[机械毕业论文]基于SolidWorks的焊钳X-M型静臂的工艺工装优化设计【专业答辩必备资料】

基于 SolidWorks 的焊钳 X-M 型静臂 的工艺工装 优化设计 设计者 ： 王晓东 学号： 200906101106 指导教师 ： 文秀兰 江汉 大学机 电与建筑工程 学院 2013 年 5 月 X-M 型焊钳静臂设计说明书 学 生：王晓东，机电与建筑工程学院 指导老师：文秀兰，机电与建筑工程学院 摘要 本论文的 主 要内容包括： XM 型电阻点焊钳的静臂零件的 设计的背景及目的，国内外的研究现状，课题研究方法，运用 SolidWorks 三维设计软 件的优势，电阻点焊焊钳的一些特点特征，焊钳静臂零件的工艺规程的制定， 零件的三维建模， 通过零件的建模设计组装装配，爆炸 视 图的生成，以及有限元分析，在三维图的基础上输出二维工程图， 关键词 电阻点焊钳、 SolidWorks 建模、有限元分析、工艺规程、专用夹具 X - M type electrode holder arm design specification Abstract This paper focuses on the XM type resistance point electrode holder static arm parts design modeling and simulation, and finite element analysis of key parts. The important content of this thesis includes: design background and purpose, research status at home and abroad, research methods, the advantage of using the SolidWorks 3 D design software, some characteristics of the resistance spot welding electrode holder, electrode holder quiet arm parts of process planning, through the modeling design of assembly parts assembly, explosion diagram is generated, and the finite element analysis, on the basis of the 3D drawing output 2D engineering drawing, Key words Resistance point electrode holder、 SolidWorks modeling、 finite element analysis、 Process planning、 Special fixture 目录 第一章 绪论 . 1 1.1 设计的背景与目的 . 1 1.2 国内外的研究状况和已有的研究成果 . 1 1.3 课题的研究方法、构成和研究方法 . 2 1.4 选用 Solidworks 三维制图软件的优势 . 3 第二章 XM 型焊钳静臂的加工工艺规程的制定 . 4 2.1 XM 焊钳静臂的工艺分析 . 4 2.1.1 XM 焊钳静臂的用途 . 4 2.1.2 XM 焊钳静臂的技术要求 . 4 2.1.3 审查 XM 焊钳静臂的工艺性 . 5 2.1.4 确定 XM 焊钳静臂的生产类型 . 7 2.2 确定毛坯，绘制毛坯简图 . 7 2.2.1 零件的材料分析 . 7 2.2.2 确定毛坯的尺寸公差和机械加工余量 . 7 2.3 拟定 XM 焊钳静臂的工艺路线 . 7 2.3.1 定位基准的选择 . 7 2.3.2 各表面的加工方案的确定 . 8 2.3.3 加工阶段的划分和先后顺序的安排 . 8 2.3.4 工序的集中与分散 . 9 2.3.5 工序的安排 . 10 2.3.6 机床设备及工艺装备的选用 . 11 2.3.7 确定工艺路线 . 11 2.4 加工余量、工序尺寸和公差的确定 . 11 2.4.1 加工余量的概念、分类及选用原则 . 11 2.4.2 工序 10 钻底座上 6 个 14.5 光孔的加工余量、工序尺寸和公差的确定 . 13 2.5 切削用量与时间定额的计算 . 14 2.5.1 切削用量的计算 . 14 2.5.2 时间定额的计算 . 15 第三章 使用 Solidworks 绘制零件的三维模型 . 16 第四章 专用夹具的设计 . 19 4.1 夹具设计的基础知识 . 19 4.2 专用夹具设计方案的确定 . 19 4.2.1 夹具设计任务 . 19 4.2.2 确定夹具的结构方案 . 19 4.2.3 夹具装配体三维图，装配体二维图 . 23 4.2.4 夹具装配图上标注尺寸、配合及技术要求 . 23 4.2.5 其他说明 . 25 第五章 零件的有限元分析 . 29 5.1 为零件添加夹具 . 29 5.2 为零件添加载荷 . 29 VI 5.3 选择零件的材料 . 29 5.4 对模型进行运行模拟 . 29 5.5 显示并分析最大应力 . 30 5.6 显示并分析最大位移 . 32 第六章 结论 . 33 致谢 . 34 参考文献 . 35 附录 . 36 1 第一章 绪论 1.1 设计的背景 与 目的 随着我国汽车品种的不断增加 ， 对焊接装置的要求越来越高 ， 点焊钳是悬挂式点焊机的重要组成部分 ， 如何提高点焊钳的性能、增加品种 ， 以适应各种车型 、 各个工位的焊接需要 ， 是焊机设计人员不可忽视 的 问 题。 本次课题是 在给定 XM 型电阻 点 焊钳静臂部件图纸的基础上，利用 Solidworks 三维设计软件，通过 参考实体零件以及 毕业设计训练，使我们熟悉掌握电阻点焊钳的功能、用途和结构特点，分析制定其主要零件的机械加工工艺路线，重点进行工序工装夹具的三维建模设计与优化。 并且使用 Solidworks 对夹具模型进行有限元分析 、 干涉检查等相关分析， 最后生成二维工程图。 目的是希望通过各方面的研究使其国产化。 1.2 国内外的研究状况和已有的研究成果 电阻 点焊 因 其 质量 稳定、生产 效率高 、易于实现自动化及大规模生产等一 直 是汽车车 身 最 主要的焊接连接方式 ， 一般一台车身有 3000 6000 个焊点。汽车车身焊装生产线使用的点焊机一般由以下三个 主 要部分组成。 (1)以阻焊变压器为主，包括电极及二次回路组成的焊接回路； (2)由机架和有关夹持焊件及施加 压 力的传动机构组成的机械 装置 ，包 括焊钳 /焊枪； (3)能按要求接通电源，并可以控制焊接程序中各段时间及调节焊接电流的控制电路。 通常的点焊机都 需 根据应用环境的不同专门设计， 属于 非标设备，故 其 结构形式和分类方法也多种多样。 焊机和焊钳的分类及应用 常用的点焊机一般可分为手 工普 通点焊机、多点 或 单点间定焊机和点焊机器人等 。其中多点固定焊机完全针对特別的焊接结构设计 ， 通用性比较差 ,单点焊机 需 要手持并移动工件实现点焊，只适用于焊点 位置 要求较低 ,零件较小的 情 况， 目 前两 者 在汽车生产线上应用均比较少， 其 焊钳设计也相对简单。 而普通 的 点焊机和点焊机器人是汽车车身焊装动化生产线上完成汽车 车 身点焊的主要设 备 ，适用于尺寸 较 大、 形状 较 复 杂、不便于移动的大型薄壁车身结构， 其配套 的焊钳分别称为手 工 焊钳和自动焊钳 ， 二者除 了使 用 对象以及相应的技术要求有所差 异外 ， 结构形式 很是 类似。 如图 1-1， 为 X 型电阻点焊钳的实体图。该 焊 钳 静臂 选用 的材料 是铬锆铜（ CuCr1Zr）。 2 图 1-1 X 型电阻点焊钳 该 合金同时具有高强度（抗拉强度 Rm 450MPa、屈服强度 Rp0.2 360MPa）高导（导电率 IACS： 75%83%）的优良性能，且耐热耐磨，防变形能力强。广泛用作汽车、宇航工业的钢板和不锈钢板的接触焊机点焊，滚焊焊炬最理想的电极材料，高压开关焊点材料和断路器材料，也广泛用于 IC 框架引线材料。 该材料的特性见表 1-1。 表 1-1 铬锆铜（ CuCr1Zr）的物理特性 密度 g/cm3 抗拉强度 MPa 硬度 HRB 导电率 AICS（ %） 热导率 W/mk 延伸率 % 89 455545 7883 75 330 15 1.3 课题的研究方法 、构成和研究方法 在本次课题的研究中，查阅有关文献资料，了解电阻点焊钳在汽车工业上的用途，熟悉电阻点焊钳的工作原理，组成结构及设计特点； 分析焊钳 静臂的材料特性和结构特性，了解工艺工装的有关内容；接着与生产厂家联系，几次亲身到工厂，实际的观察零件，了解 X 型 点 焊钳的结构，从而获得与课题有关的信息。 在接着的研究过程中，根据所给的零件图，具体的研究方法如下： 3 （ 1）查阅资料， 在 以前 做过的 机械 制造技术基础 课程设计 的基础之上 ，确定此次课题的切入点； （ 2） 学习 Solidworks 三维设计软件，对零件、 毛坯、 夹具及装配体进行三维建模并对零件进行简单的有限元分析 ； （ 3）参考各种资料，查阅 Solidworks 的 设计方案， 提出零件的建模方案及装配方案； （ 4）查阅资料，制定该零件的工艺规程。 （ 5）根据老师的意见和自己的计算分析、比较，确定最终方案； 本课题主要由 三 部分构成： 第一部分是对零件进行工艺设计，制定其工艺规程； 第二 部分是所有零件的建模设计，即最终的机械 装配图纸的输出 ； 第 三 部分是 结 构的分析，零 件 及夹具体 的有限元分析，装配过程的动画制作 ，生成爆炸图，最终完成整个设计的任务，并编写设计说明书。 1.4 选用 Solidworks 三维制图软件的优势 Solidworks 软件具有强大的装配功能，它可以使零部件灵活的配对、定位并保持关联性，对装配完成后模型还可以进行装配干涉分析，发现问题后可以及时修改。Solidworks 软件提供了重合、角度、平行、垂直、中心、距离、相切等定位方式来实现模型的蓄力装配。 1、 Solidworks 菜单少，使用直观、简单，界面友好。 2、 数据转换接口丰富，转换成功率高。 3、 Solidworks 与 I-DEAS、 ANSYS、 Pro-e、 AutoCAD 等之间的数据转换均非常成功、流畅。 4、 Solidworks 具有很好的设计柔性，使设计过程灵活、方便修改。 4 第二章 XM 型焊钳静臂的 加工工艺规程 的制定 2.1 XM 焊钳静臂的工艺分析 2.1.1 XM 焊钳静臂的用途 X 型焊钳静臂 零件如图 2-1 所示，该 焊钳静臂 在电阻点焊钳中主要连接电极接杆和气缸，其在 X 型电阻点焊钳中的连接方式如图 1-1 所示。由于 焊钳静 臂需要传导电流和压紧焊接材料，所以采用 CuCrlZr 这种材料 (该材料的 特性见表 ，因为使用这 种材料可以提高导电率和强度， 减弱 静 臂 的 发热。该零件的主要工作面为 底平面 ， 75mm 圆端面 和 45mm 光 孔，在设计工艺规程时应重点予以保证。 图 2-1 焊钳静臂的实体零件 2.1.2 XM 焊钳静臂的技术要求 该 X 型焊钳静 臂形状和结构都较简单， 属于一般 类零件。为实现良好的滑动要求，底平面 和 圆 端 面粗糙度要求为 Ra 为 1.6 m，且为增强耐磨性，滑动部分需要镀铬， 25mm 光孔 和 底平面 的平行度要求为 0.02mm， 45mm 光孔 和 底平面 的 垂直 度要求为0.02mm。只是 6mm 光孔 ，其深度 较深 ， 钻 套过长 ，实际加工时很难同时保证其精度和深度， 不过它只是和 G1/4 螺孔连通就行了 ，没有必要保证公差等级。因为该孔只起到导向作用。故将该孔公差等级去掉较合理。 如图 2-2 及图 2-3 所示。 综上所述，该焊钳静臂的各项技术要求制定的都比较合理，符合该零件所起到的作 5 用，故方案可行，该焊钳静臂的各项技术要求见表 2-1。 表 2-1 焊钳静臂的技术要求 加工表面 尺寸 及 偏差 /mm 公差及 精度等级 表而粗糙度 Ra/ m 形位公差 /mm 底座下平面 150.02 IT7 1.6 - 底座上平面 150.02 IT7 1.6 - 45mm 光孔 45J7 IT7 0.8 0.02 28mm 光孔 28H7 IT7 0.8 - 8mm 螺孔 M8 IT10 6.3 - 6mm 光孔 6 IT10 6.3 - 75mm 圆端面 60h7 IT7 0.8 - 30mm 圆端面 66 IT8 3.2 - 25mm 光孔 25H7 IT7 0.8 0.02 8mm 螺孔 M8 1D IT10 6.3 - 11mm 光孔 11+0-1.5 IT10 6.3 - 18mm 沉头孔 18 IT13 12.5 - 侧面 10mm 螺孔 M10 1.5D IT10 6.3 - 6 个 14.5mm 光孔 14.5 IT10 6.3 - 2 个 G1/4 螺孔 G1/4 IT10 6.3 - 斜块上平面 18 IT13 12.5 - 斜块上 11mm光孔 11mm IT10 6.3 - 4mm 螺孔 M4 IT10 6.3 - 3mm 槽 3-0.5+1 IT13 12.5 - 2.1.3 审查 XM 焊钳静臂的工艺性 机械产品设计的工艺性评价包裹毛坯制造工艺性评价。热处理工艺性评价。机械 加 6 工工艺性评价和装配工艺性评价。 图 2-2 焊钳静臂零件半剖视图 图 2-3 焊钳静臂零件的阶梯剖视图 7 分析该焊钳静臂零件可知，挖掉部分焊钳钳身的中间的材料可以减轻零件重量，节约材料，降低成本，更有利于零件的装配。该焊钳静臂零件除了主要的工作面（底座平面、 25H7mm 光孔、 45mmH7 光孔以及 75mm 圆端面 ）外，其余表面及孔的加工精度均比较低，一般粗加工即可达到加工要求，主要工作面虽然加工精度相对比较高，但是均属于一般难度的加工类型，正常的生产条件下即可完成这些加工要求。由此可见，该零件的工艺性比 较 复杂 ， 加工不是很方便，但是 方案可行 。 2.1.4 确定 XM 焊钳静臂的生产类型 按设计要求， 该零件属于轻型零件， 该零件的生产类型为中批量生产。 2.2 确定毛坯，绘制毛坯简图 2.2.1 零件的材料分析 由于点焊钳的 静 臂在焊接过程中会通入低压高频的电流，所以焊接时 静 臂的温度会很高，这就要求滑臂材料有很好的导电性；同时滑臂在焊接时还要传导力把焊接材料挤压在一起，这就要求 静 臂材料的强度 要 很好，否则 焊钳静臂 在焊接后就可能 会发生变形 。 原来 的焊钳静 臂是从 法 国进口的， 其材料为黄铜（ H62)，但 H62 的导电率较低， IACS 约 22% 28 %。 为获得较大电流，节省电能，降低 焊钳静 臂的发热，现在焊钳所用材料为导电率较高的铬锆铜 （其表达式为 CuCr1Zr） ， 该 合金同时具有高强度（抗拉强度 Rm 450MPa、屈服强度 Rp0.2 360MPa）高导（导电率 IACS： 75%83%）的优良性能，且耐热耐磨，防变形能力强。广泛用作汽车、宇航工业的钢板和不锈钢板的接触焊机点焊，滚焊焊炬最理想的电极材料，高压开关焊点材料和断路器材料，也广泛用于 IC 框架引线材料。 2.2.2 确定毛坯的尺寸 公差和机械加工余量 该零件的外轮廓尺寸为 223.4mm 127mm 199.1mm。 该零件存在毛坯余量的待加工部位及其毛坯尺寸分别是底平面（ 21mm）、 75mm圆端面 凸台（ 66mm）、 30mm 圆端面凸台（ 72mm）、 45mm 光孔（ 38mm）、斜块厚度（ 21mm）。 如图 2-4 及图 2-5 所示。 2.3 拟定 XM 焊钳静臂的工艺路线 2.3.1 定位基准的选择 定位基准有粗基准和精基准之分，通常先确定精基准，然后确定粗基准。 1.精基准的选择 根据该 焊钳静 臂零件 的 技术要求和装配要求，选择 45mm 光孔 、 底平面 、 75mm圆端面和 25mm 光孔 作为精 基准， 符合“基准重合”原则；同时， 零件上的很多表面 8 和孔 都可以采用它们作基准进行加工， 又 遵循了 “基准统一 ”原则。底平面 是设计基准， 图 2-4 焊钳静臂毛坯主视图 选用其做精基准定位加工 45mmJ7 光孔和 25mmH7 光孔，有利于保证被加工表面的垂直度和平行度；选用 45mmJ7 光孔做为精基准同样是服从了“基准重合”原则，因为该焊钳静臂在轴向方向上的尺寸多以该断面做设计基准； 另外由于该零件 比较长 ，受力易产生弯曲变形，为了避免在机械加工中产生夹紧变形，根据夹紧力应垂直于主要定位基面，选择 75mm 圆 端 面 做 精基准，夹紧可作用在 圆端面上 ，夹紧稳定可靠 ，不易变形 。 2.粗基准的选择 作为粗基准的表面应平整，没有飞边、毛刺或其他表面欠缺。 本课题中选择 择 30mm 圆 端 面 和 60mm 圆端面做 粗基准。 2.3.2 各表面的加工方案的确定 根据 焊钳静臂 零件各加工表面的尺寸精度和表面粗糙度 的要求 ， 查阅机械制造技术基础课程设计指导教程的相关规定， 确定加工各表面的加工方 案 并列于表 2-2 中。 2.3.3 加工阶段的划分和先后顺序的安排 9 在选定焊钳静臂 的各 表面加工方法后，就需进一步确定这些加工方法在工艺路线中 图 2-5 焊钳静 臂毛坯左视图 的顺序及位置，这就涉及加工阶段划分方面的问题。对于精度要求较高的表面，总是先粗加工后精加工，但工艺过程划分成几个阶段是对整个加工过程而言的，不能拘泥于某一表面的加工。该焊钳静臂 的 加工质量要求较高，可将加工阶段划分为粗加工、半精加工和精加工三个阶段。 在粗加工阶段，首先将精基准 (底平面 )准备好，使后续工序都可釆用精基准定位加工，保证其他加工表面的精度要求；在精加工阶段，对 45mm 光孔和 25mm 光孔 进行 精 加工，对 75mm 圆端面 和底平面进行 精加工 。 2.3.4 工序的集中与分散 工序的集中与分 散确定 了 工序内容的多与少，它直接影响整个工艺路线的工序数目及设备、工装的选用等 一系列主要问题 。由于本课题的焊钳静臂的生产类型为中批生产，确定 选用工序集中 与工序分散相结合 的原则组织 工序内容，一方面可以 采用万能、通用机床配以及专用夹 具加工，以提高生产率；另一方面也可以减少工件的装夹次数，有利于保证各加工表面之间的相互位置精度，并可以缩短辅助时间。 10 2.3.5 工序的安排 1.机械加工工序 （ 1）按照“先基准后其他”原则，首先加工精基准 焊钳静臂的底平面和 45mmJ7 的光孔。 表 2-2 焊钳静臂零件各表面加 工方案 加工表面 经济精度 表而粗糙度 Ra/ m 加工方案 备注 底座下平面 IT7 1.6 粗铣 -精铣 - 底座上平面 IT7 1.6 粗铣 -精铣 - 45mm 光孔 IT7 0.8 粗镗 -半精镗 -精镗 - 28mm 光孔 IT7 0.8 粗镗 -半精镗 -精镗 - 8mm 螺孔 IT10 6.3 钻 -扩 - 6mm 光孔 IT10 6.3 钻 -扩 - 75mm圆端面 IT7 0.8 粗铣 -精铣 -磨 - 30mm圆端面 IT8 3.2 粗铣 -半精铣 - 25mm 光孔 IT7 0.8 钻 -扩 -铰 - 8mm 螺孔 IT10 6.3 钻 -扩 - 11mm 光孔 IT10 6.3 钻 -扩 - 18mm沉头孔 IT13 12.5 钻 - 侧面 10mm螺孔 IT10 6.3 钻 -扩 - 6 个 14.5mm光孔 IT13 12.5 钻 - 2 个 G1/4 螺孔 IT10 6.3 钻 -扩 - 斜块上平面 IT13 12.5 粗铣 - 斜块上 11mm光孔 IT10 6.3 钻 -扩 - 4mm 螺孔 IT10 6.3 钻 -扩 - 3mm 槽 IT13 12.5 粗铣 - 11 （ 2）按照 “先粗后精”原则，对各加工表面都是先安排粗加工工序，后安排精加工工序。 （ 3） 按照 “先主后次”原则，先加工主要面 焊钳静臂的 底座 下平面 、 45mmJ7的光孔、 75mm 的圆端面及 25mmH7 的光孔；后加工次要表面 焊钳静臂的底座上平面和 30mm 的圆端面。 （ 4） 按照 “先面后孔”原则，先加工 75mm 的圆端面，再加工 25mmH7 的孔；先加工底座的上平面，再加工 6 个 14.5mm 的光孔；先加工斜块上平面，在加工斜块上的 11mm 的孔。 2.辅助工序 半精加工后，安排去毛刺、中检工序；精加工后，安排去毛 刺、清洗和终检工序。 综上所述，该焊钳静臂的工序安排顺序为：基准加工 主要表面粗加工及一些余量大的表面粗加工 主要表面半精加工和次要表面加工 主要表面精加工，其间穿插一些辅助工序（参见表 2-3） 2.3.6 机床设备及工艺装备的选用 1.机床设备的选用 在中批量生产条件下，可以选用通用万能设备和数控机床设备。被课题各工序所选用机床设备详见表 2-3。 2 工艺装备的选用 工艺装备主要包括刀具、夹具、量检具和辅具等。本课题各工序所选用刀具、量具详见表 2-3。夹具均采用专用机床夹具。 2.3.7 确定工艺路线 归纳以上考虑，制定了焊钳静臂的艺路线，详见表 2-3。 2.4 加工余量、工序尺寸和公差的确定 2.4.1 加工余量的概念、分类及选用原则 1. 加 工余量的概念 为保证零件加工质量，一般都要从毛坯上切除一层材料。毛坯上留作加工用的材料层，称为加工余量。 2. 加 工余量的分类 （ 1） 总余量和工序余量 加工余量有总余量和工序余量之分。总余量是指 某一表面毛坯尺寸与零件设计尺寸之差。工序余量是指相邻两道工序尺寸之差。 12 表 2-3 焊钳静臂的工艺路线及设备、工装的选用 工序号 工序名称 机床设备 刀具 量具 1 铸造 - 游标卡尺，塞 规 2 粗精铣底座下平面 立式铣床 X51 立铣刀 游标卡尺，刀 形平尺 3 粗精铣底座上平面 立式铣床 X51 立铣刀 游标卡尺，刀 形平尺 4 粗精镗 45mmJ7 的光孔 卧式镗床 T68 单刃镗刀 内径百分表， 卡尺，塞规 5 钻扩铰 28mmH7 的光孔，钻扩 8 螺孔和 6 光孔 立式钻床 Z535 麻花钻，扩孔 钻，铰刀 内径百分表， 卡尺，塞规 6 粗精铣侧面 75 圆端面 X62 型卧式万能铣床 80 高速钢面铣刀 游标卡尺，刀 形平尺 7 粗铣，半精铣侧面 30 圆端面 立式铣床 X51 莫氏 锥柄立铣刀 游标卡尺，刀 形平尺 8 钻扩铰 25 光孔，钻扩8 螺孔和 11 光孔，钻18 沉头孔 立式钻床Z535 麻花钻，扩孔钻，铰刀， 锪钻 内径百分表，卡尺，塞规 9 钻扩 侧面 10 螺孔，钻18 沉头孔 立式钻床 Z535 麻花钻，扩孔 钻， 锪钻 卡尺，塞规 10 钻底座上 6个 14.5光孔 立式钻床 Z525 硬质合金锥 柄麻花钻 卡尺，塞规 11 钻扩两个 G1/4 螺孔 立式钻床 Z535 麻花钻，扩孔 钻 卡尺，塞规 12 粗铣斜块上平面 立式铣床 X51 三面刃铣刀 游标卡尺 13 钻扩斜块上 11 光 孔 立式钻床 Z535 麻花钻，扩孔 钻 卡尺，塞规 14 粗铣 3mm 宽的槽 立式铣床 X51 莫氏锥柄槽 铣刀 游标卡尺 15 钻扩侧面上 4 螺孔 摇臂钻床 Z3025 麻花钻，扩孔 钻 卡尺，塞规 16 倒圆角，去毛刺 虎钳 - - 17 清洗 清洗机 - - 18 检验 - - 内径百分表，游标，塞规等 （ 2）单边余量和双边余量 对于非对称表面，工序余量是单边的，称单边余量。以一个表面为基准加工另一个表面时相邻两工序尺寸之差就是该工序的工序余量。对于具有对称结构的表面，工序余 13 量是双边的，称双边余量，相 邻两工序的直径尺寸之差就是加工外圆（内孔）表面的双边余量。 （ 3） 最大余量和最小余量 由于各工序尺寸都有公差，所以各工序实际切除的余量值是变化的，因此工序余量有公称余量、最大余量和最小余量之分。相邻两工序 的基本尺寸之差即是公称余量。公称余量的变动范围称为余量公差。 3. 加工 余量的选用原则 （ 1） 为缩短加工时间，降低制造成本，应采用最小的加工余量。 （ 2）所采用的 加工余量应保证 能 得到工序图上 所 规定的精度和表面粗糙度。 （ 3） 要考虑被加工零件尺寸大小，尺寸越大，加工余量越大 。 2.4.2 工序 10 钻底座上 6 个 14.5 光孔 的加工余量、工序尺寸和公差的确定 该工序的加工过程为：钻底座上 6 个 14.5 光孔至设计尺寸。 由于该孔表面粗糙度要求不高，一次钻就可以完成要求。机械制造技术基础课程设计指导教程表 2-20 可得：钻孔余量 Z 钻 =14.5。查标准公差数值表 2-30 可确定其公差值为： 0.27mm。综上所述，该工序的工序尺寸及公差为 :钻孔工序尺寸 d1= 14.50.13mm，关系如图 2-2 及图 2-3。 图 2-2 钻 14.5mm 孔加工示意图 14 图 2-3 6 个孔在零件上的位置 2.5 切削用量与时间定额的 计算 切削用量的选择，对生产效率、加工成本和加工质量均有重要影响。所谓合理的切削用量是指在保证加工质量的前提下，能取得较高的生产效率和较低成本的切削用量。 约束切削用量的选择的主要条件：工件的加工要求（加工质量要求和生产效率要求）；刀具材料的切削性能；机床的性能（动力特性和运动特性）；刀具的寿命的要求。 2.5.1 切削用量的计算 切削速度 vc(m/min)、进给量 f (mm/r)和背吃刀量 ap(mm),常被称为切削用量三要素 。 1.切削用量的选择原则 （ 1）首先选取尽可能大的背吃刀量 ap ； （ 2） 其次 是根据机床进给机构强度、刀杆刚度等限制条件（粗加工时）或已加工表面粗糙度要求（精加工时），选取尽可能大的进给量 f； （ 3）最后根据切削用量手册查取或根据公式计算确定切削速度。 2. 确定背吃刀量 ap 因为该工序只是一步粗加工，可以一次钻削就能达到零件的要求，因此，选用金肯那个大的背吃刀量，即 ap=14.5mm。 15 3 确定进给量 f 查阅机械制造技术基础课程设计指导教程表 5-22，确定选取f=0.20.3mm/r。 然后查阅该书表 4-10 立式钻床进给量，确定选取 f=0.25mm/r。 4. 计算切削速度 查表 5-22，确定切削速度范围为 1825m/min，选取切削速度 vc= 22m/min。由公式 n=1000v/ d 可以计算 n=1000 2/ 14.5r/min=483r/min，查表 4-9，对照该工序所选 Z535 立式钻床的主轴转速系列，取转速 n=530r/min。再将此转速代入公式，可求出该工序的实际钻削速度 v=n d/1000=530 3.14 14.5/1000=23.3m/min。该速度在切削范围内，符合要求。 2.5.2 时间定额的计算 时间定额是在一定的生产条件下，规定生产一件产品或完成一道工 序所消耗的时间，用 tj 表示。时间定额是安排生产计划、成本核算的主要依据。它由以下 5 个部分组成： 1）基本时间。 直接改变 生产对象的尺寸、形状、相对位置、表面状态 或 材料性 质等工艺过程所消耗的时间 ，用 tj 表示。 2）辅助时间。 为实现 工艺过程 所做的各种辅助动作所消耗的时间 ，用 tf 表示。 3） 布置工地时间。用 tb 表示，一般为作业时间的 2%7%。 4）休息和生理所需时间。用 tx 表示，一般为作业时间的 2%4%。 5）准备与终结时间。用 tz/m 表示，一般为作业时间的 3%5%。 1.基本时间 tj 根据表 5-45，钻 孔的基本时间可由公式 tj=L/fn=（ l+l1+l2） /fn 求得。公式中 l=15mm，取 l2 为 2mm， l1=D/2cotkr+（ 12） =14.5/2 cot54。 +1=6.3mm。又f=0.25mm/r， n=530r/min。将上述结果代入公式。则该工序的基本时间 tj=（ 15+6.3+2） /（ 0.25 530） =0.17min=10.6s。 2. 辅助时间 tf 根据课程设计指导书所述， 辅助时间 tf 与基本时间 tj 之间的关系 为tf=（ 0.150.2） tj=（ 0.150.2） 10.6=1.582.11s，本次课题取 tf=2s。 3. 其他时间 tb+tx+tz/m 本次课题中三者的比例分别取 4%， 4%和 3%。则 tb+tx+tz/m=（ 4%+4%+3%）（ 10.6+2） s=11% 12.6s=1.38s。 4. 单件时间定额 tdj 的计算 根据公式，课题中单件时间 tdj= tj + tf +tb+ tx +（ tz/m），则该工序的时间定额为： tdj=10.6+2+1.38=13.98s。 因此，工序 10 的单件计算时间 tdj=13.98s。 16 第三章 使用 Solidworks 绘制零件的三维模型 使用 Solidworks 绘制出零件的三维模型，是我们对零件的结构特点有 清楚的了解，为制作夹具和生成二维图提供准备。 Solidworks 中的 零件 模型不仅形象逼真、色彩丰富，而且能将复杂形体的内腔随意剖切开来展示，能使我们更清楚地认识零件的结构。对于装配体中零件之间的连接、装配关系也可充分地展示出来，并能进行装拆动画演示，是我们更好地分析设计中所存在问题。 焊钳静臂零件的三维模型的绘制过程见 图 3-1 至 3-5。 图 2-3 是先画出零件的三个基准面中对称部位的一半。 图 3-1 焊钳建模步骤一 图 2-4 是将对称部位进行镜像 特征，画出另外一半，这样可以简化画图过程，提高效率。 图 2-5 是重新建立与底面有 10的位置关系的另外一个基准面。然后在此基准面上作图，画出此部分的零件特征。至此，零件的大体轮廓已经画完，下面的任务就是对细节部分进行修改。 图 2-6 是对零件模型的细节部位进行修改，比如说各个部位的螺纹孔、沉头孔，凸台、各种圆角以及所多余的部分。 图 2-7 是最后完成的焊钳静臂的零件模型。 17 图 3-2 焊钳建模步骤 二 图 3-3 焊钳建模步骤 三 18 图 3-4 焊钳建模步骤 四 图 3-5 最终 焊钳建模 模型 19 第 四 章 专用夹具的设计 4.1 夹具设计的基础知识 工件在加工之前必须安放在夹具中，使其得到一个确定的位置或方向，并使其在加工过程中即使受到切削力及其它外力的影响，仍能保证正确位置或方向。 确定工件在机床上或夹具中有正确位置的过程，称为定位。 工件定位后将其固定，使其在加工过程中保持定位位置不变的操作，称为夹紧。 将工件在机床上或夹具中定位、夹紧的过程，称为装夹。 机床夹具的用途： （ 1）保证产品质量； （ 2）提高劳动生产率； （ 3）扩大机床的工艺范围，解决复杂或困难的工艺问题； （ 4）改变原机床的用途，扩大 机床使用范围； （ 5）减轻操作的劳动强度，尽量做到安全生产。 4.2 专用夹具设计方案的确定 专用夹具的基本要求： （ 1）稳定地保证工件的加工精度； （ 2）提高机械加工的劳动生产率和降低 工件 的制造成本； （ 3）结构简单，操作方便，省力和安全，便于排屑； （ 4）具有良好的结构工艺性，便于夹具的制造、装配、检验、调整与维修； （ 5）夹具的构造应与其用途及生产规模相适应； （ 6）注意夹具与机床、辅助工具、刀具、量具之间的联系。 4.2.1 夹具设计任务 如图 4-1， 所示为在焊钳 静臂 底座上钻 6 个 14.5 的光孔的工 序简图 。已知：工件的材料为 CuCr1zr，毛坯为铸造件，所选用的机床为立式钻床 Z535，生产类型为中批量生产。为该钻孔工序设计一钻床夹具 。 4.2.2 确定夹具的结构方案 1定位元件 及夹具体 的 确定 夹具体的一般要求： （ 1）要有足够的刚度和强度； （ 2）较轻的重量； （ 3）安装要稳定； 20 图 4-1 钻孔工序的加工简图 （ 4）保证装卸工件方便； （ 5）工艺性要好； （ 6）便于清理切削与脏物； （ 7）要保证使用的安全性。 根据工序简图规定的定位基准， 采用 两面一销定位方案 。其中夹具体上定位平面限制工件的三个自 由度，分别是“沿 X 轴方向的旋转、沿 Y 轴方向的旋转和沿 Z 轴方向的移动”；圆柱形定位平面因为接触面积很小，作用相当于是一个支撑板，限制了工件的两个自由度，分别是“沿 X 轴方向的移动和沿 Z 轴方向的旋转”；菱形销限制了工件的一个自由度，是“沿 Y 轴方向的移动”。总共限制了工件的 6 个自由度，没有过定位及欠定位的情况，实现工件正确定位。定位方案如图 4-2 所示。 孔与定位销的配合尺寸为 27 的螺纹配合，定位方案合理可行。 2.导向装置 的 确定 采用钻套的目的： （ 1）保证被加工孔的位置精度； （ 2）避免刀具损坏； （ 3）提高 加工表面的光洁度和几何精度； （ 4）保证可靠地完成钻孔后的第二步工作，如铰孔等。 21 本工序只有一步加工 钻 14.5 的光孔，因此本夹具可以选用固定钻套来作为刀具的导向元件，如图 4-3 所示为 固定钻套 的三维图 及零件图 。 图 4-2 定位方案 图 4-3 固定钻套 3.夹紧机构 的 确定 22 设计夹紧装置的基本要求： （ 1） 夹紧力绝对不能破坏工件在夹具中的正确位置。 （ 2） 夹紧力的大小必须合适。既要保证工件在加工中不会产生位移和振动，又要保证工件 在加工过程的 变形和受压表面损伤不超出允许范围。 （ 3） 夹紧动作要迅速，操作 简单 省力、使用安全。 （ 4） 结构比较简单，制造相对容易，体积不能很大并且刚度要很好。 （ 5） 夹紧行程一定要足够，还要保证装卸工件的间隙。 一般夹紧元件可分为：螺旋夹紧机构，斜锲夹紧机构和偏心轮夹紧机构。 针对该零件的生产类型，此夹具选用螺旋夹紧机构，如图 4-4 所示。该夹紧机构中的各零件 均采用标准夹具元件。 夹紧力计算 夹紧力的大小对加工精度影响很大，夹紧力过小，工件夹不紧；夹紧力过大会使工件产生变形。因此，正确计算夹紧力是十分必要的。在切削过程中，由于加工余量、硬度不同，刀具磨损等因素的影响，使切削力产生变化，而且在切削过程中切削力的方向、作用点也是变化的，因此要准确计算夹紧力是困难的，只能按切削力 P 粗略估计。 Q=K P 公式中： Q夹紧力， N； P切削力， N； 图 4-4 夹紧方案 安全系数，一般取 k=1.53； 23 粗加工时 k=2.53； 精加工时 k=1.52。 查阅 机械加工工艺师手册 可知钻削时的轴向力的计算公式为： F CFd0ZFfyFkF； 钻削时转矩的计算公式为： T=CTd0ZTfyTkT； 查表可知 CF 410， ZF 1.0， yTkT 0.8， CT 0.117， ZT 2，又已知 d0 14.5mm，f 0.25mm/r。代入公式可得： F 410 14.51.0 0.160.8 1372N； F d1=F1 d2； F1=Fd1/d2=1372 7.25/18=552.6N； F 夹紧 =K F1=2.5 552.6=1381N； 螺旋夹紧机构的夹紧力的计算公式为： W=2QL/d2tan（ +） +2Rcot /2f ； 查机床夹具设计手册表 2-18， 得： Q=15N， L=350mm， d0=23.752mm,查表 1-2-21及表 1-2-22， 得： = 2 29， 得 =9 50。， f=tg =0.16， =120 。 W=2 15 350/ d2tan(229+950)+2 25cot60f=10500/3.2924=3189N。 又 F 夹紧 =1381N W=3189N， 故该夹紧机构能满足钻孔要求。 4.2.3 夹具装配体三维图，装配体二维图 通过夹具体把夹具各组成部分连接起来，并将连接部分剖视。如图 4-54-8 别是夹具总装图的三维模型和二维装配图。 4.2.4 夹具装配图上标注尺寸、配合及技术要求 （ 1）夹具装配图上要标注的尺寸： 根据 前面 工序简图上 所 规定的被加工孔的加工精 度 要求， 可以 确定钻套 的 中心线与 夹具体上用来定位的销子 之间的尺寸取为（ 450. 05) mm。工件上孔 的 中心距为 90mm 和 62.5mm， 该尺寸为自由公差， 又 两钻套 的 中心距公差取为工件相应尺寸公差的 1/3,为（ 1/3 0.2)mm=0. 068mm，对称标注为（ 90 土 0.034) mm 和（ 62.5 土 0.034） mm。钻套中心线对定位销中心线的垂直度公差取为 0.02mm。定位销中心线与夹具底面的平行度公差取为 0.02mm。 （ 2）夹具装配图上要标注的配合尺寸： 菱形销与定位孔的配合尺寸 25H7 / f6 。钻 套与钻模板的配合尺寸为 22H7/n6。夹紧螺钉与衬套的配合尺寸为 27H7/n6。定位销与钻模板的配合为 6H7/h7。夹具最大外形尺寸 350mm 240mm 325mm。 （ 3）夹具装配图上的技术要求： 24 图 4-5 夹具总装图三维模型 图 4-6 装配体主视图 25 图 4-7 装配体俯视图 1、装配前所有零件进行清洗。 2、定位销与夹具体定位误差不得大于 0.01mm。 3、固定钻套中心线与夹具体垂直度误差不得大于 0.01/100。 图 4-8 装配体 剖视图 4.2.5 其他说明 26 该方案有一个定位元件定位 元件不是标准件，其三维模型图及二维零件图如图 4-9及图 3-10。 图 4-9 面销定位件三维模型 图 4-10 面销定位件零件图 27 该夹具的总装中还包含一些其他的非标准件，其三维模型和二维零件图分别如图3-113-12。 为了能直观地看到装配过程，我还制作了装配体的爆炸视图，如图 4-13 所示。 图 4-11 夹具体三维模型 图 4-12 钻模板三维模型 28 图 4-13 装配体爆炸视图 29 第 五 章 零件的有限元分析 Solidworks simulation 是一个与 Solidworks 完全集成的有限元分析系统，它提供了单一屏幕解决方案来进行应力分析、频率分析、热分析和优化分析。 它凭借强大的功能支持，可以简捷地对机械零件进行多项功能分析，从而实现降低设计费用，缩短设计周期和提高产品质量的目的，大大缩短产品上市时间。 5.1 为零件添加夹具 添加 夹具用来阻止 增加 载荷时零件发 生移动。如图 5-1 所示， 为零件添加夹具的 方案。 图 5-1 为零件添加夹具 5.2 为零件添加载荷 在零件上模拟实际加工中零件所受到的力，为分析提供参数。如图 5-2 所示，为零件添加力。 5.3 选择零件的材料 选择出该零件的材料。已知该零件所选材料为铬锆铜（ CuCr1Zr）。 如图 5-3 所示，为该材料的特性。 5.4 对模型进行运行模拟 模型已经建立，已经可以使用软件对该模型进行运算模拟。如图 5-4 所示，为该模 30 型运算模拟的结果。 图 5-2 为零件添加力 图 5-3 零件所用材料的特性 5.5 显示并分析最大应力 显示该模拟结果中的有关最大应力的结果，并进行分析，以保证该方案所产 31 图 5-4 该模型的模拟结果 图 5-5 该模型的最大应力的结果。 生的应力不会超过该零件材料的应力范围。 如图 5-5 所示，为该模型出现最大应力的位 32 置以及最大应力的大小。 从图中可以看出，该模型 最大应力 远小于该零件的屈服强度（ 415MPa）。因此，就应力方面分析，该方案可行。 5.6 显示并分析最大位移 显示该模拟结果中的有关最大位移的结果，并进行分析，以保证该方案所产生的位移不会超过该零件材料的范围。如图 5-6 所示，为该模型出现最大位移的位置以及最大位移的大小。 图 5-6 该模型有关位移的结果 由图可以看出， 位移在允许范围内 ，故该方案就位移方面分析是可行的。 33 第 六 章 结论 在本次 毕业 设计中， 我是基于大三所完成的机械制造技术基础的课程设计。 我更加系统 地 完成了一个零件的工艺工装设计 和二维图的输出。按照老师的建议 ， 我 先是自学SolidWorks 三维设计软件。从 认知了解 零件图到绘制毛坯图， 再到绘制零件三维模型。然后就是专用夹具的设计以及零件的有限元分析。 在这过程中， 我到工厂参观，认真记录并查阅大量的资料 ； 然后选择机床设备、选择刀具，确定切削用量三要素等， 完成零件加工工艺规程的制作 ；最后制作 其中一道 工序的专用夹具，并用 SolidWorks 三维设计软件绘制 出夹具的总装图 ，并对 该装配体 进行干涉检查、生成爆炸 视 图等。 最终 完成了夹具装配体三维模型图。 在设计过程中也 不可避免地 遇到了许多问题，首先 就 是设计经验不足，对于实际加工中经常采用的加工模式不 是很 了解，对于常见的工艺流程也不熟悉。在专用夹具设计中，由于我们看过的 实体 夹具 比较少 ，所以 刚开始 设计的夹具很不合理，这就需要 我进行 多次修改 ，最后在老师的指导下终于完成夹具的设计。 本次设计 中的模型以及 图纸都是采用 SolidWorks 绘制， 由于以 前基本没有接触过该软件， 所以要从零开始， 很多命令不 很熟悉 ，尤其 是 在生成二维工程图过程中遇到很多问题， 给 我们带来了很大困难，但最终通过 努力 使 这些问题