完整-双法兰加工工艺及其夹具设计

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-PAGEII--PAGEI- 摘要详细介绍了双法兰零件加工工艺方法和夹具设计过程,双法兰是一种薄壁缸体零件，在加工过程中容易变形,加工精度难以保证，如果能采用合适加工工艺和夹具,完全可以解决这一问题。分析双法兰的工况特点，提高劳动生产率，通过对双法兰零件的工艺分析，进行了双法兰零件的加工工艺及其专用夹具的设计，设计合理的夹具确保双法兰的加工精度，提高生产效率，降低劳动强度，具有很高的经济效益。关键词：双法兰、加工工艺、夹具设计-PAGE10--PAGE29-目录1绪论 31.1夹具设计的特点 31.2夹具分类 32零件分析 62.1零件介绍 62.2零件技术要求及工艺分析 72.3加工工序安排 83工艺规程的设计 103.1确定毛坯制造形式 103.1.1零件材料的选择 103.1.2确定生产类型 103.2基面的选择 103.2.1粗基准选择原则 113.2.2精基准的选择原则 113.2.3基准的选择 113.3机械加工工序安排 133.3.1工艺路线的拟定 133.3.2双法兰加工工艺卡片 134工艺装备的选择 164.1机床的选择 164.2刀具的选择 175确定加工余量 195.1加工余量的确定 195.2切削用量的确定 205.2.1粗加工切削用量的选择原则 205.2.2精加工时切削用量的选择原则 205.2.3确定切削用 206夹具设计 236.1夹具设计的方法和步骤 236.2加工与法兰端面垂直端面及孔时的夹具设计 236.2.1设计时应注意的问题 236.2.2定位装置 246.2.3夹紧装置 246.2.4夹具在车床轴上的安装 246.2.5夹紧力的计算 246.2.6定位误差分析 256.3钻孔夹具设计 256.3.1设计时应注意的问题 256.3.3钻模板的设计 256.3.4钻模对刀误差的计算 25结论 27致谢 28参考文献 291绪论随着科技不断的发展，使机械工业得到了很大的提高，特别是近年来机械工业领域正向着高精度、高质量、高效率、低成本方向发展。随着机械工业的发展，其他各工业部门都想着高深度迈进，机械工业的发展日趋重要。现代机械制造技术是机械工业赖以生存和发展的重要保证。机械制造工艺是制造机械产品的技巧、方法和程序。机械制造中，需要的加工顺序、装配工序及检验工序等，使用着大量的夹具，可以提高劳动效率，提高加工精度，减少废品，可以扩大机床的工艺范围，改善操作的劳动条件。因此，夹具是机械制造的一项重要工艺装备。夹具是一种装夹工件的工艺装备,它广泛地应用于机械制造过程中的切削加工、热处理、装配、焊接和检测等工艺过程中。在金属切削机床上使用的夹具统称为机床夹具。在现代生产中,机床夹具是一种不可缺少的工艺装备,它直接影响着工件的加工精度劳动生产率和产品的制造成本等[1]。1.1夹具设计的特点1夹具的设计周期较短，一般不进行强度和刚度的计算。2专用夹具的设计对产品零件有很强的针对性。3确保产品加工质量，提高劳动生产率是夹具设计工作的主要任务，加工质量包括被加工表面的本身精度和位置精度，后者主要用夹具来保证。4夹紧装置的设计对整个夹具的结局有具定性的影响。设计一个好的夹具可以减少废品率。1.2夹具分类1通用夹具通用夹具是指结构、尺寸已规格化,而且具有一定通用性的夹具,如三爪自动定心卡盘、四爪单动卡盘、台虎钳、万能分度头、顶尖、中心架和电子吸盘等。这类夹具适应性强,可用来装夹一定形状和尺寸范围内的各种工件。这类夹具已商品化,且成为机床附件。其缺点是夹具的加工精度不高,生产率也较低,且较难装夹形状复杂的工件,一般适用于单件小批量生产中。2专用夹具这类夹具是专为零件的某一道工序的加工而设计和制造的。在产品相对稳定、批量较大的生产中,常用各种专用夹具,可获得较高的生产率和加工精度。专用夹具的设计周期较长、投资较大。3可调夹具可调夹具是针对通用夹具和专用夹具的缺陷而发展起来的一类新型夹具。对不同类型和尺寸的工件,只需调整或更换原来夹具上的个别定位元件和夹紧元件便可使用。它一般又可分为通用可调夹具和成组夹具两种。前者的通用范围比通用夹具更广;后者则是一种专用可调夹具,它按成组原理设计并能加工一族相似的工件,故在多品种,中、小批量生产中使用有较好的经济效果。4组合夹具组合夹具是一种模块化的夹具。标准的模块元件具有较高精度和耐磨性,可组装成各种夹具。夹具用毕可拆卸,清洗后留待组装新夹具。由于使用组合夹具可缩短生产准备周期,元件能重复多次使用,并具有减少专用夹具数量等优点,因此组合夹具在单件、中、小批量多品种生产和数控加工中,是一种较经济的夹具。组合夹具也已经商品化。5自动线夹具自动线夹具一般分为两种:一种为固定式夹具,它与专用夹具相似;另一种为随行夹具,使用中夹具随着工件一起运动,并将工件沿着自动线从一个工位移至下一个工位进行加工。按使用机床可将夹具分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、齿轮机床夹具、数控机床夹具、自动机床夹具、自动线随行以及其他机床夹具等。这是专用夹具设计所用的分类方法。设计专用夹具时,机床的组别、型别和主要参数均已确定。它们的不同点是机床的切削成形运动不同,故夹具与机床的连接方式不同。它们的加工精度要求也各不相同。按夹紧的动力源分类夹具按夹紧的动力源可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、气液增力夹具、电磁夹具、真空夹具、离心夹具等【2】。2零件分析2.1零件介绍双法兰是某汽车发动机缸体的主要部件，它的特点是结构小，结构紧凑，壳壁厚度不均匀，内部有筋、隔，成腔型；外壁上有平面及轴承支承空，这些孔和面的精度与表面粗糙度有较高要求.它是连接两垂直轴的蜗杆传动的重要壳体，内腔有筋及墙板。它支撑和包容着两个垂直轴的传动，保证其运动和动力进行驱动和分配，彼此按照一定的传动关系进行协调运动，因此必须使两轴及其支撑零件保持其正确的相互位置关系。所以双法兰壳体零件的加工质量好坏对整合整个机器的精度性能和寿命都有直接影响。双法兰要求要加工面的粗糙度较高，形位公差要求也较高，有一定的耐热性，强度和耐磨性。,所有尺寸精度要求高,要求不得渗漏,表面无冷隔花纹、裂纹等缺陷。图1-1零件工程图2.2零件技术要求及工艺分析本零件的毛坯为铸件,材料是铝合金ZL205A.由图1可知,该零件为铝合金结构紧凑，形状复杂的薄壁零件,外圆、端面、内孔精度高。尺寸公差为最小0.11mm,表面粗糙度最低为2.5,其径向圆跳动度为0.040mm以内,另外位置度要求也较高,该零件需要大批量生产。用车床加工双法兰壳体时,在工件的安装、刀具的使用、加工方法等方面,均有较多不利因素,因而加工起来比较困难。零件壁薄,刚性差,强度弱,在装夹及加工过程中很容易产生变形。主要的技术要求及分析入下表：项目说明孔相对于凸台、孔的圆跳动为0.040mm，且以AB作为基准。法兰端面与孔的垂直度为0.040mm，且以AB作为基准。法兰端面与孔的垂直度为0.040mm。并以CD为基准。（1）技术精度1）粗车端面与止口的过程中,要以法兰端面为基准,应保证工件与刀具的平行度,用来保证0.040AB及┻0.040AB.故法兰端面是人上重要的基准面.2)粗车端面与止口是一次装夹完成,只需更换刀具即可完成操作.粗车时止口时,要通过镗刀完成,要保证刀架及刀柄与法兰端面的垂直度.3)为保证法兰的整体联接精度及轴的配合,要保证法兰端面与法兰孔的垂直度┻0.040CD4)、、、等孔都有较高的尺寸精度要求,以保证轴和轴的配合精度,从而提高传动精度.5)联接螺栓孔与法兰中心线有较高的尺寸要求,保证安装的位置,提高传动精度和稳定性.2.3加工工序安排根据粗精分开，先粗后精的原则，对双法兰主要加工面先进行粗加工，然后进行时效处理，再进行精加工。ZL205A已经满足双法兰工作时对材料力学性能的要求，所以不必再安排热处理工序。双法兰零件的表面粗糙度最高要求是，精车表面，表面粗糙度1.25~10，故精车表面可达到要求。孔精度要求、、、，精镗孔0.63~5，故精镗孔可达到要求。最后钻孔。零件如图2-1（零件主视图）图2-2(零件左视图)图2-3(零件斜二侧视图)所示：图2-1零件主视图图2-2零件左视图图2-4零件左视图图2-3零件斜二侧视图3工艺规程的设计3.1确定毛坯制造形式3.1.1零件材料的选择双法兰要求较高的耐热性、热强性和很好的力学性能。选择铝铜合金，型号ZL205A。ZL205A是一种高强度的铝铜合金，微量元素V、B、Zr等元素进一步提高了合金的热腔性。Cd能够改善合金的人工时效，显著提高了合金的力学性能。精加工可以采用精车、精镗等加工方法。3.1.2确定生产类型生产纲领公式查看公式（3-1）（3-1）其中：＿＿＿＿零件的生产纲领（件/年）＿＿＿＿产品的年生产量（台/年）＿＿＿＿备用品率＿＿＿＿废品率＿＿＿＿＿每台机械生产中该零件的数量所以=5000（1+5%）（12%）=16350（件/年）该零件是小型机械零件，由以上生产纲领可知，该零件的生产类型是大批生产。3.2基面的选择基面的选择是工艺规程设计中的重要的工作之一，基面选择的正确与合理，可以使加工量得到保证，生产率得以提高，否则，不但使加工工艺过程中问题百出，甚至还会造成零件大批报废，使生产无法正常运行。3.2.1粗基准选择原则1如果必须首先保证工件上加工表面与不加工表面的位置要求，则应以不加工表面作为粗基准，如在工件上有很多不加工表面。则应有与其中的加工表面的位置精度要求较高的表面作粗基准。2如果必须首先保证工件某重要表面的余量均匀，应选择该表面作粗基准。3选作粗基准的表面应平整，没有浇口或飞边等缺陷，以便定位可靠。4粗基准只能用一次，以免产生较大的的位置误差。根据以上原则，本零件选取高为法兰端面作为粗基准。3.2.2精基准的选择原则1用公用基准作为精基准，以消除不重合误差，即“基准重合”原则。2尽可能使各个工序的定位都采用同一基准，即“基准统一”。3当精加工或光整加工工序要求余量小而无效均匀时，应选择加工表面本身作为精基准，即“自为基准”原则。4为了获得均匀的加工余量或较高的位置精度，遵循“互为基准”原则。5精基准的选择，尤其是主要定位面，应有足够大的面积和精度，以保证定为基准可靠。同时还应使夹紧机构简单，操作方便。即“便于装夹”原则【3】。3.2.3基准的选择基准是零件上用以确定其他点、线、面位置所依据的点、线、面。基准有设计基准和工艺基准两大类。设计基准设计基准是在零件图上一确定其他的点、线、面位置的基准。双法兰零件端面凸台、孔、外轮廓、止口的设计基准均为孔的轴心线。法兰孔、法兰孔外轮廓、导油槽、密封圈的设计基准为密封圈的中心线。工艺基准在零件加工、测量、装配过程中所使用的基准，称为工艺基准。安用途不同，有可以分为定位基准、工序基准、测量基准和装配基准。定位基准加工端面和止口时,面3、锥面1、圆柱面2为定位基准。如图3.1:图3.1钻端面孔时，经同样以内孔及止口定位，以孔端面及法兰端面3为基准。如图3.2所示：3.3机械加工工序安排3.3.1工艺路线的拟定根据粗精分开，先粗后精的原则，对双法兰主要加工面先进行粗加工，然后进行时效处理，再进行精加工。ZL205A已经满足双法兰工作时对材料力学性能的要求，所以不必再安排热处理工序。双法兰零件的表面粗糙度最高要求是，精车表面，表面粗糙度1.25~10，故精车表面可达到要求。孔精度要求、、、，精镗孔0.63~5，故精镗孔可达到要求3.3.2双法兰加工工艺卡片简易工艺卡片版次共页第页产品代号零件组号零件名称工艺文件编号000000001壳体材料ZL205A规格规格技术条件切刀宽端面余量夹头单件毛料工序号工序名工序内容设备工艺装备05车工按图纸尺寸，粗车端面，留精车余量0.5-0.6，粗车止口留精车余量1mm,粗镗孔留精车余量2.5mm，长度留2mm.10车工精车端面保证平行度，精车止口，尺寸、长度、粗糙度符合图纸。按图上尺寸精镗内孔（与15工序粗车定位心轴配车）并留精车余量2mm.15车工按图纸尺寸粗车法兰端面，粗车法兰孔与小孔，直径尺寸留精车余量1mm.长度、深度方向留精车余量0.5-0.6.20车工以止口定位平总长，精镗孔，作油槽及倒角符合图纸。保证0.040AB、┻0.040AB保证粗糙度。25车工精车法兰端面精镗法兰与小孔尺寸,符合图纸.作槽,长度、深度符合图纸，保证┻0.040CD，保证孔距符合图纸，粗糙度。30车工切槽槽宽、槽直径、长度符合图纸。35钳工钻孔按图钻孔，各尺寸符合图纸。编制校对审核标记签名日期标记签名日期标记签名日期4工艺装备的选择4.1机床的选择（1）车床的型号及技术参数如下表机床名称型号最大加工尺寸（直径×长度）/mm技术参数工件精度主电动机功率/kw加工螺纹主轴车速圆度圆柱度平面度表面粗糙度Ra/m米制/mm英制/牙/in模数/mm级数范围（r/min）卧式车床CA6140400×6501～19224～20.25～482410～14000.0090.027/3000.019/3001.67.5主轴转速/(r/min)正转：10，12，16，20，25，32，40，50，63，80，100，125，160，200，250，320，400，450，500，560，710，900，1120，1400，；反转：14，22，36，56，90，141，226，565，633，，1018，1580（2）钻床的型号及技术参数如下表钻床名称型号技术参数主轴行程/mm主电动机功率/kw最大钻孔直径/mm主轴端至底座面距离/mm主轴轴线至立柱表面距离/mm主轴转速级数范围（r/min）摇臂钻床Z3025×10/12525～1020300～10001632～25002801.5主轴转速/(r/min)50,80,125,200,250,315,400,500,630,1000,1600,25004.2刀具的选择（1）刀具材料刀具是加工过程中机床与工件产生相对运动的接触部分，其材料的选择及几何参数的确定对加工质量影响重大。这里首先选择刀具的材料，后确定刀具的几何参数。各种机床加工工件为同一工件，材质相同，故刀具的材料理应相同。从手册上查得，普通硬质合金较为适宜，其牌号及用途如下：类别牌号硬度/HRC使用性能主要用途普通硬质合金YG3X——细晶粒合金，是YG类刀具中耐磨性最好的一种，但冲击韧度较差适合铸铁、非铁金属及其合金的精车精镗等YG874使用强度较高，抗冲击和抗振性比YG6好，耐磨性和允许切削速度较低适合铸铁、非铁金属及其合金的粗加工（2）刀具类型1)车刀的选择端面车刀几何角的度选择：前角=；后角=，副后角=；偏角=，=（粗车），（精车）；刃倾角=（粗车），（精车）。刀尖圆弧半径为1mm(粗车)，0.5（精车）。车刀为整体式由中心向外的偏刀，刀杆截面积为16×25，长90mm.镗刀的选择选择单刃镗刀，杆部直径，总长，尺寸，最小镗孔直径。其外形如下图。其中，3）钻头的选择选择直柄麻花钻。外形如图所示。直径，总长，刃沟部长。麻花钻的几何参数：螺角，峰角，后角，刃横斜角。3量具的选择用来测量、检验零件及产品尺寸和形状的工具称为量具。主要用于保证零件及产品的质量。这里的零件加工表面主要是平面和圆孔，要保证的尺寸就是长度及直径。基于此，设计量具选择为游标卡尺和内径千分尺。游标卡尺有0.05和0.02两种精度，从技术要求精度上考虑，选择0.02的游戏标卡尺较为适宜，其测量范围0～125。千分尺精度选择1级精度，测量范围为25～50的千分尺。使用游标卡尺及千分尺时，要注意使用前是否完好无损，测量时为保证测量可靠，正确拧动微分筒或推动活动量爪。测量深度或内径时，量具要保持正确的空间位置，不能左右倾斜。读数时视线应垂直刻度线表面。5确定加工余量5.1加工余量的确定加工余量的大小，直接影响零件的加工质量和生产率。加工余量过大，不仅啬机械加工的劳动量，降低生产率，而且增材料、工具和电力的消耗，增加成本。但是加工余量过小，又不能消除前工序的各种误差和表面缺陷，甚至产生废品。因此，必须合理地确定加工余量。方法：1经验估计法2查表法3分析计算法查表修正法是根据有关手册，查得加工余量的数值，然后根据实际情况进行适当修正。这是一种广泛彩的方法。这里采用查表法，为了防止余量不够而产生废品，在查表所得的数量上稍大一些单位：mm铸造孔的加工余量加工方法直径余量（按公差基本尺寸取）>30-50>80-120铸造后粗镗或扩孔2.83.0粗镗后半精镗或拉孔0.300.40半精镗后拉孔、精镗0.150.02端面加工加工方法直径余量（按公差基本尺寸取）>80-120铸造后粗车（沙型铸造）1.1粗车后精车0.15故端面加工的总余量：1.1+0.15=1.255.2切削用量的确定正确的选择切削用量，对提高切削效率，保证必要的工具耐用度和经济性，保证加工质量，具有相当重要的作用。5.2.1粗加工切削用量的选择原则粗加工时，加工精度与表面粗糙度要求不高，毛坯余量较大。因此，选择粗加工切削用量时，要尽量保证较高的单位时间金属切除量（金属切除率）和必要的刀具耐用三要素（切削速度V、进给量F和切削深度αp）中，提高任何一项，都能提高金属切削率。但是对刀具耐用度影响最大的是切削速度，其次是进给量。切削深度影响最小。所以，粗加工切削用量的选择原则是：首先考虑选择一个尽可能大的切削深度αp，其次选择一个较大的进给量F，最后确定一个合适的切削速度V。5.2.2精加工时切削用量的选择原则精加工时加工精度和表面质量要求比较高，加工余量要求小而均匀。因此，选取精加工切削用量时应着重考虑，如何保证加工质量，并在此前提下尽量提高生产率。所以，在精加工时，应选用较小的切削深度αp和进给量F，并在保证合理刀具耐用度的前提下，选取尽可能高的切削速度V，以保证加工质量和表面质量。5.2.3确定切削用5.2.3.1垂直于法兰面的端面粗车加工由于粗车余量为1.1mm，因此分二次切削，吃刀深度为=5.5mm查《切削用量简明手册++第三版》，进给量f=0.5mm计算切削速度，耐用度t=45min。(表1-27)根据表当用YG8硬质合金刀加工，5.5，0.5mm/r,切削速度=110m/min.切削速度的修正系数为：=0.7，，，，，故==0.70.920.81.111.0=34.8m/min(0.58m/s)确定机床主轴转速：==按机床取=250r/min=4.17r/s这时实际切削速度==m/min根据表当用YG8硬质合金刀加工，5.5，0.5mm/r,切削速度36m/min时,3630N.切削力的修正系数:=0.94,=1.0.=36300.941.0=3412.2N,故==2.0Kw最后决定=5.5mm,f=0.5mm/r,n=250r/min,=35.32m/min.5.2.3.2垂直于法兰面的端面精车加工刀号YG3X查手册余量为0.15mm取f=0.01mm/rn=根据CA6140选实际切削速度5.2.3.1钻6.6mm孔以端面、止口及内孔心轴定位，因其表面化粗糙度要求为，一次钻削可以达到精度要求，选用d=6.6的钻头。由参考文献表8-10，取f=0.25mm/rL=101-63=38mm<5dw取K=0.9则f=0.25×0.9=0.225mm/r由参考文献[1]表15-37取v=0.35n===9.3r/s=557.3r/min按机床参数和文献[3]表2-12选取n=560r/min=9.33r/s实际切削速度v===0.352m/s切削深度a=6mm切削工时：L=53mmL为加5.2.4机床工率验算上述切削用量是通过制造工艺手册查得，可能存在与所选机床不相配的情况。从上述数据可以看出粗加工法兰孔时背吃刀量最大，所以这里专门验算粗车发兰端面的功率是否匹配。切削功率，Fc=其中，查制造工艺手册可确定上式有关系数后得：，=1.5×1×1×1×0.93=1.395故=0.06kw<7.5kw.切削用量数据可用。6夹具设计6.1夹具设计的方法和步骤确定工件位置，并将其牢固地夹紧的工艺装备。它的主要作用是：可靠地保证工件的加工精度，提高加工效率，减轻劳动强度，充分发挥和扩大机床的工艺性能。因此，机床卡具在机械制造行业中占有十分重要的地位。设计方法和步骤：1深入生产实际调查研究在深入生产实际调查研究中，应掌握下面一些资料:(1)工件图纸(2)工艺文件(3)生产纲领(4)制造与使用夹具情况2确定工件的定位方法和刀具的导向方式3确定工件的卡紧方式和设计卡紧机构4确定卡具其他部分的结构形式5绘制卡具总装配图6标注各部分主要尺寸、公差配合和技术要去7标注零件编号及编制零件明细表由设计任务书可知，此零件属于大批生产。为提高劳动生产率，减轻劳动强度，要求设计专用及具。6.2加工与法兰端面垂直端面及孔时的夹具设计6.2.1设计时应注意的问题利用本夹具主要加工垂直于法兰孔的端面，镗孔及孔。端面的粗糙度要求为，孔的粗糙度要求。加工分端面车削和内控镗削，因此本工序的加工精度容易保证，主要考虑如何夹紧及节省操作时间，提高生产效率。6.2.2定位装置根据加工要求，应以圆柱面与圆锥面作为外援定位，同时一端面内侧作轴向定位。圆柱面和圆锥面被重复定位，但起到增加稳定性的作用。6.2.3夹紧装置为了提高效率，通过螺纹传动副夹紧圆柱面与圆锥面，为使夹紧可靠，采用两副螺旋式接触面为圆面和锥面的移动式夹紧机构。6.2.4夹具在车床轴上的安装由于本工序在CA6140车床上进行，过度盘应以锥面和端面在主轴上定位，用螺栓紧固，有关尺寸查阅《夹具手册》。花盘的止口与过度盘凸缘的配合为H7/h6.花盘上设置找正圆。6.2.5夹紧力的计算图**为车削端面与镗削内孔的情况，最不利于夹紧状况是开始铣削时,此时切削力产生力矩会使工件产生绕轴心线转动或震动,与之平衡的是支承面(锥面和圆柱面)的磨擦力对轴心线的力矩.于是有可以求出最小夹紧力:=实际夹紧力:,式中可由查表得.=0.5,K安全系数式中K————基本安全系数1.5；

K————加工状态系数1.2；

K————刀具钝化系数1.2;K————切削特点系数1.0；安全系数=1.51.21.21=2.16代入数据得:6.2.6定位误差分析定位尺寸公差的确定。夹具的主要定位元件是两联动爪和一档板，该定位联动爪的尺寸与公差现定与本零件在工作时内孔与其相配的轴的尺寸与公差相同,取其公差为，即Ømm。6.3钻孔夹具设计6.3.1设计时应注意的问题在立式钻床上加工直径小于10mm的小孔和孔系、钻模重量小于15kg时，由于钻削扭矩较小，加工时人力可以扶得住它，因此钻钻模不需要固定在钻床上。因双法兰所需钻孔大小为，质量小于15kg，故采用非固定式钻模。另外以端面、止口、内孔作为心轴定位，法兰端面作为垂度定位。精度容易保证，主要考虑操作容易，如何夹紧及节省操作时间，提高生产效率。6.3.钻套是钻模上特有的元件,用来引导刀具经保证补加工孔的位置精度和提高工艺系统的的钢度.固定钻套：A610GB22621991材料:T10A热处理:T10A，HRC58～64，d=8mm,H=10mm6.3.3钻模板用于钻套的安装，并确定钻套在钻模上的正确位置。再次选择固定式模板。6.3.4钻模对刀误差的计算刀具与钻套的配合间隙的存在会引起刀具的偏斜,将导致加工孔的偏移量试中B——工具厚度hH——钻套高度h——排削空间的高度结论为期三个多月的