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1、一种柴油机箱体加工工艺及夹具设计摘 要：本设计的内容包括了柴油箱机体的机械加工工艺过程及其中工序的夹具设计。本设计中加工工序内容主要有铣端面、镗孔和钻孔等。在制定工艺过程中，要确定各工序的安装工位和该工序需要的工步，加工设备和工艺设备的选择。然后进行夹具设计，首先应考虑工件的定位与夹紧。选择合适的定位元件和夹紧元件可以节约工时、提高工作效率。其次是引导装置。在选择元件时，应尽量选择标准件。关键词：工序；定位；夹紧；夹具设计；The Design About Processing Technics of Diesel Engine Block and Jigabstract:The design
2、 includes the machine process of the engine block and jig design in working procedure. In the design, the main contents of machine operations are milling surface, boring and drilling the hole and so on. In making process, we must determine the position of the working procedure and the labor step of
3、the one needed, selection of the processing equipment and process equipment. Then for jig design, we should first consider the position and clamping of workpiece. Select the appropriate positioning components and clamping device can save hours of work, improve work efficiency. Second is the guiding
4、device. In the choice of components, should try to choose the standard one.朗显示对应的拉丁字符的拼音keywords:the process;the localization;clamps;jig design1 前言我国柴油机产业自20世纪80年代以来有了较快的发展， 随着一批先进机型和技术的引进，我国柴油机总体技术水平已经达到国外80年代末90年代初水平， 一些国外柴油机近几年开始采用 的排放控制技术在少数国产柴油机上也有应用。 最新开发投产的柴油机产品的排放水平已经达到欧1排放限值要求，一些甚至可以达到欧2排放限
5、值要求。 但我国柴油机产业的整体发展仍然面临着许多问题。现代的调整高性能柴油机由于热效率比汽油机高、污染物排放比汽油机少， 作为汽车动力应用日益广泛。西欧国家不但载货汽车和客车使用柴油发动机， 而且轿车采用柴油机的比例也相当大。最近， 美国联邦政府能源部和以美国三大汽车公司为代表的美国汽车研究所理事会正在开发新一代经济型轿车同样将柴油机作为动力配置。 经过多年的研究、大量新技术的应用，柴油机最大的问题烟度和噪声取得重大突破，达到了汽油机的水平。箱体是机器和部件的基础零件，它将机器和部件中所有零件连接成一个整体，并使之保持正确的相互位置，完成必需的运动。因此，箱体的加工质量直接影响着机器的性能，
6、精度和寿命。箱体类零件尽管形状各异，尺寸不一，但是它们均有空腔，结构复杂，壁厚不均等共同特点，在箱壁上既有许多精度较高的轴承支撑孔和平面需要加工，又有许多精度较低的紧固孔需要加工。因此，箱体不仅需要加工的部位多，而且加工的难度也较大1。夹具是机械加工不可缺少的部件，夹具工作可靠，结构简单，装卸方便，便于维修，调整，易操作。夹具设计符合大批大量生产要求。在机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展的带动下，夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济方向发展。组合夹具可以缩短生产准备周期，保证产品质量和提高经济效益，非常适合多品种，小批量的生产类型。随着近年来柔性化设备和加工系统的
7、迅速发展，具有元件全部标准化的高柔性组合夹具已成为制造系统的必备辅助工具。此次毕业设计的主要任务是发动机机体加工工艺规程的编制、影响箱体的加工质量的因素及主要对策、粗铣箱体上下表面夹具和精镗汽缸孔夹具的设计。运用大学四年所学的专业知识结合实践经验，进一步研究了发动机机体的构造以及有值得改进的地方。这有利于对所学知识的巩固和知识面的扩展,通过毕业设计进一步提高调查研究、设计计算、理论分析、查阅资料及绘制图样等各方面的基本技能。本课题来源于实际生产现场，根据柴油机箱体加工工艺及夹具设计任务书中所规定的内容，本次设计包括二个主要内容。一是发动机箱体的加工工艺规程编制。制定一套合理的工艺规程，有利于在
8、生产过程中作到优质、高效、低消耗、安全生产和改善劳动条件，使得机械加工循渐进的进行。其主要内容包括：研究零件图分析其合理性，在得到允许的情况下改正其中的不足之处，分析零件的工艺性、零件毛坯图、工序路线、加工余量的确定。主要工序的定位方案、定位误差分析、主要工序的单件机动工时计算等。再根据以上内容，查阅相关资料，确定合适的加工设备及主要参数和规格。其次是粗铣机体上下表面夹具和精镗汽缸孔夹具的设计。经过多种方案对比选择，确定更为合理的定位方式、夹紧方式、刀具的对刀引导方式、夹具整体结构和夹紧力。使得所设计的夹具结构简单、定位精确、夹紧可靠。完全符合零件图纸加工要求。然后绘制夹具总装图，最后整理设计
9、完成设计过程。2 设计分析2.1 设计任务在柴油机箱体工艺设计中，主要要制定合理的工艺过程，选择合适的加工机床，选择合适的切削用量。设计的主要内容为发动机机体的加工工艺规程的编制、影响机体的加工质量的因素及主要对策（典型工序加以分析、研究），粗铣顶底面夹具设计、精镗缸套孔夹具设计。加工工艺规程的制订要符合生产情况，生产纲领为成批大量生产。夹具的设计要满足加工技术要求，操作方便、安全。2.2 工艺规程的制定机械加工工艺规程是规定产品或零部件机械加工工艺过程和操作方法等的工艺文件，是一切有关生产人员都应严格执行、认真贯彻的纪律性文件。生产规模的大小、工艺水平的高低以及解决各种工艺问题的方法和手段都
10、是要通过机械加工工艺规程来体现1。因此，机械加工工艺规程设计是一项重要而又严肃的工作。它要求设计者必须具备丰富的生产实践经验和广博的机械制造工艺基础理论知识。根据零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求，以及加工方法所能达到的经济精度，在生产纲领已确定的情况下,可以考虑采用万能性机床配以专用工卡具,并尽量使工序集中来提高生产率。除此之外，还应当考虑经济效果，以便使生产成本尽量下降。2.2.1 零件图分析在进行工艺规程制定之前，要仔细研究所加工零件的零件图，了解产品的用途、性能和工作条件，熟悉零件在产品中的地位和作用。机体是整个柴油机的骨架和安装基础，柴油机上的运动件、其他固定件及辅助设备都
11、安装在它的内外四周。在机体内腔布置有气道、油道，以保证柴油机换气，冷却和润滑的需要。在柴油机机体的六个平面上布置有各种连接孔，另外为检修、组装的需要而设置了各种检查观察孔。图1为柴油机机体示意图：图1 柴油机箱体示意图Fig1 Schematic of diesel engine block2.2.2 结构工艺性分析所谓零件的结构工艺性是指在满足使用要求的前提下制造该零件的可行性和经济性。功能相同有零件，其结构工艺性可以有很大的差异。所谓结构工艺性好，是指在现有工艺条件下既能方便制造，又有较低的制造成本2。通过读零件图，对零件进行形位误差分析如表1。表1 形位误差分析Table1 Analys
12、is of form and position errors 误差要求标注位置及分析圆柱度0.01262的孔的圆柱度要求公差0.012平行度0.02:100B-C62孔的轴线相对于两个孔的公共轴线的平行度为0.02:100平面度0.2下表面的平面度为0.2圆跳动0.04D-E112D11相对于两孔公共轴线的圆跳动误差为0.04平面度0.05上表面的平面度为0.05 续表1误差要求标注位置及分析平行度0.10B-C上表面对两孔的公共轴线的平行度为0.10圆柱度0.017107H7的圆柱度为0.017垂直度0.02D-E直径为112D11的圆柱面对两孔公共轴线的垂直度为0.02同轴度0.06D10
13、5H7的轴线相对于D孔轴线的同轴度为0.06垂直度0.025:100B-CD-E的公共轴线相对于B-C的公共轴线的垂直度为0.025:100圆柱度0.017105H7的圆柱度为0.017圆柱度0.01290的圆柱度为0.012注：各基准代号见附录零件图。3 零件毛坯3.1 毛坯材料的选择考虑气缸体零件结构复杂,采用铸造成型,材料为HT250。硬度为170-240HBS，因为它强度较高、耐磨、耐热性能好，但需人工时效处理，适用于承受较大应力（w2942N/cm2），摩擦面间单位压力大于49N/cm2和要求一定的气密性的零件，适用于汽缸体等3。其工作条件：承受高弯曲应力（5.320）适用于成批或大
14、量生产条件下在机床上使用。 3）钻攻顶面22.5油孔、顶面4-M14、顶面2-M10，机床采用摇臂钻床。钻攻顶面22.5油孔，钻孔用15.5高速钢锥柄麻花钻，扩孔用整体高速钢直柄扩孔钻。参数为：d=18mm,L=191mm,l=130mm,d1=11.7；钻攻顶面4-M14，钻孔用12高速钢锥柄麻花钻，扩孔用整体高速钢直柄扩孔钻。参数为：d=12.5mm,L=151mm,l=101mm,d1=7.8d=14.5mm,L=169mm,l=114mm,d1=9.7，攻丝用M14型号丝锥；钻攻顶面2-M10，钻孔用8.5高速钢锥柄麻花钻，攻丝用M10型号丝锥；4）钻攻底面4-M12、8孔、底面M20
15、1.5，机床采用摇臂钻床。钻攻底面4-M12，钻孔用10.2高速钢锥柄麻花钻，攻丝用M12型号丝锥；钻8孔，钻孔用6.8高速钢锥柄麻花钻，铰孔用硬质合金直柄机用铰刀；。钻攻底面M201.5，钻孔用18.5高速钢锥柄麻花钻，攻丝用M20型号丝锥。5）工序中的镗削加工，首先考虑到缸套孔对主轴孔中心线有较高的垂直度要求，两缸套孔有较高的同轴度要求，所以采用立式镗床，对缸套孔进行粗镗、半精镗和精镗，其次镗主轴孔和凸轮轴孔，由于前后的孔径大小不一，工件较大，采用液压双面组合镗。镗107H7缸套孔、105H7缸套孔、缸套孔止口。查机械加工工艺手册，选用单刃镗刀（夹持在镗杆上用）。参数：BH=1212,L=
16、5070,f=2镗185主轴孔、90主轴孔、80主轴孔、63凸轮轴孔。查机械加工工艺手册，选用单刃镗刀（夹持在镗杆上用）。参数：型号1：BH=1212,L=5070,f=2型号2：BH=2020,L=5070,f=48 主要工序定位方案及定位误差分析计算由于零件结构较复杂，工序较多，工件较大，定位情况也就随之繁杂，但总归离不开几种基本定位情况而已，大体上工件采用一面两销对工件进行定位。故只需重点分析主要工序中的粗铣上下表面和精镗缸套孔的定位方案及定位误差的分析计算7。8.1主要工序定位方案的确定8.1.1 粗铣机体上下表面：本工序采用两根铣刀杆加工，将刀具安装在双面铣专用机床上可以同时粗铣发动
17、机机体的上下面，提高工作效率。满足零件图上的加工要求，只需要限制5个自由度，即、。经过分析，采用的定位方案为： 采用薄挡板定位，它可以限制。的定位：采用平面定位的方法来限制此方向。两个支承扳（采用两个支承板时，装配后磨平工作面，以保证等高性），限制 、。的定位：采用两支承钉，它可以限制Z轴方向的转动。如图2：图2 定位方案图Fig 2 Locating scheme8.1.2 精镗机体缸套孔由上面缸套孔及止口的加工要求有，对机体工件加工需要限制六个自由度，机体结构复杂，用侧面和前后面定位比较困难，所以只能对其底面采用一面两销进行定位，这样可以限制机体的六个自由度，夹紧采用液压夹紧，这样夹紧可靠
18、，有利于机体的加工。如图3：图3 定位方案图bFig 3 Locating scheme b在加工箱体类零件采用一面两孔组合定位时，为了避免由于过定位引起的工件安装时的干涉，两销中的一个应采用菱形销。菱形销的宽度可以通过几何关系求出。在实际生产中，由于菱形销的尺寸已标准化，因而常按下面步骤进行两销设计：1） 取两销中心距为2550.02mm；2） 取圆柱销直径为：d1=15g6=15+0.006 -0.017mm3） 按表6-1（机械制造工艺学）选取菱形销宽度：b=4mm；4） 按式（6-2）计算菱形销与其配合孔的最小间隙： (1)5) 按h6确定菱形销的直径公差，最后得到：d2=12-0.0
19、03 -0.014mm8.2 定位方案的误差分析定位误差是由于工件在夹具上（或机床上）定位不准确而引起的加工误差。定位误差的来源主要有两方面：由于工件的定位表面或夹具上的定位元件制作不准确引起的定位误差，称为基准位置误差。由于工件的工序基准与定位基准不重合而引起的定位误差，称为基准不重合误差。在一面两孔定位方式中，工序基准为两孔中心连线，与定位基准一致，不存在基准不重合误差。下面计算基准位置误差。图5示意图画出了工件两孔中心连线O1O2与夹具上两销中心连线O1O2偏移的情况（图中画出了一个极端位置，另一个极端位置只画出了孔心连线）。当两孔直径均为最大，而两销直径均为最小时，可能出现的最大偏移角
20、为：图5 一面两孔定位误差计算Fig 4 Calculation of location error in fixing the part with one surface and two bores (2)式中D1max、D2max工件上与圆柱销和菱形销配合孔的最大直径；d1min、d2min夹具上圆柱销与菱形销最小直径；L两孔（两销）中心距。9 影响机体机械加工质量的因素及主要对策9.1 设备精度的影响零件的形状精度和相互位置精度最终是靠设备来保证的，因此设备的选择对保证机体零件的加工精度显得尤为关键8。国内，发动机机体的加工设备在选择时，一般采用尽可能柔性、成熟技术、成熟工艺方案为原则；
21、二是在整个工艺方案中重要关键特性加工的设备采用进口设备，一般特性采用进口设备。这就说明在这类高速度、高性能、高精度的机床的技术性能、可靠性与国外还有较大差距（特别是欧美），而中低端产品在部分使用进口元件条件下，还是完全可以替代进口的。以800台面通用卧式加工中心的定位精度和重复定位精度两项指标为例，通过对国内外机床参数的比较不难发现这一差距，见表5:表5 国内外800台面卧式加工中心精度比较Table 5 Precision comparing with 800 horizontal center table at home and abroad机床精度指标国外（欧美）平均水平国内较高水平定位
22、精度0.0050.008重复定位精度0.0030.0059.2 工艺系统的影响切削加工时，由机床、刀具、夹具和工件组成的工艺系统，在切削力、夹紧力以及重力等的作用下，将产生相应的变形，使刀具和工件在静态下调整好的相互位置，以及切削成形运动所需要的正确几何关系发生变化，而造成加工误差。因此，提高工艺系统的刚度对保证加工质量尤为关键，主要可采取四个措施：9.2.1合理设计工艺装备结构在设计工艺装备时，应尽量减少连接面数目，并注意刚度的匹配，防止有局部底刚度环节出现。在设计基础件、支撑件时，应合理选择零件结构和截面形状。一般地说，截面积相等时，空心截形比实心截形的刚度高，封闭的截形又比开口的截形好，
23、在适当部位增添加强肋也有良好的效果。9.2.2 提高连接表面的接触刚度主要是提高机床部件中零件间结合表面的质量和给机床部件预加载荷。在设备采购时就充分考虑到接触强度、设备工作台、纵向移动轴，立柱轴和主轴箱配有紧凑型导轨和带预紧滚柱的滚柱导块。9.2.3 采用辅助支撑例如在精镗汽缸孔工序中，为提高工艺系统的整体刚性，除主夹紧力作用外，在机体两侧面还布置液压辅助支承装置，使机体受到左右对称，分布均匀的辅助作用力影响，可有效增加工件刚性，减少机体在加工过程中的变形，见图6：图6 精镗汽缸孔示意图Fig 6 Schematic of Fine boring cylinder bore9.2.4 采用合
24、理的装夹和加工方式在机体毛坯加工工序中，特别是去除主要余量的铣削加工，考虑到毛坯件在表面材料去除后应力释放而产生较大的变形，提出了对压紧力进行高低压分级程序控制，荒加工时采用较大的压紧力，加工完成后短暂撤消压紧力，使工件内应力释放，再以较小的压紧力作用下对工件进行半精加工。这种方法有效地降低了因毛坯内应力产生的变形影响，提高了机体加工过程质量。10 确定主要工序的切削用量及基本工时（机动时间）切削用量包含切削速度、进给量及背吃刀量三项，确定方法是先确定背吃刀量、进给量，而后确定切削速度。不同的加工性质，对切削加工的要求是不一样的。因此，在选择切削用量时，考虑的侧重点也应有所区别9。粗加工时，应
25、尽量保证较高的金属切除率和必要的刀具耐用度，故一般优先选择尽可能大的背吃刀量，其次选择较大的进给量，最后根据刀具耐用度要求，确定合适的切削速度。精加工时，首先应保证工件的加工精度和表面质量要求，故一般选用较小的进给量和背吃刀量，而尽可能选用较高的切削速度。10.1 工序10 粗铣顶底面10.1.1 切削用量本道工序是粗铣顶底面，已知加工材料为HT200，铸件无外皮，机床为10KW卧式对铣组合机床，所选刀具为高速钢镶齿套式面铣刀，其参数：直径d=250mm，孔径D=50mm，宽L=45mm，齿数z=26.根据表5-26（机械制造工艺学课程设计指导书）确定铣刀角度，选择前角0=100，后角0=12
26、0，主偏角r=600，螺旋角=100。已知铣削宽度aw=203mm，铣削背吃刀量ap=3mm。10.1.2 确定每齿进给量af查表5-27知当工艺系统刚性中等、镶齿端铣刀加工铸铁时，其每齿进给量af=0.250.35mm/z。由于本工序背吃刀量和铣削宽度较大，选择最小的每齿进给量af=0.25mm/z。10.1.3 选择铣刀磨钝标准和耐用度根据表5-28，用高速钢镶齿端铣刀粗加工铸铁时，选择铣刀后刀面磨损极限值为2.0mm，查表5-29知铣刀直径d=250mm时，经插值得端铣刀的合理耐用度T=275min，10.1.4 确定切削速度和工作台每分钟进给量vf铣削速度可以通过计算得出，但是其计算公
27、式比较复杂，实际生产中使用并不多，这里通过查表确定。查表5-30知，高速钢铣刀铣削速度为1520m/min，则所需铣床主轴转速范围是： （3）根据机床的标准主轴转速，由表5-13选取n=30r/min，则实际铣削速度为： （4）工作台每分钟进给量为： （5）根据表5-13中工作台标准纵向进给量，选取vf=190r/min，则实际每齿进给量为： （6）10.1.5 基本时间tm根据表5-33知，r900的端铣刀对称铣削的基本时间为： （7）式中，工件铣削部分长度，单位为mm； 切入行程长度，单位为mm， 切出行程长度，单位为mm/min； 工作台每分钟进给量，单位为mm/min。已知=30mm/
28、min，=203mm。由表5-34查得切入切出行程长度。10.2 工序120 加工底面各孔本工序主要为钻4M12螺纹底孔10.2mm，所用机床为Z3025摇臂钻床。根据表5-19知选取d=10.2mm，l=168mm，莫氏圆锥号为1号的高速钢锥柄麻花钻作为刀具。根据表5-48选择的麻花钻参数=300，2=1180，=500，f=120。由表5-49知，当d020mm时，选择钻头头后刀面磨损极限值为0.8mm，耐用度T=45min。10.2.1 切削用量1）确定背吃刀量ap 钻孔时，2） 确定进给量f 按照加工要求决定经济量。钻头直径d0=10.2mm，根据表5-50，进给量f取值范围为0.310.39mm/r。由于钻孔后要用丝锥攻螺纹。f需乘以系数0.5。综上得进给量f的取值范围为f=（0.31o.39）o.5=0.1550.195mm/r。根据Z3025机床标准进给量，查表5-51，选取f=0.2mm/r。3）确定切削速度v 根据表5-52的计算公式确定切削速度为: (8)式中，CV=8.1,zV=0.25,xv=0,yv=0.5