操纵杆支架课程设计

机械制造工艺学课程设计

题目：操纵杆支架加工工艺规程设计及

钻孔夹具设计

姓名：万百川

系别：机电工程系

专业：机械设计制造及其自动化

年级：2009

学号：MDA09087

指导教师：李永鲜职称：教授

2012年07月03日

操纵杆支架加工工艺规程设计及钻孔夹具设计

[摘要]此次设计是对拨叉零件的加工工艺和夹具设计，其零件为铸件，外形较小，除2-Φ20孔公差要求较严格外，其它加工面公差要求较低，并且无位置度要求，但是为了满足装配性能，根据现场实际，在加工过程中要制定工艺基准，并制定出工艺公差，利用工艺基准来加工后续工序。

[关键词] 操纵杆支架加工工艺专用夹具设计

目录

第一章序言 (3)

第二章零件的分析 (4)

2.1 零件的作用 (4)

2.2 零件的工艺分析 (4)

第二章工艺规程设计 (5)

3.1 确定生产类型 (5)

3.2 确定毛坯制造形式 (5)

3.3 选择定位基准 (5)

3.4 选择加工方法 (5)

3.5 制订工艺路线 (6)

3.6 确定加工余量及毛坯尺寸 (7)

3.7 工序设计 (7)

3.8 确定切削用量和基本时间 (8)

第四章夹具设计 (11)

4.1 接受设计任务、明确加工要求 (11)

4.2 确定定位方案、选择定位原件 (11)

4.3 确定加紧方案、设计夹紧机构 (12)

4.4 确定导向方案和导向元件 (12)

4.5 夹具体设计 (13)

4.6 夹具精度分析 (13)

4.7 绘制夹具装配图，标注有关尺寸和技术要求 (13)

结论 (15)

致谢 (16)

参考文献 (17)

第一章序言

机械制造工艺学课程设计是我们融会大学所学的《机械制造工艺学》、《机械制造装备设计》等知识后，将理论与实践相结合对专业知识的综合运用训练，并且为我们以后做好毕业设计进行一次综合训练和准备。通过机械制造工艺学课程设计，应该得到下述各方面锻炼：

1、能熟练的运用机械制造工艺学的基本理论和夹具设计原理的知识，正确地解决一个零件在加工中的定位，夹紧以及合理制订工艺规程等问题的方法，培养分析问题和解决问题的能力。

2、通过对零件某道工序的夹具设计，学会工艺装备设计的一般方法。通过亲手设计夹具（或量具）的训练，提高结构设计的能力。

3、课程设计过程也是理论联系实际的过程，并学会使用手册、查询相关资料等，增强我们解决工程实际问题的独立工作能力。

第二章零件的分析

2.1 零件的作用

题目所给定的零件是汽车换挡部分的操纵杆支架，它的主要作用是固定操纵杆，使其在行驶过程中牢固可靠。零件上的3-Φ11孔用螺栓固定在底座上，操纵杆用Φ20的定位销固定在支架上，并且在换挡时依靠利用36槽轨迹不会引起偏差。

2.2 零件的工艺分析

操纵杆支架共有4组加工表面，分析如下：

（1）2-Φ20孔，

（2）支架底面

（3）36槽

（4）3-Φ11孔

此零件外形较小，图中除2-Φ20孔，公差要求较严格外，其它加工面公差要求较低，并且无位置度要求，但是为了满足装配性能，根据现场实际，在加工过程中要制定工艺基准，并制定出工艺公差，利用工艺基准来加工后续工序。

第二章工艺规程设计

3.1 确定生产类型

操纵杆支架材料为灰铸铁，牌号HT250，零件年产量为10000件，已达大批生产的水平[1]。

3.2 确定毛坯制造形式

零件的轮廓尺寸不大，故可采用精铸件，这从提高生产率、保证加工精度上考虑也是应该的。

3.3 选择定位基准

定位基准的选择是工艺规程制订中的重要工作，它是工艺路线是否正确合理的前提。正确与合理的选择定位基准，可以确保加工质量，缩短工艺过程，简化工艺装备结构与种类、提高生产率。

（1）粗基准的选择：

对于零件而言，尽可能选择不加工表面为粗基准。而对于有若干个不加工表面的工件，则应以与加工表面要求相对位置精度较高的不加工表面做粗基准。因为铣底面时要保证54±0.5，所以以2-R20外圆表面为粗基准。

（2）精基准的选择：

精基准的选择有利于保证加工精度，并使工件装夹方便。在选择时，主要应该考虑基准重合、基准统一等问题。当设计基准与工序基准不重合时，应该进行尺寸换算。精基准选择为底面及3-Φ11孔。

3.4 选择加工方法

3.4.1 平面的加工

平面的加工方法很多，有车、刨、铣、磨、拉等。对于本支架，底端面的粗糙度要求Ra25um，精度要求较低。故选择端铣加工方式。

3.4.2 孔的加工

孔的加工方式有钻、扩、镗、拉、磨等。对于本支架，3-Φ11的孔为工艺孔，所以选用钻床加工的方式。2-Φ11的孔，由于精度要求较为严格，因此选用立式铣床钻铣加工。

3.4.3 槽的加工

槽的加工方式有铣、磨、电火花等。对于本支架，考虑到经济性的要求，选用铣床加工。

3.5 制订工艺路线

制订工艺路线的出发点，应当是使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求能得到合理的保证。在生产纲领已确定为大批生产的条件下，可以考虑采用万能性机床配以专用工夹具，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。

1）工艺路线方案一

工序Ⅰ钻铣2-Φ20孔。

工序Ⅱ粗精铣底面A。

工序Ⅲ钻底面3-Φ11孔。

工序Ⅳ铣36槽。

工序Ⅴ检查

（2）工艺路线方案二

工序Ⅰ粗精铣底面A。

工序Ⅱ钻底面3-Φ11孔。

工序Ⅲ钻铣2-Φ20孔。

工序Ⅳ铣36槽。

工序Ⅴ检查

（3）工艺路线方案三

工序Ⅰ粗精铣底面A。

工序Ⅱ铣36槽。

工序Ⅲ钻铣2-Φ20孔。

工序Ⅳ钻底面3-Φ11孔。

工序Ⅴ检查

上述三个工艺方案的特点在于：方案一是先加工出2-Φ20孔，再以其为基准，加工出底面，而后以底面为基准，加工底面3-Φ11孔及36槽。方案二是先加工出底面，再以底面为基准，加工出底面3-Φ11孔，2-Φ20孔及36槽，这种方案基准统一。方案三是先加工出底面，再以底面为基准，加工出36槽及2-Φ20孔，最后以36槽与Φ20做定位基准加工3-Φ11孔。三种方案相比较，可以看出，方案一中，先以毛坯底面为粗基准，加工出2-Φ20孔，再以2-Φ20孔为基准加工底面，而后又以底面为基准，加工另外两组尺寸，由于中间变换了定位基准，不利于基准统

一原则。方案二，先加工出底面，后续加工都已底面定位，可以使加工质量得到保证，生产率得以提高。而方案三也存在与方案一同样的弊端。因此，我们选用方案二做为操纵杆支架的加工路线：

工序Ⅰ以两个R20外毛坯面做为粗基准，粗精铣底面A。选用X53立式铣床及专用夹具加工。

工序Ⅱ以底面为基准，侧边采用辅助支撑，加工底面上3-Φ11孔，其中2个孔做为后续工艺定位孔，按工艺尺寸加工。选用Z3040钻床及专用钻模。

工序Ⅲ以一面两销定位，钻铣2-Φ20孔。选用X53立式铣床及专用夹具加工。

工序Ⅳ以底面及2-Φ11孔，一面两销定位，加工36槽。选用X63卧式铣床及专用夹具加工。

工序Ⅴ终检。

3.6 确定加工余量及毛坯尺寸

“操纵杆支架”零件材料为灰铸铁，硬度HB163-229HBW[2]，生产类型为大批生产，采用精铸件毛坯。

根据上述资料及加工工艺，分别确定各加工表面的机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸如下：

（1）底面（A面）

根据《金属机械加工工艺人员手册》表5-5[9]，铸件最大尺寸≦120，确定底面毛坯机械加工余量为3mm。粗精铣一次加工完成到尺寸。

（2）3-Φ11

为工艺孔，加工时按工艺尺寸加工，直接在零件上钻铰完成。

（3）36槽

根据手册表5-5，确定毛坯余量3mm。粗精铣一次完成。

（4）2-Φ20孔

根据手册表5-58，先用钻头钻孔至Φ19，再用Φ20镗刀加工。

3.7 工序设计

3.7.1 选择加工设备

选择加工设备即选择机床类型。由于已经根据零件的形状、精度特点，选择了加工方法，因此机床的类型也随之确定。至于机床的型号，主要取决于现场的设备情况。若零件加工余量较大，加工材料又较硬，有必要校验机床功率。初步

选择各工序机床如下：

1）工序Ⅰ铣底面A：XK7150数控铣床

2）工序Ⅱ加工底面上3-Φ11工艺孔：机床：Z3040钻床

3）工序Ⅲ加工36槽：X63卧式铣床

4）工序Ⅳ钻镗2-Φ20孔：X53立式铣床

3.7.2 选择夹具

对于成批生产的零件，大多采用专用机床家具。在保证加工质量、操作方便、满足高效的前提下，也可部分采用通用家具。本机械加工工艺规程中所有工序均采用了专用机床家具，需专门设计、制造。

3、刀具选择

在操纵杆的加工中，采用了铣、钻、镗、等多种加工方式，与之相对应，初选刀具的情况如下：

1）工序Ⅰ铣底面A：采用成都成量工具有限公司的面铣刀刀柄及立装式立铣刀，刀具直径φ160。刀片材料P/K，型号LZ1282，适用加工材料

为铸铁等。

2）工序Ⅱ加工底面上3-Φ11工艺孔：钻头选取高速钢钻头，直径Φ

10.5，铰刀选取高速钢机用铰刀Φ11H9

3）工序Ⅲ钻镗2-Φ20孔：采用钻镗的形式，先用Φ19高速钢钻头钻出底孔，再用Φ20镗刀精加工。

4）工序Ⅳ加工36槽：选用可调式三面刃铣刀，直径Φ120,刀片767，加工铸铁件。

3.8 确定切削用量和基本时间

工序Ⅰ铣底面A

（1）加工条件

工件材料：HT200，铸件

加工要求：粗精铣底面A。

机床：XK7150数控铣床。

刀具：采用成都成量工具有限公司的面铣刀刀柄及立装式立铣刀，刀具直径φ160。刀片材料P/K，型号LZ1282，适用加工材料为铸铁等。

（2）计算切削用量

毛坯加工余量为3mm左右，根据《组合机床切削用量计算》表9[11]，Vc选

60m/min，f=0.3 mm/r。

（3）确定机床主轴转速

n=VcX1000

πXDc

=60x1000

3.14x160

=119r/min

按机床说明书，与119r/min相近的机床转速为95r/min

所以实际切削速度v=47.728r/min

（4）计算切削工时

t =4.2min

工序Ⅱ以底面为基准，侧边采用辅助支撑，加工底面上3-Φ11工艺孔。

（1）加工条件

工件材料：HT200，铸件。

加工要求：钻铰3-Φ11孔。

机床：Z3040钻床。

刀具：钻头选取高速钢钻头，直径Φ10.5，铰刀选取高速钢机用铰刀Φ11H9

（2）计算切削用量

①先用Φ10.5钻头钻底孔。

根据《组合机床切削用量计算》表1[11]选取f=0.20mm/r,v=20m/min

所以n=1000v

πD

=1000x20

3.14x10.5

=606r/min

按机床选取n=630r/min

实际切削速度v=20.77 m/min

②用Φ11H9铰刀进行铰孔

根据《组合机床切削用量计算》表6,选取f=0.5 mm/r,v=6m/min

所以n=1000v

πD

=1000x6

3.14x11.

=173.7r/min

按机床选取n=200r/min

实际切削速度v=6.9 m/min

（3）计算切削工时

钻削一孔：t= 0.72min

铰削一孔：t= 1.8min

总切削时间：0.72x3+1.8x3=7.5min

工序Ⅳ以一面两销定位，钻镗2-Φ20孔

（1）加工条件

工件材料：HT250，铸件。

加工要求：钻铣2-Φ20孔。

机床：X53立式铣床。

刀具：采用钻镗的形式，先用Φ19高速钢钻头钻出底孔，再用Φ20镗刀精加工。

① 先用Φ18钻头钻底孔

根据《组合机床切削用量计算》表9[11]，选取f=0.2 mm/r,v=40m/min

所以n=1000v

πD

=1000x40

3.14x19.

=670 r/min

按机床选取n=600r/min

实际切削速度v=35.796m/min

②用Φ20成型镗刀进行镗孔

根据《组合机床切削用量计算》选取f=0.15mm/r,v=70m/min

所以n=1000v

πD

=1000x70

3.14x20.

=581r/min

按机床选取n=600 r/min

实际切削速度v=37.68 m/min

（2）计算切削工时

钻削时间：t =2.3 min

铰削时间：t =1.2 min

总切削时间：t=3.5 min

工序Ⅲ以底面及Φ11孔，一面两销定位，加工36槽。

（1）加工条件

工件材料：HT200，铸件。

加工要求：铣36槽。

机床：X63卧式铣床。

刀具：选用可调式三面刃铣刀，直径Φ120,刀片767，加工铸铁件。

（2）计算切削用量

根据《组合机床切削用量计算》表9[11],选取Vc=60m/min,f=0.2 mm/r 确定机床转速

n=VcX1000

πXDc

=60x1000

3.14x120

=159.2r/min

按机床说明书，与212.3 r/min相近的机床转速为150 r/min 所以实际切削速度v=56.52 m/min

（3）计算切削工时，

t=4min

工序Ⅴ检查

第四章夹具设计

4.1 接受设计任务、明确加工要求

本次专用机床夹具设计任务是设计用于操纵杆支架上的两个Φ20孔的钻孔，是专用的钻床夹具，具体设计应以前文的工艺规程和后文的工序卡片为依据，有关零件的功用、工作条件方面可参照零件图样和工艺规程指定部分。由零件和课程设计任务书中能得到的本工序加工要求如下：

（1） 2个Φ20mm孔尺寸公差等级为IT12。

（2） 2个Φ20mm孔表面粗糙度要求为Ra3.2。

（3） 2个Φ20mm孔都为通孔。

（4） 2个Φ20mm孔轴线共线，距工件底面54±0.5mm，距工件后平面19mm。

（5）零件毛坯材料为HT250

（6）产品生产纲领：10000件/年。

了解了上述信息之后，针对设计任务，可同时搜集另一些设计资料，如相应的标准以及有关的计算公式、同类产品或近似产品的夹具图样，有关机床设备的相关尺寸，实现现场中机床设备的位置、空间尺寸等。

4.2 确定定位方案、选择定位原件

在鉆模的设计中，工件得定位方案和定位基准的选择一般应与该工件的机械加工工艺规程一致。若工艺规程中的定位方案与定位基准的选择确有问题时，可重新进行考虑和确定。

有零件图样和该图样的机械加工工艺规程可知，工件上两个Φ20mm孔于工件的底面和后垂直面有距离要求，表明这两个Φ20mm孔的工序基准是工件底面和后垂直面，在定位基准面和定位方案选择上要尽可能以底面和后垂直面为定位基准以避免基准不重合带来的加工误差。

由零件的实际加工情况可知，由于考虑到夹紧方面的因素，工件后垂直面很难用于夹紧。若单独以底面为定位基准只能限制三个自由度，故必须另选择定位基准以满足定位要求。

经综合分析比较，最终决定选择用3-Φ11孔中的两孔作为第二基准，由此可以得到以底面为第一基准限制三个自由度，以3-Φ11孔中的两孔作为第二基准限制三个自由度。

工件的定位是通过定位基准面与定位元件接触来实现的，故定位元件的选择

应与定位方案和工件定位表面相适应。

第一定位基准：工件底面

第二定位基准：3-Φ11孔中的两孔

4.3 确定加紧方案、设计夹紧机构

根据工件的形状特点和定位方案，可采用以下两种加紧方案：一种为手动螺旋夹紧机构，另一种为手动偏心轮夹紧机构。由于零件批量大，为了节约时间和制造成本，现采用偏心轮夹紧的方案较为合适，螺旋夹紧虽有一定优点，但缺点是在拆装过程中用时较多。经过以上分析，最终确定未增力比大，自锁性好的偏心夹紧机构。

为了使夹紧可根据零件毛坯实际情况做出调节，现在夹具上盖与工件接触的面上挖斜槽，并配置相应的斜块，由斜块的深入程度，可调节夹紧力。

在本夹具定位与夹紧方案确定后，现分析夹紧力。扩孔时切削力有两个，一个是主切削力，它形成扭矩；另一个是轴向进给力，它施加给工件侧移力。对于扭矩来说，由于上盖中斜契块的压紧，本身可以承受很强的横向载荷，故没有必要校核扭矩。对于轴向进给里，由底座上两个与3-Φ11孔中的两孔配合的小销，小销本身就与夹具底座刚性连接与一起，类比其他结构可知轴向进给力无法使其发生松动和变形。

4.4 确定导向方案和导向元件

本次加工不仅需要钻孔，还需要对孔进行镗孔进行切削余量为1mm的扩孔，故钻孔精度要求不高，因次采用镗套导向，，这样可以起到减少精加工过程中的震动的作用，由于可换镗套磨损后，可以迅速更换，适用于大批量生产，故选用可换镗套。

可换镗套的具体结构可参考机床夹具手册（[5] 王光斗，王春福，机床夹具设计手册[M]，上海科学技术出版社，2000。）镗套中导向孔的孔径以及其偏差应根据所选取的刀具尺寸来确定。由前文可知本工序采用的是d=18mm的高速钢锥柄麻花钻，由课程设计指导书（[13] 王栋，李大磊，机械制造工艺学课程设计指导书[M]，机械工业出版社，2010。）中表5-67可知Φ18高速钢麻花钻的直径上偏差为0，下偏差为-0.033，此外在本书表5-39可知Φ20机夹单刃镗刀刃长上偏差为0，下偏差为-0. 25。故导向孔基本尺寸为Φ20，由机床夹具手册（[5] 王光斗，王春福，机床夹具设计手册[M]，上海科学技术出版社，2000。）导向孔偏差应取F7，筒套中和衬套配合部分应取公差k6。

钻套和工件之间应该有排屑间隙。由课程设计指导书（[13] 王栋，李大磊，机械制造工艺学课程设计指导书[M]，机械工业出版社，2010。）中表5-68，镗套与工件的间隙距离为h=（0.7~1.5）d=14—30mm，考虑到导向为精镗，单边加工余量仅为1mm，因此h值可适当减小。

4.5 夹具体设计

本夹具主要用来钻工件上2-φ20的孔成，孔加工通，先用Φ19的钻头粗钻后再用Φ20H9的镗刀加工到尺寸。在本道工序加工时，主要应考虑如何提高劳动生产率，降低劳动强度，保证工艺要求孔的尺寸精度、位置精度以及表面粗糙准。

前期方案分析过程中，是将36的毛坯槽定位工件的左右及上下，R12的圆弧定位工件的前后，A面紧贴钻模板使其按要求加工，设计出来的钻模板要保证2-φ20的位置及孔径，还要照顾到毛坯36H12槽的加工余量不至于后序加工不出来。

如前所述，在设计夹具时，应该注意提高劳动生产率。为此，夹具的实用性及劳动强度也要考虑在内。本零件是精铸件，余量较小，切削力不是太大，需要的压紧力也不大，所以没有必要使用气动或液压夹紧，手动压紧就可以满足需要。

夹具上装有钻模板，可使夹具在一批零件的加工之前很好地对刀（与塞尺配合使用）；同时，夹具体底面上的四个腰形槽可使整个夹具在机床工作台上安全加紧，以利于钻削加工。

4.6 夹具精度分析

根据各工序要求，对本工序的定位误差、导向误差进行分析。

（1） 2个φ20孔径尺寸精度，本工序的尺寸精度有扩孔时的镗刀决定其尺寸，此外有镗套进行导正，因此不存在定位误差。

（2） 2个φ20孔深尺寸精度，本工序尺寸因孔为通孔，不存在误差。

4.7 绘制夹具装配图，标注有关尺寸和技术要求

4.7.1 装配图上应标注的尺寸和公差

（1）夹具外形的最大轮廓尺寸：长215mm，宽180mm。

（2）夹具与机床连接部分的尺寸：两耳座中心纵向距离为130mm，横向距离为160mm.

（3）配合尺寸和公差：

镗模板于衬套配合尺寸φ30H7/m6

衬套和钻套配合尺寸φ25F7/k6

φ20轴与底座φ20孔的配合公差φ20F8/h7

φ20轴与连杆φ20孔的配合公差φ20F8/h7

偏心圆柱外伸出杆与连杆的φ12孔的配合公差F8/h7

φ12轴与底座φ12孔的配合公差φ12K7/h6

φ12轴与压盖的φ12孔的配合公差φ12 K7/h6

4.7.2 装配图上技术要求

两个φ20镗模孔同轴度公差为0.05/100。

所有零件在装配前应清洗干净，有运动要求处涂润滑油。

有运动要求处应转动灵活，不得出现卡滞现象。

通过这次毕业设计，使我对零件制造过程、加工工艺和夹具设计都有了更进一步的认识，也加深了对大学中所学基础知识的学习和理解。课程设计是理论联系实际的最有效方法。在具体设计过程中，必须考虑到方方面面的问题，在理论上正确无误的设计，在实际中往往存在各种问题。这样，在设计时就必须考虑所设计的机构是否合理，在实际运用中能否正常工作，而不仅仅考虑理论上的可行性，课程设计使我学会了从实际出发加工零件和设计夹具。

在本次设计中，考虑到零件的加工难易、材料、成本等问题，所选用的零、部件都是操作简单，通用性较强的标准件，从现时以最低的成本实现最先进的加工。但也有不足之处。无论怎样，这次的课程设计使我获益良多，是我在学校的一次答卷，也是我成功迈向社会的第一步。

首先，我要感谢指导课程设计的李永鲜老师。在课程设计中，他给予了很多指导性的意见，并且鼓励我们通过自己来发现错误并改正，让我们真正学到了知道。在他的课堂上也使我受益匪浅，得到了不少对我论文有帮助的知识和想法。

[1] 杨叔子，机械加工工艺师手册[M]，北京：机械工业出版社，2004.

[2] 上海金属切削技术协会，金属切削手册[M]，上海：上海科学技术出版社，2004.

[3] 李洪，机械加工工艺手册[M]，北京：机械工业出版社，1990.

[4] 方昆凡，公差与配合手册[M]，北京：机械工业出版社，1999.

[5] 王光斗，王春福，机床夹具设计手册[M]，上海科学技术出版社，2000.

[6] 东北重型机械学院等，机床夹具设计手册[M]，上海：上海科学技术出版社，1979.

[7] 吴宗泽，机械设计实用手册[M]，北京：化学工业出版社，2000.

[8] 刘文剑，曹天河，赵维，夹具工程师手册[M]，哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，1987.

[9] 上海金属切削技术协会，金属切削手册[M]，上海：上海科学技术出版社，1984.

[10] 周永强，高等学校毕业设计指导[M]，北京：中国建材工业出版社，2002.

[11] 黄如林，切削加工简明实用手册[M]，北京：化学工业出版社，2004.

[12] 余光国，马俊，张兴发，机床夹具设计[M]，重庆：重庆大学出版社，1995.

[13] 王栋，李大磊，机械制造工艺学课程设计指导书[M]，机械工业出版社，2010.

附录1．操纵杆支架零件图