法兰盘机械加工工艺规程及钻Ф20mm通孔专用夹具设计专.doc

辽宁工程技术大学机 械 制 造 技 术 基 础课 程 设 计题 目：法兰盘机械加工工艺规程及钻20mm 通孔专用夹具设计专用夹具设计班级：机械11-1班 姓名： 刘趁趁 学 号： 1107710122 指导教师： 冷岳峰 完成日期：2013.1.21 任 务 书一、设计题目: 法兰盘机械加工工艺规程及钻20mm通孔专用夹具设计二、原始资料(1) 被加工零件的零件图 1张(2) 生产类型:大批大量生产三、上交材料1所加工的零件图 1张2毛坯图 1张3编制机械加工工艺过程卡片 1套4编制所设计夹具对应的那道工序的机械加工工序卡片 1套5绘制夹具装配图（A0或A1） 1张6绘制夹具中1个零件图（A1或A2。装配图出来后，由指导教师为学生指定需绘制的零件图，一般为夹具体）。 1张7课程设计说明书，包括机械加工工艺规程的编制和机床夹具设计全部内容。（约5000-8000字） 1份四、进度安排本课程设计要求在3周内完成。1第l2天查资料，绘制零件图。2第37天，完成零件的工艺性分析,确定毛坯的类型、制造方法，编制机械加工工艺规程和所加工工序的机械加工工序卡片。3第810天，完成夹具总体方案设计（画出草图，与指导教师沟通，在其同意的前提下，进行课程设计的下一步）。4第1113天，完成夹具装配图的绘制。5第1415天，零件图的绘制。6第1618天，整理并完成设计说明书的编写。7第19天21天，完成图纸和说明书的输出打印。答辩五、指导教师评语该生设计的过程中表现 ，设计内容反映的基本概念及计算 ，设计方案 ，图纸表达 ，说明书撰写 ，答辩表现 。综合评定成绩： 指导教师日期摘要到目前为止，在企业生产中，各种机械加工、检验、焊接、热处理和装配等冷、热加工工艺，都使用着大量的夹具，用以安装加工对象，使之占有正确的加工位置，随着不规则形状零件在现在制造业的应用越来越广泛，且产品的成本、质量、生产率都与工艺装备息息相关，如何保证这种零件的加工质量变得尤为重要。本说明书通过研究法兰盘零件的加工精度要求以及其结构特点，在保证该零件的加工精度的基础上，利用现有的现在制造技术手段，根据我们所学习的机械设计制造基础中的定位原则和夹紧原理，制定了一套较为合理的夹具模型，对现有法兰盘的快速加工。本说明书对各种定位夹紧装置进行分析与比较，通过对夹紧力和定位误差的计算，验算保证其夹具的加工精度。同时，分析夹紧力的计算，保证零件在夹持状态下是否满足工件夹紧不产生形变。关键词：夹具设计、法兰盘、定位、夹紧AbstractSo far, in production, all kinds of mechanical processing, inspection, welding, heat treatment and assembly of cold, heat processing, use a lot of fixture, for the installation of the processing object, so that it occupies the right machining position, with irregular shape parts more widely used in manufacturing industry and now, and product cost, quality, productivity, and is closely related to technology and equipment, how to guarantee the machining quality of the parts is particularly important. The specification by studying the flange parts machining accuracy and its structure characteristics, to guarantee the machining accuracy of the part, using existing now manufacturing technology, based on the positioning for machine design and manufacturing of our learning based on the principles and clamping principle, formulated a set of reasonable fixture model, fast processing the existing flange.The manual for analysis and comparison of all kinds of positioning and clamping device, the calculation of clamping force and location error checking, guarantee the machining accuracy of the fixture.At the same time, analysis and calculation of clamping force, ensure the parts in clamping state whether meet the clamping of the workpiece does not generate deformation.Keywords: fixture design, flange, positioning, clamping目 录第1部分：法兰盘加工工艺规程1 工件的简要分析11.1 工件的用途11.2 工件的工艺性分析12 确定毛坯22.1 毛坯材料22.2 确定毛坯技术要求22.3 铸件机械加工余量确定与毛坯图23 基面的选择63.1 粗基准的选择63.2 精基准的选择64 制定工艺路线64.1 加工阶段的划分74.2 工序的集中与分散74.3 工序的顺序安排74.4 工艺路线的选择75 确定切削用量和基本工时10第二部分 夹具设计6 确定夹具结构设计126.1 设计定位方案126.2 夹具设计定位方案的比较与分析126.3 夹具设计夹紧方案136.4 夹具设计采用的导向装置146.5 夹具体的优化设计与经济性157 夹具关键点设计计算与校核167.1 计算切削用量,决定切削速度v和工作台每分钟进给量F167.2 钻头磨钝标准耐用度情况167.3 切削时间167.4 定位误差的分析167.5 夹紧元件强度校核177.6 操作说明18附：夹具设计三视图198 设计心得体会21参考文献22附 录23工艺过程卡片23工序卡片241工件的简要分析1.1 工件的用途CA6140卧式车床上的法兰盘，为盘类零件，用于卧式车床上。车床的变速箱固定在主轴箱上，靠法兰盘定心。法兰盘内孔与主轴的中间轴承外圆相配，外圆与变速箱体孔相配，以保证主轴三个轴承孔同心，使齿轮正确啮合。主要作用是标明刻度，实现纵向进给。1.2工件的工艺性分析法兰盘是一回转体零件,有一组加工表面,这一组加工表面以20mm的孔为中心 ,包括：mm的外圆柱面及左端面, 尺寸为mm的圆柱面,90mm的外圆柱面、右端面及上面的4个9mm的透孔， mm的外圆柱面及上面的6mm，4mm的孔, 90mm端面上距离中心线分别为34mm和24mm的两个平面。并且其余加工面都与它有位置关系,可以先加工它的一个端面,再借助专用夹具以这个端面为定位基准加工另一端面,然后再加工孔到尺寸要求，再以孔定位加工各个表面。图1.2.1 以20为内孔中心的加工表面2 确定毛坯2.1 毛坯材料由零件材料HT200,确定毛坯为铸件，由于该零件是中批生产，而且零件轮廓尺寸不大，故采用金属模铸造，法兰盘因毛坯比较简单，采用铸造毛坯时一般是成队铸造，再进行机械加工。这从提高生产率，保证加工精度上考虑也是应该的。由年产量为6000件，可知达到大批量生产标准，且零件的尺寸比较小，所以采用砂型机器铸造，同时铸件尺寸公差等级为CT10，选取铸件错箱值为1.0 mm。2.2确定毛坯技术要求1）铸件不应有裂痕、砂眼和局部缩松、气孔和夹渣等缺陷。铸件表面应清除毛刺，结瘤和粘砂等。2）正火处理硬度170190HBS，以消除内应力，改善切削加工性能。3）未注圆角为R3R4mm。4）起模斜度为30。2.3 铸件机械加工余量确定与毛坯图据以上原始资料及加工路线，分别确定各家工表面的机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸如下：法兰盘零件材料为HT200，硬度200HBS，毛坯重量约为2.8KG，生产类型为中批生产，采用铸造毛坯。根据上述原始资料及加工工艺，分别确定各加工表面的机械加工余量，工序尺寸及毛坯尺寸下： 1.mm外圆表面此外圆表面为IT6级，参照实用机械加工工艺手册确定各工序尺寸及加工余量工序名称工序余量工序基本尺寸工序尺寸的公差工序尺寸及公差精车外圆0.6450.017半精车外圆1.445.60.1粗车外圆347+0.3毛坯5500.52.外圆表面mm参照实用机械加工工艺手册确定各工序尺寸及加工余量工序名称工序余量工序基本尺寸工序尺寸的公差工序尺寸及公差精车外圆0.6100-0。46半精车外圆1.41006粗车外圆4102毛坯61060.83车45mm外圆柱面参照实用机械加工工艺手册确定各工序尺寸及加工余量工序名称工序余量工序基本尺寸工序尺寸的公差工序尺寸及公差精磨外圆0.245-0.6粗磨外圆0.845.2半精车外圆146粗车247毛坯60106114加工孔20mm参照实用机械加工工艺手册确定各工序尺寸及加工余量工序名称工序余量工序基本尺寸工序尺寸的公差工序尺寸及公差铰孔0.220+0.04520扩孔0.919.8+0.119.8钻孔918+0.618毛坯105. mm的端面1）按照加工工艺手册表6-28，铸件重量为2.8kg，mm端面的单边加工余量为2.03.0，取Z=2.0mm，铸件的公差按照表6-28，材质系数取，复杂系数取，则铸件的偏差为； 2）精车余量：单边为0.2mm（见实用机械加工工艺手册中表3.2-2），精车公差既为零件公差-0.08；3）半精车余量：单边为0.6mm（见实用机械加工工艺手册中表11-27），半精车公差的加工精度为IT9，因此可以知道本工序的加工公差为-0.12mm；4）粗车余量：粗车的公差余量（单边）为Z=2.0-0.2-0.6=1.2mm； 粗车公差：现在规定本工步（粗车）的加工精度为IT11级，因此，可以知道本工序的加工公差为-0.32mm，由于毛坯及以后各道工步的加工都有加工公差，因此所规定的加工余量其实就是含义上的加工余量，实际上，加工余量有最大的加工余量及最小加工余量之分；mm端面的尺寸加工余量和工序间余量及公差分布图见下图：由图可以知道：毛坯名义尺寸为：94+2=96（mm）毛坯的最大尺寸：96+0.7=96.7（mm）毛坯的最小尺寸：96-0.8=95.2（mm）粗车后最大尺寸：94+1.2=95.2（mm）粗车后最小尺寸：95.2-0.32=94.88（mm）半精车后最大尺寸：94+0.6=94.6（mm）半精车后最小尺寸：94.6-0.12=94.48（mm）精车后尺寸为94mm加工余量计算表 工序 加工尺寸及公差铸造毛坯粗车半精车精车加工前尺寸最大96.795.294.6最小95.294.8894.48加工后尺寸最大96.795.294.694.04最小95.294.8894.4893.96加工余量21.20.60.2加工公差-0.32-0.12-0.08因此可以确定毛坯的尺寸（毛坯图如下图）3 基面的选择基面的选择是工艺规程设计中的最重要的工作之一。基面如果选择的正确、合理，可以很大程度上保证加工质量，使得生产率得到提高。否则，会使得加工工艺过程漏洞百出，更有甚者，还会造成零件的大批报废，使得生产活动无法正常进行。3.1粗基准的选择对于加工零件而言，尽可能选择不加工表面为粗基准。而对有若干个不加工 对于加工零件而言，尽可能选择不加工表面为粗基准。而对有若干个不加工表面的工件，则应以与加工表面要求相对位置精度较高的不加工表面作粗基准。根据这个基准选择原则，现选取45孔的外轮廓表面作为粗基准。在车床上用三角卡盘夹紧工件，限制它的六个自由度，达到完全定位。3.2精基准的选择主要应该考虑基准重合的问题。当设计基准与工序基准不重合时，应该进行尺寸换算。4 制定工艺路线制定工艺路线的发点,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,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卡具,并尽量使工序集中来提高生产率。除此之外，还应当考虑经济效果，以便使生产成本尽量下降。4.1加工阶段的划分由于工件加工精度要求不高，所以可以不分加工阶段，一个加工阶段可以完成；且由于工件的精度要求不太高，所以可以把焊工艺放置到最后，影响不太大。4.2工序的集中与分散 本零件选用工序分散原则安排法兰盘的加工工序，底端面、90上下面通过一次装夹完成加工，45外圆表面一次装夹加工完成，20mm内孔通过一次装夹完成加工，6mm的孔也是通过一次装夹完成加工，4该法兰盘的生产类型为批量生产（6000件），为了提高生产效率；运用工序分散加工原则，实现流水线生产，不但可以缩减辅助时间，而且可以，有利于保证各加工面之间的相对位置要求。4.3工序的顺序安排根据先基准后其它的原则，首先加工精基准45mm圆柱面、100mm底座面，20mm孔；根据先主后次的原则，先加工主要面两端面，后加工次要面上端面等；根据先面后孔的原则，先加工几个端面，后钻中间突出面的4个9mm的孔。4.4工艺路线的选择制定工艺路线的发点,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,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卡具,并尽量使工序集中来提高生产率。除此之外，还应当考虑经济效果，以便使生产成本尽量下降。1. 工艺路线方案一工序一:：车端面及外圆，以为粗基准，选用CA6140机床，铣的底端面。工序二:：以外圆面为基准，钻通孔，先用钻的钻头钻孔，再铰孔达到的尺寸要求。工序三：以外圆面为基准，粗车、外圆，并导，和工序四：以外圆面为基准，并导，和工序五：内孔为基准精车左端面和右端面和保证跳动在0.03内,并车槽工序六：右端面和一圆面定位,利用两个端面夹紧,先铣粗糙度为3.2的一面。工序七：以刚铣的平面定位,利用两端面夹紧,铣另外一面保证尺寸为24工序八：以一个铣好的面定位,再利用另外一个面夹紧,钻的通孔,再圹孔到孔,保证尺寸为L=7,再铰孔使其达到所要求的精度。工序九： 以孔为基准面,利用专用夹具,钻4个孔。工序十：再用磨床磨外圆使其达到所要求的粗糙度2.工艺路线方案二工序一 ：车端面及外圆，以为粗基准，选用CA6140机床工序二：以外圆面为基准，粗车、外圆，并导，和工序三：以外圆面为基准，钻通孔，先用钻的钻头钻孔，再铰孔达到的尺寸，以外圆面为基准，粗车、外圆，并导，和工序四：以外圆面为基准，并导，和工序五：内孔为基准精车左端面和右端面和保证跳动在0.03内,并车槽工序六：右端面和一圆面定位,利用两个端面夹紧,先铣粗糙度为3.2的一面。工序七：以刚铣的平面定位,利用两端面夹紧,铣另外一面保证尺寸为24工序八：以一个铣好的面定位,再利用另外一个面夹紧,钻的通孔,再圹孔到孔,保证尺寸为L=7,再铰孔使其达到所要求的精度。工序九：以孔为基准面,利用专用夹具,钻4个孔。工序十：再用磨床磨外圆使其达到所要求的粗糙度虽然工序仍然是十步，多次加工的表面是具有精度要求和粗糙度的要求和有跳动的要求所以选择第一个方案，而且能够保证与底面的垂直度和与45孔的同轴度要求，有利于满足零件的加工要求。因此，经过分析研究，决定选择第一套方案为工艺路线方案。 5 确定切削用量和基本工时 工序一 ：以外圆为粗基准，粗车外圆及其右端面。1. 加工条件工件材料：HT200,b =0.16GPa HB=190241,铸造。加工要求：粗车外圆，尺寸保证到。机床：CA6140车床。刀具：YT5确定加工时间：工序：确定加工时间 由于余量为8mm，因此分二次切削，吃刀深度为=4mm 查切削用量简明手册，进给量f=0.4mm/r （表1.4）计算切削速度，耐用度t=45min=161m/min (2.70m/s)确定机床主轴转速：=15.72r/s (935r/min)按机床取=900r/min=15r/s实际切削速度为v=15r/s 车外圆时= (0.26min)车端面时工序II：通过钻孔加工20mm的工序时间计算（部分公式来自机械加工去除材料分析查切削用量简明手册，进给量f=0.36mm/rd取16mm时v=14m/min 根据机械加工去除材料分析中的钻床系列，可考虑选择，故取 钻、扩孔时= =2.65min铰孔时， ， 取 由上可知，钻孔所需时间大约为1.9min。（不包含绞孔等精加工操作）6确定夹具结构设计6.1设计定位方案本设计是工序钻20mm内孔的专用夹具。这一套夹具使用立式钻床进行加工。 1.定位方案一如图2.1-1所示： 在夹具定位方案一图中，其定位方式采用三点一面定位，利用一个V形块一个挡板共同限制4个自由度，再利用底端端平面限制1个自由度，从而限制了5个自由度，从而达到了工件加工所需的定位要求，再利用夹紧装置，从而实现零件的完全定位。 图2.1-12.定位方案二如图2.1-2：图2.1-2在夹具方案二图中，我们可以看到，利用两个端面限制3个自由度；再利用底面限制了一个自由度，达到了零件加工所需的必须定位要求，再利用夹紧装置，从而实现零件的完全定位。6.2夹具设计定位方案的比较与分析方案一利用45mm的外圆柱面和底面限制了5个自由度，方案二利用两个侧面和底端面限制5个自由度，而在最后一个旋转自由度的限制上采用了同样的方案。比较一：方案一使用的是利用一圆柱面进行定位，一个圆柱面限制4个自由度的同时，保证了同轴度和加工的可靠性，同时利用底端面进行定位，保证了垂直度，都极好的满足了零件的加工要求。方案二利用两侧面和底面定位，限制了零件的6个自由度，使工件完全定位，但无法满足零件的加工要求，并且存在过定位的情况。比较二：方案一使用V形块和挡板平面定位，能使工件完成快速定位，缩短了加工时间，经济性高；同时，圆柱面定位对表面的加工精度要求只需保证同轴，所需的精度不是很高，经济性不强。方案二利用两侧面定位，所需的夹装时间要求比较长，且所需的侧面加工精度要求很高。而且比较难以满足加工要求。综合分析以上情况，夹具设计选用方案一进行定位。6.3 夹具设计夹紧方案在夹紧方案的设计中，根据工件的形状，采用压板压紧方式，同时可将装置的夹紧位置定于100mm的底端面处（如图2.3.1所示）。夹紧示意图如图2.3.2所示。 图6.3.1弯头压板夹紧紧置 优点一：用于钻20mm孔的夹具,由于孔比较大，夹紧时受力也比较大，我们采用100mm的底端面作为主要受力面，而底端面又同时是定位面，因此我们采用弯头压板作为夹紧装置,这种处理方法既能降低夹具制造成本,同时缩短夹具的制造 周期,又能节省安装工件的时间,提高生产率,但必须保证安全。采用手动螺旋拧紧是可靠的,可免去夹紧力的计算。 优点二： 将利用三个弯头压板将工件紧扣在底端面的凸台上，夹紧装置的支撑不会再钻孔过程中产生扭矩， 因此不会影响加工的平行度精度，同时夹紧强度大，易于装卸。 6.4 夹具设计采用的导向装置在导向装置的设计中（如图2.4所示），为保证夹具体的持久耐用性，采用的是可换钻套,当钻套加工磨损后，可以通过拆卸左侧的螺钉，再更换钻套，使夹具体寿命更长，且保证钻孔的位置。 图 6.4 可换钻套剖视6.5夹具体的优化设计与经济性夹具体在安装过程中，为了实现便于安装，夹具体采用了翻板式结构，与固定式钻模相比更加方便易于操作，同时，在翻版左侧设置支撑体（如图2.11-1所示），使安装时人员能够利用支撑件方便对法兰盘的快速安装，翻版盖采用支撑板与两边定位配合（如图2.11-1所示），相比老式运用螺钉与夹具体配合的方式，加工人员能够更加快捷方便的装夹，节约时间。 夹具在经济性分析情况下，大幅度提高单机设备的通过能力，提高产品质量。现场同类设备由于工装的差异影响了设备本身较宽的工艺通过能力，通用工装使现场整体的设备通过能力得到提高，有利于均衡生产，提高了工艺质量和产品质量。提高现场应变能力和单一品种的加工能力，在加工20mm孔的同时，同时设置排屑通孔，从而使加工后的铁屑能排除来，这样更有利于物流顺畅和均衡生产，使操作更加多元化。（如图2.11.2所示）图2.11.1支撑体示意图 图2.11.2排屑孔示意图7 夹具关键点设计计算与校核7.1计算切削用量,决定切削速度v和工作台每分钟进给量F钻20孔，f=0.025mm/r（查切削用量简明手册P59表2.18）V=18m/min（查切削用量简明手册P59表2.18）=1146.5r/min按机床说明，取=1500r/min故实际切削速度：V=23.55m/min7.2钻头磨钝标准耐用度情况查表5-130知,钻头的磨钝限度为0.5-0.8。7.3 切削时间钻孔工时： T1=3min总时间大约为3分钟7.4定位误差的分析如图2.9所示：图7.4 定位误差分析图根据设计基准的要求，中心轴线至钻孔轴线位置保持夹具侧面保证123.6mm，其误差由于定位副间存在径向间隙，因此必将产生径向基准位移误差。不过这时的径向定位误差不再只是单向的了，而是在水平面内任意方向上都有可能发生，其最大值也比心轴水平放置时大一倍，同时采用定位销定位。根据公式，容易分析出，误差值等于正负配合上下偏差值的绝对值。 7.5夹紧元件强度校核2.10受力分析（如图2.10所示）：Fj1 Fj2图2.10当压紧工件时，由于螺栓垂直放置，将受夹紧力作用产生拉应力。 拉应力为：由第四强度理论，可知螺栓预紧状态下的计算应力：选用螺柱材料为45钢，屈服强度为=450，取安全系数n=2.1则许用挤压应力7.6 操作说明由零件图可知，一个定位孔一个与20mm孔同轴,通过V型块与挡板定位，在与100mm的底座面垂直，其有尺寸精度要求和表面粗糙度要求。为了保证所钻的孔与底面垂直,根据基准重合、基准统一原则,在选择两定位孔的加工定位基准时，应尽量选择同一定位