YE196-夹具体的加工工艺和铣上端面夹具设计【含CAD高清图纸和说明书】
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摘要零件的加工工艺编制,在机械加工中占有非常重要的地位,零件工艺编制得合不合理,这直接关系到零件最终能否达到质量要求;夹具的设计也是不可缺少的一部分,它关系到能否提高其加工效率的问题。因此这两者在机械加工行业中是至关重要的环节。 在机床上对零件进行机械加工时,为保证工件加工精度,首先要保证工件在机床上占有正确的位置,然后通过夹紧机构使工件在正确位置上固定不动,这一任务就是由机床夹具完成。对于单件、小批量生产,应尽量使用通用夹具,这样可以降低工件的生产成本。但是由于通用夹具适用各种工件的装夹,所以夹紧时往往比较费时间,并且操作复杂,生产效率低,也难以保证加工精度,为此需设计专用夹具。关键词:工艺设计、基准选择、切削用量、定位误差ABSTRCTIs the components craft establishment, holds the very important status in the machine-finishing, the components craft establishes reasonable, whether do this direct relation components achieve the quality requirement finally; Jigs design is also an essential part, whether does it relate raises its processing efficiency the question. Therefore this both in the machine-finishing profession are the important links. When the engine bed carries on the machine-finishing to the components, is guaranteed that the work piece working accuracy, first needs to guarantee the work piece holds the correct position on the engine bed, then causes the work piece in the correct position through the clamp organization fixed motionless, this duty is completes by the engine bed jig. Regarding the single unit, the small batch production, should use the universal jig as far as possible, like this may reduce the work piece the production cost. But because the universal jig is suitable each kind of work piece the attire to clamp, therefore time clamp often compares spends the time, and operates complex, the production efficiency is low, also guarantees the working accuracy with difficulty, for this reason must design the unit clamp.Key word: Craft, datum, cutting specifications, localization datum, position error.目录摘要1ABSTRCT2第1章 绪论51.1 机床夹具概述51.2 机床夹具的作用及其分类61.3 机床夹具的分类61.4 机床夹具的组成7第2章 零件的分析9第3章 工艺规程的分析103.1 确定毛坯103.2 基准面的选择113.2.1 粗基准的选择113.2.2 精基准的选择113.3机床与工艺装备的选用123.3.1 机床的选择123.3.2 工艺装备的选择133.4 工艺方案的制定和比较133.5 切削用量及工时的计算14第4章 铣床夹具设计184.1 概论184.1.1 对计算机辅助夹具设计方法及趋势的认识184.1.2 计算机辅助夹具设计系统的发展背景184.1.3 研究计算机辅助夹具设计系统的重要意义194.1.4 节省时间,提高效益194.1.5 有利于CIMS各自动化子系统的集成204.1.6 有助于实现产品面向制造的设计204.1.7 计算机辅助夹具性能分析及仿真204.1.8 夹具CAD的研究现状214.2 夹具234.2.1 工件预加工内容234.2.2 定位方案244.2.3 夹紧方案244.2.4 对刀块的设计264.2.5 切削力和夹紧力计算264.2.6 误差分析计算27结论与展望29致谢30参考文献31第1章 绪论1.1 机床夹具概述在机床上加工工件时,为了保证工件在该工序所加工的表面能达到图纸上规定的尺寸及位置精度等技术要求,必须使得工件相对于刀具和机床占有正确的加工位置(即工件的定位),并把工件压紧夹牢,以便在加工过程中,工件受到切削力、离心力的作用及冲击、振动等影响时,能保持这个确定了的位置稳定不变(即工件的夹紧)。在机床上对工件进行定位和夹紧,称做装夹。一切能使工件在机床上实现定位和夹紧的工艺装置,一般称为机床夹具,简称夹具。机床夹具按专门化程度分通用夹具、专用夹具、可调整夹具、专门化拼装夹具和自用化生产用夹具。通用夹具是指已经标准化,且具有较大适用范围的夹具。它由专业厂生产供应,有的已作为机床附件与通用机床配套,这类夹具主要用于单件小批生产。专用夹具是根据零件工艺机械加工过程中的某一道工序而专门设计的夹具。由于不考虑通用性,故结构紧凑、操作方便。这类夹具可保证高的加工精度和生产率。但这类夹具的针对性很强,当交换产品或工艺时,一般都因无法使用而“报废”。可调整夹具,在当前多种小批量生产条件下,设计制造专用夹具的准备周期太长,且很不经济,但是,采用通用夹具又不能满足使用要求。采用可调整夹具则是改进工艺装备设计的一个发展方向。可调整夹具的特点是:加工完一种工件后,可调整或者更换个别零件,即可加工形状相似、尺寸和加工工艺相近的多种工件。这类夹具又可分为通用可调和专用可调甲具两类。通用可调夹具加工对象不是很确定,适用范围较大;专用夹具常称成组夹具,一般配合成组技术,专门为成组加工某组零件而设计的,它是在专用夹具的基础上,通过更换和调整个别元件,来适应组内不同零件加工要求。加工对象明确,结构紧凑。专门化拼装夹具,这类夹具是针对某工件某工序加工要求,由事先制造好的通用性较强的标准元件和部件拼装而成,只要有足够种类和数量的标准元件和部件,就可拼装成各式各样的夹具。自动化生产用夹具,主要有自动线夹具和数控机床夹具,前者和一般专用夹具相似,后者除担负工件的安装任务外,还随工件一起从一个工位输送到下一个工位。一个多工位自动线上有许多相同的随行的夹具。夹具发展的趋势:夹具是机械加工不可缺少的部件,在机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展的带动下,夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济方向发展。1.2 机床夹具的作用及其分类1 机床夹具的作用夹具是机械加工中的一种工艺设备,它在机械加工中起着十分重要的作用,主要有以下的几个方面。1)便于工件的正确定位,以保证加工精度工件装夹在夹具上后,工件上各有关的几何元素(点、线、面)之间的相互位置精度在一定程度上就由夹具保证。当夹具在机床上正确定位及固定以后,工件在夹具中又得到正确定位并被夹紧,这样就保证了再加工过程中“同批”工件对刀具和机床保持确定的相对位置,使加工得以顺利进行。2)提高劳动生产效率和降低加工成本采用夹具以后,可以省去即十分费时又不很紧缺的划线、找正工序,减少了辅助时间。若采用联动夹具装置、快速夹紧装置,既能降低劳动强度,又能提高生产效率。例如采用气压、液压等传动装置,只需要几秒钟旧可以完成夹紧动作。3)改善工人的劳动条件采用夹具后,工件的装卸比不用夹具要方便、省力、安全。如果生产规模较大,还可以采用机械化传动装置和自动装卸工件的自动化夹具,以实现生产过程中的自动化,进一步提高劳动生产效率和改善工人的劳动条件。4)扩大机床工艺范围在单件小批量生产的条件下,工件的种类、规格多,而机床的数量、品种却有限。为了解决这种矛盾,可以设计制造专用的夹具,使机床“一机多用”。例如,可以采用专用的夹具,在车床上实现拉削。夹具在机械加工中的作用是重要的,但是在不同的生产规模和不同的生产条件下,夹具的功用也有所侧重,其结构的复杂程度也有很大的不同。例如,在单件小批生产条件下,宜于使用通用的可调夹具,若采用专用的夹具,其结构也应求简单。在大批量生产的条件下,夹具的作用则主要是在保证加工精度的前提下提高生产效率,因此夹具的结构更完善些是必要的。虽然此时夹具的制造费用大一些,但由于生产效率的提高,产品质量的稳定,技术经济效果还是好的。1.3 机床夹具的分类夹具的分类方法比较多,一般可分为通用夹具和专用夹具。近年来为适应现代机械制造业的发展,还发展了通用可调夹具、成组夹具和组合夹具等类型。1) 通用夹具通用夹具是指已经标准化的、在一定范围内可以用于加工不同工件的夹具。如三爪或四爪卡盘、机器虎钳、回转工作台、磁力工作台等。这些夹具已经作为机床的附件,由专门的工厂制造供应。2)专用夹具专用夹具是指专为某一工件的某道工序的加工而设计制造夹具。3)通用可调夹具和成组夹具着两种夹具的结构很相似,它们的共同点是:在加工完多种工件。但通用可调夹具的加工对象并不是很明确,其通用范围较大,如滑柱钻模、带各种钳口的机器虎钳等即是这类夹具。而成组夹具则是专门为成组加工工艺中某一组零件而设计的,针对性强,加工对象和适用范围明确,结构更为紧凑。4)组合夹具组合夹具是指按照某一工件的某道工序的加工要求,由一套事先准备好的通用的标准元件和部件组合而成的夹具。这种夹具用完之后可以拆卸存放,或重新组装成新的夹具。由于组合夹具是由各种标准元件、部件组装而成,故具有组装迅速、周期短、能反复使用等特点,所以在多品种、小批量生产或新产品试制中尤为适用。若按夹具所适用的机床来分类,可分为车床夹具,铣床夹具,钻床夹具,镗床夹具和其他机床夹具等类型。若按驱动夹具工作的力源来分类,还可以分为手动夹具,气动夹具,液压夹具,电磁和电动夹具等等。不顾一般多按夹具的使用特点和使用机床进行分类。1.4 机床夹具的组成夹具的种类虽然很多,但是他们的工作原理基本上相同,一般有如下几个组成部分。. 定位元件:是用来确定工件再夹具中的位置的元件,它包括元件或元件的组合。. 夹紧装置:这种装置包括夹紧元件或其组合及动力源。其作用是将工件压紧夹牢,保证工件在定位时所占据的位置在加工过程中不因外力而破坏。. 确定夹具对机床相互位置的元件:此类的元件是为了用来确定夹具对机床工作台、导轨或主轴的相互位置。. 对刀导引元件:这类元件的共同作用是保证工件和刀具之间的正确加工位置。. 其他装置或元件:这类装置或元件主要有:为使工件在依次装夹中多次转位而加工不同位置上的表面所设置的分度装置,为了便于卸下工件而设置的顶出器;以及标准话了的连件元件等。(6)夹具体夹具体是夹具的基座和骨架。其他装置都安在夹具体上使之成为一个夹具的整体。当然上述的各组成部分,不是每个夹具都必须完全具备的。但一般来说,定位元件、夹紧装置、夹具体则是夹具的基本组成部分。第2章 零件的分析以下是机械零件需要加工的表面以及加工表面之间的位置要求: (1)孔与孔轴线的同轴度。(2)另一孔要求的加工尺寸精度(3)面的平面度为0.03。(4)孔轴线与平面及孔面的平行度为0.02。(6)孔具有圆柱度要求均为0.005其中圆跳动要求为0.01(7)孔重要面的粗糙度值均为3.2由上面分析可知,首先可以先加工面,然后以此作为基准采用专用夹具进行加工,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。第3章 工艺规程的分析3.1 确定毛坯 (1)根据零件用途确定毛坯类型。(2)根据批量(生产纲领)确定毛坯制造方法。(3)根据手册查定表面加工余量及余量公差。根据技术要求,零件材料为ZG310570,即铸造碳钢。如表2-1。按GB/T56131995规定,铸钢牌号用“铸”和“钢”两字汉语拼音首位字母“ZG”后加工两组数字表示。毛坯的制造方法:根据毛坯的材料,生产类型,生产纲领及零件的复杂程度,毛坯可采用铸成型。零件并不复杂,因此毛坯可以与零件的形状尽量接近。两孔可不必锻出,直接加工。通过查加工余量表,得两端面的总加工余量为3mm,毛坯尺寸可以通过加工余量确定。ZG310570表示s310MPa,B570MPa的铸钢。铸造碳钢的碳质量分数一般为0.15%0.6%,其铸造性能比铸造铁差,但力学性能比铸造铁好。主要用于制造形状复杂,力学性能要求高,而在工艺又很锻压等方法成形的比较重要的机械零件,例如机车车辆的车销和联轴器等。铸造碳钢的牌号,化学成分,力学性能见表2-1 。表2-1 铸造碳钢热处理及机械性能主要化学成分W%主要特性用途举例C Si Mn P S 不大于0.40 0.50 0.90 0.04 0.04有较好强度、塑性、焊接、性能尚好。轨刚机架模具、箱体、缸体此零件、曲轴等。正火或退火温度回火温度870890620680bN/mmsN/mms%kJ/cm570310152130选择毛坯铸的主要依据:铸造形状复杂的毛坯,尺寸精度较高,尺寸偏差0.1mm0.2mm,表面粗糙度Ra为12.5m,毛坯的钎维组织好,强度高,生产率较高 大批量生产,适于铸造碳素钢,合金钢。 铸件加工表面直线度,平面度公差。热处理为调质时,直线度和平面度公差的普通级为1.1mm,精密度为0.7mm。3.2 基准面的选择3.2.1 粗基准的选择选择粗基准的出发点是为后续的工序提供合理的定位精基准,保证各加工面的余量足够并分配合理,由于粗基准是对毛坯进行第一次几下加工的定位基准,因此与毛坯的形状关系很大,则确定粗基准时应按:1.用零件非加工面为粗基准,可保证零件的加工面与非加工面的相互位置关系,且能在一次安装中尽可能加工较多的表面。2.用零件的重要表面为粗基准,优先保证了重要表面的余量和表面组织性能的一致。3.应选则较大、形状简单、加工量大的表面为粗基准,使切削总量最少。4.应选毛坯精度高,余量小的表面为粗基准,易保证各加工表面的余量足够,分配合理。5.应选定位精度高,夹紧可靠的表面为粗基准。6.粗基准原则上是在第一道工序中使用一次并尽量避免重复使用。按照粗基准的选择原则为保证不加工表面和加工表面的位置要求,应选择不加工表面为粗基准,据零件图所示,故应选择轴承座上表面为粗基准,以此加工轴承底面。3.2.2 精基准的选择选择精基准的出发点是保证加工精度,特别是加工表面的相互位置精度的实现,以及定位安装的准确方便。选择精基准应遵循以下原则:基准重合原则:确定精基准时,应尽量用设计基准作为定位基准,易消除基准不重合误差,提高零件的表面的位置精度和尺寸精度。1.统一基准原则:拟定工艺路线时,各个工序应尽可能用同一个定位基准来精加工各个表面,以保证各表面间的相互位置精度,并且还减少了夹具的数量和工件的装夹次数,降低了成本,提高了生产率。2.互为基准原则:可逐步提高两相关表面的位置精度。3.自为基准原则:可使加工余量均匀,保证加工面自身形状精度,而位置精度由前面的工序保证。同时,精基准选择时,一定要保证工件的夹、压稳定可靠,夹具结构简单及操作简便,由以上分析,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,以粗加工后的底面为主要的定位精基准,即以轴承座的下表面为精基准。3.3机床与工艺装备的选用机床与工艺装备是零件加工的物质基础,是加工质量和生产率的重要保证。机床与工艺装备包括机械加工过程中所需要的机床、夹具、量具、刀具等。机床和工艺装备的选择是制定工艺规程的一个重要环节,对零件加工的经济性也有重要影响。3.3.1 机床的选择在工件的加工方法确定后,加工工件所需的机床就已基本确定,由于同一类型的机床中有多种规格,其性能也并不完全相同,所以加工范围和质量各不相同,只有合理地选择机床,才能加工出合理理想的产品。在对机床进行选择时,除对机床的基本性能有充分了解,还要考虑以下几点:(1)机床的技术规格要与被加工的工件尺寸相适应;(2)机床的精度要与被加工的工件要求精度相匹配。机床的精度过低,不能加工出设计的质量;机床的精度过高,又不经济。对于由于机床的局限,理论上达不到应有加工精度的,可通过工艺改进的办法达到目的。(3)机床的生产率应与被加工工件的生产纲领相匹配;(4)机床的选用应与自身的经济实力相匹配。既要考虑机床的先进性和生产的发展需要,又要实事求是,减少投资。要立足于国内,就近取材。(5)机床的使用应与现有的生产条件相匹配。应充分利用现有机床,如果需要改造机床或设计专用机床,则应提出与加工参数和生产率有关的技术资料,确保零件加工质量的技术要求等。3.3.2 工艺装备的选择(1)夹具的选择单件小批量生产应尽量选用通用夹具和机床自带的卡盘、虎钳和转台。大批量生产时,应采用高生产率的专用夹具,在推行计算机辅助制造、成组技术等新工业或为提高生产率时,应采用成组夹具、组合夹具。夹具的精度应与工件的加工精度相适应。(2)刀具的选择刀具的选择主要取决于工序所采用的加工方法、加工表面的尺寸、工件材料、加工精度、生产率和经济性。一般情况下,选用标准刀具,必要时可选用高生产率的复合刀具和其他一些专用刀具。(3)量具的选择量具的选择主要取决于生产类型和所检验的精度。在单件小批生产中应尽量选用通用量具;在大批大量生产中应选用各种规格和高生产率的专用检具。(4)辅具的选择工艺装备中也要注意辅具的选择,如吊装用的吊车、运输用的叉车和运输小车、各种机床附件、刀架、平台和刀库等,以便于生产的组织管理,提高工作效率。量具的选择:选择通用的标准量具,如游标卡尺、千分尺等3.4 工艺方案的制定和比较铸铸造出毛坯112.5x55x45热处理毛坯退火处理铣粗铣夹具体下端平面铣粗铣夹具体上端平面铣精铣夹具体下端平面铣精铣夹具体上端平面铣铣夹具体槽位钻钻4孔钻钻3孔终检入库3.5 切削用量及工时的计算1. 加工条件工件材料:HT200,b=0.16GPa HB=200241。加工要求:铸造出毛坯112.5x55x45工序二 热处理。工件材料:HT200,b=0.16GPa HB=200241。加工要求:退火处理(释放应力,增加材料延展性和韧性)。工序三 粗铣夹具体下端平面。1. 加工条件工件材料:HT200,b=0.16GPa HB=200241。加工要求:粗铣夹具体下端平面机床:X52k。刀具:硬质合金端铣刀。根据切削用量简明手册(后简称切削手册)。选择刀具前角o18后角o10,主偏角Kr=60,副偏角Kr=82. 切削用量1)切削深度因为切削量较小,故可以选择ap=1.1mm,一次走刀即可完成所需长度。2)进给量机床功率为10kw。查切削手册f=0.080.8mm/z。选较小量f=0.7mm。3)查后刀面最大磨损及寿命查机械切削用量手册表8,寿命T=180min计算切削速度和主轴转速计算切削速度按切削手册表14,查得Vf80m/min(,n=230r/min工序四 粗铣夹具体上端平面。1. 加工条件工件材料:HT200,b=0.16GPa HB=200241。加工要求:粗铣夹具体上端平面机床:X52k。刀具:硬质合金端铣刀。根据切削用量简明手册(后简称切削手册)。选择刀具前角o18后角o10,主偏角Kr=60,副偏角Kr=82. 切削用量1)切削深度因为切削量较小,故可以选择ap=1.1mm,一次走刀即可完成所需长度。2)进给量机床功率为10kw。查切削手册f=0.080.8mm/z。选较小量f=0.7mm。3)查后刀面最大磨损及寿命查机械切削用量手册表8,寿命T=180min计算切削速度和主轴转速计算切削速度按切削手册表14,查得Vf80m/min(,n=230r/min工序五 精铣夹具体下端平面。1. 加工条件工件材料:HT200,b=0.16GPa HB=200241。加工要求:精铣夹具体下端平面机床:X52k。刀具:硬质合金端铣刀。根据切削用量简明手册(后简称切削手册)。选择刀具前角o18后角o10,主偏角Kr=60,副偏角Kr=82. 切削用量1)切削深度因为切削量较小,故可以选择ap=0.2mm,一次走刀即可完成所需长度。2)进给量机床功率为10kw。查切削手册f=0.080.8mm/z。选较小量f=0.2mm。3)查后刀面最大磨损及寿命查机械切削用量手册表8,寿命T=180min计算切削速度和主轴转速计算切削速度按切削手册表14,查得Vf140m/min(,n=480r/min工序六 精铣夹具体上端平面。1. 加工条件工件材料:HT200,b=0.16GPa HB=200241。加工要求:精铣夹具体上端平面机床:X52k。刀具:硬质合金端铣刀。根据切削用量简明手册(后简称切削手册)。选择刀具前角o18后角o10,主偏角Kr=60,副偏角Kr=82. 切削用量1)切削深度因为切削量较小,故可以选择ap=0.2mm,一次走刀即可完成所需长度。2)进给量机床功率为10kw。查切削手册f=0.080.8mm/z。选较小量f=0.2mm。3)查后刀面最大磨损及寿命查机械切削用量手册表8,寿命T=180min计算切削速度和主轴转速计算切削速度按切削手册表14,查得Vf140m/min(,n=480r/min工序七 铣夹具体槽位。1. 加工条件工件材料:HT200,b=0.16GPa HB=200241。加工要求:铣夹具体槽位机床:X52k。刀具:硬质合金端铣刀。根据切削用量简明手册(后简称切削手册)。选择刀具前角o18后角o10,主偏角Kr=60,副偏角Kr=82. 切削用量1)切削深度因为切削量较小,故可以选择ap=0.3mm,一次走刀即可完成所需长度。2)进给量机床功率为10kw。查切削手册f=0.080.8mm/z。选较小量f=0.3mm。3)查后刀面最大磨损及寿命查机械切削用量手册表8,寿命T=180min计算切削速度和主轴转速计算切削速度按切削手册表14,查得Vf120m/min(,n=400r/min工序八 钻4孔。1. 加工条件工件材料:HT200,b=0.16GPa HB=200241。加工要求:钻4孔机床:Z525。刀具:麻花钻2. 切削用量工步11)切削深度因为切削量较小,故可以选择ap=1.1mm,一次走刀即可完成所需长度。2)进给量机床功率为10kw。查切削手册f=0.080.8mm/z。选较小量f=0.7mm。3)查后刀面最大磨损及寿命查机械切削用量手册表8,寿命T=180min计算切削速度和主轴转速计算切削速度按切削手册表14,查得Vf1.4m/min(,n=10r/min工序九 钻3孔。1. 加工条件工件材料:HT200,b=0.16GPa HB=200241。加工要求:钻3孔机床:Z525。刀具:麻花钻2. 切削用量1)切削深度因为切削量较小,故可以选择ap=1.1mm,一次走刀即可完成所需长度。2)进给量机床功率为10kw。查切削手册f=0.080.8mm/z。选较小量f=0.7mm。3)查后刀面最大磨损及寿命查机械切削用量手册表8,寿命T=180min计算切削速度和主轴转速计算切削速度按切削手册表14,查得Vf1.4m/min(,n=10r/min第4章 铣床夹具设计4.1 概论4.1.1 对计算机辅助夹具设计方法及趋势的认识在这次设计中,查找了许多资料,在翻阅的过程中,也看到了不少关于夹具设计的一些先进的、前沿性的文章。以下简要谈谈对计算机辅助夹具设计的认识。4.1.2 计算机辅助夹具设计系统的发展背景制造业中尤其是机械制造业,在产品生产过程中按照特定工艺,不论其生产规模如何,都需要种类繁多的工艺装备,而制造业产品的质量、生产率、成本以及柔性无不与工艺装备有关。随着制造业的全球化,竞争空前激烈,新产品上市的速度成为竞争的焦点。近年来,国内外许多制造企业己经在新产品开发工程中通过引入先进的科技手段如CAD,CAPP,CAM及生产计划管理系统等,来解决产品生产周期、质量和成本问题,并取得了一定的效果。但是,由于企业首先考虑解决新产品的设计和加工设备问题,而造成生产准备工作的重要部分,即工装的设计与准备工作落后于产品设计技术,致使先进的柔性加工系统不能充分发挥其柔性,影响产品的快速响应。因此,如何压缩工艺装备设计所需要的生产准备时间及设计制造成本成了计算机辅助工艺装备研究的重要领域。作为工艺装配的一部分,夹具设计及其相关工作在日常生产中对生产率和成本有很大影响,有人估计甚至达到40%-60%。尽管人们认识到夹具在生产中的重要性,但夹具设计和装配手段仍旧未从计算机辅助工程中受益,它仍旧是制约生产高度自动化的“瓶颈”。经过几年的新技术实践,制造业己经领会到,要缩短产品生产周期,必须以有效的方式充分挖掘生产准备各环节的潜力,构建一个能支持快速产品制造的生产准备系统。夹具准备技术作为制约企业快速响应的一个重要环节,也应从全局自动化的高度变革现有的落后准备技术。计算机辅助夹具设计就是在这种应用要求下而产生的利用计算机技术辅助人工进行夹具设计的一种先进设计技术。4.1.3 研究计算机辅助夹具设计系统的重要意义现代生产向着多品种、多规格、小批量的方向发展,客观上要求加工设备和工艺装备具有较大的柔性,FMS实现真正柔性的主要障碍之一就是缺乏充分的柔性装夹方法。CAD/CAM系统中,计算机辅助夹具设计CAFD以其本身特点是相对独立的一部分,并和其他部分尤其是和CAPP紧密相连。广义上说,CAFD是属于新兴的计算机辅助工艺装备范畴。现在准确地说是CAPP和CAR共同构成CAD和CAM的接口,而CAPP和CAFD又是彼此相互提供信息和作出决策的两个独立系统。计算机辅助设计系统的研制和开发是直接从零件CAD/CAPP集成环境中获取夹具设计信息,包括CAD系统输出的零件几何信息、设计尺寸及精度和CAPP系统输出的零件加工工艺信息,然后将读取的几何信息和工程信息作为夹具设计的已知条件进行夹具的计算机辅助设计与分析,以提高夹具设计的效率和质量,缩短产品开发周期和降低产品生产成本。计算机辅助夹具设计具有重要意义,主要表现在以下方面:4.1.4 节省时间,提高效益将计算机技术应用于夹具设计,可缩短夹具设计周期,缩短产品研制周期,提高夹具设计质量。夹具在新产品研制过程中,对缩短研制周期起着重要作用。根据我国机械工业的现有水平,生产准备周期一般要占整个研制周期的50%-70%,而工艺装备的设计周期又占生产准备周期的50%-70%。其中工艺装备准备周期中70%-80%的时间用于夹具的设计与制造。在现代制造企业中,夹具己成为保证产品质量,实行全面质量管理的重要手段。夹具设计是一个复杂并且在很大程度上依赖于经验的过程,它需要设计人员具备有关设计问题的大量、全面的知识和经验,包括工件的安放、相关的加工工艺、加工环境及设备、夹具元件的选择、加工过程中工件和夹具体的变形等多方面问题。通过建立标准夹具元件库,利用参数驱动技术根据夹具元件尺寸参数值生成三维图形,并通过组装得到夹具装配图,可大大减少夹具设计人员的绘图时间,缩短夹具时间周期,从而缩短产品研制周期。通过总结夹具设计专家的经验知识和夹具设计实例,利用夹具方案设计专家系统或基于实例的推理技术进行夹具方案设计,可充分利用前人的设计经验,提高夹具的设计质量。4.1.5 有利于CIMS各自动化子系统的集成工艺装备设计与准备活动作为CIMS中的一个重要环节,通常包括夹具、刀具、量具和辅具等工艺装备的设计与制造等活动,夹具设计作为整个工艺准备活动的一部分,具有十分重要的地位。夹具CAD系统根据CAD系统提供的工件几何信息、尺寸及精度信息和CAPP系统提供的定位、夹紧及加工信息,完成夹具元件的选择和组装,获得夹具的总装配图,最后向CAM提供夹具设计方面的信息作为NC编程中干涉区域判别的依据,因而夹具CAD系统有助于CAPP系统的完善和CAD,CAM信息共享和集成,缩短产品开发周期。4.1.6 有助于实现产品面向制造的设计集成环境下的夹具CAD系统与产品CAD系统间的信息交互,贯穿于从产品设计开始到夹具设计结束的整个过程。在产品设计的初始阶段就将零件的设计信息传送给夹具CAD系统,夹具CAD系统并行地进行安装方案设计规划、元件布局和结构设计,并动态地将夹具设计信息或阶段性结果反馈到产品CAD系统,从而可不断地对产品进行可装夹性评判,实现产品面向制造的设计(DFM),缩短产品与夹具的设计周期,提高产品与夹具的质量。4.1.7 计算机辅助夹具性能分析及仿真在夹具定位与夹紧设计中,往往可以发现工艺设计中存在的问题,从而促使工艺设计的修改或优化。利用有限元技术和仿真技术对夹紧的性能进行分析,如夹紧力分布与计算,夹具精度分析,工件变形分析等,可以在产品制造前计算并判断出可能存在的问题,从而避免由于夹具设计经验不足导致产生不合理的夹具,提高零件的加工质量,减少由于后期返工而造成的损失。目前,虽然有的计算机辅助夹具设计已经取得了比较好的效益,但分析起来,仍存在以下不足之处:(1)夹具CAD系统与工件CAD/CAPP系统未实现集成;夹具CAD系统作为CAD/CAM系统的一个子系统,其理想的目标是根据零件CAD系统提供的几何形状特征,以及零件CAPP系统提供的零件加工工艺信息,自动设计出最优的夹具。夹具CAD系统与零件CAD/CAPP系统的集成是实现这一目标的基础,但是Fl前己有的夹具CAD系统中,基本上没有实现与CAD/CAPP系统的集成或者仅是针对个别典型零件实现集成,还远远不能满足实际生产需要,所需的夹具设计信息需要人工输入,造成了信息的重复输入,导致了系统效率的降低,也容易产生人为的错误。造成夹具CAD系统与工件CAD,CAPP系统分离的局面主要原因在于两个方面:一方面是由于CAD,CAPP和CAFD都是在其特定的历史环境下相对独立地发展起来的,各系统具有不同的数据表示方法和数据结构,在信息模型上也互不相容,当对各系统进行集成时,要对各模块数据进行大量的重复输入和重复处理。另一方面CAD系统主要关注的是工件的几何数据,CAPP系统主要关注的是工件的加工信息,很多信息都是由设计者经验获得,难以直接为夹具CAD系统所使用。(2)未建立有效的设计结果评价机制夹具的功能和结构是否符合加工要求是评价夹具设计效果的基本指标,可以通过仿真、有限元分析和干涉检验来进行评价。但是,如何对夹具的经济性能进行评价,实现设计成本最小化目前尚未有统一的评价指标,如何对已有夹具信息进行全面有效的管理,在设计新夹具时能够根据现有元件库存量、元件单价等实际情况对设计结果进行经济性能评价,这对于实际生产具有非常重要的现实意义。综上所述,大力推广计算机辅助夹具设计在实际生产过程中的运用,大胆尝试应用符合柔性生产线的夹具元件,以更好地满足数控柔性加工的需要。这是当前数控加工应用日益广泛对组合夹具提出的新课题。因此,迫切需要改变现状,引入现代的科技手段,改变传统的夹具设计与管理模式,以缩短夹具设计时间,简化管理,减少工程技术人员和工人劳动强度,加快产品试制步伐,提高工作效率和工作质量,为工厂赢得更大的经济效益和社会效益。4.1.8 夹具CAD的研究现状在早期的计算机辅助夹具设计的研究中,有两个特点:计算机辅助专用夹具设计所占比重较大;计算机辅助夹具设计过程多采用人机对话交互方式。虽然20世纪70年代开始出现了研究工作,20世纪80年代以后夹具设计理论的研究和CAD系统的开发变成国际上制造研究的一个热点,但实际上离能用于生产实际的商品化软件尚有不小的距离。柔性制造系统(FMS)的扩大应用,计算机集成制造系统(CIMS)的兴起,对实用化夹具设计软件提出更为迫切的需求。虽然计算机人机交互组合夹具计算机辅助设计系统具有缩短生产周期,节省绘图工作量,减少人工反复试制造成的元件磨损等优点,但其设计过程对设计人员素质要求较高,设计质量很大程度上取决于设计人员的组装水平,还远不能代替人的思维;同时,组合夹具组装人员老化现象严重,如果采用传统的组合夹具CAD系统就无法有效地将组装经验继承下来,基于此,人们开始了智能化计算机辅助组合夹具设计系统的研究,其中利用专家系统技术是各国普遍采用的方法,即将设计领域中的专业知识和优秀组装工的经验、技巧进行总结归纳,形成一套理论上正确且富有丰富经验知识的组装规则,并把它存储到计算机中,然后利用这些由夹具专家知识构成的规则设计出组装方案。近年来,提出了一种基于案例推理机制(CBR技术)的组合夹具设计系统,它是基于案例而非规则,因而更富有经验。但由于夹具设计是一项基于经验的机械结构设计,分析与设计技巧要求较高,难于用计算机来描述,因而就目前而言,完全智能化的组合夹具设计系统还未出现。传统的槽系组合夹具因装配调整时间长、材料贵、加工精度高、配套元件多、初置费用高,在市场上逐步受到冷落。自20世纪80年代以来,原理相同只是元件结构和组装方式不同的孔系组合夹具,因其易于装配、材料廉价、加工方便、配套元件少、成本低、性能好而受到国内外市场的青睐,成为和加工中心、FMS配套的主要夹具,一跃成为当代柔性夹具的主流。孔系组合夹具在组装时不能进行连续调整,其适应性受到一定限制,而且孔系组合夹具的组装需要知识广博、经验丰富和技术熟练的人员,这正是当前工厂最缺少的,不仅我国如此,国外更严重短缺,所以这一背景是推动CAFD系统研究开发的强劲动力。此外,在焊接生产中也在推广焊接组合夹具,坐标测量机需要用测量组合夹具,新一代轻巧、灵活、连接方便的夹具液压装置也以推出,说明传统夹具创新仍是现代柔性夹具的主流。个别俄罗斯学者在20世纪70年代开始了夹具CAD的工作,1977年德国Imha和Grahl开发了一个夹具CAD系统。1984年法国的Ingrand和Latolnke首次应用面向夹具功能的方法开发了一个SERF专家系统自动进行夹具设计。此系统将夹具的功能作为确定夹具的具体规则,通过规则来构造工件的支承点及相应的工件表面,并选择一般夹具元件进行组装。但SERF系统只能进行简单的棱柱类零件的设训一。但是,由于计算机硬件和软件的落后,进一步发展受到很大的阻碍。20世纪80年代欧美学者投入这一工作。与20世纪80年代初期CAD软件的水平相配合,第一代CAFD系统是交互式设计系统仃-CAFD)。设计人员简单应用CAD软件的图形功能,建立一个标准夹具元件数据库,用以在计算机屏幕上装配成夹具图。后来加上了定位方法选择,工件信息检索、元件选择、元件安装等模块,成为一个独立的系统。由于现代商品化CAD软件在屏幕上针对夹具几何图形的操作还是费时的,所以T-CAFD在工业上应用还是有价值的。20世纪80年代中后期,根据变异式和生成式两种不同方法产生了基于成组技术(GT)和基于知识的两类主要的CAR系统,这是第二代CAFD。基于GT的CAR有一个夹具设计信息的编码系统,系统中应包括零件几何形状的信息,零件装夹信息,即定位、夹紧和工件工艺操作的信息等。由夹具编码系统在典型夹具图形库中检索出相似夹具,经手工修改成合乎需要的夹具。在研究开发的基于GT的CAFD中,由于装夹信息十分复杂,将这部分代码由线性码结构改成矩阵码结构。其次,对如何评价夹具间相似性定义了相似系数,以便检索出库中最相似的夹具,作最少的修改。基于知识的CAFD,主要是收集人类夹具专家的知识整理成知识库中的各种规则,然后通过专家系统推理机得到各种决策。这类系统主要解决定位、夹紧方法的选择,位置的确定。有的系统己经搜集和整理了上千条的规则,但因工件的多样性和夹具设计的复杂性,也只能设计工件形状及简单的夹具。例如1984年匈牙利Markus等人用prolog语言开发了一个夹具专家系统,着重研究了组合夹具的装配问题,通过输入工件的形状,机加工要素来完成夹具元件的自动选择,其关键技术是夹具元件的选择和装配时夹具元件在荃础板上的位置确定。之后,他们进一步讨论了用人工夹具设计过程进行组合夹具生成的方法。其中夹具定位、夹具结构、工件形状、方向等均由人工输入。另一类是,根据运动学分析和一系列设计规则来作自动化夹具设计。同样,也只能用于工件几何形状规则且简单的夹具。20世纪90年代后的第三代CAFD,总结经验后认为,CAR最终必须要能够生成夹具结构,而过去的系统只解决安装、定位、夹紧等问题或检索类似的结构,不能获得合乎工件实际应用的结构图。因此,必须开发出以生产夹具结构为目的,实际生产应用为导向的商品化夹具设计软件。80年代中期以后我国也开始,国内也有多所院校对夹具CAD作了有益探索,但大多集中于传统的组合夹具CAD系统,或者说集中于绘图式与检索式相结合的形式,组合夹具专家系统尚处于起步阶段。总之,计算机辅助夹具设计方法的发展总趋势应该是具有更多的通用性、智能化和与CAD,CAPP,CAM的集成,计算机辅助组合夹具设计系统正逐步成为一个独立的制造软件系统,它正向着智能化、集成化的方向发展。4.2 夹具4.2.1 工件预加工内容1.该工件其他部位都已经加工完毕,工件所待加工的部位为钻孔;零件的形状、尺寸及其位置如零件图2-1所示。2.零件生产批量1000件,属中小批量生产。4.2.2 定位方案在进行端面粗铣加工工序时,底面已经精铣,两工艺孔已经加工出。在加工箱体工件时,往往采用一平面及与该平面垂直的两孔为定位基准。因此工件选用底面与两工艺孔作为定位基面。选择底面作为定位基面限制了工件的三个自由度,而两工艺孔作为定位基面,分别限制了工件的一个和两个自由度。即两个工艺孔作为定位基面共限制了工件的三个自由度。即一面两孔定位。工件以一面两孔定位时,夹具上的定位元件是:一面两销。其中一面为支承板,两销为一短圆柱销和一削边销。4.2.3 夹紧方案夹紧装置的选择对工件的加工精度和生产效率起着重要作用。现代高效率的夹具,大多采用机动夹紧方式,如:气动、液动、电动等。其中以气动和液动装置应用最为普遍。考虑到本设计中即可生产属批量生产,决定使用手动夹紧工序简易,因而可以大大减少成本夹紧力的方向选择应该满足:1.夹紧力应垂直于主要定位基准面;2.夹紧力的方向有利于减少夹紧力。夹紧力的作用点也有要求:1.夹紧力的作用点应能保持工件定为稳定,而不致使一起工件发生位移和偏转。2.夹紧力的作用点,应使被夹紧工件的夹紧变形尽可能小。夹紧力应尽可能地靠近工件加工表面,以提高定位稳定性和夹紧可靠性。基于以上几点综合考虑,选用耳轴与光面压块相结合,不但满足夹紧力方向要求,同时光面压块是接触面积增大,可以减少应力集中,提高了夹紧稳定性与可靠性要求。4.2.4 对刀块的设计由于本工序夹具是铣床夹具,所以有对刀元件。对刀尺寸和和公差。对刀在夹具上的位置是以定位元件的定位表面或定位元件线为基准来标注。对刀尺寸以工件相应尺寸的平均尺寸为基本尺寸,其公差取为工件相应尺寸公差的1/51/2,偏差对称标注。对刀装置由对刀块,用来确定刀具与夹具的相对位置。由于本道工序是完成机械零件的铣加工,所以选用直角对刀块。根据GB224380直角对到刀块的结构和尺寸如图所示:4.2.5 切削力和夹紧力计算由于本工序主要是精铣端面,所以只对夹具的定位稳定性进行计算,及夹紧力和铣削力的计算工件材料:灰铸铁HT200铣刀几何参数:根据机械加工工艺手册表9.2-27得:铣削力:根据工艺设计手册表3-25,修正系数:故实际的圆周切削力为:在计算切削力时,必须考虑安全系数 安全系数 式中:基本安全系数,取1.5 加工性质系数,取1.1 刀具钝化系数,取1.1 断续切削系数,取1.1则:夹紧力的计算由机床夹具设计手册表2-17得:左右螺旋夹紧的夹紧力:式中:W作用在工件上的夹紧力(N)Q螺旋夹紧力(N)L手柄长度(mm螺纹升角螺纹摩擦角机构的传动效率,一般取0.850.95 取:0.9螺纹中径f螺母端面与工件的摩擦系数取0.1故:小于夹紧力,所以该夹紧装置可靠。4.2.6 误差分析计算因为工件的定位基准和定位元件均有制造误差,所以工件在夹具中定位后的实际位置将在一定范围内变动,即存在一定的定位误差,设计定位装置时,就要控制这一误差在加工中所允许的范围内。产生定位误差的原因有以下两个方面:1)定位基准和工序基准不重合;2)定位基准位移。定位误差就是由基准不重合误差和基准位移公差综合引起的同批工件工序尺寸的那部分公差,也就是等于两者的代数和。 (3-6) (3-7)所以基准不重合误差为 (3-8)基准位移误差为 (3-9)则总的定位误差为 (3-10)已知本工序中,故 (3-11)结论与展望在本次设计中,我们将设计主要分为两大部分进行:工艺编制部分和夹具设计部分。在工艺部分中,我们涉及到要确定各工序的安装工位和该工序需要的工步,加工该工序的机车及机床的进给量,切削深度,此零件转速和切削速度,该工序的夹具,刀具及量具,还有走刀次数和走刀长度,最后计算该工序的基本时间,辅助时间和工作地服务时间。其中,工序机床的进给量,此零件转速和切削速度需要计算并查手册确定。在夹具设计部分,首先需要对工件的定位基准进行确定,然后选择定位元件及工件的夹紧,在对工件夹紧的选择上,但都广泛运用在生产中。然后计算切削力以及夹紧工件需要的夹紧力,这也是该设计中的重点和难点。通过这次设计,使我对大学几年所学的知识有了一次全面的综合运用,也学到了许多上课时没涉及到的知识,尤其在利用手册等方面,对今后出去工作都有很大的帮助。另外,在这次设计当中,指导老师在大多数时间牺牲自己的宝贵休息时间,对我们进行细心的指导,我对他们表示衷心的感谢!老师,您辛苦了!在这次设计中,我基本完成了设计的任务,达到了设计的目的,但是,我知道自己的设计还有许多不足甚至错误,希望老师们能够谅解,谢谢!致谢设计是对几年的大学生活的一个总结,是几年来的一个综合考评,现在终于圆满完成了,感谢我所有的老师,是你们无私的奉献把我带进机械殿堂,让我在机械行业快乐翱翔。本次设计是在老师的悉心指导和关怀下完成的。在设计过程中,导师给了我许多指导和帮助,并提出了很多宝贵的意见尤老师的严谨治学,不断探索的科研作风,敏锐深邃的学术洞察力,孜孜不倦的敬业精神,给我留下了深刻的印象。值此设计完成之际,谨向我的导师致以崇高的敬意和衷心的感谢!在做设计时,在老师的推荐下我借阅了关于工艺与夹具的书籍,查阅相关的标准是我我设计时思路清晰,充满信息,圆满地完成了本次设计。在设计撰写时,得到了机械系多位老师和同学的帮助,在忙碌的工作中,仍给予我专业知识上的指导,而且交给我学习的方法和思路,是我在实际设计中不断有新的认识和提高,在此,我对他们的帮助表示由衷的感谢!最后再次向帮助过我的老师及同学致以最崇高的敬意!参考文献1李洪机械加工工艺手册M北京出版社,199612陈宏钧实用金属切削手册M机械工业出版社,200513上海市金属切削技术协会金属切削手册M上海科学技术出版社,20024杨叔子机械加工工艺师手册M机械工业出版社,20005徐鸿本机床夹具设计手册M辽宁科学技术出版社,2003106都克勤机床夹具结构图册M贵州人民出版社,198347胡建新机床夹具M中国劳动社会保障出版社,200158冯道机械零件切削加工工艺与技术标准实用手册M安徽文化音像出版社,20039王先逵机械制造工艺学M机械工业出版社,200010马贤智
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