某型汽车发动机汽缸盖顶面半精铣削加工夹具的设计【含CAD图纸、说明书】
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压缩包内含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 或 11970985摘要全球的汽车行业一直处于发展状态, 相应的汽车需要性能更高的发动机来匹配。发动机上最核心的零部件之一就是汽缸盖,汽缸盖加工之后的质量与发动机的工作性能密不可分。汽车汽缸盖属于箱体类零件,而且内部构造十分繁杂。一个合适的机械加工工艺规程和一个品质优良的夹具就能够坚实的确保产品的质量。此次设计的研究对象是某型汽车发动机的汽缸盖,通过研究汽缸盖零件的作用,简单地编制了汽缸盖顶面和底面机械加工的工艺及工序,并设计了粗、半精铣削顶面的夹具。作为保证零件精度重要工具的机床夹具,是否可以坚实的确保加工工件的加工品质、零件的生产效率以及加工的经济成本是考量夹具设计质量优劣的重要指标。能够减少辅助时间、提升劳动效率、确保加工精度、统一加工质量、减少对于操作工人技术的依赖、拓宽机床加工工艺范围的夹具就是一个品质优良的夹具。拟定合适的机械加工工艺路线并设计出高品质的夹具,从而来减少辅助工作时间、提升生产效率、确保工件的加工质量是此次设计的最终方向。关键词:汽缸盖;工艺方案;机床夹具;定位基准。AbstractThe global automotive industry has been in a state of development, and the corresponding cars need a higher performance engine to match. Cylinder cover is one of the most critical parts of the engine. The quality of cylinder cover is closely related to the performance of the engine. The cylinder cover of the car belongs to the box type parts, and the internal structure is very complicated. A proper machining process and a quality fixture can ensure the quality of the product. The research object of this design is a certain type of automobile engine cylinder cover, by studying the role of the cylinder cover parts, simply created at the top of the cylinder cover and underside machining technology and process, and designed a coarse, half precision fixture of milling end face. As an important tool to ensure accuracy of parts for machine tool fixture, whether can be solid to ensure the machining quality of workpiece, parts production efficiency and economic cost of processing is one of the important indicators, quality fit and unfit quality fixture design considerations. Can reduce the auxiliary time, improve labor efficiency, ensure the machining accuracy and unified processing quality, reduce its dependency on technology for operating workers, broadening the scope of machine tool processing technology of the clamp is a superior. To formulate appropriate mechanical processing craft route, the design quality of fixture, thus to reduce the auxiliary time, improve production efficiency, guarantee the machining precision of parts is the final direction of the design.Key words: cylinder cover; Process plan; Machine tool fixture; Locating datum.序言全世界经济迅速增长的一个重要途径就是机械制造行业。我国在改革开放以后,机械制造行业取得了空前的发展,而它比较完整的工业产业规模和具有的基本技术是它成为一个工业部门的重要原因。在汽车产业发展的同时,其他行业生产技术也在不断的提升,而且国家的经济效益也在飞速增长,处在二十一世纪初的时间点上,传统机械制造行业已经不能满足当下的需求了。生产技术的低下、缺乏合适的机械加工工艺、很少使用专用夹具是最主要的表现,而这也导致工人的劳动强度增加、所耗费时间增长,最重要的是生产出来的产品质量和产品精度都不怎么高。所以源源不断地汲取最新颖的科学技术并总结经验是机械制造行业发展的重要方法,进而实现机械制造生产领先、前沿的目标,让机械制造成为一个技术性显著的行业,使得中国顺利地完成制造行业的转型。机床加工专用夹具的设计是本次设计难点。进行此次毕业设计时,结合我们大学四年中学习到的专业知识,清晰地了解拟定机械加工工艺规程、分析工艺设备相关问题的能力。在进行设计的过程当中,清楚相关的标准和设计材料,学会使用网络数据库和一系列工具手册,也可以把此次设计看作是未来加入机械行业的垫脚石。目录第1章 绪论11.1 课题目的意义11.2国内外研究现状和发展动态11.3 本文主要内容3第 2 章 汽缸盖加工工艺设计32.1 零件的功用32.2 零件的工艺分析42.3 确定生产类型42.4 毛坯的类型与制造42.4.1毛坯类型及成型42.4.2分型面的选择52.4.3毛坯尺寸及加工余量52.4.4零件毛坯图62.5 汽缸盖加工工艺路线62.5.1定位基准6(1)粗基准的选择原则6(2)精基准的选择原则72.5.2加工方法的选择原则72.5.3工序的分散与集中82.5.4工序顺序8(1)机械加工顺序8(2)加工阶段8(3)热处理工序8(4)辅助工序92.5.5确定工艺路线92.5.6加工机床及工艺设备的选择10(1)机床设备的选择10(2)工艺装备的选择102.6 确定工序切削用量及基本时间10第 3 章 专用夹具设计133.1 机床夹具概述133.1.1机床夹具的分类133.1.2机床夹具的组成133.1.3夹具设计的基本要求133.1.4夹具的类型及任务143.2 铣夹具设计方法143.2.1定位方案确定143.2.2定位误差分析和计算143.2.3夹紧装置设计153.2.4夹紧力的计算15(1)切削力的计算15(2)夹紧力的计算163.2.5液压缸的确定17(1)液压缸内径18(2)活塞杆直径18(3)主缸壁厚19(4)缸体长度193.2.6夹具体的设计193.2.7铣夹具装配图20第 4 章 总结21参考文献22附录1:23附录2:27第1章 绪论1.1 课题目的意义在最近的几年,我国对于汽车汽缸盖加工工艺的应用与推广取得了长足的进步,而国内的各类汽车和一些大型运输设备的发动机是它主要应用的地方,但是这也只是停止在最最初期的运用阶段。而且应用在除机械制造行业之外的其他制造行业里还是很少见的,所以汽缸盖加工工艺在我国的技术水准和运用范围还是较为低下的,因而它对于我们来说能够提升的空间还是非常巨大的。联系近几年来国内外内燃机加工行业的发展新趋向,随着汽车在我国国内市场的需求量越来越大,汽车的各项性能也变成了人们最在意的方面,当中人们最关心的性能主要有动力性能、安全性能以及排放性能。汽车最重要的部件就是发动机,而制造加工整个汽车的基础就是发动机各个零部件的加工质量。汽缸盖作为汽车发动机上主要的零部件之一,汽车的性能与它的加工质量有着紧密的关系。汽缸盖作为发动机箱体类零件中构造较为繁杂的零件,它加工起来确实比较困难,更重要的是它的加工品质会很大的影响到发动机的整体性能,除此之外它的加工精度要求也很高。作为指导车间生产的主要生产技术依据、车间与工厂之间技术交流的基本依据的机械加工工艺,能够将其前沿领先的技术经验进行广泛的传播。可以稳固地确保产品的加工质量、得到较高的生产效率和经济利益、同时能够使得零件的加工流畅进行的关键就是有精确的机械加工工艺。保障产品精度的重要工具就是夹具。稳固地保障工件的加工质量与生产效率、能很大程度上降低生产成本的前提就是设计出一个质量十分可靠的夹具。1.2国内外研究现状和发展动态我们日常生活中使用次数最多的基础交通工具就是汽车了,它的存在对于我们来说有着不言而喻的重要作用。因为国内相关技术兴起比较晚,而且国外技术垄断保密,目前在设计制造称为汽车“心脏”的发动机的时候,和国外较为领先的制造能力有很大的差距。而随着国内汽车制造产业的飞速发展,最重要也是最迫切的就是发动机制造及其有关产业锁链研发的自主知识产权的拥有。当前,机械工艺水平低下、生产质量无保障、生产规模小、经济效益不景气是国内发动机制造企业最大的问题。国内少数发动机制造企业的生产规模为10万台/年,而这几个企业都是国内较为成功的企业。国内企业制造生产的产品较为单调,使用年限较长,所以大部分厂家应用由组合机床构成的刚性制造系统。在执勤的那段时间,这种低成本、高效率的生产方式确实发挥了它的作用。但是在最近几年,产品的更新的频率越来越快,而社会对于产品的使用时间也越来越短,很显然市场不断变化的需要不是刚性制造系统所能满足的。从而,发动机制造企业内悄无声息地崛起了一种名为半柔性制造系统的新型制造系统。 位于柔性制造系统与刚性制造系统之间的就是柔性制造系统,系列化发动机中的某系列多种类的大批量生产就可以使用该系统。一:主体是刚性制造系统,以部分数控设备为配合,或者主体是数控系统,以部分机床组成的生产系统为配合;二:主体是刚性制造系统,以一个或数个柔性制造单元组成的生产系统为配合,“制造岛”也是这种配置方式的一种称谓。上述就是柔性制造系统的两种主要形式。而同一系列产品是半柔性制造系统比较明确的加工对象,除此之外它也适合于加工一些未知的产品。 发动机的生产厂家一般会拥有几大系列产品,但是变型产品却有成百上千个,引入经济型数控设备和数控加工中心以后,将柔性化融入到存在差异工序的同一系列产品当中,半柔性生产加工制造线将会逐步代替刚性生产加工制造线。混线生产各变型产品以后,明显加快了新产品投入市场的速度,在市场上也逐渐占领了领先地位。所以,我国想要在汽缸盖生产制造行业获取较为丰厚的经济利益,专业化、优工艺、大批量、低成本有规模的组织生产就是一个最主要的方法。 当我国处在清朝“闭关锁国”的时候,世界上进行了第一次工业革命,而清朝领导者并不认为科学技术会对人类世界有实质性的影响,从而导致当时的国人不理解科教兴国的含义,当然政府也没有制定相关的措施。其次,有一段时间对于西方国家来说十分特殊,那就是“大蒸汽时代”,在这段时间里西方一些国家的机械制造工业迅猛提升,而这段时间正发生在人类进入电气时代之前。齿轮的机械运动几乎遍布了所有可以运动的东西,那时候的盛况根本无法形容。不幸的是我国错过了这段时期,而后来帝国主义又欺压当时国内仅有的一些民族资产,雪上加霜的是一段特殊时期又在国内发生,所以所谓的技术积累对于我国来说是根本不存在的。而“秘方”这两个字是工程积累的重中之重,不管是烧烤、芯片、提取、建造还是机械加工,这两个字就是它的本质。而秘方是完全不公开的,通常的传承形式是公司或者家族企业。而秘方的珍贵程度就取决于时间,除此之外也需要一个浓厚民族氛围的烘托。有动力去研究这种火铁交织的机器的民族,一定是看重速度、勇于挑战人类极限的。从内燃机被研发出到现今,已经过去了两百多,可是它简单的原理却一直没有改变过:气体在燃料燃烧后膨胀从而推动活塞做功。但是理论说起来容易,但是如何按照人类的想法将这些理论转换成工程运动却又是一件难事:如何在提高功率的同时减少它的重量,如何有效的延长其寿命,如何提高它工作的效率。要做到这些,我们必然还有很长的路要走。对于我们来说记住理论学说十分简单,而且记忆在更高层次的科学教育也必然十分优秀,但是脱节问题却出现在了实际技术生产和理论之间。当前我国一半以上的科学技术是依靠国外的,而一些一般发达国家的科学技术对外依靠小于三分之一,更甚至于像美国和日本这样的发达国家竟然仅仅只有5%,很明显可以看出这中间是有很大差距存在的。自主创新能力不足、理论成果难以向现实转化是主要原因,而这也直接导致了我国自我研发核心关键技术效率低下。第一,在研发方面的投入我国与其他国家比较来看存在明显的差距,而且,科学技术创新类活动中存在的信息封闭、无法统一、无整体数据库的问题在各个领域和各个部门暴露无遗;第二,理论成果很难向现实生产力转变是我国一直以来存在的问题,一些机制和体制上的障碍就挡在了科技创新发展的道路上,根本谈不上产学研用,研发和转化的各个方面的联系都不够密切。我国很依赖国外进口,就是因为缺乏核心技术,导致不能自我保障许多高精尖产品。汽车在我国年产达到了三千多万辆,可是汽车的发动机基本上都是国外企业提供,因为许多零部件在国外都是保密技术。要是我国想要改变上述的尴尬状况,还须要我们进一步的不断努力。1.3 本文主要内容本次研究设计的是某型汽车发动机汽缸盖顶面半精铣削加工机床专用夹具的设计。由于发动机的工作性能直接受到汽缸盖加工品质的影响,所以汽缸盖机械加工工艺和夹具的要求都很高。在此次设计时,除了需要设计机械加工工艺规程,还要绘制工件加工工序图和加工示意图,并为加工工艺中的某道工序设计加工专用夹具,最终绘制出夹具装配图、夹具体图和夹具零件图等。第 2 章 汽缸盖加工工艺设计2.1 零件的功用汽缸盖处在密封汽缸的上方,并用螺栓连接紧固,同活塞与汽缸一同构成燃烧室。燃烧室的位置处在汽缸的上半部分,所以庞大的高能量负载是汽缸盖所必须要经受的,而汽缸盖所处的任务环境又较为恶劣,假如出现受力不均,就有极大可能出现汽缸盖破裂的现象。然而汽缸盖内部构造十分繁杂,除了有进气和排气的管道外,还有喷油孔和结构不规整的冷却水管道,所以在拟定加工工艺及设计零件加工机床专用夹具的时候,它们所处的正确位置以及密封性能和承载性能都是需要重点确保的。2.2 零件的工艺分析为了保证工件的加工精度,就要有一个贴合设计要求、具有良好工艺结构的机械加工工艺。汽缸盖的结构设计与其加工工艺必然是不能分开的。所以铸造形式一般采用铸铁浇铸。如果设计的汽缸盖存在大于30mm的孔的时候,此孔通常由铸造制得,以免增加加工削减量。主要加工表面分析:(1) 粗、半精铣汽缸盖底面:由于汽缸盖要安装在汽缸体上面,所以汽缸盖底面要贴合汽缸体顶面,故密封性要达到要求,所以精度等级为IT8级,表面粗糙度Ra=6.3。 (2) 粗、半精铣汽缸盖顶面:这个面是需要与另外的面相配合的,也就存在面的接触,所以精度等级也为IT8级,表面粗糙度Ra=6.3。2.3 确定生产类型设计任务书中提供的零件生产计划是25000万台/年。根据公式: N=Q* m* 1+a%*(1+b%) 式(2-1)式中:N零件的生产纲领(件/年) Q产品年产数量(台/年) m每台产品包含零件数(件/台) a%备品率 取2% b%废品率 取0.4%则 N=25000*1*1+2%*1+0.4%=25602件 式(2-2)则该零件的生产纲领是25602件/年,根据表2-1,该数量的生产类型属于大批量生产。2.4 毛坯的类型与制造2.4.1毛坯类型及成型汽缸盖属于箱体类零件,内部结构十分复杂,而且产品的年产量为2.5万件,而砂型铸造是最适合于大批量生产复杂零件的方式,它铸造工艺简单方便、生产效率高并且精度高。此次设计汽缸盖的原材料选择使用灰铸铁HT250,灰铸铁HT250拥有较强的耐磨性和减震性、较好的铸造性和切削性、不易发生变形、价格低廉都是选取它作为原材料的原因。2.4.2分型面的选择因为在零件机械加工以后,对于表面粗糙度是有一定规定的,所以在铸造工件的时候要将上面作为浇铸的位置,而下面应该安置相对来说表面粗糙度规定高的面,这样铸造缺陷就能够在一定程度上避免产生,例如夹砂、气孔、变形孔等。分型面的选取对于铸造的影响也是十分显著的,铸件横截面面积最大的区域应该作为首选。再者,应该尽可能选用简单平面的作为铸造零件的分型面位置,这样铸造模具的结构不但简单了,同时砂型铸造的零件尺寸也相应的削减了,从而生产效率也得到了很大的提升。如果选择了合适的分型面,对于铸造工艺流程有很大的方便。生产类型零件的年生产纲领(件/年)重型机械重型机械轻型机械单批生产520100小批生产510020200100500中批生产1003002005005005000大批生产30010005005000500050000大量生产1000500050000表2-1 机械加工零件生产类型的划分2.4.3毛坯尺寸及加工余量根据此次设计得到的任务书,并且根据加工余量等,可知毛坯外形尺寸为850265.5120。式(2-1)表示了铸件毛坯尺寸与机械加工相关尺寸的关系,式(2-1)表示外表面机械加工时的关系。 R=F+2RMA+CT/2 式(2-3)式中:R毛坯尺寸 F最终加工后的尺寸RMA机械加工余量CT铸件公差(对于汽缸盖,加工余量等级为F,选择铸件的公差等级是11)汽缸盖铸件的高度尺寸:R=110.5+0.52+11/2=117mm 式(2-4)汽缸盖高度的设计尺寸为110.5mm,则算出加工余量为117-110.5=6.5mm。2.4.4零件毛坯图汽缸盖零件毛坯图 如图2-1所示。图2-12.5 汽缸盖加工工艺路线2.5.1定位基准(1)粗基准的选择原则相互位置原则:零件不需要加工的表面应该尽量作为粗基准。这样就可以确保需加工表面与非加工表面之间的相互位置精度;余量平均原则:为了确保各加工面有一定的加工余量且余量平均,应选择重要表面作为粗基准;便于装夹原则:粗基准表面应该平整光滑,没有明显缺陷;不重复使用原则:为避免二次安装时产生定位误差,粗基准通常不重复使用;粗基准的选择方案:以汽缸盖的顶面作为粗基准(2)精基准的选择原则基准重合原则:选择零件被加工面的设计基准为定位基准,可有效的避免设计基准与定位基准不统一而引起的基准不重合误差;基准统一原则:所有工序选用的基准尽可能的一致,以减少因基准不同产生的装夹误差;互为基准原则:如果对于两个面的相互位置精度及尺寸有很高的规定,可让两个面互为基准;自为基准原则:对于要求加工余量小并且余量均匀的加工工序,可让加工表面自身作为基准。当把精基准参考作为原则时,确保零件的加工精度和装夹的准确性是首先需要思考的。精基准的选择方案:参照基准统一原则,选择两个联接孔和底面为定位基准。但此次加工只加工顶面,所以不需要孔定位,只需将底面作为定位基准即可;参照基准重合原则,选底面和两个侧面为统一精准;对于大批量生产来说,确保加工质量和提高生产效率是重点,所以基准重合原则相比较来说没有那么重要。通常情况下采取方案的定位方法。2.5.2加工方法的选择原则(1)根据加工表面的技术要求,包括表面粗糙度、形位误差等;(2)加工材料的性质;(3)根据机械加工类型;(4)生产加工效率和成本;(5)要根据所实际情况制定加工方法。根据上述原则,制定了如下的加工方法:汽缸盖顶面和底面的表面粗糙度要求为Ra=6.3,所以先进行粗铣,然后进行半精铣。汽缸盖的进气孔和排气孔的内孔表面粗糙度要求为 Ra=3.2,则先钻孔然后进行铰孔以达到精度。进排气门座是要与汽缸体紧密连接的,所以对于它的密封性要求很高,表面粗糙度需要达到很高的Ra=1.6,故需分别进行粗镗、半精镗和精镗三个步骤一次满足较高的精度。除此之外的其他孔精度一般,如果依次加工加工就很浪费时间和精力了,此时就可以使用组合机床做到一次同时加工多个孔,优点就在于拥有较高的位置精度、提高了生产效率、节省了资源。2.5.3工序的分散与集中工序中工步的数量依据的就是工序的集中或是分散,工艺路线的数量以及所要选用的机床都直接受到它的影响。在考量零件的生产规模与实际加工机器的数量后才能确定工序的集中或者分散。由任务书及计算可知,此次涉及零件的生产种类属于大批量生产,因此工序设计时采用工序分散原则。2.5.4工序顺序(1)机械加工顺序主要后次要:零件的主要表面需要首先加工,次要的表面要之后加工;先基准后其它:就是先对已选为精基准的表面进行机械加工,然后将其视为定位基准。(2)加工阶段在加工过程中如果加工表面与加工精度不相同,则必须分别进行粗加工、半精加工、精加工等。划分加工阶段不是绝对的,但是按照粗加工阶段、半精加工阶段、精加工阶段和收尾阶段等划分的话对于合理利用机床设备、确保工件的加工品质有一定的好处。(3)热处理工序进行热处理工序的目的通常来说就是提升零件材料的切削性能以及其它的一些性能,同时消除零件在加工后产生的内应力。在遇到结构复杂且尺寸较大的铸件的时候对,时效处理应该在加工前后都有。零件进行淬火、渗碳等热处理的目的就是为了提升自身的强度以及耐磨耐腐蚀性。(4)辅助工序所谓辅助工序就是指此工序的进行与否都不会干涉到该零件精度的高低,但是工件的加工品质却受到它很大的影响。为保证工件的加工品质,需要在刚开始的几道序之后增加检验工序,防止工件加工开始不久之后就报废。进行去毛刺、清洗、防锈等一些辅助工序对于加工完成以后的零件来说是十分有必要的,这有利于零件的保存和之后的安装。2.5.5确定工艺路线根据上述所有的要求与原则,制定的工艺路线为:工序号工序内容1粗铣汽缸盖底面2粗铣汽缸盖顶面3半精铣汽缸盖底面4半精铣汽缸盖顶面5钻、铰顶面孔6粗铣汽缸盖两个侧面7粗铣环形槽8粗镗底面孔9半精镗底面孔10腔内气压试压11钻、扩、铰顶面孔12钻螺纹底孔13钻、锪其他孔14钻、扩喷油孔15精铣汽缸盖两个侧面16精铣环形槽17精铣底面孔18攻螺纹此路线是将底面作为定位基准。使用了工序分散的原则,在每道工序当中都只含有一个工步。使用的机床和工艺装备结构都比较较为简易,相应的加工辅助工作减少,对于平均工序加工时间有一定的好处,而操作人员更容易操纵,这些都是采用工序分散的优点。当然在缩减基本耗时的时候,需要有一个合适的切削用量。因为零件是大批量生产,所以选取专用设备和工艺装备。2.5.6加工机床及工艺设备的选择(1)机床设备的选择选用合适的机床设备,对于零件的加工质量与加工效率影响很大。在选择机床尺寸的时候,机床工作台的尺寸不要比被加件大太多就可以。当然所选用机床的可加工精度必须高于零件所需的加工精度。再者,也要根据加工工厂的实际情况选择机床。所以本次设计所选用的加工机床为端面铣床DX-3000。(2)工艺装备的选择加工所需的刀具、夹具、量具和一些其他辅助工具都属于加工工艺装备。刀具:通常分为标准刀具和复合刀具,而依据此次加工零件所需的要求,应该选择标准刀具,因为标准刀具在磨损、损坏之后可以更加容易的更换,也方便修磨,故在铣顶、底面时均使用面铣刀。夹具:选择依据主要是产品零件的生产类型的选择首要考虑的是产品的生产类型,而此次设计生产的零件属于大批量生产,所以使用机床。量具:因为此次加工的零件尺寸较大,而且对于表面粗糙度有一定的要求,所以选用高度尺和千分尺作为量具。2.6 确定工序切削用量及基本时间1. 工序1 粗铣汽缸盖底面(1)加工条件工件材料:灰铸铁HT250 硬度160250HBW技术要求:表面粗糙度Ra12.5、铣削宽度 ae=228mm、铣削长度 l=842.5mm加工机床:DX-3000端面铣床刀具:根据零件相关参数,选择315mm的硬质合金镶齿套式面铣刀(2)切削用量查得端面铣床DX-3000的工作功率为7.5kw,根据相关资料确定切削速度v=100m/min、每齿进给量 fz=0.20mm/z,则刀具的理论转速为:N0=1000vd=10001003.14315=101.1r/min 式(2-5)查看端面铣床DX-3000的主轴转速表选取最相符的主轴转速ns=101r/min;通过机床实际的转速计算刀具的切削速度:Vc=nd1000=1013.143151000=99.9m/min 式(2-6)(3)基本时间tj=l+l1+l2fmz 式(2-7)查表选取主偏角K=90时,l1=0.5d-d2-ae+(13),l2=1mm,fmz=fn=fzzn 式(2-8)则 tj=842.5+0.5315-3152-2282+1+10.22010160132.7s 式(2-9)2. 工序2 粗铣汽缸盖顶面(1)加工条件工件材料:灰铸铁HT250 硬度160250HBW技术要求:表面粗糙度Ra12.5、铣削宽度 ae=256.5mm、铣削长度 l=850mm加工机床:DX-3000端面铣床刀具:根据零件相关参数,选择315mm的硬质合金镶齿套式面铣刀(2)切削用量查得端面铣床DX-3000的功率为7.5kw,根据相关资料确定切削速度v=100m/min、每齿进给量 fz=0.20mm/z,则刀具的理论转速为:N0=1000vd=10001003.14315=101.1r/min 式(2-10)查看端面铣床DX-3000的主轴转速表选取最相符的主轴转速ns=101r/min;通过机床实际的转速计算刀具的切削速度:Vc=nd1000=1013.143151000=99.9m/min 式(2-11)(3)基本时间tj=l+l1+l2fmz查表选取主偏角K=90时,l1=0.5d-d2-ae+(13),l2=1mm, fmz=fn=fzzn则 tj=850+0.5315-3152-256.52+1+10.22010160136.3s 式(2-12)3. 工序3 半精铣汽缸盖底面(1)加工条件工件材料:灰铸铁HT250 硬度160250HBW技术要求:表面粗糙度Ra6.3、铣削宽度 ae=228mm、铣削长度 ae=842.5mm加工机床:DX-3000端面铣床刀具:根据零件相关参数,选择315mm的硬质合金镶齿套式面铣刀(2)切削用量查得端面铣床DX-3000的功率为7.5kw,根据相关资料确定切削速度v=160m/min、每齿进给量 fz=0.13mm/z,则刀具的理论转速为:N0=1000vd=10001603.14315=161.8r/min 式(2-13)查看端面铣床DX-3000的主轴转速表选取最相符的主轴转速ns=162r/min;通过机床实际的转速计算刀具的切削速度:Vc=nd1000=1623.143151000=160.2m/min 式(2-14) (3)基本时间tj=l+l1+l2fmz查表选取主偏角K=90时,l1=0.5d-d2-ae+(13),l2=1mm, fmz=fn=fzzn则 tj=842.5+0.5315-3152-2282+1+10.132016260127.3s 式(2-15)4. 工序4 半精铣汽缸盖顶面(1)加工条件工件材料:灰铸铁HT250 硬度160250HBW技术要求:表面粗糙度Ra6.3、铣削宽度 ae=256.5mm、铣削长度 l=850mm加工机床:DX-3000端面铣床;刀具:根据零件相关参数,选择315mm的硬质合金镶齿套式面铣刀(2)切削用量查得端面铣床DX-3000的功率为7.5kw,根据相关资料确定切削速度v=160m/min、每齿进给量 fz=0.13mm/z,则刀具的理论转速为:N0=1000vd=10001603.14315=161.8r/min 式(2-16)查看端面铣床DX-3000的主轴转速表选取最相符的主轴转速ns=162r/min;通过机床实际的转速计算刀具的切削速度:Vc=nd1000=1623.143151000=160.2m/min 式(2-17) (3)基本时间tj=l+l1+l2fmz查表选取主偏角K=90时,l1=0.5d-d2-ae+(13),l2=1mm, fmz=fn=fzzn 则 tj=850+0.5315-3152-256.52+1+10.132016260134.4s 式(2-18)第 3 章 专用夹具设计3.1 机床夹具概述3.1.1机床夹具的分类为了便于管理机床的设计与制造,通常机床夹具会被分类。根据夹具的应用特点,夹具可以分为:专用、通用、组合和可调夹具等。根据机床的加工方式,夹具可以分为:车、钻、铣、磨、镗夹具等。根据夹具的动力性能,夹具可以分为:手动、气动和液压夹具等。3.1.2机床夹具的组成尽管在实际生产当中,夹具的结构种类多种多样,但是其基本原理都如出一辙。夹具一般由以下几部分组成:支撑定位元件:通常起到支承工件以及确保零件准确安置的作用;夹具体:夹具的基体,与定位、夹紧元件等互相配合的元件;加紧机构:在工件定位后的,对其固定的方法;连接夹具元件:确保夹具体准确的固定在机床上;其余元件装置:如:辅助支撑、靠模等元件。3.1.3夹具设计的基本要求品质优良的夹具需要达到以下要求:稳定的确保加工质量;提高生产效率,缩减辅助所需时间;较好的结构工艺性和使用性能;经济型较好,尽量标准件。3.1.4夹具的类型及任务机床夹具就是在机床上加工零件时应用的一种工艺装备。夹具在加工制造过程当中有着巨大的用处,不但能够提升生产效率、减少辅助工作时间,而且能够较好的确保产品的加工精度,最重要的是机床的加工工艺范围能够得到较大程度的拓宽。专用夹具就是为某道加工工序特别研制的夹具。加工整个汽缸盖需要使用多个专用夹具,而此次设计的是工序2粗铣汽缸盖顶面和工序4半精铣汽缸盖顶面的专用机床夹具。由于在零件铣削加工的时候会产生切削力,而粗铣的铣削力是大于半精铣削时的铣削力的,所以在设计计算夹紧的时候,粗铣时所需要的夹紧力要大于半精铣时所需要的夹紧力。所以在此次设计时,就按照粗铣加工来设计夹具,最终设计出来的夹具在满足粗铣铣削力要求的同时,也能满足半精铣铣削力所需的要求。3.2 铣夹具设计方法3.2.1定位方案确定汽缸盖内部的构造十分复杂,为了确保所要加工的零件表面的位置度,应该以顶面和底面相互作为基准进行加工,以保证零件的表面精度。定位方式通常采用 “一面两销”定位,但是由于此次加工只针对顶面,Y向的自由度不会影响到加工,所以可以不用限制,只用一面定位即可。3.2.2定位误差分析和计算六点完全定位是指机床夹具限制了零件的六个自由度,在夹具中有一个确定不变的位置。但是由于铸造会使得每个零件的尺寸存在一定的偏差,所以定位就不会那么准确,相应的就会出现误差。此时则需要分析计算工件的定位误差。由图 3-1 可知,汽缸盖设计基准和定位基准都是底面,所以基准不重合误差jb=0;且底面也作为对刀基准,所以基准位移误差jw=0。只要在加工时,让刀具调整尺寸与工序尺寸想相同,就能使得定位误差dw=jb+jw=0。图3-13.2.3夹紧装置设计在加工过程当中,需要进行夹紧,则要有一个夹紧装置,它的作用是将零件紧固在夹具体上而且在加工过程当中不会产生位移。工件的加工质量、加工精度以及加工效率同工件的夹紧与否、合理与否有密切的关系。所以,设计夹具夹紧机构的时候应参照如下的原则;在夹紧时,工件定位后确定的正确位置不能被改变;夹紧时施加适当的夹紧力;在确保工件加工时不发生移动的同时,还需要确保工件无形变、无表面受损。夹紧机构不仅需要一个良好的结构,而且便于工人的操作。夹紧时为了可靠方便,选用液压夹紧机构。如图 3-2 所示。3.2.4夹紧力的计算(1)切削力的计算查阅参考资料得铣削加工时的切削力公式为:F=Cpap0.9fz0.73d-0.9B0.95ZKp 式(3-1)式中:F铣削力(N) Cp考虑工件材料及铣刀类型的系数 ap铣削深度(mm) d铣刀直径(mm) fz每齿进给量(mm) B铣削宽度(mm) Z铣刀齿数 Kp材料机械性能的修正系数;对于灰铸铁:Kp=(HB190)0.55则 F=4901.20.90.20.73315-0.9256.50.9520(250190)0.554547.3N图3-2 夹具原理简图1. 汽缸盖 2. 侧压板 3. 夹具顶板 4、10. 压板5、11. 转动轴 6、9. 弹簧 7. 夹具体 8.示意油缸(2)夹紧力的计算零件在定位元件上定位以后,需要使用一些相关的装置将零件固定,以确保零件在加工时不会因为受到切削力等因素的影响产生位移。在加工过程当中,工件和刀具之间会产生的切削力必须通过夹紧力来进行“抵消”。根据设计的夹具原理简图可知,夹紧装置夹紧工件以后,进行铣削加工时,工件和定位块之间会产生摩擦力,而铣削时产生的铣削力就是由它“抵消”的。而最大静摩擦力是由夹紧力直接确定的。为了让工件在加工过程中不会发生位移,最大静摩擦力需要大于切削力。即: fmaxF。式中 fmax最大静摩擦力 F切削力且: fmax=N=F1 式(3-2)式中 静摩擦系数 F1理论夹紧力此时,假设fmax=F=4547N查常用材料间摩擦系数表,取=0.3则 4575=0.3F1 F1=15250N实际的夹紧力一般比理论夹紧力大2到3倍,所以加工时的安全性,计算得到的夹紧力应该乘以安全系数K。 所以 F2=KF1(K安全系数,取23) 式(3-3) F2=215250=30500N综上,至少需要30500N的夹紧力。3.2.5液压缸的确定液压系统中的执行元件就是液压缸,它的作用是把缸体中液体的压力转化成往复运动的机械能或者摆动的机械能。液压缸按照基本结构可分为:活塞液压缸(单杆活塞缸和双杆活塞缸)、柱塞液压缸和摆动液压缸(单叶片式、双叶片式)。按作用方式可分为:单作用液压缸和双作用液压缸两种;单作用液压缸是指液压缸在一个方向上的运动靠液压油驱动,而反向运动时必须靠外力(如重力、弹簧弹力)来进行;双作用液压缸是指仅靠液压油驱动液压缸在正反两个方向上的运动。根据此次设计的夹具特定以及根据实际情况,选择单作用单杆活塞缸。因为此次加紧只需要在单一方向上进行加紧,并且在卸力时只需要将液压油退出,靠着弹簧和重力抬起压爪即可。所以选取单作用单杆活塞缸能够很好的完成加紧动作,并且结构简单、经济实惠。本次夹具设计为了能够给工件提供足够的夹紧力,同时能够较好的分均夹紧力,所以总共设置了6个结构相同的液压夹紧机构,且认定6个夹紧机构提供的夹紧力是相同的。所以根据前文计算F2=30500N,则每个加紧机构至少需要提供的夹紧力为F3=5083.4N。前文计算均为最小摩擦力,但出于实际情况和安全保障考虑,需要适当提高液压缸输出的夹紧力,既F3=5500N。(1)液压缸内径根据公式:F=P4D2 式(3-4)所以有D=4FP式中:F液压缸最大负载。由上文可知,F3=5500N。 P液压缸工作压力。由任务书知,P=4.5MPa=4500000Pa。将数据带入上述公式得:D=45500N3.144500000Pa39.5mm 式(3-5)根据表3-1圆整为标准系内径D=40mm。ISO3320 GB2348-80JB826-88ISO3320GB2348-80JB826-88252525(180)180323232200200200404040(220)(220)505050250250250636363320320320(65)70400400400(75)808080500500表3-1 缸内径(米制系列)(mm)(部分)(2)活塞杆直径因为活塞杆是通过输入的液压油的压力向上顶起,所以活塞杆处于受压状态。查取相关资料可知,活塞杆直径与液压缸内径的比值取d/D=0.50.7。则活塞杆直径:d=D0.6=40mm0.6=24mm根据表3-2标准系列直径d=25mm。ISO3220GB2348-80JB826-88ISO3320GB2348-80JB826-88181818(260)202020280280280222222320320320252525360360360282828(380)(30)400400323232(420)35450表3-2 活塞杆外径(米制系列)(mm)(部分)(3)主缸壁厚根据壁厚计算公式:PYD2 式(3-6)式中:液压缸缸筒厚度 PY测试压力。 PY取1.25P D液压缸内径 液压缸材料的许用应力根据任务书P=4.5MPa可知,选用的液压缸属于中压油缸,所以选用45号无缝钢管,则=100110MPa。将数据代入上述公式:1.25*4.5*402*100=1.125mm 式(3-7)故液压缸缸体外径D外D+2=40=40+2*1.125=42.25mm(4)缸体长度查阅相关资料得知缸体长度L(2030)D。D为液压缸内径。则 L2030D=20*40mm=800mm,即液压缸的长度要小于800mm。3.2.6夹具体的设计夹具体是夹具上各种元件连接的基础件,零件的尺寸和夹具体上各类元件的分布情况决定了夹具体的形状。所以夹具体的设计应当考虑如下几点:(1)有足够的刚度和强度;(2)不能有安装不牢靠和接触不良的情况发生;(3)夹具工艺性良好,方便装配与拆卸;(4)方便加工与排屑,能随时确保定位精度。夹具体可以采取铸造或者焊接的方式进行制造。但是铸造出的工件工艺性能好、抗震能力强,所以确定夹具体的制造方式为铸造。铸造材料采用HT250。夹具体简图见图如图3-3。图3-3夹具体简图3.2.7铣夹具装配图本次设计是针对工序2粗铣汽缸盖顶面和工序4半精铣汽缸盖顶面进行机床专用铣夹具的设计。在加工产品时通过运输线将待加工工件运输到夹具上,通过液压夹紧装置夹紧,然后就可以开始加工了。在绘制夹具装配图时,不仅需要标注整体尺寸和定位尺寸,还要标注一些重要零部件的配合尺寸。38第 4 章 总结回望这十四周的毕业设计,确实对我有很大的触动。在学院老师、大连机床指导老师和同学的一同帮助下,我接触到了许多大学四年中一直没有触及过的知识,我感到受益良多。在整个的设计过程当中,当遇到问题的时候,自己主动地学习了一些与之有关的课程,并不断地查漏补缺,也发现了以前课堂上、平常学习中没有注意到的一些知识点,经过这么长时间的补充,也使得我更进一步的完善了自己的知识体系。本次设计我学习并强化了关于发动机构造、机械加工工艺、夹具设计、CAD绘图等知识。让我这四年中学到的所有知识融会贯通,也让我有了一个长足的进步。本次毕业设计的内容是:以某型汽车发动机汽缸盖为研究对象,为其简单地设计了机械加工工艺路线,并拿出路线中比较经典的两道工序(粗、半精铣削顶面)进行了机床加工专用夹具的设计,合理地选取了加工使用机床,详细的分析确定了加工方式、加工工艺装备、夹紧方式和夹具体形状,并计算了切削力、夹紧力、液压缸参数等。对于我来说,机床专用夹具设计的最大问题在于在学校学习夹具相关知识的时候仅仅是学习其理论知识,但是并没有实际的参与过设计,更不用说将其付诸于实践。因为机床厂对于零件有相关的保密条款,零件的许多尺寸和细节都是无法得知的,所以此次设计在开始的阶段,出现了许多棘手的问题,但是通过老师不断地指点,自己翻阅手上有限的相关资料,了解和学习各种夹具结构,并与此次设计进行对比,观察是否存在相同之处或者可以借鉴的地方,而在此过程中我设计了很多不同的方案,每当方案在失败被否决之后,对于我来说都是经验的积累。最后我吸取失败的经验、将它们的优点汇总,并结合实际情况,为两道工序设计出了本套夹具方案。设计中的每个分析、设计、计算步骤我都查阅了相关的工具书手册并参照了国家、国际上最新的设计标准,使得所设计的标准件都严格遵守这些标准,而尽量不选用非标准。在进行一些相关计算的时候,例如:切削时间、切削力、夹紧力等,所有的参数都严格参照设计指导书。此次毕业设计,在各个方面都存在着这样那样的困难之处,而且最终的设计中也有许多不足和欠考虑的地方,也是需要进一步加强和改善的。但是经过这14周毕业设计的锻炼,能显现的感觉到自己分析问题、解决问题的能力有了很大的长进。我也接触到了许多有用的专业知识,了解到了机械行业先进的加工技术,看到了世界上一些新颖的科研成果,这对于我的影响是颇为深远的。这必然会为我走向社会、从事机械行业做一个厚实的铺垫。参考文献1赵如福等.机械制造工艺设计手册M.北京:机械工业出版,2002. 2王先逵.机械制造工艺学M.北京:机械工业出版社,2006.3邹青.机械制造技术基础课程设计指导教程M.北京:机械工业出版社,2004.4李益民.机械制造工艺设计简明手册M.北京:机械工业出版社,2004.5孙丽媛.机械制造工艺及专用夹具设计指导M.北京:冶金工业出版社,2006.6孙已德.机床夹具图册M.北京:机械工业出版社,1983.7林陈彪.工程机械缸盖加工工艺分析与优化J.机电技术2008(4):42-44.8艾兴等.切削用量简明手册M.北京:机械工业出版社,2004.9机械设计手册编委会.机床夹具设计图册M.北京:机械工业出版社.10徐学林.互换性与测量技术基础M.湖南:湖南大学出版社.11陈日曜.金属切削原理M.北京:机械工业出版社.12江洪等.SolidWorks机械设计实例解析M.北京:机械工业出版社,2006. 13戴亚春.机械制造工艺实习指导书M.北京:化学工业出版社.14M.Fadaei,H.Vafadar,A.Noorpoor. New thermo-mechanical analysis of cylinder heads using a multi-field approachJ.Scientia Iranica 2011: 66-74.15 M.Azadi. Failure Analysis of a Cracked Gasoline Engine Cylinder HeadJ. Journal of Failure Analysis & Prevention 2012(3):286-294.16Jun Hong. Study on the optimal design of engine cylinder head by parametric structure characterization with weight distribution criterionJ. Journal of Mechanical Science & Technology 2011(10):2607-261417L.Augustins. An empirical multiaxial high cycle fatigue criterion for automotive cylinder head designJ.Engineering Failure Analysis 201
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