粗镗活塞销孔组合机床专用夹具设计.docx
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粗镗活塞销孔组合机床专用夹具设计
摘要
根据设计任务书的要求，本设计说明书针对粗镗活塞销孔组合机床的夹具设计进行说明。
设计中的专用夹具是为活塞零件的粗镗工序所设计的夹具。
此处专用夹具主要包括定位装置、夹紧装置、夹具体及其它装置。
设计的主要内容包括研究原始资料，夹具设计初步方案制定，主要零件的设计说明，绘制夹具总装配图，标注尺寸、技术要求、零件编号及编制零件明细表，绘制夹具零件图。
设计过程中经过对不同方案的比较，最后确定最优方案。
关键词活塞销孔夹具结构设计
Abstract
Bookdesigntaskinaccordancewiththerequirements,thedesignspecificationforroughpistonpinholeboringmachine-specificdescriptionofthefixturedesign.DedicatedfixturedesignforthePistonsroughboringpartsofthefixturedesignprocess.Dedicatedfixturehereincludepositioningdevices,clampingdevices,andotherdevicespecificfolder.Themainelementsofdesignincludingrawdata,thepreliminaryfixturedesignprogramdevelopment,thedesignofthemainpartsthatdrawthegeneralassemblyjig,marksize,technicalrequirements,partnumberandscheduleofthepreparationofparts,drawingpartsdiagramfixture.Thedesignprocessthroughthecomparisonofdifferentprograms,andfinallytodeterminetheoptimalprogram.
Keywords:
piston’stholehole、fixturestructuraldesign
目录
1前言3
2夹具概述4
3活塞零件与组合机床概述4
3.1活塞概述4
3.2粗镗活塞销孔主要技术条件分析6
3.3活塞的材料及毛坯制造7
3.4活塞销孔的机械加工工艺过程的分析7
3.5机床的主要技术参数以及刀具主要参数8
3.5.1机床尺寸参数8
3.5.2机床主要参数计算9
3.5.3安装夹具连接部分尺寸10
4粗镗活塞销孔专用机床的夹具设计11
4.1夹具结构的初步设计方案11
4.1.1工件的定位方案11
4.1.2夹具的引导方式11
4.1.3工件的夹紧机构12
4.1.4夹具体的设计15
4.1.5传动方式16
4.2定位误差分析17
4.3夹具设计的计算17
4.3.1原动力计算17
4.3.2扳手和螺栓的选用18
5夹具（零件）的公差配合和技术条件18
5.1夹具公差的制定以及技术条件18
5.2夹具零件的公差和技术条件18
6总结19
参考文献20
致谢21
1前言
毕业设计是高等工业院校学生毕业前进行的全面综合训练，是培养学生综合运用所学知识与技能解决实际问题的教学环节，是学生在校获得的最后训练机会，也是对学生在校期间所获得知识的检验。
这次设计的题目是：
粗镗活塞销孔专用机床的夹具设计。
通过设计粗镗活塞销孔专用机床的夹具，培养综合运用所学基本理论，基本知识，基本方法和基本技能，分析问题和解决问题的能力。
设计的要求：
设计方案和计标正确，叙述清楚，图纸符合制图规范。
我需学习“机械制造工艺学”，“机床夹具设计”，“组合机床设计”，“机械零件手册”等方面知识和参考资料。
根据原始资料及组合机床的技术参数进行设计夹具，并绘制出解放牌汽车用铝活塞销孔零件图、专用夹具总装图、夹具零件图。
在这次设计中，我明确设计目的，并决定好好把握和利用这踏上工作岗位前的最后一次“演习”机会，仔细查阅资料，精心设计，努力工作，终于完成了这次设计任务，但由于水平和时间有限，设计出专用夹具的总体结构，基本能实现对零件的夹紧工作，并且设计中错误难免，希望老师们批评指正，从而能得到不断的进步。
2夹具概述
机床夹具是在金属切削加工中，用以准确地确定工件位置，并将其牢固地夹紧，以接受加工的工艺装备。
在机床上对工件进行加工时，为了保证加工表面相对其它表面的尺寸和位置精度，首先需要使工件在机床上占有准确的位置，并在加工过程中能承受各种力的作用而始终保持这一准确位置不变，前者称为工件的定位，后者称为工件的夹紧，这一整个过程统称工件的装夹。
工件的装夹，可根据工件加工的不同技术要求，采用先定位后夹紧或在夹紧过程中同时定位两种方式，其目的都是为了保证工件在加工时相对刀具及切削成形运动（通常由机床所提供）具有准确的位置。
工件装夹的方法：
在机床上对工件进行加工时，根据工件的精度要求和加工批量的不同，可采用一下两种装夹方法
（1）找正装夹法—通过对工件上有关表面或划线的找正，最后确定工件加工时具有准确位置的装夹方法。
（2）夹具装夹法—通过安装在机床上的夹具对工件的定位和夹紧，最后确定工件加工时应具有准确的装夹方法。
此法装夹效率高、操作简便和易于保证加工精度，故多在成批或大量生产中采用。
夹具的组成：
定位元件及定位装置，夹紧装置，对刀及导引元件，夹具体，其它元件及装置
在机械制造批量生产中根据加工工件的工艺要求，合理使用夹具是充分发挥机床的作用，保证产品质量，缩短辅助时间，提高劳动生产率，降低生产成本以及减轻劳动强度的重要生产手段，因此机床夹具在机械制造行业中占有十分重要的地位。
3活塞零件与组合机床概述
3.1活塞概述
往复式发动机与压缩机的活塞，是将直线运动变成旋转运动或者将旋转运动转变成直线运动的零件之一。
活塞结构如2-1图所示，平面4称为活塞顶面，它承受气体压力，并受到高温气体的直接作用。
活塞顶面4与环槽5称为活塞头部。
四条圆环形的槽5，其中靠近顶面的三条环槽称为气环槽，在气环槽中放置有弹性的活塞环，用以密封活塞顶面上部燃烧室里的高温高压气体；离顶面最远的一天环槽称为油环槽，在油环槽哦中放置油杯（或称刮油环），把飞溅到汽缸套内壁上多余的润滑油刮去，使油从油环槽的回油小孔3中流回曲轴箱。
活塞下部无环槽部分1为活塞裙部，活塞裙部在活塞工作过程中起导向作用。
活塞中间的贯穿通孔7称为活塞销孔，活塞销孔的两端有锁环槽6，安装挡圈限制活塞销的轴向窜动。
8是短圆柱面与圆锥面的组合部分，称为活塞止口，是为加工活塞而设置的辅助精基准面，在活塞工作过程当中不起作用。
1-活塞裙部2-活塞头部3-回油小孔4-活塞顶面
5-环槽6-锁环槽7-活塞销孔8-活塞止口
图3-1活塞简图
活塞在汽缸里承受高温、高压气体的压力，并将压力经连杆传给曲轴，驱动发动机运转，或将曲轴的旋转压力经连杆、活塞而压缩气体，即空气压缩机。
活塞结构如图。
因工作过程中受力与受热的影响，活塞裙部将产生如图所示的变形。
由于金属分布在活塞销轴方向的刚度小于垂直该方向的刚度，因此在顶面气体压力的作用下，沿活塞销轴向变形量大；同时顶面受高温影响产生热膨胀，而圆周方向金属分布不均，销孔轴线方向金属多，热膨胀量大，也形成销孔轴线方向的膨胀量大于其垂直方向，如2-2图所示。
若裙部原来呈圆形，则受力，受热后的变形结果使裙部变成椭圆形，两项叠加总是使销轴方向为椭圆长轴，垂直销轴方向为椭圆短轴，这样活塞与汽缸套的间隙，在长轴方向减少甚至消失，容易发生强烈摩擦甚至“咬死”。
为了补偿上述变形，应将活塞裙部设计制造成椭圆形，椭圆的长轴在垂直于活塞销轴的方向，并在活塞裙部销轴附近铸造出两块凹坑，增加裙部与汽缸套内壁的间隙。
此外，顶面热量由上向下传递，温度场上面高下面的，热膨胀不均，因此活塞因制成锥形，头部小，裙部大；裙部也带有锥度，大端在下方。
（a）受力变形图（b）受热变形图
图3-2活塞变形示意图
为了进一步减少热传导，有的活塞还铣有横槽和纵向斜槽，以使热变形在开槽处不能连续而减少热变形量。
但铣槽增加了工序，且降低了活塞的刚性和强度，现在这种活塞的应用正在逐步减少，而采用改进活塞材料，改进活塞裙部椭圆形状的方法，以补偿热变形误差。
3.2粗镗活塞销孔主要技术条件分析
粗镗活塞销孔工序所保证的尺寸、形状位置公差中，查《互换性与测量技术基础》可知：
1、粗镗所能够达到的精度等级为IT
；
2、销孔圆度和圆柱度不大于0.05mm，公差等级为
级；
3、销孔对称度不大于0.02mm,公差等级为
级；
4、销孔轴心线对裙部轴心线的垂直度在100mm长度上公差为0.35mm；
5、销孔轴心线在裙部轴心线的对称度不大于0.2mm。
由于是粗镗，尺寸和形位公差采用标注形位公差和尺寸公差相互关系的基本公
差原则“独立原则”，即在图样上给出的尺寸公差和形位公差各自独立，应分别满足要求的公差原则。
对于粗镗，可以允许有退刀痕迹，退刀痕迹是由于在刀杆的自重下使刀具下垂
一定量而在加工是产生的。
下图3-3为工序简图：
图3-3粗镗活塞销孔工序简图
3.3活塞的材料及毛坯制造
在汽油发动机和高速柴油机中，为了减少往复直线运动部分的惯性作用，应采用铜硅铝合金作为活塞材料。
它的化学成分是：
Si4~6%，Cu5~8%,Mg0.2~0.5%,Fe≤1%,其余是铝。
采用铝合金的优点：
导热性好，质量轻，惯性力小，可提高转速，加工工艺性好。
铝合金切削性能好，毛坯铸造可采用金属型压铸，毛坯精度高，活塞销孔也能够铸造出来，因此减少了机械加工量。
铝活塞毛坯在机械加工前要切去浇冒口，并进行时效处理，消除铸造时因冷却不均匀而产生的内应力。
时效处理时将活塞加热至180~200℃，保温6~8小时，自然冷却。
活塞经过时效处理后还能增加强度和硬度。
3.4活塞销孔的机械加工工艺过程的分析
零件名称：
解放牌汽车活塞
材料：
铝合金ZL108
年产量：
25～30万件
活塞外形和内腔形状复杂，裙部为带有锥度的椭圆，外部有直斜槽和横槽，主要表面尺寸精度和活塞销孔的位置精度要求很高。
活塞壁薄，刚性差，在外力作用下很容易变形，受切削热的影响，加工过程热变形也大。
活塞生产属于大批大量生产，工艺上必须采取一些专用工艺装备。
定位基准的选择：
活塞是薄壁零件，容易产生变形，且加工工艺路线又长，若没有一个统一的定位基准，很难达到所要求的位置精度。
目前大多数生产厂均采用止口和端面做辅助精基准面，只有在精车外圆和精磨外圆时，才用止口处直面及顶面上的工艺搭子中心孔组合定位。
止口和端面定位的特点是：
可加工部位多，如裙部、头部、顶面、销孔、横直槽等只要表面，一次装夹情况下，可完成车削外圆、顶面、环槽等加工。
活塞加工多采用专用机床，统一采用同一基准，既能够提高生产率，有能够保证表面位置精度。
活塞销孔的加工：
活塞销孔的技术要求很高，工艺上需安排粗加工、加工及光整加工、销孔加工是活塞加工的主要工序。
铝合金活塞毛坯销孔预先铸造出来，因孔带有锥度（拔模斜度），直接用来定位与夹紧很不方便，经过粗镗销孔后，销孔便可用作有关工序的定位与夹紧表面。
销孔的精加工通常放在金刚镗床上进行，金刚镗床精度高、转速快、切削用量小。
为了保证活塞销孔的尺寸、形状和位置精度，金刚镗床主轴回转中心相对工件定位表面有较高的位置精度，因而可保证加工质量。
3.5机床的主要技术参数以及刀具主要参数
3.5.1机床尺寸参数
机床装料高度的确定：
根据我国普通机床提供的数字取
H4=850（mm）
镗模架厚度75（mm）
工件宽度为102（mm）
工件和镗模架间的距离为27（mm）
夹具底座的总长尺寸（加上补偿铸件的铸造误差15mm，再加上
夹具底座中间底座上固定用的凸台尺寸，每边48mm）
A=315（mm）
L1=240（mm）（工件端面至主轴箱端面在加工终了时的距离）
L2=138（mm）（主轴箱厚度）
L3=102（mm）（工件沿机床长度方向的尺寸）
l1=138（mm）（机床长度方向上，主轴箱与动力滑台的重合长度）
l2=20（mm）（加工终了位置，滑台前端面至滑座端面的距离）
l3=100（mm）（滑座前端面至侧底座前端面的距离）
L=342（mm）
3.5.2机床主要参数计算
查《组合机床设计》表3-11得。
粗镗的镗刀的材料为高速钢采用的镗刀的几何参数为：
主偏角
=45°，前角
o=20°,刃倾角
s=0°.刀尖圆弧半径r
=2.0
.
初定镗孔加工余量为
，切削速度v（m/min）在100~150范围
内选取，初步定为120,即主轴转速为120。
每转进给量f（mm/转）在0.5~1.5范围内选取，但考虑到液压滑台的进给速度v
（40—1000mm/min）（因为液压滑台初选为HY20A型）的限制要取合适的值。
由公式n=1000v/πD得：
n=1000×120/π×27=1414.7（r/min）
v
=f×n取滑台的进给速度为1000，则f=v
/n=1000/1414.7=0.7（mm/r）
最后得每转进给量为0.7（mm/r）.
切削力Fc,切削扭矩M，切削功率N，刀具耐用度T的计
算公式：
初定镗刀装在镗杆上的几何参数为：
主偏角Kψ=45°，前角Ψ。
=20°，刃倾角λs＝0°，刀尖圆弧半径Υε=20（mm）,初定镗孔加工余量ap=1.5mm
（1）切削力Fc=9.81×CFC×apXFC×fyFC×KFC
=9.81×40×1.51×0.70.75×1200×KFC
其中KFC=KMFC×KΥ0FC×KKΥFC×KλsFC×KΥεFC
查《机械制造技术》p48表2-3，得KMFC=1
查表2-4得KΥ0FC=1.0KKΥFC=1.0
KλsFC=1.0KΥεFC=1.0
∴KFC=KMFC×KΥ0FC×KKΥFC×KλsFC×KΥεFC
=1×1.0×1.0×1.0×1.0×1.0
=1
∴Fc=9.81×CFC×apXFC×fyFC×KFC
=9.81×40×1.51×0.70.75×1200×KFC
=9.81×40×1.51×0.70.75×1200×1
=450.4（N）
（2）切削功率：
Pc=Fc×Vc/60×103
=450.4×120/60000
=0.895（kW）
即主运动功率为0.895（kW）
（3），以下数据根据组合机床液压滑台部分的设计：
快进时所需电动机的功率为：
工进时所需电动机功率为：
3.5.3安装夹具连接部分尺寸
因为专用夹具是固定在机床工作台上，所以在机床工作台上铸造有配合夹具体的凸台来定位，厚度为10mm如下图3-4：
图3-4机床-夹具定位件
4粗镗活塞销孔专用机床的夹具设计
4.1夹具结构的初步设计方案
4.1.1工件的定位方案
工件在夹具中的定位应符合定位原理，合理设置定位元件，定位误差
应小于工序公差的三分之一。
1.定位基准的选择：
活塞是薄壁零件，容易产生变形，且加工工艺路线又长，若没有一个统一的定位基准，很难达到所要求的位置精度。
目前大多数生产厂均采用止口和端面做辅助精基准面。
这里用活塞止口及端面定位，消去5个自由度，剩下的转动自由度用一根装在尾座套筒中的削边销插入孔中来定位，从而保证加工余量均匀。
当用螺母与螺杆及压板、压块将活塞压紧后，再将削边销从孔中退出，即可进行加工。
定位元件是夹具体上的短圆柱销（此处短圆柱销与夹具体是一个整体，铸造时一起铸造出来的）和削边销。
止口和端面定位的特点是：
可加工部位多，如裙部、头部、顶面、销孔、横直槽等只要表面，一次装夹情况下，可完成车削外圆、顶面、环槽等加工。
活塞加工多采用专用机床，统一采用同一基准，既能够提高生产率，有能够保证表面位置精度。
4.1.2夹具的引导方式
因为活塞销孔镗至
27，镗削量较小，连接在主轴上的镗杆也不长。
根据《机床夹具设计手册》关于金刚镗床夹具的典型例子其中金刚镗床为刚性主轴，孔的位置精度主要由主轴与夹具之间正确位置保证，夹具没有镗套。
所以，夹具相对主轴的位置要保持很高的精度，从而夹具在机床上的定位和夹紧一定要非常精准和稳定。
这里我们也效仿这个例子，粗镗活塞销孔组合机床采用刚性主轴，可以不采用镗套，节省材料的同时，也简化了总体结构。
4.1.3工件的夹紧机构
夹紧力的作用点和方向应符合夹紧原则。
进行夹紧力的分析和计算，以确定夹紧元件及传动装置的主要尺寸。
工件达到正确夹紧的原则：
（1）在夹紧过程中，不至于因工件重力的影响而破坏正确定位；
（2）在夹紧过程中，夹紧力不应使已经获得正确定位的工件脱离正确位置；
（3）在夹紧过程中，应使工件不产生超出表面形状精度允许范围的变形
（4）在切削过程中，应避免工件产生不能允许的振动在切削过程中，切削力不应破坏工件的正确位置，并使平衡切削所需的夹紧力最小。
依照被夹紧工件的外形结构、加工条件、技术要求等条件，选用螺旋夹紧机构和快速螺旋—联动夹紧机构都能够满足夹紧要求。
由于夹紧机构设计的是否严谨是影响被加工工件加工精度的一个非常重要的因素。
因此要分析这两种夹紧机构，通过对比，选择一种更有利于加工精度要求的夹紧机构。
以下是两种夹紧机构的结构图：
4-1螺旋夹紧机构
·
4-2快速螺旋—联动夹紧机构
比较以上两种夹紧机构,可以发现第一种机构是用刚性压板对两个工
件进行多件夹紧,当采用这种结构时,一旦所夹工件高度（此处指的是活
塞零件上凸台高度）有所误差时,其中一个工件在加工时就很难夹紧,最终导致精度太低,还有可能无法加工。
此夹紧机构违背了夹紧过程中不得改变工件定位时所确定的位置要求。
另外，采用图4-1中的平垫圈，拧螺母耗时多，效率低。
当采用图4-2第二种夹紧机构时,用一个原始力,通过一定的机构对两个相同的活塞零件进行夹紧,这里的结构就是刚性压板和浮动压块组合在一起.这样就能避免前述情况的发生.多件夹紧之所以必须采用浮动连接,是由于被夹紧的工件尺寸有误差,如果采用刚性压板则各工件所受的夹紧力就有可能不一致,甚至有些工件夹不住,所以夹紧元件必须做成能浮动的或能自动调节的,以便补偿工件的相应尺寸偏差。
而且，采用了快速螺旋机构，平垫圈换成了开口垫圈，拧螺母时只需拧到把开口垫圈能取出来的位置就行，大大提高了生产效率。
开口垫圈的示意图如下图3-3所示：
4-3开口垫圈
因此选用图4-2夹紧机构，其中夹紧元件有六角螺母，开口垫圈，压块，压板；连接元件为是螺栓、销轴。
六角螺母选用的是M10，根据《机床夹具设计手册》361页表选用开口垫圈D=35mm，H=7mm；根据《实用机床设计手册》表4.1-22选用螺纹长度b=32mm，则螺栓长度1254-4压板的立体效果图
4-5压块立体效果图
4.1.4夹具体的设计
夹具体一般是夹具上最大和最复杂的基础元件。
在夹具体上，要安装组成该夹具所需要的各种元件、机构和装置，并且还要考虑便于装卸工件以及在机床上的固定。
因此夹具体的形状和尺寸应满足一定的要求，它主要取决于工件的外廓尺寸和各类元件与装置的布置情况以及加工性质等。
所以在专用夹具中，夹具体的形状和尺寸很多是非标准的。
设计时应满足以下基本要求：
应有足够的强度和刚度；
结构简单，具有良好的工艺性；
减轻重量、便于操作；
安放稳定、可靠；
尺寸稳定，有一定的的精度；
便于排屑。
因为前面已经要求夹具安装非常稳定以保证加工精度，此夹具是固定在机床上的夹具应使夹具体重心尽量低，夹具越高，支承面积应越大。
为了使接触面紧密接触，夹具体底面中部一般应挖空。
本设计中夹具体挖空的状况从夹具体零件图中得知，这样的结构符合夹具体的设计要求
（1）.夹具体的毛坯结构：
在选择夹具体的毛坯结构，应以结构合理性、工艺性、经济性、标准化的可能性以及工厂的具体条件为依据综合考虑。
在本设计中所加工的零件需要批量生产，查《机床夹具设计手册》表1-9-1可知应该选用铸造结构。
这种结构容易产生内应力，故应进行时效处理。
材料多采用HT200-400，，这里就定为HT200。
（2）.夹具体外形尺寸的确定：
夹具制造属单件生产性质，为缩短设计和制造周期，减少设计和制造费用，所以夹具体设计，一般不作复杂计算。
通常都是参照类似的夹具结构，按经验类比法估计确定。
查《机床夹具设计手册》表1-9-2得以下参考数据：
夹具体结构部位
经验数据
铸造结构
焊接结构
夹具体壁厚h
8～25mm
6～10mm
夹具体加强筋厚度
（0.7～0.9）h
夹具体加强筋高度
不大于5h
夹具体上不加工的毛面与工件之间的间隙
夹具体是毛面，工件也是毛面时，取8～15mm
夹具体是毛面，工件是光面时，取4～10mm
4.1.5传动方式
因为夹紧件是压板、压块、六角螺母和开口垫圈，所以需要用相应的扳手对六角螺母进行拧紧和拧松。
因此，本设计中以操作工人手臂之力作为动力源利用选定的扳手通过夹紧机构来实现夹紧工作。
4.2定位误差分析
粗镗活塞销孔工序是以零件止口和端面作为基准定位，以工件端面为第一基准在短柱销上定位时，工件为第一基准的端面没有基准位置误差
端位置=0，又因为工序基准和定位基准重合，则
端不重合=0。
第二定位基准为活塞止口，而工序基准为活塞裙部中心线。
因而位置误差为活塞止口对端面的垂直度误差
止位置=L止xtg
=0.052，
不重合=0.185（因为短柱销与活塞的配合为
），即误差
=0.237mm。
4.3夹具设计的计算
（本设计查表选择东北重型机械学院，《机床夹具设计手册》，上海科学技术出版，1987）
4.3.1原动力计算
∵Me=Wk【r`tgρ1+rztg（α+ρ`2）】/η0（N.mm）
其中：
Wk-实际所需夹紧力（N）
r`-螺杆端部与工件间的当量摩擦半径（mm），参见表1-2-20
∵螺杆端部的结构形式为点接触
∴r`=0
ρ1-螺杆端部与工件的摩擦角（º）
rz-螺纹中径之半（mm），初选M10，P=1，查表1-2-21得rz=4.675
α-螺纹升角（º），初选M10，P=1，查表1-2-21得α=1º57`
ρ`2-螺旋副当量摩擦角。
当选用三角螺纹时，由表1-2-22
查得ρ`2=9º50`
η0-除螺旋外机构的效率，其值为0.85~0.95，取0.90
由表1-2-24中，初选螺纹公称直径为10（mm）的螺栓，查得
其许用夹紧力为3924（N），加在螺母上的夹紧扭矩9.320（N.mm）
∴Me=450.4【0+4.675tg（1º57`+9º50`）】/0.9
=484.7（N.mm）
∵M10的许用夹紧力=3924＞450.4（N）
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