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回转支架零件加工工艺规程及夹具设计【加工左右轴承孔，端面及各螺栓安装孔】摘 要本设计是回转支架零件的工艺设计和夹具设计。设计中先进行零件的结构和工艺分析，确定粗基准和精基准以及零件的加工余量与毛坯的尺寸，得出零件的加工工艺过程，接着再计算各工序的切削用量以及工时。除此之外，还设计了一套专用数控加工夹具。首先确定合适的定位基准，设计夹具体，再选择定位元件、夹紧元件等部件。然后计算出定位误差、夹紧力以及切削力，分析夹具的合理性,确保夹具可以安全的工作。关键词：回转支架；工艺，夹具设计，加工工艺，切削用量，定位误差 AbstractThis design is the process design and fixture design of the rotary support parts. In the design, the structure and process of the parts are analyzed, the rough and precision datum, the machining allowance and the size of the blank are determined, and the machining process of the parts is obtained.In addition, a set of special NC fixture is also designed. Firstly, the appropriate positioning datum is determined, the clamp body is designed, and then the positioning elements, clamping elements and other components are selected. Then the positioning error, clamping force and cutting force are calculated, and the rationality of the fixture is analyzed to ensure that the fixture can work safely.Key words: rotary bracket; process, fixture design, processing technology, cutting parameters, positioning error目 录第1章 前言1第2章 引言22.1课题的提出原因22.2课题的主要内容22.3课题的构思3第3章 零件的工艺设计43.1 零件的功用及工艺分析43.1.1 零件的功用及特点43.1.2零件的工艺分析53.2 工艺规程的设计43.2.1 确定生产类型43.2.3基准的选择53.2.4工序的合理组合63.2.5制定工艺路线63.3机械加工余量及毛坯的尺寸确定103.4确定切削用量及基本工时113.4.1 工序4切削用量的计算以及基本工时的确定113.4.2工序4切削用量的计算以及基本工时的确定133.4.3 工序9切削用量的计算以及基本工时的确定143.4.3 工序5切削用量的计算以及基本工时的确定153.4.4 工序6切削用量的计算以及基本工时的确定16第4章 加工设备与工艺装备选择174.1选择机床174.2选择夹具174.3选择刀具18第5章 零件的数控加工夹具设计195.1数控加工夹具设计特点及内容195.1.1数控加工夹具的主要类型195.1.2数控加工夹具的设计要点195.1.3夹具体的设计195.1.4壳体零件数控加工夹具的总体设计205.3定位基准的选择215.4切削力及夹紧力的计算215.5夹具结构及定位误差的分析235.6数控加工夹具的装配图绘制26第6章 UG三维造型及装配动画模拟286.1 UG软件简介286.2夹具体的三维建模316.3装配体的绘制及动画模拟32总 结34参考文献3534第1章 前言随着机械制造业的不断发展，社会对生产率的要求也越来越高，因此，大批量生产成为时代的需求，而组合机床就可以满足这一需求，我们有必要来研究他。另外，支架是主要起支撑作用的构架，承受较大的力，也有定位作用，使零件之间保持正确的位置。因此支架加工质量直接影响零件加工的精度性能，我们有必要对其进行研究。机械制造毕业设计涉及的内容比较多，它是基础课、技术基础课以及专业课的综合，是学完机械制造技术基础（含机床夹具设计）和全部专业课，并进行了实训的基础上进行的，是我们对所有课程的一次深入的综合性的总复习，也是一次理论联系实际的训练，因此，它在我们三年大学生活中占有重要的地位。本次毕业设计使我们能综合运用机械制造的基本理论，并结合生产实践中学到的技能知识，独立地分析和解决工艺问题，初步具备设计一个中等复杂程度零件（支架）的工艺规程的能力和运用夹具设计的基本原理和方法，拟定夹具设计方案，完成夹具结构设计的能力，也是熟悉和运用有关手册、图表等技术资料及编写技术文件等基本技能的一次实践机会。第2章 引言2.1课题的提出原因在现代制造技术迅猛发展的今天，机床夹具无论在传统机床上还是在数控机床、加工中心上，仍是必不可少的重要工艺装备。然而，在多品种生产的企业中，每隔34年就要更新5080左右机床夹具，而夹具的实际磨损量仅为1020左右。因此，设计各种专用夹具以减少夹具的损耗已经摆上的日程。2.2课题的主要内容（1） 回转支架零件的工艺规程设计；（2） 数控加工夹具的设计；（3） 夹具的三维建模；（4） 数控加工仿真。（5） 定制包含有说明书+工艺过程、工序+零件图+毛坯图+夹具体+夹具装配图+非标准零件图，图纸工作量应不少于3张A0幅面（6） 图纸工作量应不少于3张A0幅面（7） 用UG软件画出零件实体图并转换为CAD图，图纸表达符合国家标准。（8） 根据零件特点，提出两条以上工艺路线，通过比较选择合理方案编制机械加工工艺过程卡和工序卡片各1套，如有数控加工工序，需完成数控仿真和数控加工程序编制。（9） 选择某一工序完成专用夹具设计，要求用UG完成夹具装配与拆装动画仿真。（10） 将设计图存盘并打印主要图纸，图纸工作量应不少于3张A0幅面，图幅要和零件实际表达合适。（11） 在总结毕业设计成果的基础上，撰写毕业设计说明书一份，要求字符数不少于1.5万字，中文摘要350字以内，外文摘要与中文摘要对应，文本的质量符合毕业设计说明书规范。2.3课题的构思在做夹具过程中，首先要分析支架零件图及加工的技术要求，其次考虑毛坯的选择，再者要考虑制定机械加工工艺过程中一些关键问题，像基准的选择、零件表面加工方法的选择、加工顺序的安排和组合、加工路线的拟定等等都需要了解大量的资料后精心加以选择和确定，最后结合实际情况设计出方便实用且经济的夹具。第3章 零件的工艺设计3.1零件的功用及工艺分析3.1.1 零件的功用及特点回转支架是支撑摄像头回转壳体并能使壳体其沿轴线进行回转的零件，外形复杂，两端轴承安装部位同轴度要求高。其三维形状以及零件图如下：图3.1 三维模型图二维零件图如下：图3.2 回转支架零件图零件的实际形状如上图所示，从零件图上看，该零件结构比较复杂。3.1.2零件的工艺分析回转支架零件有多组加工表面，它们相互间有一定的加工要求。现分述如下:（1）以88mm孔中心轴线为中心的加工表面。这一组加工表面包括：直径88mm的内孔直径及端面倒角；直径为41mm、47mm的内孔端面及倒角；130mm内圆；8个3mm的通孔；还有多组M3螺纹孔需要的加工。（2）以90mm孔中心轴线为中心的加工表面。这一组加工表面包括：一个90mm的内孔端面；多处异形槽；两组5.6孔；8组4.5孔；4组M3孔。（3）两处R25，及27.5、31.5内端面加工。以88mm孔为中心的孔，有同轴度0.02要求，粗造度1.6；以90mm孔中心轴线为中心的孔及端面，粗造度3.2；其余各面及孔的粗糙度要求是12.5。主要平面的加工。一般在刨床或铣床上进行。刨削的刀具结构简单，机床成本低，调整方便，但生产率低；在大批、大量生产时，多采用铣削；当生产批量大且精度又较高时可采用磨削。单件小批生产精度较高的平面时，除一些高精度的箱体仍需手工刮研外，一般采用宽刃精刨。当生产批量较大或为保证平面间的相互位置精度，可采用组合铣削和组合磨削。回转支架支承孔的加工，对于直径小于50mm的孔，一般不铸出，可采用钻扩(或半精镗)铰(或精镗)的方案。对于已铸出的孔，可采用粗镗半精镗精镗(用浮动镗刀片)的方案。由于主轴轴承孔精度和表面质量要求比其余轴孔高，所以，在精镗后，还要用浮动镗刀片进行精细镗。对于箱体上的高精度孔，最后精加工工序也可采用珩磨、滚压等工艺方法。3.2工艺规程的设计3.2.1 确定生产类型（1）确定生产纲领：机械产品在计划期内应当生产的产品产量和进度计划称为该产品的生产纲领。机械产品的生产纲领除了该产品在计划期内的产量以外，还应包括一定的备品率和平均废品率，其计算公式为3.1。 （3.1）式中n为零件计划期内的产量；a为备品率；b平均废品率。由生产任务得：,，代入公式计算，（2）确定生产类型：最终传动箱壳体长110mm，宽80mm，高100mm，属于中型零件，壳体生产纲领为108件，属于小批量生产。3.2.2确定毛坯的制造形式毛坯的铸造方法：由上文可知，该壳体属于小批量生产，对于毛坯制造宜采用金属模机器造型、模锻、压力铸造等。本次采用金属模机器造型，这种铸造方法的特点是铸件内部组织致密，机械性能较高，单位面积的产量高，适用于泵体、泵盖、壳体、减速箱体、汽缸头等中、小型铸件。毛坯的材料是ZL104。3.2.3基准的选择选择工件的定位基准，实际上是确定工件的定位基面。根据选定的基面加工与否，又将定位基准分为粗基准和精基准。在起始工序中，只能选择未经加工的毛坯表面作为定位基准，这种基准称为粗基准。用加工过的表面作为定位基准，则称为精基准。在选择定位基准时，是从保证精度要求出发的，因此分析定位基准选择的顺序就应为精基准到粗基准。（1）粗基准的选择选择的原则是：a、非加工表面原则b、加工余量最小原则c、重要表面原则d、不重复使用原则e、便于装夹原则选择粗基准主要是选择第一道机械加工工序的定位基准，以便为后续工序提供精基准。粗基准的选择对保证加工余量的均匀分配和加工面与非加工面（作为粗基准的非加工面）的位置关系具有重要影响。根据以上选择的原则，可以选择零件左端面作为粗基准。这样便于加工左右两端面，便于保证其尺寸。（2）精基准的选择选择的原则是：a、基准重合原则b、基准统一原则c、自为基准原则d、互为基准原则e、便于装夹原则选择精基准时应重点考虑如何减少工件的定位误差，保证加工精度，并使夹具结构简单，工件装夹方便。根据以上选择的原则，我们就可以20孔和50右端面定位，用可调辅助支承90外圆并找正20外圆母线。精基准选择20孔轴线,这样可以便于在一次装夹中车左右端面，完成所需零件形状的加工，所以精基准选择20mm孔轴心线。3.2.4工序的合理组合确定基准以后，就按生产类型、零件的结构特点、技术要求和机床设备等具体生产条件确定工艺过程的工序数。确定工序数的基本原则：（1）工序分散原则工序内容简单，有利选择最合理的切削用量。便于采用通用设备。简单的机床工艺装备。生产准备工作量少，产品更换容易。对工人的技术要求水平不高。但需要设备和工人数量多，生产面积大，工艺路线长，生产管理复杂。（2）工序集中原则工序数目少，工件装，夹次数少，缩短了工艺路线，相应减少了操作工人数和生产面积，也简化了生产管理，在一次装夹中同时加工数个表面易于保证这些表面间的相互位置精度。使用设备少，大量生产可采用高效率的专用机床，以提高生产率。但采用复杂的专用设备和工艺装备，使成本增高，调整维修费事，生产准备工作量大。一般情况下，单件小批生产中，为简化生产管理，多将工序适当集中。结构简单的专用机床和工夹具组织流水线生产。3.2.5制定工艺路线加工工艺路线制定的原则是：在保证产品质量的前提下，尽量提高生产效率和降低成本，并且能够充分利用现有的生产条件。制订工艺路线的出发点，应当是使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求能得到合理的保证。根据以上分析制定的两条工艺路线如下(如图3.1及3.2所示)：工艺路线：（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：划线。工序4：粗精车90H8内孔至尺寸，粗精车底面及270外圆至尺寸。工序5：粗铣290两端面，精铣31.7、27.5内端面，铣12、14。工序6：粗镗90H7、41、47H7。工序7：CNC精加工（精镗孔、精铣端面、钻孔）。工序8：铣底面各异形槽，23X10槽。工序9：钻底面8*4.5B8D5.5EQS；2X5.6。工序10：钻底面6X5.6B12，钻攻丝4XM3。工序11：去毛刺。工序12：清洗。工序13：检验。工序14：入库。（2） 工艺路线方案一：工序1：铸造毛坯。工序2：时效处理。工序4：粗镗90H7、41、47H7。工序5：粗铣290两端面，精铣31.7、27.5内端面，铣12、14。工序6：粗精车90H8内孔至尺寸，粗精车底面及270外圆至尺寸。工序7：钻底面8*4.5B8D5.5EQS；2X5.6。工序8：钻底面6X5.6B12，钻攻丝4XM3。工序9：铣底面各异形槽，23X10槽。工序10：CNC精加工（精镗孔、精铣端面、钻孔）。工序11：去毛刺。工序12：清洗。工序13：检验。工序14：入库。（3）工艺方案比较与分析上述两个工艺方案的特点在于：方案一是先加工以88mm孔为中心的一组表面，然后以此为基准加水平轴承孔；而方案二则先完成所有面的加工，再加工各孔。经比较可见，先加工以88mm孔为中心的一组表面，然后以此为基准加工水平轴承孔，这时的位置精度交易保证，并且定位及装夹都较方便。但方案一中工序4与工序5中涉及到两个不同的机床，不宜采用组合机床。故决定将方案一中工序4粗铣面改成粗车面，这样工序4与工序5可采用同一个专用夹具，也不用重新装夹，符合工序集中原则。以上加工方案大致看来还是合理的。但通过仔细考虑零件的技术要求以及可能采取的加工手段之后，发现仍有问题，主要表现加工8个3mm 孔时，因为该零件的8个3mm 孔全是通孔且加工深度不大，并且到下一表面的距离不大，极易造成钻头折断或擦到下一表面上，甚至会造成零件报废。为了解决这个问题，原有的加工路线仍可保持不变，只是在加工8个3mm 孔时，观察到钻头快钻穿零件时，采用手动进给方式。因为零件是小批量生产，故可以采用手动进给方式。这样既可以避免钻头及零件的报废，同时也照顾了原有的加工路线中装夹方便的特点。还有在加工两个277mm外圆端面以及90mm孔端面时涉及到两次掉头以及需要4次装夹，让费了大量时间。为了解决这一问题，可以先加工98mm内孔以及276mm外圆及端面，再掉头一次加工右端面，减少了装夹的次数以及掉头的次数。因此，最后的加工路线确定如下：工序1：铸造毛坯。工序2：时效处理。工序3：划线。工序4：粗精车90H8内孔至尺寸，粗精车底面及270外圆至尺寸。工序5：粗铣290两端面，精铣31.7、27.5内端面，铣12、14。工序6：粗镗90H7、41、47H7。工序7：CNC精加工（精镗孔、精铣端面、钻孔）。工序8：铣底面各异形槽，23X10槽。工序9：钻底面8*4.5B8D5.5EQS；2X5.6。工序10：钻底面6X5.6B12，钻攻丝4XM3。工序11：去毛刺。工序12：清洗。工序13：检验。工序14：入库。3.3机械加工余量及毛坯的尺寸确定加工余量是指加工过程中从加工表面所切去的金属层厚度。加工余量有工序余量和加工总余量之分，工序余量是指某一工序所切去的金属层厚度；加工总余量是指某加工表面上切去的金属层总厚度。 （1）粗铣各表面的加工余量：由机械制造技术基础课程设计指导教程表235平面的加工余量，及考虑在铸造过程中，表面会产生气泡等部分，因此，加工余量得留大点。从而得出粗铣各表面的加工余量为3mm。（2）粗车底面14mm端面的加工余量：由机械加工余量实用手册表5-25查得粗车底面14mm的加工余量为1.6mm。（3）粗车90mm内孔的加工余量：由机械制造工艺学查得粗车90mm内孔的加工余量为2mm。（4）加工88mm孔的加工余量：查机械制造工艺设计简明手册得镗孔的加工余量为2mm。 （5）加工130mm孔的加工余量：查机械制造工艺设计简明手册表2.3-10得镗孔的加工余量为2mm。 （6）加工55mm的加工余量：查机械制造工艺设计简明手册表2.3-10得镗孔的加工余量为2mm。（7）加工梯形孔的加工余量：查机械制造工艺设计简明手册表2.3-8得先镗出梯形孔，再粗镗，精镗的加工余量为0.1mm。（8）加工M3孔的加工余量：由机械制造技术基础课程设计指导教程表229查出先钻孔2.3mm，攻螺纹M3的加工余量为0.7mm。由上各个加工余量确定零件的铸件尺寸，毛坯图如图3.3：图3.3 回转支架毛坯图3.4确定切削用量及基本工时3.4.1 工序4切削用量的计算以及基本工时的确定工序4：粗车276mm右外圆端面，粗车90mm内孔端面并倒角（第一步）（1）确定端面最大加工余量 毛坯的长度方向加工余量为1.6mm，故可一次走刀完成，所以可得 长度加工公差按IT12级。取-0.46mm（入体方向）。（2）确定进给量f根据切削用量手册表4，当刀杆尺寸为16mm25mm，以及工件直径在60到100之间时：按C620-1机床说明书取：（3）计算切削速度：查切削用量手册表21，切削速度的计算公式为3.2（寿命选T=60min）： （3.2）式中：加工材料系数加工形式系数刀具材料系数系数指数修正系数，见切削用量手册表211，即公式3.3： （3.3）式中：钢和铸铁的强度和硬度改变时切削速度的修正系数毛坯表面状态改变时切削速度的修正系数车削方式改变时切削速度的修正系数车刀主偏角改变时切削速度的修正系数刀具材料改变时切削速度的修正系数所以 即 所以 （4）确定机床主轴转速： （3.4）按机床说明书，与134r/min相近的机床转速为120r/min和150r/min。现取机转速为150r/min，如果选取120r/min，则速度损失较大。所以实际切削速度。（5）计算切削工时： （3.5）根据切削用量手册表20，（y为入切量，为超切量），故 3.4.2工序4切削用量的计算以及基本工时的确定工序4：粗车276mm外圆端面，粗车90mm内孔端面并倒角C2（第二步）（1）确定进给量f根据切削用量手册表4，当刀杆尺寸为16mm25mm, 以及工件直径在60到100之间时：按C630机床说明书取：（2）计算切削速度：查切削用量手册表21，切削速度的计算公式为（3.2）（寿命选T=60min）： 即 式中， ，。修正系数，见切削用量手册表211，即：。所以 所以 （3）确定机床主轴转速：由公式3.4得 按机床说明书，与303r/min相近的机床转速为230r/min和305r/min。现取机床转速为305r/min。如果选230r/min，则速度损失较大。此时实际切削速度。（4）计算切削工时：根据切削用量手册表20，由公式3.5得：3.4.3 工序9切削用量的计算以及基本工时的确定 工序6：钻八个4.5mm孔（1） 选择钻头选择高速钢麻花钻头，其直径d0=4.5mm。钻头的几何形状为（查切削用量手册第三章表1及表二）：双锥修磨横刃，=30，2=118，21=70，b1=3.5mm，a0=12，=55，b=2mm，l=4mm。（2）选择切削用量1）决定进给量fa、按加工要求决定进给量：根据表5（查切削用量手册第三章）当加工要求为7级精度，钢的强度b0.784GPa，d0=15mm时，f=0.350.43mm/r。由于l/d=12/15=0.8，故应乘孔深系数klf=0.95，则f=(0.350.43) 0.95=0.330.41mm/rb、按钻头强度决定进给量：根据表7（查切削用量手册第三章），当b=0.628GPa,d0=15mm，钻头强度允许的进给量f=1.11mm/r。c、按机床进给机构决定进给量：根据表8（查切削用量手册第三章），当b0.628GPa，d020.5mm，机床进给机构允许的轴向力为8330N时，进给量为0.53mm/r。从以上三个进给量比较可以看出，受限制的进给量是工艺要求，其值为f=0.350.43mm/r，根据Z3040机床说明书，选择f=0.36mm/r。由于加工通孔，为了避免孔即将钻穿时钻头容易折断，故宜在孔即将钻穿时停止自动进给而采用手动进给。2）决定切削速度由表10及11（查切削用量手册第三章），查得vi=0.46m/s。切削速度的修正系数为：kTv=1.0，kcv=1.0，klv=0.85，ktv=1.0，则 由公式3.4得 （3）计算基本工时 （3.6） 式中L=l1+l2+l3，l1=12mm，l2=9mm，l3=3mm，则3.4.3 工序5切削用量的计算以及基本工时的确定工序7：粗铣290mm两面（1） 选择刀具铣刀直径的大小直接影响切削力、扭矩、切削速度和刀具材料的消耗，不能任选取。查（切削用量手册第五章表1及表9），采用标准镶齿圆柱铣刀，故齿数Z=8；铣刀几何形状（切削用量手册第五章表2）：n=15,0=12。（2） 选择切削用量1） 决定铣削宽度ae由于加工余量不大，故可在一次走刀内切完，则 ae=h=3mm;2） 决定没齿进给量af根据X51W型铣床说明书（切削用量手册第六章，常见铣床的技术资料，表24），其功率为7kW，中等系统刚度，则af=0.120.20mm/z，现取af=0.20mm/z。3） 决定切削速度v和没秒进给量vf根据表9（切削用量手册第五章），当d0=100mm，z=8mm，ap=41130mm，ae=3mm，af0.24mm/z时，vt=0.32m/s，nt=1.03r/s，vft=1.73mm/s。各修正系数为：kMv=kMn=kMv=0.69 ksv=ksn=ksvf=0.8故 v=vtkv=0.320.690.8=0.18m/s； n=ntkn=1.030.690.8=0.52r/s; vf=vftkv=1.730.690.8=0.95mm/s。根据X51W型铣床说明书，选择nc=0.625r/s，vfc=1.0mm/s。因此实际切削速度和没齿进给量为： （3.7） （3.8）（3） 计算基本工时由公式3.6即 式中L=l1+l2+l3，由于是粗铣，故整个铣刀刀盘不必铣过整个工件，利用作图法，可得出的行程L=l1+l2+l3=69mm，故3.4.4 工序6切削用量的计算以及基本工时的确定工序8：镗88mm孔（1）选择机床 选用T68卧式镗床。（2）粗镗孔至86.7mm，单边余量Z=0.3mm，一次镗去全部余量，进给量f=0.1mm/r。根据有关手册，确定金刚镗床的切削速度为v=100m/min，则：由公式3.4得 由于T740金刚镗床主轴转速为无级调速，故以上转速可以作为加工时使用的转速。（3）计算切削工时：切削工时：l=30mm，l2=3mm，l3=4mm，则：第4章 加工设备与工艺装备选择4.1选择机床（1）选择机床应遵循如下原则：（2）机床的加工范围应与零件的外廓尺寸相适应；（3）机床的精度应与工序加工要求的精度相适应；（4）机床的生产率应与零件的生产类型相适应。在壳体的加工过程中，为了提高生产率将大量使用专用机床，如钻孔、镗孔工序中会用到专用钻床和专用镗床。在铣端面、倒角和攻丝工序中会用到通用机床。通用机床是在机械加工工艺人员手册上查找，具体机床的选用见后面的加工工艺过程卡。4.2选择夹具机床夹具是在切削加工中，用以准确地确定工件位置，并将工件牢固地夹紧的一种工艺装备。它的主要作用是：可靠地保证工件的加工精度；提高加工效率；减轻劳动强度；充分发挥和扩大机床的工艺性能。夹具的种类很多，按夹具的应用范围分类，可分为通用夹具、专用夹具、成组夹具、组合夹具；按夹具上的动力源分类，可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、电动夹具、磁力夹具和真空夹具等。在单件、小批量生产时，应尽可能采用通用夹具。为提高生产率，在条件允许时也可采用组合夹具。中批以上生产时，应采用专用夹具，以提高生产效率，夹具的精度应与工序的加工精度相适应。壳体的生产属于小批量生产，为了提高生产率，加工中应该采用专用夹具。为此要为生产线上的工序专门设计一套夹具。对于动力源，由于壳体的加工属于小批量生产，可以采用手动旋转六角螺母夹紧，这样便于操作，减少工作强度，以及材料成本。4.3选择刀具刀具的选择主要取决于工序所采用的加工方法、加工表面的尺寸、工件材料、所要求的精度和表面粗糙度、生产率及经济性等，在选择时一般尽可能采用标准刀具，必要时可采用高生产率的复合刀具和其它一些专用刀具。最终传动箱壳体的加工基本都采用标准刀具, 可以在机械加工工艺手册上查到。铣平面时大都采用镶齿套式面铣刀，铣面时用数控铣床加工，选用直柄立式铣刀。镗刀则根据孔的大小不同分别选取。钻孔时大都选用锥柄麻花钻，这种钻头有足够的强度，排屑容易。对于刀具的材料，常用的刀具材料有碳素工具钢、高速钢、硬质合金。其中碳素工具钢指含碳的质量分数在0.65%1.35% 的优质钢碳钢。常用牌号有T8A、T10A和T12A等，其中以T12A用的最多，淬火后硬度可达（5864）HRC，红硬性达250300C左右，允许的切削速度Vc=510m/min，所以一般用于制造手用和切削速度很低得工具，如锉刀、手用锯条、丝锥和板牙等。而高速钢是在高碳钢中加入较多的合金元素W、Gr、V、Mo等与C生成碳化物制得的。加入合金元素后，细化了晶粒，提高了合金的硬度。所以一般高速钢的淬火硬度可达（6367）HRC，红硬性可达550650.允许的切削速度Vc可比合金工具钢提高12倍。它具有较高的强度，在所有刀具材料中它的抗弯强度和冲击韧度最高，是制造各种刃型复杂刀具的主要材料。而硬质合金的耐热性比高速钢高得多，约在8001000C，允许的切削速度约是高速钢的410倍。硬度很高，但它的抗弯强度为1.11.5GPa，只是高速钢的一半，冲击韧度不足高速钢的1/251/10.由于它的耐热性与耐磨性好，因而在刃型不太复杂的刀具上的应用日益增多，如车刀，铣刀，镗刀，小尺寸钻头，丝锥等刀具上。综上所述，端面套式面铣刀材料选择硬质合金，加工孔用的麻花钻、扩孔钻、锪钻、丝锥都采用高速钢材料，镗梯形孔孔用镗刀刀尖部分材料也选用硬质合金。具体刀具型号及规格见后面的加工工艺过程表格。第5章 零件数控加工夹具设计5.1数控加工夹具设计特点及内容5.1.1数控加工夹具的主要类型现代自动化生产中，数控机床的应用已愈来愈广泛。数控机床夹具必须适应数控机床的高精度、高效率、多方向同时加工、数字程序控制及单件小批生产的特点。为此，对数控机床夹具提出了一系列新的要求。(1) 推行标准化、系列化和通用化；(2) 发展组合夹具和拼装夹具，降低生产成本；(3) 提高精度；(4) 提高夹具的高效自动化水平。 根据所使用的机床不同，用于数控机床的通用夹具通常可分为以下几种：数控铣床常用夹具是平口钳，先把平口钳固定在工作台上，找正钳口，再把工件装夹在平口钳上，这种方式装夹方便，应用广泛，适于装夹形状规则的小型工件。3加工中心夹具数控回转工作台是各类数控铣床和加工中心的理想配套附件，有立式工作台、卧式工作台和立卧两用回转工作台等不同类型产品。立卧回转工作台在使用过程中可分别以立式和水平两种方式安装于主机工作台上。工作台工作时，利用主机的控制系统或专门配套的控制系统，完成与主机相协调的各种必须的分度回转运动。为了扩大加工范围，提高生产效率，加工中心除了沿X、Y、Z三个坐标轴的直线进给运动之外；往往还带有A、B、C三个回转坐标轴的圆周进给运动。数控回转工作台作为机床的一个旋转坐标轴由数控装置控制，并且可以与其他坐标联动，使主轴上的刀具能加工到工件除安装面及顶面以外的周边。回转工作台除了用来进行各种圆弧加工或与直线坐标进给联动进行曲面加工以外，还可以实现精确的自动分度。因此回转工作台已成为加工中心一个不可缺少的部件。除以上通用夹具外，数控机床夹具主要采用拼装夹具、组合夹具、可调夹具和数控夹具。5.1.2数控加工夹具的设计要点（1）定位装置的设计特点和夹紧装置的设计要求当加工回转表面时，要求工件加工面的轴线与机床主轴轴线重合，夹具上定位装置的结构和布置必须保证这一点。当加工的表面与工序基准之间有尺寸联系或相互位置精度要求时，则应以夹具的回转轴线为基准来确定定位元件的位置。工件的夹紧应可靠。由于加工时工件和夹具一起随主轴高速回转，故在加工过程中工件除受切削力矩的作用外，整个夹具还要受到重力和离心力的作用，转速越高离心力越大，这些力不仅降低夹紧力，同时会使主轴振动。因此，夹紧机构必须具有足够的夹紧力，自锁性能好，以防止工件在加工过程中移动或发生事故。对于角铁式夹具，夹紧力的施力方式要注意防止引起夹具变形。（2）夹具找正基准的设置为保证夹具的安装精度，安装时应对夹具的限制基面仔细找正。若限为基面偏离回转中心，则应在夹具体上专门制一个孔（或外圆）作为找正基面，使该面与机床主轴同轴，同时它也作为夹具设计、装配和测量基准。为保证加工精度，机床夹具的设计中心与主轴回转中心的同轴度应控制在0.01mm之内，限制端面对主轴回转中心的跳动量也不应大于0.01mm。（3）定位元件的设计在数控机场上加工回转表面，要求工件加工面的轴线必须和机床主轴的旋线重合。夹具上定位元件的结构设计与布置，必须保证工件的定位基面、加工面和机床主轴三者的轴线重合。特别对于如支座、壳体等工件，由于其被加工回转表面与工序基准之间有尺寸或相互位置精度要求，因此应以机床夹具的回转轴线为基准来确定夹具定位工作表面的位置。（4）夹具的平衡对角铁式、花盘式等结构不对称的机床夹具，设计时应采取平衡措施，使夹具的重心落在主轴回转轴线上，以减少主轴轴承的磨损，避免因离心力产生振动而影响加工质量和刀具寿命。平衡的方法有两种：设置配重块或加工减重块。配重块上应开有弧形槽或径向槽，以便于调整配重块的位置。5.1.3夹具体的设计 夹具体设计的基本要求 （1）应有适当的精度和尺寸稳定性 夹具体上的重要表面，如安装定位元件的表面、安装对刀块或导向元件的表面以及夹具体的安装基面，应有适当的尺寸精度和形状精度，它们之间应有适当的位置精度。为使夹具体的尺寸保持稳定，铸造夹具体要进行时效处理，焊接和锻造夹具体要进行退火处理。 （2）应有足够的强度和刚度 为了保证在加工过程中不因夹紧力、切削力等外力的作用而产生不允许的变形和振动，夹具体应有足够的壁厚，刚性不足处可适当增设加强筋。 （3）应有良好的结构工艺性和使用性 夹具体一般外形尺寸较大，结构比较复杂，而且各表面间的相互位置精度要求高，因此应特别注意其结构工艺性，应做到装卸工件方便，夹具维修方便。在满足刚度和强度的前提下，应尽量能减轻重量，缩小体积，力求简单。 （4）应便于排除切屑 在机械加工过程中，切屑会不断地积聚在夹具体周围，如不及时排除，切削热量的积聚会破坏夹具的定位精度，切屑的抛甩可能缠绕定位元件，也会破坏定位精度，甚至发生安全事故。因此，对于加工过程中切屑产生不多的情况，可适当加大定位元件工作表面与夹具体之间的距离以增大容屑空间：对于加工过程中切削产生较多的情况，一般应在夹具体上设置排屑槽。 综上所述夹具体设计如下：图5-1夹具体5.1.4数控加工夹具的总体设计（1） 夹具的总体结构应力力求紧凑、轻便，悬臂尺寸要短，重心尽可能靠近主轴。（2） 当工件和夹具上个元件相对机床主轴的旋转轴线不平衡时，将产生较大的离心力和振动，影响工件的加工质量、刀具的寿命、机床的精度和安全生产，特别是在转速较高的情况下影响更大。因此，对于重量不对称的夹具，要有平衡要求。平衡的方法有两种：设置平衡块或加工减重孔。在工厂实际生产中，常用适配的方法进行夹具的平衡工作。（3）为了保证安全，夹具上各种元件一般不超过夹具的圆形轮廓之外。因此，还应该注意防止切削和冷却液的飞溅问题，必要时应该加防护罩。5.2问题的提出 利用本夹具主要用来数控加工左右轴承孔，端面及各螺栓安装孔，在数控加工时，其他底面已加工。为了保证技术要求，最关键是找到定位基准。同时，应考虑如何提高劳动生产率和降低劳动强度，故选底面为定位基准如下图所示：图5.2 工序图5.3定位基准的选择由零件图可知：数控加工左右轴承孔，端面及各螺栓安装孔。其设计基准为零件底面，限制了左右方向上的自由度，这样设计基准和工艺基准统一，符合基准统一原则。为了使定位误差达到要求的范围之内，在此通过心轴左端支撑零件及弹性套筒胀紧零件，限制3个自由度，从而保证零件的定位误差在较小范围内，这种定位在结构上简单易操作。5.4切削力及夹紧力的计算（1）切削力的计算由切削用量手册表22（切削力及切削功率的计算公式）查得计算公式：主切削力 CFzkFz(N) （5.1）径向切削力 CFykFy(N) （5.2）轴向切削力 CFxkFx(N) （5.3）其中系数与指数分别为CFz=367，xFz=0.72，yFz=0.8，nFz=0，CFy=142，xFy=0.73，yFy=0.67，nFy=0，CFx=294，xFx=1.0，yFx=0.5，nFx=-0.4，v=122。根据切削用量简明手册（第三版）表1.4，当刀杆尺寸为16mm25mm, p3mm以及工件直径为90mm时：f=0.50.7mm/r按机床说明书，现取f=0.5mm/r。由于加工单边余量为1.6mm，一次走刀就能完成，所以取ap=1.6。由切削用量手册表22-1（铝和铸件的强度和硬度改变时切削力的修正系数kMF）查得计算公式5.4： （5.4）其中nF=0.75（指数），p =0.628（材料硬度）。故kMF=0.949。代入公式得：主切削力 FZ=9.81CFzkFz =9.816003671.60.720.50.812200.949 =2748(N)径向切削力 Fy=9.81CFykFy =9.816001421.60.730.50.6712200.949 =1172(N)轴向切削力 Fx=9.81CFxkFx =9.8160-0.42941.610.50.5122-0.40.949 =600(N)（2）夹紧力的计算查切削手册表3.28得 （5.5）式中650，1.6, 1.0，0.08，0.72，20，40，0.86，225，0.86，0代入公式进算得750（）计算切削力时，需考虑安全系数 （5.6）式中基本安全系数1.5加工性质系数1.1刀具钝化系数1.1断续切削系数1.1 则1.51.11.11.17501500（） f1f20.253000（） （5.7） 根据工艺手册，弹性套筒的最大夹紧力8345（）,此时已大于3000的夹紧力，故本夹具可安全工作。5.5夹具结构及定位误差的分析考虑成本节约，使用手动加紧机构，采用手动构型压板机构进行其内孔的定位加紧，工件以90mm通孔在在夹具体定位盘定位，旋紧螺母，通过钩形压板，实现对工件的夹紧。本夹具的定位元件主要为套筒的外圆和心轴端面进行定位，故对定位误差的影响主要反映到心轴和衬套接触的端面和中心轴线的垂直度上，即其端面和轴线是否垂直。由机床夹具设计手册可得：（1）定位误差：定位尺寸公差，在加工尺寸方向上的投影，这里的方向与加工方向一致。即：故（2）夹紧安装误差，对工序尺寸的影响均小。即： （3）磨损造成的加工误差：通常不超过（4）夹具相对刀具位置误差：。误差总和： 从以上的分析可见，所设计的夹具的加工误差较小，实用性强。5.5数控加工夹具装配图的绘制由于夹具制造属单体生产，所以大部分零件的设计一般不作复杂的计算，通常都是参考类似的夹具结构，按经验类比法估计确定。实际上，在绘制夹具总体的过程中，根据工件、定位元件、夹紧装置、对刀-引导元件以及其他辅助机构和装置在总体上的配置，各零件的外形尺寸便已大体确定。绘制装配图如下：图5-4夹具装配图第6章 UG三维造型及装配动画模拟6.1 UG软件简介UG 软件是由多个模块组成的，主要包括CAD、CAM、CAE、注塑模、钣金件、Web、管路应用、质量工程应用、逆向工程等应用模块，其中每个功能模块都以Gateway环境为基础，它们之间既有联系又相互独立。本次设计主要用到CAD、CAM模块 CAD模块：1实体建模实体建模是集成了基于约束的特征建模和显性几何建模两种方法，提供符合建模的方案，使用户能够方便地建立二维和三维线框模型、扫描和旋转实体、布尔运算及其表达式。实体建模是特征建模和自由形状建模的必要基础。2特征建模UG特征建模模块提供了对建立和编辑标准设计特征的支持，常用的特征建模方法包括圆柱、圆锥、球、圆台、凸垫及孔、键槽、腔体、倒圆角、倒角等。为了基于尺寸和位置的尺寸驱动编辑、参数化定义特征，特征可以相对于任何其他特征或对象定位，也可以被引用复制，以建立特征的相关集。3自由形状建模UG自由形状建模拥有设计高级的自由形状外形、支持复杂曲面和实体模型的创建。它是实体建模和曲面建模技术功能的合并，包括沿曲线的扫描，用一般二次曲线创建二次曲面体，在两个或更多的实体间用桥接的方法建立光滑曲面。还可以采用逆向工程，通过曲线/点网格定义曲面，通过点拟合建立模型。还可以通过修改曲线参数，或通过引入数学方程控制、编辑模型。4工程制图UG工程制图模块是以实体模型自动生成平面工程图，也可以利用曲线功能绘制平面工程图。在模型改变时，工程图将被自动更新。制图模块提供自动的视图布局（包括基本视图、剖视图、向视图和细节视图等），可以自动、手动尺寸标注，自动绘制剖面线、形位公差和表面粗糙度标注等。利用装配模块创建的装配信息可以方便地建立装配图，包括快速地建立装配图剖视、爆炸图等。5装配建模UG装配建模是用于产品的模拟装配，支持“由底向上”和“由顶向下”的装配方法。装配建模的主模型可以在总装配的上下文中设计和编辑，组件以逻辑对齐、贴合和偏移等方式被灵活地配对或定位，改进了性能和减少存储的需求。参数化的装配建模提供为描述组件间配对关系和为规定共同创建的紧固件组和共享，使产品开发并行工作。CAM模块：UG/CAM模块是UG NX的计算机辅助制造模块，该模块提供了对NC加工的CLSFS建