毕业设计——基于磁盘驱动臂生产的夹具设计与实现

1、基于磁盘驱动臂生产的夹具设计与实现【摘要】 磁盘驱动臂属于异性支架类零件，针对其在加工中却会因其材质较软、形状不规则、体积较小、结构复杂、要求精度高等因素而难以装夹的问题。采用NX软件设计出生产中必须出能够快速装夹的专用夹具并进行分析。本设计在分析其结构特点的基础上合理控制其自由度并结合气压传动的相关知识设计出适合的专用夹具，结果表明：该夹具具有高精度、高稳定性、结构简单、拆装方便、装夹快速等设计目标。【关键词】：硬盘驱动臂、专用夹具、六点定位原理、气压传动目 录引言.1一、磁盘驱动臂零件简介.1（一）图样分析.1 （二）零件结构分析.2 （三）零件加工工序及工艺介绍.3二、工位1的夹具设计.

2、3 （一）设计原理.3 （二）设计方案.4 1.夹具部件的设计.4 2.加紧元件的选择.6 （三）工位一夹具试制.7 三、工位2夹具设计.8 （一）设计原理.8 （二）设计方案.8 1.夹具结构的设计.8 2.加紧机构的设计.9 3.夹具传动元件的设计.10 4.夹具给力装置的选择.10 5.夹具控制装置的选择.11 （三）工位二夹具试制.13四、工位3夹具设计.13 （一）设计原理.13 （二）设计方案.14（三）工位三夹具试制.15五、夹具材料选择.15六、结束语.16参考文献.17致谢.17引言随着电脑技术的迅猛发展，使得电脑硬盘对磁盘读写的能力要求越来越高，一个高质量的磁盘驱动臂是硬盘

3、的寿命延迟及磁盘读写快速的一个保障。磁盘驱动臂是一种形状复杂、精度要求较高的支架类零件。所以我们采用精度较高的加工中心进行加工，为了保证其高效率、高质量生产我们采用了工序集中原则。减少多次装夹所带来的累计误差，因此设计出一套快速方便易操作的夹具是非常有必要的。1、 磁盘驱动臂零件简介：（一）零件图样： 图1-1-1 产品视图 图 1-1-2 零件图(2) 零件结构分析： 通过分析零件图可以看出，该零件是形状复杂的支架类零件，主要由主体（Body Arm)、Arm、Pad、Fintail几部分组成。其中Body Arm上的9.3大孔为轴承孔，精度要求高，2.8的孔是安装磁头用的对平行度要求较高，

4、在Arm上有1.8和3.6的孔侧面有两条槽，Body Arm侧面还有两个0.49的小孔，在Fantail角上还有一个0.865的小孔。图1-2-1 工位一加工的半成品（3） 零件工序介绍及工艺分析 其原材料为铝挤压型材，其总共需要三道工序来完成分，其目的就是为了提高产量，在工位一中需一次性加工4片（如图1-2-1），所以部分结构需在工位二、三中完成。工位一主要加工外轮廓、Fantail、Camel、Arm、 Pad、槽、以及1.8、2.8、3.6、9.3的孔。工位二主要加工外轮廓和Camel的正面倒角。工位三主要加工1.0、1.3的孔及其倒角和外轮廓、Camel的背面倒角。工位一加工工序为铣基

5、准平面加工外轮廓依次加工2.8、1.8、3.6的孔割槽加工Pad及其倒角加工Fantail及其倒角加工Arm镗9.3的大孔及其倒角依次加工1.8、2.8、3.6和Arm槽的倒角割断。工位二加工工艺为外轮廓正面倒角Camel正面倒角。工位三加工工艺为外轮廓背面倒角钻1.0的孔Camel倒角FCBA面的两个孔1.3的孔及其倒角。由于是批量生产，为了提高生产率同时又简单已操作而结合加工工艺的分析运用NX软件设计出的一套专用夹具。三、工位一夹具设计：（一）、夹具的设计原理： 图3-1-1 工件原材料 图3-1-2 工位一夹具面 工件在空间具有六个自由度，即沿x、y、z三个直角坐标轴方向的移动自由度和绕

6、这三个坐标轴的转动自由度 。因此，要完全确定工件的位置，所设计的夹具就必须消除这六个自由度，通常用六个支承点（即定位元件）来限制工件的六个自由度，其中每一个支承点限制相应的一个自由度。根据零件的原材料（铝挤压型材）如图3-1-1及成品零件图1-1-2中的重要尺寸可对夹具进行设计。经过对零件图的分析可知，工件对Pad宽度及大孔的尺寸要求是非常的高，所以我选择了原料Pad侧面及和大孔保持一定距离的FCBA面（如图3-1-1红色区域）作为定位的基准面，并从圆弧面施加力，选择接触的皆为面面接触从而控制x方向的移动自由度和绕y的转动自由度，另外选择Fantail里的面（如图3-1-1蓝色区域）作为基准面

7、，对面给予一个子弹头装置及一个定位点来控制工件的y方向的移动自由度及绕x和z方向的转动自由度，在工件的底部设置一个定位销来控制z方向移动自由度（如图3-1-2）。总体来说，该设计采用了点、线、面相结合的方式控制了零件原材料的六个自由度，用六点定位法设计驱动臂原材料的定位元件时采用定位面、圆柱销以及子弹头，可以限制驱动臂原材料的6个自由度，既未产生欠定位，也未产生过定位，从而保证了产品原料在数控机床中装夹的可靠性和稳定性。（2） 设计方案： 1、夹具部件的设计： 图 3-2-1 工位一夹具 图 3-2-2 夹具爆炸图 如图3-2-1所示为工位一工序加工所用到的夹具，其由M6螺丝挡板6销棒M5螺丝

8、加紧块子弹头夹具面4销棒底座梯形块10部分组成（如图3-2-2）。 整套夹具每个部件都是可拆卸的，其目的就是为了方便更换产品时夹具只需更换其中的部件就行，从而提高工作效率、减少制作夹具的材料浪费。号元件为螺丝其作用是连接夹具面与夹具底座以及将夹具底座与梯形块连接使其固定在机床的工作台上。号元件为挡板其作用是放销棒，其上有七个孔，这表示原材料可以在这上面加工七次，每个孔的距离即为每次加工所用掉材料的长度，其侧面有两个M5的螺纹孔为了将挡板与夹具底座连接，挡板之所以不与夹具底座设计为一体其原因还是考虑到了更换产品时的方便（每种产品每次加工所用料的长度不一样）,考虑到夹具安装后，固定底座的螺丝会影响

9、销棒插入最下面孔，所以将所有的孔在保持孔距不变的情况下整体尽量向上平移。元件为6销棒其作用是控制驱动臂原料z方向的移动自由度保证加工的稳定性。号元件为M5的螺丝起连接夹具底座与挡板的作用。号元件为加紧块元件其侧面两个孔可与号元件配合使其放在夹具面之中而不掉落，并通过夹具面侧面螺丝的螺纹传 动使其将原料加紧，其另外一面突出的两个部分与和原料相接触的部分是保持平行的，这样加紧后配合夹具面上突出的部分才能控制x方向的移动自由度和绕z及y的转动自由度。号元件为子弹头，其结构特点与圆珠笔芯的类似，钢珠嵌在圆柱体内受力便会缩进去并与接触上带有螺纹同时方便调节，使其紧靠加工原材料。号元件为夹具面，其内部两处

10、突出部分配合号元件将x方向的移动自由度和绕x、y的转动自由度限制住。其表面有四个沉头孔用于将其固定在夹具底座上。号元件为4销棒，将其插入号元件侧面的孔内，可使号元件在空荡的情况下不掉下来。号元件为夹具底座，其为整套夹具的主体，其作用是支撑各个部件，该底座为通用底座即在更换产品时只需更换相应的部件，这样就减少了夹具安装时所浪费的时间。号元件为梯形块，其与机床工作台上的梯形槽配合利用螺丝将夹具底座快捷的固定。图3-2-3 工位一夹具部件2、加紧元件的选择：工位一中，工件在完全定位后为了保证加工的安全性与稳定性需要加紧机构将其加紧，在这套夹具中，选择螺丝与夹紧块配合利用螺纹传动将夹紧块向里推从而加紧

11、工件原料（如图3-2-4）。与夹具元件、不同这里采用的螺纹牙型为梯形螺纹，其效率高、牙根强度较大、工艺好，多用于传动。 图3-2-4 工位一夹紧图（3） 工位一夹具试制：图3-3-1 工位一夹具实体图四、工位二夹具设计：（一）设计原理： 工位二的夹具同样是基于六点定位原理所设计的，两者皆运用了一面两销的定位方法来限制工件的六个自由度。工位二中主要加工外轮廓和Camel的正面倒角，所以定位时用A基准面背面、9.3mm的孔、Pad来定位驱动臂工件。A基准面背面定位是限制了工件的三个自由度即z方向的移动和绕x、y旋转的自由度，大孔采用短销来限制两个自由度即x、y方向的移动自由度，在加上Pad旁的防转

12、销限制一个自由度即绕z旋转的自由度（如图4-1-1）。这样就限制了工件的六个自由度。 图 4-1-1 工位二夹具 在工位二夹具设计中所用夹具中的定位销皆为短销，这样才能只限制了x、y方向的移动和绕z方向的旋转自由度，这样即有效的避免了定位时出现过定位现象。 综上所述，工位二中的夹具采用六点定位的方法对工件进行定位时采用支撑板和两个短销作为定位元件，来限制驱动臂工件的六个自由度，即没有欠定位，也没产生过定位，从而确保了工件在加工时装夹的可靠性和稳定性。(2) 设计方案1、夹具结构的设计: 磁盘驱动臂在完全定位后，在加工中会受到切削力的影响工件位置会产生变化，为了保证定位元件的位置在外力作用下不产

13、生变化，因此必须需要加紧装置将其加紧固定。 磁盘驱动臂是精度要求较高的薄壁、细长型零件，选用的材料是铝型材。工位二主要加工半成品，精度要求高、加工余量少且切削余量均匀，为了提高生产效率，故选用气压传动装置夹紧工件，以达到快速方便的目的。其主要由力源装置、执行元件、控制元件、辅助元件等组成。2、加紧机构的设计： 在工位二中整套夹具中，A为气缸，B为竖直传动杆，C为定位销D、E为水平传动杆。通过气缸发力配合辅助元件和定位元件将驱动臂半成品加紧，为了防止加工中机床刀具与气缸等夹具元件产生干涉，所以将气缸固定在定位板的底部配合夹具元件改变气缸在加紧时的运动方向，这样使其与加工刀具保持一定的距离，使整体

14、结构更合理。在整套夹具中除了定位元件就主要由加紧元件构成即气缸、传动杆、销、气阀、气管、快速接头等构成。其整体的工作原理主要是由气源装置给力，通过气阀改变气体的流向来作用于气缸使其推力杆来回运动并结合传动杆改变力的方向，实现对驱动臂工件的加紧。图4-2-1 工位二夹具 3、夹具传动元件的设计：在工位二中，定位z旋转自由度的定位基准非常的薄弱，如果对其施力易产生工件的变形，所以选择了从两边需同时给力，保证工件在完全定位的基础上被加紧。夹具中用一个水平杆和两个等长的竖直杆将气缸的活塞杆的上下运动改变成两侧的上下运动，在利用被控制z方向移动的Pin（如图4-3-1）将上下运动转变成左右运动，其结构简

15、单类似于斜锲式加紧元件。通过销钉将其与竖直杆连接，再通过销钉在孔内的上下运动，实现Pin的左右运动。工位三中由于不需要同时被加紧故没有选择工位二的加紧结构，但同时需要注意的是加紧时必须是Fantail先被加紧，这样才能保证加紧后的工件是完全定位。所以设计了两个大小不一的气缸，并配合节流阀将其实现。图4-3-1 加紧Pin4、夹具给力装置的选择：气缸的原理气缸是气动系统中最常用的一种执行元件，它具有结构简单、成本低、污染少、便于维修、动作迅速等优点，但由于其推力较小，所以广泛用于轻载系统。结合工件工艺及整套夹具的需要我们选择了双作用气缸即未加缓冲装置两端进气的缸，图4-4-1为双作用气缸的原理图

16、，活塞的往返运动均由压缩空气来推动，当无杆腔进气时活塞杆受压，当有腔杆进气时活塞杆承受拉力。12345678后端盖活塞气筒活塞杆密封圈前端盖有杆腔前密封圈图4-4-1 气缸结构图气缸大小的选择：由作用在活塞杆上的工作载荷和初选的工作压力，利用下述公式计算出气缸的直径D。当活塞杆输出推力F1克服载荷做功时，气缸内径为： （1） 式中，D为气缸内径mm；F1为活塞上的推力或称工作载荷N；p为初选的工作压力Pa，一般p=（0.31）MPa；为机械效率，当气缸动态性能要求和工作频率较高时，取=0.30.5，速度低时取最大值，速度高时取最小值，当气缸动态性能要求一般，工作频率较低时，可取=0.70.85

17、。 当活塞杆输出拉力F2克服载荷做功时，气缸内径为 （2） 式中，F2为活塞杆的拉力N；d为根据拉力预先估计活塞杆的直径mm， 估计活塞杆直径可按照dD=0.20.3（也可按dD=0.160.4)选取。 根据参考文献5可知把dD=0.160.4代入式（2）中得： （3） 实际生产中需要克服切削力即工作载荷约80N，工作压力P为1MPa,由于工作频率较高所以机械效率取0.3，由此可根据公式（1）可得气缸无杆腔的直径D=4×80/（×1×0.3）18.5mm及有杆腔直径根据公式（3）可得D20.5mm5、夹具控制装置的选择：方向控制阀的选择：方向控制阀就是用以改变管道

18、内气体流向的控制元件，根据工件加工的需要通过方向控制阀对气体流向的改变来控制气缸并带动整套夹具的运动。为了结合实际并在减少成本的基础上选择人力控制换向阀，其利用人的手来操纵阀杆，改变阀芯的位置，实现气流的换向，见（图4-5-1）a，A为进气口，P、T为出气口通过中心干的上下运动来实现闭路和通路。图形符号上的缺口数表示有几个定位位置。手动阀除了弹簧复位外，也有采用气压复位的，有点是具有记忆性，即不加气压信号，气阀能保持原位而不复位。 图4-5-1 方向控制阀结构图单向节流阀： 节流阀是通过改变节流截面或节流长度以控制气体流量的阀门，其开闭件的形状大多为圆锥流线型，通过它改变通道截面积而达到调节流

19、量和压力。从而达到气缸给力的先后顺序及避免了气缸给力过大对工件造成损伤。1234567顶盖导套阀体下阀芯复位弹簧底座上阀芯4-5-2 单向节流阀结构图3、 工位二的夹具试制：4-5-3 工位二夹具实体图四、工位三的夹具设计： （一）设计原理：与工位二原理相同工位三由于加工工件的背面，所以定位时用了A基准面、9.3mm的孔、Fantail来进行定位驱动臂工件（如图4-1-2）。 图 4-1-1 工位三夹具由于在工位三中需要配合B轴的旋转来加工侧面的两个小孔（如图4-1-4），侧面必须在B轴旋转后保证其是水平，所以将限制z方向旋转自由度的防转销设计在Fantail的旁边，让后从另一面施加一个力将驱

20、动臂工件完全固定。图4-1-2工件侧面图（2） 设计方案：图4-2-1 工位三夹具图4-2-1中A为气缸1，B为气缸2，C为定位销，D为加紧Pin。工位三中所用的气缸结构与工位二有所不同，工位三中所用的两个气缸必须由气缸2先加紧，这样才能保证所加工的工件能够完全定位，在气缸2定位加紧后气缸1发力将整个工件固定，整个结构必须由单向节流阀控制气流的大小来实现。其余部件的选择与工位二夹具基本一致。（3） 工位三夹具试制：图4-3-1 工位三夹具实体五夹具材料的选择：在工位一中夹具的底座用HT200，因为铸铁类零件不容易产生变形，而刚容易变形，变形了影响使用甚至是不能使用。因为在工位一中夹具不与成品直接接触故其他部件用45钢，因为45钢加工性良好，相比较铸铁要耐磨损，塑性好，抗疲劳性也好些。受驱动臂材料的影响，在工位二、三中，由于驱动臂成品要与夹具直接接触，