数控基础及工艺 11

数控加工工艺新编21世纪高等职业教育精品教材·装备制造类项目八缸体件的数控加工工工艺及夹具设计

项目导读：本项目介绍了常见制动分泵缸体类零件的结构工艺，以某汽车制动装置用的某制动泵缸体零件加工为对象，分析该零件的图纸工艺，比较传统装夹和现代数控装夹工艺方案，确定数控加工工艺方案，并制定该零件的数控加工工艺，编制工艺、工序及刀具卡片，分别采用组合夹具设计方法，设计一套组合夹具装置，同时介绍“一体多件装夹”夹具设计方法，给出一套“一体多件装夹”夹具方案，拓展了多件装夹夹具设计方面进行有限元分析优化，供学习者深入学习研究借鉴。

学习目标：1、了解缸体件结构工艺特点2、掌握组合夹具设计方法3、掌握“一体多件装夹”夹具设计方法4、能够分析分泵缸体类零件工艺5、合理安排装夹工艺方案6、能够设计数控加工专用夹具一、问题提出某汽车制动装置中某制动分泵缸体零件，如图8-1所示。该件内孔精度高，其表面粗糙度为0.4μm，尺寸精度达到IT6级，具有圆柱度0.02mm的形状精度要求；该件两端面及槽处表面粗糙度要求均为6.3μm，尺寸精度要求在IT9-IT10级，没有形状位置精度要求，结合数控加工工艺、刀具和夹具等基础知识，分析该零件数控加工工艺，并设计关键工序夹具。图8-1

某制动分泵缸体零件图二、某汽车用分泵缸体件的数控加工工艺分析及夹具设计1、缸体类零件的结构工艺

缸体类零件广泛应用于发动机、压缩机、泵等设备装置中，是设备装置的基础零件。缸体类零件结构形状较为复杂、呈圆筒及箱体状、壁相对较薄等特点。具体可分以下几种结构工艺特征：（1）具有多面多孔加工的特征面。例如发动机缸体件，如图8-2所示。该类缸体件有孔系及平面加工，孔尺寸精度及表面质量要求高，具有严格的形状精度和位置精度，通常采用铣削、钻削、铰削、扩削、镗削、锪削、攻丝及磨削等加工工序或工步，所用刀具种类多。图8-2

发动机缸体件实物图（2）具有多工位加工特征面。例如阀、壳体等零件，如图8-3所示。该类零件具有四个工位特征的加工面，既有平面、柱面、孔及槽等加工特征，通常采用铣削、钻削、铰削、扩削、镗削、锪削等加工工序或工步，所用刀具种类也很多。图8-3多工位加工表面的缸体类阀座件（3）不规则外形的异形结构特点。有些缸体类零件的外形除了孔类回转体加工表面，还有倾斜表面或曲面等加工面，因此，该类缸体件外形不规则且呈异形结构特点，其加工需要铣削、钻削、攻丝及磨削等等加工工序或工步，如图8-4所示的某车用制动分泵缸体。图8-4某车用制动分泵缸体件模型及实物2、零件图纸工艺分析（1）零件的加工面分析图8-1所示的零件材料是HT200灰铸铁，该零件加工面较多，根据各表面加工精度和表面粗糙度要求，加工分为两大部分：1）以为Ø25.4孔主加工部分。该部分包括Ø25.4孔，Ø35孔前后两端面，Ø31，5mm宽槽，其中Ø25.4孔要求较为严格，不仅有0.05mm的尺寸精度要求该有0.02mm圆柱度要求和Ra0.4粗糙度要求。2）以Ø38外圆为主的加工加工部分。该部分包含Ø38外圆面，Ø38底端面，Ø3，3/8-24UNF螺纹孔，左右心形20度斜面，尺寸为19的平面，Ø3，3/8-24UNF其中Ø3孔对3/8-24UNF同轴度要求0.06

mm，5/16-18UNC螺纹孔。这两组部分之间有一定位置要求：Ø38底端面与Ø25.4孔轴线的距离22±0.2mm。

（2）加工方法的选择以不加工表面Ø35外圆作为定位粗基准，加工出制动分泵缸体Ø35左侧端面和倒角，Ø31外圆柱，切5mm凹槽，然后再加工出精基准Ø25.4孔（预留0.5mm左右的研磨余量）；掉头可加工出Ø35右侧端面、倒角，Ø31外圆柱，切5mm凹槽；以Ø25.4孔为主要精基准，加工上端面Ø38外圆面，R9.5两圆弧面，尺寸为19的平面，铣左侧形20°的斜面，铣右侧形20°的斜面，加工5/16-18UNC螺纹孔，钻Φ3底孔，钻3/8-24UNF螺纹孔，之后钻零件斜面底孔Φ3，钻零件3/8-24UNF螺纹孔。（3）零件加工工艺路线的拟定按照“先精后粗”和“基面先行”的原则，根据以上零件图纸工艺分析，该零件的加工工艺路线如表8-1所示。工序号工序内容Ⅰ车Ø35左端面、粗、半精镗，精镗Ø25.4内孔、Ø35外圆以及Ø31×5mm凹槽Ⅱ车Ø35外圆柱右端面，Ø31×5mm凹槽Ⅲ铣上端面Ø38外圆端面，R9.5x1.5深槽，尺寸为19的平面，钻5/16-18UNC螺纹孔,钻Ø3底孔，钻3/8-24UNF螺纹孔Ⅳ铣左侧形20°斜面Ⅴ铣右侧形20°斜面，钻斜面Ø3底孔，钻3/8-24UNF螺纹孔Ⅵ研磨Ø25.4内孔表8-1制动分泵缸体件加工工艺路线表3、装夹工艺方案制定装夹工艺是数控加工中非常关键的一个环节，它涉及到如何正确地将工件安装在数控机床上，以便进行精确地进行数控加工操作。良好的装夹工艺不仅能够确保加工精度，还能提高生产效率、降低操作人员的劳动强度。装夹工艺是确定工艺工序划分的重要依据，也是选择和设计夹具装置的必要环节。装夹方案设计的相关步骤包括以下几方面内容。（1）工件特征的分析

确定工件的几何形状、尺寸及精度要求，了解工件的材质及其物理特性，明确加工需求和技术要求（如加工精度、表面质量）。（2）定位基准选择

根据工件的结构特征选择最合理的定位基准。首道工序确定的是粗基准选择，应灵活运用粗基准选择的基本原则；其他工序主要是精基准的选择，精基准选择要满足精基准选择的基本原则。定位基准的选择要能保证工件定位准确，实现工序要求的完全定位或不完全定位方式，进而设计合理的定位方案，这是装夹工艺设计的关键环节。另外，为了减小定位误差，如避免基准不重合产生的误差，定位基准应尽量与设计基准一致。（3）夹紧方案设计根据定位基准选择设计了定位方案后，即可确定夹紧方案设计。定位方案与夹紧方案是装夹工艺方案的关键，也是设计夹具装置的关键，这两者结合起来通常称为“装夹”，这就是夹具的主要作用是装夹工件的由来。夹紧方案设计包括确定夹紧点的作用位置、夹紧力方向和夹紧力大小等三方面要素所构成的夹紧装置。夹紧点的作用位置要保证夹紧力均匀分布，夹紧元件和定位元件也可以是同一个元件，如三爪卡盘、四爪卡盘中的卡爪；如果不是同一个元件，除了夹紧点作用位置、还要确定夹紧力方向，进而使用合适的夹紧元件（如螺栓、压块等）；如果被装夹的工件属于薄壁类零件，还要考虑夹紧力大小，既要保证工件夹紧可靠，也要避免工件被夹变形，有的工件具有热膨胀效应，还要考虑避免因温度变化引起的变形。夹紧装置的组成部分内容在本书项目三部分有具体介绍。通过上述步骤，可以制定出一套完整的装夹工艺方案，确保加工过程中的质量和效率。在实际应用中，还需要根据具体情况灵活调整，以达到最佳的加工效果。4、某汽车用分泵缸体件数控加工工序及刀具卡片编制以表8-1中的第一道（工序Ⅰ）为例，该道数控加工工序卡见表8-2。表8-2某分泵缸体件的第Ⅰ道数控加工工序卡单位名称/产品名称或代号零件名称零件图号/轴套件/工序号程序编号夹具名称加工设备车间Ⅰ/组合夹具XK713数控铣钻车间工步号工

步

内

容刀具号刀具规格(mm)主轴转速(r/min)进给速度(mm/r)背吃刀量(mm)备注1粗车工件的前端面、外圆柱表面，单边留0.25mm的加工余量T0125×255700.32

2精车工件的前端面、外圆柱表面至图纸要求T0125×257500.15

3倒角T0125×257500.15

4切前端槽T0225×253000.05

5粗镗、精镗中心内孔及倒角T03Ø20550/6000.25/0.11/0.25

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页第一道（工序Ⅰ）数控加工刀具卡见表8-3。表8-3某分泵缸体件的第Ⅰ道数控加工刀具卡产品名称或代号/零件名称轴套件零件图号/序号刀具号刀具加工表面备注规格名称数量刀长/mm1T0190°外圆车刀（硬质合金）1实测前端面、外圆柱表面、倒角

2T025mm切槽刀1实测切槽

3T03镗孔刀1实测镗中心内孔及倒角

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页5、数控车镗组合夹具的设计该件中心内孔的加工工艺路线为：粗镗→半精镗→精镗；其两端面及其两槽处的加工工艺路线为：粗车→半精车（精车）。该件中心内孔镗削加工与其端面及槽的车削加工可以在一次装夹过程中完成，按照工艺规则中“基面先行”原则，该件镗削后的中心内孔及其车削的端面是作为后道工序的精基准。因此，分泵缸体件第一道数控车镗工序见表8-2所示，在每个工步中，通过改变所使用的刀具切削用量参数来实现工件表面的粗车和精加工，这样可以减少使用刀具数量及换刀次数，进而降低辅助时间，提高工件生产效率。在以上第一道（工序Ⅰ）数控车镗工序中所采用的组合夹具可实现工件一次装夹，该件的装夹的定位与夹紧如图8-5所示。在第一道工序中最重要的是选择粗基准，根据工艺规则中粗基准选择基本原则，粗基准尽量选择未加工表面与加工表面之间具有较高的未加工表面为粗基准，因此选择分泵缸体件的外圆柱表面是其主要定位粗基准，可限制工件的4个自由度，采用的主要定位元件为V型定位块；其另一个未加工端面限制工件的1个自由度（图8-5中端面定位符号处未标明1表示缺省值），采用的主要定位元件为支承板或支承块等元件。图8-5第一道数控车镗工序装夹示意图

组合夹具元件是标准化、系列化元件。在孔系组合夹具中，基础板及其他相关元件上有铰制光孔及螺纹孔，这些孔之间位置也是标准化设计，利用孔进行装配夹具各功能元件之前就要必须做好计算和规划，以便能快速正确选用功能元件，拼装设计成组合夹具。如图8-6所示的车镗组合夹具UG快速拼装图，圆盘形基础板1是夹具体；工件外圆柱表面的定位装置由L型V型块9、立方支承块8、固定支承板5、螺纹孔端盖6、螺母7等组成，其中螺母7是对调节丝杆17进行锁紧的，调节丝杆17可以调节滑块18及其安装的两个圆柱销16，两个圆柱销16同时连接立方支承块8，进而通过立方支承块8来调整L型V型块9的位置，确保L型V型块9对工件外圆柱面定位，其内孔中心线与圆盘形基础板1同轴后，用螺母7是对调节丝杆17进行锁紧，相关调节机构的元件如图8-7所示；工件端面定位的装置由两个对称分布的支承板4组成，并分别由相应的固定支承板3、定位键3及相关紧固螺钉等组成；夹紧装置由压块10、螺杆11、螺纹孔支座11、调节螺母12、立方支承块13及相关紧固螺钉等元件组成。为了保证组合夹具在数控车床上旋转时处于平衡状态，还需要在圆盘形基础板1上增加平衡块14，并通过紧固螺钉安装。平衡块的重量及其安装的位置可通过静平衡方程进行计算，在实际回转过程中，通过机床空挡时旋转组合夹具时，进行微调校验，若组合夹具在机床空挡时旋转可以在任意位置停止转动，则平衡块位置调整完毕，此时可以在数控车床上完成车镗加工工序。车镗组合夹具UG最终虚拟装配如图8-8所示。图8-6

车镗组合夹具UG快速拼装图图8-7调节机构UG快速拼装图图8-8

车镗组合夹具UG快速装夹工件装配图

根据以上装夹分析及UG虚拟装配验证，可为实际组合夹具拼装设计提高了效率，按照UG虚拟装配所需要的夹具功能元件进行实际装配，分泵制动体车镗组合夹具装置如图8-9所示。该装置替代了传统专用夹具，且提高了组合夹具设计使用效率，为现代数控加工提供了可借鉴的装夹设计方案。图8-9

车镗组合夹具6、“一体多件装夹”夹具设计

根据工艺规则中选取已加工表面和内孔表面为定位基准，因此确定选择分泵缸体件的内孔表面（第一道工序中完成加工的孔面）为其主要定位基准，且可限制工件的4个自由度，采用的主要定位元件为芯轴；其另一个已加工端面限制工件1个自由度，用的主要定位元件为支承板或支承块等元件，在圆周面加一顶杆限制1个自由度，限制其绕芯轴转动。由此可见，该件铣削工序采用完全定位方式来实现其定位，见图8-10所示。工件的夹紧力作用点和方向必须正朝着圆周定位基准面，可采用的是液压、气压或者手动夹紧方式，具体根据实际情况确定。（a）定位夹紧示意图

（b）该道工序加工部分尺寸及精度要求图8-10

零件装夹及其工序图

基于数控加工的工序集中原则，尽量将零件的多个工位的加工内容整合到一道数控加工工序中，考虑到三轴加工中心没有第四轴旋转功能，由于工件具有不同工位要求，为此，这里需要设计两套夹具，其定位方式如图8-10所示，只是角度要根据工件要求进行调整。具体加工工序内容如表2所示。表2某汽车制动分泵缸体件第二道加工中心工序工步号工步内容刀具工装1粗铣、精铣2-R9.5端面立铣刀专用夹具12两处5/16＂-18UNF的钻孔、攻螺纹麻花钻、丝锥323°处的粗铣、精铣3/8＂-24UNF端面立铣刀专用夹具243/8＂-24UNF的钻孔、锪台阶6深度、钻ø3通孔、攻3/8＂-24UNF螺纹（23°处）麻花钻、锪孔钻丝锥53/8＂-24UNF的钻孔、钻ø3通孔、攻3/8＂-24UNF螺纹（5°处）麻花钻丝锥专用夹具3

根据以上分析，两个专用夹具可以通过“一体多件装夹”方法，安装在三轴加工中心的工作台上，具体设计方案如图8-11所示，夹具在企业应用如图8-12所示。图8-11“一体多件装夹”方法夹具设计方案图8-12“一体多件装夹”方法夹具设计方案实际应用由此可见，“一体多件装夹”方法就是将多个夹具安装在一个工作台上，以便实现零件不同工位的加工的夹具设计方法（如图8-12）；也可以是在一个夹具体上装夹多个工件，实现多个工件相同工序的加工（如图8-14）。在数控加工工艺设计方案中，“一体多件装夹”方法是大规模批量生产的零件数控加工，通过该方法设计的夹具装置可避免三轴加工中心不能够自动转位的功能，同时能充分发挥三轴加工中心加工效率的一种方法，在当前数控加工普及的情况下有一种经济的设计方法。知识拓展：某汽车用泵体多件装夹夹具设计的有限元分析及其应用1、装夹工序设计装夹变形控制是影响零件加工精度的重要因素之一，也是当前装夹夹具设计分析的研究热点。以另一类某汽车用分泵缸体多件装夹夹具设计为例，借助于有限元软件进行分析。通过设计多件装夹夹具，在加工中心上完成该泵体的加工面（F、G、H、I以及F’、G’、H’、I’）的加工，定位需采用以加工的A端面B、B’圆柱孔为精基准，如图8-13所示。图8-13某汽车用制动分泵缸体件主要特征加工面图2、多件装夹夹具设计多件装夹夹具设计是现代数控夹具设计应用的主流，以下通过UGNX版本软件完成设计建模，并将其保存成*.x_t或*.stp格式，以便导入到ANSYS软件中进行有限元分析。结合以上装夹工序分析，根据企业实际批量生产需求，可将单个夹具装置进行阵列，分别设计装夹六个制动泵体零件的夹具（见图8-14）和带有两根拉杆的装夹六个制动泵体零件的夹具（见图8-15）。运用有限元分析，对比了无拉杆式与有拉杆式两种夹具体结构的性能差异，并提出采用一种对称式夹具体结构设计的多件装夹方法，可避免有拉杆杆式结构的复杂性，经实际生产加工工件精度检测，得出最优的对称式多件装夹夹具。图8-14

装夹六个制动泵体零件的夹具模型（无拉杆）图8-15

装夹六个制动泵体零件的夹具模型（有拉杆）3、多件装夹夹具有限元分析通过ANSYS导入以上所建立的三维夹具设计模型，夹具体使用45#材料，采用液压或气动夹紧，每处夹紧力为4.9KN，如图8-16所示的A、B、C、D、E、F六处，以夹具体底面为约束面，以六面体网格进行划分。图8-16

六件装夹夹具加载模型在ANSYS软件中定义夹具体45#材料的参数后，经软件分析可分别得出以上两种模型的应力云图（见图8-17和图8-18）和变形云图（见图8-19和图8-20）。图8-17

六件装夹（无拉杆）夹具体应力云图图8-18

六件装夹（有拉杆）夹具体应力云图六件装夹（无拉杆）夹具体最大应力为27.733MPa，如图11所示；六件装夹（有拉杆）夹具体的最大应力为27.112MPa，如图8所示；由此说明，设置拉杆后夹具的应力变小，两者最大应力分别位置相同。图8-19

六件装夹（无拉杆）夹具体变形云图图8-20六件装夹（有拉杆）夹具体变形云图六件装夹（无拉杆）夹具体的最大变形量为0.018439mm，最大变形位置在夹具体竖直板中间部位，如图8-19所示；六件装夹（有拉杆）夹具体的最大变形量为0.018205mm，最大变形位置也在夹具体竖直板中间部位，如图8-20所示。由此可见，设置拉杆（其作用类似于铸造的加强肋板）可降低夹具体变形，拉杆式夹具体结构刚度好。榜样力量中国自主品牌——全柴动力安徽全柴动力股份有限公司是国内专业的发动机研发与制造企业，具有年产60