CA6140法兰盘831004机械加工工艺规程和夹具设计-铣平面【夹具三维】
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毕业设计(论文)
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完成日期：
摘 要
本次设计主要是关于某型法兰盘的数控加工及夹具设计，设计内容全面总结了四年来学习到的所有知识，其中包括机械制造工艺学，数控机床编程技术，机械制图（CAD和UG软件）技术，机床夹具设计技术等，具体细分又包括零件的三维建模，零件的机械加工工艺分析，毛坯的种类和材料，毛坯的制造方式，机械加工工艺过程卡的填写，机械加工工序简图的绘制，数控机床刀具的选择和夹具的选择，加工时切削液的选择，UG软件编程的操作与仿真过程。钻床夹具的定位装置，支撑装置，导向装置的设计和建模，铣床夹具的定位装置，支撑装置，对刀装置的设计和建模等，每一个知识点都是对以前学过知识的全面总结与考核。
关键词：法兰盘；加工工艺；加工工序；钻床夹具；铣床夹具；数控编程
Abstract
This design is mainly about the NC machining and fixture design of a certain type of flange. The design content summarizes all the knowledge learned in the past four years, including mechanical manufacturing technology, NC machine tool programming technology, mechanical drawing (CAD and UG software) technology, machine tool fixture design technology and so on. The specific subdivision includes the three-dimensional modeling of parts and the mechanical processing technology of parts. Analysis, blank types and materials, blank manufacturing methods, filling in the mechanical processing process card, drawing of the mechanical processing process sketch, selection of tools and fixtures for NC machine tools, selection of cutting fluids during processing, operation and simulation process of UG software programming. The design and modeling of positioning device, supporting device and guiding device of drilling fixture, positioning device of milling fixture, supporting device and tool setting device, etc. Each knowledge point is a comprehensive summary and assessment of previous knowledge.
Key words: Flange; Processing Technology; Processing Procedure; Drilling Machine Fixture; Milling Machine Fixture; NC Programming
目 录
摘 要 2
Abstract 3
1 绪论 7
1.1 课题研究背景 7
1.2 主要研究目标 8
2零件的结构分析 9
2.1零件功用、结构及特点 9
2.2尺寸公差分析 10
2.3表面粗糙公差分析 10
2.4 形位公差和技术要求的分析 11
3 加工工艺规程设计 12
3.1 确定生产类型 12
3.2确定毛坯的制造形式 12
3.3确定毛坯尺寸 12
3.4定位基准的选择 13
3.5确定零件表面加工方法 13
3.6 工艺路线方案的分析与比较 14
3.6 选择加工设备与工艺设备 16
3.7 切削用量计算 16
4 法兰盘数控编程 18
4.1 法兰盘建模 18
4.2 车削加工 20
4.3 车削后处理 25
4.4 铣削加工 26
4.4 铣削后处理 29
5 工序10 铣平面专用夹具 31
4.1 工序10的要求 31
4.2 铣床夹具定位设计 31
4.3 铣床夹具夹紧设计 32
4.4 铣床夹具对刀设计 32
4.5 完整图纸 33
5 工序12 钻孔专用夹具 34
5.1 工序12的要求 34
4.2 钻床夹具定位设计 34
4.3 钻床夹具导向设计 35
4.4 钻床夹具支撑设计 35
4.5 完整图纸 36
总 结 37
致 谢 38
参考文献 39
1 绪论
1.1 课题研究背景
法兰盘是一个非常重要的类型，在机械行业的任何场合都可以见到这种零件，比如两个轴进行连接，在轴端就可以设计两个法兰盘用螺钉固定在一起，所以见到的法兰盘都是成对出现的，本次设计的法兰盘由于结构特征，在查阅资料的时候确定出法兰盘为CA6140车床主轴箱上的法兰盘，起到主轴箱与变速箱链接的作用，所以对精尺寸精度和表面粗糙度要求比较高，另外CA6140卧式车床是一种普通车床，虽然现在很多精度高，结构复杂的零件都使用数控车床加工，但是CA6140卧式车床有很多优点都是数控机床不能比拟的，因为这种机床是依靠齿轮传动的，切削深度最高可以达到10mm，数控车床都是依靠皮带传动，切削深度达不到这么深，在对螺纹，长轴，锻件毛坯开粗方面CA6140的优势是很明显的，所以占据市场份额也比较大，根据滕州市广速数控机床有限公司网络展示的信息，CA6140卧式车床的订单量也是相当大的，所以解决每一个车床组件的机械加工工艺安排是生产整个设备最重要的一点。
本次设计的选择的法兰盘，为CA6140车床主轴箱上的法兰盘，起到主轴箱与变速箱链接的作用，表面粗糙度最高在Ra=0.4μm，尺寸公差和形位公差的要求也比较高，对于完成本次设计是非常有难度的，利用这个软件可以对之前学过的的机械加工工艺分析，机械制图，机械设计，数控编程等专业技术进行全面总结，具有非常重要的作用和意义。
1.2 主要研究目标
本次设计主要是关于某型法兰盘的数控加工及夹具设计，设计内容全面总结了四年来学习到的所有知识，其中包括机械制造工艺学，数控机床编程技术，机械制图（CAD和UG软件）技术，机床夹具设计技术等，具体细分又包括零件的三维建模，零件的机械加工工艺分析，毛坯的种类和材料，毛坯的制造方式，机械加工工艺过程卡的填写，机械加工工序简图的绘制，数控机床刀具的选择和夹具的选择，加工时切削液的选择，UG软件编程的操作与仿真过程。钻床夹具的定位装置，支撑装置，导向装置的设计和建模，铣床夹具的定位装置，支撑装置，对刀装置的设计和建模等，每一个知识点都是对以前学过知识的全面总结与考核。
总结图纸的性能和要求，查阅网络资料确定本次设计的法兰盘为CA6140车床主轴箱上的法兰盘，起到主轴箱与变速箱链接的作用，所以对精尺寸精度和表面粗糙度要求比较高，具体分析确定完成的任务为一下几点:
1：收集资料，下载英文文献并且翻译文献，了解零件的使用场合功能，收集一些关于法兰克钻孔夹具和铣面，铣槽等加工的图纸作为参考，深入学习UG编程技术和建技术，方便以后出图。
2：根据指定的原始图纸绘制出零件的零件三维图，并且导出一个主视图和一个剖视图，在CAD中填写技术要求，尺寸公差，表面粗糙度，技术要求和形位公差，通过绘制图纸，可以更加深度的了解图纸的细节。
3：编写机械加工工艺卡，确定毛坯为热轧圆钢棒料，确定加工方式为车削加工，铣削加工和钻削加工，特征的B面需要抛光加工，根据编制好的工艺卡绘制机械加工工序简图，完成尺寸和表面粗糙度，定位符号等要求，并且填写切削三要素，切削加工刀具以及量具等。
4：钻床夹具和铣床夹具的设计，在完成零件的夹紧和定位之后，钻床夹具主要是导向装置，铣床主要是完成对刀装置的设计，在钻床夹具设计时使用芯轴定位，在铣床夹具设计时使用V块定位。
5：工艺，工序，夹具设计完成之后在UG软件中编写加工程序，主要使用到车削加工的模块，铣削加工的模块，钻削加工的模板，走刀路线编写完成之后，利用UG的后处理功能导出NC代码，完成程序的编制。
设计的主要目的是解决了法兰盘的机械制造工艺问题和程序编写问题，为了提高零件的加工效率，减少装夹时间所以设计了专用夹具。
2零件的结构分析
2.1零件功用、结构及特点
总结图纸的性能和要求，查阅网络资料确定本次设计的法兰盘为CA6140车床主轴箱上的法兰盘，起到主轴箱与变速箱链接的作用，零件的主要是由圆柱加工特征，槽加工特征，内孔加工特征，沉头孔加工特征，通孔加工特征，倒角加工特征等组成，零件为回转体结构，零件结构复杂，精度较高。
图2.1 法兰盘图纸
2.2尺寸公差分析
法兰盘一端连接主轴箱一端连接变速箱，首先就要保证零件的尺寸公差全部在图纸的要求范围之内。首先分析零件的最大轮廓，最大轮廓尺寸为φ100x91mm，其中φ100外圆的尺寸上偏差为-0.12，下偏差为0.34，尺寸精度等级要求一般，在加工使用需要使用外径千分尺和游标卡尺仔细测量，确定尺寸加工正确。
零件中间设计φ45外圆的尺寸上偏差为0，下偏差为0.6，尺寸精度等级要求一般，使用游标卡尺测量就可以保证尺寸精度。
零件右端设计φ45外圆，尺寸上偏差为0，下偏差为0.017，尺寸精度要求较高，需要使用外径千分尺和游标卡尺仔细测量，确定尺寸加工正确。
零件中间设计φ20通孔，通孔的尺寸上偏差为0.045，下偏差为0，尺寸精度要求较高，使用塞规测量，保证尺寸精度正确，零件的4-φ9内孔没有尺寸公差要求，使用使用游标卡尺测量就可以保证尺寸精度，零件φ6沉头孔的尺寸上偏差为0.12，下偏差为0.34，使用使用游标卡尺测量就可以保证尺寸精度。
整体分析零件尺寸精度要求较高，需要配置一些精度较高的测量仪器，比如游标卡尺，千分尺等。
2.3表面粗糙公差分析
分析零件的表面粗糙度首先就要确定零件的特征，淬火钢，非淬火钢，有色金属，非铁金属等对应的表面粗糙度要求都是不一样的，本次设计在分析内孔，表面，外圆等特征的表面粗糙度时以《机械制造技术基础课程设计指导教程》P13表1-19中的主要用于加工淬火钢也用于加工非淬火钢，但不宜加工非铁金属的要求进行分析，首先是φ100的外圆表面粗糙度Ra=0.8μm，查表确定经济加工精度IT6-IT7级，中间φ45外圆及两个侧面的表面粗糙度Ra=0.4μm，查表确定经济加工精度IT6-IT7级，右端φ45的外圆表面粗糙度Ra=0.8μm，查表确定经济加工精度IT6-IT7级。
外圆分析完成之后确定零件的表面粗糙度要求比较高，可以考虑使用以车代磨技术来提高零件的表面粗糙度质量，也可以使用磨床加工保证表面质量，加工完成之后需要使用粗糙度样板进行对比。
零件的内孔φ20，表面粗糙度Ra=1.6μm，查表确定经济加工精度IT8-IT10级，内孔φ6，表面粗糙度Ra=3.2μm，查表确定经济加工精度IT8-IT10级。
内孔分析完成之后确定零件的表面粗糙度要求比较高，可以考虑使用钻孔之后，铰孔加工来提高零件的表面粗糙度质量。
零件把φ90外圆铣出两个平面，表面粗糙度Ra=3.2μm，查表确定经济加工精度IT8-IT9级，表面加工指令在铣床的加工范围之内，加工完成之后可以使用粗糙度样板进行对比。
2.3 形位公差和技术要求的分析
形位公差的分析首先要找到设计基准，法兰盘零件的设计基准是A，零件关于设计基准A有两处要求，首先是φ100的外圆端面与设计基准A的关系是表面圆跳动在0.03mm，φ90的外圆端面与设计基准A的关系是表面圆跳动在0.03mm，零件需要对B面进行抛光，来保证Ra=0.4μm的表面粗度要求，对φ100外圆镀铬来表面表面的硬度和强度，镀铬的深度在0.02mm，附在表面一层，所以镀铬在所有加工完成之后在进行。
3 加工工艺规程设计
3.1 确定生产类型
参考设计任务书，使用数控加工设备加工的零件一般都是多种类，小批量的零件所以确定本次设计的生产类型为小批量生产。
3.2确定毛坯的制造形式
毛坯的制造形式多种多样，比如锻造毛坯，是使用空气锤对毛坯件锻打得到的一种硬度较高的毛坯类型，比如铸造毛坯是使用砂型模具或者机器模具进行冷却成型的一种毛坯，主要是一个结构比较复杂的产品在用，本次设计的法兰盘零件结构简单为回转体特征，小批量生产，所以设计零件的类型为热轧圆钢棒料，设计毛坯牌号为45#。
3.3确定毛坯尺寸
法兰盘零件的最大轮廓尺寸为φ100x91mm，首选考虑直径方面的余量，棒料毛坯的尺寸一般都是5-10-15这样递增的规格，在φ100mm上面毛坯类型为φ105mm，单边余量2.5mm，长度方向设计单边余量2mm，设计毛坯尺寸为φ105x95mm。
图2.1 法兰盘毛坯图
3.4定位基准的选择
粗加工基准选择φ105mm的毛坯面，精加工基准选择φ45外圆面。
3.5确定零件表面加工方法
首先是φ100的外圆，右端φ45的外圆表面粗糙度Ra=0.8μm，查表确定经济加工精度IT6-IT7级，使用粗车—半精车—精车加工。
中间φ45外圆及两个侧面的表面粗糙度Ra=0.4μm，查表确定经济加工精度IT6-IT7级，使用粗车—精车—抛光加工。
确定零件的加工方式主要是参考零件的表面粗糙度来确定的，φ100mm外圆和φ45外圆的表面粗糙度虽然在Ra=0.8μm，使用以车代磨技术是完全可以达到的，φ45外圆及两个侧面的表面粗糙度Ra=0.4μm，这个位置比较特殊，需要车槽加工加工，车槽刀能够达到的表面粗糙度并不高，所以需要抛光加工来保证要求。
零件的内孔φ20，表面粗糙度Ra=1.6μm，查表确定经济加工精度IT8-IT10级，首先使用中心钻定位，然后使用麻花钻扩孔（φ19.8麻花钻）最后使用φ20铰刀加工。
内孔φ6，表面粗糙度Ra=3.2μm，查表确定经济加工精度IT8-IT10级。首先使用中心钻定位，然后使用麻花钻扩孔（φ4麻花钻）最后使用φ6锪孔钻锪孔加工，零件的内孔加工直线必须使用中心钻定位，使用钻孔加工可以达到Ra=12.5μm的表面粗糙度要求，使用锪孔加工可以带到表面粗糙度Ra=3.2μm的要求，使用铰孔加工可以达到表面粗糙度Ra=1.6μm。
零件把φ90外圆铣出两个平面，表面粗糙度Ra=3.2μm，查表确定经济加工精度IT8-IT9级，使用粗铣之后精铣加工完成。
3.6 工艺路线方案的分析与比较
机械加工工艺路线是整个零件的加工纲领，具有非常重要的意义，为了得到效率刚好更合理的加工工艺路线，本次设计制出两套机械加工工艺，对比之后，得到加工效率最高的一套。
表3-1法兰盘第一套工艺路线
序号
内容
定位基准
1
锯床下料，得到φ105x95mm的矩形块毛坯
2
去除毛刺飞边
3
三爪卡盘装夹，百分表找正，车削加工端面，到图纸要求
φ105mm毛坯面
4
车削加工φ40外圆，倒角C7,φ90外圆，到图纸要求
φ105mm毛坯面
5
车削加工3x2mm槽，到图纸要求
φ105mm毛坯面
6
中心钻定位，钻铰φ20通孔。
φ105mm毛坯面
7
三爪卡盘装夹，百分表找正，车削加工端面，保证总长91mm
Φ45mm外圆面
8
车削加工φ100外圆，倒角C1.5，到图纸要求
Φ45mm外圆面
9
车削加工φ45外圆，倒角C1.5，底端倒角R5，到图纸要求
Φ45mm外圆面
10
专用夹具装夹，将φ90外圆铣削出一个平面，到图纸要求
Φ45mm外圆面
11
铣削加工φ90外圆的另一个平面，到图纸要求
Φ45mm外圆面
12
专用夹具装夹，钻削φ4通孔，φ6沉头，到图纸要求
Φ20mm内孔面
13
中心钻定位，钻4-φ9通孔，到图纸要求
Φ100mm外圆面
14
去除加工毛刺
15
对图纸B面进行抛光加工。
16
镀硬铬工艺
17
清洗零件
18
按尺寸要求检验
第一套机械加工工艺方案已经列举出来简单叙述一下设计第一套机械加工工艺方案的原理，首先毛坯通过锯床得到以后，对毛坯进行一个简单的清理。根据零件的回转体结构特征，首先必须使用数控车床进行加工，在使用数控车床加工的时候，尽量在第一次装夹就去除大量的加工余量，所以考虑先装夹φ105的毛坯，车削右端的外圆，槽和内孔，这样在第二次装夹的时候就没有太多的机械加工余量，并且φ105的毛坯面不怕被夹伤。外轮廓和内孔加工出来以后使用铣床，铣削加工平面钻床加工内孔。
表3-2法兰盘第二套工艺路线
序号
内容
定位基准
1
锯床下料，得到φ105x95mm的矩形块毛坯
2
去除毛刺飞边
3
三爪卡盘装夹，百分表找正，车削加工端面，到图纸要求
φ105mm毛坯面
4
车削加工φ100外圆，倒角C1.5，到图纸要求
φ105mm毛坯面
5
三爪卡盘装夹，百分表找正，车削加工端面，保证总长91mm
Φ100mm外圆面
6
车削加工φ40外圆，倒角C7,φ90外圆，到图纸要求
Φ100mm外圆面
7
车削加工3x2mm槽，到图纸要求
Φ100mm外圆面
8
车削加工φ45外圆，倒角C1.5，底端倒角R5，到图纸要求
Φ100mm外圆面
9
中心钻定位，钻铰φ20通孔。
Φ100mm外圆面
10
专用夹具装夹，将φ90外圆铣削出一个平面，到图纸要求
Φ45mm外圆面
11
铣削加工φ90外圆的另一个平面，到图纸要求
Φ45mm外圆面
12
专用夹具装夹，钻削φ4通孔，φ6沉头，到图纸要求
Φ20mm内孔面
13
中心钻定位，钻4-φ9通孔，到图纸要求
Φ100mm外圆面
14
去除加工毛刺
15
对图纸B面进行抛光加工。
16
镀硬铬工艺
17
清洗零件
18
按尺寸要求检验
法兰盘的第二套机械加工工艺方案是在第一套机械加工工艺方案的基础上进行了修改，主要的修改点是在数控车的装夹上面，首先加工出φ100的外圆做为基准面，来加工右端的特征，这样装夹容易在φ100的外援上面留下装夹痕迹,综合对比之后，选择第一套机械加工工艺路线为法兰盘的最终加工工艺路线。
3.6 选择加工设备与工艺设备
首先选择加工设备，在安排加工工艺的时候，确定了加工法兰盘需要多种加工设备，首先是锯床，选择型号G70，选择数控车床，选择型号CK6140，选择数控铣床，选择型号CK5032，选择摇臂钻床，选择型号Z35。
所有的设备选择冷却液为乳化液，锯床需要的刀具是锯片，数控车床在车削外圆时选择刀具为75°外圆车刀，车削端面时选择刀具为90°端面车刀，车加工槽时选择刀具为3mm车槽刀，选择刀具材料为硬质合金刀具，生产厂家为株洲钻石刀具有限公司。
数控车床上面钻孔选择A3中心钻，φ19.8麻花钻，选择麻花钻材料为高速钢，选择φ20铰刀，选择刀具材料为硬质合金。
在钻床上钻孔选择A3中心钻，φ4麻花钻，φ6锪孔钻，选择麻花钻材料为高速钢，生产厂家为株洲钻石刀具有限公司。
在铣床上面选择铣刀，直径为D10立铣刀，选择刀具材料为硬质合金生产厂家为株洲钻石刀具有限公司。
测量零件总长和一些尺寸公差要求不严格的位置使用0-150mm游标卡尺，测量φ45外圆使用25-50外径千分尺，测量φ100外圆使用75-100外径千分尺，测量φ20内孔使用塞规，测量零件的表面粗糙度需要使用表面粗糙度样板。
3.7 切削用量计算
（一）工序3车端面
工序3三爪卡盘夹紧，找正外圆，车端面，车平即可，选择切削深度，进给量，切削速度，代入公式计算得到转速
，取整为600
（二）工序4车外圆
以φ45外圆为例，粗加工时选择切削深度，进给量，切削速度，代入公式计算得到转速
，取整为900
半精车选择切削深度，每分钟进给量，切削速度，代入公式计算得到转速
，取整为1000
精车计算选择确定切削深度，进给量，切削速度，代入公式计算得到转速。
，取整为1200
（三）工序5车槽
车槽加工φ41mm，切削深度，每进给量，切削速度。
，取整为500
（四）工序10铣平面
选择D10立铣刀，粗铣加工时选择背吃刀量0.8mm，进给量0.2mm/r，铣削速度35m/min，将参数带入公式进行计算如下：
，取整为1100
选择D10立铣刀，精铣加工时选择背吃刀量0.8mm，进给量0.1mm/r，铣削速度45m/min，将参数带入公式进行计算如下：
，取整为1400
5 铣平面专用夹具设计
4.1 工序10的要求
铣平面，保证厚度尺寸70mm
图4.1 工序内容
4.2 铣床夹具定位设计
设计定位方式参考《现代机床夹具设计及实例》P24表2-3常用定位原件所能约束的自由度，找到一些关于圆柱面的定位方式，比如半圆孔定位，V块定位，图中解释了定位原件的定位原理，没有配合使用的说明。参考《机械制造技术基础课程设计指导教程》P171表8-14，找到单V块和平面的组合定位，是一种推荐使用定位机构，所以查表选择V块的标准为JB/T8018.2-1999，设计平面为支撑板，查表选择JB/T8021.1-1999。绘制模型如下：
图4.2 定位装置
设计定位误差以φ45外圆进行算，设计尺寸上偏差0，下偏差0.6，计算定位公差为。
4.3 铣床夹具夹紧设计
参考《机械制造技术基础课程设计指导教程》P193图10-9单螺旋夹紧机构，书中写到这种结构夹紧可靠，被广泛使用，查P197表10-1找到单螺旋夹紧机构每一个零件的标准号，抄画三维图。
图4.3 夹紧装置
计算夹紧力之前，首先计算切削力。
切削力公式：
式中
查表得：
即：
由计算可知所需实际夹紧力不是很大，为了使其夹具结构简单、操作方便，决定选用手动螺旋夹紧机构。
参考《机械制造基础》表10-1常见夹紧力计算公式选择螺纹夹紧公式为。
设计螺纹升角，设计螺纹摩擦角，取螺母与端面的摩擦系数。
由《机床夹具设计手册》表得：原动力计算公式：
由上述计算易得：
4.4 铣床夹具对刀设计
参考《机械制造技术基础课程设计指导教程》查P173图9-1确定铣削平面时选择圆柱对刀块，查P174表9-1找到圆柱对刀块的标准号，抄画三维图。
图4.4 对刀块
4.5 完整图纸
设计夹具体把每个特征组合在一起，使用螺钉链接，绘制完整模型。
图4.5 夹具图
图4.6 夹具CAD图
总 结
经过这次的毕业设计，总的来说就是让每个学生都忙起来了，紧张起来。找出问题忙着去图书馆查资料，忙着去问老师问题，怎么去解决问题，虽然有太多的不懂，很多概念都很模糊，但是我们都坚持下来了，人总是在被逼的时候，在走投无路的时候，才能发挥自己的潜能。成不成功没关系，至少你做了，你花心思做了。很多人只是看结果，可是最让人难忘的是那个过程，因为过程决定成败。从零件的工艺分析，到零件的工序卡，到选择毛胚，到夹具的设计，到编数控程序的编制，数控程序的仿真，切削用量的计算，花费了大量的时间，绞尽了脑汁，求教了很多导师同学和朋友，终于完成了毕业设计，做出实体零件以及夹具的设计其实是最难的一部分，因为需要自己动手和问老师加工的问题，选择合适的刀具，选择合适的进给速度和路线，去除毛刺，量好尺寸。一个人不去问，不去请教是做不出东西的，通过这件事情，深刻的了解了自己的不足，明白了这个专业的博大精深，怎么去保证所需要的精度，以及一系列的后期工作。相信自己以后如果从事这个行业，一定会少走弯路，细心的做好自己的工作。
致 谢
本人在毕业课题的设计中，学习了不少的新知识，体会到了学习的重要性，同时，感谢学校规划与教育，给予我们良好的学习环境，并提供给我们对学业及个人生涯发展的多元信息，帮助我们成长。
感谢传授知识给我们的老师们，感谢您们对我精心的教育，感谢您们没使我的学习变成劳作而成为一种快乐；谢您们让我明白自身的价值；感谢您们帮助我发现了自己的专长，而且让我把事情做得更好。感谢您们容忍我的任信与错误，不仅教会了我知识，更教会了我如何做事，如何做人。这是我人生历程的又一个起点，在这里祝福大学里跟我风雨同舟的同学们和朋友们，外面的世界更精彩，你们未来总会是绚烂缤纷。
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