法兰盘基本工艺设计与数控加工.doc

摘 要

本课题完毕法兰盘工艺设计与数控加工。法兰盘是使管子与管子互相连接零件，连接于管端。法兰上有孔眼，两个法兰盘之间，加上法兰垫，用螺栓紧固在一起，完毕了连接。
本次设计重要完毕如下设计内容：法兰盘零件图纸与技术规定分析、零件二维图绘制及三维建模；制定数控加工工艺卡片文献；零件夹具设计并进行夹具图二维图绘制；对零件进行加工仿真。依照锻件形状特点、零件尺寸及精度，选定适当机床设备以及夹具设计，通过精确计算并查阅设计手册，拟定了法兰盘尺寸及精度，在材料选用及技术规定上也作出了详细阐明，并在结合理论知识基本上，借助于计算机辅助软件绘制了各某些零件及装配体工程图,以保障法兰盘加工制造。
在夹具设计过程中，重要以可换圆柱销、可换菱形销、定位心轴和支承钉来定位，靠六角厚螺母来夹紧。一方面在数控车床上，完毕零件外圆及端面加工；再在数控铣床上，完毕零件端面上6-Φ11沉孔及3-Φ5孔加工；最后采用专用夹具以Φ16孔以及6-Φ11沉孔其中两孔定位进行外圆上Φ10孔加工。

核心字：法兰盘，数控加工工艺，数控编程，夹具设计， 仿真加工

法兰盘工艺设计与数控加工

姓名 学号

0 引言
0.1 概述
本课题来源于装配制造业法兰盘工艺设计与数控技术，通过本次毕业设计，可以初步掌握对中档复杂零件进行数控加工工艺规程编制，学会查阅关于资料，能合理编制数控加工过程卡片、数控加工工序卡片、数控加工刀具卡片、数控编程等工艺文献，能合理拟定加工工序定位与夹紧方案。
能使用AutoCAD对的绘制机械零件二维图形，能通过使用UGNX7.0软件对零件进行三维图绘制，可以提高构造设计能力及建模能力。
编写符合规定设计阐明书，并对的绘制关于图表。在毕业设计工作中，学会综合运用多学科理论知识与实际操作技能，分析与解决设计任务书中有关问题。在毕业设计中，综合运用数控加工刀具和数控工艺、工装夹具设计等专业知识来分析与解决毕业设计中有关问题。
根据技术课题任务，进行资料调研、收集、加工与整顿和对的使用工具书；掌握关于工程设计程序、办法与技术规范；掌握实验、测试等科学研究基本办法；以及与解决工程实际问题能力。
0.2 本设计重要工作内容
本次对于法兰盘工艺设计及数控加工重要任务是：
（1）分析零件图纸与技术规定；
（2）三维建模。依照零件二维视图建立三维视图；
（3）制定机械加工工艺文献。依照产品技术资料、生产条件与生产大纲，制定零件机械加工工艺规程，编写工艺规程卡片；
（4）夹具设计。绘制工件夹具图；
（5）编制数控加工程序、仿真加工与课题制作
（6）工件检查。选用合理测量工具与设备检查工件加工质量。
在这整个过程中，综合运用多学科理论、知识与技能，分析与解决实际有关问题。

1 零件分析
1.1 零件图分析
图1.1所示为法兰盘零件二维图，其构造形状较复杂，中批量生产1000件。图1.2为零件三维图。

图1.1 法兰盘零件二维图

图1.2 法兰盘三维图
该零件材料为45钢，毛坯为锻件，重要应用于装配管子，起管子连接及固定作用，为中批量生产类型产品。该零件为由外圆、内圆、沉孔、内孔、倒斜角等表面构成，加工表面较多且都为平面及各种孔，因而适合采用加工中心加工。
1.2 技术规定分析
（1）构造分析
零件由外圆、内圆、沉孔、内孔、倒斜角等构成。
（2）尺寸精度分析
加工精度是指零件在加工后几何参数实际值和理论值符合限度。尺寸精度是指实际尺寸变化所达到原则公差级别范畴。
如图1.1所示，加工规定较高尺寸列出如下表格，如表1.1所示。
（3）形位公差分析
加工后零件不但有尺寸误差，构成零件几何特性点、线、面实际形状或互相位置与抱负几何体规定形状和互相位置还不可避免地存在差别，这种状上差别就是形状误差，而互相位置差别就是位置误差，统称为形位误差。
（4）毛坯加工余量分析
工件粗加工余量为0.8，半精加工为0.5，精加工为0.2。
（5）粗糙度分析
表面粗糙度，是指加工后零件表面上具备较小间距和微小峰谷所构成微观几何形状特性，普通是由所采用加工办法和(或）其她因素形成。表面粗糙度高度参数有3种：轮廓算术平均偏差Ra，微观不平度十点高度Rz以及轮廓最大高度Ry。
该零件重要由外圆、内圆、沉孔及内孔构成，详细表达为φ55外圆、φ52外圆、φ90外圆、6-φ11沉孔、3-φ5内孔、φ10内孔、φ32内圆、φ16内圆。粗糙度皆为Ra3.2。

表1.1尺寸精度
构造
尺寸
形状
位置
Φ10mm孔
Φ10mm
孔
Φ90mm圆柱面
Φ11mm沉孔
Φ11mm
沉孔
Φ90mm圆柱面
C1.5mm倒角
1.5mm×45°
倒角
Φ32mm圆柱面内侧
Φ5mm内孔
Φ5mm
内孔
Φ10mm圆柱面

2 零件数控加工工艺设计
2.1 选定毛坯
依照零件加工前尺寸及考虑夹具方案设计，选取毛坯材料牌号为45钢，毛坯种类为锻件，毛坯外形尺寸为Φ95mm×45mm。如图1.3所示。

图1.3 法兰盘加工前三维图

2.2 选取定位基准
选取定位基准时，一方面是从保证工件加工精度规定出发，因而，选取定位基准时先选取粗基准，再选取精基准。
2.2.1 粗基准选取：
按照粗基准选取原则，为保证不加工表面和加工表面位置规定，应选取不加工表面为粗基准，故在加工Φ16mm内圆、Φ90外圆及Φ55外圆时，选取Φ95mm毛坯外圆作为粗基准。
2.2.2 精基准选取：
按照精基准选取原则，为符合基准重叠原则以及基准统一原则，故在加工Φ52外圆、Φ90外圆、Φ32内圆、Φ10内孔、6-Φ11沉孔及3-Φ5内孔时，选取Φ55外圆及Φ16内圆作为精基准。
2.3 工艺路线设计
（1）工艺路线设计 为保证几何形状、尺寸精度、位置精度及各项技术规定，必要鉴定合理工艺路线。
由于生产大纲为成批生产，因此XH714立式加工中心配以专用工、夹、量具，并考虑工序集中，以提高生产率和减少机床数量，使生产成本下降。
针对零件图样拟定零件加工工序为：
工序一：（Φ95毛坯外圆定位）
1)粗车外圆及端面。
2)精车外圆至尺寸规定，留总厚余量2mm。
3)钻Φ16孔中心孔。
4)粗钻扩Φ16孔。
5)精钻扩Φ16孔至尺寸规定。
6)倒圆角R2。
工序二：（Φ55圆柱面定位）
1) 粗车外圆及端面。
2) 精车外圆及端面至尺寸规定。
3) 钻Φ32孔中心孔。
4) 粗钻铰锪Φ32孔。
5) 精钻铰锪Φ32孔至尺寸规定。
6) 倒角C1.5。
工序三：（Φ16孔及工件下平面定位）
1)钻6-Φ11沉孔及3-Φ5内孔中心孔。
2)粗钻铰6-Φ11沉孔及3-Φ5内孔。
3)精钻铰6-Φ11沉孔及3-Φ5内孔至尺寸规定。
工序四：（Φ16孔及工件上平面定位）
1) 钻Φ10孔中心孔。
2) 粗铰Φ10孔。
3) 精铰Φ10孔至尺寸规定。
4)所有面去锐边毛刺。
2.4 拟定切削用量和工时定额
切削用量涉及背吃刀量、进给速度或进给量、主轴转速或切削速度（用于恒线速切削）。其详细环节是：先选用背吃刀量，另一方面拟定进给速度，最后拟定切削速度。（参照资料《数控加工工艺及设备》）
工时定额涉及基本时间、辅助时间、地点工作服务时间、休息和自然需要时间以及准备终结时间。
2.4.1 背吃刀量拟定
依照零件图样知工件表面粗糙度规定为所有3.2，故分为粗车、半精车、精车三步进行。
因而选取粗车背吃刀量为3.5mm，半精车背吃刀量取1.5mm，精车时背吃刀量取0.35mm。
2.4.2 进给量f拟定
由文献[10]表2.4-73，选取粗车时：=0.20mm/z；精车时：=0.5mm/z
2.4.3 切削速度拟定
由文献[10]表3.1-74，选取粗车时：主轴转速n=900r/min；精车时：主轴转速n=1000r/min。
因而，相应切削速度分别为：
粗铣时：
精铣时：
2.4.4 工时定额拟定
依照夹具设计，下面计算工序四中Φ10mm孔时间定额。
（1） 基本时间 由文献[8]得，钻孔计算公式为：

式中：；
，钻盲孔时，=0；
L=17，=0，f=0.3，n=1000；
因而
因此
（2） 辅助时间 文献[8]拟定
开停车 0.015min
升降钻杆 0.015min
主轴运转 0.02min
清除铁屑 0.04min
卡尺测量 0.10min
装卸工件时间由文献[8]取1min
因此辅助时间
=（0.015+0.015+0.02+0.04+0.10+1）min=1.19min
（3） 地点工作服务时间 由文献[8]拟定
取，
则
（4） 休息和自然需要时间 由文献[8]拟定
取，
则
（5） 准备终结时间 由文献[8]，某些时间拟定
简朴件 26min
深度定位 0.3min
升降钻杆 6min
由设计给定1000件，则

（6） 单件时间

（7） 单件计算时间

2.5 各工序设备、刀具、量具设计
(1) 选取NC加工机床
依照2.3 工艺路线设计工序安排，由于零件复杂性及加工部位多，故选取立式加工中心。加工内容有：车外圆、钻孔、铰孔及倒角等，所需刀具不超过20把。选用立式加工中心即可满足上述规定。
本设计选用FANUC 18i-MateMC系统XH714立式数控加工中心，如图1所示。

图1 XH714立式数控加工中心
(2) 机床重要技术参数
工作台面积(长×宽) 900×400 mm
工作台左右行程(X向) 630 mm
工作台先后行程(Y向) 400 mm
主轴上、下行程(Z向) 500 mm
工作台最大承重 600 kg
主轴端面至工作台面距离 250—760 mm
主轴锥孔 MAS403 BT40
刀库容量 ≥12 把
刀具最大尺寸 φ100×250 mm
主轴最高转速 8000 rpm
进给速度 5-8000 mm/min
迅速移动速度 0 mm/min
主电机功率 7.5/11KW
定位精度 X:0.016 mm，Y、Z：0.014 mm全程
重复定位精度 X:0.010 mm，Y、Z:0.008mm全程
进给电机扭矩 FANUC 8 N.m
数控系统 FANUC 0i-MateMC
插补方式 直线插补、圆弧插补
（3）机床性能
XH714为纵床身，横工作台，单立柱立式加工中心机床；可以实现X、Y、Z任意坐标移动以及三坐标联动控制；X、Y、Z三坐标轴伺服进给采用交流伺服电机，运动平稳；X、Y、Z三轴采用进口精密滚珠丝杠副，及进口滚珠丝杠专用轴承支承；主轴采用交流伺服调速电机，其额定功率11KW；主轴最高转速为8000rpm。主轴轴承采用高速、高精度主轴轴承，油循环冷却；采用蝶形弹簧夹紧刀具，气压松刀；刀库为20把刀斗笠式刀库，无机械手换刀。
2.6 工艺文献设计
依照2.3 工艺路线设计工序安排，编出机械加工工艺过程卡片及工序卡片。见附表1~3：机械加工工艺过程卡片；附表4~7：数控加工工序卡；附表11~16：数控加工进给路线图。
2.7 数控加工刀具卡片设计
依照2.3 工艺路线设计工序安排，编出机械加工刀具卡片。见附表8~10：机械加工刀具卡片。
2.8 数控编程
依照2.3 工艺路线设计工序安排，编出数控加工程序。见附表17：数控加工程序。

3 法兰盘钻Φ10孔夹具工序工艺装备设计
3.1 夹具设计方案设计
依照法兰盘特点对夹具提出了两个基本规定：一是保证夹具坐标方向与机床坐标方向相对固定。二是要能协调法兰盘零件与机床坐标系尺寸。除此之外，重点考虑如下几点：
1、在成批生产时，才考虑采用专用夹具，并力求构造简朴。
2、夹具上个零件部件应不妨碍机床对零件各表面加工，即夹具要敞开，其定位。夹紧原件不能影响加工中走刀。
依照课题规定，批量生产1000件法兰盘零件，故需要设计专用夹具进行装夹。
3.1.1 夹具定位方案设计
工件定位方案拟定，一方面应考虑满足加工规定。按基准重叠原则，选用Φ18孔以及工件底平面作为定位基准，定位方案如图3-1所示。
平面机构自由度计算公式为：，
其中：n 为活动构件，n=N-1，N为构件；
— 低副；
— 高副；
因此：
即2个支承钉及定位心轴限制工件x、y方向转动度以及z方向移动度，可换圆柱销及可换菱形销限制工件x、y方向移动度以及z方向转动度。

图3-1 法兰盘定位方案

3.1.2 夹具夹紧方案拟定
工件夹紧方案拟定，取工件Φ55圆柱端面进行夹紧，采用六角厚螺母夹紧机构，如图3-2所示。采用六角厚螺母夹紧机构，在夹具设计过程中，以考虑工件受力状况，故在Φ55圆柱端面与六角厚螺母之间增长平垫圈，平垫圈在此处起到缓冲、平衡受力及保护端面不受伤害作用。采用六角厚螺母通过平垫圈将工件在侧面夹紧，其构造紧凑、操作以便。

图3-2 法兰盘夹紧方案

3.1.3 夹具对刀装置方案拟定
因考虑零件复杂性，故将夹具本次零件加工选取机床对刀点在工件坐标系Φ95外圆上，这有助于保证精度，减少误差。
采用试切对刀办法：详细环节为该零件选取Φ95外圆为编程零点，本次试切一方面选取零件右侧面为试切点，左右拨动主轴，手轮移动X轴，使刀具微碰零件，此时记下X机械坐标输入到G54或G55X中，本次试切再选取零件外圆顶点为试切点，上下拨动主轴，手轮移动Y轴，使刀具微碰零件，此时记下Y机械坐标输入到G54或G55Y中，至此，X，Y轴对刀完毕；Z轴对刀，如以工件外圆顶点为0点，将铣刀擦到工件表面，记下此时Z轴机械坐标，输入到G54或G55中。
3.1.4 夹具与机床连接方案设计
因考虑零件加工复杂性，本套夹具选取孔系夹具，它元件以孔定位，螺纹连接，元件定位精度高，夹具组装简便，刚性好，又便于数控机床编制加工程序。

3.2 夹具构造设计
在选取夹详细毛坯构造时，从构造合理性、工艺性、经济性、原则化也许性以及工厂详细条件为根据综合考虑。在《机床夹具设计手册》表1-9-1为各种夹详细毛坯构造特点和应用场合。则选锻造构造，由于其可锻造出复杂构造形状。抗压强度大，抗振性好。易于加工，但制造周期长，易产生内应力，故应进行时效解决。材料多采用HT15-30或HT20-40。在夹详细上还进行倒角，以便增长夹具强度及刚度。

3.3 夹具理论计算
3.3.1 定位误差分析与计算
本套夹具是定位误差重要是一面两孔定位所产生，因而只需计算两定位销定位误差即可。
1）拟定定位销中心距及尺寸公差
取
故两定位销中心距为71±0.02mm
2）拟定圆柱销尺寸及公差
取Φ11H8=Φ11mm
3）参照文献[8]中表4-3选用菱形销及B值
取=4mm，B=d-2=（11-2）mm=9mm
4）拟定菱形销直径尺寸及公差
取补偿值：a=+=（0.06+0.02)mm=0.08mm，则

因此
菱形销与孔配合取h6，其下偏差为-0.011mm，故菱形销直径为
Φ10.947mm=Φ11mm
因此Φ11mm
5) 计算定位误差
基准位移误差为：

转角误差为：

则，双向转角误差为。
3.3.2 夹紧力分析与计算
本套夹具靠六角厚螺母实现夹紧。因而，夹紧力计算则在于六角厚螺母所需力。
六角厚螺母夹紧力P按3.2公式计算：
……………………………………………（3.2）
— 夹紧力，；
— 螺纹升角，M16选；
— 螺纹摩擦角，=；
— 支撑表面摩擦力矩计算力臂，选取；
— 螺母支撑面摩擦因素，选取=0.178；
通过计算，M16孔定位螺钉所需夹紧力为：T=180N
由于六角厚螺母需在两端进行夹紧，故夹紧力为双倍。
因而总共所需夹紧力为：T总=2T=180N×2=360N

3.4 夹具使用操作阐明
本夹具用于加工法兰盘∅11孔（工件材料45钢）。工件以∅32和∅16孔、∅11孔分别在定位心轴8、可换定位销7及可换定位销9上定位，通过在定位心轴8上旋动六角厚螺母4使平垫圈3接触工作，从而达到夹紧工件效果。

4 零件仿真加工

图4-1 钻3-Φ5孔中心孔

图4-2 钻6-Φ11沉孔中心孔

图4-3 铰3-Φ5孔

图4-4 铰6-Φ7孔

图4-5 锪6-Φ11孔

图4-6 钻Φ10孔中心孔

图4-7 铰Φ10孔
5 结论
（1） 通过对零件和夹具三维造型，实战练习了UG三维造型软件造型模块和AtuoCAD工程图模块，加深了AutoCAD二维软件操作和理解。
（2） 通过对夹具理论计算，证明本套夹具具备可行性。
（3） 通过对零件加工仿真，证明数控加工程序具备可行性。
（4） 通过对夹具三维建模，证明夹具设计具备可行性。
（5） 对使用Office办公软件时，还需要多加纯熟。
（6） 在进行UG三维建模时，理解了计算机辅助制图编程软件功能及用法。
（7） 在用Auto CAD、UGNX7.0等软件时，还需要多纯熟快捷键使用，从而提高效率。
（8） 设计过程中应用到材料力学、机械原理、机械设计、数控编程等方面知识。通过设计，加深了对所学知识在脑海中印象，并提高了在实际中应用所学知识能力。
同步，也结识到数控技术应用不但给老式制造业带来了革命性变化，是制造业成为工业化象征，并且随着数控技术不断发展和应用领域扩大，它对国际民生某些重要行业发展起着越来越重要作用，由于这些行业所需装备数字化已是当代发展大趋势。

参照文献

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[9] AMT Statistical Department.1998-1999 Economic Handbook of the Machine Tool Industry.1998.
[10] 李洪等.机械加工工艺手册.北京.北京出版社，1990.

附录

附录1.机械加工工艺过程卡片
附录2.机械加工工艺过程卡片
附录3.机械加工工艺过程卡片
附录4.数控加工工序卡
附录5.数控加工工序卡
附录6.数控加工工序卡
附录7.数控加工工序卡
附录8.数控加工刀具卡片
附录9.数控加工刀具卡片
附录10.数控加工刀具卡片
附录11.数控加工进给路线图
附录12.数控加工进给路线图
附录13.数控加工进给路线图
附录14.数控加工进给路线图
附录15.数控加工进给路线图
附录16.数控加工进给路线图
附录17.数控加工程序
附录18.法兰盘二维图及三维图
附录19.法兰盘钻Φ10孔专用夹具装配图
附录20.专用夹具中夹详细二维图
附录21.专用夹具中可换圆柱销二维图
附录22.专用夹具中可换菱形销销二维图
附录23.专用夹具中定位心轴二维图