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夹具 设计

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拔叉夹具设计 系 部： 学生姓名： 专业班级： 学 号： 指导教师： 2012年3月20日 声 明 本人所呈交的 拔叉夹具设计 ，是我在指导教师的指导和查阅相关著作下独立进行分析研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 　　　 日期： 2012年3月20日 【摘要】 夹具是最复杂和专用化程度最高的工艺设备之一，夹具设计是一个高度依赖经验的设计，一般都是通过调整已有相似的夹具来获得新夹具的设计，很少从头做起。 本文设计了一拨叉专用夹具。本文详细说明了专用夹具的地位和作用，明确了拨叉必须达到一定精度的原因，概述了夹具的重要性以及设计夹具时需注意的几个方面。并对零件图纸进行分析，根据生产需要，按照加工的要求，进行夹具的设计。 首先确定了夹具的形式和组成，其次分析了夹具定位和夹紧的情况，计算加工时工件的夹紧力与切削力的关系，判断初步的设计是否符合要求。然后对夹具的外形尺寸、配合尺寸及公差进行计算，根据需要选择标准零件。最后进行误差分析。形成误差的因素有很多，需一一分开仔细，这样才能最终确定本设计的夹具是否满足加零件加工的要求。 通过实际应用表明，该夹具能很好的完成既定任务，具备较好的实用性。 【关键词】：定位；夹紧；夹具设计；加工工序 目录 引言 1 一、零件分析 2 二、定位基准的选择 2 （一）工件定位基准的选择 2 （二）拨叉的定位基准 4 三、夹具设计 4 （一）钻床夹具的特点 4 （二）机床夹具的组成 5 （三）工件的定位方法 6 （四）工件的定位元件 7 （五）定位误差的分析与计算 8 （六）夹紧机构的分析与夹紧力的计算 9 总结 13 参考文献 14 谢辞 15 附录一：拨叉夹具装配图 16 附录二：拨叉夹具设计元件 18 引言 无论是在传统制造业还是现代柔性制造系统中，为了保证工件的加工表面相对其他表面的尺寸和位置精度，加工前都需要在机床上对工件进行定位和夹紧。根据工件的加工精度要求和加工批量的不同，通常可采用找正装夹和夹具装夹两种方法。找正装夹能较好地适应工序或加工对象的变换，夹具结构简单，但生产率低，劳动强度大，加工精度低，多用于单件、小批量生产中。然而，随着生产的发展，对产品的数量和质量的要求日益提高，推动了机床夹具的发展。夹具因需要一定的生产成本和准备周期，故广泛用于成批、大量生产。 夹具是各类工具中最复杂和专用化程度最高的工艺设备之一，夹具设计在制造系统中占据着极其重要的地位，它直接影响零件的加工质量、生产效率和制造成本，因而夹具被认为是工艺过程中最活跃的因素之一，制造业中非常重视对夹具的研究。 随着工件结构和尺寸参数、加工精度以及生产方式的不同，机床夹具的结构、种类和通用化程度也就有所不同，主要类型有：通用夹具、专用夹具、可调夹具、组合夹具、拼装夹具、相变式夹具和适应性夹具。尽管机床夹具各式各样、互不相同，但可以从不同的夹具结构类型中概括出一般夹具所普遍共有的结构组成部分：定位元件、夹紧元件、夹具体、引导装置和其他装置。 一、零件分析 如图1-1所示的拨叉零件图，材料为QT40-17，毛坯为精铸件，要在其上钻M8的螺纹底孔，要求设计大批量生产时所需的钻夹具，所需的夹具必须控制六个自由度不能有过定位。下面我们先对其拨叉做一些剖析。 图1-1 拨叉零件图 该零件圆柱长度方向尺寸mm的两端面、内径尺寸H7mm以及外径尺寸mm均已加工好。 本工序的加工要求是：底孔中心与左端面的距离为14mm。 拟定加工工艺路线工序：工序Ⅰ 钻M8的螺纹孔 工序Ⅱ 攻螺纹孔 二、定位基准的选择 （一）工件定位基准的选择 1.六点定则 任何一个自由刚体，在空间均有六个自由度，即沿空间坐标轴X、Y、Z三个方向的移动和绕此三坐标轴的转动。 工件定位的实质就是限制工件的自由度。 由此可见，工件安装时主要紧靠机床工作台或夹具上的这六个支承点，它的六个自由度即全部被限制，工件便获得一个完全确定的位置。 工件定位时，用合理分布的六个支承点与工件的定位基准相接触来限制工件的六个自由度，使工件的位置完全确定，称为“六点定则”。 六点定则是工件定位的基本法则，用于实际生产时，起支承作用的是一定形状的几何体，这些用来限制工件自由度的几何体就是定位元件。如图2-1所示。 图2-1 物体在空间具有六个自由度 2.完全定位、不完全定位和欠定位 加工时，工件的六个自由度被完全限制了的定位称为完全定位。 但生产中并不是任何工序都需要采用完全定位的。究竟应该限制几个自由度和哪几个自由度，应由工件的加工要求决定。 例如在一个长轴上铣一个两头不通的键槽，加工要求除了键槽本身的宽度、深度和长度外，还需保证槽距轴端的尺寸及槽对外圆轴线的对称度。此时绕工件轴线转动的自由度就不必限制而只要限制五个自由度即行了。工件的六个自由度没有被完全限制的现象称为不完全定位。在平面磨床上磨削平板零件的平面也是不完全定位的一个例子。 在满足加工要求的前提下，采用不完全定位是允许的。但是根据加工要求应该限制的自由度而没有限制是不允许的，它必然不能保证加工要求，这种现象称为欠定位。 3.过定位现象 工件的某个自由度被重复限制的现象称为过定位。一般情况下应当尽量避免过定位。 但是，在某些条件下，过定位的现象不仅允许，而且是必要的。此时应当采取适当的措施提高定位基准之间及定位元件之间的位置精度，以免产生干涉。 如车削细长轴时，工件装夹在两顶尖间，已经限制了所必须限制的五个自由度（除了绕其轴线旋转的自由度以外），但为了增加工件的刚性，常采用跟刀架，这就重复限制了除工件轴线方向以外的两个移动自由度，出现了过定位现象。此时应仔细地调整跟刀架，使它的中心尽量与顶尖的中心一致。定位基准的选择。粗基准：未加工的毛坯表面。精基准：已加工的表面。考虑因素： 加工面——不加工面。加工面——待加工面。加工面——定位基准之间的位置关系及夹具结构、定位装夹等要求。粗基准的选择：余量均匀原则 ，重要表面；要求高的孔；导轨表面。（粗基准只能有效）使用一次原则：某一自由度只能实际使用一次，使用但不用来限制自由度不计算。粗基准平整光洁，定位可靠原则。精基准的选择。基准重合原则： 定位基准与设计基准重合定位尺寸： 设计基准与定位基准之间的尺寸基准不重合误差大小等于定位尺寸的公差（定位尺寸与工序尺寸同向时大小等于定位尺寸公差在工序尺寸方向上的投影（不同向时）。粗、精准选择要点：精基准考虑的重点是如何减小误差，提高定位精度；粗基准考虑的重点是加工面有足够的余量，加工面与不加工面的尺寸，位置精度，提供精基准。粗、精基准选择的各条原则，从不同方面提出的要求，在具体使用时常常会互相矛盾，必须结合具体的生产条件进行分析，抓住主要矛盾，灵活选用这些原则。 （二）拨叉的定位基准 根据本工序的加工要求，工件定位时需要限制六个自由度，即为全定位。为此以圆柱端面和圆柱内孔以及拔叉侧坂定位，其中圆柱端面限制三个自由度，圆柱内孔限制两个自由度，拔叉侧面限制一个自由度，具体定位如图2-2所示。 图2-2 工件定位基准的选择 三、夹具设计 （一）钻床夹具的特点 机床夹具是在金属切削加工中，用以准确地确定工件位置，并将其牢固地夹紧，以接受加工的工艺装备。它的主要作用是：可靠地保证工件的加工质量，提高加工效率，减轻劳动强度，充分发挥和扩大机床的工艺性能。因此，机床夹具在机械制造中占有重要的地位。 为了提高劳动生产率，保证加工质量，降低劳动强度，需要设计专用夹具。经过与指导老师协商，决定设计第五道工序-----钻孔的钻床夹具。 本工序的加工条件为；加工条件：Z525立式钻床，φ7.8mm标准麻花钻，专用夹具。 各种钻床所使用的夹具，通常称为钻具或钻模。使用钻具的工序，一般是用钻头、锪刀、铰刀和丝锥等刀具来进行加工的。在大多数情况下，加工工程的特点是刀具和机床主轴一起做旋转运动和送给运动，而工件和钻具则固定不动。因此，工件被加工孔是与刀具旋转轴线同心的，其位置分布可以是同轴线的一些表面，也可以是不同轴线的互相平行或成任意角度的表面。 针对我们所要加工的工件为一个孔，因此要选择使用钻床进行加工。本设计在钻床上所使用的夹具。 （二）机床夹具的组成 夹具的基本组成有以下几个部分： 1.位元件及定位装置：用于确定工件在夹具中的正确位置。 2.紧元件及夹紧装置：用于夹紧工件，保持工件定位后的位置在加工过程中不变。 3.向或对刀元件：用于确定夹具与刀具的相对位置。如钻夹具中的钻套等。 4.具体：用于将各种元件、装置安装。 5.其它元件及装置：根据加工需求而设置的其它元件或装置。钻具作为生产上应用的最广泛的机床夹具，型式特多，这主要是由于被加工孔的位置相对与定位基准来说，比较分散的而且几何关系变化较多所决定的，其夹具设计的主要特点和要求有：正确选择钻具的结构型式 钻具的结构型式主要是根据工件的形状和尺寸大小、被加工孔相对于定位基准的位置 被加工足够孔的数目、精度要求以及工件生产的批量大小所决定的。 按照工序进行过程中钻具在机床上的位置变化情况，钻具分为以下几类： ⑴固定式钻具——多用为大型钻具；被加工表面轴线相同，或相平行，钻具需要，固定在机床工作台上的情况；本次设计所采用的即是此类型。 ⑵移动式钻具——多用个被加工表面的轴线平行，用钻具移动来变换工位的情况。 ⑶翻转式钻具——用于方向不同的几个孔，整个钻具可以翻转的情况。 ⑷回转式钻具——用于加工方向不同的几个孔，工件装在钻具的回转部分相对于钻具底座可以转动或分度。为保证被加工表面的位置精度，除了钻套应有较高的精度要求外，还应正确选择引导方式和钻套的结构型式。 钻具的作用主要是使工件被加工表面的轴线位于机床主轴轴线的方向上，并保持刀具的旋转对工件的定位基准有正确的相互位置。 而钻模板的结构形式主要有：整体式、固定式、可卸式、铰链式、悬挂式、滑柱式，本设计中选用的是固定式，它和钻模夹具体的联结采用的是销钉定位，用螺钉紧固成一 整体，结构刚度好，加工孔的位置精度较高。在使用钻具的工序中，刀具的轴线一般都与机床工作台垂直，故钻具上应有垂直与钻套轴线的底平面，使钻具能稳定地安放在机床的工作台上，以保证被加工孔的正确方向并承受轴向切削力。要注意装卸工件方便，安装无误，便于排屑与冷却刀具。 ⑴应是切屑能靠自身的重量或靠其运动是所具有的离心力无障碍地离开钻具。 ⑵有是可以在钻具本体壁上开窗口或通槽以利于切屑的通过和排除。 ⑶切屑通过的地方要平整，光洁度一般为。 ⑷避免有切屑不易通过的内部棱角和凸台等。 ⑸定位面和安装面应略高于周围的平面，这样，周围即使有切屑存在，也不致于影响工件的正确定位和安装。 ⑹定位面和安装面的面积不必太大，只要能稳定地支持工件和夹具即可。 ⑺配合表面的根部转接处，应开有空刀槽，这样既可密合也可便于清除残存的切屑。 夹紧装置的安排要恰当，使钻模或定位销不因弯曲力矩而影响加工的精度 （三）工件的定位方法 定位方法和定位元件的选择，包括定位元件的结构、形状、尺寸及布置形式等，主要决定于工件的加工要求，工件定位基准和外力的作用状况等因素。 1、工件以平面定位 工件以平面定位，即指工件的定位基准为平面的情况。作为定位基准的平面不可能是理想的几何平面，而是凹凸不平的。一个平面对正确几何平面的误差，可以分为平面度和光洁度两个方面。虽然表面的平面度和光洁度之间，并无绝对的数值关系，但一般情况下，光洁度愈高，平面度也愈好，因此可以根据光洁度来判断表面的好坏。光洁度的等级不同，平面的好坏还会有些差异，但相差很小，对于定位方法和定位件的设计不会引起原则性的差别。 本文设计的钻夹具的定位基准以拨叉零件的圆柱孔端面为第一定位基准，限制工件的三个自由度，即工件以平面定位，并且此端面是已经机械加工过的，如图3-1 所示。 图3-1 定位基准面 工件用已经机械加工过的平面定位工件经过机械加工后，基准平面的误差比较小。可以直接放在平面上定位。但是为了提高定位的稳定性和定位精度，对于刚度较好，而基准面的光洁度以及平面度不是很高。轮廓尺寸又较大的工件，应将定位平面的中间部分挖低一些。 定位平面的轮廓尺寸最好小于基准面的轮廓尺寸。否则经过长期的磨损之后定位平面上将出现不平的痕迹，以后定位工件时，可能因此造成倾斜。 （四）工件的定位元件 1.拔叉定位及其元件 工件以平面在夹具中定位时，定位件有很多选择，如：夹具的本体、固定支承销、固定支承板、可调支承和自位支承等。 本次设计的钻夹具选用固定支承板为平面定位元件，保证零件圆柱孔端面的位置精度，如图3-2所示。 图3-2 定位元件 支承板常用装于以铸铁制造的或者其他不耐磨损的夹具体上。支承板可用两个或三个螺钉固定在本体上。这种支承板的缺点是螺钉头处的凹坑容易聚集细小的切屑，清除不易。支承板应尽可能做成狭而短，同时应有足够的刚度，使淬火时不至翘曲。 支承板适用于精基准定位，它分为A、B两种类型，如图3-3所示。 A型 B型 图3-3 定位支承板 A型用于侧面和顶面的定位，B型为带斜拉槽的形式，常用于底面定位。支承板用紧定螺钉紧固在夹具体上。若受力较大或支承板有移动趋势时，应增加圆锥销或将支承板嵌入夹具体槽内。采用两个以上支承板定位时，装配后应磨平工作表面，以保证等高性。 本设计的支承板用于侧面定位，故选择A型。 工件以圆柱孔定位，即指工件的定位基准为孔的情况。工件以圆柱孔定位时，夹具上常用的定位元件是心轴和定位销。 定位销的结构类型根据应用场合的不同有不同的形式，本设计中采用的定位销的结构形式如图3-4所示。 图3-4定位销结构 （五）定位误差的分析与计算 机械加工过程中，产生加工误差的因素有很多。在这些误差因素中，有一项因素与机床夹具有关。一批工件分别在夹具中定位时，各个工件所占据的位置并不完全一致。由于工件在夹具中定位不准确所引起的加工误差，称为定位误差，用表示。 1.定位误差产生的原因 1）基准不重合误差 由于工序基准与定位基准不重合而引起的工序基准相对于定位基准在加工尺寸方向上的最大位置变动量，称为基准不重合误差，用表示。 （式3-1） 式中 ——工件外圆的直径公差。 2）基准位移误差 由于定位副的制造公差以及最小配合间隙的影响，会引起定位基准在加工尺寸方向上有位置变动，其最大位置变动量称为基准位移误差，用表示。 （式3-2） 式中 ——工件内孔的直径公差； ——定位心轴的直径公差。 3）定位误差的计算 如果采用试切法加工，一般不需要考虑定位误差。在成批生产中采用调整法加工时，需要作定位误差的分析计算。定位误差是工件加工误差的一部分，在分析定位方案时，根据工厂生产实际经验，定位误差应控制在工件对应误差的1/3~1/5以内。 按合成法计算定位误差时，先分别算出基准不重合误差和基准位移误差，然后将两者组合而得。当、时=。当、时，=。当、时，如果工序基准不在定位基准面上，则=+；如果工序基准在定位基准面上，则=，当由于基准位移和基准不重合分别引起加工尺寸作相同方向变化（即同时增大或同时减小）时，取“+”号，而当引起加工尺寸作相反方向变化时，取“-”号。 根据定位误差产生的原因的，可得加工尺寸的定位误差为： （式3-3） 根据以上对定位误差的分析、公式3-1、3-2、3-3以及夹具的定位元件的尺寸精度，计算本次设计夹具设计的定位误差如下： 定位销与工件的配合公差为： 由公式1计算定位基准不重合误差为 =0 由公式2计算定位基准位移误差为 = 由公式3-3得工件安装定位误差为 所以本次设计的夹具通过计算得出工件的定位安装误差为： 0.017mm （六）夹紧机构的分析与夹紧力的计算 工件在夹具中除了定位以外，由于加工过程中会受到切削力、离心力、惯性力及重力等外力作用，为了防止工件因此发生运动而破坏定位时获得的正确位置，工件在夹具中需要夹紧。夹紧的基本要求: 确定夹紧力就是要确定夹紧力的方向、大小和作用点。它必须结合工件的结构特点和加工要求、定位元件的结构和布置方式、切削条件和切削力大小等具体情况来进行。 1.夹紧力方向的确定 1）夹紧力的方向应有利于工件的定位，而不能破坏定位。为此一般要求主夹紧力应垂直指向第一定位基准面。 2）夹紧力的方向应尽量与工件刚度大的方向一致，以减小工件变形。 3）夹紧力的方向应尽可能与切削力、工件重力方向一致，以减小所需的夹紧力。 根据以上夹紧力方向确定的基本原则，并结合本设计的夹具的实际情况做出如下分析： 由图3-8所示的定位方式可知，工件的定位面为左端面，并且是以左圆住端面为第一定位基准面来限制三个自由度，根据夹紧力方向应指向第一定位基准的原则可以确定本夹具的夹紧力方向应与工件圆柱轴线方向一致，并且工件在圆柱径向方向上的刚度明显比在轴线方向上的刚度小，根据夹紧离的方向应尽量与工件刚度大的方向一致，以减小工件变形的基本原则，本夹具的夹紧方向仍然为圆柱轴线方向上。图3-8 夹紧力方向的确定故由以上夹紧力方向的确定分析得：夹紧力方向确定为圆柱轴线方向 图3-8 定位方式 2.夹紧力作用点的选择 夹紧力作用点应正对于支承元件所形成的稳定受力区域内，以保证工件已获得的位置不变。夹紧力作用点应处于工件刚性较好的部位，以减小工件的夹紧变形。夹紧力的作用点和支承点应尽量靠近切削部位，以提高工件切削部位的刚度和抗振性，夹紧力作用点应尽量使各支承处的接触变形均匀，以减小加工误差。 图3-9 夹紧力作用点的选择 根据以上夹紧力作用点的选择原则并结合本次设计的夹具的具体情况分析，如图3-9所示。得：夹紧力作用点为工件圆柱右端面。 3.夹紧力大小的计算 当在计算夹紧力的大小时，一般可以将工件可视为分离体，以最不利于夹紧时的状况为工件受力状况，分析作用在工件上的各种力，列出工件的静力平衡方程式，求出理论夹紧力，再乘以安全系数，作为实际所需要的夹紧力。 式中 ——实际所需要的夹紧力，单位为N； K——安全系数，一般取1.5~2.5； F——由静力平衡计算的出的理论夹紧力，单位为N。 分析工件的受力状况时，除了夹紧力、切削力以外，工件还应该考虑重力，运动速度较大时还须要考虑离心力和惯性力的作用。 针对本设计的夹具夹紧装置的具体形式，如图3-10所示，通过分析得出楔槽式快速螺旋夹紧机构的夹紧力计算公式为 式中 T——加在楔槽式夹紧机构上的夹紧转矩（N/m）； L——手柄上力的作用点到回转轴间的距离（m）； P——加在手柄上的外力（N）； Q——夹紧力（N）； R——螺旋槽的作用半径（m）； ——螺旋槽升角； ——螺旋槽与定位销之间的摩擦角。 图3-10 夹紧力计算 夹紧力可以由上式得出 （N） 此夹紧力为理论夹紧力，再乘以安全系数即得夹紧机构的实际夹紧力应该为 （N） 总结 此设计是我自实习至今，自己从理论到实践中一步步的总结并独自完成的。自2011年11月28日到目前为止，我从我的岗位中实践所学到的，结合自己的专业知识。分别介绍了我在机加工、清洗、测量、装配等每个日常工作情况。其中我插入了部分图以及我所描述此工件所需的部分零件图纸、照片。 本论文主要经历两个阶段，第一阶段定位基准的选择，第二阶段夹具的设计。 第一阶段，我运用了基准选择、切削用量选择计算、机床选用、时间定额计算等方面的知识；第二阶段夹具的设计运用的工件定位、夹紧机构及零件结构设计等方面知识。 通过此次的设计，使我基本掌握了零件的加工过程分析、工艺文件的编制、专用夹具设计的方法和步骤等。学会了查相关手册、选择使用工艺装备等等。 总的来说，这次设计使我在基本理论的综合运用及正确解决实际问题等方面得到了一次较好的训练。提高了我的思考、解决问题创新设计的能力，为以后的工作打下了较好的基础。 最后在此感谢我的指导老师，感谢曾经在大学里教育我的每位老师。由于个人知识经验能力以及时间所限，本文中的缺点和错误在所难免，敬请专家批评指正。 参考文献 [1]刘力.机械制图[M].北京：高等教育出版社，2001. [2]南秀蓉，马素玲.公差配合与测量[M].北京：北京大学出版社，2007. [3]王风岐，许红静，郭伟.计算机辅助夹具设计综述[J].航空制造技术，2003. [4]融亦鸣.计算机辅助夹具设计[M].北京：机械工业出版社，2002. [5]东北重型机械学院.机床夹具设计手册[M].上海：上海科技技术出版社，2005. [6]浦林祥.金属切削机床夹具设计手册[M].北京：机械工业出版社，2005. 谢辞 大学学习时光已经接近尾声，在此我想对我的母校，我的父母、亲人们，我的老师和同学们表达我由衷的谢意。感谢我的家人对我大学学习的默默的支持；感谢我的母校给了我在大学深造的机会，让我能继续学习和提高；感谢母校的老师和同学们的关心和鼓励。老师们课堂上的激情洋溢，课堂下的敦敦教诲；同学们在学习中的认真热情，生活上的热心主动，所有这些都让我充满了感动。 这次毕业论文设计我得到了很多老师和同学的帮助，其中我的论文指导老师季业益老师对我的关心和支持尤为重要。每次遇到难题，我最先做的就是向季老师寻求帮助，而季老师不管忙或闲，总会抽空讲给我听，然后一起商量解决的办法。季老师平日里工作繁多，但我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，论文提纲的确定，都得到了老师的无微不至的关怀和热情的帮助。在此，我再一次真诚地向帮助过我的老师和同学表示感谢！ 附录一：拨叉夹具装配图 16 附录二：拨叉夹具设计元件 1.定位元件 主定位销： A24*14 GB2203-80 侧定位销：阶梯定位销D12*H20 支承板：A6*30 GB2236-80 支承板与夹具体连接螺钉：螺钉 GB65-M4*6 2.夹紧元件 压块：A24 GB2171-80 顶杆：D32*L125 手柄：D16*L80 连接压头螺栓：CM12*45 GB/T2160-91 调节螺母：M12 GB6172-86 螺钉：M10*30 GB75-85 螺母：M10 GB6172-86 3.导向元件 定位衬套：A12H6*12 GB2201-80 钻套：6.8F7*12k6*12 GB2264-80 钻套螺钉：M6*18 GB2268-80 4.钻模板与夹具体连接螺栓 连接螺栓：GB5782-86-M5*25 弹性垫圈：GB93-87-5

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