机械毕业设计-法兰夹具设计零件

1 前 言 机械制造工艺课程设计使我们学完了机械制造技术，机械制造装备设计，机械制造工艺学等课程，进行了生产实习之后，所进行的一个重要实践性教学环节。其主要目的是让学生不所学的工艺理论和实践知识在实践的工艺，夹具设计中综合地加以应用，进而得以加深和发展，提高学生分析和解决生产实际问题的能力，为以后搞好毕业设计和从事工作奠定了一定基础。通过本次课程设计，我们在下述方面可以得以锻炼： 1) 能熟练的运用机械制造工艺学及相关课程的基本理论，以及在生产实习 中所学到的实践知识，正确的分析和解决一个零件在加工中的定位，加紧和 工艺路线地合理拟定等问题，从而保证零件制造的质量，生产率和经济性。 2) 通过夹具的工艺，进一步提高了我们的结构设计能力，你能够根据被加工零件的加工要求设计出高效省力，既经济合理有能保证质量的夹具。 3) 进一步提高我们的计算设计制图能力，能比较专业熟练地查阅和使用各种技术资料。 4) 在设计制造中培养我们严谨的工作作风和独立的工作能力。 在设计中，由于理论知识和实践经验不足，设计中的不妥之处，敬请老师批评指正。 2 一、 零件的分析 （一）零件的功用： 机械制造工艺设计我们组的零件是法兰，法兰的种类很多，用途也很广。法兰 的一端可以是封闭的，用于变速箱用于变速箱主轴侧面，阻止外界灰尘进入箱体内，也可用于固定轴承，起到轴向定位的作用，本例中的法兰，其内部有 90 的螺纹可以起到定位轴的零件作用，外圆 和一端面均有 配合要求， 9 和 4- 起到固定法兰的作用。 （二）零件的工艺分析： 由零件图可以看出，该法兰的结构不是很复 杂，加工表面也不多，加工精度要求也不大，但主要注意其位置精度要求。 下面将主要表面分为四部分，见图 1 1、以内孔为中心的一组加工面： 这组加工面包括： 94 孔、 纹孔及其倒角。 2、以外圆为中心的一组加工面： 这组加工面包括： 外圆、 134 及其倒角。 3、以 120 定位的两个孔 这组加工面包括： 9 孔和 4- 孔。 4、左右端面： 这组加工面包括： 9 的端面和 4- 表面的端面和 的端面。 以上各表面的主要技术要求如下： 3 1、 94 孔的表面粗糙度为 纹的表面粗糙度为 2、外圆 轴度要求 为 角为1 45， 134 面粗糙度为 3、 4- 端面与轴心线有位置 要求。其 4、孔 4- 9 零件要求调质 5，其坯重为 由分析可知，四组加工表面可以选择其中一组表面为粗基准进行加工，然后再以加工过的表面为精基准加工其他各组表面，并保证他们之间的相互位置精度。 二、 零件的工艺规程设计 （一）确定零件的生产类型： 零件的生产纲领为： N=Q n（ 1+a%）（ 1+b%） (件 /年 ) 其中，产品年产量 Q 为台 /年 , 每台产品中该零件的数量为 n 件 /台，零件备品率为 a%，零件废品率为 b%。从初始资料和计算结果可知，该零件为中批生产。 （二）确定零件毛坯的制造形式： 零件为 45 钢，在工作时法兰在某些场面要经常正反转，与接触表面受摩擦作用，所以零件在工作过程中受到交变载荷和冲击载荷，要求有较高的强度，因此应该选择锻件毛坯。由于零件的轮廓尺寸不4 大，生产纲领达到中批生产水平，可以采用模锻成 型，这对于提高生产率，减少切削加工的劳动量，保证加工精度，都是有利的。 (三 )拟定零件的机械加工工艺路线： 1、定位基准的选择： 定位基准的选择是拟定零件的机械加工路线，确定加工方案中首先要做的重要工作。基面选择正确、合理与否，将直接影响工件的技工质量和生产率。在选择定位基准时，需要同时考虑一下三个问题： （ 1）以哪一个表面作为加工时的精基面或统一基准，才能保证加工时精度，使整个机械加工工艺过程顺利地进行。 （ 2）为加工上述精基面或统一基准，应采用哪一个表面作为精基面。 （ 3）是否有个别工序为了特殊的加工 要求，需要采用统一基准以外的精基面。 另外，我们还应从粗精基准选择的基本原则为出发点： a“基准重合”原则。应尽量选择被加工表面的设计基准为精基准。 b.“基准统一”原则。应选择多个表面加工都能使用的表面作为基准。 c.“互为基准”原则。当两个表面相互位置精度和其自身尺寸及形状精度都要求很高时，可互为基准，反复进行加工。 d.“自为基准”原则。在光整加工或某些精加工工序中，要求余量小且均匀，应尽量选择加工表面本身作为基准。 5 2、粗基准选择： 要表面的余量均匀，应选择该表面作为粗基准。 尽可能平整光洁，不能有飞边。浇冒口及其他缺陷，以保证定位准确可靠。 . 再重复使用。 精基面选择：根据精基面的选择原则。选择精基面时，首先应考虑基准重合问题，即在可能的情况下，应尽量选择螺纹孔和端面作为精基准。根据该工件的特点和加工要求，选择螺纹孔和端面作为精基面。加工 ， 94， 134， 20 5 120 等主要尺寸以螺纹孔和右端面作为精面。这样才能实现同轴度和位置的要求。对于 4 有相互位置要求，加工笫一个孔时应以螺纹孔和右端面为精 基准。其余三个孔应以螺纹孔和已加工出的孔作为精基准，实现周向定位。 粗基面选择：为了加工出上述精基面，很显然，应以外圆和一个端面作为粗基面，镗，半精镗内孔。 零件各表面加工方法和方案的选择，首先要保证加工表面的加工精度和表面粗糙度的要求，另外还需考虑生产率和经济方面的要求，在选择时，应根据各种加工方法的特点及其经济加工精度和表面粗糙6 度，结合零件的特点和技术要求，慎重决定。 该工件毛坏经模锻成型，根据表 2知孔已锻出。金属加工工艺及工装设计黄如林主编。其各表面加工方法选择如下： 94孔， 90 螺纹孔 粗镗 精镗； 各外圆表面 粗车 精车； 9 ， 4 钻 铰； 9 0 1 螺纹孔 车螺纹。 3、零 件各表面加工顺序的确定： 1）加工阶段的划分：为达到规定的技术要求，该法兰盘的加工可分为如下三个加工阶段： 外圆，端面，内孔； 精车后为主要精基准，精车，外圆，端面； 端面和 9 孔定位，加工另外三个孔。 对于精度要求很高，表面粗糙度参数值要求很小（ 6 6上，m ）的零件，还需要专门精度和减小表面粗糙度为主，一般不用纠正形状精度和位置精度。 2）加工工序的安排： 据机械加工顺序安排时应遵循的原则，考虑到该工件的具体特点，先安排外圆，端面，内孔的加工。由于螺纹内孔是主要精基准，又由于车螺纹后作为定位基准，会破坏螺纹，须以精加工后的未车螺纹之前的内孔作为主要精基准，精车外圆，端面，然后加工出一个孔，最后加工出四个孔。 7 于毛坯为模锻件，在机械加工之前，首先安排正火处理，以 消除锻造应力，改善切削性能。在粗加工后，安排第二次热处理 调质处理，以获得均匀细致的回火索氏体，提高零件的综合力学性能。 验工序：在热处理工序后安排中间检验工序，最后安排终结检验工序。在终检前应安排清洗工序，最后将零件油封，入库。 3）工序的组合： 在确定加工顺序后，根据该工件的生产规模以及工件的结构特点与技术条件，为了尽可能地减少工件的安装次数，在一次安装中加工多个表面，以便于保证高的表面相互位置精度，考虑使用通用机床配以专用夹具，并采用工序集中的原则来组合工序。 工序集中和分散各有 特点，应根据零件的生产纲领，技术要求，现场的生产条件和产品的发展情况来综合考虑。一般情况下，单件小批生产适于采用工序集中的原则。而大批量生产则可以集中，也可以分散。由于数控机床，加工中心，柔性制造系统等的发展，今后发展趋向于采用工序集中且柔性较高的原则来组织生产。 零件法兰由于是中批生产，又考虑到该零件结构特点，选用通用机床配以夹具，这样得到零件的工艺路线如下： （ 1）下料； （ 2）锻造毛坯； （ 3）正火； 8 （ 4）粗车小端外圆，端面，镗孔及倒角； （ 5）粗车大端外圆，端面，镗孔及倒角； （ 6）调质处理； （ 7）检验； （ 8）精车各档外圆，端面，倒角，攻螺纹； （ 9）钻 孔，锪 孔直到 9； （ 10）清洗； （ 11）检验； （ 12）油封，入库。 以上工艺过程详见机械加工工艺过程卡和工序卡片。 （四）确定加工余量： 合理选择加工余量对零件的加工质量和整个工艺过程的经济性都有很大影响。余量过大，则浪费材料及工时，增加机床和刀具的消耗；余量过小，则不能去掉加工前存在 的误差和缺陷层，影响加工质量，造成废品。所以合理确定加工余量是一项很重要的工作。故应在保证在保证加工质量的前提下尽量减少加工余量。确定工序加工余量的方法有以下三种： 1）分析计算法； 2）查表修正法； 3）经验估算法。 工艺路线确定后，就要计算各个工序加工时所应能达到的工序尺寸及其公差的确定与工序余量的大小，工序尺寸的标注方法，基准选9 择中间工序安排等密切相关，是一项繁琐的工作，但就其性质和特点而言，一般可以归纳为以下两大类： 表面本身各次加工工序尺寸的计算。对于这类简单的工序尺 寸，当决定了各工序间余量和工序所能达到的加工精度后，就可计算各工序的尺寸和公差。计算顺序是从最后一道工序开绐，由后向前推。 零件的加工过程中，为了加工和检验方便可靠或由于零件表面的多次加工等原因，往往不能直接采用设计 毛坯图 10 基准作定位基准，出现基准不重合的情况。形状较复杂的零件在加工过程中需要多次转换定位基准，这时工艺尺寸的计算就比较复杂，应利用尺寸链原理进行分析和计算，并对工序间余量进行必要的验算，以确定工序尺寸及其公差。 机械加工余量对工艺过程有 一定的影响，余量不够，不能保证零件的加工质量，余量过大，增加机械加工劳动量，而且增加了材料。刀具能源的消耗，从而增加了成本，所以必须合理安排加工余量。 根据零件毛坯条件：材料为 45 钢，硬度为 产类型为中批生产，采用在锻模毛坯。 1、本设计采用查表修正法和经验估计法相结合确定各加工表面的机械加工余量，工序尺寸及毛坯尺寸。 （ 1） 外圆表面加工余量 小端外圆长度 工表面公差等级为 面粗糙度 锻造时外径加工余量按 110f 外圆查表得：精车 ，2Z=车可以达到该公差等级，按照“入体原则”，粗车 ，2Z=坯 117 2， 2Z=72 。 （ 2）轴向长度方向加工余量，左、右端面及中间台阶面的加工。 余量查表得 Z=31 ，故毛坯总长为 26 2端台阶长为 2 （ 3）内孔表面加工余量。工件内孔为螺纹孔和光孔。由于 94 和90 相差较小，故锻造时取统一内径，加工余量按 94 内孔查表得：车螺纹 2Z=镗内孔 2Z=镗内孔 86，11 2Z=8；毛坯 2， 2Z=9 2，毛坯图见 1余各表面加工余量及工序尺寸详见工序卡片。 2、确定各工序所用机床及工艺装备： 零件的加工精度和生产率在很大程度上是由使用的机床所决定的。在设计工艺规程时，主要是选择机床的种类和型号。选择时参考有关手册，产品样本。选择工艺装备即选择夹具、刀具、量具等，在选择时应考虑产品的生产纲领、生产类型及生产组织结构；产品的通用化程度及产品的寿命周期；现由设备、工艺规程的特点等情况。 由于该工件生产规模为中批生产，根据工件的结构特点和技术要求，选用通用机床余 专用夹具较为合适。具体的选择如下： （ 1）粗车各档外圆、端面，镗孔及倒角。选用 通车床。夹具：三爪卡盘。 （ 2）精车 134端面。选用 通车床。夹具：专用心轴。 （ 3）精车左端面及 用 通车床。夹具：心轴。 （ 4）钻铰 。选用 具：专用夹具。 （ 5）锪 9。选用 具：专用夹具。 另外刀具的选择主要取决于各工序的加工方法、工件材料、加工精度、所用机床性能，生产率及经济性等。量具主要根据生产类型和所要求检验的精度来选择。其选择的型号详见工序卡片。 3、确定切削用量及工时定额： 12 切削用量应在机床、刀具、加工余量等确定以后，综合考虑工序的具体内容、加工精度、生产率、刀具寿命等因素正确选择。 选择切削用量的基本原则是：首先选取尽可能大的背吃刀量（即切削深度） p ， 其次要根据机床动力和刚 性限制条件或已加工表面粗糙度的规定等，选取尽可能大的进给量 f，最后利用切削用量手册选取或用公式计算确定最佳切削速度 v。 a. 估算工时定额：T+ST+rT=bT+T+ 单件时间； 作业时间； 布置工作地时间； 休息与生理需要时间； 辅助时间； 基本时间。 b. 准备与终结时间 c. 单件计算时间 cT=bT+T+ 其具体计算过程如下： 此处省略 N 字 ,如需更多全套图纸和论文资料，请联系扣扣九七一九二零八零零 13 此处省略 N 字 ,如需更多全套图纸和论文资料，请联系扣扣九七一九二零八零零 14 此处省略 N 字 ,如需更多全套图纸和论文资料，请联系扣扣九七一九二零八零零 15 此处省略 N 字 ,如需更多全套图纸和论文资料，请联系扣扣九七一九二零八零零 16 此处省略 N 字 ,如需更多全套图纸和论文资料，请联系扣扣九七一九二零八零零 17 此处省略 N 字 ,如需更多全套图纸和论文资料，请联系扣扣九七一九二零八零零 18 三、专用夹具设计 图 1示为法兰零件图，生产规模为中等批量生产，零件的某些尺寸已经在前工序按要求加工完毕，本道工序要求在 式钻床上加工 孔，需要设计一专用钻床夹具以便满足零件图上的各项精度要求。 （一）零件的加工工艺分析： 零件对 的要求如下 ： 120 a 为 加工面的凸台面积较小，故需要专用夹具，又由于上下端面均已经加工完毕，所以精基准选上下端面，侧面或者中心孔。 （二）定位加紧方案的确定及论证： 根据工序加工要求分析，工件定位时只需限制六个自由度，沿法兰方向的转动自由度也必须予以限制。现在有三种定位夹紧方案可供选择。三种夹紧定位方案简图如下： 方案 1 图示： 19 图 3案 2 图示： 图 30 方案 3 图示： 图 3 工件以右端面为第一定位基准，限制 3 个自由度，可知法兰右端台阶较小，相当于短圆柱销。其中右端面作为基准，限制的自由度为 Z ， X 和 Y 短圆柱销限制 Y 和 Z ，共有 X， Y， Y 和 Z 四个自由度受到限制， V 形块限制 X 和 Z，这样便可以保证孔的正确位置。 根据主要夹紧力由 V 形块和削边销提供，当削边销发生磨损后，主要加紧力由 V 形块提供，由于是侧面提供夹紧力，故需要对 V 形块施加较大的力。为使工件稳定，防止产生共振现象等不稳定现象，可以进行自定位支承，在钻削过程中，容易产生较大的轴向力，下面设一辅助支承，以减少工件产生变形，图 3该定位夹紧方案的图示。 B 工件以右端面为第一定位基准，分别限制了 4 个自由度，其21 小平面和长圆柱销供限制里个自由度即 X ， X， Y ， Y 和 Z 。又由于短 V 形块限制了 Z，故 6 个自由度全部被限制。 根据主要夹紧力由短 V 形块提供，且 V 形块的面积和法兰的接触面积较小，故需提供较大的预紧力。为确定加工过程中工件的加工稳定性，需设置辅助支承；为防止过定位情况的出现，可以采用自位支承。 3该 定位夹紧方案示意图，但此方案需将加工路线中车螺纹放到了后面。 C 由于该工件的形状和结构特点，该定位基准仍采用右端面，该端面属于大平面与法兰的右端面接触，分别限制了 Z ， X 和 Y 三个方向上自由度。又 V 形块限制了 X ， Z 和 Y 三个方向上自由度，这样保证零件的定位可靠。 根据主要夹紧力作用于定为基准面的原则，主要夹紧力由 V 形块和开口垫圈来提供，其中 V 形块上的受力较大，又 由于钻孔处的的零件较薄弱，为防止工件过大变形，需设置辅助支承，图 3示为定位夹紧方案。 比较上述的三种方案，可以看出它们的优缺点。三种方案都可以满足定位基准和设计基准相重合的原则，这是它们的主要优点。方案一和方案二分别在中心轴线处采用了削边销和长圆柱销，均出现了局部过定位现象，但还是可以满足加工要求的，但需要加上自位支承，增加了专用夹具的复杂性。前两种方案中的 V 形块都需要提供较大的夹紧力，而方案三的夹紧力由开口垫圈和 V 形块分担，且有辅助支承存在，没出现过定位现象，也不需要提供自定位支承来解除过定22 位的自由 度，且方案三结构紧凑操作方便，定位误差较小，并且可以满足加工精度的要求。根据孔的位置要求，该夹具上安装有分度装置，从而提高了生产效率，使一次安装能同时加工出四个孔 .。 (三 ) 定位误差分析： 首先，在对夹具进行定位误差分析之前，对已经选定的方案工作原理做一下说明： 该夹具用于立式钻床，钻削法兰上四个孔。工件以端面，止口和凸台圆弧在夹具体 7 和 V 形块 9 上定位。转动手柄 10，在弹簧作用下使 V 形块 9 向右运动，起角向定位作用，拧紧螺母 2，通过开口垫圈 3 将工件压紧。当一个孔钻好后，拉动手柄 10 并旋转 090 ，使 V 形块 9 脱离工件再向上推动手柄 5，对髽脱离分度盘 8，转动夹具体 7至相应位置时，对定爪 6 在弹簧销 4 的作用下，插入分度盘 8 的槽中分度对定，钻削另一个孔。其余各孔按同样的方法依次加工。了解了该专用夹具的工作原理之后，将对此夹具在使用过程中的定位误差做如下分析 : 该误差主要存在于分度装置的精度问题，在加工完毕一个孔后，需转动夹具体 090 的角度来加工下一个孔，定位夹紧后，通过钻头产生的轴向力会使工件发生倾斜现象，即便有辅助