法兰盘工艺设计与数控加工

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6-Φ11沉孔及3-Φ5孔的加工；最后采用专用夹具以Φ16孔以及6-Φ11沉孔其中两孔定位进行外圆上Φ10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

姓名 学号

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 Φ10mm 的孔 Φ11mm 的沉孔 C1.5mm 倒角 Φ5mm 内孔

尺寸 Φ10mm Φ11mm 1.5mm ×45°

Φ5mm

形状 孔 沉孔 倒角 内孔

位置 Φ90mm 圆柱面 Φ90mm 圆柱面 Φ32mm 圆柱面内侧 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Φ52外圆、Φ90外圆、Φ32内圆、Φ10内孔、6-Φ11沉孔及3-Φ5内孔时，选择Φ55外圆及Φ16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：（Φ95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Φ16孔中心孔。 4) 粗钻扩Φ16孔。

5) 精钻扩Φ16孔至尺寸要求。 6) 倒圆角R2。

工序二：（Φ55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Φ32孔中心孔。

4) 粗钻铰锪Φ32孔。

5) 精钻铰锪Φ32孔至尺寸要求。 6) 倒角C1.5。

工序三：（Φ16孔及工件下平面定位） 1) 钻6-Φ11沉孔及3-Φ5内孔中心孔。 2) 粗钻铰6-Φ11沉孔及3-Φ5内孔。

3) 精钻铰6-Φ11沉孔及3-Φ5内孔至尺寸要求。 工序四：（Φ16孔及工件上平面定位） 1) 钻Φ10孔中心孔。 2) 粗铰Φ10孔。

3) 精铰Φ10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 p 的确定

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：f z =0.20mm/z；精车时：

f z =0.5mm/z

2.4.3 切削速度v c 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：v c =精铣时：v c =

πdn

1000

=

π⨯16⨯900

1000

m /min =45. 2m /min

πdn

1000

=

π⨯20⨯1000

1000

m /min =62. 8m /min

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： T 基本式中：L 1= L 2

D 2

cot K y +(1~2) ；

=

L +L 1+L 2

nf

=1~4，钻盲孔时，L 2=0；

L=17，L 2=0，f=0.3，n=1000；

因此 L 1=

102=

cot

1182

︒

+1. 5=7. 5

所以 T 基本

17+7. 5+00.3⨯1000

=0. 082min

（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

T 辅助=（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α

=3%

，

则T 服务

=(T 基本+T 辅助) α=（0. 082+1. 19）⨯3%min=0. 03815min

（4）休息和自然需要时间 由文献[8]确定 取β

=3%

，

则T 休息

=(T 基本+T 辅助) α=（0. 082+1. 19）⨯3%min=0. 03815min

（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 T 准终

/n =(26+0. 3+6) /1000min =0. 0323min

（6）单件时间

T 总=T 基本+T 辅助+T 休息+T 服务+T 准终

=(0.082

+1.19+0.03815+0. 03815+0. 0323) min

=1. 381min

（7）单件计算时间 T 单件

=T 总+T 准终/n =(1. 381+0. 0323) min =1. 4129min

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：F =3n -2P L -P H ，

其中：n 为活动构件，n=N-1，N 为构件；

P L — 低副；

P H — 高副；

=3n -2P L -P H =3⨯2-2⨯3-0=0所以：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δLd =13δLD =13⨯0. 12mm =0. 04mm

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=Φ11-0. 006

-0. 017mm

3）参考文献[8]中表4-3选取菱形销的b 1及B 值

取b 1=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=L d +L D =（0.06+0.02)mm=0.08mm，则

X 2min =2ab 1D 2min =2⨯0. 08⨯412mm ≈0. 053mm

所以d 2max =D 2min -X 2min =(11-0. 053) mm =10. 947mm

菱形销与孔的配合取h6，其下偏差为-0.011mm ，故菱形销直径为 Φ10.947

所以d 2max 0-0. 011mm=Φ11-0. 053-0. 064-0. 053-0. 064mm =Φ11mm

5) 计算定位误差

基准位移误差为：

∆Y =δD 1+δd 1+X 1min =[0. 027+(-0. 006+0. 017) +(0+0. 006)]mm =0. 044mm

转角误差为： ∆θ=arctan X 1max +X 2max

2L =arctan (0. 027+0. 017) +(0. 027+0. 064)

2⨯71=arctan 0. 135

142

则∆θ≈3'14''，双向转角误差为6'28''。

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：

T =Q [r tan (ψ+φ)+τf ] ……………………………………………（3.2） Q — 夹紧力，；

— 螺纹升角，M16选2︒29'；

— 螺纹摩擦角，φ=10； ︒ψφ

τ

f — 支撑表面摩擦力矩的计算力臂，选择τ=13d 0=13⨯15=5； — 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 零件的仿真加工

图4-1 钻3-Φ5孔中心孔

图4-2 钻6-Φ11沉孔中心孔

图4-3 铰3-Φ5孔

图4-4 铰6-Φ7孔

图4-5 锪6-Φ11孔

图4-6 钻Φ10孔中心孔

图4-7 铰Φ10孔

5 结论

（1）通过对零件和夹具的三维造型，实战练习了UG 三维造型软件的造型模块和AtuoCAD 工程图模块，加深了AutoCAD 二维软件的操作和理解。

（2）通过对夹具的理论计算，证明本套夹具具有可行性。

（3）通过对零件的加工仿真，证明数控加工程序具有可行性。

（4）通过对夹具的三维建模，证明夹具的设计具有可行性。

（5）对使用Office 办公软件时，还需要多加熟练。

（6）在进行UG 三维建模时，了解了计算机辅助制图编程软件的功能及使用方法。

（7）在用Auto CAD、UGNX7.0等软件时，还需要多熟练快捷键的使用，从而提高效率。

（8）设计过程中应用到的材料力学、机械原理、机械设计、数控编程等方面的知识。通过设计，加深了对所学知识在脑海中的印象，并提高了在实际中应用所学知识的能力。

同时，也认识到数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，是制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国际民生的一些重要行业的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。

参考文献

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[9] AMT Statistical Department .1998-1999 Economic Handbook of the Machine Tool Industry .1998.

[10] 李洪等. 机械加工工艺手册. 北京. 北京出版社，1990.

附录

附录1. 机械加工工艺过程卡片 附录2. 机械加工工艺过程卡片 附录3. 机械加工工艺过程卡片 附录4. 数控加工工序卡 附录5. 数控加工工序卡 附录6. 数控加工工序卡 附录7. 数控加工工序卡 附录8. 数控加工刀具卡片 附录9. 数控加工刀具卡片 附录10. 数控加工刀具卡片 附录11. 数控加工进给路线图 附录12. 数控加工进给路线图 附录13. 数控加工进给路线图 附录14. 数控加工进给路线图 附录15. 数控加工进给路线图 附录16. 数控加工进给路线图 附录17. 数控加工程序 附录18. 法兰盘二维图及三维图

附录19. 法兰盘钻Φ10孔专用夹具装配图 附录20. 专用夹具中夹具体二维图 附录21. 专用夹具中可换圆柱销二维图 附录22. 专用夹具中可换菱形销销二维图 附录23. 专用夹具中定位心轴二维图