毕业设计（论文）-板类工件加工及其铣床夹具设计.doc

1 绪论1.1课题背景意义及发展趋势在机械加工制造过程中,用来固定加工对象,使其占有正确的位置,以便接受施工、检测的装置,都可统称为“夹具”。夹具的发展历程,大约可以分为三个阶段:第一个阶段主要表现在夹具与人的结合上,这是夹具主要是作为人的单纯的辅助工具,使得加工过程进一步提高效率和趋于完善;第二阶段,夹具成为人与机床之间的桥梁,夹具的机能发生变化,它主要用于工件的定位和夹紧;第三阶段表现为夹具与机床的结合,夹具作为机床的一部分,成为机械加工任务的加工设备,而任务单的开工时间则根据定单下达日期、任务单计划入库日期、相关的工艺信息以及各加工单元的当前加工计划来统一决定。随着机床加工精度的提高，为了降低定位误差，提高加工精度，对夹具的制造精度要求相应提高。为了适应不同行业的需要和经济性，夹具有不同的型号，以及不同档次的精度标准供选择。夹具的通用性直接影响其经济性，采用模块、组合式的夹具系统只有夹具系统的可重组性、可重构性及可扩展性功能强，应用范围广，通用性好，夹具利用率高，元件的功能强，使得夹具的通用性好，元件少而精，配套的费用低，经济使用才有推广的价值。1.2国内外的现状和发展状况国际生产研究协会的统计表明，目前中、小批多品种生产的工件品种已占工件种类总数的85左右。现代生产要求企业所制造的产品品种经常更新换代，以适应市场的需求与竞争。然而，一般企业都仍习惯于大量采用传统的专用夹具，一般在具有中等生产能力的工厂里，约拥有数千甚至近万套专用夹具；另一方面，在多品种生产的企业中，每隔34年就要更新5080左右专用夹具，而夹具的实际磨损量仅为1020左右。特别是近年来，数控机床、加工中心、成组技术、柔性制造系统（FMS）等新加工技术的应用，对机床夹具提出了如下新的要求：能迅速而方便地装备新产品的投产，以缩短生产准备周期，降低生产成本；能装夹一组具有相似性特征的工件；能适用于精密加工的高精度机床夹具；能适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具；采用以液压站等为动力源的高效夹紧装置，以进一步减轻劳动强度和提高劳动生产率；提高机床夹具的标准化程度。1.2.1机床夹具的现状在机床技术向高速、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。 在高精方面，随着机床加工精度的提高，为了降低定位误差，提高加工精度，对夹具的制造精度要求更高。高精度夹具的定位孔距精度高达5m，夹具支承面的垂直度达到0.01mm/300mm，平行度高达0.01mm/500mm。德国demmeler(戴美乐)公司制造的4m长2m宽的孔系列组合焊接夹具平台，其等高误差为0.03mm；精密平口钳的平行度和垂直度在5m以内；夹具重复安装的定位精度高达5m；瑞士EROWA柔性夹具的重复定位精度高达25m。机床夹具的精度已提高到微米级，世界知名的夹具制造公司都是精密机械制造企业。诚然，为了适应不同行业的需求和经济性，夹具有不同的型号，以及不同档次的精度标准供选择。 在高效方面为了提高机床的生产效率，双面、四面和多件装夹的夹具产品越来越多。为了减少工件的安装时间，各种自动定心夹紧、精密平口钳、杠杆夹紧、凸轮夹紧、气动和液压夹紧等，快速夹紧功能部件不断地推陈出新。新型的电控永磁夹具，加紧和松开工件只用12秒，夹具结构简化，为机床进行多工位、多面和多件加工创造了条件。为了缩短在机床上安装与调整夹具的时间，瑞典3R夹具仅用1分钟，即可完成线切割机床夹具的安装与校正。采用美国Jergens(杰金斯)公司的球锁装夹系统，1分钟内就能将夹具定位和锁紧在机床工作台上，球锁装夹系统用于柔性生产线上更换夹具，起到缩短停机时间，提高生产效率的作用【11】。在通用、经济方面夹具的通用性直接影响其经济性。采用模块、组合式的夹具系统，一次性投资比较大，只有夹具系统的可重组性、可重构性及可扩展性功能强，应用范围广，通用性好，夹具利用率高，收回投资快，才能体现出经济好。德国demmeler(戴美乐)公司的孔系列组合焊接夹具，仅用品种、规格很少的配套元件，即能组装成多种多样的焊接夹具。1.2.2现代机床夹具的发展方向现代机床夹具的发展方向主要表现为标准化、精密化、高效化和柔性化等四个方面。a.标准化机床夹具的标准化与通用化是相互联系的两个方面。目前我国已有夹具零件及部件的国家标准：gb/t2148t225991以及各类通用夹具、组合夹具标准等。机床夹具的标准化，有利于夹具的商品化生产，有利于缩短生产准备周期，降低生产总成本。b.高效化高效化夹具主要用来减少工件加工的基本时间和辅助时间，以提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度。常见的高效化夹具有自动化夹具、高速化夹具和具有夹紧力装置的夹具等。例如，在铣床上使用电动虎钳装夹工件，效率可提高5倍左右；在车床上使用高速三爪自定心卡盘，可保证卡爪在试验转速为9000r/min的条件下仍能牢固地夹紧工件，从而使切削速度大幅度提高。目前，除了在生产流水线、自动线配置相应的高效、自动化夹具外，在数控机床上，尤其在加工中心上出现了各种自动装夹工件的夹具以及自动更换夹具的装置，充分发挥了数控机床的效率。c.精密化随着机械产品精度的日益提高，势必相应提高了对夹具的精度要求。精密化夹具的结构类型很多，例如用于精密分度的多齿盘，其分度精度可达0.1；用于精密车削的高精度三爪自定心卡盘，其定心精度为5m。d.柔性化机床夹具的柔性化与机床的柔性化相似，它是指机床夹具通过调整、组合等方式，以适应工艺可变因素的能力。工艺的可变因素主要有：工序特征、生产批量、工件的形状和尺寸等。具有柔性化特征的新型夹具种类主要有：组合夹具、通用可调夹具、成组夹具、模块化夹具、数控夹具等。为适应现代机械工业多品种、中小批量生产的需要，扩大夹具的柔性化程度，改变专用夹具的不可拆结构为可拆结构，发展可调夹具结构，将是当前夹具发展的主要方向1.3夹具的作用及意义1.3.1夹具的作用a.缩短辅助时间，提高劳动生产率； b.可靠稳定定位，提高了加工精度的稳定性，便于实现工艺过程自动化； c.扩大机床使用范围； e.降低对工人技术等级要求和减轻工人劳动强度。 1.3.2夹具的研究意义夹具的制造在机械加工工艺中有着很重要的意义，从其作用和地位两方面可以得知。机床夹具在机械加工中起着十分重要的作用，归纳起来，主要表现在一下几个方面。1. 缩短辅助时间，提高劳动生产率，降低加工成本。2. 保证加工精度稳定加工质量。3. 降低对工人的技术要求，减轻工人的劳动强度，保证安全生产。4. 扩大机床的工艺范围，实行一机多能。1.4本课题研究的重点及难点1.4.1研究重点本课题是对现有成套的夹具设计进行分析论证，以后能够解决这一类夹具的设计问题。使用CAD软件画出本套夹具的平面图。1.4.2研究难点a所给零件的工艺分析，计算、编写各工件加工工艺； b各工件的定位分析（自由度）、夹具的定位误差计算；夹具夹紧力的分析与计算； c各夹具的零件设计与装配； d重点夹具工程图生成；1.4.3研究目的 机械制造工艺对产品的质量起着重要作用，夹具是能够使产品按一定的技术要求准确定位和牢固夹紧的工艺装置，它的主要用于保证产品的加工质量、减轻劳动强度、辅助产品检测、展示、运输等。工件的工艺分析及夹具设计是工艺工程师必备的专业素质，本课题通过介绍3种板类零件夹具的设计，以便研究出板类夹具设计的通用方法，从而解决这一类夹具的设计问题，并使学生掌握机械加工的流程，对培养学生尽早成为合格工艺工程师具有重要的实践意义。1.4.4研究方案以上工件夹具经过设计计算，用AutoCAD来生成工程图。在广泛收集和研究有关资料的基础上，着手拟定夹具的结构方案，主要包括： a.根据工艺的定位原理，确定工件的定位方式，选择定位元件。 b.确定工件的夹紧方案和设计夹紧机构。 c.确定夹具的其它组成部分，如分度装置、对刀块或引导元件、微调机构等。 d.协调各元件、装置的布局，确定夹具体的总体结构和尺寸。在确定方案的过程中，会有各种方案供选择，但应从保证精度和降低成本的角度出发，选择一个与生产纲领相适应的最佳方案172 长条零件铣端面夹具设计2.1设计任务2.1.1零件工艺分析长条零件图如图2-1所示。其中A图为三维图，B图为二维简图。长条形零件在机床运行过程中所受冲击不大，又考虑到几何形状不太复杂，所以用铸造的形式进行毛坯的制造。 二维简图图2.1 长条零件零件图 2.1.2零件加工工艺过程拟定工艺路线的出发点，应当是使两件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求能得到合理的保证。在生产纲领已确定为大批生产的条件下，可以考虑采用通用机床配以专用夹具，并尽量使工序集中，或采用数控机床、加工中心等提高生产率。长条零件加工工艺过程如表2-1所示。表2.1 长条零件加工工艺过程工艺过程方案一：工序内容设备1铸造2时效处理3粗铣前端面，留有加工余量单边0.5卧式铣床4精铣前端面，达到尺寸要求，并且达到粗糙度要求卧式铣床5粗铣后端面，留有加工余量单边0.5卧式铣床6精铣后端面，达到尺寸要求，并且达到粗糙度要求卧式铣床7入库工序方案二：工序内容设备1铸造2时效处理3粗铣后端面，留有加工余量单边0.5卧式铣床4精铣后端面，达到尺寸要求，并且达到粗糙度要求卧式铣床5粗铣前端面，留有加工余量单边0.5卧式铣床6精铣前端面，达到尺寸要求，并且达到粗糙度要求卧式铣床7入库方案一和方案二只是在加工前后端面时的顺序相反，考虑到方便零件的加工，故选择方案一。2.1.3本工序工序卡本工序工序卡如图1.2所示序号工序名称 内容设备1粗铣粗铣前端面，按照图纸要求进行加工，留有0.5的加工余量卧式铣床2精铣精铣前端面，按照图纸要求进行加工，达到加工尺寸公差要求，其中以底面为基准的垂直度和自身平面度达到行为公差要求。粗糙度等都达到要求。卧式铣床3粗铣粗铣后端面，按照图纸要求进行加工，留有0.5的加工余量卧式铣床4精铣精铣后端面，按照图纸要求进行加工，达到加工尺寸公差要求。粗糙度等都达到要求。卧式铣床图1.2工序卡2.1.4本工序加工要求加工中以底面和两侧面为基准，利用铣床进行加工，加工过程中首先粗铣，两侧留有0.5的加工余量，然后进行精铣，达到尺寸公差要求，并且行为公差中的平行度、平面度均应达到了图纸要求。粗糙度达到了精铣的要求。2.1.5本工序使用参数a设备：卧式铣床b刀具：铣床刀具c加工余量：粗铣为0.5d切削用量：1mme生产类型：机加工2.2定位设计2.2.1基准选择由零件可知，工件以底面和侧面进行定位；夹紧时，压缩空气推动气缸托盘，通过杠杆及柱塞将力传至压板上，从而将工件夹紧并保持夹紧力平衡。工艺规程设计基面选择是工艺规程设计的重要工作之一。基面选择的正确与合理是加工质质量得到保证，生产率得以提高。否则，加工工艺过程中回问题百出，更有甚者，还会造成零件的大批量报废，使生产无法正常运行。1）.粗基准的选择。对于零件而言，尽可能选择不加工表面为粗基准。而对于若干个不加工的表面的工件，则应该与加工表面要求相对位置精度较高的不加工表面作粗基准。根据这个基准选择原则，选取侧面和上面限制自由度以达到完全定位。2）.精基准的选择。主要应该考虑基准重合的问题。当设计基准和工序基准重合时，应该进行尺寸换算，在这以后还要专门计算，此处不再重复。制定工艺路线得出发点，应是使零件的的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求能得到合理的保证，在生产纲领已确定的情况下，可以考虑采用万能性机床配以组合夹具，并尽量使工序集中来提高生产率。除此之外，还应当考虑经济效果，以便使生产成本尽量降低。在保证零件尺寸公差、形位公差及表面粗糙度等技术条件下，考虑到经济效果和降低生产成本，2.2.2定位元件设计本夹具中主要对工件的3个方向进行固定，上下方向上有下压板固定紧，上压板压紧，实现了夹具的上下的稳定性，在夹具的左右方向上有挡板进行挡住，可以完全控制好左右方向的的运动。实现了上下和左右后，那剩下的前后方向上，一面仅仅利用挡轴仅仅当紧，另一面留出用铣床进行端面加工.夹具在机床上必须进行安装，才能保证工件与刀具的相对位置，在机床上进行夹紧安装所需的元件称为连接元件。对于铣床、刨床、钻床、镗床等机床，夹具都是安装在工作台上，为了确定夹具相对于机床的位置，一般用两个定位键定位，用一组螺栓夹紧。定位键有矩形和圆形两种，圆形定位键容易加工，但交易磨损，故使用不多。矩形定位键其上部分与夹具体底面上的槽配合，下部与机床工作台的T行槽配合。夹具在工作台上的夹紧是在夹具体上设计几个开口耳座，用T形槽螺栓和螺母进行夹紧。2.2.3定位误差分析（1）定位元件尺寸及公差的确定。夹具的主要定位元件为压板和挡板，该定位元件的尺寸与公差规定为与本零件在工作时与其相配定位元件的尺寸与公差相同。（2）工序基准与定位基准不重合。（3）铣端面时定位元件所引起的位置误差。2.3夹紧机构设计2.3.1所需夹紧力的计算切削力及夹紧力计算刀具：镶齿三面刃铣刀 d=80mm铣削扭矩M切向力切削功率Pm=2Mn10(kw)式中：C=558.6 x=1 y=0.8 d=80 k=0.9 f=0.13 n=1450所以当铣距中心轴线24mm和34mm面时有： =19.65(Nm) =491.35(N) Pm=2x19.65x1450x10=178.97(kw) 因为是对铣加工，故：M=19.65x2=39.3(Nm) F=491.35x2=982.7N Pm=178.97x2=357.94(kw)如上所述，本设计采用螺旋夹紧机构，即由螺杆、螺母、垫圈、压板等元件组成的夹紧机构。2.3.2设计夹紧机构，验算夹紧力根据夹紧状态下螺杆的受力情况和力矩平衡条件 FL= F= 式中 F夹紧力(N) F作用力(N) L作用力臂(mm) d螺杆直径 螺纹升角 螺纹处摩擦角. 螺杆端部与工件间的摩擦角. 螺杆端部与工件间的当量摩擦半径(mm)所以有F= =3075.73N显然 F=3075.73N982.7N=F故本夹具可安全工作。2.4其它元件设计2.4.1钻高度和排屑空间 钻套高度尺寸和排屑空间的确定对钻模的设计也很重要，转套高度H增大，则导向性能好，刀具刚度提高，加工精度高，但钻套与刀具的磨损加剧。排屑空间h增大，排屑方便，但导向性能差，孔的加工精度会降低。2.4.2夹具工作精度分析 本夹具中主要对工件的3个方向进行固定，上下方向上有下压板固定紧，上压板压紧，实现了夹具的上下的稳定性，在夹具的左右方向上有挡板进行挡住，可以完全控制好左右方向的的运动。实现了上下和左右后，那剩下的前后方向上，一面仅仅利用挡轴仅仅当紧，另一面留出用铣床进行端面加工. 工件以底面和侧面进行定位；夹紧时，压缩空气推动气缸托盘，通过杠杆及柱塞将力传至压板上从而将工件夹紧并保持夹紧力平衡证明该夹具能稳定可靠地保证工件的加工技术要求，且结构简单、操作方便，所以该夹具设计是可行的。3 壳体零件铣端面夹具3.1设计任务3.1.1零件工艺分析壳体零件图如图3.1所示。其中A图为三维图，B图为二维简图。壳体零件在机床运行过程中所受冲击不大，又考虑到几何形状不太复杂，所以用铸造的形式进行毛坯的制造。图3.1壳体零件图3.1.2零件加工工艺过程壳体零件加工工艺过程如表3.1所示。表3.1 壳体零件加工工艺过程工序内容设备1脱模2粗铣前端面卧式铣床3精铣前端面卧式铣床 4粗铣前端面各个凸台 卧式铣床 5精铣前端面各个凸台卧式铣床6粗铣后端面卧式铣床 7精铣后端面卧式铣床8清洗9入库3.1.3本工序工序卡机械加工工序卡如图3.2序号工序名称 内容设备1粗铣粗铣前端面，按照图纸要求进行加工，留有0.5的加工余量卧式铣床2精铣精铣前端面，按照图纸要求进行加工，达到加工尺寸公差要求，其中以底面为基准的垂直度和自身平面度达到行为公差要求。粗糙度等都达到要求。卧式铣床3粗铣粗铣后端面，按照图纸要求进行加工，留有0.5的加工余量卧式铣床4精铣精铣后端面，按照图纸要求进行加工，达到加工尺寸公差要求，其中以底面为基准的垂直度和自身平面度达到行为公差要求。粗糙度等都达到要求。卧式铣床图3.2 机械加工工序卡3.1.4本工序加工要求加工中以底面和两侧面为基准，利用铣床进行加工，加工过程中首先粗铣，两侧留有0.5的加工余量，然后进行精铣，达到尺寸公差要求，并且行为公差中的平行度、平面度均应达到了图纸要求。粗糙度达到了精铣的要求。3.1.5本工序使用参数a设备：卧式铣床b刀具：铣床刀具c加工余量：粗铣为0.5d切削用量：1mme生产类型：机加工3.2定位设计3.2.1基准选择本夹具用于壳体零件端面，工件以地平面和两个销孔维基准。3.2.2定位元件设计在夹具的五个支撑板和两个定位销上定位。用3个气缸同时驱动钩形两个压板实现夹紧。3.2.3定位误差分析（1）定位元件尺寸及公差的确定。夹具的主要定位元件为压板和挡板，该定位元件的尺寸与公差规定为与本零件在工作时与其相配定位元件的尺寸与公差相同。（2）工序基准与定位基准不重合。（3）铣端面时定位元件所引起的位置误差。3.3夹紧机构设计