机械类毕业设计论文六角螺栓车总长装置设计

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1、机械类毕业设计论文六角螺栓车总长装置设计摘要本课题是针对某厂生产的零件六角螺栓进行车总长的装置设计该课题是对某企业实际产品的加工过程设计具有较强的实践性需实习调研过程在我们去实践观察的过程中不仅提高了自身的观察能力而且也同时提高了我们的思考判断等综合能力通过对该课题的研究和设计可以巩固我们对所学理论知识掌握提高我们解决实际生产中设计开发问题的能力和创新性在我的毕业设计中综合各方面的考虑自己设计了一个弹簧夹头其中弹簧夹头的材料是很有讲究的这在后面都会说到夹头主要利用了楔形结构因为工厂的工作环境和成本效率我选择了气动的传动方案虽然看上去很简单但是就生产效率的提高上去看绝对起到了非常大的效果关键字气

2、缸弹簧夹头弹簧钢六角螺栓楔形结构The lathing total length fixture design of tapped studAbstractThis topic is for a certain part hex bolts which should be turn the total length out The subject is very practicalIt also need to investigate in the factoryDuring the investigationit do not only promote our ability of obse

3、rvation but also enhance our thinking and judgment comprehensive abilitiesWe can turn our theoretical knowledge into practiceIn my graduation designI have considered many aspectsI have designed a spring chuck which is wedge-shapedThe material of the spring chuck is complexBecause of the working envi

4、ronment and the costI thinkthe pneumatic transmission is bestAlthough it is easyit is very usefulfor the improvement of the efficiencyThe keywordsylinder spring chuck spring steel hexagonal bolt wedgedstructure目录引言 1第1章绪论 211 六角螺栓简介212 六角螺栓级别和扭力 扭矩 的相对关系 213弹簧夹头的现状和应用现状3 第 2章 气压传动方案421 方案的提出422 整体方案

5、的分析比较与确定5 第 3 章 气缸的确定631 气缸的选择6com使用要求6com选择要点632 气缸各机构数据计算6 com 作用力大小 6com 或缸 的运动速度8com选择11第 4 章 弹簧夹头的设计15 41 弹簧夹头的使用和制造15 com 用弹簧夹头15com头的应用16com弹簧夹头提出问题及提出解决问题的方案19com弹簧夹头的改进19com在加工夹具体和夹具头时对加工精度的保证20com卡块的加工工艺及其精度的保证 22 42弹簧夹头的工艺24com头的热处理2443 提高弹簧夹头寿命的探讨26 com 命的探讨 26com头的精度分析27结论与展望28致 谢 29参考文

6、献 30附录 A 31附录 B 36插图清单图 1-1 不锈钢六角螺栓 2图 3-1 气缸输出力经验图7图 3-2 气缸输出力经验图8图 3-3 活塞杆径与活塞杆最大计算长度, 之间的关系9图 3-4 活塞杆径与活塞杆最大计算长度, 之间的关系9图 3-5 10图 3-6 气缸空气消耗量11图 3-7 气缸二维图13图 3-8 气缸三维图13图 4-1 以前的弹簧夹头结构18 图 4-2 镶块式弹簧夹头19图 4-3 夹头外锥面车加工示意图 19 图 4-4 夹头定位面加工原理20 图 4-5 圆锥面的磨削原理20 图 4-6 夹头内孔的磨削原理21 图 4-7 夹头导向面的磨削原理21图 4

7、-8 卡块六分口的铣削原理22 图 4-9 磨削卡块外径原理22 图 4-10 弹簧夹头示意图 23图 4-11 淬火低温回火工艺图 23 图 4-11 弹簧夹头回火工艺示意图 24 图 4-12热处理工艺工艺曲线26表格清单表 3-1 气缸型号表11表 4-1 回火温度和时间的关系 24引言本课题是对某厂生产零件- 六角螺栓进行机械车加工总长的装置设计该课题是对某企业实际产品的加工过程设计具有较强的实践性需实习调研过程在我们去实践观察的过程中不仅提高了自身的观察能力而且也同时提高了我们的思考判断等综合能力通过对该课题的研究和设计可以巩固学生对所学理论知识掌握提高学生解决实际生产中设计开发问题

8、的能力和创新性由于是大批量生产如果用三爪卡盘就行装夹效率方面肯定是上不去的在这样的基础上我们进行了改装设计出了配套的弹簧夹头与气压顶紧的装置以致使生产效率得到了很大的提高从中也是我们运用所学知识和技能来解决实际问题的一个重要环节更是对大学阶段所学关于机械及气压知识和实际动手能力的一个考察通过这次课题不但可以提高我们的综合训练设计能力科研能力其中包括实际动手能力查阅文献能力撰写论文能力还是一次十分难得的提高创新能力的机会并且使我在以下几个方面得到训练1 了解气压传动系统设计的基本方法和设计要求培养了我们运用所学理论知识解决具体工程技术问题的能力2 掌握气压传动系统的设计步骤熟悉设计的有关技术文件

9、规范设计手册及相关元件的国家标准3 根据设计任务要求进行工况分析和确定气压系统的气压元件拟定出气压系统 并对气压系统主要性能作必要的设计计算针对大学中所学的机械及气压方面的知识我选择这个课题来完成我的毕业设计并进行了大量的实地调研考察尝试和论证本次设计中主要以课本和搜集来的各种资 料作为依据基于所学的知识从简单入手循序渐进逐步掌握设计的一般方法和步骤让我把知识掌握的更加牢固并把所学的知识融成一个体系以适应将来实际工作的需要由于初次设计所学知识又存在大量局限实际经验也存在着大量的不足因此对一些问题可能考虑不周致使设计中难免会存在有某些缺点和错误恳请各位老师批评指正第1章绪论11 六角螺栓简介六角

10、螺栓即六角头螺栓部分螺纹-C 级及六角头螺栓全螺纹-C 级又名六角头螺栓粗制毛六角头螺栓黑铁不锈钢六角螺栓常用的标准可参见SH3404HG20613HG20634在现代复杂的制造环境中想在最佳状态下保持连续切削加工大多数工厂都必须经过机床制造商的严格培训认真学习新设备的加工运动原理结构特征和使用技巧方能进行操作使用尤其对于顶端的技术系统更是如此例如先进的机床控制系统复杂形状零件的 5 轴加工程序的汇编等庆幸的是有一种与此相反的处理方案这就是截止目前已经开发出的一些功能强大精度高但又容易操作 勿须专门培训 和使用寿命长的工艺装备用以快速定位夹紧工件或刀具 的相对卡盘定位精度高的弹簧夹头或称弹簧套

11、就属于这一范畴它具有100多年的悠久历史和很广阔的应用范围第一个弹簧夹头的使用并不是很理想的但当时确实证明了一个事实一个好的工件夹头的使用能提高生产效率和加工零件精度后来在车床开发制造领域享有盛名的公司在 1901 年骄傲地在他们开发的车床上使用了 于 1890 年 由本公司研制成功用以提供工件定位与夹紧的弹簧夹头并将他们的产品图纸和开发的系列产品向外公布当时主要是为适应钟表和透镜制造业大批量生产的市场需要而开发的能如此好地为早期 1920 年前 的普通车床与凸轮式多轴自动车床提供得心应手的弹簧夹头产品令确令人难以置信这就如同在现在的先进的CNC床上配置一套现代化技术的控制系统让我们回顾以往随

12、着加工与设备技术的不断进步在要求各个系统都能极高地提高生产效率的设计改革潮流中对作为机床的最基本但又很重要的工艺装备弹簧夹头却从没有给以设计的空间和时间这似乎是件非常奇怪的事情在机床结构也在以飞快速度变换着的形势下能继续保持原弹簧夹头基本结构保持不变的这一奇迹主要归功于它特具有的灵巧精致的结构和功能强大使用方便以及经济性好等特点弹簧夹头虽小但在机床工业中确实起到了很重要的作用这是都是由于它具有以下很强的功能能精确地定位与夹紧工件或刀具 具有抵抗扭矩和承受来自多方向切削力的功能具有增大驱动力 拉力 和转换驱动力为工件或刀具 夹紧力的功能具有快速松开工件或刀具 的功能具有在不降低加工精度和使工件不

13、受损害前提下的高重复精度具有能在较宽的主轴转速范围内工作与只有极小的夹紧力损失的能力简化机构 采用液压传动可大大地简化机械结构从而减少了机械零部件数目 5便于实现自动化 液压系统中液体的压力流量和方向是非常容易控制的再加上电气装置的配合很容易实现复杂的自动工作循环缺点1 不适宜远距离输送动力 由于采用油管传输压力油压力损失较大故不宜远距离 输送动力2 油液中混入空气易影响工作性能 油液中混入空气后容易引起爬行振动和噪声使系统的工作性能受到影响 3 油液受温度的影响 由于油的粘度随温度的改变而改变故不宜在高温或低温的环境下工作第 3 章 气缸的确定31 气缸的选择com使用要求1气缸的一般工作条

14、件是周围环境及介质温度5,600工作压力04,06Mpa表压超出此范围时应考虑使用特殊密封材料及十分干燥的空气2 安装前应在15 倍的工作压力下试压不允许有泄漏3 在整个工作行程中负载变化较大时应使用有足够出力余量的气缸4 不使用满行程工作特别在活塞伸出时( 以避免撞击损坏零件5 注意合理润滑除无油润滑气缸外应正确设置和调整油雾器否则将严重影响气缸的运动性能甚至不能工作6 气缸使用时必须注意活塞杆强度问题由于活塞杆头部的螺纹受冲击而遭受破坏大多数场合活塞杆承受的是推力负载必须考虑细长杆的压杆稳定性和气缸水平安装时活塞杆伸出因自重而引起活塞杆头部下垂的问题安装时还要注意受力方向活塞杆不允许承受径

15、向载荷7 活塞杆头部连接处在大惯性负载运动停止时往往伴随着冲击由于冲击作用而容易引起活塞杆头部遭受破坏因此在使用时应检查负载的惯性力设置负载停止的阻挡装置和缓冲装置以及消除活塞杆上承受的不合理的作用力 气缸的选择要点 1 根据气缸的负载状态和负载运动状态确定负载力 F 和负载率再根据使用压力应小于气源压力85,的原则按气源压力确定使用压力 P对单作用缸按杆径与缸径比为 05 双作用缸杆径与缸径比为 03,04 预选并根据公式便可求得缸径D将所求出的D值标准化即可如D尺寸过大可采用机械扩力机构2根据气缸及传动机构的实际运行距离来预选气缸的行程为便于安装调试对计算出的距离以加大10,20mm为宜但

16、不能太长以免增大耗气量3根据使用目的和安装位置确定气缸的品种和安装形式可参考相关手册或产品样本4 活塞 或缸筒 的运动速度主要取决于气缸进排气口及导管内径选取时以气缸进排气口连接螺纹尺寸为基准为获得缓慢而平稳的运动可采用气液阻尼缸普通气缸的运动速度为 05,1m,s 左右对高速运动的气缸应选用缓冲缸或在回路中加缓冲F 气缸理论输出力 kgfF效率为85时的输出力kgf - F,FX85D 气缸缸径mmP 工作压力kgfcm2通常在工程中确定输出力的大小时可直接查阅经验图 3-1 图 3-2图 3-1 气缸输出力经验图图 3-2 气缸输出力经验图例直径340mm勺气缸工彳压力为3kgfcm2时其

17、理论输出力为多少芽输出力是多 少将PD连接找出FF上的点得F,2800kgfF,2300kgfcom 或缸 的运动速度活塞运动速度与气源压力负载摩擦力进排气管接头通径等有密切关系其中以排气速度影响最大如果要求活塞杆高速运动时应选用内径较大的进排气口及导管通常为了得到缓慢的平稳的活塞杆运动速度可选用带节流装置的或气- 液阻尼装置的气缸节流调速的方式有当水平安装的气缸去推负载时推荐用排气节流如果用垂直安装的气缸举升重物时则选用带缓冲装置的气缸从下列的图 3-3 和图 3-4 阀的有效截面积及气缸速度的关系里可以根据气缸的 缸径和使用速度来选择用于控制气缸的控制元件阀的有效截面积并由此来判断阀的通径

18、大小使用方法纵轴上表示气缸的速度由此引出水平线找出与计划使用的气缸尺寸的交点由此交点引垂直线便可从横轴的交点上得知所需的有效截面积根据有效载面积选择较适合的阀上述气缸速度为仅考虑了电磁阀的有效截面积而计算出的数值请注意这里未考虑调速器配管管接头等回路因素和气缸的负荷率等图 3-3 活塞杆径与活塞杆最大计算长度, 之间的关系图 3-4 活塞杆径与活塞杆最大计算长度, 之间的关系4 安装形式的选择由安装位置使用目的等因素决定在一般场合下多用固定式气缸在需要随同工作机构连续回转时如车床磨床等应选用回转气缸在除要求活塞杆做直线运动外又要求缸作较大的圆弧摆动时则选用轴销式气缸仅需要在360?或 180?

19、之内作往复摆动时应选用单叶片或双叶片摆动气缸另有特殊要求应选用相适当的特种气缸和组合式气缸 选择可参照图 3-5图 3-5 气缸的基本类型和安装方式5 气缸的空气消耗量空气消耗量是操作费用的一部分图 1-6 是根据以下公式计算的空气消耗, 每厘米行程空气消耗量,;,D 活塞或活塞杆直径mm, 气缸行程此外为常数10mmP 操作压力kgfcm2利用此公式计算的空气消耗量为近似值因为有时在气缸室内的供应空气并不完全排放特别是在高速状态下 实际所需消耗量可能稍低于图上所读出的数例气缸,50 X 500活塞直径50mm舌塞力f径20mm亍程500mmM乍压力4(5,求空气消耗量解选出所给活塞直径定出该

20、水平线与操作压力线之交点空气消耗量随即可从横座标读出读出之值再乘该气压缸之行程;, 上述步骤读出之值给为 0(0,1;, 行程则单行程之空气消耗量为 4(51 对回程而言活塞杆之体积必须扣除20, 直径为0(0141;,行程X 50;,行程,0(,1因此回程空气消耗量为3(8来回行程之空气消耗量为 8(3图 3-6 气缸空气消耗量com选择根据汽缸的选择要求1周围环境及介质温度5,600工作压力04,06Mpa表压超出此范围时应考虑使用特殊密封材料及十分干燥的空气2 安装前应在15 倍的工作压力下试压不允许有泄漏3 在整个工作行程中负载变化较大时应使用有足够出力余量的气缸 4 不使用满行程工作

21、特别在活塞伸出时( 以避免撞击损坏零件 5 根据气缸的负载状态和负载运动状态确定负载力 F 和负载率再根据使用压力应小于气源压力85, 的原则按气源压力确定使用压力 P 对单作用缸按杆径与缸径比为 05 双作用缸杆径与缸径比为 03,04 预选 6根据气缸及传动机构的实际运行距离来预选气缸的行程为便于安装调试对计算出的距离以加大10,20mm为宜但不能太长以免增大耗气量结合现在市场状况以及工作时汽缸要求初选德国 Festoon 带活塞汽缸有关型号参数见下表3-1表 3-1 型材式和拉杆式气缸型号 功能 直径 mm力N行程mm缓冲P PPV 感测 标准说明 双作用 321004834712 22

22、000 - 1ISO 15552 2 经济型标准安装无派生型3 最接近开关齐平安装4 附件品种齐全双作用 321254837363 102000 0 0 1ISO 15552 2 派生型众多3 三侧都有型材槽4 接近开关齐平安装5 附件品种齐全双作用 321254837363 102000 - 1ISO 15552ISO64316 拉杆式气缸结构坚固7 使用安装组件安装接近开关8 附件品种齐全双作用 321254837363 102000 - 0 1ISO 15552 2 易清洗结构3 增强了耐腐蚀性能4 可选择集成位置感测或附加位置感测 双作用 32125 4837363 102000 -1

23、ISO 21287 2 标准尺寸的紧凑型气缸3 和标准气缸比派生型更多4 结构特点节省空间 双作用 321254837363 102000 - 1ISO 15552 2 易清洗结构5 增强了耐腐蚀性能6 可选择集成位置感测或附加位置感测 双作用 32125 4837363 102000 - 1ISO 21287 2 经济型标准气缸无派生型双作用 32125 4837363 102000 - 1 节省空间2符合ATEX旨令的特定形式可用于有潜在爆炸危险的工作环境结合实际的安装方式和汽缸的行程最终选用的缸径为 50mm亍程为160mm寸应的型号为标准型汽缸DNC-50-160-PPV二维图3-8

24、如下三维图3-9 如下至此气压传动系统元器件的选型结束第 4 章 弹簧夹头的设计41 弹簧夹头的使用和制造com用弹簧夹头弹簧夹头的优缺点重量轻的影响小同心度高快速夹持零件更换时可快速调换夹头适合的工件尺寸范围有限轴向尺寸长更适合小型零件更适合直径尺寸一致的工件三爪电动卡盘是大多数车床用户的标准工件夹持装置这种卡盘具有足够的通用性可应用于多种车削加工然而它不是所有加工任务的最佳夹具弹簧夹头是一种备用工件夹持装置与卡爪卡盘相似也用机械力固定需要车削的零件虽然弹簧夹头所提供的工件尺寸范围没有卡爪卡盘的宽对于某些加工任务来说它所提供的与速度准确度和生产力有关的优势也许是极其重要的何种夹具的功效更好做

25、决定时需要考虑几个因素对于一项给定的车床加工任务衡量选用弹簧夹头还是卡爪卡盘需要考虑以下的所有因素主轴负载容量车床主轴的最大允许重量基于轴承负载容量如果夹盘和工件组合的重量太大轴承有可能超负荷对于那些存在超出限度的危险的加工任务这种危险性可能决定人们对工件夹具的选择卡爪卡盘往往比同等的弹簧夹头的重量大因此在需要控制重量的场合弹簧夹头是恰当的选择主轴速度弹簧夹头往往是以非常高的主轴速度进行车削时的较好选择主要有两个原因一个原因与卡盘的质量有关假定以相同的主轴马力驱动卡爪卡盘和弹簧夹头较厚重的卡爪卡盘需要更长的时间来加速达到所需的速度加速时间长将延长工作周期降低生产力另一个原因与离心力有关因为它随

26、着rpm 平方值的增加而增加所以在高速切削的情况下这个数值很重要例如将主轴速度加倍离心力将为原来的四倍这种力量将卡盘卡爪拉离中心往往会降低夹持力但采用弹簧夹头离心力不会造成明显的影响因而在整个加工速度范围内夹持力会更加稳定加工操作弹簧夹头在零件的整个圆周施加夹持力而不是仅在选定的接触区域因而可获得很好的同心度这一点对于二次加工的项目尤其重要二次加工需要考虑与一次加工有关的精确度因为弹簧夹头的准确夹持能力强即使卡爪卡盘用于一次加工时弹簧夹头也可用于二次加工带有空心软卡爪的卡盘com英寸范围内的TIR总读数重复精度而弹簧夹头的典型重复精度为 00005 英寸 TIR 或更好为了进一步提高二次加工精

27、度在安装过程中还可调整弹簧夹头的同心度工件尺寸弹簧夹头非常适合直径小于 3 英寸的工件采用弹簧夹头对工件的长度有所限制特别地弹簧夹头限制机床的轴向 Z 轴 行程范围因为它的长度比卡爪卡盘长当工件的加工长度差不多需要用到机床的整个可用行程时大概就要采用卡爪卡盘了加工批量大小很大批量和很小批量的加工任务均适合采用弹簧夹头在小批量和多种任务的加工场合弹簧夹头的优势与产品转换时间有关标准卡爪卡盘的卡爪调换约需15 至 20 分钟专用于快速更换的卡爪卡盘需要1 分钟而快速更换弹簧夹头的夹头调换只需要15 至 20 秒在产品变换频繁时节省的时间累计起来是 可观的当加工批量大时可同样累积所节省的与夹持有关的

28、时间弹簧夹头所需的开合时间比卡爪卡盘的少通过减少从一个工件转换至下一个工件的非切削时间削减加工循环时间工件尺寸范围弹簧夹头开合更快的部分原因是它的驱动冲程较短与卡爪卡盘相比弹簧夹头所适用的工件尺寸范围更为有限次主轴情况装有次主轴的车削机床经常用于各种大批量加工在这些应用中弹簧夹头可显着节省加工时间它们可在一个工作循环中加工零件的所有面这些机床常与棒材进料器组合在一起实现无人值守生产连续加工工件在这些应用中对一个工件而言所节省的夹盘驱动时间可能是很少的但在整个生产过程中每个工件节省时间与加工工件数相乘累计起来所节省的时间是很可观的夹盘工具库当人们在卡爪卡盘和弹簧夹头之间选择一个最合适的工件夹持装

29、置时考虑第三个选项也是重要的在许可的情况下保留两种夹具从一种更换至另一种可能是最具成本效益的方案从卡爪卡盘换到弹簧夹头或反之亦然通常不超过20 分钟卡爪卡盘可保留在机床上以处理零件范围不确定的情况但当机床加工大批量工件或几批尺寸一致的零件时采用弹簧夹头所获得的生产力提高大大超过更换夹具花费时间造成的生产力损失实际上弹簧夹头的速度是有弹性的如果工件尺寸是一致的弹簧夹头的速度会更快如果工件尺寸的变化大可能需要采用卡爪卡盘以适应尺寸范围宽的加工工件材料类型对于热辊轧钢材锻件和模压件标准卡爪卡盘往往功效较好因为所有这类零件具有固有的直径变化另一方面冷辊轧材料零件往往具有较好的尺寸一致性因此适合选用弹簧

30、夹头然而缺乏一致的直径测量值不一定构成采用弹簧夹头的障碍可提供设计用于非圆横截面的夹头用于夹持制成客户所需形状的模压棒材弹簧夹头的应用弹簧夹头必须保持与工件或刀具 的定位基准相同如主轴弹簧夹头和工件或刀具 之间的相对运动将导致不正确的零件加工弹簧夹头与工件 或刀具 的相对转动或相对轴向移动都会使加工工件尺寸的一致性和几何 精度受到影响在现代复杂的制造环境中想在最佳状态下保持连续切削加工大多数工厂都必须经过机床制造商的严格培训认真学习新设备的加工运动原理结构特征和使用技巧方能进行操作使用尤其对于顶端的技术系统更是如此例如先进的机床控制系统复杂形状零件的 5 轴加工程序的汇编等庆幸的是有一种与此相

31、反的处理方案这就是截止目前已经开发出的一些功能强大精度高但又容易操作 勿须专门培训 和使用寿命长的工艺装备用以快速定位夹紧工件或刀具 的相对卡盘定位精度高的弹簧夹头 或称弹簧套 就属于这一范畴它具有100 多年的悠久历史和很广阔的应用范围第一个弹簧夹头的使用并不是很理想的但当时确实证明了一个事实一个好的工件夹头的使用能提高生产效率和加工零件精度后来在车床开发制造领域享有盛名的Hardinge 公司在 1901 年骄傲地在他们开发的车床上使用了 于 1890年 由本公司研制成功用以提供工件定位与夹紧的弹簧夹头并将他们的产品图纸和开发的系列产品向外公布当时主要是为适应钟表和透镜制造业大批量生产的市

32、场需要而开发的能如此好地为早期 1920 年前 的普通车床与凸轮式多轴自动车床提供得心应手的弹产夹头产品的确令人难以置信这就如同在现在的先进的CNC床上配置一套现代化技术的控制系统让我们回顾以往随着加工与设备技术的不断进步在要求各个系统都能极高地提高生产效率的设计改革潮流中对作为机床的最基本但又很重要的工艺装备弹簧夹头却从没有给以设计的空间和时间这似乎是件非常奇怪的事情在机床结构也在以飞快速度变换着的形势下能继续保持原弹簧夹头基本结构保持不变的这一奇迹主要归功于它特具有的灵巧精致的结构和功能强大使用方便以及经济性好等特点弹簧夹头虽小但在机床工业中确实起到了很重要的作用这是都是由于它具有以下很强

33、的功能能精确地定位与夹紧工件或刀具 具有抵抗扭矩和承受来自多方向切削力的功能具有增大驱动力 拉力 和转换驱动力为工件或刀具 夹紧力的功能具有快速松开工件或刀具 的功能具有在不降低加工精度和使工件不受损害前提下的高重复精度具有能在较宽的主轴转速范围内工作与只有极小的夹紧力损失的能力夹紧力总的来说弹簧夹头的设计和使用是一个涉及面很宽的领域它是需要相对应于多种机床系列以及包括了为体现它与机床各自不同风格和特征而设计的产品所以总数已有成千上万但是现在还有一个普遍的错误观念认为弹簧夹头只用以夹紧圆柱形工件毛坯这是不符合事实的实际上它几乎能对任何形状的工件或刀具 包括正方形或六边形工件进行定位夹紧下面主要

34、介绍影响各种弹簧夹头正确装夹定位和夹紧力的有关因素和工作原理影响夹紧力的因素夹紧力是机床经弹簧夹头施加在工件上的力本文中插图是一个在车床上使用的用以定位夹紧工件的弹簧夹头 同样也可以被用来对刀具磨削的工件实行定位夹紧或许多别的场合拉杆 图中未示出 的外螺纹与弹簧夹头的后端内螺纹连接拉紧产生轴向拉力然后由机床主轴前端的被称为锁紧角的锥面将轴向拉力转换成一垂直于弹簧夹头中心的夹紧力不仅如此夹紧力还可以通过锁紧角将其扩大经过计算得知根据不同的锁紧角弹簧夹头夹紧力可扩大3-4 倍弹簧夹头是一个结构简单的工艺装置却有许多影响夹紧力的主要因素 对于基本原理的了解可以帮助工件或刀具 正确装夹和迅速查找故障以

35、下介绍几个影响夹紧力的主要因素和总结的使用经验由切削试验和多年的使用实际证明弹簧夹头能满足切削速度日益增长着的加工需要和有很长的使用寿命我们知道在100 多年前主轴转速一般按每分钟几百转计量今天主轴转速高达每分钟数万转材料切除率也以惊人的速度递增在100 多年来的成功使用中尽管使用了许多先进的高端制造技术和能在很高的主轴转速条件下加工但仍都还使用着现有结构的弹簧夹头这在制造业中的确是罕见的也确实是Hardinge 公司人应该倍感骄傲的地方com弹簧夹头提出问题及提出解决问题的方案以前加工轴承套圈的弹簧夹头是下图 4-1 所示的整体式结构由 ?头部- 卡爪 L1 ?簧瓣包括头部在内的弹性部分L

36、2 ? 导向部分 L 3 组成弹簧夹头夹紧工件用头部 L 1 夹头弹性变形用簧瓣L 2 夹头导向用 L 3图 4-1 以前的弹簧夹头结构但是在长期的使用过程中 当夹头磨损超过一定限度就会出现夹不牢工件现象直接影响加工精度和生产效率这时弹簧夹头报废无形中增加了夹具的制造成本造成了巨大的经济损失要想提高夹头的耐磨性 就必须提高夹头的硬度而硬度过高夹头弹性减弱 簧瓣易断 为此我针对此问题设计了镶块式弹簧夹头com弹簧夹头的改进镶块式弹簧夹头的结构如下图 4-2 所视 它是由两部分组成的 一部分是夹头体另一部分是卡块二者通过螺钉相联接夹头体有六个簧瓣工作时靠簧瓣的弹性变形来完成夹紧和松开动作 夹头体材

37、料选用 65M n 淬火硬度 40, 45 HRC 以保证夹头的弹性 而卡块安装在夹头的爪部 直接接触工件 卡块是易磨损件 卡块材料可采用GCr15 淬火硬度 60, 62 HRC 以增加耐磨性镶块式弹簧夹头在使用中曾出现过以下几个问题1 由于夹头制造误差容易出现偏心车加工后的套圈会出现壁厚差超差现象2 卡块任意装入夹头后 测出卡块圆度不好用这样的卡块夹紧套圈 被加工后的套圈也会出现壁厚差超差现象制造时必须想办法加以克服4-2 镶块式弹簧夹头1- 夹头体 2- 卡块com在加工夹具体和夹具头时对加工精度的保证1 精车夹头的圆锥面 用螺纹胎保证车加工精度夹头体在精车完各个面并钻完等分孔后 再车圆

38、锥面车圆锥面时以螺纹面为定位基准我们设计一种螺纹胎 它可以保证车圆锥面时车加工精度加工原理如下图 4-3 所示 首先把夹头拧到螺纹胎上然后把螺纹胎装到机床主轴上最后用托板上的小刀架进行切削图 4-3 夹头外锥面车加工示意图2铳等分槽在铳削加工夹头上的分槽时先用立铳刀铳20 mm X 40 mm六等分槽然后再用片铳刀铳分瓣用的宽3 mm六等分窄槽但是此槽不能铳通端面留有3, 4mm连筋使夹头体还是整体保证夹头热处理后不变形及磨加工夹头各个定位面的 加工精度 其加工原理如下图 4-4 所示图 4-5 圆锥面的磨削原理4 磨削夹头内径用磨内径胎保证磨削加工的精度夹头的内径也是一个定位面用夹头内径夹持

39、卡块再用卡块夹紧工件所以内径的精度也直接影响被加工工件的精度 这就要求内径和圆锥面必须同轴我们设计一种特制的磨内径胎具夹紧夹头此胎是以圆锥面定位其磨削原理如下图 4-6 所示磨削后夹头的内径相对于圆锥面同轴度一般可达0 02mm夹头头部六瓣切开然后回火涨大图 4-6 夹头内孔的磨削原理5 磨夹头导向面同样使用螺纹胎保证磨加工精度导向面在夹头中起导向作用 要 求导向面和圆锥面必须同轴还是用磨圆锥面时用的螺纹胎夹紧夹头 其磨削原理如 下图 4-7 所示磨削后的导向面相对于圆锥面同轴度可达0 04 mm 夹头的精度是通过以上五个部分的加工工艺及保证措施来达到的 但是装在夹头里面的卡块精度的好与坏也直

40、接影响整个夹头的精度图 4-7 夹头导向面的磨削原理com卡块的加工工艺及其精度的保证1 铣等分口由于夹头体是六瓣所以卡块也是六瓣一组在铣六等分口时 口先不铣透 径向留有 3, 4 mm 连筋 使一组里的六个卡块还是一体保证淬火后磨加工时一组卡块的尺寸和精度一致 铣削原理如下图 4-8 所示一次可以铣削五 , 六个工件给每套卡块标注规格组号再按顺序给每一组里的每一块卡块标注顺序号卡块材料选用轴承钢 淬火硬度一般为 60, 62HRC图 4-8 卡块六分口的铣削原理2 径磨要求每组卡块内径外径必须同轴首先磨内径 磨一批活时内径尺寸要一致然后磨外径 磨外径时用内径定位 保证内外径同轴我们设计一个长

41、150mm前后锥度差 0 02, 0 03mm 的芯棒先把工件插紧在芯棒上 然后把芯棒用顶尖顶上最后在万能磨床上磨削外径其磨削原理如下图 4-9 所示 磨削后卡块内外径同轴度可达002 mm图 4-9 磨削卡块外径原理3 切开六瓣 并去毛刺镶块式夹头的中心定位精度除了取决于夹头体和卡块的制造精度之外应该注意以下几点1 更换规格时 只换卡块 不换夹头体 夹头磨损后也只换卡块2 卡块必须分为 6 个一组 成组保管 成组使用 不得混用3 安装卡块时必须按顺序号排列 否则会破坏卡块自身精度车加工后的套圈会出现壁厚差超差现象42 弹簧夹头的工艺com头的热处理夹头作时其柄部在锁紧套的作用下对夹头头部施加

42、一个锁紧力这就要求其柄部必须具有很好的弹性和韧性否则柄部将因壁薄而易夹头头部夹紧钢令使头部受力很大目要频繁装卸钢令因此要求其头部必须耐磨我们选用弹簧钢65Mn或60Si2Mn作为夹头材料此类材料硬度在 4045HRGE围内具有良好的弹性硬度大于时有良好的耐磨性因此我们将夹头柄部硬度定为4045HR8部硬度定为56-60HRC夹头形状如图4-10所示图 4-10 弹簧夹头示意图1 热处理工艺的制定和分析65Mn60Si2Mr#料具有良好的淬透性但易产生氧化脱碳和晶粒长大因此要严格控制理淬火加热温度和保温时间由于夹头头部和的热处理技术要求不同所以不能采用常规热处理方法而采用淬火低温回火局部回火淬火

43、低温回火工艺如图 4-11 所示图 4-11 淬火低温回火工艺图通过淬火低温回火可保证整个夹头硬度56HRCS行淬火低温回火后再对其进行局部回火局部回火在硝盐炉内进行回火时要注意对过渡区的控制通过专用工序保证夹头过渡区下部10mmfc右浸在硝盐中具体示意见图4-11图 4-11 弹簧夹头回火工艺示意图过渡区位置既不能太靠近头部偏上也不能在柄部太靠近头部偏上将影响头部硬度过渡区在柄部造成柄部和头部结合处硬度高易在此处发生断同时工件在硝盐炉中停留时间太长否则热量通过柄部传导将降低头部硬度局部回火只能采用高温快速回火2( 回火温度和时间的确定回火是受扩散控制的组织转变取决于温度和时间但温度是主要的所

44、有回火转变都在一定范围内发生在该范围内用较低的温度较长的时间与较高温度较短时间发生的转变相比可能有相同的效果高温快速回火正是基于这一点提出的根据实践经验要获得相同硬度值高温快速回火比常规回火温度高100200?由于要求柄部硬度为所以我们将高温回火温度定为 500 士 10?然后通过分组试验确定回火时间结果见下表4-1表 4-1 回火温度和时间的关系回火温度 回火时间s柄部硬度HRC头部硬度HRC 550?10 3052-55 5861 550?10 50 4851 5860 550?10 704447 5759 550?10 90 42-44 57-593( 热处理具体步骤1 在 600?盐浴

45、中预热预热时间以每厘米05 分钟计2 取出后放到 860-870? 盐浴中加热加热时间以每厘米02503 分钟计3 取出后立即投入180?左右的硝酸盐浴中冷却或投入油槽中冷却4 冷到室温后放到180-200? 的硝酸盐浴中回火一次以去除淬火应力并增加工件的韧性回火时间以60 分钟如果是油淬要清洗后再回火5 把工件后面部分浸入550?的硝酸盐浴中快速加热加热时间以每厘米813 秒钟计加热后取出投入油槽中冷却6 取出清洗吹砂43 提高弹簧夹头寿命的探讨com命的探讨弹簧夹头服役时是利用自身的弹性变形来夹紧工件完成机加工的如何提高弹簧夹头的寿命呢我们采取了如下措施1 重新确定 H 和 之间的尺寸差值

46、很显然增加圆角过渡区R处的半径能降低该处的应力集中程度但增加圆角过渡区 R 处的半径又受到一定的限制于是我们注意到H 和 见图 之间的尺寸差值因为增加此差值可以增加圆角过渡区 R处的抗扭故而模量和抗弯截面模采在弹簧夹头服役条件不变的情况下能显苦地降低圆角过渡区R处的应力峰值这对提高弹费夹头的寿命起着重要作用所以当圈角过渡区 R处的半径恒定时H和 之间的尺寸差值增为4mmi寸效果最佳2 重新制定热处理工艺按图纸要求弹簧夹头圆角过渡区 R处的硬度为HRC475俅用常规的热处理工艺进行处理虽然能保证精度要求但由于其形状因素和淬火应力的作用圆角过渡区R处很容易形成显微裂纹为了减少该处的淬火缺陷我们利用

47、正交试验重新制定了热处理工艺工艺曲线如图 4-13 所示图 4-12 热处理工艺工艺曲线1根据弹簧钢65Mn的等温转变曲线将弹簧夹头淬入170?的硝盐中等温4min后取出空冷这样既可以使弹簧夹头具有足够高的强度又可以防止其变形或开裂2将弹簧夹头的头部向上基体的上部留55mn余部分浸入400?的硝盐中回火1h这样弹簧夹头的基体得到的是高弹性极限的回火屈氏体组织圆角过渡区R处得到的是高强度极限的复合组织保证了弹簧夹头服役时的综合性能要求3 结论经上述方法处理的弹簧夹头其使用情况如表所示寿命提高了 3 倍年节约资金愈万元实践证明增加H和 之间的尺寸差值可以降低弹簧夹头圆角过渡区R处的应力集中程度改革

48、热处理工艺可以减少圆角过渡区R处得淬火缺陷com头的精度分析装卡精密中小型盘类套类环类短轴类等零件的弹簧夹头是批量生产中比较理想的夹具弹簧夹头结构简单不易损坏工件表面自动定位夹紧装卸工件迅速缩短辅助时间正确选用有很重要的意义最近又出现了一些结构新颖精度高使用方便的弹簧夹头装卡单个工件的弹簧夹头具有径向定中心和轴向定位置两种功能因此弹簧夹头的精度也分径向定中心精度和轴向定位精度以下简称定心精度和定位精度虽然弹簧夹头的零件不多但影响弹簧夹头精度的因素较多本文仅对影响弹簧卡头的两个主要因素加以探讨导向圆柱的质量主要影响夹头的径向定心精度装卡工件直径大小的变化主要影 响弹簧夹头的轴向定位精度这两方面的

49、因素对各种不同结构形式的弹簧夹头精度影响的程度也不一样计算方法也有些差别导向圆柱部分影响弹簧夹头定心精度的主要因素是导向圆柱部分的径向跳动和导向圆柱部分的配合间隙为了使弹簧夹头与工件接触良好使工件一夹头组成的系统具有较大的刚性要求夹紧的着力点尽可前靠近切削点弹性元件与锥套必须在纵向剖面口端成说边接触工件被夹紧的过程中接触线可能扩大为较窄的接触圆环面要做到这一点一般是将弹簧夹头的内外锥面作成不同的角度但两锥角之差不宜太大弹簧夹头的弹性元件是以后端导向圆柱面和前端锥面的窄圆环面文撑在锥套和其它零件上这两端支撑决定了弹簧夹头的实际中心线前端支撑的精度对弹簧夹头中心偏移的影响较大后端的影响要小些弹性元

50、件前端装卡工件的孔对外锥面的径向跳动布锥套内锥面对机床主轴中心线的跳动这两项的积累误羞将直接反映在夹持工件的径向跳动上后端导向圆柱的各项跳动积累误差以及配合间隙对夹持工件径向跳动的关系则要复杂得多结论与展望感谢阮林张贵修许蒙蒙等同学给予我许多帮助和支持在设计过程中我们一次次的对不懂的问题进行探讨若是没有他们也就不会有这篇论文的产生同样感谢本组其他同学吴安娇李婷婷陈瑞杰吴胜宏你们陪我在这半年一起成长感谢父母对我的支持和理解感谢一切曾经鼓励支持和帮助过我的人衷心地谢谢大家参考文献com出版社com出版社朱耀祥com出版社吴元微热处理工技师高级技师国家职业资格培训教材编审委员会热处理手册典型零件热处

51、理第 4 版 中国机械工程学会热处理学会com图书仪器高春雷机车内燃机活塞与气缸套测量仪及其信息管理系统的研制王雄耀低速气缸与高速气缸王海涛高速气缸缓冲的研究王新模提高弹簧夹头寿命的探讨弹簧夹头工艺制造质量分析 一机部通用与可调正夹具交流会Jeong-Du KimDeburring of burrs in spring collets by abrasive flow machiningModern Machine Shop Dec2010 Vol 83 Issue 7 p110-115 6pCNC COLLET CHUCKSModern Machine ShopWhen To Use A C

52、ollet Chuck Journal of MechanicalWorking TechnologyChucking force distributionof collet chuck holders for machining centers附录 A外文文献及其翻译COLLECT CHUCK1IntroductionTo improve productivity in micromeso-scalecomponentsresearchers have focused on developing miniaturized manufacturing instrumentssuch as mi

53、cro-machine toolsThese miniaturized systems are expected to save energy and be easily reconfigurableThe first step in micro-manufacturing instruments is miniaturizing the corresponding subsystemsIn particularmicro-machine tools for materialremoval processes haveas a key subsystema micro-spindle unit

54、 that must achieve high rotational speeds while maintaining good rotational accuracy for micro-feature machiningIn developing micro-spindle unitsa critical problem is miniaturization of the tool-clamping part that holds the tool in the spindleApproaches for scaling down conventional tool clampssuch

55、as the collet-chuckhydraulic chuckand shrink-fit methodsmay be limited by their inherently complicated structural and operational mechanismsIn collet- chucksa tapered collet and collet-pulling devicesuch as a spring and a screwmust be included in the micro-spindleIn additiona tapered collet causes t

56、olerance stackupwhich may increase rotation error motionHydraulic chucks have a non-axisymmetric structure inside thespindle due to the need for an adjusting screw and oil pathsThese elements unbalance the rotor mass increasing rotation error motion at high-speed revolutionFinally shrink-fit tool ho

57、lders require specific equipment to heat the device to a high temperature to unclamp a toolequipment that is too expensive and too large for use with micromachine toolsOne possible way to avoid these problems is to incorporate a shape memory alloy SMA SMAs have recently been used in various applicat

58、ionssuch as actuatorsfastenersbone fixaters and so on7- 13Theyarelightweightallow easy and precise installationyield excellent reliabilityand provide good immunity against shock and vibrationBy employing SMA for a tool clamp the clamp can be simplified because the SMA directly provides the radial to

59、ol-clamping force on the tool holderDue to this simple structurefurther miniaturization is possibleso it has an advantage of good immunity against the effect of centrifugal forceIn additionunlike a collet-chuckan SMA-based tool clamp does not require a collet to develop clamping forcethis eliminates

60、 the tolerance stackup that results from the colletThe SMA-based device also has an axisymmetric structural configurationunlike a hydraulic chuckwhich minimizes the effect of mass unbalanceFinallythe tool clamp can switch between the clamped and unclamped states by using a simple device toregulate s

61、mall changes in temperaturethereby eliminating the need for the expensive heating equipment used in shrink-fit mechanismsIn thisstudywe developed a tool clamp based on SMA for applications in micro-spindle unitsFirstwe developed the basic configuration of the tool clamp using an SMA ringand describe

62、d the principle of clampingunclamping the tool mathematicallySecondwe conducted three-dimensional 3D finite element method FEM analyses to assess the characteristics of the clampingunclamping operations and the effect of centrifugal forceNextwe designed and built a prototype of the SMA-based tool clampThenwe experimentally evaluated the time needed for clampingunclamping operations and the tool-clamping forceFinallywe used the prototype toconduct a mill-machining test to confirm that it was unaffected by centrifugal force at high rotational speeds2Principlecome memory alloy