某汽车发动机缸体机械加工工艺与工装设计毕业设计说明书

1 绪论1.1 课题背景及目的随着我国经济的发展，国内对汽车的需求迅速增长，如何提高汽车产品零部件的生产效率和加工质量，对汽车行业的发展至关重要。发动机缸体是汽车五大部件之一，其生产效率和加工质量直接关系到汽车的生产效率和性能。因此，在汽车行业中，如何提高发动机缸体生产效率和加工质量是一项重要的研究课题。通过对汽车发动机缸体机械加工工艺规程和机械加工工艺装备设计，掌握机械工程产品开发的关键技术。验证、加深、巩固和扩大已学过的专业基础理论和部分专业知识，了解和掌握本专业的实际生产知识，为以后的工作打下基础。考察先进制造技术在实际生产中的应用情况，掌握本专业的发展动态。1.2 国内外研究状况 1.2.1 汽车发动机缸体加工的现状与趋势 1.2.1.1 汽车发动机缸体加工的现状 从国内外的资料来看，目前，汽车发动机缸体的生产大致有以下几种形式： (1).以传统的组合机床自动线为基础的柔性化改造 这种以提高传统的组合机床自动化程度的技术改造已取得了相当的进展，传统的组合机床在移植了计算机数控技术之后，组合机床的柔性化程度得到很大提高； (2).以加工中心为主体的准柔性生产线 这里提出的是一种以加工中心为主体，以普通机床和组合机为辅的“准柔性生产线”方案； (3).适用于多品种、大批量生产的柔性传输生产线(FTL)和柔性制造系统(FMS)。1.2.1.2 汽车发动机缸体加工的趋势国外发动机缸体的加工技术经历了由刚性自动化到数控或加工中心加工，再发展到柔性制造生产线、柔性制造系统和敏捷柔性生产线制造。20 世纪 90 年代初，由于技术的进步，出现了高速加工中心等先进机床，产生了敏捷柔性自动线。这种敏捷柔性自动线大大增强了汽车发动机生产厂推行的“中品种、大批量、低、投资适度等优点，各工业发达国家广泛应用于汽车五大零部件的生产中。如德国 成本”的新生产方式来适应市场的能力，因而在汽车工业中得到广泛的应用。敏捷柔性自动线具有适应市场能力强HUELLER-HILLE 机床公司提供的加工 V6、V8 和 V10 型发动机铸铁缸体的敏捷柔性自动线，其生产节拍为 90 秒。缸体敏捷柔性自动线具有柔性好、投资效益好和设备利用率高等优点，因而得到广泛应用。1.2.2 夹具的现状与趋势1.2.2.1 国内夹具行业的现状我国国内的夹具始于20世纪60年代，当时建立了面向机械行业的天津组合夹具厂，和面向航空工业的保定向阳机械厂，以后又建立了数个生产组合夹具元件的工厂。在当时曾达到全国年产组合夹具元件800万件的水平。20世纪80年代以后，两厂又各自独立开发了适合NC机床、加工中心的孔系组合夹具系统，不仅满足了我国国内的需求，还出口到美国等国家。当前我国每年尚需进口不少NC机床、加工中心，而由国外配套孔系夹具，价格非常昂贵，现大都由国内配套，节约了大量外汇。 1.2.2.2 国外夹具行业的现状 从国际上看俄国、德国和美国是组合夹具的主要生产国。当前国际上的夹具企业均为中小企业，专用夹具、可调整夹具主要接受本地区和国内订货，而通用性强的组合夹具已逐步成熟为国际贸易中的一个品种。有关夹具和组合夹具的产值和贸易额尚缺乏统计资料，但欧美市场上一套用于加工中心的央具，通常为机床价格的1110-1115，而组合夹具的大型基础件尤其昂贵。由于我国在组合夹具技术上有历史的积累和性能价格比的优势，随着我国加入WTO和制造业全球一体化的趋势，特别是电子商务的日益发展，其中蕴藏着很大的商机，具有进一步扩大出口良好前景。 1.2.2.3 夹具的趋势夹具是机械加工不可缺少的部件，在机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展的带动下，夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济方向发展。 (1)高 精 随着机床加工精度的提高，为了降低定位误差，提高加工精度，对夹具的制造精度要求更高。高精度夹具的定位孔距精度高达5m，夹具支承面的垂直度达到0.01mm/300mm，平行度高达0.01mm/500mm。德国demmeler(戴美乐)公司制造的4m长、2m宽的孔系列组合焊接夹具平台，其等高误差为0.03mm；精密平口钳的平行度和垂直度在5m以内；夹具重复安装的定位精度高达5m；瑞士EROWA柔性夹具的重复定位精度高达25m。机床夹具的精度已提高到微米级，世界知名的夹具制造公司都是精密机械制造企业。诚然，为了适应不同行业的需求和经济性，夹具有不同的型号，以及不同档次的精度标准供选择。 (2) 高 效 为了提高机床的生产效率，双面、四面和多件装夹的夹具产品越来越多。为了减少工件的安装时间，各种自动定心夹紧、精密平口钳、杠杆夹紧、凸轮夹紧、气动和液压夹紧等，快速夹紧功能部件不断地推陈出新。新型的电控永磁夹具，加紧和松开工件只用12秒，夹具结构简化，为机床进行多工位、多面和多件加工创造了条件。为了缩短在机床上安装与调整夹具的时间，瑞典3R夹具仅用1分钟，即可完成线切割机床夹具的安装与校正。采用美国Jergens(杰金斯)公司的球锁装夹系统，1分钟内就能将夹具定位和锁紧在机床工作台上，球锁装夹系统用于柔性生产线上更换夹具，起到缩短停机时间，提高生产效率的作用。 (3) 模块、组合 夹具元件模块化是实现组合化的基础。利用模块化设计的系列化、标准化夹具元件，快速组装成各种夹具，已成为夹具技术开发的基点。省工、省时，节材、节能，体现在各种先进夹具系统的创新之中。模块化设计为夹具的计算机辅助设计与组装打下基础，应用CAD技术，可建立元件库、典型夹具库、标准和用户使用档案库，进行夹具优化设计，为用户三维实体组装夹具。模拟仿真刀具的切削过程，既能为用户提供正确、合理的夹具与元件配套方案，又能积累使用经验，了解市场需求，不断地改进和完善夹具系统。组合夹具分会与华中科技大学合作，正在着手创建夹具专业技术网站，为夹具行业提供信息交流、夹具产品咨询与开发的公共平台，争取实现夹具设计与服务的通用化、远程信息化和经营电子商务化。 (4) 通用、经济夹具的通用性直接影响其经济性。采用模块、组合式的夹具系统，一次性投资比较大，只有夹具系统的可重组性、可重构性及可扩展性功能强，应用范围广，通用性好，夹具利用率高，收回投资快，才能体现出经济性好。德国demmeler(戴美乐)公司的孔系列组合焊接夹具，仅用品种、规格很少的配套元件，即能组装成多种多样的焊接夹具。元件的功能强，使得夹具的通用性好，元件少而精，配套的费用低，经济实用才有推广应用的价值。专家们建议组合夹具行业加强产、学、研协作的力度，加快用高新技术改造和提升夹具技术水平的步伐，创建夹具专业技术网站，充分利用现代信息和网络技术，与时俱进地创新和发展夹具技术。主动与国外夹具厂商联系，争取合资与合作，引进技术，这是改造和发展我国组合夹具行业较为行之有效的途径。2 缸体工艺性分析2.1 零件结构分析 2.1.1 发动机工作原理 汽油发动机的工作过程是通过汽油在燃烧室(气缸)中燃烧，将其中的化学能转变成为热能，使空气膨胀做功，推动曲柄活塞机构把能量转变为机械能的过程。根据活塞的方式可分为往复式活塞发动机和旋转式活塞发动机，CS492Q汽油机即是四冲程往复式活塞发动机。它的工作过程为：进气压缩点火燃烧膨胀排气进气。1-4 2.1.2 缸体的功用及其构成 作为汽油发动机的主体，气缸体是安装其它零部件和附件的骨架，是发动机总装配时的基本零件，各总成和各部件的正确位置，主要由汽缸体来保证。汽缸体加工的好坏，直接影响发动机的装配精度及其工作性能和寿命。 汽缸体可以分为龙门式、隧道式和一般的机体等三种结构。CS492Q的缸体采用的是一般的机体结构，但其曲轴轴承座平面比底面略低，从整体上来看是一个典型的箱体类零件，主要由各零部件、附件的安装面和结合面以及水、油、气孔、活塞孔、曲轴孔、凸轮轴孔和螺孔组成。 (1) 底面是缸体制造与装配基准，是保证缸体与油底壳结合处不漏油的重要加工面。 (2) 顶面是缸盖的安装面，与缸盖构成燃烧室，并且缸体的水套通过在顶面的开口与的水套相通。为防止漏水、漏气，顶面精度要求较高。 (3) 后面是飞轮壳的安装面。 (4) 侧面上的各安装凸台决定了发动机各附件相对于缸体位置是否正确合理，工艺凸台则是缸体加工工艺的粗基准。 (5) 492Q发动机采用的是湿式缸套，因此气缸孔是防止汽缸漏水的重要保证。 (6) 主轴孔是曲轴的支承面，它的加工直接影响发动机的性能。 (7) 凸轮轴孔是系统的安装与工作基准，各孔的同轴度决定着各缸的协调性。 (8) 分电器孔对凸轮轴的垂直度直接影响分电器工作的准确性。 (9) 顶杆孔作为气门的活动通道，与顶杆装配后不能漏气。 (10) 工艺孔是缸体加工的重要精基准。 2.1.3 缸体结构特点CS492汽油机缸体结构在如下几方面特点:(1) 表面平整光洁，能耐一定的冲击，且有较高的耐压、防漏要求；(2) 外观形状复杂。缸体横截面呈不规则梯形，前、后面上有高度不一的各种零部件、附件的安装凸台和工艺凸台，及各孔腔的开口；(3) 内部孔腔多。有水套、进出气道、气门室等空腔及各种加工孔系，如纵横交错的油道、螺孔等；(4) 缸体壁薄且不均匀，在受力比较大的地方还设有加强筋；(5) 加工精度要求高，且多为不易加工的深孔、细长孔。2.2 缸体加工工艺性分析 2.2.1 汽缸体的精度分析2.2.1.1 缸体主要加工面汽缸体上的主要加工面有：上、下底面，两侧面，后面上的分电器平面，曲轴轴承座平面，气缸孔108，活塞孔100，凸轮轴孔，曲轴孔，分电器孔29，顶杆孔8-25，工艺孔2-16、主油孔14.5、横油孔13和各面上的连接螺纹孔等。2.2.1.2 缸体主要加工面的加工精度(1)底面的平面度不大于0.10mm；表面粗糙度为Ra=6.3um5；(2)顶面、后面平面度不大于 0.06mm；表面粗糙度为Ra=6.3mm； 顶面对底面的平行度要求在 100mm内不得大于 0.025mm；(3)左侧面对曲轴孔轴心线的垂直度要求在 100mm内不大于 0.10mm； 曲轴轴承座与轴承盖的结合平面深度：40.060mm，表面粗糙度3.2um;(4)工艺孔2-16中心距：4240.048(5)气缸孔108与活塞孔100的同轴度要求：0.025M； 两孔对曲轴轴心线的垂直度要求在 100mm内不大于 0.025mm； 两孔的圆柱度要求：0.022；表面粗糙度Ra=3.2；(6)曲轴孔68.5(与轴承盖合镗)轴线对基准轴线的同轴度要求：0.04； 表面粗糙度Ra=3.2;(7)凸轮轴孔对曲轴孔的平行度要求：0.04；表面粗糙度Ra=1.6; 表2-1 凸轮轴上各轴承座的尺寸精度用于整料轴瓦 用于卷料轴瓦 以上各轴瓦轴线对曲轴孔轴线的同轴度要求：0.06(8) 分电器孔29对凸轮轴线的垂直度要求：100：0.06；(9)进排气孔8-25对凸轮轴线的垂直度要求：100：0.10； 表面粗糙度Ra=0.8 2.2.2 缸体加工性分析 2.2.2.1 材料的加工工艺分析汽缸体材料为ZL104，牌号 ZAlSiMg。 在各类铝硅合金中，ZL104流动性好，线收缩率小、补缩性强、气密性较好，在潮湿大气中耐腐蚀性强，耐热性适中，抗热裂强。但与其它材料相比较，铝硅合金吸气性较强，易产生气孔、针眼。而在铸件的结构方面，ZL104的铸件的强度随壁厚的增大下降得更显著，因此制造发动机缸体这类壁薄且形状复杂的零件是合适的。 ZL104的强度、硬度较低，故其冷切削加工性好，加工时一般允许采用较大的切削用量，可以不使用冷却润滑液，刀具寿命较高。熔点低，温度升高后塑性大，加工时在高温高压作用下滞留现象严重，易生成积屑瘤，使工件尺寸和表面光洁度降低。延伸率小，攻丝时容易崩牙。组织不够精密，难获得高的光洁度。 2.2.2.2 主要加工面加工工艺性及加工方式 (1)底面、顶面及曲轴轴承座平面和锁口面加工精度、表面粗糙度要求较高，但加工平面上无凸台、筋板等非加工面，根据各种加工方法所能达到的经济加工精度，并考虑到可利用高生产率机床来提高效率的可能性，上述各面的加工科采用拉削加工或铣削加工。 顶、底面采用粗精拉加工或粗铣精铣加工。 曲轴轴承座面、锁口面切削量不大，一次拉削加工完成。 (2)前、后面对底面的垂直精度8级，采用粗铣精铣加工 (3)左右侧面上的加工面多为凸台面，且各凸台加工高度和方向不一致，加工较困难，采用一次铣削加工。 (4)气缸孔与活塞孔位两个有同轴度要求的短圆柱通孔，同轴精度为8级，各自圆度要求为9级，且有较高的表面粗超度要求，根据各种加工方法所能达到的经济加工精度，两孔采用粗镗半精镗精镗加工，为保证两孔同轴度，用一把双刀具镗刀，同时加工两孔。 (5)曲轴孔为一组直径相同的部分短圆柱孔，精度为6级，采用粗镗半精镗精镗加工，为保证精度，半精、精加工时与轴承盖和镗。 (6)凸轮轴孔为一组直径依次递减的短圆柱孔，各孔同轴度要求高，与曲柄孔平行精度为6级，采用粗镗半精镗精镗加工，为保证同轴度，用几把刀具同时加工各孔，为保证与曲柄孔平行精度，两孔同时进行加工。 (7) 分电器斜孔精度为8级，采用钻粗镗精镗加工。 (8) 顶杆孔位四队深孔，垂直精度为8级，且表面光洁度要求高，根据可达到要求的经济加工方式，采用钻铰加工。 (9)工艺孔位短圆柱通孔，精度为7级，位置尺寸要求较高，采用钻铰加工。 (10) 主油孔和横油孔均为细长孔，方向性要求高，采用深孔枪钻进行加工。3 CS492Q发动机缸体工艺规程设计3.1 零件生产纲领 年产量：25000件 生产节拍：按每年正常生产日300天，每天单班生产8小时计，设定废品率和备品率20%，则 节拍=300860/(25000(1+20%)=4.8分/件 生产规模：属大批大量生产3.2 零件毛坯制造 3.2.1 铸造方式 汽缸体宜采用低压铸造。 (1)低压铸造的金属液充型是在外界压力下迫使流动的，从而提高了金属液的充型能力，在有利于形成轮廓清晰、表面光洁的铸件，这对于汽缸体这类大型薄壁铸件的成行极为有利。 (2)低压铸造采用底注充型，速度可调控，金属液充型平稳，能有效地避免对型壁和型芯的冲刷，提高缸体这类内形复杂的铸件的合格率。同时，充型时液流和气流方向一致，能减少气孔的生成。 (3)金属液在压力作用下凝固，补缩裸好，能提高金属的机械性能，而对于要求耐压、防漏的汽缸体铸件效果更佳。 (4)金属液充型的压力较低，因此可采用包括砂型、金属型在内的几乎所有的铸型，生产适应性大，对生产批量或铸件结构均少限制，满足汽缸体的生产要求。 (5)低压铸造的经济性能好。 a.与普通砂型铸造相比，可实现铸件薄壁成形，大大节省金属。 b.浇冒口小，清理费用低，铸件外观好。 c.与压力铸造相比，设备费用低。 d.经改进浇注系统后，生产率高，能满足大批大量生产。 3.2.2 毛坯精度 提高毛坯精度，减少加工余量，是提高自动生产线系统生产率及加工质量的重要措施。由于国外箱体类零件毛坯质量和精度较高，其生产线系统已实现了毛坯直接上线，既省去了毛坯检查装置，也节省了由于毛坯质量问题而浪费的加工工时，提高了综合效益。因此，精化毛坯是提高生产率最有潜力的出路。对于发动机缸体生产线，可在零件上线前粗铣六个面，去除大部分余量，便于零件直接上线。3.3 零件加工工艺路线设计 3.3.1 拟定工艺路线的原则 (1)先面后孔 由于平面面积较大，定位稳定可靠，因此先加工平面，再以此面定位加工其它表面，可以简化夹具结构、减少零件安装变形，从而提高加工精度。 (2)粗精分开 因此缸体零件壁薄、刚性较差，而加工要求又较高，为了粗加工对加工精度的影响，就将主要表面的粗、精加工分开进行。 (3)工序集中与分散 缸体加工采用组合机床自动线、专用拉床或其它高生产率机床，使工序集中，可以有效地提高生产率。把一些同一工位或机床上进行，不仅减少了机床数目和占地面积，同时有利于保证各表面之间的位置精度。但对于某些形状精度要求较高，或因工序过分集中而使加工费时、费事的加工面应适当使工序分散。 3.3.2 初拟工艺路线6-8 3.3.2.1 加工工序方案一： (1)粗拉顶面 (2)粗、精拉底面 (3)铣前后端面 (4)钻铰工艺孔、钻孔13、5 (5)铣曲柄轴轴承座端面 (6)铣顶杆底平面 (7)铣左右侧面凸台面 (8)扩凸轮轴孔 (9)粗镗曲柄孔、凸轮轴孔 (10)钻前面12孔(7M8、M6、4、29、Z1/8”)和后面10孔(2M10、3M6、211、Z1/8”)、前后面螺孔攻丝 (11)钻斜油孔(前面5、左侧8.5) (12)粗镗气缸孔及钻分电器孔 (13)钻右侧面孔(6、68.5)及上面孔(108.5) (14)钻顶面及侧面各孔 (15)钻分电器螺孔 (16)分电器螺孔攻丝 (17)钻顶杆孔、扩顶杆孔、铰顶杆孔、钻底面孔及攻螺纹、钻回油孔 (18)水套试压 (19)顶面、两侧面螺纹攻丝 (20)半精镗气缸孔及分电器孔 (21)铣卡瓦槽 (22)拉主轴承盖面、锁口面及精拉顶面 (23)装配主轴承盖 (24)括止推面，镗分油槽 (25)半精镗曲柄孔、凸轮油孔 (26)钻铰前面213工艺孔 (27)压凸轴衬套 (28)精镗曲柄孔、凸轮轴孔 (29)精镗气缸孔、分电器孔 (30)镗气缸孔止口 (31)清洗3.3.2.2 加工工序方案二 (1)粗铣上平面 (2)中铣上下平面 (3)精铣下平面 (4)钻、铰工艺孔及5、13孔 (5)铣前后端面 (6)铣左右侧面及分电器平面 (7)粗镗缸孔 (8)铣顶杆孔底平面 (9)铣主轴承座两侧 (10)扩凸轮轴孔 (11)粗镗主轴孔及凸轮轴孔 (12)钻前后端面及右侧面孔 (13)钻斜油孔、分电器孔 (14)钻分电器面螺孔 (15)钻顶面及左侧面孔 (16)钻下平面及右侧孔 (17)钻顶杆孔及锪孔、攻丝 (18)粗镗顶杆孔 (19)镗铰顶杆孔 (20)水套试压 (21)分电器螺孔、斜油孔攻丝 (22)上平面螺孔倒角 (23)上面、前后面螺孔攻丝 (24)正面、两侧面螺孔攻丝 (25)精铣上平面 (26)精镗缸孔 (27)精镗缸孔止口 (28)拉主轴承盖槽 (29)装主轴承螺栓 (30)铣卡瓦槽 (31)装主轴承盖 (32)中镗主轴孔、曲轴孔 (33)括止推面、镗封油槽、钻上面孔 (34)半精镗主轴孔、凸轮轴孔和分电器孔 (35)压凸轮轴衬套 (36)精镗主轴孔、凸轮轴孔和分电器孔 (37)清洗3.2.3 加工方案的对比分析 (1)方案一中采用拉削加工顶面、底面、主轴承座对口面及锁口面，而方案三则采用铣削并拉削加工以上各面。在加工效率方面，铣削加工时工作台进给量Sm200mm，气缸体单件加工基本时间为34min，而且因加工工序、机床多，用于夹紧、装卸、运送等方面的辅助时间也较多，因此方案二的生产率难以满足生产需要，即使可以达到，也必然会限制生产规模的进一步发展、扩大：拉削加工速度为525min，当v=5m/min时，单件生产节拍为1.2min，完全能满足生产的需要。在设备成本方面，虽然拉床特别是拉刀造价昂贵，但整个过程中只需两台卧式气缸体拉床，而方案二不仅需要一台气缸体拉床，而且还要四台铣床才能完成加工，因此，方案一的实际成本并不比方案二的高多少，对于大批量生产是可以承受的。 (2)方案一中，依照先面后孔的加工原则，先加工前后端面，再以端面为精基准加工工艺孔2-16，较方案二更能提高工艺孔的形位精度，保证各加工面加工余量的合理分布，从而降低工件的废品率。前后端面加工时以底面及气缸孔为基准，也能保证其加工精度。 (3)方案一把同一方向上的各加工面的加工都尽量安排在相邻的几道工序上进行，有利于在工序间设置自动输送装置，实现工件的自动定位、装夹，减少工件的翻转次数，从而提高生产率。如工序(3)工序(6)，均以底面朝上，或加工前后面或加工底部，工件左右向输送。方案二中的工序安排较零乱，不适于工件的自动输送及装夹。 (4)方案二中工艺孔2-16的钻、铰加工分为两工步先后进行，而方案一则采用钻-铰组合刀一次加工完成，能大大节省工序加工时间，提高生产率。 (5)方案一中有些工序安排在加工中心上完成，属于工序集中。这样有利于保证各加工面间的相互位置精度要求，并且采用高效率的加工加工中心进行加工，节省了装夹工件的时间，减少了工件的搬动次数。对于一些未采用加工中心的工序，则是采用工序分散的原则，如方案一中把分电器螺孔的钻削和攻丝从别的加工面加工工序中分离出来，成为两道独立的工序，使用普通钻床进行加工，可以降低使用加工中心的高成本，简化专用夹具设计，同时也可以缩短单件加工时间。(6)方案一的卡瓦槽及主轴承座面螺孔在主轴承面座拉削之前加工完成，可以方便加工，也能保证主轴承座面的表面不被破坏。3.4 零件工艺装备汽缸体加工精度高，且生产批量大、加工节拍快，故加工中应采用流水线形式，广泛使用组合机床、拉床和加工中心等高效专用机床及各种高效刀具、辅助进行加工。3.4.1 加工机床(1)平面加工对于较小的平面，在满足工时的条件下，应采用双面甚至多面组合铣同时对多个平面进行加工，充分利用其刀具、工件定位简单方便，经济性好的优点。对于较大的平面，如顶、底面及主轴承盖面、锁口面，可以选用45T双工位卧式气缸体平面拉床，拉削速度最大可以达30m/min。工件先进入工位一，正向拉削顶面，翻转后进入工位二，反向拉削底面，上料、加工交替进行，刀具无空行程，自动完成上料、夹具翻转就位、定位夹紧以及加工后自动卸下工件等，适于大批量的缸体加工。(2)孔系加工 缸体加工中多为孔的加工，对于对同一孔进行钻、扩、铰时，可以采用加工中心加工。加工中心的主要特点有： a.全封闭防护 所有的加工中心都有防护门，加工时，将防护门关上，能有效防止人身伤害事故。 b.工序集中，加工连续进行 加工中心通常具有多个进给轴(三轴以上)，甚至多个主轴，联动的轴数也较多，如三轴联动、五轴联动、七轴联动等，因此能够自动完成多个平面和多个角度位置的加工，实现复杂零件的高精度加工。在加工中心上一次装夹可以完成铣、镗、钻、扩、铰、攻丝等加工，工序高度集中。 c.使用多把刀具，刀具自动交换 加工中心带有刀库和自动换刀装置，在加工前将需要的刀具先装入刀库，在加工时能够通过程序控制自动更换刀具。 d.使用多个工作台，工作台自动交换 加工中心上如果带有自动交换工作台，可实现一个工作台在加工的同时，另一个工作台完成工件的装夹，从而大大缩短辅助时间，提高加工效率。 e.功能强大，趋向复合加工 加工中心可复合车削功能、磨削功能等，如圆工作台可驱动工件高速旋转，刀具只做主运动不进给，完成类似车削加工，这使加工中心有更广泛的加工范围。 f.高自动化、高精度、高效率 加工中心的主轴转速、进给速度和快速定位精度高，可以通过切削参数的合理选择，充分发挥刀具的切削性能，减少切削时间，且整个加工过程连续，各种辅助动作快，自动化程度高，减少了辅助动作时间和停机时间，因此，加工中心的生产效率很高。 g.高投入 由于加工中心智能化程度高、结构复杂、功能强大，因此加工中心的一次投资及日常维护保养费用较普通机床高出很多。 3.4.2 加工夹具气缸体加工中，应根据加工工序和机床的要求来设计专用夹具。而在夹具设计中，基准的选择是最重要的一环。定位基准选取得正确，能保证加工面和不加工面的正确位置，减少定位误差、提高定位精度，并使装夹方便、定位可靠、夹具结构简单。3.4.2.1 粗基准的选择(1)若工件上必须保证某重要表面的加工余量均匀，则应选择该表面为基准。气缸体上底面为重要加工表面，因此应先以底面为粗基准加工顶面。(2)因为选择零件上不加工表面为粗基准，可以保证加工面和不加工面间有较正确的相互位置，所以在加工工艺孔时应选用侧面上的工艺作为粗基准。3.4.2.2 精基准的选择(1)在加工中，应尽量选择底面及两个工艺孔作为精基准。因为底面及工艺孔是大多数加工面的设计基准，根据“基准重合”的原则，定位基准与设计基准相重合，可以避免因基准不重合而引起的定位误差，而且在零件加工的整个工艺过程中，大多数工序都可以采用底面及工艺孔作定位基准，根据基准“基准统一”的原则选择为精基准，可以简化夹具的设计和制造工作。(2)主轴承座端面对气缸孔有一定的位置要求，则以顶面及气缸孔作为加工精基准，不仅基准重合，而且还能保证工件的装夹稳定可靠、夹具结构简单、操作方便。3.5 零件加工余量3.5.1 毛坯加工余量和毛坯尺寸(1)毛坯总高2761，顶面总加工余量4mm,底面总加工余量3mm。(2)总长5151.4，前后面总加工余量各3mm。(3)两侧面上各凸台总加工余量将为 3mm。(4)气缸孔1020.8，活塞孔940.8，总加工余量 6mm。(5)凸轮轴孔 420.5，各孔加工余量610mm。(6)曲轴孔630.6，总加工余量 5.5mm。3.5.2 中间加工余量和工序尺寸表3-1 中间加工余量和工序尺寸 加工工序工序加工余量加工后的工序尺寸 顶、底面粗拉顶面3.6粗拉底面2.4精拉底面0.6精拉顶面0.4 工艺孔钻15.5铰 气缸孔粗镗4.0半精镗1.5精镗0.5 活塞孔粗镗4.0半精镗1.5精镗0.5 凸轮轴孔扩孔4粗镗4.5，3.5，2.5，1.5，0.5半精镗1.0精镗0.5 曲轴孔粗镗4.0半精镗1.0精镗0.5 分电器孔钻27.5半精镗1.2精镗0.3 顶杆孔钻24镗0.8铰0.23.6 零件加工切削用量(1) 顶、底面加工(硬质合金拉刀) 粗拉进给量(单面齿升)：0.08mm/r 精拉进给量：0.05mm/r 切削速度：9m/min(2) 主轴承座面及锁口面加工(硬质合金拉刀) 拉削进给量(单面齿升)：0.06mm/r 切削速度：9m/min(3) 工艺孔加工(钻-铰刀) 钻-铰：v=0.35m/s，f=0.06mm/r(4) 各面铣削加工 前后端面(密齿硬质合金端面铣刀)： v=12m/s,f=0.05mm/r,n=725rpm 曲轴轴承座端面(端面铣刀)： v=1.5m/s,f=0.3mm/r 顶杆孔底平面(硬质合金立铣刀)： v=1.5m/s,f=0.2mm/r 窗口面(密齿硬质合金端面铣刀) v=11m/s,f=0.05mm/r 左右侧面各凸台面(端面铣刀) v=6.5m/s,f=0.3mm/r 卡瓦槽(三面刃盘铣刀) v=8.5m/s,f=0.3mm/r(5) 主轴孔加工 粗镗：v=1.85m/s,f=1mm/r 半精镗：v=2.3m/s,f=0.4mm/r 精镗：v=2.9mm/s,f=0.08mm/r(6) 凸轮轴孔加工 扩孔：v=0.6mm/s,f=0.35mm/r,n=250rpm 粗镗：v=1.85mm/s,f=1mm/r,n=600rpm 半精镗：v=2.3mm/s,f=0.4mm/r,n=750rpm 精镗：v=2.9mm/s,f=0.08mm/r,n=950rpm(7) 气缸孔加工 粗镗：v=2.5mm/s,f=0.8mm/r,n=460rpm 半精镗：v=3.27mm/s,f=0.3mm/r,n=600rpm 精镗：v=3.27mm/s,f=0.07mm/r,n=600rpm 镗止口：v=3.33mm/s,f=0.06mm/r,n=600rpm(8) 分电器孔加工 钻：v=0.68mm/s,f=0.12mm/r,n=450rpm 半精镗：v=1.4mm/s,f=0.2mm/r,n=950rpm 精镗：v=1.4mm/s,f=0.08mm/r,n=950rpm(9) 顶杆孔加工 钻：v=0.94mm/s,f=0.2mm/r,n=750rpm 扩孔：v=0.6mm/s,f=0.25mm/r,n=460rpm 铰：v=0.33mm/s,f=1.0mm/r,n=250rpm(10) 各孔的钻削加工 组合机床上 3-5：v=0.42m/s,n=1400rpm (深孔)f=0.10mm/r (浅孔)f=0.03mm/r 6-8：v=0.48m/s,n=1120rpm (深孔)f=0.18mm/r (浅孔)f=0.05mm/r 8.5-11：v=0.54m/s,n=960rpm (深孔)f=0.25mm/r (浅孔)f=0.08mm/r 11.9-15：v=0.62m/s,n=750rpm (深孔)f=0.32mm/r (浅孔)f=0.10mm/r 15.7-20：v=0.71m/s,n=750rpm (深孔)f=0.40mm/r (浅孔)f=0.12mm/r 23.2-25：v=0.78m/s,n=750rpm (深孔)f=0.5mm/r (浅孔)f=0.15mm/r 27以上：v=0.84m/s,n=530rpm, f=0.25mm/r 加工中心上： 6.5：v=80m/min,n=3993rpm,f=0.3mm/r 9：v=113m/min,n=3993rpm,f=0.3mm/r 11：v=120m/min,n=3566rpm,f=0.22mm/r 18：v=120m/min,n=2123rpm,f=0.3mm/r 22：v=120m/min,n=1137rpm,f=0.3mm/r (11) 各螺孔攻丝的切削用量 M6：v=0.0785m/s,n=250rpm,f=1.0mm/r M8：v=0.134m/s,n=320rpm,f=1.25mm/r M10：v=0.217m/s,n=414rpm,f=1.5mm/r M12：v=0.201m/s,n=320rpm,f=1.75mm/r M14：v=0.2345m/s,n=320rpm,f=2.0mm/r M16：v=0.134m/s,n=160rpm,f=2.5mm/r M18：v=0.151m/s,n=160rpm,f=2.5mm/r 3.7 零件加工工序尺寸3.7.1 底面加工工序尺寸链3.7.1.2 括止推面尺寸链工件主轴承座上有两个止推面，已知一止推面至工艺孔距离23.5和另一止推面至轴承座端面距离33以及端面至工艺孔距离21.5。两止推面用两把刀一次加工完成，控制两刀间距离B即可以保证止推面至端面位置，即尺寸33为封闭环。图3.1 括止推面尺寸链根据尺寸链公式：33=23.5+B-21.5 B=310=(0.01+Bs)-(-0.01) Bs=-0.02-0.062=(-0.01+Bx)-0.01+Bx)-0.01 Bx=-0.0423.7.1.2 镗封油槽封油槽与止推面一起镗出，控制两刀之间的距离B就可以保证槽至轴承座端面的距离463，4630.02为封闭环。图3.2 镗封油槽尺寸链根据公式：463=B-23.5+21.5 B=4650.2=(Bs+0.01)-(-0.01) Bs=0.18-0.2=(Bx-0.01)-0.01 Bx=-0.183.7.2 前面孔尺寸链前面上有六孔对底面及主轴孔有位置度要求，要求误差不大于0.3mm。它们在水平面上相互间尺寸如下：图3.3前面孔尺寸链各孔至主轴孔中心线距离均为封闭环，其精度由各孔至工艺孔尺寸B保证。根据公式：(孔)：0.15=Bs-(-0.02) Bs=0.13 -0.15=Bx-0.02 Bx=-0.13(孔)：0.15=0.02-Bx Bx=-0.13 -0.15=-0.02-Bs Bs=0.13B1=40+128=168,B2=128-74=54B3=B5=127+128=255,B4=128-74=54B6=128-127=1以上六孔在垂直方向上的工序基准与设计基准重合，因此其设计尺寸就是其工序尺寸。3.7.3 后面孔尺寸链后面上有六个孔对底面及工艺孔有位置度要求，要求位置误差不大于0.3，即孔对底面及工艺孔距离误差不大于0.15mm。它们在水平方向上的尺寸链如图。图3.4 后面孔尺寸链则对于孔1、2、4、5：0.15=Bs-(-0.02) Bs=0.13-0.15=Bx-0.02 Bx=-0.13对于孔3、60.15=0.02-Bx Bx=-0.13-0.15=-0.02-Bs Bx=0.13B1=128+92=220,B2=128+9.5=137.5B3=128-28.5=99.5B4=B5=128+161=289B6=128-83=45后面上各孔在垂直方向上的工序基准与设计基准相重合，因此它们的工序尺寸就是它们的设计尺寸。 4 夹具设计4.1 夹具工件任务及要求本夹具用于汽缸体加工第14道工序即左右面及顶面各孔的钻削加工工序中。在这道工序中，所加工的各孔为6.5-10的短孔，分布在三个面中；汽缸体底面及工艺孔已完成精加工，其它各重要平面均进行了粗加工。工件加工效率要求较高，采用组合机床流水线形式加工，各工序间以滚道相连，工件由上道工序的工位沿滚道直接推至下一道工序，以减轻工人劳动强度并且节省装卸时间。工件材料为硅铝合金，加工过程中不需要冷却液冷却，切屑应能从夹具中自动排除。4.2 夹具结构方案的拟定本夹具采用单工位固定式框形夹具。其结构具有刚性好、初始精度高、能持久保持精度等优点，适用于汽缸体这类较大的箱体件加工。夹具采用通过式的推拉方式装卸工件，夹具内设置滑道，其两端与夹具外的滚道相连。夹具结构有三大部分：定位支承系统、夹紧机构及刀具导向装置。因加工过程中不需要冷却，故不设冷却系统。滑道两边及上面设置导向装置(钻模架)及夹紧机构，滑道下面的底座中设置定位系统。底座中间挖空，便于排屑并有利于系统刚性。4.3 夹具定位支承系统设计夹具的定位支承系统能保证工件在进行加工前，对刀具及其导向有正确的相对位置，并且承受工件的重量及夹紧力，和加工时来自顶面的切削力。定位支承系统主要由定位、支承及限位元件组成。4.3.1 工件预定位在工件被推入夹具时应对其进行预定位，限制工件对定位元件的相对位置，以保证定位系统的顺利工作。工件的预定位通过限位元件来实现。9-10 汽缸体推入夹具后，通过固定在两侧钻模架上的限位板限制工件左右向的位置，限位板顶面相距工件正常工件位置1mm；工件前后向位置则由置于滑道上的回靠装置予以控制。回靠装置由弹簧及单向挡板构成，挡板可绕固定在滑道上的销轴作小范围转动。工件推进夹具时，沿挡板的一侧斜边压下挡板，工件通过后，挡板在弹簧力的作用下弹起，此时把工件回拖，则工件抵住挡板的另一个侧端面，完成工件的预定位。挡板端面距工件正常工作位置1mm。回靠装置如图4.1：图4.1 工件预定位时的回靠装置 4.3.2 工件支承及面定位 工件推入夹具后，安装在底座上的两块支承板不仅要承受工件重量和工作时的夹紧力和切削力，还要对工件底面进行定位。 工件以推拉方式进入夹具，所以用两块长的支承板比较方便。虽然这样对原来只需三点定位的平面进行了四点甚至更多点的过定位，而因为支承板的不平度误差和支承板间的不共面度误差使工件在夹紧力和切削力的作用下会产生变形，但这种变形量较小，对于一般精度要求的加工是允许的，而且，长的支承板可以增加定位系统的刚性，防止当夹压力和切削力不是对准支承时而引起工件的变形，这种变形不仅影响加工精度，而且会引起振动，甚至造成刀具的折断。 工件侧面上有几个加工孔非常靠近底面，因此选取高度为60mm的支承板。为了防止工件滑动时在支承板表面产生毛刺，沿支承板纵向有倒角，面两端有15的导角并抛光。为了避免积存切屑，在支承板中部开有排屑斜槽，利用工件在支承板上的滑动，将切屑没斜槽推出去。 4.3.3 工件两销定位 因为工件以推拉方式出入夹具，所以定位销采用伸缩式结构。这种结构 动力一般有手动和液压驱动两种，前者结构较简单且动作可靠，故采用手动式伸缩定位销。根据支承板的高度，选用带防护罩的定位销。定位销采用组装结构，与 整体式的定位销相比，增加了定位系统的误差环节，降低了定位精度，但对于加工精度要求不是很高的夹具来说，组装结构便于更换，也经济一些。定位销的插入和拨出是通过转动手柄经打推杆杠杆拔动伸缩则实现的，其移动距离由手柄座上的弹簧及钢球的位置来保证，并由挡销来控制插销和拨销的极限位置。本夹具中伸缩行程为13mm，销顶伸入工件11mm，手柄转动角度为15。伸缩式定位销示意图如图4.2：图4.2 伸缩式定位销示意图定位销的尺寸设计及定位误差计算如下：4.3.3.1 定位销尺寸设计图4.1为一面两销定位时一个圆柱销和一个菱形销的示意图。图4.3 定位销示意图设计参数如下：(1)定位销的中心距L1为424mm(2)两孔中心距公差为0.006mm。(3)两定位销孔直径： 圆柱销的最大直径为： 第一基准孔最小直径 (4)切削边销宽度，查表取b=4mm B为11.3 (5)切削边销与基准的最小配合间隙 第二基准孔的最小直径 (6)切削边销的最大直径取 4.3.3.2 定位销的定位误差计算图 4.4 定位销的定位误差示意图（1）定位误差 第一基准孔的公差 圆柱销的公差圆柱销与第一基准孔的最小间隙（2） 4.4 夹具夹紧机构设计 4.4.1 夹紧动力的选择 作为夹紧机构的力源，可以分为手动夹紧和自动夹紧。为提高生产效率、降低劳动强度，选择自动夹紧的夹紧机构。 自动夹紧又可分为气动夹紧和液压夹紧。其中气动夹紧具有许多其它能源所不及的优点： (1)空气取之不尽，没有供应上的困难，而且废气处理也方便。 (2)空气粘度小，在管道中压力损失小，便于集中供应和远距离输送。 (3)工作压力低，可降低对气动元件的材质和制造上的要求。 (4)气动动作迅速、反应快。 (5)气动维护简单、介质清洁，也不存在介质变质等问题。 (6)使用安全，便于实现过载自动保护。 (7)气动操作控制方便，元件便于标准化，易于集中控制、程序控制和实现工序自动化。 因此夹具中选择气动夹紧方式。 4.4.2 夹紧力的确定 4.4.2.1夹紧力的作用点 为了保证工件在夹紧后定位稳定，作用点应在工件定位支承平面以上；为了保证夹紧后工件的变形最小，作用点应在工件刚性最好的部位，即夹紧点应靠近工件的壁或筋板并要避免设在被加工孔的上方；此外还要保证夹紧力和切削力不产生使工件弯曲的力矩。因此，选择四个夹紧点，分别作用在靠近气缸孔壁、支承板的正上方的位置，为了保证工件在夹紧后有足够的抗扭性，作用点之间的距离应尽量拉大，靠近工件的两端。 4.4.2.2夹紧力的方向 为了保证夹压后工件定位的稳定和减少工件的夹紧变形,夹紧力的方向应工件在夹具上定位的主要加工基准面，并尽量使夹紧力和切削力方向一致。气缸体定位的主要基准面为水平布置的底面，且在加工时，大部分切削力来自顶面，因此选择夹紧力竖直向下指向顶面。 4.4.2.3夹紧力的大小 (1) 加工时工件所受的切削力 垂直方向上，钻1410孔(f=0.08mm/r，v=0.54mm/s，n=960r.p.n.)，和47(f=0.05mm/r，v=0.48mm/s，n=1120r.p.n.)。据公式11-12：其中：=304.11 X=1 Y=0.8 =0.9则：水平方向上，左右两面各有七个加工孔大小、位置均一致，其钻削力相互抵消，另外左侧面上还有26.7孔(f=0.05mm/s)、右侧面上有28.7孔(f=0.08mm/s)及15孔(f=0.10)，则：(2) 加工时工件所需夹紧力由以上计算可知，加工时工件所承受的主切削力是来自顶面加工的钻削力，侧面的钻削力相比之下很小。而夹紧机构由上向下夹压工件，与主切削力方向一致，都朝着夹具的定位支承块，这时主切削力起着帮助夹紧工件的作用，所需的夹紧力只是防止工件在加工时产生振动和转动，因此仅需要较小的夹紧力就足够了。选用T5613型通用夹紧气缸，活塞直径105毫米，工作压力位3公斤/平方厘米时，活塞干推力260公斤。4.4.3. 夹紧机构设计由于采用气动压紧，气压易受影响而不稳定，以致影响工件夹紧的可靠性，因此需要采用自锁夹紧机构锲铁压紧机构。锲铁机构结构简单，工作可靠、调整方便，是一种快速夹紧机构。为提高其耐用性，选择带滚子的锲铁机构。锲铁锲角为8，夹紧行程7毫米。滚子固定在压板上，压板一端连接铰链，中间安装一块浮动压板。气缸工作时推动锲铁，锲铁压下压板，从而实现对工件的压紧。夹紧机构简图如图：图4.5 夹紧机构简图4.5 夹具导向装置设计4.5.1 导向装置形式的选择在组合机床上进行的孔加工工序中，除采用“刚性主轴”加工方法外，一般情况下，刀具都在导向装置中工作。因此，组合机床上的导向装置时作为引导刀具对工件进行切削加工的重要装置，它对保证刀具对工件的正确位置、保证各刀具间的相互正确位置和提高刀具系统的支承刚性从而对保证加工精度和机床的工作可靠性有重要的影响。组合机床的刀具导向装置，根据其运动形式不同，可分为两大类；第一类和第二类导向装置。第一类导向装置的导套安装在机床夹具的钻模架上，并且是固定不动的，刀具或刀杆在导套内即有相对转动又有相对移动。第二类导向装置则带有可旋转的部分，因此刀具在导套内只有相对移动而无相对转动。第一类导向装置精度较好，但容易磨损，不利于持久保持精度，一般用于加工小孔、旋转线速度较小时。第二类导向装置工作时磨损小，能防止刀杆因摩擦发热而变形，并能避免导向润滑不良和细切屑的进入，因此一般用于较大直径孔、切屑速度大的加工中，有利于减轻磨损和持久保持精度。本工序中加工的孔均为小直径孔，切削速度也不大，因此选用第一类导向装置，固定式可换导套。4.5.2 钻模板及导套设计固定式可换导套固定在钻模上，由三个元件组成：在压套螺钉、可换导套和中间套。在固定式导套外部装上中间套，可以保证在导套磨损后进行更换时，不至于破坏钻模板上的孔，从而有利于保持导向的精度。较小直径钻套，一般选用优质碳素工具钢T10A，淬火硬度达HRC60-64，以满足导套高耐磨性要求。需要加工的孔径为6.5-15，考虑到侧面钻模架以保证其有足够的刚度。钻套底面到工件加工表面距离10mm.其中，固定式导套的配合如表4-1表4-1 固定式导套的配合结构简图工艺方法配合尺寸dDD1钻孔刀具切削部分引导F8/h6G7/h6H7/g6H7/f7H7/r6H7/s6H7/n6刀具柄部或刀杆引导H7/f7H7/g6 5 结论论文针对CS492Q发动机缸体机械加工的工艺特点，对发动机缸体的机械加工工艺过程进行了分析和研究，并对其中的第14道工序(钻顶面和侧面孔)进行了夹具设计。在发动机缸体机械加工工艺的设计中，采用了一些先进设备和技术，适当地考虑了工序集中和工序分散，不仅保证了发动机缸体的加工质量，