基于UG的铣床夹具的虚拟设计及运动仿真

摘要

本次设计内容涉及了机械加工工艺及机床夹具设计、UG运动仿真等多方面的知识。设计内容主要包括泵体零件的结构分析，工艺设计、工序阶段的划分，铣床专用夹具的设计，相关零部件的三维建模与装配，装配图的绘制及运动仿真等。

齿轮泵体是组成机器的重要零部件，零件的加工质量将直接影响机器的性能、精度和寿命。因此本次任务是通过对零件结构进行具体分析，设计出合理的加工工艺方案及方便，高效的工装夹具，保证零件的加工质量。在设计夹具时须根据零件的结构尺寸及材料性质合理选择定位方式，定位元件与定位机构，及夹紧机构。在其设计过程中三维辅助设计软件的运用是不可或缺的环节，UG软件是现今最成功的CAD/CAM软件之一，可以进行建模、装配、运动仿真、模拟加工等，在现代的机械加工中有广泛的应用。本文利用UG 软件对零件与夹具体进行模型设计、装配、运动分析，并把三维图形转换成二维工程图。

关键词：工艺设计；铣床夹具；三维建模；运动仿真

Abstract

This design content involves the machine manufacture craft,the engine jig design,the metal-cutting machine tool, the common difference coordination ,the survey and so on.The design content mainly includes structure analysis of parts,process design,the division of process stages,the special fixture design of milling machine,3d modeling,installation of related spare parts,the drawing of assembly drawings ,the motion simulation and so on.

The gear pump is one of the important parts of machine，parts processing quality will directly affect the performance, precision and the working hours of the machine.So this task is that we design a reasonable process scheme convenient and efficient jig by analyzing the specific parts structure to ensure the parts processing quality.We shall legitimately select positioning method ,positioning device and positioning mechanism according to the structure and the material properties when we design the fixture.In the process of design,the three-dimensional design software is an indispensable link,the UG system is one of the most successful CAD/CAM software,it can be used to build model ,fit parts,move simulation ,simulate processing.So it is widely used in modern machining.The text mainly makes some model design ,assembly,motion analysis and makes change 3D into 2D engineering drawings.

Key words: process planning; milling jig; theree-dimensional modeling; motion simulation

目录

摘要........................................................................................................................................... III ABSTRACT .................................................................................................................................. I V 目录.............................................................................................................................................. V 1 绪论 (1)

1.1 机床夹具的概述 (1)

1.2 国内外发展及研究状况 (1)

1.3 本课题的主要内容 (1)

2 零件的工艺分析及规程设计 (2)

2.1 零件的作用 (2)

2.2 零件的工艺分析 (2)

2.3 零件的生产类型 (3)

2.4 毛坯的制造形式的确定 (3)

2.5 零件加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定 (3)

2.6 定位基准的选择 (4)

2.6.1 精基准的选择 (4)

2.6.2 粗基准的选择 (5)

2.7 工艺路线的拟定 (5)

2.8 切削用量及基本工时的确定 (6)

3专用夹具设计 (16)

3.1 设计机床夹具的目的 (16)

3.2 机床夹具的设计要求 (17)

3.3 铣前后端面的专用夹具设计 (17)

3.3.1问题的提出 (17)

3.3.2定位基准的选择 (17)

3.3.3 切削力与夹紧力的计算 (17)

3.3.4 定位误差分析与计算 (19)

3.3.5 夹具设计及操作简要说明 (19)

3.3.6 专用夹具相关零部件的设计分析与三维建模 (20)

3.4 粗铣2×M16螺纹孔外侧端面专用夹具设计 (25)

3.4.1 定位基准的选择 (25)

3.4.2 定位基准的选择 (25)

3.4.3 切削力及夹紧力的计算 (26)

3.4.4 定位误差分析与计算 (27)

3.4.5 夹具设计及操作简要说明 (27)

4 运动仿真 (30)

4.1 UG的概述 (30)

4.2 运动仿真与分析 (30)

4.2.1 专用铣床夹具1夹紧装置的运动仿真 (30)

5 结论 (34)

5.1 结论 (34)

5.2 不足之处及展望 (34)

致谢 (35)

参考文献 (36)

附录 (37)

1 绪论

1.1机床夹具的概述

在机械制造的切削加工、检验、装配、焊接和热处理等工艺过程中，要使用大量的夹具来安装加工对象，使其占有正确的位置，以保证零件和产品的加工质量，并提高生产率，从而提高其经济性。把工件迅速固定在正确位置上，完成切削加工、检验、装配、焊接和热处理等工作所使用的工艺装备称为夹具。把机床上用来完成工件装夹任务所使用的工艺装备称为机床夹具。

随着我国现代工业技术的发展，对机械传动装置的技术性能和经济指标提出了越来越高的要求，普通机床夹具已经不能满足现代工业大批量高效生产的需要，而研制新型专用夹具是机械行业中重要的课题之一。

1.2 国内外发展及研究状况

我国国内的夹具始于20世纪年代，当时建立了面向机械行业的天津夹具厂，和面向航空工业的保定向阳机械厂，以后又建立了数个生产专用夹具元件的工厂。在当时曾达到全国年产专用夹具元件800万件的水平。20世纪80年代以后，两厂又各自独立开发了适合NC机床、加工中心的孔系组合夹具系统，不仅满足了我国国内的需求，还出口到美国等国家。当前我国每年尚需进口不少NC机床、加工中心，而由国外配套孔系夹具，价格非常昂贵，现大都由国内配套，节约了大量外汇。

从国际上看俄国、德国和美国是夹具的主要生产国。当前国际上的夹具企业均为中小企业，专用夹具、可调整夹具主要接受本地区和国内订货。有关夹具和专用夹具的产值和贸易额尚缺乏统计资料，但欧美市场上一套用于加工中心的央具，而专用夹具的大型基础件尤其昂贵。由于我国在专用夹具技术上有历史的积累和性能价格比的优势，随着我国加入WTO和制造业全球一体化的趋势，特别是电子商务的日益发展，其中蕴藏着很大的商机，具有进一步扩大出口良好前景。

1.3本课题的主要内容

⑴初步了解熟悉机床夹具发展状况；

⑵进行零件进行工艺分析并制定加工工艺规程；

⑶分析设计铣前后端面的铣床夹具定位方式、夹紧方案，计算切削力、夹紧力并使用UG进行三维建模、装配并生成爆炸视图；

⑷分析设计铣螺纹外端面的铣床夹具定位方式、夹紧方案，计算切削力、夹紧力并使用UG进行三维建模、装配并生成爆炸视图；

⑸使用UG进行运动仿真并分析；

⑹对之前所做的毕业设计进行总结。

2 零件的工艺分析及规程设计

2.1 零件的作用

本课题所设计的零件是齿轮泵体零件，齿轮泵体是组成机器的基础零件，其作用是将机器和部件中的轴，齿轮等有关零部件联成一个整体，并使之保持正确的相对位置，彼此协调工作，以传递动力、传递力矩、完成机器或部件的预定功能。所以要求箱体零件要有足够的刚度和强度，良好的密封性和散热性。因此，箱体零的加工质量将直接影响机器的性能、精度和寿命。

2.2 零件的工艺分析

本齿轮泵零件的材料为HT200，硬度190HBS ，属于脆性材料，零件的外观形状较为复杂，尺寸不大，因此不能进行锻造和冲压。但零件的铸造性能和切削加工性能优良，故可进行铸造毛坯。以下是零件所需要加工的表面、表面的加工精度以及各加工表面之间的位置要求：

⑴以前后端面互为基准所要加工的端面，加工面包括前后端面，其中基准面B 对应的面相对于基准面B 的平行度为0.015。所要加工端面的粗糙度要求2.3=a R ，查参考文献[1]表4-7，采用粗铣—精铣即可达到要求，经济加工等级选择IT9。

⑵以底座上端面、下端面为基准所要加工的面，这组加工面主要有下端面、3×φ50内圆、2×φ20内圆。所要加工的下端面粗糙度要求2.3=a R ，查参考文献[1]表4-7，采用粗铣—精铣即可达到要求，经济加工等级选择IT9。3×φ50内圆、2×φ20内圆粗糙度要求6.1=a R ，查参考文献[1]表4-5，通过粗镗—半精镗即可达到要求，经济加工等级选择IT9。其中下面φ50和φ20内圆端面圆跳动为0.02，以及与上面俩圆中心线平行度为0.04。

⑶以下底面、前端面为基准加工2×φ5销孔以及4×M8的螺纹孔。销孔的粗糙度要求2.3=a R ，查参考文献[1]表4-7，可进行钻—绞来达到要求，经济加工等级选择IT9。

⑷以销孔、下端面为基准加工宽为60mm 的键槽、2×φ15定位孔孔、左右端面、2×M16螺纹。如图2×φ15定位孔孔的粗糙度要求2.3=a R ，查参考文献[1]表4-5，可通过绞孔达到加工要求，经济加工等级选择IT9。左右端面的粗糙度要求3.6=a R ，查参考文献[1]表4-7，一次粗铣即可完成，经济加工等级选择IT10。零件图如图2.1所示。

图2.1齿轮泵零件图

2.3 零件的生产类型

本零件的生产纲领可按参考文献[3]中生产纲领公式计算：

()()b

=1

+

1(2.1)

a

N+

Qn

式中Q—产品的年产量（生产纲领）；

n—单位产品中该零件的数量；

a,—零件生产备品率（%），废品率（%）。

b

根据本零件的产量要求得，Q=12000件/年，n=1件/台；取a=3%,b=1.5%，则

N=12000×1×（1+3%）（1+1.5%）=12054件/年。

查参考文献[3]表1-1得，零件为大批量生产。

2.4毛坯的制造形式的确定

根据齿轮泵体零件图2.1可知，材料为HT200，硬度选用190HBS，生产类型为大批量生产，故采用砂型机铸造毛坯。，这样，毛坯形状与成品相似，加工方便，省工省料。

2.5 零件加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定

毛坯的形状应力求接近零件形状，以减少机械加工劳动量。毛坯尺寸应在保证切削加工精度的情况下，尽量减少切除余量，以便更好的节约成本，提高工作效率，获得更大的经济效益。

如上所述：泵体零件材料为HT200，生产类型为大批量生产，采用砂型机铸造毛坯，

由参考文献[1]表1-11查得铸件等级为CT9，尺寸公差为2.5mm。

(1)泵体前后端面、下端面、左右端面的加工余量

因为泵体前后端面与下端面没有精度要求，粗糙度要求也不高，查阅参考文献[1]表4-31与4-32，其粗加工余量为1mm，精加工余量为0.6mm。

(2)3×φ50、2×φ20内圆的加工余量

泵体内圆精度要求介于IT7~IT8之间，粗糙度要求较高，查阅参考文献[1]表4-27，其粗镗余量为2.0mm，半精镗加工余量为1.5mm。

(3)2×φ5销孔、2×φ15定位孔的加工余量

泵体孔的加工精度不做要求，粗糙度要求不高，查阅参考文献[1]表4-27，其绞孔加工余量为0.2mm。

综上所述得零件毛坯图,如图2.2。

图2.2齿轮泵零件毛坯图

2.6定位基准的选择

定位基准按基准面的加工状况可分为粗基准和精基准。最初工序中，只能选择一未加工的毛坯面作为定位基准，称为粗基准，随后以已加工面为定位基准，称为精基准。

正确地选择定位基准是工艺设计过程的一项重要内容，也是保证零件加工精度的关键。在制定工艺规程时，应先考虑选择怎样的精基准以保证达到精度要求并把各个表面加工出来，然后再考虑选择合适的粗基准把精基准面加工出来。另外，为了使工件便于装夹和易于获得所需加工精度，可在工件上某部位作一辅助基准，用以定位。此外应从零件的整个加工工艺过程的全局出发，在分析零件的结构特点、设计基准和技术要求的基础上，根据粗、精基准的选择原则，合理选择定位基准。

2.6.1精基准的选择

在选择精基准时，应该遵循基准重合，基准统一，互为基准，自为基准便于装夹等原则。考虑到此下端面加工精度要求较高，平面比较大，并且此平面有定位孔，可以实现齿轮泵体零件“一面两孔”的典型定位方式;其余各面和孔的加工也可以用它来定位,故选择下端面与前端面作为精基准，这样的工艺路线遵循了“基准统一”的原则。

2.6.2 粗基准的选择

考虑到泵体后端面有平行度要求且此面表面较为平整，没有浇口、冒口，符合粗基准的选择条件，因此选择泵体后端面作为粗基准。

2.7 工艺路线的拟定

零件主要表面及其他表面的机械加工顺序，对组织生产、保证质量和降低成本有较大的作用。机械加工工序应遵循基面先行，先主后次，先粗后精，先面后孔等加工顺序来合理安排。由于泵体零件的孔系加工序集中且精度要求较高，故应先加工端面，再以端面做为精基准加工孔。这样既能满足精度要求，又能减少机械加工时间。

初步拟定的工艺路线：

工序1铸造毛坯。

工序2人工时效温度（500°～550°）消除应力。

工序3粗、精铣前端面。

工序4粗、精铣后端面。

工序5粗、精铣下底面。

工序6粗绞2×φ15定位孔。

工序7粗、半精镗3×φ50内圆。

工序8粗、半精镗2×φ20内圆。

工序9钻4×M8螺纹孔、攻螺纹。

工序10钻、绞2×φ5销孔。

工序11铣60mm键槽。

工序12粗铣2×M16螺纹孔外侧端面。

工序13钻2×M16螺纹孔，攻螺纹。

工序14去毛刺。

工序15终检、入库。

初步方案中虽遵循了工艺路线拟订的一般原则但某些工序有些问题还值得进一步讨论。例如在工序6粗绞2×φ15定位孔中可利用2×φ5销孔作为定位基准，能减少加工误差。

修改后的工艺路线：

工序1铸造毛坯。

工序2人工时效温度（500°～550°）消除应力。

工序3粗、精铣前端面。

工序4粗、精铣后端面。

工序5粗、精铣下底面。

工序6粗、半精镗3×φ50内圆。

工序7 粗、半精镗2×φ20内圆。

工序8 钻4×M 8螺纹孔、攻螺纹。

工序9 钻、绞2×φ5销孔。

工序10 铣60mm 键槽。

工序11 粗绞2×φ15定位孔。

工序12 粗铣2×M16螺纹孔外侧端面。

工序13 攻2×M16螺纹。

工序14 去毛刺。

工序15 终检、入库。

2.8 切削用量及基本工时的确定

基本工时是指在一定的技术、组织、条件下制定出来的完成某项工作（例如一个工序）所需的时间。基本工时是计算产品成本的企业核算的依据之一，基本工时必须正确确定，应该具有平均先进水平。

合理地选择切削用量，对保证加工精度和表面质量，提高生产率和刀具耐用度等，都有很大的影响。

选择切削用量是指要选定切削深度、进给量和切削速度。在这3个因素中，对刀具耐用度影响最大的是切削速度，其次是进给量，而切削深度影响最小，对表面粗糙度影响最大的是进给量，而对切削力影响最大的则是切削速度。因此，在粗加工阶段，应考虑选择尽可能大的切削深度，其次是选择较大的进给量，最后确定一个合适的切削速度。在半精、精加工阶段，由于加工精度和表面质量的要求较高，因此一般均选择较小的切削深度和进给量，在保证刀具耐用度的前提下，应选取较高的切削速度，以保证加工质量和生产率的要求。

工序1：铸造毛坯

工序2：人工时效温度（500°～550°）消除应力

工序3： 粗、精铣泵体前端面

工步1：粗铣泵体前端面

工件材料：HT200，砂型铸造。

机床选择：X62W 卧式万能铣床，机床功率为7.5KW 。刀具选用：选取YG8硬质合金端铣刀 ，刀具直径D=80mm ，Z=4。根据参考文献[1]表4-76查得齿/2.0mm f z =，查参考文献[1]表4-79得min /60m v c =。背吃刀量的选定：由于加工不大可一次加工完成，故取p a =1mm 。则

端面铣刀转速 ： min /85.238/98.380

14.36010001000r s r d v n ==??==π (2.2) 查参考文献[2]表4-17-1选取机床转速n=235r/min ,则实际切削速度：

m i n /03.591000

2358014.31000m dn v c =??==π (2.3) 工作台每分钟进给量为：

=??==23542.0zn f f z m z min /188mm (2.4)