基于cad技术的齿轮泵油槽仿形加工结构设计夹具设计和工艺设计大学论文.docx

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基于cad技术的齿轮泵油槽仿形加工结构设计夹具设计和工艺设计大学论文

淮阴工学院

毕业设计说明书（论文）

作者:

学号：

学院:

机械工程学院

专业:

机械设计制造及其自动化

题目:

基于CAD技术的齿轮泵油槽仿形加工结构设计

------夹具设计和工艺设计

指导者：

评阅者：

2015

年

6

月

毕业设计说明书（论文）中文摘要

齿轮泵是机械加工业常用装备之一，具有品种多、批量小、更新换代快的特点。

正是因为其特点，为了克服其过去设计计算复杂，绘图量大等设计缺陷，缩短夹具设计周期，本课题将针对齿轮泵油槽仿形之夹具部分进行分析设计，包括选择设计出夹具的各个组成部件，如定位元件、夹紧元件、引导元件、夹具体与机床的连接件等等。

通过分析夹具结构的合理性和不足再进行进一步改善，最后采取计算机辅助制造技术对该夹具部分进行三维造型，并生成二维图纸。

在零件结构分析的基础上设计出合理的毛坯结构，然后选择合理的加工基准，最后设计出壳体油槽的加工工艺路线，从而完成夹具设计以及工艺设计。

关键词计算机辅助设计（CAD），齿轮泵，夹具设计，工艺设计

毕业设计说明书（论文）外文摘要

TitleThedesigningofgearpumpsumpprofilingstructureprocessing

basedoncomputeraideddesign

Abstract

The gear pump is the main equipment in mechanical processing industry.Ithasthefeaturesofmorevariety,smallbatch,fastupdating,etc.Anditisexactlythereasonwhyweneedtoovercomethedesigndefectsofcomplexdesignandcalculationandenormousplotting,andshortentheperiodoffixturedesigning.Thispaperwillfocusonanalyzinganddesigningthefixturepartofthegearpumpsumpprofiling,whichincludesthedesignofthepartsofthefixturesuchaslocatingelement,clampingelement,guidingelement,connectingpieceoftheclamppartandthemachinetool,andsoon;thefurtherimprovementthroughanalyzingtherationalizationanddeficiencyoftheclampingstructure;thethree-dimensionmodelingandtwo-dimensiondrawingofthefixturebydesigningthecomputeraideddesign.Completethefixtureandthetechnologydesignbydesigningtherationalbilletstructurebasdedontheanalysisofpartstructural,choosingthereasonableprocessingbenchmarksandworkingouttheprocessingcraftrouteofpumpcasesump.

Keywordscomputeraideddesign（CAD）,thegearpump,thedesigningofthefixture,thedesigningofthetechnology

目录

1引言1

1.1课题来源及背景1

2CAD技术概况2

2.1CAD技术发展过程2

2.2CAD技术发展趋势2

2.3机械CAD技术应用2

3齿轮泵3

3.1齿轮泵的现状和发展前景3

4夹具设计4

4.1设计夹具的目的和分类4

4.2夹具的基本组成5

4.3工件的装夹方式5

4.4基准及其分类6

4.5工件的定位7

4.6夹紧装置的组成和设计要求8

4.7夹具的发展趋势9

4.8本课题夹具设计9

4.8.1问题的提出9

4.8.2定位方法及定位元件的选用9

4.8.3定位误差分析与计算10

4.8.4夹紧装置设计和夹紧力的计算11

4.8.5夹具总体设计方案和元件的选用12

5齿轮泵壳体的加工工艺14

5.1齿轮泵壳体的结构性分析14

5.2齿轮泵壳体的工艺性分析15

5.3毛坯的设计和选择16

5.4定位基准的选择17

5.5加工工艺路线的制定18

结论19

致谢20

参考文献21

附录A机械加工工艺卡···················································22

1引言

1.1课题来源及背景

齿轮泵具有结构简单紧凑、体积小、质量轻、工艺性好、价格便宜、自吸力强、对油液污染不敏感、转速范围大、能耐冲击性负载，维护方便、工作可靠等等优点，这些优点使得齿轮泵在液压动力传动和流体运输等领域占有不可替代的地位。

其简单的结构和原理让齿轮泵在其他众多方面得到广泛的应用，同时这也要求齿轮泵要适应不同的工作环境，而这也恰好造就了齿轮泵的多样性，齿轮泵发展到如今，它已具有让人数不胜数的型号分类，如外啮合齿轮泵、内啮合齿轮泵；单联齿轮泵、双联齿轮泵；渐开线齿轮泵、圆弧齿轮泵等等，型号多样性必然决定了设计多样性，因此针对多变复杂的齿轮泵家族，我们现在的研究设计手段不能再是以前的手工绘图、人工计算等效率较低的方法了，鉴于现今流行的计算机辅助设计（CAD）计算机辅助制造（CAM）以及计算机辅助工程（CAE）技术，我们再也按捺不住想要试试用计算机来帮助我们进行有关齿轮泵的相关方面如油槽夹具的设计。

我们在大学期间有经历过机械设计课程设计，那时候老师要求我们用手工方法绘制减速器的装配结构图，想想是很恐怖的事，我们花了几周的时间手工绘图，然而绘图质量并不如意，花了大把时间而成果却少的可怜，因此我接下来将要用三维软件来完成齿轮泵油槽仿形加工夹具部分的设计和造型，绘制的装配图以及零件图。

现如今机床夹具发展也是非常迅速，其中通用夹具使用最为广泛，而且这些夹具都有标准化的尺寸规则，并且有专门的工厂批量生产，但专门为某种零件加工服务的专用夹具则需要各制造厂根据加工工艺自行设计制造，因此要求我们要掌握一定的夹具设计基础知识。

对于一个零件的加工，不同的加工工序和加工工艺会得到不同质量和精度的零件，因此对于加工工艺的安排和设计也是一门需要研究的学问。

设计出合理的、高效的、高质量的工艺路线是我们最终的目的，这对于零件的加工是非常重要的。

本课题不仅能培养我们自学和创新的能力，更能发挥我们综合运用不同学科知识解决问题的创造力，这是对我们综合能力的考验和考核。

综合运用机械制图、夹具设计及工艺设计等方面的知识是完成本设计的关键。

2CAD技术概况

2.1CAD技术发展过程

在CAD软件发展初期，CAD的含义仅仅是图板的替代品，即：

意指ComputerAidedDrawing（orDrafting）而非现在我们经常讨论的CAD（ComputerAidedDesign）所包含的全部内容。

CAD技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到70年代末期，以后作为CAD技术的一个分支而相对单独、平稳地发展。

早期应用较为广泛的是CADAM软件，近十年来占据绘图市场主导地位的是Autodesk公司的AutoCAD软件。

在今天中国的CAD用户特别是初期CAD用户中，二维绘图仍然占有相当大的比重。

从其发展历程可分为以下四个阶段：

一．第一次CAD技术革命──贵族化的曲面造型系统 

二．第二次CAD技术革命──生不逢时的实体造型技术

三．第三次CAD技术革命——一鸣惊人的参数化技术

四．第四次CAD技术革命─更上层楼的变量化技术

CAD技术基础理论的每次重大进展，无一不带动了CAD/CAM/CAE整体技术的提高以及制造手段的更新。

技术发展，永无止境。

没有一种技术是常青树，CAD技术一直处于不断的发展与探索之中。

正是这种此消彼长的互动与交替，造就了今天CAD技术的兴旺与繁荣，促进了工业的高速发展。

今天，越来越多的人认识到CAD是一种巨大的生产力，不断加入到用户行列之中。

愿CAD技术的发展伴随着人们对它认识及应用水平的提高，日新月异，更上层楼。

而学好CAD是我们以后研究发展的必备手段，是我们与时俱进的基本素质。

2.2CAD技术发展趋势

CAD技术作为较成熟的技术已在企事业中得到广泛的应用，并已成为企业的现实生产力。

围绕企业创新设计能力的提高和网络计算环境的普及和应用，CAD技术的发展趋势将主要围绕在标准化、开放式、集成式、智能化、网络化五个方面。

而现今流行的词汇CIMS（计算机集成制造系统）正是许多工业发达国家CAD技术发展最直接的目标，估计不久的将来就可以实现。

2.3机械CAD技术应用

CAD/CAM（计算机辅助设计与制造）技术产生于20世纪50年代后期发达国家的航空和军事工业中。

随着计算机技术和信息技术的发展，CAD/CAM技术在全球迅速普及开来。

对制造业来说，CAD/CAM是提高产品设计品质和制造品质、缩短产品开发周期，降低产品开发成本的强有力手段，已成为企业赢得市场的制胜法宝。

自从CAD技术进入机械行业，其优点：

1）符合人的思维过程

2）缩短了机械设计周期

3）零件设计和修改非常方便

4）提高了机械产品的技术含量和质量，带动了机械的飞速发展。

3齿轮泵

3.1齿轮泵的现状和发展前景

齿轮泵的工作原理：

齿轮泵是依靠泵缸与啮合齿轮间所形成的工作容积变化和移动来输送液体或使之增压的回转泵。

由两个齿轮、泵体与前后盖组成两个封闭空间，当齿轮转动时，齿轮脱开侧的空间的体积从小变大，形成真空，将液体吸入，齿轮啮合侧的空间的体积从大变小，而将液体挤入管路中去。

吸入腔与排出腔是靠两个齿轮的啮合线来隔开的。

齿轮泵的排出口的压力完全取决于泵出口处阻力的大小。

图3.1为齿轮泵的工作原理图，如下所示：

图3.1外啮合齿轮泵工作原理图

齿轮泵工作优缺点：

优点：

结构简单紧凑、体积小、质量轻、工艺性好、价格便宜、自吸力强、对油液污染不敏感、转速范围大、能耐冲击性负载，维护方便、工作可靠。

缺点：

径向力不平衡、流动脉动大、噪声大、效率低，零件的互换性差，磨损后不易修复，不能做变量泵用。

由于齿轮泵在液压传动系统中的表现的显著性能以及广泛的应用，因此，它吸引了大量的学者对其进行研究和专研。

目前，国内外关于齿轮泵的研究主要集中在以下方面：

（1）齿轮泵间隙优化及补偿技术

（2）困油冲击及卸荷措施

（3）齿轮泵的寿命及其影响因素研究

（4）水介质齿轮泵基础理论研究

针对提高工作压力带来的轴承寿命缩减和泵泄漏加剧问题，国内研究如下：

（1）对齿轮泵的径向间隙进行补偿

（2）减小齿轮泵的径向液压力,如优化齿轮参数、缩小排液口尺寸等;

（3）提高轴承承载能力

齿轮泵未来的发展方向：

高压化　低流量脉动低噪声　大排量　变排量等。

4夹具设计

4.1设计夹具的目的和分类

在机械制造领域的诸多加工和处理过程中，使用着大量的夹具。

所谓就是用来定位和夹紧加工对象的装置。

在机械制造中采用大量的夹具，机床夹具就是其中一种。

它装在床体上，使工件相对刀具与机床保持正确的相对位置，并能承受切削力的作用。

机床夹具的作用主要有以下几个方面：

较容易和稳定地保证加工精度，因为用夹具装夹工件时，工件相对机床的位置是由夹具来保证的，基本不受加工人员技术影响，故能保证装夹精度进而保证加工精度；能提高劳动生产率，采用夹具后，工件不需要划线找正，装夹也方便迅速，显著地减少了辅助工时，提高了效率；扩大了机床的适用范围，使用专用夹具可以改变机床的用途，扩大其使用范围；最后对夹具的使用可以改善劳动条件、保证生产安全，使用夹具后可以大大地减轻工人的劳动强度、改善劳动条件，降低对工人操作技术水平的要求，保证安全。

机床夹具的种类和形式很多，可以按照不同的方法分类。

若依据夹具的使用特点来分，则有通用夹具（其中典型的有三爪卡盘，如图4.1三爪卡盘）、专用夹具（如图4.2轴套加工专用夹具图）、组合夹具、通用可调整夹具和成组夹具等。

若按照使用夹具的机床类型分类，则为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、磨床夹具、齿轮加工机床夹具、组合机床夹具等。

若按夹具夹紧动力源的不同来划分，则有手动夹具、气动夹具、液压夹具、气压夹具、电动夹具、电磁夹具和真空夹具等。

图4.1三爪卡盘图4.2轴套加工专用夹具

夹具设计的基本要求：

机床夹具设计是工艺装备设计的重要组成部分。

设计的夹具应能够达到可靠的保证零件的加工质量；生产效率高；结构工艺性好、便于制造和维护；成本低；操作方便、安全、省心和排屑方便。

4.2夹具的基本组成

夹具组成部分：

1、定位原件及定位装置。

它与工件的定位基准相接触，用于确定工件在夹具中的正确位置，从而保证加工时工件相对刀具和机床加工运动间的相对正确位置。

2、夹紧装置。

用于夹紧工件，在切削时使工件在夹具中保持既定的位置。

3、对刀与导引元件。

这些元件的作用是保证工件与刀具之间的正确位置。

4、夹具体。

用于连接或固定夹具上各元件及装置，使其成为一个整体的基础件。

它与机床有关部件进行相连定位，使夹具相对机床具有确定的位置。

5、其他原件及装置。

有些夹具根据工件的加工要求，要有分度机构，铣床夹具还要有定位键等

4.3工件的装夹方式

工件在机床上的装夹方式有以下三种方法：

1.直接找正法

在机床上根据工件上有关基准直接找正工件，使工件获得加工的正确未知的方法。

直接找正法的定位精度和工作效率，取决于被找工件表面的精度、找正方法和所用工具及工人的技术水平。

此法多用于单件小批生产和精度要求特别高的场合。

2.划线找正法

在机床上按毛坯或工件上所划线找正工件，使工件获得正确位置的方法。

此法由于受到划线精度的限制，定位精度比较低，多用于单件小批量生产、毛坯精度较低以及大型零件等不使用的粗加工中。

3.用夹具装夹

即通过夹具上的定位元件使工件相对于刀具及机床获得正确位置的方法。

此法使工件定位迅速方便，定位精度较高，广泛用于成批和大量生产。

上述用于装夹工件的方法有以下几个特点：

工件在夹具中的定位，是通过工件上的定位基准与夹具上的定位元件相接触而实现的。

由于夹具预先在机床上已调整好位置，因此，工件通过夹具相对于机床也就有了正确的位置。

通过夹具上对刀装置，保证了工件加工表面相对于刀具的正确位置。

4.4基准及其分类

机器零件是由若干个表面组成的。

这些表面之间的相对位置关心包括两方面的要求：

表面间的位置尺寸精度和相对位置精度。

研究零件表面的相对位置关系，是离不开基准的。

不明确基准就不无法确定表面的位置。

基准是用来确定生产对象上几何要素的几何关系所依据的那些点、线、面。

根据基准的不同功能，基准分为设计基准和工艺基准两大类。

1.设计基准

在零件图样上所采用的基准，称为设计基准。

2.工艺基准

零件在工艺过程中所采用的基准，称为工艺基准。

工艺基准按用途不同，又分为装配基准、测量基准、工序基准和定位基准。

（1）装配基准

装配时用以确定零件在部件或产品中的位置的基准，称为装配基准

（2）测量基准

测量时用以检验已加工表面尺寸几何位置的基准，称为测量基准

（3）工序基准

在加工工序中，用以确定本工序被加工表面加工后的尺寸、形状及位置的基准，称为工序基准。

（4）定位基准

工件定位时所采用的基准，称为定位基准。

需要说明的是，作为基准的点、线、面在工件上并不一定具体存在。

如轴心线、对称面等，它们是由某些具体表面来体现的。

用以体现基准的表面称为定位基准。

4.5工件的定位

工件定位的基本原理：

工件装夹在机床上必须使工件相对于刀具和机床处于正确的加工位置，它包括工件在夹具的定位、夹具在机床上的安装以及夹具相对于刀具和整个工艺系统的调整等工作过程。

明确夹具在机床的位置，即定位是极为重要的。

定位中我们最常用到的就是六点定位原理，定位就是限制自由度。

通常是用支承点限制工件的一个自由度，用合理设置的六个支承点，限制工件的六个自由度，使工件在夹具中的位置完全确定，这就是工件定位的“六点定位原则”，如图4.3.

图4.3六点定位原理图

工件定位中可能出现以下情况

1.完全定位

六个支承点限制了工件的全部自由度

2.不完全定位

根据工件的加工要求，并不需要限制工件的全部自由度，这样的定位称为不完全定位

3.欠定位

根据工件的加工要求，应该限制的自由度没有被限制的定位，称为欠定位。

欠定位无法保证加工要求和精度，是绝对不允许的。

4.过定位

夹具上两个或两个以上的定位元件，重复限制工件的同一个自由度或几个自由度的现象，称为过定位。

过定位中常出现干涉现象。

应尽量避免。

而解决过定位引起的干涉一般有两种方法：

一种是提高定位基准之间已经定位元件工件表面之间的位置精度；另一种是改变定位元件的结构，使定位元件在重复限制自由度的部分不起定位作用。

常用定位方式及定位元件

定位方式和定位元件的选择包括选择定位元件的结构、形状、尺寸及布置形式等，他们主要取决于工件的加工要求和外力作用等因素。

工件上常被选作定位基准的表面有平面、圆柱面、面锥面、成型面以及它们的组合。

平面定位主要用支承元件来限制自由度，起定位作用，包括支承板、调节支承、自位支承、辅助支承等；工件以圆柱面定位，主要用定位销定位包括圆柱销、圆锥销、定位心轴等；工件以外圆柱面定位元件主要为V型块、圆孔等等。

4.6夹紧装置的组成和设计要求

夹紧装置一般由力源装置、中间传力机构、夹紧元件与夹紧机构所组成，手动压紧装置的夹紧机构则由传力机构和夹紧元件所组成。

设计夹紧装置时，一般应满足以下基本要求：

1）夹紧过程中不改变工件定位时所占据的正确位置。

2）夹紧力的大小适当，既要保证加工过程中工件不会产生位移和振动，又要使工件不产生不允许的变形和损伤。

3）夹紧装置的自动化程度应当与工件的生产批量相适应。

4）结构要简单，力求体积小、质量轻、并有足够的强度；工艺性好便于制造和维修。

5）使用性能好，操作方便、省力、安全可靠。

夹紧装置的主要类型有斜楔夹紧机构、螺旋夹紧机构、偏心夹紧机构、端面凸轮夹紧机构、绞链夹紧机构、联动夹紧机构等等，本夹具设计方案考虑成本和机构简单等方面决定采用螺旋夹紧更为简单实用，螺旋加紧机构具有结构简单、通用性好、加紧可靠、増比力大、行程不受限制等优点，在夹具中得到广泛的使用，其主要缺点是夹紧和松开较为费力费时，但是本此设计由于夹紧力较小，故对加工生产影响不大。

夹紧装置夹紧力的确定

计算夹紧力时，通常将夹具和工件看成是一个刚性系统。

根据工件所受的切削力、夹紧力（大型工件应考虑重力、惯性力等）的作用状况，找出在加工中对夹紧最不利的状态，按静力平衡原理计算出理论夹紧力，再乘以安全系数作为实际所需夹紧力。

即

WK=W×K

式中：

Wk—实际所需夹紧力（N）

W—理论夹紧力（N）

K—安全系数

安全系数K可按下式计算

K=K0K1K2K3K4K5K6

式中K0～K6为各种因素的安全系数，具体可查表，以上夹紧力校核见徐鸿本主编的《机床夹具设计手册》第二章夹紧装置设计30页螺旋夹紧机构。

4.7夹具的发展趋势

夹具是机械加工不可缺少的部件，在机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展的带动下，夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济方向发展。

高精随着机床加工精度的提高；高效为了提高机床的生产效率；模块、组合夹具元件模块化是实现组合化的基础；通用、经济夹具的通用性直接影响其经济性。

当然也有其他的说法，现代机床夹具的发展方向主要表现为标准化、精密化、高效化和柔性化等四个方面，这里就不展开说明了。

4.8本课题夹具设计

4.8.1问题的提出

由于数控机床对小型的企业来说成本过高，而老式机床（这里是指仿形机床）的价格相对便宜，因此对于结构简单精度要求不高的零件我们可以采用普通机床来加工，选用普通机床，如果选用通用夹具不仅会增加成本而且不一定达到预期的夹紧效果，本课题是针对齿轮泵油槽仿形加工设计出一个合适的专用夹具体，并且在对齿轮泵壳体结构分析的基础上设计出合理的壳体加工工艺方案。

4.8.2定位方法及定位元件的选用

一个自由刚体，在空间直角坐标系中，有六个方向活动的可能性，即沿三个坐标轴方向的移动和绕三个坐标轴的转动。

一般把某一个活动的可能性称为一个自由度，自由刚体在空间共有六个自由度。

工件可近似看成为自由刚体。

工件在没有采取定位措施时，其位置具有六个可活动方向。

要使工件在某个方向有确定的位置，就必须限制该方向的自由度。

可以通过布置支承点的方式来限制自由度。

若使以个六方体工件在空间占有唯一确定的位置，可在空间直角坐标的三个垂直平面上，适当布置六个支承点，即在底面布置三个支承点限制工件三个自由度，在侧面布置两个支撑点限制工件两个自由度，再在后面布置一个支撑点，限制工件一个自由度，则实现了限制工件在空间六个方向的活动性，使工件在空间占了唯一确定的位置。

我们把在工件的适当位置，布置六个支撑点，限制了工件的六个自由度，从而确定工件唯一确定的规则，成为六点定位规则。

本课题根据被加工的轴套零件如下图所示，由于该零件有两个圆柱孔，结合实际的生产加工故决定采用一面两销定位，两销为短圆柱销，如下图4.4定位块即可限制六个自由度。

图4.4定位元件

4.8.3定位误差分析与计算

在设计方案中，要求定位误差小于相应加工要求的公差的1/5～1/3,这样的方案才是合理的。

使用夹具加工工件时，加工表面的位置误差与工件在夹具中的定位等因素密切相关。

为了保证工件的加工精度，必须使工序中各项加工误差的总和小于或等于该工序规定的公差值。

△j+△w<=δg

式中△j—与机床夹具有关的加工误差；

△w—与工序中夹具以外其他因素有关的误差；

Δg—工序公差。

（出自《机床夹具设计手册》15页定位误差的计算）

与机床夹具有关的加工误差，一般包括工件夹具中的定位误差（ΔD）；工件在夹具中夹紧时产生的误差；夹具相对于机床成形运动的位置误差：

夹具相对于刀具位置的误差；以及夹具磨损造成的加工误差等。

为了给加工中其他误差因素能占有更大一些比例，因此，应该尽量减小与夹具有关的误差。

其中除了在夹具的制造、安装、调整、使用中减小所产生的误差外，在夹具设计时正确地计算和减小工件在夹具中的定位误差，是必须解决的重要问题之一。

定位误差是工件在家居中定位时，工序基准位置在工序尺寸方向或沿加工要求方向的变动所引起的，故在设计夹具时，应尽可能选择工序基准为定位基准；并选择精度较高的表面作为定位基准。

根据《机床夹具设计手册》，定位误差的计算，其中