半軸端蓋夾具設(shè)計(jì)

殷頤清

（桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院，廣西 桂林541004）

1 零件的分析

零件：半軸端蓋，鑄造，部分精度要求較高。

1.1 零件的功用及結(jié)構(gòu)分析

端蓋主要用于零件的外部，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形狀普通，端蓋作為一種重要的機(jī)械零件，用途十分廣泛。

作用：（1）軸承外圈的軸向定位；

（2）防塵和密封，除本身可以防塵密封外，也常和密封件配合以達(dá)到密封的作用；

（3）在電動(dòng)機(jī)與主軸箱之間的端蓋主要起到傳動(dòng)扭矩和緩沖吸震的作用，使主軸箱的傳動(dòng)平穩(wěn)。

1.2 零件的材質(zhì)分析

零件采用鑄鋼進(jìn)行鑄造，鑄鋼（cast steel）鑄鋼是在凝固過(guò)程中不經(jīng)歷共晶轉(zhuǎn)變的用于生產(chǎn)鑄件的鐵基合金的總稱。鑄造合金的一種。鑄鋼分為鑄造碳鋼、鑄造低合金鋼和鑄造特種鋼3類。鑄鋼是以鐵、碳為主要元素的合金，碳含量0-2%。鑄鋼又分為鑄造碳鋼、鑄造低合金鋼和鑄造特種鋼3類。

鑄造碳鋼。以碳為主要合金元素并含有少量其他元素的鑄鋼。含碳小于0.2%的為鑄造低碳鋼，含碳0.2%～0.5%的為鑄造中碳鋼，含碳大于0.5%的為鑄造高碳鋼。隨著含碳量的增加，鑄造碳鋼的強(qiáng)度增大，硬度提高。鑄造碳鋼具有較高的強(qiáng)度、塑性和韌性，成本較低，在重型機(jī)械中用于制造承受大負(fù)荷的零件，如軋鋼機(jī)機(jī)架、水壓機(jī)底座等；在鐵路車輛上用于制造受力大又承受沖擊的零件如搖枕、側(cè)架、車輪和車鉤等。

鑄造低合金剛。含有錳、鉻、銅等合金元素的鑄鋼。合金元素總量一般小于5%，具有較大的沖擊韌性，并能通過(guò)熱處理獲得更好的機(jī)械性能。鑄造低合金鋼比碳鋼具有較優(yōu)的使用性能，能減小零件質(zhì)量，提高使用壽命。

鑄造特種鋼。為適應(yīng)特殊需要而煉制的合金鑄鋼，品種繁多，通常含有一種或多種的高量合金元素，以獲得某種特殊性能。例如，含錳11%～14%的高錳鋼能耐沖擊磨損，多用于礦山機(jī)械、工程機(jī)械的耐磨零件；以鉻或鉻鎳為主要合金元素的各種不銹鋼，用于在有腐蝕或650℃以上高溫條件下工作的零件，如化工用閥體、泵、容器或大容量電站的汽輪機(jī)殼體等。

鋼鑄件的優(yōu)點(diǎn)：

（1）更大的設(shè)計(jì)靈活性

這種設(shè)計(jì)有與對(duì)鑄件形狀和大小有最大的選擇自由度，尤其是復(fù)雜的形狀和空心部分，而且鋼鑄件可以由核心鑄件的獨(dú)特工藝制造。易成型和易改變形狀并可以快速根據(jù)圖紙制作出成品可以提供快速響應(yīng)并縮短交貨時(shí)間。

（2）冶金制造最強(qiáng)的靈活性和可變性

你可以選擇不同的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)來(lái)滿足不同項(xiàng)目的需求。不同的熱處理工藝可以選擇力學(xué)性能而且可在大范圍內(nèi)使用該屬性并提高可焊性和可使用性。

（3）提高整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

由于項(xiàng)目可靠性高，再加上減重設(shè)計(jì)和較短的交貨時(shí)間，可在價(jià)格和經(jīng)濟(jì)方面提高競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

（4）大范圍的重量變化

小型鋼鑄件有可能僅有10克，而大型鋼鑄件可達(dá)數(shù)噸，幾十甚至數(shù)百噸。

與鍛鋼部件相比：

鋼鑄件的力學(xué)性能在各個(gè)方向相差不大，比鍛鋼零件占優(yōu)。設(shè)計(jì)師在進(jìn)行一些高科技產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)必須在三個(gè)方向上考慮材料的性能，這樣的就突出了鑄件的優(yōu)勢(shì)。不考慮重量、體積和一次所制量，鋼鑄件很容易做出復(fù)雜的形狀和非應(yīng)力集中部件。

與焊接結(jié)構(gòu)相比：

在形狀和大小方面，焊接結(jié)構(gòu)的靈活性比鍛鋼零件強(qiáng)，但與鋼鑄件相比，有仍然以下缺點(diǎn)：

①在焊接過(guò)程中容易變形。

②很難形成流線型結(jié)構(gòu)。

③焊接過(guò)程中內(nèi)部應(yīng)力高。

④焊縫影響部件的外觀和可靠性。

與鐵鑄造和其他合金鑄件相比：

鋼鑄件可用于各種各樣的工作條件，且力學(xué)性能優(yōu)于其他合金鑄件。

當(dāng)我們需要高拉伸強(qiáng)度或動(dòng)態(tài)載荷部件、重要的壓力容器鑄件和在低或高溫下承擔(dān)重負(fù)荷的核心部件時(shí)，原則上，我們應(yīng)該優(yōu)先使用鋼鑄件。

然而，鋼鑄件的吸振性、耐磨性和機(jī)動(dòng)性不如鐵鑄件，而且，成本也比鐵鑄件高。

1.3 零件的精度分析

直徑為74的外圓精度要求0.8，直徑為62的內(nèi)孔圓精度0.8較高，其余的精度要求都不高，可以較容易的加工。且由零件圖可知零件不易直接車出，需要鑄造。同時(shí)根據(jù)技術(shù)要求：零件需去除毛刺 飛邊，鑄件表面上不允許有冷隔，裂紋，縮孔和穿透性缺陷及嚴(yán)重的殘缺類缺陷（如欠 鑄，機(jī)械損傷等），并且鑄件應(yīng)該清理干凈，不得有毛刺，飛邊，非加工表面上的澆冒口應(yīng)清理與鑄件表面齊平?？傮w而言零件精度復(fù)雜度較高。

1.4 零件的工藝分析

工藝程序分析是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的宏觀分析，把整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)作為分析對(duì)象。目的：改善整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中不合理的工藝內(nèi)容、工藝方法、工藝程序和作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的空間配置。通過(guò)嚴(yán)格的考查與分析，設(shè)計(jì)出最經(jīng)濟(jì)合理、最優(yōu)化的工藝方法、工藝程序、空間配置。

表1

1.5 工藝流程圖

圖1

2 加工誤差分析

2.1 元件的選擇（定位）

工裝夾具的任務(wù)是對(duì)一個(gè)或幾個(gè)工件進(jìn)行準(zhǔn)確地固定定位。定位應(yīng)為工件的全方位 定位，但不過(guò)定位。 每個(gè)物體由3個(gè)坐標(biāo)軸X、Y、Z決定其空間位置。一個(gè)工件也按其加工要求在一個(gè)、兩個(gè)或者3個(gè)平面上確定其位置。如果在一個(gè)定位平面大于一個(gè)定位需要的面，則工件 為過(guò)定位。工件過(guò)定位存在不平衡，由此會(huì)出現(xiàn)尺寸變化和形狀誤差。

圖2各種基準(zhǔn)示例

定位面的選擇

工件在工裝夾具中可以按其加工狀態(tài)和形狀以其未加工面、已加工面、孔或其他結(jié) 構(gòu)元素定位。定位面原則上是選擇用作測(cè)定要加工面尺寸的工件表面和形狀。對(duì)于未加 工的鑄件，常常是適當(dāng)?shù)倪x擇一個(gè)或兩個(gè)預(yù)加工的面用作定位面。

由于φ62孔與φ64外圓有同心度要求，定位面選擇為下端面，同時(shí)使用短圓柱定位，夾具上的定位夾限制Z兩個(gè)方向，與X、Y旋轉(zhuǎn)，而短圓柱限制X、Y方向位移。

2.2 定位誤差分析與計(jì)算

由于定位引起的同一批工件的工序基準(zhǔn)在加工尺寸方向上的最大變動(dòng)量，成為定位 誤差，以ΔD表示。定位誤差研究的主要對(duì)象是工序基準(zhǔn)和定位基準(zhǔn)。它的變動(dòng)量將影響工件的尺寸精度和位置精度。

（1）工件底面與支承板接觸，由于地面已經(jīng)達(dá)到加工要求，所以認(rèn)為工序尺寸h的基準(zhǔn)位移誤差為0。

（2）定位軸與圓孔孔定位，其中由基孔制制定定位短圓柱的直徑為：φ58（假設(shè)基孔制代號(hào)：H7/g6），則：

①工序尺寸為：62mm

3 夾緊方式以及力的計(jì)算

3.1 列出常用的夾緊機(jī)構(gòu)

常用的典型夾緊機(jī)構(gòu)有斜楔夾緊機(jī)構(gòu)、螺旋夾緊機(jī)構(gòu)、偏心夾緊機(jī)構(gòu)及鉸鏈夾緊機(jī)構(gòu)等。

（1）斜楔夾緊機(jī)構(gòu)

①原理：采用斜楔作為傳力元件或者夾緊元件的夾緊機(jī)構(gòu)稱為斜楔夾緊機(jī)構(gòu)。斜楔主要是利用其斜面移動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的壓力來(lái)夾緊工件的。

②特點(diǎn)和應(yīng)用范圍：斜楔夾緊機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，具有良好的自鎖

性，并有增力作用。其缺點(diǎn)是增力比小，夾緊行程小，且動(dòng)作慢，故很少用于手動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)中，而在機(jī)動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。

（2）螺旋夾緊機(jī)構(gòu)

螺旋夾緊機(jī)構(gòu)可分為簡(jiǎn)單螺旋夾緊機(jī)構(gòu)、螺旋壓板夾緊機(jī)構(gòu)、快速螺旋夾緊機(jī)構(gòu)三大類。

①簡(jiǎn)單螺旋夾緊機(jī)構(gòu)：?jiǎn)蝹€(gè)螺旋夾緊機(jī)構(gòu)直接用螺釘或螺母夾緊工件的機(jī)構(gòu)。單個(gè)螺旋夾緊機(jī)構(gòu)夾緊動(dòng)作慢，裝卸工件費(fèi)時(shí)，為克服這一缺點(diǎn)，可采用各種快速螺旋夾緊機(jī)構(gòu)。

②螺旋壓板夾緊機(jī)構(gòu)：采用壓板作為夾緊元件的機(jī)構(gòu)成為螺旋壓板夾緊機(jī)構(gòu)。螺旋夾緊機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、自鎖性能好、夾緊可靠，是手動(dòng)夾緊中常用的一種夾緊機(jī)構(gòu)。

③快速螺旋夾緊機(jī)構(gòu)：為了減少輔助時(shí)間，可以使用各種快速接近或快速撤離工件的螺旋夾緊機(jī)構(gòu)，在手動(dòng)夾緊裝置中被廣泛使用。

（3）偏心夾緊機(jī)構(gòu)

①原理：用偏心件直接或間接夾緊工件的機(jī)構(gòu)，稱為偏心夾緊機(jī)構(gòu)。常用的偏心件是圓偏心輪和偏心軸。

②特點(diǎn)和應(yīng)用范圍：偏心夾緊機(jī)構(gòu)操作方便、夾緊迅速，但夾緊力和行程較小，一般用于切削力不大、振動(dòng)小、夾壓面公差小的情況。

（4）鉸鏈夾緊機(jī)構(gòu)

①常用的鉸鏈夾緊機(jī)構(gòu)的三種基本結(jié)構(gòu)：(a)單臂鉸鏈夾緊機(jī)構(gòu)；(b)雙臂單作用鉸鏈夾緊機(jī)構(gòu)；(c)雙臂雙作用鉸鏈夾緊機(jī)構(gòu)。

②特點(diǎn)和應(yīng)用范圍：鉸鏈夾緊機(jī)構(gòu)是一種增力機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，增力比大，摩擦損失小，但一般不具備自鎖性能，常與具有自鎖性能的機(jī)構(gòu)組成復(fù)合夾緊機(jī)構(gòu)。所以鉸鏈夾緊機(jī)構(gòu)適用于多點(diǎn)、多件夾緊，在氣動(dòng)、液壓夾具中獲得廣泛應(yīng)用。

（5）聯(lián)動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)

（6）定心夾緊機(jī)構(gòu)

對(duì)自己設(shè)計(jì)的夾具進(jìn)行夾緊機(jī)構(gòu)的選擇：

選擇夾緊機(jī)構(gòu)為螺旋夾緊機(jī)構(gòu)，同時(shí)夾緊機(jī)構(gòu)與定位有關(guān)，所以決定自行設(shè)計(jì)。

3.2 夾緊機(jī)構(gòu)力的計(jì)算

（1）方案設(shè)計(jì) 半軸軸承套夾緊力的方向和作用點(diǎn)如圖所示；

（2）驗(yàn)算夾緊力

切削力的計(jì)算：

刀具：φ6mm高速鋼鉆頭；

加工材料：高速鋼，強(qiáng)度為σb=0.655GPa

加工機(jī)床為：立式鉆床

查《切削用量手冊(cè)》可得，進(jìn)給量：f=0.2mm/r。

查《切削用量手冊(cè)》可知：CF=600 ZF=1.0 yF=0.7 kF=1.0 CM=0.305 ZM=2.0 yM=0.8 kM=1.0

計(jì)算的軸向力：F=1055N 軸向轉(zhuǎn)矩：M=2.44N/m夾緊力的計(jì)算：

設(shè)夾緊力為FN，由夾緊產(chǎn)生的摩擦力為Fμ由于鉆削要滿足扭矩要求，故Fμ·l≥M，由夾具結(jié)果得l=36mm，

4 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 單個(gè)零件的設(shè)計(jì)（鉆套）

采用固定鉆套，安裝于鉆模板中，配合為H7/n6。

①鉆套已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，根據(jù)實(shí)際要求查閱相關(guān)手冊(cè)后，選用：

②(a)基軸制間隙配合。鉆孔時(shí)公差用F7

(b)導(dǎo)向高度取H=10mm

(c)排屑空間取h=(0.3~0.7)d=4mm

4.2 鉆模板的設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，決定選用鉸鏈?zhǔn)姐@模板，采用此模板較好進(jìn)行加工，以及較易維護(hù)。

圖3

4.3 夾具體的設(shè)計(jì)

整體采用鑄造，結(jié)構(gòu)自行設(shè)計(jì)，直到符合工件對(duì)于夾具的要求。

支腳設(shè)計(jì)

為了減少夾具體與機(jī)床工作臺(tái)的接觸面積，使夾具能夠平穩(wěn)地放置，可以對(duì)夾具設(shè)計(jì)支腳。支腳的結(jié)構(gòu)只要有：（1）矩形截面支腳；（2）圓形截面支腳。

在此，選用矩形截面支腳。

4.4 總圖

圖4

夾具設(shè)計(jì)是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，需要不斷的進(jìn)行精心的修改，不斷地去整理各方面的資料，不斷的想出新的方案，認(rèn)真總結(jié)。

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