曲轴两端打中心孔夹具设计说明书.docx

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曲轴两端打中心孔夹具设计说明书

机械制造工艺学

课程设计

设计题目：

铣曲轴两端面打中心孔夹具

设计内容：

1、课程设计说明书1份

2、机械加工工艺设计表1张

3、机械加工工艺过程卡1张

4、机械加工工序图1张

5、夹具装配图和主要零件图1套

班级：

学生：

学号：

指导老师：

2010年9月

序言

夹具设计是在学完机械制造工艺学这门课程的基础上进行的，要做好夹具设计需要前面学过的全部基础课、技术基础课以及大部分专业课作为铺垫，如机械制图、AuroCAD、Pro/E、力学、机械工程材料、公差与配合、机械设计、机械原理、液压与气动等等。

这是我们在进行毕业设计之前对所学课程的一次深入的综合性的总复习，也是一次理论联系实际的，因此，它在我们四年的大学生活中占有重要的地位。

就我而言，我希望能通过这次的夹具设计对自己未来将从事的工作进行一次适应性训练，且不用多久就要面临就业了，所以，在找工作前把夹具设计做好，有利于安心找工作、找到好工作。

通过对专用夹具的设计，不仅对夹具有了更深的认识，而且从中锻炼自己分析问题、解决问题的能力。

由于本人能力有限，设计过程中存在诸多不足之处，恳请老师给予指教。

目录

序言…………………………………………………………………………………………1

1.设计具体内容…………………………………………………………………………2

1.1零件的作用………………………………………………………………………3

1.2零件的工艺性分析………………………………………………………………4

1.3零件机械加工工艺路线制定……………………………………………………5

1.4本工序加工要求………………………………………………………6

1.5夹具结构方案确定………………………………………………………………6

●定位方案确定，选取定位基准和定位元件…………………………………6

●刀具导向或对刀装置确定……………………………………………………6

●夹紧机构方案确定，计算切削力及夹紧力…………………………………7

●其它装置和夹具体确定………………………………………………………9

1.6定位误差分析计算……………………………………………………………10

1.7夹具结构及操作介绍…………………………………………………………10

2.本设计的主要优缺点……………………………………………………………11

3.参考文献…………………………………………………………………………11

1、设计具体内容

1.1零件的作用：

曲轴是发动机上的一个重要的旋转机件，装上连杆后，可承接活塞的上下（往复）运动变成循环运动。

曲轴主要有两个加工部位：

主轴颈和连杆颈。

主轴颈被安装在缸体上，连杆颈与连杆大头孔连接，连杆小头孔与气缸活塞连接，构成一个典型的曲柄连杆机构。

发动机工作过程就是：

活塞经过混合压缩空气的燃爆，推动活塞做直线运动，并通过连杆将力传给曲轴，由曲轴将直线运动转变为旋转运动。

因此，曲轴零件加工质量的好坏将直接影响着发动机的整体性能。

1.2零件的工艺性分析：

在进行曲轴零件的工艺性分析之前，让我们先了解一下曲轴的结构图，以便对曲轴有一个感性的认识，由下图a所示：

曲轴主要由主轴颈、连杆轴颈、止推面、法兰端、轴头端、曲柄、曲柄臂、平衡块等组成。

图a

分析题目给定的具体曲轴零件（见附图1），从曲轴结构上看，曲轴又细又长，其长径比一般都大于10，是典型的柔性件。

加之曲轴结构复杂，工艺性差，尤其给机械加工带来很大困难。

通常可将曲轴的加工过程分为四个阶段。

第一阶段主要是以铣钻为主的基准加工，即铣定位面（曲轴两端面）打中心孔；第二阶段是以车、铣、钻为主的完成全部轴颈的粗加工；第三阶段为热处理；第四阶段为以磨、抛光为主的精加工及端面加工和动平衡。

此外，一条完整的曲轴生产线还包括装配滚压校直、测量、清洗防腐等工序。

其中，第二阶段主轴颈和连杆轴颈的加工是曲轴加工工艺的难点，但这一部分的加工工艺发展迅速。

曲轴对尺寸公差、形位公差、表面粗糙度要求都比较高，从零件图上可以看出：

主轴颈及连杆轴颈直径的公差等级为IT6，圆柱度公差等级为6级，连杆轴颈轴线对主轴颈公共轴线的平行度为6级，其余主轴的圆跳动为8级。

重要表面粗糙度不低于Ra值3.2的要求。

此外还有相位角度偏差，一般不大于

，对曲轴的动不平衡量也有要求，额定转速越高对曲轴的动不平衡量要求越严格。

1.3零件机械加工工艺路线制定：

径向定位基准：

由于曲轴设计基准是中心孔，装配基准是两端主轴颈，所以选择毛坯两端中心孔作为精基准；

轴向定位基准：

曲轴轴向设计基准、安装基准都是中间主轴颈端面，所以主要以曲柄臂端为定位基准；

角向定位基准：

角向定位基准主要用曲轴的曲柄臂上加工出的定位平台及法兰盘上

的定位孔作角向定位。

一、加工工序顺序的安排

1、工序顺序安排原则

1）先基准面后其它加工开始，首先应把精基准面加工出来。

如曲轴零件应先将两端面及中心孔加工出来，然后再进行主轴颈、曲柄定位平台、连杆轴颈等其它表面的加工。

2）先粗后精先安排粗加工，中间安排半精加工，最好安排精加工和光整加工。

3）先主后次曲轴主要加工表面有主轴颈、连杆轴颈、轴肩端面、圆角；次要加工面为键槽、斜油孔、螺纹等。

4）先面后孔

2、热处理工序及辅助工序的安排

除机械加工外，还有轴颈淬火、平衡、探伤、校直、检验、清洗等工序。

淬火放在轴颈精加工之前，平衡放在精加工之后，毛坯探伤放在粗加工之前，磁力探伤工序主要用来检查零件的细微裂纹和其它缺陷，应放在精加工之后。

校直放在容易引起弯曲变形工序后进行，如放在粗加工主轴颈、粗加工连杆轴颈、热处理等工序之后进行。

检验工序分中间检验和最终检验工序。

中间检验放在重要工序之后，如放在粗加、精加工光整加工之后进行。

零件全部加工完毕进行最终检验。

最后清洗一般放在曲轴光整加工之后，最终检验工序之前进行。

3、加工阶段的划分

加工定位基准面——粗加工轴颈——加工油孔和次要表面——半精加工和精加工轴颈——加工键槽和轴承孔等表面——光整加工所有轴颈。

二、机械加工的工艺过程

曲轴需要加工的表面有：

主轴颈、连杆轴颈、其它轴颈、油道、键槽、螺纹等。

制定曲轴机械加工方案为：

铸造毛坯——热处理——铣两端面打中心孔——车或铣主轴颈和连杆轴颈——车各处外圆——钻斜油孔——磨削连杆轴颈、主轴颈——车两端面——铣键槽、倒角——抛光——氮化——探伤——油孔抛光——动平衡、去重——清理去毛刺——轴颈抛光——入库。

曲轴结构复杂，刚性差，易变形，而加工技术要求又高，在制定曲轴加工工艺过程时，必须考虑这些特点，采取相应的工艺措施：

●粗加工时由于切削余量大，切削力也大，可用中间托架来增强刚性，从而减少变形和振动，同时机床刀具及夹具都应有较高的刚度；

●在切削过程所产生切削力应尽可能使之互相抵消，例如主轴颈的车削工序中，可用前后刀架同时横向进给；

●合理安排加工顺序以减少加工时的变形，按先粗后精原则安排加工工序，逐步提高精度；

●在有可能产生变形的工序后面设置校直工序，尽量减少前面工序的弯曲变形对后续工序的影响。

1.4本工序加工要求

工序为铣曲轴两端面打中心孔，该工序在所有工序中排第一，主要是由于这

一工序对以后的工序，特别是平衡去重工序的工作量，有很大的影响，所以关键在于使中

心孔尽可能接近曲轴质量轴线。

根据题目的要求，该零件的生产类型为大批大量生产，因此可以在专用的铣端面、打中心孔机床上进行。

本工序需要保证曲轴总长及中心孔的质量，若端面不平则钻中心孔时钻上的两切削刃受力不均，钻头可能引偏而折断，因此要采用先面后孔的原则。

中心孔除影响曲轴质量分布外，它还是曲轴加工的重要基准贯穿整个曲轴加工始终，因而直接影响曲轴加工精度。

打中心孔工艺按加工方法可分几何定心法和质量定心法两种。

这两种方法所采用的设备不同，价格也不同，采用何种方法得看毛坯质量以及现有的设备。

1）、加工余量的确定：

根据零件图的技术要求可知，该曲轴为铸造件，曲轴材料选用球墨铸铁，工艺方法选

用金属型铸造，得到曲轴长度的尺寸公差等级（CT）为9级，加工余量等级（MA）为F

级，查机械加工余量手册可得铸造毛坯公差为

1.6，双侧加工时每侧的加工余量值为3.5。

2）、工序尺寸的确定：

本工序是要确保曲轴总长为346mm，因未标注公差，按经济精度IT8加工该尺寸，

查公差表得基本尺寸为346mm时其公差大小0.089mm，

铣

工序名称

工序间余量/mm

经济精度/mm

表面粗糙度/um

工序尺寸及

公差/mm

毛坯（铸造）

1.6

Φ353

1.6

铣

3.5

h8

Ra1.25

Φ34610-0.089

1.5夹具结构方案确定

a.定位方案的确定，选取定位基准和定位元件

定位是指确定工件在机床（工作台）上或夹具中占有正确位置的过程，要使定位方案合理，需对六点定位原理和定位元件十分熟悉，脑海中必须清楚平面定位用支承钉、支撑板，内孔定位用心轴、圆柱销、圆锥销，外圆定位用V型块、定位套。

曲轴铣端面打中心孔工序，以曲轴两端主轴颈外圆表面为粗基准，分别用两个V型块进行定位。

b.刀具导向或对刀装置的确定

工件在夹具中的位置是由与工件接触的定位元件的定位表面所确定的，对于刀具做

主切削运动的加工过程，只能保证加工面对定位基准的平行度、垂直度、角度等，却不

能解决加工尺寸本身的精度问题。

刀具相对于夹具的位置的确定，是用来保证加工尺寸本身的精度的，简称对刀。

夹具的对刀方法有三种：

一种是通过试切法来调整刀具相对工件定位面的位置；一种是应用样件对刀；还有一种是用夹具的对刀、导向装置来对刀。

用于铣床夹具的对刀装置由对刀块和塞尺组成。

对刀块是用来确定夹具与刀具相对位置的元件，其结构尺寸已经标准化。

对刀装置应安排在刀具开始进给的一侧，对刀块应制成单独的元件，用螺钉和定位销安装在夹具体上，不能用夹具的其它元件兼作对刀块。

对刀时，不允许刀具与对刀块直接接触，损坏刀刃或造成对刀块过早磨损，而要将塞尺放在刀具与对刀块之间，凭抽动塞尺的松紧感觉来判断二者的正确位置，以适度为宜。

塞尺也已经标准化了。

c.夹紧机构方案的确定，计算切削力及夹紧力

装夹包括定位和夹紧，工件的定位和夹紧密切相关。

在装夹工件时，先把工件放置

在夹具的定位元件上，使它获得正确的位置，而夹紧则固定已经定位好的工件，这样工件在加工过程中能承受外力而保持定位位置不变。

夹紧可以用手动、气动、液压或其它力源形式，应考虑夹紧力的大小、方向、作用点。

夹紧机构的功用就是将动力源的力正确、有效地施加到工件上去。

常用的夹紧机构有斜楔夹紧机构、螺旋夹紧机构、偏心夹紧机构、铰链夹紧机构、定心夹紧机构、联动夹紧机构等。

夹紧方案：

●铰链夹紧机构；

铣削切削力的计算：

刀具材料选硬质合金，因为该零件的生产类型为大批大量生产，而硬质合金的铣刀的切削效率是高速钢的5到10倍，在大批大量的生产中能提高切削加工经济效益。

而铣刀类型选端铣刀，对曲轴整个端面一次性成型加工，保证足够高的效率。

刀具材料：

硬质合金

铣刀类型：

端铣刀

公式：

F=4434*（ap）^（1.1）*（fz）^（0.75）*D^（-1.3）*B*n^（-0.20）*z

参数:

ap=3

参数:

fz=0.1

参数:

D=32

参数:

B=20

参数:

n=750

参数:

z=6

计算得出

F=931.328

钻削切削力的计算：

钻头材料选硬质合金，保证高效率的钻孔

切削力Ff=319*D^（1.2）*f^（0.75）*（Kp）

参数:

D=5

参数:

f=0.2

参数:

Kp=0.912

Ff=600.235

夹紧力的计算：

实际所需夹紧力的计算是很复杂的，一般只作粗略估算，为了简化计算，在设计夹紧装置时，只考虑切削力（矩）对夹紧的影响，并假定工艺系统是刚性的，切削过程稳定不变。

工件以V型块定位压板夹紧，受切削转矩作用：

●防止工件转动：

夹紧形式：

V形块定位压板夹紧工件受切削扭矩及轴向力防止工件转动

公式：

Wk=K*M*sin（α/2）/（（μ1）*R*sin（α/2）+（μ2）*R）

参数:

K=1.5

参数:

M=1000

参数:

α=90

参数:

μ1=0.15

参数:

R=50

参数:

μ2=0.15

WK=82.842

●防止工件移动：

夹紧形式：

V形块定位压板夹紧工件受切削扭矩及轴向力

防止工件移动

公式：

Wk=K*（Ff）*sin（α/2）/（（μ3）*sin（α/2）+（μ4））

参数:

K=1.5

参数:

Ff=1500

参数:

α=90

参数:

μ3=0.15

参数:

μ4=0.15

Wk=6213.203

d.其它装置和夹具体确定

1、夹具体的确定：

夹具体是夹具的基础件，夹具的其它各种元件和装置等都要安装在夹具体上。

夹具体的形状和尺寸取决于夹具上各种装置的布置及夹具与机床的联接。

夹具体毛坯制造方法有铸造、锻造、焊接、装配等。

由于铸造夹具体有许多优点：

可铸出各种复杂形状、工艺性好、具有较好的抗压强度、刚度和抗振性，故铣床夹具多采用铸造夹具体。

材料选为灰铸铁HT150、HT200。

夹具体外形尺寸由工件、定位元件、夹紧装置、对刀导向元件以及其它辅助机构和装置在总体上的配置大体确定。

2、其它装置的确定：

1）V型块的确定：

2）定位键、T形螺栓和螺母的确定：

3）止动销的确定：

4）压板、压板螺栓的确定：

1.6定位误差分析计算

定位误差计算：

定位误差常用的计算方法是合成法，也就是说定位误差应是基准不重合误差与基准位

移误差的合成。

可用两种方法计算定位误差：

方法一、直接求

，计算时，分别算

出基准不重合误差和定位副制造不准确误差，然后将两者合成。

方法二、按不利情况加工，

求

，确定一批工件设计基准的两个极限位置，再根据几何关系求出此二位置的

距离，并将其投影到加工尺寸方向上，便可求出定位误差。

因为该铣床夹具采用两个V型块定位，定位误差的方向和铣端面后要达到的曲轴总长方向不同，定位误差为0，因此可不用考虑定位误差。

1.7夹具结构及操作介绍

如前所述，在设计夹具时，应该注意提高劳动生产率，并且要避免夹具的干涉。

设计夹具时，应使夹具结构简单、紧凑，便于操作，组成夹具的元件、装置要易于加工，以降低成本，提高夹具的性价比，此外，夹具应具备良好的结构工艺性。

本道工序（铣端面打中心孔）为铣床夹具，选择了螺栓压板夹紧机构夹紧工件。

通过旋紧螺栓对工件进行夹紧，然后对曲轴两端面进行铣削，效率较高，可用于大批生产。

夹具上装有对刀块，可使夹具在一批零件的加工之前很好地对刀（与塞尺配合使用）；同时，夹具体底面上的一对定位键可使整个夹具在机床工作台上有一个正确的安装位置，以利于铣削加工。

T形槽螺栓和螺母通过夹具体的两个U形槽连接到机床工作台的导轨上。

2.本设计的主要优缺点

设计该铣床专用夹具，具有以下优点：

1、采用了螺旋压板夹紧，因螺旋夹紧机构简单，易于制造，增力比大，自锁性能好，是手动夹紧中应用最广的夹紧机构。

2、夹具上所用到的一些元件和装置尽量选用通用件和标准件，如V型块、对刀块、螺栓和螺母等，这样的设计大大降低了成本，并且缩短了设计制造时间。

当然，该铣床夹具也有许多缺点：

1、由于为手动操作夹紧，这在大批大量生产的情况下，增加了工人的劳动强度，且生产率也不高，为此可采用机动夹紧装置，如气动、液动、气液联动、电磁驱动等，提高夹具的工作效率。

2、夹具体未设计自动排屑结构，机加工过程中，切屑不断地积聚在夹具中，如不及时排除，切屑热量累积会破坏夹具定位精度。

所以可在夹具体上设置排屑槽，以利于切屑自动排出夹具体外，要不然，用人工去清理切屑既不方便又麻烦，还很危险。

3.参考文献

[1]机床夹具设计手册软件版V1.0

[2]王先逵，机械制造工艺学，机械工业出版社，2008年

[3]机械加工工艺手册（软件版）

[4]机械加工余量手册（电子版）

[5]吴拓，现代机床夹具设计，化学工业出版社，2009年