范琳数控加工键槽的工装设计Word文档格式.docx
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2夹具的设计4
2.1零件的分析5
2.1.1零件的作用5
2.1.2零件的工艺分析5
2.2工艺规程设计5
2.2.1确定毛胚的制造形式5
2.2.2基面的选择6
2.2.3制定工艺路线6
2.2.4工艺方案分析6
2.2.5机械加工余量,工序尺寸以及毛胚尺寸的确定6
2.3夹具的设计14
2.3.1问题的提出14
2.3.2夹具的设计14
2.4夹具设计及操作的简要说明18
3轴外键槽的传统加工工艺与传统加工方式18
3.1加工轴外键槽的传统工艺与传统工艺分析18
3.1.1传统工艺18
3.1.2传统工艺分析19
3.2轴外键槽的传统加工方式19
3.3传统加工方式分析19
4轴外键槽的数控加工工艺与加工方式20
4.1数控加工工艺20
4.2数控加工生产的优势20
4.2.1生产率的提高21
4.2.2数控机床的适应性与灵活性21
4.2.3机床刚性的提高21
4.2.4采用数控加工工艺,改变受力状况21
5结束语21
致谢22
参考文献22
1引言
轴类零件外键槽是与键配合构成键连接。
键是用来连接轴与轴上传动件(例如齿轮,带轮等等)以实现周向(或轴向)固定,以便传动件与轴一起转动传递转矩和旋转运动。
轴外键槽的加工精度高,则键在键槽中的轴向固定良好,连接更为可靠。
键槽加工中,对称度是重要的技术指标。
运用普通立铣床加工轴外键槽,采用传统加工工艺,一般用抱钳装夹工件,用键槽铣刀或是立铣刀加工,在加工过程中受力不均衡,容易引起加工误差。
生产效率较低,运动刚性差,质量稳定性差.
运用数控铣床加工轴外键槽,可以实现X轴与Z轴联动,形成“之”字形走刀路线,较普通走刀路线受力更均衡,从而改变了工件的受力情况,有利于提高工件的加工精度。
应用专用夹具装夹工件,进行加工生产可以提高工件的加工精度和生产效率。
所以对轴外键槽的加工进行工装设计,以提高其加工精度。
根据使用要求和工作情况确定合理的夹具设计方案,在保证加工质量的前提下,力求结构尽量简单,操作方便,安全可靠,加工制造容易。
结合实际的情况,考虑互相制约的各种因素,确定最合理的设计方案。
在确定设计方案的基础上,按照加工精度的高低,需要消除自由度的数目,按有关的标准确定定位元件。
选择好定位元件后,还应该对定位误差进行计算。
在设计方案确定后,根据所需的夹紧力,选择并设计螺旋,铰链,联动等夹紧机构,并配以手动,气动,液动的动力源,将夹具设计的工作逐步完善。
所设计的夹具结构应该合理,否则就不能正常使用。
夹具设计时,尽量采用标准元件,以缩短设计和制造周期,降低夹具制造成本,提高其经济性。
本设计从夹具的设计,制造,定位这些环节上讨论了提高键槽加工对称度的问题,实际上影响轴外键槽加工对称度的因素有很多。
比如机床的精度和刚度,工件的质量,刀具的刃磨,运动副的间隙等等,故使用本夹具时,必须考虑其他因素,对于相关的环节作以必要的改进,争取达到最佳的效果。
2夹具的设计
轴类零件外键槽与键配合构成键连接。
键槽的加工精度高,则键在键槽中的固定良好,连接可靠。
用专用夹具装夹轴类零件,键槽的加工精度和工件的生产效率都可以得到保证。
使用夹具装夹工件无需划线找正,可以显著的减少辅助工时,方便快捷;
可以提高工件的刚性,使用较大的切削用量;
用夹具装夹工件时,工件相对于刀具及机床的位置精度由夹具保证,不受工人技术水平的影响,使一批工件的加工精度趋于一致。
2.1零件的分析
2.1.1零件的作用
键是用来连接轴与轴上传动件(例如齿轮,带轮等等)周向或是轴向固定,以便传动件与轴一起转动传递转矩和旋转运动。
轴外键槽的加工精度高,则键在键槽中固定良好,连接可靠。
当被连接的毂类零件在工作过程中必须在轴上做轴向移动时(如变速箱中的滑移齿轮),需要采用导向平键或是滑键,则需铣削出较长的键槽,以实现毂类零件的轴向移动。
2.1.2零件的工艺分析
轴类零件主要加工表面是各外圆表面。
次要加工表面是轴外键槽,花键,螺纹。
通常先安排定位基面的加工,为加工其他表面做好准备。
后安排次要表面的加工。
所以轴外键槽的加工安排在外圆精车或粗磨以后,精磨之前进行。
否则会在外圆终加工时产生冲击,不利于保证加工质量影响刀具的寿命,或是会破坏主要加工表面已经获得的精度。
轴外键槽与轴类零件外圆有位置要求。
键槽与工件外圆的对称度公差为0.08mm。
由以上分析,需要先加工工件的主要加工表面,然后借助专用夹具加工轴外键槽,并且保证它们之间的位置精度要求。
2.2工艺规程设计
2.2.1确定毛胚的制造形式
零件材料为45钢。
轴类零件应根据不同的使用要求和工作条件选用不同的材料,并且采用不同的热处理方法,以获得一定的强度,韧性和耐磨性。
45钢是轴类零件的常用材料,经过调质(或正火)后,可以得到较好的切削性能,而且可以获得较好的强度和韧性,淬火后表面硬度可以达到45-52HRC。
对于直径相差不大的非重要阶梯轴适宜选用棒料。
比较重要的轴采用锻件作为毛胚。
根据生产方式的不同,毛胚的锻造方式有自由锻和模锻。
大批大量生产时适合采用模锻。
2.2.2基面的选择
基面的选择是工艺规程设计中的重要工作之一。
基面选择得正确与合理,可以使加工质量得到保证,生产率得以提高。
否则,加工工艺过程中会问题百出,会造成零件报废,使生产无法顺利进行。
(1)粗基准的选择。
对于轴类零件的加工,以外圆作为粗基准。
(2)精基准的选择。
采用顶尖孔作为定位基准。
以顶尖孔为精基准可以实现基准统一,能够在一次装夹中加工出各段外圆表面及端面,可以很好的保证各外圆表面的同轴度以及外圆与端面的垂直度,加工效率高并且所用的夹具结构简单。
所以对于实心轴(棒料或锻件毛胚),在粗加工之前,应先打顶尖孔,以后的工序都以顶尖孔定位。
(3)加工轴外键槽以工件外圆柱面作为定位基准。
2.2.3制定工艺路线
对于7级精度,表面粗糙度Ra1-0.5μm的一般传动轴,工艺路线方案为:
(1)用工件外圆表面作为粗基准,钻顶尖孔。
(2)用顶尖孔定位,粗车外圆表面和端面。
(3)用顶尖孔定位,精车外圆表面和端面。
(4)用外圆柱面定位,加工轴外键槽。
(5)热处理。
(6)修研顶尖孔。
(7)用顶尖孔定位,粗磨外圆。
(8)用顶尖孔定位,精磨外圆。
(9)检验。
2.2.4工艺方案分析
对于轴外键槽这种次要表面的加工通常安排在外圆精车之后,磨削之前进行。
如果在精车前就铣削出键槽,在精车时由于断续切削而易产生振动,影响加工质量,又容易损坏刀具,也难以控制键槽的尺寸要求。
甚至于破坏主要表面已经获得的精度[1]。
2.2.5机械加工余量,工序尺寸以及毛胚尺寸的确定
零件材料为45钢,硬度为207-241HBS,生产类型为大批大量生产,采用在锻模上合模模锻毛胚。
根据上述原始资料以及加工工艺,分别确定各加工表面的机械加工余量,工序尺寸以及毛胚尺寸。
(1)外圆表面沿轴线长度方向的加工余量以及公差
查《工艺手册》表2.2-14,其中锻件复杂形状系数为S1,锻件材质系数M1,锻件轮廓尺寸(长度方向)为420mm,故长度方向偏差为上偏差为+1.5mm下偏差为-0.7mm。
长度方向的余量查《工艺手册》,其余量值规定为4.0-4.5mm,现取4.0mm。
(2)轴各段外圆加工余量
轴外圆表面直径为65mm的轴段
参照《工艺手册》确定工序尺寸及余量为:
粗车:
直径为67.5mm,其余量值规定为2.5mm。
精车:
直径为65.5mm,其余量值规定为2mm。
粗磨:
直径为65.2mm,其余量值规定为0.3mm。
精磨:
直径为65mm,其余量值规定为0.2mm。
轴外圆表面直径为72mm的轴段
直径为74.5mm,其余量值规定为2.5mm。
直径为72.5mm,其余量值规定为2mm。
直径为72.2mm,其余量值规定为0.3mm。
直径为72mm,其余量值规定为0.2mm。
轴外圆表面直径为75mm的轴段
直径为77.5mm,其余量值规定为2.5mm。
直径为75.5mm,其余量值规定为2mm。
直径为75.2mm,其余量值规定为0.3mm。
直径为75mm,其余量值规定为0.2mm。
轴外圆表面直径为80mm的轴段
直径为82.5mm,其余量值规定为2.5mm。
直径为80.5mm,其余量值规定为2mm。
直径为80.2mm,其余量值规定为0.3mm。
直径为80mm,其余量值规定为0.2mm。
轴外圆表面直径75mm的轴段
(3)确定切削用量及基本工时
工序1:
车端面,钻顶尖孔。
加工条件:
45钢正火,模锻。
加工要求:
粗车直径65mm端面及钻中心孔。
机床:
C620-1卧式车床。
刀具:
刀片材料YT15,刀杆尺寸16*25mm2,Kr=90°
,ro=15°
,ao=12°
,r=0.5mm。
计算切削用量:
粗车端面:
已知毛胚长度方向的加工余量为4mm,考虑到锻模拔模斜度,则长度方向的加工余量Zmax=7.5mm。
分两次加工,ap=3mm。
进给量f根据《切削手册》查得当刀杆尺寸16*25mm2,且工件直径为65mm时:
f=0.5-0.7mm/r,则选取f=0.5mm/r。
计算切削速度根据《切削手册》查得切削速度公式为:
Vc=Cv*Kv/Tmapxvfyv
(1)
其中:
Cv=242,Xv=0.15,yv=0.35,m=0.2。
修正系数Kv为:
Kv=KmvKsvKkrvKkvKBv
(2)
Vc=(242*1.44*0.8*1.04*0.81*0.97)/(600.2*30.15*0.50.35)=108.6(m/min)
确定机床主轴转速:
Ns=1000Vc/3.14*dw(3)
将数值代入,机床主轴转速为532r/min。
取与532r/min相近的机床转速为600m/min。
切削工时,根据《工艺手册》查表可得:
Tm=(l+l1+l2+l3)/nwf(4)
代入数值可得:
Tm=0.45(min)。
工序2:
粗车加工。
粗车直径为65mm的轴段,切削深度单边余量为1.25mm,可以一次切除。
进给量根据《切削手册》查得,f=0.5mm/r。
计算切削速度:
Vc=Cv*Kv/Tmapxvfyv(m/min)
代入数值可得,Vc=118(m/min)
确定主轴转速ns=1000*118/3.14*65=578(r/min)按机床选取n=600r/min
所以实际的切削速度为132m/min。
检验机床功率主切削力Fc根据《切削手册》所示公式计算
Fc=CFapxffyfVcnfKfc(5)
CF=2795,xFc=1.0,yFc=0.75,nFc=-0.15,Fc=2795*1.5*0.50.75*122-0.15*0.94*0.89
Fc=1012.5(N)
切削时消耗功率为:
Pc=FcVc/6*104(6)
代入数值得:
Pc=2.06(kw)
由切削手册得知C620-1主电机功率为7.8kw,当主轴转速为600r/min,主轴传递得最大功率为5.5kw,所以机床功率足够,可以正常加工。
校验机床进给系统强度已知主切削力为1012.5N,则径向切削力为:
FP=CFp*apxffyfVcnfKFp(7)
CFp=1940,xFp=0.9,yFp=0.6,nFp=-0.3,Fp=1940*1.50.9*0.50.6*122-0.3*0.897*0.5
=197(N)
而轴向力为:
Ff=CFf*afxf*fyf*Vcnf*KFf(8)
CFf=2880,xFf=1.0,yFf=0.5,nFf=-0.4,代入数值为Ff=480(N)。
取机床导轨与床鞍之间的摩擦系数为0.1,则切削力在纵向进给方向对进给机构的作用力为:
F=Ff+u(Fc+Fp)
代入数值算得F=600(N)。
而机床纵向进给机构可以承受的最大纵向力为3530N,故可以正常功能工作。
切削工时:
T=(l+l1+l2)/nf
其中l=86,l1=4,l2=0,所以t=0.3(min)
车削直径为72mm的轴段的外圆
切削深度单边余量为1.25mm,可以一次切除。
Vc=Cv*Kv/Tmapxvfyv
确定主轴转速:
n=1000Vc/3.14dw
n=(1000*118)/(3.14*72)=521(r/min)
按机床选取n=600r/min。
其中l=60,l1=4,l2=0,所以t=0.21(min)
粗车直径为75mm的轴段的外圆
n=(1000*118)/(3.14*75)=501.6(r/min)
其中l=74,l1=4,l2=0,所以t=0.26(min)
粗车直径为80mm的轴段的外圆
n=(1000*118)/(3.14*80)=469.7(r/min)
按机床选取n=480r/min。
其中l=86,l1=4,l2=0,所以t=0.375(min)
其中l=46,l1=4,l2=0,所以t=0.16(min)
工序3:
精车加工。
精车直径为65mm的轴段,切削深度单边余量为1mm,可以一次切除。
进给量根据《切削手册》查得,f=0.2mm/r。
代入数值可得,Vc=218(m/min)
n=(1000*218)/(3.14*65)=1068(r/min)
按机床选取n=1000r/min。
其中l=86,l1=4,l2=0,所以t=0.45(min)
精车直径为72mm的轴段的外圆
切削深度单边余量为1mm,可以一次切除。
n=(1000*218)/(3.14*72)=964(r/min)
其中l=60,l1=4,l2=0,所以t=0.32(min)
精车直径为75mm的轴段的外圆
n=(1000*218)/(3.14*75)=926(r/min)
其中l=74,l1=4,l2=0,所以t=0.39(min)
精车直径为80mm的轴段的外圆
n=(1000*218)/(3.14*80)=868(r/min)
其中l=46,l1=4,l2=0,所以t=0.25(min)
工序4:
铣削键槽。
FANUC-0iMate系统数控铣床,铣削轴外键槽选用高速钢键槽铣刀,d=20mm,z=2,参考《数控机床与编程》Vc=30m/min。
机床转速:
Ns=1000*30/3.14*20=477(r/min)。
每分钟进给量:
fm=0.08*2*480=76.8(mm/min)。
机动时间:
tm=9/76.8=0.21(min)。
工序5:
热处理。
工序6:
修研顶尖孔。
工序7:
磨削加工。
磨削直径为65mm的轴外圆。
选择砂轮:
见《工艺手册》选择平型砂轮磨削外圆及端面,尺寸350*40*127。
切削用量的选择:
砂轮转速为1500r/min。
工作速度为24m/min,工件纵向进给量为fa=0.6。
切削工时为:
t1=2LbZbK/1000vfafr(9)
t=(2*86*0.3*65*1.1)/(1000*24*0.6*20)=0.012(min)
磨削直径为72mm的外圆
工作速度为24m/min,工件纵向进给量为fr=0.6。
t1=2LbZbK/1000vfafr
t=(2*60*0.3*72*1.1)/(1000*24*0.6*20)=0.009(min)
磨削直径为75mm的外圆:
t=(2*75*0.3*75*1.1)/(1000*24*0.6*20)=0.012(min)
磨削直径为80mm的外圆:
t=(2*80*0.3*86*1.1)/(1000*24*0.6*20)=0.0157(min)
t=(2*46*0.3*75*1.1)/(1000*24*0.6*20)=0.0079(min)
精磨直径为65mm的外圆:
工作速度为30m/min,工件纵向进给量为fr=0.6。
t=(2*65*0.2*86*1.1)/(1000*30*0.6*20)=0.0068(min)
精磨直径为72mm的外圆:
t=(2*60*0.2*72*1.1)/(1000*30*0.6*20)=0.0053(min)
精磨直径为75mm的外圆:
t=(2*75*0.2*74*1.1)/(1000*30*0.6*20)=0.0067(min)
精磨直径为80mm的外圆:
t=(2*80*0.2*86*1.1)/(1000*30*0.6*20)=0.0084(min)
t=(2*75*0.2*46*1.1)/(
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