毕业设计(论文)-基于ProE的拉床夹具设计40905.doc

摘 要 由于机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的主要标志之一，为 了适应机械工业又好又快发展的需要，作为工业中重要组成部分的齿轮、夹具 势必要不断的改革和创新，才能不被淘汰,本设计是基于 pro/e 软件应用的齿轮 专业夹具设计.在夹具的虚拟设计中,首先分析了夹具的结构和功能,然后根据要 加工的齿轮确定了夹具的结构,各组成部分及相关尺寸.由于本工序是加工的齿 轮的内孔键槽，因此适宜采用法兰盘、导套、定位销等组成的组合夹具,本设计 采用的是由底向上的设计方法.在完成各个零件的建模后, 用 pro/e 的虚拟装配 功能对零部件进行了装配. 关键词:专用夹具,pro/e,由底向上,装配. based on pro / e of the broaching machine fixture design abstract a the level of production machinery industry is one of the main signs of a countrys level, in order to adapt to industrial machinery better and faster development needs, as an important industry in the integral part, the gear and fixture will definitely try to continue the reform and innovation, the design is based on pro / e software applications professional gear fixture design. in the design of virtual fixture, first, we analyze the structure and function of fixture, and then processed in accordance with the gear necessary to determine the structure of the fixture, the size of components and related. as a result of this process is the processing of the inner hole of the gear keyway, therefore appropriate flange, guided kit composed of pin modular fixture, the design used by the design of bottom-up approach. upon completion of the various parts of the modeling, the use of pro / e features of the virtual assembly of parts and components for the assembly.s keywords: special fixture,pro/e, from bottom-up, assembly. 目 录 1 绪论 1 2 设计理念 2 2.1 概念设计 .3 2.1.1 夹具的分类 3 2.1.2 夹具的组成 4 2.1.3 现代车床夹具的发展方向 5 3 夹具的设计 6 3.1 工件加工要求分析 6 3.2 确定夹具类型 .6 3.3 拟定定位方案和夹紧元件 .6 3.4 夹紧元件的设计 .7 3.5 导引方案和导引元件的设计 7 3.6 夹具整体的设计 8 4 实体建模 8 4.1 法兰盘的建模 .8 4.2 导套的建模 12 4.3 定位块的建模 12 4.4 定位销的建模 13 4.5 挡板的建模 14 5 夹具体的装配 .14 6 结束语 .18 致谢 .18 参考文献 .19 1 绪论 当前三维设计技术已经达到了一个很高的境界 ,它能为产品开发人员提供 更先进的设计方法和设计手段 ,具有形象生动、 直观明了、 快速响应等设计 特点 ,其开发过程很符合设计人员的设计思维 1。三维开发平台的出现和完善 , 为增强企业的开发能力、 提高设计效率和产品质量 ,提供了强有力的技术支持。 三维开发技术的应用和推广 ,可谓是传统的机械设计的一次革命; 三维立体设计 逐步替代传统的二维平面是必然的趋势目前 ,市面上可供选择的软件有很多 ,主 要包括高端的 pro /engineer, i - deas, ug, cati a 和中端的 solidworks, solidedge 等 3d 设计软件 2。这些软件的一个共性就是它们都具备了尺寸参数 驱动技术以及虚拟装配技术;尤其是高端的 3d 设计软件还具备了智能化、 集 成化、 并行化、 模块化、 相关性等特点，这些技术一般都能满足用户设计的 各项诸如设计、 计算分析、 制造、 虚拟装配、 干涉检查、 有限元分析、 运动分析等高级 cad 的需求 4。 pro/engineer 系统是美国参数技术公司（ ptc）的产品。ptc 公司提出的单 一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念，开发出来的第三代机 cad/cae/cam 产品 pro/engineer 软件能将设计至生产全过程集成到一起，让 所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程 3。 pro/engineer 采用技术指标化设计、基于特征的实体模型化系统，工程设计 人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角， 您可以随意勾画草图，轻易改变模型。pro/engineer 系统用户界面简洁，概念清 晰，符合工程人员的设计思想与习惯。整个系统建立在统一的数据库上，具有 完整而统一的模型。 夹具虽然是机床的附加装置，但是他在生产中起到的作用却很大，应用十 分广泛。因此，我国广大机械工人和技术人员，历来把机床夹具的设计和改进， 作为技术革新和改造的一个重要举措。 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 6。 2 设计理念 使用 pro/e 软件进行虚拟产品设计总的来说有俩种设计方法，它们分别是 由底向上的产品设计和自顶向下的产品设计。 由底向上的的产品设计就是先设计好产品的各个零部件，然后再把各个零 部件逐一装配成完整产品的设计方法。由底向上的设计方法是一种比较简单、 低级的方法，其设计思路比较清楚，设计原理也容易被广大用户接受，但是 其设计理念还不够先进，设计方法不够灵活，还不能完全适应现代设计的基 本要求。这种方法主要应用于一些已经比较成熟的产品的设计过程，可以获 得比较高的设计效率 5。 由顶向下的装配设计与由底向上的设计方法正好相反。设计时，首先从整 体上勾画出产品的整体结构关系或创建装配体的二维零件布局关系图，然后 再根据这些关系或布局逐一设计出产品的零件模型。在现实的虚拟产品设计 中，往往都是先设计出整个产品的外在概念和功能概念后，逐步对产品进行 设计上的细化直至单个零件 5。 由顶向下的产品设计方法因其设计方法灵活和修改容易等优点，深受设计 者喜爱。同时这种设计方法对设计者的要求较高，设计者不仅要熟练掌握 pro/e 的各种应用技巧，而且要对产品有完整的构思。 本文将分别采用由底向上的设计方法。 2.1 概念设计 概念设计是根据夹具的功能和尺寸要求，进行产品功能创造、功能分解以 及功能和子功能的结构设计；进行满足功能和结构要求的工作原理求解和进 行实现功能结构的工作原理载体方案的构思和系统化设计。概念设计的过程 是一个发散思维和创新设计的过程，是一个求解实现功能的，满足各种技术 和经济指标的，可能存在的各种方案并最终确定综合最优方案的过程 7。 2.1.1 夹具的分类 安装在车床上的夹具多数情况下都是采用通用夹具，如三爪卡盘、四爪卡 盘等。当加工一些特殊工件，采用通用夹具无法安装时，必须设计专用夹具。 安装在机床上的夹具根据其安装的位置分为两个基本类型：安装在车床主轴 上的夹具和安装在车床床鞍上的夹具。 随着机械制造业的发展，机床夹具的种类也在不断的增加，出现了许多的新 颖的夹具，如果想要对所有的夹具加以分析，那是不可能的。为了便于研究 各种夹具的特性，找出规律性的东西，从而运用这些规律有必要将夹具加以 分类如下： 图 1-1 机床夹具的分类 通用夹具 1 是指已经标准化的、可用于一定范围内加工不同工件的夹具。如三爪自定 心或四爪单动卡盘、机用虎钳、回转工作台、万能分度头、磁力工作台等。 这类夹具以作为机床附件，可以充分发挥机床技术性能和扩大工艺范围。不 论何种生产类型，都被广泛利用。 专用夹具 2 在使用夹具装夹工件时，有找正和不找正之分。在使用专为工件的某道工 序时，一般能够直接装夹工件而无须划线和找正，他成为机床的一种附加装 备，在加工中起到机床、工件、刀具之间的桥梁作用，我们称之为专用夹具。 专用夹具的设计和制造是机械加工中的一项重要的技术准备工作。 通用可调与成组夹具 3 这两类夹具结构相似。其共同点是：在加工完一种工件后，经过调整或更 换个别元件，即可加工形状相似、尺寸相近或加工工艺相似的多种工件。在 当前多品种小批量生产条件下，这两类夹具是改革工艺装备设计的一个发展 方向。 组合夹具 4 是指按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 组合成的夹具。这种夹具用完后可以拆御存放，还可多次反复使用，具有组装迅速，周 期短的特点，故特别适用于多品种小批生产或新产品试制 6。 2.1.2 夹具的组成 由于各种专用夹具装夹的工件是各不相同的，所以夹具结构也各种各样。 尽管新的夹具层出不穷，但是他们的工作原理基本相似。我们在认识一定的 数量的夹具之后，加以概括，找出他们的内在联系和共性，以便于尚未研究 过的各种夹具进行研究。由此可以得出一般夹具共有的如下组成元件和装置： 定位元件和装置 1 他的作用是确定工件在夹具中的加工位置。 夹紧装置 2 这种装置包括夹紧元件或组合和动力源。其作用是将工件压紧夹牢，保 证工件的定位在加工中不因受外力而产生位移，同时防止或减少振动。 确定夹具位置的元件3 其作用是确定夹具在机床上的饿安装位置，从而保证工件与机床之间的正 确加工位置。 对刀导向装置4 用于确定刀具位置并引导刀具进行加工的饿元件称为对刀导向元件。 定位装置 夹紧装置 其他装置 确定夹具 位置元件 夹具体 对刀换向 装置 图 1-2 机床夹具组成示意图 夹具 刀具 机 床 工件 其他装置5 有些夹具还设有分度装置、上下料装置、工件顶出装置等。 夹具体6 他是夹具的基本件和骨架，上述各类元件或装置都安装在夹具体上，使之 成为一个夹具整体。他们的基面一般都和机床工作台或花盘相联结。 上述个组成部分，并非每套机床夹具都必须全部具备。但是一般说来，定 位装置、夹紧装置和夹具体则是夹具的基本部分。 机床夹具的组成部分与工件、机床、刀具之间的联系，可以从图 1-2 看出， 该图为正确设计夹具提供了思考问题的线索：例如定位、夹紧装置直接与工 件有关，故在设计时必须掌握与工件形状、尺寸、技术要求等有关资料；在 设计对刀导相元件时，应考虑加工所用刀具的类型、结构和尺寸等；设计确 认夹具在机床上位置的元件时，则应依据机床工作台或主轴端部的结构形式 和尺寸等 8。 2.1.3 现代车床夹具的发展方向 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。它的发展方向主要表现为“四化”。 标准化 完善的标准化，不仅指现有夹具零部件（包括毛坯及半成品）的1 标准，而且应有各种类型夹具结构的标准（如果用可调夹具标准、组合夹具标 准、自动线夹具标准等）。同时应对专用夹具零部件，实行统一的标准化、系 列化，以便使用一部分的零部件，能在各类夹具实现通用化。无疑这“三化” 是夹具发展的基础工作，有此基础，就有可能组织夹具零件、传动装置甚至整 套的夹具的专业化定点生产，使原来单体生产的夹具，转变为专业化生产，以 保证质量，降低成本，缩短生产周期。 可调化、组合化 当前机床发展的两个主要发展方面，一是要把专门用2 于某一特定工序的专用夹具，扩大其运用范围，使能用于同一类零件的加工， 并实现快速调整；二是要改变专用夹具当工件或工艺一有修改就得报废的问 题，使夹具能够重复利用，实现组合化的原则，用少数元件能满足多中需要。 特别是随着数控车床等的大量出现，如何使用可调化或组合化夹具来适应这 种机床的需要，成为当前机床夹具的又一重要发展方向。 精密化 由于机械产品加工精度日益提高，高精度机床的大量涌现，势3 必要求机床夹具也相对精密。例如精密多齿分度盘、分度精度可以达到 ；1.0 高精度通用定心卡盘可达 0.005mm 的定心精度。 高效自动化 为了实现机械加工过程自动化，以改善劳动条件，提高生4 产率，降低加工成本，不仅是生产流水线、自动线的需要，而且对多品种、 小中批量生产同样可以考虑采用合适的高效自动化夹具，以获得良好的效益 6。 3 夹具的设计 3.1 工件加工要求分析 本工序主要以拉刀完成，本工序的加工要求，在齿轮内孔上拉出一个键槽， 槽宽为 8 mm，槽深为 33.1 mm，表面粗糙度为 ra3.2 m。 049.1320. 在本工序前，齿轮大圆 153mm，小圆 50mm，内孔 30mm 以及两端面 均已加工完毕。 本工序采用前面设计的拉刀在 l610 卧式拉床上加工。 3.2 确定夹具类型 由于本工序是加工的齿轮的内孔键槽，因此适宜采用法兰盘、导套、定位销等组 成的组合夹具。 3.3 拟定定位方案和夹紧元件 设计以齿轮大圆 mm 作为定位基准，再选孔端面作为定位基准，限制153 工件五个自由度。选取一个 mm 的圆盘作为夹具的夹具体，使定位销能240 装配在上面对加工工件进行夹紧，并且在槽内开销孔和螺纹孔。大圆安装在 拉床上，主要限制工件一个自由度：x 方向的平动自由度。根据尺寸特性选 择定位元件如下： 导套：根据齿轮的具体尺寸，设计一个外圆分别为1 45mm、 90mm、 30mm 的台阶状的导套，导套总长 140mm，并且使其 30mm 的端突出圆盘 30mm，便于内孔定位工件（齿轮）。具体形状见夹具 装配图。其中螺栓夹在圆盘上，再开一个沉头孔，主要用于装入一个销键， 使得能够更好的定位，保证尺寸精度。可以限制工件 4 个自由度： 、 、x 和 。z 拉刀垫片：设计 3 个热处理 hrc53-40 的垫片，垫片上开一个和导套内2 孔相配合的销孔，用于定位，垫片详细尺寸见零件图。 定位块：在工件加工过程中，必须要使工件的位置能够固定，以防止各3 方向的旋转或移动，从而影响到加工，在定位块上设置 6 个螺栓孔和一个销 孔。螺栓孔主要用于安装内六角螺栓来连接定位块与挡块、定位块与夹具体。 其主要起到固定挡块和装配定位削的作用。 挡块：为了使设计的夹紧元件定位销能够固定在夹具体上，设计 3 个夹角4 为 90 的 v 形块。v 形块两边长分别为 30mm 和 58mm。在 v 形块的短边上开一 个长度为 7mm 的槽，主要用于固定定位销。使定位销在夹紧工件（齿轮）时 不至于松动，摇摆。 3.4 夹紧元件的设计 定位销：销本来是用来固定零件之间的相对位置的，本次设计 3 个定位1 销的组合，其主要作用是对工件（齿轮）的夹紧，所以把它设计成下端成一 个锥度，以便于在齿轮的轮齿之间能更好的夹紧，又不至于夹伤齿轮的轮齿。 销主要设计成一个阶梯状，大小分别为 mm、 mm 和 6mm。其中810 mm 部分穿梭于挡块之间。10 手柄：手柄是通过一个 mm 的圆柱销安装在定位销上的，利用它和定位3 3 销的装配来夹紧工件。 3.5 导引方案和导引元件的设计 根据拉床的的工作原理，设计导套和拉刀垫片作为导引元件。主要是将 拉刀安放在拉刀垫片上，而拉刀的垫片又是安装在导套的方形槽内，利用导 套和垫片的配合使拉刀能够顺利的从导套槽中拉出。 3.6 夹具整体的设计 当以上各个元件都设计完成后，将各个部分相互组合，在安装在夹具体上， 就形成了一个组合夹具。具体详见夹具装配图。 4 实体建模 4.1 法兰盘的建模 新建一空白文档，在“类型”选项组中选择“零件”单选按钮。在其 后的 “子类型”选项组中选择“实体”单选按钮，在“名称”文本框中输入 文件名，单击“确定”按钮进入零件设计模式。 选择其中一视图，单击“工具”栏选项中的“草绘”按钮，在草绘中 把零件的基本形状绘画出来。如图 2 所示： 图 2 草绘 完成草绘后，单击工具栏中的“完成”按钮退出草绘。然后单击工具 栏中的“拉伸”按钮，在出现的数据选项中填入要填写的参数，然后单击 “完成”按钮，即可完成法兰盘建模过程中的第一次拉伸。如图 3 所示 图 3 拉伸 在图 2 的基础上，选择一个面为基准面然后再做草绘。如图 4 所示： 图 4 凸台草绘 图 3 中完成草绘后单击“完成”按钮就退出草绘界面，然后再单击 “拉伸”按钮，在参数输入中输入正确的数据，就可以点击“确定”按钮完 成凸台 图 5 凸台拉伸 的拉伸。如图 5 所示。 完成凸台以后，再以凸台上面为基准面草绘，绘制圆盘通孔草图。完 成草图以后，单击“完成”按钮。然后单击“拉伸”按钮，选择正确的数据 参数，单击“完成”按钮就可以完成圆盘中心孔的造形。如图 6 所示： 图 6 中心孔 完成圆盘中心孔后就要在圆盘另一端面开一不通孔用来固定导套。操 作步骤如上所述，先完成草绘，然后单击“完成”再运用“拉伸”命令。完 成后 图 7 不通孔 如图 7 所示。 完成图 6 以后，再选则圆盘无凸台一面为基准面做草绘。这次草绘要绘 画出 3 个 u 形槽和 3 个放置挡块的方形槽以及装配用的螺钉孔等。完成草绘 后再运用“拉伸”命令，依次完成所要求的特征。最后的结果如图 8 所示： 图 8 法兰盘 4.2 导套的建模 新建一空白文档，以后步骤操作步骤和上面大致一样，“草绘”，“拉伸”我在这 图 9 导套 里就不再重复述说。最后做出来的结果如图 9 所示。 4.3 定位块的建模 操作步骤同上。 图 10 定位块 4.4 定位销的建模 步骤同上。 图 11 定位销 4.5 挡板的建模 图 12 挡板 5 夹具体的装配 在 pro/e 中，装配是通过定义参与装配的各个零件之间的装配约束来实现 的。简而言之零件之间的装配约束关系就是实际工作环境中零件之间的装配 关系在虚拟设计环境中的反映。因此合理的定义零件之间的装配约束关系是 产品虚拟装配的关键，也是产品后续开发的关键 9。 pro/e 提供了匹配、对齐、插入、坐标系、相切、线上点、曲面上的点、 曲面上的边、自动 9 种约束方式。利用着 9 中约束方式可以对零件进行装配， 如果想让某些零件装配后可以模拟运动仿真，那么就要对这些零件进行连接 装配，pro/e 提供了刚性、销钉、滑动轴、圆柱、平面、球、焊接、轴承、常 规、6dof 10 种连接类型。利用这些连接类型可以实现机构之间的模拟运动 仿真。因为时间问题，本例不在做机构仿真，所以约束方式比较自由，没有 对零件进行全部连接装配。其装配过程如下： 新建一空白文档，出现“新建”对话框，在这个对话框的“类型 ”中选择“组件”按钮，在“名称”文本框内输入名称，单击“确定”按 钮，弹出“新文件选项”对话框，选择 mmns_asm_design，单击“确定”按 钮，进入绘图界面。 单击工具栏里的“装配”按钮，选择第一个要装配的零件，要求这个 零件在设计中尽量是其他零件设计的基准。首先导入法兰盘零件，在参数选 择中选择“缺省”，然后单击完成按钮。 单击工具栏中的“装配”按钮，选择第二个要装配的零件。在这一步 中，我首先选择了导套的导入。如图 14 和图 15 所示： 图 13 装配 1 图 13 为导套导入到作图界面还未和法兰盘装配的图形，图 14 为导套已经 和法兰盘配合后的图。 图 14 装配 2 完成导套的装配后，点击“完成”按钮。再点击“装配”按钮选择下 一图 15 装配 3 个需要装配的零件，在这一次装配中，我选择了三个挡块的装配，由于三个 挡块属于同一尺寸，只需要对同一挡块在法兰盘的不同地方装配 3 次就可以 了，装配后的图形如图 15 所示。 装配好挡块以后就需要装配挡板和定位销，与上一步骤中大部分步骤 一样，三个挡块和三个定位销属于同一尺寸，只需要对同一个零件装配三次 就可图 16 夹具体 以了。同时，在这一步骤中还完成了螺钉和螺柱的配合。这次装配的完成可 以说已经全部完成夹具的装配了，其装配后如图 16 所示。 完成夹具体的装配后，为了更好体系出夹具的装配效果，也为了更好 的理解夹具的工作原理，一般情况要把要加工零件也装配到夹具上。把要加 工零件装配到夹具上后，其图形如图 17 所示： 图 17 装配体 6 结束语 本文主要阐述了夹具的设计分析思路和夹具体结构组及其相关数据，在这 一项工程中我不但复习巩固了大学四年来所学到的专业知识，还去积极查阅 了许多课外资料和学术期刊，丰富了我的理论知识。这次毕业设计的最重要 之目的就是要求学会对 pro/e 这一软件的熟练操作和应用。在文中我花了大 量的篇幅去描述了零件的建模过程和夹具的装配过程，希望能够让大家更多 的知道 pro/e。通过这次设计，让我学会运用了 pro/e 的一些功能，但是由于 时间仓促，没有达到熟练操作的水平，希望以后有机会更好的学习。 致谢 本次设计能够顺利的完成，除了自己的努力外，首先应该感谢的是我 的辅导老师。就是因为在他的指导下，我的设计才得以如此顺利的完成。由 于老师每周