自动定心弹簧套筒夹具设计

1、瀋陽工翠院自定心弹簧套筒夹具设计课程名称：机械制造课程设计专 业：弹药工程与爆炸技术 班级学号：学生姓名：指导教师姓名：能源与水利学院课程设计任务书 11. 序言 32. 夹具概述 32.1夹具特点 32.2夹具设计步骤 52.2.1 对专用夹具的基本要求 52.2.2 专用夹具设计步骤 63. 夹具的结构设计 73.1工件分析及定位 73.2定心夹具的选择 73.3自动定心弹簧套筒夹具的结构原理 83.4夹具结构选择 83.5夹具具体结构设计 93.5.1弹簧套筒的结构具体设计 93.5.2 固定套具体设计 103.5.3 夹具体具体设计 113.5.4螺母设计 124. 夹紧力分析 134

2、.1弹簧套筒的夹紧力W 135. 误差分析计算 145.1定位误差分析 145.2定心误差分析 156. 注意事项 157. 绘制夹具零件图与总装图 168. 总结 169. 参考文献 17能源工程系课程设计任务书19课程名称设计时间机械制造技术基础2014. 12.292015.01.07课程代码 80S06102指导教师孙永满专业弹药工程与爆炸技术班级126011 姓名贡芬云课程设计任务（题目）及要求1）、课程设计任务（题目）：设计如图夹具一套（零件直径© 30）;1）、编写设计说明一份（夹具原理、特点等）；2）、设计夹具装配图、零件图；1(a)2、要求1）、按课题任务书编号随机

3、抽取，一旦确定，不得随意调换;2）、学生应在老师指导下独立完成。二、课程设计的目的和要求1课程设计的目的根据教学计划安排，本次课程设计集中 2周时间进行。本课程设计是 机械制造技 术基础课程教学的重要组成部分。通过本次课程设计，使同学们进一步加深对本门课程 的认识，接触一下实际工程的实例，培养同学的理论联系实际、自己动手解决实际问题的能 力，为今后参加工作打下良好的基础。2、课程设计的和要求1）、掌握简单机械夹具设计的一般过程，熟悉可转位车刀、楔块夹紧装置、螺旋夹 紧装置、偏心夹紧装置、凸轮夹紧装置和定心夹紧装置的设计内容、过程和设计方法，完成 一般零件的工艺编制、量具设计等设计内容、过程和设

4、计方法。2）、按指导教师要求完成可转位车刀、楔块夹紧装置、螺旋夹紧装置、偏心夹紧装 置、凸轮夹紧装置和定心夹紧装置的设计，及一般零件的工艺编制、量具设计。3）、按时上交课程设计说明书。三、主要参考资料1机械设计基础（作者陈立德）出版社：出版年:高等教育出版社:2008.22机械制造技术基础（作者曾志新吕明）出版社:武汉理工大学出版年：2009.73互换性与技术测量（韩进宏）出版社:机械工业出版社出版年：2009.6指导教师（签名）：年 月 日教研室主任（签名）：年 月 日1. 序言根据教学计划安排，本次课程设计集中2周时间进行。本课程设计是机 械制造技术基础 课程教学的重要组成部分。通过本次课

5、程设计，使同学们进 一步加深对本门课程的认识，接触一下实际工程的实例，培养同学的理论联系实 际、自己动手解决实际问题的能力，为今后参加工作打下良好的基础。旨在：（1）培养学生运用机械制造技术基础及有关课程 （工程材料与热处理、机 械设计、互换性与测量技术、金属切削原理与刀具等）的知识，结合生产实践中 学到的知识，独立地分析和解决工艺问题。（2）能根据被加工零件的技术要求，运用夹具设计的基本原理和方法，学 会，拟订夹具设计方案，完成夹具结构设计，初步具备设计出高效、省力、经济合理并能保证加工质量的专用夹具的能力。（3）培养学生熟悉并运用有关手册、标准、图表等技术资料的能力。（4）进一步培养学生识

6、图、制图、运算和编写技术文件等基本技能。对于我本人来说，希望能通过本次课程设计学习，学会将所学理论知识和工 艺应用于解决实际问题之中，加深对理论知识的理解，同时锻炼自己分析问题和 解决问题的能力。2. 夹具概述2.1夹具特点机床夹具通常是指装夹工件用的装置。按照机床夹具的应用范围，一般可分为:（1）通用夹具， 专用夹具。（1）通用夹具：通用夹具就是已经标准化了的，具有一定通用性的 ，可以用 来安装一定形状尺寸范围内的各种工件而不需要进行特殊调整的一类夹具。 在普 通机床上一般都附有通用夹具，如车床上的卡盘，铣床上的回转工作台，分度头, 顶尖座等。(2) 专用夹具：在实际生产中，通用夹具常常不能

7、够满足各种零件加工的需 要，或者因为生产率低而必须把通用夹具进行适当的改进，或者由于工件的形状加工的要求的不同须专门设计制造一种专用夹具 ，以解决生产实际的需要。专用 夹具是为了适应某一工件的某一工序加工的要求而专门设计制造的。专用夹具优点：1保证工件被加工表面的位置精度。例如与其他表面间的距离精度，平行度，同轴度等。对于外行比较复杂，位置 精度要求比较高的工件，使用通用夹具进行加工往往难以达到精度要求。2缩短了工序时间，从而提高了劳动生产率。进行某一工序所需要的时间，其中主要包括加工工件所需要的机动时间和装 卸工件等所需要的辅助时间两部分。采用专用夹具后 ，安装工件和转换工位的工 作都可以大

8、为简化，不再需要画线和找正，缩短了工序的辅助时间并且节省了画 线这个工序，从而提高了劳动生产率在生产中由于采用了多工件平行加工的夹 具,使同时加工的几个工件的机动时间将与加工一个工件的机动时间相同。采用 回转式多工位连续加工夹具，可以在进行切削加工某个工件的同时，进行其它工 件的装卸工作，从而使辅助时间与机动时间相重合。总之，随着专用夹具的采用和 进一步改善，可以有效地缩短工序时间，满足生产不断发展的需要。3采用专用夹具还能扩大机床的工艺范围。例如在普通车床上附加镗模夹具后，便可以代替镗床工作；装上专用夹具后 可以车削成型表面等，以充分发挥通用机床的作用。4 减轻劳动强度，保障安全生产。根据生

9、产需要，采用一些气动，液压或其它机械化，自动化程度较高的专用夹 具，对于减轻工人的劳动强度，保障生产安全和产品的稳质高产都有很大作用。 加 工大型工件时，例如加工车床床身上，下两面上的螺孔，需要把床身工件翻转几次 进行加工,劳动强度大而且不安全。采用电动回转式钻床家具后，就能够达到提高 生产效率,减轻劳动强度，保障生产安全的目的。专用夹具缺点：1增加了产品的成本。由于夹具的设计 ，制造和材料等都要消耗一定的费 用，所以不适合小批量生产。2专用夹具的专用性和产品多样性之间存在矛盾。由于专用夹具只适用于 一个工件加工的某一个工序，因而随着产品品种的不断增多，夹具数量也不断上 升,造成存放和管理上的

10、困难；而当某产品不再进行生产时，原来的夹具一般都无 法重新利用，造成浪费同时,专用夹具的设计生产时间周期长，与生产的迅速发 展也有矛盾。但是在当前成批生产的机械工厂中，多数还是采用通用机床加上专 用夹具进行工件的机械加工。2.2夹具设计步骤按在夹具中的作用，地位结构特点，组成夹具的元件可以划分为以下几类：(1) 定位元件及装置；(2) 夹紧元件及装置(夹紧机构)；(3) 夹具体；(4) 引导元件及装置；(5) 动力装置；(6) 分度,对定装置；(7) 其它的元件及装置(包括夹具各部分相互连接用的以及夹具与机床相连接用的紧固螺钉，销钉，键和各种手柄等)；在专用夹具设计中，除要考虑工件的定位、夹紧

11、和夹具结构外，还需要进行 夹具总图上尺寸公差及技术要求的标注， 工件在夹具中的加工的精度分析，夹具 的经济分析等。2.2.1对专用夹具的基本要求(1) 能保证工件的加工精度。专用夹具应有合理的定位方案，合适的尺寸、公差和技术要求，并进行必要的精 度分析，确保夹具能满足工件的加工精度要求。(2) 能提高生产率。专用夹具的复杂程度要与工件的生产纲领相适应。应根据工件生产批量的大小选用不同复杂程度的快速高效定位与夹紧装置，以缩短辅助时间，提高生产效率。(3) 其加工工艺性好。专用夹具的结构应简单、合理、便于加工、装配、检验和维修。专用夹具的制造 属于单件生产，当最终精度由调整或修配保证时， 夹具上应

12、设置修配结构，如适 当的调整间隙、可修磨的垫片等。(4) 其使用性好。专用夹具的操作应简单、省力、安全可靠，排屑方便，必要时应设置排屑结构。(5) 其经济性好。除考虑专用夹具本身结构简单、标准化程度高、成本低廉外，还应根据生产纲领 对夹具方案惊醒必要的经济分析，以提高夹具在生产中的经济效益。2.2.2专用夹具设计步骤（1）明确设计任务与收集设计资料。夹具设计的第一步是在以知生产纲领的前提下， 研究工件的零件图、工序图、工 艺规程和设计任务书，对工件进行工艺分析。了解工件的结构特点、材料；本工 序的加工表面、加工要求、加工余量、定位基准和夹紧表面及所用的机床刀具、 量具等。其次是根据设计任务收集

13、有关资料， 如机床的技术参数，夹紧零部件的 国家标准、部颁标准和厂定标准，各类夹具图册、夹具设计手册等，还可收集一 些同类夹具的设计图样，并了解该厂的工状制造水平，以供参考。（2）拟订夹具结构方案，绘制夹具草图。确定工件的定位方案，设计定位装置。确定工件的夹紧方案，设计夹紧装置。确定其它装置及元件的结构形式，如导向装置。确定夹具体的结构形式及夹具在机床上的安装方式。绘制夹具草图。（3）进行必要的分析计算。工件的加工精度较高时，应进行工件加工精度分析，且计算定位误差。有动力装 置的夹具，需计算夹紧力。当有几种夹具方案时，可进行经济分析，选用经济效 益较高的方案。（4）审查方案与改进设计。夹具草图

14、画出后，应征求有关人员的意见，并送有关部门审查，然后根据他们的 意见，对夹具方案作进一步修改。（5）绘制夹具装配总图。夹具的总装配图应按国家制图标准绘制。绘图比例尽量采用 1:1。主视图按夹 具面对操作者的方向绘制。总图应把夹具的工作原理、各种装置的结构及其相互 关系表达清楚。3. 夹具的结构设计3.1工件分析及定位H图1工件简图有上工件简图，我们可以看出：工件为直径为 30mm勺棒料。要求设计出的 夹具在夹持工件是可靠，稳定，并且保证工件有较高的定心精度。根据工件安装时的尺寸，形状和位置精度要求，我们可以知道工件夹紧定位 的示意图如下图3:3.2定心夹具的选择根据图3,我们可以选择三爪卡盘和

15、弹簧套筒。过去由于生产批量较少，采用三爪自定心卡盘来加工，随着生产批量和产品质量要求的不断提高，通用的工 艺装备已经满足不了现代生产的需要。因此，我们选择了装卸方便省力，生产 效率高并保证产品精度高的弹簧套筒夹具。它可以根据不同直径的工件，更换不同的套筒，所以通用性好，应用广泛。3.3自动定心弹簧套筒夹具的结构原理1.夹具体2.弹簧套筒3.固定套4.螺母图2夹具示意图自动定心弹簧套筒夹具是利用弹性元件受力后的均匀弹性变形，实现对工件的自动定心和夹紧的。这种自动定心弹簧套筒夹具夹紧行程小，但定心精度较高。 具体结构如图2所示。当螺母4向左旋转时，弹簧套筒2上的圆锥面就与安装在 夹具体1上的锥套3

16、的圆锥面发生相对滑动，使弹簧套筒产生弹性变形。实现对 工件的定心与夹紧。加工完成后，螺母4向右旋转，弹簧套筒2依靠自身的弹性 变形的恢复力松开工件。自动定心弹簧套筒夹具结构简单、紧凑，装夹迅速、具有较高的定心精度，一般可达0.020.05mm左右，但是弹簧套筒夹紧表面与工件 定位夹紧面间的间隙不能 过大，一般小于0.10.5mmo3.4夹具结构选择自动定心弹簧套筒夹具在实际生产中使用寿命不长，除了弹簧套筒的导向部分和锥面颈部粗糙度值高及硬度较低外。由于一般都是采用铸铁做夹具体，与其配合表面的粗糙度不但难以达到要求，而且由于弹簧套筒2表面采用热处理淬火，所以与夹具体相接触的配合表面极易磨损。因此

17、，固定套选用T8A钢，表面进行热处理使硬度为 5560HRC内孔和外圆在磨床上加工可达到较高的精度， 再进行配研，弹簧套筒的导向部分表面粗糙度值可达Ra0.4卩m同时又保证了较小的配合间隙不大于0.015mm,固定套外圆直径与夹具体配合过盈量为0.025mm增加耐磨性与使用寿命。螺母采用 45钢就行。3.5夹具具体结构设计3.5.1弹簧套筒的结构具体设计图3弹簧套筒示意图设计的弹簧套筒结构如图3是一个薄壁带锥面的弹性套筒，带锥面一端开有 3条轴向槽，由3个基本部分组成。1是卡爪A(颈部),2是弹性瓣B(弹性部分)， 3是尾部导向部分 G卡爪A是定心主要工作面，又是摩擦面，故要求耐磨，一 般热处

18、理硬度为5862HRC弹性瓣B经常张开、收缩，为了防止断裂和产生永久 变形，故要求具有良好的弹性和耐磨性以及耐疲劳性。弹性瓣和尾部导向部分C连接处，由于形状和截面变化大，容易产生应力集中而断裂。所以要求尾部一起 进行热处理，淬火硬度为4045HRC以保持弹性。弹簧套筒材料一般最常用65Mn 也有采用45钢或40Cr等材料。采用弹簧套筒夹具夹紧工件时，工件被夹表面的 尺寸偏差不宜过大，因为弹簧套筒变形大时，卡爪与工件以及弹簧套筒的锥面与 固定套的内锥面的接触不良，造成定位精度和夹紧刚度降低，难以保证被夹紧工 件的形状精度。(1) 弹簧套筒的导向部分直径d!:一般都是根据设计的结构需要来确定。在这

19、次设计中，我根据工件的尺寸，暂且定d1为40mm(2) 卡爪长度i1: h =(0.51.2)D, D为工件直径，或者h = 1.67 4 d；。 所以取h =16mm。（3） 弹性瓣的外圆直径d : d-d!（23）mm所以取d=37mm。（4）弹性瓣的长度12 :也就是弹簧套筒的开槽长度，与弹性瓣的外圆直径 有关，一般 l2 =（1.52.5）*d。所以取 |2 =80mm。（5）弹性瓣的壁厚h :壁厚h与弹性瓣的外圆直径d有关，d越大，h也相 应增加，J越长，h也相应增加，一般d =（2585）mm,l2 =（3575）mm时，h二（13）mm之间选取，或者 0.37 d,。所以取h=2

20、mm。（6） 导向部分长度13及圆角R : 13 =2.72, di,R = （0.1o.2）cd。所以取l3 = 17mm, R = 6mm。（7）弹簧套筒的开槽宽度b和卡爪瓣数n： b = 0.6*3 di，般取b = （2 4）mm， n 般取 3。所以取 b = 3mm, n = 3。（8） 弹簧套用卡爪锥角与相配合的固定套的内锥角大小2，根据夹具的具体情况确定。当要求夹紧范围大时，使夹紧点始终在弹簧套筒外端离切削点近一 些。对于正锥弹簧套筒，固定套内锥角应取1，对于倒锥弹簧套筒，固定套内锥角应取2-1 一般2取30°。通常弹簧套筒用于夹紧IT7IT10级精度 的工作，如果要

21、求夹紧范围不大时，固定套的内锥角与弹簧套筒的锥角一样大。3.5.2固定套具体设计为了防止固定套与弹簧套筒相接触的配合表面极易磨损，所以固定套选用T8A钢，表面进行热处理使硬度为5560HRC内孔和外圆在磨床上加工可达到较 高的精度，再进行配研，弹簧套筒的导向部分表面粗糙度值可达 Ra0.4卩m同 时又保证了较小的配合间隙不大于 0.015mm固定套外圆直径与夹具体配合过盈 量为0.025mm增加耐磨性与使用寿命。图5固定套示意图(1) D部分为螺纹，该处与螺母连接用于给弹簧套筒提供轴向力的， 其直径 对定心精度影响不大，根据弹簧套筒卡爪部分的尺寸，设计出螺纹是M60的梯形 螺纹。且L6 =63

22、mm。(2) 固定套的内锥角2 :因为与弹簧套筒配合运动，其大小有弹簧套筒决定，根据弹簧套筒的内锥角设计，可以取固定套的内锥角2 =29 o(3) 固定套导向部分直径D2 :其大小与弹簧套筒导向部分di一样，所以 D2 二 di 二 40mm o(4) 固定套外圆直径Di :其大小对定心无影响，根据结构取 D 66mm。(5) 孔的直径D3 :这孔用来固定夹具体和固定套的，并确定其位置关系，直径大小与所选取的销的大小确定，在这我选取直径为5mm的销，所以D3 =5mm o(6) 孔距左断面的距离L4 :对夹具的稳定有较大影响，根据需要取L4 = 25mm。(7) 固定套长度Ly:根据弹簧套筒的

23、长度，取L 90mm o(8) 与夹具体配合部分长度L5 :该部分长度对夹具的稳定有较大影响，根 据全长和稳定的需要，取L5=54mm。3.5.3 夹具体具体设计在本次设计中，对夹具体无具体要求。但一般设计中，夹具体通常采用铸铁 但尽量使夹具体夹持固定套的内表面粗糙度值低，保证具有良好的定心精度。图6夹具体示意图(1) E部分凸出部用于确定夹具体和固定套的位置关系， 其凸出部直径D8 :其直径大小应小于夹具体直径，所以取其直径 D8=50mm。（2）E部分右端面距孔中心长度：该孔是与固定套配合的，根据固定套的尺 寸去为25mm。（3）夹持部分直径D9 :该部分是用来夹持固定套的，所以其大小尺寸

24、有固定套决定，所以取 D9=66mm。（4） 夹持部分外圆直径Dio :该部分只要能够稳定夹持固定套就行， 根据结 构要求，取D10 =86mm。（5）F部分是用来连接机床等设备的，连接形式不固定，在本图上设计为螺纹连接，大小根据需求来定。该部外圆直径Dio先取116mm。3.5.4螺母设计5X5图7螺母示意图该螺母与固定套连接是用来给弹簧套筒特供轴向力的， 使弹簧套筒收缩夹紧 工件。改零件对材料无特殊要求，通常 45钢。但对H部左端面的表面粗糙度有 要求，该端面与弹簧套筒的卡爪端面接触，为了防止都对弹簧套筒产生径向力， 该表面须光滑。（1）H部分长L9 :该长度保证外界物体不对卡爪产生干涉作

25、用，并根据弹 簧套筒尺寸，取J =10mm。（2）H部分直径Di2 :该直径得保证螺母在旋紧和松开时不对卡爪起干涉作用。所以取=40mm（3） G部分与固定套连接，其螺纹尺寸与固定套一样，为M60（4）螺纹长度L8 :螺纹长度得保证螺母与固定套连接的可靠性，所以取：=17mm。（5） 螺母外圆直径D13 :其大小也对连接的可靠性起一定作用，根据其需要 暂且选取D13 =86mm。4. 夹紧力分析4.1弹簧套筒的夹紧力W弹簧套筒夹紧力的计算与楔块夹紧相似，但要考虑夹紧时弹簧套筒的变形阻 力R,每个单弹簧瓣卡爪的阻力Ri可近似地按弧形断面的悬臂梁的变形阻力来 计算（见图8）。图8受力示意图R =0

26、.1875hE d32si n2"R = nR式中E :卡爪材料的弹性模量，MPa:卡爪与工件的直径间隙，mmh :弹性瓣的薄壁厚度，mmd :弹性瓣外圆直径，mmL :卡爪计算长度（由卡爪中心到弹簧瓣根部开槽处距离），mmn ：卡爪瓣数:每瓣卡爪的扇形角之半，rad令 K =0.1875nE6 +亦氏曲-2曲厂3则：R忤若取 E =2.1 105MPa , 1： =nn则：n =3 时，K =600;n=4 时，K = 200;n=6 时，K=40。弹簧套筒的卡爪在夹紧时的受力分析见图8,当工件无轴向定位时，卡爪和工件不产生相对运动，没有摩擦力，由静力平衡可得：WQ-Rtan(a

27、+% )式中:-:弹簧套筒卡爪的锥角1 :弹簧套筒卡爪与固定套的摩擦角5. 误差分析计算5.1定位误差分析本文设计的夹具主要是轴的工件与定位孔采用间隙配合，以轴的中心线为工序基准。当工件装到套筒时，因工序基准是中心线，定位基准也是中心线，基准 重合，则e不二0。因为轴工件与弹簧套筒是间隙配合，又都有制造误差，因此存 在轴中心线的位置变化，即基准位置误差，得 e定二e基 e不。假定假定孔的尺寸为 d Td，轴的尺寸为dhd，最小配合间隙为Cmin，根据工件装卡时弹 簧套筒的位置不同，定位误差分两种情况：(1)弹簧套筒垂直放置时，按最大孔和最小轴求得轴中心位置的变动量为：e定 =2知牛节叫ax(2

28、)弹簧套筒垂直放置时，由于自重，工件下垂始终紧靠弹簧套筒内孔下表面，此时轴中心线的变动是铅锤方向，最大值为:=Td 亠 Td 亠 C minCmax5.2定心误差分析对于本文所设计的弹簧夹定心夹紧机构，有的机床夹具设计书中做为定位夹 紧元件均匀弹性变形的定心夹紧机构，有的书看作圆锥面等速移动原理的定心夹 紧机构。我认为当作后一种定心夹紧机构较符合实际，因为它的弹性只是在松开 工件时才起作用，而在夹紧工件时，是靠圆锥面的等速移动，而不是定位元件的均 匀弹性变形夹紧工件的，所以本文按定心夹紧元件等速移动原理来分析计算该机 构的夹紧误差。该机构的关键零件是弹簧筒夹，如图3,因弹簧筒夹的导向部分 与锥

29、套为间隙配合，该夹具为回转夹具，故导向部分与锥套为任意边接触，该固定 套孔公差为Td ,导向部分公差为Td ,它们的间隙必产生定心误差；卡爪部分的外 圆锥体与定位孔在开瓣前的加工有同轴度公差 Tt ,定位孔有圆柱度公差Ty使开瓣 后卡爪瓣夹紧工件的锥体部分厚度不均，收缩夹紧时，使工件轴线相对锥套轴线 偏心而产生夹紧误差。这些加工误差均为独立的随机变量，按概率法计算弹簧筒夹紧机构的夹紧误差，其计算式为：6. 注意事项1. 弹簧套筒是夹具的关键零件之一，制造精度必须符合图样要求，锥角和导 向部分应进行配磨和配研加工。2. 弹簧套筒的弹簧瓣应在整个弹簧套筒加工合格后，再切开。并且要将开槽 处的尖角毛

30、刺去掉，各工作表面不得有各种杂质附着物。3. 夹具使用时，应先装上工件，然后才能夹紧，以防止损坏弹簧套筒的弹性卡 爪。4. 夹具不使用时，弹簧套筒应处于非工作状态，并且在卡爪内孔中旋转工件， 以防止错误操作时，造成弹簧套筒的弹性卡爪产生永久变形。5弹簧筒套经过长期使用磨损后，应及时更换，配上新的弹簧套筒，以保持弹 簧套筒 精度,从而保证产品的加工质量。7. 绘制夹具零件图与总装图（见图纸）8. 总结为期两周的机械制造基础课程设计即将结束，在这两周的设计过程中，我学 到了很多以前在课堂上根本就学不到的东西！在这次课程设计中，我独立设计了自定心弹簧套筒夹具。由于我们只是在课 本上见过机床夹具，并没有亲自设计过，因此，在开始的设计过程中，存在许多 这样或那样的问题，在老师的细心指导下，我根据步骤一步一步的设计，画图， 查阅各种关于专用夹具的设计资料， 终于将它设计了出来，我感到很高兴，因为 在这之中我学到了以前没有学到的知识， 也懂得了很多东西，真正做到了理论联 系实际。通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关机械制造方面的知识， 在设 计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终 于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。 实践出 真知