毕业设计调研报告
柴油机缸体零件指定批量下的工艺规程及工序的专用夹具设计
文献综述
前言
制造是一个输入输出系统，其输入的是有直接使用价值的产品。而产品将直接服务人类各个方面。因而其制造业是其它行业赖以发展的基础。在先进的工业化国家制造行业占国民经济的总收入60%以上，因而制造技术是一个国家的根本支柱和动力。而中国是个历史悠久的国家，而中国的机械制造也是很悠久的。中国从普通的机械加工方法如：车、铣、刨、磨、钻、镗、钳等；再发展到数控加工，加工中心、以及电火花线切割加工、电化学加工、激光加工、超声波加工、电子束和离子束加工等。从传统的制造方法再到先进制造技术（AMT）经历的各个发展阶段中不断改进、创新，从而逐渐向工业强大的国家靠近。然而在对任何一个零部件生产的过程中，如何运用上述制造方法获得高效率，低成本，同时达到所需的精度要求，是人们一直以来所探讨的问题。
主题
1．国内外目前的发展趋势
传统的制造方法就是把原材料或半成品经过简单的机械加工（热加工和冷加工）和装配而形成最终产品的方法。但是随着世界经济一体化的形成，传统的制造方法已经不能满足市场的竞争。苏春[1]书中第一章中有说到其缺点主要表现在：产品的复杂性增加、产品生命周期性缩短，对产品
税的开发时间提出更高的要求、设计风险和各种不确定因素增加、产品设计要更多地考虑环境和社会等因素等。然而鞠鲁粤[2]书中第17章说到由于环境恶化和能源枯竭已是21世纪人类面临的重大问题因而在工艺流程设计中就应遵循可持续发展的原则，保护子孙后代的生存环境。也就是（1）尽量减少能源消耗。在制定工艺流程中就尽量考虑选择能耗小的成形方案，合理进行工艺设计，尽量采用净成形、净终成形的新工艺。（2）不使用对环境有害和会产生对环境有害物质的材料。（3）尽量少用或不用煤、石油等直接作为加热燃料，避免排出大量CO2气体，导致地球温度升高。由于这些原因不得不使制造业向着新的技术方向前进。所以目前传统的制造方法正逐渐被淘汰。随着信息技术的不断发展、成熟和市场的需求，先进制造技术（ATM）不断出现。鞠鲁粤[2]书中第十章说到ATM中面向制造系统的新型制造模式如：计算机集成制造系统（CIMS），精益生产（LP），敏捷制造（AM），绿色制造（GM），分散网络化制造（DNM），并行工程（CE）等等。 詹姆斯A.雷（Jameds A.Regh）等[3]书中说到CIMS 是企业组织、管理与运行的一种新哲理，它借助计算机硬、软件、综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术。将企业生产经营过程中有关人、技术和管理三要素及有关的信息流、物流、价值流（资金流）有机集成并优化运行，以实现产品的高质量、低成本、交货期短、提高企业的应变能力和综合竞争力，从而使企业赢得竞争。而对于该书中说到并行工程（CE）是对产品及其相关过程（制造过程和支持过程）进行并行、集成设计的一种系统化工作模式，这种工作模式使产品开发人员从一开始就考虑到从概念形成、产品报废的产品生命周期中的所有因素，包括质量、成本、进度和用户需求等，从而减少工作中发现的各种问题，加速产品开发过程，提高效率，省开发费用。 从以上的制造理念中可以看出现代先进的工艺设计技术与计算机是密切相关的，它解决了许多传统工艺过程设计无法完成的缺陷。其中就要运用到以下这些措施来解决：计算机辅助工艺过程设计（CAPP）、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助制造（CAM）、虚拟制造（VM） ，面向X的设计（DFX），
逆向工程（RE）等等。
张世昌等编[4]书中第五章第七节中有说到计算机辅助工艺过程设计（CAPP的相关内容。现就计算机辅助工艺过程设计（CAPP）与传统的相比较而言，就可明显的发现其所具有的优势。传统的工艺设计方法是完全依靠工艺设计人员的个人经验，用手工方法完成。而人工设计方法就存在这样的一些问题：1。设计效率低，周期长，成本高。2。不必要的花色繁多，不利于管理。3。设计质量参差不齐。4。工艺人员老化和短缺是全球机械制造业面临的共同问题。而 CAPP不仅解决人工设计效率低，周期长，成本高的问题，而且可以提高工艺过程设计的质量，并有利于实现工艺过程设计的优化和标准化。CAPP还可以使工艺设计人员从烦琐重复的工作中解放出来，集中精力去提高产品质量和工艺水平。同时CAPP还是连接CAD和CAM系统的桥梁，从而形成计算机集成制造系统（CIMS）不可缺少的整体。
2．针对与本课题有关的箱体类零件的工艺设计方法与工艺特点
车床床头箱箱体式比较复杂的一种箱体。【】他的箱壁薄厚不均，精度要求较高。因此如何保证箱体的加工精度，是箱体加工的重要问题。
箱体加工表面虽然很多，当主要是一些孔和平面。通常平面的加工精度较易保证，而精度要求较高的支承孔以及孔与空间、孔与平面间的相互位置精度则较难保证，往往成为生产中的关键。所以在制定箱体加工工艺过程时，应将如何保证孔的精度作为重点来考虑
箱体类零件加工的工艺设计方法特点 ：
（1）应先加工平面后加工孔 因为箱体的孔比平面难加工，先以孔为粗基准加工平面，再以平面为精基准加工孔，这样可使孔的加工余量均匀，又可为孔的加工提供稳定的精度基准；而且还可以利用加工过的平面．按照基准同一原则加工孔系，以保证孔与孔、孔与面的位置精度。
（2）加工阶段粗精分开 因为箱体孔的精度要求较高对高，粗精加工分
开可以消除粗加工造成的内应力、切削力、夹紧力过大和研削热过精加工的影响，有利于保证加工质量。
（3） 安排合理的热处理 因为箱体零件形状复杂，壁厚不均。多为铸造。必须在加工前进行时效处理，以毛消除毛坯的内应力和改善毛坯的力学性能。为保证加工后箱体的质量稳定，对精度要求高的箱体，粗加工后还要进行一次人工时效处理．以消除内应力，减少变形。
（4）加工箱体基准的选择 箱体形状复杂，加工的表面多，加工时如何选择基准也是箱体加工的关键环节。1。粗基准的选择 主要应以重要孔为粗基准，同时保证装入箱体内的旋转件与箱壁有足够的间隙并保证箱体外形尺寸，这样可以使重要孔的加工余量均匀，获得较高的加工精度。2。精基准的选择 一般有两种．一种是以装配基面为精基准，这样可以保证孔系与基面的位置精度，在装配精度要求较高的箱体加工中采用；另一种是以一面两孔或三面为精基准，按基准统一的原则加工孔系．这样可以提高生产效率，保证孔系精度，同时可使设计夹具简单化。
（5）工序的集中和分散 根据箱体类零件的大小，生产批量的不同等选择工序是集中还是分散。由于本课题中已给出的箱体是“C620-1床头箱”零件进行在中批量生产条件下的加工，因此应该采用工序分散（个别工序中就有相对集中的情况，采用组合机床加工孔系）。
由于本课题中箱体类零件上加工的重点在于：孔的种类多，数量大。对于类型不同、尺寸规格不同、精度要求不同的孔应采用不同的加工方法。钱东东[6] 期刊中说到缸孔的尺寸精度要求高，且硬度高、深度长，加工余量约为2 mm，要通过粗镗、半精樘、精镗完成加 工：粗镗孔时选用双刃镗刀，其切削力均匀、进给量大、效率高；精镗孔时可选用一体式单刃镗刀，调节尺寸方便、加工精度高、表面质量好。曲轴孔尺寸精度要求亦较高，其加工余量为 4 mm，特别是前端面曲轴孔尺寸小，粗加工时镗刀的刚性不足，选用铣削方法进行粗加工，再用组合镗刀完成精加工；后端面曲轴孔尺寸较大，故用组合镗刀进行粗、精加工。组合式镗刀可以依据孔的直径、深度、形状、工件材料等进行自由组合，不但可以减少刀柄的数
量、节省刀库容量，还可以迅速满足各种加工要求、延长刀具整体的寿命。阀孔、通气孔等因孔径不大，尺寸精度要求不高，均采用二刃键槽铣刀加工完成。工件上各螺纹孔均采用钻孔、攻丝。四个底面安装孔因用作定位孔，精度要求高，故采用钻、扩 、铰孔 。而在这些孔的加工中最最难点又在于加工主油道孔，因为它的硬度高、深度长，但它的精度要求不高。如何很好解决这个问题值得进一步的探讨。
3．针对与本课题有关的箱体类零件的夹具设计特点
[7]来自网络上信息可知：在机床上加工工件时，为使工件的表面能达到图纸规定的尺寸、几何形状以及与其他表面的相互位置精度等技术要求，加工前必须将工件装好（定位）、夹牢（夹紧）。应用机床夹具，有利于保证工件的加工精度、稳定产品质量；有利于提高劳动生产率和降低成本；有利于改善工人劳动条件，保证安全生产；有利于扩大机床工艺范围，实现“一机多用”。
夹具通常由定位元件（确定工件在夹具中的正确位置）、夹紧装置、对刀引导元件(确定刀具与工件的相对位置或导引刀具方向)、分度装置（使工件在一次安装中能完成数个工位的加工，有回转分度装置和直线移动分度装置两类）、连接元件以及夹具体（夹具底座）等组成。
而由东北重型机械学院等编著[8]书中关于设计专用夹具应该要经历的主要过程有：
（1）定位分析 工件定位就是要使工件在夹具中占有某个确定的位置。在定位分析中，要使工件在夹具中占有确定的位置，就要在空间直角坐标系中，通过定位元件限制工件中沿轴、Y
、Y、Z）和绕X轴、Y轴和Z轴的三个转动自由度（X、Y、Z）。而定位元件有多种形式，常用的的有支承板、支承钉、定位销、定位套、心轴、V形块等，其中多数已标准化。
在定位分析中，要注意欠定位和过定位。欠定位是工件的定位支承点数少于应限制的自由度数，因而它不能保证工件的正确安装位置，是不允
许的。过定位是应该限制的自由度被定位元件重复限制。而加工中一般是
不允许的，它不能保证正确的位置精度。但是以下两种特殊场合是允许的。
1。工件的刚度很差，在夹紧力，切削力作用下产生很大变形，此时它只是
提高了工件某些部位的刚度，减少变形。2。工件的定位表面和定位元件在
尺寸形状位置精度已很高时，过定位不仅对定位精度影响不大，而且有利
于提高刚度。
（2） 夹紧分析 根据工件的结构、以及工件加工批量等选择合理的夹紧方
式，从而确定夹紧力的方向、作用点以及夹紧元件或夹紧机构。估算夹紧
力大小，选择和设计动力源。夹紧方案也需要反复比较后确定，正式设计
时也可能在具体结构上作一些修改。陈立德主编[9]书中第14章有说到工件
夹紧的原理以及各种夹紧机构如斜楔夹紧机构的设计、螺旋夹紧机构的设
计、偏心夹紧机构的设计、定心夹紧机构、联动夹紧机构等。
侯纲明主编[10]书中第十二章说到柴油机箱体类零件的特点是结构、
形状复杂；加工的平面、孔多；内部成空腔，壁厚不均匀，刚度低；加工
精度要求高。所以几乎每道加工工序都必须使用专用夹具。而对于柴油机
箱体类零件的加工很多企业都大量使用各种组合机床，而组合机床夹具是
根据机床的工艺和结构方案的具体要求而专门设计，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。它与一
般的夹具在结构和设计要求上有着很显著的基至根本的区别。而对于本课
题中指定的两套专用夹具（主轴承座孔及相关孔的专用镗床夹具和顶面专用铣床
夹具）由祁红志主编[11]书中第十章说到有以下些特点：专用镗床夹具主要用于
加工箱体、支座等零件上的孔或孔系。有单面导向（由机床主轴回转精度影响镗
孔精度）和双面导向（由镗模板上镗套位置的准确度影响镗孔精度），而专用铣
床夹具主要用于加工零件上的平面、沟槽、缺口、花键以及成形面等，通常将其
分为三类：直线进给式、圆周进给式及靠模铣床夹具。
4．针对与本课题有关的专用量具、刀具设计特点
祁红志主编[11]书中说到专用量具多用于角度、锥度、形状复杂以及有
特殊要求工件或光滑工件大批量生产的测量等。目前用于光滑工件测量有
卡规和塞规，用于角度测量的有简单量角器、万能角度尺、正弦规，用于
锥度测量的有圆锥量规，用于螺纹测量的有螺纹千分尺、三针量法、螺纹
量规等。
针对与本课题主轴承孔加工所用的专用?杆、?刀一套及极限量规。由于
本课题中柴油机缸体零件是大量生产，因而对于设计主轴承孔（属于光滑工件
测量）的极限量规应该采用专用量规。陈培里主编[12]书有说到塞规的原理，
而对孔的测量用的塞规的思路也是来源于此。其基本的思路为：应该首先根据
主轴承孔的精度要求而确定，将塞规的一端制成较长圆柱（叫作过端），尺
寸等于主轴承孔的最小极限尺寸，另一端制成较短圆柱（叫作止端），尺寸等于
主轴承孔的最大极限尺寸。当用塞规测量时，主轴承孔只有当过端能通过而止
端进不去时，才说明其实际尺寸在公差范围之内，是合格品。这样子的专用量具
大批量生产时就节省了大量的时间，节省了很大成本，也提高了效率。
陆剑中等编[13]书中第八章中说到镗刀是孔加工刀具，一般镗孔的加
工公差等级可达IT7级，粗糙度Ra为1.6～0.8μm 。镗刀按切削刃数分为
单刃镗刀和双刃镗刀，适用于孔的粗、精加工。本课题中主轴承孔加工所用
的专用?杆、?刀设计思路为：为使?杆可长期使用并节省制造镗杆工时和材料，
镗刀头通常制成正方形或圆形。正方形镗刀头的强度与刚度比直径和它边长相等
的圆形刀头约大0.8～1倍，故实际生产都采用正方形镗刀头。镗杆不宜太细太
长，以免切削时产生振动。镗杆、镗刀头尺寸与镗孔直径都有关系（P217）。而对
镗刀的主偏角应选得较大，以减少径向力Fy，。镗铸件孔或精镗时，一般可取
KR=90°。而本课题中设计主轴承孔加工所用的专用?杆、?刀就只是各道工序
设计的一部分。由于大量生产的需要而针对各道工序设计专用的刀具，可以获得
高效率，低成本，同时达到所需的精度要求的优点。
总结
随着经济的快速发展以及科技的进步，制造行业为了提高生产率和赢
得市场竞争不得不快速改革和创新。进而自动化与计算机技术被迅速融入
其中，并形成了一系列的新技术：计算机集成制造系统（CIMS），精益生
产（LP），敏捷制造（AM），绿色制造（GM），分散网络化制造（DNM），
并行工程（CE）、计算机辅助工艺过程设计（CAPP）、计算机辅助设计
（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助制造（CAM）等。对于
本课题中的零件是属于箱体类零件，其特点是结构、形状复杂；加工的平
面、孔多；内部成空腔，壁厚不均匀，刚度低；加工精度要求高。如果合
理运用上述的一些技术，能较好的解决人工设计效率低，周期长，成本高
的问题，而且可以提高工艺过程设计的质量，并有利于实现工艺过程设计
的优化和标准化。同时也可以把设计箱体类零件的专用夹具的设计过程与
计算机相结合，运用UG、 Slidworks等软件将夹具的三维实体图展示出来，
在实际加工更加易于修改，节省时间，降低成本。在加工复杂箱体类零件
过程中， 只有改进加工工艺方案，选择合适的定位装夹方案，有效利用各
种机械设备和加工刀具，设定最佳切削用量，才能切实有效地保证加工质
量、提高生产效率。
参 考 文 献
［1］苏春主编．数字化设计与制造［M］．机械工业出版社，2006(1)．1～2。
［2］鞠鲁粤主编．机械制造基础［M］．上海交通大学出版社，2005(9)．258～259。
［3］詹姆斯A.雷（Jameds A.Regh） 亨得W.克雷贝尔.计算机集成制造［M］．机械工业
出版社，2004
(1)．70～99。
［4］张世昌 李旦 高航主编．机械制造技术基础［M］．高等教育出版社，2007(2)．253～260。
［5］李文刚 曾庆伟．浅谈箱体类零件的加工．农业机械[J]，2003,20(3):60～61．
[6]钱东东．复杂箱体类零件数控加工工艺研究．制造技术与机床[J]，2007,20(9):27～30．
［7］捷治电子 ZhiJu．工装夹
具．( http://baike.baidu.com/view/714231.html?wtp=tt).
[8]东北重型机械学院 洛阳工学院 第一汽车制造厂职工大学编著.机床夹具设计手
册［M］．上海科学技术出版社，1998(1)．5～93.
[9]陈立德主编.机械制造装备设计［M］．高等教育出版社，2007(2)．213～226。
[10]侯纲明主编.重庆-康明斯柴油机制造技术［M］．重庆汽车发动机厂科协出版社，1994(1)．270～283。
[11]祁红志主编.机械制造基础［M］．电子工业出版社，2005(1)．217～221。
[12]陈培里主编.金属工艺学［M］．浙江大学出版社，2005(7)．62～63。
[13]陆剑中 孙家宁编.金属切削原理与刀具[M］．机械工业出版社，1987(4)．217～220。 。