車床支架機械加工工藝及銑削工序夾具設計

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，車床支架的加工質量直接影響車床的使用性能。本文主要研究車床支架機械加工工藝以及對銑削工序夾具的設計。首先研究了車床支架機械加工工藝規程，設計了一套的加工工藝路線，并通過計算證明加工工藝的合理性。對銑削工序進行了夾具設計，由于工件上的孔系都要以底面作為基準加工，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的，經濟性和實用性均良好的夾具設計方案。

關鍵詞：車床支架；加工工藝；銑削工序；夾具設計

1. 引言

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

機械加工工藝是工件或者零件制造加工的步驟，采用機械加工的方法，直接改變毛坯的形狀、尺寸和表面質量等，使其成為零件的過程稱為機械加工工藝過程。機械加工工藝就是在流程的基礎上，改變生產對象的形狀、尺寸、相對位置和性質等，使其成為成品或半成品，是每個步驟，每個流程的詳細說明，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，每個步驟就要有詳細的數據了，比如粗糙度要達到多少，公差要達到多少。技術人員根據產品數量、設備條件和工人素質等情況，確定采用的工藝過程，并將有關內容寫成工藝文件，這種文件就稱工藝規程。總的來說，工藝流程是綱領，加工工藝是每個步驟的詳細參數，工藝規程是某個廠根據實際情況編寫的特定的加工工藝。

機械制造工藝技術是在人類生產實踐中產生并不斷發展的。在20世紀50年代生產模式“剛性”為主，以“規模經濟”實現降低成本和提高質量的目的。在20世紀80年代，較多地采用數控機床、機器人、柔性制造單元和系統等高技術的集成來滿足產品個性話和多樣化的要求，以滿足社會各消費群體的不同要求。從20世紀90年代開始，機械制造工藝技術向著高精度、高效率、高自動化發展。精密加工精度已經達到亞微米級，而超精密加工已經進入0.01μm級。現代機械產品的特點是多品種、更新快、生產周期短。這就要求整個加工系統及機械制造工藝向著柔性、高效率、自動化方向發展。

專用夾具是為零件的某一道工序加工而設計制造的，在生產過程中它能有效地降低工作時的勞動強度、提高勞動生產率、并獲得較高的加工精度。其主要設計內容包括夾具的定位方案、夾緊方案、對刀方案、夾具體與定位鍵的設計及相關數據的計算分析。專用夾具有良好的加工精度，針對性強，主要用于零件的銑槽工序。可以有效的減少工件加工所需的基本時間和輔助時間，大大提高了勞動生產力，從而可以有效地減輕工人的勞動強度和提高勞動效率。

本文分析了車床支架的特點，并詳細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為例來闡述如何進行加工夾具的分析、設計。

2. 工藝規程設計

2.1年生產量和批量的確定

（1）已知生產綱領：2000件/年，

年生產量=生產綱領 每臺件數 （1%儲備量） （1%廢品率）

=2000×1+20+20=2040件

月產量=年產量/12= 170 件

日產量=月產量/25.5= 170/25.5 =7件

（2）生產類型的確定：查工藝人員手冊，年產量2000件的屬于中批生產。

考慮到以上的因素，定的批量時間為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，需要進行時效處理。（4）零件技術要求：

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。（詳細見工件零件圖）

（1）零件結構特點：對稱性較好。

（2）加工出該工件所用的加工方法主要有：銑削加工，鉆、锪、擴、鉸削加工。

（3）零件設計基準：分析得知，其設計基準是 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，故優先考慮鍛、鑄件，可提高生產率，降低成本，又考慮到零件的力學性能、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，設備的調整，切削用量的選擇，材料消耗工藝定額和加工工時定額等。

毛坯余量的確定：根據毛坯的鑄造精度，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《金屬機械加工工藝人員手冊》中查出。

但在本次設計中，毛坯余量由各工序切削余量計算出。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《機械加工余量手冊》中查出。

加工余量應包括：

（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）需要單獨考慮的誤差（ρa）

（5）本工序的安裝誤差（εb）

圖2.2毛坯綜合圖

實際生產中的加工余量，很少采用計算法，而大多是由工廠經驗估計和查閱一般的機械加工手冊決定，而本工藝規程加工余量的制定則參照《機械加工余量手冊》而定。在本工藝規程中，鑄件采用機器造型，木模，精度等級選7級，查表12-2表12-3得：毛坯件側面、頂面的加工余量為4㎜，而底面有4㎜高的一個臺階面，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。根據以上情況繪制零件—毛坯綜合圖

2.4定位基準的選擇

（1）粗基準的選擇：

1）保證工件加工表面相對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）粗基準不得重復使用的原則。

（2）精基準的選擇原則：

1）基準重合原則；

2）統一基準原則；

3）互為基準原則；

4）自為基準原則。

2.5工藝方案的確定

根據工件材料性質和具體尺寸精度、粗糙度的要求，設計了一種工藝路線來達到加工目的：

工序Ⅰ

以互為基準原則，

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，

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，

鉆H孔，锪G孔

工序Ⅳ

以D面為主要基準，

鉆—擴—鉸B孔

工序Ⅴ

以D面為主要基準，

鉆—擴—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，機床和工裝的選擇應盡量做到合理，經濟，使之與被加工零件的生產類型，加工精度和零件的形狀尺寸相適應。

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

工序Ⅲ、工序Ⅳ、工序Ⅴ的加工機床為：Z525立式鉆床。

（2）刀具的選擇

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

銑刀直徑的選擇：

考慮到機床功率，切削力矩，銑削效率的影響，

選D=100，細齒，齒數Z=10，YG8硬質合金面銑刀

工序Ⅱ

選D=160，中齒，齒數Z=10，YG8硬質合金面銑刀

Ⅱ-1-3至Ⅱ-1-8

選D=100，中齒，齒數Z=6，YG8硬質合金面銑刀，

孔加工中刀具的選擇主要根據被加工孔的直徑大小來選擇。

（3）夾具的選擇

正確設計和使用夾具，對保證加工質量和提高生產效率、擴大機床使用范圍既減輕勞動強度都有重要意義。同時，使用夾具還有助于工人掌握復雜或精密零件的加工質量及解決較為復雜的工藝問題等。具體情況見后面的夾具設計部分。

（4）量具的選擇

1）量具的選擇應做到量具的精度應與零件的加工精度相適應。

2）量具的量程應與被測零件的尺寸大小相適應。

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

4）按量具的極限尺寸選擇量儀時應保證：T*K

T—被測尺寸的公差值（mm）

K—測量精度系數

切削用量的確定

（1）比普通機床的切削用量約低30%，以減少換刀時間，和機床調整次數，

（2）在服從機床本身某一參數下，兼顧同時工作的不同刀具的合理要求，如孔的一般加工為鉆、擴、鉸，鉆孔的v較高，而擴、鉸的略低，但由于機床動力頭的運動是一定的，因而可以適當降低鉆頭的v，而擴、鉸的可以適當增加，以求得最高的生產率。

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

（4）機動時間的工序時間定額：

1）工序Ⅰ 單件核算時間

=2.88+0.11=2.99

2）工序Ⅱ 單件核算時間

=2.84+0.106=2.945

3）工序Ⅲ 單件核算時間

=1.445+0.044=1.489

4）工序Ⅳ 單件核算時間

=3.369+0.125=3.494

5）工序Ⅴ 單件核算時間

=1.288+0.05 =1.338

3 夾具設計

夾具是根據機床的工藝和結構方案的具體要求而專門設計的，它是用于實現被加工零件的準確定位、夾壓、刀具的導向，以及裝卸工件時的限位等作用的。

由于機床支承元件直接與被加工零件相接觸，因此其尺寸、結構、精度和布置都直接影響被加工零件的精度，其設計應注意以下問題：

（1）合理布置定位支承元件，并應使夾壓力的各力中心處于定位支承平面內。

（2）提高剛度，減小定位支承系統的變形，應力求使定位元件不受力。

（3）提高定位支承系統的精度及其元件的耐磨性，一邊長期保持夾具的定位精度。

（4）夾具體是夾具的最大和最復雜的元件，而且也是承受符合最大的元件。

3.1 定位基準的選擇

本夾具是對銑削工序的設計。以前道鑄造工序成型后的表面作為粗基準，再以加工好的面作為基準加工另外一個面。定位元件用于確定工件在夾具中的位置，使工件相對于刀具及運動軌跡有一個正確的位置。

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，在本設計中，分別以三個支承釘作為工件F面的定位，限制工件x軸旋轉、y軸旋轉、z向移動三個自由度。

安裝時，先將工件放在三個支承釘（消除x軸旋轉、y軸旋轉、z向移動三個自由度）之上，并靠在右邊的支承釘之上（消除x向移動一個自由度），并由一個V型架定向（消除z軸旋轉一個自由度），然后調節可調支承（消除y向移動一個方向自由度）轉動手柄通過鎖緊螺母動作，把工件夾緊，此時六個自由度全部消除[13]。

本夾具夾緊方案為利用螺栓、螺母手動夾緊。壓板選擇為直壓板，加工兩個零件時，為了防止兩工件在長度尺寸上的誤差，而導致直壓板不能完全壓住兩工件，因此，在壓板兩端設計了兩個浮動壓頭，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切削力的計算

在銑削時夾緊力產生的力矩，必須滿足《機床夾具設計手冊》中所規定的要求，刀具材料：YG8細齒硬質合金面銑刀

3.3夾緊力的計算

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

安全系數K可按下式計算：

式中： 為各種因素的安全系數，見參考文獻[13]表 可得：

所以

由計算可知所需實際夾緊力不是很大，為了使其夾具結構簡單、操作方便，決定選用手動螺旋夾緊機構。

單個螺旋夾緊時產生的夾緊力按以下公式計算：

式中參數由《機床夾具設計手冊》可查得：

其中：

螺旋夾緊力：

易得：

經過比較實際夾緊力遠遠大于要求的夾緊力，因此采用該夾緊機構工作是可靠的，可以滿足切削力的要求[14]。

3.5 夾具的經濟性分析

為了提高整個工藝加工的生產效率，在保證定位夾緊要求和零件的各項技術要求的前提下，對于夾具的選擇也要滿足一定的經濟性。

機床夾具費用是工藝成本的組成部分，它直接影響工藝過程的經濟性及產品成本。

一、節約人工成本的計算

完成該序在使用夾具前的單件加工時間t1=10min

夾具后的單件加工時間=2min

假設工人的工資為：0.22元/min

則加工單件產品節約工資為：ΔZ= t1×0.22-t2×0.22

=10×0.22-2×0.22

=1.76元

全年節約人工成本費用S=ΔZ×2040=1.76×2040=3590元

二、夾具的全年費用

C=[（1+ AS）/T+ Ay] CZ

式中：AS—專用夾具設計系數，通常取0.5；

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

T—專用夾具的使用年限，簡單夾具T=1年，中等復雜夾具T=2～3，復雜夾具T=4～5年，取3年；

—專用夾具的制造價格，由下式計算CZ=δQ+tZP

式中：δ—材料的平均價格（4.5元/kg）

Q—夾具毛坯的重量（25kg）

t—夾具制造工時（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

通過以上分析和計算，一年節約了成本約為3496元，具有良好的經濟性。

4總結

本文首先是對工件機械加工工藝規程的制定，以便在加工工件時明確加工工藝裝備及設備等，因此，工件機械加工工藝規程的制定是至關重要的。再次是對專用夾具的設計，在論文老師的細心指導下，我通過查閱各種關于專用夾具的設計資料，設計了銑削工序的專用夾具。對車床支架的機械加工工藝及夾具的設計，是綜合了大學里所學的知識，是理論與實際相結合的一個成果，制定了一套切實可行的加工工藝流程和針對銑削工序的一套較為合理的夾具。

參考文獻

[1] 陳宏鈞主編.實用金屬切削手冊[M] .北京：機械工業出版社，2013：321-322.

[2] 浦林祥主編.金屬切削機床夾具設計手冊[M].機械工業出版社，2015：145-146.

[3] 李洪主編.機械加工工藝手冊[M] .北京：機械工業出版社，2016：345-346.

[4] 趙如福主編.金屬機械加工工藝人員手冊.上海科學技術出版社，2015：34-35.

（作者單位：中國有色集團贊比亞非洲礦業有限公司）