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基于 气动 夹紧 专用 夹具 设计

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基于气动夹紧的专用夹具设计 1 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。 所以对机械的加工工艺及夹具设计具有 深远的 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 ， 可是 ， 夹具设计还是有很多问题 ， 有的 会影响到工件加工精度。把夹具设计nts无锡太湖学院学士学位论文 2 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。 nts基于气动夹紧的专用夹具设计 3 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。 图 2.1 零件的主视截面 图 2.2 截面拉伸的结果 nts无锡太湖学院学士学位论文 4 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 2.3 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 nts基于气动夹紧的专用夹具设计 5 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。 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。 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 nts无锡太湖学院学士学位论文 6 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。 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。 图 2.12 镗孔后的剖面图 图 2.11 草绘旋转切除 图 2.13 倒角后图形效果 nts基于气动夹紧的专用夹具设计 7 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 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nts无锡太湖学院学士学位论文 8 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。 （ 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 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 。 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： 精基准的选择考虑基准重合和基准统一原则，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 。 nts基于气动夹紧的专用夹具设计 9 3.4 工艺路线的制定 制定工艺路线： 根据零件、尺寸 及位置 精度等技术要求 、 几何形状 、 加工方法能达到经济精度，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nts无锡太湖学院学士学位论文 10 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 nts基于气动夹紧的专用夹具设计 11 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，分两次粗镗加工即可满足精度要求。 镗孔： 27mm Z= 4mm 镗孔： 29mm Z= 2mm 拉花键孔（ 6- 23H8mmx 26H8x6D9mm）； 表面粗糙度要求为 Ra3.2，根据 根据 5可得 2Z=6mm； 3.6 确定切削用量及基本工时 工序 1 铸造与工序 2 时效处理非机动时间，在此不作计算 工序 3：粗、半精铣 40mm 两外圆端面； 加工条件： 机床：专用组合铣床 刀具：高速刚圆柱形铣刀 D=63mm d=27mm 粗齿数 Z=6，细齿数 Z=10 （ 1）、粗铣 铣削深度 ap： ap=2mm 每齿进给量 af：根据 实用 机械加工工艺手册 6 取 af=0.08mm/z 铣削速度 V ： 取 v=(2040)m/min， 机床主轴转速 n ： 01000Vnd 取 V =30, 0d =63 代入公式（ 3-1）得： 1 0 0 0 3 0 ( 1 0 1 2 0 1 ) / m i n3 . 1 4 6 3nr 根据表 11-4，取 169 / m innr 实际铣削速度 V ： 0 3 . 1 4 6 3 1 6 9 3 3 . 4 / m i n1 0 0 0 1 0 0 0dnVm （ 3-1） nts无锡太湖学院学士学位论文 12 工作台每分进 给量 mf ： m z wf f zn （ 3-2） 取 zf = 0.08fa ， 6Z ， wn = 169n 代入公式（ 3-2）得： mf 0 . 0 8 6 1 6 9 8 1 . 1 2 / m i nmm 取 8 0 / m i nmf m m 根据机械加工工艺手册 被切削层长度 l ：由毛坯尺寸可知 =40mm 刀具切入长度 1l ： 1l =30mm 刀具切出长度 2l ： =3mm 走刀次数为 1 机动时间 1jt ： 121j ml l lt f（ 2-3） 取 =40mm， 1l =30mm， =3mm, 80mf 代入公式（ 2-3）得： 1jt =(40+30+3)/80=0.91min 以上为铣一个端面的机动时间，故本工序机动工时为 : t1=2 1jt =2X0.91=1.82min （ 2）、半精铣 铣削深度 aw： aw=1mm 每齿进给量 fa ：根据机械加工工艺手册 取 0 .0 6 /fa m m Z 铣削速度 V ：参照机械加工工艺手册 取 ( 2 0 4 0 ) / m i nVm ， 取 V =30, 0d =63 代入公式（ 2-1）得： 机床主轴转速 n ： 01 0 0 0 1 0 0 0 3 0 (1 0 1 2 0 1 ) / m i n3 . 1 4 6 3Vnrd ，根据机械加工工艺手册 nts基于气动夹紧的专用夹具设计 13 取 210 / m innr 实际铣削速度 V ： 0 3 . 1 4 6 3 2 1 0 4 1 . 5 / m i n1 0 0 0 1 0 0 0dnVm 取 zf = 0.08fa ， 6Z ， wn = 210n 代入公式（ 2-2）得： 工作台每分进 给量 mf ： 0 . 0 6 1 0 2 1 0 1 2 6 / m i nm z wf f z n m m 根据机械加工工艺手册 被切削层长度 l ：由毛坯尺寸可知 =40mm 刀具切入长度 1l ： 1 30l 刀具切出长度 2l ：取 2=3mm 走刀次数为 1 取 =40mm， 1 30l ， =3mm 代入公式（ 2-3）得： 机动时间 1jt ： 1jt =(40+30+3)/126=0.58min 以上为铣一个端面的机动时间，故本工序机动工时为 t1=2 1jt =2X0.58=1.16min 工序 4：粗铣 2- 22mm 圆的外侧面 加工条件： 机床：专用组合铣床 刀具：高速刚圆柱形铣刀 D=50mm 粗齿数 Z=6 细齿数 Z=8 （ 1） 粗铣： 铣削深度 aw： aw=2mm 每齿进给量 fa ：根据表 30-29，取 0 .0 8 /fa m m Z 铣削速度 V ：参照表 30-29，取 24 / m inVm ， 取 V =24, 0d =50 代入公式（ 3-1）得 nts无锡太湖学院学士学位论文 14 机床主轴转速 n ： 01 0 0 0 1 0 0 0 2 4 1 5 2 / m i n3 . 1 4 5 0Vnrd ，根据表 11-4， 取 169 / m innr 实际铣削速度 V ： 0 3 . 1 4 5 0 1 6 9 2 6 . 5 / m i n1 0 0 0 1 0 0 0dnVm 取 zf = 0.08fa ， 6Z ， wn = 169n 代入公式（ 2-2）得： 工作台每分进给量 mf ： 0 . 0 8 6 1 6 9 8 1 . 1 2 / m i nm z wf f z n m m 取 8 0 / m i nmf m m 根据机械加工工艺手册 被切削层长度 l ：由毛坯尺寸可知 =22mm 刀具切入长度 1l ： 1 30l 刀具切出长度 2l ：取 =3mm 走刀次数为 1 取 =22mm， 1 30l ， =3mm, 80mf 代入公式（ 3-3）得： 机动时间 1jt ： 1jt =(22+30+3)/80=0.69min 以上为铣一个端面的机动时间，故本工序机动工时为： t1=2 1jt =2X0.69=1.38min （ 2） 半精铣： 半精铣 2- 22mm 圆的内侧面； 机床：专用组合铣床 刀具：高速刚圆柱形铣刀 D=50mm 粗齿数 Z=6 细齿数 Z=8 铣削深度 aw： aw=1mm 每齿进给量 fa ：根据 表 30-29，取 0 .0 8 /fa m m Z 铣削速度 V ：参照表 30-29，取 24 / m inVm ， nts基于气动夹紧的专用夹具设计 15 取 V =24, 0d =50 代入公式（ 3-1）得 机床主轴转速 n ： 01 0 0 0 1 0 0 0 2 4 1 5 2 / m i n3 . 1 4 5 0Vnrd ，根据 表 11-4，取 169 / m innr 实际铣削速度 V ： 0 3 . 1 4 5 0 1 6 9 2 6 . 5 / m i n1 0 0 0 1 0 0 0dnVm 取 zf = 0.08fa ， 6Z ， wn = 169n 代入公式（ 3-2）得： 工作台每分进给量 mf ： 0 . 0 8 6 1 6 9 8 1 . 1 2 / m i nm z wf f z n m m 取 8 0 / m i nmf m m 根据机械 加工工艺手册 被切削层长度 l ：由毛坯尺寸可知 =22mm 刀具切入长度 1l ： 1 30l 刀具切出长度 2l ：取 =3mm 走刀次数为 1 取 =22mm， 1 30l ， =3mm, 代入公式（ 3-3）得： 机动时间 1jt ： 1jt =(22+30+3)/80=0.69min 以上为铣一个端面的机动时间，故本工序机动工时为 t1=2 1jt =2X0.69=1.38min 工序 5：钻，扩，铰 23H8 孔； 加工条件： 机床：专用组合钻床 刀具：麻花钻、扩孔钻、铰刀 （ 1）、钻孔 20mm 切削深度 pa ： ap=10mm 80mf nts无锡太湖学院学士学位论文 16 进给量 f ：根据机械加工工艺手册 因为此次钻孔后还需要一个扩孔及一个铰刀的加工，所以选择进给量的 范围为 f=0.350.43mm/r 综合考虑取 进给量 f=0.4mm/r 取切削速度 v=28.7m/min 取 V =28m/min 0d =20mm 代入公式（ 3-1）得 机床主轴转速 n ： n=1000v/ d0=(1000x28)/(3.14x20)=445m/min 根据机械加工工艺手册 取 n=545m/min; 实际切削速度 V ： V= dn/1000=3.14 20 545=34.226m/min 被切削层长度 l ： =76mm 刀具切入长度 1l ： 1=20mm 刀具切出长度 2l ： =3mm 走刀次数为 1 机动时间 jt ： 121j l l lt fn (3-4) 取 =76mm， 1=20mm， =3mm , f=0.4mm/r, n=5m/min 入公式 （ 3-4）得： 机动时间 ： 1jt =(l+l1+l2)/fn=(76+20+2)/(455x0.4) =0.54min （ 2）、扩 20mm 孔； 切削深度 pa ： ap=1.1mm 进给量 f ：根据机械加工工艺手册得： f=(0.91.2)mm/r； 查机械加工工艺 手册 取 f=1.0mm/r 切削速度 V ：根据机械加工工艺师手册 取 19 / m inVm 取 V =19, 0d =22.2 代入公式（ 3-1）得； 机床主轴转速 n ： 2 7 32.2214.3 191 0 0 01 0 0 0 0 x xd vn r/min， 根据机械加工工艺册 取n=272r/min; 实际切削速度 V ： nts基于气动夹紧的专用夹具设计 17 m i n/96.181 0 0 0 2 7 22.2214.31 0 0 00 mndV ； 根据机械加工工艺师手册； 被切削层长度 l ： 76l mm 刀具切入长度 1l ： 1l =4mm 刀具切出长度 2l ： 2l =3mm 走刀次数为 1 取 76l mm ， 1l =4mm， 2l =3mm, f=1.0mm/r, n=272r/min 代入公式（ 3-4）得： 机动时间 1jt ： 31.00.12 7 23476211 xfllltnjmin； （ 3）铰 23H8 孔 ; 切削深度 pa ： ap=0.4mm； 进给量 f ：根据机械加工工艺手册 取 ( 0 . 9 5 2 . 1 ) /f m m r 根据机械加工工艺师手册 ，取 1.2 /f m m r 取切削速度 9 .1 / m inVm 取 V =9.1, 0d =23mm 代入公式（ 3-1）得 ; 机床主轴转速 n ： m in.1 2 62314.3 1.91 0 0 011 0 0 0 0 rxxd Vn ，根据机械加工工艺手册 取n=140r/min； 实际切削速度 V ： m in/11.101 0 0 0 1 4 02314.31 0 0 0V 0 mxxnd ； 被切削层长度 l ： 76l mm 刀具切入长度 1l ： 1l =20mm 刀具切出长度 2l ： 2l =5mm 走刀次数为 1 nts无锡太湖学院学士学位论文 18 取 76l ， 1 5l ， 2 20l , 1.2f ,n=140r/min 代入公式（ 3-4）得： 机动时间 jt ： m in61.02.114052076211 xfllltnj； （ 4）倒角 C1 采用 090 锪钻。为缩短辅助时间，取倒角是的主轴转速与扩孔时相同：n=272r/min；手动进给。 工序 5：钻，铰 2- 8H8 孔； 加工条件： 机床：专用组合钻床 刀具：麻花钻、铰刀 （ 1）、钻 7.8mm 孔 切削深度 pa ： pa =3.4mm; 进给量 f ：根据机械加工工艺手册 取 f =0.18-0.22mm/r; 根据机械加工工艺手册 取 f =0.20mm/r; 切削速度 V=32.6m/min 取 V =33m/min, 0d =7.8 代入公式（ 3-1）得 机床主轴转速 n ： m in.1 3 3 3.8714.3.6321 0 0 01 0 0 00rxxd Vn ，根据机械加工工艺手册取n=1360r/min; 实际切削速度 V ： m in/3.331 0 0 0 1 3 6 08.714.31 0 0 0V 0t mxxnd 被切削层长度 l ： l =12mm; 刀具切入长度 1l ： 1l =20mm; 刀具切出长度 2l ： 2l =3mm ; 走刀次数为 1 取 l =12mm， 1l =20mm， 2l =3mm, f =0.20mm/r,n=1333r/min;代入公式（ 3-4）得： 机动时间 jt ： m in13.020.01 3 3 3 32012211 xfn lllt j ; nts基于气动夹紧的专用夹具设计 19 以上为钻一个孔的机动时间，故本工序机动工时为 ; 12 jj tt =2x0.13=0.26min; （ 2）铰 2- 8H8 孔 ; 切削深度 pa ：pa=0.1mm; 进给量 f ：根据机械加工工艺手册 取 ( 0 . 8 1 . 8 ) /f m m r 根据机械加工工艺手册表 28-36，取 1.2 /f m m r 取切削速度 V=8.7m/min; 取 V =8.7m/min, 0d =8mm 代入公式（ 3-1）得 机床主轴转速 n ： m in.346814.3 .781 0 0 01 0 0 0 0 rxxd Vn ， 据机械 制造 工艺 设计简明 手册 7取 n=392r/min 实际切削速度 V ： m in/111000 392914.31000V 0t mxxnd 被切 削层长度 l ： l =12mm; 刀具切入长度 1l ： 1l =20mm; 刀具切出长度 2l ： 2l =5mm; 走刀次数为 1 取 l =12mm， 1l =20mm， 2l =5mm, f =1.2mm/r,n=394r/min;代入公式（ 2-4）得： 机动时间 jt ： m in7.002.1392 32012211 xfn lllt j以上为铰一个孔的机动时间，故本工序机动工时为 ; 12 jj tt =2x0.07=0.14min; 工序 6：镗 29mm 孔； 加工条件： 机床： T68 镗床 刀具： 900 镗刀、 450 镗刀 nts无锡太湖学院学士学位论文 20 （ 1）、镗孔至 27mm； 切削深度 pa ： pa =2mm; 进给量 f ：根据机械加工工艺手册 P-1063 表 14-7 取 f =0.40.6mm/r; 根据机械加工工艺手册 取 f =0.5mm/r; 切削速度 V=127m/min 取 V =127m/min, 0d =7.8 代入公式（ 3-1）得 机床主轴转速 n ： m in.1 4 9 82714.3 1 2 71 0 0 01 0 0 0 0 rxxd Vn ， 根据机械加工工艺手册取 n=1000r/min; 实际切削速度 V ： m in/8.7881000 10002714.31000V 0t mxxnd ； 切屑加工时： 被切削层长度 l ： l =26mm; 刀具切入长度 1l ： 1l =30mm; 刀具切出长度 2l ： 2l =2mm; 走刀次数为 1 次 取 l =26mm， 1l =30mm， 2l =2mm, f =0.5mm/r, n=1000r/min; 代入公式（ 3-4） 得： 机动时间 jt ： m in12.0.501 0 0 0 23026211 xfn lllt j倒角 C1，采用 450 偏刀。为缩短辅助时间，取倒角是的主轴转速与镗孔时相同：n=1000r/min；手动进给。 工序 7：拉花键孔（ 6- 23H8mmx 26H8x6D9mm）； 加工条件： 机床：专用组合拉床； 刀具：矩形齿花键拉刀； 单面齿升：查机械加工工艺手册，确定拉花键孔时花键孔拉刀的单面齿升为 0.06mm，拉削速度 V=3.6m/min; nts基于气动夹紧的专用夹具设计 21 切削工时： zvfkltz1000Z b ； 式 中： bZ 为单面余量 1.5mm l 为拉削长度； 为校准部分的长度系数； =1.2 K 为机床返回行程系数，取 K=1.4 V 为拉削速度； zf 为拉刀单面齿升； Z 为拉刀同时工作齿数； Z=l /P P 为拉刀齿距； mml 127635.11 .5 )( 1 .2 5P 所以，拉刀同时工作齿数 Z=l/p=76/12 6; 综上所述，拉削工时为： m i n15.0606.06.31 0 0 04.12.176.511 0 0 0Z b xxxxxxzvfkltz3.7 零件加工工艺设计小结 以上内容主要 是对换挡拨叉的加工工艺进行设计。首先要明确零件的作用 ，本次设计的换挡拨叉的主要作用就是车床变速机构中，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。在确定了零件的机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸后，就可以对零件的工艺路线进行分析，制定出几套工艺方案，然后对这几套方案进行分析比较，选择最优方案，最后确定切削用量并计算出基本工时。优良的加工工艺是能否生产出合格的，优质零件的必要前提，所以对零件加工工艺的设计十分重要，设计时要反复比较，综合考虑机加工因素，选择出最优方案。 nts无锡太湖学院学士学位论文 22 4 基于气动夹紧的专用夹具设计 为了提高劳动生产率，保证加工质量，降低劳动强度，通常需要设计专用夹具。 经过与指导教师协商，决定设计铣 40 外圆两端面的气动铣夹具及 加工 2- 8H8 工艺孔的钻夹具设计 。铣 40 外圆两端面的气动铣夹具用于立式铣床，适合于批量生产，铣刀采用指状铣刀，先加工一个面再加个另一个面。 加工 2- 8H8 工艺孔的钻夹具 用于立式钻床，适合于批量生产，刀具分别采用麻花钻、扩孔钻及铰刀，加工出来作为后续加工的工艺孔使用。 4.1 设计主旨 本夹具主要用来铣 40 的两个端面 ，从零件图中可以知道这两个端面有一定的粗糙度要求，对于尺寸精度与行位精度没有严格的要求。但是加工本工序时没有任何孔来定位，刚好是进过实效处理的毛 坯 件，在以后的工序中这两个面也不起什么定位作用。因此，在本道工序主要考虑如何提高劳动生产率，降低劳动强度，而精度不是主要问题。 4.2 夹具设计 4.2.1 定位基准的选择 由零件图可知，有 22 和 40 的外圆可以利用，因此采用 V 型块进行装夹，采用两个小 V 型块和一个大的 V 型块定位装夹，这样总共限制 5 个自由度，因此在 22 的端面处采用一个支撑钉，这样自由度 被完全限制了，但从零件图中知道，圆弧的壁厚比较薄，刚性比较差，因此在 40 处又加了一个辅助支撑，这样就把刚性差的问题避免了，改夹具采用铰链式夹紧，通过快速气缸和压板进行夹紧，并且要实现快速装夹，提高劳动生产率。 4.2.2 定位误差分析 工件在夹具中的位置由定位基准与定位元件相接触或配合来确定的，然而工件与定位元件均有制造误差，就会使一批工件在夹具中的位置不一致，从而导致工件工序尺寸的误差，这就是定位误差。 该夹具由计算分析知道基准不重合误差为零，基准位移误差也为零所以没有定位误差。 因此能满足零件的加工要求。 4.2.3 铣夹具设计的基本要求 如前所述，在设计夹具时，为了提高劳动生产率，应着眼于机动夹紧，本道工序的铣床夹具就选择了气缸拉动压板对工件进行夹紧。本道工序由于是粗加工，切削力较大，为nts基于气动夹紧的专用夹具设计 23 了夹紧工件，势必要加大压板，而这将使整个夹具过于庞大。因此，应设法降低切削力。目前采取的措施有三个：一是提高毛 坯 的制造精度，是最大背吃刀量降低，以降低切削力；二是选择比较合适的铰链机构，增大夹紧时的力臂以降低夹紧力；三是在可能的情况之下，适当提高夹紧力，来满足夹紧的要求。 夹具上还 需要装有对刀块，可使夹具在一批零件加工之前与塞尺配合使用很好的对刀；同时，夹具体底面上的一对 U 型槽可使夹具在机床工作台上有一正确的安装位置，以利于铣削加工。 4.3 气缸的设计计算 设计要求是做任何设计的依据，气动夹具设计时要明确气动传动系统的动作和性能要求，这里一般要考虑以下几方面： 1）该设备中，哪些运动需要液压或气压传动完成，各执行机构的运动形式及动作幅度； 2）对液压或气压装置的空间布置、安装形式、重量、外形尺寸的限制等； 3）执行机构载荷形式和大小； 4）执行机构的运动速度，速度变化范围以及对运动 平稳性的要求； 5）各执行机构的动作顺序，彼此之间的联锁关系，实现这些运动的操作或控制方式； 6）自动化程度、效率、温升、安全保护、制造成本等方面的要求； 7）工作环境方面的要求，如温度、湿度、振动、冲击、防尘、防腐、抗燃性能等； 另外对主机的功能、用途、工艺流程也必须了解清楚，力求设计的系统更加切合实际。 4.3.1 切削力及切削力矩的计算与分析 对执行元件的工况进行分析，就是查明每个执行元件在各自工作过程中的速度和负载的变化规律。通常是求出一个工作循环内各阶段的速度和负载值列表表示，必要时还应作出速度、 负载随时间（或位移）变化的曲线图（称为速度循环图、负载循环图和功率循环图）。 在一般情况下，液压和气压系统中气缸承受的负载由六部分组成，即工作负载、导轨摩擦负载、功率、惯性负载、重力负载、密封负载和背压负载，前五项构成了气缸所要克服的机械总负载。 这里为了方便起见，只是将铣削时产生的铣削力矩作为气缸的工作负载，其余的负载这里没有考虑（只需要按照一定的工作方式进行计算即可）。 根据加工需要，该系统的工作循环也较为简单：快速前进 快速后退 原位停止。 根据调查研究和工作系统要求，快速前进和快速后退的速度约为 4.5m/min，不考虑换向及启动时间、动静摩擦系数等因素，气缸的机械效率 取 0.9。 由于本道工序主要完成花键孔的两端面加工，为后续花键孔的加工提供良好的基准，且在铣削过程中由于铣刀所产生的铣削力对工件的附加转矩会造成工件的加工误差，因而必须对工件所受的铣削力和铣削力矩进行计算分析，从而设计出符合要求的夹紧装置。 对气缸的设计计算主要是以铣削力矩为主进行理论计算，以工件加工中所需的夹紧力nts无锡太湖学院学士学位论文 24 来设计气缸的结构参数，以实现工件快速装夹所需要的行程来确定气缸的理论行程，因而需要对工件所受的夹紧力和夹具的结构进行分析。 1）切削力的计算 切削力的计算可通过试验的方法，测出各种影响因素变化是的切削力数据，加以处理得到的反映各因素与切削力关系的表达式，称为切削力计算的经验公式。在实际中使用的切削力经验公式有两种：一是指数公式；二是单位切削力。这里为了方便起见，以单位切削力进行切削力的计算。单位切削力是指单位切削面积上的主切削力，用 kc 表示。 由切削手册得主切削力公式： c0F 9 . 8 1 / 6 0F F F F F F ZXYF p f e FC a a a Z d n k 式中： CF、 XF、 YF、 F、 F是指切削用量的系数和指数，可查相关设计手册； ap-铣削深 度， mm； af-每齿进给量， mm/Z； ae 铣削宽度， mm； Z-铣刀齿数， n-铣刀每秒转速， m/s； d0-切削宽度， mm； kFZ-切削条件改变时的修正系数； 代入数据可得工件所受的切削力： Fc=3305N。 2）由切削手册得铣削力矩公式： 3c0M F d / 1 0Z 式中： M-铣削力矩， Nmm； Fc-铣削力， N； d0-切削宽度， mm； Z-铣刀齿数， 代入数据可得： M=2079660 Nmm. 在夹具设计时采用了由气缸带动两个定 V 形块及一个活动的 V 形块对工件实施夹紧，工件所需要的夹紧力是由这个气缸提供的，因此需要计算气缸所受的负载，气缸所应提供的夹紧力 F 可按如图 3.1 所示夹紧情况来进行计算。 图 3.1 夹紧力分析计算图 nts基于气动夹紧的专用夹具设计 25 由图 3.1 可知： M F L 式中： M-铣削力矩， Nmm； F-夹紧力， N； L 力臂， mm； 代入数据可得： F=18906N。 4.3.2 气缸的设计计算 1）初选气缸的工作压力 16 工作压力是确定执行元件结构参数的主要依据，它的大小影响执行元件的尺寸和成本，甚至整个 系