数控加工键槽的工装设计.docx

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数控加工键槽的工装设计

机械制造装备设计

课程设计说明书

题目数控加工键槽的专用夹具设计

系机械与运载学院

专业机械设计制造及其自动化

班级

姓名学号

指导教师

完成日期2011年07月13日

沈阳理工大学应用技术学院

目录

1引言2

2夹具的设计3

2.1零件的分析3

2.1.1零件的作用3

2.1.2零件的工艺分析3

2.2工艺规程设计4

2.2.1确定毛胚的制造形式4

2.2.2基面的选择4

2.2.3制定工艺路线4

2.2.4工艺方案分析5

2.3夹具的设计5

2.3.1问题的提出5

2.3.2夹具的设计5

2.4夹具设计及操作的简要说明9

3轴外键槽的传统加工工艺与传统加工方式10

3.1加工轴外键槽的传统工艺与传统工艺分析10

3.1.1传统工艺10

3.1.2传统工艺分析10

3.2轴外键槽的传统加工方式11

3.3传统加工方式分析11

4轴外键槽的数控加工工艺与加工方式12

4.1数控加工工艺12

4.2数控加工生产的优势13

4.2.1生产率的提高13

4.2.2数控机床的适应性与灵活性13

4.2.3机床刚性的提高13

4.2.4采用数控加工工艺，改变受力状况13

5结束语13

致谢14

参考文献15

1引言

轴类零件上的孔是起定位或连接。

键是用来连接轴与轴上传动件（例如齿轮，带轮等等）以实现周向（或轴向）固定，以便传动件与轴一起转动传递转矩和旋转运动。

轴外键槽的加工精度高，则键在键槽中的轴向固定良好，连接更为可靠。

键槽加工中，对称度是重要的技术指标。

运用普通立铣床加工轴外键槽，采用传统加工工艺，一般用抱钳装夹工件，用键槽铣刀或是立铣刀加工，在加工过程中受力不均衡，容易引起加工误差。

生产效率较低,运动刚性差，质量稳定性差.

运用数控铣床加工轴外键槽，可以实现X轴与Z轴联动，形成“之”字形走刀路线，较普通走刀路线受力更均衡，从而改变了工件的受力情况，有利于提高工件的加工精度。

应用专用夹具装夹工件，进行加工生产可以提高工件的加工精度和生产效率。

所以对轴外键槽的加工进行工装设计，以提高其加工精度。

根据使用要求和工作情况确定合理的夹具设计方案，在保证加工质量的前提下，力求结构尽量简单，操作方便，安全可靠，加工制造容易。

结合实际的情况，考虑互相制约的各种因素，确定最合理的设计方案。

在确定设计方案的基础上，按照加工精度的高低，需要消除自由度的数目，按有关的标准确定定位元件。

选择好定位元件后，还应该对定位误差进行计算。

在设计方案确定后，根据所需的夹紧力，选择并设计螺旋，铰链，联动等夹紧机构，并配以手动，气动，液动的动力源，将夹具设计的工作逐步完善。

所设计的夹具结构应该合理，否则就不能正常使用。

夹具设计时，尽量采用标准元件，以缩短设计和制造周期，降低夹具制造成本，提高其经济性。

本设计从夹具的设计，制造，定位这些环节上讨论了提高键槽加工对称度的问题，实际上影响轴外键槽加工对称度的因素有很多。

比如机床的精度和刚度，工件的质量，刀具的刃磨，运动副的间隙等等，故使用本夹具时，必须考虑其他因素，对于相关的环节作以必要的改进，争取达到最佳的效果。

2夹具的设计

轴类零件外键槽与键配合构成键连接。

键槽的加工精度高，则键在键槽中的固定良好，连接可靠。

用专用夹具装夹轴类零件，键槽的加工精度和工件的生产效率都可以得到保证。

使用夹具装夹工件无需划线找正，可以显著的减少辅助工时，方便快捷；可以提高工件的刚性，使用较大的切削用量；用夹具装夹工件时，工件相对于刀具及机床的位置精度由夹具保证，不受工人技术水平的影响，使一批工件的加工精度趋于一致。

2.1零件的分析

2.1.1零件的作用

轴类零件外键槽与键配合构成键连接。

键是用来连接轴与轴上传动件（例如齿轮，带轮等等）周向或是轴向固定，以便传动件与轴一起转动传递转矩和旋转运动。

轴外键槽的加工精度高，则键在键槽中固定良好，连接可靠。

当被连接的毂类零件在工作过程中必须在轴上做轴向移动时（如变速箱中的滑移齿轮），需要采用导向平键或是滑键，则需铣削出较长的键槽，以实现毂类零件的轴向移动。

2.1.2零件的工艺分析

轴类零件主要加工表面是各外圆表面。

次要加工表面是轴外键槽，花键，螺纹。

通常先安排定位基面的加工，为加工其他表面做好准备。

后安排次要表面的加工。

所以轴外键槽的加工安排在外圆精车或粗磨以后，精磨之前进行。

否则会在外圆终加工时产生冲击，不利于保证加工质量影响刀具的寿命，或是会破坏主要加工表面已经获得的精度。

轴外键槽与轴类零件外圆有位置要求。

键槽与工件外圆的对称度公差为0.08mm。

由以上分析，需要先加工工件的主要加工表面，然后借助专用夹具加工轴外键槽，并且保证它们之间的位置精度要求。

2.2工艺规程设计

2.2.1确定毛胚的制造形式

零件材料为45钢。

轴类零件应根据不同的使用要求和工作条件选用不同的材料，并且采用不同的热处理方法，以获得一定的强度，韧性和耐磨性。

45钢是轴类零件的常用材料，经过调质（或正火）后，可以得到较好的切削性能，而且可以获得较好的强度和韧性，淬火后表面硬度可以达到45-52HRC。

对于直径相差不大的非重要阶梯轴适宜选用棒料。

比较重要的轴采用锻件作为毛胚。

根据生产方式的不同，毛胚的锻造方式有自由锻和模锻。

大批大量生产时适合采用模锻。

2.2.2基面的选择

基面的选择是工艺规程设计中的重要工作之一。

基面选择得正确与合理，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，会造成零件报废，使生产无法顺利进行。

（1）粗基准的选择。

对于轴类零件的加工，以外圆作为粗基准。

（2）精基准的选择。

采用顶尖孔作为定位基准。

以顶尖孔为精基准可以实现基准统一，能够在一次装夹中加工出各段外圆表面及端面，可以很好的保证各外圆表面的同轴度以及外圆与端面的垂直度，加工效率高并且所用的夹具结构简单。

所以对于实心轴（棒料或锻件毛胚），在粗加工之前，应先打顶尖孔，以后的工序都以顶尖孔定位。

（3）加工轴外键槽以工件外圆柱面作为定位基准。

2.2.3制定工艺路线

对于7级精度，表面粗糙度Ra1-0.5μm的一般传动轴，工艺路线方案为：

（1）用工件外圆表面作为粗基准，钻顶尖孔。

（2）用顶尖孔定位，粗车外圆表面和端面。

（3）用顶尖孔定位，精车外圆表面和端面。

（4）用外圆柱面定位，加工轴外键槽。

（5）热处理。

（6）修研顶尖孔。

（7）用顶尖孔定位，粗磨外圆。

（8）用顶尖孔定位，精磨外圆。

（9）检验。

2.2.4工艺方案分析

对于轴外键槽这种次要表面的加工通常安排在外圆精车之后，磨削之前进行。

如果在精车前就铣削出键槽，在精车时由于断续切削而易产生振动，影响加工质量，又容易损坏刀具，也难以控制键槽的尺寸要求。

甚至于破坏主要表面已经获得的精度[1]。

2.3夹具的设计

为了提高生产效率，保证加工质量，降低劳动强度，需要设计专用夹具。

这样，在产品固定且批量较大的生产中，可以较大的提高生产效率和加工精度。

且批量生产中工件的加工精度能够趋于一致。

2.3.1问题的提出

本夹具用来加工轴类零件外键槽。

键槽与工件外圆表面有位置要求。

加工本工序时，零件外圆柱面已经精车过，主要考虑如何保证键槽与工件外圆表面的位置精度要求。

2.3.2夹具的设计

（1）定位基准的选择

由零件的工艺分析可知，轴外键槽与轴外圆表面有对称度要求。

零件外圆已经精车过，则应以零件外圆柱表面为定位基准。

为了简化夹具的结构，方便操作，准备采用手动夹紧。

（2）确定定位元件

工件以外圆柱面作为定位基准时，根据外圆柱面的完整程度，加工要求及安装方式，可以在V形块，定位套，半圆套及圆锥套中定位。

本夹具是用来加工轴类零件的外键槽的，定位基准直径与长度均较大，且铣削加工是多刀多刃断续切削，切削用量和切削力都较大，且切削力的方向变化不断，加工时极易产生振动。

因此选用长V形块作为定位元件，其定位支撑面积大，定位可靠。

V形块定位的优点：

对中性好，可以使工件的定位基准轴线对中在V形块两斜面的对称面上，不会发生偏移而且安装方便；应用范围广泛，不论定位基准是否经过加工，不论是否完整，都可以采用V形块定位。

V形块上两斜面间的夹角一般选用60°，90°，和120°。

随着V形块的夹角的增大，其定位误差减小，但夹角过大时，又会引起工件定位不稳定，综合两方面考虑选择90°的V形块。

本夹具中采用的定位元件如图1所示，V形块与工件接触的平面其表面粗糙度要求较高，工件定位误差较小，且夹具的使用寿命更长，定位更为可靠[5]。

（3）确定夹紧机构及夹紧元件

夹紧机构常用的有斜楔，螺旋，偏心等夹紧机构，它们都是根据斜面加紧原理来实现夹紧工作的。

但是本工序采用数控铣床加工，考虑到切削力的方向变化不断，加工时极易产生振动等因素。

不采用偏心夹紧机构，而采用螺旋压板组合夹紧机构。

图1V形块主视图

本夹具采用的夹紧机构。

其制造简单，夹紧行程大扩力比大，自锁性能好，适合于手动夹紧。

运用双头螺杆——压板系统可以沿纵向移动而只起压紧作用。

（4）确定定位键

铣床夹具底面应该设置两个定位键。

通过定位键与铣床工作台T形槽的配合，使夹具上定位元件的工作表面相对于铣床工作台的进给方向具有正确的位置关系。

定位键的位置相距越远，定位精度越高。

除了定位外，定位键还能承受部分切削转矩，增加夹具的稳定性。

定位键有矩形和圆柱型两种，矩形更为常用。

故此采用矩形定位键。

矩形定位键有A型和B型。

A型比B型更为常用，且B型与铣床工作台的T形槽配合，但较易磨损，故选用A型定位键[6]。

本夹具采用的定位键如图2所示。

图2定位键

（5）夹具体的设计

夹具体用于连接，固定夹具上各定位与夹紧元件及装置，使其成为一个整体的基础件。

本夹具采用的定位元件是V形块，为了避免零件装夹时发生干涉。

故此，本夹具体上的槽的宽度设计应该大于V形块的设计尺寸，则工件可以正常装夹，这样的设计是正确合理的。

本夹具的夹具体主视图如图3，俯视图如图4，左视图如图5所示。

图3夹具体主视图

图4夹具体俯视图

图5夹具体左视图

2.4夹具设计及操作的简要说明

本夹具属于铣床夹具，直接安装在工作台上。

工件以外圆柱面在V形块上定位，拧紧双头螺杆，使压板夹紧工件。

采用螺旋压板夹紧机构，其结构简单，夹紧行程大扩力比大，自锁性能好，适合于手动夹紧。

运用双头螺杆——压板系统可以沿横向移动而只起压紧作用。

操作方便快捷。

采用V形块作为定位元件，对中性好，定位误差小，应用广泛。

采用本夹具加工轴类零件的外键槽，对称度误差较小，可以适应实际生产加工。

本设计结构合理，制造容易，定位可靠，对中精度高，操作方便，可以大大提高轴外键槽的对称度，同时还能提高键槽其他方面的加工精度，具有较高的实用价值。

需要指出的是，本设计从夹具的设计，制造，定位这些环节上讨论了提高键槽加工对称度的问题，实际上影响轴外键槽加工对称度的因素有很多。

比如：

（1）因为定位因素造成的键槽对称平面与轴的纵向对称面不重合，引起对称度误差。

（2）因为受力不均衡，导致铣刀微量变形引起的对称度误差。

（3）机床的精度与刚度不足引起的对称度误差。

（4）工件的质量低，引起的对称度误差。

（5）刀具的刃磨出现误差所引起的对称度误差。

（6）运动副的间隙引起的对称度误差。

上述原因都会对工件的加工精度造成影响，故使用本夹具时，必须考虑其他因素，对于相关的环节作以必要的改进，才能达到较高的加工精度。

3轴外键槽的传统加工工艺与传统加工方式

3.1加工轴外键槽的传统工艺与传统工艺分析

3.1.1传统工艺

运用传统工艺加工轴外键槽如图6所示：

现将铣刀垂直进给移向工件，到一定深度后，将纵向进给切至键槽全长；再进行垂直进给，然后反向纵向进给，反复多次直至切刀要求深度。

3.1.2传统工艺分析

运用传统工艺加工轴外键槽会带来两个弊端：

其一垂直切削分力加大，引起刀具挠度和转角加大，这样就加剧键槽侧面倾斜，另外顺铣与逆铣时产生的不对称变形，这些都会给对称度带来不利影响。

其二吃深较大，铣刀与工件接触弧长，切削沿前刀面滑动时间较长，因此前后刀面同时磨损，而后刀面磨损尤为严重，这样键槽宽度尺寸会受到影响，同时减少刀具重磨次数。

基于以上两点，此工艺对于加工轴外键槽的效果较差。

3.2轴外键槽的传统加工方式

图6传统加工方式

圆轴类外键槽通常使用键槽铣刀或立铣刀加工，如图6所示。

用键槽铣刀铣削封闭式键槽时，一般用抱钳装夹工件或v型体装夹工件

夹紧工件前必须校正夹具在工作台中的位置，然后利用螺栓与工作台T型槽连接。

键槽长度进给量由工作台纵向进给手轮控制，深度进给由工作台升降进给手柄来控制，宽度由铣刀直径控制。

其工作循环如图6所示；先将铣刀垂直进给移向工件，切削少量的深度，将工件纵向进给切至键槽的全长；再进行垂直进给，然后方向纵向进给，反复多次直至完成。

用传统的工艺方法和普通铣床来加工精度要求不是很高的键槽，应用较为广泛，随处可见。

3.3传统加工方式分析

用传统的工艺方法和普通铣床来加工精度要求不是很高的轴外键槽，应用较为广泛。

运用传统工艺加工轴外键槽，在精度要求较高，尺寸范围变化大的时候存在如下弊端：

（1）质量稳定性差

夹具在工作台中的位置是引起键槽的对称平面与轴的纵向对称面不重合的重要因素，在加工中若工件长度的变化没有任何规律性，工作台上中央T型槽磨损量不均衡，必然会影响夹具定位的准确性，进而造成键槽定位的不准确，引起质量稳定性较低。

（2）生产效率低

因为工件上对称度要求越高，就对机床的定位精度要求高，而且对工件在夹具上的定位精度要求也越高，因此调试难度就会加大。

（3）运动刚性差

普通铣床调节环节多，引起误差的几率高（如梯形丝杠与螺母之间的间隙调整；刀杆与主轴连接的间隙调整等），导致相对运动刚性差。

此外，由作用于铣刀刀刃上的不均衡切削力导致铣刀的微量变形也会引起对称度误差。

4轴外键槽的数控加工工艺与加工方式

4.1数控加工工艺

“之”字形数控工艺如图7所示。

采用数控加工能够实现两轴联动，即X轴与Z轴同时发出进给指令，刀具形成“之”字形循环进给，每一次循环进给的过程中吃深量逐渐加大，与传统工艺相比，吃刀量相对减小而进给速度显著增大这样在基本相同的生产效率下，可以大大改变切削过程中工件的受力状况，减小刀具变形所引起的对称度误差，使轴外键槽的对称精度得以保证。

采用数控装置实现两轴联动，即X,Z轴同时发出进给指令，使之形成“之”字形循环进给，与传统工艺相比每一循环减小了吃刀量而增大了进给速度，这样在同等的生产效率下既可以保证改变切削过程中工件的受力状态，减小刀具变形所引起的对称度误差，间接的提高主轴的刚性[18]。

此外，减小了刀具磨损，可以延长刀具使用寿命。

图7数控工艺

4.2数控加工生产的优势

4.2.1生产率的提高

数控机床可以采用较大的切削用量，具有自动变速，自动换刀，自动交换工件，生产率得以极大的提高，一般为普通机床的3-4倍，甚至更高，尤其是对于复杂的零件，加工量大的工件和易出差错的工件，生产率可以大大提高，减轻了工人的劳动强度。

4.2.2数控机床的适应性与灵活性

数控机床具有广泛的适应性和较大的灵活性。

加工完这一种（或这一批）零件后，需要更换为另一种（或另一批）零件时，只需要更换新的零件加工程序。

所以数控机床是产品更新换代频繁时代的首选柔性设备。

4.2.3机床刚性的提高

数控机床进给系统中传动执行机构采用高精度滚珠丝杠传动副，并取消Y向变速环节运动环节，减小调整间隙环节，可以提高机床的运动刚度。

4.2.4采用数控加工工艺，改变受力状况

数控加工工艺如图7所示。

采用数控装置实现两轴联动，即X,Z轴同时发出进给指令，使之形成“之”字形循环进给，与传统工艺相比每一循环减小了吃刀量而增大了进给速度，这样在同等的生产效率下既可以保证改变切削过程中工件的受力状态，减小刀具变形所引起的对称度误差，间接的提高主轴的刚性。

又可以减小刀具的磨损，提高其使用寿命[20]。

5结束语

轴类零件加工外键槽，对称度是关键问题。

在普通机床上加工轴外键槽时，采用传统工艺，会引起刀具的微量变形，从而影响加工精度。

在数控机床上加工外键槽时，采用“之”字形走到路线，可以改善刀具受力，从而提高了加工精度。

在数控机床上加工，比普通机床效率高，质量稳定性好，也可以适应在较大的直径范围内加工轴外键槽，适应性与灵活性更强。

生产加工完这一种（或这一批）零件后，需要更换为另一种（或另一批）零件时，只需要更换新的零件加工程序。

所以数控机床是产品更新换代频繁时代的首选柔性设备。

在大批大量的加工生产中采用专用夹具装夹工件，缩短了辅助时间，提高了生产效率，使批量生产中的精度趋于一致。

本夹具的设计，结构合理，制造容易，定位可靠，对中精度高，操作方便，可以大大提高轴外键槽的对称度，同时还能提高键槽其他方面的加工精度，具有较高的实用价值。

我的课程设计题目是数控加工键槽的夹具设计。

在课程设计过程中，将所学的夹具设计，工艺知识，以及数控知识相结合，掌握一定的设计方法和技巧。

了解了轴外键槽加工中的一些相关问题。

熟悉相关的绘图软件，提高了夹具设计水平。

通过该课题的设计，进一步强化了我的专业知识，比较全面的将大部分的知识点融会贯通，是对所学知识的一次全面的复习；在设计中遇到的问题教材中不一定有，只有通过查资料，请教老师解决，增加了经验。

同时该课题的设计是参加工作前的一次实战演习，熟悉夹具设计的基本过程，了解夹具设计的一些常见的问题，为以后工作打下一定的基础。

通过这次毕业设计，将对我在夹具设计方面的应用和发展情景的认识有着重要的作用，对我的专业知识的升华和以后从事夹具设计有着重要的意义。

致谢

时光飞逝，一转眼我的大学生活就要结束了。

我学到了很多很多的知识，是我人生的一个转折。

我之所以能取得这些成绩，除了有自己的努力外，在我的学习，生活中还得到了很多人的关心和帮助。

在此我要对他们表示衷心的感谢。

首先，我要感谢我的课设指导老师，在课设设计中，他不遗余力地指导和帮助我。

在他孜孜不倦的教诲下，我顺利地完成了课程设计。

赵元老师对工作认真负责的态度，对学生无私的关怀，使我受益良多。

我衷心地感谢他。

在此，我还要感谢在一起舍友，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。

特别感谢我的同学，你们对本课题做了不少工作，给予我不少的帮助。

在课设即将完成之际，我的心情无法平静，在这里祝福大学里跟我风雨同舟的朋友们，一路走好，未来总会是绚烂缤纷。

我们共同努力争取更上一层楼。

本文是在指导老师的悉心指导下完成的。

指导老师具有严谨的治学态度，丰富的实践经验，在治学及做人方面使我受益匪浅。

衷心感谢我的老师和同学。

参考文献

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