基于CAD技术的CBN系列齿轮泵壳体钻孔夹具设计及其工艺设计
基于CAD技术的CBN系列齿轮泵壳体钻孔夹具设计及其工艺设计
引言
在现代制造技术迅猛发展的今天，机床夹具无论在传统机床上还是在数控机床、加工中心上，仍是必不可少的工艺装备。齿轮泵是机械加工业常用装备之一，具有品种多、批量小、更新换代快的特点，其所用夹具种类比较繁多，更换也比较频繁。因此更简单、快捷的设计方法显得尤为重要。本次设计利用了计算机辅助设计技术，对齿轮泵壳体钻孔夹具进行三维软件造型，生成二维图纸，具有设计计算简便、绘图工作量小及工作效率高等优点。
1．1 机床夹具的发展概括
机床夹具的现状：机床夹具是在机械制造过程中，用来固定加工对象，使之占有正确的空间位置，用来加工或检测并保证加工要求的机床附加装置，简称为夹具。
夹具最早出现在18世纪后期。随着科学技术的不断进步，夹具已从一种辅助工具发展成为门类齐全的工艺装备。
国际生产研究协会的统计表明，目前中、小批多品种生产的工件品种已占工件种类总数的85％左右。现代生产要求企业所制造的产品品种经常更新换代，以适应市场的需求与竞争。然而，一般企业都仍习惯于大量采用传统的专用夹具，一般在具有中等生产能力的工厂里，约拥有数千甚至近万套专用夹具；另一方面，在多品种生产的企业中，每隔3～4年就要更新50％～80％左右专用夹具，而夹具的实际磨损量仅为10％～20％左右，为了适应科学技术的快速发展，我们在短短几年内需更新大量的专用夹具，这样即提高了加工的成本，也造成了材料的浪费，为了减少这种情况，我们可以采用数控机床的柔性化制造技术。
近年来，数控机床、加工中心、成组技术、柔性制造系统（FMS）等新加工技术的应用，对机床夹具提出了如下新的要求：
1）能迅速方便地装备新产品的投产，以缩短生产准备周期，降低生产成本；
2）能装夹一组具有相似性特征的工件；
3）能适用于精密加工的高精度机床夹具；
4）能适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具；
5）采用以液压站等为动力源的高效夹紧装置，以进一步减轻劳动强度和提高劳动生产率；
6）提高机床夹具的标准化程度。
1．2 机床夹具的发展方向
现代机床夹具的发展方向：主要表现为标准化、精密化、高效化、柔性化和模块化等五个方面。
1）标准化
机床夹具的标准化与通用化是相互联系的两个方面。目前我国已有夹具零件及部件的国家标准：GB/T2148～T2259－91以及各类通用夹具、组合夹具标准等。机床夹具的标准化，有利于夹具的商品化生产，有利于缩短生产准备周期，降低生产总成本。
2）精密化
随着机械产品精度的日益提高，势必相应提高了对夹具的精度要求。精密化夹具的结构类型很多，例如用于精密分度的多齿盘，其分度精度可达±0.1"；用于精密车削的高精度三爪自定心卡盘，其定心精度为5μm。
3）高效化
高效化夹具主要用来减少工件加工的基本时间和辅助时间，以提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度。常见的高效化夹具有自动化夹具、高速化夹具和具有夹紧力装置的夹具等。例如，在铣床上使用电动虎钳装夹工件，效率可提高5倍左右；在车床上使用高速三爪自定心卡盘，可保证卡爪在试验转速为9000r/min的条件下仍能牢固地夹紧工件，从而使切削速度大幅度提高。目前，除了在生产流水线、自动线配置相应的高效、自动化夹具外，在数控机床上，尤其在加工中心上出现了各种自动装夹工件的夹具以及自动更换夹具的装置，充分发挥了数控机床的效率。
4）柔性化
机床夹具的柔性化与机床的柔性化相似，它是指机床夹具通过调整、组合等方式，以适应工艺可变因素的能力。工艺的可变因素主要有：工序特征、生产批量、工件的形状和尺寸等。具有柔性化特征的新型夹具种类主要有：组合夹具、通用可调夹具、成组夹具、模块化夹具、数控夹具等。为适应现代机械工业多品种、中小批量生产的需要，扩大夹具的柔性化程度，改变专用夹具的不可拆结构为可拆结构，发展可调夹具结构，将是当前夹具发展的主要方向。
5）模块化
模块化的设计省时、节能，体现在各种先进夹具的系统中，为夹具的计算机辅助设计与组装打下了坚实的基础，应用CAD技术，可建立元件库、典型夹具库和用户使用档案库，可进行夹具优化设计，进行夹具的三维实体组装。模拟仿真刀具的切削过程，为用户提供正确、合理的配套方案，了解市场需求，不断地改进和完善夹具系统。
1．3 夹具应满足的基本要求
1）保证工件的加工精度
这是必须做到的最基本要求。其关键是正确的定位、夹紧和导向方案，夹具制造的技术要求，定位误差的分析和验算。
2）夹具的总体方案应与年生产纲领相适应
在大批量生产时，尽量采用快速、高效的定位、夹紧机构和动力装置，提高自动化程度，符合生产节拍要求。在中小批量生产时，夹具应有一定的可调性，以适应多品种工件的加工。
3）安全、方便、减轻劳动强度
机床夹具要有工作安全性考虑，必要时加保护装置。要符合工人的操作位置和习惯，有合适的工件装卸位置和空间。大批量生产和工件笨重时，更需要减轻工人劳动强度。
4）排屑顺畅
机床夹具中积集切屑会影响到工件的定位精度，切屑的热量使工件和夹具产生热变形，影响加工精度。清理切屑将增加辅助时间，降低生产率。
5）机床夹具应有良好的强度、刚度和结构工艺性
机床夹具设计时，要方便制造、检测、调整和装配，有利于提高夹具的制造精度。
1．4 夹具的设计要点
确定各表面加工方案，在选择各表面孔的加工方法时，需综合考虑以下因素：
1）要考虑各表面的精度和质量要求，根据各加工表面的技术要求，选择加工方法及分几次加工。
2）根据生产类型来选择，在大批量生产中可使用专用的高效率的设备；在单件小批量生产中则使用常用设备和一般加工方法。
3）要考虑被加工材料的性质。
4）要考虑工厂或车间的实际情况，同时也应考虑不断改进现有的加工方法和设备，推广新技术，提高工艺水平。
5）此外，还要考虑一些其他因素，如加工表面的物理机械性能的特殊要求，工件形状和重量等。
2 钻孔夹具的总体设计
2．1 加工对象
题目所给零件为CBN系列齿轮泵壳体，本次设计选择CBN-312齿轮泵壳体作为加工对象，其三维形状和零件图如下：
三维模型如下：
图2.1 三维模型图
二维零件图如下：
图2.2 壳体零件图
2．2工艺规程设计
在下文中均按A面为上端面，φ18mm孔所在端面为右端面来进行工艺分析。
2.2.1 零件的工艺分析
壳体零件共有两组加工表面，它们相互间有一定的加工要求。现分述如下:
1）以φ18mm孔中心轴线为中心的加工表面。这一组加工表面包括：壳体左右端面及倒角，直径为φ18mm的通孔，还有四个M8的螺纹孔，其中，主要加工表面为壳体右端面。
2）以壳体内孔中心轴线为中心的加工表面。这一组加工表面包括：壳体上下端面，壳体2*φ39H7内孔，两个密封槽，四个φ11mm通孔，四个mm孔，一个R12.5mm的出油槽。
这两组加工表面之间有着一定的加工要求，主要是：
壳体上下端面和2*φ39H7内孔的粗糙度要求是1.6；
壳体下端面相对于上端面平行度为0.01mm；
其余各面及孔的粗糙度要求是12.5。
2.2.2 基准的选择
选择工件的定位基准，实际上是确定工件的定位基面。根据选定的基面加工与否，又将定位基准分为粗基准和精基准。在起始工序中，只能选择未经加工的毛坯表面作为定位基准，这种基准称为粗基准。用加工过的表面作为定位基准，则称为精基准。在选择定位基准时，是从保证精度要求出发的，因此分析定位基准选择的顺序就应为精基准到粗基准。
1）精基准的选择
选择的原则是：
a、基准重合原则
b、基准统一原则
c、自为基准原则
d、互为基准原则
e、便于装夹原则
选择精基准时应重点考虑如何减少工件的定位误差，保证加工精度，并使夹具结构简单，工件装夹方便。根据以上选择的原则，我选择mm孔和工件上端面为精基准,零件上很多表面都可以采用它们作基准进行加工。为了提高泵体的精度，利用基准统一的原则，即利用孔和外表面一次定位，尽量加工较多的表面。
2）粗基准的选择
选择的原则是：
a、非加工表面原则
b、加工余量最小原则
c、重要表面原则
d、不重复使用原则
e、便于装夹原则
选择粗基准主要是选择第一道机械加工工序的定位基准，以便为后续工序提供精基准。粗基准的选择对保证加工余量的均匀分配和加工面与非加工面（作为粗基准的非加工面）的位置关系具有重要影响。根据以上选择的原则，可以选择零件毛坯内孔作为粗基准。这样便于保证其余各面的加工余量。
2.2.3 工序的合理组合
确定基准以后，就按生产类型、零件的结构特点、技术要求和机床设备等具体生产条件确定工艺过程的工序数。确定工序数的基本原则：
1）工序分散原则
工序内容简单，有利选择最合理的切削用量。便于采用通用设备。简单的机床工艺装备。生产准备工作量少，产品更换容易。对工人的技术要求水平不高。但需要设备和工人数量多，生产面积大，工艺路线长，生产管理复杂。
2）工序集中原则
工序数目少，工件装、夹次数少，缩短了工艺路线，相应减少了操作工人数和生产面积，也简化了生产管理，在一次装夹中同时加工数个表面易于保证这些表面间的相互位置精度。使用设备少，大量生产可采用高效率的专用机床，以提高生产率。但采用复杂的专用设备和工艺装备，使成本增高，调整维修费事，生产准备工作量大。
本零件选择工序集中的原则安排加工工序，该零件的生产类型为大批生产，可以采用万能机床配以专用夹具，来提高生产率。而且用工序集中的原则使工件的装夹次数少，不但可以缩短辅助时间，而且可以在一次装夹中完成多表面的加工，有利于保证各表面之间的相对位置和精度要求。
2.2.4 制定工艺路线
加工工艺路线制定的原则是：在保证产品质量的前提下，尽量提高生产效率和降低成本，并且能够充分利用现有的生产条件。制订工艺路线的出发点，应当是使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求能得到合理的保证。
根据以上分析制定的工艺路线如下：
工序1：铸造毛坯。
工序2：时效处理。
工序3：车左、右端面。
工序4：钻、扩Ф18mm孔。
工序5：钻4*M8螺纹底孔，攻螺纹。
工序6：车上下端面。
工序7：钻上端面2*Ф8mm孔深9，铰深6。
工序8：钻下端面2*Ф8孔深9，铰深6。
工序9：镗2*Ф39H7孔。
工序10：铣上端面密封槽。
工序11：铣下端面密封槽。
工序12：铣R12.5深41。
工序13：钻4*Ф11通孔。
工序14：去毛刺。
工序15：检验。
工序16：入库。
详细工序内容见附录。
引言
在现代制造技术迅猛发展的今天，机床夹具无论在传统机床上还是在数控机床、加工中心上，仍是必不可少的工艺装备。齿轮泵是机械加工业常用装备之一，具有品种多、批量小、更新换代快的特点，其所用夹具种类比较繁多，更换也比较频繁。因此更简单、快捷的设计方法显得尤为重要。本次设计利用了计算机辅助设计技术，对齿轮泵壳体钻孔夹具进行三维软件造型，生成二维图纸，具有设计计算简便、绘图工作量小及工作效率高等优点。
1．1 机床夹具的发展概括
机床夹具的现状：机床夹具是在机械制造过程中，用来固定加工对象，使之占有正确的空间位置，用来加工或检测并保证加工要求的机床附加装置，简称为夹具。
夹具最早出现在18世纪后期。随着科学技术的不断进步，夹具已从一种辅助工具发展成为门类齐全的工艺装备。
国际生产研究协会的统计表明，目前中、小批多品种生产的工件品种已占工件种类总数的85％左右。现代生产要求企业所制造的产品品种经常更新换代，以适应市场的需求与竞争。然而，一般企业都仍习惯于大量采用传统的专用夹具，一般在具有中等生产能力的工厂里，约拥有数千甚至近万套专用夹具；另一方面，在多品种生产的企业中，每隔3～4年就要更新50％～80％左右专用夹具，而夹具的实际磨损量仅为10％～20％左右，为了适应科学技术的快速发展，我们在短短几年内需更新大量的专用夹具，这样即提高了加工的成本，也造成了材料的浪费，为了减少这种情况，我们可以采用数控机床的柔性化制造技术。
近年来，数控机床、加工中心、成组技术、柔性制造系统（FMS）等新加工技术的应用，对机床夹具提出了如下新的要求：
1）能迅速方便地装备新产品的投产，以缩短生产准备周期，降低生产成本；
2）能装夹一组具有相似性特征的工件；
3）能适用于精密加工的高精度机床夹具；
4）能适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具；
5）采用以液压站等为动力源的高效夹紧装置，以进一步减轻劳动强度和提高劳动生产率；
6）提高机床夹具的标准化程度。
1．2 机床夹具的发展方向
现代机床夹具的发展方向：主要表现为标准化、精密化、高效化、柔性化和模块化等五个方面。
1）标准化
机床夹具的标准化与通用化是相互联系的两个方面。目前我国已有夹具零件及部件的国家标准：GB/T2148～T2259－91以及各类通用夹具、组合夹具标准等。机床夹具的标准化，有利于夹具的商品化生产，有利于缩短生产准备周期，降低生产总成本。
2）精密化
随着机械产品精度的日益提高，势必相应提高了对夹具的精度要求。精密化夹具的结构类型很多，例如用于精密分度的多齿盘，其分度精度可达±0.1"；用于精密车削的高精度三爪自定心卡盘，其定心精度为5μm。
3）高效化
高效化夹具主要用来减少工件加工的基本时间和辅助时间，以提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度。常见的高效化夹具有自动化夹具、高速化夹具和具有夹紧力装置的夹具等。例如，在铣床上使用电动虎钳装夹工件，效率可提高5倍左右；在车床上使用高速三爪自定心卡盘，可保证卡爪在试验转速为9000r/min的条件下仍能牢固地夹紧工件，从而使切削速度大幅度提高。目前，除了在生产流水线、自动线配置相应的高效、自动化夹具外，在数控机床上，尤其在加工中心上出现了各种自动装夹工件的夹具以及自动更换夹具的装置，充分发挥了数控机床的效率。
4）柔性化
机床夹具的柔性化与机床的柔性化相似，它是指机床夹具通过调整、组合等方式，以适应工艺可变因素的能力。工艺的可变因素主要有：工序特征、生产批量、工件的形状和尺寸等。具有柔性化特征的新型夹具种类主要有：组合夹具、通用可调夹具、成组夹具、模块化夹具、数控夹具等。为适应现代机械工业多品种、中小批量生产的需要，扩大夹具的柔性化程度，改变专用夹具的不可拆结构为可拆结构，发展可调夹具结构，将是当前夹具发展的主要方向。
5）模块化
模块化的设计省时、节能，体现在各种先进夹具的系统中，为夹具的计算机辅助设计与组装打下了坚实的基础，应用CAD技术，可建立元件库、典型夹具库和用户使用档案库，可进行夹具优化设计，进行夹具的三维实体组装。模拟仿真刀具的切削过程，为用户提供正确、合理的配套方案，了解市场需求，不断地改进和完善夹具系统。
1．3 夹具应满足的基本要求
1）保证工件的加工精度
这是必须做到的最基本要求。其关键是正确的定位、夹紧和导向方案，夹具制造的技术要求，定位误差的分析和验算。
2）夹具的总体方案应与年生产纲领相适应
在大批量生产时，尽量采用快速、高效的定位、夹紧机构和动力装置，提高自动化程度，符合生产节拍要求。在中小批量生产时，夹具应有一定的可调性，以适应多品种工件的加工。
3）安全、方便、减轻劳动强度
机床夹具要有工作安全性考虑，必要时加保护装置。要符合工人的操作位置和习惯，有合适的工件装卸位置和空间。大批量生产和工件笨重时，更需要减轻工人劳动强度。
4）排屑顺畅
机床夹具中积集切屑会影响到工件的定位精度，切屑的热量使工件和夹具产生热变形，影响加工精度。清理切屑将增加辅助时间，降低生产率。
5）机床夹具应有良好的强度、刚度和结构工艺性
机床夹具设计时，要方便制造、检测、调整和装配，有利于提高夹具的制造精度。
1．4 夹具的设计要点
确定各表面加工方案，在选择各表面孔的加工方法时，需综合考虑以下因素：
1）要考虑各表面的精度和质量要求，根据各加工表面的技术要求，选择加工方法及分几次加工。
2）根据生产类型来选择，在大批量生产中可使用专用的高效率的设备；在单件小批量生产中则使用常用设备和一般加工方法。
3）要考虑被加工材料的性质。
4）要考虑工厂或车间的实际情况，同时也应考虑不断改进现有的加工方法和设备，推广新技术，提高工艺水平。
5）此外，还要考虑一些其他因素，如加工表面的物理机械性能的特殊要求，工件形状和重量等。
2 钻孔夹具的总体设计
2．1 加工对象
题目所给零件为CBN系列齿轮泵壳体，本次设计选择CBN-312齿轮泵壳体作为加工对象，其三维形状和零件图如下：
三维模型如下：
图2.1 三维模型图
二维零件图如下：
图2.2 壳体零件图
2．2工艺规程设计
在下文中均按A面为上端面，φ18mm孔所在端面为右端面来进行工艺分析。
2.2.1 零件的工艺分析
壳体零件共有两组加工表面，它们相互间有一定的加工要求。现分述如下:
1）以φ18mm孔中心轴线为中心的加工表面。这一组加工表面包括：壳体左右端面及倒角，直径为φ18mm的通孔，还有四个M8的螺纹孔，其中，主要加工表面为壳体右端面。
2）以壳体内孔中心轴线为中心的加工表面。这一组加工表面包括：壳体上下端面，壳体2*φ39H7内孔，两个密封槽，四个φ11mm通孔，四个mm孔，一个R12.5mm的出油槽。
这两组加工表面之间有着一定的加工要求，主要是：
壳体上下端面和2*φ39H7内孔的粗糙度要求是1.6；
壳体下端面相对于上端面平行度为0.01mm；
其余各面及孔的粗糙度要求是12.5。
2.2.2 基准的选择
选择工件的定位基准，实际上是确定工件的定位基面。根据选定的基面加工与否，又将定位基准分为粗基准和精基准。在起始工序中，只能选择未经加工的毛坯表面作为定位基准，这种基准称为粗基准。用加工过的表面作为定位基准，则称为精基准。在选择定位基准时，是从保证精度要求出发的，因此分析定位基准选择的顺序就应为精基准到粗基准。
1）精基准的选择
选择的原则是：
a、基准重合原则
b、基准统一原则
c、自为基准原则
d、互为基准原则
e、便于装夹原则
选择精基准时应重点考虑如何减少工件的定位误差，保证加工精度，并使夹具结构简单，工件装夹方便。根据以上选择的原则，我选择mm孔和工件上端面为精基准,零件上很多表面都可以采用它们作基准进行加工。为了提高泵体的精度，利用基准统一的原则，即利用孔和外表面一次定位，尽量加工较多的表面。
2）粗基准的选择
选择的原则是：
a、非加工表面原则
b、加工余量最小原则
c、重要表面原则
d、不重复使用原则
e、便于装夹原则
选择粗基准主要是选择第一道机械加工工序的定位基准，以便为后续工序提供精基准。粗基准的选择对保证加工余量的均匀分配和加工面与非加工面（作为粗基准的非加工面）的位置关系具有重要影响。根据以上选择的原则，可以选择零件毛坯内孔作为粗基准。这样便于保证其余各面的加工余量。
2.2.3 工序的合理组合
确定基准以后，就按生产类型、零件的结构特点、技术要求和机床设备等具体生产条件确定工艺过程的工序数。确定工序数的基本原则：
1）工序分散原则
工序内容简单，有利选择最合理的切削用量。便于采用通用设备。简单的机床工艺装备。生产准备工作量少，产品更换容易。对工人的技术要求水平不高。但需要设备和工人数量多，生产面积大，工艺路线长，生产管理复杂。
2）工序集中原则
工序数目少，工件装、夹次数少，缩短了工艺路线，相应减少了操作工人数和生产面积，也简化了生产管理，在一次装夹中同时加工数个表面易于保证这些表面间的相互位置精度。使用设备少，大量生产可采用高效率的专用机床，以提高生产率。但采用复杂的专用设备和工艺装备，使成本增高，调整维修费事，生产准备工作量大。
本零件选择工序集中的原则安排加工工序，该零件的生产类型为大批生产，可以采用万能机床配以专用夹具，来提高生产率。而且用工序集中的原则使工件的装夹次数少，不但可以缩短辅助时间，而且可以在一次装夹中完成多表面的加工，有利于保证各表面之间的相对位置和精度要求。
2.2.4 制定工艺路线
加工工艺路线制定的原则是：在保证产品质量的前提下，尽量提高生产效率和降低成本，并且能够充分利用现有的生产条件。制订工艺路线的出发点，应当是使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求能得到合理的保证。
根据以上分析制定的工艺路线如下：
工序1：铸造毛坯。
工序2：时效处理。
工序3：车左、右端面。
工序4：钻、扩Ф18mm孔。
工序5：钻4*M8螺纹底孔，攻螺纹。
工序6：车上下端面。
工序7：钻上端面2*Ф8mm孔深9，铰深6。
工序8：钻下端面2*Ф8孔深9，铰深6。
工序9：镗2*Ф39H7孔。
工序10：铣上端面密封槽。
工序11：铣下端面密封槽。
工序12：铣R12.5深41。
工序13：钻4*Ф11通孔。
工序14：去毛刺。
工序15：检验。
工序16：入库。
详细工序内容见附录。
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