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1、 键入文字 摘要机械加工行业作为一个传统而富有活力的行业， 近几十年取得了突飞猛进的发展，在新经济时代，行业呈现新的发展趋势， 由此对其它的质量，性能要求有了新的变化。 现在的机械加工行业发生着结构性变化， 工艺工装的设计与改良已成为企业生存和发展的必要条件， 工艺工装的设计与改良直接影响加工产品的质量与性能。本文首先介绍了气门摇臂的加工方法和工艺分析，然后进行夹具设计。此次设计是对气门摇臂的加工工艺和夹具设计， 其零件为铸件， 具有体积小，零件结构简单的特点， 由于面比孔容易加工， 在制定工艺规程时，就应该先加工面， 再以面为基准来加工其它。 其中，各工序夹具都采用专用夹具，其机构设计简单，
2、方便且能满足要求。第一我们对产品（工件）的进行全面分析，确定了产品（工件）的毛坯设计，并附有生产工艺过程卡片以及工序卡片。 第二我们对数控加工工艺分析， 主要是针对数控加工的内容，程序以及夹具的分析。这次毕业设计是培养我独立分析与解决机械制造的实际课题的能力使我接受工程师的基本训练， 并且使我在计算机绘图机编程、 资料检索等方面得到锻炼与提高， 同时也是对我三年大学所学知识的综合、 全面运用和考查。由于所掌握的知识和个人能力所限， 设计尚有许多不足之处， 恳请各位老师给予指导。关键词： 气门摇臂支座工艺分析工艺规程设计夹具设计1 键入文字 气门摇臂加工工艺及夹具设计Xxxxxxx1. 课题背景
3、1.1背景本设计所设计的零件是柴油机中摇臂结合部的气门摇臂，它是柴油机上气门控制系统的一个重要零件。在内燃机中，每个气缸配备两个摇臂，摇臂穿于轴上， 起作用在于： 曲轴的旋转推动推杆上下运动，推杆推动轴上的摇臂做有规律的摆动， 从而推动气门的开启与关闭， 实现发动机的做功冲程。其各部分尺寸在零件图中做详细标注。柴油机是用柴油作燃料的内燃机。 柴油机属于压缩点火式发动机， 它又常以主要发明者狄塞尔的名字被称为狄塞尔引擎。柴油机在工作时， 吸入柴油机气缸内的空气， 因活塞的运动而受到较高程度的压缩，达到 500700的高温。然后将燃油以雾状喷入高温空气中，与高温空气混合形成可燃混合气， 自动着火燃
4、烧。 燃烧中释放的能量作用在活塞顶面上，推动活塞并通过连杆和曲轴转换为旋转的机械能。1.2 零件图分析气门摇杆轴支座是柴油机一个主要零件。是柴油机摇杆座的结合部， ?21 孔装摇杆轴，轴上两端各装一进气门摇杆， 摇杆座通过孔用与汽缸盖相连。零件的材料为 45 钢，该材料具有较高的机械强度，耐磨性，耐热性和减震性能。 该零件的主要加工表面为孔、 以及端面，它们相互间有一定的位置要求。现分析如下：2 键入文字 以孔为基准加工孔前后两端面保证尺寸20mm；加工圆柱面保证半径R8mm；加工圆弧面保证半径R10mm。以端面为基准铣削外表面5mm，10mm，保证其对称度为0.3mm。由以上分析可知，对于孔
5、以及R10mm 的圆弧面等部分而言，可以借助专用夹具加工，并且保证它们之间的位置精度要求。图 1.2气门摇臂零件图1.3 零件的技术要求分析摇臂材料应采用 GBT6991988 中规定的 45 钢、 GBT30771988中规定 20Cr 钢和 GBT13481988 中规定的球墨铸铁 QT 600 3、合金铸铁或性能不低于上述牌号的其它材料制造。摇臂头部圆柱面应经淬火或渗碳淬火 （合金球墨铸铁应经激冷硬化） ，其硬度及渗碳、淬硬层深度应达到规定的要求。45 钢硬度为 5057HRC，硬化层深度为0.6 4mm。3 键入文字 20Cr 钢硬度为 5864HRC，渗碳层深度为0.8 1.2mm。
6、球墨铸铁 QT 600 3，其硬度为 47 57HRC，硬化层深度为l 53mm。合金铸铁硬度应大于或等于52HRC，硬化层深度大于 2 mm（允许延伸至整个摇臂头）。锻造摇臂的不加工表面，不允许有裂纹、折叠、折痕、结疤、氧化皮和因金属未充满锻模而产生的缺陷等。铸造摇臂的不加工表面，不允许有缩孔、疏松、气孔、裂纹和夹渣等缺陷。摇臂各加工表面粗糙度Ra 值应小于或等于下列数值：摇臂头部圆柱面 0.8 m；摇臂孔 2 m；摇臂调节螺孔 5m。摇臂孔尺寸公差按 GBT 1801 1979 中规定的 H7级制造。摇臂头部圆柱面素线对摇臂孔中心线平行度公差应小于或等于GB/T1184-1996 中表 B
7、3 规定的 9 级。摇臂表面不得锈蚀。2. 零件的加工工艺过程的分析2.1 零件的工艺分析机械加工中毛坯的种类有很多种，如铸件、锻件、型材、挤压件、冲压件、焊接组合件等， 同种毛坯又可能有不同的制造方法。 提高毛坯的制造质量，可以减少机械加工劳动量， 降低机械加工成本， 但往往会增加毛坯的制造成本。本工件为铸件。通过对气门摇臂轴零件图的绘制， 知原图样的视图正确、 完整，尺寸、公差以及技术要求齐全。 通过对零件图的详细审阅， 该零件的基本工艺状况已经大致掌握。主要工艺状况如下叙述：零件的材料为 HT200，灰铸铁的生产工艺简单，铸造性能优良，但是4 键入文字 塑性较差、脆性较高、不适合磨削，
8、而且加工面主要集中在平面加工和孔的加工。根据对零件图的分析， 该零件需要加工的表面以及加工表面之间的位置要求如下：因为孔前后两端面的加工必须先把零件定位加紧，所以以孔为定位，用弹性套夹持来固定零件， 故先要把孔加工出来， 镗孔，车内孔首先进行大小为直径 21H7。；孔前后两端面， 根据零件的总体加工特性， 它同样为整个机械加工过程中主要的基准面，粗糙度为 3.2 ，因此在制定加工方案的时候应当将此面加工出来；图 2.1气门摇臂孔前后端夹持在车床弹性套中，加工外表面厚度5mm，10mm，粗糙度为 3.2 ；前后端面倒角，粗糙度为12.5 ；5 键入文字 图 2.2气门摇臂粗糙度直径为 8mm的圆
9、柱面用铣床加工选用适当的刀具。工件毛胚铸件尺寸为各个尺寸加厚2mm所得的加工件。根据锻件质量， 零件表面粗糙度， 形状复杂系数查 金属机械加工工艺人员手册表 12-25 ，由此查得单边余量在厚度方向为 1.0 1.5mm ，水平方向也为 1.0 1.5mm 。即锻件各处直径的单面余量为 1.0 1.5mm ，各轴向尺寸的单面余量亦为 1.0 1.5mm 。通过上面零件的分析可知， 孔下端面和上端面的表面粗糙度要求比较高，因此都需要精加工来达到要求， 而且这两个面也是整个加工工程中主要的定位基准面，因此可以通过先保证精确加工孔之后再保证尺寸达到精度要求，再以此作为基准采用专用夹具来对其他表面进行
10、加工， 并且能够更好的保证其他表面的位置精度要求。 所以镗孔和车内孔的加工要求比较重要，因为这个步骤保证了之后进行加工的精度与好坏。 总的看来，该零件并没有复杂的加工曲面， 属于相对简单的零件， 所以根据各加工表面的技术要求采用常规的加工工艺均可保证， 简单的工艺路线安排如下： 将零6 键入文字 件定位夹紧，钻出 21H7的通孔，然后再以此精加工内孔，之后选用专用夹具为基准定位加紧， 加工出外表面和外轮廓， 最后加工圆弧面和圆柱面。2.2 拟定工艺路线机械加工工工艺顺序安排遵循如下原则：先基面后其它前道工序为后道工序准备好定位基准， 因此第一道工序总是先把精基准加工出来。先主后次安排主要表面（
11、指装配基面、工作表面等），后安排次要表面（指键槽、螺钉孔等），但要放在最终精加工和光整之前。先粗后精主要表面的粗、 精加工要分开， 按照粗加工半精加工精加工光整加工顺序安排工序。先面后孔由于平面定位比较稳定， 装夹方便，一般零件多选用平面为精基准， 因此，总是先加工平面后加工孔。 但本零件平面小，不方便定位，所以先加工孔。零件材料是 45 钢，根据零件材料确定毛坯为铸件。考虑到零件在工作过程中经常承受交变载荷及冲击性载荷， 因此应该选用铸件， 以使金属纤维尽量不被切断， 保证零件工作可靠。 由于零件属大批生产。 考虑到残余应力，锻造后安排退火处理。综合考虑上述工序的顺序安排原则， 确定该气门摇
12、臂轴支座零件的工艺路线如下所示：01锻造锻造02检验检验毛坯锻件03热处理退火7 键入文字 04钻钻孔 ?18mm05车精车 ?21H7孔内圆柱面06车粗，精车 ?21H7孔前端面07铣削粗，精铣 10mm，5mm两侧端面08铣削粗，精铣外轮廓09铣削粗，精铣 ?16 圆柱面10 清洗11 检验入库以上工艺过程详见机械加工工艺过程卡片和机械加工工序卡片。3. 数控加工工艺分析3.1 数控加工内容的确定分析加工路线、加工步骤、装夹方案、计算数值、选用刀具、编写程序。数控车床加工程序与普通车床工艺规程有较大差别，涉及的内容也较广。数控车床加工程序不仅要包括零件的工艺过程，而且还要包括切削用量，走刀
13、路线，刀具尺寸以及车床的运动过程。因此，要求编程人员对数控车床的性能、特点、运动方式、刀具系统、切削规范以及工件的装夹方法都要非常熟悉。 工艺方案的好坏不仅会影响车床效率的发挥，而且将直接影响到零件的加工质量。加工工艺主要包括如下内容：分析被加工零件的图纸，明确工序加工内容及技术要求。确定零件的加工方案， 制定数控加工工艺路线。 如划分工序、 安排加工顺序 , 处理与非数控加工工序的衔接等。加工工序的设计。 如选取零件的定位基准、 装夹方案的确定、 工步划分、刀具选择和确定切削用量等。数控加工程序的调整。 如选取对刀点和换刀点、 确定刀具补偿及确定8 键入文字 加工路线等。本工件的数控加工内容
14、包括车削和铣削，分别在相应的机床上进行。 3.2 数控加工设备的选用由于气门摇臂的生产类型为大批大量生产， 故加工设备宜以通用机床为主，辅以少量专用机床。 其生产方式为以通用机床加专用夹具为主， 辅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。 以及选择专用刀具和量具， 以辅助加工和检验零件的合格与否。钻中间大孔：考虑到工件的定位夹紧方案及夹具结构设计等问题， 采用立式钻床，选择 Z525 立式钻床，选择直径为 18 的麻花钻头， 专用夹具和0150/0.02 游标卡尺。车孔内圆柱面：采用普通车床，内孔车刀和专用夹具和 0300/0.02游标卡尺。车孔前端面：
15、采用普通车床， 93车刀和专用夹具和 0300/0.02 高度尺。铣两侧端面：采用立式铣床，选用 XA5032立式铣床， ?16 和 ?12 平头铣刀，专用夹具和 0300/0.02 高度尺。铣外轮廓：选用立式铣床， ?16 和 ?12 平头铣刀，专用夹具和 0 150/0.02 游标卡尺。铣圆柱面：选用立式铣床，?16 和 ?10平头铣刀 , 专用夹具和 0150/0.02游标卡尺。3.3 定位方案与夹具设计本工件用一面限制3 个自由度，一弹性套限制2 个自由度，一个定位杆限制 1 个自由度，并用弹性套夹紧工件的孔以固定。9 键入文字 图 3.3夹具三维图弹性套是一种自定心夹具元件， 在套类
16、零件的加工过程中有着广泛的应用。弹性套夹具的原理是利用弹性套均匀弹性变形的方式， 来消除定位尺寸偏差，以实现准确定心或对中进行定位和夹紧。车床运行时， 由于离心力的作用， 飞锤绕轴销转动， 并迫使压盘压缩弹簧拉动拉杆， 在拉杆的作用下套筒膨胀时， 施加在弹性套上的径向力所造成的接触为线接触。由于弹性套具有一定的厚度和刚性（一般为5mm左右），这种夹紧力传递给弹性套使之外圆和工件的接触就变成了面接触。因此消除了因直接夹紧所产生的波浪纹， 提高了定位的精度。 由于薄壁套筒作用在弹性套上的力使之产生的变形除作用在被加工件的内表面以外，还使弹性套的缝隙变大，迫使弹性套筒夹紧气门摇臂的内孔。同时弹性套可
17、利用缸套的毛坯来加工，取材方便、加工容易且成本低廉。10 键入文字 加工第一端面时，由于端面粗糙不平，所以用定位杆上的 V 型槽定位。加工第二端面时，由于一端端面已加工平滑，可以直接紧靠在车床面上，故可以撤去定位杆，用圆柱销定位即可。定位基准的选择在工艺在工艺规程制定中直接影响到工序数目， 各表面加工顺序，夹具结构及零件的精度。定位基准分为粗基准和精基准， 用毛坯上未经加工的表面作为定位基准称为粗基准。 使用经过机械加工的表面作为定位基准称为精基准。 在制定工艺规程时，先进行精基准的选择，保证各加工表面按图纸加工出来，再考虑用什么样的粗基准来加工精基准。在机械制造的各个加工工艺工程中， 必须使
18、工件在工艺系统中处于正确的位置，以保证加工质量， 并提高生产效率。 我们把为了使工件处于正确位置上所使用的各种工艺装备称为夹具， 如检验夹具、 焊接夹具、装配夹具等。在机床上对工件进行切削加工时， 为了保证加工精度， 必须正确地安放工件，使工件相对于刀具和机床占有正确的位置， 这一过程称为“定位”。为了保护这个正确围着在加工过程中稳定不变， 应该对工件施加一定的夹紧力，这个过程称为“夹紧”。这两个过程总称为“安装”。在机床上实现安装任务的工艺装备，就是“机床夹具”。机床夹具在机械加工中起着重要的作用， 所以应用十分广泛。 归纳起来有以下几个方面的作用：保证工件的加工精度，稳定产品质量夹具在机械
19、加工中的基本作用就是保证工件的相对位置精度。 由于采用了能直接定位的夹具， 因此，可以准确地确定工件相对于刀具和机床切削成形运动中的相互位置关系， 不受或者少受各种主观因素的影响， 可以稳定可靠地保证加工质量。11 键入文字 提高劳动生产率和降低加工成本提高劳动生产率，降低单件时间定额的主要技术措施是增大切削用量和压缩辅助时间。 采用机床夹具， 既可以提高工件加工时的刚度， 有利于采用较大的切削用量， 又可以省去划线找正等工作， 使安装工作的辅助工时大大减小，因此能显著地提高劳动生产率和降低成本。改善工人劳动条件采用夹具后，工件的装卸显然比不用夹具方便、省力、安全。使用专用夹具安装工件，定位方
20、便、迅速，夹紧可采用增力、机动等装置，因此可以减轻工人的劳动强度，还可设计保护装置，确保操作者安全。在流水线生产中，便于平衡生产节拍夹具设计的原则是经济和适用，它可以概括为“好用、好造、好修”这六个字，其中好用是主要的， 但好用也必须以不脱离生产现场的实际制造和维修水平为前提。具体要求为：夹具的构造应与其用途和生产规模相适应，正确处理好质量、效率、方便性与经济性四者的关系。保证工件精度。保证使用方便，要便于装卸、便于夹紧、便于测量、便于观察、便于排屑排液、便于安装运输，保证安全第一。注意结构工艺性，对加工、装配、检验和维修等问题应通盘考虑，以降低制造成本。3.4 加工工序制订3.4.1 工序的
21、划分在数控机床上加工零件， 工序可以比较集中， 在一次装夹中尽可能完成大部分或全部工序。一般工序划分有以下几种方式：按零件装卡定位方式划分工序12 键入文字 由于每个零件结构形状不同， 各加工表面的技术要求也有所不同， 故加工时，其定位方式则各有差异。一般加工外形时，以内形定位；加工内形时又以外形定位。因而可根据定位方式的不同来划分工序。粗、精加工划分工序根据零件的加工精度、 刚度和变形等因素来划分工序时， 可按粗、精加工分开的原则来划分工序， 即先粗加工再精加工。 此时可用不同的机床或不同的刀具进行加工。 通常在一次安装中， 不允许将零件某一部分表面加工完毕后， 再加工零件的其他表面。 加工
22、零件时，应先切除整个零件的大部分余量，再将其表面精车一遍，以保证加工精度和表面粗糙度的要求。按所用刀具划分工序为了减少换刀次数， 压缩空程时间， 减少不必要的定位误差， 可按刀具集中工序的方法加工零件， 即在一次装夹中， 尽可能用同一把刀具加工出可能加工的所有部位， 然后再换另一把刀加工其他部位。 在专用数控机床和加工中心中常采用这种方法。本工件气门摇臂使用按零件装卡定位方式来划分工序。备料铸造毛坯，采用砂型铸造，时效热处理：退火。工序 1锻造工序 2检验工序 3热处理工序 4钻孔 ?18mm工序 5精车 ?21H7孔内圆柱面工序 6粗，精车 ?21H7孔前端面工序 7粗，精铣 10mm，5m
23、m两侧端面工序 8粗，精铣外轮廓工序 9粗，精铣 ?18 圆柱面13 键入文字 工序 10清洗工序 11检验入库3.5 加工工步制订工步的划分主要从加工精度和效率两方面考虑。 在一个工序内往往需要采用不同的刀具和切削用量， 对不同的表面进行加工。 为了便于分析和描述较复杂的工序， 在工序内又细分为工步。 下面以加工中心为例来说明工步划分的原则：同一表面按粗加工、半精加工、精加工依次完成，或全部加工表面按先粗后精加工分开进行。按刀具划分工步。某些机床工作台回转时间比换刀时间短，可采用按刀具划分工步，以减少换刀次数，提高加工生产率。本工件的加工工步制定如下：工序 4钻孔 ?18mm工步一钻孔 ?1
24、8mm工序 5精车 ?21H7孔内圆柱面工步一精车 ?21H7孔内圆柱面工序 6粗，精车 ?21H7孔前端面工步一粗车 ?21H7前端面至 23mm工步二粗车 ?21H7后端面至 22mm工步三精车 ?21H7前端面至 21mm工步四精车 ?21H7后端面至 20mm工序 7粗，精铣 10mm，5mm两侧端面14 键入文字 工步一粗铣 10mm上平面工步二粗铣 10mm下平面工步三精铣 10mm上平面工步四精铣 10mm下平面工步五粗铣 5mm上平面工步六粗铣 5mm下平面工步七精铣 5mm上平面工步八精铣 5mm下平面工序 8粗，精铣外轮廓工步一粗铣外轮廓工步二精铣外轮廓工序 9粗，精铣 ?
25、16 圆柱面工步一粗铣 ?16 圆柱面工步二精铣 ?16 圆柱面3.6 进给路线确定合理地选择进给路线不但可以提高切削效率， 还可以提高零件的表面精度，在确定进给路线时， 首先应遵循数控工艺所要求的原则。 对于数控铣床，还应重点考虑几个方面： 能保证零件的加工精度和表面粗糙度的要求；使走刀路线最短，既可简化程序段，又可减少刀具空行程时间，提高加工效率；应使数值计算简单，程序段数量少，以减少编程工作量。工序 5，精车 ?21H7孔内圆柱面的加工路线如下，以内孔的边上为基准点定位工件，做往复切削，选取切削量切削内孔。15 键入文字 图 3.6气门摇臂内孔进给图工序 6，粗，精车 ?21H7孔前端面
26、的进给路线如下：图 3.7气门摇臂端面进给图3.7 刀具的选择16 键入文字 刀具的选择主要取决于工序所采用的加工方法、 加工表面的尺寸、 工件材料、所要求的精度以及表面粗糙度、 生产率及经济性等。 在选择时应尽可能采用标准刀具， 必要时可采用符合刀具和其他专用刀具。 本工件气门摇臂的刀具选择如下：刀具号刀具各称刀尖半径T1?18mm钻头1T2内孔车刀0.8T393车刀0.8T4?16 平头铣刀1T5?12 平头铣刀1T6?10 平头铣刀13.8 切削用量的确定工序 4钻18 孔、倒角已知 Z525 铣床的参数如下：主轴转速（ r/min ）： 97，140， 195， 272，392， 54
27、5，680，960，1360，进给量（ mm/min）： 0.10 ，0.13 ，0.17 ，0.22 ，0.28 ，0.36 ，0.48 ，0.62 ，0.81最大钻孔直径25mm, 主轴行程 175mm,主轴转速 971360r/min,工作台行程 325mm工作台面尺寸 (mm): 500 375主电动机功率 2.8kW所以工序 3, 钻18 孔、倒角确定切削用量：钻孔直径为18mm，切削深度 20mm。确定进给量： 0.17 mm/min，17 键入文字 确定切削速度： Vc=DN/1000=3.1418250/1000=14.13m/min 。确定切削工时T1=(L+L1+L2)/
28、nf=(22+40)/(250 0.17)=1.4minT=T14=5.8min工序 5精车 ?21H7孔内圆柱面加工孔径范围 2025, 切深 0.20.4, 转速 1200-1600 切削速度100m/min，进给速度 100-120mm/min 进给量 f=0.08确定背吃刀量： ap=0.1 mm。确定进给量： 0.2mm/r，确定主轴转速： 500 r/min 。确定切削工时T1=(L+L1+L2)/ nf=(20+40) /(5000. 2)=0.6minT=T14=2.4min工序 6粗，精车 ?21H7孔前端面确定背吃刀量： ap=0.1 mm。确定进给量： 0.2mm/r，确
29、定主轴转速： 1500r/min 。确定切削工时T1=(L+L1+L2)/ nf=(27+40) /(15000. 2)=0.22minT=T14=0.88min工序 7粗，精铣 10mm，5mm两侧端面确定铣削深度：0.5 mm 。18 键入文字 确定铣削速度： v=38m/min。每齿进给量： f=0.05 mm/z确定切削工时T1=(L+L1+L2)/ nf=(98+40) /(700 0. 05)=2.8min T=T14=11.2min工序 8粗，精铣外轮廓确定铣削深度：0.5 mm 。确定铣削速度： v=40m/min。每齿进给量： f=0.05 mm/z确定切削工时T1=(L+L
30、1+L2)/ nf=(98+40) /(700 0. 05)=2.8min T=T14=11.2min工序 9粗，精铣 ?16 圆柱面确定铣削深度：1.5 mm 。确定铣削速度： v=30m/min。每齿进给量： f=0.075 mm/z确定切削工时T1=(L+L1+L2)/ nf=(16+40) /(700 0. 075)=1.1min T=T14=4.4min4. 仿真加工与课题制作4.1数控加工程序车 ?21H7孔内圆柱面19 键入文字 O0001N20 G40T0202 G99M05M03 S500M00G71 U1. R1.T0202 G99G71 P10 Q20 U-0.5 W0 F0.15M03 S1500N10 G41 G01 X23. F0.1G0 X18. Z5.Z1.G70 P10 Q20 F0.1X21. Z-1.G0 X100. Z100.Z-21.M30G01 X18.车 ?21H7孔
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