涡轮盘液压立拉夹具设计

摘 要涡轮盘是航空发动机上十分重要的零件，它的精度高、机械加工难度大，处在高速、高温的环境下工作，是关键复杂构件，在整个涡轮机加工中也是一个难点。而在涡轮盘机械加工中，工作量最大、难度最高的是涡轮盘榫槽加工。涡轮盘榫槽夹具可以保证加工精度高，提高加工效率。因此夹具设计是榫槽加工中的一个重要环节。本文通过对涡轮盘榫槽类型结构、加工工艺、夹具设计及使用情况的分析，阐述了定位基准的选择，压紧方式的确定，正确的复杂空间尺寸及角度计算和高精度的分度机构设计的过程，完成了涡轮盘榫槽重要夹具工装的设计，提出了针对整体工艺装备提高榫槽表面粗糙度的解决方法。关键词： 涡轮盘榫槽 空间角度计算 步伐式双销联动分度装置 53 AbstractThe turbine disk is on the aircraft engine the extremely important components, for its high precision, the hard machine-finishing, under the high speed high temperature environment works, is the key complex component, in the entire turbine processing also is a difficult point. Moreover in the turbine disk machine-finishing, the turbine disk trough processing is what the work load is biggest, the difficulty is highest. The turbine disk trough fixture may guarantee the processing precision is high, enhances the processing efficiency. Therefore the fixture design in trough processing is an important link. This article through to analysis the turbine disk trough type structure, the processing craft, the fixture design and the service condition, elaborated the localization datum choice, contracts the way the determination, the correct complex spatial size and the angle computation and the high accuracy ruling engine construction design process, has completed the designing of the turbine disk trough important fixture work clothes, proposed the solution of enhances trough the surface roughness in view of the overall craft equipment.Key words：trough the working surface spatial angle computationspeed step type double sells the linkage axial to be divided the equipment 目 录摘 要IAbstract II第1章 绪 论11.1 机床夹具及其功用 11.2 现代机床夹具的发展方向 11.3 现代工业对夹具设计的基本要求 21.4 项目提出的背景 21.5 项目研究的方法、预期结果及意义 3第2章 涡轮盘榫槽加工特点与工艺装备 42.1 涡轮盘榫槽的加工特点 42.2 拉削特点 42.3 拉削分类 42.4 拉削速度 52.5 拉削表面粗糙度 52.6 工艺装备 6第3章 涡轮盘液压立拉夹具的设计 73.1 设计方案的确定 73.1.1 任务来源与状况 73.1.2 定位机构与定位原则103.1.3 定位基准的选择113.1.4 定位误差的分析和计算113.1.5 压紧方式的确定143.2 立拉夹具结构的设计153.2.1 夹具的结构及特点153.2.2 夹具底座设计173.2.3 正确的复杂空间尺寸及角度计算203.2.4 高精度的分度机构设计223.2.5 方便快捷的液压驱动系统28第4章 液压分度夹具的使用与调整304.1 液压分度夹具使用304.1.1 加工前的准备304.1.2 控制过程304.1.3 拉削试件304.2 液压分度夹具的调整314.2.1 夹具安装的调整314.2.2 分度及锁紧机构的调整31第5章 经济分析32第6章 专题论文33结论 45致谢 46参考文献 47附录 1 48附录 2 57第一章 绪论1.1机床夹具及其功用机床夹具是在机床上将工件定位、夹紧，将刀具进行导向的一种装置，简称夹具。其作用是在产品加工过程中，保持产品零部件和加工工具的相对位置，从而保证了最终产品技术要求中的位置精度。由于不同的工艺过程中使用不同的夹具。各类夹具中以机床夹具发展最早、最成熟、精度要求最高、在各类夹具中比重也最大。辅助工具是将刀具在机床上进行定位、夹紧的装置，如钻夹头，铣刀杆及镗刀杆等。工艺装备是指在加工过程中，使用的刀具、夹具、量具及其他辅助工具的总称。夹具的功用：（1）保证加工质量机床夹具的首要任务是保证加工精度，特别是保证被加工工件的加工面与定位面之间以及被加工表面互相之间的位置精度。使用夹具后，这种精度主要靠夹具和机床来保证，不再依赖与工人的技术水平。（2）提高劳动生产率和降低生产成本用夹具装夹工件，避免了工件逐渐找正和对刀，缩短了安装工件的时间；用夹具容易实现多件、多工位加工，提高了劳动生产率；且还可以边加工边安装工件，使机动时间与辅助时间重合，进一步缩短辅助时间，从而降低了生产成本。（3）扩大机床的工艺范围在机床上安装夹具可以扩大起工艺范围，如在铣床上加一个转台或分度装置，可以加工有等分要求的零件；在车床上或钻床上安放镗模后，可以进行箱体孔系镗削加工，是车床、钻床具有镗床的功能。（4）减轻工人的劳动强度可采用气动、液动及电动的夹紧机构。1.2现代机床夹具的发展方向现代工业的一个显著特点是：新产品发展快，质量要求高，品种规格多，产品更新换代周期短。反映在机械工业上，多品种、小批量生产在生产类型比例中，占了很大比重。为了适应这一要求，必须做好生产技术准备工作，而机床夹具是这一工作的重要组成部分。现代机床夹具的发展方向主要表现在：（1）标准化 完善的标准化，不仅指现有夹具零部件的标准化，而且对应各种类型夹具应有标准的结构。这样可以使夹具的设计、制造和装配工作简化，有利于缩短生产周期和降低成本。（2）可调化、组合化 这样做可以扩大专用夹具的使用范围，改变以往工艺条件稍有变化就导致专用工装报废的现象，使夹具能重复利用。实行组合化的原则设计工装，用少量元件能满足多种要求。（3）精密化 随着机械产品加工、装配精度日益提高，高精度机床大量涌现，势必要求机床夹具的精度也相应地越来越高。（4）高效自动化 为了既改善劳动条件，实现文明生产，使所设计的工装更符合人机工程学原理，以提高生产效率，又能降低加工成本，对夹具提出高效自动化的要求，以便获得良好的经济效益。（5）模块化 通过采用模块化设计，可以提高设计效率，缩短设计周期。1.3 现代工业对夹具设计的基本要求（1）稳定地保证工件的加工精度（2）提高机械制造行业的劳动生产率（3）结构简单、有良好的结构工艺性并且操作简便、能改善劳动条件（4）应能降低产品的制造成本1.4 项目提出的背景涡轮盘是航空发动机的重要零件, 涡扇发动机的外函推力完全来自于风扇 所产生的推力，风扇的好坏直接的影响到发动机的性能。其中的关键件涡轮盘与相应的轴、叶片相连接处在高速、高温的环境下工作，是关键复杂构件。其机械加工特点表现为榫槽加工精度高、空间角度复杂，材料难加工等。它们的设计、工艺和制造水平决定了发动机的经济性、安全可靠性、寿命、维修周期等性能指标。现在涡轮盘材质多采用GH698，属镍基合金，Ni含量大于70%，加工硬化严重，切削加工性非常差。机械加工难度大，在整个涡轮机加工中也是一个难点。而在整个涡轮盘的机械加工中，工作量最大、难度最高的是轮盘榫槽加工。因此本文主要是围绕在拉削涡轮盘榫槽这一工序过程中所使用的专用夹具为中心，研究了拉削涡轮盘榫槽的立式拉床夹具的结构设计、调整和使用。1.5项目研究的方法、预期结果及意义该夹具主要用于拉削航空发动机涡轮盘上的榫槽，榫槽本身精度主要由拉刀设计、制造精度和拉削方法保证；榫槽的相对精度，如榫槽至中心控制尺寸、榫槽均布误差等就主要由该夹具来保证。因此在确定该夹具的设计方案时，首先对工序图进行分析，了解本工序需要保证的尺寸精度和位置精度。为了使所设计的夹具能够保证零件所要求的精度，必须对涡轮盘进行精确地定位和准确地分度。为了能够减轻劳动强度，提高劳动生产率，尽量缩短本工序的辅助时间，动力系统采用液压装置。此液压分度夹具与移动安装座的定位是靠移动安装座上的两个定位销，通过四个M20螺栓连接固定。零件安装到分度夹具上，用螺栓压紧；将拉刀按顺序放入拉刀盒中，拉刀盒通过刀柄与拉床主轴连接。 通过采用合理的定位装置和分度机构，该夹具应该能够保证零件要求的尺寸和位置精度。涡轮盘是航空发动机上一个十分重要的零件，然而在整个涡轮盘的机械加工过程中，精度要求最高，难度最大就是涡轮盘上的榫槽的加工这一工序，因为榫槽必须要和叶片上的榫头相配合。它们之间的配合精度要求也是很高的。综以上分析，本道工序所要加工的涡轮盘榫槽对于整个发动机的质量和性能都有着十分重要的影响，所以本工序所专用的夹具的设计制造有着十分重要的意义。第二章 涡轮盘榫槽的加工特点与工艺装备2.1涡轮盘榫槽的加工特点通常周向榫槽采用精密车床、专用夹具、专用刀杆、成型刀片进行加工，而各种形状复杂的周向榫槽常用铣床铣削和拉床拉削来加工。由于燕尾式榫槽结构不规则，形状复杂，而且表面粗糙度要求在Ra0.8以上,若采用铣削加工，必须通过粗铣、半精铣、精铣三道工艺，才有可能使榫槽达到要求的表面粗糙度，并且劳动强度大，效率低，加工精度难以保证，在批量生产中已经很少采用了，故而多采用拉削加工。2.2拉削特点拉削是一种高精度、高效率的可最终成型的机械加工方法，用于加工各种形状的内、外表面，以及具有旋转运动的螺旋槽等。特别适合加工精度高、表面质量要求高的成批和大量生产的零件。现已广泛用于航空发动机各级圆盘、叶片榫头、涡轮盘、压气机盘、安装板等零部件的加工，但必须配以专用的刀具、量具、及其它辅具。拉削加工适合批量生产。生产准备周期长、复杂，费用很高。加工质量特点：精度较高，可以达到0.015mm,粗糙度较难达到Ra0.8。尺寸一致性好。2.3拉削分类拉削按拉削速度分成两种：低速拉削和高速拉削。榫槽的拉削过去常在卧式液压内拉床上进行，由于效率低、质量不稳定、劳动强度大等缺点，已逐步被淘汰。目前在航空零件上多采用高速拉床进行拉削。实践证明，在相同条件下，高速拉削的零件表面质量优于低速拉削的表面质量。有的材料如：钛合金、不锈钢等用低速拉削无法保证其表面质量，必须采用高速拉削。高速拉削或在高速拉床上低速拉削难加工材料，都有提高榫槽的尺寸精度、位置精度，并减小表面粗糙度值，是较先进的拉削方法。高速拉削所用的拉床，其结构刚性好，滑枕行程长，选用拉削速度范围广，速度快，传动平稳，精度高，分度精度高，拉刀制造和刃磨方便，锥角和螺旋角可调，自动化程度高，冷却润滑效果好。这样，不仅提高了生产率，而且大大降低了生产成本。高速拉削的拉刀大都采用超硬型高速钢，如钼-钴和钨-钴类高速钢，这种刀具材料具有良好的机械性能，抗弯强度和冲击韧性均优于其他一些材料，并具有良好的加工性能，能在高温、高压及高速下长期工作。这样有利于实现拉削自动化。2.4拉削速度 高速拉削由于在提高加工表面质量延长拉刀寿命等方面比低速拉削具有明显的优越性，因此现代拉削中多采用高速拉削。不同的零件材料，或即使相同的材料热处理工艺不同，也会影响拉削速度。实际生产中是通过试拉来确定具体零件材料高速拉削的速度。在较低的速度下拉削，拉削的表面质量还比较好，拉削速度不断提高，到一定速度后，拉削表面质量下降，甚至出现鳞刺，继续提高速度，拉削表面质量开始好转，到一定速度下，拉削面质量达到最佳，这时的速度就是这种材料的高速拉削速度。2.5 提高榫槽粗糙度方法在实际加工中，发现涡轮盘榫槽表面粗糙度达不到所要求的Ra1.6m。为提高加工质量，从整个工艺系统采取了多方面的积极措施。（1）拉刀制造中采用整形铲齿背工艺代替原磨后角的方法，保证刀齿沿整个切削刃的轮廓上都有同样的顶部后角值，可以提高榫槽尺寸精度和表面质量，减少刀具磨损。（2）在拉刀设计中，粗拉刀按渐切式方法设计，精拉刀采用分段成型式方法设计，整个型面圆滑过度。在精拉成型拉刀上设计有2-5个几何参数尺寸完全相同的校正齿，用以消除盘类件弹性变形引起的型面尺寸收缩。（3）拉削是大切削刃面，多齿强力切削过程，产生大量切削热，同时加工面被进、出口处的刀齿包容，切削热不容易被冷却液带走，需要用大流量、大热容量的冷却润滑液强制冷却，以降低温升。在实际中建议使用车间以进口的含极压添加剂（如硫、氯、磷等）的高速拉削冷却润滑液进行冷却效果非常好，加工涡轮盘榫槽表面粗糙度基本可以达到产品要求。（4）提高整个工艺装备的刚性，使拉削质量稳定，保证榫槽表面精度及表面粗糙度。现有拉床及其底座和拉刀盒因长期使用已磨损，配合间隙增大，使加工不确定性增加。使用车间新购置拉床及相关配套设备。2.6工艺装备加工涡轮盘零件榫槽时，榫槽的自身精度主要由拉刀设计、制造精度和拉削方法保证；榫槽的相对精度，如榫槽至涡轮盘中心尺寸、榫槽均布误差、榫槽中心对称及榫槽的空间位置等，主要由夹具保证。榫槽的精度以及尺寸检验需要专用的测具和仪器来进行检测。拉削时所用拉刀为分段组合形式，它根据被拉型面要求，由每段拉刀分别担负一定的切削部分和切削量。这些功能不同，长短不一的分段拉刀组合，并定位压紧在拉刀盒内，成为一个完整的组合拉刀。目前常用拉刀材料为M42（W2Mo9GrCo8）。在加工零件前要进行拉刀的预调，就是先拉削试件，若试加工后的零件尺寸有偏差，操作者在拉床上微调相关的拉刀片和工作台与拉刀的距离，直至加工出合格的产品，才开始正式件的加工。拉削使用的切削液除起冷却润滑作用外，还起到一定的排屑作用，钛合金等难加工材料通常采用油基切削液，并加入添加剂（如硫、氯、磷等）来提高渗入和油膜抗压能力，从而提高冷却润滑效果。第三章 涡轮盘液压立拉夹具的设计3.1 设计方案的确定3.1.1 任务来源与状况现有条件：1.被加工零件情况涡轮盘是航空发动机的一个重要零件,它的空间角度复杂，榫槽采用拉削加工，零件产品模型见图31：图31 涡轮盘此次加工的涡轮盘榫槽为周向燕尾式榫槽，槽数22。起始榫槽与涡轮盘中心偏心11.50.15,榫槽空间角度545及15195;同时保证槽底面上的F点到涡轮盘中心线距离64.8，榫槽配合表面粗糙度Ra0.8。均布要求不大于0.07mm。涡轮盘产品机械加工精度见图32： 图32 涡轮盘榫槽加工工序简图涡轮盘材料为钛合金（TC11），钛合金具有强度高、中温性能好和耐腐蚀等优点，拉削时由于钛合金弹性模量小，加工后回弹，使零件尺寸会发生变化，其变化的大小与拉刀的材料及锋利程度有关。2.拉床现有立式拉床L720A一台，（见图33）。用于拉削平面或成型面，生产效率高，适用于大量生产及成批生产。该机床采用液压传动，工作平稳，能无级调速，并有超负荷保险装置。机床具有自动循环、半自动循环和两种分段循环等四种工作循环，主要动作可单独点动调整，能满足各种生产场合的需要。机床由一个总按钮站操纵，操作方便。图33 L720A立式拉床L720A性能参数为：额定拉力最大行程 200KN1250mm拉削速度（无级调速） 1.5-11 m/min拉刀返回速度（无级调速） 7-20 m/min工作台最大行程 155 mm工作台台面尺寸 550630 mm床台底面至工作台面距离 1620 mm流量 300 L/min最大工作压力 10 Mpa电机总容量 22.25 kw主电动机 22 kw外形尺寸（长宽高） 405024873855 mm净重（约） 10000 kg试件拉削面对基面的垂直度 0.04/300 mm3. 拉刀加工涡轮盘榫槽的拉刀为专用拉刀，采用分段组合形式，共分7段。根据被拉削榫槽型面的要求，由每段拉刀分别担负一定的切削部位和切削量。这些功能不同、长短不一的分段拉刀将被分为三组，分别定位夹紧在拉刀盒子内，成为完整的组合拉刀。3.1.2 定位机构与定位原则1.定位机构定位装置的作用是确定工件在夹具中的位置。定位元件通常采用平面、圆柱面、锥面等来实现工件的定位。工件定位时，只要将工件上定位基准与夹具上的定位表面互相接触，就可获得正确的位置，不需要任何的调整与找正。2.定位原则根据六点定位原则，任何一个刚件在三维空间内相对于三个互相垂直的坐标轴来说，都有六种运动的可能性，即可以沿着X轴、Y轴、Z轴移动，也可以绕着X轴、Y轴、Z轴转动，即有六个自由度。使工件定位，就是合理布置六个支承点来限制工件的六个自由度，使工件得到确定的位置。如何消除工件的不定度？最典型的方法就是在夹具中设置六个支承点，如下图34所示。 图34平面A放在三个支承点上，消除了 、三个不定度；B平面消除了、两个不定度；C平面消除了一个不定度；根据工件形状的不同，定位基准的不同，定位点的分布还会有其它各种布置情况。由于涡轮盘产品图上对榫齿的圆周位置具有角向要求，故设计夹具时零件需要限制六个自由度才能满足产品图纸的要求。3.1.3 定位基准的选择制定零件的加工工艺过程，定位基准的选择是个很重要的问题。夹具上的定位机构就是根据定位基准的形状、数量和精度而具体进行设计的。定位基准和定位方法不但影响工件的加工精度，而且直接影响夹具结构的繁简、制造的难易和使用的方便程度。因此，设计夹具时，首先应对定位基准进行必要的分析。定位基准的选择原则（1）遵循基准重合原则，选择工件图纸上的设计基准作为定位基准。如果违背这一原则，将会产生定基误差，在加工中，这一误差将成为加工误差的一部分，从而缩小制造公差，提高对夹具的精度的要求。（2）选择的定位基准，应能保证定位稳定，并便于夹紧。（3）当基准不重合时，尽量减小基准不重合误差的影响。选择定位基准时，除应该限制必要的自由度外，还应确保零件的精度要求。事实上，由于定位基准面都存在着制造误差，它们若是相互配合的表面，还存在着配合间隙，因此定位基准除了尽可能选择和零件原始基准一致外，还应选择那些形位公差要求严格、光度好的表面作为定位基准面。根据选择定位基准的基准重合原则和所选基准应保证定位稳定、便于夹紧的条件，选取涡轮盘的大端面和孔124为主定位基准。两定位基准在前道工序是一刀加工而成，跳动在0.01mm之内且为涡轮盘原始加工基准，故而产生的加工误差相对较小，根据零件的特点选取大端面为支承面使得定位稳定、压紧状态较好。选取6孔为角向定位，来确定起始榫槽的位置。这样的定位方式完全限制了零件的自由度，满足六点定位原理和定位基准的选择原则。3.1.4 定位误差的分析和计算使用夹具时，造成表面位置的加工误差的因素可以归纳为以下三个方面：（1）与工件在夹具中装夹有关的加工误差，称为工件装夹误差，其中包括工件在夹具中由于定位不准确所造成的加工误差即定位误差，以及在工件夹紧时由于工件和夹具变形所造成的加工误差夹紧误差。（2）与夹具相对刀具及切削成行运动和夹具变形所造成的加工误差，称为夹具的对订误差， 其中包括夹具相对刀具位置有关的加工误差,就是对刀误差，和夹具相对成形位置有关的加工误差夹具位置误差。（3）与加工过程有关的加工误差，称为过程误差。其中包括工艺系统的受力变形、热变形及磨损等因素所造成的加工误差。为了得到合格零件，必须使上述各项误差之和等于或小于规定零件的工序尺寸公差T，即 总T在夹具设计过程中，只考虑与夹具设计有关的定位方法所引起的定位误差对加工精度的影响，上式可以写成 ：D +T式中D定位误差 除定位误差外，其他因素所引起的定位误差的总和一般取 D=（）T定位误差是有指由于定位不准而造成的某一工序尺寸（加工表面对工序基准的距离尺寸）或位置要求方面的加工误差。工件在夹具中的位置是有定位元件确定的，当工件上的定位基准一旦与夹具上的定位元件相接触或相配合，工件的位置也就确定了，但对一批工件来说，由于在各个工件的有关表面本身和它们之间在尺寸和位置上均存在着在公差范围内的差异，夹具定位元件本身和各定位元件之间也具有一定的尺寸和位置公差，因此工件虽然已经定位，但是每个被定位的工件的的某些表面都会存在自己的位置变动量，从而造成在工序尺寸和位置要求方面的加工误差。对于一批工件来说，刀具经调整后位置是不动的，即被加工表面的位置相对于定为基准是不变的，所以定位误差就是工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量。定位误差有两个方面组成，（1）定位基准和工序基准不一致所引起的定位误差，称为基准不重合误差，即工序基准相对定位基准在加工尺寸方向上的最大变动量，常用B来表示。（2）定位基准与定位元件本身的制造误差所引起的定位误差，称基准位置误差，既定为基准在加工尺寸方向上的最大变动量，用Y来表示。所以 D = B + Y 就是基准不重合误差和基准位置误差在加工尺寸方向上的代数和。分析零件图可知，本道工序需要保证尺寸的64.8，如前面所述，在拉削涡轮盘上的榫槽时，采用孔124和分度盘上的凸台配合来限制在X、Y轴上的移动自由度，所以定位基准就是孔124的中心线即涡轮盘的中心线，而孔124的工序尺寸是涡轮盘的中心线，因此不存在基准不重合误差，故B=0，基准位置误差 Y = 图35 孔销间隙配合时的定位误差上式中：定位副间最小间隙配合：定位孔直径公差 ：秃台外圆柱公差=0.01=0.025 =0.01Y = =0.0225D= B +Y=0+0.0225=0.0225零件的工序尺寸公差T=0.12,所以理论定位误差D取（）T，即 D=0.040.024。由以上计算可知实际定位误差D小于理论误差D，因此各项误差之和小于规定零件的工序尺寸公差T，能满足该工序中涡轮盘榫槽加工要求。3.1.5 压紧方式的确定夹紧原理：由于在切削过程中工件受切削力、惯性力、离心力以及自身重力等的作用，定位之后若不予以夹紧，将回产生移动或振动。因此，定位方案确定之后，必须设计夹紧方案。为了确保加工质量，做到正确地确定夹紧力的方向、作用点和大小，就要根据工序的定位方法、工件的几何形状和刚性等，具体地分析各种力共同作用在工件上时所产生的影响。正确确定夹紧力方向与作用点的原则：（1）夹紧不应破坏工件在定位时所取得的位置夹紧力的正确方向应该垂直地指向定位支承表面，其作用点的位置应该处在定位基准与定位支承面接触的面积范围内。（2）夹紧后工件的夹紧变形和压伤不超过允许范围夹紧时，工件的变形主要是由于夹紧力产生的弯曲力矩造成的，因此在设计夹紧机构时，夹紧力应力求通过或靠近定位基准与定位支承的接触面。把集中力变为分布力的结构，也能减小工件的夹紧变形。此外，除上述的弯曲变形之外，还有接触变形，它会降低整个加工工艺系统的刚性，从而对工序的加工精度产生重要影响。因此在设计夹具时应该考虑选择较高光洁度、平直度和硬度的表面作为定位表面，另外，夹紧力的分布要均匀，大小要稳定、合理。（3）夹紧力应保证工件的位置在加工过程中不变要避免工件在切削过程中产生不能允许的振动及位移切削过程的振动，将使被加工表面的光洁度受到损害，也会损坏刀具。在设计夹紧机构时，为了避免或减小振动，可把夹紧力作用点尽量靠近被加工表面，以减小工件的悬伸长度。（4）夹紧力的方向选择应使平衡切削力等所需的夹紧力最小。此外，夹紧装置的自动化程度应与工件的生产批量相适应；夹紧机构结构要简单，力求体积小、重量轻，并有足够的强度，工艺性好，便于制造和维修；夹紧机构还要使用性能好，操作方便、省力、安全可靠。根据夹紧原理和夹紧机构的选用原则，结合对涡轮盘加工状况的分析发现零件加工部位为周向榫槽，外周不能用于夹紧，零件中间有通孔可以利用，由于榫槽数量较多，单件加工时间较长，所以采用螺纹夹紧机构进行夹紧，具有结构简单、可靠，操作容易，有可靠自锁作用和足够的夹紧力的优点。3.2 立拉夹具结构的设计3.2.1夹具的结构及特点夹具结构首先要有良好的结构刚性、良好的结构工艺性以及操作省力使用方便。立拉夹具安装在L720A立式拉床的工作台上，工作台的移动平台可以纵向移动，工作台本身可以横向与纵向微调。夹具和移动平台靠两个定位孔定位，螺栓锁紧。加工时通过纵向移动平台完成工件的进给与退出，通过微调工作台调整工件与组合拉刀盒底的距离，保证榫槽至涡轮盘中心的尺寸要求。进行试件的加工。由于涡轮盘的空间角度复杂，所以夹具设计成空间双斜面的结构，外形不规则，其结构简图如图35。夹具的结构特点：（1）夹具体为空间双斜面，制造精度要求较高，是保证涡轮盘榫槽精度的关键。（2）分度及锁紧机构为齿轮、齿条啮合传动，精度高，分度销采用步伐式双销互动定位，使涡轮盘定位可靠，实现自动分度。（3）锁紧动力来源于液压系统，传动平稳、压紧可靠、通过液压缸的进给实现了涡轮盘分度与锁紧的联动性，实现了产品加工的自动化。（4）在首件产品拉削时，需要进行夹具的分度盘的拉削，使其有足够的让刀空间。同时调整液压缸的行程使其满足定位、分度锁紧的需要。（5）良好的工艺可行性：夹具的结构设计是否具有良好的工艺可行性是保证产品的加工切实可行，设计、选材时充分考虑了加工 的现有设备条件、不同材料的加工性、热处理后材料的变形等情况。图35 液压分度拉床夹具结构图3.2.2夹具底座设计由于夹具底座比较大，形状复杂，要求精度高，加工比较困难，选用铸铁材料HT20-40。因为铸铁可以研磨角度面，达到要求精度；铸铁材料的刚性比较好，还可以吸收拉削过程中产生的振动。为避免拉削过程中遇到底座上夹渣、异物、硬点而磨损和崩刀，在相应的拉削部位铣削出大于榫槽宽度及微调安装座移动距离的让刀槽。夹具底座定位销孔距离榫槽底面的距离H按如下公式计算： H = H1-L1-L2 = 170.05 mm式中： H1为工作台定位销至导轨端面距离L1为拉刀盒上、下两定位面间的距离 L2为最后一把精拉刀设计高度尺寸夹具定位销孔距离榫槽底面的距离H的实际值，还受到以上各尺寸的公差以及工作台定位销直径尺寸、分度夹具定位套直径尺寸、底座与夹具制造误差、长期使用实际磨损程度等因素影响。由于机床工作台可以纵向微调，所以为避免出现加工出的涡轮盘榫槽工作面至盘中心距离尺寸偏差较大，无法调整的情况出现，设计时特意将夹具底座上的让刀槽底面至定位套孔中心距离减小了0.30.5mm，以便加工时可以微调。夹具与机床间的安装定位是通过夹具上的二个定位孔与工作台上的二个定位销来实现的。安装误差是由夹具定位孔的精度及工作台上定位销子的精度以及它们之间的相互配合决定的。包括纵向误差和角度误差，由于工作台可以调整，因此可以按照选定基准定位孔与定位销相配间隙0.01mm来进行设计。夹具底座定位套孔与拉床工作台定位销的定位分析。如图36所示，实线表示定位销，双点划线表示夹具上的二个定位基准孔。由于夹具上二个定位基准孔之间存在制造公差L夹，工作台上存在二个定位销之间距离的制造公差L台。当夹具定位时，夹具上的二个定位基准孔由于过定位而有可能产生不能同时套入圆柱销的现象。为了确保定位精度又不至于产生过定位现象，将定位销2两侧的露出部分削成菱形，达到能定位又避免过定位的目的。 图36 菱形销与圆柱销定位关系图采用这种定位方式，定位销1的定位是主要的。根据六点定位原则，用长圆柱定位销1限制夹具的、四个自由度，Z向的移动自由度由垂直于定位销的定位平面限制，菱形销只起到限制夹具绕Z轴旋转的自由度的作用。由圆柱销削成菱形销时，希望工作圆弧部分的宽度b尽量大，以抵抗磨损提高耐磨性；菱形面积尽量大，以保证定位销的强度和刚性。在图36中，设X为定位销2在两个定位销中心线方向补偿用的间隙。X = L夹 + L台若定位销1与孔1之间的最小配合间隙为 1min，它对二孔的同时套入有帮助作用，故间隙 X 可以减小为： X = L夹 + L台 - 1min /2在本文中，L夹 = 0.01 mm L台 = 0.01 mm 1min = 16-（160.01）= 0.01 mm 故 X = 0.015 mm由于夹具安装后要进行对刀具的微量调整所以0.015的补偿间隙能够满足精度的要求。夹具体给出了两定位销孔距离3700.01,定位销孔到涡轮盘中心距离2500.01。夹具底座结构简图见图37：图37 夹具底座结构图3.2.3正确的复杂空间尺寸及角度计算涡轮盘的榫槽与盘端面成54角，槽底与涡轮盘中心夹角1519（结构简图见图31），拉削时工件榫槽中心与拉刀的理论中心应重合，槽底垂直于机床工作台。这样就需要进行空间角度计算，来确定夹具基体的空间角度。夹具如何正确进行复杂的空间尺寸及角度计算是保证产品质量特性的首要前提。由于图纸给定的条件不同及基准面的变动，不能直接利用零件图上所标的角度，必须进行空间尺寸及角度换算。按照投影理论来分析，双斜面不可能经过一次变换投影面就反映出真实形状，必须经过二次变换投影面才能够得到。而且在分析图纸及设计绘图时必须掌握：双斜面变单斜面的关键是：新投影面的坐标轴垂直于迹线。(平面与坐标面的交线) 。拉床夹具在拉削榫齿时，必须使榫齿的两侧面及榫齿底面与拉刀及其运动方向一致 ，为达到这个目的，必须先将夹具定位涡轮盘绕Y轴逆时针旋转角，使其转为单斜面，然后，再将涡轮盘绕X轴顺时针旋转角，使榫齿转到可加工的位置，这样，原来的涡轮盘由单斜面变成双斜面。涡轮盘定位基准面由平面转换空间双斜面的示意图见图38:图38 定位面空间角度转换图图38 (a)中ABC表示Q面，即榫槽底面，BOE表示N面，即榫槽侧面，AOB表示P面，即定位基准面。在拉削榫槽时必须使槽的N面平行于W面，Q面平行于V面。为达到这个目的，可将涡轮盘先绕Y轴逆时针旋转36，此时，N面与W面平行，Q面成为单斜面，它与W面相垂直，与V面的夹角为1519。而P面则由平行于H面转成单斜平面，它与V面垂直，与W面夹角为54，图38（b）是P面转成单斜面的理论图形。旋转后，涡轮盘中心与槽底F点的连线L1仍与Y轴平行。然后再将涡轮盘绕X轴顺时针旋转1519，此时，Q面已经与V面相平行，而N面仍然与W面相平行。这时，榫槽就转到了可加工的位置。P面一由单斜面变成双斜平面，其理论图形如图38（c）(双斜面第I方向)所示。旋转后，L1与Pw迹线相平行，即0双斜面P与X轴的夹角，等于36w-Pw与Y轴所交的锐角，等于1519根据以上分析，夹具底座所需的三个角度、，可以通过图38 (d)中的角度关系求出。已知036 余角154w1519 余角w=7441计算Ctg=tg1Cosw =tg54Cos1519 =1.3274937=365927计算Sin=CoswCos1 =Cos7441Cos36 =0.213705=122022计算tg=tgwCos1 =tg1519Cos54 =0.16098364=9842至此夹具底座上的三个角度都以计算得出=365927、=122022、=9842。3.2.4 高精度的分度机构设计工件在一次安装中要求加工一组表面（孔系、槽系、多面体等）时，夹具中能使工件依次转过一定角度或移动一定距离的装置称为分度装置。分度装置的基本形式，主要取决于分度盘和分度销的组成结构。圆周分度装置按分度盘与分度销的位置关系，可分为轴向分度与径向分度。当分度盘与分度销的轴线位置相互平行时，称为轴向分度装置，相互垂直时称为径向分度装置。此外，还有一些特殊的分度装置，如钢球分度装置、端齿分度装置、齿轮齿条式分度装置、杠杆式分度销的分齿盘结构、步伐式的双销联动轴向分度装置等。由于被加工的涡轮盘榫槽为周向燕尾式榫槽，槽数22。起始榫槽与涡轮盘中心偏心11.50.15,榫槽空间角度545及15195;同时保证槽底面上的F点到涡轮盘中心线距离64.8。采用切削力较大的拉削的工艺方法加工，同时考虑夹具的总体空间结构以及加工效率等因素，选择承载能力强，通过液压系统为动力源进行分度操作的步伐式轴向双销联动分度结构。该种分度方式机构工艺性好，操作方便且便于维护，所以应用广泛。双销联动轴向分度方式有如下优点：（1）分度盘制造简单，两个定位销通过齿轮、齿条啮合传动，传动平稳，无噪声、能够实现分度的自动化。（2）体积小，转动灵活，操作方便，由液压推杆带动齿条，与齿轮轴进行啮合传动，驱动两个带有楔形截面的齿条分度销,进行上下往复运动，楔形截面驱动分度盘进行旋转，分度盘每旋转一次,分半槽角度。这样降低了分度孔间隙误差,机构自锁性好，分度精度高,安全可靠，并与锁紧机构联动 ,实现了生产加工的自动化。步伐式分度销自动分度机构简图见图39:图39 齿轮分度锁紧机构简图分度盘采用优质碳素钢（45），各个分度孔中镶入耐磨的衬套，实现零件的定位和分度功能，同时加工22个沿周均布的空间角度槽进行拉刀的让刀。影响分度盘的分度精度的因素主要有以下几方面分析:Z1 分度销与其导引孔的配合间隙 Z2 分度销的工作表面与分度盘上孔座的配合间隙 Z3 分度盘的转轴与其支承套间的配合间隙 1 分度销的导引表面与工作表面间的位置误差 分度盘上各孔座间的分布位置误差。协调好以上几点是保证分度精度的关键所在。本文中Z1=0.015 Z2=0.023 Z3=配0.01间隙=0.011=插销跳动为0.01 =位置度为0.02=+-0.01（线性尺寸）由于采用步伐式定位销，可以消除Z1、1的影响，分度误差Z2+Z3 0.023+0.01+0.01 0.043（极限情况下）精度的23分度盘结构见图310、结构尺寸参数图见图311：图310 分度盘结构图图311 分度盘结构尺寸图齿轮轴采用40Cr进行锻造后加工，大小齿轮按相同传动比制造，以实现多重传动，通过控制大小齿轮的轮齿的起始位置来控制传动的初始状态(小齿轮的起始齿槽与大齿轮的起始轮齿相对应)。大齿轮参数为:模数M=1.5齿数Z=40压力角=20分度圆直径d=60分度圆弧齿厚S=2.356齿顶圆直径d=63齿根圆直径d=56.4小齿轮参数为:模数M=1.5齿数Z=20压力角=20分度圆直径d=30分度圆弧齿厚S=2.356齿顶圆直径d=33齿根圆直径d=26.8齿轮轴具体结构及尺寸参数见图312、图313：图312 齿轮轴结构图图313 齿轮轴结构尺寸图两个步伐式齿条分度销采用具有较高耐磨性和塑性的9SiCr加工，具体结构及尺寸参数见图314、图315： 图314 齿条分度销33结构尺寸图图315 齿条分度销29结构尺寸图齿条采用40Cr材料，具有较好的韧性。利用齿条实现了动力源与齿轮轴及齿条分度销间动力的传递。具体结构尺寸见图316：图316 齿条结构尺寸图3.2.5 方便快捷的液压驱动系统液压传动夹紧装置具有如下优点：（1）夹紧力大而机构体积小。（2）油缸推力较大，不必采用机械增力机构，使夹具结构简单。（3）可以实现单机快速夹紧。（4）由于液压油不可压缩，故而切削时不致发生振动，工作无噪声。（5）易实现工作循环的自动化。所以立拉夹具的分度及夹紧操作系统所需动力来源的设计改变了过去传统的手动操作，采用了液压驱动夹紧系统。通过液压缸的运动带动齿条轴的运动，进而驱动相啮合的齿轮轴与两个齿条分度销进行运动实现分度，同时液压缸柱塞前进时顶紧分度盘旋转轴上的夹箍，实现系统的锁紧，柱塞回退时实现分度盘的放松，进行下一次的分度动作。由于L720拉床本身带有基本液压系统，可以直接选择与其相匹配的液压缸。液压缸的选取本着经济性好，使用安全可靠等性能的要求，抛弃以往液压缸、密封件都是自行设计制造理念，使用国内专业厂家的标准液压缸，消除了自制液压缸的成本高、密封性不好、漏油、拉杆经常折断、返修率高等缺点。大连万利达公司生产的QLGFB100/45-E-B-40型液压缸，是一种轻型拉杆液压缸，具有结构简单、零件通用化高和安装形式多样等特点，所选取的型号液压缸的参数为：液压缸直径100mm,活塞杆直径45mm液压缸行程40mm额定压力14MPa安装形式为前长方形法兰 缓冲形式为两端缓冲结构液压缸夹紧系统输出的额定动力的计算FPXSF为输出的额定动力P为机床的额定压力S为活塞的有效工作面积P10MPaS=r2=3.14X(0.052-0.02252) =0.00625F=6238.6N637Kg考虑到液压回路以及系统各方面的压力损耗，输出动力F仅作为分度驱动及分度转轴的锁紧作用，所需的夹紧力并不是很大，故而，此液压缸能满足设计的要求。设计过程中对于分度旋转轴的锁紧机构改变了用液压缸柱塞直接进行顶紧的结构，而是采用了分体式结构，设计了一个螺纹转接推杆，通过螺纹与液压缸柱塞相连接，可以手动调节液压缸的行程，以满足分度与锁紧的需要。第四章 液压分度夹具的使用与调整4.1液压分度夹具使用4.1.1加工前的准备液压分度夹具与移动安装座的定位是靠移动安装座上的两个定位销，通过四个M16螺栓连接固定。零件安装到夹具的定位盘上，用螺栓压紧；将第一组拉刀按顺序放入拉刀盒中，并在加工中更换相应的拉刀，拉刀盒安装在机床的纵向滑台上。4.1.2控制过程夹具液压缸与机床液压系统正确连接，启动液压系统。液压推杆向前推进时带动齿条向前运动，齿条与齿轮轴进行啮合传动，驱动两个带有楔形截面的齿条分度销,分度销29向下运动，分度