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车床加工弯头工件的夹具设计

摘要

我国社会主义现代化要求机械制造工业为国民经济各部门的技术进步、技术改造提供先进、高效的技术装备,它首先要为我国正在发展的产业包括农业、重工业、轻工业以及其它产业提供质量优良、技术先进的技术装备,同时还要为新材料、新能源、机械工程等新技术的生产和应用提供基础装备。

本论文是结合目前实际生产中,通用夹具不能满足生产要求,用通用夹具装夹工件效率低、劳动强度大、加工质量不高,而且往往需要增加划线工序,而专门设计的一种车床夹具,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。

该夹具具有良好的加工精度,针对性强,主要用于加工弯头工件两端螺纹。

本夹具具有夹紧力装置,具备现代车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,有效地减轻了工人的劳动强度。

本夹具能在加工常规零件的时候使质量进一步提升,并降低劳动强度,能在保证产品质量加工精度的同时批量生产,从而降低生产成本。

从而夹具的使用在某种程度上提高实际生产中企业的效益。

因而对夹具知识的认识和学习,在今天显的优为重要起来。

关键词:

车床,夹具,弯头

 

目录

摘要…………………………………………………………………………………1

第1章绪论………………………………………………………………………3

1.1夹具的概述…………………………………………………………………3

1.2夹具的分类…………………………………………………………………4

1.3夹具的现状及发展方向……………………………………………………4

1.3.1夹具的现状……………………………………………………………5

1.3.2夹具的发展方向………………………………………………………5

第2章课程设计简介……………………………………………………………6

2.1明确工件的生产要求………………………………………………………6

2.2充分理解工件的零件图……………………………………………………6

第3章结构设计…………………………………………………………………7

3.1设计方案论证………………………………………………………………7

3.2仪器设备及简介……………………………………………………………7

3.3工件的定位设计……………………………………………………………8

3.3.1对定位元件的基本要求………………………………………………8

3.3.2定位方案与定位元件…………………………………………………8

3.4工件的夹紧设计……………………………………………………………10

3.4.1对夹紧装置的基本要求和设计原则…………………………………10

3.4.2影响夹紧的因素………………………………………………………11

3.4.3钻削切削力的计算……………………………………………………12

3.4.4实际所需夹紧力的计算………………………………………………13

3.5钻模的设计…………………………………………………………………15

3.5.1钻模的简介……………………………………………………………15

3.5.2钻模板的设计…………………………………………………………15

3.5.3钻套的设计……………………………………………………………16

3.6夹具的精度分析……………………………………………………………19

3.6.1定位误差………………………………………………………………19

3.6.2夹具误差的计算………………………………………………………20

3.7绘制夹具的装配图…………………………………………………………22

结论…………………………………………………………………………………23

参考文献……………………………………………………………………………24

致谢…………………………………………………………………………………25

 

第1章绪论

1.1夹具的概述

定位:

工件在车床上加工时,为保证加工精度和提高生产率,必须使工件在车床上相对刀具占有正确的位置,这个过程称为定位。

夹紧:

为克服切削过程中工件受外力的作用而破坏定位,必须对工件施加夹紧力,这个过程称为夹紧。

装夹:

定位和加紧综合称为装夹。

车床夹具:

完成装夹的工艺设备称为车床夹具。

车床夹具是在机械制造过程中,用来固定加工对象,使之占有正确的位置,以接受加工或检测并保证加工要求的车床附加装置,简称为夹具。

车床夹具的主要功能:

在车床上加工工件的时候,必须用夹具装好夹牢所要加工工件。

将工件装好,就是在车床上确定工件相对于刀具的正确位置,这一过程称为定位。

将工件夹紧,就是对工件施加作用力,使之在已经定好的位置上将工件可靠地夹紧,这一过程称为夹紧。

从定位到夹紧的全过程,称为装夹。

车床夹具的主要功能就是完成工件的装夹工作。

工件的装夹方法有找正装夹法和夹具装夹法两种。

找正装夹方法是以工件的有关表面或专门划出的线痕作为找正依据,用划针或指示表进行找正,将工件正确定位,然后将工件夹紧,进行加工。

这种方法安装简单,不需专门设备,但精度不高,生产率低,因此多用于单件、小批量生产。

夹具装夹方法是靠夹具将工件定位、夹紧,以保证工件相对于刀具、车床的正确位置夹具装夹工件的特点:

1)工件在夹具中的正确定位,是通过工件上的定位基准面与夹具上的定位元件相接触而实现的。

因此,不再需要找正便可将工件夹紧。

2)由于夹具预先在车床上已调整好位置(也有在加工过程中再进行找正的),因此,工件通过夹具对于车床也就占有了正确的位置。

3)通过夹具上的对刀装置,保证了工件加工表面相对于刀具的正确位置。

4)装夹基本上不受工人技术水平的影响,能比较容易和稳定地保证加工精度。

5)装夹迅速、方便,能减轻劳动强度,显著地减少辅助时间,提高劳动生产率。

6)能扩大车床的工艺范围。

如镗削图机体上的阶梯孔,若没有卧式镗床和专用设备,可设计一夹具在车床上加工。

1.2夹具的分类

床夹具的种类很多,形状千差万别。

为了设计、制造和管理的方便,往往按某一属性进行分类。

1.按夹具的通用特性分类

按这一分类方法,常用的夹具有通用夹具、专用夹具、可调夹具、组合夹具和自动线夹具等五大类。

它反映夹具在不同生产类型中的通用特性,因此是选择夹具的主要依据。

(1)通用夹具通用夹具是指结构、尺寸已规格化,且具有一定通用性的夹具,如三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘、台虎钳、万能分度头、中心架、电磁吸盘等。

其特点是适用性强、不需调整或稍加调整即可装夹一定形状范围内的各种工件。

采用这类夹具可缩短生产准备周期,减少夹具品种,从而降低生产成本。

其缺点是夹具的加工精度不高,生产率也较低,且较难装夹形状复杂的工件,故适用于单件小批量生产中。

(2)专用夹具专用夹具是针对某一工件的某一工序的加工要求而专门设计和制造的夹具。

其特点是针对性极强,没有通用性。

在产品相对稳定、批量较大的生产中,常用各种专用夹具,可获得较高的生产率和加工精度。

专用夹具的设计制造周期较长,随着现代多品种及中、小批生产的发展,专用夹具在适应性和经济性等方面已产生许多问题。

(3)可调夹具可调夹具是针对通用夹具和专用夹具的缺陷而发展起来的一类新型夹具。

对不同类型和尺寸的工件,只需调整或更换原来夹具上的个别定位元件和夹紧元件便可使用。

可调夹具在多品种、小批量生产中得到广泛应用。

(4)组合夹具组合夹具是一种模块化的夹具,并已商品化。

标准的模块元件具有较高精度和耐磨性,可组装成各种夹具,夹具用毕即可拆卸,留待组装新的夹具。

由于使用组合夹具可缩短生产准备周期,元件能重复多次使用,并具有可减少专用夹具数量等优点;因此组合夹具在单件、中小批多品种生产和数控加工中,是一种较经济的夹具。

(5)自动线夹具自动线夹具一般分为两种:

一种为固定式夹具,它与专用夹具相似;另一种为随行夹具,使用中夹具随着工件一起运动,并将工件沿着自动线从一个工位移至下一个工位进行加工。

2.按夹具使用的车床分类

这是专用夹具设计所用的分类方法。

按使用的车床分类,可把夹具分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、磨床夹具、齿轮车床夹具、数控车床夹具。

3按夹紧分类

根据夹具所采用的夹紧动力源不同,可分为:

手动夹具、气动夹具、液压夹具、气液夹具、电动夹具、磁力夹具、真空夹具等

1.3夹具的现状及发展方向

1.3.1夹具的现状

国际生产研究协会的统计表明,小批多品种生产的工件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,以适应市场的需求与竞争。

然而,一般企业都仍习惯于大量采用传统的专用夹具,一般在具有中等生产能力的工厂里,约拥有数千甚至近万套专用夹具;另一方面,在多品种生产的企业中,每隔3~4年就要更新50~80%左右专用夹具,而夹具的实际磨损量仅为10~20%左右。

数控机床、加工中心、成组技术、柔性制造系统(FMS)等新加工技术的应用,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)能适用于精密加工的高精度机床夹具;

4)能适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具;

5)采用以液压站等为动力源的高效夹紧装置,以进一步减轻劳动强度和提高劳动生产率;

6)提高机床夹具的标准化程度。

1.3.2夹具的发展方向

夹具是机械加工不可缺少的部件,在机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展的带动下,夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济方向发展。

1高精度随着机床加工精度的提高,为了降低定位误差,提高加工精度对夹具的制造精度要求,更高精度夹具的定位孔距精度高达±5μm,夹具支承面的垂直度达到0.01mm/300mm,平行度高达0.01mm/500mm。

德国demmeler公司制造的4m长、2m宽的孔系列组合焊接夹具平台,其等高误差为±0.03mm,精密平口钳的平行度和垂直度在5μm以内,夹具重复安装的定位精度高达±5μm;瑞士EROWA柔性夹具的重复定位精度高达2-5μm。

机床夹具的精度已提高到微米级。

2高效率为了提高机床的生产效率,双面、四面和多件装夹的夹具产品越来越多。

新型的电控永磁夹具,加紧和松开工件只用1-2秒,夹具结构简化,为机床进行多工位、多面和多件加工创造了条件。

为了缩短在机床上安装与调整夹具的时间,瑞典3R夹具仅用1分钟,即可完成线切割机床夹具的安装与校正。

采用美国Jergens(杰金斯)公司的球锁装夹系统,1分钟内就能将夹具定位和锁紧在机床工作台上。

3模块化组合夹具元件模块化是实现组合化的基础。

省工、省时、节材、节能,体现在各种先进夹具系统的创新之中。

模块化设计为夹具的计算机辅助设计与组装打下基础。

应用CAD技术,可建立元件库、典型夹具库、标准和用户使用档案库,进行夹具优化设计。

组合夹具分会与华中科技大学合作,正在着手创建夹具专业技术网站,为夹具行业提供信息交流、夹具产品咨询与开发的公共平台,争取实现夹具设计与服务的通用化、远程信息化和经营电子商务化。

4通用化经济夹具的通用性直接影响其经济性。

夹具系统的可重组性、可重构性及可扩展性功能强,应用范围广,通用性好,夹具利用率高。

德国demmeler公司的孔系列组合焊接夹具,仅用品种、规格很少的配套元件即能组装成多种多样的焊接夹具。

元件的功能强,使得夹具的通用性好,元件少而精,配套的费用低,经济实用才有推广应用的价值。

随着我国经济的高速发展,社会对机械产品需求多样化的趋势也越来越明显。

为此,制造技术的研究者提出了成组技术的科学理论及实践方法,它能从根本上解决生产由于品种多,产量小带来的矛盾。

成组技术GT(GroupT2echnology)是一门生产技术科学,它研究如何识别和发掘生产活动中有关事务的相似性,并对其进行充分利用。

即把相似的问题归类成组,寻求解决这一组问题相对统一的最优方案,以取得所期望的经济效益。

成组技术应用与机械加工方面,乃是将多种零件按其工艺的相似性分类成组以形成零件族,把同一零件族中零件分散的小生产量汇集成较大的成组生产量,从而使小批量生产能获得接近于大批量生产的经济效果。

第2章课题设计简介

2.1明确工件的生产要求

工件的年生产量是确定机床夹具总体方案的重要依据之一。

如工件的年产量很大,可采用多工件加工、机动夹紧或自动化程度较高的设计方案,采用此方案时,机床夹具的结构较复杂,制造成本较高;如工件的年生产量不大,可采用单件加工,手动夹紧的设计方案,以减小机床夹具的结构复杂程度及夹具的制作成本。

经分析本次设计采用手动加紧的设计方案。

2.2充分理解工件的零件图

零件图标出了工件的尺寸、形状和位置、表面粗糙度等总体要求,他决定了工件在机床夹具中的放置方法,是设计机床夹具总体结构的依据。

本次设计的是加工弯头工件两顿螺纹的夹具设计。

图2-1工件零件图

第3章结构设计

3.1设计方案论证

(1)首先对工件的加工要进行分析,已知工件不规则,根据工件的形状和加工要求,我认为采用V型铁定位比较合理。

(2)然后,根据六点定位原理,选用一个V型铁进行主定位,另一个V型铁经行副定位,两个螺钉夹紧配合来限制工件的六个自由度。

(3)最后,对整个方案分析得出,定位约合六点定位原理,夹紧工件稳定,所以此夹具设计可行。

这样就可使工件稳固的夹紧在机床上,能更加方便,准确的进行两端螺纹加工。

3.2仪器设备

(1)V型铁-11个材料:

38CrMnAl

(2)V型铁-21个材料:

38CrMnAl

(3)定位件-11个材料:

45钢

(4)定位件-21个材料:

45钢

(5)定位件螺钉1个材料:

45钢

(6)圆盘1个材料:

45钢

3.3工件的定位设计

3.3.1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。

3.3.2定位方案与定位元件

工件在夹具中定位的任务是:

使同一工序中的一批工件都能在夹具中占据正确的位置,工件位置的正确与否,用加工要求来衡量,能满足加工要求的为正确,不能满足加工要求的为不正确。

一批工件逐个在夹具上定位时,各个工件在夹具中占据的位置不可能完全一致,也不必要求它们完全一致,但各个工件的位置变动量必须控制在加工误差所允许的范围之内。

在机床夹具的使用过程中,工件的批量越大,定位元件的磨损越快,选用标准定位元件增加了夹具零件的互换性,方便机床夹具的维修和维护。

此次,根据工件的要求,所选择定位心轴限制工件的自由度。

定位心轴如下图3-1所示

采用V型铁作为主定位,同样采用V型铁进行副定位,采用螺钉的方式进行主压紧和副压紧,使用过渡盘与机床连接。

3.4工件的夹紧设计

3.4.1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。

3.4.2夹紧装置的组成及其设计原则

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。

3.4.2.1夹紧装置的组成

夹紧装置的组成由以下三部分组成。

(1)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。

(2)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。

(3)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。

3.4.2.2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。

3.4.3确定夹紧力的基本原则

3.4.3.1夹紧力三要素

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)夹紧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)夹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)夹紧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)夹紧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)夹紧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)夹紧力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可靠性。

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,重则造成工件报废甚至发生安全事故。

夹紧力过大会使工件变形,也会对加工质量不利。

理论上,夹紧力的大小应与作用在工件上的其它力(力矩)相平衡;而实际上,夹紧力的大小还与工艺系统的刚度、夹紧机构的传递效率等因素有关,计算是很复杂的。

因此,实际设计中常采用估算法、类比法和试验法确定所需的夹紧力。

当采用估算法确定夹紧力的大小时,为简化计算,通常将夹具和工件看成一个刚性系统。

根据工件所受切削力、夹紧力(大型工件应考虑重力、惯性力等)的作用情况,找出加工过程中对夹紧最不利的状态,按静力平衡原理计算出理论夹紧力,最后再乘以安全系数作为实际所需夹紧力,即

Fwk=KFw

式中Fwk——实际所需夹紧力,单位为N;

Fw——在一定条件下,由静力平衡算出的理论夹紧力,单位为N;

K——安全系数,粗略计算时,粗加工取K=2.5~3,精加工取K=1.5~2。

夹紧力三要素的确定,实际是一个综合性问题。

必须全面考虑工件结构特点、工艺方法、定位元件的结构和布置等多种因素,才能最后确定并具体设计出较为理想的夹紧装置。

3.4.3.2减小夹紧变形的措施

有时一个工件很难找出合适的夹紧点。

如较长的套筒在车床上镗内孔和高支座在镗床上镗孔,以及一些薄壁零件的夹持等,均不易找到合适的夹紧点。

这时可以采取以下措施减少夹紧变形。

1.增加辅助支承和辅助夹紧点若高支座可采用增加一个辅助支承点及辅助夹紧力,就可以使工件获得满意的夹紧状态。

2.分散着力点用一块活动压板将夹紧力的着力点分散成两个或四个,从而改变着力点的位置,减少着力点的压力,获得减少夹紧变形的效果。

3.增加压紧件接触面积在压板下增加垫环,使夹紧力通过刚性好的垫环均匀地作用在薄壁工件上,避免工件局部压陷。

4.利用对称变形加工薄壁套筒时,采用加宽卡爪,如果夹紧力较大,仍有可能发生较大的变形。

因此,在精加工时,除减小夹紧力外,夹具的夹紧设计,应保证工件能产生均匀的对称变形,以便获得变形量的统计平均值,通过调整刀具适当消除部分变形量,也可以达到所要求的加工精度。

5.其它措施对于一些极薄的特形工件,靠精密冲压加工仍达不到所要求的精度而需要进行机械加工时,上述各种措施通常难以满足需要,可以采用一种冻结式夹具。

这类夹具是将极薄的特形工件定位于一个随行的型腔里,然后浇灌低熔点金属,待其固结后一起加工,加工完成后,再加热熔解取出工件。

低熔点金属的浇灌及熔解分离,都是在生产线上进行的。

3.4.3.3夹紧机构的设计要求

夹紧机构是指能实现以一定的夹紧力夹紧工件选定夹紧点的功能的完整结构。

它主要包括与工件接触的压板、支承件和施力机构。

对夹紧机构通常有如下要求。

1.可浮动由于工件上各夹紧点之间总是存在位置误差,为了使压板可靠地夹紧工件或使用一块压板实现多点夹紧,一般要求夹紧机构和支承件等要有浮动自位的功能。

要使压板及支承件等产生浮动,可用球面垫圈、球面支承及间隙联接销不实现。

2.可联动为了实现几个方向的夹紧力同时作用或顺序作用,并使操作简便,设计中广泛采用各种联动机构。

3.可增力为了减小动力源的作用力,在夹紧机构中常采用增力机构。

最常用的增力机构有:

螺旋、杠杆、斜面、铰链及其组合。

铰链增力机构常和杠杆机构组合使用,称为铰链杠杆机构。

它是气动夹具中常用的一种增力机构。

其优点是增力比较大,而摩擦损失较小。

4.可自锁当去掉动力源的作用力之后,仍能保持对工件的夹紧状态,称为夹紧机构的自锁。

自锁是夹紧机构的一种十分重要并且十分必要的特性。

常用的自锁机构有螺旋、斜面及偏心机构。

3.4.4影响夹紧的因素

夹紧工件时要考虑夹紧力,即考虑夹紧力的方向、作用点、大小。

1)夹紧力的方向:

夹紧力的要有利于工件的定位,并注意工件的刚性方向,不能是工件有脱离定位表面的趋势,防止工件在夹紧力的作用下产生变形。

2)夹紧力的作用点:

夹紧力的作用点应该选择在定位元件支撑点的作用范围内,以及工件刚度高的位置。

确保工件的定位准确、不变形。

3)夹紧力的大小:

夹紧力的大小一般按静力平衡条件计算,计算出夹紧力为理论夹紧力。

为保证工件装夹安全可靠,实际夹紧力应等于理论夹紧力乘以系数K,一般K=1.5~2.5。

各种典型夹紧机构的计算方法可参阅《机床夹具手册》。

选择夹紧机构:

在确定夹紧力的方向、作用点的同时,要确定相应的夹紧机构。

确定夹紧机构要注意以下几方面的问题

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