机电控制工程毕业论文加工液压泵上体三个阶梯孔的机床专用夹具计算机辅助设计研究.docx
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机电控制工程毕业论文加工液压泵上体三个阶梯孔的机床专用夹具计算机辅助设计研究
毕业设计（论文）
题目：
加工液压泵上体三个阶梯孔的机床专用夹具计算机辅助设计研究
作 者：
系（部）：
机电控制工程系
专业班级：
机械制造工艺与设备
指导教师：
职 称：
摘要
机床夹具设计是制造系统的重要组成部分，随着先进制造技术的发展和市场竞争的加剧，传统的夹具设计方式已成为企业中产品快速上市的瓶颈，企业迫切需要提高夹具设计的效率。
计算机辅助设计与制造正是为了适应这一要求而产生的，在此背景下，开发了实用性强的CAD/CAM系统，主要进行了下面几个方面的研究：
1、介绍了计算机辅助设计系统（CAD/CAM）的发展概况和研究现状
2、现代技术把CAD技术引入到夹具设计中，形成了计算机辅助夹具设计（ComputerAidedFixtureDesignCAFD）方法，研制了相应的软件系统。
研究了参数化、产品数据管理、数据库及网络技术及在CAFD系统中的应用。
3、CAD/CAM技术发展的另一个特点是从零件的CAD建模发展到面向产品的CAD建模。
产品为满足用户多样化的要求,常常需要改动一个或几个主要参数,也就是所谓的系列化、多样化的设计。
4、20世纪90年代以来，CAD技术基础理论主要以PTC的Pro/Engineer为代表的参数化造型理论和以SDRC的I-DEAS为代表的变量化造型理论形成了基于特征的实体建模技术,为建立产品信息模型奠定了基础。
5、利用Pro/E等三维绘图软件绘制了大量的夹具标准件图，并建立Pro/E系统的数据库和图形库。
关键词：
CAD/CAM/CAFD，建模，Pro/E,数据库，图形库
目录
第一章绪论.......................................................................................................1
1.1CAD技术的发展…………………………………………………………….1
1.2计算机辅助夹具设计的研究状况…………………………………………..1
1.3Pro/Engineer软件的介绍…………………………………………………....2
1.4本课题的目的与意义………………………………………………………..2
第二章机床夹具设计计算过程及平面图纸绘制................…….........3
2.1设计题目…………………………………………………………………….3
2.2题目分析及工件加工工艺分析……………………………………………..4
2.3设计计算过程及平面图纸绘制………………………………………….….4
2.3.1明确设计任务与收集设计资料………………………………………...4
2.3.2拟定夹具结构方案与绘制夹具草图……………………………….…..4
2.4夹具的精度分析………………………………………………………….…11
第三章机床夹具零件的创建过程…………………………………..….…14
3.1机床夹具的设计方法…………………………………………………….…14
3.2Pro/E软件的一般造型过程…………………………………….…………..16
3.2.1Pro/E软件创建夹具零件图形库……………………………………...17
3.2.2Pro/E软件应用到夹具设计中的主要步骤…………………………...17
3.3夹具零件的具体创建实例………………………………………………….27
第四章夹具的装配方法……………………………………………………..21
4.1在Pro/E中夹具的装配方法步骤…………………………………………..21
4.2夹具的具体装配过程……………………………………………………….22
4.3爆炸图的生成……………………………………………………………….25
第五章总结与展望……………………………………………..……………..26
参考文献………………………………………………………………..…………27
第一章绪论
1.1CAD技术的发展
CAD（计算机辅助设计，ComputerAidedDesign）是指工程技术人员以计算机为工具，用各自的专业知识，对产品进行总体设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。
计算机辅助设计是人和计算机相结合，各尽所长的一种新的设计方法。
在设计过程中，人是设计的主题，要进行创造性的思维，拟定工作原理、构思设计方案等。
计算机作为辅助工具，协助人来完成设计中大部分事务性的工作，诸如计算、绘图、查找数据资料、生成技术文件等。
一个好的计算机辅助设计系统既能充分发挥人的创造性作用，又能充分利用计算机的高速分析计算和大量存储数据的能力，找到人和计算机最佳结合点。
CAD为设计提供了有力的支持，是制造业的支撑技术，CAD技术的发展和应用水平是衡量一个国家的工业现代化、科学技术发展水平的重要标志之一。
CAD技术起步于20世纪50年代，40多年来CAD技术的发展经历了以下几个发展阶段：
1、60年代，CAD的主要技术特征是交互式二维绘图和三维线框模型。
利用解析几何的方法定义了有关图素（如点、线、圆等），用来绘制或显示直线、圆弧组成的图形。
2、70年代，CAD的主要技术特征是自由曲线曲面生长算法和表面造型理论，虽然表面造型技术可以解决CAM表面加工的问题，但不能表达形体的质量、重心等特征，不利于实施CAE方法。
3、80年代，CAD的主要技术特征是实体造型（SolidModeling）理论和几何建模（GeometricModeling）方法。
实体建模的边界表示法（B－Rep）和构造实体几何表示法（CGS）在软件开发上得到应用。
4、90年代以来，CAD技术基础理论主要是以PTC的Pro/Engineer为代表的参数化造型理论和以SDRC公司的I－DEAS为代表的变量化造型理论，形成了基于特征的实体建模技术，为建立产品信息模型奠定了基础。
计算机辅助造型技术经过几十年的探索，已经发展到特征造型和参数化、变量化设计阶段，推动了工业自动化进程，促进了现代制造技术的发展。
1.2计算机辅助夹具设计（CAFD）的研究状况
近年来，国内外许多制造企业已经在新产品开发过程中通过引入先进的科技手段如CAD、CAPP、CAM及生产计划管理系统等，来解决产品开发周期、质量和成本问题，并取得了一定的效果。
人们将CAD技术引入到夹具设计中，形成了计算机辅助夹具设计（ComputerAidedFixtureDesignCAFD）方法，研制了相应的软件系统。
在系统中建立了夹具元件库，在计算机屏幕上显示工件的三维视图，用户交互地从夹具元件库中提取相应的夹具元件，在屏幕上形成夹具装配图，提高了设计和质量。
计算机辅助夹具设计（ComputerAidedFixtureDesign）是改变传统夹具设计作为计算机辅助夹具设计技术的一个应用方面，CAFD和计算机辅助工艺设计（CAPP）共同组成了CAD和CAM的桥梁。
计算机辅助夹具设计系统的研制和开发是直接从零件CAD/CAPP集成环境中获取夹具设计信息，包括CAD系统输出的零件几何信息和CAPP系统输出的零件加工信息，然后将读取的几何信息和工程信息作为夹具设计的已知条件进行夹具的计算机辅助设计与分析，以其高速、准备、自动化的特点实现夹具的自动设计，提高夹具设计效率和质量，缩短产品开发周期和降低产品生产成本。
计算机辅助夹具设计方法的发展总趋势应该是具有更多的通用性、智能化和与CAD、CAPP、CAM的集成，计算机辅助设计中的新理论、新方法的发展和应用将进一步推动CAFD在实用化的方向取得更大的成就。
1.3Pro/Engineer软件的介绍
在夹具设计中,采用CAD技术并尽可能使用标准件是提高夹具设计效率的措施之一.这样,夹具三维标准元件库以及标准件库与CAD系统的接口在夹具CAD系统中显得尤为重要.设计人员在原有基础上进行变形设计时就能够充分利用夹具三维标准元件库的资源,避免不必要的重复劳动.本次毕业设计采用美国PTC公司开发的CAD/CAM软件Pro/E为平台,建立夹具三维标准元件库（简称标准件库）,以适应新夹具的设计与开发.
这在多数的CAD软件中过度曲线部分由于加工方式不同而形状各异，很难精确的表现出来。
由于CAD技术的发展，出现了Pro/Engineer等大型优秀的CAD软件，其主要功能在于可进行强大的参数设计，使得复杂的实体造型成为可能。
鉴于上述原因，采用Pro/E进行精确的三维建模。
Pro/E是一套设计至生产自动化的机械软件，是新一代产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。
由于它能快捷地实现三维实体建模，并能方便地得到任何实体的几何参数，转动惯量任意截面的截面力学性能。
Pro/E有以下的特点：
（1）参数化设计和特征性能
Pro/Engineer是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角，可以随意勾画草图，轻易改变模型。
（2）单一数据库
Pro/Engineer是建立在统一基层的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。
所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个用户在为一件产品造型而工作，不管它是哪个部门的。
换言之在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。
例如，一旦工程祥图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。
这种独特的数据结构与工程设计的完整结合，使得一件产品的设计结合起来。
这一优点使得设计更加优化，成品质量更高。
1.4本课题的目的与意义
本课题在学习机床专用夹具的基本知识和基本理论的同时，研究如何利用计算机来使用CAD、Proe等绘图软件来设计专用夹具以及如何对专用夹具进行可视化设计，形成专用夹具的三维爆炸视图。
本课题对学习和巩固机床夹具设计的专业知识具有极大的帮助，通过设计实践，能切实掌握设计制造专用夹具的基本理论和方法，全面熟悉机械制造工艺方面的知识，培养独立设计机械产品的能力和利用机械设计自动化程序的能力。
第二章机床夹具设计计算过程及平面图纸绘制
2.1设计题目：
如图2-1所示，加工液压泵上体的三个阶梯孔，中批生产，根据工艺规程，在加工阶梯孔之前，工件的顶面与底面、两个φ8H7孔和两个φ8mm孔均已加工好。
本工序的加工要求有：
三个阶梯孔的距离为25±0.1mm,三孔轴线与底面的垂直度，中间阶梯孔与四小孔的位置度试设计所需的车床夹具。
图2－1液压泵上体零件图
2.2题目分析及工件加工工艺分析
1）基本概念：
在工件加工的工序图中，用来确定本工序加工表面位置的基准，称为工序基准。
当工件以回转面（圆柱面、圆锥面、球面等）与定位元件接触（或配合）时，工件上的回转面称为定位基面，其轴线称为定位基准。
与此对应，心轴的圆柱面称为限位基面，心轴的轴线称为限位基准。
2）题目分析及工件加工工艺分析：
本课题要求设计一加工液压泵上体阶梯孔的专用夹具，工件的结构形状复杂，
根据工艺规程，在加工阶梯孔之前，工件的顶面与底面、两个φ8H7孔和两个φ8mm孔均已加工好。
本工序的加工要求有：
三个阶梯孔的距离为25±0.1mm,三孔轴线与底面的直度，中间阶梯孔与四小孔的位置度。
后两项未注公差，加工要求低。
壁薄刚性差。
加工孔￠30时精度要求高，表面光洁度也有较高的要求，故工艺规程中分]钻，扩，铰三个工步进行加工，依靠设计的夹具来保证加工表面的下列位置精度。
①：
孔相对两端表面的对称度不超过0.15。
②：
孔相对套筒轴心线的对称度误差不超过0.15。
2.3设计计算过程及平面图纸绘制
2.3.1明确设计任务与收集设计资料
1）工件的结构特点
阶梯孔
2）本工序的加工表面、加工要求、加工余量、定位基准和夹紧表面及所用的机床、刀具、量具等
（1）加工表面：
φ21，φ18，φ17.5，φ22.5，φ13.5孔。
（2）加工要求：
a.三个阶梯孔的距离为25±0.1mm；
b.四小孔的位置要求分别为87±0.05；48±0.05。
c.阶梯孔要保持较高的同轴度。
（3）加工余量：
8mm
（4）定位基准：
主要加工表面阶梯孔的定位基准为滑盘上表面。
（5）夹紧表面：
工件的上表面。
（6）需机床：
CA6140车床
2.3.2拟定夹具结构方案与绘制夹具草图
1）确定工件的定位方案，设计定位装置。
根据本工序的加工要求，不仅要钻，扩，铰孔，还要在车床主轴的旋转中保证安全性，因此工件必须完全定位，即六点定位原则。
按照加工和基准重合原则要求，工件的定位方案分析如下：
（1）加工阶梯孔的工序基准为分度滑盘的上表面，限位基准也为分度滑盘的上表面.根据基准重合原理，分度滑盘的上表面应为定位基准。
分度滑盘的上表面限制Z、Y、X三个自由度；而短圆柱销限制Y、X二个自由度，而削边削限制了Z一个自由度。
即工件用一个平面和一个圆柱销和一个削边销来定位，即一面两孔定位，限制了、Z、Y、X、X、Y、Z六个自由度。
下面列表说明工件的定位：
表2—1：
定位元件所限制的自由度
定位元件
限位基准
定位基准
限制自由度
平面
滑盘的表面
滑盘的表面
Z、X、Y
圆柱销
圆柱销的中心线
φ8mm孔轴心线
Y、X
削边销
削边销的中心线
削边销孔的中心线
Z
根据加工要求和基准重合原则，应以底面和两个φ8H7孔定位，定位元件采用“一面两销”，定位孔与定位销的主要尺寸见图2－2所示。
1）两定位孔的中心距L及两定位销中心距l。
因
L=
mm=99.36mm
Lmax=
mm=99.43mm
Lmin=
mm=99.29mm
所以L=99.36±0.07mm
取l0=99.36±0.02
2）取圆柱销直径为φ8g6=φ
3）查表1-3的菱形销尺寸b=3mm
4）菱形销的直径。
由式知
由式
=0.07mm
所以
菱形销的直径的公差取IT6为0.009，得菱形销的直径为φ
图2－2一面两销定位简图
2）夹具类型的确定
由于滑盘的上表面为主要定位基准，且在车床上加工，而工件的形状与尺寸决定了它不适宜于采用心轴类、卡盘类或角铁式花盘类夹具，只能采用花盘类车床加工。
花盘类车床夹具上的夹具体是一个大圆盘（俗称花盘），在花盘的端面上固定着定位、夹紧元件及其他的辅助元件，夹具的结构不对称。
3）确定工件的夹紧方案，设计夹紧装置。
（1）确定夹紧装置
车床夹具的夹紧装置必须安全可靠。
夹紧力的方向和作用点应按以下要求进行选择：
a）主要夹紧力应朝向主要定位基准，作用点应靠近支承面的几
何中心；
b）夹紧力的方向应有利于减少夹紧力，尽量垂直于工件的主要定位基面，尽量和切削力、重力方向一致；
c）紧力的方向和作用点应施于工件刚性较好的方向和部位；
d）紧力的作用点应适当靠近加工表面。
由于车削时工件和夹具一起随主轴作旋转运动，故在加工过程中，工件除受切削扭矩的作用外，整个夹具还受到离心力的作用，转速越高离心力越大，会降低夹紧机构产生的夹紧力。
此外，工件定位基准的位置相对于切削力和重力的方向来说是变化的。
因此，夹紧机构所产生的夹紧力必须足够，自锁性能要好，以防止工件在加工过程中脱离定位元件的工作表面。
所以我们采用螺旋夹紧机构。
不但因为螺旋夹紧机构结构简单，容易制造，而且，由于缠绕在螺钉表面的螺旋线很长，，升角又小，所以螺旋夹紧机构的自锁性能好，夹紧力和夹紧行程都很大，是手动夹紧中用的最多的一种夹紧机构。
考虑到单个螺旋夹紧机构有诸多缺点，如：
1）机构中的螺钉头直接与洞见表面接触，螺钉转动时，可能损伤工件表面，或带动工件旋转。
2）夹紧动作慢，工件装卸费时。
我们这里用螺旋压板机构。
（2）夹紧力分析
螺旋压板夹紧机构是利用杠杆原理来实现夹紧作用。
其好处是：
增大夹紧力，改变夹紧力作用方向，增大夹紧行程。
它可以绕水平轴翻转，增力显著，夹紧时既省力又迅速可靠。
夹紧受力分析如下：
图2－3夹紧力受力分析图
由杠杆原理知：
W·a=Q·b
当a=1/2b时，
W=2Q
由此可见，该夹紧机构所产生的夹紧力比作用力大一倍。
（3）螺旋夹紧机构各元件材料、热处理要求和结构尺寸确定
螺旋夹紧机构各元件均已标准化，可参阅《机械零件手册》确定。
a）带肩六角螺纹（GB/T2148-91）
图2－4带肩六角螺纹
技术要求：
⒈材料：
45钢；
⒉热处理：
HRC35-40；
⒊细牙螺纹的支承面对螺纹轴线的垂直度按GB1184-80《形状和位置公差》规定的9级公差。
b）钩形压板（GB/T2188-91）
图2－5带肩六角螺纹
技术要求：
1.材料：
45钢;
2.热处理：
淬火、回火HRC35-40。
d）活节螺栓（GB/T798-88）
图2－6活节螺栓
技术要求：
1．材料：
钢
2．表面处理：
a.不经处理；b.镀锌钝化；
3．螺纹公差：
8g
4）夹具与机床的连接方式，设计连接元件及安装基面
车床夹具与机床主轴的连接精度对夹具的回转精度有决定性的影响。
因此，要求夹具的回转轴线与车床主轴轴线有尽可能高的同轴度。
对于径向尺寸较大的夹具，一般通过过渡盘与车床主轴轴颈联接。
专用夹具以其定位止口按H7/h6或H7/js6装配在过渡盘的凸缘上，然后用螺钉紧固。
过渡盘与主轴配合的表面形状取决于主轴前端的结构。
如下图所示的过渡盘，其上有一个定位圆孔按H7/h6或H7/js6和主轴的轴颈相配合，并有螺纹和主轴连接。
为了安全起见，还可以用压块把过渡盘压紧在主轴上，这样可防止停车和倒车时，不致因惯性作用而可能松开。
这种连接方式的安装精度受到配合精度的限制，为了提高安装精度，在车床上安装夹具时，可按找正圆校正夹具与车床主轴的同轴度。
图2－7过度盘与车床主轴的连接示意图
图2－8过渡盘
尺寸要求：
D1=210D=285H1=28H2=23
5）夹具的平衡
由于加工时夹具随同主轴旋转，如果夹具的重心不在主轴旋转轴线上就会产生离心力，这样不仅加剧机床主轴和轴承的磨损，而且会产生振动，影响加工质量和刀具寿命且不安全。
所以对于角铁式夹具，要有平衡要求，平衡的方法是设置平衡块。
平衡块重心的位置应可以调节，可在平衡块上（或夹具体上）开径向槽或环形槽，以使夹具装配时调整其位置。
6）对夹具总体结构的要求
⑴结构要紧凑.
⑵车床夹具的夹具体应制成圆形，夹具上（包括工件在内）的各元件不应伸出夹具体的轮廓之外，当夹具上有不规则的突出部分，或有切削液飞溅及切屑缠绕时，应加设防护罩。
⑶夹具的结构应便于工件在夹具上安装和测量，切屑能顺利排出或清理
7）分渡装置的设计
工件一次装夹后，能按一定的规律依次改变工件加工位置的装置，称为分渡装置。
分渡装置广泛应用于各类机床夹具上。
分渡装置分为两类，一类是直线分渡装置；另一类是回转分渡装置。
分渡装置一般有以下几个部分组成：
a.转动或移动部分。
它实现工件的转位或移位。
b.固定部分。
它是分渡位置的基体，常与夹具体连成一体。
c.对定机构。
它是保证工件正确的分渡位置，并完成插销和拔销动作。
d.锁紧机构。
它将转动或移动部分与固定部分紧固在一起，起减小加工是的振动和保护对定机构的作用。
1）移动部分的设计
由于要加工的工件是成直线分布的阶梯孔，为了保证加工时的精度及操作的方便，这里采用移动式分渡装置。
图2—5分度滑块
2）固定部分的设计
固定部分不但要保证与分渡装置的配合，而且要保证移动部分，对定部分和锁紧部分的配合精度。
图2—6固定元件
3）对定部分的设计
对定机构保证工件正确的分渡位置，并完成插销和拔销的动作。
我们这里采用手拉式圆柱销对定机构。
这类机构操作方便，制造较容易，并且在对定销插入分渡盘时能将灰尘和污物推出，不需要严格的防尘措施。
对定销和分渡盘之间常采用H7/g6配合。
图2—7对定块
在与分渡盘的连接上主要采用螺栓连接。
图2—8螺栓
对定销和手柄主要采用螺钉连接。
4）锁紧部分的设计
锁紧部分的设计主要考虑到分渡装置的移动灵活，装卸方便。
我们这里主要采用T型螺栓
为保持夹具回转运动时平衡，在分渡装置的另一端设置了平衡块，平衡块和分渡装置的配合上主要采用槽的形式，在最大限度上保证夹具在主轴的旋转过程中的平衡。
2.4夹具的精度分析
工件在车床夹具上加工时，加工误差的大小受工件在夹具在夹具上的定位误差△D、夹具误差△J、夹具在主轴上的安装误差△A和加工方法误差△G的影响。
以下对尺寸25±0.1mm的精度问题作一分析。
1）定位误差△D
一批工件逐个在夹具上定位时，由于工件及定位元件存在公差，使各个工件所占据的位置不完全一致，加工后形成加工尺寸的不一致，为加工误差。
这种只与工件定位有关的加工误差，称为定位误差△D。
造成定位误差的原因有两个：
一．是定位基准与工序基准不重合，由此产生基准不重合误差△B。
基准不重合误差△B是一批工件逐个在夹具上定位时，定位基准与工序基准不重合而造成的加工误差，其大小为定位尺寸的公差δS在加工尺寸方向上的投影.二，是定位基准与限位基准不重合，由此产生基准位移误差△Y。
基准位移误差△Y是一批工件逐个在夹具上定位时，定位基准相对于限位基准的最大变化范围δi在加工尺寸方向上的投影。
定位误差△D常用合成法进行计算。
由于定位基准与工序基准不重合以及定位基准与限位基准不重合是造成定位误差的原因，因此，定位误差应是基准不重合误差△B与基准位移误差△Y的合成。
计算时，可先算出△B和△Y，然后将两者合成而得△D。
本工序中的主要加工要求是三孔的孔距尺寸25±0.1mm。
此尺寸主要受分渡误差和加工方法误差的影响，故只要计算这两部分的误差即可。
（1）分度误差△
，按公式，直线分渡的分渡误差
△
=
式中2
——两相邻对定套的距离尺寸误差。
因对定套的距离为25±0.02mm，所以
=0.02。
X1——对定销和对定套的最大配合间隙。
因两者的配合尺寸是φ10
，φ10H7为φ
mm，φ10g6为φ
所以
（0.015+0.014）mm=0.029;
X2——对定销与导向孔的最大配合间隙。
因两者的配合尺寸是φ14
，φ14H7为φ
mm，φ14g6为φ
mm,所以X2=（0.018+0.017）mm=0.035mm;
e——对定销的对定部分与导向部分的同轴度。
设e=0.01mm,因此
△
=
（1）加工方法误差△G取加工尺寸公差
的1/3，加工尺寸公差
=0.2mm,所以△G=0.2/3mm=0.066mm.
总加工误差
△和精度储备Jc的见下表。
表2—1液压泵上体镗三孔夹具的加工误差
由计算结果可知，该夹具能保证加工精度，并有一定的精度储备。
总的装配效果图如下
图2—9夹具总装配图
第三章机床夹具零件的创建
3.1机床夹具的设计方法
机床夹具是机械加工设备的重要组成部分,其设计质量的优劣直接影响着产品性能。
如果被加工零件的批量较小,采用通用机床来加工,这时
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