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華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
摘 要
汽車轉(zhuǎn)向節(jié)生產(chǎn)線由汽車轉(zhuǎn)向節(jié)生產(chǎn)專用機(jī)床組合而成。專用夾具是保證被加工零件在機(jī)床上達(dá)到加工要求核心裝備。本文以江鈴集團(tuán)所生產(chǎn)的N900系列前橋中轉(zhuǎn)向節(jié)為研究對(duì)象。主要研究該轉(zhuǎn)向節(jié)鍵槽銑專用機(jī)床專用夾具設(shè)計(jì)。通過分析該零件工藝特點(diǎn)，擬定銑鍵槽的加工工藝方案。根據(jù)其加工工藝方案，設(shè)計(jì)出夾具的總體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和定位支承系統(tǒng)的選擇與設(shè)計(jì)，分析計(jì)算定位誤差，看是否滿意加工誤差允許范圍以內(nèi)，從而確定夾具總體結(jié)構(gòu)方案，或進(jìn)行調(diào)整。對(duì)切削力及所需的夾緊力建模分析最后分析夾具重要零件的受力，校核其能否滿足強(qiáng)度要求。
通過這些工作的展開，初步完后了專用夾具的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和各零部件的功能設(shè)計(jì)。在以后的時(shí)間里，將根據(jù)這些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)夾具進(jìn)行全面的受力分析，進(jìn)一步研究夾具對(duì)加工精度和加工的可靠性與穩(wěn)定性保證設(shè)計(jì)出來具體的夾具系統(tǒng)，在今后的制造，安裝，檢測(cè)以及調(diào)試等過程中也將作為依據(jù)，并最終將此設(shè)計(jì)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。
關(guān)鍵字：轉(zhuǎn)向節(jié)；專用夾具；銑鍵槽專用機(jī)床；汽車產(chǎn)生裝備，誤差分析
Abstract
Automobile steering knuckle production line comprises of specific machine tools used to produce automobile steering knuckle. Specific fixtures are used to ensure that the parts to be processed on the machine tools meet the processing requirements of core equipment. This paper takes N900 series front axle steering knuckle produced by Jiangling Group as the subject of the study, and mainly studies the design of the specific machine tools and fixtures for the steering knuckle keyway milling. By analyzing the technological characteristics of the parts, the keyway milling processing program can be made, according to which the characteristics of the overall structure of the fixtures can be worked out and positioning support system can be designed. After analyzing and calculating the positioning error, check out whether it is within range, so that the program for the overall structure of the fixture can be determined or adjusted. Then model and analyze the cutting force and the required clamping force. At last, analyze the force on the important parts of the fixtures, check whether they can meet the strength requirements or not.
By doing so, the preliminary overall structure design of the special fixtures and the function design of each component are done. Later, according to the structure design, a comprehensive force analysis of the fixture will be carried out to further study the machining precision, reliability and stability of the fixtures, in order to design a specific fixture system. In the future, this design will also serve as the basis of the manufacture, installation, testing and debugging process, and eventually be applied to actual production.
Keywords: steering knuckle; special fixtures; specific machine for the keyway milling; car generating equipment, error analysis
目 錄
摘 要 - 1 -
Abstract - 2 -
目 錄 - 3 -
1.銑鍵槽工藝方案分析 - 1 -
1.1被加工零件的特點(diǎn)及加工要求 - 1 -
1.2零件加工工藝分析 - 2 -
1.2.1機(jī)床配置方案 - 2 -
1.2.2工藝基面的分析 - 2 -
1.2.2刀具的選擇 - 3 -
2.夾具結(jié)構(gòu)方案分析 - 4 -
2.1定位原則及方案 - 4 -
2.2定位誤差分析計(jì)算 - 5 -
3.夾具零部件設(shè)計(jì) - 8 -
3.1夾具體設(shè)計(jì) - 8 -
3.1.1夾具體的設(shè)計(jì)要求 - 8 -
3.1.2夾具體的毛坯結(jié)構(gòu) - 8 -
3.2定位支承部件設(shè)計(jì) - 9 -
3.2.1定位支承元件的設(shè)計(jì)要求 - 9 -
3.2.2定位襯套設(shè)計(jì) - 10 -
3.2.3定位支座設(shè)計(jì) - 12 -
3.2.4菱形定位銷設(shè)計(jì) - 13 -
3.2.5 V型定位塊設(shè)計(jì) - 14 -
3.3夾緊部件設(shè)計(jì) - 16 -
3.3.1夾緊部件的組成及其基本要求 - 17 -
3.3.2夾緊力計(jì)算 - 17 -
3.3.3夾緊方案設(shè)計(jì) - 18 -
3.3.4液壓缸設(shè)計(jì) - 19 -
3.3.4壓板設(shè)計(jì) - 19 -
3.3.5液壓缸支座 - 20 -
4.夾具設(shè)計(jì)及操作簡要說明 - 22 -
結(jié) 論 - 23 -
參考文獻(xiàn) - 24 -
致 謝 - 25 -
- 3 -
華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
引 言
近年來，隨著改革開放持續(xù)深化，經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速的增長，城市的發(fā)展使城市越來越大，人們對(duì)汽車的需求量日益增大。促使了汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，為了適應(yīng)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，各大汽車企業(yè)都加快對(duì)成品及其生產(chǎn)裝備的研發(fā)。歸根結(jié)底是產(chǎn)能的競(jìng)爭(zhēng)和控制生產(chǎn)成本的競(jìng)爭(zhēng)。
汽車轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車前橋的重要零部件，外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工部位較多、空間位置等方面都有較高的加工精度要求，市場(chǎng)需求量大 ，是汽車車橋制造中的關(guān)鍵零件。轉(zhuǎn)向節(jié)產(chǎn)品的加工質(zhì)量、不僅影響汽車的操作性、安全性，同時(shí)也對(duì)整車生產(chǎn)率有著直接影響，解決汽車轉(zhuǎn)向節(jié)加工制造能力成為當(dāng)務(wù)之急。使得對(duì)汽車加工技術(shù)和裝備的研發(fā)具有重要意義。汽車轉(zhuǎn)向節(jié)生產(chǎn)線由汽車轉(zhuǎn)向節(jié)生產(chǎn)專用機(jī)床組合，使用專用機(jī)床能有效提高生產(chǎn)效率同時(shí)又能有效的控制生產(chǎn)成本。本文以江鈴集團(tuán)所生產(chǎn)的N900系列前橋中轉(zhuǎn)向節(jié)為研究對(duì)象。主要研究該轉(zhuǎn)向節(jié)鍵槽銑專用機(jī)床專用夾具設(shè)計(jì)。機(jī)床專用夾具是產(chǎn)品制造過程中十分重要的工藝裝備之一，專用夾具設(shè)計(jì)的好壞將直接影響著生產(chǎn)率，加工質(zhì)量。一個(gè)優(yōu)秀的專用夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，往往可以使生產(chǎn)效率大幅度提高，產(chǎn)品加工質(zhì)量穩(wěn)定性提高，降低廢品率。尤其是外形輪廓復(fù)雜的汽車轉(zhuǎn)向節(jié)，幾乎各道工序都離不開專用機(jī)床夾具。目前就專用夾具的設(shè)計(jì)、制造往往占新產(chǎn)品工藝準(zhǔn)備工作量的50%以上。生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段，對(duì)專用夾具的設(shè)計(jì)重視程度絲毫不亞于對(duì)機(jī)床設(shè)備及其各工藝參數(shù)的選擇慎重程度。
1.銑鍵槽工藝方案分析
加工工藝方案是工藝裝備設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)其加工精度、生產(chǎn)效率以及機(jī)床設(shè)計(jì)等有著極其重要的影響。加工工藝方案制定的結(jié)果將決定機(jī)床設(shè)計(jì)能否滿足用戶要求，實(shí)現(xiàn)“體積小、重量輕、結(jié)果簡單、使用和維護(hù)方便、效率高、質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)性好”。制定加工工藝方案首先要全面了解被加工零件的特點(diǎn)、在生產(chǎn)線上加工的工序、加工的精度要求及其生產(chǎn)類型等。然后要分析零件的工藝基準(zhǔn)及加工工藝，以擬定在所設(shè)計(jì)的專用機(jī)床上的加工工藝方案。
1.1被加工零件的特點(diǎn)及加工要求
被加工零件為N900前橋系列汽車轉(zhuǎn)向節(jié)年生產(chǎn)綱領(lǐng)為120000件，屬于大批量生產(chǎn)類型。轉(zhuǎn)向節(jié)材料為40Cr，硬度163-217HBS。該轉(zhuǎn)向節(jié)此工序所需加工要求如下圖1.1。其中粗實(shí)線表示該工序加工面，粗實(shí)線上尺寸為該工序加工所需保證尺寸，其他尺寸為上道工序尺寸。
圖1.1 加工工序簡圖
加工要求：鍵槽長度，鍵槽寬度，槽底距離外圓。及三個(gè)加工表面表面粗糙度。
1.2零件加工工藝分析
1.2.1機(jī)床配置方案
轉(zhuǎn)向節(jié)銑鍵槽專用機(jī)床生成節(jié)拍要求60s/件。為了獲得較高的生產(chǎn)效率機(jī)床布置采用臥式。
1.2.2工藝基面的分析
上道工序完成后轉(zhuǎn)向節(jié)三維示意圖1.2.2
三維示意圖1.2.2
由圖1.1可知大軸承安裝位加工精度已經(jīng)很高，可是作為定位精基準(zhǔn)。使用一個(gè)定位村套可以限制2個(gè)移動(dòng)的自由度，再結(jié)合法蘭板平面定位能限制3個(gè)自由度1個(gè)移動(dòng)、2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，再使用一個(gè)菱形銷定位于法蘭孔限制1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)。從而實(shí)現(xiàn)完全定位。夾壓方向?yàn)橛诜ㄌm板面垂直方向。這樣夾緊力方向剛好于定位基面垂直，在適當(dāng)?shù)膴A緊力下可以充分的保證工件夾壓后的定位穩(wěn)定性和可靠性。
1.2.2刀具的選擇
根據(jù)要加工的轉(zhuǎn)向節(jié)零件的材料為鋼，硬度為的情況，由于使用臥式銑床加工存在著一個(gè)刀具圓弧痕跡，為了盡量減少對(duì)小軸承安裝位的劃傷，所選銑刀在滿足加工要求的前提下直徑要盡量的小。查《機(jī)械加工工藝師手冊(cè)》楊叔子主編（以下簡稱《工藝手冊(cè)》）表21-5，選用直齒三面刃銑刀銑刀直徑、寬8、齒數(shù)14。
2.夾具結(jié)構(gòu)方案分析
夾具結(jié)構(gòu)方案確定主要依據(jù)是零件的生產(chǎn)批量的大小、使用的機(jī)床類型及其工藝規(guī)程對(duì)本工序需要達(dá)到的加工要求和使用要求。
2.1定位原則及方案
夾具的定位支承系統(tǒng)用以確定被加工零件與刀具的相對(duì)正確位置，承受被加工零件的重力和加壓力、切削力，定位支承系統(tǒng)主要是由定位支承、輔助支承及一些限位元件組成。
結(jié)合本機(jī)床加工的零件汽車轉(zhuǎn)向節(jié)，采用一個(gè)定位襯套、一個(gè)菱形銷、一個(gè)V形塊作為輔助支承。定位襯套通過與轉(zhuǎn)向節(jié)大軸承安裝位限制2個(gè)自由度及轉(zhuǎn)向節(jié)法蘭面限制3個(gè)自由度，定位襯套一共限制5個(gè)自由度（其中3個(gè)移動(dòng)2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)），菱形限制1個(gè)自由度，V形塊作為輔助支承用于承受加工過程中的切削力，防止工件加工時(shí)變形，保證加工精度而設(shè)置。上述定位支承元件以消除工件在空間位置的6個(gè)自由度，從而實(shí)現(xiàn)工件在夾具中的準(zhǔn)確定位。為提高設(shè)計(jì)本機(jī)床加工效率采用液壓夾緊。夾具方案三維示意圖2.1。
夾具方案示意圖2.1
夾具方案示意圖2.1
2.2定位誤差分析計(jì)算
轉(zhuǎn)向節(jié)零件通過一個(gè)定位襯套和一個(gè)菱形銷定位，其定位方式可歸為“一面兩孔”的定位方式。查《現(xiàn)在夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)》朱耀祥主編（以下簡稱《夾具手冊(cè)》）表3-2。
計(jì)算項(xiàng)目如下：
1.兩定位銷中心距： （式中為工件兩定位中心距）
2.兩定位銷中心距的公差：（式中為工件兩定位孔中心距）
3.圓柱銷直徑工稱值:
4.菱形銷寬度：，（式中為菱形銷的定位孔最小直徑）
5.補(bǔ)償距離：（式中為工件定位孔間的最小間隙，孔由入體原則下偏差取0）
6.菱形銷圓弧部分與其配合的工件定位孔間的最小間隙：
（式中為菱形銷的定位孔最小直徑）
7.菱形銷最大直徑： （公差取f6）
8.兩定位銷所產(chǎn)生的最大角度定位誤差：
滿足轉(zhuǎn)向節(jié)零件加工定位精度要求，所以該方案可行。
夾具設(shè)計(jì)方案選用下圖2.2所示
1.夾具體2.平墊圈3.六角螺母4.六角螺栓5.圓錐銷6.圓錐銷7.V形塊8.內(nèi)六角螺釘9.定位支座10.定位襯套11.內(nèi)六角螺釘12.圓錐銷13.壓板14.液壓缸支座15.平墊圈16.六角螺母17.六角螺栓18.液壓缸19.菱形定位銷
夾緊采用液壓缸推動(dòng)活塞壓板，夾壓轉(zhuǎn)向節(jié)零件法蘭板處。該夾緊方案簡單方便， 夾緊穩(wěn)定可靠。由于專用機(jī)床刀具軸線與轉(zhuǎn)向節(jié)零件軸向部分軸線高度固定不變，銑槽長度通過液壓滑臺(tái)配合行程開關(guān)進(jìn)行控制，所該夾具設(shè)計(jì)無需設(shè)計(jì)對(duì)刀元件。
3.夾具零部件設(shè)計(jì)
夾具零部件是組成夾具系統(tǒng)的最基本的單位，夾具零部件的設(shè)計(jì)是在已確定夾具結(jié)構(gòu)方案下，是夾具系統(tǒng)具體對(duì)各組成單元的性能要求。夾具零部件設(shè)計(jì)是整個(gè)夾具設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。力求在滿足性能要求的前提下，零部件盡可能簡單可靠、加工方便、優(yōu)先選擇夾具標(biāo)準(zhǔn)零部件以減少夾具系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)生周期，降低設(shè)計(jì)制造成本。
3.1夾具體設(shè)計(jì)
夾具體是夾具的基礎(chǔ)件，夾具所需要的各種元件、機(jī)構(gòu)和裝置都安裝在夾具體上。
3.1.1夾具體的設(shè)計(jì)要求
1.足有足夠的強(qiáng)度和剛度，保證在機(jī)床加工過程中，夾具體在夾緊力、切削力等外力的作用下，不產(chǎn)生變形與振動(dòng)。
2.結(jié)構(gòu)簡單，具有良好的工藝性，在保證強(qiáng)度和剛度的條件下，力求結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕。
3.尺寸精度要穩(wěn)定，對(duì)于鑄造夾具體，要進(jìn)行二次時(shí)效處理，對(duì)于焊接夾具體，要進(jìn)行退火處理，以消除內(nèi)應(yīng)力，保證夾具體加工尺寸的穩(wěn)定。
4.便于排屑，為防止加工過程中的切屑聚積在定位元件工作表面或其他裝置中，而影響工件的正確定位和夾具的正常工作，在設(shè)計(jì)夾具體時(shí)，要充分考慮切屑的排出問題。
3.1.2夾具體的毛坯結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)類型
特點(diǎn)
應(yīng)用場(chǎng)合
鑄造結(jié)構(gòu)
可以鑄造出復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形狀?？箟簭?qiáng)度大，抗振性好。易于加工，但制造周期長，易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，故應(yīng)進(jìn)行時(shí)效處理。
適用于切削負(fù)荷大、振動(dòng)大的場(chǎng)合或批量生產(chǎn)。
結(jié)構(gòu)類型
特點(diǎn)
應(yīng)用場(chǎng)合
焊接結(jié)構(gòu)
制造容易，生產(chǎn)周期較短，成本較低。熱變形較大，焊接后需退火處理。
適用于新品試制或單件小批量生產(chǎn)。
裝配結(jié)構(gòu)
需用準(zhǔn)備毛坯件或標(biāo)準(zhǔn)部件組合而成，如圓棒、圓盤、工字鋼、角鐵、U形槽鋼等標(biāo)準(zhǔn)鋼材?？煽s短制造周期。
適用于采用標(biāo)準(zhǔn)化毛坯、型材及零部件快速組裝成夾具，以供急需之用。
該夾具體外形設(shè)計(jì)較簡單，鍵槽加工切削力不大、切屑量也不大等特點(diǎn)，為了降低制造成本，縮短制造周期，采用焊接件結(jié)構(gòu)。夾具體示意圖3.1.2
夾具體示意圖3.1.2
采用Q235鋼板焊接而成，焊后退火后再進(jìn)行機(jī)械加工。其結(jié)構(gòu)簡單沒有復(fù)雜的曲面需要加工，加工面都為平面加工加工簡單，工藝性較好。夾具體設(shè)計(jì)一般不進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，通常都是參照類似的夾具結(jié)構(gòu)，按經(jīng)驗(yàn)類比估計(jì)確定。夾具體具體外形尺寸及加工要求詳見夾具體零件圖圖紙。
3.2定位支承部件設(shè)計(jì)
定位支承元件是夾具系統(tǒng)的核心部件，直接關(guān)系著工件能否在夾具系統(tǒng)中占據(jù)正確的位置，保證其加工要求。對(duì)定位支承元件本身加工精度高，位置精度要求高，不易加工等特點(diǎn)。而且考慮到維修更換方便，一般設(shè)計(jì)成安裝件。在滿足其使用要求的前提下，優(yōu)先選擇使用標(biāo)準(zhǔn)定位支承元件，能有效的縮短夾具設(shè)計(jì)制造周期，減低夾具成本。
3.2.1定位支承元件的設(shè)計(jì)要求
定位支承元件其尺寸、結(jié)構(gòu)、精度和布置方式都直接影響被加工零件的加工精度。因此，設(shè)計(jì)時(shí)必須按照以下要求。
1.遵循零件的六點(diǎn)定位原則，防止出現(xiàn)欠定位或過定位的原則性錯(cuò)誤。但是過定位是否允許，要按實(shí)際情況加以具體分析。如一般情況下是如果被加工零件的定位表面沒有經(jīng)過機(jī)械加工或雖經(jīng)過機(jī)械加工，但仍然很粗糙，這時(shí)過定位是不允許的。如果被加工零件的定位面經(jīng)過了機(jī)械加工，并且定位面和定位元件的尺寸，形狀和位置都做得比較準(zhǔn)確，比較光整，則過定位不但對(duì)工件加工面的位置尺寸影響不大，而且可以用于承受加工時(shí)的切削力增加加工時(shí)的剛性，則這時(shí)過定位是允許的。
2.選擇合理的定位基準(zhǔn)，盡可能的使定位基準(zhǔn)與工藝基準(zhǔn)相重合，并盡量與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)重合，便于減小定位引起的誤差。獲得最大的加工允差，降低夾具制造精度。當(dāng)定位基準(zhǔn)和工藝基準(zhǔn)及設(shè)計(jì)基準(zhǔn)不重合時(shí)，應(yīng)進(jìn)行必要的加工尺寸及其允差的換算。
3.合理布置定位支承元件，選擇被加工零件上最大的平面或者最長的圓柱面或圓柱軸線為定位基準(zhǔn)，爭(zhēng)取提高定位精度，并使定位穩(wěn)定、可靠。
4.盡可能是定位支承元件接近夾緊力的作用線，并保證夾緊力的合力的中心處于定位支承面范圍以內(nèi)。
5.確保定位支承元件的強(qiáng)度和剛性，減少定位系統(tǒng)的變形，做到是定位元件不受力。
6.確保定位支承系統(tǒng)具有較大的尺寸精度，配合精度，硬度和適中的表面粗糙度，并具有良好的耐磨性。保證長期的夾具的定位精度。
7.確保定位支承部位的切屑能快速有效排除，不會(huì)堵塞或粘附在定位支承系統(tǒng)上，保證定位系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和工作時(shí)的可靠性。
8.在被加工零件各加工工序中，盡量做到基準(zhǔn)統(tǒng)一，以減少因更換基準(zhǔn)而降低工件各表面相互位置的準(zhǔn)確度。
9.當(dāng)鑄、鍛件以毛坯面作為第一道工序的粗基準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)選用比較光整的表面作基準(zhǔn)面，避開毛坯制作所引起不平整的部位。
10.在滿足使用要求的前提下，定位支承元件結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡單。
3.2.2定位襯套設(shè)計(jì)
由上訴定位支承元件的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合轉(zhuǎn)向節(jié)零件加工工序圖。選用轉(zhuǎn)向節(jié)大軸承安裝位外圓及法蘭板端面作為定位基準(zhǔn)。此定位方式類似于“短銷配大平面”。一共限制5個(gè)自由度。其使用定位基準(zhǔn)示意圖3.2.2a。
定位基準(zhǔn)示意圖3.2.2a
所以該定位襯套應(yīng)設(shè)計(jì)成有個(gè)圓套筒與大軸承安裝位外圓表面配合和大圓端面與法蘭板接觸。由于不能擋住菱形定位銷所以大圓端面直徑不能過大，在不影響菱形定位銷的前提下，大圓端面直徑盡可能的大，以保證定位的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。 定位襯套示意圖3.2.2b
定位襯套示意圖3.2.2b
由加工工序圖，可知轉(zhuǎn)向節(jié)零件大軸承安裝位外圓工藝尺寸為： ，長度為：。
查標(biāo)準(zhǔn)公差數(shù)值表(GB/T1800.3——1998) 可知轉(zhuǎn)向節(jié)零件大軸承安裝位外圓公差等級(jí)為IT7。定位襯套定位孔公差比轉(zhuǎn)向節(jié)大軸承安裝位外圓公差等級(jí)低一級(jí)即IT8，又此兩接觸面存在著相對(duì)的運(yùn)動(dòng)，使用間隙配合H8。
所以設(shè)計(jì)定位襯套的定位孔直徑：，為了使定位穩(wěn)定定位，設(shè)計(jì)定位襯套長度: 。
大圓端面與轉(zhuǎn)向節(jié)零件法蘭板端面配合，其大圓端面與定位孔軸線垂直度誤差，大圓端面的全跳動(dòng)誤差。
定位襯套與轉(zhuǎn)向節(jié)零件存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，為了保證長期的定位精度，提高定位襯套使用壽命。再完成機(jī)械加工后應(yīng)對(duì)其淬火處理使硬度滿足，保證其具有一個(gè)的耐磨性。
定位襯套具體外形尺寸及加工要求詳見定位襯套零件圖。
3.2.3定位支座設(shè)計(jì)
定位支座本來屬于夾具體的一部分，應(yīng)直接和夾具體固連在一塊，但是考慮到夾具體工藝性，如果將其與夾具體固連在一塊，會(huì)使加工難度變大，使夾具制造成本加大且跟換維修不便。故將其設(shè)計(jì)成獨(dú)立一個(gè)零件，以便提高夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體工藝性，使其夾具系統(tǒng)便于加工容易達(dá)到加工要求。加工完成后通過螺栓與圓錐銷與夾具體連接成為一體。
定位支座的作用主要用于安裝定位襯套及菱形定位銷，承受部分的切削力、夾緊力。與定位襯套及菱形定位銷組成一個(gè)定位支承部件系統(tǒng)。設(shè)計(jì)要求與夾具體設(shè)計(jì)要求基本一致。
由于需要安裝定位支承元件，所以其加工精度、位置精度、表面粗糙度要求等也相對(duì)較高。
由于只需部分的切削力、夾緊力，再考慮縮短設(shè)計(jì)周期，毛坯采取焊接制造的的方式。毛坯焊接完后進(jìn)行退火處理后再進(jìn)行機(jī)械加工，以便消除內(nèi)應(yīng)力防止出現(xiàn)加工后由于內(nèi)應(yīng)力而變形或者先機(jī)械加工后焊接變形等情況。與其他支座一樣在剛性不足的地方加焊肋板，提高支座的剛性。防止其在零件加工時(shí)變形，為了節(jié)省材料減少重量，在支座上方可以設(shè)計(jì)大的圓弧角從而減少材料使用。底座分布4個(gè)M16螺栓安裝孔及2個(gè)圓錐銷孔，使其能正確的安裝在夾具體上，且位置精度得以保證。為了使焊接處強(qiáng)度較好，使用焊接性能較好的Q235鋼板且底座不宜太薄。定位支座如下示意圖3.2.3。
定位支座示意圖3.2.3
定位支座具體外形尺寸及其加工要求詳見定位支座零件圖。
3.2.4菱形定位銷設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)向節(jié)零件通過定位襯套已經(jīng)限制了5個(gè)自由度，由于該轉(zhuǎn)向節(jié)零件銑鍵槽加工要求需要限制6個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)完全定位。通過菱形定位銷與定位襯套配合使用從而限制1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，從而實(shí)現(xiàn)完成定位滿足轉(zhuǎn)向節(jié)零件銑鍵槽加工要求。
該轉(zhuǎn)向節(jié)零件在機(jī)床上的定位類似于“一面二孔”的定位方式，當(dāng)采用1個(gè)平面與2個(gè)圓柱定位銷作為定位元件是，2個(gè)圓柱銷由于任何的加工都存在著加工誤差2個(gè)圓柱銷與定位孔配合存在過定位的現(xiàn)象，這種過定位產(chǎn)生的影響有2種：1.出現(xiàn)轉(zhuǎn)向節(jié)零件無法安裝上夾具的情況；2.如果采用減小其中一個(gè)圓柱銷的直徑的辦法解決無法安裝的問題時(shí)，從而使定位間隙變大，定位精度降低。所以采用一個(gè)平面與一個(gè)圓柱銷和一個(gè)菱形銷（把圓柱銷“削邊”）作為定位元件，這樣就增大了圓柱銷連心線方向的間隙。削邊量越大，連心線方向的間隙越大。當(dāng)間隙達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)。就滿足了順利拆卸的條件。
由本文2.2定位誤差計(jì)算分析 可知：
菱形銷最大直徑： （公差取f6）
菱形銷圓弧部分與其配合的工件定位孔間的最小間隙：
（式中為菱形銷的定位孔最小直徑）
菱形銷寬度：，（式中為菱形銷的定位孔最小直徑）
補(bǔ)償距離：（式中為工件定位孔間的最小間隙，孔由入體原則下偏差取0）
通過上述計(jì)算，菱形定位銷為標(biāo)準(zhǔn)件。為了縮短夾具系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造周期及其成本，查《夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)》P225 4.1定位件得其代號(hào)為，直接按以下代號(hào)選購菱形定位銷。
菱形定位銷示意圖3.2.4如下
菱形定位銷示意圖3.2.4
3.2.5 V型定位塊設(shè)計(jì)
通過定位襯套和菱形定位銷轉(zhuǎn)向節(jié)零件6個(gè)自由已經(jīng)被完全限制住了理論上已將滿足了銑鍵槽加工對(duì)定位的要求，但是由于轉(zhuǎn)向節(jié)零件通過大軸軸承安裝位外圓定位，外伸軸上尺寸太大了。如果不在軸末端加一個(gè)V形塊，勢(shì)必會(huì)造成需要夾緊力過大，整個(gè)夾具系統(tǒng)需要承受較大的力矩，整個(gè)夾具系統(tǒng)容易變形受力情況惡劣。為了承受銑鍵槽加工過程中的切削力，從而設(shè)置一個(gè)V形塊在轉(zhuǎn)向節(jié)零件軸末端。從而大大改善整個(gè)夾具系統(tǒng)的受力情況，使得受力情況簡單明了，切削力主要徑向分力方向與支承力在同一方向，其余軸向分力所引起的力矩也小的多。
即使由于加入此V形塊產(chǎn)生了過定位，但是由于轉(zhuǎn)向節(jié)零件軸末端已經(jīng)經(jīng)過機(jī)械加工，并且定位面和定位元件的如果被加工零件的定位面經(jīng)過了機(jī)械加工，并且定位面和定位元件的尺寸，形狀和位置都做得比較準(zhǔn)確，比較光整，則過定位不但對(duì)工件加工面的位置尺寸影響不大，而且可以用于承受加工時(shí)的切削力增加加工時(shí)的剛性，則這時(shí)過定位是允許的。
即便這時(shí)的過定位是允許的，但是為了不破壞定位襯套和菱形銷對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)零件的定位，盡可能的減小其帶來的定位干涉。對(duì)V形塊安裝提出以下要求以確保轉(zhuǎn)向節(jié)零件加工質(zhì)量。下圖為轉(zhuǎn)向節(jié)零件軸末端示意圖3.2.5.1
轉(zhuǎn)向節(jié)零件軸末端示意圖3.2.5.1
又加工工序圖可知 轉(zhuǎn)向節(jié)零件軸末端為螺紋，故轉(zhuǎn)向節(jié)零件軸末端外圓直徑。通過查閱上道工序工藝卡，轉(zhuǎn)向節(jié)零件軸末端外圓通過半精車加工而得到。查《工藝手冊(cè)》表3-12 外圓柱表面加工的經(jīng)濟(jì)精度。得半精車或一次車得到的公差等級(jí)為8-10IT。取公差等級(jí)10IT，查標(biāo)準(zhǔn)公差數(shù)值表(GB/T1800.3——1998)公差10IT級(jí)，公差為: 。所以轉(zhuǎn)向節(jié)零件合格品最大尺寸為：。
為了滿足所有的合格轉(zhuǎn)向節(jié)零件能通過V形塊，下圖為零件通過V形塊計(jì)算分析示意圖3.2.5.2。
V形計(jì)算分析示意圖3.2.5.2
合格的轉(zhuǎn)向節(jié)零件最大軸末端外圓直徑：，即若原來V形塊與標(biāo)準(zhǔn)直徑相切，現(xiàn)即沿方向增加，則V形塊需沿往下下降距離：，所以要使所有的轉(zhuǎn)向節(jié)零件通過下降的距離：，為了盡可能使銑鍵槽加工過程中因切削力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向節(jié)零件變形減小在滿足要求的前提下盡可能的取小。為了測(cè)量方便取。即將V形塊下降安裝高度則轉(zhuǎn)向節(jié)零件可以通過V形塊。
因?yàn)閂形塊為標(biāo)準(zhǔn)定為元件，查《夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)》表4-19 V形塊的規(guī)格尺寸使用N=42,L=85及代號(hào)為。為縮短夾具系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造周期直接按代號(hào)為選購即可。下圖為V形塊三維示意圖3.2.5.3
V形塊三維示意圖3.2.5.3
3.3夾緊部件設(shè)計(jì)
在轉(zhuǎn)向節(jié)零件銑鍵槽機(jī)械加工過程中，零件的定位和夾緊是兩個(gè)密切相關(guān)的安裝的過程。轉(zhuǎn)向節(jié)零件通過定位元件定位后，就必須采用一定的夾緊機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)向節(jié)零件壓緊夾牢，以保證轉(zhuǎn)向節(jié)零件在機(jī)械加工過程中不會(huì)因受切削力、重力、慣性力或者離心力等外力作用而破產(chǎn)原來正確的位置。從而保證工件的加工精度和安全生產(chǎn)。
3.3.1夾緊部件的組成及其基本要求
夾緊裝置的結(jié)構(gòu)形式是多重多樣的。但根據(jù)力源的不同可分為手動(dòng)和機(jī)動(dòng)夾緊裝置。夾緊裝置一般由力源裝置，中間遞力機(jī)構(gòu)和夾緊元件3部分組成。
1.力源裝置：產(chǎn)生夾緊作用力的裝置。
2.中間遞力機(jī)構(gòu)：將力源裝置產(chǎn)生的夾緊作用力傳遞給夾緊元件的機(jī)構(gòu)。
3.夾緊元件：夾緊裝置的最終執(zhí)行元件。
夾緊裝置的設(shè)計(jì)是否正確，對(duì)保證零件的加工精度、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度等都有直接影響。要保證上訴條件正確設(shè)計(jì)夾緊裝置，則必須滿足以下的基本要求：
1.保證零件定位不變，在夾緊過程中，零件受到夾緊力作用時(shí)不能破壞原來的零件所占據(jù)的正確位置。
2.夾緊力的大小要合適，做到對(duì)零件所施加的夾緊力的大小，要能保證零件在加工過程中不會(huì)因受到外力的作用而產(chǎn)生移動(dòng)或振動(dòng)，又不能使零件產(chǎn)生不允許的變形或損傷。
3.夾緊機(jī)構(gòu)的自鎖性要可靠，手動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)要有可靠的自鎖性。機(jī)動(dòng)夾緊裝置則要統(tǒng)籌考慮其自鎖性對(duì)于不能自鎖的機(jī)構(gòu)應(yīng)該通過控制裝置保證其在加工過程中穩(wěn)定的夾緊力。
4.夾緊裝置應(yīng)操作方便、安全、省力和工藝性好，在保證生產(chǎn)效率和加工精度的前提下，應(yīng)使其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度與零件的生產(chǎn)節(jié)拍相適應(yīng)。做到夾緊動(dòng)作迅速、操作方便、安全省力、經(jīng)濟(jì)性好、成本低、便于制造和維修。
3.3.2夾緊力計(jì)算
查《工藝手冊(cè)》表30-19 高速鋼銑刀銑削力的計(jì)算公式、表30-20各種銑刀加工不同材料的值、表30-21高速鋼銑刀銑削力的修正系數(shù)值。
銑鍵槽切削力：
其中，，，，，，。
代入式中得：。
查《金屬切削原理與刀具》第四版 陸劍中主編表10-1 各銑削力之間比值
進(jìn)給方向分力即水平分力：
垂直進(jìn)給方向分力即豎直分力:
由于豎直方向有V形塊承受豎直分力，故夾緊力只需平衡水平分力即可。由《夾具手冊(cè)》P145 3.3典型夾緊形式的夾緊力計(jì)算、表3-21 常見典型夾緊形式數(shù)學(xué)夾緊力的計(jì)算公式、表3-20 刀具鈍化系數(shù)。
夾緊力形式為夾緊力與切削力方向相反。
夾緊力： (式中為夾緊力，P切削力，K安全系統(tǒng))
安全系數(shù)
總的安全系數(shù)由考慮各種因素所需的安全系數(shù)來確定，可按下式確定：
式中 基本安全系數(shù)，一般取1.5；
加工狀態(tài)系統(tǒng)，粗加工取1.2；
刀具鈍化系數(shù)，取1.4；
切削特點(diǎn)系數(shù)，斷續(xù)取1.2；
考慮加緊動(dòng)力穩(wěn)定性系數(shù)，機(jī)動(dòng)夾緊取1.0；
考慮手動(dòng)夾緊時(shí)手柄位置的系數(shù)，機(jī)動(dòng)取1.0；
僅在有力矩企圖使工件回轉(zhuǎn)時(shí)，才應(yīng)考慮，取1.0
代入得：
3.3.3夾緊方案設(shè)計(jì)
為了減低工人勞動(dòng)強(qiáng)度以及轉(zhuǎn)向節(jié)零件銑鍵槽生產(chǎn)節(jié)拍要求60s/件。采用液壓夾緊方式，提高生產(chǎn)效率減少銑鍵槽加工輔助時(shí)間。
3.3.4液壓缸設(shè)計(jì)
液壓缸設(shè)計(jì)制造復(fù)雜，且部分已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。為了縮短夾具系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造周期降低夾具系統(tǒng)成本，直接選購標(biāo)準(zhǔn)化液壓缸產(chǎn)品。
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第五版 第五卷 成大先主編 表21-6-48CD/CG液壓缸技術(shù)參數(shù)。選用CD250C40/28-200A10/02CGDMA液壓缸行程200mm。按代號(hào)選購即可。CD250C40/28-200A10/02CGDMA液壓缸示意圖3.3.4
CD250C40/28-200A10/02CGDMA液壓缸示意圖3.3.4
3.3.4壓板設(shè)計(jì)
液壓缸活塞桿末端為M16螺紋，為了使壓緊可靠些同時(shí)減少對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)零件局部壓力過大防止壓壞零件使其受力均勻，設(shè)計(jì)一個(gè)壓板與活塞桿末端螺紋配合，為了安裝方便設(shè)計(jì)成方形便于安裝過程中是用扳手等安裝工件擰緊。由于承受夾緊力，再考慮縮短設(shè)計(jì)周期，毛坯采取焊接制造的的方式。毛坯焊接完后進(jìn)行退火處理后再進(jìn)行機(jī)械加工，以便消除內(nèi)應(yīng)力防止出現(xiàn)加工后由于內(nèi)應(yīng)力而變形或者先機(jī)械加工后焊接變形等情況。與其他支座一樣在剛性不足的地方加焊肋板，提高支座的剛性。其與轉(zhuǎn)向節(jié)零件接受頻繁為了使其長期能夠夾緊零件，提高該零件使用周期再機(jī)械加工完成后進(jìn)行淬火熱處理，使其硬度滿足55-60HRC硬度要求，以便提高耐磨性保證其能長期穩(wěn)定的正常工作。壓板示意圖3.3.4
壓板示意圖3.3.4
壓板具體外形尺寸及加工要就詳見壓板零件零件圖。
3.3.5液壓缸支座
液壓缸支座本來屬于夾具體的一部分，應(yīng)直接和夾具體固連在一塊，但是考慮到夾具體工藝性，如果將其與夾具體固連在一塊，會(huì)使加工難度變大，使夾具制造成本加大且更換維修不便。故將其設(shè)計(jì)成獨(dú)立一個(gè)零件，以便提高夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體工藝性，使其夾具系統(tǒng)便于加工容易達(dá)到加工要求。加工完成后通過螺栓與夾具體連接成為一體。
液壓缸支座的作用主要用于安裝液壓缸承受夾緊力。與液壓缸組成一個(gè)支承部件系統(tǒng)。設(shè)計(jì)要求與夾具體設(shè)計(jì)要求基本一致。
由于只需部分的切削力、夾緊力，再考慮縮短設(shè)計(jì)周期，毛坯采取焊接制造的的方式。毛坯焊接完后進(jìn)行退火處理后再進(jìn)行機(jī)械加工，以便消除內(nèi)應(yīng)力防止出現(xiàn)加工后由于內(nèi)應(yīng)力而變形或者先機(jī)械加工后焊接變形等情況。與其他支座一樣在剛性不足的地方加焊肋板，提高支座的剛性。防止其在零件加工時(shí)變形，為了節(jié)省材料減少重量，在支座上方可以設(shè)計(jì)大的圓弧角從而減少材料使用。底座分布4個(gè)M16螺栓安裝孔，使其能正確的安裝在夾具體上，且位置精度得以保證。為了使焊接處強(qiáng)度較好，使用焊接性能較好的Q235鋼板且底座不宜太薄。如下液壓缸支座示意圖3.3.5。
液壓缸支座示意圖3.3.5
液壓缸支座具體外形尺寸及加工要就詳見液壓缸支座零件零件圖。
4.夾具設(shè)計(jì)及操作簡要說明
所前所述，在夾具設(shè)計(jì)中，應(yīng)注重提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。由于是汽車零件流水線專用機(jī)床使用夾具生產(chǎn)節(jié)拍很快，要求盡可能的減少輔助時(shí)間，同時(shí)機(jī)床進(jìn)給滑臺(tái)使用液壓滑臺(tái)，夾緊方式采用液壓夾緊可以共用一個(gè)液壓泵接節(jié)約了總的機(jī)床制造成本。同時(shí)刀具軸線與加工零件高度不變，故不需要設(shè)計(jì)對(duì)刀元件，同時(shí)進(jìn)給行程由行程開關(guān)加以控制。液壓控制閥通過使用PLC電器控制元件，是得機(jī)床整體自動(dòng)化程度較大。銑鍵槽機(jī)械加工過程中工人僅需上將待加工零件安裝上夾具安裝完零件后按下加工按鈕即可，加工完成后工人將工件拆下夾具放入成品區(qū)勞動(dòng)強(qiáng)度不大。
結(jié) 論
本文主要對(duì)N900前橋系列中轉(zhuǎn)向節(jié)零件銑鍵槽專用機(jī)床夾具設(shè)計(jì)。根據(jù)零件的工藝分析制定出了該工序的加工工藝，且分析該工序的加工工序并依此完成了對(duì)夾具方案的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，夾具零部件的設(shè)計(jì)。并借助proe三維軟件對(duì)夾具進(jìn)行實(shí)體造型設(shè)計(jì)。具體內(nèi)容總結(jié)如下：
1.對(duì)零件要加工的工序進(jìn)行了分析，最后確定出了合理的零件加工工序。
2.根據(jù)指定的零件加工工藝方案，進(jìn)行了夾具結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)，對(duì)定位方式的選擇做出了相應(yīng)的闡述并對(duì)產(chǎn)生的定位誤差進(jìn)行了計(jì)算說明。
3.根據(jù)夾具結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)，完成了夾具各零部件的相關(guān)設(shè)計(jì)與計(jì)算。
4.最后對(duì)夾具的設(shè)計(jì)及使用進(jìn)行了簡要的說明。
總之，本文初步設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)向節(jié)零件鍵槽專用機(jī)床夾具的設(shè)計(jì)，也依據(jù)該設(shè)計(jì)對(duì)相應(yīng)的零件自行加工與購買標(biāo)準(zhǔn)零部件，并裝配安裝處來相應(yīng)的整個(gè)夾具系統(tǒng)，最后進(jìn)行調(diào)試，使用。
本文主要的設(shè)計(jì)工作是夾具系統(tǒng)的外觀結(jié)構(gòu)、夾緊力的計(jì)算、各零件所有要計(jì)算要求等。但這些工作對(duì)于夾具最后的實(shí)際應(yīng)用來說遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，為此，在后續(xù)工作中因?qū)σ韵聨讉€(gè)方面展開更深入的研究工作：
1.要對(duì)以后機(jī)床在加工工作中各部件的振動(dòng)對(duì)加工零件的加工精度的影響進(jìn)行深入研究分析。
2.建立機(jī)床模型,對(duì)機(jī)床進(jìn)行全面的力學(xué)分析,對(duì)機(jī)床本身的加工精度與系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行研究分析。
3.設(shè)計(jì)具體的夾具自動(dòng)上下料裝置,并對(duì)其可靠性進(jìn)行研究分析。
4.要在加工制造夾具零部件以及安裝調(diào)試的過程中,不斷的反復(fù)的琢磨,盡量完善夾具的設(shè)計(jì)。
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致 謝
在完成此設(shè)計(jì)后,我百感交集首先對(duì)我的指導(dǎo)老師蔡群副教授表示最衷心的感謝在我論文完成的整個(gè)過程中,蔡老師傾注了大量的心血從論文的選題、研究內(nèi)容、研究方向等都是在蔡老師悉心指導(dǎo)與耐心鼓勵(lì)下完成的。從論文的框架到內(nèi)容,從行文用語到格式規(guī)范,無不凝結(jié)著他老的汗水，他以淵博的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、勤懇的工作精神、秉著對(duì)我們的負(fù)責(zé)任態(tài)度,對(duì)我們進(jìn)行悉心的教導(dǎo),同時(shí)他那平易近人,和藹可親的態(tài)度更讓我為之感動(dòng)。蔡老師對(duì)我的幫助和關(guān)心我會(huì)銘記于心,感恩一生,同時(shí)他的為人和精神也極大的感染了我,這對(duì)我將來的人生道路有著積極的幫助。
我還要感謝機(jī)電工程分院的其他的在學(xué)習(xí)和生活中給予指導(dǎo)和幫助的老師，有你們的幫助使我學(xué)到的更多,健康成長在這里衷心的祝愿各位老師身體健康,工作愉快。
我還要感謝我們的同學(xué)在學(xué)習(xí)習(xí)階段給予的幫助，和你們的交流豐富了我的思想,開闊了我的視野,拓寬了我的思路,學(xué)到了很多書本上學(xué)不到的東西,我將努力保持我們的友誼，在這里祝愿我的好朋友們身體健康,夢(mèng)想成真。
最后我還要感謝我的父母。感謝他們對(duì)我生活上的無微不至的照顧和經(jīng)濟(jì)上的大力支持我感謝他們,并祝愿我的父母身體健康,生活愉快。
胡一波
2013年5月
華東交通大學(xué)理工學(xué)院
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