三爪卡盘增力机构夹具设计毕设论文.docx

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三爪卡盘增力机构夹具设计毕设论文

重庆三峡学院毕业设计（论文）

题目三爪卡盘增力机构夹具设计

专业机械设计制造及其自动化（数控方向）

年级2009级

学生学号200915144248

学生姓名付辉骥

指导教师葛卫国职称高级讲师

完成毕业设计（论文）时间2012年12月

前言·············································································································1

第一章夹具的简介···························································································2

1.1夹具的特点························································································2

1.2研究夹具的目的和意义··········································································2

1.3夹具的基本结构和原理··········································································3

第二章三爪卡盘螺旋摆动式液压缸增力机构的结构和原理···········································3

第三章主要参数确定与结构计算··········································································4

3.1液压腔的结构设计················································································4

3.2转子叶片数的设计················································································4

3.3摆动角的设计······················································································5

3.4定子圆柱活塞杠面积的设计·····································································5

第四章凹槽轮廓线的设计···················································································6

4.1轮廓面段数的确定················································································6

4.2活塞杠升程的确定················································································6

4.3参数θ1的设计·····················································································8

4.4参数β的设计······················································································9

第五章夹具在安装和操作时应注意的事项································································10

5.1夹具的安装·························································································10

5.2夹具在操作时应注意的事项······································································10

第六章夹具的经济效益分析··················································································11

第七章单工位夹具与成组夹具的分析······································································13

7.1定位基准与定位元件的选择·······································································13

7.2夹紧元件与夹紧力的选择·········································································13

7.3夹具基体的设计夹具基体··········································································13

7.4机壳成组夹具结构··················································································13

第八章误差分析·······························································································14

8.1定位误差分析························································································14

8.2装备误差分析·······················································································14

致谢·············································································································15

结论···············································································································15

参考文献·········································································································16

三爪卡盘增力机构夹具设计

重庆三峡学院应用技术学院机械设计制造及其自动化（数控方向）专业2009级重庆万州404000

[摘要]设计是在三爪卡盘上加装摆动式液压缸和平面螺旋机构的螺旋摆动式液压缸增力机构的结构。

传统的机床如车床、铣床上三爪卡盘的工作一般依靠工人用手工进行夹紧,这不但增加了工人的劳动强度，而且所需夹紧力非常大,还常常有夹不紧的情况，阻碍了生产率的提高。

通过在三爪卡盘加装摆动式液压缸和平面螺旋机构构成螺旋摆动式液压缸增力机构，可实现与原有卡盘体的较好结合,并使外加压力能转换成圆周运动,且其结构简单,工作可靠,能达到较高的增力比，最后能达到较好的效果。

[关键词]三爪卡盘液压缸夹具增力

前言

产品设计无疑作为工业设计的核心，它涉及的面广，从人们的衣食住行，到社会的各行各业，产品设计无时不有，无时不在。

产品设计的对象既包括一般的日用生活制品，也包括工业生产的机床，加工工具；既包括家用小电器产品，也包括专业的仪器，仪表；既包括私有的自行车，摩托车，也包括大型的汽车，飞机等交通工具本论文设计一种在三爪卡盘上加装摆动式液压缸和平面螺旋机构的螺旋摆动式液压缸增力机构的结构。

传统的机床如车床、铣床上三爪卡盘的工作一般依靠工人用手工进行夹紧,这不但增加了工人的劳动强度，而且所需夹紧力非常大,还常常有夹不紧的情况，阻碍了生产率的提高。

通过在三爪卡盘加装摆动式液压缸和平面螺旋机构构成螺旋摆动式液压缸增力机构，可实现与原有卡盘体的较好结合,并使外加压力能转换成圆周运动,且其结构简单,工作可靠,能达到较高的增力比，具有良好的经济性和可行性。

第1章夹具介绍

1.1夹具的特点

机床夹具通常是指装夹工件用的装置：

至于装夹各种刀具用的装置，一般称为“辅助工具”。

辅助工具有时也广义地包括在机床家具的范围内。

按照机床夹具的应用，一般可分为通用夹具，专用夹具和可调整式夹具等。

通用夹具是在普通机床上一般都附有通用夹具，如车床上的卡盘，铣床上的回转工作台，分度头，顶尖座等。

他们都标准化了，具有一定的通用性，可以用来安装一定形状尺寸范围内的各种工件而不需要进行特殊的调整。

但是，在实际生产中，通用家具常常不能够满足各种零件加工的需要；或者因为生产率低而必须把通用夹具进行适当的改进；或者由于工件的形状，加工的需求等的不同须专门设计执照一种专用夹具，以解决生产实际要。

专用夹具是为了适应某一工件的一工序加工的需求而专门设计制造的，其功用主要有下列几个方面：

1.保证工件被加工表面的位置精度，2.缩短了工序的时间。

从而提高了劳动生产率。

进行某一工序所需要的时间，其主要包加工工件所需要的机动时间和装卸工建等所需要的辅助时间两部分。

采用专用夹具后，安装工件和转换工位的工作都可以大为简化，从而提高了生产率3.可以减轻劳动强度，保障安全生产。

根据生产需要，采用一些气动，液压或西塔机械化的专用夹具，对于减轻工人的劳动强度，保障生产安全和产品的稳定高产都有很大作用。

在实际生产应用的夹具很多，分类的方法也有很多种。

通常还可以按实用家居的工序不同分为车床夹具，铣床夹具。

车床夹具:

包括车床，内外圆磨床其特点是夹具与工件一起作旋转运动，铣床类夹具：

包括铣床，刨床等机床用夹具，其特点是家居固定字工作台。

。

只作纵向或横向往复运动或回转运动。

综上所述，机床夹具已成为机械加工中的必不可少的重要装备。

机床夹具的设计和使用是促进生产发展的重要工艺措施这一。

因此对机床夹具的改进和创造已成为广大机械工人和技术人员在技术革新中的一项重要任务。

1.2研究夹具的目的和意义

机床夹具设计是一个重要组成部分相对于机床工装设计而言，是保证产品质量和提高劳动生产率的一项重要技术措施。

在设计过程中应深人实际，进行调查研究，吸取国内外的先进技术，在进行中外结合制定出合理的设计方案，再进行具体的设计。

而深入生产实际调查研究中，应当掌握下面的一些资料：

1.工件图纸；认真看工件的图纸，懂的工件被加工表面是技术要求，该件在机器中的位置和作用，以及装置中的特殊要求。

2.工艺文件：

了解工件的工艺过程，该工序的加工要求，工件被加工表面及待加工面状况，基准面选择的情况，可用机床设备的主要规格，与夹具连接部分的尺寸及切削用量等。

3.生产纲领：

夹具的结构形式应与工件的批量大小相适应，做到经济合理。

4.制造与使用夹具的情况，有无通用零部件可供选用。

工厂有无压缩空气站；制造和使用夹具的工人的技术状况等。

夹具的出现可靠地保证加工精度，提高整体工作效率，减轻劳动强度，充分发挥和扩大机床的工艺性能。

1.3夹具的基本结构和工作原理

按在夹具中的作用,地位结构特点,组成夹具的元件可以划分为以下几类:

1．定位元件及定位装置；

（2）夹紧元件及定位装置（或者称夹紧机构）；

（3）夹具体；

（4）对刀,引导元件及装置（包括刀具导向元件,对刀装置及靠模装置等）；

（5）动力装置；

（6）分度,对定装置；

（7）其它的元件及装置（包括夹具各部分相互连接用的以及夹具与机床相连接用的紧固螺钉,销钉,键和各种手柄等）；

每个夹具不一定所有的各类元件都具备,如手动夹具就没有动力装置,一般的车床夹具不一定有刀具导向元件及分度装置。

反之,按照加工等方面的要求,有些夹具上还需要设有其它装置及机构,例如在有的自动化夹具中必须有上下料装置。

第2章三爪卡盘螺旋摆动式液压缸增力机构的结构及原理设计

此次设计是在三爪卡盘的结构基础上增设一个液压机构来实现夹紧省力的效果，设计方案如图1所示，主要是在原有结构的基础上增加了一个螺旋盘，一个摆动油缸及柱塞等。

大锥齿轮背面加工出凹槽，圆柱活塞一端与槽配合，另一端装在液压缸定子叶片的孔中，端部装有弹簧，柱塞在弹簧作用下，一端始终与凹槽接触。

工作时利用转动杠转动小锥齿轮2带动大锥齿轮3,当卡爪7未接触工件时,圆锥螺旋弹簧5所受载荷较小,圆柱活塞4与大锥齿轮3无相对运动,缸体6随之一起转动,卡爪7径向移动,接近工件,此为空行程。

当卡爪7接触工件后,所受阻力激增,进

1.卡盘体端盖2.小锥齿轮3.大锥齿轮4.圆柱活塞5.圆锥螺旋弹簧6.液压缸体

7.卡爪8.定子叶片9.换油机构10.转子叶片11.缸体端盖12.液压油13.卡盘体

图2-1卡盘结构方案简图

给激减，继续转动手柄，活塞4受力增大，当其达到一定程度时，圆锥螺旋弹簧5被压缩，活塞4与大锥齿轮3产生相对运动，活塞4向定子孔中运动，液压油12被加压缩，液体推动转子叶片10旋转，卡爪7径向微进给，此为夹紧行程。

当大锥齿轮3继续旋转至某一角度，活塞4将复位，继续转动，将重复上一次的运动直到把工件完全夹紧。

第3章主要参数确定与结构计算

以下以在KZ320型卡盘基础上增设一个螺旋摆动式液压机构为例进行分析。

3.1液压腔的结构设计

根据其具体的安装条件和强度刚度要求，拟对其尺寸初步取：

外壁厚：

n1=14mm内壁厚：

n2=7mm

油腔宽：

a=40mm空隙宽：

x=1mm

故液压腔的面积：

S1=a（D/2-d/2-L1-L2-x-n1-n2）=1120mm²（3.1）

其中：

卡盘体大径D=320mm小径d=100mm

卡盘体外壁厚L1=30mm卡盘体内壁厚L2=20mm

3.2转子叶片数的设计

摆动缸中转子叶片的作用是得到尽可能大的扭矩,其输出扭矩的表达式为：

M=Zb（

²-

²）Pym（N.m）（3.2）

其中Z：

叶片数b：

轴间宽度D1：

油腔大径

d1：

油腔小径P：

进油口压力（Pa）Ym：

机械效率

D1=D-2L1-2X1-2n1=230mmd1=d+2L1+2L2=200mm

在b、D1、d1、P及Ym等一定的情况下，理论上叶片数越大，得到的输出扭矩也越大。

在此次设计中，摆动液压缸是利用液体压强向各个方向等压强传递的原理，来实现轴向运动向旋转运动的转换。

由于已知结构特定，故在本方案中其输出扭矩并不随叶片数的增大而增大，在外力一定的情况下，M只与油腔轴向面积成正比。

叶片数Z只影响压力油压强，但最终扭矩不变。

故为了便于制造、安装和密封，取Z=3.

3.3　摆动角的设计

由经验可知，在通常情况下，工件被夹紧时其变形B≤1mm,取每次夹紧行程中卡爪进给0.02mm,故可得摆动角θ=360º∕t·f=0.6º

其中平面螺旋机构的升程t=12　　　　　　卡爪每次进给量f=0.02

3.4　定子圆柱活塞杠面积的设计

由结构可知，叶片输出扭矩M=P•S1•r•Z1•Ym（3.3）

其中P：

进油口压强S：

叶片面积Z：

叶片数

r：

叶片面积的几何中心到轴心线的距离Ym：

机械效率

油液压强P=F2/S2（3.4）

其中F2=F/Z（3.5）

每个叶片受力F1=PS1（3.6）

F1/F2=S1/S2=σ1（3.7）

其中σ1为增力比,为一常数,故S2=S1/σ1（3.8）

第4章.凹槽轮廓线的设计

由设计方案可知,凹槽轮廓线分两个功能部分,它们是增力夹紧部分和圆柱活塞杠位置复原部分。

活塞杠与叶片组成增力系统,又与弹簧配合,组成离合销系统。

为了使两个系统的工作顺利衔接,特设计过渡斜面系统.设计的凹槽形状如图3所示。

图3凹槽展开图

如图所示,θ1角斜面为槽面的第一部分,α角斜面为槽面第二部分增力部分,θ2角为第三部分过渡部分，下面分别确定个参数。

4.1确定轮廓面段数

因采用三个圆柱活塞杠,故同样形状的轮廓面段数N=3n（n=1、2、3……）

考虑到结构的具体需要,取n=2,则N=6,卡爪在一周内将进给f=6×f10.30，故缩短了夹紧时间,提高了效率.

4.2活塞杠的升程

活塞杠的升程H=H1+H2分别确定H1、H2

再根据H=σ•m（4.1）

其中σ：

增力比

m：

卷子叶片的平均移动距离

m=θ0/π•r=θ0/π•（D1+d2/2）191/2×2π/200=3mm

根据安装的需要，活塞杠轴线与卡盘体轴线R=（191-6）/2==92mm

得轮廓线参数L=2πr/6=90.3mm

则H=m·σ1=12mm,故S2=S1/σ1,=1350/15=270mm.r2=σ1S2/π=9.0mm

凹槽轮廓线的增力部分增力比最大为σ3=J/L

对活塞杠进行受力分析,如图4所示

图4活塞杠受力图

θ=Nsinα+Fcosα（4.2）J=Ncosα（4.3）

F=Nf（4.4）其中f为摩擦系数,可取f=0.18,则：

σ3=T/Q=1/tgα+f

若α取极大值,则tgα≤H/L-2r1=15/96.3-18=0.20

故可得：

σ3min=1/0.20+0.18=1/0.36=2.6

σ1σ3=4×2.5=10.4

由于新增机构增力比为σ1σ3,且其他机构不变,故σ1σ3就是最终的增力比.设计目标为增力比σ0=10,故σ1σ3=10.4相差不大,符合要求，故取σ1=4,H=mσ1=12mm可设H1=4mm,H2=8mm。

4.3参数θ1的设计

当活塞杠处于与凹槽配合状态，与大锥齿轮还没有相对滑动时，其受力如图5所示，

图5活塞杠—凹槽受力图

取临界状态分析，则根据平衡条件可得：

Fcosθ+Nsinθ+R2=R水平力平衡（4.4）

F1+F2+Fsinθ+T=Nsinθ竖直力平衡（4.5）

Fcosθ+Nsinθ=Q（4.6）

F=Rf（4.7）

T=PS2+T0（4.8）

T：

圆锥螺旋弹簧弹力F1、F2为密封圈处摩擦力

R1、R2为密封圈处空壁对活塞杠作用力

f：

摩擦系数取f=0.15，f1=f2=0.3

已知H1=4,力N的作用点在h=H1/2=2处,为方便计算和实际需要,初取θ=45

由以上各式可得:

（3.83sinθ-0.85cosθ）T/（0.1cosθ+sinθ）=2R1

（1.83sinθ-1.15cosθ）Q/（0.15cosθ+sinθ）=2R2

由于T≥0，θ≤52°38′；由于R2≥0，θ≤32°9′

取θ=32°9′，则T=0.86Q，R2=0

取θ=52°38′，则T=0.故可得：

随着θ的增大,T急剧减少,且T随活塞杠升程增大而增大,其与弹簧弹力及液体压强有关,若弹簧确定,则临界T确定,即能求得螺旋盘从空行程转入到夹紧行程的最小动力，故θ=45符合要求,此时R1=1.3Q，R2=0.3Q，T=0.26Q。

4.4参数β的设计

图6凹槽中心剖面图

槽面形状如图6所示,基于工作要求,取C1=3mm,C2由前述条件得:

C2=H2tgβ=H2sin45°=8mm（4.9）

则tgβ=H2/（L-Φ-C1-C2）=8/（96.3-20-3-8）=0.123，得：

β=7°

第5章夹具在安装和操作时应注意的事项

5.1夹具的安装

当夹具的各个零件生产出来后，就要对它进行安装。

安装夹具看起来是非常简单的事情，但是不同的人安装同样的夹具，其安装的夹具误差都不一样。

在安装夹具的过程中要注意一些事项：

（1）预紧顶托够力，不得在加工中形成轴心旋转隐患。

（2）水平承托，平行对称紧锁，压、托位对点，校正合格

（3）侧向多点压锁，压低阶位，尽量避免压块凸出工件加工部位，尽量横向靠外，纵向居中

（4）锁和速度适合，遇粘刀要重校夹具

5.2夹具在操作时应注意的事项

现代化生产要想有好的经济效益，必须提高劳动生产率而影响生产率的因素很多,金属加工中一个重要的影响因素就是工件在夹具上的装夹。

夹具设计依据的原则是简捷、实用、快速、可靠.这里的“快速”指的就是快速装夹。

根据工件的种类、结构特征的不同，可采用不同的形式。

合理的装夹形式不但能达到快速、高效的目的而且能减轻工人的劳动强度，一般夹具设计出来成为产品后,就有一个装夹模式。

装夹模式在快速装夹的过程中，应该注意一些事项:

（1）在夹具上相应干涉部位加工出避位，或分开加工，在加工中实现自动避让，加工前要试演确认有无干涉现象

（2）在夹具上增加纵横竖三向基准部位供校核用，增加安装或槽，定位稍等

（3）选取工件的纵横实体部位作为着力卫，夹具封闭工件外形

（4）定位柱有明显的磨损后，更换新定位柱或调整定位柱（原则上该公司每隔一段时间就检验一次精度，不需要操作工负责）。

第6章夹具的经济效益分析

机床夹具费用是工艺成本的组成部分，它直接影响工艺过程的经济性及产品成本,机床夹具的经济性用下述不等式评价:

SN≥C

式中S------使用机床夹具后生产费用的节约,即经济效果；

式中N------用机床夹具全年加工的工件数量,即工件的年产量；

式中C------使用机床夹具全年的费用。

（1）使用机床夹具的经济效果：

机床夹具的使用减少了生产单件的时间，一个工件的某一工序因使用机床夹具而减少的单件时间是：

△T=T1-T2，式中T1和T2分别为使用机床夹具前后工件的单件时间。

若比较两种机床夹具的经济性，T1和T2又分别代表两种夹具加工工件的单件时间,由于使用机床夹具而节约的工人工资额为：

△Z=Z1T1-Z2T2

式中Z1，T2分别为使用机床夹具前后机床工人每分钟的工资额，若考虑杂费方面H的节约，使用机床夹具的经济效果为：

S=△Z（1+0.01H）

（2）使用机床夹具的的全年费用,一套专用夹具的费用为：

式中As------专用夹具的设计系数,通常为0.5；

式中Ay------专用夹具的使用系数，一般取用专用夹具制造价格的0.2~0.3；

式中T------专用夹具的使用年限,简单夹具=1年，中等复杂的夹具=2~3年，复杂夹具是=4~5年；

Cz专用夹具的制造价格由下式计算Cz=δθ+tZp（1+0.01H）；

式中δ------材料的平均价格（元/kg）

式中θ------夹具元件的重量；

式中t---