基于UG的车床夹具虚拟设计及运动仿真

摘 要 根据 任务书的要求，本次 任务 主要 是 针对十字头零件的加工设计两套专用的车床夹具，完成 相应的 加工要求。主要内容包括：加工零件的分析、 分析其结构、各部分相关尺寸、加工工艺过程及工序、零件图的绘制、加工各面、孔等内容。具体任务 是针对车 85外圆和挖 24槽 设计 两套专用 车床 夹具， 确定其定位、夹紧方案和误差、切削力的计算。在此之前，首先要 拟定一套高效的加工方案， 进行工序及工步的确定，进而根据所选定的方案完善相应的计算和加工工艺卡片 ， 再由所需要求，设计出夹具的尺寸，根据查找的资料， 实现 理论的设计 。 在得到理论设计的 尺寸和方案之后， 利用 UG 进行三维建模，并对所画的各部件做 装配 、爆炸 及运动仿真等 工作，最后，将所有零部件及装配图生产工程图。通过 UG 的虚拟设计，来说明各部分零件之间的结构和装配关系，同时 为了清楚的表示出组装夹具的内部联系，还需要绘制出相应的剖视图， 以加深对设计内容的理解和直观感觉。在最后的运动仿真，分析可得到所设计的夹具符合零件要求。 关键词： 车床夹具 ； UG； 虚拟设计 ； 运动仿真 Abstract According to the requirements of specifications, the main task is to design two special lathe fixtures for machining crosshead part, to complete the corresponding processing requirements. The important tasks are analysis of processing parts, analysis of its structure and the partial correlation dimension, process technology and process, drawing of spare parts, machining of the part of spaces and holes, and so on. The particular tasks are to design two special lathe fixtures for turning the circle of 85 and 24, to make sure the scheme of positioning and clamping, and to calculate the error and cutting force. First of all is to achieve high speed and efficient processing scheme, to determine the working procedure and step, then according to the selected scheme to complete the corresponding counting and processing cards, according to the requirements to design the size of fixtures, to realize the theory design. When we obtain the size of the theory design and the scheme, we use UG to create three-dimensional modeling and assemble all parts and explode all parts and motion simulation, and so on. All parts and assembly draws production engineering drawings. We illustrate the structure and assembly relation between the parts by the virtual design of UG. At the same time, we use it to clear out the internal relations of assembly fixture and need to draw the sectional view of the corresponding to readers, which give the most intuitive feel for readers at a glance. After the motion simulation, the fixtures which I design can meet requirements of parts. Key words: turning machine fixture； UG； virtual design； motion simulation 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 目 录 . V 1 绪论 . 1 1.1 本课题研究的目的和意义 . 1 1.2 国内外研究现状，发展动态 . 1 1.3 本课题的主要内容 . 2 2 零件的分析及工艺规程设计 . 4 2.1 零件的功用 . 4 2.2 零件的工艺分析 . 4 2.3 确定毛坯的制造形式 . 5 2.4 基面的选择 . 5 2.5 制定工艺路线 . 5 2.6 机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定 . 5 2.7 确定切削用量及基本工时 . 6 3 夹具设计 . 15 3.1 车 85外圆的夹具设计 . 15 3.1.1 问题的提出 . 15 3.1.2 定位方式和定位基准的选择 . 15 3.1.3 切削力及夹紧力计算 . 15 3.1.4 定位误差分析 . 16 3.1.5 夹具设计及操作简要说明 . 16 3.2 挖 24槽的夹具设计 . 18 3.2.1 问题的提出 . 18 3.2.2 定位方式和定位基准的选择 . 18 3.2.3 切削力及夹紧力计算 . 18 3.2.4 定位误差分析 . 19 3.2.5 夹具设计及操作简要说明 . 19 4 运动仿真 . 25 4.1 UG 的简介 . 25 4.2 运动仿真 . 26 4.2.1 专用车床夹具 1 的运动仿真 . 27 4.2.2 专用车床夹具 2 的运动仿真 . 30 5 结论与展望 . 32 5.1 结论 . 32 5.2 不足之处及展望 . 32 致 谢 . 33 参考文献 . 34 附 录 . 35 1绪论 1.1 本课题研究的目的和意义 在现代生产制造中，机床夹具是一种不可或缺的工 艺设备，它直接影响着零件的加工精度、生产率和产品的制造成本等，所 以机床夹具设计是一项重要的技术工作，它是各机械制造企业新产品投产、老产品改进和工艺更新中的一项重要生产技术准备工作，也是每一个从事机械加工工艺的技术人员必须掌握的基础知识，在机械制造以及生产技术中占有极其重要的地位 1。 有些零件可以在相应的机床上做粗、精加工， 但是 在 生产中发 现， 车床可以加工的不仅仅是盘类、轴类零件等对称的零件，它还可以加工一些有特殊要求的孔槽， 根据实际需要 ，利用现有资源，设计组合夹具，减少机床时间，提高经济效益。 1.2 国内外研究现状，发展动态 夹具最早出现在 1787 年，至今经历了三个发展阶段。第一阶段表现为夹具与人的结合。在工业发展初期 ， 机械制造的精度较低，夹具仅仅作为加工工艺过程中的一种辅助工具；第二阶段是随着机床、汽车、飞机等制造业的发展，夹具的门类才逐步发展齐全 ， 逐渐发展成为系统的主要工艺装备之一；第三阶段，即近代由于世界科学技术的进步及社会生产力的 迅速提高，夹具与机床 有了 紧密结合。 在我国，组合机床发展已有 28 年的历史，其科研和生产都具有相当的基础，应用也已深入到很多行业 ， 是当前机械制造业实现产品更新，进行技术改造，提高生产效率和高速发展必不可少的设备之一。组合机床及其自动线是集机电于一体的综合自动化程度较高的制造技术和成套工艺装备。 国内传统的组合机床及组合机床自动线主要采用机电、气压和液压控制运行的，生产的零件批量比较大，大多是：大中型箱体类和轴类零件，随着机械工业的迅速发展，现在用它来加工连杆和板件也不少，主要是完成哪些加工呢？在加工孔方面：钻 、扩、铰 ,都是可以的，同时镗孔以及加工螺纹也比较方便，我们还可以用它来车端面和凸台，在孔内镗各种形状的槽，以及铣削平面和成形面等。综以上所说，组合机床功能广泛，所以被广泛用于机械、轻工等方面。组合机床种类比较多，像单面的、双面的、三面的、卧式的、立式的等。随着人们对机械行业的不断研究探索，柔性组合机床得到大家的喜爱，它的主轴箱是多位的、可换的，上面的编码也是随着夹具和刀具的变动自行更改，这大大提高了生产效率。随着人们生活水平提高，需求也越来越广泛，技术也越来越好，最近几年，组合机床加工中心，机床上面的辅佐机 械比如：清洗机、装配机、输送线等在这个行业中被使用的很多。 组合机床和自动线的技术是比较综合的，它是根据用户特殊要求设计的，设计的过程中要注意以下问题：加工工艺的选择，刀具的计算，测量，控制，诊断问题及监控，清洗装配的设计，装配和试漏技术等。我国重工业发展较慢，起点较低，技术要求高的机床很多都是从国外购买的，这其实变相的提高了我们的生产成本。所以我们自己要不断研究发现，研制新产品，争取将我们的机床更多的“柔性”化，满足用户的需求。 我们可以从第 21 届日本国际博览会上看出，来自世界各地 10 多个国家和地区的 500 多家机床制造商和团体展示的先进机床中，复合、多功能、多轴化的控制设备以及超高速和精度较高的装备非常受到大家的欢迎。想要提高机床的速度，关键在于提高主轴转速和进给速度，这次的博览会展示的加工中心，其主轴转速可以达到 10000 20000r/min；最高的进给速度，可以达到 20 60m/min；复合、多功能、多轴化控制装配可以提高零件的一体化程度，加工形状的种类也得到提高。多功能于一身大大提高了生产的效率，减少了搬运移动的成本，促进了大生产的发展。更为重要的信息化的应用和推广使得现代机床的自动化程度飞快提高 ，工人们可以通过电脑或者手机对机床的程序进行远程控制和修改，对正在加工的零件的动态了解的很清楚，可以及时有效地更改加工程序，并且对所有的运算直接电脑进行，相当的方便。同时通过网络对远程设备进行维修和检查，在发现问题之后，在网上交流问题，在线解决并很快的提供售后服务 2。 组合夹具的工艺装备是标准化的、系列化的，通用程度比较高的，它是由一套预先制好的各种形状不同、规格不同、尺寸不同，具有完全互换性的标准元件组装而成的夹具。它的结构形式可以根据零件的加工要求进行更改，也就是因为它的通用性强、可重复利用率较高 的特点，可以满足各种零件的加工需求。使用完毕之后，我们可以对其拆卸、清洗，元部件又可以组合成新的组合夹具，这样免去了高成本的专用夹具的储备，同时也节约了制造零件的工时，降低了生产成本，具有较好的经济效益。所以在现代多品种的制造行业中，组合夹具的应用特别广泛。 据专家分析表明，现在的中、小批多品种生产的工件种类占总数的 85%左右，现代人们的需求要求制造产品经常更新换代。但是，很多大企业已经习惯于大量的传统专用夹具，一般具有中等生产能力的企业。大概有数千甚至万套的专用夹具，种类之繁多，在生产和加工中造成很多的 不便；还有一种情况是，在多产品生产的企业中，每隔几年就要更新一大半的夹具，而这些被淘汰的夹具磨损量很小，完全可以继续使用，就被这样浪费了，这是一个资源的重大浪费。所以，近年来，包括数控加工中心，成组技术，柔性制造系统等加工技术的应用对机床夹具提出了以下几个要求： （ 1）能 够比较效率 地装备新产 品的投产，以缩短生产准备 的时间 ， 有效地 降低生产成本； （ 2）能装夹 一套具有相似特性 的工件； （ 3）能适用于 较高 精密加工的高精度机床夹具； （ 4）能适用于 现代化制造多元化的 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， 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 3。 1.3 本课题的主要内容 （ 1）了解国内外研究现状和发展动态； （ 2）对零件进行分析和确定加工工艺规程； （ 3）对车 85外圆进行夹具的定位选择、切削力、夹紧力的计算和并用 UG 进行三维建模及装配，爆炸； （ 4）对挖 24 槽进行夹具的定位选择、切削力、夹紧力的计算和并用 UG 进行三维 建模并生成工程图及装配，爆炸； （ 5）对车 85外圆和挖 24 槽的专用夹具，用 UG 进行运动仿真； （ 6）对所做的设计进行总结，并讨论其不足之处和对未来 的展望 。 2 零件的分析及工艺规程设计 2.1 零件的功用 十字头零件是机械中常见的一种零件，它的应用广泛。虽由于它们功用的不同，该类零件的结构和尺寸存在着一定的差异，但结构上仍有共同特点：零件的主要表面为精度要求较高的孔，零件由内孔、外圆、端面等 构成。 其中， 中心 孔是连接液压缸的活塞轴，上下两孔是穿导向轴 。 2.2 零件的工艺分析 由零件图 2.1 可知，该零件形状较为复杂、外形尺寸不大，可以采用铸造毛坯。由于该零件的两个 20 孔要求较高，它的表面质量直接影响工作状态，所以对其尺寸要求较高，一般为 IT5-IT7，粗糙度为 8.0aR， 加工时两 20 孔的同轴度应该控制在 0.01mm，所以要由粗加工 半精加工 精加工来达到要求 。 85 外圆的尺寸它直接影响孔在空间的位置，加工时可以将其加工精度降低，通过装配来提高精度。 而 65 与 55 的内孔要求低，可以通过粗加工得到。零件图如图 2.1 所示。 图 2.1 零件图 2.3 确定毛坯的制造形式 考虑到十字头工作时的作用，要求材料要有很高的强度，并且该零件结构较为复杂，故选用铸造毛坯材料为 HT200，硬度 190210HB，生产类型为大批量 。 2.4 基面的选择 精基准的选择：根据精基准选择原则，选择十字头底面与 85 外圆作定位基准，因为85 外圆柱面 ，及底面是装配结合面，且十字头底面又是空间位置的设计基准，故选择十字头底面与外圆作定位基准，符合基准重合原则且装夹误差小。 粗基准的选择： 根据粗基准选择原则， 以十字头上端面和十字头支撑外圆定位加工出精基准 ,并且粗基准只能使用一次 。 2.5 制定工艺路线 零件的全部加工表面应安排在一个合理的加工顺序中加工，机械 加工 工序安排原则 为基面先行， 先面后孔， 先主后次，先粗后精。这样可以用加工好的平面定位再 来加工孔，因为 孔的精度要求较高，加工难度大，先加工好平面，再以平面为精基准加工孔，这样即能为孔的加工提供稳定可靠的精基准，同时可以使孔的加工余量较为均匀 。 加工阶段分为：粗加工阶段、半精加工阶段、精加工阶段。 加工工艺路线如表 2-1 所示： 表 2-1 加工工艺路线 工序号 工序内容 工序 1 铸造、清理 工序 2 热处理 ： 时效 工序 3 粗车 85 外圆 工序 4 粗铣上顶面 工序 5 粗 ,精铣底平面 工序 6 钻、攻 4 M6 螺纹孔 工序 7 扩 20 孔 工序 8 铣十字头 工序 9 粗镗 65 内孔 工序 10 粗镗、 精镗 2-20 内孔 工序 11 挖 2-24 环槽 工序 12 精车 85 外圆 工序 13 去毛刺 工序 14 终检 2.6 机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定 根据金属加工工艺及工装设计表 1-10 查得毛坯加工余量为 2，毛坯尺寸偏差查得为 1.4。零件毛坯图如 图 2.2 所示 。 图 2.2 零件毛坯图 2.7 确定切削用量及基本工时 切削用量是指切削速度cv、进给量 f (或进给速度fv)和背吃刀量 (切削深度 )pa，三者又称为切削用量三要素。 基本工时 T 是机动时间bT和辅助时间aT的和。其中，机动时间为切削工件的时间，而辅助工时是为保证基本工艺过程的实现，必须进行的各种辅助性操作所消耗的时间，如机械加工工序中装卸工件、进退刀、测量、自检、转换刀架、开停车等。 工序 1： 铸造、清理 工序 2： 热处理 ： 时效 工序 3： 粗车 85 外圆 工件材料为 HT200 铸造，机床选用 CA6140，刀具为 90硬质合金车刀。 (1) 切削用量 根据金属加工工艺及工装设计表 4-58 确定进给量 rmmf /5.0 ， mmap 2，smvc /167.1 ，则 理论 转速 m i n/345.262/372.48514.3 167.110001000 rsrd vn (2.1) 根据金属加工工艺及工装设计表 4-43 查 得 CA6140 车床的标准转速 min/320 rns ，所以实际切削速度 smmdnvc /42.1m i n/4.851000 3208514.31000 (2.2) (2) 基本工时 T 被切削层长度由毛坯可知为 mml 89 ，刀具切入长度取 mml 51 ，刀具切出长度取mml 32 ，走刀次数 1 次，则机动时间 m i n61.05.0320893521 nflllTb (2.3) 根据金属加工工艺及工装设计表 4-106，得辅助时间 min26.1aT。 工序 4： 粗铣上顶面 工件材料为 HT200 铸造，机床选用 X62W，机床功率 7.5KW。 (1) 切削用量 根据金属加工工艺及工装设计表 4-76 选取刀具为硬质合金端铣刀，材料 YG8，mmD 63 ，齿数 4z ， rmmf /2.0 ，查金属加工工艺及工装设计表 4-75 得齿/2.0 mmf z 。 根据金属加工工艺及工装设计表 4-79 查得 mmap 5.3， min/90 mvc ， 由式 (2.1)可得理论转速 m in/2.3378514.3 901 0 0 01 0 0 0 rd vn 按机床标准选取 min/375 rn ，所以 由式 (2.2)可得 实际切削速度 m in/08.1001000 3758514.31000 mdnv c 工作台每分钟进给量 37542.0znffzm min/300mm (2.4) (2) 基本工时 T 被切削层长度由毛坯可知为 mml 85 ，刀具切入长度取 mml 51 ，刀具切出长度取mml 32 ，走刀次数 1 次，由式 (2.3)可得 机动时间 m in31.0300 853521 mb flllT 根据金属加工工艺及工装设计表 4-106，得辅助时间 min26.2aT。 工序 5： 粗 ,精铣底平面 （ 一 ） 粗铣底平面 工件材料为 HT200 铸造，机床选用 X62W，机床功率 7.5KW。 (1) 切削用量 根据金属加工工艺及工装设计表 4-76 选取刀具为硬质合金端铣刀，材料 YG8，mmD 63 ，齿数 4z ， rmmf /2.0 ，查金属加工工艺及工装设计表 4-75 得齿/2.0 mmf z 。 根据金属加工工艺及工装设计表 4-79 查得 mmap 5.2， min/90 mvc ， 由式 (2.1)可得理论转速 m in/2.3378514.3 901 0 0 01 0 0 0 rd vn 按机床标准选取 min/375 rn ，所以 由式 (2.2)可得实际切削速度 m in/08.1001000 3758514.31000 mdnv c 由式 (2.4)可得 工作台每分钟进给量 37542.0znff zm min/300 mm (2) 基本工时 T 被切削层长度由毛坯可知为 mml 85 ，刀具切入长度取 mml 51 ，刀具切出长度取mml 32 ，走刀次数 1 次，则 由式 (2.3)可得机动时间 m in31.0300 853521 mb flllT 根据金属加工工艺及工装设计表 4-106，得辅助时间 min26.2aT。 （ 二 ） 精铣底平面 工件材料 为 HT200 铸造，机床选用 X62W，机床功率 7.5KW。 (1) 切削用量 根据金属加工工艺及工装设计表 4-76 选取刀具为硬质合金端铣刀，材料 YG8，mmD 63 ，齿数 4z ， rmmf /15.0 ，查金属加工工艺及工装设计表 4-75 得齿/2.0 mmf z 。 根据金属加工工艺及工装设计表 4-79 查得 mmap 1， min/105 mvc ， 由式 (2.1)可得理论转速 m in/4.3938514.3 10510001000 rd vn 按机床标准选取 min/475 rn ，所以 由式 (2.2)可得实际切削速度 m in/78.1261000 4758514.31000 mdnv c 由式 (2.4)可得工作台每分钟进给量 47542.0znff zm min/380 mm (2) 基本工时 T 被切削层长度由毛坯可知为 mml 85 ， 刀具切入长度取 mml 51 ，刀具切出长度取mml 32 ，走刀次数 1 次，则 由式 (2.3)可得机动时间 m in24.0380 853521 mb flllT 根据金属加工工艺及工装设计表 4-106，得辅助时间 min26.2aT。 工序 6： 钻、攻 4 M6 螺纹孔 工步一：钻孔至 5 工件材料为 HT200 铸造，机床选用 Z3040,刀具为硬质合金 YG8 直径为 5 钻头。 (1) 切削用量 根据金属加工工艺及工装设计表 4-65 查得进给 量 rmmf /25.0 ，表 4-66 查得m in/21/35.0 msmv c ， 由式 (2.1)可得理论转速 m in/58.1337514.3 2110001000 rd vn 根据金属加工工艺及工装设计表 4-41 查得 Z3040 钻床的标准转速 min/1250 rn ，所以 由式 (2.2)可得实际切削速度 m in/625.191000 1250514.31000 mdnv c (2) 基本工时 T 被切削层长度为 mml 15 ，刀具切入长度取 mml 51 ，刀具切出长度取 mml 32 ，走刀次数 1 次，则 由式 (2.3)可得机动时间 m in0736.025.01250 153521 nf lllT b 根据金属加工工艺及工装设计表 4-106，得辅助时间 min55.1aT。 工步二： 攻 M6 螺纹孔 工件材料为 HT200 铸造，机床选用 Z3040,刀具为硬质合金 YG8， M6 丝锥。 (1) 切削用量 根据金属加工工艺及工装设计表 4-65 查得进给量 rmmf /25.0 ，表 4-66 查得 m in/21/35.0 msmv c ， 由式 (2.1)可得理论转速 m in/58.1337514.3 2110001000 rd vn 根据金属加工工艺及工装设计表 4-41 查得 Z3040 钻床的标准转速 min/1250 rn ，所以 由式 (2.2)可得实际切削速度 m in/625.191000 1250514.31000 mdnv c (2) 基本工时 T 被切削层长度为 mml 10 ，刀具切入长度取 mml 51 ，刀具切出长度取 mml 32 ，走刀次数 1 次，则 由式 (2.3)可得机动时间 m in0576.025.01250 103521 nf lllT b 根据金属加工工艺及工装设计表 4-106，得辅助时间 min55.1aT。 工序 7： 扩 20 孔 利用钻头将 16mm 孔扩大至 20mm 孔 . (1) 切削用量 根据金属加工工艺及工装设计表 4-67 查得 rmmf /9.0 , mmap 1， min/20 mvc ，由式 (2.1)可得理论转速 m in/47.3182014.3 2010001000 rd vn 根据金属加工工艺及工装设计表 4-41 查得 Z3040 钻床的标准转速 min/320 rn ，所以 由式 (2.2)可得实际切削速度 1000 3202014.31000 dnv c min/096.20 m (2) 基本工时 T 被切削层长度为 mml 85 ，刀具切入长度取 mml 51 ，刀具切出长度取 mml 32 ，走刀次数 1 次，则 由式 (2.3)可得机动时间 m in097.09.0320 203521 nf lllT b 根据金属加工工艺及工装设计表 4-106，得辅助时间 min3.1aT。 工序 8： 铣十字头 工件材料为 HT200 铸造，机床选用 X62W，机床功率 7.5KW。 (1) 切削用量 根据金属加工工艺及工装设计表 4-76 选取刀具为硬质合金立铣刀，材料 YG8， mmD 25 ，齿数 4z ， rmmf /2.0 ，查金属加工工艺及工装设计表 4-78 得齿/12.0 mmf z 。 根据金属加工工艺及工装设计表 4-79 查得 mmap 2， min/90 mvc ， 由式 (2.1)可得理论转速 m in/49.11462514.3 9010001000 rd vn 按机床标准选取 min/1180 rn ，所以 由式 (2.2)可得实际切 削速度 m in/63.921000 11802514.31000 mdnv c 由式 (2.4)可得工作台每分钟进给量 m in/944118042.0 mmznff zm (2) 基本工时 T 被切削层长度为 mml 70 ，刀具切入长度取 mml 51 ，刀具切出长度取 mml 32 ，走刀次数 1 次，则 由式 (2.3)可得机动时间 m in066.01180 703521 mb flllT 根据金属加工工艺及工装设计 表 4-106，得辅助时间 min27.2aT。 工序 9： 粗镗 65 内孔 工件材料为 HT200 铸造，机床选用 T618。 (1) 切削用量： 根据金属加工工艺及工装设计表 4-71 选取刀具为硬质合金圆形镗刀，镗杆长度700