机械工艺夹具毕业设计70涡轮盘液压立拉夹具设计.docx

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机械工艺夹具毕业设计70涡轮盘液压立拉夹具设计

摘要

涡轮盘是航空发动机上十分重要的零件，它的精度高、机械加工难度大，处在高速、高温的环境下工作，是关键复杂构件，在整个涡轮机加工中也是一个难点。

而在涡轮盘机械加工中，工作量最大、难度最高的是涡轮盘榫槽加工。

涡轮盘榫槽夹具可以保证加工精度高，提高加工效率。

因此夹具设计是榫槽加工中的一个重要环节。

本文通过对涡轮盘榫槽类型结构、加工工艺、夹具设计及使用情况的分析，阐述了定位基准的选择，压紧方式的确定，正确的复杂空间尺寸及角度计算和高精度的分度机构设计的过程，完成了涡轮盘榫槽重要夹具工装的设计，提出了针对整体工艺装备提高榫槽表面粗糙度的解决方法。

关键词：

涡轮盘榫槽空间角度计算步伐式双销联动分度装置

Abstract

Theturbinediskisontheaircraftenginetheextremelyimportantcomponents,foritshighprecision,thehardmachine-finishing,underthehighspeedhightemperatureenvironmentworks,isthekeycomplexcomponent,intheentireturbineprocessingalsoisadifficultpoint.Moreoverintheturbinediskmachine-finishing,theturbinedisktroughprocessingiswhattheworkloadisbiggest,thedifficultyishighest.Theturbinedisktroughfixturemayguaranteetheprocessingprecisionishigh,enhancestheprocessingefficiency.Thereforethefixturedesignintroughprocessingisanimportantlink.

Thisarticlethroughtoanalysistheturbinedisktroughtypestructure,theprocessingcraft,thefixturedesignandtheservicecondition,elaboratedthelocalizationdatumchoice,contractsthewaythedetermination,thecorrectcomplexspatialsizeandtheanglecomputationandthehighaccuracyrulingengineconstructiondesignprocess,hascompletedthedesigningoftheturbinedisktroughimportantfixtureworkclothes,proposedthesolutionofenhancestroughthesurfaceroughnessinviewoftheoverallcraftequipment.

Keywords：

troughtheworkingsurfacespatialanglecomputation

speedsteptypedoublesellsthelinkageaxialtobedividedtheequipment

摘要……………………………………………………………………………I

Abstract…………………………………………………………………………II

第1章绪论……………………………………………………………………1

1.1机床夹具及其功用…………………………………………………1

1.2现代机床夹具的发展方向…………………………………………1

1.3现代工业对夹具设计的基本要求…………………………………2

1.4项目提出的背景……………………………………………………2

1.5项目研究的方法、预期结果及意义………………………………3

第2章涡轮盘榫槽加工特点与工艺装备……………………………………4

2.1涡轮盘榫槽的加工特点……………………………………………4

2.2拉削特点……………………………………………………………4

2.3拉削分类……………………………………………………………4

2.4拉削速度……………………………………………………………5

2.5拉削表面粗糙度……………………………………………………5

2.6工艺装备……………………………………………………………6

第3章涡轮盘液压立拉夹具的设计…………………………………………7

3.1设计方案的确定……………………………………………………7

3.1.1任务来源与状况……………………………………………7

3.1.2定位机构与定位原则………………………………………10

3.1.3定位基准的选择……………………………………………11

3.1.4定位误差的分析和计算……………………………………11

3.1.5压紧方式的确定……………………………………………14

3.2立拉夹具结构的设计………………………………………………15

3.2.1夹具的结构及特点…………………………………………15

3.2.2夹具底座设计………………………………………………17

3.2.3正确的复杂空间尺寸及角度计算…………………………20

3.2.4高精度的分度机构设计……………………………………22

3.2.5方便快捷的液压驱动系统…………………………………28

第4章液压分度夹具的使用与调整…………………………………………30

4.1液压分度夹具使用…………………………………………………30

4.1.1加工前的准备………………………………………………30

4.1.2控制过程……………………………………………………30

4.1.3拉削试件……………………………………………………30

4.2液压分度夹具的调整………………………………………………31

4.2.1夹具安装的调整……………………………………………31

4.2.2分度及锁紧机构的调整……………………………………31

第5章经济分析………………………………………………………………32

第6章专题论文………………………………………………………………33

结论……………………………………………………………………………45

致谢……………………………………………………………………………46

参考文献………………………………………………………………………47

附录1…………………………………………………………………………48

附录2…………………………………………………………………………57

第一章绪论

1.1机床夹具及其功用

机床夹具是在机床上将工件定位、夹紧，将刀具进行导向的一种装置，简称夹具。

其作用是在产品加工过程中，保持产品零部件和加工工具的相对位置，从而保证了最终产品技术要求中的位置精度。

由于不同的工艺过程中使用不同的夹具。

各类夹具中以机床夹具发展最早、最成熟、精度要求最高、在各类夹具中比重也最大。

辅助工具是将刀具在机床上进行定位、夹紧的装置，如钻夹头，铣刀杆及镗刀杆等。

工艺装备是指在加工过程中，使用的刀具、夹具、量具及其他辅助工具的总称。

夹具的功用：

（1）保证加工质量

机床夹具的首要任务是保证加工精度，特别是保证被加工工件的加工面与定位面之间以及被加工表面互相之间的位置精度。

使用夹具后，这种精度主要靠夹具和机床来保证，不再依赖与工人的技术水平。

（2）提高劳动生产率和降低生产成本

用夹具装夹工件，避免了工件逐渐找正和对刀，缩短了安装工件的时间；用夹具容易实现多件、多工位加工，提高了劳动生产率；且还可以边加工边安装工件，使机动时间与辅助时间重合，进一步缩短辅助时间，从而降低了生产成本。

（3）扩大机床的工艺范围

在机床上安装夹具可以扩大起工艺范围，如在铣床上加一个转台或分度装置，可以加工有等分要求的零件；在车床上或钻床上安放镗模后，可以进行箱体孔系镗削加工，是车床、钻床具有镗床的功能。

（4）减轻工人的劳动强度可采用气动、液动及电动的夹紧机构。

1.2现代机床夹具的发展方向

现代工业的一个显著特点是：

新产品发展快，质量要求高，品种规格多，产品更新换代周期短。

反映在机械工业上，多品种、小批量生产在生产类型比例中，占了很大比重。

为了适应这一要求，必须做好生产技术准备工作，而机床夹具是这一工作的重要组成部分。

现代机床夹具的发展方向主要表现在：

（1）标准化

完善的标准化，不仅指现有夹具零部件的标准化，而且对应各种类型夹具应有标准的结构。

这样可以使夹具的设计、制造和装配工作简化，有利于缩短生产周期和降低成本。

（2）可调化、组合化

这样做可以扩大专用夹具的使用范围，改变以往工艺条件稍有变化就导致专用工装报废的现象，使夹具能重复利用。

实行组合化的原则设计工装，用少量元件能满足多种要求。

（3）精密化

随着机械产品加工、装配精度日益提高，高精度机床大量涌现，势必要求机床夹具的精度也相应地越来越高。

（4）高效自动化

为了既改善劳动条件，实现文明生产，使所设计的工装更符合人机工程学原理，以提高生产效率，又能降低加工成本，对夹具提出高效自动化的要求，以便获得良好的经济效益。

（5）模块化

通过采用模块化设计，可以提高设计效率，缩短设计周期。

1.3现代工业对夹具设计的基本要求

（1）稳定地保证工件的加工精度

（2）提高机械制造行业的劳动生产率

（3）结构简单、有良好的结构工艺性并且操作简便、能改善劳动条件

（4）应能降低产品的制造成本

1.4项目提出的背景

涡轮盘是航空发动机的重要零件,涡扇发动机的外函推力完全来自于风扇所产生的推力，风扇的好坏直接的影响到发动机的性能。

其中的关键件涡轮盘与相应的轴、叶片相连接处在高速、高温的环境下工作，是关键复杂构件。

其机械加工特点表现为榫槽加工精度高、空间角度复杂，材料难加工等。

它们的设计、工艺和制造水平决定了发动机的经济性、安全可靠性、寿命、维修周期等性能指标。

现在涡轮盘材质多采用GH698，属镍基合金，Ni含量大于70%，加工硬化严重，切削加工性非常差。

机械加工难度大，在整个涡轮机加工中也是一个难点。

而在整个涡轮盘的机械加工中，工作量最大、难度最高的是轮盘榫槽加工。

因此本文主要是围绕在拉削涡轮盘榫槽这一工序过程中所使用的专用夹具为中心，研究了拉削涡轮盘榫槽的立式拉床夹具的结构设计、调整和使用。

1.5项目研究的方法、预期结果及意义

该夹具主要用于拉削航空发动机涡轮盘上的榫槽，榫槽本身精度主要由拉刀设计、制造精度和拉削方法保证；榫槽的相对精度，如榫槽至中心控制尺寸、榫槽均布误差等就主要由该夹具来保证。

因此在确定该夹具的设计方案时，首先对工序图进行分析，了解本工序需要保证的尺寸精度和位置精度。

为了使所设计的夹具能够保证零件所要求的精度，必须对涡轮盘进行精确地定位和准确地分度。

为了能够减轻劳动强度，提高劳动生产率，尽量缩短本工序的辅助时间，动力系统采用液压装置。

此液压分度夹具与移动安装座的定位是靠移动安装座上的两个定位销，通过四个M20螺栓连接固定。

零件安装到分度夹具上，用螺栓压紧；将拉刀按顺序放入拉刀盒中，拉刀盒通过刀柄与拉床主轴连接。

通过采用合理的定位装置和分度机构，该夹具应该能够保证零件要求的尺寸和位置精度。

涡轮盘是航空发动机上一个十分重要的零件，然而在整个涡轮盘的机械加工过程中，精度要求最高，难度最大就是涡轮盘上的榫槽的加工这一工序，因为榫槽必须要和叶片上的榫头相配合。

它们之间的配合精度要求也是很高的。

综以上分析，本道工序所要加工的涡轮盘榫槽对于整个发动机的质量和性能都有着十分重要的影响，所以本工序所专用的夹具的设计制造有着十分重要的意义。

第二章涡轮盘榫槽的加工特点与工艺装备

2.1涡轮盘榫槽的加工特点

通常周向榫槽采用精密车床、专用夹具、专用刀杆、成型刀片进行加工，而各种形状复杂的周向榫槽常用铣床铣削和拉床拉削来加工。

由于燕尾式榫槽结构不规则，形状复杂，而且表面粗糙度要求在Ra0.8以上,若采用铣削加工，必须通过粗铣、半精铣、精铣三道工艺，才有可能使榫槽达到要求的表面粗糙度，并且劳动强度大，效率低，加工精度难以保证，在批量生产中已经很少采用了，故而多采用拉削加工。

2.2拉削特点

拉削是一种高精度、高效率的可最终成型的机械加工方法，用于加工各种形状的内、外表面，以及具有旋转运动的螺旋槽等。

特别适合加工精度高、表面质量要求高的成批和大量生产的零件。

现已广泛用于航空发动机各级圆盘、叶片榫头、涡轮盘、压气机盘、安装板等零部件的加工，但必须配以专用的刀具、量具、及其它辅具。

拉削加工适合批量生产。

生产准备周期长、复杂，费用很高。

加工质量特点：

精度较高，可以达到0.015mm,粗糙度较难达到Ra0.8。

尺寸一致性好。

2.3拉削分类

拉削按拉削速度分成两种：

低速拉削和高速拉削。

榫槽的拉削过去常在卧式液压内拉床上进行，由于效率低、质量不稳定、劳动强度大等缺点，已逐步被淘汰。

目前在航空零件上多采用高速拉床进行拉削。

实践证明，在相同条件下，高速拉削的零件表面质量优于低速拉削的表面质量。

有的材料如：

钛合金、不锈钢等用低速拉削无法保证其表面质量，必须采用高速拉削。

高速拉削或在高速拉床上低速拉削难加工材料，都有提高榫槽的尺寸精度、位置精度，并减小表面粗糙度值，是较先进的拉削方法。

高速拉削所用的拉床，其结构刚性好，滑枕行程长，选用拉削速度范围广，速度快，传动平稳，精度高，分度精度高，拉刀制造和刃磨方便，锥角和螺旋角可调，自动化程度高，冷却润滑效果好。

这样，不仅提高了生产率，而且大大降低了生产成本。

高速拉削的拉刀大都采用超硬型高速钢，如钼-钴和钨-钴类高速钢，这种刀具材料具有良好的机械性能，抗弯强度和冲击韧性均优于其他一些材料，并具有良好的加工性能，能在高温、高压及高速下长期工作。

这样有利于实现拉削自动化。

2.4拉削速度

高速拉削由于在提高加工表面质量延长拉刀寿命等方面比低速拉削具有明显的优越性，因此现代拉削中多采用高速拉削。

不同的零件材料，或即使相同的材料热处理工艺不同，也会影响拉削速度。

实际生产中是通过试拉来确定具体零件材料高速拉削的速度。

在较低的速度下拉削，拉削的表面质量还比较好，拉削速度不断提高，到一定速度后，拉削表面质量下降，甚至出现鳞刺，继续提高速度，拉削表面质量开始好转，到一定速度下，拉削面质量达到最佳，这时的速度就是这种材料的高速拉削速度。

2.5提高榫槽粗糙度方法

在实际加工中，发现涡轮盘榫槽表面粗糙度达不到所要求的Ra1.6μm。

为提高加工质量，从整个工艺系统采取了多方面的积极措施。

（1）拉刀制造中采用整形铲齿背工艺代替原磨后角的方法，保证刀齿沿整个切削刃的轮廓上都有同样的顶部后角值，可以提高榫槽尺寸精度和表面质量，减少刀具磨损。

（2）在拉刀设计中，粗拉刀按渐切式方法设计，精拉刀采用分段成型式方法设计，整个型面圆滑过度。

在精拉成型拉刀上设计有2-5个几何参数尺寸完全相同的校正齿，用以消除盘类件弹性变形引起的型面尺寸收缩。

（3）拉削是大切削刃面，多齿强力切削过程，产生大量切削热，同时加工面被进、出口处的刀齿包容，切削热不容易被冷却液带走，需要用大流量、大热容量的冷却润滑液强制冷却，以降低温升。

在实际中建议使用车间以进口的含极压添加剂（如硫、氯、磷等）的高速拉削冷却润滑液进行冷却效果非常好，加工涡轮盘榫槽表面粗糙度基本可以达到产品要求。

（4）提高整个工艺装备的刚性，使拉削质量稳定，保证榫槽表面精度及表面粗糙度。

现有拉床及其底座和拉刀盒因长期使用已磨损，配合间隙增大，使加工不确定性增加。

使用车间新购置拉床及相关配套设备。

2.6工艺装备

加工涡轮盘零件榫槽时，榫槽的自身精度主要由拉刀设计、制造精度和拉削方法保证；榫槽的相对精度，如榫槽至涡轮盘中心尺寸、榫槽均布误差、榫槽中心对称及榫槽的空间位置等，主要由夹具保证。

榫槽的精度以及尺寸检验需要专用的测具和仪器来进行检测。

拉削时所用拉刀为分段组合形式，它根据被拉型面要求，由每段拉刀分别担负一定的切削部分和切削量。

这些功能不同，长短不一的分段拉刀组合，并定位压紧在拉刀盒内，成为一个完整的组合拉刀。

目前常用拉刀材料为M42（W2Mo9GrCo8）。

在加工零件前要进行拉刀的预调，就是先拉削试件，若试加工后的零件尺寸有偏差，操作者在拉床上微调相关的拉刀片和工作台与拉刀的距离，直至加工出合格的产品，才开始正式件的加工。

拉削使用的切削液除起冷却润滑作用外，还起到一定的排屑作用，钛合金等难加工材料通常采用油基切削液，并加入添加剂（如硫、氯、磷等）来提高渗入和油膜抗压能力，从而提高冷却润滑效果。

第三章涡轮盘液压立拉夹具的设计

3.1设计方案的确定

3.1.1任务来源与状况

现有条件：

1.被加工零件情况

涡轮盘是航空发动机的一个重要零件,它的空间角度复杂，榫槽采用拉削加工，零件产品模型见图3—1：

图3—1涡轮盘

此次加工的涡轮盘榫槽为周向燕尾式榫槽，槽数22。

起始榫槽与涡轮盘中心偏心11.5±0.15,榫槽空间角度54°±5′及15°19′±5;同时保证槽底面上的F点到涡轮盘中心线距离64.8

，榫槽配合表面粗糙度Ra0.8。

均布要求不大于0.07mm。

涡轮盘产品机械加工精度见图3—2：

图3—2涡轮盘榫槽加工工序简图

涡轮盘材料为钛合金（TC11），钛合金具有强度高、中温性能好和耐腐蚀等优点，拉削时由于钛合金弹性模量小，加工后回弹，使零件尺寸会发生变化，其变化的大小与拉刀的材料及锋利程度有关。

2.拉床

现有立式拉床L720A一台，（见图3—3）。

用于拉削平面或成型面，生产效率高，适用于大量生产及成批生产。

该机床采用液压传动，工作平稳，能无级调速，并有超负荷保险装置。

机床具有自动循环、半自动循环和两种分段循环等四种工作循环，主要动作可单独点动调整，能满足各种生产场合的需要。

机床由一个总按钮站操纵，操作方便。

图3—3L720A立式拉床

L720A性能参数为：

额定拉力×最大行程200KN×1250mm

拉削速度（无级调速）1.5-11m/min

拉刀返回速度（无级调速）7-20m/min

工作台最大行程155mm

工作台台面尺寸550×630mm

床台底面至工作台面距离1620mm

流量300L/min

最大工作压力10Mpa

电机总容量22.25kw

主电动机22kw

外形尺寸（长×宽×高）4050×2487×3855mm

净重（约）10000kg

试件拉削面对基面的垂直度0.04/300mm

3.拉刀

加工涡轮盘榫槽的拉刀为专用拉刀，采用分段组合形式，共分7段。

根据被拉削榫槽型面的要求，由每段拉刀分别担负一定的切削部位和切削量。

这些功能不同、长短不一的分段拉刀将被分为三组，分别定位夹紧在拉刀盒子内，成为完整的组合拉刀。

3.1.2定位机构与定位原则

1.定位机构

定位装置的作用是确定工件在夹具中的位置。

定位元件通常采用平面、圆柱面、锥面等来实现工件的定位。

工件定位时，只要将工件上定位基准与夹具上的定位表面互相接触，就可获得正确的位置，不需要任何的调整与找正。

2.定位原则

根据六点定位原则，任何一个刚件在三维空间内相对于三个互相垂直的坐标轴来说，都有六种运动的可能性，即可以沿着X轴、Y轴、Z轴移动，也可以绕着X轴、Y轴、Z轴转动，即有六个自由度。

使工件定位，就是合理布置六个支承点来限制工件的六个自由度，使工件得到确定的位置。

如何消除工件的不定度？

最典型的方法就是在夹具中设置六个支承点，如下图3—4所示。

图3—4

平面A放在三个支承点上，消除了

、

、

三个不定度；B平面消除了

、

两个不定度；C平面消除了

一个不定度；根据工件形状的不同，定位基准的不同，定位点的分布还会有其它各种布置情况。

由于涡轮盘产品图上对榫齿的圆周位置具有角向要求，故设计夹具时零件需要限制六个自由度才能满足产品图纸的要求。

3.1.3定位基准的选择

制定零件的加工工艺过程，定位基准的选择是个很重要的问题。

夹具上的定位机构就是根据定位基准的形状、数量和精度而具体进行设计的。

定位基准和定位方法不但影响工件的加工精度，而且直接影响夹具结构的繁简、制造的难易和使用的方便程度。

因此，设计夹具时，首先应对定位基准进行必要的分析。

定位基准的选择原则

（1）遵循基准重合原则，选择工件图纸上的设计基准作为定位基准。

如果违背这一原则，将会产生定基误差，在加工中，这一误差将成为加工误差的一部分，从而缩小制造公差，提高对夹具的精度的要求。

（2）选择的定位基准，应能保证定位稳定，并便于夹紧。

（3）当基准不重合时，尽量减小基准不重合误差的影响。

选择定位基准时，除应该限制必要的自由度外，还应确保零件的精度要求。

事实上，由于定位基准面都存在着制造误差，它们若是相互配合的表面，还存在着配合间隙，因此定位基准除了尽可能选择和零件原始基准一致外，还应选择那些形位公差要求严格、光度好的表面作为定位基准面。

根据选择定位基准的基准重合原则和所选基准应保证定位稳定、便于夹紧的条件，选取涡轮盘的大端面和孔Φ124

为主定位基准。

两定位基准在前道工序是一刀加工而成，跳动在0.01mm之内且为涡轮盘原始加工基准，故而产生的加工误差相对较小，根据零件的特点选取大端面为支承面使得定位稳定、压紧状态较好。

选取Φ6

孔为角向定位，来确定起始榫槽的位置。

这样的定位方式完全限制了零件的自由度，满足六点定位原理和定位基准的选择原则。

3.1.4定位误差的分析和计算

使用夹具时，造成表面位置的加工误差的因素可以归纳为以下三个方面：

（1）与工件在夹具中装夹有关的加工误差，称为工件装夹误差，其中包括工件在夹具中由于定位不准确所造成的加工误差即定位误差，以及在工件夹紧时由于工件和夹具变形所造成的加工误差—夹紧误差。

（2）与夹具相对刀具及切削成行运动和夹具变形所造成的加工误差，称为夹具的对订误差，其中包括夹具相对刀具位置有关的加工误差,就是对刀误差，和夹具相对成形位置有关的加工误差——夹具位置误差。

（3）与加工过程有关的加工误差，称为过程误差。

其中包括工艺系统的受力变形、热变形及磨损等因素所造成的加工误差。

为了得到合格零件，必须使上述各项误差之和等于或小于规定零件的工序尺寸公差T，即△总

T

在夹具设计过程中，只考虑与夹具设计有关的定位方法所引起的定位误差对加工精度的影响，上式可以写成：

△D+ω

T

式中△D—定位误差

ω—除定位误差外，其他因素所引起的定位误差的总和

一般取△D=（

）T

定位误差是有指由于定位不准而造成的某一工序尺寸（加工表面对工序基准的距离尺寸）或位置要求方面的加工误差。

工件在夹具中的位置是有定位元件确定的，当工件上的定位基准一旦与夹具上的定位元件相接触