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机械加工工艺分析与改进设计

作者：陈军

摘要：我们必须仔细了解零件结构，认真分析零件图,培养我们独立识图能力,增强我们对零件图的认识和了解,通过对零件图的绘制,不仅能增强我们的绘图能力和运用autoCAD软件的能力。

制订工艺规程、确定加工余量、工艺尺寸计算、工时定额计算、定位误差分析等。在整个设计中也是非常重要的,通过这些设计,不仅让我们更为全面地了解零件的加工过程、加工尺寸的确定,而且让我们知道工艺路线和加工余量的确定,必须与工厂实际的机床相适应。这对以前学习过的知识的复习,也是以后工作的一个铺垫。

在这个设计过程中,我们还必须考虑工件的安装和夹紧.安装的正确与否直接影响工件加工精度,安装是否方便和迅速,又会影响辅助时间的长短,从而影响生产率,夹具是加工工件时,为完成某道工序,用来正确迅速安装工件的装置.它对保证加工精度、提高生产率和减轻工人劳动量有很大作用。这是整个设计的重点,也是一个难点。

关键词：工艺编程、工艺分析、夹具设计

目录

摘要 (1)

目录 (2)

绪论 (3)

第一章:机械加工工艺分析 (3)

1.1件结构的工艺性分析及毛坯的选择 (3)

1.2定位基准的选择 (4)

1.3 加工工序的设计 (4)

1.4工艺路线的拟定 (5)

第二章：制动杆零件的加工工艺分析 (5)

2.1毛坯的制造形式 (5)

2.2基准面的选择 (5)

2.3制订工艺路线 (6)

2.4机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定 (8)

2.5确定切削用量及基本工时 (9)

第三章：30*40专用夹具的设计 (11)

3.1专用夹具的设计要求 (11)

3.2夹具设计 (12)

总结 (16)

参考资料 (16)

绪论

本课题是对制动杆零件工艺规程及40×30面铣削夹具的设计，对此研究我查阅了大量的资料，首先明白机械加工工艺过程就是用切削的方法改变毛坯的形状、尺寸和材料的物理机械性质成为具有所需要的一定精度、粗糙度等的零件。

在整工艺规程个设计过程中,我们将学习到更多的知识。在设计工艺规程之后，我还要进行40×30面铣削夹具的设计。

夹具又称卡具。从广义上说，在工艺过程中的任何工序，用来迅速、方便、安全地安装工件的装置，都可称为夹具。

第一章:机械加工工艺分析

1.1零件结构的工艺性分析及毛坯的选择

1、零件的工艺性分析:是指所设计的零件在满足要求的前提下制造的可行性和经济性。相同的零件其结构工艺性可以相差很大。

2、零件的结构工艺性分析包括：零件尺寸和公差标注，零件的组成要素和整体结构的分析。

3、工艺性分析的内容

1）审查零件图是否完整。

2）分析技术要求是否合理。例如：加工表面的尺寸精度、形状精度、相互位置精度是否合理，还有表面质量要求以及热处理要求是否合理。

4、毛坯的选择

1）毛坯的种类

铸造毛坯：适合做形状复杂的零件。

锻造毛坯：适合做形状简单的零件。

型材：适合做轴、平板类零件。

焊接毛坯：适合做板类、框架类零件。

2）毛坯选择的原则

选择原则：毛坯的形状和尺寸应尽量接近零件的形状和尺寸以减少机械加工。

毛坯选择应考虑的因素：

生产纲领大小：对于大批量生产应选择高精度的毛坯，以减少机械加工，节省材料。

现有生产条件：要考虑现有毛坯制造水平和设备条件。

1.2 定位基准的选择

1|、基准的定义：在零件图上或实际零件上，用来确定其他点、线

面位置时所依据的那些点、线、面就称为基准。

2、基准的分类

1）设计基准：零件图上用来确定其点线面位置的基准。

2）工艺基准：是加工、测量、装配过程中使用的基准。

3、基准的选择

粗基准：采用毛坯上未加工的表面作为基准。

精基准：采用加工过的表面作为基准。

基准的选择遵循以下四个原则

1）基准重合原则：（1）设计基准与定位基准不重合误差只会发生在用调整法获得加工尺寸的情况。

（2）基准不重合误差值等于设计基准与定位基准之间的差值。

2）基准统一原则:整个工艺过程或有关几道工序采用同一个定位基准来定位。

采用基准统一原则有利于：（1）简化工艺过程的制定及夹具的设计。

（2）避免基准转换带来误差。

3) 互为基准：使加工面间有较高的位置精度，又使其加工余量小而均匀，可采用反复加工互为基准原则。

4）自为基准：不能提高加工面的位置精度，只能提高自身的精度。

1.3 加工工序的设计

1、加工余量的概念

1)总加工余量：指零件加工程中某加工表面切去总金属层的厚度。

2)工序余量：一道工序内切去金属层的厚度，为相邻两工序的尺寸差。

1、31加工余量确定的方法

1）经验估值法：靠经验估值确定，一般用于小批量生产。

2）查表法：根据手册中的数据确定，应用较多。

3）分析计算法：根据试验资料和公式计算，综合确定比较真实科学，用于大量生产。

2、加工方法和方案的选择

1）根据加工表面的技术要求确定加工方法和方案。

2）要考虑被加工材料的性质。

3)要考虑生产纲领，及生产率和经济效率。

4）要考虑现有设备和生产条件。

1．4工艺路线的拟定

1、工艺规程的定义：规定产品或零件的制造工艺过程和操作方法等工艺文件称为工艺规程。

2、工艺路线的内容与步骤：

1）分析零件图和产品装配图。

2）对零件图和装配图进行工艺审查

3）由零件生产纲领确定生产类型

4）确定毛坯种类

5）拟定零件加工工艺路线

6）确定各工序所用机床设备和工艺装备

7）确定各工序的加工余量及计算尺寸公差

8）确定各工序的技术要求和检验方法

9）确定各工序的切削用量及工时定额

10）编制工艺文件

这是我对加工工艺做的简单分析，第二章我将用实例来详细分析一下制动杆的加工工艺。

第二章：制动杆零件的加工工艺分析

2.1毛坯的制造形式

零件的材料HT200。由于年产量为4000件，达到大批生产的水平，而且零件的轮廓尺寸不大，铸造表面质量的要求高，故可采用铸造质量稳定的，适合大批生产的金属模铸造。便于铸造和加工工艺过程，而且还可以提高生产率。

2.2基准面的选择

基准面的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证，生产率得以提高。否则，加工工艺过程中会问题百出，更有甚者，还会造成零件大批报废，使生产无法正常进行。

2.2.1粗基准的选择对于本零件而言，按照粗基准的选择原则，选择本零件的不加工表面是加强肋所在的肩台的表面作为加工的粗基准，可用装夹对肩台进行加紧，利用一个V形块支承 45圆的外轮廓作主要定位，以限制z、z、y、y四个自由度。再以一面定位消除x、x两个自由度，达到完全定位,就可加工Φ25的孔。

2.2.2精基准的选择

精基准的选择应从保证零件加工精度出发，同时考虑装夹方便、夹具结构简单。选择精基准一般应考虑如下原则：

1.“基准重合”原则

为了较容易地获得加工表面对其设计基准的相对位置精度要求，应选择加工表面的设计基准为其定位基准。这一原则称为基准重合原则。如果加工表面的设计基准与定位基准不重合，则会增大定位误差。

2.“基准统一”原则

当工件以某一组精基准定位可以比较方便地加工其它表面时，应尽可能在多数工序中采用此组精基准定位，这就是“基准统一”原则。采用“基准统一”原则可保证同轴度和垂直度等，减少工装设计制造的费用，提高生产率，并可避免因基准转换所造成的误差。

3.精基准选择应保证工件定位准确、夹紧可靠、操作方便。

对于本零件，有中心孔，中心孔是其设计基准又是定位基准，而且以中心孔为精基准可以加工多个面。故可以以中心孔作为统一的基准，但是随着孔的加工，大端的中心孔消失，必须重新建立外圆的加工基面，一般有如下三种方法：

当中心孔直径较小时，可以直接在孔口倒出宽度不大于2mm的锥面来代替中心孔。若孔径较大，就用小端孔口和大端外圆作为定位基面，来保证定位精度

2.3制订工艺路线

制订工艺路线的出发点，应当是使零件的几何形状、尺寸精度以及位置精度等技术要求能得到合理的保证。在生产纲领已经确定为中批生产的条件下，考虑采用普通机床以及部分高效专用机床，配以专用夹具，多用通用刀具，万能量具。部分采用专用刀具和专一量具。并尽量使工序集中来提高生产率。除此以外，还应当考虑经济效果，以便使生产成本尽量下降。

表2.1工艺路线方案一

工艺路线的比较与分析：

第二条工艺路线不同于第一条是将“工序5钻Ф14孔，再加工螺纹孔M8”变为“工序7粗精铣M6上端面”其它的先后顺序均没变化。通过分析发现这样的变动影响生产效率。而对于零的尺寸精度和位置精度都没有太大程度的帮助。

以Ф25mm的孔子外轮廓为精基准，先铣下端面。再钻锥孔，从而保证了两孔中心线的尺寸与右端面的垂直度。符合先加工面再钻孔的原则。若选第二条工艺路线而先上端面，再“钻Ф14孔，加工螺纹孔M8”不便于装夹，并且毛坯的端面与轴的轴线是否垂直决定了钻出来的孔的轴线与轴的轴线是非功过否重合这个问题。所以发现第二条工艺路线并不可行。

从提高效率和保证精度这两个前提下，发现第一个方案也比较合理想。所以我决定以第一个方案进行生产。具体的工艺过程如表2.3所示。

表2.3 最终工艺过程

2.4机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定

“制动杆”零件材料为HT200钢，硬度为HBS190~241，生产类型为大批生产，采用机器造型铸造毛坯。

根据上述材料及加工工艺，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：

由于毛坯及以后各道工序或工步的加工都有加工公差，因此所规定的加工余量其实只是名义上的加工余量，实际上加工余量有最大加工余量及最小加工余量之分。

由于本设计规定零件为大批量生产，应该采用调整法加工，因此计算最大与最小余量时应按调整法加工方式予以确定。

毛坯与零件不同的尺寸有：(具体见零件图)故台阶已被铸出,根据参考文献[14]的铣刀类型及尺寸可知选用6mm的铣刀进行粗加工,半精铣与精铣的加工余量都为0.5mm。1）加工Φ25的端面，根据参考文献[8]表4-35和表4-37考虑3mm，粗加工2mm到金属模铸造的质量和表面的粗糙度要求，精加工1mm，同理上下端面的加工余量都是2mm。

2）对Φ25的内表面加工。由于内表面有粗糙度要求1.6。可用一次粗加工1.9mm ，一次精加工0.1mm 就可达到要求。

3）加工宽度为30mm 的下平台时，用铣削的方法加工台肩。由于台肩的加工表面有粗糙度的要求 ，而铣削的精度可以满足，故采取分四次的铣削的方式，每次铣削的深度是2.5mm 。

4）钻锥孔Φ12.7时要求加工一半，留下的余量装配时钻铰，为提高生产率起见，仍然采用Φ12的钻头，切削深度是2.5mm 。

5）钻Ф14阶梯孔，由于粗糙度要求 ，因此考虑加工余量2mm 。可一次粗加工1.85mm ，一次精加工0.15就可达到要求。

6）加工M8底孔，根据参考文献[8]表4-23考虑加工余量1.2mm 。可一次钻削加工余量1.1mm ，一次攻螺纹0.1就可达到要求。

7）加工2-M6螺纹，根据参考文献[8]表4-23考虑加工余量1.2mm 。可一次钻削加工余量1.1mm ，一次攻螺纹0.1mm 就可达到要求。

8）加工2-M6端面，粗加工2mm 到金属模铸造的质量和表面粗糙度要求，精加工1mm ，可达到要求。

2.5确定切削用量及基本工时

2.5.1确定切削用量

工序1：粗、精铣25Φ孔下平面

（1）粗铣25Φ孔下平面

（2）精铣25Φ孔下平面

工序2：加工孔Φ25到要求尺寸

工件材料为HT200铁，硬度200HBS 。孔的直径为25mm ，公差为H7，表面粗糙度1.6a R m μ。加工机床为Z535立式钻床，加工工序为钻、扩、铰，加工刀具分别为：钻孔——Φ22mm 标准高速钢麻花钻，磨出双锥和修磨横刃；扩孔——Φ24.7mm 标准高速钢扩孔钻；铰孔——Φ25mm 标准高速铰刀。选择各工序切削用量。

（1）确定钻削用量

1）确定进给量f

2）确定切削速度v 、轴向力F 、转矩T 及切削功率m P

3）校验机床功率 切削功率m P 为

（2）确定扩孔切削用量

1）确定进给量f

2）确定切削速度v 及n

（3）确定铰孔切削用量

1）确定进给量f

2）确定切削速度v 及n

（4）各工序实际切削用量

工序3：粗精铣宽度为30mm 的下平台

（1）粗铣宽度为30mm 的下平台

（2）精铣宽度为30mm 的下平台

工序4： 钻Ф12.7的锥孔

工件材料为HT200铁，硬度200HBS 。孔的直径为12.7mm ，，表面粗糙度 6.3a R m μ=。加工机床为Z535立式钻床，钻孔——Φ12mm 标准高速钢麻花钻，磨出双锥和修磨横刃；扩孔——Φ12.7mm 标准高速钢扩孔钻。选择各工序切削用量。

（1）确定钻削用量

1）确定进给量f

2）确定切削速度v 、轴向力F 、转矩T 及切削功率m P

3）校验机床功率

（2）确定扩孔切削用量

1）确定进给量f

2）确定切削速度v 及n

（1）加工M8底孔

工件材料为HT200铁，硬度200HBS 。孔的直径为8mm 。加工机床为Z535立式钻床，加工工序为钻孔至Φ7，选用Φ7的麻花钻头。攻M8螺纹，选用M8细柄机用丝锥攻螺纹。

（2）锪钻Φ14阶梯孔

工件材料为HT200铁，硬度200HBS 。孔的直径为14mm ，表面粗糙度 3.2a R m μ=。加工机床为Z535立式钻床，加工工序为锪钻，加工刀具为：锪钻孔——Φ14mm 小直径端面锪钻。

1）确定切削用量

确定进给量f

工序6：粗精铣M6上端面

工件材料为HT200铁，硬度200HBS 。要求粗糙度 3.2a R m μ=，用回转分度仪加工，粗精铣与水平成36゜的台肩。用立式铣床X52K ，使用组合夹具。

（1）粗铣M6上端面

（2）精铣M6上端面

加工条件：

工件材料： HT200，铸造。

机床： X52K立式铣床。

工序7：钻2-M6

工件材料为HT200铁，硬度200HBS。孔的直径为6mm。加工机床为Z535立式钻床，加工工序为钻孔至Φ5，选用Φ5的麻花钻头。攻M6螺纹，选用M6细柄机用丝锥攻螺纹。

工序8：校验

2.5.2确定基本工时

（1）粗铣、精铣Φ25孔下平面

（2）钻孔

（3）粗精铣宽度为30mm的下平台

（4）钻锥孔Φ12.7

（5）钻M8底孔及锪钻Φ14阶梯孔

（6）粗精铣2-M6上端面

（7）钻2-M6螺纹孔

钻锥孔2－Φ6到2－Φ5。用Φ5的钻头，走刀长度38mm，切削深度2.5mm，进给量0.2mm/z，切削速度0.51m/s，

第三章专用夹具设计

为了提高劳动生产率，保证加工质量，降低劳动强度。在加工制动杆零件时，需要设计专用夹具。

根据任务要求中的设计内容，需要设计加工铣宽度为30mm的下平台夹具一套。其中加工铣宽度为30mm的下平台将用于组合铣床，刀具为硬质合金端铣刀YG8对杠杆的Φ25孔下表面进行加工。钻M8底孔夹具采用立式钻床，先用麻花钻钻孔，再用丝锥攻螺纹。

3.1 专用夹具的设计要求

1.保证工件的加工精度

专用夹具应有合理的定位方案，标注合适的尺寸、公差和技术要求，并进行必要的精度分析，确保夹具能满足工件的加工精度要求。

2．提高生产效率应根据工件生产批量的大小设计不同复杂程度的高效夹具，以缩短辅助时间，提高生产效率。

3.工艺性好专用夹具的结构应简单、合理，便于加工、装配、检验和维修．专用夹具的制造属于单件生产。当最终精度由调整或修配保证时，夹具上应设置调整或修配结构，如设置适当的调整间隙，采用可修磨的垫片等。

4.使用性好

专用夹具的操作应简便、省力、安全可靠，排屑应方便，必要时可设置排屑结构。

5.经济性好除考虑专用夹具本身结构简单、标准化程度高、成本低廉外，还应根据生产纲领对夹具方案进行必要的经济分析，以提高夹具在生产中的经济效益。

3.2夹具设计

3.2.1定位基准的选择

由零件图可知Φ25孔的轴线所在平面和右端面有垂直度的要求是10゜，从定位和夹紧的角度来看，右端面是已加工好的，本工序中，定位基准是右端面，设计基准是孔Φ25的轴线，定位基准与设计基准不重合，需要重新计算上下端面的平行度，来保证垂直度的要求。在本工序只需要确定右端面放平。

为了提高加工效率，现决定用两把铣刀对杠杆宽度为30mm的下平台同时进行粗精铣加工。同时为了采用手动夹紧。

3.2.2定位组件的设计

本工序选用的定位基准为一面两销定位，所以相应的夹具上的定位组件应是一面两销。因此进行定位组件的设计主要是对固定挡销和带大端面的短圆柱销进行设计。主要结构尺寸参数如下表3.4所示。

表3.4 固定挡销的结构尺寸

3.2.3定位误差分析

本夹具选用的定位组件为一面两销定位。

3.2.4铣削力与夹紧力计算

3.2.5夹具体槽形与对刀装置设计

定向键安装在夹具底面的纵向槽中，一般使用两个。其距离尽可能布置的远些。通过定向键与铣床工作台U形槽的配合，使夹具上定位组件的工作表面对于工作台的送进方向具有正确的位置。定向键可承受铣削时产生的扭转力矩，可减轻夹紧夹具的螺栓的负荷，加强夹具在加工中的稳固性。

根据参考文献[11]定向键的结构如图3.7所示。

图3.7 定向键

根据参考文献[11]夹具U型槽的结构如图3.8所示。

图3.8 U型槽

主要结构尺寸参数如下表3.5所示。

表3.5 U型槽的结构尺寸

对刀装置由对刀块来实现，用来确定刀具与夹具的相对位置。

由于本道工序是完成杠杆宽度为30mm下平台的粗精铣加工，所以选用直角对刀块。根据GB2243—80直角对到刀块的结构和尺寸如图3.9所示。

图3.9 直角对刀块

塞尺选用平塞尺，其结构如图3.10所示。

图3.10 平塞尺

塞尺尺寸如表3.6所示。

3.2.6夹紧装置及夹具体设计

夹紧装置采用移动的A型压板来夹紧工件，采用的移动压板的好处就是加工完成后，可以将压板松开，然后退后一定距离把工件取出。

移动压板的结构如图3.11所示。

图3.11 移动压板

主要结构尺寸参数如表3.7所示。

表3.7 移动压板结构尺寸

夹具体的设计主要考虑零件的形状及将上述各主要组件联成一个整体。这些主要组件设计好后即可画出夹具的设计装配草图。整个夹具的结构夹具装配图ZJX-02所示。

3.2.7夹具设计及操作的简要说明

本夹具用于在立式铣床上加工杠杆的小平面和加工Φ12.7。工件以0.023025+Φ孔及

端面和水平面底为定位基准，在短销、支承板和支承钉上实现完全定位。采用转动A 型压板夹紧工件。当加工完一边，可松开螺钉、螺母、支承钉来加工另一边。一次加工小平面和加工Φ12.7，如夹具装配图ZJX-02所示。

总结

本设计是研制一个结构简单、制作成本低、经济适用的级进模，通过本次毕业设计,我从中学到了模具设计技能和查阅图书的基本技巧，在画图过程中，通过对AutoCAD、Solidworks运用，我对软件的操作达到了熟练的程度。在设计中遇到了很多困难，但是依靠自己的不懈努力还是克服了所有的困难。最重要的一点就是我学会了在冷静中思考问题，在毫无头绪中求助于经验丰富的老师。对于解决模具设计中的难题，可以有如下几种方法：

一.把难题先归纳然后分析、解决问题。做设计的时候首先要分析问题，做好前期的准备工作，然后根据自己的归纳总结有针对性的解决问题，条理清晰，设计过程才不会那么困难。

二.开动脑筋，用乐观的态度对待难题。在模具设计的时候肯定会遇到不同的难题，但是如果有一种乐观的态度去面对这些难题，迎难而上，通过自己的努力，任何难题都会迎刃而解。

学习模具是愉快的,然而能设计更好的模具才是最大的乐事，我相信在自己不断的努力下，一定能够在设计行业里找到属于自己的位置。

参考资料

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