水泵叶轮夹具及工艺的设计说明书.docx
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水泵叶轮夹具及工艺的设计说明书
水泵叶轮夹具及工艺的设计
摘要……………………………………………………………………(Ⅱ)
第一章前言………………………………………………………………
(1)
1.1机床技术各方面的发展………………………………………
(1)
1.2铣床加工的特点……………………………………………
(1)
1.3铣床加工的顺序………………………………………………
(2)
第二章零件的分析………………………………………………………(3)
2.1零件的作用……………………………………………………(3)
2.2零件的工艺分析………………………………………………(3)
第三章车床夹具与铣床夹具的设计……………………………………(7)
3.1CA6140车夹具的设计…………………………………………(7)
3.2夹具的设计……………………………………………………(7)
3.3夹具结构的设计………………………………………………(7)
3.4夹具设计及操作的简要说明…………………………………(9)
3.5卧式铣床夹具的设计…………………………………………(9)
3.6夹具设计及操作的简单说明…………………………………(11)
第四章总结………………………………………………………………(12)
致谢…………………………………………………………………………(13)
参考文献……………………………………………………………………(14)
摘要
本课题主要是对水泵叶轮的机械加工工艺规程的设计及工艺装备的设计(年产量为10000件),为企业解决实际的问题。
本课题的设计综合运用了我们所学的机械制图、机械设计基础、机床概论、机械制造工艺学、机床夹具设计等专业理论知识、通过设计提高了我的基础理论知识和查阅各种资料的综合分析的能力,使我得到了一次运用所学知识的综合训练。
关键词:
水泵叶轮工艺夹具
第一章 前言
1.1机床技术各方面的发展
装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度,机床技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业(如信息技术及其他产业、生物技术及起产业、航空、航天等国防工业产业)的使能技术和最基本的装备。
马克思曾经说过“各种经济时代的区别,不在于生产什么,而在于怎样生产,用什么劳动资料生产。
”制造技术的装备就是人类生产活动的最基本的生产资料,而车床技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。
当今世界各国制造产业广泛采用数控车床技术,以提高制造能力和水平,提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。
效率、质量是先进制造技术的主体。
高速、高精加工技术可极大的提高效率,提高产品的质量和档次,缩短生产周期和提高市场竞争能力。
为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一,国际生产工程学会(CIRP)将其确定为21世纪的中心研究方向之一。
在轿车工业领域,年产30万辆的生产节拍是40秒/辆,而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一;在航空和宇航工业领域,起加工的零件多为薄壁和薄筋,刚度很差,材料为铝或铝合金,只有在高切削速度和切削里很小的情况下,才能对这些筋、壁进行加工。
近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装,使构件的强度、刚度和可靠性的到提高。
这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。
从EM02001展会情况来看,高速加工中心进给速度可达80m/min,甚至更高,空运行速度可达100m/min左右。
目前世界上许多汽车厂,包括我国的上海通用公司,已经采用以高速加工中心组成的生产线部分代替组合机床。
美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大可达60m/min,快速为100m/min,加速度达2g,主轴转速已达60000r/min。
加工一薄壁飞机零件,只用30min,而同样的零件在一般高速铣床加工需3h,在普通铣床加工需8h;德国DMG公司的双主轴车床的主轴转速及加速度分别达12000r/mm和1g。
在加工精度方面,近10年来,普通级机床的加工精度已由10μm提高到5μm,精密加工中心则从3-5μm,提高到1-1.5μm,并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01μm)。
在可靠性方面,国外数控车床装置的MTBF值已达6000h以上,伺服系统的MTBF值达到30000h以上,表现非常高的可靠性。
为了实现告诉、高精加工,与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展,应用领域进一步扩大。
1.2铣床加工的特点
1)零件加工的适应性强、灵活性好,能加工轮廓形状特别复杂或难以控制尺寸的零件,如模具类零件、壳体类零件等。
2)能加工普通机床无法加工或很难加工的零件,如用数学模型描述的复杂曲线零件以及三维空间曲面类零件。
3)能加工一次装夹定位后,需进行多道工序加工的零件。
4)加工精度高、加工质量稳定可靠。
5)生产自动化程度高,可以减轻操作者的劳动强度。
有利于生产管理自动化。
6)生产效率高。
7)从切削原理上讲,无论是端铣或周铣都属于断续切削方式,而不像车削那样连续切削,因此对刀具的要求较高,具有良好的抗冲击性、韧性和耐磨性。
在干切削状况下,还要求有良好的红硬性。
1.3铣床加工的顺序
加工顺序通常包括切削加工工序、热处理工序和辅助工序等,工序安排的科学与否将直接影响到零件的加工质量、生产率和加工成本。
切削加工工序通常按以下原则安排:
1)先粗后精当加工零件精度要求较高是都要经过粗加工、半精加工、精加工阶段,如果精度要求更高,还包括光整加工等几个阶段。
2)基准面先行原则用作精基准的表面应先加工。
任何零件的加工过程总是先对定位基准进行粗加工和精加工,例如轴类零件总是先加工中心孔,在以中心孔为精基准加工外圆和端面箱体类零件总是先加工定位用的平面及两个定位孔,再一平面和定位孔为精基准加工孔系和其他平面。
3)先面后孔对于箱体、支架等零件,平面尺寸轮廓较大,用平面定位比较稳定,而且孔的深度尺寸有是以平面为基准的,故应先加工平面,然后加工孔。
4)先主后次即先加工主要表面,然后加工次要表面。
我的毕业设计就是利用机床对水泵叶轮进行的加工设计相应的夹具。
本文从水泵叶轮的工艺分析、车床夹具的设计、铣床夹具的设计几个方面予以阐述。
第二章零件的分析
2.1零件的作用
题目所给的零件是水泵叶轮,位于传动轴的端部安装在十字槽内。
主要用于传递扭矩,使水泵获得动力,另外通过Φ12H8的孔配合,传递动力之用。
2.2零件的工艺分析
2.2.1零件的结构、形状、技术要求
零件的结构如图1所示:
回转类零件水泵叶轮共有三个地方要加工,他们之间有一定的位置要求。
现分述如下:
图1水泵叶轮
A)其一是水泵议论的两个相互垂直的十字槽,要求两条槽的对称度相对与Φ12H8的轴线是0.02,表面粗糙度是6.3,其四个槽的宽度尺寸为宽11mm、深11mm。
其二Φ10铸孔,表面粗糙度是3.2。
Φ10孔的上偏差0.027、下偏差0。
B)其三是水泵叶轮的地面,加工的基本尺寸是4mm,表面粗糙度是6.3。
零件的技术要求:
1.水泵叶轮的材料为HT200。
2.未注铸造圆角R3-5。
3.铸件不允许有夹渣、裂纹、气孔等缺陷。
2.2.2零件的加工方法选择
表1零件的加工方法选择
加工面
加工方法
设备
刀具
定位夹紧
两条十字槽
铣
立铣X62
Φ10指状铣刀
以底面3点及其铸孔2点定位在其底面对面夹紧
水泵叶轮底面
车,铣
CA6140,卧铣X52
45
车刀,100端铣刀
以底面对底面及其孔定位,在孔轴线方向沉孔处夹紧
孔
钻
钻床
Φ12麻花钻
以底面及其止口定位,在底面对底面夹紧
2.2.3零件的加工方案的选择
表2零件的加工方法的选择
序号
工序名称
工序内容
设备及工艺装备
说明
1
铸
铸造
2
时效
3
车
车水泵叶轮底面至尺寸4mm
车底面夹具,CA6140车床,45
车刀
工件以毛坯对面为粗基准
4
钻
钻Φ12的中心孔
钻床,Φ12麻花钻,钻孔夹具
工件以底面及其止口定位
5
铣
铣两条十字槽,槽宽11mm深11mm对称度要求0.2
立式铣床
立铣刀Φ101
工件以底面及中心孔定位
6
清洗、去毛刺
7
检验
2.2.4确定切削用量及基本工时
1.工序3:
车削水泵叶轮端面。
本工序采用计算法确定切削用量。
a、加工条件
工件材料:
HT200铸造
b、加工要求
精车Φ80的底面,表面粗糙度为6.3
c、机床:
CA6140卧式车床=
d、刀具:
刀片材料硬质合金45
车刀,刀杆尺寸16X25mm
k
=90,γ
=15
,α
=12
,
r
=0.5mm。
2.切学用量的计算
(1)粗车水泵叶轮Φ80的底面
a、以知毛坯长度方向的加工余量为2
mm,一次加工a
=2mm既长度加工公差IT12级,取-0.46mm(入体方向)。
b、进给量f根据《切削用量简明手册》(第三版)(以下简称《切削手册》,当刀杆尺寸为16mmX25mm,a
)≤3mm以及工件直径为80mm时,f=1-2mm/r
c、计算切削速度按《切削手册》表1.27,切削速度的计算的计算公式为(寿命选T=60min)
V
=C
K
/T
a
f
(m/min)
其中C
=242,X
=0.15,yv=0.35,m=0.2。
修正系数K
见《切削手册》表1.28即
K
=1.44,Ksv=0.8,Kkv=1.04,Kkrv=0.81,kbv=0.97。
所以Vc=240×1.44×0.8×1.04×0.18×0.97/80
×2
×1.5
=102.6(m/min)
d、确定机床主轴转速
ns=1000vc/3.14dw=1000×102.6/3.14×65=523(r/min)
按机床说明书(见《工艺手册》表4.2-8),与523r/min相近的机床转速为480r/min及600r/min。
现取nw=600r/min如果选nw=480r/min,则速度损失太大。
所以实际切削速度为vc=122m/min
3.钻孔Φ12mm
根据有关资料介绍,利用钻头进行扩钻时,其进给量与切削速度与钻孔同样尺寸的实心孔时的进给量与切削速度的关系为:
f=(1.2-1.8)f
v=(1/2-1/3)v
式中f钻,v钻—加工实心孔是的切削用量。
现以知:
f
=0.56mm/rv
=19.25m/min
并令
f=1.35f
=0.76mm/r按机床选取f=0.76mm/r
v=0.4v
=7.7m/min
ns=1000/3.14D=1000×7.7/3.14×12=204r/min
按机床选取n
=200r/min
所以实际切削速度v=3.14×12×200/1000=75m/min
第三章车床夹具与铣床夹具的设计
为提高劳动生产率,保证加工质量,降低劳动强度,设计专用夹具。
经过老师的知道与协商,决定设计第3道工序与第5道工序,它们分别是精车水泵叶轮的底面和精铣水泵叶轮的两条互成90
的槽。
3.1CA6140车夹具的设计
根据第3道工序本夹具将用于CA6140卧式车床,刀具为45
硬质合金车刀,对工件的端面进行加工。
3.1.1问题的提出
本夹具主要用于精车水泵叶轮的底面,这个面只要求加工到尺寸4mm,对其他的孔以及面没有一定的技术要求。
在加工本道工序是,是作为其他工序的粗基准,应此,在加工本道工序是,主要考虑如何提高劳动生产率,降低劳动强度,而精度不是最主要的问题。
3.2夹具设计
基面的选择是工艺规程设计中的重要工作之一。
基面选择的正确与合理,可以使加工质量得到保证,生产率得以提高。
否则,加工工艺过程会问题百出,甚至造成零件的大批报废,使生产无法正常进行。
粗基准的选择:
对于一般的回转体零件而言,以外圆作为粗基准是完全合理的。
对于本零件来说,由零件图可知,如果以Φ42mm的外圆表面做基准(4点定位),否则可能造成外圆表面的变形。
按照有关粗基准的选择原则(即当零件有不加工表面是,应以这些不加工表面作为粗基准),现在水泵叶轮的底面只对它的对面有4mm的厚度要求,其设计基准应该是叶轮的底面对面作诶主要定位面,是该工件的粗基准,限制工件的3个自由度,其次选择水泵叶轮的中心孔定位,限制2个自由度,总共限制了工件的5个自由度。
工件的径向移动对加工面没有任何影响。
定位尺寸从定位面到水泵叶轮毛坯的底面是6mm。
因为该夹具用于加工批量不大的场合,加工要求相对来说并不高,应此,决定采用手动夹紧。
3.3夹具的结构设计
3.3.1定位元件的选用:
本夹具定位元件采用平头支撑钉(A型)和定位心轴,套类和盘类工件加工是,为保证外圆和端面与内孔轴线间的位置精度,常以孔定位,在心轴上定位。
支撑钉主要用于精基准的定位,定位面是平面。
材料为45cr优质碳素结构钢,支撑钉与工件定位基面的接触的表面,尺寸精度不低于IT8,定位元件—支撑钉的工作表面粗糙度大于Ra1.6微米,选用Ra0.8或Ra0.4,采用调整法和修配法提高装配精度,保证支撑钉在同一个平面上。
定位心轴的材料选用45钢,心轴外圆柱表面与工件定位面配合的表面,尺寸精度不低于IT8,选用IT7或IT6制造,并经过调质处理,提高表面硬度和耐磨性。
硬度HRC55-62。
该心轴为刚性心轴的结构形式。
是间隙配合的心轴,多用于定心精度不高生产批量不大的场合,要求水泵叶轮以孔和端面组合定位。
3.3.2夹紧方案的选择
本夹紧方案采用夹紧螺母、垫圈与心轴联结夹紧,通过于心轴的联结把水泵叶轮固定到夹具上,心轴的具体形状尺寸等见图纸车夹具中心轴。
当工件加工完毕后,松开螺母,卸下工件。
在装上下一个工件,夹紧后即可加工下底面。
由于采用手动夹紧,也只能用于中小批生产的场合。
3.3.3夹具体的设计
夹具体是与车床联结的元件,车床夹具体材料为HT200,盘形零件,夹具体为铸件。
3.3.4支架的设计:
加工前,水泵叶轮在夹具上获得正确的位置后,还必须在夹具上设置夹紧机构,将水泵叶轮夹紧,以保证水泵叶轮在切削力、离心力等外力作用下仍然保持定位是所占据的位置不变。
a)夹紧里的方向:
夹紧里的方向朝向向工件的主要定位面,以保证水泵叶轮的定位精度。
根据加工要求,在水泵叶轮的底面上车削,要保证孔与端面的垂直度和4mm的厚度,根据加工要求,以水泵叶轮底面的对面为主要定位面,夹紧里的方向应该朝向底面,这样能保证定位可靠,满足上述要求。
b)夹紧里的作用点:
夹紧力的作用点应正对定位元件或落在定位元件的支撑范围内,以保证水泵叶轮的定位可靠。
夹紧力的作用点应处在水泵叶轮刚性较好的部位,减小了夹紧变形。
这种措施对于刚性较差的水泵叶轮很重要,夹紧水泵叶轮时,若夹紧力作用在水泵叶轮的圆柱薄壁上,会使水泵叶轮产生交大的变形,所以夹紧里作用在刚性较好的凸台处,因为他的轴向刚度比径向刚度大。
c)夹紧力的大小:
夹紧力的大小,对工件的定位可靠性,工件和夹具的变形,夹紧机构的复杂程度和传动装置的选择都有很大的影响。
夹紧力的大小涉及复杂的动态平衡问题,所以只能作粗略估算。
计算是以主切削力为依据与夹紧力建立静平衡方程,解此方程来求夹紧里的大小。
考虑到切削力大小在加工过程中受到工件材质不均匀、刀具磨损等因素影响,在考虑到工件在实际加工工程中还会受到惯性力和来自工件自重等外力因素。
所以对按静力平衡求得的夹紧力大小还必须乘以安全系数加以修正,作为实际所需要的夹紧力数值。
即:
F
=KF
式中:
F
为实际所需的夹紧力,单位:
N;F
为理论上的夹紧力;K为安全系数,通常K=1.5-1.3。
F
=12000(N)(计算略)
3.3.5夹紧元件结构:
本夹具夹紧元件采用夹紧螺母、垫圈与中心定位心轴夹紧。
3.3.6夹具与工作台的联结方式:
夹具是通过过渡盘固定在车床主轴上的,以此来确定夹具在机床上的位置。
用4个M16的螺栓将夹具安装在车床主轴上。
3.4夹具设计及操作的简要说明
如前所述,在设计夹具时,应该注意提高劳动生产率。
但由于是中小批生产,所以着眼与手动夹紧而不是采用自动、机动夹紧,因为这是降低成本的重要途径。
本道工序是精车水泵叶轮底面,切削力较小,为了夹紧工件,避免积聚结构过于庞大。
目前采取的措施是:
提高毛坯制造精度,使最大切削深度降低,以降低切削力。
选择合理的夹紧机构,尽量增加夹紧力。
结果,本夹具总的感觉比较紧凑。
车夹具的装配图以及零件图分别见图纸。
3.5卧式铣床夹具的设计
根据第5道工序夹具将用在卧式铣床上加工水泵叶轮上两条互成90
的十字槽。
机床型号为X63卧式铣床。
刀具为Φ10的指状铣刀。
3.5.1问题的提出
槽宽11mm、深11mm这两条槽对Φ12H8的孔有一定的技术要求,要求每条槽相对于Φ12H8的轴线的对称度为0.2,表面粗糙度为6.3。
在加工本道工序时,两条十字槽未经加工,主要应考虑机械加工的精度,而提高劳动生产率,降低劳动强度为其次要因素。
3.5.2定位基准的选择:
精基准的选择主要应考虑基准重合问题。
当设计基准与工序基准不重合时,应该进行尺寸换算。
现设计计算如下:
方案1:
工件以底面及Φ80
0.05mm外圆为定位基准,共限制了工件的5个自由度。
a)定位误差的分析
如图纸所示,工件以Φ80
0.05mm外圆柱面在定位元件的Φ80
mm止口中定位,加工宽11mm的槽,要求槽的对称度的定位误差。
(a)分析:
对称度的工序基准Φ12H8的轴线与定位基准Φ80
0.05mm的轴线不重合,△
≠0。
工件定位基准与止口定位基准(Φ80
mm)不重合,△
≠0。
定位基准可以任意方向移动。
(b)计算:
△
=0.02mm(同轴度误差)
△
=T
+T
+X
=0.03+0.1+0.02
=0.15mm
△
=△
+△
=0.15+0.02
=0.17mm
这种定位方式的定位误差太大,很难保证槽的对称度要求。
其原因:
一方面是定位基准与工序基准不重合,另一方面是定位基面的公差太大。
解决以上问题的措施是:
方案二:
改用Φ12H8孔定位,使△
=0。
同时,由于Φ12H8孔的公差较小,△
也将缩小。
计算:
此时△
=0(同轴度误差)
△
=D
-d
=80.1-79.95=0.15mm
△
=△
+△
=0.15+0
=0.15mm
方案三:
提高定位基准面的制造精度,缩小△
,如可将Φ80
0.05mm提高到Φ80
0.02mm,止口定位基准面的直径改为Φ80
mm经过计算比较,通过方案二的这种方式,能够满足槽的对称度要求。
3.5.3夹具的结构设计:
夹具的总体结构为盘类形状。
3.5.4定位元件的选择及要求:
本夹具选用的定位元件是一个定位销和一个定位盘。
定位销采用的短圆柱销,因为这种类型的销适用与直径在Φ50mm以下的孔定位。
限制了水泵叶轮2个自由度。
用一个定位盘上的面限制水泵叶轮底面的3个自由度。
定位盘的定位基准面必须有足够的精度,因为工件的定位是通过定位副的接触实现的,定位盘的精度直接影响工件的定位精度,因此,该定位盘基面应有足够的精度,以适应水泵叶轮的加工要求。
该定位盘应有足够的刚度和强度,定位盘不仅限制工件的自由度,还有支撑工件,承受夹紧力和切削力的作用,所以应该有足够的刚度和强度,以免使用中变形或破坏。
定位盘的耐磨性要好,水泵叶轮的装卸会磨损定位元件的定位基面,导致定位精度下降。
定位盘的工艺性要好,定位盘的结构要求简单,合理,便于加工,装配和更换。
定位盘的材料:
HT200。
3.5.5夹紧元件的选择:
本夹具夹紧元件,采用移动压板。
3.5.6夹具体的设计:
夹具材料选用HT200,盘类结构。
夹具体采用铸件。
3.5.7夹紧方案的设计:
夹紧力的作用点在水泵叶轮定位基面的对面,落在定位盘的支撑范围内,保证定位可靠,作用点处在水泵叶轮刚性较好的部位,减小了夹紧变形。
夹紧力的方向:
夹紧力的方向朝向水泵叶轮定位底面以保证水泵叶轮的定位精度。
该夹紧力方向有利于减小夹紧力,在工件上铣床上铣削,夹紧力因于铣削轴向力工件的重力同向,切削力、重力由夹具的固定支承承受。
切削扭矩由夹紧力所产生的摩擦力矩平衡,轴向力和重力所产生的摩擦力矩有利于减小所需夹紧力。
故所需夹紧力可最小。
夹紧力对工件定位可靠性、工件和夹具的变形、夹紧机构的复杂程度和传动装置的选择有很大的影响。
夹紧力的大小计算涉及到复杂的动力平衡问题,这里只作粗略的估算。
F
=KF
=1.5×600=900N
1.夹紧元件的结构:
在夹紧机构中多数是以斜契夹紧机构、螺旋夹紧机构以及偏心夹紧机构为基础构成的,这三种夹紧机构合称为基本夹紧机构。
本夹紧机构采用螺旋夹紧机构,他的结构形式变化最多,选用典型的移动压板,他的结构紧凑,使用方便。
2.夹具与工作台安装联结方式:
本铣夹具通过定位键与铣床工作台T形槽的配合来确定夹具在机床上的位置。
定位键采用沉头螺钉固定在夹具体底面的纵向槽中,使用两个,两定位键的距离比较远,定位精度较好。
定位键与夹具体的配合为H7/H6。
为提高夹具安装精度,定位键的下部(与工作台T形槽配合部分)可留有余量进行修配,或者在安装夹具时使定位键一侧与工作台T形槽靠紧,以减小轴间隙的影响。
铣床夹具的夹具体设计有耳座,并通过四个M16的螺栓将夹具紧固在机床的工作态T形槽中,耳座的间距与T形槽的间距一致。
3.6夹具设计及操作的简单说明
本夹具用在卧式铣床上加工水泵叶轮上两条互成90
的十字槽。
工件以底面Φ12H8的孔及底面在定位萧和定位盘的端面上定位,并使叶轮上的叶片与压板头部的缺口对中,夹紧时,旋转螺母,通过杠杆联动使两压板同时夹紧工件。
当一条槽加工完毕后,扳手顺时针转动,使分度盘与夹具体之间松开。
分度盘下端沿圆周方向分布有四条长度为1/4周长的斜槽。
然后逆时针转动分度盘,在斜槽面的推压下定位销逐渐退入夹具体的衬套中,当分度盘转过90
位置时,定位销依靠弹簧弹出,落入第二条斜槽中,再反靠分度盘使定位销与槽壁贴紧,用扳手把分度盘拉紧在夹具体上,即可加工另一条槽。
由于分度盘上的四条槽为单向升降,因此分度盘也只能单向旋转分度。
该夹具结构简单,操作方便。
但分度精度受到分度盘的四条斜槽制造精度的影响,故适用于加工要求精度不高的情况下。
另外采用铸铁定位盘,也只能用于加工批量不大的场合。
铣床夹具的装配图及夹具主要零件图分别见图纸。
第四章总结
通过一段时间的设计研究,整个设计工作已经完成。
本人设计了一套车夹具和一套铣夹具。
其设计本方案与实际生产相吻合,能够解决企业一些基本的实际问题。
本设计方案和类似的夹具相比,能正确的解决一个零件在加工中的定位、夹紧以及工艺路线安排、工艺尺寸确定等问题,保证零件的加工质量。
但是还有一些地方做的不够完善,需要进一步改进和研究,本夹具设计对夹紧力的计算只是粗略的估算,车夹具安装还需要调试,夹具的夹紧改为其他夹紧方式可能会更好的提高生产效率。
此外经过最后检查发现铣夹具上缺少一个对刀块根据铣床夹具的结构我选择了侧装对刀块JB/T8031。
4-1995在此补充说明。
1.能熟练运用机械制造工艺学课程中的基本理论以及在生产实习中学到的知识。
2.提高了机构设计能力,通过设计夹具训练,获得根据被加工零件的加工要求,设计出高效、省力、经济合
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