泵壳零件机械加工工艺过程及3M6螺纹孔加工用夹具设计

摘 要通过对泵壳零件零件图的分析及结构形式的了解，从而对泵壳零件进行工艺分析、工艺说明及加工过程的技术要求和精度分析。然后再对泵壳零件的各个加工面,加工孔位即西宁加工进行夹具设计与精度和误差分析，该工艺与夹具设计结果能应用于生产要求。 在产品的加工过程中，工件在夹具内的定位和夹紧显得特别重要。须根据六点定位对产品进行合理的定位，欠定位、完全定位还是过定位都须根据实际的生产过程决定。夹具是涵盖了从加工到组装的几乎所有操作过程的一种装夹设备。由于大量的加工操作需要装夹，夹具设计在制造系统中就变得非常重要，它直接影响加工质量，生产率和制造成本。本文通过分析结构特点和加工要求，制定了一套较合理的夹具设计，从而为保证该零件的加工精度将提供一种经济实用的工艺装备，具有一定的实用价值。通过对各种定位夹紧装置的分析比较，选择并组合了一套既能够满足加工要求的，又比较简洁的装置，并对各工步进行数控编程。关键词：数控加工，工艺流程，工艺装备，夹具设计全套设计加 197216396或401339828前 言加工工艺及夹具毕业设计是对所学专业知识的一次巩固，是在进行社会实践之前对所学各课程的一次深入的综合性的总复习，也是理论联系实际的训练。机床夹具已成为机械加工中的重要装备。机床夹具的设计和使用是促进生产发展的重要工艺措施之一。随着我国机械工业生产的不断发展,机床夹具的改进和创造已成为广大机械工人和技术人员在技术革新中的一项重要任务。课题背景及发展趋势材料、结构、工艺是产品设计的物质技术基础，一方面，技术制约着设计；另一方面，技术也推动着设计。从设计美学的观点看，技术不仅仅是物质基础还具有其本身的“功能”作用，只要善于应用材料的特性，予以相应的结构形式和适当的加工工艺，就能够创造出实用，美观，经济的产品，即在产品中发挥技术潜在的“功能”。技术是产品形态发展的先导，新材料，新工艺的出现，必然给产品带来新的结构，新的形态和新的造型风格。材料，加工工艺，结构，产品形象有机地联系在一起的，某个环节的变革，便会引起整个机体的变化。 工业的迅速发展，对产品的品种和生产率提出了愈来愈高的要求，使多品种，对中小批生产作为机械生产的主流，为了适应机械生产的这种发展趋势，必然对机床夹具提出更高的要求。夹具的基本结构及夹具设计的内容按在夹具中的作用,地位结构特点,组成夹具的元件可以划分为以下几类:(1)定位元件及定位装置；(2)夹紧元件及定位装置(或者称夹紧机构)； (3)夹具体；(4)对刀,引导元件及装置(包括刀具导向元件,对刀装置及靠模装置等)；(5)动力装置；(6)分度,对定装置；(7)其它的元件及装置(包括夹具各部分相互连接用的以及夹具与机床相连接用的紧固螺钉,销钉,键和各种手柄等)；每个夹具不一定所有的各类元件都具备,如手动夹具就没有动力装置,一般的车床夹具不一定有刀具导向元件及分度装置。反之,按照加工等方面的要求,有些夹具上还需要设有其它装置及机构,例如在有的自动化夹具中必须有上下料装置。专用夹具的设计主要是对以下几项内容进行设计：（1）定位装置的设计；（2）夹紧装置的设计；（3）对刀-引导装置的设计；（4）夹具体的设计；（5）其他元件及装置的设计。2 泵壳零件加工工艺规程设计2.1零件的工艺分析 零件的材料为HT200，灰铸铁生产工艺简单，铸造性能优良，减震性能良好。需要加工表面以及加工表面的位置要求。现分析如下： 泵壳铸件图 泵壳加工图（1）主要加工面：1）铣上平面B,保证尺寸40mm2）铣侧面C保证尺寸27mm3）铣侧面D保证尺寸68mm4）铣底面D保证尺寸58mm 5）钻侧面(D面)M36螺纹孔5）钻侧面(C面)3M6螺纹孔5）钻上平面（B面）211孔5）钻下平面48孔（2）主要基准面：1）以下平面为基准的加工表面这一组加工表面包括：泵壳零件上表面各孔、泵壳零件上表面2）以下平面为基准的加工表面这一组加工表面包括：主要是下平面各孔及螺纹孔2.2泵壳零件加工的主要问题和工艺过程设计所应采取的相应措施机体是机器和部件的基础零件,由它将机器和部件中许多零件连接成一个整体,并使之保持正确的相互位置,彼此能协调地运动.各种泵壳类零件由于功用不同,形状结构差别较大,但结构上也存在着相同的特点 :1.尺寸一般泵壳尺寸一般,中等.2.形状复杂 其复杂程度取决于安装在泵壳上的零件的数量及在空间的相互位置,为确保零件的载荷与作用力,尽量缩小体积.有时为了减少机械加工量或减轻零件的重量,而又要保证足够的刚度,常在铸造时减小壁的厚度,再在必要的地方加筋板.凸台.凸边等结构来满足工艺与力的要求.3.精度要求有若干个尺寸精度和相互位置精度要求很高的平面和孔，这些平面和孔的加工质量将直接影响机器的装配精度，使用性能和使用寿命。4有许多紧固螺钉安装孔。这些孔虽然没有什么特殊要求。但由于分分布在大型零件上，有时给加工带来很大的困难。由于泵壳有以上共特点，故机械加工劳动量相当大，困难也相当大，例如泵壳在钻时，要如何保证位置度问题，都是加工过程较困难的问题。二泵壳的材料、毛坯及热处理1、毛坯种类的确定。常用毛坯种类有：铸件、锻件、焊件、冲压件。各种型材和工程塑料件等。在确定毛坯时，一般要综合考虑以下几个因素：（1）依据零件的材料及机械性能要求确定毛坯。例如，零件材料为铸铁，须用铸造毛坯；强度要求高而形状不太复杂的钢制品零件一般采用锻件。（2）依据零件的结构形状和外形尺寸确定毛坯，例如结构比较的零件采用铸件比锻件合理；结构简单的零件宜选用型材，锻件；大型轴类零件一般都采用锻件。（3）依据生产类型确定毛坯。大批大量生产中，应选用制造精度与生产率都比较高的毛坯制造方法。例如模锻、压力铸造等。单件小批生产则采用设备简单甚至用手工的毛坯制造方法，例如手工木模砂型铸造。（4）确定毛坯时既要考虑毛坯车间现有生产能力又要充分注意采用新工艺、新技术、新材料的可能性。本泵壳是大批量的生产，材料为HT200用铸造成型。2毛坯的形状及尺寸的确定：毛坯的尺寸等于零件的尺寸加上（对于外型尺寸）或减去（对内腔尺寸）加工余量。毛坯的形状尽可能与零件相适应。在确定，毛坯的形状时，为了方便加工，有时还要考虑下列问题：（1）为了装夹稳定、加工方便，对于形状不易装夹稳固或不易加工的零件要考虑增加工艺搭子。（2）为了提高机械加工的生产率，有些小零件可以作成一坯多件。（3）有些形状比较特殊，单纯加工比较困难的零件可以考虑将两个甚至数个合制成一个毛坯。例如连杆与连杆盖在一起模锻，待加工到一定程度再切割分开。在确定毛坯时，要考虑经济性。虽然毛坯的形状尺寸与零件接近，可以减少加工余量，提高材料的利用率，降低加工成本，但这样可能导致毛坯制造困难，需要采用昂贵的毛坯制造设备，增加毛坯的制造成本。因此，毛坯的种类形状及尺寸的确定一定要考虑零件成本的问题但要保证零件的使用性能。在毛坯的种类形状及尺寸确定后，必要时可据此绘出毛坯图。3毛坯的材料热处理长期使用经验证明，由于灰口铸铁有一系列的技术上（如耐磨性好，有一定程度的吸震能力、良好的铸造性能等）和经济上的优点，通常泵壳材料采用灰口铸铁。最常用的是HT200，HT2547，当载荷较大时，采用HT3054，HT3561高强铸铁。泵壳的毛坯大部分采用整体铸铁件.毛坯未进入机械加工车间之前，为不消除毛坯的内应力，对毛坯应进行人工实效处理，对某些大型的毛坯和易变形的零件粗加工后要再进行时效处理。毛坯铸造时，应防止沙眼、气孔、缩孔、非金属夹杂物等缺陷出现。特别是主要加工面要求更高。重要的泵壳毛坯还应该达到规定的化学成分和机械性能要求。2.2.1确定毛坯的制造形式零件的材料HT200。由于年产量为6000件，达到大批生产的水平，而且零件的轮廓尺寸较大，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。2.2.2基面的选择（1）粗基准的选择 对于本零件而言，按照互为基准的选择原则，选择本零件的下表面作为加工的粗基准，可用装夹对肩台进行加紧，利用底面定位块支承和底面作为主要定位基准，以限制z、z、y、y、五个自由度。再以一面定位消除x、向自由度，达到定位,目的。（2）精基准的选择 主要考虑到基准重合的问题，和便于装夹，采用已加工结束的上、下平面作为精基准。2.2.3确定工艺路线表2.1工艺路线方案一工序1粗,精铣上平面(B面)至尺寸工序2粗,精铣下平面(E面)工序3粗,精铣侧面平面(D面)工序4粗,精铣侧面平面(C面)工序5钻D面M36底孔,攻螺纹工序6钻上平面（B面）211孔工序7钻侧面(C面)3M6螺纹孔工序8钻下平面(E面)48孔工序9钳工,去除锐边毛剌工序10检验加工完上下平面再加工各孔。通过分析发现这样的变动提高了生产效率。而且对于零的尺寸精度和位置精度都有太大程度的帮助。 采用互为基准的原则，先加工上、下两平面，然后以下、下平面为精基准再加工两平面上的各孔，这样便保证了，上、下两平面的平行度要求同时为加两平面上各孔保证了垂直度要求。符合先加工面再钻孔的原则。若选第一条工艺路线， 加工不便于装夹，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平行这个问题。所以发现第一条工艺路线并不可行。如果选取第二条工艺方案，先加工上、下平面，然后以这些已加工的面为精基准，加工其它各孔便能保证孔的形位公差要求从提高效率和保证精度这两个前提下，发现第二个方案比较合理。所以我决定以第二个方案进行生产。具体的工艺过程见工艺卡片所示。2.2.4机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定主轴泵壳的材料是HT200，生产类型为大批生产。由于毛坯用采用金属模铸造, 毛坯尺寸的确定如下：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。 1）加工泵壳的上平面(B面)和下平面(E面)，考虑加工余量5mm，粗加工3mm到铸造的质量和表面的粗糙度要求，精加工2mm，2）加工的侧面(D面)和(C面)时，用铣削的方法加工两侧面。由于侧面的加工表面有粗糙度的要求表面粗糙度3.2，而铣削的精度可以满足，故采取分二次的铣削的方式，粗铣削的深度是3mm，精铣削的深度是2mm3）钻D面M36底孔,攻螺纹，钻底孔,攻丝就可达到要求。4）加工211孔时，根据参考文献8表4-23考虑加工余量11mm。可一次钻削加工余量5mm，第二次扩孔就可达到要求。5）加工3M6螺纹孔时，钻底孔。可一次钻削底孔，第二次攻丝就可达到要求。6）加工48孔时，可一次钻削加工余量5mm，第二次扩孔就可达到要求。，可达到要求。2.2.5确定切削用量工序1：粗,精铣上平面(B面)至尺寸（1）加工条件：工件材料： HT200，铸造。机床：X52K立式铣床。查参考文献7表3034刀具：硬质合金三面刃圆盘铣刀（面铣刀），材料：，D=50mm ，齿数，此为粗齿铣刀。因其单边余量：Z=5mm所以铣削深度：=5mm每齿进给量：根据参考文献，取铣削速度：参照参考文献7表3034，取。机床主轴转速： 式（2.1）式中 V铣削速度； d刀具直径。由式2.1机床主轴转速： =按照参考文献3表3.1-74 实际铣削速度：进给量： 工作台每分进给量： 根据参考文献为该工序 工时为20min工序2 :粗,精铣下平面(E面)加工条件：工件材料： HT200，铸造。机床： X52K立式铣床。参考文献7表3031刀具：高速钢三面刃圆盘铣刀（面铣刀）：， ，齿数12，此为细齿铣刀。因其单边余量：Z=5mm所以铣削深度：=5mm每齿进给量：根据参考文献7表3031，取铣削速度：参照参考文献7表3031，取机床主轴转速，由式（2.1）有：按照参考文献7表3.1-31 实际铣削速度：进给量，由式（1.3）有：工作台每分进给量： 根据参考文献为该工序 工时为20min工序3：粗,精铣侧面(D面)加工条件：工件材料： HT200，铸造。机床：X52K立式铣床。查参考文献7表3034刀具：硬质合金三面刃圆盘铣刀（面铣刀），材料：， ，齿数，此为粗齿铣刀。因其单边余量：Z=5mm所以铣削深度：=5mm每齿进给量：根据参考文献3表2.4-75，取铣削速度：参照参考文献7表3034，取。由式2.1得机床主轴转速：按照参考文献3表3.1-74 实际铣削速度：进给量： 工作台每分进给量： 根据参考文献为该工序 工时为20min 工序4: 粗,精铣侧面(C面)加工条件：工件材料： HT200，铸造。机床： X52K立式铣床。由参考文献7表3031刀具：高速钢三面刃圆盘铣刀（面铣刀）：， ，齿数12，此为细齿铣刀。因其单边余量：Z=5mm所以铣削深度：=5mm每齿进给量：根据参考文献7表3031，取铣削速度：参照参考文献7表3031，取机床主轴转速，由式（2.1）有：按照参考文献3表3.1-31 实际铣削速度：进给量，由式（2.3）有：工作台每分进给量： 根据参考文献为该工序 工时为20min 工序5：钻D面M36底孔,攻螺纹工件材料为HT200铁，孔的直径为30mm。加工机床为Z535立式钻床，加工工序为选用30的麻花钻头。进给量：根据参考文献5表2.4-39，取切削速度：参照参考文献5表2.4-41，取由式（2.1）机床主轴转速：，取 根据参考文献为该工序 工时为25min实际切削速度：工序6：钻上平面（B面）211孔工件材料为HT200，孔的直径为11mm，表面粗糙度。加工机床为Z535立式钻床，加工工序为先钻后扩，加工刀具为：钻孔6mm小直径钻。 1）确定切削用量确定进给量 根据参考文献7表28-10可查出，由于孔深度比，故。查Z535立式钻床说明书，取。根据参考文献7表28-8，钻头强度所允许是进给量。由于机床进给机构允许的轴向力（由机床说明书查出），根据参考文献7表28-9，允许的进给量。由于所选进给量远小于及，故所选可用。确定切削速度、轴向力F、转矩T及切削功率 根据表28-15，由插入法得：，由于实际加工条件与上表所给条件不完全相同，故应对所的结论进行修正。由参考文献7表28-3，故查Z535机床说明书，取。实际切削速度为由参考文献7表28-5，故校验机床功率 切削功率为 机床有效功率故选择的钻削用量可用。即，相应地， 根据参考文献为该工序 工时为10min工序7：钻侧面(C面)3M6螺纹孔加工条件：工件材料：HT200，铸造，机床：Z535立式钻床刀具：高速钢钻头5 丝锥M6由于上面已经进行了验证了，此步骤不需要再确认了。 根据参考文献为该工序 工时为20min 工序8:钻下平面(E面)48孔 根据参考文献为该工序 工时为10min 工件材料：HT200，铸造， 机床：Z535立式钻床 刀具：高速钢钻头8 加工机床为Z535立式钻床，加工钻孔，加工刀具为：钻孔8mm小直径钻。 由于上面已经进行了验证了，此步骤不需要再确认了。 根据参考文献为该工序 工时为10min 工序9：钳工,去除锐边毛剌 根据参考文献为该工序 工时为5min 工序10：检验 根据参考文献为该工序 工时为3min 3 专用夹具设计 本课题主要设计3-M6螺纹孔加工用夹具设计,如下图所示 一、 钻床夹具的主要类型 钻床夹具简称钻模，主要用于加工孔及螺纹。它主要由钻套、钻模板、定位及夹紧装置夹具体组成。其主要类型有以下几种。 （1）固定式钻模 在使用中，这类钻模在机床上的位置固定不动，而且加工精度较高，主要用于立式钻床上加工直径较大的单孔或摇臂钻床加工平行孔系。 （2）回转式钻模 这类钻模上有分度装置，因此可以在工件上加工出若干个绕轴线分布的轴向或径向孔系。 （3）翻转式钻模 主要用于加工小型工件不同表面上的孔，孔径小于f8f10mm。它可以减少安装次数，提高被加工孔的位置精度。其结构较简单，加工钻模一般手工进行翻转，所以夹具及工件应小于10 kg为宜。 （4）盖板式钻模 这种钻模无夹具体，其定位元件和夹紧装置直接装在钻模板上。钻模板在工件上装夹，适合于体积大而笨重的工件上的小孔加工。夹具、结构简单轻便，易清除切屑；但是每次夹具需从工件上装卸，较费时，故此钻模的质量一般不宜超过10 kg。 （5）滑柱式钻模 滑柱式钻模是带有升降钻模板的通用可调夹具。这种钻模有结构简单、操作方便、动作迅速、制造周期短的优点，生产中应用较广。所以根据零件的加工需求采用固定式钻模二、钻模的设计要点(1)钻套 钻套是引导刀具的元件，用以保证孔的加工位置，并防止加工过程中刀具的偏斜。 （2） 钻套分4种类型： 固定钻套、可换钻套、快换钻套和特殊钻套。固定钻套：固定钻套直接压入钻模板或夹具体的孔中，位置精度较高，但磨损后不易拆卸，故多用于中、小批量生产。可换钻套 ：衬套则压入钻模板或夹具体的孔中，钻套以间隙配合安装在衬套中。为防止钻套在衬套中转动，加一固定螺钉。可换钻套在磨损后可以更换，故多用于大批量生产。快换钻套： 具有快速更换的持点，更换时不需拧动螺钉。快换钻套多用于同一孔需经多个工步(如钻、扩、铰等)加工的情况。特殊钻套：用于不宜使用标准钻套，根据特殊要求设计的专用钻套。根据工件加工量确定为快换钻套。钻床夹具的主要功能1、定位 工件在机床上加工时，首先要把工件安放在机床工作台上或夹具中，使它和刀具之间有相对正确的位置，这个过程称为定位。定位是通过工件定位基准面与夹具定位元件的定位面接触或配合实现。正确的定位可以保证工件加工面的尺寸和位置精度要求。2、夹紧工件定位后，应将工件固定，使其在加工过程 中保持定位位置不变，这个过程称为夹紧。由于工件在加工时，受到各种力的作用，若不将工件固定，则工件会松动、脱落。因此，夹紧为工件提供了安全、可靠的加工条件。安装：工件从定位到夹紧的整个过程称为安装。正确 的安装是保证工件加工精度的重要条件。其安装一般有三种方式: 1.直接找正安装 工件的定位过程可以由操作工人直接在机床上利用千分表、划线盘等工具，找正某些有相互位置要求的表面，然后夹紧工件，称之为直接找正安装。直接找正安装生产效率低，一般用于单件小批量生产。 2.划线找正安装当零件形状很复杂时，可先用划针在工件上画出中心线、对称线或各加工表面的加工位置，然后再按划好的线来找正工件在机床上的位置的方法。 3.夹具安装优点：操作比较简单，容易保证加工精度要求，在各种生产类型中都有应用，持别是成批和大量生产中。钻模设计一工件以外圆表面定位时工件的定位基准为中心要素，最常用的定位元件有 V形块，半圆环，定位套，支承定位。二定位套通常定位套的圆柱面与端面组合定位。在限制x、y、z、x、y五个自由度定式是间隙配合的中心定位，故对基面的精度也有严格要求。定位套应用较少，常用于小型的形状简单的轴类零件的定位其工件以外圆表面支承定位常用的定位元件是V形块。1）角度： V形块的角度有60，90和120，90最为多且已标准化。 特点：对中性好，它可使一批工件的定位基准轴线对中在V形架两斜面的对称平面上，而不受定位基准直径的影响，并且使安装方便。另一个特点是应用范围广。无论定位基准是否经过加工，是完整的圆柱面还是局部圆弧面，都可采用V形架定位。2)长度：V形块有长短之分，长V形块(或两个短V形块的组合)限制工件的4个自由度，而短V形块一般只限制2个自由度。3）V形块又有固定和活动之分，活动V形块在可移动方向上对工件不起定位作用。 型块确定夹具类型工件在钻床上不好夹紧，要求我们设计出夹紧装置，设计出夹紧加工方案。我们采用立式钻床。4.3 拟订定位方案和选择定位元件根据工件结构特点，其定位方案为以工件以台阶面、侧面和圆弧面为定位基准，选择带台阶面的V型块，作为及其端面的定位元件。4.4确定夹紧方案参考夹具资料，采用螺栓，V型块，端面夹紧工件。夹紧装置的设计1.夹紧机构根据生产类型，此夹具的夹紧机构不宜复杂，采用螺旋夹紧方式。螺栓直径暂用M8. 2.夹紧力的计算（1）加工两孔时受力分析加工时，钻削轴向力F与夹紧力F1同向，作用在定位支承上，而钻削扭距T1则有使工件紧靠于可调支承之势，所用钻头直径小，切削力矩不大。因此，对加工此孔来说，夹紧是可靠的，不必进行夹紧力校核。加工时，钻削轴向力F有使工件绕O点旋转的趋势，而钻削扭矩T2又有使工件翻转的趋势，为防止上述两种趋势的发生，夹具的夹紧机构具有足够的夹紧力和摩檫力矩，为此需进行夹紧的校核。1）钻削轴向力F F=9.81Cd设f=0.25mm，已知d0=11mm其余参数查文献5得： F=9.8161.2110.250.70.866=2167.15（N）2）钻削力距T2T=9.81=9.810.0311110.250.866=9.866（Nm）3）使工件转动的转距T3和使工件翻转的力距M0由图4-7知T3=FLM0=F0L1式中：F0为翻转力，F0=T2/L1，L1为翻转力臂，L1=L=d0/2D0/2得T3=FL=2167.150.015=32.51（Nm）M0=F0L1=9.866/0.011（0.015+0.011/2-0.040/2）=0.48（Nm）4）防转夹紧力F3和防转夹紧力F3根据力学平衡原理，由图4-7知：F3fr+2FnfrKT3 F3D/2FM0其中，r为当量摩檫半径，查表3-3得： r=1/3(D1-D3/D1-D)=1/3(0.04-0.028/0.04-0.028)=0.018(mm) 得F3=KT3/2rf=1.532.51/20.0180.15=9.30.56(N)F3=2KM0/D=21.50.48/0.028=51.42(N) 5)夹紧机构产生的夹紧为F3。根据初步选用螺栓直径为M6mm,由参考文献9查得，采用M8的螺栓十，许用夹紧力F3=5800N。F3F3”，显然M6螺栓无法满足要求。现改用M16螺栓，许用夹紧力F3=10500N，F3F3”。M8螺栓可满足夹紧要求3.2.7夹具设计及操作的简要说明本夹具用于在立式钻床上加工泵壳的钻3-M6，工件以与此相平行的下平面为及其侧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。如夹具装配图所示。3.4小结对专用夹具的设计，可以了解机床夹具在切削加工中的作用：可靠地保证工件的加工精度，提高加工效率，减轻劳动强度，充分发挥和扩大机床的给以性能。本夹具设计可以反应夹具设计时应注意的问题，如定位精度、夹紧方式、夹具结构的刚度和强度、结构工艺性等问题。参考文献1 刘德荣，组合夹具结构简图的初步探讨，组合夹具，1982. 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