摘 要
我的畢業(yè)設(shè)計課題是汽車凸輪軸加工工藝及夾具設(shè)計，凸輪軸對其工作要求、部分精度較高，如軸上的油孔的加工、支撐軸頸的加工等。凸輪軸的工藝過程，我們盡量做到清晰明了，在保證表達清楚的基礎(chǔ)上，盡量做到簡練。仔細分析凸輪軸零件加工技術(shù)要求及加工精度后，合理確定毛坯類型，經(jīng)過查閱相關(guān)參考書、手冊、圖表、標準等技術(shù)資料，確定各工序的定位基準、機械加工余量、工序尺寸及公差，最終制定出凸輪軸零件的加工工序卡片，要求年產(chǎn)量為4000件。在此設(shè)計中，熟悉了機械制造、機械設(shè)計課程中的基本理論，正確解決一個零件加工時的定位、夾緊、工藝路線的擬定以及工藝尺寸的確定等問題。在此，我們設(shè)計了兩套夾具，一套為凸輪軸油孔鉆床的夾具，一套為凸輪軸支撐軸頸車床的夾具，并進行了一些機構(gòu)的設(shè)計，如分度機構(gòu)、頂尖機構(gòu)等，還借用了機床端蓋、手輪等大量通用件，既有利于加工，又節(jié)省不少力氣。其中，夾具設(shè)計需要保證被加工面的位置精度；減少輔助時間，提高生產(chǎn)效率；擴大機床的使用范圍；實現(xiàn)工件的裝夾加工并減輕勞動強度，改善工作條件，保證生產(chǎn)安全。 優(yōu)化傳統(tǒng)凸輪軸加工的工藝路線，減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)以及合理布置凸輪軸生產(chǎn)線，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。改進加工專用夾具，改善凸輪軸加工質(zhì)量，提高凸輪軸使用壽命。
關(guān)鍵詞：凸輪軸；鉆床夾具；車床夾具；分度機構(gòu)
引言
畢業(yè)設(shè)計是大學(xué)生在校期間的最后的關(guān)鍵所在，它既是對所學(xué)知識的一次全面性考查，也是我們真正動手、模擬真實環(huán)境下的設(shè)計過程，這就使我們對本專業(yè)的設(shè)計工作有一次更深刻的認識，從而為今后的工作奠定扎實的基礎(chǔ)。
為了切實地做好畢業(yè)設(shè)計，我經(jīng)過查閱相關(guān)參考書、手冊、圖表、標準等技術(shù)資料和教科書等工具書，編寫了這套夾具設(shè)計說明書。它通過工藝規(guī)程的設(shè)計，進一步的明確了凸輪軸零件的加工工序。通過編寫夾具設(shè)計說明書，進一步闡明了設(shè)計思路，鞏固了所學(xué)的機械制造、機械設(shè)計課程中的基本理論知識。本次設(shè)計編制了一套中批生產(chǎn)的工藝規(guī)程。簡單實用的夾具設(shè)計更體現(xiàn)了經(jīng)濟技術(shù)指標在設(shè)計中的重要地位。
設(shè)計工作是一項細致、艱苦、復(fù)雜、涉及面十分廣泛的工作，它不僅鞏固了所學(xué)的知識，還使我熟練使用AutoCAD、SolidWorks等計算機輔助設(shè)計軟件以及Office系列辦公軟件，從而提高和鍛煉了我的計算能力、繪圖能力等綜合能力。但是由于我學(xué)時和水平有限，設(shè)計中難免存在一些缺點和錯誤，在此，懇請各位老師批評指正
設(shè)計者：趙斌
2015.02
1 零件的功用與結(jié)構(gòu)分析
1.1零件的功用
在汽車發(fā)動機的各個零件及機構(gòu)中，配氣機構(gòu)是非常重要的，配氣機構(gòu)必須根據(jù)發(fā)動機氣缸內(nèi)所發(fā)生的工作過程，保證正確地打開和關(guān)閉氣門。而凸輪軸是配氣機構(gòu)中最重要、最關(guān)鍵的零件，它決定著氣門的升程曲線和氣門開關(guān)時刻，從而直接影響發(fā)動機的進排氣量，影響發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放性。同時，凸輪軸還驅(qū)動分電器、汽油泵等輔助裝置。
1.2凸輪軸的結(jié)構(gòu)特點和技術(shù)要求
1.2.1凸輪軸的結(jié)構(gòu)特點
各種發(fā)動機凸輪軸的結(jié)構(gòu)基本差不多，主要差別是凸輪軸的數(shù)量、形狀和位置不同，其中以四缸、六缸、八缸發(fā)動機的凸輪軸用的最多。就結(jié)構(gòu)特點而言，凸輪軸包括支承軸頸、進排氣凸輪、偏心輪、驅(qū)動發(fā)動機輔助裝置的齒輪和正時齒輪軸頸等幾部分。凸輪軸剛性差、易變形、精度高、加工難度大。
凸輪軸的主體是一根與汽缸組長度相同的圓柱形棒體。上面套有若干個凸輪，用于驅(qū)動氣門。
凸輪的側(cè)面呈雞蛋形。其設(shè)計的目的在于保證汽缸充分的進氣和排氣，具體來說就是在盡可能短的時間內(nèi)完成氣門的開、閉動作。
1.2.2各種凸輪軸的技術(shù)要求
1）支承軸頸的尺寸精度及各支承軸頸間的同軸度；
2）鍵槽的尺寸和位置精度；
3）止推面相對于支承軸頸軸線的垂直度；
4）凸輪基圓的尺寸精度和相對于支承軸頸軸線的同軸度；
5）凸輪的周向位置精度（相位角）；
6）凸輪的形狀精度（曲線升程）等。
凸輪軸是內(nèi)燃機配氣系統(tǒng)中關(guān)鍵的零件之一，整個配氣機構(gòu)是由凸輪軸驅(qū)動的，凸輪的設(shè)計對整個配氣系統(tǒng)的性能起著決定性的作用。凸輪軸剛性差、易變形；精度高，加工難度大；因此，對于凸輪軸的設(shè)計、加工、選材、加工工藝等都提出了許多要求。其主要的技術(shù)要求如表1.1表述。
表1.1 凸輪軸的技術(shù)要求
主要項目
一般性要求
支撐軸承
尺寸（mm）
表面粗糙度（μm）
圓柱度（mm）
IT5~IT6
0.4
5級精度
0.4
0.06
0.02
±30′
凸輪軸表面粗糙度（mm）
中間軸頸相對于兩端軸頸的跳動(mm)
相鄰兩軸頸的徑向跳動(mm)
凸輪軸對稱中心平面對正時齒輪鍵槽中心平面
或定位銷軸線的角度偏差（′）
1.2.3以發(fā)動機該凸輪軸為例具體說明
1）支承軸頸
兩個支承軸頸的外圓尺寸φ82 mm表面粗糙度Ra≤0.4 μm.。
2）凸輪
1，2，4，5位的凸輪基圓尺寸R50±0.2，3，6位的凸輪基圓尺寸R45±0.02，表面粗糙度Ra≤0.8 μm。
3）支撐軸頸
凸輪軸支撐軸頸尺寸為φ76mm。
4）軸上油壁孔
軸上油壁孔尺寸為φ8 mm。
2 生產(chǎn)類型的確定
根據(jù)設(shè)計任務(wù)書所給定的原始資料來確定生產(chǎn)類型。設(shè)計任務(wù)書給出的資料顯示并按車間的工作情況及工件的重量可知，按產(chǎn)量可分單位生產(chǎn)、小批量生產(chǎn)、中批量生產(chǎn)及大批量生產(chǎn)。由《金屬機械加工工藝人員手冊》表15-5查 零件重48KG<100KG，且年產(chǎn)量為4000件，屬于中批量生產(chǎn)。
根據(jù)該生產(chǎn)特性可以初步確定零件的機械加工工藝過程，由于中批量生產(chǎn)，一般采用高效機床和專用機床；對刀具一般采用通用刀具，也可以根據(jù)工廠實際情況采用專用刀具；量具采用專用量具；夾具使用專用夾具及輔助夾具來提高生產(chǎn)率，同時節(jié)省了人力、物力，達到經(jīng)濟可行的目的。
3 確定毛坯的種類
在制定工藝規(guī)程時，正確的選擇毛坯具有重要意義。它不僅影響毛坯的制造工藝設(shè)備及制造費用，還影響零件的機加工工藝，設(shè)備和刀具的消耗及工時訂額。正確的選用毛坯需要毛坯制造和機加工工藝人員緊密配合，兼顧冷熱加工兩個方面的要求。
由于發(fā)動機工作時，凸輪軸承受氣門開啟的周期性沖擊載荷。所以，要求凸輪軸和支承軸頸表面應(yīng)耐磨，凸輪軸本身應(yīng)具有足夠的韌性和剛性。為此，凸輪軸的主要工作表面需經(jīng)熱處理。
對于凸輪軸材料目前國內(nèi)外主要選用鑄鐵（冷硬鑄鐵，可淬硬鑄鐵，球墨鑄鐵）和鋼（中碳鋼，滲碳鋼）。
在國外，冷硬鑄鐵凸輪軸多用于凸輪承受隨動件高負荷的場合，這在英國較為普遍，可淬硬的低合金鑄鐵凸輪軸多用于凸輪承受隨動件低負荷的場合，這在美國較為普遍，高合金鑄鐵和特殊合金鑄鐵凸輪軸則多用于高速發(fā)動機。
對于鋼凸輪軸，一般是選用中碳鋼和滲碳鋼經(jīng)熱模鍛制坯。
就毛坯精度來說，鑄件的精度明顯的高于鍛件。目前，國內(nèi)外普遍趨向于精鑄和精鍛。
鑒于此，該凸輪軸選用50Mn材料毛坯由精鍛而成。
4 機械加工工藝路線的擬定
機械加工工藝規(guī)程的制定，可分為兩大步驟1）擬定零件的加工工藝路線；2）確定每道工序的工序尺寸、所用設(shè)備和工藝裝備及切削用量和工時定額。
4.1 加工工藝路線的分析
在凸輪軸的加工過程中的加工精度，其中受兩個主要因素的影響：
1）變形
從細長角度來說，突出的問題就是工件本身的剛度低。切削加工時產(chǎn)生較大的受力變形，其表面余應(yīng)力也會影響其變形，尤其在加工凸輪時，這種變形更為顯著。另一方面，采用材料為鋼的凸輪軸在主要工作表面精加工產(chǎn)生變形。
凸輪軸在加工過程中的變形，不僅影響到后工序加工的余量分配是否均勻，而且變形過大會導(dǎo)致后續(xù)加工無法進行，甚至造成中途報廢。凸輪軸加工后的變形，將直接影響到裝配后凸輪軸的使用性能。
因此，在安排其工藝過程時，必須針對工件變形這一特點采取必要的措施，不僅要把各主要表面的精度加工工序分開，以使粗加工事故時產(chǎn)生的變形在半精加工中得修正，半精加工的變形在精加工中也得以修正。
2）加工難度大
從形狀復(fù)雜角度來講，突出的問題就是凸輪的表面的加工。對于這些表面，不僅有尺寸精度要求，還有形狀位置要求。如采用普通的加工設(shè)備和一般表面常規(guī)的加工方法，顯然是無法保證其加工質(zhì)量和精度。
例如對凸輪的加工，從滿足使用要求的角度來講，既要求其相位角準確又要求凸輪曲線的行程滿足氣門開啟和關(guān)閉時升降過程的運動為規(guī)律，但要注意到凸輪曲線上的各點相對其轉(zhuǎn)的中心是變化的。當試用一般的靠模機加工時，由于加工半徑的變化，勢必引起切削速度與切削力的變化，這樣將會使加工后的凸輪曲線產(chǎn)生形狀誤差，從而影響凸輪的使用性能。
4.1.1 凸輪加工工藝分析
定位基準的選擇一般常規(guī)的方法是采用兩頂尖作為軸類零件的定位基準。這樣避免了工件在多次裝夾具中固定基準的轉(zhuǎn)換而引起的誤差，也可以作為后續(xù)工序的定位基準，即符合“基準同意”的原則。
1）粗基準的選擇
粗基準的選擇是否合理，不僅關(guān)系到工件的裝夾是否方便、可靠，也關(guān)系到精加工中能否保證加工精度。該凸輪軸加工中粗基準是銑兩端面并打中心孔時定位基準的選擇，其目的是加工出后續(xù)工序的精基準。為保證后續(xù)工序余量均勻，選用支承軸頸的毛坯外圓柱面及一個側(cè)面作為定位基準。
2）精基準的選擇
在凸輪軸的加工過程中，精基準選擇有下面兩種情況：
對于各支承軸頸、外圓表面的粗加工、半精加工、精加工均以兩頂尖孔作為精基準進行定位的；鉆孔時以兩支承軸頸作為基準進行定位。
4.1.2 加工階段的劃分與工序順序的安排
1）加工階段的劃分
由于凸輪軸的加工精度較高，整個加工不可能在一個工序內(nèi)全部完成。為了利于逐步達到加工要求，必須把整個工藝過程分幾個階段。
傳統(tǒng)加工工藝一般分成以下幾個階段：
粗加工（粗車軸頸、凸輪等）→半精加工（粗磨軸頸、凸輪等）→精加工（精磨軸頸、凸輪等）→光整加工（拋光軸頸、凸輪）。
現(xiàn)代加工工藝過程：
一般只有粗加工（車軸頸、銑凸輪等）→精加工（精磨軸頸、凸輪）→光整加工（拋光軸頸、凸輪）三個階段，在保證零件加工質(zhì)量的同時，大大地提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)制造成本。
該凸輪軸加工分為以下三個階段：粗加工階段包括車各支承軸頸、車凸輪鉆通孔、鉆法蘭盤孔；半精加工階段包括凸輪軸外形的初磨；精加工階段包括凸輪外形、支承軸頸的二次磨削。
2）工序順序的安排
對于凸輪、支承軸頸，是按車——初磨——精磨的順序加工的。各表面加工順序從粗到精，且主要表面與次要表面加工工序相互交叉進行，而從整體上說又符合“先粗后精”的原則。
4.1.3凸輪形面的加工
在凸輪軸的加工中，最重要同時難度最大的是凸輪形面的加工。該形面的加工方法目前主要有車削和磨削兩種。
凸輪形面的粗加工目前在國內(nèi)主要是凸輪軸車床車削加工，也有采用銑削加工和磨削加工的。如采用雙靠模凸輪軸磨床，機床有兩套靠模，當砂輪直徑在一定范圍內(nèi)時，使用第一個靠模來工作。當砂輪磨損到一定程度時，靠模自動轉(zhuǎn)換，使用第二個靠模來工作。該磨床通過對砂輪直徑的控制來提高凸輪外形的精度，不僅提高了凸輪形面的加工精度，也使砂輪的利用更經(jīng)濟、合理。
發(fā)動機凸輪軸毛坯采用精鑄的方法制造，毛坯精度較高，切削量小，故采用磨削的加工工藝，簡化了凸輪形面的加工。凸輪形面的加工采用磨削的方法，在凸輪磨床上完成粗磨及精磨的加工。工件安裝在兩頂尖之間并以鍵槽做軸向定位，在支承軸頸處安裝輔助支承保證凸輪形面的加工精度。發(fā)動機凸輪軸形面的加工所采用的凸輪軸磨床是立方氮化硼磨床，該磨床能迅速地變換磨削的凸輪形狀，超過一般仿珩磨的生產(chǎn)率。機床具有較大的剛度，能承受大的工作負荷。由于立方氮化硼（CBN）砂輪的使用壽命高，因此，砂輪的直徑變化所造成的凸輪形狀誤差顯著減小，也大大提高了凸輪形面的磨削精度。
4.1.4 加工工藝路線的擬定
綜上所述擬工藝路線如下：
工藝路線方案一：
工序號
工序名稱
1
備料
2
鍛模
3
熱處理
4
探傷
5
銑端面、鉆中心孔
6
精車兩端面凸輪外圓面
7
調(diào)質(zhì)
8
精車外圓面、左端面及凸輪圓
9
鉆深孔
10
兩端面頂尖孔倒角
11
加工法蘭孔
12
锪倒角
13
仿形銑凸輪
14
精磨凸輪
15
鉆銑軸壁孔
16
中頻淬火熱處理
17
法蘭盤倒角
18
凸輪倒角
19
熱處理
20
精磨凸輪
21
精磨軸
22
清洗、去孔內(nèi)毛刺
23
最終檢查
工藝路線方案二：
工序號
工序名稱
1
模鍛
2
熱處理
3
銑端面、鉆中心孔
4
粗車凸輪軸各外圓面
5
調(diào)質(zhì)處理
6
精車兩端面凸輪外圓面
7
銑凸輪
8
鉆通孔φ38
9
加工通孔兩端
10
加工法蘭盤孔
11
鉆、锪軸壁油孔
12
粗磨凸輪
13
加工法蘭盤倒角
14
加工凸輪倒角
15
精磨凸輪
16
精磨軸
17
終檢
4.2 工藝方案比較與分析
上述兩個工藝方案的特點在于：方案一將整個過程的粗—精加工分開加工，符合先粗后精的原則，且定位基準以孔（兩頂尖孔）為基準進行加工，符合基準統(tǒng)一原則。而方案二雖然也符合基準統(tǒng)一原則，但先粗后精基準分開的不是太好。孔加工由于切削力較大使工件變形也較大，即使在以后的半精、精加工中也很難糾正，而凸輪作為主要加工表面是不允許的。因此，方案一較方案二好。
5 確定機械加工余量、工序尺寸及公差
根據(jù)機體最大外形尺寸為810mm，毛坯采用精磨鍛，選其加工精度等級為二級。則由《金屬機械加工工藝人員手冊》表45-38確定毛坯的加工余量。
1）大端法蘭面
表5.1 工序的尺寸及加工余量
工序名稱
工序基本余量
工序精度
工序尺寸
尺寸及Ra
精銑
1.5
IT10
Ra=6.3
粗銑
1075
IT10
毛坯
3.25
—
2）支承軸頸的加工
表5.2 工序的尺寸及加工余量
工序名稱
工序基本余量
工序精度
工序尺寸
尺寸及Ra
磨軸
0.4
IT5
810
Ra=0.4
精車軸
1.1
IT7
82.4
82.4
粗車軸
2.5
IT9
83.5
83.5 Ra=6.3
毛坯
4.0
—
86.0
86.0
3）鉆法蘭盤孔φmm
4）锪法蘭盤孔φ18 mm
5）鉆軸壁油孔φ8 mm
6 確定切削用量、工件定額切削力及功率
6.1 鉆孔
1）確定切削速度V
由《金屬機械加工工藝人員手冊》 表10-67知V=0.10 mm/r。
2）計算軸向力P扭矩M的值
根據(jù)《金屬機械加工工藝人員手冊》 表10-64知
P=61.2 DV0.7（公斤力） (6-1)
M=31 D2V0.8（公斤力·毫米） (6-2)
則 P=61.2×1.48×0.10.7=180.7（公斤力）
M=31×14.82×0.10.8=107.6（公斤力·毫米）
3）計算機動時間T
根據(jù)《金屬機械加工工藝人員手冊》 P987知
T= (6-3)
n= (6-4)
由公式(6-4)得n ==967 mm/r
=0.35D=0.35×14.8=5.2 mm
由公式(6-3)得T==0.18 min
6.2 鉸孔
1）確定切削速度V
根據(jù)《金屬機械加工工藝人員手冊》表10-63
(6-5)
式中 T——刀具的耐用度
S——進給量
D——孔的直徑
——切削深度
根據(jù)《金屬機械加工工藝人員手冊》表10-83的T=30 min
表10-81的s=0.6 mm/r t=0.2 mm D=15 mm
則==11 m/min
2）計算機動時間T
T= (6-6)
由公式(6-4)得n==233.2 mm/r
=12 mm
由公式(6-3)得T==0.24 min
3) 工時定額計算
查表可知：a裝卸工件時間： k1=0.22min
b鉆換時間： k2=0.10min
c擴換時間： k3=0.10min
d排屑時間： k4=0.06min
e電動起動時間： k5=0.02min
f 快進、快退時間： k6=0.05min
g工作臺移動： k7=0.10min
h液壓缸夾緊時間： k8=0.05min
i 快速工作其他時間：k9=0.13min
總的輔助時間為T=6(k2+k3+k4)+ k1+k5+k6+k7+k8+k9=2.13min
加工此工序需要的總時間：T總=0.18+0.24+2.13=2.55min
7 夾具的設(shè)計
根據(jù)設(shè)計任務(wù)書給出的要求，我們需設(shè)計兩套夾具，一套為車床夾具，一套為鉆床夾具。不同的是一套夾具用于加工凸輪軸支撐軸頸，而另一套用于加工凸輪軸油孔。
在專用夾具設(shè)計之前，首先應(yīng)該弄清楚夾具設(shè)計的基本要求，其基本要求可概括為以下四點：
1）穩(wěn)定保證工件的加工技術(shù)要求。夾具設(shè)計首先應(yīng)保證工件的位置要求，其次應(yīng)保證工件的尺寸要求精度、粗糙度及其他技術(shù)指標的要求。
2）提高機械加工的勞動生產(chǎn)率，降低工件的成本。專用夾具設(shè)計時，既要提高勞動的生產(chǎn)率，又要降低成本。夾具的復(fù)雜程度和工件的經(jīng)濟效益必須與生產(chǎn)規(guī)模相適宜，才能獲得良好的經(jīng)濟效益。因此，應(yīng)根據(jù)工件的生產(chǎn)批量的大小，選擇夾具的結(jié)構(gòu)，防止盲目的采用高效率先進的結(jié)構(gòu)和傳動裝置，造成夾具的結(jié)構(gòu)復(fù)雜而加大制造成本。同時，盡可能采用標準零部件，以降低夾具制造成本。盡可能采用多件加工或機動時間與輔助時間重合的結(jié)構(gòu)，以減少單件加工的時間，提高勞動生產(chǎn)率，降低工件的成本。
3）專用夾具應(yīng)有良好的結(jié)構(gòu)工藝性，以便零件的制造和夾具的裝配，結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)便于易損零件的更換和維修。
4）操作安全、方便。夾具設(shè)計應(yīng)使工人操作時方便、省力，便于裝卸工件及清理切削，創(chuàng)造文明的生產(chǎn)環(huán)境，夾具在機床是裝卸應(yīng)迅速、方便、安全。特別注意夾具在裝卸工件中的安全，為此夾具上不得有影響操作者安全的突出部分，保證工人的人身安全。
7.1 凸輪軸油孔的夾具設(shè)計
一套凸輪軸零件，工件材料50Mn，年產(chǎn)4000件中批生產(chǎn)，需設(shè)計用鉆凸輪軸油孔的專用夾具，加工直徑為φ8mm的孔。
7.1.1 工件的加工工藝性分析
1）、工件屬于軸類零件，結(jié)構(gòu)形式簡單
本工序所要鉆直徑為φ8mm的孔，再銑直徑為φ8 mm的孔：
1）鉆直徑為φ8mm的孔
2）粗銑直徑為φ8mm的孔
3）精銑直徑為φ8mm的孔
中心軸線與凸輪軸線的垂直度為0.02以內(nèi)，因為以后要以其中一個孔為定位基準，使整體性好，即保證同軸度。。
2）、確定定位方案，設(shè)計定位元件
確定一種定位方案：
1) 兩端受活動頂尖兩個自由度的限制，即使其不能上下、左右竄動。
2) V型塊限制三個自由度，防止其前后竄動、轉(zhuǎn)動及沿z軸旋轉(zhuǎn)。
整個夾具體可采用鑄造，并用螺栓固定在導(dǎo)軌上。兩頂尖的同軸度可由修磨導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)來找正。夾具體放在導(dǎo)軌上時，先鉆兩個定位銷孔，用其定位后，鉆螺栓孔，以保證其精度和位置要求。
3）、確定設(shè)計導(dǎo)向元件
為了迅速準確地確定刀具與夾具的相互位置，在夾具體上鉆定位銷孔。當?shù)毒哌M給時由定位銷孔來找正位置。
4）、確定夾緊方式和設(shè)計夾緊機構(gòu)
因為工件屬于中批量生產(chǎn)，宜采用專用夾緊裝置，用兩壓板防止其跳動，設(shè)計或選擇夾緊機構(gòu)、力源裝置前，必須確定所需夾緊力的大小。夾緊力過小，難以保證工件定位的穩(wěn)定性和加工質(zhì)量，還可能發(fā)生生產(chǎn)事故；夾緊力過大，將不必要地增大夾緊裝置等的規(guī)格、尺寸，還會使夾緊系統(tǒng)的變形增大，而影響加工質(zhì)量，故確定切合實際需要的夾緊力大小，是夾具設(shè)計合理而可靠的前提之一。
用一般切削速度加工中，小型工件時，所需夾緊力主要取決于切削力的大小。由于切削過程不穩(wěn)定，很難用公式確定切削力的大小，故設(shè)計時大多參照同類夾具的設(shè)計以及憑經(jīng)驗，用類比法確定所需夾緊力的大小。
分析并弄清對夾緊最不利的加工瞬時位置和情況，將此時所需的夾緊力定為最大值；依據(jù)此時工件的受力情況，列出其靜力平衡力方程式，即可解算出計算夾緊力W，將W乘以安全系數(shù)K，得實際需要夾緊力：
W=KWj (7-1)
K=K0K1K2K3…
W——實際夾緊力
W——計算夾緊力
K——安全系數(shù)
K——各種因素的安全系數(shù)
5）、確定夾具體
將定位、導(dǎo)向、夾緊機構(gòu)連接在一體，并能正確的安裝在機床上。
7.1.2 夾具體部件設(shè)計分析
1）、頂尖部分設(shè)計
由于頂尖所受強度較大，故頂尖頭應(yīng)淬火，而且整體強度要求高。頂尖放在頂尖套內(nèi)，有一定的剛度和強度，并淬火。
2）、V型塊部分設(shè)計
V型塊放在導(dǎo)軌上，采用螺栓固定在導(dǎo)軌上
3）、壓板部分設(shè)計
壓板部分采用圓柱銷在導(dǎo)軌上定位，用螺栓固定
7.2 繪制夾具裝配圖
裝配總圖上要把雙頂尖、V型塊、夾緊機構(gòu)表達清楚。放頂尖的頂尖套采用冷裝，其配合為H7/s6，為保證兩頂尖的同軸度，采用修磨導(dǎo)軌側(cè)面的方法來找正；兩定位銷孔的同軸度（兩個夾具體上）應(yīng)達到0.02mm，同一個夾具體上的平行度也應(yīng)達到0.03mm以上；底面整個平面也應(yīng)加工，至少Ra6.3。
7.2.1、確定并標注有關(guān)尺寸
夾具體外形尺寸（最大輪廓）860360270 mm
7.2.2、與安裝有關(guān)的技術(shù)要求
1）兩頂尖的同軸度0.010 mm
2）頂尖的回轉(zhuǎn)軸線與導(dǎo)軌的平行度0.012 mm
3）兩導(dǎo)軌側(cè)面的平行度0.004 mm
4）兩定位銷孔的平行度誤差不許超過0.015 mm
7.2.3、零件圖的技術(shù)要求的定制
零件圖應(yīng)對零件的技術(shù)要求應(yīng)充分注意，以保證總裝配圖的要求。
1）鑄造未注明圓角為R3 mm
2）零件必須調(diào)質(zhì)處理，HBS260—300
3）凸輪型面表面必須淬火，HRC58—62，許有HRC52以上
4）每個噴油泵凸輪的進、排氣處必須檢查硬度。
5）P面和Q面的圓柱必須淬火，深度1.5~4mm，硬度HRC55—62，許有HRC40的個別點。
6）P面和Q面圓柱和圓度許差0.02mm
7）Q面和R面對其軸線跳動公差0.02mm
8）檢查凸輪外形和位置偏差
9）凸輪軸在調(diào)質(zhì)后內(nèi)孔φ38 mm表面酸洗磷化處理
10）所有的噴油泵和進、排氣凸輪的頂面對P面和Q面公共軸線的平行度在凸輪基圓表面處（噴油泵凸輪的R45mm圓柱表面，進、排氣凸輪的R50圓柱表面）全寬35mm上許差0.03mm，其余型面全寬35 mm以上許差0.02 mm.。
11）用磁力探傷器檢查軸頸和凸輪表面，不許有裂紋，探傷后去磁
總之，設(shè)計夾具時必須兼顧質(zhì)量、生產(chǎn)率，勞動條件和經(jīng)濟性等諸方面要求，有所側(cè)重。如對位置精度要求很高的工件，夾具往往著眼于保證精度要求：對于位置精度要求不太高而加工批量的情況，提高生產(chǎn)率便成為主要矛盾，則著重考慮提高夾具的工作效率。
7.3 夾具體的設(shè)計步驟
根據(jù)以上要求具體設(shè)計步驟如下：
7.3.1、研究原始資料，明確設(shè)計任務(wù)
通過對零件的零件圖的分析可知，該工件的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，而現(xiàn)在須加工的是凸輪軸軸頸和軸上油孔，為保證該工件工序的尺寸精度和位置精度，要求夾具有較高的精度，以便保證能在零件的加工過程中確保零件的尺寸、形狀和位置精度。
7.3.2、對工件加工工藝的分析
該工件的該工序要求加工4個均布的直徑為φ8mm的孔，其基準為中心線，因此在加工中最好采用軸的中心線作基準進行加工。該工序在鉆完通孔之后，用軸線作為基準可以實現(xiàn)。
7.3.3、夾具設(shè)計方案的設(shè)計
機床夾具的確定是一次十分重要的設(shè)計程序，方案的設(shè)計優(yōu)劣往往直接決定夾具設(shè)計的可行性。所以，方案的確定需經(jīng)充分的研究和討論來確定最佳方案。
定位方式由兩端孔作為定位，既以軸線作定位，則定位元件采用頂尖卡緊，以保證工件的加工精度。
7.3.4、加工精度的分析
使用夾具夾工件進行機械加工時，在工藝系統(tǒng)中影響工件加工精度的因素很多，一般分為兩類：一類是夾具有關(guān)的影響因素即定位誤差，對刀誤差。夾具在機床上的裝配誤差和夾具的制造誤差。另一類還有工藝系統(tǒng)中其他影響加工精度的因素，稱為加工方法誤差。
1）定位誤差
由于一批工件逐個的在夾具體上定位時，各個工件所占的位置不完全一致，形成誤差，這稱為定位誤差。由于加工中基準重合，而基準不重合誤差不重要，重要在圓跳動0.015mm，則定位誤差為0.015mm。
2）加工方法的誤差
由于機床精度，刀具的精度，刀具與機床的位置精度，工藝系統(tǒng)的受力變形和熱變形等因素造成的加工誤差統(tǒng)稱為加工方法誤差，取
△ G==0.009
△==0.026<0.027
故該夾具加工方法可取。
8 CAD繪圖簡單說明
本次畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書中，除了工程制圖的任務(wù)外，還安排了計算機CAD繪圖任務(wù)。要求繪制兩張A2的夾具總圖及四張夾具零件圖。
繪制CAD圖根據(jù)CAD的操作規(guī)范。首先，選用紙型，再繪邊框線，再在邊框線內(nèi)進行繪圖操作。在繪圖過程中，采用不同的線形及顏色，并在不同的圖層中操作，采用了絕大部分的命令。由于其為軟件繪圖過程就不再詳訴，見CAD圖。在繪制過程中受到了老師、同學(xué)的大力幫助。在此，本人表示忠心的感謝。
總結(jié)
畢業(yè)設(shè)計是在校大學(xué)生學(xué)習(xí)的最后一個重要組成環(huán)節(jié)，它既是對所學(xué)知識的一次全面性考查，同時又為我們提供和模擬了一次真實環(huán)境下的設(shè)計過程，為不久的將來走上工作崗位奠定了一定的基礎(chǔ)。
對于任何工程技術(shù)問題，都是光把實際生活中提出的問題變成數(shù)學(xué)模型，然后加以求解，再設(shè)計出圖紙等技術(shù)文件，最后形成產(chǎn)品文件。所以，它是一項系統(tǒng)，復(fù)雜的工程。不僅涉及到數(shù)學(xué)、力學(xué)、材料、公差、工藝及有關(guān)專業(yè)的其他知識，同時也考查了學(xué)生的動手能力、計算能力、空間想象能力等多方面的能力。本次設(shè)計主要通過兩套夾具的設(shè)計及計算機繪圖，對所學(xué)知識達到了鞏固、提高的目的，是一次由理論到實踐的實戰(zhàn)演習(xí)。
總之，畢業(yè)設(shè)計對于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和設(shè)計能力，大有益處。它能將所學(xué)的專業(yè)知識通過解決實際問題而有機的結(jié)合起來，使我們能將所學(xué)知識用到實處，確實是一次不可多得的生動試驗！
趙斌
2015年4月6日
致謝
四年的讀書生活在這個季節(jié)即將劃上一個句號，而于我的人生卻只是一個逗號，我將面對又一次征程的開始。四年的求學(xué)生涯在師長、親友的大力支持下，走得辛苦卻也收獲滿囊，在論文即將付梓之際，思緒萬千，心情久久不能平靜。 偉人、名人為我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和贊美獻給一位平凡的人，我的指導(dǎo)老師。我不是您最出色的學(xué)生，而您卻是我最尊敬的老師。您治學(xué)嚴謹，學(xué)識淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營造了一種良好的精神氛圍。授人以魚不如授人以漁，置身其間，耳濡目染，潛移默化，使我不僅接受了全新的思想觀念，樹立了宏偉的學(xué)術(shù)目標，領(lǐng)會了基本的思考方式，從論文題目的選定到論文寫作的指導(dǎo),經(jīng)由您悉心的點撥，再經(jīng)思考后的領(lǐng)悟,常常讓我有“山重水復(fù)疑無路,柳暗花明又一村”。
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凸輪軸支撐軸頸車床夾具
4.1 車床夾具設(shè)計要求說明
車床夾具主要用于車削凸輪軸支撐軸頸夾具。因而車床夾具的主要特點是工件加工表面的中心線與機床主軸的回轉(zhuǎn)軸線同軸。
（1） 安裝在車床主軸上的夾具。這類夾具很多，有通用的三爪卡盤、四爪卡盤，花盤，頂尖等，還有自行設(shè)計的心軸；專用夾具通?？煞譃樾妮S式、夾頭式、卡盤式、角鐵式和花盤式。這類夾具的特點是加工時隨機床主軸一起旋轉(zhuǎn)，刀具做進給運動
定心式車床夾具 在定心式車床夾具上，工件常以孔或外圓定位，夾具采用定心夾緊機構(gòu)。
角鐵式車床夾具 在車床上加工殼體、支座、杠桿、接頭等零件的回轉(zhuǎn)端面時，由于零件形狀較復(fù)雜，難以裝夾在通用卡盤上，因而須設(shè)計專用夾具。這種夾具的夾具體呈角鐵狀，故稱其為角鐵式車床夾具。
花盤式車床夾具 這類夾具的夾具體稱花盤，上面開有若干個T形槽，安裝定位元件、夾緊元件和分度元件等輔助元件，可加工形狀復(fù)雜工件的外圓和內(nèi)孔。這類夾具不對稱，要注意平衡。
（2） 安裝在托板上的夾具。某些重型、畸形工件，常常將夾具安裝在托板上。刀具則安裝在車床主軸上做旋轉(zhuǎn)運動，夾具做進給運動。
由于后一類夾具應(yīng)用很少，屬于機床改裝范疇。而生產(chǎn)中需自行設(shè)計的較多是安裝在車床主軸上的專用夾具，所以零件在車床上加工用專用夾具。
4.2車床夾具的設(shè)計要點
（1）定位裝置的設(shè)計特點和夾緊裝置的設(shè)計要求
當加工回轉(zhuǎn)表面時，要求工件加工面的軸線與機床主軸軸線重合，夾具上定位裝置的結(jié)構(gòu)和布置必須保證這一點。
當加工的表面與工序基準之間有尺寸聯(lián)系或相互位置精度要求時，則應(yīng)以夾具的回轉(zhuǎn)軸線為基準來確定定位元件的位置。
工件的夾緊應(yīng)可靠。由于加工時工件和夾具一起隨主軸高速回轉(zhuǎn)，故在加工過程中工件除受切削力矩的作用外，整個夾具還要受到重力和離心力的作用，轉(zhuǎn)速越高離心力越大，這些力不僅降低夾緊力，同時會使主軸振動。因此，夾緊機構(gòu)必須具有足夠的夾緊力，自鎖性能好，以防止工件在加工過程中移動或發(fā)生事故。對于角鐵式夾具，夾緊力的施力方式要注意防止引起夾具變形。
（2）夾具與機床主軸的連接
車床夾具與機床主軸的連接精度對夾具的加工精度有一定的影響。因此，要求夾具的回轉(zhuǎn)軸線與臥式車床主軸軸線應(yīng)具有盡可能小的同軸度誤差。
心軸類車床夾具以莫氏錐柄與機床主軸錐孔配合連接，用螺桿拉緊。有的心軸則以中心孔與車床前、后頂尖安裝使用。
根據(jù)徑向尺寸的大小，其它專用夾具在機床主軸上的安裝連接一般有兩種方式：
1)對于徑向尺寸D＜140mm，或D＜(2～3)d的小型夾具，一般用錐柄安裝在車床主軸的錐孔中，并用螺桿拉緊，如圖1-a所示。這種連接方式定心精度較高。
2)對于徑向尺寸較大的夾具，一般用過渡盤與車床主軸軸頸連接。過渡盤與主軸配合處的形狀取決于主軸前端的結(jié)構(gòu)。
圖1-b所示的過渡盤，其上有一個定位圓孔按H7/h6或H7/js6與主軸軸頸相配合，并用螺紋和主軸連接。為防止停車和倒車時因慣性作用使兩者松開，可用壓板將過渡盤壓在主軸上。專用夾具則以其定位止口按H7/h6或H7/js6裝配在過渡盤的凸緣上，用螺釘緊固。這種連接方式的定心精度受配合間隙的影響。為了提高定心精度，可按找正圓校正夾具與機床主軸的同軸度。
對于車床主軸前端為圓錐體并有凸緣的結(jié)構(gòu)，如圖1-c所示，過渡盤在其長錐面上配合定心，用活套在主軸上的螺母鎖緊，由鍵傳遞扭矩。這種安裝方式的定心精度較高，但端面要求緊貼，制造上較困難。
圖1-d所示是以主軸前端短錐面與過渡盤連接的方式。過渡盤推入主軸后，其端面與主軸端面只允許有0.05～0.1mm的間隙，用螺釘均勻擰緊后，即可保證端面與錐面全部接觸，以使定心準確、剛度好。
圖1 車床夾具與機床主軸的連接
過渡盤常作為車床附件備用，設(shè)計夾具時應(yīng)按過渡盤凸緣確定專用夾具體的止口尺寸。過渡盤的材料通常為鑄鐵。各種車床主軸前端的結(jié)構(gòu)尺寸，可查閱有關(guān)手冊
4.3 定位機構(gòu)
1．采用兩中心孔定位裝夾
一般以重要的外圓面作為粗基準定位，加工出中心孔，再以軸兩端的中心孔為定位精基準；盡可能做到基準統(tǒng)一、基準重合、互為基準，并實現(xiàn)一次安裝加工多個表面。中心孔是工件加工統(tǒng)一的定位基準和檢驗基準，它自身質(zhì)量非常重要，其準備工作也相對復(fù)雜，常常以支承軸頸定位，車（鉆）中心錐孔；再以中心孔定位，精車外圓；以外圓定位，粗磨錐孔；以中心孔定位，精磨外圓；最后以支承軸頸外圓定位，精磨（刮研或研磨）錐孔，使錐孔的各項精度達到要求。
2．用外圓表面定位裝夾
對于空心軸或短小軸等不可能用中心孔定位的情況，可用軸的外圓面定位、夾緊并傳遞扭矩。一般采用三爪卡盤、四爪卡盤等通用夾具，或各種高精度的自動定心專用夾具，如液性塑料薄壁定心夾具、膜片卡盤等。
3．用各種堵頭或拉桿心軸定位裝夾
加工空心軸的外圓表面時，常用帶中心孔的各種堵頭或拉桿心軸來安裝工件。小錐孔時常用堵頭；大錐孔時常用帶堵頭的拉桿心軸。
4.4夾緊機構(gòu)
選擇工件的夾緊方案，夾緊方案的選擇原則是夾得穩(wěn)，夾得勞，夾得快。選擇夾緊機構(gòu)時，要合理確定夾緊力的三要素：大小、方向、作用點。夾緊裝置的基本要求如下：
1. 夾緊時不能破壞工件在夾具中占有的正確位置；
2. 夾緊力要適當，既要保證工件在加工過程中不移動、不轉(zhuǎn)動、不震動，又不因夾緊力過大而使工件表面損傷、變形。
3. 夾緊機構(gòu)的操作應(yīng)安全、方便、迅速、省力。
4. 機構(gòu)應(yīng)盡量簡單，制造、維修要方便。
分析零件加工要素的性質(zhì)，確定夾緊動力源類型為手動夾緊，夾緊裝置為壓板，壓緊力來源為螺旋力。夾具的具體結(jié)構(gòu)與參數(shù)見夾具裝配圖和零件圖。
根據(jù)工件受力切削力、夾緊力的作用情況，找出在加工過程中對夾緊最不利的瞬間狀態(tài)，按靜力平衡原理計算出理論夾緊力。最后為保證夾緊可靠，再乘以安全系數(shù)作為實際所需夾緊力的數(shù)值。即：
安全系數(shù)K可按下式計算有：：
式中：為各種因素的安全系數(shù)，查參考文獻[5]表可得：
所以有：
螺旋夾緊時產(chǎn)生的夾緊力按以下公式計算有：
式中參數(shù)由參考文獻[5]可查得：
其中：
螺旋夾緊力：
由計算可知所需實際夾緊力不是很大，為了使其夾具結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，決定選用手動螺旋夾緊機構(gòu)。
4.5零件的車床夾具的加工誤差分析
工件在車床夾具上加工時，加工誤差的大小受工件在夾具上的定位誤差、夾具誤差、夾具在主軸上的安裝誤差和加工方法誤差的影響。
如夾具圖所示，在夾具上加工時，尺寸的加工誤差的影響因素如下所述：
（1）定位誤差
由于C面既是工序基準，又是定位基準，基準不重合誤差為零。工件在夾具上定位時，定位基準與限位基準是重合的，基準位移誤差為零。因此，尺寸的定位誤差等于零。
（2）夾具誤差
夾具誤差為限位基面與軸線間的距離誤差，以及限位基面相對安裝基面C的平行度誤差是0.01.
（3）安裝誤差
因為夾具和主軸是莫氏錐度配合，夾具的安裝誤差幾乎可以忽略不計。
（4）加工方法誤差
如車床主軸上安裝夾具基準與主軸回轉(zhuǎn)軸線間的誤差、主軸的徑向跳動、車床溜板進給方向與主軸軸線的平行度或垂直度等。它的大小取決于機床的制造精度、夾具的懸伸長度和離心力的大小等因素。一般取
因為工件的定位基準和定位元件均有制造誤差，所以工件在夾具中定位后的實際位置將在一定范圍內(nèi)變動，即存在一定的定位誤差，設(shè)計定位裝置時，就要控制這一誤差在加工中所允許的范圍內(nèi)。
產(chǎn)生定位誤差的原因有以下兩個方面：1）定位基準和工序基準不重合；2）定位基準位移。定位誤差就是由基準不重合誤差和基準位移公差綜合引起的同批工件工序尺寸的那部分公差，也就是等于兩者的代數(shù)和。
（3-6）
本夾具的主要定位元件為固定塊，軸向定位時定位基準——右夾具體的左端面與止推面的接合面即為軸頸工序基準，即不存在基準位移公差也不存在基準不重合誤差，所以。
當主軸頸直徑存在誤差時，定位基準A或B沿固定塊工作面的位移為
（3-7）
所以基準不重合誤差為
（3-8）
基準位移誤差為
（3-9）
則總的定位誤差為
（3-10）
已知本工序中，，故
（3-11）
4.6 確定夾具體結(jié)構(gòu)尺寸和總體結(jié)構(gòu)
夾具體設(shè)計的基本要求
（1）應(yīng)有適當?shù)木群统叽绶€(wěn)定性
夾具體上的重要表面，如安裝定位元件的表面、安裝對刀塊或?qū)蛟谋砻嬉约皧A具體的安裝基面，應(yīng)有適當?shù)某叽缇群托螤罹?，它們之間應(yīng)有適當?shù)奈恢镁取?
為使夾具體的尺寸保持穩(wěn)定，鑄造夾具體要進行時效處理，焊接和鍛造夾具體要進行退火處理。
（2）應(yīng)有足夠的強度和剛度
為了保證在加工過程中不因夾緊力、切削力等外力的作用而產(chǎn)生不允許的變形和振動，夾具體應(yīng)有足夠的壁厚，剛性不足處可適當增設(shè)加強筋。
（3）應(yīng)有良好的結(jié)構(gòu)工藝性和使用性
夾具體一般外形尺寸較大，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且各表面間的相互位置精度要求高，因此應(yīng)特別注意其結(jié)構(gòu)工藝性，應(yīng)做到裝卸工件方便，夾具維修方便。在滿足剛度和強度的前提下，應(yīng)盡量能減輕重量，縮小體積，力求簡單。
（4）應(yīng)便于排除切屑
在機械加工過程中，切屑會不斷地積聚在夾具體周圍，如不及時排除，切削熱量的積聚會破壞夾具的定位精度，切屑的拋甩可能纏繞定位元件，也會破壞定位精度，甚至發(fā)生安全事故。因此，對于加工過程中切屑產(chǎn)生不多的情況，可適當加大定位元件工作表面與夾具體之間的距離以增大容屑空間：對于加工過程中切削產(chǎn)生較多的情況，一般應(yīng)在夾具體上設(shè)置排屑槽。
（5）在機床上的安裝應(yīng)穩(wěn)定可靠
夾具在機床上的安裝都是通過夾具體上的安裝基面與機床上的相應(yīng)表面的接觸或配合實現(xiàn)的。當夾具在機床工作臺上安裝時，夾具的重心應(yīng)盡量低，支承面積應(yīng)足夠大，安裝基面應(yīng)有較高的配合精度，保證安裝穩(wěn)定可靠。夾具底部一般應(yīng)中空，大型夾具還應(yīng)設(shè)置吊環(huán)或起重孔。
確定夾具體的結(jié)構(gòu)尺寸，然后繪制夾具總圖。詳見繪制的夾具裝配圖。
4.7 零件的車床專用夾具簡單使用說明
（1）夾具的總體結(jié)構(gòu)應(yīng)力力求緊湊、輕便，懸臂尺寸要短，重心盡可能靠近主軸。
（2）當工件和夾具上個元件相對機床主軸的旋轉(zhuǎn)軸線不平衡時，將產(chǎn)生較大的離心力和振動，影響工件的加工質(zhì)量、刀具的壽命、機床的精度和安全生產(chǎn)，特別是在轉(zhuǎn)速較高的情況下影響更大。因此，對于重量不對稱的夾具，要有平衡要求。平衡的方法有兩種：設(shè)置平衡塊或加工減重孔。在工廠實際生產(chǎn)中，常用適配的方法進行夾具的平衡工作。
（3）為了保證安全，夾具上各種元件一般不超過夾具的圓形輪廓之外。因此，還應(yīng)該注意防止切削和冷卻液的飛濺問題，必要時應(yīng)該加防護罩。
將左右夾具體固定在頭架和尾架中的主軸上，然后把定位銷（4個）打入夾具體，再把左右兩固定塊固定到各自的夾具體上。用百分表調(diào)整第1或第6軸頸軸心線，使其處于車床主軸回轉(zhuǎn)中心位置，然后夾緊凸輪軸，再將套在凸輪軸皮帶輪軸頸上