机械制造技术基础课件设计备份.docx
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机械制造技术基础课件设计备份
机械制造技术基础课程设计
说明书
设计题目：
自行车右曲柄的机械加工工艺规程及机床加工夹具设计
学生姓名：
学号：
专业：
机械设计制造及其自动化
指导老师:
学校：
2011年6月17日
1、零件分析
1.1零件的作用
1.2零件的工艺分析
1.3确定零件的生产类型
2、确定毛胚类型绘制毛胚简图
2.1选择毛胚
2.2确定毛胚的尺寸公差和机械加工余量
2.3绘制曲柄锻造毛胚简图
3、工艺规程设计
3.1定位基准的选择
3.2拟定工艺路线
3.3加工设备及工艺装备的选用
3.4加工余量、工序尺寸和公差的确定
3.5切削用量的计算
3.6时间定额的计算
4、专用钻床夹具设计
4.1夹具设计任务
4.2拟定钻床夹具架构方案与绘制夹具草图
4.3绘制夹具装配总图，夹具装配图上标准尺寸、配合及技术要求
5、致谢
6、参考文献
§1零件分析
§1.1 零件的作用
题目所给定的零件是自行车右曲柄，其主要作用是与链柄和脚踏板配合使用，在配合链柄使用时，通过Φ17连接轴和孔Φ9用销穿过，已达到曲柄和链柄的配合是有；曲柄通过M14×1.25来连接脚踏板，以保证曲柄对脚踏板力的传动，使链柄转动起来。
从而达到链柄带动链条，链条通过飞轮让后轮转动起来，达到自行车前进的目的。
§1.2零件的工艺分析
由曲柄零件可知，其材料为45钢。
该材料具有足够的强度、刚度、韧度，适用于承受弯曲应力和冲击载荷作用的工作条件。
该自行车曲柄形状特殊、结构简单，与传统的曲柄差异不大，属于典型的曲柄类零件。
曲柄大端要与轴类零件配合，小端要与螺纹类零件配合，小孔要与一颗销配合，对于孔轴配合、螺纹中间的配合、销与孔之间的配合，都需要一定的加工精度，如果配合好，曲柄在工作时比较省力，各个零件之间密切配合，可以提高曲柄的工作效率，也可以增加曲柄的工作寿命。
所以在加工时如果精度达不到要求对于整体的配合协作工作具有很大的损害作用。
工作时曲柄两端需要承受一定的周期性扭矩和一定的冲击载荷，为了增加它的耐磨性和抗冲击的刚度，我们要求对毛坯采用高频淬火处理；为保证曲柄大端孔在与支撑架轴配合时严谨性对其轴孔相对于K面的垂直度要求为0.10mm，其自身的上表面的平面度要求为0.08mm。
小端螺纹与自行车上的踩板配合，对于配合的要求与大端相一致，其螺纹孔相对于k面的垂直度要求为0.10mm，自身上表面的平面度要求也为0.08mm。
其余表面加工精度较低，不需要高精度的加工机床，通过精锻就能达到加工精度要求，而主要工作表面虽然加工精度较高，但也可以在正常的生产条件下，采用较为经济的加工方法保质保量的加工出来。
由此可见，该零件的工艺性较好。
该零件的主要工作表面为两端孔Φ16mm与Φ
mm，在设计工艺规程时应重点予以保证。
§1.3确定零件的生产类型
以设计题目以及生产实际可知：
产品的的年产量为8000件/年，每台产品中该零件数量为1件/台；结合生产实际，备品率α和废品率β分别为3%和0.5%，零件年产量为
N=8000台/年*1件/台*（1+3%）*（1+0.5%）
=8281.2件/年
“机械加工零件生产分类”知，自行车右曲柄为轻型零件。
查表2.3可知，右曲柄的生产类型为大批量生产。
§2确定毛坯类型绘制毛坯简图
§2.1零件的生产类型：
大批量生产
§2.2选择毛坯
由于该曲柄在工作工程中要承受一定的载荷冲击，为增强曲柄的强度和冲击韧度，获得纤维组织，毛坯选用锻件。
由于零件生产类型为大批量生产，零件较为复杂，而锻造生产成本低，成形性高，力学性能好，故宜采用模锻方法制造毛坯。
毛坯材料为45钢。
§2.3确定毛坯的尺寸公差和机械加工余量
1.锻件的公差等级
由曲柄的功用和技术要求，确定该零件的公差等级为一般精度。
2.锻件质量
由于机械加工后曲柄的质量为kg，可初步估计机械加工前锻件毛坯的质量为kg。
3.锻件形状复杂系数
对曲柄零件图进行分析计算，可大致确定锻件外廓包容体的长度、宽度、和高度，即l=mm，b=mm，h=mm；该曲柄锻件的形状复杂系数为
S=mt/mN=/（lbhp）=/
由于介于0.32和0.63之间，故该零件的形状复杂系数属S2级。
4．锻件材质系数
该曲柄的材料为45钢，其碳的质量分数小于0.65%，故该锻件的材质系数属M1级。
5.锻件分模线形状
根据该曲柄件的形位特点，选择零件高度方向的对称平面为分模面，属平直分模线。
6.零件表面粗糙度
由零件图可知，该曲柄各加工表面的粗糙度Ra均大于等于1.6um。
根据上述诸因素，由表2.10确定该锻件的尺寸公差和机械加工余量见表2.1。
表2.1曲柄机械加工余量及锻造毛坯尺寸公差mm
加工表面
零件尺寸
机械加工余量
毛胚公差
毛胚尺寸
曲柄上下面加工
1—1.5（取1.5）
曲柄内孔Φ9
Φ
1—1.5（取1）
Φ
曲柄内孔Φ16
Φ
1—1.5（取1.）
Φ
曲柄内孔Φ14
M14×1.25
1—1.5（取1.）
Φ
曲柄外圆Φ23
Φ
1—1.5（取1.5）
Φ
§2.4绘制曲柄锻造毛坯简图
由表2.1所得结果，绘制毛坯简图如图2.10所示。
§3工艺规程设计
§3.1定位基准的选择
定位基准有粗基准和精基准之分，通常先确定精基准，然后在确定粗基准。
1.精基准的选择
平面K是加工有台阶平面的设计基准曲柄的两个侧面是曲柄上台阶平面在垂直方向上的设计基准，所以在加工台阶平面时选用K平面曲柄的右侧面作为精基准定位，实现了设计基准和工艺基准的重合，保证了被加工表面的相对侧面侧面的垂直度以及相对于K平面的平行度。
而且在加工时装夹是在曲柄两端的侧面，不会因为装夹变形而导致工件作废。
钻两个空也是同样以K面和曲柄的右侧面作为精基准，同样也起到了设计基准和工艺基准重合的效果，但是保证其对K的垂直度和对两个侧面的平行度。
方便装夹又能保证精度。
2.粗基准的选择
选择曲柄大端的外圆面和曲柄左侧面作为粗基准。
采用曲柄大端的外圆面作为粗基准可以保证空的壁厚的均匀程度和相对于外圆的平行度，采用曲柄的左端面作为粗基准进行加工，可以保证上平面相对于侧面的垂直度和内孔加工后相对于侧面的平行度。
§3.2拟定工艺路线
工艺路线的拟定是制定工艺规程的总体布局，包括确定加工方法、划分加工阶段、决定工序的集中于分散、加工顺序的安排以及安排热处理、检验及其他辅助工序（去毛刺、倒角等）。
它不但影响加工的质量和效率，而且影响工人的劳动强度、设备投资、车间面积、生产成本等。
因此，拟定工艺路线是制定工艺规程的关键性一步，必须在充分调查研究的基础上提出工艺方案，并加以分析比较，最终确定一个最经济合理的方案。
1.表面加工方法的确定
根据零件图上各加工表面的尺寸精度和表面粗糙度，查表2.25平面加工方案的经济精度和表面粗糙度；查表2.24孔加工方案的经济精度和表面粗糙度，确定曲柄零件各表面的加工方法，如下表：
曲柄零件各表面加工方案
加工表面
尺寸及偏差/mm
尺寸精度等级
表面粗糙度/µm
加工方案
备注
曲柄底面
30
IT9
Ra6.3
粗铣——半精铣
四周的表面
18
IT9
Ra6.3
粗铣——半精铣
上表面台阶
Φ
IT9
Ra6.3
粗铣——半精铣
钻孔Φ9
Φ
IT9
Ra6.3
钻——粗铰
钻孔Φ16
Φ16
IT10
Ra12.5
钻——粗铰
攻M14×1.25内螺纹
M14×1.25
钻——攻M14×1.25
2.加工阶段的划分
该曲柄加工质量要求较高，可将加工阶段划分成粗加工、半精加工和精加工几个阶段。
在粗加工阶段，首先将精基准准备好，使后续工序都可采用精基准定位加工，保证其他加工表面和精度要求；然后粗铣曲柄底面、上表面和四周表面，在钻孔Φ9、Φ17、Φ14，在攻螺纹M14×1.25.在半精铣加工阶段，完成表面的精铣加工和孔Φ9、Φ17的钻铰加工。
3.采用工序集中原则
因为Φ17和Φ9要保持较高的垂直度，Φ17和M×1.25要保持较高的平行度，故他们的加工宜采用工序集中原则，即分别再一次装夹下将面或孔加工出来，以保证其位置精度。
4.加工顺序的确定
（1）机械加工工序
遵循“先基准后其他”原则，首先加工精基准曲柄的底面；遵循“先粗后精”原则，先安排粗加工工序，后安排精加工工序；遵循“先主后次”原则，先加工主要表面——曲柄底面，后加工上表面和四周表面；遵循“先面后孔”原则，先铣曲柄表面，在加工曲柄孔Φ17、Φ9和钻螺纹M14×1.25。
由此初次拟曲柄机械加工工序安排，见表：
曲柄机械加工工序安排（初拟）
工序号
工序内容
简要说明
10
粗铣底面
先基准后其他
20
粗铣四周表面
先基准后其他、先主后次
30
粗铣上表面台阶
先面后孔、先主后次
40
钻、铰Φ9mm孔
先面后孔
50
钻、铰Φ16mm孔
先面后孔
60
钻孔Φ14mm孔
先面后孔
70
攻M14×1.25内螺纹
（2）热处理工序
模锻成型后切边，进行调质处理，调质硬度为241～285HBS,并进行酸洗、喷丸处理。
（3）辅助工序
粗加工曲柄热处理后，应安排校正直工序；在半精加工后，安排去毛刺和中间检验；精加工后，安排去毛刺，清洗，最后电镀铬，按轻工业标准QB2002—1994一级件施工。
综合所述，该曲柄工序顺序的安排顺序为：
基准加工——主要表面粗加工及一些余量的表面加工——主要表面半精加工和次要表面加工——钻孔——攻螺纹——热处理——主要表面精加工。
5.确定工艺路线
在综合考虑上述工序顺序安排原则的基础上，拟订曲柄的机械加工工艺路线，见下表：
曲柄机械加工工艺路线（修改）
工序号
工序内容
定位基准
10
粗铣、半精铣曲柄底面
30mm、Φ24
20
粗铣、半精铣曲柄上表面
底面、30mm、Φ24
30
粗铣、半精铣四周表面
底面、30mm、Φ24
40
粗铣、半精铣上表面台阶
底面、30mm、Φ24
50
钻、粗铰Φ9mm孔
底面、Φ16mm、Φ24
60
钻，粗铰Φ16mm孔
底面、30mm、Φ24
70
钻，粗铰Φ14mm孔
底面、30mm、Φ24
80
攻M14×1.25内螺纹
底面、30mm、Φ24
90
去毛刺
100
镀铬
§3.3加工设备及工艺装备的选用
机床和工艺装备的选择应在满足零件的加工工艺的需要和可靠地保证零件加工质量的前提下，与生产批量与生产节拍相适应，并优先考虑采用标准化的工艺装备和充分利用现有条件，以降低生产准备费用。
自行车右曲柄生产类型为大批量生产，可以选用高效的转用设备和组合机床，也可以选用通用设备，所选的夹具均为专用夹具。
各工序加工设备的选用如下表§3.4.
加工设备及工艺装备
工序号
工序内容
加工设备
工艺设备
10
锻出零件毛坯
空气锤和液压机
45钢材料、工件模具
20
去毛刺
钳工台
平锉
30
中检
塞规、百分表、卡尺
40
热处理
淬火机
50
粗铣大端上平面
立式铣床X51
高速钢套式面铣刀、游标卡尺
60
粗铣小端上平面
立式铣床X51
高速钢套式面铣刀、游标卡尺
70
钻、倒角、粗铰、精铰Φ14mm孔
立式钻床525
复合钻头、铰刀、卡尺、塞规
80
铣大端的台阶
立式铣床X51
高速钢套式面铣刀、游标卡尺
90
钻大端孔、倒角、粗铰、精铰Φ16mm与Φ17mm孔
立式钻床525
复合钻头、铰刀、卡尺、塞规
100
攻内螺纹Φ14mm
立式铣床525
铰刀、卡尺、塞规
110
电镀
喷砂机等
120
清洗
清洗机
130
终检
塞规、百分表、卡尺等
§3．4加工余量、工序尺寸和公差的确定
1.工序10粗铣曲柄上的圆柱头表面和工序20台阶
工序10和工序20的要求不是很高，所以我们可以只用粗加工来完成，
工序10和工序20的加工过程如图§3.1所示。
工序10和工序20都是以底面基准，工序10粗铣Z1，保证工序尺寸L1。
工序20是先粗铣Z2，保证工序尺寸L2。
图§3.1
2.工序30——钻—扩孔ø9mm孔
由表2.54基孔制7、8、9级孔的加工余量可得，钻孔余量Z钻=ø7.8mm；扩孔余量Z扩=1.2mm。
查表2.24孔加工方案的经济度和表面粗糙度，可依次确定各工序尺寸的加工精度等级，扩孔：
IT10;钻孔:
IT12;根据上述结果，再查标准公差数值表可以确定各工步的公差值，扩孔：
0.058mm；钻孔：
0.09mm;
综上所述，按入体原则确定工序各工步的工序尺寸及公差，钻孔
mm；扩孔：
mm。
3.工序40——钻—扩—粗铰—精铰ø16mm孔
由表2.54基孔制7、8、9级孔的加工余量可得，精铰余量Z精=0.05mm;c粗铰余量Z粗=0.10mm；扩孔余量Z扩=0.85mm;钻孔余量Z钻=ø15mm；查表2.24孔加工方案的经济度和表面粗糙度，可依次确定各工序尺寸的加工精度等级，精铰：
IT7;粗铰：
IT10;扩孔：
IT11;钻孔:
IT12;根据上述结果，再查标准公差数值表可以确定各工步的公差值，精铰:
0.018mm;粗铰：
0.070mm；扩孔：
0.110mm；钻孔：
0.18mm;
综上所述，按入体原则确定工序各工步的工序尺寸及公差，精铰：
mm；粗铰：
mm；扩孔：
mm；钻孔
mm。
4.工序50——扩孔ø17mm
加工孔17的孔是在工序40的基础上加工的，扩孔余量为1mm;查表2.24孔加工方案的经济度和表面粗糙度，可依次确定各工序尺寸的加工精度等级，扩孔:
IT11;据上述结果，再查标准公差数值表可以确定各工步的公差值，扩孔：
0.110mm。
综上所述，按入体原则确定工序各工步的工序尺寸及公差，扩孔：
mm。
5.工序60——钻—攻螺纹M14*1.25
由表2.67攻螺纹前钻孔用的麻花钻直径，可得，攻螺纹M14*1.25的螺纹用ø12.7的钻头；步骤：
先用12.7的钻打孔——攻螺纹M14*1.25的螺纹。
§3．5切屑用量的计算
1.工序10粗铣曲柄上的圆柱头表面和工序20台阶
（1）背吃刀量
工步1的背吃刀量ap1取Z1=4mm;工序2的背吃刀量Z2=6.5mm；
（2）进给量
X51型立式铣床功率为4.5KW，查表5.8高速钢套式面铣刀粗铣平面进给量按机床、工件、夹具系统刚度中等系统选取。
该工序的每步进给量取为0.08mm/r。
（3）铣削速度
由本工序采用高速镶齿铣刀dw=40mm，齿数Z=6。
查表5.8高速钢套式面铣刀铣刀铣削速度，确定铣削速度Ve=42.7m/min。
则
Ns=
=
r/min
=339.97r/min
由本工序采用X51型立式铣床，查表3.6，取转速nw=300r/min,故实际铣削速度
Vc=3.14dnw/1000
=3.14*40*300/1000
=37.68m/min
当nw=300r/min时，工作台的每分钟进给量fm应为
Fm=fe*Z*nw
=0.08*6*300mm/min
=144mm/min
也可根据表查得机床的进给量为125mm/min.
2、工序30钻——铰ø9mm孔
（1）钻
mm孔工步
由工件材料为45钢，孔
mm,高速钢钻头，查表5.19高速钢麻花钻钻削碳钢的切削用量得：
切削速度Vc=20m/min，进给量f=0.20min/r，取ap=7.8mm，则
Ns=1000v/（3.14dw）
=1000*20/（3.14*7.8）
=816.2r/min
由本工序采用Z3025型立式钻床，由表3.15得，转速nw=630r/min,
故实际切削速度为
Vc=
=
m/min=15.43m/min
（2）铰
mm孔工步
取背吃刀量ap=0.6mm，由工件材料为45钢，孔
mm，查表5.23高速钢铰刀铰削切削用量得：
切削速度Vc=14m/min，进给量f=0.8mm/r，则
Ns=
=
r/min
=495.46r/min
由本工序采用z3025型立式钻床，取转速nw=500r/min，故实际切削速度为
Vc=
=
m/min
=14.13m/min
3、工序40钻——扩孔钻——铰ø16mm孔
（1）钻ø15mm的孔加工工步
切削速度vc=20m/min，进给量f=0.2min/r，背吃刀量ap=7.5mm,则
N=1000vc/3.14d
=1000*20/（3.14*15）
=424.63r/min
由于本工序采用Z3025型钻床，由表3.15得实际转速取n=400r/min，则实际切削速度为
Vc=
=18.84m/min
（2）扩钻ø15.85mm孔工步
高速钢扩孔钻取其切削速度Vc=20m/min.进给量f=0.2mm/r,背吃刀量ap=0.425mm,则
n=
=
r/min
=401.856r/min
由于本工序采用Z3025型钻床，由表3.15得实际转速取n=400r/min,则实际切削速度为
Vc=
m/min
=19.91m/min
（3）铰ø16mm孔工步
查表5.23，取切削速度Vc==11.9m/min,进给量取f=0.8mm/r,背吃刀量ap=0.125mm.则
n=
=
r/min
=236.86r/min
由于本工序采用Z3025型钻床。
由表3.15得实际转速取n=200r/min,则实际切削速度为
Vc=
m/min
=10.048m/min
（4）工序50扩ø17mm孔工步
由于零件设计对ø17mm孔没公差要求，即对ø17mm孔要求不高。
可以直接扩到ø17mm。
查表5.23取切削速度Vc=10.2m/min,进给取f=1mm/r,背吃刀量ap=0.5mm,则
n=
=
=191/08r/min
由于本工序采用Z3025型钻床，由表3.14实际转速取n=200r/min,则实际切削速度为
Vc=
m/min
=10.676m/min
4.工序60钻——扩——铰ø14mm孔
（1）钻ø13mm孔工序
切削速度Vc=20m/min进给量f=0.2mm,背吃刀量为ap=6.5mm，则
n=
=
r/min
=489.96r/min
由于本工序采用Z3025型钻床。
由表3.15得实际转速取n=400r.min,则实际切削速度为
Vc=
=16.328m/min
（2）扩孔ø13.85mm孔工步
高速钢扩孔钻取其切削速度Vc=20m/min进给量f=0.2mm/r,背吃刀量ap=0.425mm则
n=
=
r/min
=459.89m/min
由于本工序采用Z3025型钻床，由表3.15得实际转速为n=400r/min,则实际切削速度
Vc=
=17.395m/min
（3）铰ø14mm孔工步
查表5.23，取切削速度Vc=11.4m/min,进给量取f=0.8mm/r,背吃量ap=0.075mm,则
n=
=
=259.32r/min
由于本工序采用Z3025型钻床，由表3.15得实际转速n=250r/min则实际切削速度
Vc=
=10.99m/min
5.工序70攻M14*1.25内螺纹
本工序采用Z3025型钻床完成，由查表3.15得用Vc=80r/min手动进给完成。
§3.6时间定额的计算
1.基本时间tj的计算
（1）工序10——粗铣圆柱一端面
由面铣刀对铣平面、主偏角Kr=90度，查表5.41铣削基本时间计算，L1=0.5（d-
）+（1～3）mm，L2=1～3mm。
确定L1=12mm，L2=1mm,L=30mm；则该工序的基本时间为
Tj=（L1+L2+L）/fmz
=（10+12+1）/125
=0.344min=20s
（2）工序20——铣圆柱台阶
由面铣刀对铣平面、主偏角Kr=90度，查表5.41铣削基本时间计算，L1=0.5（d-
）+（1～3）mm=7mm，L2=2～5mm。
确定L2=4mm,L=3.14*23mm；则该工序的基本时间为
Tj=（L1+L2+L）/fmz
=（4+7+3.14*23）/125
=0.7136min=43s
（3）工序30——钻——扩——铰ø16mm
a、钻孔工步。
由表5.39，该工步L1=D/2*cot（kr）+（1～2）mm
=（15/2*cot45+1）mm
=8.5mm
L2=1mm，L=34.5;则工序的基本时间为
Tj=（L1+L2+L）/Fn
=（20+3.8+1）/（0.2*680）
=0.129min=8s
b、扩孔工步。
由表5.39钻削基本计算时间得，L1=（D-d1）/2*cot（kr）+（1～2）mm=0.85/2*1+1mm=1.425mm,L2=2mm,L=34.5mm;则工序的基本时间为
Tj=（L1+L2+L）/Fn
=（34.5+1.425+2）/（0.2*680）
=0.11min=7s
c、粗铰孔工步。
Ap=（D-d）/2=（15.95-15.85）/2=0.05mm;查表5.40铰孔的切入及切出行程得，L1=0.05mm,L2=13mm,L=34.5mm;则工序的基本时间为
Tj=（L1+L2+L）/Fn
=（34.5+0.05+13）/（0.4*545）
=0.218min=13s
d、精铰孔的工步。
原理同粗叫一样得；L1=0.02mm,L2=13mm,L=34.5mm;则工序的基本时间为
Tj=（L1+L2+L）/Fn
=（34.5+0.02+13）/（0.3*97）
=1.64min=98s
（4）工序40——扩孔ø17mm
由表5.39钻削基本计算时间得，L1=（D-d1）/2*cot（kr）+（1～2）mm=0.5*1+1mm=1.5mm,L2=2mm,L=5mm;则工序的基本时间为
Tj=（L1+L2+L）/Fn
=（5+1.5+2）/（0.2*680）
=0.025min=2s
（5）工序50——钻孔——扩孔ø9mm孔
a、钻孔工步。
由表5.39，该工步L1=D/2*cot（kr）+（1～2）mm
=（7.8/2*cot45+1）mm
=4.9mm
L2=1mm，L=30mm;则工序的基本时间为
Tj=（L1+L2+L）/Fn
=（30+4.9+1）/（0.2*680）
=0.105min=7s
b、扩孔工步。
由表5.39钻削基本计算时间得，L1=（D-d1）/2*cot（kr）+（1～2）mm=0.6*1+1mm=1.6mm,L2=2mm,L=30mm;则工序的基本时间为
Tj=（L1+L2+L）/Fn
=（30+1.6+2）/（0.2*680）
=0.0988min=6s
（6）工序60——钻——攻螺纹M14*1.25
a、钻孔工步。
经过查表可知攻螺纹M14*1.25的螺纹用钻头为12.5mm的钻头；由表5.39，该工步L1=D/2*cot（kr）+（1～2）mm
=（12
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