夹紧机构方案设计

螺旋夹紧器是利用人力作用使螺杆上下做直线运动为原理的简单机械机构，使用起来比较方便，可用于科研、化工、工业等场所。本设计是用于较小工件、零件等机加工时常用的螺旋夹紧器装置,它可以将螺旋运动转换为直线运动，实现使用较小的人力去固定和夹紧物体，从而达到减轻人类劳动、提高劳动生产效率。其工作原理是通过人力作用，将动力传导到螺旋副，使螺杆上下作直线运动达到固定和夹紧作用。所设计的螺旋夹紧器是以零件的设计计算与校核为主要内容的设计，包括螺旋副、螺杆和螺母的设计计算与校核及其它零部件的选择确定，最后运用AutoCAD软件分别画出所设计的螺旋夹紧器的各个零部件及装配图。关键词：螺旋，夹紧器，设计ABSTRACTScrewClampistheuseofhumanroletoscrewupanddowntodoasimplelinearmotionmachineryfortheprincipleofagency,sothatitismoreconvenienttooperate,canbeusedforresearch,chemicals,industryandotherplaces.Thisdesignisusedforspiralclampingdevicewheresmallpartsandmachinepartsareprocessed,whichcanconvertthespiralmovementtolinearmotion.Itcanmakeanachievementofusingsmallermanpowertofixandclampobjects.Therefore,humanlaborisrelievedandworkingproductivityisimproved.Itsprincipleisthatthroughthemanpower,thepoweristransmittedtothescrewtomakeitupanddowninastraightlinetoreachtheeffectoffixingandclamping.Themaincontentofthedesignofthespiralclampiscalculationandcheckingofmachineparts,whichincludescrewpair,screwandnutandotherparts’selection.FinallyusingAusoftwarerespectivelyworkoutallthepartsandassemblydrawingoftheScrewClampdesign.KEYWORDS:screw,clamp,designTOC\o"1-5"\h\z刖言 1\o"CurrentDocument"第1章课题要求 2\o"CurrentDocument"1.1主要内容与要求 2\o"CurrentDocument"1.2主要技术指标 2\o"CurrentDocument"第2章方案的拟定 3\o"CurrentDocument"第3章螺旋副及其结构设计 5\o"CurrentDocument"3.1螺杆设计与计算 63.1.1材料选择 63.1.2尺寸设计 63.1.3螺杆尺寸校核与确定 9\o"CurrentDocument"3.2螺母设计与计算 133.2.1材料选择 133.2.2尺寸设计 133.2.3螺母尺寸校核与确定 15\o"CurrentDocument"第4章其它零部件及其结构设计 17\o"CurrentDocument"4.1手柄设计 174.1.1材料选择 174.1.2尺寸设计与确定 17\o"CurrentDocument"4.2基座设计 184.2.1材料选择 184.2.2尺寸设计与确定 18\o"CurrentDocument"4.3机架设计 194.3.1材料选择 194.3.2尺寸设计与确定 19\o"CurrentDocument"4.4其他零部件设计 19第5章结论 20\o"CurrentDocument"致谢 21\o"CurrentDocument"参考文献 22附录1 23附录2 24人类在长期的生产实践中创造了机器，并使其不断发展形成了当今多种多样的类型。20世纪80年代以来，以微电子、信息、新材料、系统科学等为代表的新一代科学技术的发展及其在机械工程领域中的广泛渗透、应用和衍生，极大地拓展了机械产品设计制造活动的深度和广度，改变了现代制造业的产品设计方法、产品结构、生产方式、生产工艺和设备以及生产组织模式，产生了一大批新的机械设计制造方法和制造系统。在现代生产和日常生活中，机器已成为代替或减轻人类劳动、提高劳动生产率的主要手段，也是完成人类难以承担的各种复杂和危险劳动的重要工具。机器在现代社会中的应用随处可见，如起重机、汽车、车床、电动机、内燃机等，使用机器进行生产的水平是衡量一个国家的技术水平和现代化程度的重要标志。机械是人类生产和生活的基本工具要素之一，是人类物质文明最重要的一个组成部分。机械工业担负着向国民经济各部门，包括工业、农业和社会生活各个方面提供各种性能先进、使用安全可靠的技术装备任务，在国家现代化建设中占有举足轻重的地位。随着机械化生产规模的日益扩大，除机械制造部门外，在动力、采矿、冶金、石油、化工、轻纺、食品等许多生产部门工作的工程技术人员，都会经常接触各种类型的机械。螺旋夹紧器是利用人力作用使螺杆上下做直线运动为原理的简单机械机构,使用起来比较方便，可用于科研、化工、工业等场所。本设计是工业等各个领域常用的螺旋夹紧器装置，是以零件的设计计算为主要内容的设计。螺旋夹紧器装置可以将螺旋运动转换为直线运动，实现使用较小的人力去固定和夹紧物体，从而达到减轻人类劳动、提高劳动生产效率。其原理是通过人力作用，将动力传导到螺旋副，使螺杆上下作直线运动达到固定和夹紧作用。主要设计内容包括螺旋副、螺杆和螺母的设计计算与校核及其它零部件的选择确定。设计过程综合机械设计基础的大部分内容，通过设计进一步掌握机械传动部件和简单机械装置的设计，具备运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料的能力，提高机械设计能力，为日后从事技术革新创造条件。第1章课题要求1.1主要内容与要求1、 方案的拟定2、 材料选择3、 零部件及结构的初步设计4、 受力件的校核计算5、 零部件及结构设计的最终确定6、 编写设计说明书7、 绘制零件图及装配图1.2主要技术指标1、 最大夹紧力为25KN2、 夹持物最大尺寸为150mm第2章方案的拟定螺旋传动是通过螺杆和螺母的旋合传递运动和动力，主要用来把回转运动变为直线运动。1、 按使用要求的不同可分为以下三类：（1） 传力螺旋，以传递动力为主，要求用较小的力矩转动螺杆（或螺母）而使螺母（或螺杆）产生轴向运动和较大的轴向力，这个轴向力可以用来做起重和加压等工作。（2） 传导螺旋，以传递运动为主，并要求具有很高的运动精度，它常用作刀架或工作台的进给机构。（3） 调整螺旋，用于调整并固定零件或部件之间的相对位置。2、 按摩擦性质的不同可分为以下三类：（1） 滑动螺旋，常用梯形、矩形或锯齿型螺旋副，滑动螺旋结构简单、便于制造、易于自锁，应用广泛。（2） 滚动螺旋，在螺杆和螺母之间有可滚动的钢球将两者隔开，将螺旋副的滑动摩擦变为滚动摩擦。（3） 静压螺旋，螺杆与螺母螺旋面间被注入的压力油膜分隔开，螺旋副表面处于液体摩擦状态。此设计为螺旋夹紧器装置，用于固定和夹紧物体，由于螺旋夹紧器结构简单、成本低，故选用传力螺旋且是滑动螺旋。如图2-1，螺旋夹紧器装置在工件加工过程中使用极为普遍，属于夹具，是夹紧物体和固定物体的重要机械，主要由螺旋副、螺杆、螺母、手柄、基座和机架等组成。螺母固定在机架上，以圆周运动摇动摇柄，摇柄将动力传给螺杆，螺杆在螺母中上下作直线运动，螺杆向上运动时，螺旋夹紧器处于不工作状态，螺杆向下运动时，被夹物体所受压力越来越大，从而达到固定和夹紧作用。图2-1螺旋夹紧器第3章螺旋副及其结构设计螺旋副由螺杆和螺母组成，是螺旋夹紧器必不可少的重要组成部分。螺旋副在工作中起到了决定性作用，因此选择材料时要严格按照要求。螺杆和螺母的材料除要求有足够的强度、耐磨性外，还要求两者配合时摩擦系数小。一般螺杆选用Q275、45、50钢等；重要螺杆可选用T12、40Cr、65Mn钢等，并进行热处理。常用的螺母材料有铸造锡青铜ZCuSn10P1和ZCuSn5Pb5Zn5,重载低速时可选用强度高的铸造铝青铜ZCuAl10Fe3；在低速轻载，特别是不经常运转时，也可选用耐磨铸铁。表3-1滑动螺旋副常用材料及应用范围螺旋副材料牌号应用范围螺杆Q235、Q275、45、50材料不经热处理，适用于经常运动，受力不大，转速较低的传动40Cr、65Mn、T12、40WMn、18CrMnTi材料需经热处理，以提高其耐磨性，适用于重载、转速较高的重要传动9Mn2V、CrWMn38CrMoAl材料需经热处理，以提高其尺寸的稳定性，适用于精密传导螺旋传动螺母ZCu10P1、ZCu5Pb5Zn5材料减摩、耐磨性好，用于一般传动。ZCuAl9Fe4Ni4Mn2ZCuZn25Al6Fe3Mn3材料耐磨性好，强度高，用于重载低速传动。对于尺寸较大的螺母可采用钢或铸铁制造，其内孔浇注青铜或巴氏合金滑动螺旋传动的主要零件是螺杆和螺母。螺杆材料应有足够的强度和耐磨性，以及良好的加工性，对于精密传动螺旋，还要求热处理后有较好的尺寸稳定性。螺母材料除应具有足够的强度外，还要求与螺杆配合传动时摩擦因数小、耐磨性好。常用螺旋副材料如表3-1。3.1螺杆设计与计算3.1.1材料选择本设计是常用的螺旋夹紧器，其特点是重载低速，螺旋副的传动螺杆采用经热处理的合金调质钢40Cr制成，热处理硬度值为200HB，抗拉强度气=980MPa，屈服强度q=785MPa，具有一定的耐磨性。s3.1.2尺寸设计本设计的螺旋夹紧器螺杆尺寸可根据使用要求及条件确定。螺旋传动按其螺旋副的摩擦性质不同，分为滑动螺旋副，滚动螺旋副和静压螺旋副。滑动螺旋副结构简单，便于制造，易于自锁，所以螺旋夹紧器选择滑动螺旋副。螺纹类型有矩形，梯形和锯齿形。矩形螺纹牙型为正方形，传动效率高，但生产精度较低；梯形螺纹牙根强度高，螺纹工艺性好，易加工，强度适中，传动性能可靠；锯齿螺纹牙根出有相当大的圆角，减小了应力集中，提高了动载强度，工作效率比梯形螺纹高，但生产成本高。根据机械设计手册，选择具有单向受力优点的30。梯形单线螺纹，右旋，以达到自锁要求。滑动螺旋的磨损与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因素有关。其中最主要的是螺纹工作面上的压力，压力越大螺旋副间越容易形成过度磨损。因此，滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力〃，使其小于材料的许用压力［p］。1、按耐磨性计算螺纹尺寸值：根据机械设计任务书技术指标给出最大夹紧力为25KN,所以本设计的轴向力可以定为F=25KN，对于整体螺母，由于磨损后不能调整间隙，受力比较均匀，所以螺纹圈数不宜过多，故取4=1.2〜2.5,此处4取2。螺杆一螺母材料分别为钢一青铜，滑动速度为手动低速，查机械设计手册［p］=18〜25N/mm3，取［p］=20N/mm3。由机械设计手册查的梯形螺纹公式:

(3-1)将上述数据带入（3-1）式得：d>0.8：4=0.8：―25^^—=20.00mm2 \血p」 《2x20Nmm3查机械设计手册，取外螺纹大径d=30mm,螺距p=6mm,牙顶间隙a=0.5mm的梯形螺纹Tr30x6，如图3-1。图3-1梯形螺纹基本尺寸基本牙型高度H:1H=0.5p=0.5x6mm=3.00mm外螺纹牙高h:3h=H+a=3.00+0.5mm=3.50mm内螺纹牙高H:4H=H+a=3.00+0.5mm=3.50mm牙顶高z:z=0.25p=0.25x6mm=1.50mm外螺纹中经d:2d=d-2z=30—2x1.50mm=27.00mm2内螺纹中经D:2D=d=27.00mm外螺纹小径d:3d=d-2h=30-2x3.5mm=23.00mm内螺纹小径D:1D=d-2H=30-2x3.00mm=24.00mm内螺纹大径D:4D4=d+2ac=30+2x0.5mm=31.00mm外螺纹牙顶圆角R :1maxR=0.5a=0.5x0.5mm=0.25mm牙底圆角R :2maxR=a=0.50mm2、螺旋升角w:W=arctan—=arctan =4.05°兀d2 3.14x27.003、当量摩擦系数广与当量摩擦角pj牙型角a=600,螺杆与螺母材料为钢与青铜，查机械设计手册有摩擦因数f=0.08〜0.10,取f=0.08。当量摩擦系数f:f=-!—=0.08=0.092

cospcos30°当量摩擦角p，:p'=arctanf=5.27°3.1.3螺杆尺寸校核与确定一、螺杆尺寸校核螺杆在全部旋出降至最低位置时，其受力情况最为不利，且螺杆为一压杆，同时承受压力及扭矩，因此应分别按照耐磨性、自锁条件、抗压强度及稳定性对螺杆进行校核计算。1、 耐磨性条件校核：锯齿螺纹工作高度H1：H[=0.5p=0.5x6mm=3.00mm螺母高度H从初步设计得：H=60mm轴向外载荷H:F=25KN=25000N螺纹旋合圈数〃:n=10螺旋夹紧器滑动装置滑动速度较低，根据螺杆和螺母材料为钢一青铜，查资料得其许用压强[p]=18〜25MPa。根据机械设计手册查的工作压强公式：F 、p= (3-2)兀d2H1n由式p=—————得：兀d2H1nF 25000Np= =兀d2Hn3.14x27.00x3.00x10mm3=9.83MPaV[p]=18〜25MPa由p<[p]，得所选螺杆和螺母合适。2、 螺纹的自锁性验算：螺纹升角w:p 6W=arctan =arctan =4.05°兀d2 3.14x27.00当量摩擦角p，:p'=5.27°

有p，>人，即螺纹升角小于当量摩擦角，满足自锁条件。3、螺杆的强度校核：螺杆所受转矩T:T=Ftan +p'）4=25000Nxtan（4.05。+5.27。）x27002 2=55389N-mm由机械设计手册查得当量应力b公式：ca 顷d3由机械设计手册查得当量应力b公式：ca 顷d32J冗d23/I冗d3/' 37b=切2+3T2=ca当量应力b由公式b=Jb2+3r2="膈32J、2+3［岑］2（兀d3J、37+3际（兀d3J

、37、2算出:（3-3）f4xf4x25000］2"3.14x23.002J+3f16x55389+"3.14x23.003、2MPaJ=72.4MPa确定许用应力lb],查表得[b]=bc/（3〜5）。因夹紧装置属于静载，许用应力[b]可取较大值：[b]=竺=261.56MPa3由以上计算有b<[b],故螺杆符合要求。ca4、螺杆螺纹牙的强度校核：查机械设计手册有梯形螺纹牙根部宽度b:b=0.65p=0.65x3mm=3.90mm查机械设计手册得螺杆许用剪切应力lr]=0.6[b],许用弯曲应力[b七（1.0〜1.2）[b]。由机械设计手册及相关资料查的螺杆的剪切强度和弯曲强度的公式如下：剪切强度t公式:（3-4（3-4）t=兀dbn3弯曲强度。公式:bbTidb^n

3剪切强度T:t=-J—= ^299 MPa=8.9MPCIndbn3.14x23x3.9x103确定许用应力[』，查表得[b]=b/(3〜5)。因夹紧装置属于静载，许用应力&]C可取较大值：t]=—=261.56MPa3t=S.9MPa<[r]=0.6[c>]=0.6x261.56MF。=157MPa由t<It],得所设计的螺杆符合要求。弯曲强度。:b3FH3x25000x3.00山八“八川 = MPa=20.5MP。bndb^n3.14x23.00x3.92xlO3Q=20.5<[b]=(1.0〜1.2)b b由。<[o],得所设计的螺杆符合要求。bb5、螺杆的稳定性校核：对于长径比大的受压螺杆，当轴向压力8大于某一临界值时，螺杆就会突然发生侧向弯曲而丧失其稳定性。因此，在正常情况下，螺杆承受的轴向力8必须小于临界载荷七。确定螺杆的柔度人值：入业 (3-6)i式中日-螺杆的长度系数，•-螺杆危险截面惯性半径(1)、螺杆的长度系数日的确定：螺杆上部螺母端：

l

-^

dH~dl

-^

dH~d6027.00=2.22在1.5〜3.0内属于不完全固定，本设计所设计的螺旋夹紧器为一端固定一端为不完全固定，查机械设计手册，得u=0.6。(2)、螺杆危险截面惯性半径，的确定：.d23.00I=t= mm=5.75mm4 4本设计的螺旋夹紧器，其螺杆最大工作长度主要根据外界条件和人类身高因素等确定，所以本设计螺杆的最大工作长度可以取为l=500mm。螺杆的柔度人值："pl0.6X500sc人=——= =52.2i5.75临界载荷Fc:340F=c340F=c1+0.00013人23401+0.00013x52.223.14x23.002 104643NcFcF104643S=―c= cF25000=4.2>S=2.5〜4由Sc>S可得稳定性条件满足。6、效率门计算：螺旋夹紧器装置为回转运动转化为直线运动，由机械设计手册查的效率门公式:(0.95〜(0.95〜0.99)xtan人

tan(X土p。(3-7)系数(0.95〜0.99)属于轴承效率，轴承形式为滑动轴承，取小值0.95。本设计的螺旋夹紧器根据机械设计手册相关知识，只需要计算上升时效率，上升时支架载荷与运动方向反，取“+”号。门=0.95x一严」.05°__=0.95x0071=41.0%tan【4.05。+5.27。) 0.164因为是手动螺旋夹紧装置，故螺杆的刚度及横向振动不予验算。二、螺杆尺寸最终确定经过计算与校核，根据计算尺寸螺杆可设计成如图3-2,其具体尺寸见附录1。图3-2螺杆模型图3.2螺母设计与计算3.2.1材料选择螺母材料一般可选用青铜，对于尺寸较大的螺母可采用钢或铸铁制造，其内孔浇注青铜或巴氏合金,ZCuAl10Fe3耐磨性好，强度高，使用于重载、低速的传动，所以螺母材料选择青铜ZCuAl10Fe3制成。3.2.2尺寸设计由机械设计手册查的求取螺母高度H的公式：H=中d (3_8)对于整体式螺母中=1.2〜2.5，取中=2。螺母高度H:H=中d=2x27.00mm=54.00mm螺纹中经D:2D2=d2=27.00mm螺纹小径D:1D=d—2H=30—2x3.00mm=24.00mm螺纹大径D:4D=d+2a=30+2x0.5mm=31.00mm图3-3螺母相关尺寸图因为螺纹各圈受力不均匀，低10圈以上的螺纹实际上起不到分担载荷的作用，所以螺纹圈数〃一般不宜超过10圈。取H=60mm，所以n=—=^-=10，满足p6所以螺纹圈数〃一般不宜超过n=H<10〜12的要求。P螺母高度H:H=60mm设计固定高度a:a=(0.2〜0.3)H=0.25x60mm=15mm螺母压入支架上的孔内，圆柱接触面间的配合常采用间隙配合。为了安装简便，需在螺母上下两端做出倒角，还应装置紧定螺钉，紧定螺钉直径由轴向力大小决定，一般为6〜12mm，螺钉为M8，螺母螺纹的相关尺寸如图3-3。3.2.3螺母尺寸校核与确定由机械设计手册查的求取梯形螺纹牙根部宽度力的公式:b=0.65p (3-9)梯形螺纹牙根部宽度b:b=0.65p=0.65x3mm=3.90mm查机械设计手册得螺母许用剪切应力X]=30〜40MPa，许用弯曲应力卜]=40〜b60MPa。由机械设计手册及相关资料查的螺母的剪切强度和弯曲强度的公式如下。剪切强度T公式：F , 、T= (3-10)兀Dbn4弯曲强度%公式：bf (3-11)4根据螺母螺纹圈的受力情况并结合公式可得到如下校核计算结果。剪切强度T:

25000t=F= MPa=6.6MPa25000兀Dbn3.14x31.00x3.9x104t=6.6MPa<|r]=30〜40MPa因t<|t],所以所设计螺母符合要求。弯曲强度a:b3x25000x3.00a=3FH1=_— "J3x25000x3.00b兀Db2n3.14x31.00x3.92x104气=15.2MPa<[a]=40〜60MPa因气<[a]b,所以所设计螺母符合要求。第4章其它零部件及其结构设计

4.1手柄设计4.1.1材料选择螺旋夹紧器的手柄是传递动力的主要组成部分，因此它必须具备一定的耐磨性。手柄材料经常采用Q235和Q215,此设计选择Q235作为手柄材料，查机械设计手册其"]=120MPa。4.1.2尺寸设计与确定3B3B图4-1手柄尺寸图根据外界条件及人为因素，所设计的螺旋加紧器人力机械，可根据人类手臂长度

来确定，所以选择长度L=300mm作为手柄长度。查机械设计手册的弯曲强度公式a:（4-1）KL

a= （4-1）0.1D3把手柄看成一个悬臂梁，可由弯曲强度公式a=史＜[c]确定其直径D,其中把手柄看成一个悬臂梁，0.1D3KK=200N（K为工人臂力），L=300mm，[a]=120MPa。变化公式带入数据得：八、:KL ：200x300x10-3D> =3 17.10mm30.1[a]30.1x120x106所以取D=20mm。手柄可设计成倒“工”字形，且一端设计成一个圆孔帽，使之盖在螺杆上端并用键紧固，以防止手柄打滑脱离螺杆，具体尺寸如上图4-1。4.2基座设计4.2.1材料选择基座在本设计中具有将物体固定和夹紧的作用，他相当于钳子，是固定物体和夹紧物体的重要支柱，是螺旋夹紧器不可缺少的重要组成部分。根据机械设计常用规则，它对材料的选择没有严格要求，因此我们可以根据市场经济和加工成本等要求选择QT420铸铁。4.2.2尺寸设计与确定根据设计任务书技术指标给出夹持物的最大尺寸为150mm，本次设计的螺旋夹紧器可设计成只运用于夹持圆柱体的夹紧器，根据夹紧物最大尺寸为6150，所以我们可以把基座设计成V型形状且角度为90。。上基座可根据实际装机经验设计成“T”形直接装到螺杆上，下基座可用M10螺栓固定在工作台上，其形状及具体尺寸可见附录1。4.3机架设计4.3.1材料选择机架是机械必不可少的重要组成部分，它对机械不仅取到了固定作用，而且是整个机械的脊髓。由于铸铁的铸造性能好、价廉以及吸振能力强，所以运用广泛。本设计是螺旋夹紧器的机架，可根据市场价格要求，可选择经济实惠的HT250铸铁。4.3.2尺寸设计与确定根据使用场所、受力情况和螺母尺寸，螺旋夹紧器支架可设计成门框形式，并用螺栓M10固定在工作台上，其形状和具体尺寸可见附录1。4.4其它零部件设计1、 根据设计要求螺母采用4个M8的螺钉固定在机架上，下基座和机架采用12个M10的螺栓固定在工作台上。2、 根据设计需要，手柄与螺杆连接处可采用键连接，本设计采用半圆头普通平键，结合螺杆直径并查机械设计手册，选用的键为：b=8mm，h=7mm，L=25mm。即C8x25GB/T1096〜2003。3、 螺钉和螺栓连接处都采用垫圈，螺杆与螺母之间采用润滑油。螺旋夹紧器设计，主要是以设计为主，即运用大学所学的专业知识，特别是用工程制图、金属材料及热处理及机械设计等相关知识设计出符合要求的夹具装置。本设计选择梯形螺纹Tr306，螺杆材料为调质钢40Cr,螺母为铜合金ZCuAl10Fe3,通过耐磨性校核、螺纹自锁性验算、螺杆强度校核、螺纹牙强度校核及螺杆的稳定性校核，螺旋传动设计合理达到要求。其它零部件经过设计和校核，满足螺旋夹紧装置。通过