（机械制造及其自动化专业论文）主缸体横孔可转位夹具设计.pdf

摘要 机床夹具在机械加工中起着重要的作用，它直接影响着机械加工的质量、生产效 率和成本。机床夹具设计的效率和质量对产品的上市时间和质量的影响很大，各个企 业都在不断地增加人力和物力来加快其设计和生产速度。 本文研制一个主缸体横孔可转位夹具，该夹具用于汽车制动器主缸体的生产，使 其装夹一次就能加工出任意角度的横孔，从而提高加工效率，降低工人的劳动强度。 夹具由液压缸提供夹紧力，伺服电机提供转位时所需的动力。利用有限元技术及分析 软件a n s y s 定量分析主缸体横孔加工时，在夹紧力作用下工件及夹具体的变形量。依 据计算结果优化工件夹紧力大小，以提高加工精度。整个夹具体和开放第四轴的机床 相配合，把转位功能当成机床的第四轴来进行编程，所以该夹具也具有一定的柔性， 当加工不同角度横孔的主缸时，只需要改变加工程序就可以了，节省了夹具调整时间。 关键词：夹具a n s y s 定位精度 a b s t r a c t m a c h i n ef i x t u r ep l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nm e c h a n i c a lp r o c e s s m g i ta 士e c t st h e m a c h i n eq u a l i t y ，p r o d u c t i v i t ya n dc o 吼d i r e c t l y t h ed e s i g ne m c i e n c ya 1 1 dq u a l 时o fm a c h i n e 矗x t u r eh a si n c r e a s i n g l yh u g ei h l p a c tt ot h et i m et ot h em a r k e t a n dt h eq u a l i t yo f 也ep r o d u c t a ut h e e n t e 印r i s e s i n c r e a s et h eh u m a na 1 1 dm a t e r i a lr e s o u r c e sc o n s t a n t l yt o s p e e du pp r o d u c td e s i g na n dp r o d u c t i o ns p e e d t h ep a p e rd e v e l o p e dak i n do fm a c h i n ef i x t u r e ，w h i c hm a i n l yu s e di nb r a k ef - a c t o r yt o p r o c e s sa 1 1 ya 1 1 9 1 e so fm ec r o s s h o l ei no n e t i m e i nt h a tw a yi tc a j li m p r o v et h ep r o c e s s i n g e 街c i e n c ya j l d r e d u c el a b o ri n t e n s i t y t h ec l a m p i n gf o r c e 、v a ss u p p i i e db yh y d r a u l i c c v l i n d e r a n ds e r v om o t o rs u p p l i e dt h er e q u i r e dp o w e ri nr o t a t e t h ef i n i t ee l e m e n tm e s h d i v i s i o no ft h em a i nc y l i n d e r a 1 1 dt h es o r w a r ea n s y sw a su s e dt oq u a n t i t a t i v ea i l a l y s i sm e d e f o 珊a t i o no ft h ew o r k p i e c eu n d e rm ec 1 锄p i n gf o r c e c h a j l g i n gt h e l o c a t i o no ft h e c l a m p i n gp o i n t a n dt h ec l 锄p i n gf o r c e a c c o r d i n g t ot h e r e s u l t ，w h i c hi m p r o v e t h e p r o c e s s i n gp r e c i s i o n t h ew h o l ef i x t u r ew a sm a t c h e dw i t ht h ef o u r t ha x i so ft h em a c h i n e t o o l s ，a 1 1 dt h et r a n s l o c a t i o nf - u n c t i o nw a sp r o g r a m e da st h ef o u r t ha x i s w h e nr e p l a c i n gt h e m a s t e rc y l i n d e r ，o n l yn e e dt oc h a n g em ep r o c e s s i n gp r o g r 锄m e i ti ss a v i n gt h et i m eo f a d i u s t i n e n to ft h ef l x t l l r e k e yw o r d s ： f i x t u r ea n s y s p o s i t i o n i n ga c c u r a c y 第一章绪论弟一早三百化 1 1 夹具的概述 夹具是在机械制造的过程中，用来准确的确定工件位置，并将其牢固的夹紧，保 证加工精度，以接受加工的工艺装置 1 。作为制造企业中重要的基础工艺装备，夹具在 机械加工、装配、焊接、检测、热处理等过程和其他工艺过程中使用十分广泛。夹具 设计的效率直接影响到产品的生产准备时问和成本效益，所以，在制造业中十分重视 对夹具的研究【2 j 。 1 1 1 机床夹具的类型 机床夹具就是在金属切削机床上使用的夹具。它直接影响着工件加工的精度、劳 动生产率和产品的制造成本等相关因素，因此是一种不可缺少的工艺装备【3 1 。 机床夹具的种类很多，形状也千差万别。我们可以从多种角度对机床夹具进行分 类。如图1 1 所示，比较常用的分类方法具体有以下几种： 机床夹具 按使用特点i按使用机床 按夹紧动力源 通 用 夹 具 专 用 夹 具 组 厶 口 夹 具 可 调 夹 具 拼 装 夹 具 坌 床 夹 具 钻 床 夹 具 铣 床 夹 具 镗 床 夹 具 磨 床 夹 具 齿 轮 机 床 夹 具 数 控 机 床 夹 具 手 动 夹 具 气 动 夹 具 液 压 夹 具 电 磁 夹 具 真 空 夹 具 图1 1 机床夹具常用的分类方法 接下来我们详细了解机床夹具常用的分类方法【4 - 【1 0 ： ( 1 ) 按使用特点分类 在不同的生产形式中，根据夹具的共同特点可将机床夹具可分为五大类，分别是 通用夹具、专用夹具、组合夹具、可调夹具以及拼装夹具。这种分类方法反映了夹具 在不同生产类型中的使用特点，因此是夹具选择的主要依据。 通用夹具：就是可以在一定范围内加工不同工件的夹具。通用夹具的结构及尺 寸都是标准规格化的，并且使用起来具有通用性。比较常用的通用夹具有顶尖、回转 工作台、三爪自定心卡盘等。通用夹具不需调整或稍微调整就可以装夹一定形状和尺 寸范围内的各种工件，因此适应性很强。通用夹具的优点是可以减少夹具的品种，从 而缩短生产准备时间，降低生产成本。它们自身也有缺点，生产效率比较低，而且精 度不是很高，当遇到结构形状比较复杂的工件时不易装夹，所以通用夹具一般在单件 小批量生产中比较常用。 专用夹具：就是专门针对某一个工件的某一道加工工序的加工要求而设计制造 的夹具。专用夹具的特点是针对性强，没有通用性，而且生产效率和加工精度都较高， 但是其设计周期较长、投资也相对比较大。所以我们在进行结构设计时要根据具体情 况做出技术经济分析。专用夹具一般在大批量且产品相对稳定的生产中比较常用。 组合夹具：就是按照某一工件的某道工序的加工要求，由标准元件和部件组装 而成的夹具。组合夹具使用完毕后可以拆卸存放，还可以根据要求重新组装。其特点 是能反复使用，组装迅速。组合夹具在单件、中小批量多品种生产和数控加工中比较 常见。 可调夹具：就是夹具的某些元件可以调整或更换的夹具。可调夹具是一种新型 夹具，它是针对通用夹具和专用夹具的缺陷而发展起来的。根据不同尺寸和种类的工 件，调整或更换个别定位元件和夹紧元件就可以使用。其特点是加工对象不是很确定， 通用范围大。可调夹具在多品种、小批量生产中比较常见。 拼装夹具：就是按照某一工件的某道工序的加工要求，由标准化的夹具元件， 按照专用夹具的装配方法装配而成的夹具。其特点是调整方便，结构紧凑。拼装夹具 在数控机床上比较常见。 ( 2 ) 按使用机床分类 按使用的机床分类，可把夹具分为车床夹具、钻床夹具、铣床夹具、镗床夹具、 磨床夹具、齿轮机床夹具、数控机床夹具等【1 1 】。 ( 3 ) 按夹具动力源分类 按夹具夹紧动力源可将夹具分为手动夹具和机动夹具两大类。常用的机动夹具有 气动夹具、液压夹具、电磁夹具和真空夹具等 1 2 】。 1 1 2 数控机床夹具的特点 现代数控( c n c ) 机床既具有很大柔性也是高度自动化的，一切数控机床和加工 中心都有控制精密运动和多种加工能力【l3 1 。比如，加工中心具有3 轴或多轴控制用以 在给定的位置上对工件进行钻、镗和铣削加工，切削深度和进给量都能精确的控制； 通过多线段对曲线的逼近可以加工曲面；带有转台的加工中心还可以实现刀具和工件 之间空间角度的加工；加工中心都带有刀库，根据程序可以实现自动换刀；借助于转 台在一次安装下可以加工不同方向上的多个表面。因为机床各个轴都有高精度进给伺 服系统，所以工件的加工精度远远超过普通机床的加工精度【1 4 】。 传统夹具主要有定位、夹紧、对刀和导向四种功能，c n c 机床的特点改变了传统 夹具的设计。在加工中心和数控机床中，由于传动之间没有间隙且摩擦小，控制系统 可以实现准确控制，以及采用传统转塔车床工艺中钻孔的方法，因此钻孔时不用导向 钻套也可以获得较好的孔的位置精度，省去了夹具的导向功能【l5 1 。除此之外，刀具的 位置可以由编程来确定，而且加工中心还具备触头和测量的功能，这样就省去了夹具 对刀的功能。因此，当夹具在加工中心和c n c 机床上使用时，只需要定位和夹紧功能 就可以满足加工要求。 2 在机械加工过程中，机床夹具的首要任务就是使工件占有准确的位置。作为数控 加工中的夹具，它还具有以下的特点 1 6 卜 2 0 】： ( 1 ) 数控机床简化了传统夹具的定位、夹紧、对刀和导向功能。数控机床中的对刀 功能由机床来实现，导向功能由编程来控制。因此，当夹具在加工中心和c n c 机床上 使用时，只需要定位和夹紧功能而不需要导向和对刀功能，就可以满足加工要求。使 夹具的结构得到简化。 ( 2 ) 数控加工的适用范围广，可以装夹不同形状、不同尺寸的多品种工件，因此要 求数控加工的夹具经过适当调整就可以完成装夹任务，应具有一定的柔性。 ( 3 ) 为了适应大切削用量切削，夹具本身应该具有足够的刚度。数控加工具有它自 身的特点一一工序集中，也就是工件装夹一次，既要进行粗加工，又要进行精加工。 由于在粗加工的过程中切削力较大，为了满足加工要求，夹具体应该具有足够的刚度。 ( 4 ) 数控加工的效率很高，为了缩短辅助时间，在加工中心和c n c 机床上使用的 夹具应该尽可能使用自动夹紧装置。 ( 5 ) 数控的加工是多方面的，为了适应这一特点，避免干涉非常重要，尤其是夹具 结构对刀具运动轨迹的干涉，也就是当刀具在工件各部位多个面加工时，夹具结构不 得妨碍刀具的工作。 ( 6 ) 夹具体的定位元件应具备较高的定位精度，保证工件定位可靠。 ( 7 ) 当工件刚度较小的时，考虑到工件受力变形，应该避免把夹紧力作用在工件的 中空区域，尽量使夹紧点尽量靠近支承点。 1 1 3 机床夹具的现状 直到1 8 世纪后期，夹具才慢慢出现。随着科技的不断发展和进步，夹具也随之发 展壮大，由一种辅助工具发展成为门类齐全的工艺装备。 在现代机械工业中，用户的需求越来越多，且具有个性化，整个产品的生命周期 缩短，更新加快，品种需求量增大。在批量生产中，企业通常采用传统的专用夹具， 统计表明，仅一个中等生产能力的工厂里，使用着数千甚至近万套的专用夹具；而在 产品多元化的企业中，大约有5 0 8 0 左右的专用夹具每隔3 4 年就要更新一次，而 这些夹具的磨损量都很小，它们留下来无法得到重复使用，抛弃却又非常可惜，这样 会给企业造成很大的浪费【2 1 1 。这些现实问题一直困扰着企业。 从2 0 世纪末以来，机械工业发展越来越快，新的加工技术得到广泛的应用。数控 机床、加工中心、柔性制造系统( f m s ) 等对机床夹具提出了如下新的要求2 2 】【2 4 】： 可应用于各种新型机床和高精度的机床，适用于精密加工； 应具有一定的柔性，不调整或稍加调整就能装夹特征相似的工件； 在新产品的加工中能迅速发挥作用，大大缩短生产准备周期，从而降低生产成 本； 提高机床夹具的标准化程度； 为了进一步提高劳动生产率，降低劳动强度，夹紧装置可以采用液压站等效率 高的动力源。 显然，这些新任务、新课题都是对工艺技术人员的新挑战。 1 1 4 现代机床夹具的发展方向 现代机械工业正在不断向高、精、尖等方向发展，多品种、小批量生产的特点也 越来越显著，为了适应这一需要，现代机床夹具正在向着标准化、精密化、高效化和 柔性化四个方面发展 2 5 】 28 1 。 标准化。夹具的标准化也代表着夹具的通用化。目前我国已有统一的夹具零件 和部件的国家标准：g b t2 1 4 8 g b t2 2 5 9 9 1 。机床夹具在结构和尺寸上统一标准， 不仅对夹具的通用化有利，而且还有助于降低生产总成本，缩短生产准备周期。 精密化。由于现代机械对精度的要求越来越高，我们对夹具的精度要求也随之 相应提高了。精密化夹具的种类很多，如，用于精密车削的三爪自定心卡盘，其精度 相当高，定心精度可以达到5 岬；用于精密分度的多齿盘，其分度精度可达士o 1 ”。 高效化。夹具的高效化，可以减少工件的加工时间，降低工人的劳动强度，从 而提高劳动生产率。具有夹紧力装置的夹具和高速化夹具等都是比较常见的高效化夹 具。目前，高效、自动化夹具不仅仅只配置在生产流水线、自动线上，它们在数控机 床上的使用也十分普遍，特别是在加工中心，随着许多自动装夹工件的夹具和自动更 换夹具的装置的出现，数控机床的效率得到全面提高。 柔性化。与机床一样，现代机床夹具也应具有柔性化。机床夹具的柔性化是指 通过调整、组合机床夹具等方式，使其能装夹一组具有相似性特征的工件，以适应变 化的生产方式。现代化机械工业主要向多品种、中小批量生产方向发展，为了适应这 一需要，当前夹具发展的主要方向为：加大夹具的柔性化程度；改变夹具的结构，将 不可拆结构改变为可拆结构；大力发展发展可调夹具结构等等。 1 2 本文各章节内容安排 本文各章节内容安排如下： 第一章：介绍机床夹具的现状及发展方向，概括本文研究的目的和意义，并列出 本文各章节的内容安排。 第二章：介绍主缸体横孔可转位夹具的需求分析，给出实施方案，选择合理的方 案并设计夹具体的定位和夹紧装置。 第三章：设计夹具体及选用主要的零部件，计算并校核。 第四章：分析在夹紧力的作用下主缸体和夹具体的变形，为夹具体夹紧力的设定 及主缸体的机加工工艺过程提供了有效的优化的力学分析方法。 第五章：对本文的主要工作做总结。 1 3 本文研究的目的及意义 本文在企业需求的基础上，对夹具进行设计。该夹具主要用于汽车制动器主缸体 的生产，使其通过一次装夹就能加工出任意角度的横孔。夹具体由液压缸提供夹紧力， 4 伺服电机提供转位时所需的动力。通过有限元划分主缸体网格，并用分析软件a n s y s 定量分析主缸体横孔加工时在夹紧力作用下工件的变形量。依据计算结果优化工件夹 紧点的位置以及夹紧力大小，经调整后提高机加工的加工精度，提高了机床夹具的设 计质量。 目前制动器厂现在用于生产主缸体横孔的夹具都是不可转位的，就是每次只能加 工一个面的横孔，当加工完成后，需工人手工把缸体转动适当的角度，再加工另一个 面的横孔。而该夹具可以实现一次装夹就能加工出任意角度的横孔，从而提高加工效 率，降低工人的劳动强度。此夹具也具有一定的柔性，当加工不同角度横孔的主缸时， 只需要改变加工程序就可以了，节省了夹具调整时间。 第二章主缸体横孔可转位夹具的设计 从2 0 世纪末以来，在新的科技革命和飞速发展的信息技术的推动下，全球经济日 趋一体化，现代制造业也随之发展变化。在现代机械工业中，用户的需求越来越多， 且具有个性化，竞争也越来越激烈，整个产品的生命周期缩短，更新加快，品种需求 量增大。为了适应市场需求，增大竞争力，各个企业在人力和物力的投入上都在不断 地增加，以此来加快产品的设计和生产速度。 查阅有关部门统计资料，如图2 1 所示，以我国目前现有的工业水平，在整个产品 研制开发周期中，生产准备周期一般要占整体的5 0 7 0 ；而在生产准备周期中， 5 0 7 0 的时间花费在工艺设备的设计制造中，而用于夹具的设计和制造的时间占在 工艺设备的准备周期的7 0 8 0 【29 1 。由此可以看出，机床夹具在现代化机械工业中占 有十分重要的地位，它直接影响着产品开发周期和产品质量。 2 1 需求分析 制动器厂现在用于生产主缸体横孔的夹具都是不可转位的，就是每次只能加工一 个面的横孔，当加工完成后，需工人手工把缸体转动适当的角度，再加工另一个面的 横孔。这种加工方法效率低，工人劳动强度大，不能满足企业日益扩大的生产要求。 所以企业提出研制出能自动或半自动转位的新型夹具，即一次装夹就能加工出两个角 度的横孔，从而提高加工效率，降低工人的劳动强度。 2 2 实施方案 项目组现提出两种实施方案，企业可以根据需要进行选择。 方案一：液压缸提供夹紧力，伺服电机实现转位功能。其结构简图如图2 2 所示， 由液压缸提供夹紧力，定位的法兰安装在对面的立板上，其后面为一个或两个同步带 轮，在最右边是一个伺服电机，提供转位时所需的动力。这种方案最好与能开放第四 轴的机床相配合，这样可以把转位功能当成机床的第四轴来进行编程，使用起来是相 当方便的。此夹具也具有一定的柔性，当更换相同缸径的主缸的时候，只需要改变加 工程序就可以了，节省了夹具调整时间。 图2 2 方案一结构示意图 方案二：这个方案夹具体与方案一相同，只是转位机构不是用伺服电机，而是采 用液压缸来进行转位。其转位原理如图2 3 所示。其结构相当于一个曲柄滑块机构，摆 杆与定位法兰的转轴固定在一起，当转位油缸左右腔进油的时候，活塞杆就带动滑块、 摆杆、定位法兰转轴转动，从而完成转位动作，其转动角度由左右限位块确定。当更 换不同的主缸时，只需调整左右限位块的位置就可以了。 图2 3 方案二转位原理图 2 3 方案选择 方案一采用的是由液压缸提供夹紧力，由伺服电机提供转位时所需的动力，伺服 电机和定位法兰转轴之间用同步带传动联接起来；方案二大致与方案一相同，只是转 位机构不是用伺服电机，而是采用液压缸来进行转位，其整体结构相当于一个曲柄滑 块机构。方案一的特点是由于同步带的强力层承载后变形较小，而且内周是齿形，它 与齿形的带轮相啮合，因此带和带轮之间没有相对滑动。不仅如此，同步带传动的传 动比恒定，传动效率较高，而且对轴及轴承的压力小，可适用于轴间距较短的机械系 统中，使整个传动系统结构紧凑。所以同步带传动广泛的应用于中小功率且对速比有 准确要求的传动中。而曲柄滑块机构实现的直线运动比较简单，且对耐磨性能、平面 度等要求较高。在此次设计中，夹具要求为8 工位，即一次装夹8 个工件，如果采用 曲柄滑块机构会使整个夹具体变得复杂，结构没有方案一紧凑，且转位精度不好控制， 因此选用方案一为实施方案。 2 4 夹具设计 如图2 4 所示，此道工序为加工制动主缸体上的几个横孔，中批量生产，工件材料 为z l l 0 7 。由工艺规程可知，在钻削主缸体径向上的横孔之前，制动主缸体的内径阶 梯孔、上表面及上面的两个8 6 2 m m 孔和底面均已加工好。此道工序加工2 个8 5 聊朋 的螺纹孔和2 个1 8 8 聊聊的阶梯横孔。 图2 4 工件平面图 课题分析： 工件的加工要求： 1 、重复夹紧定位精度：0 0 4 n u l l ( 平面度及位置度) 2 、夹具形式：前后支板框架结构，前支板安装电控转位伺服电机，后支板安装液 压油缸。夹紧工件时要求强度高无变形。 3 、夹具外形尺寸：长度小于1 0 0 0 毫米，宽度小于5 0 0 毫米，高度小于1 5 0 毫米。 4 、夹具为8 工位，即一次装夹8 个工件，工位间距1 1 0 毫米。 5 、夹具配备交流伺服电机，并可编程控制3 6 0 。转位，转位精度小于0 5 。 6 、夹具配备独立的液压站，两个控制回路，一路夹紧工件，另一路为夹具锁紧工 件转位，夹紧油缸有独立控制减压功能。 7 、夹具有较好的标准化功能，更换法兰定位件可实现多个品种制动主缸进出油孔 和油杯孔的加工。 8 、夹具所用的定位法兰盘、顶尖必须热处理。 9 、夹具联接的油管为高压油管，耐压为1 0 m p a ，管接头为1 2 英寸。 1 0 、夹具电控部分为独立配电箱，电器件为国内名牌厂家产品，电器插接件按国 内电器标准配备，便于检查维修。 1 1 、夹具设计应提供易损件清单和足够易损件。 2 4 1 定位方式和定位装置的设计 夹具设计最主要的任务就是在一定精度范围内将工件定位。工件定位的实质就是 使工件在夹具中占有某个确定的位置。为了满足定位要求，我们首先要选择一个合理 的定位方案，接着设计定位装置。在满足定位要求的同时，我们还应要求设计选用的 定位装置具有足够的定位精度。虽然工件在机加工过程中不可避免的会有一定的误差， 只要定位装置能满足加工要求，就是合理的。 六点定位原理是夹具定位的基本原理，也就是工件的六个自由度被合理分布的六 个支承点来限制。但是在生产实际中，欠定位和过定位的现象也存在。欠定位会导致 应该限制的自由度没有给予限制，无法满足工序所规定的加工要求，所以这种现象是 不合理的，因此在选择定位方案时，不允许出现这种原则性的错误；而在过定位中， 工件的自由度被重复限制，会造成工件和夹具体发生干涉而产生变形，影响工件的定 位精度。所以在进行夹具设计时，一般情况下应避免出现过定位现象。在分析工件定 位问题的时候，定位基准的选择非常关键，确定定位基准的原则为【3 0 卜【3 3 】： ( 1 ) 参考工件的加工和定位要求，使工件的定位基准与工序基准( 标在工序图上， 用来确定本工序所加工表面加工后的尺寸、位置的基准) 重合，以避免产生基准不重合 误差疗。 ( 2 ) 尽量选择已经加工好的表面作为定位基准，我们把这种定位基面称为精基准。 它能保证工件在定位中的精度。同时遵循基准统原则，也就是在加工中尽可能采用 同一组精基准定位，这样可以减少夹具设计和制作的时间和成本。 ( 3 ) 选择的定位基准应使工件的定位简单，方便加工，且不会导致夹具体的结构变 得复杂或者工件定位不稳定。 ( 4 ) 确保工件的安装稳定可靠，从而使工件在机械加工中因受到切削力或夹紧力作 用而引起的变形量最小。 根据制动主缸体的加工要求，要在其径向上钻，扩，铰孔。要使制动主缸体在加 工中心主轴的旋转中保证安全性，因此，工件必须完全定位，也就是六点定位原理， 才能满足加工的要求。 综上所述，再结合分析主缸体横孔加工工序图，在加工横孔之前，工件的顶面与 底面、两个8 6 2 m m 孔和内径表面阶梯孔均己加工好，故我们选上表面、8 6 2 m m 孔和2 3 6 m m 孔为定位基准。制动主缸体的上表面约束三个自由度：y 方向的移动、 x z 方向的转动；短圆柱销约束二个自由度：x 、z 方向移动；而短削边销约束一个自 由度：y 方向转动。制动主缸体用一个平面、一个短削边销和一个短圆柱销来定位， 也就是一面二孔定位，限制了工件的六个自由度。如下表2 1 所示： 通过以上分析，我们可得制动主缸体采用以加工好的上表面和二个孔定位，相应 的采用法兰端面和二个定位销作为定位元件。主缸体的定位方案简图和具体尺寸设计 如图2 5 所示。 表2 1 定位分析 图2 5 定位方案简图 短圆柱销： d = 2 3 6 m m 1 8 n u n2 0 钢按g b t6 9 9 碳素工具钢技术条件。 热处理：2 0 钢渗碳深度0 8 1 2 m m ，5 5 6 0 h r c 。 其他技术条件按g b 2 2 5 9 8 0 机床夹具零件及部件技术条件。 d = 2 3 6 n m l ，公差带为9 5 ，h = 2 2 m m 的a 型固定式定位销： 定位销a 2 3 6 9 5 2 2 g b 2 2 0 3 - 8 0 1 ) 确定两定位孔的中心距l 及两定位销中心距厶。 两定位销中心距的基本尺寸应该等于工件上两定位孔中心距的平均尺寸，其公差 一般为万，。= ( 三； 万。 ( 2 1 ) 因2 l 。= 9 8 6 6 8 8 6 2 = 9 0 0 4 8 m m 2 l 。i 。= 9 8 6 6 6 - 8 6 2 = 9 0 0 4 4 m m 所以l = 4 5 0 2 3 0 0 0 1 m m 由式( 2 1 ) 取两个定位销中心距厶，的公差为8 6 2 m m 定位孔的中心距公差l 的 l 5 得： 三o2 4 5 0 2 3 0 0 0 0 2 m m 2 ) 确定圆柱销的直径。其直径的基本尺寸应等于与之配合的工件孔的最小极限尺 寸，主缸体定位孔的直径为d = 2 3 6 m m ，公差带为9 5 ，圆柱销直径为 2 3 6 9 5 = 2 3 6 ：篇：聊m 3 ) 确定菱形销的尺寸b 。查手册标准得：菱形销即短削边销的尺寸b = 4 舢= 1 1 。 4 ) 确定菱形销的直径。 臼：监粤 ( 2 - 2 ) 由式( 2 2 ) 可得： 口：q ：q q 三q ：q q q 兰聊聊：o o 0 0 6 聊脚 2 芒 泣3 ， 由式( 2 3 ) 可得： ：。= 三掣聊聊= 。6 历胴 所以菱形销的最大直径： d ，= d ，一x ，= ( 8 6 2 0 0 0 0 6 ) 脚聊= 8 6 1 9 4 聊聊 ( 2 4 ) 菱形销直径的公差等级取i t 5 = o 0 0 6 m m ，得菱形销的直径为8 6 2 ：溅m m 5 ) 计算定位误差。 对于主缸体径向上的圆柱体1 ，如图2 6 所示，其中心线与主缸体的中心线在同一 个平面上，故只有转角误差。如图2 7 所示，设两定位孔反方向移动时，定位基准( 两 孔中心连线) 的转角为b ，则 侈：a r c t a n 堡竺翌! 竺! ：a r c t a n 垄! 翌坚垄也坠( 2 5 ) 上 2 l 其中x 2 。= o 0 0 9 + 0 0 1 6 = 0 0 2 5 m m x 1 。= o 0 0 9 + o 0 0 6 6 = 0 0 1 5 6 m m 1 所以由式( 2 5 ) 可得： = a r c t a n2 兰学= a r c t a n 旦筹= a r c t a n 。4 5 = 。2 6 。 图2 6 主缸体圆柱体示意图 图2 7 定位转角误差 对于主缸体径向上的圆柱体2 ，定位误差等于基准位移误差 上：3 1 9 5 1 6 2 6 = 1 5 6 9 聊聊，则基准位移误差y 为： ) - = 2 l 2t a n 筇= 2 1 5 6 9 0 0 0 0 4 5 = o 0 1 4 聊m 因此其定位误差d = ，= 0 0 1 4 聊m 13 2 4 2 夹紧方案 机床夹具的夹紧装置必须安全可靠。夹紧装置的设计与很多因素相关，加工时工 件的受力情况夹、工件的几何形状以及夹具的生产率等方面的要求对夹紧装置的结构 类型和空间位置都有影响。夹具的生产类型决定了夹具的复杂程度。夹紧装置一般由 动力源装置、传力机构和夹紧元件组成，其中动力源装置产生夹紧力，夹紧元件完成 夹紧动作，而传力机构介于动力源和夹紧元件之间传递动力。在设计夹紧方案时，我 们第一步要确定加紧力，即确定加紧力的三要素：大小，方向，作用点。 1 选择夹紧力方向和作用点： ，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，以减小工件的变形、降低劳动强度；c 夹紧力的方向应 是工件刚性较好的方向；d 夹紧力作用点应选在工件刚性较好的部位；e 夹紧力的作 用点应落在定位元件的支承范围内【3 4 】。 2 估算夹紧力的大小： 夹紧力的大小十分重要，它能保证工件的定位稳定，而且对夹紧装置的结构也有 影响。理论上，夹紧力的大小应该与作用在工件上的切削力、离心力等多个力相平衡； 但是在实际生产中，夹紧力的大小还与其他因素有关，如夹紧机构的传递效率、整个 系统的刚度等。由此可见，计算夹紧力非常复杂。因此，实际设计中常采用估算法确 定所需的夹紧力。我们可以将设计过程进行简化，在设计夹具时，将夹具体和工件看 成刚性系统，根据工件所受夹紧力和切削力的情况，再按照静力平衡的原理对夹紧力 进行计算【3 5 j 。 分析制动主缸体的工序图，由于定位面选择已加工好的精基准面，此道工序主要 是加工主缸体径向上2 个8 5 m m 的螺纹孔和2 个1 8 8 m m 的阶梯横孔，钻削力为垂 直向下的轴向力，它作用在主缸体的径向，又由于工件尺寸较小，生产规模属于中批 量生产，因此估算夹紧力不是很大，所以我们将夹紧面设置为制动主缸体的底面，缸 体轴向方向为夹紧力的方向，同时考虑到操作迅速和便于快速装卸工件，使用液压缸 为夹紧机构。夹紧方案如图2 7 所示。 1 4 图2 7 夹紧方案简图 为了证明此方案的可行性，我们进行了以下的计算过程： a 计算钻削扭矩m 钻削扭矩m = o 1 2 d 2 厂o7 k p ( 2 6 ) 查现代机床夹具设计，其中 k p = 1 ， d = 4 6 聊m 厂= o 2 7 朋聊r 故m = 0 1 2 4 6 2 0 2 7 07 1 = 1 0 2 n m b 计算轴向力f 轴向力f = 3 0 9 n 8 后。 查机械加工技术手册，代入数值， 故f = 3 0 9 4 6 o 2 7 08 1 = 4 9 8 6 6 c 计算夹紧力 根据图2 8 ，由力矩平衡条件可得： 2 暇l r l = k ( 2 t r 2 一m ) 查机床夹具设计手册得： ( 2 7 ) ( 2 8 ) k = k o k 1 k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 = 1 4 1 2 1 1 5 1 1 1 = 1 9 3 2 2 5 所以取k = 2 5 l 。22o 1 6 ，r 1 = 2 4 2 5 删聊，月2 = 1 6 2 6 聊聊乃= 4 9 8 6 6 故暖：茎! 丝堡垒 丝! ：兰：! 兰( q ：! 鱼兰兰! 璺：鱼鱼兰! 鱼：三鱼二! ：q 型：4 1 7 6 2 从冠 2 o 1 6 2 4 2 5 图2 8 夹紧力臂简图 通过以上计算，我们可以得出轴向钻削力不是很大，因此对主缸体横孔钻削时精 度的影响也不是很大。而钻削扭矩也很小，因此也不必考虑其对加工精度的影响。又 因为钻削力对钻孔的影响不是很大，所以在扩孔和铰孔的时候就可以不用考虑钻削力 对加工精度的影响。综上所述，这种夹紧方案满足加工要求。 2 5 本章小结 本章根据课题实际情况进行了夹具设计过程，首先根据制动主缸体横孔加工工艺 的要求，在设计方案前认真调查研究，明确了设计要求，了解了工件精度要求、生产 状况、夹具结构尺寸及刚度要求等，并查阅机床夹具设计手册等相关资料和参考 实际中结构类似的夹具，拟定了夹具的实施方案，画出结构简图。通过二个方案的比 较，最后选择更合适的方案一为实施方案。再根据加工要求确定了定位方案，夹紧方 案，绘制草图，最后计算了主缸体的定位误差和夹紧力，通过计算结果可以得出定位 方案和夹紧方案均满足加工要求。 1 6 第三章夹具体与主要零部件选用 我们将夹具各个部分联结成为一个整体的零件称为夹具体。它是夹具上最大的也 是最复杂的零件。定位装置、夹紧装置、刀具引导件以及其他各种装置和零部件都要 在它上面安装。对于夹具体，我们也有一定的要求，主要有以下几点【3 6 】： 1 ) 具有相应的精度和尺寸稳定性 2 ) 具有足够的强度和刚度 3 ) 结构具有良好的工艺性 4 ) 排屑方便 5 ) 安装在机床上要稳定可靠 除了上述的对夹具体构造的一般要求外，夹具体的构造主要取决于夹具的不同类 型，以及定位装置、夹紧装置、刀具导引件等各部分所需的空间位置。根据其构造形 状的不同，夹具可分为敞开式、封闭式、半封闭式三类。也可以根据其所用的不同材 料和制造方法的要求，我们可以把夹具分为铸造夹具体、焊接夹具体、锻造夹具体、 型材夹具体、装备夹具体等【3 ”。 在这里，通过以上综合考虑我们选用了铸造夹具体。因为铸造夹具体能保证较好 的刚度，而且重量轻、机械加工量小。不仅如此铸件工作时吸收振动的性能也比较好。 同时为了满足加工精度的要求，我们设计的夹具体上的前后支板应具有一定的平行度， 并且与地面有一定的垂直度要求。 3 1 伺服电机的选型 电机是整个夹具体一个很重要的装置，它是整个夹具体动力的来源，它的好坏直 接影响着整个夹具体转位精度的高低。随着全数字式交流伺服系统的出现和应用，数 字控制系统中也越来越多地应用到交流伺服电机。为了适应这一发展趋势，全数字式 交流伺服电机或步进电机作为执行电动机被广泛的应用于运动控制系统中。交流伺服 电动机具有动态响应快、控制性能优越、精度和效率高、负载能力大等优点，因此在 闭环或半闭环控制的伺服系统中比较常见【3 8 j 。 在设计计算时选用电动机的依据是交流伺服电动机的主要参数。具体如下所示【3 9 】： ( 1 ) 额定功率：是指在额定工作状态下，电动机运行所输出的功率，也就是电动 机轴上输出功率的额定值。 ( 2 ) 额定电压：是指在额定工作状态下，电动机励磁绕组和电枢控制绕组上应加 的电压额定值。 ( 3 ) 额定电流：是指在额定电压下，电动机的驱动负载为额定功率时电枢控制绕 组中的电流。电动机的额定电流就是当它长期连续运行时，电枢控制绕组中所允许的 最大电流。 ( 4 ) 额定转速：是指在额定电压下，电动机输出额定功率时的转速。 ( 5 ) 额定扭矩：是指在额定工作状态下，电动机运行时电动机轴上输出的扭矩。 ( 6 ) 最大扭矩：是指在短时间内电动机可以输出的最大扭矩。它反映了电动机的 瞬时过载能力。 在该设计中选用n u c 口i 系列交流伺服电动机。口i 系列是一种高速度、高精 度、高效率的智能化伺服系统，它可促进整个夹具系统的高速度、高精度和紧凑设计。 查机械设计手册，其主要技术参数如下： 电动机型号：f a n u c 口1 2 3 0 0 0 i 额定功率：p = 3 k w 额定转速：胛，= 2 5 0 0 r m i n 3 2 同步带传动的设计计算 ( 1 ) 确定计算功率只 查机械设计手册得工作情况系数k 4 = 1 5 ，b = k 省p ( 3 1 ) 根据公式( 3 1 ) 可得： 只= k p = 1 5 3 = 4 5 七肜 ( 2 ) 选择带型和节距忍 根据上面的计算功率匕= 4 5 后缈和小带轮转速( 即电动机的额定转速) 确，查( 机 械设计手册选取同步带的带型为h 型，节距只= 1 2 7 脚聊。 ( 3 ) 确定小带轮齿数 根据带型为h 型以及小带轮转速( 即电动机的额定转速) 强，查机械设计手册， 得到小带轮的最小齿数z 1 m i n = 2 0 ，在此我们选取z 1 = 2 2 。 ( 4 ) 确定小带轮的节圆直径d 。 d 。：缝 ( 3 2 ) 万 由公式( 3 2 ) 可得， d 。：盟：堕型：8 8 9 8 聊聊 冗芤 由机械设计手册，查得其外径d 。，： d 。l = d 1 2 万= ( 8 8 9 8 1 3 7 咖7 卯= 8 7 6 1 ，船7 卵 ( 5 ) 确定大带轮的齿数z ： 考虑到带轮传递的功率较大，减小带轮的直径能增大带轮传动的有效拉力，但是 会增大带的弯曲应力，综合考虑初选选取大带轮的转速，2 ：= 2 5 0 0 ，m i n ，所以传动比 为： f _ 船l 船2 = 1 所以大带轮齿数z ： z 2 = f z l = 2 2 ( 6 ) 确定大带轮的节圆直径d ： d ，：盟 。 万 由公式( 3 3 ) 可得， d ，：丝：兰兰兰! 望：8 8 9 8 聊垅1 一一 一o o 7 0 ，f ，l 冗死 由机械设计手册，查得其外径d 。： d 。2 = d 2 2 6 = ( 8 8 9 8 1 3 7 ) m 聊= 8 7 6 1 7 咒m ( 7 ) 确定带速v v ：型! 翌1 6 0 1 0 0 0 由公式( 3 4 ) 可以得带的速度： v ：! ：! 兰兰墨! ：竺! 兰圣型：1 1 6 4 肌s 6 u 1 0 0 0 符合v 4 0 聊j 的要求。 ( 8 ) 初步确定轴间距 计算初定中心距。查机械设计手册，得 0 7 ( d l + d 2 ) 以o 2 ( d l + d 2 ) 由公式( 3 5 ) 可得1 2 5 聊聊口o 3 5 6 m 垅 根据设计要求，初定中心距为： 1 0 3 d ， 艾 ” ” 口o2 1 9 2 ，”，托 ( 9 ) 确定带长和齿数 根据传动带的几何关系，按照公式( 3 6 ) 计算所需带的基准长度厶： 驴2 ”詈“坦) + 警 6 ) 由公式( 3 6 ) 可得：厶= 6 6 3 4 0 川聊 由机械设计手册，查得应选用带长代号为2 7 0 的h 型同步带，其节线长 三p = 6 8 5 8 聊m ，节线长上的齿数z = 5 4 。 ( 1 0 ) 计算中心距口 查机械手册得，传动的实际中心距近似为： 口砜+ 半 ( 3 7 ) 由公式( 3 7 ) 可得： a 口。+ 兰旦 墨生1 8 。8 ，卵， 由机械设计手册得中心距的变动范围为： 口。i l l2 以一0 0 1 5 三j 口1 7 0 5 1 m ，尹z 口。a x = 口+ 0 0 1 5 三p 1 9 1 0 9 聊聊 ( 1 1 ) 计算小带轮啮合齿数z 。 z m 恬一篆( z 2 _ z 。) 8 ， 由公式( 3 7 ) 代入数据可得： z 。= 1 1 ( 1 2 ) 计算基本额定功率只 r ：掣 ( 3 9 ) 、” 1 0 0 0 由机械设计手册查表得，l = 2 1 0 0 8 5 ，聊= o 4 4 8 堙m 代入公式( 3 9 ) 可得， r ：地坠等等业塑瑙乃尼矿 ( 1 3 ) 计算所需带宽6 ， 1 1 4 r 一 驴k 去 由机械设计手册查表得，6 如= 7 6 2 聊聊，z 。= 1 1 ，k ：= 1 。 代入公式( 3 1 0 ) 可得， l1 4 6 。= 7 6 6 2 = 1 7 7 1 聊聊 ( 3 1 0 ) 由机械设计手册查表得，应选带宽代号为0 7 5 的h 型带，其6 。= 1 9 1 聊聊。 ( 1 4 ) 计算作用在轴上的力只 f 一墼 1 r v 将以上计算数据代入公式( 3 1 1 ) 可得， p ：! q q q 兰箜：3 8 6 6 l1 6 4 根据以上计算结果，得选用的传动同步带为2 7 0 h 0 7 5 ， 齿标准同步带的尺寸如图3 1 所示。 p b = 1 2 7 ( 3 1 1 ) 查机械设计手册，梯形 19 1 图3 1 同步带的尺寸 3 3 同步带轮的设计 3 3 1 带轮的材料 带轮的材料主要采用铸铁，常用材料的牌号为h t l 5 0 或h t 2 0 0 。 2 l 磊 3 3 2 带传的结构形式 传动选用的同步带为2 7 0 h 0 7 5 ，参照机械设计手册，经适当调整选取如下参数： 小带轮参数：z l = 2 2 ，d 1 = 8 8 9 4 聊耽，d 。1 = 8 7 5 6 聊m ； 大带轮参数：z 2 = 2 2 ，d 2 = 8 8 9 4 m 聊，d 。2 = 8 7 5 6 m 聊； 由即州u c 口1 2 3 0 0 0 i 电动机可知，其轴伸直径d = 3 2 m m ，长度上= 1 0 2 聊聊。故 带轮的轴孔直径应取玩= 3 2 聊聊，毂长应小于1 0 2 聊聊。 确定带轮的结构及尺寸，如下图3 2 所示。 邻 川 图3 2 带轮的结构尺寸图 3 4 键联接强度计算 在传动轴上安装有两个带轮，其中轴和带轮之间的联接采用平键，因为传递的转 矩很大，所以选择公称尺寸为6 办= 1 0 8 的平键。联接中的零件的受力如图3 3 所示。 图3 3 平键联接受力情况 普通平键一般采用常见的材料制造并且按照机械手册标准选取尺寸，其联接 的失效形式主要是工作面被压溃，除非有非常严重过载，否则一般不会出现键被剪断 的情况 4 0 1 。 假设在键的工作面上，载荷是均匀分布的，则其强度条件为： 哪= 警k ( 3 1 2 ) 上式中：t 一一传递的转矩，单位n m i i 】 d 一一轴的直径，单位m m