毕业设计（论文）-箱体零件加工工艺设计及装夹变形分析.doc

编号 本科生毕业设计本科生毕业设计 箱体零件加工工艺设计及装夹变形分析箱体零件加工工艺设计及装夹变形分析 body parts processing technology design and clamping deformation analysis 学学 生生 姓姓 名名 专专 业业 学学 号号 指指 导导 教教 师师 学学 院院 二二一一年六月一一年六月 长春理工大学本科毕业设计 i 摘摘 要要 箱体是机器和部件的基础零件，由它将机器和部件中许多零件连接成一个 整体，并使之保持正确的相互位置，彼此能协调地运动。箱体类零件由箱座、 箱盖组成，其结构较为复杂，其上通常有一些尺寸精度和位置精度要求都比较 高的定位销孔，用作相关零件定位或在加工过程中定位，故机械加工劳动量相 当大，困难也相当大，对工艺人员工艺、夹具设计提出很高要求。 保证零件加工质量的前提下，提高生产率，降低成本，是国内外现代机械 加工工艺的主要发展方向之一。本文通过对箱体零件图及结构形式的分析基础 上，对箱体零件进行工艺分析、工艺说明及加工过程仿真和精度分析。同时以 此箱体零件为例进行工艺过程设计，编写相应工艺卡片；其次再对箱体表面的 孔的加工进行专用夹具设计与精度和误差分析。实践证明，该工艺与夹具结果 能满足生产要求。 关键词：箱体零件 加工工艺 定位 夹具设计 长春理工大学本科毕业设计 ii abstract box is the basis of machines and components parts, which makes many parts are linked into a whole, and make it maintain the correct mutual position, in a coordinated manner with each other movements. box-type parts are composed of the box seat, lid, whose structure is more complicated, it usually have some higher positioning pin hole on the size accuracy and position precision requirements, used as a related parts positioning or in the machining process positioning, so the mechanical processing needs quite large work. there, it is difficult for process workers to design the process and fixture. at the premise of ensure parts processing quality, improve productivity and reduce the cost is one of the main development direction in modern machining technology at home and abroad. this article based on the analysis of body parts graph and the structure to have processing process simulation and precision analysis about the parts and process description. at the same time, to make the box as an example we design the process design, and make the corresponding process cards. and then to design the special fixture for the machining the hole at the surface of the boxes and analyses the precision and the error. the practice proved that this process and fixture can satisfy the production requirements. key words: case accessories; processing technology; fixed position; fixture design 长春理工大学本科毕业设计 iii 目目 录录 摘 要i abstract.ii 目 录.iii 第 1 章 绪论1 第 2 章 箱体零件简介2 2.1 箱体零件的功用与结构特点 2 2.2 箱体零件的主要技术要求 2 2.3 箱体零件的材料及毛坯 3 第 3 章 箱体结构及加工工艺过程4 3.1 箱体机械加工的结构工艺性 4 3.2 箱体机械加工工艺过程及工艺分析 4 第 4 章 箱体零件的加工方法6 4.1 箱体平面的加工方法 6 4.2 箱体孔系的加工方法 6 第 5 章 箱体零件的加工工艺过程.11 5.1 制订箱体工艺过程的共同性原则 .12 5.2 定位基准的选择 .13 第 6 章 夹具设计.18 6.1 夹具介绍 .18 6.2 夹具设计要求 .18 6.3 工件的夹紧计算及其选择 .19 6.4 夹具结构分析与设计 .22 第 7 章 箱体零件数控加工仿真26 7.1 数控仿真简介 .26 7.2 数控仿真加工步骤： .26 结 论.28 参考文献.29 致 谢.30 长春理工大学本科毕业设计 iv 附 录.31 长春理工大学本科毕业设计 1 第第 1 章章 绪论绪论 箱体类是机器或部件的基础零件，它将机器或部件中的轴、套、齿轮等有 关零件组装成一个整体，使它们之间保持正确的相互位置，并按照一定的传动 关系协调地传递运动或动力。因此，箱体的加工质量将直接影响机器或部件的 精度、性能和寿命。国内的箱体普遍存在着功率与重量比小，或者传动比大而 机械效率过低的问题。而且材料品质和工艺水平上还有许多弱点。由于在传动 的理论上、工艺水平和材料品质方面没有突破，因此，没能从根本上解决传递 功率大、传动比大、体积小、重量轻、机械效率高等这些基本要求。 国外的箱体特别是减速器，以德国、丹麦和日本处于领先地位，特别在材 料和制造工艺方面占据优势，其工作可靠性好，使用寿命长。但其传动形式仍 以定轴齿轮传动为主，体积和重量问题，也未解决好。当今的箱体是向着大功 率、大传动比、小体 积、高机械效率以及使用寿命长的方向发展。 由于加工中心以及夹具本身的误差会使得箱体的加工质量受到影响，在国 内外的箱体加工中，各生产厂家根据箱体的结构以及生产类型和加工精度的不 同，合理选择不同的工艺装备和加工工艺过程，尽量减少误差，得到优秀的加 工质量。 加工工艺过程，加工中心和夹具本身的误差都会使箱体的加工质量受 到影响，在加工 该类零件的过程中，只有改进加工工艺方案，选择合适的定位 夹紧方案，有效利用各种设备和加工刀具，设定最佳切削用量，才能切实有效 地保证加工质量、提高生产效率。因此本课题箱体类零件的工艺规程设计，对 其加工质量及实用效率具有十分重要的意义。 长春理工大学本科毕业设计 2 第第 2 2 章章 箱体零件简介箱体零件简介 2.12.1 箱体零件的功用与结构特点箱体零件的功用与结构特点 箱体是机器的基础零件，它将机器中有关部件的轴、套、齿轮等相关零件 连接成一个整体，并使之保持正确的相互位置，以传递转矩或改变转速来完成 规定的运动。故箱体的加工质量，直接影响到机器的性能、精度和寿命。 箱体类零件的结构复杂，壁薄且不均匀，加工部位多，加工难度大。据统 计资料表明，一般中型机床制造厂花在箱体类零件的机械加工工时约占整个产 品加工工时的 l520。 箱体类零箱体的种类很多，其尺寸大小和结构形式随着机器的结构和箱体 在机器中功用的不同有着较大的差异。但从工艺上分析它们仍有许多共同之处 ，其结构特点是： （1）外形基本上是由六个或五个平面组成的封闭式多面体，又分成整体式 和组合式两种； （2）结构形状比较复杂。内部常为空腔形，某些部位有“隔墙” ，箱体壁 薄 且厚薄不均； （3）箱壁上通常都布置有平行孔系或垂直孔系； （4）箱体上的加工面，主要是大量的平面，此外还有许多精度要求较高的 轴承支承孔和精度要求较低的紧固用孔。1 2.22.2 箱体零件的主要技术要求箱体零件的主要技术要求 （1）轴承支承孔的尺寸精度和、形状精度、表面粗糙度要求。 （2）位置精度:包括孔系轴线之间的距离尺寸精度和平行度，同一轴线上 各孔的同轴度，以及孔端面对孔轴线的垂直度等。 （3）此外，为满足箱体加工中的定位需要及箱体与机器总装要求，箱体的 装配基准面与加工中的定位基准面应有一定的平面度和表面粗糙度要求，各支 承 孔与装配基准面之间应有一定距离尺寸精度的要求2。 箱体类零件中，机床主轴箱的精度要求较高，可归纳为以下五项精度要求： （1）孔径精度：孔径的尺寸误差和几何形状误差会造成轴承与孔的配合不 良。孔径过大，配合过松，使主轴回转轴线不稳定，并降低了支承刚度，易产 生振动和噪声；孔径太小，会使配合偏紧，轴承将因外环变形，不能正常运转 而缩短寿命。装轴承的孔不圆，也会使轴承外环变形而引起主轴径向圆跳动。 从上面分析可知，对孔的精度要求是较高的。主轴孔的尺寸公差等级为 it6，其余孔为 it8it7。孔的几何形状精度未作规定的，一般控制在尺寸公差 长春理工大学本科毕业设计 3 的 1/2 范围内即可。 （2）孔与孔的位置精度：同一轴线上各孔的同轴度误差和孔端面对轴线的 垂直度误差，会使轴和轴承装配到箱体内出现歪斜，从而造成主轴径向圆跳动 和轴向窜动，也加剧了轴承磨损。孔系之间的平行度误差，会影响齿轮的啮合 质量。一般孔距允差为土 0.025土 0.060mm，而同一中心线上的支承孔的同轴 度约为最小孔尺寸公差之半。 （3）孔和平面的位置精度：主要孔对主轴箱安装基面的平行度，决定了主 轴与床身导轨的相互位置关系。这项精度是在总装时通过刮研来达到的。为了 减少刮研工作量，一般规定在垂直和水平两个方向上，只允许主轴前端向上和 向前偏。 （4）主要平面的精度：装配基面的平面度影响主轴箱与床身连接时的接触 刚度，加工过程中作为定位基面则会影响主要孔的加工精度。因此规定了底面 和导向面必须平直，为了保证箱盖的密封性，防止工作时润滑油泄出，还规定 了顶面的平面度要求，当大批量生产将其顶面用作定位基面时，对它的平面度 要求还要提高。 （5）表面粗糙度：一般主轴孔的表面粗糙度为 ra0.4m，其它各纵向孔的 表面粗糙度为 ra1.6m；孔的内端面的表面粗糙度为 ra3.2m，装配基准面和 定位基准面的表面粗糙度为 ra2.50.63m，其它平面的表面粗糙度为 ra102.5m。 2.32.3 箱体零件的材料及毛坯箱体零件的材料及毛坯 箱体类零件的材料一般用灰口铸铁，常用的牌号有只丁 ht100ht400。 毛 坯为铸铁件，其铸造方法视铸件精度和生产批量而定。单件小批生产多用木模 手 工造型，毛坯精度低，加工佘量大。有时也采用钢板焊接方式。大批生产常用 金 属模机器造型，毛坯精度较高，加工佘量可适当减小。为了消除铸造时形成的 内 应力，减少变形，保证其加工精度的稳定性，毛坯铸造后要安排人工时效处理。 精度要求高或形状复杂的箱体还应在粗加工后多加一次人工时效处理，以消除 粗 加工造成的内应力，进一步提高加工精度的稳定性3。 长春理工大学本科毕业设计 4 第第 3 3 章章 箱体结构箱体结构及加工工艺过程及加工工艺过程 箱体机械加工的结构工艺性对实现优质、高产、低成本具有重要的意义。 3.13.1 箱体机械加工的结构工艺性箱体机械加工的结构工艺性 （1）基本孔 箱体的基本孔，可分为通孔、阶梯孔、盲孔、交叉孔等几类。通孔工艺性 最好，通孔内又以孔长 l 与孔径 d 之比 l/d5 的孔，称为深孔，若深度精度要求较高、表面粗糙度值较小时，加工就 很困难。阶梯孔的工艺性与“孔径比”有关。孔径相差越小则工艺性越好；孔 径相差越大，且其中最小的孔径又很小，则工艺性越差。相贯通的交叉孔的工 艺性也较差。 盲孔的工艺性最差，因为在精镗或精铰盲孔时，要用手动送进， 或采用特殊工具送进。此外，盲孔的内端面的加工也特别困难，故应尽量避免 4。 （2）同轴孔 同一轴线上孔径大小向一个方向递减（如 ca6140 的主轴孔），可使镗孔 时，镗杆从一端伸人，逐个加工或同时加工同轴线上的几个孔，以保证较高的 同轴度和生产率。单件小批生产时一般采用这种分布形式。 同轴线上的孔的直径大小从两边向中间递减（如 c620-1, ca6140 主轴箱 轴孔等），可使刀杆从两边进入，这样不仅缩短了镗杆长度，提高了镗杆的刚 性，而且为双面同时加工创造了条件。所以大批量生产的箱体，常采用此种孔 径分布形式。 同轴线上孔的直径的分布形式，应尽量避免中间隔壁上的孔径大于外壁的 孔径。因为加工这种孔时，要将刀杆伸进箱体后装刀、对刀，结构工艺性差。 （3）装配基面 为便于加工、装配和检验，箱体的装配基面尺寸应尽量大，形状应尽量简 单。 （4）凸台 箱体外壁上的凸台应尽可能在一个平面上。以便可以在一次走刀中加工出 长春理工大学本科毕业设计 5 来。而无须调整刀具的位置，使加工简单方便。 （5）紧固孔和螺孔 箱体上的紧固孔和螺孔的尺寸规格应尽量一致，以减少刀具数量和换刀次 数。 此外，为保证箱体有足够的动刚度与抗振性，应酌情合理使用肋板、肋条， 加大圆角半径，收小箱口，加厚主轴前轴承口厚度。 3.23.2 箱体机械加工工艺过程及工艺分析箱体机械加工工艺过程及工艺分析 在拟定箱体零件机械加工工艺规程时，有一些基本原则应该遵循。 （1）先面后孔 先加工平面，后加工孔是箱体加工的一般规律。平面面积大，用其定位稳 定可靠；支承孔大多分布在箱体外壁平面上，先加工外壁平面可切去铸件表面 的凹凸不平及夹砂等缺陷，这样可减少钻头引偏，防止刀具崩刃等，对孔加工 有利。 （2）粗精分开、先粗后精 箱体的结构形状复杂，主要平面及孔系加工精度高，一般应将粗、精加工 工序分阶段进行，先进行粗加工，后进行精加工。 （3）基准的选择 箱体零件的粗基准一般都用它上面的重要孔和另一个相距较远的孔作粗基 准，以保证孔加工时余量均匀。精基准选择一般采用基准统一的方案，常以箱 体零件的装配基准或专门加工的面两孔为定位基准，使整个加工工艺过程基 准统一，夹具结构类似，基准不重合误差降至最小甚至为零(当基准重合时)。 （4）工序集中，先主后次 箱体零件上相互位置要求较高的孔系和平面，一般尽量集中在同一工序中 加工，以保证其相互位置要求和减少装夹次数。紧固螺纹孔、油孔等次要工序 的安排，一般在平面和支承孔等主要加工表面精加工之后再进行加工5。 长春理工大学本科毕业设计 6 第第 4 4 章章 箱体零件的加工方法箱体零件的加工方法 4.14.1 箱体平面的加工方法箱体平面的加工方法 箱体平面加工的常用方法有刨、铣和磨三种。刨削和铣削常用作平面的粗 加工和半精加工，而磨削则用作平面的精加工。 刨削加工的特点是：刀具结构简单，机床调整方便，通用性好。在龙门刨 床上可以利用几个刀架，在工件的一次安装中完成几个表面的加工，能比较经 济地保证这些表面间的相互位置精度要求。精刨还可代替刮研来精加工箱体平 面。精刮时采用宽直刃精刨刀，在经过拉修和调整的刨床上，以较低的切削速 度（一般为 412m/min)，在工件表面上切去一层很薄的金属（一般为 0.0070.1mm)。精刨后的表面粗糙度值可达 0.632.51mm，平面度可达 0.002mm/m。因为宽刃精刨的进给量很大（5-25mm/双行程），生产率较高。 铣削生产率高于刨削，在中批以上生产中多用铣削加工平面。当加工尺寸 较大的箱体平面时,常在多轴龙门铣床上，用几把铣刀同时加工各有关平面，以 保证平面间的相互位置精度并提高生产率。近年来端铣刀在结构、制造精度、 刀具材料和所用机床等方面都有很大进展。如不重磨刃端铣刀的齿数少，平行 切削刃的宽度大，每齿进给量 a 可达数毫米。 平面磨削的加工质量比刨削和铣削都高，而且还可以加工淬硬零件。磨削 平面的粗糙度 r。可达 0.321.25mm。生产批量较大时，箱体的平面常用磨削 来精加工。为了提高生产率和保证平面间的相互位置精度，工厂还常采用组合 磨削来精加工平面。 长春理工大学本科毕业设计 7 4.24.2 箱体孔系箱体孔系的加工方法的加工方法 箱体上若干有相互位置精度要求的孔的组合，称为孔系。孔系可分为平行 孔系、同轴孔系和交叉孔系(图 5-1)。孔系加工是箱体加工的关键，根据箱体加 工批量的不同和孔系精度要求的不同，孔系加工所用的方法也是不同的，现分 别予以讨论。 4.2.14.2.1 平行孔系的加工平行孔系的加工 下面主要介绍如何保证平行孔系孔距精度的方法。 （1）找正法 找正法是在通用机床(镗床、铣床)上利用辅助工具来找正所要加工孔的正 确位置的加工方法。这种找正法加工效率低，一般只适于单件小批生产。找正 时除根据划线用试镗方法外，有时借用心轴量块或用样板找正，以提高找正精 度6。 图 5-2 所示为心轴和量块找正法。镗第一排孔时将心轴插入主轴孔内(或直 接利用镗床主轴)，然后根据孔和定位基准的距离组合一定尺寸的块规来校正主 轴位置，校正时用塞尺测定块与心轴之间的间隙，以避免块规与心轴直接接触 而损伤块规(图 5-2a)。镗第二排孔时，分别在机床主轴和已加工孔中插入心轴， 采用同样的方法来校正主轴轴线的位置，以保证孔心距的精度(图 5-3b)。这种 找正法其孔心距精度可达土 0.03mm。 图 5-1 孔系分类 a）平行孔系 b）同轴孔系 c）交叉孔 系 长春理工大学本科毕业设计 8 图 5-3 所示为样板找正法，用 l020mm 厚的钢板制成样板 1，装在垂直 于各孔的端面上(或固定于机床工作台上)，样板上的孔距精度较箱体孔系的孔 距精度高(一般0.0l0.03mm)，样板上的孔径较工件的孔径大，以便于镗 杆通过。样板上的孔径要求不高，但要有较高的形状精度和较小的表面粗糙度 值，当样板准确地装到工件上后，在机床主轴上装一个干分表 2，按样板找正 机床主轴，找正后，即换上镗刀加工。此法加工孔系不易出差错，找正方便， 孔距精度可达0.05mm。这种样板的成本低，仅为镗模成本的 1/71/9，单件 小批生产中大型的箱体加工可用此法。 （2）镗模法 图 5-2 用心轴和块规找正 a）第一工位 b）第二工位 1心轴 2镗床主轴 3块规 4塞尺 5镗床 工作台工作台 图 5-3 样板找正法镗孔 1样板 2百分表 长春理工大学本科毕业设计 9 在成批生产中，广泛采用镗模加工孔系，如图 5-4 所示。工件 5 装夹在镗 模上，镗杆 4 被支承在镗模的导套 6 里，导套的位置决定了镗杆的位置，装在 镗杆上的镗刀 3 将工件上相应的孔加工出来。当用两个或两个以上的支承 1 来 引导镗杆时，镗杆与机床主轴 2 必须浮动联接。当采用浮动联接时，机床精度 对孔系加工精度影响很小，因而可以在精度较低的机床上加工出精度较高的孔 系。孔距精度主要取决于镗模，一般可达0.05mm。能加工公差等级 it7 的孔， 其表面粗糙度可达 ra51.25m。当从一端加工、镗杆两端均有导向支承时， 孔与孔之间的同轴度和平行度可达 0.020.03mm；当分别由两端加工时，可达 0.040.05mm。 用镗模法加工孔系，既可在通用机床上加工，也可在专用机床上或组合机 床上加工，图 5-5 为在组合机床上用镗模加工孔系的示意图。 （3）坐标法 坐标法镗孔是在普通卧式镗床、坐标镗床或数控镗铣床等设备上，借助于 精密测量装置，调整机床主轴与工件间在水平和垂直方向的相对位置，来保证 孔心距精度的一种镗孔方法7。 采用坐标法加工孔系时，要特别注意选择基准孔和镗孔顺序，否则，坐标 尺寸累积误差会影响孔距精度。基准孔应尽量选择本身尺寸精度高、表面粗糙 度值小的孔(一般为主轴孔)，这样在加工过程中，便于校验其坐标尺寸。孔心 距精度要求较高的两孔应连在一起加工；加工时，应尽量使工作台朝同一方向 移动，因为工作台多次往复，其间隙会产生误差，影响坐标精度。 现在国内外许多机床厂，已经直接用坐标镗床或加工中心机床来加工一般 机床箱体。这样就可以加快生产周期，适应机械行业多品种小批量生产的需要。 图 5-4 用镗模加工孔系 1镗架支承 2镗床主轴 3镗刀 4镗杆 5工件 6导套 长春理工大学本科毕业设计 10 4.2.24.2.2 同轴孔系的加工同轴孔系的加工 成批生产中，箱体上同轴孔的同轴度几乎都由镗模来保证。单件小批生产 中，同轴度用下面几种方法来保证： （1）利用已加工孔作支承导向 如图 5-6 所示，当箱体前壁上的孔加工好后，在孔内装一导向套，以支承 和引导镗杆加工后壁上的孔，从而保证两孔的同轴度要求。这种方法只适于加 工箱壁较近的孔。 （2）利用镗床后立柱上的导向套支承导向 这种方法其镗杆系两端支承，刚性好。但此法调整麻烦，镗杆长，很笨重， 故只适于单件小批生产中大型箱体的加工。 （3）采用调头镗 当箱体箱壁相距较远时，可采用调头镗。工件在一次装夹下，镗好一端孔 后，将镗床工作台回转 180，调整工作台位置，使已加工孔与镗床主轴同轴， 然后再加工另一端孔。 当箱体上有一较长并与所镗孔轴线有平行度要求的平面时，镗孔前应先用 图 5-5 在组合机床上用镗模加工孔系 1左动力头 2镗模 3右动力头 4、6侧底座 5中间底座 图 5-6 利用已加工孔导向 图 5-7 调头镗孔时工件的 校正 a）第一工位 b）第二工 位 长春理工大学本科毕业设计 11 装在镗杆上的百分表对此平面进行校正(图 5-7a)，使其和镗杆轴线平行，校正 后加工孔 b，孔 b 加工后，回转工作台，并用镗杆上装的百分表沿此平面重新 校正，这样就可保证工作台准确地回转 180，见图 5-7b。然后再加工孔 a，从 而保证孔 a、b 同轴8。 第第 5 5 章章 箱体零件的加工工艺过程箱体零件的加工工艺过程 图 5-1、5-2 所示为箱体零件图。 长春理工大学本科毕业设计 12 5-1 箱体零件简图 5-2 箱体零件三维图 5.15.1 制订箱体工艺过程的共同性原则制订箱体工艺过程的共同性原则 （1） 加工顺序为先面后孔 箱体类零件的加工顺序均为先加工面，以加工好的平面定位以孔为粗基准 加工平面，再以，再来加工孔。因为箱体孔的精度要求高，加工难度大，先平 面为精基准加工孔，这样不仅为孔的加工提供了稳定可靠的精基准，同时还可 以使孔的加工余量较为均匀。由于箱体上的孔分布在箱体各平面上，先加工好 平面，钻孔时，钻头不易引偏，扩孔或绞孔时，刀具也不易崩刃。 （2）加工阶段粗、精分开 箱体的结构复杂，壁厚不均，刚性不好，而加工精度要求又高，故箱体重 要加工表面都要划分粗、精加工两个阶段，这样可以避免粗加工造成的内应力、 切削力、夹紧力和切削热对加工精度的影响，有利于保证箱体的加工精度。粗、 精分开也可及时发现毛坯缺陷，避免更大的浪费；同时还能根据粗、精加工的 不同要求来合理选择设备，有利于提高生产率。 （3）工序间合理按排热处理 箱体零件的结构复杂，壁厚也不均匀，因此，在铸造时会产生较大的残余 应力。为了消除残余应力，减少加工后的变形和保证精度的稳定，所以，在铸 造之后必须安排人工时效处理。人工时效的工艺规范为：加热到 500oc550oc ，保温 4h6h ，冷却速度小于或等于 30oc/h ，出炉温度小于或等于 200oc 。 长春理工大学本科毕业设计 13 普通精度的箱体零件，一般在铸造之后安排 1 次人工时效出理。对一些高 精度或形状特别复杂的箱体零件，在粗加工之后还要安排 1 次人工时效处理， 以消除粗加工所造成的残余应力。有些精度要求不高的箱体零件毛坯，有时不 安排时效处理，而是利用粗、精加工工序间的停放和运输时间，使之得到自然 时效。箱体零件人工时效的方法，除了加热保温法外，也可采用振动时效来达 到消除残余应力的目的。 （4）用箱体上的重要孔作粗基准 箱体类零件的粗基准一般都用它上面的 重要孔作粗基准，这样不仅可以较好地保证重要孔及其它各轴孔的加工余量均 匀，还能较好地保证各轴孔轴心线与箱体不加工表面的相互位置。 表 5-1 为箱体零件加工工艺规程： 表 5-1 箱体零件生产工艺规程 序 号 工 序 内 容 1 铸造 2 人工时效 3 漆底漆 4 粗铣毛坯上表面 5 粗、精加工面 a、b 6 粗、精加工二侧面凹槽 7 粗、精加工前后面凹槽 8 粗、精加工零件二侧面凸台外形 9 粗、精加工零件前后面凸台外形 10 粗、精加工零件底面所有孔 11 粗、精加工三个正方形凹槽 12 粗、精加工零件正面所有孔 13 线切割中间大凹槽 14 粗、精铣端面到凸台 15 粗、精铣零件上面凹槽达要求尺寸 16 攻钻细棱上螺纹孔 18 清洗、去毛刺倒角 19 检验 长春理工大学本科毕业设计 14 5.25.2 定位基准的选择定位基准的选择 （1）粗基准的选择 虽然箱体类零件一般都选择重要孔（如主轴孔）为粗 基准，但随着生产类型不同，实现以主轴孔为粗基准的工件装夹方式是不同的。 中小批生产时，由于毛坯精度较低，一般采用划线装夹，其方法如下： 首先将箱体用千斤顶安放在平台上（图 5-3a） ，调整千斤顶，使主轴孔 i 和 a 面与台面基本平行，d 面与台面基本垂直，根据毛坯的主轴孔划出主轴孔 的水平线 i-i，在 4 个面上均要划出，作为第 1 校正线。划此线时，应根据图样 要求，检查所有加工部位在水平方向是否均有加工余量，若有的加工部位无加 工余量，则需要重新调整 i-i 线的位置，作必要的借正，直到所有的加工部位均 有加工余量，才将 i-i 线最终确定下来。i-i 线确定之后，即画出 a 面和 c 面的 加工线。然后将箱体翻转 90o，d 面一端置于 3 个千斤顶上， ，调整千斤顶，使 i-i 线与台面垂直（用大角尺在两个方向上校正） ，根据毛坯的主轴孔并考虑各 加工部位在垂直方向的加工余量，按照上述同样的方法划出主轴孔的垂直轴线 ii-ii 作为第 2 校正线（图 5-3b） ，也在 4 个面上均画出。依据 ii-ii 线画出 d 面加工线。再将箱体翻转 90o（图 5-3c） ，将 e 面一端至于 3 个千斤顶上，使 i-i 线和 ii-ii 线与台面垂直。根据凸台高度尺寸，先画出 f 面，然后再画出 e 面加 工线。 图 5-3 主轴箱的划线 加工箱体平面时，按线找正装夹工件，这样，就体现了以主轴孔为粗基准。 大批大量生产时，毛坯精度较高，可直接以主轴孔在夹具上定位，采用图 长春理工大学本科毕业设计 15 5-3 的夹具装夹。 先将工件放在 1、3、5 预支承上，并使箱体侧面紧靠支架 4，端面紧靠挡 销 6，进行工件预定位。然后操纵手柄 9，将液压控制的两个短轴 7 伸人主轴孔 中。每个短轴上有 3 个活动支柱 8，分别顶住主轴孔的毛面，将工件抬起，离 开 1、3、5 各支承面。这时，主轴孔轴心线与两短轴轴心线重合，实现了以主 轴孔为粗基准定位。为了限制工件绕两短轴的回转自由度，在工件抬起后，调 节两可调支承 12，辅以简单找正，使顶面基本成水平，再用螺杆 11 调整辅助 支承 2，使其与箱体底面接触。最后操纵手柄 10，将液压控制的两个夹紧块 13 插入箱体两端相应的孔内夹紧，即可加工。 单件小批生产用装配基面做定位基准。图 5-4 车床床头箱单件小批加工孔 系时，选择箱体底面导轨 b、c 面做定位基准，b、c 面既是床头箱的装配基准， 又是主轴孔的设计基准，并与箱体的两端面、侧面及各主要纵向轴承孔在相互 位置上有直接联系，故选择 b、c 面作定位基准，不仅消除了主轴孔加工时的 基准不重合误差，而且用导轨面 b、c 定位稳定可靠，装夹误差较小，加工各 孔时，由于箱口朝上，所以更换导向套、安装调整刀具、测量孔径尺寸、观察 加工情况等都很方便。 （2）精基准的选择 箱体加工精基准的选择也与生产批量大小有关。 图 5-4 以主轴孔为粗基准铣顶面的夹具 1、3、5支承 2辅助支承 4支架 6挡销 7短轴 8活动支柱 9、10操纵手柄 11螺杆 12可调支承 13夹紧块 这种定位方式也有它的不足之处。加工箱体中间壁上的孔时，为了提高刀 具系统的刚度，应当在箱体内部相应的部位设置刀杆的导向支承。由于箱体底 部是封闭的，中伸人箱体内，每加工一件需装卸一次，吊架与镗模之间虽有定 位销定间支承只能用如图 5-5 所示的吊架从箱体顶面的开口处位，但吊架刚性 长春理工大学本科毕业设计 16 差，制造安装精度较低，经常装卸也容易产生误差，且使加工的辅助时间增加， 因此这种定位方式只适用于单件小批生产。 图 5-5 吊架式镗模夹具 图 5-6 箱体以一面两孔定位 量大时采用一面两孔作定位基准。大批量生产的主轴箱常以顶面和两定位 销孔为精基准，如图 5-6 所示。 这种定位方式是加工时箱体口朝下，中间导向支架可固定在夹具上。由于 简化了夹具结构，提高了夹具的刚度，同时工件的装卸也比较方便，因而提高 了孔系的加工质量和劳动生产率。 这种定位方式的不足之处在于定位基准与设计基准不重合，产生了基准不 重合误差。为了保证箱体的加工精度，必须提高作为定位基准的箱体顶面和两 定位销孔的加工精度。另外，由于箱口朝下，加工时不便于观察各表面的加工 情况，因此，不能及时发现毛坯是否有砂眼、气孔等缺陷，而且加工中不便于 长春理工大学本科毕业设计 17 测量和调刀。所以，用箱体顶面和两定位销孔作精基准加工时，必须采用定径 刀具（扩孔钻和绞刀等）9。 上述两种方案的对比分析，仅仅是针对类似床头箱而言，许多其它形式的 箱体，采用一面两孔的定位方式，上面所提及的问题也不一定存在。实际生产 中，一面两孔的定位方式在各种箱体加工中应用十分广泛。因为这种定位方式 很简便地限制了工件 6 个自由度，定位稳定可靠；在一次安装下，可以加工除 定位以外的所有 5 个面上的孔或平面，也可以作为从粗加工到精加工的大部分 工序的定位基准，实现“基准统一” ；此外，这种定位方式夹紧方便，工件的夹 紧变形小；易于实现自动定位和自动夹紧。因此，在组合机床与自动线上加工 箱体时，多采用这种定位方式。 以上分析可知：箱体精基准的选择有两种方案：一是以 3 平面为精基准 （主要定位基面为装配基面） ；另一是以一面两孔为精基准。这两种定位方式各 有优缺点，实际生产中的选用与生产类型有很大的关系。通常从“基准统一” ， 中小批生产时，尽可能使定位基准与设计基准重合，即一般选择设计基准作为 统一的定位基准；大批大量生产时，优先考虑的是如何稳定加工质量和提高生 产率，不过分地强调基准重合问题，一般多用典型的一面两孔作为统一的定位 基准，由此而引起的基准不重合误差，可采用适当的工艺措施去解决。 长春理工大学本科毕业设计 18 第第 6 6 章章 夹具设计夹具设计 6.16.1 夹具介绍夹具介绍 在机械加工过程中，夹具按专业化程度可分为通用夹具、专用夹具、可调 夹具、组合夹具、成组夹具、标准夹具、随行夹具、组合机床夹具等。我这次 设计的是液压夹具。这是一种专用夹具，专为一工件的一道工序而设计的夹具。 夹具的主要任务是保证刀具旋转轴线对工件定位表面有正确的相互位置，根据 工件的几何形状和尺寸结构及工艺特性，选择不同形式的钻模以保证产品精度 和生产率。 在机床上加工零件时,为了保证加工精度,必须先对工件进行定位并将其夹 紧。夹具夹紧力的作用主要用来保证工件的定位基准与定位件保持良好的接触, 使加工时不致于受切削力、离心力、惯性力、工件自重等作用而移位。夹紧力 通过其大小、作用点和方向来体现,在夹具设计过程中十分重要。 6.26.2 夹具设计要求夹具设计要求 6.2.16.2.1 夹具方案设计夹具方案设计 床夹具设计是工艺装备设计中的一个重要组成部分，是保证产品质量和提 高劳动生产率的一项重要技术措施。在设计过程中应深人实际，进行调查研究， 吸取国内外的先进技术，制定出合理的设计方案，再进行具体的设计。而深入 生产实际调查研究中，应当掌握下面的一些资料： （1）工件图纸；详细阅读工件的图纸，了解工件被加工表面是技术要求， 该零件在机器中的位置和作用，以及装置中的特殊要求。 （2）工艺文件：了解工件的工艺过程，本工序的加工要求，工件被加工表 长春理工大学本科毕业设计 19 面及待加工面状况，基准面选择的情况，可用机床设备的主要规格，与夹具连 接部分的尺寸及切削用量等。 （3）生产纲领：夹具的结构形式应与工件的批量大小相适应，做到经济合 理。 在本次毕业设计的夹具要求是中小批量生产的夹具设计。 （4）制造与使用夹具的情况，有无通用零部件可供选用。工厂有无压缩空 气站；制造和使用夹具的工人的技术状况等。 夹具的出现可靠地保证加工精度，提高整体工作效率，减轻劳动强度，充 分发挥和扩大机床的工艺性能10。 6.2.26.2.2 了解夹具总体设计要求了解夹具总体设计要求 （1）夹具应满足零件加工工序的精度要求。特别对于精加工工序，应适当 提高夹具的精度，以保证工件的尺寸公差和形状位置公差等。 （2）夹具应达到加工生产率的要求。特别对于大批量生产中使用的夹具， 应设法缩短加工的基本时间和辅助时间。 （3）)夹具的操作要方便、安全。按不同的加工方法，可设置必要的防护 装置、挡屑板以及各种安全器具。 （4）能保证夹具一定的使用寿命和较低的夹具制造成本。夹具元件的材料 选用将直接影响夹具的使用寿命。因此，定位元件以及主要元件宜采用力学性 能较好的材料。夹具的低成本设计在世界各国都以相当重视。为此，夹具的复 杂程度应与工件的生产批量相适应。在大批量生产中。宜采用气压、液压等高 效夹紧装置；而小批量生产，则宜采用较简单的夹具结构。 （5）要适当提高夹具元件的通用化和标准程度。选用标准化元件，特别应 选用商品化的标准元件，以缩短夹具制造周期，从而降低夹具成本。 （6）必须具有良好的结构工艺性，以便夹具的制造、使用和维修。以上要 求有时是互相矛盾的，故应在全面考虑的基础上，处理好主要矛盾，使之达到 较好的效果。例如钻模设计中，通常侧重于生产率的要求11。 图 6-1 为夹具设计所选液压缸 长春理工大学本科毕业设计 20 图 6-1 液压缸 6.36.3 工件的夹紧计算及其选择工件的夹紧计算及其选择 6.3.16.3.1 工件的夹紧工件的夹紧 设计夹紧装置时，应满足下述主要要求：11 （1）夹紧装置在对工件夹紧时，不应破坏工件的定位，为此，必须正确选 择夹紧力的方向及着力点。 （2）夹紧力的大小应该可靠，适当，要保证工件在夹紧后的变形和受压表 面的损伤不致超出允许的范围。 （3）夹紧装置结构简单合理，夹紧动作要迅速，操作方便省力，安全。 （4）夹紧力或夹紧行程在一定范围内可进行调整和补偿。 6.3.26.3.2 夹紧力的选择夹紧力的选择 （1）夹紧力方向 在保证安装的真确可靠，减少工件的变形，定位方便和在可以减少所需夹 紧力的大小的前提下，此套夹具的夹紧方向和工件重力方向和切削方向相同。 工件的定位工作面为垂直方向上，则工件的夹紧通过工件的一个定位销与水平 方向的移动压块完成。夹紧力的方向为平行重力方向垂直夹紧。2 （2）夹紧力的作用点 夹紧力的作用点是指夹紧元件与工件相接触的一小块面积。现在夹紧力的 方案已定。考虑夹具的结构尺寸特征可以确定夹紧力的作用点个数为2个。 考虑夹紧力作用点的一般要求：1 1）夹紧力的作用点应能保持工件定位稳定，而不至引起工件发生 位移和偏转； 2）夹紧力的作用点，应使被夹紧的夹紧变形尽可能的小些； 3）夹紧力的作用点应尽可能靠近加工表面，以提高定位稳定性。 6.3.36.3.3 夹紧力的计算夹紧力的计算 长春理工大学本科毕业设计 21 确定夹紧力大小的原则是,夹紧时不得破坏工件的准确定位,工件在夹紧后 的变形和受压表面的损伤不允许超过技术条件所允许的范围2 ,4 。夹紧力直 接影响工件的安装可靠性、夹紧变形、定位准确性和加工精度。实际加工过程 中,影响夹紧力的因素很多,计算也非常复杂5 。严格意义上说,夹紧力是一个 粗略的估算值。机械加工时,工件受到切削力、离心力、惯性力、工件自重等作 用,为了保证夹紧可靠,夹紧力必须与上述各力相平衡。但不同情况下,各种力的 方向、大小都不相同,因此不能用通式来描述夹紧力与各力之间的关系。为简化 计算,一般只考虑主要外力的影响,从夹紧可靠的前提出发,根据静力平衡原理, 列出静力平衡方程式1 ,3 ,加工过程中取不利状态所需夹紧力的大小,即理论 夹紧力大小fj, 再乘以安全系数k作为实际夹紧力fjo,即 fjo = kfj 式中, fjo为实际所需要的夹紧力(n),fj为按静力平衡原理计算的理论夹紧 力(n) , k为安全因数,k= k0 k1 k2 k3。k0为基本安全因数(考虑工件材质、余 量是否均匀) , 一般取112115;k1为加工性质因数, 粗加工时取112 ,精加工 时取110; k2为刀具钝化因数,一般取111113; k3为切削特点因数,连续切削时 取110,断续切削时取112。阻止工件转动和移动通过摩擦力来实现,因此夹紧元 件与工件接触表面之间存在摩擦因素, 根据实践经验,不同接触表面之间的因 数可按以下数值取值: 若接触表面均为较光滑(加工过)的表面,一般取= 012013;若夹紧元件淬火表面有平行齿纹,一般取=013015;若夹紧元件 的淬火表面有网状齿纹,一般取=017018。 如图6-2所示，零件前面三个33孔即为要加工的孔 长春理工大学本科毕业设计 22 图6-2 加工孔 所要加工孔的直径均为33mm切削力p： p=2.6ds0.8hb0.6 式中:d-钻孔直径；s-走刀量；hb-材料布氏硬度 s取0.10；hb=hbmax-(hbmax-hbmin)/3=230 fj1=fj2fj3=2.633.00.10.82300.6=355.3（n） 切削合力: fj=pi=3p1= 1066(n) 安全系数k: k= k0k1k2k3k4 取: k0=1.5、k1=1.0、k2=1.5、k3=1.2、k4=1.3 得: k=1.51.01.51.21.3=3.51 夹紧力的计算: 夹紧工件所需的夹紧力fjo fjo = kfj=3.511066=3795(n) 6.3.46.3.4 夹具精度计算与分析夹具精度计算与分析 精度等级的选择如表6-1：首先根据所要加工的零件进行分析，看其在各方 面的精度及表面粗糙度等的要求。然后，根据设计好的夹具（即零件在夹具上 的配合和装配来确定） 。 表6-1 标准公差数值表（节录） 长春理工大学本科毕业设计 23 基本尺寸it5it6it7it8it9it10it11it12 50801319304674120190300 801201522355487140220350 120180182540563100160250400 由国家标准推荐的各公差等级的应用范围可知： it5it12级用于配合尺寸公差12。其中 （1）it5（孔it6）级用于高精度和重要的配合处； （2）it5（孔it6）级用于要求精密配合的情况； （3）it7（孔it8）级用于一般精度要求的配合。 选用公差等级时，除上述有关原则和因素外，还应考虑以下问题。 （1) 相关件配合的精度； （2）加工成本。 在本次设计的夹具中可得知零件与夹具体的配合要求较高精度配合，所以 选择it5（孔it6） ，而用于定位零件中间的孔和轴，在钻孔只能够要求这个孔和 轴要有较高的位置度，所以选择it5（孔it6） ，钻模板和零件上用来定位的插销， 因为它是用来对零件钻孔装夹定位的，所以同样选it7（孔it8） 。 6.46.4 夹具结构分析与设计夹具结构分析与设计 6.4.16.4.1 夹具的夹紧装置和定位装置夹具的夹紧装置和定位装置 夹具中的装夹是由定位和夹紧两个过程紧密联系在一起的。定位问题已在 前面研究过，其目的在于解决工件的定位方法和保证必要的定位精度。 仅仅定好位在大多数场合下，还无法进行加工。只有进而在夹具上设置相 应的夹紧装置对工件进行夹紧，才能完成工件在夹具中装夹的全部任务。 夹紧装置的基本任务是保持工件在定位中所获得的即定位置，以便在切削 力、重力、惯性力等外力作用下，不发生移动和震动，确保加工质量和生产安 全。有时工件的定位是在夹紧过程中实现的，正确的夹紧还能纠正工件定位的 不正确。 一般夹紧装置由动源即产生原始作用力的部分。夹紧机构即接受和传递原 始作用力，使之变为夹紧力，并执行夹紧任务的部分。他包括中间递力机构和 夹紧元件。综合考虑各种情况决定采用以液压缸为动力的夹具。 夹紧装置可以分为力源装置、中间传动装置和夹紧装置，在此套夹具中， 中间传动装置和夹紧元件合二为一。力源为液压缸带动推拉夹紧，通过连杆机 构夹紧移动压板。达到夹紧和定心作用13。 工件通过定位销的定位限制了绕z轴旋转，通过螺栓夹紧移动压板，实现对 工件的夹紧。并且移动压板的定心装置是与工件外表面相吻合的移动压板，通 过精确的定位，实现定心。此套移动压板制作简单，便于手动调整。通过松紧 螺栓实现压板的前后移动，以达到压紧的目的。压紧的同时，实现工件的定心， 长春理工大学本科毕业设计 24 使其定位基准的对称中心在规定位置上。 图6-3 夹具装配图1 图6-4 夹具装配图2 如图6-3、6-4所示在这次夹具设计中，定位是采用二个定位插销来定位水 平方向的。在垂直方向，用两个浮块来定位。当被加工零件放到夹具体上后， 用定位插销把夹具上的钻模板和零件通过先加工的孔进行定位，把压板压紧， 之后取出定位插销。 长春理工大学本科毕业设计 25 6.4.26.4.2 夹具的导向夹具的导向 在钻床上加工孔时，大都采用导向元件或导向装置，用以引导刀具进入正 确的加工位置，并在加工过程中防止或减少由于切削力等因素引起的偏移，提 高刀具的刚性，从而保证零件上孔的精度，在钻床上加工的过程中，导向装置 保证同轴各孔的同轴度、各孔孔距精度、各轴线间的平行度等，因此，导向装 置如同定位元件一样，对于保证工件的加工精度有这十分重要的作用。导向元 件包括刀杆的导向部分和导向套。在这套钻床夹具上用的导向套是钻套。钻套 按其结构可分为固定钻套，可换钻套，快换钻套及特殊钻套1。 因此套钻夹具加工量不大，磨损较小，孔距离精度要求较高，则选用固定 钻