柴油機汽缸蓋加工工藝及鉆工頂面孔夾具設計【含6張CAD圖】

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I柴油機汽缸蓋加工工藝及夾具設計摘 要柴油機汽缸蓋從毛坯到成品的加工過程中往往涉及到加工工藝和夾具。其中加工工藝關系到汽缸蓋的加工順序、加工方法的選擇，而夾具決定著最終成品質量的優(yōu)劣。所以對柴油機汽缸蓋加工工藝及夾具設計十分重要。針對柴油機汽缸蓋進行加工工藝及夾具設計。汽缸蓋被安置在缸體上方，通過螺栓緊固于缸體上，構成封閉環(huán)境，組成燃燒室。由于體積大，且要求的精度較高。故為加工出合格的產品，就必須先設計出好的加工工藝和夾具。此外，工件結構復雜，內部為空腔，壁厚的分布不均勻，在面上的孔較多，致其加工難度大，而加工工藝也變得相對復雜。對汽缸蓋的作用、加工工藝和夾具需做較全面的分析計算及論證,并對汽缸蓋毛坯、零件結構、技術要求、精度要求分析，重點在于選出合理的加工工藝及其方案。設計計算出每道加工工序的加工余量、尺寸要求和選取加工車床、刀具等設備裝置。并計算出其加工工序的加工時間、切削深度、切削用量及進給量。綜合上面所述數據繪制缸蓋加工工藝卡片，對一些非常重要的工序需要詳細說明。而在設計缸蓋的夾具方面，本次是針對汽缸蓋表面的螺栓沉孔加工所設計的通用夾具。其中包含了定位元件、夾緊裝置、對刀裝置的設計。對定位誤差分析計算，并計算其夾緊裝置的剛度校核。最后，簡要說明夾具的安裝、使用方法，并附上相應的夾具體和夾具裝配圖。關鍵詞： 汽缸蓋；加工工藝；工序尺寸；夾具IIABSTRACTDiesel engine cylinder head from rough to finished product processing often involves the processing technology and fixture. The processing technology is related to the processing sequence of the cylinder head and the choice of processing methods, and the fixture determines the quality of the final product quality. So the processing technology and fixture design of diesel engine cylinder head is very important.Machining technology and fixture design for diesel engine cylinder head .The cylinder head which fastened to the cylinder by bolts is placed above the cylinder. They form a closed environment and make up the combustion chamber. Due to the large volume, the required accuracy is higher. Therefore, in order to process a qualified product, it is necessary to design a good processing technology and fixture. In addition, the structure and shape of the parts are complex and Internal cavity, wall thickness uneven, more holes on the surface cause that Its processing is difficult, and the processing technology has become relatively complex.We need to do a more comprehensive analysis and demonstration for the effect cylinder head, processing technology and fixture. Cylinder head blank, parts structure, technical requirements, accuracy requirements should also be analyzed. The focus is on how to choose a reasonable processing technology and its program. Design and calculation of each processing process processing margin, size requirements and selection of processing lathes, knives and other equipment. and calculate the processing time of its processing, cutting depth, cutting the amount and feed. According to the above data drawing cylinder head processing technology card, for some very important process ,we need to elaborate.This is the cylinder head on the surface of the bolt hole design of the universal fixture design in the design of the cylinder head of the fixture, which contains the positioning and clamping components of the design. Analysis and calculation of positioning error，it’s necessary to calculate the strength check of the clamping device. Finally, we should briefly explain the fixture installation and how to use it,and give the corresponding fixture and fixture assembly diagram.Keywords : cylinder head ; production process ; process ; fixtureIII目 錄摘 要 .........................................................IABSTRACT........................................................II1 緒論 ..........................................................12 汽缸蓋分析 ....................................................42.1 汽缸蓋的作用 .........................................................................................42.2 汽缸蓋的工藝分析 .................................................................................42.3 汽缸蓋的主要技術要求 .........................................................................52.4 汽缸蓋零件圖的分析 .............................................................................63 機械加工工藝規(guī)程設計 ..........................................83.1 計算生產綱領，確定生產類型 .............................................................83.2 汽缸蓋毛坯的確定 .................................................................................83.3 基準選擇 .................................................................................................93.4 汽缸蓋的加工工藝方案選擇 .................................................................93.5 工藝路線 ...............................................................................................103.6 機械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的確定 ...................................123.7 加工孔與定位孔的尺寸鏈計算 ...........................................................133.8 切削用量計算 .......................................................................................164 夾具的設計 ...................................................194.1 夾具概述 ...............................................................................................194.2 定位誤差計算 .......................................................................................194.3 夾具方案的提出 ...................................................................................204.4 設計夾緊機構時的要求 .......................................................................214.5 夾具的設計 ...........................................................................................214.6 汽缸蓋夾具設計裝配圖及夾具體零件圖 ...........................................255 環(huán)保分析 .....................................................266 結論 .........................................................27參考文獻 ........................................................28附錄 1：外文翻譯 ................................................30附錄 2：外文原文 ................................................37致 謝 ........................................................41柴 油 機 汽 缸 蓋 加 工 工 藝 及 夾 具 設 計11 緒論目前柴油機因其節(jié)能、高效等優(yōu)點被廣泛運用到各類動力領域，例如車用動力領域。而制造柴油機在國內有：東風康明斯、濰柴動力、濟柴、大連柴油機、無錫柴油機、玉林柴油機等。其中大連柴油機（道依茨一汽）主要生產系列有C、D、 E、H、K 五大系列，功率覆蓋 80～340 馬力，柴油機工作環(huán)境的不同而型號系列各異的產品有 300 多種。而濟柴生產 190 系列、140 系列等。所產系列較多，然而其核心技術大多被外國一些技術成熟的柴油機廠家所掌握，我國要想在柴油機市場上有競爭力，需要有自己的核心技術，其中包括如何提高零件的精度、怎樣以簡單全面的加工方式獲得最優(yōu)的加工零件。而國外制造柴油機的有：康明斯（主要產品 M 系列，B 系列， C 系列），道依茨主要產品有 1011 系列、912 系列、913 系列、413 系列低污染機、513 系列、1012 系列增壓機、1013 系列增壓機、1015 系列增壓機等，其中不同系列又有不同的鋼數，例如 8 缸、10 缸、12 缸。而對汽缸蓋的制造加工，國外已經形成一套全方位、相當成熟的機制，不再只局限于汽缸蓋的機械加工，近些年來，伴隨科技的發(fā)展和數字化信息對工件加工的影響，機械式的工件加工不再適合汽缸蓋，已逐漸形成毛坯的自動供給和卸載，根據加工情況完成補給，自動去出毛刺，保證加工平滑，實現機械制造柔性生產。在刀具方面，復合型加工工具因能廣泛使用而不局限某一加工從而節(jié)省投資，加工時間也相比以往有所減少，為保證加工精度，機床與刀具制造廠也越來越注重技術設備與刀具開發(fā)。在夾具方面，面對夾具的不斷優(yōu)化，其通用夾具已成發(fā)展優(yōu)勢，并在此基礎上還能達到高精度與高精密的要求。本次的夾具設計是保障頂面沉孔的固定加工，所以一面兩銷的定位方式最為合適，該夾具不但適合本次加工，也能運用到其他零件的加工，符合通用夾具的要求，保證了孔的加工精度。伴隨數控的運用，自動定位夾緊已成為夾具設計的方向，模塊化、高剛性、高精度、高強度、通用化、快速化及自動化的夾具也逐步得以實現。本次設計內容為柴油機汽缸蓋的加工工藝及夾具設計。對柴油機汽缸蓋的工作用途、加工工藝及其中某一夾具進行了具體分析與設計，分析汽缸蓋零件結構、缸蓋的各項技術、尺寸精度要求及毛坯加工方式。詳細分析理解分析柴油機汽缸蓋的加工工藝，傳統的加工工藝為毛坯 + 后續(xù)熱處理→上、下面粗加工→上、下面精加工→定位面螺栓孔加工→四周面加工→上、下平面孔系綜合加工→四周平面孔系加工→清理清洗→零部件組裝(密封試驗) →氣閥座面及導管孔組合加工→檢驗→氣閥座面配研及著色檢查→零部件部裝→完工的加工路線，對其有所欠缺的地方進行分析改良，從而確柴 油 機 汽 缸 蓋 加 工 工 藝 及 夾 具 設 計2定選擇出最終加工方案。同時在加工工藝中確定出各項加工工序的加工余量和工序尺寸，并以此選擇相關的機床、刀具及工件定位所需的夾具、量具。分析計算各項各項工序的切削三要素：切削速度 V、進給量 F 和切削深度 ap。當前我國國情來看，汽車與飛機制造業(yè)用汽缸蓋的加工工藝已無需考慮，然而沒有得到成熟的運用，在其它行業(yè)的普及不足，主要是在一些科研范疇中有所應用，從此可看出推廣汽缸蓋的加工工藝是迫在眉睫，水平低和普及度不夠說明汽缸蓋在我國的發(fā)展空間還很大。例如針對汽缸蓋面的加工，目前汽缸蓋表面主要加工手段是銑削， 的進給量是40i2/mn～當前國內的限制，這對汽缸蓋的大批量加工會產生很大的約束。最近幾年,通過使用改良后刀具材料(如在刀具表面涂金屬漆、合金等)、刀具構造(密齒銑刀盤等)以及對機床的結構布局進行合理排列, 可讓汽缸蓋的銑削提高至 , 然而國外1i5/～已經達到 。因此，合理設計出好的加工工藝是汽缸蓋乃至制造業(yè)0/in2m～ 4所不可缺少的一部分。此外還對汽缸蓋某一加工工序進行夾具設計，本次是對工序號 150 的頂面孔加工中的 26-Φ18.1×15 的缸蓋螺栓沉孔進行夾具設計。設計簡潔方便、高效的機床夾具以保證尺寸誤差在規(guī)定范圍內，目前可采用液壓夾具和數控機床夾具。本次使用一面兩銷的定位方式進行加緊定位，而在加工定位銷孔時，銷孔尺寸會出現一定的誤差，而在銷與孔配合過程中會出現定位誤差，故而與孔配合的一個銷是菱形銷才能保證過定位，而最終定位誤差總和少于工序公差的 。分析計算尺寸鏈，對夾具的使用方式、13工作原理進行說明，并繪制夾具體零件圖、夾具裝配圖以及三維視圖等。本次設計重點解決的問題也是如今世界各柴油機生產廠家所重點考慮的問題：汽缸蓋的加工精度。加工精度越高意味著汽缸蓋與其他零件相接程度越高，封閉性更好。夾具設計存在幾何誤差，但誤差應限制在指定的合理范圍內。在實際加工時，由于對夾具的錯誤使用、對理論依據不了解、操作不當等，致使夾具控制的刀具在對刀和加工不到位，從而產生幾何誤差。同時夾具應定位合理、夾緊牢靠、操作簡單，效率的提高、時間的縮減、成本的減少，保證最終加工要求。綜上所述，本次設計擬采用汽缸蓋傳統加工工藝路線。其中加工最為關鍵的導管孔可用槍膛與精車的加工方法。設計簡潔方便、高效的機床夾具以保證尺寸誤差在規(guī)定范圍內，目前可采用液壓夾具和數控機床夾具。我國大型汽車行業(yè)的發(fā)動機主要采用的是柴油機，柴油機汽缸蓋的優(yōu)劣決定這我國汽車是否能走出國門。目前我國汽車行業(yè)競爭優(yōu)勢相對落后、不明顯，但只要對汽車制造技術一點點優(yōu)化，不斷設計出經濟且能達到高要求的產品，必定能成為引領世界汽車行業(yè)的佼佼者。汽缸蓋的加工在制造方面顯得愈加重要，因為它是發(fā)動機封閉柴 油 機 汽 缸 蓋 加 工 工 藝 及 夾 具 設 計3所不可缺少的一部分，并在發(fā)動機工作時能提供油路和進排氣通道。柴油機汽缸蓋的加工工藝及夾具設計影響著汽車行業(yè)發(fā)展，進一步完善其加工工藝和設計出更優(yōu)的夾具能更好地促進汽車行業(yè)的發(fā)展。柴 油 機 汽 缸 蓋 加 工 工 藝 及 夾 具 設 計42 汽缸蓋分析2.1 汽缸蓋的作用通過螺栓連接汽缸蓋和缸體，置于汽缸體上方，成為柴油機頂端部件，并與缸體組成燃燒室。其主要作用有：（1）與缸體、活塞、缸套共同組成封閉的汽缸工作空間。（2）將汽缸套壓緊在正確位置，保證活塞正常工作運轉。（3）提供柴油機及各附件安裝位置，如安全閥、進排氣閥裝置。（4）提供供油管道、進排氣通道、冷卻水管道。2.2 汽缸蓋的工藝分析2.2.1 汽缸蓋技術要求分析①柴油機汽缸蓋的選材。②汽缸蓋的熱處理要求。③汽缸蓋表面粗糙度要求。④加工精度要求。⑤缸蓋圖紙中所給定的加工要求是否合理。⑥夾具設計所產生的誤差能否在規(guī)定范圍內。⑦各類孔的加工要求。2.2.2 汽缸蓋的結構及其工藝分析①結構——進排氣道、水道、油道、進排氣門導管、火花塞孔、前后端蓋等。②結構工藝性——在達到尺寸精度要求前提下，盡量以效率的提高和成本的降低為標準進行設計。③汽缸蓋結構圖（2.2.2），如下圖所示：柴 油 機 汽 缸 蓋 加 工 工 藝 及 夾 具 設 計5圖 2.2.2 汽缸蓋結構圖2.3 汽缸蓋的主要技術要求汽缸蓋中的孔道、通路較多，致使其結構式樣尤為復雜。且其是薄壁零件和汽缸中的關鍵部件，并且高加工精度也影響著加工的難易程度。在制定加工工藝時較為復雜，工序步驟繁多。缸蓋表面的粗糙程度決定著柴油機的封閉情況，其缸孔的精度決定柴油機油路的進排、氣體的進排、冷卻水道的冷卻效果。（1）底面的精度要求為保證與缸體的緊密配合，柴油機汽缸蓋底面的粗糙度 0.8，直線度為 0.05。（2）頂面的精度要求為與汽缸蓋上部的氣門室蓋配合，要求其直線度 0.05，與底面的平行度為0.05，粗糙度 3.2。（3）定位銷孔之間的距離公差為 ±0.015~±0.025（4）各類孔的加工精度汽缸蓋中有油孔、進排氣孔。其大小不同，工作用途也不一樣，因此在加工時應按照圖紙技術要求加工，以保證其位置和尺寸精度。柴 油 機 汽 缸 蓋 加 工 工 藝 及 夾 具 設 計62.4 汽缸蓋零件圖的分析圖 2.4.1 汽缸蓋零件圖 2.4.2 汽缸蓋零件柴 油 機 汽 缸 蓋 加 工 工 藝 及 夾 具 設 計7圖 2.4.3 汽缸蓋零件由零件圖可看出，汽缸蓋長 ，寬 ，高 。836±0.05????237±0.05????90±0.05????頂底面平面度要求 0.05mm，頂面 RZ為 25，底面 RZ為 16。汽缸蓋的缸孔同軸度為0.05mm，表面粗糙度為 RZ25。柴 油 機 汽 缸 蓋 加 工 工 藝 及 夾 具 設 計83 機械加工工藝規(guī)程設計3.1 計算生產綱領，確定生產類型（1）生產綱領、性質和類型的確定本此設計假定每年生產 50000 件，查文獻[1]得，其為大批量生產，可按自動線計算。汽缸蓋年生產量 N=50000×1×（1+ α）×(1+β)取 α=10%， 其中 α:產品儲備率取 β=5%， 其中 β：廢品率故 N=50000×1×（1+10%）×(1+5%)=57750（個）則月生產量為 57750÷12=4813（個）日生產量為 4913÷30=164（個）年時基數為 3500 小時按兩班制生產平均流水節(jié)拍=自動生產線實際年時基數×60×（1-η）／零件年產量=3500×60×(1-0.15) ／57750=3.58其中 η:時間生產系數包括：η1：工作時間內設備維修方面的損失；η2：工人缺勤自然需要造成的損失；η3：清理設備造成的損失；η4：工人休息方面的損失；η=η1+η2+η3+η4+…本次設計中 η=0.15（2）批量、生產間隔及制造時間段的確定實際中工作情況中，一個月假設實際工作 22 天，如此能保證即使出現差錯也能完成任務。故日生產量為：4813÷22=218.7（個），取整為 219 個。綜上分析可得，柴油機汽缸蓋的加工制造屬于大批量生產。3.2 汽缸蓋毛坯的確定直徑在 400mm 以下的缸體的汽缸蓋原料多用 HT400 或 HT250 之類的灰鑄鐵；而球墨鑄鐵多用于 400mm 以上。 [9]鑄鋼缸蓋或者鑄鐵-鑄鋼組合式缸蓋大多用于大型低柴 油 機 汽 缸 蓋 加 工 工 藝 及 夾 具 設 計9速柴油機。在造型方面有手工造型和機械造型，考慮到手工成本高、材料利用率低、耗時高，而機械造型可連續(xù)生產、效率高、成本低，所以采用機械造型。3.3 基準選擇針對零件加工的每一工序步驟都要確定出相關的基準，本道工序基準的選擇對后面的加工有著重大影響。故應按照基準原則來選擇基準。3.3.1 粗基準的選擇本次對毛坯加工工序中有上線工序，故其粗基準的選擇十分重要。若粗基準選擇不當，往往導致加工余量的分布產生較大出入或非加工面移動，甚至產生次品和贗品。汽缸蓋常出現的狀況有座圈底孔余量分布不出現偏差、氣道位置狀況發(fā)生變化等。故應挑選主要關鍵面和關鍵孔為粗基準, 加工出定位的銷孔或先加工出過渡基準再加工定位孔。3.3.2 精基準的選擇對于類似汽缸蓋的箱蓋零件，可采用一面兩銷作為基準。加工過程中，基準面的平面度誤差將導致工件在夾緊過程中發(fā)生變形，而由于大批量生產會導致定位孔會隨使用次數產生磨損，最終使定位產生嚴重誤差。3.4 汽缸蓋的加工工藝方案選擇（1）頂面與底面距離為 90±0.05mm，頂面的表面粗糙度為 0.8，直線度 0.05，與底面平行度為 0.05，而底面的表面粗糙度為 0.8，直線度為 0.05，故頂底面加工方案選擇為：粗銑→半精平磨→平磨。而其表面有螺栓沉孔 Φ28.1×15mm，公差等級 IT11； 26-Φ15 缸蓋螺栓孔，2-Φ15.5H8 定位銷孔，12-Φ14 導管底孔及其斷面 倒角，12-Φ26/Φ38 環(huán)狀彈簧座孔，3005-Φ20H7 塞片孔，14-M8 搖臂座絲孔，26-M6 缸帽絲孔和進氣彎管絲孔。對于 IT 在 10以上的，用鉆→擴；IT 在 10 以下的用鉆→擴→鉸（锪）。（2）加工四周面，表面公差等級為 IT7，考慮到加工批量大，擬定加工方式：粗銑→半精銑→精銑。而內孔右側孔有 Φ16 中心鉆 12-M10、6-M8 的中心孔， 12-M8 的絲底孔為 12-Φ8.5 孔， 12-M10 孔， 6-M8 底孔為 6-Φ6.8 孔， 6-M8 孔， 6-Φ35.75 塞片孔及 6-Φ36H9 塞片孔。左側孔：絲孔 M26、M14、M10。前端面孔： 4-M10、 M14×1.5、M10 ×1 的中心孔， 4-Φ8.5 孔。 4-M10 絲孔，Φ12.5 孔， M10×1絲底孔 Φ9 孔， M10×1 絲孔，絲底孔為 Φ24.5， M26×1.5 絲孔。后端面孔：Φ16柴 油 機 汽 缸 蓋 加 工 工 藝 及 夾 具 設 計10中心鉆打 6-M10 絲孔、2-M8 絲孔、Φ5 的中心孔， 6-M10 絲底孔為 6-Φ8.5 孔， 6-M10 絲孔， 2-M8 絲底孔為 2-M6.8 孔， 2-M8 絲孔，Φ5 通氣孔。其中氣孔加工方式為鉆→攻。而絲孔方式有：鉆→擴→鉸（锪）。3.5 工藝路線因柴油機汽缸蓋要求精度的加工較嚴格，加工工序較為復雜，應遵循金屬加工制造的原則。據此擬定如下兩套加工方案：方案一：工序 10 平臺劃線工序 20 銑 600 面（頂面），以底面為基準。工序 30 銑 100 面（底面），以頂面為基準。工序 40 平臺劃線工序 50 銑 200 面（左端面），以底面為基準。工序 60 半精平磨 600 面，以底面為基準。工序 70 半精平磨 100 面，以頂面為基準。工序 80 平臺劃線工序 90 加工定位銷孔，以頂面為基準。工序 100 加工缸蓋周邊面，以底面為基準。工序 110 平磨 600 面，以底面為基準。工序 120 平磨 100 面，以頂面為基準。工序 130 加工三周邊面的各孔。工序 140 加工底面的定位銷孔。工序 150 加工頂面孔，以底面為基準。工序 160 清洗柴 油 機 汽 缸 蓋 加 工 工 藝 及 夾 具 設 計11工序 170 裝配塞片工序 180 水磅試驗工序 190 裝配座圈工序 200 精加工座圈和導管底孔，以頂面為基準。工序 210 裝配導管方案二：工序 10 平臺劃線工序 20 銑 600 面（頂面），以底面為基準。工序 30 銑 100 面（底面），以頂面為基準。工序 40 平臺劃線工序 50 銑 200 面（左端面），以底面為基準。工序 60 半精平磨 600 面，以底面為基準。工序 70 半精平磨 100 面，以頂面為基準。工序 80 平磨 600 面，以底面為基準。工序 90 平磨 100 面，以頂面為基準。工序 100 平臺劃線工序 110 加工定位銷孔，以頂面為基準。，工序 120 加工缸蓋周邊面，以底面為基準。工序 130 加工三周邊的各孔。工序 140 加工底面定位銷孔。工序 150 加工頂面孔，以底面為基準。工序 160 清洗柴 油 機 汽 缸 蓋 加 工 工 藝 及 夾 具 設 計12工序 170 裝配塞片工序 180 水磅試驗工序 190 裝配座圈工序 200 精加工座圈和導管底孔，以頂面為基準。工序 210 裝配導管方案一中在半精平磨頂底面后轉而加工定位銷孔和缸蓋周邊面，而方案二中是繼續(xù)平磨頂底面。相互比較下方案二的加工方式容易破壞底面的精度，使其達不到要求。故選擇方案一。3.6 機械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的確定DEUTZ1013 柴油機汽缸蓋毛坯為鑄件，材料為 HT250。1. 毛坯尺寸工件加工后達到輪廓尺寸為 836×237×90，底部表面粗糙度要求為 Ra0.8，頂部表面粗糙度要求為 Ra3.2。由參考文獻[17]中可查出，柴油機汽缸蓋屬于復雜型，故選用砂型鑄造，查得底部表面加工余量為 ，頂部表面加工余量為 8.5mm，環(huán)繞四周10.5????加工余量為 1.75mm。 故毛坯長為：836+2×1.75=839.5mm寬為 237+2×1.75=240.5mm 高為 90+19=109mm為使產品在加工后能達到所制定尺寸，加工頂面時，粗銑的加工切削深度為，半精銑為 ，磨削為 。加工下表面時，粗銑的切削深度為????=5???? ap=3mm 0.5mmap=5mm，半精銑為 ap=5mm，磨削為 0.5mm。周邊粗銑、半精銑為 ，精ap=1.5????銑為 。0.25????2．主要孔加工工序及加工余量（1）以定位銷孔 為例，基本尺寸為 12mm，公差為 0.03mm，公差等級0.312m?為 IT8，根據參考文獻［1］得其加工方案：鉆—— 擴（Φ10H7）——鉸——擴（11H7）——精鏜。（2）加工余量確定精鏜余量 Z 精鏜 =0.3mm柴 油 機 汽 缸 蓋 加 工 工 藝 及 夾 具 設 計13二次擴余量 Z 擴 =1.7mm鉸余量 Z 鉸 =0.25mm一次擴余量 Z 擴 =1.75mm鉆余量 Z 鉆 =8mm3．計算工序基本尺寸精鏜后按圖紙規(guī)定 Φ12mm，二次擴后為 12-0.3= 11.7mm，鉸后為 11.7-??1.7= 10mm，首次擴后為 10-0.25= 9.75mm，鉆后余量為 9.75-??1.75=8mm。4．確定工序尺寸公差精鏜后按圖紙規(guī)定為 ，公差等級為 H8。擴采用 H11，首次擴為0.312m，二次擴后為 。鉸后采用 H7， ，鉆后采用 H13，0.1975m.70.18m?。.28?其他工序尺寸及加工余量詳見工序卡。3.7 加工孔與定位孔的尺寸鏈計算汽缸蓋俯視圖簡圖如下圖 4.4.1 所示圖 4.4.1 汽缸蓋俯視簡圖柴 油 機 汽 缸 蓋 加 工 工 藝 及 夾 具 設 計14所加工的螺栓沉孔左右前后均對稱，可從前往后分為 4 排。從前后端考慮，靠近前端的定位銷孔設為 1，靠近后端的定位銷孔設為 2。1 距離前段的尺寸為 ，80?0.05????2 距離后端的距離為 ，缸蓋寬為 。而前端所需加工的孔距離前9+0.050 ???? 237+?0.05????端 ，則前端第二加工孔與 1 的尺寸鏈可按如下計算：86+0.20????A 為封閉環(huán)， 為增環(huán)， 為減環(huán)，所以 ??1=86+0.020 ???? ??2=8 0?0.05????。 ??=??1???2=86?10=78????????（ A） =0.02?（ ?0.05） mm=0.7????????（ ??） =0?0=0因此算得前端第二排加工孔與 1 的封閉環(huán)尺寸 。??=780.070????而前端第一排加工孔與 1 的封閉環(huán)尺寸鏈計算與第二排相似，如下：，其他數據不變，故其封閉尺寸 。??1=45+0.020 ???? ??=370.070????第三排加工孔與與 1 的封閉環(huán)尺寸鏈計算如下：柴 油 機 汽 缸 蓋 加 工 工 藝 及 夾 具 設 計15A 為封閉環(huán)， 為??1=237+?0.05????增環(huán)，??2=8 0 ?0.05 ???? ??3=720.020????均為減環(huán)。故 A=（237-8-72 ）mm=157mmES（A）=0.05-（-0.05-0 ）=0.1mmEI（A）=-0.05-（0+0.02 ） =-0.7mm 則第三排加工孔與 1 尺寸為： 。??=1570.1?0.07????第四排與 1 尺寸鏈計算和上述第三排相似， ，其余數據不變。故其??3=260.020????封閉尺寸 。??=2030.1?0.07????同理，第一排加工孔與 2 尺寸鏈計算如下：A 為封閉環(huán)， 為??1=237+?0.05????增環(huán)，均為減??2=450.02 0 ???? ??3=90.050????環(huán)。則 ??=??1???2???3=183????????(??)=????(??)1?????(??)2?????(??)3=0.05-0-0=0.05mm。????（ ??） =????(??)1?????(??)2?????(??)3=-0.05-0.02-0.05=-0.12mm。故 ??=1830.05?0.12????柴 油 機 汽 缸 蓋 加 工 工 藝 及 夾 具 設 計16第二排加工孔與 2 尺寸鏈計算與上相似，其中 ，其余不變，則??2=860.020??????=1430.05?0.12????第三排加工孔與 2 尺寸鏈計算：A 為封閉環(huán)， ??1=720.020????為增環(huán)， 為減環(huán)。故??2=90.050???? ??=??1—??2=63????ES=0.02-0=0.02mmEI=0-0.05=-0.05mm所以 ??=630.02?0.05????第四排加工孔與 2 的尺寸鏈和第三排相似， ，其余數據不變，則??1=260.020mm。??=170.02?0.05????而從左右端分析加工孔與定位孔的尺寸鏈和上述前后端分析方法一樣，在此不再贅述。3.8 切削用量計算3.8.1 制定切削用量的一般原則柴 油 機 汽 缸 蓋 加 工 工 藝 及 夾 具 設 計17（1）刀具耐用度往往影響著粗加工的切削用量，二者也有相互制約關系，因此切削用量的選擇是以一定的刀具耐用度為條件加大切削速度，增加進給量和切深，從而影響控制金屬的切削率，但在這三方面中，切削速度對刀具耐用度的影響最高，然后影響較大的是進給量，所以在控制挑選切削用量時的主次順序為：切削深度→進給量→切削速度粗加工時，系統剛度會影響工件余量，在可能的前提下，盡量在一次走刀中完成，同時考慮刀具耐用度和機床的需用功率。（2）精加工時，加工成本與質量是必須統一考慮的環(huán)節(jié)，既要降低成本，又要提高質量。切削速度應保證加工要求，高速鋼的刀具多用低切削速度，硬質合金刀具多用于高切削速的加工。 3.8.2 汽缸蓋切削用量以及基本工時的確定過程 以汽缸蓋頂面加工為例（1）圖紙規(guī)定汽缸蓋高尺寸為 。Φ900.050????粗銑加工頂面時，采用 Φ315 端銑刀進行粗銑，平面永磁吸盤為夾具。切削深度 aP=5mm進給量 f=0.5mm/r切削速度 v=150m/min主軸轉速??=1000??????=1000×15060×3.14×315=2.5r/s=150r/min符合實際機床轉速范圍。切削工時 = =11.4min????=???????? 836150×0.5（2）半精銑頂面采用 Φ315 端銑刀進行半精加工切削深度 ，????=3????進給量 f=0.5mm/r,切削速度 v=170m/min,主軸轉速??=1000??????柴 油 機 汽 缸 蓋 加 工 工 藝 及 夾 具 設 計18=1000×17060×3.14×315=2.86r/s=170r/min符合主軸實際轉速。切削工時 =????=???????? 836170×0.5=9.8??????(3)半精平磨頂面使用 Φ500 砂輪進行半精平磨切削深度 ????=0.2????進給量 f=0.5mm/r切削速度 v=10m/s主軸轉速??=1000??????=6.37r/s=382r/min根據機床情況選取 n=400r/min得實際切削速度為 =628m/min??=??????1000切削工時為????= 8360.5×628=2.66??????（4）平磨頂面最后用 Φ500 砂輪進行精加工平磨，加工剩余為 ，保證到達最后加工尺寸0.3????的要求。最終頂面加工工序尺寸如表 3.8.2：表 3.8.2 缸蓋頂面加工工序尺寸經濟精度工序名稱工序余量/m公差等級公差值/m最小極限尺寸/工序尺寸及其偏差/ m粗銑 5 IT12 0.35 Φ104 Φ1040.350半精銑 3 IT9 0.087 Φ101Φ1010.0870半精平磨 0.2 0.054 Φ100.8 Φ100.80.0540柴 油 機 汽 缸 蓋 加 工 工 藝 及 夾 具 設 計19IT8平磨至成品 0.3IT7 0.035 Φ100.5Φ100.50.0350其它工序切削用量詳見工序卡。4 夾具的設計4.1 夾具概述此次所設計的夾具為汽缸蓋表面上的 加工的通用夾具，亦可用于加工其他，適合0.2Φ18m大批量生產。一面兩銷為本次設計的定位方式，如下圖 4.1.1 所示。圖 4.1.1 一面兩銷定位4.2 定位誤差計算定位誤差分析示意圖如下圖 4.2.1柴 油 機 汽 缸 蓋 加 工 工 藝 及 夾 具 設 計20圖 4.2.1 定位誤差分析示意圖 查參考文獻[18] 中表 1-1-7 得一面兩銷定位誤差計算公式如下圖 4.2.2 所示：圖 4.2.2 一面兩銷定位誤差計算圓柱銷孔為 Φ12h6，求得其偏差為 ，△ 1=0.011mm；0.12m?確定銷間距：X 方向上： ，LJ7435??AY 方向上： ，??±???=200±0.05????令其連線上的偏差為 0.02mm，b=4。則△ 2=2b/D2=b(△k+△銷-△圓柱 min)/D2=4(0.1+0.04-0)/12=0.047故削邊銷孔為 。0.324(120.47)n61???對定位誤差分析 ?=????1+????2+?1??????=（0.011+0.011+0.021 ）mm柴 油 機 汽 缸 蓋 加 工 工 藝 及 夾 具 設 計21=0.043mm 。1980??=????????=????(??1????????1+????tan(??+??12))??????1??查參考文獻[18] 得 ， ， ， ，取 。??1=4 ????????1=0.1????=7.5tan(??+??12)=0.19??=0.85算得 =螺栓許用夾緊扭矩。????≈64（ ?????） 和 =螺栓許用夾緊扭矩。。1980??=????????≈64（ ?????） <65.727（ ?????）最后，簡要介紹本次設計的夾具安裝、使用方法，并附上相應的夾具體和夾具裝配圖。柴 油 機 汽 缸 蓋 加 工 工 藝 及 夾 具 設 計29參考文獻[1]濮良貴，陳國定，吳立言主編.《機械設計（第九版）》[M]. 北京：高等教育出版社，2013.[2]聞邦椿主編.《現代機械設計實用手冊》[M]. 北京：機械工業(yè)出版社,2015.[3]孫桓，陳作模，葛文杰主編.《機械原理（第八版）》[M]. 高等教育出版社，2013.[4]盧秉恒主編.《機械制造技術基礎（第三版）》 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.[5]閆愛春，包家善.汽缸蓋加工工藝改進及關鍵工裝設計 [J]. 制造技術與機床，2010 (9):143-145.[6]田樹民，紀有軍，倪紅軍，等.內燃機汽缸蓋加工生產線的研究 [J]. 機械制造，2010,48 (551):84-86.[7]宋永寬.內燃機車柴油機汽缸蓋快速成型制造技術 [J]. 機車車輛工藝，2010 (2):18-19.[8]曲彩梅，喬雨.簡述柴油機氣缸蓋的進排氣孔工藝方案與夾具設計 [J]. 內蒙古煤炭經濟，2016 (16):95-96.[9]段守財，景紅，劉敏，等.柴油機汽缸蓋精密加工技術研究及應用 [J]. 鐵道機車車輛，2011,31 (S1):358-361.[10]曹峰，張文燾，高平.柴油機缸蓋鉆斜孔的夾具設計 [J]. 機械工程師，2012 (11):165-167.[11]孫巧蘭.柴油機汽缸蓋定位孔加工技術研究與改進 [J]. 機械工程師，2013 (4):161-162.[12]史少錦，黃春英.R160 柴油機汽缸蓋的液壓夾具設計 [J]. 廣東技術師范學院學報（自然科學）,2015 (11):70-73.[13]朱惠蓮.加工中心對多缸柴油機機體鏜孔的工藝分析 [J]. 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International Journal of Advanced Manufacturing Technology.2001,17(2):104-113.31附錄 1：外文翻譯薄壁工件夾具設計的雙重優(yōu)化模型摘要加工過程中必須控制變形，尤其對于薄壁零件。影響加工變形程度和布局的兩個主要方面是夾具布局及夾緊力。在本文中，夾具布局和變夾緊力的雙重優(yōu)化模型被運用到加工薄壁零件。首先，根據變形程度和分布考慮最佳夾具布局。然后基于變夾緊力對上述夾具布局進行優(yōu)化。使用有限元法分析工件變形。采用遺傳算法求解優(yōu)化模型。最后通過實例分析，驗證了分層優(yōu)化設計方法可以進一步減少工件加工變形，提高加工變形均勻度。1.引言夾具用于保證機床中工件被定位和夾緊到正確的位置和方向。設計不佳將生產出產生形變的劣品。因此，應該合理設計出定位元件的位置、夾具及支撐元件，并且能有合理的夾緊力。通常情況下，這些裝置都很大程度上依賴設計中的經驗，據此選擇夾具等元件安裝位置并計算夾緊力。因此對于給定的加工工件，不能保證得出最優(yōu)和接近最優(yōu)的解。因此夾具布局和夾緊力優(yōu)化成為夾具設計所需考慮的兩個重要因素。合理選擇定位元件和夾具，并計算夾緊力以保證工件變形最小化和均勻。本文提出雙重優(yōu)化方案用于夾具布局設計與變夾緊力的優(yōu)化，目的是使加工元件表面的最大彈性變形得以降低以及最大化的均勻性變形。有限元分析軟件在給定的夾緊力和切割力下計算工件的變形。隨著遺傳算法的發(fā)展，采用數學軟件（MATLAB）直接解決優(yōu)化問題。最后根據實例研究說明擬定方案的應用。2.文獻評論隨著有關行業(yè)對優(yōu)化方案的廣泛運用，夾具布局和夾緊力的優(yōu)化近年來取得一些成果。King 和 Hutter 提出了一種使用夾具 - 工件系統的剛體模型進行最佳夾具布局設計的方法，但考慮到接觸剛度[1]。DeMeter 使用剛體模型來分析和合成最佳夾具布局和最小夾緊力[2]。Li 和 Melkote 采用非線性規(guī)劃方法和接觸彈性模型來解決布局優(yōu)化問題[3]。Dengand Melkote [4]提出了一種基于模型的框架，用于確定最小所需的夾緊力，以確保在加工過程中夾具工件的動態(tài)穩(wěn)定性。32大多數上述研究使用非線性規(guī)劃方法，這通常沒有給出最優(yōu)解。夾具設計優(yōu)化的問題是非線性的，因為目標函數和設計變量之間沒有直接的分析關系，即加工表面誤差和夾具參數（定位元件和夾具的位置以及夾緊力）之間。以前的研究人員已經表明，遺傳算法（GA）是解決這些優(yōu)化問題的有用技術。Vallapuzha 等人使用空間坐標在基于 GA 的夾具布局優(yōu)化中進行編碼[5]。Krishnakumar 等人使用 GA 找到最小化加工表面變形的夾具布局[6]。Krishnakumar 等人 提出了一種迭代算法，通過交替地改變夾具布局和夾緊力，使切割過程中的工件彈性變形最小化[7]。Kaya 使用 GA 和 FEM 找到 2D 工件中的最佳定位器和夾緊位置[8]。 Zhou 等 提出了一種基于 GA 的方法，同時優(yōu)化夾具布局和夾緊力[9]。然而，考慮摩擦和切屑的研究很少，缺乏動態(tài)夾緊力優(yōu)化。3．雙重優(yōu)化模型薄壁工件受到反作用力，夾緊力和切割力的影響。工件的變形與作用在其上的這些力直接相關。目標函數表示為最小化加工表面的最大彈性變形，并最大化夾具 - 工件系統中變形的均勻性。對于涉及 p 夾具元件 - 工件接觸和 n 個加工載荷階段的夾具，目標函數可以數學表達如下：其中 Δk 是加工模擬的第 k 步的加工區(qū)域的最大彈性變形，Δ 是 Δk 的平均值。夾具 - 工件系統必須滿足幾個約束才能有效地執(zhí)行其功能。 優(yōu)化模型中使用的三個約束描述如下：其中 F ni 是第 i 個接觸點的法向力，μ 是靜摩擦系數，Fτi 和 Fηi 是第 i 個接觸點的切向力，pos（i）是第 i 個接觸點 V（ i）是第 i 個接觸點的候選區(qū)域。首先，確保在加工過程中夾具元件和工件之間沒有滑動是重要的，因此在所有接觸點必須滿足公式（3）所寫的庫侖摩擦約束。其次，所有的反作用力必須是正的，以便在加工過程中保持工件與定位器接觸。 這個約束可以表示為公式（4）。第三，固定件 - 工件接觸點的位置必須在合理的區(qū)域，以確保正確的夾具布局設計。 這個約束可以表示為公式（5）。33通常，施加到工件的夾緊力在加工過程中是固定的，并且通常大于提供夾持穩(wěn)定性所必需的力。其可能導致工件彈性變形過大。 沿刀具路徑的不同位置可能需要不同的力。為了減少工件的變形，在加工過程中應提供動態(tài)夾緊力并施加在工件上。對于夾緊元件 - 工件接觸和 n 個加工載荷階段的問題，需要搜索 q 個夾緊力的最佳值 n 次，第 j 個搜索模型可以數學表達如下：無滑動約束和接觸約束可以表示為式 （3）和式（4）。4. 優(yōu)化方案優(yōu)化過程如圖 1 所示。 1 設計可行的夾具布局并優(yōu)化動態(tài)夾緊力。 在切割模型中計算最大切削力，并將力發(fā)送到有限元分析（FEA）模型。 優(yōu)化過程創(chuàng)建一些夾具布局和夾緊力，也可以發(fā)送到 FEA 模型。 在有限元模塊中，在一定的夾具布局下計算切削力和夾緊力下的加工變形。 然后將變形發(fā)送到優(yōu)化程序，以搜索最佳夾具布局和動態(tài)夾緊力。圖 1 雙重優(yōu)化過程4.1 GA應用于夾具優(yōu)化GA 是模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進化過程而形成的一種自適應全局優(yōu)化