人关节防脱位臼衬模具的数控加工及夹具设计[毕业论文+CAD图纸]

夹具设计毕业论文：人关节防脱位臼衬的模具的数控加工含论文，CAD图纸，开题报告，实习报告

摘 要

本篇毕业设计主要是针对我们所做的一种典型零件时遇到的夹具不稳定问题进行分析。叙述了机床主轴的特点，从零件要满足的特点阐述到零件的选材及结构工艺性分析，做这个零件必须要用到夹具，这就要我们考虑到夹具的问题，用什么样的夹具才能把这个零件做好，这里将对夹具进行详细的介绍。本文还对该零件所用的机床作了简单的介绍。最后还附有产品加工工序卡、产品图、夹具图、所用到的主要刀具图以及程序以供参考。

关键词： 机床主轴 工艺性分析 夹具图

目 录

第一章 前言…………………………………………………………… 1
第二章 机制工艺设计部分…………………………………………… 7
2.1 零件的结构工艺性分析………………………………………… 7
2.2 零件的选材………………………………………………………7
2.3 工艺路线的拟订…………………………………………………8
2.4 定位基准的选择………………………………………………… 9
2.5 机床及其工艺设备的选择……………………………………… 10
2.6 切削用量参数的确定…………………………………………… 12
2.7 数控加工………………………………………………………… 12
第三章 机床夹具部分说明书………………………………………… 19
3.1 对专用夹具的基本要求和设计步骤…………………………… 19
3.2 夹具的制造特点及其保证精度的方法…………………………20
第四章 结论…………………………………………………………… 21
致 谢…………………………………………………………………… 22
参考文献………………………………………………………………… 23
附录……………………………………………………………………… 24

第一章 前言

机床主轴是机床上的一个主要部件，由于机床主轴用于安装刀具或工件，因此它是刀具或工件的相对位置基准和运动基准。机床主轴回转精度是机床的主要精度指标之一，直接影响着被加工零件的加工精度及表面粗糙度。机床主轴的回转误差是一项综合性的误差，是主轴在回转过程中实际回转轴线相对于理论回转轴线的漂移。机床主轴的回转误差可以分为3种基本形式：主轴的纯径向跳动、主轴的纯轴向窜动和纯角度摆动。一般情况下，这3种基本形式的误差是同时存在的，产生的加工误差也是3种形式误差影响的叠加。不同形式的主轴回转误差对加工精度的影响是不同的，同一形式的主轴回转误差对于不同加工方法的影响也是不同的。下面主要分析主轴纯径向跳动对零件加工的影响。

1.1 主轴纯径向跳动产生的原因

轴承分为滑动轴承和滚动轴承两类，轴承的主轴纯径向跳动是指主轴实际回转轴线绕平均轴线作平行的公转运动。

引起主轴纯径向跳动的主要原因是主轴轴颈和轴承的精度误差。机床上使用的类型不同，对纯径向跳动的影响也是不同的。

1)采用滑动轴承对主轴纯径向跳动的影响

2)采用滑动轴承作支承时，主轴以其轴颈在轴承孔内旋转。对于车床类机床，在加工过程中，主轴的受力方向是一定的，主轴轴颈被切削力压向轴承孔表面的固定地方。这时主轴轴颈的不同部位和轴承孔内的某一固定部位相接触，所以轴颈的圆度误差会使主轴回转产生纯径向跳动，而轴承孔的形状误差对主轴回转精度的影响很小。如图1-1(a)所示。对于镗床类机床，作用在主轴上的切削力是随镗刀的旋转而转动的，轴颈上的某一固定部位与轴承孔表面的不同部位相接触，因此轴承孔的圆度误差会引起镗床主轴的纯径向跳动，而镗床主轴轴颈形状误差对主轴回转精度的影响不大，如图1-1(b)所示。

图1-1 车削和镗削时的主轴跳动

1) 采用滚动轴承对主轴纯径向跳动的影响

2) 主轴采用滚动轴承作支承时，引起主轴纯径向跳动的因素除了轴承本身的精度外，还与轴承相配合件的精度有关。

3) a. 滚动轴承精度的影响

4) 滚动轴承外圈和内圈的滚道形状精度和位置精度对主轴纯径向跳动的影响与滑动轴承类似。如图1-2 所示。车削时，内圈滚道的精度影响较大；镗削时，外圈滚道的精度影响较大。

(a)孔与滚道不同轴 (b) 滚道不圆

图1-2 滚动轴承内外环形状及位置误差

滚动体的形状误差和尺寸的不一致会造成主轴的纯径向跳动。如图1-3所示。当直径较大的滚动体位于左边时，会使内圈右移，即主轴位置右移：相反，当直径较大的滚动体位于右边时，会使内圈位置左移，即主轴位置左移。由于滚动体保持架的转速低于内圈的转速，因此，它所引起的纯径向跳动频率较低。

图1-3 滚动轴承滚动体的形状误差和尺寸不一致对主轴径向纯跳动的影响

滚动轴承的间隙对主轴的纯径向跳动也是有影响的。如图1-4 所示。设轴承的承载区在右边，这时内圈右移，当一个滚动体位于水平位置时，内圈的右移量比滚动体不在水平位置时的要小，使主轴产生纯径向跳动，这种纯径向跳动的频率比内圈的转速要高得多。

图1-4 滚动轴承间隙对主轴纯径向跳动的影响

b. 与滚动轴承相配合件的影响

轴承内圈是薄壁零件，受力后很容易变形，主轴轴颈的圆度误差将导致内圈变形而引起主轴的纯径向跳动。同理，轴承外圈也是薄壁零件，装到箱体孔中后，箱体孔的圆度误差也将引起外圈滚道产生变形，引起主轴的纯径向跳动。

1.2 主轴纯径向跳动的数学表达式

为了便于研究主轴纯径向跳动对零件加工精度的影响，假设在加工零件的过程中，机床主轴一方面以角速度w自转，同时主轴瞬时回转轴心又相对与平均轴心在两个垂直方向(Y、Z坐标)上作简谐振动。建立惯性直角坐标系(OXYZ)，O点为主轴的理想轴心位置， 再建立与主轴相固联的直角动坐标系(O1WMN)，O1点为主轴的瞬时轴心位置。利用坐标平移和旋转后可得到两个坐标系的坐标变换关系 。如图1-5所示。

图1-5 坐标变换关系图

根据简谐振动规律， 主轴轴心O1径向跳动的数学表达式为:

式中：φ为主轴的转角：φ= ωt：AY、AZ是轴心分别在Y、Z两个坐标方向上简谐振动的幅值。

1.3 主轴纯径向跳动对零件加工的影响

1) 对镗削加工的影响

在镗床上镗孔时，镗刀随镗床主轴一起作旋转运动。当主轴作纯径向跳动时，将使轴心线沿某一固定方向作简谐运动。镗出的孔形是由惯性坐标系中镗刀刀尖的运动轨迹所决定。设镗刀刀尖在动坐标系的位置为：M=R，N=0，其中R为所加工孔的半径。如图1-6所示。

图1-6 镗削加工示意图

将刀具的位置坐标和式(1-1) 代入式(1-2) ， 可得在惯性坐标系中镗刀刀尖的轨迹参数方程：

(5)式为椭圆的参数方程，其长轴和短轴之半分别为R+AY和R+AYctgφ。因此，在镗孔过程中，主轴有纯径向跳动误差时，那么镗出的孔将是椭圆形的，产生的误差为圆度误差，其值为：△=AY+AZ

2) 对车削加工的影响

在车床上加工外圆或镗孔时，工件随车床主轴一起作旋转运动。因此工件被加工表面的几何形状是由刀具在动坐标系中的相对轨迹决定的。设车刀刀尖在惯性坐标系中的坐标位置为Z=0，Y=-R。其中， R为加工半径，如图1-7所示。

图1-7 车削加工示意图

工件被加工表面几何形状的瞬时曲率半径为：

由于幅值AZ的数值很小，可以略去，则式(7) 成为：

由式(1-6)可知，工件横截面的几何形状近似于一个心脏线图形。如图1-8 所示。

图1-8 车削加工心形线图

若取ρ1=R-Acosφ，ρ2=R-Acos(p+φ)，则D=ρ1+ρ2=2R， 说明此心脏线是一等径曲线，即工件的横截面几何形状无直径误差。

当φ=0时，ρ=R-A，当φ=π时，ρ=R+A。所以O1不是加工后工件端面的实际轮廓的中心，工件的实际轮廊中心与O1的距离为A。

因此可以得出结论：在车床上进行内外圆车削，主轴径向跳动主要影响加工件的同轴度误差，对工件圆度误差的影响可以忽略不计。

1.4 结论

通过对主轴纯径向跳动的分析可以看出，主轴回转误差对零件加工精度的影响很大。因此在机械加工中，应采取有效措施减少主轴回转误差对零件加工精度的影响。采取的措施可以从两个方面来考虑。首先要提高主轴的回转精度。主轴轴承是影响主轴回转精度的关键零件，对于精密机床可采用精密的滚动轴承，也采用多油楔动压轴承和静压轴承。同时还要提高与轴承相配合零件的精度。其次要减少主轴回转误差对零件加工的影响。可以采用运动和定位分离的主轴结构，使工件在加工过程中的回转精度不受机床主轴回转误差的影响，使主轴回转误差不反映到工件上。

从上面可以看出假如我们的夹具做的不好，对影响零件的精度是必然的问题，下面我就从我们的零件是如何作出来的进而分析夹具的问题。

第二章 机制工艺设计部分

2.1 零件的结构工艺性分析

本零件是一段直径为55的聚乙烯圆棒经过3道工序完成的，是一种植入人体的零件，从它的名字（KH10度防脱位臼衬）可以看出它的作用是用来防止关节脱位的。其中KH是零件代号，10度是规格，也有8度的……因人的骨骼形状不同而使用不同的规格。因为它的特殊作用，所以尺寸和公差要求很严格，具体尺寸和公差在产品图中都有标注。就是这种特殊要求也对我们零件加工的机床提出了更严格的要求，要能够有很高的定位精度。我们用的是DMG公司的CTX410型数控车铣床。它的定位精度达到0.002毫米，同时可以满足这种零件的铣削要求。我们在普车上下料，然后在这种车床是做外球和内球。外球的尺寸主要靠机床来保证。内球的尺寸主要靠机床来保证，而形状是靠工装来保证的。所以做这种零件有一半是靠夹具来完成的，我们对夹具的要求也是很高的。

2.2零件的选材

选材合理性的标志，应是在满足零件的性能要求的条件下最大限度的发挥材料潜力，做到既要考虑提高材料强度的使用水平，同时也要减少材料的削耗和降低加工成本.因此要做到合理选材，对设计人员来说，必须全面分析和综合考虑.

一般在下列情况下需要选用材料：设计新产品，改变原设计或是改变零件原来材料的降低成本；为适应本厂的设备条件而要改变零件加工工艺；原材料缺乏，需要更换新材料等.目前选用零件大部分涉及到一些尚未标准化或尚未定型化的零件和工具。

选材的一般原则：首先是在满足零件作用性能的前提下，再考虑工艺性，经济性。且要根据我国资源情况来选择国产材料。

（1）满足零件使用性能的要求

我们的零件要求质量轻`耐磨`表面光滑`清洁，不应有裂缝`划伤`气泡和夹灰。同时要满足物理性能和化学性能，包括：

密度Kg/m3 灰分Mg/Kg 屈服拉伸强度δB 抗拉强度δR 延伸率εR

927~944 ≤150 ≥19 ≥27 ≥300

它的化学性能主要包括材料组成等，我们的零件要求材料没有对人体有害的物质。

（2）满足材料的工艺性能的要求：

我们的零件要在高切削速度和高切削力的作用下才能完成的。这要我们考虑到材料在这种条件下要能够不变形，表面粗糙度还要达到要求。同时还要考虑到我们的刀具磨损情况不至于过快。
切削加工性好的材料对保证产品质量，降低成本有极大的经济意义。

（3）考虑材料的经济性

材料的经济性涉及到材料的成本高低，材料的供应是否充足，加工工艺过程是否复杂，成品率的高低以及同一产品中使用材料的品种规格等.从选材的经济性原则考虑，应尽可能选用价廉货源充足，加工方便的材料，并尽量减少选材的品种规格，以简化供应，保管等工作.

在选择材料时，即要考虑材料本身的相对价格，也要该材料做成的零件在使用过程中的经济效益问题，如制造成本，零件使用寿命等，来综合考虑，从而达到合理选材的目的。

综合以上特点我们在选材时之所以不选用铁质材料，就是因为它质量太大。而国产的高分子聚乙烯往往含有杂质，达不到我们的要求。所以我们选用德国进口的高分子聚乙烯，它能达到我们的要求。

2.3 工艺路线的拟定

拟定工艺路线是指拟定零件加工所经过的有关部门和工序的先后顺序.工艺路线的拟订是工艺规程制定过程中的关键阶段，是工艺规程制定的总体设计，其主要任务包括加工方法的确定、加工顺序的安排、工序集中与分散等内容.

（1）加工方法的确定

1）加工面

加工方法 加工经济精度

（公差等级表示） 经济表面粗糙度值Ra/μm

普车 -0.1~0.1MM 3.2

数控车 -0.01~0.01MM 0.8

2）加工凸耳

凸耳是配合公差，配合精度要求是多少，粗糙度是多少，要求的加工精度，考虑到零件的结构，用什么方法加工比较合适.

根据所查资料，要达到图纸上平面的粗糙度和精度要求的加工方法是：

加工方法 加工经济精度

（公差等级表示） 经济表面粗糙度值Ra/μm

铣削 -0.05~0 1.6

（2）加工顺序的安排

加工阶段的划分

①粗加工:主要切除各表面上大部分的余量，使毛坯形状和尺寸接近于成品，为后序加工创造条件.在本零件的加工中，外球和内球的轮廓是粗加工的部分。

②半精加工：完成次要表面的加工，并为主要表面的精加工做准备.在本零件中，外球和内球以及凸耳的接近上公差尺寸是需要半径加工的部分。

③精加工：保证主要表面达到图样要求.

（3） 工序集中和分散

工序集中是将工件的加工集中在少数几道工序内完成，每道工序的加工内容较多.工序分散就是将工件的加工分散在较多的工序内进行.根据工厂的设备情况，零件的难易程度选择。

（4） 加工顺序的确定

1）、机械加工工序的安排

①、根据基面先行的原则，

②、根据先粗后精的原则，

③、根据先主后次的原则，

2）、辅助工序的安排

辅助工序一般包括去毛刺、倒棱、清冼、保证温度，检验等.检验工序是主要的辅助工序，是合格证产品质量的重要措施.零件的每道工序加工完成之后，和零件全部加工完成之后都要进行检验工序.

具体的加工工艺路线请参看附件“工艺卡”

2.4定位基准的选择

（1）粗基准的选择

粗基准是加工的第一道工序基准，它只能选择末加工的毛坯表面，粗基准选择的好坏，对以后加工表面余量及加工表面与非加工表面的相互位置有很大的影响.

选择粗基准时的原则是：

1）、以不加工表面为粗基准，为保证不加工表面与加工表面之间的相对位置要求，一般选择不加工表面为粗基准.依据此原则应选择哪个面为粗加工基准加工底面.

2）、选择粗基准时，应合理分配各表面的加工余量.

3）、粗基准的表面应尽量平整，没有浇冒口，飞边的等缺陷，以便在加工时定位可靠，夹紧方便.

4）、一般情况下，同一方向上的粗基准表面只能用一次，这条原则与此工件加工所选几面无冲突.
有以上几条原则可以选择第一道工序的基准就是料外形。

（2）精基准的选择

精基准是选用已加工表面作为工序基准，精基准的选择，不仅要考虑对加工工件加工质量好坏的影响，并且与工件夹紧定位是否方便也有很大关系.精基准的选择应依据以下原则：

1）、为了较容量获得加工表面对设计基准相对位置精度，应选择加工表面设计基准作为定位基准，即基准重合原则，对照此原则，我们在做外球时选择了料的右端面作为基准，也就是球顶的位置。而在做内球时我们选择夹具作为基准，因为我们夹具的定位精度很高，它的圆跳动不超过0.01MM。

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