1.加工工艺和夹具设计原理
1.1 加工工艺
(1)在普通车床上粗、精车各外圆台阶和 M30×1.5 螺纹。
(2)在钻床上用钻模定位钻出 准86 外圆平面上的三个均布通孔 准11。
(3)在立式铣床上铣削加工出 M30×1.5 螺纹上的键槽。
(4)在外圆磨床上精磨 φ380-0.035 外圆。
(5) 在车床上用专用夹具以 准380-0.035外圆为定位基准, 加工 R74的圆弧表面, 此时, 实际上己把 R74 的圆弧表面的加工转变为镗削准148 的孔径加工。
1.2 夹具设计原理
夹具设计的原理是通过夹具安装工件,使工件待加工圆弧 R74 的圆心处在主轴轴线上。因此只需将基准轴轴线相对于主轴轴线平行偏离一个准确的距离(偏心距)即可。 如(图 3)所示:
在夹具盘圆周面上可均匀分布同时安装六个零件进行一次装夹同时加工。利用削边销采用工件上已钻削出的三个均布孔中的其中一个作为工件止转定位,可保证圆弧表面的位置精度。 如(图 4)所示:
2.自由度限制分析
工件在夹具上安装进行圆弧表面的加工需要限制工件的六个自由度。 夹具体的大平面限制了工件的三个自由度,止转削边销限制了一个自由度,圆柱孔定位限制了两个自由度。 如(图 5)所示:
(1) 大平面定位相当于三个支承点限制了工件的三个自由度,X移动、y移动、Z移动。
(2)止转削边销定位相当于一个支承点 ,它限制了工件的一个自由度 X转动。
(3)圆柱孔表面定位相当于二个支承点 ,它限制了二个自由度 Y转动、Z转动。
3.定位误差和定位精度的分析
由自山度限制分析可知,夹具采用了大平面、圆柱孔、止转圆柱销进行定位,将会产生一定的定位误差,要保证圆弧面与工件轴线的距离及圆弧面在工件轴线中的对称要求,必须使工件在夹具中的定位误差满足定位精度要求。
3.1 尺寸链分析
准380-0.035轴与孔 准38H6(+00.016)的最大间隙为:
0.016-(-0.035)=0.051
则工件轴线与主轴轴线距离为:
100.025+0.051=100.076
若 R74 转为 准148 孔径加工时控制公差为±0.05mm,则:
(1)圆弧面与工件轴线的最大距离为:
100.076-73.975=26.101<26.26
(2)圆弧面与工件轴线的最小距离为:
99.924-74.025=25.899>25.74
故满足圆弧面与工件轴线的距离要求, 同时 准148 孔径控制在公差为±0.05mm 时,也满足 R74 圆弧的精度要求。
3.2 转角误差对圆弧面对称度的影响分析
工件采用一孔两面定位时,由于两个定位副是柱面会产生一定的转角误差,其转角误差与轴孔配合的最大间隙、中心距有关。分析计算如下:
(1)圆柱孔和圆柱销定位对工件自身产生转动角度的误差。
准38 孔与轴最大间隙 X1max=0.051,准11 孔与圆柱销配合最大间隙为 X2max=0.45,中心距为 33mm,根据转角误差计算公式可得:△a=tg-1(X1max+X2ma)/2L△a=tg-17.5909090901-3≈0.4350
由此可知转角误差较小,对工件圆弧面的对称度影响不大,能满足图纸要求。
(2)圆柱销定位,使工件相对夹具轴线所产生的转角误差为:
△销=tg-10.45/2×133≈0.0970
其转角误差极小,故对工件圆弧面的对称度影响不大,能满足图纸要求。
(3)圆柱孔定位,使工件相对夹具轴线所产生的转角误差为:
△孔=tg-10.051/2×100≈0.0150
其转角误差更小,故对工件圆弧面的对称度影响不大,能满足图纸要求。
△总=△销+△孔=0.0969288570+0.014610420≈0.1120
因转角误差很小,故工件在夹具中定位不影响工件圆弧面在工件中的对称性。
4.夹具体可安装工件个数检验
根据图纸要求, 工件轴线应处于夹具回转盘的 准200mm 圆周上,夹具盘表面所能容纳工件安装的个数受夹具体中心与工件最大外圆处的两条切线所夹的角度影响,如(如图 6)所示,其夹角为 50°56′,则盘面最多可容纳工件个数为:
n=360° / 50°56′=7.068(个)
故选择在夹具体盘面上均布安装六个工件能满足要求。
另夹具盘最大外径的选择与工件最大外径及工件在夹具盘中安装的偏心距有关:2×100+86=286(mm)故选择央具盘最大外径为 准290mm≥286mm 能满足要求。
5.受力分析和强度校核
5.1 受力分析
加工 R74 圆弧面时,由于切削力的影响,圆柱止转削边销轴会受到切削力影响造成的一个剪应力的剪切作用,且工件旋转时由于工件的中心不在旋转中心使得工件产生离心力, 使圆柱止转削边销轴受力,剪应力和离心力的作用会使圆柱止转削边销轴产生剪切变形。 因采用多件同时加工,六个工件在夹具盘中的安装是均布的,故离心力得于消除,因孔、轴配合的间隙影响,为保证加工过程中工件位置不发生变化,必须具有足够的夹紧力,夹紧力的大小要能克服工件的位置变动。
5.2 强度校核
通过受力分析可知,圆柱止转削边销的变形量大小主要受剪应力和离心力的影响。 剪应力的大小主要由主切削力决定,离心力的大小主要由离心半径、工件偏重、角速度等决定,因工件在夹具体盘面均匀分布离心力得以消除;故圆柱止转削边销轴的强度必须能够克服主切削力造成的剪应力。
(1)主切削力的计算:根据主切削力的近似计算公式,主切削力的大小主要与工件材料、切削深度和进给量有关。 Fz=2000apf(出自劳动出版社 96 新版《车工工艺》第七章第三节),工件材料位钢件、若车削时选取 ap=1mm、f=0.117mm/r,则:
Fz=2000×1×0.117=234(N)
(2)剪应力的计算 :根据圆柱止转削边销轴直径为 准10mm、截面积 A=πR2=3.14×52≈0.00785(M2)。τ=Q/A=FZ/A=234÷0.00785=29808.9172 (Pa)≈29.809(Mpa)
(3)强度校核:圆柱止转削边销轴的材料为 45#,材料许用应力为30Mpa。 根据剪切强度条件,τ= Q/A≤〔τ〕τ≈29.809(Mp9)≤〔τ〕故:圆柱止转削边销轴符合剪切强度要求。
6.夹紧装置和夹紧力
6.1 夹紧装置
工件的定位和夹紧是相互联系非常密切的两个工作过程。工件定位以后必须采用一定的装置把工件压紧夹牢在定位元件上,使工件在加工过程中部不会由于切削力、工件重力、离心力或惯性力等的作用而发生位置变化或产生振动,以保证加工精度和安全生产。 本夹具上工件的夹紧利用了工件自有的右旋 M30×1.5 螺纹, 采用锁紧螺母如(图 7)作为受力元件进行人工夹紧。
6.2 夹紧力
确定夹紧力就是确定夹紧力的大小、方向和作用点三要素。
(1)大小:考虑工件在加工过程中的定位位置应保持不变 ,因此夹紧力的大小应使工件定位端面与夹具盘定位大平面所产生的擵擦力能抵消主切削力的作用。
(2)方向:夹紧力的方向与轴向切削力的方向一致 ,垂直于夹具体的定位大平面。
(3)作用点:夹紧力作用点与工件定位支承点相对应 ,作用于靠近工件加工表面的工件定位平面上,符合夹紧力作用点的选择要求。
7.夹具制作工艺
夹具由夹具体、定位装置、夹紧装置三部分组成。夹具体与机床主轴通过主轴定位锥面与主轴法兰盘相连接(与自定心卡盘在车床主轴上的安装连接原理相同), 同时具备对工件进行安装定位和夹紧等装置。 其结构简单,但制造较为复杂。 其装配图如(图 8)所示:
夹具体的加工工艺
(1)在三爪卡盘上装夹配车夹具体与主轴配合的前端锥度荥l:4、大径 准106.3750-0.01mm、深度为 15mm 及定位小端面,并粗车 准170 mm外圆和 准60 mm 孔径。
(2)在钻床上较正小端面的平面度误差小于 0.01mm,进行准确分度钻削 4 个 M12 深 22 mm 底孔径和 准19.05H7mm 孔径,并精铰准19.05 H7 mm 深 6.5mm 孔径。
(3)攻丝完成 4 个 M12 深 22mm 螺纹加工。
(4)夹具体安装在车床主轴上进行大端面、准290mm、准170mm、准140mm外圆及 准152mm、准60mm 内孔的粗、精加工。
(5)在数控铣床或加工中心中以小端面为基准,用百分表校正大端面和大外圆误差小于 0.01mm 进行 6 个 准38H6 和 6 个 准10H7 均布定位孔的粗、精加工,保证各定位孔轴线与基准面垂直,其表面糙度在 R1.6 以下。
(6)倒角、去毛刺,完成夹具体的加工。圆柱止转削边销装配
(1)削边销与夹具体的装配采用 准10H7 / k6 的过渡配合,可根据夹具体中 准10H7 的实际孔径尺寸配磨定位轴颈尺寸,保证其配合 最大间隙为 0.014mm,最大过盈为 0.01mm。
(2)安装止转定位削边销(准11h6)的削边方向应垂直于削边销中心与夹具体中心的连线,削边销轴线则垂直于夹具体的大端面。 止转削边销如(图 9)所示
8.工件加工工艺
工件在完成外圆、 长度、M30×1.5 三角螺纹和钻模定位钻削圆周均布孔 准011 之后, 采用上述夹具安装定位进行径向局部圆弧表面的加工,此时实际上已将 R74 圆弧表面转换成 准148mm 的孔径加工,其工艺如下
(1)粗镗工件孔径至 准147mm。
(2)精镗工件孔径至 准148+_0.05mm,(采用内卡钳测量)。
(3)倒角、去毛刺完成工件的加工。
9.加工效率对比分析
加工效率是体现该夹具的设计的主要目的,在数控铣床和CNC加工中心中,只能实现一次一件的加工;装夹工件时间长,电能耗高,加工效率低,不经济,操作不当时还会影响到工件的质量;在普通 X-62W 万能铣床采用夹具装夹加工,一次可实现六件同时加工,装夹时间短,电能损耗低,同时还拓展了机床的使用范围,提高了生产效率。在完成工件批量加工的准备和调试后,对单一零件径向局部圆弧表面的加工进行如下比较
通过上述的对比和分析可知, 在普通 X-62W 万能立铣上进行多件同时加工的方法要比在数控铣床或高速加工中心上进行单件加工的方法效率高得多,主要是加工方法和选用刀具的不同。
10.结束语
径向局部圆弧表面的加工在实践中时常会遇到, 应用比较广泛。针对不同利率和技术要求,应采取不同的加工方法,以提高生产效率。对于影响切削过程和刀具工作的各种因素, 关键要抓住主要因素,并处理好其他关连因素,才能使切削加工顺利进行。 本安论述的例子,其主要因素是工件的装夹定位。 只要解决了夹具这一主要问题,再协调好刀具材料、冷却和排屑等因素,问题便可迎刃而解。 实践证明,利用所设计的夹具,在 x-62w 铣床上进行径向局部圆弧表面零件的加工,能满足零件技术要求,取得良好效果,并且一次装夹可实现多件同时加工,生产效率明显提高,达到了夹具设计的预期目的。
该夹具结构简单,夹具材料采用 HT250,制造方便,并具有一定的通用性能。采用该夹具在 X-62W 铣床上实现多件同时加工,是保证产品质量和提高生产效率的一种有效途径
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