法兰盘设计计算说明书

摘要

本课题完成法兰盘工艺设计与数控加工。法兰盘是使管子与管子相互连接的零件，连接于管端。法兰上有孔眼，两个法兰盘之间，加上法兰垫，用螺栓紧固在一起，完成了连接。

本次设计主要完成以下设计内容：法兰盘的零件图纸与技术要求分析、零件二维图绘制及三维建模；制定数控加工工艺卡片文件；零件的夹具设计并进行夹具图二维图绘制；对零件进行加工仿真。根据锻件的形状特点、零件尺寸及精度，选定合适的机床设备以及夹具设计，通过准确的计算并查阅设计手册，确定了法兰盘的尺寸及精度，在材料的选取及技术要求上也作出了详细说明，并在结合理论知识的基础上，借助于计算机辅助软件绘制了各部分零件及装配体的工程图,以保障法兰盘的加工制造。

在夹具的设计过程中，主要以可换圆柱销、可换菱形销、定位心轴和支承钉来定位，靠六角厚螺母来夹紧。首先在数控车床上，完成零件的外圆及端面加工；再在数控铣床上，完成零件端面上侧槽及顶部6-M12螺纹孔的加工；最后采用专用夹具以侧槽、底部圆环以及6-M12螺纹孔其中两孔定位进行外圆上Φ22孔的加工。

关键字：法兰盘，数控加工工艺，数控编程，夹具设计，仿真加工

法兰盘工艺设计与数控加工

0 引言

0.1 概述

本课题起源于装配制造业法兰盘工艺设计与数控技术，通过此次毕业设计，可以初步掌握对中等复杂零件进行数控加工工艺规程的编制，学会查阅有关资料，能合理编制数控加工过程卡片、数控加工工序卡片、数控加工刀具卡片、数控编程等工艺文件，能合理的确定加工工序的定位与夹紧方案。

能使用AutoCAD正确绘制机械零件的二维图形，能通过使用UGNX7.0软件对零件进行三维图的绘制，可以提高结构设计能力及建模能力。

编写符合要求的设计说明书，并正确绘制有关图表。在毕业设计工作中，学会综合运用多学科的理论知识与实际操作技能，分析与解决设计任务书中的相关问题。在毕业设计中，综合运用数控加工刀具和数控工艺、工装夹具的设计等专业知识来分析与解决毕业设计中的相关问题。

依据技术课题任务，进行资料的调研、收集、加工与整理和正确使用工具书；掌握有关工程设计的程序、方法与技术规范；掌握实验、测试等科学研究的基本方法；以及与解决工程实际问题的能力。

0.2 本设计的主要工作内容

本次对于法兰盘工艺设计及数控加工的主要任务是：

（1）分析零件图纸与技术要求；

（2）三维建模。根据零件二维视图建立三维视图；

（3）制定机械加工工艺文件。根据产品技术资料、生产条件与生产纲领，制定零件机械加工工艺规程，编写工艺规程卡片；

（4）夹具设计。绘制工件夹具图；

（5）编制数控加工程序、仿真加工与课题制作

（6）工件检验。选用合理的测量工具与设备检验工件的加工质量。

在这整个过程中，综合运用多学科的理论、知识与技能，分析与解决实际相关问题。

1 零件分析

1.1 零件图分析

图 1.1所示为法兰盘零件二维图，其结构形状较复杂，中批量生产1000件。图1.2为零件的三维图。

图1.1法兰盘零件二维图

图1.2 法兰盘三维图

该零件材料为45钢，毛坯为锻件，主要应用于装配管子，起管子的连接及固定作用，为中批量生产类型产品。该零件为由外圆、内圆、沉孔、内孔、倒斜角等表面组成，加工表面较多且都为平面及各种孔，因此适合采用加工中心加工。

1.2 技术要求分析

（1）结构分析

零件由外圆、内圆、沉孔、内孔、倒斜角等构成。

（2）尺寸精度分析

加工精度是指零件在加工后的几何参数的实际值和理论值符合的程度。尺寸精度是指实际尺寸变化所达到的标准公差的等级范围。

如图1.1所示，加工要求较高的尺寸列出如下表格，如表1.1所示。

（3）形位公差分析

加工后的零件不仅有尺寸误差，构成零件几何特征的点、线、面的实际形状或相互位置与理想几何体规定的形状和相互位置还不可避免地存在差异，这种状上的差异就是形状误差，而相互位置的差异就是位置误差，统称为形位误差。

（4）毛坯加工余量分析

工件粗加工的余量为0.8，半精加工为0.5，精加工为0.2。

（5）粗糙度分析

表面粗糙度，是指加工后的零件表面上具有的较小间距和微小峰谷所组成的微观几何形状特征，一般是由所采取的加工方法和(或）其他因素形成的。表面粗糙度高度参数有3种：轮廓算术平均偏差Ra，微观不平度十点高度Rz以及轮廓最大高度Ry。

该零件主要由外圆、内圆、沉孔及内孔组成，具体表示为φ55外圆、φ52外圆、φ90外圆、6-φ11沉孔、3-φ5内孔、φ10内孔、φ32内圆、φ16内圆。粗糙度皆为Ra3.2。

表1.1尺寸精度

结构尺寸形状位置Φ10mm的孔Φ10mm孔Φ90mm圆柱面Φ11mm的沉孔Φ11mm沉孔Φ90mm圆柱面

C1.5mm倒角 1.5mm×45°倒角Φ32mm圆柱面内侧Φ5mm内孔Φ5mm内孔Φ10mm圆柱面

2 零件的数控加工工艺设计

2.1 选定毛坯

根据零件的加工前尺寸及考虑夹具方案的设计，选择的毛坯材料牌号为45钢，毛坯种类为锻件，毛坯外形尺寸为Φ95mm×45mm。如图1.3所示。

图1.3 法兰盘加工前三维图

2.2 选择定位基准

选择定位基准时，首先是从保证工件加工精度要求出发的，因此，选择定位基准时先选择粗基准，再选择精基准。

2.2.1 粗基准的选择：

按照粗基准的选择原则，为保证不加工表面和加工表面的位置要求，

应选择不加工表面为粗基准，故在加工Φ16mm内圆、Φ90外圆及Φ55外圆时，选择Φ95mm毛坯外圆作为粗基准。

2.2.2 精基准的选择：

按照精基准的选择原则，为符合基准重合原则以及基准统一原则，故在加工Φ700外圆、Φ440外圆、Φ340外圆、Φ224内孔、12-Φ22孔及6-M12内孔时，选择Φ700外圆及Φ224内圆作为精基准。

2.3 工艺路线的设计

（1）工艺路线的设计为保证几何形状、尺寸精度、位置精度及各项技术要求，必须判定合理的工艺路线。

由于生产纲领为成批生产，所以XH714立式加工中心配以专用的工、夹、量具，并考虑工序集中，以提高生产率和减少机床数量，使生产成本下降。

针对零件图样确定零件的加工工序为：

工序一：（Φ700毛坯外圆定位）

1)粗车外圆及端面。

2)精车外圆至尺寸要求，留总厚余量2mm。

3)钻Φ140孔中心孔。

4)粗钻扩Φ140孔。

5)精钻扩Φ140孔至尺寸要求。

6)倒圆角R2。

工序二：（Φ224圆柱面定位）

1)粗车外圆及端面。

2)精车外圆及端面至尺寸要求。

3)钻Φ224孔中心孔。

4)粗钻铰锪Φ224孔。

5)精钻铰锪Φ224孔至尺寸要求。

6)倒角C1.5。

工序三：（Φ22孔及工件下平面定位）

1)钻12-Φ22孔。

2)粗钻铰12-Φ22孔。

3)精钻铰12-Φ22孔至尺寸要求。

工序四：（Φ22孔及工件上平面定位）

1)钻6-M12螺纹孔。

2)粗铰6-M12螺纹孔。

3)精铰6-M12螺纹孔至尺寸要求。

4)所有面去锐边毛刺。

2.4 确定切削用量和工时定额

切削用量包括背吃刀量、进给速度或进给量、主轴转速或切削速度（用于恒线速切削）。其具体步骤是：先选取背吃刀量，其次确定进给速度，最后确定切削速度。（参考资料《数控加工工艺及设备》）工时定额包括基本时间、辅助时间、地点工作服务时间、休息和自然需要时间以及准备终结时间。

2.4.1 背吃刀量

a的确定

p

根据零件图样知工件表面粗糙度要求为全部3.2，故分为粗车、半精车、精车三步进行。

因此选择粗车的背吃刀量为3.5mm ，半精车的背吃刀量取1.5mm ，精车时背吃刀量取0.35mm 。 2.4.2 进给量f 的确定

由文献[10]表2.4-73，选择粗车时：z f =0.20mm/z ；精车时：

z f =0.5mm/z

2.4.3 切削速度c v 的确定

由文献[10]表3.1-74，选择粗车时：主轴转速n=900r/min ；精车时：主轴转速n=1000r/min 。

因此，相应的切削速度分别为： 粗铣时：min /2.45min /1000900

161000

m m dn

v c =??==ππ 精铣时：min /8.62min /1000

1000

201000

m m dn

v c =??=

=

ππ

2.4.4 工时定额的确定

根据夹具的设计，下面计算工序四中Φ10mm 孔的时间定额。 （1）基本时间 由文献[8]得，钻孔的计算公式为： nf

L L L 2

1++=基本T 式中：)2~1(cot 2

1+=

y K D

L ； 4~12=L ，钻盲孔时，2L =0； L=17，2L =0，f=0.3，n=1000；

因此 5.75.12

118cot

2101=+=?

L 所以 min 082.01000

0.30

5.717=?++=

基本T

（2）辅助时间 文献[8]确定

开停车 0.015min

升降钻杆 0.015min 主轴运转 0.02min 清除铁屑 0.04min 卡尺测量 0.10min

装卸工件时间由文献[8]取1min

所以辅助时间

辅助T =（0.015+0.015+0.02+0.04+0.10+1）min=1.19min

（3）地点工作服务时间 由文献[8]确定 取%3=α，

则min 03815.0%min 319.1820.0)(=?+=

+=）（辅助基本服务αT T T （4）休息和自然需要时间 由文献[8]确定 取%3=β，

则min 03815.0%min 319.1820.0)(=?+=

+=）（辅助基本休息αT T T （5）准备终结时间 由文献[8]，部分时间确定 简单件 26min

深度定位 0.3min 升降钻杆 6min 由设计给定1000件，则

min 0323

.0min 1000/)63.026(/=++=n T 准终 （6）单件时间

min

381.1min )0323.003815.00.03815

1.190.082(=++++=++++=准终

服务休息辅助基本总T T T T T T （7）单件计算时间

min 4129.1min )0323

.0381.1(/=+=+=n T T T 准终总单件

2.5 各工序的设备、刀具、量具的设计

(1) 选择NC 加工机床

根据2.3 工艺路线的设计的工序安排，由于零件的复杂性及加工部位多，故选择立式加工中心。加工内容有：车外圆、钻孔、铰孔及倒角等，所需刀具不超过20把。选用立式加工中心即可满足上述要求。

本设计选用FANUC 18i-MateMC 系统XH714立式数控加工中心，如图1

所示。

图1 XH714立式数控加工中心

(2) 机床主要技术参数

工作台面积(长×宽) 900×400 mm

工作台左右行程(X向) 630 mm

工作台前后行程(Y向) 400 mm

主轴上、下行程(Z向) 500 mm

工作台最大承重 600 kg

主轴端面至工作台面距离 250—760 mm

主轴锥孔 MAS403 BT40

刀库容量≥12 把

刀具最大尺寸φ100×250 mm

主轴最高转速 8000 rpm

进给速度 5-8000 mm/min

快速移动速度 20000 mm/min

主电机功率 7.5/11KW

定位精度 X:0.016 mm，Y、Z：0.014 mm全程重复定位精度 X:0.010 mm，Y、Z:0.008mm全程

进给电机扭矩 FANUC 8 N.m

数控系统 FANUC 0i-MateMC

插补方式直线插补、圆弧插补

（3）机床性能

XH714为纵床身，横工作台，单立柱立式加工中心机床；可以实现X、Y、Z任意坐标移动以及三坐标联动控制；X、Y、Z三坐标轴伺服进给采用交流伺服电机，运动平稳；X、Y、Z三轴采用进口精密滚珠丝杠副，及进口滚珠丝杠专用轴承支承；主轴采用交流伺服调速电机，其额定功率

11KW；主轴最高转速为8000rpm。主轴轴承采用高速、高精度主轴轴承，油循环冷却；采用蝶形弹簧夹紧刀具，气压松刀；刀库为20把刀的斗笠式刀库，无机械手换刀。

2.6 工艺文件的设计

根据2.3 工艺路线的设计的工序安排，编出机械加工工艺过程卡片及工序卡片。见附表1~3：机械加工工艺过程卡片；附表4~7：数控加工工序卡；附表11~16：数控加工进给路线图。

2.7 数控加工刀具卡片的设计

根据2.3 工艺路线的设计的工序安排，编出机械加工刀具卡片。见附表8~10：机械加工刀具卡片。

2.8 数控编程

根据2.3 工艺路线的设计的工序安排，编出数控加工程序。见附表17：数控加工程序。

3 法兰盘钻Φ10孔夹具工序工艺装备的设计

3.1 夹具设计方案的设计

根据法兰盘的特点对夹具提出了两个基本要求：一是保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定。二是要能协调法兰盘零件与机床坐标系的尺寸。除此之外，重点考虑以下几点：

1、在成批生产时，才考虑采用专用夹具，并力求结构简单。

2、夹具上个零件部件应不妨碍机床对零件各表面的加工，即夹具要敞开，其定位。夹紧原件不能影响加工中的走刀。

根据课题要求，批量生产1000件法兰盘零件，故需要设计专用夹具

进行装夹。

3.1.1 夹具的定位方案的设计

工件定位方案的确定，首先应考虑满足加工要求。按基准重合原则，选用Φ18孔以及工件底平面作为定位基准，定位方案如图3-1所示。

平面机构自由度计算公式为：H L P P n F --=23， 其中：n 为活动构件，n=N-1，N 为构件； L P — 低副；

H

P — 高副；

所以：00322323=-?-?=--=H L P P n F

即2个支承钉及定位心轴限制工件的x 、y 方向的转动度以及z 方向的移动度，可换圆柱销及可换菱形销限制工件的x 、y 方向的的移动度以及z 方向的转动度。

图3-1 法兰盘的定位方案

3.1.2 夹具的夹紧方案的确定

工件夹紧方案的确定，取工件的Φ55圆柱端面进行夹紧，采用六角厚螺母夹紧机构，如图3-2所示。采用六角厚螺母夹紧机构，在夹具设计过程中，以考虑工件的受力情况，故在Φ55圆柱端面与六角厚螺母之间增加平垫圈，平垫圈在此处起到缓冲、平衡受力及保护端面不受伤害的作用。采用六角厚螺母通过平垫圈将工件在侧面夹紧，其结构紧凑、操作方便。

图3-2 法兰盘的夹紧方案

3.1.3 夹具对刀装置方案的确定

因考虑零件的复杂性，故将夹具本次零件加工选择机床对刀点在工件

坐标系的Φ95外圆上，这有利于保证精度，减少误差。

采用试切的对刀方法：具体步骤为该零件选择Φ95外圆为编程零点，本次试切首先选择零件的右侧面为试切点，左右拨动主轴，手轮移动X 轴，使刀具微碰零件，此时记下X的机械坐标输入到G54或G55的X中，本次试切再选择零件的外圆顶点为试切点，上下拨动主轴，手轮移动Y 轴，使刀具微碰零件，此时记下Y的机械坐标输入到G54或G55的Y中，至此，X，Y轴对刀完成；Z轴的对刀，如以工件外圆顶点为0点，将铣刀擦到工件表面，记下此时Z轴的机械坐标，输入到G54或G55中。3.1.4 夹具与机床连接方案的设计

因考虑零件的加工复杂性，本套夹具选择孔系夹具，它的元件以孔定位，螺纹连接，元件定位精度高，夹具的组装简便，刚性好，又便于数控机床编制加工程序。

3.2 夹具的结构设计

在选择夹具体的毛坯的结构时，从结构合理性、工艺性、经济性、标准化的可能性以及工厂的具体条件为依据综合考虑。在《机床夹具设计手册》表1-9-1为各种夹具体毛坯结构的特点和应用场合。则选铸造结构，因为其可铸造出复杂的结构形状。抗压强度大，抗振性好。易于加工，但制造周期长，易产生内应力，故应进行时效处理。材料多采用HT15-30或HT20-40。在夹具体上还进行倒角，以便增加夹具的强度及刚度。

3.3 夹具的理论计算

3.3.1 定位误差的分析与计算

本套夹具是定位误差主要是一面两孔定位所产生的，因此只需计算两定位销的定位误差即可。

1）确定定位销中心距及尺寸公差 取

mm

mm LD Ld 04.012.03

13

1

=?==δδ

故两定位销中心距为71±0.02mm 2）确定圆柱销尺寸及公差 取Φ11H8=Φ11

006.0017

.0--mm

3）参考文献[8]中表4-3选取菱形销的1b 及B 值

取1b =4mm ，B=d-2=（11-2）mm=9mm 4）确定菱形销的直径尺寸及公差

取补偿值：a=d L +D L =（0.06+0.02)mm=0.08mm ，则

mm mm D ab X 053.0124

08.022min 21min 2≈??==

所以mm mm X D d 947.10)053.011(min 2min 2max 2=-=-=

菱形销与孔的配合取h6，其下偏差为-0.011mm ，故菱形销直径为

Φ10.9470011.0-mm=Φ11053

.0064.0--mm 所以=max 2d Φ11053.0064.0--mm

5) 计算定位误差 基准位移误差为：

mm mm X d D Y 044.0)]006.00()017.0006.0(027.0[min 111=+++-+=++=?δδ 转角误差为： 142

135

.0arctan 712)064.0027.0()017.0027.0(arctan 2arctan

max 2max 1=?+++=+=?L X X θ

则413'''≈?θ，双向转角误差为826'''。

3.3.2 夹紧力的分析与计算

本套夹具靠六角厚螺母实现夹紧。因此，夹紧力的计算则在于六角厚螺母所需的力。

六角厚螺母夹紧力P 按3.2公式计算：

()[]f r Q T τφψ++=tan ……………………………………………（3.2）

Q — 夹紧力，；

ψ — 螺纹升角，M16选922'?；

φ — 螺纹摩擦角，φ=?10；

τ — 支撑表面摩擦力矩的计算力臂，选择5153

13

1

0=?==d τ； f — 螺母支撑面的摩擦因素，选择f =0.178；

通过计算，M16孔定位的螺钉所需夹紧力为：T=180N 因为六角厚螺母需在两端进行夹紧，故夹紧力为双倍。 因此总共所需夹紧力为：T 总=2T=180N ×2=360N

3.4 夹具的使用操作说明

本夹具用于加工法兰盘的?11孔（工件材料45钢）。工件以?32和?16孔、?11孔分别在定位心轴8、可换定位销7及可换定位销9上定位，通过在定位心轴8上旋动六角厚螺母4使平垫圈3接触工作，从而达到夹紧工件的效果。

4 数控加工零件的三维仿真图

图4-1 钻6-M12螺纹孔

4 数控加工零件的三维仿真图

图4-4 铰12-Φ22孔