k102-泵體蓋6-φ7孔機床與夾具設計【含CAD圖紙、工序卡、說明書】

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目 錄 前言···························································· 3 第一章 鉆床內部結構的各項性能校核······························· 4 1.1 泵體蓋孔加鉆機設計········································· 3 1.2 1.1 鉆床的總體設計··········································· 3 1.2 鉆床刀具的選擇··············································· 3 1.3 鉆床傳動系統(tǒng)的設計··········································· 1.3.1 切削參數的確定 1.3.2 電動機的選擇 1.3.3 齒輪傳動設計及計算 1.3.4 軸的設計及強度校核 1.4 本章小結 第二章 專用夾具設計············································ 4 2.1 工件的加工工藝性分析··································· 2.2 定位元件的選擇與設計···································4 2.2.1 定位元件的選擇·····································5 2.2.2 定位誤差的分析 2.2.3 定位誤差的計算 2.3 泵體蓋在夾具中的夾緊 2.3.1 夾緊裝置的組成 2.3.2 夾緊力的確定 2.3.3 夾緊機構的選擇及設計 2.4 導向元件的設計 2.4.1 鉆模板的類型與選擇 2.4.2 鉆套的選擇與設計 2.5 夾具體的設計 2.6 夾具在機床上的定位 2.7 本章小結 3 技術經濟性分析 4 結論 致謝 第三章 附鉆床各圖················································ 12 文獻參考·························································· 13  前言 隨著現代機械工業(yè)的發(fā)展，機床的種類越來越繁多，機床的功能越來越多，為了適應當今機械生產中的特殊要求，專用機床的應用越來越廣泛。之所以選擇泵體蓋鉆孔專機設計作為我的設計題目，是因為我發(fā)現以前的鉆床雖然功能不少，但是有很多不足之處，比如對工件大批量生產不能滿足，而且生產效率不高，對一些有特殊要求的工件也不能進行批量生產。基于這個前提，我選擇了鉆削類的專機設計，主要是針對泵體蓋6-φ7孔的鉆削進行加工。通過本次設計，可以生產出一種鉆床滿足泵體蓋6-φ7孔的鉆削標準化批量生產，這種鉆床既可以滿足特殊的加工要求又節(jié)省了時間、減少了勞動力。本畢業(yè)設計的目的是設計出一種鉆削類的專用機床，讓它只對泵體蓋6-φ7孔一類工件進行鉆削加工。本機床結構簡單、集中化程度高、針對性強、工作效率高、能夠適應在生產批量大的生產中的要求。它既提高了生產效率，又簡化了操作程序，而且減輕了工人的勞動強度。 機床、基礎理論研究、檢測等方面都有了較大的進展。目前，孔加工技術已較為成熟。 同時隨著我國科學和技術的不斷發(fā)展，機械產品不斷更新換代，其品種型號越來越多，質量要求越來越高，更新換代周期也越來越短。因而多品種、中小批量生產已日益成為機械制造業(yè)的主要生產類型。 機床夾具是保證產品質量，提高勞動生產率等生產技術準備工作中的重要組成部分，其結構形式必須與其生產類型相適應[2]。 當然在鉆床中夾具的設計也是至關重要的，由于夾具設計過程的隨機因素較多，目前仍有許多企業(yè)沿用傳統(tǒng)的設計方法來完成，即由經驗豐富的工藝人員人工設計(或借助二維CAD設計)。很顯然，這種設計方法在很大程度土受夾具設計者的經驗和知識水平的限制，且設計周期長，設計效率低，勞動強度大，已不適應現代制造技術。因此，開發(fā)出實用的計算機輔助夾具設計系統(tǒng)是解決這一間題的重要方法和手段。計算機輔助設計可以分為概念設計、技術設計和詳細設計三個階段。概念設計是計算機輔助夾具設計中最關鍵的一個環(huán)節(jié),它影響著后續(xù)的技術設計和詳細設計,是決定夾具方案優(yōu)劣的重要階段。由于鉆銑削加工切削用量及切削力較大，加工時易產生振動，因此設計鉆銑床夾具時應注意：夾緊力要足夠且反行程自鎖；夾具的安裝要準確可靠，即安裝及加工時要正確使用定向鍵、對刀裝置；夾具體要有足夠的剛度和穩(wěn)定性，結構要合理 在批量生產泵體蓋時，多采用流水線式操作，即按工序分配給不同生產車間來生產。泵體蓋孔加工專機及夾具設計，就是為加工泵體蓋6-φ7孔這一工序而設計的專用機床及夾具。由于泵體蓋6-φ7為均勻分布，因此需要綜合應用孔的加工及機床夾具等方面的知識。 本次設計主要包括兩大部分。 第一部分為泵體蓋6-φ7孔鉆削專機的設計，其中包括機床的基本尺寸的選擇、電機的選擇、傳動系統(tǒng)的設計和鉆頭的選擇。 首先，機床的基本尺寸主要參考常用機床的外形尺寸，并根據6-φ7孔加工的需要來確定。其次，泵體蓋材料為鋁合金。因此可根據鋁合金的切削性能，及鉆削鋁合金時的切削用量和鉆削速度來估算出鉆削力、鉆削扭矩和鉆削功率來，并根據鉆削功率選擇電動機。然后，根據所選電機的同步轉速和切削速度來確定傳動比，并用齒輪傳動系統(tǒng)來實現。由于本次設計的機床只為加工6-φ7孔而設計，因此不需變速，一級傳動就能實現。最后，根據回油孔的特點，并考慮經濟性來選擇合適的多孔加工刀具。 第二部分為專用夾具的設計，其中包括定位方式的選擇、定位誤差的計算、夾緊方式的確定、夾緊力的確定及夾緊機構的的選擇、導引裝置的確定、夾具體的設計和夾具體在機床上的定位方式。 根據六點定位原理、泵體蓋外形的特點及常用定位元件的種類，來確定夾具體的定位方式。由于零件在加工時，總會產生誤差，因此應考慮工件的定位誤差。進行定位誤差的計算，以保證定位誤差在零件加工誤差允許的范圍之內。若不合適，則應選擇更合適的定位方式，以確保零件的加工精度。為了使零件在被加工時保持位置不變，應對零件在被加工時所需的加緊力進行估算。在此基礎上，綜合考慮零件的定位方式和加工方式，來設計適合的夾緊機構。為保證加工精度，選擇合適的對刀導引裝置，保證工件相對于刀具處于正確的位置。綜合以上各方面的設計和各個裝置的相對位置關系，可以設計出夾具體的結構。并且還要確定夾具體在機床上的定位方法和定位精度。這樣就完成了夾具的設計。 由于此次設計是根據實際生產加工中的需要來進行設計的，因此還從經濟性方面分析了此次設計的可行性。另外，分析了此次設計相對于一般生產加工情況的優(yōu)點、此次設計的不足，和可能改進的方法。 1 泵體蓋6-φ7孔加工專機的設計 1.1 鉆床的總體設計 鉆床可用于加工簡單零件上的孔，也可用于加工外型復雜、沒有對稱回轉軸線工件上的單個或一系列圓柱孔，如蓋板、箱體、機架等零件上的各種用途的孔。鉆床一般用于完成加工尺寸較小、精度要求不太高的孔。通常，鉆頭旋轉為主運動，鉆頭軸向移動為進給運動[3]。 鉆床可分為臺式鉆床、立式鉆床、搖臂鉆床、銑鉆床、深孔鉆床、平端面中心孔鉆床和臥式鉆床。 在本次設計中，待加工孔為多孔且均勻分布，因此在選擇機床上有些困難。通常多孔鉆床具有特殊設計的主軸，臥式布局。一般為工件旋轉，用特制的鉆頭鉆削孔，可完成孔工件鉆、擴、鉸、套料等加工。但由于多孔鉆床的特殊性，其比較昂貴，對于非專業(yè)化深孔加工的廠家，成本過高，因此不能選用這種形式。所以，應由其他鉆床改造成多孔鉆床，這樣可節(jié)省開支，并且易于中、小型企業(yè)接受。綜合各種機床的結構特點和工作方式，決定選用臥式鉆床的結構布置。臥式鉆床的結構特點是主軸旋轉中心固定，移動工件使加工點對準主軸中心。主軸箱安裝在立柱上，主軸水平布置。立柱有圓柱、方柱，這里選擇圓柱作為主軸。主軸可機動進給。 由于本次設計為鉆孔專機，只用于加工多孔的工序，簡單的傳動系統(tǒng)就能滿足，不需要變速，因此采用一級齒輪傳動即可，這樣可以直接達到鉆削所需要的速度。 泵體蓋材料為鋁合金，根據其切削性能及各類多孔鉆的尺寸參數，在相比較下選擇合適的刀具。從而確定進給量來計算出切削參數，即加工時所需的鉆削力、鉆削率和鉆削轉矩。通過這些數據，可選擇出適合的電動機作為動力源。同時，根據這些切削參數設計計算出傳動系統(tǒng)的參數。 1.2 鉆床刀具的選擇 在多孔加工中，使用鉆頭、內排屑深孔鉆雖然具有很多優(yōu)點，但由于需要專用的機床（或改裝的普通車床）以及一套輔助設備，投資較大，多孔加工受到一定的條件限制。麻花鉆具有投資少、見效快、無需特殊多孔加工裝備等優(yōu)點，是一般多孔加工中行之有效的加工方法。 在本次設計中，則采用直柄麻花鉆來完成切削任務。其主要的尺寸參數可在表1-1中查詢。 表1-1麻花鉆主要的尺寸參數 Tab.1-1 Twist drill main size parameter d =125 =160 =200 =250 =315 h8 =80 =100 =150 =200 =250 2.0 × × 2.5 × × 3.0 × × 3.5 × × × 4.0 × × × × 4.5 × × × × 注：×——表示有規(guī)格；——麻花鉆全長；——麻花鉆工作部分長度； d——麻花鉆的直徑。 此次多孔加工的孔6-φ7孔，工作部分長度滿足此長度即可，因此可選＝160的直柄麻花鉆。麻花鉆材料的選擇，參見表1-2。 表1-2 麻花鉆的性能級別[4] Tab.1-2 Twist drill performance rank 項目 普通型能級麻花鉆 高性能級麻花鉆 材料 工作部分用W6Mo5Gr4V2或同等性能的其他牌號 普通高速鋼（代號HHS）制造 工作部分用W2Mo9Gr4VCo8或同等性能的其他牌號 高性能高速鋼（代號HHS－E）制造 硬度 工作部分硬度780～900HV 工作部分硬度820～950HV 制造 工藝 一般為軋制或銑制 一般為全磨制 應用 設備 一般用于普通機床 一般用于數控機床、自動線 其他 高性能級的麻花鉆比普通性能級麻花鉆在表面粗糙度、切血人對工作部分軸向斜跳動、鉆芯對稱直徑、溝槽分度誤差、直柄直徑公差、錐柄圓錐公差、鉆芯對工作部分軸線的對稱度、兩刃帶寬度差等方面都要求更高 根據本次加工情況及技術要求，選擇普通型能級的麻花鉆即可。 1.3 鉆床傳動系統(tǒng)的設計 1.3.1 切削參數的確定 多孔鉆削的功率由最大鉆孔直徑決定（即鉆床的功率），因此應根據深孔鉆削最大參數進行計算。 切削功率的計算： 目前，還沒有成熟的計算深孔鉆削功率的經驗公式，一般可用麻花鉆的功率計算公式近似計算。 鉆削扭距 （1-1） 式中 ——鉆削扭距，N·m； ——鉆孔直徑，mm； ——鉆孔進給量，mm/r。 鉆削軸向力 （1-2） 式中 ——鉆削軸向力，N。 鉆削功率 （1-3） 式中 ——鉆削功率，kW； ——鉆孔轉速，r/s。 考慮到麻花鉆有橫刃和刀具材料為高速鋼等因素，取計算值的70％作為深孔鉆削功率的近似值。 式1-1、1-2、1-3中的和可從表1-3中查詢。 表1-3 在組合機床上用高速鋼刀具對鋁、銅件鉆孔時切削速度和進給量[5] Tab.1-3 In combination with high-speed machine tools, steel cutlery on aluminum、copper pieces bored into to the cutting speed and volume[3] 加工孔徑/mm 鋁 銅 鋁 鋁合金 （長切削） 鋁合金 （短切削） 黃銅、青銅 硬青銅 /m/min /mm /r /m/min /mm /r /m/min /mm /r /m/min /mm /r /m/min /mm/r 3~8 20~50 0.03 ~0.20 20~50 0.05~ 0.25 20~50 0.03 ~0.10 60~80 0.03~ 0.10 25~45 0.05~ 0.15 根據表1-3選擇切削速度為 =20 (m/min) 進給量為 =0.10 (mm/r） 則主軸轉速： (r/min) 式中 ——主軸轉速； ——切削速度； ——工件（或刀具直徑），mm。 則根據式1-1、1-2、1-3得： N·m N kW 取計算結果的70％，可得鉆削的近似功率為1.022kW。 1.3.2 電動機的選擇 一般用于驅動金屬切削機床的電動機為異步電動機。其中，低壓電動機中的Y系列三相異步電動機尤為合適。 Y系列三相異步電動機具有效率高，節(jié)能，堵轉轉矩高，噪聲低，振動小，運行安全可靠的特點，作為一般用途的電動機，適用于驅動無特殊性能要求的各種機械設備，如金屬切削機床、鼓風機、水泵等[6]。 鉆削功率近似為1.022kW，則電動機功率為： (1-4) 式中 ——機床總機械效率，對于主運動為回轉運動的機床，=0.7~0.85； ——鉆削功率，kW。 在進行鉆削時，進給功率及小，可忽略不計，因此可直接根據計算出的電動機的功率選擇電動機。則可選擇機座號為90S，功率為1.5kW，同步轉速為3000r/min的電動機作為動力。 1.3.3 齒輪傳動設計及計算 根據切削速度和電機的同步轉速可得傳動比： 則齒輪傳動的設計計算如下： 1) 選擇齒輪材料 齒輪最常用的材料是鍛鋼，其次是鑄鋼和鑄鐵，有時也采用非金屬材料。 2)齒輪尺寸確定及強度計算 a 選擇齒輪材料查表得：小齒輪選用調質 HBS=245~275HBS 大齒輪選用正火 HBS=210~240HBS b 按齒面接觸疲勞強度設計計算 確定齒輪傳動精度等級： 按 (1-5) 估取圓周速度，得：，參考表選?、蚬罱M8級。 小齒輪分度圓直徑 (1-6) 齒寬系數查表得按齒輪相對軸承為非對銷布置：取=0.8 小齒輪齒數在推薦值20~40中選 =26 大齒輪齒數 圓整取55; 齒數比 ; 傳動比誤差 誤差在范圍內合適。 小輪轉矩 N·mm; 載荷系數K (1-7) 使用系數查表得 =1 動載荷系數查相關圖得初值 =1.1 齒向載荷分布系數查相關圖得 =1.07 齒間載荷分配系數由=0得 (1-8) 則載荷系數K的初值 彈性系數查表得 節(jié)點影響系數查相關圖及=0,查相關圖(=0, ==0)得 =2.5 重合度系數查相關圖（）得 =0.88 許用接觸應力[] []= (1-9)接觸疲勞極限應力,查相關圖得 =570 N/mm2 =460 N/mm2 應力循環(huán)次數、 =60nj= = 由查相關圖得接觸強度的壽命系數、（不允許有點蝕） ==1 硬化系數查相關圖得 =1 接觸強度安全系數查表得，按一般可靠度查取=1.1 , 故根據式(2-6)的設計初值為 得： 37.52mm 齒輪模數m m===1.44mm查表得 m=1.5mm； 小輪分度圓直徑的圓整值 mm； 圓周速度 m/s； 與估取 很相近,對取值影響不大,不必修正； ,； 小輪分度圓直徑 mm； 大輪分度圓直徑 mm； 中心距 mm； 齒寬 mm； 大輪齒寬 ； 小輪齒寬 ； 3) 齒根彎曲疲勞強度校核計算 ； 齒形系數查相關圖得 小輪 =2.60 大輪 =2.30； 應力修正系數查相關圖得 小輪 =1.60 大輪 =1.72； 重合度系數 ； 許用彎曲應力 N/mm2； 彎曲疲勞極限查相關圖得 =460，=390； 彎曲壽命系數查相關圖得 ==1； 尺寸系數查相關圖得 =1； 安全系數查表得 =1.3； 則 N/mm2； N/mm2； 故 ； ； 可得結論:齒根彎曲強度足夠。 4) 齒輪其它尺寸計算 分度圓直徑 ； =39,=82.5； 齒項高 ； ==1.5； 齒根高 ； ==1.875； 齒全高 ； ==4.875； 齒頂圓直徑 ； =42 , =85.5； 齒根圓直徑 ； =36, =79.5； 基圓直徑 ； =36.65,=77.52； 齒距 ； ==4.71； 齒厚 ； ==2.355； 齒槽寬 ； ==2.355； 基圓齒距 ； ==4.426； 法向齒距 ； ==4.426； 頂隙 ； ==0.375； 分度圓壓力角 [7]。 1.3.4 軸的設計及強度校核 1) 軸的材料的選擇 軸的材料種類很多，要根據強度、剛度核耐磨性等要求，選擇材料種類及熱處理方式，軸的常用材料是碳素鋼和合金鋼。碳素鋼價格較低，對應力集中敏感性小，通常使用中碳鋼，最常用的是45號鋼，不太重要或受力小的軸可以使用Q235等鋼材。 合金鋼比碳素鋼具有更高的機械強度和優(yōu)良的熱處理性能，但對應力集中比較敏感，對于受力較大又要減小軸的尺寸和重量，或者需要提高軸頸的耐磨性，或者在高溫、腐蝕等條件下工作的軸，可以采用合金鋼。在低于200℃的工作溫度下，合金鋼和碳素鋼的彈性模量相差不大，因此，使用合金鋼代替碳素鋼并不能提高軸的剛度。 球墨鑄鐵和高強度鑄鐵適合于制造形狀復雜的軸（如曲軸、凸輪軸等），它具有良好的吸振性和耐磨性，對應力集中不敏感，但是鑄造質量不易控制。 小直徑的軸可以使用軋制圓鋼，大直徑或直徑變化較大的階梯軸需要使用鍛件，形狀復雜的軸通常采用鑄造方式制造。 根據軸的常用材料及主要機械性能，選擇45＃正火為軸的材料。 2) 軸的設計及計算 對于僅傳遞扭矩或主要裝的扭矩的傳動軸，應按扭轉強度計算 。對于既受彎矩又受扭矩的轉軸，可以通過降低許用剪應力的方法考慮彎矩的影響，用扭轉強度估算轉軸的最小直徑，然后進行軸的結構設計。 設計計算公式為 (1-10) 式中 ——軸的直徑，mm； ——考慮了彎矩影響的設計系數； ——軸傳遞的功率，kW； ——軸的轉速，r/min。 本節(jié)設計機床的傳動結構，下面對齒輪傳動系統(tǒng)中的高速軸進行強度校核。 a 求輸出軸上的轉矩 N·mm b 求作用在齒輪上的力 輸出軸上的小齒輪的分度圓直徑為 mm 圓周力、徑向力、和軸向力的大小如下，方向如圖1-1所示。 圖1-1 軸的受力分析圖 Fig.1-1 Axis stress analysis chart 由此可得： N N N 式中 ——壓力角； ——螺旋角，因是直齒圓柱齒輪，因此＝0。 c 確定軸的最小直徑 選取軸的材料為45鋼，正火處理。按式1-10初估軸的最小直徑，查表取A＝115，可得： mm 圖1-2 軸的結構圖 Fig.1-2 Structure drawing of axis 由于主軸內部為中空，所以軸段①（見圖1-2）用于安裝聯軸器，其直徑應該與聯軸器的孔徑相配合，因此要先選用聯軸器。聯軸器的計算轉矩，根據工作情況選?。?.5，則＝1.5×10120.6＝15180.9。根據工作要求選用十字軸式萬向聯軸器，型號為WSD2，許用轉矩[T]＝22400。 與輸出軸聯接的半聯軸器孔徑＝34mm，因此取軸段①的直徑＝34mm。聯軸器輪轂總寬度L＝74mm（J1形軸孔），與軸配合的轂孔長度L＝62mm。 d 軸的結構設計 1) 擬定軸上零件的裝配方案 裝配方案見鉆床的裝配總圖。 2) 按軸向定位要求確定各軸段直徑和長度 具體結構見頭架主軸圖， 3）軸上零件的周向定位 半聯軸器與軸的周向定位采用A型普通平鍵聯接，按d1=34mm，從手冊中查得平鍵截面尺寸b×h=6×6,根據輪轂寬度，由鍵長系列中選取鍵長L=38mm，半聯軸器與軸的配合為H7/k6。 齒輪與軸的周向定位采用A型普通平鍵聯接，平鍵的尺寸為b×h×L=8×8×38.為了保證齒輪與軸具有良好的對中性，取齒輪與軸的配合為H7/r6。 滾動軸承與軸的周向定位采用過渡配合保證的，因此軸段直徑尺寸公差取為m6。 4）確定軸上圓角和倒角尺寸 各軸肩處的圓角半徑見圖2-1，軸端倒角取1×45°。 5) 軸的強度校核 a 求軸的載荷 在進行軸校核時按軸是實心進行校核，因此軸的尺寸相應減少．首先根據軸的結構圖作出軸的計算簡圖（見圖1-3）。在確定軸承的支撐點位置時，從手冊中查取a值。對于61803型深溝球軸承，因此軸的支承跨距L=65+65=130mm。 根據軸的計算簡圖作為軸的彎矩圖、扭矩圖和當量彎矩圖。從軸的結構圖和當量彎矩圖中可以看出，C截面的當量彎矩最大，是軸的危險截面。C截面處的、、、及的數值如下。 支反力 水平面 =209 ，=209 N 垂直面 =197 , =-76 N 彎矩和 水平面 =5538.5 N·mm 垂直面 =3206.5 N·mm 圖1-3 軸的計算簡圖 Fig.1-3 Computation diagram of axis 合成彎矩 ==6399.7 N·mm 扭矩 =10120.6 當量彎矩 ==10119.9 N·mm b 校核軸的強度 軸的材料為45鋼，調質處理。由表查得=650，則[]=0.09～0.1，即58～65,取[]=60，軸的計算應力為 ==17.3<[]=60 N/mm2 根據計算結果可知，該軸滿足強度要求。 6) 精確校核軸的疲勞強度 對于重要的軸，必須按安全系數精確校核軸的疲勞強度。一般用途的軸，該步工作可以省略。 a 判斷危險截面 危險截面應該是應力較大，同時應力集中較嚴重。從受載情況觀察，截面C上最大，但應力集中不大（過盈配合及鍵槽引起的應力集中均在兩端），而且這里軸直徑最大，故截面C不必校核。從應力集中對軸的疲勞強度削弱程度觀察，截面Ⅳ和Ⅴ處過盈配合引起的應力集中最嚴重。截面Ⅴ的應力集中與截面Ⅳ相近，但截面Ⅴ不受扭矩作用，同時軸徑也較大。分析可知，危險截面為Ⅳ截面（左側）。 b 計算危險截面應力 截面右側彎矩為 =10119.9×=3436.9 N/mm； 截面上的扭矩為 =10120.6 N/mm； 抗彎截面系數 =0.1==583.2 mm3； 抗扭截面系數 =0.2==1166.4 mm3； 截面上的彎曲應力 =5.9 N/mm2； 截面上的扭轉剪應力 == 8.7 N/mm2； 彎曲應力幅度 == 5.9 N/mm2； 彎曲平均應力 =0； 扭轉剪應力的應力幅與平均應力相等，即 = =4.4 N/mm2； c 確定影響系數 軸的材料為45號鋼，調質處理。由表查得=600 N/mm2，=275 N/mm2，=140 N/mm2。 軸肩圓角處的有效應力集中系數、。根據=1/18＝0.056，=20/18＝1.1，由表經插值后可得=1.65，=1.19。 尺寸系數、根據軸截面為圓截面查圖得=1.0 ，=0.98 。 表面質量系數、 根據=600和表面加工方法為精車，查圖得==0.88 材料彎曲、扭轉的特性系數、取=0.1，=0.5＝0.05 由上面結果可得 ＝40.63 ＝8.62 ＝9.40 查表中的許用安全系數[]=1.5，可知該軸安全。 1.4 本章小結 本章首先選擇了機床的形式和基本外形尺寸，再根據加工條件選擇了適合加工深孔的刀具。通過對被加工零件的材料的切削性能的了解，并聯系加工環(huán)境和條件，對鉆削深孔的進給量、背吃刀量及切削速度進行了選擇。根據切削速度和進給量，進行了切削力、切削扭矩及切削功率的估算。通過得到的數據選擇了適合本次設計的機床的電動機。此后進行了齒輪和軸的設計計算，并進行了強度校核，使設計的齒輪和軸都能夠滿足實際的需要。 2 專用夾具設計 2.1 工件的加工工藝性分析 因采用立式鉆床，待加工孔處于水平位置。若設平行于待加工孔的面分別為頂面和底面，則使多孔那面為底面，即定位基準面。以基準面上的直徑為φ5的兩孔以及基準面定位。 鉆模板應垂直與定位基準面，鉆套中心線與待加工孔中心線同軸。夾緊件由工件頂面向定位基準面夾緊。采用螺旋夾緊機構。 2.2 定位元件的選擇與設計 2.2.1 定位元件的選擇 工件在夾具中位置的確定，主要是通過各種類型的定位元件實現的。在機械加工中，雖然被加工工件的種類繁多和形狀各異，但從它們的基本結構來看，不外乎是由平面、圓柱面、圓錐面及各種成形面所組成。工件在夾具中定位時，可根據各自的結構特點和工序加工精度要求，選擇其上的平面、圓柱面，圓錐面或它們之間的組合表面作為定位基準。為此，在夾具設計中可根據需要選用各類型的定位元件。 在夾具設計中常用于圓孔表面的定位元件有定位銷、剛性心軸和錐度心軸等。工件以圓孔表面定位時使用定位銷定位；套類零件，為了簡化定心裝置，常常采用剛性心軸作為定位元件；為消除工件與心軸的配合間隙，提高定心定位精度，在夾具設計中還可選用小錐度心軸。在此次設計中，根據泵體蓋的結構特點采用一面兩孔定位。如圖2-1為工件在夾具中的定位方式簡圖． 在夾具中，工件以圓孔表面定位時使用的定位銷一般有固定式和可換式兩種。在大批量生產中，由于定位銷磨損較快，為保證工序加工精度需定期維修更換，此時常采用便于更換的可換式定位銷。 圖2-1 所示為常用的固定式定位銷的典型結構[9]。當被定位工件的圓孔尺寸較小時，可選圖中(a)所示的定位銷結構。這種帶有小凸肩的定位銷結構，與夾具體連接時穩(wěn)定牢靠。當被定位工件的圓孔尺寸較大時，選用圖中(b)所示的結構即可。若被定位工件同時以其上的圓柱孔和端面組合定位時，還可選用帶有支撐墊圈的定位銷結構。支撐墊圈與定位銷可做成整體式的，也可做成組合式的。為保證定位銷在夾具上的位置精度，一般與夾具的連接采用過盈配合。 可換式定位銷如圖2-2所示，為了便于定期更換，在定位銷與夾具體之間裝有襯套，定位銷與襯套內徑的的配合采用間隙配合，而襯套與夾具體則采用過度配合。由于這種定位銷與襯套之間存在裝配間隙，故其位置精度較固定式定位銷低。 為了便于工件的順利裝入，上述定位銷的定位端頭部均加工成的大倒角。各種類型定位銷對工件圓孔定位時限制的自由度，應視其與工件定位孔的接觸長度而定，一般選用長定位銷時限制四個自由度，短定位銷時則限制兩個自由度。若采用削邊銷，則分別限制兩個或一個自由度。當采用圖 所示的錐面定位銷定位時，則相當于三個支撐點，限制三個自由度。 圖2-1 固定式定位銷 Fig.2-2 Stationary positioning pin 圖2-3 可換式定位銷及錐面定位銷 Fig.2-2 The replacing positioning pin and the conical surface positioning pin 在固定式和可換式中，為適應以工件上的兩孔一起定位的需要，應在兩個定位銷中采用一個削邊定位銷。直徑為3~50mm的削邊定位銷都做成菱形。 2.2.2 定位誤差的分析 夾具的作用首先是要保證工序加工精度，在設計夾具選擇和確定工件的定位方案時，根據工件定位原理選用相應的定位元件外，還必須對選定的工件定位方案能否滿足工序加工精度要求作出判斷。為此，就需對可能產生的定位誤差進行分析和計算。 定位誤差是指由于定位不準而造成某一工序在工序尺寸（通常指加工表面對工序基準的距離尺寸）或位置要求方面的加工誤差。對某一定位方案，經分析計算其可能產生的定位誤差，只要小于工件有關尺寸或位置公差的~，一般即認為此定位方案能滿足該工序的加工精度要求。 工件在夾具中的位置是由定位元件確定的，當工件上的定位表面一旦與夾具上的定位元件相接觸或相配合，作為一個整體的工件的位置也就確定了。但對于一批工件來說，由于在各個工件的有關表面之間，彼此在尺寸及位置上均有著在公差范圍內的差異，夾具定位元件本身和各定位元件之間也具有一定的尺寸和位置公差。這樣一來，工件雖已定位，但每個被定位工件的某些具體表面都會有自己的位置變動量，從而造成在工序尺寸和位置要求方面的加工誤差。 由此可知，定位誤差是指工件在用調整法加工時，僅僅由于定位不準而引起工序尺寸或位置要求的最大可能變動范圍。即定位誤差主要是由基準位置誤差和基準不重合誤差兩項組成。 根據定位誤差的上述定義，在設計夾具時，對任何一個定位方案，可通過一批工件定位時的兩個極端位置，直接計算出工序基準的最大變動范圍，即為該定位方案的定位誤差。 在機械加工中，有很多工件是以多個表面作為定位基準，在夾具中實現表面組合定位的。 采用表面組合定位時，由于各個定位基準面之間存在著位置偏差，故在定位誤差的分析和計算時也必須加以考慮。為了便于分析和計算，通常把限制不定度最多的主要定位表面成為第一定位基準，然后再依次劃分為第二、第三定位基準。一般來說，采用多個表面組合定位的工件，其第一定位基準的位置誤差最小，第二定位基準次之，而第三定位基準的位置誤差最大。 2.2.3 定位誤差的計算 在本次設計中采用一面兩孔組合定位。 采用工件上一面兩孔組合定位時，根據工序加工要求可能采用平面為第一定位基準，也可能采用其中某一個內孔為第一定位基準。圖2-3所示為一長方體工件及其在一面兩銷上的定位情況，因系采用短定位銷，故工件底面1為第一定位基準，工件上的內孔及分別為第二和第三定位基準。 一批工件在夾具中定位時，工件上作為第一基準的底面1沒有基準位置誤差。由于定位孔較淺，其內孔中心線由于內孔與地面垂直度誤差而引起的基準位置誤差也可忽略不計。但作為第二、第三定位基準的、，由于與定位銷的配合間隙及兩孔、兩銷中心距誤差引起的基準位置誤差必須考慮。 圖2-4長方體工件在夾具中一面兩銷上的定位 Fig.2-3 The cubic work piece located in the jig with one plant and two positioning pin 根據上述，確定本次夾具設計采用底面為第一基準面，兩孔分別為第二和第三基準面。兩定位銷的尺寸及定位誤差的計算如下： 圖2-5 一面兩孔式，第二、第三定位基準的位置和角度誤差[10] Fig.2-4 At the same time two types, second, third localization datum position and angle error 根據圖2-4有： 1) 兩定位銷中心距 ==14.5 式中 ——工件兩定位孔的中心距 2) 兩定位銷中心距的公差 (2-1) 式中 ——工件兩定位孔的中心距公差 中心距公差 則兩定位銷中心 3) 圓柱銷直徑的公稱值　 =5 式中 ——與圓柱銷相配合的工件定位孔的最小直徑(mm) 　　公差選?。? 4) 菱形銷寬度　　 表2-1 及的推薦值(mm) Tab.2-1 b and B recommended value(mm) 定位孔直徑 3~6 >6~8 >8~20 2 3 4 -0.5 -1 -2 =5，因此得：=2, =0.5 5) 補償距離　　 (mm) (2-2) 式中 ——夾具圓柱銷與其相配合的工件定位孔間的最小間隙(mm) 圓柱銷的尺寸為，根據GB1801——79知該即尺寸為φ5-0.006 -0.0017。 由此可得 (mm) 則 (mm) 6) 菱形銷圓弧部分與其相配合的工件定位孔間的最小間隙　　 (mm) 式中 ——與菱形銷相配合的工件定位孔的最小直徑(mm) 7) 菱形銷最大直徑　　 (mm) 公差選取h5 8) 兩定位銷所產生的最大角度定位誤差　　 式中 ——夾具圓柱銷與其配合的工件定位孔間的最大間隙； 　　　——夾具菱形削與其配合的工件定位孔間的最大間隙應保證； 則　　 由于待加工孔未對其形位公差，因此允許些許偏差。 2.3 泵體蓋在夾具中的夾緊 工件在夾具中的裝夾是由定位和夾緊這兩個過程緊密聯系在一起的。僅僅定位好，在大多數場合下，還無法進行加工。只有進而在夾具上設置相應的夾緊裝置對工件實行夾緊，才能完成工件在夾具中裝夾的全部任務。 夾緊裝置的基本任務就是保持工件在定位中所獲得的既定位置，以便在切削力、重力、慣性力等外力作用下，不發(fā)生移動和振動，確保加工質量和生產安全。有時工件的定位是在夾緊過程中實現的，正確的夾緊還能糾正工件定位的不正確位置。 2.3.1 夾緊裝置的組成 一般夾緊裝置由下面兩個基本部分組成。 1) 動力源 即產生原始作用力的部分。如果用人的體力對工件進行夾緊，稱為手動夾緊；如果用氣動、液壓、氣液聯合、電動以及機床的運動等動力裝置來代替人力進行夾緊，則稱為機動夾緊。 2) 夾緊機構 即接受和傳遞原始作用力，使之變?yōu)閵A緊力，并執(zhí)行夾緊任務的部分。它包括中間遞力機構和夾緊元件。中間遞力機構把來自人力或動力裝置的力傳遞給夾緊元件，再由夾緊元件直接與工件接觸，最終完成夾緊任務。 根據動力源的不同和工件夾緊的實際需要，一般中間遞力機構在傳遞夾緊力的過程中，可以起到以下作用： a 改變作用力的方向； b 改變作用力的大?。? c 具有一定的自鎖性能，以保證夾緊可靠，在手動夾緊時尤為重要。 本次設計采用手動夾緊方式。 2.3.2 夾緊力的確定 1) 夾緊力的方向 夾緊力應垂直于主要定位基準面[11]。為使夾緊力有助于定位，則工件應緊靠支撐點，并保證各個定位基準與定位元件接觸可靠。一般地講，工件的主要定位基準面其面積較大、精度較高，限制的不定度多，夾緊力垂直作用于此面上，有利于保證工件的加工質量。 夾緊力的方向應有利于減小夾緊力。圖2-4所示為工件安裝時的重力、切削力和夾緊力之間的相互關系。其中圖(a)最好，圖(d)最差。 圖2-4 夾緊力與切削力、重力的關系 Fig.2-4 Clamps the strength and the cutting force、the gravity relations 圖（a） 圖（b） 圖（c） 圖（d） 圖（e） 下面分析三力互相垂直的情況下，切削力與夾緊力間的比例關系。圖2-5為在臥式銑床上銑一用臺鉗夾緊的工件。 圖2-5 銑削時Fr、W、G間的關系 Fig.2-5 The relations of Fr、W、G When milling 當重量G很小而可以忽略不計時，只考慮夾緊力W與切削力的平衡，按靜力平衡條件 =W+W (2-3) (2-4) 式中 ——工件的定位基準與夾具定位元件工作表面間的摩擦系數，＝0.15～0.25; ——工件的夾壓表面與夾緊元件間的摩擦系數，＝0.15～0.25; 因此 (2-5) 可見在依靠摩擦力克服切削力的情況下，所需要的夾緊力是很大的。 在夾緊力工件時各種不同接觸面之間的摩擦系數可見表。 表3-2 各種不同接觸表面之間的摩擦系數 Tab.3-2 Between each kind of different faying surface friction coefficient 接觸表面的形式 摩擦系數 接觸表面均為加工過的光滑表面 0.15～0.25 工件表面為毛坯，夾具的支承面為球面 0.2~0.3 夾具定位或夾緊元件的淬硬表面在沿主切削力方向有齒紋 0.3 夾具定位或夾緊元件的淬硬表面在垂直于主切削力的方向有齒紋 0.4 夾具定位或夾緊元件的淬硬表面有相互垂直齒紋 0.4~0.5 夾具定位或夾緊元件的淬硬表面有網狀齒紋 0.7~0.8 為了減小夾緊力，可以在正對切削力F的作用方向，設置一支承元件（圖2-6中之T）。這種支承不用作定位，而是用來防止工件在加工中移動。 圖2-6 承受切削力支承 Tab.2-6 Bear cutting force supports 如圖2-5所示，當圓柱銑刀切入全深時，作用于工件上的切削分力、的合力有使工件平移抬起的趨勢。為此可用圖2-6所示之壓塊，使夾緊力一力兩用。 在鉆床上對工件鉆孔時，為了減小夾緊力，應力求使主要定位基準面處于水平位置，使夾緊力、重力和切削力同向，都垂直作用在主要定位基準面上。見圖2-7(a)所示。 反之，當夾緊力與切削力及工件重力方向相反時，所需的夾緊力很大，W=F+G。例如在殼體凸緣上鉆孔時，由于殼體較高，工件只能倒裝。這種安裝方式在圖2-7(b)中的F和G均有使夾緊機構脫開的趨勢，因此需要施加較大的夾緊力W。 圖2-7 鉆削時W、F、G間的關系 Fig.2-7 The relations of W, F, G when Drills truncates 2) 夾緊力的作用點 夾緊力的作用點是指夾緊元件與工件相接觸的一小塊面積。選擇作用點的問題是在夾緊力方向已定的情況下才提出來的。選擇夾緊力作用點位置和數目時，應考慮工件定位可靠，防止夾緊變形，確保工序的加工精度。 a 夾緊力的作用點應能保持工件定位穩(wěn)定，而不致引起工件發(fā)生位移和偏轉。 當夾緊力雖然朝向主要定位基面，但作用點卻在支承范圍以外時，夾緊力與支反力構成力矩，夾緊時工件將發(fā)生偏轉，使定位基面與支承元件脫離，以至破壞原有定位。應使夾緊力作用在穩(wěn)定區(qū)域內。 b 夾緊力的作用點，應使被夾緊工件的夾緊變形盡可能小。 對于箱體、殼體、桿叉類工件，要特別注意選擇力的作用點問題。 在使用夾具時，為盡量減少工件的夾緊變形，可采用增大工件受力面積的措施。采用具有較大弧面的夾爪來防止薄壁套筒變形；可在壓板下增加墊圈，使夾緊力均勻地作用在薄壁 夾緊力的大小必須適當。當夾緊力過小，工件可能在加工過程中移動而破壞定位，不僅影響質量，還能造成事故；夾緊力過大，不但會使工件和夾具產生變形，對加工質量不利，而且造成人力、物力的浪費。 計算夾緊力，通常將夾具和工件看成一個剛性系統(tǒng)以簡化計算。然后根據工件受切削力、夾緊力（大工件還應考慮重力，高速運動的工件還應考慮慣性力等）后處于靜力平衡條件，計算出理論夾緊力，再乘以安全系數，作為實際所需的夾緊力，即 (2-6) 式中 ——實際所需要的夾緊力 (N)； ——按力平衡條件計算之夾緊力 (N)； ——安全系數，根據生產經驗，一般?。?.5～3。 用于粗加工時，?。?.5～3；用于精加工時，?。?.5～2。 夾緊工件所需夾緊力的大小，除與切削力的大小有關外，還與切削力對定位支撐的作用方向有關。 2.3.3 夾緊機構的選擇及設計 從前面提到的夾緊裝置組成中可以看出，不論采用何種力源（手動或機動）形式，一切外加的作用力要轉化為夾緊力均需通過夾緊機構。因此，夾緊機構是夾緊裝置中的一個很重要的組成部分。 夾緊機構可分為斜楔夾緊機構、螺旋夾緊機構、偏心夾緊機構、定心對中夾緊機構等。斜楔夾緊機構中最基本的形式之一，螺旋夾緊機構 、偏心夾緊機構及定心對中夾緊機構等都是斜楔夾緊機構的變型。 斜楔夾緊機構主要是利用其斜楔面移動時所產生的壓力來夾緊工件的，亦即一般所謂的楔緊作用。斜楔的斜度一般為1:10，其斜度的大小主要是根據滿足斜楔的自鎖條件來確定。 一般對夾具的夾緊機構，都要求具有自鎖性能。所謂自鎖，也就是當外加的作用力Q一旦消失或撤除后，夾緊機構在純摩擦力的作用下，仍應保持其處于夾緊狀態(tài)而不松開。 螺旋夾緊機構中所用的螺旋，實際上相當于把斜楔繞在圓柱體上因它的夾緊作用原理與斜楔時一樣的。不過這里是通過轉動螺旋，使繞在圓柱體上的斜楔高度發(fā)生變化來夾緊工件的。本次工件夾緊便采用螺旋夾緊機構． 1) 夾緊形式所需夾緊力的計算 圖2-8 工件的受力分析 Fig.2-8 Work piece stress analysis (2-7) 式中 ——夾緊元件與工件間的摩擦因數 ——工件與夾具支撐面間的摩擦因數 根據式(2-1)可得： N 再由表(2-2)及式(2-5)可得： N 2) 螺旋夾緊機構所需作用力的計算 圖2-9 夾緊力作用簡圖 Fig.2-9 Clamps the action of force diagram 根據圖3-9可計算所需作用力 (N·m) (2-8) 式中 ——應在螺旋夾緊機構上的夾緊轉矩 (N·m)； ——單個螺旋夾緊產生的夾緊力 (N)； ——螺桿端部與工件間的當量摩擦半徑（mm），其值視螺桿端部的結構形式而定； ——作用力臂； ——螺桿端部與工件間摩擦角（°）； ——螺紋升角，(°)； ——螺紋中徑之半（mm）； ——螺旋副的當量摩擦角(°)，，式中為螺旋副的摩擦角(°)，為螺紋牙型半角(°)。 為計算方便，令，則 當采用公制螺紋夾緊機構時，各種不同夾緊情況的K值可在K的數值表中查詢。 2.4 導向元件的設計 導向元件主要使用來確定刀具與工件的相對位置，加工時起刀正確引導刀具的作用。另外，它還可作定位元件使用。這類元件包括各種鉆模板、鉆套、鉸套和導向支承等。 2.4.1 鉆模板的類型與選擇 鉆模板是組裝鉆床夾具不可缺少的重要元件，鉆床夾具在組合夾具中所占數量最多，因此鉆模板的結構形式有22類，尺寸規(guī)格有92種之多。在組裝鉆床夾具時，要根據孔的直徑和位置來選擇相應孔徑和外形尺寸的鉆模板。鉆模板孔徑大小要與標準的鉆套外徑一致，因此鉆模板孔徑大小與被加工孔徑大小有關。選用時可參見表2-3。 表2-3 鉆模板孔徑選擇表 Tab.2-3 Drills the template aperture choice table 被加工孔直徑 鉆模板孔徑 3～4.5 3～8 8～14 14～20 20~28 28~38 38~48 8 12 18 26 35 45 58 按鉆模板底面分，有帶定位槽和不帶定位槽的兩種。前者可利用定位鍵直接在支承元件導向，以調整其適宜位置，而后者則需與專用的導向支承元件相配合使用。 大多數鉆模板的鉆套定位孔偏于一端，組裝成懸臂式鉆模。這種鉆模多用于較小孔徑的加工。對于定位孔在中間的叫中孔鉆模板，它適用于鉆削大孔用，或用支撐元件組裝成橋式鉆模夾具以增加其剛性。 立式鉆模板適用于加工孔間距小的工件，由于鉆模厚度加大，使其剛度增強，可使鉆模板增大其懸伸長度，或使相鄰鉆模板之間相互靠近。 2.4.2 鉆套的選擇與設計 夾具在機床上安裝完畢，在進行加工之前，尚需進行夾具的對刀，使刀具相對夾具定位元件處于正確位置[12]。 在鉆床夾具中，通常用鉆套實現刀具的對準，如圖3-9所示，加工中只要鉆頭對準鉆套，所鉆孔的位置就能達到工序要求