夹具第7章夹具设计步骤.docx
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夹具第7章夹具设计步骤
夹具第7章夹具设计步骤（2006）
机床夹具设计讲稿
1机床夹具概述
1.1工件的装夹与机床夹具
1.2夹具的分类与作用
1.3机床夹具设计研究的内容
2工件在夹具中的定位
2.1工件定位原理
2.2定位元件的选择与设计
2.3定位误差的分析与计算
2.4工件定位方案设计及定位误差计算举例
3工件在夹具中的夹紧
3.1夹紧装置的组成及其设计要求
3.2夹紧力的确定
3.3夹紧机构设计
3.4夹紧动力装置设计
3.5夹紧装置设计实例
4夹具在机床上的定位、对刀和分度
4.1夹具在机床上的定位
4.2夹具在机床上的对刀
4.3夹具的转位和分度装置
5各类机床夹具的结构特点
5.1钻床夹具
5.2镗床夹具
5.3铣床夹具
5.4车床和圆磨床夹具
5.5齿轮加工机床夹具
6可调夹具及组合夹具设计
6.1概述
6.2通用可调夹具和成组夹具
6.3组合夹具
7机床夹具的设计方法及步骤
7.1机床夹具设计的一般步骤
7.2机床夹具设计举例
7.3机床夹具计算机辅助设计简介
7.4夹具体的设计
7.5夹具结构的工艺性
7机床夹具的设计方法与步骤
7.1机床夹具设计的一般步骤
本章主要介绍专用夹具的设计方法与步骤，并讨论与此有关的一些问题。
7.1.1专用夹具设计的基本要求
机床专用夹具设计的基本要求可概括为以下几个方面：
1）保证工件的加工精度；这是家具夹具设计的最基本要求，其关键是正确地确定定位方案、夹紧方案、刀具导向方式及合理制定夹具的技术要求。
必要时应进行误差分析与计算。
2）夹具总体方案应与生产纲领相适应；
3）操作方便，工作安全，能减轻工人劳动强度；
4）便于排屑；
5）有良好的结构工艺性。
7.1.2专用夹具设计的一般步骤
（1）研究原始资料，明确设计要求
（2）拟定夹具结构方案，绘制夹具结构草图
（3）绘制夹具总图，标注有关尺寸及技术要求
夹具总图应按国家标准绘制，比例尽量取1：
1，这样可使所绘制的夹具图有良好的直观性。
对于很大的夹具，可使用1：
2和1：
5的比例，夹具很小时可使用2：
1的比例。
夹具总图在清楚表达夹具工作原理和结构的情况下，视图应尽可能少，主视图应取操作者实际工作位置。
绘制夹具总图可参照如下顺序进行：
用假想线（双点划线）画出工件轮廓（注意将工件视为透明体，不挡夹具），并应画出定位面、夹紧面和加工面；画出定位元件及刀具引导元件；按夹紧状态画出夹紧元件及夹紧机构（必要时用假想线画出夹紧元件的松开位置）；绘制夹具体和其它元件，将夹具各部分连成一体；标注必要的尺寸、配合、技术条件；对零件进行编号，填写零件明细表和标题栏。
（4）绘制零件图
对夹具总图中的非标准件均应绘制零件图，零件图视图的选择应尽可能与零件在总图上的工作位置相一致。
7.2机床夹具设计举例
7.2.1设计实例
下图所示为一夹具设计过程示例。
该夹具用于加工连杆零件的小头孔。
零件材料为45钢，毛坯为模锻件，年产量为500件，所用机床为立式钻床Z525。
设计的主要过程如下：
1）精度与批量分析。
本工序有一定位置精度要求，属于中批生产，使用夹具加工是适当的。
但考虑到生产批量不大，因而夹具结构应尽可能简单，以减少夹具制造成本。
2）确定夹具结构方案。
①确定定位方案，选择定位元件。
②确定导向装置。
③确定夹紧机构。
④确定其它装置和夹具体。
3）在绘制夹具草图的基础上绘制夹具总图，标注尺寸和技术要求。
4）对零件进行编号，填写明细表和标题栏，绘制零件图。
7.2.2夹具设计中的几个重要问题
（1）夹具设计的经济性分析
在零件加工过程中，对于某一工序而言，是否要使用夹具，应使用什么类型的夹具（通用夹具、专用夹具、组合夹具等），以及在确定使用专用夹具的情况下应设计什么档次的夹具，这些问题在夹具设计前必须加以认真的考虑。
除了从保证加工质量的角度考虑外，还应作经济性分析，以确保所设计的夹具在经济上合理。
具体内容可参考文献。
（2）成组设计思想的采用
以相似性原理为基础的成组技术在设计、制造、管理等各方面均有广泛的应用，夹具设计也不例外。
在夹具设计中应用成组技术的主要方法是根据夹具的名称、类别、所用机床、服务对象、结构形式、尺寸规格、精度等级对夹具及夹具零部件进行分类编码，并将设计图纸及有关资料分类存放。
当设计新夹具时，首先对已有的夹具进行检索，找出编码相同或相近的夹具，或对它进行小的修改，或取其部分结构，或供设计时参考。
在设计夹具零部件时，亦可采用相同的方法，或直接将已有的夹具零部件拿来使用，或在原来图纸基础上作些小的改动。
不论采用哪知方法，均可大大减小设计工作量，加快设计速度。
此外，在夹具设计中采用成组技术原理，有利于夹具设计的标准化和通用化。
（3）夹具总图上尺寸及技术条件的标注
夹具总图上标注尺寸及技术要求的目的主要是为了便于拆零件图，便于夹具装配和检验。
为此应有选择地标注尺寸及技术要求。
具体讲，夹具总图上应标注以下内容：
①夹具外形轮廓尺寸；
②与夹具定位元件、导向元件及夹具安装基准面有关的配合尺寸、位置尺寸及公差；
③夹具定位元件与工件的配合尺寸；
④夹具导向元件与刀具的配合尺寸；
⑤夹具与机床的连接尺寸及配合；
⑥其它重要配合尺寸。
如上图。
夹具上有关尺寸公差和形位公差通常取工件上相应公差的1/5～1/2。
当生产批量较大时，考虑夹具的磨损，应取较小值，为使夹具制造不十分困难，可取较大值。
当工件上相应的公差为自由公差时，夹具上有关尺寸常取±0.1mm或±0.05mm，角度公差（包括位置公差）常取±10’或±5’。
确定夹具公差带时，还应注意保证夹具的平均尺寸与工件上相应的平均尺寸一致，即保证夹具上有关尺寸的公差带刚好落在工件上相应尺寸公差带的中间。
夹具总图上标注的技术要求通常有以下几方面：
1）定位元件与定位元件表面之间的相互位置精度要求；
2）定位元件的面与夹具安装面之间的相互位置精度要求；
3）定位元件的面与引导元件工作表面之间的相互位置精度要求；
4）引导元件与引导元件工作表面之间的相互位置精度要求；
5）位元件的定位表面或引导元件的工作表面对夹具找正基准面的位置精度要求；
6）与保证夹具装配精度有关的或与检验方法有关的特殊的技术要求。
（4）夹具结构工艺性分析
在分析夹具结构工艺性时，应重点考虑以下问题：
①夹具零件的结构工艺性。
与一般机械零件的结构工艺性相同，首先要尽量选用标准件和通用件，以降低设计和制造费用；其次要考虑加工的工艺性及经济性，详见第一章有关的内容
②夹具最终精度保证方法。
专用夹具制造精度要求较高，又属于单件生产，因此大都采用调整、整修、装配后加工以及在使用机床上就地加工等工艺方法来达到最终精度要求。
在设计夹具时，必须适应这一工艺特点，以利于夹具的制造、装配、检验和维修。
2-85.JPG例如图2－85所示镗模，要求保证工件定位面A与夹具底面L平行。
若直接通过加工装配来保证，则根据尺寸链原理，支承板3的高度及上下表面的平行度、夹具底板4上下表面的平行度均要求很好地保证，这往往会给加工带来一定的困难。
若将支承板安装在夹具底板上以后再加工A面，则不但可以很容易地保证A面对L面的平行度要求，而且可以降低夹具制造费用。
又如该夹具中轴线C与支承面A距离尺寸H平行度要求，均通过对镗模支架1和2的调整及装配来达到。
这样作既给加工带来很大方便，也使夹具最终精度易于保证。
③夹具的测量与检验。
在确定夹具结构尺寸及公差时，应同时考虑夹具上有关尺寸及形位公差的检验方法。
夹具上有关位置尺寸及其误差的测量方法通常有三种，即直接测量方法、间接测量方法和辅助测量方法。
例如在图2－85中，测量轴线C支承面A的位置尺寸H，可以在两镗模支架孔中插一检验棒，然后测量检验棒上母线至A面的距离，再减去检验棒的半径值，即可得到尺寸H的数值。
这种方法属于直接测量法。
当采用直接测量法有困难时，可采用间接测量方法。
例如要测量图2-62.JPG2－85中B面与轴线C的平行度，直接测量比较困难，此时可利用夹具底板上的找正基面D进行间接测量，即先测出B面对D面的平行度误差，在测量出C对D面的平行度误差，最后经计算可得到B面对轴线C的平行度误差。
当采用上述两种测量方法均有困难时，还采用辅助测量方法。
在使用夹具加工工件上的斜面或斜孔时经常会出现这样的情况，此时零件图上所给的尺寸在夹具上无法测量，需在夹具上设置辅助的测量基准，进行辅助测量。
例如图2－62所示铣夹具，用于加工工件上与定位面成16‘30‘角的斜面，并保证斜面上M点坐标尺寸67mm和93mm。
与这两个相对应的夹具尺寸无法测量，为此在夹具上设置了一个直径为8mm的工艺孔。
此工艺孔设在工件主轴线的延长线上，并与定位面保持一定的距离x。
若对刀块顶面至工艺孔中心O点的距离已经确定，则通过简单的几何关系，可求出x的值。
④⑤⑥
（5）夹具的精度分析
夹具的主要功能是用来保证零件加工的位置精度。
使用夹具加工时，影响被加工零件位置精度的误差因素主要有三个方面：
1）定位误差。
工件安装在夹具上位置不准确或不一致，用Δdw表示，如前所述。
2）夹具制造与装夹误差。
包括夹具制造误差（定位元件与导向元件的位置误差、导向件作本身的制造误差、导向元件之间的位置误差、定位面与夹具安装面的位置误差等）、夹紧误差（夹紧时夹具或工件变形所产生的误差）、导向误差（对刀误差、刀具与引导元件偏斜误差等）以及夹具装夹误差（夹具安装面与机床安装面的配合误差，装夹时的找正误差等）。
该项误差用Δzz表示。
3）加工过程误差2-84.JPG2-86.JPG在加工过程中由于工艺系统（除夹具外）的几何误差、受力变形、热变形、磨损以及各种随机因素所造成的加工误差，用表示。
上述各项误差中，第一项与第二项与夹具有关，第三项与夹具无关。
显然，为了保证零件的加工精度，应使
式中T为零件有关的位置公差。
式（2－22）即为确定和检验夹具精度的基本公式。
通常要求给留三分之一的零件公差，即应使与夹具有关的误差限定在零件相应三分之二的范围内。
当零件生产批量较大时，为了保证夹具的使用寿命，在制定夹具的制造公差时，还应考虑留有一定的夹具磨损公差。
7.3夹具体设计
7.3.1夹具体设计的基本要求
夹具体一般是夹具上最大和最复杂的基础元件。
在夹具体上，要安放组成该夹具所需要的各种元件、机构、装置，并且还要考虑便于装卸工件以及在机床上的固定。
因此夹具体的形状和尺寸应满足一定的要求，它主要取决于工件的外廓尺寸和各类元件与装置情况以及加工性质等。
所以在专用夹具中，夹具体的形状和尺寸很多是非标准的。
夹具体设计时应满足以下基本要求：
（1）有足够的强度和刚度
在加工过程中，夹具体要承受切削力、夹紧力、惯性力，以及切削过程中产生的冲击和振动，所以夹具体应有足够的刚度和强度。
为此，夹具体要有足够的壁厚，并根据受力情况适当布置加强筋或采用框式结构。
一般加强筋厚度取壁厚的0.3～0.9倍，筋的高度不大于壁厚的5倍。
（2）减轻重量、便于操作
在保证一定的强度和刚度的情况，应尽可能使体积小、重量轻。
在不影响刚度和强度的地方，应开窗口、凹槽，以便减轻其重量。
特别对于手动、移动或翻转夹具，通常要求夹具总重量不超过十公斤，以便于操作。
（3）安放稳定、可靠
夹具体在机床上的安放应稳定，对于固定在机床上的夹具应使其重心尽量底，对于不固定在机床上的夹具，则其重心和切削力作用点，应落在夹具体在机床上的支承面范围内。
夹具越高，支承面积应越大。
为了使接触面接触紧密，夹具体底面中部一般应挖空。
对于较大的夹具体应采用周边接触（7－10a）、两端接触（7－10b）或四脚接触（7－10c）等方式。
各接触部分应在夹具体的一次安装中同时磨出或刮研出。
（4）结构紧凑、工艺性好
夹具体结构应尽量紧凑，工艺性好，便于制造、装配。
夹具体上最重要的加工表面有三组：
夹具体在机床上定位部分的表面；安放定位元件的表面；安放对刀和导向装置或元件的表面等。
夹具体的结构应便于这些表面的加工。
设计夹具体时应考虑以夹具体在机床上定位部分的表面作为加工其它表面的定位基准，各加工表面最好位于同一平面或同一旋转表面上。
夹具体上安装各元件的表面，一般应铸出3～5mm凸台，以减少加工面积。
夹具体上不加工的毛面与工件表面之间应保证有一定的空隙，以免工件与夹具体间发生干涉。
其间隙当工件为毛面时取8～15mm，工件为光面时取4～10mm。
对于铸件还应该注意到拔模斜度对工件安装的影响。
（5）尺寸稳定、有一定的精度
夹具体制造后应避免发生日久变形。
为此对于铸造夹具体其壁厚过渡要和缓，均匀，以免产生过大的铸造残余应力。
夹具体各主要表面要有一定的精度和表面粗糙度要求，特别是位置精度。
这是保证工件在夹具精度的必要条件。
如表5~6图所示的镗模底座，上表面A、下表面D及找正面M、N的形状、位置精度为：
A、D、M、N各面的平面度公差为1000：
0.02~1000：
0.03；A面对D面的平行度公差为1000：
0.02~1000：
0.05；M面对N面的垂直度1000：
0.02~1000：
0.05。
表面粗糙度Ra为0.8~1.6um。
（6）排屑方便
在加工过程中所产生的切屑，一部分要落在夹具体上。
若切屑积聚过多，将影响工作安装的可靠性，因此夹具体在结构上应考虑清除切屑方便。
增加容纳切屑的空间，使落在定位元件上的少量切屑，排向容屑空间。
图7-11（a）所示是在夹具体上增设容屑沟。
图（b）是通过增大定位元件工作表面与夹具体之间的距离形成容屑空间。
这两种方法受到夹具体和定位元件结构强度和刚度的限制，实际所增加的容屑空间是有限的，故适用于加工时产生切屑不多的场合。
1）采用可自动排屑结构，如在夹具体上设计排屑用的斜面和缺口，使切屑自动由斜面处滑下排出夹具体外。
图7-12（a）是在钻床夹具体上开出排屑用的斜弧面，使钻屑沿斜弧面排出；图（b）是在铣床夹具体上设计的排屑腔，切屑沿斜角为a的斜面排出（一般a=10°~15°）。
夹具体结构的设计还应考虑切屑液流通便利。
（7）应吊装方便、使用安全
夹具体的设计应使夹具吊装方便、使用安全。
在加工中要翻转或移动的夹具，通常要在夹具体上设置手柄或手扶部位以便于操作。
对于大型夹具为便于吊运，在夹具体上应设有起吊孔、起吊环或起重螺栓。
对于旋转类的夹具体，要尽量避免凸出部分，或装上安全罩，并考虑平衡。
7.3.2夹具体毛坯的制造方法
夹具体毛坯的制造方法有多种，应根据对制造周期、经济性、结构工艺性等方面要求，结合工厂的具体条件加以选定。
（1）铸造夹具体
这是常用的夹具体毛坯制造方式。
其突出优点是制造工艺好，可以铸出各种复杂的外形。
铸件的抗压强度、刚度、和抗振性都较好，且采用适当的时效方式，可以清除铸造的残余应力，长期保持尺寸的稳定性。
其缺点是制造周期长，生产成本高。
铸造夹具体的材料可根据夹具体的具体要求加以选择。
通常为HT15~33或HT20~40灰铸铁；强度要求高时可以采用铸钢件，如ZG35||等；在小型夹具体或切削力很小的夹具中，加具体也可以考虑铸铝件，如ZL110等。
（2）焊接夹具体（图7-13b）
焊接夹具体和铸造夹具体相比，制造容易，生产周期短、成本低（比铸造夹具体成本低30%~35%左右）。
焊接夹具体所采用的材料为钢板、型材等，故其重量与同体积的铸铁夹具体相比要轻很多。
焊接夹具体在其制造过程中，要产生热变形和残余应力，对其精度影响很大，故焊成后要进行退火处理。
焊接夹具体很难得到铸造夹具体那样复杂的外形。
（3）锻造夹具体（图7-13c）
用锻造的方法制造具体的毛坯，只有在形状比较简、尺寸不大的情况下才有可能，一般很少采用。
（4）装配夹具体（图7-13d）
装配夹具体是选用标准毛坯件或零件，根据使用要求组装而成。
由于标准件可组织专门工厂进行专业化成批生产，因而不仅可大大缩短夹具体的制造周期，也可以降低生产成本。
为使装配夹具体能在生产中得到广泛应用，必须实现其结构的系列化及组成元件的标准化。
7.5夹具结构的工艺性
7.3计算机辅助夹具设计简介
一、计算机辅助夹具设计原理
采用计算机辅助夹具设计不仅可以大大提高夹具设计工作的效率，缩短夹具设计周期；而且可以提高设计质量，使传统的主要靠经验类比和估算的夹具设计方法逐渐地向科学的、精确的计算和模拟方法转变。
2-87.JPG
二、计算机辅助夹具设计系统应用软件的设计方法2-87.JPG
1）系统软件
2）支撑软件
3）应用软件
（一）程序库及其建立方法
夹具CAD系统程序库的建立，除了要开发夹具设计计算所需的各种程序外，还需研制相应的库管理程序，以使程序库有效地工作。
（二）数据库及其建立方法
数据库通常系指以一定组织方式存储在一起的相互有关的数据集合，它能以最佳方式、最少的冗余为多种用途服务。
2-88.JPG2-89.JPG
（三）图形库的建立方法
图形库中图形的生成方式主要有两种：
1）直接输入法生成图形
直接输入法生成图形是一种利用图形软件的作图命令，通过人机交互方式生成图形的方法。
2）参数法生成图形
三、计算机辅助绘制夹具装配图
（一）夹具元件图形的编目与检索
夹具装配图实际上是有关夹具元件图形在二维空间的有序集合。
（二）图形的拼接夹具由若干夹具元件装配而成，夹具装配图则由若干夹具元件图形拼接而成。
（三）绘图步骤
设计者在采用交互方式在计算机屏幕上绘制夹具装配图时，首先要对夹具总体结构进行构思，然后按着手工绘制夹具草图大体相同的步骤绘制夹具装配图。
由于各类机床加工工艺和夹具与机床连接方式的不同，每一类机床夹具都有其各自的结构特点。
本章在前述各种床夹具元件和装置设计的基础上，着重分析和介绍各类机床夹具的结构特点。
7.4夹具体设计
一、夹具体设计的基本要求
夹具体一般是夹具上最大和最复杂的基础元件。
在夹具体上，要安放组成该夹具所需要的各种元件、机构、装置，并且还要考虑便于装卸工件以及在机床上的固定。
因此夹具体的形状和尺寸应满足一定的要求，它主要取决于工件的外廓尺寸和各类元件与装置情况以及加工性质等。
所以在专用夹具中，夹具体的形状和尺寸很多是非标准的。
夹具体设计时应满足以下基本要求：
（一）有足够的强度和刚度
在加工过程中，夹具体要承受切削力、夹紧力、惯性力，以及切削过程中产生的冲击和振动，所以夹具体应有足够的刚度和强度。
为此，夹具体要有足够的壁厚，并根据受力情况适当布置加强筋或采用框式结构。
一般加强筋厚度的0。
3～0。
9倍，筋的高度不大于壁厚的5倍。
（二）减轻重量、便于操作
在保证一定的强度和刚度的情况，应尽可能使体积小、重量轻。
在不影响刚度和强度的地方，应开窗口、凹槽，以便减轻其重量。
特别对于手动、移动或翻转夹具，通常要求夹具总重量不超过十公斤，以便于操作。
（三）安放稳定、可靠夹具体在机床上的安放应稳定，对于固定在机床上的夹具应使其重心尽量底。
、对于不固定在机床上的夹具，则其重心和切削力作用点。
、
（四）
（五）结构紧凑、工艺性好
（六）尺寸稳定、有一定的精度
（七）排屑方便
（八）应吊装方便、使用安全
7.5夹具结构的工艺性
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