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基于支承套零件工藝及工裝設(shè)計(jì)
1 緒論
1.1 本課題的研究內(nèi)容和意義
機(jī)械的加工工藝及夾具設(shè)計(jì)是在完成了大學(xué)的全部課程之后，進(jìn)行的一次理論聯(lián)系實(shí)際的綜合運(yùn)用，使我對專業(yè)知識、技能有了進(jìn)一步的提高，為以后從事專業(yè)技術(shù)的工作打下基礎(chǔ)。機(jī)械加工工藝是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源、降低成本的重要手段，合理的機(jī)械加工工藝過程是企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)準(zhǔn)備、計(jì)劃調(diào)度、加工操作、生產(chǎn)安全、技術(shù)檢測和健全勞動組織的重要依據(jù)，也是企業(yè)上品種、上質(zhì)量、上水平，加速產(chǎn)品更新，提高經(jīng)濟(jì)效益的技術(shù)保證。
合理的機(jī)械加工工藝文件不僅能提高一個企業(yè)的技術(shù)革新能力，而且可以較大程度地提高企業(yè)的利潤，因而合理地編制零件的加工工藝文件就顯得時常重要。機(jī)械加工工藝文件的合理性也會受到企業(yè)各方面因素的制約，比如企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備、工人的技術(shù)水平及夾具的設(shè)計(jì)水平等，其中較為重要的是夾具的生產(chǎn)和設(shè)計(jì)。夾具是機(jī)械加工系統(tǒng)的重要組成部分，不論是傳統(tǒng)制造，還是現(xiàn)代制造系統(tǒng)，夾具的設(shè)計(jì)都是十分重要的。好的夾具設(shè)計(jì)可以提高產(chǎn)品勞動生產(chǎn)率，保證和提高加工精度，降低生產(chǎn)成本等，還可以擴(kuò)大機(jī)床的使用范圍，從而使產(chǎn)品在保證精度的前提下提高效率、降低成本。當(dāng)今激烈的市場競爭和企業(yè)信息化的要求,企業(yè)對夾具的設(shè)計(jì)及制造提出了更高的要求。所以對機(jī)械的加工工藝及夾具設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。
因而不僅要合理結(jié)合企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際來進(jìn)行零件加工工藝文件的編制，而且還要根據(jù)零件的加工要求和先進(jìn)的加工機(jī)床來設(shè)計(jì)先進(jìn)高效的夾具。
該課題主要是為了培養(yǎng)學(xué)生開發(fā)、設(shè)計(jì)和創(chuàng)新機(jī)械產(chǎn)品的能力，要求學(xué)生能夠結(jié)合常規(guī)機(jī)床與零件加工工藝，針對實(shí)際使用過程中存在的金屬加工中所需要的三維造型、機(jī)床的驅(qū)動及工件夾緊問題，綜合所學(xué)的機(jī)械三維造型、機(jī)械理論設(shè)計(jì)與方法、機(jī)械加工工藝及裝備、液壓與氣動傳動等知識，對高效、快速夾緊裝置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)金屬加工機(jī)床驅(qū)動與夾緊的半自動控制。
在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)裝置時，在滿足產(chǎn)品工作要求的情況下，應(yīng)盡可能多的采用標(biāo)準(zhǔn)件，提高其互換性要求，以減少產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)成本。
1.2國內(nèi)外的發(fā)展概況
夾具從產(chǎn)生到現(xiàn)在，大約可以分為三個階段：第一個階段主要表現(xiàn)在夾具與人的結(jié)合上，這是夾具主要是作為人的單純的輔助工具，是加工過程加速和趨于完善；第二階段，夾具成為人與機(jī)床之間的橋梁，夾具的機(jī)能發(fā)生變化，它主要用于工件的定位和夾緊。人們越來越認(rèn)識到，夾具與操作人員改進(jìn)工作及機(jī)床性能的提高有著密切的關(guān)系，所以對夾具引起了重視；第三階段表現(xiàn)為夾具與機(jī)床的結(jié)合，夾具作為機(jī)床的一部分，成為機(jī)械加工中不可缺少的工藝裝備。
在夾具設(shè)計(jì)過程中，對于被加工零件的定位、夾緊等主要問題,設(shè)計(jì)人員一般都會考慮的比較周全，但是，夾具設(shè)計(jì)還經(jīng)常會遇到一些小問題，這些小問題如果處理不好，也會給夾具的使用造成許多不便，甚至?xí)绊懙焦ぜ募庸ぞ?。我們把多年來在夾具設(shè)計(jì)中遇到的一些小問題歸納如下：清根問題在設(shè)計(jì)端面和內(nèi)孔定位的夾具時，會遇到夾具體定位端面和定位外圓交界處清根問題。端面和定位外圓分為兩體時無此問題,。夾具要不要清根，應(yīng)根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)而定。如果零件定位內(nèi)孔孔口倒角較小或無倒角，則必須清根,如果零件定位孔孔口倒角較大或孔口是空位，則不需要清根，而且交界處可以倒為圓角R。端面與外圓定位時，與上述相同。讓刀問題在設(shè)計(jì)圓盤類刀具(如銑刀、砂輪等)加工的夾具時，會存在讓刀問題。設(shè)計(jì)這類夾具時，應(yīng)考慮銑刀或砂輪完成切削或磨削后，銑刀或砂輪的退刀位置，其位置大小應(yīng)根據(jù)所使用的銑刀或砂輪的直徑大小，留出超過刀具半徑的尺寸位置即可。更換問題在設(shè)計(jì)加工結(jié)構(gòu)相同或相似，尺寸不同的系列產(chǎn)品零件夾具時，為了降低生產(chǎn)成本,提高夾具的利用率，往往會把夾具設(shè)計(jì)為只更換某一個或幾個零件的通用型夾具。
由于現(xiàn)代加工的高速發(fā)展，對傳統(tǒng)的夾具提出了較高要求，如快速、高效、安全等。基于液壓夾緊的專用夾具設(shè)計(jì)，必須計(jì)算加工工序所受的切削力及切削力矩，按照夾緊方式進(jìn)行夾緊力的計(jì)算，進(jìn)而可以確定液壓缸的負(fù)載，通過選定整個液壓系統(tǒng)的壓力，最終可以確定液壓缸的各參數(shù)。
隨著機(jī)械工業(yè)的迅速發(fā)展，對產(chǎn)品的品種和生產(chǎn)率提出了愈來愈高的要求，使多品種，中小批生產(chǎn)作為機(jī)械生產(chǎn)的主流，為了適應(yīng)機(jī)械生產(chǎn)的這種發(fā)展趨勢，必然對機(jī)床夾具提出更高的要求。特別像后鋼板彈簧吊耳類不規(guī)則零件的加工還處于落后階段。在今后的發(fā)展過程中，應(yīng)大力推廣使用組合夾具、半組合夾具、可調(diào)夾具，尤其是成組夾具。在機(jī)床技術(shù)向高速、高效、精密、復(fù)合、智能、環(huán)保方向發(fā)展的帶動下，夾具技術(shù)正朝著高精高效模塊組合通用經(jīng)濟(jì)方向發(fā)展。
1.3 本課題應(yīng)達(dá)到的要求
通過實(shí)際調(diào)研和采集相應(yīng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、閱讀相關(guān)資料相結(jié)合，在對金屬切削加工、金屬切削機(jī)床、機(jī)械設(shè)計(jì)與理論及液壓與氣動傳動等相關(guān)知識充分掌握后，分析金屬切削加工過程中的機(jī)床工作臺驅(qū)動、工件夾緊等方面的相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合液壓與氣動傳動的相關(guān)理論知識，完成液壓傳動方案分析及液壓原理圖的擬定，設(shè)計(jì)液壓專用夾具的驅(qū)動、夾緊裝置，并進(jìn)行主要液壓元件的設(shè)計(jì)與選擇及傳動系統(tǒng)的驗(yàn)算校核等，來達(dá)到產(chǎn)品的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。
針對實(shí)際使用過程中存在的金屬加工工藝文件編制、工件夾緊及工藝參數(shù)確定及計(jì)算問題，綜合所學(xué)的機(jī)械理論設(shè)計(jì)與方法、機(jī)械加工工藝文件編制及實(shí)施等方面的知識，設(shè)計(jì)出一套適合于實(shí)際的零件加工工藝路線，從而實(shí)現(xiàn)適合于現(xiàn)代加工制造業(yè)、夾緊裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2 零件的造型
2.1 零件造型軟件介紹
1) Solid Works?軟件介紹
創(chuàng)新的、易學(xué)易用的而且價(jià)格便宜的Solid Works是Windows原創(chuàng)的三維設(shè)計(jì)軟件。其易用和友好的界面，能夠體現(xiàn)在整個產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工作中。Solid Works完全自動捕捉設(shè)計(jì)意圖和引導(dǎo)設(shè)計(jì)修改。在Solid Works的裝配設(shè)計(jì)中可以直接參照已有的零件生成新的零件。不論設(shè)計(jì)采用"自頂而下"方法還是"自底而上"的方法進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)，SolidWorks都將以其易用的操作大幅度地提高設(shè)計(jì)的效率。SolidWorks有全面的零件實(shí)體建模功能，其豐富程度有時會出乎設(shè)計(jì)者的期望。用SolidWorks的標(biāo)注和細(xì)節(jié)繪制工具，能快捷地生成完整的、符合實(shí)際產(chǎn)品表示的工程圖紙。?Solid有Works還具有全相關(guān)的鈑金設(shè)計(jì)能力。鈑金件的設(shè)計(jì)即可以先設(shè)計(jì)立體的產(chǎn)品也可以先按平面展開圖進(jìn)行設(shè)計(jì)。Solid Works軟件提供完整的、免費(fèi)的開發(fā)工具(API)，用戶可以用微軟的Visual?Basic、Visual?C++或其它支持OLE的編程語言建立自己的應(yīng)用方案。通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，SolidWorks可以很容易地將目前市場幾乎所有的機(jī)械CAD軟件集成到現(xiàn)在的設(shè)計(jì)環(huán)境中來。??
為比較評價(jià)不同的設(shè)計(jì)方案，減少設(shè)計(jì)錯誤，提高產(chǎn)量，Solid Works強(qiáng)勁的實(shí)體建模能力和易用友好的Windows界面形成了三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)械工程師不論有無CAD的使用經(jīng)驗(yàn)，都能用SolidWorks提高工作效率，使企業(yè)以較低的成本、更好的質(zhì)量更快將產(chǎn)品投放市場。而最有意義的是，用于SolidWorks的投資是容易承受的，這使得參加工程設(shè)計(jì)的所有人員都能在他們桌面上的計(jì)算機(jī)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)。?對于模具設(shè)計(jì)師來講，還可以利用XYZ縮放因子直接生成模腔。
在新版中，還增加了智能裝配功能，能夠在裝配過程中自動捕捉裝配關(guān)系，而無須用戶另行指定。在裝配過程中，還新增加了球面的配合關(guān)系和圓錐面的配合關(guān)系，這就使得將球插到孔里的操作變得更加容易。?
2) UG?軟件介紹
UG是美國UGS(Unigraphics?Solutions)公司的主導(dǎo)產(chǎn)品，是集CAD/CAE/CAM于一體的三維參數(shù)化軟件，是面向制造行業(yè)的CAID/CAD/CAE/CAM高端軟件,是當(dāng)今最先進(jìn),最流行的工業(yè)設(shè)計(jì)軟件之一.它集合了概念設(shè)計(jì).工程設(shè)計(jì),分析與加工制造的功能,實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)與產(chǎn)品生產(chǎn)過程的組合。被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、航空航天、家電以及化工等各個行業(yè)?！?
CAD/CAM/CAE三大系統(tǒng)緊密集成。用戶在使用UG強(qiáng)大的實(shí)體造型、曲面造型、虛擬裝配及創(chuàng)建工程圖等功能時，可以使用CAE模塊進(jìn)行有限元分析、運(yùn)動學(xué)分析和仿真模擬，以提高設(shè)計(jì)的可靠性；根據(jù)建立起的三維模型，還可由CAE模塊直接生成數(shù)控代碼，用于產(chǎn)品加工。
靈活性的建模方式。采用復(fù)合建模技術(shù)，將實(shí)體建模、曲面建模、線框建模、顯示幾何建模及參數(shù)化建模融為一體。
3) CAD(Computer Aided Design）
CAD最早的應(yīng)用是在汽車制造、航空航天以及電子工業(yè)的大公司中。隨著計(jì)算機(jī)變得更便宜，應(yīng)用范圍也逐漸變廣。
CAD的實(shí)現(xiàn)技術(shù)從那個時候起經(jīng)過了許多演變。這個領(lǐng)域剛開始的時候主要被用于產(chǎn)生和手繪的圖紙相仿的圖紙。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)活動中得到更有技巧的應(yīng)用。如今，CAD已經(jīng)不僅僅用于繪圖和顯示，它開始進(jìn)入設(shè)計(jì)者的專業(yè)知識中更“智能”的部分。
隨著電腦科技的日益發(fā)展，性能的提升和更便宜的價(jià)格，許多公司已采用立體的繪圖設(shè)計(jì)。以往，礙于電腦性能的限制，繪圖軟件只能停留在平面設(shè)計(jì)，欠缺真實(shí)感，而立體繪圖則沖破了這一限制，令設(shè)計(jì)藍(lán)圖更實(shí)體化。
2.2 零件造型過程
編輯草圖，選擇零件的上視面為基準(zhǔn)面生成實(shí)體草圖,如圖2.1所示。
圖2.1 選擇基準(zhǔn)面
圖2.2 拉伸Φ80mm高25mm的圓柱體
在基準(zhǔn)面內(nèi)繪制Φ80mm的圓，并進(jìn)行高為25mm的拉伸，得到的圓柱體，如圖2.2所示。
在Φ80mm的圓柱面上繼續(xù)進(jìn)行Φ76mm圓的繪制，并進(jìn)行高為3mm的拉伸，所得的圓柱體如圖2.3所示。
圖2.3 拉伸Φ76mm高3mm的圓柱體
圖2.4 拉伸Φ85mm高45mm的圓柱體
在Φ76mm的圓柱體上再繼續(xù)進(jìn)行Φ85mm高45mm的圓柱體拉伸，如圖2.4所示。
在Φ85mm的圓柱體上進(jìn)行Φ81mm高3mm的圓柱體拉伸，如圖2.5所示。
圖2.5 拉伸Φ81mm高3mm的圓柱體
圖2.6 拉伸Φ135mm高7mm的圓柱體
在Φ81mm的圓柱體對Φ135mm高7mm的圓柱進(jìn)行拉伸，如圖2.6所示。
在Φ135mm的圓柱體上再拉伸一個Φ110mm高32mm的圓柱體，如圖2.7所示。
圖2.7 拉伸Φ110mm高32mm的圓柱體
圖2.8 拉伸長31mm寬30半徑R=15的實(shí)體
在Φ110mm的圓柱體中心對稱位置拉伸一個長31mm寬30半徑R=15的耳座，其實(shí)體造型如圖2.8所示。
在Φ110mm的圓柱體的另一條對稱線拉伸另個耳座，其實(shí)體如圖2.9所示。
圖2.9 拉伸如圖所示實(shí)體
圖2.10 切除長35深4.5半徑R=4的鍵槽
在Φ85外圓上運(yùn)用差集進(jìn)行長35深4.5半徑R=4的鍵槽的繪制，如圖2.10所示。
在以上步驟所建的實(shí)體上運(yùn)用差集，對支承套頭部進(jìn)行長100mm寬20mm槽的切除，如圖2.11所示。
圖2.11 100mm寬20mm槽
圖2.12 開Φ10mm深60mm的孔
繼續(xù)在實(shí)體上切除一個Φ10mm高60mm的圓柱體，如圖2.12所示。
對造型出的孔進(jìn)行螺紋孔的造型，以12中的圓心為基準(zhǔn)插入一個M12×1.25mm螺紋現(xiàn)為12mm深為18mm的螺紋孔，如圖2.13所示。
圖2.13 M12×1.25mm螺紋
圖2.14 Φ10mm深100mm孔
在實(shí)體上運(yùn)用差集對兩個Φ10mm高100mm的孔進(jìn)行造型，如圖2.14所示。
在耳座槽的底部運(yùn)用差集，切除兩個Φ10mm完全貫穿的孔，如圖2.15所示。
圖2.15 兩個Φ10mm孔的造型
圖2.16 開兩個Φ11mm深3.5mm沉孔
對所造型的孔再進(jìn)行沉孔的造型，以15中的圓心為基準(zhǔn)，在Φ135mm的右端面上拉伸切除兩個Φ11mm高3.5mm的圓柱體，如圖2.16所示。
圖2.17 拉花鍵孔
在圓柱體的內(nèi)部進(jìn)行花鍵孔的拉削，如圖2.17所示。
在Φ110mm底面繪制四個M6mm深15mm的螺紋孔，如圖2.18所示。
圖2.18 M6mm深15mm的螺紋孔
圖2.19 零件三維圖
零件圖繪制完成，如圖2.19所示。
3 零件的工藝分析
3.1 零件的功用分析
套筒類零件是機(jī)械中常見的一種零件，它的應(yīng)用范圍很廣，主要起支承和導(dǎo)向作用，如圖3.1所示是常見套類零件。由于其功用不同，套筒類零件的結(jié)構(gòu)和尺寸有著很大的差別，但其結(jié)構(gòu)上仍有共同點(diǎn)：零件的主要表面為同軸度要求較高的內(nèi)外圓表面；零件壁的厚度較薄且易變形；零件長度一般大于直徑等。
圖3.1 套筒零件
由支承套零件圖可知該零件屬于短套筒，主要功能是起支承、導(dǎo)向作用。該零件結(jié)構(gòu)簡單，主要表面內(nèi)外圓柱面、端面。其主要技術(shù)要求為：外圓表面（Φ80、Φ85、Φ110、Φ115）內(nèi)圓表面（Φ75H8、Φ10）、花鍵孔（Φ62×Φ71×4.5）；外圓表面對Φ75H8孔的徑向圓跳動公差為0.02mm，Φ10孔系間有同軸度要求Φ0.02 mm；左右端面孔有位置度要求為0.1mm。材料為HT200，批量生產(chǎn)。
3.2 零件的工藝分析
1）該支撐套的結(jié)構(gòu)比較典型，代表了一般支撐套的結(jié)構(gòu)形式，其加工工藝過程具有普遍性。
2）支承套在加工前，要進(jìn)行人工時效處理，以消除鑄件內(nèi)應(yīng)力。加工時應(yīng)注意夾緊位置，夾緊力大小及輔助支承的合理使用主，防止零件的變形。
3)支撐套底面上的4-M6mm孔的加工，采用同一鉆模，均按外形找正，這樣可保證孔的位置精度要求。
4）外圓表面采用車削方法可完成粗、半精加工，其加工可安排磨削加工。
5）內(nèi)圓表面根據(jù)其直徑可分別采用鉆-擴(kuò)-鉸及鏜削加工。對于花鍵孔可采用拉削方法進(jìn)行加工。
6）端面的加工可采用車削完成，端部開槽可采用銑削方法完成。
4 零件工藝規(guī)程設(shè)計(jì)
4.1確定毛坯的制造形式
套筒零件毛坯的選擇與其材料、結(jié)構(gòu)、尺寸及生產(chǎn)批量有關(guān)。孔徑小的套筒，一般選擇熱軋或冷拉棒料，也可采用實(shí)心鑄件；孔徑較大的套筒，常選擇無縫鋼管或帶孔的鑄件、鍛件；大量生產(chǎn)時，可采用冷擠壓和粉未冶金等先進(jìn)的毛坯制造工藝，既提高生產(chǎn)率，又節(jié)約材料。
支撐套工作時要承受很大的轉(zhuǎn)矩及變形的彎曲硬力，容易產(chǎn)生扭振、折斷及磨損，要求材料應(yīng)有較高的強(qiáng)度、沖擊韌度、疲勞強(qiáng)度和耐磨性，由支撐套的形狀相對比較復(fù)雜，而且它只是用來起連接作用和支撐作用，查閱《機(jī)械加工工藝手冊》表2.2-2.3，考慮到灰鑄鐵容易成形，切削性能、強(qiáng)度、耐磨性、耐熱性均較好且價(jià)格低廉，而且一般零件的材料大都采用鑄鐵，故選用牌號為HT200的灰鑄鐵。
表4-1 HT200的力學(xué)性能
牌號
抗壓強(qiáng)度
/MPa
抗剪強(qiáng)度
/MPa
彈性模量
/GPa
疲勞極限
/MPa
HT200
588～785
243
78～108
88～108
支撐套的毛坯：此零件屬中批生產(chǎn)，故采用鑄造毛坯。
4.2 定位基準(zhǔn)的選擇
套筒類零件主要技術(shù)是內(nèi)外圓的同軸度，選擇定位基準(zhǔn)和裝夾方法時，應(yīng)考慮在一次裝夾中盡可能完成各主要表面的加工，或以內(nèi)孔和外圓互為基準(zhǔn)反復(fù)加工以逐步提高其精度，同時，由于套類零件壁薄、剛性差，選擇裝夾方法、定位元件和夾緊機(jī)構(gòu)時，要特別注意防止工件變形。
1）以外圓或內(nèi)孔為粗基準(zhǔn)一次安裝，完成主要表面的加工
這種方法可消除定位誤差對加工精度的影響，能保證一次裝夾加工出的各表面間有很高的相互位置精度。但它要求毛坯留有夾持部位，等各表面加工好后再切掉，造成了材料浪費(fèi)。故多用于尺寸較小的軸套零件車削加工中。
2）以內(nèi)孔為精基準(zhǔn)用心軸裝夾
這種方法在生產(chǎn)實(shí)踐中用途較廣，且以孔為定位基準(zhǔn)的心軸類夾具，結(jié)構(gòu)簡單、剛性較好、易于制造，在機(jī)床上裝夾的誤差較小，這一方法特別適合于加工小直徑深孔套筒零件，對于較長的套筒零件，可用帶中心孔的“堵頭”裝夾。
3）以外圓為精基準(zhǔn)使用專用夾具裝夾
當(dāng)套筒零件內(nèi)孔的直徑太小不適于作定位基準(zhǔn)時，可先加工外圓，再以外圓為精基準(zhǔn)，用卡盤夾緊加工內(nèi)孔。這種裝夾方法，迅速可靠，能傳遞較大的扭矩。但是，一般的卡盤定位誤差較大，加工后內(nèi)外圓的同軸度較低。常采用彈性膜片卡盤、液性塑料夾頭或高精度三爪自定心卡盤等定心精度高的專用夾具，以滿足較高的同軸度要求。
4.2.1 精基準(zhǔn)的選擇
大批量生產(chǎn)的支承套，通常以底平面和內(nèi)孔花鍵為精基準(zhǔn)。這種定位方式很簡單地限制了工件六個自由度，定位穩(wěn)定可靠；在一次安裝下，可以加工除定位面以外的所有五個面上的孔或平面，也可以作為從粗加工到精加工的大部分工序的定位基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)“基準(zhǔn)統(tǒng)一”原則，此外，這種定位方式夾緊方便，工件的夾緊變形小；易于實(shí)現(xiàn)自動定位和自動夾緊，且不存在基準(zhǔn)不重合誤差。
4.2.2 粗基準(zhǔn)的選擇
加工支承套底平面時，取要加工的面得對稱面為粗基準(zhǔn)，符合工作表面間相互位置要求原則。這樣可以保證對合面加工后凸緣的厚薄較為均勻，減少的變形。
4.3 切削用量的選擇原則
4.3.1 粗加工時切削用量的選擇
粗加工時加工精度與表面粗糙度要求不高，毛坯余量較大。因此，選擇粗加工的切削用量時，要盡可能保證較高的單位時間金屬切削量（金屬切除率）和必要的刀具耐用度，以提高生產(chǎn)效率和降低加工成本。
1）切削深度的選擇
粗加工時切削深度應(yīng)根據(jù)工件的加工余量和由機(jī)床、夾具、刀具和工件組成的工藝系統(tǒng)的剛性來確定。在保留半精加工、精加工必要余量的前提下，應(yīng)當(dāng)盡量將粗加工余量一次切除。只有當(dāng)總加工余量太大，一次切不完時，才考慮幾次走刀。
2）進(jìn)給量的選擇
粗加工時限制進(jìn)給量提高的因素主要是切削力。因此，進(jìn)給量應(yīng)根據(jù)工藝系統(tǒng)的剛性和強(qiáng)度來確定。選擇進(jìn)給量時應(yīng)考慮到機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度、刀桿尺寸、刀片厚度、工件的直徑和長度等。在工藝系統(tǒng)的剛性和強(qiáng)度好的情況下，可選用大一些的進(jìn)給量；在剛性和強(qiáng)度較差的情況下，應(yīng)適當(dāng)減小進(jìn)給量。
3）切削速度的選擇
粗加工時，切削速度主要受刀具耐用度和機(jī)床功率的限制。切削深度、進(jìn)給量和切削速度三者決定了切削速率，在確定切削速度時必須考慮到機(jī)床的許用功率。如超過了機(jī)床的許用功率，則應(yīng)適當(dāng)降低切削速度。
4.3.2精加工時切削用量的選擇
精加工時加工精度和表面質(zhì)量要求較高，加工余量要小且均勻。因此，選擇精加工的切削用量時應(yīng)先考慮如何保證質(zhì)量，并在此基礎(chǔ)上盡量提高生產(chǎn)效率。
1）切削深度的選擇
精加工時的切削深度應(yīng)根據(jù)加工留下的余量確定。通常希望精加工余量不要留得太大，否則，當(dāng)吃刀深度較大時，切削力增加較顯著，影響加工質(zhì)量。
2）進(jìn)給量的選擇
精加工時限制進(jìn)給量提高的主要因素是表面粗糙度。進(jìn)給量增大時，雖有利于斷屑，但殘留面積高度增大，切削力上升，表面質(zhì)量下降。
3）切削速度的選擇
切削速度提高時，切削變形減小，切削力有所下降，而且不會產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺。一般選用切削性能高的刀具材料和合理的幾何參數(shù)，盡可能提高切削速度。只有當(dāng)切削速度受到工藝條件限制而不能提高時，才選用低速，以避開積屑瘤產(chǎn)生的范圍。
4. 4 擬定零件加工的工藝路線
擬定工藝路線的出發(fā)點(diǎn)：應(yīng)當(dāng)是使零件的幾何形狀、尺寸精度及位置精度等技術(shù)要求能得到合理的保證。在生產(chǎn)綱領(lǐng)和生產(chǎn)類型已確定為大批量生產(chǎn)的條件下，可以采用萬能機(jī)床配以專用工夾具，并盡量使工序集中來提高生產(chǎn)率。除此之外，還考慮經(jīng)濟(jì)效果，以便降低生產(chǎn)成本。
1) 工藝路線方案一如表4-2所示：
表4-2 工藝路線方案一
工序號
工序內(nèi)容
10
鑄造
20
熱處理
30
粗車Φ85，Φ80外圓
40
半精車Φ85，Φ80外圓
50
精車Φ85，Φ80外圓
60
割退刀槽，并倒Φ80外圓的倒角
70
銑8×4.5鍵槽
80
粗車Φ110外圓端面
90
精車Φ110外圓端面
100
粗車Φ135外圓端面
110
精車Φ135外圓端面
120
粗銑-精銑20H8端面
130
鏜Φ62內(nèi)圓
140
拉花鍵孔
150
鉆-擴(kuò)-鉸20H8面上的Φ10孔
160
鉆M12孔至Φ10孔并攻螺紋
170
鉆-擴(kuò)-鉸 4-Φ10H7孔
180
鉆4-M6深至15并攻螺紋
190
檢驗(yàn)
2) 工藝路線方案二如表4-3所示：
表4-3 工藝路線方案二
工序號
工序內(nèi)容
10
鑄造
20
熱處理
30
粗車Φ85，Φ80外圓
續(xù)表4-3
工序號
工序內(nèi)容
40
半精車Φ85，Φ80外圓
50
精車Φ85，Φ80外圓
60
割退刀槽槽，并倒Φ80外圓的倒角
70
銑8×4.5鍵槽
80
粗車Φ135外圓端面
90
精車Φ135外圓端面
100
粗車Φ110外圓端面
110
精車Φ110外圓端面
120
粗銑-精銑20H8端面
130
鉆-擴(kuò)-鉸20H8面上的Φ10孔
140
鉆M12孔至Φ10孔并攻螺紋
150
鉆-擴(kuò)-鉸 4-Φ10H7孔
160
鉆4-M6深至15并攻螺紋
170
鏜Φ62內(nèi)圓
180
拉花鍵孔
190
檢驗(yàn)
3) 工藝方案的比較與分析
上訴兩個工藝方案的特點(diǎn)在于：方案一是先加工花鍵，然后以花鍵孔為定位基準(zhǔn)加工各孔。而方案二是加工兩個外圓端面，然后以此為精基準(zhǔn)加工各孔最后加工花鍵。經(jīng)比較可知，先加工花鍵孔后再以花鍵孔為定位基準(zhǔn)面加工，此時零件的位置精度較易保證，并且定位及裝夾等都較為方便。方案一中的工序80,90,100,110與方案二中的工序80，90，100，110比較，方案二中工序內(nèi)容一致但減少了裝夾次數(shù)，所以決定將方案二中的工序80，90，100，110取代方案一中的工序80，90，100，110。
具體工藝過程如表4-4所示：
表4-4 最終工藝路線方案
工序號
工序內(nèi)容
10
鑄造
20
熱處理
30
粗車Φ85，Φ80外圓
40
半精車Φ85，Φ80外圓
50
精車Φ85，Φ80外圓
60
割退刀槽，并倒Φ80外圓的倒角
70
銑8×4.5鍵槽
80
粗車Φ135外圓端面
90
精車Φ135外圓端面
續(xù)表4-4
工序號
工序內(nèi)容
100
粗車Φ110外圓端面
110
精車Φ110外圓端面
120
粗銑-精銑20H8端面
130
鏜Φ62內(nèi)圓
140
拉花鍵孔
150
鉆-擴(kuò)-鉸20H8面上的Φ10孔
160
鉆M12孔至Φ10孔并攻螺紋
170
鉆-擴(kuò)-鉸 4-Φ10H7孔
180
鉆4-M6深至15并攻螺紋
190
檢驗(yàn)
4.5 機(jī)械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的確定
“支撐套”零件材料為HT200的灰鑄鐵，抗壓強(qiáng)度588～785MPa 抗剪強(qiáng)度243MPa 彈性模量78～108GPa 疲勞極限88～108MPa，硬度是187~220HBS,毛胚重量為2.3kg，生產(chǎn)類型為大批量生產(chǎn)，可采用鑄造毛坯。
各加工表面毛坯尺寸確定如下：
1) 外圓表面（Φ80）的加工余量
由《機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)》資料表1.2-10查得毛坯加工余量為5，毛坯尺寸偏差由表1.2-2查得為1.4 mm。
2) 外圓表面（Φ85）的加工余量
圖 4.2 支撐套鑄件毛胚
由《機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)》資料表1.2-10查得毛坯加工余量為5，毛坯尺寸偏差由表1.2-2查得為1.4 mm。
3) 花鍵孔（Φ62×Φ71×4.5）的加工余量
要求花鍵孔為外徑定心，故采用拉削加工。
鏜孔Φ61 2Z=1mm
拉花鍵孔（Φ80，Φ85）
花鍵孔要求外徑定心，拉削時加工余量參照《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡明手冊》表2.3～19取2Z=1 mm。
4) Φ110與外圓端面的加工余量
按照《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡明手冊》表2.2～25知兩外圓端面的加工余量為2.0～3.0mm。
5) Φ135外圓端面的加工余量
按照《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡明手冊》表2.2～25知兩外圓端面的加工余量為2.0～3.0mm
由于毛坯及以后各道工序（或工步）的加工都有加工公差，因此所規(guī)定的加工余量其實(shí)只是名義上的加工余量。實(shí)際上，加工余量有最大最小之分。
由于本設(shè)計(jì)規(guī)定的零件為大批量生產(chǎn)，應(yīng)采用調(diào)整法加工，因此在計(jì)算最大最小加工余量是應(yīng)采用調(diào)整法予以加工。
支撐套鑄件毛胚圖見圖4.2。
4.6 確定切削用量及基本工時
工時定額是在一定生產(chǎn)條件下，規(guī)定生產(chǎn)一件產(chǎn)品或完成一道工序所需消耗的時間，用t1表示。工時定額是安排生產(chǎn)計(jì)劃、成本核算的主要依據(jù)，在設(shè)計(jì)新廠時，是計(jì)算設(shè)備數(shù)量、布置車間、計(jì)算工人數(shù)量的依據(jù)。時間定額由下述部分組成：
1）基本時間：直接改變生產(chǎn)對象的尺寸、形狀、相對位置、表面狀態(tài)或材料性質(zhì)等工藝過程所消耗的時間，用tm?表示。
2）準(zhǔn)備與終結(jié)時間：工人為了生產(chǎn)一批產(chǎn)品和零部件，進(jìn)行準(zhǔn)備和結(jié)束工作所消耗的時間，用te表示。
3）布置工作地時間：為使加工正常進(jìn)行，工人照管工作地所消耗的時間，一般按作業(yè)時間的百分?jǐn)?shù)α表示。
4）休息與生理需要時間：工人在工作班內(nèi)為恢復(fù)體力和滿足生理上的需要所消耗的時間，一般按作業(yè)時間的百分?jǐn)?shù)β表示。
則大量生產(chǎn)時的時間定額為：
t=（t+t）｛1+（α+β）/100｝
1) 粗車Φ85外圓(工序30)
計(jì)算切削速度，按《切削手冊》表1.27，切削速度的公式為（壽命選T=60min），采用高速鋼外圓車刀，規(guī)定=2，走刀次數(shù)i=1，則：
（m/min） (4.1)
式中：
=11.8，=0.70，=0.30，m=0.11。
=1.11
所以 ，=
=16.4 m/min
確定主軸轉(zhuǎn)速
(4.2)
=116 r/min
按機(jī)床說明書取n=96r/min，所以實(shí)際切削速度m/min。
由《切削手冊》表1.30中CA6140機(jī)床說明書知，CA6140主電動機(jī)功率為7.5kw，故機(jī)床功率足夠，可以正常工作。
計(jì)算切削工時
切削工時：
(4.3)
式中：
=60,,
所以 ：
×2 =5.61（s）
2) 車Φ135端面（工序80，90）
確定端面加工余量：已知毛坯長度方向的加工余量為4mm
確定進(jìn)給量f：根據(jù)《切削手冊》表1.4，當(dāng)?shù)稐U尺寸為16mm×25mm,以及工件直徑為100mm時：f=0.6~0.9。按CA6140車床的說明書（見《切削手冊》表1.30）取f=0.7。
計(jì)算切削速度：按《切削手冊》表1.27，切削速度的公式為（壽命選T=60min）
（m/min）
式中：
=242，=0.15，=0.35，m=0.2。
修正系數(shù)見《切削手冊》表1.28，即 =1.44，=0.8，=1.04，=0.81，=0.97。
所以 =
=251.6 m/min
確定主軸轉(zhuǎn)速
=890 r/min
與890 r/min相近的機(jī)床轉(zhuǎn)速為900 r/min?，F(xiàn)選取，所以實(shí)際切削速度 m/min.
檢驗(yàn)機(jī)床功率
主切削力 按《切削手冊》表1.29所示公式計(jì)算
(4.4)
式中：
=0.89
所以 ：
=
=768 N
切削時消耗功率為：
=1.81 kw
由《切削手冊》表1.30中CA6140機(jī)床說明書知，CA6140主電動機(jī)功率為7.5kw，故機(jī)床功率足夠，可以正常工作。
計(jì)算切削工時：
式中 ：
=15,,
所以：
×2=58.2 （s）
3) 車Φ110端面，車削，本工序采用計(jì)算法確定切削用量。（工序100，110）
①加工條件
工件材料：鍛造件材料為HT200， 。
車端面取總長110mm（余2mm）。
機(jī)床：CA6140車床
刀具：刀具材料為YT15，刀桿尺寸16mm×25mm，
。
②計(jì)算切削用量
切削深度：
進(jìn)給量f：根據(jù)《切削用量簡明手冊》（第三版）（以下簡稱《切削手冊》）表1.4，當(dāng)?shù)稐U尺寸為16mm×25mm,以及工件直徑為100mm時：f=0.6~0.9。按CA6140車床的說明書（見《切削手冊》表1.30）取f=0.7。
計(jì)算切削速度：按《切削手冊》表1.27，切削速度的公式為（壽命選T=60min）： （m/min）
式中：
=242，=0.15，=0.35，m=0.2。
修正系數(shù)見《切削手冊》表1.2.8 即 =1.44，=0.8，=1.04，=0.81，=0.97。
所以 =
=123.8 (m/min)
確定主軸轉(zhuǎn)速
=438 (r/min)
與438 r/min相近的機(jī)床轉(zhuǎn)速為500 r/min?，F(xiàn)選取，所以實(shí)際切削速度 m/min.
檢驗(yàn)機(jī)床功率
主切削力 按《切削手冊》表1.29所示公式計(jì)算
式中：
=0.89
所以 ：
=
=784 N
切削時消耗功率為
==1.85 kw
由《切削手冊》表1.30中CA6140機(jī)床說明書知，CA6140主電動機(jī)功率為7.5kw，故機(jī)床功率足夠，可以正常工作。
校驗(yàn)機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)強(qiáng)度：已知主切削力= 791 N，徑向力按《切削手冊》表1.29所示公式計(jì)算
(4.5)
式中：
所以
=
=116.9 N
軸向切削力 (4.6)
式中：
：
所以
=
=267 N
取機(jī)床導(dǎo)軌與床鞍的摩擦系數(shù)=0.1，則切削力在縱向進(jìn)給方向?qū)M(jìn)給機(jī)構(gòu)的作用力為：
=267+0.1（784+116.9）=357.09357 N
而機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)可承受的最大縱向力為3530N（見《切削手冊》表1.30），故機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)可以正常工作。
切削工時
式中：
,,
所以 ×2=52.2（s）
4) 鉆20H8面上的Φ10mm孔（工序130）
選擇高速鋼麻花鉆頭，因選擇高速鋼麻花鉆頭，因通孔加工精度要求較低，且還要進(jìn)行攻螺紋，由《實(shí)用機(jī)械加工工藝手冊》表11-57，選取鉆頭直徑為d=7mm，鉆頭幾何形狀為（《切削用量手冊》P63-65）標(biāo)準(zhǔn)，β=30°，2Φ=118°，α0=12°，Ψ=55°。
選擇切削用量
① 確定進(jìn)給量f：
按加工要求決定進(jìn)給量：當(dāng)d=10mm時，由《切削用量手冊》表5.f=0.36～0.44mm/r。
按鉆頭強(qiáng)度決定進(jìn)給量：由《切削用量手冊》表7，當(dāng)d=7mm≤8.4mm時，鉆頭強(qiáng)度允許的進(jìn)給量f=0.86mm/r。
按機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)強(qiáng)度決定進(jìn)給量：由《切削用量手冊》表8，當(dāng)d=7mm≤10.2mm，機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)允許的軸向力為9800N，（Z35型搖臂鉆床允許的軸向力為19620N，《切削用量手冊》表34）時，進(jìn)給量f=2.0mm/r。
從以上三個進(jìn)給量比較可以看出，最受限制的進(jìn)給量是工藝要求，其值為f=0.36～0.44mm/r，根據(jù)Z35型搖臂鉆床說明書，選擇f=0.40mm/r。
②決定鉆頭磨鈍標(biāo)準(zhǔn)及耐用度
由《切削用量手冊》表9，當(dāng)d=7mm，鉆頭后刀面最大磨損量取為0.8mm，耐用度T為35min。
③決定切削速度
由《切削用量手冊》表11，HT200的灰鑄鐵可加工性為第5類。
由《切削用量手冊》P78表12，當(dāng)加工性為第5類，f=0.40mm/r,d=7mm，標(biāo)準(zhǔn)鉆頭時，vi=0.33m/s。切削速度的修正系數(shù)為：加工材料強(qiáng)度與硬度改變時的修正系數(shù)kmv=0.94，鉆頭材料改變時，kiv=0.83，故
V= v k k=0.33×0.83×0.94=0.26m/s
n===11.83r/s
根據(jù)Z35型搖臂鉆床說明書，可考慮選擇n=12.5r/s，但因所選轉(zhuǎn)速較計(jì)算轉(zhuǎn)速高，這樣會使刀具耐用度下降，故可以將進(jìn)給量降低1級，即f=0.32mm/r。
也可以選擇較低一級轉(zhuǎn)速n=10r/s，仍用f=0.4mm/r，比較這兩種方案：
第一方案：n=12.5r/s，f=0.32mm/r時：
=12.5×0.32=4 mm /s。
第二方案：n=10r/s，f=0.4mm/r時：
=10×0.4=4 mm /s。
兩方案乘積相同，所用基本工時相同，但第一種方案所選用的進(jìn)給量較小，零件可獲得較好的加工表面，故選擇第一方案n=12.5r/s，f=0.32mm/r。
④檢驗(yàn)機(jī)床功率及扭矩
由《切削用量手冊》表18，當(dāng)f≤0.32mm/r≤0.33mm/r，d=7mm≤11.1mm時，扭矩M=10.49N/m，扭矩的修正系數(shù)為1.0，故M=10.49N/m。根據(jù)Z35型搖臂鉆床說明書，當(dāng)n=12.5r/s時，扭矩M=53N/m。
由《切削用量手冊》表20，當(dāng)d=7mm，v=0.27m/s，f=0.32mm/r時，P=1.0kw，根據(jù)Z35型搖臂鉆床說明書，P=4.5×0.75=3.375kw。
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