毕业设计（论文）-万向节滑动叉机械加工中的专用机床夹具设计.doc

2009届机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 摘 要万向节滑动叉位于传动轴的端部。它主要作用是：一是传递扭矩，使汽车获得前进的动力；二是当后桥钢板弹簧处于不同的状态时，本零件可以调整传动轴的长度及其位置。零件的两个叉部上有两个孔，用以安装滚针轴承并与十字轴相连，起万向联轴节的作用。零件上的花键孔与传动轴端部的花键轴相配合，用于传递动力之用。此次设计是在学完机械制造工艺学及机床夹具设计课程之后，并进行了生产实习的基础上完成的。本设计主要设计其中一道加工工序的专用机床夹具，并撰写设计说明书。此次设计培养了我熟悉并运用有关手册、规范、图表等技术资料的能力。进一步锻炼了我识图、制图、运算、编写技术文件和操作cad等基本技能。关键词：万向节滑动叉，专用夹具abstractthe joint sliding fork is at the end of the drive shaft. it has two main roles: first, transfer the torque, then the car can move forward, and the other is when the rear axle leaf springs are in different state, the fork can adjust the length and location of the drive draft. there are two holes at the end of the fork, they are used to installed needle roller bearings, while, they are connected to the crusaders. so the joint sliding fork can play a role of universal coupling. the spline hole on the fork is fit for the spline draft which is at the end of the drive draft for the purpose of power transmission.when we finished machinery manufacturing technology and machine fixture design courses, and did two weeks producing practice. then we began our design. the main work of the design is to complete the joint sliding forks machinery manufacturing technology card, and design a machine fixture for one process.from this design, we could be familiar with the using of manual, norms, charts and other technical information. at the same time, some basic skills, such as mapping, calculation, preparing of technical documents and operating cad, and so on, can be practiced.key words: the joint sliding fork, machinery manufacturing order, dedicated fixture, the machinery manufacturing technology card, the processing card一 零件分析1.1.零件的作用万向节滑动叉主要用于汽车底盘传动轴上，它位于传动轴的端部。其主要作用有，一是传递转矩，使汽车获得前进的动力；二是当汽车后桥钢板弹簧处在不同的状态时，本零件可以调整传动轴的长短及其位置。零件的叉头部位上有两个的孔，用以安装滚针轴承并与十字轴相连，起万向连轴节的作用。零件外圆处有一的内花键孔与传动轴端部的花键轴相配合，用以传递动力。1.2.零件的工艺分析万向节滑动叉有两组加工表面，它们相互之间有一定的位置要求。现分析如下：（1）孔为中心的加工表面这一组加工表面包括有：两个的孔及其倒角；尺寸为的与两个的孔相垂直的平面，还有平面上的4个m8螺孔。其中，主要加工表面为的两个孔。（2）花键孔为中心的加工表面这一组加工表面包括有：的16齿方键孔，的阶梯孔以及的外圆表面和m60mm的外螺纹表面。这两组加工表面之间有着一定的位置要求，主要是：（1）的花键孔与2孔中心线的垂直度公差为100：0.2；（2）二孔外端面对对其中心线的垂直度公差为0.1mm；（3）花键槽宽中心线与两孔中心线偏转角度公差为。由以上分析可知，对于这两组加工表面而言，可以先加工其中一组表面，然后借助于专用夹具加工另外一组表面，并且保证它们之间的位置精度要求。二 专用夹具设计在机械制造企业生产中，机械加工、检验、焊接、热处理和装配等冷、热加工工艺，都使用大量的夹具，用以安装加工对象，使之占有正确的加工位置。夹具在保证工件加工质量，改善劳动条件，提高生产效率的降低成本等方面都有着极其明显的经济效益。因此，夹具是企业生产中的一种重要的工艺装备。为了提高劳动生产率，保证加工质量，降低劳动强度，通常需要设计专用夹具。本次毕业设计，决定设计第六道工序粗铣二孔端面的铣床专用夹具。该夹具将用于x63卧式铣床。刀具为两把钢镶齿三面刃铣刀，对工件的两个端面同时进行铣削。2.1、专用夹具设计的基本要求和步骤2.1.1、专用夹具设计的基本要求设计夹具时必须使工件加工质量、生产率、劳动条件和经济性等4个方面达到辨证的统一。其中能稳定的保证加工质量是最基本的要求。此外，所设计夹具的复杂程度和工作效率必须与生产规模相适应，才能达到良好的经济效果。在考虑上述4个方面的要求时，应在满足工件加工要求的前提下，力求是夹具工艺性和使用性好，并根据具体情况处理好生产率和劳动条件、生产率与经济性的关系，力图解决主要矛盾，但也不能忽视排屑、操作安全和符合操作者的习惯等问题。2.1.2、夹具设计步骤（1）明确设计任务，收集和研究原始材料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：了解工件的结构特点、材料、本工序的加工表面、加工要求、加工余量、定位基准、夹紧部位以及所用的机床、刀具、量具等。根据设计任务书还需要收集有关技术资料，如：机床的技术参数、夹具元件的标准、各类夹具图册或同类夹具图样，并了解企业的工装制造水平，以供参考。（2）构思夹具结构方案，绘制夹具结构草图这是极为重要的步骤，其中包括确定工件的定位基准、夹紧方案、设计定位与夹紧装置，同时根据需要确定其它装置、元件的结构，确定夹具体的结构及其在机床上的安装方式，再绘制夹具草图并标注尺寸、公差、及技术要求。（3）进行必要的分析计算工件加工精度要求较高的时候，应进行加工误差分析。有气压、液压等机械传动装置的夹具，需计算夹紧力。当有几种夹具设计方案的时候，可进行技术经济分析，选择效益较高的方案。（4）绘制夹具装配总图夹具总装图应按国家制图标准绘制。绘图比例最好采用1：1。主视图按夹具面对操作者的结构及其相互关系表达清楚。工件的外形轮廓用双点划线绘出，被加工表面要显示出加工余量（用交叉网纹表示）；工件可看作透明体，不遮挡后面的线条。总图上要标注必要的尺寸、公差和技术要求，并编制零件明细表以及标题栏。（5）绘制夹具的非标准零件的零件图在确定这些零件的尺寸、公差以及技术要求时，应注意使其满足夹具总图的要求。对所选用的标准件，只需在总图的零件明细表中注明该零件的主要规格以及标准的编号，不必绘制零件图。2.2、夹具总图技术要求的制订制订夹具总图的技术要求以及标注必要的装配、检验、尺寸和形位公差要求，是夹具设计中的一项重要的工作。因为它直接影响工件的加工精度，也关系到夹具制造的难易程度和经济效果。通过制订合理的技术要求，来控制有关的各项误差，使其满足误差不等式的要求。2.2.1、夹具总图上应该标明的尺寸及技术要求（1）夹具外形的最大轮廓尺寸，以表示夹具在机床上所占的空间位置和活动范围，便于校核该夹具是否会与机床发生干涉。（2）与定位有关的尺寸公差和形位公差，如确定定位元件工作部分的配合性质，限位表面的平直度或等高度，限位表面间的位置公差等，以便于控制定位误差。（3）夹具与机床有关的联系尺寸公差以及技术要求，来确定定位元件对机床装卡面的正确位置，以便于控制夹具安装误差。（4）夹具定位元件与刀具的联系尺寸或相互位置要求，以控制对刀误差。（5）各组成连接副的配合公差及其它影响夹具使用的以文字表达的要求等。2.2.2、铣床夹具总图上的技术要求（1）限位基面对夹具安装面的垂直度、平行度；（2）对刀块对限位基面的位置公差（见李昌年编，机床夹具设计与制造表5-8）；（3）对刀块工作面及定向键侧面与限位基面的平行度或垂直度（见李昌年编，机床夹具设计与制造表5-9）；（4）限位基面本身的平直度、等高度及位置公差等。2.3、夹具设计设计主旨本夹具主要用于粗铣二孔的两个外端面，这两个端面对于孔及花键孔都有一定的技术要求。但加工本道工序时，二孔尚未加工，而且这两个端面在工序9还要进行磨削加工。因此，本道工序加工时，主要应考虑如何提高劳动生产率和降低劳动强度，而精度则不是最主要的问题。2.3.1、定位基准及定位元件的选择由零件图可知，二孔端面应对花键孔中心线有平行度及对称度的要求。其设计基准为花键孔中心线。为了使定位误差为零，应选择以花键孔定位的自动定心夹具。但自动定心夹具在结构上比较复杂，不予采用。本次设计的零件以圆柱孔作为定位基面，因此，夹具采用外圆柱面作为限位基面，如果采用长外圆柱面（常用定位心轴）作定位元件，则限制四个自由度；如果采用短圆柱面（常用定位销）作定位元件，则限制两个自由度。根据本工序加工的需要，本次设计采用定位心轴作为定位元件。定位心轴可与夹具体相连或直接作在夹具体上。常用定位心轴有两种，如下图所示：图3.31常用定位心轴结构有间隙心轴1- 限位基面；2-开口垫圈；3-螺母图3.32常用定位心轴结构无间隙心轴1-引导部分；2-限位基准面；3-连接头有间隙心轴旋紧螺母3，通过开口垫圈2把工件夹紧。其定位精度较低，适用于工件加工表面与基准孔同轴度要求不高的场合。无间隙心轴的按制造，按制造，按制造，使工件部分稍带锥度。这种定位心轴定位精度高。除加工工件表面外还可以加工端面，但其装夹工件不便，且易损坏基准孔。但考虑到本次加工零件的基准孔并非通孔，无法使用有间隙心轴。所以本次夹具设计的定位元件选用无间隙心轴。2.3.2、夹紧装置的选择通用的夹紧装置。最常见的是由螺栓、螺母、垫圈、压板等组成的机械手动夹紧装置。也有使用液压、气压、电磁等作为动力装置的夹紧装置。对夹具夹紧装置有以下的基本要求：（1） 夹紧过程中应该保持工件原有的正确定位；（2） 夹紧力要求可靠、适当，既要把工件压紧夹牢，保证工件不移位、抖动，同时又不会因夹紧力过大而使工件表面受到损伤；（3） 夹紧装置结构简单，工艺性好，容易制造。只有在生产批量较大的工件时，才考虑相应增加夹具夹紧机构的复杂程度和自动化程度；（4） 夹紧机构的操作应该安全、迅速、方便、省力。设计夹紧装置时，首先要合理选择夹紧力的方向，再确定其着力点的大小，并确定夹紧力的传递方式和相应的机构。最后选用或自行设计夹紧装置的具体结构。夹紧力方向的选择夹紧力方向选择应考虑的问题有：（1） 主要夹紧力应该朝向主要限位基面；夹紧力应尽可能与工件重力、切削力同向，这样既有利于简小夹紧力，又能简化夹紧机构，也便于操作。夹紧力着力点的确定原则：（1） 着力点必须使夹紧力作用在定位元件所形成的限位支承面上；（2） 为防止工件变形，着力点应位于工件刚度较大处或变集中分布的载荷为均匀分布的载荷；（3） 着力点应适当接近加工部位。常见的夹紧机构：（1）、斜楔夹紧机构斜楔夹紧是最基本的一种夹紧形式。其结构简单，具有一定的扩力作用，夹紧行程与斜楔升角有关，具有一定的自锁能力，但其自锁能力随着斜楔升角的变大而变差。用斜楔直接夹紧工件的夹紧力有限，且操作费时。在实际生产中，单独应用很少，往往是与其它机构组合应用。（2）、螺旋夹紧机构螺旋实际上相当于把斜楔绕在圆柱上的变形，故其作用原理与斜楔相同。螺旋夹紧机构通常由螺钉（或螺柱）、螺母、垫圈、压板等元件组成。由于其结构简单，夹紧可靠，通用性大，故在夹具中得到广泛的应用。它的主要缺点是夹紧和松开工件时比较费时费力。（3）、偏心夹紧机构偏心夹紧机构用偏心元件直接夹紧或与其它元件组合而实现工件的夹紧。常用的偏心元件是偏心轮和偏心偏心轴。圆偏心夹紧机构结构简单，夹紧迅速，操作方便，缺点是夹紧力和行程都较小。一般用于被压表面尺寸公差要求较小的工件，以及切削过程振动不大的场合。（4）、定心夹紧机构定心夹紧机构能在实现定心作用的同时，又起着将工件夹紧的作用。可以简化夹具的结构，减少夹具零件数量。在定心夹紧机构中，与工件接触的元件既是定位元件，又是夹紧元件。这种机构能使定位夹紧元件等速趋近或退离工件。所以能将定位基面的误差沿径向或对称面对称分布，从而使工件的轴线、对称中心不产生位移，实现定心夹紧。定心夹紧机构，根据其传动方式的不同，可分为两类。一类是利用斜楔、螺旋、偏心、齿轮、齿条等刚性传动件，使定位夹紧元件作等速位移，实现定心夹紧作用。另一类是利用薄壁弹性元件受力后的弹性变形，使工件定心并夹紧。其定心精度比第一类要高，适用于精加工或半精加工。根据以上分析，综合考虑成本、效率、生产条件、工艺装备等因素，本次专用夹具设计的夹紧装置选用气动滚子斜楔夹紧机构。该夹紧机构结构简单，夹紧行程与斜楔升角有关，具有扩力作用，其扩力比约为3左右。该夹紧机构还具有一定的自锁能力。同时采用气动装置提供夹紧力，缩短了辅助时间，提高了生产效率，还改善了工人的劳动强度和生产作业条件。气动滚子斜楔夹紧装置结构如下图所示：图3。33 气动滚子斜楔夹紧装置2.3.3、夹具体设计夹具体是夹具上最大和最复杂的基础元件。在夹具体上要安装各种元件、机构和装置，以组成该夹具，并通过它将夹具安装在机床上。因此，其形状结构，在很大程度上取决于其上各种元件或装置的结构形式，总体布置的情况以及夹具与机床的连接方式。在加工过程中夹具体必须承受作用于夹具上的一切作用力以及所产生的冲击和振动。还要解决切屑积聚等问题。对夹具体设计有以下基本要求：（1） 应有足够的强度和刚度。夹具体应具有足够的壁厚h,刚度不足处可设筋。其厚度一般取。加强筋的高度不大于，以保证受承力、切削力、冲击和振动，不至于产生不允许的变形；（2） 力求结构简单，装卸工件方便，体积小，重量轻。特别对手动、移动、翻转夹具，其总重量不超过10kg，以便于操作；（3） 要有良好的结构工艺性和使用性能。对于夹具体上安装各元件的表面，一般应铸出的凸台，以简小精加工的面积。不加工表面与工件表面之间应保证有如下空隙：工件是毛面时取；工件是光面时取。以免安装时发生干涉；（4） 结构尺寸大小适当且稳定。铸造夹具体要进行时效处理；焊接夹具体要进行退火处理，以防止加工后日久变形。夹具体的壁厚和转角处变化要缓和、均匀，以免产生过大内应力；（5） 排除切屑问题要解决。当切屑不多时，可适当加大定位元件工作表面与夹具体之间的空隙，或增设容屑沟槽；当加工中产生大量的切屑时，应在夹具体上设置专门的排屑用斜面（倾斜角取）或排屑槽，以便于切屑落入腔内自动排出夹具体外；如下图所示：图3.34 夹具体自动排屑结构（1）图3.35 夹具体自动排屑结构（2）（6） 夹具在机床上安装要稳定、安全、可靠。夹具体的重心要尽量低，支承面积要足够大。夹具体底面中部一般应挖空。大型夹具体要设置其吊环，较大的夹具体要设置座耳。夹具体的结构形式一般有3类，即开式结构、半开式结构、框架式结构。夹具体毛坯常用以下四种：（1）铸造夹具体（如图3.36）可铸出各种复杂形状，工艺性好，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。常用ht150，ht200铸造。要求强度较高时，用铸钢zg270-500铸造；要求质量较轻时用铸铝zl1040铸造。铸造夹具体应用比较广泛。 图3.36铸造夹具体（2）焊接夹具体（如图3.37）它由钢板、型材焊接而成。取材方便，生产周期短，成本低，重量轻（壁厚较铸造夹具体薄）。但焊接夹具体焊接后热应力较大，易变形，需要进行退火处理，以保证加工后尺寸的稳定性。 图3.37焊接夹具体毛坯（3）锻造夹具体（如图3.38）它适用于形状简单、尺寸不大，要求强度和刚度较大的夹具体。锻造毛坯也需要进行退火处理。图3.38 锻造夹具体毛坯（4）装配夹具体（如图3.39）此类夹具体具有制造成本低、周期短、精度稳定等优点，有利于夹具标准化、系列化，也便于夹具的计算机辅助设计。它往往由标准的毛坯件、零件及个别非标准件通过螺钉、销钉等连接组装而成。由以上分析，本次夹具设计的夹具体选用开式铸造夹具体其结构简图如下所示：图3.39 装配夹具体毛坯2.3.4、切削力及夹紧力的计算（1）、切削力计算切削刀具：高速钢镶齿三面刃铣刀，。所以有： 式中：，（在加工面上测量所得的近似值），。所以有 式3. 1当用两把铣刀同时铣削的时候：实际切削力：； 式3.2水平分力：； 式3.3垂直分力： 式3. 4在计算切削力时，必须考虑安全系数。安全系数，式中：为基本安全系数，取；为加工性质系数，取；为刀具钝化系数，取；为断续切削系数，取。所以有： 式3.5（2）、夹紧力计算夹具夹紧装置为气动滚子斜楔夹紧，斜楔升角，其扩力比。为克服水平切削力，实际夹紧李n应为：，所以式中：为夹具定位面及夹紧面上的摩擦系数，取。所以有： 式3.6夹紧机构的汽缸选用。当压缩空气单位压力为时，汽缸推力。已知斜楔机构的扩力比为，所以汽缸产生的实际夹紧力为： 式3.7由计算结果可知，汽缸产生的实际夹紧力大于实际所需的夹紧力，所以夹具可以安全工作。2.3.5、定位误差分析（1）定位元件尺寸及公差的确定本夹具主要定位元件为定位心轴，该定位心轴的尺寸及公差现规定为与本零件在工作时与其相配合的花键轴孔的尺寸于公差相同，即为。（2）计算最大转角零件图样规定花键孔键槽宽中心线与两孔中心线转角公差为。由于两孔中心线应与其外端面垂直，故要求二孔端面的垂线应与花键孔键槽宽中心线转角公差为。此项技术要求主要应由花键孔键槽宽配合中的侧向间隙保证。已知花键孔键槽宽为，夹具中定位花键轴键宽为，因此当零件安装在夹具中时，键槽处的最大侧向间隙为：，因此而引起的零件最大转角为：，所以有： 式3.8由计算结果可知，最大侧向间隙能够满足零件的精度要求。（3）计算二孔外端面铣加工后与花键孔轴线的最大平行度误差零件花键孔与定位心轴外径的最大间隙为： 式3.9当定位花键轴的长度取为100mm时，则由上述间隙引起的最大倾角为0.131：100。此即为由于定位误差引起的二孔外端面对花键孔轴线的最大平行度误差。由于二孔外端面以后还要进行磨削加工，故上述平行度误差在允许范围内。2.3.6、夹具设计及操作的简要说明在进行夹具设计时，为提高劳动生产率，应首先着眼于机动夹紧。本道工序的铣床夹具就选择了气动夹紧方式。本工序由于是粗加工，切削力较大，为了夹紧工件，势必要增大汽缸直径，而这将使整个夹具过于庞大。因此，应设法降低切削力。目前采取的措施主要有：一是提高毛坯的制造精度，使最大背吃刀量降低，以降低切削力；二是选择一种比较理想的斜楔夹紧机构，尽量增加夹紧机构的扩力比；三是在可能的情况下，适当的提高压缩空气的工作压力，以增加汽缸的推力。夹具上装有对刀块，可使夹具在一批零件加工之前与塞尺配合使用很好的对刀。同时，夹具体底面上的一对定位键可以使整个夹具在机床上占有一个正确的安装位置，以利于铣削加工并保证零件的加工质量。2.3.7、绘制夹具装配图和主要零件图完成必要的尺寸、公差的标注，填写技术要求；并编制装配图零件明细表和标题栏。三 结论与展望紧张而又辛苦的为期两个月的毕业设计结束了。当我在写这份心得体会的时候，我仿佛经过了一次翻山越岭，登上了高山之颠，顿感心旷神怡，眼前豁然开朗。毕业设计是对我们专业课、基础课所学知识综合运用的一次实践训练。“千里之行，始于足下”，通过这次的毕业设计，我深深地体会到这句千古名言的真正含义。我今天认真的进行毕业设计，学会脚踏实地地做事，就是为明天稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。说实话，做完这次毕业设计真的有些累。然而，当我着手清理自己的成果的时候，仔细回顾这两个月的心路历程，一种少有的成功的喜悦之情立即使我倦意顿消。虽然这只是我迈出的很小的一步，只是我人生中小小的一次胜利，然而它让我学会了很多东西。通过这次的毕业设计，使我深深地体会到，