车床支架机械加工工艺及铣削工序夹具设计
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摘要：车床支架在车床中主要起支撑作用，承受较大的力，也有定位作用，使零件之间保持正确的位置，车床支架的加工质量直接影响车床的使用性能。本文主要研究车床支架机械加工工艺以及对铣削工序夹具的设计。首先研究了车床支架机械加工工艺规程，设计了一套的加工工艺路线，并通过计算证明加工工艺的合理性。对铣削工序进行了夹具设计，由于工件上的孔系都要以底面作为基准加工，故首先得加工出底面，就可以更好地保证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产的，经济性和实用性均良好的夹具设计方案。
关键词：车床支架；加工工艺；铣削工序；夹具设计
1. 引言
机械加工是指通过一种机械设备对工件的外形尺寸或性能进行改变的过程。按加工方式上的差别可分为切削加工和压力加工。机械制造工艺及夹具的设计是以机械制造中的工艺和工装设计问题为研究对象的一门应用性制造技术。研究范围主要是零件的机械加工及加工过程中工件的装夹和产品的装配两个方面。
机械加工工艺是工件或者零件制造加工的步骤，采用机械加工的方法，直接改变毛坯的形状、尺寸和表面质量等，使其成为零件的过程称为机械加工工艺过程。机械加工工艺就是在流程的基础上，改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等，使其成为成品或半成品，是每个步骤，每个流程的详细说明，比如，粗加工可能包括毛坯制造，打磨等等，精加工可能分为车，钳工，铣床，等等，每个步骤就要有详细的数据了，比如粗糙度要达到多少，公差要达到多少。技术人员根据产品数量、设备条件和工人素质等情况，确定采用的工艺过程，并将有关内容写成工艺文件，这种文件就称工艺规程。总的来说，工艺流程是纲领，加工工艺是每个步骤的详细参数，工艺规程是某个厂根据实际情况编写的特定的加工工艺。
机械制造工艺技术是在人类生产实践中产生并不断发展的。在20世纪50年代生产模式“刚性”为主，以“规模经济”实现降低成本和提高质量的目的。在20世纪80年代，较多地采用数控机床、机器人、柔性制造单元和系统等高技术的集成来满足产品个性话和多样化的要求，以满足社会各消费群体的不同要求。从20世纪90年代开始，机械制造工艺技术向着高精度、高效率、高自动化发展。精密加工精度已经达到亚微米级，而超精密加工已经进入0.01μm级。现代机械产品的特点是多品种、更新快、生产周期短。这就要求整个加工系统及机械制造工艺向着柔性、高效率、自动化方向发展。
专用夹具是为零件的某一道工序加工而设计制造的，在生产过程中它能有效地降低工作时的劳动强度、提高劳动生产率、并获得较高的加工精度。其主要设计内容包括夹具的定位方案、夹紧方案、对刀方案、夹具体与定位键的设计及相关数据的计算分析。专用夹具有良好的加工精度，针对性强，主要用于零件的铣槽工序。可以有效的减少工件加工所需的基本时间和辅助时间，大大提高了劳动生产力，从而可以有效地减轻工人的劳动强度和提高劳动效率。
本文分析了车床支架的特点，并详细研究车床支架零件加工工艺分析，制定了一套合理的加工工艺路线。最后以车床支架加工中的铣削工序为例来阐述如何进行加工夹具的分析、设计。
2. 工艺规程设计
2.1年生产量和批量的确定
（1）已知生产纲领：2000件/年，
年生产量=生产纲领 每台件数 （1%储备量） （1%废品率）
=2000×1+20+20=2040件
月产量=年产量/12= 170 件
日产量=月产量/25.5= 170/25.5 =7件
（2）生产类型的确定：查工艺人员手册，年产量2000件的属于中批生产。
考虑到以上的因素，定的批量时间为2天。
2.2零件分析
（1）零件作用：本零件作为支架用。
（2）零件材料：本零件材料为HT20-40。
（3）零件热处理要求：由于本零件为铸件，需要进行时效处理。（4）零件技术要求：
本零件需加工的表面为：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、表面粗糙度有较高要求，而且位置精度也有一定要求。（详细见工件零件图）
（1）零件结构特点：对称性较好。
（2）加工出该工件所用的加工方法主要有：铣削加工，钻、锪、扩、铰削加工。
（3）零件设计基准：分析得知，其设计基准是 D 面、E面。
2.3毛坯余量和加工余量的确定
（1）毛坯的选择
由于零件是中批生产，故优先考虑锻、铸件，可提高生产率，降低成本，又考虑到零件的力学性能、形状及大小，故采用铸件。
（2）毛坯余量和加工余量的确定
加工余量的大小不仅直接影响毛坯尺寸，而且影响到工艺装备（如锻模、夹具等）的尺寸，设备的调整，切削用量的选择，材料消耗工艺定额和加工工时定额等。
毛坯余量的确定：根据毛坯的铸造精度，铸件最大尺寸，该面的公称尺寸，及该面在砂箱中所处的位置，可由《金属机械加工工艺人员手册》中查出。
但在本次设计中，毛坯余量由各工序切削余量计算出。每道工序中切去金属的厚度就是该道工序的加工余量。加工余量的确定可由《机械加工余量手册》中查出。
加工余量应包括：
（1）上工序的表面粗糙度（Ra）
（2）上工序的表面破坏层（Da）
（3）上工序的尺寸公差（Ta）
（4）需要单独考虑的误差（ρa）
（5）本工序的安装误差（εb）
图2.2毛坯综合图
实际生产中的加工余量，很少采用计算法，而大多是由工厂经验估计和查阅一般的机械加工手册决定，而本工艺规程加工余量的制定则参照《机械加工余量手册》而定。在本工艺规程中，铸件采用机器造型，木模，精度等级选7级，查表12-2表12-3得：毛坯件侧面、顶面的加工余量为4㎜，而底面有4㎜高的一个台阶面，考虑铸造方便，故其底面余量取大一些，使其表面为一平面，底面加工余量為8㎜；孔均为钻出。根据以上情况绘制零件—毛坯综合图 2.4定位基准的选择
（1）粗基准的选择：
1）保证工件加工表面相对于不加工表面具有一定位置精度的原则。
2）合理分配加工余量的原则。
3）便于装夹的原则。
4）粗基准不得重复使用的原则。
（2）精基准的选择原则：
1）基准重合原则；
2）统一基准原则；
3）互为基准原则；
4）自为基准原则。
2.5工艺方案的确定
根据工件材料性质和具体尺寸精度、粗糙度的要求，设计了一种工艺路线来达到加工目的：
工序Ⅰ
以互为基准原则，
粗铣—半精铣D面
粗铣—半精铣E面
工序Ⅱ
以D面为主要基准，
粗铣—半精铣F面
粗铣—半精铣—精铣AC1面
粗铣—半精铣—精铣AC2面
工序Ⅲ
以D面为主要基准，
钻H孔，锪G孔
工序Ⅳ
以D面为主要基准，
钻—扩—铰B孔
工序Ⅴ
以D面为主要基准，
钻—扩—铰L孔
工序Ⅵ
清除毛刺
2.6工艺路线的拟定
在拟定工艺路线时，机床和工装的选择应尽量做到合理，经济，使之与被加工零件的生产类型，加工精度和零件的形状尺寸相适应。
按照加工过程中每道工序的有效功率，选择工序Ⅰ、工序Ⅱ的加工机床为：X5032型立式升降台铣床。
工序Ⅲ、工序Ⅳ、工序Ⅴ的加工机床为：Z525立式钻床。
（2）刀具的选择
本工艺中铣削的工序都采用YG类硬质合金适用于加工铸铁、青铜等脆性材料。常用牌号有：YG3、YG6、YG8等，其中数字表示Go的含量。
铣刀直径的选择：
考虑到机床功率，切削力矩，铣削效率的影响，
选D=100，细齿，齿数Z=10，YG8硬质合金面铣刀
工序Ⅱ
选D=160，中齿，齿数Z=10，YG8硬质合金面铣刀
Ⅱ-1-3至Ⅱ-1-8
选D=100，中齿，齿数Z=6，YG8硬质合金面铣刀，
孔加工中刀具的选择主要根据被加工孔的直径大小来选择。
（3）夹具的选择
正确设计和使用夹具，对保证加工质量和提高生产效率、扩大机床使用范围既减轻劳动强度都有重要意义。同时，使用夹具还有助于工人掌握复杂或精密零件的加工质量及解决较为复杂的工艺问题等。具体情况见后面的夹具设计部分。
（4）量具的选择
1）量具的选择应做到量具的精度应与零件的加工精度相适应。
2）量具的量程应与被测零件的尺寸大小相适应。
3）量具的类型应与被测表面的性质（孔或外圆尺寸还是形状位置值）、生产类型、生产方式相适应。
4）按量具的极限尺寸选择量仪时应保证：T*K
T—被测尺寸的公差值（mm）
K—测量精度系数
切削用量的确定
（1）比普通机床的切削用量约低30%，以减少换刀时间，和机床调整次数，
（2）在服从机床本身某一参数下，兼顾同时工作的不同刀具的合理要求，如孔的一般加工为钻、扩、铰，钻孔的v较高，而扩、铰的略低，但由于机床动力头的运动是一定的，因而可以适当降低钻头的v，而扩、铰的可以适当增加，以求得最高的生产率。
（3）切削用量的选择应使每道工序的时间与流水线节拍相等或小于流水线节拍，并使各道工序的时间定额相接近。
（4）机动时间的工序时间定额：
1）工序Ⅰ 单件核算时间
=2.88+0.11=2.99
2）工序Ⅱ 单件核算时间
=2.84+0.106=2.945
3）工序Ⅲ 单件核算时间
=1.445+0.044=1.489
4）工序Ⅳ 单件核算时间
=3.369+0.125=3.494
5）工序Ⅴ 单件核算时间
=1.288+0.05 =1.338
3 夹具设计
夹具是根据机床的工艺和结构方案的具体要求而专门设计的，它是用于实现被加工零件的准确定位、夹压、刀具的导向，以及装卸工件时的限位等作用的。
由于机床支承元件直接与被加工零件相接触，因此其尺寸、结构、精度和布置都直接影响被加工零件的精度，其设计应注意以下问题：
（1）合理布置定位支承元件，并应使夹压力的各力中心处于定位支承平面内。
（2）提高刚度，减小定位支承系统的变形，应力求使定位元件不受力。
（3）提高定位支承系统的精度及其元件的耐磨性，一边长期保持夹具的定位精度。
（4）夹具体是夹具的最大和最复杂的元件，而且也是承受符合最大的元件。
3.1 定位基准的选择
本夹具是对铣削工序的设计。以前道铸造工序成型后的表面作为粗基准，再以加工好的面作为基准加工另外一个面。定位元件用于确定工件在夹具中的位置，使工件相对于刀具及运动轨迹有一个正确的位置。
由于车床支架零件在工序一中铣削之间没有已经加工过的表面，因此使用支承钉作为定位元件较为合适，因此，在本设计中，分别以三个支承钉作为工件F面的定位，限制工件x軸旋转、y轴旋转、z向移动三个自由度。 安装时，先将工件放在三个支承钉（消除x轴旋转、y轴旋转、z向移动三个自由度）之上，并靠在右边的支承钉之上（消除x向移动一个自由度），并由一个V型架定向（消除z轴旋转一个自由度），然后调节可调支承（消除y向移动一个方向自由度）转动手柄通过锁紧螺母动作，把工件夹紧，此时六个自由度全部消除[13]。
本夹具夹紧方案为利用螺栓、螺母手动夹紧。压板选择为直压板，加工两个零件时，为了防止两工件在长度尺寸上的误差，而导致直压板不能完全压住两工件，因此，在压板两端设计了两个浮动压头，且压板也螺栓、螺母的连接采用球面垫圈，这样就能消除两工件的尺寸误差。
3.2切削力的计算
在铣削时夹紧力产生的力矩，必须满足《机床夹具设计手册》中所规定的要求，刀具材料：YG8细齿硬质合金面铣刀
3.3夹紧力的计算
根据工件受力切削力、夹紧力的作用情况，找出在加工过程中对夹紧最不利的瞬间状态，按静力平衡原理计算出理论夹紧力。最后为保证夹紧可靠，再乘以安全系数作为实际所需夹紧力的数值。即：
安全系数K可按下式计算：
式中： 为各种因素的安全系数，见参考文献[13]表 可得：
所以
由计算可知所需实际夹紧力不是很大，为了使其夹具结构简单、操作方便，决定选用手动螺旋夹紧机构。
单个螺旋夹紧时产生的夹紧力按以下公式计算：
式中参数由《机床夹具设计手册》可查得：
其中：
螺旋夹紧力：
易得：
经过比较实际夹紧力远远大于要求的夹紧力，因此采用该夹紧机构工作是可靠的，可以满足切削力的要求[14]。
3.5 夹具的经济性分析
为了提高整个工艺加工的生产效率，在保证定位夹紧要求和零件的各项技术要求的前提下，对于夹具的选择也要满足一定的经济性。
机床夹具费用是工艺成本的组成部分，它直接影响工艺过程的经济性及产品成本。
一、节约人工成本的计算
完成该序在使用夹具前的单件加工时间t1=10min
夹具后的单件加工时间=2min
假设工人的工资为：0.22元/min
则加工单件产品节约工资为：ΔZ= t1×0.22-t2×0.22
=10×0.22-2×0.22
=1.76元
全年节约人工成本费用S=ΔZ×2040=1.76×2040=3590元
二、夹具的全年费用
C=[（1+ AS）/T+ Ay] CZ
式中：AS—专用夹具设计系数，通常取0.5；
Ay—专用夹具使用系数，一般取专用夹具制造价格的0.2～0.3，取0.25；
T—专用夹具的使用年限，简单夹具T=1年，中等复杂夹具T=2～3，复杂夹具T=4～5年，取3年；
—专用夹具的制造价格，由下式计算CZ=δQ+tZP
式中：δ—材料的平均价格（4.5元/kg）
Q—夹具毛坯的重量（25kg）
t—夹具制造工时（60h）
ZP—工人平均工资（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
通过以上分析和计算，一年节约了成本约为3496元，具有良好的经济性。
4总结
本文首先是对工件机械加工工艺规程的制定，以便在加工工件时明确加工工艺装备及设备等，因此，工件机械加工工艺规程的制定是至关重要的。再次是对专用夹具的设计，在论文老师的细心指导下，我通过查阅各种关于专用夹具的设计资料，设计了铣削工序的专用夹具。对车床支架的机械加工工艺及夹具的设计，是综合了大学里所学的知识，是理论与实际相结合的一个成果，制定了一套切实可行的加工工艺流程和针对铣削工序的一套较为合理的夹具。
参考文献
[1] 陈宏钧主编.实用金属切削手册[M] .北京：机械工业出版社，2013：321-322.
[2] 浦林祥主编.金属切削机床夹具设计手册[M].机械工业出版社，2015：145-146.
[3] 李洪主编.机械加工工艺手册[M] .北京：机械工业出版社，2016：345-346.
[4] 赵如福主编.金属机械加工工艺人员手册.上海科学技术出版社，2015：34-35.
（作者單位：中国有色集团赞比亚非洲矿业有限公司）
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