机械液性塑料心轴夹具设计及分析

1、内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书题 目： 液性塑料心轴夹具设计及分析学生姓名：学 号： 专 业： 机械设计制造及自动化 班 级： 机械06-8班指导教师：液性塑料心轴夹具设计及分析摘 要心轴定位是机械加工中常见的一种定位方式，广泛应用于车、铣、钻、磨等工序中，主要应用于要求以内孔为定位基准，并保证外圆轴线和内孔轴线的同轴度要求或者螺栓孔对于中心孔有位置度要求的情况。本设计将以加工轴套类零件外表面为例来对塑料心轴进行设计与制造，并对其夹紧力进行分析，使其能准确的夹紧工件，实现高精度加工液性塑料定心夹紧机构是弹性定心夹紧机构的一种, 是适应近年来机械行业对零件的高精度要求出现的，效率高且极大的降

2、低了成本.它以液性塑料作为介质，利用其不可压缩性,可以将压力均匀地传递给薄壁套筒或滑柱,使薄壁套筒或滑柱产生均匀的径向弹性变形或位移而将工件定位和夹紧.液性塑料定心夹紧机构的优点在于定心精度高,其定心精度一般可以达0.005mm0. 01mm ,最高达0.001 mm ,同轴度可达0.01mm0.02mm. 另外还用于多位夹紧,其夹紧迅速,夹紧力大且可靠.但对目前现在存在的各种局限性也做了相关例举。全套图纸，加153893706关键词: 液性塑料； 薄壁 ； 高精度 ； 心轴 ； 夹具； 弹性变形The fixture design and analysi of the liquid plas

3、ticsAbstract The location is a mechanical in a common alignment, it is widely used in cars, innovation, and worn for implementation, the main application for a position to within a benchmark and make sure that the outer circle of axes and the axis of the hole in the request or bolt hole in the cente

4、r of a good location for the requirements.This design will be processed the parts of the external surface of type of plastic made to the design and manufacture, and analysis, the force to be precise grip, high precision work to the heart of plastics processing between the agencys authority centring

5、between a, in recent years machinery industry to the parts of high-precision demand, high efficiency and reduce the cost of great。With the fluid nature of the plastic for a medium, using its compressibility, you can not be evenly on to a tube or traveller unwieldily flimsy, or slide columns that are

6、 unwieldily flimsy set it produces even the radial displacement compliances or and aligning workpieces and grip. Liquid plastic between sexual heart of heart is high precision, the heart of the general can 0.005mm0.01mm, up to 0.001 mm, coaxial degrees of 0.01mm0.02mm. also used for more grip and th

7、e clamping force fast and reliable. but now there are various limitations and the relevant cases.。Keywords: the nature of the plastic； thin-wall； high accuracy； spindle； fixture； elastic deformation目 录 TOC o 1-3 u 摘 要 PAGEREF _Toc265014827 h IAbstract PAGEREF _Toc265014828 h II第一章 概 述 PAGEREF _Toc26

8、5014829 h 11.1 液性塑料夹具的研究背景 PAGEREF _Toc265014830 h 11.2 液性塑料夹具的工作机理 PAGEREF _Toc265014831 h 21.3 液性塑料夹具的特点及应用 PAGEREF _Toc265014832 h 31.3.1 液性塑料夹具的特点： PAGEREF _Toc265014833 h 31.3.2 液性塑料夹具的应用： PAGEREF _Toc265014834 h 31.4 液性塑料心轴的具体应用及其实际过程 PAGEREF _Toc265014835 h 41.5 设计步骤 PAGEREF _Toc265014836 h 5

9、1.5.1 设计研究内容 PAGEREF _Toc265014837 h 51.5.2 设计预期目标 PAGEREF _Toc265014838 h 51.5.3 设计方法和路线 PAGEREF _Toc265014839 h 5第二章 液性塑料心轴夹具的结构设计 PAGEREF _Toc265014840 h 62.1 采用液性塑料心轴的定位夹紧方案 PAGEREF _Toc265014841 h 62.2薄壁套筒的设计 PAGEREF _Toc265014842 h 72.2.1 薄壁套筒的结构 PAGEREF _Toc265014843 h 72.2.2 薄壁套筒材料的选用 PAGERE

10、F _Toc265014844 h 82.2.3 薄壁套筒参数设计 PAGEREF _Toc265014845 h 8 套筒的夹紧力及产生的力矩【2】 PAGEREF _Toc265014846 h 162.3 心轴基体的设计 PAGEREF _Toc265014847 h 172.4 加压螺钉和滑柱的设计 PAGEREF _Toc265014848 h 18 加压螺钉 PAGEREF _Toc265014849 h 182.4.2 滑柱 PAGEREF _Toc265014850 h 192.4.3 加压螺钉与滑柱的设计 PAGEREF _Toc265014851 h 19第三章 液性塑料心

11、轴的制造和使用 PAGEREF _Toc265014852 h 223.1 液性塑料心轴的制造工艺 PAGEREF _Toc265014853 h 223.1.1 薄壁套筒的制造工艺 PAGEREF _Toc265014854 h 223.1.2 心轴基体的制造工艺 PAGEREF _Toc265014855 h 243.1.3 液性塑料心轴的装配 PAGEREF _Toc265014856 h 253.2 液性塑料的浇注 PAGEREF _Toc265014857 h 253.2.1 液性塑料的配置 PAGEREF _Toc265014858 h 273.2.2 液性塑料配置工艺及应注意的几

12、个问题 PAGEREF _Toc265014859 h 283.3 设计和制造液性塑料夹具应注意的几个问题 PAGEREF _Toc265014860 h 293.4 液性塑料心轴夹具的使用与维护 PAGEREF _Toc265014861 h 30第四章 液性塑料心轴夹具的有限元分析与优化 PAGEREF _Toc265014862 h 314.1 基于ANSYS平台的薄壁套筒参数分析 PAGEREF _Toc265014863 h 314.1.1 液性塑料心轴有限元模型的建立 PAGEREF _Toc265014864 h 324.1.2 工件夹紧变形对加工精度的影响 PAGEREF _T

13、oc265014865 h 454.1.3 薄壁套筒参数对心轴性能的影响规律 PAGEREF _Toc265014866 h 464.2 薄壁套筒参数的优化设计 PAGEREF _Toc265014867 h 494.2.1 薄壁套筒参数的优化方法 PAGEREF _Toc265014868 h 494.2.2 优化设计结果 PAGEREF _Toc265014869 h 504.3 结论 PAGEREF _Toc265014870 h 50参考文献 PAGEREF _Toc265014871 h 51结束语 PAGEREF _Toc265014872 h 52附录1 PAGEREF _Toc

14、265014873 h 53附录2 PAGEREF _Toc265014874 h 56附录3 PAGEREF _Toc265014875 h 58第一章 概 述1.1 液性塑料夹具的研究背景 套类零件是车削加工中最常见的零件，也是各类机械上常见的零件，在机器上占有较大比例，通常起支撑、导向、连接及轴向定位等作用, 如导向套、固定套、轴承套等。套类零件一般由外圆、内孔、端面、台阶和沟槽等组成，这些表面不仅有形状精度、尺寸精度和表面粗糙度的要求，而且位置精度要求较高， 有的零件壁较薄，加工中容易变形。而套类零件现在面临的最大的问题就是薄壁零件的加工上精度的保证。 高精度的薄壁套筒装夹困难、易产生

15、加工变形,我们结合液性介质定心夹具设计原理和套筒的工作原理,设计了一种心轴定位夹具。以往以圆柱形内孔为定位基准的时候，定位元件常为圆柱心轴或小锥度心轴；对于带有锥孔、螺纹孔、花键孔的工件定位，常用专用的锥体心轴、螺纹心轴或花键心轴。这种心轴定位中，为了使工件能很方便的套在心轴上，心轴与工件一般用H7/h6、H7/g6的间隙配合。由于间隙的存在以及工件制造误差的存在，因此，心轴定位精度不高，一般工件的同轴度只能保证在0.02mm0.04mm左右。为了消除间隙，提高心轴的定位精度，心轴可以做成锥体，但锥体的锥度不能太大，否则工件在心轴上会产生歪斜。小锥度心轴的优点是靠楔紧产生的摩擦力带动工件，不需

16、要其他夹紧装置，定心精度高，可达到0.005mm0.01mm，缺点是工件的轴向无法定位。随着现代制造业高技术的发展，新的工艺技术不断出现，使产品很快转变成杜会的财富。所以现代的工艺装备向着高精度，高效率发展，以满足生产的需要，过去一些翻造粗劣、精度低，操作麻烦又费力，生产周期长的夹具。已不能适应生产的要求，现代生产需要一些定位精度高，使用方便，能提高生产效率，成本又低的夹具，尤其在航天技术上对各种飞行器的质量要求越来越高，这就给结构件的制造提出了更高的要求。尤其是飞行器的薄壁精密型零部件，其形状精度和位置精度均要求很高，采用常用的机械式夹具很难满足要求，为此探索采用高精度定位而装夹变形很小的新

17、型夹具很有必要。在液压传动机床中，例如塑料注射机、油压机、组合机床、磨床、液压数控加工中心等，有大量的薄壁高精度液压缸需要加工，这些液压缸的加工需要定心精度高、夹紧后不变形、生产效率高、成本较低的夹具，即液性塑料心轴夹具，外涨式套筒用于加工外圆及端面，内夹式 K=1.1 1.5(安全系数)套筒用于加工内圆及端面。1.2 液性塑料夹具的工作机理基于以上几种问题的存在，我们要选用合适的夹具工装满足对制造精度的要求，目前广泛采用的方法是液性塑料夹具。液性塑料夹具的工作原理将一种液性的（半固态的）塑料浇注在夹具体内，利用液性塑料的不可压缩性，将压力均匀地传给薄壁套筒，并通过套筒的变形来定位和夹紧工件；

18、或者在多位夹具中，液性塑料作为传动介质，将压力均匀地传给滑柱来夹紧工件。当卸掉压紧力后，薄壁套筒元件迅速恢复原始状态并同时松开工件。塑料在不同条件下的物理状态有三种 ：玻璃态、高弹态和粘流态，它们在一定的条件下可以发生转变。影响转变的因素有：分子结构、化学组成、受力情况和环境温度等，但在塑料组成一定时，转变主要与温度有关。图 1.1示出了塑料的物理状态与温度的关系。所以塑料熔体的高弹变形与粘性变形均与时间有关，这实际上是一种由塑料大分子结构所决定的力学特性，也是塑料变形与金属变形及一般液体（水 ）的主要区别之处。1.线性非结晶聚合物 2.线性结晶聚合物 3.金属图 1.1 塑料物理状态与温度的

19、关系图 1.2示出了塑料的三种变形发展及弹性回复与时间的关系，其中粘性变形将保留在聚合物内不能回复。图1.2 塑料的应变时间关系曲线1.3 液性塑料夹具的特点及应用1.3.1 液性塑料夹具的特点：a、定心精度高：液性塑料夹具与被加工零件是圆柱面接触，接触面可达整个薄壁长度的80%，定位误差小，加工精度高，可以保证被加工表面的不同心度在 0.0020.003mm 。b、提高生产率：使用液性塑料夹具，不需要用百分表找正工件，操作方便，辅助时间可降低80%左右。c、夹具结构简单，降低制造成本，塑料夹具与弹簧夹头比较，容易制造，制造成本比普通夹具平均可降低一半。1.3.2 液性塑料夹具的应用：液性塑料

20、夹具可应用于车、铣、钻、磨、齿轮加工（ 滚齿、插齿、刨齿 、蜗轮）加工等机械加工工序中,还可应用于检验和工具制造中。使液性塑料产生压力的来源有手动、气压及液压。在某些场合下，液性塑料产生的压力主要起定位作用，而压紧工件是采用气压或液压。但液性塑料夹具应用时应注意：塑料管道内允许压力不能过大，一般最大不超过300Mpa，压力过大时塑料可能渗漏或将薄壁套筒胀裂。因此，用于定心兼夹紧工件时，工件的定位面精度最好是IT8 级或IT7级以上；用于多位夹紧工件时，工件要小且制造精度应在 IT8级以上较为适宜。同时，薄壁胀量又与套筒的直径有关，套筒直径越大，在相同的液性塑料压力下越易胀开。归纳起来有以下三种

21、使用范围：（1）零件按IT6级精度间隙配合制造时，最小定位直径不小于12mm。（2）IT7级精度间隙配合的零件，最小定位直径不小于22mm 。（3）IT8 级精度间隙配合的零件，最小定位直径不小于100mm 。1.4 液性塑料心轴的具体应用及其实际过程轴套类零件，其关键工序是重要外圆表面的磨削和内孔磨削。图1.3是某轴套类典型零件外圆加工工序图，由图1.3可知，该零件对外圆的加工精度有一定的要求，同时在同轴度和垂直度上也有了适当的要求，本工序以工件内孔定位，磨削90mm和130mm两个外圆，要求同轴度达到0.02mm，并且要求90mm的精度达到0.008,是整个工件工艺流程中的关键工序。目前采

22、用的定径心轴加工，存在定位精度低，废品率高的问题。在这个设计中，我们采用液性塑料心轴夹具来装夹加工，就能解决这一问题，达到很高的精度要求。图1.3 典型轴套类零件1.5 设计步骤 设计研究内容获得适用于轴套回转体零件的高精度心轴定心加紧结构（液性塑料 心轴）参数的设计及性能分析的方法； 探寻适用于液性塑料心轴夹具部件的制造技术； 设计预期目标心轴的重复定位精度为0.005mm1.5.3 设计方法和路线以选定的轴套零件为加工对象，通过原理分析、结构设计、性能分析和参数优化和加工制造来研究高精度心轴定位夹紧技术，提高工序定位精度，满足高精度零件的加工要求。主要技术路线如下：分析典型零件的技术要求和

23、加工工艺路线，并确定零件定位基准和测量基准的方案。根据心轴定位工序的加工精度和切削参数，确定心轴定心夹紧所需的定位精度和夹紧力要求，以此作为心轴定心夹紧机构的设计依据。根据传统的设计方法和经验公式，对液性塑料心轴进行初步的机构设计和参数计算。使用通用有限元分析软件ANSYS进行建模，仿真分析液性塑料心轴关键参数对工件的变形量、套筒的应力分布和夹紧力等使用性能的影响规律，并基于仿真分析的结果和心轴结构，使用ANSYS优化模块，建立优化模型，实现液性塑料心轴结构参数的优化设计。以上述优化参数为依据，并考虑结构工艺性，进行心轴结构设计和零件设计，建立三维模型和AutoCAD二维工程图。从加工和装配的

24、角度，对所设计的心轴部件进行结构工艺性审查，保证零件的可加工性以及整体结构的可装配性，在此基础上，研究关键零件的制造方法，包括工艺方法研究、工艺路线的拟定、装夹方法的确定、工艺参数的设置，研究心轴部件的装配和拆卸顺序、以及获得装配精度的方法。第二章 液性塑料心轴夹具的结构设计1） 总体技术方案的确定通过广泛的文献检索和调研，提出采用基于液性塑料自动定心原理的弹性胀开心轴夹具，即液性塑料心轴夹具，并通过定心夹紧原理分析、结构设计、性能分析、参数优化和加工制造来研究高精度心轴的设计和制造技术，从而提高工序定位精度，满足高精度零件的加工要求。 塑料夹具的理论设计与分析 首先利用传统设计方法和经验公式

25、，对液性塑料心轴进行了初步的结构设计和参数计算，然后以有限元分析软件ANSYS为平台，建立心轴部件的有限元分析模型，仿真分析液性塑料心轴关键参数对其性能的影响规律，在此基础上，建立心轴的优化模型，实现液性塑料心轴的优化设计，并完成心轴夹具的装配结构设计、零件设计及其工艺性审查，最后研究了心轴夹具的制造方法。 以图1.3所示的典型零件为对象进行液性塑料心轴的结构设计。首先根据加工要求确定基于心轴的零件定位夹紧方案，然后根据传统的设计方法和经验公式，对液性塑料心轴进行初步的结构设计和参数计算。主要包括薄壁套筒、加压螺钉和柱塞的结构选型、参数计算、材料及技术要求确定，液塑通道设计和心轴基体材料选择，

26、最后对液性塑料心轴的结构密封性、定位精度、工作压力控制问题进行研究。 2.1 采用液性塑料心轴的定位夹紧方案表2.1 典型零件的主要工艺流程工序号工序内容使用机床1粗车外圆，端面马鞍车床CW6263B5粗车内圆，端面马鞍车床CW6263B10半精加工内圆马鞍车床CW6263B15精车右外圆、端面马鞍车床CW6263B20精车左外圆、端面马鞍车床CW6263B25磨外圆、端面外圆磨床M145030精车槽CW6263B表2.1列出了图1.3轴套类典型零件与心轴设计有关的工艺流程，后续工序略去。目前，磨外圆工序采用的定位夹紧方案：以右端面和104mm内孔定位，在工件左端面使用圆螺母夹紧。由于使用可做

27、端面定位，使得两个加工尺寸长度90mm和直径130mm的测量不太方便，工件要安装时要先进行定位，再进行夹紧，所以也影响了生产效率和定位精度。使用本项目设计的液性塑料心轴定位夹紧进行外圆的磨削，这样就能保证外圆的跳动满足精度，而且提高加工时工艺系统的刚度。外圆磨削时，工件轴向并不需要非常精确的定位，因此我们使用104mm小孔的右端面进行大致的轴向定位，以确定工件和液性塑料心轴薄壁套筒之间的相对位置，使得套筒变形量不超过许用范围。2.2薄壁套筒的设计液性塑料心轴夹具中的定位元件是中部带薄膜的薄壁套筒。其在夹具中是靠中部薄膜的外涨或内缩对工件进行定位与夹紧。2.2.1 薄壁套筒的结构液性塑料夹紧定位

28、元件的结构一般只有外涨式和内夹式两种，如图2.1所示： a、外涨式套筒 b、内夹式套筒图 2.1外涨式套筒用于加工外圆及端面，内夹式套筒用于加工内圆及端面，在本设计中，根据图1.3零件要求，可选择要加工的表面适合用外涨式套筒。 薄壁套筒材料的选用加紧定位元件材料应选用弹性极限高的，以保证其具有高的弹性及稳定性。各材料的性能参数如表2.2所示。表2.2 不同钢种的性能钢号弹性模量E kgc泊松比u极限强度b kgcm2屈服点 kgc布氏硬度HB在比例极限时的延伸率ep30CrMnSi2.041060.291100085003633114.1610-318CrNiWA2.041060.291100

29、095003753314.6510-312CrNi3A2.041060.29950070003412693.4310-3452.11060.29700040002291971.9610-3由于钢的弹性模量E基本是个定值，均在2105MPa左右，而安全系数在一定条件下也是个定值。要想要提高套筒的最大允许变形量，应选 较大的材料和适当的热处理范围，因此我们选用合金钢30CrMnSi，通过锻造提高其力学性能，淬火到HRC3540，以保证套筒具有良好的弹性和耐磨性。其弹性模量E=2.04105MPa，泊松比u=0.29。热处理后，屈服极限 =850MPa，保证了套筒具有很高的许用应力。由于薄壁套筒反复

30、处于涨紧和松开状态，应考虑因应力循环次数而破坏疲劳强度，夹具体与薄壁套筒配合应有过盈量，其内应力不能因时间久而产生应力松弛。热处理后，其硬度应均匀，否则会影响定心精度。2.2.3 薄壁套筒参数设计由于液性塑料心轴夹具的参数设计，没有确定的参考，我们在设计的时候只能查阅相关的资料以及经验公式，通过对所查阅资料的研究比较，选择出一套比较合理的方案。套筒1由前面的分析可知我们选用的是外胀式薄壁套筒。一般来说当被加工件的长度L定位直径D时，采用如图2.2的结构，而在本题中，被加工件的长度LD,薄壁套筒较长，从而产生较大的径向变形D，使得套筒刚性变差，影响定心精度。此情况最好采用如图2.3带凸肩的薄壁套

31、筒，改善这种现象。图2.2图2.3 套筒薄壁长度部分相关尺寸计算：图2.4对于经验公式来计算套筒我们需要综合多种文献，对比得出比较适中的，进而使计算结果更加接近实际。第一种：一般情况下，当套筒不承受切削扭矩或扭矩很小时，如定心用于检具、钻具、精车、精磨夹具等，可取=0.1。当承受中等负荷时，如粗磨、粗镗等，可取=0.5。当承受重载工作时，如切齿加工或其他精加工，可取=0.8。则有本题取=0.1。接触系数，计算公式为：=lL，其中，l为工件基准长度，L为薄壁套筒长度。表2.3 Lc、hc的尺寸（mm）套筒直径DLcHc306530508650801198012016121201602216160

32、200281820025003626H=2 则可计算出L=74mm，H=10mm，由表2.3取Lc=11mm，R=5mm，h=4mm制造时，H可考虑在薄壁套筒和夹具体上各占一半。如果夹具体切削过深，则会减低其抗弯刚性，若套筒切削过深，则会使套筒端壁面积增大，而加大轴向压力，使套筒径向弹性减少，缩小了夹具的应用范围。第二种:表2.4【1】 夹紧定位元件薄壁部分厚度D(mm)105050100LD/2h=0.015D+0.5h=0.025DD/2LD/4h=0.01D+0.5h=0.020DD/4LD/8h=0.005D+0.5h=0.015D其中D为工件定位直径，L为薄壁套筒的薄壁的长度，h为薄

33、壁的厚度。由于该工件LD,可以选用h=0.025D=0.02570=1.75mm2mm表2.5【1】 夹紧定位元件薄壁部分长度2h/D0.010.020.030.040.050.060.070.080.090.10L0.175D0.25D0.3D0.35D0.375D0.425D0.45D0.525D0.55D0.575DD为工件定位直径，L为薄壁套筒的薄壁的长度，h为薄壁的厚度。由于2h/D=22/70=0.057,则L=0.425D=29.75mm30mm，此时L2/D，结合工作实际我们不选用此种方法。选用方案1。（2） 套筒最大允许变形量D【1】：max表示被加工工件表面与薄壁套筒之间在

34、未加压前的最大间隙，Dmax表示薄壁套筒直径最大变形量。则当Dmax -max=0只能起定心作用，当Dmax max时，起定心和夹紧作用。取： D max =D2P/2Eh （1）式中：E加紧定位元件的弹性模数，kPa； P夹紧定位元件最大允许液性塑料压力；P按下表取值。表2.6【1】 加紧定位元件最大允许液性塑料压力D(mm)2030405060708090100P(MPa)454540403535303025由表2.6可知，我们的夹具定位直径为70mm，所以P取35MPa合适。我们选用的薄壁套筒材料30CrMnSi的弹性模量E=2.04105MPa，因此，据参考文献【2】计算出D max

35、=D2P/2Eh=70235/22.041054= 0.185mm另一种对D的计算是通过胡克定律：D max =sD/EK （2）式中：s薄壁套筒材料的屈服极限（kPa），对于我们所选的材料，s=8.5102MPa；E套筒材料的弹性模数（MPa），对于我们所选的材料，E=2.04105MPa； K安全系数，一般取1.21.5；把上述取值带入公式(2)中，D max =sD/EK=8.510270/2.04101.5=0.194mm。若工件定位基准较长（L0.3D），对合金钢薄壁套筒来说，最大径向涨量D max大约为0.003D；若工件定位基准短（L0.3D）, 套筒直径的最大涨量则应更小些，对

36、合金钢薄壁套筒来说，最大径向涨量D max大约为0.002D；比较上述两种方法，方案1更合理一些（3） 套筒定位面直径最大配合间隙：在未夹紧时工件与套筒定位面间的最大配合间隙：max=D1maxD2min=D+d （3）式中：D1max工件内孔的最大直径； D2min套筒定位面的最小直径； 工件定位基准与套筒定位表面间的最小保证间隙；D及d工件定位基准及套筒定位表面的制造误差；套筒的壁厚差不超过0.030.05mm，因此，我们取套筒和工件之间的最小保证间隙为0.03mm，套筒制造公差取f5级精度，故套筒定位面直径D=70f5=70 mm，工件70mm内孔制造公差为70 mm，因此，最大可能间隙

37、max= +0.018（0.043）=0.061 mm（4） 套筒与工件配合的过盈量：g=D max max=0.1940.061=0.133mm（5） 塑料腔环形槽深度：表2.7【1】 夹紧定位元件其他尺寸D（套筒定位直径）SH305076508087801201081201801291802501512表中S表示套筒固定部分长度，H表示1/2容塑腔深度，由此可见塑料腔环形深度取7mm，S=8mm。另一种取表2.3环槽高度H=2 =2=24.2=8.4mm10mm。第三种选取原则见下表：表2.8容塑腔高度值直径D（mm）高度H（mm）103063050750708709099010010从上

38、面比较，可以看出文献2和文献3选取的方法不同，但结果相近，所以我们取H=10mm。（6） 液性塑料工作压力：由表2.6我们可取P=35MPa（7） 圆角半径有关于圆角半径的取值原则：薄壁套筒圆角半径是保证液性塑料畅流无阻的重要条件，以避免应力集中。一种是:圆角半径：R=0.04D=0.0470=2.8mm，我们将其取为3mm。另一种是：Rh ，由上面得出的薄壁的厚度h我们可以得出R=4mm我们选用第二种方法，为了避免应力集中。（8） 套筒与基体的配合过盈量：表2.9套筒与基体的配合过盈量工件定位直径D过盈量c50以下0.0350800.05801200.071201800.101802500.

39、15目前在配合上存在不同的看法，有的选择基孔制压配合、，有的选用过度配合，有的采用控制过盈量，有的既用制压配合，又注上过盈值。一般认为采用保证过盈值更为可靠。当承受切削力较小时，常用过盈值按上表2.9选择。当切削力较大且套筒与夹具体之间又无销钉固定时，可取=0.0012D。套筒2：(1) 套筒薄壁长度部分相关尺寸计算套筒2中L与D的尺寸相差不太大，不会引起刚度方面的减弱，我们可以用普通的图2.2的套筒。同例有表2.3中可以计算得出H= H=2 =2=10mm，取Lc=16mm，R=6mm，h=6mm制造时，H可考虑在薄壁套筒和夹具体上各占一半。如果夹具体切削过深，则会减低其抗弯刚性，若套筒切削

40、过深，则会使套筒端壁面积增大，而加大轴向压力，使套筒径向弹性减少，缩小了夹具的应用范围。第二种:由表2.4、表2.5计算得出：该段LD,可以选用h=0.025D=0.025104=2.6mm3mm由于2h/D=23/104=0.058,则L=0.425D=mm44.2mm，此时L2/D，结合工作实际我们不选用此种方法。选用方案1。套筒最大允许变形量D【2】： max表示被加工工件表面与薄壁套筒之间在未加压前的最大间隙，Dmax表示薄壁套筒直径最大变形量。则当Dmax -max=0只能起定心作用，当Dmax max时，起定心和夹紧作用。取 D max =D2P/2Eh式中：E加紧定位元件的弹性模

41、数(kPa) P夹紧定位元件最大允许液性塑料压力；P按表2.6表取值可知，我们的夹具定位直径为104mm，所以P取25MPa合适。我们选用的薄壁套筒材料30CrMnSi的弹性模量E=2.04105MPa计算出：D max =D2P/2Eh=104225/22.041054=0.291mm。另一种对D的计算是通过胡克定律：D max =sD/EK式中：s薄壁套筒材料的屈服极限（MPa），对于我们所选的材料， s=8.5102MPa； E套筒材料的弹性模数（MPa），对于我们所选的材料，E=2.04105MPa； K安全系数，一般取1.21.5；把上述取值带入公式，D max =sD/EK=8.5

42、102104/2.041051.5=0.289mm。我们选择第一种的计算结果D max =0.291mm。（3） 套筒定位面直径最大配合间隙：在未夹紧时工件与套筒定位面间的最大配合间隙：max=D1maxD2min=D+d式中：D1max工件内孔的最大直径； D2min套筒定位面的最小直径； 工件定位基准与套筒定位表面间的最小保证间隙；D及d工件定位基准及套筒定位表面的制造误差；套筒的壁厚差不超过0.030.05mm，因此，我们取套筒和工件之间的最小保证间隙为0.03mm，套筒制造公差取f5级精度，故套筒定位面直径D=104f5=104 mm，工件104mm内孔制造公差为104 mm，因此，最

43、大可能间隙max= +0.018（0.051）=0.069 mm。（4） 套筒与工件配合的过盈量：g=D max max=0.2910.069= 0.222mm（5） 塑料腔环形槽深度：由表2.7可以选出S=10mm，H=8mm，综合各文献及工作实际我们取S=10mm，H=12mm。（6） 液性塑料工作压力：由表2.6我们可取P=25MPa（7） 圆角半径有关于圆角半径的取值原则：薄壁套筒圆角半径是保证液性塑料畅流无阻的重要条件，以避免应力集中。一种是：圆角半径：R=0.04D=0.04104=4.2mm，我们将其取为5mm。另一种是：Rh ，由上面得出的薄壁的厚度h我们可以得出R=6mm我们

44、选用第二种方法，为了避免应力集中。（8） 套筒与基体的配合过盈量：当承受切削力较小时，常用过盈值按上表2.9选择，=0.07，当切削力较大且套筒与夹具体之间又无销钉固定时，可取=0.0012D。2.2.4 套筒的夹紧力及产生的力矩【2】为保证加工过程中有足够的夹紧力而不发生轴向移动，其所需夹紧力可按下式计算： (4) 其中：，,，这种机构所能抵抗的最大扭转力矩，可按下式计算: (5)根据以上设计参数，我们能计算出套筒1和套筒2产生的夹紧力矩。套筒产生的夹紧力矩Mkp=5105m3/2gD2， 式中m=2h/D。薄壁套筒1产生的夹紧力矩Mkp1 =51052（8/70）3/20.133702=2

45、54.16N.m 薄壁套筒2产生的夹紧力矩Mkp2 =5105（12/104）3/20.2221042= 468.20N.m总夹紧力矩Mkp= Mkp1 +Mkp2= 254.16+468.20= 722.36N.m。而磨削力矩Mk=300N.m，因此，夹紧力足够，设计可行。 套筒薄壁部分的壁厚差对定心精度影响很大，因此规定其值不超过0.05mm。套筒内槽表面粗糙度为Ra0.8，这不仅有利于液性塑料的流动，是压力传递均匀，同时，工艺上要求淬火后进行磨削，使内孔同轴度提高，薄壁变形均匀，提高了定位精度。套筒外圆的表面粗糙度为Ra0.4。套筒在抓高配后进行精磨，保证其外圆对心轴两端中心孔的跳动不超

46、过0.005mm。2.3 心轴基体的设计 心轴基体的设计最重要的是设计合理的液性塑料通道，这其中要考虑液性塑图2.5料浇注排气问题、缩孔问题以及对定位精度的影响（因为液性塑料非绝对流体，要考虑到流动性）。如图2. 5所示：有5种液性塑料通道的方案。图中各零件的名称如图2.5e所示，其余各图中未画出工件，心轴采用两个斜孔将两个液性塑料环形槽相连，拧动两个加压螺钉，推动柱塞挤压塑料，从而将工件定心夹紧。方案b采用两个柱塞分别对两个套筒进行加压，方案c和d分别从大端和小端同时对两个套筒进行加压。比较以上各方案，方案b采用独立加压，可以对两个套筒所需的工作压力进行单独控制（两个套筒的工作压力不同且相差

47、较大），同时，也容易分别添加排气通道，有利于浇注。但由于工件和心轴很重，夹紧时需要调头，这很不方便，效率低，劳动强度大。方案a、c、d同时加压，但要想为两个塑料环形腔同时排气则很困难，因为心轴长度尺寸较大，而排气孔很小，钻孔难度很大。其中d方案较前两种在使用上方便性更优，因为装卸工件时，必然是使心轴大端朝下，将工件从小端套入，因此小端加压很方便。另外，小套筒工作压力更大，而液性塑料在流动过程中又一定的压力损失，因此从小端加压可以更好的为两个套筒同时提供各自所需压力。由于上述更方案的种种缺点，我们设计了e方案，方案e仍采用统一从小端加压的方式，散克服了排气困难的问题。浇注时，采用压注法，放置如图

48、f所示位置，取下螺钉和柱塞，利用压力将液性塑料从心轴底部的孔内往上注塑，空气则顺着各个斜孔往上溢出。采用斜孔更有利于空气的排出和液性塑料的流动。但是此种方案统一加压，不能提供两个套筒各自所需的工作压力，因此需要对工作压力和套筒相关参数进行分析和优化设计。根据本设计零件要求，设计出图2.6心轴如下：图2.6 心轴基体基体常用材料为铸铁或中碳钢，但是这些材料热处理硬度不够高，尤其是两端中心孔硬度如果太低就会容易碰伤，降低精度，大大影响心轴的使用寿命。同时，基体上的柱塞孔很容易磨损，这是导致液性塑料渗漏的重要原因。因此我们选用而合金工具钢Cr5Mn制造基体，热处理为T265，淬硬至60HRC。基体上

49、与两个套筒配合的部分要与套筒配作，以保证过盈量，同时这些外圆对中心孔的跳动要在0.005mm以内。柱塞孔也需与柱塞配作，保证间隙不大于0.01mm，其圆柱度要小于0.005mm。所有内孔都需铰孔，以提高其粗糙度，利于液性塑料的流动。2.4 加压螺钉和滑柱的设计2.4.1 加压螺钉加压螺钉的位置应考虑有足够的轴向移动量，以保证夹紧力，一般情况下螺钉用45号钢，同时要考虑夹具定位偏移的问题。 如图2.7（a）所示，螺钉径向放置时，将影响定心精度，尤其是塑料较硬时，若没有足够的移动量，夹具就会失灵，为此最好将加压螺钉改为如图2.7（b）所示的切线方向，（a） （b） 图2.72.4.2 滑柱滑柱设计

50、的结果将直接影响夹具的使用效果，液性塑料的渗漏问题是目前液性塑料夹具存在的主要问题之一，为防止液性塑料从滑柱孔中漏出，正确地选用滑柱结构精度是很重要的。滑柱采用T7A钢制造，其硬度要比滑柱孔低，所以热处理后的硬度宜维持在4045HRC。螺钉用45钢，3540HRC。滑柱直径和孔的配合处用研配保证，其间隙不大于0.010.015mm滑柱与孔的椭圆度和锥度不超过0.005mm， 滑柱和孔的粗糙度分别为0.4和0.8。 加压螺钉与滑柱的设计结构形式加压螺钉和柱塞可采用图2.8所示的三种形式。图2.8（a）为整体式，其优点为螺纹部分与援助部分整体进退，不会出现卡住现象，缺点是制造困难，夹具体上的柱塞孔

51、和螺纹孔的轴线不易一致，同时，圆柱部分旋转也是很不利的，易磨损，塑料容易渗漏。 图2.8（a）为降底滑柱制造成本，可将滑柱和压紧螺钉分开制造，做成图2.8(b)的分体式结构，但为使滑柱取出方便，在无锥度孔的一端攻螺纹孔，其大小为M6M 1O，此结构容易制造，但如果柱塞孔和柱塞配合不好时，容易咬住，影响工作。图2.8（b）综合以上，我们采用图2.8（c）所示的开口槽连接式，制造容易，螺钉和柱塞为点接触，因此柱塞不会跟着螺钉一起旋转，有利于延长使用寿命，提高密封性。图2.8（c）尺寸设计（a）滑柱直径的计算滑柱的直径利用下表2.7所示的公式进行计算。表 2.7套筒的薄壁长度L公式D/8LD/4D/

52、4LD/2D/2LD（b）滑柱 L = (18 2)，此次我们的设计中有两个薄壁套筒，夹紧时套筒的内环形槽的体积增大量都比较大，需要选取较大的滑柱直径，取d0=18mm，滑柱长度L0=30mm。柱塞直径M18，螺距选为1.5mm（细牙螺纹，较小的螺纹升角有助于提高螺纹的自锁性能），因此柱塞直径只比螺纹孔直径小一点，使柱塞在装配时容易进入柱塞孔内，同时还可将滑柱与液性塑料接触部位做成锥孔，塑料受压后使滑柱的薄壁部分向外涨开而起到密封的作用。参考文献【7】有如下:工件夹紧时，柱塞的最大位移量为：(mm) （6） （7）式中在工件夹紧时，薄壁套筒的工作容腔的最大增大量（）且 （8）为套筒与定位面的实

53、际接触长度滑柱所需推力： （9） 式中p为液性塑料的工作压力，一般为30MPa。第三章 液性塑料心轴的制造和使用3.1 液性塑料心轴的制造工艺 薄壁套筒的制造工艺薄壁套筒是液性塑料心轴上的定位元件和夹紧元件，其技术要求高，制造难度大。可以说，套筒的制造精度很大程度上影响了心轴最终的定位精度。因此要注意采取相应的工艺措施，以保证其技术要求。薄壁套筒的技术要求中，薄壁部分的壁厚差不超过0.05mm、外圆对心轴两端中心孔的跳动不超过0.005mm、淬火后硬度3540HRC且要求硬度均匀等要求较难达到，其技术难度主要体现在：1）套筒薄壁部分太薄，在淬火时薄壁的变形很大，甚至又开裂可能。2）由于壁太薄，

54、因而在切削时切削力也会使薄壁部分有较大变形，因而其壁厚差要求很难保证，外圆的跳动要求也有一定难度。尤其是在最后的磨削工序里，法向磨削力很大，因而会对薄壁套筒造成附加的径向变形，影响外圆最终的加工尺寸，另外，磨削加工的热量较大，也有一定程度的影响。针对以上问题，制定了如下的制造工艺，以保证薄壁套筒的相关技术要求： eq oac(,1)锻造：为了保证薄壁套筒径向涨量各方面一致，要求套筒的材料和硬度均匀。因此采用锻造工艺制造套筒的毛坯，有利于提高薄壁套筒材质的均匀性和改善其力学性能，从而提高了液性塑料心轴的定位精度，延长了心轴的使用寿命。 eq oac(,2)粗车：粗车薄壁套筒内外圆，留加工余量11

55、.5mm； eq oac(,3) 调质； eq oac(,4)精车：精车凹槽和套筒定位面及其与基体的配合面，留磨量为0.30.4mm，磨量可以留大一点，以防止套筒淬火后变形太大； eq oac(,5)淬火并中温回火：保证3540HRC。因为工件要经常装夹，定位表面需要有较好的耐磨性，但淬火硬度不能太高，否则会影响薄壁套筒的弹性，为了避免薄壁套筒在热处理是变形过大，在加热时将其竖着放置，但仍然不能避免有较大变形，在加工时104mm的薄壁套筒淬火后变形量较大，材料向淬火时放置部位的下部堆积，使得加工余量不很均匀，内孔、外圆变形很大。因此，精车时留的磨量要大一些。图3.1给出了薄壁套筒所用的热处理工

56、装。 图3.1（a） 套筒1的热处理工装 图3.1（b） 套筒2的热处理工装薄壁套筒内孔用四块瓦形的套支撑，这四块套实际上是由一个套筒加工完后切割开的，在割开前，其外圆和液性塑料心轴薄壁套筒的内孔、其内孔和夹具轴体外圆的间隙均在0.05mm左右。拧紧螺母，保证薄壁套筒有2mm左右的轴向窜动，以防止热处理过程中的弓形变形。 eq oac(,6)磨内孔和外圆：粗磨外圆，留0.10.15mm的余量，以外圆为基准，精磨内孔，加工至最终尺寸。要在同一次装夹下完成内孔液性塑料腔槽、套筒与基体的两个配合面的磨削，以保证两个内孔又很高的同轴度。在以外圆位基准磨削内孔时，最好采用专用的工装，在外圆上套一个承重套

57、筒，以防止薄壁部分变形过大，避免引起薄壁部分的内孔尺寸不均匀，因为薄壁部分内孔和外圆尺寸的均匀性共同影响着薄壁部分的壁厚差，因此需要从这两个方面去提高加工精度，以满足壁厚差不超过0.05mm的技术要求。除了加承力套筒之外，还需要减小磨内孔时的磨削深度，以减小法向磨削力，从而减少薄壁部分的变形。 eq oac(,7)精磨外圆：将两个薄壁套筒装配到心轴基体上，并灌入液性塑料，在液性塑料不加压力的情况下将套筒外圆精磨到最终尺寸。这时，磨薄壁套筒的工艺基准为心轴基体的中心孔，因此选择精度较高的磨床，靠磨床的精度保证薄壁套筒外圆对心轴中心孔的同轴度，要求同轴度误差控制在0.005mm以内。使得外圆的尺寸

58、达到要求。如前所述，薄壁套筒薄壁部分内孔、套筒与基体的两个配合面是在一次装夹下磨削的，能保证较高的同轴度，而心轴基体上与套筒配合的外圆也是在一次装夹下磨削的，因而能保证对中心孔的同轴度，这样，将套筒装配到基体上就能保证套筒内孔对心轴中心孔有较高的同轴度。而本工序又使得薄壁套筒对外圆中心孔的同轴度很高，通过这样的工艺，就能保证薄壁套筒壁厚的均匀性。在精磨外圆时，一定要将心轴的加压螺钉松开，避免液性塑料的压力使套筒产生附加变形，从而避免加工量不均匀。但是，液性塑料的热涨系数很大，因而磨削时产生的热量可能会使液性塑料有很大的膨胀量。因此，在加工时心轴中加注的液性塑料用牌号位L-HM47的液压油代替，

59、其热涨系数小得多，同时也有一定的冷却作用，其粘度较高，不易渗漏。3.1.2 心轴基体的制造工艺心轴基体上的特征较多，因此加工较为复杂，但其加工难度较薄壁套筒要低。具体工艺流程如下：下料，锻造；粗车外圆和端面，留加工余量约1mm；调质；钻、铰孔钻心轴中间的16mm通孔以及6组共24个液性塑料通道斜孔，为了获得更好的表面粗糙度，以利于液性塑料的流动，钻孔后需要铰孔工序。 精车：精车外圆、端面以及需要加工的内孔，留加工余量约0.3mm。由于在淬火的时有一定的变形量，因此留的磨量稍微大一些。做中心孔；车螺纹在淬火之前要把左右两边的螺纹车出来；淬火：淬火硬度为HRC60。高硬度保证了柱塞孔的耐磨性，也避

60、免了两端中心孔被碰伤、磨损等问题。为了防止横放时造成轴体变形太大，需要将其竖着放置进行加热；研中心孔：精研中心孔以作为下一道磨外圆工序的基准；磨外圆：在一次装夹下磨削几个与套筒配合的外圆，保证其同轴度误差在0.005mm以内。注意要先加工完套筒的配合内孔后配磨轴体的外圆，保证两个配合面的过盈量分别为0.07mm和0.05mm，允许误差+0.006mm，以起到良好的密封作用；10） 研磨滑柱孔：与滑柱配研，保证二者之间的间隙不大于0.01mm，并保证柱塞孔的圆柱度误差小于0.005mm； 去毛刺：基体上孔道、腔槽的毛刺必须清除干净，以利于液性塑料流动。3.1.3 液性塑料心轴的装配液性塑料心轴零