法兰盘加工工艺及夹具设计
毕业论文
第1章绪论
1.1机械加工工艺的发展现状
随着机械制造业的发展和科学技术的进步，机械制造工艺的涵和面貌下不断发生变化，近一二十年的技术进展主要表现在以下几方面：
（1）常规工艺的不断优化
常规工艺的方向是实现高效化、精密化、强韧化、轻量化，以形成优质高效、低耗少污染的先进实用工艺为主要目标，同时实现工艺设备、辅助工艺、工艺材料、检测控制系统的成套工艺服务，使优化工艺易于为企业所采用。
（2）新兴加工方法的不断出现和发展
新兴加工方法包括精密加工、细微加工、特种加工及高密度能加工、新硬材料加工技术、表面功能性覆盖技术和复合加工，以适应机械产品更新换代对制造工艺提出的更高、更新的制造模式。
（3）自动化等高新技术与工艺的紧密结合
微电子、计算机和自动化技术与工艺及设备相结合，使传统工艺面貌产生显著、本质的变化，如生产线自动控制、在线检测自适应控制、计算机辅助工艺过程设计、计算机辅助家具设计、计算机辅助装配工艺设计和智能制造系统等。
1.2现代机械加工工艺的发展现状
机械制造是国民经济发展和各部门科技进步的基础。在现代化条件下机械制造的发展方向是：开发工艺可行性广、能保证各种原料消耗最少、可靠性和自动化精度高的新一代
技术。
机械制造工艺及其实现组织形成的发展趋势，在很大程度上取决于机器结构的发展方向和它的技术使用特征。机器制造中的科技进步将促进以计算机和生产全盘自动化为基础的工序少和能源节约的工艺的建立推广。
机器制造工艺组织的远景发展的概念是考虑在集管理、信息和技术为一体的基础上建立全盘自动化工厂，将最终产品的各个加工阶段连接起来。这时，在科技发展现阶段的自动化工厂将不是无人企业。由人服务和管理的体系和机器会发挥作用。新的智能型和集成型的生产手段与高度熟练的工作人员相结合，将在市场需求变化的条件下假造出满足技术和社会经济需求的先决条件。
在现今的发达国家中,毛坯生产的发展趋势表明,今后毛坯生产发展方向是力图在经济合理的围,使毛坯接近成品零件的尺寸形状。这可降低金属消耗量，减少加工余量和毛坯及铁屑的运输费用，这样就可提高生产率，降低零件的加工成本。对于毛坯生产，其特点主要是扩大新的先进的节约资源的工艺过程运用领域。采用电子技术管理切削加工过程，提高了对毛坯质量精度的要求。这将使其加工工艺得到必要的完善。
在不久的将来，精密金属摸铸造和压力铸造将取代砂型铸造。有前途的制取毛坯的方法将会得到发展，其中包括等静压法、金属的压力喷射成型挤压、精密冲压、预热推挤方法等。金属切削加工将被比较经济的制取零件的方法所取代（如冷推挤法）。但由于所使用的设备昂贵，以及工件必须经过再次退火，使得这种方法只能在零件生产规模不少于100万件时，经济上才是合算的。
在金属切削机床上加工工艺的发展趋势，是扩大采用先进的工艺过程和提高加工自动化的程度。提高生产率，降低切削加工成本，在很大程度上取决于刀具和刀具材料的技术可行性。高速钢和烧结合钨硬质合金，由于价格相对较低，工具制造简单，耐磨性好，强度高，所以促使其得到了广泛的使用。
新型切削材料的使用有助于增大切削用量，提高生产率，扩大经济效益。使粉末冶金高速钢工具，并且用物理沉积法涂上耐磨涂层，是很有发展前途的。
对于钢件的半精加工和精加工，采用以碳化钛、碳氮化钛为基的无钨硬质合金。用细颗粒硬质合金代替高速钢，可提高加工生产指标率。在加工韧性材料时，涂层硬质合金获得了越来越广泛的应用。用化学气相沉积方法得到的陶瓷涂层的应用，可使切削速度大大提高，而这种切削速度在以前只有用矿物陶瓷切削刀具或金属陶瓷才能达到。在加工淬火钢，尤其是铣齿和拉削方面，以及有色金属和合金的加工，非金属材料的加工，使用硬质合金也是有发展前途的。
在硬质合金刀片上镶上人造材料—多晶立方氮化硼，可用于加工硬度达HRC68的镍铬钢或铬镍钼钢，其切削速度可达130m/min。在加工研磨性强的轻金属和非金属材料时，则采用多晶金刚石。
用碳化硅纤维增强的氧化物陶瓷，用于加工镍合金、渗碳和热处理后的钢以及灰铸铁。氮化硅陶瓷在广泛的切削速度围下使用（达1000m/min）。氮化硅陶瓷现在用于灰铸铁、高温合金的加工，因为它有较高的抗扩散磨损的能力。
陶瓷结合剂的立方氮化硼砂轮、多孔砂轮和数控机床用的砂轮，具有寿命长、磨削性能稳定的特点。今后在磨削中将使用优质的加入合金成分的刚玉砂轮、用球形刚玉制造的砂轮、高纯度单晶刚砂轮、高强度耐热人造单晶刚石的复合材料砂轮。磨料的新型结合剂的开发将扩大高磨削的可能性。
除了上述传统切削加工方法之外，还有围更广泛的非金属加工方法：电物理和电化学加工方法；微塑性变形尺寸加工法以及将两种以上物理本质各不相同的加工方法合在一起的复合加工方法（化学反应，电腐蚀和磨粒加工等）。这些非传统方法的合理应用领域，是在那些采用传统切削方法不经济或在技术上不可能实现的那些工序。
这样，切削加工由于具有广泛的工艺可行性，所以它在使用机床的加工方法中仍会占
有优先地位。电加工法，冷、热挤压，粉末冶金都只能在某些特殊领域部分地取代切削加工。而激光加工具有相当广阔的发展前途，在不久的将来将取代工件外形切割和通孔钻削。
近年来，机械制造工艺有着飞速的发展。比如，应用人工智能选择零件的工艺规程。因为特种加工的微观物理过程非常复杂，往往涉及电磁场、热力学、流体力学、电化学等诸多领域，其加工机理的理论研究极其困难,通常很难用简单的解析式来表达。近年来，虽然各国学者采用各种理论对不同的特种加工技术进行了深入的研究，并取得了卓越的理论成就，但离定量的实际应用尚有一定的距离。然而采用每一种特种加工方法所获得的加工精度和表面质量与加工条件参数间都有其规律。因此，目前常采用研究传统切削加工机理的实验统计方法来了解特种加工的工艺规律，以便实际应用，但还缺乏系统性。受其限制，目前特种加工的工艺参数只能凭经验选取，还难以实现最优化和自动化，例如，电火花成形电极的沉入式加工工艺，它在占电火花成形机床总数95%以上的非数控电火花成形加工机床和较大尺寸的模具型腔加工中得到广泛应用。虽然已有学者对其CAD、CAPP和CAM原理开展了一些研究，并取得了一些成果，但由于工艺数据的缺乏，仍未有成熟的商品化的CAD/CAM系统问世。通常只能采用手工的方法或部分借助于CAD造型、部分生成复杂电极的三维型面数据。随着模糊数学、神经元网络及专家系统等多种人工智能技术的成熟发展，人们开始尝试利用这一技术来建立加工效果和加工条件之间的定量化的精度、效率、经济性等实验模型，并得到了初步的成果。因此，通过实验建模，将典型加工实例和加工经验作为知识存储起来，建立描述特种加工工艺规律的可扩展性开放系统的条件已经成熟。并为进一步开展特种加工加工工艺过程的计算机模拟，应用人工智能选择零件的工艺规程和虚拟加工奠定基础。
1.3机床夹具的发展趋势
夹具最早出现在18世纪后期, 在机械加工过程中，夹具占有非常重要的地位，它可靠地保证了工件的加工精度，提高了加工效率，减轻了劳动的强度。随着科学技术的不断
进步,夹具已从一种辅助工具发展成为门类齐全的工艺装备。
国际生产研究协会的统计表明，目前中、小批多品种生产的工件品种已占工件种类总数的85%左右。现代生产要求企业所制造的产品品种经常更新换代，以适应市场的需求与竞争。然而，一般企业都仍习惯于大量采用传统的专用夹具，一般在具有中等生产能力的工厂里，约有数千甚至近万套夹具；另一方面，在多种生产的企业中，每隔3～5年就要更新50%～80%左右的专用夹具，而夹具的实际磨损量仅为10%～20%左右。特别是近年来，数控机床、加工中心、成组技术、柔性制造系统（FMS）等新加工技术应用，对机床夹具提出了如下新的要求：
（1）能迅速而方便地装备新产品的投产，以缩短生产准备周期，降低生产成本；
（2）能装夹一组具有相似性特征的工件；
（3）能适用于精密加工的高精度机床夹具；
（4）能适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具；
（5）采用以液压站为动力源的高效夹紧装置，以进一步减轻劳动强度和提高生产率；
（6）提高机床夹具的标准化程度。
1.4现代机床夹具的发展趋势
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、经济的方向发展。
（1）高精机床加工精度提高，降低定位误差，提高加工精度对夹具制造精度要求更高高精度夹具定位孔距精度高达±5μm，夹具支承面垂直度达到0.01mm/300mm，平行度高达0.01mm/500mm。德国demmeler（戴美乐）公司制造4m长、2m宽孔系列组合焊接夹具平台，其等高误差为±0.03mm；精密平口钳平行度和垂直度5um以；夹具重复安装定位精度高达±5um；瑞士EROWA柔性夹具重复定位精度高达2～5um。机床夹具精度已提高到微米级，世
界知名夹具制造公司都是精密机械制造企业。诚然，适应不同行业需求和经济性，夹具有不同型号，以及不同档次精度标准供选择。
（2）高效提高机床生产效率，双面、四面和多件装夹夹具产品越来越多。减少工件安装时间，各种自动定心夹紧、精密平口钳、杠杆夹紧、凸轮夹紧、气动和液压夹紧等，快速夹紧功能部件不断推出新。新型电控永磁夹具，加紧和松开工件只用1～2秒，夹具结构简化，为机床进行多工位、多面和多件加工创造了条件。缩短机床上安装与调整夹具时间，瑞典3R夹具仅用1分钟，即可完成线切割机床夹具安装与校正。采用美国Jergens （杰金斯）公司球锁装夹系统，1分钟就能将夹具定位和锁紧机床工作台上，球锁装夹系统用于柔性生产线上更换夹具，起到缩短停机时间，提高生产效率作用。
（3）模块、组合夹具元件模块化是实现组合化基础。利用模块化设计系列化、标准化夹具元件，快速组装成各种夹具，已成为夹具技术开发基点。省工、省时，节材、节能，体现各种先进夹具系统创新之中。模块化设计为夹具计算机辅助设计与组装打下基础，应用CAD技术，可建立元件库、典型夹具库、标准和用户使用档案库，进行夹具优化设计，为用户三维实体组装夹具。模拟仿真刀具切削过程，既能为用户提供正确、合理夹具与元件配套方案，又能积累使用经验，了解市场需求，不断改进和完善夹具系统。组合夹具分会与华中科技大学合作，正着手创建夹具专业技术，为夹具行业提供信息交流、夹具产品咨询与开发公共平台，争取实现夹具设计与服务通用化、远程信息化和经营电子商务化。
（4）通用、经济夹具通用性直接影响其经济性。采用模块、组合式夹具系统，一次性投资比较大，夹具系统可重组性、可重构性及可扩展性功能强，应用围广，通用性好，夹具利用率高，收回投资快，才能体现出经济性好。德国demmeler（戴美乐）公司孔系列组合焊接夹具，仅用品种、规格很少配套元件，即能组装成多种多样焊接夹具。元件功能强，使夹具通用性好，元件少而精，配套费用低，经济实用才有推广应用价值。
目前中国制造业发展迅猛，以前的我国制造业普遍使用刚性专机加工各种各样的零部
件，导致改型和生产个零部件周期较长。随着我国制造业发展和各种各种零件的需求与日俱增，加工设备和工艺也向着柔性化的方向转变。加工装备的柔性概念和需求主要体现在对设备快速性和适应性的需求上，因此制造商不得不寻求柔性和产量之间的最佳组合。当然，在满足了柔性的条件下、也有着不同的解决方案，如：模块化、可变换化、可重新配置化、在线兼容性等。不论采用哪种方案，使用高性能的液压夹具都显得尤为重要，现在，柔性专机、可重新配置的机床及专用加工中心的组合应用，使得发动机零件的加工变得越来越柔性化，具体情况取决于每个加工项目的产量配额使用液压夹具的主要优势是能节省夹紧和松卸工件时所花的大量的时间。有关统计资料表明液压夹紧相比机械夹紧节省90%～95%的时间，缩小了生产循环周期，从而增加了产量也就意味着降低了成本。
当加工一长型铝合金零件时，刀具通过时旋转油缸可快速让开，刀具通过后可快速复位。液压夹具系统的第二项重要特点是可实现非常高的定位精度。关键在于夹紧力在定位和夹紧过程中保持恒定不变，从而确保了同一道工序下的加工质量一致性。
1.5法兰盘发展现状和趋势
法兰盘由英国传入我国，早期的工人将Flange
音译为法兰。法兰盘在我国机械行业、建筑行业和
水利水电行业应用及其广泛，自上世纪90年代以
来，日本在我国开辟法兰市场之后，紧接着韩国和
欧美等国也蜂拥而至，导致我国法兰市场的份额大
增。近几年来，我国在法兰的制造领域和研发领域
取得了一定的突破，因产业链和市场的影响，加上
政策的支持，大量的工厂和个人加工作坊开始大批量的生产和销售法兰成品。经调查发现，近几年全球在法兰方面的市场容量联创新高，产销规模大幅图1.1 法兰盘