机械毕业设计论文-液性塑料心轴夹具设计及分析

机械毕业设计论文-液性塑料心轴夹具设计及分析内容摘要：

优化设计，并完成心轴夹具的装配结构设计、零件设计及其工艺性审查， 最后研究了心轴夹具的制造方法。 以图 所示的典型零件为对象进行液性塑料心轴的结构设计。 首先根据加工要求确定基于心轴的零件定位夹紧方案，然后根据传统的设计方法和经验公式，对液性塑料心轴进行初步的结构设计和参数计算。 主要包括薄 壁套筒、加压螺钉和柱塞的结构选型、参数计算、材料及技术要求确定，液塑通道设计和心轴基体材料选择， 最后对液性塑料心轴的结构密封性、定位精度、工作压力控制问题进行研究。 采用液性塑料心轴的定位夹紧方案 表 典型零件的主要工艺流程 工序号 工序内容 使用机床 1 粗车外圆，端面 马鞍车床 CW6263B 5 粗车内圆，端面 马鞍车床 CW6263B 10 半精加工内圆 马鞍车床 CW6263B 15 精车右外圆、端面 马鞍车床 CW6263B 20 精车左外圆、端面 马鞍车床 CW6263B 25 磨外圆、端面 外圆磨床 M1450 内蒙古科技大学毕业设计说明书 7 30 精车槽 CW6263B 表 列出了图 轴套类典型零件与心轴设计有关的工艺流程，后续工序略去。 目前，磨外圆工序采用的定位夹紧方案：以右端面和 φ 104mm 内孔定位，在工件左端面使用圆螺母夹紧。 由于使用可做端面定位，使得两个加工尺寸长度 φ 90mm和直径 φ 130mm 的测量 不太方便，工件要安装时要先进行定位，再进行夹紧，所以也影响了生产效率和定位精度。 使用本项目设计的液性塑料心轴定位夹紧进行外圆的磨削，这样就能保证外圆的跳动满足精度，而且提高加工时工艺系统的刚度。 外圆磨削时，工件轴向并不需要非常精确的定位，因此我们使用φ 104mm 小孔的右 端面进行大致的轴向定位，以确定工件和液性塑料心轴薄壁套筒之间的相对位置，使得套筒变形量不超过许用范围。 薄壁套筒的设计 液性塑料心轴夹具中的定位元件是中部带薄膜的薄壁套筒。 其在夹具中是靠中部薄膜的外涨或内缩对工件进行定位与夹紧。 薄壁套筒的结构 液性塑料夹紧定位元件的结构一般只有外涨式和内夹式两种，如图 所示： a、外涨式套筒 b、内夹式套筒 图 外涨式套筒用于加工外圆及端面，内夹式套筒用于加工内圆及端面，在本设计中， 根据图 零件要求，可选择 要加工的表面适合用外涨式套筒。 内蒙古科技大学毕业设计说明书 8 薄壁套筒材料的选用 加紧定位元件材料应选用弹性极限高的，以保证其具有高的弹性及稳定性。 各材料的 性能 参数如表 所示。 表 不同钢种的性能 由于钢的弹性模量 E基本是个定值，均在 2 105MPa左右，而安全系数在一定 条件下也是个定值。 要 想要 提高套筒的最大允许变形量，应选 s 较大的材料和适当的热处理范围，因此我们选用合金钢 30CrMnSi，通过锻造提高其力学性能，淬火到 HRC35~40，以保证套筒具 有良好的弹性和耐磨性。 其 弹性模量 E= 105MPa，泊松比 u=。 热处理后，屈服极限 s =850MPa，保证了套筒具有很高的许用应力。 由于薄壁套筒反复处于涨紧和松开状态，应考虑因应力循环次数而破坏疲劳强度 ， 夹具体与薄壁套筒配合应有过盈量，其内应力不能因时间久而产生应力松弛。 热处理后， 其硬度应均匀，否则会影响定心精度。 薄壁套筒参数设计 由于液性塑料心轴夹具的参数设计，没有确定的参考，我们在设计的时候只能查阅相关的资料以及经验公式 ，通过对所查阅资料的研究比较，选择出一套比较合理的方案。 套筒 1 由 前面的分析可知我们选用的是外胀式 薄壁套筒。 一般来说当被加工件的长度 L＜定位直径 D时，采用 如 图 ， 而在本题中， 被加工件的长度 L＞ D,薄壁套筒较长 ，从而产生较 大的径向变形△ D， 使得套筒刚性变差， 影响定心精度。 此情况最好采用 如图 ，改善这种现象。 钢号 弹性模量 E kg\c ㎡ 泊松比 u 极限强度  b kg／ cm2 屈服点 s kg\c ㎡ 布氏硬度 HB 在比例极限时的延伸率ep 30CrMnSi 106 11000 8500 363~311 103 18CrNiWA 106 11000 9500 375~331 103 12CrNi3A 106 9500 7000 341~269 103 45 106 7000 4000 229~197 103 内蒙古科技大学毕业设计说明书 9 图 图 （ 1） 套筒薄壁 长度 部分 相关尺寸计算 ： 图 对于经验公式来计算套筒我们需要综合多种文献，对比得出比较适中的，进而使计内蒙古科技大学毕业设计说明书 10 算结果更加接近实际。 第一种： 一般情况下， 当套筒不承受切削扭矩或扭矩很小时，如定心用于检具、钻具、精车、精磨夹具等，可取  =。 当承受中等负荷时，如粗磨、粗镗等，可取  =。 当承受重 载 工作时，如切齿加工或其他精加工，可取  =。 则有本题取  =。 接触系数  ，计算公式为：  =l\L，其中， l为工件基准长度， L为薄壁套筒长度。 表 Lc、 hc的尺寸（ mm） 套筒直径 D Lc Hc  30 6 5 30~50 8 6 50~80 11 9 80~120 16 12 120~160 22 16 160~200 28 18 200~2500 36 26 H=2 3D 则可计算出 L=74mm， H=10mm， 由表 Lc=11mm， R=5mm， h=4mm制造时， H可考虑在薄壁套筒和夹具体上各占一半。 如果夹具体切削过深，则会减低其抗弯刚性 ， 若套筒切削过深，则会使套筒端壁面积增大，而加大轴向压力，使套筒径向弹性减少，缩小了夹具的应用范围。 第二种 : 表 【 1】 夹紧定位元件薄壁部分厚度 D(mm) 10~50 50~100 LD/2 h=+ h= D/2LD/4 h=+ h= D/4LD/8 h=+ h= 其中 D为工件定位直径， L为薄壁套筒的薄壁的长度， h为薄壁的厚度。 由于该工件LD,可以选用 h== 70=≈ 2mm 内蒙古科技大学毕业设计说明书 11 表 【 1】 夹紧定位元件薄壁部分长度 2h/D L D为工件定位直径， L为薄壁套筒的薄壁的长度， h为薄壁的厚度。 由于 2h/D=2 2/70=,则 L==≈ 30mm， 此时 L2/D，结合工作 实际 我们不选用此种方法。 选用方案 1。 （ 2） 套筒最大允许变形量 Δ D【 1】 ： δ max表示被加工工件表面与薄壁套筒之间在未加压前的最大间隙，△ Dmax表示薄壁套筒直径最大变形量。 则当△ Dmax δ max=0只能起定心作用 ， 当 △ Dmax δ max时，间隙消除不了，不起任何作用 ,当 △ Dmax δ max时，起定心和夹紧作用。 取 ： Δ D max =D2P/2Eh （ 1） 式中： E—— 加紧定位元件的弹性模数， kPa； P—— 夹紧定位元件最大允许液性塑料压力； P 按下表取值。 表 【 1】 加紧定位元件最大允许液性塑料压力 D(mm) 20 30 40 50 60 70 80 90 100 P(MPa) 45 45 40 40 35 35 30 30 25 由表 可知，我们的夹具定位直径为 70mm， 所以 P 取 35MPa 合适。 我们选用的薄壁套筒材料 30CrMnSi 的弹性模量 E= 105MPa，因此， 据参考文献【 2】 计算出 Δ D max =D2P/2Eh=702 35/2 105 4= 另一种对 Δ D 的计算是通过胡克定律： Δ D max =σ sD/EK （ 2） 式中：σ s—— 薄壁套筒材料的屈服极限（ kPa），对于我们所选的材料， σ s= 102MPa； E—— 套筒材料的弹性模数（ MPa），对于我们所选的材料， E= 105MPa； K—— 安全系数，一般取 ~； 内蒙古科技大学毕业设计说明书 12 把上述取值带入公式 (2)中， Δ D max =σ sD/EK= 102 70/ 10 =。 若工件定位基准较长（ L），对合金钢薄壁套筒来说，最大径向涨量 Δ D max大约为 ；若工件定位基准短（ L） , 套筒直径的最大涨量则应更小些，对合金钢薄壁套筒来说，最大径向涨量 Δ D max大约为 ； 比较上述两种方法，方案 1 更合理一些 （ 3） 套筒定位面直径 最大配合间隙 ： 在未夹 紧时工件与套筒定位面间的最大配合间隙： Δ max=D1max— D2min=δ D+Δ +δ d （ 3） 式中： D1max—— 工件内孔的最大直径； D2min—— 套筒定位面的最小直径； Δ —— 工件定位基准与套筒定位表面间的最小保证间隙； δ D及δ d—— 工件定位基准及套筒定位表面的制造误差； 套筒的壁厚差不超过 ~，因此， 我们取 套筒和工件之间的最小保证间隙 为 ，套筒制造公差取 f5 级精度，故套筒定位面直径 D=70f5=70  mm， 工件φ 70mm 内孔 制造公差 为φ 70  mm，因此，最大可能间隙Δ max= +－ （ －） = mm （ 4） 套筒与工件配合的过盈量： Δ g=Δ D max— Δ max=－ = （ 5） 塑料腔环形槽深度： 表 【 1】 夹紧定位元件其他尺寸 D（套筒定位直径） S H 30 6 5 30~50 7 6 50~80 8 7 80~120 10 8 120~180 12 9 180~250 15 12 内蒙古科技大学毕业设计说明书 13 表中 S 表示套筒固定部分长度， H 表示 1/2 容塑腔深度，由此可见塑料腔环形深度取7mm， S=8mm。 另一种取表 环槽高度 H=2 3D =2 370 =2 =≈ 10mm。 第三种选取原则见下表： 表 容塑腔高度值 直径 D（ mm） 高度 H（ mm） 10~30 6 30~50 7 50~70 8 70~90 9 90~100 10 从上面比较，可以看出文献 2 和文献 3 选取的方法不同，但结果相近，所以我们取H=10mm。 （ 6） 液性塑料工作压力： 由表 我们可取 P=35MPa （ 7） 圆角半径 有关于圆角半径的取值原则：薄壁套筒圆角半径是保证液性塑料畅流无阻的重要条件，以避免应力集中。 一种是 :圆角半径： R== 70=，我们将其取为 3mm。 另一种是 ： R》 h ，由上面得出的薄壁的厚度 h 我们可以得出 R=4mm 我们选用第二种方法，为了避免应力集中。 （ 8） 套筒与基体的配合过 盈量： 表 套筒与基体的配合过盈量 工件定位直径 D 过盈量δ c 50 以下 50~80 80~120 120~180 180~250 内蒙古科技大学毕业设计说明书 14 目前在配合上存在不同的看法，有的选择基孔制压配合 77Hs、 76Hs，有的选用过度配合 76Hm，有的采用控制过盈量，有的既用制压配合，又注上过盈值。 一般认为采用保证过盈值 更为可靠。 当承受切削力较小时，常用过盈值按上表 选择。 当切削力较大且套筒与夹具体之间又无销钉固定时，可取 c =。 套筒 2： (1) 套筒薄壁长度部分相关尺寸计算 套筒 2 中 L 与 D 的尺寸相差不太大，不会引起刚度方面的减弱，我们可以用普通的图 的套筒。 同例有表 H= H=2 3D =2 3104 =10mm， 取 Lc=16mm， R=6mm， h=6mm制造时， H可考虑在薄壁套筒和夹具体上各占一半。 如果夹具体切削过深，则会减低其抗弯刚性 ， 若套筒切削过深，则会使套筒端壁面积增大，而加大轴向压力，使套筒径向弹性减少，缩小了夹具的应用范围。 第二种 : 由表 、表 ： 该段 LD,可以选用 h== 104=≈ 3mm 由于 2h/D=2 3/104=,则 L==mm≈ ，此时 L2/D，结合工作实际我们不选用此种方法。 选用方案 1。 （ 1） 套筒最大允许变形量 Δ D【 2】 ： δ ma x表示被加工工件表面与薄壁套筒之间在未加压前的最大间隙，△ Dmax表示薄壁套筒直径最大变形量。 则当△ Dmax δ max=0只能起定心作用 ， 当△ Dmax δ max时，间隙消除不了，不起任何作用 ,当△ Dmax δ max时，起定心和夹紧作用。 取 Δ D max =D2P/2Eh式中： E——。