毕业设计-摇臂零件的工艺分析及夹具设计

摇臂零件的工艺分析及夹具设计

摘要

本次设计的题目为摇臂零件的工艺分析及夹具设计，本篇设计包含了摇臂零

孔件的工艺分析、钻床的夹具设计，重点在于工艺规程卡的编写和钻削mm

14

的钻床夹具设计。在工艺分析中，分析了零件图样、加工工艺方案的确定、工艺过程卡片的填写、机床、刀具、量具、夹具的选择；在夹具设计中，分析了钻床夹具的特点，说明了如何进行定位及定位元件的设计、如何夹紧及夹紧机构的设计。最后以A1图纸画出夹具的总装图，完成关键尺寸的标注。

关键词：摇臂零件，工艺分析，夹具设计

目录

1绪论 (1)

2零件工艺性分析 (2)

2.1零件的总体结构分析 (2)

2.2零件的形状以及尺寸分析 (3)

2.3零件技术条件分析 (4)

2.3.1表面精度 (4)

2.3.2表面间的位置精度 (4)

2.4零件图尺寸标注分析以及基准的确定 (4)

2.4.1选择定位基准的原则 (4)

2.4.2摇臂定位基准的选择 (5)

2.5零件的工艺性分析 (5)

3加工工艺方案的确定 (6)

3.1加工工艺方案的拟定 (6)

3.2加工工艺方案的确定 (7)

3.3重要工序的分析 (9)

3.4工序的阶段划分 (9)

3.4.1工序的划分 (9)

3.4.2工序的安排 (10)

4设备与工艺参数的选择及工艺文件的制定 (11)

4.1毛坯的选择 (11)

4.1.1毛坯的余量 (12)

4.1.2毛坯的技术要求及说明 (12)

4.2机床的选择 (12)

4.3刀具材料的选择 (12)

4.4冷却液的选择 (13)

4.5工艺参数的选择 (14)

4.5.1主轴转速的确定 (16)

4.5.2进给速度的确定 (17)

4.5.3切削时刀具材料应具备的性能 (19)

4.5.4背吃刀具的确定 (20)

4.6量具的选择 (20)

4.7制定工艺文件 (21)

4.8刀具卡 (22)

5钻削 14mm孔的钻模设计 (18)

5.1设计的准备 (25)

5.2方案设计 (25)

5.3确定装夹方案 (28)

5.3.1 工件的夹紧 (28)

5.3.2 斜楔夹紧机构 (32)

6夹具的零部件设计 (37)

6.1钻套的尺寸、公差、材料 (38)

6.2钻模板设计 (38)

6.3支脚设计 (39)

6.4钻模夹具的误差分析 (40)

6.5手柄的设计 (42)

6.6夹具体的设计 (42)

7夹具总体设计步骤 (44)

7.1尺寸确定与工艺要求的标注 (49)

7.2夹具构造特点及原理 (50)

7.3夹具装配图 (50)

8结论 (51)

参考文献 (53)

致谢 (39)

附录 (40)

1 绪论

随着社会生产和科学技术的不断发展，机械产品日趋精密、复杂，人们对机械产品的质量和生产率也提出了越来越高的要求。尤其是航天、军事、造船等领域所需要的零件，精度要求越来越高，形状也越来越复杂，这些零件用普通机床和通用夹具是难以加工的。

数控机床是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的机床，或者说是装备了数控系统的机床。它是一种技术密集度及自动化程度很高的机电一体化加工设备是数控技术与机床相结合的产物。

数控加工则是根据被加工零件的图样和工艺要求，编制出以数码表示的程序，输入到机床的数控装置或控制计算机中，以控制工件和刀具的相对运动，使之加工出合格工件的一种加工方法。在数控加工过程中，如果数控机床是硬件的话，数控工艺和数控程序就相当于软件，两者缺一不可。数控加工工艺是伴随着数控机床的产生、发展而逐步完善的一种应用技术。实现数控加工，编程是关键。编程前必须要做好必要的准备工作，编程后还要进行必要的善后处理工作。严格来说，数控编程也属于数控加工工艺的范畴。

对于一个零件的加工来说，首先进行工艺分析后，然后制定出工艺规程卡，也就是要按工艺规程顺序进行加工。加工中除了需要机床、刀具、量具之外，还需要机床夹具。它们是机床和工件之间的连接装置，使工件相对于机床或刀具获得正确的位置。机床夹具的好坏将直接影响工件加工表面的位置精度，所以夹具设计是装配设计中一项重要的工作，是加工过程中最活跃的因素之一。

机床夹具包括通用夹具，专用夹具，可调整夹具和成组夹具，组合夹具和随行夹具，本篇设计的主要是立式钻床在钻削摇臂零件 14mm孔的专用夹具，它是针对某一工件某一工序的加工要求而专门设计和制造的夹具。其特点是针对性强，没有通用性。产品相对稳定，批量较大的生产中，常用各种专用夹具，可获得较高的生产效率和加工精度，同时降低了劳动强度，提高了机

1

床的适用范围。

机床夹具设计涉及到多个领域的知识，涉及最多的是机械设计，机械设计本身受到各方面的限制，在一定的限制中要求有最合理的设计思想，最合理的设计结果，达到人们所渴望的要求，满足生产的需要。设计要有创新还要易于实现，因此设计要从实际出发，围绕着实际的问题而进行。

2 零件工艺性分析

2.1零件的总体结构分析

从图2-1可以看出，摇臂是由铸铁经铣削、钻削等手段加工而成的零件。总体看来，整体的精度要求并不是很高，零件的

2

3

表面粗糙度的要求也不是很高。

图2-1摇臂零件

2.2零件的形状以及尺寸分析

零件左边孔的尺寸为φ20H7，并且加工出半径为2mm 的倒角，和一个锥度为1：8的锥孔，表面粗糙度无特殊要求，零件右边有一个为φ31H7的一个通孔，是后续加工孔的一个定向位置公差（垂直度）的基准孔，距φ31H7孔02

.025.20-mm 处有一个垂直于

φ31H7孔且公称尺寸为φ14mm的孔，其表面粗糙度为6.3μm，摇臂左右两端的前后平面、右端的左右两侧面及开口槽，都是该零件的加工内容，具体见图2-1所示。

2.3零件技术条件分析

2.3.1表面精度

总体看来摇臂的表面精度要求不是很高，整个零件的强度也不是很高。端面粗糙度是该零件要求最高的可达到3.2μm,φ14mm 的孔粗糙度为6.5μm，其余表面的粗糙度都是12.5μm。

2.3.2表面间的位置精度

在零件加工过程中φ31H7的孔中线为加工φ14mm孔中线表面间的位置精度基准，与φ14mm孔要保持一定的垂直度，垂直度误差不得超过0.15μm。

2.4零件图尺寸标注分析以及基准的确定

2.4.1选择定位基准的原则

（1）尽量选择零件上的设计基准作为定位基准。

（2）当零件的定位基准与设计基准不能重合，且加工面与其设计基准又不能在一次安装内同时加工时，应认真分析零件图纸，确定该零件设计基准的设计功能，通过尺寸链的计算，严格规定定位基准与设计基准间的公差范围，确保加工精度。

（3）当在加工中心上无法同时完成包括设计基准在内的全部表面加工时，要考虑所选基准定位后，一次装夹能够完成全部关键精度部位的加工。

（4）定位基准的选择要保证完成尽可能多的加工内容。

（5）若批量加工时，零件定位基准应尽可能与建立工件坐标系的对刀基准（对刀后，工件坐标系原点与定位基准间的尺寸为定值）重合。

4

5

（6）必须多次安装时应遵循从基准统一原则。 2.4.2摇臂定位基准的选择

如零件图2-1尺寸标注所示，中心线为工序基准，将摇臂左边φ20H7的孔确定后，以后的工序中孔的位置，成型面的位置都是以大圆端面为工序基准确定的，而孔的深度，沿轴线的两切面等都是以轴线为设计基准的。以加工后工件的加工孔的定位尺寸为16±0.01mm 、02.025.20-mm ，被加工孔φ14mm 与φ20H7孔需要保持位置关系。 2.5零件的工艺性分析

零件中主要是孔的加工和平面的加工，通过以上对零件的分析，加工φ14mm 和φ31H7孔时工件与夹具所产生的总重力超过了150N ，宜采用摇臂钻床或立式钻床，由于该工件是中批量生产，则采用立式钻床；为提高生产效率，在加工平面φ20H7的倒角及锥孔时，普通机床难以实现，宜采用用数控铣床或加工中心进行铣削加工，并辅以专用夹具进行加工。

3 加工工艺方案的确定

3.1加工工艺方案的拟定

由上面的零件结构分析可知：主要包括通孔、锥孔、倒角、平面、及开口槽。以已加工表面为定位基准面，再综合其他精

6

度要求和一些细节问题可以初步确定如下二个方案：

方案一：铣摇臂左端下平面铣左端上平面钻φ20H7孔铣φ20H7孔倒角铣左端上平面铣1：8的锥孔铣右端下平面铣右端上平面右末端左右两平面粗铣开口槽精铣开口槽钻φ14mm中心孔钻φ14mm孔。

方案二：铣摇臂左右两端上端平面铣摇臂左右两端下平面铣1：8锥度钻φ31H7中心孔扩φ31H7孔粗镗φ31H7孔精镗φ31H7孔粗铣倒角精铣倒角粗铣右末端左右两平面精铣右末端左右两平面粗铣开口槽精铣开口槽钻φ14mm中心孔钻φ14mm孔。

3.2加工工艺方案的确定

分析：在具有良好冷却系统的数控机床上，对于毛坯质量高、加工余量较小、加工精度要求不高或新产品试制等单件的零件，也可把粗、精加工合并进行，对于该零件，毛胚是铸造结构，平面几乎只有3mm左右的余量，所以在加工左右两端上下平面的时候，可把粗精加工放在一起；在零件开口槽、倒角、锥孔处，毛胚是封闭的，所以应在铣开口槽、倒角、锥度的时候，把粗精加工应划分成两道工序分别完成：钻削孔的时候，要先钻中心孔，以确定孔位置的准确性。

方案一的具体分析如下：

第一次装夹：铣左端下平面，使之成为铣左端上平面的定位基准面。刀具选择φ20mm的端铣刀，在专用夹具上装夹，在数控铣床上加工。

第二次装夹：以铣后的下平面为定位基准面，铣左端上平面，再钻φ20H7孔，铣φ20H7孔倒角。铣平面选用φ20mm的端铣刀，钻孔采用φ20mm麻花钻，倒角选用φ12mm的立铣刀，用专用夹具装夹，为减少装卸次数在加工中心上加工。

第三次装夹：铣右端下平面使之成为铣右端上平面的定位基准面。刀具选择φ20mm的端铣刀，用专用夹具装夹，在数控铣床上加工。

7

第四次装夹：以铣后的右端下面为定位基准面铣右端上平面。刀具选择φ20mm的端铣刀，用专用夹具定位夹紧，在数控铣床上加工。

第五次装夹：铣摇臂左端1：8锥孔，用φ12mm的立铣刀，用专用夹具上定位夹紧，由于加工内容单一，机床选用数控铣床。

第六次装夹：铣右末端左右两个平面及开口槽，刀具选择φ12mm的立铣刀和φ6mm的立铣刀，在铣开口槽时要把粗精加工分开安排为两次工步，在专用夹具上装夹，为减少装夹次数，采取两次换刀，在加工中心上加工。

第七次装夹：钻削钻φ14mm孔的中心孔，选用A5mm的中心钻在专用夹具上定位装夹，机床选用立式钻床。

第八次装夹：钻φ14mm孔，选用φ14mm的麻花钻在专用夹具上定位装夹。机床采用立式钻床。

优点：遵循了先面后孔的原则，在一定程度上也能提高生产率。

缺点：工序分布太散，没有必要先钻削的孔，再进行倒角，铣锥度，还有单独钻削的孔，定位更准确，同时加工的精度也更高

方案二的具体分析：

第一次装夹：铣摇臂左右端上平面，使之成为铣左右两端下平面的定位基准面。刀具选择φ20mm的端铣刀，在专用夹具上装夹，在数控铣床上加工。

第二次装夹：以铣削后的上平面作为定位基准面，铣削摇臂左右端下平面，刀具选择φ20mm的端铣刀；铣摇臂左端1：8锥孔，用φ10mm的锥度铣刀；钻φ31H7中心孔，扩φ31H7孔，再粗镗φ31H7孔，最后精镗φ31H7孔，用的A5mm的中心钻、φ20mm的扩孔钻φ31mm的镗刀。在专用夹具上装夹，为减少装卸次数采取5次换刀，在加工中心上加工。

第三次装夹：以摇臂左端下平面为定位基准面，铣C2的倒角，刀具选择φ12mm的球头铣刀，在专用的夹具上定位装夹，由于加工内容单一，故选择数控铣床进行加工。

第四次装夹：铣右末端左右两个侧面及开口槽，刀具选择φ12mm的立铣刀和φ6mm的立铣刀。在专用夹具上装夹，为减少装

8

夹次数，采取两次换刀，在加工中心上加工。

第五次装夹：钻削钻φ14mm孔的中心孔，选用A5mm的中心钻在专用夹具上定位装夹，机床选用立式钻床。

第六次装夹：钻φ14mm孔，选用φ14mm的麻花钻在专用夹具上定位装夹。机床采用立式钻床。

优点：

（1）满足先面后孔的原则。

（2）先钻中心孔在钻孔定位准确，能提高孔的加工精度。

（3）基准先行，定位准确，提高了工作精度要求。

（4）在方案一的基础上加工次序安排合理，工序集中，减少了装夹次数，也就减少了工件加工的工时，同时还可以少用几台数控设备，大大的降低了生产成本以及生产周期。

综上所述，虽然两种方案都能加工出工件，但是综合比较后，方案二比方案一更合理，故选择方案二进行加工。

3.3重要工序的分析

（1）先铣摇臂左端前侧平面使之成为后续加工的定位基准面。

（2）首先铣削φ20H7的孔，使之成为后续铣削加工φ31H7孔的基准孔，以保证两孔的轴线位置精度，再钻削φ14mm的孔，使前面加工的两个孔成为它的定位基准孔，φ20H7的孔是第一个标准孔，故不需要钻中心孔进行定位。在钻削φ14mm孔时，为了保证位置精度，故需要钻中心孔，使它们之间相互保持位置关系，同时也方便加工φ14mm孔的钻模的定位设计。

3.4工序的阶段划分

3.4.1工序的划分

（1）以一次安装作为一道工序。

（2）以粗、精加工划分工序。

9

（3）以同一把刀具加工的内容划分工序。

（4）以加工部位划分工序。

3.4.2工序的安排

工序通常包括切削加工工序、热处理工序和辅助工序等，工序安排得科学与否将直接影响到零件的加工质量、生产效率和加工的成本。切削加工工序通常按以下原则安排。

（1）先粗后精。

（2）基准面先行原则。

（3）先面后孔。

（4）先主后次。

在加工中心上加工零件，一般都有多个工步，使用多把刀具，因此加工顺序安排得是否合理，直接影响到刀具数量，加工精度，加工效率和经济效益。在安排加工顺序时同样要遵循“基准先行”、“先粗后精”及“先面后孔“的一般工艺原则。此外还应考虑：

1）减少换刀次数，节省辅助时间。

2）每道工序尽量减少刀具的空行程移动量，按最短路线安排加工表面的加工顺序。

对于该零件主要是各个孔之间的位置关系，平面的配合要求不高，所以孔是加工的重点内容。

对于1:8锥孔及倒角的加工：先钻φ20mm的孔，再对锥孔及倒角进行铣削加工；对于φ14mm孔的加工：需先钻中心孔再用φ14mm 麻花钻来钻削加工以保证孔与孔之间的位置精度；对于各平面的加工：因各平面余量均只有3mm左右，所以把粗、精铣安排成一道工序，粗铣即可达到加工要求。

10

4 设备与工艺参数的选择及工艺文件的制定

4.1毛坯的选择

毛坯的尺寸、形状、材料选择是根据所要加工零件的形状、尺寸、工作条件、状态、生产类型等诸多因素决定的。由于零件的基本外形并不规则，且生产类型是批量生产，为了保证高生产率，毛坯可以选择铸造结构，除了避免了材料的浪费又能节省

11

加工的工时，以便于进行连续加工，避免装卸麻烦，耽误时间。综合经济性考虑，选择HT200。

4.1.1毛坯的余量

毛坯为铸铁，在摇臂前后两端面各留有宽3mm的余量开口槽处是一个封闭的整体，为了保证孔之间的位置精度，每个孔都不预铸孔。

4.1.2毛坯的技术要求及说明

1）铸件表面应去除毛刺、披缝结构瘤和粘沙等，不应有裂纹、沙眼和局部疏松、多针孔及夹渣缺陷。

2）去除锐边毛刺。

4.2机床的选择

机床的选择见表4-1所示。

表4-1机床主要参数表

4.3刀具材料的选择

对于数控加工，刀具材料也是很重要的一个方面，刀具材料主要是指刀具切削部分的材料。刀具材料可以决定一个零件加工的质量、精度和加工效率，加工工序相对集中及零件装夹次数少等要求数控机床对所用的刀具有许多性能上的要求。只有达到这些要求才能使数控机床真正发挥效率。在数控机床所使用的刀具就具有以下特点：

（1）刀具应有很高的切削性能。

（2）刀具应有很高的精度和重复定位精度。

12

（3）刀具应有很高的可靠性和耐用度。

（4）能实现刀具尺寸的预调和快速换刀。

（5）应具有一个比较完善的工艺系统。

（6）建立刀具管理系统。

（7）应有刀具在线监控及尺寸补偿系统。

而常用的刀具材料主要是高速钢和硬质合金。

高速钢是在合金工具钢种加入较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。它具有较高的强度、韧性和耐热性，是目前应用最广泛的刀具材料。而硬质合金是由硬度和熔点都很高的碳化物，用Co、Mo、Ni作黏结剂烧结而成的粉末冶金制品。其常温硬度可达78-82HRC，能耐850-1000度的高温，切削速度比高速钢高4-10倍，但其冲击韧性与抗弯强度远比高速钢差。

考虑到各种原因，在铣削平面时，刀具选择硬质合金材质；钻削选用高速钢材质。

对于铣削加工来说数控机床的一次性投资是很高的，而这些先进设备的效率能否发挥出来，在一定程度上取决于刀具及其性能的好坏。随着制造技术的发展，开发大量新的工刀具材料对提高切削加工的效率起着决定性的作用。

4.4冷却液的选择

切削液是为提高切削加工效率而使用的液体。它可以有效地减小摩擦，改善散热条件，从而降低切削力、切削温度和减少刀具磨损，提高生产率和加工表面质量。切削液具有冷却、润滑、清洁和防锈的作用，常用的切削液分为水溶液、乳化液和切削油三种。

（1）水溶液它的导热性好，冷却效果好。但单纯的水溶液使金属生锈，润滑性能也差。所以常在水溶液中加入一定量的添加剂，如活性物质和油性添加剂等，使其既具有良好的防腐性能和润滑性能。

（2）乳化液乳化液是将乳化油（由矿物油和表面活性剂配成）用95%～98%的水稀释而成，呈乳白色或半透明状的液体，

13

它具有良好的冷却作用，但润滑、防腐性能较差。常再加入一定量的油性、极压添加剂和防锈添加剂，配制成极压乳化液或防锈乳化液。

（3）切削油切削油的主要成分是矿物油（如机械油、轻柴油、煤油等）和动植物油。纯矿物油不能在摩擦界面形成坚固的润滑膜，润滑效果较差。实际使用中，常加入油性添加剂、极压添加剂和防锈添加剂，以提高其润滑和防锈的作用，对于提高零件表面的加工质量有重要作用。

切削有色金属和铜、铝合金时，为了得到较高的表面质量和精度，可采用10%～20%的乳化液、煤油或煤油与矿物油的混合物。

综上所述，出于毛坯材料和刀具材料的考虑该零件的加工选用切削油。

4.5工艺参数的选择

编程时必须首先确定每道工序的切削用量，然后根据公式计算出各个参数，并把这些数值以指令的形式写入程序中。

切削用量包括主轴转速背吃刀量及进给速度，对于不同的加工方法需要选用不同的切削用量。切削用量的选择原则是：保证零件加工精度和表面粗糙度；充分发挥刀具切削性能；保证合理的刀具耐用度，并充分发挥机床的性能最大限度地提高生产率降低成本。常用铣削参数术语和公式查表4-2。影响切削用量的因素包括：

（1）机床机床刚性、最大转速、进给速度等；

（2）刀具刀具长度、刃长、刀具刃口、刀具材料、刀具齿数、刀具直径等；

（3）工件毛坯材质、热处理性能等；

（4）装夹方式压板、台钳、托盘等；

（5）冷却情况油冷、气冷、水冷等。

表4-2铣削切削参数计算公式一览表

14

15

说明：p a ：切削深度（mm ）；e ：切削宽度（mm ）；c ：切削直径（mm ）； n Z ：刀具上切削刃总数（个）；d ：R 角立铣刀刀角圆直径（mm ）。

因此本设计的切削用量等设计全部都根据公式计算，选用最佳的参数进行加工。

16

4.5.1主轴转速的确定

主轴转速应根据允许的切削速度和工件的（或刀具）的直径来选择，其计算公式为：

D V n c π1000= （4-1）

式中：

c V —切削速度，单位为m/min 由刀具的耐用度决定；

N —主轴的转速，单位为r/min ；

D —刀具的直径或工件的直径，单位为mm 。

计算的主轴转速n 最后要根据机床说明书选取机床有的或较接近的转速。 由于每把刀计算方式相同，现选取铣削用到的四把刀具为例说明其计算过程。

根据切削原理可知，切削速度的高低主要取决于被加工零件的精度、材料、刀具的材料和刀具的耐用度等因素，由表4-4选取，切削速度m in /)150~66(m V c =

由 1000

Dn

V c π=

得 C

V D

n 1000π=

把参数带入公式中

（1）选择φ20的端铣刀：min /)2388~1050(r n = （2）选择φ12的立铣刀：min /)3981~1751(r n = （3）选择φ10锥度铣刀：min /)4777~2101(r n = （4）选择φ6的立铣刀：min /)7962~3503(r n =

从理论上将，c V 的值越大越好，因为这不仅可以提高生产率，而且可以避免生成积屑瘤的临界速度，获得较低的表面粗糙

17

度值。但实际上由于机床、刀具等的限制，综合考虑，根据上述公式和机床具体的转速选取范围。

（1）铣平面时，用的是φ20端铣刀，参数选择：min r 1500=粗n ，min r 2000n =精； （2）倒角时，用的是φ12的球头铣刀，参数选择：min r 400=粗n ，min r 800n =精； （3）铣锥度时，用的是φ10锥度铣刀，参数选择：min /2500r n =粗，min r 4000n =精。 具体得出主轴转速见附录1工序卡。

4.5.2进给速度的确定

进给速度f V 是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。最大进给速度受机床刚度和进给系统的性能限制。