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钻床夹具设计说明书

专业课程设计

设计题目：

变速箱体的机械加工

钻床夹具设计

系别:

机械工程学院

专业:

班级:

XX:

学号:

指导教师:

完成时间:

第一章前言

机床夹具是机械制造中一项非常重要的工艺装备，也是机械加工工艺系统的一个重要组成部分。

机床夹具设计是工艺装备设计中的重点之一，是保证产品质量和提高劳动生产率的一项重要技术措施。

机床夹具的作用：

1、保证加工精度的稳定；2、缩短辅助时间，提高生产效率；3、扩大机床的适用围；4、减轻劳动强度，保证生产安全[3]。

第二章设计任务

本套夹具是在变速箱体生产过程中，针对第12道工序钻扩Φ16孔和Φ18孔，用来定位和夹紧零件的钻床夹具。

工序过程如下表所示。

表格1工序容

工步号

工步容

主轴转速

切削速度

进给量

r/min

m/min

mm/r

1

以上表面、Φ62孔端面和孔轴线为基准，钻扩Φ16孔，保证Φ16孔轴线与Φ62孔轴线距离和平行度要求，孔精度达到IT9。

530

26.63

0.2

2

以上表面、Φ62孔端面和空轴线为基准，钻扩Φ18孔，保证Φ18孔轴线与Φ62孔轴线距离和平行度，孔精度达到IT9。

530

29.96

0.2

本道工序任务是钻扩Φ16和Φ18孔，需达到的技术要求为孔的尺寸精度达到IT9，同时保证两孔公共轴线与Φ62和Φ95孔的公共轴线的距离为

mm，以及两公共轴线的平行度达到0.03mm。

（a）（b）

图1工件三维图和工序简图

第三章定位方案设计

3.1对定位元件的基本要求

1）足够的精度

由于工件的定位是通过定位副的接触（或配合）实现的，定位元件上限位基面的精度直接影响工件的定位精度，因此，限位基面应有足够的精度，以适应加工的要求。

2）足够的强度和刚度

定位元件不仅限制工件的自由度，还有支撑元件、承受夹紧力和切削力的作用，因此，因有足够的强度和刚度，以免使用中变形或损毁。

3）耐磨性好

工件的装卸会磨损定位元件的限位基面，导致定位精度下降。

定位精度下降到一定程度时，定位元件必须更换，否则，夹具不能继续使用。

为了延长定位元件的更换周期，提高夹具的使用寿命，定位元件应有较好的耐磨性。

4）工艺性好

定位元件的结构应力求简单、合理，便于加工、装配和更换。

3.2定位基准的选择

在本工序中，最重要和要优先保证的尺寸为孔的中心距

mm以及两公共轴线的平行度，而这两个尺寸的设计基准都是Φ62孔的轴线，因此为使得定位误差尽可能小，这里选择主要的定位基准为Φ62孔轴线，并且由于在前面的工序中Φ62孔已经经过了粗镗，因此可以将其作为主要基准，另外Φ62孔的端面也经过了粗加工，可以作为定位基准限制自由度，而由于Φ62孔的长度比较小，自由度只能限制2个，因此确定定位方式为短圆柱销和大平面的方式限制5个自由度，最后用一个调节v形块限制一个自由度并起到一定的夹紧作用。

3.3定位误差的计算

定位误差是由于工件在夹具上（或机床上）定位不准确而引起的加工误差。

定位误差的来源主要有两个方面：

（1）由于工件的定位表面或夹具上的定位元件制作不准确而引起的定位误差，称为基准位置误差ΔJW

（2）由于工件的工序基准与定位基准不重合而引起的定位误差，称为基准不重合误差Δ

定位误差[3]

（1）

其中β、γ为误差与工序尺寸方向的夹角

本夹具设计的定位误差分析如下：

1）基准位置误差

在粗镗Φ62孔的工序中，Φ62孔经过加工可以达到IT8的精度，定位轴的尺寸公差选择IT6，由于定位后用调整v形块起到一定的夹紧作用，因此使得轴和孔始终处于单边接触的状态，因此基准位置误差为孔的最大尺寸与轴的最小尺寸的差值的一半，即[6]

基准位置误差与工序尺寸方向的角度β=0°

2）基准不重合误差

本工序的定位基准为Φ62孔的轴线，工序尺寸（两孔的中心距）的工序基准也是Φ62孔的轴线，因此定位基准和工序基准是重合的，即基准不重合误差Δ=0。

因此定位误差ΔD=0.03mm，小于工序尺寸的公差0.08mm，定位精度符合要求，故所选定位方案合理。

第四章夹紧方案设计

4.1夹紧装置的基本要求[3]

（1）夹紧时不破坏工件在夹具中占有的正确位置；

（2）夹紧力要适当，既要保证工件在加工过程中定位的稳定性，又要防止因夹紧力过大损伤工件表面及产生加紧变形；

（3）夹紧机构操作安全、省力，加紧迅速；

（4）夹紧机构的复杂程度、工作效率应与生产类型相适应。

结构应尽量简单，便于制造与维修；

（5）具有良好的自锁性能。

4.2夹紧类型的确定

常用的夹紧机构包括斜楔夹紧机构、螺旋夹紧机构、偏心夹紧机构、铰链夹紧机构、定心夹紧机构和联动夹紧机构[3]。

根据此定位形式，夹紧机构选择螺旋夹紧机构，同时为了能够快速方便的装卸工件，选择快撤螺旋夹紧装置，即加入开口垫圈，如图所示。

4.3钻扩切削力和功率的计算

（1）钻削切削力和功率

查参考文献可知，钻削时的切削力由轴向力和扭矩组成，扭矩T、轴向力F和钻削功率P的公式为[5]

（2）

由表1可知，钻削的进给量为f=0.2mm/r，d0=10mm

由手册查得CF=42.7，XF=1.0，YF=0.8，CM=0.021，XM=2.0，YM=0.8

由机械手册查得灰铸铁的硬度如下表2[8]

表格2铸铁硬度

铸件壁厚/mm

硬度

2.5~10

137~205

10~20

119~179

20~30

110~166

30~50

141~157

该工件加工孔所在的面壁厚为10mm，因此可以取其硬度为190HB。

则切削条件变化后的修正系数

由公式可求的切削力为

扭矩为

功率为

（2）扩孔切削力和功率

查参考文献可知，扩孔时的切削力由轴向力和扭矩组成，扭矩T、轴向力F的公式为[9]

（3）

显然可知扩Φ18的孔比扩Φ16的孔的切削力要大，所以只计算扩Φ18的孔的切削力。

由表1可知，钻削的进给量为f=0.2mm/r，

代入上式可得切削力为

扭矩为

4.4夹紧力的确定及验证

钻削的轴向力方向向下，因此所需要的夹紧力并不大，夹紧力主要用来克服扭矩对工件的影响。

由文献查得螺旋夹紧机构的实际所需夹紧力可以按下面的公式计算[2]

（3）

其中T为钻削扭矩，K为安全系数，D1为垫圈直径，d为定位孔直径，D2为端面直径。

在本工序中，

T=11.94

，K取2.5，D1=70mm，d=60mm，D2=92mm，

=0.2，

=0.16

带入上面的公式得到实际所需夹紧力为Q=2353.6N

螺旋夹紧机构可以产生的夹紧力为[2]

（4）

通过手册查得公式中的各个量为[2]：

原始作用力P=150N，作用力臂L=310mm，当量摩擦半径

当量摩擦角

=0.15[4]，螺纹中距的一半

=11.03mm，螺纹升角

=

，螺旋副的当量摩擦角

=9°50

则带入上式可得产生的夹紧力为Q=6319N，大于实际所需的夹紧力，因此这种夹紧方式夹紧可靠。

第五章夹具体结构设计

5.1夹具体结构方案

钻床夹具因大多具有刀具导向装置，习惯上又称为钻模。

钻模根据其结构特点可分为固定式钻模、回转式钻模、翻转式钻模、盖板式钻模和滑柱式钻模[3]。

本工序需要加工在相对面上的孔，因此需要将工件的加工面进行变换，因此有以下几种方案：

（1）采用固定式钻模。

通过两次装卸工件来完成工序。

此方案的不足之处在于工件需要进行两次装夹，并且还需要两次更换钻套，比较浪费时间，同时由于定位用的Φ62的孔在竖直方向上有变化，因此定位产生了问题，因此这种方案并不实际，故舍弃。

（2）采用翻转式钻模。

翻转式钻模对需要在多个方向上钻孔的工件十分方便。

可采用半封闭式钻模，夹具体的上下两个底板都安装钻模板，这样可以不需要经常更换钻套，也不需要多次装卸工件，因此效率有所提高，但工件的质量为7.9kg，如果加上钻模的质量，则总质量大约在15kg以上，质量比较大，因此翻转起来会比较吃力，因此也不宜采用。

（3）采用回转式钻模。

在翻转式钻模的基础上，增加回转装置，将人工翻转改为回转，可大大节省工人体力。

因此最终确定钻模的类型为回转式钻模。

5.2夹具元件的选用和设计

（1）定位元件或装置

定位采用销轴定位，为提高精度销轴和定位孔之间要有较高的配合关系，故将销轴配合部位的精度定位IT6，采用间隙配合，销轴的公差定为h6。

因钻模为半封闭式钻模，钻模的上下方向都有底板，故工件只能从侧面放入钻模中，因此为了不使定位轴干涉，需要将定位轴与夹具体分开，采用先放入工件再放入定位轴的方式。

为了实现夹紧，定位轴的两端都要有一段螺纹。

（2）刀具导向元件或装置

这里主要指钻套的选用。

钻套分为固定钻套、可换钻套、快换钻套、特殊钻套。

固定钻套用于小批量生产，而快换钻套用于钻套需要经常更换的场合。

因钻套不需要经常性的更换，因此这里的钻套可以选择可换钻套，钻套都已经标准化，可以从手册上查到相应的尺寸[3]。

钻套不能直接放在夹具体上，因此需要设计相应的钻模板，钻模板分为固定式、铰链式、分离式、悬挂式。

这里直接选用固定式钻模板，结构简单，精度较高，钻模板通过六角螺栓与夹具体连接。

（3）夹紧元件或装置

前面已经提到，夹紧采用螺旋夹紧机构，用螺母进行锁紧。

另外为了方便快速地装卸工件，螺母锁紧装置采用快撤垫圈，提高效率。

可以通过对垫圈的选择来确定定位轴上的螺纹直径。

通过手册查得[2]，垫圈选择外径为Φ70的垫圈，通过查表可知其对应的杆径有Φ12、Φ16、Φ20、Φ24和Φ30五种，对应的垫圈重量不同，这里我们可以选择最轻的垫圈，因此确定杆件的直径为Φ24，即定位轴上的螺纹直径为M24。

再根据手册选择相应的锁紧螺母。

因为工件表面没有加工，粗糙度较高，因此考虑在开口垫圈下面加一个橡胶垫圈。

图4快撤垫圈

（4）连接元件

回转支架的底座上设置U形槽，用来与钻床上的T形槽相连接。

（5）夹具体

夹具体需要承受钻削力等，因此需要足够的刚度和强度，这里选择夹具体的材料为钢，同时夹具体上需要有接触和配合关系的平面（如和定位轴接触的平面等）需要有一定的表面粗糙度和平面度。

同时为了增加工件的刚度，在夹具体上增加几个可调节的支承钉。

（6）其他元件或装置

回转式钻模需要增加分度装置，这里采用手拉式定位器[2]，同时在夹具体侧面相差180°的位置设置两个定位孔，用来起到定位和分度的作用。

图5手拉式定位器

利用短销和平面定位只限制了五个自由度，因此还需要一个活动的短v形块，来限制一个自由度，具体尺寸可通过手册查得[2]。

参考文献

[1]凯岭，机械制造技术基础，清华大学，2010.4

[2]王光斗王春福，机床夹具设计手册，科学技术，2000.11

[3]王先逵，机械制造工艺学，机械工业，2013.1

[4]邱宣怀，机械设计，高等教育，2011.7

[5]乐兑谦，金属切削刀具，机械工业，2001.6

[6]甘永立，几何量公差与检测，科学技术，2010.1

[7]王小华，机床夹具图，机械工业，1992.5

[8]宏钧，实用机械加工工艺手册，机械工业，2003.1

[9]浦林祥，金属切削机床夹具设计手册，机械工业，1995.12