SPE175左箱體缸頭結合面圓盤銑夾具設計【說明書+CAD】

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1 引言 1.1 課題的來源及研究意義 四年的大學生活接近尾聲時，我們進行了為期近四個月的畢業(yè)設計。畢業(yè)設計是對大學四年來我們所學到的基礎知識和專業(yè)知識的一次系統(tǒng)性的總結與綜合運用，同時也是培養(yǎng)我們分析問題和解決問題能力的良好的機會，而且畢業(yè)設計也是大學教學的最后一個重要環(huán)節(jié)。因此，認真踏實地做好這次畢業(yè)設計不僅意味著我們能否順利畢業(yè)，而且對今后我們走上工作崗位后能否很出色的做好自己的工作也有十分重要意義。另外，畢業(yè)設計還可以培養(yǎng)我們獨立思考，開發(fā)思維和協調工作的能力，這對今后踏入社會以后能否盡快地適應社會也有很大的幫助。機械工業(yè)的生產水平是一個國家現代化建設水平的主要標志之一。這是因為工業(yè)、農業(yè)、國防和科學技術的現代化程度，都會通過機械工業(yè)的發(fā)展程度反映出來。人們之所以要廣泛使用機器，是由于機器既能承擔人力所不能或不便進行的工作，又能較人工生產改進產品的質量，特別是能夠大大提高勞動生產率和改善勞動條件。機械工業(yè)肩負著為國民經濟各個部門提供技術裝備和促進技術改造的重要任務，在現代化建設的進程中起著主導和決定性的作用。所以通過大量設計制造和廣泛使用各種各樣先進的機器，就能大大加強和促進國民經濟發(fā)展的力度，加速我國的社會主義現代化建設。由機械制造工藝系統(tǒng)的組成——機床、工件、刀具和夾具可看出夾具在機械加工中占有很重要的地位。尤其在成批生產時更是大量的采用機床夾具。它們是機床和工件之間的聯結裝置，使工件相對于機床或刀具獲得正確位置。機床夾具的好壞將直接影響工件加工表面的位置精度，所以機床夾具設計是裝備設計中一項重要的工作，是加工過程中最活躍的因素之一。 本研究課題是以江蘇林海動力機械集團的SPE175發(fā)動機左箱體缸頭結合面轉盤銑夾具為設計對象，目的是對箱體上表面進行銑削加工。江蘇林海動力機械集團是集科工貿及金融與大專院校于一體的由60多個成員單位組成的跨行業(yè)、跨地區(qū)的大型企業(yè)集團，林海集團是江蘇林海動力機械集團公司的簡稱。企業(yè)始建于1956年，具有五十年研制和生產小型動力及配套機械的歷史，有專業(yè)生產線和柔性生產線組成的國內一流的生產制造系統(tǒng)，有達到國家一級計量水平的計量檢測系統(tǒng)，有動力試驗中心和CAD開發(fā)中心組成的研究開發(fā)系統(tǒng)等，具備了強大的產品開發(fā)能力。企業(yè)主要生產摩托車、摩托車發(fā)動機、特種車輛、小型汽油機、小型汽油發(fā)電機組、林業(yè)機械、消防機械等七大類100多種規(guī)格的產品。 本次設計將根據企業(yè)的自身要求，以現有的加工設備為基礎，為SPE175發(fā)動機左箱體缸頭結合面的銑削加工設計專用的夾具，在滿足生產要求的基礎上提高生產率，并盡量節(jié)約成本。 同時通過本次設計，培養(yǎng)學生綜合運用所學基礎理論、專業(yè)知識和各項技能，著重培養(yǎng)設計、計算、分析問題和解決問題的能力，進而總結、歸納和獲得合理結論，進行較為系統(tǒng)的工程訓練，初步鍛煉科研能力，提高論文撰寫和技術表達能力，為實際工作奠定基礎。 1.2 機床夾具概述 1.2.1 夾具的概念 在金屬切削機床上加工工件時，為了保證加工表面的尺寸、幾何形狀和相互位置精度，應使工件相對刀具和機床切削成形運動有正確的位置，然后將工件夾緊固定以完成安裝過程。在機床上用于安裝工件的工藝裝備稱為機床夾具。夾具在工藝裝備中占有十分重要的地位，它對保證工件的加工精度、提高生產效率、降低生產成本、擴大機床使用范圍等方面具有重要的作用，尤其在成批生產時更是大量的采用機床夾具。機床夾具的好壞將直接影響工件加工的質量，所以機床夾具設計是裝備設計中一項重要的工作，是加工過程中最活躍的因素之一。 1.2.2 機床夾具在機械加工中的作用 （1）可靠和穩(wěn)定地保證工件的加工精度 （2）提高勞動生產率和降低加工成本 （3）減輕勞動強度 （4）擴大機床的工藝范圍 1.2.3 機床夾具的基本組成 就夾具組成元件的功能來看可以分為： （1）定位元件及定位裝置 （2）夾緊元件及夾緊裝置 （3）導向元件 （4）對刀元件及定向元件 （5）夾具體 （6）其他元件及裝置 1.2.4 機床夾具的類型 機床夾具的種類很多，形狀千差萬別。為了設計和制造上的方便，往往按某一屬性進行分類。常見的分類有以下兩種： （1）按夾具的通用特性劃分 如通用夾具、專用夾具、可調夾具、成組夾具、組合夾具、隨行夾具。 （2）按所使用的機床劃分 如車床夾具、銑床夾具、鏜床夾具、磨床夾具和鉆床夾具等等。 1.2.5夾具發(fā)展變革 機械制造業(yè)經過了漫長的發(fā)展歷程，從遠古簡單的石器打磨，到現代工業(yè)的數控加工，已經擺脫了手工作坊的作業(yè)方式，進入集團化生產、專業(yè)化協作的生產階段。而夾具隨著機械制造模式的改變也經歷了變革。 在科技高速發(fā)展的今天，為了使企業(yè)整體的數字化和現代化加工技術能夠得到更快的發(fā)展，就要使夾具設計和數字化、現代化加工技術相結合，解決好夾具設計制造過程中的一系列問題，企業(yè)在產品制造過程中的許多疑難問題就會迎刃而解。 1.3 機床夾具在國內外的發(fā)展趨勢 夾具是機械加工不可缺少的部件，在機床技術向高速、高效、精密、復合、智能、環(huán)保方向發(fā)展的帶動下，夾具技術正朝著高精、高效、模塊、組合、通用、經濟方向發(fā)展。 1.3.1 高精 隨著機床加工精度的提高，為了降低定位誤差，提高加工精度，對夾具的制造精度要求更高。高精度夾具的定位孔距精度高達±5μm，夾具支承面的垂直度達到0.01mm/300mm，平行度高達0.01mm/500mm。德國demmeler（戴美樂）公司制造的4m長、2m寬的孔系列組合焊接夾具平臺，其等高誤差為±0.03mm；精密平口鉗的平行度和垂直度在5μm以內；夾具重復安裝的定位精度高達±5μm；瑞士EROWA柔性夾具的重復定位精度高達2～5μm。機床夾具的精度已提高到微米級，世界知名的夾具制造公司都是精密機械制造企業(yè)。當然，為了適應不同行業(yè)的需求和經濟性，夾具有不同的型號，以及不同檔次的精度標準供選擇[1]。 1.3.2 高效 為了提高機床的生產效率，雙面、四面和多件裝夾的夾具產品越來越多。為了減少工件的安裝時間，各種自動定心夾緊、精密平口鉗、杠桿夾緊、凸輪夾緊、氣動和液壓夾緊等，快速夾緊功能部件不斷地推陳出新。新型的電控永磁夾具，加緊和松開工件只用1～2秒，夾具結構簡化，為機床進行多工位、多面和多件加工創(chuàng)造了條件。為了縮短在機床上安裝與調整夾具的時間，瑞典3R夾具僅用1分鐘，即可完成線切割機床夾具的安裝與校正。采用美國Jergens（杰金斯）公司的球鎖裝夾系統(tǒng)，1分鐘內就能將夾具定位和鎖緊在機床工作臺上，球鎖裝夾系統(tǒng)用于柔性生產線上更換夾具，起到縮短停機時間，提高生產效率的作用[1]。 1.3.3 模塊、組合 夾具元件模塊化是實現組合化的基礎。利用模塊化設計的系列化、標準化夾具元件，快速組裝成各種夾具，已成為夾具技術開發(fā)的基點。省工、省時，節(jié)材、節(jié)能，體現在各種先進夾具系統(tǒng)的創(chuàng)新之中。模塊化設計為夾具的計算機輔助設計與組裝打下基礎，應用CAD技術，可建立元件庫、典型夾具庫、標準和用戶使用檔案庫，進行夾具優(yōu)化設計，為用戶三維實體組裝夾具。模擬仿真刀具的切削過程，既能為用戶提供正確、合理的夾具與元件配套方案，又能積累使用經驗，了解市場需求，不斷地改進和完善夾具系統(tǒng)[1]。 1.3.4 通用、經濟 夾具的通用性直接影響其經濟性。采用模塊、組合式的夾具系統(tǒng)，一次性投資比較大，只有夾具系統(tǒng)的可重組性、可重構性及可擴展性功能強，應用范圍廣，通用性好，夾具利用率高，收回投資快，才能體現出經濟性好。德國demmeler（戴美樂）公司的孔系列組合焊接夾具，僅用品種、規(guī)格很少的配套元件，即能組裝成多種多樣的焊接夾具。元件的功能強，使得夾具的通用性好，元件少而精，配套的費用低，經濟實用才有推廣應用的價值[1]。 1.4 本設計主要研究內容 本設計研究內容主要包括以下幾個方面： (1)方案制定與選擇 (2)夾具部件結構設計 (3)氣動控制單元設計 (4)典型零部件的強度校核 (5)切削用量的選擇及刀具的選擇 2 原始資料數據介紹 圖2.1SPE175左箱體 工件材質：ADC12（壓鑄鋁） 加工要求尺寸為高度236.5mm，平面度誤差在0.04mm以內，表面粗糙度Ra為3.2m。 毛坯件壓鑄成型，毛坯尺寸237.7 mm（由于壓鑄成型，所以該尺寸有一定的波動性，但加工余量充足，不影響加工，可滿足加工后的要求），平面度和表面粗糙度要求通過加工實現。 3 加工方案制定 3.1加工方案 根據SPE175發(fā)動機左箱體的毛坯尺寸、加工要求和生產批量大小,相應的加工方式也有所區(qū)別,我們共設計了三種供選擇的方案，并根據方案的優(yōu)劣選擇適合企業(yè)年生產綱領要求，并且相對加工效率最高，成本最低的方案。三種加工方案分別為：立式升降臺銑床、數控銑床、圓臺銑床。 3.1.1 方案1：立式升降臺銑床 立式升降臺銑床的主軸是垂直布置的，簡稱立銑。立銑頭可以根據加工需要在垂直面內扳轉一個角度（≤45°）。主軸能沿著軸向作手動進給或調整位置。立式升降臺銑床裝上面銑刀或立銑刀可加工平面、臺階、溝槽、多齒零件和凸輪表面等。 3.1.2方案2：數控銑床 立銑頭上銑刀的軸向運動，工作臺上工作的縱向、橫向運動，都由伺服機構驅動，能實現三軸聯動。工作臺能手動上、下調節(jié)其位置。這種銑床除了加工平面、臺階、溝槽外，還可以加工復雜的立體成形表面。 3.1.3方案3：圓臺銑床 圓臺銑床與一般通用銑床相比的區(qū)別，在于其工作臺為一個回轉臺。臺面上可安裝多套夾具，加工時可同時進行裝卸零件的過程，且該類機床一般帶有兩根主軸，可裝載兩副銑刀盤，實現一次裝夾先后完成兩道工序。確切的說，它是一臺組合機床，更具有加工的針對性。 表3-1 圓臺銑床主要參數 項 目 規(guī) 格 主軸徑m/m 粗銑馬達 精銑馬達 轉盤直徑m/m 最大旋徑m/m 盤面高度m/m 滑鞍的最大行程m/m 銑刀直徑m/m 銑刀型式 刀具片規(guī)格 轉盤回轉數 轉盤馬達 升降馬達 潤滑泵部 油壓馬達 Φ100 Y132M2-6-B3/5.5KW Y132M2-6-B3/5.5KW Φ1200 Φ1400 730 400 Φ200（參考） R265.2-315ME-20AL（參考） SFAN1203EFR-H10（參考） 2-5分/每轉 Y90L-4-B5/1.5KW A02-7112-B3/0.37KW LR43798 設計工裝時自備 機械尺寸m/m 機械重量 長2100寬1600高2130 無夾具7000KGS 3.2 加工方案選擇 方案1中，采用立式升降臺銑床，特點是操作要求低，能夠基本保證加工要求，且由于其通用性，故通常企業(yè)內都有大量的此類設備，原始資源充足。根據加工目的，對于粗、精加工通常會設計兩條生產線，即一條粗加工，一條精加工。但此種加工方案造成零件在加工過程中需要兩次裝夾，這就會產生一定的安裝誤差，導致加工后的零件無法達到技術要求，使得不合格率提高。同時，大量的勞動力投入也不符合企業(yè)從勞動密集型向技術密集型轉變的發(fā)展趨勢，造成大量勞動力和生產資料的使用率低下，無形中大大提高了生產成本。 方案2中，采用數控銑床，特點是加工精度高，能夠大大提高產品質量和生產率，且需要的勞動力相對較少，生產資料的利用率也被充分提高。但采用數控銑床同樣存在著兩次裝夾的問題，這使得產品的合格率又有所下降。同時，使用數控銑床使得產品生產的投入成本大副提高，對于工人的操作要求也是一大挑戰(zhàn)，又由于數控銑床本身的運行成本較高，使得成本的控制顯得困難了許多。 方案3中，采用圓臺銑床，最直接的特點是該銑床有兩根主軸，可安裝兩副銑刀盤，實現一次裝夾先后完成粗、精加工兩道工序，解決了之前方案中由于兩次裝夾造成的加工誤差，簡化了加工工序，大大縮短了加工時間，降低了勞動成本。缺點是加工方式單一，通用性差。 綜上，本設計選擇方案3中圓臺銑床，該方案既可以滿足零件加工的技術要求，又符合企業(yè)年生產綱領的要求，提高了生產率，節(jié)約了生產成本。 圖3.2 X3012機床外形圖： 圖3.2 X3012機床外形圖 4 夾具部件結構設計 4.1 定位的概念 使用夾具安裝工件時，工件在夾具中的位置是由定位元件確定的。工件的有關表面需緊靠在定位元件上，從而被確定在一個既定的位置上，實現工件的定位。工件定位的作用在于使工件準確占據定位元件所規(guī)定的位置，并且使一批逐次加工的工件在夾具中占據同一正確的位置。通常夾具是用來安裝加工成批工件的，所以工件的定位需要保證一批工件加工位置的一致性。 4.2 工件定位的基本原理 沒有采取定位措施時，每個工件在夾具中的位置是任意的。因此，對一個工件來說，其位置是不確定的，而對一批工件來說，其位置將是變動的、不一致的。一個物體在空間可能具有的運動稱為自由度。從理論力學可知，一個在空間處于自由狀態(tài)的物體具有六個自由度，它們是沿三個垂直坐標軸x、y、z的平動和沿三個垂直坐標軸x、y、z的轉動。若使物體在某方向上有確定的位置，就必須設法限制該方向的自由度。當物體的六個自由度完全被限制后，則該物體在空間的位置就完全被確定了。在夾具設計時，是采用各種定位元件限制工件的自由度，實現工件的定位。 4.3 夾具部件結構設計說明 圖4.1SPE左箱體 圖4-1為SPE175發(fā)動機左箱體的剖視圖，上表面面為本次設計要求的加工平面。從零件結構來看，以結合面為定位精基準，配合兩個銷軸，是此次設計定位的主要方案，即機械加工中傳統(tǒng)的定位方式，一面兩銷定位方式。在實際生產中，如加工箱體，連桿和其它具有較大平面的零件，廣泛應用一面兩銷作為定位基準，采用一面兩銷具有支承面大，支承剛度好，定位精度較高，裝卸工件方便等優(yōu)點。結合面為已加工表面，精度高。因此作為定位精基準，限制工件的 x移動，y轉動，z轉動3個自由度。 圖4.2為圓柱銷，配合工件的軸孔作為第二定為基準，限制了工件的x移動，z移動兩個自由度。 圖4.2 圓柱銷 圖4.3 為菱形銷，作為第三個定為基準，它和圓柱銷聯合限制了工件的x移動的自由度。使用1個圓柱銷1個菱形銷，菱形銷的兩側被削去一部分安裝時就有了更大裝夾空間，易于裝夾。使用時，要使菱形銷的橫截面長軸垂直于兩銷的軸心連線，否則菱形銷不但不起應用的作用，還有可能使工件無法裝夾。 圖4.3 菱形銷 圖4.4為支承夾緊結構。圖中5為支承座，用于固定支承釘，與夾具體連接。6為支承釘，設計中共使用了3個支承釘和1個輔助支承釘，它們共同限制了工件的2個自由度。圖中螺母用于調節(jié)支承釘的高度，使工件裝夾之后保持水平。7為壓板，設計中共有3處，它們共同起到夾緊工件的作用。8為鉸鏈，連接壓 圖4.4 支承夾緊結構 板與鉸鏈座。9為推桿，在汽缸的作用下，推桿運動以控制壓板的夾緊與松開。31為推桿座，用于安裝推桿，與夾具體連接。 5 切削用量的選擇及刀具的選擇 5.1 刀具的選擇 5.1.1 刀具材料應具備的性能 刀具在工作中要承受很大的壓力和沖擊力。同時，由于切削時產生的工件材料塑性變形以及在刀具、切屑、工件相互接觸表面間產生的強烈摩擦，使刀具切削刃上產生很高的溫度和受到很大的應力。因此，作為刀具材料應具備以下特性。 （1）高的硬度 刀具材料必須具備高于被加工材料的硬度，一般刀具材料的常溫硬度都在62HRC以上。 （2）高的耐磨性 耐磨性是刀具抗磨損的能力。它是刀具材料力學性能、組織結構和化學性能的綜合反映。 （3）足夠的強度和韌性 為能承受很大的壓力，以及沖擊力和振動，刀具材料應具有足夠的強度和韌性。一般強度用抗彎強度表示，韌性用沖擊值表示。 （4）高的耐熱性 耐熱性是指刀具材料在高溫下保持硬度、耐磨性、強度和韌性的性能。 （5）良好的熱物理性能和耐熱沖擊性 刀具材料抵抗熱沖擊的能力可用耐熱沖擊系數R表示，R的定義式為 R=b(1-)/E 式中-熱導率；b-抗拉強度；-泊松比；E-彈性模量；-熱膨脹系數 （6）良好的工藝性 這里指的是鍛造性能、熱處理性能、高溫塑變性能以及磨削加工性能等。 （7）經濟性。 5.1.2 工件材料性能 下表為工件材料ADC12（壓鑄鋁合金，ADC12為新牌號，與表中牌號相符）性能參數。 表5-1工件材料性能參數： 合金牌號 合金代號 力學性能 YZAlSil1Cu3 YL114 抗拉強度 b/Map 伸長率(%) (l0=50) 布氏硬度HBS (5/250/30) 230 1 80 5.1.3 刀具性能和選定 下表為刀具性能參數。 表5-2刀具性能參數 材料性能 密度/ (g/cm3) 硬度 抗彎強度 /Map 抗壓強度 /Map 沖擊韌性 /(kJ/m2) 材料種類 高速鋼 7.6-7.8 63-70 HRC 250-4000 250-4000 100-600 硬質 合金 8.0-15 89-94 HRA 900-2450 3500-5900 25-60 材料性能 彈性模量/Gap 熱導率/ [W/(m﹒K)] 熱膨脹系數 /(×10-6/℃) 耐熱性/℃ 刀具材料 材料種類 高速鋼 200-230 16.0-25.1 9-12 600-650 高速鋼 硬質 合金 420-630 20.93-83.74 5-7 800-1000 鑄造鈷 基合金 根據工件材料性能參數可知，高速鋼刀具和硬質合金刀具均能對工件進行加工，硬質合金刀具硬度明顯高于工件材料硬度，考慮到工件加工數量較大，大批量的加工很容易使刀具磨損嚴重，造成產品尺寸無法達到加工技術要求，頻繁更換刀具又造成大量的刀具調試時間，影響了加工效率，綜合各種因素，故選用硬質合金刀具加工工件[13]。 5.2 切削用量的選擇原則 制訂切削用量，就是要在已經選擇好刀具材料和幾何角度的基礎上，合理地確定切削深度p、進給量f和切削速度c。 所謂合理的切削用量是指充分利用刀具的切削性能和機床性能，在保證加工質量的前提下，獲得高的生產率和低的加工成本的切削用量。 不同的加工性質，對切削加工的要求是不一樣的。因此，在選擇切削用量時，考慮的側重點也應該有所區(qū)別。粗加工時，應盡量保證較高的金屬切除率和必要的刀具耐用度，故一般有限選擇盡可能大的切削深度p，其次選擇較大的進給量f，最后根據刀具男用度要求，確定合適的切削速度。精加工時，首先應保證工件的加工精度和表面質量要求，故一般選用較小的進給量f和切削深度p，而盡可能選用較高的切削速度c。 5.2.1 切削深度p的選擇 切削深度應根據工件的加工余量來確定。 粗加工時，除留下精加工余量外， 走刀應盡量可能切除全部余量。當加工余量過大，工藝系統(tǒng)剛度較低，機床功率不足，刀具強度不夠，或斷續(xù)切削的沖擊振動較大時，可分多次走刀。切削表面層有硬皮的鑄鍛件時，應盡量使用p大于硬皮層的厚度，以保護刀尖。 半精加工和精加工的加工余量一般較少，可一次切除。但有時為了保證工件的加工精度和表面質量，也可采用二次走刀。 多次走刀時，應盡量將第一次走刀的切削深度取大些，一般為總加工余量的2/3-3/4。 在中等功率的機床上，粗加工時的切削深度可達8-10mm，半精加工（表面粗糙度為Ra6.3-3.2m）時，切削深度取為0.5-2mm，精加工（表面粗糙度為Ra1.6-0.8 m）時，切削深度取為0.1-0.4mm。 圖5.1 加工銑削示意圖 圖5.1為工件加工示意圖，右側刀盤為粗加工，左側刀盤為精加工。粗加工時，考慮在保證精加工的同時盡可能多的去除加工余量，所以確定粗加工的切削深度為1.2mm；留0.3mm作為精加工余量。 5.2.2 進給量f的選擇 切削深度選定以后，接著就應盡可能選用較大的進給量f。粗加工時，由于作用在工藝系統(tǒng)上的切削力較大，進給量的選取受到下列因素限制：機床-刀具-工件系統(tǒng)的剛度，機床進給機構的強度，機床有效功率與轉矩，以及斷續(xù)切削時刀片的強度。 半精加工和精加工時，最大進給量主要受工件加工表面粗糙度的限制。 工廠中，進給量一般多根據經驗按一定表格選取，在有條件的情況下，可通過對切削數據庫進行檢索和優(yōu)化。 進給量f=d/1000=×200/1000=0.628mm/r d-刀盤直徑 5.2.3 切削速度c的選擇 在p和f選定以后，可在保證刀具合理耐用的條件下，用計算的方法或用查表法確定切削速度c的值。在具體確定c值時，一般應遵循下述原則： （1）粗銑時，切削深度和進給量均較大，故選擇較低的切削速度；精銑時，則選擇較高的切削速度。 （2）工件材料的加工性較差時，應選較低的切削速度。故加工灰鑄鐵的切削速度應較加工中碳鋼低，而加工鋁合金和銅合金的切削速度則較加工鋼高得多。 （3）刀具材料的切削性能越好時，切削速度也可選得越高。因此，硬質合金刀具的切削速度可選得比高速鋼高好幾倍，而涂層硬質合金、陶瓷、金剛石和立方氮化硼刀具的切削速度又可選得比硬質合金刀具高許多。 此外，在確定精加工、半精加工的切削速度時，應注意避開積屑瘤和鱗刺產生的區(qū)域；在易發(fā)生振動的情況下，切削速度應避開自激振動的臨界速度；在加工帶硬皮的鑄鍛件時，加工大件、細長件和薄壁件時，以及斷續(xù)切削時，應選用較低的切削速度。 回轉體（刀具或工件）上選定點的切削速度c（m/min或m/s）的計算公式為： c =dn/1000 d-工件過刀具上選定點的回轉直徑（mm） n-工件或刀具的轉速（r/s或r/min） 根據機床參數確定，粗加工刀盤轉速為508r/min，精加工刀盤轉速為743r/min。 粗加工銑削速度c=319m/min 精加工銑削速度c=466m/min 6 典型零部件強度校核及材料選擇 6.1 強度理論概述 各種材料因強度不足引起的失效現象是不同的。塑性材料，如普通碳鋼，以發(fā)生屈服現象，出現塑性變形為失效的標志。脆性材料，如鑄鐵，失效現象則是突然斷裂。在單向受力情況下，出現塑性變形的屈服極限s和發(fā)生斷裂時的強度極限b，可由實驗測定。s和b可稱為失效應力。以安全系數除失效應力，便得到許用應力[]，于是建立強度條件 [] 可見，在單向應力狀態(tài)下，失效狀態(tài)或強度條件都是以實驗為基礎的。 實際構件危險點的應力狀態(tài)往往不是單向的。實現復雜應力狀態(tài)下的實驗，要比單向拉伸或壓縮困難得多。常用方法是把材料加工成薄壁圓筒，在內壓p作用下，筒壁為二向應力狀態(tài)。如再配以軸向拉力F，可使兩個主應力之比等于各種預定的數值。這種薄壁筒試驗除作用內壓和軸力外，有時還在兩端作用扭矩，這樣還可得到更普遍的情況。此外，也還有一些實現復雜應力狀態(tài)的其他實驗方法。盡管如此，完全復現實際中遇到的各種復雜應力狀態(tài)，并不容易。況且，復雜應力狀態(tài)中應力組合的方式和比值，又有各種可能。如果像單向拉伸一樣，靠實驗來確定失效狀態(tài)，建立強度條件，則必須對各式各樣的應力狀態(tài)一一進行實驗，確定失效應力，然后建立強度條件。由于技術上的困難和工作的繁重，往往是難以實現的。解決這類問題，經常是依據部分實驗結果，經過推理，提出一些假說，推測材料失效的原因，從而建立強度條件。 事實上，盡管失效現象比較復雜，但經過歸納，強度不足引起的失效現象主要還是屈服和斷裂兩種類型。同時，衡量受力和變形程度的量又有應力、應變和應變能密度等。人們在長期的生產活動中，綜合分析材料的失效現象和資料，對強度失效提出各種假說。這種假說認為，材料之所以按某種方式（斷裂或屈服）失效，是應力、應變或應變能密度等因素中某一因素引起的。按照這類假說，無論是簡單或復雜應力狀態(tài)，引起失效的因素是相同的。亦即，造成失效的原因與應力狀態(tài)無關。這類假說稱為強度理論。利用強度理論，便可由簡單應力狀態(tài)的實驗結果，建立復雜應力狀態(tài)的強度條件。 強度理論既然是推測強度失效原因的一些假說，它是否正確，適用于什么情況，必須由生產實踐來檢驗。經常是適用于某種材料的強度理論，并不適用于另一種材料；在某種條件下適用的理論，卻又不適用于另一種條件。 6.2 壓板的強度校核與材料選擇 圖6-1 壓板 6.2.1 切削力 切削加工時，在刀具的作用下，被切削層金屬、切屑和工件已加工表面金屬都要產生彈性變形和塑性變形，這些變形所產生的抗力分別作用在前刀面和后刀面上；同時，由于切屑沿前刀面流出，刀具與工件之間有相對運動，所以還有摩擦力作用在前刀面和后刀面上。這些作用在刀具上的合力就是總切削力F，簡稱切削力。 由于F受很多因素的影響，因此，其大小和方向都是不固定的。為了便于分析切削力的作用和測量切削力的大小，常常將總切削力F分解為三個互相垂直的切削分力： （1）切削力Fc 是總切削力在主運動方向上的分力。因此，它垂直于基面，是切削力中最大的一個切削分力。其所消耗的功率占總功率的95%-99%。它是計算機床動力，校核刀具、夾具的強度與剛度的主要依據之一。 （2）背向力Fp 是總切削力在切削深度方向上的分力。它在基面內，與進給運動方向垂直。此力作用在機床-夾具-工件-刀具系統(tǒng)剛度最弱的方向上，容易引起振動與加工誤差，它是設計和校驗系統(tǒng)剛度和精度的基本參數。 （3）進給力Ff 是總切削力在進給運動方向上的分力。它在基面內，與進給運動方向一致。Ff作用在機床的進給機構上，是計算和校驗機床進給系統(tǒng)的動力、強度及剛度的主要依據之一[15]。 6.2.2 強度校核 為校核夾具強度，需計算切削力Fc Fc=kc﹒p﹒f（N） kc-單位切削力；p-切削深度；f-進給量 查表,當f=0.3mm/r時kc=814.2N/mm2 計算得Fc=293.112N Fc=f摩擦力= k﹒FN k-摩擦系數 查表得=0.1 計算得FN=1724.19N 工作應力=FN/A A-最小截面面積 為120mm2 計算得=14.368MPa 6.2.3 材料選擇 表6-1常用材料的主要力學性能 材料名稱 牌號 s/(MPa) b/(MPa) 5/% 優(yōu)質碳素結構鋼 45 353 598 16 合金結構鋼 40Cr 785 980 9 灰鑄鐵 HT150 120-175 由表可知壓板材料選用45優(yōu)質碳素結構鋼即可完全滿足強度要求。 7 氣動技術概況 氣動技術是以壓縮空氣作為介質，以空氣壓縮機作為動力源，來實現能量傳遞或信號傳遞與控制的工程技術，是流體傳動與控制的重要重要組成技術之一，也是實現工業(yè)自動化和機電一體化的重要途徑。 氣動技術與傳統(tǒng)的液壓技術相比，有以下優(yōu)點：(1)結構簡單輕便、方便安裝維護；(2)輸出速度一般在50~500mm/s，速度快于液壓和電氣方式；(3)對沖擊負載和負載過載的適應能力較強；(4)可靠性高、使用壽命長、安全無污染且成本較低。 由于氣動技術具有以上的使用優(yōu)點，氣動技術在世界工業(yè)企業(yè)得到了廣泛的應用。一個完善的機電一體化系統(tǒng)包括機械、動力、信息檢測傳感、執(zhí)行、控制及信號處理等部分。作為機電一體化系統(tǒng)的執(zhí)行部分的氣動元件及其系統(tǒng)不僅僅具有機械、氣動執(zhí)行機構，同時也集成了信息檢測傳感等元件，甚至還集成了其他一些微型機電系統(tǒng)。 7.1 氣動技術的主要應用 氣動技術應用面的擴大是氣動工業(yè)發(fā)展的標志。氣動元件的應用主要為兩個方面：維修和配套。過去國產氣動元件的銷售主要用于維修，近幾年來，直接為主要配套的銷售份額逐年增加。國產氣動元件的應用，從價值數千萬元的冶金設備到只有幾百元的椅子。鐵道扳岔、列車的煞車、街道清掃、特種車間內的起吊設備、軍事指揮車等都用上了專門開發(fā)的國產氣動元件。這說明氣動技術已滲透到各行各業(yè)，并且正在日益擴大。 氣動技術的應用主要在： (1)汽車、輪船等制造業(yè)： 包括焊裝生產線、夾具、機器人、輸送設備、組裝線、等方面。 (2)生產自動化： 機械加工生產線上零件的加工和組裝,如工件的搬運、轉位、定位、檢測等工序。 (3)某些機械設備： 冶金機械、印刷機械、建筑機械、農業(yè)機械、制鞋機械、塑料制品生產線、等許多場合。 (4)電子半導體、家電制造業(yè)： 硅片的搬運、元器件的插入與錫焊，彩電、冰箱的裝配生產線等。 (5)包裝過程自動化： 化肥、糧食、食品、藥品等實現粉末、粒狀、塊狀物料的自動計量包裝。用于煙草工業(yè)的自動化卷煙和自動化包裝等許多工序。用于對粘稠液體(如化妝品、牙膏等)和有毒氣體(如煤氣等)的自動計量灌裝。 7.2 氣動元件在國內外的發(fā)展趨勢 隨著生產自動化程度的不斷提高，氣動技術應用面迅速擴大、氣動產品品種規(guī)格持續(xù)增多，性能、質量不斷提高，同時陸續(xù)開發(fā)出適應市場要求的新產品，使氣動元件的品種日益增加，其發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面： 7.2.1 精確化 為了使氣缸的定位更精確，使用了傳感器、比例閥等實現反饋控制，此外，一種新穎的電磁開關型氣動比例控制閥和數字閥也得到應用。如M L 2 B 系列是具有測量、反饋、無桿和制動綜合功能的氣缸。帶有彈簧、氣壓雙重鎖緊裝置，當活塞速度在500mm/s 以下時，無需任何校正控制回路。其停止精度可以在0.5mm 以下，在制動氣缸中設有制動裝置，可以根據需要使活塞停止在行程的某一確定位置，定位精度高。 7.2.2 小型化、集成化 有限的空間要求氣動元件的外形尺寸盡量小，小型化是主要發(fā)展趨勢。如CJP 系列針筆形氣缸的缸徑小至2.5-15mm，可以用于小型和微型機械設備的場合。氣閥的集成化不僅僅將幾只閥合裝，還包含了傳感器、可編程序控制器等功能。集成化的目的不單是節(jié)省空間，還有利于安裝、維修和工作的可靠性，同時也增加了一些附加功能。 7.2.3 高速化 氣缸的高速化發(fā)展對提高裝置的生產效率有著重要意義。為了提高生產率，自動化的節(jié)拍正在加快，高速化是必然趨勢。氣缸高速化的發(fā)展相應需要解決的技術問題，除對密封的材料、形狀有所考慮外，氣缸的驅動方式及如何吸收沖擊慣量進行緩沖等問題也非常重要。 7.2.4 復合化 氣缸的另一個發(fā)展趨勢就是復合化，為了方便用戶，縮短用戶進行機械設計的時間，各公司研制出復合化概念的氣缸組件，這些具有復合功能的氣缸，大大地方便了用戶的選擇和使用，市場的需求及技術的競爭把氣缸的發(fā)展帶入到一個多樣化的新時代。如NSC 公司推出的帶吸盤的一體化氣缸，與眾不同的是：1)與真空發(fā)生器一體；2)吸盤接觸到工件后，吸著并能自動復歸，無需真空壓力觸電開關；3)氣缸的推力不作用在工件上。NOK 公司的FPT 系列平臺承重式氣缸將導軌、平臺、氣缸集于一體，可直接用作小型壓力機下的移動底座。 7.2.5 安全性 由于氣體的可壓縮性，氣動產品可實現軟接觸，動作柔和；有些特定的環(huán)境，如防火、防爆、高溫、高濕等場合，氣動元件有其獨有的適應性；氣動系統(tǒng)可以在間隙工作狀態(tài)下輸出較大能量，抗過載能力強，這些都是其他機電產品無法相比的。此外，真空、射流技術已與傳統(tǒng)的氣動技術融為一體，它們的產品已成為氣動產品的一部分。 另外，氣動元件還有一些其他的發(fā)展趨勢，如氣動元件與電子技術相結合，向智能化方向發(fā)展；元件性能向著高頻、高響應、高壽命、耐高溫、耐高壓方向發(fā)展，普遍采用無油潤滑，應用新工藝、新技術、新材料。 7.3 氣缸 7.3.1 氣缸的分類 普通氣缸的結構組成主要由前蓋、后蓋、活塞、活塞桿、缸筒和其他一些零部件組成。 氣缸的種類很多。一般按壓縮空氣作用在活塞面上的方向、結構特征和安裝方式來分類，包括單作用氣缸、雙作用氣缸、特殊氣缸、組合氣缸、固定式氣缸和軸銷式氣缸。 7.3.2 氣缸的工作原理 這里就本設計所使用的雙作用氣缸進行介紹。雙作用氣缸指兩腔可以分別輸入壓縮空氣，實現雙向運動的氣缸。其結構可分為雙活塞桿式、單活塞桿式、雙活塞式、緩沖式和非緩沖式等。此類氣缸使用最為廣泛。 （1）雙活塞桿雙作用氣缸 雙活塞桿氣缸有缸體固定和活塞桿固定兩種。缸體固定時，其所帶載荷（如工作臺）與氣缸兩活塞桿連成一體，壓縮空氣依次進入氣缸兩腔（一腔進氣另一腔排氣），活塞桿帶動工作臺左右運動，工作臺運動范圍等于其有效行程s的3倍。安裝所占空間大，一般用于小型設備上。活塞桿固定時，為管路連接方便，活塞桿制成空心，缸體與載荷（工作臺）連成一體，壓縮空氣從空心活塞桿的左端或右端進入氣缸兩腔，使缸體帶動工作臺向左或向右運動，工作臺的運動范圍為其有效行程s的2倍。適用于中、大型設備。雙活塞桿氣缸因兩端活塞桿直徑相等，故活塞兩側受力面積相等。當輸出壓力、流量相同時，其往返運動輸出力及速度均相等。 （2）緩沖氣缸 對于接近行程末端的速度較高的氣缸，不采取必要措施，活塞就會以很大的力（能量）撞擊端蓋，引起振動和損壞機件。為了使活塞在行程末端運動平穩(wěn)，不產生沖擊現象，在氣缸兩端加設緩沖裝置，一般稱為緩沖氣缸。緩沖氣缸主要由活塞桿、活塞、緩沖柱塞、單向閥、節(jié)流閥、端蓋等組成。其工作原理是：當活塞在壓縮空氣推動下向右運動時，缸右腔的氣體經柱塞孔及缸蓋上的氣孔排出。在活塞運動接近行程末端時，活塞右側的緩沖柱塞將柱塞孔堵死、活塞繼續(xù)向右運動時，封在氣缸右腔內的剩余氣體被壓縮，緩慢地通過節(jié)流閥及氣孔排出，被壓縮的氣體所產生的壓力能如果與活塞運動所具有的全部能量相平衡，即會取得緩沖效果，使活塞在行程末端運動平穩(wěn)，不產生沖擊。調節(jié)節(jié)流閥閥口開度的大小，即可控制排氣量的多少，從而決定了被壓縮容積（稱緩沖室）內壓力的大小，以調節(jié)緩沖效果。若令活塞反向運動時，從氣孔輸入壓縮空氣，可直接頂開單向閥，推動活塞向左運動。如節(jié)流閥閥口開度固定，不可調節(jié)，即稱為不可調緩沖氣缸。氣缸所設緩沖裝置種類很多，上述只是其中之一，當然也可以在氣動回路上采取措施，達到緩沖目的。 8 使用說明 首先打開總電源，調節(jié)轉速擋位至要求的轉速，空運行機床，觀察有無異?，F象，如非正常震動、運行不穩(wěn)定等。待熱機后停止，安裝調試夾具。 氣缸的使用，一般氣缸的正常工作條件：環(huán)境溫度-35~80℃，工作壓力為0.4-0.6MPa。安裝前，應在1.5倍工作壓力條件下進行試驗，不應漏氣。安裝的氣源進口處必須設置氣源調節(jié)裝置：過濾器、減壓閥等。安裝時注意活塞桿應盡可能使載荷作用在活塞桿軸線上，活塞桿不允許承受偏心或橫向載荷。不使用滿行程。 安裝刀具，調節(jié)刀具位置，保證加工余量，避免工件在加工過程中出現粗加工和精加工同時進行的現象。 試加工零件，檢驗加工質量，根據加工要求進行適當的調整。 結束語 本設計為針對SPE175發(fā)動機左箱體結合面銑削設計夾具及氣路。設計以提高生產效率，降低生產成本，滿足年生產綱領為核心，根據加工對象的外行特點制定了合理的夾緊方案和加工方法。充分利用了圓臺銑床的加工特點，避免了通用銑床和數控銑床存在的各種加工缺陷，節(jié)約了勞動力和勞動成本，為生產線的設計提供了合理的運行方案，為企業(yè)創(chuàng)造了更理想的利潤空間。 夾具設計采用一面兩銷，配合支承釘、輔助支承釘及定位桿完全限定了工件的自由度，且安裝卸載工件方便、快速，加工全過程只需一位操作工人就可完成加工工作。同時采用的氣動夾緊裝置又大大降低了裝卸工件所需要的時間，充分利用了原有的氣動資源，合理的運用到了夾具的設計當中。 在較好的符合了預想的同時，也不得不承認設計中存在著不足之處。首要問題，通用性是該夾具的最大缺陷。面對市場經濟時代，產品的改型，設計的優(yōu)化都會對加工中使用的夾具提出要求，而過于針對單一產品的夾具必然會在今后的生產中因無法用于新產品的加工而被迫報廢，這對企業(yè)而言就是損失，無形中提高了生產加工的成本。同時，為了給新產品設計新的夾具，又迫使企業(yè)需要投入更多的資源用于設計開發(fā)，延長了新產品的生產周期，為新產品迅速占領市場增添了阻礙。所以，在設計之初就應充分考慮設計的可延續(xù)性，設計是否能在新產品的生產中再次發(fā)揮作用，更理想的是設計類似的組合夾具，就像搭積木一樣，重新組合一下就是一套新的夾具。當然，不可否認的是這樣的設計思路確實也存在著許多問題，對于設計人員也提出了更高的要求，但是面對困難如何去解決，更是一個設計人員應該去努力的。 在設計的同時，許多新的想法也一一出現。自動裝卸工件，自動清理切屑以保證工件安裝定位的準確，更甚至是全自動的生產線等等。雖然暫時還沒有能力進行獨立的設計，但是創(chuàng)新的思想將為今后的工作指點新的方向。 結論 本課題的任務是針對SPE175發(fā)動機左箱體缸頭結合面的銑削，在X3012機床平臺上設計專用的夾具，要求設計合理，裝夾方便，定位準確，滿足加工技術要求，符合單班制年生產5萬臺的生產綱領，同時盡量提高生產效率，降低生產勞動成本。 通過本次設計，我從中學習到了很多知識，雖然投入了大量的精力，但收獲與付出是相符合的。在整個設計過程中，我遇到了許多困難，主要是因為缺乏實際操作經驗，考慮問題的全面性尚且不足，當然，這對于一個還未走上工作崗位，參與實際生產的大學生來說是可以理解的。但對于所學知識的理解深度不夠是需要自己反思，并且在今后的學習工作過程中注意的。隨著設計工作的不斷深入，困難也一一被攻破，使對許多學過的知識進行了強化。比如三圖一卡的繪制，切削用量的計算，零件的強度校核，定位基準的選擇等。同時，也讓我學習到了很多只有在實際生產中才能學到的知識，了解了現代機床夾具的發(fā)展和現代氣動技術的廣泛應用。 可以非?？隙ǖ恼f，本次畢業(yè)設計幾乎涵蓋了四年大學所學的全部知識，設計、制造、制圖、輔助軟件的使用等等，它是大學四年的一個總結。 通過本次畢業(yè)設計，加強了我對各項知識的理解，更培養(yǎng)了分析問題和解決問題的能力，教會我怎樣制定工作步驟并有條不紊不執(zhí)行，這些為我今后走上工作崗位奠定了堅實的基礎。 致 謝 本課題的研究工作是在許國宏老師的關懷和指導下完成的。從今年開學到畢業(yè)設計結束的這段日子里，許老師在學習上給了我悉心的指導，使我在各方面能力都有了很大提高。在江蘇林海動力機械集團做畢業(yè)設計這段日子里，這里的各位高級工程師給了我莫大的幫助，他們在繁忙的工作期間，對我的畢業(yè)設計的完成付出了大量的心血，多次給我提出深刻而具有指導性的意見。正是有了許工程師對我時時刻刻的指導，才使我能正確把握論文的方向，并順利地完成。老師嚴謹、求實的治學態(tài)度，深邃的洞察力，高度的責任心和敬業(yè)精神，平易近人的工作作風，一直深深的影響和激勵著我，使得我在學習和生活上受益匪淺。在畢業(yè)設計完成之時，謹向恩師們表示最衷心的感謝，并致以崇高的敬意。 同時，我要感謝江蘇林海動力機械集團給我們畢業(yè)設計提供了良好的工作平臺和工作環(huán)境，使我的論文能夠順利完成。 其次，我也要感謝所有關心和幫助過我的人。 最后，要特別感謝所有給我傳道授業(yè)的老師們，正是你們的辛勤教授才使學生有了完成畢業(yè)設計的知識與能力儲備，奠定了我的理論與實踐基礎。  參 考 文 獻 [1] 趙家齊. 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