支架加工工艺及夹具设计

支架加工工艺及夹具设计

摘要

在生产过程中，使生产对象（原材料，毛坯，零件或总成等）的质和量的状态发生直接变化的过程叫工艺过程，如毛坯制造，机械加工，热处理，装配等都称之为工艺过程。在制定工艺过程中，要确定各工序的安装工位和该工序需要的工步，加工该工序的机床及机床的进给量，切削深度，主轴转速和切削速度，该工序的夹具，刀具及量具，还有走刀次数和走刀长度，最后计算该工序的基本时间，辅助时间和工作地服务时间。

关键词：工艺规程；定位误差；夹紧；加工余量；夹紧力

Processing technology and fixture design of stent

ABSTRCT

The design of the content relates to the machinery manufacturing technology and machine tool fixture design, metal cutting machine tool, tolerance and measuring and other aspects of knowledge.

Fixture design process of drilling pump cover and reaming holes is designed with 18H7 include part machining process design, process design and fixture three. In process design should first of all parts for analysis, to understand part of the process to design blank structure, and choose the good parts machining datum, design the process routes of the parts; then the parts of each step in the process to the size calculation, the key is to determine the craft equipment and the cutting dosage of each working procedure design; then the special fixture, the fixture for the various components of the design, such as the connecting part positioning devices, clamping element, a guide element, fixture and machine tools and other components; positioning error calculated by the analysis of fixture, jig structure the rationality and the deficiency, pay attention to improving and will design in.

Key words: process, process, cutting dosage, clamping, positioning, error.

目录

1 绪论 (4)

1.1机械加工工艺概述 (5)

1.2机械加工工艺流程 (6)

1.3夹具概述 (6)

1.4机床夹具的功能 (7)

1.5机床夹具的发展趋势 (7)

1.5.1机床夹具的现状 (8)

1.5.2现代机床夹具的发展方向 (8)

2 工艺规程的设计 (8)

2.1零件的工艺分析及生产类型的确定 (9)

2.1.1零件的工艺分析 (9)

2.1.2零件的生产类型 (10)

2.2选择、确定毛坯图 (11)

2.2.1 选择毛坯 (11)

2.2.2确定加工余量，毛坯尺寸及公差 (12)

2.2.3确定机械加工余量 (13)

3 加工工序设计 (14)

3.1选择加工装备和工艺设备 (14)

3.2 确定工序尺寸 (15)

4工艺专用夹具的设计 (16)

4.1问题的提出 (16)

4.2 定位基准的选择 (16)

4.3切削力及夹紧力计算 (17)

4.4定位误差分析 (15)

4.5确定切削用量及基本时间 ......................... 错误！未定义书签。

4.6夹具设计及操作简要说明 (19)

总结 (20)

参考文献 (18)

致谢 (21)

1 绪论

1.1 机械加工工艺概述

机械加工工艺是指用机械加工的方法改变毛坯的形状、尺寸、相对位置和性质使其成为合格零件的全过程，加工工艺是工人进行加工的一个依据。

机械加工工艺流程是工件或者零件制造加工的步骤，采用机械加工的方法，直接改变毛坯的形状、尺寸和表面质量等，使其成为零件的过程称为机械加工工艺过程。比如一个普通零件的加工工艺流程是粗加工-精加工-装配-检验-包装，就是个加工的笼统的流程。

机械加工工艺就是在流程的基础上，改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等，使其成为成品或半成品，是每个步骤，每个流程的详细说明，比如，上面说的，粗加工可能包括毛坯制造，打磨等等，精加工可能分为车，钳工，铣床，等等，每个步骤就要有详细的数据了，比如粗糙度要达到多少，公差要达到多少。

技术人员根据产品数量、设备条件和工人素质等情况，确定采用的工艺过程，并将有关内容写成工艺文件，这种文件就称工艺规程。这个就比较有针对性了。每个厂都可能不太一样，因为实际情况都不一样。

总的来说，工艺流程是纲领，加工工艺是每个步骤的详细参数，工艺规程是某个厂根据实际情况编写的特定的加工工艺。

1.2机械加工工艺流程

机械加工工艺规程是规定零件机械加工工艺过程和操作方法等的工艺文件之一，它是在具体的生产条件下，把较为合理的工艺过程和操作方法，按照规定的形式书写成工艺文件，经审批后用来指导生产。机械加工工艺规程一般包括以下内容：工件加工的工艺路线、各工序的具体内容及所用的设备和工艺装备、工件的检验项目及检验方法、切削用量、时间定额等。

制订工艺规程的步骤

1) 计算年生产纲领，确定生产类型。

2) 分析零件图及产品装配图，对零件进行工艺分析。

3) 选择毛坯。

4) 拟订工艺路线。

5) 确定各工序的加工余量，计算工序尺寸及公差。

6) 确定各工序所用的设备及刀具、夹具、量具和辅助工具。

7) 确定切削用量及工时定额。

8) 确定各主要工序的技术要求及检验方法。

9) 填写工艺文件。

在制订工艺规程的过程中，往往要对前面已初步确定的内容进行调整，以提高经济效益。在执行工艺规程过程中，可能会出现前所未料的情况，如生产条件的变化，新技术、新工艺的引进，新材料、先进设备的应用等，都要求及时对工艺规程进行修订和完善。

1.3夹具概述

夹具是一种装夹工件的工艺装备，它广泛地应用于机械制造过程的切削加工、热处理、装配、焊接和检测等工艺过程中。

在金属切削机床上使用的夹具统称为机床夹具。在现代生产中，机床夹具是一种不可缺少的工艺装备，它直接影响着加工的精度、劳动生产率和产品的制造成本等，帮机床夹具设计在企业的产品设计和制造以及生产技术准备中占有极其重要的地位。机床夹具设计是一项重要的技术工作。

“工欲善其事，必先利其器。”工具是人类文明进步的标志。自20世纪末期以来，现代制造技术与机械制造工艺自动化都有了长足的发展。但工具（含夹具、刀具、量具与辅具等）在不断的革新中，其功能仍然十分显著。机床夹具对零件加工的质量、生产率和产品成本都有着直接的影响。因此，无论在传统制造还是现代制造系统中，夹具都是重要的工艺装备。

1.4机床夹具的功能

在机床上用夹具装夹工件时，其主要功能是使工件定位和夹紧。

1．机床夹具的主要功能

机床夹具的主要功能是装工件，使工件在夹具中定位和夹紧。

（1）定位确定工件在夹具中占有正确位置的过程。定位是通过工件定位基准面与夹具定位元件面接触或配合实现的。正确的定位可以保证工件加工的尺寸和位置精度要求。

（2）夹紧工件定位后将其固定，使其在加工过程中保持定位位置不变的操作。由于工件在加工时，受到各种力的作用，若不将工件固定，则工件会松动、脱落。因此，夹紧为工件提供了安全、可靠的加工条件。

2．机床夹具的特殊功能

机床夹具的特殊功能主要是对刀和导向。

（1）对刀调整刀具切削刃相对工件或夹具的正确位置。如铣床夹具中的对刀块，它能迅速地确定铣刀相对于夹具的正确位置。

（2）导向如钻床夹具中的钻模板的钻套，能迅速地确定钻头的位置，并引导其进行钻削。导向元件制成模板形式，故钻床夹具常称为钻模。镗床夹具（镗模）也具有导向功能。

1.5机床夹具的发展趋势

随着科学技术的巨大进步及社会生产力的迅速提高，夹具已从一种辅助工具发展成为门类齐全的工艺装备。

1.5.1机床夹具的现状

国际生产研究协会的统计表明，目前中、小批多品种生产的工作品种已占工件种类总数的85%左右。现代生产要求企业所制造的产品品种经常更新换代，以适应市场激烈的竞争。然而，一般企业仍习惯于大量采用传统的专用夹具。另一方面，在多品种生产的企业中，约4年就要更新80%左右的专用夹具，而夹具的实际磨损量仅为15%左右。特别是近年来，数控机床（NC）、加工中心（MC）、成组技术（GT）、柔性制造系统（FMS）等新技术的应用，对机床夹具提出了如下新的要求：

1）能迅速而方便地装备新产品的投产，以缩短生产准备周期，降低生产成本。

2）能装夹一组具有相似性特征的工件。

3）适用于精密加工的高精度机床夹具。

4）适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具。

5）采用液压或气压夹紧的高效夹紧装置，以进一步提高劳动生产率。

6）提高机床夹具的标准化程度。

1.5.2现代机床夹具的发展方向

现代机床夹具的发展方向主要表现为精密化、高效化、柔性化、标准化四个方面。

精密化

随着机械产品精度的日益提高，势必相应提高了对夹具的精度要求。精密化夹具的结构类型很多，例如用于精密分度的多齿盘，其分度精度可达±0.1；用于精密车削的高精度三爪卡盘，其定心精度为5μm；精密心轴的同轴度公差可控制在1μm内；又如用于轴承套圈磨削的电磁无心夹具，工件的圆度公差可达0.2～0.5μm。

高效化

高效化夹具主要用来减少工件加工的基本时间和辅助时间，以提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度。常见的高效化夹具有：自动化夹具、高速化夹具、具有夹紧动力装置的夹具等。例如，在铣床上使用电动虎钳装夹工件，效率可提高5倍左右；在车床上使用的高速三爪自定心卡盘，可保证卡爪在（试验）转速为2600r/min的条件下仍能牢固地夹紧工件，从而使切削速度大幅度提高。

柔性化

机床夹具的柔性化与机床的柔性化相似，它是指机床夹具通过调整、拼装、组合等方式，以适应可变因素的能力。可变因素主要有：工序特征、生产批量、工件的形状和尺寸等。具有柔性化特征的新型夹具种类主要有：组合夹具、通用可调夹具、成组夹具、拼装夹具、数控机床夹具等。在较长时间内，夹具的柔性化将是夹具发展的主要方向。

标准化

机床夹具的标准化与通用化是相互联系的两个方面。在制订典型夹具结构的基础上，首先进行夹具元件和部件的通用化，建立类型尺寸系列或变型，以减少功能用途相近的夹具元件和部件的型式，屏除一些功能低劣的结构。通用化方法包括夹具、部件、元件、毛坏和材料的通用化。夹具的标准化阶段是通用化的深入，主要是确立夹具零件或部件的尺寸系列，为夹具工作图的审查创造良好的条件。目前我国已有夹具零件及部件的国家标准：GB/T2148~T2259—91以及各类通用夹具、组合夹具标准等。机床夹具的标准化，有利于夹具的商品化生产，有利于缩短生产准备周期，降低生产总成本。

2 工艺规程的设计

2.1零件的工艺分析及生产类型的确定

2.1.1零件的工艺分析

所加工零件图如下图所视

从零件图上可以看出，主要加工表面可以分为四个部分。

1、125X15下端面，加工时要保证公差要求，以及表面粗糙度Ra1.6，表面要求较高。

2、30X75凹槽，粗糙度要求Ra3.2。

3、20XR10腰孔；粗糙度要求Ra3.2。

4、42XR5腰孔；保证公差要求以及粗糙度要求Ra6.3。

根据各加工方法的经济精度及一般机床所能达到的位置精度，该零件没有很难加工的表面，上述各表面的技术要求采用常规加工工艺均可以保证。

2.1.2 零件的生产类型

依设计题目知：Ｑ＝２０００台／年，n=1件／台，结合生产实际，备产率α和废品率β分别取为１０％和１％。带入公式得该零件的生产纲领Ｎ＝２０００×１×（１+１０％）×（１+１％）＝２２２２件／年

零件是支架，质量为０.８５kg,查表２-１可知其属轻型零件，生产类型为大批生产。

2.2选择毛坯，确定毛坯尺寸，设计毛坯图

2.2.1选择毛坯

该零件材料为ＨＴ２００，考虑到零件的结构以及材料，选择毛坯为铸件，由于零件年产量较大属于大批量生产，而且零件的轮廓尺寸不大，故采用金属型铸造。这从提高生产率，保证加工精度以及节省材料上考虑，是合理的。

2.2.2确定机械加工余量，毛坯尺寸和公差

参见本书第五章第一节，灰铸铁的公差及机械加工余量按表５-３和表５-４确定。要确定毛坯的尺寸公差及机械加工余量，应先确定如下各项因素。

铸件机械加工余量等级该值由铸件的成型方法和材料确定，成型方法为金属型铸造，材料为灰口铸铁，确定加工余量等级为Ｄ～Ｆ。

铸件尺寸公差根据表５-３毛坯铸件的基本尺寸处于１００～１６０之间，而铸件的尺寸公差等级取为８级，取铸件的尺寸公差为１.８mm。

2.2.3确定机械加工余量

根据查得的毛坯的加工余量等级为Ｄ～Ｆ，以及铸件的尺寸，定铸件的机械加工余量为１.５mm。

2.2.4确定毛坯尺寸

根据成型零件的基本尺寸，以及确定的机械加工余量和铸件的尺寸公差确定毛坯的尺寸为基本尺寸加上5mm。

2.2.5确定毛坯尺寸公差

根据表５-３毛坯的尺寸公差等级去为８级，确定尺寸公差为１.８mm。

2.2.6设计毛坯图

毛坯图如下图所视。

3加工工序设计

3.1选择加工设备与工艺装备

(1).选择机床根据不同的工序选择机床。

a)第一工序是粗铣。

工序的工步数不多，成批生产不要求很高的生产率，故选用立式铣床。根据零件外廓尺寸，精度要求，选用X51式立式铣床即能满足要求。

b)第二工序工序是粗铣，精铣，根据零件外廓尺寸，精度要求，选用X51式立式铣床即能满足要求。

c)第三工序是粗铣，选用一般精度的铣床足够；

d)第四工序工序也是铣床，根据零件外廓尺寸，精度要求，选用X51式立式铣床即能满足要求。

(2).选择夹具

本零件结构不规则，不易进行装夹、定位，故工序一，工序二，工序三工序四均选择专用夹具。

(3).选择刀具根据不同的工序选择刀具。

a)工序一铣端面时，在立式铣床上加工，所以选择端铣刀。按表查得，选用镶齿套式面铣刀根据零件加工尺寸，所选铣刀直径D＝20mm，齿数Z＝4。材料选择硬质合金钢。

b)工序二粗铣，精铣时，选择铣刀直径D＝20mm，齿数Z＝4。材料选择硬质合金钢。

c)工序三铣端面时，在立式铣床上加工，所以选择端铣刀。按表查得，选用镶齿套式面铣刀根据零件加工尺寸，所选铣刀直径D＝6mm，齿数Z＝4。材料选择硬质合金钢。

d)工序四粗铣，精铣时，选择铣刀直径D＝6mm，齿数Z＝4。材料选择硬质合金钢。

(4).选择量具

本零件属成批生产，一般情况下尽量采用通用量具。根据零件表面的精度要求、尺寸和形状特点，参考有关资料，选择如下。

选择加工平面所用量具。

铣端面，选择读数值0.02，测量范围0～150游标卡尺。

3.2确定工序尺寸

本零件各工序加工余量，工序尺寸及公差，表面粗糙度见下表。（mm）

4工艺专用夹具的设计

为了提高劳动生产率，保证加工质量，降低劳动强度，需要设计专用夹具。有老师分配的任务，我被要求设计工序一，设计一套铣削30X70深2.0的凹槽的铣床夹具。

4.1 问题的提出

本夹具主要用于铣削30X70X2.0凹槽，本道工序加工精度要求较高，需要经过粗铣，精铣等工序完成，为此，只考虑如何提高生产效率上，精度也需要考虑。

4.2 定位基准的选择

拟定加工路线的第一步是选择定位基准。定位基准的选择必须合理，否则将直接影响所制定的零件加工工艺规程和最终加工出的零件质量。基准选择不当往往会增加工序或使工艺路线不合理，或是使夹具设计更加困难甚至达不到零件的加工精度（特别是位置精度）要求。因此我们应该根据零件图的技术要求，从保证零件的加工精度要求出发，合理选择定位基准。此道工序后面还有精加工，因此本次铣有着较高的技术要求，也有较高的平行度和对称度要求，所以我们应考虑如何提高劳动效率，降低劳动强度，提高加工精度。由于该零件所设计的为铣削30X70X2.0凹槽的夹具，工件左端面及两侧面作为定位面，本套

设计定位方案，两支承板与工件左端面相配合限制三个自由度（即X 轴转动、Y 轴转动、Z 轴移动），另一支承板相配合限制两个自由度（即Y 轴移动、Z 轴转动），螺栓与一侧面相配合限制一个自由度（即X 轴移动），这样工件被完全定位。

4.3 切削力及夹紧力计算

由资料《机床夹具设计手册》查表721--可得：

切削力公式：P f K f D F 75.02.1412= 式（2.17） 式中 mm D 10= r mm f /3.0=

查表821--得：

95.0)190(6.0==HB K p 即：)(69.1980N F f =

实际所需夹紧力：由参考《机床夹具设计手册》表1121--得：

K F W f K ?=

安全系数K 可按下式计算，由式（2.5）有：： 6543210K K K K K K K K =

式中：60~K K 为各种因素的安全系数，见参考文献[16]《机床夹具设计手册》表121-- 可得：

25.20.10.13.12.10.12.12.1=??????=K

所以 )(55.445625.269.1980N F K W f K =?=?=

由计算可知所需实际夹紧力不是很大，为了使其夹具结构简单、操作方便，决定选用手动螺旋夹紧机构。

取25.2=K ，16.01=μ，2.02=μ

螺旋夹紧时产生的夹紧力，由式（2.9）有：：

)(5830)(210N tg tg QL W z =++'=?αγ?γ

式中参数由《机床夹具设计手册》可查得：

33.9='γ 675.5=z r 901=? 0592'= ? 631'= α

其中：)(140mm L = )(80N Q =

由《机床夹具设计手册》表2621--得：原动力计算公式：

由上述计算易得： K W W >>0

因此采用该定位机构工作是可靠的。

4.4 定位误差分析

一批工件在卡具中定位时，各个工件所占据的位置不完全一致，因此使加工后，各工件加工尺寸的不一致，而形成误差，即工件定位时造成的加工表面相对工序基准的误差。 形成原因有两个，一是由于定位基准 与设计基准不重合而造成。二是定位基准与限位基准不重合而造成。

根据零件图可知，T=0.28mm ， T d =0.25mm ，，?=96a 。04.012

sin 12T DW d =-=?）（α 已知孔的形状公差为0.28，根据经验公式，T 5

1T 31DW -=?易知此结果符合。 4.5确定切削用量及基本时间

a)切削用量

本工序为铣，已知加工材料为HT200，铸件；机床为X51式立式铣床，工件装夹在专用夹具上。

（1）确定背吃刀量aP 本工序加工余量aP=3mm 。

（2）确定每齿进给量fz 本工序要求加工表面粗糙度为Ra ≤6.3μm ，侧面表面粗糙

度为Ra ≤12.5μm ，于是取每转进给量fr=0.6mm/r ，则fz=fr/z=0.15mm/z

（3）选择铣刀磨钝标准及寿命

查表得后刀面最大磨损限度为0.5mm ，刀具寿

命为180min

（4）确定切削速度v 和工作台每分钟进给量fM 0v v v v v v v x y u p m p z e C d q v k T a f a z

= 当寿命为180min ，d0/z=32/4=8，aP=3mm ，fz=0.15mm/z 时，v=90m/min ，n=1000r/min ，

fM=316mm/min 。其修正系数为kMv= kMn= kMfn=0.89

Kkrv= kkrn= kkrfn=1.1

所以v=91m/min n=1100r/min fM=309.4mm/min

根据X51立式铣床说明书选择

n=1225r/min fM=300mm/min

则实际切削速度和每齿进给量为

v=94.3m/min fz=0.14mm/z

b)基本时间

经计算平面铣削长度为125mm ，入切量及超切量取铣刀直径的一半。12j Mz l l l T f ++=

故铣削该平面的基本时间为

Ti= (125+15)/70=2s

4.6 夹具设计及操作简要说明

本夹具用于在铣床上加工30X70X2.0凹槽。工件以下斜平面为定位基准，在固定销和压板板上实现完全定位。采用光面夹板夹紧工件。该夹紧机构操作简单、夹紧可靠。 铣夹具装配图如下图所示

铣槽夹具装配图

总结

通过本次设计过程，我对机械制造技术基础，机械制造装备设计和大部分专业课知识进行了复习，加深了对专业课知识的认识，同样了解到了自己在知识实际运用方面的不足。在设计中，我通过查寻各种资料，结合所学知识，在老师的指导下掌握了夹具设计的过程方法，更加深该了机械行业需要严谨态度的认识。本次设计对以后的专业课设计，毕业设计都起到了很大的作用，同样为以后工作打下了基础。

参考文献

[1]王仲，刘长吉 .连杆机械加工工艺探讨[J].内燃机，1997，1:13~16

[2]陈志亮.柴油机连杆加工工艺分析[J].湖南农机，1997，4:22

[3]冯日德.6170柴油机连杆、机体加工中几个难点问题的工艺性研究[D].天津：天津大学，2003

[4]程熙.热能与动力工程机械制造工艺学[M].北京：机械工业出版社，2000.3

[5]王启平.机械加工工艺简明手册.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.2006.56～68

[6]SAE International， Warrendale， Pennsylvania .Benchmarking the Industry: Powder Forging Makes a Better Connecting Rod[J]. Technical Papers，2005

[7]Technological study of liquid die forging for the aluminum alloy connecting rod of an air compressor[J].journal of materials processing technology，2003，2:462~464

[8]崔金岭.柔性夹具的技术研究与创新设计[D].硕士学位论文.苏州：苏州大学机械设计及自动化，2008

[9]顾怀祥.浅谈连杆加工工艺中的一些新技术[J].柴油机设计与制造，2003，2：45~48

[10]曾景华，高国清. 福建省科协第五届学术年会数字化制造及其它先进制造技术专题学术年会论文集[C]，2005

[11]陈志亮.发动机连杆制造工艺改进分析[J].机床与液压，2003，1：281~282

[12]干方建，潘晓阳，胡开文.加工误差的综合分析和铣夹具加工应用实例[J].机械设计与制造工程，2002，31(1)：20~23

[13]刘燕萍.连杆夹具的设计[J].机械工程与自动化，2004，2：48~51

[14]冯之敬.机械制造工程原理[M].北京：清华大学出版社，2005.305

[15]郑修本.机械制造工艺学[M].北京：机械工业出版社，1999.236

[16]孙丽媛.机械制造及专用夹具[M].北京：冶金工业出版社，2003

[17]于俊一.典型零件的制造工艺[M].北京：机械工业出版社，1989.1

[18]陈家瑞.汽车构造[M].北京：机械工业出版社.2005.166

[19]许峰，满长忠.内燃机工艺制造教程[M].大连：大连理工大学出版社，2006.203

[20]严绍华.热加工工艺基础（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2007.242

[21]崔洪.典型零件的设计特点与加工工艺过程分析[J].山东内燃机.2002，2

[22]柯建宏.机械制造技术基础课程设计[M].武汉：华中科技大学出版社，2008

[23]庞学慧，武文革，成云平.互换性与测量技术[M].北京：国防工业出版社，2006

[24]王先逵.机械加工工艺手册[M].北京：机械工业出版社，2007

致谢

合上漫溢墨香的设计论文，已是夜凉如水，遥望夜空，星光灿烂。历时半载的毕业设计撰写工作，终于告了一个段落，掩卷而思，心中却惶恐不安，唯恐这份代表我四年本科学习成果的毕业论文有负师长与亲友的厚望。我深知前进的每一步，都凝聚着众多的关怀与爱护。在此，我只能借本文一隅表达自己内心的感激之情。

感谢我的导师，他将我收入门下，不弃粗砺，悉心教诲。从他那里我不仅学到了许多知识，而且也被他严谨的治学态度、广博的学识、敏捷的洞察力与谦和的人格魅力深深的感染。指导老师对我的论文倾注了大量的心血，从选题、提纲的拟订、初稿、修改稿直至最后定稿，每一个环节都得到了他悉心指导和帮助。师恩似海，终生难忘!

感谢在我大学学习期间给予我帮助和关爱的所有同学，特别是同寝的同学为本文在撰写过程中搜集各种资料，提出各种合理的意见和建议，特别感谢他们！

衷心感谢我的母亲，在我的学习和生活中，她给了我无私的关怀和帮助，面对她始终如一的理解、宽容和鼓励，我的感激之情难以用言语表达，但愿学有所成，能报于万一。

最后，感谢百忙之中抽出时间评阅的老师和参加论文答辩的老师，并向他们致以深深的谢意。