90度弯头坡口端面组合铣床设计（专用夹具）【含CAD图纸+PDF图】
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山西工程技术学院-毕业设计说明书山西工程技术学院毕业设计说明书毕业生姓名：魏恒专业：机械设计指导及其自动化学号：150514024指导教师：赵彤涌所属系（部）：机械电子工程系二一九年六月2190度弯头坡口端面组合铣床设计（专用夹具）摘 要针对目前加工钢管坡口方法的质量差、成本高、效率低、劳动强度大、质量难以控制等问题，设计了一种90度弯头坡口端面加工组合机床以及专用夹具。利用该设备可实现90度弯头坡口端面的可靠定位及夹紧，完成循环加工过程。较大地降低劳动强度，提高生产效率，为90度弯头的坡口加工提供了可靠的技术保证，具有良好的经济效益和应用价值。机械制造过程及检测，检验中，都要使用大量的夹具。夹具是能够使产品按一定的技术要求准确定位和牢固夹紧的工艺装置，它的主要用于保证产品的加工质量、减轻劳动强度、辅助产品检测、展示、运输等。因此，如何设计好机床夹具则成了机械制造的一项重要任务。 本文专门设计了一种铣床夹具,通过对夹具的定位方案,夹紧方案、对刀方案,夹具体与定位键的设计及加工精度等方面的分析和实践应用,证明能满足工艺和生产要求。关键词:90度弯头坡口；组合机床；专用夹具AbstractAiming at the problems of poor quality, high cost, low efficiency, high labor intensity and difficult quality control of the current method for processing steel pipe groove, a 90 degree elbow groove end face processing combined machine tool and a special fixture are designed. The equipment can be used to realize reliable positioning and clamping of the bevel end face of a 90-degree elbow and complete the cyclic processing process. It greatly reduces labor intensity, improves production efficiency, provides reliable technical guarantee for bevel processing of 90-degree elbow, and has good economic benefits and application value.A large number of jigs are used in the mechanical manufacturing process, testing and inspection. Fixture is a technological device that can accurately position and firmly clamp products according to certain technical requirements. It is mainly used to ensure the processing quality of products, reduce labor intensity, and assist product inspection, display, transportation, etc. Therefore, how to design the machine tool fixture has become an important task in mechanical manufacturing.This paper specially designs a kind of milling machine fixture. Through the analysis and practical application of the fixtures positioning scheme, clamping scheme, tool setting scheme, fixture body and positioning key design and machining accuracy, it is proved that it can meet the technological and production requirements.Key words:90 degree elbow groove; Modular machine tools; Special fixture1 绪论1.1 课题来源与意义这次毕业设计我所选的题目是：90度管弯头坡口端面组合铣床设计（专用夹具）。选这个课题是因为这是一个对组合机床进行设计的课题，而组合机床生产效率高，而且加工精度高。课题的主要内容是通过主轴传动及铣削动力头的设计实现对90度弯头两端坡口及端面的同时加工，一次性完成该工序。在消化和吸收国内有关研究成果的基础上，以理论计算分析为基础，以类比方法为辅助手段，采用常规设计与实践分析并重，计算机辅助计算与绘图完成预定的设计任务和设计要求。这台组合机床能极大的提高90度弯头的加工效率，并解决加工精度问题以便用于生产实践。在，国内的90度弯头市场仍旧保持着增长的态势，全行业的集中度有所提高，整个行业向着布局逐步合理的新的局面发展。从这个角度看来，90度弯头的市场发展前景还是比较好的。但是由于90度弯头的生产过程中，其主要原材料在生产成本中的比重很大，因此其价格的变化会直接影响到90度弯头的生产成本的变化。在未来的发展中，90度弯头的主要原材料价格还存在着进一步的下行空间，价格的变化也会导致整个90度弯头管件的显微组织和性能的剧烈变化。对于90度弯头的生产，大体经历了由粗放型向集约型，由复杂笨重型到简单便捷型，由作坊式的生产向工厂化生产发展的道路。现在，从90度弯头生产设备的改革过程来进行分析，在全球的范围中，由于受钢材市场的影响，在钢材市场依旧处于低迷状态的情况下，90度弯头的出口分流将会受到一定的阻力，对于国内的90度弯头市场的价格稳定有一些不利的影响。众所周知制造业作为我国的支柱产业，而制造业的主体和基础是机床行业，全球经济贸易的一体化对我国制造业的要求不断提高，然而各种技术壁垒已经阻碍了我国机床行业走向国际化，怎样刷新这被动局面，积极的应对挑战、抓住机遇、赢得发展的契机，成为机床行业普遍面临的问题。机床改造或者说对组合机床总体设计及其对应夹具设计的优化在汽车、机床、内燃机、航空等行业应用广泛，并批量投入生产。 对于属于多功能的组合机床，工业领域内有很多贴切的称呼来形容它，如 “多任务处理装置”、“多功能机床”、“多程序生产系统”等，它可谓是加工领域的新星，可降低成本和简化配置，过去只有使用多机操作才能完成的任务，现在可以集中到一台机床上加工完成，由于市场需求的不断变化，我们通过对机床总体设计及其对应夹具设计的优化，使产品的生产周期更短，效率更高，这是其一；由于产品的生命周期在不断缩短，故今天的市场更加强烈需求组合机床，这是其二；还有就是由于组合机床是一种技术综合性很高的高技术专用产品，根据用户的特殊要求而设计的，涉及到了加工工艺，刀具，测量，控制诊断监控，清洗，装配和试泄等技术，我国组合机床技术水平相对发达国家要落后一些，国内所需要的一些高水平组合机床都是从国外进口，工艺装备的大量进口势必导致投资规模的扩大，从而使产品的生产成本提高，这是其三；由以上三点得知，对组合机床总体设计及专门的夹具设计的优化势在必行。本次毕业设计的意义在于充分挖掘组合机床的可以提高机械加工效率、具有稳定加工精度、减少工人劳动强度、减少占地面积等优点。努力找出适合我国国情的组合机床发展道路，对比国内外先进加工工艺，找出不足，并提出可行性策略方案和建议。1.2 组合机床的特点组合机床是由大量的通用部件和少量专用部件组成的工序集中的高效率专用机床。它能够对一种(或几种)零件进行多刀、多轴、多面、多工位加工。在组合机床上可以完成钻孔、扩孔、铣削磨削等工序，生产效率高，加工度稳定。 组合机床与通用机床、其他专用机床比较，具有以下特点: (1) 组合机床上的通用部件和标准零件约占全部机床零、部件总量的7080%，因此设一计和制造的周期短，投资少，经济效果好。 (2) 由于组合机床采用多刀加工，并且自动化程度高，因此比通用机床生产效率高，产品质量稳定，劳动强度低。 (3) 组合机床的通用部件是经过周密设计和长期生产实践考验的，又有专门厂成批制造，因此结构稳定、工作可靠，使用和维修方便。 (4) 在组合机床上加工零件时，由于采用专用夹具、刀具和导向装置等，加工质量靠工艺装备保证，对操作工人水平要求不高。 (5) 当被加工产品更新时，采用其他类型的专用机床时，其大部分件要报废。用组合机床时，其通用部件和标准零件可以重复利用，不必另行设计和制造。(6) 组合机床易于联成组合机床自动线，以适应大规模的生产需要。组合机床常用的通用部件有:机身、底座、立柱、动力箱、动力滑台，各种工艺切削头等。对于一些按循序加工的多工位组合机床，还具有移动工作台或回转工作台。动力箱、各种工艺切削头和动力滑台是组合机床完成切削主运动或进给运动的动力部件。其中还有能同时完成切削主运动和进给运动的动力头。机身、立柱、中间底座等是组合机床的支承部件，起着机床的基础骨架作用。组合机床的刚度和部件之间的精度保持性，主要是由这些部件保证。1.3 组合机床的方案选择1.3.1 制定工艺方案 要深入现场了解被加工零件的加工特点、精度和技术要求、定位夹紧情况以及生产率的要求等。确定在组合机床上完成的工艺内容及其加工方法。这里要确定加工工步数，决定刀具的种类和型式。1.3.2 机床结构方案的分析和确定 根据工艺方案确定机床的型式和总体布局。在选择机床配置型式时，既要考虑实现工艺方案，保证加工精度，技术要求及生产效率;又要考虑机床操作、维护、修理是否良好;还一要注意被加工零件的生产批量，以便使设计的组合机床符合多快好省的要求。3.组合机床总体方案这里要确定机床齐部件间的相互关系，选择通用部件的刀具的导向，计算切削用量及机床生产率。给制机床的总联系尺寸图及加工示意图等。4.组合机床的部分方案和施工方案制定组合机床流水线的方案时，与一般单个的组合机床方案有所不同。流水线上由于工序的组合不同，机床的型式和数量都会有较大的变化。因此，这时应按流水线进行全面考虑，而不应将某一台或儿台机床分裂开来设计。2 组合机床方案的确定2.1 被加工零件的加工精度和加工工序分析此机床设计是为加工5吋90度管弯头的坡口和端面，以便于和其他零件焊接在一起，所以要求的加工精度为自由精度。弯头的两个端面和坡口是同时加工的。由于是自由精度，垂直度平行度不做更高要求。被加工零件需要在组合机床上完成的加工工序及应保证的加工精度，是制定组合机床方案的主要依据。平面加工精度：在组合机床上加工平面，通常采用铣削方法。由机械制造技术基础（P214）书中，加工经济精度可定义为：在正常的加工条件下（使用符合质量标准的设备、工艺装备和标准技术等级的工人，合理的工时定额）所能达到的加工精度和表面粗糙度。2.2 被加工零件材料特点分析 被加工零件的毛坯为低碳钢件，材料为15钢，硬度低，工件为薄壁件，不需很大进给量，铣削时产生的切削热对工件加工精度不会产生影响。15号钢用途:制作渗碳零件、紧固件、冲锻模件及不需热处理的低负荷零件，如螺栓、螺钉、拉条、法兰盘及化工用贮器、蒸汽锅炉等。2.3 零件的定位与夹紧分析先介绍一下定位原理，即六点定位原则，采用六个定位支承点合理布置，使工件有关定位基面与其相接触，每一个定位支承点限制了工件在空间的位置被唯一的确定。根据六点定位原则，定位方法有两种，完全定位和不完全定位。当工件定位时6个自由度完全被限制，称为完全定位。当工件定位时6个自由度有1个或1个以上自由度未被（也不需要）限制，称为不完全定位。在实际的机械加工生产中，出现两种定位，欠定位和过定位。当被加工零件按照工艺要求应该限制的自由度未被限制的定位，称为欠定位。欠定位不能保证工件的正确安装位置，因而是不允许的。如果工件的某一个自由度被定位元件重复限制，称为过定位。过定位是否允许，要视具体情况而定。确定夹紧位置应注意的问题： 1.保证零件夹压后定位稳定。为使工件再加工过程中不产生震动和位移，夹紧力要足够，夹紧点布置应使夹紧合力落在定位平面内，力求接近定位平面的中心。2.尽量减少和避免零件夹压后的变形，消除其对加工精度的不利影响。对刚性差的零件应适当增加辅助支承或采用多点夹紧方法，以使夹紧力均匀分布，减少夹紧变形，提高加工精度。正确选择定位基准是确保加工精度的重要条件。本道工序是在工件坡口及端面铣削加工之前进行的，定位基准采用“六点定位”的原则。（如图2-1）图2-1 定位夹紧示意图其中，1，2，3，4处工件的侧面和底面与夹具支撑面接触定位，加紧定位装置为90度V形块，由于接触面较大，定位稳定可靠，是主要定位基准，5处为垫板，6处为定位销。1，3，5点在XOY面上，可消除Z，X，Y三个自由度，2，4点在YOZ面上，可消除X，Z两个自由度。6点在XOZ面上，可消除Y一个自由度。通过六点定位。加紧力的方向是沿空间45度。2.4 零件的加工工艺分析和比较本零件为管道接头，结构简单，精度要求一般，故加工工艺相对简单。弯头两端同时加工，要求两输出轴同时进给，每根轴安装一个刀盘，每个刀盘上安装四把刀，其中两把刀用来加工坡口，另外两把刀用来加工端面。由于端面处进给量较小，所以端面刀要比坡口刀短。采用一次进给加工。铣削的位置精度的保证，主要靠输出轴中心线与工件中心线同轴度来保证。（如图2-2：1、3为坡口铣刀；2、4为端面铣刀） 图2-2 刀盘示意图设计方案比较：方案一：用普通铣床单独加工坡口和端面。采用此方案适用范围广，加工设备简单，但难以保证其加工精度，加工时间长，不适用大批量加工。方案二：用车床车削坡口和端面。采用此方案通用性好，适用范围广，但加工装夹复杂，需要对车床进行改造，生产成本高，且加工复杂。方案三：用组合铣床铣削90度弯头坡口端面配以专用夹具夹紧工件。采用此方案加工具有高精度、高效率、高柔性、降低劳动强度和拓宽工艺范围等特点。可进行批量生产且符合精度要求。综上所述，第三种方案不仅可以满足加工精度等基本要求，而且还可以实现批量生产，提高加工效率。所以最终选取第三种方案。3 组合机床的分类和确定基本配置形式组合机床的通用部件分为大型和小型两大类。按设计的要求本次设计的机床为大型通用机床。大型组合机床的配置型式可分为三大类：1.具有固定式夹具的单工位组合机床；2.具有移动（或回转）式夹具的多工位组合机床；3转塔主轴箱式组合机床。根据动力箱和主轴箱的安置方式不同，这类机床的配置型式有以下几种。(1) 卧式组合机床（动力箱水平安装）；(2) 立式组合机床（动力箱垂直安装）；(3) 倾斜式组合机床（动力箱倾斜安装）；(4) 复合式组合机床。（动力箱具有上述两种以上的安装状态）。根据本次加工任务，选择第一大类具有固定式夹具的单工位组合机床。中的第一种配置型式卧式组合机床。这类机床的夹具和工件固定，动力滑台实现进给运动，滑台上的动力箱（连主轴箱）实现切削主运动，便可以满足对弯头坡口和端面进行铣削加工的要求，来完全切削加工任务。4 2.6 经济分析根据管弯头加工工艺需要所设计的组合铣床和单工位铣床相比在节省时间,提高加工效率上主要体现：1.专用夹具及刀具的设计使得加工质量和加工速度有明显的提高。2.由于批量加工一致性好，也可保证零件精度。特别是对于刀具交换和刀具尺寸调整，对刀等加工工序在加工过程中消耗的时间极大的降低了加工效率。根据管弯头加工工艺的需要所设计的组合铣床与单工位铣床相比有许多突出的优点，主要体现在：组合铣床的刀具结构根据弯头加工工艺被设计成两个刀盘，它们用来加工两个管口，且每个刀盘上拥有可同时铣削端面和坡口的4把铣刀，其中两把刀加工坡口，另两把刀加工端面，一次性完成加工任务，减少加工工序和加工时间，大幅度提高了加工效率。而单工位铣床在加工弯头坡口及端面时需要分别对坡口及端面进行加工，并且在加工过程中还需要重新安装刀具、调刀、对刀，这些工步所消耗的时间将直接影响到生产效率的提高。另外在铣削过程中为使工件再加工过程中不产生震动和位移，夹紧力要足够，组合铣床的专用夹具采用六点定位增加辅助支撑及多点夹紧的方法，使夹紧力均匀分布，减少夹紧变形，保证了零件夹紧后定位稳定，提高了加工精度。5 3 确定切削用量及刀具选择确定了在组合机床上完成的工艺内容后，就可以着手选择切削用量。切削用量选择是否合理，对组合机床的加工精度、生产率、刀具耐用度、机床的布局形式及正常工作均有很大影响。6 3.1 确定切削用量参数7 3.1.1 确定加工余量端铣刀铣削表面，根据零件材料及加工精度要求，查金属机械加工工艺设计手册，确定加工余量，取2mm。8 3.1.2 确定切削用量铣削用量选择的顺序和车削用量选择一样，应首先选择切削深度，其次是选进给量，最后才决定铣削速度。被加工零件材料为15号钢，其抗拉强度b=380Mpa，硬度HB=143。切削用量的确定：1.工件直径：(见图3-1) 图3-1 工件尺寸示意图其中D=141mm；A=190mm;工件管口内径d为： d1=D-2T1=141-26=129mm d2=D-2T2=141-29=123mm d3=D-2T3=141-212=117mm 2.切削深度ap：对于端面铣刀，切削深度是指ap。一般加工余量小于6mm时，可一次进给来切除全部余量；若需精铣时，可分多次进给，最后一次的ap可取1mm。本次设计加工余量小于6mm，所以可一次完成，弯头有6，9，12mm三种规格，铣削坡口和端面的分别为4，6，8mm和2，3，4mm。3.每齿进给量af：这是衡量铣削加工水平的一个重要指标。查金属切削原理及刀具设计下册p47表16-10铣刀的每齿进给量af可取0.10.3mm/r。根据设计要求分别取af为0.3，0.165，0.1mm/r。4.计算切削速度vc：查切削用量简明手册p30表1.27使用YT15硬质合金端铣刀铣削15号钢时，切削速度公式为：vc=CvTmapxvfyvkv主轴转速公式： n=1000vcD条件：铣刀使用寿命T=14h=1460min=840min 铣削坡口直径D1=141mm 铣削端面直径D2=133mm Cv=291 xv=0.15 yv=0.20 m=0.2 查表1.28可知修正系数： kv=0.6370.3750.810.8610.940.97=1.0656(1)铣削坡口1). vc=CvTmapxvfyvkv= 2918400.240.150.30.21.0656=83.3528m/min n=1000vcD=100083.3528141=188r/min2). vc=CvTmapxvfyvkv= 2918400.260.150.1650.21.0656=88.3540m/min n=1000vcD=100088.354141=200r/min3). vc=CvTmapxvfyvkv= 2918400.280.150.10.21.0656=93.6652m/min n=1000vcD=100093.6652141=212r/min(2)铣削端面 1). vc=CvTmapxvfyvkv= 2918400.220.150.30.21.0656=92.4798m/min n=1000vcD=100092.4798133=221r/min 2). vc=CvTmapxvfyvkv= 2918400.230.150.1650.21.0656=98.0852m/min n=1000vcD=100098.0852133=235r/min 3). vc=CvTmapxvfyvkv= 2918400.240.150.10.21.0656=103.8277m/min n=1000vcD=1000103.8277133=249r/min9 3.2 确定切削力及切削功率10 3.2.1 切削力及切削功率参数公式查切削用量简明手册p37,表1-29，硬质合金端铣刀铣削力公式：Fc=CFcapxFcfyFcvcnFckFc (N) (3-1)Fp=CFpapxFpfyFpvcnFpkFp (N) (3-2)Ff=CFfapxFffyFfvcnFfkFf (N) (3-3)Pc=Fcvc10-3 (kW) (3-4)kMF=b650nF (3-5)式中 Fc 主切削力 Fp 径向切削力 Ff 进给力（轴向力） Pc 切削功率 kMF 钢的硬度和强度改变时切削力的修正系数 CFc=2795 xFc=1.0 yFc=0.75 nFc=-0.15 CFp=1940 xFp=0.910 yFp=0.6 nFp=-0.3 CFf=2880 xFf=1.0 yFf=0.5 nFf=-0.411 3.2.2 计算切削力及切削功率1.铣削坡口时：(1) Fc1=2795410.30.7583.3528-0.150.660.921.051.00.93=1371N (2) FP1=194040.90.30.683.3528-0.30.480.621.21.25 0.82=319N (3) Ff1=2880410.30.583.3528-0.40.581.131.20.82 1.0=719N 2.铣削端面时：(1) Fc2=2795410.30.7592.4798-0.150.660.921.051.00.93=681N (2) FP2=194040.90.30.692.4798-0.30.480.621.21.250.82=165N (3) Ff2=2880410.30.592.4798-0.40.581.131.20.82 1.0=345N 3.切削时总功率 Pc=Fc1vc1+Fc2vc2410-3 =137183.352860+68192.4798/60)410-3 =11.817kw12 3.3 刀具材料选择刀具材料性能的优劣是影响加工表面质量,切削加工效率,刀具寿命的基本因素。正确选择刀具材料是设计和选用刀具的重要内容之一。刀具材料应具备的性能: 1.高的硬度和耐磨性硬度是刀具材料应具备的基本特性。2.足够的强度和韧性 要使刀具在承受很大压力，以及在切削过程经常出现的冲击和振动条 件下工作，而不产生崩刃和折断，刀具材料就必须具有足够的强度和韧性。 3.高的耐热性(热稳定性) 耐热性是衡量刀具材料切削性能的主要标志。它是指刀具材料在高温条件下保持一定的硬度,耐磨性,强度和韧性的性能。4.良好的热物理性能和耐热冲击性能刀具材料的导热性愈好,切削热就愈容易从切削区域散走,有利于降低切削温度。5.良好的工艺性能和经济性为了便于刀具的制造,要求刀具材料具有良好的工艺性能。经济性是刀具材料的重要指标之一。刀具材料可分为工具钢(包括碳素工具钢、合金工具钢)、高速钢、硬质合金、陶瓷和超硬材料(包括金刚石、立方氮化硼等)五大类。硬质合金是用粉末冶金的方法制成的一种刀具材料。它是由硬度和熔点很高的金属碳化物微粉和金属粘结剂经高压成形，并在1500左右的高温下烧结而成。硬质合金的硬度高达8994HRA，相当于7176HRC，耐磨性很好，耐热性为8001000，切削速度可达100m/min以上，能切削淬火钢等硬材料。但其抗弯强度低，韧性差，怕冲击和振动，制造工艺性差 硬质合金的发展很快，现已成为主要的刀具材料之一。目前车削刀具大都采用硬质合金，其它刀具采用硬质合金的也日益增多，如硬质合金端铣刀、立铣刀、拉刀、铰刀等。综上所述，根据硬质合金材料刀具的性能特点，再结合本次设计的加工要求，选择端面铣刀的材料为硬质合金，牌号为YT15.13 3.4 硬质合金端铣刀的设计14 3.4.1 概述1.概述 硬质合金端铣刀主要吊于铣削平面。它与高速钢铣刀相比，效率很高，而且可获得较高的表面光洁度。硬质合金端铣刀按刀齿的安装方式有如下几种：(1) 整体焊接式整体焊接式刀齿是将硬质合金刀片直接镶焊在铣刀刀体上（图3-2）。这种结构由于刃磨困难，浪费刀体材料及难于保证刀片焊接质量等原因，目前已很少用。15 图3-2 整体焊接式端铣刀 图3-3 焊接夹固式端铣刀(2) 焊接夹固式焊接夹固式刀齿是将硬质合金刀片焊接在小刀头上，再将小刀头用机械夹固的方法安装在刀体上（图3-3）。这种结构目前在我国应用比较普遍，其中一些规格也已列入我国的工具标准。焊接夹固式端铣刀重磨时，要在铣床主轴上装卸刀体，又在刀体上装卸和调整刀头，比较麻烦，费时较多。这种方式的铣刀，尚不能适应有一定节拍的自动线生产(3) 机夹不重磨式这种铣刀的刀齿是将经仔细刃磨的硬质合金刀片直接用机械夹固的方法安装在刀体上（图3-4）,通常称为不重磨式端铣刀。当刀片的一个切削刃用钝后，只需将刀片转位，使另外一个新切削刃参加工作;刀片上各切削刃都用钝后，直接在机床上更换新刀片。不重磨式端铣刀是一种先进铣刀，目前在我国，通常是根据具体加工条件，由使用厂自行设计制造。专业工具厂生产的标准的硬质合金端铣刀，一般具有较好的通用性。但对使用厂的特定条件就不一定能满足。16 图3-4 d0 80mm的不重磨端铣刀硬质合金端铣刀的支持部分大体可分为两种形式：一种是带柄结钩;另一种是套式结构。对于小直径（d080mm）的端铣刀，一般做成带柄结构。对于d0100mm 的端铣刀，均做成套式结构，圆柱孔与安装在主轴锥孔中的心轴相配合用作定心，刀体的上端面用以轴向定位（图3-5），刀体的端面键槽用作传递扭矩。17 图3-5 铣刀在铣床主轴上的安装方法 综上所述，结合本次设计要求，采用第三种机夹不重磨式方法安装。18 3.4.2 硬质合金端铣刀几何角度的合理选择端铣刀的几何角度是指将刀齿安装到铣刀体以后所具有的工作角度。硬质合金端铣刀的工作角度主要应根据加工条件选择。如图3-6所示，在刀齿切入工件时，最好不要使切削刃或刀尖先接触工件，而是使前刀面上的U点与工件首先接触(不是在T点、S点或V点)。为此一般应使刃倾角s为负值，并使端截面前角f尽量小些。以满足f（称为切入角，改变铣刀轴线与工件相对位置可改变的大小）。当s愈小，与f 之差愈大时，则整个刀齿切入工件的时间愈长，冲击愈小。图3-6 铣刀刀齿切入时接触情况1.刃倾角的选取在通常情况下，刃倾角s均应取负值，以增加刀尖强度，提高刀齿的抗冲击能力，一般可取s(1015)。2.前角的选取硬质合金端铣刀的前角0应比普通车刀小些，甚至取为较大的负值。这一方面是因为负前角可以增加刀齿的楔角，以增加切削刃强度；另一方面可以使f更小，以满足f的要求，使切削刃免受冲击。前角0的选取和刃倾角s的选取如下图3-7。19 图3-7 端铣刀0和s示意图3.主偏角及过渡刃偏角的选取与车刀相似，在切削深度及进给量一定时，主偏角xr的大小要影响切削层断面积的形状及各切削分力的比例关系。一般xr4575。为了增加刀尖强度，在刀尖处做成过渡刃偏角xrxr2、l112mm的过渡刃(图3-8a)。图3-8 xr、xr、xr角及刮光刀片4.副偏角、修光刃及刮光刀片选取较小的副偏角xr可以提高加工表面光洁度，通常xr=23。也可以使副切削刃成为一段xr=0、长度l012mm的修光刃(图3-8b、c)。具有修光刃的不重磨刀片现已广泛使用。5.后角铣削钢材时硬质合金端铣刀的后角0可取1215。副切削刃后角 0及过渡刃后角0渡均可取与0相同的数值。综上所述，根据本次设计被加工零件为15号钢，查金属切削原理及刀具设计下册p52表16-13，选择刃倾角s=-6，前角0=5，主偏角xr=75，过渡刃偏角xr=37，过渡刃长l1=2mm，副偏角xr=2，后角0=副偏刃后角0=过渡刃后角0渡=12。20 3.4.3 不重磨端铣刀刀片的定位与夹紧结构对机夹端铣刀刀片的定位与夹紧的要求是：各刀片安装于刀体或转位后均能保持其定位精度;各刀片在铣削过程中均能保待稳固；切削的流动以及铣削中刀片破碎不易损坏定位，夹紧元件及刀体;结构简单，工艺性好。1.不重磨铣刀刀片的定位刀片装于刀体后，在铣削过程中，各刀片的径向和端面跳动量对铣刀刀片的磨损和铣削表面质量的影响极大。为此必须提高铣刀各元件的制造精度，同时也必须采用合理的刀片定位方法。刀片是靠其底面（三点）和两个侧面（三点）定位的。由于两侧面的共点定位对端铣刀刀齿的径向及端面跳动量影响最大，所以一般简称为三点定位。2.不重磨刀片的夹紧方式(1) 楔块夹紧：这种夹紧机构的应用比较普遍，它的夹紧力较大，刀片夹紧比较稳固。(2) 靠铣削力夹紧：铣削和车削一样，依靠在铣削过程中作用在刀片上的切削力将刀片压紧在刀片座上(或直接压紧在刀体上）在这种情况下，夹紧机构的作用主要是抵消离心力(3) 上压夹紧：为了使结构紧凑，特别是对于小直径的端铣刀，往往采用上压式夹紧。(4) 弹性挤压夹紧：将锥头螺钉旋进刀体时，由弹性变形而压紧刀片。这种结构简单，零件少，容易制造。(5) 偏心螺钉（或偏心销订）夹紧：将偏心螺钉或偏心销钉通过刀片中心孔，用以夹紧刀片。(6) 斜拉杆夹紧：以拉杆的轴颈插入刀片中心孔中，达到夹紧刀片的目的。本次设计采用第四种弹性挤压夹紧。21 3.4.4 端铣刀主要结构参数对于自动线上或组合机床上的专用端铣刀的设计，直径d0和齿数Z是最要的两个参数。1.端铣刀直径的选择专用端铣刀直径d0应按铣削工件表面的宽度来确定，又本次设计按切削方式进行计算，工件最大直径D=141mm，专用端铣刀直径d0应稍大于工件最大直径D，所以取d0=144mm。2.端铣刀齿数端铣刀的齿数Z是一个重要的参数。齿数增多，可以提高铣削生产率。本次设计按切削方式进行计算，用于切削的为4把刀，所以端铣刀的齿数Z=4。22 3.4.5 刀槽尺寸及刀齿几何角度计算根据不重磨端铣刀所要求的工作角度设计时需要计算刀体刀槽尺寸，或者在已知刀体刀槽尺寸的前提下，计算刀齿应有的角度。1.刀体上刀槽位置参数的计算刀体上刀槽位置参数的计算是端铣刀设计的主要部分。刀槽位置主要包括：刀槽斜角、刀槽偏距e及刀体端面上刀槽底部与轴线之间的垂直距离H。(1) 选取铣刀工作角度及铣刀刀片规格：0=5， s=-6，xr=75，xr=2。为了计算刀槽尺寸，必须按车刀各截面角度换算公式将 0，s，xr换算成f和p：tanf=tan0sinxr-tanscosxr =tan5sin75-tan-6cos75 =0.1117 (3-6) f622tanp=tan0cosxr+tanssinxr = tan5cos75-tan-6sin75 =-0.0789 (3-7) p431(2) 计算刀体刀槽斜角及偏距： 为了加工刀体上的刀槽，将（图3-9）旋转f角，使刀槽侧壁成垂直位置（图3-10）。刀体旋转f后，在俯视图中的刀槽与刀体轴线成斜角。以及刀槽在端部面上的截形位置尺寸偏距e的计算如下： tan =tanpcosf=tan431cos622=-0.0784 (3-8) =-429 刀槽斜角的正负号与p相同，刀槽向右倾斜为正，向左倾斜为负。 e=d02sinf+htan (3-9)关于刀片从刀体端而仲出之长度h，式中f及均应连同符号一同代入，所得的e值，如果为正值，则偏距应在中心线右侧，若为负值则应在左侧。若铣刀直径d0=144mm，并取h=15mm，则： e=1442sin622+15tan-429=6.816mm23 图3-9 刀齿法剖面中的角度 图3-10 偏心距e的计算(3) 计算在刀体端面上刀槽底部与轴心线之间的垂直距离H及刀槽尺寸A:所选刀片尺寸为16x25x4.5。M为刀片加刀片座之总厚度，取M=16。L为刀片和刀片座之总长度，取L=25，取刀片座后角座=15。在刀体端面上刀槽底部与轴心线之间的垂直距离H及刀槽尺寸A的计算如下： H=d02cosf-Lcosxr=1442cos622-25cos2=46.57mm (3-10) A=MCOS +e=16cos-429+6.816=22.865mm (3-11) 下面计算刀体直径时还要用到的刀片座尺寸x： x=L-Mtan座=25-16tan15=20.71mm (3-12)(4) 计算刀体直径d1及d2：d1=2H+xcos152+A2 =246.57+20.71cos152+22.8652 (3-13) =140.8mm d2=d1+225ta15=154mm 2.己知刀体刀槽的尺寸计算单刀齿的前角及刃倾角刀片安装于刀片座，所形成的单刀齿，可看做是一把小车刀，其前角与刃倾角用小刀及小刀表示。前面叙述了小刀及小刀均为零，安装于铣刀体上后能得到所需要的工作角0及s条件下，设计计算刀体刀槽尺寸的方法。为了减少端铣刀刀体的品种规格，也可将同一直径的刀体上刀槽的斜角及偏距e标准化，而用改变单刀齿几何角度小刀及小刀的方法来获得所需要的铣刀工作角度0及s以适应不同的加工条件。这样就要求根据现有的铣刀体的刀糟斜角及偏距e来确定刀齿的小刀及小刀。计算步骤如下：(1) 根据刀槽的已知参数及e，计算当刀头小刀=0及小刀=0情况下的铣刀安装角度f安装及p安装： sinf安装=2d0e-htan =21446.816-15tan (-429)=0.111 (3-14) f安装=622 tanp安装 =tan cosf安装=tan(-429)cos622=-0.0789 (3-15) p安装 =-431(2) 计算 0安装及s安装：tan0安装=tanp安装cosxr+tanf安装sinxr (3-16) =tan-431cos75+tan622sin75=0.0874 0安装 =5 tans安装= tanf安装cosxr-tanp安装sinxr (3-17) =tan622cos75+tan-431sin75=0.1051 s安装 =6(3)计算铣刀在具有工作角度0及s的情况下，单刀齿所具有的角度小刀及小刀：小刀=0- 0安装=5-5=0 (3-18)小刀=s- s安装=-6-6=-12 (3-19)24 4 组合铣床总体设计25 4.1 被加工零件工序图编制“三图一卡”的工作内容包括：零件工序图、加工示意图、机床尺寸联系图和生产率计算卡。“三图一卡”是组合机床总体方案的具体体现。被加工零件工序图是指根据已确定的工艺方案，表示一台组合机床或自动线对加工零件应完成的工艺内容的示意图。它不能用产品的零件图代替，而须在原零件图的基础上，突出本机床或自动线的加工内容及必要的说明进行重新绘制。它是进行组合机床设计的主要依据，也是制造、使用、检验和调整机床的重要技术文件。其内容应包括以下几个方面： 1.表示出被加工零件的形状和轮廓尺寸及与本机床设计有关的部位的结构形状和尺寸。2.表示出加工零件定位基准、夹紧部位及夹紧方向，以便依此进行夹具的定位支承、限位、夹紧及导向系统的设计。3.表示出本道工序加工部位的尺寸 、尺寸精度、表面粗糙度、形状位置精度及技术要求，另外还应表示出本道工序对前道工序提出的要求。4.表示出必要的文字说明，如被加工零件的编号、名称、材料、硬度、重量及加工部位的余量等。5.绘制时按一定的比例，细实线表示与本道工序加工无关的部分，粗实线表示被加工部位精度、粗糙度、位置精度、定位面及夹压方向。6.凡本道工序保证的尺寸、角度等，应在基尺寸数值上打上方框，并在下面加一横线（粗实线）。26 4.2 加工示意图27 4.2.1 加工示意图的作用及内容零件加工的工艺方案要通过加工示意图才能反映出来。加工示意图表示：被加工零件在机床上的加工过程，刀具、辅具的布置状况，工件与夹具、刀具等机床各部件间的相对位置关系，以及机床的工作行程和工作循环等。因此，它是刀具、辅具、夹具、主轴箱、液压和电气装置设计及通用部件选择的主要原始资料，也是对整台机床布置和技术性能的原始要求，同时还是调整机床、刀具及试车的依据。其内容包括以下几方面：1.应反映机床的加工方法、加工条件及加工过程。2.根据加工部位的特点及加工要求，决定刀具的类型、数量、结构、尺寸（直径和长度）。3.决定主轴的结构类型、规格尺寸及外伸长度。4.选择标准或设计专用的接杆、浮动卡头、导向装置、攻丝靠模装置、刀杆托架等，并决定它们的结构参数及尺寸。5.标明主轴、接杆、夹具（导向装置）与工件之间的联系尺寸、配合及精度等。6.根据机床的生产率及刀具和工件的材料等，合理确定并标注各主轴的切削用量。7.决定机床动力部件的工作行程和工作循环。图4-1 管弯头加工工序图28 4.2.2 刀具的选择由3.3可知，选择刀具为硬质合金端铣刀，牌号为YT15.29 4.2.3 确定主轴类型、尺寸及外伸长度主轴类型为刚性主轴，即主轴与刀杆采用刚性联接，刀具不需要借助于导向装置进行加工。因此，主轴需要足够的刚性，否则加工时易产生振动，影响加工质量和损坏刀具。主轴的主要参数：材料为45号钢，空心主轴1.主轴的悬伸长度a，尽量取小值，提高主轴的刚度，初取a=100mm2.主轴的悬伸比 Ha1.52，取1.83.主轴的支承距：L=1.8100=180mm4.主轴的前支承轴径：D1=100mm主轴的后支承轴径：D2=90mm5.查表取主轴直径比d/D0.5，取0.56.确定主轴直径d=55mm30 4.2.4 确定动力部件的工作循环和工作行程动力部件的工作循环是指：加工时动力部件从原来位置开始运动到加工终了位置，又返回到原来位置的动作过程。一般包括快速进给、工作进给、快速退回等动作。有时还有中间停止、多次往复进给、跳跃进给、死挡铁停留等特殊要求，这是根据具体的加工工艺需要确定的。1.工作进给长度L工应等于工件加工部位长度L与刀具切入长度L1之和。切入长度L1应根据工件端面的误差情况在510mm之间选择，误差大时取大值，此次L1取8mm。L工=2+8=10mm2.快速退回长度等于快速引进与工作进给长度之和。快速引进是指动力部件把主轴箱连同刀具从原始位置送进到工作进给开始位置，其长度按加工具体情况确定。此次快速引进长度取390mm。所以，快速退回长度为400mm。3.动力部件总行程长度动力部件的总行程，除应保证要求的工作循环工作行程（快速引进+工作进给=快速退回）外，还要考虑装卸和调整刀具方便，即考虑前、后备量。前备量是指因刀具磨损或补偿制造、安装误差，动力部件尚可向前调节的距离。后备量是指，考虑刀具从接杆连同刀具一起从主轴孔中取出所需要的轴向距离。因此，动力部件的总行程为快退行程长度与前后备量之和。31 4.3 组合铣床联系尺寸图32 4.3.1 机床联系尺寸图的作用和内容机床联系尺寸图是以被加工零件工序图和加工示意图为依据，并按初步选定的主要通用部件以及确定专用部件的总体结构而绘制的。是用来表示机床的配置形式、主要构成及各部件安装位置、相互关系、运动关系和操作方位的总体布局图。机床联系尺寸总图表示的内容:1.表示机床的配景形式和总布局。2.完整齐全的反映各部件之间的上要装配关系和联系尺寸专用部件的主要轮廓尺寸、运动部件的运动极限位置及滑台工作循环总的工作行程和前后备量尺寸。3.标注主要通用部件的规格代号和电动机型号、功率及转速，并标出机床分组编号及组件名称，全部组件应包括机床全部通用及专用零部件。4.标明机床验收标准及安装规程。33 4.3.2 绘制机床尺寸联系总图之前应确定的内容1.选择动力部件动力部件的选择主要是确定动力箱和动力滑台。1) 动力滑台的选用a.驱动方式的确定。采用液压驱动。b.确定轴向进给力。F进=4719+345=4256N由于滑台工作时，除了克服各主轴的轴向力外，还要克服滑台移动时所产生的摩擦阻力，因而，所选滑台的最大进给力应大于F进。c.确定进给速度。对液压滑台，确定刀具切削用量时所规定的工作进给速度应大于滑台最小工作进给速度的0.51倍。d.确定滑台行程。滑台总行程应大于工作行程，前后备量之和。e.精度的选择。因为加工精度不高，所以选用普通精度等级的滑台。2) 动力箱的选用动力箱规格与滑台要匹配，其驱动功率上要依据是根据多轴箱所传递的切削功率来选用。由3.2节可知Pc=11.817kw。P主=Pc=11.8170.8=14.77125kw多轴箱传动效率0.70.9，取0.8。2.配套通用部件选择1) 确定装料高度装料高度指工件安装基面至机床的垂直距离。组合机床标准中，推荐装料高度为8501060mm范围内选取，本次设计的液压滑台高度为400mm，侧底座高度为560mm，选择装料高度为H=960mm。2) 确定夹具轮廓尺寸参照夹具设计。3) 中间底座轮廓尺寸中间底座轮廓尺寸要满足夹具在其上面联接安装的需要。中间底座轮廓尺寸L，要根据所选动力部件和夹具安装要求来确定。根据已定的工艺方案和机床配置形式并结合使用及修理因素，确定机床为卧式单工位液压传动组合机床，选用配套的动力箱驱动多轴箱铣削。查机械设计课程设计p193，表19-1选取额定功率为15kw的型号为Y160L-4的电动机作为本次设计的动力源。查组合机床设计p20表2-6齿轮传动动力箱主要尺寸及性能。选择公称尺寸为500的动力箱。查组合机床简明手册p99，表5-1选择液压滑台型号为:1HY50A-1，台面宽度为500mm，台面长度为1000mm，工作进给速度为66.3mm/min，快速进给速度为6.3m/min。；侧底座型号为：1CC501，高度为560mm。34 4.4 生产率计算卡生产率计算卡是反映所设计的工作循环过程、动作时间、切削用量、生产率、负荷率等的技术文件。通过生产率计算卡，可以分析所拟定的方案是否满足用户对生产率及负荷率的要求。机床生产率Q1(件/h)按下式计算：Q1=60/T单=60/(T切+T辅)式中 T单单件时间(min); T切机加工时间(min)，包括动力部件工作进给和死挡铁停留时间t停，即T切=L1Vf1+t停=0.181min式中 L1刀具的工作进给行程长度(mm)，取10mm； t停固定挡铁停留时间，一般为在动力部件进给停止状态下，刀具旋转510转所需的时间(min)，取0.03min；T辅辅助时间(min),包括快进时间、快退时间、工作台移动或转位时间t移、装卸工件时间t装，即T辅=L2+L3Vfk+t移+t装=0.725min式中 L2 、L3动力部件快进行程长度、快退行程长度(mm)，取390mm，400mm； Vfk动力部件的快速移动速度(mm/min)，取66.3mm/min； t移工作台移动或转位时间(min)，取0.1min； t装装卸工件时间(min)，取0.5min；所以，生产一个零件所需时间T单=0.906min机床负荷率按下式计算：=Q1/Q=60tk/AT单=65% 式中 Q机床的理想生产率（件/h）；A年生产纲领（件），取200000件； tk年工作时间(h),取一班制tk=1950h。机床生产率一般以65 %75%为宜。机床复杂时取小值，反之取大值。53机床生产率计算卡被加工零件图号毛坯种类钢材名称90度管弯头毛坯重量材料15号钢硬度HBS143工序名称铣削弯头坡口工序号序号工步名称被加工零件数（个）加工长度（mm）工作行程（mm）切削速度（m/min）每分钟转速（r/min)每转进给量（mm/r）每分钟进给量（mm/min)工时（min)工进时间辅助时间共计1装入工件10.252工件定位夹紧0.053工作台快进39063000.0624工作台工进1092.47982210.366.30.1515死挡铁停留， 0.036动力部件快退40063000.0637工件松开0.058卸下工件0.25备注本机床装卸工件时间取为0.5min单件总工时0.1510.7550.906机床生产率102.56(件/小时)理论生产率66.23(件/小时)机床负荷率65%山西工程技术学院-毕业设计论35 5 专用夹具设计36 5.1 夹具概述37 5.1.1 夹具分类由机械制造工艺系统的组成机床、工件、刀具和夹具可以看出夹具在机械加工中占有很重要的地位，是制造系统的重要组成部分。机床夹具的好坏将直接影响工件加工表面的位置精度，好的夹具设计可以提高产品劳动生产率，保证和提高加工精度，降低生产成本等，还可以扩大机床的使用范围。机床夹具按其通用特性划分可分为：通用夹具、专用夹具、可调夹具、成组夹具、组合夹具、随行夹具。按所使用的机床划分可分为：车床夹具、钻床夹具、铣床夹具、磨床夹具、镗床夹具等。机床夹具的组成元件一般包括：定位元件及定位装置，夹紧元件及夹紧装置，夹具体，其它元件及装置。本次设计为铣床专用夹具。38 5.1.2 机床夹具的现状国际生产研究协会的统计表明，目前中、小批多品种生产的工件品种已占工件种类总数的85左右。现代生产要求企业所制造的产品品种经常更新换代，以适应市场的需求与竞争。特别是近年来，数控机床、加工中心、成组技术、柔性制造系统（FMS）等新加工技术的应用，对机床夹具提出了如下新的要求：1.能迅速而方便地装备新产品的投产，以缩短生产准备周期，降低生产成本；2.能装夹一组具有相似性特征的工件； 3.能适用于精密加工的高精度机床夹具； 4.能适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具； 5.采用以液压站等为动力源的高效夹紧装置，以进一步减轻劳动强度和提高劳动生产率； 6.提高机床夹具的标准化程度。 39 5.1.3 现代机床夹具的发展方向 现代机床夹具的发展方向主要表现为标准化、精密化、高效化和柔性化等四个方面。1.标准化：机床夹具的标准化与通用化是相互联系的两个方面。机床夹具的标准化，有利于夹具的商品化生产，有利于缩短生产准备周期，降低生产总成本。 2.精密化：随着机械产品精度的日益提高，势必相应提高了对夹具的精度要求。3.高效化：高效化夹具主要用来减少工件加工的基本时间和辅助时间，以提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度。常见的高效化夹具有自动化夹具、高速化夹具和具有夹紧力装置的夹具等4.柔性化：具有高度柔性的夹具，能实现多种工艺要求的、具有一定相似性的不同零件的定位夹紧，缩短零件加工的准备时间和辅助时间，稳定性好，可靠性高。40 5.2 夹具设计任务为提高劳动生产率，保证加工质量，降低劳动强度，故需设计专用夹具。根据设计任务书的要求为铣90度管弯头坡口和端面设计专用夹具。所用机床为前面章节所设计的组合机床，生产规模为大批量生产，保证表面粗糙度为Ra3.2m。41 5.3 拟定夹具结构方案42 5.3.1 确定工件定位方案及设计选择定位装置1.定位方案：由2.3节设计内容知，选择弯头外轮廓表面，和端面，分别限制工件的五个自由度，一个自由度。下表面为主要定位基准面。2.定位元件的选取：根据弯头的尺寸等因素，弯头外轮廓表面定位元件选择五个定位块，限制五个自由度。端面定位元件选择一个浮动定位销，限制一个自由度。43 5.3.2 确定工件夹紧方案及设计选择夹紧装置工件在夹具中正确定位后一般应夹紧，使工件在加工过程中保持已获得的定位不被破坏。夹紧机构设计时要满足的原则如下：1.夹紧时不能破坏工件在定位元件上所获得的位置；2.夹紧力应保证工件位置在整个加工过程中不变或不产生不允许的振动；3.使工件不产生过大的变形和表面损伤；4.夹紧机构必须可靠；5.夹紧机构操作必须安全省力、方便，符合个人操作习惯；6.夹紧机构的复杂程度及自动化程度必须与生产纲领和工厂条件相适应。夹紧机构通常由以下三个部分组成：夹紧动力部分，中间传动机构，夹紧元件。(1) 夹紧动力夹紧机构可分为手动夹紧和自动夹紧两种。本设计采用自动夹紧的液压夹紧机构。(2) 液压夹紧机构液压夹紧机构是利用压力油作为夹紧动力，再通过中间传动机构，使夹具的夹紧元件执行夹紧动作的机构。(3) 夹紧元件本次夹具设计的夹紧元件有摆杆、支柱、夹紧块、定位块。夹紧点选择的一般原则：1.尽可能使夹紧点和支承点相对应，使夹紧力作用在支承上；2.夹紧点的选择应尽量靠近加工表面，且选择在不致引起过大变形的位置。遵循上述原则，确定夹紧点的位置在弯头外轮廓表面上，夹紧面与端面成18。44 5.3.3 夹具体设计夹具体是整个夹具的基体和骨架。组成夹具的各种零件和机构等，都要安装在夹具体上面，其形状和尺寸主要取决于夹具上各组成件的分布情况及工件的形状、尺寸和加工特性等。综合考虑加工性能、强度、刚度及经济性等，确定夹具体为铸件，材料为HT200。夹具体的具体形状尺寸见夹具体零件图。45 5.4 分析定位误差根据2.3节中关于定位原理的介绍，本次设计的组合铣床专用夹具的选择的定位方法为完全定位，即工件的六个自由度完全限制。（见零件加工示意图）用五个定位块，限制了绕X轴转动、绕Y轴的转动、绕Z轴转动、沿Y轴的移动及沿Z轴的移动；由零件下端面的一个浮动定位销限制了沿X轴的移动，这样便实现了六点定位。并且这样定位使得加工要求容易得到保证。其测量基准与夹具的定位基准重合，并且都和设计基准重合，达到了基准重合的目的，因此定位误差为零。46 5.5 夹紧力的分析计算如图5-1所示，铣刀加工工件时，左端面和下端面的铣刀分别向Y轴和Z轴进给加工，且两端面铣刀旋转方向均为逆时针旋转。加工平面为XOZ平面和XOY平面。由3.2.2节可知Ff1=719N,Ff2=345N。47 图5-1 零件被加工时受力图 在夹紧面分析工件受力48 图5-2 面上的受力图式中的各种力的关系见图5-2。由图分析可知F1=F2=Fjsin45，所以他们所产生的摩擦力大小也相等，即F1f=F2f ，又因为面上所受夹紧力大小相等，所以通过对平面XOZ和平面XOY的受力分析，列出如下关系式。FY=0 ；2Ff1+2Ff2-F1sin18+F2fsin18-F2sin18+F1fsin18-F1cos18+F2fcos18-F2cos18+F1fcos18=0Fz=0 ；2Ff1+2Ff2-F2sin18+F1fsin18-F1sin18+F2fsin18-F2cos18+F1fcos18-F1cos18+F2fcos18=0 式中： Fj夹紧力； F1夹紧力在XOY平面上的分力； F2夹紧力在YOZ平面上的分力； F1fF1的摩擦力； F2fF2的摩擦力； 工件与夹紧块的摩擦因数，取0.25。综上所述，可计算得夹紧力Fj=1592N，在实际情况中夹紧力一般是理论值的1.21.5倍。故本次设计取夹紧力为2000N.根据夹具装配图有关系式：F1L1+F2L2-FjL=0F1、F2液压缸带动的两支承杆上的力，大小相等，方向相同；L1、L2F1、F2的扭矩，大小相等，取128mm；L夹紧力的扭矩，取158mm。计算得，F1=F2=1234n所以，液压缸的推力F=2468N液压缸内的气压为P=FS=24683.1431.5210-6=0.8MPS液压缸活塞的横截面积。根据以上要求查机械设计手册单行本液压传动p375，表20-6-87可选择型号为B1-LA163D-7N-A的液压缸作为夹紧力的动力源。选择型号为B1-LA150D-7N-A的液压缸作为辅助定位销定位时的动力源。49 5.6 夹具操作说明由本章设计内容知，采用夹紧块夹紧，采用液压传动机构，因此采用自动夹紧。90度管弯头安放在夹具上以后，调整装置，使90度管弯头在夹具上正确定位。90度管弯头正确定位后，启动液压传动机构，使夹紧块夹紧90度管弯头，确保其在加工过程中保持正确的位置。90度管弯头被夹紧后，调整定位装置，从而使组合机床铣削90度管弯头两侧面的坡口和端面。铣削加工完成后，停止液压传动机构，从而卸下90度管弯头。50 5.7 绘制铣床夹具装配图根据本章设计内容，参考机械制造装备设计相关内容绘制夹具装配图。 在绘制夹具装配图时，应注意以下几点：1.已经确定的定位元件在夹具体位置的设置，应避免定位元件或夹具体与断面铣刀的走刀路径发生干涉；2.为保证合理的装夹高度，方便装夹，要结合滑台、底座的相应高度，来设计夹具高度。3.试图表达清晰，明细表中的零件不多标，不少标，技术要求中文字表达明确。51 结 论通过本设计一系列的计算讨论，已经大致设计出了加工90度弯头坡口及端面的组合铣床的结构。通过对组合铣床的总体设计实现了对90度弯头两端坡口及端面的同时加工的目的。这台组合铣床能极大的提高90度管弯头的加工效率，并解决加工精度问题，由于组合铣床的大部分零部件是按标准选用，只有少量专用零部件是自行设计，因此可以大大减少设计工作量，提高设计效率，缩短制造周期，降低成本，并能确保铣床工作的可靠性，从而促进整个机械加工工艺水平的提高。由于本人的专业水平限制，以及对国家标准的理解程度不够深入和透彻，还有理论过程与实际过程之间的差异的考虑较少，在对一些设计参数的估计上存在着或多或少的偏差，在计算过程难免会存在各种各样的问题，这就直接导致了计算结果与实际正确值之间的误差。这是本设计论文最大的不足之处。此外，我并没有过多从经济性和实用性的角度来考虑，由于对材料成本方面了解的欠缺，我们只能从性能的角度来讨论问题，经济性能方面的问题涉及的较少，敬请见谅。52 参考文献1 沈阳工业大学等院校编. 组合机床设计M. 上海：上海科学技术出版社，1985.2 甘肃工业大学等院校主编. 金属切削原理及刀具设计M. 上海：上海科学技术出版社，1980. 3 艾兴. 切削用量简明手册M. 北京：机械工业出版社，1990.4 大连组合机床研究所编. 组合机床设计第一册机械部分M. 北京：机械工业出版社，1975.5 大连组合机床研究所编. 组合机床设计第三册电气部分M. 北京：机械工业出版社，1975.6 李庆寿. 机床夹具设计M. 北京：机械工业出版社，1984.7 杨黎明，杨志勤. 机械设计简明手册M.北京：国防工业出版社，2008.8 成大先. 机械设计手册.单行本.液压传动M.北京：化学工业出版社.2004.19 大连组合机床研究所编M. 大连组合机床研究所标准,1987.10 杜君文. 机械制造技术装备及设计M. 天津：天津大学出版社，2007.11 谢家瀛. 组合机床设计简明手册M. 北京：机械工业出版社，1994.12 柳晖. 互换性与技术测量基础M. 上海：华东理工大学出版社，2009.13 夏宝林.专用机床夹具设计的方法与技巧J.四川职业技术学院学报,2017. 14 薛顺源等.机床夹具设计M.北京:机械工业出版社，2001.15 大连组合机床研究所 组合机床设计（第一册） 北京：机械工业出版社，1975 16 任家隆，李菊丽，张冰蔚主编.机械制造技术基础M.北京：高等教育出版社，2009. 17 孙桓，陈作模机械原理M 北京：高等教育出版社2006 18 孙丽媛.机械制造工艺及专用夹具设计指导M.北京：冶金工业出版社，2010.19 程瑞,吕海霆.转向架轴箱专用机床及夹具设计J.机床与液压,2018.20 陆玉. 机械设计课程设计M. 北京：机械工业出版社，2006.21 方杭超.浅谈机床夹具设计J.科技创新与应用,2016.22 崔雁斌.组合机床的夹具设计J.陕西煤炭,2016.23 聂庆玮,郭典新,刘东方.卧式四孔高效加工组合机床夹具设计J.农业装备技术,2017.24 孙同强. 浅谈组合机床及专用夹具设计A.教育部基础教育课程改革研究中心,2017.25 李海安,蔡英.机床夹具设计中的定位误差计算探讨J.科技风,2019.26 陈小芹,谢志刚.带橡胶内衬的超薄油封数控车床夹具设计J.机械工程师,2019.27 Gross, H., 1983, Electrical feed-drives for machine tools, John Wiley & Sons. 28 Handbook of Machine Tools Manfred weck ,1984 .29 Machine Tool Metalworking John L.Feirer ,1973. 30 Haffman E G. Jig and Fixture Design.America, VNR Co.,1980.31 Boyes W E. Jigs and Fixture .America,SME,1982. 53 外文资料1 .LathesLathes are machine tools designed primarily to do turning, facing and boring, Very little turning is done on other types of machine tools, and none can do it with equal facility. Because lathes also can do drilling and reaming, their versatility permits several operations to be done with a single setup of the work piece. Consequently, more lathes of various types are used in manufacturing than any other machine tool.The essential components of a lathe are the bed, headstock assembly, tailstock assembly, and the leads crew and feed rod.The bed is the backbone of a lathe. It usually is made of well normalized or aged gray or nodular cast iron and provides s heavy, rigid frame on which all the other basic components are mounted. Two sets of parallel, longitudinal ways, inner and outer, are contained on the bed, usually on the upper side. Some makers use an inverted V-shape for all four ways, whereas others utilize one inverted V and one flat way in one or both sets, they are precision-machined to assure accuracy of alignment. On most modern lathes the way are surface-hardened to resist wear and abrasion, but precaution should be taken in operating a lathe to assure that the ways are not damaged. Any inaccuracy in them usually means that the accuracy of the entire lathe is destroyed.The headstock is mounted in a foxed position on the inner ways, usually at the left end of the bed. It provides a powered means of rotating the word at various speeds. Essentially, it consists of a hollow spindle, mounted in accurate bearings, and a set of transmission gears-similar to a truck transmissionthrough which the spindle can be rotated at a number of speeds. Most lathes provide from 8 to 18 speeds, usually in a geometric ratio, and on modern lathes all the speeds can be obtained merely by moving from two to four levers. An increasing trend is to provide a continuously variable speed range through electrical or mechanical drives.Because the accuracy of a lathe is greatly dependent on the spindle, it is of heavy construction and mounted in heavy bearings, usually preloaded tapered roller or ball types. The spindle has a hole extending through its length, through which long bar stock can be fed. The size of maximum size of bar stock that can be machined when the material must be fed through spindle.The tailstock assembly consists, essentially, of three parts. A lower casting fits on the inner ways of the bed and can slide longitudinally thereon, with a means for clamping the entire assembly in any desired location; an upper casting fits on the lower one and can be moved transversely upon it, on some type of keyed ways, to permit aligning the assembly is the tailstock quill. This is a hollow steel cylinder, usually about 51 to 76mm (2to 3 inches) in diameter, that can be moved several inches longitudinally in and out of the upper casting by means of a hand wheel and screw.The size of a lathe is designated by two dimensions. The first is known as the swing. This is the maximum diameter of work that can be rotated on a lathe. It is approximately twice the distance between the line connecting the lathe centers and the nearest point on the ways, the second size dimension is the maximum distance between centers. The swing thus indicates the maximum work piece diameter that can be turned in the lathe, while the distance between centers indicates the maximum length of work piece that can be mounted between centers.Engine lathes are the type most frequently used in manufacturing. They are heavy-duty machine tools with all the components described previously and have power drive for all tool movements except on the compound rest. They commonly range in size from 305 to 610 mm(12 to 24 inches)swing and from 610 to 1219 mm(24 to 48 inches) center distances, but swings up to 1270 mm(50 inches) and center distances up to 3658mm(12 feet) are not uncommon. Most have chip pans and a built-in coolant circulating system. Smaller engine lathes-with swings usually not over 330 mm (13 inches) also are available in bench type, designed for the bed to be mounted on a bench on a bench or cabinet.Although engine lathes are versatile and very useful, because of the time required for changing and setting tools and for making measurements on the work piece, they are not suitable for quantity production. Often the actual chip-production tine is less than 30% of the total cycle time. In addition, a skilled machinist is required for all the operations, and such persons are costly and often in short supply. However, much of the operators time is consumed by simple, repetitious adjustments and in watching chips being made. Consequently, to reduce or eliminate the amount of skilled labor that is required; turret lathes, screw machines, and other types of semiautomatic and automatic lathes have been highly developed and are widely used in manufacturing.2.Numerical ControlOne of the most fundamental concepts in the area of advanced manufacturing technologies is numerical control (NC). Prior to the advent of NC, all machine tools ere manually operated and controlled. Among the many limitations associated with manual control machine tools, perhaps none is more prominent than the limitation of operator skills. With manual control, the quality of the product is directly related to and limited to the skills of the operator. Numerical control represents the first major step away from human control of machine tools. Numerical control means the control of machine tools and other manufacturing systems through the use of prerecorded, written symbolic instructions. Rather than operating a machine tool, an NC technician writes a program that issues operational instructions to the machine tool. For a machine tool to be numerically controlled, it must be interfaced with a device for accepting and decoding the programmed instructions, known as a reader.Numerical control was developed t o overcome the limitation of human operators, and it has done so. Numerical control machines are more accurate than manually operated machines, they can produce parts more uniformly, they are faster, and the long-run tooling costs are lower. The development of NC led to the development of several other innovations in manufacturing technology:Electrical discharge machining, Laser cutting, Electron beam welding.Numerical control has also made machine tools more versatile than their manually operated predecessors. An NC machine tool can automatically produce a wide of parts, each involving an assortment of widely varied and complex machining processes. Numerical control has allowed manufacturers to undertake the production of products that would not have been feasible from an economic perspective using manually controlled machine tools and processes.Like so many advanced technologies, NC was born in the laboratories of the Massachusetts Institute of Technology. The concept of NC was developed in the early 1950s with funding provided by the U.S. Air Force. In its earliest stages, NC machines were able to made straight cuts efficiently and effectively. However, curved paths were a problem because the machine tool had to be programmed to undertake a series of horizontal and vertical steps to produce a curve. The shorter the straight lines making up the steps, the smoother is the curve, each line segment in the steps had to be calculated. This problem led to the development in 1959 of the Automatically Programmed Tools (APT) language. This is a special programming language for NC that uses statements similar to English language to define the part geometry, describe the cutting tool configuration, and specify the necessary motions. The development of the APT language was a major step forward in the further development from those used today. The machines had hardwired logic circuits. The instructional programs were written on punched paper, which was later to be replaced by magnetic plastic tape. A tape reader was used to interpret the instructions written on the tape for the machine. Together, all of this represented a giant step forward in the control of machine tools. However, there were a number of problems with NC at this point in its development.A major problem was the fragility of the punched paper tape medium. It was common for the paper tape containing the programmed instructions to break or tear during a machining process. This problem was exacerbated by the fact that each successive time a part was produced on a machine tool, the paper tape carrying the programmed instructions had to be rerun through the reader. If it was necessary to produce 100 copies of a given part, it was also necessary to run the paper tape through the reader 100 separate tines. Fragile paper tapes simply could not withstand the rigors of a shop floor environment and this kind of repeated use.This led to the development of a special magnetic plastic tape. Whereas the paper carried the programmed instructions as a series of holes punched in the tape, the plastic tape carried the instructions as a series of magnetic dots. The plastic tape was much stronger than the paper tape, which solved the problem of frequent tearing and breakage. However, it still left two other problems.The most important of these was that it was difficult or impossible to change the instructions entered on the tape. To made even the most minor adjustments in a program of instructions, it was necessary to interrupt machining operations and make a new tape. It was also still necessary to run the tape through the reader as many times as there were parts to be produced. Fortunately, computer technology became a reality and soon solved the problems of NC associated with punched paper and plastic tape.The development of a concept known as direct numerical control (DNC) solved the paper and plastic tape problems associated with numerical control by simply eliminating tape as the medium for carrying the programmed instructions. In direct numerical control, machine tools are tied, via a data transmission link, to a host computer. Programs for operating the machine tools are stored in the host computer and fed to the machine tool an needed via the data transmission linkage. Direct numerical control represented a major step forward over punched tape and plastic tape. However, it is subject to the same limitations as all technologies that depend on a host computer. When the host computer goes down, the machine tools also experience downtime. This problem led to the development of computer numerical control.3. TurningThe engine lathe, one of the oldest metal removal machines, has a number of useful and highly desirable attributes. Today these lathes are used primarily in small shops where smaller quantities rather than large production runs are encountered.The engine lathe has been replaced in todays production shops by a wide variety of automatic lathes such as automatic of single-point tooling for maximum metal removal, and the use of form tools for finish on a par with the fastest processing equipment on the scene today.Tolerances for the engine lathe depend primarily on the skill of the operator. The design engineer must be careful in using tolerances of an experimental part that has been produced on the engine lathe by a skilled operator. In redesigning an experimental part for production, economical tolerances should be used.Turret Lathes Production machining equipment must be evaluated now, more than ever before, this criterion for establishing the production qualification of a specific method, the turret lathe merits a high rating. In designing for low quantities such as 100 or 200 parts, it is most economical to use the turret lathe. In achieving the optimum tolerances possible on the turrets lathe, the designer should strive for a minimum of operations.Automatic Screw Machines Generally, automatic screw machines fall into several categories; single-spindle automatics, multiple-spindle automatics and automatic chucking machines. Originally designed for rapid, automatic production of screws and similar threaded parts, the automatic screw machine has long since exceeded the confines of this narrow field, and today plays a vital role in the mass production of a variety of precision parts. Quantities play an important part in the economy of the parts machined on the automatic screw machine. Quantities less than on the automatic screw machine. The cost of the parts machined can be reduced if the minimum economical lot size is calculated and the proper machine is selected for these quantities.Automatic Tracer Lathes Since surface roughness depends greatly on material turned, tooling , and feeds and speeds employed, minimum tolerances that can be held on automatic tracer lathes are not necessarily the most economical tolerances.In some cases, tolerances of 0.05mm are held in continuous production using but one cut. groove width can be held to 0.125mm on some parts. Bores and single-point finishes can be held to 0.0125mm. On high-production runs where maximum output is desirable, a minimum tolerance of 0.125mm is economical on both diameter and length of turn.54 中文译文1.车床车床主要是为了进行车外圆、车端面和镗孔等项工作而设计的机床。车削很少在其他种类的机床上进行，而且任何一种其他机床都不能像车床那样方便地进行车削加工。由于车床还可以用来钻孔和铰孔，车床的多功能性可以使工件在一次安装中完成几种加工。因此，在生产中使用的各种车床比任何其他种类的机床都多。车床的基本部件有：床身、主轴箱组件、尾座组件、溜板组件、丝杠和光杠。床身是车床的基础件。它能常是由经过充分正火或时效处理的灰铸铁或者球墨铁制成。它是一个坚固的刚性框架，所有其他基本部件都安装在床身上。通常在床身上有内外两组平行的导轨。有些制造厂对全部四条导轨都采用导轨尖朝上的三角形导轨（即山形导轨），而有的制造厂则在一组中或者两组中都采用一个三角形导轨和一个矩形导轨。导轨要经过精密加工以保证其直线度精度。为了抵抗磨损和擦伤，大多数现代机床的导轨是经过表面淬硬的，但是在操作时还应该小心，以避免损伤导轨。导轨上的任何误差，常常意味着整个机床的精度遭到破坏。主轴箱安装在内侧导轨的固定位置上，一般在床身的左端。它提供动力，并可使工件在各种速度下回转。它基本上由一个安装在精密轴承中的空心主轴和一系列变速齿轮(类似于卡车变速箱)所组成。通过变速齿轮，主轴可以在许多种转速下旋转。大多数车床有812种转速，一般按等比级数排列。而且在现代机床上只需扳动24个手柄，就能得到全部转速。一种正在不断增长的趋势是通过电气的或者机械的装置进行无级变速。由于机床的精度在很大程度上取决于主轴，因此，主轴的结构尺寸较大，通常安装在预紧后的重型圆锥滚子轴承或球轴承中。主轴中有一个贯穿全长的通孔，长棒料可以通过该孔送料。主轴孔的大小是车床的一个重要尺寸，因此当工件必须通过主轴孔供料时，它确定了能够加工的棒料毛坯的最大尺寸。尾座组件主要由三部分
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