主轴箱箱体工艺及工装设计

III 摘 要 本文是对箱体零件三维造型及零件的机械加工工艺路线进行设计，并按照加工工序的要求进行了夹具设计。三维造型主要表达了零件的造型过程，并可根据零件三维图样自动生成零件的数控加工程序。 主轴箱作为箱体类零件，其主要加工表面是平面及孔。其加工路线长，加工时间多，加工成本较高，零件的加工精度要求也较高。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。基准选择以底面作为粗基准，以底面与两个工艺孔作为精基准，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 。 在零件的夹具设计中，主要是根据零件加工工序要求，分析应限的自由度数，进而根据零件的表面特征选定定位元件，再分析所选定位元件能否限定应限自由度。确定了定位元件后还需要选择夹紧元件，最后就是确定专用夹具的结构形式。 关键词 主轴箱；加工工艺；工序；专用夹具 IV Abstract This article is to the body parts 3 d modelling and parts machining process route design, and according to the requirements of machining process for fixture design. 3 d modelling mainly expressed the moulding process of the parts, and can according to the parts 3 d drawings of nc machining program automatically generate parts. The main spindle box, a box body parts, the main processing surface is flat and hole. Its processing route, long processing time, processing cost is higher, the machining precision of parts request also is higher. According to the machining process requirement, follow the principle of surface hole after first, and will be in the plane of the hole and processing into rough machining and finish machining stage to ensure the machining accuracy. Crude benchmark, the benchmark choice on bottom as the bottom with two hole as a benchmark, to determine the processing technology and processing required in the various process parameters. In parts of fixture design, mainly according to the parts processing process requirements, the analysis should limit the freedom degree, and according to the surface features of parts positioning element selected, then analysis the selected components can limit should be the limit of degrees of freedom. Determine the positioning components also need to select after clamping device, the structure of special fixture is determined in the end. Key words spindle box； Processing technology； Process； Special fixture. 主轴箱箱体工艺工装设计 V 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 .1 1.2 国内外的发展概况 .1 1.3 本课题应达到的要求 .2 2 零件的造型 .3 3 零件的分析 .6 3.1 零件的作用 .6 3.2 零件的工艺分析 .7 3.2.1 零件图样分析 .7 3.2.2 工艺分析 .8 4 工艺规程设计 .10 4.1 确定毛坯的制造形式 .10 4.2 定位基准的选择 . 11 4.2.1 粗基准的选择 . 11 4.2.2 精基准的选择 .12 4.3 拟定工艺路线 .13 4.3.1 划分加工阶段 .13 4.3.2 安 排加工顺序 .13 4.3.3 拟定加工工艺路线 .14 4.4 机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定 .16 4.5 确定切削用量及工时定额 .18 5 专用夹具设计 .33 5.1 问题的指出 .33 5.1.1 机床夹具的作用 .33 5.1.2 铣床夹具的主要类型及结构形式 .33 5.1.3 机床夹具的组成 .34 5.2 夹具设计 .34 5.2.1 夹具体设计 .34 5.2.2 定位基准的选择 .34 5.2.3 定位方案和元件设计 .34 5.2.4 定位误差的计算 .35 5.2.5 铣削切削力计算 .35 5.2.6 夹紧机构的设计 .36 5.2.7 对刀装置 .37 6 结论与展望 .38 6.1 结论 .38 6.2 不足之处及未来展望 .38 设 计小结 .39 致谢 .40 参考文献 .41 主轴箱箱体工艺工装设计 1 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我们开发、设计和创新机械产品的能力，要求我们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。 就我个人而言，通过这次毕业设计队自己所学的理论知识进行一次综合运用，也是对四年的学习深度的一个检验。从中锻炼了自己分析问题、解决问题的能力，并希望通过毕业设计能养成一种严 谨、务实、求真、奋进的工作态度，不仅是对生活的一种感悟，而且为参加工作打下一个良好的基础。因而具有十分重要的意义。 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。人无锡太湖学院学士学位论文 2 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。 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。要想达到这样的生产要求，就必须计算加工工序零件在加工过程中由于切削力、重力、惯性力等所产生的切削力及切削力矩，按照夹具设计中所确定的夹紧方式进行夹紧力的计算，为了减小夹具的具体尺寸，就需要增大夹具的定位区间，增大由夹紧力而产生的摩擦力矩、正压力及由此而产生的摩擦力，以达到夹具小巧而精用的目的。同时为了减少工人的劳动强度，提高工件装夹效率，还需要对夹具的夹紧机构的行程进行设计，以期 以最短的夹紧行程，达到最佳的夹紧效果。 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，首先通过对零件的三维造型，对零件的基本结构及作用有个大致的了解，在此基础上，经过对金属切削加工、金属切削机床、机械设计与理论等相关知识充分掌握后，分析零件的加工工艺，确定零件各加工表面的加工方法，进而形成零件的机械加工工艺路线。并能根据零件的加工工序要求，分析零件的定位方式、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，结合机械机构设计的相关理论知识，完成工件的有效定位及夹紧，从而使整个零件的加工工艺路线经济，工件定位方案合理，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。 主轴箱箱体工艺工装设计 3 2 零件的造型 根据 C6150 车床主轴箱箱体的零件图，进行箱体零件的形体分析，进而分析零件的作图步骤，先选取左视图为第一造型平面确定平面坐标系，布图（画各图基准线），绘制主体结构。 利用二维编辑命令绘制特征图，并利用面域命令将其 生成封闭图形。 线框的生成，根据零件图的大小，运用画线及平移生成图示距离的外形轮廓，选中剪切功能键，将多余的线条裁掉，如图 2.1 所示。 面域的生成，选中外围的封闭区间，然后做面域，如图 2.2 所示。 实体的生成，选中绘制好的面域，然后做拉伸，拉伸的长度为 650mm，如图 2.3 所示。 其他各面板的生成。 此过程仅例举部分图样生成过程，使用拉伸命令分别拉伸各特征面域创建个部分的三维实体，包括拉伸、绘制连接板、轴孔、圆角等 ，并且运用差集绘制出孔。 图 2.1 线框图 图 2.2 面域图 图 2.3 底板的拉伸 无锡太湖学院学士学位论文 4 前后板的生成，同上底板绘制步骤相同，分别做线框、面域，然后拉伸出规定的长度，如图 2.3 所示。 左箱壳的生成，隐藏上半部分绘图时的图层，然后绘制左箱壳的外形图。做成面域，最后在进行拉伸功能形成实体，如图 2.5 所示。 选中圆面做拉伸，依次选中侧面的各圆面分别做拉伸，拉伸高度为 60mm。做差集，点击差集按钮先选中外围的实体模型，然后右击，再选中各圆柱模型右击即可差集，如图2.6 所示。 零件 各部分拼接（使用命令：移动、对齐、 USC）。 壳体的移动，将做好的不同部位在同一个图层里打开，运用对象捕捉功能键，将相对图 2.4 前后板的拉伸 图 2.5 左箱壳的拉伸 图 2.6 实体模型做差集 图 2.7 各部分的移动 主轴箱箱体工艺工装设计 5 位置不确定的各部分移动到正确的位置，以便于进行拼接与组合，如图 2.7 所示。 做并集，在确保上步各部分已经移动到准确的位置并对齐之后，点击并集按钮先选一部分实体模型，再选中另一部分实体模型右击即可并集，如图 2.8 所示。 整体编辑，箱体成型（使用命令：并集、差集、圆角）。 同上，运用拉伸、移动和差集做箱体的最后一部分右箱壳，然 后将右箱壳移动到相应的位置，打开各实体图层，运用并集将所有部分形成一个整体，并且进行倒圆角等处理，如图 2.9 所示。 图 2.8 实体模型做并集 图 2.9 箱体成形 无锡太湖学院学士学位论文 6 3 零件的分析 3.1 零件的作用 题目所给定的零件是 C6150 车床主轴箱箱体（如图 3.1 所示及图 3.2 所示），其主要作用是：箱体类零件是机器或部件的基础零件， C6150 车床主轴箱箱体是 将主电机传来的旋转运动经过一系列的变速机构使主轴得到所需的正反两种转向的不同转速，同时 主轴 箱分出部分动力将运动传给进给箱。 同时它将机器或部件中的轴、套、齿轮等有关零件组装成一个整体，使它们之间保持正确的相互位置，并按照一定的传动关系协调地传递运动或动力。 因而主轴 箱 是 C6150 车床主传动系 中 的 关键零件。 因此，箱体的加工质量将直接影响机器或部件的精度、性能和寿命。 图 3.1 零件图 主轴箱箱体工艺工装设计 7 3.2 零件的工艺分析 3.2.1 零件图样分析 在编制零件机械加工工艺规程之前，首先应研究零件的工作图样和产品装备图样，熟悉该产品的用途、性能及工作条件，明确该零件在产品中的位置和作用；了解并研究各项技术条件制定的依据，找出其主要技术要求和技术关键，以 便在拟定工艺规程时采用适当的措施加以保证。 图 3.2 零件展开图 无锡太湖学院学士学位论文 8 零件的材料为 HT200，灰铸铁生产工艺简单，铸造性能优良，减震性能良好。 传动箱体 需要加工表面以及加工表面的位置要求。现分析如下： 1）该零件为机床主轴箱，主要加工部位为平面和孔系，其结构复杂，精度要求又高，加工时应注意选择定位基准及夹紧力。 2）箱体上 B 面平面度公差为 0.02mm。 3）箱体上 A 面与 D 面的垂直度公差为 0.02/100mm 4）箱体上 C 面与 D 面的垂直 度公差为 0.05/300mm 5）箱体上 D 面与 W 面的垂直度公差为 0.02mm。 6） 1 轴轴孔的轴线对基准 K、 C 的圆跳动公差分别为 0.03/300mm 7） D 轴轴孔的轴线对基准 C 的平行度公差为 0.03/300mm；对基准 H 的平行度公差为0.03/500mm. 8）铀轴孔的轴线对基准 C 的平行度公差为 0.03/300mm；对基准 V 的平行度公差为0.03/200mm。 9）轴轴孔内表面对基准 H 的平行度公差为 0.03/300mm；轴各轴孔表面对基准 C的同轴度公差为 0.006nm。 10）轴各轴孔的圆度公差均为 0.005mm；每孔内表面相对侧母线的平行度公差为0.01mm。 11）轴轴孔的轴线对基准 D 的平行度公差为 0.03/650mm。 12）轴轴孔的轴线对基准 W 的平行度公差为 0.03/650mm。 13） V 轴轴孔的轴线对基准 Q、 N 的平行度公差均为 0.02/200mm。 14）轴轴孔的轴线对基准 N 的平行度公差为 0.02/200mm。 15）材料 HT200。 16）铸件人工时效处理。 3.2.2 工艺 分析 工艺分析的目的主要有两个： 一是审查零件的结构形状及尺寸精度、相互位置精度、表面粗糙度、材料及热处理等的技术要求是否合理，是否便于加工与装配； 二是通过工艺分析，对零件的工艺要求有进一步的了解，以便制定出合理的工艺规程。 1）铸件必须进行时效处理，以消除应力。有条件时应在露天存放一年以上再加工。 2）为了保证加工精度应使定位基准统一，该零件主要定位基准，集中在 D 面和 W 面上。 3）镗孔时，在可能的条件下尽量采用“支承镗削”方法，以增加镗杆的刚性，提 高加工精度。对直径较小的孔、应采用钻、扩、铰加工方法。 为保证在同一轴上各孔的同轴度，可采用在已加工孔上，安装导向套再加工其他孔的方法。 主轴箱箱体工艺工装设计 9 4）为提高孔的加工精度，应将粗镗、半精镗和精镗分开进行。 5）铸造时一般 50mm 以下孔不铸出。 6）孔的尺寸精度检验，使用内径千分尺或内径百分表进行测量。轴内孔之间距离的测量可以通过孔与孔之间壁厚进行间接测量。 7）同一轴线上各孔的同轴度，可采用检验心轴进行检验。 8）各轴孔的轴线之间的平行度，以及轴孔的轴线与基准面的平行 度，均应通过检验心轴进行测量。 C6150 车床主轴箱箱体作为主传动系的支承零件，各传动轴间要求一定的位置精度，因此，加工此箱体的主要任务是保证各孔系间的相互位置精度。在此箱体的加工中保证各孔正确位置是靠 T68 坐标镗床手动控制坐标来完成的，为更好地保证加工质量，单件小批量生产也可采用组合夹具、专用镗模进行加工，批量较大时，应采用专用镗模进行加工。 根据 C6150 车床主轴箱箱体零件图可知，其主要加工面是进行导轨面的加工、表面加工、孔加工、钻孔、攻丝，孔的精度要求高。该零件年生产属小批量生产，设计 加工零件所需要的专用夹具是为了提高劳动效率、降低成本。 无锡太湖学院学士学位论文 10 4 工艺规程设计 4.1 确定毛坯的制造形式 毛坯的选择不仅影响毛坯的制造工艺及费用、零件生产率和经济性，而且也与零件的机械加工工艺和质量密切相关。故正确选择毛坯具有重大的技术经济意义。 毛坯选择时，应全面考虑以下因素： 1）零件的材料及机械性能要求； 2）零件的结构形状与外形尺寸； 3）生产类型，它在很大程度上决定采用毛坯制造方法的经济性； 4） 现有生产条件； 5）充分考虑利用新工艺、新材料、新技术的可能性。 长期使用经验证明，由于灰口铸铁有一系列的技术上（如耐磨性好，有一定程度的吸震能力、良好的铸造性能等）和经济上的优点，通常箱体材料采用灰口铸铁。最常用的是HT200400，当载荷较大时，采用 HT300540 高强铸铁。 箱体的毛坯大部分采用整体铸铁件或铸钢件。当零件尺寸和重量很大无法采用整体铸件（受铸造能力的限制）时，可以采用焊接结构件，它是由多块金属经粗加工后用焊接的方法连成一整体毛坯。焊接结构有铸 焊、铸 煅 焊、 煅 焊等。采用焊接结构可以用小的铸造设备制造出大型毛坯，解决铸造生产能力不足的问题。焊前对各种组合件进行粗加工，可以部分地减轻大型机床的负荷。 毛坯未进入机械加工车间之前，为不消除毛坯的内应力，对毛坯应进行人工实效处理，对某些大型的毛坯和易变形的零件粗加工后要再进行时效处理。 毛坯铸造时，应防止沙眼、气孔、缩孔、非金属夹杂物等缺陷出现。特别是主要加工面要求更高。重要的箱体毛坯还应该达到规定的化学成分和机械性能要求。 图 4.1 毛坯图 主轴箱箱体工艺工装设计 11 该零件为箱体类，且外型尺寸较大，材料为 HT200，零件的形状较复杂，因此不能用锻造，只能用铸件，采用砂型铸造毛坯（如图 4.1 所示）（适用于形状复杂的毛坯，良好的耐磨性、抗震性、切削加工性和铸造性能）。采用小批量造型生产。根据零件主要的加工表面的粗糙度查参考文献机械制造工艺简明手册确定各表面加工余量。 毛坯铸造时，应防止砂眼和气孔的产生。为了减少毛坯制造时产生残余应力，应使箱体壁厚尽量均匀，箱体浇铸后应安排时效或退火工序。 该主轴箱的材料是 HT200，单件小批生产，由于结构复杂，所以毛坯采用铸件。为了提高箱体加工精度的稳定性 ，采用时效处理以消除内应力。 4.2 定位基准的选择 定位基准的选择是工艺规程设计中的重要工作之一。定位基准选择正确、合理，可以保证零件的加工质量，提高生产率。否则，就会使加工工艺过程问题百出，使生产无法进行。 主轴箱定位基准的选择，直接关系到箱体上各个平面与平面之间、孔与平面之间、孔与孔之间的尺寸精度和位置精度要求是否能够保证。在选择基准时，首先要遵守“基准统一”和“基准重合”的原则，同时必须考虑生产批量的大小、生产设备、特别是夹具的选用等因素。 该箱体的结构复杂，壁厚不均，刚性不 好，而加工精度要求又高，故箱体重要加工表面都要划分粗、精加工两个阶段，这样可以避免粗加工造成的内应力、切削力、夹紧力和切削热对加工精度的影响，有利于保证箱体的加工精度。 4.2.1 粗基准的选择 选择粗基准时，主要要求保证各加工面有足够的余量，使加工面与不加工面间的位置符合图样要求，并特别注意要尽快获得精基面。具体选择时应考虑下列原则： 重要表面 原则 为保证工件上重要表面的加工余量小而均匀，则应选择该表面为粗基准。 不加工表面 原则 为了保证加工面与不加工面间的位置要求，一般应选择不加工面为粗基准。 余量最小 原则 如果零件上每个表面都要加工，则应选择其中加工余量最小的表面为粗基准，以避免该表面在加工时因余量不足而留下部分毛坯面，造成工件废品。 使用一次 原则 因为粗基准本身都是未经机械加工的毛坯面，其表面粗糙且精度低，若重复使用将产无锡太湖学院学士学位论文 12 生 较大的误差。 平整光洁 原则 以便工 件定位可靠、夹紧方便。 根据生产类型不同，实现以主轴孔为粗基准的工件安装方式也不一样。大批大量生产时，由于毛坯精度高，可以直接用箱体上的重要孔在专用夹具上定位，工件安装迅速，生产率高。在单件、小批及中批生产时，一般毛坯精度较低，按上述办法选择粗基准，往往会造成箱体外形偏斜，甚至局部加工余量不够，因此通常采用划线找正的办法进行第一道的工序加工，即以主轴孔及中心线为粗基准对毛坯进行划线和检查，必要时予以纠正，纠正后孔的余量应足够，但不应定均匀。 该主轴箱箱体为单件小批量生产，在单件小批量生产时，由于毛坯精度低， 所以以划线找正法安装。划线时先找正主轴孔中心，然后以主轴孔为基准找出其他需加工平面的位置。加工该箱体时，按所划的线找正安装工件，则体现的是以主轴孔作为粗基准。 4.2.2 精基准的选择 选择精基准时，主要考虑保证加工精度和工件装夹方便可靠。一般应考虑以下原则： 1) 基准重合原则 即选用设计基准作为定位基准，以避免定位基准与设计基准不重合而引起的基准不重合误差。 2) 基准统一原则 应采用同一组基准定位加工零件上尽可能多的表面，这就是基准统一原则 。 3) 自为基准原则 某些要求加工余量小而 均匀的精加工工序，选择加工表面本身作为定位基准，称为自为基准原则。 4) 互为基准原则 5) 便于装夹原则 所选精基准应保证工件安装可靠，夹具设计简单、操作方便。 为了保证箱体零件孔与孔、孔与平面、平面与平面之间的相互位置和距离尺寸精度，箱体类零件精基准选