基于支承套零件工艺及工装设计

摘 要 本文是对支承套零件的加工工艺规程进行设计，并针对其中某一道工序进行基于液压的专用夹具设计，并进行了另一工序的普通夹具设计。支承套零件作为套类零件，其主要加工表面是平面及孔。按照机械加工工艺要求，遵循先面后孔的原则，并将孔与平面的加工明确划分成粗加工和精加工阶段以保证加工精度。基准选择以支承套大外圆端面作为粗基准，以支承套大外圆作为精基准，确定了其加工的工艺路线和加工中所需要的各种工艺参数。并按要求对其中一道工序进行了基于液压夹紧的专用夹具设计，在设计中计算了此道工序所受的切削力及切削力矩，进而确定 了液压缸的负载，选定整个液压系统的压力，从而确定了液压缸的各参数，绘制了液压夹紧的专用夹具总图。整个加工过程均选用万能机床。 关键词 支承套 ；加工工艺；液压；专用夹具 Abstract This article is carries on the design of the supporting sleeve components machine process, and the clamp designed based on the hydraulic pressure which aimed at some working process, and has carried on another working procedure ordinary jig design. The supporting sleeve components take the boom trestle class components, its main processing surface is the plane and the hole. According to the machine-finishing technological requirement, after following the first surface, the hole principle, and is clear about the hole and the plane processing divides the rough machining and the precision work stage guarantees the working accuracy. The datum choice takes the thick datum by the support big outer annulus end surface, takes the fine datum by the support big outer annulus end surface with two craft holes, had determined in its processings craft route and the processing needs each technological parameter. And according to request to a working procedure has carried on based on the hydraulic pressure clamp unit clamp design. Entire processing process chooses all-purpose machine tool. Key words: supporting sleeve； processing technic ；special fixture； hydraulic pressure 目 录 摘 要 . III ABSTRACT . IV 目录 . V 1 绪论 . 1 1.1 本课题的研究内容和意义 . 5 1.2 国内外的发展概况 . 5 1.3 本课题应达到的要求 . 2 2 零件的造型 . 3 2.1 零件造型软件介绍 . 3 2.2 零件造型过程 . 4 3 零件的工艺分析 . 8 3.1 零件的功用分析 . 8 3.2 零件的工艺分析 . 8 4 零件工艺规程设计 . 9 4.1 确定毛坯的制造形式 . 9 4.2 定位基准的选择 . 9 4.2.1 精基准的选择 . 10 4.2.2 粗基准的选择 . 10 4.3 切削用量的选择原则 . 10 4.3.1 粗加工时切削用量的选择 . 10 4.3.2 精加工时切削用量的选择 . 10 4. 4 拟定零件加工的工艺路线 . 11 4.5 机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定 . 13 4.6 确定切削用量及基本工时 . 14 5 专用夹具设计 . 23 5.1 问题的提出 . 23 5.2 夹具设计 . 23 6 基于液压夹紧 18H8 槽专用夹具设计 . 26 6.1 设计主旨 . 27 6.2.1 定位基准的选择 . 27 6.2.2 定位误差分析 . 27 6.2.3 铣夹具设计的基本要求 . 27 6.3 液压缸的设 计计算 . 27 6.3.1 切削力及切削力矩的计算与分析 . 28 6.3.2 确定系统的工作压力 . 30 6.3.3 确定液压缸的几何参数 . 30 6.4 确定液压泵规格和电动机功率及型号 . 32 6.5 确定各类控制阀 . 33 6.6 管道通径与材料及管接头的选用 . 34 7 结论与展望 . 36 7.1 结论 . 36 7.2 不足之处及未来展望 . 36 致谢 . 37 参考文献 . 38 1 绪论 1.1 本课题的研究内容和意义 机械的加工工艺及夹具设计是在完成了大学 的全部课程之后，进行的一次理论联系实际的综合运用，使我对专业知识、技能有了进一步的提高，为以后从事专业技术的工作打下基础。机械加工工艺是实现产品设计，保证产品质量、节约能源、降低成本的重要手段，合理的机械加工工艺过程是企业进行生产准备、计划调度、加工操作、生产安全、技术检测和健全劳动组织的重要依据，也是企业上品种、上质量、上水平，加速产品更新，提高经济效益的技术保证。 合理的机械加工工艺文件不仅能提高一个企业的技术革新能力，而且可以较大程度地提高企业的利润，因而合理地编制零件的加工工艺文件就显得时常重要。机 械加工工艺文件的合理性也会受到企业各方面因素的制约，比如企业的生产设备、工人的技术水平及夹具的设计水平等，其中较为重要的是夹具的生产和设计。夹具是机械加工 系统的重要组成部分 ， 不论是传统制造 ， 还是现代制造系统 ， 夹具 的设计 都是十分重要的。 好的夹具设计可以提高产品劳动生产率，保证和提高加工精度，降低生产成本等，还可以扩大机床的使用范围，从而使产品在保证精度的前提下提高效率、降低成本。 当今激烈 的 市场竞争和企业信息化的要求 ,企业对夹具的设计及制造提出了更高的要求。 所以对机械的加工工艺及夹具设计具有十分重要的意义。 因 而不仅要合理结合企业的生产实际来进行零件加工工艺文件的编制，而且还要根据零件的加工要求和先进的加工机床来设计先进高效的夹具。 该课题主要是为了培养学生开发、设计和创新机械产品的能力，要求学生能够结合常规机床与零件加工工艺，针对实际使用过程中存在的金属加工中所需要的三维造型、机床的驱动及工件夹紧问题，综合所学的机械三维造型、机械理论设计与方法、机械加工工艺及装备、液压与气动传动等知识，对高效、快速夹紧装置进行改进设计，从而实现金属加工机床驱动与夹紧的半自动控制。 在设计液压系统装置时，在满足产品工作要求的情况 下，应尽可能多的采用标准件，提高其互换性要求，以减少产品的设计生产成本。 1.2 国内外的发展概况 夹具从产生到现在，大约可以分为三个阶段：第一个阶段主要表现在夹具与人的结合上，这是夹具主要是作为人的单纯的辅助工具，是加工过程加速和趋于完善；第二阶段，夹具成为人与机床之间的桥梁，夹具的机能发生变化，它主要用于工件的定位和夹紧。人们越来越认识到，夹具与操作人员改进工作及机床性能的提高有着密切的关系，所以对夹具引起了重视；第三阶段表现为夹具与机床的结合，夹具作为机床的一部分，成为机械加工中不可缺少的工艺装备。 在 夹具设计过程中 ， 对于被加工零件的定位、夹紧等主要问题 ,设计人员一般都会考虑的比较周全 ， 但是 ， 夹具设计还经常会遇到一些小问题 ， 这些小问题如果处理不好 ， 也会给夹具的使用造成许多不便 ， 甚至会影响到工件的加工精度。我们把多年来在夹具设计中遇到的一些小问题归纳如下 ： 清根问题在设计端面和内孔定位的夹具时 ， 会遇到夹具体定位端面和定位外圆交界处清根问题。端面和定位外圆分为两体时无此问题 ,。夹具要不要清根 ， 应根据工件的结构而定。如果零件定位内孔孔口倒角较小或无倒角 ， 则必须清根 ,如果零件定位孔孔口倒角较大或孔口是空位 ， 则不需要 清根 ， 而且交界处可以倒为圆角 R。端面与外圆定位时 ， 与上述相同。让刀问题在设计圆盘类刀具 (如铣刀、砂轮等 )加工的夹具时 ， 会存在让刀问题。设计这类夹具时 ， 应考虑铣刀或砂轮完成切削或磨削后 ， 铣刀或砂轮的退刀位置 ， 其位置大小应根据所使用的铣刀或砂轮的直径大小 ， 留出超过刀具半径的尺寸位置即可。更换问题在设计加工结构相同或相似 ， 尺寸不同的系列产品零件夹具时 ，为了降低生产成本 ,提高夹具的利用率 ， 往往会把夹具设计为只更换某一个或几个零件的通用型夹具 。 由于现代加工的高速发展，对传统的夹具提出了较高要求，如快速、高效、安全等 。基于液压夹紧的专用夹具设计，必须计算加工工序所受的切削力及切削力矩，按照夹紧方式进行夹紧力的计算，进而可以确定液压缸的负载，通过选定整个液压系统的压力，最终可以确定液压缸的各参数。 随着机械工业的迅速发展，对产品的品种和生产率提出了愈来愈高的要求，使多品种，中小批生产作为机械生产的主流，为了适应机械生产的这种发展趋势，必然对机床夹具提出更高的要求。 特别像后钢板弹簧吊耳类不规则零件的加工还处于落后阶段。在今后的发展过程中，应大力推广使用组合夹具 、 半组合夹具 、 可调夹具，尤其是成组夹具。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。 1.3 本课题应 达到的要求 通过实际调研和采集相应的设计数据、阅读相关资料相结合，在对金属切削加工、金属切削机床、机械设计与理论及液压与气动传动等相关知识充分掌握后，分析金属切削加工过程中的机床工作台驱动、工件夹紧等方面的相关数据，结合液压与气动传动的相关理论知识，完成液压传动方案分析及液压原理图的拟定，设计液压专用夹具的驱动、夹紧装置，并进行主要液压元件的设计与选择及传动系统的验算校核等，来达到产品的最优化设计。 针 对实际使用过程中存在的金属加工工艺文件编制、工件夹紧及工艺参数确定及计算问题，综合所学的机械理论设计与方法、机械加工工艺文件编制及实施等方面的知识，设计出一套适合于实际的零件加工工艺路线，从而实现适合 于现代加工制造业、夹紧装置的优化设计。 2 零件的造型 2.1 零件造型软件介绍 1) Solid Works 软件介绍 创新的、易学易用的而且价格 便 宜的 Solid Works 是 Windows 原创的三维设计软件。其易用和友好的界面，能够 体现 在整个产品设计的工作中 。 Solid Works 完全 自动捕捉设计意图和引导设计修改。在 Solid Works 的装配设计中可以直接参照已有的零件生成新的零件。不论设计 采 用 自顶而下 方法还是 自底而上 的方法进行装配设计， SolidWorks 都将以其易用的操作大幅度地提高设计的效率。 SolidWorks 有全面的零件实体建模功能，其丰富程度有时会出乎设计者的期望。用 SolidWorks 的标注和细节绘制工具，能快捷地生成完整的、符合实际产品表示的工程图纸。 Solid 有 Works 还 具有全相关的钣金设计能力。钣金件的设计即可以先设计立体的产品也可以先按平面展开图进行 设计。 Solid Works软件提供完整的、免费的开发工具 (API)，用户可以用微软的 Visual Basic、 Visual C+或其它支持 OLE 的编程语言建立自己的应用方案。通过数据转换接口， SolidWorks 可以很容易地将目前市场几乎所有的机械 CAD 软件集成到现在的设计环境中来。 为比较评价不同的设计方案，减少设计错误，提高产量， Solid Works 强劲的实体建模能力和易用友好的 Windows 界面形成了三维产品设计的标准。机械工程师不论有无CAD 的使用经验，都能用 SolidWorks 提高工作效 率，使企业以较低的成本、更好的质量更快将产品投放市场。而最有意义的是，用于 SolidWorks 的投资是容易承受的，这使得参加工程设计的所有人员都能在他们桌面上的计算机进行三维设计。 对于模具设计师来讲，还可以利用 XYZ 缩放因子直接生成模腔。 在新版中，还增加了智能装配功能，能够在装配过程中自动捕捉装配关系，而无须用户另行指定。在装配过程中，还新增加了球面的配合关系和圆锥面的配合关系，这就使得将球插到孔里的操作变得更加容易。 2) UG 软件介绍 UG 是美国 UGS(Unigraphics Solutions)公司的主导产品，是集 CAD/CAE/CAM 于一体的三维参数化软件，是面向制造行业的 CAID/CAD/CAE/CAM 高端软件 ,是当今最先进 ,最流行的工业设计软件之一 .它集合了概念设计 .工程设计 ,分析与加工制造的功能 ,实现了优化设计与产品生产过程的组合。被广泛应用于机械、汽车、航空航天、家电以及化工等各个行业。 CAD/CAM/CAE 三大系统紧密集成。用户在使用 UG 强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配及创建工程图等功能时，可以使用 CAE 模块进行有限元分析、运动学分析和仿真模拟，以提高设计的可靠性；根据 建立起的三维模型，还可由 CAE 模块直接生成数控代码，用于产品加工。 灵活性的建模方式。采用复合建模技术，将实体建模、曲面建模、线框建模、显示几何建模及参数化建模融为一体。 3) CAD(Computer Aided Design） CAD 最早的应用是在汽车制造、航空航天以及电子工业的大公司中。随着计算机变得更便宜，应用范围也逐渐变广。 CAD 的实现技术从那个时候起经过了许多演变。这个领域刚开始的时候主要被用于产生和手绘的图纸相仿的图纸。计算机技术的发展使得计算机在设计活动中得到更有技巧的应 用。如今， CAD 已经不仅仅用于绘图和显示，它开始进入设计者的专业知识中更 “智能 ”的部分。 随着电脑科技的日益发展，性能的提升和更便宜的价格，许多公司已采用立体的绘图设计。以往，碍于电脑性能的限制，绘图软件只能停留在平面设计，欠缺真实感，而立体绘图则冲破了这一限制，令设计蓝图更实体化。 2.2 零件造型过程 编辑草图，选择零件的上视面为基准面生成实体草图 ,如图 2.1 所示。 在基准面内绘制 80mm 的圆，并进行 高为 25mm 的拉伸，得到 的圆柱体， 如图 2.2所示。 在 80mm 的圆柱面上 继续进行 76mm 圆的绘制，并进行 高为 3mm 的拉伸，所得的圆柱体 如图 2.3 所示。 在 76mm 的圆柱体上再继续进行 85mm 高 45mm 的圆柱体拉伸， 如图 2.4 所示。 图 2.1 选择基准面 图 2.2 拉伸 80mm 高 25mm 的圆柱体 图 2.3 拉 伸 76mm 高 3mm 的圆柱体 图 2.4 拉伸 85mm 高 45mm 的圆柱体 在 85mm 的圆柱体上进行 81mm 高 3mm 的圆柱体拉伸， 如图 2.5 所示。 在 81mm 的圆柱体对 135mm 高 7mm 的圆柱进行拉伸， 如图 2.6 所示。 在 135mm 的圆柱体上再拉伸一个 110mm 高 32mm 的圆柱体， 如图 2.7 所示。 在 110mm 的圆柱体中心对称位置拉伸一 个 长 31mm 宽 30 半径 R=15 的耳座，其实体造型 如图 2.8 所示。 在 110mm 的圆柱体的另一条对称线拉伸另个耳座，其 实体 如图 2.9 所示。 图 2.5 拉伸 81mm 高 3mm 的圆柱体 图 2.6 拉伸 135mm 高 7mm 的圆柱体 图 2.7 拉伸 110mm 高 32mm 的圆柱体 图 2.8 拉伸 长 31mm 宽 30 半径 R=15 的实体 图 2.9 拉伸如图所示实体 图 2.10 切除 长 35 深 4.5 半径 R=4 的键槽 在 85 外圆上运用差集进行长 35 深 4.5 半径 R=4 的键槽的绘制， 如图 2.10 所示。 在 以上步骤所建的 实体上运用差集，对支承套头部进行长 100mm 宽 20mm 槽的切除，如图 2.11 所示。 继续在实体上切除一个 10mm 高 60mm 的圆柱体， 如图 2.12 所示。 对造型出的孔进行螺纹孔的造型，以 12 中的圆心为基准插入一个 M12 1.25mm 螺纹现为 12mm 深为 18mm 的螺纹孔， 如图 2.13 所示。 在实体上运用差集对两个 10mm 高 100mm 的孔进行造型， 如图 2.14 所示。 在 耳座槽的底部运用差集， 切除两个 10mm 完全贯穿的孔， 如图 2.15 所示。 图 2.11 100mm 宽 20mm 槽 图 2.12 开 10mm 深 60mm 的孔 图 2.13 M12 1.25mm 螺纹 图 2.14 10mm 深 100mm 孔 图 2.15 两个 10mm 孔的造型 图 2.16 开 两个 11mm 深 3.5mm 沉孔 对所造型的孔再进行沉孔的造型，以 15 中的圆心为基准，在 135mm 的右端面上拉伸切除两个 11mm 高 3.5mm 的圆柱体， 如图 2.16 所示。 在圆柱体的内部进行花键孔的拉削， 如图 2.17 所示。 在 110mm 底面绘制四个 M6mm 深 15mm 的螺纹孔， 如图 2.18 所示。 零件图绘制完成， 如图 2.19 所示。 图 2.17 拉花键孔 图 2.18 M6mm 深 15mm 的螺纹孔 图 2.19 零件三维图 3 零件的工艺分析 3.1 零件的功用分析 套筒类零件是机械中常见的一种零件，它的应用范围很广，主要起支承和导向作用，如图 3.1 所示是常见套类零件。由于其功用不同，套筒类零件的结构和尺寸有着很大的差别，但其结构上仍有共同点：零件的主要表面为同轴度要求较高的内外圆表面；零件壁的厚度较薄且易变形；零件长度一般大于直径等。 由 支承套零件 图可知该 零件 属于短套筒， 主要功能是起支承、导向作用。该零件结构简单，主要表面内外圆柱面、端面。其主要技术要求为： 外圆表面（ 80、 85、 110、 115）内圆表面（ 75H8、 10）、 花键孔（ 62 71 4.5） ；外圆表面对 75H8 孔的径向圆跳动公差为 0.02mm， 10 孔系间有同轴度要求 0.02 mm；左右端面孔有位置度要求为 0.1mm。材料为 HT200，批量生产。 3.2 零件的工艺分析 1）该支撑套的结构比较典型，代表了一般支撑套的结构形式，其加工工艺过程具有普遍性。 2）支承套在加工前，要进行人工时效处理，以 消除铸件内应力。加工时应注意夹紧位置，夹紧力大小及辅助支承的合理使用主，防止零件的变形。 3)支撑套底面上的 4-M6mm 孔的加工，采用同一钻模，均按外形找正，这样可保证孔的位置精度要求。 4）外圆表面采用车削方法可完成粗、半精加工，其加工可安排磨削加工。 5）内圆表面根据其直径可分别采用钻 -扩 -铰及镗削加工。对于花键孔可采用拉削方法进行加工。 6）端面的加工可采用车削完成，端部开槽可采用铣削方法完成。 （ ）油缸（ ）气缸套（ ）轴承衬套（ ）钻套（ ）滑动轴承（ ）滑动轴承图 3.1 套筒零件 4 零件工艺规程设计 4.1 确定毛坯的制造形式 套筒零件毛坯的选择与其材料、结构、尺寸及生产批量有关。孔 径小的套筒，一般选择热轧或冷拉棒料，也可采用实心铸件；孔径较大的套筒，常选择无缝钢管或带孔的铸件、锻件；大量生产时，可采用冷挤压和粉未冶金等先进的毛坯制造工艺，既提高生产率，又节约材料。 支撑套工作时要承受很大的转矩及变形的弯曲硬力，容易产生扭振、折断及磨损，要求材料应有较高的强度、冲击韧度、疲劳强度和耐磨性，由支撑套的形状相对比较复杂，而且它只是用来起连接作用和支撑作用，查阅机械加工工艺手册表 2.2-2.3，考虑到灰铸铁容易成形，切削性能、强度、耐磨性、耐热性均较好且价格低廉，而且一般零件的材料大都采 用铸铁，故选用牌号为 HT200 的灰铸铁。 表 4-1 HT200 的力学性能 牌号 抗压强度 /MPa 抗剪强度 /MPa 弹性模量 /GPa 疲劳极限 /MPa HT200 588 785 243 78 108 88 108 支撑套的毛坯：此零件属中批生产，故采用铸造毛坯。 4.2 定位基准的选择 套筒类零件主要技术是内外圆的同轴度，选择定位基准和装夹方法时，应考虑在一次装夹中尽可能完成各主要表面的加工，或以内孔和外圆互为基准反复加工以逐步提高其精度，同时，由于套类零件壁薄、刚性差，选择装夹方法、定位元 件和夹紧机构时，要特别注意防止工件变形。 1）以外圆或内孔为粗基准一次安装，完成主要表面的加工 这种方法可消除定位误差对加工精度的影响，能保证一次装夹加工出的各表面间有很高的相互位置精度。但它要求毛坯留有夹持部位，等各表面加工好后再切掉，造成了材料浪费。故多用于尺寸较小的轴套零件车削加工中。 2）以内孔为精基准用心轴装夹 这种方法在生产实践中用途较广，且以孔为定位基准的心轴类夹具，结构简单、刚性较好、易于制造，在机床上装夹的误差较小，这一方法特别适合于加工小直径深孔套筒零件，对于较长的套筒零件，可用带中心孔 的“堵头”装夹。 3）以外圆为精基准使用专用夹具装夹 当套筒零件内孔的直径太小不适于作定位基准时，可先加工外圆，再以外圆为精基准，用卡盘夹紧加工内孔。这种装夹方法，迅速可靠，能传递较大的扭矩。但是，一般的卡盘定位误差较大，加工后内外圆的同轴度较低。常采用弹性膜片卡盘、液性塑料夹头或高精度三爪自定心卡盘等定心精度高的专用夹具，以满足较高的同轴度要求。 4.2.1 精基准的选择 大批量生产的支承套，通常以底平面和内孔花键为精基准。这种定位方式很简单地限制了工件六个自由度，定位稳定可靠；在一次安装下，可以加 工除定位面以外的所有五个面上的孔或平面，也可以作为从粗加工到精加工的大部分工序的定位基准，实现 “ 基准统一 ” 原则，此外，这种定位方式夹紧方便，工件的夹紧变形小；易于实现自动定位和自动夹紧，且不存在基准不重合误差。 4.2.2 粗基准的选择 加工支承套底平面时，取要加工的面得对称面为粗基准，符合工作表面间相互位置要求原则。这样可以保证对合面加工后凸缘的厚薄较为均匀，减少的变形。 4.3 切削用量的选择原则 4.3.1 粗加工时切削用量的选择 粗加工时加工精度与表面粗糙度要求不高，毛坯余量较大。因此，选择粗加工的 切削用量时，要尽可能保证较高的单位时间金属切削量（金属切除率）和必要的刀具耐用度，以提高生产效率和降低加工成本。 1）切削深度的选择 粗加工时切削深度应根据工件的加工余量和由机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统的刚性来确定。在保留半精加工、精加工必要余量的前提下，应当尽量将粗加工余量一次切除。只有当总加工余量太大，一次切不完时，才考虑几次走刀。 2）进给量的选择 粗加工时限制进给量提高的因素主要是切削力。因此，进给量应根据工艺系统的刚性和强度来确定。选择进给量时应考虑到机床进给机构的强度、刀杆尺寸、刀片厚度 、工件的直径和长度等。在工艺系统的刚性和强度好的情况下，可选用大一些的进给量；在刚性和强度较差的情况下，应适当减小进给量。 3）切削速度的选择 粗加工时，切削速度主要受刀具耐用度和机床功率的限制。切削深度、进给量和切削速度三者决定了切削速率，在确定切削速度时必须考虑到机床的许用功率。如超过了机床的许用功率，则应适当降低切削速度。 4.3.2 精加工时切削用量的选择 精加工时加工精度和表面质量要求较高，加工余量要小且均匀。因此，选择精加工的切削用量时应先考虑如何保证质量，并在此基础上尽量提高生产效率。 1） 切削深度的选择 精加工时的切削深度应根据加工留下的余量确定。通常希望精加工余量不要留得太大，否则，当吃刀深度较大时，切削力增加较显著，影响加工质量。 2）进给量的选择 精加工时限制进给量提高的主要因素是表面粗糙度。进给量增大时，虽有利于断屑，但残留面积高度增大，切削力上升，表面质量下降。 3）切削速度的选择 切削速度提高时，切削变形减小，切削力有所下降，而且不会产生积屑瘤和鳞刺。一般选用切削性能高的刀具材料和合理的几何参数，尽可能提高切削速度。只有当切削速度受到工艺条件限制而不能提高时，才选用低速，以避开积 屑瘤产生的范围。 4. 4 拟定零件加工的工艺路线 拟定工艺路线的出发点：应当是使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求能得到合理的保证。在生产纲领和生产类型已确定为大批量生产的条件下，可以采用万能机床配以专用工夹具，并尽量使工序