发动机齿轮室盖液压自动夹具设计.pdf

2 0 1 1 年 8月 第 3 9卷 第 1 6期 机床与液压 MACHI NE T OOL ＆ HYDRAUL I C S Au g ． 2 01 1 V0 1 ． 3 9 No ． 1 6 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 6 ． 0 1 1 发动机齿轮室盖液压 自动夹具设计 孙燕华，唐立平，李薇 无锡职业技术学院，江苏无锡 2 1 4 1 2 1 摘要齿轮室盖零件是典型的形状复杂、加工部位众多、形位精度要求高的铝合金薄壁箱壳类零件，其数控加工工艺 及工装设计是复杂薄壁箱壳类零件数控加工的典型案例。通过对某型号发动机齿轮室盖零件结构与尺寸精度要求的分析， 编制符合企业加工能力和要求的数控加工工艺路线。针对薄壁装夹刚性差、加工部位多与走刀路径干涉问题，合理选择装 夹点位置，布置浮动支撑，设计相应液压自动夹具。该套数控加工工艺及工装已应用于实践 ，为其他同类型零件加工提供 借鉴。 关键词齿轮室盖；数控加工；液压自动夹具 中图分类号 T G 7 5 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 6 0 3 0 4 De s i g n o f Hy dr a u l i c Au t o ma t e d Fi x t u r e f o r Ge a r Ho u s i n g Co v e r o f En g i n e S UN Ya n h u a，TANG Li pi n g， L I W e i Wu x i I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ，Wu x i J i a n g s u 2 1 4 1 2 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e g e a r h o u s i n g c o v e r i s a t y p i c a l a l u mi n u m all o y t h i n w a l l e d s h e l l b o x p a r t ， w h i c h i s c o mp l e x ， n u me r o u s ma c h i n i n g l o c a t i o n s a n d h i g h p r e c i s i o n d e ma n d ． T h e d e s i g n o f NC ma c h i n i n g p r o c e s s a n d fi x t u r e f o r g e a r h o u s i n g c o v e r o f e n g i n e i s a t y p i c al c a s e o f t h e N C ma c h i n i n g f o r c o mp l e x t h i n wa l l e d s h e l l b o x p a r t ． B a s e d o n a n aly z i n g s t r u c t u r e a n d d i me n s i o n a c c u r a c y r e q u i r e me n t s o f t h e g e a r h o u s i n g c o v e r p a r t i n a c e r t a i n e n g i n e ， t h e NC p r o c e s s r o u t e wh i c h a c c o r d e d wi t h p r o c e s s i n g c a p a c i t y a n d r e q u i r e me n t o f e n t e r p r i s e s wa s w o r k e d o u t ． Ai mi n g a t t h e p rob l e ms s u c h a s p o o r c l a mp i n g rig i d i t y o f t h i n wa i l e d s h e l l p a r t ， n u me r o u s ma c h i n i n g l o c a t i o n s a n d t o o l p a t h i n t e r f e r e n c e ， t h e h y d r a u l i c a u t o ma t e d fi x t u r e wa s d e s i g n e d b y r e a s o n a b l e s e l e c t i o n o f c l a mp i n g p o i n t s a n d fl o a t i n g t y p e s u p p o rt c y l i n d e r s ． T h e NC ma c h i n i n g p r o c e s s a n d fi x t u r e h a s b e e n a p p l i e d t o p r a c t i c e ． I t c a n p r o v i d e g o o d r e f e r e n c e for o t h e r s a me t y p e p a r t s ． Ke y wo r d s G e a r h o u s i n g c o v e r ；NC ma c h i n i n g；Hy d r a u l i c a u t o ma t e d fi x t u r e 齿轮室盖是发动机中的重要部件，在发动机中对 其他运动部件起到支撑作用，同时发动机机油也在齿 轮室中循环，起到润滑、密封 、清洗、冷却及防锈作 用。齿轮室盖一般为大型复杂薄壁箱体类零件，加工 定位 铸孔B a 面BD 难度较高、费时。作者针对某型号发动机齿轮室盖零 件 ，设计其数控加工工艺及相应加工 中心液压 自动夹 具图，以保证加工精度，提高加工效率。 1 零件分析 图 1 某型号发动机齿轮室盖零件 b 面E 收稿日期2 0 1 0 0 8一 叭 作者简介孙燕华 1 9 6 1 一 ，女，工学学士，副教授，研究方向为机械设计与制造、机械 C A D ／ C A M。C a i n1 3 7 7 1 0 9 5 5 2 8 ， E ma i l t l p 1 6 3 1 6 3 ． e o m。 第 1 6期 孙燕华 等发动机齿轮室盖液压 自动夹具设计 3 1 齿 轮室盖 零件 材料 为 Y L 1 0 8 Y Z A 1 S i C u ，如 图 1 所示 ，从外形上看为薄壁箱体类零件 ，长宽高约 为 9 0 0 m m 5 6 0 m m X 9 3 ． 2 5 m m，其加工部位呈空间 分布，四面有许多联接用孔及螺纹 ，中间有较大支撑 孔，两主要平面 面 E和面 B D上有不规则密封槽 及密封面 ，因此该零件主要有平面 、槽 、孔 、螺纹等 加工要求 ，其中支撑孔 、基准面及基准孔的尺寸精度 及形位精度要求较高。 由于零件外形不规则，采用金属压铸成型方法制 造毛坯。铝合金压铸毛坯成形精度 比较高 ，尺寸及形 位精度要求低的部位可以一次压铸成型，其他要求高 的加工面只留精加工余量 。加工工艺上可以采用其 中一压铸面 面 B D做为粗基准进行精基准面 面 E加工，铣 削面 E 、镗支撑孔及基准孑 L D、F孔、 钻孔、攻螺纹、铣密封槽及密封面等，再以精基准面 面 E 定位加工面 B D及其他面、孔、螺纹和槽等， 最后以面 B D为基准加工零件四周端面、孔 、螺纹 等。由此 可见零件加 工部位多 ，故采 用加工 中心 D M 5 2 2 6进行加工，便于集 中工序、减少工时、保证 精度。 2液压 自动夹具结构设计 根据上述工艺路线，需要 3 套液压 自动夹具，作 者以基准面 E加工液压夹具为例介绍该零件液压夹 具设计要点。因基准面 E及面 E上各孔，螺纹有一 定的形位精度要求，主要考虑夹具如何保证面 E自 身平面度与各孔之间位置精度要求，其中支撑孔、基 准孑 L 的尺寸精度及形位精度要求最高，其技术要求如 下所示 1 支撑孑 L 6 1 3 5 0 0 ． 0 3 5 ，至少 孑 L 深 1 5 m m，倒 角 0 ． 2 5 3 0 。 ，保证对 E 、D、F的位置 度 , t o ． 1 ； 2 基准孑 L D 6 1 o ． 0 4 0 ． 0 1 3 ，平底 深度 7 ． 5 0 ． 5 ，倒角 O ． 59 0 。 ，保证其对 c 、A、B的位置度 ．5； 3 基准孑 L F西 2 2 ． 1 30 ． 0 2 5 ，深度 1 84 ，倒 角 0 ． 3 9 0 。 ，并保证其对 E、D的位置度 ． 0 5 。 基准面 E是大平面，根据零件的特点选择分布 较广的 c 。 、c 、c 3个背面夹紧点作为定位面及主 夹紧点 。利用基准 面 E上 的 A、B两铸 造工艺孔 ，用 一 面两销的定位方案来保证面 E、各孔与螺纹的尺寸 与位置精度。夹具装配图如图2所示。 零件材料为铝合金 ，并且又是一种薄壁件。为防 止其在加工过程中，因强大的切削力 、夹紧力而出现 变形、让刀等现象，故在设计夹具时需考虑到以下几 点 1 切削力对零件的影响。切削力使得面 E产 生上下震动 ，零件与夹具体接触面之间存在较大间 隙，出现受力不均匀而造成零件加工变形，从而影响 加工精度，因此在定位大平面下方设置相应辅助夹紧 与浮动支承。 主 夹 紧点C 定 位销B主哭 紧 点G 图2 夹具装配图 2 夹紧力对零件的影响。零件为薄壁件 ，在 装夹时若夹紧力太小会出现让刀 在加工过程中出 现的一种弹性变形现象 ，夹紧力过大则会造成零件 装夹变形。故在设计夹紧装置时，根据零件的外型， 使用压板压在薄壁表面对其进行夹紧定位，在压板下 方设置浮动支承，并可通过调整夹紧缸及支撑缸压力 来选择合适的夹紧力，保证面 E平 面度与孔形位精 度 。 3 在零件面 E上方布置了大量旋转夹 紧缸， 其位置分布除 了考虑切削力与零件结构影 响外 ，还需 考虑机床走刀路径与夹紧缸不干涉。 3 夹具可行性分析 因铣面 E定位误差为零 ，故主要计算各孔的定位 误差。夹具采用一面两销定位，面 E上各孔位置度靠 两定位销来保证，其中基准孔 F的位置度要求最高为 ．o 5 。其定位基准选择符合基准统一原则，基准不重 合误差为零 ，即△ 0 ，只需计算相应基准位移误差， 即△ 。根据铝合金压铸件尺寸公差要求可知，铸孔公 差为 0 ． 0 5 1T I1 T I ，孔 中心距公差为 0 ． 0 5 l l l l n 。 1 A、B定位孔尺寸 D D 1 2 0-。 o 5 m m 。 2 定位孔中心距公差 0 ． 0 5 m m。两孔距 离L, ／ 3 0 0 3 6 0 4 6 8 1 ／ l l n ，即L 468 0 ． 0 5 m i l l 。 i 1 1、 3 两销中心距误差6 l ～ 寺l ， 取为 0 ． 0 1 mm。 取 圆柱锥 销 1 2 h 6 ，即 d 。 1 2 0 -0 _ 0l l m m 。 4 查表得菱形锥销宽度 6 4 m m，补偿量 。 0． 0 6 咖。 二 计算最小间隙 3 2 机床与液压 第 3 9卷 0 ． 0 4 mm 。 2 ra in n 一 1 ’ 一‘ 菱形锥销最大直径 d 2 D2 。 一X2 ⋯ 1 2～0 ． 0 41 1 ． 9 6 mm 菱形锥销直径公差取 I T 6为 0 ． 0 1 1 m m，即菱形锥销 直径为 1 2 F il m。定位主要尺寸见图 3 所示。 图 3 定位主要尺寸图 5 对 于基准孔 F △B0 △YDl 一dl _ n1 21 1 ． 9 8 90 ． 01 1 mm 定位误差△ D △ B △ Y 0 ． 0 1 1 m m 加工基准面 E时位置精度要求最高的是 0 ． 0 5 m m， 因此采用此套定位方案能够保证加工精度 2 。 为了在切削过程中有效地夹紧齿轮室盖零件，所 需夹紧力的大小与零件所承受的切削力密切相关。通 常切削力的大小和作用点随着加工过程的进行而发生 变化，而且在铣削中，切削力还是一种冲击力。要准 确地计算出切削力的大小 十分困难 ，因此在设计夹紧 装置时，常采用两种方法来确定所需的夹紧力 1 根据同类夹具的使用情况 ，用类比法进行估算 ； 2 根据加工情况，确定出加工过程中对夹紧最不利的瞬 时状态，再将此时零件所受的各种外力看作静力，并 用静力平衡原理，计算出所需的夹紧力。 在该道工序过程 中，铣削面 E时铣 削力较大， 切削参数如下 铣刀直径 d 。 8 0 m m，刀具齿数 Z 6 ，主偏角K 4 5 。 ，切削速度 7 6 0 r n ／ m i n ，每齿进 给量Y z 0 ． 2 5 m m，切深 0 1 m m，切削宽度 0 8 0 m m。根据 N O V E X刀具切削数据计算器计算可得主 切 削力 F 为 3 1 7 N ，进 给力 为 9 5 N，径 向力 为 1 5 9 N，考虑到零件结构刚性与夹紧点位置 ，单缸夹 紧力选择 1 ． 5 k N 。 在实际调试时，可根据试切的效果微整液压系统 压力，以得到合适的夹紧与支撑力。 4 液压系统设计 由于夹紧点较 多 ，用 自动液压夹具安装 定位 ，可 以快速准确地确定零件与机床、刀具之间的相互位 置，工件位置精度由夹具保证 ，其加工精度高且稳 定。该夹具夹紧动作有主夹紧、主支承、辅助夹紧、 辅助支承、其输出力大小有所区别，动作也有先后顺 序要求 。 双 作用 1 8 9 3 ． x xx 杆长／ ram 1 0 0 6 6 5 0 4 O 3 3 2 9 ． 5 2 5 0 1 0 2 0 3 O 4 0 5 O 系统压 力／ MP a 图4 夹紧缸压力选择 由图4可知选择夹紧点压力 1 ． 5 k N时 ，系统压 力可设为 1 8 M P a 。浮动 支承缸 为工 件在 加工操 作 时 提供了一个可自行调整的支撑，补偿了被加工面表面 的不平整以及加工装夹工件时产生的振动与位置偏 斜。浮动支承有两种一种型号为 1 9 4 2 ． 0 0 0 ，起 防 止切削振动作用，支撑位置与底板距离较大，安装在 浮动支 承座上 ；另一 种型 号 为 1 9 4 2 0 1 0 ，与夹 紧油 缸配合使用，直接安装在底板上。支承力和夹紧力必 须相互适应，使得油缸有足够的力来消减加工时的切 削力 。一般 浮动支 承缸 的支承力选择大于等于 2倍夹 紧力，因此支承力选择 3 k N，根据图5所示选择工 作压力为 1 8 MP a 。 0 1 O 2 0 3 0 4 0 5 0 工作压力／ MP a 图5 浮动支承缸工作压力选择图 如图6所示，整个液压系统分为4条油路，每条 油路控制一组液压缸动作。整个系统由3个 s V A顺 序阀 1 、2 、 3控制夹紧压力，液压系统压力设定为 1 8 M P a ，由液压站调压阀调定，顺序阀 1 、2 、3调定 压力分别设为 l 6 ，1 4 ，1 2 M P a 。当夹紧动作开始 ，A 0 9 8 7 6 S 4 3 2 l 0 z 、 R幽哑龋 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 z 事 } 似 第 1 6期 孙燕华 等发动机齿轮室盖液压 自动夹具设计 3 3 口进油，B口回油，首先主夹紧油路工作 ，压力油从 A口进入主夹紧液压缸 4 、5 、6上腔，主夹紧缸边旋 转边夹紧，主夹 紧缸下腔通过 B口回油；当主夹紧 缸夹紧动作完成 ，顺序阀 1 达到调定压力打开 ，主支 承缸工作油路工作，压力油从顺序阀 1 进入浮动支承 缸 7 、8 、9 、1 0 、1 1 、1 2 、1 3下腔 ，各 浮动支 承缸往 上顶。当支承缸动作完成后，支路压力达到顺序阀 2 调定压力，辅助夹紧油路工作，压力油进入辅助夹紧 缸 1 4 、1 5 、1 6 、1 7 、1 8 、1 9上腔及直线缸 2 0下腔 ， 同样辅助夹紧缸边旋转边夹紧 ；当辅助夹紧缸及直线 主夹 紧缸1 3 9 3 5 0 4 1 8 93 - 60 4 1 8 93 60 4 缸动作完成后，支路压力达到顺序阀 3调定压力，辅 助支承油路工作 ，液压油进入辅助支撑缸下腔，将浮 动支承往上顶。当这一系列动作都完成时，整个系统 压力达到系统压力调定值。当松开动作开始，可通过 液压站换向阀实现 B口进油，A口回油，压力油从 B 口同时进 入 夹 紧缸 4 、5 、6 、1 4 、1 5 、1 6 、1 7 、1 8 、 1 9下腔 ，上腔压力油从 A口和顺序阀 1 、2自带的单 向阀回油，浮动支承和直线油缸由复位弹簧作用回到 原来位置 ，其下腔压力油经顺序阀 1 、2 、3自带的单 向阀回油。以上是整个液压系统的工作过程 。 图 6 自动夹具 液压 系统图 所有的夹紧缸、浮动支承缸与定位销都要安装在 设计注意点等。生产实践证明，该工艺路线及夹具使 液压油路底板上，同时所有的油路都集成在该底板 得齿轮室盖这类复杂薄壁壳体类零件能够实现高效、 上，使得底板设计变得复杂，稍有疏忽可能导致元件 成批生产，提高了经济效益 ，对其他同类零件生产也 无法安装或油路相互窜油。为保证液压油路板设计可 有借鉴意义。 靠合理，可采取以下措施 参考文献 1 将油路底板按高度分为 4层 ，液压系统各 【 1 】 林钢． 铝合金应用手册[ M] ． 北京 机械工业出版社， 支路各 占一层 ，油路不会 出现交叉 ，防止窜油 。 2 0 0 6 ． 1 ． 2 采用 P R O ／ E、U G等三维造型软件，模拟装 配过程 ，以防止元件无法装配 。 5结 论 齿轮室盖零件形状复杂，加工部位较多 ，形状精 度要求高，采用普通方法加工不能达到精度要求 ，而 且此零件夹具装夹部位较多，采用一般专用夹具装夹 效率低。文中采用加工中心加工，依据工序集中原则 合理设计工艺路线 ，以自动液压夹具来实现 自动定 位、夹紧过程，并 以齿轮室盖零件 E基准面加工液 压夹具设计为例说明夹具工作原理、可行性 、特点 、 【 2 】 李昌年． 机床夹具设计与制造[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 7 ． 1 ． 【 3 】肖 继德 ， 陈守平． 机床夹具设计 [ M] ． 北京 机械工业出 版社 ， 2 0 0 7 ． 2 ． 【 4 】 成小军． 液压泵上体三孑 L 加工车床夹具设计 [ J ] ． 机床 与液压 ， 2 0 1 0 6 2 1 2 3 ． 【 5 】 雷天觉． 新编液压工程手册[ M] ． 北京 J L 京理工大学出 版社 ， 2 0 0 5 ． 9 ． 【 6 】 路甬祥． 液压气动技术手册[ M] ． 北京 机械工业 出版 社 。 2 0 0 5 ． 8 ．