法兰盘工艺设计与数控加工

上海工程技术大学毕业设计（论文） 法兰盘工艺设计与数控加工 1 摘 要 本课题完成法兰盘工艺设计与数控加工。法兰盘是使管子与管子相互连接的零件，连接于管端。法兰上有孔眼 ，两个法兰盘之间，加上法兰垫，用螺栓紧固在一起，完成了连接。 本次设计主要完成以下设计内容：法兰盘的零件图纸与技术要求分析、零件二维图绘制及三维建模；制定数控加工工艺卡片文件；零件的夹具设计并进行夹具图二维图绘制；对零件进行加工仿真。根据锻件的形状特点、零件尺寸及精度，选定合适的机床设备以及夹具设计，通过准确的计算并查阅设计手册，确定了法兰盘的尺寸及精度，在材料的选取及技术要求上也作出了详细说明 ，并在结合理论知识的基础上，借助于计算机辅助软件绘制了各部分零件及装配体的工程图 ,以保障法兰盘的加工制造。 在夹具的设计过程中，主要以可换圆柱销、可换菱形销、定位心轴和支承钉来定位，靠六角厚螺母来夹紧。首先在数控车床上，完成零件的外圆及端面加工；再在数控铣床上，完成零件端面上 6- 11 沉孔 及 3- 5孔的加工；最后采用专用夹具以 16孔以及 6- 11 沉孔其中两孔 定位进行外圆上 10 孔的 加工。 关键字： 法兰盘， 数控加工工艺 ，数控编程，夹具设计， 仿真加工 上海工程技术大学毕业设计（论文） 法兰盘工艺设计与数控加工 2 法兰盘工艺设计与数控加工 姓名 学号 0 引言 0.1 概述 本课题起源于装配制造业法兰盘工艺设计与数控技术，通过此次毕业设计，可以初步掌握对中等复杂零件进行数控加工工艺规程的编制，学会查阅有关资料，能合理编制数控加工过程卡片、数控加工工序卡片、数控加工刀具卡片、数控编程等工艺文件，能合理的确定加工工序的定位与夹紧方案。 能使用 AutoCAD正确绘制机械零件的二维图形，能通过使用 UGNX7.0软件对零件进行三维图的绘制，可以提高结构设计能力及建模能力。 编写符合要求的设计说明书，并正确绘制有关图表。在毕业设计工作中，学会综合运用多学科的理论知识与实际操 作技能，分析与解决设计任务书中的相关问题。在毕业设计中，综合运用数控加工刀具和数控工艺、工装夹具的设计等专业知识来分析与解决毕业设计中的相关问题。 依据技术课题任务，进行资料的调研、收集、加工与整理和正确使用工具书；掌握有关工程设计的程序、方法与技术规范；掌握实验、测试等科学研究的基本方法；以及与解决工程实际问题的能力。 0.2 本设计的主要工作内容 本次对于法兰盘工艺设计及数控加工的主要任务是： （ 1）分析零件图纸与技术要求； 上海工程技术大学毕业设计（论文） 法兰盘工艺设计与数控加工 3 （ 2）三维建模。根据零件二维视图建立三维视图； （ 3）制定机械加工工艺文件。根 据产品技术资料、 生产条件与生产纲领，制定零件机械加工工艺规程，编写工艺规程卡片； （ 4）夹具设计。绘制工件夹具图； （ 5）编制数控加工程序、仿真加工与课题制作 （ 6）工件检验。选用合理的测量工具与设备检验工件的加工质量。 在这整个过程中，综合运用多学科的理论、知识与技能，分析与解决实际相关问题。 1 零件分析 1.1 零件图分析 图 1.1 所示为 法兰盘零件二维图，其 结构形状较复杂，中批量生产1000 件。图 1.2 为零件的三维图。 图 1.1 法兰盘零件二维图 上海工程技术大学毕业设计（论文） 法兰盘工艺设计与数控加工 4 图 1.2 法兰盘三维图 该零件材料为 45 钢，毛坯为锻件，主要应用于装配管子 ，起 管子 的连接及固定作用，为中批量生产类型产品。该零件为由外圆、内圆、沉孔、内孔、倒斜角 等表面组成，加工表面较多且都为平面及各种孔，因此适合采用加工中心加工。 1.2 技术要求分析 （ 1）结构分析 零件由 外圆、内圆、沉孔、内孔、倒斜角 等构成。 （ 2）尺寸精度分析 加工精度是指零件在加工后的几何参数的实际值和理论值符合的程度。尺寸精度是指 实际尺寸变化所达到的标准公差的等级范围。 如图 1.1所示，加工要求较高的尺寸列出如下表格，如表 1.1 所示。 上海工程技术大学毕业设计（论文） 法兰盘工艺设计与数控加工 5 （ 3） 形位公差 分析 加工后的零 件不仅有尺寸误差，构成零件几何特征的点、线、面的实际形状或相互位置与理想几何体规定的形状和相互位置还不可避免地存在差异，这种状上的差异就是形状误差，而相互位置的差异就是位置误差，统称为形位误差 。 （ 4）毛坯加工余量分析 工件粗加工的余量为 0.8，半精加工为 0.5，精加工为 0.2。 （ 5）粗糙度分析 表面粗糙度，是指加工后的零件表面上具有的较小间距和微小峰谷所组成的微观几何形状特征，一般是由所采取的加工方法和 (或）其他因素形成的。表面粗糙度高度参数有 3 种：轮廓算术平均偏差 Ra，微观不 平度 十点高度 Rz 以及 轮廓最 大高度 Ry。 该零件主要由 外圆、内圆、沉孔及内孔 组成，具体表示为 55 外圆、 52外圆、 90外圆、 6- 11 沉孔、 3- 5内孔、 10内孔、 32内圆、 16内圆。粗糙度皆为 Ra3.2。 表 1.1 尺寸精度 结构 尺寸 形状 位置 10mm的孔 10mm 孔 90mm 圆柱面 11mm 的沉孔 11mm 沉孔 90mm 圆柱面 C1.5mm 倒角 1.5mm 45 倒角 32mm 圆柱面内侧 5mm 内孔 5mm 内孔 10mm 圆柱面 上海工程技术大学毕业设计（论文） 法兰盘工艺设计与数控加工 6 2 零件的数控加工工艺设计 2.1 选定毛坯 根据零件的加工前尺寸及考虑夹具方案的设计，选择的毛坯材料牌号为 45 钢，毛坯种类为锻件，毛坯外形尺寸为 95mm 45mm。如图 1.3 所示。 图 1.3 法兰盘加工前三维图 2.2 选择定位基准 选择定位基准时，首先是从保证工件加工精度要求出发的，因此，选择定位基准时先选择粗基准，再选择精基准。 2.2.1 粗基准的选择 ： 按照粗基准的选择原则，为保证不加工表面和加工表面的位置要求，应选择不加工表面为粗基准，故在加工 16mm 内圆、 90 外圆及 55 外上海工程技术大学毕业设计（论文） 法兰盘工艺设计与数控加工 7 圆时， 选择 95mm毛坯外圆作 为粗基准。 2.2.2 精基准的选择 ： 按照精基准的选择原则，为符合基准重合原则以及基准统一原则，故在加工 52 外圆、 90 外圆、 32 内圆、 10 内孔、 6- 11 沉孔及 3- 5 内孔 时，选择 55外圆及 16 内圆作 为精基准。 2.3 工艺路线的设计 （ 1） 工艺路线的设计 为保证几何形状、尺寸精度、位置精度及各项技术要求，必须判定合理的工艺路线。 由于生产纲领为成批生产，所以 XH714 立 式加工中心配以专用的工、夹、量具，并考虑工序集中，以提高生产率和减少机床数量，使生产成本下降。 针对零件图样确定零件的加工工序为： 工序一： （ 95毛坯外圆 定位） 1)粗车外圆及端面。 2)精车外圆至尺寸要求，留总厚余量 2mm。 3)钻 16孔中心孔 。 4)粗钻扩 16 孔。 5)精钻扩 16 孔至尺寸要求。 6)倒圆角 R2。 工序二：（ 55圆柱面 定位） 1)粗车 外圆及端面。 2)精车外圆及端面至尺寸要求。 3)钻 32 孔中心孔。 上海工程技术大学毕业设计（论文） 法兰盘工艺设计与数控加工 8 4)粗钻铰锪 32 孔。 5)精钻铰锪 32 孔至尺寸要求。 6)倒角 C1.5。 工序三：（ 16孔及工件下平面 定位） 1)钻 6- 11沉孔及 3- 5 内孔 中心孔。 2)粗钻铰 6- 11 沉孔及 3- 5 内孔。 3)精钻铰 6- 11 沉孔及 3- 5 内孔至 尺寸要求。 工序四：（ 16孔及工件上平面 定位） 1)钻 10 孔中心孔。 2)粗铰 10孔。 3)精铰 10孔至尺寸要求。 4)所有面去锐边毛刺。 2.4 确定切削用量和工时定额 切削用量包括背吃刀量、进给速度或进给量、主轴转速或切削速度（用于恒线速切削）。其具体步骤是：先选取背吃刀量，其次确定进给速度，最后确定切削速度。（参考资料数控加工工艺及设备） 工时定额包括基本时间、辅助时间、地点工作服务时间、休息和自然需要时间以及准备终结时间。 2.4.1 背吃刀量pa的确定 根据零件图样知工件表面粗糙度要求为全部 3.2，故分为粗车、半精车、精车三步进行。 因此选择粗车的背吃刀量为 3.5mm，半精车的背吃刀量取 1.5mm，精上海工程技术大学毕业设计（论文） 法兰盘工艺设计与数控加工 9 车时背吃刀量取 0.35mm。 2.4.2 进给量 f 的确定 由文献 10表 2.4-73， 选择粗车时： zf =0.20mm/z；精车时：zf =0.5mm/z 2.4.3 切削速度cv的确定 由文献 10表 3.1-74， 选择粗车时： 主轴转速 n=900r/min；精车时：主轴转速 n=1000r/min。 因此，相应的切削速度分别为： 粗铣时： m i n/2.45m i n/1000 900161000 mmdnv c 精铣时： m i n/8.62m i n/1000 1000201000 mmdnv c 2.4.4 工时定额的确定 根据夹具的设计，下面计算工序四中 10mm 孔的时间 定额。 （ 1） 基本时间 由文献 8得，钻孔的计算公式为： nf LLL 21 基本T 式中： )21(c o t21 yKDL； 412 L ，钻盲孔时， 2L =0； L=17， 2L =0， f=0.3， n=1000； 因此 5.75.121 1 8c o t2101 L 所以 m in082.010000 . 3 05.717 基本T （ 2） 辅助时间 文献 8确定 开停车 0.015min 升降钻杆 0.015min 上海工程技术大学毕业设计（论文） 法兰盘工艺设计与数控加工 10 主轴运转 0.02min 清除铁屑 0.04min 卡尺测量 0.10min 装卸工件时间 由文献 8取 1min 所以辅助时间 辅助T=（ 0.015+0.015+0.02+0.04+0.10+1） min=1.19min （ 3） 地点工作服务时间 由文献 8确定 取 %3 ， 则 m i n0 3 8 1 5.0% m i n319.1820.0)( ）（辅助基本服务 TTT （ 4） 休息和自然需要时间 由文献 8确定 取 %3 ， 则 m i n0 3 8 1 5.0% m i n319.1820.0)( ）（辅助基本休息 TTT （ 5） 准备终结时间 由文献 8，部分时间确定 简单件 26min 深度定位 0.3min 升降钻杆 6min 由设计给定 1000 件，则 m i n0 3 2 3.0m i n1 0 0 0/)63.026(/ nT准终 （ 6） 单件时间 m i n381.1m i n)0323.003 81 5.00. 03 81 51. 190. 08 2( 准终服务休息辅助基本总 TTTTTT （ 7） 单件计算时间 m i n4129.1m i n)0323.0381.1(/ nTTT准终总单件 上海工程技术大学毕业设计（论文） 法兰盘工艺设计与数控加工 11 2.5 各工序的设备、刀具、量具的设计 (1) 选择 NC加工机床 根据 2.3 工艺路线的设计 的工序安排，由于零件的复杂性及加工部位多，故选择立式加工中心。加工内容有：车外圆、钻孔、铰孔及倒角等，所需刀具不超过 20把。选用立式加工中心即可满足上述要求。 本设计选用 FANUC 18i-MateMC 系统 XH714 立 式数控加工中心，如图1 所示。 图 1 XH714立 式数控加工中 心 (2) 机床主要技术参数 工作台面积 (长宽 ) 900 400 mm 工作台左右行程 (X向 ) 630 mm 工作台前后行程 (Y向 ) 400 mm 主轴上、下行程 (Z向 ) 500 mm 工作台最大承重 600 kg 上海工程技术大学毕业设计（论文） 法兰盘工艺设计与数控加工 12 主轴端面至工作台面距离 250 760 mm 主轴锥孔 MAS403 BT40 刀库容量 12 把 刀具最大尺寸 100 250 mm 主轴最高转速 8000 rpm 进给速度 5-8000 mm/min 快速移动速度 20000 mm/min 主电机功率 7.5/11KW 定位精度 X:0.016 mm， Y、 Z： 0.014 mm 全程 重复定位精度 X:0.010 mm， Y、 Z:0.008mm 全程 进给电机扭矩 FANUC 8 N.m 数控系统 FANUC 0i-MateMC 插补方式 直线插补、圆弧插补 （ 3）机床性能 XH714 为纵床身，横工作台，单立柱立式加工中心机床；可以实现 X、Y、 Z 任意坐标移动以及三坐标联动控制； X、 Y、 Z三坐标轴伺服进给采用交流伺服电机，运动平稳； X、 Y、 Z三轴采用进口精密滚珠丝杠副，及进口滚珠丝杠专用轴承支承； 主轴采用交流伺服调速电机，其额定功率11KW；主轴最高转速为 8000rpm。主轴轴承采用高速、高精度主轴轴承，油循环冷却；采用蝶形弹簧夹紧刀具，气压松刀；刀库为 20 把刀的斗笠式刀库，无机械手换刀。 2.6 工艺文件的设计 根据 2.3 工艺路线的设计 的工序安排，编出机械加工工艺过程卡片上海工程技术大学毕业设计（论文） 法兰盘工艺设计与数控加工 13 及工序卡片。见附表 13：机械加工工艺过程卡片；附表 47：数控加工工序卡；附表 1116：数控加工进给路线图。 2.7 数控加工刀具卡片的设计 根据 2.3 工艺路线的设计 的工序安排，编出机械加工刀具卡片。见附表 810：机械加 工刀具卡片。 2.8 数控编程 根据 2.3 工艺路线的设计 的工序安排，编出数控加工程序。见附表17：数控加工程序。 3 法兰盘钻 10孔 夹具工序工艺装备的设计 3.1 夹具设计方案的设计 根据 法兰盘的特点对夹具提出了两个基本要求：一是保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定。二是要能协调法兰盘零件与机床坐标系的尺寸。除此之外，重点考虑以下几点： 1、在成批生产时，才考虑采用专用夹具，并力求结构简单。 2、夹具上个零件部件应不妨碍机床对零件各表面的加工，即夹具要敞开，其定位。夹紧原件不能影响加工中 的走刀。 根据课题要求，批量生产 1000 件法兰盘零件，故需要设计专用夹具进行装夹。 3.1.1 夹具的定位方案的设计 工件定位方案的确定，首先应考虑满足加工要求。按基准重合原则，选用 18孔 以及工件底平面作为定位基准，定位方案如图 3-1 所示。 平面机构自由度计算公式为： HL PPnF 23 ， 其中： n 为活动构件， n=N-1， N 为构件； 上海工程技术大学毕业设计（论文） 法兰盘工艺设计与数控加工 14 LP 低副； HP 高副； 所以： 00322323 HL PPnF 即 2 个支承钉及定位心轴限制工件的 x、 y 方向的转动度以及 z 方向的移动度，可换圆柱销及可换菱形销限制工件的 x、 y 方向的的移动度以及 z 方向的转动度。 图 3-1 法兰盘的定位方案 3.1.2 夹具的夹紧方案的确定 工件夹紧方案的确定，取工件的 55 圆柱端面进行 夹紧，采用六角厚螺母夹紧机构，如图 3-2所示 。采用六角厚螺母夹紧机构，在夹具设计过程中，以考虑工件的受力情况，故在 55 圆柱端面与 六角厚螺母之间增加平垫圈，平垫圈在此处起到缓冲、平衡受力及保护端面不受伤害的作用。采用六角厚螺母通过平垫圈将工件在侧面夹紧，其结构紧凑、操作方便。 上海工程技术大学毕业设计（论文） 法兰盘工艺设计与数控加工 15 图 3-2 法兰盘的夹紧方案 3.1.3 夹具对刀装置方案的确定 因考虑零件的复杂性，故将夹具本次零件加工选择机床对刀点在工件坐标系的 95 外圆 上，这有利于保证精度，减少误差。 采用试切的对刀方法：具体步骤为该零件选择 95 外圆为 编程零点，本次试切首先选择零件的右侧面为试 切点 ，左右拨动主轴，手轮移动 X轴，使 刀具微碰零件， 此时记下 X 的机械坐标输入到 G54 或 G55 的 X 中 ，本次试切再选择零件的外圆顶点为试切点 ， 上下 拨动主轴，手轮移动 Y轴，使 刀具微碰零件， 此时记下 Y 的机械坐标输入到 G54 或 G55 的 Y 中，至此， X， Y 轴对刀完成； Z 轴的对刀，如以工件 外圆顶点 为 0 点，将铣刀擦到工件表面，记下此时 Z 轴的机械坐标，输入到 G54 或 G55 中 。 3.1.4 夹具与机床连接方案的设计 因考虑零件的加工复杂性，本套夹具选择孔系夹具，它的元件以孔定位，螺纹连接，元件定位精度高，夹具的组装简便，刚性好，又 便于数控机床编制加工程序。 上海工程技术大学毕业设计（论文） 法兰盘工艺设计与数控加工 16 3.2 夹具的结构设计 在 选择夹具体的毛坯的结构时，从结构合理性、工艺性、经济性、标准化的可能性以及工厂的具体条件为依据综合考虑。在机床夹具设计手册表 1-9-1 为各种夹具体毛坯结构的特点和应用场合。则选铸造结构，因为其可铸造出复杂的结构形状。抗压强度大，抗振性好。易于加工，但制造周期长，易产生内应力，故应进行时效处理。材料多采用 HT15-30或 HT20-40。在夹具体上还进行倒角，以便增加夹具的强度及刚度。 3.3 夹具的理论计算 3.3.1 定位误差的分析与计算 本套夹 具是定位误差主要是一面两孔定位所产生的，因此只需计算两定位销的定位误差即可。 1）确定定位销中心距及尺寸公差 取 mmmmLDLd 04.012.03131 故两定位销中心距为 71 0.02mm 2）确定圆柱销尺寸及公差 取 11H8= 11 06.0017.0 mm 3）参考文献 8中表 4-3 选取菱形销的 1b 及 B 值 取 1b =4mm， B=d-2=（ 11-2） mm=9mm 4）确定菱形销的直径尺寸及公差 取补偿值： a= dL + DL =（ 0.06+0.02)mm=0.08mm，则 上海工程技术大学毕业设计（论文） 法兰盘工艺设计与数控加工 17 mmmmD abX 0 5 3.012 408.022m i n21m i n2 所以 mmmmXDd 947.10)053.011(m i n2m i n2m a x2 菱形销与孔的配合取 h6，其下偏差为 -0.011mm，故菱形销直径为 10.9470011.0mm= 11 053.0064.0mm 所以 max2d 11 053.0064.0mm 5) 计算定位误差 基准位移误差为： mmmmXdDY 0 4 4.0)0 0 6.00()0 1 7.00 0 6.0(0 2 7.0m i n111 转角误差为： 142 135.0a r c t a n712 )064.0027.0()017.0027.0(a r c t a n2a r c t a n m a x2m a x1 L XX 则 413 ，双向转角误差为 826 。 3.3.2 夹紧力的分析与计算 本套夹具靠六角厚螺母 实现夹紧。因此，夹紧力的计算则在于六角厚螺母所需的力。 六角厚螺母夹紧 力 P 按 3.2公式计算： frQT ta n （ 3.2） Q 夹紧力，； 螺纹升角， M16选 922 ； 螺纹摩擦角， = 10 ； 支撑表面摩擦力矩的计算力臂，选择 51531310 d； f 螺母支撑面的摩擦因素，选择 f =0.178； 通过计算， M16孔定位的螺钉 所需夹紧力为： T=180N 因为 六角厚螺母需在两端进行夹紧 ，故夹紧力为双倍。 因此总共所需夹紧力为： T 总 =2T=180N 2=360N 上海工程技术大学毕业设计（论文） 法兰盘工艺设计与数控加工 18 3.4 夹具的使用操作说明 本夹具用于加工法兰盘的 11 孔（工件材料 45 钢）。工件以 32和 16孔、 11 孔分别在定位心轴 8、可换定位销 7 及 可换定位销 9 上定位，通过在定位心轴 8上旋动六角厚螺母 4使平垫圈 3 接触工作，从而达到夹紧工件的效果。 4 零件的仿真加工 图 4-1 钻 3- 5孔中心孔 图 4-2 钻 6- 11沉孔中心孔 上海工程技术大学毕业设计（论文） 法兰盘工艺设计与数控加工 19 图 4-3 铰 3- 5孔 图 4-4 铰 6- 7孔 图 4-5 锪 6- 11孔 上海工程技术大学毕业设计（论文） 法兰盘工艺设计与数控加工 20 图 4-6 钻 10孔中心孔 图 4-7 铰 10孔 5 结论 （ 1） 通过对零件和夹具的三维造型，实战练习了 UG 三维造型软件的造型模块和 AtuoCAD工程图模块，加深了 AutoCAD二维软件的操作和理解。 （ 2） 通过对夹具的理论计算，证 明本套夹具具有可行性。 （ 3） 通过对零件的加工仿真，证明数控加工程序具有可行性。 （ 4） 通过对夹具的三维建模，证明夹具的设计具有可行性。 （ 5） 对 使用 Office 办公软件时，还需要多加熟练。 上海工程技术大学毕业设计（论文） 法兰盘工艺设计与数控加工 21 （ 6） 在进行 UG 三维建模时，了解了计算机辅助制图编程软件的功能及使用方法。 （ 7） 在用 Auto CAD、 UGNX7.0等软件时，还需要多熟练快捷键的使用，从而提高效率。 （ 8） 设计过程中应用到的材料力学、机械原理、机械设计、数控编程等方面的知识。通过设计，加深了对所学知识在脑海中的印象，并提高了在实际中应用所学知识的能力。 同时，也认识到