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轴向锁紧装置设计报告

22
2020年4月19日
文档仅供参考，不当之处，请联系改正。
专业班级

设计方案报告
总 4 页
第 页
编号：
产品名称
光轴快速锁紧装置
生产纲领
件/年
团队成员

零件名称

生产批量
件/月
1、 设计概述
轴向锁紧装置在光、电缆生产设备及其它多种行业的生产设备中广泛应用。
传统的轴向锁紧装置以螺母锁紧装置、紧定螺钉套锁紧装置和销套锁紧装置最为常见：
1、螺母锁紧装置：轴端螺纹往往设计得比较长，而螺距又比较小，已造成装拆效率低或造成裸露过长而强度不高的细螺纹的局部损伤。
2、紧定螺钉套锁紧装置：为了确保锁紧的可靠性，只有增加螺钉的旋紧力，这样，既增加了拆卸难度，又增加了轴面损伤、螺钉及套螺孔螺纹损坏的可能。
3、销套锁紧装置：靠套内弹性定位锁销入轴上锁孔而定位的轴向锁紧装置；特点是可靠性高，但轴向调整连续性差。
综上所述，传统的轴向锁紧装置不太适于频繁拆装或轴向调整，且有的锁紧可靠性不高。为此我们要探究制造一种适于频繁拆装或轴向调整，且锁紧可靠性颇高的轴向锁紧装置，更好地服务应用于各行各业中的生产设备。
2、 设计思路和方案
力学中有一类现象称为“自锁现象”，当自锁条件满足时，外力越大，物体保持静止的能力越强．人们利用自锁现象的力学原理开发出了各种各样的机械工具，这些工具广泛应用于工农业生产中；在日常生活中利用这一原理的现象也随处可见。
依此现象我们设计了一种光杆轴向快速锁紧装置，它的核心部件是内锥形套，其内锥面斜度角的合理选择是该装置可靠性(即反向自锁性)的首要保障，图1为内锥形套结构图。
当轴向外力作用在该装置外套及内锥形套外端面时，内锥形套经过锥面与淬火钢珠接触点作用的法向力使钢珠产生沿轴滚动及滑动的趋势。为了实现该装置的反向自锁，内锥形套锥面斜度角必须满足以下两个条件：
(1) 淬火钢珠相对轴滚动自锁；
2)淬火钢珠相对轴滑动自锁。
下面以淬火钢珠为研究对象，分别就这两方面进行受力分析。
图二淬火钢珠的临界自锁状态受力图。
图中：N——轴对淬火钢珠的法向反作用力；
P——外力导致内锥形套经过B点作用于淬火钢珠的法向力；
Ta——轴面作用于淬火钢珠的最大静摩擦力；
Tb ——内锥形套作用于淬火钢珠的最大静摩擦力；
f1—— 轴面与淬火钢珠间的静摩擦系数；
f2—— 内锥形套锥面与淬火钢珠问的静摩擦系数；
R—— 淬火钢珠的半径。
淬火钢珠相对轴临界滚动自锁状态时，必有：

故： 图1内锥套结构图
将代入上式，整理得：
整理上式，可得滚动自锁角为：
可知，淬火钢珠相对轴滚动自锁条件为： 即
又有
因此
因为
将式(2)、(3)，(4)代人式(1)，整理可得 图2淬火钢珠的临界自锁状态受力图
则由以上可知，淬火钢珠相对轴滑动自锁条件为： 即
综合上述受力分析的结果，可得反向自锁式轴向锁紧装置实现反向自锁的条件为：
材料45钢 查得：得故
（实际应中，为保证装置反向自锁的可靠性及结构的紧凑性，φ值的选择应比式(5)所求得的值小2～3°为宜。）
有一点需说明，上述受力分析过程中，不需要考虑弹簧反力对钢珠的作用，其值亦与自锁角大小无关。
3、设计结果
1）外套与内锥形套间，内套与拉帽间均为过盈配合、压力装配；
2）外套与内锥形套端面比内套端面略微突出；
3） 内套孔径D2比锁紧轴直径略大，均布钢珠（3—4颗)的最小公共内切圆直径D1 比锁紧轴直径略小；
4）内锥形套圆柱面内孔直径比均布钢珠的最小公共外切圆直径略小，并与其内套配合面呈间隙配合；
4） 圆柱螺旋压缩弹簧保证淬火钢珠与内锥形套内锥面有效接触，且操作灵活。

图三光轴快速锁紧装置三维剖分图
1-拉帽；2-内套；3-外套；4-内锥形套；5-钢珠；6-弹簧
另外，内锥形套是光轴快速锁紧装置的主要承力件，具有较高的表面硬度。
两个关键点的简要说明：
（1）淬火钢珠的数量 随轴向力的增大，钢珠的数目宜适当增加。其目的是对于表面硬度相对较低的轴而言，不至于因承力过于集中而造成表面划伤，从而导致锁紧失效。但就线缆行业盘具装卡而言，绝太多数情况下轴向力均为较小的附属力，钢珠取3～4颗即可。至于，较大轴向力的装卡时，钢珠数目应适当增加，并需适当提高锁紧轴的表面硬度。
（2）圆柱螺旋压缩弹簧的作用 弹簧在该装置中起着不可忽视的作用，它使钢珠与内锥面保持接触，并在二者之问产生适当的预压力。这避免了装置使用中，因钢珠与内锥面间存在间隙，而不能及位锁紧的可能；同时，也避免了轴向力不稳定时，钢珠与内锥面间歇接触，从而导致钢珠逐步后退，使锁紧失效的可能。而弹簧的可压缩性又为便捷地解除自锁，简化操作提供了条件。本设计中弹簧中径为36mm，有效圈数为8圈，长度为26mm，簧丝直径为2mm。。
4、总结和体会
反向自锁式轴向锁紧装置（光轴快速锁紧装置）是适于频繁拆装或轴向调整，且锁紧可靠性颇高的轴向锁紧装置。
其与以往传统锁紧装置相比具较大优越性，但在某些方面稍有逊色不足之处，不是十分完美。这需要我们继续深入研究探讨，发散思维，灵活运用科学知识再创新高。

专业班级
机制本1303班
成本分析报告
总 页
第 页
编号：
产品名称
光轴快速锁紧装置
生产纲领
件/年
团队成员
胡博文、杨超平、李闯、刘卫士、张艳华、
零件名称
内套
生产批量
件/月
1、材料成本分析
材料
45钢
毛坯种类
圆钢
毛坯外形尺寸

每毛坯可制作件数
1
每台件数

备注

查表得45钢的密度为7.85，市场价为P=4.65元，毛坯体积=3.14=222.5475
毛坯质量则单件材料成本元
2、人工费和制造费分析
序号
工序
名称
工序内容
工 时（min）
工序成本分析
机动时间
辅助时间
终准时间
1
粗车
粗车外圆
3
1
1
由市场调查得车工工人工资8.5元/小时，铣工工人工资10元/小时，车床机床台时40元/小时。本工序用时5min，由工时计算知：该工序费用为4.04元
2
精车
精车外圆
2
1
1
本工序用时4min，由工时计算知：该工序费用为3.5元
3
粗车
粗车凸台外圆
2
0.5
0.5
本工序用时3min，由工时计算知：该工序费用为2.45元
4
精车
精车凸台外圆
2
1
1
本工序用时4min，由工时计算知：该工序费用为3.5元
5
粗车
粗车外圆
3
1
1
本工序用时5min，由工时计算知：该工序费用为4.04元
6
精车
精车外圆
2
1

1
本工序用时4min，由工时计算知：该工序费用为3.5元
7
钻孔
钻的孔
2
0.5
0.5
本工序用时3min，由工时计算知：该工序费用为2.45元
8
粗镗
粗镗的孔
3
1
1
本工序用时5min，由工时计算知：该工序费用为4.04元

9
精镗
精镗的孔
2
1
1
本工序用时4min，由工时计算知：该工序费用为3.5元
10
孔的定位
确定孔的位置
0
1
1
本工序用时2min，由工时计算知：该工序费用为1.62元
11

钻孔
在上钻3各尺寸为的通孔，然后用的钻扩孔，保证的尺寸

2
1
1
本工序用时4min，由工时计算知：该工序费用为3.5元
12
切断
车端面长度为95mm
1
0.5
0.5
本工序用时2min，由工时计算知：该工序费用为1.62元
3、总成本
工序总成本为4.04+3.5+2.45+3.5+4.04+3.5+2.45+4.04+3.5+1.62+1.62+3.5=37.76元

专业班级
机制本1303班
成本分析报告
总 页
第 页
编号：
产品名称
光轴快速锁紧装置
生产纲领
件/年
团队成员

胡博文、杨超平、李闯、刘卫士、张艳华、
零件名称
外套
生产批量
件/月
1、材料成本分析
材料
45钢
毛坯种类
圆钢
毛坯外形尺寸

每毛坯可制作件数
1
每台件数

备注

查表得45钢的密度为7.85，市场价为P=4.65元，毛坯体积=3.14=196
毛坯质量则单件材料成本元
2、人工费和制造费分析
序号
工序
名称
工序内容
工 时（min）
工序成本分析
机动时间
辅助时间
终准时间
1
粗车
粗车的外圆
2
1
1
本工序用时4min，由工时计算知：该工序费用为3.5元
2
精车
精车外圆
3
0.5
0.5
本工序用时4min，由工时计算知：该工序费用为3.5元
3

钻孔

钻的内通孔
2
1
1
本工序用时8min，由工时计算知：该工序费用为7元
钻内孔
2
1
1
4
粗镗
粗镗外圆
2
1
1
本工序用时4min，由工时计算知：该工序费用为3.5元
5
精镗
精镗外圆
3
0.5
0.5
本工序用时4min，由工时计算知：该工序费用为3.5元
6
粗镗
粗镗的孔
3
1
1
本工序用时4min，由工时计算知：该工序费用为3.5元
7
精镗
精镗的孔
2
1
1
本工序用时4min，由工时计算知：该工序费用为3.5元
8
切断
车端面长度65mm
1
1

1
本工序用时3min，由工时计算知：该工序费用为2.45元
3、总成本
工序总成本为3.5+3.5+7+3.5+3.5+3.5+3.5+2.45=30.45元

专业班级

成本分析报告
总 页
第 页
编号：
产品名称
光轴快速锁紧装置
生产纲领
件/年
团队成员
、
零件名称
内锥套
生产批量
件/月
1、材料成本分析
材料
45钢
毛坯种类
圆钢
毛坯外形尺寸

每毛坯可制作件数
1
每台件数

备注

查表得45钢的密度为7.85，市场价为P=4.65元，毛坯体积=3.14=222.5475
毛坯质量则单件材料成本元
2、人工费和制造费分析
序号
工序
名称
工序内容
工 时（min）
工序成本分析
机动时间
辅助时间
终准时间
1
粗车
粗车外圆
3
1
2
本工序用时5min，由工时计算知：该工序费用为4.375元
2
精车
精车外圆
2
1
1
本工序用时4min，由工时计算知：该工序费用为3.5元
3
钻孔
钻的孔
3
1
1
本工序用时5min，由工时计算知：该工序费用为4.375元
4
粗镗
精车的孔
3
2
1
本工序用时5min，由工时计算知：该工序费用为4.375元
5
粗镗
粗车的孔
3
2
1
本工序用时5min，由工时计算知：该工序费用为4.375元
6
粗镗
粗镗的锥面
2
1
2
本工序用时5min，由工时计算知：该工序费用为4.375元
7
精镗
粗镗孔，保证小端厚度为1.5mm
2
1
1
本工序用时4min，由工时计算知：该工序费用为3.5元
8
切断
车端面长度为30mm
1
1
1
本工序用时3min，由工时计算知：该工序费用为2.45元
3、总成本
工序总成本为4.375+3.5+4.375+4.375+4.375+4.375+3.5+2.45=31.325元

专业班级

成本分析报告
总 页
第 页
编号：
产品名称
光轴快速锁紧装置
生产纲领
件/年
团队成员

零件名称
拉环
生产批量
件/月
1、材料成本分析
材料
45钢
毛坯种类
圆钢
毛坯外形尺寸

每毛坯可制作件数
1
每台件数

备注

查表得45钢的密度为7.85，市场价为P=4.65元，毛坯体积=3.14=196
毛坯质量则单件材料成本元
2、人工费和制造费分析
序号
工序
名称
工序内容
工 时（min）
工序成本分析
机动时间
辅助时间
终准时间
1
粗车
粗车外圆
3
1
1
本工序用时5min，由工时计算知：该工序费用为4.375元
2
精车
精车外圆
2
1
1
本工序用时4min，由工时计算知：该工序费用为3.5元
3
钻孔
粗车的内孔
3
1
1
本工序用时5min，由工时计算知：该工序费用为4.375元
4
精车
精车的内孔
3
1
1
本工序用时5min，由工时计算知：该工序费用为4.375元
5
切断
车端面长度至5mm
1
1
1
本工序用时3min，由工时计算知：该工序费用为2.45元
3、总成本
工序总成本为4.375+3.5+4.375+4.375+2.45=19.075元

综上所得生产成本为各工序陈本与材料成本之和，因此生产成本为9.3+7.44+37.76+30.45+31.325+19.075=135.35元，又因为需要买3个钢珠和一个弹簧，因此估算成本用150元。

专业班级

工艺方案报告（一）
总页
第页
编号：
产品名称

生产纲领
件/年
团队成员

零件名称
外套
生产批量
单件
材料
45钢
毛坯种类
圆钢
毛坯尺寸

每毛坯可制作件数
1
每台件数

备 注
单 件
序 号
工序
名称
工序内容
工 序 简 图
机床
夹具
刀具
量 具
附 具
工时（min）
1
粗车
粗车的外圆

三爪卡盘
90°外圆车刀
游标卡尺、钢尺
4
2

精车
精车的外圆
三爪卡盘
90°外圆车刀
游标卡尺、钢尺
4
3
钻孔
钻的孔
钻的孔

三爪卡盘
的钻头的钻头
游标卡尺、钢尺
4
4
粗镗

粗镗的孔
三爪卡盘
S12M
游标卡尺、钢尺
4
5

精镗

精镗的孔
三爪卡盘
S12M
游标卡尺、钢尺
4

6

粗镗

粗镗的孔

三爪卡盘

S12M

游标卡尺、钢尺游标卡尺、钢尺

5
7
精镗
精镗的孔
三爪卡盘
S12M
游标卡尺、钢尺
4
8
切断
保证总长为65mm
三爪卡盘
切断刀
钢尺
3

编制（日期）
审核（日期）
标准化（日期）
会签（日期）
标记
处数
更改文件号
签字
日期

专业班级

工艺方案报告
总页
第页
编号：
产品名称

生产纲领
件/年
团队成员

零件名称
内套
生产批量
单件
材料
45钢
毛坯种类
圆钢
毛坯尺寸

每毛坯可制作件数
1
每台件数

备 注
单 件
序 号
工序
名称
工序内容
工 序 简 图
机床
夹具
刀具
量 具
附 具
工时（min）
1
粗车
粗车外圆

三爪卡盘
90°外圆车刀
游标卡尺、钢尺
4
2

精车
精车外圆
三爪卡盘
90°外圆车刀
游标卡尺、钢尺
4
3
钻孔
钻的孔
钻的孔

三爪卡盘
的钻头的钻头
游标卡尺、钢尺
4
4
粗镗

粗镗的孔
三爪卡盘
S12M
游标卡尺、钢尺
4
5

精镗

精镗的孔
三爪卡盘
S12M
游标卡尺、钢尺
4
6
钻孔
粗镗的孔
三爪卡盘
S12M
游标卡尺、钢尺游标卡尺、钢尺
5
8
切断
保证总长为95mm
三爪卡盘
切断刀
钢尺
3

编制（日期）
审核（日期）
标准化（日期）
会签（日期）
标记
处数
更改文件号
签字
日期

专业班级

工艺方案报告（二）
总页
第页
编号：
产品
名称
光轴快速缩紧装置
生产
纲领
件/年
团队成员

零件
名称
内套
生产
批量
件/月
一、对图样关键尺寸及形位公差的分析

保证拉帽与内套的过盈配合以及台阶孔的正确定位。要求有0.03mm的过盈量。钻孔时要划线找准位置。
二、加工工艺过程分析
与拉帽配合段要精车，保证过盈量正确。
钻台阶孔时先用的钻头钻通孔，再用的钻头扩孔。

专业班级

工艺方案报告（二）
总页
第页
编号：
产品
名称
光轴快速缩紧装置
生产
纲领
件/年
团队成员

零件
名称
内锥套
生产
批量
件/月
一、对图样关键尺寸及形位公差的分析

保证锥度的合理和与外套的过盈配合，使过盈量为0.04mm
二、加工工艺过程分析
与外套配合段要精车，保证过盈量正确。
保证锥度的合理，一定要对刀精确，防止偏心。

专业班级

工程管理报告
总 页
第 页
编号：
产品名称
光轴快速锁紧装置
生产纲领
件/年
团队成员

零件名称

生产批量
件/月
一、单件生产
1、生产过程组织：在零件的加工过程中，合理组织加工顺序，先易后难，先粗后精，并合理分配各成员任务，保证人人参与、共同提高、一块学习进步。在粗精加工完成后，能装配的先进行装配，并在最后将全部零件装配成为完整工件。
2、人力资源配置：①方案设计：以胡博文为组长，全体成员参与前期方案设计的讨论，设计图纸由李闯、杨超平、刘卫士等完成。
②零件加工胡博文、杨超平、刘卫士、李闯、等完成。
③报告由张艳华、胡博文、杨超平、等完成。
3、 生产进度计划与控制
①进度计划：第10—11周：基本完成设计方案。
第12—14周：审核设计图纸、确定加工所需材料及加工方案的前期准备。
第15—19周:基本完成零件的加工。
第19周：完成四大报告的编制填写。
②进度控制：1、由组长及时了解其它小组的进程，并根据老师意见，确保生产计划顺利完成。对于一些不可抗拒性因素导致 的耽误，及时提出补救措施。
2、对于部分成员有事而耽误的进度，及时有其它成员完成。
3、合理安排进程，根据指导老师的意见，及时调整部分不合理的计划。
4、 质量管理
①采用“组内检测、组间检测、指导老师终审”的总原则来保证加工质量。
②设计阶段：认真分析装置的作用、各零件的使用要求，设计合理的结构形状，确保加工装置的整体使用性能。
③加工阶段：严格根据工程图纸要求，合理设计加工工艺。
④检测阶段：在达不到精度要求时，及时分析原因，提出补救措施。
⑤装配阶段：再次检查各个零件的精度，确保装配精度，达到装置性能要求。
5、现场管理： 1、优化工艺路线及工艺布局，提高加工工艺水平，严格按照图纸要求组织生产，按步进行，确保产品质量。
2、严格按机床操作规程操作，保证操作人员的安全及加工零件的要求。
3、按照“组内自查、组间检查”的原则不定时检查，确保零件的精度要求。
4、加工前检查机床及所需材料，加工后离开车间前，检查材料、工具的是否有遗失，并打扫车间卫生。

二、批量生产
1、生产过程组织：生产过程的空间组织原则：确定生产的节拍及所需要的流水线、生产设备的布置情况。
生产过程的时间组织原则：因生产空间按成组流水线组织，生产过程的时间组织选择平行移动的方式。
2、人力资源配置：车间的人员组织形式以每条流水线分成班组，根据流水线设备数量确定人数，并安排负责人员（车间主任）。
该套筒体、套筒芯人员配备如下：车工4人、铣工2人、钳工1人、质检1人。
(2) 生产进度计划与控制：
1）作业安排：根据批量生产确定的每天需要生产的数量，安排生产资源、资金以及准备工作。确定外购件和自制件的作业顺序以及加工开始/结束时间。
2）测定偏差：生产周期为一个月，可选择4个时间结点对进度控制，分别在每周五休息前对进度计划跟踪。按预定时间，检查计划的执行情况，统计生产实际情况，掌握计划与实际之间的偏差。
3）纠正偏差：根据偏差产生原因和严重程度采取处理措施，并调整周计划。采取措施包括：增加机器数量，增加工人人数，增加工作时间。
4）提出报告：查证生产过程中的相关情况，汇总成统计分析报告。
4、质量管理：由于二次、五次抽样检验，对于质量水准特别高或特别低的检查批可大大降低抽样量，但不便于管理；而一次抽样的优点是便于管理。因此方案质量管理依据GB/T2828.1- /ISO2859-1：1999对每批所生产套筒体、套筒芯分别采用每批次抽取总数的2%进行一次抽样检验的检验标准。
5、现场管理
整理（SEIRI）——将工作场所的任何物品区分为有必要和没有必要的，除了有必要的留下来，其它的都消除掉。目的：腾出空间，空间活用，防止误用，塑造清爽的工作场所。
整顿（SEITON）——把留下来的必要用的物品依规定位置摆放，并放置整齐加以标识。目的：工作场所一目了然，消除寻找物品的时间，整整齐齐的工作环境，消除过多的积压物品。
清扫（SEISO）——将工作场所内看得见与看不见的地方清扫干净，保持工作场所干净、亮丽的环境。目的：稳定品质，减少工业伤害。
清洁（SEIKETSU）——将整理、整顿、清扫进行到底，而且制度化，经常保持环境处在美观的状态。目的：创造明朗现场，维持上面3S成果。
素养（SHITSUKE）——每位成员养成良好的习惯，并遵守规则做事，培养积极主动的精神（也称习惯性）。 目的：培养有好习惯、遵守规则的员工，营造团队精神。
安全（SECURITY）——重视成员安全教育，每时每刻都有安全第一观念，防范于未然。 目的：建立起安全生产的环境，所有的工作应建立在安全的前提下。