回转体的加工工艺与夹具设计.docx
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回转体的加工工艺与夹具设计
题目：
回转体的加工工艺与夹具设计
摘要
本课题是对现有成套的角铁类车床夹具设计进行分析，以便能够解决这一类夹具的设计问题。
分别用CAD和SOLIDWORKS画出本套夹具的平面图和三维图。
为了解决角铁类夹具的设计问题，本课题主要通过三类车床夹具进行分析。
分别是，壳体零件镗孔车端面夹具，镗脱落蜗杆支架孔车床夹具，横拉杆接头内孔车夹具，以及所给零件的工艺分析，计算、编写各工件加工工艺；各工件的定位分析（自由度）；夹具夹紧力的分析与计算；各夹具的三维零件设计、三维装配；夹具三维仿真等。
本课题根据车床夹具的特点，针对具体的回转体工件进行一系列的设计。
关键词：
回转体车床夹具仿真
Workpieces,anditsangleironoftherotarylathefixture3Ddesignandsimulation
Abstract
Thistopicistheanalysisandappraisalofexistingsetsofangleironclasslathefixturedesign,Inordertobeabletosolvetheproblemsofthistypeoffixturedesign.Fixtureinthissetoffloorplansand3DCADandSOLIDWORKSdraw.
Inordertosolvetheproblemofangleironfixturedesign,Themainsubjectofthreetypesoflathefixture.Theyare,Shellpartsboringcarendfixture,Boringoffthewormbracketholelathefixture,Tierodconnectorholecarfixture,Aswellastopartsoftheprocess,Calculatedtowriteeachworkpieceprocessing;workpiecepositioning（DOF）,thefixturepositioningerrorcalculation;analysisandcalculationofthefixtureclampingforce;3Dpartdesignofthefixture,three-dimensionalassembly;fixturesdimensionalsimulation;fixturedrawingsgeneration.
Thesubjectaccordingtothecharacteristicsofthelathefixture,Aseriesofdesignforaspecificrotaryworkpiece.
Keywords:
rotarylathefixturesimulation
主要符号表
背吃刀量
每转进给量
修正系数
安全系数
扭矩
切削力
工件与压板间的圆周方向摩擦因数。
工件与V型块间的圆周方向摩擦因数。
工件与压板间的轴向摩擦因数。
工件与V型块间的轴向摩擦因数。
d内孔直径
D外圆直径
摩擦因数
F
夹紧力（N）
F
作用力（N）
L作用力臂（mm）
d
螺杆直径
α螺纹升角
螺纹处摩擦角.
螺杆端部与工件间的摩擦角.
螺杆端部与工件间的当量摩擦半径
1前言
1.1课题意义和背景及其夹具的发展趋势
夹具最早出现在1787年，至今经历了三个发展阶段。
第一阶段表现为夹具与人的结合。
在工业发展初期。
机械制造的精度较低，机械产品工件的制造质量主要依赖劳动者个人的经验和手艺，而夹具仅仅作为加工工艺过程中的一种辅助工具；第二阶段是随着机床、汽车、飞机等制造业的发展，夹具的门类才逐步发展齐全。
夹具的定位、夹紧、导向（或对刀）元件的结构也日趋完善，逐渐发展成为系统的主要工艺装备之一；第三阶段，即近代由于世界科学技术的进步及社会生产力的迅速提高，夹具在系统中占据相当重要的地位。
这一阶段的主要特征表现为夹具与机床的紧密结合。
在机械制造工业中，为了达到保证产品质量，改善劳动条件，提高劳动生产条件提高劳动生产率及降低劳动成本的目的，在工艺过程中，除机床等设备外，还大量使用着各种工艺装备。
它包括：
夹具、模具、刀具、辅助工具及测量工具等。
因此，广义的说，夹具是一种保证产品质量并便利和加速工艺过程的一种工艺装备。
不同的夹具，其结构形式、工作情况、设计原则都不同。
但就其数量和在生产中所占的地位来说，应以“机床夹具”为首。
所谓机床夹具，就是机床上所使用的一种辅助设备，用它来准确的确定工件与刀具的准确位置，即将工件的定位及加紧，以完成加工所需的相对运动。
所以机床夹具是用以使工件和夹紧的机床附加装置[1]-[2]。
夹具的形式很多，可以按照不同的特点进行分类，现主要按以下类型来进行分类：
a.通用夹具b.专用夹具c.可调夹具d.组合夹具e.自动线夹具[3-[4]
夹具是能够使产品按一定的技术要求准确定位和牢固夹紧的工艺装置，它的主要用于保证产品的加工质量、减轻劳动强度、辅助产品检测、展示、运输等。
保证稳定可靠地达到各项加工精度要求，缩短加工工时，提高劳动生产率，降低生产成本，可由较低等级的工人进行加工，能扩大机床工艺范围。
应用机床夹具，有利于保证机床的加工精度、稳定产品质量；有利于提高劳动生产率和降低成本；有利于改善工人劳动条件，保证安全生产。
1.2国内外的现状和发展状况
我国国内的夹具始于20世纪60年代，当时建立了面向机械行业的天津组合夹具厂，和面向航空工业的保定向阳机械厂，以后又建立了数个生产组合夹具元件的工厂。
在当时曾达到全国年产组合夹具元件800万件的水平[7]。
20世纪80年代以后，两厂又各自独立开发了适合NC机床、加工中心的孔系组合夹具系统，不仅满足了我国国内的需求，还出口到美国等国家。
当前我国每年尚
需进口不少NC机床、加工中心，而由国外配套孔系夹具，价格非常昂贵，现大都由国内配套，节约了大量外汇。
[5]-[6]从国际上看俄国、德国和美国是组合夹具的主要生产国[8]。
当前国际上的夹具企业均为中小企业，专用夹具、可调整夹具主要接受本地区和国内订货，而通用性强的组合夹具已逐步成熟为国际贸易中的一个品种。
有关夹具和组合夹具的产值和贸易额尚缺乏统计资料，但欧美市场上一套用于加工中心的央具，而组合夹具的大型基础件尤其昂贵。
由于我国在组合夹具技术上有历史的积累和性能价格比的优势，随着我国加入WTO和制造业全球一体化的趋势，特别是电子商务的日益发展，其中蕴藏着很大的商机，具有进一步扩大出口良好前景。
1.2.1现代机床夹具的新要求
国际生产研究协会的统计表明，目前中、小批多品种生产的工件品种已占工件种类总数的85％左右[9]。
现代生产要求企业所制造的产品品种经常更新换代，以适应市场的需求与竞争。
然而，一般企业都仍习惯于大量采用传统的专用夹具，一般在具有中等生产能力的工厂里，约拥有数千甚至近万套专用夹具；另一方面，在多品种生产的企业中，每隔3~4年就要更新50~80％左右专用夹具，而夹具的实际磨损量仅为10~20％左右。
特别是近年来，数控机床、加工中心、成组技术、柔性制造系统（fms）等新加工技术的应用，对机床夹具提出了如下新的要求：
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；能装夹一组具有相似性特征的工件；能适用于精密加工的高精度机床夹具；能适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具；采用以液压站等为动力源的高效夹紧装置，以进一步减轻劳动强度和提高劳动生产率；提高机床夹具的标准化程度[10]-[11]。
a.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；
b.能装夹一组具有相似性特征的工件；
c.能适用于精密加工的高精度机床夹具；
d.能适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具；
e.采用以液压站等为动力源的高效夹紧装置，以进一步减轻劳动强度和提高劳动生产率；
f.提高机床夹具的标准化程度。
1.2.2现代机床夹具的发展方向
现代机床夹具的发展方向主要表现为标准化、精密化、高效化和柔性化等四个方面。
标准化机床夹具的标准化与通用化是相互联系的两个方面。
目前我国已有夹具零件及部件的国家标准：
gb/t2148~t2259－91以及各类通用夹具、组合夹具标准等[12]。
机床夹具的标准化，有利于夹具的商品化生产，有利于缩短生产准备周期，降低生产总成本。
b.高效化高效化夹具主要用来减少工件加工的基本时间和辅助时间，以提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度。
常见的高效化夹具有自动化夹具、高速化夹具和具有夹紧力装置的夹具等。
例如，在铣床上使用电动虎钳装夹工件，效率可提高5倍左右；在车床上使用高速三爪自定心卡盘，可保证卡爪在试验转速为9000r/min的条件下仍能牢固地夹紧工件，从而使切削速度大幅度提高。
目前，除了在生产流水线、自动线配置相应的高效、自动化夹具外，在数控机床上，尤其在加工中心上出现了各种自动装夹工件的夹具以及自动更换夹具的装置，充分发挥了数控机床的效率[13]。
c.精密化随着机械产品精度的日益提高，势必相应提高了对夹具的精度要求。
精密化夹具的结构类型很多，例如用于精密分度的多齿盘，其分度精度可达±0.1'；用于精密车削的高精度三爪自定心卡盘，其定心精度为5μm[14]。
d.柔性化机床夹具的柔性化与机床的柔性化相似，它是指机床夹具通过调整、组合等方式，以适应工艺可变因素的能力。
工艺的可变因素主要有：
工序特征、生产批量、工件的形状和尺寸等。
具有柔性化特征的新型夹具种类主要有：
组合夹具、通用可调夹具、成组夹具、模块化夹具、数控夹具等。
为适应现代机械工业多品种、中小批量生产的需要，扩大夹具的柔性化程度，改变专用夹具的不可拆结构为可拆结构，发展可调夹具结构，将是当前夹具发展的主要方向[15]。
1.3夹具的作用及意义
1.3.1夹具的研究意义
a.缩短辅助时间，提高劳动生产率，降低加工成本。
b.保证加工精度稳定加工质量。
c.降低对工人的技术要求，减轻工人的劳动强度，保证安全生产。
d.扩大机床的工艺范围，实行一机多能。
1.3.2夹具的作用
a.缩短辅助时间，提高劳动生产率；
b.可靠稳定定位，提高了加工精度的稳定性，便于实现工艺过程自动化；
c.扩大机床使用范围；
e.降低对工人技术等级要求和减轻工a人劳动强度。
1.4本课题研究的难点和重点
1.4.1研究难点
a所给零件的工艺分析，计算、编写各工件加工工艺；
b各工件的定位分析（自由度）、夹具的定位误差计算；夹具夹紧力的分析与计算；
c各夹具的三维零件设计、三维装配；
d重点夹具三维仿真；
e重点夹具工程图生成；
1.4.2研究重点
分别用CAD和SOLIDWORKS画出本套夹具的平面图和三维图。
1.4.3研究目的
通过介绍3种回转体类零件夹具的设计，用以研究出回转体类夹具设计的通用方法，解决这一类夹具的设计问
2镗脱落蜗杆支架孔车床夹具
2.1零件的设计
2.1.1零件图的绘制
脱落蜗杆支架零件图如图2.1所示。
其中A图为三维图，B图为二维简图。
A三维图B二维简图
图2.1脱落蜗杆支架零件图
2.1.2零件加工工艺过程
拟定工艺路线的出发点，应当是使两件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求能得到合理的保证。
在生产纲领已确定为大批生产的条件下，可以考虑采用通用机床配以专用夹具，并尽量使工序集中，或采用数控机床、加工中心等提高生产率。
第一种工艺加工工艺过程如表2.1所示。
表2.1第一种工艺加工工艺过程
工序
内容
设备
1
铸造
2
脱模，达到粗糙度要求
3
粗铣左端面，留加工余量0.5
铣床
4
精铣左端面
铣床
5
粗铣右端面，留加工余量0.5
铣床
6
精铣右端面
铣床
7
粗铣凸台，留加工余量0.5
铣床
8
精铣凸台
铣床
9
粗镗孔，留加工余量0.5
车床
10
精镗孔
车床
11
粗车前端面，留加工余量0.5
车床
12
精车前端面
车床
13
检验
14
入库
第二种加工工艺过程如表2.2所示。
表2.2第二种工艺加工工艺过程
工序
内容
设备
1
铸造
2
脱模，达到粗糙度要求
3
粗铣左端面，留加工余量0.5
铣床
4
精铣左端面
铣床
5
粗铣右端面，留加工余量0.5
铣床
6
精铣右端面
铣床
7
粗铣凸台，留加工余量0.5
铣床
8
精铣凸台
铣床
9
粗车前端面，留加工余量0.5
车床
10
精车前端面
车床
11
粗镗孔，留加工余量0.5
车床
12
精镗孔
车床
13
检验
14
入库
加工工艺过程遵循先面后孔的原则，比较两个工序过程可以发现，铸造脱模铣端面都一样，但在车床上装夹后，第一个工艺过程是先孔后面，根据加工工艺遵循的先面后孔的原则，选择第二个工艺过程比较合适。
2.1.3本工序工序
机械加工工序卡如表2.3所示。
表2.3工序卡
序号
工序名称
内容
设备
1
粗车
粗车前端面，按照图纸要求进行加工，留有0.5的加工余量
车床
2
精车
精车前端面，按照图纸要求进行加工，达到加工尺寸公差要求。
粗糙度等都达到要求。
车床
3
粗镗
粗镗孔，按照图纸要求进行加工，留有0.5的加工余量
车床
4
精镗
精镗孔，按照图纸要求进行加工，达到加工尺寸公差要求，粗糙度等都达到要求。
车床
2.1.4加工要求
加工中以大小外圆、端面和凸台外形为定位基准，利用车床进行加工，加工过程中首先粗车，留有0.5的加工余量，然后进行精车，达到尺寸公差要求，并且行为公差中的平行度、平面度均应达到了图纸要求。
粗糙度达到了精车的要求。
之后粗镗，留有0.5加工余量，在精镗，达到尺寸公差要求，并且行为公差中的平行度、平面度均应达到了图纸要求。
粗糙度达到了精车的要求。
2.1.5工序参数
a设备：
车床
b刀具：
硬质合金焊接刀具
c加工余量：
粗车为0.5，粗镗为0.5
d切削用量：
1mm
e生产类型：
机加工
2.2零件定位设计
2.2.1基准的选择
基面选择是工艺规程设计的重要工作之一。
基面选择的正确与合理是加工质质量得到保证，生产率得以提高。
否则，加工工艺过程中回问题百出，更有甚者，还会造成零件的大批量报废，使生产无法正常运行。
1）.粗基准的选择。
如果必须首先保证工件某重要表面的余量均匀，就应该选择该表面作为粗基准面。
如果必须首先保证工件上加工表面与不加工表面之间的位置要求，则应以不加工表面作为粗基准面，如果工件上有好几个不需要加工的表面，则应以其中与加工表面的位置精度要求比较高的表面为粗基面，以求壁厚均匀、外形对称等。
若零件上每个表面都要加工，则英爱以加工余量最小的表面最为粗基准面，使这个表面在以后的加工中不会留下毛坯表面而造成废品。
应该用毛坯制造中尺寸的位置比较可靠、平整光洁的表面作为粗基面。
2）.精基准的选择。
应尽可能选用设计基准作为定位基准，这称为基准重合原则。
特别在最后精加工时，为保证精度，更应该注意到这个原则。
这样可以避免以基准不重合而引起的定位误差。
应尽可能选用统一的定位基准面加工各表面，以保证各表面间的位置精度，称为统一原则。
还要遵循互为基准原则，反复加工原则。
有些精加工工序要求加工余量小而均匀，以保证加工质量的提高生产率，这是就以加工面本身作为精基面，称为自为基准原则。
脱落蜗杆支架零件三维图如图2.3所示。
图2.3脱落蜗杆支架零件
根据粗基准选择的原则和精基准选择的原则，工件以
35外圆、端面和
65外圆及凸台外形为基准。
2.2.2定位元件设计
任一刚体在空间都有六个自由度，即x、y、z三个坐标轴的移动自由度x、y、z，以及绕此三个坐标的转动自由度。
要使它在机床上（或夹具中）完全定位，就必须限制它在空间的六个自由。
夹具定位分析三维图如图2.4所示。
图2.4定位元件三维图
工件在V型架，定位块，及两个支撑钉上定位。
工件的六个自由度都被约束，工件达到完全定位。
X轴方向，V型块约束了移动自由度和转动自由度，Y方向上，支撑钉约束了移动自由度，定位销和V型块共同约束了转动自由度。
Z方向上，V型块约束了移动自由度和转动自由度。
2.2.3定位误差分析
（1）定位元件尺寸及公差的确定。
夹具的主要定位元件为支撑钉和V型块，该定位元件的尺寸与公差规定为与本零件在工作时与其相配定位元件的尺寸与公差相同。
（2）零件图样规定:
既最大侧隙能满足零件的精度要求。
（3）镗内孔是定位元件所引起的位置误差。
2.3夹紧机构设计
2.3.1夹紧方式
本设计采用螺旋夹紧机构，即由螺杆等元件组成的夹紧机构
2.3.2所需夹紧力的计算
切削力及夹紧力计算
加工为在车床上镗孔车端面
刀具：
硬质合金焊接刀具d=Φ80mm
所以
式中
--背吃刀量
--每转进给量
--修正系数
工件在V型架，定位块，及支撑钉上定位，查表可得实际所需夹紧力的公式为：
防止工件转动：
防止工件移动：
式中
--安全系数
--扭矩
--切削力
--工件与压板间的圆周方向摩擦因数。
--工件与V型块间的圆周方向摩擦因数。
--工件与压板间的轴向摩擦因数。
--工件与V型块间的轴向摩擦因数。
查表经计算，所需夹紧力为524
如上所述，本设计采用螺旋夹紧机构，即由螺杆等元件组成的夹紧机构。
2.3.3验算夹紧力
根据夹紧状态下螺杆的受力情况和力矩平衡条件
F
L=
F
=
式中F
——夹紧力（N）
F
——作用力（N）
L——作用力臂（mm）
d
——螺杆直径
α——螺纹升角
——螺纹处摩擦角.
——螺杆端部与工件间的摩擦角.
——螺杆端部与工件间的当量摩擦半径（mm）
所以有F
=
=
=
=3075.73N
显然F
=3075.73N>524N=F
故本夹具可安全工作。
2.4其它元件设计
2.4.1夹具体
夹具体三维图如图2.5所示。
图2.5夹具体
2.4.1夹具工作精度分析
工件以
35外圆、端面和
65外圆及凸台外形为基准。
工件在V型架，定位块，及两个支撑钉上定位。
工件的六个自由度都被约束，工件达到完全定位。
X轴方向，V型块约束了移动自由度和转动自由度，Y方向上，支撑钉约束了移动自由度，定位销和V型块共同约束了转动自由度。
Z方向上，V型块约束了移动自由度和转动自由度。
拧紧螺钉，夹紧或松开工件。
证明该夹具能稳定可靠地保证工件的加工技术要求，且结构简单、操作方便，所以该夹具设计是可行的。
2.5夹具的仿真
利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统，又称模拟。
这里所指的模型包括物理的和数学的，静态的和动态的，连续的和离散的各种模型。
所指的系统也很广泛,包括电气、机械、化工、水力、热力等系统,也包括社会、经济、生态、管理等系统。
当所研究的系统造价昂贵、实验的危险性大或需要很长的时间才能了解系统参数变化所引起的后果时，仿真是一种特别有效的研究手段。
仿真的重要工具是计算机。
仿真与数值计算、求解方法的区别在于它首先是一种实验技术。
仿真的过程包括建立仿真模型和进行仿真实验两个主要步骤。
3横拉杆接头内孔车夹具设计
3.1零件的设计
3.1.1零件图的绘制
横拉杆接头零件图如图3.1所示。
其中A图为三维图，B图为二维简图。
A三维图B二维简图
图3.1横拉杆接头零件图
3.1.2零件加工工艺过程
横拉杆接头零件加工工艺过程如表3.1所示。
表3.1横拉杆接头零件加工工艺过程
工序
内容
设备
1
脱模，到达工件粗糙度要求
2
粗车前端面，留加工余量0.5
车床
3
精车前端面
车床
4
粗镗孔，留加工余量0.5
车床
5
精镗孔
车床
6
攻内螺纹
车床
7
检验
8
入库
3.1.3本工序工序卡
本工序加工的工序卡如表3.2所示。
表3.2机械加工工艺卡
序号
工序名称
内容
设备
1
粗车
粗车前端面，按照图纸要求进行加工，留有0.5的加工余量
车床
2
精车
精车前端面，按照图纸要求进行加工，达到加工尺寸公差要求。
粗糙度等都达到要求。
车床
3
粗镗
粗镗内孔，按照图纸要求进行加工，留有0.5的加工余量
车床
4
精镗
精镗孔，按照图纸要求进行加工，达到加工尺寸公差要求，粗糙度等都达到要求。
车床
5
钳
攻内螺纹
车床
3.1.4加工要求
加工中以内孔。
端面和外圆为基准，利用车床进行加工，加工过程中首先粗车，然后进行精车，达到尺寸公差要求，并且行为公差中的平面度均应达到了图纸要求。
粗糙度达到了精铣的要求。
之后粗镗、精镗，达到尺寸公差要求，并且行为公差中的平面度均应达到了图纸要求。
粗糙度达到了精铣的要求。
最后功内螺纹。
3.1.5使用参数
（1）设备：
普通车床
（2）刀具：
车端面镗孔用硬质合金焊接刀具攻丝用丝锥
（3）加工余量：
粗车为0.5粗镗为0.5
（4）切削用量：
1mm
（5）生产类型：
机加工
3.2零件定位设计
3.2.1基准的选择
横拉杆接头零件如图3.2所示。
图3.2横拉杆接头零件
根据粗基准选择的原则和精基准选择的原则，工件以内孔、端面和外圆为基准。
3.2.2定位元件设计
定位元件分析三维图如图3.3所示。
图3.3定位元件三维图
工件以内孔、端面和外圆在定位销、夹爪上定位。
工件六个空间自由度都被约束，达到完全定位。
定位销限制了除Z方向上转动自由度以外的其他全部自由度，夹爪限制了Z方向的上的转动自由度。
3.2.3定位误差分析
（1）定位元件尺寸及公差的确定。
夹具的主要定位元件为压板，该定位元件的尺寸与公差规定为与本零件在工作时与其相配定位元件的尺寸与公差相同。
（2）零件图样规定:
既最大侧隙能满足零件的精度要求。
（3）镗内孔是定位元件所引起的位置误差。
3.3夹紧机构设计
3.3.1夹紧方式
本设计采用螺旋夹紧机构，即由螺杆等元件组成的夹紧机构
3.3.2所需夹紧力的计算
切削力及夹紧力计算
加工为在车床上镗孔
刀具：
硬质合金焊接刀具
所以
式中
--背吃刀量
--每转进给量
工件内孔定位，端面夹紧工件，查表可得实际所需夹紧力的公式为：
式中d--内孔直径
D--外圆直径
--摩擦因数
查表经计算，所需夹紧力为736
如上所述，本设计采用螺旋夹紧机构，即由螺杆、螺母、垫圈、压板等元件组成的夹紧机构。
3.3.3验算夹紧力
根据夹紧状态下
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