法兰盘加工工艺及夹具设计.docx
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法兰盘加工工艺及夹具设计
毕业设计（论文）
题目：
法兰盘加工工艺及夹具设计
系别：
机电系
专业：
机械制造及其自动化
年级：
11-2
姓名：
杨柳
指导教师：
周燕
日期:
2015年5月29日
摘要
工艺学是钻研机械加工工艺技术和夹具设计为主要目的的技术学科,具有非常强的实践性,要求在学习过程中紧密的联系生产与实践,并且它又拥有非常强的综合性。
本次毕业设计研究的课题为法兰盘加工工艺及夹具的设计，其主要研究内容为：
首先，对工件进行分析，主要是先分析零件的作用、结构和工艺，经由零件分析可以了解零件的基本构造，然后通过工艺分析了解工件的加工要求。
通过零件图要求的的具体加工，确定毛坯的制造样式与尺寸。
其次，对基面进行选择，确定加工的粗基准和精基准。
选好基准，制定工艺加工路线，再确定能够使零件的形状、尺寸精度还有位置精度等要求达到完全保证的加工工艺方案。
再次，根据已经确定的加工工艺方案，选择加工设备，决定每一工步的切削量和时间。
然后，设计指定法兰盘
12mm斜孔的夹具。
分析设计任务，确定定位基准，决定夹具结构方案，然后对切削力、夹紧力，定位误差进行计算。
最后，把整个设计过程整理为设计说明书和指定的图纸，所有设计完成。
关键词：
12mm斜孔法兰盘；加工工艺；设计夹具
Abstract
Technologyisthetechnologyresearchofmechanicalprocessingtechnologyandfixturedesignforthemainpurpose,hasverystrongpracticalrequirementsinthelearningprocess,contactcloselyandproductionpractice,anditalsohasaverystrongcomprehensive.
Thegraduationdesigntopicfortheflangeandfixturedesignprocess,themainresearchcontentsareasfollows:
Firstofall,ontheworkpieceisanalyzed,themainistoanalyzethefunction,structureandprocessofparts,throughthepartsanalysistounderstandthebasicstructureofparts,andthenthroughtheprocessanalysistounderstandthemachiningrequirements.Bydrawingthespecificprocessingrequirements,determinethestyleandsizeofmanufacturingblank.
Secondly,theselectionofbase,determinetheprocessingofcoarseandfinereferencebase.Choosethebenchmark,thedevelopmentprocessofprocessingroute,andthendeterminetheshape,sizeprecisionandcanmakethepositionprecisionrequirementsofthepartstoachieveprocessingschemefullyguaranteed.
Again,accordingtotheprocessschemehasbeendetermined,thechoiceofprocessingequipment,decidedeverystepsofcuttingquantityandtime.
Then,thefixturedesignspecified12mmflangehole.Analysisofthedesigntask,determinethelocation,determinethefixturestructure,thenthecuttingforce,clampingforce,positionerrorcalculation.
Finally,thewholedesignprocessforthedesignspecificationanddesigndrawingsspecified,allcompleted.
Keywords:
Flange;ProcessingTechnology;FixtureDesign.
第1章绪论
1.1机械加工的发展现况
由于机械制造业的发展和科学技术的进步，机械制造工艺的内涵和面貌下一直发生变化，近几十年的技术进展表现在以下几方面：
（1）新兴加工方法的不断出现和发展
（2）自动化等高新技术与工艺的紧密结合
1.2现代机械加工工艺的发展现况
机械制造是国民经济发展和各部门科技进步的基础。
在现代化条件下机械制造的发展方向是：
开发工艺可行性广、能保证各种原料消耗最少、可靠性和自动化精度高的新一代技术。
机械制造工艺及其实现组织形成的发展趋势，在很大程度上取决于机器结构的发展方向和它的技术使用特征。
机器制造中的科技进步将促进以计算机和生产全盘自动化为基础的工序少和能源节约的工艺的建立推广。
1.3机床夹具的发展趋势
近年来，数控机床、加工中心、成组技术、柔性制造系统（FMS）等新加工技术应用，对机床夹具提出了如下新的要求：
（1）能迅速而方便地装备新产品的投产，以缩短生产准备周期，降低生产成本；
（2）能装夹一组具有相似性特征的工件；
（3）能适用于精密加工的高精度机床夹具；
（4）能适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具；
1.4现代机床夹具的发展趋势
夹具是机械加工不可缺少的部件，在机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展的带动下，夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济的方向发展。
（1）高精机床加工精度提高，降低定位误差，提高加工精度对夹具制造精度要求更高高精度夹具定位孔距精度高达±5μm，夹具支承面垂直度达到0.01mm/300mm，平行度高达0.01mm/500mm。
德国demmeler（戴美乐）公司制造4m长、2m宽孔系列组合焊接夹具平台，其等高误差为±0.03mm；精密平口钳平行度和垂直度5um以内；夹具重复安装定位精度高达±5um。
（2）高效提高机床生产效率，双面、四面和多件装夹夹具产品越来越多。
减少工件安装时间，各种自动定心夹紧、精密平口钳、杠杆夹紧、凸轮夹紧、气动和液压夹紧等，快速夹紧功能部件不断推陈出新。
新型电控永磁夹具，加紧和松开工件只用1～2秒，夹具结构简化，为机床进行多工位、多面和多件加工创造了条件。
1.5法兰盘发展现状和趋势
法兰盘由英国传入我国，早期的工人将Flange音译为法兰。
法兰盘在我国机械行业、建筑行业和水利水电行业应用及其广泛，自上世纪90年代以来，日本在我国开辟法兰市场之后，紧接着韩国和欧美等国也蜂拥而至，导致我国法兰市场的份额大增。
近几年来，我国在法兰的制造领域和研发领域取得了一定的突破，因产业链和市场的影响，加上政策的支持，大量的工厂和个人加工作坊开始大批量的生产和销售法兰成品。
经调查发现，近几年全球在法兰方面的市场容量联创新高，产销规模大幅增加，价格也居高不下。
图1-1数控龙门铣床上的法兰盘图1-2数控龙门铣床上的法兰盘
第2章零件的分析
2.1零件的作用及结构分析
法兰（Flange）又称法兰盘或者突缘，通常是指在一个类似盘状的金属体色的周边开上几个固定用的孔用于连接其它东西的一种零件。
主要用来使管子与管子相互连接的，连接于管端；可用于连接其它零件或可用于增加其他零件强度的一种零件。
法兰上有孔眼，可穿螺栓，使两法兰紧连。
法兰间用衬垫密封。
它可由浇铸而成，也可由螺纹连接或焊接构成。
法兰联接由一对法兰、一个垫片及若干个螺栓螺母组成，垫片放在两法兰密封面之间，拧紧螺母后，垫片表面上的比压达到一定数值后产生变形，并填满密封面上凹凸不平处，使联接严密不漏。
法兰连接使用方便，能够承受较大的压力。
本次设计题目给定的法兰盘在数控机床里起支承和导向作用，是回转体零件，本法兰盘是回转面和平面的结合，内部由阶梯和螺纹孔组成，此零件的结构较简单，但是零件的精度要求高，有良好的减振性，铸造性能好。
要求有较高的耐磨性，较高的强度和回转稳定性。
2.2研究初始资料，确定设计方案
根据设计题目给定的条件，现制定该零件的机械加工工艺规程。
钻床加工零件一：
法兰盘零件图：
图2-1法兰盘零件图
根据要求，在摇臂钻床上钻法兰斜孔3-
12mm、径向孔3-
17.5mm。
2.3零件的工艺分析
法兰盘是一回转体零件共有两组加工表面有一组加工表面以Φ90的孔位中心包括一个Φ147的端面，Φ175的两倒角轮廓面，Φ190的外圆面，Φ207的圆弧阶梯轮廓面，Φ248的阶梯轮廓面及Φ190外圆柱上的销孔。
并且其余加工表面都与他的位置有关系，可以先加工它的一个端面，再借助专用夹具以这个端面为定位基准加工另一端面，然后再加工其他工作表面。
第3章零件毛坯的选择
3.1确定毛坯的制造形式
零件材料为45钢。
考虑到汽车在运行中要经常加速及正、反向行驶。
零件在工作过程中经常承受交变载荷及冲击性载荷，因此应该选用锻件，以使金属纤维尽量不被折断，保证零件工作的可靠。
由于零件年产量为4000件，已达到大批生产水平，而且零件的德轮廓尺寸不大，故采用锻模成型。
这对于提高生产率、保证加工质量也是有利的。
根据上述材料及加工工艺，分别确定各加工表面的机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸如下:
（1）外圆表面（147、Φ175、Φ190、Φ207、Φ248、Φ320）考虑到尺寸较多切相差不大，为简化毛坯的外形，现直接按零件结构取Φ195、Φ253、Φ325阶梯轴式结构（见图2）。
（2）外圆表面沿轴线长度方向的加工余量及公差。
查《机械制造工艺简明手册》（以下简称《工艺手册》）表2.2-1，铸件轮廓尺寸长度方向大于100~160mm故长度方向偏差为mm，长度方向余量查表2.2-4，其余量规定值为3.0~3.5mm.现取3.0mm..
（3）内孔尺寸为Φ90，参照《工艺手册》表2.3-9及表2.3-12确定工序尺寸及余量为：
钻孔：
Φ30.0
钻孔：
Φ80
车孔：
Φ89.3
绞孔：
Φ900+0.054
（4）阶梯孔尺寸为Φ101，参照《工艺手册》表2.3-9确定孔的加工余量分配：
钻孔：
Φ30.0
钻孔：
Φ30.0
车孔：
Φ101
（5）底面倒角圆孔采用车削可以保证其精度。
Z=0.3
（6）3-Φ20EQS孔、3-Φ17.5、3-Φ12直孔、3-Φ12斜孔。
均为自由尺寸精度要求。
可一次钻出。
第4章工艺规程的设计
4.1基面的选择
定位基准的选择是工艺规程设计中重要的工作之一。
定位选择的正确与合理，可以使加工质量得到保证，生产率得以提高。
否则，加工工艺过程中会问题百出，更有可能造成零件大批报废，使生产无法正进行的情况。
4.1.1选择粗基准
因为法兰盘可看作盘类或轴类零件，按照“保证不加工表面与加工表面相互精度原则”的粗基准选择原则（即当零件有不加工表面时，应以这些不加工表面作为粗基准；若零件有若干个不加工表面时则应与这些加工表面要求相对精度较高的不加工表面作为粗基准）。
同时,
320外圆既是精度最高又是壁厚最薄的表面，为保证加工要求。
固选
320外圆及右端面为粗基准。
4.1.2选择精基准
法兰盘的外圆
320既是装配基准，又是设计基准。
根据零件图的设计基准来制定工艺的精基准。
由于零件的设计基准为
320，所以在设计工艺方案时以
320外圆为精基准来加工各外圆表面，即遵循“基准重合”的原则。
4.2拟定工艺过程
4.2.1选择表面加工方法
法兰盘的加工面有外圆、内孔、端面、槽及小孔等。
材料为45钢，查阅[10]P20表1.4-6、表1.4-7、表1.4-8可得其加工方法。
4.2.2确定工艺过程方案
制定工艺路线的出发点，应当使零件的几何形状、尺寸精度、位置精度和表面质量等技术要求能得到合理的保证。
在生产纲领已经确定为中批生产的条件下，可以考虑采用通用机床配以专用夹具，并尽量使工序集中来提高生产率。
还有，应当考虑经济效果，以便降低生产成本。
工艺路线方案：
1.工艺路线方案一：
工序1：
铣削左右两个端面。
工序2：
粗车Φ147、Φ175、Φ190、Φ207、Φ248、Φ320外圆及倒角。
工序3：
钻、车Φ90的孔、3-Φ20孔、3-Φ17.5孔。
工序4：
钻3-Φ12直孔、3-Φ12斜孔。
工序5车Φ101的阶梯孔。
工序6：
精车Φ147、Φ175、Φ190、Φ207、Φ248、Φ320外圆及倒角。
工序7：
绞Φ90的孔。
工序8：
车209的圆角。
工序9：
时效处理。
工序10：
检验、入库。
2.工艺路线方案二：
工序1：
车削左右两个端面。
工序2：
粗车Φ147、Φ175、Φ190、Φ207、Φ248、Φ320外圆及倒角。
工序3：
钻、车Φ90的孔、3-Φ20EQS孔、3-Φ17.5孔。
工序4：
精车Φ147、Φ175、Φ190、Φ207、Φ248、Φ320外圆及倒角。
工序5：
车Φ101的阶梯孔。
工序6：
。
绞Φ90的孔
工序7：
车209的圆角。
工序8：
钻3-Φ12直孔、3-Φ12斜孔。
工序9：
时效处理。
工序10：
检验、入库。
4.2.3工艺方案的分析
以上两个加工方案的特点在于：
方案一是采用铣削加工端面，且是先加工12孔后精加工外圆面，方案二是使用车削加工方式加工两个端面，12孔放在最后。
两者相比较起来可以看出，由于零件的端面尺寸不大，应车削端面，在中批量生产中，综合考虑，选择工艺路线二。
但仔细考虑，在路线二中，工序4：
精车Φ147、Φ175、Φ190、Φ207、Φ248、Φ320外圆及倒角。
然后工序8：
钻3-Φ12直孔、3-Φ12斜孔、3-Φ20EQS孔、3-Φ17.5孔。
这样由于钻孔属于粗加工，其精度要求不高，且切削力较大，可能会引起已加工表面变形，表面粗超度的值增大。
因此，最后的加工工艺路线确定如下：
工序1：
车削左右两个端面。
工序2：
粗车Φ147、Φ175、Φ190、Φ207、Φ248、Φ320外圆及倒角。
工序3：
精车Φ147、Φ175、Φ190、Φ207、Φ248、Φ320外圆及倒角。
工序4：
Φ101的阶梯孔,Φ90的孔、。
工序5：
钻3-Φ12直孔、3-Φ12斜孔。
工序6：
钻3-Φ20孔、3-Φ17.5孔。
工序7：
绞Φ90的孔。
工序8：
车209的圆角。
工序9：
时效处理。
工序10：
检验、入库。
以上工艺工程详见机械加工工艺过程卡片。
4.3加工设备和工艺装备的选择
4.3.1机床的选择
“法兰盘”零件材料为45刚，生产类型为大批量生产，采用机器造形铸造毛坯。
根据上述材料及加工工艺，分别确定各加工表面的机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸如下:
（1）外圆表面（147、Φ175、Φ190、Φ207、Φ248、Φ320）考虑到尺寸较多切相差不大，为简化毛坯的外形，现直接按零件结构取Φ195、Φ253、Φ325阶梯轴式结构（见图2）。
（2）外圆表面沿轴线长度方向的加工余量及公差。
查《机械制造工艺简明手册》（以下简称《工艺手册》）表2.2-1，铸件轮廓尺寸长度方向大于100~160mm故长度方向偏差为mm，长度方向余量查表2.2-4，其余量规定值为3.0~3.5mm.现取3.0mm..
（3）内孔尺寸为Φ90，参照《工艺手册》表2.3-9及表2.3-12确定工序尺寸及余量为：
钻孔：
Φ30.0
钻孔：
Φ80
车孔：
Φ89.3
绞孔：
Φ900+0.054
（4）阶梯孔尺寸为Φ101，参照《工艺手册》表2.3-9确定孔的加工余量分配：
钻孔：
Φ30.0
钻孔：
Φ30.0
车孔：
Φ101
（5）底面倒角圆孔采用车削可以保证其精度。
Z=0.3
（6）3-Φ20孔、3-Φ17.5、3-Φ12直孔、3-Φ12斜孔。
均为自由尺寸精度要求。
可一次钻出。
4.4确定切削用量及时间定额
工序1：
车削端面及倒角。
本工序采用计算法确定切削用量。
1.加工条件
工件材料：
45刚，铸造。
加工条件：
粗车Φ147、Φ175、Φ190、Φ207、Φ248、Φ320外圆及倒角。
无表面粗超度要求。
机床：
CA6140卧式机床。
刀具：
刀片材料为YT15,刀杆尺寸为16mm*25mm，r=15度，ｒ=０.５。
计算切削用量
（1）粗车Φ147端面。
1.确定端面最大加工余量：
已知毛坯长度方向单边的加工余量为3mm，则毛坯长度方向最大加工余量为4.25mm，分两次加工，a=2mm计。
长度方向取IT12级，取mm。
确定进给量f：
根据《切削用量简明手册》（第三版）以下简称《切削手册》表1.4，当刀杆尺寸为16mm*25mm，a<=2mm时，以及工件直径为Φ153时。
f=0.6~0.9mm/r
按CA6140车床说明书取f=0.61（参见《切削手册》表1.31）
2.计算切削速度：
按《切削手册》表1.27，切削速度计算公式为（寿命T=60min）
公式中，Cv=242，xv=0.15，yv=0.35，m=0.2.kv见《切削手册》表1.28，即k=1.44.k=0.8，k=1.04，k=0.81，k=0.97
所以V=114.3m/min
3.确定机床转速：
n=238r/min
按机床说明书，与2238r/min相近的机床转速为200r/min及250r/min。
现取250r/min。
所以实际切削速度V=120m/min。
4.确定切削工时：
按工艺手册表6.2-1，取
L=153-90/2=31.5，L1=2.5.L2=0,L3=0
T=（L+L1+L2+L3/nf）*i=（31.5+2.5/250*0.6）*2=0.45min
（2）粗车端面Φ325
1.查《切削手册》表1.4及表1.27
f=0.8~1.2
2.按CA6140车床说明书取f=0.81（参见《切削手册》表1.31）
=235，
=0.15，
=0.45，m=0.2.
见《切削手册》表1.28，即k=1.44.k=0.8，k=1.04，k=0.81，k=0.97
所以
=102.6m/min
3.确定机床转速：
n=100.5r/min
按机床说明书，与100.5r/min相近的机床转速为100r/min。
现取100r/min。
所以实际切削速度V=98m/min
4.确定切削工时：
按工艺手册表6.2-1，取
L=325-209/2=116，
=2.5,
=0,
=0
T=（L+
+
+
/nf）*i=（116+2.5/100*0.8）*2=2.96min
工序2：
粗车Φ147、Φ175、Φ190、Φ207、Φ248、Φ320外圆及倒角。
（1）粗车Φ190外圆、及两倒角
1.进给量：
根据《切削手册》表1.4，选取f=0.6mm/r。
2.计算切削速度：
见《切削手册》表1.27根据公式可算得：
V=114.3m/min
3.确定主轴转速：
n=191.5r/min
按机床说明书选取n=200r/min。
所以实际切削速度为V=120m/min。
4.检验机床功率：
主切削力Fc按《切削手册》表1.29所示公式计算
Fc=C
fvk
公式中C=2795，x=1.0，y=0.75，n=-0.15
k=0.94，k=0.89
所以Fc=2795*1.5*0.750.75*114.35-0.94*0.94*0.89N=1166N
切削是消耗功率为
Pc=Fc*vc/6*104=1166*120/6*104=2.3KW
由CA6140机床说明书可知，CA6410主电动机功率为7.5KW，机床可以正常运行。
5.校验机床进给系统强度：
已知主切削力Fc=1024.5N，径向力切削力Fp按《切削手册》表1.29所示公式计算
Fp=C
fvk
公式中，C=1940,x=0.9，y=0.6，n=-0.3
k=0.897，k=0.5
所以Fp=219.3N
而轴向切削力
公式中，C=2880,x=1.0，y=0.5，n=-0.4
k=0.923，k=1.17
于是轴向切削力
=532.4N
取机床导轨与床鞍之间的摩擦系数为0.1，则切削力在纵向进给方向对进给机构的作用力为
F=
+u（Fc+Fp）=532.4+0.1*（1166+219.3）=670.63N
而机床纵向进给机构可承受的最大纵向力为3530N（见《切削手册》表1.30），故机床进给系统可正常工作。
6.切削工时：
T=（L+
+
/nf）*i
公式中，L=88，
=5，
=0
所以T=（88+4）/250*0.6=0.78min
（3）粗车Φ248外圆及R21倒角
1.进给量：
根据《切削手册》表1.4，选取f=0.6mm/r。
2.计算切削速度：
见《切削手册》表1.27根据公式可算得：
V=114.3m/min
3.确定主轴转速：
n=191.5r/min
按机床说明书选取n=200r/min。
所以实际切削速度为V=120m/min。
切削工时：
T=（L+
+
/nf）*i
公式中，L=30，
=5，
=0
所以T=0.58min
（4）粗车Φ320外圆
1.查《切削手册》表1.4及表1.27
f=0.8~1.2
2.按CA6140车床说明书取f=0.81（参见《切削手册》表1.31）
Cv=235，xv=0.15，yv=0.45，m=0.2.kv见《切削手册》表1.28，即k=1.44.k=0.8，k=1.04，k=0.81，k=0.97
所以V=102.6m/min
3.确定机床转速：
n=100.5r/min
按机床说明书，与100.5r/min相近的机床转速为100r/min。
现取100r/min。
所以实际切削速度V=98m/min
4.确定切削工时：
按工艺手册表6.2-1，取
T=（L+
+
/nf）*i
公式中，L=32，
=5，
=0
所以T=0.93min
工序3：
钻、车Φ90孔、3-Φ20EQS孔、3-Φ17.5孔，选用转塔车床C385L。
切削用量计算如下。
（1）钻孔Φ20mm孔
f=0.41mm/r（见《切削手册》表2.7）
V=12m/min（见《切削手册》表2.13及表2.14，按5类加工性质考虑）
n=159r/min
按机床选取n=135r/min（按《工艺手册》表4.2-2）
所
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