汽車發(fā)動機凸輪軸加工工藝及兩套專用夾具設計【全套含CAD圖紙】
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本科畢業(yè)設計（論文）任務書
學院：機械與車輛工程學院 專業(yè)：汽車服務工程
學生姓名
畢業(yè)設計（論文）題目：
汽車發(fā)動機凸輪軸加工工藝及專用夾具設計
畢業(yè)設計（論文）內容：
熟悉汽車企業(yè)使用的汽車發(fā)動機凸輪軸加工工藝方案的制定，確定汽車發(fā)動機凸輪軸專用夾具的工作原理和總體結構設計等，熟悉一般加工機械工裝設備的設計方法和設計過程。對所學本專業(yè)的基本理論、基本知識和基本技能作一次綜合訓練。要求按時完成所看參考文獻、開題報告、中期檢查以及畢業(yè)設計論文和總裝配圖等。主要設計加工對象為小型家用四缸發(fā)動機的凸輪軸，任選汽車發(fā)動機凸輪軸加工中的某一道工序設計專用夾具，其它參數自己擬定。
畢業(yè)設計（論文）要求及應完成的工作：
畢業(yè)論文（設計）是大學本科的最后學習階段，根據設計課題的具體要求，收集查閱不少于10篇的相關參考資料，最好能到生產或使用單位調研，了解并掌握與課題有關的知識背景，按時完成各階段所規(guī)定的設計任務。通過畢業(yè)設計這一環(huán)節(jié)的鍛煉，學會查閱和應用資料，提高綜合知識應用的能力。最終應獨立完成以論文形式的畢業(yè)設計說明書一份（6000～10000字左右）和裝配圖一張，并且完成畢業(yè)實習和通過畢業(yè)論文答辯。
進度安排
畢業(yè)設計（論文）各階段任務
起 止 日 期
1
布置畢業(yè)設計任務，查閱參考文獻，確認選題
2017．11．20～17.12．3
2
撰寫開題報告，進行開題，制定總體設計方案
2017．12．4～18．1．21
3
完成運動和結構等初步設計，進行中期檢查
2018．1．22～18．4．10
4
繪制裝配圖，編寫設計計算說明書
2018．4．11～18．5．20
5
整理、修改圖紙和設計說明書，完成論文答辯
2018．5．21～18．6．5
應收集的資料、主要參考文獻及實習地點：到使用或生產單位實際調研，應收集與課題相關的研究和設計方面論文不少于10篇，以及收集專題綜述方面的論文不少于3篇，寫一篇文獻綜述。主要參考文獻：請登陸皖西學院主頁—圖書館中查找，或去校圖書館借相關資料等。
[1] 成大先. 機械設計手冊（第五版）[M]. 化學工業(yè)出版社.2008.
[2] 田子欣，邢艷輝. S形凸輪軸曲面加工專用夾具的設計[J]. 煤礦機械. 2014(6).
[3] 苗祥利. 汽車發(fā)動機凸輪軸的制造[J]. 汽車工藝師. 2011(7).
[4] 李平，魏伯康等. 汽車發(fā)動機凸輪軸的生產方法[J].汽車工藝與材料. 2004(1).
[5] 張益. 淺談發(fā)動機凸輪軸孔和曲軸孔的加工工藝[J]. 內燃機與配件. 2017(15).
指導教師簽字:
年 月 日
專業(yè)負責人簽字：
年 月 日
- I -
畢業(yè)設計（論文）開題報告
學生姓名
系部
機電工程系
專業(yè)、班級
指導教師姓名
職稱
從事
專業(yè)
機械設計
是否外聘
□是□否
題目名稱
汽車發(fā)動機凸輪軸加工工藝及專用夾具設計
一、 課題研究現狀,選題的目的、依據和意義
研究現狀：凸輪軸是機車發(fā)動機上的一個重要零件，它對各氣缸的進、排氣門的開啟和關閉起控制作用，同時，還用來驅動分電器，汽油泵等輔助裝置。
選題目的、依據和意義：我的畢業(yè)設計課題是凸輪軸的工藝工裝，凸輪軸對其工作要求、部分精度較高，如軸上的油孔的加工、法蘭盤孔的加工等。凸輪軸的工藝過程，我們盡量做到清晰明了，在保證表達清楚的基礎上，盡量做到簡練。在此設計中，鞏固了機械制造專業(yè)的專業(yè)知識，學習機械加工工藝、夾具設計、金屬切削原理與刀具及金屬切削機床。在此，我們設計了兩套鉆床夾具，并進行了一些機構的設計，如分度機構、頂尖機構、液壓傳動機構等，還借用了機床尾座、手輪等大量通用件，既有利于加工，又節(jié)省不少力氣。其中，夾具設計需要保證被加工面的位置精度；減少輔助時間，提高勞動生產慮；擴大機床的使用范圍；實現工件的裝夾加工并減輕勞動強度，改善工作條件，保證了生產安全。此次設計，由于我的水平有限，難免會出現錯誤，望讀者進行批評指正。是對大學四年所學知識的檢測、總結與應用。這次的設計過程是提高機械設計與創(chuàng)新能力的體現，同時是對所學習過的理論知識與設計過程的結合。
二、 設計（論文）的基本內容,擬解決的主要問題
基本內容：汽車發(fā)動機凸輪軸加工工藝及專用夾具設計加工工藝過程，加工過程中的具體用量的計算，加工夾具的設計。
擬解決的主要問題：加工過程中加工余量和切削用量的計算，夾具裝夾的計算，零件的選擇。
三、 技術路線（研究方法）
1.查閱相關文獻資料了解課題。
2.對比分析現有幾個設計方案，選擇最適合本次設計的方案。
3.設計夾具。
4.根據選擇的設計方案，進行總體設計。
5.完成設計圖紙和說明書，準備答辯。
四、 進度安排
1～4 周調研收集資料，并查閱相關文獻，確定設計方案；
5～8 周初步進行總體設計，確定各部分組成，繪制草圖；
9～10周各零部件的校核，CAD出圖；
11～12周整理打印設計說明書，并讓老師對圖紙和說明書審查；
13周對圖紙和說明書，做最后修改，準備答辯。
五、 參考文獻
[1]王季琨 沈中偉 劉錫珍.機械制造設計工藝學[M].天津大學出版社,1984
[2]倪森壽.機械制造工藝與裝備[M].化學工業(yè)出版社,2002
[3]魏抗民 王曉宏.機械制造工藝裝備[M].重慶大學出版社,1998
[4]梁炳文 .機械加工工藝與竅門[M] .機械工業(yè)出版社,2001
[5]王啟平.機械機造工藝學[M].哈工大工業(yè)大學出版社,2000
[6]王光斗 王春福.機床夾具設計手冊[S].燕山大學 洛陽工學院,1999
[7]符煒.切削加工手冊[S] 湖南科學技術出版社,2001
[8]吳宗澤.機械零件設計手冊[S].機械工業(yè)出版社,2004
六、備注
指導教師意見：
簽字： 年 月 日
摘 要
我的畢業(yè)設計課題是凸輪軸的工藝工裝，凸輪軸對其工作要求、部分精度較高，如軸上的油孔的加工、法蘭盤孔的加工等。凸輪軸的工藝過程，我們盡量做到清晰明了，在保證表達清楚的基礎上，盡量做到簡練。在此設計中，鞏固了機械制造專業(yè)的專業(yè)知識，學習機械加工工藝、夾具設計、金屬切削原理與刀具及金屬切削機床。在此，我們設計了兩套鉆床夾具，并進行了一些機構的設計，如分度機構、頂尖機構、液壓傳動機構等，還借用了機床尾座、手輪等大量通用件，既有利于加工，又節(jié)省不少力氣。其中，夾具設計需要保證被加工面的位置精度；減少輔助時間，提高勞動生產慮；擴大機床的使用范圍；實現工件的裝夾加工并減輕勞動強度，改善工作條件，保證了生產安全。此次設計，由于我的水平有限，難免會出現錯誤，望讀者進行批評指正。
關鍵詞：凸輪軸；鉆床夾具；分度機構；液壓傳動機構
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 錄
1 零件的功用與結構分析 1
1.1 零件的功用 1
1.2 凸輪軸的結構特點和技術要求 1
1.2.1 各種凸輪軸的技術要求 1
1.2.2 以發(fā)動機該凸輪軸為例具體說明 1
2 生產類型的確定 3
3 確定毛坯的種類 4
4 機械加工工藝路線的擬定 5
4.1 加工工藝路線的分析 5
4.1.1 凸輪加工工藝分析 6
4.1.2 加工階段的劃分與工序順序的安排 6
4.1.3 加工工藝路線的擬定 6
4.2 工藝方案比較與分析 8
5 確定機械加工余量 工序尺寸及公差 9
6 確定切削用量 工件定額切削力及功率 10
6.1 鉆孔 10
6.2 擴孔 10
7 夾具的設計 12
7.1 法蘭盤孔的夾具設計 12
7.1.1 工件的加工工藝性分析 12
1、工件屬于軸類零件，結構形式簡單 12
2、確定定位方案，設計定位元件 13
3、確定設計導向元件 13
4、確定夾緊方式和設計夾緊機構 14
5、確定夾具體 15
7.1.2 夾具體部件設計分析 15
1、頂尖部分設計 15
2、齒條傳動部分設計 15
3、液壓缸設計 15
7.2 繪制夾具裝配圖 16
1、確定并標注有關尺寸 16
2、與安裝有關的技術要求 16
3、零件圖的技術要求的定制 16
7.3 夾具體的設計步驟 17
1、研究原始資料，明確設計任務 17
2、對工件加工工藝的分析 17
3、夾具設計方案的設計 18
4、加工精度的分析 18
8 量規(guī)的設計 20
9 刀具的設計 21
9.1 鉸刀的直徑D及直徑公差 21
9.2 鉸刀的齒數及槽數 21
9.3 鉸刀的幾何角度 21
9.4 工作部分的尺寸 22
9.5 鉸刀非加工部分的結構尺寸 22
10 CAD繪圖簡單說明 23
結論 24
致謝 25
參考文獻 26
附錄A Metal-Cutting Process and Machining 27
附錄B 金屬切削加工和機械加工 32
5
摘 要
我的畢業(yè)設計課題是凸輪軸的工藝工裝，凸輪軸對其工作要求、部分精度較高，如軸上的油孔的加工、法蘭盤孔的加工等。凸輪軸的工藝過程，我們盡量做到清晰明了，在保證表達清楚的基礎上，盡量做到簡練。在此設計中，鞏固了機械制造專業(yè)的專業(yè)知識，學習機械加工工藝、夾具設計、金屬切削原理與刀具及金屬切削機床。在此，我們設計了兩套鉆床夾具，并進行了一些機構的設計，如分度機構、頂尖機構、液壓傳動機構等，還借用了機床尾座、手輪等大量通用件，既有利于加工，又節(jié)省不少力氣。其中，夾具設計需要保證被加工面的位置精度；減少輔助時間，提高勞動生產慮；擴大機床的使用范圍；實現工件的裝夾加工并減輕勞動強度，改善工作條件，保證了生產安全。此次設計，由于我的水平有限，難免會出現錯誤，望讀者進行批評指正。
關鍵詞：凸輪軸；鉆床夾具；分度機構；液壓傳動機構
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 錄
1 零件的功用與結構分析 1
1.1 零件的功用 1
1.2 凸輪軸的結構特點和技術要求 1
1.2.1 各種凸輪軸的技術要求 1
1.2.2 以發(fā)動機該凸輪軸為例具體說明 1
2 生產類型的確定 3
3 確定毛坯的種類 4
4 機械加工工藝路線的擬定 5
4.1 加工工藝路線的分析 5
4.1.1 凸輪加工工藝分析 6
4.1.2 加工階段的劃分與工序順序的安排 6
4.1.3 加工工藝路線的擬定 6
4.2 工藝方案比較與分析 8
5 確定機械加工余量 工序尺寸及公差 9
6 確定切削用量 工件定額切削力及功率 10
6.1 鉆孔 10
6.2 擴孔 10
7 夾具的設計 12
7.1 法蘭盤孔的夾具設計 12
7.1.1 工件的加工工藝性分析 12
1、工件屬于軸類零件，結構形式簡單 12
2、確定定位方案，設計定位元件 13
3、確定設計導向元件 13
4、確定夾緊方式和設計夾緊機構 14
5、確定夾具體 15
7.1.2 夾具體部件設計分析 15
1、頂尖部分設計 15
2、齒條傳動部分設計 15
3、液壓缸設計 15
7.2 繪制夾具裝配圖 16
1、確定并標注有關尺寸 16
2、與安裝有關的技術要求 16
3、零件圖的技術要求的定制 16
7.3 夾具體的設計步驟 17
1、研究原始資料，明確設計任務 17
2、對工件加工工藝的分析 17
3、夾具設計方案的設計 18
4、加工精度的分析 18
8 量規(guī)的設計 20
9 刀具的設計 21
9.1 鉸刀的直徑D及直徑公差 21
9.2 鉸刀的齒數及槽數 21
9.3 鉸刀的幾何角度 21
9.4 工作部分的尺寸 22
9.5 鉸刀非加工部分的結構尺寸 22
10 CAD繪圖簡單說明 23
結論 24
致謝 25
參考文獻 26
附錄A Metal-Cutting Process and Machining 27
附錄B 金屬切削加工和機械加工 32
引言
畢業(yè)設計是大學生在校期間的最后的關鍵所在，它既是對所學知識的一次全面性考查，也是我們真正動手、模擬真實環(huán)境下的設計過程，這就使我們對本專業(yè)的設計工作有一次更深刻的認識，從而，為今后的工作奠定了扎實的基礎。
為了切實地做好畢業(yè)設計，我們結合了以往的生產現場的實際情況，并通過查找大量的資料和教科書等工具書，編寫了這套夾具設計說明書。它通過工藝規(guī)程的設計，進一步的明確了機車配氣導塊的加工程序。通過編寫夾具、量具、刀具設計說明書，進一步闡明了設計思路，鞏固了所學的多種知識。本次設計編制了一套中批生產的工藝規(guī)程。簡單實用的夾具設計更體現了經濟技術指標在設計中的重要地位。
設計工作是一項細致、艱苦、復雜、涉及面十分廣泛的工作，它不僅鞏固了所學的知識，更提高和鍛煉了我們的計算能力、繪圖能力等綜合能力。但是由于我學時和水平有限，設計中難免存在一些缺點和錯誤，在此，懇請各位老師批評指正
1 零件的功用與結構分析
1.1 零件的功用
凸輪軸是機車發(fā)動機上的一個重要零件，它對各氣缸的進、排氣門的開啟和關閉起控制作用，同時，還用來驅動分電器，汽油泵等輔助裝置。
1.2 凸輪軸的結構特點和技術要求
各種發(fā)動機凸輪軸的結構基本差不多，主要差別是凸輪軸的數量、形狀和位置不同，其中以四缸、六缸、八缸發(fā)動機的凸輪軸用的最多。就凸輪軸的結構特點而言，其形狀復雜，長徑比大，工件剛性較差。
1.2.1 各種凸輪軸的技術要求
1）支承軸頸的尺寸精度及各支承軸頸間的同軸度。
2）止推面對于支承軸線的垂直度。
3）凸輪軸基面的尺寸精度和相對于支承軸頸的軸線的同軸度。
4）凸輪的位置精度。
5）凸輪的形狀精度。
1.2.2 以發(fā)動機該凸輪軸為例具體說明
1）支承軸頸
兩個支承軸頸的外圓尺寸φ82 mm表面粗糙度Ra≤0.4 μm.。
2）凸輪
1，2，4，5位的凸輪基圓尺寸R50±0.2，3，6位的凸輪基圓尺寸R45±0.02，表面粗糙度Ra≤0.8 μm。
3）法蘭盤孔
左右法蘭盤孔尺寸為φmm。
4）軸上油壁孔
軸上油壁孔尺寸為φ8 mm。
2 生產類型的確定
根據設計認為書所給定的原始資料來確定生產類型。設計任務書給出的資料顯示并按車間的工作情況及工件的重量可知，按產量可分單位生產、小批量生產、中批量生產及大批量生產。由《金屬機械加工工藝人員手冊》表15-5查 零件重48KG<100KG，且年產量為3000件，屬于中批量生產。
根據該生產特性可以初步確定零件的機械加工工藝過程，由于中批量生產，一般采用高效機床和專用機床；對刀具一般采用通用刀具，也可以根據工廠實際情況采用專用刀具；量具采用專用量具；夾具使用專用夾具及輔助夾具來提高生產率，同時節(jié)省了人力、物力，達到經濟可行的目的。
3 確定毛坯的種類
在制定工藝規(guī)程時，正確的選擇毛坯具有重要意義。它不僅影響毛坯的制造工藝設備及制造費用，還影響零件的機加工工藝，設備和刀具的消耗及工時訂額。正確的選用毛坯需要毛坯制造和機加工工藝人員緊密配合，兼顧冷熱加工兩個方面的要求。
由于發(fā)動機工作時，凸輪軸承受氣門開啟的周期性沖擊載荷。所以，要求凸輪軸和支承軸頸表面應耐磨，凸輪軸本身應具有足夠的韌性和剛性。為此，凸輪軸的主要工作表面需經熱處理。
對于凸輪軸材料目前國內外主要選用鑄鐵（冷硬鑄鐵，可淬硬鑄鐵，球墨鑄鐵）和鋼（中碳鋼，滲碳鋼）。
在國外，冷硬鑄鐵凸輪軸多用于凸輪承受隨動件高負荷的場合，這在英國較為普遍，可淬硬的低合金鑄鐵凸輪軸多用于凸輪承受隨動件低負荷的場合，這在美國較為普遍，高合金鑄鐵和特殊合金鑄鐵凸輪軸則多用于高速發(fā)動機。
對于鋼凸輪軸，一般是選用中碳鋼和滲碳鋼經熱模鍛制坯。
就毛坯精度來說，鑄件的精度明顯的高于鍛件。目前，國內外普遍趨向于精鑄和精鍛。
鑒于此，該凸輪軸選用50Mn材料毛坯由精鍛而成。
4 機械加工工藝路線的擬定
機械加工工藝規(guī)程的制定，可分為兩大步驟1）擬定零件的加工工藝路線；2）確定每道工序的工序尺寸、所用設備和工藝裝備及切削用量和工時定額。
4.1 加工工藝路線的分析
在凸輪軸的加工過程中的加工精度，其中受兩個主要因素的影響：
1）變形
從細長角度來說，突出的問題就是工件本身的剛度低。切削加工時產生較大的受力變形，其表面余應力也會影響其變形，尤其在加工凸輪時，這種變形更為顯著。另一方面，采用材料為鋼的凸輪軸在主要工作表面精加工產生變形。
凸輪軸在加工過程中的變形，不僅影響到后工序加工的余量分配是否均勻，而且變形過大會導致后續(xù)加工無法進行，甚至造成中途報廢。凸輪軸加工后的變形，將直接影響到裝配后凸輪軸的使用性能。
因此，在安排其工藝過程時，必須針對工件變形這一特點采取必要的措施，不僅要把各主要表面的精度加工工序分開，以使粗加工事故時產生的變形在半精加工中得修正，半精加工的變形在精加工中也得以修正。
2）加工難度大
從形狀復雜角度來講，突出的問題就是凸輪的表面的加工。對于這些表面，不僅有尺寸精度要求，還有形狀位置要求。如采用普通的加工設備和一般表面常規(guī)的加工方法，顯然是無法保證其加工質量和精度。
例如對凸輪的加工，從滿足使用要求的角度來講，既要求其相位角準確又要求凸輪曲線的行程滿足氣門開啟和關閉時升降過程的運動為規(guī)律，但要注意到凸輪曲線上的各點相對其轉的中心是變化的。當試用一般的靠模機加工時，由于加工半徑的變化，勢必引起切削速度與切削力的變化，這樣將會使加工后的凸輪曲線產生形狀誤差，從而影響凸輪的使用性能。
4.1.1 凸輪加工工藝分析
定位基準的選擇一般常規(guī)的方法是采用兩頂尖作為軸類零件的定位基準。這樣避免了工件在多次裝夾具中固定基準的轉換而引起的誤差，也可以作為后續(xù)工序的定位基準，即符合“基準同意”的原則。
1）粗基準的選擇
粗基準的選擇是否合理，不僅關系到工件的裝夾是否方便、可靠，也關系到精加工中能否保證加工精度。該凸輪軸加工中粗基準是銑兩端面并打中心孔時定位基準的選擇，其目的是加工出后續(xù)工序的精基準。為保證后續(xù)工序余量均勻，選用支承軸頸的毛坯外圓柱面及一個側面作為定位基準。
2）精基準的選擇
在凸輪軸的加工過程中，精基準選擇有下面兩種情況：
對于各支承軸頸、外圓表面的粗加工、半精加工、精加工均以兩頂尖孔作為精基準進行定位的；鉆孔時以兩支承軸頸作為基準進行定位。
4.1.2 加工階段的劃分與工序順序的安排
1）加工階段的劃分
由于凸輪軸的加工精度較高，整個加工不可能在一個工序內全部完成。為了利于逐步達到加工要求，必須把整個工藝過程分幾個階段。
該凸輪軸加工分為以下三個階段：粗加工階段包括車各支承軸頸、車凸輪鉆通孔、鉆法蘭盤孔；半精加工階段包括凸輪軸外形的初磨；精加工階段包括凸輪外形、支承軸頸的二次磨削。
2）工序順序的安排
對于凸輪、支承軸頸，是按車——初磨——精磨的順序加工的。各表面加工順序從粗到精，且主要表面與次要表面加工工序相互交叉進行，而從整體上說又符合“先粗后精”的原則。
4.1.3 加工工藝路線的擬定
綜上所述擬工藝路線如下：
工藝路線方案一：
工序號
工序名稱
1
備料
2
鍛模
3
熱處理
4
探傷
5
銑端面、鉆中心孔
6
精車兩端面凸輪外圓面
7
調質
8
精車外圓面、左端面及凸輪圓
9
鉆深孔
10
兩端面頂尖孔倒角
11
加工法蘭孔
12
锪倒角
13
仿形銑凸輪
14
精磨凸輪
15
鉆銑軸壁孔
16
中頻淬火熱處理
17
法蘭盤倒角
18
凸輪倒角
19
熱處理
20
精磨凸輪
21
精磨軸
22
清洗、去孔內毛刺
23
最終檢查
工藝路線方案二：
工序號
工序名稱
1
模鍛
2
熱處理
3
銑端面、鉆中心孔
4
粗車凸輪軸各外圓面
5
調質處理
6
精車兩端面凸輪外圓面
7
銑凸輪
8
鉆通孔φ38
9
加工通孔兩端
10
加工法蘭盤孔
11
鉆、锪軸壁油孔
12
粗磨凸輪
13
加工法蘭盤倒角
14
加工凸輪倒角
15
精磨凸輪
16
精磨軸
17
終檢
4.2 工藝方案比較與分析
上述兩個工藝方案的特點在于：方案一將整個過程的粗—精加工分開加工，符合先粗后精的原則，且定位基準以孔（兩頂尖孔）為基準進行加工，符合基準統(tǒng)一原則。而方案二雖然也符合基準統(tǒng)一原則，但先粗后精基準分開的不是太好。孔加工由于切削力較大使工件變形也較大，即使在以后的半精、精加工中也很難糾正，而凸輪作為主要加工表面是不允許的。因此，方案一較方案二好。
5 確定機械加工余量 工序尺寸及公差
根據機體最大外形尺寸為810mm，毛坯采用精磨鍛，選其加工精度等級為二級。則由《金屬機械加工工藝人員手冊》表45-38確定毛坯的加工余量。
1）大端法蘭面
表5.1 工序的尺寸及加工余量
工序名稱
工序基本余量
工序精度
工序尺寸
尺寸及Ra
精銑
1.5
IT10
Ra=6.3
粗銑
1075
IT10
毛坯
3.25
—
2）支承軸頸的加工
表5.2 工序的尺寸及加工余量
工序名稱
工序基本余量
工序精度
工序尺寸
尺寸及Ra
磨軸
0.4
IT5
810
Ra=0.4
精車軸
1.1
IT7
82.4
82.4
粗車軸
2.5
IT9
83.5
83.5 Ra=6.3
毛坯
4.0
—
86.0
86.0
3）鉆法蘭盤孔φmm
4）锪法蘭盤孔φ18 mm
5）鉆軸壁油孔φ8 mm
6 確定切削用量 工件定額切削力及功率
6.1 鉆孔
1）確定切削速度V
由《金屬機械加工工藝人員手冊》 表10-67知S=0.10 mm/r。
2）計算軸向力P扭矩M的值
根據《金屬機械加工工藝人員手冊》 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)
則 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）計算機動時間T
根據《金屬機械加工工藝人員手冊》 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 鉸孔
1）確定切削速度V
根據《金屬機械加工工藝人員手冊》表10-63
(6-5)
式中 T——刀具的耐用度
S——進給量
D——孔的直徑
——切削深度
根據《金屬機械加工工藝人員手冊》表10-83的T=30 min
表10-81的s=0.6 mm/r t=0.2 mm D=15 mm
則==11 m/min
2）計算機動時間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) 工時定額計算
查表可知：a裝卸工件時間： k1=0.22min
b鉆換時間： k2=0.10min
c擴換時間： k3=0.10min
d排屑時間： k4=0.06min
e電動起動時間： k5=0.02min
f 快進、快退時間： k6=0.05min
g工作臺移動： k7=0.10min
h液壓缸夾緊時間： k8=0.05min
i 快速工作其他時間：k9=0.13min
總的輔助時間為T=6(k2+k3+k4)+ k1+k5+k6+k7+k8+k9=2.13min
加工此工序需要的總時間：T總=0.18+0.24+2.13=2.55min
7 夾具的設計
根據設計任務給出的要求，我們需設計兩套夾具，且兩套夾具均為鉆床夾具。不同的是一套夾具用于加工法蘭盤孔，而另一套用于加工軸壁上的油孔。
在專用夾具設計之前，首先應該弄清楚夾具設計的基本要求，其基本要求可概括為以下四點：
1）穩(wěn)定保證工件的加工技術要求。夾具設計首先應保證工件的位置要求，其次應保證工件的尺寸要求精度、粗糙度及其他技術指標的要求。
2）提高機械加工的勞動生產率，降低工件的成本。專用夾具設計時，既要提高勞動的生產率，又要降低成本。夾具的復雜程度和工件的經濟效益必須與生產規(guī)模相適宜，才能獲得良好的經濟效益。因此，應根據工件的生產批量的大小，選擇夾具的結構，防止盲目的采用高效率先進的結構和傳動裝置，造成夾具的結構復雜而加大制造成本。同時，盡可能采用標準零部件，以降低夾具制造成本。盡可能采用多件加工或機動時間與輔助時間重合的結構，以減少單件加工的時間，提高勞動生產率，降低工件的成本。
3）專用夾具應有良好的結構工藝性，以便零件的制造和夾具的裝配，結構設計時應便于易損零件的更換和維修。
4）操作安全、方便。夾具設計應使工人操作時方便、省力，便于裝卸工件及清理切削，創(chuàng)造文明的生產環(huán)境，夾具在機床是裝卸應迅速、方便、安全。特別注意夾具在裝卸工件中的安全，為此夾具上不得有影響操作者安全的突出部分，保證工人的人身安全。
7.1 法蘭盤孔的夾具設計
一套凸輪軸零件，工件材料50Mn，年產3000—4000件大批生產，需設計用鉆法蘭孔的專用夾具，加工直徑為φ15 mm的孔。
7.1.1 工件的加工工藝性分析
1、工件屬于軸類零件，結構形式簡單
端面已加工，其它與法蘭端面孔無關，本工序所要鉆直徑為φ14.8 mm的孔，再鉸直徑為φ15 mm的孔，Ra1.6,精度等級7級較高，應依靠鉆模來保證加工表面的下列要求：
1）鉆直徑為φ14.8 mm的孔
2）鉸直徑為φ15mm的孔
中心軸線與凸輪軸線的平行度為0.03以內，因為以后要以其中一個孔為定位基準，使整體性好，即保證同軸度。端面已加工和法蘭盤孔加工精度尤為重要，由于其精度要求高，故夾具設計難度高。
2、確定定位方案，設計定位元件
零件φ15mm孔是通孔，沿軸線方向的位移自由度不予限制。由于均布6-φ15mm的孔，故不許其能繞凸輪軸線旋轉，即在法蘭端面加上一個外力使軸不能旋轉。同樣，由于凸輪軸并不能單獨運用，所以不許其上下竄動，左右擺動，即除沿其軸向方向以外其余方向的自由度必須限制，又因為位置加工精度高，故在之前不采用預定位板。擬用兩頂尖將其定位，保證其端面，并防止軸的轉動。同時，設計與φ138 mm配合使用的孔，使其嵌入其中，防止其上下、左右竄動，由于工件較重，故必須保證頂尖的強度、剛度。
以下確定一種定位方案：
1) 兩同軸受活動頂尖兩個自由度的限制，即使不能上下、左右竄動。
2) 端面嵌入后限制兩個自由度，防止其轉動。這要求夾爪有一定壓力，使摩擦力足夠大，其動力可由液壓傳動來實現。
整個夾具體可采用鑄造，并用螺栓把合在導軌上。兩頂尖的同軸度可由修磨導軌內側來找正。夾具體放在導軌上時，先鉆兩個定位銷孔，用其定位后，鉆螺栓孔，以保證其精度和位置要求。在夾具體上配合活塞、活塞桿、齒輪等在導軌上，依靠兩個定位銷孔找正位置，達到使用要求。
3、確定設計導向元件
為了迅速準確地確定刀具與夾具的相互位置，在夾具體上鉆兩個定位銷孔，同時放兩個鉆套。當刀具進給時由這兩個銷孔來找正位置。同時法蘭導套上鉆出相應孔來起導向作用。刀具由加長的鉆頭和鉸刀，必須有兩個大支承件軸，故在夾具體上鉆出足夠大的孔，使其能貼在夾具體上，并且平穩(wěn)。
4、確定夾緊方式和設計夾緊機構
因為工件屬于大批量生產，宜采用專用夾緊裝置，用兩夾緊爪防止其轉動，各夾法蘭一側，為達到力的大小的要求，采用液壓傳動，考慮由活塞桿上加工出齒條，依靠液壓使活塞作往復運動。與齒條嚙合的是一個齒輪，通過傳動軸上的鍵來實現力的傳遞。軸為豎直放置，為使之平穩(wěn)，上下各放一個軸承，同時采用專用結構使之不能上下竄動，底蓋的加工需要大些（比齒輪大），采用從下向上裝的方向，但由于活塞不能完全密封，為防止漏油，在底蓋上加O型密封圈，整體工藝性好，頂尖的夾緊力由手輪傳動，依靠齒的角度使之能自鎖夾緊。這樣由于液壓傳動平穩(wěn)，有利于加工，但頂尖的要求較高，強度應足夠大。
設計或選擇夾緊機構、力源裝置前，必須確定所需夾緊力的大小。夾緊力過小，難以保證工件定位的穩(wěn)定性和加工質量，還可能發(fā)生生產事故；夾緊力過大，將不必要地增大夾緊裝置等的規(guī)格、尺寸，還會使夾緊系統(tǒng)的變形增大，而影響加工質量，故確定切合實際需要的夾緊力大小，是夾具設計合理而可靠的前提之一。
用一般切削速度加工中，小型工件時，所需夾緊力主要取決于切削力的大小。由于切削過程不穩(wěn)定，很難用公式確定切削力的大小，故設計時大多參照同類夾具的設計以及憑經驗，用類比法確定所需夾緊力的大小。
分析并弄清對夾緊最不利的加工瞬時位置和情況，將此時所需的夾緊力定為最大值；依據此時工件的受力情況，列出其靜力平衡力方程式，即可解算出計算夾緊力W，將W乘以安全系數K，得實際需要夾緊力：
W=KWj (7-1)
K=K0K1K2K3…
W——實際夾緊力
W——計算夾緊力
K——安全系數
K——各種因素的安全系數
由于夾緊機構屬于液壓夾緊機構，夾緊力與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、確定夾具體
將定位、導向、夾緊機構連接在一體，并能正確的安裝在機床上。由于液壓缸中活塞桿為動力件，通過齒輪傳動，適宜采用整體鑄造，而不用缸筒，再焊接在其它方向來放液壓缸。同時由于立板有一定高度，出于強度、剛度考慮，放置兩肋板。另外一側底面作為一體，用來盛放鐵屑盒。這樣不會因為空間較大、溝槽太深而造成收集鐵屑不容易，有鐵屑盒方便，省時省力。夾具體形狀較復雜，制造不容易，周期長，成本較高。但由于長期使用，方案綜合效益較好。
7.1.2 夾具體部件設計分析
1、頂尖部分設計
由于頂尖所受強度較大，故頂尖頭應淬火，而且整體強度要求高。采用彈簧裝置，使之有一定運動空間和預定夾緊力。同時，由于彈簧受力較大，故采用碟形彈簧。整體采用從后向前裝，為防止頂尖從前面出去，采用在頂尖上開一個溝槽，用一個釘來限制其運動空間，為使彈簧不變形，采用心軸作為導向。頂尖放在法蘭套內，有一定的剛度和強度，并淬火。
2、齒條傳動部分設計
齒輪放在軸上用鍵連接，在夾緊爪上用鍵來使它旋轉夾緊。為了傳動平穩(wěn)，選用軸承，為防止軸向竄動，在下面用螺母限制其上下竄動，上下螺母擰得不能太緊，預留一定空間，以便軸自由旋轉。
3、液壓缸設計
兩夾爪應該同時動作，故進油口由一個液壓泵供壓力，右中間出油。因此缸內應分為三個部分。處于平穩(wěn)和防止漏油（中間缸壁已經破開，放齒輪），采用雙活塞，使爪松開的力較小，故密封條件不是很難。同時在底蓋加密封圈。由于夾緊力大，活塞外側尺寸應大些，中間應小些。缸壁只計算強度即可，但由于是鑄造，考慮到鑄造方面的因素，取壁厚為20 mm，以保證其整體性能。
此外，設計預定位裝置，平面開一個槽，放一個預定位板，用螺釘來緊固，材料選取一些不生銹的，如黃銅，既又防銹，又便于制造。
頂尖夾緊可用手輪，實現同時動作，利用普通車床上開合螺母的結構，通過蝸輪、蝸桿來實現。兩個夾具體共用一個絲杠，左邊螺紋右旋，右邊螺紋左旋，螺距摸數均相同。
7.2 繪制夾具裝配圖
裝配總圖上要把雙頂尖、夾緊爪機構、液壓傳動機構表達清楚。放頂尖的法蘭套采用冷裝，其配合為H7/s6，為保證兩頂尖的同軸度，采用修磨導軌側面的方法來找正；活塞與缸塞之間采用H7/s6配合；軸承與軸的配合采用H7；兩定位銷孔的同軸度（兩個夾具體上）應達到0.02mm，同一個夾具體上的平行度也應達到0.03mm以上；由于底蓋密封，底面整個平面也應加工，至少Ra6.3。
1、確定并標注有關尺寸
夾具體外形尺寸（最大輪廓）584452420 mm
2、與安裝有關的技術要求
1）兩頂尖的同軸度0.010 mm
2）頂尖的回轉軸線與導軌的平行度0.012 mm
3）兩導軌側面的平行度0.004 mm
4）兩定位銷孔的平行度誤差不許超過0.015 mm
5）法蘭盤與夾具體的配合φ180 mm
3、零件圖的技術要求的定制
零件圖應對零件的技術要求應充分注意，以保證總裝配圖的要求。
1）鑄造未注明圓角為R3 mm
2）零件必須調質處理，HBS260—300
3）凸輪型面表面必須淬火，HRC58—62，許有HRC52以上
4）每個噴油泵凸輪的進、排氣處必須檢查硬度。
5）P面和Q面的圓柱必須淬火，深度1.5~4mm，硬度HRC55—62，許有HRC40的個別點。
6）P面和Q面圓柱和圓度許差0.02mm
7）Q面和R面對其軸線跳動公差0.02mm
8）檢查凸輪外形和位置偏差
9）凸輪軸在調質后內孔φ38 mm表面酸洗磷化處理
10）所有的噴油泵和進、排氣凸輪的頂面對P面和Q面公共軸線的平行度在凸輪基圓表面處（噴油泵凸輪的R45mm圓柱表面，進、排氣凸輪的R50圓柱表面）全寬35mm上許差0.03mm，其余型面全寬35 mm以上許差0.02 mm.。
11）用磁力探傷器檢查軸頸和凸輪表面，不許有裂紋，探傷后去磁
總之，設計夾具時必須兼顧質量、生產率，勞動條件和經濟性等諸方面要求，有所側重。如對位置精度要求很高的工件，夾具往往著眼于保證精度要求：對于位置精度要求不太高而加工批量的情況，提高生產率便成為主要矛盾，則著重考慮提高夾具的工作效率。
7.3 夾具體的設計步驟
根據以上要求具體設計步驟如下：
1、研究原始資料，明確設計任務
由工件產品圖可知，該工件為機車凸輪軸，通過對零件的零件圖的分析可知，該工件的結構并不復雜，而現在須加工的是法蘭盤孔和軸上油孔，為保證該工件工序的尺寸精度和位置精度，要求夾具有較高的精度，以便保證能在零件的加工過程中確保零件的尺寸、形狀和位置精度。
2、對工件加工工藝的分析
該工件的該工序要求在直徑為φ115mm的圓上加工6個均布的直徑為φ15mm的圓，并且要求達到精度IT8，表面粗糙度值不超過2.5。其基準為中線，因此在加工中最好采用軸的中心線作基準進行加工。該工序在鉆完通孔之后，用軸線作為基準可以實現。
3、夾具設計方案的設計
機床夾具的確定是一次十分重要的設計程序，方案的設計優(yōu)劣往往直接決定夾具設計的可行性。所以，方案的確定需經充分的研究和討論來確定最佳方案。
定位方式由兩端孔作為定位，既提軸線作定位，則定位元件采用錐銷卡緊，以保證工件的加工精度。
4、加工精度的分析
使用夾具夾工件進行機械加工時，在工藝系統(tǒng)中影響工件加工精度的因素很多，一般分為兩類：一類是夾具有關的影響因素即定位誤差，對刀誤差。夾具在機床上的裝配誤差和夾具的制造誤差。另一類還有工藝系統(tǒng)中其他影響加工精度的因素，稱為加工方法誤差。
1）定位誤差
由于一批工件逐個的在夾具體上定位時，各個工件所占的位置不完全一致，形成誤差，這稱為定位誤差。由于加工中基準重合，而基準不重合誤差不重要，重要在圓跳動0.015mm，則定位誤差為0.015mm。
2）對刀誤差
采用鉆模進行鉆孔加工時，由于鉆套內孔徑誤差，使刀具軸線偏離規(guī)定的位置，其對加工尺寸影響為
X3= （7-1）
X3——刀具在鉆套中傾斜引起的軸線偏移量
X2——鉆套的最大配合間隙
H——鉆套的中高度
S——排屑的空間
B——被加工的孔深度
由公式(7-1)得X3==0.02 mm
3）加工方法的誤差
由于機床精度，刀具的精度，刀具與機床的位置精度，工藝系統(tǒng)的受力變形和熱變形等因素造成的加工誤差統(tǒng)稱為加工方法誤差，取
△ G==0.009
△==0.026<0.027
故該夾具加工方法可取。
8 量規(guī)的設計
根據設計任務書的要求，我們在設計夾具之后，還需設計一套量具，根據要求設計一套測量支承軸頸的合格與否。
光滑極限量規(guī)（簡稱量規(guī)）是一種沒有測量刻度定值的測量工具。用它檢驗工件時，只能確定工件的尺寸是否在極限尺寸的范圍內，不能測出其具體的尺寸。
由于光滑極限量規(guī)的結構簡單，制造容易，使用方便又能保證加工的要求，所以我們設計一套工作量規(guī)。因為我們用于測量軸，故相應的設計一套卡規(guī)。
1）量規(guī)形式的選擇
其被測量面是軸形狀相對應的完整表面，且長度等于配合長度的全行量規(guī)不適合用于測量軸，只能用控制工件局部尺寸的止規(guī)，這用卡規(guī)進行檢驗。
但是注意的是，必須在測量時工件的兩個正截面的相互垂直的兩方向進行檢驗，只有均能通過工件時才算合格。
2）量規(guī)的材料用碳素工具鋼
3）量規(guī)測量面的尺寸及粗糙度見量規(guī)圖
9 刀具的設計
根據設計任務書，我們需要設計一把用于加工法蘭盤上φ15mm的孔鉸刀。鉸刀種類很多，根據被加工的材料選用硬質合金鉸刀，又因為加工孔直徑為φ15mm且用于成批生產，故將鉸刀制成硬質合金錐柄機用鉸刀。
9.1 鉸刀的直徑D及直徑公差
鉸刀的公稱直徑D等于被加工孔的直徑d，即D=15mm。
鉸刀的直徑公差對鉸刀精度，鉸刀的制造成本和鉸刀的壽命有直接的影響，由孔的加工精度取鉸刀的精度等級為IT7。由《金屬切削刀具設計指導資料》表3-2查的鉸刀直徑公差為φ15mm。
9.2 鉸刀的齒數及槽數
增多鉸刀齒數，使切削厚度越薄，鉸刀導向性提高，提高孔的加工質量。但齒容屑空間減小。為便于測量鉸刀的直徑，齒數取偶數。根據《金屬切削原理與刀具》表8-1取Z=4。
鉸刀刀齒在圓周上可以采用等齒距和不等齒距兩種分布，為了制造容易，本鉸刀采用等齒距分布。
鉸刀齒槽形狀采用通用的，制造簡單的直線背形狀。
鉸刀的齒槽可制成直槽或螺旋槽，由于加工的孔不深，為制造簡單，刃磨和檢驗方便，該鉸刀采用直槽形狀。
9.3 鉸刀的幾何角度
本鉸刀用于加工鋼，取Kr=15°。
鉸削時切削較薄，切屑與刃口附近接觸，前角的大小對切削變形的影響并不顯著故RP取0°。
鉸削時切削厚度較小，鉸刀后角磨損較為顯著，故選用較大的后角。為使鉸刀使用是徑向尺寸變化緩慢，通常取10°。切削部分切削刃應鋒利不留刃帶。鉸刀標準部分均留有刃帶，起擠壓、導向的作用；同時也便于制造鉸刀和檢驗。在此，鉸刀的刃帶取0.3mm.。刃傾角取18°。
9.4 工作部分的尺寸
前倒錐L3，在切削部分前端做出（1-2）mm45°的前倒錐，再次取245°的前倒錐，便于鉸刀引入工件，并對切削刃起保護的作用。
切削部分的長度L1=（1.3-1.4）COTKR=（1.3-1.4）COT15=5 mm
校準部分
取機用鉸刀工作部分長度L=（0.8-3）×15=20 mm
圓柱部分長度L2=（0.25-0.5）d=4 mm
9.5 鉸刀非加工部分的結構尺寸
鉸刀頸部長度L3由《金屬切削刀具設計指導資料》表3-12查的L3=100mm；頸部直徑D=11mm；總長L取160mm；柄部長度取40mm；直徑取φ14mm；采用錐度2號。
10 CAD繪圖簡單說明
本次畢業(yè)設計任務書中，除了工程制圖的任務外，還安排了計算機CAD繪圖任務。要求學生將零件圖及其中一套卡具裝配圖用CAD繪圖方式繪出，并且將說明書打印出來。
繪制CAD圖根據CAD的操作規(guī)范。首先，選用紙型，再繪邊框線，再在邊框線內進行繪圖操作。在繪圖過程中，采用不同的線形及顏色，并在不同的圖層中操作，采用了絕大部分的命令。由于其為軟件繪圖過程就不再詳訴，見CAD圖。在繪制過程中受到了老師、同學及機房老師的大力幫助。在此，本人表示忠心的感謝。
結論
畢業(yè)設計是在校大學生學習的最后一個重要組成環(huán)節(jié)，它既是對所學知識的一次全面性考查，同時又為我們提供和模擬了一次真實環(huán)境下的設計過程，為不久的將來走上工作崗位奠定了一定的基礎。
對于任何工程技術問題，都是光把實際生活中提出的問題變成數學模型，然后加以求解，再設計出圖紙等技術文件，最后形成產品文件。所以，它是一項系統(tǒng)，復雜的工程。不僅涉及到數學、力學、材料、公差、工藝及有關專業(yè)的其他知識，同時也考查了學生的動手能力、計算能力、空間想象能力等多方面的能力。本次設計主要通過兩套夾具的設計及一套刀具、一套量具設計及計算機繪圖，對所學知識達到了鞏固、提高的目的，是一次由理論到實踐的實戰(zhàn)演習。
總之，畢業(yè)設計對于提高學生的綜合素質和設計能力，大有益處。它能將所學的專業(yè)知識通過解決實際問題而有機的結合起來，使我們能將所學知識用到實處，用對、用好。確實是一次不可多得的生動試驗！
畢波
2006年6月
致謝
本次設計是在崔廣臣老師淳淳教導之下，經過同學們的不斷幫助和我不懈努力完成的。師恩不能忘！我要感謝導師崔廣臣老師在論文選題以及設計方法上給予的悉心指導，導師廣博的學識，如沐春風的教誨令我受益匪淺。老師待人隨和，但對我們要求嚴格，現場細致的給我們講解，當我們有困難時，他給出解題思路，拿不準的還要自己去查找，最令人感動的是給我們指正審圖長達三個小時。在此，再向老師表示忠心感謝。
同時，一起設計的同學們能主動借給參考資料，解答一些問題，同樣給我莫大的幫助，在次對他們表示誠心的謝意！
畢波
2006年6月
參考文獻
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