PROE铣床夹具分析研究与设计.doc
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1、摘 要 本设计是车床拨叉零件的专用夹具设计。从零件的结构外型分析,它的外型复杂,且不 易加工,因此该零件选用是铸造件。Pro/E 是基于单一数据库的大型设计软件,参数与参数 之间的关系构成了 Pro/E 设计的灵魂,对 Pro/E 的高级设计起着重要的作用。在拨叉夹具 的虚拟设计过程中,首先分析了夹具的结构功能和类型,然后选定了研究对象,并确定了其 结构、组成元件及相关尺寸,本文采用了由底向上的设计方法,同时对自顶向下的设计方法 也作了研究,并分析比较了俩种设计方法的差别和各自的特点。在完成零件的建模后,用 Pro/E 的虚拟装配功能对零部件进行了装配。 关键词: 铣床夹具、Pro/E、由底向
2、上、装配 1 BASED ON PRO / E DESIGN OF MILLING MACHINE FIXTURE Abstract The design is dedicated lathe parts fork fixture design. Appearance from the analysis of the structure of parts, it looks complicated and difficult process, so the choice is casting parts. Pro / E is based on a single large-scale dat
3、abase design software, parameters and parameters of the relationship between the composition of the Pro / E design of the soul of the Pro / Es senior design plays an important role. Fork of the virtual fixture in the design process, first of all an analysis of the structure and function of fixture a
4、nd type, and then selected the study and to determine its structure, composition and size of components, the paper used by the design of bottom-up approach, At the same time, from top-down design method is also studied and analyzed and compared the two kinds of design methods and their differences i
5、n the characteristics. Upon completion of the modeling components, the use of Pro / E features of the virtual assembly of parts and components for the assembly. Keywords: milling machine fixture, Pro / E, by the bottom-up, assembly 2 目录 1 绪论1 2 设计理念1 2.1 概念设计.2 2.1.1 夹具的发展及现状.2 2.1.2 夹具的分类.2 2.1.3 夹
6、具的组成.3 2.1.4 现代机床夹具的发展方向 .5 3 铣床夹具设计.6 3.1 定位基准的选择 6 3.2 制定夹具方案.6 3.3 定位元件的选择及计算8 3.4 定位误差分析.9 3.5 铣削力与夹紧力计算9 3.6 定向键与对刀装置选择10 3.7 本章小结 12 4 实体建模.12 4.1 铣拨叉MM槽夹具.13 0.12 0 16 4.1.1 拨叉零件的建模13 4.1.2 夹具体的建模.14 4.1.3 对刀块的建模.15 4.1.4 其他零件的建模 16 3 4.2 夹具的装配.17 4.2.1 支承板的装配.18 4.2.2 拨叉的装配.18 5 结论 .19 致谢19
7、参考文献19 4 1 绪论 当前三维设计技术已经达到了一个很高的境界 ,它能为产品开发人员提供更先进的设 计方法和设计手段 ,具有形象生动、 直观明了、 快速响应等设计特点 ,其开发过程很符合 设计人员的设计思维1。三维开发平台的出现和完善 ,为增强企业的开发能力、 提高设计 效率和产品质量 ,提供了强有力的技术支持。三维开发技术的应用和推广 ,可谓是传统的机 械设计的一次革命;三维立体设计逐步替代传统的二维平面是必然的趋势目前 ,市面上可供 选择的软件有很多 ,主要包括高端的 Pro /Engineer, I - DEAS, UG, CATI A 和中端的 Solidworks, Solid
8、Edge 等 3D 设计软件2。这些软件的一个共性就是它们都具备了尺寸参 数驱动技术以及虚拟装配技术;尤其是高端的 3D 设计软件还具备了智能化、 集成化、 并 行化、 模块化、 相关性等特点,这些技术一般都能满足用户设计的各项诸如设计、 计算 分析、 制造、 虚拟装配、 干涉检查、 有限元分析、 运动分析等高级 CAD 的需求。 Pro/Engineer 系统是美国参数技术公司(PTC)的产品。PTC 公司提出的单一数据库、 参数化、基于特征、全相关的概念,开发出来第三代机 CAD/CAE/CAM 产品 Pro/Engineer 软件能将设计至生产全过程集成到一起,让所有的用户能够同时进行同
9、一产 品的设计制造工作,即实现所谓的并行工程3。 Pro/Engineer 采用技术指标化设计、基于特征的实体模型化系统,工程设计人员采用 具有智能特性的基于特征的功能去生成模型,如腔、壳、倒角及圆角,您可以随意勾画草 图,轻易改变模型。Pro/Engineer 系统用户界面简洁,概念清晰,符合工程人员的设计思 想与习惯。整个系统建立在统一的数据库上,具有完整而统一的模型。 2 设计理念 使用 Pro/E 软件进行虚拟产品设计总的来说有俩种设计方法,它们分别是由底向上的 产品设计和自顶向下的产品设计。 由底向上的的产品设计就是先设计好产品的各个零部件,然后再把各个零部件逐一装 配成完整产品的设
10、计方法。由底向上的设计方法是一种比较简单、低级的方法,其设计思 路比较清楚,设计原理也容易被广大用户接受,但是其设计理念还不够先进,设计方法不 够灵活,还不能完全适应现代设计的基本要求。这种方法主要应用于一些已经比较成熟的 产品的设计过程,可以获得比较高的设计效率。 由顶向下的装配设计与由底向上的设计方法正好相反。设计时,首先从整体上勾画出 产品的整体结构关系或创建装配体的二维零件布局关系图,然后再根据这些关系或布局逐 一设计出产品的零件模型。在现实的虚拟产品设计中,往往都是先设计出整个产品的外在 概念和功能概念后,逐步对产品进行设计上的细化直至单个零件5。 由顶向下的产品设计方法因其设计方法
11、灵活和修改容易等优点,深受设计者喜爱。同 时这种设计方法对设计者的要求较高,设计者不仅要熟练掌握 Pro/E 的各种应用技巧,而 且要对产品有完整的构思。 本文分别采用由底向上的方法进行夹具的设计。 5 2.1 概念设计 概念设计是根据拨叉的功能和尺寸要求,进行产品功能创造、功能分解以及功能和子 功能的结构设计;进行满足功能和结构要求的工作原理求解和进行实现功能结构的工作原 理载体方案的构思和系统化设计。概念设计的过程是一个发散思维和创新设计的过程,是 一个求解实现功能的,满足各种技术和经济指标的,可能存在的各种方案并最终确定综合 最优方案的过程 2.1.1 夹具的发展及现状 夹具虽然是机床的
12、附加装置,但是他在生产中起到的作用却很大,应用十分广泛。因 此,我国广大机械工人和技术人员,历来把机床夹具的设计和改进,作为技术革新和改造的 一个重要举措。 夹具是机械加工不可缺少的部件,在机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环 保方向发展的带动下,夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济方向发展1。 安装在车床上的夹具多数情况下都是采用通用夹具,如三爪卡盘、四爪卡盘等。当加 工一些特殊工件,采用通用夹具无法安装时,必须设计专用夹具。安装在机床上的夹具根 据其安装的位置分为两个基本类型:安装在车床主轴上的夹具和安装在车床床鞍上的夹具。 2.1.2 夹具的分类 随着机械制造业的发展,
13、机床夹具的种类也在不断的增加,出现了许多的新颖的夹具, 如果想要对所有的夹具加以分析,那是不可能的。为了便于研究各种夹具的特性,找出规律 性的东西,从而运用这些规律有必要将夹具加以分类如下: 图 1 机床夹具的分类 通用夹具 按应用分类 机床夹具 通用夹具专用夹具通用可调与成组夹具组合夹具 按使用机床分类 车床夹具铣床夹具钻床夹具镗床夹具磨床夹具其他机床夹具 按夹紧动力源分类 手动夹具气动夹具液压夹具电动夹具电磁夹具真空夹具其他 6 是指已经标准化的、可用于一定范围内加工不同工件的夹具。如三爪自定心或四爪单动 卡盘、机用虎钳、回转工作台、万能分度头、磁力工作台等。这类夹具以作为机床附件,可 以
14、充分发挥机床技术性能和扩大工艺范围。不论何种生产类型,都被广泛利用。 专用夹具 在使用夹具装夹工件时,有找正和不找正之分。在使用专为工件的某道工序时,一般能 够直接装夹工件而无须划线和找正,他成为机床的一种附加装备,在加工中起到机床、工件、 刀具之间的桥梁作用,我们称之为专用夹具。专用夹具的设计和制造是机械加工中的一项重 要的技术准备工作。 通用可调与成组夹具 这两类夹具结构相似。其共同点是:在加工完一种工件后,经过调整或更换个别元件, 即可加工形状相似、尺寸相近或加工工艺相似的多种工件。在当前多品种小批量生产条件下, 这两类夹具是改革工艺装备设计的一个发展方向。 组合夹具 是指按某一工件的某
15、道工序的加工要求,由一套事先准备好的通用的标准元件和部件组 合成的夹具。这种夹具用完后可以拆御存放,还可多次反复使用,具有组装迅速,周期短的 特点,故特别适用于多品种小批生产或新产品试制1。 2.1.3 夹具的组成 由于各种专用夹具装夹的工件是各不相同的,所以夹具结构也各种各样。尽管新的夹 具层出不穷,但是他们的工作原理基本相似。我们在认识一定的数量的夹具之后,加以概括, 找出他们的内在联系和共性,以便于尚未研究过的各种 7 图 2 机床夹具组成示意图 夹具进行研究。由此可以得出一般夹具共有的如下组成元件和装置: 定位元件和装置 它的作用是确定工件在夹具中的加工位置。 夹紧装置 这种装置包括夹
16、紧元件或组合和动力源。其作用是将工件压紧夹牢,保证工件的定位在 加工中不因受外力而产生位移,同时防止或减少振动。 确定夹具位置的元件 其作用是确定夹具在机床上的饿安装位置,从而保证工件与机床之间的正确加工位置。 对刀导向装置 用于确定刀具位置并引导刀具进行加工的饿元件称为对刀导向元件。 其他装置 有些夹具还设有分度装置、上下料装置、工件顶出装置等。 夹具体 他是夹具的基本件和骨架,上述各类元件或装置都安装在夹具体上,使之成为一个夹具 夹紧装置其他装置 确定夹具位 置元件 夹具体 对刀换向 装置 定位装置 工件 夹 具刀 具 机 床 8 整体。他们的基面一般都和机床工作台或花盘相联结。 上述六个
17、组成部分,并非每套机床夹具都必须全部具备。但是一般说来,定位装置、夹 紧装置和夹具体则是夹具的基本部分。 机床夹具的组成部分与工件、机床、刀具之间的联系,可以从下图看出,该图为正确设 计夹具提供了思考问题的线索:例如定位、夹紧装置直接与工件有关,故在设计时必须掌握 与工件形状、尺寸、技术要求等有关资料;在设计对刀导相元件时,应考虑加工所用刀具的 类型、结构和尺寸等;设计确认夹具在机床上位置的元件时,则应依据机床工作台或主轴端 部的结构形式和尺寸等。 2.1.4 现代机床夹具的发展方向 随着机械工业的迅速发展,对产品的品种和生产率提出了愈来愈高的要求,使多品种, 中小批生产作为机械生产的主流,为
18、了适应机械生产的这种发展趋势,必然对机床夹具提出 更高的要求。它的发展方向主要表现为“四化” 。 标准化 完善的标准化,不仅指现有夹具零部件(包括毛坯及半成品)的标准,而且应有各种类 型夹具结构的标准(如果用可调夹具标准、组合夹具标准、自动线夹具标准等) 。同时应对 专用夹具零部件,实行统一的标准化、系列化,以便使用一部分的零部件,能在各类夹具实 现通用化。无疑这“三化”是夹具发展的基础工作,有此基础,就有可能组织夹具零件、传 动装置甚至整套的夹具的专业化定点生产,使原来单体生产的夹具,转变为专业化生产,以 保证质量,降低成本,缩短生产周期。 可调化、组合化 当前机床发展的两个主要发展方面,一
19、是要把专门用于某一特定工序的专用夹具,扩大 其运用范围,使能用于同一类零件的加工,并实现快速调整;二是要改变专用夹具当工件或 工艺一有修改就得报废的问题,使夹具能够重复利用,实现组合化的原则,用少数元件能满 足多中需要。特别是随着数控车床等的大量出现,如何使用可调化或组合化夹具来适应这种 机床的需要,成为当前机床夹具的又一重要发展方向。 精密化 由于机械产品加工精度日益提高,高精度机床的大量涌现,势必要求机床夹具也相对精 密。例如精密多齿分度盘、分度精度可以达到;高精度通用定心卡盘可达0.005mm的1 . 0 定心精度。 高效自动化 为了实现机械加工过程自动化,以改善劳动条件,提高生产率,降
20、低加工成本,不仅是 生产流水线、自动线的需要,而且对多品种、小中批量生产同样可以考虑采用合适的高效自 动化夹具,以获得良好的效益。 9 3 铣床夹具设计 本夹具主要用来粗、精铣车床拨叉底面槽。由加工本道工序的工序简图可知。粗、精铣 槽时,槽宽有尺寸要求,其深度的要求精度不是高,槽的左右两侧面粗糙度要求 0120 0 16mm Rz3.2。本道工序仅是对槽进行粗、精加工。因此在本道工序加工时,主要应考虑提高劳动 生产率,降低劳动强度。同时应保证加工尺寸精度和表面质量。 3.1 定位基准的选择 在进行铣槽加工工序时,、孔均已经加工出。因此工件选用顶面与两孔25mm55mm 作为定位基准。选择顶面作
21、为定位基面限制了工件的三个自由度,而两工孔作为定位基面, 分别限制了工件的一个和两个自由度。即两个孔作为定位基面共限制了工件的三个自由度。 即一面两孔定位。工件以一面两孔定位时,夹具上的定位元件是:一面两销。其中一面为支 承板,两销为一长圆柱销和一削边销。如图 3: 1 4 1 3.2 6.3 图 3 铣槽的定位 3.2 制定夹具方案 本夹具的设计主要是用来对槽的加工,要求保证槽两侧的粗糙度达到任务书的要求。由 于前面已经提到拨叉 A 零件的加工批量大,因此在本道工序在加工时,主要考虑的是产品 的劳动生产率,同时还要保证零件的加工精度。所以在设计专用夹具时就要在保证零件的加 工精度的前提下,尽
22、量使零件的装夹方便,以提高劳动生产率,降低生产成本。为此,我设 计了两套专用夹具的方案以供在设计时比较选用,其方案如下: 夹具设计方案一 从前面的加工工艺路线可以看出,本道工序的加工已经是最后几道了。因此,许多孔、 面都已经加工过了,在选择定位的时候我采用了一面两销定位,一面是以大头孔的侧面,两 销分别是在小头孔采用一长销限制了四个自由度,在大头孔采用一削边销限制了一个自由度, 10 大头孔的侧面用一的定位环定位限制了一个自由度,实现了六个自由度的完全定位。夹紧在 大头孔处用一个带钩的长压板作为夹紧机构,将加工面放在上方并水平,用一铣刀进行立铣。 夹具设计方案二 由于在前面的工序中孔和平面都已
23、经加工,并都达到了一定的精度要求,在加工槽时我 选择以小头孔、大头孔及小头孔端面来定位。在小头孔用一长销定位限制了工件的四个自由 度,在小头孔的端面用一定位环定位限制了工件的一个自由度,在大头孔用一削边销定位限 制了工件的一个自由度,在夹具上的一个长销、一削边销和一定位环作为定位机构,实现了 典型的一面两销定位,零件被完全定位。夹紧机构我选择用一个移动压板,在小头孔和大头 孔之间的连接板上实现压紧。在夹具的顶端用一连接板来支撑对刀块,以保证刀具的位置, 来保证零件的加工精度。 设计方案的比较 根据上述两种方案可以看出,两种方案的定位都采用了典型的一面两销定位,夹紧方式 都采用手动夹紧。其它们的
24、不同在于,方案一是以大头孔来夹紧,定位面是大头孔,小头孔 端面没有和夹具体接触,且大头孔的夹紧采用一长压板压在工件的大头孔的端面上。在夹紧 的时候如果对压板两边的螺母旋紧的位置不一,则会出现工件的受力不均,使工件有产生翻 转的趋势,不能保证槽的加工精度。经过上面的分析,方案二就解决了上述的问题,在工件 的大小头之间进行夹紧。因此,我选择采用方案二进行设计。 如图 4: 图 4 铣槽夹具 3.3 定位元件的选择及计算 本工序选用的定位基准为一面两孔定位,所以相应的夹具上的定位元件应是一面两销。 因此进行定位元件的设计主要是对长圆柱销和短削边销进行设计。 由加工孔工序简图可计算出两孔中心距。 g
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