基于气动夹紧的专用夹具设计

摘 要 本次设计是对换挡拨叉零件的加工工艺规程及部分工序的专用夹具的设计。换挡拨叉零件的主要加工表面是平面及孔。由加工工艺原则可知，保证平面的加工精度要比保证孔的加工精度容易。所以本设计遵循先面后孔的原则。并将孔与平面的加工明确划分成粗加工和精加工阶段以保证加工精度。基准选择以换挡拨叉大外圆端面作为粗基准，以换挡拨叉大外圆端面与两个工艺孔作为精基准。主要加工工序安排是先以换挡拨叉大外圆端面互为基准加工出端面，再以端面定位加工出工艺孔。在后续工序中除个别工序外均用端面和工艺孔定位加工其他孔与平面。并对部分 工序实现了气动夹紧。 关键词 拨叉；加工工艺；专用夹具；气动夹具 Abstract The design is to decide process planning of shift fork parts and special clamp of part of a dedicated fixture. The main processing surface of the shift fork part is flat and the hole. Known by the principle of processing technology, we can easier ensure precision of the plane precision than the holes. Therefore, this design followed the principles, which machining the plane first. And a clear hole and surface processing is divided into roughing and finishing stages to ensure accuracy. The select of the rough base is a large cylindrical end, to shift fork end with two large cylindrical holes as a fine reference process. The first main processing operation to shift fork arrangement is a large cylindrical base machined end face each other, and then processed to face positioning technology holes. In addition to the follow-up processes are used outside of individual processes and process end processing of other holes location and plane. And designed a pneumatic fixture for one procession of the work-piece. Key words: Fork； processing； special fixtures； pneumatic clamp 目 录 摘 要 ABSTRACT 目录 1 绪论 III 1.1 本课题的研究内容和意义 7 1.2 国内外的发展概况 7 1.3 本课题应达到的要求 2 2 零件的三维造型 3 3 换挡拨叉加工工艺规程设计 7 3.1 零件的分析 7 3.1.1 零件的作用 7 3.1.2 零件的工艺分析 7 3.1.3 确定毛坯的制造形式 8 3.2 工艺过程设计所应采取的相应措施 8 3.3 换挡拨叉加工定位基准的选择 8 3.3.1 粗基准的选择 8 3.3.2 精基准的选择 9 3.4 工艺路线的制定 9 3.4.1 工艺方案一 9 3.4.2 工艺方案二 9 3.4.3 工艺方案的比较与分析 9 3.5 机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定 10 3.6 确定切削用量及基本工时 11 3.7 零件加工工艺小结 . .22 4 基于气动夹紧的专用夹具设计 .23 4.1 设计主旨 23 4.2 夹具设计 23 4.2.1 定位基准的选择 23 4.2.2 定位误差分析 23 4.2.3 铣 夹具设计的基本要求 .23 4.3 气缸的设计计算 .24 4.3.1 切削力及切削力矩的计算与分析 24 4.3.2 气缸的设计计算 26 5 加工 2- 8H8 工艺孔夹具设计 29 5.1 加工 30 工艺孔夹具设计 29 5.2 定位方案的分析和定位基准的选择 29 5.3 配合种类的选择 30 5.4 定位误差分析 30 5.5 切削力的计算与夹紧力分析 31 5.6 钻套 衬套 钻模板设计 31 5.7 活动 V 形块的设计 32 5.8 支撑板的设计 32 5.9 夹具体设计 .33 5.9.1 夹具精度分析 33 5.9.2 夹具操作的简要说明 34 5.10 本章小结 34 6 结论与展望 35 6.1 结论 35 6.2 不足之处及未来展望 35 致 谢 36 参 考 文 献 37 1 绪论 1.1 本课题的研究内容 和 意义 机械的加工工艺及夹具设计是在完成了大学的全部课程之后，进行的一次理论联系实际的综合运用，使我对专业知识、技能有了进一步的提高，为以后从事专业技术的工作打下基础。机械加工工艺是实现产品 设计，保证产品质量、节约能源、降低成本的重要手段，合理的机械加工企业上品种、上质量、上水平，加工艺过程是企业进行生产准备、计划调度、加工操作、生产安全、技术检测和健全劳动组织的重要依据，也是速产品更新，提高经济效益的技术保证。 合理的机械加工工艺文件不仅能提高一个企业的技术革新能力，而且可以较大程度地提高企业的利润，因而合理地编制零件的加工工艺文件就显得时常重要。机械加工工艺文件的合理性也会受到企业各方面因素的制约，比如企业的生产设备、工人的技术水平及夹具的设计水平等，其中较为重要的是夹具的生产和设计。夹具 是机械加工 系统的重要组成部分 ， 不论是传统制造 ， 还是现代制造系统 ， 夹具 的设计 都是十分重要的。 好的夹具设计可以提高产品劳动生产率，保证和提高加工精度，降低生产成本等，还可以扩大机床的使用范围，从而使产品在保证精度的前提下提高效率、降低成本。 当今激烈 的 市场竞争和企业信息化的要求 ,企业对夹具的设计及制造提出了更高的要求。 所以对机械的加工工艺及夹具设计具有十分重要的意义。因而不仅要合理结合企业的生产实际来进行零件加工工艺文件的编制，而且还要根据零件的加工要求和先进的加工机床来设计先进高效的夹具。 该课题主要是为了培养 学生开发、设计和创新机械产品的能力，要求学生能够结合常规机床与零件加工工艺，针对实际使用过程中存在的金属加工中所需要的三维造型、机床的驱动及工件夹紧问题，综合所学的机械三维造型、机械理论设计与方法、机械加工工艺及装备、液压与气动传动等知识，对高效、快速夹紧装置进行改进设计，从而实现金属加工机床驱动与夹紧的半自动控制。 在设计气动系统装置时，在满足产品工作要求的情况下，应尽可能多的采用标准件，提高其互换性要求，以减少产品的设计生产成本。 1.2 国内外的发展概况 夹具从产生到现在，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，是加工过程加速和趋于完善；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。人们越来越认识到，夹具与操作人员改进工作及机床性能的提高有着密切的关系，所以对夹具引起了重视；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，成为机械加工中不可缺少的工艺装备。 在夹具设计过程中 ， 对于被加工零件的定位、夹紧等主要问题 ,设计人员一般都会考虑的比较周全 ， 但是 ， 夹具设计还经常会遇到一些小问题 ， 这些小问题如果处理不好 ， 也会给夹具的使用造成许多不便 ， 甚至会影响到工件的加工精度。我们把多年来在夹具设计中 遇到的一些小问题归纳如下 ： 清根问题在设计端面和内孔定位的夹具时 ， 会遇到夹具体定位端面和定位外圆交界处清根问题。端面和定位外圆分为两体时无此问题 ,。夹具要不要清根 ， 应根据工件的结构而定。如果零件定位内孔孔口倒角较小或无倒角 ， 则必须清根 ,如果零件定位孔孔口倒角较大或孔口是空位 ， 则不需要清根 ， 而且交界处可以倒为圆角 R。端面与外圆定位时 ， 与上述相同。让刀问题在设计圆盘类刀具 (如铣刀、砂轮等 )加工的夹具时 ， 会存在让刀问题。设计这类夹具 时 ， 应考虑铣刀或砂轮完成切削或磨削后 ， 铣刀或砂轮的退刀位置 ， 其位置大小应根据所使用的铣刀或砂轮的直径大小 ， 留出超过刀具半径的尺寸位置即可。更换问题在设计加工结构相同或相似 ， 尺寸不同的系列产品零件夹具时 ，为了降低生产成本 ,提高夹具的利用率 ， 往往会把夹具设计为只更换某一个或几个零件的通用型夹具 。 随着现代机械加工越来越多地使用数控机床及组合机床，如何提高产品的加工精度、提高劳动生产率、降低工人的劳动强度，这是所有机械加工行业管理人员必须考虑的问题，这就使得快速夹具的设计和生产应运而生。但 随着机械工业的迅速发展， 对产品的品种和生产率提出了 越 来 越 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。 特别像换挡拨叉类不规则零件的加工还处于落后阶段。在今后的发展过程中，应大力推广使用组合夹具 、 半组合夹具 、可调夹具，尤其是成组夹具。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。 1.3 本课题应 达到的要求 通过实际调研和采集相应的设计数据、阅读相关资料相结合，在对金属切削加工、金属切削机床、机械设计与理 论及液压与气动传动等相关知识充分掌握后，分析金属切削加工过程中的机床工作台驱动、工件夹紧等方面的相关数据，结合液压与气动传动的相关理论知识，完成气压传动方案分析及气压原理图的拟定，设计气动专用夹具的驱动、夹紧装置，并进行主要气动元件的设计与选择及传动系统的验算校核等，来达到产品的最优化设计。 针对实际使用过程中存在的金属加工工艺文件编制、工件夹紧及工艺参数确定及计算问题，综合所学的机械理论设计与方法、机械加工工艺文件编制及实施等方面的知识，设计出一套适合于实际的零件加工工艺路线，从而实现适合于现代加工制造业 、夹紧装置的优化设计。 2 零件三维造型 拨叉零件主要是由圆柱和一些孔还有一段圆弧组成，这些外表面都是回转类的表面，用三维造型软件通过拉伸，旋转扫描等变换都可以得到，目前市场上的三维造型软件主要有 Master-CAM、 UG、 Pro-e、 CAXA、 Solidworks、 CAD1等等。我个人比较喜欢 Solidworks，所以拨叉的造型采用 Solidworks2这款软件，另外 Solidworks 还有很多优点如全动感的而用户界面让设计变的非常简单大大提高了设 计效率，草图绘制状态和定义特征状态有明显区别，使用起来很方便， Solidworks 用强大的基于特征的实体建模功能可以对特征草图进行动态修改，所以我用 Solidworks 这款软件，下面是我用 Solidworks 这款软件进行拨叉零件造型的过程。 首先我对图纸进行了分析，第一步将零件的主截面的视图草绘出来，草绘结果如图 2.1所示。 接下来通过草绘可以把 40 的外圆和花键孔拉伸出来，拉伸过程及结果如图 2.2 所示。 为了能把 40 的外圆拉出来后再画它上面的圆弧，就要在画圆弧前先要拉 伸一块板，按主截面的草绘图增加小头实体，增加的实体及拉伸的结果如图 2.3 所示。增加此块实体的目的是通过这块板再经过拉伸切除把除圆弧以外的多余部分切除，最后圆弧就做出来，因此先要做拉伸切除的草绘，只有这样才能做拉伸做出来的草绘效果，其效果图如图 2.4所示。图中蓝线围成的截面轮廓是拉伸切除中要保留的部分，也是后面进行的拉伸面。 构建了拉伸截面后，对不需要的部分进行了布尔计算、切除，再进行拉伸，最后的结果如图 2.5 所示。 因为拨叉零件图中圆弧中间有一部分是凸出来的，所以接下来开始进行中间那一部分的造型，开始先画轮 廓的草绘，先创建一个基准面然后再画需要扫描切除的轮廓草绘，如图 2.6 所示。 图 2.1 零件的主视截面 图 2.2 截面拉伸的结果 草绘轮廓好了以后再以一个圆弧轮廓进行扫描最后就能得到零件的主体结构形状。另一半同样结构形状的造型原理和过程与前面的完全一样这里不在重复。其最终效果图如图2.7 所示。 图 2.3 封闭轮廓拉伸的结果 图 2.4 构建截面拉伸轮廓 图 2.5 拉伸切除后效果图 图 2.6 创建扫描切除的截面 接下来就是要对 22 外圆进行造型分析，可以采用旋转求交集变换得到，开始先进行 22 外圆的草绘，草绘时直接把孔的草绘也作出来了，草绘结果如图 2.8 所示。 接 着就进行旋转变换，变换结果得到的图形如图 2.9 所示。另一个 22 外圆的造型可以通过镜像得到，镜像时要有一个基准，在前面构建草图时已经确定了绘图基准，其造型结果如图 2.10 所示。 最后就是要进行 29 孔的造型，为了能够顺利地对 29 孔进行造型，首先应在拨叉的主截面图中对 29 孔进行草绘，其草绘的结果如图 2.11 所示。草绘后再经过旋转求布尔差集，进行切除就可以得到想要的，最后的结果如图 2.12 所示。 图 2.7 扫描切出结果 图 2.8 22 外圆的草绘 图 2.10 镜像后的形状 图 2.9 旋转拉伸结果 花键孔中阶梯孔造型结束后，再对整个零件进行倒角，倒角很 简单， Solidworks3直接有倒角的按钮只要直接点击就行了，只需要给出倒角的大小，倒角的结果如图 2.13 所示。 3 换挡拨叉加工工艺规程设计 3.1 零件的分析 3.1.1 零件的作用 图 2.13 倒角后图形效果 题目所给的零件是车床的拨叉。它位于车床变速机构中，主要起换档，使主轴回转运动按照操作者的要求工作，获得所需的速度和扭矩的作用。零件上方的两个 8 孔与操纵机构相连，而下方的 23 孔则是用于与所控制齿轮所在的轴接触。通过上方的力拨动下方的齿轮变速。两件零件铸为一体，加工时分开。 图 3.1 拨叉零件图 3.1.2 零件的工艺分析 零件的材料为 HT150，灰铸铁生产工艺简单，铸造性能优良，但塑性较差、脆性高，不适合磨削，由零件图得出以下是拨叉需要加工的表面以及加工表面之间的位置要求： 1） 以 40 的两外圆端面为主要加工表面的加工面。这一组加工表面包括： 40 两外圆端面的铣削，加工 23 的孔以及中间段 29 的孔和插花键槽。其中 60 两外圆端面表面粗糙度要求为 Ra6.3um， 23 的孔表面粗糙度要求为 Ra6.3um， 29 孔表面粗糙度Ra12.5um，键 槽侧面粗糙度为 Ra3.2um。 2）以 22 的圆端面为主要加工表面的加工面。这一组加工表面包括： 40 的两圆端面铣削，端面粗糙度 Ra6.3um，钻 2 8 孔，两孔有 0.12mm 精度要求。 3）由上面分析可知，可以粗加工拨叉底面，然后以此作为粗基准采用专用夹具进行加工，并且保证位置精度要求。再根据各加工方法的经济精度及机床所能达到的位置精度，并且此拨叉零件没有复杂的加工曲面，所以根据上述技术要求采用常规的加工工艺均可保证。 3.1.3 确定毛坯的制造形式 零件材料为 HT150, 考虑零件在机床运行过程中所 受冲击不大，零件结构又比较简单，毛坯 大批量生产，故选择铸件。查 零件制造工艺与装备 4同时考虑毛坯的铸造精度及降低毛坯的生产成本，可选择砂型铸造，并采用机器造型较手工造型不但生产效率高，而其所得到的铸件有较准确的尺寸， 毛坯热处理方式为自然时效处理以消除铸造应力。 3.2 工艺过程设计所应采取的相应措施 由以上分析可知。该零件的主要加工表面是平面及孔系。一般来说，保证平面的加工精度要比保证孔系的加工精度容易。因此，对于该零件来说，加工过程中的主要问题是保证平面的尺寸精度以及孔的尺寸精度及位置精度，处理好孔 和平面之间的相互关系。 该类零件的加工应遵循先面后孔的原则：即先加工零件的基准平面，以基准平面定位加工其他平面。然后再加工孔系。换挡拨叉的加工自然应遵循这个原则。这是因为平面的面积大，用平面定位可以确保定位可靠夹紧牢固，因而容易保证孔的加工精度。其次，先加工平面可以先切去铸件表面的凹凸不平。为提高孔的加工精度创造条件，便于对刀及调整，也有利于保护刀具。 换挡拨叉零件的加工工艺应遵循粗精加工分开的原则，将孔与平面的加工明确划分成粗加工和精加工阶段以保证孔系加工精度。 3.3 换挡拨叉加工定位基准的选择 3.3.1 粗基准的选择： 粗基准选择应当满足以下要求： （ 1）粗基准的选择应以加工表面为粗基准。目的是为了保证加工面与不加工面的相互位置关系精度。如果工件上表面上有好几个不需加工的表面，则应选择其中与加工表面的相互位置精度要求较高的表面作为粗基准。 （ 2）选择加工余量要求均匀的重要表面作为粗基准。例如：机床床身导轨面是其余量要求均匀的重要表面。因而在加工时选择导轨面作为粗基准，加工床身的底面，再以底面作为精基准加工导轨面。这样就能保证均匀地去掉较少的余量，使表层保留而细致的组织，以增加其耐磨性。 （ 3） 应选择加工余量最小的表面作为粗基准。这样可以保证该面有足够的加工余量。 （ 4）尽可能选择平整、光洁、面积足够大的表面作为粗基准，以保证定位准确夹紧可靠。 （ 5）粗基准应避免重复使用，因为粗基准的表面大多数是粗糙不规 则的。多次使用难以保证表面间的位置精度。 综上要求，粗基准选择以拨叉大外圆端面作为粗基准，先以拨叉大外圆端面互为基准，两个 22mm 孔外圆表面为辅助粗基准加工出端面，再以端面定位加工出工艺孔。在后续工序中除个别工序外均用端面和工艺孔定位加工其他孔与平面。 3.3.2 精基准的选择： 精基准 的选择：考虑要保证零件的加工精度和装夹准确方便，依据“基准重合”原则和“基准统一”原则，以粗加工后的底面为主要的定位精基准，满足“基准重合” 4原则，以 22mm 圆柱表面为辅助的定位精基准。 3.4 工艺路线的制定 制定工艺路线： 根据零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求，以及加工方法所能达到的经济精度，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专用工夹具 ,并尽量使工序集中来提高生产效率。除此之外，还应当考虑经济效果，以便使生产成本尽量下降。 由于生产类型为大批生产，故采用组合机床及专 用工夹具，并尽量使工序集中来提高生产率，除此之外，还适当降低生产成本。 3.4.1 工艺路线方案一： 工序 1 铸造毛坯 工序 2 时效处理 工序 3 粗铣 半精铣 40两端面 工序 4 粗铣 半精铣 2 22 两端面 工序 5 钻 扩 铰孔 23 工序 6 镗孔 29 工序 7 拉花键孔 26 工序 8 钻 铰 2 8孔 工序 9 倒角 工序 10 去毛刺 清洗 工序 11 终检 入库 3.4.2 工艺路线方案二： 工序 1 铸造毛坯 工序 2 时效处理 工序 3 粗铣 半精 铣 22 圆的两端面 工序 4 钻 铰 2 8孔 工序 5 粗铣 半精铣 40两端面 工序 6 钻 扩 铰 23孔 工序 7 镗孔 29 工序 8 拉花键孔 26 工序 9 倒角 工序 10 去毛刺 清洗 工序 11 终检 入库 3.4.3 工艺方案的比较与分析： 上述两方案 :方案一 是先加工大孔 23, 拉花键孔后 再以 23孔为基准加工小孔 8,而方案二先加工小孔 8,以小孔为基准加工各面及 23内孔 .由方案一可见 23 孔为基准加工8精度不易于保证 ,且工序不集中，不符合大批量生产方式。 方案二先加工 8不能保证精度 ,且工序也比较分散。 综合以上分析比较，设计出工艺路线方案三较前两种工艺方案工序集中，提高生产效率，拉花键孔放在后面工序，也能保证了加工孔的精度要求。最终确定的工艺方案如下： 最终工 艺路线方案 ： 工序 1 铸造毛坯 工序 2 时效处理 工序 3 粗铣 半精铣 40端面 工序 4 粗铣 半精铣 2 8两端面 工序 5 钻 扩 绞 23孔 工序 6 钻 铰 2 8孔 工序 7 镗孔 29 内孔倒角 C1 工序 8 拉花健孔 26 工序 9 倒角 工序 10 去毛刺 清洗 工序 11 终检 入库 3.5 机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定 换挡拨叉零件材料为 HT150，采用砂型铸造毛坯大批量生产。 选择工序间加工余量的主要原则 15： 应采用最小的加工余量，以求缩短加工时间，并降低零件的制作费用； 加工余量应能保证图纸上所规定的表面粗糙度及精度； 决定加工余量时应考虑零件热处理时引起的变形，否则可能产生报废； 决定加工余量时应考虑所采用的加工方法和设备，以及加工过程中零件可能发生的变形； 考虑零件的大小，零件越大，则加工余量也越大； 综上所述，选择各工序加 工余量： 铣 40mm 外圆端面： 考虑其表面粗糙度要求为 Ra6.3mm,可先粗铣，再半精铣。查金属机械加工工艺人员手册 5P-1050 表 13-27 取 2Z=3mm； 铣 2 22mm 两圆端面： 其表面粗糙度要求为 Ra6.3mm，可先粗铣，再半精铣。 根据 5P-1050 表 13-27 取 2Z=3mm即可满足要求； 加工 23H8 孔； 其表面粗糙度要求较高为 Ra6.3mm，其加工方式可以分为钻，扩，铰三步，根据 5可得 P-1044 表 13-12，孔径 30mm,直径余量 4mm，确定工序尺寸 及余量为： 钻孔： 20mm Z=20mm 扩孔： 22.2mm Z=2.2mm 铰孔： 23H8 Z=0.8 mm 加工 2 8H8 孔； 精度等级为 IT8,其加工方式可以分为钻，铰二步，根据 根据 5可得 孔径 30mm,直径余量 4mm，确定工序尺寸及余量为： 钻孔： 7.8mm 铰孔： 8H8 Z=0.2 mm 镗 29mm 孔； 表面粗糙度要求为 Ra12.5mm，分 两