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基于支承套零件工艺及工装设计 1 1 绪论绪论 1.1 本课题的研究内容和意义本课题的研究内容和意义 机械的加工工艺及夹具设计是在完成了大学的全部课程之后，进行的一次理论联系 实际的综合运用，使我对专业知识、技能有了进一步的提高，为以后从事专业技术的工 作打下基础。机械加工工艺是实现产品设计，保证产品质量、节约能源、降低成本的重 要手段，合理的机械加工工艺过程是企业进行生产准备、计划调度、加工操作、生产安 全、技术检测和健全劳动组织的重要依据，也是企业上品种、上质量、上水平，加速产 品更新，提高经济效益的技术保证。 合理的机械加工工艺文件不仅能提高一个企业的技术革新能力，而且可以较大程度 地提高企业的利润，因而合理地编制零件的加工工艺文件就显得时常重要。机械加工工 艺文件的合理性也会受到企业各方面因素的制约，比如企业的生产设备、工人的技术水 平及夹具的设计水平等，其中较为重要的是夹具的生产和设计。夹具是机械加工系统的 重要组成部分，不论是传统制造，还是现代制造系统，夹具的设计都是十分重要的。好 的夹具设计可以提高产品劳动生产率，保证和提高加工精度，降低生产成本等，还可以 扩大机床的使用范围，从而使产品在保证精度的前提下提高效率、降低成本。当今激烈 的市场竞争和企业信息化的要求,企业对夹具的设计及制造提出了更高的要求。所以对机 械的加工工艺及夹具设计具有十分重要的意义。 因而不仅要合理结合企业的生产实际来进行零件加工工艺文件的编制，而且还要根 据零件的加工要求和先进的加工机床来设计先进高效的夹具。 该课题主要是为了培养学生开发、设计和创新机械产品的能力，要求学生能够结合 常规机床与零件加工工艺，针对实际使用过程中存在的金属加工中所需要的三维造型、 机床的驱动及工件夹紧问题，综合所学的机械三维造型、机械理论设计与方法、机械加 工工艺及装备、液压与气动传动等知识，对高效、快速夹紧装置进行改进设计，从而实 现金属加工机床驱动与夹紧的半自动控制。 在设计液压系统装置时，在满足产品工作要求的情况下，应尽可能多的采用标准件， 提高其互换性要求，以减少产品的设计生产成本。 1.2 国内外的发展概况国内外的发展概况 夹具从产生到现在，大约可以分为三个阶段：第一个阶段主要表现在夹具与人的结 合上，这是夹具主要是作为人的单纯的辅助工具，是加工过程加速和趋于完善；第二阶 段，夹具成为人与机床之间的桥梁，夹具的机能发生变化，它主要用于工件的定位和夹 紧。人们越来越认识到，夹具与操作人员改进工作及机床性能的提高有着密切的关系， 所以对夹具引起了重视；第三阶段表现为夹具与机床的结合，夹具作为机床的一部分， 成为机械加工中不可缺少的工艺装备。 在夹具设计过程中，对于被加工零件的定位、夹紧等主要问题,设计人员一般都会考 虑的比较周全，但是，夹具设计还经常会遇到一些小问题，这些小问题如果处理不好， 也会给夹具的使用造成许多不便，甚至会影响到工件的加工精度。我们把多年来在夹具 无锡太湖学院学士学位论文 2 设计中遇到的一些小问题归纳如下：清根问题在设计端面和内孔定位的夹具时，会遇到 夹具体定位端面和定位外圆交界处清根问题。端面和定位外圆分为两体时无此问题,。夹 具要不要清根，应根据工件的结构而定。如果零件定位内孔孔口倒角较小或无倒角，则 必须清根,如果零件定位孔孔口倒角较大或孔口是空位，则不需要清根，而且交界处可以 倒为圆角 R。端面与外圆定位时，与上述相同。让刀问题在设计圆盘类刀具(如铣刀、砂 轮等)加工的夹具时，会存在让刀问题。设计这类夹具时，应考虑铣刀或砂轮完成切削或 磨削后，铣刀或砂轮的退刀位置，其位置大小应根据所使用的铣刀或砂轮的直径大小， 留出超过刀具半径的尺寸位置即可。更换问题在设计加工结构相同或相似，尺寸不同的 系列产品零件夹具时，为了降低生产成本,提高夹具的利用率，往往会把夹具设计为只更 换某一个或几个零件的通用型夹具。 由于现代加工的高速发展，对传统的夹具提出了较高要求，如快速、高效、安全等。 基于液压夹紧的专用夹具设计，必须计算加工工序所受的切削力及切削力矩，按照夹紧 方式进行夹紧力的计算，进而可以确定液压缸的负载，通过选定整个液压系统的压力， 最终可以确定液压缸的各参数。 随着机械工业的迅速发展，对产品的品种和生产率提出了愈来愈高的要求，使多品 种，中小批生产作为机械生产的主流，为了适应机械生产的这种发展趋势，必然对机床 夹具提出更高的要求。特别像后钢板弹簧吊耳类不规则零件的加工还处于落后阶段。在 今后的发展过程中，应大力推广使用组合夹具、半组合夹具、可调夹具，尤其是成组夹 具。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。 1.3 本课题本课题应达到的要求应达到的要求 通过实际调研和采集相应的设计数据、阅读相关资料相结合，在对金属切削加工、 金属切削机床、机械设计与理论及液压与气动传动等相关知识充分掌握后，分析金属切 削加工过程中的机床工作台驱动、工件夹紧等方面的相关数据，结合液压与气动传动的 相关理论知识，完成液压传动方案分析及液压原理图的拟定，设计液压专用夹具的驱动、 夹紧装置，并进行主要液压元件的设计与选择及传动系统的验算校核等，来达到产品的 最优化设计。 针对实际使用过程中存在的金属加工工艺文件编制、工件夹紧及工艺参数确定及计 算问题，综合所学的机械理论设计与方法、机械加工工艺文件编制及实施等方面的知识， 设计出一套适合于实际的零件加工工艺路线，从而实现适合于现代加工制造业、夹紧装 置的优化设计。 基于支承套零件工艺及工装设计 3 2 零件的造型零件的造型 2.1 零件造型软件介绍零件造型软件介绍 1) Solid Works 软件介绍 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 创新的、易学易用的而且价格便宜的 Solid Works 是 Windows 原创的三维设计软件。 其易用和友好的界面，能够体现在整个产品设计的工作中。Solid Works 完全自动捕捉设 计意图和引导设计修改。在 Solid Works 的装配设计中可以直接参照已有的零件生成新的 零件。不论设计采用“自顶而下“方法还是“自底而上“的方法进行装配设计，SolidWorks 都 将以其易用的操作大幅度地提高设计的效率。SolidWorks 有全面的零件实体建模功能， 其丰富程度有时会出乎设计者的期望。用 SolidWorks 的标注和细节绘制工具，能快捷地 生成完整的、符合实际产品表示的工程图纸。 Solid 有 Works 还具有全相关的钣金设计能 力。钣金件的设计即可以先设计立体的产品也可以先按平面展开图进行设计。Solid Works 软件提供完整的、免费的开发工具(API)，用户可以用微软的 Visual Basic、Visual C+或其它支持 OLE 的编程语言建立自己的应用方案。通过数据转 换接口，SolidWorks 可以很容易地将目前市场几乎所有的机械 CAD 软件集成到现在的设 计环境中来。 为比较评价不同的设计方案，减少设计错误，提高产量，Solid Works 强劲的实体建 模能力和易用友好的 Windows 界面形成了三维产品设计的标准。机械工程师不论有无 CAD 的使用经验，都能用 SolidWorks 提高工作效率，使企业以较低的成本、更好的质量 更快将产品投放市场。而最有意义的是，用于 SolidWorks 的投资是容易承受的，这使得 参加工程设计的所有人员都能在他们桌面上的计算机进行三维设计。 对于模具设计师来 讲，还可以利用 XYZ 缩放因子直接生成模腔。 在新版中，还增加了智能装配功能，能够在装配过程中自动捕捉装配关系，而无须 用户另行指定。在装配过程中，还新增加了球面的配合关系和圆锥面的配合关系，这就 使得将球插到孔里的操作变得更加容易。 无锡太湖学院学士学位论文 4 2) UG 软件介绍 UG 是美国 UGS(Unigraphics Solutions)公司的主导产品，是集 CAD/CAE/CAM 于一体 的三维参数化软件，是面向制造行业的 CAID/CAD/CAE/CAM 高端软件,是当今最先进,最 流行的工业设计软件之一.它集合了概念设计.工程设计,分析与加工制造的功能,实现了优 化设计与产品生产过程的组合。被广泛应用于机械、汽车、航空航天、家电以及化工等 各个行业。 CAD/CAM/CAE 三大系统紧密集成。用户在使用 UG 强大的实体造型、曲面造型、 虚拟装配及创建工程图等功能时，可以使用 CAE 模块进行有限元分析、运动学分析和仿 真模拟，以提高设计的可靠性；根据建立起的三维模型，还可由 CAE 模块直接生成数控 代码，用于产品加工。 灵活性的建模方式。采用复合建模技术，将实体建模、曲面建模、线框建模、显示 几何建模及参数化建模融为一体。 3) CAD(Computer Aided Design） CAD 最早的应用是在汽车制造、航空航天以及电子工业的大公司中。随着计算机变 得更便宜，应用范围也逐渐变广。 CAD 的实现技术从那个时候起经过了许多演变。这个领域刚开始的时候主要被用于 产生和手绘的图纸相仿的图纸。计算机技术的发展使得计算机在设计活动中得到更有技 巧的应用。如今，CAD 已经不仅仅用于绘图和显示，它开始进入设计者的专业知识中更 “智能”的部分。 随着电脑科技的日益发展，性能的提升和更便宜的价格，许多公司已采用立体的绘 图设计。以往，碍于电脑性能的限制，绘图软件只能停留在平面设计，欠缺真实感，而 立体绘图则冲破了这一限制，令设计蓝图更实体化。 2.2 零件造型过程零件造型过程 编辑草图，选择零件的上视面为基准面生成实体草图,如图 2.1 所示。 在基准面内绘制 80mm 的圆，并进行高为 25mm 的拉伸，得到的圆柱体，如图 2.2 所示。 在 80mm 的圆柱面上继续进行 76mm 圆的绘制，并进行高为 3mm 的拉伸，所得 图 2.1 选择基准面 图 2.2 拉伸 80mm 高 25mm 的圆柱体 基于支承套零件工艺及工装设计 5 的圆柱体如图 2.3 所示。 在 76mm 的圆柱体上再继续进行 85mm 高 45mm 的圆柱体拉伸，如图 2.4 所示。 在 85mm 的圆柱体上进行 81mm 高 3mm 的圆柱体拉伸，如图 2.5 所示。 在 81mm 的圆柱体对 135mm 高 7mm 的圆柱进行拉伸，如图 2.6 所示。 在 135mm 的圆柱体上再拉伸一个 110mm 高 32mm 的圆柱体，如图 2.7 所示。 在 110mm 的圆柱体中心对称位置拉伸一个长 31mm 宽 30 半径 R=15 的耳座，其实 图 2.3 拉伸 76mm 高 3mm 的圆柱体 图 2.4 拉伸 85mm 高 45mm 的圆柱体 图 2.5 拉伸 81mm 高 3mm 的圆柱体图 2.6 拉伸 135mm 高 7mm 的圆柱体 图 2.7 拉伸 110mm 高 32mm 的圆柱体图 2.8 拉伸长 31mm 宽 30 半径 R=15 的实体 无锡太湖学院学士学位论文 6 体造型如图 2.8 所示。 在 110mm 的圆柱体的另一条对称线拉伸另个耳座，其实体如图 2.9 所示。 在 85 外圆上运用差集进行长 35 深 4.5 半径 R=4 的键槽的绘制，如图 2.10 所示。 在以上步骤所建的实体上运用差集，对支承套头部进行长 100mm 宽 20mm 槽的切除， 如图 2.11 所示。 继续在实体上切除一个 10mm 高 60mm 的圆柱体，如图 2.12 所示。 对造型出的孔进行螺纹孔的造型，以 12 中的圆心为基准插入一个 M121.25mm 螺 纹现为 12mm 深为 18mm 的螺纹孔，如图 2.13 所示。 图 2.9 拉伸如图所示实体 图 2.10 切除长 35 深 4.5 半径 R=4 的键槽 图 2.11 100mm 宽 20mm 槽图 2.12 开 10mm 深 60mm 的孔 图 2.13 M121.25mm 螺 纹 图 2.14 10mm 深 100mm 孔 基于支承套零件工艺及工装设计 7 在实体上运用差集对两个 10mm 高 100mm 的孔进行造型，如图 2.14 所示。 在耳座槽的底部运用差集，切除两个 10mm 完全贯穿的孔，如图 2.15 所示。 对所造型的孔再进行沉孔的造型，以 15 中的圆心为基准，在 135mm 的右端面上 拉伸切除两个 11mm 高 3.5mm 的圆柱体，如图 2.16 所示。 在圆柱体的内部进行花键孔的拉削，如图 2.17 所示。 在 110mm 底面绘制四个 M6mm 深 15mm 的螺纹孔，如图 2.18 所示。 零件图绘制完成，如图 2.19 所示。 图 2.15 两个 10mm 孔的造型图 2.16 开两个 11mm 深 3.5mm 沉孔 图 2.17 拉花键孔 图 2.18 M6mm 深 15mm 的螺纹孔图 2.19 零件三维图 无锡太湖学院学士学位论文 8 3 零件的工艺分析零件的工艺分析 3.1 零件的功用分析零件的功用分析 套筒类零件是机械中常见的一种零件，它的应用范围很广，主要起支承和导向作用， 如图 3.1 所示是常见套类零件。由于其功用不同，套筒类零件的结构和尺寸有着很大的差 别，但其结构上仍有共同点：零件的主要表面为同轴度要求较高的内外圆表面；零件壁 的厚度较薄且易变形；零件长度一般大于直径等。 由支承套零件图可知该零件属于短套筒，主要功能是起支承、导向作用。该零件 结构简单，主要表面内外圆柱面、端面。其主要技术要求为：外圆表面 （80、85、110、115）内圆表面（75H8、10）、花键孔 （62714.5） ；外圆表面对 75H8 孔的径向圆跳动公差为 0.02mm，10 孔 系间有同轴度要求 0.02 mm；左右端面孔有位置度要求为 0.1mm。材料为 HT200， （ ）油缸（ ）气缸套 （ ）轴承衬套（ ）钻套（ ）滑动轴承 （ ）滑动轴承 图 3.1 套筒零件 基于支承套零件工艺及工装设计 9 批量生产。 3.2 零件的工艺分析零件的工艺分析 1）该支撑套的结构比较典型，代表了一般支撑套的结构形式，其加工工艺过程具有 普遍性。 2）支承套在加工前，要进行人工时效处理，以消除铸件内应力。加工时应注意夹紧 位置，夹紧力大小及辅助支承的合理使用主，防止零件的变形。 3)支撑套底面上的 4-M6mm 孔的加工，采用同一钻模，均按外形找正，这样可保证 孔的位置精度要求。 4）外圆表面采用车削方法可完成粗、半精加工，其加工可安排磨削加工。 5）内圆表面根据其直径可分别采用钻-扩-铰及镗削加工。对于花键孔可采用拉削方 法进行加工。 6）端面的加工可采用车削完成，端部开槽可采用铣削方法完成。 4 零件工艺规程设计零件工艺规程设计 4.1 确定毛坯的制造形式确定毛坯的制造形式 套筒零件毛坯的选择与其材料、结构、尺寸及生产批量有关。孔径小的套筒，一般 选择热轧或冷拉棒料，也可采用实心铸件；孔径较大的套筒，常选择无缝钢管或带孔的 铸件、锻件；大量生产时，可采用冷挤压和粉未冶金等先进的毛坯制造工艺，既提高生 产率，又节约材料。 支撑套工作时要承受很大的转矩及变形的弯曲硬力，容易产生扭振、折断及磨损， 要求材料应有较高的强度、冲击韧度、疲劳强度和耐磨性，由支撑套的形状相对比较复 杂，而且它只是用来起连接作用和支撑作用，查阅机械加工工艺手册表 2.2-2.3，考 虑到灰铸铁容易成形，切削性能、强度、耐磨性、耐热性均较好且价格低廉，而且一般 零件的材料大都采用铸铁，故选用牌号为 HT200 的灰铸铁。 表 4-1 HT200 的力学性能 牌号抗压强度 /MPa 抗剪强度 /MPa 弹性模量 /GPa 疲劳极限 /MPa HT2005887852437810888108 支撑套的毛坯：此零件属中批生产，故采用铸造毛坯。 4.2 定位基准的选择定位基准的选择 套筒类零件主要技术是内外圆的同轴度，选择定位基准和装夹方法时，应考虑在一 次装夹中尽可能完成各主要表面的加工，或以内孔和外圆互为基准反复加工以逐步提高 其精度，同时，由于套类零件壁薄、刚性差，选择装夹方法、定位元件和夹紧机构时， 要特别注意防止工件变形。 1）以外圆或内孔为粗基准一次安装，完成主要表面的加工 无锡太湖学院学士学位论文 10 这种方法可消除定位误差对加工精度的影响，能保证一次装夹加工出的各表面间有 很高的相互位置精度。但它要求毛坯留有夹持部位，等各表面加工好后再切掉，造成了 材料浪费。故多用于尺寸较小的轴套零件车削加工中。 2）以内孔为精基准用心轴装夹 这种方法在生产实践中用途较广，且以孔为定位基准的心轴类夹具，结构简单、刚 性较好、易于制造，在机床上装夹的误差较小，这一方法特别适合于加工小直径深孔套 筒零件，对于较长的套筒零件，可用带中心孔的“堵头”装夹。 3）以外圆为精基准使用专用夹具装夹 当套筒零件内孔的直径太小不适于作定位基准时，可先加工外圆，再以外圆为精基 准，用卡盘夹紧加工内孔。这种装夹方法，迅速可靠，能传递较大的扭矩。但是，一般 的卡盘定位误差较大，加工后内外圆的同轴度较低。常采用弹性膜片卡盘、液性塑料夹 头或高精度三爪自定心卡盘等定心精度高的专用夹具，以满足较高的同轴度要求。 4.2.1 精基准的选择精基准的选择 大批量生产的支承套，通常以底平面和内孔花键为精基准。这种定位方式很简单地 限制了工件六个自由度，定位稳定可靠；在一次安装下，可以加工除定位面以外的所有 五个面上的孔或平面，也可以作为从粗加工到精加工的大部分工序的定位基准，实现 “基准统一”原则，此外，这种定位方式夹紧方便，工件的夹紧变形小；易于实现自动 定位和自动夹紧，且不存在基准不重合误差。 4.2.2 粗基准的选择粗基准的选择 加工支承套底平面时，取要加工的面得对称面为粗基准，符合工作表面间相互位置 要求原则。这样可以保证对合面加工后凸缘的厚薄较为均匀，减少的变形。 4.3 切削用量的选择原则切削用量的选择原则 4.3.1 粗加工时切削用量的选择粗加工时切削用量的选择 粗加工时加工精度与表面粗糙度要求不高，毛坯余量较大。因此，选择粗加工的切 削用量时，要尽可能保证较高的单位时间金属切削量（金属切除率）和必要的刀具耐用 度，以提高生产效率和降低加工成本。 1）切削深度的选择 粗加工时切削深度应根据工件的加工余量和由机床、夹具、刀具和工件组成的工艺 系统的刚性来确定。在保留半精加工、精加工必要余量的前提下，应当尽量将粗加工余 量一次切除。只有当总加工余量太大，一次切不完时，才考虑几次走刀。 2）进给量的选择 粗加工时限制进给量提高的因素主要是切削力。因此，进给量应根据工艺系统的刚 性和强度来确定。选择进给量时应考虑到机床进给机构的强度、刀杆尺寸、刀片厚度、 工件的直径和长度等。在工艺系统的刚性和强度好的情况下，可选用大一些的进给量； 在刚性和强度较差的情况下，应适当减小进给量。 3）切削速度的选择 基于支承套零件工艺及工装设计 11 粗加工时，切削速度主要受刀具耐用度和机床功率的限制。切削深度、进给量和切 削速度三者决定了切削速率，在确定切削速度时必须考虑到机床的许用功率。如超过了 机床的许用功率，则应适当降低切削速度。 4.3.2 精加工时切削用量的选择精加工时切削用量的选择 精加工时加工精度和表面质量要求较高，加工余量要小且均匀。因此，选择精加工 的切削用量时应先考虑如何保证质量，并在此基础上尽量提高生产效率。 1）切削深度的选择 精加工时的切削深度应根据加工留下的余量确定。通常希望精加工余量不要留得太 大，否则，当吃刀深度较大时，切削力增加较显著，影响加工质量。 2）进给量的选择 精加工时限制进给量提高的主要因素是表面粗糙度。进给量增大时，虽有利于断屑， 但残留面积高度增大，切削力上升，表面质量下降。 3）切削速度的选择 切削速度提高时，切削变形减小，切削力有所下降，而且不会产生积屑瘤和鳞刺。 一般选用切削性能高的刀具材料和合理的几何参数，尽可能提高切削速度。只有当切削 速度受到工艺条件限制而不能提高时，才选用低速，以避开积屑瘤产生的范围。 4. 4 拟定零件加工的工艺路线拟定零件加工的工艺路线 拟定工艺路线的出发点：应当是使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要 求能得到合理的保证。在生产纲领和生产类型已确定为大批量生产的条件下，可以采用 万能机床配以专用工夹具，并尽量使工序集中来提高生产率。除此之外，还考虑经济效 果，以便降低生产成本。 1) 工艺路线方案一如表 4-2 所示： 表 4-2 工艺路线方案一 工序号工序内容 10铸造 20热处理 30粗车 85，80 外圆 40半精车 85，80 外圆 50精车 85，80 外圆 60割退刀槽，并倒 80 外圆的倒角 70铣 84.5 键槽 80粗车 110 外圆端面 90精车 110 外圆端面 100粗车 135 外圆端面 110精车 135 外圆端面 120粗铣-精铣 20H8 端面 无锡太湖学院学士学位论文 12 2) 工艺路线方案二如表 4-3 所示： 表 4-3 工艺路线方案二 续表 4-3 3) 工艺方案的比较与分析 上诉两个工艺方案的特点在于：方案一是先加工花键，然后以花键孔为定位基准加 工各孔。而方案二是加工两个外圆端面，然后以此为精基准加工各孔最后加工花键。经 比较可知，先加工花键孔后再以花键孔为定位基准面加工，此时零件的位置精度较易保 证，并且定位及装夹等都较为方便。方案一中的工序 80,90,100,110 与方案二中的工序 80，90，100，110 比较，方案二中工序内容一致但减少了装夹次数，所以决定将方案二 130镗 62 内圆 140拉花键孔 150钻-扩-铰 20H8 面上的 10 孔 160钻 M12 孔至 10 孔并攻螺纹 170钻-扩-铰 4-10H7 孔 180钻 4-M6 深至 15 并攻螺纹 190检验 工序号工序内容 10铸造 20热处理 30粗车 85，80 外圆 工序号工序内容 40半精车 85，80 外圆 50精车 85，80 外圆 60割退刀槽槽，并倒 80 外圆的倒角 70铣 84.5 键槽 80粗车 135 外圆端面 90精车 135 外圆端面 100粗车 110 外圆端面 110精车 110 外圆端面 120粗铣-精铣 20H8 端面 130钻-扩-铰 20H8 面上的 10 孔 140钻 M12 孔至 10 孔并攻螺纹 150钻-扩-铰 4-10H7 孔 160钻 4-M6 深至 15 并攻螺纹 170镗 62 内圆 180拉花键孔 190检验 基于支承套零件工艺及工装设计 13 中的工序 80，90，100，110 取代方案一中的工序 80，90，100，110。 具体工艺过程如表 4-4 所示： 表 4-4 最终工艺路线方案 续表 4-4 4.5 机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定 “支撑套”零件材料为 HT200 的灰铸铁，抗压强度 588785MPa 抗剪强度 243MPa 弹性模量 78108GPa 疲劳极限 88108MPa，硬度是 187220HBS,毛胚重量为 2.3kg，生产类型为大批量生产，可采用铸造毛坯。 各加工表面毛坯尺寸确定如下： 1) 外圆表面（80）的加工余量 由机械加工工艺设计资料表 1.2-10 查得毛坯加工余量为 5，毛坯尺寸偏差由 表 1.2-2 查得为1.4 mm。 2) 外圆表面（85）的加工余量 由机械加工工艺设计资料表 1.2-10 查得毛坯加工余量为 5，毛坯尺寸偏差由 表 1.2-2 查得为1.4 mm。 工序号工序内容 10铸造 20热处理 30粗车 85，80 外圆 40半精车 85，80 外圆 50精车 85，80 外圆 60割退刀槽，并倒 80 外圆的倒角 70铣 84.5 键槽 80粗车 135 外圆端面 90精车 135 外圆端面 工序号工序内容 100粗车 110 外圆端面 110精车 110 外圆端面 120粗铣-精铣 20H8 端面 130镗 62 内圆 140拉花键孔 150钻-扩-铰 20H8 面上的 10 孔 160钻 M12 孔至 10 孔并攻螺纹 170钻-扩-铰 4-10H7 孔 180钻 4-M6 深至 15 并攻螺纹 190检验 图 4.2 支撑套铸件毛胚 无锡太湖学院学士学位论文 14 3) 花键孔（62714.5）的加工余量 要求花键孔为外径定心，故采用拉削加工。 镗孔 61 2Z=1mm 拉花键孔（80，85） 花键孔要求外径定心，拉削时加工余量参照机械制造工艺设计简明手册表 2.319 取 2Z=1 mm。 4) 110 与外圆端面的加工余量 按照机械制造工艺设计简明手册表 2.225 知两外圆端面的加工余量为 2.03.0mm。 5) 135 外圆端面的加工余量 按照机械制造工艺设计简明手册表 2.225 知两外圆端面的加工余量为 2.03.0mm 由于毛坯及以后各道工序（或工步）的加工都有加工公差，因此所规定的加工余量 其实只是名义上的加工余量。实际上，加工余量有最大最小之分。 由于本设计规定的零件为大批量生产，应采用调整法加工，因此在计算最大最小加 工余量是应采用调整法予以加工。 支撑套铸件毛胚图见图 4.2。 4.6 确定切削用量及基本工时确定切削用量及基本工时 工时定额是在一定生产条件下，规定生产一件产品或完成一道工序所需消耗的时 间，用 t1表示。工时定额是安排生产计划、成本核算的主要依据，在设计新厂时，是 计算设备数量、布置车间、计算工人数量的依据。时间定额由下述部分组成： 1）基本时间：直接改变生产对象的尺寸、形状、相对位置、表面状态或材料性 质等工艺过程所消耗的时间，用 tm表示。 2）准备与终结时间：工人为了生产一批产品和零部件，进行准备和结束工作所 消耗的时间，用 te表示。 3）布置工作地时间：为使加工正常进行，工人照管工作地所消耗的时间，一般 基于支承套零件工艺及工装设计 15 按作业时间的百分数 表示。 4）休息与生理需要时间：工人在工作班内为恢复体力和满足生理上的需要所消 耗的时间，一般按作业时间的百分数 表示。 则大量生产时的时间定额为： t =（t+t ） 1+（+）/100 ime 1) 粗车 85 外圆(工序 30) 计算切削速度，按切削手册表 1.27，切削速度的公式为（寿命选 T=60min） ，采 用高速钢外圆车刀，规定=2，走刀次数 i=1，则： P a （m/min） (4.1) vv v cv xym p c vk Tf 式中： =11.8，=0.70，=0.30，m=0.11。 v c v x v y =1.11 1.75 0.637 () 0.6 M k0.75 K k 所以 ，= c v 0.110.70.3 11.8 1.11 0.75 270.251.5 =16.4 m/min 确定主轴转速 s n (4.2) w c s d v n 1000 =116 r/min 1000 32.8 3.14 90 按机床说明书取 n=96r/min，所以实际切削速度m/min。 27v 由切削手册表 1.30 中 CA6140 机床说明书知，CA6140 主电动机功率为 7.5kw， 故机床功率足够，可以正常工作。 计算切削工时 切削工时： (4.3) nf lll t 21 式中： =60, l 1 2l 所以 ： 2 =5.61（s） 602 96 1.5 t 无锡太湖学院学士学位论文 16 2) 车 135 端面（工序 80，90） 确定端面加工余量：已知毛坯长度方向的加工余量为 4mm 确定进给量 f：根据切削手册表 1.4，当刀杆尺寸为 16mm25mm,以及工3 p a 件直径为 100mm 时：f=0.60.9。按 CA6140 车床的说明书（见切削手册表 1.30）取 f=0.7。 计算切削速度：按切削手册表 1.27，切削速度的公式为（寿命选 T=60min） （m/min） vv v cv xym p c vk Tf 式中： =242，=0.15，=0.35，m=0.2。 v c v x v y 修正系数见切削手册表 1.28，即 =1.44，=0.8，=1.04，=0.81， v k mv k sv k kv k krv k =0.97。 Bv k 所以 = c v 0.20.150.35 242 1.44 0.8 1.04 0.81 0.97 2710.5 =251.6 m/min 确定主轴转速 s n =890 r/min w c s d v n 1000 1000 251.6 3.14 90 与 890 r/min 相近的机床转速为 900 r/min。现选取，所以实际切削速度900 w n m/min.141.3v 检验机床功率 主切削力 按切削手册表 1.29 所示公式计算 c F (4.4) ccc cc xFyFnF cFpcF Fcfvk 式中： 1 2795,1.0,0.75,0.15 Ccc FFcFF cxyn n 0.75 530 0.86 650650 F p n b M k =0.89 r k k 所以 ： ccc cc xFyFnF cFpcF Fcfvk 基于支承套零件工艺及工装设计 17 = 0.750.15 2795 1 0.7141.30.86 0.89 =768 N 切削时消耗功率为： c p 4 106 cc c vF p =1.81 kw 4 768 141.3 6 10 由切削手册表 1.30 中 CA6140 机床说明书知，CA6140 主电动机功率为 7.5kw， 故机床功率足够，可以正常工作。 计算切削工时： nf lll t 21 式中 ： =15, 49 19 2 l 1 2l 2 0,l 所以： 2=58.2 （s） 152 500 0.7 t 3) 车 110 端面，车削，本工序采用计算法确定切削用量。 （工序 100，110） 加工条件 工件材料：锻造件材料为 HT200， 。530 ba MP 车端面取总长 110mm（余 2mm） 。 机床：CA6140 车床 刀具：刀具材料为 YT15，刀杆尺寸 16mm25mm， 。 0 00 90 ,15 ,12 ,0.5 oo rR karmm 计算切削用量 切削深度： p a 4 p a 进给量 f：根据切削用量简明手册 （第三版） （以下简称切削手册 ）表 1.4，当 刀杆尺寸为 16mm25mm,以及工件直径为 100mm 时：f=0.60.9。按 CA6140 车床3 p a 的说明书（见切削手册表 1.30）取 f=0.7。 计算切削速度：按切削手册表 1.27，切削速度的公式为（寿命选 T=60min）： 无锡太湖学院学士学位论文 18 （m/min） v yx p m v c k fT c v v v 式中： =242，=0.15，=0.35，m=0.2。 v c v x v y 修正系数见切削手册表 1.2.8 即 =1.44，=0.8，=1.04，=0.81， v k mv k sv k kv k krv k =0.97。 Bv k 所以 = c v97 . 0 81 . 0 04 . 1 8 . 044 . 1 7 . 0460 242 35 . 0 15 . 0 2 . 0 =123.8 (m/min) 确定主轴转速 s n w c s d v n 1000 =438 (r/min) 1000 123.8 3.14 90 与 438 r/min 相近的机床转速为 500 r/min。现选取，所以实际切削速度 500 w n m/min.141.3v 检验机床功率 主切削力 按切削手册表 1.29 所示公式计算 c F ccc cc xFyFnF cFpcF Fcfvk 式中： 1 2795,1.0,0.75,0.15 Ccc FFcFF cxyn n 0.75 530 0.86 650650 F p n b M k =0.89 r k k 所以 ： c c c c c F nF c yFxF pFc kvfcF = 0.750.15 2795 3.5 0.7141.30.86 0.89 =784 N 切削时消耗功率为 c p 基于支承套零件工艺及工装设计 19 4 106 cc c vF p =1.85 kw 4 784 141.3 6 10 由切削手册表 1.30 中 CA6140 机床说明书知，CA6140 主电动机功率为 7.5kw， 故机床功率足够，可以正常工作。 校验机床进给系统强度：已知主切削力= 791 N，径向力按切削手册表 1.29 c F p F 所示公式计算 (4.5) ppp Pp xFyFnF pFpcF Fcfvk 式中： 1940,0.9,0.6,0.3 pppp FFFF cxyn 1.35 530 0.76 650650 F p n b M k 0.5 r k k 所以 p ppp P F nF c yFxF pFp kvfcF = 0.90.60.3 1940 0.50.5141.30.76 0.5 =116.9 N 轴向切削力 (4.6) fff ff xFyFnF fFpcF Fcfvk 式中： ：2880,1.0,0.5,0.4 ffff FFFF cxyn 1.0 530 0.82 650650 F n b m k 1.17 r k 所以 fff ff xFyFnF fFpcF Fcfvk = 0.50.4 2880 1 0.5141.30.82 1.17 =267 N 取机床导轨与床鞍的摩擦系数=0.1，则切削力在纵向进给方向对进给机构的作用力 为： () fcp FFFF 无锡太湖学院学士学位论文 20 =267+0.1（784+116.9）=357.09357 N 而机床进给机构可承受的最大纵向力为 3530N（见切削手册表 1.30） ，故机床进 给系统可以正常工作。 切削工时 nf lll t 21 式中： ,27lmm 1 3.5l 2 0,l 所以 2=52.2（s） 273.5 500 0.7 t 4) 钻 20H8 面上的 10mm 孔（工序 130） 选择高速钢麻花钻头，因选择高速钢麻花钻头，因通孔加工精度要求较低，且还要 进行攻螺纹，由实用机械加工工艺手册表 11-57，选取钻头直径为 d=7mm，钻头几何 形状为（切削用量手册P63-65）标准，=30，2=118，0=12，=55。 选择切削用量 确定进给量 f： 按加工要求决定进给量：当 d=10mm 时，由切削用量手册表 5.f=0.360.44mm/r。 按钻头强度决定进给量：由切削用量手册表 7，当 d=7mm8.4mm 时，钻头强 度允许的进给量 f=0.86mm/r。 按机床进给机构强度决定进给量：由切削用量手册表 8，当 d=7mm10.2mm， 机床进给机构允许的轴向力为 9800N， （Z35 型摇臂钻床允许的轴向力为 19620N， 切削 用量手册表 34）时，进给量 f=2.0mm/r。 从以上三个进给量比较可以看出，最受限制的进给量是工艺要求，其值为 f=0.360.44mm/r，根据 Z35 型摇臂钻床说明书，选择 f=0.40mm/r。 决定钻头磨钝标准及耐用度 由切削用量手册表 9，当 d=7mm，钻头后刀面最大磨损量取为 0.8mm，耐用度 T 为 35min。 决定切削速度 由切削用量手册表 11，HT200 的灰铸铁可加工性为第 5 类。 由切削用量手册P78 表 12，当加工性为第 5 类，f=0.40mm/r,d=7mm，标准钻头 时，vi=0.33m/s。切削速度的修正系数为：加工材料强度与硬度改变时的修正系数 kmv=0.94，钻头材料改变时，kiv=0.83，故 V= v k k =0.330.830.94=0.26m/s imvtv n=11.83r/s d V1000 714 . 3 0.261000 根据 Z35 型摇臂钻床说明书，可考虑选择 n=12.5r/s，但因所选转速较计算转速高， 基于支承套零件工艺及工装设计 21 这样会使刀具耐用度下降，故可以将进给量降低 1 级，即 f=0.32mm/r。 也可以选择较低一级转速 n=10r/s，仍用 f=0.4mm/r，比较这两种方案： 第一方案：n=12.5r/s，f=0.32mm/r 时： =12.50.32=4 mm /s。nfVf 第二方案：n=10r/s，f=0.4mm/r 时： =100.4=4 mm /s。nfVf 两方案乘积相同，所用基本工时相同，但第一种方案所选用的进给量较小，零件可 获得较好的加工表面，故选择第一方案 n=12.5r/s，f=0.32mm/r。 检验机床功率及扭矩 由切削用量手册表 18，当 f0.32mm/r0.33mm/r，d=7mm11.1mm 时，扭矩 M =10.49N/m，扭矩的修正系数为 1.0，故 M=10.49N/m。根据 Z35 型摇臂钻床说明书， e 当 n=12.5r/s 时，扭矩 M=53N/m。 由切削用量手册表 20，当 d=7mm，v=0.27m/s，f=0.32mm/r 时，P =1.0kw，根 e 据 Z35 型摇臂钻床说明书，P=4.50.75=3.375kw。 由于 M 5000 0 液压缸工 作压力 （MPa） 0.811.522.53344557 6.3.3 确定液压缸的几何参数确定液压缸的几何参数 由上面初拟系统压力中所确定的系统压力为 P0=1.5Mpa。为了实现夹紧液压系统快进 和快退速度要求，且为了整个液压夹紧系统的运动速度平稳，夹紧液压缸采用单出杆活 塞液压缸。快进时采用差动连接，并通过充液补油法来实现。 1）液压缸内径计算： (6.1) 6 0 44 1767.64 0.03875 3.14 1.5 10 R Dm P 式中：D-液压缸内径，mm R-液压缸负载，N P0-系统压力， Mpa 查液压系统设计手册，可以按液压缸内径系列将以上计算值进行圆整，使其为标准 直径，同时还要考虑到液压缸的结构与制造的方便性，以及插销的结构尺寸等因素，现 取 D=40mm。 具体的液压缸内径系列表可参见下表 6-2 所示。 表 6-2 液压缸内径系列（JB2183-77） (mm) 1620253240505563708090100 110125140160180200220250320400500630 2）活塞杆直径计算： 根据缸的工作压力及已定的缸体内径(参见表 6-3)，可以对活塞杆直径进行确定。 由0.5 0.560.5 0.564020 24.4dDmm 圆整后，现取活塞杆直径 d=25mm（参见表 6-4） 。 现按 d=25mm 进行校核，按公式 (6.2) 2 / 4 F d 有: 2 4F d 无锡太湖学院学士学位论文 32 其中，F=1765N MPa120 则: 0.5 1765 4120d =4.328918 满足实际设计要求。 表 6-3 按工作压力确定活塞杆直径 （mm） 缸的工作压力 （MPa） 5 5-77 活塞直径 d(0.50.56)D(0.620.7)D0.7D 注：当采用差动连接、要求往返速度一致时，d=0.7D 表 6-4 活塞杆直径系列（JB2183-77） (mm) 41012141618202225283235 4045505563708090100110125140 160180200220250280320360400450500 3）缸筒壁厚的设计 缸筒直接承受压缩流体压力，必须有一定厚度。一般液压缸缸筒壁厚与内径之比小 于或等于 1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算: (6.3) 2/ p DP 式中: - 缸筒壁厚，mm - 液压缸内径，mmD - 实验压力，取 Pp=1.5P0； p P 材料为：45 钢,=9MPa 代入己知数据，则壁厚为： 2/ p DP 6 6 40 1.5 1.5 10 (2 9 10 ) =5mm 取 =5mm，则缸筒外径为：D1=40+52=50mm。 4）活塞行程的确定 由夹具设计中对零件进行装夹的移动距离可知，为了便于工件的装夹，移动 V 形块 所需要的行程为 20mm，为了确保液压缸安全工作，取液压缸的工作行程为 25mm。 5）液压传动原理图拟定 由于只有一个工作液压缸，夹紧液压缸的工作行程较小，故可取液压缸的快速前进 和快速后退速度相同，因而不需要采用差动连接，并且采用的运动速度不多，因而液压 传动原理图相对简单，其传动原理图如图 6.2 所示。 图 6.2 液压传动原理图 基于支承套零件工艺及工装设计 33 6.4 确定液压泵规格和电动机功率及型号确定液压泵规格和电动机功率及型号 6.4.1 确定液压泵规格确定液压泵规格 1) 确定理论流量 夹紧液压缸最大流量： 223 43 1 3.14 0.0425 10 3.14 10/18.84 / min 441 DL QAVmsl t 式中：Q-液压缸流量，l/min A1-液压缸作用面积，mm2 V-流速，m/s D-液压缸内径，mm L-缸的工作行程，mm t-时间，s 2) 确定液压泵流量 考虑到系统泄露流量与溢流阀的溢流流量，可以取液压泵流量为系统最大理论流量 的 1.11.3 倍。现取 1.2 倍值计算，则有 Q泵=1.21.2 18.8422.608 / minQl 由于液压系统的工作压力不是很高，液压缸所受负载压力也是很大，功率消耗也不 很大。所以选低压齿轮泵。 由于系统所需要的是小流量低压力，因此设计中采用低压齿轮泵，根据泵的生产手 无锡太湖学院学士学位论文 34 册，则可选取 CB-B25 为系统的供油泵。 CB-B25 型泵的额定参数如下： 额定流量为 25l/min，额定压力为 25Mpa，额定转速为 145rad/s（1450rpm） 。 3) 确定电动机功率及型号 首先应分别计算出快进与工进两种不同工况时的功率，取两者较大值作为选择电动 机规格的依据。由于在慢进时泵输出的流量减小，泵的效率急剧降低，一般当流量在 20- 50 l/min 范围内时，可取 =0.7-0.9，同时还应注意到，为了使所选择的电动机在经过泵的 流量特性曲线最大功率点时不致停转，还需要对泵进行校核。 本文按泵的功率来选取电动机的功率。 电动机功率 kw PQ N28 . 1 8 . 0612 2525 612 式中：N-电机功率，kw P-额定压力，Mpa Q-额定流量， l/min 按 CB-B 型齿轮泵技术规格，查得的驱动电机功率为 1.3KW，或取功率略大一点的 交流电机。 现选取电动机型号为 JO2-22-4，额定功率为 1.5KW，转速为 1410rpm。 6.5 确定各类控制阀确定各类控制阀 系统工作压力为 1.5Mpa，油泵额定最高压力为 25 Mpa，所以可以选用额定压力大于 或等于 2.5 Mpa 的各种元件，其流量按实际情况分别选取。 目前中低压系统的液压元件，多按 6.3 Mpa 系列的元件选取。 所以可以选取： 溢流阀的型号为：Y-25B 定位夹紧系统的最大流量为 2.8 l/min，所以可以选取 单向阀型号为：I-10B 换向阀型号为：24D-10B 单向顺序阀型号为：XI-B10B 蓄能器供油量仅作定位夹紧系统在工作台快进、工进与快退时补充泄漏的流量和保 持压力用，其补油量极其有限，所以可以按容积最小的规格选取。现选取 NXQ-0.6/10-I 型胶囊式蓄能器，当P=15%时，其有效补油体积为V=0.07 l。 滤油器可选用型号为 WU-25 180J 的网式滤油器，过滤精度为 180uu。 压力表可选用 Y-60 型量程 6.3 Mpa 的普通精度等级的量表。选用量程较高的压力表 可以避免在系统有压力冲击时经常损坏压力表，但量程选的过大会使观察与调整精度降 低。 6.6 管道通径与材料及管接头的选用管道通径与材料及管接头的选用 液压系统中使用的油管种类很多，有钢管、铜管、尼龙管、塑料管、橡胶管等，必 基于支承套零件工艺及工装设计 35 须按照安装位置、工作环境和工作压力来正确选用。尼龙管用在低压系统；塑料管一般 用在回油管用。胶管用做联接两个相对运动部件之间的管道。胶管分高、低压两种。高 压胶管是钢丝编织体为骨架或钢丝缠绕体为骨架的胶管，可用于压力较高的油路中。低 压胶管是麻丝或棉丝编织体为骨架的胶管，多用于压力较低的油路中。由于胶管制造比 较困难，成本很高，因此非必要时一般不用。 因为系统压力较小，并且为了安装方便，本文中选取紫铜管作为管道材料。 由于各种液压阀一经选定，液压系统中管道的通径基本上已经决定，这是标准化设 计的一大方便。只有在有特殊需要时才按管内平均流速限制的要求计算管道通径。 按标准： 通径 25 l/min 流量处，选用12 通径的管道。 10 l/min 流量处，选用8 通径的管道。 为了安装方便，可以采用紫铜管，扩口接头安装方式。 壁厚 按强度公式有 2 dP 紫铜的=250kgf/cm2，为安全起见，取 p=2.5MPa 来计算 mm6 . 0 2502 1225 12 mm4 . 0 2502 825 10 所以可以取 12、壁厚 1mm 与 8、壁厚 0.8mm 紫铜管。考虑到扩口处管子的强度， 壁厚可以略有增加，一般按常用紫铜管的规格选取即可，(只对低压系统而言） 管接头是油管与油管、油管与液压件之间的可拆式联接件，它必须具有装拆方便、 连接牢固、密封可靠、外形尺寸小、通流能力大、压降小、工艺性好等各种条件。 无锡太湖学院学士学位论文 36 7 结论与展望结论与展望 7.1 结论结论 本次设计的是基于支承套零件的加工工艺设计及工装设计，其中需要设计一副基于 普通机床加工所用的传统夹具，另一副是基于液压夹紧的专用快速高效
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