机械制造工艺学 课程设计指导书 工艺设计

“机械制造工艺学”课程设计指导书
1.设计目的
机械制造工艺学课程设计是综合运用“机械制造工艺学”及有关课程内容，分析和解决实际工程问题的一个重要实践教学环节。

通过课程设计培养学生制定零件机械加工工艺规程和分析工艺问题的能力，以及设计机床夹具的能力。

在设计过程中，学生应熟悉有关标准和设计资料，学会使用有关手册和数据库。

机械制造工艺学课程设计是作为未来从事机械制造技术工作的一次基本训练。

2.设计的题目和内容
机械制造工艺学课程设计的题目一般定为：制定某一零件成批或大批生产加工工艺规程及夹具设计，也可针对一组零件进行成组工艺和成组夹具设计。

2.1设计应完成的内容：
1）制定指定零件（或零件组）的机械加工工艺规程，编制机械加工工艺卡片，选择所用机床、夹具、刀具、量具、辅具；
2）对所制定的工艺进行必要的分析论证和计算；
3）确定毛坯制造方法及主要表面的总余量；
4）确定主要工序的工序尺寸、公差和技术要求；
5）对主要工序进行工序设计，编制机械加工工序卡片，画出的工序简图，选择切削用量；
6）设计某一工序的夹具，绘制夹具装配图和主要零件图；
7）编写设计说明书。

2.2课程设计实例
实例一
实例二
3.制定工艺规程步骤和方法
1．分析设计对象
阅读零件图，了解其结构特点、技术要求及其在所装配部件中的作用（如有装配图，可参阅）。

分析时着重抓住主要加工面的尺寸、形状精度、表面粗糙度以及主要表面的相互位置精度要求，做到心中有数。

2．确定毛坯制造方法及总余量，画毛坯图
确定毛坯种类和制造方法时应考虑与规定的生产类型（批量）相适应。

对应锻件，应合理确定其分模面的位置，对应铸件应合理确定其分型面及浇冒口的位置，以便在粗基准选择及确定定位和夹紧点时有所依据。

查手册或访问数据库，确定主要表面的总余量、毛坯的尺寸和公差。

如若对查表值或数据库所给数据进行修正，需说明修正的理由。

绘制毛坯图。

毛坯轮廓用粗实线绘制，零件实体用双点画线绘制，比例尽量取1：1。

毛坯图上应标出毛坯尺寸、公差、技术要求，以及毛坯制造的分模面、圆角半径和拔模斜度等。

3．制定零件工艺规程
零件的结构、技术特点和生产批量将直接影响到所制定的工艺规程的具体内容和详细程度，这在制定工艺路线的各项内容时必须随时考虑到。

（1）表面加工方法的选择
针对主要表面的精度和粗糙度要求，由精到粗地确定各表面的加工方法。

可查阅工艺手册中典型表面的典型加工方案和各种加工方法所能达到的经济加工精度，选择与生产批量相适应的加工方案和加工方法，对其它加工表面也作类似处理。

（2）定位基准的选择
根据定位基准的选择原则，并综合考虑零件的特征及加工方法，选择零件表面最终加工所用精基准和中间工序所用的精基准以及最初工序的粗基准。

（3）拟定零件加工工艺路线
根据零件加工顺序安排的一般原则及零件的特征，拟定零件加工工艺路线。

在各种工艺资料中介绍的各种典型零件在不同产量下的工艺路线（其中已经包括了工艺顺序、工序集中与分散和加工阶段的划分等内容），以及在生产实习和工厂参观时所了解到的现场工艺方案，皆可供设计时参考。

对热处理工序、中间检验、清洗、终检等辅助工序，以及一些次要工序（或工步）如去毛刺、倒角等，应注意在工艺方案中安排适当的位置，防止遗漏。

（4）选择各工序所用机床、夹具、刀具、量具和辅具
机床及刀、夹、量、辅具类型的选择应与设计零件的生产类型、零件的材料、零件的外形尺寸和加工表面尺寸、零件的结构特点、该工序的加工质量要求以及生产率和经济性等相适应，并应充分考虑工厂的现有生产条件，尽量采用标准设备和工具。

机床及工艺装备的选择可参阅有关的工艺、机床和刀、夹、量、辅具手册，也可访问数据库。

（5）工艺方案和内容的论证
根据设计零件的不同的特点，可有选择地进行以下几方面的工艺论证：
1）对比较复杂的零件，可考虑两个甚至更多的工艺方案进行分析比较，择优而定，并在说明书中论证其合理性。

2）当设计零件的主要技术要求是通过两个甚至更多的工序综合加以保证时，应用工艺尺寸链方法加以分析计算，从而有根据地确定有关工序的工序尺寸公差和工序技术要求。

3）对于影响零件主要技术要求且误差因素较复杂的重要工序，需要分析论证如何保证该工序技术要求，从而明确提出对定位精度、夹具设计精度、工艺调整精度、机床和加工方法精度甚至刀具精度（若有影响）等方面的要求。

4）其它的在设计中需要应加以论证分析的内容。

（6）填写工艺过程卡片
工艺过程卡片的格式可参考图S0-1。

该工艺过程卡片的格式较工厂所用的工艺过程卡片（实际上各行各业甚至各工厂其卡片格式也不尽相同）有所简化，更适于学习阶段使用。

机械加工以前的工序如铸造、人工时效等在工艺工程卡片中要有所记载，但不编工序号，工艺过程卡片在课程设计中只填写本次课程设计所涉及到的内容。

（7）机械加工工序设计
对于重要的加工工序，要求进行工序设计，其主要内容包括：
1）划分工步根据工序内容及加工顺序安排的一般原则，合理划分工步。

2）确定加工余量用查表法确定各主要加工面的工序（工步）余量。

因毛坯总余量已由毛坯（图）在设计阶段定出，故粗加工工序（工步）余量应由总余量减去精加工、半精加工余量之和而得出。

若某一表面仅需一次粗加工即成活，则该表面的粗加工余量就等于已确定出的毛坯总余量。

3）确定工序尺寸及公差对简单加工的情况，工序尺寸可由后续加工的工序尺寸加上名义工序余量简单求得，工序公差可用查表法按加工经济精度确定。

对加工时有基准转换的较复杂的情况，需用工艺尺寸链来求算工序尺寸及公差。

4）选择切削用量切削用量可用查表法或访问数据库方法初步确定，再参照所用机床的实际转速、走刀量档数最后确定。

（8）填写主要工序的工序卡并画出工序简图
课程设计用简化的工序卡片格式见图S0-2。

在工序卡上要求绘制出工序简图。

工序简图按照缩小的比例画出，不一定很严格。

如零件复杂不能在工序卡片中表示时，可用另页单独绘出。

工序简图尽量选用一个视图，图中工件是处在加工位置、夹紧状态，用细实线画出工件的主要特征轮廓。

本工序的加工面用粗实线画出。

为使工序简图能用最少视图表达，对定位夹紧表面以规定的符号来表示，见表S0-3。

最后还要详细标明本工序的加工质量要求，包括工序尺寸和公差、表面粗糙度以及工序技术要求等。

对多刀、多工位加工，还应附有刀具调整示意图。

4.夹具设计
夹具设计可按下述三个步骤进行：
1. 经济性分析
对某一工序而言，是否使用夹具？使用何种类型的夹具（通用夹具、专用夹具、成组夹具、组合夹具等）？以及在确定使用专用夹具的情况下设计什么档次的夹具？这些问题在设计夹具前，必须从经济的观点加以考虑，即要进行经济性分析和论证。

迄今为止，夹具经济性的分析研究还不够完善，设计者常常需要根据自己的经验来进行决策。

下面介绍的方法可供设计者在决策时参考。

使用夹具加工时，工序成本可按下式计算：
a
F sF M LF F Q i n C t C C E )1()(0⋅+⋅+
⋅+= (S-1) 式中E 0F -- 使用夹具加工时的工序成本（元）； C LF -- 使用夹具加工时的每小时劳动力费用（元/小时）；
C M -- 包括管理费用在内的机床机时费用（元/小时）；
t sF -- 使用夹具加工时的单件工时（小时）；
n -- 夹具使用年限（年）；
i -- 投资利息或润利率数值（1/年）；
Q a -- 使用夹具加工的零件总数；
C F --夹具成本，包括夹具设计费用、材料费用、加工费用、调整与装配费用、维护与保管费用等（元）。

不使用夹具加工时，工序成本可按下式计算：
s M L t C C E ⋅+=)(0 （S-2）
式中E 0 -- 不使用夹具加工时的工序成本（元）；
C L -- 不使用夹具加工时的每小时劳动力费用（元/小时）；
t s -- 不使用夹具加工时的单件工时（小时）。

若E 0F ≤ E0 ，则应使用夹具。

同理，也可以确定夹具的复杂程度和自动化水平。

2. 夹具总体方案的构思和设计，绘制方案图（结构略图）
1）根据零件加工工艺所给的定位基准和六点定位原理，确定工件的定位方法并选择相应的定位元件，定位方案和定位元件的选择要能够保证工件的位置精度。

2）确定刀具引导方式，并设计引导装置或对刀装置。

3）确定工件的夹紧方法，并设计夹紧机构，注意夹紧力作用点、方向和夹紧力动力源的选择及多点夹紧机构的联动性等。

4）确定其它元件或装置的结构形式。

5）考虑各种元件和装置的布局，确定夹具体的总体结构，并绘制方案图（结构略图）。

在考虑总体结构方案时，应多看些夹具图册并可去工厂调研。

为使方案选择合理，应提出两个或两个以上方案进行分析比较。

3. 将确定的方案绘制成结构草图
夹具草图要求能够清晰表达夹具工作原理、基本结构以及各种元件和装置的相互位置关系。

对夹具的主要部分，如定位元件的结构形式、夹紧装置的类型和结构、导向元件等最好详细画出，便于检查其实现的可能性。

对一些标准件如定位销、螺栓、螺母等则可不必详细画出而只用位置中心线表示。

对某些结构要素如圆角、倒角等在草图阶段不必画出。

确定夹具和机床的联接方式，为此需要查阅机床手册、工艺设计手册或访问数据库。

在绘制夹具草图阶段，应同时对夹具的精度、夹紧力进行必要的分析计算。

4. 绘制夹具总装配图
在草图的基础上，进行加工和细化，即可生成正式夹具装配图。

绘制夹具总图时应注意以下几点：
1）严格按照1:1的比例画。

2）被加工零件视为透明体（不遮挡夹具），用双点划线画出其轮廓，并应画出定位面、夹紧面和加工面，加工面用粗实线画出。

3）夹紧元件及夹紧机构应按夹紧状态画出，必要时可用双点划线画出夹紧元件的松开位置。

油缸、气缸均应标出工作行程，用双点划线表示出放松的位置。

4）注意视图的配置与安排，主视图应面对工人操作的位置。

5）夹具设计的结构工艺性，主要是夹具零件的结构工艺性, 与一般机械零件的结构工艺性相同，首先要尽量选用标准件和通用件，以降低设计和制造费用；其次要考虑加工的工艺性及经济性。

夹具结构工艺性还应考虑夹具的装配方法与检验法方法。

夹具一般属于单件生产，多采用调整法和修配法进行装配，设计时应充分注意。

6）夹紧总图应注明的尺寸包括：夹具外形轮廓尺寸；移动件的极限位置尺寸；与夹具定位元件、导向元件及夹具安装基准面有关的配合尺寸、位置尺寸及公差；夹具定位元件与工件的配合尺寸；夹具导向元件与刀具的配合尺寸；夹具与机床的联接尺寸及配合；关键部位的配合尺寸公差及装配技术要求；其它重要配合尺寸。

7）夹具上有关尺寸公差和形位公差取工件上相应公差的1/5～1/2, 通常取1/3。

当生产批量较大时，考虑夹具的磨损，应取较小值；当工件本身精度较高，为使夹具制造不十分困难，可取较大值。

当工件上相应的公差为自由公差时，夹具上有关尺寸公差常取±0.1mm或±0.05mm，角度公差（包括位置公差）常取±10′或±5′。

确定夹具公差带时，应保证夹具上有关尺寸的公差带刚好落在工件上相应尺寸公差带的中间。

8）夹具总图上标注的技术要求通常有以下几方面：定位元件与定位元件定位表面之间的相互位置精度要求；定位元件的定位表面与夹具安装面之间的相互位置精度要求；定位元件的定位表面与引导元件工作表面之间的相互位置精度要求；引导元件与引导元件工作表面之间的相互位置精度要求；定位元件的定位表面或引导元件的工作表面对夹具找正基准面的位置精度要求；与保证夹具装配精度有关的或与检验方法有关的特殊的技术要求。

表S0-4列出了几种常见的夹具技术要求，可供参考
9）在装配图上应有：标题栏、件号、技术要求、剖视图。

自制件要编号，自制件的件数、材料均须在明细表中列出。

标准件可不编号，其规格、件数可在夹具图上直接标出。

5.编写说明书
设计说明书的主要内容应包括：
1. 工艺规程设计
包括零件图的分析、毛坯制造方法的选择、基准的选择、加工方法的选择、加工顺序的确定、工艺路线的制订、余量与工序尺寸的确定、切削用量的选择等。

其中制定工艺路线部分要详细编写，包括工艺论证内容。

2. 夹具设计
夹具设计说明包括夹具的用途、工作原理、结构方案的选择和分析、定位误差和夹紧力的计算、精度分析、夹具的使用说明、本夹具的优缺点等。

写说明书要求重点突出，文字简练，字迹端正，说理清楚。

尽量用示意图或计算数据来说明问题，不追求过多的文字叙述。

说明书的编写工作，应从设计的开始之日起，逐日将设计的主要内容及分析计算等记入笔记本中。

每到一阶段，即可按要求逐段整理成文，设计结束前再进行整理补充。

说明书统一用A4纸书写，四周留出边框用于装订。

本指导书所附说明书封皮及任务书用于首页，接下去编排目录（应有页号），说明书正文是主体，并将工艺过程卡及工序卡按恰当位置附入，后记部分可写收获、体会以及意见或建议，最后列出自己设计中所用到的主要参考资料名称。

“机械制造工艺学”课程设计实例一
设计题目
设计"中间轴齿轮"零件（图S0-1）机械加工工艺规程及某一重要工序的夹具。

年产5000件。

课程设计说明书（实例一）
1. 零件图分析
1.1 零件的功用
本零件为拖拉机变速箱中倒速中间轴齿轮，其功用是传递动力和改变输出轴运动方向。

1.2 零件工艺分析
本零件为回转体零件，其最主要加工面是φ62H7孔和齿面，且两者有较高的同轴度要求，是加工工艺需要重点考虑的问题。

其次两轮毂端面由于装配要求，对φ62H7孔有端面跳动要求。

最后，两齿圈端面在滚齿时要作为定位基准使用，故对φ62H7孔也有端面跳动要求。

这些在安排加工工艺时也需给予注意。

2. 确定毛坯
2.1 确定毛坯制造方法
本零件的主要功用是传递动力，其工作时需承受较大的冲击载荷，要求有较高的强度和韧性，故毛坯应选择锻件，以使金属纤维尽量不被切断。

又由于年产量为5000件，达到了批量生产的水平，且零件形状较简单，尺寸也不大，故应采用模锻。

2.2 确定总余量
由表S-1确定直径上总余量为6mm，高度（轴向）方向上总余量为5mm。

2.3 绘制毛坯图（图S0-2）
3.制定零件工艺规程
3.1 选择表面加工方法
1）φ62H7孔参考表S－2，并考虑：
①生产批量较大，应采用高效加工方法；
②零件热处理会引起较大变形，为保证φ62H7孔的精度及齿面对φ62H7孔的同轴度，热处理后需对该孔再进行加工。

故确定热前采用扩孔－拉孔的加工方法，热后采用磨孔方法。

2）齿面根据精度8-7-7的要求，并考虑生产批量较大，故采用滚齿－剃齿的加工方法（表S-3）。

3）大小端面采用粗车－半精车－精车加工方法（参考表S－4）。

4）环槽采用车削方法。

3.2 选择定位基准
1）精基准选择齿轮的设计基准是φ62H7孔，根据基准重合原则，并同时考虑统一精基准原则，选φ62H7孔作为主要定位精基准。

考虑定位稳定可靠，选一大端面作为第二定位精基准。

在磨孔工序中，为保证齿面与孔的同轴度，选齿面作为定位基准。

在加工环槽工序中，为装夹方便，选外圆表面作为定位基准。

2）粗基准选择重要考虑装夹方便、可靠，选一大端面和外圆作为定位粗基准。

3.3 拟定零件加工工艺路线
方案1：
1）扩孔（立式钻床，气动三爪卡盘）；
2）粗车外圆，粗车一端大、小端面，一端内孔倒角（多刀半自动车床，气动可胀心轴）；
3）半精车外圆，粗车另一端大、小端面，另一端内孔倒角（多刀半自动车床，气动可胀心轴）；
4）拉孔（卧式拉床，拉孔夹具）；
5）精车外圆，精车一端大、小端面，一端外圆倒角（普通车床，气动可胀心轴）；
6）精车另一端大、小端面，另一端外圆倒角（普通车床，气动可胀心轴）；
7）车槽（普通车床，气动三爪卡盘）；
8）中间检验；
9）滚齿（滚齿机，滚齿夹具）；
10）一端齿圈倒角（倒角机，倒角夹具）；
11）另一端齿圈倒角（倒角机，倒角夹具）；
12）剃齿（剃齿机，剃齿心轴）；
13）检验；
14）热处理；
15）磨孔（内圆磨床，节圆卡盘）；
16）最终检验。

方案2：
1）粗车一端大、小端面，粗车、半精车内孔，一端内孔倒角（普通车床，三爪卡盘）；
2）粗车、半精车外圆，粗车另一端大、小端面，另一端外圆、内孔倒角（普通车床，三爪卡盘）；
3）精车内孔，车槽，精车另一端大、小端面，另一端外圆倒角（普通车床，三爪卡盘）；
4）精车外圆，精车一端大、小端面（普通车床，可胀心轴）；
5）中间检验；
6）滚齿（滚齿机，滚齿夹具）；
7）一端齿圈倒角（倒角机，倒角夹具）；
8）另一端齿圈倒角（倒角机，倒角夹具）；
9）剃齿（剃齿机，剃齿心轴）；
10）检验；
11）热处理；
12）磨孔（内圆磨床，节圆卡盘）；
13）最终检验。

方案比较：
方案2工序相对集中，便于管理，且由于采用普通机床，较少使用专用夹具，易于实现。

方案1则采用工序分散原则，各工序工作相对简单。

考虑到该零件生产批量较大，工序分散可简化调整工作，易于保证加工质量，且采用气动夹具，可提高加工效率，故采用方案1较好。

3.4 选择各工序所用机床、夹具、刀具、量具和辅具（表S－5，表S－6）
3.5 填写工艺过程卡片（表S0-5）
3.6 机械加工工序设计
工序02
1）刀具安装由于采用多刀半自动车床，可在纵向刀架上安装一把左偏刀（用于车削外圆）和一把45°弯头刀（用于车倒角）；可在横刀架上安装两把45°弯头刀（用于车削大、小端面）。

加工时两刀架同时运动，以减少加工时间（图S0-3）。

图S0-3 工序02排刀图
2）走刀长度与走刀次数以外圆车削为例，若采用75°偏刀，则由表15－1可确定走刀长度为25＋1＋2＝28mm；一次走刀可以完成切削（考虑到模角及飞边的影响，最大切深为3－4mm）。

3）切削用量选择
①首先确定背吃刀量：考虑到毛坯为模锻件，尺寸一致性较好，且留出半精车和精车余量后（直径留3 mm），加工余量不是很大，一次切削可以完成。

取：
a P =（136－133）/2 + 12.5×tan（7°）＝3mm；考虑毛坯误差，取：a P = 4 mm；
②确定进给量：参考表S-7，有：f＝0.6 mm/ r；
③最后确定切削速度：参考表S-8，有：v= 1.5m/s，n = 212r/min。

4）工时计算
①计算基本时间：t m = 28 /（212×0.6）= 0.22min（参考式S－3）；
②考虑多刀半自动车床加工特点（多刀加工，基本时间较短，每次更换刀具后均需进行调整，即调整时间所占比重较大等），不能简单用基本时间乘系数的方法确定工时。

可根据实际情况加以确定：T S = 2.5min。

该工序的工序卡片见表表S0-6。

工序06
1）刀具安装由于在普通车床上加工，尽量减少刀具更换次数，可采用一把45°弯头刀（用于车削大、小端面）和一把75°左偏刀（用于倒角），见图S0-4。

图S0-4 工序06刀具安装示意图
2）走刀长度与走刀次数考虑大端面，采用45°弯头刀，由表S－9可确定走刀长度为27.5＋1＋1≈30mm；因为是精车，加工余量只有0.5 mm，一次走刀可以完成切削。

小端面和倒角也一次走刀完成。

3）切削用量选择
①首先确定背吃刀量：精车余量0.5mm，一次切削可以完成。

取：a P = 0.5mm；
②确定进给量：参考表S-10，有：f＝0.2 mm/ r；
③最后确定切削速度：参考表S-8，有：v = 1.8m/s，n = 264r/min。

4）工时计算
①计算基本时间：t m=（30 +8 + 3）/（264×0.2）≈0.8 min（参考式S－3）；
②考虑到该工序基本时间较短，在采用基本时间乘系数的方法确定工时，系数应取较大值（或辅助时间单独计算）。

可得到：TS = 2×tm = 1.6 min。

该工序的工序卡片见表表S0-7。

工序09
1）工件安装 由于滚齿加工时切入和切出行程较大，为减少切入、切出行程时间，采用2件一起加工的方法（见图S0-5）。

图S0-5 工序09工件安装示意图
2）走刀长度与走刀次数 滚刀直径为120mm ，则由图S0-5可确定走刀长度为：
mm L L 1366251260602622221=+--⨯=+⨯=).(
走刀次数：1
3）切削用量选择
① 确定进给量：参考表S-11，有：f ＝ 1.2 mm/工件每转；
②确定切削速度：参考表S-12，有：v= 0.6m/s，计算求出n = 96r/min；
③确定工件转速：滚刀头数为1，工件齿数为25，工件转速为：n w = 96/25≈4 r/min。

4）工时计算
①计算基本时间：t m =136 / [（4×1.2）×2 ] ≈14 min（参考式S－3）；
②考虑到该工序基本时间较长，在采用基本时间乘系数的方法确定工时，系数应取较小值（或辅助时间单独计算）。

可得到：T S = 1.4×t m≈20 min。

该工序的工序卡片见表表S0-8。

工序13
1）走刀长度与走刀次数走刀长度取：L=l=40mm；走刀次数：0.2/0.01＝20（双行程）。

2）切削用量选择（参考表S-13）
①确定砂轮速度：取砂轮直径d ＝50 mm，砂轮转速n = 10000r/min，可求出砂轮线速度：
v = 26m/s；
②确定工件速度：取v w = 0.12 m/s；可计算出工件转数n w = 36 r/min；
③确定纵向进给量：取f l = 3m/min；
④确定横向进给量：取f r= 0.01mm/双行程；
⑤确定光磨次数：4次/双行程。

3）工时计算
①计算基本时间：t m =（40×2/（3×1000））×（20＋4）×K
K是加工精度系数，取K＝2，得到：t m = 1.28 min；
②考虑到该工序基本时间较短，在采用基本时间乘系数的方法确定工时，系数应取较大值（或辅助时间单独计算）。

可得到：T S = 2.4×t m = 3 min。

该工序的工序卡片见表表S0-9。

4 夹具设计（以06工序夹具为例进行说明）
4.1 功能分析与夹具总体结构设计
本工序要求以φ61.6H8孔（4点）和已加工好的大端面（1点）定位，精车另一大、小端面及外圆倒角（5×15°），并要求保证尺寸20±0.2和10±0.2以及大、小端面对φ61.6H8孔的跳动不大于0.05mm。

其中端面跳动是加工的重点和难点，也是夹具设计需要着重考虑的问题。

夹具方案设计
工件以孔为主要定位基准，多采用心轴。

而要实现孔4点定位和端面1点定位，应采用径向夹紧。

可有以下几种不同的方案：
1）采用胀块式自动定心心轴；
2）采用过盈配合心轴；
3）采用小锥度心轴；
4）采用弹簧套可胀式心轴；
5）采用液塑心轴。

根据经验，方案1定位精度不高，难以满足工序要求。

方案2和3虽可满足工序要求，但工件装夹不方便，影响加工效率。

方案4可行，即可满足工序要求，装夹又很方便。

方案5可满足工序要求，但夹具制造较困难。

故决定采用方案4。

夹具总体结构设计。