上海电 上海电机学院 毕业设计(论文) 毕业设计(论文)开题报告

三拐曲轴加 课题名称 三拐曲轴加工工艺及专用夹具设计 学 专 班 学 姓 院 业 级 号 名 机械学院机械设计制造及其自动化 BJ0801 BJ0801 081002050121 茅炜鑫 汪惠群

指导教师

定稿日期： 2011 年 12 月 8 日 定稿日期：

基于UG的三拐曲轴工加工艺及夹具设计 1 选题背景及其意义

夹具是工艺装备的主要组成部分，在机械制造中占有重要地位，夹具对保证产品质量，提高生产率，减轻劳动强度，缩短产品生产周期等都具有重要意义。所以在加工前需要对其进行工艺分析以及专用夹具的设计。

合理的机械加工工艺能实现产品的设计，保证产品质量、节约能源、降低成本，是企业进行生产准备，计划调度、加工操作、生产安全、技术检测等的重要依据。然而夹具又是制造系统的重要组成部分。好的夹具设计可以提高产品劳动生产率，保证和提高加工精度，降低生产成本等，还可以扩大机床的使用范围，从而使产品在保证精度的前提下提高效率、降低成本。通过此次毕业设计，提高学生综合运用所学专业知识解决生产实际问题的能力，为今后适应工作岗位的需要打下坚实的基础。

三拐曲轴加工工艺及夹具毕业设计是对所学专业知识的一次巩固，是在进行社会实践之前对所学各课程的一次深入的综合性的总复习，也是理论联系实际的训练。本次设计加工工艺中，箱体是属于特殊结构零件，所以毛坯采用铸造成型，然后才做工艺过程设计和工序设计。。

此次毕业设计的目的是培养学生运用机械制造工艺学及有关课程的知识，结合生产实习中实践知识，独立地分析和解决工艺问题，初步具备设计一个零件的工艺规程的能力。我们还能学会拟定夹具设计方案，完成夹具结构设计，提高结构设计能力。如图1.1为本次毕业设计的三拐曲轴的建模。

图1.1 三拐曲轴（此图要更换！）

2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势）

2.1 夹具的概述

机械制造过程中用来固定加工对象，使之占有正确的位置，以接受施工或检测的装置。又称卡具。从广义上说，在工艺过程中的任何工序，用来迅速、方便、安全地安装工件的装置，都可称为夹具。例如焊接夹具、检验夹具、装配夹具、机床夹具等。其中机床夹具最为常见，常简称为夹具 。在机床上加工工件时，为使工件的表面能达到图纸规定的尺寸、几何形状以及与其他表面的相互位置精度等技术要求 ，加工前必须将工件装好（定位）、夹牢（夹紧）。夹具通常由定位元件（确定工件在夹具中的正确位置）、夹紧装置 、对刀引导元件(确定刀具与工件的相对位置或导引刀具方向)、分度装置（使工件在一次安装中能完成数个工位的加工，有回转分度装置和直线移动分度装置两类）、连接元件以及夹具体（夹具底座）等组成。

2.2 机床夹具的现状

国际生产研究协会的统计表明，目前中、小批多品种生产的工件品种已占工件种类总数的85％左右。 现代生产要求企业所制造的产品品种经常更新换代，以适应市场的需求与竞争。然而，一般企业都仍习惯于大量采用传统的专用夹具，一般在具有中等生产能力的工厂里，约拥有数千甚至近万套专用夹具；另一方面，在多品种生产的企业中，每隔3~4年就要更新50~80％左右专用夹具，而夹具的实际磨损量仅为10~20％左右。

特别是近年来，数控机床、加工中心、成组技术、柔性制造系统（fms）等新加工技术的应用，对机床夹具提出了如下新的要求：、

1）能迅速而方便地装备新产品的投产，以缩短生产准备周期，降低生产成本；

2）能装夹一组具有相似性特征的工件；

3）能适用于精密加工的高精度机床夹具；

4）能适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具；

5）采用以液压站等为动力源的高效夹紧装置，以进一步减轻劳动强度和提高劳动生产率；

6）提高机床夹具的标准化程度。

2.3．现代机床夹具的发展方向

现代机床夹具的发展方向主要表现为标准化、精密化、高效化和柔性化等四个方面。

（1）标准化机床夹具的标准化与通用化是相互联系的两个方面。目前我国已有夹具零件及部件的国家标准：gb/t2148~t2259－91以及各类通用夹具、组合夹具标准等。机床夹具的标准化，有利于夹具的商品化生产，有利于缩短生产准备周期，降低生产总成本。

（2）高效化高效化夹具主要用来减少工件加工的基本时间和辅助时间，以提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度。常见的高效化夹具有自动化夹具、高速化夹具和具有夹紧力装置的夹具等。例如，在铣床上使用电动虎钳装夹工件，效率可提高5倍左右；在车床上使用高速三爪自定心卡盘，可保证卡爪在试验转速为9000r/min的条件下仍能牢固地夹紧工件，从而使切削速度大幅度提高。目前，除了在生产流水线、自动线配置相应的高效、自动化夹具外，在数控机床上，尤其在加工中心上出现了各种自动装夹工件的夹具以及自动更换夹具的装置，充分发挥了数控机床的效率。

（3）精密化随着机械产品精度的日益提高，势必相应提高了对夹具的精度要求。精密化夹具的结构类型很多，例如用于精密分度的多齿盘，其分度精度可达±0.1'；用于精密车削的高精度三爪自定心卡盘，其定心精度为5μm。

（4）柔性化机床夹具的柔性化与机床的柔性化相似，它是指机床夹具通过调整、组合等方式，以适应工艺可变因素的能力。工艺的可变因素主要有：工序特征、生产批量、工件的形状和尺寸等。具有柔性化特征的新型夹具种类主要有：组合夹具、通用可调夹具、成组夹具、模块化夹具、数控夹具等。为适应现代机械工业多品种、中小批量生产的需要，扩大夹具的柔性化程度，改变专用夹具的不可拆结构为可拆结构，发展可调夹具结构，将是当前夹具发展的主要方向。

3 研究内容

3.1 工艺编制原理

机械加工工艺规程包括以下内容：工件加工的工艺路线、各工序的具体内容以及所用的设备和工艺装备、工件的检验项目及检验方法、切削用量、时间定额等。

切削用量主要包括：最大切深、切削速度、转速以及进给量。

时间定额主要包括：基本时间、辅助时间、单间时间以及其他时间的计算。

所用设备和工艺装备主要指的是：加工中所用的刀具、量具以及机械加工装备，如铣床、镗床、钻床等。

在整个工艺编排顺序过程中，要遵循先粗后精、先主后次、先面后孔、基准先行的

“16字方针”。

3.2 轴类零件的功用、结构特点及技术要求

轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。它主要用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷。轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径，一般由同心轴的外圆柱面、圆锥面、内孔和螺纹及相应的端面所组成。根据结构形状的不同，轴类零件可分为光轴、阶梯轴、空心轴和曲轴等。

轴的长径比小于5的称为短轴，大于20的称为细长轴，大多数轴介于两者之间。 轴用轴承支承，与轴承配合的轴段称为轴颈。轴颈是轴的装配基准，它们的精度和表面质量一般要求较高，其技术要求一般根据轴的主要功用和工作条件制定，通常有以下几项：

(1)尺寸精度

起支承作用的轴颈为了确定轴的位置，通常对其尺寸精度要求较高（IT5～IT7）。装配传动件的轴颈尺寸精度一般要求较低（IT6～IT9）。

(2)几何形状精度

轴类零件的几何形状精度主要是指轴颈、外锥面、莫氏锥孔等的圆度、圆柱度等，一般应将其公差限制在尺寸公差范围内。对精度要求较高的内外圆表面，应在图纸上标注其允许偏差。

(3)相互位置精度

轴类零件的位置精度要求主要是由轴在机械中的位置和功用决定的。通常应保证装配传动件的轴颈对支承轴颈的同轴度要求，否则会影响传动件（齿轮等）的传动精度，并产生噪声。普通精度的轴，其配合轴段对支承轴颈的径向跳动一般为0.01～0.03mm，高精度轴（如主轴）通常为0.001～0.005mm。

(4)表面粗糙度

一般与传动件相配合的轴径表面粗糙度为Ra2.5～0.63μm，与轴承相配合的支承轴径的表面粗糙度为Ra0.63～0.16μm。

3.2 轴类零件的毛坯和材料

(1)轴类零件的毛坯

轴类零件可根据使用要求、生产类型、设备条件及结构，选用棒料、锻件等毛坯形式。对于外圆直径相差不大的轴，一般以棒料为主；而对于外圆直径相差大的阶梯轴或重要的轴，常选用锻件，这样既节约材料又减少机械加工的工作量，还可改善机械性能。 根据生产规模的不同，毛坯的锻造方式有自由锻和模锻两种。中小批生产多采用自由锻，大批大量生产时采用模锻。

(2)轴类零件的材料

轴类零件应根据不同的工作条件和使用要求选用不同的材料并采用不同的热处理规范（如调质、正火、淬火等），以获得一定的强度、韧性和耐磨性。

45钢是轴类零件的常用材料，它价格便宜经过调质（或正火）后，可得到较好的切削

性能，而且能获得较高的强度和韧性等综合机械性能，淬火后表面硬度可达45～52HRC。 40Cr等合金结构钢适用于中等精度而转速较高的轴类零件，这类钢经调质和淬火后，具有较好的综合机械性能。

轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn，经调质和表面高频淬火后，表面硬度可达50～58HRC，并具有较高的耐疲劳性能和较好的耐磨性能，可制造较高精度的轴。

精密机床的主轴（例如磨床砂轮轴、坐标镗床主轴）可选用38CrMoAIA氮化钢。这种钢经调质和表面氮化后，不仅能获得很高的表面硬度，而且能保持较软的芯部，因此耐冲击韧性好。与渗碳淬火钢比较，它有热处理变形很小，硬度更高的特性。

3.4 工件定位的形式

（1）完全定位：用六个合理布置的定位支承点限制工件的六个自由度。

（2）不完全定位：工件被限制的自由度少于六个，但能满足加工技术要求的定位形式。

（3）过定位：两个或两个以上的定位支承点同时限制工件的同一个自由度的定位形式。

（4）欠定位：根据加工要求应限制的自由度没有被限制。

一般，欠定位的形式是不允许出现的，因为其不能保证工件的加工技术要求。

3.5 夹紧装置的组成

（1）动力源装置。分为手动夹紧和机动夹紧两种。手动加紧费时费力，大批量生产中一般都采用机动夹紧。

（2）传力机构。传力机构作用：改变作用力的大小和方向，具有一定的自锁性能。

（3）夹紧元件。

3.6 夹紧装置的设计原则

工件不移动原则、工件不变形原则、工件不振动原则、安全可靠原则以及经济实用原则。

3.7 确定夹紧力基本原则

夹紧力的确定包括：夹紧力的方向、作用点和大小三个要素。

（1）夹紧力的方向

夹紧力的方向应朝向主要定位基准面，有助于定位稳定。

夹紧力的方向应有利于减小夹紧力，以减小工件的变形、减轻劳动强度。

夹紧力的方向应是工件刚性较好的方向。

（2）夹紧力作用点

夹紧力的作用点应落在定位元件的支承范围内，并尽可能是夹紧点与支承点对应，使夹紧力作用在支承上。

夹紧力的作用点应选在工件刚性较好的部位。

夹紧力的作用点应尽量靠近加工表面，以防止工件产生振动和变形，提高定位

的稳定性和可靠性。

3.8 曲轴零件工艺特点

对于7级精度、表面粗糙度Ra0.8～0.4μm的一般传动轴，其典型工艺路线是：正火－车端面钻中心孔－粗车各表面－精车各表面－铣花键、键槽－热处理－修研中心孔－粗磨外圆－精磨外圆－检验。

轴类零件一般采用中心孔作为定位基准，以实现基准统一的方案。在单件小批生产中钻中心孔工序常在普通车床上进行。在大批量生产中常在铣端面钻中心孔专用机床上进行。

中心孔是轴类零件加工全过程中使用的定位基准，其质量对加工精度有着重大影响。所以必须安排修研中心孔工序。修研中心孔一般在车床上用金刚石或硬质合金顶尖加压进行。

对于空心轴（如机床主轴），为了能使用顶尖孔定位，一般均采用带顶尖孔的锥套心轴或锥堵。若外圆和锥孔需反复多次、互为基准进行加工，则在重装锥堵或心轴时，必须按外圆找正或重新修磨中心孔。

轴上的花键、键槽等次要表面的加工，一般安排在外圆精车之后，磨削之前进行。因为如果在精车之前就铣出键槽，在精车时由于断续切削而易产生振动，影响加工质量，又容易损坏刀具，也难以控制键槽的尺寸。但也不应安排在外圆精磨之后进行，以免破坏外圆表面的加工精度和表面质量。

在轴类零件的加工过程中，应当安排必要的热处理工序，以保证其机械性能和加工精度，并改善工件的切削加工性。一般毛坯锻造后安排正火工序，而调质则安排在粗加工后进行，以便消除粗加工后产生的应力及获得良好的综合机械性能。淬火工序则安排在磨削工序之前。

4 研究方案

4.1 总体方案

本次设计的主要任务是：根据三拐曲轴的加工图纸，设计夹具以及编排完整的零件加工工艺。

为了完成三拐曲轴工艺编制和夹具设计，我计划从以下几个方面着手：

（1）编制2套完整的三拐曲轴的工艺过程方案，通过比较选择一套较好的方案；

（2）制作三拐曲轴的工艺卡片；

（3）夹具的定位方案分析；

（4）夹具设计；

（5）夹紧力以及定位误差计算；

（6）本次夹具设计中可以考虑适当采用液压动力源夹紧装置。

主要考虑到液压夹紧机构具有压力大、体积小、结构紧凑、夹紧力稳定、吸振

能力强，不受外力变化影响，适用于大批量生产。

4.2 拟采取的技术措施

（1）查找各种夹具设计图册，从图册中了解基本夹具的结构。

（2）查阅相关书籍，编写完整的工艺过程。

（3）查找各种夹具资料，了解夹具的定位原理以及铣床、车床、钻床夹具基本 原理，设计计专用的铣床、车床、钻床的夹具。

（1）采用UG软件建立车床、铣床、钻床的夹具模型并且采用UG软件绘制夹具 图纸。

（5）采用CAD软件绘制图纸。

5 进度计划

2010年11月---- 2011年12月：收集资料，确定设计系统总体方案，翻译有关外

文资料及阅读技术文献，书写开题报告。

2011年01月---- 2011年03月：编制零件的加工工艺路线，确定其中工序的定位、

夹紧方案。初步设计专用夹具。

2011年03 月---- 2011年04月：采用UG软件对夹具建模，绘制装配图，计算定

位误差、夹紧力等。

2011年05月---- 2011年05月：编写毕业论文。

2011年05月---- 2011年05月：毕业答辩准备和答辩。

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