車床支架機(jī)械加工工藝及銑削工序夾具設(shè)計(jì)

陳利兵

摘要：車床支架在車床中主要起支撐作用，承受較大的力，也有定位作用，使零件之間保持正確的位置，車床支架的加工質(zhì)量直接影響車床的使用性能。本文主要研究車床支架機(jī)械加工工藝以及對(duì)銑削工序夾具的設(shè)計(jì)。首先研究了車床支架機(jī)械加工工藝規(guī)程，設(shè)計(jì)了一套的加工工藝路線，并通過計(jì)算證明加工工藝的合理性。對(duì)銑削工序進(jìn)行了夾具設(shè)計(jì)，由于工件上的孔系都要以底面作為基準(zhǔn)加工，故首先得加工出底面，就可以更好地保證孔系的位置和加工精度。最后提供了一套可使用于中批量生產(chǎn)的，經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性均良好的夾具設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：車床支架；加工工藝；銑削工序；夾具設(shè)計(jì)

1. 引言

機(jī)械加工是指通過一種機(jī)械設(shè)備對(duì)工件的外形尺寸或性能進(jìn)行改變的過程。按加工方式上的差別可分為切削加工和壓力加工。機(jī)械制造工藝及夾具的設(shè)計(jì)是以機(jī)械制造中的工藝和工裝設(shè)計(jì)問題為研究對(duì)象的一門應(yīng)用性制造技術(shù)。研究范圍主要是零件的機(jī)械加工及加工過程中工件的裝夾和產(chǎn)品的裝配兩個(gè)方面。

機(jī)械加工工藝是工件或者零件制造加工的步驟，采用機(jī)械加工的方法，直接改變毛坯的形狀、尺寸和表面質(zhì)量等，使其成為零件的過程稱為機(jī)械加工工藝過程。機(jī)械加工工藝就是在流程的基礎(chǔ)上，改變生產(chǎn)對(duì)象的形狀、尺寸、相對(duì)位置和性質(zhì)等，使其成為成品或半成品，是每個(gè)步驟，每個(gè)流程的詳細(xì)說明，比如，粗加工可能包括毛坯制造，打磨等等，精加工可能分為車，鉗工，銑床，等等，每個(gè)步驟就要有詳細(xì)的數(shù)據(jù)了，比如粗糙度要達(dá)到多少，公差要達(dá)到多少。技術(shù)人員根據(jù)產(chǎn)品數(shù)量、設(shè)備條件和工人素質(zhì)等情況，確定采用的工藝過程，并將有關(guān)內(nèi)容寫成工藝文件，這種文件就稱工藝規(guī)程。總的來說，工藝流程是綱領(lǐng)，加工工藝是每個(gè)步驟的詳細(xì)參數(shù)，工藝規(guī)程是某個(gè)廠根據(jù)實(shí)際情況編寫的特定的加工工藝。

機(jī)械制造工藝技術(shù)是在人類生產(chǎn)實(shí)踐中產(chǎn)生并不斷發(fā)展的。在20世紀(jì)50年代生產(chǎn)模式“剛性”為主，以“規(guī)模經(jīng)濟(jì)”實(shí)現(xiàn)降低成本和提高質(zhì)量的目的。在20世紀(jì)80年代，較多地采用數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、柔性制造單元和系統(tǒng)等高技術(shù)的集成來滿足產(chǎn)品個(gè)性話和多樣化的要求，以滿足社會(huì)各消費(fèi)群體的不同要求。從20世紀(jì)90年代開始，機(jī)械制造工藝技術(shù)向著高精度、高效率、高自動(dòng)化發(fā)展。精密加工精度已經(jīng)達(dá)到亞微米級(jí)，而超精密加工已經(jīng)進(jìn)入0.01μm級(jí)。現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品的特點(diǎn)是多品種、更新快、生產(chǎn)周期短。這就要求整個(gè)加工系統(tǒng)及機(jī)械制造工藝向著柔性、高效率、自動(dòng)化方向發(fā)展。

專用夾具是為零件的某一道工序加工而設(shè)計(jì)制造的，在生產(chǎn)過程中它能有效地降低工作時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、并獲得較高的加工精度。其主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括夾具的定位方案、夾緊方案、對(duì)刀方案、夾具體與定位鍵的設(shè)計(jì)及相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算分析。專用夾具有良好的加工精度，針對(duì)性強(qiáng)，主要用于零件的銑槽工序?？梢杂行У臏p少工件加工所需的基本時(shí)間和輔助時(shí)間，大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)力，從而可以有效地減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和提高勞動(dòng)效率。

本文分析了車床支架的特點(diǎn)，并詳細(xì)研究車床支架零件加工工藝分析，制定了一套合理的加工工藝路線。最后以車床支架加工中的銑削工序?yàn)槔齺黻U述如何進(jìn)行加工夾具的分析、設(shè)計(jì)。

2. 工藝規(guī)程設(shè)計(jì)

2.1年生產(chǎn)量和批量的確定

（1）已知生產(chǎn)綱領(lǐng)：2000件/年，

年生產(chǎn)量=生產(chǎn)綱領(lǐng) 每臺(tái)件數(shù) （1%儲(chǔ)備量） （1%廢品率）

=2000×1+20+20=2040件

月產(chǎn)量=年產(chǎn)量/12= 170 件

日產(chǎn)量=月產(chǎn)量/25.5= 170/25.5 =7件

（2）生產(chǎn)類型的確定：查工藝人員手冊(cè)，年產(chǎn)量2000件的屬于中批生產(chǎn)。

考慮到以上的因素，定的批量時(shí)間為2天。

2.2零件分析

（1）零件作用：本零件作為支架用。

（2）零件材料：本零件材料為HT20-40。

（3）零件熱處理要求：由于本零件為鑄件，需要進(jìn)行時(shí)效處理。（4）零件技術(shù)要求：

本零件需加工的表面為：A面、C面、F面、D面、E面、L孔、B孔、G孔、H孔。其中L孔，B孔不但本身尺寸精度、表面粗糙度有較高要求，而且位置精度也有一定要求。（詳細(xì)見工件零件圖）

（1）零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：對(duì)稱性較好。

（2）加工出該工件所用的加工方法主要有：銑削加工，鉆、锪、擴(kuò)、鉸削加工。

（3）零件設(shè)計(jì)基準(zhǔn)：分析得知，其設(shè)計(jì)基準(zhǔn)是 D 面、E面。

2.3毛坯余量和加工余量的確定

（1）毛坯的選擇

由于零件是中批生產(chǎn)，故優(yōu)先考慮鍛、鑄件，可提高生產(chǎn)率，降低成本，又考慮到零件的力學(xué)性能、形狀及大小，故采用鑄件。

（2）毛坯余量和加工余量的確定

加工余量的大小不僅直接影響毛坯尺寸，而且影響到工藝裝備（如鍛模、夾具等）的尺寸，設(shè)備的調(diào)整，切削用量的選擇，材料消耗工藝定額和加工工時(shí)定額等。

毛坯余量的確定：根據(jù)毛坯的鑄造精度，鑄件最大尺寸，該面的公稱尺寸，及該面在砂箱中所處的位置，可由《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊(cè)》中查出。

但在本次設(shè)計(jì)中，毛坯余量由各工序切削余量計(jì)算出。每道工序中切去金屬的厚度就是該道工序的加工余量。加工余量的確定可由《機(jī)械加工余量手冊(cè)》中查出。

加工余量應(yīng)包括：

（1）上工序的表面粗糙度（Ra）

（2）上工序的表面破壞層（Da）

（3）上工序的尺寸公差（Ta）

（4）需要單獨(dú)考慮的誤差（ρa(bǔ)）

（5）本工序的安裝誤差（εb）

圖2.2毛坯綜合圖

實(shí)際生產(chǎn)中的加工余量，很少采用計(jì)算法，而大多是由工廠經(jīng)驗(yàn)估計(jì)和查閱一般的機(jī)械加工手冊(cè)決定，而本工藝規(guī)程加工余量的制定則參照《機(jī)械加工余量手冊(cè)》而定。在本工藝規(guī)程中，鑄件采用機(jī)器造型，木模，精度等級(jí)選7級(jí)，查表12-2表12-3得：毛坯件側(cè)面、頂面的加工余量為4㎜，而底面有4㎜高的一個(gè)臺(tái)階面，考慮鑄造方便，故其底面余量取大一些，使其表面為一平面，底面加工余量為8㎜；孔均為鉆出。根據(jù)以上情況繪制零件—毛坯綜合圖

2.4定位基準(zhǔn)的選擇

（1）粗基準(zhǔn)的選擇：

1）保證工件加工表面相對(duì)于不加工表面具有一定位置精度的原則。

2）合理分配加工余量的原則。

3）便于裝夾的原則。

4）粗基準(zhǔn)不得重復(fù)使用的原則。

（2）精基準(zhǔn)的選擇原則：

1）基準(zhǔn)重合原則；

2）統(tǒng)一基準(zhǔn)原則；

3）互為基準(zhǔn)原則；

4）自為基準(zhǔn)原則。

2.5工藝方案的確定

根據(jù)工件材料性質(zhì)和具體尺寸精度、粗糙度的要求，設(shè)計(jì)了一種工藝路線來達(dá)到加工目的：

工序Ⅰ

以互為基準(zhǔn)原則，

粗銑—半精銑D面

粗銑—半精銑E面

工序Ⅱ

以D面為主要基準(zhǔn)，

粗銑—半精銑F面

粗銑—半精銑—精銑AC1面

粗銑—半精銑—精銑AC2面

工序Ⅲ

以D面為主要基準(zhǔn)，

鉆H孔，锪G孔

工序Ⅳ

以D面為主要基準(zhǔn)，

鉆—擴(kuò)—鉸B孔

工序Ⅴ

以D面為主要基準(zhǔn)，

鉆—擴(kuò)—鉸L孔

工序Ⅵ

清除毛刺

2.6工藝路線的擬定

在擬定工藝路線時(shí)，機(jī)床和工裝的選擇應(yīng)盡量做到合理，經(jīng)濟(jì)，使之與被加工零件的生產(chǎn)類型，加工精度和零件的形狀尺寸相適應(yīng)。

按照加工過程中每道工序的有效功率，選擇工序Ⅰ、工序Ⅱ的加工機(jī)床為：X5032型立式升降臺(tái)銑床。

工序Ⅲ、工序Ⅳ、工序Ⅴ的加工機(jī)床為：Z525立式鉆床。

（2）刀具的選擇

本工藝中銑削的工序都采用YG類硬質(zhì)合金適用于加工鑄鐵、青銅等脆性材料。常用牌號(hào)有：YG3、YG6、YG8等，其中數(shù)字表示Go的含量。

銑刀直徑的選擇：

考慮到機(jī)床功率，切削力矩，銑削效率的影響，

選D=100，細(xì)齒，齒數(shù)Z=10，YG8硬質(zhì)合金面銑刀

工序Ⅱ

選D=160，中齒，齒數(shù)Z=10，YG8硬質(zhì)合金面銑刀

Ⅱ-1-3至Ⅱ-1-8

選D=100，中齒，齒數(shù)Z=6，YG8硬質(zhì)合金面銑刀，

孔加工中刀具的選擇主要根據(jù)被加工孔的直徑大小來選擇。

（3）夾具的選擇

正確設(shè)計(jì)和使用夾具，對(duì)保證加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率、擴(kuò)大機(jī)床使用范圍既減輕勞動(dòng)強(qiáng)度都有重要意義。同時(shí)，使用夾具還有助于工人掌握復(fù)雜或精密零件的加工質(zhì)量及解決較為復(fù)雜的工藝問題等。具體情況見后面的夾具設(shè)計(jì)部分。

（4）量具的選擇

1）量具的選擇應(yīng)做到量具的精度應(yīng)與零件的加工精度相適應(yīng)。

2）量具的量程應(yīng)與被測(cè)零件的尺寸大小相適應(yīng)。

3）量具的類型應(yīng)與被測(cè)表面的性質(zhì)（孔或外圓尺寸還是形狀位置值）、生產(chǎn)類型、生產(chǎn)方式相適應(yīng)。

4）按量具的極限尺寸選擇量?jī)x時(shí)應(yīng)保證：T*K

T—被測(cè)尺寸的公差值（mm）

K—測(cè)量精度系數(shù)

切削用量的確定

（1）比普通機(jī)床的切削用量約低30%，以減少換刀時(shí)間，和機(jī)床調(diào)整次數(shù)，

（2）在服從機(jī)床本身某一參數(shù)下，兼顧同時(shí)工作的不同刀具的合理要求，如孔的一般加工為鉆、擴(kuò)、鉸，鉆孔的v較高，而擴(kuò)、鉸的略低，但由于機(jī)床動(dòng)力頭的運(yùn)動(dòng)是一定的，因而可以適當(dāng)降低鉆頭的v，而擴(kuò)、鉸的可以適當(dāng)增加，以求得最高的生產(chǎn)率。

（3）切削用量的選擇應(yīng)使每道工序的時(shí)間與流水線節(jié)拍相等或小于流水線節(jié)拍，并使各道工序的時(shí)間定額相接近。

（4）機(jī)動(dòng)時(shí)間的工序時(shí)間定額：

1）工序Ⅰ 單件核算時(shí)間

=2.88+0.11=2.99

2）工序Ⅱ 單件核算時(shí)間

=2.84+0.106=2.945

3）工序Ⅲ 單件核算時(shí)間

=1.445+0.044=1.489

4）工序Ⅳ 單件核算時(shí)間

=3.369+0.125=3.494

5）工序Ⅴ 單件核算時(shí)間

=1.288+0.05 =1.338

3 夾具設(shè)計(jì)

夾具是根據(jù)機(jī)床的工藝和結(jié)構(gòu)方案的具體要求而專門設(shè)計(jì)的，它是用于實(shí)現(xiàn)被加工零件的準(zhǔn)確定位、夾壓、刀具的導(dǎo)向，以及裝卸工件時(shí)的限位等作用的。

由于機(jī)床支承元件直接與被加工零件相接觸，因此其尺寸、結(jié)構(gòu)、精度和布置都直接影響被加工零件的精度，其設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下問題：

（1）合理布置定位支承元件，并應(yīng)使夾壓力的各力中心處于定位支承平面內(nèi)。

（2）提高剛度，減小定位支承系統(tǒng)的變形，應(yīng)力求使定位元件不受力。

（3）提高定位支承系統(tǒng)的精度及其元件的耐磨性，一邊長(zhǎng)期保持夾具的定位精度。

（4）夾具體是夾具的最大和最復(fù)雜的元件，而且也是承受符合最大的元件。

3.1 定位基準(zhǔn)的選擇

本夾具是對(duì)銑削工序的設(shè)計(jì)。以前道鑄造工序成型后的表面作為粗基準(zhǔn)，再以加工好的面作為基準(zhǔn)加工另外一個(gè)面。定位元件用于確定工件在夾具中的位置，使工件相對(duì)于刀具及運(yùn)動(dòng)軌跡有一個(gè)正確的位置。

由于車床支架零件在工序一中銑削之間沒有已經(jīng)加工過的表面，因此使用支承釘作為定位元件較為合適，因此，在本設(shè)計(jì)中，分別以三個(gè)支承釘作為工件F面的定位，限制工件x軸旋轉(zhuǎn)、y軸旋轉(zhuǎn)、z向移動(dòng)三個(gè)自由度。

安裝時(shí)，先將工件放在三個(gè)支承釘（消除x軸旋轉(zhuǎn)、y軸旋轉(zhuǎn)、z向移動(dòng)三個(gè)自由度）之上，并靠在右邊的支承釘之上（消除x向移動(dòng)一個(gè)自由度），并由一個(gè)V型架定向（消除z軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)自由度），然后調(diào)節(jié)可調(diào)支承（消除y向移動(dòng)一個(gè)方向自由度）轉(zhuǎn)動(dòng)手柄通過鎖緊螺母動(dòng)作，把工件夾緊，此時(shí)六個(gè)自由度全部消除[13]。

本夾具夾緊方案為利用螺栓、螺母手動(dòng)夾緊。壓板選擇為直壓板，加工兩個(gè)零件時(shí)，為了防止兩工件在長(zhǎng)度尺寸上的誤差，而導(dǎo)致直壓板不能完全壓住兩工件，因此，在壓板兩端設(shè)計(jì)了兩個(gè)浮動(dòng)壓頭，且壓板也螺栓、螺母的連接采用球面墊圈，這樣就能消除兩工件的尺寸誤差。

3.2切削力的計(jì)算

在銑削時(shí)夾緊力產(chǎn)生的力矩，必須滿足《機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)》中所規(guī)定的要求，刀具材料：YG8細(xì)齒硬質(zhì)合金面銑刀

3.3夾緊力的計(jì)算

根據(jù)工件受力切削力、夾緊力的作用情況，找出在加工過程中對(duì)夾緊最不利的瞬間狀態(tài)，按靜力平衡原理計(jì)算出理論夾緊力。最后為保證夾緊可靠，再乘以安全系數(shù)作為實(shí)際所需夾緊力的數(shù)值。即：

安全系數(shù)K可按下式計(jì)算：

式中： 為各種因素的安全系數(shù)，見參考文獻(xiàn)[13]表 可得：

所以

由計(jì)算可知所需實(shí)際夾緊力不是很大，為了使其夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，決定選用手動(dòng)螺旋夾緊機(jī)構(gòu)。

單個(gè)螺旋夾緊時(shí)產(chǎn)生的夾緊力按以下公式計(jì)算：

式中參數(shù)由《機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)》可查得：

其中：

螺旋夾緊力：

易得：

經(jīng)過比較實(shí)際夾緊力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于要求的夾緊力，因此采用該夾緊機(jī)構(gòu)工作是可靠的，可以滿足切削力的要求[14]。

3.5 夾具的經(jīng)濟(jì)性分析

為了提高整個(gè)工藝加工的生產(chǎn)效率，在保證定位夾緊要求和零件的各項(xiàng)技術(shù)要求的前提下，對(duì)于夾具的選擇也要滿足一定的經(jīng)濟(jì)性。

機(jī)床夾具費(fèi)用是工藝成本的組成部分，它直接影響工藝過程的經(jīng)濟(jì)性及產(chǎn)品成本。

一、節(jié)約人工成本的計(jì)算

完成該序在使用夾具前的單件加工時(shí)間t1=10min

夾具后的單件加工時(shí)間=2min

假設(shè)工人的工資為：0.22元/min

則加工單件產(chǎn)品節(jié)約工資為：ΔZ= t1×0.22-t2×0.22

=10×0.22-2×0.22

=1.76元

全年節(jié)約人工成本費(fèi)用S=ΔZ×2040=1.76×2040=3590元

二、夾具的全年費(fèi)用

C=[（1+ AS）/T+ Ay] CZ

式中：AS—專用夾具設(shè)計(jì)系數(shù)，通常取0.5；

Ay—專用夾具使用系數(shù)，一般取專用夾具制造價(jià)格的0.2～0.3，取0.25；

T—專用夾具的使用年限，簡(jiǎn)單夾具T=1年，中等復(fù)雜夾具T=2～3，復(fù)雜夾具T=4～5年，取3年；

—專用夾具的制造價(jià)格，由下式計(jì)算CZ=δQ+tZP

式中：δ—材料的平均價(jià)格（4.5元/kg）

Q—夾具毛坯的重量（25kg）

t—夾具制造工時(shí)（60h）

ZP—工人平均工資（0.22元/ h）

CZ=δQ+tZP

=4.5×25+60×0.22

=125.7元

C=[（1+ AS）/T+ Ay] CZ

=（1+ 0.5）/3+0.25] ×125.7

=94.275元

通過以上分析和計(jì)算，一年節(jié)約了成本約為3496元，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

4總結(jié)

本文首先是對(duì)工件機(jī)械加工工藝規(guī)程的制定，以便在加工工件時(shí)明確加工工藝裝備及設(shè)備等，因此，工件機(jī)械加工工藝規(guī)程的制定是至關(guān)重要的。再次是對(duì)專用夾具的設(shè)計(jì)，在論文老師的細(xì)心指導(dǎo)下，我通過查閱各種關(guān)于專用夾具的設(shè)計(jì)資料，設(shè)計(jì)了銑削工序的專用夾具。對(duì)車床支架的機(jī)械加工工藝及夾具的設(shè)計(jì)，是綜合了大學(xué)里所學(xué)的知識(shí)，是理論與實(shí)際相結(jié)合的一個(gè)成果，制定了一套切實(shí)可行的加工工藝流程和針對(duì)銑削工序的一套較為合理的夾具。

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（作者單位：中國(guó)有色集團(tuán)贊比亞非洲礦業(yè)有限公司）