铣床专用夹具的设计和分析.docx
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铣床专用夹具的设计和分析
毕业设计〔论文
论文题目：
铣床专用夹具的设计与分析
所属系部：
航空制造工程系
指导老师：
职称：
高级工程师
学生姓名：
班级、学号:
专业：
计算机辅助设计与制造
毕业设计〔论文任务书
题目：
铣床专用夹具的设计与分析
任务与要求：
1.掌握铣床加工工艺规程及夹具的设计
2.选择毛坯制造方法,填写机械加工工艺卡片和工序卡片
3.对零件进行工艺分析绘制零件图及零件毛坯图,制定零
件机械加工工艺
4.制定零件加工工艺路线
时间：
2011年11月1日至2011年3月1日共8周
所属系部：
航空制造工程系
学生姓名：
学号：
专业：
计算机辅助设计与制造
指导单位或教研室：
计算机辅助设计制造教研室
指导教师：
职称：
高级工程师
XX航空职业技术学院制
2011年3月1日
毕业设计<论文>进度计划表
日期
工作内容
执行情况
指导教师
签字
看图识零件并进行分析
良好
分析零件初步拟定工艺路线
良好
查阅文献资料
良好
确定工艺路线并着手设计
良好
分析夹具并着手设计
良好
CAD绘制零件和夹具图
良好
整理毕业设计及说明书
良好
2010．12．20-12.26
检查该设计准备答辩
良好
教师对进度计划实施情况总评
签名
年月日
本表作评定学生平时成绩的依据之一。
一．绪论…………………………………………………1
1.PROE软件模块简介………………………………1
2.夹具的概述………………………………………3
3.国内外计算机辅助夹具设计发展现状…………5
4.课题的意义及内容………………………………6
二．设计课题的分析计算过程及平面图绘制…………8
1.分析题目…………………………………………9
2.定位装置设计……………………………………9
3.夹紧机构设计……………………………………14
4.对刀装置设计……………………………………16
5.夹具体与定位键…………………………………17
6.夹具总图上的尺寸、公差和技术要求…………18
7.加工精度分析……………………………………21
三、铣床夹具三维造型设计……………………………25
四、论文总结……………………………………………34
五、谢辞…………………………………………………35
六、主要参考资料………………………………………36
七、附录…………………………………………………37
八、附文…………………………………………………48
摘要
计算机辅助夹具设计作为CIMS集成中的一个重要环节,克服传统夹具设计存在的设计周期长,设计效率低等问题,降低了设计人员的劳动强度,提高了夹具设计的质量,从而能够大幅度缩短产品开发周期,提高企业的市场竞争力。
论文在回顾了夹具的概念、发展、组成以及国内外应用现状后,详细介绍了夹具的总体设计和各组成部分的设计,并着重阐述了设计研究过程中的各项所需的关键技术在对国内外众多夹具设计系统进行仔细的分析研究之后,本课题确定以专用夹具为对象,以铣床夹具为主要开发内容,设计一种适合国内企业现状的具有先进性和实用性的铣床夹具。
运用了大量的软件对夹具进行辅助设计,基于Autocad强大的二维绘图能力,对夹具进行完整的三视图绘制,著名的3DCAD/CAM系统Pro/E由于具有参数化设计特性,在全世界范围内受到广泛应用。
在Pro/E环境下对所设计的铣床夹具进行了三维仿真的实体造型和虚拟装配
关键词：
三维造型设计;Pro/e模块;AUTOCAD；计算机辅助夹具设计
第一章绪论
1.1PROE软件模块简介
本世纪的一个重大变革是全球市场的统一,它使市场竞争更加激烈,产品更新更快,但是有限的资源加上消费者对复杂产品的需求日益增加,使你合很难保持市场分额。
在这种背景下,CAD<计算机辅助设计>/CAM<计算机辅助制造>/CAE〔计算机辅助测量技术得到迅速普及和极大发展。
海湾战争结束当年,美国评出的最具影响的十大技术中,CAD/CAM/CAE技术便榜上有名。
在为数众多的CAD/CAM/CAE软件中,主流软件包种类繁多,PRO/E,UG,CIMATRON,MDT,I－DEAS,MASTERCAM都是个中极品,但PRO/E工业解决方案地位显赫,它是美国PTC公司的拳头产品,技术领先,在机械、电子、航空、航天、邮电、兵工、纺织等各行各业都有应用,是CAD/CAM/CAE领域少有的顶尖"人物"。
PRO/ENGINEER软件包的产品开发环境在支持并行工作,它通过一系列完全相关的模块表述产品的外形、装配及其他功能。
PRO/E能够让多个部门同时致力于单一的产品模型。
包括对大型项目的装配体管理、功能仿真、制造、数据管理等。
其中PRO/EV2000I更增加了行为建模技术使其成为把梦想变为现实的杰出工具。
PRO/E的最新版本为PRO/Ewildfire3.0,它可运行于Windows/NT和UNIX平台上,共有六大主模块：
〔1工业设计模块
工业设计模块主要用于对产品进行几何设计,以前,在零件未制造出时,是无法观看零件形状的,只能通过二维平面图进行想象。
现在,用3DS可以生成实体模型,但用3DS生成的模型在工程实际中是"中看不中用"。
用PRO/E生成的实体建模,不仅中看,而且相当管用。
事实上,PRO/E后阶段的各个工作数据的产生都要依赖于实体建模所生成的数据。
包括：
PRO/3DPAINT<3D建模>、PRO/ANIMATE<动画模拟>、PRO/DESIGNER<概念设计>、PRO/NETWORKANIMATOR<网络动画合成>、PRO/PERSPECTA-SKETCH〔图片转三维模型、PRO/PHOTORENDER<图片渲染>几个子模块。
〔2机械设计模块
机械设计模块是一个高效的三维机械设计工具,它可绘制任意复杂形状的零件。
在实际中存在大量形状不规则的物体表面,如图1中的摩托车轮轱,这些称为自由曲面。
随着人们生活水平的提高,对曲面产品的需求将会大大增加。
用PRO/E生成曲面仅需2步～3步操作。
PRO/E生成曲面的方法有：
拉伸、旋转、放样、扫掠、网格、点阵等。
由于生成曲面的方法较多,因此PRO/E可以迅速建立任何复杂曲面。
它既能作为高性能系统独立使用,又能与其它实体建模模块结合起来使用,它支持GB、ANSI、ISO和JIS等标准。
包括：
PRO/ASSEMBLY〔实体装配、PRO/CABLING〔电路设计、PRO/PIPING〔弯管铺设、PRO/REPORT〔应用数据图形显示、PRO/SCAN-TOOLS〔物理模型数字化、PRO/SURFACE〔曲面设计、PRO/WELDING〔焊接设计
〔3功能仿真模块
功能仿真模块主要进行有限元分析。
我们中国有句古话：
"画虎画皮难画骨,知人知面不知心"。
主要是讲事物内在特征很难把握。
机械零件的内部变化情况是难以知晓的。
有限元仿真使我们有了一双慧眼,能"看到"零件内部的受力状态。
利用该功能,在满足零件受力要求的基础上,便可充分优化零件的设计。
著名的可口可乐公司,利用有限元仿真,分析其饮料瓶,结果使瓶体质量减轻了近20％,而其功能丝毫不受影响,仅此一项就取得了极大的经济效益。
包括：
PRO/FEM~POST〔有限元分析、PRO/MECHANICACUSTOMLOADS〔自定义载荷输入、PRO/MECHANICAEQUATIONS〔第三方仿真程序连接、PRO/MECHANICAMOTION〔指定环境下的装配体运动分析、PRO/MECHANICATHERMAL〔热分析、PRO/MECHANICATIREMODEL〔车轮动力仿真、PRO/MECHANICAVIBRATION〔震动分析、PRO/MESH〔有限元网格划分。
〔4制造模块
在机械行业中用到的CAM制造模块中的功能是NCMachining<数控加工>。
说到数控功能,就不能不提八十年代著名的"东芝事件"。
当时,苏联从日本东芝公司引进了一套五座标数控系统及数控软件CAMMAX,加工出高精度、低噪声的潜艇推进器,从而使西方的反潜系统完全失效,损失惨重。
东芝公司因违反"巴统"协议,擅自出口高技术,受到了严厉的制裁。
在这一事件中出尽风头的CAMMAX软件就是一种数控模块。
PRO/ES的数控模块包括：
PRO/CASTING〔铸造模具设计、PRO/MFG〔电加工、PRO/MOLDESIGN〔塑料模具设计、PRO/NC-CHECK〔NC仿真、PRO/NCPOST〔CNC程序生成、PRO/SHEETMETAL〔钣金设计。
〔5数据管理模块
PRO/E的数据管理模块就像一位保健医生,它在计算机上对产品性能进行测试仿真,找出造成产品各种故障的原因,帮助你对症下药,排除产品故障,改进产品设计。
它就像PRO/E家庭的一个大管家,将触角伸到每一个任务模块。
并自动跟踪你创建的数据,这些数据包括你存贮在模型文件或库中零件的数据。
这个管家通过一定的机制,保证了所有数据的安全及存取方便。
它包括：
PRO/PDM〔数据管理、PRO/REVIEW〔模型图纸评估。
〔6数据交换模块
在实际中还存在一些别的CAD系统,如UGⅡ、EUCLID、CIMATRTON、MDT等,由于它们门户有别,所以自己的数据都难以被对方所识别。
但在实际工作中,往往需要接受别的CAD数据。
这时几何数据交换模块就会发挥作用。
PRO/E中几何数据交换模块有好几个,如：
PRO/CAT〔PRO/E和CATIA的数据交换、PRO/CDT〔二维工程图接口、PRO/DATAFORPDGS〔PRO/E和福特汽车设计软件的接口、PRO/DEVELOP〔PRO/E软件开发、PRO/DRAW〔二维数据库数据输入、PRO/INTERFACE〔工业标准数据交换格式扩充、PRO/INTERFACEFORSTEP〔STEP/ISO10303数据和PRO/E交换、PRO/LEGACY〔线架/曲面维护、PRO/LIBRARYACCESS〔PRO/E模型数据库进入、PRO/POLT〔HPGL/POSTSCRIPTA数据输出
1.2夹具的概述
夹具的一般概念
夹具广泛用于各种制造工序中,用以将工件定位并牢固地夹持在一定的位置,以便按照产品设计规定完成要求的制造过程。
为了将工件可靠定位,经常用定位件和支撑件与工件表面相接触,以限制工件包括移动和旋转在内的六个自由度,用夹紧来抵消切削力,以保证工件牢固定位。
传统夹具以专用夹具为代表主要有四种功能:
定位、夹紧、导向和对刀。
夹具设计的基本要求
对夹具的基本要求就是将工件定位并牢固的夹持在一定位置,并在机床工作台上有一定的方位,其次,还要满足其他要求,如保证夹具的生产率<容易装卸工件,采用自动或半自动夹紧装置,切屑容易排除>,操作简单并安全<如对贵重工件采用防误功能的元件>,有效降低成本<考虑夹具材料和制造过程,优先选用标准件>。
因此,夹具设计是一个复杂的过程,在传统夹具设计中,这些基本原理应用于具体夹具设计中主要取决于设计者的经验。
从夹具设计人员的经验中收集和表达这些知识是开发计算机辅助夹具设计系统的关键。
机床夹具的分类
单件小批生产一般选用通用夹具、可调整夹具和组合夹具等,使用这类夹具时的调整和测量需要依赖经验,而且需花费大量时间。
大批量生产使用以上夹具会使生产效率降低,对操作人员的操作技能要求提高,生产成本提高。
为了提高加工效率和制件精度,降低对操作人员的要求,一般使用多轴加工的专用机床加工,这种机床包含相应夹具或者设计专用夹具与通用机床配合使用,这两种方法都涉及专用夹具的设计问题。
计算机辅助制造技术的发展,制造业越来越多的使用数控机床和加工中心组成柔性制造单元。
在使用CNC机床修改产品设计时,只要变更NC程序,加工工艺就能随之变化,而NC程序借助于计算机辅助编程系统只要花一天或数个小时就能完成修改。
刀具是标准化的,随时可以从市场上购买。
如果还使用现有的夹具或不用柔性夹具,FMS就不能实现真正的柔性,所以在FMS和计算机集成制造系统中迫切需要能适用产品变化的柔性夹具
柔性夹具
一般来说,柔性夹具是指用同一夹具系统装夹定位在形状与尺寸上有所变化的多种工件。
工件的变化可在小范围,即在相似形状和尺寸变动不大的范围内,也可在大范围,即零件形状完全不同,尺寸变化也很大。
所以柔性的概念是模糊的。
笼统的说是指与NC机床、加工中心配合使用的、具有加工多种不同工件能力的夹具。
自20世纪80年代后柔性夹具的研究开发主要沿原理和结构均有创新和传统夹具创新两大方向发展。
下表1-1为当前研究和应用的柔性夹具的工作原理和分类的简表
表1-1中原理和结构均有创新的柔性夹具如相变和伪相变式、适应性夹具、模块化程序控制式、仿生抓夹式等正处于研究阶段,有许多问题尚未解决,如相变升降温度引起工件变形对精度的影响,伪相变材料夹紧力不大,适应性夹具适应范围小,模块化程序控制式夹具结构太复杂,成本过高,而柔性有限,不容易在生产中普及,因此,到目前为止,尚没有找到结构上、经济上、实用上能与传统夹具中己具柔性的一些夹具相匹敌的新型夹具。
表1-1现代柔性夹具的工作原理及分类表
表1-1
┌──────────┬──────────┬──────────┐
│分类│柔性工作原理│子分类│
├──────────┼──────────┼──────────┤
│组合夹具│标准元件的机械装配│槽系组合夹具│
│││孔系组合夹具│
├──────────┼──────────┼──────────┤
│可调整夹具│在通用或专用夹具基础│通用可调夹具│
││上更换元件和调节元件│专用可调夹具│
││的位置││
├──────────┼──────────┼──────────┤
│模块化程序控制式夹具│用伺服控制机构变动元│双转台回转式│
││件的位置│可移动拇指式│
├──────────┼──────────┼──────────┤
│适应性夹具│将定位元件或夹紧元件│涡轮叶片式│
││分解为更小的元素以适│弯曲长轴式│
││应工件的连续变化││
├──────────┼──────────┼──────────┤
│相变材料夹具│材料物理性质的变化│真相变材料夹具│
│││伪相变材料流态床夹具│
├──────────┼──────────┼──────────┤
│防生抓夹式夹具│形状记忆合金│用于机器人终端器也可│
│││用于夹具│
└──────────┴──────────┴──────────┘
1.3国内外计算机辅助夹具设计发展现状
CADICAM系统中,计算机辅助夹具设计以其本身特点是相对独立的一部分,并和其他部分尤其是CAPP紧密连接,广义的说,CAFD是新兴的计算机辅助工艺装备CAT范畴。
准确的说,CAPP和CAFD共同构成CAD和CAM的接口,而二者彼此之间又是相互独立的。
前苏联学者在20世纪70年代开始了夹具CAD的研究工作,由于计算机硬件和软件的落后,进一步发展受到很大的阻碍。
20世纪80年代欧美学者投入这一工作,80年代中期以后我国也开始进行研究。
到现在大约经历了三代:
〔1第一代是交互式夹具CAD系统,该系统应用CAD软件建立夹具元件库,菜单驱动的夹具装配程序,借规定的坐标系统和X-Y平面内的转动角度来执行夹具装配操作,实际操作时费时较多,但在工业上有实用价值。
<2>第二代CAFD是基于成组技术和基于知识的变异式和生成式系统,基于GT的CAFD系统主要用零件及夹具分类编码系统进行检索,修改生成合乎要
求的夹具:
基于知识的CAFD系统,主要是搜集人类夹具专家的知识整理成知识库中的各种规则,然后通过专家系统推理机得到各种决策。
这种系统主要解决定位、夹紧方法的选择,位置的确定。
有的系统已搜集了上千条规则,但因工件的多样性和夹具设计的复杂性,只能设计一些简单的夹具。
〔3〕第三代能生成夹具结构的商品化夹具设计系统,如美国吴士脱理工学院容亦鸣教授和清华大学朱耀祥、罗振璧教授合作开发的孔系数控组合夹具设计系统:
国内有中国航空工业总公司XX向阳机械厂用AUTOCAD开发的组合夹具设计系统,建有元件库,交互式生成组合夹具。
1.4课题的意义及内容
1.4.1课题的意义
多年来,机械制造过程总把设计蓝图比喻成工程师的语言,对于机床专用夹具而言,也总是利用众多视图的不同投影来描绘,采用标注各种线型和符号绘图,不仅费时费力,而且一旦理解有误或形体表现错误,将会影响产品的制造和质量。
采用三维实体造型的设计方法,零件的造型如同车间中加工零件的过程一样,设计完以后,零件就"加工"出来了,这样不需要很强的空间想象力就可以设计出产品的真实三维模型,经过虚拟装配,可清楚地检验出产品结构的合理性、空间布置是否干涉等问题。
造型结束后,将设计模型投影到二维图纸空间,就可自动生成工程图纸的三视图,轴侧图、剖视图等,大大方便了设计工程,形象直观易于接受,更易培养学生独立设计机械产品的能力。
机床夹具设计以培养夹具设计能力为主线,贯穿机械设计制造工艺的整个过程,通过学习夹具设计的基本原理、原则和方法,典型夹具的分析与设计,来培养独立设计机械产品的能力。
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图形学采用三维造型方式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,培养机械产品的独立设计能力和利用机械设计自动化程序的能力。
课题研究的内容
本课题的研究内容是围绕如何充分利用己有的设计经验和资源,提高夹具设计的质量和效率,主要进行了以下几方面的研究:
〔1在收集整理有关产品设计参考资料和技术标准的基础上,分析产品零件的加工特征和加工车间的机床装备的情况并提取零件的特征信息,确定零件的加工方案；
〔2切削力计算,根据零件的加工方案计算相关的切削力；
〔3定位装置设计,其中包括定位方案的确定,定位元件的选择以及定位误差的计算等。
定位方案和定位元件的选择包括定位元件的结构,形状,尺寸及布置形式等,主要决定于工件的加工要求,工件定位基准和外力的作用状况等因素。
〔4夹紧装置设计,其中包括夹紧力方案的确定,夹紧元件的选择以及夹紧力计算等；
〔5对刀,引导装置以及夹具体的设计,其它特定要求涉及的相关元件与装置的确定,例如分度装置,定向键等；
〔6完成夹具总体布局和装配图的设计绘制,并制定夹具的制造工艺
第二章设计课题的分析计算过程及平面图绘制
2.1设计的课题与要求
如图2-1所示,要求铣一车床尾座顶尖套上的键槽和油槽,试设计大批生产时所用的铣床夹具。
图2-1
根据工艺规程,在铣双槽之前,其它表面均已加工好,本工序的加工要求是：
1.键槽宽12H11。
槽侧面对φ70.8h6轴线的对称度为0.10mm,平行度为0.08mm。
槽深控制尺寸64.8mm。
键槽长度60±0.4mm。
2.油槽半径3mm,圆心在轴的圆柱面上。
油槽长度170mm。
3.键槽与油槽的对称面应在同一平面内。
夹具设计的基本要求：
1.能稳定的保证工件的加工精度要求
提高机械加工的劳动生产率和降低工件的制造成本
2.要结构简单,操作方便、安全
3.要有良好的结构工艺性,使设计的夹具便于制造、装配、检验、调整与维修。
2.2设计过程及平面图纸绘制
分析题目
在机械加工中,为完成需要的加工工序、装配工序及检验工序等,首先要将工件固定,使之占有确定的位置,这种保证一批工件占有确定位置的装置统称为夹具。
本课题所研究的对象主要限于铣床夹具。
它对保证工件的加工质量,提高加工效率,降低生产成本、改善劳动条件、扩大机床使用范围、缩短新产品试制周期等方面有着极明显的经济效益。
定位装置设计
.1工件定位的基本原理
工件定位的实质,就是要使工件在夹具中占有某个确定的位置。
这一确定的位置可以通过定位支承限制相应的自由度来获得。
一个物体在空间坐标系中具有六个自由度。
即沿三个相互垂直的坐标轴的移动自由度,以及绕这三个坐标轴的转动自由度。
因此,要使工件在夹具中占有确定的位置,就是要在空间直角坐标系中,通过定位元件限制工件的六个自由度。
分析使可将具体的定位元件抽象化,转化为相应的定位支承点,用这些定位支承点来限制工件的自由度。
工件的六个自由度全部被限制而在空间占有完全确定的唯一位置,称为完全定位。
如果根据该工序加工要求只需限制部分自由度,而其他自由度无需限制时,工件虽然不占有确定的唯一位置,但不影响该工序的加工要求,此时称为不完全定位。
应该采用完全定位还是不完全定位,主要由该工序的加工要求来决定。
欠定位是指工件实际所限制的自由度数目,少于按该工序加工要求所必须限制的自由度数目。
因此,欠定位的结果,将导致出现应该限制的自由度而未予限制的不合理现象,从而无法保证该工序所规定的加工要求。
所以,在确定工件在夹具中的定位方案时,不允许出现欠定位这样的原则性错误。
两个或两个以上定位支承点重复限制同一个自由度,这种重复定位的现象叫做过定位。
出现过定位时,将使工件位置不确定。
同时,在夹紧情况下,重复限制同一自由度的定位支承间所产生的矛盾、干涉和冲突必将造成工件或定位元件的变形,其结果都将破坏工件定位的要求,从而严重影响工件的定位精度。
因此,在设计夹具时,一般情况下应避免出现过定位现象。
如因某些结构上的原因,无法避免过定位时,应采取必要的相应措施,以减小由于过定位所造成的影响。
由所设计的题目知若先铣键槽后铣油槽,按加工要求,铣键槽时应限制五个自由度,铣油槽时应限制六个自工件定位的实质,就是要使工件在夹具中占有某个确定的位置。
这一确定的位置可以通过定位支承限制相应的自由度来获得。
一个物体在空间坐标系中具有六个自由度。
即沿三个相互垂直的坐标轴的移动自由度,以及绕这三个坐标轴的转动自由度。
因此,要使工件在夹具中占有确定的位置,就是要在空间直角坐标系中,通过定位元件限制工件的六个自由度。
分析使可将具体的定位元件抽象化,转化为相应的定位支承点,用这些定位支承点来限制工件的自由度。
工件的六个自由度全部被限制而在空间占有完全确定的唯一位置,称为完全定位。
如果根据该工序加工要求只需限制部分自由度,而其他自由度无需限制时,工件虽然不占有确定的唯一位置,但不影响该工序的加工要求,此时称为不完全定位。
应该采用完全定位还是不完全定位,主要由该工序的加工要求来决定。
欠定位是指工件实际所限制的自由度数目,少于按该工序加工要求所必须限制的自由度数目。
因此,欠定位的结果,将导致出现应该限制的自由度而未予限制的不合理现象,从而无法保证该工序所规定的加工要求。
所以,在确定工件在夹具中的定位方案时,不允许出现欠定位这样的原则性错误。
两个或两个以上定位支承点重复限制同一个自由度,这种重复定位的现象叫做过定位。
出现过定位时,将使工件位置不确定。
同时,在夹紧情况下,重复限制同一自由度的定位支承间所产生的矛盾、干涉和冲突必将造成工件或定位元件的
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