配气机构摇臂轴”零件的机械加工工艺规程

机械制造工艺学课程设计实例
机械制造工艺学
课程设计说明书
设计题目设计“配气机构摇臂轴”零件的机械加工
工艺规程及工艺装备
设计者刘梅芳
指导教师杨振祥
学号 1102070513
中南大学
机车车辆教研室
2011年 1 月11 日
内容：
1. 零件图 1张
2. 毛坯图 1张
3. 课程设计任务书 1份
4. 机械加工工艺工程卡片 1张
5. 机械加工工序卡 8张
6. 夹具装配图 1张
7.课程设计说明书 1份
序言
机械制造工艺学课程设计是在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。

就个人而言，我希望能通过这次课程设计对自己未来将从事的工作进行一次适应性的训练，希望在设计中能锻炼自己分析问题、解决问题的能力，为自己今后参加祖国的“四化”建设打下一个良好的基础。

由于能力所限，设计尚有许多不足之处，希望各位老师给予指教。

一、零件的分析
（一）零件的作用及技术要求
1、零件的作用
配气机构是进、排气管道的控制机构，它按照发动机的作功次序和每一缸的工作循环的要求，适时地开闭进、排气门、向气缸供给可燃混合气（汽油机）或新鲜空气（柴油机）并及时排出废气。

一般由凸轮轴、气门推杆、挺柱、气门摇臂、摇臂控制轴、气门导管以及气门等部件构成。

摇臂轴是一空心圆轴，用数个支座安装在气缸盖上，摇臂套装在摇臂轴上，并能在轴上作圆弧摆动。

轴内孔与主油道相通，供给配气机构润滑油
2。

主要技术要求
零件图上主要的技术要求为：
1)摇臂轴调质硬度为HB255-302；B 表面淬火硬度HRC55-60，硬化深度1-1.5mm ； 2）探伤检查。

（二）零件的工艺性分析
配气机构摇臂轴这个零件从附图1上可以看出，它一共有以下7组加工表面，分述如下：
1、 Φ50h8轴：轴径0
39
.050-mm ，表面粗糙度为Ra6.3μm ，端倒角2mm ×45°。

2、 摇臂轴总长：保证尺寸25005
.0-mm ，表面粗糙度为Ra0.8μm 。

3、端侧面表面粗糙度为Ra6.3μm。

4、Φ27圆槽：槽径Φ27，到端侧面保证尺寸17±0.1mm，铣刀加工，槽深至摇臂轴外径表面保证尺寸17mm，两个，槽间距保证尺寸216±0.1mm，表面粗糙度为Ra6.3μm，。

5、两个Φ5孔：孔径Φ5，两端倒角1.5mm×45°，两孔距95±0.2mm，孔中心轴距离端侧面保证尺寸77.5±0.2mm，表面粗糙度为Ra12.5μm。

6、Φ8.5孔：孔径Φ8.5，两端倒角1mm×45°表面粗糙度为Ra12.5μm。

7、90°销钉孔：孔深5mm，孔中心轴距离端侧面保证尺寸47.5±0.1mm，表面粗糙度为Ra12.5μm。

二、工艺规程设计
（一）确定毛坯的制造形式
配气机构摇臂轴在整个设备中的作用非常重要，需要选用可靠性高的材料。

42CrMo钢强度、淬透性高，韧性好，淬火时变形小，高温时有高的蠕变强度和持久强度。

零件材料选用42CrMo钢。

零件材料为42CrMo，考虑到摇臂轴在应用过程中经常承受交变和冲击性载荷，因此选
用锻件，以便使金属纤维尽量不被切断，保证零件工作可靠。

由于零件采用单件大批量生产，
而且零件的轮廓尺寸不大，可以采用锻造件，可以采用热轧圆钢，可以直接从钢材市场上购
得。

这从提高生产率，保证加工精度上考虑也是应该的。

（二）基面的选择
基面选择是工艺规程设计中的重要工作之一，基面选择的正确与合理，可以是加工质量得到保证，生产率得以提高。

否则不但使加工工艺过程中的问题百出，更有甚者，还会造成零件的大批报废，使生产无法进行。

由于零件图所示的摇臂轴上多数尺寸及形位公差以Φ50h8外圆面及其端面为设计基准，因此必须首先将工件外圆面及其端面加工好，为后续工序准备基准。

根据粗、精基准选择的原则，确定各加工表面的基准如下：
1）Φ8.5孔：摇臂轴外圆面。

2）右端面：摇臂轴左端面。

3）两个半圆槽：摇臂轴左端面。

4）两个Φ5孔：摇臂轴的左端面及左边孔的中心线。

5）销钉孔：摇臂轴的左端面及外圆面。

（三）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成批生产的条件下，可以考虑使用先进设备配以专用夹具，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降低。

1、工艺路线方案一：
工序号工序内容
1 2 锻造
热处理：正火处理
3 4 5 6 7 8 9
10
11
12
13 热处理：调质HB255-302
粗车：Φ50h8外圆
半精车：Φ50h8外圆并倒角2x45°
精车：Φ50h8圆柱面
粗车：Φ50h8端面
半精车：Φ50h8端面
钻孔：Φ8.5mm，并倒角1x45°
钻孔：Φ5mm，并倒角1.5x45°,钻销钉孔热处理：淬火
铣：Φ27半圆槽
探伤检查
2.工艺路线方案二：
工序号工序内容
1 2 3 4 5 6 7 8 9
10
11
12
13 锻造
热处理：正火处理
热处理：调质HB255-302
粗车：Φ50h8端面
半精车：Φ50h8端面
粗车：Φ50h8外圆
半精车：Φ50h8外圆并倒角2x45°
钻孔：Φ8.5mm，并倒角1x45°
钻孔：Φ5mm，并倒角1.5x45°,钻销钉孔热处理：淬火
磨削：Φ50h8圆柱面
铣：Φ27半圆槽
探伤检查
3、工艺方案比较与分析：
上述两个工艺方案的特点在于：方案一是先加工Φ50h8的外圆，然后再以此为基础，加工Φ50h8端面，再经过钻孔、淬火等处理后，在以Φ50h8的外圆为垂直方向的定位基准铣Φ27半圆槽，这样不仅无法保证Φ50h8外圆的高精度，同时也使Φ27半圆槽的位置精度不够。

方案二则是先加工Φ50h8端面，然后以此为基面加工Φ50h8的外圆以及钻孔，而经过钻孔和淬火等处理后，再次磨削加工Φ50h8的外圆。

两相比较，可以看出，先加工加工Φ50h8的外圆，再加工Φ50h8端面，不仅能保证Φ50h8的外圆的精度，也能基本符合“基准重合”的原则。

因此方案二比较合理，但经过仔细考虑后还是有问题。

为了减少装夹次数，需要调整钻孔的顺序，而且热处理可以综合成一步，不重要的半精加工面应该在精加工之前。

根据先面后孔、先主要表面后次要表面和先粗加工后精加工的原则，最后的加工路线确定如
下：
序号
工序内容
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
锻造
热处理：正火处理 粗车：Φ50h8端面 半精车：Φ50h8端面 粗车：Φ50h8外圆
半精车：Φ50h8外圆并倒角2x45° 铣：Φ27半圆槽
钻孔：Φ5mm ，并倒角1.5x45°,钻销钉孔 钻孔：Φ8.5mm ，并倒角1x45° 磨削：Φ50h8外圆 探伤检查
（四）机械加工余量、工序尺寸及毛坯确定
1、根据上述原始资料及加工工艺，分别确定各加工表面的加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸如下： 工序 工序内容
工序余量 工序尺寸及公差
表面粗糙度μm
0 锻造 4 11-542+
12.5 5 热处理
10 粗车：Φ50h8端面 1.0 00.15-512
12.5 15 半精车：Φ50h8端面 0.7 05.0- 250
6.3 20 粗车：Φ50h8外圆
2.0 062
.00 5.51 12.5 25 半精车：Φ50h8外圆并倒角2x45° 1.0 039.005.50+ 6.3 30
铣：Φ27半圆槽
06.00 27+ 6.3 35
1)钻孔:Φ5mm ，并倒角1.5x45°
012.00
5+ 12.5 2)钻销钉孔
01.00 5+ 12.5 40 钻孔：Φ8.5mm 并倒角1x45° 016.00
5.8+ 12.5 45
磨削：Φ50h8外圆
0.4
0039
.0-50 0.8
50 探伤检查
2、毛坯选择
1）毛坯形状、尺寸及公差
根据上述资料所得尺寸可得出毛坯尺寸，毛坯的形状及尺寸如附图2所示。

2）确定毛坯技术要求 A 、锻件无明显锻造缺陷；
B 、机加工前调质，消除内应力。

3）绘毛坯图
根据附图1所示的零件结构形状，在各加工表面加上加工余量，绘制毛坯图如附图2所示。

(五）选择机床设备及工艺装备
根据一般工厂现有的生产条件，为了满足生产需要，先选用各工序所用的设备为： 工序Ⅰ 粗车、半精车Φ50h8端面，选用CA6140车床，刀具选用硬质合金端面车刀，专用夹具，0~200/0.02mm 游标卡尺；
工序Ⅱ 粗车、半精车Φ50h8外圆并倒角2x45°，选用CA6140车床，刀具选用高速钢外圆车刀，专用夹具，0~200/0.02mm 游标卡尺；
工序Ⅲ 铣Φ27半圆槽，选用x62w 卧式铣床，选用锥柄键槽铣刀，专用夹具，0~200/0.02mm 游标卡尺；
工序Ⅳ钻孔Φ5mm ，并倒角1.5x45°,钻销钉孔，选用ZK2103C 数控深孔钻床、Φ5标准锥柄麻花钻专用夹具、0~200/0.02mm 游标卡尺；
工序Ⅴ钻孔Φ8.5mm ，并倒角1x45°选用ZK2103C 数控深孔钻床、Φ8.5锥柄加长麻花钻专用夹具、0~200/0.02mm 游标卡尺；
工序Ⅵ磨削Φ50h8外圆，选用M120W 外圆磨床、专用夹具、 WA 砂轮、0~200/0.02mm 游标卡尺；
（六）确定切削用量及基本工时
1、工序Ⅰ 粗车、半精车端面
h8为过渡配合精铣，粗糙度Ra=6.3，42CrMo 为合金调质钢 （1）粗车（工序余量：t=1mm ）
圆柱表面外圆车削机动工时计算公式为：T 0=i n
f l l l .l 3
21+++，
其中f ——进给量(mm/r),
N ——工件每秒转速（r/s ） i ——进给次数。

切削速度V=
1000
n
D π，
其中D ——工件外径。

进给量f=0.65mm/r 吃刀量ap=3-5mm 刀具耐用度95min
由《机械加工工艺手册》查询可选择粗车t=1.0mm ，半精车t=0.7mm ，则其毛坯尺寸：L=250+2×（1+0.7）=253.4mm
f z =0.08mm ，v=24m/min ，则： min /9.10175
14.324
1000100r D v n s =⨯⨯==
π 取w n =102r/min,则
V==⨯⨯=
1000
102
7514.31000n w
D π24.021m/min
=⨯⨯=∙∙=
102508.0n f
f
w z
m
z 40.8mm/min
机动工时为：
12147.5 1.51
0.66min 76.2m l l l t f ++++=
==
（2）半精车（加工余量：t=0.7mm ）
查《机械加工工艺手册》选择高速钢车刀，D=70mm ，z=8。

则
取则
min,/110min /19.10970
14.324
10001000min
/24,06.0r r D v m v mm n n f
w s z
==⨯⨯==
==π V==⨯⨯=
1000
110
7014.31000
n w
D π24.178m/min
8.52110806.0=⨯⨯=∙∙=
n f
f
w z
m
z mm/min
机动工时为
=t
1
0.58min
2、工序Ⅱ粗车、半精车Φ50h8外圆并倒角2x45°
（1）粗车加工轴外圆t=2mm
由于余量为2mm ，因此分一次切削，吃刀深度为p a =2mm ，查《机械加工工艺手册》，进给量f=0.4mm/r ，切削加工中参数：Cv=291 ; m=0.2 ; xv=0.15 ; yv=0.2 v y x p
m v k f
a t c v v
v
.=
=
54.18.081.076
.023.114.2291
⨯⨯⨯⨯⨯=145.16m/min(2.42m/s)
确定机床主轴转速： s r d v n s /97.145
.5114.342
.210001000=⨯⨯=⨯=
π（898r/min)
按机床取w n =900r/min=15r/s ，实际切削速度为 V=
=1000n w
D π 1000
9005.5114.3⨯⨯=145.54mm/min
车外圆时4
.0152
552t 1⨯++=
m =98s （1.6min)
(2)半精车加工轴外圆 t=1mm
由于加工余量为1mm ，因此分二次切削，吃刀深度为p a =0.5mm ，查《机械加工工艺手册》，进给量f=0.3mm/r ，切削加工中参数：Cv=291 ; m=0.1 ; xv=0.18 ; yv=0.4 v y x p
m v k f
a t c v v
v
.=
=
54.18.081.062
.019.127.2291
⨯⨯⨯⨯⨯=173.39m/min(2.89m/s)
确定机床主轴转速： s r d v n s /29.185
.5014.39
.210001000=⨯⨯=⨯=
π（1097r/min)
按机床取w n =1200r/min=20r/s ，实际切削速度为
V=
=1000
n w
D π
1000
1200
5.5014.3⨯⨯=190.28mm/min
车外圆时3
.017.31
5511⨯++=m t =60s=1.0min
（3）倒角2x45°
为缩短辅助时间，取倒角的主轴转速与车床钻孔相同，min)/1200(/20r s r n w =，手动进给。

3、工序Ⅲ 铣Φ27半圆槽,加工余量t=17mm
查《机械加工工艺手册》选择锥柄键槽铣刀铣半圆槽，D=125mm,z=10,f z =0.09mm/齿，则： 1）每转进给量f 为：
f=fz ×z=0.09×10=0.9mm/r 2）每分钟进给量Vf 为：
Vf=fz ×z ×n=0.9×300=270min /r 3）每齿进给量fz 为： 300
10270
f z ⨯=
⨯=
n
z v f =0.09mm/齿
4）取转速n w =300r/min ，则切削速度Vc 为： 1000
300
12514.31000V c ⨯⨯==
n D w π=117.81mm/min Vf ——铣刀每分钟进给量
Z ——铣刀齿数 N ——铣刀转速 5）机动加工时间： 单位时间切削量：60
270
9.0v ⨯=
=4.05mm/s
铣削一个U 型槽的时间是：05
.417171==v t =4.2s 机动加工时间为：T=
243
340
+0.5=1.64min
4、工序Ⅳ 钻孔Φ5mm ，并倒角1.5x45°,钻销钉孔
（1）钻φ5mm 孔
确定进给量：选取f=0.10mm/r ；修正系数0.7故f=0.075mm/r 切削速度：v=0.25m/s min)/1194(/r 9.194
14.325
.01000π1000r s d v n w s =⨯⨯==
按机床选取min)/1190(/8.19r s r n w = 所以实际切削速度s m n d v w w /m 25.01000
8
.19414.31000π=⨯⨯==
即v=0.25mm/s=15mm/min 切削工时：l =6mm ，1l =4mm ，2l =3mm
.75min 8075
.08.1934621=⨯++=++=f n l l l t w w
（2）倒角1.5x45°
为缩短辅助时间，取倒角的主轴转速与车床钻孔相同，min)/1190(/8.19r s r n w =，手动进给。

5、工序Ⅴ 钻Φ8.5mm 的中心孔,并倒角1x45°
查《机械加工工艺手册》，选择Φ8.5Ⅱ型锥柄超长麻花钻，0d =8.5mm, 转速选择n=375r/min 1）切削速度Vc=
1000
375
5.814.31000⨯⨯=dn π=10.01mm/min 2）进给量:经查表选择f=0.66mm/r ，则单位时间进给速度f v =nf=375mm/ min 3）钻孔深度p a =250mm
4）材料切除率c v f d ⨯⨯⨯⨯=00d 25.0Q =0.253
mm /min 5）钻孔时间：f
v 0
d 3.0250T +=
=(250+2.55)/247.5=1.02min
6）倒角1x45°
为缩短辅助时间，取倒角的主轴转速与车床钻孔相同， n=375r/min ，手动进给。

6、工序Ⅵ 磨削：Φ50h8外圆
（1）选择砂轮
P300×40×127WA60QV6 （2）切削用量的选择 查表可得：
砂轮进给量：f=0.005mm/r. 磨削速度：v=30m/s
砂轮主轴转速：n=2200r/min.
工件回转速度：v=0.3m/s 。

工件的转数：n=1.29r/s=77.4r/min 。

轴向进给量：a f =0.5B=20mm 。

径向进给量：r f =0.0157mm/行程
磨轮横进给按工作台一次往复行程进给时，机动时间公式为： rd
a b f f nf k
LZ t 2=
L ——加工面长度，250mm ； b Z ——加工余量，0.4mm ； K ——系数，1.1；
n ——工件每分钟转速r/min ；
rd f ——双行程磨削深度进给量mm/双行程，0.0314mm/双行程； rd a b f f nf k LZ t 2=
=0314
.0204.771
.14.02502⨯⨯⨯⨯⨯=4.53min(271s)
三、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。

通过查找一番资料后，我决定设计拨叉831008中的一道工序——钻扩两孔φ30的钻床夹具。

本夹具将用于Z3025摇臂钻床。

(一) 问题的提出
在给定的零件中，对本步加工的定位并未提出具体的要求，是自由公差，定位要 求较低。

因此，本步的重点应在卡紧的方便与快速性上。

(二) 夹具设计
为了加工出符合规定技术要求的表面，必须在加工前将工件装夹在机床上或夹具中。

工
件的装夹包括定位和夹紧两个过程。

工件在夹具中定位的任务是：使同一工序中的所有工件都能在夹具中占据正确的位置。

一批工件在夹具上定位时，各个工件在夹具中占据的位置不可能完全一致，但各个工件的位置变动量必须控制在加工要求所允许的范围之内。

将工件定位后的位置固定下来，称为夹紧。

工件夹紧的任务是：使工件在切削力、离心
力、惯性力和重力的作用下不离开已经占据的正确位置，以保证机械加工的正常进行。

1、定位基准的选择
出于定位简单和快速的考虑，选择φ20孔为基准，即以一面上一长销（自由度
限制数：5）配合以一挡销（自由度限制数：1）使工件完全定位。

再使用快速螺旋
卡紧机构进行卡紧。

2、夹紧力大小计算
在本工序中，钻削力与夹紧力方向垂直，在钻削力的作用下，有可能产生工件平移 和转动两种可能。

为此，应按这两种情况分别计算所需的夹紧力，然后将计算结果与实际夹紧力相比较，从而确定夹具的可行性。

1）计算钻削力和钻削扭矩
本步加工可按钻削估算卡紧力。

实际效果可以保证可靠的卡紧。

轴向力:
N k f
d C F F yM Mf
F i 52.20.10.1006.04208.00.10=⨯⨯⨯== 扭矩：
M N k f d C M M yM zM M c ∙⨯=⨯⨯⨯==-68.00.2010416.70.10.1006.0206.0
由于扭矩很小，计算时可忽略。

已知卡紧力为μ2f F F =
则：F=5.04N
且实际卡紧力F ’=S1*S2*S3*S4*F ，查找相关手册可取系数
S1=1.5 S2=S3=S4=1.1
则实际卡紧力为
F ’=S1*S2*S3*S4*F
=10.06N
使用快速螺旋定位机构快速人工卡紧，调节卡紧力调节装置，即可指定可靠
的卡紧力。

3、定位误差分析
本工序采用一定位销，一挡销定位，工件始终靠近定位销的一面，而挡销的偏角会使工件自重带来一定的平行于卡具体底版的水平力，因此，工件不在定位销正上方，进而使加工位置有一定转角误差。

但是，由于加工是自由公差，故应当能满足定位要求。

4、夹具设计及操作的简要说明
根据加工工序的尺寸，形状和位置精度要求，工件定位时需限制四个方向的自由度：沿X，Y方向的水平运动以及轴向转动。

采用固定V形块限制X方向的移动，Y方向的移动和转动。

同时用定位销插入φ50mm的孔，用来限制X，Y方向的移动和装懂，共有四个自由度。

由于固定式钻模板虽然有事装卸工件不便，但它结构简单、制造方便、定位精度高，所以根据工件和夹具体的结构，选用固定式钻模板。

同时为了确定钻头的位置，钻模上设置有钻套和衬套，并且根据实际情况选用无肩固定式钻套。

根据零件的定位方案，采用锁紧螺母和开口垫片来实现快速锁紧夹紧机构，它与一个加工面位置靠近，增加了刚性零件夹紧变形也小，但对于另一个加工面较远，为提高刚性，故采用辅助定位元件来固定，该设计采用了螺旋辅助支承。

最后根据零件的定位方案，采用移动压板式螺旋夹紧机构。

从而节省了劳动力，提高了生产效率。

结论
关于配气机构摇臂轴的工艺规程设计及拨叉钻床专用夹具设计，经过1个星期的努力，已经基本完成，现总结如下：
1.本次课程设计是对所学知识的一次综合运用，充分的运用了以前所学知识去分析和解决实际问题，进一步巩固和深化了基础知识，同时也是对《制造与修理工艺》学习的一个升华过程。

2.掌握了一般的设计思路和设计的切入点，对机械加工工艺规程和机床夹具设计有了一个全面的认识，培养了正确的设计思路和分析解决问题的能力，同时提升了运用知识和实际动手的能力。

3.进一步规范了制图要求，学会运用标准、规范、手册和查阅相关资料的本领。

4.我国机械行业还有很大的发展空间，需要我们不断努力。

由于本人水平有限，加之时间短，经验少。

文中定有许多不妥甚至错误之处，请各位老师给予指正和教导，本人表示深深的谢意。

参考文献
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