装载机动臂镗孔加工工装设计

广西科技大学普通本科毕业设计（论文）说明书课题名称 装载机动臂镗孔加工工装设计 学 院 机械工程学院 专 业 机械工程及自动化 班 级 学 号 姓 名 指导教师 年 月 日摘要动臂是装载机上的一个重要组成部分，与装载机的前车架、摇臂、动臂提升缸、铲斗相连组成工作装置。在实际生产中，由于动臂的种类已经发展出一定的尺寸系列，而且装载机做为大型工程机械总生产量很高，但是分到每一个尺寸系列的生产量不一定很高。为此，专门为某一类型的动臂设计专用夹具，根据现有动臂的种类来看成本上就显得很高而且夹具会很多难以管理。本设计从企业现有的散工装出发，散工装虽然具有很高的制造柔性，但是加工后的动臂难以保证质量。现在原有夹具基础上通过对动臂系列的尺寸进行分析，借鉴相关的动臂工装设计，观察各个尺寸的主要差异，设计夹具的调整范围，保证夹具的柔性能够满足企业的需求。然后分析动臂的加工工艺，将夹紧装置整体固定化。确定出夹具的整体结构方案，通过对定位误差、切削力、夹紧力进行计算分析，校验夹具方案的定位误差和夹紧力是否在可承受的范围。关键词：动臂；夹具设计ABSTRACTThe boom is a key part of the loader, and the front frame of a loader, rocker arm, a movable arm lifting cylinder, a bucket is connected with the composition of the working device. In actual production, due to the type of boom has developed a certain size series, and the loader as a large-scale construction machinery production is very high, but the production of each size series is not necessarily very high. To this end, specifically for a certain type of boom design fixture, according to the existing types of movable arm of the cost is very high and the fixture will be a lot of difficult to manage. This design from the enterprise existing casual workers loaded starting and casual workers installed although has the very high manufacturing flexibility, but after processing, the boom is difficult to guarantee the quality. Through the analysis of the size of the movable arm series, drawing on the relevant dynamic arm tooling design, the main differences between the various sizes, the design of the fixture to adjust the scope to ensure that the flexible fixture can meet the needs of enterprises. Then, the processing technology of the movable arm is analyzed, and the whole of the clamping device is fixed. Determine the overall structure of the fixture scheme, through the positioning error, cutting force, clamping force calculation and analysis, calibration fixture positioning error and clamping force is in the range of tolerance. Key word ：Loader boom fixture design目录1. 绪论11.1课题来源11.1.1装载机的发展趋势11.1.2课题研究的意义11.2动臂夹具的国内外发展趋势21.2.1动臂夹具的国内发展趋势31.2.2动臂夹具的国外发展趋势31.3设计目的32动臂零件的分析52.1动臂简述52.2动臂孔加工工艺分析.62.3动臂加工中重要的参数分析83动臂夹具概述93.1夹具简述93.2动臂夹具的组成94动臂夹具整体方案的设计104.1动臂夹具的设计要求104.1.1夹具的整体要求104.1.2夹具体的设计要求104.2动臂整体方案的选定105动臂夹具设计125.1夹具的定位原理125.2夹具的定位元件选取125.3侧面定位装置的设计125.4中间定位装置的设计145.4.1定位心轴的设计145.4.2中间定位装置的设计155.5定位误差的分析175.6夹紧装置的设计要求185.7端部夹紧装置的设计195.7.1104端部夹紧装置的设计195.7.275端部夹紧装置的设计195.8侧面定位的夹紧装置设计205.9中间定位装置上的夹紧装置的设计215.10夹紧装置的夹紧力校验22结束语27致谢28参考文献291. 绪论1.1课题来源1.1.1装载机的发展趋势我国装载机行业通过改革开放的几十年发展，逐渐发展壮大，逐渐成为一些地区的支柱型产业，为我们国家的经济发展提供很大的动力。在中国经济进行产业结构转型的大背景下，工程机械的未来需求短期不会下降，但随着社会的发展趋势，机械制造趋向于满足顾客多元化的需求的发展方式。根据这一发展趋势的需求，需要企业能够以客户的需求为导向来设计产品。这样，不仅使产品的更新速率更快，而且使技术的发展方向更加多样。随着新的材料的发现发明，以及一些新的功能加入，都将会促进产品的更新和换代。这样需要装载机企业能够将装载机多用途化、微型化以满足客户的需求；不断优化、创新的结构设计，以扩大装载机的种类来开拓市场；将计算机技术与装载机进行融合，以进一步促进装载机的智能化。1.1.2课题研究的意义装载机动臂是装载机的组成中的一个大型结构件，它的重量大、体积大、结构不规则，在机械加工的过程中，搬运、移动、加工都存在很大问题。在经过对企业现场的现有装载机动臂机加工的工装和之前柳工的技术人员之前设计的一些工装的观察。以及在企业的技术人员的指导下，通过观察现场动臂的机加工过程，我了解到企业现有工装存在的问题：由于装载机动臂在加工的工程中，存在有焊接加工变形和零件尺寸、质量大的问题，导致动臂孔系加工完后动臂孔系的配合尺寸、相对孔系的同轴度及孔系相对动臂板面的垂直度难以满足设计要求；而且，现场工人正在使用的机加工工装是散工装，它的定位、压紧和顶紧的部件是散件组合，虽然这样的散件提高工装的机械制造柔性，但它不符合企业所要求的高效和规范，也不能满足企业对于质量的追求；在加工现场，还停放着工厂技术人员先前设计的另一套动臂机加工工装，它的定位、压紧和顶紧装置均固定于一块底板上，针对企业的某几种型号动臂生产效率高，而且能满足图纸的设计要求，而且由于它的定位、压紧和顶紧部件全是固定件，便于企业的管理和维护，但它的缺点就是对于特定的几种动臂型号之外的动臂加工，会给工人的装夹造成很大的困难，甚至有些型号的动臂不能进行装夹。图1现在正在使用的动臂加工工装图2动臂工装方案之一1.2动臂夹具的国内外发展趋势1.2.1动臂夹具的国内发展趋势通过互联网查阅相关的动臂夹具设计的实用专利，可以发现，大部分的公司在为同样的动臂设计方案时，通常采用的都是利用液压装置进行装夹，在进行不同动臂加工的时候，通过液压装置实现动臂加工位置的调整。通过分析归类动臂尺寸系列，为不同动臂在加工过程中进行调整加工。也有通过用组合夹具来增加加工动臂的范围，将相关的定位装置和夹紧装置设计成灵活的模块化，在不同动臂加工时，进行组合。1.2.2动臂夹具的国外发展趋势通过查看图书馆相关的书籍资料和浏览图书馆提供的和机械相关的大型数据库，如中国的知网和万方平台及一些外文数据库。随着科技的进步，尤其是新的技术出现时，在追求高精度、高效率的思想指引下，必定会促进制造技术的革新，而与此同时也需要夹具跟着一起发展以适应新的制造加工的要求。在现代机床的发展趋向标准化、精密化、高效化、柔性化的发展下，在未来越来越趋于用人工智能来控制制造加工的各个过程（运输、搬运、装夹工件、机器加工）。以来减小劳动力的使用，减少人为的操作和测量误差，以提高要加工的产品的加工质量和加工效率。在这里，便有了能够配有自动物料运输系统、自动控制的机械手、自动完成加工的制造系统和自动监控反馈系统的智能机械制造系统的设想。在这里有了智能的机械制造系统，传统夹具没有与智能制造系统配合的能力，这样就需要与之进行配合的智能夹具，能够自动调节夹紧力的大小，减小工件在加工的变形；能够监测加工进行的情况，为调整切削参数提供依据；能够自动应对突发情况，避免事故。在这里，需要我们观察学习一些先进制造知识和思想，这些先进制造技术不仅要求我们去学习机械相关的知识，还需学习电子、光学、信息技术、材料科学等相关的知识。然后把这些所学的知识、思想和企业的实际生产状况结合起来，通过科学的比较分析，把所学的先进的设计思想融入到企业的生产之中。在现在进行的毕业设计中，虽然以上的设计思路和方向和本人所进行的设计并没有多大的连系，但是正是这些新思想新知识开阔我们的思想，相信未来会在我们的实际工作中会给我们提供一个意想不到的设计思路。1.3设计目的现在，根据企业的需要，在现有的工装的基础上进行重新设计。设计出一种能保证加工效率高、加工精度能满足设计要求及能具备一定加工柔性的工装夹具。使其能满足以下的设计要求：加工范围：5080系列的动臂；加工后满足动臂孔系平行度0.2；提高加工效率控制节拍30分/台；能在双面镗床上使用。通过这些设计要求，我开始寻找与夹具设计相关的书籍、文献和一些具体的夹具设计和分析的案例，通过向这些参考资料的学习，以了解夹具设计的定位装置的选择、定位误差的检验、夹紧装置和辅助装置的选择与设计和夹紧力的检验等方面的相关知识，以及夹具结构设计中应该避免的一些结构。通过使用CERO2.0建立夹具在夹持工件时的模型，分析其主要的干涉面，确定方案；然后用AutoCAD画出夹具的装配图。2动臂零件的分析2.1动臂简述动臂是装载机上的一大组成部分，与前车架、后车架一样是装载机上的一大型结构件，所以动臂的加工后的精度对后续的装配有着重大的影响。通过对装载机动臂的产品图进行观察，和对企业相关技术人员进行咨询请教。可以知道，虽然装载机的动臂随着装载机的不断更新换代，形状产生许多改变，但是基本的设计结构并没有发生很大的改变。基本的结构还是横梁、动臂板和圆搭，正是它们的尺寸有一系列的变化，需要我们在动臂加工时需要夹具或工装具有一定的柔性。以下为要加工的动臂主视图简图：图3动臂的组成图示图4动臂系列简图2.2动臂孔加工工艺分析.装载机动臂由横梁、动臂板、圆搭等零件拼搭焊接而成，由于焊接变形大，动臂板上的孔系和圆搭的内孔留有2mm左右的加工余量，留给动臂焊接完成后的镗孔精加工，以便满足图纸上的设计要求。在动臂装配图中可以看到，要加工的孔系材料有：动臂板为Q345，圆搭为Q235。主要的加工面为2-75、2-87、2-104(大部分的动臂系列要加工的尺寸均为这三个尺寸，少数系列要加工的尺寸有所不同，但这个可以对于本夹具设计影响不大，可以暂不考虑，均按上述尺寸分析)，它们之间有一定的位置要求。2-75精度等级H8，基孔制，表面粗糙度Ra3.2um。这两个孔的同轴度为0.15mm，该孔的轴线与动臂中心面的垂直度为0.15mm，与2-104的轴线的平行度为0.2mm。2-87精度等级H8,表面粗糙度Ra3.2um。这两个孔的同轴度为0.15mm，该孔的轴线与动臂中心面的垂直度为0.15mm，与2-104的轴线的平行度为0.2mm。2-104精度等级H8,表面粗糙度Ra3.2um。这两个孔的同轴度为0.15mm，该孔的轴线与动臂中心面的垂直度为0.15mm。由动臂装配图和以上的分析可知，对于这三个孔系的加工，可以在双面镗床上两个一组同时进行加工，可以先加工2-75和2-104这两个孔系，再加工2-87的孔系，来保证它们之间的位置之间的精度要求。在企业生产中，如何正确选用正确的切削用量，对于保证加工质量、降低加工成本和提高劳动生产率都有重要意义1。从动臂装配图上来看，由于要加工的孔的经济精度范围为IT8IT9，经济表面粗糙度Ra3.2um。采用加工方案为：粗镗精镗。下表为主要的切削参数：加工过程背吃刀量/mm进给量mm/s转速/r粗镗0.5mm0.05300精镗0.5mm0.05500图5其中一动臂的三视图简图2.3动臂加工中重要的参数分析由以上动臂的零件图可以知道要加工的三个动臂孔和支撑板上的孔（加工的定位基准）之间的位置关系。经过统计，支撑板上的孔与动臂板上的最远两孔所连接而成的水平线的垂直距离的范围为495689mm，动臂板上最远两孔的间距的范围为28204035mm，动臂板的中间孔在动臂板上最远两孔所连接而成的水平线上下浮动，范围为上45mm到下185mm。动臂的定位孔系110的同轴度误差为0.1mm，垂直度误差为0.1mm图6加工孔与定位孔的位置关系3动臂夹具概述3.1夹具简述从19世纪后期的天轴传动的车床上，便有了夹持工件的卡盘，这就是早期出现的夹具。这样随着工业化的进程，为了迅速实现工件的定位与夹紧，并在加工的过程保持工件在机床上的正确位置，就这样出现了越来越多相关功能的辅助工具。随着科学技术的不断发展和创新，夹具已然从一种辅助工具变成了门类齐全的工艺装备。在这里，夹具也有时会被称为卡具、工装、治具。夹具不仅可以在不同制造设备来进行分类，也可以按照在不同的工艺下进行分类，还可以按照生产类型的不同来进行分类。在进行夹具设计时，由于夹具并不是产品，在不同生产类型，对于设计成本的控制有着不一样的要求，但是夹具在机械加工中起着相当重要作用，这样设计的夹具便必须综合考虑加工过程中影响到夹具的重要因素。3.2动臂夹具的组成动臂夹具一般由中间定位装置、侧面定位装置、侧面的夹紧装置、中间的压紧装置和两端的夹紧装置组成。中间定位装置一般采用刚性心轴来做定位元件，侧面定位装置一般采用定位块来做定位元件，而且由于动臂长度方向的尺寸比较大，为了保证动臂定位的准确性，一般会配置多个定位块一起作用。中间的压紧装置一般是螺旋压板夹紧机构，该机构结构简单、制造容易夹紧行程不受限制的特点，适合于用于需要夹持有一定尺寸变化范围的夹具。侧面的夹紧装置和两端的夹紧装置有采用螺旋夹紧机构和液压夹紧装置两种，侧面的夹紧装置一般和侧面定位装置对心安置，保证定位的可靠性；两端的的夹紧装置一般安置于要加工的孔旁边，以保证加工过程中不出现跳动。4动臂夹具整体方案的设计4.1动臂夹具的设计要求4.1.1夹具的整体要求本次设计的夹具是基于：粗镗-精镗2-75H8、2-87H8及2-104H8三个孔来进行设计的，适用于双面镗床。因为本次要加工的工件体积大，质量大，需要用到行车来进行工件的移动，对工人的操作需要特别小心，由于这道工序是动臂机械加工的最后一道工序，所以，主要考虑到如何保证机械加工后得到精度能够满足图纸的设计要求，在此基础上，在考虑如何降低工人的操作强度。最终实现工件能够可靠地定位，并能用较小的夹紧力来实现工件的固定，提高工件加工的合格率和生产率。4.1.2夹具体的设计要求夹具底板（夹具体）在设计时，一般需要注意保证有足够的强度和刚度以保证能承担加工的过程产生的力；同时在保证夹具应有的强度和刚度的同时最好减轻重量以便于工人在加工过程中的操作和调整；在夹具底板放于机床工作台上时，为了安放的平稳和可靠，夹具体的底面中部一般应挖空，多采用周边接触、两端接触和四角接触等方式，现采用两边接；为了便于夹具的制造和装配，夹具底板的表面分为夹具体在机床上定位部分的表面、安放定位元件的表面和其他表面。在这三种表面中，前两种表面是夹具在设计与制造过程中需要特别注意的表面，其他表面在夹具的设计过程中由于其作用相对前两种不是很大，通常不需要特别加工，直接铸造出来，通过一般的防锈处理便可以。在设计夹具体的过程中，还需要考虑到在排屑的方便，由于在加工的过程中有一部分的切屑会落到夹具体上，将会影响到夹具在加工调整时的可靠性和减小夹具的寿命。这样需要在夹具设计时设计由容纳切屑的空间和排屑的方式。4.2动臂整体方案的选定在观察零件图和向企业的技术人员进行请教后，根据精基准的选择原则：基准重合原则、基准重合、互为基准原则、自为基准原则，现在有两个定位方案来旋转。方案一：选择动臂横梁支撑板上2-110的孔系作为本次夹具的主要的定位基准。因为2-110这个孔是动臂的设计基准，而且动臂经过焊接加工的一系列工序后，和对动臂横梁支撑板上的2-110D9孔系的精加工后，表面的粗糙度较低，而且尺寸确定，与夹具的定位装置进行配合时，能够减小因定位配合而造成的定位误差。然后选择动臂板的侧面做辅助的定位基准来保证要加工的孔系对于垂直度的要求，这样，根据工件的六点定位原理，由定位心轴限制了工件的x，z方向的移动自由度，x，z方向的旋转自由度，再加上侧面的辅助定位装置限制的y方向的移动自由度，再加上底板辅助支撑限制了y方向的旋转自由度。这样只需在侧面设计一夹紧装置将工件和侧面的定位装置紧贴，同时通过调整底面的可调整的支承装置，使最远两孔系的高度一致后进行压紧，最后将定位心轴压在夹具体上，便可使工件在机床加工中获得固定的位置。方案二：选择水平底面做主要的定位基准面，在动臂板侧面的辅助定位。底面的支撑板限制了z方向的移动和x，y的旋转方向的自由度，侧面的辅助支承限制y方向的移动自由度和x方向的自由度，在x方向有一限制其移动自由度的辅助支撑杆，这样工件的六个方向上的自由度就完全限制住了。夹紧方案和方案一一样，区别在于没有最后对心轴的压紧。由于动臂板的外形是火焰切割直接从板材切割出来的，没有经过机床加工，表面粗糙度较大。如果使用动臂板底面与底面的支撑板接触来进行定位的，会有较大的定位误差，而且经常使用这种表面粗糙度较大的面来与定位装置接触，会加速夹具定位装置的损害。而且由于底面不是零件的设计标准，而且之前的工序中也没有选择该面做为定位基准，由于底面没有经过精加工，不能直接作为精基准，要做为精基准，还要在火焰切割后加上一道工序来对该面进行铣削加工。但是，该方案有个优点，就是装夹过程比方案一更为简单。由以上分析可得，以上方案大致上看起来还是比较合理的，但经过比较后，方案一比较符合我们的夹具所要的设计要求。5动臂夹具设计5.1夹具的定位原理在采用夹具装夹工件进行加工时，为了保证零件在某一道工序的加工精度要求能够满足设计图纸（加工工艺）的要求，在加工前必须使工件在机床上要处在一个确定的位置上。这样，要完全确定工件的正确位置，通常采用六点定位原理，通过六个相应的支承点来限制工件的自由度。5.2夹具的定位元件选取工件在夹具中的位置的确定是由各种类型的定位元件实现的，在平面定位中有固定支承、可调支承、自位支承及辅助支承，圆孔表面的定位元件有定位销、刚性心轴和锥度心轴等。在这里，本次设计的定位装置有两个，分别为放置定位心轴的中间定位装置和放置定位块的装置，本次设计的侧面定位装置采用可调支承（定位块）的方式来实现定位。中间定位装置采用的是刚性心轴来定位。5.3侧面定位装置的设计由于要加个的三个孔系和动臂的中心面有垂直度要求，而动臂在经过之前工序的加工，可以认为动臂板的侧面和动臂中心面是平行的。在此由于动臂板有50mm和60mm两种，而且大部分动臂板的中心面的间距为1020mm，所以可以按最厚的动臂板来设计定位装置的位置，然后在装夹50mm动臂板的动臂的时候添加一定位支承板，以保证动臂零件位于夹具的中间位置，为后续的装夹提供便利。在通过对现有的动臂，对现有动臂零件的统计分析，有中间加工孔系87H8mm与动臂横梁上的定位孔系110D9mm的水平距离为134.5804.71mm（分布为134.5、178、207、208.5、257、291、291、307.3、360、370、372.4、461、492.6、512、804.71）。同时，中间加工孔系87H8与动臂横梁上的定位孔系110D9的垂直距离范围为540.3912.5mm（540.3、550、553、559、573、580.5、593、601、603.5、610、635、643、659、690.33）。为了避免动臂板的底端水平面与夹具底板产生干涉，因此需要将动臂板的底端水平面与动臂板的最远两孔的连线的垂直距离和87H8孔的r80圆弧面与动臂板的最远两孔连线的垂直距离进行比较，有动臂板的底面与动臂板的最远两孔连线的垂直距离范围为120180.5（120、127.5、130、134、137、136、141、144、150、160、163、180.5），87H8的r80圆弧面与动臂板的最远两孔的连线垂直距离范围为-57223.5(-57、-45、-40、-35、-30、-20、-13.5、25、30、98、120、139、223.5设定高度增加为正方向)。由动臂110D9与动臂板最远两孔的连线垂直距离为495689mm（495、520、526、590、570.3、594、605、610、617、618、625、625.5、689），通过动臂板的形状进行统计分析比较，确定各个动臂的110D9孔与动臂最低端的垂直距离，其范围为673989.5mm（673、681、720、730.3、731、737、739、740、741、759、770、770.3、788.5、805.5、810、989.5）。由以上的数据，可知需要设计的侧边定位块的高度应低于989.5mm，考虑到动臂底部不能和夹具的底面相接触，所以需要留上2040mm的空隙来给工人安放工件到夹具上时不会出现干涉。为了使侧面定位装置与放在夹具中的动臂零件的大致中心位置，需要将各个动臂横梁定位孔系110D9与加工孔系87H8孔的垂直距离减去孔系110D9与动臂横梁的上侧盖板的上表面的垂直距离（大致为180mm），现在设计侧面定位装置的高度的范围为493639.5mm，为了使夹具的侧面定位装置能够适应全部的动臂的装夹，现将侧面定位装置的高度为530mm。由于存在要加工的中间孔系87H8mm，因此，要设计的定位装置需要避开这个需要加工的孔，同时，由于动臂零件的长度方向上的尺寸相对要设计的定位装置的相同的尺寸的10倍左右，为了保证在定位的过程中不会发生侧移，使定位结果能够保证准确性及可靠性，现在需要设计两个定位装置水平布置并且相对之间的距离位大于5001000mm。为了使这定位装置在加工孔系87时不会产生干涉，设置其相距900mm。通过观察以上做过的动臂的孔系87和定位孔系110的位置关系，由于动臂的两动臂板的中心线的距离为1020mm，动臂板的厚度的取值有50mm和60mm两种，这样定位块需要适应这样的变化。首先考虑到动臂板的厚度为60mm的情况，设计定位块距离动臂的中心线的距离为540mm。为了满足动臂厚度为50mm的情况，这样需要再设计一个定位块，能够叠加到设计的动臂厚度60mm定位块上，这样以避免工人每次在这两种不同厚度的动臂加工时，需要将定位块装拆一遍来调换，增加工人劳动，降低效率。在设计动臂侧面定位装置的长度方向的尺寸时，需要考虑到不同动臂的长度范围28203600mm，要给两边的夹紧装置、压紧装置和辅助支承的调整留下足够的范围，这个由于104孔系和75孔系的上述装置的调整范围是不一样的，由动臂零件图及一些相关的计算，可以得到104孔系的调整距离是586mm，75孔系的调整距离为272mm。根据经验，夹紧装置一般要靠近加工的孔系，以保证加工过程不产生震动，这样加工孔系的轴线和夹紧装置的螺纹的轴线的水平距离一般为200250mm。再加上考虑动臂要加工的孔104和定位孔110的水平距离的范围为17632349mm,和加工孔75和定位孔110的水平距离的范围为9791251mm，这样可以大致算出留给中间定位装置和侧面的定位夹紧装置的长度范围在1860mm以内。在参考相关的设计中，为了制造的方便，在将侧面定位装置分为定位块、扩展定位块、支承主体和肋板四个部分。将定位块和支承主体分开制造，可以降低装置的制造难度。由动臂板的厚度有50mm和60mm两种，两动臂板的中心距离为1020mm。可以设计一扩展的定位块套在原来的定位块以定位动臂板厚度为50mm的动臂系列。具体设计最终设计如下： 图8侧面定位装置的简图为保证加工出来的动臂的尺寸能够满足设计图纸的要求，侧面定位装置的定位块的主要定位面与水平面的垂直度要保证。5.4中间定位装置的设计5.4.1定位心轴的设计在本次设计中，将采用110D9的孔系来设计与其配合的定位心轴，在这里，通过借企业的富有经验的技术人员所设计的可以消隙的心轴和书本的一些相关设计，采用的设计尺寸为间隙配合，配合尺寸为110D9/h8。在定位心轴与放置心轴的中间定位装置配合的孔系同样采用间隙配合，在将心轴放入动臂的110孔时，为了方便装夹，将与配合放置定位心轴的定位装置的定位心轴的轴设置比动臂的孔系的直径小一些，为保证定位心轴的强度不能将这一部分的直径设计的较小，参考之前的设计人员的设计方案，同时遵循着降低成本的需要，将其直径和相关的配合尺寸设定为75d9/H8。在使用定位心轴定位时，通常不将定位心轴与夹具体直接接触，在它们之间一般还设计一个耐磨套，以提高夹具的使用寿命。现将在cero2.0中设计好的定位心轴模型如下图：图7定位心轴的模型图5.4.2中间定位装置的设计通过对动臂零件图的分析以及之前在设计侧面定位装置所计算的一些数据的分析，可以通过动臂板的底端水平面与动臂板的最远两孔的连线的垂直距离和87H8孔的r80圆弧面与动臂板的最远两孔连线的垂直距离进行比较，动臂板的底面与动臂板的最远两孔连线的垂直距离范围为120180.5，87H8的r80圆弧面与动臂板的最远两孔的连线垂直距离范围为-57223.5)。动臂110D9与动臂板最远两孔的连线垂直距离为495689mm，通过动臂板的形状进行统计分析比较，确定各个动臂的110D9孔与动臂最低端的垂直距离，其范围为673989.5mm。在考虑到动臂最低点在放置到夹具后不与夹具的底板相触，在以上的范围加上2040mm的间距。因此，在设计放置心轴的轴线的高度的去值范围为673989.5mm。由于放置的定位心轴的调整在实际的机械加工的过程中，要能精确调整到位是很难的，而且定位的元件在调整的过程很可能破坏定位的精度，所以实际生产中不同动臂的加工采用的调整的方法一般是把动臂板最远上的两个孔系的高度调整要差不多一样的高度然后再进行夹紧后加工。所以，一般将放置定位心轴的位置固定在夹具体上。由于定位孔系的高度在一定的范围内的固定数值。为了实现这一变化同时不使不同动臂在加工的过程中调整的范围过大。将设计放置心轴的位置高度分为4个高度，现将设计放置定位心轴的轴线距离夹具表面的距离为520mm、575mm、630mm和690mm。前三分别将动臂加工分为3个范围，第一个放范围为动臂板上加工孔系75、104轴线连线和定位孔系110垂直距离的495mm到545mm之间的动臂，第二个放550mm到594mm之间的动臂，第三个放600mm到650之间的动臂，最后一个现单独放最高的动臂。在确定定位装置的整体长度时，由于中间定位装置实际上整体安放在定位孔110和加工孔75的这一侧，在考虑到安放定位心轴的装置的直径为75mm，为了安放方便，由定位装置的耐磨套的直径为95mm，现在设定中间定位装置与定位心轴的配合的地方直径为95mm，同时由螺旋压紧机构的螺杆与定位心轴的距离不应离得太远，为了夹紧装置的稳定性，现在设定螺旋压紧的作用点与定位心轴的轴线的距离为200mm左右，所以现设计的中间定位装置的长度方向的距离为415mm。在确定定位装置的整体宽度时，由于设计了四个安放定位心轴的位置，所以在设计时需要考虑到这四个安放心轴的位置在装载耐磨套时可能产生的干涉，在设计安放575mm、630mm和690mm这三个位置时，需要考虑耐磨套的的最外的尺寸为直径150mm10mm，尤其是575mm和630mm这两个位置时，需要为这两个位置不产生干涉，在它们之间加上20mm的间隔。为使夹具结构尽量紧凑和定位装置的稳定性，将放置耐磨套的夹具体的位置的厚度设定为40mm。将夹紧装置放于动臂横梁定位孔系的中间位置，由动臂横梁的定位孔系中间的间距为214mm左右,将放置第一组加工系列（520mm）的放置装置放置在这个距离内。由这定位两孔系的两外端表面相距394mm（也有374mm系列），为了在加工的过程中将工件放入夹具的过程中减少与夹具碰撞的机会，设计放置第二组（575mm）加工系列的装置的位置与放置第一组（520）加工系列的装置间距为150mm左右。由于中间定位装置的整体尺寸在夹具中比较大，现在采用焊接的方式制造，可以降低夹具的制造成本。设计好的中间定位装置如下图： 图9中间定位装置简图5.5定位误差的分析经过查阅与定位误差相关的书籍资料以及对动臂进行分析，由定位误差的定义：指由于定位不准而造成某一工序在工序尺寸（通常指加工表面对工序基准的距离尺寸）或者位置要求方面的加工误差，对于某一个定位方案，经过分析计算其可能产生的定位误差,只要小于工件有关尺寸或位置工差的1/31/5，一般即认为此定位方案能满足该工序的加工精度要求【2】。在实际设计中，定位误差通常是指一批零件在使用调整法加工时，仅仅是由于定位不准而引起工序尺寸或位置要求的最大可能变动范围。即定位误差主要是由基准位置误差和基准不重合误差两项组合而成。这样，就可以通过工件在夹具中定位的两个极端位置的变换范围来计算定位误差。定位误差的计算公式如下： （1）式中所求的定误差（mm）； 基准位置误差（mm)； 基准不重合误差(mm)。加工孔与设计基准（定位孔）的距离误差分析：的的定位心轴与动臂上的支撑板上的孔的配合尺寸为，轴的尺寸为，孔的尺寸为，由110孔系的两个孔还有同轴度公差0.2mm和垂直度误差0.15mm。由于零件在制造过程中很多时候不会出现两个尺寸完全相同的零件，当我们当动臂板的支撑板上两个孔的最大和最小的极限公差时同时处于最大同轴度和垂直度的极端位置时，有最大的定位误差。同时考虑到的定装置在制造过程中的误差会叠加到零件加工误差上，由侧面定位块与底面的垂直度误差0.05mm，两定位块之间安放的平行度0.02mm,这些都会体现在基准不重合误差之中。现由上述公式（1）可得：由于0.142mm小于两孔之间的定位距离的误差范围（0.7）的1/3，可以认为方案满足要求。加工孔的平行度误差分析：由于加工的孔与定位孔有平行度的要求，其要求为0.2mm，由于定位孔是已经加工出来，由于该孔的加工误差的存在，夹具在制造过程中有放置定位心轴的装置的同轴度0.05mm，加上侧面定位装置的制造误差，有可能在高度方向达到误差最大的位置，现以高度方向上的误差为最大定位误差。可以算出最大定位误差为通过对比，可以发现夹具能够满足定位需求。5.6夹紧装置的设计要求夹紧装置的基本任务就是保持工件在定位中所获的既定位置，以便在切削力、重力、惯性力等外力作用下，不发生移动和振动，确保加工质量和生产安全【2】。一般夹紧装置由动力源和夹紧机构，由于本人学力有限，在液压方向的知识未能在本次设计中提供重要的支持，不能设计出满足加工要求的液压压紧装置，所以在接受了企业技术人员的指导后，为方便工人操作，本方案采用手动夹紧的方式。由于动臂零件的质量较大，有1.4t左右，本身的自重加上较小的夹紧力便能满足夹具夹紧的需求。为了保证动臂加工时的稳定和减小加工后产生的变形，夹紧装置施加力的作用点应靠近工件的加工位置。手动夹紧机构分为斜锲夹紧机构、螺旋夹紧机构、圆偏心夹紧机构、铰链夹紧机构、定心对中夹紧机构和联动夹紧机构。在观察现有的工装设计中，采用了螺旋夹紧机构。通过相关书籍，了解到螺旋夹紧机构是利用螺杆直接夹紧工件，或者与其它元件或机构组成复合夹紧机构来夹紧工件，是应用范围最广的一种夹紧机构。该机构有着结构简单、制造容易、夹紧可靠、扩力比大、夹紧行程不受限制的优点。5.7端部夹紧装置的设计5.7.1104端部夹紧装置的设计当动臂零件从原料放置区经过行车的吊运后放入夹具上，需要一个辅助支承来调节动臂，以便使动臂的最远两孔的高度相等，为之后的加工做好准备。由零件图可知，由于110D9的孔是装配图的定位中心，各动臂的这两个孔的水平距离是图上给出的，它的范围在17632349mm之间，这样要求本次要设计的压紧装置和辅助支承能够调整的范围为586mm左右。在设计螺旋压板夹紧装置时，由于动臂的尺寸系列范围尺寸大的原因，在动臂板的孔75和孔104的水平连线与夹具的底板有着350mm左右的距离，而且为了夹紧动臂还需在这个高度上加上300mm，这样的话螺旋压板夹紧装置的螺杆如果直接放在夹具底板上的话，整根杆的长度就有600mm左右，在加工时可能会造成晃动，对于零件的装夹不是很好，为了减少螺杆的长度，现在在夹具底板和螺旋压板夹紧装置之间设计一支承平台，由于零件要加工的孔系下方的支撑位置是水平的，在这里由于不用考虑水平夹角的变化，同样的在辅助支承、千斤顶和夹具底板之间各自设计一个小支承平台。现设计为在千斤顶的基础上，增加一方块来增加该辅助支承的调整范围。现将设计的模型如下图：图10端部夹紧装置的简图5.7.275端部夹紧装置的设计由零件图分析可知，由于零件图只需标注出孔104和孔75的水平距离及孔110和孔104的水平距离便可表示清楚。现在通过这一组尺寸链计算出孔75和孔110的水平距离的范围为9821251mm，要设计的压紧装置和辅助支承能够调整的距离的范围为269mm。由于该部分的动臂外形与104孔系的差不多，在设计时可以以以上设计为基础进行一定的变化，由零件图可以知道这两个地方的不同点在这两端的下方，一端为水平相，由于零件要加工的孔系下方的支撑位置并不是水平的，而是与水平呈一定的角度变化，与水平的夹角在9到17度之间。这样需要设计一个可以调节一定角度的辅助支承机构，以适应这样的变化现设计为在千斤顶的基础上，增加一方块来增加该辅助支承的调整范围。 现将设计的模型如下图：图11另一端部夹紧装置的简图5.8侧面定位的夹紧装置设计在参考相关的书籍资料后，可以看到像这样用同样方法定位装夹零件的夹具设计中，夹紧装置一般与相应的定位装置对称放置。通过定位装置的高度设计夹紧装置的夹紧作用位置，由侧面的夹紧装置采用螺旋夹紧机构与侧面定位装置的外形大致一样，螺栓与定位装置的定位块大致水平相对。设计如下图：图12螺旋夹紧机构的简图为了使加工过程动臂不产生跳动，在加工75和104的两个孔的200mm左右的动臂板的位置增加一夹紧装置。如图：图13增加的夹紧机构简图5.9中间定位装置上的夹紧装置的设计由于中间定位装置的总体尺寸已知，可以根据杠杆原理和参考夹具设计上的螺旋压板压紧装置的设计案例来进行。模型如下图： 图14中间定位装置的夹紧机构简图5.10夹紧装置的夹紧力校验夹紧力的大小是设计方案中需要特别注意的地方，因为当夹紧力过小时，工件可能会在加工过程中受到切削力的影响而移动破坏定位，这样不仅影响加工的质量，对夹具的元件有损害，还有可能会造成生产事故；当夹紧力过大时，不但会让加工过程中的工件和夹具产生变形，这种变形是很难还原的，对加工后的质量有很大的负影响，还会造成人力物力和时间的浪费。计算夹紧力，通常将夹具和工件看成一个刚性系统以简化计算【2】。然后考虑到根据工件在受到切削力时，夹紧力、工件自身的重量与切削力处于静力平衡条件时，计算出理论夹紧力，再乘上安全系数，作为实际所需的夹紧力。即 (2)式中 实际所需要的夹紧力（N）； 按力的平衡条件计算的夹紧力（N) 安全系数，根据生产经验，用于粗加工时；用于精加工时，取。夹紧工件所需的夹紧力的大小，除了和切削力的大小有关外，还和切削力对定位支承的作用方向以及在加工过程中加工余量、工件硬度、刀具磨损情况有关，由于在切削过程中，加工余量、工件硬度、刀具磨损情况是一个变量，在人工的计算过程，这些变量还造成很大的影响，所以，需要在计算出来的夹紧力上再乘上一个较大的安全系数。 图15螺旋夹紧受力分析当在螺旋夹紧机构的手柄上施加原始力矩后，工件对螺杆的反作用力有垂直于螺杆端部的反作用力和摩擦力。此两力分布于整个接触面上，计算时可视为集中于半径（当量摩擦半径）的圆环上，螺母对螺杆的作用力有垂直于螺纹面的正压力及螺旋纹面上的摩擦力,其合力为。该力分布于整个螺纹面，计算时可视为集中在螺纹中径处。由平衡条件，对螺杆中心线的力矩为零，即 （3）式中原始力矩，； 螺母对螺杆的作用力矩； 工件对螺杆的摩擦力矩；即 可得 （4）式中 夹紧力（）； 原始作用力（）； 作用力臂（mm）； 螺纹升角（度） 螺纹中径（mm）； 螺纹处摩擦角（度）； 螺杆端部与工件（或压脚）的摩擦角（度）； 螺杆端部与工件（或压脚）的当量摩擦半径（mm）。上述公式（4)是基于方牙螺纹。对于其他螺纹，同样可以上上述公式（4）来表示，只将公式中的进行简化图16 螺旋压板夹紧机构的夹紧力分析简图对于螺旋压板装置的夹紧力可根据简单螺旋夹紧的夹紧力乘上杠杆比和效率以求的。即 (5)式中 效率，一般取。为了计算出夹具需要提供的夹紧力，首先需要算出动臂在进行镗孔加工时所受的切削力。在计算镗孔时所受的切削力时，由于镗孔加工和车削加工的相似性，通常参考车削加工的选用参数来计算。由用于动臂的镗刀材料为高速钢，工件材料为Q345，加工过程分为粗镗1次和精镗1次，粗加工的加工余量为单边0.5mm，机床转速为300转每分钟；精加工的加工余量为单边0.5mm，机床转速为500转每分钟。通过查切削用量简明手册表1.5硬质合金及高速钢粗镗孔的进给量可以查出镗刀在粗加工时的进给量：，向企业相关的技术人员咨询后，选择。由于机床转速是已知量，可以通过公式：，通过将转速代入可求得粗镗和精镗的切削速度。由切削用量简明手册表1.29车削过程切削力及切削攻率的计算公式：主切削力：径向切削力:进给力（轴向力）：通过查询该书，以上式子中的参数如下:、；由加工的钢的力学性能没有改变，切削力的修正系数为1，这样将粗、精镗的切削深度（直径值）、进给量、切削速度分别代入以上公式可以算得：主切削力（N)径向切削力（N)轴向力（N）粗镗743385248精镗920574307通过查阅机床夹具设计手册的夹紧装置设计表1-2-12各个螺栓的许用夹紧力及夹紧扭矩可知本次方案设计所用M30的螺栓的许用夹紧力为35316，加在螺母上的夹紧扭矩为239.364。作用力为150，手柄长度为310mm，螺距为3.5mm。通过公式（2）可以算出夹紧装置实际所需的夹紧力：主切削力方向的夹紧力(N)径向切削力方向的夹紧力（N)轴向力方向的夹紧力(N)粗镗21691155744精通过扳手作用在螺母的力为150,通过杠杆原理可以算出原始力Q