法蘭盤工藝設計與數(shù)控加工

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上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 法蘭盤工藝設計與數(shù)控加工 1 摘 要 本課題完成法蘭盤工藝設計與數(shù)控加工。法蘭盤是使管子與管子相互連接的零件，連接于管端。法蘭上有孔眼 ，兩個法蘭盤之間，加上法蘭墊，用螺栓緊固在一起，完成了連接。 本次設計主要完成以下設計內容：法蘭盤的零件圖紙與技術要求分析、 零件二維圖繪制及 三維建模；制定數(shù)控加工工藝卡片文件；零件的夾具設計并進行夾具圖 二維圖 繪制；對零件進行加工仿真。根據(jù)鍛件的形狀特點、零件尺寸及精度，選定合適的機床設備以及夾具設計，通過準確的計算并查閱設計手冊，確定了法蘭盤的尺寸及精度，在材料的選取及技術要求上也作出了詳細說明 ，并在結合理論知識的基礎上，借助于計算機輔助軟件繪制了各部分零件及裝配體的工程圖 ,以保障法蘭盤的加工制造。 在夾具的設計過程中，主要以可換圓柱銷、可換菱形銷、定位心軸和支承釘 來定位，靠 六角厚螺母 來夾緊。首先在數(shù)控車床上，完成零件的外圓及端面加工；再在數(shù)控銑床上，完成零件端面上 61 沉孔 及 3孔的加工；最后采用專用夾具以 Φ 16 孔以及 61 沉孔其中兩孔 定位進行外圓上 Φ 10 孔的 加工。 關鍵字： 法蘭盤， 數(shù)控加工工藝 ，數(shù)控編程，夾具設計， 仿真加工 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 法蘭盤工藝設計與數(shù)控加工 2 法蘭盤工藝設計與數(shù)控加工 姓名 學號 0 引言 述 本課題起源于裝配制造業(yè)法蘭盤工藝設計與數(shù)控技術，通過此次畢業(yè)設計，可以 初步掌握 對中等復雜零件進行 數(shù)控加工工藝規(guī)程的編制，學會查閱有關資料，能合理編制 數(shù)控 加工 過程卡片 、 數(shù)控 加工工序卡片、數(shù)控加工 刀具 卡片 、數(shù)控編程 等工藝文件，能合理的確定加工工序的定位與夾緊方案。 能使用 通過 使用 零件 進行 三維圖 的 繪制， 可以 提高結構設計能力 及建模能力 。 編寫符合要求的設計說明書，并正確繪制有關圖表。在畢業(yè)設計工作中， 學會 綜合運用多學科的理論知識與實際操 作技能，分析與解決設計任務書中的相關問題。在畢業(yè)設計中，綜合運用數(shù)控加工刀具和 數(shù)控 工藝、工裝夾具的設計等專業(yè)知識來分析與解決畢業(yè)設計中的相關問題。 依據(jù)技術課題任務，進行資料的調研、收集、加工與整理和正確使用工具書；掌握有關工程設計的程序、方法與技術規(guī)范；掌握實驗、測試等科學研究的基本方法；以及與解決工程實際問題的能力。 設計的主要工作內容 本次對于法蘭盤工藝設計及數(shù)控加工的主要任務是： （ 1）分析零件圖紙與技術要求； 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 法蘭盤工藝設計與數(shù)控加工 3 （ 2）三維建模。根據(jù)零件二維視圖建立三維視圖； （ 3）制定機械加工工藝文件。根 據(jù)產(chǎn)品技術資料、 生產(chǎn)條件與生產(chǎn)綱領，制定零件機械加工工藝規(guī)程，編寫工藝規(guī)程卡片； （ 4）夾具設計。繪制工件夾具圖； （ 5）編制數(shù)控加工程序、仿真加工與課題制作 （ 6）工件檢驗。選用合理的測量工具與設備檢驗工件的加工質量。 在這整個過程中，綜合運用多學科的理論、知識與技能，分析與解決實際相關問題。 1 零件分析 件圖分析 圖 示為 法蘭盤零件二維圖，其 結構形狀 較復雜 ， 中 批 量 生產(chǎn)1000 件 。圖 零件的三維圖。 圖 蘭盤零件二維圖 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 法蘭盤工藝設計與數(shù)控加工 4 圖 蘭盤 三維圖 該零件材料為 45鋼，毛坯為鍛件，主要應用于裝配管子 ，起 管子 的連接及固定作用，為中批量生產(chǎn)類型產(chǎn)品。該零件為由外圓、內圓、沉孔、內孔、倒斜角 等表面組成，加工表面較多且都為平面及各種孔，因此適合采用加工中心加工。 術要求分析 （ 1）結構分析 零件由 外圓、內圓、沉孔、內孔、倒斜角 等構成。 （ 2）尺寸精度分析 加工精度是指零件在加工后的幾何參數(shù)的實際值和理論值符合的程度。尺寸精度是指 實際尺寸變化所達到的標準公差的等級范圍。 如圖 工要求較高的尺寸列出如下表格，如表 示。 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 法蘭盤工藝設計與數(shù)控加工 5 （ 3） 形位公差 分析 加工后的零 件不僅有尺寸誤差，構成零件幾何特征的點、線、面的實際形狀或相互位置與理想幾何體規(guī)定的形狀和相互位置還不可避免地存在差異，這種狀上的差異就是形狀誤差，而相互位置的差異就是位置誤差，統(tǒng)稱為形位誤差 。 （ 4）毛坯加工余量分析 工件粗加工的余量為 精加工為 加工為 （ 5）粗糙度分析 表面粗糙度，是指加工后的零件表面上具有的較小間距和微小峰谷所組成的微觀幾何形狀特征，一般是由所采取的加工方法和 (或）其他因素形成的。表面粗糙度高度參數(shù)有 3種：輪廓算術平均偏差 觀不 平度 十點高度 及 輪廓最 大高度 該零件主要由 外圓、內圓、沉孔及內孔 組成， 具體表示為 φ 55 外圓 、φ 52 外圓 、φ 90 外圓 、 61 沉孔、 3 內孔、 φ 10 內孔、 φ 32 內圓、φ 16 內圓 。粗糙度皆為 表 寸精度 結構 尺寸 形狀 位置 Φ 10孔 Φ 10 Φ 90柱面 Φ 11 沉孔 Φ 11孔 Φ 90柱面 角 45° 倒角 Φ 32柱面 內側 Φ 5孔 Φ 5孔 Φ 10柱面 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 法蘭盤工藝設計與數(shù)控加工 6 2 零件的數(shù)控加工工藝設計 定毛坯 根據(jù)零件的加工前尺寸及考慮夾具方案的設計，選擇的毛坯材料牌號為 45 鋼，毛坯種類為鍛件，毛坯外形尺寸為 Φ 9545圖 示。 圖 蘭盤加工前 三維圖 擇定位基準 選擇定位基準時， 首先 是從保證工件加工精度要求出發(fā)的，因此，選擇定位基準 時 先選擇 粗 基準，再選擇 精 基準。 基準的選擇 ： 按照粗基準的選擇原則，為保證不加工表面和加工表面的位置要求，應選擇不加工表面為粗基準，故在加工 Φ 16Φ 90 外圓 及 Φ 55 外上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 法蘭盤工藝設計與數(shù)控加工 7 圓時， 選擇 Φ 95粗基準。 基準的選擇 ： 按照精基準的選擇 原則， 為符合 基準重合原則 以及 基準統(tǒng)一原則 ，故在加工 Φ 52 外圓、 Φ 90外圓、 Φ 32 內圓、 Φ 10 內孔、 61 沉孔及 3 內孔 時，選擇 Φ 55外圓及 Φ 16內圓作 為 精基準。 藝路線的設計 （ 1） 工藝路線的設計 為保證幾何形狀、尺寸精度、位置精度及各項技術要求，必須判定合理的工藝路線。 由于生產(chǎn)綱領為成批生產(chǎn)，所以 式加工中心配以專用的工、夾、量具，并考慮工序集中，以提高生產(chǎn)率和減少機床數(shù)量，使生產(chǎn)成本下降。 針對零件圖樣 確定 零件的加工工序為： 工序一： （ Φ 95毛坯外圓 定位） 1)粗 車外圓及端面 。 2)精 車外圓至尺寸要求，留總厚余量 2 3)鉆 Φ 16孔中心孔 。 4)粗鉆擴 Φ 16孔。 5)精鉆擴 Φ 16孔至尺寸要求。 6)倒圓角 工序二：（ Φ 55圓柱面 定位 ） 1)粗車 外圓及端面。 2)精車外圓及端面至尺寸要求。 3)鉆 Φ 32 孔中心孔。 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 法蘭盤工藝設計與數(shù)控加工 8 4)粗鉆鉸锪 Φ 32 孔。 5)精鉆鉸锪 Φ 32 孔至尺寸要求。 6)倒角 工序 三 ：（ Φ 16孔及工件下平面 定位） 1)鉆 61沉孔及 3內孔 中心孔。 2)粗鉆鉸 61 沉孔及 3內孔。 3)精鉆鉸 61 沉孔及 3內孔至 尺寸要求。 工序 四 ：（ Φ 16孔及工件上平面 定位） 1)鉆 Φ 10 孔中心孔。 2)粗鉸 Φ 10 孔。 3)精鉸 Φ 10 孔至尺寸要求。 4)所 有 面去銳邊毛刺 。 定切削用量和工時定額 切削用量包括背吃刀量、 進給速度或 進給量、主軸轉速 或 切削速度 （用于恒線速切削） 。其具體步驟是：先選取背吃刀量，其次確定進給速度，最后確定切削速度。（參考資料《 數(shù)控加工工藝及設備 》） 工時定額包括基本時間、輔助時間、地點工作服務時間、休息和自然需要時間以及準備終結時間 。 吃刀量根據(jù)零件圖樣知工件表面粗糙度要求為 全部 故 分為粗 車、 半精車、 精 車三 步 進行 。 因此選擇 粗 車 的背吃刀量 為 精 車的 背吃刀量取 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 法蘭盤工藝設計與數(shù)控加工 9 車時背 吃刀量 取 給量 由文獻 [10]表 選擇粗車時： z；精車時：z 削速度由文獻 [10]表 選擇粗車時： 主軸轉速 n=900r/車時：主軸轉速 n=1000r/ 因此，相應的切削速度分別為： 粗銑時： m i n/i n/1000 900161000 c ????? ??精銑時： m i n/i n/1000 1000201000 c ????? ??時定額的確定 根據(jù)夾具的設計，下面計算工序四中 Φ 10額。 （ 1） 基本時間 由文獻 [8]得，鉆孔的計算公式為： 1 ???基本)2~1(c o ? 4~12 ?L ，鉆盲孔時， 2L =0； L=17， 2L =0， f=n=1000； 因此 8c o ???L 所以 m 3 ? ???基本T（ 2） 輔助時間 文獻 [8]確定 開停車 降鉆桿 海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 法蘭盤工藝設計與數(shù)控加工 10 主軸運轉 除鐵屑 尺測量 卸工件時間 由文獻 [8]取 1以輔助時間 輔助T=（ ） 3） 地點工作服務時間 由文獻 [8]確定 取 %3?? ， 則 m i 8 1 m i ?????? ）（輔助基本服務 ?4） 休息和自然需要時間 由文獻 [8]確定 取 %3?? ， 則 m i 8 1 m i ?????? ）（輔助基本休息 ?5） 準 備終結時間 由文獻 [8]，部分時間確定 簡單件 26度定位 降鉆桿 6設計給定 1000件，則 m i 2 i 0 0/) ????6） 單件時間 m i i n)1 03 81 51. 190. 08 2(??????????? 準終服務休息輔助基本總 （ 7） 單件計算時間 m i i n) ????? 文） 法蘭盤工藝設計與數(shù)控加工 11 工序的設備、刀具、量具的設計 (1) 選擇 工機床 根據(jù) 藝路線的設計 的工序安排， 由于零件 的復雜性及加工部位多， 故選擇 立 式加工中心。 加工內容有：車外圓、鉆孔、鉸孔及倒角等，所需刀具不超過 20把。選用 立 式 加工中心即可滿足上述要求。 本設計選用 8 式數(shù)控加工中心，如圖1 所示。 圖 1 式數(shù)控加工中 心 (2) 機床 主要技術參數(shù) 工作臺面積 (長×寬 ) 900× 400 作臺左右行程 ( 630 作臺前后行程 ( 400 軸上、下行程 ( 500 作臺最大承重 600 海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 法蘭盤工藝設計與數(shù)控加工 12 主軸端面至工作臺面距離 250— 760 軸錐孔 庫容量 ≥ 12 把 刀具最大尺寸 φ 100× 250 軸最高轉速 8000 給速度 5mm/速移動速度 20000 mm/電機功率 1位精度 X:Y、 Z： 程 重復定位精度 X:Y、 Z:進給電機扭矩 控系統(tǒng) 補方式 直線插補、圓弧插補 （ 3） 機床性能 縱床身，橫工作臺，單立柱立式加工中心機床 ； 可以實現(xiàn) X、Y、 Z 任意坐標移動以及三坐標聯(lián)動控制 ； X、 Y、 Z 三坐標軸伺服進給采用交流伺服電機，運動平穩(wěn) ； X、 Y、 進口滾珠絲杠專用軸承支承 ； 主軸采用交流伺服調速電機，其額定功率11主軸最高轉速為 8000軸軸承采用高速、高精度主軸軸承，油循環(huán)冷卻 ； 采用蝶形彈簧夾緊刀具，氣壓松刀 ； 刀庫為 20把刀的斗笠式刀庫，無機械手換刀。 藝文件的設計 根據(jù) 藝路線的設計 的工序安排，編出機械加工工藝過程卡片上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 法蘭盤工藝設計與數(shù)控加工 13 及工序卡片。見 附表 1~3： 機械加工工藝過程卡片； 附表 4~7： 數(shù)控加工工序卡； 附表 11~16：數(shù)控加工進給路線圖。 控加工刀具卡片的設計 根據(jù) 藝路線的設計 的工序安排，編出 機械加工刀具卡片。見附表 8~10： 機械加 工刀具卡片。 控編程 根據(jù) 藝路線的設計 的工序安排，編出數(shù)控加工程序。見 附表17： 數(shù)控加工程序 。 3 法蘭盤鉆 Φ 10孔 夾具工序工藝裝備的設計 具設計方案的設計 根據(jù) 法蘭盤 的特點對夾具提出了兩個基本要求：一是保證夾具的坐標方向與機床的坐標方向相對固定。二是要能協(xié)調 法蘭盤 零件與機床坐標系的尺寸。除此之外，重點考慮 以 下幾點： 1、在成批生產(chǎn)時，才考慮采用專用夾具，并力求結構簡單。 2、夾具上個零件部件應 不 妨礙機床對零件各表面的加工，即夾具要敞開，其定位。夾緊原件不能影響加工中 的走刀。 根據(jù)課題要求，批量生產(chǎn) 1000件 法蘭盤 零件，故需要設計專用夾具進行裝夾。 具的定位方案的設計 工件定位方案的確定，首先應考慮滿足加工要求。按基準重合原則，選用 Φ 18 孔 以及工 件底平 面作 為定位基準，定位方案如圖 3 平面機構自由度計算公式為： ?? 23 ， 其中： n 為活動構件， n= 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 法蘭盤工藝設計與數(shù)控加工 14 — 低副； — 高副； 所以： 00322323 ????????? 個支承釘 及定位心軸 限制工件的 x、 動度以及 z 方向的 移動 度， 可換圓柱銷及可換菱形銷 限制工件的 x、 y 方向的 的移動 度 以及 z 方向的轉動度 。 圖 3蘭盤的定位方案 具的夾緊方案的確定 工件夾緊方案的確定，取工件 的 Φ 55 圓柱端面進行 夾緊，采用 六角厚螺母 夾緊機構，如圖 3采用 六角厚螺母 夾緊機構， 在夾具設計過程中，以考慮工件的受力情況，故在 Φ 55 圓柱端面與 六角厚螺母之間增加平墊圈，平墊圈在此處起到緩沖、平衡受力及保護端面不受傷害的作用。 采用 六角厚螺母 通過 平墊圈 將工件在 側面 夾緊，其結構緊湊、操作方便。 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 法蘭盤工藝設計與數(shù)控加工 15 圖 3蘭盤的夾緊方案 具對刀裝置方案的確定 因考慮零件的復雜性，故將夾具 本次零件加工選擇機 床對刀點在工件坐標系的 Φ 95 外圓 上，這有利于保證精度，減少誤差。 采用試切的對刀方法：具體步驟為該零件選擇 Φ 95 外圓為 編程零點，本次試切首先選擇零件的右側面為試 切點 ，左右撥動主軸，手輪移動 刀具微碰零件， 此時記下 X 的機械坐標輸入到 X 中 ，本次試切再選擇零件的外圓頂點為試切點 ， 上下 撥動主軸，手輪移動 刀具微碰零件， 此時記下 Y 的機械坐標輸入到 Y 中，至此， X， Y 軸對刀完成； 以工件 外圓頂點 為 0 點，將銑刀擦到工件表面，記下此時 Z 軸的機械坐標，輸入到 。 具與機床連接方案的設計 因考慮零件的加工復雜性，本套夾具選擇孔系夾具，它的元件以孔定位，螺紋連接，元件定位精度高，夾具的組裝簡便，剛性好，又 便于數(shù)控機床編制加工程序。 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 法蘭盤工藝設計與數(shù)控加工 16 具的結構設計 在 選擇夾具體的毛坯的結構時， 從 結構合理性、工藝性、經(jīng)濟性、標準化的可能性以及工廠的具體條件為依據(jù)綜合考慮。在《機床夾具設計手冊》表 1各種夾具體毛坯結構的特點和應用場合。則選鑄造結構，因為其可鑄造出復雜的結構形狀?？箟簭姸却?，抗振性好。易于加工，但制造周期長，易產(chǎn)生內應力，故應進行時效處理。材料多采用 在夾具體上還進行倒角，以便增加夾具的強度及剛度。 具的理論計算 位誤差的分析與計算 本套夾 具是定位誤差主要是一面兩孔定位所產(chǎn)生的，因此只需計算兩定位銷的定位誤差即可。 1）確定定位銷中心距及尺寸公差 取 ??? ?? 故兩定位銷中心距為 71± ）確定圓柱銷尺寸及公差 取 Φ 11 11 ）參考文獻 [8]中表 4b 及 取 1b =4B= 11）確定菱形銷的直徑尺寸及公差 取補償值： a= （ 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 法蘭盤工藝設計與數(shù)控加工 17 5 i i ???? 所以 m i i a ????菱形銷與孔的配合取 下偏差為 菱形銷直徑為 Φ ? 11 以 ?1 ) 計算定位誤差 基準位移誤差為： 4 0 0 0 1 2 7.0[m i ?????????? ??轉角誤差為： 142 r c t a (a r c t a r c t a n m a a ? ??????? L 413 ??????，雙向轉角誤差為 826 ?? 。 緊力的分析與計算 本套夾具靠六角厚螺母 實現(xiàn)夾緊。因此，夾緊力的計算則在于六角厚螺母所需的力。 六角厚螺母夾緊 力 ? ?? ??? ??? ta n ……………………………………………（ Q — 夾緊力，； ? — 螺紋升角， 22 ?? ； ? — 螺紋摩擦角， ? = ?10 ； ? — 支撐表面摩擦力矩的計算力臂，選擇 51531310 ???? d?； f — 螺母支撐面的摩擦因素，選擇 f = 通過計算， 需夾緊力為： T=180N 因為 六角厚螺母需在兩端進行夾緊 ，故夾緊力為雙倍。 因此總共所需夾緊力為： T 總 =2T=180N× 2=360N 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 法蘭盤工藝設計與數(shù)控加工 18 具的使用操作說明 本夾具用于加工法蘭盤的 ?11 孔（工件材料 45 鋼）。工件以 ?32 和 ?16孔、 ?11 孔分別在定位心軸 8、可換定位銷 7 及 可換定位銷 9上定位，通過在定位心軸 8上旋動六角厚螺母 4使平墊圈 3 接觸工作，從而達到夾緊工件的效果。 4 零件的仿真加工 圖 4 3孔中心孔 圖 4 61 沉孔中心孔 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 法蘭盤工藝設計與數(shù)控加工 19 圖 4 3孔 圖 4 6孔 圖 4 61 孔 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 法蘭盤工藝設計與數(shù)控加工 20 圖 4 Φ 10 孔中心孔 圖 4 Φ 10 孔 5 結論 （ 1） 通過對零件和夾具的三維造型，實戰(zhàn)練習了 維造型軟件的造型模塊和 深了 （ 2） 通過對夾具的理論計算，證 明本套夾具具有可行性。 （ 3） 通過對零件的加工仿真，證明數(shù)控加工程序具有可行性。 （ 4） 通過對夾具的三維建模，證明夾具的設計具有可行性。 （ 5） 對 使用 需要多加熟練。 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 法蘭盤工藝設計與數(shù)控加工 21 （ 6） 在進行 維建模時，了解了 計算機輔助制圖編程軟件的功能及使用方法 。 （ 7） 在用 軟件時，還需要多熟練快捷鍵的使用，從而提高效率。 （ 8） 設計過程中應用到的材料力學、機械原理、機械設計、 數(shù)控編程 等方面的知識。通過設計，加深了 對 所學知識在腦海中的印象，并提高了在實際中應用所學知識的能力。 同時，也認識到 數(shù)控技術的應用 不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，是制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術的不斷發(fā)展和應用領域的擴大， 它 對國際民生的一些重要行業(yè)的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 法蘭盤工藝設計與數(shù)控加工 22 參考文獻 [1] 洪如瑾 速入門指導 2006. 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