《机械加工工艺规程与机床夹具》设计指导书青岛职业技术学院海尔学院一、机械加工工艺规程与机床夹具设计指导(一)设计的目的与要求1.设计的目的“机械制造工艺学”与“机床夹具设计”课程设计是机械类学生重要的实践性环节之一｡本课程设计主要培养学生学会综合运用所学的知识来分析处理生产工艺问题的能力,学生通过工程性设计,掌握机械加工工艺规程设计和机床夹具设计的方法｡进一步巩固有关的理论知识,并提高独立工作的能力,为将来从事专业技术工作打好基础｡通过本课程设计,应使学生在下述各方面得到锻炼:(1)熟练地运用机械制造工艺学､机床夹具设计和其它有关先修课程中的基本理论,以及在生产实习中学到的实践知识,正确地分析和解决一个零件在加工中基准的选择､工艺路线的拟定以及工件的定位､夹紧等问题,从而保证零件制造的质量､生产率和经济性｡(2)通过夹具设计,进一步提高学生的结构设计能力,能够根据零件的加工要求,设计出高效､省力､既经济合理,又能保证加工质量的夹具｡(3)进一步提高设计计算､制图能力,能比较熟练地查阅和使用各种技术资料,如有关国家标准､手册､图册､规范等｡(4)在设计过程中培养学生严谨的工作作风和独立工作的能力｡2.设计的要求设计题目为:设计某个零件的机械加工工艺规程和某道工序的专用机床夹具｡生产纲领为中批或大批生产,零件难度为中等复杂程度｡设计的零件由指导教师选定,经教研室主任审查签字后向学生下达课程设计任务书｡每位学生应完成的具体内容为:(1)编制机械加工工艺过程卡1套及主要工序的机械加工工序卡若干张;(2)绘制零件毛坯图1张;(3)设计主要工序用专用夹具1套,绘制夹具总装配图1张及主要零件图若干张;(4)撰写设计计算说明书1份;(5)撰写夹具使用说明书1份｡为了搞好本课程设计,首先要求学生充分认识本课程设计的重要意义,以严肃认真的态度参加设计,独立完成各项内容｡设计过程中要求学生积极思考,主动提出各种不同方案进行比较,广泛查阅参考资料,认真､细致､正确地进行设计计算,严格按照制图标准绘图｡要求所完成的设计应是技术上较先进､经济合理且切实可行的,设计图样､工艺文件应做到正确､清晰､完整､统一｡设计说明书内容全面､语言简练､文字通顺､字迹工整｡3.设计进度与考核设计的总学时数一般为3周左右,其进度大致分配如下:(1)熟悉被加工零件及题目,确定工艺路线,填写工艺过程卡及工序卡约占30%;(2)画毛坯图约占7%;(3)确定专用夹具方案,绘制总装配图及主要零件图约占42%;(4)编写设计说明书､夹具使用说明书约占14%;(5)准备及参加答辩约占7%｡每位学生完成了规定的任务后参加答辩,答辩方式可根据具体情况由教研室安排,学生设计成绩主要依据完成的工艺文件水平､夹具图样的质量､设计说明书的质量､答辩成绩及设计态度与工作作风等方面综合评定｡(二)机械加工工艺规程设计指导1.熟悉原始资料并对零件进行工艺性分析学生在得到设计课题后,应首先对零件进行工艺分析,其主要内容包括:(1)熟悉零件在机器中的作用及工作条件,分析研究零件的形状､大小及结构特点｡(2)审查并分析研究零件图样的技术要求､公差制定的依据,找出其中主要技术要求和关键技术问题｡(3)分析研究零件各加工表面的尺寸､形状及位置精度､表面粗糙度等要求,分析研究零件的设计基准｡(4)分析研究零件的材料､热处理及机械加工的工艺性等方面的问题｡2.选择零件毛坯的类型,画毛坯图工艺设计时,毛坯的选择是指确定毛坯的材料､种类､制造方法以及余量确定后毛坯的形状与尺寸,并画出毛坯图｡(1)选择毛坯的类型毛坯的种类很多,有铸件､锻件､焊接件､锻焊件､型材等｡影响毛坯选择的因素很多,主要考虑下列几方面:1)零件图样规定的材料及机械性能根据零件图样规定的零件材料(牌号及标准号),毛坯的种类一般可大体确定｡例如,材料为铸铁､铸铝或青铜的零件,一般应选择铸造毛坯｡至于钢质零件还要考虑到机械性能的要求｡简单的小尺寸件可用型材,尺寸较大､形状简单的一般选择锻造毛坯,形状复杂的选择铸造毛坯｡2)零件的结构形状及外形尺寸例如,常用的各种阶梯轴,若各台阶直径相差不大,可以直接选取圆棒料,若直径相差较大,为减少材料消耗和机械加工劳动量｡宜选用锻造毛坯｡至于一些非旋转体的板条形钢质零件一般多为锻件｡尺寸较大的零件,一般只能选取毛坯精度和生产率都比较低的自由锻造和砂型铸造｡而中小型零件,则可选择模锻､精锻､压力铸造等先进毛坯制造方法｡3)生产纲领的大小当零件生产纲领较大时,应采用精度与生产率都比较高的毛坯制造方法｡通过提高毛坯精度使毛坯的形状与尺寸尽量与成品接近,力求实现少切屑或无切屑加工｡在单件小批生产时,应尽量采用型材或用型材焊接件｡4)零件制造的经济性和现有生产条件选择毛坯应使材料费用､毛坯制造费用和零件加工费用之和为最小｡5)尽量选用先进的毛坯制造工艺｡(2)确定毛坯形状､大小毛坯的形状应尽可能接近零件的最终形状,从而减少机械加工工作量,节约金属材料,但必须考虑到毛坯制造时的工艺要求(如泥芯的安放,分型面的选择等),在毛坯的孔､槽､凹坑等表面应加上必要的拔模斜度,对毛坯制造中难以做出的小尺寸孔､槽､凹坑应做成实体,由机械加工来实现｡毛坯的大小可根据零件来确定,毛坯图上不加工表面的形状､尺寸应与零件图上一致,加工表面之间的尺寸应在零件图上相应尺寸上加上加工总余量｡为了保证零件的机械加工要求,有时必须考虑增加设计工艺凸台､工艺孔等｡(3)规定毛坯的精度等级铸造毛坯的尺寸公差按GB6414—86分为16级,用“CT×”表示｡加工余量(代号“AM”)为A ､B､c､D､E､F､G､H和J9个等级｡锻造毛坯分为精密模锻､模锻､自由锻,自由锻毛坯分为E ､F两个等级｡设计时应根据下列因素来选定毛坯的精度等级｡1)毛坯对装夹可靠性的影响;2)对定位误差的影响;3)对实际加工余量的影响;4)对最大切削力和所需要的夹紧力的影响｡在总的精度等级选定以后,如果零件上某一部分的加工精度要求较高(或较低)还可以局部提高一级(或降低一级)｡(4)确定加工表面的总余量确定加工表面的总余量有两种方法,一种是按照毛坯的精度等级查表,另一种是按照各加工工序的余量计算总余量｡具体计算方法在机械制造工艺学课程中已详细讲述｡对有较长实践时间的人还可以接经验确定｡(5)给定毛坯的技术要求按照零件的工作要求和加工要求来确定毛坯的技术要求,主要是指毛坯制造方面的技术要求｡(6)绘制毛坯图1)绘图方法绘制毛坯图时,应先用双点划线绘出零件的主要结构要素,然后在零件图各加工表面上加上加工总余量,毛坯轮廓应以粗实线表示,对一些小尺寸､孔､槽､凹坑等应按尺寸画出,如不能画出,应标出其位置大小,以便在毛坯制造时提醒工人注意,在这些部位不得有气孔夹杂等｡2)标注尺寸毛坯图上,其不加工表面的尺寸应按照零件图上相应的尺寸进行标注｡加工表面应标注加上总余量以后的表面尺寸,相应的零件尺寸加括号标注在毛坯尺寸之下(只标注基本尺寸,如Φ300)｡毛坯图上需要检验的主要尺寸应标注公差,其公差值应根据毛坯的精度等级查表,一些次要尺寸可不标注公差｡各加工表面的加工总余量也应在毛坯图上分别标出｡3)标注技术要求在毛坯图上应标注材料及必要的技术条件,毛坯制造的分型(模)面,圆角半径和拔模斜度等｡3.拟定零件的机械加工工艺路线零件工艺路线的拟定是制定工艺规程总体布局的非常关键的一步,其主要任务是选择定位基准,选择各个表而的加工方法和加工方案,划分加工阶段,拟定工艺路线及工序组合｡(1)定位基准的选择选择定位基准必须从零件整个工艺过程的全局出发,根据粗､精基准的选择原则｡具体情况具体分析｡使先行工序为后续工序创造条件,使每个工序都有合适的基准和定位夹紧方式｡当有基准转换时,要分析其对加工精度的影响｡(2)确定各加工表面的加工方法及加工路线选择零件表面加工方法时,要首先根据表面种类和技术要求,先确定零件上精度要求和表面粗糙度要求较高的主要表面的最终加工方法和各先导工序的预加工方法,组成加工路线,再确定次要表面的加工路线｡有几种加工方法和路线可供选择时,应综合考虑各方面的因素,经分析比较后,再从中选择比较合理的加工方案｡(3)拟定工艺路线1)加工阶段的划分机械加工工艺过程一般可分为粗加工､半精加工和精加工三个阶段,当有些零件精度和表面粗糙度要求很高时,还需要增加超精加工和光整加工阶段｡在拟定零件工艺路线时,一般应划分加工阶段,但具体运用时叉要灵活掌握,不能绝对化｡例如,对于一些毛坯质量高,加工余量少,加工精度要求较低而刚性又较好的零件,则不必划分阶段｡又如对于一些刚性好的重型零件,由于装夹吊运费工费时,往往也不分加工阶段,而在一次装夹中完成表面的粗､精加工｡2)加工顺序的安排安排加工顺序时,应遵循先粗后精,先主后次,先基面后其他及先面后孔的原则｡如对于箱体､支架类零件,应遵循先面后孔的加工顺序,即先加工平面,后加工孔｡安排加工顺序还要考虑到车间设备的布置情况｡当设备呈机群式布置(把相同类型机床布置在同一区域)时,应尽量把相同工种安排在一起,避免工件在车间内往返流动｡当机械加工顺序确定后,再在其中合理地安排热处理工序,检验工序和其他辅助工序｡除检验工序以外的辅助工序主要有划线､清洗､防锈､表面处理､去毛刺等｡它们一般可作如下安排｡①划线工序一般安排在机械加工之前或加工工序之间;②油漆工序主要用于铸造的箱体､床身等基础零件,在内外表面粗加工及时效处理后,即可安排清理型砂､毛刺､然后涂底漆｡③去毛刺､倒棱工序安排在机械加工完成后,特别是经过铣削或刨削加工的工件｡④发蓝､发黑及表面涂镀等表面处理工序,一般安排在工艺过程的最后进行｡⑤在零件精加工或光整加工后,最终检验前应安排清洗工序,在零件成品入库前要安排清洗上油工序｡(4)工序的组合在确定加工顺序后,还要把加工内容进行适当的组合｡以形成以工序为单位的工艺过程｡在工序的组合中,主要应考虑以下几个方面:1)几个工步是否能在同一机床上加工,以及是否需要在一次安装中加工,以保证高的相互位置精度｡对于有较高相互位置精度要求的一组表面,应安排在一个工序内加工｡与主要表面有位置关系的次要表面(如外圆上的沟槽､键等)也应安排在同一工序之中｡2)是用工序集中原则还是采用工序分散原则来组合工序｡工序集中与工序分散各有特点｡在工序组合时,工序集中与分散的程度,即工序数目的多少,主要取决于生产规模和零件的结构特点及技术要求｡由于工序集中的优点较多,现代生产和发展多趋向于工序集中｡在工序组合过程中,对初步选定的加工顺序或基准可能还要作个别变动｡这种相互影响､不断修改的情况,在拟定工艺过程中是不可避免的｡4.工序设计零件机械加工工艺路线拟定后,就要对其每一工序进行设计,具体包括确定每一工步的加工余量､计算工序尺寸及公差､选择机床及工艺装备､确定切削用量以及计算工时定额等项工作内容｡(1)加工余量的确定根据工艺路线的安排,要求逐工序､逐表面地确定加工余量｡一个表面的加工总余量,应为该表面各工序的加工余量之和｡其工序间尺寸公差,可根据加工的经济精度利用查表法查得｡在用查表法选择工序间加工余量时应注意以下问题:1)表中数据是基本值,对称表面(如轴或孔)的余量是双边的,实际切削层厚度是余量的一半｡非对称表面的余量是单边的,等于切削层的厚度｡2)决定加工余量时,应考虑到机械加工和热处理过程中零件可能发生的变形,否则可能产生废品｡3)决定加工余量时应考虑到被加工零件的大小｡零件愈大,则加工余量也愈大｡另外还应考虑工件装夹的情况｡(2)工序尺寸的计算零件某一表面最后一道工序的工序尺寸及公差是零件的设计尺寸及公差,各中间工序的工序尺寸及公差均要通过计算确定｡当工序基准与设计基准重合时,其工序尺寸及其公差的确定比较简单,只需考虑各工序的加工余量和工序所达到的加工精度｡计算顺序是由最后一道工序开始往前推算,一直推算到毛坯尺寸大小｡如外圆和内孔表面的工序尺寸及公差的计算即属于这种情况｡当工序基准与设计基准不重合时,工序尺寸及其公差的确定需利用工艺尺寸链原理来进行分析和计算｡必须注意,若在工序间安排检验时,如测量基准与设计基准不重合,也应用尺寸链进行计算,以确定检验尺寸及公差｡并注意防止产生“假废品”｡(3)机床及工艺装备的选择在工艺文件中,需要规定每一工序所使用的机床及刀具､夹具､量具｡机床及工艺装备的选用应当既要保证加工质量,又要经济合理｡在成批生产条件下,一般是采用通用机床和专用工艺装备｡(4)切削用量的确定在工艺文件中,还要规定每一工步的切削用量,切削用量可查表选择｡其步骤为:1)由工序余量确定背吃刀量｡全部工序(或工步)余量最好在一次走刀中去除;2)按本工序加工表面粗糙度确定进给量;3)确定切削速度,并按机床实有的主轴转速表选取接近的主轴转速;4)最后检验机床功率｡(5)时间定额的确定时间定额是完成某一工序所规定的时间｡定额的制定应考虑到最有效地利用生产工具,并参照工人的实践经验,在充分调查研究,广泛征求工人意见的基础上｡实事求是地予以确定｡在成批生产中单件计算时间Tc=Tb+Ta+Ts+Tr+Te/n(min)式中:Tc为单件计算时间,Tb为基本时间,可用计算方法求出,Ta为辅助时间,可参阅有关手册中的时间定额表查出,Ts为布置工作地时间,一般按作业时间的2%~7%计算;Tr为休息与生理需要时间,一般按作业时间的2%~4%计算;Te为准备与终结(简称“准终”)时间,n为每批的件数｡在大量生产中,由于n的数值大,Te/n可以忽略不计,所以Tc=Tb+Ta+Ts+Tr在计算出每一工序的Tc后,还必须对各个工序的单件计算时间进行平衡,具体方法是首先计算出零件的年生产纲领所要求的单件时间TdTd=60Tη/N (min)式中:T为年基本工时,N为零件的年产纲领,η为设备的负荷率,一般取0.75~0.85｡将每个工序的Tc与Td进行比较,若Tc大于Td在一倍以内,可采用先进刀具､适当提高切削用量､采用高效加工方法缩短工作行程等措施,缩短Tc;若Tc大于Td二倍以上,则可采用增加顺序加工工序或增加平行加工工序的方法来成倍地提高生产率,缩短Tc;对于Tc小于Td的工序,因其生产率较高,则可采用一般的通用机床及工艺装备,来降低成本｡5.填写工艺文件工艺规程制订后,要以表格的形式确定下来,作为指导工人操作和用作生产､工艺管理等各种技术文件的依据｡机械加工工艺规程卡片的种类很多,在单件小批生产中,一般只填写简单的工艺过程卡片｡在大批､大量生产中,每个零件的每个工序都要有工序卡片｡中批生产中只要求主要零件的每个工序有工序卡片,而一般零件仅是关键工序有工序卡片｡工艺文件填写应符合以下基本要求:(1)内容要简要､明确｡(2)文字正确,应用国家正式公布推行的简化字｡字体应端正､笔划清楚,排列整齐｡(3)所用术语､符号､计量单位等,应符合有关标准｡(4)“设备”栏一般填写设备的型号､名称,必要时还应填写设备编号｡(5)“工艺装备”栏内填写各工序(或工步)所使用的夹､辅具和刀､量具｡其中属专用的,按专用工艺装备的名称(编号)填写;属标准的,填写名称､规格和精度,有编号的也可填写编号｡(6)“工序内容”栏内,对一些难以用文字说明的工序或工步内容,应绘制示意图｡绘制工序图应符合下列要求:(1)根据零件加工情况可画基本视图､剖视图､局部视图等,允许按相对比例绘制｡(2)为表达直观,其位置应符合加工时的实际状态｡(3)加工面用粗实线表示,非加工面用细实线表示｡(4)应标明定位基准､加工部位､精度要求､表面粗糙度､测量基准等｡(5)定位和夹紧符号按JB/T5061---91《机械加工工艺定位､夹紧符号》的规定选用｡(三)专用夹具设计指导要求学生设计一套主要工序的专用夹具,具体的设计项目可根据工件的特点和加工的需要,由指导教师给定｡夹具设计的具体步骤如下:1.明确设计任务,收集有关资料进一步了解指定工序的加工技术要求､加工余量､切削用量､前后工序之间的联系以及该工序所用设备的主要技术参数､安装夹具部位的有关尺寸,收集有关夹具设计的技术资料,如夹具零部件的标准､典型夹具图册等｡2.确定夹具的结构方案,绘制结构草图夹具设计方案的主要内容包括:(1)确定工件的定位方式及定位元件的结构,计算定位误差｡(2)确定刀具的对刀､导向方式,选择对刀､导向元件｡(3)确定工件的夹紧方式､夹紧力的方向和作用点的位置,计算夹紧力,选择合适的夹紧机构｡(4)确定其他元件或装置的结构形式,如连接件､分度装置等｡(5)协调各装置､元件的布局,确定夹具体结构尺寸和夹具体的总体结构,必要时,对夹具体进行刚度､强度验算｡在确定夹具设计方案时应遵循“确保加工质量,结构尽量简单,操作省力高效,制造成本低廉”的原则｡应多考虑几个总体方案,通过分析比较,从中选择最佳方案｡3.加工精度分析在夹具结构方案确定后,要把有关尺寸公差及相互位置精度要求确定下来,然后根据本工序加工要求,分析夹具中影响加工精度的因素,进行必要的误差分析与计算,以验算结构方案中有关尺寸的公差配合及相互位置精度要求是否合理,便于在绘制正式图样之前能发现问题并得到及时解决｡夹具结构中影响加工精度的因素主要有:(1)定位误差△D;(2)夹紧误差△J;(3)对刀(或引导)误差△T(4)夹具安装误差△A;(5)加工方法误差△G｡为了保证工件的加工要求,总误差应不超出工件公差δK,即△∑=△D+△J+△T +△A +△G≤δK4.绘制夹具装配图设计方案确定后,便可绘制夹具装配图｡在绘制夹具装配图时应注意以下各点:(1)夹具装配图应按国家标准GB/T14690—93规定比例绘制｡除特殊情况外,尽量按1:1比例绘图,使装配图有良好的直观性｡(2)夹紧机构应处于“夹紧”位置上,必要时应绘出夹紧､拆装活动部位的轨迹｡(3)注意投影的选择,应当用最少的视图和剖面将夹具的工作原理､整体结构和各种装置､元件之间的相互关系完全清楚地表达出来｡因此,在画图之前｡应当仔细考虑各视图的配置与安排,并留出标题栏､明细栏和技术要求的位置｡主视图的选择与夹具在机床上实际工作时的位置相同｡(4)运动部件的运动要灵活,不能出现干涉和卡死现象,要有润滑装置｡(5)夹具的装配工艺性和夹具零件(尤其是夹具体)的加工工艺性要好｡绘制夹具装配图的具体顺序是:(1)先用双点划线画出工件的外形轮廓和主要表面(即定位表面､夹紧表面和被加工表面)｡被加工表面上的加工余量,可用网纹线或粗实线表示｡(2)夹具装配图上的工件是一个假想的透明体,不遮挡夹具部分的任何线条｡可按照工件的形状和位置,依次画出定位元件､导向(或对刀)元件､夹紧机构和其他辅助元件的具体结构,最后绘出夹具体,把夹具的各部分连成一个整体｡并标明夹具编号的位置｡(3)标注尺寸､公差配合和技术要求,以及夹具总重量等｡夹具装配图上应标注的尺寸及公差配合有五个方面:1)最大外形轮廓尺寸(夹具的总长度､总宽度和总高度),包括可动部分处于极限位置时的尺寸,用这类尺寸去检查夹具在机床上所占空间尺寸的大小和可能活动的范围,以保证夹具在机床允许的范围内安装和使用｡2)保证工件定位精度的有关尺寸和公差｡如:定位表面的尺寸和公差配合,定位表面间的位置尺寸及公差｡3)保证刀具导向(或对刀)精度的有关尺寸和公差｡如:钻套(或镗套)的内径尺寸和公差,钻套(或镗套)之间的位置尺寸和公差｡钻套(或镗套､对刀块)与定位元件定位表面之间的位置尺寸和公差｡4)保证夹具安装精度的尺寸和公差配合｡如夹具安装面与定位元件定位面之间的位置尺寸和公差｡夹具安装面的形状尺寸和公差及其与机床连接的配合尺寸和公差｡5)其它影响加工精度的尺寸和公差配合,主要指夹具内部各组成元件之间的配合性质和位置关系｡如:定位元件与夹具体之间､钴套与衬套之间､分度盘与转轴及转轴与轴承之间等的尺寸和公差配合｡夹具上与工件工序尺寸有关的位置尺寸的公差应作对称分布,其基本尺寸应为工件相应尺寸的平均值｡公差的大小一般可按工件相应尺寸公差的1/2~1/5估算,其角度尺寸的公差及工作面的相互位置公差,可按工件相应公差值的1/2~1/3确定｡具体各类尺寸公差值的选取参见《机床夹具设计》有关内容｡夹具装配图上标注的技术要求包括形位公差和技术条件｡通常有以下几方面:1)定位元件的定位表面之间的相互位置精度要求｡2)定位元件的定位表面与夹具安装面之间的相互位置精度要求｡3)定位元件的定位表面与引导元件工作表面之间的相互位置精度要求｡4)引导元件与引导元件工作表面之间的相互位置精度要求｡5)定位元件的定位表面或引导元件的工作表面对夹具找正基准面的位置精度要求｡6)与保证夹具装配精度有关的或与检验方法有关的特殊的技术要求｡7)与夹具润滑有关的技术要求｡8)与夹具操作力和旋紧力矩等有关的技术要求｡具体标注时应根据夹具的类型特点合理选择标注,对于车床夹具,一般应标注以下几方面的形位公差:1)定位表面相对于夹具轴线(或找正基面)的跳动公差｡2)定位表面相对于顶尖或锥柄轴线的跳动公差｡3)定位表面相对于安装端面的平行度､垂直度公差｡4)定位表面之间的垂直度､平行度公差｡5)定位表面的轴线相对于夹具轴线的对称度公差｡对于钻床夹具,一般应标注以下几方面的形位公差:1)钻套轴线相对于定位表面的平行度､垂直度､对称度公差｡2)钻套轴线相对于夹具底面的垂直度或平行度公差｡。
