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可持續(xù)夾具及固定裝置的高精度安裝的方法論 J Jamshidi P G maropoulos 英國巴斯大學機械工程學系 摘要 在夾具安裝階段 夾具組件的精確測量能力決定其精確性 尤其是對大尺 寸的產品和應用來說 大量定制一些在設計上有多樣性的小批量產品和零部件 是十分重要的 產品質量應該與迅速轉換理念相互協(xié)調 對于敏感元器件及組 件而言 以犧牲產品質量來提高速度是不明智的 例如在航空航天工業(yè)中所看 到的那些零部件 提高精確性對于夾具的安裝是很有必要的 為了要盡量少用 這可取決于夾具和夾具定位變化的耐受性預算 在航空航天工業(yè)中 靈活和可 重構夾具的概念的發(fā)展及固定裝置是夾具的主要開銷成本 吸引他們的是重構 夾具的可重用性 可持續(xù)使用是由于那些零部件也能夠被重新應用到許多種產 品和裝配中去 一直不佳的準確性和可靠性為這類夾具的缺點 這篇論文主要 是研究可持續(xù)夾具主要零部件的精確定位 影響夾具性能的因素在安裝階段會 得以審查 本文介紹了一種在靈活夾具中為了最大限度地減少定位和夾緊的不 確定性的方法 關鍵詞 可持續(xù)性夾具 夾具安裝 校準不確定性 夾具的監(jiān)測 計量 可重復 使用的夾具 1引言 質量和可靠性等因素早已經轉換為新零件固有的特征 在他們的產品和服 務范圍內 近期市場趨勢已經迫使制造業(yè)走向大規(guī)模定制 其次增加新陳品的 多樣化設計在部件和組件級別上遵循第二次高幅度的變化 有先進制造系統(tǒng)和 技術的國家提供了更多的靈活性 能使設計師更加自由的發(fā)揮想象 例如在過 去幾十年發(fā)展起來的一種新的大體積測量方法 就能測量及公丈的距離 用來 檢測大尺寸零件的這些設備通常是由多個組裝部件所制造出來的 在重組和裝 配期間 那些大尺寸產品的制造需要用到專用的夾具和固定裝置 以便于他們 的零部件能夠被定位在設計基準上 對于大批量產品 在計算機輔助軟件上就 能估算出其主要的花費需求 否則 在某些情況下或以其他方式生產的產品成 本可能會是非常高的 這個問題與客戶不斷用錢來尋求具有更高價值的市場需 求相互矛盾 用一種典型的變化產品可以創(chuàng)建一個更加具有持續(xù)性的商業(yè) 因 為它能夠滿足相對比較大地市場需求 由支持產品變化的不同形狀的產品而形 成的靈活和可重構夾具及固定裝置則是應對上述挑戰(zhàn)關鍵的解決方案 靈活夾 具的概念已經在研究領域存在了幾年 1 然而 它們在很大程度上沒有充分利 用真正的生產設施 尤其是大尺寸產品的制造 如航空航天設備 這是由于關 于它們的初始安裝 校準困難和可重復性等挑戰(zhàn)往往超出公差要求 這些夾具 和高品質關鍵部件裝置的制造以及大量的集成計量系統(tǒng) 都可以減少上述限制 本文包括了有關安裝的計量問題和靈活的夾具校準以及檢測服務 2相關工作 2 1大型零件的制造和裝配 通常把要精密制造的機械零件移動到機床工作臺是必需的 先進行粗加工 然后精對準和夾緊 在這個階段 一方面是準備用于加工高精度的關鍵所在 然而 這對于一些大尺寸或重的零部件并不總是可以實現(xiàn)的 大型產品是指那 些與一些不經濟的可能需要處理或在工廠周圍移動的的組件一起來達到制造和 裝配的目的 2 制造業(yè)和這些部件的裝配工藝包括所需機器和系統(tǒng)的運動以及 這些部件的位置和方向 這些零部件通常定位在大尺寸夾具及固定裝置上該定 位的位置 如果這些部件以小批量生產 在航空航天工業(yè) 高開銷的情況下 每個產品將會出現(xiàn) 在設計和制造夾具上 已經有了許多嘗試 以便于能夠持 有許多種組件的變種 然而 這方法是不可行的 因為敏感或關鍵的零部件完 全是由它們的高精度要求所決定的 與固定的夾具相比較 可調 可重構夾具 會產生更低的重復性 固定夾具有固定的方式 可以通過焊接或鉚接的接頭固 定在一起來實現(xiàn) 這些機械故障 例如夾具和固定裝置由于疲勞和塑料變形就 是一個終止其服務的主要原因 發(fā)送它們再進行回收 小批量制造的需求是目 前常見的淘汰不合格夾具 其使用壽命取決于產品的生命周期 換句話說 在 制造變種零件停止不久之后 與之有關聯(lián)的夾具和固定裝置將會變得多余 即 使夾具有工作順序 但它們仍然有報廢并送往循環(huán)再造 這種方法會帶來高負 擔回收的能耗 在大尺寸零件下的固定夾具和夾具的漂移以及夾具都能影響大 尺寸零件組裝的精確性 5 對于大尺寸的夾具已經開發(fā)出了幾種分析夾具剛性 的方法 可用來評估振動的影響因素 在任何情況下更加可持續(xù)生產要通過選 擇性方案才能得以實現(xiàn) 如圖 2 1所示 圖 2 1 典型的大型夾具元件 用于制造所延誤的時間是固定夾具的又一重大缺點 這些夾具應該在制造 前就被訂購 在生產計劃和產品上市前還可以創(chuàng)建額外的復雜性 不管他們的 類型 大型夾具有一些共同的元素 包括一個主框架 內在的框架 有可能有 一個或數(shù)多個可移動的機制或更小的組件 如鉗 套管 皮卡和可調螺絲 表 1 2 2柔性夾具 開發(fā)的柔性夾具的概念增加了其可持續(xù)性 快速轉換以及降低了成本 現(xiàn) 在可以使用現(xiàn)成的模塊來設計和組裝夾具 根據規(guī)定 只有極少數(shù)夾具的專用 零件需要設計和制造 以這種概念看 大多數(shù)散裝部件 附件關節(jié)都應用的很 具體 一旦產品設計變異完全制造出來 然后就可以拆卸上述組件和重組成一 種新的元件來與未來的設計變異相匹配 因為組裝和組件范圍上的設計都相當 接近 所以這種方法是最能降低夾具成本的 根據組件的變化水平和工作類型的需求 每一個不同比例的柔性夾具都需 要被重新安排 為了增加使用這種類型夾具的效益 這個問題在設計階段考慮 是十分重要的 例如 在可能的情況下 皮卡車的位置和三維定位夾具上的組 件的不同變種 甚至完全不同的部分應該是在靠近增加兼容性和夾具子系統(tǒng)間 變性 夾具關鍵部件的收集在短期內能保證所需夾具的可用性 另外 這些夾 具的存儲需要很少空間 因為拆除所有模塊是可能的 通常以腳手架的形式并 把它們彼此放在一起 目前在一些汽車公司應用到柔性夾具 因為它們的精度 等級是足夠滿足的 大尺寸制造的夾具設施盡管沒有許多柔性夾具那樣操作靈 活 比如航空航天設備 準確性和定位銷的不確定性 夾具的可重復性以及夾 具結構的漂移都出現(xiàn)這樣一個事實 這些夾具在發(fā)電和航空航天等工業(yè)不能滿 足公差要求 一旦它們的精度問題得以解決 這些夾具在上述的工業(yè)中將會有 很高的利用價值 圖 2 2 夾具與汽車行業(yè)中的可重構組件 大量的體積計量系統(tǒng)和技術一直有許多新的發(fā)展 依靠計量系統(tǒng)和技術的 現(xiàn)代激光技術現(xiàn)在就能夠測量一些可接受精度的大尺寸產品甚至到幾公丈的產 品 在安裝和初期安裝調試期間 這些系統(tǒng)能夠用來精確定位一些夾具的關鍵 部件 夾具的安裝通常開始形成機架或主要框架 然后是那些大的部件和像皮卡 和夾具那樣逐漸更小的零部件 計量系統(tǒng)能夠用于柔性夾具的主要框架和其內 部框架的安裝 從而來保證每個零部件彼此之間的準確定位 表 1顯示了這些 大規(guī)模的測量系統(tǒng)數(shù) 跟蹤系統(tǒng)能夠測量基準點 它是實現(xiàn)這一目的的最合適 的測量系統(tǒng) 一起跟蹤球式反射鏡在三維空間內都可以認準所要記錄的位置 球式反射鏡可以直接練習目標對象來提供幾何位置信息或可以在機械重復的球 式反射鏡下應用 從這個角度用激光來跟蹤目標或短期目標 像一些其他測量 儀器的激光跟蹤有時候不確定 在夾具的安裝過程中需要做以說明 此外 激 光跟蹤和目標點之間的光線問題還應該考慮到 如果必要的話 多個跟蹤職位 都可以使用 在實際測量活動中 其結果必然是伴隨著一個不確定的說明 經 過測量 這些給定的分散的特征值是合理的 這個問題與一些夾具或夾具的安 裝及以后的審核都是一樣的 這些知識闡明了一個給定的定位夾具的能力和裝 配任務 換句話說 它表示在其相關流程中一套夾具是否能夠滿足公差要求 2 3夾具理論比較 為了用于多種生產裝置和組裝應用 在不同的公司也有大量不同形狀和設 計的夾具 這些夾具中的某一些的形式都是標準形式 然而另一些是經過專門 設計和制造的特殊零部件 后者可以說是建立在產品的復雜性和大規(guī)模的基礎 上的 所以可能會是非常昂貴的 9 無論成本和目的如何 制造和組裝過程都可以完成 要么不使用夾具 要 么用固定幀夾具或用可重構或柔性夾具 表 2對它們的典型應用的這些方法做 出了比較 固定框夾具通常用于重型應用上 它們更適合于應用在能夠減輕花費開銷 的大量產品上 對于制造業(yè)和大型組裝及復雜產品來說 柔性夾具的應用有很多好處 特 別是在研究和發(fā)展工作中 以及低容量產品的情況下 制造柔性夾具和夾具可 能會是非常有益的 除了在時間和金錢上使利益均衡外 柔性夾具還會有一個 更加靈活的設計思路 由于在夾具的制造和裝配過程中 會直接和經常改變夾 具的拓撲成本 與傳統(tǒng)夾具相比較 這種類型的柔性夾具的可重用性和可重構 性是一個主要的優(yōu)點 這一點尤為重要 因為它在綠色制造方面符合行業(yè)的發(fā) 展方向 通過回收使用系統(tǒng)的組成部件 為相關項目的工裝費用降低了項目成 本 表 2 1 用于驗證夾具大量的例子 便攜式測量儀器 儀器 輔助部件 測量類型 接觸式 非接觸式 圖像 賽立信探頭 是激光跟蹤儀 T型探頭 是 激光雷達 球形目標 是 目標 是攝影 光投影 是 基于激光掃描頭 是關節(jié)臂 三坐標測量 機 接觸探頭 是 2 4 柔性夾具的安裝 本節(jié)中描述的夾具在安裝過程中需要考慮一些問題 夾具元件安裝在合適 位置可以說是一種挑戰(zhàn) 尤其是當定位公差比較小時 柔性夾具也應當被監(jiān)測 以便于開發(fā)和與傳統(tǒng)夾具相比較它們的剛性 給出了一個通用的描述階段根據初步夾具安裝在仿真軟件環(huán)境和利用一些 尺寸為 5m 4m 3m的大尺寸夾具的實際實驗結果來測量指令階段 這是不論這 個夾具是否是第一次安裝在夾具中還是對已經存在的夾具只做外形上的更換 其都是為了定位不同的零部件 根據其復雜性 一種典型的大尺寸夾具具有三至五個結構 通常除了有一 個主框架之外 在每一個級別的基本水平 也可以由一個或多個結構 這些結 構用來作為參考以便于作為夾具基準來定位 在一個自動化固定的平臺上 機 器系統(tǒng)會進行多項任務 比如定位 加工和進行裝配 因此機器人的工作基準 與夾具的工作框架相聯(lián)系 仔細考慮夾具的綜合數(shù)據 會確保后續(xù)安裝達到預 期的公差要求 2 4 1 測試輔助柔性夾具的安裝 柔性夾具的安裝在第一次進行模擬仿真時有幾個安裝階段 使用模擬演習 在這個工程中可以減少一些潛在的錯誤和返工 測量輔助安裝過程是類似的跟 蹤對象位置的過程 是常見的大尺寸組件用到的 夾具的組件先用這種方法使 其大致位置公差在 1mm以內 然后當所有的夾具組件被放到所設計的位置時 在 0 1mm至 0 15mm公差內 它們可以使用適當?shù)呐ぞ厥站o 典型的計量協(xié)助柔 性夾具安裝階段如下 在出廠時設置初試參考結構 測量初始參照系 安裝基地或其位置的主框架 安裝脫機內結構 安裝控股和定位 在內框和主框架位置安裝鉗 套管和皮卡 底座上安裝內框 重點定位元件的精細調整和緊固 核查參照系和夾具 對于夾具關鍵位置的服務監(jiān)測 這些階段是從無到有夾具的完整安裝 更不用說 在設計變化略有變化的 情況下 一些下面的操作將被忽略 表 2 2 不同夾具理念之間簡明的比較 典型特征 固定框架 柔性夾具 夾具 應用 大批量產品 小批量產品 樣機 唯一性 可重復性 可重構性 成本效益 耐用性 非常高 高 低 優(yōu)點 剛度 非常高 剛性不確定 低 重量 重 中 低 可移植性 不可移植 難以在每一個安 裝中定位 難以進行 成本 非常高 中等 低 缺點 生產時間 長 中等 短 2 4 2 柔性夾具的安裝 柔性夾具安裝過程中采取了以下階段 安裝夾具的主框架 移動單元和子系統(tǒng)組裝 夾具內框架在夾具裝配中的安裝 皮卡和夾具的裝配 主框架通常是夾具的骨干 因此 它一般不會改變外形 和內框架及較小 的元素如襯套 皮卡和夾具一樣具有規(guī)律性 慎重考慮制造過程可以減少夾具 元件較大元素的重新排列 也會更進一步節(jié)約時間和成本 圖 3顯示了三組不 同活動小組對于柔性夾具的安裝過程 在這個過程中 假定夾具的標準件是從 可供選擇的現(xiàn)成的部件和組件中選出來的 然后提前在大量的物理安裝測試和 調試時以降低測量不確定度來進行一次夾具安裝 一旦達到可接受水平的不確 定性的物理安裝才能進行 圖 2 3 柔性夾具的測量輔助安裝程序 在夾具安裝過程中 它可能需要用到多個測量系統(tǒng)或用到包括一套完整夾 具安裝關鍵點的測量系統(tǒng) 這應該包括在夾具維修期間放在工廠的地板和墻壁 上的穩(wěn)定性及漂移檢查的目標參考點 在夾具上定位的關鍵點 測量儀器的不確定性應該予以考慮 作為一個經 驗法則 每個夾具關鍵位置的定位的準確性應該是在 10倍 甚至比所需的耐受 性更好 換句話說 如果組件公差指定至 0 1mm 則夾具定位精度至少應為 0 01mm 柔性夾具安裝的最佳做法如下 一個工廠的墻壁和地板上的初始參考點的位置是首選 以減少測量的不確 定性 應驗證該儀器所在位置上經常使用初始參考點的基地 在每個夾具的大節(jié)上 為更好地具有跟蹤和可重復性 可以附加多個球式 反射跟蹤系統(tǒng) 夾具大型組件有關于彎曲或扭曲的測量應集中在角梁的中央部分 以減少 定位誤差 內框架參考點應選擇盡可能遠的創(chuàng)建框的坐標系統(tǒng) 這可能會導致在內框 坐標系時的較小的不確定性 3 不確定性 由于評估的結果旨在對于所描述物體真正價值范圍內的評估定位 則不確 定性被定義為膠 8 這里的不確定性來自兩方面的審查 首先是與測量過程中 有關的 其次是與夾具定位的不確定性有關 測量不確定性的一些因素 如灰 塵 重力 溫度 氣壓 濕度 測量儀器和相關軟件中的系統(tǒng)誤差 操作人員 的技能 接觸探針或球式反射跟蹤儀 基于膠 8 的定義 測量結果應伴隨著它 的不確定性說明 這些錯誤詳細來源的討論超出了本文的范圍 已經有多項研 究來建立真正的不確定性的一些測量儀器 10 11 夾具關鍵點的測量結果應該包括相關的置信水平 除了最初的不確定性上 升的測量儀器 夾具的不確定性還有其他方面的影響 夾具框架方面的應用由 于產品重量以及制造工藝過程在夾具框架中能創(chuàng)建一些彈性變形 夾具有了集 成化 自動化和移動部分 是這個問題變得更加復雜 仔細考慮夾具設計階段不確定性的來源可以在一個給定的情況下減少過度 使用公差預算的風險 夾具的精度和夾具的成本之間有著直接的關系 然而 整體的成本也應該被考慮在內 高數(shù)額的零部件有更長的使用壽命 換句話說 質量特征接近平均值是 在使用過程中會很少失效 朝六個方向靠近在安裝時 是很必要的 然后是在高精度夾具和敏感部位上的可重構 柔性夾具及夾具的 監(jiān)測 4 討論 柔性夾具適用于組裝和在加工部分有不同的設計和幾何參數(shù) 尤其是當這 些部件之間的設計變化小時 這種類型的夾具被證明是具有成本效益和快速的 解決方案 這是因為它可能會通過夾具重新配置到一個新的產品或組件的變種 上 然而 當所需的零件盒裝配的設計完全不同時 可能需要不同尺寸夾具組 件的完整地重排 因此 在設計一個新的零件和重組夾具的拓撲結構時應該考 慮到要便于減少夾具的安裝和重新配置的時間以及成本 并最大限度的重用現(xiàn) 在的組件在當前的裝配中 一個柔性夾具有許多種裝配方式 是由于其靈活性 在正確的安裝順序下 選擇合適的組件 可以最大限度的節(jié)約成本和時間 本次選擇的過程中應該對 未來產品的夾具的潛在的重用予以考慮 在產品不斷變化的情況下 計劃和設 計夾具框架是很重要的 使用定制的夾具 緊固件 軸套和其他夾具元件都是 降低成本的關鍵問題 仿真軟件和工具的廣泛使用 可以減少返工和浪費夾具材料相關的成本 例如測量儀器 其目標點之間的視線檢查就會使用這些軟件來輔助 圖 4顯示 了柔性夾具安裝在測量仿真軟件中的第一個階段 由于夾具正在興建的模擬的 效益越 來越明顯 因此它可以突出儀器與目標測量點的水平視線的問題和不確定性 由于關于夾具操作中重量和力使夾具元件的電位漂移和變形 則可以提前 在仿真中分析以及在購買夾具元件方面的財政 更重要的是 這種工具允許更 好的裝配和制造等操作 因為它們能提前分析出夾具的長處和弱點 揭示其物 理設置 選擇合適的測量儀器最重要的是要協(xié)助夾具安裝的的計量 一個連貫的計量系 統(tǒng) 其測量結果的不確定性能夠決定夾具的不確定性 也暴露了夾具和是否符 合一個給定的公差范圍內所需任務的能力 圖 4 1 測量輔助夾具安裝的模擬過程 由于關于夾具操作中重量和力使夾具元件的電位漂移和變形 則可以提前 在仿真中分析以及在購買夾具元件方面的財政 更重要的是 這種工具允許更 好的裝配和制造等操作 因為它們能提前分析出夾具的長處和弱點 揭示其物 理設置 選擇合適的測量儀器最重要的是要協(xié)助夾具安裝的的計量 一個連貫的計 量系統(tǒng) 其測量結果的不確定性能夠決定夾具的不確定性 也暴露了夾具和是 否符合一個給定的公差范圍內所需任務的能力 總結 零件和裝配體應該以盡量減少夾具成本的方式來設計 以滿足使用標準組 件 如果在夾具更新至下一產品時提前思考 則其速度和成本可能會增加 在 夾具和固定裝置的設計上有強大的總成本 碳足跡及其可持續(xù)性 它往往要求 生產出只有極少數(shù)的典型設計或產品 子系統(tǒng)或組件 以滿足產品的變化和客 戶的需求 對于大型產品的幾何尺寸超出幾米夾具的可能會造成重大的開銷 此外 一旦所需的零部件倍制造出來 這些夾具則會變得多余 常規(guī)回收多余 夾具是不經濟的 因此 找到增加夾具的靈活性才是所需求的方法 柔性夾具和夾具的概念已存于二十余年 然而它們的潛能還沒有真正發(fā)揮 是由于其精度可可重復性的不確定性 高精度計量系統(tǒng)現(xiàn)在能夠用來對夾具進 行初始安裝和服務 然后使用該系統(tǒng)有可能重新設定夾具元素使其精確到一個 新的拓撲結構 以便于定位不同幾何位置的組件 允許幾次使用夾具 本文提出了一種對于大規(guī)模柔性夾具及夾具初始定位和安裝的通用的算法 計量輔助夾具安裝的新概念被證明對復雜的設置和夾具的安裝是有益的 當完 全裝配好時 夾具的穩(wěn)定性可以通過慎重考慮和選擇夾具幾何位置上的關鍵點 來予以保證 這種方法將應用于大尺寸元件和產品的制造以及裝配件 尤其是 應用于航空航天和發(fā)電工業(yè)中 產 品 名 稱 零 件 名 稱 零 件 圖 號機 械 加 工 工 序 卡 箱體 車 間 工 部 機加工車間 工 序 名 稱 粗銑底面 N 面 工 序 號 30 技 檢 要 求 基 準 面 頂面 T 面和側面 材 料 機 床 牌 號 硬 度 立式銑床 X51 HT200 HBS200 夾 具 定 額 代 號 名 稱 單件時間 分 每班件數(shù) 每臺件數(shù) 工人等級 專 用 夾 具 1 刀 具 輔 具 量具工步 序號 工 步 內 容 切削深度 mm 走刀 次數(shù) 主軸轉速 r min 進給量 mm r 切削速度 m min 輔助時間 分 名稱規(guī)格 數(shù)量 名稱規(guī)格 數(shù)量 名稱規(guī)格 1 粗銑底面 留 1m 半精銑余量 4 3 80 0 15 29 8 0 8 D120 盤形銑 刀 1 游標卡尺 產 品 名 稱 零 件 名 稱 零 件 圖 號機 械 加 工 工 序 卡 箱體 車 間 工 部 機加工車間 工 序 名 稱 精銑底面 N 面 工 序 號 40 技 檢 要 求 基 準 面 頂面 T 面和側面 材 料 機 床 牌 號 硬 度 立式銑床 X51 HT200 HBS200 夾 具 定 額 代 號 名 稱 單件時間 分 每班件數(shù) 每臺件數(shù) 工人等級 專 用 夾 具 1 刀 具 輔 具 量具工步 序號 工 步 內 容 切削深度 mm 走刀 次數(shù) 主軸轉速 r min 進給量 mm r 切削速度 m min 輔助時間 分 名稱規(guī)格 數(shù)量 名稱規(guī)格 數(shù)量 名稱規(guī)格 1 精銑底面至尺寸 保證粗糙度 Ra3 2 1 3 135 0 2 50 2 0 7 D120 盤形銑 刀 1 游標卡尺 產 品 名 稱 零 件 名 稱 零 件 圖 號機 械 加 工 工 序 卡 箱體 車 間 工 部 機加工車間 工 序 名 稱 鉆底面孔 2 14 5 锪平面 工 序 號 50 技 檢 要 求 基 準 面 頂面 T 面和側面 材 料 機 床 牌 號 硬 度 搖臂鉆床 Z3025 HT200 HBS200 夾 具 定 額 代 號 名 稱 單件時間 分 每班件數(shù) 每臺件數(shù) 工人等級 專 用 夾 具 1 刀 具 輔 具 量具工步 序號 工 步 內 容 切削深度 mm 走刀 次數(shù) 主軸轉速 r min 進給量 mm r 切削速度 m min 輔助時間 分 名稱規(guī)格 數(shù)量 名稱規(guī)格 數(shù)量 名稱規(guī)格 1 鉆 2 14 5 孔 2 550 0 25 17 2 0 08 14 5 麻花 鉆 1 游標卡尺 產 品 名 稱 零 件 名 稱 零 件 圖 號機 械 加 工 工 序 卡 箱體 車 間 工 部 機加工車間 工 序 名 稱 粗銑頂面 T 面 工 序 號 60 技 檢 要 求 基 準 面 底面 N 面和 2 14 5 孔 材 料 機 床 牌 號 硬 度 立式銑床 X51 HT200 HBS200 夾 具 定 額 代 號 名 稱 單件時間 分 每班件數(shù) 每臺件數(shù) 工人等級 專 用 夾 具 1 刀 具 輔 具 量具工步 序號 工 步 內 容 切削深度 mm 走刀 次數(shù) 主軸轉速 r min 進給量 mm r 切削速度 m min 輔助時間 分 名稱規(guī)格 數(shù)量 名稱規(guī)格 數(shù)量 名稱規(guī)格 1 粗銑頂面 留 1m 半精銑余量 4 3 80 0 15 29 8 0 8 D120 盤形銑 刀 1 游標卡尺 產 品 名 稱 零 件 名 稱 零 件 圖 號機 械 加 工 工 序 卡 箱體 車 間 工 部 機加工車間 工 序 名 稱 精銑頂面 T 面 工 序 號 70 技 檢 要 求 基 準 面 底面 N 面和 2 14 5 孔 材 料 機 床 牌 號 硬 度 立式銑床 X51 HT200 HBS200 夾 具 定 額 代 號 名 稱 單件時間 分 每班件數(shù) 每臺件數(shù) 工人等級 專 用 夾 具 1 刀 具 輔 具 量具工步 序號 工 步 內 容 切削深度 mm 走刀 次數(shù) 主軸轉速 r min 進給量 mm r 切削速度 m min 輔助時間 分 名稱規(guī)格 數(shù)量 名稱規(guī)格 數(shù)量 名稱規(guī)格 1 精銑頂面至尺寸 保證粗糙度 Ra6 3 1 3 135 0 2 50 2 0 7 D120 盤形銑 刀 1 游標卡尺 產 品 名 稱 零 件 名 稱 零 件 圖 號機 械 加 工 工 序 卡 箱體 車 間 工 部 機加工車間 工 序 名 稱 粗 半精銑左右側面 L 面和 R 面 工 序 號 80 技 檢 要 求 基 準 面 底面 N 面和 2 14 5 孔 材 料 機 床 牌 號 硬 度 組合銑床 HT200 HBS200 夾 具 定 額 代 號 名 稱 單件時間 分 每班件數(shù) 每臺件數(shù) 工人等級 專 用 夾 具 1 刀 具 輔 具 量具工步 序號 工 步 內 容 切削深度 mm 走刀 次數(shù) 主軸轉速 r min 進給量 mm r 切削速度 m min 輔助時間 分 名稱規(guī)格 數(shù)量 名稱規(guī)格 數(shù)量 名稱規(guī)格 1 粗銑左右側面 L 面和 R 面 留半精銑余量 4 2 80 0 15 29 8 0 4 D120 盤形銑 刀 1 游標卡尺 產 品 名 稱 零 件 名 稱 零 件 圖 號機 械 加 工 工 序 卡 箱體 車 間 工 部 機加工車間 工 序 名 稱 粗 半精銑左右側面 L 面和 R 面 工 序 號 90 技 檢 要 求 基 準 面 底面 N 面和 2 14 5 孔 材 料 機 床 牌 號 硬 度 組合銑床 HT200 HBS200 夾 具 定 額 代 號 名 稱 單件時間 分 每班件數(shù) 每臺件數(shù) 工人等級 專 用 夾 具 1 刀 具 輔 具 量具工步 序號 工 步 內 容 切削深度 mm 走刀 次數(shù) 主軸轉速 r min 進給量 mm r 切削速度 m min 輔助時間 分 名稱規(guī)格 數(shù)量 名稱規(guī)格 數(shù)量 名稱規(guī)格 1 精銑左右側面 L 面和 R 面至尺寸 保證粗糙度 Ra3 2 1 2 135 0 2 50 2 0 3 D120 盤形銑 刀 1 游標卡尺 產 品 名 稱 零 件 名 稱 零 件 圖 號機 械 加 工 工 序 卡 箱體 車 間 工 部 機加工車間 工 序 名 稱 粗鏜前面 后面孔 工 序 號 100 技 檢 要 求 基 準 面 底面 N 面和 2 14 5 孔 材 料 機 床 牌 號 硬 度 組合鏜床 HT200 HBS200 夾 具 定 額 代 號 名 稱 單件時間 分 每班件數(shù) 每臺件數(shù) 工人等級 專 用 夾 具 1 刀 具 輔 具 量具工步 序號 工 步 內 容 切削深度 mm 走刀 次數(shù) 主軸轉速 r min 進給量 mm r 切削速度 m min 輔助時間 分 名稱規(guī)格 數(shù)量 名稱規(guī)格 數(shù)量 名稱規(guī)格 1 粗鏜孔 留半精鏜精鏜余量 3 1 150 0 4 32 5 鏜刀 3 游標卡尺 產 品 名 稱 零 件 名 稱 零 件 圖 號機 械 加 工 工 序 卡 箱體 車 間 工 部 機加工車間 工 序 名 稱 半精鏜前面 后面孔 工 序 號 110 技 檢 要 求 基 準 面 底面 N 面和 2 14 5 孔 材 料 機 床 牌 號 硬 度 組合鏜床 HT200 HBS200 夾 具 定 額 代 號 名 稱 單件時間 分 每班件數(shù) 每臺件數(shù) 工人等級 專 用 夾 具 1 刀 具 輔 具 量具工步 序號 工 步 內 容 切削深度 mm 走刀 次數(shù) 主軸轉速 r min 進給量 mm r 切削速度 m min 輔助時間 分 名稱規(guī)格 數(shù)量 名稱規(guī)格 數(shù)量 名稱規(guī)格 1 半精鏜孔 留精鏜余量 0 8 1 200 0 6 38 6 鏜刀 3 游標卡尺 產 品 名 稱 零 件 名 稱 零 件 圖 號機 械 加 工 工 序 卡 箱體 車 間 工 部 機加工車間 工 序 名 稱 精鏜前面 后面孔 工 序 號 120 技 檢 要 求 基 準 面 底面 N 面和 2 14 5 孔 材 料 機 床 牌 號 硬 度 組合鏜床 HT200 HBS200 夾 具 定 額 代 號 名 稱 單件時間 分 每班件數(shù) 每臺件數(shù) 工人等級 專 用 夾 具 1 刀 具 輔 具 量具工步 序號 工 步 內 容 切削深度 mm 走刀 次數(shù) 主軸轉速 r min 進給量 mm r 切削速度 m min 輔助時間 分 名稱規(guī)格 數(shù)量 名稱規(guī)格 數(shù)量 名稱規(guī)格 1 精鏜孔至尺寸 0 2 1 250 0 6 41 3 鏜刀 3 塞規(guī) 西華大學畢業(yè)設計說明書 目 錄 摘 要 1 Abstract 1 第一章 零件的分析 2 1 1 零件的作用 2 1 2 零件的工藝分析 2 1 3 零件的三維造型 3 第二章 工藝規(guī)程的設計 5 2 1 確定毛坯的制造形式 5 2 2 基準面的選擇 5 2 3 制定工藝路線 5 2 4 機械加工余量 工序尺寸及毛坯尺寸的確定 6 2 4 1 確定毛坯種類 6 2 4 2 確定鑄件加工余量及形狀 6 2 3 5 制定工藝路線 7 2 3 6 工序設計 8 第三章 夾具設計 14 3 1 夾具類型及使用機床選擇 14 3 2 定位基準及定位元件選擇 14 3 2 1 工件定位面選擇 14 3 2 2 夾具定位元件選擇 15 3 2 3 定位元件限制不定度分析 16 3 3 夾緊機構及夾緊元件初步選擇 16 3 4 鉆套類型選擇 17 3 5 鉆模板設計 17 3 5 1 鉆模板類型選擇 17 3 5 2 鉆模板材料選擇 18 3 6 計算切削力和夾緊力 18 西華大學畢業(yè)設計說明書 3 6 1 計算切削力 18 3 6 2 計算夾緊力 19 3 7 定位誤差分析 19 3 8 夾具體設計 20 結束語 22 致 謝 23 參考文獻 24 西華大學畢業(yè)設計說明書 1 摘 要 箱體是機械設備上的重要組成零件 箱體內的齒輪 軸等零件通過箱體的 支撐連接在一起 理想提的精度直接影響到設備的精度 本次設計主要討論變 速箱體的機械加工工藝 通過分析零件的制造方法 機械加工過程來研究變速 箱體的加工 并選擇其中一道重要工序進行專用夾具的設計 設計了一套完整 的工藝及夾具 包括零件的工藝過程卡和工序卡 夾具的裝配圖及夾具零件圖 以及對夾具進行必要的計算 關鍵詞 箱體 工藝 夾具 Abstract The box body is an important part of mechanical equipment The gear shaft and other parts in the box are connected together through the support of the box body and the precision of the precision directly affects the precision of the equipment This design mainly discusses the machining process of the gearbox the machining process analysis parts manufacturing method to study the processing gear box and select a key process for the special fixture The design of a complete set of processes and fixtures including parts of the process card and process cards fixture assembly drawings and fixture parts as well as the necessary calculation of the fixture Key words Box process fixture 西華大學畢業(yè)設計說明書 2 第一章 零件的分析 1 1 零件的作用 箱體是機械設備的重要組成零件 箱體的作用是把從電機輸出的東西通過 變速箱的調速作用分配到輸出軸并分配給輸出端 箱體作為一個零件本身又由 變速箱箱體 箱蓋 變速箱齒輪 變速箱傳動軸 軸承 油封等零件組成 變 速箱箱體作為連接各個零件的主體 起到支撐和保護內部零件的作用 所以變 速箱箱體是變速箱最重要的組成零件之一 1 2 零件的工藝分析 根據圖 1 1 變速箱體零件圖可知 他一共有五組加工表面 這五組加工表 面有加工的位置要求 我們把這幾組表面分別如下描述 圖 1 1 零件圖 1 以底面為中心的底面以及底面的 2 14 5 孔 西華大學畢業(yè)設計說明書 3 2 以頂面為中心的頂平面和頂面上 100 孔和頂面 2 20 孔 鉆 4 M10 螺紋孔 3 前端面和前端面上 3 62 孔 4 20 孔 116 孔 75 孔 4 后端面和后端面上 3 62 孔 4 24 孔 90 孔 75 孔 5 左側面和左側面上 2 M8 螺紋孔 1 3 零件的三維造型 圖 1 2 箱體三維造型 根據零件圖尺寸 使用 Solidworks 軟件對零件進行三維造型如圖 3 1 Solidworks 軟件是法國達索公司軟件 他是一個集 CAD CAM CAE 系統(tǒng)于 一體的軟件 功能強大 能夠輕松實現(xiàn)各種復雜實體及曲面的造型 隨著個人 電腦性能的強大 Solidworks 軟件已廣泛用于工程設計當中 使用三維軟件對零件或產品進行造型 能夠直觀的體現(xiàn)產品的外形及內部 結構 相比于用二維 CAD 軟件進行設計 三維軟件在直觀體現(xiàn)零件形狀的同 時 還能夠參數(shù)化設定零件尺寸之間的關系 對于箱體這樣的系列化產品 使 西華大學畢業(yè)設計說明書 4 用參數(shù)化設計就能使用一個模型表達多個型號的零件 大大減少了企業(yè)文件數(shù) 據數(shù)量 提高文件管理和設計效率 使用 Solidworks 軟件不但能夠對零件進行造型 針對論問題題目還能對重 要工序的夾具進行三維設計 使用三維軟件進行夾具設計 能夠直觀反映夾具 中各個零件的相對位置 能夠直觀地看出夾具各個零件是否發(fā)生干涉 還能夠 模擬夾具的運行情況 對夾具的使用過程進行動態(tài)仿真 通過觀察夾具的使用 動態(tài)仿真 能夠看出夾具的設計是否合理 操作工人安裝和取下工件是否方便 夾具的使用是否符合人的操作習慣等問題 通過 Solidworks 軟件進行設計還能 方便對夾具進行修改 由于三維軟件中尺寸 牽一發(fā)而動全身 的特點 修改 一個尺寸后 其余尺寸會跟隨第一個尺寸的改變而改變 大大減少了修改的時 間 所以在用三維軟件進行設計時 選好合適的標注基準有利于高效率的設計 使用 Solidworks 工程圖還能輕松使用三維模型導出二維圖紙 Solidworks 工程 圖有強大的功能 能夠完成如三視圖 軸測圖 剖視圖 標注尺寸 形位公差 粗糙度 圖紙模板等功能 并且最重要的一點是 Solidworks 軟件的三維模型 和二維工程圖的尺寸是完全關聯(lián)的 就是說當修改了三維中模型的尺寸 二維 工程圖的尺寸會隨之修改 減少了圖紙錯我的概率并且減少了工作強度 西華大學畢業(yè)設計說明書 5 第二章 工藝規(guī)程的設計 2 1 確定毛坯的制造形式 根據零件圖可知 箱體是一個腔體形狀復雜的零件 材料為 HT200 根據 生產綱領可知年產量為 20000 件 屬于批量生產的水平 考慮到變速箱箱體的 型腔精度要求并不是非常高 變速箱體的精度高低全都是通過機械加工達到的 所以采用鑄造得到毛坯 鑄造方式為砂型鑄造機器造型 這種鑄造方式非常普 遍 容易獲得形狀復雜的零件 并且能夠達到變速箱箱體零件的工藝要求 2 2 基準面的選擇 基準面的選擇非常重要 它貫穿了整個工藝規(guī)程的編制過程 基準面選擇 的正確合理能夠大大提升加工效率同時能夠保證加工質量 基準面選擇的不合 理不但不能提升加工的效率還不能保證零件的質量 甚至出現(xiàn)大批量報廢的情 況 2 3 制定工藝路線 工藝路線的制定首先應該能夠保證圖紙上的尺寸和技術要求 其次再考慮 加工工藝的簡便和難易程度 因為滿足圖紙要求是加工工藝編制的頭等大事 在能夠滿足圖紙要求的前提下再考慮如何提高加工效率和簡化工藝 工序號 工序名稱 工序內容 10 鑄 造 20 時 效 30 銑 粗銑底面 N 面 40 銑 半精銑銑底面 N 面 西華大學畢業(yè)設計說明書 6 50 鉆 鉆底面孔 2 14 5 锪平面 60 銑 粗銑頂面 T 面 70 銑 半精銑頂面 T 面 80 銑 粗銑左右側面 L 面和 R 面 90 銑 半精銑左右側面 L 面和 R 面 100 鏜 粗鏜前面 后面孔 110 鏜 半精鏜前面 后面孔 120 鏜 精鏜前面 后面孔 130 鉆 鉆 擴 鉸前 后面 20 孔 倒角 140 鏜 鏜頂面 底面 100 孔 150 鉆 鉆頂面 20 孔 鉆 4 M10 螺紋孔 160 鉆 鉆攻左側面 2 M8 螺紋孔 170 鉆 鉆 攻后面 4 M12 螺紋孔 180 鉗 鉗工去毛刺 190 檢驗 200 入庫 2 4 機械加工余量 工序尺寸及毛坯尺寸的確定 2 4 1 確定毛坯種類 零件材料為 HT200 查 機械制造工藝設計簡明手冊 表 2 2 5 選用鑄件 西華大學畢業(yè)設計說明書 7 尺寸公差等級為 CT 8 HT200 使用鑄造很容易獲得形狀復雜的零件 對于像箱 體這樣相撞復雜 型腔不規(guī)則的零件尤其適合使用鑄造方式得到零件毛坯 2 4 2 確定鑄件加工余量及形狀 查 機械制造工藝設計簡明手冊 2 2 5 選取加工余量等級為 MA F 級 查表 2 2 4 確定各個加工面的鑄件機械加工余量 并根據所查得的數(shù)據繪制箱體 零件的毛坯圖如圖 2 1 所示 加工表面 加工余量 底面 N 面 5mm 頂面 T 面 5mm 左側面 L 面 5mm 右側面 R 面 5mm 前面 F 面 5mm 后面 B 面 5mm 6 62 孔 單側 4mm 2 14 5 孔 鑄件實體 8 20 孔 鑄件實體 頂面 100 孔 單側 5mm 2 M8 螺紋孔 鑄件實體 4 M12 螺紋孔 鑄件實體 西華大學畢業(yè)設計說明書 8 圖 2 1 毛坯圖 2 3 5 制定工藝路線 2 3 5 1 基面的選擇 在制訂工藝規(guī)程時 定位基準選擇的正確與否 對能否保證零件的尺寸精 度和相互位置 精度要求 以及對零件各表面間的加工順序安排都有很大影響 當用夾具安裝工件時 定位基準的選擇還會影響到夾具結構的復雜程度 因此 定位基準的選擇是一個很重要的工藝問題 選擇合適的基準面不但可以提高零 件加工效率 同時還能方便裝夾提升裝夾效率 2 3 5 2 粗基準的選擇 粗基準的概念 工件加工的第一工序或最初幾道工序中 只能用毛坯上未 經加工的表面作為定位基準 這種定位基準稱為粗基準 粗基準的選擇 對于 箱體零件 選用箱體的外表面作為加工的粗基準 先加工出挖掘機箱體的底面 西華大學畢業(yè)設計說明書 9 2 3 5 3 精基準的選擇 精基準是已加工過的表面 精基準的選擇 依據 基準重合 原則和 基 準統(tǒng)一 原則 用已加工過的左側面作為定位的精基準 在精基準的使用中 應該盡量使用同一精基準 2 3 5 4 擬定加工工藝 制定工藝路線應能夠保證工件的尺寸 形位公差 粗糙度能夠達到圖紙要 求 并且在滿足這些條件的前提下 使加工效率最大化 通過使用最短的加工工 序和最方便加工的方式進行加工 具體的加工工藝見零件加工工藝過程卡 2 3 6 工序設計 2 3 6 1 選擇加工設備 箱體作為一個常規(guī)機械零件 應選用廣泛使用的機床進行加工 根據零件 的工藝安排 各工序所使用的機床如下所示 工序 30 工序 40 工序 60 工序 70 為銑削加工 選用立式銑床 X51 進行 加工 工序 50 工序 150 工序 170 為鉆多孔加工 選擇搖臂鉆床 Z3050 進行加 工 工序 80 工序 90 同時銑削兩個側面 需要使用組合銑床加工 工序 100 工序 110 工序 120 為同時鏜多孔加工 選用組合鏜床加工 工序 130 為同時鉆多孔加工 選用組合鉆床進行加工 工序 140 為鏜削加工 選用臥式鏜床 T616 進行加工 工序 160 一次鉆削一個孔 選用立式鉆床 Z5140 進行加工 西華大學畢業(yè)設計說明書 10 min r6 791204 3d10n vi 8 810vc 2 3 6 2 確定切削用量及基本時間工序 30 粗銑頂面 留精加工余量 刀具 YG6 硬質合金端銑刀 齒數(shù) z 10 刀具直徑 d 120背吃刀量 4mmp 每齒進給量 查 機械加工工藝師手冊 1 表 30 15 取 0 15mm zzf zf銑削速度 查 機械加工工藝師手冊 1 表 30 23 取 30m minv v機床主軸速度 查 3 表 4 16 取 80r min 實際銑削速度 每分進給量 Mzf 銑削寬度 275mme 刀具切入長度 查 機械加工工藝師手冊 1 表 30 38 公式如下 1l maDle 63 1201 5 0 3 5 0 221 具切出長度 查 機械加工工藝師手冊 1 取 2mm2l l 機動時間 查查 機械加工工藝師手冊 1 公式如下 jt 67 531802675321 MZjflt 輔助時間 min tjft min 1025 fZn 西華大學畢業(yè)設計說明書 11 min r13204 35d10n vi 2 51 0vc min25 43206753t 21 MZjfl 工序 40 精銑底面至尺寸 刀具 YG6 硬質合金端銑刀 齒數(shù) z 10 刀具直徑 d 120 背吃刀量 1mmp 每齒進給量 查 機械加工工藝師手冊 1 表 30 15 取 0 20mm zzf zf 銑削速度 查 機械加工工藝師手冊 1 表 30 23 取 50m minv v 機床主軸速度 查 3 表 4 16 取 135r min 實際銑削速度 每分進給量 Mzf 銑削寬度 275mme 刀具切入長度 查 機械加工工藝師手冊 1 表 30 38 公式如下 1l maDle 63 1201 5 0 3 5 0 221 具切出長度 查 機械加工工藝師手冊 1 取 2mm2l l 機動時間 查查 機械加工工藝師手冊 1 公式如下 j 輔助時間 min 0 t jft 工序 50 鉆底面孔 2 14 5 孔 刀具 9 高速鋼麻花鉆 min 402 fZn 西華大學畢業(yè)設計說明書 12 min r475 1 30d1n v進給量 查 機械加工工藝師手冊 1 表 28 13 取 0 25mm rf f鉆削速度 查 機械加工工藝師手冊 1 表 28 13 取 15m minv v機床主軸速度 查 3 表 4 9 取 550r min 實際鉆削速度 cv 每分進給量 Mzf 鉆孔深度 22mml 刀具切入長度 由 機械加工工藝師手冊 1 表 28 42 得 1l m1 45cot 140 2 cot5 01 rkDl 刀具切出長度 切出長度取 2mm2l 機動時間 由 機械加工工藝師手冊 1 表 28 42 得 jt 輔助時間 08 2 t jft 工序 60 粗銑頂面 T 面 刀具 YG6 硬質合金端銑刀 齒數(shù) z 10 刀具直徑 d 120 背吃刀量 4mmp 每齒進給量 查 機械加工工藝師手冊 1 表 30 15 取 0 15mm zzf zf min4 25137 4t21 zmjl min 5 137025 fnZ i 2 50 西華大學畢業(yè)設計說明書 13 min r6 791204 3d10n vi 8 810vc min r13204 35d10n v 銑削速度 查 機械加工工藝師手冊 1 表 30 23 取 30m minv v 機床主軸速度 查 3 表 4 16 取 80r min 實際銑削速度 每分進給量 Mzf 銑削寬度 275mme 刀具切入長度 查 機械加工工藝師手冊 1 表 30 38 公式如下 1l maDle 63 1201 5 0 3 5 0 221 具切出長度 查 機械加工工藝師手冊 1 取 2mm2l l 機動時間 查查 機械加工工藝師手冊 1 公式如下 jt 67 531802675321 MZjflt 輔助時間 min tjft 工序 70 精銑頂面 T 面 刀具 YG6 硬質合金端銑刀 齒數(shù) z 10 刀具直徑 d 120 背吃刀量 1mmp 每齒進給量 查 機械加工工藝師手冊 1 表 30 15 取 0 20mm zzf zf 銑削速度 查 機械加工工藝師手冊 1 表 30 23 取 50m minv v 機床主軸速度 min 1025 fZn 西華大學畢業(yè)設計說明書 14 min 2 5014 350vcdn min25 43206753t 21 MZjfl min r6 791204 3d10n vi 8 810v c 查 3 表 4 16 取 135r min 實際銑削速度 每分進給量 Mzf 銑削寬度 275mme 刀具切入長度 查 機械加工工藝師手冊 1 表 30 38 公式如下 1l maDle 63 1201 5 0 3 5 0 221 具切出長度 查 機械加工工藝師手冊 1 取 2mm2l l 機動時間 查查 機械加工工藝師手冊 1 公式如下 j 輔助時間 min7 02 t jft 工序 80 粗銑左右側面 L 面和 R 面 刀具 YG6 硬質合金端銑刀 齒數(shù) z 10 刀具直徑 d 120 背吃刀量 4mmp 每齒進給量 查 機械加工工藝師手冊 1 表 30 15 取 0 15mm zzf zf 銑削速度 查 機械加工工藝師手冊 1 表 30 23 取 30m minv v 機床主軸速度 查 3 表 4 16 取 80r min 實際銑削速度 i 2 fZ 西華大學畢業(yè)設計說明書 15 min r13204 35d10n vi 2 51 0vc 每分進給量 Mzf 銑削寬度 230mme 刀具切入長度 查 機械加工工藝師手冊 1 表 30 38 公式如下 1l maDle 63 1201 5 0 3 5 0 221 具切出長度 查 機械加工工藝師手冊 1 取 2mm2l l 機動時間 查查 機械加工工藝師手冊 1 公式如下 jt 28 31806231 MZjflt 輔助時間 min4 tjft 工序 90 精銑左右側面 L 面和 R 面 刀具 YG6 硬質合金端銑刀 齒數(shù) z 10 刀具直徑 d 120 背吃刀量 1mmp 每齒進給量 查 機械加工工藝師手冊 1 表 30 15 取 0 20mm zzf zf 銑削速度 查 機械加工工藝師手冊 1 表 30 23 取 50m minv v 機床主軸速度 查 3 表 4 16 取 135r min 實際銑削速度 每分進給量 Mzf 銑削寬度 230mme min 180215 0fZn min 402 fZn 西華大學畢業(yè)設計說明書 16 min46 224063t21 MZjfl刀具切入長度 查 機械加工工藝師手冊 1 表 30 38 公式如下 1l maDle 63 1201 5 0 3 5 0 221 具切出長度 查 機械加工工藝師手冊 1 取 2mm2l l機動時間 查查 機械加工工藝師手冊 1 公式如下 j 輔助時間 min3 0 t jft 其余工序數(shù)據計算件工藝卡片 西華大學畢業(yè)設計說明書 17 第 3 章 夾具設計 3 1 夾具類型及使用機床選擇 根據課題要求選擇一道重要工序進行夾具設計 本次要設計的夾具是箱體 鉆 2 20 孔及鉆攻 4 M8 螺紋孔夾具 鉆 鉸 锪通過專用的鉆頭 鉸刀 锪 刀都可以在鉆床上進行加工 鉆床廣泛應用于機械加工中 是一種成本低 操 作難度低 加工范圍廣的機床 對于鉆 2 20 孔及鉆攻 4 M8 螺紋孔這道工序 來說 由于一次裝夾需要加工多個孔 故可選用如圖 3 1 搖臂鉆床 Z3050 進行 加工 圖 3 1 搖臂鉆床 3 2 定位基準及定位元件選擇 3 2 1 工件定位面選擇 西華大學畢業(yè)設計說明書 18 根據變速箱體的工序安排可知 鉆 2 20 孔及鉆攻 4 M8 螺紋孔工序在較為靠 后的位置 此時工件上的大部分表面都已加工 可選擇的余地較大 根據零件 圖可知 頂面的被加工孔沒有特殊的行為公差要求和尺寸要求 為了加工方便 和夾具結構的簡單緊湊 選擇已加工的底面和底面上 2 14 5 孔作為定位面 3 2 2 夾具定位元件選擇 夾具的定位元件是連接在夾具體上的零件 定位元件的作用是確定工件和 夾具之間的相對位置 定位元件通過定位面和工件配合 達到確定夾具和工件 相對位置的作用 零件的定位通常采用外圓 內孔等要素 且這些定位面應該 具備加工精度高 作為定位面時容易裝夾容易定位等特點 對于箱體鉆頂面 2 20 孔及鉆攻 4 M8 螺紋孔這道工序來說 選擇了底面和底面上 2 14 5 孔作 為定基準 采用 一面兩銷 的定位原理進行定位 下面分析 一面兩銷 中的 一面 和 兩銷 分別使用什么定位元件進 行定位 箱體底面是一個大而平整的表面 在工件的定位中起到定位面的作用 由于底面是已加工表面 有較高的精度 可選用符合 GB 2236 91 的支承板進行 定位 支撐板的結構示意圖如圖 3 2 所示 支承板是一個長條狀定位元件 由 于箱體較大 應該選用兩塊支撐板放置在箱體底面的兩端 兩塊支撐板組成了 一個大平面 根據夾具的定位原理 兩個支撐板組成的大平面可以限制工件的 3 個自由度 分別是 1 個移動自由度和 2 個旋轉自由度 西華大學畢業(yè)設計說明書 19 圖 3 2 支承板 在 一面兩銷 定位原理中的 兩銷 分別指的是圓柱定位銷和菱形定位銷 圓柱定 位銷的結構如圖 3 3 所示 菱形銷的結構如圖 3 4 所示 圓柱銷能夠限制 2 個移動自由度 菱形銷單獨使用不能限制工件的自由度 菱形銷只有在和圓柱銷成對使用時才能限制工件 的一個旋轉自由度 且菱形銷在使用是的擺放方向應該為菱形銷配合面連線的垂線方向應 該指向圓柱銷中心線的方向 只有這樣菱形銷才能限制工件的旋轉自由度 圖 3 3 西華大學畢業(yè)設計說明書 20 圖 3 4 菱形銷 3 2 3 定位元件限制不定度分析 工件在夾具上位置的確定需要限制 6 個自由度 對于回轉體零件 有時可 只限制 5 個自由度 由于變速箱體零件為不規(guī)則零件 他的加工必須限制全部 的 6 個自由度 底面用兩塊支撐板限制 3 個自由度 分別是 1 個移動自由度和 2 個旋轉自由度 根據 一面兩銷 原理 底面上的 2 14 5 孔分別用一個圓 柱銷和一個菱形銷定位 圓柱銷可以限制 2 個移動自由度 菱形銷可以限制 1 個旋轉自由度 這樣工件的 6 個自由度都被限制了 工件在夾具上的位置被確 定 工件完全定位 3 3 夾緊機構及夾緊元件初步選擇 如圖 3 5 所示 采用移動壓板作為夾緊機構 移動壓板機構選用的都是標 準件 包括移動壓板 螺母 雙頭螺柱 彈簧 調節(jié)支撐 移動壓板是一種結 構簡單 容易獲得的夾緊機構 使用移動壓板時 先裝入工件 然后把移動壓 板的頭部移動至需要夾緊的部位 再用扳手擰緊夾緊工件 西華大學畢業(yè)設計說明書 21 圖 3 5 移動壓板夾緊 3 4 鉆套類型選擇 加工箱體鉆頂面 2 20 孔及鉆攻 4 M8 螺紋孔 根據零件圖可知 2 20 孔 的粗糙度為 Ra12 5 查 機械加工工藝師手冊 可知 要達到 Ra12 5 的粗糙 度要求 直接進行鉆削加工即可 而 4 M8 螺紋孔需要先鉆 M8 螺紋孔的底孔 再進行攻絲加工 故對于本工序鉆頂面 2 20 孔及鉆攻 4 M8 螺紋孔需要兩個 型號的鉆套 選用如圖 3 6 所示符合 GB T 8046 1 1999 的固定式鉆套即可 圖 3 6 固定式鉆套 3 5 鉆模板設計 3 5 1 鉆模板類型選擇 西華大學畢業(yè)設計說明書 22 鉆模板是引導刀具在工件上鉆孔用的零件 鉆模板的作用是支撐鉆套 讓 鉆套和夾具體上的定位元件保證一定的位置關系 鉆模板的精度直接影響到工 件鉆孔的精度 該夾具中 鉆頂面 2 20 孔及鉆攻 4 M8 螺紋孔 因為加工 2 M8 螺紋孔需要先鉆螺紋底孔再攻絲 所以鉆模板需要設計成可翻轉結構 當鉆 螺紋底孔加工完成后 翻開鉆模板進行攻絲加工 3 5 2 鉆模板材料選擇 鉆模板的形狀為矩形板狀 可選用 45 鋼板材進行加工 45 鋼板材在市場 上購買方便 是一種廣泛使用的材料 45 鋼有很好的機械性能 進行熱處理后 可獲得較高硬度 作為鉆模板的材料非常合適 3 6 計算切削力和夾緊力 3 6 1 計算切削力 本道工序設計兩個不同大小孔的加工 選擇加工直徑較大的 20 孔進行切 削力計算 刀具 采用高速鋼直柄麻花鉆 md20 材料 HT200 鑄件 abMP41 鉆削軸向力為 引自參考文獻 機床夾具手冊 第三版 表pfKdfF 7 06 1 2 8 進給量 r mf2 0 修正系數(shù) 引自參考文獻 機夾具設計手冊 第三版 表 1 2 75 0 36 bpK 8 西華大學畢業(yè)設計說明書 23 故 NFf 63 9 7341 20 675 0 則實際夾緊力為 查 機床夾具計手冊 第三版 表 1 2 1 jpKF 安全系數(shù) K 可按下式計算4321k 基本安全系數(shù) 1 5 2K 加工性質系數(shù) 1 1 3 刀具鈍化系數(shù) 1 0 4 斷續(xù)切削系數(shù) 0 上述數(shù)據查 機械夾具具設計手冊 第三版 表 1 2 1 故 NFkKFjjp 15243210 3 6 2 計算夾緊力 根據 機械加工工藝手冊 孟少農表 6 3 8 中公式 cottan 21 21 fRdMWlqL W 作用在工件上的夾緊力 WL 螺旋夾緊力 M 螺旋上的原始作用力 M QL d2 螺紋中徑 西華大學畢業(yè)設計說明書 24 Q 手柄上的的作用力 L 手柄長度 l1 支撐到螺栓中心線距離 l2 螺栓中心線到夾緊中心距離 q 彈簧彈力 此處忽略不計 機構效率 取 0 9 帶入數(shù)據得夾緊力為 2972N 大于切削力 3 7 定位誤差分析 工件的定位簡圖如圖 3 4 所示根據 現(xiàn)代夾具設計手冊 表 3 2 公式得 兩定位銷所產生的最大角度定位誤差為 0186 127 94 02tanmaxa Ll 圖 3 7 零件定位簡圖maxl 夾具圓柱銷與其相配合的工件定位孔的最大間隙 取 H9 d9 最大間 隙 0 294mm 西華大學畢業(yè)設計說明書 25 max2 夾具菱形銷與其配合的工件孔件的最大間隙 取 H7 f6 最大間隙 0 077mm L 兩定位銷中心距 計算得最大定位角度誤差 0 107 水平定位誤差為 maxl 2之間取較大值除 2 計算得水平定位誤差為 147 0 29 jw 3 8 夾具體設計 夾具體是夾具的重要零件 他的主要作用是作為整個夾具的支撐部件 同 時還連接了如鉆模板 定位銷 支撐釘 支撐板 壓板等零件 是一套夾具中 最為重要的零件 夾具體的加工精度是否能夠達到要求直接關系到工件的加工 質量 如夾具體底面與頂面的平行度直接關系到鉆孔加工中孔的垂直度 該夾 具體結構較為簡單 選用易于得到毛坯的灰鑄鐵作為夾具體材料 根據上述要 求 設計夾具體并繪制夾具體零件圖 如圖 3 8 所示 西華大學畢業(yè)設計說明書 26 圖 3 8 夾具體零件圖 西華大學畢業(yè)設計說明書 27 結束語 畢業(yè)設計是對我這個若階段所學知識的一次集中考察 畢業(yè)設計的綜合性 強 涉及到所學的方方面面 如機械制圖 工藝擬定 夾具設計等方面的知識 通過這次的畢業(yè)設計 使我看到了在這些方面的不足 同時也在老師的指導下 學到了很多平時學的不精或沒有學到的知識 變速箱體是變速箱的重要零件 只有把各個加工工藝的順序才能完成加工 才達到設計的要求 要對變速箱的用途有基本的認識 以便于對制造變速箱體 的材料及工藝有直觀的認識 論文中對變速箱體行了工藝分析 并編制了工藝 過程 繪制了工藝流程卡和工序卡 把理論結合到實際 是對所學知識的一次 考核 在撰寫畢業(yè)論文的這段時間 每當遇到不懂的知識點我都主動向老師和身 邊的同學請教 剛開始設計夾具時疑點很多 后來在老師和同學的幫助下漸漸 理順了設計思路 并學會了查閱有關的設計手冊 通過學習設計手冊的上的案 例慢慢找到了繪制裝配圖的感覺 對于圖紙上的標注問題 我也找到了最新的 制圖標準 根據標準規(guī)范進行標注 如粗糙度要求這些年由老標注方法變?yōu)樾?標注方法 基準符號由圓圈和橫線的組合變?yōu)榉娇蚝腿堑慕M合 作為馬上要 進入社會工作的畢業(yè)生 應該積極學習新標準 適應畢業(yè)后的工作 西華大學畢業(yè)設計說明書 28 致 謝 忙碌的畢業(yè)季過去了 畢業(yè)設計也按照規(guī)定時間完成并交到畢業(yè)設計導師 那里 再這段時間里 從接到課題一頭霧水不知從何下手 再到到圖書館查閱 大量資料 翻閱各種設計手冊 逐漸理清了設計思路和畢業(yè)設計的主要任務 我的課題變速箱體加工工藝和夾具設計 這是一個很常規(guī)的畢業(yè)設計課題 他 牽涉到大學期間所學的很多知識 如機械加工工藝 機械制圖 材料方面等的 知識 畢業(yè)設計是一個綜合性很強的大考試 是對所學知識的一個總體檢驗 想 想大學期間學習的各學科的知識 都是各門任課教師一節(jié)課一節(jié)課耐心教會給 我們 想在此對所有任課教師說一句 謝謝 您們辛苦了 是你們帶我走進機 械世界的大門 是你們?yōu)槲艺樟廖磥淼姆较?讓我在混沌中看清未來前行的方 向 你們就是黑暗中的明燈照亮我前行的路 還要感謝大學期間陪伴我的同學們 遠在異鄉(xiāng)求學 心中的寂寞可想而知 是同學們讓我在這個城市有了家的感覺 我們一起上課一起吃飯一起度過周末 甚至一起過節(jié) 你們的音容笑貌會一致銘刻在我心里 感謝你們的陪伴 謝謝 西華大學畢業(yè)設計說明書 29 參考文獻 1 楊叔子 機械加工工藝師手冊 機械工業(yè)出版社 2009 01 2 計算機輔助設計 AutoCAD2012 中文版基礎教程 西安交通大學出版社 2015 07 3 廖希亮 張敏 計算機繪圖 清華大學出版社 2011 03 4 徐茂功 公差配合與技術測量 第 2 版 機械工業(yè)出版社 2014 06 5 黃云清 公差配合與測量技術 第 2 版 機械工業(yè)出版社 2012 01 6 李學京 機械制圖和技術制圖國家標準學用指南 中國標準出版社 2013 06 7 熊良山 機械制造技術基礎 第 2 版 華中科技大學出版社 2012 07 8 鄒青 機械制造技術基礎課程設計指導教程 第 2 版 機械工業(yè)出版社 2011 03 9 王福吉 機械制造技術基礎 科學出版社 2015 6 10 崇凱 機械制造技術基礎課程設計指南 第 2 版 化學工業(yè)出版社 2015 4