机 械 制 造 工 艺 学 课 程 设 计
题 目 姓 名 专业班级 指导教师
操纵杆支架的夹具设计
学 号
成 绩
中国·武汉
2016 年 6 月
第一节 序言
本次课程设计的任务之一是针对生产实际中的一个零件：操纵杆支架，制定其机械加工工艺规程。该零件的工艺过程中包括了铣底平面、钻3XΦ11的孔、铣两立板的内侧面、钻Φ20的孔等工序。
第二节 零件分析
2.1 零件的功用分析
本次设计的零件，是汽车等车辆的换挡部分的操纵杆支架。顾名思义，
操纵杆支架的主要作用是固定操纵杆，使其在行驶过程中牢固可靠，实现操纵杆的实际功用。零件的设计要求是，利用3-Φ11孔用螺栓固定在底座上，操纵杆用Φ20的定位销固定在支架上。
2.2 零件的工艺性分析
从零件图中可以看出，本零件一共有4个加工的工步。包括铣底平面、钻3X
Φ11的孔、铣两立板的内侧面、钻Φ20的孔。其中，底平面的表面粗糙度的要求为Ra25,要求很低，一次性可以加工完成。钻Φ11的孔的粗糙度为Ra12.5，同轴度的要求为±0.25mm。钻Φ20的孔的表面粗糙度要求为Ra3.2，粗糙度要求比较高，与底面的同轴度的要求为±0.5,。内侧两板的粗糙度要求为Ra12.5，±0.25。
由此可见，除Φ20孔的公差要求较严格，粗糙度要求严格外，其它加工面公
差要求较低，并且位置度要求也比较低。
第三节 机械加工工艺规程制定
3.1 确定生产的类型
按照设计任务书的要求，本操纵杆支架的设计年产量为5000件，根据查
表可知，由生产纲领和生产类型的关系可确定该零件的生产类型为大批量生产，其毛坯制造、加工设备以及工艺装备的选择应该呈现大批量生产的工艺的特点。
3.2 确定毛坯的制造形式
由零件的制造要求可知，零件的主要作用是用来固定操纵杆，承受载荷。
因为所受载荷不大，并且尺寸不大，故可采用一次性铸成的铸件，再通过对铸件的加工，完成零件的制造。
3.3 选择定位基准
定位基准的是工艺规程制订中的重要工作，它是工艺路线是否正确合理的前提。正确与合理的选择定位基准，可以确保加工质量，缩短工艺过程，简化工艺装备结构与种类、提高生产率。
3.3.1 粗基准的选择
粗基准，对于加工铣底平面是需要用到。此时应该以Φ20的孔为基准，
方便可靠，同时误差也比较小，精度要求也不高，选孔的表面作为基准即可，可以尽可能的简化操作并且满足要求。
3.3.2 精基准的选择
对于加工Φ11的孔，是可以以底面为基准进行加工的。对于加工Φ20的
孔，必须是使用精基准。以底面为基准的话，误差是比较大的，并且不满足基准重合、基准统一等原则，应该采用以Φ11的孔为基准。
3.4.选择加工的方法
3.4.1 平面的加工
对于操纵杆支架而言，平面主要是底面和两侧的内面。对于底面的加工，表面粗糙度要求为Ra25，要求比较低，采用端铣底面的方法加工，加工操作简单省时省力。对于内侧面的加工，要求为Ra12.5，要求也不高，可采用端铣的加工方式。
3.4.2 孔的加工
对于孔而言，Φ11的孔和Φ20的孔的要求都比较高，同轴度要求严格，粗糙度的控制要求大，并且20的孔的要求最高。所以前者采用选用钻床加工的方式；后者采用立式铣床钻铣加工。
3.5. 制定工艺路线
制定工艺路线，原则是在合理保证零件的几何形状、尺寸精度、位置精度、表面质量的前提下，尽可能的提高生产率，降低生产成本，取得较好的经济效益。 本零件为操纵杆支架，其生产类型为大批量生产，其工艺特点应该是尽量选用通用机床并配以专用夹具。
工序05 车面A 铣底平面
定位基准 ：Φ20孔的外圆表面。 工序10 钻3×Φ11的孔
定位基准：底面为基准
工序15 铣两立版内侧面
定位基准：以一面两销定位
工序20 钻、扩2×Φ20的孔
定位基准：以底面及2-Φ11孔，一面两销定位 工序25 清洗 去毛刺，清洗 工序30 终检 检验零件 这样的工艺路线的特点如下：
（1） 减少机床的种类，尽量节省步骤；
（2） 加工基准使用得当，避免加工工程大材小用，浪费人力物力。加工底面
的要求低，故采用粗基准的加工方式，加工精度满足要求并且省时省力；钻孔是加工要求高，采用底面等精基准的方式，符合加工精度要求。 （3） 坚持 基准统一 基本重合的原则，避免产生基准不重合的现象，影响加
工精度。
3.6确定加工余量以及毛坯尺寸
操纵杆支架采用铸件制造，毛坯的外形尺寸为120×92×78，所以
零件尺寸 74 36 单边加工余量 4 0.25 毛坯尺寸 78 操纵杆支架的材料为HT150，抗拉强度为150MPa，采用铸造的形式成批生产。
毛坯尺寸 Φ11 Φ20 公差 0.043 0.23 结果 Φ11+0.043 Φ20 -0.02—+0.21 3.7工序设计
3.7.1 选择加工设备与工艺设备
选择加工设备即选择机床类型。由于已经根据零件的形状、精度特点，选择了加工方法，因此机床的类型也随之确定。至于机床的型号，主要取决于现场的设备情况。若零件加工余量较大，加工材料又较硬，有必要校验机床功率。初步选择各工序机床如下：
（1） 工序05铣底平面：采用XA5032立式升降台铣床； （2） 工序10钻孔：本工序的工序Ⅱ采用Z3040钻床 （3） 工序15铣两立版内侧面 X63卧式铣床； （4） 工序20 钻、扩2-Φ20孔：X53立式铣床；
3.7.2 选择夹具
对于成批生产的零件，大多采用专用机床家具。在保证加工质量、操作方便、满足高效的前提下，也可部分采用通用家具。本机械加工工艺规程中所有工序均采用了专用机床家具，需专门设计、制造。
3.7.3 选择刀具
（1）工序05 铣底平面采用端铣刀来进行加工。工序05要求的铣削深度
为ap=4mm,铣削宽度aw=120mm。根据查表可得，选用高速钢镶齿套式面铣刀。定铣刀的为为d=125mm，孔径为D=40mm，宽L=40mm，齿数z=14。
（2）工序10 加工底面上3-Φ11工艺孔：钻头选取高速钢钻头，直径Φ10.5，铰刀选取高速钢机用铰刀Φ11H9
（3）工序15 钻镗2-Φ20孔：采用钻镗的形式，先用Φ19高速钢钻头钻出底孔，再用Φ20镗刀精加工。
（4）工序20 加工内测版 选用可调式三面刃铣刀，直径Φ120,刀片767，加工铸铁件。
3.7.4 选择量具
根据操纵杆支架的加工要求，工序05 10 15 20，都采用游标卡尺进行精度的定位，操作方便，测量效率高，误差符合要求。
3.8 确定切削用量和基本时间
切削用量包括切削速度、进给量及背吃刀量量三项，确定方法是先先确定背吃刀量、进给量，而后确定切削速度。不同的加工性质，对切削加工的要求是不
一样的。粗加工时，应该尽可能保证较高的金属切除率，和必要的刀具耐用度，故一般的就尽可能大的背吃刀量，其次选择比较大的进给量，最后根据刀具耐用度的要求，和余下的机床功率，确定合适的切削速度。精加工时，首先应保证弓箭的加工精度和表面质量要求，故一般选用较小的进给量和背吃刀量，尽可能选择较高的切削速度。
3.8.1：工序05 铣底平面切削用量以及基本时间的确定
1.切削用量：
本道工序是铣低平面，已知加工材料为HT150，σb=150MPa，铸件无外皮，
机床为XA5032型立式铣床，所选刀具为高速钢镶齿套式面铣刀，其参数为：直径d=125mm，孔径D=40mm，宽L=40mm，齿数z=14。根据表5-26确定铣刀的角度，选择前角γ=20°，后角α=12°，主偏角kγ=60°，螺旋角β=10°。铣削宽度为aw=120mm，铣削的背吃刀量为ap=4mm。
(1).确定每个齿的进给量af
根据表5-13可知，XA5032型立式铣床的主电动机的功率为7.5KW，查表5-27可知，当工艺系统的刚度中等、镶齿端铣刀加工钢材时，其每齿的进给量af=0.2-0.3mm/z。由于本工序的背吃刀量和铣削的宽度比较大，所以选择最小的每齿进给量af=0.2mm/z。
（2）选择铣刀磨钝标准和耐用度
根据表5-28可知，用高速钢镶齿端铣刀我甲供材料的时候，选择铣刀后刀面磨损极限值为0.5mm，查表5-29可知，铣刀的直径为d=125mm时，经插值得端铣刀的合理耐用度T=150min。刀具的耐用度指的是刃磨后的刀具自开始切削直到磨钝标准所经历的总切削时间。
（3）确定切削的速度v和工作台每分钟进给量vf
铣削的速度，查表5-30可知，高速钢铣削的速度为15-20m/min，所以所需要的铣床的主转轴的转速范围是
N=1000v/πd=38.2-50.9r/min
根据XA5032机床的标准主轴转速，由表可得，应选取转速n=47.5r/min，则实际的铣削速度为
v = πdn/1000= π*125*47.5/1000 m/min=18.65m/min 工作台每分钟的进给量为
vf=fn=afzn=0.2*14*47.5=133mm/min
根据表 取vf=118mm/min，则实际的每齿进给量为
af= vf/zn=47,5/14*47.5mm/min=0.177mm/min
（4）校验机床的功率 由表可知，铣削力Fz和铣削功率Pm计算公式如下所示
Fz=(Cf ap xf af yfaw z/( d0qFnwF) )*kFz Pm= Fz v/60/10^3
其中，式中的Cf=788,xf=0.95,yf=0.8,uf=1.1,wf=0,qf=1.1,kFz=0.92，ap=4mm,af=0.177mm/z，aw=120mm，z=14,v=18.65，d0=125mm，n=47.5r/min，所以公式为
Fz=788*4^0.95*0.177*120^1.1*14*0.92/125^1.1=9597.50N 铣削的功率为Pm=3.77kW
XA5032铣床的主电动机的功率在7.5kW，故所选用的功率能够满足，所选用的切削用量比较合适。最后，确定的切削用量为4mm，每齿进给量为af=0.177mm/min，工作台每分钟的进给量为vf=118mm/min，转速n=47.5r/min。 2.基本事件tm的确定
根据查表可得，所选用的端铣刀堆成铣削的基本时间为 tm=(lw+l1+l2)/vf
代入数据可得 l1+l2=44mm。lw=120mm，vf=118mm/min,所以，基本的时间为
tm=（120+44）/60 min=2.733min
第四节 专用机床夹具设计
4.1 接受设计任务、明确加工要求
本次专用机床夹具的设计任务是设计专用于操纵杆支架的底面，即是专用的铣床夹具。
（1） 底面的尺寸的长度为120mm； （2） 底面的表面粗糙度要求为Ra25； （3） 高度的公差要求为±0.5；
（4） 毛坯的高度为78，加工余量为4mm；
（5） 零件的毛坯材料为HT150,； （6） 产品的生产纲领为：5000件/年
本工序05为操纵杆支架的制作的第一步，以φ20的一边为粗加工的基准，材料的表面面粗糙的要求不高。了解了上述信息之后，针对设计任务，可同时搜集另一些设计资料，如相应的标准以及有关的计算公式、同类产品或近似产品的夹具图样，有关机床设备的相关尺寸，实现现场中机床设备的位置、空间尺寸等。
4.2. 确定定位方案、选择定位元件
在铣床夹具的设计中，工件的定位方案与定位基准面的选择应该与该工件的机械加工工艺规程一致。
由零件的图样和该零件的机械加工工艺规程可知，铣底面的要求主要是对于切削量的精度控制，精度误差主要是存在于粗基准的误差。粗基准是由Φ20的外圆的外表面确定的。外圆表面由一开始铸造加工时直接确定可得。
底面的加工采用五个自由度的定位方式。
定位方案一：利用长V型块，以Φ20的外圆的外表面Z方向的移动和旋转、X方向上的旋转和Y方向上的移动；再通过支撑钉，以正面D为基准，其Y方向上的移动；通过支撑钉，以侧面B为基准，其X方向上的移动，实现定位。
定位方案二：利用支撑钉，以两侧面B为基准，以底面的上顶面C为基准，其Y方向的移动和旋转，Z方向的移动和旋转；栽利用支撑钉以Φ20的外圆的外表面。
两者比较，显然方案一更合理一些。利用长V型块来定位外圆基准面，对中性好，方便快捷；再配合支撑钉的，避免了重复定位的问题，实现了零件的定位。工件的定位是通过定位基准面与定位元件接触来实现的，故定位元件的选择应与定位方案和工件定位表面相适应。
第一定位基准: Φ20的外圆的外表面 第二定位基准：侧面B 第三定位基准：正面D
4.3 确定加紧方案、设计夹紧机构
当工件的定位方案确定以后，还必须进行夹紧方案和夹紧机构的设计，以保证在切削加工的过程中工件的正确位置不会在切削力、重力、惯性力等里的作用下发生变化。根据工件的形状特点和定位方案，可采用以下两种加紧方案：一种为手动螺旋夹紧机构，另一种为手动偏心轮夹紧机构。由于零件批量大，螺旋夹紧结构简单、制造容易，但是加紧动作缓慢、效率低。现采用手动偏心轮夹紧机构较为合适，这使得工件夹紧稳定可靠，方便快捷。
在夹具定位以及加紧方案确定后，对工件进行受力分析，估算夹紧力的大小。本工序主要是铣削底面，主要的切削力是底面的铣削力，方向平行于底面；另一个力主要是底面铣削的进给力，方向垂直于底面，指向V型块。对于V型块而言可以承受相当强的力，所以不需要校核。对于支撑钉而言，两个支撑钉和V型块同时受铣削力，强度足够，也不需要校核。
4.4 夹具体的设计
由于铸造夹具体的工艺性良好，可以铸造出各种形状复杂，并且具有较好的抗压强度、刚度和抗震性，本零件采用铸造夹具体，材料选用HT250。卫视的夹具体尺寸稳定，需要进行时效处理，以消除内应力。
夹具体的设计，按照-类似的夹具结构，按经验类比法确定。夹具体的结构
尺寸来自查表，壁厚应该去8-25mm.
夹具体上的耳座间距应该是机床工作台上的T型槽相邻槽尺寸的整数倍。
XA5032立式铣床的T型槽槽数为3，宽度为18，槽距为70mm，估夹具体上的耳座间距可以为140mm。
4.5夹具精度分析
（1）直径为20的外圆的尺寸精度 这个尺寸由铸造时直接确定可得，不存在定位误差；
（2）正面的尺寸精度 这个尺寸也是由铸造时直接确定，也不存在定位误差；
4.6 绘制夹具装配图，标注有关尺寸和技术要求
最终绘制的用用于加工的夹具装配图如图所示。在该装配图中，应该标注的有关尺寸和技术要求是：
夹具体外星的最大轮廓尺寸：长280mm，宽208mm，高100mm；
夹具与机床链接部分的尺寸：两耳座中心距离为140mm。
感想
本次机械制造工艺学的课程设计，可以说，主要是设计夹具体。在理论学习中，我之前学习了机械制造工艺学、夹具设计等课程，但是并没有形成具体的知识框架，遇到具体的零件的夹具设计还是比较茫然。通过本次的课程设计，我对夹具的装夹、夹具的工作原理和过程、零件对夹具体设计的要求等具体知识有了更深刻的理解，自己在这些方面有了更深刻的体会。从一开始的时候，对夹具体的陌生，到后来的逐渐熟悉，我在理论知识和实际内容的结合上有很多收获。
另外，本次的课程设计时间比较紧张，紧邻考试，考验了我对自己时间的规
划和具体落实的要求。总的来说，是在繁忙之中大有收获。
