齿轮套机械加工工艺及镗φ30内孔夹具设计
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中国.北京.2006.10.9-152006年电气和电子工程师协会/型钢的会议录讨论智能机器人和操作系统的国际会议 新颖的夹具设计和基于虚拟现实的装配系统 彭高亮 刘文建 哈尔滨工业大学机械电子工程学院 中国.哈尔滨150001.pg17782hit.edu.cn摘要模块化的装配是工业制造中很重要的一个方面,这篇论文讨论的是桌面虚拟现实系统对模块化装配设计的作用。对于虚拟环境设计,论文提出了设计方法,这种方法可以帮助设计师,使他们的设计可行有效。论文在层次数据模型的基础上,提出了组合夹具装配的方法。在这些结构的基础上,在虚拟环境中,用户可以在设计和装配过程中操纵虚拟模型。此外,人们正在讨论如何实施在加工仿真生产经行检测,最后,案例研究证明了该系统的功能。与虚拟现实系统相比,论文中还为模块化装配提出了一个合理的便携式解决方案设计。 指数计算组合夹具,桌面虚拟现实,装配设计,加工模拟结果一览表 .介 绍模块化装配是工业制造的一个重要方面,准确的设计夹具对确保产品质量,精度,准确性,以及完成部分加工是非常重要的。组合夹具是在安全,准确位置,为交汇处和高标准组件提供支持的一种系统,并支持整个加工过程中的工件【1】。一般来讲,夹具设计者通过经验或反复试验的方法就能确定夹具计划是不是合适。随着计算机技术,计算机辅助设计的出现,计算机已在组合夹具设计领域普遍应用。一般情况下,与夹具设计相关的活动,即装配刨,夹具元件设计,夹具布局设计,是在机床发展的下游才会去考虑。这些古老的做法对衔接设计和制造都是很不利的。例如,很少有系统能合并机械检测的一系列功能。这就导致了在夹具设计和制造之间产生了一个缺口,这个缺口使得人们不能在设计阶段【2】考虑刀具路径。因此,在制造设计中,人们重新设计也无法避免刀具被夹具元件妨碍的问题。所以,为了把机系列夹具领入柔性制造的舞台,更系统,更自然的设计环境是人们必须去研究的。一个综合的,立体的,互动的环境通常由计算机来实现。在数十年之内【4】,虚拟现实系统都是能起到很大作用的人机接口。在制造业中,虚拟现实也有很大的应用潜力,它可以在实际生产之前解决很多问题,从而避免出现一些代价高昂的错误。在过去的十年,虚拟现实技术的进步,为虚拟现实技术在不同的工程中的应用提供了推动作用,例如产品设计【5】,装配【6】,加工仿真【7】,培训【8】。本文的目的要阐述如何建立一个基于虚拟现实的模块化夹具设计系统(VMJFDS)。第一步就是为模块化设计装置制定一个综合的,拟真的环境。这种应用程序在运用了自然和启发性的方式,这种方式在设计夹具方面是有优势的,它可以在使用条件,缩短交货时间,提高夹具生产力和经济性等诸多方面形成良好的匹配。.拟议系统的概叙拟议的桌面虚拟现实系统的结构体系是基于系统功能要求的模块,由图1所示。在系统水平上,有3个拟议模块的设计,即图形界面(GUI),虚拟环境(VE)和文献数据库模块。对于任何一个模块,某种功能要求由一组对象来实现。在这篇论文中,详细的对象设计和实施都省略了。相反,这三个模块的概简要说明如下:1) 图形界面(GUI):大体上说图形用户界面是一个友好界面,它用于整合虚拟环境,组合夹具设计。2) 虚拟环境(VE):虚拟环境用三维模型把组合夹具系统、虚拟环境及其组成部分的导航和操作步骤显示给用户,如图所示1,虚拟环境模块包括两部分,即装配设计环境和加工仿真环境。用户选择适当的元件,把这些元件写在装配设计方面的办公区域内,然后,用执导系统把最终的夹具系统建立起来,人们就能把选中的元件逐个的组合起来。图1,概述基于组合夹具设计系统的桌面虚拟现实3) 数据库:数据库存放着所有模型的环境和夹具模块元件以及该领域的知识和一些典型的例子。如图1所示,显示了5个数据库,其中知识和规则单元是该系统最重要的地方,它管辖着所有夹具设计的原则。 . 程序化组合夹具设计在本节中,作者提出了在虚拟环境中有启发性的组合夹具设计程序。除了三维技术的深入,用户拥有和真实世界一样的操作感觉,这个过程还有情报功能。在设计过程中,采用智能推理的方法把一些典型的案件和建议提供给用户作参考,如实例推理(CBR)和常规推理(RBR)。此外,相关知识和规则作为帮助页面展现给用户,用户就可以在设计过程中轻松浏览了。概述组合夹具设计过程总结,如图2。虚拟环境之后就是草签和工件加载,第一步是夹具规划。在这个步骤中,首先用户决定了夹具计划,即指定交互夹具要面临的工件。 为了帮助用户成功决策,一些有用的个案,以及他们的夹具计划将通过自动推理检索方法提供给用户。一旦选定了要使用的夹具,用户到就能指定的夹具点。在这这项任务中,计算机还给出了一些建议和规则。夹具规划后,下一步就是夹具元件选择、设计阶段。在这个阶段,用户可以选择合适的夹具元件和组装成夹具需要的特殊部分。根据该夹具点的空间信息与基本夹具和工件的关系,一些典型的夹具元件的选择和建议可以自动提交给用户,这些都将有助于为用户服务。经过规划和夹具元件选择这个设计阶段后,下一阶段就是把选择的夹具元件连接到基板上经行交互装配设计。当外形装配完成,在加工范围内对结果进行检查和评估。在这种环境中执行的任务包括装配规划,加工仿真和夹具评价。装配规划是用于获得最佳的装配顺序和得到装配各组件准确的路径。加工仿真负责制造时的交互检测。夹具评价是将检查和评估设计的结果。最后,整个设计过程是在很自然的方式下进行,这都得益于虚拟现实系统。此外,展示的内容和知识可以告诉用户怎样才能选择最好的设计决策。. 组合夹具建模a. 组合夹具结构分析夹具元件组合起来的一个功能是为了在基板和工件【11】之间创造连接点。一般来说,根据其结构的基本特征,组合夹具结构可分为3个功能单元,即定位装置,夹紧装置,和支持单位。许多夹具元件可能由一个或多个元件组成,其中只有一个元件作为一个定位器,支持器或夹钳。组合夹具装配的主要任务是选择的支持,定位,夹紧及附件生成夹具,使他们能够将工件连接到基板。 通过分析模块化装置的实际应用,人们发现,模块化装置通过选择合适的夹具元件构造成夹具,然后把这些夹具安装到基板上。因此,这些夹具可视为组合夹具系统的部件。此外,组合夹具系统的层次结构在结构图3中表现出来。图 2,拟议组合夹具系统程序设计b.在虚拟现实中,用分层数据结构模型代表组合夹具相应的虚拟环境可能含有数以百万计的几何多边形图元,这是很正常的。在过去的几年中,若干个模型计划,例如作为BSP树10和八叉树,已提议组成多边形模型。然而,模块化设计的应用,相互作用的影响,现场也是动态变化。例如,在设计过程中,部分模块可能改变其空间位置,方向和装配关系。图3.模块化夹具系统的分层结构这表明一个静态的画面,如BSP树,是不够的。此外,上述模型只能在系统组件的水平上表现夹具布局结构。然而,关于夹具元件之间的装配关系,是指装配特征之间的啮合关系,这些都不会去关注。在本节中,为了描绘组合夹具系统,我们提出一个层次化结构和基于约束的数据模型,实时可视化和精确的3D操纵的虚拟环境。 图4所示,在高级别的元件模型用于涉及交互式装配的拆散操作。它证明了拓扑结构和链接组件之间的关系。以高级别模型为代表的信息可分为两种类型,即组件对象和装配关系。组件对象可以是一个组件或一个部分。一个组件包括各个部分之间的零件和他们的组装的关系。 图. 4层次结构数据模型的虚拟环境中层基础模型特征的是建立功能和限制功能。在一般的情况下,在装配中,装配关系往往被视为交配关系。因此,基础特征模型用来描述装配关系,在装配操作中,为精确的空间关系提供必要的信息。在这个模型中,只考虑两个不同元件之间的特征关系。下面专题讨论,在夹具元件模块化建模在一个元素之间的功能关系。低级别的多边形基础模型对应以上两个级别的模型:实时可视化和层次模型。它描述了以一个相互联系的三角曲面网格作为整个表面,更多关于如何将一个元素组织成多边形,将在下一节讨论,。C.夹具元件模块化建模 众所周知,在虚拟现实系统中,夹具元件模块化建模只是表示为多边形的数目。将CAD系统模型转换到VR系统中,拓扑关系和参数信息中的结果将会丢失。为了避免这些问题出现,本节我们将讨论夹具元件建模的计划。 夹具元件模块化是以标准尺寸为依据预先制造的部件。计划夹具设计完之后,接下来的任务是选择合适标准的元件,装配这些元件以形成一个可行的夹具系统。因此,在建议的制度下,需要考虑夹具元件装配功能。在这篇论文中,装配特征是作为一个夹具的属性,这个属性提供相关的确切信息来保证夹具的模块化设计和组装/拆卸。以下八个功能被定义为组合夹具元件的装配特征:支持面,被支持面,定位孔,扩孔孔,螺纹孔,固定槽,和螺栓。除了类型和尺寸等特征信息外,其他参数,如相对位置,元素在局部坐标系统中的定位特征等,在夹具元件的数据库中都用几何模型记录下来。当一个元件和另一个元件组装起来时候的,检索出来的交配功能信息可以决定两个元件的空间关系。更多关于装配特征及其交配关系的资料进行了讨论参考详情11。D.在虚拟环境中以约束为基础的夹具装配 1)夹具元件之间的装配关系交配关系是在装配现场组装是被定义的。根据上一节总结的装配特征,交配夹具元件有五种关系类型。即依赖关系,拟合关系,螺纹啮合,交叉关系,和 T型槽配合关系,如图 5所示。基于这些交配关系,我们可以推断,任何两个元件夹具可能的装配关系。2)装配关系的推理一般来说,两个组装零件的装配关系是代表着它们的组装交配功能。上面的部分,我们定义了夹具元件之间五个基本交配关系。因此,通过可能出现的装配关系决定启用那种可能的交配特征。为了在下一阶段的装配,把这些可能的夹具装配关系存放在关系数据库中(ARDB)。然而,当夹具复杂,复合夹具元件的数量多时,要花费很多时间来推断和处理这些可能的装配关系。为了避免这种情况,首先我们要确定可能的组装元件对。但是为了避免推理夹具和底板的之间的装配关系,我们绝对不能将他们组装在一起。在这个阶段,人们利用一些规则来寻找可能的元件组装对。组装的推理算法类似于在文献12中讨论的。因此,详细的算法描述在这篇论文中被忽略了。3)基于约束的夹具装配进行装配关系推理的之后,所有被选择的可能的装配关系都建立在ARDB中,并被保存起来。在这些关系的基础上,人们可以把单个零件组装成夹具系统。这部分是讨论关于在虚拟环境中互动装配的操作。单一的装配过程如图5所示,并介绍了两个简单的部件装配如图6所示。一般来说,装配操作过程分为三个步骤,即装配关系的认识,约束的分析和应用,基于约束的议案。首先,技师选择一个元件,将它移动给组装组件。在移动过程中,一旦推理组装和组装组件的被检测到,推断特征就能选中了。如果这两个特征是在ARDB数据库中的储存的装配关系之一,他们将突出显示,并等待用户确认。一旦被用户确认,这种被确认的装配关系将运用约束理论来分析和解决问题,这是为了平移调整组装元件的方向,以满足这两个组件的位置关系,以及应用新的约束来组装元件。当应用了新的约束,对装配元件的运动将被映射到一个约束空间。这样做的目的,可以通过3D移动数据,把物体的输入装置转换成允许的移动。基于约束的运动不但保证了组件的可获得确切位置,而且还保证了在将来的运动中,现有的约束不会受到侵犯。继续运用确认和约束的装配关系,这种装配元件将能到达最终的位置。.加工仿真a. 制造的相互影响在加工过程中,与夹具有关的有多种类型的制造交互作用都有可能发生。这些相互作用可以分为两大类别如下图所示,即静态的相互作用和动态的相互作用。1)静态的相互作用是指夹具部件之间的干扰、夹具组件和机器工具之间的干涉、在工件安装中夹具元件和机械加工工件之间的干扰.2)动态交互是指参考夹具的相互作用,它发生在一个单一的工具和操作时的夹具用在切割过程中操作可能会发生碰撞。一般来说,加工过程和刀具路径等方面是没有考虑在夹具设计阶段的。因此,这些相互作用可能常常发生在实际制造过程中。所以,机械师们必须花很多时间去查明和解决这些相互作用, 它往往导致夹具系统修改或重新设计,这是繁琐和昂贵工程。b. 干扰检测但是目前的商业软件,如VERICUT软件,在实际加工工件之前,这些软件可以模拟数控加工来检测刀具路径错误和低效率的运动。在部分编程阶段,它可用于避免一些错误,如损坏灯具,打断刀具,或撞毁机器等. 然而,这些软件价格昂贵,而且面向数控编程,不适合的夹具设计。在夹具的设计阶段,应确保避免相关的夹具之间的相互作用。在这个系统中,当夹具配置齐全后,加工仿真模块是提交给用户识别,让用户来解决他们之间的相互作用。在加工仿真环境中,提供了机床的三维数字模型。人们可在工作台上组装工件和安装夹具组件,正如加工工程师做的实际的网站上一样。在安装过程,组件和夹具工件移动到它们的装配位置。干扰检查模块被执行。如果发生干扰,推断的对象将被显现。它可以调整装配顺序或装配路径这样可避免的干扰。但是,如果不能避免干扰,用户就必须更改元件或夹具单元。安装后的工件,刀具的运动是在CAM系统中,根据模拟生成的刀具路径。对于虚拟现实系统,稳固,动态,优越的三维图形允许刀具运动在屏幕上可视化的表现出来。因此,模拟刀具路径允许用户关闭检查,如果发生的干扰,并提供干扰信息。.建议制度的执行情况与个案研究A. 桌面虚拟现实系统接口 为了装备最后的部分,夹具设计工程师用一个自然界面来实现更有效的设计。在图形用户界面参考了虚拟现实系统软件,通过隐藏窗口的大多数内容来实现设计的。在图形用户界面(图7)包括虚拟现实显示一个主窗口,一个右手组成工具栏和状态栏底部的输出按钮。系统和用户之间的交互鼠标和键盘输入通过实现。该工具栏为开发的系统提供的所有的功能。图七.图形用户界面组合夹具设计系统B研究案例 在模块化夹具设计系统的基础上开发出桌面虚拟现实系统用一个个例完美的阐述。工件加工过程如图 6。面铣刀在顶面执行,随后就完成了来那个台阶孔。为了工件步骤和指导步骤,用户设计了这是一个模块化的夹具系统。该夹具规划模块已应用于一个可行的设计方案。在这个模块中,定位,夹紧和支持的面,以及定位,支持和夹紧点,则取决于相应的的知识基础和夹具启发式规则。在此之后,用户在元素存放区探索并选择适当的夹具元件完成夹具上各点的空间要求。当完成后,用户移动到装配设计区域,把选定的元素放在在书桌上,如图所示 8(a)。下一个的任务是选定元件来完成夹具结构分布。在虚拟环境中,用户可以自然的方式装配夹具元件。如图所示图。 8(b)项,例如模块化的夹具系统的最后配置,工件的形成。当夹具配置完成后,下一阶段是加工推理的模拟检测。如图9(a)和图9(b)项所示,夹具系统的构建安装在一台数控机床并且模拟了刀具路径执行情况。 .结论对于组合夹具的设计制造,我们已经提出并制定了桌面虚拟现实的环境 。提供了该建议的系统结构和虚拟现实环境,即装配设计环境和加工仿真环境的设计。通过分析组合夹具结构,层次结构数据模块,以及XML提出了基础夹具元件。从而准确在虚拟现实模型中操作,实现组合夹具设计和装配。此外,还要总结夹具元件之间的装配关系和描述在虚拟现实系统中的装配操作过程的。加工制造业的模拟检查中,使用该方法。最后一个案例研究的提出,用来说明我们的集成系统。参考文献【1】 候江亮,特拉皮犹太委员会,“计算机辅助夹具设计系统”,诠释。39(16),2001年,第3703 3725页。【2】 A.Senthi l库马尔,J.Y.H.Fuh,T.S.Kow,“一个自动化的设计和对无干扰的组合夹具设计”,计算机辅助设计32(2000)第583-596页。【3】 JRDai,AYCNee,JY H FUH 和A Senthil Kumar,“模块化设计和组装夹具的自动化方法”,代理机械工程师,1997年第211卷,第509 521页。【4】 Burdea GC,Coiffet P,虚拟现实技术。威利,新泽西州,2003。【5】 Kan H.Y, Duffy V.G,“互联网的虚拟现实协同产品设计的效益”,“在工业计算机。v 45,n2,2001年6月, 第197-213页。【6】 Jayaram 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单件1锻造2时效处理3粗镗粗镗30内孔,双边加工余量为3mm。T68卧式镗床内径百分尺、深度百分尺、专用夹具、硬质合金镗刀9.334粗车粗车63外圆,双边加工余量为3mm。粗车齿轮右端面,加工余量为1.5mm。C620-1卧式车床硬质合金车刀、游标卡尺、外径千分尺、专用夹具25.45粗镗粗镗32内孔,双边加工余量为6mm,镗倒角。T68卧式镗床内径百分尺、深度百分尺、专用夹具、硬质合金镗刀10.36粗车粗车40端面,齿轮左端面,加工余量为1.5mm。粗车42外圆,双边加工余量为3mm。粗车40外圆,双边加工余量为2mmC620-1卧式车床硬质合金车刀、游标卡尺、外径千分尺、专用夹具77.957拉键槽拉键槽L6110卧式拉床键槽拉刀、专用夹具、208半精镗 半精镗30内孔,双边加工余量为1mm,镗倒角。T68卧式镗床内径百分尺、深度百分尺、专用夹具、硬质合金镗刀12.179半精车 半精车63外圆,双边加工余量为1mm。半精车齿轮右端面,加工余量为0.5mm。车倒角。C620-1卧式车床硬质合金车刀、游标卡尺、外径千分尺、专用夹具16.210半精车半精车40端面,齿轮左端面,加工余量为0.5mm。半精车42外圆,双边加工余量为1mm。半精车40外圆,双边加工余量为1mm。车沟槽,倒角。C620-1卧式车床硬质合金车刀、游标卡尺、外径千分尺、专用夹具26.8711钻孔钻8.5孔Z518立式钻床游标卡尺、专用夹具、直柄麻花钻3.912滚齿滚齿Y3150滚齿机公法线百分尺、高速钢单头滚刀、专用夹具96.9713淬火淬火14磨削磨削40,42外圆,双边加工余量为0.4mm。M114W万能外圆磨床砂轮、专用夹具、6515磨削磨削30内孔,双加工余量为0.4mmM2110砂轮、专用夹具6316终检 设 计(日 期) 校 对(日期) 审 核(日期) 标准化(日期) 会 签(日期)2016.1.27标记处数更改文件号签 字 日 期标记处数更改文件号签 字 日 期 课 程 设 计 说 明 书课程名称:机械制造技术基础课程设计设计题目:齿轮套零件的机械加工工艺规程及工艺装备设计 姓 名:专业班级:指导教师:2016年1月27日理工大学机械工程学院3太原理工大学课程设计说明书目录摘要3第一章 绪论4第二章 齿轮套的加工工艺规程规定52.1 零件的分析52.1.1零件的作用52.1.2零件的工艺分析52.2 确定生产类型62.3 确定毛坯62.3.1 确定毛坯种类62.3.2 确定铸造加工量及形状62.3.3 绘制毛坯图82.4 工艺规程设计82.4.1 选择定位基准82.4.2 制定工艺路线92.4.3 选择加工设备和工艺设备102.4.4 机械加工余量、工序尺寸及公差的确定112.5 确定切削用量及基本工时132.5.1粗镗30内孔132.5.2粗车67外圆及齿轮右端面132.5.3粗镗32内孔162.5.4 粗车左端面及46.4外圆、43.4外圆172.5.5拉键槽182.5.6半精镗30内孔192.5.7 半精车63202.5.8半精车43.4,41.4外圆,端面212.5.9钻8.5孔232.5.10滚齿242.5.11 磨削外圆252.5.12 磨削内孔262.6 本章小结27第三章 镗30内孔夹具设计283.1设计要求283.2 夹具设计283.2.1 定位基准的选择283.2.2 切削力及夹紧力的计算283.3 定位误差的分析31参考文献33致谢34摘要本文是对齿轮套零件加工应用及加工的工艺性分析,主要包括对零件图的分析、毛坯的选择、零件的装夹、工艺路线的制订、刀具的选择、切削用量的确定、加工工艺文件的填写。选择正确的加工方法,设计合理的加工工艺过程。此外还对轴承座零件的一道工序的加工设计了专用夹具.机床夹具的种类很多,其中,使用范围最广的通用夹具,规格尺寸多已标准化,并且有专业的工厂进行生产。而广泛用于批量生产,专为某工件加工工序服务的专用夹具,则需要各制造厂根据工件加工工艺自行设计制造。本论文夹具设计的主要内容是设计齿轮套齿轮上加工30孔的镗床夹具设计。太原理工大学课程设计说明书第一章 绪论机械制造业是制造具有一定形状位置和尺寸的零件和产品,并把它们装备成机械装备的行业。机械制造业的产品既可以直接供人们使用,也可以为其它行业的生产提供装备,社会上有着各种各样的机械或机械制造业的产品。我们的生活离不开制造业,因此制造业是国民经济发展的重要行业,是一个国家或地区发展的重要基础及有力支柱。从某中意义上讲,机械制造水平的高低是衡量一个国家国民经济综合实力和科学技术水平的重要指标。齿轮套零件加工工艺及夹具设计是在学完了机械制图、机械制造技术基础、机械设计、机械工程材料等的基础下,进行的一个全面的考核。正确地解决一个零件在加工中的定位,夹紧以及工艺路线安排,工艺尺寸确定等问题,并设计出专用夹具,保证尺寸证零件的加工质量。本次设计也要培养自己的自学与创新能力。因此本次设计综合性和实践性强、涉及知识面广。所以在设计中既要注意基本概念、基本理论,又要注意生产实践的需要,只有将各种理论与生产实践相结合,才能很好的完成本次设计。本次设计水平有限,其中难免有缺点错误,敬请老师们批评指正。第二章 齿轮套的加工工艺规程规定2.1 零件的分析 2.1.1零件的作用题目所给的零件是齿轮套。齿轮套是属于齿轮的一种。齿轮套的用途很广泛,是各种机械设备零件中的重要零件,例如机床,飞机,轮船等等都要使用齿轮套。齿轮套的主要作用是调整机构的转速和力矩,传递动力;改变动力输出的旋转方向等。2.1.2零件的工艺分析图2.1 齿轮套零件图零件的材料为45钢,锻造性能和切削加工性能优良。以下是齿轮套需要加工的表面以及加工表面之间的位置要求:(1) 中心圆孔,32,30。(2) 端面与中心孔有垂直度(4) 外圆表面与中心孔30有位置关系。由上面分析可知,可以先粗加工加工齿轮套内孔,然后以此作为基准加工30孔,再以孔为基准采用专用夹具进行精加工,并且保证位置精度要求。再根据各加工方法的经济精度及机床所能达到的位置精度,并且此齿轮套零件没有复杂的加工曲面,所以根据上述技术要求采用常规的加工工艺均可保证。2.2 确定生产类型已知此轴承座零件的生产类型属于中批量生产,所以初步确定工艺安排为:加工过程划分阶段;工序应当分散;加工设备以通用设备为主,大量采用专用工装。2.3 确定毛坯 2.3.1 确定毛坯种类零件材料为45钢。考虑零件结构简单,生产批量大,毛坯精度要求不高,从高效低成本综合考虑,选择模锻成型锻造毛坯。 2.3.2 确定铸造加工量及形状查机械制造工艺设计简明手册表2.2-25确定加工余量及锻件毛坯尺寸如下表:表2.1 毛坯尺寸零件尺寸单面加工余量锻件尺寸110211419223403.246.4422.246.43022663267查机械制造工艺设计简明手册表2.2-13 确定毛坯尺寸偏差如下表:表1.2 毛坯尺寸偏差锻件尺寸偏差114114-0.61.22323-0.20.846.4464-0.51.12626-10.46767-0.51.1 2.3.3 绘制毛坯图图2.2 齿轮套毛坯图2.4 工艺规程设计 2.4.1 选择定位基准 1)粗基准的选择以零件的内孔为主要的定位粗基准,以左端面辅助粗基准。2)精基准的选择考虑要保证零件的加工精度和装夹准确方便,依据“基准重合”原则和“基准统一”原则,以加工后的30为主要的定位精基准,以已加工的右平面辅助的定位精基准。3)在钻孔时以锻造的孔一侧作辅助定位基准2.4.2 制定工艺路线根据零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求,以及加工方法所能达到的经济精度,在生产纲领已确定的情况下,可以考虑采用各种机床配以专用夹具,并尽量使工序集中来提高生产率。除此之外,还应当考虑经济效果,以便使生产成本尽量下降。选择零件的加工方法及工艺路线方案如下:表2.3 工艺路线工序一锻造工序二时效处理工序三粗镗30内孔工序四粗车齿轮右端面,粗车63外圆工序五粗镗32内孔,镗倒角工序六粗车40端面,粗车齿轮左端面,粗车42外圆,粗车40外圆工序七拉键槽工序八半精镗30内孔,镗倒角工序九半精车齿轮右端面,半精车63外圆,车倒角工序十 半精车40端面,半精车齿轮右端面,半精车42外圆,半精车40外圆,车倒角、沟槽工序十一钻8.5孔工序十二滚齿工序十三淬火工序十四磨削42外圆,磨削40外圆工序十五磨削30内孔工序十六终检入库2.4.3 选择加工设备和工艺设备1)机床的选择工序四、六、九、十、采用C620-1卧式车床工序三、五、八采用T68卧式镗床工序十一采用Z3025立式钻床工序七采用L6110卧式拉床工序十二采用Y3150滚齿机工序十四采用M114W万能外圆磨床工序十五采用M2110内圆磨床2)选择夹具该齿轮套的生产纲领为大批生产,所以采用专用夹具。3)选择刀具在车床上加工的各工序,采用硬质合金车刀即可保证加工质量,钻床加工采用高速钢复合钻头,零件加工内孔较小,使用硬质合金镗刀加工。4)选择量具加工的孔均采用极限量规。5)其他对垂直度误差采用千分表进行检测,对角度尺寸利用专用夹具保证,其他尺寸采用通用量具即可。2.4.4 机械加工余量、工序尺寸及公差的确定1)圆柱面工序尺寸的确定:表2.2 圆柱面工序尺寸加工表面加工内容单边加工余量精度等级工序尺寸表面粗糙度工序余量最小最大32粗镗3IT123212.533.10530粗镗1.3IT1228.66.31.51.605半精镗0.5IT829.63.20.4350.5115磨削0.2IT7301.60.18350.210540粗车1IT1241.46.311.125半精车0.5IT940.43.20.3750.531磨削0.2IT8400.80.1690.212542粗车1.5IT1243.46.31.51.625半精车0.5IT942.43.20.3750.531磨削0.2IT8420.80.1690.212563粗车1.5IT12646.31.51.625半精车0.5IT9633.20.3750.552) 轴向工序尺寸的确定表2.3 轴向工序尺寸加工内容加工余量基本尺寸经济精度粗车齿轮右端面1.5112.5IT12粗车40端面1.5111IT12粗车齿轮左端面1.520IT12半精车齿轮右端面0.5110.5IT9半精车40端面0.5110IT9半精车齿轮左端面0.519IT92.5 确定切削用量及基本工时 2.5.1粗镗30内孔所选用刀具为YT5硬质合金镗刀,选用T68卧式镗床。1)确定切削深度ap ap=1.3mm2)确定进给量f根据实用机械加工工艺手册表9-145,查得粗镗时,选用硬质合金刀头,加工材料为钢时:v=4060m/min f=0.31.0mm/r按机床的进给量(表4.221),选择, f=0.74mm/r3)确定机床转速n n=500r/min=8.33r/s4)计算基本工时选镗刀的主偏角kr=45,则L1=3.5mm,L=54mm,L2=L3=0,f=0.74mm/r ,n=8.33r/s则: T=3.5+540.748.33=9.33S 2.5.2粗车67外圆及齿轮右端面 本工序为粗车。已知加工材料为45钢,b=670Mpa,锻件,有外皮,机床为C620-1卧式车床,工件装在专用夹具中。确定粗车外圆67外圆的切削用量 所选刀具为YT5硬质合金可转位车刀。根据切削用量简明手册第一部分表1.1,由于C620-1机床中心高为200mm(表1.30),故选择刀杆尺寸BH=16mm 25mm,刀片厚度为4.5mm。根据表1.3,选择车刀形状为卷屑槽带倒菱形前刀面,前角0=12,后角0=6,主偏角0=90,副偏角0=10,刃倾角0=0,刀尖圆弧半径r=0.8mm。1) 确定切削深度ap 最大单边加工余量为2.2mm,可在一次走刀完成,故粗加工余量取1.5mm,2) 确定进给量f 根据表切削用量简明手册表1.4,在粗车钢料,刀杆尺寸为16mm 25mm,ap3mm,工件直径在60100mm时, f=0.40.7mm/r 按C620-1车床说明书选择 f=0.55mm/r 确定的进给量尚需满足车床进给机构强度的要求,故需进行校验。 根据C620-1车床说明书,其进给机构允许的进给力Fmax=3530N, 根据表切削用量简明手册1.21,但钢料b=570670Mpa,ap2mm,f0.75mm,r=45,v=65m/s(预计)时,进给力F=760N, Ff的修正系数为k0Ff=1.0,ksFf=1.0,krFf=1.17(表1.292),故实际进给力Ff=7601.17=889.2N 由于切削时进给力小于机床进给机构允许的进给力,故所选的f=0.65mm/r可用。3) 选择车刀磨钝标准及耐用度 根据切削用量简明手册表1.9,车刀后刀面最大磨损量取为1mm,可转位车刀耐用度T=30min。4)确定切削速度v 切削速度v可根据公式计算,也可直接由表中查出。现采用查表法确定切削速度。 根据切削用量简明手册表1.10,但用YT15硬质合金车刀加工b=600700Mpa钢料,ap3mm,f0.75mm/r,切削速度v=109m/min。 切削速度的修正系数ksv=0.8,ktv=0.65,krv=0.81,kTv=1.15,kMv=kkv=1.0(均见表1.28),故 V=1090.80.650.811.15m/min=52.8m/min n=1000vd=100052.567=250.85r/min, 按C620-1机床转速(表4.2-8),选择 n=230r/min 此时实际切削速度VC=48.41m/min。5)校验机床功率 由切削用量简明手册表1.24,但b=580970Mpa,HBS=166277,ap2.0mm,f0.6mm/r,v57m/min时,Pc=1.7kw 切削功率的修正系数krPc=1.17,k0Pc=kMpc=kKPc=1.0,kTPc=1.13,kSPc=0.8,ktPc=0.65(表1.28),故实际切削时的功率为: Pc=0.72KW根据切削用量简明手册表1.30,但n=230r/min,机床主轴允许功率PE=5.9KW,PcPE,故所选的切削用量可在C620-1机床上进行。 最后决定的切削用量为 ap=1.5mm,f=0.55mm/r,n=230r/min,v=48.4m/min确定粗车外圆46.4,端面的切削用量 采用车外圆67的刀具加工这些表面。加工余量皆可一次走刀切除,车外圆46.4的f=0.55mm/r,ap=1.5mm,主轴转速与车外圆67相同。1.2 基本时间 确定粗车外圆67的基本时间 根据表6.2-1,车外圆基本时间为Tj1=Lfni=l+l1+l2+l3fni 式中:l=23mm,l1=0,l2=4,l3=0,i=1,f=0.55r/min,n=3.83mm/r, 则Tj1=23+40.553.83=12.82s确定粗车67端面的时间 Tj2=Lfni,L=d-d12+l1+l2+l3 式中: d=67mm。d1=26mm。l1=2mm,l2=4mm,l3=0,f=0.55mm/r,i=1,n=3.38r/s,则Tj2=20.5+2+43.830.55=12.58s2.5.3粗镗32内孔所选用刀具为YT5硬质合金镗刀。1)确定切削深度ap ap=3mm2)确定进给量f根据实用机械加工工艺手册表9-145,查得粗镗时,选用硬质合金刀头,加工材料为钢时: V=4060m/min f=0.31.0mm/r按机床的进给量(表4.221),选择, f=0.74mm/r3)确定机床转速n n=500r/min=8.33r/s4)计算基本工时选镗刀的主偏角kr=45,则L1=3.5mm,L=60mm,L2=0,f=0.74mm/r, n=8.33r/s则: T=3.5+600.748.33 10.3 2.5.4 粗车左端面及46.4外圆、43.4外圆本工序仍为粗车,已知条件与工序一相同,车端面,车外圆采用与工序一相同的可转位车刀,采用工序一确定切削用量的方法,得本工序的切削用量及基本时间,得下表:表2.4 切削余量工步ap(mm)f(mm/r)V(m/s)n(r/s)T(s)粗车64端面1.50.550.813.837.74粗车64.4端面1.50.550.493.8312.53粗车46.4外圆1.50.550.563.8345.10粗车43.4外圆10.550.523.8312.582.5.5拉键槽根据实用机械加工工艺手册表7-160,选宽刀体键槽拉刀,根据机械制造工艺设计简明手册,选L6110型卧式内拉床。 基本时间T=ZbLk1000VfzZ 式中: V=0.06m/s(3.6m/min) zb 单面余量2.7mm L 拉削表面长度,110mm; 考虑校准部分的长度系数,取1.2; k 考虑机床返回行程系数,取1.4 ; fa 拉刀每齿进给量; Z 拉刀同时工作齿数,Z=l/p; P 拉刀齿距。 P=(1.25-1.5)sqrt110=1.35sqrt110=14mm拉刀同时工作齿数z=l/14=80/146 T=2.71101.21.4/(10003.60.066)=0.33min2.5.6半精镗30内孔 所选用刀具为YT15硬质合金镗刀。1)确定切削深度ap ap=0.5mm2)确定进给量f根据实用机械加工工艺手册表9-145,查得半精镗时,选用硬质合金刀头,加工材料为钢时: V=80120m/min f=0.20.8mm/r按机床的进给量(表4.221),选择, f =0.37mm/r3)确定机床转速n n=800r/min=13.33r/s4)计算基本工时选镗刀的主偏角kr=45,则L1=3.5mm,L=52.5mm L2=4mm,L3=0,f=0.37mm/r, n=13.33r/s则: T=3.5+52.5+40.3713.33 12.17 2.5.7 半精车63 外圆及齿轮右端面 本工序为半精加工,已知条件与粗加工工序相同。1) 确定半精车外圆67外圆的切削用量 所选刀具为YT15硬质合金可转位车刀。车刀形状,刀杆尺寸以及刀片厚度均与粗车相同。根据表1.3,车刀几何形状为0=12,0=8,0=90,0=5,n=0,r=0.5mm。2) 确定切削深度ap ap=0.5mm3) 确定进给量 根据切削用量简明手册表1.6及C620-1机床进给量(表4.2-9),选择f=0.3mm/r,由于是半精加工,切削力较小,所以不需要进行车床进给量强度校核。4) 选择选择车刀磨钝标准及耐用度 根据切削用量简明手册表1.9,车刀后刀面最大磨损量取为0.4mm,可转位车刀耐用度T=30min。5) 确定切削速度V 根据表根据切削用量简明手册表1.10,但用YT15硬质合金车刀加工b= 600700Mpa钢料,ap1.4mm,f0.38mm/r,切削速度V=156m/min。 切削速度的修正系数krv=0.81,kTv=1.15,其余修正系数为1,均见表1.28),故 V=1380.811.15m/min=145.5m/min n=1000vd=1000145.364=722.66r/min, 按C620-1机床转速(机械制造工艺设计简明手册表4.2-8),选择 n=600r/min=10r/s 此时实际切削速度Vc=120.64m/min。 最后决定的切削用量为 ap=0.5mm,f=0.3mm/r,n=600r/min=10r/s,v=120.64m/min=2.01m/s6) 基本时间 确定半精车车外圆64的基本时间 根据表6.2-1,车外圆基本时间为Tj1=Lfni=l+l1+l2+l3fni 式中:l=19.5mm,l1=0,l2=4,l3=0,i=1,f=0.3r/min,n=10r/s, 则Tj1=19.5+4100.3=7.83s确定半精车64端面的时间 Tj2=Lfni,L=d-d12+l1+l2+l3 式中: d=64mm。d1=26mm。l1=2mm,l2=4mm,l3=0,f=0.3mm/r,i=1,n=10r/s,则Tj2=19.4+2+4100.3=8.4s2.5.8半精车43.4,41.4外圆,端面1)采用半精车外圆63的刀具加工这些表面。车外圆43.4,41.4的ap=0.5mm,f=0.33mm/r,n=1075.59r/min。按C620-1机床转速(机械制造工艺设计简明手册表4.2-8),选择:n=960r/min=16r/s2)最后确定 ap=0.5mm,f=0.3mm/r,n=960r/min=16r/s,v=103.69m/min=1.73m/s3)确定半精车车外圆43.4的基本时间 根据表6.2-1,车外圆基本时间为Tj1=Lfni=l+l1+l2+l3fni 式中: l=69.5mm,l1=0,l2=4,l3=0,i=1,f=0.3mm/r,n=16r/s, 则Tj1=69.5+4160.3=15.31s4)确定半精车41.5端面的时间 Tj2=Lfni,L=d-d12+l1+l2+l3 式中: d=41.5mm。d1=26mm。l1=2mm,l2=4mm,l3=0,f=0.3mm/r,i=1,n=10r/s,则Tj2=7.75+2+4160.3=2.86s5) 确定半精车车外圆41.5的基本时间 根据表6.2-1,车外圆基本时间为Tj1=Lfni=l+l1+l2+l3fni 式中: l=22mm,l1=0,l2=4,l3=0,i=1,f=0.3r/mm,n=16r/s, 则Tj1=22+4160.3=5.41s6)确定半精车63端面的时间 Tj2=Lfni,L=d-d12+l1+l2+l3 式中: d=63mm。d1=43.4mm。l1=2mm,l2=4mm,l3=0,f=0.3mm/r,i=1,n=10r/s,则Tj2=9.8+2+4160.3=3.29s7)车沟槽,车倒角 选用高速钢成形切槽刀,采用手动进给,主轴转速n=40r/min,切削速度v=0.14m/s。2.5.9钻8.5孔本工序为钻孔,刀具选用高速钢复合钻头,直径8.5。1)确定进给量f 由于孔径和深度都很小,宜采用手动进给。2)选择钻头磨钝标准及耐用度 根据切削用量简明手册表2.12,钻头后刀面最大磨损量取为0.8mm;耐用度T=25min。3)确定切削速度v 由表2.14,b=670MPa的45钢加工性属五类。根据表2.7,暂定进给量f=0.25mm/r。由表2.13查得v=14m/min,n=524.5r/min。根据Z518立式钻床机床说明书选择主轴实际完成转速。4)基本时间的确定 L=6.7mm,L1=3mm,L2=0mm T=6.7+30.25449.4=3.9S2.5.10滚齿 1) 选用标准的高速钢单头滚刀,模数m=1.5,直径63mm,可以采用一次走刀切至全深。工件齿面要求表面粗糙度为Ra1.6m,根据,切削用量简明手册表4.2,选择工件每转滚刀轴向进给量fa=0.50.8mm/r。按Y150型滚齿机进给量表(表4.2-51),选fa=0.7mm/r。2)计算切削速度v = 式中Cv=364,T=240min,fa=0.7mm/r,m=1.5mm,mv=0.5,yv=0.85,xv=-0.5,kv=0.64 V =3642400.50.70.851.5-0.5 0.64= 24.9m/min n=125r/min根据Y3150型滚齿机主轴转速(表4.2-50),选n=135r/min=2.25r/s。 实际切削速度为 v=0.45m/s加工时的切削功率Pc=0.091kw,Y3150型滚齿机的主电机PE=3kw。因PCPE,顾所选择的切削用量可在该机床上使用。3) 基本时间根据表6.2-13,用滚刀滚圆柱齿轮的基本时间B=19mm, =0,z=50,q=1,n=2.25r/s,fa=0.7mm/r,则La1=16.18mm, fa=3mm, T =(19+16.18+3)4012.250.7 = 96.97s2.5.11 磨削外圆 1)选择砂轮。根据机械制造工艺设计简明手册第三章中各表选择磨具,结果为:ZA46JV6P30040127其含义为:磨轮磨料为铬刚玉,为了防止粒度过小而磨轮堵塞,所以选用为粒度为46,硬度为软3级。 平型砂轮,其尺寸为16640(DdH)。2)切削用量的选择 根据实用机械加工工艺手册表10-9,查得:工件速度V=2040m/min,纵向进给量fa=16mm/r,工作台单行程磨削深度fr=0.0049mm/st 3) 根据机械制造工艺设计简明手册表42-30,选用M114W万能外圆磨床。4) 基本时间 根据机械制造工艺设计简明手册表6.2-8, T=ZbLknfafr磨削40外圆时,L=22mm,Zb=0.2mm,k=1.4,n=300r/min, fa=16mm/r, fr=0.0049mm/st T1=220.21.4300160.0049 =0.26min=15.71s磨削42外圆时,L=69mm,Zb=0.2mm,k=1.4,n=300r/min, fa=16mm/r, fr=0.0049mm/stT2=690.21.4300160.0049 =0.82min=49.29s2.5.12 磨削内孔1)选择砂轮。 磨轮磨料为铬刚玉,为了防止粒度过小而磨轮堵塞,所以选用为粒度为46,硬度为软3级。 根据机械制造工艺设计简明手册表3.2-8、3.2-9查得内圆磨轮直径d=25mm,B=3240mm。2)切削用量的选择 根据实用机械加工工艺手册表10-15,查得:工件速度V=2540m/min,纵向进给量fa=16mm/r,工作台单行程磨削深度fr=0.0030mm/st3) 根据机械制造工艺设计简明手册表42-31,选用M2110内圆磨床。4) 基本时间 根据机械制造工艺设计简明手册表6.2-8, T=ZbLknfafr磨削30内孔时,L=54mm,Zb=0.2mm,k=1.4,n=300r/min, fa=16mm/r, fr=0.0030mm/st T1=540.21.4300160.0030 =1.05min=63s最后,将以上各个工序切削用量、工时定额的计算结果,连同其它加工数据,一起填入机械加工工艺过程综合卡中。2.6 本章小结本章节主要从零件的结构和外型入手分析,从而得出设计毛坯的依据。再查阅有关资料,设计出零件加工的毛坯。在工艺规程的制定上,将两种方案进行比较,选取一个最佳方案来。在计算每一步的切削用量时,先选用刀具和机床,再查阅资料找出进给量,由它算出机床所需的转速,翻阅机床手册选一个最接近它的一值。算切削速度、机动时间等。第三章 镗30内孔夹具设计3.1设计要求 为了提高劳动生产,保证加工质量,降低劳动强度,需要设计专用夹具。下面即为镗床夹具(镗30内孔)的专用夹具,本夹具将用于T68卧式镗床。本夹具无严格的技术要求,因此,应主要考虑如何提高劳动生产率,降低劳动强度,精度不是主要考虑的问题。3.2 夹具设计 3.2.1 定位基准的选择本夹具如图所示,是工序一、六,即用T68卧式镗床加工30内孔,采用专用夹具进行加工。该零件加工精度要求最高的是中间30 的内孔,且其余加工面都与该孔有关,因此在该孔时以32内孔为定位基准,保证同轴度。工序一,先对30内孔进行粗加工。到工序六时,零件的两个端面已经粗加工过,选左侧端面和32内孔为定位基准,定位中选用了一个A型可换定位销和一支承板限制零件的自由度,可换定位销直径为26,为一个短销,可以限制两个自由度,夹具侧板限制三个自由度。3.2.2 切削力及夹紧力的计算 刀具:硬质合金镗刀YT5。 根据切削用量简明手册表1.29查得:主切削力Fc=CFcapXFcfyFcVnFckFc径向切削力Fp=CFpapXFpfyFpVnFpkFp轴向力Ff=CFfapXFffyFfVnFfkFf 其中CFc=2795,XFc =1.0, yFc=0.75, nFc=-0.15; CFp=1940, XFp=0.9, yFp=0.6, nFp=-0.3;CFf =2880, XFf=1.0, yFf=0.5, nFf=-0.4;ap=1.5mm,f=0.74mm/r,V=500r/min。 可得: Fc=27951.51.00.740.75500-0.5=1316.9N Fp =19401.50.90.740.75500-0.3500=361.5N Ff=22801.51.00.740.5500-0.4=244.9N 根据切削用量简明手册1.29-1、1.29-2查得修正系数k 得: Fc=1316.91.0220.94=1265N Fp=361.51.0420.77=290N Ff=244.91.031.11=280N根据工件受力切削力、夹紧力的作用情况,找出在加工过程中对夹紧最不利的瞬间状态,按静力平衡原理计算出理论夹紧力。最后为保证夹紧可靠,再乘以安全系数作为实际所需夹紧力的数值,即:Wk=WK 式中:Wk-实际所需夹紧力 K-安全系数 K-在一定条件下,由静力平衡计算出的理论夹紧力其中,K=K0K1K2K3K3K5K6 K0考虑工件材料及加工余量均匀性的基本安全系数K1加工性质K2刀具钝化程度K3切削特点、K4夹紧力的稳定性K5手动夹紧时的手柄位置K6仅有力矩时工件回转时工件与支承面接触的情况根据机床夹具设计手册表1-2-1可得:主切削力FcFC安全系数: K0=1.2,K1=1.2,K2=1.0, K3 =1.0,K4=1.3,K5=1.0,K6 =1.0 径向切削力Fc安全系数:K0=1.2,K1=1.2,K2=1.0, K3 =1.0,K4=1.3,K5=1.0,K6 =1.0轴向力Ff安全系数: K0=1.2,K1=1.2,K2=1.0, K3 =1.0,K4=1.3, K5=1.0,K6 =1.0所以,可以计算出: Kc=1.21.21.01.01.31.01.0=1.872 Kp=1.21.21.41.01.31.01.0=2.62 Kf=1.21.21.61.01.31.01.0=2.99若安全系数K的计算结果小于2.5时,取K=2.5。 所以,WC =2.51265=3162.5N WP=2902.62=760N Wf=2802.99=837N镗孔时的主切削力由定位面和夹紧力产生的摩擦力平衡,f1,f2 分别为夹具定位面及夹紧面上的摩擦系数,F=3162.5/0.5=6325N定位面和夹紧力产生的摩擦力远大于镗孔产生的径向切削力,镗床侧板作为轴向力的支承。3.3 定位误差的分析 为了满足工序的加工要求,必须使工序中误差总和等于或小于该工序所规定的尺寸公差:e基+T 其中,e定= e不+e基镗孔时,工序基准与定位基准重合,因此 e不=0定位销与孔配合公差为H7/h6,定位销水平放置时:e基=1/2(TD+Td+Cmin)=1/2Cmax=0.022 按加工经济精度查表得=0.13 e定+=0.152T=0.21从以上的分析可见,所设计的夹具能满足零件的加工精度要求。 图3.1 齿轮套镗孔装配图主视图图3.2 齿轮套镗孔装配图俯视图图3.3 齿轮套镗孔装配图左视图参考文献1曾志新,吕明.机械制造技术基础M.武汉理工出版社,2001.72李益民.机械制造工艺设计简明手册M.机械工业出版社,1993.43艾兴,肖诗纲.切削用量简明手册M.第3版,机械工业出版社,1997.84马麟.画法几何与机械制图M.高等教育出版社,2011.95王光斗,王春福.机床夹具设计手册M.上海科学技术出版社,2000.16陈均宏.实用机械加工工艺手册M.机械工业出版社,1996.127朱耀祥,蒲林祥.现代夹具设计手册M.第3版,机械工业出版社,2009.108廖念钊,古莹菴,莫雨松.互换性与技术测量.第六版,中国质检出版社,2012致谢在这次课程设计的撰写过程中,我得到了许多人的帮助。首先,我眼感谢指导老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助,只是我能顺利完成这次报告的主要原因,更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题,让我能做的更加完善。在此期间,我不仅学到了很多新知识,而且开阔了视野,提高了自己的设计能力。其次我要感谢帮助过我的同学,他们为我解决了不少我不太明白的设计难题。感谢所有在设计中帮助过我的良师益友和同学。36
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