汽车发动机凸轮轴加工工艺与夹具设计
汽车发动机凸轮轴加工工艺与夹具设计,汽车发动机,凸轮轴,加工,工艺,夹具,设计
毕业设计（论文）开题报告
学生姓名
系部
机电工程系
专业、班级
指导教师姓名
职称
从事
专业
机械设计
是否外聘
□是□否
题目名称
汽车发动机凸轮轴加工工艺及专用夹具设计
一、 课题研究现状,选题的目的、依据和意义
研究现状：凸轮轴是机车发动机上的一个重要零件，它对各气缸的进、排气门的开启和关闭起控制作用，同时，还用来驱动分电器，汽油泵等辅助装置。
选题目的、依据和意义：我的毕业设计课题是凸轮轴的工艺工装，凸轮轴对其工作要求、部分精度较高，如轴上的油孔的加工、法兰盘孔的加工等。凸轮轴的工艺过程，我们尽量做到清晰明了，在保证表达清楚的基础上，尽量做到简练。在此设计中，巩固了机械制造专业的专业知识，学习机械加工工艺、夹具设计、金属切削原理与刀具及金属切削机床。在此，我们设计了两套钻床夹具，并进行了一些机构的设计，如分度机构、顶尖机构、液压传动机构等，还借用了机床尾座、手轮等大量通用件，既有利于加工，又节省不少力气。其中，夹具设计需要保证被加工面的位置精度；减少辅助时间，提高劳动生产虑；扩大机床的使用范围；实现工件的装夹加工并减轻劳动强度，改善工作条件，保证了生产安全。此次设计，由于我的水平有限，难免会出现错误，望读者进行批评指正。是对大学四年所学知识的检测、总结与应用。这次的设计过程是提高机械设计与创新能力的体现，同时是对所学习过的理论知识与设计过程的结合。
二、 设计（论文）的基本内容,拟解决的主要问题
基本内容：汽车发动机凸轮轴加工工艺及专用夹具设计加工工艺过程，加工过程中的具体用量的计算，加工夹具的设计。
拟解决的主要问题：加工过程中加工余量和切削用量的计算，夹具装夹的计算，零件的选择。
三、 技术路线（研究方法）
1.查阅相关文献资料了解课题。
2.对比分析现有几个设计方案，选择最适合本次设计的方案。
3.设计夹具。
4.根据选择的设计方案，进行总体设计。
5.完成设计图纸和说明书，准备答辩。
四、 进度安排
1～4 周调研收集资料，并查阅相关文献，确定设计方案；
5～8 周初步进行总体设计，确定各部分组成，绘制草图；
9～10周各零部件的校核，CAD出图；
11～12周整理打印设计说明书，并让老师对图纸和说明书审查；
13周对图纸和说明书，做最后修改，准备答辩。
五、 参考文献
[1]王季琨 沈中伟 刘锡珍.机械制造设计工艺学[M].天津大学出版社,1984
[2]倪森寿.机械制造工艺与装备[M].化学工业出版社,2002
[3]魏抗民 王晓宏.机械制造工艺装备[M].重庆大学出版社,1998
[4]梁炳文 .机械加工工艺与窍门[M] .机械工业出版社,2001
[5]王启平.机械机造工艺学[M].哈工大工业大学出版社,2000
[6]王光斗 王春福.机床夹具设计手册[S].燕山大学 洛阳工学院,1999
[7]符炜.切削加工手册[S] 湖南科学技术出版社,2001
[8]吴宗泽.机械零件设计手册[S].机械工业出版社,2004
六、备注
指导教师意见：
签字： 年 月 日
摘 要
我的毕业设计课题是凸轮轴的工艺工装，凸轮轴对其工作要求、部分精度较高，如轴上的油孔的加工、法兰盘孔的加工等。凸轮轴的工艺过程，我们尽量做到清晰明了，在保证表达清楚的基础上，尽量做到简练。在此设计中，巩固了机械制造专业的专业知识，学习机械加工工艺、夹具设计、金属切削原理与刀具及金属切削机床。在此，我们设计了两套钻床夹具，并进行了一些机构的设计，如分度机构、顶尖机构、液压传动机构等，还借用了机床尾座、手轮等大量通用件，既有利于加工，又节省不少力气。其中，夹具设计需要保证被加工面的位置精度；减少辅助时间，提高劳动生产虑；扩大机床的使用范围；实现工件的装夹加工并减轻劳动强度，改善工作条件，保证了生产安全。此次设计，由于我的水平有限，难免会出现错误，望读者进行批评指正。
关键词：凸轮轴；钻床夹具；分度机构；液压传动机构
Abstract
My graduation project subject is a craft frock of the camshaft, the camshaft is by their job requirements. To the precision being relatively high, for instance, oil processing of hole of axle. Processing of the hole of the ring flange, etc., the course of the camshaft, we try our best to accomplish clearly, on the ground of guaranteeing to express clearly. Try one’s best to accomplish as perfect as crystal. In the course of design, consolidate our knowledge about mechanism manufacturing, and I have grasped mechanic craft, tongs design, the principle of metal cutting tools and the metals cutting the machine tools. In this design, we have designed two sets of drilling machines digs. In the design, I have designed some sets of mechanisms. Such as, graduation organization, top structure, hydraulic transmission mechanism and so on. I take advantage of lathe tail flat also, as large amount of common parts, such as handwheel favorable to process and so on. Save much strength. Among them, the tongs design demand guarantee which is processed the position accuracy; Reduce to lend support the time and increasements labor produce, extend the usage scope of the machine tools. Realize the work piece pack to clip to process to combine alleviative labor strength, improve the work term and guarantee the production safety. This design, because we have limited level. Unavoidable to appear some mistakes, so I hope that readers can make some re-comments.
Keyword: camshaft; drilling machines digs; graduation organization; hydraulic transmission mechanism
目 录
1 零件的功用与结构分析 1
1.1 零件的功用 1
1.2 凸轮轴的结构特点和技术要求 1
1.2.1 各种凸轮轴的技术要求 1
1.2.2 以发动机该凸轮轴为例具体说明 1
2 生产类型的确定 3
3 确定毛坯的种类 4
4 机械加工工艺路线的拟定 5
4.1 加工工艺路线的分析 5
4.1.1 凸轮加工工艺分析 6
4.1.2 加工阶段的划分与工序顺序的安排 6
4.1.3 加工工艺路线的拟定 6
4.2 工艺方案比较与分析 8
5 确定机械加工余量 工序尺寸及公差 9
6 确定切削用量 工件定额切削力及功率 10
6.1 钻孔 10
6.2 扩孔 10
7 夹具的设计 12
7.1 法兰盘孔的夹具设计 12
7.1.1 工件的加工工艺性分析 12
1、工件属于轴类零件，结构形式简单 12
2、确定定位方案，设计定位元件 13
3、确定设计导向元件 13
4、确定夹紧方式和设计夹紧机构 14
5、确定夹具体 15
7.1.2 夹具体部件设计分析 15
1、顶尖部分设计 15
2、齿条传动部分设计 15
3、液压缸设计 15
7.2 绘制夹具装配图 16
1、确定并标注有关尺寸 16
2、与安装有关的技术要求 16
3、零件图的技术要求的定制 16
7.3 夹具体的设计步骤 17
1、研究原始资料，明确设计任务 17
2、对工件加工工艺的分析 17
3、夹具设计方案的设计 18
4、加工精度的分析 18
8 量规的设计 20
9 刀具的设计 21
9.1 铰刀的直径D及直径公差 21
9.2 铰刀的齿数及槽数 21
9.3 铰刀的几何角度 21
9.4 工作部分的尺寸 22
9.5 铰刀非加工部分的结构尺寸 22
10 CAD绘图简单说明 23
结论 24
致谢 25
参考文献 26
附录A Metal-Cutting Process and Machining 27
附录B 金属切削加工和机械加工 32
5
摘 要
我的毕业设计课题是凸轮轴的工艺工装，凸轮轴对其工作要求、部分精度较高，如轴上的油孔的加工、法兰盘孔的加工等。凸轮轴的工艺过程，我们尽量做到清晰明了，在保证表达清楚的基础上，尽量做到简练。在此设计中，巩固了机械制造专业的专业知识，学习机械加工工艺、夹具设计、金属切削原理与刀具及金属切削机床。在此，我们设计了两套钻床夹具，并进行了一些机构的设计，如分度机构、顶尖机构、液压传动机构等，还借用了机床尾座、手轮等大量通用件，既有利于加工，又节省不少力气。其中，夹具设计需要保证被加工面的位置精度；减少辅助时间，提高劳动生产虑；扩大机床的使用范围；实现工件的装夹加工并减轻劳动强度，改善工作条件，保证了生产安全。此次设计，由于我的水平有限，难免会出现错误，望读者进行批评指正。
关键词：凸轮轴；钻床夹具；分度机构；液压传动机构
Abstract
My graduation project subject is a craft frock of the camshaft, the camshaft is by their job requirements. To the precision being relatively high, for instance, oil processing of hole of axle. Processing of the hole of the ring flange, etc., the course of the camshaft, we try our best to accomplish clearly, on the ground of guaranteeing to express clearly. Try one’s best to accomplish as perfect as crystal. In the course of design, consolidate our knowledge about mechanism manufacturing, and I have grasped mechanic craft, tongs design, the principle of metal cutting tools and the metals cutting the machine tools. In this design, we have designed two sets of drilling machines digs. In the design, I have designed some sets of mechanisms. Such as, graduation organization, top structure, hydraulic transmission mechanism and so on. I take advantage of lathe tail flat also, as large amount of common parts, such as handwheel favorable to process and so on. Save much strength. Among them, the tongs design demand guarantee which is processed the position accuracy; Reduce to lend support the time and increasements labor produce, extend the usage scope of the machine tools. Realize the work piece pack to clip to process to combine alleviative labor strength, improve the work term and guarantee the production safety. This design, because we have limited level. Unavoidable to appear some mistakes, so I hope that readers can make some re-comments.
Keyword: camshaft; drilling machines digs; graduation organization; hydraulic transmission mechanism
目 录
1 零件的功用与结构分析 1
1.1 零件的功用 1
1.2 凸轮轴的结构特点和技术要求 1
1.2.1 各种凸轮轴的技术要求 1
1.2.2 以发动机该凸轮轴为例具体说明 1
2 生产类型的确定 3
3 确定毛坯的种类 4
4 机械加工工艺路线的拟定 5
4.1 加工工艺路线的分析 5
4.1.1 凸轮加工工艺分析 6
4.1.2 加工阶段的划分与工序顺序的安排 6
4.1.3 加工工艺路线的拟定 6
4.2 工艺方案比较与分析 8
5 确定机械加工余量 工序尺寸及公差 9
6 确定切削用量 工件定额切削力及功率 10
6.1 钻孔 10
6.2 扩孔 10
7 夹具的设计 12
7.1 法兰盘孔的夹具设计 12
7.1.1 工件的加工工艺性分析 12
1、工件属于轴类零件，结构形式简单 12
2、确定定位方案，设计定位元件 13
3、确定设计导向元件 13
4、确定夹紧方式和设计夹紧机构 14
5、确定夹具体 15
7.1.2 夹具体部件设计分析 15
1、顶尖部分设计 15
2、齿条传动部分设计 15
3、液压缸设计 15
7.2 绘制夹具装配图 16
1、确定并标注有关尺寸 16
2、与安装有关的技术要求 16
3、零件图的技术要求的定制 16
7.3 夹具体的设计步骤 17
1、研究原始资料，明确设计任务 17
2、对工件加工工艺的分析 17
3、夹具设计方案的设计 18
4、加工精度的分析 18
8 量规的设计 20
9 刀具的设计 21
9.1 铰刀的直径D及直径公差 21
9.2 铰刀的齿数及槽数 21
9.3 铰刀的几何角度 21
9.4 工作部分的尺寸 22
9.5 铰刀非加工部分的结构尺寸 22
10 CAD绘图简单说明 23
结论 24
致谢 25
参考文献 26
附录A Metal-Cutting Process and Machining 27
附录B 金属切削加工和机械加工 32
引言
毕业设计是大学生在校期间的最后的关键所在，它既是对所学知识的一次全面性考查，也是我们真正动手、模拟真实环境下的设计过程，这就使我们对本专业的设计工作有一次更深刻的认识，从而，为今后的工作奠定了扎实的基础。
为了切实地做好毕业设计，我们结合了以往的生产现场的实际情况，并通过查找大量的资料和教科书等工具书，编写了这套夹具设计说明书。它通过工艺规程的设计，进一步的明确了机车配气导块的加工程序。通过编写夹具、量具、刀具设计说明书，进一步阐明了设计思路，巩固了所学的多种知识。本次设计编制了一套中批生产的工艺规程。简单实用的夹具设计更体现了经济技术指标在设计中的重要地位。
设计工作是一项细致、艰苦、复杂、涉及面十分广泛的工作，它不仅巩固了所学的知识，更提高和锻炼了我们的计算能力、绘图能力等综合能力。但是由于我学时和水平有限，设计中难免存在一些缺点和错误，在此，恳请各位老师批评指正
设计者：毕波
2006.06
1 零件的功用与结构分析
1.1 零件的功用
凸轮轴是机车发动机上的一个重要零件，它对各气缸的进、排气门的开启和关闭起控制作用，同时，还用来驱动分电器，汽油泵等辅助装置。
1.2 凸轮轴的结构特点和技术要求
各种发动机凸轮轴的结构基本差不多，主要差别是凸轮轴的数量、形状和位置不同，其中以四缸、六缸、八缸发动机的凸轮轴用的最多。就凸轮轴的结构特点而言，其形状复杂，长径比大，工件刚性较差。
1.2.1 各种凸轮轴的技术要求
1）支承轴颈的尺寸精度及各支承轴颈间的同轴度。
2）止推面对于支承轴线的垂直度。
3）凸轮轴基面的尺寸精度和相对于支承轴颈的轴线的同轴度。
4）凸轮的位置精度。
5）凸轮的形状精度。
1.2.2 以发动机该凸轮轴为例具体说明
1）支承轴颈
两个支承轴颈的外圆尺寸φ82 mm表面粗糙度Ra≤0.4 μm.。
2）凸轮
1，2，4，5位的凸轮基圆尺寸R50±0.2，3，6位的凸轮基圆尺寸R45±0.02，表面粗糙度Ra≤0.8 μm。
3）法兰盘孔
左右法兰盘孔尺寸为φmm。
4）轴上油壁孔
轴上油壁孔尺寸为φ8 mm。
2 生产类型的确定
根据设计认为书所给定的原始资料来确定生产类型。设计任务书给出的资料显示并按车间的工作情况及工件的重量可知，按产量可分单位生产、小批量生产、中批量生产及大批量生产。由《金属机械加工工艺人员手册》表15-5查 零件重48KG<100KG，且年产量为3000件，属于中批量生产。
根据该生产特性可以初步确定零件的机械加工工艺过程，由于中批量生产，一般采用高效机床和专用机床；对刀具一般采用通用刀具，也可以根据工厂实际情况采用专用刀具；量具采用专用量具；夹具使用专用夹具及辅助夹具来提高生产率，同时节省了人力、物力，达到经济可行的目的。
3 确定毛坯的种类
在制定工艺规程时，正确的选择毛坯具有重要意义。它不仅影响毛坯的制造工艺设备及制造费用，还影响零件的机加工工艺，设备和刀具的消耗及工时订额。正确的选用毛坯需要毛坯制造和机加工工艺人员紧密配合，兼顾冷热加工两个方面的要求。
由于发动机工作时，凸轮轴承受气门开启的周期性冲击载荷。所以，要求凸轮轴和支承轴颈表面应耐磨，凸轮轴本身应具有足够的韧性和刚性。为此，凸轮轴的主要工作表面需经热处理。
对于凸轮轴材料目前国内外主要选用铸铁（冷硬铸铁，可淬硬铸铁，球墨铸铁）和钢（中碳钢，渗碳钢）。
在国外，冷硬铸铁凸轮轴多用于凸轮承受随动件高负荷的场合，这在英国较为普遍，可淬硬的低合金铸铁凸轮轴多用于凸轮承受随动件低负荷的场合，这在美国较为普遍，高合金铸铁和特殊合金铸铁凸轮轴则多用于高速发动机。
对于钢凸轮轴，一般是选用中碳钢和渗碳钢经热模锻制坯。
就毛坯精度来说，铸件的精度明显的高于锻件。目前，国内外普遍趋向于精铸和精锻。
鉴于此，该凸轮轴选用50Mn材料毛坯由精锻而成。
4 机械加工工艺路线的拟定
机械加工工艺规程的制定，可分为两大步骤1）拟定零件的加工工艺路线；2）确定每道工序的工序尺寸、所用设备和工艺装备及切削用量和工时定额。
4.1 加工工艺路线的分析
在凸轮轴的加工过程中的加工精度，其中受两个主要因素的影响：
1）变形
从细长角度来说，突出的问题就是工件本身的刚度低。切削加工时产生较大的受力变形，其表面余应力也会影响其变形，尤其在加工凸轮时，这种变形更为显著。另一方面，采用材料为钢的凸轮轴在主要工作表面精加工产生变形。
凸轮轴在加工过程中的变形，不仅影响到后工序加工的余量分配是否均匀，而且变形过大会导致后续加工无法进行，甚至造成中途报废。凸轮轴加工后的变形，将直接影响到装配后凸轮轴的使用性能。
因此，在安排其工艺过程时，必须针对工件变形这一特点采取必要的措施，不仅要把各主要表面的精度加工工序分开，以使粗加工事故时产生的变形在半精加工中得修正，半精加工的变形在精加工中也得以修正。
2）加工难度大
从形状复杂角度来讲，突出的问题就是凸轮的表面的加工。对于这些表面，不仅有尺寸精度要求，还有形状位置要求。如采用普通的加工设备和一般表面常规的加工方法，显然是无法保证其加工质量和精度。
例如对凸轮的加工，从满足使用要求的角度来讲，既要求其相位角准确又要求凸轮曲线的行程满足气门开启和关闭时升降过程的运动为规律，但要注意到凸轮曲线上的各点相对其转的中心是变化的。当试用一般的靠模机加工时，由于加工半径的变化，势必引起切削速度与切削力的变化，这样将会使加工后的凸轮曲线产生形状误差，从而影响凸轮的使用性能。
4.1.1 凸轮加工工艺分析
定位基准的选择一般常规的方法是采用两顶尖作为轴类零件的定位基准。这样避免了工件在多次装夹具中固定基准的转换而引起的误差，也可以作为后续工序的定位基准，即符合“基准同意”的原则。
1）粗基准的选择
粗基准的选择是否合理，不仅关系到工件的装夹是否方便、可靠，也关系到精加工中能否保证加工精度。该凸轮轴加工中粗基准是铣两端面并打中心孔时定位基准的选择，其目的是加工出后续工序的精基准。为保证后续工序余量均匀，选用支承轴颈的毛坯外圆柱面及一个侧面作为定位基准。
2）精基准的选择
在凸轮轴的加工过程中，精基准选择有下面两种情况：
对于各支承轴颈、外圆表面的粗加工、半精加工、精加工均以两顶尖孔作为精基准进行定位的；钻孔时以两支承轴颈作为基准进行定位。
4.1.2 加工阶段的划分与工序顺序的安排
1）加工阶段的划分
由于凸轮轴的加工精度较高，整个加工不可能在一个工序内全部完成。为了利于逐步达到加工要求，必须把整个工艺过程分几个阶段。
该凸轮轴加工分为以下三个阶段：粗加工阶段包括车各支承轴颈、车凸轮钻通孔、钻法兰盘孔；半精加工阶段包括凸轮轴外形的初磨；精加工阶段包括凸轮外形、支承轴颈的二次磨削。
2）工序顺序的安排
对于凸轮、支承轴颈，是按车——初磨——精磨的顺序加工的。各表面加工顺序从粗到精，且主要表面与次要表面加工工序相互交叉进行，而从整体上说又符合“先粗后精”的原则。
4.1.3 加工工艺路线的拟定
综上所述拟工艺路线如下：
工艺路线方案一：
工序号
工序名称
1
备料
2
锻模
3
热处理
4
探伤
5
铣端面、钻中心孔
6
精车两端面凸轮外圆面
7
调质
8
精车外圆面、左端面及凸轮圆
9
钻深孔
10
两端面顶尖孔倒角
11
加工法兰孔
12
锪倒角
13
仿形铣凸轮
14
精磨凸轮
15
钻铣轴壁孔
16
中频淬火热处理
17
法兰盘倒角
18
凸轮倒角
19
热处理
20
精磨凸轮
21
精磨轴
22
清洗、去孔内毛刺
23
最终检查
工艺路线方案二：
工序号
工序名称
1
模锻
2
热处理
3
铣端面、钻中心孔
4
粗车凸轮轴各外圆面
5
调质处理
6
精车两端面凸轮外圆面
7
铣凸轮
8
钻通孔φ38
9
加工通孔两端
10
加工法兰盘孔
11
钻、锪轴壁油孔
12
粗磨凸轮
13
加工法兰盘倒角
14
加工凸轮倒角
15
精磨凸轮
16
精磨轴
17
终检
4.2 工艺方案比较与分析
上述两个工艺方案的特点在于：方案一将整个过程的粗—精加工分开加工，符合先粗后精的原则，且定位基准以孔（两顶尖孔）为基准进行加工，符合基准统一原则。而方案二虽然也符合基准统一原则，但先粗后精基准分开的不是太好。孔加工由于切削力较大使工件变形也较大，即使在以后的半精、精加工中也很难纠正，而凸轮作为主要加工表面是不允许的。因此，方案一较方案二好。
5 确定机械加工余量 工序尺寸及公差
根据机体最大外形尺寸为810mm，毛坯采用精磨锻，选其加工精度等级为二级。则由《金属机械加工工艺人员手册》表45-38确定毛坯的加工余量。
1）大端法兰面
表5.1 工序的尺寸及加工余量
工序名称
工序基本余量
工序精度
工序尺寸
尺寸及Ra
精铣
1.5
IT10
Ra=6.3
粗铣
1075
IT10
毛坯
3.25
—
2）支承轴颈的加工
表5.2 工序的尺寸及加工余量
工序名称
工序基本余量
工序精度
工序尺寸
尺寸及Ra
磨轴
0.4
IT5
810
Ra=0.4
精车轴
1.1
IT7
82.4
82.4
粗车轴
2.5
IT9
83.5
83.5 Ra=6.3
毛坯
4.0
—
86.0
86.0
3）钻法兰盘孔φmm
4）锪法兰盘孔φ18 mm
5）钻轴壁油孔φ8 mm
6 确定切削用量 工件定额切削力及功率
6.1 钻孔
1）确定切削速度V
由《金属机械加工工艺人员手册》 表10-67知S=0.10 mm/r。
2）计算轴向力P扭矩M的值
根据《金属机械加工工艺人员手册》 表10-64知
P=61.2 DS0.7（公斤力） (6-1)
M=31 D2S0.8（公斤力·毫米） (6-2)
则 P=61.2×1.48×0.10.7=180.7（公斤力）
M=31×14.82×0.10.8=107.6（公斤力·毫米）
3）计算机动时间T
根据《金属机械加工工艺人员手册》 P987知
T= (6-3)
n= (6-4)
由公式(6-4)得n ==967 mm/r
=0.35D=0.35×14.8=5.2 mm
由公式(6-3)得T==0.18 min
6.2 铰孔
1）确定切削速度V
根据《金属机械加工工艺人员手册》表10-63
(6-5)
式中 T——刀具的耐用度
S——进给量
D——孔的直径
——切削深度
根据《金属机械加工工艺人员手册》表10-83的T=30 min
表10-81的s=0.6 mm/r t=0.2 mm D=15 mm
则==11 m/min
2）计算机动时间T
T= (6-6)
由公式(6-4)得n==233.2 mm/r
=12 mm
由公式(6-3)得T==0.24 min
3) 工时定额计算
查表可知：a装卸工件时间： k1=0.22min
b钻换时间： k2=0.10min
c扩换时间： k3=0.10min
d排屑时间： k4=0.06min
e电动起动时间： k5=0.02min
f 快进、快退时间： k6=0.05min
g工作台移动： k7=0.10min
h液压缸夹紧时间： k8=0.05min
i 快速工作其他时间：k9=0.13min
总的辅助时间为T=6(k2+k3+k4)+ k1+k5+k6+k7+k8+k9=2.13min
加工此工序需要的总时间：T总=0.18+0.24+2.13=2.55min
7 夹具的设计
根据设计任务给出的要求，我们需设计两套夹具，且两套夹具均为钻床夹具。不同的是一套夹具用于加工法兰盘孔，而另一套用于加工轴壁上的油孔。
在专用夹具设计之前，首先应该弄清楚夹具设计的基本要求，其基本要求可概括为以下四点：
1）稳定保证工件的加工技术要求。夹具设计首先应保证工件的位置要求，其次应保证工件的尺寸要求精度、粗糙度及其他技术指标的要求。
2）提高机械加工的劳动生产率，降低工件的成本。专用夹具设计时，既要提高劳动的生产率，又要降低成本。夹具的复杂程度和工件的经济效益必须与生产规模相适宜，才能获得良好的经济效益。因此，应根据工件的生产批量的大小，选择夹具的结构，防止盲目的采用高效率先进的结构和传动装置，造成夹具的结构复杂而加大制造成本。同时，尽可能采用标准零部件，以降低夹具制造成本。尽可能采用多件加工或机动时间与辅助时间重合的结构，以减少单件加工的时间，提高劳动生产率，降低工件的成本。
3）专用夹具应有良好的结构工艺性，以便零件的制造和夹具的装配，结构设计时应便于易损零件的更换和维修。
4）操作安全、方便。夹具设计应使工人操作时方便、省力，便于装卸工件及清理切削，创造文明的生产环境，夹具在机床是装卸应迅速、方便、安全。特别注意夹具在装卸工件中的安全，为此夹具上不得有影响操作者安全的突出部分，保证工人的人身安全。
7.1 法兰盘孔的夹具设计
一套凸轮轴零件，工件材料50Mn，年产3000—4000件大批生产，需设计用钻法兰孔的专用夹具，加工直径为φ15 mm的孔。
7.1.1 工件的加工工艺性分析
1、工件属于轴类零件，结构形式简单
端面已加工，其它与法兰端面孔无关，本工序所要钻直径为φ14.8 mm的孔，再铰直径为φ15 mm的孔，Ra1.6,精度等级7级较高，应依靠钻模来保证加工表面的下列要求：
1）钻直径为φ14.8 mm的孔
2）铰直径为φ15mm的孔
中心轴线与凸轮轴线的平行度为0.03以内，因为以后要以其中一个孔为定位基准，使整体性好，即保证同轴度。端面已加工和法兰盘孔加工精度尤为重要，由于其精度要求高，故夹具设计难度高。
2、确定定位方案，设计定位元件
零件φ15mm孔是通孔，沿轴线方向的位移自由度不予限制。由于均布6-φ15mm的孔，故不许其能绕凸轮轴线旋转，即在法兰端面加上一个外力使轴不能旋转。同样，由于凸轮轴并不能单独运用，所以不许其上下窜动，左右摆动，即除沿其轴向方向以外其余方向的自由度必须限制，又因为位置加工精度高，故在之前不采用预定位板。拟用两顶尖将其定位，保证其端面，并防止轴的转动。同时，设计与φ138 mm配合使用的孔，使其嵌入其中，防止其上下、左右窜动，由于工件较重，故必须保证顶尖的强度、刚度。
以下确定一种定位方案：
1) 两同轴受活动顶尖两个自由度的限制，即使不能上下、左右窜动。
2) 端面嵌入后限制两个自由度，防止其转动。这要求夹爪有一定压力，使摩擦力足够大，其动力可由液压传动来实现。
整个夹具体可采用铸造，并用螺栓把合在导轨上。两顶尖的同轴度可由修磨导轨内侧来找正。夹具体放在导轨上时，先钻两个定位销孔，用其定位后，钻螺栓孔，以保证其精度和位置要求。在夹具体上配合活塞、活塞杆、齿轮等在导轨上，依靠两个定位销孔找正位置，达到使用要求。
3、确定设计导向元件
为了迅速准确地确定刀具与夹具的相互位置，在夹具体上钻两个定位销孔，同时放两个钻套。当刀具进给时由这两个销孔来找正位置。同时法兰导套上钻出相应孔来起导向作用。刀具由加长的钻头和铰刀，必须有两个大支承件轴，故在夹具体上钻出足够大的孔，使其能贴在夹具体上，并且平稳。
4、确定夹紧方式和设计夹紧机构
因为工件属于大批量生产，宜采用专用夹紧装置，用两夹紧爪防止其转动，各夹法兰一侧，为达到力的大小的要求，采用液压传动，考虑由活塞杆上加工出齿条，依靠液压使活塞作往复运动。与齿条啮合的是一个齿轮，通过传动轴上的键来实现力的传递。轴为竖直放置，为使之平稳，上下各放一个轴承，同时采用专用结构使之不能上下窜动，底盖的加工需要大些（比齿轮大），采用从下向上装的方向，但由于活塞不能完全密封，为防止漏油，在底盖上加O型密封圈，整体工艺性好，顶尖的夹紧力由手轮传动，依靠齿的角度使之能自锁夹紧。这样由于液压传动平稳，有利于加工，但顶尖的要求较高，强度应足够大。
设计或选择夹紧机构、力源装置前，必须确定所需夹紧力的大小。夹紧力过小，难以保证工件定位的稳定性和加工质量，还可能发生生产事故；夹紧力过大，将不必要地增大夹紧装置等的规格、尺寸，还会使夹紧系统的变形增大，而影响加工质量，故确定切合实际需要的夹紧力大小，是夹具设计合理而可靠的前提之一。
用一般切削速度加工中，小型工件时，所需夹紧力主要取决于切削力的大小。由于切削过程不稳定，很难用公式确定切削力的大小，故设计时大多参照同类夹具的设计以及凭经验，用类比法确定所需夹紧力的大小。
分析并弄清对夹紧最不利的加工瞬时位置和情况，将此时所需的夹紧力定为最大值；依据此时工件的受力情况，列出其静力平衡力方程式，即可解算出计算夹紧力W，将W乘以安全系数K，得实际需要夹紧力：
W=KWj (7-1)
K=K0K1K2K3…
W——实际夹紧力
W——计算夹紧力
K——安全系数
K——各种因素的安全系数
由于夹紧机构属于液压夹紧机构，夹紧力与切削力指向方向相反，取K=2.5；
P=180.7（公斤力） 由公式(7-1)得：
W=KWj=KP=2.5×180.7=451.75N
5、确定夹具体
将定位、导向、夹紧机构连接在一体，并能正确的安装在机床上。由于液压缸中活塞杆为动力件，通过齿轮传动，适宜采用整体铸造，而不用缸筒，再焊接在其它方向来放液压缸。同时由于立板有一定高度，出于强度、刚度考虑，放置两肋板。另外一侧底面作为一体，用来盛放铁屑盒。这样不会因为空间较大、沟槽太深而造成收集铁屑不容易，有铁屑盒方便，省时省力。夹具体形状较复杂，制造不容易，周期长，成本较高。但由于长期使用，方案综合效益较好。
7.1.2 夹具体部件设计分析
1、顶尖部分设计
由于顶尖所受强度较大，故顶尖头应淬火，而且整体强度要求高。采用弹簧装置，使之有一定运动空间和预定夹紧力。同时，由于弹簧受力较大，故采用碟形弹簧。整体采用从后向前装，为防止顶尖从前面出去，采用在顶尖上开一个沟槽，用一个钉来限制其运动空间，为使弹簧不变形，采用心轴作为导向。顶尖放在法兰套内，有一定的刚度和强度，并淬火。
2、齿条传动部分设计
齿轮放在轴上用键连接，在夹紧爪上用键来使它旋转夹紧。为了传动平稳，选用轴承，为防止轴向窜动，在下面用螺母限制其上下窜动，上下螺母拧得不能太紧，预留一定空间，以便轴自由旋转。
3、液压缸设计
两夹爪应该同时动作，故进油口由一个液压泵供压力，右中间出油。因此缸内应分为三个部分。处于平稳和防止漏油（中间缸壁已经破开，放齿轮），采用双活塞，使爪松开的力较小，故密封条件不是很难。同时在底盖加密封圈。由于夹紧力大，活塞外侧尺寸应大些，中间应小些。缸壁只计算强度即可，但由于是铸造，考虑到铸造方面的因素，取壁厚为20 mm，以保证其整体性能。
此外，设计预定位装置，平面开一个槽，放一个预定位板，用螺钉来紧固，材料选取一些不生锈的，如黄铜，既又防锈，又便于制造。
顶尖夹紧可用手轮，实现同时动作，利用普通车床上开合螺母的结构，通过蜗轮、蜗杆来实现。两个夹具体共用一个丝杠，左边螺纹右旋，右边螺纹左旋，螺距摸数均相同。
7.2 绘制夹具装配图
装配总图上要把双顶尖、夹紧爪机构、液压传动机构表达清楚。放顶尖的法兰套采用冷装，其配合为H7/s6，为保证两顶尖的同轴度，采用修磨导轨侧面的方法来找正；活塞与缸塞之间采用H7/s6配合；轴承与轴的配合采用H7；两定位销孔的同轴度（两个夹具体上）应达到0.02mm，同一个夹具体上的平行度也应达到0.03mm以上；由于底盖密封，底面整个平面也应加工，至少Ra6.3。
1、确定并标注有关尺寸
夹具体外形尺寸（最大轮廓）584452420 mm
2、与安装有关的技术要求
1）两顶尖的同轴度0.010 mm
2）顶尖的回转轴线与导轨的平行度0.012 mm
3）两导轨侧面的平行度0.004 mm
4）两定位销孔的平行度误差不许超过0.015 mm
5）法兰盘与夹具体的配合φ180 mm
3、零件图的技术要求的定制
零件图应对零件的技术要求应充分注意，以保证总装配图的要求。
1）铸造未注明圆角为R3 mm
2）零件必须调质处理，HBS260—300
3）凸轮型面表面必须淬火，HRC58—62，许有HRC52以上
4）每个喷油泵凸轮的进、排气处必须检查硬度。
5）P面和Q面的圆柱必须淬火，深度1.5~4mm，硬度HRC55—62，许有HRC40的个别点。
6）P面和Q面圆柱和圆度许差0.02mm
7）Q面和R面对其轴线跳动公差0.02mm
8）检查凸轮外形和位置偏差
9）凸轮轴在调质后内孔φ38 mm表面酸洗磷化处理
10）所有的喷油泵和进、排气凸轮的顶面对P面和Q面公共轴线的平行度在凸轮基圆表面处（喷油泵凸轮的R45mm圆柱表面，进、排气凸轮的R50圆柱表面）全宽35mm上许差0.03mm，其余型面全宽35 mm以上许差0.02 mm.。
11）用磁力探伤器检查轴颈和凸轮表面，不许有裂纹，探伤后去磁
总之，设计夹具时必须兼顾质量、生产率，劳动条件和经济性等诸方面要求，有所侧重。如对位置精度要求很高的工件，夹具往往着眼于保证精度要求：对于位置精度要求不太高而加工批量的情况，提高生产率便成为主要矛盾，则着重考虑提高夹具的工作效率。
7.3 夹具体的设计步骤
根据以上要求具体设计步骤如下：
1、研究原始资料，明确设计任务
由工件产品图可知，该工件为机车凸轮轴，通过对零件的零件图的分析可知，该工件的结构并不复杂，而现在须加工的是法兰盘孔和轴上油孔，为保证该工件工序的尺寸精度和位置精度，要求夹具有较高的精度，以便保证能在零件的加工过程中确保零件的尺寸、形状和位置精度。
2、对工件加工工艺的分析
该工件的该工序要求在直径为φ115mm的圆上加工6个均布的直径为φ15mm的圆，并且要求达到精度IT8，表面粗糙度值不超过2.5。其基准为中线，因此在加工中最好采用轴的中心线作基准进行加工。该工序在钻完通孔之后，用轴线作为基准可以实现。
3、夹具设计方案的设计
机床夹具的确定是一次十分重要的设计程序，方案的设计优劣往往直接决定夹具设计的可行性。所以，方案的确定需经充分的研究和讨论来确定最佳方案。
定位方式由两端孔作为定位，既提轴线作定位，则定位元件采用锥销卡紧，以保证工件的加工精度。
4、加工精度的分析
使用夹具夹工件进行机械加工时，在工艺系统中影响工件加工精度的因素很多，一般分为两类：一类是夹具有关的影响因素即定位误差，对刀误差。夹具在机床上的装配误差和夹具的制造误差。另一类还有工艺系统中其他影响加工精度的因素，称为加工方法误差。
1）定位误差
由于一批工件逐个的在夹具体上定位时，各个工件所占的位置不完全一致，形成误差，这称为定位误差。由于加工中基准重合，而基准不重合误差不重要，重要在圆跳动0.015mm，则定位误差为0.015mm。
2）对刀误差
采用钻模进行钻孔加工时，由于钻套内孔径误差，使刀具轴线偏离规定的位置，其对加工尺寸影响为
X3= （7-1）
X3——刀具在钻套中倾斜引起的轴线偏移量
X2——钻套的最大配合间隙
H——钻套的中高度
S——排屑的空间
B——被加工的孔深度
由公式(7-1)得X3==0.02 mm
3）加工方法的误差
由于机床精度，刀具的精度，刀具与机床的位置精度，工艺系统的受力变形和热变形等因素造成的加工误差统称为加工方法误差，取
△ G==0.009
△==0.026<0.027
故该夹具加工方法可取。
8 量规的设计
根据设计任务书的要求，我们在设计夹具之后，还需设计一套量具，根据要求设计一套测量支承轴颈的合格与否。
光滑极限量规（简称量规）是一种没有测量刻度定值的测量工具。用它检验工件时，只能确定工件的尺寸是否在极限尺寸的范围内，不能测出其具体的尺寸。
由于光滑极限量规的结构简单，制造容易，使用方便又能保证加工的要求，所以我们设计一套工作量规。因为我们用于测量轴，故相应的设计一套卡规。
1）量规形式的选择
其被测量面是轴形状相对应的完整表面，且长度等于配合长度的全行量规不适合用于测量轴，只能用控制工件局部尺寸的止规，这用卡规进行检验。
但是注意的是，必须在测量时工件的两个正截面的相互垂直的两方向进行检验，只有均能通过工件时才算合格。
2）量规的材料用碳素工具钢
3）量规测量面的尺寸及粗糙度见量规图
9 刀具的设计
根据设计任务书，我们需要设计一把用于加工法兰盘上φ15mm的孔铰刀。铰刀种类很多，根据被加工的材料选用硬质合金铰刀，又因为加工孔直径为φ15mm且用于成批生产，故将铰刀制成硬质合金锥柄机用铰刀。
9.1 铰刀的直径D及直径公差
铰刀的公称直径D等于被加工孔的直径d，即D=15mm。
铰刀的直径公差对铰刀精度，铰刀的制造成本和铰刀的寿命有直接的影响，由孔的加工精度取铰刀的精度等级为IT7。由《金属切削刀具设计指导资料》表3-2查的铰刀直径公差为φ15mm。
9.2 铰刀的齿数及槽数
增多铰刀齿数，使切削厚度越薄，铰刀导向性提高，提高孔的加工质量。但齿容屑空间减小。为便于测量铰刀的直径，齿数取偶数。根据《金属切削原理与刀具》表8-1取Z=4。
铰刀刀齿在圆周上可以采用等齿距和不等齿距两种分布，为了制造容易，本铰刀采用等齿距分布。
铰刀齿槽形状采用通用的，制造简单的直线背形状。
铰刀的齿槽可制成直槽或螺旋槽，由于加工的孔不深，为制造简单，刃磨和检验方便，该铰刀采用直槽形状。
9.3 铰刀的几何角度
本铰刀用于加工钢，取Kr=15°。
铰削时切削较薄，切屑与刃口附近接触，前角的大小对切削变形的影响并不显著故RP取0°。
铰削时切削厚度较小，铰刀后角磨损较为显著，故选用较大的后角。为使铰刀使用是径向尺寸变化缓慢，通常取10°。切削部分切削刃应锋利不留刃带。铰刀标准部分均留有刃带，起挤压、导向的作用；同时也便于制造铰刀和检验。在此，铰刀的刃带取0.3mm.。刃倾角取18°。
9.4 工作部分的尺寸
前倒锥L3，在切削部分前端做出（1-2）mm45°的前倒锥，再次取245°的前倒锥，便于铰刀引入工件，并对切削刃起保护的作用。
切削部分的长度L1=（1.3-1.4）COTKR=（1.3-1.4）COT15=5 mm
校准部分
取机用铰刀工作部分长度L=（0.8-3）×15=20 mm
圆柱部分长度L2=（0.25-0.5）d=4 mm
9.5 铰刀非加工部分的结构尺寸
铰刀颈部长度L3由《金属切削刀具设计指导资料》表3-12查的L3=100mm；颈部直径D=11mm；总长L取160mm；柄部长度取40mm；直径取φ14mm；采用锥度2号。
10 CAD绘图简单说明
本次毕业设计任务书中，除了工程制图的任务外，还安排了计算机CAD绘图任务。要求学生将零件图及其中一套卡具装配图用CAD绘图方式绘出，并且将说明书打印出来。
绘制CAD图根据CAD的操作规范。首先，选用纸型，再绘边框线，再在边框线内进行绘图操作。在绘图过程中，采用不同的线形及颜色，并在不同的图层中操作，采用了绝大部分的命令。由于其为软件绘图过程就不再详诉，见CAD图。在绘制过程中受到了老师、同学及机房老师的大力帮助。在此，本人表示忠心的感谢。
结论
毕业设计是在校大学生学习的最后一个重要组成环节，它既是对所学知识的一次全面性考查，同时又为我们提供和模拟了一次真实环境下的设计过程，为不久的将来走上工作岗位奠定了一定的基础。
对于任何工程技术问题，都是光把实际生活中提出的问题变成数学模型，然后加以求解，再设计出图纸等技术文件，最后形成产品文件。所以，它是一项系统，复杂的工程。不仅涉及到数学、力学、材料、公差、工艺及有关专业的其他知识，同时也考查了学生的动手能力、计算能力、空间想象能力等多方面的能力。本次设计主要通过两套夹具的设计及一套刀具、一套量具设计及计算机绘图，对所学知识达到了巩固、提高的目的，是一次由理论到实践的实战演习。
总之，毕业设计对于提高学生的综合素质和设计能力，大有益处。它能将所学的专业知识通过解决实际问题而有机的结合起来，使我们能将所学知识用到实处，用对、用好。确实是一次不可多得的生动试验！
毕波
2006年6月
致谢
本次设计是在崔广臣老师淳淳教导之下，经过同学们的不断帮助和我不懈努力完成的。师恩不能忘！我要感谢导师崔广臣老师在论文选题以及设计方法上给予的悉心指导，导师广博的学识，如沐春风的教诲令我受益匪浅。老师待人随和，但对我们要求严格，现场细致的给我们讲解，当我们有困难时，他给出解题思路，拿不准的还要自己去查找，最令人感动的是给我们指正审图长达三个小时。在此，再向老师表示忠心感谢。
同时，一起设计的同学们能主动借给参考资料，解答一些问题，同样给我莫大的帮助，在次对他们表示诚心的谢意！
毕波
2006年6月
参考文献
[1] 王秀伦，边文义主编．机床夹具设计．中国铁道出版社，1984
[2] 许坚，张崇德主编．机床卡具设计．东北大学出版社（第一版），1998
[3] 吴宗泽，罗圣国主编．机械设计课程设计手册．高等教育出版社（第二版），2000
[4] 任嘉卉主编．公差配合．机械工业出版社，1993
[5] 陆剑中，孙家宁主编．金属切削原理与刀具．机械工业出版社（第三版），2001
[6] 长春第一汽车制造长工装设计室主编．机床卡具设计原理．吉林人民出版社， 1976
[7] 郑修本主编．机械制造工艺学．机械工业出版社，2000
[8] 刘会英，于春生主编．机械设计基础．哈尔滨工业大学出版社，1997
[9] 李洪主编．机械加工工艺手册．北京出版社，1990
[10]《金属机械加工工艺人员手册》修订组主编．金属机械加工工艺人员手册．上海科学技术出版社，1983
[11] 韩步愈主编．金属切削刀具设计指导资料．宁夏人民出版社（第一版），1987
[12] 袁长良主编．机械制造工艺装备设计手册．中国计量出版社，1992
[13] 南京市机械研究所主编．金属切削机床卡具图册．机械工业出版社，1986
32
收藏