齿轮箱工艺及钻2-20孔、工装及专机设计.doc

毕业设计说明书 级 类 专业课 题：齿轮箱工艺及钻2-20孔、工装及专机设计姓 名： 指导老师： 2007年05月05日摘 要本论文主要研究的是不规则零件在现代制造业中的广泛应用，那么保证此类零件的加工精度就显得尤为重要。本课题通过分析齿轮箱零件的结构特点和加工要求，用组合机床加工来达到多孔的加工目的,提高零件在大批量生产制造过程中的效率,同时制定了一套较为合理加工工艺规程，从而为保证该零件的加工精度将提供一种经济实用的夹具设备，具有一定的实用价值，在论文中会以研究零件的工艺规程开始着手设计最为适合的夹具，在不同的夹紧方案下进行比较，并且以平面加工为定位方法，通过夹紧力的计算和定位误差达到比较，选则最为恰当、最为合理的夹具设计方案，从而保证了被加工零件的精度以及工件在加工过程中定位的可靠和准确，夹具提供足够大的夹紧力以防止工件位移，工件在夹紧力的作用下形变小。从而使得夹具在装夹工件进行加工的过程中正真发挥其作用,提高劳动的生产效率、具备一定的实用价值。关键字：夹具装夹，组合机床，加工精度，二工位加工 齿轮箱工艺及钻2-20孔、工装及专机设计引言在机床上加工工件时，为了保证工件在该工序所加工的表面能达到图纸上规定的尺寸及位置精度等技术要求，必须使得工件相对于刀具和机床占有正确的加工位置（即工件的定位），并把工件压紧夹牢，以便在加工过程中，工件受到切削力、离心力的作用及冲击、振动等影响时，能保持这个确定了的位置稳定不变（即工件的夹紧）。在机床上对工件进行定位和夹紧，称做装夹。一切能使工件在机床上实现定位和夹紧的工艺装置，一般称为机床夹具，简称夹具。机床夹具按专门化程度分通用夹具、专用夹具、可调整夹具、专门化拼装夹具和自用化生产用夹具。通用夹具是指已经标准化，且具有较大适用范围的夹具。它由专业厂生产供应，有的已作为机床附件与通用机床配套，这类夹具主要用于单件小批生产。专用夹具是根据零件工艺机械加工过程中的某一道工序而专门设计的夹具。由于不考虑通用性，故结构紧凑、操作方便。这类夹具可保证高的加工精度和生产率。但这类夹具的针对性很强，当交换产品或工艺时，一般都因无法使用而“报废”。可调整夹具，在当前多种小批量生产条件下，设计制造专用夹具的准备周期太长，且很不经济，但是，采用通用夹具又不能满足使用要求。采用可调整夹具则是改进工艺装备设计的一个发展方向。可调整夹具的特点是：加工完一种工件后，可调整或者更换个别零件，即可加工形状相似、尺寸和加工工艺相近的多种工件。这类夹具又可分为通用可调和专用可调甲具两类。通用可调夹具加工对象不是很确定，适用范围较大；专用夹具常称成组夹具，一般配合成组技术，专门为成组加工某组零件而设计的，它是在专用夹具的基础上，通过更换和调整个别元件，来适应组内不同零件加工要求。加工对象明确，结构紧凑。专门化拼装夹具，这类夹具是针对某工件某工序加工要求，由事先制造好的通用性较强的标准元件和部件拼装而成，只要有足够种类和数量的标准元件和部件，就可拼装成各式各样的夹具。自动化生产用夹具，主要有自动线夹具和数控机床夹具，前者和一般专用夹具相似，后者除担负工件的安装任务外，还随工件一起从一个工位输送到下一个工位。一个多工位自动线上有许多相同的随行的夹具。夹具发展的趋势：夹具是机械加工不可缺少的部件，在机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展的带动下，夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济方向发展。1机床夹具概述1.1 机床夹具的作用及其分类1 机床夹具的作用夹具是机械加工中的一种工艺设备，它在机械加工中起着十分重要的作用，主要有以下的几个方面。1）便于工件的正确定位，以保证加工精度 工件装夹在夹具上后，工件上各有关的几何元素（点、线、面）之间的相互位置精度在一定程度上就由夹具保证。当夹具在机床上正确定位及固定以后，工件在夹具中又得到正确定位并被夹紧，这样就保证了再加工过程中“同批”工件对刀具和机床保持确定的相对位置，使加工得以顺利进行。2）提高劳动生产效率和降低加工成本 采用夹具以后，可以省去即十分费时又不很紧缺的划线、找正工序，减少了辅助时间。若采用联动夹具装置、快速夹紧装置，既能降低劳动强度，又能提高生产效率。例如采用气压、液压等传动装置，只需要几秒钟旧可以完成夹紧动作。3）改善工人的劳动条件 采用夹具后，工件的装卸比不用夹具要方便、省力、安全。如果生产规模较大，还可以采用机械化传动装置和自动装卸工件的自动化夹具，以实现生产过程中的自动化，进一步提高劳动生产效率和改善工人的劳动条件。4）扩大机床工艺范围 在单件小批量生产的条件下，工件的种类、规格多，而机床的数量、品种却有限。为了解决这种矛盾，可以设计制造专用的夹具，使机床“一机多用”。例如，可以采用专用的夹具，在车床上实现拉削。夹具在机械加工中的作用是重要的，但是在不同的生产规模和不同的生产条件下，夹具的功用也有所侧重，其结构的复杂程度也有很大的不同。例如，在单件小批生产条件下，宜于使用通用的可调夹具，若采用专用的夹具，其结构也应求简单。在大批量生产的条件下，夹具的作用则主要是在保证加工精度的前提下提高生产效率，因此夹具的结构更完善些是必要的。虽然此时夹具的制造费用大一些，但由于生产效率的提高，产品质量的稳定，技术经济效果还是好的。2. 机床夹具的分类夹具的分类方法比较多，一般可分为通用夹具和专用夹具。近年来为适应现代机械制造业的发展，还发展了通用可调夹具、成组夹具和组合夹具等类型。1） 通用夹具 通用夹具是指已经标准化的、在一定范围内可以用于加工不同工件的夹具。如三爪或四爪卡盘、机器虎钳、回转工作台、磁力工作台等。这些夹具已经作为机床的附件，由专门的工厂制造供应。2）专用夹具 专用夹具是指专为某一工件的某道工序的加工而设计制造夹具。3）通用可调夹具和成组夹具 着两种夹具的结构很相似，它们的共同点是：在加工完多种工件。但通用可调夹具的加工对象并不是很明确，其通用范围较大，如滑柱钻模、带各种钳口的机器虎钳等即是这类夹具。而成组夹具则是专门为成组加工工艺中某一组零件而设计的，针对性强，加工对象和适用范围明确，结构更为紧凑。4）组合夹具 组合夹具是指按照某一工件的某道工序的加工要求，由一套事先准备好的通用的标准元件和部件组合而成的夹具。这种夹具用完之后可以拆卸存放，或重新组装成新的夹具。由于组合夹具是由各种标准元件、部件组装而成，故具有组装迅速、周期短、能反复使用等特点，所以在多品种、小批量生产或新产品试制中尤为适用。若按夹具所适用的机床来分类，可分为车床夹具，铣床夹具，钻床夹具，镗床夹具和其他机床夹具等类型。若按驱动夹具工作的力源来分类，还可以分为手动夹具，气动夹具，液压夹具，电磁和电动夹具等等。不顾一般多按夹具的使用特点和使用机床进行分类。1.2 机床夹具的组成 夹具的种类虽然很多，但是他们的工作原理基本上相同，一般有如下几个组成部分。（1） 定位元件 是用来确定工件再夹具中的位置的元件，它包括元件或元件的组合。（2） 夹紧装置 这种装置包括夹紧元件或其组合及动力源。其作用是将工件压紧夹牢，保证工件在定位时所占据的位置在加工过程中不因外力而破坏。（3） 确定夹具对机床相互位置的元件 此类的元件是为了用来确定夹具对机床工作台、导轨或主轴的相互位置。（4） 对刀导引元件 这类元件的共同作用是保证工件和刀具之间的正确加工位置。（5） 其他装置或元件 这类装置或元件主要有：为使工件在依次装夹中多次转位而加工不同位置上的表面所设置的分度装置，为了便于卸下工件而设置的顶出器；以及标准话了的连件元件等。（6）夹具体夹具体是夹具的基座和骨架。其他装置都安在夹具体上使之成为一个夹具的整体。当然上述的各组成部分，不是每个夹具都必须完全具备的。但一般来说，定位元件、夹紧装置、夹具体则是夹具的基本组成部分。1.3机床夹具的多工位加工对于一般的机床而言，一个夹具只能夹持一个工件加工一道工序，然而对与本设计而言，一个夹具在夹持了一个工件之后被安装在数控加工中心上，数控加工中心帮助完成了多个工位的零件加工，那么对于设计出的夹具而言，使得夹具能夹持零件并能保证该零件的加工精度就显的尤为重要，本次的毕业设计中，由于齿轮箱零件的外形比较的不规则，不同面上要加工的孔系又比较的多，那么设计出来的夹具的关键就在于能否集中能加工的表面于一个夹具上的问题，使得数控加工中心在一次加工中能获得最多的工位的加工次数。因此多工位的保证也来源于夹具的设计。2齿轮箱零件结构分析和工艺规程制定 在本设本设计中，除了对工件的定位和夹紧外，还有一些问题需要解决，如专用夹具的设计步骤、夹具体的设计、夹具总图上尺寸公差及技术要求的标注、工件在夹具中加工的精度分析、夹具的经济分析及机床夹具的计算机辅助设计等。这些问题将在下面做论述。2.1 齿轮箱零件给构分析过程 在本次毕业设计中满足“优质、高产、低成本”的要求，首先必须制订零件的机械加工工艺规程的装配工艺规程，然后按照所制定出的装配工艺规程来进行机械加工和装配。制定机械加工工艺规程应分析研究零件图样，了解该零件在产品或部件中的作用，找出其要求较高的主要表面及主要技术要求，并了解各项技术要求制定的依据，审查其结构工艺性，选择和确定毛坯，拟定工艺路线；详细拟定工序具体内容，对工艺方案进行技术经济分析，最后填写工艺文件。2.2毛坯的选择毛坯的选择包括选择毛坯的种类和确定毛坯的制造方法两个方面。常用的毛坯种类有铸件,锻件，型材，焊接件等。当设计人员设计零件并选好材料后，也就大致确定了毛坯的种类。如铸铁材料的毛坯都为铸件，钢材料毛坯一般为锻件或型材等。各种毛坯的制造方法很多。概括起来说，毛坯制造方法越先进，毛坯精度越高，其形状和尺寸越接近成品零件，这就使得机械加工的劳动量大为减少，材料的消耗也低，使机械加工的成本降低；但毛坯的制造费用却因为采用了先进的设备而提高。因此，在选择毛坯时应当综合考虑各个方面的因素，以求的最佳的效果。选择毛坯时主要考虑到下列的因素：a:零件的材料及其力学性能 本次设计的齿轮箱零件的材料大致确定了毛坯的种类,而其力学性能的高低，也在一定程度上影响着毛坯的种类。b:生产类型 不同的生产类型决定了不同的毛坯的制造方法.在大批量的生产中,应采用精度和生产率较高的先进的毛坯的制造方法,本设计铸件应采用金属模造型，并应当充分考虑采用新工艺、新技术和新材料的可能性。 c：零件的结构和形状外形尺寸 在充分考虑了上述两项因素后，有时零件的结构形状和外形也会影响毛坯的种类和造型方法。本设计中的零件虽然为不规则的外形，但是对于选择的毛坯材料不产生任何的影响。考虑了上述的因素的同时，不应该脱离具体的生产条件，在确定了毛坯的制造方法后，应当熟悉毛坯的特点，通常以毛坯的零件图形式表达，作为正式制定机械加工工艺规程的原始依据。2.3 齿轮箱零件外形结构分析由附图1可见，此图为齿轮箱零件，切其外形是无规则的。图2.1 齿轮箱零件图2.3.1分析零件结构工艺性该零件为齿轮箱体,主要用泵类外壳设计,其外形尺寸比较复杂,属于壳体类零件,结构比较复杂,孔多壁厚,本设计主要加工2-20孔。2.3.3毛坯说明该零件的材料为ht200,毛坯为铸件.在批量生产类型下,考虑到零件的结构复杂,所以采用铸造毛坯生产.上述各点在制定工艺规程时应该予以充分的重视。所要加工的为下底面安装2-20孔。2.3.4初步选择定位基准和确定工件的装夹方式在成批生产中，工件加工时应该广泛采用夹具装，由于毛坯的加工精度要求较高所以在装夹的过程中对与夹具的精度的设计也是需要有很大的保证，来足以保证零件的加工精度。由于考虑到该零件设计夹具的特殊性，及在装夹到夹具体上只要求将零件上二个20孔加工出来，所以在装夹到夹具体上前首先应该对于作为基准的各个表面做一个铺垫式的加工，以保证在加工孔的过程中，涉及到加工的基准面的精度要求得到充分的保证。在加工孔的过程中，三个侧面的精度都要得到非常准确的保证，在拟订工艺路线的工程中这些都是要被一一体现的。2.3.5拟订工艺路线1）选择表面的加工方法工件的材料为有色金属,孔的直径不是很大,要求较高,孔加工采用钻孔-扩孔-粗铰-精铰的加工方案;2）工序的顺序安排根据“先基准面，后其他”的原则，在工艺过程的开始先将定位的基准面加工出来。根据“先面后孔”的原则，在每个加工阶段均先加工平面，再加工孔。所以加工2-20孔时，需先将定位的基准面加工出来（图2.1所示）3. 机床夹具设计虽然各类机床夹具的结构均不相同，但按其主要功能加以分析，机床夹具一般是由定位元件、夹紧装置、夹具体、其他装置或元件组成。3.1 夹具的要求1）保证工件的加工精度 专用夹具应有合理的定位方案，标注合适的尺寸、公差和技术要求，并进行必要的精度分析，确保夹具能满足工件的精度要求。2）提高生产效率 应根据工件生产批量的大小设计不同复杂程度的高效夹具，以缩短辅助时间，提高生产效率。3）工艺性好 专用夹具的结构应简单、合理，便于加工、装配、检验和维修。专用夹具的制造属于单件生产。当最终精度由调整或者修配保证时，夹具上应设置调整或者修配结构，如设置适当的调整间隙，采用可修磨的垫片等。4）使用性好 专用夹具的操作应简便、省力、安全可靠，排屑应方便，必要时可设置排屑结构。5）经济性好除考虑专用夹具本身结构简单，标准化程度高、成本低廉外，还应根据生产纲领对夹具方案进行必要的经济分析，以提高夹具在生产中的经济效益。3.2 专用夹具设计步骤1明确设计任务书和收集设计资料 夹具设计的第一步是在已知生产纲领的前提下，研究被加工零件的零件图、工序图、工艺规程和设计任务书，对工件进行工艺分析。主要是了解工件的工艺结构特点、材料；确定本工序的加工表面、加工要求、加工余量、定位基准和夹紧表面及所用的机床、刀具、量具等。 其次是根据设计任务收集的有关资料，如机床的技术参数，夹具零部件的国家标准、部分标准和厂订标准，各类夹具图册、夹具设计手册等，还可以收集一些同类的夹具设计图样，并了解该厂的工装制造水平。2.拟订夹具结构方案与绘制夹具草图1）确定工件的定位方案，设计定位装置。2）确定工件的夹紧方案，设计夹紧装置。3）确定对刀或导向方案，实际对刀或者导向装置。4）确定夹具和机床的连接方式，设计连接元件及安装基面。5）确定和设计其他装置及元件的结构形式，如分度装置、预定位装置及吊装元件等。6）确定夹具体的结构形式及夹具在机床上的安装方式。7）绘制夹具草图，并标注尺寸、公差及技术要求。a:进行必要的分析计算 工件的加工精度较高时，应进行工件的加工精度的分析。有动力装置的夹具，需要计算夹紧力。当有几种家居方案时，可进行经济分析，选用经济效益较高的方案。b:审查方案和改进设计 夹具草图画出后，应征求有关老师的意见，然后根据提出的意见和建议进行修改。c:绘制夹具装配总图 夹具的总装配图应按照国家制图标准。绘制图的比例为1：1总图应该把夹具的工作原理、各种装置的结构极其相互关系的表达清楚。夹具总图的绘制次序如下:a用双点划线将工件的外形轮廓，定位基准面，夹紧表面及加工表面绘制在各个试图的合适位置上。在总图中可以看作透明体，不遮挡后面夹具上的线条。b依次绘制出定位装置、夹紧装置、对刀或者导向装置、其他装置、夹具体及连接元件和安装基面。c标注必要的尺寸、公差和技术要求。d编制夹具明细表及标题栏。e绘制夹具的零件图f 夹具中的非标准零件需要画零件图，并且按照夹具总图的要求，确定零件的尺寸、公差及技术要求。3.3 工件在夹具中的定位方案的设计3.3.1六点定位原理任何一个未受到约束的物体，在空间都具有六个自由度，即沿三个互相垂直的坐标轴的移动（用表示）和绕这三个坐标轴的转动（用表示），要使物体在空间具有确定的位置（即定位），就必须对这六个自由度进行约束。理论上说共的六个自由度可以由六个支承点加以约束和限制，前提是这六个支承点在空间按一定规律分布，并且保持和工件的定位面相互接触。3.1装配图1工件的六点定位示意图如图3.1所示，上图为装配图1的定位示意图，图中的零件是要加工侧面的一组孔系，那么就设法通过六个可调节支承钉进行定位的，使得被加工表面保持垂直，在底面上布置了v型块，当齿轮箱零件的底面和这三个支承钉接触时，工件的，三个自由度就被限制了，在工件的右侧又布置了两个支撑钉，当工件的左侧与其接触时，工件的两个自由度就被限制，再在零件的后侧再布置一个支承钉，使得工件的后部可以靠在这个支撑点上，工件的自由度就被限制，如此设置的六个支承点，去分别限制了工件的六个自由度，从而使得工件在空间得到确定的定位。在设计零件的机械加工的工艺规程的过程中，根据加工要求已经选择了各工艺的定位基准和确定了各定位基应当限制的自由度，并将它们标注在工序简图或其他工艺文件上。此夹具设计的任务首先就是选择和设计相应的定位元件来实现上述定位方案。在本此毕业设计中由于零件的特殊性，零件的毛坯是一个不规则的齿轮箱零件，因此只能选择圆柱面进行定位，其定位基面很容易看出就是工件和定位支撑接触的表面，与之相应，定位元件上与定位基面相配合（或接触）的表面称为限位基面，他的理论轴线称为限位基准。工件以平面定位时，其定位基面与定位基准和限位基准和限位基准则是完全一致的。工件在夹具上定位时，理论上的定位基准和限位基准应该重合，定位基面和限位基面应该接触。当工件有几个定位基面时，限制自由度最多的定位基面称为主要定位面，相应的限位面称为主要限位面。3.3.2 定位方案的设计我们知道在一般的夹具定位中的定位方法有很多种，主要是工件以平面定位，工件以圆柱面面进行定位，工件以组合定位方式进行定位，在本设计中工件主要是以平面作为定位基面，原因是该从该零件的三维视图和平面视图来看，该零件的表面不存在圆柱面，其内部也不存在圆柱孔，因此根据指导老师的要求加工毛坯上的孔系结构，只能采用平面加工的方式。1.在平面定位的元件中，主要有以下的几种定位元件可供选择。1）主要支承主要支承用来限制工件的自由度，起到的是定位的作用。（1）固定支承固定支承有支承钉和支承板两种形式，在使用过程中他们都是固定不动的。当工件以加工过的平面定位时，可以采用平头支承钉或支承板；而球头支承钉主要用与毛坯面定位，齿纹头支承钉主要用于工件的侧面定位，他能大大的增强摩擦系数，防止工件滑动。支承板的结构简单，制造方便，但孔边切削不易清除干净，故适用于工件以侧面和顶面定位时的情况。支承钉和支承板均已标准化，其公差配合、材料、热处理等可查阅机床夹具零部件国家标准。工件以平面定位时，除采用支承钉和支承板外，还可以根据工件定位平面的具体形状设计相应的支承板，工件批量不大时也可以直接以夹具体作为限位平面。对于本设计中所采用的支撑钉的形式，还是不适合选用固定支承，因为，该零件的定位表面比较复杂，有些选用的定位表面不在同一个平面上，如果选用固定支承进行定位则缺乏了夹具体的一个灵活性。（2）调节支承而工件定位过程中调节支钉的高度可以进行适当的调节，在同一夹具上加工形状而尺寸不等的话，也可以采用调节支承，本设计中就采用了调节支承作为基本的定位元件，这样一来既方便了对于不规则零件的灵活定位，也使得一个夹具体可以进行多功能的应用的条件，节省了制作夹具体的时间和材料，这也使得该思想成为了设计中的一个亮点。（3）自位支承（浮动支承）在工件定位过程中，能自动调整位置的支承称为自位支承或者浮动支承。这类的支承的工作特点是：支承点的位置能随着工件定位基面的位置不同而自动调节，定位基面压下其中一点，其余点便上升，职志各点都与工件接触。由于接触点的数的增加，提高了工件的装夹刚度和稳定性，但其作用仍相当于一个固定支承，只限制工件一个自由度。2）辅助支承辅助支承是用来提高工件的装夹刚度和稳定性的。一般在工件定位后与工件接触，然后锁紧，不起定位作用。在做了解之后获知辅助支承主要有：螺旋式辅助支承，自位式辅助支承，推引式辅助支承。由于本设计中没有涉及辅助支承的内容，所以不做详细的介绍。2几种定位方案的比较由上图3.1中装配图1为例。方案：工件是以圆柱面进行定位，选择b面靠右侧的两个支承钉进行定位。3.2 方案六点定位示意图3.3.3具体的误差分析和计算1.在本设计中定位的设计思路主要是以加工零件上的孔来完成的,所以定位的方式就可以定下来了,定位基准的形式和精度,定位元件的形式和精度,定位元件的布置方式,定位基准和定位元件的配合状况等因素有关.这些应素造成的误差,可以通过数学计算求得.在采取高定位精度的措施时,要注意到夹具制造上的可能性.在总的定位就精度满足加工要求的条件下,不要过高的提高工件在夹具中定位精度.由机床夹具设计手册中查得常见的定位误差和定位形式可知定位面到加工面尺寸的加工精度的差值即是该位置的定位误差的大小,根据工序图可知,本夹具的设计中， 由于定位基准和工序基准不重合，定位尺寸s=32.580.1，所以mm。由于尺寸5.510.15mm的方向与两个定位孔的连心线是平行的。所以=（0.027+0.017）=0.044mm。由于工序基准不在定位基面上，所以=0.244mm。由于定位基准和限位基准不重合，定位基准可以做任意方向的位移，加工位置定位外圆。根据下式：=0.00138左边的基准位移误差为=（0.044+2*2*0.00138）mm=0.05mm。右边的的基准位移误差为=（0.118+2*2*0.00138）mm=0.187mm。定位误差要取大值，故1/3零件加工误差。3.4 工件的夹紧3.4.1 对夹紧装置的基本要求机械加工中,为了保持工件 定位时所确定的正确加工位置,防止工件在切削力、惯性力、离心力及重力等作用下发生位移和振动，机床夹具应设有夹紧装置，将工件压紧夹牢。夹紧装置是否合理、可靠及安全，对工件加工的精度、生产率和工人的劳动条件有着重大的影响，为此也有以下的基本要求：1）夹紧过程中，不能改变工件定位后占据的正确位置。2）夹紧力的大小要适当，既要保证工件在整个加工过程中位置稳定不变、振动小，又要使得工件不产生过大的夹紧变形。3）夹紧装置的操作也应该方便、安全、省力。4）夹紧装置应具有良好的自锁性能，以保证源动力波动或消失后，仍然能保持夹紧状态。3.4.2 夹紧力的确定确定夹紧力的方向、作用点、大小时，应依据工件的结构特点、加工要求，并结合工件加工中的受力状况及定位元件的结构和布置方式来确定。夹紧力的方向夹紧力的方向应该有助于定位稳定，且主夹紧力应朝向主要限位基面。夹紧力f朝向了主要的限位基面,有利于保证加工顶面的孔系结构, 1 夹紧力的作用点夹紧力的方向确定后，应根据以下的原则来确定作用点的位置：1）夹紧力的作用点应落在定位元件的支承范围内，若夹紧力的作用点落到了定位元件支承范围之外，夹紧时将破坏工件的定位，会导致错误。2）夹紧力的作用点应落在工件刚性较好的方向和部位。这一原则对刚性差的工件特别重要的。3）夹紧力作用点应靠近工件的加工表面。2 夹紧力大小的确定为了在切削过程中有效的夹紧工件，所需夹紧力的大小和工件所承受的切削力密切相关。通常，切削力的大小和作用点随着加工过程的进行而发生变化，而且在有些切削加工中，切削力还是一种冲击力。要准确的计算出切削力的大小十分的困难，因此在设计夹紧装置时，采用两种方法来确定所需的夹紧力：一是根据同类夹具的使用情况，用类比法进行估算，这种方法在生产中应用甚广；二是根据加工的情况，确定出工件在加工过程中对夹紧最不利的瞬时状态，再将此时工件所受的各种外力看做静力，并用静力平衡原理，计算出所许的夹紧力。由于所加工的工件的状态各异，切削工具不断地摩损等因素的影响，所计算出的夹紧力与实际所需的夹紧力仍然存在着很大的差异。为了确保夹紧的安全可靠，往往将计算所得的夹紧力扩大k倍作为实际需要的夹紧力，k为安全系数，故有式中：实际所需的夹紧力，单位为n；f：用静里平衡原理计算所的夹紧力，单位为n；k：安全系数；粗加工时，取k=2.5;精加工时,取k=1.5。3.5基本夹紧机构在做本设计的过程当中也查阅了很多相关的夹紧机构，夹紧机构的种类很多，其结构大都以斜契夹紧机构、螺旋夹紧机构和偏心夹紧机构为基础，这三种夹紧机构合称为基本夹紧机构。而对于本夹具体的设计我采用了第二中设计构思，那就是螺旋夹紧机构作为夹紧机构的设计。采用螺杆作为中间传力元件的夹紧机构，这种机构便是通常所说的螺旋夹紧机构，螺旋夹紧机构结构简单、容易制造，而且由于螺旋升角小，螺旋夹紧机构的自锁性能好，夹紧力和夹紧行程都较大，是手动的夹具上应用得也最多的一种夹紧机构。在整个设计过程当中我业考虑了改进的方案，作了比较取得了效果最好的结构设计。3.5.1单个螺旋机构单个螺旋机构是直接用螺钉或螺母夹紧工件的机构，夹紧时螺钉的头部直接和工件的表面接触，螺钉转动时，可能损伤工件表面，或带动工件旋转。为此在螺钉头部直接安装滑动压块。当滑动压块和工件接触后，由于压块和工件间的摩擦力矩大于压块和螺钉之间的摩擦力矩，压块不会随螺钉一起转动。如图3.6所示。图3.6 螺旋夹紧机构3.5.2 单个螺旋机构夹紧力的计算螺旋夹紧机构也存在着缺点.那就是夹紧动作慢、工件装卸费时。由于螺旋可以看作是饶在圆柱体上的斜契，因此，螺钉或者螺母夹紧力的计算和斜契相似。如图3.7所示，为夹紧力螺旋的受力示意图。施加在手柄上的原始力矩m=fl，工件螺旋杆产生的反作用力为（其值等于夹紧力）和摩擦力。分布在整个接触面上，计算时可以看成集中作用于当量摩擦半径的圆周上。的大小与端面接触形式有关。螺母对螺杆的反作用力有垂直于螺旋面的正压力f及螺旋上的摩擦力，其合力为，此力分布于整个螺旋接触面上，计算时认为其作用螺旋中径处，为了便于计算，将分解为水平方向的分力和垂直方向的分力（其值与相等）。根据力矩的平衡条件得图3.7 螺旋夹紧机构受力分析因=tan =tan()代入上式得式中：夹紧力，单位为n；f作用力，单位为n;d螺纹中径，单位为mm;l作用力臂，单位为mm;螺纹升角，单位为（）；螺纹杆端部和工件的摩擦角，单位为（）；螺纹杆端部和工件的当量摩擦半径，单位为mm;螺纹处摩擦角，单位为（）；以上分析的是方牙螺纹，对其他螺纹只要将1换成10即可。对三角螺纹10=arctan(1.15tan1 )；对梯形螺纹10=arctan(1.03tan1 )。本结构可以采用螺旋夹紧机构，一方面是因为螺旋夹紧机构是较常用的夹紧机构，另外由于考虑到切削力较大，故排除使用偏心轮机构。1）夹紧力大小计算如下：fql=（d02）f1+rf2根据摩擦力定理：f=n可以得到：f1=1fn=1fj/cos f2=2 fj（a） 其中1、2的确立见下表3.1：表3.1滑动旋转副材料的许用压力及摩擦系数螺杆-螺母的材料滑动速度/（m/min）许用压力/mpa摩擦系数f钢-钢低速7.5130.110.17表中摩擦系数启动时取大值，运转时取小值。所以取1=2 =0.11(b) 的确立：=arctanp/d由于所选螺旋夹紧机构为双头螺栓加螺母结构，其大小为m12标准件，查下表3.2可得其p和d值。表3.2 普通螺纹的基本尺寸称直径d、d螺距p中径d2或d2小径d2或d2第一系列第二系列121.751.51.25110.86311.02611.18811.35010.10810.37610.67410.9171421.5112.70313.02613.35011.83512.37612.9141621.5114.70115.02615.35013.83514.37614.917所以p=1.5，d0=8，r =8/2，经计算得：fj = fql/（d021/cos+ r2） fq可取工人平时扳扳手的力的平均大小25牛，l可以取扳手的长度0.46米。 fj =250.46/（8/20.11cos(arctan1.5/8)+8/20.11）=13.057kgf(kn)2/钻削力计算：所加工的齿轮箱零件的材料为ht200，并采用硬质合金刀具.根据t200钻削连线表上查得钻削的深度ap和进给量f连线，确定fc和ft。其中，fc主切削力，ft垂直于fc的，ff和fp的合力。1/切削深度ap的确定：由表3.3可知，钻孔时，ap=0.50.8，根据表3.3说明，切削深度，当工件的加工直径较大及需转位或两次安装时，则取较大值，加工直径较小及要求较高的加工精度和表面光洁度是，则取较小值，所以，由于夹具所要加工的工件的直径较小且是在一次装夹中完成的，取较小值ap=0.5表3.3 钻削深度表工序名称切削深度（直径上）mm钻孔粗加工精加工.铰孔粗加工.精加工.（1） 进给量f的确定：根据精镗、硬质合金刀具及铝合金材料的工件，查表3.4，可得进给量f=0.060.10，取f=0.08mm/r。表3.4 钻孔时的进给量f工序名称刀具名称材料进给量fmm/r钻孔硬质合金铸铁d1级=0.08,d级：0.120.15钢0.120.15铝合金0.060.10连接切削深度ap和进给量f连线，交fc和ft的直线，交点值为fc=7.5kgf, ft= 1.6kgf。根据工件材料、刀具材料和几何参数的不同，对fc和ft分别乘以修正系数kfc和kft3。其中，kfc= kfc1* kfc2* kfc3 ; kft = kft1* kft2 因为工件是铝合金材料，其硬度为50150hb，所以为了保证加工的安全性，取最大值150hb。表3.5 修正系数与工件材料的关系工件材料硬度hb140160kfc10.780.84刀具主偏角kr30kfc21.05刀尖圆弧半径re11.5kfc30.95表3.6 修正系数与工件材料的关系工件材料硬度hb140160kft10.610.67刀具主偏角kr30kft20.63 查表3.5、表3.6知：kfc1=0.84kfc2=1.05kfc3=0.95kft1=0.67kft2=0.63所以，最终 kfc= kfc1* kfc2* kfc3=0.841.050.95=0.8379kft = kft1* kft2=0.670.63=0.4221fc0 = kfcfc=0.83797.5=6.28425 knft0= kftft=0.42211.6=0.67536 kn即，最终的切削力为轴向6.28425 kn，径向0.67536 kn。夹紧力与钻削力的比较：由计算得知，夹紧力大于钻削力，所以所设计的夹具所使用的螺旋夹紧机构的拧紧螺丝是适用的，达到了夹紧的作用，使工件在加工时不会移位，保证了加工的精度。3.6 夹具的机构设计夹具上的各种装置和元件通过夹具体连接成一个整体。3.6.1对于夹具体的要求夹具体的形状及尺寸取决于夹具上各种装置的布置及夹具和机床的连接。1.具有适当的精度和尺寸的稳定性 在本设计中由于加工零件的本生是需要有加工的精度要求的，那么为了保证零件的表面的精度要求相应的夹具体上和安装定位元件的表面、安装刀或者导向元件的表面以及夹具体的安装基准面（与机床相连接的表面）等均应有适当的尺寸和形状的精度和位置精度。为了使的夹具体的尺寸的稳定，本设计中的采用的铸造夹具体要进行实效处理。2.有足够的强度和刚度加工过程中，夹具体要承受较大的切削力和夹紧力。为了保证夹具体不产生不允许变形和振动，夹具体应有足够的强度和刚度。因此夹具体需要有一定的壁厚，由于本设计中的材料为ht220，是铸造得到的，因此采用了加强肋的设置。如图3.8所示。图3.8 夹具体的零件图3.结构工艺性好 夹具体应便于制造、装配和检验。在本设计的铸造夹具体上可调定位支承的元件的表面铸出凸台，以减少加工面积。夹具体毛面和工件之间应留有足够的间隙约为4-15mm。上图中也能看到为了安装可调支钉铸出的凸台。4.在机床上安装稳定可靠夹具在机床上的安装都是通过夹具体上的安装基面和机床上相应的表面的接触或配合实现的。在本设计中在夹具体的下方设计了机床连接底座，其上设有长槽便于和数控加工中心的t型槽进行连接，当夹具在机床工作台上安装时，夹具的重心应尽量低，重心越高则支撑面应越大；夹具底面四边应凸出，使夹具体的安装基面和机床的工作台面接触良好。接触边或支脚的宽度应大于机床工作台梯形槽的宽度，应一次加工出来，并保证一定的平面精度。如图3.9所示即为本次毕业设计中设计的和数控加工中心连接的车床和夹具连接底座。图3.9 车床连接底座的零件图3.6.2夹具体毛坯的类型1.铸造夹具体本设计中采用的夹具体材料为ht220，用翻砂铸造的方法可以得到，这样的夹具体的优点是工艺性好，可铸造出各种复杂形状，具有较好的抗压强度、刚度和抗振性，但生产周期长，需要进行时效处理，以消除内应力，这也是使用铸造存在的不足之处。2.焊接夹具体此类夹具体制造方便，生产周期短、成本低、重量轻（壁厚比铸造夹具体薄）。但焊接夹具体的热应力较大，易变形，需经退火处理，以保证夹具体尺寸的稳定性。3.锻造夹具体适用于形状简单、尺寸不大、要求强度和刚度大的场合。4组合机床简介4.1概念组合机床是随着生产的发展、产品产量的增加、精度要求的不断提高，由万能机床和专用机床发展来的，它根据工件加工需要，以大量系列化、标准化和通用化设计的通用零部件为基础，配以少量专用零部件组成的一种高效专用机床。组合机床广泛应用于汽车、发动机行业的汽缸体、汽缸盖、变速箱、后桥的大批量生产，不仅提高了生产效率，保证了加工精度，而且减轻了操作者的劳动强度。4.2特点组合机床采用了7090的通用部件和通用零件，这大大地缩短了设计制造周期，减少了制造过程中的问题，提高了机床工作的可靠性，降低了机床成本，方便了机床的维修保养，与万能机床和专用机床相比，有如下特点：1. 研制周期短，便于设计、制造，成本低。因为通用化、系列化、标准化程度高，占7090的通用件可组织批量生产进行预制或外购。另外，在需要的时候，可以部分或全部进行改装，以组成适应新的加工要求的新设备。这就是说，组合机床有重新改装的优越性，其通用零部件可以多次重复利用。2.加工工艺合理。组合机床是按具体加工对象专门设计的。因而可以按最合理的工艺过程进行加工，这在万能机床上往往是不易实现的。3. 生产率高。因为工序集中，组合机床上可以同时从几个方向采用多把刀具对几个工件同时自动进行加工。它是实现集中工序的最好途径，是提高生产效率的有效设备。4. 加工精度稳定。因为工序固定，可选用成熟的通用部件、精密夹具和自动工作循环来保证加工精度的一致性；同时，组合机床常常是用多轴对箱体零件一个面上的许多孔同时进行加工。这样就能比较好的保证各孔相互之间的精度要求，提高产品质量，减少了工件工序间的搬运，改善劳动条件，也减少了机床占地面积。5.由于组合机床大多数零、部件是同类的通用部件，这就简化了机床的维护和修理。必要时可以更换整个部件，以提高机床的维修速度。6. 配置灵活。因为结构模块化、组合化，通用部件可以组织专门工厂集中生产。 这样可以采用专用高效设备进行加工，有利于提高通用部件的性能，降低制造成本。可按工件或工序要求，用大量通用部件和少量专用部件快速灵活组成各种类型的组合机床。组合机床虽然有很多优点?但也还有缺点。 1)组合机床的可变性较万能机床低，重新改装时有1020的零件不能重复利用,而且改装时芳动量比较大。2)组合机床的通用部件不是为某一种规床设计的，而是具有较广的适应性。这样,就使组合机床的结构较专用机床稍为复杂些。4.3组成组合机床是根据工件加工需要，以大量通用部件为基础，配以少量专用部件组成的一种高效专用机床，主要用于平面加工和孔加工两类工序，按通用部件类型，组合机床分为大型和小型两大类，用大型通用部件组成的机床称为大型组合机床，用小型通用部件组成的机床称为小型组合机床；按配置型式又分为单工位和多工位机床两大类，单工位机床又有单面、双面、三面和四面几种；多工位机床则有移动工作台式、回转工作台式、中央立柱式和回转鼓轮式等配置型式。下图所示为典型的双面复合式单工位组合机床。其组成是：侧底座i、滑台2、镗铣削头3、夹具4、多轴箱5、动力箱6、立柱7、垫铁8、立柱底座9、中间底座10、液压装置11、电气控制设备l 2、刀工具l 3等。通过控制系统，在两次装卸工件间隔时间内完成一个自动工作循环。图中各个部件都是具有一定独立功能的部件，并且大都是已经系列化、标准化和通用化的通用部件。通常夹具4、中间底座10和多轴箱5是根据工件的尺寸形状和工艺要求设计的专用部件，但其中的绝大多数零件如定位夹压元件、传动件、主轴等也都是标准件和通用件。5组合机床总体设计5.1总布置方案确定组合机床的总体设计,就是针对具体的被加工零件，在选定的工艺和结构方案的基础上，进行方案图纸设计。下面就齿轮箱工艺及钻2-20孔、工装组合机床（80ux03-k160）的设计，了解组合机床的设计。5.2、加工示意图1. 加工示意图作用加工示意图是组合机床设计的重要图纸之一，在机床总体设计中占有重要地位。它是设计刀具、夹具、主轴箱以及选择动力部件的主要资料，同时也是调整机床和刀具的依据。加工示意图,要反映机床的加工过程和加工方法，并决定浮动夹头或接杆的尺寸，镗杆长度，刀具种类及数量，刀具长度及加工尺寸，主轴尺寸及伸出长度，主轴、刀具、导向与工件间的联系尺寸等。根据机床要求加工工件的要求及刀具特点，合理地选择切削用量，决定动力头的工作循环。2. 刀具的选择 齿轮箱组合机床（80ux03-k160）要求加工的机体毛坯为铸铁件，材料为ht200，硬度为170241hbs；工件的最大轮廓尺寸为：长5310 -0.2mm，高483mm,宽216mm,机体外形近似为长方体。工件壁厚较均匀，刚性较好。加工内容为：齿轮箱底部钻2-20孔综合考虑箱体材料、加工内容及机床夹具的条件，确定刀具材料为：钻孔麻花钻为高速钢，扩孔刀采用硬质合金。具体采用的刀具为：1号轴（孔）：采用13.5x8-18x223锥柄阶梯麻花钻57为提高工序及保证加工精度，采用标准麻花钻再刃磨的钻孔倒角复合钻头（见非标刀具图），可使钻孔、倒角在同一机床同一工位一次加工，且使钻孔、倒角的排屑槽整体连通，便于排屑。另外复合钻头后部直径较大，可使钻头刚度提高，防止钻头折断并能提高钻孔精度。刀具耐用度值是以钻孔时的小直径计算的，所以刃磨后的刀具并不影响耐用度。3. 确定主轴的直径由于组合机床工作时，要求每面所有刀具每分钟进给量相同，而且都等于液压滑台的进给量，这个进给量应该适合于所有刀具。在本组合机床切削用量选择中，取进给量为45mm/min以满足设计要求。根据高速钢钻头切削用量，选取各刀具的切削速度及每转进给量,计算各主轴的切削扭矩、切削功率及切削力，然后根据轴能承受的扭矩，确定主轴的直径。1号轴：v取10（m/min），sm取45（mm/min）， n 236（r/min）则so为0.19（mm/ r） 18的速度v18/10003.1418236/100013.3（m/min）m1.26.7 21.26.728.670.26127.5500（公斤/毫米）db 7.3 7.32.6619.4（mm）n0.12（千瓦）p 0.30.30.37422.2（公斤）查表轴能承受的扭矩，1号轴取直径d20mm。4. 主轴箱的确定根据以上的计算结果，查表通用钻削类主轴的系列参数，决定刀具的莫氏圆锥度，主轴外伸尺寸，现将主轴外伸尺寸和切削用量等列表如下：轴号123678主轴外伸尺寸d/d（mm）30/2038/2638/2638/2638/26l（mm）115115115115115切 削 用 量工序内容扩13.5钻15扩17钻14.5钻11.3n（r/min）236234206220310v（m/min）1011111011so（mm/ r）0.190.190.210.20.15接杆型号4-t0635-415-t