拐臂机械加工工艺规程及工艺装备设计

序言

机械制造工艺学课程设计是我们学完了大学的全部基础课、技术基础课以及大部分专业课之后进行的.这是我们在进行毕业设计之前对所学各课程的一次深入的综合性的总复习,也是一次理论联系实际的训练,因此,它在我们四年的大学生活中占有重要的地位。

就我个人而言，我希望能通过这次课程设计，了解并认识一般机器零件的生

产工艺过程，巩固和加深已学过的技术基础课和专业课的知识，理论联系实际，对自己未来将从事的工作进行一次适应性训练，从中锻炼自己分析问题、解决问题的能力，为今后的工作打下一个良好的基础，并且为后续课程的学习大好基础。

由于能力所限，设计尚有许多不足之处，恳请各位老师给予指导。

一、零件的分析

(一)零件的作用

题目所给的零件是拐臂。它是机器设备上常用的部件之一，它主要通过螺钉与其它部件连接以实现连带运动等功能。 (二)零件的工艺分析

零件的材料为90圆钢40Cr。该材料价格适中，加工容易，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性。正火可促进组织球化，改进硬度小于160HBS毛坯的切削性能。在温度550~570℃进行回火，该钢具有最佳的综合力学性能。该钢的淬透性高于45钢，适合于高频淬火，火焰淬火等表面硬化处理等。

此外，由于所提供的材料为90圆钢40Cr，所以在加工该拐臂零件时，需分以下三部分加工 ：

1、小头孔Φ20以及与此孔相通的Φ8的锥孔、M6螺纹孔。 2、大头半圆孔Φ50。

3、拐臂底面、小头孔端面、大头半圆孔端面，大头半圆孔两端面与小头孔中心线的垂直度误差为0.07mm，小头孔上端面与其中心线的垂直度误差为0.05mm。

由上面分析可知，可以粗加工拐臂下端面，然后以此作为基准采用专用夹具进行加工，并且保证位置精度要求。再根据各加工方法的经济精度及机床所能达到的位置精度，并且此拐臂零件没有复杂的加工曲面，所以根据上述技术要求采用常规的加工工艺均可保证。

二、确定生产类型

已知此拐臂零件的生产纲领为5000件/年，每台零件的质量是4.5Kg/个，查《机械制造技术基础课程设计》表2.2，可确定该拐臂生产类型为中批生产。

三、确定毛坯

1、确定毛坯种类：

零件材料为HT200。考虑零件在机床运行过程中所受冲击不大，零件结构又比较简单，生产类型为中批生产，故选择木摸手工砂型铸件毛坯。查《机械制造工艺设计简明手册》第41页表2.2-5,选用铸件尺寸公差等级为CT-12。 2、确定铸件加工余量及形状：

查《机械制造工艺设计简明手册》第41页表2.2-5，选用加工余量为MA-H级，并查表2.2-4确定各个加工面的铸件机械加工余量，铸件的分型面的选用及加工余量，如下表所示：

简 图 加工面代号 D1 D2 T2 T3 T4 基 本 尺 寸 20 50 30 12 12 余量等级 H H H H H 102 3.52 5 5 5 余量 明 孔降一级双侧加工 孔降一级双侧加工 单侧加工 单侧加工 单侧加工 加工加工 说

3、绘制铸件零件图

四、工艺规程设计

(一)选择定位基准：

1 粗基准的选择：以零件的小头上端面为主要的定位粗基准，以两个小头孔

外圆表面为辅助粗基准。

2 精基准的选择：考虑要保证零件的加工精度和装夹准确方便，依据“基准重合”原则和“基准统一”原则，以粗加工后的底面为主要的定位精基准，以两个小头孔外圆柱表面为辅助的定位精基准。 (二)制定工艺路线:

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。查《机械制造工艺设计简明手册》第20页表1.4-7、1.4-8、1.4-11，选择零件的加工方法及工艺路线方案如下：

工序01 粗铣Φ20、Φ50下端面，以T2为粗基准，采用X51立式铣床加专用夹具；

工序02 粗铣Φ20上端面，以T1为定位基准，采用X51立式铣床加专用夹具；

工序03 粗铣Φ50上端面，以T4为定位基准，采用X51立式铣床加专用夹具；

工序04 钻、扩Φ20孔，以Φ32外圆和T2为基准，采用Z525立式钻床加专用夹具；

工序05 粗镗Φ50孔，以D1为定位基准，采用T616卧式镗床加专用夹具； 工序06 铣斜肩，以D1和T2为定位基准，采用X51立式铣床加专用夹具； 工序07 精铣Φ20下端面，以T2为基准，采用X51立式铣床加专用夹具； 工序08 精铣Φ20上端面，以T1为基准，采用X51立式铣床加专用夹具； 工序09 粗铰、精铰Φ20孔，以T2和Φ32外圆为基准，采用Z525立式钻床加专用夹具；

工序10 精铣Φ50端面，以D1为基准，采用X51立式铣床加专用夹具； 工序11 半精镗Φ50孔，以D1做定位基准，采用T616卧式镗床加专用夹具；

工序12 钻、铰Φ8锥孔，以T1和零件中线为基准，采用Z525立式钻床加专用夹具；

工序13 钻M6底孔，攻螺纹，以T1和零件中线为基准，采用Z525立式钻床并采用专用夹具；

工序14 铣断，以D1为基准，采用X60卧式铣床加专用夹具； 工序15 去毛刺； 工序16 终检。

（三）机械加工余量、工序尺寸及公差的确定: 1、圆柱表面工序尺寸：

前面根据资料已初步确定工件各面的总加工余量，现在确定各表面的各个加工工序的加工余量如下：

加工 表面 φ50IT12 （D2） 加工 内容 铸件 粗镗 加工余量 7.0 4.0 精度等级 CT12 IT12 工序 尺寸 表面粗 糙度 6.3 3.2 6.3 3.2 1.6 工序余量 最小 0.95 2.9 17. 1.716 0.107 0.039 最大 6.8 3.25 18 1.910 0.224 0.093 432.8 0.250 4700.100 5000.110 180半精镗 3.0 IT10 φ20IT7 （D1） 钻 18 IT11 扩 1.8 IT10 0.084 19.800.033 19.9400.021 200粗铰 0.14 IT8 精铰 0.06 IT7 2、平面工序尺寸：

工序号 01 工序 内容 铸件 粗铣φ20孔下端面 02 粗铣φ20孔4.0 32.0 12 00.25 加工 余量 5.0 4.0 基本 尺寸 经济 精度 CT12 工序尺寸偏差 工序余量 最小 1.5 最大 7.75 2.5 00.25 36.0 12 1.5 7.75 上端面 03 粗铣φ50孔上端面 07 精铣φ20孔下端面 08 精铣φ20孔上端面 10 精铣φ50孔端面 1.0×2 12.0 8 0.0160.01.0 14.0 12 00.180 1.8 6.38 1.0 31.0 8 00.033 0.75 1.283 1.0 30.0 8 00.033 0.75 1.283 0.951 1.016 3、确定切削用量及时间定额： 工序01 粗铣Φ20、Φ50下端面1. 加工条件

工件材料：HT200,σb =170~240MPa，铸造;工件尺寸：aemax=72mm，l=176mm;

加工要求：粗铣Φ20孔下端面，加工余量4mm; 机床：X51立式铣床；

刀具：YG6硬质合金端铣刀。铣削宽度ae≤90,深度ap≤6,齿数z=12,故根据《机械制造工艺设计简明手册》（后简称《简明手册》）表3.1，取刀具直径d0=125mm。根据《切削用量手册》（后简称《切削手册》）表3.16，选择刀具前角γ0＝0°后角α0＝8°，副后角α0’=10°，刃倾角：

λs=－10°,主偏角Kr=60°,过渡刃Krε=30°,副偏角Kr’=5°。 2. 切削用量

1）确定切削深度ap

因为余量较小，故选择ap=4mm，一次走刀即可完成。 2）确定每齿进给量fz

由于本工序为粗加工，尺寸精度和表面质量可不考虑，从而可采用不对称端铣，以提高进给量提高加工效率。根据《切削手册》表3.5，使用YG6硬质合金端铣刀加工，机床功率为4.5kw（据《简明手册》表4.2-35，X51立式铣床）时： fz=0.09~0.18mm/z

T2为粗基准。

故选择：fz=0.18mm/z。 3）确定刀具寿命及磨钝标准

根据《切削手册》表3.7，铣刀刀齿后刀面最大磨损量为1.5mm；由于铣刀直径d0=125mm，故刀具使用寿命T=180min（据《简明手册》表3.8）。 4）计算切削速度vc和每分钟进给量vf

根据《切削手册》表3.16，当d0=125mm，Z=12，ap≤7.5，fz≤0.18mm/z时，vt=98m/min,nt=250r/min,vft=471mm/min。各修正系数为：kMV= 1.0，kSV= 0.8。切削速度计算公式为：

vcTmcvd0qvpkv

apxvfzyvaeuvzv其中 ae72mm，ap4mm，Cv245，qv0.2，xv0.15，yv0.35，

kvkMvkSv1.00.80.8，uv0.2，pv0，m0.32，T180min，

fz0.18mm/z，Z12，将以上数据代入公式：

vc2451250.20.80.3218040.150.080.35720.212

142m/min确定机床主轴转速： ns1000vc361r/min。 dw根据《简明手册》表4.2-36，选择nc=300r/min,vfc=390mm/min,因此，实际进给量和每分钟进给量为：

vc=

d0n3.141253001000=

1000m/min=118m/min

f zc=v fc/ncz=390/300×12 mm/z=0.1mm/z

5)校验机床功率

根据《切削手册》表3.24，近似为Pcc=3.3kw,根据机床使用说明书，主轴允许功率Pcm=4.5×0.75kw=3.375kw>Pcc。故校验合格。最终确定:ap=4.0mm，nc=300r/min，vf=390mm/s，vc=118m/min，fz=0.1mm/z。 6）计算基本工时

tm＝L/ vf，L=l+ y+Δ，l=176mm.

查《切削手册》表3. 26，入切量及超切量为：y+Δ=40mm，则：

tm＝L/ Vf=(176+40)/390=0.81min。

工序02 粗铣Φ20上端面，以T1为定位基准。 切削用量和时间定额及其计算过程同工序01。 工序03 粗铣Φ50上端面，以T4为定位基准

刀具：YG6硬质合金端铣刀，d040mm,Z10 机床：X51立式铣床

根据《切削手册》查得，fz0.13mm/z,ap4mm。根据《简明手册》表

4.2-36查得，取：nw300r/min，故实际切削速度：

vdwnw100040300100037.7m/min

当nw300r/min时，工作台每分钟进给量应为：

fmfzZnw0.1310300390mm/min

查说明书，取fm400mm/min

计算切削基本工时：

L72y721082mm

因此，tmL820.205min fm390工序04 钻、扩Φ20孔，以Φ32外圆和T2为基准，保证垂直度误差不超过0.05mm,孔的精度达到IT10。 1. 选择钻头

根据《切削手册》表2.1.2.2，选择高速钢麻花钻钻头，粗钻时do=18mm，钻头采用双锥后磨横刀，后角αo＝12°，二重刃长度bε=3.5mm,横刀长b=2mm,宽l=4mm,棱带长度l11.5mm，2100°，30° 2.选择切削用量 （1）确定进给量

按加工要求确定进给量：查《切削手册》，f0.43~0.53mm/r，

l301.673，由《切削手册》表2.7,系数为0.5,则： d18f(0.43~0.53)0.5(0.215~0.265)mm/r

按钻头强度选择:查《切削手册》表2.8,钻头允许进给量为：f2.0mm/r； 按机床进给机构强度选择：查《切削手册》表2.9，机床进给机构允许轴向力为8330N时，进给量为f0.93mm/r。

以上三个进给量比较得出，受的进给量是工艺要求，其值为：

0.215~0.265mm/r。根据《简明手册》表4.2-16,最终选择进给量f0.22mm/r。

由于是通孔加工，为避免即将钻穿时钻头折断，故应在即将钻穿时停止自动进给而改为手动进给。

根据《切削手册》表2.19查出,钻孔时轴向力Ff=2500N，轴向力修正系数为1.0，故Ff=2500N。根据Z525立式钻床使用说明书，机床进给机构允许的最大轴向力为8830N﹥Ff，故所选进给量可用。 （2）确定钻头磨钝标准及寿命

后刀面最大磨损限度（查《简明手册》）为0.6mm，寿命T45min． （3）切削速度

查《切削手册》表2.30，切削速度计算公式为：

cvd0vcmxTapfzvvyvkv （m/min）

其中，Cv9.5，d018mm，zv0.25，m0.125，ap9，xv0，yv0.55，

f0.22，查得修正系数：kTv1.0，klv0.85，ktv1.0，故实际的切削速度：

9.5180.25vc0.1250.859.5m/min 0.556010.22 （4）检验机床扭矩及功率

查《切削手册》表2.20，当f≤0.26, do≤19mm时，Mt=31.78N•m，修正系数均为1.0，故MC=31.78 N•m。

查机床使用说明书：Mm =144.2 N•m。

查《切削手册》表2.23,钻头消耗功率：Pc=1.3kw。 查机床使用说明书，PE2.80.812.26kw。 由于McMm，PCPE，故切削用量可用，即：

f0.22mm/r，nnc272r/min，vc15.4m/min

3、计算工时

tmL3080.min nf2720.224、扩孔至Φ19.8

查《切削手册》表2.10，扩孔进给量为：f0.7~0.8mm/r，并由机床使用说明书最终选定进给量为：f0.81mm/r。

根据资料，切削速度 v0.4v钻，其中v钻为用钻头钻同样尺寸实心孔时的切削速度，故：v0.49.53.8m/min，ns使用说明书选取： nw97r/min。

基本工时： t10003.861.1r/min，根据机床

19.8Ly3080.48min

970.81970.81工序05 粗镗Φ50孔，以D1为定位基准。

机床：T60卧式镗床

单边余量 Z2.5mm,可一次切除，则 ap2.5mm。根据《简明手册》4.2-20查得，取 f0.52mm/r。根据《简明手册》4.2-21查得，取：n200r/min。

计算切削基本工时：

tmL12210.13min fm2000.52工序06 铣斜肩，以D1和T2为定位基准。

刀具：硬质合金三面刃铣刀 机床：X51立式铣床

根据《简明手册》查得：dw63mm，Z16。根据《切削手册》查得：

fz0.10mm/z,因此：

ns1000vdw100027136r/min

63现采用X51立式铣床，取：nw100r/min，故实际切削速度为：

vdwnw100063100100019.8m/min

当nw300r/min时，工作台每分钟进给量应为：

fmfzZnw0.1016100160mm/min

根据《切削手册》表4.2-37查得,取：fm165mm/min。

计算切削基本工时：

Lly12.52537.5mm

因此：tmL37.50.227min fm165工序07 精铣Φ20下端面，以T2为基准。

刀具：YG6硬质合金端铣刀； 机床：X51立式铣床；

查《切削手册》表3.5，进给量为：fz0.5~1.0mm/min，取为0.5mm/r 参考有关手册，确定v124m/min，采用YG6硬质合金端铣刀，

dw125mm,z12，则：

ns1000vdw1000124316r/min

125现采用X51立式铣床，根据《简明手册》表4.2-36，取nw300r/min，故实际切削速度： vdwnw10001253001000117.75m/min

当nw300r/min时，工作台每分钟进给量：

fmfzznw0.5123001800mm/min，取为980mm/min

本工序切削时间为：

t2tm2l17612520.62min

980fm工序08 精铣Φ20上端面，以T1为基准。

切削用量同工序07 精铣时yd0125mm 基本工时：tml1761250.31

980fm工序09 粗铰、精铰Φ20孔，以T2和Φ32外圆为基准。 （1）粗铰至19.94mm

刀具：专用铰刀 机床：Z525立式钻床

根据有关手册的规定，铰刀的进给量为fz0.8～1.2mm/z,进给量取

fz0.81mm/r，机床主轴转速取为nw=140r/min，则其切削速度为：

vnd8.77m/min。

机动时切削工时，l308=38mm，

tm38380.34min nwf1400.81(2) 精铰至20mm

刀具：dw20mm 机床：Z525立式钻床

根据有关手册的规定，铰刀的进给量取f0.48mm/r，机床主轴转速取为：

nw=140r/min，则其切削速度为：vnd8.8m/min

机动时切削工时，l308=38mm

tm38380.57min nwf1400.48工序10 精铣Φ50端面，以D1为基准。

机床：X51立式铣床

刀具：硬质合金立铣刀（镶齿螺旋形刀片），由《切削手册》表3.6查得：

v0.45m/s，d40,z6,fz0.08mm/min,即27m/min，因此，

ns1000vdw100027现采用X51立式铣床，取 nw210r/min，214r/min。

40工作台每分钟进给量fm应为：fmfzznw0.086210100.8mm/min， 查机床使用说明书，取 fm100mm/min。

铣削基本工时：tm72120.84min 1002tm0.8421.68min

工序11 半精镗Φ50孔，以D1做定位基准。

单边余量z1.0mm,可一次切除，则 ap1.0mm。

由《切削手册》表1.6查得，进给量fz0.25~0.40mm/r,取为0.27mm/r。由《切削手册》表1.1查得，v100m/min，则：

nw1000vdw1000100637r/min

50查《简明手册》表4.2-20，nw取为630r/min。

加工基本工时：tl120.038min nwf6300.5工序12 钻、铰Φ8锥孔，以T1和零件中线为基准。

刀具：专用刀具 机床：Z525立式钻床

确定进给量f：根据《切削手册》表2.7查得，f0.22~0.26mm/r，查Z525机床使用说明书，现取f0.22mm/r。查《切削手册》表2.15，

v17m/min，计算机床主轴转速：

ns1000vdw100017694r/min

7.8按机床选取nw680/min，所以实际切削速度为：

vdwnw10007.8680100016.66m/min

计算切削基本工时：

tmly640.066min 6800.22fm工序13 钻M6底孔，攻螺纹，以T1和零件中线为基准 （1）钻螺纹底孔4.8mm

机床：Z525立式钻床 刀具：高速钢麻花钻

根据《切削手册》查得，进给量为f0.18～0.22mm/z,现取f=0.22mm/z，v=17m/min，则：

ns1000vdw1000171128r/min

4.8查《简明手册》表4.2-15，取nw960r/min。所以实际切削速度为：

vdwnw10004.8960100014.48m/min

计算切削基本工时：

ly640.047min tm9600.22fm（2）攻螺纹M6

机床：Z525立式钻床 刀具：丝锥M6，P=1mm

切削用量选为：v0.1m/s6m/min，机床主轴转速为：ns318r/min，按机床使用说明书选取：nw272r/min，则 v5.1m/min；机动时，

l6410mm，计算切削基本工时：

tml100.04min fn1272工序14 铣断，以D1为基准。

选择锯片铣刀，d=160mm，l=4mm，中齿，Z=40 采用X61卧式铣床

v27m/min，查《切削手册》，选择进给量为：f0.10mm/z,切削速度为：

则：

ns1000vdw10002754r/min

160根据《简明手册》表4.2-39，取nw100r/min，故实际切削速度为：

vdwnw100080100100050.2m/min

此时工作台每分钟进给量fm应为：

fmfzZnw0.140100400mm/min

查《切削手册》表4.2-40，刚好有fm400mm/min。

计算切削基本工时：

tmly72300.255min

400fm五、夹具设计

为了提高劳动生产率，保证加工质量，降低劳动强度，需要设计专用夹具。并设计工序13——钻M6螺纹底孔的夹具。本夹具将用于Z525立式钻床，刀具为高速钢麻花钻。 (一)问题的提出

本夹具主要用来钻M6螺纹底孔，该孔为斜孔，跟拐臂的中线有一定的角度要求，在加工时应保证孔的角度要求。此外，在本工序加工时还应考虑如何提高劳动生产率，降低劳动强度，而其位置尺寸为自由公差，精度不是主要问题。 (二)夹具设计 1、定位基准选择

由零件图可知，M6螺纹孔为斜孔，相对于拐臂中线有10的要求，为使定位误差为零，应该选择拐臂中线为定位基准保证该角度。此外，还应以Φ20孔端面为基准，从而保证螺纹孔在拐臂体上的位置。

为了提高加工效率，现决定采用手动夹紧工件快换装置，并采用快换钻套以利于在钻底孔后攻螺纹。 2、切削力及夹紧力计算

刀具：硬质合金麻花钻，d4.8mm。

由实际加工的经验可知,钻削时的主要切削力为钻头的切削方向,即垂直于工作台,查《切削手册》表2.3，切削力计算公式为：

FfCFd0ZFfyFk

F其中：CF410，ZF1.2，yF0.75，d04.8mm，f0.22，

kFkMFkxFkhF，kMF与加工材料有关,取0.94；kxF与刀具刃磨形状有关,取

1.33；khF与刀具磨钝标准有关,取1.0，则：

1 F4104.81.20.220.751.25108N在Φ20孔两个端面只需要采用开口垫圈和六角螺母适当夹紧后本夹具即可安全工作. 3、定位误差分析

（1）定位元件尺寸及公差的确定。夹具的主要定位元件为两个定位销，这两个定位销的尺寸与公差规定为与本零件在工作时与其相匹配轴的尺寸与公差相同，即20k610。此外，这两定位销共同保证加工孔偏斜的角度，其中心连线与工作台面成10°角。

（2）计算钻套中心线与工作台的垂直度误差。

钻套外径10g5与衬套孔10H7的最大间隙为：

max0.015(0.011)0.026

衬套外径15r6与钻模板孔15H7的最大间隙为：

max0.0180.0230.005

则钻套中心与工作台平面的垂直度误差为：0.026-0.005=0.021。 （3）计算定位销轴与工作台的平行度误差。 定位销轴与夹具体孔的最大间隙为：

max0.0350.0010.034

夹具体孔的长度为14mm，则上述间隙引起的最大平行度误差为：0.034/14，即0.24/100。

4、夹具设计及操作的简要说明

如前所述，在设计夹具时，应该考虑提高劳动生产率。为此，设计采用了快换装置。拆卸时，松开夹紧螺母1~2扣，拔下开口垫圈，实现工件的快换。攻螺纹时，松开压紧螺母即可替换可换钻套，进行攻螺纹加工。 5、钻床夹具的装配图见附图

参考文献

1、赵家奇,机械制造工艺学课程设计指导书(2版),机械工业出版社,2006年. 2、曾志新,吕明主编,机械制造技术基础,:武汉理工大学出版社,2001年. 3、李益明主编,机械制造工艺设计简明手册,机械工业出版社,1993年. 4、肖诗纲主编,切削用量手册,机械工业出版社,1993年.

5、金属切削机床夹具设计手册.上海柴油机厂工艺设备研究所编,机械工业出版社，1987年.

CA6140车床拐臂零件图: