涡轮箱的加工工艺规程及工艺设备设计

机械专业课程设计说明书

涡轮箱的加工工艺规程及工艺设备设计

学 院： 机械与车辆学院 专 业： 机械工程及自动化 姓 名： 学 号： 指导老师： 职 称：

中国·珠海 二○一二 年 十二 月

讲师

北京理工大学珠海学院 机械专业课程设计

摘要

根据设计任务书的要求，本设计说明书蜗轮箱零件的工艺规程及工艺设备设计运用文献研究方法、数学方法和思维方法详细说明。主要内容包括机械加工工艺规程设计、蜗轮箱夹具设计及非标零件设计。全文主要包括零件的分析、工艺规程和专用夹具设计三部分。综合利用机械制图、公差配合与技术测量等课程进行零件分析，并利用绘图软件AutoCAD、UG等绘图二维零件图、总装配图及三维造型；综合利用机械制造装备设计、机械制造技术、材料力学知识，进行工艺规程的设计；最后对工件的其中一道工序进行夹具设计。

本次课程设计的生产纲领是8000件，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。夹具方案的确定在国内是一项十分重要的设计程序，其方案的优劣决定了夹具设计的成功与失败。确定设计方案时应遵循以下原则：确保加工质量，结构尽量简单，操作省力高效，制造成本低廉。

关键词：蜗轮箱；工艺规程；车床夹具

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目录

摘要……………………………………………………………………………………………1 一、零件的分析 …………………………………………………………………………3

1.1蜗轮箱零件图 …………………………………………………………………………3 1.2零件的作用 ……………………………………………………………………………3 1.3零件的工艺分析 ………………………………………………………………………3 1.4生产纲领和生产类型的确定 …………………………………………………………4

二、工艺规程设计 ………………………………………………………………………5

2.1确定毛坯的制造形式 …………………………………………………………………5 2.2确定毛坯零件加工余量及形状 ………………………………………………………5 2.3基面的选择 ……………………………………………………………………………5 2.4制订工艺路线 …………………………………………………………………………6 2.5确定切削用量及基本工时 ……………………………………………………………6

三、专用夹具设计 ………………………………………………………………………12

3.1机床夹具概论 …………………………………………………………………………12 3.2机床夹具的工作原理 …………………………………………………………………12 3.3机床夹具的作用 ………………………………………………………………………12 3.4定位方案 ………………………………………………………………………………12 3.5夹紧方案 ………………………………………………………………………………13 3.6定位误差分析 …………………………………………………………………………13 3.7辅助装置 ………………………………………………………………………………14

总结与展望…………………………………………………………………………………15 参考文献 ……………………………………………………………………………………16

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一、零件的分析

1.1涡轮箱零件图

1.2零件的作用

该箱体是用于专机的机壳，该机壳的主要作用是利用液压马达通过齿轮传递带动两轴的旋转，箱体通过导轨进行移动，两个传动轴输出，对外动作。该箱体保证各轴之间的中心距及平行度，并保证箱体部件与液压马达的正确安装。因此该专机箱体零件的加工质量，不但直接影响机壳的装配精度和运动精度，而且还会影响专机的工作精度、使用性能和寿命。该箱体的底面与导轨配合，前后端面支承孔用以安装传动轴，实现其输出功能。

1.3零件的工艺分析

零件的材料为HT200，为珠光体类型的灰铸铁，其机械性能：强度极限b=195Mpa，硬度：160~210HBS。其强度、耐磨性、耐热性均较好，减振性也良好，铸造性能较好，但脆性较大，需进行人工时效处理。由该专机箱体零件图可知，该箱体是一个壳体零件，由于受到专机空间的影响，该箱体的结构十分紧凑，两个传动轴的中心距很小，它有九个平面需要进行加工，其中箱体外壳由粗加工直接得到，其他表面则通过粗加工、半精加工达到表面粗糙度要求。C表面跟φ+0.05 0孔上还需加工螺纹孔。各个孔加工中，除了φ61、φ9和φ15由粗加工可以达到表面粗糙度要求外，其他孔均要进行半精加工。其中孔φ43+0.025 0对平面C和孔φ46+0.025 0中心轴有垂直度要求。

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1.4 生产纲领和生产类型的确定

根据设计任务书 已知此开合螺母零件的生产纲领为8000件/年，可确定该开合螺母生产类型为中批生产，所以初步确定工艺安排为：加工过程划分阶段；工序适当集中；加工设备以通用设备为主，大量采用专用工装。

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二、工艺规程设计

2.1确定毛坯的制造形式

零件材料为HT200灰铸铁（硬度160~229HBS）,考虑到灰铸铁具有良好的铸铁性能、减震性、耐磨性能以及切削加工性能低、缺口敏感性等特点，因此应该选择铸件，以便使涡轮箱在使用中耐磨性良好，保证零件工作可靠。

备注：涡轮箱毛坯图见图纸1002

2.2确定毛坯零件加工余量及形状

由《机械制造工艺设计简明手册》表2.2选用加工余量为MA-F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2.1所示：

表2.1加工余量 简图 加工面 基本尺寸 加工余量等级 F F F F 加工说明 余量 A、A1表146.4 面 B、B1表73.7 面 C、C1表101.8 面 内孔 42 2.4 1.7 1.8 4 单侧加工 单侧加工 单侧加工 双侧加工

2.3基面的选择

1、粗基准的选择。选择粗基准主要是选择第一道机械加工工序的定位基准，以便为后续工序提供精基准。粗基准的选择对保证加工余量的均匀分配和加工面与非加工面（作为粗基准的非加工面）的位置关系具有重要影响。在该箱体零件的加工过程中，选择该箱体的底面为粗基准，再用精基准定位加工轴孔，这样的加工余量一定就是均匀的。

2、精基准的选择。选择精基准时应重点考虑如何减少工件的定位误差，保证加工精度，并使夹具结构简单，工件装夹方便。从该箱体的零件零件图可以知道，C面、孔φ46+0.025 0中心轴可以作为加工过程的精基准，所以在工艺工程中必须保证这两个面的粗糙度以及位置精度。

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2.4 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。除此以外，还应当考虑经济效果，以便使生产成本尽量下降。

工艺路线见附表2.2机械加工工艺过程卡片

2.5确定切削用量及基本工时

工序4 以A面为粗基准粗铣A1面 1. 加工条件

加工要求：以A面为粗基准粗铣A1面，加工余量0.9mm 机床：X61W立式铣床；

刀具：根据《切削用量手册》表1.2 选择 YG6硬质合金刀。根据《切削用量手册》表3.1 取刀具直径d。=200mm齿数Z=15,由表3.2选择道具前角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=0.9mm，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《切削用量手册》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4.2-38，X61W立式铣床）时： fz=0.14~0.24mm/z 故选择：fz=0.15mm/z。 3）确定刀具寿命及磨钝标准

根据《切削用量手册》表3.7、表3.8，铣刀刀齿后刀面最大磨损量为0.9mm；由于铣刀直径d0=200mm，故刀具使用寿命T=240min。 4）计算切削速度vc和每分钟进给量vf

根据《切削用量手册》表3.16，当d0=200mm，Z=12，ap≤1.5，fz≤0.18mm/z时，vt=m/min,nt=142r/min,vft=368mm/min。各修正系数为：kMV= 1.0，kSV= 0.8。故：

vcvt=

x kMV x kSV =x1.0x0.8=71.2 m/min x kMV x kSV =142x1.0x0.8=113.2 r/min

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nc=

nt

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vfc=

vftx kMV x kSV =368x1.0x0.8=294.4 m/min

根据《切削用量手册》表3.29，选择nc=125r/min,vfc=300mm/min,因此，实际进给量和每分钟进给量为：

vcd0n/10003.14x200x125/1000=78.5m/min

f Zc=v fc/ncz=300/（125×15 ）mm/z=0.16mm/z 5)校验机床功率

根据《切削用量手册》表3.24，近似为Pcc=1.1kw,根据机床使用说明书，主轴允许功率Pcm=1.125kw>Pcc。故校验合格。最终确定:ap=0.9mm，nc=125r/min，vf=300mm/s，vc=78.5m/min，fz=0.16mm/z。 6）计算基本工时

tm＝L/ vf，L=l+ y+Δ，l=100mm.

查《切削用量手册》表3. 26，入切量及超切量为：y+Δ=44mm，则： tm＝L/ Vf=(100+44)/300=0.48min。

工序5 以A1面为基准粗铣A面； 工序6 以B面为粗基准粗铣B1面； 工序7 以B1面为基准粗铣B面； 工序8 以C1面为粗基准粗铣C面； 工序9 以C面为基准粗铣C1面

切削用量和时间定额及其计算过程同工序4。

工序10以A面为基准粗镗、精镗φ46+0.025 0通孔，刀具为YG6的硬质合金刀，且直径为20mm的圆形镗刀

1.粗镗φ46+0.025 0通孔 1)确定切削深度

ap

ap45421.5mm2

ap 2mm时

2)确定进给量f

根据《切削手册》表1.5 当粗镗铸铁，镗刀直径为：20mm, f=0.3~0.4mm/r

按T68机床进给量（《机械制造工艺设计简明手册》表4.2-21）选f=0.37mm/r 3)确定切削速度 v=100m/min 转速n=500r/min（8.33r/s） 4）计算工时

选镗刀的主偏角xr=45o ，则 l1=3.5mm，l2=4mm，l=72mm ，l3=0，又f=0.37mm/r，

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n=370r/min ，i=1

tmll1l2l3inf

所以

tm =（72+3.5+4）/（0.37x8.33）=28s

2.半精镗φ46+0.025 0通孔 1）确定切削深度

ap

ap46450.5mm2

ap2mm时

2）确定进给量f

根据《切削手册》表1.5 当粗镗铸铁，镗刀直径为20mm, f=0.3~0.4mm/r

按T68机床进给量（《机械制造工艺设计简明手册》表4.2-21）选f=0.37mm/r 3）确定切削速度 v=120m/min 转速n=800r/min（13.3r/s） 4）计算工时

选镗刀的主偏角xr=45o 则 l1=3.5mm，l2=4mm，l=72mm ，l3=0，又f=0.37mm/r，n=13.3r/s，i=1

tmll1l2l3inf

tm3.5124116s0.3713.3

工序11以φ46+0.025 0孔为基准粗镗φ61孔，以A1面为基准孔深3.5mm；

工序12以φ46+0.025 0孔为基准粗镗、半精镗φ+0.05 0孔，以A面为基准孔深53+0.2 +0.1mm；

工序13以φ46+0.025 0孔为基准粗镗、半精镗φ93孔，以A面为基准孔深11mm； 切削用量和时间定额及其计算过程同工序10 工序14以C面、孔φ46+0.025 0为基准钻φ25通孔

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=25mm，钻头采用双锥后磨横刀，后角αo＝11°，二重刃长度bε=5.5mm,横刀长b=3mm,宽l=6mm,棱带长度1=2mm，

l2100°，30°

按加工要求确定进给量：查《切削用量手册》，f=0.78~0.96mm/r，l/d=100/25=4，由《切削用量手册》表2.7,系数为0.9,则：

f=（0.78~0.96）x0.9=0.702~0.8mm/r；

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按钻头强度选择:查《切削用量手册》表2.8,钻头允许进给量为：f＞2mm/r；

按Z525机构强度选择：查《切削用量手册》表2.9，机床进给机构允许轴向力为8330N时，进给量为f=0.75mm/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：0.706~0.8mm/r，根据《简明手册》表4.2-16,最终选择进给量f =0.81； 由于工件材料为铸铁，钻削速度范围为20~25mm/min，取表2.12由

vc=20mm/min。查《切削用量手册》

d0=25mm 磨钝限度为0.8~1.2mm，取1.0mm，刀具寿命T=60min。

由《切削用量手册》表2.14 对于强度小于220HBS的HT200铸铁加工种类属于第4类。由

d《切削用量手册》表2.13当加工性为第四类时f=0.81mm/r 0=25mm，切削速度vc=14mm/min

切削速度弓修正系数为：

ktv=0.85，

kcv= 1.0，

kmv

=0.85，

ksv=1.0 故

vcns=14x0.85x1.0x0.85x1.0=11.125mm/min =1000x11.125/（3.14x25）=141r/min

按Z525钻床资料，《切削用量手册》表2.35 可选

nc=195r/min，但因所选转数较计算转数

为高，会使刀具寿命下降，故可将进给量降低一级，即取f=0.62，也可选择低一级转数

nsn=140r/min，仍可用f=0.81mm/r，比较两种方案，选择f=0.62mm/r，c=195r/min基本

nv工时较少，故f=0.62mm/r，c=195r/min，c=11.125mm/min

计算工时

Ltmnft=，L=l+ y+Δ，由《切削用量手册》表2.29，l=100，入切量y+Δ=12，故m=112/

（0.62x195）=55.6s

工序16以φ46+0.025 0孔为基准钻φ9*4通孔

工序17以φ9*4通孔为基准，钻φ15*4孔，以A面为基准孔深15mm

工序18以φ46+0.025 0孔为基准钻3*φ5孔，以φ+0.05 0孔端面为基准孔深15mm 工序20以φ43+0.025 0通孔为基准钻6*φ5孔，以C面为基准孔深20mm 切削用量和时间定额及其计算过程同工序14

工序15以φ25孔为基准粗车、半精车φ43+0.025 0通孔， YG6硬质合金车刀，刀杆尺寸

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为BxH 16x25mm，刀片厚度4.5mm 1.粗车φ43+0.025 0通孔 1）确定切削深度

apap

=（41-25）/2=8mm 可在一次走刀内切完

a2）确定进给量f 根据《切削用量手册》表1.4，在粗车铸铁，刀杆尺寸为16x25mm，p=5~8mm

以及工件直径为60~100mm时 f=0.5~0.6mm/r 按CA6104车床说明选择f=0.56mm/r

3)选择车刀磨钝标准及寿命 根据《车削用量手册》表1.9，车刀后刀面最大磨损量取1mm，车刀寿命T=60min 4）确定切削速度铸铁材料，

vc 根据《车削用量手册》表1.11，当用YG6硬质合金车刀加工200~220HBS

apv=5~8mm，f=0.56mm/r，切削速度t=63m/min，切削速度的修正系数为0.68

（钧见表1.28）故

vc=0.68

vt=63x0.68=42.84m/min，n=1000x42.84/（3.14x41）=333r/min

根据CA6104车床选择5）计算工时

nc=320r/min，这时实际转速

vc=3.14x41x320/1000=41.2m/min

Ltmnft=,L=100+3.5+4=107.5，故m=107.5/（0.56x320）=1min

2.半精车φ43+0.025 0通孔 1）确定切削深度

apap

=（43-41）/2=1mm 可在一次走刀内切完

a2）确定进给量f 根据《切削用量手册》表1.4，在粗车铸铁，刀杆尺寸为16x25mm，p<3mm

以及工件直径为60~100mm时 f=0.8~1.2mm/r 按CA6104车床说明选择f=1.02mm/r

3)选择车刀磨钝标准及寿命 根据《车削用量手册》表1.9，车刀后刀面最大磨损量取0.6mm，车刀寿命T=60min 4）确定切削速度铸铁材料，

vc 根据《车削用量手册》表1.11，当用YG6硬质合金车刀加工200~220HBS

ap≤1.8mm，f≤1.34mm/r，切削速度

vt=57m/min，切削速度的修正系数为0.85

（钧见表1.28）故

vc=0.85

vt=57x0.85=48.45m/min，n=1000x48.45/（3.14x43）=359r/min

根据CA6104车床选择

nc=320r/min，这时实际转速

10

vc=3.14x43x320/1000=43.2m/min

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5）计算工时

Ltmnft=,L=100+3.5+4=107.5，故m=107.5/（1.02x320）=0.33min

工序19以3*φ5孔为基准攻螺纹孔3*M6

由《机械加工工艺手册》单行本 螺纹加工 表7.2-7可选择机床S4006，进刀转速n=480r/min，退刀转速

n1=580/rmin

由《机械加工工艺手册》单行本 螺纹加工 表7.2-11可选螺纹螺距为P=1mm，表7.2-7查得

kr50= 故

11ll1nlltt m=（P+P）/（n+1）,由于1=（1~3）P，取1=2,所以m=3.9s

工序21以6*φ5孔为基准，攻螺纹孔6*M6 切削用量和时间定额及其计算过程同工序19

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三、专用夹具设计

3.1机床夹具概论

机床夹具是机床上用以装夹工件（和引导刀具）的一种装置。其作用是将工件定位，以使工件获得相对的于机床和刀具的正确位置，并把工件可靠地夹紧。在现代生产中，机床夹具是一种不可缺少的工艺装备，它直接影响着加工的精度、劳动生产率和产品的制造成本等，故机床夹具设计在企业的产品设计和制造以及生产技术准备中占有极其重要的地位。

3.2机床夹具的工作原理

(1)使工件在夹具中占有正确的加工位置。这是通过工件各定位面与夹具的相应定位元件的定位工作面（定位元件上起定位作用的表面）接触、配合或对准来实现的。

(2)夹具对于基础应先保证有准确的相对位置，而夹具结构又保证定位元件的定位工作面对夹具与机床相连接的表面之间的相对准确位置，这就保证了夹具定位工作面对于机床切削运动形成表面的准确几何位置，也就达到了工件加工面对定位基准的相互位置精度要求。

(3)使刀具相对有关的定位元件的定位工作面调整到准确位置，这就保证了刀具在工件上加工出的表面对工件定位基准的位置尺寸。

3.3机床夹具的作用

(1)保证加工精度 用夹具装夹工件时，能稳定地保证加工精度，并减少对其他生产条件的依赖性。

(2)提高劳动生产率 使用夹具后，能使工件迅速地定位和夹紧，并能够显著地缩短辅助时间和基本时间，提高劳动生产率。

(3)改善工人的劳动条件 用夹具装夹工件方便、省力、安全。当采用气压、液压等夹紧装置时，可减轻工人的劳动强度，保证安全生产。

(4)降低生产成本 在批量生产中使用夹具时，由于劳动生产率的提高和允许使用技术等级较低的工人操作，故可明显地降低生产成本。

(5)保证工艺纪律 在生产过程中使用夹具，可确保生产周期、生产调度等工艺秩序。 (6)扩大机床工艺范围。

3.4定位方案

1.确定定位方案

1）为保证蜗杆孔中心轴线到地面的距离36mm，应消除X、Z轴转动和Y轴移动不定度，

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为此选用A1面作地位基准。

2）为保证蜗杆孔中心轴线对端面C的垂直度，应消除YZ轴转动和X轴移动不定度，为此，端面C也应该选作定位基准。

3）为保证蜗杆孔中心轴线到蜗轮孔中心轴线的距离为43.5+0.08 -0.08mm，应消除Z轴移动不定度，选蜗轮轴线作定位基准。 2.选择定位

根据工序的定位要求，选择角铁（角铁支承面消除工件3个不定度），两个支承钉（消除工件2个不定度）和削边心轴（消除工件1个不定度）作为定位元件，具体方案见图3-1.

图3-1车内孔夹具

1-心轴 2-螺母3-压板 4-支承钉 5-角铁 6-夹具体

3.5夹紧方案

根据工件夹紧的原则，夹紧力应靠近加工表面，以减少加工中工件的震动，本夹具选择手动夹紧方式来实现夹紧，故对夹紧力的计算没有严格要求，只对夹紧机构的自锁性能有要求。为使机构简单，直接在定位心轴上加工螺纹，并选中M20螺母以满足强度要求。压板将螺纹副产生的力传递到工件表面合适位置，实现对工件夹紧。夹紧结构见图3-1。

3.6定位误差分析

1.孔直径φ43+0.025 0mm，该尺寸直接由切削过程保证，不存在定位误差。

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2.工序尺寸43.5+0.08 -0.08的定位误差计算如下： 因工序基准与定位基准重合，故△B=0；

因工件圆孔与心轴为任意边接触，故基准位移误差计算如下： △W =

Th +

TD +

Xmin=0.025+0.016+0.09=0.05

所以△D=△B +△W =0.05mm

3.对蜗轮孔φ46+0.025 0mm中心轴垂直度0.03mm的定位误差计算如下： 平面定位时，基准位移误差忽略不计，△W =0； 工序基准是主轴轴线，存在基准不重合误差，△B=0.01mm 故△D=△B +△W =0.01mm，符合要求。 4.对C面的垂直度0.03的定位误差计算如下： 平面定位，基准位移误差△W =0；

工序基准是主轴轴线，存在基准不重合误差，△B=0.01mm 故△D=△B +△W =0.01mm，符合要求。

3.7辅助装置

1.平衡块 计算

由于元件和夹具上各元件相对机床煮粥的旋转轴线不对称，即离心惯性力的合力不为零，因此欲使其平衡，则需要在该回转体上加一平衡块（配重块），使它产生的离心惯性力与原有各质量所产生的离心惯性力的合力等于0. 2.防护罩

为保证加工工件时的操作安全，可考虑在夹具上设置防护罩。

夹具结构设计

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总结与展望

经过3周的时间，在老师的指导和本组组员的努力下，我的课程终于完成了。 通过这次课程设计，我们系统地回顾和复习了大学四年所学的相关专业知识，在综合运用这些知识的过程中，加强了我们对其真正的理解，同时也深刻体会到学习的重要性并领会到设计也是一种学习的方式。在设计的过程中，我们综合运用了系统的设计方法和相关设计软件（如CAXA、PRO/E等），且应用熟悉相关设计资料（包括手册、标准和规范等）以及进行经验估算等方面有了一定程度的提高，深刻的感受到计算机和工具书及手册在设计中带来的便利和帮助。在此之中，让我也体会到了团队精神的重要性。通过组员彼此间的交流，让我们不仅解决了自身的问题，还可以提早了解后续相关工作中的问题，这样可以提前做好预防及提前了解相关解决此类问题的知识与方案，这样大大节省了时间，提高了工作效率，并且还增加了我们对知识的了解。

作为工作前在学校对我们自己四年学习的一次总结，这次课程设计使我们在基本理论的综合运用及正确解决实际问题等方面得到了一次较好的训练。提高了我们的思考、解决问题创新设计的能力，为以后的工作打下了较好的基础。

由于能力所限，设计中还有许多不足之处，恳请各位老师、同学们批评指正！

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参考文献

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