机械毕业设计（论文）-柴油机曲轴连杆轴颈滚切铣床总体和夹具设计【全套图纸】

盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 目目 录录 1 前言 1 2 组合机床总体设计3 2.1 总体方案设计3 2.2 被加工零件分析3 2.3 机床结构的确定3 2.4 本组合机床的特点4 2.5 切削用量的确定 4 2.6 刀具结构选择 5 2.7 绘制“三图一卡”6 3 夹具设计.13 3.1 夹具设计的基本要求和步骤 .13 3.1.1 夹具设计的基本要求 .13 3.1.2 夹具设计的步骤 .13 3.2 定位方案的确定 .14 3.2.1 零件的工艺性分析 .14 3.2.2 定位方案的论证 .14 3.2.3 误差分析 .15 3.2.4 导向装置 .17 3.3 夹紧方案的确定 .17 3.3.1 夹紧装置的确定 .17 3.3.2 夹紧力的确定 .18 3.3.3 油缸的选择.20 3.4 夹具体的设计 .20 4 结论.22 参考文献.23 致 谢.24 附 录.25 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 1 全套图纸，加全套图纸，加 153893706153893706 柴油机曲轴连杆轴颈滚切铣床总体和夹具设计柴油机曲轴连杆轴颈滚切铣床总体和夹具设计 摘要：摘要：曲轴中两连杆轴颈的加工是大批量生产的零件。为了提高生产效率，满 足被加工零件的精度要求，本课题设计了一台用于加工曲轴中两连杆轴颈的组 合机床。本文介绍了该组合机床总体设计和夹具设计的思路，全文共分两个部 分。第一部分是总体设计，采用卧式组合机床，考虑的因素有刀具、切削用量、 切削力、切削扭矩及切削功率等，通过计算选择主轴直径、外伸尺寸、接杆型 号、滑台、动力箱等通用部件，再确定动力部件的工作循环及工作行程，完成 机床总体设计。第二部分是夹具设计，通过对被加工零件的全面分析，选用曲 轴轴颈定位，夹紧装置采用液压缸夹紧机构，直接夹紧与工件上；夹具体为框 架式结构，有良好的刚性，使夹具能长期保持可靠的精度和稳定性。该组合机 床不仅能保证加工精度，还能提高加工效率。整个机床布局合理，夹紧可靠， 精度较高，使用操作方便，提高了工作效率，达到了设计要求。 关键词：关键词：铣床；曲轴；组合机床；夹具； The design of the overall and jig of the Milling Machine for Crankshaft connecting rod journal in the body of diesel Abstract: The Processing of the crankshaft connecting rod journal is made for large mass production. In order to enhance the production efficiency and meet the precision 柴油机曲轴连杆轴颈滚切铣床总体和夹具设计 2 requested of the components processed, the topic is produced for designing a combined machine-tool, which is used to processing the crankshaft connecting rod journal. The design was introduced of the overall and jig of the combined machine- tool and the topic consists of two parts. The first part is overall design, Combination of the use of horizontal machines, considering such factors as tool, cutting parameter, cutting force, cutting torque and cutting power, and so on. Thus common parts such as sliding table, the power box and so on, were choused by calculating spindle diameter, and the extend sizes , the link-pole model. Then the operating cycle and the distance were determined. Thus the overall design was completed. Finally, the technological drawing was figured out of the part which need to be manufactured, the general drawing of modular machine tool, and drawing of cutter display and the efficiency card of manufacture. The second part is the jig design, having analyzed the work piece, selected journal crankshaft position ,the clamp uses the Hydraulic pressure device, it directly presses on the work piece, the jig-body utilize the frame structure, possess fine rigidity, causes the jig to maintain good long-term precision. This combined machine-tool not only has guaranteed the drill hole precision efficiency. The laying out of the machine-tool is reasonable, the location of work piece is reliably, the accuracy is high, the operation is easy, enhanced the working efficiency, and meet with the design request well. Key words：Milling Machine ；Crankshaft; Modular machine tool; Jig 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 3 1 1 前言前言 根据工件加工的需要，以独立的通用部件为基础，配以部分专用部件组成 的专用机床，称之为组合机床。它适用于中批、大批、大量生产企业，多用于 加工量大的大、中型箱体和箱体类工件，完成钻孔、扩孔、车端面和凸台、在 孔内镗各种形状槽，以及铣削平面和成形面。 通用部件是组成组合机床的基础。用来实现机床切削和进给运动的通用部 件，如单轴工艺切削头、传动装置、动力箱、进给滑台等为动力部件。用以安 装动力部件的通用部件如侧底座、立柱、立柱底座等称为支承部件。 组合机床的特点： a组合机床由 70%90%的通用部件组成，可以缩短设计和制造周期。而 且在需要的时候，还可以部分或全部进行改装，以组成适应新加工要求的新设 备。这就是说组合机床有重新改造的优越性，其通用部件可以多次重复利用。 b组合机床是按具体加工对象专门设计的，可以按最佳工艺方案进行加工。 c 在组合机床上可以同时从几个方向采用多把刀具对几个工件进行加工， 是实现工序集中，提高生产效率的最好途径。 d.组合机床是在工件一次装夹下用多轴实现多孔同时加工，有利于保证各 孔相互之间的精度要求，提高产品质量；减少了工件工序间的搬运，改善了劳 动条件；减少了占地面积。 e由于组合机床大多数零、部件是同类的通用部件，简化了机床的维护和 修理。 f组合机床的通用部件可以组织专门工厂集中生产，有利于提高产品质量 和技术水平，降低制造成本。 随着电子技术的飞速发展，根据大批量生产多样化、中小批量多品种生产 高效化的要求，以及产品更新加速的特点，70 年代以来发展了新型组合机床- -柔性组合机床。它是应用多位主轴箱、可换主轴箱、编码随行夹具、刀具的 自动更换，配以可编程序控制器（PC）、数字控制（NC）等，能任意改变工作 循环控制和驱动系统，能灵活适应多品种加工的可调可变的组合机床。 在我国，组合机床发展已有数十年的历史，其科研和生产都具有相当的基 础，应用也已深入到很多行业。是当前机械制造业实现产品更新，进行技术改 造，提高生产效率和高速发展必不可少的设备之一。 机床夹具是在机床上加工零件时所使用的一种工艺设备，用它来准确地定 位工件与刀具之间的相对位置，即实现工件的定位与夹紧，以完成加工所需要 的准确相对运动。 本次设计的课题是柴油机曲轴连杆轴颈滚切铣床总体和夹具设计。该课题 来源于江苏恒力机床有限公司。公司拥有各种金切设备、检测设备 300 多台。 具有较强的加工、装配、检测和机床安装调试能力。现在该公司迫切需要改善 柴油机曲轴连杆轴颈滚切铣床总体和夹具设计 4 现有的生产条件，进行提高生产率、改善产品质量方面的技术改造，使产品的 合格率上升，增加产量，适应市场竞争的需要，提高经济效益。 本设计主要是设计一台组合机床，对专门的曲轴连杆轴颈进行加工。本人 的设计分工是总体设计和夹具部分的设计，滚切头部分的设计由同组其他同学 担任。在设计组合机床过程中，组合机床夹具的设计是整个组合机床设计工作 的重要部分之一。虽然夹具零件的标准化程度高，使设计工作量减少，设计周 期缩短，但在夹具设计过程中，在保证加工精度的前提下，如何综合考虑生产 率、经济性和劳动条件等因素，还有一定的难度。 本说明书以设计卧式双刀铣床为主线，阐述了总体设计和夹具设计的过程。 在总体设计中，首先是被加工零件的工艺分析，然后是总体方案的论证，在比 较了许多方案之后，结合本道工序加工的特点最终选择卧式双刀铣床的配置型 式。再结合本道工序的特点选择刀具。根据选择的切削用量，计算刀具的切削 力、切削扭矩、切削功率等，再确定刀具的大小和型式。在确定这些设计计算 后，然后是绘制组合机床的“三图一卡”被加工零件工序图、加工示意图、 机床联系尺寸图和生产率计算卡。在第 3 章中，主要介绍了夹具的设计。夹具 设计是组合机床设计中的一个重要的组成部分。夹具设计时，首先确定工件的 定位方案，然后选择夹紧方案，估算夹紧力大小，选择夹紧液压缸的型号，最 终完成夹具的零部件设计。最后根据计算结果绘制夹具装配图和主要的零件图。 整个设计过程是艰辛的，在设计过程中必须考虑各方面的问题。由于所学 的知识只是一些最基本的机械常识，因此，在设计过程中，还要查阅大量的相 关资料，以补充自己的不足之处。 首先，要有丰富的实践经验。整个设计，仅靠一些参考资料是远远不够的， 这样设计出来的组合机床只是结构完美，外形美观，但实用性差。因此，在设 计工作开始前，指导老师特地带我们到江淮动力集团、盐海机床有限公司等企 业进行了实地参观考察，与企业工程技术人员共同讨论，积累了一些宝贵的实 践经验。 其次，运用四年来所学的专业知识，针对现实中遇到的实际情况， 做到举一反三。整个设计过程不仅涉及到以前所学的知识，还涉及到一些新的 概念，这就要求我们一边温习以前的知识，一边还要学习新的知识，可以说， 整个设计过程就是我们不断复习和学习的过程。第三，通过自身的努力，理论 联系实际，从合理性、经济性、工艺性、实用性及对被加工零件的具体要求对 现有机床进行研究和分析，找出可以进行改进的地方，通过反复推敲对比，拟 订较为合理的三面镗孔组合机床的总体方案。在设计过程中，由于组合机床大 部分是由标准零件构成，另外一些非标准件尽量适应工厂的生产条件，使加工 和维修方便，大大减少了设计工作量。 通过设计，本组合机床能满足加工需求，保证加工精度，机床运转平稳，工 作可靠，结构简单，装卸方便，便于维修、调整。各动力部分采用了电器控制， 使用操作方便。提高了工作效率，预计能达到设计要求。限于本人知识水平有 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 5 限，又没有工作的实践经验，本设计中定存在不到之处，敬请老师同学批评指 正，提出宝贵意见，以便及时纠正。 2 2 组合机床总体设计组合机床总体设计 2.12.1 总体方案总体方案设计设计 本设计是为柴油机曲轴连杆轴颈的加工工序。为了能够达到质量好、效率 高的要求，以及考虑被加工零件的加工精度、表面粗糙度、技术要求等，拟定 设计一台通过一个动力头，一个主轴箱，两把刀具，一次性完成该工序的组合 机床。机床总体的设计需绘制完成“三图一卡” 。以上作为本次设计的初定方案。 2.22.2 被加工零件分析被加工零件分析 1)本机床被加工零件特点：该加工零件为曲轴。工件材料：QT800-2，硬度 为：HB240-300。生产纲领：大批大量。 2)本机床被加工零件的加工工序及加工精度：本道工序是铣削曲轴连杆轴 颈部的加工，由“柴油机曲轴连杆轴颈滚切铣床”来完成。因此本设备主要的 功能就是曲轴两连杆轴颈部的铣削。 具体加工内容是：滚切两连杆轴颈 62，两端圆角 4-R3.5，保证轴向 尺寸 25.75、59.25、361.75 和 395.25。 3)本次设计技术要求： a 机床应能满足加工要求，保证加工精度； b 机床应运转平稳，工作可靠，结构简单，装卸方便，便于维修、调整； c 机床尽可能用通用件，以便降低制造成本； d 机床各动力部件用电气控制，液压驱动。 2.32.3 机床结构的确定机床结构的确定 1)被加工零件的特点对配置的影响 通常根据工件的结构特点，加工要求，生产率和工艺过程方案等，大体上 就可以确定应采取哪种基本形式的组合机床。被加工零件的特点对配置的影响 如下： A. 在选择组合机床的结构方案时，首先必须注意到加工精度能否确切保证， 这里所指的是稳定的加工精度。 固定式夹具组合机床的加工精度最高，采用固定精密导向时，孔间距离和 孔的轴线与基面的位置精度可达0.0250.05mm。 B. 机床生产率的影响。 机床要求的生产率对机床配置形式和结构方案有很大的影响，它是决定采 用单工位机床，多工位机床或自动线，还是按中小批生产所需组合机床的特点 柴油机曲轴连杆轴颈滚切铣床总体和夹具设计 6 进行设计的重要因素。有时从工件外形及轮廓尺寸来看，完全可以采用单工位 固定夹具的机床型式。但由于生产率要求很高，就不得不采用多工位的方案， 使装卸时间和机动时间相重合。 C. 被加工零件的大小、形状、加工部位特点的影响。 根据零件的形状特点和加工特点，本次的设计采用卧式组合机床，因为曲 轴的结构近似长方体，考虑到卧式机床振动小，装夹方便等因素，采用卧式组 合机床。 2)机床使用条件的影响 A.零件结构情况 考虑到被加工零件的孔间距较小，如果采用立式加工，切屑落入下导向， 造成导向精度走失，不利于保证加工精度。 B.工艺间的联系情况 工件在到组合机床加工之前，工件的毛坯或半成品必须达到一定的要求， 否则将使工件在机床夹具上定位夹紧不可靠，以至造成刀具的损坏或者不能保 证要求的加工精度。如果在组合机床上加工之后，还要在其他机床上进行加工， 而工件事先没有加工出保证精度的有关工艺基面，那么组合机床应考虑为下一 道工序加工出工艺基面。 C.使用厂商的技术能力和自然条件 如果使用厂商没有相当能力的工具车间，对于制造刃磨复杂的整体复合刀 具有困难，拟订方案时，应当避免采用这类刀具。必要时可增加机床工位，以 便采用一般刀具分散加工。若工厂所处地方气候过于炎热，车间温度过高，使 用液压传动机床工作性能不稳定时，则可选用机械通用部件配置机床。 2.42.4 本组合机床的特点本组合机床的特点 1).结构牢固, 2).刚性好, 3).尺寸调整范围大, 4).单位工作效率高, 5). 精确度好，6).操作简便，7).可对铸件进行大行程走刀，8).强力铣削。 2.52.5 切削用量的确定切削用量的确定 1）组合机床切削用量选择的特点、方法及注意问题。 A切削用量选择的特点 a组合机床常用多刀多刃同时切削，为尽量减少换刀时间和刀具消耗，保 证机床的成产率及经济效果，选用的切削用量应比通用机床单刀加工时低 30% 左右。 b组合机床通常用动力滑台来带动刀具进给，因此同一滑台带动的多轴箱 上所有刀具的每分钟进给量相同。 B. 组合机床切削用量选择的方法及注意问题。 a应尽量做到合理使用所有道具，充分发挥其使用性能。 b复合刀具切削用量的选择应考虑刀具的寿命。 c多轴镗孔主轴刀头均需定向快速进退时，各镗轴转速应相同或成整 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 7 数倍。 d选着切削用量时要注意既要保证生产批量要求，又要保证刀具一定 的耐用度。 e确定切削用量时还必须考虑所选动力滑台的性能。 铣削切削用量的选择与要求的加工表面粗糙度及其效率有关系。当铣削表 面粗糙度数值要求较低时，铣削速度应高一些，没吃走刀量应小一些。 表一、硬质铣削端铣刀的切削用量 表二、硬质合金不磨式面铣刀切削用量 由于工件材料为 QT800-2，硬度为 HB240-300，查表“硬质合金端面铣刀 的铣削用量” ，再根据铣削表面粗糙度数值要求较高时，铣削速度应低一些，每 齿走刀量应小一些。所以选择切削速度为 30m/min,进给量为 0.20mm/r. 柴油机曲轴连杆轴颈滚切铣床总体和夹具设计 8 V=30m/min f=0.2mm/r V*F=6m/min. 2.62.6 刀具结构选择刀具结构选择 组合机床上根据工艺要求与加工精度的不同，经常采用的刀具有：一般刀 具、复合刀具以及特种刀具等。刀具设计对机床整个工艺方案的拟订有很大的 影响。 组合机床刀具的选择原则 1) 要求有较高的耐用度和可靠性，并便于装卸和调整 由于组合机床是高生产率的专用机床，它的循环时间较短，而在每一循环 中，刀具不工作的时间很短。同时在大多数情况下，组合机床又是多刀加工， 刀具数量较多，更换调整刀具较费时间。这样，如果换刀次数太多，势必占用 大量时间，降低生产率。所以就要求组合机床刀具具有如下性能：结构可靠； 刀具材料和几何参数选取合理，并创造合适的切削条件及选取比一般通用机床 稍低的切削用量，以使刀具有较高的耐用度；便于装卸及调整。 2）有较高的复合程度 在组合机床上，为了提高生产率、保证加工精度，或为了减少工位，一般 工序比较集中，因此采用了大量复合刀具。这些刀具，结构较复杂，切削力较 大，排屑不便，加工时互相影响，制造也比较复杂，与一般刀具有所不同。 3）有良好的导向 组合机床在大多情况下，是多轴加工箱体零件的孔，孔的位置精度往往是 通过夹具和刀杆导向保证的，因而组合机床的孔加工刀具往往有各种形式的导 向。 2.72.7 绘制绘制“三图一卡三图一卡” 一被加工零件工序图一被加工零件工序图 1）.被加工零件工序图的作用和内容 被加工零件工序图是根据制定的工艺方案，表示所设计的组合机床上完成 的工艺内容，加工部位的尺寸、精度、表面粗糙度及技术要求，加工用的定位 基准、夹压部位以及被加工零件的材料、硬度和在本机床加工前加工余量、毛 坯或半成品情况的图样。除了设计研制合同外，它是组合机床设计的重要依据， 也是制造、使用、调整和检验机床精度的重要文件。被加工零件工序图是在被 加工零件的基础上，突出本机床或自动线的加工内容，并作必要的说明而绘制 的。其主要内容包括： A.被加工零件的形状和主要轮廓尺寸以及与本工序机床设计有关部位结构 形状和尺寸。 B.本工序所选用的定位基准、夹压部位及夹紧方向。 C.本工序加工表面的尺寸、精度、表面粗糙度、形位公差等技术要求以及 对上道工序的技术要求。 D.注明被加工零件的名称、编号、材料、硬度以及加工部位的余量。 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 9 2）.绘制被加工零件工序图的规定及注意事项 A.绘制被加工零件工序图的规定 应按一定的比例，绘制足够的视图以及剖面；本工序加工部位用粗实线表 示；定位用定位基准符号表示，并用下标数表明消除自由度符号；夹紧用夹紧 符号表示，辅助支承用支承符号表示。 B.绘制被加工零件工序图注意事项 a.本工序加工部位的位置尺寸应与定位基准直接发生关系。 b.对工件毛坯应有要求，对加工面的加工余量要认真分析。 c.当本工序有特殊要求时必须注明。 本组合机床以柴油机曲轴为加工对象进行设计，对工序图简要说明及与本 机床设计有关的技术指标如下： 1.定位方法：工件以两曲轴轴颈定位； 2.夹紧方法：采用液压气缸夹紧； 3.零件材料：QT800-2； 4.零件硬度：HB240-300； 其余工序尺寸、加工要求等具体查加工工序图 QZJ2009-01。 二加工示意图二加工示意图 加工示意图是在工艺方案和机床总体方案初步确定的基础上绘制的。是表 达工艺方案具体内容的机床工艺方案图。零件加工的工艺方案要通过加工示意 图反映出来。加工示意图表示被加工零件在机床上的加工过程，刀具、辅具的 布置状况以及工件、夹具、刀具等机床各部件间的相对位置关系，机床的工作 行程及工作循环等。 1）刀具的选择 刀具直径的选择应与加工部位尺寸、精度相适应。我们所加工的曲轴是滚 切两连杆轴颈 62，两端圆角 4-R3.5，因此我们的刀是特制的刀具。 2）导向结构的选择 组合机床铣削时，零件上的位置精度主要是靠刀具的导向装置来保证的。导 向装置的作用是：保证刀具相对工件的正确位置；保证刀具相互间的正确位置； 提高刀具系统的支承刚性。 3）确定主轴、尺寸、外伸尺寸 在该课题中，主轴用于工进快进，选用滚珠轴承主轴。又因为浮动卡头与 刀具刚性连接，所以该主轴属于长主轴。故本课题中的主轴均为滚珠轴承长主 轴。 根据由选定的切削用量计算得到的切削转矩 T，由合机床设计简明手册 P43 公式 (2-4) 4 10dBT 式中，d轴的直径（） ；T轴所传递的转矩（Nm） ； 柴油机曲轴连杆轴颈滚切铣床总体和夹具设计 10 B系数，本课题中主轴为刚性主轴，取 B=7.3。 考虑到安装过程中轴的互换性、安装方便等因素，1 主轴轴径取为 25mm,2、3、4、5、6 主轴轴径取 35mm。根据主轴类型及初定的主轴轴径，查组合机床 设计简明手册P44 表 3-6 可得到主轴外伸尺寸及接杆莫氏圆锥号。主轴轴径 d=25时， 主轴外伸尺寸为： 1 /38/26D d ，L=115mm，其他轴为 1 /50/36D d ，L=115mm，接 杆莫氏圆锥号为 2。 表三、轴能承受的扭矩 表四、通用主轴系列参数 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 11 D 动力部件工作循环及行程的确定 A.工作进给长度 Lx 的确定 工作进给长度 Lx，应等于加工部位长度 L（多轴加工时按最长孔计算）与刀 具切入长度 L1和切出长度 L2之和。切入长度一般为 13，根据工件端面的 误差情况确定。 B.进给长度的确定 快速进给是指动力部件把刀具送到工作进给位置。初步选定主轴箱上刀具的 快速进给长度为 380。 C. 快速退回长度的确定 快速退回长度等于快速进给和工作进给长度之和。由已确定的快速进给和工 作进给长度可知，快速退回长度为 611mm。 D. 动力部件总行程的确定 动力部件的总行程为快退行程与前后备量之和。前备量取 20mm，后备量取 130，则总行程为 761。 三机床联系尺寸图三机床联系尺寸图 1)选择滑台 滑台在本机床的选择主要是在机械滑台和液压滑台上的的选择。 A机械滑台优点：进给量稳定，慢速无滑行，高速无振动可以降低工件表面粗 糙度；具有较好的抗冲击能力，运行安全可靠，易发生故障，调整维修方便； 柴油机曲轴连杆轴颈滚切铣床总体和夹具设计 12 没有液压驱动的管路、噪声和液压站占地的问题。 B.机械滑台确定：只能有级变速，变速比较麻烦；一般没有过载的保护；快进 转工进时，转换位置精度较低。 C.液压滑台的优点：在相当大的范围内进给量可以无级变速，可以获得较大的 进给力；由于液压驱动零件磨损小，使用寿命长；工艺上要求多次进给时，通 过液压换向阀，很容易实现；过载保护简单可靠。 D.液压滑台的缺点：进给量由于载荷的变化和温度的影响不够稳定，液压系统 漏油影响工作化境，浪费能源；调整维修比较麻烦。 综合考虑我选择机械滑台。 2)工作台 选择使用液压工作台,根据下表选择工作台型号。 表五、液压回转工作台主要性能 表六.多工位移动工作台的联系尺寸 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 13 选择 IAYU80 型号工作台 表七、多工位移动工作台主要性能 3) 确定机床装料高度 H 柴油机曲轴连杆轴颈滚切铣床总体和夹具设计 14 装料高度是指机床上工件的定位基准面到地面的垂直距离。本课题中，工 件高度，所选滑台与滑座总高，底座高度，mmh350 2 mmh320 3 mmh490 4 综合以上因素，该组合机床装料高度取 H=1130。 四机床生产率计算卡四机床生产率计算卡 已知：机动时间 1.5min 装卸工件时间 0.5min 单件工时 4.099min/件 A 理想生产率 Q（件/h） 理想生产率是指完成年生产纲领（包括备品及废品率）所要求的机床生产 率。用组合机床设计简明手册P51 公式 （2- k t N Q 2） 计算式中， N年生产纲领（件） ，本课题中 N=40000 件； 全年工时总数，本课题以单班 8 小时计，则 tk=2400h。 k t 则 Q=16.6 件/h B 实际生产率 Q1（件/h） 实际生产率是指所设计的机床每小时实际可生产的零件数量。即组合机 床设计简明手册P51 的公式 （2- 单 T Q 60 1 3） 式中，生产一个零件所需时间（min） 单 T 则 Q=60/T=60/4.099=14.64 件/h C 机床负荷率 机床负荷率为理性乡生产率与实际生产率之比。组合机床负荷率一般为 0.75-0.90，自动线负荷率为 0.6-0.7 左右。即组合机床设计简明手册P52 的公式 （2- 1 Q Q 4） 则 =Q/Q1=76.5%。 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 15 3 3 夹具设计夹具设计 3.1 夹具设计的基本要求和步骤 3.1.1 夹具设计的基本要求夹具设计的基本要求 夹具设计时，应满足以下基本要求 1)夹具应满足零件加工工序的精度要求。其关键在于，正确地确定定位方 案、夹紧方案和刀具导向方式，合理地设计夹具的尺寸、公差和技术要求，必 要时应进行误差的分析和计算。特别对于精加工工序，应适当提高夹具的精度， 以保证工件的尺寸公差和位置公差等。 2)夹具应达到加工生产率的要求。夹具设计的总体方案应与生产纲领相适 应。在大批量生产时，应尽量采用各种快速、高效的结构、自动装置和先进的 控制方法，以缩短辅助时间，提高生产率；在中心批量生产中，则要求在满足 夹具功能的前提下，尽量使夹具结构简单，容易制造，以降低夹具的制造成本。 特别对于大批量生产中使用的夹具，应设法缩短加工的基本时间和辅助时间。 3)夹具的操作要方便、安全。夹具的操作要尽量做到方便、省力，如有条 件，尽可能采用气动、液压及其他机械化夹紧装置、以减轻工人的劳动强度。 并可较好地控制夹紧力。夹具操作位置应符合操作工人的习惯，必要时应有安 全保护装置，以确保使用安全。 4)能保证夹具一定的使用寿命和较低的夹具制造成本。夹具元件的材料选 柴油机曲轴连杆轴颈滚切铣床总体和夹具设计 16 择将直接影响夹具的使用寿命。因此，定位元件以及主要元件宜采用力学性能 较好的材料。夹具的复杂程度应与工件的生产批量相适应。在大批量生产始终， 宜采用气压、液压等高效夹紧装置；而小批量生产中，则宜采用较简单的夹具 结构。 5）要便于排屑。夹具的排屑是一个容易忽视的问题，如果排屑功能不好， 切屑积集在夹具中，会破坏工件正确的定位；切屑带来的大量热量会引起夹具 和工件的热变形，影响加工质量；切屑的的清扫又会增加辅助时间，降低生产 率。切屑积集严重时，还会损伤刀具以致造成设备事故或工伤事故。因此，排 屑问题在夹具设计时必须给予充分的注意，在设计高效组合机床夹具时尤为重 要。 6)要适当提高夹具元件的通用化和标准化程度。选用标准化元件，特别应 选用商品化的标准元件，以缩短夹具制造周期，降低夹具成本。 7)具有良好的结构工艺性，以便于夹具的制造、使用和维修。 3.1.2 夹具设计的步骤夹具设计的步骤 1） 明确设计任务与收集设计资料 夹具设计的第一步是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。其内容主要是了解工 件的结构特点、材料；确定本工序的加工表面、加工要求、加工余量、定位基 准和夹紧表面及所用的机床、刀具、量具等。 其次是根据设计任务书收集有关资料，如机床的技术参数，夹具零部件的 国家标准、部颁标准和厂订标准，各类夹具图册、夹具设计图册等，还可以收 集一些同类夹具的设计图样，并了解该厂的工装制造水平，以供参考。 2） 拟定夹具结构方案与绘制夹具草图 A.确定工件的定位方案，设计定位装置。 B.确定工件的夹紧方案，设计夹紧装置。 C.确定对刀或导向方案，设计对刀或导向装置。 D.确定夹具与机床的连接方式，设计连接元件及安装基面。 E.确定和设计其它装置及元件的结构型式，如分度装置、预定位装置及吊 装元件等。 F.确定夹具体的结构型式及夹具在机床上的安装方式。 G.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 工件的加工精度较高时，应进行工件加工精度分析。有助于装置的夹具， 需计算夹紧力。当有几种夹具方案时，可进行经济分析，选用经济效益较高的 方案。 4） 审查方案与改进设计 夹具草图画出后，应征求有关人员的意见，并送有关部门审查，然后根据 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 17 他们的意见对夹具方案作进一步修改。 5） 绘制夹具装置装配总图 夹具的总装配图应按国家制图包准绘制，秽土比例尽量采用 1：1。主试图 按夹具棉队操作者的方向绘制。总图应把夹具的工作原理、各种装置的结构及 其相互关系表达清楚。 6） 绘制夹具零件图 夹具中的非标准零件均要画零件图，并按夹具总图的要求，确定零件的尺 寸、公差及技术要求。 6 3.2 定位方案的确定 3.2.1 零件的工艺性分析零件的工艺性分析 夹具是组合机床的重要组成部分，是根据机床的工艺和结构方案的具体要 求而专门设计的。它是用于实现被加工零件的准确定位、夹压、刀具的导向以 及装卸工件时的限位等作用。 本次毕业设计是设计曲轴所用的夹具。曲轴材料为 QT800-2，其硬度为 HB240-300。本工序加工内容为：滚切两连杆轴颈 62，两端圆角 4-R3.5，保 证轴向尺寸 25.75、59.25、361.75 和 395.25。 3.2.2 定位方案的论证定位方案的论证 工件的定位主要可以分为： 1. 工件以两主轴颈定位。常用 V 形块或半圆套定位元件来实现定位。 2. 工件以圆柱孔定位。所采用的定位元件有圆柱销和各种心轴。这种定位的基 本的特点是：定位孔与定位元件之间处于配合状态，并要求确保孔中心线与 夹具规定的轴线相重合。孔定位还经常与平面定位联合使用。 3. 工件以圆锥孔定位。工件以圆锥孔作为定位基准面时，相应的定位元件为圆 锥心轴，顶尖等。 4. 工件以外圆柱表面定位。在生产中经常可见，根据外圆柱面的完整程度、加 工要求和安装方式的不同，相应的定位元件有 V 形架、圆孔、半圆孔、圆锥 孔、定心夹紧装置。 由于我设计的机床是加工曲轴的，所以我选择了工件以曲轴轴颈定位。 3.2.3 误差分析误差分析 由于一批零部件在夹具上定位时，各个工件所占据的位置不完全一样，加 工后，各工体的加工尺寸必然大小不一，形成误差。 用夹具装夹工件进行机械加工时，其工艺系统中影响工件精度的因素很多， 与夹具有关的因素如图 3-2 所示： 图 1 误差分析图 柴油机曲轴连杆轴颈滚切铣床总体和夹具设计 18 用夹具夹装工件进行机械加工时，其工艺系统中影响工件加工精度的因素 很多，与夹具有关的因素有：定位误差D、对刀误差T、夹具在机床上的安 装误差A 和夹具误差E，在机械加工工艺系统中，影响加工精度的其它因素 综合称为加工方法误差G。上述各项误差均导致刀具相对工件的位置不精确而 形成总的加工误差。 a)定位误差 影响定位块位置度的因素有：定位块的表面粗糙度，定位块的相对位置误 差和安装误差。定位块在安装的时候进行了试切削，配磨，保证定位块等高， 并且本夹具采用基准重合原则设计的，故可忽略定位块的相对位置，即D=0。 b) 对刀误差 因刀具相对于刀或导向元件的位置不精确而造成的加工误差。对于本夹具 的对刀误差是由导套和各主轴之间的间隙引起，根据实际情况取T=0.01。 c)夹具在机床上的安装误差A 夹具在机床上安装时，其定位元件对机床装卡面的相互位置误差将导致工 件定位基准发生移动，从而使工序尺寸发生变化，这种误差称为夹具的安装误 差。 产生夹具的安装误差的因素有：a)夹具定位元件对夹具体安装基面的相互 位置误差;b)夹具安装基面本身的制造误差及其与机床装卡面间的间隙所产生的 连接误差。 根据本机床夹具安装形式，A 主要取决于夹具体和安装夹具的移动工作 台之间的平行度。此处平行度误差为 0.02mm。故A=0.02mm。 d)夹具误差 因夹具上定位元件，对刀或导向元件及安装基面三者之间（包括导向元件 与导向元件之间）的位置不精确而造成的加工误差，称为夹具误差，夹具误差 大小取决于夹具零件的加工精度的夹具装配时的调整和修配精度。取 E=0.04mm。 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 19 e)加工方法误差 G 因机床精度、刀具精度、刀具与机床的位置精度、工艺系统受力变形和受热变 形等因素造成的加工误差，统称为加工方法误差，因该项误差影响因素很多， 又不便于计算，所以常根据经验为它留出工件公差的。计算时可设G=， 3 1 3 k 工件位置公差取 0.20mm，则有: k G=mm k 067 . 0 20 . 0 3 1 3 f)保证加工精度 工件在夹具中加工时，总加工误差 为上述各项误差之和。由于上述误 差均为独立随机误差，应用概率加法，因此，保证工件加工精度条件是 （3-1） 22222 2222 00.010.020.040.067 0.081 DTAEG 即工件总加工误差应不大于工件的加工尺寸公差，由以上得知，本夹 具完全可以保证加工精度。 为保证夹具有一定的使用寿命，防止夹具因磨损而过早报废，在分析计算 工件加工精度时需留出一定精度储备量，因此将上式改为： c J = （3-2） k c J c J k 当0 时夹具能满足加工要求，根据上述计算得： c J =0.20-0.081=0.1190 c J k 故夹具完全可以满足加工要求。 3.2.4 导向装置导向装置 导向装置的作用在于保证刀具对于工件的正确位置；保证各刀具相互间的 正确位置和提高刀具系统的支承刚性。固定式导套有三个元件组成：压套螺钉， 可换导套和中间套。导套的主要参数包括：导套的直径和公差配合，导套的长 度，导套至工件端面的距离。导套的配合间隙对于孔的位置精度有很大的影响， 为了提高位置精度，应适当提高导套的制造精度和选用较紧的配合。在设计时 应注意相应位置的部位选用导套，使中间套的长度与其孔位之比 L/D3，以便 使该孔可靠的插入检验棒，作为机床总装时检查主轴与导套间的不同轴度时使 用。 柴油机曲轴连杆轴颈滚切铣床总体和夹具设计 20 柴油机曲轴连杆轴颈滚切铣床要求位置精度相对较高，而且应使导套尽量 接近加工表面，力求选用较高的精度和较紧的配合，一般采用长导套。在夹具 上安装导向装置，装配技术要求包括：导向孔中心至工件定位基面的距离允差， 各导向装置相应的导向孔的不同轴度允差，各导向装置上相应的导向孔的中心 连线对工件定位基面的不平行度允差以及各导向孔中心连线对夹具定位的位置 精度。 柴油机曲轴连杆轴颈滚切铣床的刀具导向装置设计在模板上，由于是大批 生产，所以采用可换式导套。 3.3 夹紧方案的确定 3.3.1 夹紧装置的确定夹紧装置的确定 1).夹紧装置的组成 本设计中夹紧装置采用液压夹紧装置，由力源装置、中间传力机构、夹紧 元件三部分组成。其组成部分的相互关系，如图 3-5 的方框图所示： 图 2 夹紧装置的组成 2).夹紧装置设计的基本要求 A.夹紧过程中，不改变工件定位后占据的正确位置。 B.夹紧力的大小要可靠和适当，既要保证工件在整个加工过程中位置稳定 不变，振动小，又要使工件不产生于过大的夹紧变形。 C.夹紧装置的自动化和复杂程度应与生产纲领想适应，在保证生产率的前 提下，其结构要力求简单，以便于制造和维修。 D.夹紧装置的操作应当方便、安全、省力。 3).夹紧装置的选择 通常应用的机械夹紧装置有气压装置和液压装置两种，各有其优越性，要 根据实际情况来选择用哪种装置。 A.气压装置 气压装置以压缩空气为力源，应用比较广泛，与液压相比有以下优点： 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 21 (1) 动作迅速，反应快。气压为 0.5MPa时，气缸活塞速度为 110m/s，夹 具每小时可连续松夹上千次。 (2) 工作压力低（一般为 0.40.6MPa） 。传动结构简单，对装置所用材料 及制造精度要求不高，制造成本低。 (3) 空气粘度小，在管路中的损失较少，便于集中供应和远距离输送，易 于集中操纵或程序控制等。 (4) 空气可就地取材，容易保持清洁，管路不易堵塞，也不会污染环境， 具有维护简单，使用安全、可靠、方便等特点。 主要缺点是空气压缩性大，夹具的刚度和稳定性较差；在产生相同原始作 用的条件下，因工作压力低，其动力装置的结构尺寸大。此外，还有较大的排 气噪声。 B.液压装置 液压装置的特点是： (1) 液压油油压高、传动力大，在产生同样原始作用力的情况下，液压缸 的结构尺寸比气压小许多倍。 (2)油液的不可压缩性可使夹具刚度高，工作平稳、可靠。 (3)液压传动噪声小，劳动条件比气压的好。 但是，油压高容易漏油，要求液压元件的材质和制造精度高，故夹具成本 高。 通过对以上两种机械夹紧装置优缺点的比较，结合加工工件的精度要求、 工人的劳动强度和环境要求、企业的实际情况，本设计中夹紧装置采用液压夹 紧装置。 3.3.2 夹紧力的确定夹紧力的确定 1).夹紧力确定的基本原则 A.夹紧力的方向 a) 夹紧力的方向应有助于定位稳定，且主夹紧力应朝向主要定位基面。 b) 夹紧力的方向应有利于减小夹紧力。 c) 夹紧力的方向应是工件刚度较高的方向。 B.夹紧力的作用点 夹紧力的作用点应落在定位元件的支承范围内。 a). 夹紧力的作用点应选在工件刚度较高的部位。 b). 夹紧力的作用点应尽量靠近加工表面。 2).夹紧方案 根据以上要求及原则，工件属于箱体类零件，夹紧力的方向应垂直于最重 要的定位基面底面，并将工件压向该面，而不宜与其他方面进行夹紧。由于 工件为薄壁件，易受力变形，故采用多点同时压向工件，均匀分布压紧力，起 到减少受力变形的效果。夹紧力为液压缸驱动。用推杆将压力传递致压板，然 柴油机曲轴连杆轴颈滚切铣床总体和夹具设计 22 后由压板将压力分散到工件压紧表面，从而将工件压紧。 3)夹紧力的预算 夹紧力的计算由于受到多方面工艺的影响，计算起来比较复杂，一般只能 粗略估算。为了简化计算，在设计夹紧装置是可假定工艺系统是刚性的，只考 虑切削力和切削力矩对夹紧力的影响。 根据文献10P189 夹紧力的计算公式： (3-3) 21 KP Wk 式中：安全系数；K 切削力；P 夹紧原件与工件间的摩擦系数； 1 工件和夹具支承面间的摩擦系数； 2 根据文献10表（2.2-1）和表（2.2-2）查得安全系数按下式计算K (3-4) 6543210 KKKKKKKK 式中：考虑工件材料及加工余量均匀性的基本安全系数，取； 0 K 0 K2 . 1 ：加工性质，取； 1 K 1 K2 . 1 ：刀具钝化程度，取； 2 K 2 K0 . 1 ：切削特点，取； 3 K 3 K0 . 1 ：夹紧力的稳定性，取； 4 K 4 K0 . 1 ：手工夹紧时手柄位置 ，取； 5 K 5 K0 . 1 ：仅有力矩作用于工件时与支承面接触情况，取。 6 K 6 K5 . 1 则： 6543210 KKKKKKKK 5 . 10 . 10 . 10 . 10 . 12 . 12 . 1 16 . 2 根据文献10表（3-34） ，查摩擦系数、均为5 1 2 2 . 0 根据 2.3.3 节切削力的计算结果，则 22 22 17221653 1660.5 PFFF N 右多轴箱左多轴箱后多轴箱 （） （1880） 12 2.16 1660.5 0.250.25 7173.5 k KP W N 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 23 3.3.3 油缸的选择油缸的选择 A计算上面夹紧缸： 油缸的系统工作压力大小选择要根据活塞作用力的大小和设备类型确定,根 据文献10表（3.6-6）和表（3.6-7） ，则气缸直径： D= (3-5)1.13 P p 式中：p油缸系统工作压力（MPa） P活塞最大作用力（N） D气缸直径（mm） 由夹紧力计算公式得 P=37968.1N,根据文献10表（3.6-7） ，查得 p=5MPa， 代入公式(3-4)得： D=1.13 P p 7173.5 1.13 5 42.8mm 根据文献10表（3.6-23） ，选用油缸直径为 90mm，油缸的型号为 T5019I 型（法兰式油缸） 。 3.4 夹具体的设计 夹具上的各种装置通过夹具体连接成一个总体。因此，夹具体的形状及尺 寸取决于夹具上各种装置及夹具与机床的连接。 夹具体设计的基本要求： A.具有良好的加工精度。对于夹具体上用来安装定位元件、对刀元件或装 置的工作表面，以及夹具体上用以与机床定位连接的表面和找正基面等重 要表面，应根据夹具总图设计要求，提出相应的尺寸形状和位置精度。一