机械制造工业输出轴课程方案设计书.docx
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机械制造工业输出轴课程方案设计书
毕业实践工作对于每一位即将毕业的毕业生来说都是非常重要的，它对我们以后走上工作岗位很有帮助。
对于我们机电专业来说，在以后的工作中经常要做关于夹具的设计工作，在这里，我以连杆零件为例，对它的工艺过程和夹具进行设计。
做毕业设计可以把以前所学的知识加以综合运用，起到巩固学到的知识的作用，从而提高分析，解决问题的能力。
因此，认真的完成毕业设计是很有必要的。
机械制造工艺规程的制定需选择机械加工余量，机械加工余量的大小，不仅影响机械零件的毛坯尺寸，而且也影响工艺装备的尺寸，设备的调整，材料的消耗，切削用量的选择，加工工时的多少。
因此，正确的确定机械加工余量，对于节约金属材料，降低刀具损耗，减少工时，从而降低产品制造成本，保证加工质量具有十分重要的意义。
在这次设计过程中，广泛的收集各种资料及标准，课程设计中另一个重要的设计为专用夹具的设计。
专用夹具的设计是为了特殊加工工序的技术要求的加工。
夹具是机械制造厂使用的一种工艺装备,分为机床夹具、焊接夹具、装配夹具及检验夹具等。
各种金属切削机床上用于装夹工件的工艺装备，称机床夹具，如车床上使用的三爪自定心卡盘、铣床上使用的平口虎钳等。
一、机床夹具在机械加工中的作用
对工件进行加工时，为了保证加工要求，首先要使工件相对于刀具及机床有正确的位置，并使这个位置在加工过程中不因外力的影响而变动。
为此，在进行机械加工前，首先要将工件装夹好。
工件的装夹方法有两种：
一种是工件直接装夹在机床的工作台或花盘上；另一种是工件装夹在夹具上。
采用第一种方法夹工件时，一般要先按图样要求在工件表面划线，划出加工表面的尺寸和位置，装夹时用划针或百分表找正后再夹紧。
这种方法无需专用装备，但效率低，一般用于小批生产。
批量较大时，大都用夹具装夹工件。
用夹具装夹工件有下列优点：
（1）能稳定地保证工件的加工精度用夹具装夹工件时，工件相对于刀具及机床的位置精度由夹具保证，不受工人技术水平的影响，使一批工件的加工精度趋于一致。
（2）能提高劳动生产率使用夹具装夹工件方便、快速，工件不需要划线找正，可显著地减少辅助工时，提高劳动生产率；工件在夹具中装夹后提高了工件的刚性，因此可加大切削用量，提高劳动生产率；可使用多件、多工位装夹工件的夹具，并可采用高效夹紧机构，进一步提高生产率。
（3）能扩大机床的使用范围
（4）能降低成本在批量生产中使用夹具后，由于劳动生产率的提高、使用技术等级较低的工人以及废品率下降等原因，明显地降低了生产成本。
夹具制造成本分摊在一批工件上，每个工件增加的成本是极少的，远远小于由于提高劳动生产率而降低的成本。
工件批量愈大，使用夹具所取得的经济效益就愈显著。
二、机床夹具的分类
机床夹具的种类繁多，可以从不同的角度对机床夹具进行分类。
常用的分类方法有以下几种。
1.按夹具的使用特点分类
（1）通用夹具已经标准化的，可加工一定范围内不同工件的夹具，称为通用夹具，如三爪定心卡盘、机床用平口虎钳、万能分度头、磁力工作台等。
这些夹具已作为机床附件的专门工厂制造供应，只需选购即可。
（2）专用夹具专门为某一工件的某道工序设计制造的夹具，称为专用夹具。
专用夹具一般在批量生产中使用。
（3）可调夹具夹具的某些元件可调整或可更换，以适应多种工件加工的夹具，称为可调夹具。
它还分为通用可调夹具和成组夹具两类。
（4）组合夹具采用标准的组合夹具元件、部件，专为某一工件的某道工序组装的夹具，称为组合夹具。
（5）拼装夹具用专门的标准化、系列化的拼装夹具而成的夹具，称为拼装夹具。
它具有组合夹具的优点，但比组合夹具精度高、效能高、结构紧凑。
它的基础板和夹紧部件中常带有小型液压缸。
。
此类夹具更适合在数控机床上使用。
2. 按使用机床分类
夹具按使用机床可分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、齿轮机床夹具、数控机床夹具、自动机床夹具、自动线随行夹具以及其它机床夹具等。
3. 按夹紧的动力源分类
夹具按夹紧的动力源可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、气液增力夹具、电磁夹具以及真空夹具等。
三、机床夹具的组成
机床夹具的种类和结构虽然繁多，但它们的组成均可概括为下面几个部分。
1.定位装置
定位装置的作用是使工件在夹具中占据正确的位置。
2.夹紧装置
夹紧装置的作用是将工件压紧夹牢，保证工件在加工过程中受到外力作用是不离开已经占据的正确位置。
3.对刀或导向装置
对刀或导向装置用于确定刀具相对于定位元件的正确位置。
4.连接元件
连接元件是确定夹具在机床上正确位置的元件。
5.夹具体
夹具体是机床夹具的基础件。
6.其它装置或元件
它们是指夹具中因特殊需要而设置的装置或元件。
如需加工按一定规律分
布的多个表面时，常设置分度装置；为能方便、准确地定位，常设置预定位装置；对于大型夹具，常设置吊装元件等。
四、本设计的任务
本设计的任务是：
1.设计零件的工艺规程以及对典型夹具进行结构分析与精度分析
2.设计出夹具装配图
3.通过本课程的设计使学生具有一定的设计专用夹具的能力和分析生产中与夹具有关的技术问题的能力。
第一章连杆零件机械加工工艺规程的编制
第一节计算生产纲领，确定生产类型
一、计算生产纲领，确定生产类型
生产纲领的大小对生产组织和零件加工工艺过程起着重要的作用，它决定了各工序所需专业化和自动化的程度，以及所选用的工艺方法和工艺装备。
零件生产纲领可按下式计算。
N=Qn（1+a%）（1+b%）
根据教材中生产纲领与生产类型及产品大小和复杂程度的关系，确定其生产类型。
如图，为某产品上的一个连杆零件。
该产品年产量为5000台。
设其备品率为25%，机械加工废品率为0.2%，每台产品中该零件的数量为1件，现制定该连杆零件的机械加工工艺规程。
N=Qn（1+a%）（1+b%）
=5000*1*（1+25%）（1+0.2%）
=6262.5件/年
连杆零件的年产量为6262.5件，现已知该产品属于轻型机械，根据生产类型与生产纲领的关系查阅参考文献，确定其生产类型为大量生产。
连杆零件工件图
大量生产的工艺特征：
1）零件的互换性：
具有广泛的互换性，少数装配精度较高处，采用分组装配法和调整法。
2）毛坯的制造方法和加工余：
广泛采用金属模机器造型，铸或其他商效方法。
毛坯精度高，加工余量小。
3）机床设备及其布置形式：
广泛采用商效专用机床及自动机床，按流水线和自动排列设备。
4）工艺装备：
广泛采用高效夹具，复合刀具，专用量具或自动检验装置，靠调整法达到精度要求。
5）对工人的技术要求：
对调整工的技术水平要求高，对操作工的技术水平要求较低。
6）工艺文件：
有工艺过程卡或工序卡，关键工序要调整卡和检验卡。
7）成本：
较低。
8）生产率：
高。
9）工人劳动条件：
较好。
第二节零件的分析
一、零件的分析
（1）加工表面的尺寸精度和形状精度。
（2）主要加工表面之间的相互位置精度。
（3）加工表面的粗糙度及其他方面的表面质量要求。
（4）热处理及其他要求。
连杆零件的图样的视图正确，完整，尺寸，公差及技术要求齐全。
但基准孔Φ14H8mm要求Ra1.6μm比较高，需要绞孔。
本零件的两大小头孔的加工并不困难。
根据零件的技术要求，其大小头孔的两中心的平行度要求比较高，达Φ0.08mm，因此在加工时应设计一夹具来保证两孔中心的平行度要求。
另外就是该零件的油槽加工，分析该小孔是做油孔之用，位置精度不需要太高，只要钻至沟槽之内，即能使油路畅通就行。
再就是铣小头孔上十字形通槽，需要设计一夹具来加工。
二、选择毛坯及毛坯制造方法
（1）根据零件用途确定毛坯类型。
（2）根据批量（生产纲领）确定毛坯制造方法。
（3）根据手册查定表面加工余量及余量公差。
根据技术要求，零件材料为ZG310—570，即铸造碳钢。
主要化学成分W%
主要特性
用途举例
CSiMnPS
不大于
0.400.500.900.040.04
有较好强度、塑性、焊接、性能尚好。
轨刚机架模具、箱体、缸体连杆、曲轴等。
热处理
正火或退火温度[℃]
回火温度[℃]
870—890
620—680
机械性能
σb[N/mm²]
σs[N/mm²]
δs[%]
φ[%]
аk[J/cm²]
570
310
15
21
30
按GB/T5613—1995规定，铸钢牌号用“铸”和“钢”两字汉语拼音首位字母“ZG”后加工两组数字表示，第一组数字表示屈服点的最低值，第二组数字表示抗拉强度的最低值。
ZG310—570表示бs≥310MPa，бB≥570MPa的铸钢。
铸造碳钢的碳质量分数一般为0.15%—0.6%，其铸造性能比铸造铁差，但力学性能比铸造铁好。
主要用于制造形状复杂，力学性能要求高，而在工艺又很锻压等方法成形的比较重要的机械零件，例如汽车的变速箱壳，机车车辆的车销和联轴器等。
铸造碳钢的牌号，化学成分，力学性能[见表]
毛坯的制造方法：
根据毛坯的材料，生产类型，生产纲领及零件的复杂程度，毛坯可采用铸成型。
零件并不复杂，因此毛坯可以与零件的形状尽量接近。
两孔可不必锻出，直接加工。
通过查加工余量表，得两端面的总加工余量为3mm，毛坯尺寸可以通过加工余量确定。
选择毛坯铸的主要依据：
铸可锻造形状复杂的毛坯，尺寸精度较高，尺寸偏差0.1mm~0.2mm，表面粗糙度Ra为12.5μm，毛坯的钎维组织好，强度高，生产率较高，但需要专用锻模及锻锤设备。
大批量生产，适于锻造碳素钢，合金钢。
锻件加工表面直线度，平面度公差。
铸件长度为160mm，热处理为调质时，直线度和平面度公差的普通级为1.1mm，精密度为0.7mm。
第三节工艺规程设计
一、定位基面的选择
定位基面的选择是拟定零件的机械加工路线，确定加工方案中首先要做的重要工作。
基面选择得正确、合理与否，将直接影响工件的加工质量和生产率。
在选择定位基面时，需要同时考虑以下三个问题：
（1）以哪一个表面作为加工时的精基面或统一基准，才能保证加工精度，使整个机械加工工艺过程顺利地进行?
（2）为加工上述精基面或统一基准，应采用哪一个表面作为粗基面?
（3）是否有个别工序为了特殊的加工要求，需要采用统一基准以外的精基面?
精基面的选择：
根据精基面的选择原则，选择精基面时，首先应考虑基准重合的问即在可能的情况下，应尽量选择加工表面的设计基准为定位基准。
在连杆机械加工工艺过程中，大部分工序选用连杆的一个指定的端面和小头孔作为主要基面，并用大头孔处指定一侧的外圆面作为另一基面。
这是由于：
端面的面积大，定位比较稳定；用小头孔定位可直接控制大小头孔的中心距。
这样就使各工序的定位基准统一起来，减少定位误差。
再深入研究一下：
（1）根据零件图，连杆零件的大小头孔有一端面（即右端面）在一个平面上，因此可以同时加工出来，但另一端面（即左端面）不在一个平面上，这对作为定位基准面来说是不利的。
因此，在加工时需主意其定位方案的合理性。
（2）小头孔外圆作为基面，所以小头孔外圆表面的加工安排得比较早。
在小头孔与大头孔作为定位基面前的加工工序且钻孔、扩孔、铰孔，这些工序对于加工后的孔与孔的平行度不易保证，有时会影响到后续工序的加工精度，因此，在加工时应注意，选用合理的定位方案。
（3）在第一道工序中，工件的各个表面都是毛坯表面，定位和夹紧的条件都较差，而加工余量和切削力都较大，如果再遇上工件本身的刚性差，则对加工精度会有很大影响，因此第一道工序的定位和夹紧方法的选择，对于整个工艺过程的加工精度常有深远的影响。
连杆加工就是如此。
在粗铣中工件如何定位呢？
一个方法是以毛坯端面定位，在侧面和端部夹紧，粗铣一个端面后，翻身，以铣好的面定位，铣另一个毛坯面。
但是由于毛坯表面不平整，连杆的刚性差，定位夹紧时工件可能变形，粗铣后端面似乎平整了，一放松，工件又恢复变形，影响后续工序的定位精度。
二、连杆零件表面加工方法的选择
零件各表面加工方法和方案的选择，首先要保证加工表面的加工精度和表面粗糙度的要求，还须考虑生产率和经济性方面的要求，在选择时，应根据各种加工方法的特点及其经济加工精度和表面粗糙度，结合零件的特点和技术要求，慎重决定。
本零件的加工面有：
大小头孔两端面，小头孔外圆，大小头孔，十字形槽，大小孔端槽及螺纹孔。
大小头孔两端面：
未注公差，表面粗糙度为Ra3.2μm。
需进行粗铣及半精铣。
（见教材表3—16）
Φ30H11的大头孔：
公差等级为H11，表面粗糙度为Ra6.3μm，采用钻孔及扩孔即可加工出。
（见教材表3-15）
小头端Φ10的小孔：
未注公差及表面粗造度，采用钻加工即可。
Φ14H8的小头端不通孔：
公差等级为H8，表面粗糙度为Ra1.6μm，在已钻出的基础上扩孔及铰孔即可达到要求。
（见教材表3-15）
铣两个宽4mm，8mm的十字形通槽：
未注公差等级，表面粗糙度为Ra12.5μm，即采用粗铣就可以加工出来。
（见教材表3-16）
大头端Φ12深20的孔及螺纹孔：
Φ12mm的孔公差等级未注，表面粗糙度Ra12.5μm，先用Φ6的钻头钻通，再用Φ12的钻头钻至深20mm处，再攻M8的螺纹。
（见教材表3-15）
大头端4mm的小槽：
未注公差等级，表面粗糙度Ra12.5μm，采用粗铣。
（见教材表3-15）
大头端Φ5的油槽：
未注公差等级，表面粗糙度Ra12.5μm，采用钻加工（见教材表3-15）
零件各表面加工顺序的确定
①机械加工顺序安排
根据机械加工顺序安排时应遵循的原则，加工工序的步骤如下：
（1）安排大小头孔两端面的加工；
（2）安排钻大小头两孔；
（3）铣十字型通槽；
（4）钻大头端Φ6mm、Φ8mm的孔，攻M8的螺纹，铣大头端槽；
（5）最后钻大头端Φ5mm的油孔。
②热处理工序的安排
由于毛坯为铸件，在机械加工之前，首先安排正火处理，以消除锻造应力，改善金属组织，细化晶粒，改善切削性能。
③辅助工序的安排。
检验工序：
在热处理工序后安排中间检验工序，最后安排终结检验。
三、制定工艺路线
制定工艺路线主要是确定加工方法和划分加工阶段。
（1）选择加工方法应以零件加工表面的技术条件为依据，主要是加工面的尺寸精度、形状精度、表面粗糙度，并综合考虑各个方面工艺因素的影响。
一般是根据主要表面的技术条件先确定终加工方法，接着再确定一系列准备工序的加工方法，然后再确定其他次要表面的加工方法。
（2）在各表面加工方法选定以后，就需进一步考虑这些加工方法在工艺路线中的大致顺序，以定位基准面的加工为主线，妥善安排热处理工序及其他辅助工序。
（3）排加工路线图表。
当生产批量不同时零件的工艺路线也会有较大的差别，先在列出连杆零件大量生产时的工艺路线。
工序10：
铣连杆零件大小头孔两端面（有两种方案）
方案1：
大头两端面一起铣，再加工小端两端面。
此方案采用的定位方案是以连杆的大头外形及连杆杆身的对称面定位，这种定位方法使工件在夹紧是变形小，同时可以铣工件的两端面，使一部分切削力相互抵消，易于得到平面度较好的平面。
同时由于是以对称面定位，毛坯在加工后的外形偏差也比较小。
方案2：
大头孔小头孔，右端底平面一起铣，再分别铣大小头孔左端面，钻小头端孔，此方案采用的定位方案是：
以小头孔外圆面用V形块定位及以大头孔左端定位，加工右端面，加工好后以右端底平面定位及小头孔外圆定位。
加工另一端，及钻小头孔。
采用此种方案可以在定位基准不变的情况下同时加工几个面，即减小因基准不重合而产生的误差。
以上两种方案，各有各的优点及缺点，从多种角度考虑，我会选择方案2。
工序20：
钻小头端Φ10mm的通孔，再扩钻孔，铰孔至Φ14H8mm深40mm。
工序30：
钻大头端Φ30mm的通孔，然而扩Φ30H11mm的孔。
工序40：
粗铣宽4mm，8mm的十字形通槽。
工序50：
钻大头端Φ6mm的通孔，再用Φ12mm的钻头从左端钻至深20mm处，攻右端M8的螺纹，深20mm。
工序60：
粗铣大头端4mm的槽。
工序70：
钻Φ5mm的油孔。
四、选择加工设备及工艺装备
（1）根据零件加工精度、轮廓尺寸和批量等因素，合理确定机床种类及规格。
（2）根据质量、效率和经济性选择夹具种类和数量。
（3）根据工件材料和切削用量以及生产率的要求，选择刀具，应注意尽量选择标准刀具。
（4）根据批量及加工精度选择量具。
由于生产类型为大批生产，故加工设备宜以通用机床为主，辐以少量专用机床的流水生产线。
工件在各机床上的装卸及各机床间的传送均由人工完成。
①选择机床
A，工序10：
是粗铣和半精铣。
本零件外轮廓尺寸不大。
精度要求不是很高，选用X5025。
B，工序20，30，50，70：
可以在立式钻床上加工。
可选用Z5140立式钻床。
C，工序40：
可以在立式铣床上加工，可选用X5025。
D，工序60：
可用卧式铣床加工出。
可选用X6026。
②选择夹具
本连杆零件除加工十字型槽与钻Φ12mm孔，攻M8mm螺纹需设计专用夹具外，其他各工序使用通用夹具即可。
③选择刀具
A，铣十字型槽选错齿三面刃铣刀，零件要求铣刀深度为12mm。
铣刀直径应为110~150mm。
因此，所选铣刀：
十字型通槽宽4mm时，铣刀规格为d=16mm，D=50mm，L=4mm，齿数Z=12。
宽8mm时，铣刀规格为d=16mm,D=50mm，L=8mm，齿数Z=12。
B，铣大小头两端面时，铣刀选A类可转位面铣刀直径为50mm。
C，钻Φ10mm的小头端孔至尺寸Φ14H8mm，选用锥柄麻花钻，锥柄扩孔复合钻，扩孔时倒角。
选用锥柄机用绞刀。
D，钻、扩Φ30H11mm的大头端孔：
选用锥柄麻花钻，锥柄扩孔复合钻，扩孔时倒角。
E，钻Φ6mm的大头端孔，再用Φ12mm，的钻头钻至深20mm，选用锥柄麻花钻。
F，攻M8mm的螺纹：
选用机用丝锥。
G，钻Φ5mm的大头端油孔：
用Φ5mm直柄麻花钻。
④选择量具
本零件属大量生产，一般均采用量具，选择量具的方法有两种：
一是按计量器具的不确定度选择；二是按计量具的测量方法极限误差选择。
A，选择加工孔用量具，可选内径百分尺，选分度植为0.01mm。
B，选择加工槽所用量具，选用分度植为0.02mm,测量范围为0~150mm游标尺进行测量。
五、加工工序设计、工序尺寸及切削用量的计算
（1）用查表法确定工序余量。
（2）当无基准转换时，工序尺寸及其公差的确定应首先明确工序的加工精度。
（3）当有基准转换时的工序尺寸及其公差应由解算工艺尺寸链获得。
（4）确定工序尺寸一般的方法是，由加工表面的最后工序往前推算，最后工序的工序尺寸按零件图样的要求标注。
当无基准转换时，同一表面多次加工的工序尺寸只与工序（或工步）的加工余量有关。
有基准转换时，工序尺寸应用工艺尺寸链解算。
切削用量的选择
单件小批生产时，一般可由操作工人自定，大批生产条件下，工艺规程必须给定切削用量的详细数值，选择的原则是确保质量的前提下具有较高的生产率和经济性，具有选用可参考各类工艺人员手册。
⑴工序10粗铣及半精铣大小头孔两端面
查有关手册平面加工余量表，得半精加工余量Z为1mm，已知端面总余量Z总为3mm，故粗加工余量Z粗=（3-1）mm=2mm。
如图1.4（a）所示，半精铣右端面以左端面定位，工序尺寸为：
1.4（a）
X小精=61-0.5mm,
X大精=23mm
则粗铣右端面工序尺寸
X小精为62mm,X大精为24mm。
查教材表3－16平面加工方法，得粗铣加工公差等级为IT11~13，取IT11，其公差T小精=0.13mm，T大精=0.19mm，所以X小精=（62±0.065）mm,X大精=（24±0.095）mm。
加工端面的工步余量和工序尺寸及公差/mm
加工表面
工序边余量/mm
工序尺寸及公差/mm
表面粗糙度/um
粗半精
粗半精
粗半精
小头孔右端面
21
62±0.065 61±0.037
6.33.2
大头孔右端面
21
24±0.09523±0.026
6.33.2
小头孔左端面
21
59±0.06558-0.5
6.33.2
大头孔左端面
21
21±0.09520±0.026
6.33.2
校核精铣余量Z精
Z小精=X小精min−X小精max=[（62−0.13）−（61+0）]mm=0.87mm
Z大精=X大精min−X大精max=[（24−0.19）−23]mm=0.81mm
故余量足够。
查阅有关资料手册，取粗铣的每齿进给量fz=0.2mm/z。
半精铣的每转进给量f=0.05mm/z,粗铣走刀1次，ap=2mm。
半精铣走刀1次，ap=1mm。
取粗铣的主轴转速为150r/min，取半精铣的主轴转速为300r/min，又前面已选定铣刀直径D为Φ50mm，故相应的切削速度分别为：
粗加工Vc=πDn粗/1000=3.14*50*150/1000m/min=23.55m/min
半精加工Vc=πDn粗/1000=3.14*50*300/1000m/min=47.1m/min
⑵工序20：
钻、扩、铰Φ10的孔到Φ14H8
加工表面
加工方法
余量
公差等级
工序尺寸
深度
Φ14
钻孔
6
IT11
Φ12
40
Φ14H8
扩孔
0.9（单边）
IT10（58µm）
Φ13.8+0.058
40
Φ14H8
铰孔
0.1（单边）
IT8（27µm）
Φ14+0.027
40
Φ14H8的孔钻、扩、铰余量参考有关资料手册Z扩=0.9mm，Z铰=0.1mm，由此可推算出Z钻=（14/2-0.9-0.1）=6mm。
钻、扩、铰Φ10的孔到Φ14H8的加工余量
参考Z25140机床技术参数表，取钻孔Φ14H8的进给量f=0.3mm/r，参考有关资料得钻孔Φ12的v=0.435m/s=26.1m/min。
由此算出转速为：
n=1000v/Πd=1000*26.1/3.14*12r/min=692.68r/min
按机床实际转速取n=630r/min，则实际切削速度为：
Vc=∏dn/1000=3.14*12*630/1000m/min=23.74m/min
查有关资料得：
Ff=9.81*42.7dof0.8KF（N）
M=9.81*0.021dof0.8KM（N·m）
钻Φ12mm的孔Ff和M如下：
Ff=9.81*42.7*12*0.30.8*1N=1918.56N
M=9.81*0.021*12²*0.30.8*1N·m=11.32N·m
扩孔Φ13.8mm，参考有关资料，并参考机床实际进给量，取f=0.3mm/r，（因扩的是盲孔，所以进给量取得较小）
参考有关资料，扩孔切削速度为钻孔是的1/2-1/3，故取扩孔时=1/2*23.74m/min=11.87m/min。
由此算出转速为：
n=1000v/Πd=1000*11.87/3.14*13.8r/min=273.93r/min
按机床实际转速取n=300r/min。
参考有关资料，取铰孔的切削速度为Vc=0.3m/s=18m/min。
由此算出转速为：
n=1000v/Πd=1000*18/3.14*14r/min=409.46r/min
按机床实际转速取为n=400r/min。
则实际切削速度为：
Vc
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