改善工艺系统刚性的夹具结构设计.docx

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改善工艺系统刚性的夹具结构设计

西安科技大学高新学院

毕业设计（论文）

系别：

机电信息学院

专业：

机械设计制造及其自动化

学生姓名：

学号：

0901140225

设计（论文）题目：

改善工艺系统刚性的夹具结构设计

起迄日期:

2012年9月24日—2012年12月16日

设计（论文）地点:

西安科技大学高新学院

指导教师:

专业教研室负责人:

日期:

2012年月日

摘要

本论文是结合目前实际生产中，常常发现仅用通用夹具不能满足生产要求，用通用夹具装夹工件生产效率低劳动强大，加工质量不高，而且往往需要增加划线工序，而专门设计夹具：

车床夹具，主要包括夹具的定位方案，夹紧方案、对刀方案，夹具体与定位键的设计及加工精度等方面的分析。

本设计车床夹具有良好的加工精度，针对性强，主要用于零件孔工序的加工。

其具有夹紧力装置，具备现代机床夹具所要求的高效化和精密化的特点，可以有效的减少工件加工的基本时间和辅助时间，大大提高了劳动生产力，从而可以有效地减轻工人的劳动强度和增加劳动效率。

因此，对夹具知识的认识和学习以及设计新式的适合实际生产的夹具在今天显得尤为重要起来。

在工艺设计中要首先对零件进行分析，了解零件的工艺，并选择好零件的加工基准，设计出零件的工艺路线；接着对零件各个工步的工序进行尺寸计算，关键是决定出各个工序的工艺装备及切削用量；然后进行专用夹具的设计，选择设计出夹具的各个组成部件，如定位元件、夹紧元件、引导元件、夹具体与机床的连接部件以及其它部件；计算出夹具定位是产生的定位误差，分析夹具结构的合理性与不足之处，并在以后设计中注意改进。

关键词：

工艺、工序、切削用量、夹紧、定位、误差

Abstract

Thisthesisiscombinedwiththeactualproduction,oftenfoundonlyuniversalfixturecannotmeetproductionrequirements,workpiececlampingfixturewithlowproductionefficiencyoflaborpower,theprocessingqualityisnothigh,andoftenneedtoincreasethemarkingprocess,speciallydesignedfixture:

lathefixture,includingfixturelocatingscheme,clampingprogramme,settingscheme,keyclipandlocationspecificdesignandmachiningprecisionanalysisandetc..

Thedesignoflatheclamphasgoodmachiningprecision,strongpertinence,themaincomponentsusedinholeprocess.Ithasaclampingforcedevice,equippedwithmodernmachinetoolrequiredforhighefficiencyandprecisionofthecharacteristics,theworkpiececanbeeffectivelyreducedprocessingtimeandsupportingbasictime,greatlyincreasedthelaborproductivity,whichcaneffectivelyreducethelaborintensityofworkersandincreasedlaborefficiency.Therefore,understandingandknowledgeoftheclampstudyanddesignthenewfittoactualproductionfixtureintodayisparticularlyimportant.

Inthedesignprocessshouldfirstofallpartsforanalysis,tounderstandthepartsoftheprocess,andselectgoodpartsprocessingbase,designpartsoftheprocessroute;andthenthevariouspartsofprocessdimensioncalculation,isthekeytodeterminethevariousprocessesandprocessequipmentandcuttingparameters;thenthespecialfixturedesign,selectionofdesignoffixtureforthevariouscomponents,suchaspositioningdevices,clampingelements,theguideelement,clampandthemachinetoolconnectingpartsandothercomponents;calculatefixtureistoproduceapositioningerror,analysisoffixturestructurerationalityanddeficiency,andlaterinthedesignofimproved.

KeyWords:

process,process,cuttingdosage,clamping,positioning,error

目录

摘要II

AbstractIII

目录IV

第1章绪论6

1.1夹具概述6

1.2机床夹具的功能6

1.3机床夹具的发展趋势7

1.3.1机床夹具的现状7

1.3.2现代机床夹具的发展方向7

第2章课题研究内容及要求9

2.1设计内容9

2.2设计要求9

第3章夹具设计概述10

3.1夹具的组成10

3.2常用定位元件及选用10

3.2.1工件以平面定位11

3.2.2工件以外圆柱定位11

3.2.3工件以内孔定位11

3.2.4对定位元件的基本要求12

3.2.5常用定位元件所能限制的自由度12

3.3工件的夹紧12

3.3.1夹紧装置的组成12

3.3.2夹紧装置的设计原则13

3.3.3定位夹紧力的基本原则13

3.3.4减小夹紧变形的措施15

3.4机床夹具设计原理15

2支承点与定位元件16

第4章薄壁零件车削加工注意事项18

4.1概述18

4.2加工薄壁零件在夹具上所采取的措施19

4.2.1将局部夹紧力机构改成均匀夹紧力机构19

4.2.2增加辅助支承面20

4.2.3改变夹紧力的作用点（部位）20

4.2.4采用心轴夹紧21

4.3加工薄壁零件在车削时所采取的措施22

4.3.1合理选择车刀材料及其几何参数22

4.3.2减少切削用量，减小吃刀深度、进给量和切削速度22

4.3.2合理选择切削液22

第5章具体夹具设计22

5.1车床夹具的主要类型22

5.2车床夹具的设计要点23

5.3定位机构24

5.4夹紧机构25

5.5零件的车床夹具的加工误差分析26

5.6零件的车床专用夹具的总体设计27

总结28

参考文献29

致谢30

第1章绪论

1.1夹具概述

夹具是一种装夹工件的工艺装备，它广泛地应用于机械制造过程的切削加工、热处理、装配、焊接和检测等工艺过程中。

在金属切削机床上使用的夹具统称为机床夹具。

在现代生产中，机床夹具是一种不可缺少的工艺装备，它直接影响着加工的精度、劳动生产率和产品的制造成本等，帮机床夹具设计在企业的产品设计和制造以及生产技术准备中占有极其重要的地位。

机床夹具设计是一项重要的技术工作。

随着科学技术的发展，各种新材料、新工艺和新技术不断涌现，机械制造工艺正向着高质量、高生产率和低成本方向发展。

各种新工艺的出现，已突破传统的依靠机械能、切削力进行切削加工的范畴，可以加工各种难加工材料、复杂的型面和某些具有特殊要求的零件。

数控机床的问世，提高了更新频率的小批量零件和形状复杂的零件加工的生产率及加工精度。

特别是计算方法和计算机技术的迅速发展，极大地推动了机械加工工艺的进步，使工艺过程的自动化达到了一个新的阶段。

“工欲善其事，必先利其器。

”

工具是人类文明进步的标志。

自20世纪末期以来，现代制造技术与机械制造工艺自动化都有了长足的发展。

但工具（含夹具、刀具、量具与辅具等）在不断的革新中，其功能仍然十分显著。

机床夹具对零件加工的质量、生产率和产品成本都有着直接的影响。

因此，无论在传统制造还是现代制造系统中，夹具都是重要的工艺装备。

1.2机床夹具的功能

在机床上用夹具装夹工件时，其主要功能是使工件定位和夹紧。

1．机床夹具的主要功能

机床夹具的主要功能是装工件，使工件在夹具中定位和夹紧。

（1）定位确定工件在夹具中占有正确位置的过程。

定位是通过工件定位基准面与夹具定位元件面接触或配合实现的。

正确的定位可以保证工件加工的尺寸和位置精度要求。

（2）夹紧工件定位后将其固定，使其在加工过程中保持定位位置不变的操作。

由于工件在加工时，受到各种力的作用，若不将工件固定，则工件会松动、脱落。

因此，夹紧为工件提供了安全、可靠的加工条件。

2．机床夹具的特殊功能

机床夹具的特殊功能主要是对刀和导向。

（1）对刀调整刀具切削刃相对工件或夹具的正确位置。

如铣床夹具中的对刀块，它能迅速地确定铣刀相对于夹具的正确位置。

（2）导向如钻床夹具中的钻模板的钻套，能迅速地确定钻头的位置，并引导其进行钻削。

导向元件制成模板形式，故钻床夹具常称为钻模。

镗床夹具（镗模）也具有导向功能。

1.3机床夹具的发展趋势

随着科学技术的巨大进步及社会生产力的迅速提高，夹具已从一种辅助工具发展成为门类齐全的工艺装备。

1.3.1机床夹具的现状

国际生产研究协会的统计表明，目前中、小批多品种生产的工作品种已占工件种类总数的85%左右。

现代生产要求企业所制造的产品品种经常更新换代，以适应市场激烈的竞争。

然而，一般企业仍习惯于大量采用传统的专用夹具。

另一方面，在多品种生产的企业中，约4年就要更新80%左右的专用夹具，而夹具的实际磨损量仅为15%左右。

特别是近年来，数控机床（NC）、加工中心（MC）、成组技术（GT）、柔性制造系统（FMS）等新技术的应用，对机床夹具提出了如下新的要求：

1）能迅速而方便地装备新产品的投产，以缩短生产准备周期，降低生产成本。

2）能装夹一组具有相似性特征的工件。

3）适用于精密加工的高精度机床夹具。

4）适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具。

5）采用液压或气压夹紧的高效夹紧装置，以进一步提高劳动生产率。

6）提高机床夹具的标准化程度。

1.3.2现代机床夹具的发展方向

现代机床夹具的发展方向主要表现为精密化、高效化、柔性化、标准化四个方面。

精密化

随着机械产品精度的日益提高，势必相应提高了对夹具的精度要求。

精密化夹具的结构类型很多，例如用于精密分度的多齿盘，其分度精度可达±0.1；用于精密车削的高精度三爪卡盘，其定心精度为5μm；精密心轴的同轴度公差可控制在1μm内；又如用于轴承套圈磨削的电磁无心夹具，工件的圆度公差可达0.2～0.5μm。

高效化

高效化夹具主要用来减少工件加工的基本时间和辅助时间，以提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度。

常见的高效化夹具有：

自动化夹具、高速化夹具、具有夹紧动力装置的夹具等。

例如，在铣床上使用电动虎钳装夹工件，效率可提高5倍左右；在车床上使用的高速三爪自定心卡盘，可保证卡爪在（试验）转速为2600r/min的条件下仍能牢固地夹紧工件，从而使切削速度大幅度提高。

柔性化

机床夹具的柔性化与机床的柔性化相似，它是指机床夹具通过调整、拼装、组合等方式，以适应可变因素的能力。

可变因素主要有：

工序特征、生产批量、工件的形状和尺寸等。

具有柔性化特征的新型夹具种类主要有：

组合夹具、通用可调夹具、成组夹具、拼装夹具、数控机床夹具等。

在较长时间内，夹具的柔性化将是夹具发展的主要方向。

标准化

机床夹具的标准化与通用化是相互联系的两个方面。

在制订典型夹具结构的基础上，首先进行夹具元件和部件的通用化，建立类型尺寸系列或变型，以减少功能用途相近的夹具元件和部件的型式，屏除一些功能低劣的结构。

通用化方法包括夹具、部件、元件、毛坏和材料的通用化。

夹具的标准化阶段是通用化的深入，主要是确立夹具零件或部件的尺寸系列，为夹具工作图的审查创造良好的条件。

目前我国已有夹具零件及部件的国家标准：

GB/T2148~T2259—91以及各类通用夹具、组合夹具标准等。

机床夹具的标准化，有利于夹具的商品化生产，有利于缩短生产准备周期，降低生产总成本。

第2章课题研究内容及要求

2.1设计内容

设计的基本情况

本设计的名称：

改善工艺系统刚性夹具的结构设计。

结构特点：

体积小、重量轻、旋转既能平衡又能保证安全。

用途：

确定工件在车床上的正确位置，并夹紧工件。

主要技术参数：

（1）主轴转速最终达到n=250r/min

（2）加工工件尺寸：

L=580mm,L2=400mm,D=110mm，D1=90mm。

车床细长轴深孔加工

内容：

（1）车床夹具结构方案设计；

（2）车床夹具的设计的总装图的绘制（含技术要求、明细表）；

（3）车床夹具结构设计的主要（CAD）零件图绘制。

（4）设计说明书编写。

2.2设计要求

（1）在指导老师指导下完成方案设计；

（2）独立完成的详细设计；

（3）图纸绘制和标注应符合国家标准；

（4）设计或论文应在教学计划所规定的时间内完成；

（5）论文书面材料的形成应符合学院规定。

第3章夹具设计概述

3.1夹具的组成

虽然夹具的种类繁多，但它们的工作原理基本上是相同的。

将各类夹具中，作用相同的结构或元件加以概括，可得出夹具一般所共有的以下几个组成部分，这些组成部分既相互独立又相互联系。

1．定位支承元件

定位支承元件的作用是确定工件在夹具中的正确位置并支承工件，是夹具的主要功能元件之一。

定位支承元件的定位精度直接影响工件加工的精度。

2．夹紧装置

夹紧元件的作用是将工件压紧夹牢，并保证在加工过程中工件的正确位置不变。

3．连接定向元件

这种元件用于将夹具与机床连接并确定夹具对机床主轴、工作台或导轨的相互位置。

4．对刀元件或导向元件

这些元件的作用是保证工件加工表面与刀具之间的正确位置。

用于确定刀具在加工正确位置的元件称为对刀元件，用于确定刀具位置并引导刀具进行加工的元件称为导向元件。

5．其它装置或元件

根据加工需要，有些夹具上还设有分度装置、靠模装置、上下料装置、工件顶出机构、电动扳手和平衡块等，以及标准化了的其它联接元件。

6．夹具体

夹具体是夹具的基体骨架，用来配置、安装各夹具元件使之组成一整体。

常用的夹具体为铸件结构、锻造结构、焊接结构和装配结构，形状有回转体形和底座形等形状。

上述各组成部分中，定位元件、夹紧装置、夹具体是夹具的基本组成部分。

3.2常用定位元件及选用

工件在夹具中要想获得正确定位，首先应正确选择定位基准，其次是选择合适的定位元件。

工件定位时，工件定位基准和夹具的定位元件接触形成定位副，以实现工件的六点定位。

用定位元件选用时，应按工件定位基准面和定位元件的结构特点进行选择。

3.2.1工件以平面定位

1.以面积较小的已经加工的基准平面定位时，选用平头支承钉，以基准面粗糙不平或毛坯面定位时，选用圆头支承钉，侧面定位时，可选用网状支承钉。

2.以面积较大、平面度精度较高的基准平面定位时，选用支承板定位元件，用于面定位时用不带斜槽的支承板，通常尽可能选用带斜槽的支承板，以利清除切屑。

3.以毛坯面，阶梯平面和环形平面作基准平面定位时，选用自位支承作定位元件。

但须注意，自位支承虽有两个或三个支承点，由于自位和浮动作用只能作为一个支承点。

4.以毛坯面作为基准平面，调节时可按定位面质量和面积大小分别选用可调支承作定位元件。

5.当工件定位基准面需要提高定位刚度、稳定性和可靠性时，可选用辅助支承作辅助定位元件，但须注意，辅助支承不起限制工件自由度的作用，且每次加工均需重新调整支承点高度，支承位置应选在有利工件承受夹紧力和切削力的地方。

3.2.2工件以外圆柱定位

1.当工件的对称度要求较高时，可选用V形块定位。

V形块工作面间的夹角α常取60°、90°、120°三种，其中应用最多的是90°V形块。

90°V形块的典型结构和尺寸已标准化，使用时可根据定位圆柱面的长度和直径进行选择。

V形块结构有多种形式，有的V形块适用于较长的加工过的圆柱面定位；有的V形块适于较长的粗糙的圆柱面定位；有的V形块适用于尺寸较大的圆柱面定位，这种V形块底座采用铸件，V形面采用淬火钢件，V块是由两者镶合而成。

2.当工件定位圆柱面精度较高时（一般不低于IT8），可选用定位套或半圆形定位座定位。

大型轴类和曲轴等不宜以整个圆孔定位的工件，可选用半圆定位座。

3.2.3工件以内孔定位

1.在套类、盘类零件的车削、磨削和齿轮加工中，大都选用心轴定位，为了便于夹紧和减小工件因间隙造成的倾斜，当工件定位内孔与基准端面垂直精度较高时，常以孔和端面联合定位。

因此，这类心轴通常是带台阶定位面的心轴，当工件以内花键为定位基准时，可选用外花键轴，当内孔带有花键槽时，可在圆柱心轴上设置键槽配装键块；当工件内孔精度很高，而加工时工件力矩很小时，可选用小锥度心轴定位。

2.工件上定位内孔较小时，常选用定位销作定位元件。

圆柱定位销的结构和尺寸标准化，不同直径的定位销有其相应的结构形式，可根据工件定位内孔的直径选用。

当工件圆柱孔用孔端边缘定位时，需选用圆锥定位销。

当工件圆孔端边缘形状精度较差时，选用圆锥定位销；当工件需平面和圆孔端边缘同时定位时，选用浮动锥销。

综上：

正确定位，必须选对定位基准。

3.2.4对定位元件的基本要求

1.限位基面应有足够的精度。

定位元件具有足够的精度，才能保证工件的定位精度。

2.限位基面应有较好的耐磨性。

由于定位元件的工作表面经常与工件接触和磨擦，容易磨损，为此要求定位元件限位表面的耐磨性要好，以保持夹具的使用寿命和定位精度。

3.支承元件应有足够的强度和刚度。

定位元件在加工过程中，受工件重力、夹紧力和切削力的作用，因此要求定位元件应有足够的刚度和强度，避免使用中变形和损坏。

4.定位元件应有较好的工艺性。

定位元件应力求结构简单、合理，便于制造、装配和更换。

5.定位元件应便于清除切屑。

定位元件的结构和工作表面形状应有利于清除切屑，以防切屑嵌入夹具内影响加工和定位精度。

3.2.5常用定位元件所能限制的自由度

定位元件可按工件典型定位基准面分为以下几类：

1.用于平面定位的定位元件：

括固定支承（钉支承和板支承），自位支承，可调支承和辅支承。

2.用于外圆柱面定位的定位元件：

括V形架，定位套和半圆定位座等。

3.用于孔定位的定位元件：

括定位销（圆柱定位销和圆锥定位销），圆柱心轴和小锥度心轴。

3.3工件的夹紧

在机械加工过程中，工件会受到切削力、离心力、惯性力等的作用。

为了保证在这些外力作用下，工件仍能在夹具中保持已由定位元件所确定的加工位置，而不致发生振动和位移，在夹具结构中必须设置一定的夹紧装置将工件可靠地夹牢。

工件定位后，将工件固定并使其在加工过程中保持定位位置不变的装置，称为夹紧装置。

3.3.1夹紧装置的组成

夹紧装置的组成由以下三部分组成。

第一部分：

动力源装置

它是产生夹紧作用力的装置。

分为手动夹紧和机动夹紧两种。

手动夹紧的力源来自人力，用时比较费时费力。

为了改善劳动条件和提高生产率，目前在大批量生产中均采用机动夹紧。

机动夹紧的力源来自气动、液压、气液联动、电磁、真空等动力夹紧装置。

第二部分：

传力机构

它是介于动力源和夹紧元件之间传递动力的机构。

传力机构的作用是：

改变作用力的方向；改变作用力的大小；具有一定的自锁性能，以便在夹紧力一旦消失后，仍能保证整个夹紧系统处于可靠的夹紧状态，这一点在手动夹紧时尤为重要。

第三部分：

夹紧元件

它是直接与工件接触完成夹紧作用的最终执行元件。

3.3.2夹紧装置的设计原则

在夹紧工件的过程中，夹紧作用的效果会直接影响工件的加工精度、表面粗糙度以及生产效率。

因此，设计夹紧装置应遵循以下原则：

1.工件不移动原则

夹紧过程中，应不改变工件定位后所占据的正确位置。

2.工件不变形原则

夹紧力的大小要适当，既要保证夹紧可靠，又应使工件在夹紧力的作用下不致产生加工精度所不允许的变形。

3.工件不振动原则

对刚性较差的工件，或者进行断续切削，以及不宜采用气缸直接压紧的情况，应提高支承元件和夹紧元件的刚性，并使夹紧部位靠近加工表面，以避免工件和夹紧系统的振动。

4.安全可靠原则

夹紧传力机构应有足够的夹紧行程，手动夹紧要有自锁性能，以保证夹紧可靠。

5.经济实用原则

夹紧装置的自动化和复杂程度应与生产纲领相适应，在保证生产效率的前提下，其结构应力求简单，便于制造、维修，工艺性能好；操作方便、省力，使用性能好。

3.3.3定位夹紧力的基本原则

设计夹紧装置时，夹紧力的确定包括夹紧力的方向、作用点和大小三个要素。

1、夹紧力的方向

夹紧力的方向与工件定位的基本配置情况，以及工件所受外力的作用方向等有关。

选择时必须遵守以下准则：

1.力的方向应有助于定位稳定，且主夹紧力应朝向主要定位基面。

2.紧力的方向应有利于减小夹紧力，以减小工件的变形、减轻劳动强度。

3.力的方向应是工件刚性较好的方向。

由于工件在不同方向上刚度是不等的。

不同的受力表面也因其接触面积大小而变形各异。

尤其在夹压薄壁零件时，更需注意使夹紧力的方向指向工件刚性最好的方向。

2、夹紧力的作用点

夹紧力作用点是指夹紧件与工件接触的一小块面积。

选择作用点的问题是指在夹紧方向已定的情况下确定夹紧力作用点的位置和数目。

夹紧力作用点的选择是达到最佳夹紧状态的首要因素。

合理选择夹紧力作用点必须遵守以下准则：

1.力的作用点应落在定位元件的支承范围内，应尽可能使夹紧点与支承点对应，使夹紧力作用在支承上。

如夹紧力作用在支承面范围之外，会使工件倾斜或移动，夹紧时将破坏工件的定位。

2.力的作用点应选在工件刚性较好的部位。

这对刚度较差的工件尤其重要，如将作用点由中间的单点改成两旁的两点夹紧，可使变形大为减小，并且夹紧更加可靠。

3.力可的作用点应尽量靠近加工表面，以防止工件产生振动和变形，提高定位的稳定性和靠性。

3、夹紧力的大小

夹紧力的大小，对于保证定位稳定、夹紧可靠，确定夹紧装置的结构尺寸，都有着密密切的关系。

夹紧力的大小要适当。

夹紧力过小则夹紧不牢靠，在加工过程中工件可能发生位移而破坏定位，其结果轻则影响加工质量，