上海理工大学机械制造技术课程设计之凸轮钻床夹具设计.docx
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上海理工大学机械制造技术课程设计之凸轮钻床夹具设计
机械制造技术
课程设计
凸轮钻床夹具设计
姓名:
学号:
班级:
级机械班
指导教师:
凸轮钻床夹具设计
1.概述
机械制造技术课程设计是在学习了《机械制造技术》或同类课程(含机床夹具设计的内容),及其它一些相关的专业课程之后,安排进行的一个实践性教学环节。
这次设计使我们能综合运用机械制造技术学中的基本理论,并结合生产实习中学到的实践知识,独立地分析和解决工艺问题,初步具备了设计一个中等复杂程度零件的工艺规程的能力,也是熟悉和运用有关手册、图表等技术资料及编写技术文件等基本技能的一次实践机会,也为今后毕业设计及未来从事的工作提供了经验。
现针对铸造出来的凸轮进行钻孔并攻螺纹的工序。
凸轮主要是用来实现间歇运动的构件,它能将连续的转动转化为推杆的间歇运动,可以任意拟定从动件的运动轨迹,在机械工程中应用较为广泛。
在设计凸轮机械加工工艺过程时要设计出各工序的夹具定位和夹紧方案,选择合适的加工方法,合理安排工艺路线,合理选择机床加工设备以及相应的加工刀具,进给量,切削速度等用来保证其加工质量,提高加工精度。
2被加工零件的结构特点及指定工序的加工要求
2.1凸轮工件的结构特点
凸轮零件图如下:
结合设计题目中凸轮的图纸可知,该凸轮为盘形凸轮,凸轮由于需要推动推杆做往复间歇运动,因此凸轮下部分的小圆弧是近休止角对应的弧段,上部分的大圆弧是远休止角对应的弧段,凸轮两侧轮廓的形状则是使推杆完成推程和回程的曲线。
凸轮尺寸较大,因此凸轮做成辐条式的,中部是挖空的状态,减轻质量,成本较低,载荷较小,传动方便。
该凸轮有两个搭子和两个方搭子,均需铣削成平面,便于加工孔以及凸轮与其他装置的接触和连接。
凸轮由于要安装轴上,以便能够传动,所以凸轮中间有轮毂,该凸轮只需应用于轻载的场合,依靠螺钉将凸轮固定在轴上即可,因此,需要加工螺纹孔,而加工螺纹孔时需要先钻孔,这就要求所钻孔的周边材料均匀,因此,轮毂外侧应铸造出平面,使加工孔时不至于倾斜。
由凸轮图纸知,其材料为HT20-40,是铸铁,具有较高强度,耐磨性,耐热性及减振性,适用于承受较大应力和要求耐磨零件。
毛坯是通过铸造获得的。
加工后的技术要求有外轮廓侧面与轮毂孔轴线的平行度公差,搭子孔轴线与轮毂孔轴线的平行度公差,搭子孔与轮毂孔的中心距公差,轮毂孔和搭子孔的极限偏差,搭子高度公差,圆弧的圆度公差等。
2.2工件指定工序的工艺过程分析
根据凸轮图纸知,该零件为大批生产,所设计的夹具应符合这一要求。
本设计题目要求的工序操作为第7步工序——钻M10-6H螺纹孔的小径,攻M10-6H螺纹。
夹具设计好之后,摇臂钻床利用钻模板上的钻套导引麻花钻先开始钻孔,由于加工M10的螺纹孔,要先钻螺纹孔的小径,查表知,标准螺纹M10对应的小径孔直径为Ø8.6mm,所以应选用的钻套内孔直径为Ø8.6mm,之后再将工件从夹具体上拆除,攻螺纹。
该道工序应满足以下加工要求:
M10-6H螺纹孔的轴线与Ø
左端面的尺寸为13mm,由于未标注公差,可查表按IT13级精度取其公差为0.27mm,所以尺寸可以化为13±0.135mm;
由于M10-6H螺纹孔的轴线与Ø
孔轴线加工时很难相交,会交错,所以M10-6H螺纹孔的轴线对Ø
孔轴线的对称度应有公差,查表知该对称度未注公差值为0.5mm.
M10-6H螺纹孔要保证6H的孔公差带范围。
完成以上三个方面的加工精度要求需要有较合适的定位夹紧方案,由于在工序7之前已经完成了Ø
孔和搭子孔Ø
的加工及其两端面的加工,所以初步有两种定位夹紧方案如下:
以“一面+三个支承钉”定位,其中一面为与Ø
孔左端面贴合的定位面;三个支承钉分别置于凸轮外轮廓线上。
采用这种方案而未选择V型块定位主要是因为凸轮的两段弧对应的圆心角太小,不宜采用V型块。
该方案的夹紧则使用两个螺柱,其中一个使Ø
孔左端面与夹具定位面贴紧,另一个使三个支承钉与凸轮外轮廓牢固在一起。
以“一面两销”定位,其中一面为与Ø
孔左端面贴合的定位面;一销为定位心轴,置于Ø
孔中;另一销为削边销,置于左边的搭子孔Ø
中。
夹紧则用夹紧螺母将心轴另一端(带有螺纹)拧紧,使其靠在Ø
孔右端面即可。
3设计方案的讨论
由以上的分析可知,该工序的定位和夹紧有以下两种方案——“一面+三个支承钉”定位和“一面两销”定位。
两种方案均可以限制住工件的六个自由度,但各有优缺点。
现分别对这两方案做如下的分析比较以确定最佳方案。
3.1“一面+三个支承钉”定位方案
该“一面+三个支承钉”定位方案中,一面是与Ø
孔左端面贴合的定位面,限制3个自由度;三个支承钉分别置于凸轮外轮廓线上,限制剩下的3个自由度。
因为凸轮的两段弧对应的圆心角太小,不宜采用V型块,所以才使用这种定位方案。
该方案的夹紧需要使用两个螺柱,其中一个让工件压紧在定位面上,另外一个使三个支承钉与凸轮外轮廓紧贴在一起,限制余下的三个自由度。
该方案虽可以将凸轮的六个自由度限制住,但有很多缺点如下:
夹紧元件多而复杂,占用空间大,使夹具体庞大,使用的铸铁材料较多,制造麻烦,成本较高。
由于凸轮的外轮廓在此工序之前还只是铸造出来的,未经磨削,所以,定位精度差。
该零件是大批生产,而定位后的夹紧调整过程繁多,操作复杂,拆卸不便,很耗费时间,降低了生产效率。
3.2“一面两销”定位方案
以“一面两销”定位,其中一面为与Ø
孔左端面贴合的定位面,限制3个自由度;一销为定位心轴,置于Ø
孔中,限制2个自由度;另一销为削边销,置于左边的搭子孔Ø
中,限制1个自由度。
夹紧是利用心轴另一端的螺纹与夹紧螺母旋合拧紧,使定位面紧靠在Ø
孔左端面上,另外削边销可限制工件绕心轴的转动的自由度,这样工件定位和夹紧过程完成。
该定位方案有很多优点如下:
夹紧元件单一而且结构简单,夹紧可靠,使夹具体的结构也很简单,制造简便,经济合理。
所选用的定位基准都是已加工过的表面,而且选用的定位基准与设计基准重合,基准不重合误差为0,定位精度高。
当一个工件的此工序完成后,只需将夹紧螺母拧松,将开口垫圈拿出,即可安装加工下一个零件,操作简单,拆卸方便,消耗的工时少,减少了工人的劳动量,大大提高了生产效率,适用于大批生产。
综上所述,“一面两销”定位方案是最合适的选择。
4夹具结构特点的论述
由以上分析知该夹具定位方案应选用“一面两销”定位,这就决定了该工件的夹具具有下列结构特点:
夹具其中在一个销为定位心轴,心轴与Ø
孔配合的部分应该铣削出一个小平面,这是因为加工M10-6H螺纹孔时,麻花钻会伸进Ø
孔内一小部分。
定位心轴的轴环的台肩面起定位面的作用,轴环的另一台肩面与夹具体贴合,因此夹具体在该处应加工一个凸台。
心轴与夹具体配合处的末端应该加工成螺杆,上面应有垫圈和双螺母将心轴夹紧在夹具体上。
垫圈与夹具体配合,所以夹具体在该处也应该有一凸台,以减少加工面的尺寸大小。
定位心轴的另一段在与Ø
孔配合后的末端也应该加工成螺杆,上面应该有开口垫圈和夹紧螺母,便于将心轴夹紧在工件上。
开口垫圈是为了方便拆卸工件,以便于凸轮的大批生产。
这就要求夹紧螺母能够通过凸轮的Ø
孔。
夹具的另一销为削边销,置于左边的搭子孔Ø
中,而削边销应与夹具体上的孔配合,使削边销固定在夹具体上。
由于凸轮相应的尺寸关系,夹具体的板上与左边的搭子孔Ø
对应处应该铸造出拔模的圆柱,再加工其端面,然后再加工孔。
夹具体放钻模板处应与钻模板配作加工两个螺纹孔和两个圆锥孔,便于放置销钉和锥销,以固定钻模板,钻模板在被加工M10-6H螺纹孔对应处应放置钻套,由于凸轮是大批生产,选择可换钻套。
夹具体由于高度较高,应加肋板,防止刚度不足带来定位误差;而且在夹具体与放夹具的基准面接触处应该凸出两个面,便于减少对夹具体底面的精加工。
5定位误差的计算
定位误差模型如下:
如图为一批凸轮工件,两搭子孔Ø
及其两端面,Ø
孔及其两端面均加工合格。
今按图示的“一面两销”定位方案,用Ø
的心轴和Ø
的削边销以及Ø
心轴的轴环的台肩面定位,在摇臂钻床上麻花钻通过钻套的导引钻M10-6H的孔,孔中心线距离端面的距离为13±0.135mm。
为满足下列要求:
1)孔M10-6H轴线的位置尺寸13±0.135mm。
2)孔M10-6H轴线对Ø
孔轴线的对称度公差T(c)=0.5mm。
试分析计算定位误差。
解:
除孔极限偏差尺寸由麻花钻相应尺寸保证外,现分别分析上面两个加工精度参数的定位误差。
1)孔M10-6H轴线的位置尺寸13±0.135mm的定位误差:
设计基准为工件左端面,定位基准也为工件左端面(靠近心轴的定位工作端面),基准重合,所以基准不重合误差
;又因为调刀基准为与工件左端面接触的轴环定位面,所以基准位移误差
,所以定位误差
。
2)孔M10-6H轴线对Ø
孔轴线的对称度公差T(c)=0.5mm的定位误差:
该对称度的设计基准是Ø
孔轴线,定位基准也是Ø
孔轴线,二者重合,所以基准不重合误差
;调刀基准为Ø
定位心轴的轴线,按调整螺母时工件内孔与定位心轴可在任意边接触的一般情形考虑,则基准位移误差
(0.084+0.084+0)mm=0.168mm,
所以,定位误差
=0.168mm<0.5mm,
而
=1/3,说明定位误差只占工序公差的1/3.
因此,综合
(1)、
(2)知,该定位方案满足要求。
6夹具的主要技术条件及优缺点的分析
6.1夹具的主要技术条件
1.进入装配的零件及部件,均必须具有检验部门的合格证方能进行装配。
2.零件在装配前必须清理和清洗干净,不得有毛刺、飞边、氧化皮、锈蚀、切屑、油污、着色剂和灰尘等。
3.装配过程中零件不允许磕、碰、划伤和锈蚀。
4.圆锥销装配时应与孔应进行涂色检查,其接触率不应小于配合长度的60%,并应均匀分布。
5.本夹具为专用夹具。
6.2夹具的优缺点分析
优点:
1.本夹具采用“一面两销”定位,夹紧元件单一而且结构简单,夹紧可靠制造简便,经济合理,定位精度高。
2.工件夹紧采用开口垫圈,当一个工件的此工序完成后,只需将夹紧螺母拧松,将开口垫圈拿出,即可安装加工下一个零件,操作简单,拆卸方便,消耗的工时少,减少了工人的劳动量,大大提高了生产效率,适用于大批生产。
3.夹具体精加工面处加工有凸台,以减小加工面的面积。
4.放削边销的圆柱凸台利用拔模,方便铸造,然后再精加工,节省材料,经济方便。
5.利用可换钻套,当一批工件钻孔完成后,可继续用该夹具进行攻螺纹,利用率高,成本低廉,有益于大批量生产。
缺点:
1.由于需要钻的孔的位置较偏,夹具将工件定位后,可能会引起夹具体往另一边偏斜,因此加了肋板。
2.由于采用“一面两销”定位方案,这就要求对夹具体的加工精度要求严格。
而且夹具体结构稍微复杂一点,夹具体铸造难度较大。
7夹具主要零件技术条件的分析
心轴的技术条件:
1.未注圆角半径R=2mm.
2.两轴端中心孔为A5.
3.调质处理26~28HRC
夹具体的技术条件:
1.铸件需人工稳定化处理。
2.铸件需经人工时效处理。
3.定位销孔需配做。
4.未注圆角为铸造圆角。
5.不允许有气孔,夹渣,缩松,沙眼,等铸造缺陷。
6.对销孔及其底面有小形位误差、高表面质量的要求;对底面有较高的平面度和较小粗糙度要求。
定位销的技术条件:
1.需要经过严格的质量检验合格后方能采购。
2.对底面有较高的平面度和较小粗糙度要求。
8编写夹具非标零件的加工工艺规程
8.1夹具体的加工工艺路线
工序号
工序名称
工序内容
机床设备
1
铸
铸造
2
热处理
人工时效处理,消除内应力
3
铣
精铣下端面
平面铣床
4
铣
铣与钻模板贴合的面
平面铣床
5
铣
铣φ24孔的左端面
平面铣床
6
铣
铣φ24孔的右端面
平面铣床
7
铣
铣φ10H6定位销孔端面
平面铣床
8
钻
与钻模板配作钻两锥销孔
摇臂钻床
9
钻
钻两销钉螺纹孔M6至内径
摇臂钻床
10
钻
φ10H6定位销孔至φ9.7
摇臂钻床
11
铰
φ10H6定位销孔至尺寸
摇臂钻床
12
攻
攻两销钉螺纹孔M6至尺寸
13
钳
去毛刺
14
检验
15
清洗
8.2定位心轴的加工工艺路线
工序号
工序名称
工序内容
机床设备
1
下料
选用190×φ45mm毛坯,用三爪卡盘夹紧工件
2
热处理
人工时效处理,消除内应力
3
粗车
将毛坯粗车成左边轮廓至尺寸83,留2mm加工余量
CA6141车床
4
半精车
车倒角2×45°
5
半精车
车M20外螺纹至大径
CA6142车床
6
精车
精车余下的已粗加工部位至尺寸
CA6143车床
7
车
车φ24mm与φ40mm之间的退刀槽
CA6144车床
8
车螺纹
车M20外螺纹至尺寸
9
精车
精车φ40mm左端面
CA6145车床
10
粗车
将工件掉头,三爪卡盘卡在φ24mm圆柱面上,粗车另一端至尺寸10,留2mm加工余量
CA6146车床
11
半精车
车倒角2×45°
CA6147车床
12
半精车
车M12外螺纹至大径
13
半精车
车φ40mm外圆柱面
14
精车
精车余下的已粗加工部位至尺寸
15
车
车φ28mm与φ40mm之间的退刀槽
16
车螺纹
车M12外螺纹至尺寸
17
铣
选用R3的圆角铣刀,铣削φ28mm外圆柱面及锥面至尺寸6mm
18
钳
去毛刺
19
检验
20
清洗
9小结
经过这两周的不懈拼搏,以及老师和各种参考书的帮助,我终于顺利完成了这次夹具设计。
机械制造课程设计让我受益匪浅,经过这门课的学习,我将大学里所学的各种专业课的知识融合在一起,第一次全面的运用已学知识进行自主设计,初步具备了各种设计分析能力。
此外,我还顺道温习了cad绘图,公差,机械制图等各门课程,学会了融会贯通,能够正确的分析实际情况中遇到的形位公差,定位误差,加工要求等等,我掌握了零件的加工过程分析、工艺的编制、专用夹具设计的方法和步骤,学会了查相关手册、选择使用工艺装备,提高了自己的设计能力以及独立思考的能力,为我在未来的工作和学习中提供了丰富的经验。
10主要参考资料
[1]冯鹤敏主编.机床夹具设计课程设计参考资料.上海理工大学.
[2]卢秉恒主编.机械制造技术基础.机械工业出版社.
[3]甘永立主编.几何公差与检测.上海科学技术出版社.
[4]陈秀宁、施高义编著.机械设计课程设计(第四版).浙江大学出版社.
[5]瞿元赏、裘文言主编.机械制图.高等教育出版社.
[6]《机床夹具设计》课程设计参考资料.上海理工大学
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