多工位托辊管体止口镗削加工专用夹具设计——山西大同大学工学院本科毕业设计

山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 I 目 录 1 引言 .1 2 设计思路与方案确定 .4 2.1 托辊夹具要满足的要求 .4 2.2 托辊夹具的方案 .6 3 定位分析及其计算 .10 3.1 V形块定位 .10 3.2 V形块的计算 .11 3.2.1 V形块的尺寸计算 .11 3.2.2 V形块的定位误差计算 .13 4 托辊的夹紧 .16 4.1 夹紧机构 .16 4.1.1 夹紧机构的要求 .16 4.1.2 夹紧机构的动力装置 .16 4.2 夹紧力 .17 4.2.1 夹紧力确定的基本原则 .17 4.2.2 夹紧力方向确定的基本原则 .17 4.2.3 夹紧力作用点的选择 .17 4.2.4 工件受力分析 .18 4.2.5 夹紧力的计算 .19 4.3 夹紧力的自锁 .22 5 辅助支承 .24 5.1 辅助装置作用 .24 5.2 辅助装置的结构原理 .24 5.3 螺纹的选择 .25 6 传动机构 .27 6.1 齿条的特点 .27 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 II 6.2 齿轮齿条传动的特点 .27 6.3 齿轮齿条的确定 .27 6.3.1 齿条的材料确定 .27 6.3.2 齿条参数的确定 .27 6.3.3 重合度的计算与校核 .28 6.3.4 齿轮齿条的强度校核 .29 6.3.5 齿轮的结构设计 .33 6.3.6 齿轮的各项误差计算 .33 6.3.7 确定键、轴承和轴 .35 6.3.8 选择轴承 .36 6.3.9 轴的结构 .37 7 液压 .38 7.1 液压缸的计算与选取 .38 7.2 液压缸的计算与选取 .39 7. 液压泵的计算与选取 .41 8 导轨的选用 .43 9 螺栓的强度计算 .44 9.1 螺纹连接件的选择 .44 9.2 T形槽快卸螺栓的强度校核 .44 10 夹具体 .46 11 装配 .48 11.1 连接件、定向定位键的选择 .48 11.2 装配中的注意事项 .48 11.2.1 扳手空间 .48 11.2.2 标注 .49 12 公差与配合 .50 13 使用说明 .51 结束语 .52 参 考 文 献 .53 致 谢 .54 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 1 多工位托辊管体止口镗削加工专用夹具设计 摘要：托辊是带式输送机的关键运动部件及重要组成部分，它的应用十分广泛， 其生产属专业化大批量生产类型，那就要求其加工设备和辅助装备能满足大批量 生产的要求。对于夹具来说，应从提高定位精度、减短装夹时间、使装卸自动化、 采用多工位加工等方面考虑来实现大批量生产。本设计课题主要研究能实现四个 托辊加工的夹具。四个托辊在有四根主轴的专用镗床上同时加工，要求托辊夹具 能同时对四个工件准确定位、快速夹紧；实现不同系列托辊的加工；并且能在长 度方向对中；还能实现自动夹紧。为了满足上述要求，该托辊夹具采用自定心夹 紧机构，让定位夹紧同步进行；利用液压的同步保压回路实现四个工件的同时夹 紧；该夹具有效的减少了工件加工的辅助时间，提高了加工效率。 关键词：夹具；自定心夹紧；同步保压 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 1 1 引言 托辊是带式输送机的关键运动部件及重要组成部分，它的应用十分广泛，仅 煤矿用托辊就占很大一部分。如沈阳矿山机械集团有限责任公司为中国国内最大 的托辊制造厂家之一，年产量 200,000只，只占市场份额的 1720%，可见煤矿用 托辊的数目很大；其他行业在生产加工或运输中也要用到大量托辊。可见托辊生 产属专业化大批量生产类型，那就要求其加工设备和辅助装备能满足大批量生产。 由于各种场合大量使用的带式输送机日趋向大运量、长距离、高速度、节能、 长寿型的方向发展。为使带式输送机达到高速重载、低阻节能、长寿的要求, 对 影响带式输送机主要性能且数量较大的关键部件是托辊的结构和加工工艺，高性 能的带式输送机对托辊的性能参数提出了高的要求, 如运行阻力系数、外圆径向 跳动、使用寿命等, 这些参数直接影响整机的性能和运营成本。国内带式输送机 主要生产厂家自 80 年代开始, 已先后采取了引进国外技术、聘请国外专家指导 生产、引进部分国外专用设备等措施, 大力进行托辊生产的技术改造。但煤炭行 业许多中小型带式输送机生产厂家, 无力从国外引进成套技术和设备。所用生产 设备多为国产的一般通用设备, 生产工艺落后, 产品质量差。托辊生产质量成为 困扰企业打开市场, 参与市场竞争的大问题。 虽然托辊部件较小, 结构也非常简单, 但要制造出批量大、质量高的托辊并 非易事,而且托辊组分有各类槽形托辊组，各类平行托辊组，各类调心托辊组， 各类缓冲托辊组。按材质分为橡胶托辊、陶瓷托辊、尼龙托辊及绝缘托辊。有些 辊子的结构先进，性能可靠，辊皮用材经严格挑选，采用优质专用焊管，有严格 公差要求，轴材料采用冷拔圆钢，轴承座采用优质钢板冲压，密封结构采用 PDC 型，三道密封装置，防尘、防水性能均优于国家相关标准。装配后辊子强度好， 经向跳动量小，旋转阻力小，重量轻，能耗低，使用寿命长，一般均超过 30000 小时。因此加工不同类型的托辊就要求有不同的设备或工装夹具，不同类型对夹 具的精度要求也不同。 我国有些托辊生产设备陈旧, 工艺落后, 加工精度和生产效率低且工人劳动 强度大, 托辊生产质量很不稳定。突出特点是旋转阻力大, 径向跳动及轴向窜动 量大；辊皮壁厚严重不均, 寿命低, 缺乏市场竞争力。那就更需要改进机床和工 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 2 装夹具设备，以提高托辊的质量。 机床夹具对零件加工的质量、生产率和产品成本都有着直接的影响。因此, 无论在传统制造还是现代制造系统中,夹具都是重要的工艺装备，我们可以通过 设计一套经济适用的夹具来减少托辊因装夹造成的误差。 我们做的夹具就是和另一组的托辊机床配套设计，来实现托辊的大批量生产。 这次托辊夹具的设计是用于一台同时加工四个工件的镗床上，镗床两侧各有四根 主轴，并且能同时加工工件的两端的止口，因此夹具必须满足四个工件的定位夹 紧。 夹具的最基本作用就是保证工件准确定位且夹紧以利于加工，由于托辊有不 同的直径系列和不同的长度系列，因此此夹具必须在长度和直径方向可调，还必 须保证每一批工件能放置在两主轴的中间，这就是对这个夹具最基本的设计要求。 除了让夹具满足上述要求外，还应尽量使夹具快速准确定位夹紧，以节省辅助时 间；尽量结构简单，操作方便，解决由于托辊外径允许偏差造成的止口圆面和外 圆柱面的同轴度偏差。 解决的大体方法采用虎钳式定心夹紧机构或螺旋传动定心夹紧机构的原理， 使四个工件同时定心夹紧，十分快速方便。 设计一个专用可调的 V型块和夹具体在工件长度方向可调，来分别使直径和 长度方向可调。 由于托辊两端到机床主轴的距离不相同的话，就会导致两面加工的长度不同， 因此必须设计一个限位装置实现每批不同长度的工件都能对中，以利于机床对托 辊的加工。 采用各种动力源（如气动、液压等）和液压机械手，来提高自动化程度，减 轻劳动强度，而且能够快速易行。 本设计采用自定心夹紧机构，让定心定位夹紧同步进行，节约了辅助加工时 间，不仅能快速准确定心、提高加工效率；还能解决上述问题。 如果时间允许的话,还可以设计往复多工位夹具体，上面放两套夹具，一个 加工，另一个装零件，另一个卸时，下一个就开始装工件，使加工时间和装卸料 时间重合，节约辅助加工时间，利用机械手自动装卸或用自动供料装置，实现托 辊加工的自动化，这样更适合托辊的大批量生产，满足它的市场需求量。从另一 方面也必须提高机床的 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 3 无论设计什么夹具，都要用更新的理念，从节约材料，提高质量，降低成本， 提高生产效率，降低劳动强度等各方面综合考虑夹具的设计。 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 4 2 设计思路与方案确定 2.1 托辊夹具要满足的要求 首先简单介绍一下托辊的加工生产流程和尺寸系列，以便与思考确定方案和 后续计算中参数的确定。 生产流程：剪床上圆钢下料普通车床上平端面、打中心孔普通车床 上掉头平端面、打中心孔普通车床上粗车轴颈倒角普通车床上掉头粗车 轴颈倒角铣床（钻床）上两端铣扁（钻孔）数控车床上车两卡簧槽 数控车床上精车两轴颈，这是轴的加工。 用切管机钢管下料托辊专用镗床上两端镗孔、倒角、平端面。与前面同 步进行；托辊管体的加工。 外购冲压轴承座；用专用焊机组焊外购轴承、密封圈等；用液压压装机 装配；用喷漆设备喷漆、入库。 图 21 托辊管体参数 托辊尺寸系列： 输送带宽 B 托辊直径 d1 托辊长度 L1 500 76,89,108 200,600 650 76,89,108 250,380,750 800 89,108,133 315,465,950 1000 108,133,159 380,600,1150 1200 108,133,159 465,700,1400 1400 108,133,159 530,800,1600 1600 33,159 670,1000,2000 2000 133,159,194 750,1100,2200 托辊夹具要满足的要求：如何定位才能保证工件轴线与主轴轴线重合；如何夹紧 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 5 才能保证工件在正确定位的基础上夹紧，而且使各工件所受夹紧力相同；如何实 现快速定位和夹紧；如何实现加工不同直径的工件时夹具在直径方向的可调；如 何实现加工不同长度的工件时夹具在长度方向的可调；如何实现工件相对主轴两 侧居于中间位置；如何提高自动化程度，减轻劳动强度。 表 21托辊管体技术条件节选（MT/T 1019-2006） 外径 d 1 外径允许偏差 76 0.50 89 0.60 108 0.70 133 0.80 159 0.90 194 1.0 1?45? 8 8 103 +0.10 108 A 96 306?0.3 0.1A 103 +0.10 3.2 3.2 0.1A 图 2-2 托辊管体止口加工 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 6 从表 21说明不同直径的托辊的外径允差不同；图 22中说明加工止口要 求与外圆柱面的同轴度为0.1；那么不同允差的直径都要达到这个同轴度，就 要求夹具能满足这个要求。如果夹具只能调到加工给定托辊的直径，那么由于 V 形块的允差不能调，就会导致加工精度不高。必须采用一定方法避免，可以通过 夹具微调，或让设计方案把这项误差给避免了。如采用自定心夹紧机构这个方案， 就不存在这项误差。 2.2 托辊夹具的方案 这是设计托辊夹具要解决的问题，带着这些问题，我想了如下三种方案。 图 23 加工单一直径系列的夹具 第一种方案如上图 23所示，用液压缸控制压紧。将工件放在 V形块内， 盖上压板，压板上有浮动触头。 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 7 图 24斜楔装置 优点：压紧点是可浮动的能使每个工件均匀夹紧，因为工件的定位基面有尺 寸偏差，若用刚性压板，则各工件所受到的夹紧力有差异，会导致有的可能夹不 紧，或有夹的太紧导致受力变形。 结构简单成本低，操作方便。 缺点：不能适应不同直径的工件加工，如果做一个专用 V形块能够放入不同 直径的工件，但还必须上下可调。如果想实现上下可调，必须在 V形块与夹具体 中间加一个机构，这个机构必须是可升降的可调机构，如图 24所示。 即使加上可调机构以后还是不满足设计要求，因为长度方向还必须可调；而 且这个夹具取放工件也比较麻烦，浪费辅助加工时间，不利于提高生产效率；因 此，不采用这个方案。 图 25螺旋自定心机构 第二种方案的原理如上图 25所示：具体实现是把螺杆做长 4倍，来实现 四个同时加工。图中的螺旋自定心装置，它由固定在左右螺纹螺母上的 V形口组 成，当旋转手柄时，两钳口同时等速靠近，将工件定心并夹紧。翻转螺杆时，则 将工件松开。 优点：结构简单，快速方便，通用性好。 缺点：由于螺杆与螺母的间隙、螺杆两端螺纹的螺距误差、螺杆中间的沟槽 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 8 与，在装配过程中的调整误差，钳口的两定位面可能不对称于中心；而且不能加 工其他直径的工件；一次性托四个，误差更大。 因此该夹具适用于定心精度不高的工件。托辊加工止口虽是粗镗，但要求工 件轴心与主轴重合度高，否则导致加工的托辊壁厚不均匀，影响轴承寿命，从而 影响带式输送机的稳定性，因此不采用此方案。 第三种方案的原理如图 26所示： 图 26 齿轮齿条自定心夹紧机构 下齿条靠液压缸拖动，液压回路用同步保压回路实现夹紧，并实现与另一端齿轮 组的同步。其原理如下图 27： 对不同组直径钢管须变换相应钳口, 但托辊直径系列变化品种不多, 且每一 种每次的加工批量相对较大, 故对托辊加工效率影响很小。采用该夹具有效地提 高了产品的合格率。液压夹具分左右两部分且可沿导轨面纵向任意调整其间距， 以适应不同长度托辊管筒的加工需要。 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 9 图 27 总装图 钳口可以使管筒外圆的中心与刀具回转中心同轴，减小了径向跳动加工误差。 2YA1YA 左 齿 条 液 压 缸 右 齿 条 液 压 缸 3YA 图 28 具体方案：把齿轮齿条定心加紧机构的下齿条做长，加工成四段一样的，上 齿条做成四个分开的一边卡在下齿条，一边在齿轮上，齿轮中间要穿根轴，机构 前后加两块板，板上有导轨用来让齿条动，轴装上轴承放在板的圆孔里。 为了方便装卸，加一个辅助支撑，另外要把定心夹紧机构做成两部分分别夹 托辊的两端。但这两部分必须同步进行，因此我选用液压同步回路来实现两端的 同时夹紧。如上图 27 所示： 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 10 3 定位分析及其计算 3.1 V 形块定位 本夹具用于托辊止口加工这道工序，加工止口可选用内孔定位和外圆柱面定 位，内孔定位主要用于车床上加工单面止口用，因此采用外圆柱面定位，定位元 件选 V形块。V 形块的对中性好，能使工件的定位基准轴线在 V形块两斜面的对 称面上，而不受定位直径误差的影响，并且安装方便。 由于两端同时加工，因此只需限制四个自由度，所以选两个短 V形块即可， 不需要其他定位件。 V形块的工作表面和底面需经磨削，为方便加工 V形面设中间退刀槽。组合 V形块的表面应在一次定位中磨出，以求一致。 V形块的工作角度 越大，定位误差越小；但工作角度 越大，定位稳定 性越差。据文献1281 页，由于要用双 V形块定位，因此会增加定位稳定性，所 以 V形块的工作角度选 120。 V形块用 20钢，表面渗碳淬火处理，渗碳深度为 0.82.2mm，HRC 为 5864。 V形块的形状： 图 31 V形块的设计形状 用 U形槽把 V形块连接到支撑板上，是为了方便 V形块在支撑板上的滑动， 只有 V形块滑动才能保证可调节与主轴轴心的重合。 图 32为支撑固定形块的板，上面有与之对应的形槽。 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 11 图支撑板 3.2 V 形块的计算 3.2.1 V 形块的尺寸计算 据文献2表 115 V形块的工作角度 选 120 V形块的标准定位高度 T=H+0.577D-0.289N （31） V形块的开口尺寸 N=2D-3.46 （32） V形块的参数 =(0.140.16)D （33） V形块的直径系列 D=76,89，108,133,159，194 V形块的高度 用于大直径定位时 H0.5D 用于小直径定位时 H1.2D 经过初步计算分析，从工件直径、工件长度、夹具长度等各方面考虑，如果 用一套夹具能加工所有尺寸的工件，势必会造成夹具太不紧凑，定位不准确。因 此决定把直径系列分组，以 76，89，108 为一组用一个型号的夹具，以 133，154 为一组用另一型号的夹具，194 的为一组。 计算第一组的 V形块尺寸： （1） 计算 H: H0.5108=54mm 选 H=50mm； （2）当 =76时： 1D =(0.140.16) 89=10.6412.16 取 =11 N=2763.4611=113.94mm 取 114mm 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 12 T=50+0.577760.289114=60.90mm 图 33 V形块尺寸 据文献1211 页查的标准 V形块直径从 60100mm 的厚度都是 42mm，因此取 V 形块的厚度为 50mm。 （3）取 N=114,H=50估算直径是 89，108 时是否可用 由图 33中几何关系可知： A=1142tg30=32.9 最大直径 D=108， D2=54mm B=54sin30=27mm C=Btg30=15.6mm C小于 A，说明当直径为 108时仍能在 V形块上定位，因此其他直径的工件 都能用此 V形块定位。 （4）当 D=89,108时在 V形块上的中心高： 由图 34中几何关系可知： = +(75A)maxDTmaxcos30sin3022Dtg = +(50-32.9)181 =79.37mm =89mm时： 2D 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 13 = +(50-32.9)=68.4mm2T893132 图 34 计算几何关系 （5）计算各直径的工件圆心到 V形块表面的距离 A，陷进 V形块的距离 B来确定 每批工件从放松到加紧所需的行程； mm760.951.ATH 同理： mm8984 mm107.32. B=D/2A mm76/21B 同理: mm89.46. mm10/93 3.2.2 V 形块的定位误差计算 什么是定位误差： 任意一批工件，其中每个工件的尺寸、形状和各表面的相互位置均有所差异 (在公差范围内)。因此，每个工件在夹具中定位时。工件各个表面都有不同的位 置精度当然工序基准的位置也不会一致，加工后各个工件的工序尺寸。必然大 小不一，形成误差。这种只与工件定位有关的误差，称为定位误差。 产生定位误差的原因： 一批工件在夹具中定位时，引起工序基准变动。使工序尺寸产生定位误差。 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 14 其主要原因有： 1)由于工序基准与定位基准不重合，引起的同批工件工序基准沿工序尺寸方 向上的最大变动范围，称为基准不重合误差。 2)由于定位基面和定位元件本身的制造误差和最小配合间隙，所引起的同批 工件定位基准沿工序尺寸方向的最大变动范围，称为基准位移误差。 上述两项误差之和(或代数和)，即为定位误差。 机械加工过程中，产生加工误差的因素很多。在这些因素中，有一项因素与 机床夹具有关。使用夹具时，加工表面的位置误差与夹具在机床上的对定及工件 在夹具中的定位密切相关。为了满足工序的加工要求，必须使工序中各项加工误 差之总和等于或小于该工序所规定的工序公差。据文献2表 1112 （34）jg 与机床夹具有关的加工误差；j 与工序中除夹具外其他因素有关的误差； 工序公差。g 与机床夹具有关的加工误差 ，一般可用下式表示：j （35）jWZDAWjjM 夹具相对于机床成形运动的位置误差；WZ 夹具相对于刀具位置的误差；DA 工件在夹具中的定位误差；W 工件在夹具中被夹紧时产生的夹紧误差；j 夹具磨损所造成的加工误差。jM 由式（34）可知，使用夹具加工工件时，应尽量减小与夹具有关的加工误 差，在保证工序加工要求情况下，留给加工过程中其他误差因素的比例大一些， 以便较易控制加工误差。 由式（35）可知，正确地计算出工件在夹具中的定位误差和减小其他各项 误差，是设计夹具时必须认真考虑的重要问题之一。 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 15 由于工件定位所造成的加工表面相对其工序基准的位置误差称为定位误差。 在加工时，夹具相对刀具及其切削成形的位置，经调定后不再变动，因此可以认 为加工表面的位置是固定的。在这种情况下，加工表面对其工序基准的位置误差， 必然是工序基准的位置变动所引起的。所以，定位误差也就是工件定位时工序基 准位置的最大变动量在加工方向的投影。 据文献2表 31知，V 形块的定位误差 ，即加工不同直径0.57()yDd 时圆心距离 V形块表面的差值。托辊夹具采用自定心，原理上定位误差已为零， 只存在 V形块的安装误差，和由 V形块的对称精度引起的误差。为了提高安装精 度，要在安装时做调整。 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 16 4 托辊的夹紧 4.1 夹紧机构 在机械加工中，工件的安装包括定位和夹紧两个密切联系的工作过程。在安 装工件时，先把工件放置在夹具的定位机构中，使它获得预定的正确位置，然后 采用一定的机构将它压紧夹牢，以保证在加工过程中，不会由于切削力、向心力 及工件重力等的影响而产生位置改变或振动。这种将工件压紧夹牢的机构为夹紧 机构。 4.1.1 夹紧机构的要求 夹紧机构对保证加工质量，提高工作效率，减轻工人劳动强度，保证安全生 产，降低生产成本，提高经济效益，均有很大影响，因此夹具机构必须满足以下 基本要求： 1）保证加工质量，夹紧时不能破坏工件定位时所获得的位置。 2）夹紧力可靠适当。既要使工件在加工过程中不产生移动或振动，有不能 使工件产生不允许的变形和损伤。 3）提高生产效率。即夹紧动作要迅速，辅助时间要短。 4）操作方便省力，使用安全可靠，改善工人劳动条件，减轻劳动强度。 5）结构简单紧凑，力求体积小，重量轻，构件少，并尽量选用标准件。构 件的复杂程度应与生产批量相适应。 6）具有良好的结构工艺性，制造维修方便。 4.1.2 夹紧机构的动力装置 现代高效的夹具，大多数采用机械传动方式。在传动装置中，一般都设有 产生传动作用力的动力装置。如气动、液压、气液増力、真空、电动、磁力等。 其中以气缸和液压装置应用最为普遍。 夹紧装置选液压传动装置，因为液压油的工作压力比压缩空气工作压力高 度多，一般为（1.967.84）MPa，可达到 9.8MPa以上，因而产生同样大的作用 力，液压缸的结构尺寸比汽缸的结构尺寸大的多。而且液压有不可压缩性，因而 比气压传动的刚度高，工作稳定可靠；液压油有吸振能力，因而噪声小，便于实 现频繁换向。而且液压有许多基本回路，且许多元件都已标准化，便于设计。 由于托辊夹具是用两套短 V形块定位夹紧，因此必须实现两边同时夹紧，选 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 17 择同步回路来实现，夹紧用保压回路，来实现。 4.2 夹紧力 4.2.1 夹紧力确定的基本原则 夹紧力是由夹紧元件(装置)产生的，夹紧力是根据工序图或夹具设计任务书 中所提供的资料进行计算。夹紧装置所产生的夹紧力一般是按下述条件和顺序进 行的： 1)按静力学的平衡条件，根据工件受外力的情况计算所需理论夹紧力。 2)确定夹紧方式和夹紧装置。 3)确定夹紧装置所能产生的实际夹紧力。 实际夹紧力比理论夹紧力要大一些，这样才能安全可靠，确定夹紧力的基本 原则是正确选择夹紧力的方向、着力点和夹紧力的大小。 4.2.2 夹紧力方向确定的基本原则 夹紧力方向主要与定位基准及工件所受外力的方向有关，确定的原则是： 1)夹紧力方向应保证工件定位的准确性与可靠性 2）夹紧力方向应使工件变形最小 因为一方面当承载表面不同时，接触变形不同；另一方面工件在不同方 向上的刚性不同。因此，要使工件夹紧变形小，在选择夹紧力方向时，最好使承 载力表面是定位件与工件定位基准接触面积较大的那个面，并在工件刚性较好的 方向上将工件夹紧，以减小变形。加工薄壁套类、盘类工件时因为工件轴向比径 向刚性好，所以常采用均布载荷，而不用集中载荷。 3）夹紧力方向所需夹紧力尽可能小 4.2.3 夹紧力作用点的选择 1）夹紧力作用点应落在支承面中心或支承面内使定位稳定。 2）夹紧力作用点尽可能靠近被加工表面，以使切削力作用点的力矩小，从 而减轻振动，防止翻转。 3）夹紧力作用点应选在工件刚性较好的部位，以防工件产生夹紧变形。 4）夹紧力作用点的数目应尽量使工件在整个接触面上夹的均匀，减小夹紧 变形。 综上所述，夹紧力作用点选择是否合理，对工件是夹紧变形影响极大。因此， 在实际设计时，应根据各种因素进行分析，确定合理方案。 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 18 4.2.4 工件受力分析 夹紧力的大小，对工件安装的可靠性，工件与夹具的变形，夹紧机构的复杂 程度和传动装置的选用等都有很大关系。因此，在夹紧力方向、作用点确定后， 尚需确定夹紧力的大小。 工件在加工过程中受到切削力、离心力、惯性力和工件自身的重力的作用， 为保证工件安装稳定可靠，夹紧力必须与上述外力平衡。但在不同条件下，上述 各种外力在平衡力系中所起的作用并不相同。如在一般的中小型工件加工起决定 作用的是切削力，而重型工件起决定作用的则是工件的重力。此外，切削力在加 工过程中是变化的，工艺系统的刚性和夹紧机构的传动效率又不同。因此，夹紧 力大小的计算是一个很复杂的问题，一般只作粗略估算。为简便起见，在计算夹 紧力大小时，假定工艺系统是刚性的，切削过程稳定不变，只考虑切削力（矩） 对夹紧的影响，按静力平衡原理求出夹紧力的大小。为保证安全再乘以安全系数。 图 41 一端受力 1）工件一端某点受刀具的力 受到径向切削分力、轴向切削分力、切向切削分力三个力如图 41。 图 42 两端同时受力 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 19 2）当两端同时加工时，受力如图 42，夹紧力必须平衡它们，工件才能正常 加工，两端 大小相等方向相反，已平衡；由于用短 V形块分别夹紧两端，分别xP 平衡两端的 ；而两端 则分别会产生力矩使工件扭转，这个扭转力矩也需要夹yz 紧力平衡。 4.2.5 夹紧力的计算 据文献1表 321： 为防止工件在切削扭矩 M（kgf ）的作用下打滑而转动所需的夹紧力：m （kgf） (41)11 sin2KQRf 为防止工件在轴向力 P的作用下打滑而轴向移动所需的夹紧力： （kgf） (42) 22 sinKf 图 43 工件所受夹紧力 式中： 工件与 V形块间在圆周方向的摩擦系数；1f 工件与 V形块间在轴向方向的摩擦系数；2 确定安全系数 K据文献1306 页 （43） 0123456 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 20 基本安全系数，一般取 1.5；0K 加工状态系数。粗加工： =1.2；精加工： =1.0。由于是粗镗，所以1 1K1K 取 1.2； 刀具钝化系数（考虑刀具磨损的系数） ，一般取 =1.01.9，据文献12K 2 表 320选取，粗镗钢件时 方向为 1.0， 方向为 1.6；zPxP 切削特点系数（考虑切削情况的系数） ，连续切削： =1.0，断续切削：3 3K =1.2。加工为连续切削，因此取 1.0K 考虑夹紧动力稳定性系数。手动夹紧： =1.3，机动夹紧： =1.2，为4 4 4 液压机动夹紧，固选 1.0； 考虑手动夹紧时手柄位置的系数。若手柄操作方便，手柄旋转范围小时，5K 取 1.0；若手柄位置操作不方便，手柄转动角度范围大（90）时，取 1.2。由 于是机动夹紧，因此次项不考虑。 仅在力矩企图使工件回转时，才考虑支承面接触情况系数。若工件安装在6 支承钉上，接触面积小时取 1.0；若工件是安装在支承板或其它接触面较大元件 上时取 1.5；因为工件安装在 V形块上，属线接触，面积不大，因此取 1.0. 方向上 K=1.51.21.01.01.01.0=1.8zP 方向上 K=1.51.21.61.01.01.0=2.88x 计算切削力 方法一：带公式 据文献1表 350查的切削力公式： （44）0.75.1zpptsvK （45）.49xP t切削厚度（mm） s每转进给量(mm) v切削速度 （mmin） 圆周切削分力（kgf） ； 轴向切削分力（kgf） ；z xP 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 21 修正系数；pK 据文献6表 1132查的粗镗的情况下，用硬质合金加工钢件的切削用量： v=(4060)mmin (取 40) s=(0.31)mmr (取 0.3) t=1.5mm 据文献1表 351，表 352，表 353确定 pK （46）PmpprKK 由于托辊的材料时 Q235,据文献6表 73查的 =375460 ，取 420baMP ，则由表 352查得指数 n=0.75。 aM = = =0.647mpK75nb0.7542 据文献3217 页：镗刀刚性差、易振，主偏角应选大点，以减少径向力。粗 镗一般选 =6075，固定式镗刀块镗盲孔一般 =90， 10，r rK050 312。 据文献4表 1.3：用硬质合金刀具加工结构钢时，当结构钢 1.3符合。 图 61 齿轮 6.3.4 齿轮齿条的强度校核 据文献14128 页： 1.选择小齿轮材料和热处理、精度等级 因是一般用途的齿轮传动,齿轮材料选 45钢，传递的功率不大，且对结构无 严格要求，可选软齿面。选小齿轮调质，小齿轮齿面硬度 230240HBS，齿条正 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 30 火，齿面硬度 190230HBS。由于齿轮同时与上下齿条啮合，因此硬度应该高点。 两齿条完全相同，才能保证机构，两面等距离移动。因为是一般的移位装置，精 度选为 8级。 正火即：将钢加热到奥氏体区，保温后在空气中冷却，使钢重结晶，从而解 决铸钢件，锻件的粗大晶粒和组织不均匀问题。 调质：淬火加高温回火 淬火即将钢件加热到 或 以上的某一温度，保持一定时间以适当速度冷3CA1 却，获得马氏体和（或）贝氏体组织的热处理工艺。淬火的目的是为了提高钢的 力学性能。 高温回火即淬钢件在 500600 的回火，组织为回火索氏体，习惯上将钢 件淬火及高温回火的复合工艺称为调质。高温回火的目的在于降低强度、硬度及 耐磨性的前提下，大幅度提高塑形、韧性，得到较好的综合力学性能。 2.选取齿轮齿数 据文献14133 页可知： 闭式硬齿面齿轮、开式齿轮和铸铁齿轮，因齿根弯曲强度往往是薄弱环节， 应取较少齿数以保证齿轮具有较大的模数，以提高轮齿抗弯能力。一般取小齿轮 齿数为 1725。选 18。 3.按齿面弯曲疲劳强度计算 对开式齿轮传动，承载能力一般取决于齿面弯曲强度，故按弯曲强度设计， 校核齿根接触疲劳强度。 （63） 312()FaSdKTYmz 确定式中各项数值： 因载荷平稳，可初选载荷系数 =1.5（据文献14）t T= 51.0Nm 据文献14式（67）端面重合度：由于是直齿轮， =012.83()cosaz1.832.76 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 31 据文献14式（613） 0.680.75.2aY 据文献14表 66，选取 ；.9d 据文献14的图 619，620 查得： =2.63 =2.0631FaY2FaY =1.58 =1.94SS 据文献14式（612）确定 N， 假设年产 40万托辊，加工一次，齿轮松开夹紧啮合两次，按一次加工 4根， 40万要加工 10万次，一年啮合 20万次。假设要工作十年，则要啮合 200万次。 即 N=210 。6 据文献14图 621，查得 1.0NY21.0NY 据文献14125 页，取 =1minHS 据文献14图 616d： 按小齿轮齿面硬度 230240HBS 均值 235HBS，在 MQ线和 ML线在中间（适当 延长 MQ和 ML线）查得 ；lim1340FMPa 同理，由图 616c查得；取 li21F = = =343.4MPa1Flim1nNYS340. = = =313.1MPa2Fli2mn. =0.0127 1aSFY =0.01252aSF 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 32 = =2.68 1 32()aFSdYKTmz342.510.1279 修正 m，K=1.6 则 =2.684 3ttK 取标准值：m=3； 齿轮的主要几何尺寸： d=mz=54 b= 48.6 取 50 取 =541bd2b 3.按齿面接触疲劳强度计算 （64）12HEKTZbdH 据文献14表 65，查得 ；89.MPa 据文献14表 614，查得 ；2.5HZ 据文献14表 613,查得 ；0.86 据文献14图 615查得， =1.31 1.31（不允许出现点蚀）1N2N 按小齿轮齿面硬度 230240HBS 均值 235HBS，在 MQ线和 ML线在中间（适当 延长 MQ和 ML线）查得 ；lim1540HMPa 同理，由图 616c查得；取 li239H 由图 616d，按小齿轮齿面硬度 230240HBS 均值 235HBS，在 MQ线和 ML 线在中间（适当延长 MQ和 ML线）查得 ；同理，由图 616c查得；lim1540HPa 取 ；min1HS lim11n540.32 71HNZMaSli22mn9. 5HP 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 33 将确定的值带入接触疲劳强度校核公式，得 MPa=437.6 521.60189.250.H 接触强度满足。2 齿顶圆直径： = =60mmad*(2)azhm 齿根圆直径： = =46.5mmf *()f c 6.3.5 齿轮的结构设计 齿轮较小，做成实心的，如图 61所示。 6.3.6 齿轮的各项误差计算 （1）确定齿轮的精度等级 由于是一般的移位装置，对齿轮精度无特别要求，因此选 8级精度。 （2）最小侧隙和齿厚偏差的确定 中心距 a= =67mm1402mz 按文献22式（7.6）计算： min(.65.3)3bjam =0.122mm 由文献22式（7.8）计算： min/(2cos)snbEj =0.087mm 取负值为 0.087mm 分度员直径 ： d=54mm 由文献22表 7.11查得： Fr=43 =0.043mmm 由文献22表 7.3查得: b =1.26IT9 （6r 5） 由文献22表 1.4查得: IT9=0.074 带入式（65）得 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 34 b =0.093mmr 故齿厚公差： （66）2tan0snrTF =0.074mm .16snisnEm 而公称齿厚： 90/4.7Szz 因此公称齿厚及偏差为 4.7 mm.8716 也可用公法线长度代替极限偏差来代替齿厚偏差 上偏差 =0.082mmcosbnsE 下偏差 =0.151mmisi 跨齿数（公法线在基圆柱面上跨过的齿数） n=z/9+0.5=18/9+0.5=3 公法线长度 （67）2.591(40.)14nWmz =23.653mm 故 0.821536n （3）确定检验组项目 参考文献22表 7.13。 ，该中等精度，可选第一组。即 、 、F 、F 。pr 由文献22表 7.11查得： =0.053mm =0.022mm pFF F =0.028mm F =0.043mm r （4）齿轮坯精度 1）内圆孔偏差 ：由文献22表 7.6查得公差为 IT7，其尺寸偏差为0.327H 2）齿顶圆直径偏差为 0.05m= 0.15mm 即齿顶圆为 60 0.15mm 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 35 3）基准面的形位公差： 内孔圆柱度公差： 0.04（L/b）F =0.04（160/50）0.028=0.00358mm 01 =0.0053mmp 取最小值 0.0036mm 端面圆跳动公差据文献22表 7.4查得为 0.018mm 顶圆径向跳动公差据文献22表 7.4查得为 0.018mm 6.3.7 确定键、轴承和轴 对于直径小的齿轮，若齿根圆到键槽底部的距离 e6mm，因此不用做成一体2fdt 的；从另一方面考虑，由于齿轮相对轴易磨损，做成轴齿轮，坏了还得一起换， 不合算，因此分开做，用键连接上，便于拆换。 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 36 图 62 键的尺寸 6.3.8 选择轴承 滚动轴承的类型很多，通常按其所承载的方 向或公称接触角 （公称接触角 是指轴承中套圈 与滚动体接触线和垂直于轴承轴线平面间的夹角） 的不同，可分为向心轴承和推力轴承两类。向心轴 承主要承受径向载荷，推力轴承主要承受轴向载荷， 由于只受径向载荷，因此选向心轴承。 深沟球轴承主要受径向载荷，也可受少量的 轴向载荷，工作时摩擦阻力小，极限转速高，结构 简单，价格便宜，应用最广泛。 根据轴径选轴承的尺寸，据文献20附表 C101查得： 选 16002合适：尺寸系列代号为（1）0 d=15mm； D=32mm； B=9mm； 其他尺寸： =20.4mm； =26.6mm 2d2D 图 63 轴承 标记：滚动轴承 16002 GB/T 276 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 37 6.3.9 轴的结构 轴要做出轴环给齿轮定位，据文献14194 页知：轴环高出 h=(23)C,C 是 轴环处的倒角尺寸，据文献14的表 82查得，轴径 1830 的倒角 C=1.0，因此 取 h=3mm。轴环的宽的 b1.4h=4.2mm。滚动轴承配合处的轴肩高度必须低于轴 承内圈端面的安装高度，以便拆卸方便。 装轴承处要精度要求高，要用砂轮磨，因此要留砂轮越程槽，或轴颈做长。 还要有两个套筒给轴承定位，套筒做成阶梯式的，一边防止轴轴向窜动，取 26mm，一边给轴承定位，并且定位高度不得高于轴承中的 ，取 18mm。2d 轴采用两端固定支承，两端的轴承各限制轴在一个方向的轴向移动，合起来 就限制轴的双向移动。为补偿轴的受热伸长，轴承盖与外圈端面之间应留有 0.250.4mm 的补偿间隙（据文献14230 页） 。间隙值用改变轴承盖与箱体间的 垫片厚度进行调整。 整体结构如图 64所示： 图 64 轴组件 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 38 7 液压 7.1 液压缸的计算与选取 液压传动的优点： 1.在传递同等功率的情况下，液压传动装置体积小、重量轻、惯性小、结构 紧凑。 2.工作平稳、反应快、冲击小，能高速启动、制动、换向。 3.可进行无级调速，调速方便，调速范围大，调速性能好。 4.控制、调节比较简单，操纵方便，易于实现自动化。 5.易于实现过载保护。 6.液压元件已标准化、系列化，便于设计选用。 由于托辊夹具是用两套短 V形块定位夹紧，因此必须实现两边同时夹紧，选 择同步回路来实现，夹紧用保压回路。如下图所示； 图中是利用蓄能器的保压回路，当主换向阀在左位时，液压缸向前运动，开 始实现夹紧工件，当达到夹紧力时，进油路的压力升高到调定值，压力继电器发 信使二通阀换向通电，泵卸荷，单向阀关闭，液压缸有蓄能器保压。缸内压力不 足时，压力继电器复位使泵重新工作。保压时间取决于蓄能器容量。 锁紧回路主要用于要求执行元件可靠的停在任意位置的液压系统，对于重力 负载系统，必须考虑锁紧回路。最常用的锁紧方法是采用液控单向阀锁紧。在此 回路中，为保证执行元件在锁紧时迅速可靠，其控制油路必须与油箱接通。 同步回路是实现两个执行元件以相同的速度或相同的位移运动的回路。按照 控制方式不同，同步回路分为流量控制、容积控制和伺服控制三种。 流量控制同步回路是通过流量控制阀控制进入或流出执行元件的流量，来实 现速度同步，其特点是结构简单，但调整麻烦，且同步精度不高。 容积控制同步回路是将两相等容积的油液分配到尺寸相同的两执行元件，实 现位移同步。将两活塞有效面积相同的液压缸串联起来的同步回路，同步精度和 效率都较高，但是因油缸存在制造误差、内泄漏等因素，容易出现同步的位置误 差，需采取补偿措施进行补偿。 采用比例阀或伺服阀的同步回路同步精度高，但是系统的复杂程度和造价都 较高。若系统为闭环控制，可以通过检测装置检测活塞位移信号，经过放大后， 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 39 反馈给比例阀或伺服阀来控制进入液压缸的流量，从而实现较精确的同步运动。 因此选用等量出口分流阀控制双缸同步。图中压力油经换向阀和分流阀后分 成两支等量的油路，分别进入两液压缸的左腔，推动活塞向右同步运动左腔的油 经单向阀和换向阀快速回油箱。 压力继电器是将液压系统的压力信号转换为电信号的控制元件。它是液压部 分和电器元件两部分组成，系统中的压力达到压力继电器的调定值时，即发出电 信号，控制电动执行元件动作，完成各项预定任务。 7.2 液压缸的计算与选取 1. 计算液压缸的总机械载荷 F：据文献17221 页 根据机构的工作情况，作用在液压活塞杆上的总机械载荷 F包括两部分：第一部 分主要包括眼液压缸活塞方向的工作阻力（即：夹紧力）和运动部件在启动和制 动过程中的惯性力。 据文献17式（131）： （7F工 回惯 封 摩 1） 夹紧力，609N；F工 活塞上所受惯性力；惯 活塞阻力；封 导轨摩擦阻力；F摩 回油背压形成的阻力。回 (1) 按钢的密度 7.8 计算液压带动的夹具部分的重量：3gcm V形块的体积： 2572.9057032.9509m =7.8290.5087.8=4.52kgvG 块的重量：4018012087.8=53.6kg 齿条的重量：1204080167.8=48kg 齿轮的重量： 6047.8=6.4kg2134 托辊的重量：1.5600 1087.84=9.52kg 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 40 总重量：为 122kg 即 1200N (2) 的计算，据文献17（136）：F惯 （72）()GvNgt惯 式中 G液压缸所要移动的重量，1200N； g重力加速度，9.81 ；2ms 速度变化量，取 =1.2 =0.02 ；vvinms 启动或制动的时间，一般为 0.010.5s，因行程较短，取 =0.1s。t t 将上式各值带入上式 120.49.8GvFNgt惯 (2) 的计算，据文献17式（137）：密封装置的摩擦力的计算方法和密封装封 置的类型有关。当工作压力 p小于 16MPa时：FA工封 摩 （ N） 克服液压缸密封件摩擦阻力所需空载压力（Pa） ，如该液压缸选“Y”p摩 形密封圈，设液压缸工作压力 p16Mpa，据文献17132 查得 0.3MPa,p摩 取 =0.1Mpa；摩 进油工作腔有效面积（） ，此值属于未定数值，初估 16A工 2cm =160N60.1.fF （3） =156N；摩 钢与钢的摩擦系数，据文献13 页 ，取 0.13 =1229.810.13=156NF摩 （4） 的计算，据文献17224 页计算回 回油腔的背压力，可如下选取：中低压系统的节流调速系统取 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 41 0.20.5MPa；回油路有背压阀的系统，背压阀的调整压力一般为 0.51.5MPa； 带调速和复杂的回油路系统，取大于等于 0.5MPa；拉床龙门刨床导轨磨床取 0.81.5MPa； 回油背压形成的阻力： 2FpA回 出 回油背压,取 =0.3MPa；p出 出 有杆腔活塞面积，考虑两边传动比为 2， =82A A2cm 各值代人上式 N6210.3084FpA回 出 分析液压缸各工作阶段受力情况，得知在工作阶段受力最大，作用在活塞上 的总机械载荷为： N60924156240189F工 回惯 封 摩 2. 确定液压缸的机构尺寸和工作压力 按 文献17表 133经验数据确定系统工作压力。工作压力取 =2MPaF工 液压缸工作腔有效工作面积； 226189A0.5m6cp2.F1工 活塞直径 14.7.D 因差动比为 1：2，所以活塞杆直径 : d=0.7D=0.727.6=19.32mm 按文献18：取标准直径 d=20，D=32,则工作压力2189.5a0.34PMP工 7. 液压泵的计算与选取 1. 确定液压泵的实际工作压力 BP 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 42 BP工 总 式中 前已选定为 1.5MPa工 之和，按文献17240 页： 可估为（0.51.5）MPa，取总 沿 程 局 部 P总 0.5MPa。 因此，可确定液压泵的实际工作压力为 1.502BPMPa工 总 2.确定液压泵的流量 按文献18式（1318） maxBqK 式中 K泄漏系数，取 1.1； 两切削头快进时所需最大流量之和。maxq 的计算如下: max2qAv差 动 快 =2 2 12042 =0.75（L/min） 代人上式得，由于是两个液压缸需乘 2 2 =21.10.75=1.65L/minBq 按压力为 2MPa，流量为 1.65L/min， ，选 1000r/min的电动机，流量为 0.165L/r。 选择液压泵。 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 43 8 导轨的选用 据文献19表 28.32 可知选 V形导轨比较合适。 V形导轨中又有凹形和凸形，选凹形的易保存润滑油,导向精度高,磨损后能 自动补偿,而且是对称截面,制造方便应用较广。顶角一般为 90,重型机床采用 110120,精密机床采用小于 90的以提高导向精度，因此选 90。 据文献19表 28.35选择导轨的尺寸系列: B=16,20,25,32,40,b=1.6,2,2.5,3,4, 选 B=16，b=1.6。 导轨的材料要求和匹配: 用于导轨的材料应具有良好的耐磨性、摩擦系数小和动静摩擦系数差小。加 工和使用时产生的内应力小,尺寸稳定性好的性能。 导轨副应尽量采用由不同材料组成,如果选用相同材料,也应用不同的热处理或不 同的硬度。 通常动导轨(动导轨)用较软耐磨性低的材料,固定导轨(长导轨)用较硬和耐 磨材料制造,材料匹配对耐磨性影响 机床滑动导轨常用材料主要是灰铸铁和耐磨铸铁。 灰铸铁通常以 HT200或 HT300做固定导轨,以 HT150或 HT200做动导轨。 据表 28.315灰铸铁导轨硬度要求, 当导轨长度小于等于 2500mm时 HBS,不小于 190,硬度不均匀性不超过 25HBS。 据文献19表 28120热处理:一般重要的导轨,铸件粗加工后进行一次时效 处理。 山 西 大 同 大 学 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 44 9 螺栓的强度计算 9.1 螺纹连接件的选择 固定 V形块处、固定 V形块的板与齿条上表面处，由于要有导轨进行上下、 左右调整，因此调整好以后用 T形槽快卸螺栓连接。 （据文献1表 181页中查得： ）M10 的尺寸如下：T 形槽宽度为 12，B=25；H=7； ；b=10； ；C=1.5；L=6003l16b 标记：d=M10,L=60mm 的 T形快卸螺栓 M1060 GB216580； 下齿条上的板或其他连接的地方用螺钉固定即可：（据文献1表 80页中查 得：）M10 的尺寸如下：d=10；D=15；n=2.5；t=2.5；b0.8；H=4.8；L=40；03L 标记：粗牙普通螺纹，直径 10mm、长 30mm的沉头螺钉：螺钉