetthedesignrequirements.
Keywords:
Gearbox;Machiningtechnology;Special-purposeclampingapparatus
目 录
第一章 绪论 1
1.1当前发展现状 1
1.2论文主要研究内容 2
第二章 发动机箱体工艺设计 3
2.1箱体的分析 3
2.1.1箱体的功用分析 3
2.1.2箱体结构和功用的分析 4
2.1.4箱体的技术分析 5
2.1.5箱体的材料分析 5
2.2发动机箱体毛坯的设计 7
2.2.1确定毛坯种类及加工方法的选择 7
2.2.2毛坯的工艺分析及要求 8
2.2.3毛坯余量和公差的确定 9
2.3工艺路线设计 11
2.3.1加工方法的选择 11
2.3.2箱体的材料及热处理 12
2.3.3阶段的划分 12
2.3.4工序的集中与分散 13
2.3.5基准的选择 14
2.3.6拟定发动机箱体的工艺路线 14
2.4加工设备及工艺装备的选择 16
2.5加工工序设计 18
第三章 钻床专用夹具设计 23
3.1夹具的设计内容 23
3.1.1定位基准的选择 23
3.1.2工件的夹紧及夹紧装置 23
3.1.3夹具材料的选择 24
3.1.4夹具精度分析 24
3.2削边销 27
3.3支承板 27
3.4压板 27
3.5夹具体中间支架 28
3.6齿轮齿条偏心轮部分的设计 29
3.7键的选取 30
第四章基于ug软件进行的建模及装配 32
4.1ug软件建模与装配概述 32
4.2运用ug软件进行零件设计 32
4.3运用ug软件进行零件装配 35
第五章结论 37
参考文献 38
致谢 39
第一章绪论
1.1当前发展现状
机械加工工艺是实现产品设计，保证产品质量，节约能源，降低消耗的重要方式，是企业进行生产准备，计划调度，加工操作，安全生产，技术检测和健全劳动组织的重要依据，提高经济效益的技术保证。
在实际生产中，由于零件的生产类型、材料、结构、尺寸、形状和技术要求等不同，针对某一零件，通常不是单独在一种机床上，用某一种加工方法就能完成的，而是要经过一定的工艺过程才能完成对它的加工。
因此，不仅要根据零件的具体要求，对零件的各组成表面选择合适的加工方法，还要合理地安排加工顺序，逐步地把零件加工出来。
对于某个具体零件，可采用几种不同的工艺方案进行加工。
虽然这些方案都可以加工出来合格的零件，但从生产和经济效益来看，可能其中有更加合理且切实可行的方案。
因此，必须根据零件的具体要求和可能的加工条件等，拟订较为合理的工艺过程。
在整个加工过程中，夹具不仅是为了夹紧、固定被加工零件的，设计合理的夹具，还要求保证加工零件的位置精度、提高加工生产率。
各种专用夹具的设计质量，将直接影响被加工零件的精度要求，在机械加工工艺过程中起到重要的作用。
机械制造业历来是应用科学技术的主要领域，是应用最新科技推动社会经济发展的主导产业。
制造离不了机床，机床自然离不了夹具。
夹具是组合机床的重要组成部分，它用于实现被加工零件的准确定位，夹压，刀具的导向以及装卸工件时的限位等等作用的。
本次设计计算量中等，但是制图量比较大。
需要查阅大量的书籍充分运用所学知识。
38
1.2论文主要研究内容
本次论文的主要内容有：
（1）确定生产类型，对零件进行工艺分析
（2）选择毛坯种类及制造方法，绘制零件-毛坯综合图
（3）拟订零件的机械加工工艺规程，选择各工序的加工设备和工艺装备，确定各工序切削用量和工序尺寸。
（4）填写工艺文件：
工艺过程卡片（或工艺卡片）、工序卡片（可视工作量大小只填部分主要工序的工序卡片）。
（5）设计指定工序的专用夹具，绘制装配总图和主要零件图。
（6）撰写毕业设计说明书。
在教师指导下，独立完成设计任务书，培养较强创新意识和学习能力，获得机械工程的基本训练。
使整个设计上是先进的，在经济上是合理的，在生产上时可行的。
工艺规程设计应满足加工质量、生产率、经济性要求，机床夹具设计方案应合理，有一定的特色和见解。
计算步骤清晰，计算结果正确；设计制图符合国家标准；使用计算机进行设计、计算和绘图；撰写说明书时要文字通顺、语言简练、图示清晰。
第二章发动机箱体工艺设计
2.1箱体的分析
2.1.1箱体的功用分析
箱体是构造发动机的骨架，是发动机各结构和系统的安装的基础。
它内、外安装着发动机的主要零件和部件，承受各种载荷及冲击。
因此，发动机的箱体必须具有一定的强度和刚度。
机体主要由气缸体、曲轴箱、气缸垫和气缸盖等零件组成。
其中气缸体是发动机机体最重要的组成部分。
气缸体和上曲轴箱一般都铸成一体，称为气缸体——曲轴箱。
气缸体一般用灰铸铁铸成，气缸体上部的圆柱形的空腔称为气缸，下半部为支承曲轴的曲轴箱，其内腔是曲轴运动的空间。
现在汽车发动机常用缸数有
3、4、5、6、8、10、12缸。
排量1升以下的发动机常用三缸，1～2.5升一般为四缸发动机，3升左右的发动机一般为6缸，4升左右为8缸，5.5升以上用
12缸发动机。
一般来说，在同等缸径下，缸数越多，排量越大，且功率越大；同等排量下，缸数越多，缸径越小，转速越高，从而获得较大的提升功率。
本次毕业设计的任务是设计3缸发动机箱体的工艺路线及规程。
如图 2-1
图2-1三缸发动机气缸体示意图
2.1.2箱体结构和功用的分析
发动机约占全车质量的15%，是机器的核心部件之一，它为机器的运行提供了动力。
发动机箱体类零件也是机器或者部件的基本，它把机器或部件中的轴、齿轮、套等相关零件组在一起，并让它们保持相对正确的位置，按照一定的传动关系传递动力。
发动机根据气缸数目的不同，分为单缸发动机和多缸发动机，有两个以上气缸的发动机都称为多缸发动机。
又因为多缸发动机气缸排列的方式不同，分为单列式和双列式。
箱体结构形式虽然种类繁多，但仍有共同的特点：
形状复杂、壁薄且不均匀，内部呈腔形，加工部分多难度大，既有精度要求较高的孔隙和平面，也有精度要求较低的紧固孔。
所以，一般中型机床制造厂用于箱体类零件的机械加工劳动量约占整个产品的15%～20%。
按照气缸的排列形式不同，气缸体还可以分为单列式，V型和对置式三种。
（1）直列式
发动机的各气缸排成一列，一般都是垂直分布。
单列式气缸体结构简单，但发动机高度和长度较大。
一般情况下六缸以下发动机多采用单列式。
有的汽车为了降低发动机高度，会把发动机倾斜一定的角度。
（2）V型
V型发动机气缸排成两列，左右两列气缸中心线的夹角 γ＜180°，V型发动机与直列式发动机相比，机体长度和高度缩短了，而且增加了气缸体的强度，减轻了机体的重量，但增大了宽度，且形状较复杂，加工较困难，一般用于 8缸以上的发动机。
（3）对置式
气缸排列成两列，且两列气缸在同一水平面上，即左右两列气缸中心线的夹角为γ＝180°，称为对置式。
它的特点是高度低，总体布置简便明了，有利于风冷。
这种气缸应用较少。
综合考虑三种排列形式的气缸体，在本次设计中采用直列式。
2.1.4箱体的技术分析
箱体的加工质量会直接影响机器的性能、精度和寿命，所以箱体零件的加工精度对于机器的加工精度很重要。
箱体零件的技术要求主要归纳如下：
（1）主要平面的形状精度及表面粗糙度
箱体的主要平面是装配基准，并且大都是加工时的定位基准，所以，应有较大的平面度和较小的粗糙度，不然，会影响箱体加工时的定位精度。
一般箱体的主要平面的平面度在0.1～0.03mm之间，表面粗糙度
Ra2.5～0.63，各主要平面对装配基准面垂直度为0.1/300。
（2）孔的尺寸精度、几何形状精度和表面粗糙度
箱体上的轴承支撑孔本身的尺寸精度、形状精度和表面粗糙度要求都较高，不然，会影响轴承与箱体孔的配合精度，降低轴的回转精度。
一般箱体的主轴支撑孔的尺寸精度为IT6，圆度、圆柱度公差不超过孔径公差的一半，表面粗糙度值为Ra0.63～0.32。
其余尺寸精度为IT7～IT6，表面粗糙度为Ra2.5～0.63。
（3）主要孔和平面的相互位置精度
同一轴线的孔应有一定的同轴度要求，各支撑孔之间也应有一定的孔距尺寸精度及平行度要求，不然装配会有困难，使轴的运转状况变恶劣，温度升高，从而加剧轴承的磨损，使齿轮啮合度下降，降低齿轮寿命。
支撑孔之间的孔距公差为0.12～0.05mm，平行度公差应该小于孔距公差，一般在全长取
0.1～0.04mm。
同一轴线上主要平面间及主要平面之间垂直度公差为
0.1～0.04mm。
2.1.5箱体的材料分析
一、选材的一般原则：
1.材料的机械性能
在设计零件并进行选材时，应根据零件的工作条件和损坏形式找出所选材料的主要机械性能指标，这是零件经久耐用的首要条件。
2.材料的工艺性能
金属材料的基本加工方式有铸造、锻压、冲压、焊接、切削加工和热处理等。
各
种加工工艺均有其工艺性能要求。
材料工艺性能的好坏对零件加工生产有着直接影响。
依据所设计的零件的制造方法，应选用其工艺性能优良的材料，以减少制造成本，降低废品的产生。
3.材料的经济性能
在满足使用性能的前提下，选用零件还应注意降低零件的成本。
一般来说，应优先选用价格低廉的材料。
如尽可能选用碳素钢和灰铸铁，在难以满足要求时再选用高价格的其它材料。
二、零件材料的选择
由于零件的工作状态，工作条件的要求，因此零件的材料必须具有综合机械性能，耐高温、抗氧化性和组织稳定性等。
根据查阅相关资料，箱体材料通常选用铸铁，其详细介绍如下：
灰铸铁的显微镜组织由金属机体和片状石墨所组成，相当于在纯铁或钢的基础上嵌入了大量石墨片。
因其中的碳主要从游离石墨形式存在，并成片段状，断口为灰色。
由于片状石墨的存在破坏了基本的连续性，石墨尖端容易造成应力集中，所以灰铸铁的抗拉强度低，塑性和韧性差，属于脆性材料，不能锻造和冲压，并且焊接性能材料很差，不过其抗压强度受石墨的影响较小，但是灰铸铁铸造性能和切削性能优良。
石墨的存在使其有如下优越性能：
优良的减震性，耐磨性好，缺口敏感性小。
1.灰铸铁的化学成分包括C、Si、Mn、P、S以及一些其他合金元素，各成分所占比重见下表2-1（以HT250为例）。
表2-1 灰铸铁HT250的主要化学成分及所占比重（%）
C
Si
Mn
P
S
3.0～3.3
1.4～1.7
0.8～1.0
＜0.15
≤0.12
2.各元素对灰铸铁的性能都有重要的影响，详见《机械加工工艺手册》。
3.灰铸铁的牌号有HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350等6
种，牌号右边的数字表示该牌号灰铸铁的抗拉强度最低值。
4.灰铸铁的机械性能与铸件壁厚有关，同一牌号的灰铸铁因铸件壁厚不同具有不同的抗拉强度。
各种牌号不同壁厚的灰铸铁性能达到强度参考值见《机械加工工艺手册》。
机械性能见下表2-2（以HT250为例）。
表2-2 灰铸铁HT250的各种机械性能
牌号 抗拉强度
（Mpa）
抗切强度
（MPa）
弹性模量
E（MPa）
疲劳极限
（MPa）
硬度HB
HT250 785～981 277 108～127 98～127 143～269
2.2发动机箱体毛坯的设计
2.2.1确定毛坯种类及加工方法的选择
一、确定毛坯种类
机械加工的加工质量、经济效益和生产效益，在一定程度上取决于所选择的工件毛坯。
常用毛坯的种类有型材、铸件、冲压件等。
毛坯的选择要从被加工零件的材料、结构形状、几何尺寸、制造精度，以及各方面的生产条件这五个方面来考虑。
合理的选择毛坯种类对随后价格中确保产品质量、缩短生产周期与降低成本有重要的影响。
材料方面，是选择毛坯所要考虑的首要问题，一般根据零件的工作情况以及工作时所起的作用来选择毛坯的种类。
根据箱体在工作中的作用及要求选用材料切削性好、耐腐蚀性好、耐磨性好、减震性好等，选用 HT250确定毛坯为铸件，其技术要求如下：
1.铸件应消除内力。
2.未注明铸造圆角为R3～R5，未注明壁厚为5mm。
3.铸件表面不得有粘砂、多肉、裂纹等缺陷。
4.允许有非聚集的孔眼存在，其直径不大于 6mm，深度不大于1.5mm，相距不小于20mm，整个铸件上孔眼数不多于5个。
5.未注明倒角为0.5×45°。
6.去毛刺，锐角倒钝。
7.同一加工平面上允许有直径不大于3mm，深度不大于1.5mm，总数不超过5个孔眼，两空之间不小于30mm。
8.涂漆按NJ226-31执行。
二、毛坯加工方法（铸造）的选择
铸造方法分为砂型铸造和特种铸造两类。
1.砂型铸造
砂型铸造可根据造型的不同分为手工造型、高压造型和一般机器造型三类，其类特点、应用范围以及铸造类别详见《机械加工工艺手册》相关的内容介绍。
也可根据砂型类别的不同分为干型、湿型、自硬性型，其特点和应用范围详见
《机械加工工艺手册》相关章节。
2.特种铸造
特种铸造是指与普通砂型铸造有显著区别的一些方法。
如压力铸造、熔模铸造、金属型铸造、低压铸造、离心铸造、等等，每个特种铸造方法都有其优越之处和应用场合。
近年来，特种铸造在我国得到了飞速发展，其地位和作用得到提高。
特种铸造方法的类别特点和应用范围见《机械加工工艺手册》相关章节。
铸造方法的经济合理性与零件尺寸形状以及选择的铸造方法有关，其关系详见《机械加工工艺手册》。
各种铸造方法均有其优缺点及应用范围，不能认为某种方法最为完善。
因此，必须依据铸件的形状、大小、质量要求、成产批量、合金的品种记忆铸造条件等具体情况。
结合各铸造方法的特点及适用范围，未来获得较好的机械性能和使用寿命，节约材料和切削加工时，提高生产效率，降低成本，可选用砂型造型 。
2.2.2毛坯的工艺分析及要求
毛坯铸造时，应防止砂眼和气孔的产生。
减少毛坯制造时产生的残余应力，应使箱体壁厚尽量均匀，箱体浇注后应安排时效或者退火工序。
一、铸件浇注位置的选择原则
1.铸件的重要加工面或者主要工作面一般处于底面或者侧面，避免气孔、砂
眼、缩松、缩孔等缺陷出现在工作面上。
如果这些加工面难以朝下，应尽量使其位于侧面。
当铸件的重要加工面有个数时，则应将大的朝下。
2.铸件大平面尽可能朝下或采用倾斜浇注，避免夹砂和夹渣缺陷。
3.将逐渐的薄壁部分放在铸型的下部或侧面，以免产生浇注不足、冷隔等。
4.对于容易产生缩孔的铸件，应使厚的部分放在铸件的上部或者侧部，以便在铸件厚壁处直接安置冒口，使之实现在上而下的定向凝固。
二、分型面的选择原则
1.铸件尽可能在一个沙箱内或者加工面和加工基准面放在同一个沙箱内，一保证铸件的尺寸精度。
2.尽量减少分型面的数量。
3.尽量减少型芯或者活块的数量，并尽量降低沙箱的高度，以便起模和修型。
4.把主要的型芯放在下半沙箱中，以利于下芯，合箱和便于检查型腔尺寸。
为使砂芯方便从砂型中取出，凡垂直于分型面的立壁在制造模样时必须留有
起模斜度，起模斜度的大小取决于与立壁的高度，造型方法，模样的材料等因素，通常为15°～3°，为使型砂便于从内腔中脱出，以形成自带型芯，内壁的起模斜度要比外壁大，通常为3°～10°。
由于合金的线收缩，铸件冷却后的尺寸将比行腔尺寸略小，为保证铸件应有的尺寸，模样尺寸必须比铸件放大一个该金属的收缩量。
铸件的实际线收缩量除随合金的种类而变外，还和铸件的形状，尺寸有关。
通常铸铁为
0.7%～1.0%。
结合发动机箱体的结构，形状及尺寸，分型面选在箱体零件图---俯视图零线位置。
浇注口位置分别选在位于中间缸孔的两侧，选取起模斜度为3°，灰铸铁的线收缩率设为1.0%。
2.2.3毛坯余量和公差的确定
一、确定毛坯的余量
毛坯余量的确定：
根据机械加工去除量，从后往前推。
同时考虑毛坯制造时
存在的氧化皮层裂纹、杂质等各种缺陷，并也根据工人的操作水平按直径
10～12mm，厚度11mm，平均每面在5mm左右。
1.机械加工余量
砂型铸造（采用手工造型或机器造型）所生产的灰铸铁、球墨铸铁、耐热铸铁和耐蚀铸铁等铸件的加工余量见《机械加工工艺手册》，表3.1-26和表3.1-
27。
铸铁件的加工余量共分9个等级——5～13级。
又按零件图的基本尺寸量分为
10个尺寸组。
由于机械加工和铸造工艺上的要求，可以挑选其它等级的加工余量，但是应在有关图样和技术文件上标明。
铸孔的机械加工余量一般按浇铸时的位置处于顶面的机械加工余量选择。
对成批和大量生产的铸件的加工余量由《工艺人员手册》查得，各表面的余量见表2-3。
表2-3 发动机箱体各表面总加工余量
/mm
加工表面 基本尺寸
加工余量等级
加工余量数值
上表面 330
10
6
下表面 330
10
6
两侧面 305.6
10
6
两侧面 330
10
6
缸孔3-89.4 89.4
9
3.5
主轴孔69 69
9
3.5
凸轮轴孔49 49
10
2.75
2.铸造工艺余量
铸造工艺余量是为了确保铸件的质量，满足铸造工艺和机械加工工艺要求而多加在铸造毛坯上的金属。
应在零件加工完毕时将其去掉。
如果不影响零件的使用性能，并经设计部分的允许，也可保留在零件上。
铸造工艺余量的大小、形状及位置取决于工艺需要及零件结构，它在铸件图上的表示方法与加工余量一样，常见的工艺余量形式有工艺凸台、增强刚度的支
撑、补缩余量、等。
二、毛坯的尺寸公差
铸件的尺寸公差代号为IT，公差等级为16级，各级公差值列于《机械加
工工艺手册》表3.1-21和表3.1-22。
壁厚尺寸公差可以比一般尺寸的公差低一级，例如：
图样上规定一般的公差为IT10，则壁厚尺寸公差为IT11。
公差带应对称于铸件基本尺寸设置，有特殊要求时，可采用非对称设置，但要在图样上说明。
铸件得基本尺寸是铸件图样上给定的尺寸，包括机械加工余量。
由于铸件大量生产，毛坯制造方法采用砂型机器造型，由表 3.1-24，铸件尺寸公差等级为IT10级，表3.1-23选取错箱值为1.0mm。
又见表3.1-27，得铸铁件加工余量等级为7级，表3.1-26选加工余量为
6mm，所以可确定主要加工面的总余量见下
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