发动机缸体机加工工艺夹具设计毕业论文

摘要摘 要发动机作为汽车的心脏，其制造质量直接影响着汽车的使用性能。缸体作发动机各机构及各系统的装配基础零件，其制造精度对发动机的整体性能有着重要的影响。要提高发动机的使用性能，就必须控制发动机制造过程中关键零件的加工精度与加工质量。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。发动机缸体传统的提高生产效率和加工质量的途径是尽量缩短辅助时间和采用刚性生产线，这种途径在今天已经越来越不适应生产的发展。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。 本论文主要针对发动机下缸体及加工工艺OP10进行了研究，对本工序设计工艺方案进行了分析，发动机缸体属于箱体类零件，结构复杂，加工易变形，因此加工精度要求高，以缸体缸孔壁、曲轴孔等毛坯基准点为定位基准，对缸体进行精确定位。由于缸体各个结合面面积较大，且有较高的位置精度和粗糙度的要求；缸体的加工部位多、加工要求较高、工艺路线长、工件输送较难处理、使生产管理上较繁杂，对缸体进行加工时采用卧式加工中心进行加工，采用卧式数控加工中心不仅能够改善加工质量而且能够极大提高加工效率。论文主要对OP10工序加工中心加工时刀具进行了合理选择，夹具进行了设计并对夹紧力进行了计算。关键词 发动机缸体；定位基准；加工精度；加工中心IIAbstractAbstract The quality of the engines manufacturing influenced the performance of the car, as the engine is the heart of the motor vehicles. The accuracy of the manufacturing of the engine block has an important relationship with the overall performance, because the engine block is the fundamental part in the system of the engine. We have to control the machining accuracy and machining quality.With the development of our economy and rapidly growing demand for cars in China, how to improve the production efficiency and processing quality of auto parts, is crucial to the development of automobile industry. Engine cylinder block is one of the five major parts, and its production efficiency and processing quality are directly related to production efficiency and performance of the car. The traditional method to improve production efficiency and processing quality is trying to shorten the auxiliary time and adopt the way of a rigid line, which is already out of date in the current production. Therefore, how to improve the efficiency of engine cylinder block production and processing quality is an important research, and the WD615 engine used in heavy vehicles, including all kinds of engineering machinery, buses, power generation equipment, ships and other ideal power of engine, its cylinder processing design has greater significance. In this paper, we focus on the first step of the process and made research on the process. The engine block belongs to the block pieces, which is complicated in structure and easy to be deformed. We could adopt crankshaft bore as the positioning datum to ensure the accuracy. As the junction surface has a big area and a high demand of the accuracy and roughness, including high amount of the machining parts and high demand of the machining and the long routine of the processing, we have to adopt Horizontal machining center to improve the machining quality and efficiency. The task of the paper is mainly about the reasonable choice on the machining tools and calculation on the fixtures.Keyword: Engine cylinder Positioning reference Machining accuracy Machining center目录目录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.2 汽车发动机加工工艺概述21.2.1 发动机缸体加工工艺流程21.2.2 缸体加工特点21.3 汽车发动机缸体国内外发展现状31.3.1 柔性加工的特点31.3.2 高速柔性加工的优点41.3.3 高速柔性加工存在的一些缺点41.4 本次设计的主要内容51.4.1 定位基准选择51.4.2 夹具的设计方案选取51.4.3 刀具的选取51.4.4 设备选取61.4.5 设备工艺布置设计61.5 本次设计的目的及要求61.5.1 本次设计的目的61.5.2 本次设计的要求6第二章 加工设备的选取82.1 加工中心的基本概念和分类82.1.1 加工中心的基本概念82.1.2 加工中心的分类82.2 加工中心的结构和工作原理82.2.1 加工中心的结构82.2.2 加工中心的工作原理92.3 加工中心工艺特点分析102.4 加工中心的合理选择10第三章 刀具的选取133.1 刀具的材料要求及特点133.1.1 刀具的材料及其要求133.1.2 加工中心常用道具的特点133.2 加工中心刀具的选用14第四章 定位基准的选择164.1 基准的概念164.2 基准的分类164.3 基准的分析174.4 定位基准的选用17第五章 夹具的设计235.1 夹具的概述235.1.1 夹具的功能235.1.2 夹具的分类235.1.3 夹具的组成245.2 定位精度的分析245.3 工件夹紧装置的要求和选择245.3.1 工件夹紧装置的要求245.3.2 夹紧力的确定255.3.3 夹紧装置动力方案选择255.3.4 夹紧机构的选择275.4 切削力和夹紧力的计算28第六章 全文总结316.1 本次设计的内容316.2 进一步设计和研究31参考文献32致谢33第一章第一章 绪论1.1 研究背景及意义 汽车工业是国民经济中的支柱性产业。汽车生产制造水平直接体现国家汽车工业发展程度，是显示一个国家工业发达水平的重要标志，同时能够带动和促进其他产业和社会经济的发展。2009 年我国汽车累计产销突破 1300 万辆，同比增长创历年最高，我国一跃成为世界第一汽车生产和消费国。2010 年我国汽车工业延续了 2009 年的发展态势，汽车产销量双双超过 1800 万辆，创全国历史新高，再次蝉联全球第一，汽车产量占世界汽车总产量的 20以上。虽然我国已经成为世界第一大汽车生产国和消费国。但是，我国的汽车工业仍处于发展阶段，与欧美日等汽车工业强国相比，我国技术水平还相差很大的距离。目前，我国汽车制造业以中外合资为主，其核心技术一直掌握在欧美日等国手中，尤其是汽车发动机的研发与制造，我国的汽车发动机生产技术主要来源于美国、德国、意大利、日本等发达国家。国内发动机生产厂商，以中外合资企业为主，如上海通用、上海大众、一汽大众、东风雪铁龙、东风日产、长安福特、北汽福田、广州丰田、广州本田、上汽通用五菱等。虽然我国在汽车发动机基础理论及相关技术研究方面取得较大的进步，但是生产设备基本靠进口，工艺标准依赖国外企业标准，以合资为主。合资企业发动机制造技术依然依赖国外技术引进，从根本上并没有形成我国自主的制造技术，国外企业仍然占据着技术的领导地位。汽车发动机制造是我国汽车工业发展的一个重要环节，为了提高我国汽车制造能力，相关理论研究和技术改进亟待开展。 发动机是汽车最主要的组成部分，它的性能好坏直接决定汽车的行驶性能，故有汽车心脏之称。而发动机缸体是汽车发动机的基础零件，通过它把发动机的曲轴连杆机构和配气机构以及供油、润滑、冷却等机构联接成一个整体。发动机缸体的加工质量会直接影响发动机的性能。发动机缸体属于箱体类零件，结构复杂，壁薄多孔，加工易变形，因此加工精度要求高。发动机缸体结构特征复杂，加工精度要求高，因此对发动机缸体的加工要从生产线的每一个环节进行控制。发动机缸体每道加工工序精度控制对缸体加工质量有着重要的影响，如缸体加工过程中发生加工变形，直接影响到缸体的加工精度和加工质量，最终影响整个发动机的使用性能，因此对发动机缸体的制造研究极为重要。由以上分析可见，研究优化汽车发动机缸体机加工工艺对提高我国极其重要汽车产业，能对发动机缸体制造过程中的质量和精度控制起到指导与帮助作用。本论文主要在缸体加工过程进行定位基准选择、刀具选取、夹具的设计和夹紧力的计算，采用合理的夹紧结构极大提高了发动机生产效率和加工精度，为我国汽车发动机制造业的发展有一定的借鉴，同时有助于我国发动机制造业的自有知识产权的形成。1.2 汽车发动机加工工艺概述1.2.1 发动机缸体加工工艺流程发动机缸体加工工艺流程概述主要从缸体表面加工方法、加工工序流程、加工阶段划分方面进行概述。 1）缸体表面加工方法缸体表面加工主要包括平面加工和孔系加工，平面加工主要通过端面铣削来完成，孔系加工主要通过镗削、珩磨、钻、铰和攻等加工工艺来完成。平面主要包括顶面、底面和前后端面，孔系主要包括活塞缸孔、曲轴孔、油孔、水套孔、安装孔、连接孔和销孔等。本文主要对缸体后端面与底面的平面加工进行研究，缸体后端面与底面。2）缸体加工工序流程缸体生产线加工工序主要可分为主要型面加工工序组、主要柱孔加工工序组、辅助结构加工工序组及清洗检测工序组等。定位方式主要有底面完全定位方式和两销完全定位方式等。3）缸体加工阶段划分缸体加工主要划分为两个阶段：粗加工和精加工。从整个加工工序定位基准选择来看，缸体底面和后端面的加工精度直接影响后续加工工序的精度。1.2.2 缸体加工特点发动机缸体是发动机零件中结构较为复杂的箱体类零件，其将缸盖、油底壳、曲轴等相关零件连接成一个整体，使这些零件相互之间保持正确的相对位置，彼此能够协调工作，其制造精度要求较高，加工工艺复杂。缸体作为箱体类零件，其加工特点对加工精度有很大的影响，而加工精度直接影响发动机的装配质量，进而影响发动机整机的使用性能和寿命。因此，要根据缸体加工特点，来制定加工工艺规则和精度控制计划。汽车发动机缸体的加工技术要求有：主要孔的尺寸公差、形状公差和表面粗糙度；主要孔与孔、孔与平面的位置公差，孔与孔间的尺寸公差、平行度、同轴度、垂直度以及孔与平面的垂直度等；主要平面的尺寸公差、平面度和表面粗糙度；主要平面与平面的垂直度等。缸体零件的主要加工部位和加工精度的特点是：平面加工主要通过端面铣削来完成，缸体各平面壁薄孔多，平面铣削时在夹紧力和铣削力作用下容易产生变形；孔系加工主要通过镗削、珩磨、钻、铰和攻等加工工艺来完成，孔系加工对于形状精度和位置精度要求较高；由于缸体各个结合面面积较大，且有较高的位置精度和粗糙度的要求；缸体的加工部位多、加工要求较高、工艺路线长、工件输送较难处理、使生产管理上较繁杂；缸体各部分尺寸的设计基准不可能完全一致，故在加工时要充分考虑因基准不重合而造成的误差。1.3 汽车发动机缸体国内外发展现状我国汽车与国际先进水平相比，还有一定的差距，从而导致了相同的产品不同的价格，国产重卡仅及国外同类产品的三分之一。与国际先进水平相比，目前中国汽车尚有五年左右的差距。要振兴民族重卡，产品品质的提升势在必行。而这其中最关键的就是对发动机缸体、缸盖品质的提升，采用性能更好的加工材料，具有足够的强度，良好的浇铸性和切削性；采用更优化的加工工艺和更先进的加工方式是目前我们所应用最多的技术。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。发动机缸体传统的提高生产效率和加工质量的途径是尽量缩短辅助时间和采用刚性生产线，这种途径在今天已经越来越不适应生产的发展。汽车行业从品种少、数量多的生产体系向多品种、较大生产量的体系变化着。要满足这种变化，发动机制造业的生产柔性化、高速化是走向之一。与以前采用的刚性加工线相比较现在发动机缸体多采用柔性加工和高速加工，这些加工方式显著提高了发动机缸体的加工质量和加工效率。为我国汽车制造业的发展提供了强大的技术支撑。柔性加工采用数控加工中心（CNC）进行加工，加工精度较高且稳定性好，相比传统加工方式有显著的优势。1.3.1 柔性加工的特点 一般来说，柔性加工的工序内容要比专机线加工的工序内容复杂。用高速加工中心和数控单元组成的柔性加工线不是按预先规定的需求范围来建立加工过程，而是使加工线从组织结构上具有可重用、可重构和可扩充性方面的能力，加工对象可在一定范围内变化，甚至可以同时加工几种不同的类似零件，可分阶段投产达到目标产量。具有以下特点：(1) 重用性构成柔性加工线的各种资源在制造环境发生变化时不改变或少量改变即可成为新系统的组成部分。(2) 重构性在制造环境发生重大变化时能够根据任务的性质及一定的原则重新选取原有设备构成新的制造系统。(3) 自适应性柔性加工线能够进行局部调整，在线地适应加工设备的故障，增减及加工任务的一定变化。1.3.2 高速柔性加工的优点(1) 随切削速度提高，进给速度也相应提高，单位时间内材料切除率(切削速度、进给量和切削深度的乘积)增加，切削加工时间减少，大幅度提高加工效率，降低加工成本。(2) 在高速切削加工范围，随切削速度提高，切削力随之减少，根据切削速度提高的幅度，切削力平均减少 30%以上，有利于对刚性较差和薄壁零件的切削加工。(3) 高速切削加工时，切削以很高的速度排出，带走大量的切削热，切削速度提高愈大，带走的热量愈多，大致在 90%以上，传给工件的热量大幅度减少，有利于减少加工零件的内应力和热变形，提高加工精度。(4) 从动力学的角度，高速切削加工过程中，随切削速度的提高，切削力降低，而切削力正是切削过程中产生振动的主要激励源；转速的提高，使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，而工件的加工表面粗糙度对低阶固有频率最敏感，因此高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度。5）经济性好加工效率高稳定性好。1.3.3 高速柔性加工存在的一些缺点（1）对机床要素要求高 机床要有较高的技术性、动态性、随动性，精度要求高、刚度要求高和高性能 CNC 控制系统。选用 CNC 系统除了标准的特点外，还必须具有高速加工所要求的一些专门功能：1) 至少能预处理 100 个程序段。2) 通过位置环的前馈减少跟踪误差。3) 跟踪误差要少于 0.5mm/m/min。4) 能根据被跟踪的轮廓和加速度参数控制进给。5) 具有最短的程序处理时间(最大允许时间为每段 4ms)。（2）对刀具要素要求高 刀具的材料和夹持安装都有较高的要求。（3）对夹具要素的要求高 夹具在系统中往往也是最薄弱的环节。如果夹具刚性不足以防止切削过程中的颤振，即使是刚度和动态性能最好的机床，装上了强有力的主轴和合适的刀具，也是无价值的。（4）整体加工系统结构复杂对操作人员要求高。（5）系统投资大回收期长。1.4 本次设计的主要内容1.4.1 定位基准选择 缸体的缸孔壁厚是否均匀是影响发动机工作正常与否最重要的参数，因此选择毛坯定位时首先考虑的是缸孔壁厚的保证。其次，曲轴孔也是要求极高的重要参数，因此在选取OP10定位时使用缸壁及曲轴孔为定位基准。在OP10加工出缸体左侧面精定位基准，作为后序的主要加工定位基准使用。缸体的缸孔、顶面，前后面、油泵安装面等重要特性与曲轴孔相互关系极其重要，因此最后两个工序选取定位基准应当选取曲轴孔为定位基准。1.4.2 夹具的设计方案选取按照选取好的定位基准进行夹具的最终设计。考虑到缸体各个加工特性非常重要，为保持加工精度以及质量一致性。选取液压夹具。各个夹具设计方案见说明。要加工出合格的产品夹具设计非常重要，在定位基准点、孔确定好的前提下，还需要考虑辅助支撑点、夹紧点位置选取，还要结合工件具体尺寸要求选择合适大小的夹紧力。这也是选取加工设备需要考虑的参数。1.4.3 刀具的选取 发动机作为制造行业质量要求最高的产品，它对刀具的要求也是非常苛刻的，需要考虑各种实际的状况，仅仅局限在书本知识上是远远不够的。按照产品图纸的要求加工出合格的产品对刀具知识的要求是非常广阔的。刀具选取要综合考虑被加工件质量特性，工件材料，机床各运动参数，节拍要求，还有如何选取采用干湿切削等等。要加工出合格的缸体成品，在加工中需要使用当今世界最昂贵的刀片，需要高精度的复合刀具，有些刀具是国内刀具厂家的产品都无法提供的，需要选取世界顶级刀具制造商提供技术支持。刀具的加工参数，也是设备选取的重要依据。刀具选取方案参照说明。1.4.4 设备选取依据产品尺寸参数、重量参数以及各加工特性应选择工作台为1000mm×800mm卧式加工中心。如MAG HPC800卧式加工中心，该机床各重要参数如下：工作台尺寸：1000×800（mm）主轴直径：100mm移动速度：X、Y：80m/min，Z：60m/min精度：定位精度，0.007mm该机床加工能力满足缸体加工要求，故可选取该加工中心作为工艺布置设备。1.4.5 设备工艺布置设计 按照合理的工艺对设备进行合理的布置，以使得工件物流顺畅，保证物流过程工件尽量不会收到磕碰。1.5 本次设计的目的及要求1.5.1 本次设计的目的 1）进一步巩固并运用所学的知识。 2）培养分析问题、解决问题的能。 3）全面了解并掌握发汽车柴油动机缸体的加工工艺1.5.2 本次设计的要求1）须熟悉发动机缸体产品特性，掌握发动机各重要特性的相互关系，掌握铸件定位基准选择原理以及精基准定位选择原理。2）共分八个工序完成WD615发动机缸体机加工部分的工艺设计，达到缸体的产品图要求；3)全部工序加工设备应选择加工中心，按照工件的工艺特性选择适当规格的加工中心；4）要求完成各工序内容合理布置，达到节拍平衡，工时优化，节拍要求10-15min；5）要求完成每个工序夹具的基本设计原理，定位方式选择合理，按照工序加工完成的工件可以达到产品图要求；6）对每个工序的加工刀具合理选型。7）工件大致尺寸：970*500*400（mm）7第二章 加工设备选取第二章 加工设备的选取2.1 加工中心的基本概念和分类2.1.1 加工中心的基本概念加工中心（Machining Center）简称MC，是由机械设备与数控系统组成的，适用于复杂零件加工的高效自动化机床。这种机床可装若干把刀具，能自动更换刀具，在一次装夹中完成铣、镗、钻、扩、铰、锪、攻螺纹、内槽加工等。它用于加工各种箱体类、板类复杂零件。第一台加工中心是1958年由美国卡尼-特雷克公司首先研制成功的。二十世纪70年代以来，加工中心得到迅速发展，出现了可换主轴箱加工中心，它备有多个可以自动更换的装有刀具的多轴主轴箱，能对工件同时进行多孔加工。2.1.2 加工中心的分类1. 按工艺用途分类：（1）镗铣加工中心 （2）车铣加工中心 （3）钻削加工中心（4）复合加工中心2.按控制轴数分类：（1）三轴加工中心 （2）四轴加工中心（3）五轴加工中心3.按主轴与工作台相对位置分类：（1）卧式加工中心 （2）立式加工中心（3）万能加工中心2.2 加工中心的结构和工作原理2.2.1 加工中心的结构加工中心虽然有各种类型，结构各异，但总体上主要由以下四部分构成。数控系统 是加工中心执行顺序控制和控制加工过程的中心。伺服系统 是把来自数控装置的信号转换为机床移动部件的运动。机械本体 是加工和中心结构中的基础部件，由床身、立柱和工作台等大件组成。主轴部件 是切削加工的功率输出部件，由主轴箱、主轴电动机、主轴和主轴轴承等零件组成。加工中心结构如图2-1图2-1 加工中心结构图2.2.2 加工中心的工作原理加工中心根据工件图样制定工艺方案，采用手工或计算机自动编程，把工件所需的机床各种动作及全部工艺参数变成机床数控装置能接受的信息代码，并把这些代码存储在信息载体上（穿孔带、磁盘等）、将信息载体送到输入装置，读出信息并送入数控装置。进入数控装置的信息，经过一系列处理和运算转变成脉冲信号。有的信号送到机床的伺服系统，通过伺服系统对其进行转换盒和放大，再经过传动机构，驱动机床有关部件，使刀具和工件严格执行程序所规定的相应运动。有的信号送到可编程序控制器中，用以顺序控制机床的其他辅助动作，如实现刀具自动更换等。加工中心的工作原理见图2-2。图2-2 加工中心原理图2.3 加工中心工艺特点分析 1.加工中心的工艺特点：（1） 工艺范围宽，能加工复杂曲面。（2） 具有高度柔性，便于研制、开发新产品。（3） 加工精度高，表面质量好。（4） 生产效率高（5） 减轻工人体力劳动强度（6） 便于实现计算机辅助制造 2.加工中心需要考虑的问题(1)粗加工时，金属切除量大，工件温升很快，工件是在热状态下进行精加工，因此在工件冷却后后造成精度下降。(2)有毛坯加工成成品的过程中，工件不能时效，内应力难以消除。(3)多工序集中加工要使用各种各样刀具，在卧式加工中心上要对工件四周进行加工，在机床上工件安装区域周围大部分空间都被切削刀具运动轨迹所占去，而固定工件所需的夹具和压紧块安装空间小。工件的夹具必须能适应零件粗加工时切削力大、高刚度、夹紧力打大的要求，又需适应精加工时定位精度要求高、工件夹紧变形尽可能小的要求。(4)加工中心的机床精度是按高精度加工要求制定的，若要稳定加工出7级孔，机床定位精度须达到±0.01mm全长，主轴振摆、轴向跳动须达到0.0050.01mm以内，另一方面，又须使用加工中心铣铸件黑皮、钻销孔距要求±0.5mm的连接孔等。(5)多工序集中加工，要及时处理切屑。在加工过程中，切屑不断屑、切屑堆积、切屑缠绕等会影响加工顺利进行。(6)工件每个工序的加工内容、切削用量、工艺参数都可以编织到程序中去，以软件的形式出现。软件适应性很好，可以及时修改，这样给新产品试制，实行新的工艺流程和试验均提供了方便。2.4 加工中心的合理选择每一种加工中心都有一定的规格，一定的功能范围，也有最佳的适用范围。卧式加工中心适于加工箱体类零件、泵体、阀体和壳体等。立式加工中心适于加工板类工件，如箱盖、盖板、壳体、平面凸轮等。规格相近的（指工作台宽度）卧式加工中心比立式的价格要高，卧式加工中心比立式的加工工时也多，因此，完成同样工艺内容，采用立式加工中心要比卧式加工中心经济。但卧式加工中心的工艺性广泛，一般一个机械加工车间中卧式加工中心与立式加工中心数量之比大约为2:1。1. 机床规格和精度的选择 机床规格选择 按已定的工件来选择机床的规格 机床的主要规格由：工作台尺寸、坐标位置、坐标行程等。 这里我们要加工的WD615发动机缸体尺寸大致为：970*500*400（mm）因此，我们依据产品尺寸参数、重量参数以及各加工特性应选择工作台为1000mm×800mm卧式加工中心。选取机床工作台面稍大于零件尺寸是为了给安装夹具留出空间。另外工件和夹具的总重量不能大于工作台的额定负载，工件的移动轨迹不能与机床防护罩干涉，交换刀具时，不得与工件相碰等。 机床精度的选择 机床精度的选择包括：机床定位精度和重复定位精度、铣圆精度、定位进度分析等。 机床定位精度和重复定位精度 机床定位精度和重复定位精度反映了该轴向格运动部件的综合精度，尤其是重复定位精度，它反映了该轴向在有效行程内任意定位点的定位稳定性，这是衡量该数控轴能否稳定可靠工作的基本指标。铣圆精度 铣圆精度综合反映了机床两轴联动时，伺服运动特性和数控系统的插补功能。 定位进度分析 加工中心每个控制轴的定位精度是指在该轴行程内任意定位点的定位误差，在这项误差反映了伺服执行机构的运动精度。任意定位点的误差均存在随机误差，从整个行程来看，定位误差包络线是全行程的精度范围。2. 自动换刀装置的选择自动换刀装置是加工中心进行多工序集中加工的基本条件。它的任务是在每个工序变换前，做好刀具准备，所以它的工作质量与整机质量直接有关。自动换刀装置的投资占整机的30%50%。在加工中心使用中，50%的故障都出自自动换刀装置，因此，在选择自动换刀装置时，应尽量选择结构简单，可靠性好的自动换刀装置。在刀库中，刀柄的存储容量有10-40、60、80、100、120等多种规格，一些柔性加工单元配有中央刀库，可存储上千把道具。若所选加工中心作为单机使用，不准备用于柔性加工单元或柔性制造系统，刀库容量不宜选的太大。因为大容量刀库成本高、结构复杂、故障率高，刀柄管理也相应复杂化。一般来说，选用立式加工中心是刀库容量20把较合适。选用卧式加工中心时，刀库容量40把较合适。根据缸体第一加工工序，本次设计需要24个工步，共需24把刀具。因此确定刀库容量为40把也是合理的。3. 加工中心可行性分析选购加工中心前必须做可行性分析，即一年内加工多少工件，有几种典型零件。对每个典型零件进行工艺分许，确定工艺路线，制定出准备在加工中心上加工的内容。根据机床配置的刀具情况来确定切削用量，计算每道工序的切削时间t1及相应的辅助时间t2，对大型加工中心每次交换道具时间约为4-6秒，因此单工序时间为 t=t1+t2+5s发动机下缸体机加工第一工序共有24个工步共需24把刀具换刀时大约为120秒，整个工序所需时间大约为720秒。一年按300个工作日、两班制，一天有效工作时间为16小时计算，即可计算出该机床的年生产能力。日生产量：c=16*60*60/720=80件年生产量：C=c*300=24000件因此选用加工中心MAG HPC800卧式加工中心MAG HPC800卧式加工中心，该机床各重要参数如下：工作台尺寸：1000×800（mm）主轴直径：100mm移动速度：X、Y：80m/min，Z：60m/min精度：定位精度，0.007mm刀库容量：40把加工中心的主要结构特点：（1） X、Y、Z轴均采用双丝杠传动技术；（2）采用对称的框中框结构，设计达到最大的稳定性；（3）整体式床身，采用三点式调平，安装快捷；（4）可选配高扭矩XT系列或高转速AP系列；36第三章 夹具的选取第三章 刀具的选取3.1 刀具的材料要求及特点3.1.1 刀具的材料及其要求刀具、机床和工件组成切削加工工艺系统。而刀具又是其中最活跃、最基本的重要因素。因此刀具的好坏直接影响整个工艺系统的加工性能。因此，刀具材料的选择对刀具寿命、加工效率、加工质量和加工成本等的影响很大。刀具切削时要承受高压、高温、摩擦、冲击和振动等作用。现代刀具材料一般分为五大类：（1） 高速钢 （2）硬质合金 （3）陶瓷 （4）立方氮化硼 （5）金刚石金属切削刀具应具备的基本要求（1） 高的硬度和耐磨性 刀具常温硬度必须大于62HRC，而且必须高于工件的硬度30%以上，否则无法切削。（2） 较高的耐热性 刀具材料的耐热性要好，能承受高的切削温度，具备良好的抗氧化能力。（3） 足够的强度和韧性 刀具在切削时，要承受很大的切削力、冲击力和振动。因此，刀具材料应具备较高的强度和韧性，以便承受切削力、冲击和振动，防止刀具脆性断裂和崩刃。（4） 良好的工艺性 为了便于压制成型、机械加工、锻造、焊接、热处理、，要求刀具材料具有可加工性。3.1.2 加工中心常用道具的特点目前，国内外用于数控加工的刀具材料的主要有金刚石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、涂层刀具、硬质合金刀具和高速钢刀具等。它们各有优点，适应不同的工件材料和不同的切削速度范围。（1）金刚石刀具：1.极高的硬度和耐磨性。2.各向异性。3.具有很低的摩擦系数。4.切削刃非常锋利。5.具有很高的导热性能。6.具有较低的热膨胀系数。（2）立方氮化硼刀具：1.高的硬度和耐磨性。2.具有很高的热稳定性。3.优良的化学稳定性。4.具有较好的热导性。5.具有较低的摩擦系数。（3）陶瓷刀具：1.硬度高，耐磨性能好。2.耐高温、耐热性好。3.化学稳定性好。4.摩擦系数低。5.原料丰富。（4）涂层刀具：1.力学和切削性能好。2.通用性强。3.刀具寿命与涂层厚度有关。4.刀片重磨性差，刀具成本较高。5.涂层材料决定涂层性能。（5）硬质合金刀具：1.高硬度。2.抗弯强度高，韧性强。3.导热系数随TiC含量的增加而下降。4.热膨胀系数比高速钢小得多。5.抗冷焊性强。3.2 加工中心刀具的选用 加工中心刀具的选用要参照所加工的工件材料、工序内容、切削速度、进给量、切削深度选用合适刀具。 加工中心刀具： （1）铣削类刀具 由于加工中心主要用于复杂曲面的铣削，所以铣刀的选择是非常重要的。铣刀的种类繁多，功能也不尽相同。平面铣刀（盘铣刀）适合于大面积的平面类零件的加工；面铣刀（圆柱铣刀、立铣刀）既适合于平面加工，也可以加工侧面，即它除用其端刃铣削外，还用于其侧刃铣削。球头铣刀和成型刀具适合于曲面类零件的加工。特殊铣刀如专用成型铣刀适用于特殊形状的孔和台。鼓型铣刀，主要用于对变斜角类零件中变斜角面的近似加工。由于缸体平面面积较大，因此铣削时选用平面铣刀。（2）孔加工类刀具 在加工中心上可进行钻孔、扩孔和镗孔，其刀具分被称为浅孔钻、扩孔钻（粗镗刀）、精镗刀。浅孔钻用于实体工件上打孔，一般加工的长径比在4：1以内。这种钻头的刚性很好，可保证钻孔的精度，有易于排屑的容屑槽，其加工效率很高。扩孔钻（粗镗刀）用于对铸造孔和预加工孔的加工，由于刀体上的容屑空间可以通畅的排屑，因此可以扩不通孔，有些扩孔刀的直径还可以进行调整，可满足一定范围内不同孔径的要求。精镗刀用于孔的精加工，加工中心用的精镗刀通常采用模块式结构，通过高精度的调整装置调节镗刀的径向尺寸，可加工出高精度的孔。另外，精镗刀还采用平衡块调整其动平衡，以减少振动，从而保证孔的表面粗糙度和尺寸精度。 本次设计需要镗孔和钻孔，因此浅钻孔刀具，粗镗刀，精镗刀都要选择。（3）刀柄的选用 刀柄的选样是非常重要的它直接影响机床的开动率和成套设备投资的大小。加工中心要投入使用，只有数百套刀柄一般很难满足生产要求，因此设计时必须注意刀柄的选用并考虑此项投资。选用模块式刀柄和复合刀柄时，需要综合考虑各种因素。模块式刀柄主要是经济，方便，简单具有较大的灵活性。例如镗碗形塞孔，配一把普通镗刀杆需要400元左右，而一个镗刀头按现有的价格已达到1000元左右，加工中心刀库容量是40把，需要配置一百套普通刀柄才能满足使用要求。若采用模块式刀柄，就只需要配40个柄部、60个左右接杆，70到80个头部便可满足要求，因此，选用模块式刀柄是非常经济方便的。对批量较大又反复生产的典型工件，应考虑采用复合刀具。虽然复合刀具价格高（订购一把三到五个刀头的复合刀柄要2000元左右），但采用复合刀具后使多道工序用一把刀完成，大大节省了机加工工时，若每个工件的加工时间节省5-10 min，工件批量为日120件，则可节省机加工时间为10-20个小时。这样也会具有较大的经济效益。对于缸体属于批量且又是反复生产的典型工件，我们选择复合刀具。另外一些特殊道具，例如增速头刀柄可以安装一些小孔加工刀具，转速可提高37倍。多轴动头刀具可同时加工若干小孔。（4）材料的选择 加工的缸体材料为灰铁250，硬度大约在HBS 180240之间，换算成HRA大约为69.676.9之间。根据3.1所介绍的各类刀具特点，在这里选用硬质合金刀具。根据缸体硬度，选择（氮化（）钨基硬质合金，刀头选择钨钴类（YG）。硬度为HRA 8991.5，抗弯强度为11001500 MPa。对于本论文设计的加工发动机下缸体的OP10工序来说选用的刀具如下表3-1表3-1第四章 定位基准的选择第四章 定位基准的选择4.1 基准的概念基准选择是工艺规程设计中的重要工作之一。基准选择的正确与合理，可以 使加工质量得到保证，生产效率得以提高，否则，加工工艺规程中会问题百出，更有甚者，还会造成零件大批报废，使生产无法正常进行。 (1) 粗基准的选择 对于一般的缸体类零件而言，以缸体孔作为粗基准是完全合理的，按照有关粗基准的选择原则（即当零件有不加工表面时，应以这些不加工表面作为粗基准；若零件有若干个不加工表面时，则可能与加工表面要求相对应位置精度较高的不加工表面作为粗基准），以缸体孔为粗基准可以保证重要加工表面加工余量均匀。 (2) 精基准的选择 主要考虑基准重合的问题，当设计基准与工序基准不重合时，应该进行尺寸换算。在缸体类零件的加工过程中设计基准和工序基准是重合的，以缸体止口作为精基准，这样可以保证后道工序面、孔加工余量一致，从而达到设计的要求，同时精度都会逐渐得到提高。同时也为下面即将进行的夹具设计打下良好的基础，保证夹具设计的顺利进行。4.2 基准的分类 基准是指确定零件上某些点，线，面位置时所依据的那些点、线、面，或者说是用来确定生产对象上几何要素间的几何关系所依据的那些点、线、面。按其作用的不同，基准可分为设计基准和工艺基准两大类。设计基准是指零件设计图上用来确定其他点，线，面位置关系所采用的基准。工艺基准是指在加工或装配过程中所使用的基准。工艺基准根据其使用场合的不同，又可分为工序基准，定位基准，测量基准和装配基准四种。 (1) 工序基准 在工序图上，用来确定本工序所加工表面加工后的尺寸，形状，位置的基准，及工序图上的基准。 (2) 定位基准 在加工时用作定位点基准。 它是工件上与夹具定位元件直接接触的点，线，面。 (3) 测量基准 在测量零件已加工表面的尺寸和位置时所采用的基准。 (4) 装配基准 装配时用来确定零部件在产品中的相对位置时所采用的基准。4.3 基准的分析分析基准时，必须注意以下几点： （1) 基准是制订工艺的依据，必须是客观存在的。当作为基准的是轮廓要素，如平面，圆柱面等时，容易直接接触到，也比较直观。但是有些作为基准的是中心要素，如圆心，球心，对称轴线等时，则无法触及，然而它们却也是客观存在的。 (2) 当作为基准的要素无法触及时，通常由某些具体的表面来体现，这些表面称为基面。如轴的定位则可以外圆柱面为定位基面，这类定位基准的选择则转化为恰当地选择定位基面的问题。 (3) 作为基准，可以是没有面积的点，线以及面积极小的面。但是工件上代表这种基准的基面总是有一定接触面。 (4) 表示尺寸关系的基准问题如上所述，而表示位置精度的基准关系也是如此。4.4 定位基准的选用选择定位基准时应符合两点要求： 1、各加工表面应有足够的加工余量，非加工表面的尺寸，位置符合设计要求。 2、定位基准应有足够大的接触面积和分布面积，以保证能承受打打切削力，保证定位稳定可靠。 在选择定位基准时，通常是保证加工精度要求出发的，因而分析定位基准选择的顺序应从精基准到粗基准。（1) 精基准的选择 此时主要考虑基准重合问题，当设计基准和工序基准不重合时，应进行尺寸计算，此处不再重复。考虑到精基准的选取原则，已加工表面是必须的条件。由于在加工时基准是随工序不断变换的，因此选取精基准时必须根据以加工面来确定。 （2) 粗基准的选择 (1) 为了保证重要加工表面加工余量均匀，应选择重要加工表面作为粗基准。(2) 为了保证非加工表面与加工表面之间的相对位置精度要求， 应选择非加工表面作为粗基准；如果零件上同时具有多个加工面时，应选择与加工面位置精度要求最高的非加工表面作为粗基准。 (3) 有多个表面需要一次加工时，应选择精度要求最高，或者加工余量最小 的表面作为粗基准。(4) 粗基准在同一尺寸方向上通常只允许使用一次。 (5) 选作粗基准的表面应平整光洁，有一定面积，应保证定位稳定，夹紧可靠 。本论文着重分析一下发动机下缸体OP10加工工序的定位基准选择，本工序由于是第一道工序，所以对定位基准的选择尤为重要，要充分考虑到后续工序加工基准的选定，因此，要从整体定位，选择一个合适基点作为加工定位的坐标中心，并以此坐标中心作为基准中心进行加工。缸体的缸孔壁厚是否均匀是影响发动机工作正常与否最重要的参数，因此选择毛坯定位时首先考虑的是缸孔壁厚的保证。其次，曲轴孔也是要求极高的重要参数，因此在选取OP10定位时使用缸壁及曲轴孔为定位基准。在OP10加工出缸体左侧面精定位基准，作为后序的主要加工定位基准使用。OP10工序加工的工步内容如下表4-1 表4-1 首先选定定位空439作为基准坐标中心建立X/Y/Z基准坐标系如图4-1，这样就可以通过一个加工定位软件定位出每一个加工部位的坐标值如图4-2 400，500,600三个面加工孔坐标位置，各面坐标值如表4-2。进行工件加工时必须保证工件牢固不可移动，必须限制好工件的各个方向自由度如图4-3采用两组球形定位部件限制工件的两个方向的自由度，即上下方向和左右反转方向。通过液压夹紧部件和止推装置限制了其它方向自由度，完成工件定位。图4-1 定位坐标图 图 4-2 缸体端面图4-3 夹具定位图表4-2第五章 夹具的设计第五章 夹具的设计5.1 夹具的概述 夹具是一种装夹工件的工艺装备，它广泛的应用于机械制造的切削加工、热处理、装配、焊接、和检测等工艺过程。5.1.1 夹具的功能 1.机床夹具的主要功能是装夹工件，使工件在夹具中定位和夹紧 （1）定位 确定工件在夹具中占有正确位置的过程。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的，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 工件定位后将其固定，使其在加工过程中保持定位位置不变的操作。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。2.机床夹具的特殊功能 （1）对刀 调整刀具切削刃相对工件或夹具的正确位置。 （2）导向 如钻床夹具中的钻模板和钻套能迅速确定钻头的位置并引导其进行钻削。5.1.2 夹具的分类夹具的通用特性是夹具分类的主要依据，目前我国常用的夹具有通用夹具、专用夹具、可调夹具、组合夹具和自动生产夹具五大类。（1）通用夹具 通用夹具是指已经标准化、无需调整或稍加调整就可以用以装夹不同工件的夹具。如三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘、机用平口虎钳和万能分度头等。这类夹具主要用于单件小批量生产。（2）专用夹具 指专为某一工件的某一加工工序而设计制造的夹具。其结构紧凑，操作方便，主要用于固定产品的大批量生产。（3）可调夹具 包括通用可调夹具和成组夹具，它们都是通过调整或更少元件就能加工一定能够范围内的工件，兼有通用夹具和专用夹具的优点。通用可调夹具适用范围较宽，加工对象并不十分明确；成组夹具是根据成组工艺要求，针对一组形状及尺寸相似、加工工艺相近的工件加工而设计的，其加工对象和范围很明确，又称专用可调夹具。（4）组合夹具 是指按一定的工艺要求由一套预先制造好通用标准元件和部件组装而成的夹具。适用于数控加工、新产品的试制和中、小批量的生产。（5）自动化生产用夹具 自动化生产用夹具主要分为自动化夹具和数控机机床用夹具两大类。5.1.3 夹具的组成虽然各类机床夹具的结构有所不同，但各类夹具的基本组成却类似，机床夹具一般由以下基本组成部分。（1）定位元件 定位元件是夹具的主要功能元件之一，用于确定工件在夹具中的正确位置。定位元件的定位精度直接影响工件的加工精度。（2）夹紧装置 夹紧装置也是夹具的主要功能元件之一，夹紧装置用于保持工件在夹具中的既定位置，保证定位可靠，使其在外力作用下不致产生移动，包括夹紧元件、传动装置及动力装置等。（3）夹具体 夹具体是夹具的基本骨架，通过它将夹具的所有元件构成一个整体。（4）其他组成部分 如连接元件、对刀与导向装置等。5.2 定位精度的分析1.定位误差的概念定位误差是工件在夹具或机床上定位不准确而引起的加工误差。2. 定位误差的来源（1）由于工件的定位表面或夹具上的定位元件制作不准确引起定位误差，成为基准位置误差。（2）由于工件的工序基准与定位基准不重合而引起定位误差，称为基准不重合误差。3.计算定位误差常用方法：几何方法和微分方法。5.3 工件夹紧装置的要求和选择5.3.1 工件夹紧装置的要求 夹紧装置是夹具的重要组成部分，它用来保持工件定位时所确定的正确加工位置，防止工件在切削力、惯性力、离心力及重力等作用下发生移位和振动。在设计夹紧装置时，应注意满足一下要求：（1）在夹紧过程中应能保持工件定位时所获的的正确位置。（2）夹紧力大小适当。夹紧机构应能保证在加工过程中工件不产生松动或者振动，同时又要避免工件产生不适当的变形和表面损伤。夹紧机构应有自锁作用。（3）夹紧装置应操作方便、省力、安全。（4）夹紧装置的复杂程度和自动化程度应与生产批量和生产方式相适应。结构设计应该力求简单、紧凑，并尽量采用标准化元件。5.3.2 夹紧力的确定1.夹紧力的方向（1）夹紧力的方向应有利于工件的准确定位，而不能破坏定位。（2）夹紧力作用方向应尽量与工件刚度大的方向一致，以减小工件夹紧变形。（3）夹紧力方向应尽量与切削力、工件重力方向一致，以减小所需夹紧力。2.夹紧力作用点的选择（1）夹紧力作用点应正对支承元件或位于支承元件所形成的支撑面内，以保证工件已获得的定位不变。（2）夹紧力作用点应处于工件刚性较好的部位，以减小工件夹紧变形，保证加工精度。（3）夹紧力的作用点应尽量靠近加工表面，以减小切削力对工件造成的翻转力矩。3.夹紧力的大小估算方法估算夹紧力的一般方法是将工件市委分离体，并分析作用在工件上的各种力，再根据力系平衡条件，确定保持工件平衡所需最小夹紧力，最后将最小夹紧力乘以以适当的安全系数，即得到所需夹紧力。5.3.3 夹紧装置动力方案选择 一般夹紧装置的动力提供装置有气压动力、液压动力、电动、气液联动装置。 现代高效率的夹具，大多数都是采用机动夹紧方式。因此，对其夹紧力源选择也有了较高的要求，主要有一下几种：气压动力夹紧装置气压动力装置：是通过压缩空气的方式来提供动力。气动装置的优点（1）工作介质获取容易.工作介质为空气，能够在大气中获取.同时用过的空气能够直接排放到大气中去，处置便当。而且能够应用空气的可紧缩性贮存能量，集中供气。 （2）输出力和速度调理容易。气缸动作速度普通为50-500mm/s，工作压力0.4-0.6MPa 。（3）气动系统构造简单、维修便当，管路不易梗塞，也不存在介质蜕变、补充改换等问题 。（4）压缩空气具有粘度小、不污染，传送分配方便。气动装置缺点（1）由于空气具有可乐缩性.因而传送运动的平稳性差. （2）系统工作压力低(0.4-0.8MPa)又因构造尺寸不易过大，因而气缸的愉出推力不可能很大。 （3）排气声音大，需加消声器。 （4）气压传动的传送效率还比拟低。液压动力夹紧装置液压动力装置：是将液压能转化为机械能驱动执行元件做功 。 液压装置优点（1）易于完成无级调速。经过调理流量就能够完成无级调速，而且磁翻板液位计调速范围大，最大可达2000:1，容易取得