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1、湖南科技大學瀟湘學院專業(yè)模塊課程設計 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

2、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)控銃床上，完成零件端面上側梢及頂部 6-M12螺紋 孔的加工；最后采用專用夾具以側梢、底部圓環(huán)以及6-M12螺紋孔其中兩 孔定位進行外圓上 ①22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 法蘭盤工藝設計與數(shù)控加工 0引言 0.1概述 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

3、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AutoCAD正確繪制機械零件的二維圖形，能通過使用UGNX7.0 軟件對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

4、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。 0.2本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； 1 湖南科技大學瀟湘學院專業(yè)模塊課程設計 制定輸出連接法蘭數(shù)控加工工藝 (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

5、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 1.1 零件圖分析 圖1.1所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1.2為零件的三維圖。 7 圖1.1法蘭盤零件二維圖 圖1.2法蘭盤三維圖 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。

6、 1.2 技術要求分析 (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1.1所示，加工要求較高的尺寸列出如下表格，如表 1.1所示。 (3 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0.8 ,半精加工為0.5

7、 ,精加工為0.2。 (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 Ra, 微觀不平度十點高度 Rz以及輪廓最大高度 Ry。 該零件主要由外圓、內圓、沉孔及內孔組成，具體表示為 0 55外圓、 052外圓、0 90夕卜圓、6- 0 11沉孔、3-0 5內孔、010內孔、032內圓、 0 16內圓。粗糙度皆為Ra3.2。 表1.1尺寸精度 ①10mm勺孔 ① 10mm 孔 ①90mmi柱面 ①11mm勺沉孔

8、 ① 11mm 沉孔 ①90mnffl柱面 C1.5m制角 1.5 mm 45 倒角 ①32mmi柱面內側 ① 5mmW ①5mm 內孔 ①10mmi柱面  2零件的數(shù)控加工工藝設計 2.1 選定毛坯 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 ①95m冰45mm如圖1.3所 圖1.3法蘭盤加工前三維圖 2.2 選擇定位基準 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。 2.2.1 粗基準的選擇： 按照粗基準的選擇原則，

9、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 ①16mnrt圓、①90外圓及①55外 圓時，選擇①95mmB坯外圓作為粗基準 2.2.2 精基準的選擇： 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①700外圓、①440外圓、①340外圓、①224內孔、12-①22孔及 6-M12內孔時，選擇①700外圓及①224內圓作為精基準。 2.3 工藝路線的設計 （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 XH714立式加工中心配以專用的工、 夾

10、、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：（①700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 2mm 3）鉆①140孔中心孔。 4）粗鉆擴①140孔。 5）精鉆擴①140孔至尺寸要求。 6）倒圓角R2 工序二：（①224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。 湖南科技大學瀟湘學院專業(yè)模塊課程設計 3）鉆①224孔中心孔。 4）粗鉆錢鉤①224孔。 5）精鉆錢鉤①224孔至尺寸要求。 6）倒角 C1.5。 工序三：（①22孔及

11、工件下平面定位） 1）鉆12-①22孔。 2）粗鉆錢12-①22孑L。 3）精鉆較12-①22孔至尺寸要求。 工序四：（①22孔及工件上平面定位） 1）鉆6-M12螺紋孔。 2）粗較6-M12螺紋孔。 3）精較6-M12螺紋孔至尺寸要求。 4）所有面去銳邊毛刺。 2.4 確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。 2.4

12、.1 背吃刀量ap的確定 根據(jù)零件圖樣知工件表面粗糙度要求為全部 3.2 ,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3.5mm)半精車的背吃刀量取1.5mni精 車時背吃刀量取0.35mm 2.4.2 進給量f的確定 由文獻［10］表2.4-73 ,選擇粗車時：fz=0.20mm/z;精車時： fz=0.5mm/z 2.4.3 切削速度Vc的確定 由文獻［10］表3.1-74，選擇粗車時:主軸轉速n=900r/min ;精車時: 主軸轉速n=1000r/min。 因此，相應的切削速度分別為： 粗銃日V: vc = —dn =--16 900 m/min

13、 = 45.2m/min 1000 1000 dn 二 20 1000 精銃時： vc = = m/ min = 62.8m/min 1000 1000 2.4.4 工時定額的確定 根據(jù)夾具的設計，下面計算工序四中 ①10m吊］的時間定額。 (1)基本時間 由文獻［8］得，鉆孔的計算公式為： L Li L2 T基本一 上 nf 式中：Li =DcotKy+(1?2)； 2 y L2=1?4,鉆盲孔時，L2=0； L=17 , L2=0, f=0.3 , n=1000; 因此 Li =&ot或 1.5=7.5 2 2 17 7.5 0 所以 T基本= =0.082

14、 min 0.3 1000 (2)輔助時間文獻［8］確定 開停車 0.015min 升降鉆桿 0.015min 主軸運轉 0.02min 清除鐵屑 0.04min 卡尺測量 0.10min 裝卸工件時間由文獻［8］取1min 所以輔助時間 T輔助=(0.015+0.015+0.02+0.04+0.10+1 ) min=1.19min (3)地點工作服務時間 由文獻［8］確定 取口 =3% , 貝UT服務=(T基本 +T輔助)□ = (0.082+1.19) M3%min =0.03815min (4)休息和自然需要時間 由文獻［8］確定 取 P =3% , 貝U

15、T休息=(T基本 T輔助)==(0.082 1.19) 3%min = 0.03815min (5)準備終結時間 由文獻［8］,部分時間確定 簡單件 26min 深度定位0.3min 升降鉆桿6min 由設計給定1000件，則 T準終 /n = (26 +0.3+6)/1000min =0.0323min (6)單件時間 T總=T基本+T輔助+丁休息+丁服務+T準終 = (0.082 1.19 0.03815 0.03815 0.0323) min = 1.381 min (7)單件計算時間 T單件=丁總 +T準終 / n = (1.381 +0.0323) min

16、= 1.4129min 2.5各工序的設備、刀具、量具的設計 (1)選擇NC加工機床 根據(jù)2.3工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、較孔及倒角等, 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FANUC 18i-MateMC(統(tǒng)XH714立式數(shù)控加工中心，如圖 1所示。 17 圖1 XH714立式數(shù)控加工中心 (2)機床主要技術參數(shù) 工作臺面積(長x寬) 900 X400 mm 工作臺左右行程（X向） 630 mm 工作臺前后行程（Y向）

17、 400 mm 主軸上、下行程（Z向） 500 mm 工作臺最大承重 600 kg 主軸端面至工作臺面距離 250 —760 mm 主軸錐孔 刀庫容量 刀具最大尺寸 主軸最高轉速 進給速度 快速移動速度 主電機功率 定位精度 重復定位精度 進給電機扭矩 數(shù)控系統(tǒng) MAS403 BT40 >12把 100X 250 mm 8000 rpm 5-8000 mm/min 20000 mm/min 7.5/11KW X:0.016 mm X:0.010 mm FANUC 8 N.m FANUC 0i-MateMC ,Y、Z: 0.014 mm全程 ,Y、Z:0

18、.008mm全程 插補方式 直線插補、圓弧插補 （3）機床性能 XH714為縱床身，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、Z三軸采用進口精密滾珠絲杠副，及進 口滾珠絲杠專用軸承支承；主軸采用交流伺服調速電機，具額定功率 11KW主軸最高轉速為8000rpmo主軸軸承采用高速、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。 2.6 工藝文件的設計 根據(jù)2.3工藝路線的設計的工序安排，編出機械加工工藝過程卡片

19、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。 2.7 數(shù)控加工刀具卡片的設計 根據(jù)2.3工藝路線的設計 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。 2.8 數(shù)控編程 根據(jù)2.3工藝路線的設計 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法蘭盤鉆中10孔夾具工序工藝裝備的設計 3.1 夾具設計方案的設計 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

20、： 3.1.1 生產(chǎn)時，才考慮采用專用夾具，并力求結構簡單。 3.1.2 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。 3.1.3 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①18孔以及工件底平面作為定位基準，定位方案如圖 3-1所示。 平面機構自由度計算公式為：F=3n.2R-PH , 其中：n為活動構件，n=N-1, N為構件； Pl 一低副； Ph 一局副； 所以：F =3n -2PL -Ph

21、=3 2 -2 3 -0 =0 即2個支承釘及定位心軸限制工件的x、y方向的轉動度以及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3-1法蘭盤的定位方案 3.1.4 夾具的夾緊方案的確定 工件夾緊方案的確定，取工件的 ①55圓柱端面進行夾緊，采用六角 厚螺母夾緊機構，如圖3-2所示。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 ①55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， 具結構緊湊、操作方 便。

22、 3.1.5 夾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 湖南科技大學瀟湘學院專業(yè)模塊課程設計 坐標系的①95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 ①95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 X 軸，使刀具微碰零件，此時記下X的機械坐標輸入到G54或G55的X中， 本次試切再選擇零件的外圓頂點為試切點，上下?lián)軇又鬏S，手輪移動 Y 軸，使刀具微碰零件，此時記下Y的機械坐標輸入到G54或G55的Y中， 至此，X, Y軸對刀完成；Z軸的對刀，如以工件外圓

23、頂點為 0點，將銃 刀擦到工件表面，記下此時 Z軸的機械坐標，輸入到 G54或G55中。 3.1.6 夾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。 3.2 夾具的結構設計 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1-9-1為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

24、，故應進行時效處理。材料多采用 HT15-30 或HT20-40。在夾具體上還進行倒角，以便增加夾具的強度及剛度。 3.3 夾具的理論計算 3.3.1 定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 1 . Ld 取 、ld =— 0.12mm = 0.04mm 3 故兩定位銷中心距為71 0.02mm 2）確定圓柱銷尺寸及公差 _0.006 ?、?11H8=0 11，017mm 3 ）參考文獻［8］中表4-3選取菱形銷的鳥及B值 取 n=4mm B=d-2= （11-2

25、） mm=9mm 4）確定菱形銷的直徑尺寸及公差 取補償值：a= Ld + LD = (0.06+0.02)mm=0.08mm 貝U 2ab1 2 0.08 4 X2min = = mm : 0.053mm D2min 12 所以 d2max =D2min -X2min = (11 -0.053)mm = 10.947mm 菱形銷與孔的配合取h6,其下偏差為-0.011mm,故菱形銷直徑為 ① 10.947 00.011 mm= 11 歌 mm 所以 d2max=@11 jXmm 5）計算定位誤差 基準位移誤差為: Y = D1 d1 X〔min =[0.027

26、(-0.006 0.017) (0 0.006)]mm = 0.044mm 轉角誤差為: 「「arctan X1max X2max -arctan 027 0.017) (0.027 0.064工 arctan。住 2L 2 71 142 則.??3?14:雙向轉角誤差為6 28 o 3.3.2夾緊力的分析與計算 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P按3.2公式計算： T =Qhan例 +4）+f 】 （3.2） Q 一夾緊力，； 中一螺紋升角，M16選2 29，； 小一螺紋摩擦角，4=10"； T 一支撐表

27、面摩擦力矩的計算力臂，選擇T」d0」父15 = 5； 3 3 f 一螺母支撐面的摩擦因素，選擇f =0.178; 通過計算，M16?1定位的螺釘所需夾緊力為：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 3.4夾具的使用操作說明 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。 19 湖南科技大學瀟湘學院專業(yè)模塊課程設計

28、 23 4數(shù)控加工零件的三維仿真圖 圖4-1鉆6-M12螺紋孔 4數(shù)控加工零件的三維仿真圖 圖4-4較12-①22孔 4數(shù)控加工零件的三維仿真圖 圖4-6銃側槽

29、 湖南科技大學瀟湘學院專業(yè)模塊課程設計 制定輸出連接法蘭數(shù)控加工工藝 5結論 (1)通過對零件和夾具的三維造型，實戰(zhàn)練習了 UG三維造型軟件的 造型模塊和AtuoCAU程圖模塊，加深了 AutoCAD1維軟件的操作和理解。 (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Ofice辦公軟件時，還需要多加熟練。 (6)在進行UG三維建模時，了解了計算

30、機輔助制圖編程軟件的功能 及使用方法。 (7)在用Auto CAD UGNX7.濤軟件時，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。 27 參考文獻 [1]洪如瑾.UG NX4

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32、l Department1998-1999 Economic Handbook of the Machine Tool Industry.1998 [10]李洪等.機械加工工藝手冊.北京.北京出版社，1990. 附錄i.機械加工工藝過程卡片 附錄2.機械加工工藝過程卡片 附錄3.機械加工工藝過程卡片 附錄4.數(shù)控加工工序卡 附錄5.數(shù)控加工工序卡 附錄6.數(shù)控加工工序卡 附錄7.數(shù)控加工工序卡 附錄8.數(shù)控加工刀具卡片 附錄9.數(shù)控加工刀具卡片 附錄10.數(shù)控加工刀具卡片 附錄11.數(shù)控加工進給路線圖 附錄12.數(shù)控加工進給路線圖 附錄13.數(shù)控加工進給路線圖 附錄14.數(shù)控加工進給路線圖 附錄15.數(shù)控加工進給路線圖 附錄16.數(shù)控加工進給路線圖 附錄17.數(shù)控加工程序 附錄18.法蘭盤二維圖及三維圖 附錄19.法蘭盤鉆①10孔專用夾具裝配圖 附錄20.專用夾具中夾具體二維圖 附錄21.專用夾具中可換圓柱銷二維圖 附錄22.專用夾具中可換菱形銷銷二維圖 附錄23.專用夾具中定位心軸二維圖