本科毕业论文基于cad技术的齿轮泵壳体镗孔夹具设计和工艺设计论文.docx
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本科毕业论文基于cad技术的齿轮泵壳体镗孔夹具设计和工艺设计论文
淮阴工学院
毕业设计说明书（论文）
作者:
学号：
学院:
机械工程学院
专业:
机械设计制造及其自动化
题目:
基于CAD技术的齿轮泵壳体
镗孔夹具设计和工艺设计
指导者：
评阅者：
2015
年
6
月
毕业设计说明书（论文）中文摘要
机床夹具在机械加工中有着重要的作用，是机械加工工艺系统的重要组成部分，是机械制造中的一项重要工艺装备。
机床夹具直接影响着机械加工的质量、生产率和生产成本以及工人的劳动强度等，因此机床夹具的设计在机械加工工艺过程中的处于关键位置。
在本次毕业设计中，根据设计任务完成了齿轮泵壳体的镗孔夹具设计，包括夹具中的一些非标准零件的设计，并用Soidworks对零件进行了三维建模，生成二维图纸。
本次的夹具设计，根据工件结构特点及加工要求，设计出了相对合理的夹具，基本上可以满足成产需要，并保证加工精度。
关键词齿轮泵，机床夹具，定位，夹紧，加工工艺
毕业设计说明书（论文）外文摘要
TitleTheBoringFixtureDesignandProcessDesignofCBNSeries
GearPumpCasingBasedonCADTechnology
Abstract
TheClampofmachinetoolsplaysanimportantroleinmachiningprocess.Itisanimportantcomponentofthemachiningprocesssystemandanimportanttechnologicalequipmentinthemechanicalmanufacturing.TheClampofmachinetoolsdirectlyaffectsthemachinedquality,productivity,productioncostsandthelaborintensityofworkersandsoon.Therefore,thedesignofmachinetoolfixtureisinakeypositionduringthemachiningprocess.
Duringthisgraduationdesign,wehavecompletedtheboringfixturedesignofthegearpumpshell,includingthedesignofsomenon-standardpartsaccordingtothedesigntask.Meanwhile,Ihaveconductedthree-dimensionalmodelingwithSolidworksandgenerated2Dengineeringdrawings.Thisdesignofthefixtureisrelativelyreasonableaccordingtothestructuralfeaturesandprocessingrequirementoftheworkpiece.Itbasicallycanmeetthedemandofproduceandensurethemachiningaccuracy.
Keywordsgearpump,machinetoolfixture,positioning,clamping,processingtechnoligy
1引言……………………………………………………………………………………………1
1.1齿轮泵的研究现状及其发展趋势……………………………………………………1
1.2齿轮泵的分类………………………………………………………………………………1
1.3齿轮泵的工作原理………………………………………………………………………2
2机床夹具的概述……………………………………………………………………2
2.1机床夹具的分类…………………………………………………………………2
2.2机床夹具的组成…………………………………………………………………4
2.3机床夹具的功用…………………………………………………………………5
3工件在夹具中的定位方式………………………………………………………5
3.1定位原理的介绍…………………………………………………………………5
3.2工件的定位方式及其定位元件…………………………………………………6
3.3本课题定位方式的选择………………………………………………………12
4工件在夹具中的夹紧方式………………………………………………………13
4.1夹紧装置的组成………………………………………………………………13
4.2夹紧装置的基本要求…………………………………………………………13
4.3夹紧力的确定…………………………………………………………………13
4.4典型夹紧机构…………………………………………………………………15
4.5本课题夹紧机构的选择………………………………………………………18
5镗孔夹具的三维设计……………………………………………………………18
5.1镗孔夹具的零部件设计………………………………………………………18
5.2镗孔夹具的整体装配设计……………………………………………………20
6镗孔夹具的刀具设计……………………………………………………………21
6.1粗镗刀的选择…………………………………………………………………21
6.2精镗刀的选择…………………………………………………………………23
7齿轮泵壳体工艺设计……………………………………………………………25
7.1齿轮泵壳体三维模型…………………………………………………………25
7.2毛坯的选择……………………………………………………………………25
7.3工艺过程的设计………………………………………………………………27
结论…………………………………………………………………………………33
致谢…………………………………………………………………………………34
参考文献………………………………………………………………………………35
附录齿轮泵壳体机械加工工艺过程卡………………………………………36
1引言
1．1齿轮泵的研究现状及其发展趋势
齿轮泵由于结构简单、制造维护方便，并且具有自吸能力强、对油污不敏感等特点，因而应用广泛。
目前关于齿轮泵的研究现状主要集中以下几个方面：
（1）齿轮参数以及泵体结构的优化设计；
（2）齿轮泵间隙优化设计以及补偿面的计算机辅助设计；
（3）困油冲击以及卸荷措施；
（4）齿轮泵噪声的控制技术；
（5）齿轮泵流量脉动的研究；
（6）轮齿的表面涂覆技术及其特点；
（7）齿轮泵的弯曲应力以及接触疲劳强度的研究；
（8）齿轮泵的寿命及其影响因素；
（9）齿轮泵的变量方法研究；
（10）齿轮泵高压化的途径。
齿轮泵的发展方向：
（1）高压化；
（2）低流量脉动；（3）低噪声；（4）大排量；（5）变排量；（6）节能化。
与国外的齿轮泵行业相比，我国齿轮泵行业的竞争优势有：
一是我国齿轮泵拥有成本低的优势；二是国内相关市场的高速发展以及重大调水工程也为我国齿轮泵行业的不断发展提供了重要支撑；第三方面我国持续增长的市场空间也是国内齿轮泵行业保持优势的先决条件。
1．2齿轮泵的分类
按齿轮啮合的形式可分为：
外啮合式和内啮合式
按齿形曲线可分为：
渐开线式和摆线式
按齿面形式可分为：
直齿齿轮式、斜齿齿轮式、人字齿齿轮式、
圆弧齿面的齿轮式
按啮合齿轮的个数分：
二齿轮式和多齿轮式
按齿轮级数可分为：
单级齿轮泵和多级齿轮泵
本课题主要研究CBN系列齿轮泵，属于外啮合齿轮泵。
1．3齿轮泵的工作原理
齿轮泵是依靠密封在一个壳体中的两个或两个以上齿轮，在相互啮合过程中所产生的工作空间容积变化来输送液体的泵。
齿轮泵是容积泵的一种，由两个齿轮、泵体和前后端盖组成两个封闭空间。
当齿轮按图1.1所示方向旋转时，啮合点右侧啮合着的齿逐渐退出啮合，空间增大，形成局部真空，油箱中的油在外界大气压的作用下逐渐进入吸油腔；啮合点左侧的齿逐渐进入啮合，把齿间的油液挤压出来，从压油口强迫流出，这就是齿轮泵的吸油和压油过程。
当齿轮不断转动时，齿轮泵就不断的吸油和压油。
图1.1齿轮泵工作原理图
2机床夹具的概述
在机械制造工业中，为了达到保证产品质量，提高劳动生产率，改善劳动条件的同时降低成本的目的，在加工过程中，除了使用机床等设备以外，还广泛使用着其他各种工艺装备。
它包括：
夹具、刀具、模具、各种辅助工具以及测量工具等。
因此，夹具是一种在保证产品质量的同时方便和提高工艺过程速度的一种工艺装备。
不同的夹具，其结构形式、工作情况、设计原则都不同，但从数量以及在加工过程中的地位方面而言，“机床夹具”占在首位。
机床夹具是机床上用以装夹工件和刀具的一种装置，作用是定位工件，使工件在获得相对于机床和刀具的正确位置的同时把工件可靠的夹紧。
2．1机床夹具的分类
1．按专门化程度分类
（1）通用夹具
通用夹具指的是已经标准化的，具有一定通用性并且在一定范围内可用于加工不同种类工件的夹具。
这类夹具通常由专业的工厂生产制造，并作为机床的附件提供给用户。
其特点是生产效率比较低，但适应性广，主要适用于单件或小批量生产。
（2）专用夹具
专用夹具指的是为某个工件的某一道工序特别专门设计的夹具。
其特点是，操作快速、方便、省力，结构紧凑，加工精度高，生产效率高，但设计制造周期较长、制造费也相对较高。
专用夹具主要适用于定型产品的成批大量生产。
（3）通用可调夹具和成组夹具
两者的共同点是，在加工完一种工件后，只需对夹具进行适当调整或更换个别零件，即可用于加工形状、尺寸相近或加工工艺过程相似的多种工件。
这两种夹具的不同之处在于，前者的加工对象并不明确，适用范围较广；后者专为某一零件组的成组加工而设计，加工对象明确，针对性强，结构更加紧凑。
（4）组合夹具
组合夹具指的是根据零件的加工需求，将一套原先生产完成的标准元件和部件组装在一起而形成的夹具。
特点是拥有万能性，组合方式不固定，生产周期较短、元件能够被反复使用，特别适用于新产品的初试制造和单个零件的小批生产。
（5）随行夹具
随行夹具指的是一种在自动生产线上广泛使用的夹具。
该夹具在和工件连成一体的情况下沿自动线从一个工位移动到下一个工位，与此同时也要起到工件装夹的作用，完成不同工序的加工任务。
2．按使用的机床分类
由于各种机床本身的工作特点和结构形式各不相同，所以对所用的机床夹具的结构也有不同的要求特点。
按所使用的机床，夹具又可以分为：
镗床夹具、铣床夹具、钻床夹具、磨床夹具、车床夹具、齿轮加工机床夹具以及其他种类机床夹具等。
3．按夹紧动力源分类
根据每个夹具所使用的夹紧动力源的不同，机床夹具可分为：
手动夹具、电动夹具、液压夹具、气动夹具、磁力夹具、气液夹具、真空夹具等。
本课题所设计的夹具主要是针对齿轮泵壳体的镗孔夹具，属于专用夹具。
2．2机床夹具的组成
机床夹具一般由以下几个部分组成：
（1）定位元件用于确定工件在夹具中的位置。
（2）夹紧装置用于夹紧工件。
（3）对刀、导引元件或装置用于确定刀具相对于夹具定位元件的位置，防止刀具在加工过程中产生偏斜。
（4）连接元件用于确定夹具自身在工作台或机床主轴上的正确位置。
（5）其他装置或元件如用于分度的分度元件等，用于自动上下料的上下料装置等。
（6）夹具体用于将夹具上的各种元件和装置连接成一个有机的整体。
夹具体是夹具的基座和骨架。
对于不同种类的机床夹具，以上的这些组成部分并不是缺一不可的，但是任何夹具都必须具有定位元件、夹紧装置，它们是保证工件的加工精度的关键，目的是使工件定位准确、夹紧牢固。
机床夹具的各个组成部分与机床、刀具以及工件之间的联系，如图2.1所示。
图2.1机床夹具组成示意图
该图为正确设计夹具提供了思考问题的线索：
例如，定位、夹紧装置直接与工件有关，故在设计时必须掌握与工件形状、尺寸、技术要求等有关的资料；设计确认夹具在机床上位置的元件时，则应依据机床工作台或主轴端部的结构形式和尺寸；在设计对刀导相元件时，应考虑加工所用刀具的类型、结构和尺寸等。
2．3机床夹具的功用
1.能稳定地保证工件的加工精度
用夹具装夹工件时，夹具保证了工件相对于刀具和机床的位置精度，也避免了工人操作水平对加工精度的影响，使一批工件保持了相对一致的加工精度。
2.能减少辅助工时，提高劳动生产率
使用夹具装夹工件时，方便快速，工件不需要划线找正，辅助工时显著减少；经过夹具装夹后，工件的刚性得到提高，可加大切削用量；可使用多件、多工位装夹工件的夹具，并采用使用高效夹紧机构，进一步提高劳动生产率。
3.能扩大机床的使用范围，实现一机多能
根据加工机床的成形运动，加上不同类型的夹具，可使机床原有的工艺范围增大。
3工件在夹具中的定位方式
在分析工件定位方案是，主要利用六点定位原理，根据工件的具体结构特点和工序加工精度要求去正确选择定位方式、设计定位元件、进行定位误差的分析与计算。
3．1定位原理的介绍
任何一个受约束的物体，在空间都具有六个自由度，即沿三个互相垂直坐标轴的移动（用
、
、
表示）和绕这三个坐标轴的转动（用
、
、
表示），如图3.1所示。
因此要使物体在空间具有确定的位置（即定位），就必须对这六个自由度加以约束。
理论上讲，工件的六个自由度可以用六个支承点加以限制，前提是六个支承点在空间按一定规律分布，并保持与工件的定位基面相接触。
如图3.2所示，在XOY平面上布置三个支承点1、2、3，当六方体工件的底面与这三个支承点接触时，工件的
、
、
三个自由度就被限制；然后在XOZ平面上布置两个支承点4、5，当工件侧面与之接触时，工件的
和
两个自由度就被限制；再在YOZ平面上布置一个支承点6，使工件背面靠在这个支承点上，工件的
自由度就被限制。
在图中如此设置的六个支承点，去分别限制工件的六个自由度，从而使工件在空间得到确定位置的方法，称为工件的六点定位原理。
图3.1物体的六个自由度图3.2工件的六点定位
根据工件自由度被夹具定位元件限制的情况，可将工件在夹具中的定位分为以下几种情况：
（1）完全定位根据工件被加工表面的加工精度要求，工件的六个自由度被全部限制的定位方式。
（2）不完全定位根据工件被加工表面的加工精度要求，需要限制的自由度少于六个的定位方式。
（3）欠定位根据工件被加工表面的加工精度要求，应该要被限制的自由度没有被完全限制的定位方式称为欠定位。
欠定位工件的加工精度得不到保证，在工件加工中是不能出现的。
（4）过定位工件的某个自由度被夹具上两个或两个以上的定位元件重复限制的定位方法。
过定位可能导致定位干涉或工件装夹困难，进而导致工件或定位元件产生变形、定位误差增大。
3．2工件的定位方式及其定位元件
（1）工件以平面定位
平面定位的主要形式是支承定位。
工件的定位基准平面与定位元件表面相接触而实现定位，常见的支承元件有下列几种：
1．固定支承
该类支承拥有固定的高度尺寸，使用时高度不能调整。
（1）支撑钉图3.3所示为用于平面定位的几种常用支撑钉，它们利用顶面对工件进行定位。
图3.3a为平顶支承钉，其支承面积大，精基准面的定位常用平顶支承钉。
图3.3b为圆顶支承钉，可使工件与支承钉的接触面积减小，以减少装夹误差，易磨损，多用于粗基准面的定位。
图3.3c为网文顶支承钉，常用于摩擦力要求大的侧面定位。
图3.3d为带衬套支承钉，便于拆卸，一般用于磨损快、需要经常拆卸更换修理的场合。
图3.3几种常用支承钉图3.4常用的支承板
（2）支承板支承板接触面积较大，工件定位稳固。
一般用于较大的精基准平面的定位。
图3.4a为平板式支承板，结构简单，切屑落入沉头螺孔中的不易被清除，侧面定位常用平板式支承板。
图3.4b为斜槽式支承板，清屑容易，一般用于底面的定位。
2.可调支承
可挑支承在一定的范围内可以调整支承的顶端位置。
图3.5为常用的可调支承的结构。
未加工过的平面一般用可调支承来定位，以调节补偿毛坯的尺寸误差。
图3.5常用的可调支承图3.6常见的自位支承结构
3.自位支承
又称浮动支承，在定位过程中，支承所处的位置岁共建定位基准面的变化而自动调整并与之相适应。
图3.6为几种常见的自位支承结构，采用自位支承可避免过定位，也可使与工件的接触点增加，提高整体刚度，常用于断续表面、毛坯表面以及阶梯表面的定位。
4.辅助支承
辅助支承是指在工件实现定位后才参与支承作用的定位元件，只能起辅助定位的作用或者提高工件的刚度。
图3.7为几种常用的辅助支承类型。
图3.7a、b为螺旋式辅助支承，用于小批量生产。
图3.7c为推力式辅助支承，用于大批量生产。
1—支承2—螺母3—手轮4—楔块
图3.7常见的几种辅助支承
（2）工件以外圆柱面定位
工件定位基准是它的外圆柱面时，根据定位基准面的加工要求、定位精度和安装结构方式，可以在定位套、V形块、半圆套及圆锥套中定位，其中在V形块上定位是最常用的。
1.V形块
V形块常用于加工表面与外圆轴线有对称度要求的工件定位。
图3.8为常用固定式V形块。
图3.8a用于较短的基准定位；
图3.8b用于较长的粗基准定位；
图3.8c用于两段精基准面相距较远的场合；
图3.8d用于定位基准的直径或长度较大的场合。
图3.9中的活动式V形块可以限制工件沿
方向移动的自由度。
它除了可以实现定位外，还兼有夹紧作用。
图3.8常用固定式V形块图3.9活动V形块
V形块定位的优点是：
（1）对中性好。
使工件的定位基准轴线对中在V形块两斜面的对称平面上，在左右方向上不会发生偏移，且安装方便，不因工件基准的直径误差而受到影响。
（2）应用范围广。
不论定位基准面是否经过加工，不论是局部圆弧面还是完整的圆柱面，都可采用V形块来定位。
2.定位套
工件以外圆柱表面为定位基准在定位套中内孔中定位，这种定位方式一般适用于精基准定位。
定位套特点是：
（1）结构简单，定位方便；
（2）定位有间隙，定心精度不高。
3.半圆套
图3.10为半圆套结构简图，下半圆起定位作用，上半圆起夹紧作用。
图a为可卸式，图b为铰链式，后者装卸比较方便。
图3.10半圆套结构简图
半圆套的特点是：
（1）对中性好，夹紧力在基准表面上分布均匀；
（2）工件基准面精度不应低于IT8-IT9级。
4.圆锥套
工件以圆锥套定位时，常与后顶尖一起配合使用。
特点是：
（1）对中性好，装卸方便；
（2）定位时容易倾斜，故应与其他元件组合起来使用。
（3）工件以圆孔定位
定位方式中以圆孔定位的大部分都属于定心定位（定位基准为孔的轴线），常用的定位元件有定位销、圆锥销、圆柱心轴、圆锥心轴等。
1.定位销
图3.11为几种常见的圆柱定位销，其工作部分的直径d通常根据加工要求和是否方便装夹，按g5、g6、f6或f7制造。
图3.11a、b、c所示定位销与夹具体的连接采用过盈配合；图3.11d为带衬套的可换式圆柱销结构，这种定位销与衬套的配合采用间隙配合，与固定式定位相比，这种定位方式的位置精度低，一般用在大批量生产中。
特点是：
（1）结构简单，装卸工件方便；
（2）定位精度取决于孔和销的配合精度。
图3.11几种常用的圆柱定位销
2.圆锥销
在加工空心轴或套筒等工件时，也经常用到圆锥销来定位。
图3.12a用于粗基准，图3.12b用于精基准。
图3.12圆锥销
圆锥销的特点是：
（1）对中性好，安装方便；
（2）基准孔的尺寸误差将使轴向定位尺寸产生误差；
（3）定位时容易发生倾斜，故应和其他元件配合起来使用。
3.定位心轴
主要用于空心盘类或套筒类等工件的车、铣、磨及齿轮加工。
常见的有圆柱心轴和圆锥心轴等。
（1）圆柱心轴图3.13为常见的几种圆柱心轴。
图3.13a为间隙配合圆柱心轴，拆装方便，但定位精度低；
图3.13b为过盈配合圆柱心轴，定心精度高；
图3.13c为花键心轴，当定位基准为花键孔时常用花键心轴定位。
图3.13常见的圆柱心轴
（2）圆锥心轴图3.14是根据工件上的圆锥孔在圆锥心轴上定位的情形。
这类定位方式是圆锥面与圆锥面接触，同时要求锥孔与圆锥心轴的锥度相同，接触良好，因此拥有较高的定心精度与角向定位精度，而轴向定位精度取决于工件孔和心轴的尺寸精度。
图3.14圆锥心轴
（4）工件以组合表面定位
在实际加工过程中，工件往往不是采是单一表面的定位，而是采用组合表面定位。
常见的有平面与平面组合、平面与孔组合、平面与外圆柱面组合、平面与其他表面组合、锥面与锥面组合等。
3．3本课题定位方式的选择
本夹具在设计中参考已有的定位原理和定位方法，考虑到本夹具设计中的实际情况，以及在定位中过定位和欠定位对工件定位的影响，采用了一面两销的定位方式对工件进行定位，如图3.15所示。
定位元件选用的是一个平面和两个圆柱销，这种定位方式结构简单，装卸方便。
齿轮壳体上用于定位的两孔直径分别为
、
，两孔中心距为
，夹具上两销的直径分别为8、8，两销的中心距为
。
由于平面限制
、
、
三个自由度，两个定位销限制
、
、
。
1—齿轮泵壳体2—圆柱销3—镗模板
图3.15一面两销组合定位情况
4工件在夹具中的夹紧方式
工件定位后必须进行夹紧，才能保证工件不会因为切削力、重力、离心力等外力的作用而破坏定位。
这种对工件进行夹紧的装置，称为夹紧装置。
4．1夹紧装置的组成
根据结构特点和功用，典型夹紧装置一般由三部分组成。
（1）动力源装置用于产生夹紧力，是机动夹紧的必备装置，例如气压装置、液压装置、电动装置、磁力装置、真空装置等。
手动夹紧的动力源由人力保证，它没有动力源装置。
（2）传力机构它是处于动力源和夹紧元件之间的机构。
动力源产生的夹紧力通过传力机构传给夹紧元件，对工件的夹紧最终由夹紧元件完成。
传力机构具有自锁性，可以在传递夹紧力的过程中，改变夹紧力的大小和方向。
（3）夹紧元件是实现工件夹紧的最终执行元件，通过与工件的直接接触而完成夹紧工件。
4．2夹紧装置的基本要求
夹紧装置是夹具的重要组成部分，正确合理地选择和设计夹紧装置，不但可以保证工件的加工质量以及生产率还可以使工人的劳动强度得到降低。
因此，加紧装置的设计要求如下：
（1）夹紧时不能破坏工件在夹具中占有的正确位置；
（2）夹紧力要合适，既要保证工件不会因为所受夹紧力过大而发生表面损伤、变形，又要使工件在加工过程中不会发生移动、转动和振动；
（3）夹紧机构应方便、迅速、省力
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