CA6140手柄轴的加工工艺及夹具设计

课  程  设  计  说  明  书

           ——机械制造技术基础

设计题目：

手柄轴（CA6140车床）的加工工艺

钻8.5螺纹孔的钻床夹具设计

学院：机械工程学院

班级：机自0606

学号：

姓名： 

                           指导：薛国祥老师

题目：设计“手柄轴（CA6140车床）”零件的机械加工工艺规程及相关工序

内容：

零件图                               1张

      毛坯图                               1张

      机械加工工艺过程卡片                 1张

      机械加工工序卡片                     2张

夹具装配图                           1张

夹具体零件图                         1张

课程设计说明书                       1份

目录

一、零件的工艺分析及生产类型的确定

1.零件的作用-------------------------------------------------------------------------- 3                      

2.热处理-------------------------------------------------------------------------------- 3

3.零件的生产类型-------------------------------------------------------------------- 3

二、选择毛坯，确定毛坯尺寸，设计毛坯图

1.选择毛坯------------------------------------------------------------------------------- 3

2.确定机械加工余量、毛胚尺寸和公差------------------------------------------- 3

3.确定机械加工余量------------------------------------------------------------------- 4

4确定毛坯尺-----------------------------------------------------------------------------4

5.确定毛坯尺寸公差--------------------------------------------------------------------5

6.设计毛坯图-----------------------------------------------------------------------------5

三、选择加工方法，制定工艺路线

1.定位基准的选择-----------------------------------------------------------------------6

2.零件表面加工方法的选择-----------------------------------------------------------6

3.制定工艺路线--------------------------------------------------------------------------6

四、工序设计

1.选择加工设备与工艺装备-----------------------------------------------------------8

2.确定工序尺寸--------------------------------------------------------------------------9

五、确定切削用量及基本时间------------------------------------11

六、夹具设计---------------------------------------------------------20

七  参考文献---------------------------------------------------------22

一  零件的工艺分析及生产类型的确定

1.  零件的工艺性分析  

通过对该零件图的重新绘制，知原图样的视图正确，完整，尺寸，公差及技术要求齐全。该零件属轴类回转体零件，它的所有表面均需切屑加工，各表面的加工精度和表面粗糙度都不难获得。 表面粗糙度要求较高 需经多次切削才能满足要求，手柄处镀铬，在镀铬之前须进行抛光处理以使镀铬均匀。本零件的最难加工的地方就是在斜面上钻孔，且要保证孔与键槽成，需要专用夹具。总体来说，本零件的工艺性较好。

2.   零件的生产类型

     依设计的题目知：生产纲领 N = 30000万/年  ， 生产类型为大批大量生产

 零件是机床CA6140的手柄轴，质量为0.445Kg.

二  选择毛坯，确定毛坯尺寸，设计毛坯图

1. 选择毛坯

该材料为45钢。该零件在工作过程中则经常承受交变载荷，因此应选用锻件，以使金属纤维尽量不被切断，保证零件工作可靠。零件属批量生产，而且零件的轮廓尺寸不大，故采用摸锻成型。这从提高生产率，保证加工精度上考虑，也是应该的。

2．确定机械加工余量，毛坯尺寸和公差

钢质摸锻件的公差及机械加工余量按GB/T12362-2003确定。要确定毛坯尺寸公差及机械加工余量，应先确定如下各项因素。

（1）锻件公差等级  由该零件的功用和技术要求，确定其锻件公差等级为普通级。

（2）锻件质量Mf  根据零件0.445kg,估算为mf=1.0kg.

（3）锻件形状复杂系数S     

                     S=Mf/Mn

  该锻件为圆形，假设其最大直径为φ46mm,长126mm

  Mn = 1.6kg

       S = 1/1.6 = 0.62

故该零件的形状复杂系数S属S2级。

（4）锻件材质系数M  由于该零件材料为45钢，是碳的质量分数小于0.65%的碳素钢，故该锻件的材质系数属M1级。

（5）零件表面粗糙度  由零件图可知，除φ17.2mm, φ15.7mm 粗糙度Ra = 1.6,圆锥面处Ra=0.8，其余均为6.3。

 3. 确定机械加工余量

  根据锻件质量，零件表面粗糙度，形状复杂系数查表5-9，由此得单边余量在厚度方向为1.7-2.2mm，水平方向亦为1.7-2.2mm，即锻件各外径的单面余量为1.7-2.2mm，各轴向尺寸的单面余量为1.7-2.2mm。

 4． 确定毛坯尺寸

    上面查的加工余量适用于机械加工表面粗糙度Ra大于等于1.6m。Ra小于1.6m的表面，余量要适当加大。

分析本零件，除φ17.2mm, φ15.7mm 粗糙度Ra = 1.6, 其余均为6.3，因此这些表面的毛坯尺寸只需将零件的尺寸加上所查的余量即可。

综上所述，确定毛坯尺寸见下表

 手柄轴毛坯（锻件）尺寸

毛坯尺寸公差根据锻件质量，材质系数，形状复杂系数从表5-6，表5-7中查的。本零件毛坯尺寸允许偏差见下表

            手柄轴毛坯（锻件）尺寸允许偏差

（1）确定圆角半径

 锻件的外圆角半径按表5-12确定，内圆角半径按表5-13确定。

分析本锻件可确定外圆角R2, R3

内圆角R3

(2) 确定模锻斜度 

 按表5-11，外模锻斜度α= 3°

（3）确定分模位置

由于毛坯为轴类锻件，应采取轴向分模。

为了便于起模及便于发现上，下模在模锻过程中的错移，选择最大直径即圆锥面处的对称平面为分模面，分模线为直线，属平直分模线。

（4）确定毛坯的热处理方式

钢质毛坯经锻造后应安排正火，以消除残余的锻造应力，并使不均匀的金相组织通过重新结晶而得到细化，均匀的组织，从而改善加工性。

三 选择加工方法，制定工艺路线

1.定位基准的选择

以φ44的外圆和端面为粗基准，以φ17.2的外圆和端面为精基准。

2.零件表面加工方法的选择

本零件的加工面有外圆，端面，键槽，倒角，倒圆，沟槽，锥面，孔，螺纹。

（1）φ17.2的外圆面，未标注公差尺寸，表面粗糙度Ra 1.6，需要粗车，半精车，精车

（2）φ20的外圆，公差等级IT6，需要粗车，半精车，精车。

（3）圆锥面，为保证镀铬均匀，在镀铬之前圆锥面需要粗车，半精车，精车，保证Ra = 1.6 然后抛光。

（4）槽3x2.15  表面粗糙度为Ra3.2,需要粗车，半精车

     槽1.5x1   表面粗糙度为Ra6.3,粗车即可。

     槽3x0.5   表面粗糙度为Ra6.3,粗车即可

(5) 两孔的表面粗糙度Ra6.3 需钻，扩

（6）键槽5314 粗糙度Ra6.3 需要粗铣，半精铣。

（7）端面   本零件为回转体端面，尺寸精度要求不高，所以大端面粗车即可满足要求，但是小端面作为精基准应该粗车，半精车

3制定工艺路线

方案一

工序1  正火

工序2 以φ20mm处的外圆及端面定位，车大端面，粗车φ41的外圆

工序3 以粗车后的φ40mm处外圆面及端面定位，粗车另一端面，粗车φ17.2mm的

外圆，粗车φ20mm的外圆，车1.5mm×1mm沟槽，粗车3mm×0.5mm沟槽，粗车3mm×2.15mm沟槽

工序4 以粗车的φ20mm的外圆及端面定位 ，半精车，精车φ40mm的外圆。

工序5 以精车后的φ40mm的外圆及端面定位，半精车，φ17.2mm的外圆，半精车φ20mm的外圆，半精车3mm×2.15    mm的沟槽

工序6 精车φ17.2mm的外圆，精车φ20mm的外圆，车倒角。

工序7 以φ20mm的外圆定位，粗车，半精车，精车圆锥面。

工序8 粗铣，半精铣键槽

工序9 抛光

工序10 镀铬

工序11 钻，扩φ14mm孔及 φ8.5mm的螺纹孔

工序12 攻螺纹

工序13 去毛刺

工序14 终检 

方案 二

工序1 正火

工序2 粗车小端面，粗车φ17.2mm的

外圆，粗车φ20mm的外圆粗车，车1.5mmx1mm沟槽，粗车3mmx0.5mm沟槽，粗车3mm×2.15mm沟槽

工序3 粗车大端面及φ41mm的外圆

工序4 半精车小端面，半精车，φ17.2mm的外圆，半精车φ20mm的外圆，半精车3mm×2.15mm的沟槽，车倒角

工序5  精车φ17.2mm的外圆，精车φ20mm的外圆

工序6 以加工过的φ20mm外圆及端面定位，粗车圆锥面

工序7 半精车圆锥面

工序8 精车圆锥面

工序9 抛光

工序10 镀铬

工序11 钻φ14mm的孔和φ8.5mm的螺纹孔

工序12 扩φ14mm的孔和φ8.5mm的螺纹孔

工序13 攻M10的螺纹

工序14 以φ20mm圆柱面及端面定位铣键槽5mm×3mm×14mm

工序15 去毛刺

工序16 终检

方案比较：

方案二比方案一更容易保证尺寸精度，方案二以车过的41mm的外圆定位保证了定位精度，方案一的小端面知粗车一次可能不能保证要求的表面粗糙度，方案一的粗加工，精加工拍的比较混乱，不符合加工要求。

  综上所述，工艺路线应选择方案二。

四  工序设计

1 选择加工设备与工艺装备

（1） 选择机床 根据不同的工序选择机床。

a   工序1-8是粗车合半精车。各工序的工步数不多，成批生产不要求很高的生产率，故选用卧式车床就能满足要求。本零件外廓尺寸不大，精度要求不是很高，选CM6125即可。

b   工序11 钻孔，可采用专用夹具在立式钻床上加工，故选Z525型立式钻床。

c   工序14是用整体硬质合金直柄立铣刀粗铣，半精铣键槽，用选用卧式铣床。考虑本零件属成批生产，所选机床使用范围较广为宜，故选常用的X62型铣床能满足加工要求。

d   工序13攻螺纹，需要丝锥。

 ( 2 )  选择夹具

本零件处粗铣及半精铣槽，钻孔等工序需要专用夹具外，其他工序使用通用夹具即可，选用三抓自定心卡盘。

（3）  选择刀具  根据不同的工序选择刀具

 A  在车床上的加工工序，一般选用硬质合金车刀。加工钢质零件采用YT类硬质合金，粗加工用YT5，半精加工用YT15，精加工用YT30.为提高生产率及经济性，应选用可转位车刀（GB5343.1-1985,GB5343.2-1985）.

 B  铣刀按表5-104选直柄键槽铣刀

键槽bxh=5mmx3mm,半精铣铣刀选择直径d = 5 mm  l = 8mm  L = 52mm

由于粗铣后宽度方向单边余量1mm，故粗铣时的铣刀选择d=3mm l =5mm L =37mm

 （b ）  确定进给量f  根据表5-114，在粗车钢料，刀杆尺寸为16mm ×25mm，小于等于3.0mm   f= 0.4-0.5mm/r    按CM6125车床的进给量，选择f =0.4 mm/r

确定的进给量尚需满足机床进给机构的轻度要求，故需进行校验。

根据表5-123，当钢料= 570—670MPa , <=2mm ,f<= 0.75mm/r = 45  v = 65m/min  预计是进给力为760N

修正系数=1.0        =1.0    =1.17 

故实际进给力为8.2N，满足要求。

（c）   选择刀具磨钝标准及耐用度   根据表5-119，车刀后刀面的最大磨损量为1mm，可转位车刀耐用度T =30min 

（d）   确定切削速度V   根据表5-120，当用YT5硬质合金刀具加工= 570—670MPa , <=3mm ,f<= 0.75mm/r   切削速度V = 138m/min

切削速度的修正系数为= 0.8    = 0.65       =0.81        =1.15        =  =1.0  故

V = 138×0.8×0.65×0.81×1.15 = 66m/min

n = 1000v/πd = 1000 ×67.8/3.14× 21.2 = 954 r/min

按CM6125车床的转速，选择 n = 1000 r/min 

（e）   校验机床功率   当钢料= 570—670MPa , <=2mm ,f<= 0.75mm/r    v = 46m/min时， = 1.7KW

切削功率的修正系数为=1.17      = =   =1.0     =1.13        =0.8     =0.65

故实际切削功率为=0.72KW

满足要求。

最后确定的切削用量为 ： = 1 mm    f = 0.4mm/r   n = 1000r/min  v = 66 m/min

（2）粗车φ22.4mm外圆的切削用量

所选刀具为YT5硬质合金可转为车刀。选刀杆尺寸B×H = 16mm ×25mm ,刀片厚度为4.5mm。根据表5-113，选择车刀几何形状为卷屑槽倒淩型前刀面，前角=12 后角=6 ，主偏角= 90   ，副偏角= 10                刃倾角= 0         

刀尖圆弧半径= 0.8mm

 （a）   确定背吃刀量   粗车双边余量为1.6mm 所以=  0.8mm

 （b）  确定进给量f  根据表5-114，在粗车钢料，刀杆尺寸为16mm ×25mm，小于等于3.0mm   f= 0.4-0.5mm/r    按CM6125车床的进给量，选择f =0.4 mm/r

确定的进给量尚需满足机床进给机构的轻度要求，故需进行校验。

根据表5-123，当钢料= 570—670MPa , <=2mm ,f<= 0.75mm/r = 45  v = 65m/min  预计是进给力为760N

修正系数=1.0        =1.0    =1.17 

故实际进给力为8.2N，满足要求。

（c）   选择刀具磨钝标准及耐用度   根据表5-119，车刀后刀面的最大磨损量为1mm，可转位车刀耐用度T =30min 

（d）   确定切削速度V   根据表5-120，当用YT5硬质合金刀具加工= 570—670MPa , <=3mm ,f<= 0.75mm/r   切削速度V = 138m/min

切削速度的修正系数为= 0.8    = 0.65       =0.81        =1.15        =  =1.0  故

V = 138×0.8×0.65×0.81×1.15 = 66m/min

n = 1000v/πd = 1000 ×67.8/3.14× 24 = 875 r/min

按CM6125车床的转速，选择 n = 1000 r/min 

（e）   校验机床功率   当钢料= 570—670MPa , <=2mm ,f<= 0.75mm/r    v = 46m/min时， = 1.7KW

切削功率的修正系数为=1.17      = =   =1.0     =1.13        =0.8     =0.65

故实际切削功率为=0.72KW

满足要求。

最后确定的切削用量为 ： = 1 mm    f = 0.4mm/r   n = 1000r/min  v = 66 m/min

（3）粗车端面的切削用量

= 1.2 mm    f = 0.2mm/r   n = 1000r/min  v = 66 m/min

（4） 确定沟槽的切削用量

 进给量f 手动            转速v = 630r/min

工序2基本时间确定

(a) 确定粗车φ19.2mm的外圆基本时间

根据表2-21 ，车外圆的基本时间为Tj1= L i/fn  = i(+++)/f n

式中=20mm  = 3mm        = 0mm        = 0  f = 0.4mm/r  n= 16r/min   i = 1

所以Tj1= 4 S

(b) 确定粗车φ22.4mm的外圆基本时间

根据表2-21 ，车外圆的基本时间为Tj1= L i/fn  = i(+++)/f n

式中=82mm  = 3mm        = 0mm        = 0  f = 0.4mm/r  n= 16r/min   i = 1

所以Tj1= 14 S

(c) 确定车端面的基本时间    

Tj2 =i L/fn   L = (d—d1)/2 + +  +

d = 24mm      = 2mm              = 4mm               = 0

所以    Tj2 = 6S

因此，总的基本时间为24S

3  工序5切削用量确定

（1）确定精车外圆φ17.2mm的切削用量。

所选刀具为YT30硬质合金可转为车刀。选刀杆尺寸B×H = 16mm ×25mm ,刀片厚度为4.5mm。根据表5-113，选择车刀几何形状为卷屑槽倒淩型前刀面，前角=12 后角=6 ，主偏角= 30  ，副偏角= 10                刃倾角= 0         

刀尖圆弧半径= 0.8mm

 (a)   确定背吃刀量   粗车双边余量为0.9mm 所以=0.45mm

( b)   确定进给量f  根据表5-114，在精车钢料，刀杆尺寸为16mm ×25mm，小于等于3.0mm  ， 按CM6125车床的进给量，选择f =0.2mm/r

(c)速度V   根据表5-120，当用Y30硬质合金刀具加工= 570—670MPa , <=3mm ,f<= 0.75mm/r   切削速度V = 138m/min

切削速度的修正系数为= 0.8    = 1.4      =0.81        =1.15        =  =1.0  故

V = 138×0.8×1.4×0.81×1.15 = 145m/min

n = 1000v/πd = 1000 ×67.8/3.14× 18.1= 2549r/min

按CM6125车床的转速，选择 n = 2500r/min 

精车φ20mm外圆切削用量确定

所选刀具为YT30硬质合金可转为车刀。选刀杆尺寸B×H = 16mm ×25mm ,刀片厚度为4.5mm。根据表5-113，选择车刀几何形状为卷屑槽倒淩型前刀面，前角=12 后角=6 ，主偏角= 30  ，副偏角= 10                刃倾角= 0         

刀尖圆弧半径= 0.8mm

 a   确定背吃刀量   粗车双边余量为0.9mm 所以=0.45mm

 b   确定进给量f  根据表5-114，在精车钢料，刀杆尺寸为16mm ×25mm，小于等于3.0mm  ， 按CM6125车床的进给量，选择f =0.2mm/r

c  确定切削速度V   根据表5-120，当用Y30硬质合金刀具加工= 570—670MPa , <=3mm ,f<= 0.75mm/r   切削速度V = 138m/min

切削速度的修正系数为= 0.8    = 1.4      =0.81        =1.15        =  =1.0  故

V = 138×0.8×1.4×0.81×1.15 = 145m/min

n = 1000v/πd = 1000 ×67.8/3.14× 20.9= 2208r/min

按CM6125车床的转速，选择 n = 2000r/min 

（2）  基本时间确定

确定精车φ17.2mm的外圆基本时间

根据表2-21 ，车外圆的基本时间为Tj1= L i/fn  = i(+++)/f n

式中=20mm  = 0mm        = 0mm        = 0  f = 0.2mm/r  n= 33r/min   i = 1

所以Tj1= 4 S

确定精车φ20mm的外圆基本时间

根据表2-21 ，车外圆的基本时间为Tj1= L i/fn  = i(+++)/f n

式中=82mm  = 0mm        = 0mm        = 0  f = 0.2mm/r  n= 33r/min   i = 1

所以Tj1= 13S

因此 ，总的基本时间为15S 

(4)  工序6切削用量确定

（1） 切削用量  本工序为粗车圆锥面。已知材料为45钢， = 670MPa

,锻件，有外皮；机床为CM6125型卧式车床，工件装卡在三爪自定心卡盘中。

确定粗车圆锥面的切削用量（以小端确定）。

所选刀具为YT5硬质合金可转为车刀。选刀杆尺寸B×H = 16mm ×25mm ,刀片厚度为4.5mm。根据表5-113，选择车刀几何形状为卷屑槽倒淩型前刀面，前角=12 后角=6 ，主偏角= 90   ，副偏角= 10         刃倾角= 0         

刀尖圆弧半径= 0.8mm

 a   确定背吃刀量   粗车双边余量为5.0mm 所以= 2.5mm

 b   确定进给量f  根据表5-114，在粗车钢料，刀杆尺寸为16mm ×25mm，小于等于3.0mm   f= 0.4-0.5mm/r    按CM6125车床的进给量，选择f =0.4 mm/r

确定的进给量尚需满足机床进给机构的轻度要求，故需进行校验。

根据表5-123，当钢料= 570—670MPa , <=2mm ,f<= 0.75mm/r = 45  v = 65m/min  预计是进给力为760N

修正系数=1.0        =1.0    =1.17 

故实际进给力为8.2N，满足要求。

c   选择刀具磨钝标准及耐用度   根据表5-119，车刀后刀面的最大磨损量为1mm，可转位车刀耐用度T =30min 

d   确定切削速度V   根据表5-120，当用YT5硬质合金刀具加工= 570—670MPa , <=3mm ,f<= 0.75mm/r   切削速度V = 140m/min

切削速度的修正系数为= 0.8    = 0.65       =0.81        =1.15        =  =1.0  故

V = 140×0.8×0.65×0.81×1.15 = 67.8m/min

n = 1000v/πd = 1000 ×67.8/3.14× 41 = 526r/min

按CM6125车床的转速，选择 n = 500 r/min 

e   校验机床功率   当钢料= 570—670MPa , <=2mm ,f<= 0.75mm/r    v = 46m/min时， = 1.7KW

切削功率的修正系数为=1.17      = =  =1.0     =1.13        =0.8     =0.65

故实际切削功率为=0.72KW

满足要求。

最后确定的切削用量为 ： =2.5 mm    f = 0.4mm/r   n = 500r/min  v = .4m/min 

(2) 基本时间 

确定粗车圆锥面的基本时间

根据表2-21 ，车外圆的基本时间为Tj1= L i/fn  = i(+++)/f n

式中=20mm  = 2mm        = 3mm        = 0  f = 0.4mm/r  n= 8r/min   i = 1

所以Tj1= 8 S

六   夹具设计

   本夹具是工序11用麻花钻钻14，8.5孔的专用夹具，所设计的夹具装配图，供需简图及夹具体零件图如图所示。有关说明如下。

（1）定位方案  工件以 20的圆柱面及圆锥大端面为定位基准，采用V形块和平面的组合定位方案，两个V形块4个自由度，右边V形块的右端面一个自由度，共5个自由度。孔在圆周上无位置要求，该自由度不用。

（2）夹紧机构  根据生产率要求，运用手动夹紧可以满足。采用二位螺旋压板夹紧机构，拧紧螺母即可实现压紧，使用方便。压板夹紧力主要作用是防止工件在钻销力的作用下摆动和震动，手动螺旋夹紧是可靠的，可免去夹紧力计算。

（3）导引装置  为方便快捷的钻14  8.5两个孔，本夹具采用快换钻套，刀具在钻套的引导下准确的钻孔。

（4）夹具与机床的连接元件   采用10的定位销确定夹具与机床的相对正确位置，夹具体底座上开有两个U 形槽，用M14的螺栓固定在机床工作台上。

（5）夹具体  工件的定位元件，夹紧元件，导引装置用螺钉与夹具体底座连接起来，夹具体底座铸造加工出来，这样该夹具便有机连接起来，实现定位，夹紧，导引等功能。

（6）使用说明  安装工件时，松开右边铰链螺栓上的螺母，将两个铰链螺栓顺时针转动一个角度，然后将两块压板后撤，把工件放在V形块上，注意工件的圆锥大端面一定要紧贴在右边V 形块的右端面，实现可靠定位，然后把铰链螺栓放在铰链压板的U 形槽中，拧紧螺母实现可靠夹紧。

（7）结构特点  该夹具结构简单，操作方便。但斜面的制造误差以及V 形块在斜面上的安装误差，使孔的加工位置精度受到了，故适用于加工要求不高的场合。

（8）定位误差计算  工件采用V 形块定位，V 形块的定位误差= = 0.002692  因为斜面角度为15度，所以工件的水平方向的定位误差为y = 0.002692 sin(15)= 0.000696  ,满足定位要求。

七  参考文献

1、《机械制造技术基础课程设计指南》        主编：   崇凯 

2、《金属加工工艺及工装设计》              主编：   黄如林   汪群

3、《工程图学》                            主编：   鲁屏宇

4、《机械制造装备设计》                    主编：    冯辛安