CA6140機(jī)床法蘭盤夾具設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)輔助工程分析
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,,CA6140機(jī)床法蘭盤夾具設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)輔助工程分析,導(dǎo)師：答辯人：,,,,,,,,,,,,,,2.,工藝路線,3.,夾具設(shè)計(jì),4.,Clickheretoaddyourtext.Clickheretoaddyourtext.Clickheretoaddyourtext.Clickheretoaddyourtext,目錄,1.,研究背景,4.,CAE有限元分析,5.,畢業(yè)設(shè)計(jì)總結(jié),法蘭盤是用于連接管道、管件或器材的零件，也有用于兩個(gè)設(shè)備之間的連接。其連接結(jié)構(gòu)是由法蘭盤、墊片及螺栓三者相互連接為一組的可拆卸密封結(jié)構(gòu)，先各自固定在一個(gè)法蘭盤上，再墊上法蘭墊，用螺栓緊固在一起，這樣就完成了法蘭盤連接。它可以保持管道、管件的密封性能；法蘭盤也可拆卸，便于拆開檢查管道情況。CA6140臥式車床上的法蘭盤，為盤類零件，存在于臥室車床。車床的變速箱固定在主軸箱上，依靠法蘭盤定心。法蘭盤內(nèi)孔與主軸的中間軸承外圓相配合，外圓與變速箱體孔相配合，為了保證主軸上的三個(gè)軸承孔同心，使齒輪正確嚙合，從而保障機(jī)床的精確度。適用于工業(yè)中批量生產(chǎn)，夾具易于操作；選用通用設(shè)備進(jìn)行加工生產(chǎn)；生產(chǎn)流程簡(jiǎn)單明確，毛坯件節(jié)省材料。,研究背景,毛坯設(shè)計(jì)：零件年產(chǎn)量是大批量，零件要求材料是HT200，硬度190HBS，該灰鑄鐵耐磨性、強(qiáng)度、耐熱性較好，而且零件需要加工的尺寸不大，在考慮到提高生產(chǎn)效率保證法蘭盤IT11精度后可采用鑄造成形的金屬型鑄造。由于零件形狀不復(fù)雜，重量也不大，且零件內(nèi)孔尺寸為φ20，毛坯不需要鑄出一個(gè)內(nèi)孔，均滿足金屬型鑄造的要求。另外金屬型鑄造可以反復(fù)使用多次，從而節(jié)省了成本。同時(shí)考慮到節(jié)省材料來保證經(jīng)濟(jì)利益，毛坯形狀應(yīng)當(dāng)盡量接近零件的形狀。,工藝路線,工藝路線,夾具設(shè)計(jì),二維圖：,夾具設(shè)計(jì),三維圖：,CAE有限元分析,畢業(yè)設(shè)計(jì)總結(jié),1.運(yùn)用機(jī)械制造工藝課程中的基本理論，正確地歸納出零件在加工過程中的定位、夾緊等問題，比較正確地設(shè)計(jì)出零件工藝路線、工序尺寸等問題，能夠制定出保證生產(chǎn)質(zhì)量地加工工藝規(guī)程。2.在準(zhǔn)備階段中我通過去圖書館和上網(wǎng)查詢有關(guān)零件機(jī)械設(shè)計(jì)的文章資料擴(kuò)展了動(dòng)手能力，鍛煉了查找資料的能力，從而也擴(kuò)充了在機(jī)械方面的知識(shí)面。3.獨(dú)立撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書以及進(jìn)行各種校核計(jì)算，提高了獨(dú)立動(dòng)手能力以及專業(yè)知識(shí)。4.通過對(duì)CATIA有限元分析學(xué)習(xí)研究，掌握了新的軟件技術(shù)。,,,Thanksforyourattention,,,,,,,,,,,,,,摘 要
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)題目是CA6140機(jī)床法蘭盤夾具設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)輔助工程分析，主要內(nèi)容是：
第一，查閱書籍資料了解法蘭盤的功用、常態(tài)受力情況、機(jī)床總成中的機(jī)構(gòu)位置、相應(yīng)的技術(shù)要求以及工態(tài)環(huán)境，確定法蘭盤的主要工作表面和形式。。通過分析計(jì)算制定零件的毛坯種類、制造方法以及尺寸公差。
第二，根據(jù)基準(zhǔn)選擇原則確定定位基準(zhǔn)，零件各個(gè)表面粗糙度要求不一而對(duì)應(yīng)不同的加工方法，并將方法同意規(guī)劃劃分，最后確定工序集中程度以此集群劃分工序。加工工藝規(guī)程的擬定過程中會(huì)因基準(zhǔn)選擇的不同出現(xiàn)至少兩套工藝方案，經(jīng)過分析選擇經(jīng)濟(jì)合理的工藝方案，確定工序使用機(jī)床并計(jì)算出每道工序的切削用量和工作工時(shí)，最后編制機(jī)械工藝卡片。
第三，從加工工藝規(guī)程中選擇一道工序進(jìn)行夾緊裝置的設(shè)計(jì)（本次設(shè)計(jì)選擇的工序?yàn)榉ㄌm盤4×?9孔的加工工序步驟）。首選了解已選擇工序的上一步零件的加工程度及本道工序的具體加工方式與相應(yīng)機(jī)床的夾緊裝置的類型，根據(jù)夾緊力的基本原則和自由度的完全限制選擇合理類型。依照夾具零件的受力分析與相對(duì)位置選擇合適的材料并進(jìn)行計(jì)算。最后整理計(jì)算過程與分析材料編寫說明書，利用CAD軟件繪制平面圖，在CATIA軟件中繪制三維專配圖及零件圖。最終完成整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)。
關(guān)鍵詞：機(jī)械;法蘭盤;加工工藝;夾具設(shè)計(jì)
Abstract
This graduation design topic is CA6140 machine tool flange fixture design and computer aided engineering analysis, the main content is:
First, access to books data to understand the function of the flange, normal force, machine tool assembly of mechanism position, the corresponding technical requirements and working environment, and determine the flange surface of the main work and form. The types, manufacturing methods and dimensional tolerances of the parts were calculated and calculated.
Second, according to the basic selection principle to determine the locating datum, parts each surface roughness requirement range corresponding to the different processing method, and the method agree with planning division, the final concentration to determine process cluster partition process. Processing procedure in the process of the proposed due to the difference of benchmark choice will appear at least two sets of process scheme, after analysis of economic and reasonable process scheme, determine the process of machine tool to be used and every working procedure to calculate the cutting parameter and working hours, finally prepare mechanical process card.
Third, from the selection procedure in the machining process planning the design of the clamping device (the design selection process for the machining of the flange 4 x ? 9 hole process step). Preferred know already to have chosen process step on the components of the processing level and the procedure of the specific processing way and the corresponding machine tool clamping device type, according to the basic principle of clamping force and the degree of freedom completely limited choice reasonable type. According to the force analysis and relative position of the fixture part, select the suitable materials and carry out the calculation. Finally, the calculation process and analysis materials were prepared, and the CAD software was used to draw the plane graph, and the 3d special matching and part drawings were drawn in CATIA software. Finally complete the graduation design task.
Key words: machine; flange; machining process; fixture design
目 錄
第1章 緒論 1
第2章 零件的結(jié)構(gòu)工藝性分析 2
2.1 零件的作用 2
2.2 零件的工藝性分析 2
第3章 工藝規(guī)程設(shè)計(jì) 4
3.1 確定毛坯的制造形式 4
3.2 確定基準(zhǔn) 4
3.2.1粗基準(zhǔn)的選擇 4
3.2.2精基準(zhǔn)的選擇 4
3.3 工藝路線的制訂 5
3.3.1 加工方法的確定 5
3.3.2 不同工序、方式的劃分 6
3.3.3 不同工序、方式的工作順序 6
3.4 機(jī)械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的確定 8
3.5 確定切削用量及基本工時(shí) 13
3.5.1 加工條件 13
3.5.2 計(jì)算切削用量 13
第4章 夾具設(shè)計(jì)與分析 18
4.1 問題的提出 18
4.2 夾具設(shè)計(jì) 18
4.2.1 夾具結(jié)構(gòu)和類型的選取 18
4.2.2 夾具定位元件的選擇 19
4.2.3 鉆套的設(shè)計(jì) 20
4.2.4 鉆模板設(shè)計(jì) 21
4.2.5 夾具體的設(shè)計(jì) 22
4.2.6 其它裝置 23
4.2.7 關(guān)于夾緊裝置的計(jì)算 23
4.2.8 切削力計(jì)算 26
4.2.9 機(jī)床夾具精度校核 27
4.2.10 繪制鉆模圖紙 29
4.2.11 拆分夾具零件圖 29
第5章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析 32
第6章 全文總結(jié) 36
致謝 37
參考文獻(xiàn) 38
第1章 緒論
法蘭盤突緣盤。指在一個(gè)帶階梯的中空凸臺(tái)金屬體，其較大端圓柱端面上開有若干個(gè)通孔用以連接其它零部件，它的外形因功用而有很大不同。法蘭盤在機(jī)械行業(yè)應(yīng)用廣泛，作為不可或缺的連接類零部件，它的精密度直接影響到一臺(tái)機(jī)器的工作狀態(tài)，有一套良好的加工工藝規(guī)程對(duì)法蘭盤影響巨大，對(duì)整個(gè)機(jī)械行業(yè)也有不可估量的影響。
因此，我們要求法蘭盤有一套質(zhì)量可靠、生產(chǎn)效率高的加工工藝規(guī)程。不僅要保證零件生產(chǎn)時(shí)的尺寸精度，還要盡量縮短法蘭盤的生產(chǎn)周期。加工過程中夾緊裝置要?jiǎng)?wù)必能確保零件的固定及相對(duì)于機(jī)床刀具的相對(duì)位置的精度。
第2章 零件的結(jié)構(gòu)工藝性分析
2.1 零件的作用
CA6140機(jī)床法蘭盤為CA6140普通臥式車床上的盤形零件。機(jī)床中法蘭盤以中心補(bǔ)正模塊的形式實(shí)現(xiàn)固定在主軸箱上變速箱二者的同心與找正，補(bǔ)償中心誤差的位置。法蘭盤中心軸線上的內(nèi)孔與主軸上的軸承外圓輪廓相配合，法蘭盤較小端外圓輪廓與齒輪箱蓋上的開孔相配合，保障主軸上與法蘭盤相配合的軸承孔中心軸線及齒輪箱孔孔中心軸線是一條線，減小軸上齒輪徑向跳動(dòng)，使齒輪間的傳動(dòng)嚙合無誤。
2.2 零件的工藝性分析
法蘭盤屬于回轉(zhuǎn)體零件，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所采用的法蘭盤圓盤狀的一端是φmm的外圓輪廓，在該端向另一端方向上有C1.5的倒角；過渡的是φmm的圓柱，在此段兩端過渡處均有R5的倒圓角，該段上還有一通孔；上一段過渡到φ90mm的圓柱，在該段中心偏移34mm處與延長(zhǎng)線反方向偏移24mm處為平面，并有4個(gè)φ9mm的通孔，此段靠φ100mm外圓輪廓端有C1.5的倒角；沿著軸向繼續(xù)是φmm的圓柱，最外端是C7的倒角，靠φ90mm圓柱端有長(zhǎng)3mm深2mm的退刀槽；法蘭盤中心線處有φ20mm的中心孔，該通孔在兩和端口處均有C1的內(nèi)倒角。
法蘭盤中φ100mm圓柱外端面與φ20mm孔中心軸的圓跳動(dòng)是0.03；φ90mm圓柱靠退刀槽方向的端面與φ20mm 中心孔軸線的圓跳動(dòng)為0.03 ；φ45mm的外圓輪廓與φ20mm孔中心軸線的圓跳動(dòng)公差為0.03。
通過零件的工藝性分析，結(jié)合確定生產(chǎn)對(duì)象上幾何關(guān)系所依據(jù)的點(diǎn)、線或面的選擇原則，選擇合乎邏輯的定位基準(zhǔn)，加之每道工序所使用的專業(yè)夾具，以此來保障工件在被加工過程中的位置精度的等級(jí)。
第3章 工藝規(guī)程設(shè)計(jì)
3.1 確定毛坯的制造形式
依據(jù)本設(shè)計(jì)中法蘭盤的功用性能，因此我們選擇鑄造性能和減震性能好HT200為零件材料。因?yàn)榉ㄌm盤工作狀態(tài)下沒有高額負(fù)載，且要求具有良好的機(jī)械性能，采用鑄造方式作為毛坯的生產(chǎn)方式。根據(jù)生產(chǎn)類型特征的劃分，選用中批生產(chǎn)。毛坯在外形上可以貼近零件樣式。依據(jù)毛坯制造的原則方法，選用金屬模鑄造的形式。在鑄造成形過程中，法蘭盤毛坯的各個(gè)孔不用澆鑄。
3.2 確定基準(zhǔn)
采用合乎邏輯與經(jīng)驗(yàn)來確定生產(chǎn)對(duì)象上幾何關(guān)系所依據(jù)的點(diǎn)、線或面的選擇方式可以保證粗糙度、形位公差等提高到一個(gè)新水平，提高一條線上單位時(shí)間內(nèi)合格產(chǎn)品數(shù)量。反之，機(jī)制制造或加工過程中將不斷出現(xiàn)不為我們所期待的情況，甚至造成生產(chǎn)制造無法估量的損失。因此，選擇定位基面應(yīng)該要保證簡(jiǎn)單可靠。
3.2.1粗基準(zhǔn)的選擇
選定加工工藝規(guī)程中第一道工序的確定生產(chǎn)對(duì)象上幾何關(guān)系所依據(jù)的點(diǎn)、線或面，以此基準(zhǔn)開始進(jìn)行加機(jī)械加工作業(yè)，為接下來將要進(jìn)行的精加工所需的精基準(zhǔn)做好準(zhǔn)備工作。就本設(shè)計(jì)中的法蘭盤來說，每個(gè)表面都需要加工，為了保證零件每個(gè)表面表面預(yù)留的（需切除掉的）金屬層厚度都有盈余。選取φ45mm的外圓柱面作為初步加工的軸向方向粗基準(zhǔn)，另外還要選擇外端平面作為毛坯上未經(jīng)加工的表面的徑向方向上的毛坯上未經(jīng)加工的表面。在機(jī)床中用裝夾裝置帶有上下契合凹凸槽扣的均布在卡盤體上的三個(gè)活動(dòng)卡爪夾住工件進(jìn)行定位加工。
3.2.2精基準(zhǔn)的選擇
在選擇時(shí)應(yīng)盡可能選擇被加工表面在在零件圖上用以確定其它點(diǎn)、線、面位置的基準(zhǔn)為經(jīng)過機(jī)械加工表面的基準(zhǔn)，并在加工工藝規(guī)程中盡早安排加工該表面的工序步驟，使工件的加工能及時(shí)有基準(zhǔn)參照。工件以Φ20mm通孔的內(nèi)壁以及Φ100mm圓柱的外端平面為經(jīng)過機(jī)械加工的面的基準(zhǔn)。當(dāng)基準(zhǔn)不重合時(shí)，需要在零件上進(jìn)行圖像封閉環(huán)的計(jì)算，確定加工面至定位基準(zhǔn)面之間的尺寸及公差。
3.3 工藝路線的制訂
3.3.1 加工方法的確定
銑削、磨削、鉆孔等加工方法的確定應(yīng)先從待加工工件的工作表面入手，即主要表面，再考慮其它。根據(jù)工件加工要求的表面粗糙度、相對(duì)位置關(guān)系、結(jié)構(gòu)的難易、表面輪廓的復(fù)雜程度選擇劃算且適宜的加工方案。
通過了解《現(xiàn)代制造技術(shù)基礎(chǔ)》[1]得如下信息：
表3-1 法蘭盤表面的加工方法
Surface
Surface roughness/Ra
Processing methods
，，，
，，，，，
，，，
，，，，，
，，，，，
，，，，，
，，，
，，，
，，
，，，，
，，
，，，
3.3.2 不同工序、方式的劃分
通過一定工序和方式將原材料、半成品轉(zhuǎn)化為目標(biāo)需求的過程大致可以劃分成以下步驟： 1) 粗加工：快速切除毛坯零件表面預(yù)留的（需切除掉的）金屬層的厚度，在較短的時(shí)間內(nèi)切除盡可能多的切屑。 2) 半精加工：對(duì)上一步工序留下的一些缺陷進(jìn)行修正，使工件初步達(dá)到觀測(cè)值與真值的較為接近得程度。3) 精加工：保證有較高工藝性要求得表面達(dá)到理論上的技術(shù)要求。4) 光整加工：針對(duì)工件某些接觸面的特殊功用性，有極高的精度要求。
為提升加工效率，保證零件加工技術(shù)，將加工工藝過程大體劃分為“毛坯鑄造階段”、“粗加工階段”、“半精加工”、“精加工”、“光整加工階段”五個(gè)階段。
3.3.3 不同工序、方式的工作順序
按照“先粗加工再精加工、先主要表面再次要表面、先基面再其他面”的準(zhǔn)則，聯(lián)系已選擇的加工方法和劃分的加工階段，擬定出下面兩種加工工藝路線方案，對(duì)比擇優(yōu)使用。
（1） 工藝路線方案一
工序 10
工序 20
工序 30
工序 40
工序 50
工序 60
工序 70
工序 80
工序 90
工序100
工序110
工序120
工序130
工序140
工序150
工序160
（2） 工藝路線方案二
工序 10
工序 20
工序 30
工序 40
工序 50
工序 60
工序 70
工序 80
工序 90
工序 100
工序 110
工序 120
工序 130
工序 140
工序 150
工序 160
工序 170
工序 180
（3）工藝方案的比較分析
對(duì)比兩套方案，方案二中將φ20孔觀測(cè)值與真值的接近程度極大提高，并以此作為加工基準(zhǔn)；而方案一是從φ45圓柱外端面開始沿中心軸線向反方向一步一步加工到另一端面，完成所有工序后再進(jìn)行中心軸線的鉆孔，這種情況很困難去保證其圓跳動(dòng)等加工后零件表面的實(shí)際尺寸、形狀、位置三種幾何參數(shù)與圖紙要求的理想幾何參數(shù)的符合程度要求。故選擇方案二是更為有效合理的。
3.4 機(jī)械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的確定
根據(jù)上述原始資料及加工工藝，查詢《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》[2]，分別確定毛坯各加工表面的機(jī)械加工余量等數(shù)據(jù)：（單位mm）
1)
工序名稱
工序余量
工序基本尺寸
工序尺寸的公差
工序尺寸及偏差
2)
工序名稱
工序余量
工序基本尺寸
工序尺寸的公差
工序尺寸及偏差
3)
工序名稱
工序余量
工序基本尺寸
工序尺寸的公差
工序尺寸及公差
4)
工序名稱
工序余量
5)
工序名稱
工序余量
工序基本尺寸
工序尺寸的公差
工序尺寸及公差
6)
工序名稱
工序余量
工序基本尺寸
工序尺寸的公差
工序尺寸及公差
7)
工序名稱
工序余量
工序基本尺寸
工序尺寸的公差
工序尺寸及公差
8)
工序名稱
工序余量
工序基本尺寸
工序尺寸的公差
工序尺寸及公差
9)
工序名稱
工序余量
10)
工序名稱
工序余量
11)
工序名稱
工序余量
根據(jù)加工余量等數(shù)據(jù)，畫出毛坯圖（如下）：
毛坯圖
3.5 確定切削用量及基本工時(shí)
確定工序 20 ：粗車Φ100端面及外圓柱面，粗車B面,鉆、擴(kuò)、鉸Φ20的中心孔的切削用量及基本工時(shí):
3.5.1 加工條件
,,,
,
3.5.2 計(jì)算切削用量
(1) 粗車Φ100mm端面
a) 已知毛坯長(zhǎng)度方向的加工余量為3+0.8-0.7mm,考慮的模鑄拔模斜度，
b) 進(jìn)給量f 根據(jù)《實(shí)用機(jī)械加工工藝手冊(cè)》中表2.4-3,當(dāng)?shù)稐U尺寸為
，,以及工件直徑為100時(shí)，f =0.5~1.2mm/r
按CA6140車床說明書（見切削手冊(cè)）取 f =0.9mm/r
c) 計(jì)算切削速度，按《切削手冊(cè)》[7]表1.27,切削速度的計(jì)算公式為(壽命T=60min)
其中：, , ， 。修正系數(shù)見《切削手冊(cè)》表1.28,即 , , , , 。所以
d) 確定機(jī)的主軸轉(zhuǎn)速
按機(jī)床說明書(見《工藝手冊(cè)》表4.2-8),與504r/min相近的機(jī)床轉(zhuǎn)速為480r/min及600r/min?，F(xiàn)選取。所以實(shí)際切削速度。
切削工時(shí)，按《工藝手冊(cè)》表6.2-1。
, ，，
(2) 粗車Φ100mm外圓柱面，同時(shí)應(yīng)檢驗(yàn)機(jī)床功率及進(jìn)給機(jī)構(gòu)強(qiáng)度
a) 切削深度，單邊余量Z=2mm,分二次切除。
b) 進(jìn)給量， 根據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》取f=0.9mm/r
c) 計(jì)算切削速度
d) 確定機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速
按機(jī)床說明書(見《工藝手冊(cè)》表4.2-8)與410r/min相近的機(jī)床轉(zhuǎn)速為480r/min?，F(xiàn)選取480r/min
所以實(shí)際切削速度
e) 檢驗(yàn)機(jī)床功率 主切削力FC按《切削手冊(cè)》表1.29所示公式計(jì)算
其中 ， ， ， ，
切削時(shí)消耗功率
由《實(shí)用機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表7-4中CA6140機(jī)床說明書可知，CA6140主電機(jī)功率為7.5kw.轉(zhuǎn)速為480r/min時(shí)主軸傳遞的最大功率為4.5kw.所以機(jī)床功率足夠，可以正常加工。
f) 校驗(yàn)機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)強(qiáng)度 已知主切削力.徑向切削力按《切削手冊(cè)》表1.29所示公式計(jì)算
其中 ， ，，，
所以
而軸向切削力
其中 ， ， ， ,
軸向切削力
取機(jī)床導(dǎo)軌與床鞍之間的摩擦系數(shù)μ=0.1,則切削羅在縱向進(jìn)給方向?qū)M(jìn)給機(jī)構(gòu)的作用力為
而機(jī)床縱向進(jìn)給機(jī)床可承受的最大縱向力為3530 N(見《切削手冊(cè)》表1.30)故機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)可正常工作。
g)切削工時(shí)：
其中
所以
(3)粗車B面
a) 切削深度。單邊余量.分1次切除
b) 進(jìn)給量 根據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》取f=0.9mm/r
c) 計(jì)算切削速度
其中：, , , m=0.2。
修正系數(shù)見《切削手冊(cè)》表1.28,即， , , ,
所以
d) 確定機(jī)的主軸轉(zhuǎn)速
按機(jī)床說明書(見《工藝手冊(cè)》表4.2-8),與378r/min相近的機(jī)床轉(zhuǎn)速為 400r/min?，F(xiàn)選取=400r/min。
所以實(shí)際切削速度
e) 切削工時(shí)，按《工藝手冊(cè)》表6.2-1?！?
;其中
工序 90 鉆、絞 4×Φ9mm透孔
機(jī)床：Z525立式搖臂鉆床
刀具：根據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表10-61選取高速鋼麻花鉆Φ9。
a) 進(jìn)給量 查《機(jī)械加工工藝師手冊(cè)》表28-13，取f=0.13mm/r
b) 切削速度 根據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》表10-70,及10-66,查得V=30m/min。
c) 機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速
按機(jī)床說明書(見《工藝手冊(cè)》表4.2-5),與1061r/min相近的機(jī)床轉(zhuǎn)速為1012r/min?，F(xiàn)選取
所以實(shí)際切削速度
切削工時(shí)，按《 工藝手冊(cè) 》表6.2-1。 ；
其中; ; ，
由于有四個(gè)孔所以切削工時(shí)為
第四章 夾具設(shè)計(jì)與分析
4.1 問題的提出
為了縮短準(zhǔn)備階段的工時(shí)，讓要求的加工工藝得以實(shí)現(xiàn)，降低所需的技術(shù)要求。為此設(shè)計(jì)一個(gè)用于鉆床的夾具裝置。為了提高效率，降低夾緊裝置的生產(chǎn)成本，零件間具有良好替換性，節(jié)省工裝準(zhǔn)備時(shí)間，設(shè)計(jì)應(yīng)考慮做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝夾方便，盡量使用標(biāo)準(zhǔn)零件等鉆4×?9孔工序圖
-——
。
本工序要求加工四個(gè)通孔在圖紙上相對(duì)于中心來說有自己的固定位置。為了使機(jī)床刀具加工時(shí)工件穩(wěn)定不發(fā)生位置變化，提高理想幾何參數(shù)的符合程度，必須對(duì)零件進(jìn)行裝夾，使之不發(fā)生滑動(dòng)、振動(dòng)等位置變化。由于四個(gè)孔均為通孔，因此除了法蘭盤中心軸線方向上的自由度以外的其它平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)方式均得到了限制。
4.2 夾具設(shè)計(jì)
4.2.1 夾具結(jié)構(gòu)和類型的選取
鉆床類夾具主要類型分為固定式鉆模、蓋板式鉆模、翻轉(zhuǎn)式鉆模、回轉(zhuǎn)式鉆模和四種。其中固定式鉆模在工作中位置是保持不動(dòng)的，有一定的加工精度，主要用于鉆床需要加工較大半徑的內(nèi)孔；蓋板式鉆模比較特殊，其本身沒有夾具體，可隨時(shí)拆卸，工作時(shí)可直接附在工件上；翻轉(zhuǎn)式鉆?？梢约庸ざ鄠€(gè)角度上的孔，由于它避免了工件頻繁的裝夾于拆卸，間接地提高了被加工孔的位置準(zhǔn)確度；回轉(zhuǎn)式鉆模上有分度裝置，改變加工表面的位置。
本工序采用蓋板式鉆模較合理，初步設(shè)計(jì)出兩種方案，本設(shè)計(jì)中采用方案1
鉸鏈聯(lián)接模板的蓋板式鉆模，方案2為用心軸（即變形的銷釘）聯(lián)接模板的蓋板式鉆模。
通過對(duì)比分析，目標(biāo)通孔加工處距離零件的最外端面不是很貼近，如果選用方案1，鉆孔完畢后卸下鉆模板（方案一中的鉆套較長(zhǎng)）將會(huì)十分困難，而且鉆套進(jìn)入蓋板后的長(zhǎng)度過長(zhǎng)導(dǎo)致其容易發(fā)生細(xì)微彈性形變，加工誤差也隨之增大。因此選用方案2為夾具結(jié)構(gòu)。
4.2.2 夾具定位元件的選擇
定位元件可以用來輔助支撐工件或夾具體某零部件從而限制工件的自由度，以此保證工件在加工時(shí)的正確位置，使其不發(fā)生改變。由鉆4×φ9孔工序圖可知，待加工的4個(gè)通孔與法蘭盤中心軸線以及φ外圓上分別相距中心線34mm、24mm的兩個(gè)平行于中心軸線的平面有相互參考關(guān)系，此外，4個(gè)通孔的軸向方向也要與Φ100底端面成垂直關(guān)系，其設(shè)計(jì)基準(zhǔn)為法蘭盤的中心軸線。其設(shè)計(jì)基準(zhǔn)為法蘭盤的中心軸線。該工序應(yīng)當(dāng)限制加工工件5個(gè)自由度。定位基準(zhǔn)選擇為工件中心軸線與Φ100的外端面。其中Φ100圓柱外端面以其工件中最大的外輪廓面進(jìn)行定位，限制 、 、；Φ20內(nèi)孔處以短圓柱銷定位，限制、；此外利用Φ90外圓輪廓中距離中心軸線24mm的平面作為基準(zhǔn)定位，限制。
通過上述的定位限制，限制了工件的全部自由度，達(dá)到了理論上穩(wěn)定高效的加工工件的目的。
4.2.3 鉆套的設(shè)計(jì)
a) 鉆套種類的選擇
鉆套一般只應(yīng)用于鉆床加工工件的場(chǎng)合，在鉆床工作過程中用來引導(dǎo)鉆頭進(jìn)行加工。鉆套的種類有固定式、可換式、快換式以及特殊鉆套四種。特殊鉆套是一般針對(duì)于前三類標(biāo)準(zhǔn)鉆套不適宜使用的場(chǎng)合而專門制作對(duì)應(yīng)某道工序夾具的鉆套。
b) 鉆套內(nèi)徑尺寸、公差及配合的選擇
鉆套內(nèi)孔直徑應(yīng)按刀具的最大極限尺寸來衡量。
該工序選用標(biāo)準(zhǔn)鉆頭?9，直柄麻花鉆， 標(biāo)準(zhǔn)GB/T6135.3-1996.其結(jié)構(gòu)及相關(guān)尺寸如下 ：
標(biāo)準(zhǔn)直柄麻花鉆尺寸
鉆頭最大尺寸為?9，切削部分長(zhǎng)度為81mm，鉆頭剛度一般，取鉆套內(nèi)徑d=9mm，公差采用F7，采用加長(zhǎng)鉆套。
c) 鉆套與工件距離S
鉆套與工件表面的距離S的選擇主要考慮排除鉆進(jìn)時(shí)孔底被鉆頭破碎的鐵屑和引偏量的問題。鉆套與工件表面距離較小會(huì)導(dǎo)致鐵屑無法正常順著刀具被排出，而該距離較大則會(huì)導(dǎo)致引起的偏差量增大，影響加工精度。據(jù)《現(xiàn)代制造工藝基礎(chǔ)》147頁(yè)介紹，加工鑄鐵等脆性材料時(shí)常取間隙為（0.3~0.7）d。此處取S=6mm。
鉆套總高約按H/d=2~2.5取得H=21mm，需要指出，為了有利于鉆頭的引進(jìn)，鉆套內(nèi)徑進(jìn)口處做成圓角，為了排屑容易，內(nèi)徑下端也作了倒角，并且在鉆套與鉆模板配合的地方設(shè)計(jì)為燕尾槽形式。
d) 鉆套的材料
鉆套的材料多采用優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。例如T8A，T10A，等，淬火HRC60以上，由于本設(shè)計(jì)中鉆套的內(nèi)徑值較小，故采用CrMn鋼作為鉆套材料。
4.2.4 鉆模板設(shè)計(jì)
加工過程中，鉆模板首先應(yīng)保證有一定的受力抵抗彈性變形的能力，其次還應(yīng)盡量減輕其比重。鉆模板的板材厚度的計(jì)算取決于鉆套的高度高低，一般取11~28mm。鉆套高H=21mm,且加工內(nèi)徑較小，受軸向方向的力不大，鉆模板厚度采用15mm即可保證有足夠抵抗變形的能力。
4.2.5 夾具體（底座）的設(shè)計(jì)
夾具體相當(dāng)于整個(gè)夾具中的基石。首先，它要有足夠的抵抗破壞的能力抵抗變形的能力，其次是夾具體安裝在工作機(jī)床上要保證能夠固定住實(shí)現(xiàn)裝夾工件時(shí)的平穩(wěn)，再是設(shè)計(jì)時(shí)要注意夾具體應(yīng)具備的良好工藝性能，最后預(yù)防排除鉆進(jìn)時(shí)孔底被鉆頭破碎的鐵屑的堆積情況的發(fā)生。在本設(shè)計(jì)中，要求加工的的法蘭盤體積不大，因此不再固定基礎(chǔ)元件。
本次設(shè)計(jì)中夾具體有兩點(diǎn)需要注意，首先，零部件某一特定表面長(zhǎng)時(shí)間發(fā)生接觸應(yīng)力容易導(dǎo)致形變甚至損壞，所以在選擇定位面的問題上我們采用比法蘭盤最大表面輪廓?100的圓柱外端作為定位基面；其次，設(shè)置了三個(gè)以上的支撐點(diǎn)是為了方便我們更容易地去發(fā)現(xiàn)底座下的排屑物、廢料或其它雜質(zhì)，以此確保鉆模加工時(shí)位置精度不受影響。
4.2.6 其他裝置
連接板作為連接為某一部件的構(gòu)件，在本設(shè)計(jì)中的任務(wù)是連接銷釘、螺釘與鉆模板。為了提高生產(chǎn)效率，銷釘類零件一律采用標(biāo)準(zhǔn)件，這也符合了裝配設(shè)計(jì)的原則。
4.2.7 關(guān)于夾緊裝置的計(jì)算
夾緊裝置要求能夠快速、方便地完成裝夾工件地行程，裝夾力合適，既不產(chǎn)生造成工件發(fā)生形變或損害地影響，又要保持穩(wěn)定良好的裝夾狀態(tài)。夾緊裝置主要有夾緊元件、中間傳力機(jī)構(gòu)及動(dòng)力源。
a) 夾緊裝置的選用
由于選用的機(jī)床為立式鉆床，該鉆床適合較小零部件的加工生產(chǎn)，主軸轉(zhuǎn)速的變動(dòng)范圍較大，在加工過程中可能會(huì)使被加工工件產(chǎn)生振動(dòng)，影響形狀和位置誤差及觀測(cè)值與真值的接近程度。從簡(jiǎn)單方便的角度考慮，此次加緊機(jī)構(gòu)采用心軸加緊（見下圖），心軸M10端配合1型六角螺母以及快換墊圈組成，固定夾緊鉆模板的?53圓柱外端面，心軸M12則配合六角薄螺母進(jìn)行固定夾緊150×104的面?？鞊Q墊圈的存在使得每次加工結(jié)束后不用將夾具體完全拆卸，只需通過擰動(dòng)圓螺母使其松動(dòng)，之后取下快換墊圈便可按順序拆卸墊片、鉆模板等零部件。這種夾緊機(jī)構(gòu)的存在讓工時(shí)縮短，提高了本道工序加工的生產(chǎn)效率。
b）夾緊力的確定
本夾具采用的是螺旋夾緊中的螺母加緊機(jī)構(gòu)。查《現(xiàn)代機(jī)床夾具設(shè)計(jì)》[11]
表4-1 螺母夾緊力
表4-1 螺母夾緊力
摘得下表：
結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 圖
螺紋直
徑/mm
螺距
/mm
手柄長(zhǎng)度/mm
作用力
/N
夾緊力
/N
通過表格選定螺紋直徑為10mm的使用扳手的六角螺母，其夾緊力為3550N。
c） 力源裝置的選用
螺旋夾緊機(jī)構(gòu)增力比大，不過其初始原動(dòng)力要求較小，因此徒手即可完成夾緊。
4.2.8 切削力計(jì)算
表4-2 鉆削切削力
工 件 材 料
加工方法
刀具材料
鉆削力矩M
切削力F
其中:
所以， 鉆削力矩 Nm
鉆削力 N
4.2.9 機(jī)床夾具精度校核
查《公差與配合實(shí)用手冊(cè)》，得本道工序的4個(gè)被通孔中靠近平面一側(cè)的兩個(gè)通孔距離法蘭盤中心軸線的垂直距離的公差為，靠近平面一側(cè)的兩個(gè)通孔距離法蘭盤中心軸線的垂直距離的公差為。
（1）影響通孔距離法蘭盤中心軸線的垂直距離的誤差分析。
定位簡(jiǎn)圖
a）：
b）：
本工序采用一面一孔定位。查《現(xiàn)代機(jī)床夾具設(shè)計(jì)》定位誤差計(jì)算，知：工件在夾具中的定位誤差：
其中為其中孔中和定位銷的最小間隔距離。
查得 ， ，
查圖可知
因此
c）夾緊誤差：
在定位銷進(jìn)入定位孔到位時(shí)，兩者之間由于工件的夾緊而在定位孔的一側(cè)產(chǎn)生接觸，發(fā)生接觸變形，當(dāng)工件加工完畢后卸下定位銷，由于之前的接觸變形導(dǎo)致定位孔孔壁發(fā)生形變而不再保持鉛直，不過這種形變變化量微乎其微估值將在0.01mm以下，取=0.01mm來計(jì)算。
d）安裝誤差：
由于本次設(shè)計(jì)中夾具為鉆模，所以沒有安裝誤差。
e）調(diào)整誤差：
可調(diào)整誤差有兩部分，第一部分是鉆套通孔中心軸線垂直于定位基面的尺寸公差，一般取值的區(qū)間在公差值的三分之一到五分之一間，現(xiàn)取其最小值；第二部分是特種鉆套內(nèi)壁圓與外輪廓圓的同軸度定位誤差，我們?nèi)?.01mm到0.05mm之間的最小值。可調(diào)整誤差最終確定值為0.058mm。
f）對(duì)刀誤差：
對(duì)刀誤差即工人在試車時(shí)所測(cè)尺寸和實(shí)際尺寸產(chǎn)生偏差并以此為基準(zhǔn)進(jìn)行加工作業(yè)得所產(chǎn)生的誤差。誤差計(jì)算如上圖所示，根據(jù)刀具的偏移角度與刀具和鉆套的深度，鉆頭與鉆套在加工時(shí)愈大的最大配合間隙就會(huì)產(chǎn)生愈大的偏斜角度，即偏斜量X2 ：
式中
工件較厚時(shí)，工件較厚時(shí)，對(duì)刀誤差即為偏斜量；
工件較薄時(shí)，對(duì)刀誤差即為刀具與鉆套的最大配合間隙。
本道工序中，由于通孔所在平面距離法蘭盤φ?qǐng)A柱外端面的鉛錘距離較遠(yuǎn)，故視為對(duì)刀誤差為偏斜量。
從法蘭盤零件圖中可知：工件厚度為8mm，且已知鉆套深度為21mm , 排除鉆進(jìn)時(shí)孔底被鉆頭破碎的鐵屑空間高度為6mm ，立式鉆床刀具頭部確定為mm，特種鉆套內(nèi)孔直徑是mm，在鉆頭中刀具頭部的尺寸磨損量較其它成形刀具大，查閱資料得0.02mm，有：
以上各項(xiàng)誤差，按最大值相加時(shí)，其總和
（2）對(duì)于靠近距離法蘭盤中心軸線34mm一側(cè)的通孔距離中心軸線的誤差分析。
a）
b）
c）
d）
e）
f）
=
總誤差小于要求公差值0.20mm。鉆模在制造過程中的實(shí)際誤差對(duì)公差發(fā)生了不小的偏移，具備較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持正常工作的狀態(tài)，可以認(rèn)為該夾具能保證法蘭盤指導(dǎo)產(chǎn)品加工和工人操作的主要工藝文件能滿足圖紙上的精度等級(jí)要求。
4.2.10 繪制鉆模圖紙
依照之前定下的加工工藝規(guī)程方案與夾具設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)，進(jìn)行補(bǔ)充完備，最終使用CAD與CATIA系列繪圖軟件繪制總成裝配圖的二位圖紙與三維模型（如下所示）。
4.2.11 拆分夾具零件圖
從上述步驟完成的二維平面總成裝配圖中，分離出非標(biāo)準(zhǔn)件，另外繪制夾具體零件圖。
夾具裝配模型圖
31
第5章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析
CATIA V5軟件是一個(gè)CAD/CAE/CAM集成軟件，它提供了功能強(qiáng)大且使用方便的工程分析模塊——Analysis and Simulation。利用該模塊，只需要定義類似工程實(shí)際問題的載荷和約束，就可以快速地實(shí)現(xiàn)基本的有限元分析。常用的功能包括單個(gè)零件的有限元分析GPS（Generative Part Structural 創(chuàng)成式零件結(jié)構(gòu)分析）和GAS（Generative Assembly Structural Analysis 裝配件有限元分析）。本文主要介紹CATIA有限元分析過程的實(shí)現(xiàn)。
打開附盤內(nèi)零部件dizuo.CATPart，然后點(diǎn)擊開始菜單→分析與仿真→Generative Structural Analysis（生成結(jié)構(gòu)分析）進(jìn)入分析模塊，系統(tǒng)將彈出如圖所示的兩個(gè)對(duì)話框，左側(cè)對(duì)話框用于選定將要進(jìn)行的分析類型，此例選定Static Analysis（靜態(tài)分析），然后確定；右側(cè)警告對(duì)話框表示沒有指定零件材料（如已經(jīng)指定材料，則無此警告框），確定即可。
點(diǎn)擊工具欄的應(yīng)用材料命令來指定零件（material）材料（默認(rèn)狀態(tài)工具欄可能有雙箭頭圖標(biāo)存在，這表示有些圖標(biāo)擺不開而被屏蔽，也可以通過鼠標(biāo)左鍵按住工具條并拖動(dòng)重新擺放來避免），系統(tǒng)可能彈出“無中文材料庫(kù)報(bào)錯(cuò)對(duì)話框”，提示沒有中文材料庫(kù)，確定即可；彈出“材料指定”對(duì)話框，先左鍵點(diǎn)擊Analysis Manager（分析管理）模型樹內(nèi)part1，再點(diǎn)擊材料庫(kù)對(duì)話框內(nèi)Metal（金屬材料）選項(xiàng)下的Steel（鋼），確定完成材料指定。
CATIA軟件的網(wǎng)格劃分是自動(dòng)進(jìn)行的，只要轉(zhuǎn)到有限元模塊，程序就已自動(dòng)確定劃分方案，只有復(fù)雜的模型才需要手動(dòng)對(duì)局部網(wǎng)格進(jìn)行劃分。當(dāng)然，用戶可雙擊模型樹中的Octree Tetrahedron Mesher（四面體網(wǎng)格劃分器）命令來調(diào)整單元?jiǎng)澐謪?shù)，則彈出“四面體網(wǎng)格密度定義對(duì)話框”，點(diǎn)擊確認(rèn)，完成網(wǎng)格參數(shù)修正。
定義約束（Restraints），樣例零件用底座的四個(gè)支撐面來安裝固定，可以用四個(gè)底座面的完全固定來模擬分析。點(diǎn)擊Clamp（夾緊）命令，彈出“Clamp定義對(duì)話框”，選擇下圖所示的四個(gè)底座孔的內(nèi)表面，確定完成約束定義。
定義載荷（Loads），點(diǎn)擊Distributed Force（分布力）命令，施加均布載荷于零件的末端表面，彈出的Distributed Force定義對(duì)話框，選擇末端表面，則對(duì)話框的Supports（幫助）欄內(nèi)變?yōu)?face，定義載荷數(shù)字大小為X方向0N，Y方向0N，Z方向-442N，確定完成載荷定義。
完成上述工作后，可著手進(jìn)行計(jì)算，點(diǎn)擊Computer（計(jì)算）命令，系統(tǒng)彈出如下圖所示計(jì)算對(duì)話框，確定之后，系統(tǒng)彈出下圖所示計(jì)算所需資源估算對(duì)話框，點(diǎn)擊YES繼續(xù)計(jì)算，由于單元節(jié)點(diǎn)數(shù)不多，計(jì)算很快完成。
CATIA提供了豐富的圖形化結(jié)果顯示功能，用戶可方便地調(diào)整偏好地方式。此實(shí)例以默認(rèn)方式查看網(wǎng)格劃分情況及應(yīng)力應(yīng)變圖。
鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊左側(cè)模型樹中地的Nodes and Elements，在彈出的右鍵菜單中點(diǎn)擊Mesh Visualization（網(wǎng)格可視化），則在模型樹Nodes and Elements中多出Mesh子項(xiàng)，（注意：如果看不到網(wǎng)格效果，則應(yīng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊視圖工具條中的定制視圖參數(shù)命令，按照選項(xiàng)調(diào)整彈出的定制視圖方式對(duì)話框內(nèi)容，確定即可）網(wǎng)格劃分效果呈現(xiàn)在CATIA上（注意：CATIA雖然自動(dòng)確定網(wǎng)格劃分方案，但仍需計(jì)算之后才能顯示網(wǎng)格的劃分效果），鼠標(biāo)在零件上劃過，CATIA將顯示相應(yīng)的單元格數(shù)值；另外，在Mesh的右鍵菜單中點(diǎn)擊Report，將看到網(wǎng)格劃分為的單元格數(shù)值。
點(diǎn)擊Displacement命令，可得出下圖所示位移圖形，結(jié)果表明在施加載荷的作用下，末端最大位移約為0.000399mm。點(diǎn)擊Von Mises Stress Mises（米塞斯應(yīng)力）命令，可得出如圖5-11所示的Von Mises Stress圖形，結(jié)果表明在臨近底座附近的支座內(nèi)測(cè)承受較大應(yīng)力，小于低碳鋼鋼材屈服值2.07e+006N/m2的三分之一，應(yīng)力情況合格。
通過示例，可以了解到用CATIA軟件進(jìn)行有限元分析的大致步驟為：建立零件模型并導(dǎo)入分析模塊；然后完成以下前處理（Preprocessing）任務(wù)：指定材料、保持CATIA自動(dòng)劃分的網(wǎng)格參數(shù)或進(jìn)行適合調(diào)整、定義約束、定義載荷；接著進(jìn)行求解計(jì)算，計(jì)算完成后進(jìn)行可視化的分析結(jié)果數(shù)據(jù)顯示（后處理Post Processing）。然后根據(jù)應(yīng)力分布和結(jié)果數(shù)據(jù)確定結(jié)構(gòu)上的危險(xiǎn)部位，判斷零件設(shè)計(jì)上是否能夠滿足工程應(yīng)用的強(qiáng)度、剛度要求，發(fā)現(xiàn)問題后需要調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，之后再次進(jìn)行分析，如此循環(huán)直到滿足需求位置。當(dāng)然，計(jì)算過程中還需要注意有限元分析方法的正確性和分析結(jié)果的有效性，不能盲目依賴。
38
第6章 全文總結(jié)
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)完成了法蘭盤的加工工藝規(guī)程以及“4×?9”工序?qū)Ｓ勉@模。
工藝規(guī)程規(guī)劃方面，對(duì)法蘭盤的功用及一般條件下的工作環(huán)境進(jìn)行工藝性分析，定下毛坯件成品應(yīng)有的水平標(biāo)準(zhǔn)，保障加工精度的前提下以簡(jiǎn)單方便的原則選擇基準(zhǔn)基面。隨后開展機(jī)械加工余量、工序尺寸等數(shù)據(jù)的查詢與錄入，進(jìn)行切削速度、進(jìn)給量等以及時(shí)間定額的計(jì)算。最后整合所有數(shù)據(jù)信息填寫機(jī)械加工工藝卡片。
專用鉆模設(shè)計(jì)方面，先從專業(yè)手冊(cè)、書籍上查詢相關(guān)設(shè)計(jì)信息和分析計(jì)算，然后從鉆模類型中選擇適合本設(shè)計(jì)所選工序?qū)?yīng)鉆床的配套鉆模，建立基本架構(gòu)構(gòu)架，從手冊(cè)中查找并選擇定位元件。再者開始鉆模板、夾具體等非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)計(jì)算以及切削力計(jì)算、夾具精度校核等工作。以上工作完成后繪制總成裝配圖，并從裝配圖中分離出非標(biāo)準(zhǔn)件，繪制非標(biāo)準(zhǔn)件的零件圖，設(shè)計(jì)任務(wù)基本完成。
致 謝
在次畢業(yè)設(shè)計(jì)中本人依據(jù)過往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，有許多紕漏之處。在指導(dǎo)老師指導(dǎo)下渡過了設(shè)計(jì)中的瓶頸，在基本任務(wù)完成后及時(shí)地指正了有錯(cuò)誤和不足亟待完善地地方，在此真摯地感謝。由于設(shè)計(jì)量上有所欠缺，本人在學(xué)長(zhǎng)和周圍同學(xué)的交流中得到了三維軟件的建模仿真的一些技巧，在此謝謝他們的不吝賜教。
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