高压交流六氟化硫断路器基座专用夹具的设计与实现
【】本课题以高压交流六氟化硫断路器基座为研究对象，首先，对断路器基座进行加工分析，通过企业调研，了解该基座的作用、加工要求、材料、加工工艺路线以及加工要点；其次，明确夹具的设计要求，制定设计方案，确定设计思路；针对断路器基座的加工难点分别设计三套专用夹具（加工8×Φ11孔的钻床夹具、偏心孔的车床夹具、U型腰的铣削夹具），根据夹具设计步骤进行设计，采用UG软件完成夹具的草图绘制及装配，采用AUTO CAD软件绘制夹具装配图和零件图，采用ANSYS16.0有限元分析软件对所设计夹具进行力学分析及校核，确保所设计的夹具能符合客户要求；最后，根据零件图制造夹具并投入生产。根据企业信息反馈，所设计的三套夹具结构工艺性好，便于制造，能满足零件加工精度要求，很好地解决了加工难点问题，生产效率较原来提高近10%，生产成本降低近15%，利于实现批量生产。
目 录
引言 1
一、断路器基座的加工分析 3
（一）断路器基座的作用 3
（二）断路器基座的加工要求 3
（三）断路器基座的材料分析 3
（四）断路器基座的加工工艺路线 4
（五）断路器基座的加工要点 4
二、夹具设计要求及方案 7
（一）设计要求 7
（二）设计方案 7
（三）设计思路 7
三、夹具设计过程 8
（一）加工径向8×φ11孔的盖板式钻床夹具设计 8
（二）加工φ14、φ16偏心孔的车床夹具设计 15
（三）加工17.2mm宽U型腰的专用铣削夹具设计 23
四、夹具的制造及使用 30
五、断路器基座专用夹具的创新点 31
总结 33
参考文献 34
谢辞 35
附录（三套夹具的装配图和零件图） 36
引言
户外高压交流六氟化硫断路器是一种电力系统的控制和保护设备，图01为户外高压交流六氟化硫断路器实物，它由机构箱和极柱等组成，配用的弹簧操动机构固定在断路器的机构箱内。户外高压交流六氟化硫断路器具有开断能力强，操作功小，可靠性高等特点，广泛适用于发电厂、变电站的电力设备及线路的操作与保
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
护，市场需求量很大。
图01 户外高压交流六氟化硫断路器
根据图02断路器离合装置工作原理图可以看出，在断路器合闸弹簧储能过程中，连接储能齿轮2和储能轴4的关键部件是断路器基座6，图03、04所示为该断路器基座实物。泰兴市八达机械配件制造有限公司是专门生产这种断路器基座及相关配件的公司。
1三角板；2储能齿轮（离合器）；3棘轮；4储能轴；5棘爪；6基座
图02 离合装置工作原理图
图03 断路器基座正面 图04 断路器基座侧面
通过对泰兴市八达机械配件制造有限公司进行调研，了解到该断路器基座在生产过程中有以下加工难点：
1、径向8×φ11的棘轮安装孔在钻削时要求与左侧圆柱凸台及内孔的位置度≤0.5，不容易保证；
2、φ16深46mm和φ14偏心孔的精度以及与棘轮安装孔的位置不易控制；
3、铣17.2mm宽的U型腰时，其角度以及与棘轮安装孔位置不易控制。
该公司在加工上述三处难点时（8×φ11孔、φ16偏心孔、17.2mmU型腰），曾尝试采用以下两种加工方案：
方案一：采用普通机床手动加工。
径向8×φ11的棘轮安装孔采用划线点孔钻孔；φ16深46mm偏心孔采用划线—点孔钻孔扩孔；宽17.2mm的U型腰采用划线—铣削—掉头装夹—铣削。
方案二：采用四轴加工中心自动加工。
一次装夹完成8×φ11的棘轮安装孔和φ16深46mm偏心孔的加工，然后重新装夹，利用分度装置铣削宽17.2mm的U型腰。
通过实际生产发现，第一种方案加工工时过长，且8×φ11孔与左侧圆柱凸台及内孔的位置度误差不能保证，φ16偏心孔精度达不到要求，U型腰与左右两侧φ11孔的位置度无法保证，这种方案不能可靠地保证产品质量，废品率高，生产效率低。而第二种方案工序相对较集中，产品质量能得到很好的保证，废品率较低，但该产品结构较简单，精度总体要求不高，且铣削U型腰时需重新装夹，占机时间长，生产成本较高。
受该公司委托，结合以上两种加工方案存在的不足，本课题主要针对上述三道工序分别设计符合加工要求的三套专用夹具，并保证设计的夹具在安全生产的前提下，结构简单，能保证加工精度，降低产品废品率，同时缩短辅助时间，提高生产效率，降低加工成本。本课题的研究对于断路器基座的批量生产具有非常重要的现实意义。
断路器基座的加工分析
（一）断路器基座的作用
户外高压交流六氟化硫断路器基座的工作原理是配合离合器开关分闸或者合闸时通过弹簧释放能量来帮助操作，在每次操作后自动储能，其实物如图11所示，三维造型如图12所示。根据图02离合装置工作原理图可以看出，基座的八个通孔主要用来安装棘轮并固定在离合器上，偏心孔主要用来安装棘爪，U型槽是让棘爪在储能后释放能量时在里面运动的行程距离。
1棘轮安装孔（8个）；2偏心孔（1个）；3U型槽
图11 断路器基座实物 图12断路器基座三维造型
（二）断路器基座的加工要求
根据断路器基座的零件图13可以看出，该零件属轴套类零件，毛坯材料为40Cr，毛坯种类为锻件，最大端外圆直径为Φ150mm，轴向长度为64.5mm；左侧凸台外圆直径Φ110mm，内孔直径Φ100mm，长度20mm，且与外圆轴线的同轴度公差为Φ0.08mm；右侧凸台外圆直径Φ112mm，内孔直径Φ94.8mm，内孔长度4.5mm；在垂直方向且距离轴线63mm处有1个Φ16H8深46mm的偏心孔；径向Φ130mm处有8个Φ11mm且间距40°的通孔，通孔与左侧圆柱凸台及内孔的位置度误差为Φ0.5，左起第一个通孔与偏心圆的夹角为20°；距左端面21.3mm处有1个宽度为17.2mm的U型腰，U型腰夹角为87.6°；距左端20mm处有1个Φ102mm宽20mm的内槽。Φ100mm的内孔处表面粗糙度较高，为Ra1.6um，其余为Ra6.3um；未注倒角为C1。生产类型为中批生产。
目 录
引言 1
一、断路器基座的加工分析 3
（一）断路器基座的作用 3
（二）断路器基座的加工要求 3
（三）断路器基座的材料分析 3
（四）断路器基座的加工工艺路线 4
（五）断路器基座的加工要点 4
二、夹具设计要求及方案 7
（一）设计要求 7
（二）设计方案 7
（三）设计思路 7
三、夹具设计过程 8
（一）加工径向8×φ11孔的盖板式钻床夹具设计 8
（二）加工φ14、φ16偏心孔的车床夹具设计 15
（三）加工17.2mm宽U型腰的专用铣削夹具设计 23
四、夹具的制造及使用 30
五、断路器基座专用夹具的创新点 31
总结 33
参考文献 34
谢辞 35
附录（三套夹具的装配图和零件图） 36
引言
户外高压交流六氟化硫断路器是一种电力系统的控制和保护设备，图01为户外高压交流六氟化硫断路器实物，它由机构箱和极柱等组成，配用的弹簧操动机构固定在断路器的机构箱内。户外高压交流六氟化硫断路器具有开断能力强，操作功小，可靠性高等特点，广泛适用于发电厂、变电站的电力设备及线路的操作与保
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
护，市场需求量很大。
图01 户外高压交流六氟化硫断路器
根据图02断路器离合装置工作原理图可以看出，在断路器合闸弹簧储能过程中，连接储能齿轮2和储能轴4的关键部件是断路器基座6，图03、04所示为该断路器基座实物。泰兴市八达机械配件制造有限公司是专门生产这种断路器基座及相关配件的公司。
1三角板；2储能齿轮（离合器）；3棘轮；4储能轴；5棘爪；6基座
图02 离合装置工作原理图
图03 断路器基座正面 图04 断路器基座侧面
通过对泰兴市八达机械配件制造有限公司进行调研，了解到该断路器基座在生产过程中有以下加工难点：
1、径向8×φ11的棘轮安装孔在钻削时要求与左侧圆柱凸台及内孔的位置度≤0.5，不容易保证；
2、φ16深46mm和φ14偏心孔的精度以及与棘轮安装孔的位置不易控制；
3、铣17.2mm宽的U型腰时，其角度以及与棘轮安装孔位置不易控制。
该公司在加工上述三处难点时（8×φ11孔、φ16偏心孔、17.2mmU型腰），曾尝试采用以下两种加工方案：
方案一：采用普通机床手动加工。
径向8×φ11的棘轮安装孔采用划线点孔钻孔；φ16深46mm偏心孔采用划线—点孔钻孔扩孔；宽17.2mm的U型腰采用划线—铣削—掉头装夹—铣削。
方案二：采用四轴加工中心自动加工。
一次装夹完成8×φ11的棘轮安装孔和φ16深46mm偏心孔的加工，然后重新装夹，利用分度装置铣削宽17.2mm的U型腰。
通过实际生产发现，第一种方案加工工时过长，且8×φ11孔与左侧圆柱凸台及内孔的位置度误差不能保证，φ16偏心孔精度达不到要求，U型腰与左右两侧φ11孔的位置度无法保证，这种方案不能可靠地保证产品质量，废品率高，生产效率低。而第二种方案工序相对较集中，产品质量能得到很好的保证，废品率较低，但该产品结构较简单，精度总体要求不高，且铣削U型腰时需重新装夹，占机时间长，生产成本较高。
受该公司委托，结合以上两种加工方案存在的不足，本课题主要针对上述三道工序分别设计符合加工要求的三套专用夹具，并保证设计的夹具在安全生产的前提下，结构简单，能保证加工精度，降低产品废品率，同时缩短辅助时间，提高生产效率，降低加工成本。本课题的研究对于断路器基座的批量生产具有非常重要的现实意义。
断路器基座的加工分析
（一）断路器基座的作用
户外高压交流六氟化硫断路器基座的工作原理是配合离合器开关分闸或者合闸时通过弹簧释放能量来帮助操作，在每次操作后自动储能，其实物如图11所示，三维造型如图12所示。根据图02离合装置工作原理图可以看出，基座的八个通孔主要用来安装棘轮并固定在离合器上，偏心孔主要用来安装棘爪，U型槽是让棘爪在储能后释放能量时在里面运动的行程距离。
1棘轮安装孔（8个）；2偏心孔（1个）；3U型槽
图11 断路器基座实物 图12断路器基座三维造型
（二）断路器基座的加工要求
根据断路器基座的零件图13可以看出，该零件属轴套类零件，毛坯材料为40Cr，毛坯种类为锻件，最大端外圆直径为Φ150mm，轴向长度为64.5mm；左侧凸台外圆直径Φ110mm，内孔直径Φ100mm，长度20mm，且与外圆轴线的同轴度公差为Φ0.08mm；右侧凸台外圆直径Φ112mm，内孔直径Φ94.8mm，内孔长度4.5mm；在垂直方向且距离轴线63mm处有1个Φ16H8深46mm的偏心孔；径向Φ130mm处有8个Φ11mm且间距40°的通孔，通孔与左侧圆柱凸台及内孔的位置度误差为Φ0.5，左起第一个通孔与偏心圆的夹角为20°；距左端面21.3mm处有1个宽度为17.2mm的U型腰，U型腰夹角为87.6°；距左端20mm处有1个Φ102mm宽20mm的内槽。Φ100mm的内孔处表面粗糙度较高，为Ra1.6um，其余为Ra6.3um；未注倒角为C1。生产类型为中批生产。
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