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说明书+CAD+UG+仿真 六角螺栓车总长装置设计【说明书+CAD+UG+仿真】 六角 螺栓 总长 装置 设计 说明书 CAD UG 仿真

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附录有限元素分析与设计42（2006）298 - 313大型轴承螺栓接头数值模式的发展作者：奥里安 韦迪纳，*，迪米特里 尼瑞巴 ，让 癸乐特布加拿大H3C公司3A7,魁北克，蒙特利尔，沙田，车站中心，蒙特利尔Ecole理工学院，机械工程系，P.O 6079信箱摘要：螺栓接头的传统理论并没有考虑到外部负载的复杂性，既没有其相关连接的不灵活性，也没有接触的非线性。本文论述了可以快速，精确的计算直径轴承上承受很大倾覆力矩的紧固螺栓的二维数值模型。该模型的独特性是在于一个特殊的有限元素的使用，像一环，除了在轴向方向。其轴向刚度是控制螺栓组装方式的局部刚度。该模型调整为三维有限元的模拟，并在几种类型的轴承中表现了优异效果。关键词：螺栓接头;数值模式;转盘轴承;有限元分析1、 介绍提供快捷，准确的结果，是对实际工程的挑战之一，主要是在设计过程的早期阶段。涉及不同的螺栓接头的机械系统的制造商需要合适的计算模型，该计算模型需要考虑整体解决方案。大量的模型近似的部件和螺栓刚度使用锥体，球体，相当于瓶装或其他分析模型1-4。 根据传统理论，最初是为那些居中或稍微偏离中心的负荷发展，该负荷的刚度为常数。然而，有限元模拟以及实验结果显示出强劲的非线性由于接触面积的变化5-7与外部负载。刚度非线性特性进行了研究格洛斯8和吉洛9，他们提出了一个非线性模型，但只有板样的配置。另一个传统理论的弱点在于所谓的负载系数的计算方法。负荷因素试图测量传送到螺栓上面的外在的力量。在外部力量的成员上应用所在地管辖的负载因子和刚度成员的方式分配。张10开发了一种新的螺栓接头分析模型，并考虑到刚性还原会与残余力量有关，压缩变形和尺寸变化的外力是因为成员轮换造成的。这种模式有它的局限性，并不适用于螺栓装配时的成员有不同的几何形状，或在外部势力不是在成员接口对称的。对于具体模型，我们提出对大型轴承可以看作为一个圆形法兰盘，考虑到不同的非线性特性以及不同的配置或通过适当的几何刚度分布的通用模型的基础。2、 回转支承本文提出的模型是对特定的大直径螺栓轴承合适。这些大型轴承（高达13米（43英尺）也被称为“回转支承”，是用起重机，雷达菜，隧道掘进机，轴承套圈等。二是夹在主框架由高强度的螺栓预装。一个或两个环是提供齿，使摆动驱动器进行运转。连接就像大量的一个个又厚又狭小的螺栓固定一个非常严格的框架圆柱法兰。该系统的另一个特殊性是重要的和可变的倾覆力矩。轴承是遭受同样重要径向和轴向负荷。轴承所研究的三个类型，球轴承，交叉滚子轴承和三排滚子轴承，如图 1所示。 由于结构的复杂性和特殊性，螺栓联合负荷，既不是传统的模式也不是非线性模型是合适的。图 1 回转轴承因此，我们已经开发出一种新的模式，同时考虑到在与框架单元的轴向方向，并与管状分子径向方向的弯曲刚度。此外，管内容进行了修改，涉及螺栓装配的预装行为特征。此外，在建模过程是一个原始的“混合”有限元素的定义。这个元素有一个除了在其轴向刚度有关，局部刚度，支配行为的螺栓装配环的一般行为。啮合同几个元素的环状物可以考虑到非线性刚度分布，特别是对高负荷的应用效果。不断演变的接触面积是仿照通过接触弹簧和使用迭代求解的技术。3、 建模和假设对这些系统的具体负荷是一个偏离中心的轴向载荷（正常起重机载荷型）在一个大的倾覆力矩造成的。这将建立在轴承槽（如图1内部负载1）。在这个发展阶段，外部负荷强度并不重要。这足以适用于两种型号相同的载荷：二维数值模型和三维有限元模型用于调整的第一个步骤。要构建数学模型，我们提出了一些简化：建模的目的，我们只考虑负载最重的螺栓和相关零件;外圈不仅是为模型。因此，外部势力所取代滚动体负荷，等效负载增加螺栓的工作负荷;加载，以及有关的具体内容的制定被认为是轴对称;安装被认为是非常严格的。图 2 基本原则提出了新的建模。在左边的是素描和数值模型;右侧的是等效有限元模型。图2 建模原理正如图 2显示，轴承环模型包括三个要素的类型：A：盘子模型是以由沃代安11提出和罗克解析式12发展的圆板模型为基础的。他们有两个自由度/节点（是翻译和z旋转轴对称元素）及其作用：为代表的环的弯曲度是根据OY轴的方向;表征移位，尤其是环状物的边界不断增长和它的分离。联系弹簧元素它们能够模拟环变量之间的接触带和安装根据预安装和外部负载的应用。因此，以不同的接触状态，物体的刚度矩阵将被调整和它们对螺纹元件的非线性负荷将增大。B：所谓的混合物原理使人们有可能考虑到物体的部分压缩刚度，以及具体的弯曲沿径向方向的挠度。每个节点的三个自由度使铁元素的结构与系统的受力相当于外部负载。C: 元素的弯曲和分裂是由于模型的接触与安装。它们的行为特征的弹性表现在该接口和单方面的接触。弹簧刚度模型可作为一个调谐参数。螺栓有一个等效梁的制定在本文件的以后会有讲述。3.1 确定轴承的轴向刚度位置为了计算轴承的轴向刚度位置，我们已经使用MASSOL13根据拉斯穆森14提出的一个基本圆柱集会（图3）所作的改进。本节计算的等效部分,记为Ap,使我们能够确定零件刚度的Kp值。所用的关系式为 （1）图3 一个基本部件的尺寸图 4 轴向刚度部门尺寸计算用下面的无量纲量： 对我们的知道轴承而言，有一部分不圆。外型尺寸X和Y是考虑如图4所示。如果直径 Dp=3*Da (3)不是该扇形面的部分上，下面的表达式。那么就使用Dp=(x+y)/2 (4)该扇形面的总轴向刚度计算是用 等式（1）和（2）。考虑LP的长度等于轴承圈的高度。轴向刚度Kp值以及相当于相等的面积Ap，从而得到考虑整个扇形的角度。3.2 混合元素如图2所示 ，啮合的轴承环使用的三个混合元素与三个主要部件有关：一个元素指定为环之间的上表面和轨道上负载生效的起点之间的区域;第二个元素是指定减少的区域是由轴承滚道和在轴承滚道及其安装之间的下部区域的三分之一所决定。中间节点面对滚动体接触点，使外部力量应用到其中之一。 v1 1R - 元素的平均半径T - 元素的径向厚度L - 元素的高度u，v， - 局部自由度图 5 管（圆柱表面）元素的参数图6 圆柱表面单元矩阵3.2.1 混合单元刚度矩阵由于相比于外径和高度相对较低的径向厚度，在外圈的运动方式是和其内表面装载的管子相似的。该管的基本自由度以及主要参数显示如图 5。其代表性是以圆柱表面的基本公式15为基础。对于我们轴承，重要的是要考虑到一个具体的圆柱表面弯曲，以及由一个径向力（或压力）造成的径向位移。这种根据罗基15如图6所示的元素的刚度矩阵很普遍。在图6中，所有的表达方式kij都使用R，T，L参数（图5），E-电子杨氏模量和-泊松数字来表达。混合元素的刚度矩阵是以圆柱表面元素公式为基础的。为了准确的在轴向刚度建模，与圆柱表面单元矩阵的拉伸力的表达方式对应的行和列已被等效刚度的梁的公式所取代。因为轻微的影响力，所以连接表达方式设置为零，正如数值试验表明。在图 6（给予部分坐标）采用的坐标转换程序根据整个模型的坐标系统和编号矩阵图控制的原因提出来的。在全球CS的管状物元素矩阵的拉伸自由度是（行和列）六方面。该矩阵转换得到的最后形式是如图 7 介绍的杂交元矩阵。在新的条件下截面积Ap和以前提出的横截面计算使用改进的RAS -穆森公式14是相等的。此外，为了考虑负载点的应用高度，总轴向刚度（或相反的灵活性）必须用不同的元素在非均匀模式下来分配，正如在3.3节中讨论的。图 7 管状物元素矩阵转化成杂交元矩阵 上部灵活的Sp1 锑螺栓的灵活性 下部灵活的Sp2图 8 螺栓装配示意图3.3 考虑外在负载应用程序的起源正如Guillot9和最近以来的张10所示的外负载应用这个地方,对螺栓装配行为,计算拉力的标准及带有螺纹部件的弯曲瞬间补充度有极其重大影响。对于一个轴向载荷,螺栓的装配可以按照图8所示来代表。 图 9 实际区域的压缩图 10 自适应的灵活性众所周知,和初始状态的预加负荷Q比较,外力导致螺栓受力增大。螺栓所受总力Fb为Fb=Q+Sp2*Fe/(Sp+Sb) (5)全部零件的灵活性Sp=Sp1+Sp2 (6) 是什么让零件的灵活性不均匀分布的厚度的计算复杂化了，事实上,在压缩条件下的头螺栓的模样,取决于装配的水平,看起来就像一个体积接近于被切去顶端的形状的圆锥(图9)。符合标准的实际情况是通过合理的算法来计算一个压缩零件的灵活性。零件可由两个或多个分区分开。考虑一个两部分组装零件隔断案例(图10),这个方法如下:1、 通过改良的拉斯穆森的14计算横截面面积Ap,然后全部零件的灵活性。ApSp=Lp/ApEp (7)Finite Elements in Analysis and Design 42 (2006) 298313Bolted joints for very large bearingsnumerical model developmentAurelian Vadean , Dimitri Leray , Jean GuillotaDepartment of Mechanical Engineering, Ecole Polytechnique de Montreal, P.O. Box 6079, Station Centre-Ville,Montreal, Qubec, Canada H3C 3A7bLaboratoire de Genie Mecanique de Toulouse - COSAM, INSA Toulouse, 135 Avenue de Rangueil,Toulouse Cedex 4, 31077, FranceAbstractThe conventional theory of bolted joints does not take the complexity of external loads into account, neither its related joint stiffness nor the contact non-linearities. This article deals with a 2D numerical model allowing fast and precise calculation of the fastening bolts for very large diameter bearings subjected to an overturning moment. The originality of the modelling lies in the use of a particular nite element that behaves like a ring, except in the axial direction. Its axial stiffness is the local stiffness that governs the behaviour of the bolted assembly. The model was tuned upon 3D nite elements simulations and provides excellent results for several types of bearings.Keywords: Bolted joints; Numerical model; Slewing bearings; Finite elements analysis1. IntroductionProviding fast and accurate results is one of the challenges of practical engineering mainly during the early stages of the design process. The manufacturers of different mechanical systems involving bolted joints need suitable calculation models that allow integrated solutions. Numerous models approximate the parts and bolt stiffness using cones,spheres, equivalent cylinders or other analytical models 14.According to the conventional theory, which was originally developed for loads that are centred or slightly off-centre, the stiffness of the member is constant. However, nite elements simulations as well as experimental results showstrong non-linearities due to the changing contact area 57with the external load. Stiffness non-linearities were studied by Grosse 8 and Guillot 9 and they propose a non-linear model but only for plate-like congurations.Another weakness of the conventional theory lies in the way the so-called load factor is calculated. The load factor tries to measure the amount of the external force which is transmitted to the bolt. The location where external forces are applied on themember governs the load factor and the way themember stiffness is distributed. Zhang 10 developed a new analyticmodel of bolted joints and takes into consideration the stiffness reduction associated with the residual force on the assembly, compression deformation caused by external force and dimensions changing due to member rotation. This model has its limitation and is not applicable to bolted assemblies when the members are of different geometry or when the external forces are not symmetric about the member interface.The specicmodel we are proposing for large bearings can serve as base for a genericmodel of circular anges which can take into account the different non-linearities as well as different congurations or geometries by appropriate stiffness distribution.2. The slewing bearingsThe model this article proposes is suitable for specic bolted joints for large diameter bearings. These large bearings (up to 13m(43 ft) also called “slewing bearings”, are used for cranes, radar dishes, tunnel-boring machines, etc. The two bearing rings are clamped to the main frame by preloaded high strength bolts. One or both rings are provided with gear teeth to enable the swing drive to operate. The connection is like a thick and narrow cylindrical ange on a very rigid frame fastened with a large number of bolts.Another particularity of the system is the important and variable overturning moment. The bearings are subjected to radial and axial loads of same importance. The three types of bearings under study, ball bearings, crossed-roller bearings and three-row roller bearings, are presented in Fig. 1.Due to the complexity of structure and the particularity of bolted joint loading, neither traditional models nor non-linear models are appropriate.Thus we have developed a new model that takes into account simultaneously the bending stiffness in the axial direction with shell elements and in radial direction with tube-like elements. Furthermore, the tube elements were modied to consider the characteristics related to the behaviour of preloaded bolted assemblies. Therefore, the modelling process lies in the denition of an original “hybrid” nite element.This element has the general behaviour of a ring except for the axial direction where its stiffness is related to the local stiffness that governs the behaviour of the bolted assembly. Meshing the ring with several elements allows taking into account non-linear stiffness distribution in the assembly and in particular the effect of the load application height. The evolving contact area is modelled by contact springs and usingan iterative solving technique.Fig. 1. Slewing bearings.3. Modelling and assumptionsThe specic loading on these systems is an off-centre axial load (a normal crane loading type) resulting in a large overturning moment. This will build up an internal load on the bearings grooves (as shown in Fig. 1). At this stage of development, the intensity of the external load is not important. It is sufcient to apply the same loading on both models: the 2D numerical model and the 3D nite elements model used to tune the rst one up.To build the numerical model, several simplications were made: for modelling purposes, we consider only the most loaded bolt and the associated sector; the outer ring only is modelled. Thus the external forces are replaced by the rolling elements load asan equivalent load which increase the working load on bolts; the loading as well the formulation of the specic elements are considered axisymmetric; the mounting is considered extremely rigid.Fig. 2 presents the principle underlying the new modelling. On the left-hand side is the sketch of the numerical model and on the right-hand side is the equivalent nite elements model.Fig. 2. Modelling principle.As Fig. 2 shows, the bearing ring model consists of three types of elements:a. The plate elements based on the circular-plate model as described byVadean 11 and developed from Roarks analytical formulas 12. They are axisymmetric elements with two DOFs/node (y translation and z rotation) and their role is to represent the ring bending according to the axial direction OY; to characterize displacements and particularly the boundary separation of the ring from its mount-ing. Coupled to springs elements they are able to model the variable contact zone between the ring and the mounting according to the preload installed and the external load applied. Consequently to different contact status, the stiffness matrix will be adjusted and a non-linear loading of the threaded element is produced.b. The so-called hybrid elements which make it possible to take into account the part compression stiffness, as well as the specic bending stiffness of a tube along radial direction OX. The three DOFs per node enable the structure to be loaded with a force system equivalent to the external load Fe.c. The spring elements that model the contact with the mounting. They characterize the elastic behaviour of the interface and the unilateral contact. Springs stiffness will be a parameter of the model tuning.The bolt has the formulation of an equivalent beam as described later in this paper.3.1. Determining the axial stiffness of the bearing sectorIn order to calculate the axial stiffness of the bearing sector we have used the improvement made by MASSOL 13 to the formulation of Rasmussen 14 for an elementary cylindrical assembly (Fig. 3).The calculation of the equivalent section, noted Ap, makes it possible to determine the Kp stiffness of the parts. The relations used are毕业设计（论文）中期检查总结表姓 名李肥翔学 院汽车与机械工程学院专 业机械设计制造及其自动化学 号3070101327题 目六角螺栓车总长装置设计课题类型设计课题主要任务：分析所需设计机构的功用；机构主要零件部件设计与绘图；机构总体结构的设计及确定；动力元件和标准件的选定；编写机构设计计算说明书； 用UG做出整个零件的装配图及仿真过程。简述开题以来所做的具体工作和取得的进展或成果：完成开题报告；查找资料，完成机构的总体设计；机构图纸绘制；各机构基本尺寸的确定；标准件的选择 ；学习UG。下一步的主要任务及进度安排：运用UG绘制零件图及三维装配图；运用UG仿真，装配零件和对机构进行仿真；整理编写机构设计计算说明书；导师审查、提出问题及意见，及时修改；复习设计内容，准备答辩；指导教师对该生前期工作的评价与意见： 签章： 年 月 日注：1课题类型指设计性课题、实验研究性课题、论文性课题；2总结表由学生填写，经指导教师确认签章后统一交各学院存档保留。毕业设计（论文）材料之二（1）安徽工程大学本科毕业设计（论文）专 业： 机械设计制造及其自动化 题 目：六角螺栓车总长装置设计 作 者 姓 名： 李肥翔 导师及职称： 梁利东 讲师 导师所在单位： 机械与汽车工程学院 年 月 日安徽工程大学本科毕业设计（论文）任务书 2011 届 机械与汽车工程 学院 机械设计制造及其自动化 专业学生姓名： 李肥翔 毕业设计（论文）题目中文：双头螺栓车总长装置设计英文：The lathing total length fixture design of tapped stud 原始资料1、 机械设计原理2、 机械装备设计原理3、 双头螺栓车总长装置设备参观4、 某企业生产现场实习 毕业设计（论文）任务内容1、课题研究的意义本课题是对某厂生产零件-双头螺栓进行机械车加工总长的装置设计，该课题是对某企业实际产品的加工过程设计，具有较强的实践性，需实习调研过程。通过对该课题的研究和设计，可以巩固学生对所学理论知识掌握，提高学生解决实际生产中设计开发问题的能力和创新性。2、本课题研究的主要内容：课题研究的主要内容通过在企业实际生产过程的实习和参观对双头螺栓加工过程的车床主要结构、工装夹具、刀具及其加工工艺进行了解并设计改进。3、提交的成果：（1）毕业设计（论文）正文；（2）零件加工设备的主要机构设计图（3-4张）（3）工装夹具及其加工工艺流程设计（4）至少一篇引用的外文文献及其译文；（5）附不少于10篇主要参考文献的题录及摘要。指导教师（签字） 教研室主任（签字）批 准 日 期接受任务书日期完 成 日 期接受任务书学生（签字）李肥翔：六角螺栓车总长装置设计六角螺栓车总长装置设计六角螺栓车总长装置设计摘摘 要要本课题是针对某厂生产的零件（六角螺栓）进行车总长的装置设计，该课题是对某企业实际产品的加工过程设计，具有较强的实践性，需实习调研过程。在我们去实践观察的过程中不仅提高了自身的观察能力而且也同时提高了我们的思考，判断等综合能力。通过对该课题的研究和设计，可以巩固我们对所学理论知识掌握，提高我们解决实际生产中设计开发问题的能力和创新性。在我的毕业设计中，综合各方面的考虑自己设计了一个弹簧夹头，其中弹簧夹头的材料是很有讲究的，这在后面都会说到。夹头主要利用了楔形结构。因为工厂的工作环境和成本效率，我选择了气动的传动方案。虽然看上去很简单，但是就生产效率的提高上去看绝对起到了非常大的效果。 关键字关键字：气缸；弹簧夹头；弹簧钢；六角螺栓；楔形结构安徽工程大学毕业设计（论文） IThe lathing total length fixture design of tapped studAbstractThis topic is for a certain part(hex bolts) which should be turn the total length out. The subject is very practical.It also need to investigate in the factory.During the investigation,it do not only promote our ability of observation but also enhance our thinking and judgment comprehensive abilities.We can turn our theoretical knowledge into practice.In my graduation design,I have considered many aspects.I have designed a spring chuck which is wedge-shaped.The material of the spring chuck is complex.Because of the working environment and the cost,I think the pneumatic transmission is best.Although it is easy,it is very useful for the improvement of the efficiency.The keywords：cylinder； spring chuck； spring steel； hexagonal bolt； wedgedstructure李肥翔：六角螺栓车总长装置设计II目目 录录引引 言言.1第第 1 1 章章 绪绪 论论.21.1 六角螺栓简介.21.2 六角螺栓级别和扭力(扭矩)的相对关系.21.3 弹簧夹头的现状和应用现状.3第第 2 章章 气压传动方案气压传动方案.42.1 方案的提出.42.2 整体方案的分析、比较与确定.5第第 3 章章 气缸的确定气缸的确定.63.1 气缸的选择.63.1.1 气缸的使用要求 .63.1.2 气缸的选择要点 .63.2 气缸各机构数据计算.63.2.1 气缸的作用力大小 .63.2.2 活塞(或缸)的运动速度 .83.2.3 气缸的选择 .11第第 4 4 章章 弹簧夹头的设计弹簧夹头的设计.154.1 弹簧夹头的使用和制造.154.1.1 何时使用弹簧夹头 .154.1.2 弹簧夹头的应用 .164.1.3、弹簧夹头提出问题及提出解决问题的方案.194.1.4、弹簧夹头的改进.194.1.5、在加工夹具体和夹具头时对加工精度的保证.204.1.6、卡块的加工工艺及其精度的保证.224.2 弹簧夹头的工艺.244.2.1 弹簧夹头的热处理 .244.3 提高弹簧夹头寿命的探讨.264.3.1 提高寿命的探讨 .264.3.2 弹簧夹头的精度分析 .27结论与展望结论与展望.28致致 谢谢.29参考文献参考文献.30附录附录 A A.31附录附录 B.36安徽工程大学毕业设计（论文） III李肥翔：六角螺栓车总长装置设计IV插图清单插图清单图 1-1 不锈钢六角螺栓.2图 3-1 气缸输出力经验图.7图 3-2 气缸输出力经验图.8图 3-3 活塞杆径与活塞杆最大计算长度()之间的关系.9图 3-4 活塞杆径与活塞杆最大计算长度()之间的关系.9图 3-5 .10图 3-6 气缸空气消耗量 .11图 3-7 气缸二维图.13图 3-8 气缸三维图.13图 4-1 以前的弹簧夹头结构.18图 4-2 镶块式弹簧夹头.19图 4-3 夹头外锥面车加工示意图.19图 4-4 夹头定位面加工原理.20图 4-5 圆锥面的磨削原理.20图 4-6 夹头内孔的磨削原理.21图 4-7 夹头导向面的磨削原理.21图 4-8 卡块六分口的铣削原理.22图 4-9 磨削卡块外径原理.22图 4-10 弹簧夹头示意图.23图 4-11 淬火+低温回火工艺图.23图 4-11 弹簧夹头回火工艺示意图.24图 4-12 热处理工艺工艺曲线.26安徽工程大学毕业设计（论文） V李肥翔：六角螺栓车总长装置设计VI表格清单表格清单表 3-1 气缸型号表.11表 4-1 回火温度和时间的关系.24李肥翔：六角螺栓车总长装置设计0引引 言言本课题是对某厂生产零件-六角螺栓进行机械车加工总长的装置设计，该课题是对某企业实际产品的加工过程设计，具有较强的实践性，需实习调研过程。在我们去实践观察的过程中不仅提高了自身的观察能力而且也同时提高了我们的思考，判断等综合能力。通过对该课题的研究和设计，可以巩固学生对所学理论知识掌握，提高学生解决实际生产中设计开发问题的能力和创新性。由于是大批量生产如果用三爪卡盘就行装夹，效率方面肯定是上不去的，在这样的基础上我们进行了改装，设计出了配套的弹簧夹头与气压顶紧的装置，以致使生产效率得到了很大的提高。从中也是我们运用所学知识和技能来解决实际问题的一个重要环节，更是对大学阶段所学关于机械及气压知识和实际动手能力的一个考察。通过这次课题，不但可以提高我们的综合训练设计能力、科研能力，其中包括实际动手能力、查阅文献能力，撰写论文能力，还是一次十分难得的提高创新能力的机会，并且使我在以下几个方面得到训练：1、了解气压传动系统设计的基本方法和设计要求，培养了我们运用所学理论知识解决具体工程技术问题的能力。2、掌握气压传动系统的设计步骤，熟悉设计的有关技术文件，规范设计手册及相关元件的国家标准。3、根据设计任务要求，进行工况分析和确定气压系统的气压元件拟定出气压系统，并对气压系统主要性能作必要的设计计算。针对大学中所学的机械及气压方面的知识，我选择这个课题来完成我的毕业设计，并进行了大量的实地调研考察，尝试和论证。本次设计中主要以课本和搜集来的各种资料作为依据，基于所学的知识，从简单入手，循序渐进，逐步掌握设计的一般方法和步骤，让我把知识掌握的更加牢固，并把所学的知识融成一个体系，以适应将来实际工作的需要。由于初次设计，所学知识又存在大量局限，实际经验也存在着大量的不足，因此对一些问题可能考虑不周，致使设计中难免会存在有某些缺点和错误，恳请各位老师批评指正。安徽工程大学毕业设计（论文） 1第第 1 1 章章 绪绪 论论1.1 六角螺栓简介六角螺栓即六角头螺栓（部分螺纹）-C 级及六角头螺栓（全螺纹）-C 级，又名六角头螺栓（粗制） 、毛六角头螺栓、黑铁螺丝。图 1-1 不锈钢六角螺栓常用的标准可参见：SH3404、HG20613、HG20634 等。1.2 六角螺栓级别和扭力(扭矩)的相对关系在螺纹紧固件的使用中应用的较广泛的是螺栓螺母连接副的形式，应用的较多的是有预紧力的连接方式，预紧力的连接可以提高螺栓连接的可靠性、防松能力及螺栓的疲劳强度，并且能增强螺纹连接体的紧密性和刚度。在螺纹紧固件的连接使用中，没有预紧力或预紧力不够时，起不到真正的连接作用，一般称之为欠拧；但过高的预紧力或者不可避免的超拧也会导致螺纹连接的失败。众所周知，螺纹连接的可靠性是由预紧力来设计和判断的，但是，除在实验室可以测量外，在装配现场一般是不易直观的测量。螺纹紧固件的预紧力则多是采用力矩或转角的手段来达到的。因此，当设计确定了预紧力之后，安装时采用何种控制方法？如何规定拧紧力矩的指标？则成为关键重要问题，这就提出来了螺纹紧固件扭（矩）拉（力）关系的研究课题。螺纹紧固件扭拉关系，不仅涉及到扭矩系数、摩擦系数（含螺纹摩擦系数和支撑面摩擦系数）、屈服紧固轴力、屈服紧固扭矩和极限紧固轴力等一系列螺纹连接副的紧固特性的测试及计算方法，还涉及到螺纹紧固件的应力截面积和承载面积的计算方法等基础的术语、符号的规定。并且也还必须给出螺纹紧固件紧固的基本规则、主要关系式以及典型的拧紧方法。目前，这些内容 ISO/TC2 尚无相应的标准，德国工程师协会早在七十年代就发表了 DVI2230高强度螺栓连接的系统计算技术准则。日本也于 1987 和 1990 年发布了三项国家标准，尚未查到其他国家的标准。国内尚未发现相应的行业标准，仅少数企业制定了企业标准。尤其是随着引进技术的国产化不断的拓展和螺纹紧固件技术发展的需要，这一需求日趋迫切。这也就是制定此项标准的初衷。李肥翔：六角螺栓车总长装置设计21.3 弹簧夹头的现状和应用现状在现代复杂的制造环境中，想在最佳状态下保持连续切削加工，大多数工厂都必须经过机床制造商的严格培训，认真学习新设备的加工运动原理、结构特征和使用技巧，方能进行操作使用。尤其对于顶端的技术系统，更是如此。例如，先进的机床控制系统，复杂形状零件的 5 轴加工程序的汇编等。庆幸的是，有一种与此相反的处理方案，这就是截止目前已经开发出的一些功能强大、精度高，但又容易操作(勿须专门培训)和使用寿命长的工艺装备。用以快速定位、夹紧工件(或刀具)的相对卡盘定位精度高的弹簧夹头(或称弹簧套)就属于这一范畴。它具有 100 多年的悠久历史和很广阔的应用范围。 第一个弹簧夹头的使用并不是很理想的。但当时确实证明了一个事实，一个好的工件夹头的使用，能提高生产效率和加工零件精度。后来，在车床开发制造领域享有盛名的 Hardinge 公司，在 1901 年骄傲地在他们开发的车床上使用了(于 1890 年)由本公司研制成功，用以提供工件定位与夹紧的弹簧夹头，并将他们的产品图纸和开发的系列产品向外公布。当时主要是为适应钟表和透镜制造业大批量生产的市场需要而开发的。能如此好地为早期(1920 年前)的普通车床与凸轮式多轴自动车床提供得心应手的弹簧夹头产品，的确令人难以置信。这就如同在现在的先进的 CNC 车床上配置一套现代化技术的控制系统。 让我们回顾以往，随着加工与设备技术的不断进步，在要求各个系统都能极高地提高生产效率的设计改革潮流中，对作为机床的最基本但又很重要的工艺装备弹簧夹头，却从没有给以设计的空间和时间。这似乎是件非常奇怪的事情。 在机床结构也在以飞快速度变换着的形势下，能继续保持原弹簧夹头基本结构保持不变的这一奇迹，主要归功于它特具有的灵巧、精致的结构和功能强大、使用方便以及经济性好等特点。弹簧夹头虽小，但在机床工业中确实起到了很重要的作用，这是都是由于它具有以下很强的功能：1. 能精确地定位与夹紧工件(或刀具)，具有抵抗扭矩和承受来自多方向切削力的功能。2. 具有增大驱动力(拉力)和转换驱动力为工件(或刀具)夹紧力的功能。 3. 具有快速松开工件(或刀具)的功能。 4. 具有在不降低加工精度和使工件不受损害前提下的高重复精度。 5. 具有能在较宽的主轴转速范围内工作与只有极小的夹紧力损失的能力。 安徽工程大学毕业设计（论文） 3第第 2 章章 气压传动方案气压传动方案2.1 方案的提出该课题的传动方案可以分为气动式，液压式，和机械式三类。采用方式不同，结果会有非常明显的区别。方案一：机械传动通用的机械传动有齿轮传动、链传动、带传动、蜗杆传动等。适用于精密传动场合，加工、安装、调整的精度要求高，因而成本较高。无过载保护，需专门加工设备。方案二：气压传动气压传动简称气动，是指以压缩空气为工作介质来传递动力和控制信号，控制和驱动各种机械和设备。主要优点有：（1）空气随处可取，取之不尽，无介质费用和供应上的困难；（2）用后的空气直接排入大气，对环境无污染，处理方便，不必设置回收管路，因而也不存在介质变质、补充及更换等问题；（3）空气粘度小(约为液压油的万分之一)，在管内流动阻力小，压力损失小，便于集中供气和远距离输送。即使有泄漏，也不会严重影响工作，不会污染环境；（4）气动元件结构简单、制造容易，适于标准化、系列化、通用化；（5）气动系统对工作环境适应性好，特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣工作环境中工作时，安全可靠性优于液压、电子和电气系统；（6）.排气时气体因膨胀而温度降低，因而气动设备可以自动降温，长期运行也不会发生过热现象。同时，它亦有相应的缺点，如由于空气的可压缩性大，所以气动系统的稳定性差，负载变化时对工作速度的影响较大，速度调节较难；气压传动系统工作压力低，输出力较小，且传动效率低等。方案三 ：液压传动相比于气动，液压传动优点有：（1）传动平稳 在液压传动装置中，由于油液的压缩量非常小，在通常压力下可以认为不可压缩，依靠油液的连续流动进行传动。油液有吸振能力，在油路中还可以设置液压缓冲装置，故不像机械机构因加工和装配误差会引起振动扣撞击，使传动十分平稳，便于实现频繁的换向；（2）质量轻体积小 液压传动与机械、电力等传动方式相比，在输出同样功率的条件下，体积和质量可以减少很多，因此惯性小、动作灵敏；（3）液压元件能够自动润滑 由于采用液压油作为工作介质，使液压传动装置能自动润滑，因此元件的使用寿命较长；（4）简化机构 采用液压传动可大大地简化机械结构，从而减少了机械零部件数目；（5）便于实现自动化 液压系统中，液体的压力、流量和方向是非常容易控制的，再加上电气装置的配合，很容易实现复杂的自动工作循环。李肥翔：六角螺栓车总长装置设计4缺点：（1）不适宜远距离输送动力 由于采用油管传输压力油，压力损失较大，故不宜远距离输送动力；（2）油液中混入空气易影响工作性能 油液中混入空气后，容易引起爬行、振动和噪声，使系统的工作性能受到影响；（3）油液受温度的影响 由于油的粘度随温度的改变而改变，故不宜在高温或低温的环境下工作。2.2 整体方案的分析、比较与确定从以上的三个方案可以看出：方案一的机械传动多用于工业精密传动以及对速度的控制有严格要求的场合，故其不适用于此处系统的传动。相比较，液压与气压传动更加适合。据分析可知，六角螺栓车总厂装置设计的主要工序有：上工件、气压顶紧、车总长、下工件等动作。整个工作的过程要求动作平稳、尽量避免噪声的产生。因生产效率要求，夹具的开合次数会非常的频繁，需要考虑到夹具的使用寿命，震动、撞击的因素应该避免；此外，该处的动力输送距离不远，并且综合该厂的生产环境要求清洁，而且，该过程对动力大小要求并不高，气动就已经能满足，综上所述，选择方案二气压传动比较合适。综上，采用方案二气压传动方式，至此，有关传动方案就已确定。安徽工程大学毕业设计（论文） 5第第 3 章章 气缸的确定气缸的确定3.1 气缸的选择3.1.1 气缸的使用要求 1）气缸的一般工作条件是：周围环境及介质温度 5600，工作压力 0.40.6Mpa（表压） 。超出此范围时，应考虑使用特殊密封材料及十分干燥的空气。 2）安装前应在 1.5 倍的工作压力下试压，不允许有泄漏。 3）在整个工作行程中负载变化较大时，应使用有足够出力余量的气缸。 4）不使用满行程工作，特别在活塞伸出时以避免撞击损坏零件。 5）注意合理润滑，除无油润滑气缸外应正确设置和调整油雾器，否则将严重影响气缸的运动性能甚至不能工作。 6）气缸使用时必须注意活塞杆强度问题。由于活塞杆头部的螺纹受冲击而遭受破坏，大多数场合活塞杆承受的是推力负载,必须考虑细长杆的压杆稳定性和气缸水平安装时活塞杆伸出因自重而引起活塞杆头部下垂的问题。安装时还要注意受力方向，活塞杆不允许承受径向载荷。 7）活塞杆头部连接处,在大惯性负载运动停止时,往往伴随着冲击,由于冲击作用而容易引起活塞杆头部遭受破坏。因此,在使用时应检查负载的惯性力,设置负载停止的阻挡装置和缓冲装置,以及消除活塞杆上承受的不合理的作用力。 3.1.2 气缸的选择要点 1）根据气缸的负载状态和负载运动状态确定负载力 F 和负载率，再根据使用压力应小于气源压力 85的原则，按气源压力确定使用压力 P。对单作用缸按杆径与缸径比为0.5，双作用缸杆径与缸径比为 0.30.4 预选，并根据公式便可求得缸径 D，将所求出的 D 值标准化即可。如 D 尺寸过大，可采用机械扩力机构。 2）根据气缸及传动机构的实际运行距离来预选气缸的行程,为便于安装调试，对计算出的距离以加大 1020mm 为宜，但不能太长，以免增大耗气量。 3）根据使用目的和安装位置确定气缸的品种和安装形式。可参考相关手册或产品样本。4）活塞(或缸筒)的运动速度主要取决于气缸进、排气口及导管内径，选取时以气缸进排气口连接螺纹尺寸为基准。为获得缓慢而平稳的运动可采用气液阻尼缸。普通气缸的运动速度为 0.51ms 左右，对高速运动的气缸应选用缓冲缸或在回路中加缓冲。李肥翔：六角螺栓车总长装置设计63.2 气缸各机构数据计算3.2.1 气缸的作用力大小(1)气缸作用力的大小： 根据工作所需力的大小来确定活塞杆上的推力和拉力。由此来选择气缸时应使气缸的输出力稍有余量。若缸径选小了，输出力不够，气缸不能正常工作；但缸径过大，不仅使设备笨重、成本高，同时耗气量增大，造成能源浪费。在夹具设计时，应尽量采用增力机构，以减少气缸的尺寸。 下面是气缸理论出力的计算公式： 22*10*4FDPF：气缸理论输出力(kgf) F：效率为 85%时的输出力(kgf)-(FF85%） D：气缸缸径(mm) P：工作压力(kgf/cm2) 通常在工程中确定输出力的大小时，可直接查阅经验图 3-1、图 3-2。 图 3-1 气缸输出力经验图安徽工程大学毕业设计（论文） 7图 3-2 气缸输出力经验图例：直径 340mm 的气缸，工作压力为 3kgf/cm2 时，其理论输出力为多少?芽输出力是多少? 将 P、D 连接，找出 F、F上的点，得： F2800kgf；F2300kgf 3.2.2 活塞(或缸)的运动速度 活塞运动速度与气源压力、负载、摩擦力、进排气管接头通径等有密切关系。其中，以排气速度影响最大。如果要求活塞杆高速运动时，应选用内径较大的进、排气口及导管、通常为了得到缓慢的、平稳的活塞杆运动速度，可选用带节流装置的或气-液阻尼装置的气缸。节流调速的方式有：当水平安装的气缸去推负载时，推荐用排气节流；如果用垂直安装的气缸举升重物时，则选用带缓冲装置的气缸。 从下列的图 3-3 和图 3-4“阀的有效截面积及气缸速度”的关系里，可以根据气缸的缸径和使用速度来选择用于控制气缸的控制元件阀的有效截面积，并由此来判断阀的通径大小。 使用方法，纵轴上表示气缸的速度，由此引出水平线，找出与计划使用的气缸尺寸的交点，由此交点引垂直线，便可从横轴的交点上得知所需的有效截面积。根据有效载面积选择较适合的阀。 上述气缸速度为仅考虑了电磁阀的有效截面积而计算出的数值。请注意这里未考虑调速器、配管、管接头等回路因素和气缸的负荷率等。 李肥翔：六角螺栓车总长装置设计8图 3-3 活塞杆径与活塞杆最大计算长度()之间的关系图 3-4 活塞杆径与活塞杆最大计算长度()之间的关系(4)安装形式的选择： 由安装位置、使用目的等因素决定。在一般场合下，多用固定式气缸。在需要随同工作机构连续回转时(如车床、磨床等)应选用回转气缸。在除要求活塞杆做直线运动外，又要求缸作较大的圆弧摆动时，则选用轴销式气缸。仅需要在 360或 180之内作往复摆动时，应选用单叶片或双叶片摆动气缸，另有特殊要求，应选用相适当的特种气缸和组合式气缸。 选择可参照图 3-5。安徽工程大学毕业设计（论文） 9图 3-5 气缸的基本类型和安装方式(5)气缸的空气消耗量： 空气消耗量是操作费用的一部分，图 1-6 是根据以下公式计算的空气消耗。 24*104QDSP：每厘米行程空气消耗量(/) D：活塞或活塞杆直径(mm) ：气缸行程(此外为常数 10mm) P：操作压力(kgf/cm2) 利用此公式计算的空气消耗量为近似值，因为有时在气缸室内的供应空气，并不完全排放(特别是在高速状态下)，实际所需消耗量可能稍低于图上所读出的数据。 例：气缸50500，活塞直径 50mm，活塞杆径 20mm，行程 500mm，操作压力45。 求：空气消耗量。 解：选出所给活塞直径，定出该水平线与操作压力线之交点，空气消耗量随即可从横座标读出，读出之值再乘该气压缸之行程()。上述步骤读出之值给为001/行程，则单行程之空气消耗量为 451，对回程而言，活塞杆之体积必须扣除 20直径为 00141/行程50行程01)因此回程空气消耗量为38，来回行程之空气消耗量为 83。 李肥翔：六角螺栓车总长装置设计10图 3-6 气缸空气消耗量3.2.3 气缸的选择根据汽缸的选择要求：（1）周围环境及介质温度 5600，工作压力0.40.6Mpa（表压） 。超出此范围时，应考虑使用特殊密封材料及十分干燥的空气。（2）安装前应在 1.5 倍的工作压力下试压，不允许有泄漏。 （3）在整个工作行程中负载变化较大时，应使用有足够出力余量的气缸。 （4）不使用满行程工作，特别在活塞伸出时以避免撞击损坏零件；（5）根据气缸的负载状态和负载运动状态确定负载力F 和负载率，再根据使用压力应小于气源压力 85的原则，按气源压力确定使用压力P。对单作用缸按杆径与缸径比为 0.5，双作用缸杆径与缸径比为 0.30.4 预选；（6）根据气缸及传动机构的实际运行距离来预选气缸的行程,为便于安装调试，对计算出的距离以加大 1020mm 为宜，但不能太长，以免增大耗气量。结合现在市场状况以及工作时汽缸要求，初选德国 Festoon 带活塞汽缸。有关型号参数见下表 3-1表 3-1 型材式和拉杆式气缸型号功能直径（mm）力（N）行程（mm）缓冲PPPV感测标准说明双作用32.100483.47122.2000-+1.ISO 155522.经济型标准安装，无派生型3.最接近开关齐平安装4.附件品种齐全双作用32.125483.736310.20000+01.ISO 155522.派生型众多3.三侧都有型材槽4. 接近开关齐平安装5.附件品种齐全安徽工程大学毕业设计（论文） 11双作用32.125483.736310.2000-+1.ISO 15552、ISO64312.拉杆式气缸，结构坚固3.使用安装组件安装接近开关4. 附件品种齐全双作用32.125483.736310.2000-+01.ISO 155522.易清洗结构3.增强了耐腐蚀性能4. 可选择集成位置感测或附加位置感测双作用32.125483.736310.2000+-+1.ISO 212872.标准尺寸的紧凑型气缸3.和标准气缸比，派生型更多4. 结构特点：节省空间双作用32.125483.736310.2000+-+1.ISO 155522.易清洗结构3.增强了耐腐蚀性能4. 可选择集成位置感测或附加位置感测双作用32.125483.736310.2000+-+1.ISO 212872.经济型标准气缸，无派生型双作用32.125483.736310.2000+-+1.节省空间2.符合 ATEX 指令的特定形式，可用于有潜在爆炸危险的工作环境结合实际的安装方式和汽缸的行程，最终选用的缸径为 50mm，行程为 160mm。对应的型号为标准型汽缸 DNC-50-160-PPV.二维图 3-8 如下：李肥翔：六角螺栓车总长装置设计12三维图 3-9 如下：至此，气压传动系统元器件的选型结束。安徽工程大学毕业设计（论文） 13第第 4 4 章章 弹簧夹头的设计弹簧夹头的设计4.1 弹簧夹头的使用和制造4.1.1 何时使用弹簧夹头弹簧夹头的优缺点：重量轻加速快受离心力的影响小同心度高快速夹持零件更换时可快速调换夹头适合的工件尺寸范围有限轴向尺寸长更适合小型零件更适合直径尺寸一致的工件。 三爪电动卡盘是大多数车床用户的标准工件夹持装置，这种卡盘具有足够的通用性，可应用于多种车削加工。然而，它不是所有加工任务的最佳夹具。弹簧夹头是一种备用工件夹持装置，与卡爪卡盘相似，也用机械力固定需要车削的零件。虽然弹簧夹头所提供的工件尺寸范围没有卡爪卡盘的宽，对于某些加工任务来说，它所提供的与速度、准确度和生产力有关的优势也许是极其重要的。 何种夹具的功效更好，做决定时需要考虑几个因素。对于一项给定的车床加工任务，衡量选用弹簧夹头还是卡爪卡盘，需要考虑以下的所有因素。 主轴负载容量车床主轴的最大允许重量基于轴承负载容量，如果夹盘和工件组合的重量太大，轴承有可能超负荷。对于那些存在超出限度的危险的加工任务，这种危险性可能决定人们对工件夹具的选择，卡爪卡盘往往比同等的弹簧夹头的重量大，因此，在需要控制重量的场合，弹簧夹头是恰当的选择。 主轴速度弹簧夹头往往是以非常高的主轴速度进行车削时的较好选择，主要有两个原因： 一个原因与卡盘的质量有关，假定以相同的主轴马力驱动卡爪卡盘和弹簧夹头，较厚重的卡爪卡盘需要更长的时间来加速达到所需的速度，加速时间长将延长工作周期，降低生产力。 另一个原因与离心力有关，因为它随着 rpm 平方值的增加而增加，所以，在高速切削的情况下，这个数值很重要。例如，将主轴速度加倍，离心力将为原来的四倍。这种力量将卡盘卡爪拉离中心，往往会降低夹持力。但采用弹簧夹头，离心力不会造成明显的影响。因而，在整个加工速度范围内夹持力会更加稳定。 加工操作弹簧夹头在零件的整个圆周施加夹持力，而不是仅在选定的接触区域，因而，可获得很好的同心度，这一点对于二次加工的项目尤其重要，二次加工需要考虑与一次加工有关的精确度，因为弹簧夹头的准确夹持能力强，即使卡爪卡盘用于一次加工时，弹簧夹头也可用于二次加工。带有空心软卡爪的卡盘可达到 0.0006 至0.0012 英寸范围内的 TIR(总读数)重复精度，而弹簧夹头的典型重复精度为 0.0005 英寸 TIR 或更好，为了进一步提高二次加工精度，在安装过程中，还可调整弹簧夹头的同心度。 工件尺寸弹簧夹头非常适合直径小于 3 英寸的工件采用。弹簧夹头对工件的长度有所限制，特别地，弹簧夹头限制机床的轴向(Z 轴)行程范围，因为它的长度比卡爪卡盘长。当工件的加工长度差不多需要用到机床的整个可用行程时，大概就要采用卡爪卡盘了。 加工批量大小很大批量和很小批量的加工任务均适合采用弹簧夹头。 在小批量和多种任务的加工场合，弹簧夹头的优势与产品转换时间有关，标准卡李肥翔：六角螺栓车总长装置设计14爪卡盘的卡爪调换约需 15 至 20 分钟，专用于快速更换的卡爪卡盘需要 1 分钟，而快速更换弹簧夹头的夹头调换只需要 15 至 20 秒，在产品变换频繁时，节省的时间累计起来是可观的。 当加工批量大时，可同样累积所节省的与夹持有关的时间，弹簧夹头所需的开合时间比卡爪卡盘的少，通过减少从一个工件转换至下一个工件的非切削时间，削减加工循环时间。 工件尺寸范围弹簧夹头开合更快的部分原因是它的驱动冲程较短，与卡爪卡盘相比，弹簧夹头所适用的工件尺寸范围更为有限。 次主轴情况装有次主轴的车削机床经常用于各种大批量加工，在这些应用中，弹簧夹头可显着节省加工时间。它们可在一个工作循环中加工零件的所有面，这些机床常与棒材进料器组合在一起，实现无人值守生产，连续加工工件。在这些应用中，对一个工件而言，所节省的夹盘驱动时间可能是很少的，但在整个生产过程中，每个工件节省时间与加工工件数相乘，累计起来所节省的时间是很可观的。 夹盘工具库当人们在卡爪卡盘和弹簧夹头之间选择一个最合适的工件夹持装置时，考虑第三个选项也是重要的。在许可的情况下，保留两种夹具，从一种更换至另一种可能是最具成本效益的方案。从卡爪卡盘换到弹簧夹头，或反之亦然，通常不超过 20分钟。卡爪卡盘可保留在机床上，以处理零件范围不确定的情况。但当机床加工大批量工件，或几批尺寸一致的零件时，采用弹簧夹头所获得的生产力提高，大大超过更换夹具花费时间造成的生产力损失。 实际上，弹簧夹头的速度是有弹性的，如果工件尺寸是一致的，弹簧夹头的速度会更快。如果工件尺寸的变化大，可能需要采用卡爪卡盘以适应尺寸范围宽的加工工件。材料类型对于热辊轧钢材、锻件和模压件，标准卡爪卡盘往往功效较好，因为所有这类零件具有固有的直径变化。另一方面，冷辊轧材料零件往往具有较好的尺寸一致性，因此，适合选用弹簧夹头。然而，缺乏一致的直径测量值不一定构成采用弹簧夹头的障碍，可提供设计用于非圆横截面的夹头，用于夹持制成客户所需形状的模压棒材。4.1.2 弹簧夹头的应用弹簧夹头必须保持与工件(或刀具)的定位基准相同如主轴。弹簧夹头和工件(或刀具)之间的相对运动将导致不正确的零件加工。弹簧夹头与工件(或刀具)的相对转动或相对轴向移动都会使加工工件尺寸的一致性和几何精度受到影响。在现代复杂的制造环境中，想在最佳状态下保持连续切削加工，大多数工厂都必须经过机床制造商的严格培训，认真学习新设备的加工运动原理、结构特征和使用技巧，方能进行操作使用。尤其对于顶端的技术系统，更是如此。例如，先进的机床控制系统，复杂形状零件的 5 轴加工程序的汇编等。庆幸的是，有一种与此相反的处理方案，这就是截止目前已经开发出的一些功能强大、精度高，但又容易操作(勿须专门培训)和使用寿命长的工艺装备。用以快速定位、夹紧工件(或刀具)的相对卡盘定位精度高的弹簧夹头(或称弹簧套)就属于这一范畴。它具有 100 多年的悠久历史和很广阔的应用范围。 第一个弹簧夹头的使用并不是很理想的。但当时确实证明了一个事实，一个好的工件夹头的使用，能提高生产效率和加工零件精度。后来，在车床开发制造领域享有安徽工程大学毕业设计（论文） 15盛名的 Hardinge 公司，在 1901 年骄傲地在他们开发的车床上使用了(于 1890 年)由本公司研制成功，用以提供工件定位与夹紧的弹簧夹头，并将他们的产品图纸和开发的系列产品向外公布。当时主要是为适应钟表和透镜制造业大批量生产的市场需要而开发的。能如此好地为早期(1920 年前)的普通车床与凸轮式多轴自动车床提供得心应手的弹簧夹头产品，的确令人难以置信。这就如同在现在的先进的 CNC 车床上配置一套现代化技术的控制系统。 让我们回顾以往，随着加工与设备技术的不断进步，在要求各个系统都能极高地提高生产效率的设计改革潮流中，对作为机床的最基本但又很重要的工艺装备弹簧夹头，却从没有给以设计的空间和时间。这似乎是件非常奇怪的事情。 在机床结构也在以飞快速度变换着的形势下，能继续保持原弹簧夹头基本结构保持不变的这一奇迹，主要归功于它特具有的灵巧、精致的结构和功能强大、使用方便以及经济性好等特点。弹簧夹头虽小，但在机床工业中确实起到了很重要的作用，这是都是由于它具有以下很强的功能：1.能精确地定位与夹紧工件(或刀具)，具有抵抗扭矩和承受来自多方向切削力的功能。2.具有增大驱动力(拉力)和转换驱动力为工件(或刀具)夹紧力的功能。 3.具有快速松开工件(或刀具)的功能。 4.具有在不降低加工精度和使工件不受损害前提下的高重复精度。 5.具有能在较宽的主轴转速范围内工作与只有极小的夹紧力损失的能力。 1，夹 紧 力总的来说，弹簧夹头的设计和使用是一个涉及面很宽的领域，它是需要相对应于多种机床系列，以及包括了为体现它与机床各自不同风格和特征 而设计的产品，所以总数已有成千上万。但是现在还有一个普遍的错误观念，认为弹簧夹头只用以夹紧圆柱形工件毛坯。这是不符合事实的，实际上它几乎能对任何形状的工件(或刀具)，包括正方形或六边形工件进行定位夹紧。 下面主要介绍影响各种弹簧夹头正确装夹定位和夹紧力的有关因素和工作原理。2，影响夹紧力的因素夹紧力是机床经弹簧夹头施加在工件上的力。本文中插图是一个在车床上使用的用以定位、夹紧工件的弹簧夹头 , 同样也可以被用来对刀具、磨削的工件实行 定位、夹紧或许多别的场合。拉杆(图中未示出)的外螺纹与弹簧夹头的后端内螺纹连接拉紧，产生轴向拉力。然后由机床主轴前端的被称为锁紧角的锥面，将轴向拉力转换成一垂直于弹簧夹头中心的夹紧力。不仅如此，夹紧力还可以通过锁紧角将其扩大，经过计算得知，根据不同的锁紧角，弹簧夹头夹紧力可扩大 3-4 倍。 弹簧夹头是一个结构简单的工艺装置，却有许多影响夹紧力的主要因素 。对于基本原理的了解可以帮助工件(或刀具)正确装夹和迅速查找故障。以下介绍几个影响夹紧力的主要因素和总结的使用经验：1.轴向作用力。如图所示为拉杆施于弹簧夹头的轴向拉力 。在弹簧夹头的使用中，轴向力拉力可由不同的方式施加，但其作用原理基本相同。很明显，大的轴向拉力将产生大的夹紧力，反之亦然。一般拉杆的轴向拉力可由操作员进行调整。 2.在弹簧夹头使用中，设计的锁紧角(或头部倾角)大小将决定着夹紧力经扩大后能达到的指标， 通常由机床制造商和弹簧夹头制造商决定。当弹簧夹头新的设计还正在探求之中， 从经济性和可靠性考虑， 设计师建议用户使用现有弹簧夹头结构。标准锥度(或头部倾角)已根据机床类型(如车床等)、使用条件(动态与静态)和用途(工件李肥翔：六角螺栓车总长装置设计16与刀具)不同，由设计时确定。3.工件(或刀具)与弹簧夹头之间的总摩擦力将直接 影响夹紧力。小的摩擦值将导致小的夹紧力，反之亦然 。弹簧夹头供应商能采取各种措施，克服弹簧夹头与工件(或刀具)之间的相对转动或轴向窜动等，比如弹簧夹头内孔有意制出锯齿形状或将硬质合金微晶粒浸渍在夹紧表面等。 4.主轴锥面与弹簧夹头在锁紧角处产生摩擦。其摩擦力大小也直接影响弹簧夹头对工件的夹紧力大小。摩擦力太小时夹紧力不够，太大的夹紧力，会加快弹簧夹头磨损。使用中弹簧夹头要经常松开实行工件交换，例如在车削加工中心上使用，需在松开时在弹簧夹头内孔表面喷涂一薄层润滑剂。有条件采用冷却剂润滑更好，因为冷却剂提供可冲洗弹簧夹头，而且润滑性效果好。尤其在锁紧角处定期施加冷却剂，则能减少长期磨损和增加夹紧力。一些更多润滑效果更好的材料也可以使用，包括有 EP(极限压力)特性的高质量润脂油或蜡基材料。似乎有些奇怪的是，一些聪明的操作者在加工难度大，而且在一般的冷却润滑的效果都不佳时，选用女士们使用的唇膏，据称效果很好。 5.选择合适的弹簧夹头名义直径尺寸，以保证弹簧夹头对工件的完全支撑是增大夹紧力和可靠夹紧保证高质量加工的必要条件。如果弹簧夹头的名义孔直径选择太大，工件仅仅由弹簧夹头的孔口部分将工件夹紧，将引起工件外圆和弹簧夹头内孔之间几何形状的不匹配，因而降低夹紧力。如果如果夹头名义孔直径选择太小，只有头部倾角的内部与工件接触，相对而言，夹紧力增大，但引起夹头与工件的不同心问题。在一个名义尺寸下，它可对名义直径相同的工件进行装夹定位。当选择弹簧夹头名义的孔径尺寸，Hardinge 公司推荐指标为能在 0.0254mm 范围发生变化 。由切削试验和多年的使用实际证明，弹簧夹头能满足切削速度日益增长着的加工需要和有很长的使用寿命。我们知道，在 100 多年前主轴转速一般按每分钟几百转计量。今天，主轴转速高达每分钟数万转，材料切除率也以惊人的速度递增。在 100 多年来的成功使用中，尽管使用了许多先进的高端制造技术，和能在很高的主轴转速条件下加工，但仍都还使用着现有结构的弹簧夹头。这在制造业中的确是罕见的，也确实是 Hardinge 公司人应该倍感骄傲的地方。安徽工程大学毕业设计（论文） 174.1.3、弹簧夹头提出问题及提出解决问题的方案以前加工轴承套圈的弹簧夹头是下图 4-1 所示的整体式结构, 由头部- 卡爪 L 1; 簧瓣包括头部在内的弹性部分 L 2; 导向部分 L 3 组成。弹簧夹头夹紧工件用头部L 1, 夹头弹性变形用簧瓣 L 2, 夹头导向用 L 3。图 4-1 以前的弹簧夹头结构但是在长期的使用过程中, 当夹头磨损超过一定限度就会出现夹不牢工件现象, 直接影响加工精度和生产效率, 这时弹簧夹头报废，无形中增加了夹具的制造成本，造成了巨大的经济损失。要想提高夹头的耐磨性, 就必须提高夹头的硬度, 而硬度过高夹头弹性减弱, 簧瓣易断, 为此我针对此问题设计了镶块式弹簧夹头。4.1.4、弹簧夹头的改进镶块式弹簧夹头的结构如下图 4-2 所视, 它是由两部分组成的, 一部分是夹头体, 另一部分是卡块, 二者通过螺钉相联接。夹头体有六个簧瓣, 工作时靠簧瓣的弹性变形来完成夹紧和松开动作, 夹头体材料选用 65M n, 淬火硬度 40 45 HRC, 以保证夹头的弹性; 而卡块安装在夹头的爪部, 直接接触工件, 卡块是易磨损件, 卡块材料可采用 GCr15, 淬火硬度 60 62 HRC, 以增加耐磨性。镶块式弹簧夹头在使用中曾出现过以下几个问题:(1) 由于夹头制造误差容易出现偏心, 车加工后的套圈会出现壁厚差超差现象。(2) 卡块任意装入夹头后, 测出卡块圆度不好, 用这样的卡块夹紧套圈, 被加工后的套圈也会出现壁厚差超差现象。制造时必须想办法加以克服。李肥翔：六角螺栓车总长装置设计18 图 4-2 镶块式弹簧夹头（1- 夹头体; 2- 卡块）4.1.5、在加工夹具体和夹具头时对加工精度的保证1、精车夹头的圆锥面, 用螺纹胎保证车加工精度夹头体在精车完各个面, 并钻完等分孔后, 再车圆锥面, 车圆锥面时以螺纹面为定位基准, 我们设计一种螺纹胎, 它可以保证车圆锥面时车加工精度。加工原理如下图 4-3 所示, 首先把夹头拧到螺纹胎上,然后把螺纹胎装到机床主轴上, 最后用托板上的小刀架进行切削。图 4-3 夹头外锥面车加工示意图2、铣等分槽：在铣削加工夹头上的分槽时，先用立铣刀铣 20 mm 40 mm 六等分槽, 然后再用片铣刀铣分瓣用的宽 3 mm 六等分窄槽,但是此槽不能铣通, 端面留有3 4 mm 连筋, 使夹头体还是整体, 保证夹头热处理后不变形及磨加工夹头各个定位面的加工精度, 其加工原理如下图 4-4 所示：安徽工程大学毕业设计（论文） 19图 4-4 夹头定位面加工原理在以上加工之后要对夹具进行热处理，但处理的部位要合理，夹头头部、尾部需淬火, 其硬度大概为 40 45HRC, 夹头中间部分不淬火, 以保证夹头弹性。3、磨削夹头圆锥面：在磨削加工夹头圆锥面的时候同样用螺纹胎保证磨加工精度。圆锥面是夹头夹紧过程中的一个重要的定位面, 圆锥面精度的好与坏, 直接影响整个夹头的精度,设计一套磨加工用螺纹胎夹紧卡头, 定位基准还是选用螺纹面, 其磨削原理如下图4-5 所示,磨完后的圆锥面相对于螺纹面同轴度可达 0. 1mm。图 4-5 圆锥面的磨削原理4、磨削夹头内径： 用磨内径胎保证磨削加工的精度，夹头的内径也是一个定位面, 用夹头内径夹持卡块, 再用卡块夹紧工件, 所以内径的精度也直接影响被加工工件的精度, 这就要求内径和圆锥面必须同轴。我们设计一种特制的磨内径胎具夹紧夹头, 此胎是以圆锥面定位, 其磨削原理如下图 4-6 所示。磨削后夹头的内径相对于圆锥面同轴度一般可达 0. 02mm。夹头头部六瓣切开, 然后回火涨大李肥翔：六角螺栓车总长装置设计20图 4-6 夹头内孔的磨削原理5、磨夹头导向面：同样使用螺纹胎保证磨加工精度，导向面在夹头中起导向作用, 要求导向面和圆锥面必须同轴。还是用磨圆锥面时用的螺纹胎夹紧夹头, 其磨削原理如下图 4-7 所示。磨削后的导向面相对于圆锥面同轴度可达 0. 04 mm。夹头的精度是通过以上五个部分的加工工艺及保证措施来达到的, 但是装在夹头里面的卡块精度的好与坏也直接影响整个夹头的精度。图 4-7 夹头导向面的磨削原理4.1.6、卡块的加工工艺及其精度的保证1、铣等分口：由于夹头体是六瓣, 所以卡块也是六瓣一组,在铣六等分口时, 口先不铣透, 径向留有 3 4 mm 连筋, 使一组里的六个卡块还是一体, 保证淬火后磨加工时一组卡块的尺寸和精度一致, 铣削原理如下图 4-8 所示，一次可以铣削五 六个工件。给每套卡块标注规格、组号, 再按顺序给每一组里的每一块卡块标注顺序号，卡块材料选用轴承钢, 淬火硬度一般为 60 62HRC。安徽工程大学毕业设计（论文） 21图 4-8 卡块六分口的铣削原理2、径磨：要求每组卡块内径、外径必须同轴。首先磨内径, 磨一批活时内径尺寸要一致, 然后磨外径, 磨外径时用内径定位, 保证内、外径同轴。我们设计一个长 150mm , 前后锥度差 0. 02 0. 03mm 的芯棒。先把工件插紧在芯棒上, 然后把芯棒用顶尖顶上, 最后在万能磨床上磨削外径, 其磨削原理如下图 4-9 所示, 磨削后卡块内、外径同轴度可达 0. 02 mm。图 4-9 磨削卡块外径原理3、切开六瓣, 并去毛刺：镶块式夹头的中心定位精度除了取决于夹头体和卡块的制造精度之外, 应该注意以下几点:(1) 更换规格时, 只换卡块, 不换夹头体; 夹头磨损后也只换卡块。(2) 卡块必须分为 6 个一组, 成组保管, 成组使用, 不得混用。(3) 安装卡块时必须按顺序号排列, 否则会破坏卡块自身精度, 车加工后的套圈会出现壁厚差超差现象。李肥翔：六角螺栓车总长装置设计224.2 弹簧夹头的工艺4.2.1 弹簧夹头的热处理夹头作时,其柄部在锁紧套的作用下对夹头头部施加一个锁紧力,这就要求其柄部必须具有很好的弹性和韧性,否则柄部将因壁薄而易夹头头部夹紧钢令,使头部受力很大,目要频繁装卸钢令,因此要求其头部必须耐磨。我们选用弹簧钢 65Mn 或 60Si2Mn 作为夹头材料。此类材料硬度在 4045HRC 范围内具有良好的弹性,硬度大于时有良好的耐磨性。因此,我们将夹头柄部硬度定为 4045HRC,头部硬度定为 56-60HRC,夹头形状如图 4-10 所示图 4-10 弹簧夹头示意图1.热处理工艺的制定和分析65Mn,60Si2Mn 材料具有良好的淬透性,但易产生氧化脱碳和晶粒长大,因此要严格控制理淬火加热温度和保温时间。由于夹头头部和的热处理技术要求不同,所以不能采用常规热处理方法,而采用淬火+低温回火+局部回火。淬火+低温回火工艺如图 4-11 所示图 4-11 淬火+低温回火工艺图通过淬火+低温回火，可保证整个夹头硬度56HRC。进行淬火+低温回火后，再对其进行局部回火。局部回火在硝盐炉内进行。回火时要注意对过渡区的控制，通过专用工序，保证夹头过渡区下部 10mm 左右浸在硝盐中，具体示意见图 4-11。安徽工程大学毕业设计（论文） 23图 4-11 弹簧夹头回火工艺示意图过渡区位置既不能太靠近头部偏上,也不能在柄部，太靠近头部偏上,将影响头部硬度；过渡区在柄部,造成柄部和头部结合处硬度高,易在此处发生断。同时工件在硝盐炉中停留时间太长，否则热量通过柄部传导，将降低头部硬度。局部回火只能采用高温快速回火。2回火温度和时间的确定 回火是受扩散控制的,组织转变取决于温度和时间,但温度是主要的,所有回火转变都在一定范围内发生。在该范围内,用较低的温度、较长的时间与较高温度、较短时间发生的转变相比可能有相同的效果。高温快速回火正是基于这一点提出的。根据实践经验,要获得相同硬度值,高温快速回火比常规回火温度高 100200。由于要求柄部硬度为,所以我们将高温回火温度定为（500 士 10）然后通过分组试验确定回火时间。结果见下表 4-1。表 4-1 回火温度和时间的关系回火温度回火时间/s柄部硬度 HRC头部硬度 HRC550103052-555861550105048515860550107044475759550109042-4457-593热处理具体步骤1，在 600盐浴中预热，预热时间以每厘米 0.5 分钟计。2，取出后放到 860-870盐浴中加热，加热时间以每厘米 0.250.3 分钟计。3，取出后立即投入 180左右的硝酸盐浴中冷却，或投入油槽中冷却。4，冷到室温后，放到 180-200的硝酸盐浴中回火一次，以去除淬火应力并增加工件的韧性，回火时间以 60 分钟（如果是油淬，要清洗后再回火。 ）5，把工件后面部分浸入 550的硝酸盐浴中快速加热，加热时间以每厘米 813 秒钟计，加热后，取出投入油槽中冷却。6，取出清洗，吹砂。李肥翔：六角螺栓车总长