方套制造工艺及钻孔夹具设计

绪论

    机械加工工艺与工装课程设计是学生学完了机械制造工艺与装备课程后，对机械加工工艺过程、机械加工工艺和机床夹具结构进一步了解的练习性的教学环节，是学习深化与升华的重要过程，是对学生综合素质与工程实践的能力培养

    应在指导教师指导下独立完成一项给定的设计任务，编写符合要求的设计说明书，并正确绘制有关图表。

    在课程设计工作中，应综合运用多学科的理论、知识与技能，分析与解决工程问题。

    应学会依据技术课题任务，进行资料的调研、收集、加工与整理和正确使用工具书；培养学生掌握有关工程设计的程序、方法与技术规范，提高工程设计计算、图纸绘制、编写技术文件的能力；培养学生掌握实验、测试等科学研究的基本方法；锻炼学生分析与解决工程实际问题的能力。

    通过课程设计，应能树立正确的设计思想；培养学生严肃认真的科学态度和严谨求实的工作作风；在工作设计中，应能树立正确的工程意识与经济意识，树立正确的生产观点、经济观点与全局观点

   该课程设计是学完本课程之后的一项重要的实践，是我们步入社会的一次深刻的链接，考察了我们独立设计，计算，绘图和分析的能力，同时提高了我们查阅各种设计手册的能力，通过该课程设计我们了解了夹具设计的一般步骤，需要用到的一些结构都需要我们认真查阅后绘制到图纸上，通过课程设计我们学会了很多课本上没有的知识。

一、零件的分析

（如图1所示方套零件图，下面就该零件的工艺分析过程进行分析）

图 1

(一) 零件作用

    题目所给的零件方套用于其他零件的配合，要求有一定精度要求及适当刚度与强度，材料为45钢方槽位联接结面用于呈受传递力之用。

（二）零件的工艺分析

    方套零件主要有以方孔和以深孔为中心的俩组加工表面。

1，是以方孔为中心的加工表面。

这组加工表面有方孔面上顶面，凸台面及其周围的5个直径为8.5的（直径为14的）孔面。

2. 以深孔为中心的加工表面，两侧面及底面，与底面成26度的斜面。

二.工艺规程设计

   (一)确定毛坯的制造形式

    零件的材料为45钢，要求有一定的强度要求，轮廓尺寸不大，且形状亦不太复杂，又属大批大料生产，做毛坯可采用模锻成型。

毛坯尺寸通过查表与计算加工余量后决定。

   （二）基面的选择就

    基面的选择是工艺规程设计中的重要工作之一。基面选择正确、合理，可以保证加工质量，提高生产率。否则会使加工过程出现许多问题，产生废品，使生产无法进行。

1.粗基准的选择

   按照促基准的选择原则，为保证不加工面和加工面的位置要求，应选择不加工面为粗基准，故此处应选择B面为粗基准铣A面，在以铣好的A面作为基准铣B面，这样符合互为基准的原则。

2.精基准的选择   

精基准的选择主要应该考虑基准重合的问题。当工序基准与设计基准不重合

时，应进行尺寸换算。主要以加工好的A面作为基准。

    （三）制定工艺路线

    制定工艺路线应当使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求能得到合理的保证。生产纲领以确定为大批大量生产的条件下，可采用万能机床配以专用夹具，并尽量使工序集中来提高生产率。还应考虑经济，以降低生产成本。

  1、工艺路线方案一

工序1：模锻

工序2：热处理（正火）

工序3：铣A面

工序4：铣B面

工序5：铣凸台R53圆弧面

工序6：铣左右两侧面

工序7：铣下侧面

工序8：铣上侧面及与圆弧R67相交的台阶面

工序9：铣30的方槽

工序10：倒角

工序11：钻90度锁紧螺钉孔

工序12：用麻花钻钻5xΦ8.5孔钻通

工序13：用锪孔钻锪5XΦ14的孔

工序14：用深孔钻钻Φ8的孔

工序15：绞Φ8的孔

工序16：去毛刺

工序17：检验

工序18：入库

2、工艺路线方案二

工序1：模锻

工序2：热处理（正火）

工序3：铣A面

工序4：铣B面

工序5：铣凸台R53圆弧面

工序6：铣左右两侧面及下侧面

工序7：铣上侧面及与圆弧R67相交的台阶面

工序8：铣30的方槽

工序9：倒角

工序10：钻90度锁紧螺钉孔

工序11：用麻花钻钻5xΦ8.5孔钻通

工序12：用锪孔钻锪5XΦ14的孔

工序13：用深孔钻钻、绞Φ8的孔

工序14：去毛刺

工序15：检验

工序16：入库

3、工艺方案的比较与分析

     上述两种方案均无原则性错误，但方案一工序太分散不利于提高加工精度及生产率，方案二比方案一工序集中减少了装夹次数有利于提高加工精度及生产率，考虑到便与装夹和提高加工精度及生产率所以确定方案为。

  工序1：模锻

工序2：热处理（正火）

工序3：铣A面

工序4：铣B面

工序5：铣凸台R53圆弧面

工序6：铣左右两侧面

工序7：铣下端面

工序8：铣上侧面及与圆弧R67相交的台阶面

工序9：铣30的方槽

工序10：倒角

工序11：钻90度锁紧螺钉孔

工序12：用麻花钻钻5xΦ8.5孔钻通

工序13：用锪孔钻锪5XΦ14的孔

工序14：用深孔钻钻、绞Φ8的孔

工序15：去毛刺

工序16：检验

工序17：入库

（四）确定毛坯的加工余量及毛胚尺寸，设计毛坯零件综合图                         

（五）确定机械加工余量：钢质模锻件的机械加工余量按有关标准确定。确定时根据估算的锻件质量、加工精度及锻件形状复杂系数，由附表1可查的除孔外表面加工余量。

1锻件质量：零件质量

m=ρv≈

7.88x(8x8x3.3-3x3.5x3.3-3.14x0.4x0.4x8-3.14x0.7x0.7x3-0.3x3.4x8-0.5x2.8x8)=1.17kg

    由零件质量估算毛坯质量为2.0kg。

2加工精度：零件的各表面均为一般加工精度。

3锻件形状复杂系数S为  S=M锻件/M外轮廓包容体

     M外轮廓包容体=lxlxhxρ=8.4x8.4x3.7x7.85≈2050g=2.05kg故S=2/2.05≈0.976

按下表1查得形状复杂系数为S，属一般级别F1。

    表1锻件形状复杂系数S

级别	S值范围	级别	S值范围
简单 一级	S1>0.63～1 S2>0.32～0.63	较复杂 复杂	S3>0.16～0.32 S4<=0.16

4  机械加工余量：根据锻件质量，F1,S1，查【1】中附表1得该零件的单边余量：厚度方向为1.7-2.0mm，水平方向为1.7-2.2mm。

（2）确定毛坯尺寸：因该零件机械加工表面粗糙度要求均为Ra=12.8mm。故单边加工余量均取2mm，则毛坯尺寸见下表2

    表2方套毛坯（锻件）尺寸/mm

零件尺寸	单面加工余量	锻件尺寸
80 0-0.1 33 30—0.1+0.2	2 2 2	82 37 26

（3）设计毛坯的零件综合图。

1 确定毛坯尺寸公差：毛坯尺寸公差根据锻件质量、形状复杂系数分模线形状种类及锻件精度等级从手册中查得。本零件锻件质量2.0kg，形状复杂系数为S1，45号钢含碳量为0.42%～0.50%，其中最高含碳量为0.5%，按表3查得锻件材料系数为M1，采取平直线分模，锻件为普通精度等级，则毛坯公差可从【1】中附表2、附表3查得，列表4

    表3

级别	钢的最高含碳量	合金钢的最高含碳量
M1 M2	<0.65% >=0.65%	<3.0% >=3.0%

               表4方套毛坯（锻件）尺寸允许偏差/mm

锻件尺寸	偏差	根据
33	+1.0 —0.4	附表3
84	+1.4      —0.6	附表2
26	+1.1      —0.6	附表2

2 确定圆角半径：本锻件H/B皆小于2；故可用下式计算

    圆角半径     r=0.05H+0.5

    为简化起见，以最大H计算

   r=(0.05x37+0.5)mm=2.35mm    (取r=2.5mm)

3 确定拔模角度：

    L/B=84/84=1    H=37/84=0.44

 查【1】中附表4得a=5度

4 确定分模位置；由毛坯图所示

图2 毛坯图

5 确定毛坯热处理形式。钢质毛坯经锻造后应安排正火，以消除残余的锻造应力，并细化，均匀组织，从而改善其加工性能。

（五）工序尺寸的确定

    因该零件图的精度要求不高，每个加工面经过一道工序加工均能达到图纸所示的要求的尺寸，形状，位置，精度。

工序号	工序尺寸
3	35
4	33
5	Φ530-0.07
6	800-0.1
8	30+0.2+0.1
11	5xØ8.5
12	5xØ14
13	Ø80+0.04

   (六)确定切削用量及基本工时

加工条件：45钢正火 ，模锻，σb=650MP

工序3：铣A面

选用机床x51，铣刀为镶齿套式端面铣刀（高速钢）,外经为100mm，齿数z为 20             见[2]中表3.1—37 ,

每齿进给量0.04mm=

切削速度20m/min=< vc <=45m/min ，取vc=30m/min 见【3】中表2-22

ns=1000 vc/πd=1000x30/πx100 r/min=95.6r/min ,按机床选取nw=100r/min

见【3】中表3-9 故实际切削速度 v=πdnw/1000=πx100x100/1000 m/min=31.5 m/min      工作台的每分钟进给量fm= fzznw=0.05x20x100 mm/min=100mm/min

查机床说明书及【2】中表4.2—37，刚好有fm=100 mm/min 故直接选用。

切削工时：tm=L/fm=(l+l1+l2+l3+d)/fm =(80+10+10+100)/100 min=2min

工序4：铣B面

选用机床x51，铣刀为镶齿套式端面铣刀（高速钢）,外经为100mm，齿数z为 20             见[2]中表3.1--37

每齿进给量0.04mm=

切削速度20m/min=< vc <=45m/min ，取vc=30m/min 见【3】中表2-22

ns=1000 vc/πd=1000x30/πx100 r/min=95.6r/min ,按机床选取nw=100r/min

见【3】中表3-9 故实际切削速度 v=πdnw/1000=πx100x100/1000 m/min=31.5 m/min      工作台的每分钟进给量fm= fzznw=0.05x10x100 mm/min=50 mm/min

查机床说明书及【2】中表4.2—37，刚好有fm=50 mm/min 故直接选用。

切削工时：tm=L/fm=(l+l1+l2+l3+d)/fm =(80+10+10+100)/50 min=4 min

工序5：铣凸台R53圆弧面 

选用机床xK5032立式升降台数控铣床，铣刀为立铣刀Ф26  L=100mm  见【2】中表3.1-29

取F=100 mm/min  N=800 r/min  v=πdN/1000=πx26x800/1000 m/min=65.31 m/min     铣刀的行程：作图计算L=l+l1+l2+l3=900

切削工时： tm=L/F=900/100 min=9 min

工序6：铣左右两侧面 

选用机床x51  铣刀为立铣刀（高速钢）Ф10  齿数z为4  

每齿进给量0.1mm=

每转进给量f= fzZ=0.12x4 mm/r=0.48mm/r

切削速度20m/min=< vc <=45m/min ，取vc=20m/min 见【3】中表2-22

ns=1000 vc/πd=1000x20/πx10 r/min=636 r/min ,按机床选取nw=590 r/min

故实际切削速度 v=πdnw/1000=πx10x590/1000 m/min=18.5 m/min

切削工时：tm=2(l+l1+l2)/fnw =2(80+1515)/0.48x590 min =0.78 min

工序7：铣下端面

  选用机床x51  铣刀为立铣刀（高速钢）Ф10  齿数z为4  

每齿进给量0.1mm=

每转进给量f= fzZ=0.12x4 mm/r=0.48mm/r

切削速度20m/min=< vc <=45m/min ，取vc=20m/min 见【3】中表2-22

ns=1000 vc/πd=1000x20/πx10 r/min=636 r/min ,按机床选取nw=590 r/min

故实际切削速度 v=πdnw/1000=πx10x590/1000 m/min=18.5 m/min

切削工时：tm=(l+l1+l2)/fnw =(80+1515)/0.48x590 min =0.39 min

工序8：铣上侧面及与圆弧R67相交的台阶面

  选用机床x51  铣刀为立铣刀（高速钢）Ф10  齿数z为4  

(1)  工步1：铣上侧面

每齿进给量0.1mm=

每转进给量f= fzZ=0.12x4 mm/r=0.48mm/r

切削速度20m/min=< vc <=45m/min ，取vc=20m/min 见【3】中表2-22

ns=1000 vc/πd=1000x20/πx10 r/min=636 r/min ,按机床选取nw=590 r/min

故实际切削速度 v=πdnw/1000=πx10x590/1000 m/min=18.5 m/min

切削工时：t1=(l+l1+l2)/fnw =(80+1515)/0.48x590 min =0.39 min

(2)  工步2：铣与圆弧R67相交的台阶面

每齿进给量0.1mm=

每转进给量f= fzZ=0.12x4 mm/r=0.48mm/r

切削速度20m/min=< vc <=45m/min ，取vc=20m/min 见【3】中表2-22

ns=1000 vc/πd=1000x20/πx10 r/min=636 r/min ,按机床选取nw=590 r/min

故实际切削速度 v=πdnw/1000=πx10x590/1000 m/min=18.5 m/min

切削工时：t2=(l+l1+l2)/fnw =(80+1515)/0.48x590 min =0.39 min

则总切削工时：tm=t1+t2=0.39+0.39  min=0.78 min

工序9：铣30+0.2+0.1的方槽

  选用机床x63   高速钢镶齿三面刃铣刀Ф160mm  L=30mm 齿数z为26 

每齿进给量0.04mm=

每转进给量f= fzZ=0.05x26 mm/r=1.3mm/r

切削速度20m/min=< vc <=45m/min ，取vc=30m/min 见【3】中表2-22

ns=1000 vc/πd=1000x30/πx160 r/min=59.7 r/min ,按机床选取nw=60r/min

故实际切削速度 v=πdnw/1000=πx160x60/1000 m/min=30.14 m/min

切削工时：tm=(l+l1+l2+d)/fnw =(33+20+10+160)/1.3x60 min =2.86 min

其中: 切入 l1=20mm切出l2=10mm ,l=33mm , d=Ф=160mm

工序10：倒角

选用机床x51  铣刀为立铣刀（高速钢）Ф10  齿数z为4  

每齿进给量0.1mm=

每转进给量f= fzZ=0.12x4 mm/r=0.48mm/r

切削速度20m/min=< vc <=45m/min ，取vc=20m/min 见【3】中表2-22

ns=1000 vc/πd=1000x20/πx10 r/min=636 r/min ,按机床选取nw=590 r/min

故实际切削速度 v=πdnw/1000=πx10x590/1000 m/min=18.5 m/min

作图计算铣刀的路径L=2（l1+l2+l3+l4+l5+l6）=2（5.7+10+10+12+10+10）=105.4 mm

则切削工时：tm=L/fnw =105.4/0.48x590 min=0.38min

工序11：钻90度锁紧螺钉孔

  选用机床Z525  Ф8的沉头孔钻  进给量f =0.20mm/r      见【3】中表2-23

切削速度取  vc=30m/min         见【3】中表2-20

ns=1000 vc/πd=1000x30/πx8 r/min=1194 r/min ,按机床选取nw=960r/min    见【3】中表3--9

故实际切削速度 v=πdnw/1000=πx8x960/1000 m/min=24.12m/min

切削工时：tm=(l+l1)/fnw =(5+3)/0.20x960min =0.042 min

工序12：用麻花钻钻5xΦ8.5孔钻通

  选用机床Z525  Ф8.5的麻花钻    进给量f =0.20mm/r      见【3】中表2-23

切削速度取  vc=30m/min         见【3】中表2-20

ns=1000 vc/πd=1000x30/πx8.5 r/min=1124 r/min ,按机床选取nw=960r/min    见【3】中表3--9

故实际切削速度 v=πdnw/1000=πx8.5x960/1000 m/min=25.6m/min

切削工时：tm=(l+l1+l2)/fnw =(30+6+3)/0.20x960 min =0.2 min

其中: 切入 l1=6mm切出l2=3mm ,l=30mm

工序13：用锪孔钻锪5XΦ14的孔

  选用机床Z525  Ф14的锪孔钻  

根据有关资料，锪孔时进给量及切削速度均为钻孔式的1/2—1/3

 故进给量f =0.4xf钻=0.4x0.32=0.128mm/r  取f =0.13mm/r  

切削速度取  vc=40x1/3 m/min=13.33 m/min     

ns=1000 vc/πd=1000x13.3/πx14r/min=302.5 r/min ,按机床选取nw=272r/min    见【3】中表3--9

故实际切削速度 v=πdnw/1000=πx14x272/1000 m/min=11.96m/min

切削工时：tm=(l+l1)/fnw =(25+5)/272x0.13 min =0.84 min

其中: 切入 l1=5mm  , l=25mm

工序14：用深孔钻钻、绞Φ8的孔

  选用机床Z525  Ф8的麻花钻 及Ф8的铰刀 

(1)  工步1：用深孔钻钻Φ8的孔

进给量f =0.20mm/r      见【3】中表2-23

切削速度取  vc=30m/min         见【3】中表2-20

ns=1000 vc/πd=1000x30/πx8 r/min=1194r/min ,按机床选取nw=960r/min    见【3】中表3--9

故实际切削速度 v=πdnw/1000=πx8x960/1000 m/min=24.12m/min

切削工时：tm=(l+l1+l2)/fnw =(80+10+4)/0.20x960 min =0.49 min

其中: 切入 l1=10mm切出l2=4mm ,l=80mm

(2)  工步2：绞Φ8的孔

进给量f =2f钻=2x0.20=0.40 mm/r    切削速度取  vc=(1/2~1/3)v钻

 取   vc=0.4v钻=0.4x30 m/min=12 m/min   见【3】中表2-20

ns=1000 vc/πd=1000x12/πx8 r/min=477r/min ,按机床选取nw=392r/min    见【3】中表3--9

故实际切削速度 v=πdnw/1000=πx8x392/1000 m/min=9.85m/min

切削工时：tm=(l+l1+l2)/fnw =(80+10+4)/0.40x392min =0.599min

其中: 切入 l1=10mm切出l2=4mm ,l=80mm

三、专用夹具设计

    为了提高劳动效率，保证加工质量，降低劳动强度，通常需要设计专用夹具。

    经过和指导老师协商，决定设计第13道工序——钻14mm的孔夹具。本夹具用于Z525钻床。

（一）设计主旨

     本夹具主要用来钻5个Ф14孔，为自由公差，因此加工精度不是很高,所以，在本道工序加工时，主要应考虑如何提高劳动生产效率，降低劳动强度。 

（二）夹具设计

1、定位基准的选择

   经分析可知，在加工本道工序前，其它平面已基本加工完成，因此，选择一平面及凸台圆柱面作为主要定位基准，再以一挡销作为次要定位基准，限制工件六个自由度。

2．切削力及夹紧力计算 

刀具：高速钢钻头，直径d=14mm，f=0.13mm/r

      钻头转速  n=5.63r/s

工件材料：灰铸铁 HB=210

则：

切屑扭矩   M=10        （表3—36）

            =225.63×14×0.71×1.059×10

            =20.5（N·m）

轴向力     F==588.60×12×0.13×1.059

            =1462（N）

  其中    K=K=()=()=1.059

切削功率   P=2Mn×10

              =2×3.14×14.31×5.63×10

              =0.5 KW

由零件定位、装夹方式可知，只有钻削时产生的轴向力能引起零件的松动。

由夹紧机构产生的实际夹紧力应满足下式：

            P=K·F

式中，安全系数

为基本安全系数1.5；

为加工性质系数1.1；

为刀具钝化系数1.2；

为断续切削系数1.2。

所以         （N）

所需的实际夹紧力为2919N是不算很大，为了使得整个夹具结构紧凑，决定选用螺纹夹紧机构。

3.位误差分析

定夹具的主要定位元件为一平面，一圆柱面，一限制周向的活动挡销：

定柱面是与孔相配合的，通过孔与零件柱面的配合来确定加工孔的中心，用一挡销限制周转旋转的自由度，最后达到完全定位。因此，定位销与其相配合的孔的公差相同。

由于是自由公差，因此满足公差要求。

1．夹具设计及操作的简要说明

如前所述，在设计夹具时，应该注意提高劳动生产率。为此，应首先着眼于采用何种夹紧装置以减少更换工件的辅助时间。本夹具设计时，尽量使夹具体简单，紧凑。