汽车转向节开档铣床夹具设计.doc

汽车转向节开档铣床夹具设计毕业设计报告课题：汽车转向节开档铣床夹具设计系 部： 电气工程系专 业：机电一体化技术班 级： 机电091姓 名： 学 号： 指导老师： 20140617 目 录摘 要I 绪论11.1夹具在数控中的意义和应用11.2毕业设计的目的和意义12. 对加工零件的概述22.1课题来源与课题题目22.2 零件的作用分析及产品的介绍32.3被加工零件的结构工艺性分析42.4被加工零件及加工工序要求53. 加工过程介绍63.1加工工艺方案介绍63.2切削参数的计算64 铣床夹具总体方案的拟定841铣床夹具的设计要点84.2定位方案的确定95. 夹紧力方向的确定115.1夹紧力方向的确定115.2夹紧力作用点的选定125.3夹紧力大小的计算125.4夹紧机构及夹紧元件的确定135.5夹紧机构所需作用力的计算146. 工件在夹具中的精度分析156.1 夹具在机床上的安装误差156.2对刀或导向误差T166.3加工方法误差177. 夹具体的设计188. 加工方案的确定249. 铣床夹具的使用说明279.1铣床夹具的使用过程279.2夹具的安装过程27总 结28参考文献29汽车转向节开档铣床夹具设计 摘要：本次毕业论文的题目是汽车转向节开档铣床夹具设计,其目的是了解和掌握夹具设计的相关知识。是对数控知识掌握程度的一次综合检验。本次设计以铣床夹具设计为主，以AutoCAD软件设计为辅来进行设计。在设计过程中,首先在对转向节的结构工艺性熟悉和了解的情况下，进行总体方案的拟定,其中包括定位、夹紧方案的确定，以及相关的计算，夹具的设计等等。其中，定位、夹紧是设计中的重点。对此，我进行了比较深入的学习和探讨。并运用计算机将所有图纸画出，锻炼了自己的绘图能力。通过这次毕业设计，综合运用大学三年所学的知识，使我们将理论知识与生产实际有效的结合，也为今后的工作打下了良好的基础。关键词：汽车转向节 夹具设计 数控技术 定位第一章 绪论1.1 夹具在数控中的意义和应用在数控领域，合理使用夹具是充分发挥通用机床的作用，保证产品质量，缩短辅助时间，降低生产成本以及减轻劳动强度的重要生产手段，因此机床夹具在数控行业中占有十分重要的地位。作为国民经济的基础产业，制造业在国民经济中占有较大比重。在机械制造各行业的工艺过程中，广泛应用着各种不同的，用以固定加工对象，使之占有正确位置，以便接受施工的一种工艺装配，统称为夹具。无论是在机械加工；装配；检验；还是在焊接，热处理等；热工艺中，以及运输工作中都大量采用夹具。机床夹具在保证产品优质，高产，低成本。便于工人掌握精密零件加工技术，减轻体力劳动等方面起着巨大作用。1.2 毕业设计的目的和意义毕业设计是我学完了数控专业，机床夹具设计，机械制图，机械工程材料等专业课及所以理论课之后的课题设计，其设计目的和意义在于：1） 应用课程中所学到的知识分析和解决综合设计中问题，进一步加深所学知识。2） 通过设计实现逐步树立正确的设计思想增强创新意识，熟练并掌握综合设计的规律，培养分析问题能力。3） 通过计算机绘图熟悉运用技术标准各种相关手册等，从而进行全面的基本技能顺练。根据课题所给的问题，综合应用所学的知识，理论联系实际综合性的提高自己的工作和专业能力与知识及时发现自己不足加以学习强化从而在以后的工作中克服它。第二章 对加工零件的概述2.1 课题来源与课题题目我本次综合设计的任务是左转向节铣床夹具设计. 零件图如图1.1图1.12.2 零件的作用分析及产品的介绍图1.2图1.3转向节是汽车转向桥上的主要零件之一。转向节的作用是承受汽车前部载荷，支承并带动前轮绕主销转动而使汽车转向。在汽车行驶状态下，它承受的冲击载荷，因此要求其具有很高的强度。转向节形状比较复杂，集中了、轴、套、盘环、叉架等四类零件的结构，主要由支承轴颈、法兰盘、叉架三大部分组成。转向节分为杆部、法兰盘和叉部等3个部分加工。 （1）杆部加工以中心孔定位，车和磨为主，加工关键是磨削。 （2）法兰盘加工主要是制动器安装孔的加工，要保证其位置度，同时要兼顾加工效率。利用其中1孔作为加工叉部定位用。 （3）叉部加工是转向节加工的难点，采用两销一面定位，其加工主要是保证主销孔的同轴度，以及主销孔与内端面的垂直度，是整个加工工艺的重点和设备选型的关键。大部分转向节在此部位还有横拉杆装配用的锥孔，这更增加了叉部加工难度，锥孔加工是许多厂家难以100%合格的项目，应予重视，转向节的早期失效就从这里开始。（4）主销孔压装衬套后的加工，有的压装后不要求加工，有的压装后要求加工。从装配角度讲，压装后加工更有利于装配，否则影响转向的灵活性。2.3 被加工零件的结构工艺性分析1被加工零件的结构分析由于本工序中加工的是转向节的顶面以及主销孔的两端面，而这两个被加工面都不是处于水平或垂直方向，而是与水平成一定角度（8度），所以就要求在加工时工件倾斜或是夹具倾斜。而该工件属于中小型工件大批量生产，所以考虑设计专用铣床的专用夹具，且是多工位夹具。被加工表面的粗糙度最高要求是达到Ra12.5um，可见粗糙度要求不高。2被加工零件的工艺性分析 图2.1 如图2.1所示：2.1设计基准被加工零件在本工序中的设计基准就是该零件的中心线，可以根据它来确定标注尺寸（或角度）的起始位置。2.2定位基准 根据定位基准选择的一般原则：图1.11）选最大尺寸的表面为安装面（限制 3个自由度），选最长距离的表面为导向面（限制2个自由度），选最小尺寸的表面为支承面（限制1个自由度）；2）首先考虑保证空间位置精度，再考虑保证尺寸精度。因为在加工中保证空间位置精度有时要比尺寸精度困难得多；3）应尽量选择零件的主要表面为定位基准，主要表面是决定该零件其它表面的基准；定位基准应有利于夹紧，在加工过程中稳定。根据以上定位基准选择的基本原则，我选择了1为主要定位基准面，2、3为辅助定位基准面。2.3.被夹紧表面的分析夹紧是由夹紧力的作用方向、作用点和力的大小三个因素具体施加在工件上。夹紧力应朝向工件刚度最大、变形最小的稳定部分，作用在与工件接触面较大的刚性支承元件上。综合上述情况考虑，我选择了上图所示的夹紧表面指向主要定位基准面，且夹紧刚性较大、变形最小，不会在加工过程中引起变形，是最合适的夹紧表面。2.4 被加工零件及加工工序要求1.被加工零件零件名称 左、右转向节零件材料 42CrMo加工能力要求 30件小时，一次加工件数为2件2.加工工序要求2.1顶面：保证尺寸880.3mm。保证形位公差要求：平面度公差0.05mm,平行度公差0.05mm。粗糙度Ra12.5um。2.2主销孔两端面：保证尺寸上端面137mm，下端面122mm,角度8 ，粗糙度上端面Ra12.5mm,下端面Ra25mm。2.3主销孔两侧面：保证尺寸900.0.54mm,粗糙度Ra12.5mm,垂直度公差0.05mm,平行度公差0.05mm,平面度公差0.05mm。 第三章 加工过程介绍3.1 加工工艺方案介绍在组合机床及其自动线上,主要采用端铣刀来铣削待加工表面.加工平面的形状和位置精度,应取决于铣床的配置形式。铣头固定还是铣头移动，要根据工件实际加工要求来确定。一般来说，铣头固定、工件移动比铣头移动、工件固定的加工精度稳定。因为铣头固定时，加工过程中，机床刚度变化较小。本机床采用前种布置方式。3.2 切削参数的计算根据选定的切削参数，计算切削力如下：用立铣刀铣削顶面时的切削力F：F=12t0.85sz0.75D-0.73Bn0.13Z式中:t切削余量(mm) sz每齿进给量（mm/r） D铣刀直径（mm） B-铣削宽度(mm) n-主轴转速（r/min） Z-铣刀齿数（个）将数据代入：P=1220。850.10.75200-0.73631000.1310=92.28(kgf)1）用卧铣刀铣主销孔两端面时的切削力F：P=1150t1.06s z0.88D-1.3B0.90n0.13Z各参数含义同上，代入数据得：P=115021.06 0.10.88200-1.3630.90112-0.189=51.67(kgf)2）用立铣刀铣主销孔两侧面时的切削力F：P=1150t1.06s z0.88D-1.3B0.90n0.13Z各参数含义同上，代入数据得：P=115021.06 0.10.88200-1.3630.90112-0.189=51.67(kgf)各切削参数如下表1： 表1:切削参数项目代号立铣刀卧铣刀铣刀直径(mm)D200200铣刀齿数(个)z109切削速度(m/min)V62.8370.37主轴转速(r/min)n100112每齿进给量(mm/z)Z0.10.1每转进给量(mm/r)Sr1.00.9每分钟进给量(mm/min)Sm102.5102.5加工长度(mm)L150+150150+150机加时间(min)T2.922.92切削功率(KW)N16.516.5刀具材料硬质合金硬质合金 第四章 铣床夹具总体方案的拟定4.1 铣床夹具的设计要点 1.铣削加工的生产效率取决于铣削的工艺方法，并由此决定夹具的结构形式。因为铣削同时工作的刀齿较多、是高效率生产的。其基本时间短，使单件工时中辅助时间就相对显得重要了，所以缩短辅助时间是设计铣床夹具主要考虑的问题之一。通常，大型壳体工件多采用单件铣削；中小型工件则多采用多件、多工位的平行加工方案。大批量生产时，常采用多工位夹具在分度回转工作台进行转位加工，或钟摆式往复顺序加工的方案。对于装夹动作程序简单、加工精度要求不高的工件，可采用工作夹具在回转工作台的转盘上沿圆周布置，进行连续铣削的方案，辅以快速夹紧、联动夹紧的动力传动夹紧装置，提高夹紧的自动化程度，使铣削加工的辅助时间与基本时间完全重合。多件顺序加工时，各工件在夹具上排列应尽量紧凑和合理，以减少工件间的空程。并应缩短铣刀切入和切出的辅助时间，以提高加工效率。 2.设计时，应掌握所选铣床和刀具的有关技术资料。如铣床工作台尺寸、工作台在三个坐标方向的移动范围、工作台T形槽的中心间距和槽形尺寸，采用的铣刀形式和尺寸、伸出长度，采用辅助的外形尺寸、刀具在机床主轴的安装方式及进给方向，以免在铣削形成中铣刀杆轴套和调整垫圈或铣夹头螺母碰撞夹具零件。在夹具总图中宜将刀具外形和进给方向标明，以便检查铣削的全行程中，有无影响铣削工作，不利安全的凸出零件，所以在铣床夹具中，常采用弯压板或弯头压板。应留有更换刀具的空间，不允许在铣刀下面进行装夹操作，以免干扰夹具在机床工作台上已找正的位置。 3.加工中小型工件，常采用弹仓式多件铣床夹具和机床用平口虎钳，不需设计和旨在专用夹具体和夹紧装置，只要设计工件定位基准面的专用钳口，就可很快实现产品改型的转换。 4.根据生产类型的条件，尽可能为一个工件的几道铣削工序设计可加工不同表面的多工位夹具。 5.顺铣较逆铣对夹具的刚度和向下夹紧力没有严格的要求，但要求机床工作台进给无串动现象，故宜在进给系统为液压传动或能消除丝杠间隙的铣床上采用。 6.夹具体的高宽比 1.5，它的重心应设计的较低，这样它的稳定性会更好。4.2 定位方案的确定4.2.1自由度分析要确定定位方案，首先要对各加工表面进行分析,以主视图建立坐标系如右图：1.铣顶面：由于被加工表面为直角面，需要保证88和63这两个尺寸。图4.11） 尺寸88：需限制、2） 尺寸63：需限制、2.铣主销孔两端面：需保证122和137这两个尺寸，故需要限制、。3.铣主销孔两侧面：需保证99尺寸，应限制、。综上所述，需限制、，即限制所有的自由度，实现完全定位。定位基面的选择见图1.1,主定位基面限制了3个自由度，分别为、。销孔的定位限制了1个自由度，即。外圆的定位限制了2个自由度，分别是、。这样，工件就被完全定位。4.2.2定位元件的确定在我们所学的知识中，定位元件有很多：V形块、心轴、定位销。我们需要根据具体情况进行不同的选择。在本工序的加工中，主定位基面我选择用平面进行定位，限制了3个自由度，分别为、。辅助定位面我选择了销和外圆，这样就分别限制了、，实现了工件的完全定位。4.2.3 定位误差的分析与计算任意一批工件，其中每个工件的尺寸、形状和各表面的相互位置均有所差异（在公差范围内）。因此，每个工件在夹具中定位时，工件各个表面都有不同的位置精度，当然工序基准的位置也不会一致，加工后各个工件的工序尺寸必然大小不一，形成误差，由于这是由工件定位所产生的，所以是定位误差。下面，是定位误差的计算。外圆的定位误差： 由于工件轴的尺寸是148 mm,则 =0.054-0.014=0.04mm由于D3，所以D0.01mm故确定定位套的尺寸为148 mm。首先计算基准不重合误差jb：由于设计基准与定位基准重合，故jb0 mm接下来计算基准位移误差jy：基准位移误差就是孔与轴的最大间隙。jy =0.006+0.054=0.06mm综合上述计算D=jb+jy =0+0.06=0.06mm销的定位误差：由于孔的尺寸为18，则= 0.034-0.016= 0.018mm由于D3，所以D0.006mm，则确定销的尺寸为18mm。由于jb0 mm，jy =0.0440.0160.028mm即D=jb+jy =0+0.280.028mm图4.2工件轴 第五章 夹紧力方向的确定夹紧是由夹紧力的作用方向、作用点和力的大小三个因素具体施加在工件上，它对夹紧机构和夹具方案的选择起决定性作用。所以在制订夹具方案时在定位方式确定后首先要实现对夹紧的上述基本要求，合理配置夹紧力的方向、作用点然后选择适当的夹紧装置。选取夹紧方式和分析工件的定位方法是同时进行的、以便在设计过程中设法确定定位支承元件、夹紧力作用点和工件相互之间的位置关系。图5.15.1 夹紧力方向的确定在生产中，工件的安装方式互异，但夹紧力作用的方向时和工件定位基准的配置和工件所有外力作用的方向有关。通常在工件上切削力和夹紧力交互作用的形式有几种情况：1.切削力与夹紧力在同一方向并作用在刚性支承上，这种情况的夹紧力最小。2.切削力与夹紧力在相互垂直的方向，且切削力与支承上和夹紧力作用点上的摩擦力方向相反，如果摩擦因数为0.1，则夹紧力应为切削力的5倍。3.切削力与夹紧力在相反的方向，夹紧力应大好几倍。所以应从以下原则进行考虑：4.为了保证工件与定位元件贴靠紧密和消除夹紧时工件可能有错位现象，夹紧力的作用方向，应当与夹具主要定位元件上的支承面相垂直。5.夹紧力应朝向工间刚度最大、变形最小的稳定部分，作用在与工件接触面较大的刚性支承元件上。6.夹紧力的方向和工件重力的方向应重合、这样夹紧的操作最方便、夹紧机构更简单紧凑。7.夹紧力的方向应尽量与工件加工时的主切削力的方向重合，主切削力不应作用在夹紧元件上。综上所述，我选择了如上图所示的方向。5.2 夹紧力作用点的选定正确选定夹紧力的作用点对于工件的定位和夹紧时的允许变形都有很大的影响，故须考虑下列要求：1.加紧是为了减小工件的变形，夹紧力的作用点应直接作用在并通过支承元件面积较大的刚性支承面上。如工件刚度较高、可允许夹紧力作用在两个支承元件间的支承面上。或作用在工件各个支承点所组成的三角形重心位置上、有时需增加辅助支承。2.加紧时为了减小工件的表面压溃现象、应采用分散夹紧力的方法来减小夹紧元件与工件接触面单位面积上的压强，这可改变夹紧元件的机构，采用压块将夹紧力平均分配到2个或3个夹紧点上。3.为了减小工件在切削力作用下产生振动，应当采取增加在工件夹紧点的数量和尽量靠近工件加工部位的方法，来提高工件与夹具的系统刚度。5.3 夹紧力大小的计算以铣顶面为例5.3.1安全系数的确定总的安全系数由考虑各种因素所需的安全系数来决定,可按下式确定。K=K0K1K2K3K4K5K6式中K0基本安全系数，取1.5K1加工状态系数，由于是精加工， 取1.0K2刀具钝化系数，查表得1.0K3切削特点系数，断续切削取1.2K4考虑夹紧动力稳定性系数，取1.0K5考虑手动夹紧时手柄位置的系数K6仅在有力矩企图使工件回转时，才应考虑支承面接触情况的 图5.1系数代入数据，得K1.51.01.31.21.01.5=3.51工件受力分析如图5.1工件以一平面、销孔和外圆定位。为防止工件在切削力P作用下平移所需夹紧力：Q1=K(P-P0)/(f1f2)=3.51(92.28-0)/(0.2+0.2) =809.76(kgf)为防止工件在切削力作用下绕A点倾斜所需实际夹紧力为: Q2= kPh/(f1HL) = 3.5192.2888/(0.2186+122) = 179.04(kgf)故确定的夹紧力大小为809.76kgf。5.4 夹紧机构及夹紧元件的确定 确定实际需要，保证安全的夹紧力后，即可进行夹紧装置形式的选择。在选用时应掌握的原始资料有：夹紧力的大小、生产规模或批量、在制品的轮廓尺寸和完成工序的特征等。选择夹紧装置时须考虑下列要求：1.夹紧力需要很大时，即可采用机动夹紧形式，也可采用手动夹紧的形式。2.大批和大量生产中应采用具有快速传动高效率的机动加紧装置。3.带偏心机构的手动夹紧装置，不宜推荐用于夹具和工件一同回转的车床夹具上，因其惯性力作用在偏心机构的手柄上可能使加紧装置松开。4.需要的夹紧力很小时，特别是用来夹紧刚度较差，平面精加工过的薄板零件最宜采用真空卡盘夹紧装置。在平面磨床上这类夹具广泛使用。5.工件在夹具中定位时，其自由度完全被消除或被约束，加工时切削力不会改变基准定位的位置时，可不考虑夹紧装置。故推荐采用具有自动定位和夹紧作用的V形块作为夹紧元件。6.夹紧机构应当结构简单，操作和维护方便、工作可靠、易于接近、装卸工件方便，使在夹具上花费的时间和操作力最少。7.夹紧机构应尽量实现多点、多位和多件的夹紧动作，使夹紧元件能同时完成定位工作的定心加紧。在多点和多间夹紧时，应保证各夹紧力作用点的夹紧力能均匀分布。综合上述情况考虑,我选择了斜楔夹紧机构, 斜楔夹紧是利用其斜面移动所产生的压力来夹紧工件。 图5.4 图5.5 夹紧机构简图5.5 夹紧机构所需作用力的计算如图5.4所示，夹紧行程S=70mm。夹紧机构简图如图5.5所示：夹紧机构的斜楔角为15。所需推力为P=iQQ =809.960.497 =402.44(kgf)其中，iQ为传力比，经查表查得数值为0.497。传动效率为tg/iQ =tg15/0.497 =0.54 第六章 工件在夹具中的精度分析6.1 夹具在机床上的安装误差工件的加工面是由刀具切削刃的成形运动所形成的，而这种成形运动来源于机床。所以夹具在机床上安装时，定位元件对机床装卡面的相互位置必定导致一定的加工误差A，简称夹具安装误差。其值定位元件对本体安装基面的相互位置误差；夹具安装基面本身的制造误差以及机床装卡面的连接误差。铣床夹具的安装误差。铣床夹具依靠本体底面和定向侧面与机床工作台的平面及T形槽相连接，以保证定位原件对工作台和导轨具有正确的相对位置。这类相对位置的不正确所造成的加工尺寸误差，即夹具安装误差A。如图8-5示，X方向加工尺寸的误差A之值可根据夹具斜装时的偏斜角，定位原件对夹具定向键侧面的相互位置误差和加工面的长度等有关参数计算出来。图6.5 铣床夹具的偏斜角夹具斜装时的偏斜角为： 但夹具斜装时，对Z方向的加工尺寸无影响。6.2 对刀或导向误差T夹具在机床上安装后，需要调整夹具对刀具的位置，以保证工艺系统中 封闭环的连接精度。但由于夹具上的对刀或导向装置对定位元件的位置不准确，将导致加工表面的位置发生变化，由此而造成的加工尺寸误差即为对刀或导向误差T（不包括调整时的人为误差）。1.使用铣床家具加工时，采用标准塞尺和对刀块进行对刀，其对到误差T为T=s+h式中s塞尺的制造公差；h对刀块工作面至定位元件的尺寸公差。2.在钻模板上加工孔，采用如图示的导向装置时，导引孔的轴线位置误差受下列因素的影响：钻模板底孔至定位元件的尺寸公差；e快换钻套内外圆的同轴度；X快换钻套和衬套的最大配合间隙。但刀具引导部位的直径误差，也使刀具偏离规定的位置。因此，应一并考虑其对加工尺寸的影响，即X刀具（引导部位）与钻套的最大配合间隙X刀具在钻套中的斜偏。在加工短孔时，X按刀具平移计算。因各项误差不可能同时出现最大值，故对于这些随机性变量按概率法合成6.3 加工方法误差加工方法误差G是指在切削过程中，因机床、刀具的质量、工件的材质以及由于切削力、切削热的作用而引起的工艺系统弹性变形、热变形等因素所造成的加工尺寸误差。其效果是使加工表面（或其轴线）的位置发生变化。为便于分析计算，加工方法误差可分为下列主要组成部分： 1.机床误差G 取决于机床工作精度。如主轴的径向或轴向跳动、主轴轴线与导轨的平行度或垂直度误差对加工尺寸的影响等。 2.刀具误差G 主要取决于刀具的几何形状误差、刀具结构本身的相互位置误差等对加工尺寸的影响。在使用钻模板加工孔时，应和导向误差合并计算。 3.其他误差G4 如对刀 调整时的人为误差、加工过程中的测量误差等。上述各项误差，也属于随机性变量，故当误差因素多余两项时，应按概率法求其合成。需要注意，在确定加工方法误差各组成项目对某一加工尺寸的影响时，要区别两种情况:1)加工平面时造成加工面位置变化的误差G之值，可按加工方法所能达到的加工时，加工经济精度为0.06mm，此值也即相距尺寸精度，故G=0.06mm。 2)加工回转表面时，因一般加工经济精度规格中，只提供影响回转表面直径尺寸误差的数据。故对于造成轴线位置变化的误差G之值，只能用计算方法确定。如车、磨圆柱表面时，主要是机床主轴的径向跳动造成其轴线位置发生变化。加工误差的其他因素则主要影响直径和形状精度。故此时加工方法误差可取为G=G1。 第七章 夹具体的设计 设计夹具体时，需考虑到以下问题：1.夹具体的刚度：因为在夹具体上承受工件夹紧进行加工时，须保证装在夹具体上的各元件的位置不变，并且在加工过程中不发生振动，所以需要夹具体的刚度足够大。2.夹具体的材料：根据工件的大小，需要夹具体的尺寸较大，从工艺性和刚性的角度考虑，夹具体采用铸铁件。3.对夹具体面的要求：应避免直接在夹具体上设置摩擦表面和工艺性差，不便加工的表面或结构要素。此外，为保证夹具体具有足够的刚度和强度，应适当设置加强肋，形成框架结构。另外，就是安装基面的选择：定位元件的安装基面：即主定位基面，也就是平面。与工作台的安装基面：为夹具体的底面。工艺过程卡如下：本工序工序图： 工序卡如下： 1.2.3.4. 第八章 加工方案的确定本夹具体是一个多工位多件的加工装置，它可同时加工2个工件，可加工左转向节，也可加工右转向节。根据被加工零件不用的加工要求，加工不同的部位。具体加工方式见加工示意图。工序图如下：夹具体如下：第九章 铣床夹具的使用说明9.1 铣床夹具的使用过程定位夹紧加工松开工件移出9.2 夹具的安装过程工件在夹具中安装一般有三种方式：1.直接找正安装：工件的定位过程由操作工人利用千分表、划线盘等工具，找正某些有相互位置要求的表面，然后夹紧工件。直接找正安装生产效率低，一般用于单件小批量生产。2.划线找正安装：这种安装方法是按图纸要求在工件表面上划出位置线以及加工线和找正线，安装工件时，先在机床上按找正线找正工件的位置，然后夹紧工件。划线安