航空涡轮盘榫槽的卧式拉床夹具设计.doc

西安航空职业技术学院 毕业设计论文 航空涡轮盘榫槽的卧式拉床夹具设计1 概述1.1 实习单位简介 中国一航西安航空发动机(集团)有限公司(简称“西航集团公司”)建于1958年,是中国大型航空发动机制造基地和国家1000家大型企业集团之一，公司有工程技术人员2500多名，拥有各种国内外先进的冷、热加工设备和计量测试设备4000余台（套），先后取得了150多项省、部级以上科研成果奖。研制生产了涡轮喷气发动机、涡轮发电装置、涡轮风扇发动机、燃气轮机。2001年公司改制组建为由中国一航控股的、华融资产管理公司参股的有限责任公司，并成立了以西航集团公司为母公司、以资产为纽带，母子公司体制的西安航空发动机集团。 西航集团公司以“航空报国，追求第一”为己任，国内外市场并重，形成了以航空产品为主导，国际航空零部件生产、多元化民品和第三产业共同发展的格局。公司还分别与英国罗罗公司、美国普惠公司和以色列叶片技术公司、德国巴克杜尔公司建立了三家合资公司；与众多国际著名的航空企业建立了稳固的合作关系，外贸创汇连续多年位居国内同行首位。公司产品开发形成了以剑杆织机、高速线材精轧机组、燃气轮机、风力发电机组、石化设备、铝型材等为主导、涉及众多行业的高技术、高附加值、多元化的产品群。公司的质量体系通过了iso9000系列标准认证。公司被列为国家863计划cims工程应用示范企业。1.2 项目提出的背景及研究的内容在我实习的过程中接触最多的就是涡轮盘，涡轮盘是航空发动机（如图1-1）的重要零件,它与相应的轴、叶片相互连接而组成发动机中的转子组件。涡扇发动机的外函推力完全来自于它高速旋转所产生的推力。处于高速、高温的工作环境下，是关键复杂构件，其机械加工特点表现为榫槽形状结构复杂，加工精度要求高、空间角度复杂等。它的设计、工艺和制造水平决定了航空发动机的经济性、安全可靠性、维修周期、寿命等性能指标。图11航空发动机现在涡轮盘材质多采用gh698，属镍基合金，ni含量大于70%，加工硬化严重，切削加工性非常差。机械加工难度大，在整个涡轮机加工中也是一个难点。而在整个涡轮盘的机械加工中，工作量最大、难度最高的是轮盘榫槽加工。因此本文主要是围绕在拉削涡轮盘榫槽这一工序过程中所使用的专用夹具为中心，研究了拉削涡轮盘榫槽的卧式拉床夹具的结构设计、调整和使用。1.3 现代机床夹具的发展方向机床夹具就是在机床上将工件进行定位、夹紧，将刀具进行导向的一种装置，其主要作用就是使工件相对与机床和刀具有一个正确的位置，并在加工过程中保持这个位置不变现代工业的一个显著特点是：新产品发展快，质量要求高，品种规格多，产品更新换代周期短。反映在机械工业上，多品种、小批量生产在生产类型比例中，占了很大比重。为了适应这一要求，必须做好生产技术准备工作，而机床夹具是这一工作的重要组成部分。现代机床夹具的发展方向主要表现在：1.标准化 完善的标准化，不仅指现有夹具零部件的标准化，而且对应各种类型夹具应有标准的结构。这样可以使夹具的设计、制造和装配工作简化，有利于缩短生产周期和降低成本。2.可调化、组合化 这样做可以扩大专用夹具的使用范围，改变以往工艺条件稍有变化就导致专用工装报废的现象，使夹具能重复利用。实行组合化的原则设计工装，用少量元件能满足多种要求。3.精密化 随着机械产品加工、装配精度日益提高，高精度机床大量涌现，势必要求机床夹具的精度也相应地越来越高。4.高效自动化 为了既改善劳动条件，实现文明生产，使所设计的工装更符合人机工程学原理，以提高生产效率，又能降低加工成本，对夹具提出高效自动化的要求，以便获得良好的经济效益。5.模块化 通过采用模块化设计，可以提高设计效率，缩短设计周期。1.4 现代制造业对夹具设计的基本要求1.稳定地保证工件的加工精度2.提高机械制造行业的劳动生产率3.结构简单、有良好的结构工艺性并且操作简便、能改善劳动条件4.应能降低产品的制造成本1.5 项目研究的方法、预期结果及意义该夹具主要用于拉削航空发动机涡轮盘上的榫槽，榫槽本身精度主要由拉刀设计、制造精度和拉削方法保证；榫槽的相对精度，如榫槽至中心控制尺寸、榫槽均布误差等就主要由该夹具来保证。因此在确定该夹具的设计方案时，首先对工序图进行分析，了解本工序需要保证的尺寸精度和位置精度。为了使所设计的夹具能够保证零件所要求的精度，必须对涡轮盘进行精确地定位和准确地分度。为了能够减轻劳动强度，提高劳动生产率，尽量缩短本工序的辅助时间，动力系统采用液压装置。此液压分度夹具与移动安装座的定位是靠移动安装座上的两个定位销，通过四个m20螺栓连接固定。零件安装到分度夹具上，用螺栓压紧；将拉刀按顺序放入拉刀盒中，拉刀盒通过刀柄与拉床主轴连接。通过采用合理的定位装置和分度机构，该夹具应该能够保证零件要求的尺寸和位置精度。涡轮盘是航空发动机上一个十分重要的零件，然而在整个涡轮盘的机械加工过程中，精度要求最高，难度最大就是涡轮盘上的榫槽的加工这一工序，因为榫槽必须要和叶片上的榫头相配合。它们之间的配合精度要求也是很高的。综以上分析，本道工序所要加工的涡轮盘榫槽对于整个发动机的质量和性能都有着十分重要的影响，所以本工序所专用的夹具的设计制造有着十分重要的意义。2 涡轮盘件榫槽的加工特点及工艺装备2.1 涡轮盘榫槽加工工艺的分析2.1.1 涡轮盘榫槽加工工序图的分析 涡轮盘是航空发动机上的典型的盘类零件，属于盘类件，在本道工序中主要的加工表面是形状为枞树形的榫槽面，榫槽是用于安装叶片的，较为复杂。数量为47个，均布于328的圆周，均布累积误差不大于0.127mm。榫槽的宽度尺寸、榫槽工作面至距涡轮盘中心的距离误差均在0.1mm以内，榫槽表面粗糙度要求ra1.6以上（图2-1）。2.1.2 零件毛坯种类、特点由于涡轮盘处于高速、高温（400800）的工作环境，对毛坯的材料也有特殊的要求，现在国内外常采用镍基合金，此涡轮盘83076967的毛坯所用的材料是aisi4340,相当于38grmnala,用这种合金粉末热等静压制成型，为了提高涡轮盘的疲劳强度，采用了在热等静压预成形后再等温锻造的技术。用这种材料和锻造技术成型的涡轮盘毛坯具有很高的强度和抗疲劳性能，并且材料的拉削性能比较好，最佳的拉削速度大概在22.5m/min。图21 涡轮盘零件工序图2.1.3 涡论盘的加工工艺路线分析周向榫槽常用精密车床、专用夹具、专用刀杆、成型刀片进行加工，而各种形状复杂的周向榫槽常用铣床铣削和拉床拉削来加工，由于枞树型榫槽结构不规则，形状复杂，而且表面粗糙度要求在ra1.6以上,若采用铣削加工，必须通过粗铣、半精铣、精铣三道工艺，才有可能使榫槽达到要求的表面粗糙度，并且劳动强度大效率低，加工精度难以保证，所以现在生产中已经很少采用了，拉削是一种高效率的金属切削工艺，用于加工多种形状的内、外表面，以及具有旋转运动的螺旋槽等。加工质量特点：精度较高，可以达到0.015mm,表面粗糙度可达到ra0.8。尺寸一致性好。特别适合加工精度高、表面质量好的成批和大量生产的零件。现已广泛用于航空发动机叶片榫头、涡轮盘、压气机盘等部件的加工，但必须配以专用的刀具、量具、及其它辅具。涡轮盘的加工工序如下表：表 21 零件工艺路线表序号工序内容定位基准所用设备1锻造毛坯2正火3车端面打中心孔外圆柱面卧式车床ca61404粗车各外圆、倒角端面、中心孔数控车床k31255钻69.525孔55.3圆柱面立式钻 床zj50256精车外圆、轮盘端面中心孔数控车床k31257滚花键中心孔滚齿机yn36168铣削枞树形槽端面、中心孔万能回转头升降台铣床x62259拉削枞树形槽95.25圆柱面及c面卧式拉床l612010磷化处理11检验1.5242.2 拉削方法及工艺装备的分析与选取2.2.1 拉削方法拉削按拉削速度分成两种：低速拉削和高速拉削。目前在航空零件上已愈来愈多采用高速拉削，主要是由于以下几个方面的原因：（1）在相同条件下，高速拉削的零件表面质量优于低速拉削的表面质量。有的材料如不锈钢等用低速拉削无法保证其表面质量，必须采用高速拉削。（2）高速拉削所用的拉床，其结构刚性好，滑枕行程长，选用拉削速度范围广，冷却润滑效果好。这样，不仅提高了生产率，而且大大降低了生产成本。（3）高速拉削的拉刀大都采用超硬型高速钢，如钼-钴和钨-钴类高速钢能在高温、高压及高速下长期工作。这样有利于实现拉削自动化，除了单机拉削自动化外，还可将单机-传送带-单机连成拉削自动线。高速拉削,一般是指拉削速度高于15-20m/min的拉削。由于在提高加工表面质量延长拉刀寿命等方面比低速拉削具有明显的优越性，因此现代拉削中多采用高速拉削。但是对于不同的零件材料，或即使相同的材料热处理工艺不同，也会影响拉削速度。实际生产中是通过试拉来确定具体零件材料高速拉削的速度。在较低的速度下拉削，拉削的表面质量还比较好，拉削速度不断提高，到一定速度后，拉削表面质量下降，甚至出现鳞刺，继续提高速度，拉削表面质量开始好转，到一定速度下，拉削面质量达到最佳，这时的速度就是这种材料的高速拉削速度。高速拉削一般可以提高盘类件的表面质量和生产率，但对于某些难加工材料的零件，只有在低速拉削时方能后的最佳拉削质量。如此涡轮盘83076967的毛坯所用的材料是aisi4340,相当于38grmnala，这种材料的最佳的拉削速度大概在22.5m/min。2.2.2 工艺装备拉削加工涡轮盘所用的工艺装备主要是有拉床、拉刀、量具等，涡轮盘上的榫槽自身的精度主要由合理的拉刀设计、制造精度和正确的拉削方法来保证；榫槽的相对精度，如榫槽至中心控制尺寸、榫槽均布误差、榫槽中心对称等，主要依靠夹具保证。1.拉床 考虑到现有的已知条件和前面所分析的该材料的涡轮盘的榫槽的最佳拉削速度情况，选用普通卧式拉床l6120（类似图22）。这种拉床主要用于拉削花键孔、平面和形状复杂的成型面等，生产效率高，适用于大量生产及成批生产。该机床采用液压传动，工作平稳，能无级调速，并有超负荷保险装置。机床具有自动循环、半自动循环和两种分段循环等四种工作循环，主要动作可单独点动调整，能满足各种生产场合的需要。机床由一个总按钮站操纵，操作方便。图 22l6120的性能参数：额定拉力：20吨 最大拉力：26吨主溜板行程长度：1600mm接送刀机构最大行程长度：620mm护送刀最大行程长度：850mm主溜板工作行程速度：1.511m/min主溜板返回行程速度：712m/min主传动用径向柱塞油泵：流量 300升/分 最大工作压力：10mpa主传动电机功率：22千瓦 主传动电机转速：970转/min机床的外形尺寸（长宽高）：6830mm1819mm1376mm2.拉刀 加工涡轮盘榫槽的拉刀为专用拉刀，拉床所用拉刀为分段组合形式，根据被拉削榫槽型面的要求，采用分段组合形式，共分9段。由每段拉刀分别担负一定的切削部分和切削量（如图23）。这些功能不同，长短不一的分段拉刀将被分为三组，分别定位夹紧在拉刀盒子内，成为完整的组合拉刀。图23 拉削榫槽的拉削余量分配图由于轮盘材质是38grmnala，加工性差，而且轮盘精度要求高，硬质合金刀具虽然在硬度、耐磨性和切削用量等方面优于高速钢，但其缺点很突出：不能承受较大的冲击力，强度低，只是高速钢的三分之一，热处理困难；整体硬质合金刀具制造困难，可加工性差，型线的铲磨必须用金刚石砂轮。普通高速钢由于在强度、硬度等方面性能指数低，不能采用，而粉末冶金高速钢如cpm-42，虽然韧性、硬度和可磨削性优于其它高速钢，但价格偏高，因此，也不采用。通过比较分析，拉刀材质通常选用m42(w2mo9cr4vco8)钴高速钢。有较高的淬透性，m42热处理后硬度可以达到67-69hrc，在加工中当温度提高至600-620时具有很高的红硬性，并具有很高的耐磨性，很高的强度及良好的工艺性能，缺点韧性较差、脱碳敏感性强，但是就综合性能而言，现在榫槽拉刀材质通常都选择m42。3.量具 为检验拉刀拉出的枞树形榫槽的尺寸精度，采用直径为1.524的标准量棒。拉削是大切削刃面，多齿强力切削过程，会产生大量切削热。加之切削过程中，加工面被进、出口处得刀齿包容，切削热不易被冷却液带走，故要求用大流量、大热容量的冷却润滑液进行强制冷却，以降低切削时的温升。3 涡轮盘分度夹具的结构设计3.1定位原理和定位机构1.定位原理工件在夹具中的定位就是要确定工件与夹具定位元件的相对位置，并通过导向元件和对刀元件来保证工件与刀具之间的相对位置，从而满足加工精度的要求。对单个工件而言，就是工件准确地占据由定位元件所规定的位置。要实现定位，必须将工件的有关表面靠近在夹具的定位元件上，工件的定位和用于定位的表面有很大的关系这些表面就是工件的定位基准，基准就是零件上的点、线、面，这些点、线、面是用来确定零件上的其他的点、线、面的。工件在没有采取定位措施以前，它在夹具中的位置是任意的，即对一个工件来说它的位置是不确定的，而对一批工件来说它们的位置是变动的。工件空间位置的这种不确定性可用自由度来描述，把工件看成直角坐标系oxyz中的一个刚体，在没有采取定位措施前，它有六个自由度，即沿x、y、 z轴的三个移动自由度和绕x、y、z轴的三个转动自由度，如图31所示。要使工件沿某一方向上有确定的位置，就必须限制它沿这个方向上的自由度，夹具中，限制工件自由度用定位支承点来实现，一个定位支承点限制一个自由度，通常用夹具上按一定要求布置的六个定位支承点与工件的定位基准相接触来限制工件的六个自由度，即六点定位原理。但是在工件实际定位时，所限制的自由度数少于按工序加工要求应予以限制的自由度数，则工件定位不足称为欠定位，欠定位往往会造成工件定位不确定、定位元件变形和工件装夹不好。如果几个定位支承点重复限制同一个或几个自由度，称为过定位，对于形状精度和位置精度很低的毛坯表面作为定位基准时，是不允许出现过定位的，这样会造成工件定位时的位置不确定。但是对于已加工过的工件表面或精度高的毛坯表面作为定位基准时，为了提高零件的稳定性和刚度，可以使用过定位。2.定位装置定位装置的作用是确定工件在夹具中的位置。定位元件通常采用平面、圆柱面、锥面等来实现工件的定位。工件定位时，只要将工件上定位基准与夹具上的定位表面互相接触，就可获得正确的位置，不需要任何的调整与找正。图31 零件的六个自由度3.2 定位基准的选取以及定位误差的分析3.2.1定位基准的选择和定位装置的设计涡轮盘83076967工艺尺寸图21，根据选择定位基准的基准重合原则和所选基准应保证定位稳定、便于夹紧的条件，选择涡轮盘c面和d轴作为定位基准。c面和d轴的自身尺寸公差(95-0.025mm和13.84mm)、 形状公差以及它们与涡轮盘原始基准a和b的形位公差要求都很严，所以由于基准不重合引起定基误差也相对很小。由于所要加工的涡轮盘的榫槽均不于328的圆周，故采用定位环与c面接触，大平面三点定位，限制了x轴上的移动、y、z轴上的转动共三个自由度，短定位套与秃台的d面配合，来限制x和y轴方向上的移动,共限制了五个自由度，属于不完全定位。3.2.2定位误差的分析和计算使用夹具时，造成表面位置的加工误差的因素可以归纳为以下三个方面：（1） 与工件在夹具中装夹有关的加工误差，称为工件装夹误差，其中包括工件在夹具中由于定位不准确所造成的加工误差即定位误差，以及在工件夹紧时由于工件和夹具变形所造成的加工误差夹紧误差。（2）与夹具相对刀具及切削成行运动和夹具变形所造成的加工误差，称为夹具的对订误差， 其中包括夹具相对刀具位置有关的加工误差,就是对刀误差，和夹具相对成形位置有关的加工误差夹具位置误差。（3）与加工过程有关的加工误差，称为过程误差。其中包括工艺系统的受力变形、热变形及磨损等因素所造成的加工误差。为了得到合格零件，必须使上述各项误差之和等于或小于规定零件的工序尺寸公差t，即 总t在夹具设计过程中，只考虑与夹具设计有关的定位方法所引起的定位误差对加工精度的影响，上式可以写成 ：d +t式中 d定位误差 除定位误差外，其他因素所引起的定位误差的总和一般取 d=（）t定位误差是有指由于定位不准而造成的某一工序尺寸（加工表面对工序基准的距离尺寸）或位置要求方面的加工误差。工件在夹具中的位置是有定位元件确定的，当工件上的定位基准一旦与夹具上的定位元件相接触或相配合，工件的位置也就确定了，但对一批工件来说，由于在各个工件的有关表面本身和它们之间在尺寸和位置上均存在着在公差范围内的差异，夹具定位元件本身和各定位元件之间也具有一定的尺寸和位置公差，因此工件虽然已经定位，但是每个被定位的工件的的某些表面都会存在自己的位置变动量，从而造成在工序尺寸和位置要求方面的加工误差。对于一批工件来说，刀具经调整后位置是不动的，即被加工表面的位置相对于定为基准是不变的，所以定位误差就是工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量。定位误差有两个方面组成，（1）定位基准和工序基准不一致所引起的定位误差，称为基准不重合误差，即工序基准相对定位基准在加工尺寸方向上的最大变动量，常用b来表示。（2）定位基准与定位元件本身的制造误差所引起的定位误差，称基准位置误差，既定为基准在加工尺寸方向上的最大变动量，用y来表示。所以 d = b + y 就是基准不重合误差和基准位置误差在加工尺寸方向上的代数和。分析零件图可知，本道工序需要保证尺寸的 ，如前面所述，在拉削涡轮盘上的榫槽时，采用短圆柱面即d面于定位套配合来限制在y、z轴上的移动自由度，所以定位基准就是短圆柱面（d面）的中心线即涡轮盘的中心线，而的工序尺寸是涡轮盘的中心线，因此不存在基准不重合误差，故 b=0基准位置误差 y = 式中 定位副间最小间隙配合（图25）定位孔直径公差 秃台外圆柱公差=0.005=0.035 =0.022y = =0.031图32 定位元件水平放置时的定位误差分析t=0.1,所以理论定位误差 d，即 d。由以上计算可知 d= b +y=0+0.031=0.031所以计算出的d在定位误差的范围之内，能满足该工序中涡轮盘榫槽加工要求。3.3夹紧装置的设计3.3.1夹紧方案的确定工件在机床或夹具中定位后还需要进行夹紧，将工件压紧、夹牢以保证在加工过程中不产生位移和振动，主要有动力源和夹紧机构两部分组成。夹紧机构的主要作用是接受和传递原始的作用力，使其变为夹紧力并执行夹紧任务。夹紧机构包括中间递力机构和夹紧元件，中间递力机构主要启到改变原始作用力的方向和大小的作用，而且还具有一定的自锁性能。 夹紧装置的设计和选用是否正确合理，对于保证加工精度，提高生产效率、减轻工人劳动强度有很大的影响。因此在夹紧装置的设计过程中主要考虑到以下几个方面的问题：（1） 在夹紧过程中应保持工件原有良好的定位，而不应破坏定位。（2）夹紧力可靠、适当。即要保证在加工过程中工件的位置不发生变动和振动，又不因夹紧力过大而使工件表面损伤、变形。（3）操作应该安全、方便、迅速和省力。（4）结构简单紧凑、便于制造，并有足够的强度和刚度。综合以上因素，由于涡轮盘要加工榫槽，外周不能用于夹紧，轴中心无通孔，所以只能利用轴向均匀的6个9.525+0.05 角向位置任意孔，采用螺纹夹紧。螺纹夹紧简单可靠，有自锁作用，也可以提供足够的夹紧力。涡轮盘榫槽加工工位多，更换拉刀次数多3次，一个涡轮盘榫槽的加工时间最短也得一天左右，所以克服了螺纹夹紧慢、辅助时间长的问题。由于涡轮盘自身用于穿螺栓的孔径为69.525，只能用六个m10的螺栓进行螺纹夹紧。但是在涡轮盘榫槽拉削过程中，涡轮盘所受的切削力大，为了增强夹紧力、提高夹具体刚性、减少切削力大对榫槽加工精度的影响，需要增加了三个液压压紧机构。3.3.2夹紧力的确定确定夹紧力主要是确定夹紧力的大小、方向和作用点，夹紧力的方向应该垂直于主要的定位表面。为使夹紧力有助于定位，工件应靠紧各支承点，并保证工件上各个定位基准与定位元件接触可靠。通常工件主要的定位基面的面积较大、精度较高，限制的自由度多，夹紧力垂直于此面，有利于保证工件的准确地定位。其次，夹紧力的方向应使工件夹紧后变形最小。因为工件在不同方向上的刚性不同，受压表面的接触变形不同，故夹紧力的方向应使得受压表面最好是与定位元件接触较大的定位基准。再次，夹紧力的方向应有利于减小夹紧力。 夹紧力的作用点就是指的夹紧元件相接触的一小块面积，夹紧力的作用点应能保持工件定位稳定，不至于引起工件产生位移或偏转，还必须使被夹紧工件的变形最小，并且应该尽量靠近切削部位，以提高夹紧的可靠性，如果切削部位的刚性不足可采用辅助支承。夹紧力的大小必须适当，夹紧力过小，工件在夹具中的位置可能在加工过程中产生变动，破坏原有定位。如果夹紧力过大，工件在夹具的位置可能在加工过程中产生较大的变形，直接会影响到加工的质量。在计算夹紧力的大小时，将此卧拉夹具看成一个刚性系统以简化计算，根据加工过程中工件所受的切削力、重力、惯性力、夹紧力等处于静力平衡的条件下，来计算理论的夹紧力。根据以上理论分析可知：在拉削涡轮盘榫槽时，夹紧力的方向应该垂直于主要的定位基面c，作用点应该在工件的圆周上，大小通过以下计算可得。在加工过程中涡轮盘处于相对静止的状态下，在水平方向上只受到切削力和夹紧力的作用，所以只要算出切削力，根据夹具处于静力平衡就可以计算出夹紧力。查刀具设计手册表6-16，最大切削力的经验公式：式中 刀齿单位切削力长度上的拉削力 每个刀齿切削刃的总长度 最大同时工作的齿数 、分别为前角、后角、刀齿锋利程度、切削液对拉削力影响的修正系数查刀具设计手册表6-48 齿升量 af=0.03,硬度在hbs197-229之间，取为169n/m。拉削的槽宽为6.241mm，拉削长度 故齿距： p=(1.251.9)=710 取p=8.，所以同时工作齿数 =3个。每个刀齿切削刃的总长度 =10mm.查刀具设计手册表6-49 =0.85、=1.0、=1.0、=1.13。所以 =4869.735n由于力的作用方向与涡轮盘的加工中心线成的夹角，可以分解为沿涡轮盘轴向的力t1和沿涡轮盘周向的力t2（图33）。t1=4217.314nt2=2434.868n其中t1作用于涡轮盘的一端，使涡轮盘产生一个翻转的力矩，为平衡这一个力矩为平衡此力矩，必须在另一端施加以一个和该力大小相等方向相反的力f1，并且f1 t1。t2会产生一个能够使涡轮盘旋转的力矩，这一力矩主要靠夹紧力通过压板作用在工件上所产生的摩擦力矩来平衡。夹紧力通过压板作用在工件上，实际所需要的夹紧力 wk= 式中 wk实际所需要的夹紧力 w由静力平衡算出的理论夹紧力k安全系数上式中基本安全系数取1.3 与加工性质有关的系数取1.0 刀具钝化度有关的系数取1.5 切削性质有关的系数取1.2 夹紧稳定性系数取1.0 手柄位置系数取1.0有力矩使工件旋转时工件与支承面的接触系数取1.0图33 涡轮盘受力分析图查机床夹具设计手册表1-2-1：取=1.0，=1.5，=1.2，=1.0，=1.0，=1.0所以 取k=2.5。通过以上计算可知：沿涡轮盘的中心线方向需要的夹紧力: w1= t1=10.543kn沿涡轮盘周向夹紧力 ： w2= t2=6.087 kn其中周向夹紧力主要有摩擦力提供，查机械零件设计手册表1.717两材料之间的摩擦因数为0.20.3，取，由，可得需要的正压力： 故所需要的总的夹紧力.3.4分度结构的设计3.4.1、分度方式选择分度装置是在机械加工中，每当加工完一个表面后，能使夹具连同工件转过一定角度或移动一段距离的装置，分度装置的工作精度主要取决于分度副的机构形式和制造精度。夹具常用的分度装置有孔盘式、侧面齿槽式、多边形分度盘式和标准分度台等多种形式。拉削用分度盘按分度原理，大致分为插销式、端齿盘式和蜗轮蜗杆式三种方式。插销式分度盘，一个分度盘只适用于同一型号的零件，需要数量多，经济性差，调整困难，分度精度低；蜗轮蜗杆式分度盘，可以在一定范围内任意分度槽数，但是需要更换分度夹具的配换齿轮和节圆盘，分度精度较高；端齿盘式分度盘，不同尺寸的盘件需要更换不同的端齿盘，通用性较差，分度夹具的分度、压紧、松开、定位等操作皆为液压、电气控制，分度精度很高。由于需加工的涡轮盘榫槽为47个，加工工位数量中等，均布累积误差不大于0.127,要求加工精度较高，不适用于常用插销式、蜗轮蜗杆式分度盘。经分析比较，决定采用端齿盘式分度盘。3.4.2端齿盘式分度盘的优点端齿盘式分度盘是采用端面三角齿相互啮合的方法来实现分度的。工作时以下端齿盘的全部齿作为定位装置，来对定上端齿盘的，各齿间的不等距误差可以正负抵消，使误差得到均化，分度精度显著提高，精度一般在左右，而且具有较好的精度保持性。端齿盘制造不是很复杂，端面三角齿经过精刨、研磨后，便可达到较高的精度。上、下端齿盘啮和后不仅能承受较大的切削力。 端齿盘另一个特点就是体积小，转动灵活，操作方便，两齿啮合时可以自锁，在拉削过程中不存在夹具体回转时的间隙问题，整个端齿盘分度装置成为一个刚性很好的整体。3.4.3端齿盘式分度盘设计涡轮盘83076967的外径尺寸为mm，在保证不干涉拉削的前提下，尽量增加啮合面积以提高加工精度，将端齿盘外径定为mm。查机床夹具设计手册第三版表1-8-5，取端齿盘的齿型角a=,端齿数定为47x3=141。如图34所示。端齿盘的尺寸计算如下：mm式中：d 端齿盘外径 z 端齿盘齿数 t 端齿盘大端齿形展开齿距h底h顶2.507mm式中：h底为端齿盘大端理论齿底高h顶为端齿盘大端理论齿顶高底顶=式中：底为端齿盘理论齿底线与节平线之间的夹角为理论齿底角顶为端齿盘理论齿顶线与节平线之间的夹角为理论齿顶角.端齿盘式分度盘的分度精度：相邻误差15；积累误差45；循环误差 7。图34 端齿盘零件图3.5分度装置的动力系统设计液压传动的惯性力小，结构紧凑，夹具刚性较高，工作平稳，液压油有一定的吸振能力，便于实现频繁的换向，而且能实现过载保护，操作简单便于实现自动化，系统工作时，工作介质可以自动润滑运动元件，有利于提高元件的使用寿命。需要加工的涡轮盘上共47处榫槽，在拉削加工时，上下端齿盘、夹紧装置等都要作多次往复运动动作，为了能够减轻劳动强度，提高劳动生产率，尽量缩短本工序的辅助时间，分度夹具的动力系统均采用液压装置。如图35所示。3.5.1端齿盘分合的动力系统设计 为尽量避免夹具结构庞大，使总体的结构紧凑、合理，才能更好地保证零件的加工精度。为使分度盘实现分开动作，如图35所示， 将下端齿盘与夹具底座(件42)连接固定；将上端齿盘与夹具的定位分度盘(件29)、转动轴(件9)连接固定。转动轴通过止推轴承与活塞(件10 )连接，活塞分别与端盖(件32)和夹具底座形成两个互不相通的独立腔体c和d，当它们分别进油时，可以使活塞带动转动轴作上、下运动。要使上、下端齿盘能够实现顺利地分合，活塞的工作行程应大于端齿盘的全齿高。由于此夹具用于卧式拉床上，工作时水平放置，在整个工作过程中都受到上端齿盘、工件、及夹紧、定位元件的重力所产生的弯曲力矩的作用，为尽量增加活塞杆的刚度。图35 夹具部分结构图查液压气动手册第二版表9-4，取活塞杆的直径为45mm,查表9-3，取油缸内径125，额定压力p=10mpa,考虑到该液压缸在工作过程中会间断性地转动，为了能够更好地实现这一动作，将此液压装置的设计成如下机构：取d1=65，d2=88，速比=v2/v1=查表9-6取速比=1.4.活塞抬起时的推力:返回时的作用力： 3.5.2分度回转机构动力设计为使端齿盘实现转动动作，在分度盘上设计了轴向均布的47个分度销(件1)，由液压推杆(件51)上的拨爪(件78)推动分度销，带动转动轴转动，其转过角度为一周的47分之一。当液压推杆回退时，拨爪被下一个分度销抬起，绕销轴(件52)转动；回退一定距离后，拨爪划过分度销，弹簧片回弹拨爪，拨爪插入下一个分度销之后，等待下一次动作。调整分度销直径大小、拨爪推动分度销力的角度、推杆行程范围与拨爪的长短，使其停留位置准确。如图37所示： 图36 分度液压缸结构图分度盘上共47个分度销，取分度销直径为7mm,为防止分度盘、端齿盘、分度销、拨爪之间产生干涉，取分度销的均布直径为276mm，两分度销之间的夹角.，考虑到夹具体上个机构布置合理的问题，将该机构的拨爪放于第21个分度销上，如图38所示:可以求出： b=78 52 75 47 51f1 f2v1 v2图37 回转结构图图38 分度销位置示意图两分度销之间的距离 mm液压缸的工作行程l0l.取l0=35mm。查液压气动手册第二版表9-2，额定压力p=10mpa，取液压缸内径32mm,活塞杆直径20。推出时的推力 ： 返回时的推力：3.5.3辅助夹紧装置液压缸的设计查液压气动手册第二版表9-2，额定压力p=10mpa，取液压缸内径50mm,活塞杆直径22。该机构通过活塞杆带动压板，把夹紧力直接作用于工件上，其行程必须大于端齿盘分合液压缸的行程，并且保证当端齿盘分合液压缸将工件完全抬起时，压板能够彻底和工件分开，取l=30mm。为了便于拉削前工件的安装，将压板设计成能够饶活塞旋转的结构，避免了装夹工件时和工件产生干涉。图39 夹紧液压缸结构图速比： =v2/v1=a1/a2=1.64 在以上各式中：无杆侧的有效面积 有杆侧的有效面积活塞伸出速度 活塞返回速度推出时的推力 返回时的推力3.6夹具辅助机构设计3.6.1、转动刹车机构分度时，液压推杆推动分度销，带动夹具转动轴转动，液压推杆到行程顶点停止动作，而转动轴由于惯性将继续转动。无法有效地控制其停止在分度所需的角度上。为了解决这一问题，在转动轴转动方向上，设计了弹性楔块，当分度盘通过分度销作用于楔块上的力在沿楔块方向的分力大于弹簧的作用力时，分度销推动楔块滑动，分度盘继续转动，完成分度。分度完成后，楔块在弹簧力的作用下能够有效地挡住分度销，防止分度盘由于惯性力继续转动，使端齿盘停止在正确的分度所需要的角度上。3.6.2、分度指示机构由于涡轮盘榫槽数为47个，数量较多，而且拉削不是一次完成，有七、八把拉刀分3次去余量，一个涡轮盘榫槽加工多次方可完成。为防止夹具分度出现误操作，产生废品，造成经济损失，所以增加了一个分度指示杠杆。当分完度以后，转动轴下降，下一个分度销与杠杆指针接触,如图六所示，显示分度正确，提示工人继续进行榫槽拉削。图310转动刹车机构图 图311分度指示机构图3.7主要零件设计要点1.夹具底座夹具底座比较大，形状复杂，要求精度高，加工比较困难，选用铸铁材料20-40。因为铸铁可以研磨角度面，达到要求精度；铸铁材料的刚性比较好，还可以吸收拉削过程中产生的震动。为避免拉削过程中遇到底座上夹渣、异物、硬点而磨损和崩刀，在相应的拉削部位铣削出大于榫槽宽度及移动安装座移动距离的梯形槽。2 分度盘为了夹具加工方便，将分度盘作成两层，组装后调整定位面回转中心到底面距离，易于保证图纸要求。此次加工的涡轮盘直径比较小，榫槽多，拉削加工后分度盘定位面较小。为了尽量减少刀具的磨损，分度盘材料选用45,调质hrc28-32,低于加工零件硬度；并事先铣出不超过涡轮盘榫槽中值的槽宽。先铣出榫槽，分度盘加工榫槽位置与分度销底孔位置之间有着比较严格的角向关系。必须计算准确，以免槽偏，拉刀单侧拉削，反而对拉刀有不利影响。3.8主要尺寸计算1.夹具回转中心距底座定位销距离夹具回转中心距底座定位销距离理论值h（如图312）h=h1-l1-l2-l3 =285.43-30-61.5-154.51=39.42mm式中：l3涡轮盘榫槽工作面至涡轮盘中心距离尺寸中值 h1底座定位销至导轨端面距离 l1拉刀盒上、下两定位面间的距离l2最后一把拉刀设计高度尺寸夹具回转中心距底座定位销距离h的实际值，还受到以上各尺以及底座定位销直径尺寸、分度夹具定位套直径尺寸、底座与夹具制造误差、长期使用实际磨损程度等因素影响。为避免出现加工出的涡轮盘榫槽工作面至涡轮盘中心距离尺寸偏小，无法调整的情况出现，设计时特意将夹具回转中心距底座定位销的距离减小了0.2mm，使h值为39.22mm，以便可以微调。图312 尺寸计算示意图2.夹具回转中心与拉刀中心的关系计算通用底座由固定在拉床l6120上的支座和移动安装座组成。支座的角度为15；移动安装座上有两个相距3400.01的定位销，与拉床分度夹具相配。涡轮盘加工中心与涡轮盘定位端面的距离为13.840.12。由于所需加工的涡轮盘榫槽倾角为30，分度夹具底座还需倾斜15。由于机构安排等原因，需取涡轮盘加工中心与定位面的距离为187mm。为保证涡轮盘涡轮盘加工中心在拉床的拉刀中心线上，则可计算出分度夹具定位端面中心点至分度夹具底座面的距离h值和分度夹具回转中心与定位销的水平距离l值（如图313所示）。h=187-13.84con15=173.631mml=170+(187-145.5)tg15+187tg15=231.226mm 图313 尺寸计算示意图4 分度夹具使用和调整4.1分度夹具使用4.1.1加工准备液压分度夹具与移动安装座的定位是靠移动安装座上的两个定位销，通过四个m20螺栓连接固定。由于所加工的涡轮盘直径小，拉刀设计高度低，分度夹具回转中心下降高度大，分度夹具结构主要集中移动安装座的下部，原安装座的一个螺纹孔无法使用，需要按设计图纸位置补充加工。零件安装到分度夹具上，用螺栓压紧；将拉刀按顺序放入拉刀盒中，拉刀盒通过刀柄与拉床主轴连接好。4.1.2控制过程如图35，图37所示，首先是三个辅助夹紧液压缸的b油口进油，压板下降，辅助夹紧涡轮盘，启动机床进行拉削。拉削完一个榫槽后，拉床主轴后侧限位开关启动，液压系统换向，a油口进油松开涡轮盘，同时c腔进油，活塞带动转动轴抬起，到活塞与底座压紧，上下端齿盘完全分开。此时安装座左移，碰到床身左侧限位开关， e腔进油，拨爪前行，推动分度销，由弹性楔块机构克服转动轴的分度惯性，转动轴转过一个分度销（三个端齿角度），初步分度结束，同时拉床主轴带动拉刀快速退回工作位置，拉床主轴前侧限位开关启动。由于其分度精度由端齿盘最终控制，液压拨爪和弹性楔块与分度销之间均留有一定的回转间隙余量，保证端齿盘完全啮合，无干涉。4.1.3拉削试料及试件盘类件榫槽在正式拉削之前，需要在试件上拉削榫槽，将所有尺寸调整合格后，才能正式拉削涡轮盘榫槽。1、试料加工及检验要求试料材料与涡轮盘材料相同，试料厚度与涡轮盘榫槽长度相同，主要用于检查榫槽槽形，材料大小都可以。加工时，用试料夹具垫平试料，使其端面与拉刀中心垂直，拉削试料，加工出直榫槽。检查涡轮盘枞树形榫槽槽形，选用50倍投影仪。投影前需要用汽油清洗、擦干试料榫槽，使影像清晰。投影板上的影像是反映盘件于光线出口的形状；为避免拉削毛刺影响投影效果，在拉削要投影检查的试料榫槽时，使拉刀进入面为投影光线出口面即成像面。涡轮盘槽形放大图一般是槽形最大最小极限偏差的公差带图形，贴其到投影板上。将试件榫槽槽形也投影到投影板上，直观检查槽形与放大图上公差带范围进行比较，用工作台水平或垂直移动使槽形影象与放大图线条重合。检查榫槽型面是否符合图纸给定的公差带，是修整拉刀的依据。2、试件加工与检验在正式拉削涡轮盘榫槽前，除拉削试料之外，还需要拉削试件。试件外圆尺寸与正式件相同，材料可以与正式件不同。将转接件榫头部分插入试件的榫槽内，使其与试件的榫槽工作面相配合，定位并夹紧，在综合量具上检查。根据检查结果调整榫槽径向尺寸。4.2分度夹具调整和提高榫槽精度的方法4.2.1调整径向尺寸拉削涡轮盘试件多个接近对点榫槽，如果实际测得榫槽工作面径向尺寸比理论中值偏大，假设偏大0.25mm。分析产生的原因：如前面设计计算时的分析，该尺寸受底座、拉刀盒、拉刀、夹具的实际制造尺寸、磨损情况等因素影响，无法给出准确数值。 调整方法：拆下夹具的两个定位套，根据测得的实际数值，将定位套内径尺寸同时磨大0.5mm，重新压装上。 由于夹具自重的因素影响，夹具两个定位套与底座定位销的上端母线接触定位，则夹具中心竖直方向下降0.25mm，水平方向保持不变，从而达到调整的要求，实现微调。 调整夹具后,再拉削试件大致均布的四个槽，经检验合格后方可加工正式件。4.2.2调整分度在涡轮盘榫槽拉床夹具分度过程中，出现过上下端齿盘啮合错位现象。在夹具设计的过程中，已经充分考虑各种因素，避免此类现象的出现。首先是液压拨爪与分度销实际理论位置留有0.5-1mm的余量，这既是为转动轴留的惯性转角，也是防止拨爪卡住上下端齿盘啮合自动回调间隙。其次在弹性楔块直边与定位销之间也留有0.2-0.4mm的余量，这主要是为上下端齿盘啮合留有回调间隙。产生原因：拉床夹具分度时，上下端齿盘分开，上端齿盘一次分度过3个齿，而每次端齿盘转过角度是由液压杆推力大小、液压杆停止作用位置、夹具转动惯性、楔型块阻力大小共同作用决定的。4.2.3 提高榫槽粗糙度方法在实际加工中，发现涡轮盘榫槽表面粗糙度达不到所要求的ra1.6m。为提高加工质量，从整个工艺系统采取了多方面的积极措施。1、拉刀制造中采用整形铲齿背工艺代替原磨后角的方法，保证刀齿沿整个切削刃的轮廓上都有同样的顶部后角值，可以提高榫槽尺寸精度和表面质量，减少刀具磨损。2、在拉刀设计中，粗拉刀按渐切式方法设计，精拉刀采用分段成型式方法设计，整个型面圆滑过度。在精拉成型拉刀上设计有2-5个几何参数尺寸完全相同的校正齿，用以消除盘类件弹性变形引起的型面尺寸收缩。5 经济性与资源分析经济性是机械产品的一个重要指标之一，在产品产品的整个生命周期内，包括原材料制备、设计、制造、包装、运输、使用、回收或再生过程，都应该始终贯彻经济性原则，尽量地节约能源和资源，降低生产成本，提高劳动省生产率。在该夹具的设计过程中，在满足夹具使用要求的前提下，充分地考虑了夹具的经济性，利用了现有的资源，主要体现在以下几个方面。（1）合理地选择了各部分零件的材料，充分地发挥了它们的性能。以不至于大材小用，造成材料的浪费。如夹具底座比较大，形状复杂，要求精度高，加工比较困难，选用铸铁材料20-40。因为铸铁可以研磨角度面，达到要求精度；铸铁材料的刚性比较好，还可以吸收拉削过程中产生的震动。分度销主要承受剪切力，所以材料选用40cr，热处理hrc33-38,韧性好。（2）夹具整体结构尽量紧凑、合理。为保障零件的加工精度，提高生产效率，在夹具上设计了很多辅助机构，在夹具的设计过程中，对这些辅助机构作了合理的布局，把它们放在合理的位置，避免了整个夹具的体积庞大，造成资源的浪费。并且该夹具的分度和夹紧机构均采用了液压机构，有行程开关控制，降低了工人的劳动强度，提高了生产率，而且便于实现自动化。6 结论由于涡轮盘是航空发动机上一个非常重要的零件，而且处于高温、高压、高速的工作环境下，这必然对它的材料、毛坯制造方法、热处理工艺、加工制造工艺等都有十分严格的要求，这些都是为了保障零件能够有足够的强度、刚度、硬度，尺寸精度、位置精度等，以工作环境的要求。 此课题主要是为能够顺利完成在