减速器转子轴套加工工艺和夹具设计【数控加工】【三维PROE工件图】
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北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文）目 录1文献综述31.1本课题国外研究进展31.2本课题国内研究进展52课题背景及研究意义62.1课题背景62.2研究意义73研究方法、内容及预期目的93.1研究方法及内容93.1.1 CAD技术概述93.2完成工作104.1夹具设计方案104.2夹紧方案及元件确定115进度安排14参考文献15指导教师意见16前 言机床夹具是我国国民经济的基础工业，是制造业的重要基础工艺装备，随着社会的不断进步、经济的不断发展，各种各样的商品被不断生产出来，其中大多数商品的生产都依赖于模具的多样化。国民经济的五大支柱产业机械、电子、汽车、石化、建筑业的发展也要求模具工业的发展与之相适应。机床夹具在制造业中所具有的重要地位，使得机床夹具的制造能力和技术水平已成为衡量国家制造业水平和创新能力的重要标志。近年来随着机床夹具制造能力的不断提高，使得机床夹具有着高精度、长寿命、高生产率、型腔形状和机床夹具结构复杂的特点。如今机床夹具的生产方式广乏采用CAD/CAM/CAE技术，采用高速切削加工技术，快速成型技术和快速制模技术的一系列的先进技术。机床夹具未来的加工也向着粗加工向高速加工发展，成型表面的加工向精密、自动化发展，光整加工向自动化发展，快速成型加工技术的发展，机床夹具CAD/CAM/CAE正向集成化、三维化、智能化和网络化发展，机床夹具的标准化程度将不断提高。但我国机床夹具的发展存在着一些不足：发展不平衡，工艺装备落后，组织协调能力差，供需矛盾短期难以缓解，大多数企业开发能力弱，创新能力明显不足，以上的这些缺点严重阻碍了我国机床夹具的发展，以上缺点成为我国当前机床夹具工业首要解决的问题。四年学习的结束，使自己对机床夹具的认识有了清晰的了解。这次设计的题目是转子轴套的加工夹具设计，通过pro/E进行造型分析，最后用Auto/CAD软件对主要的零部件与装配图进行绘制，虽然对机床夹具的结构有一些感性的认识和理性的认识，也进行过实践和相应的课程设计，但这次设计是对四年学习的一个总结，由于缺乏真正的实践经验，使这次毕业设计的过程中遇到了很多困难，但是通过老师的指导和详细的查阅资料，以及和同学们的讨论，解决了不少的问题。相信这次设计能够符合设计的要求，完成设计的任务。由于自身知识的不够完善，在设计的过程中存在着一些不足和不完善的地方，恳请老师指正。1文献综述在制造业尤其是机械制造业的产品生产过程中，按照特定工艺,不论其生产规模如何，都需要种类繁多的工艺装备,而制造业产品的质量、生产率、成本以及柔性化无不受工艺装备的制约。夹具和模具是最复杂和随产品不同而专用化程度最高的工艺装备。随着科学技术的迅速发展，机械制造业由传统的机械制造加工转变为现代化的柔性制造系统中数控加工，机械制造业发生了巨大的变化，其主要特征表现在产品的生产制造由传统的单一化、大批量类型向个性化、多品种、复杂性高的中小批量类型方向发展。但无论是传统制造还是现代制造，最终都是保证产品零件的加工表面相对其他表面的尺寸精度、形位精度等，加工前所要考虑的装夹问题。1.1本课题国外研究进展早期的机床夹具,如车床的鸡心夹头和卡盘、刨床的虎钳,是和机床同时诞生和发展起来的。由于他们是与机床配套供应用户，一般也称为机床附件,是通用机床夹具的鼻祖。现代的专用夹具是伴随着大批大量生产的发展而发展出现的，特别是和汽车工业的发展密切相关。专用夹具的使用，一方面缩短了工序时间,降低了加工成本；另一方面，夹具本身的设计制造工时、材料消耗等又增加了工件的成本。因此,在何种生产条件下使用哪种类型的夹具才是经济合理的,也就是夹具的经济性，一直都是夹具结构发展和设计的一个主要问题。早在 20 世纪七 70 年代，前苏联科学家已经开始尝试着把 CAD 技术和夹具设计技术进行融合，但由于软硬件的原因，该技术的发展受到了较大的阻碍。到了 20 世纪 80 年代，欧美专家也对此方面进行了有效的研究。比较有代表性的包括： 80 年代初，法国科学家 Latombe 和 Ingrand 做出了关于自动化夹具设计推理方面的研究。80 年代初期，由科学家 Markus 和 Miller 等人对半自动化夹具设计方法方面的研究，虽然该研究设计的系统是半自动化的，但其研究的内容却包括交互确定夹具的夹紧点，定位部位和辅助支撑部位等功能。 93年，由科学家NEE等人研发的用于孔隙组合夹具的基于特征的夹具设计系统。 到了八十年代中期，基于成组技术及基于知识的夹具设计系统的研发成为了夹具设计系统的新方向。由 Hou Jl 和 P.M.Grippo 等人研发的槽系组合夹具设计系统，该系统是基于成组技术和知识库进行了交互式夹具设计。由 Davishi 与 Gill 等人研发的关于知识表达的夹具设计系统。由 Sakurai 等人研发的运用算法和知识来确定夹具装夹顺序和夹具结构的夹具设计系统。 由 Cou 等人研发的基于零件稳定性及夹具设计全约束的夹具设计系统，该系统重点研究夹具夹紧过程中的稳定性和全约束。 九十年代以后，随着以上技术的发展，夹具设计系统在九十年代开始向着多源化的方向发展。 1990 年由 Pham 等人开发的夹具 CAD 系统。 90 年代初，由 Y.Rong.等研发的侧重于夹具设计精度、刚性及校验等方面的功能比较全面的夹具设计系统。 90 年代初由 Lazaroa 等人研发的基于零件库的，能自动生成组合夹具的夹具设计系统；该系统还在夹具加工构成中精度方面的内容进行了研究。 90 年代后期由美国 W.MA 和 Z.lei 等人研发的夹具设计系统，该系统在夹具设计完成后可以自动生成夹具转配图。 1995 年，由 Rong 等人从装夹方案到夹具结构设计，对夹具设计系统进行比较全面深入的研究，研发出了基于孔系组合夹具的自动夹具设计系统。 2000 年由 Kulankara 等人从夹具布局方面进行了研究，并由此开发出了一种基于遗传算法的关于夹具布局方面的优化技术，这种技术可以减少因加工时产生的切削力和夹紧力所引起的加工变形。 2004年-2005年由Satyanarayana等人与Amaral等人分别用有限元的方法对零件弹性变形和作用力的预测以及夹具设计优化等方面进行了有效的研究 2005 年由 Song 等人在定位方法确定的基础上，进一步研究了非确定定位方案，用数学的算法来验证零件的约束状态，并用这种方法确定零件的约束状态，并基于该方法指出工件的非约束运动，也可基于该方法检测出过约束及非必要的定位，利用这种方法可以使设计者改善已有的定位方案。 2004年-2005年由Satyanarayana等人与Amaral等人分别用有限元的方法对零件弹性变形和作用力的预测以及夹具设计优化等方面进行了有效的研究 2005 年由 Song 等人在定位方法确定的基础上，进一步研究了非确定定位方案，用数学的算法来验证零件的约束状态，并用这种方法确定零件的约束状态，并基于该方法指出工件的非约束运动，也可基于该方法检测出过约束及非必要的定位，利用这种方法可以使设计者改善已有的定位方案。1.2本课题国内研究进展我国的夹具辅助设计系统始于二十世纪八十年代，由中国航空技术进出口公司设计的一款二维计算机辅助组装软件开启了我国 CAFD 技术的先河。我国对计算机辅助夹具系统的研究主要集中在国内大学及科研院所，比较著名的包括西北工业大学、中国工程物理研究院、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学等，其成果包括曾翠华等人研究的基于 ADAMS 的交互式夹具设计系统。万洪强等人设计的基于 Solidworks夹具设计系统，吴禄甚等人设计的基于 NX 软件的夹具设计系统等等。这些系统极大的满足了市场的需求，但不可避免的存在这样或那样的不足，虽然早在 20 世纪 70 年代就开始出现了研究工作，20 世纪 80 年代以后夹具设计理论的研究和 CAD 系统的开发变成国际上制造研究的一个热点。但是由于当时计算机硬件和软件比较落后，其发展受到很大的阻碍，离真能用于生产实际的商品化软件尚有不小的距离。随着柔性制造系统（FMS）的应用，计算机集成制造系统（CIMS）的兴起，对实用化夹具设计软件提出了更为迫切的需求。 在国内，从事CAFD方面研究最早，成果最大，唯一开发出具有夹具规划功能和结构生成功能的准商品化软件的，是北京机械工业学院的朱耀祥教授以及后来与之合作的美国吴士托工学院的融亦鸣(Y Rong)教授。朱耀祥教授主编的组合夹具组装、应用、理论可谓是组合夹具领域的经典文献;融亦鸣、朱耀祥等合编的计算机辅助夹具设计及更早期间出版的该书的英文版则是CAFD方面的经典,代表了最成熟的研究成果；从20世纪60年代开始,朱耀祥就从槽系组合夹具到孔系组合夹具进的理论和生产应用行了研究和开发，促进了我国组合夹具应用和行业的发展;结合我国七五计划“数控机床CAD”攻关项目，开始了以微机为平台的槽系组合夹具CAD软件的研究开发工作。2课题背景及研究意义2.1课题背景夹具作为一种特殊的产品,需要丰富的设计经验，设计人员的经验与技能将直接影响着设计结果。而现有的一些通用CAD软件只能完成一些诸如绘图,三维建模等方面的工作，计算机对辅助设计人员进行夹具设计非常有限，设计的自动化程度也很低,要实现夹具设计的智能化，所开发的夹具设计系统必须能够继承夹具设计人员优秀的设计知识、经验与技能。运用知识工程可以将这些设计经验进行综合，提炼,改进和组合，以形成智能化的设计系统。夹具的快速设计与制造,已经成为产品快速变换和制造系统新建成或重构后运行的瓶颈，严重地影响制造系统的设计建造周期、系统生产率、质量和成本。目前国内外主要研究和开发的是基于CAD技术的柔性夹具的设计和各种相关的分析和校核。它们不同于组合夹具的CAFD之处是不仅能用于标准的组合夹具中，而且也能用于通/专用夹具的CAFD中。这些夹具设计方法在汽车、摩托车、缝纫机和计算机行业中将会得到广泛应用。通过对计算机辅助夹具设计系统的研究、相关企业的调研以及计算机辅助夹具设计类文献的查阅，论文课题拟定在以下几个方面作出研究： 1）夹具设计需要大量的理论知识进行指导机床夹具的概念设计、结构（构形）设计、以及性能评估中都需要大量的理论知识进行指导，在机械加工中影响零件加工精度的机床夹具定位方案设计的定位误差分析更加依靠这些理论知识，特别是利用计算机技术的强大逻辑运算能力和管理能力对定位误差分析也需要大量理论知识指导。为此，本课题研究的定位方案设计与定位原理及其算法的研究需要大量理论知识的指导。 2）夹具设计是一个高度依赖经验的设计问题设计师在构思新工件的夹具设计方案时，往往是根据个人的设计或者制造经验来设计夹具。对于夹具设计的定位误差分析是其核心要素也是设计中的难点问题，人类对其拥有大量的宝贵经验。为此，本课题的研究对其定位方案资源库建立和定位误差检验分析需要归纳、整合大量的经验知识资源。 3）运用计算机技术建立机床夹具定位方案资源库及其定位误差校验系统 计算机辅助夹具设计（CAFD）克服了传统夹具设计的缺点，减少了设计人员劳动。由于计算机技术的强大功能的应用，现代机床夹具的设计也越来越依赖于计算机辅助设计技术，对于机床夹具定位方案资源库的建立和夹具设计定位误差的分析校验将建立在理论与经验知识的基础上，利用计算机技术建立资源库并开发相应的定位误差校验系统，从而实现良好的人机交互方式，进一步完善计算机辅助夹具设计系统。 4、实现完善的计算机辅助夹具设计系统还需要长时间的研究 计算机辅助夹具设计经历的时间较短，还有很多的问题还待进一步研究和实现，文章只是对机床夹具设计中定位方案设计、定位合理性、定位准确性、定位误差分析校验以及定位方案质量评价的研究作出了一定的探索与研究，并开发了定位误差校验系统，旨在完善了计算机辅助夹具设计系统的一部分内容，还有大量的微观和宏观上的知识研究仍需要更长一段时间去探索与实现。 根据以上几个方面的分析，文章将从传统的机床夹具设计经验知识和现代机床夹具设计方法知识，并结合 CAFD 技术的发展，进行夹具定位方案的定位规划设计、夹具定位误差原理分析和定位误差算法研究，从而建立夹具定位方案资源库与定位误差校验系统的开发，并对未来计算机辅助夹具设计系统进行展望和探讨。2.2研究意义通过以上对计算机辅助夹具设计的背景、发展历程、研究现状、发展趋势以及关中区域制造业企业的具体情况的研究思路指导下提出了本文重点的研究内容如下：(1)基于实例和基于知识的夹具设计方法研究。重点研究夹具实例的表示问题，夹具设计实例的检索与相似度计算算法，夹具实例的修改等技术；研究夹具设计知识的表示方法，夹具设计的推理机制以及基于知识的夹具方案自动选取技术。(2)基于实例和知识的混合推理机制研究及其在夹具设计中的实现。重点研究夹具设计的混合推理模型以及混合推理过程的实现问题。研究基于知识的推理技术在夹具实例检索过程中的应用。设计实现基于实例和知识的夹具设计系统。1）进一步了解国内外夹具的发展2）联系课本及所学知识，掌握计算机辅助夹具的结构及运行机理3）锻炼查阅文献、整理数据与分析及拟定设计方案的能力4）熟练掌握操作CAD和Inveror等绘图常用软件的能力5）熟悉零件的工艺性、机器装配和安全技术方面的知识6）培养分析和解决问题的实际能力，对知识的综合运用能力等 3研究方法、内容及预期目的3.1研究方法及内容由于国内外投入和研究的夹具很多，根据国内外的研究成果进一步了解所选夹具的各项性能，并绘制相关零、部件图。本次作业从所给题目要求和所查资料中选出适合的零件为转子轴承轴套，也即，之后的研究内容将围绕转子轴承的加工和夹具的加工设计展开。具体研究内容：1）对实际零件进行测绘，画出零件图，进行尺寸和粗糙度标注；2）根据零件图进行三维建模，并利用三维软件和所学知识，做出零件模具的三维图；3）根据已给出的零件图设计相应加工夹具，并编制加工工艺，写出工艺卡片；4）将其中一道工序进行数控编程，写出数控加工程序。3.1.1 CAD技术概述 CAD（ComputerAidedDesign）的含义是指计算机辅助设计，是计算机技术的一个重要的应用领域，它是利用计算机软、硬件系统辅助设计者对产品进行设计、修改及显示、输出的一种设计方法。AutoCAD则是美国Autodesk公司推出的，在国内外很受欢迎的微机平台CAD软件包。CAD技术产生于本世纪50年代后期，其发展与工业实际应用和需求密切相关，随着实际应用和CAD技术的广泛应用，新的需求又不断出现，一些计算机应用的新技术和一些新的算法在CAD中不断出现和发展。随着国际经济的飞速发展，世界销售市场对产品需求量的不断增加，使产品制造企业在生产中更多地采用先进设计技术、自动设备去提高劳动生产率。CAD技术包括设计和分析两个方面。设计是指构造零件的几何形状、选择零件的材料，为保证整个设计的统一性而对零件提出的功能要求和技术要求等。分析是指运用数学建模技术，如有限元、优化设计技术等；从理论上对产品性能进行模拟、分析和测试，以保证产品设计的可靠性。总之，一个好的计算机辅助设计系统既能充分发挥人的创造性作用，又能充分利用计算机的高速分析计算能力。3.2完成工作（1）完成三维零件图；（2）A1零件图2张，毛坯图1张；（3）完成加工工艺分析，工艺尺寸计算，定位误差计算，切削用量等计算，并按照工序，编制工艺卡片；4.1夹具设计方案4.1.1定位基准的选择4.1.2定位方案的确定夹具参数的选择，在加工中的夹具参数确定时，要和工件的质量相适应，从加工中的主轴运行转速、切削的进给量、背吃刀量、切削力，一般是切削加工速度和质量适当，而切削力较小为佳，以免剧烈的切削力对工件和夹具造成加大的伤害，而又会造成加工中的表面质量的不均匀，影响加工质量。在夹具的参数选择时，必须要和加工零件的表面尺寸相适应，如果夹具加持力过小，则零件容易松动，加工中的跳动情况比较严重，易出现质量问题，如果夹持力过大，又有可能对零件表面形成伤害，导致零件的破损或应力集中等情况，影响使用性能。夹具的参数要考虑零件材料的强度和塑性等因素，在保证加工稳定的情况下，要尽量减少对加工零件表面的影响。此外，加工的夹具的制造中，其参数还与夹具使用的材料、力学性能相关，在保证可使用的情况下，即夹具符合耐用性和精度的情况，尽少夹具的成本预算，以节约生产成本，保证加工的经济效益。为了保证工件被加工表面的技术要求，必须使工件相对刀具和机床的加工位置。在使用夹具的情况下，就要使机床、刀具、夹具和工件之间保持正确的加工位置。显然，工件的定位是其中极为重要的一个环节。要使工件完全定位，就必须限制工件在空间的六个自由度，此即为工件的“六个定位原则”。在定位设计中，会遇到以下几种情况：（1） 完全定位：限制工件全部的六个自由度，称为工件的“完全定位”（2） 不完全定位：在对工件的加工精度没有影响的情况下，允许少于六个的定位称“不完全定位”（3）欠定位：工件的定位支承点数少于应限制的自由度数，这种工件定位点不足的情况，称为“欠定位”，欠定位在实际生产中是不允许的。 （4）过定位：工件的某一个自由度同时被两个或多个定位支承点重复限制，这1种情况称为“过定位”，也叫“重复定位”。4.2夹紧方案及元件确定4.2.1工件的夹紧设计机械加工过程中，为保持工件定位时所确定加工位置，防止工件在切削力、惯性力、离心力及重力等作用下发生位移和振动，一般机床夹具应有一定的夹紧装置，以将工作压紧。因此，夹紧装置的合理、可靠和安全性，对工件加工的技术和经济效果有重大影响，故提出下列基本要求：1） 夹紧过程中，不改变工件定位后占据的正确位置。2） 夹紧力的大小要可靠和适当，既要保证工件在整个加工过程中位置稳定不变、振动小，又要使工件不产生过大的夹紧变形。3） 夹紧装置的自动化和复杂程度应与生产纲领相适应，在保证生产效率的前提下，其结构要力求简单，以便于制造和维修。4夹紧装置的操作应当方便、安全、省力。4.2.2钻削时给进和转矩的计算4.2.3定位误差分析（1）定位元件尺寸及公差的确定。本夹具的主要定位元件为短圆柱销（限制2个自由度）和一块面板（限制3个自由度）。（2）计算10mm两互相垂直孔中心线与36外圆端面的最大误差为夹具设计及操作说明专业夹具是指专为某一工件的某道工序而专门设计的夹具。其特点是结构紧凑，操作迅速、方便。省力，可以保证较高的加工精度和生产效率，但设计制造周期较长、制造费用也较高。当产品变更时，夹具将由于无法使用而报废。只适用于产品固定且批量较大的生产中。所述，在设计夹具时，为了提高劳动生产率和零件精度要求，在最后一道工序应用专用夹具。本工序由于要保证两孔的中心线互相垂直。钻孔时直接一次性钻孔，而36外圆壁厚为5mm，钻削力不大轴向力不大，所以用机动夹紧即可。夹具上装有对刀块，可使夹具在一批零件加工之前与塞尺配合使用很好地对刀：同时，夹具体低面上的一对定位键可使整个夹具在机床工作台上有一正确的安装位置，以利于洗削加工4.2.4专业夹具的标注有关尺寸及技术要求4进度安排 2014下半学年第10周:与导师见面，分配毕设题目第 11、12周:了解毕业题目要求，根据需要做的内容查资料第 13、14周:查询相关文献，撰写文献综述和选题报告第 15、16周:向老师提交开题报告，指导后进行修改，进行选题答辩2015上半学年第 2周：提交英文翻译，完善文献综述部分资料第 3周：分析零件图，绘制三维图；第4周：根据三维图，制作零件模具的三维图； 第5、6周：设计零件模具的二维图； 第7、9周：CAD绘制模具图，并进行尺寸和粗糙度标注；第10、11周：根据已完成的模具图编制工艺卡片；第12周：选择工序，编制数控加工程序；第13、14周：撰写、整理论文，打印装订，CAD出图，准备答辩；第15周：答辩。参考文献1 陈长年.迎接中国制造时代的到来J.制造技术与机床,2003(5):23292融亦鸣、朱耀祥、罗振壁.计算机辅助夹具设计M.机械工业出版社.2002(2)3蔡瑾、段
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