孔槽系组合夹具设计 毕业设计.docx

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孔槽系组合夹具设计毕业设计

编号

本科生毕业论文

孔槽系组合夹具设计

SlottedModularFixtureDesign

学生姓名

专业

学号

指导教师

学院

二〇一一年六月

摘要

组合夹具是一种先进的工艺装备，它是由一套预先制造好的各种不同的形状、不同规格、不同尺寸、具有互换性、高耐磨性和高精度的标准元件组成，其结构灵活多变，适应性广，元件可长期循环使用，组合夹具分为槽系和孔系两个系列，随着科技不断发展，组合夹具的应用程度在机械行业得到了很大的提高，特别是近年来机械行业领域正朝着高精度、高质量、高效率、低成本方向发展，因此为了适应现代制造技术的发展，组合夹具的发展也达到了更高的领域，其由原来的孔系组合夹具和槽系组合夹具发展到孔槽系组合夹具。

孔槽系组合夹具是采用孔和槽结合的定位结构，克服了槽系夹具刚性差、不稳定，及孔系夹具不能连续调整的缺点，将孔、槽夹具的优势合二为一，其可用几小时的组装周期代替几个月的设计制造周期，从而缩短了生产周期；节省了工时和材料、保证加工精度，提高生产率、降低了生产成本，扩大了机床的工艺范围；还可减轻工人劳动强度，减少夹具库房面积，有利于管理。

关键词：

组合夹具孔系槽系孔槽系

Abstract

Modularfixtureisanadvancedtechnologyandequipment,itisagoodsetofpre-manufacturingavarietyofdifferentshapes,differentsizes,differentsizes,withinterchangeable,highwearresistanceandhigh-precisionstandardcomponents,itsstructureFlexibility,adaptability,long-termrecyclingofcomponents,integratedsystemsandfixtureholesintoslottwoseries,withthecontinuousdevelopment,theapplicationofmodularfixturedegreeinmechanicalindustryhasbeengreatlyimproved,especiallyInrecentyears,ismovinginthefieldofprecisionmachineryindustry,highquality,highefficiency,lowercosts,soinordertoadapttomodernmanufacturingtechnology,thedevelopmentofmodularfixturealsoreachedahigherfield,thecombinationofholesfromtheoriginalModularFixturefixtureanddevelopmenttoSlotSlottedModularFixture.SlottedModularFixtureiscombinedwiththepositioningholesandslotsstructure,toovercometherigidtankclampsystemispoor,unstable,andcannotcontinuouslyadjustthefixtureholesshortcomings,theholes,slotscombinedtheadvantagesofclamp,whichcanbeusedTheassemblyofafewhoursinsteadofmonths,thedesigncycle,manufacturingcycle,thusshorteningtheproductioncycle;savehoursofworkandmaterials,ensureaccuracy,improveproductivity,reduceproductioncosts,expandingtherangeofmachinetooltechnology;canalsoreducethelaborStrength,reducefixturewarehouseareaisconducivetomanagement.

Keywords:

modularfixture;holes;tanksystem;holeslotsystem

第1章绪论

1.1研究的目的及意义

组合夹具是一种先进的工艺装备，它是由一套预先制造好的各种不同的形状、不同规格、不同尺寸、具有互换性、高耐磨性和高精度的标准元件组成，其结构灵活多变，适应性广，元件可长期循环使用。

组合夹具的元件精度高、耐磨，并且实现了完全互换，元件精度一般为IT6~IT7级。

用组合夹具加工的工件，位置精度一般可达IT8~IT9级，若精心调整，可以达到IT7级。

由于组合夹具有很多优点，又特别适用于新产品试制和多品种小批量生产，所以近年来发展迅速应用较广。

组合夹具的主要缺点是体积较大，刚度较差，一次投资多，成本高，这使组合夹具的推广应用受到一定限制。

随着机械制造业的飞速发展，产品的更新换代越来越快，传统的大批量生产模式逐步被中小批量生产模式所取代，机械制造系统欲适应这种变化需具备较高的柔性。

国外己把柔性制造系统（FMS）作为开发新产品的有效手段，并将其作为机械制造业的主要发展方向。

柔性化的着眼点主要在机床和工装两个方面，组合夹具是工装柔性化的重点。

组合夹具是一种标准化、系列化、通用化程度很高的工艺装备，它是由一套预先制造好的各种不同形状、不同规格、不同尺寸、具有完全互换性的标准元件和组合件，按工件的加工要求组装而成的夹具。

它可以拆卸、清洗，并可重新组装成新的夹具，其应用非常普遍，尤其适合于多品种、中小批量的生产。

由于组合夹具的平均设计和组装时间是专用夹具所花时间的5%-20%，可以认为组合夹具就是柔性夹具的代名词。

一个优良的组合夹具必须满足下列基本要求：

（1）保证工件的加工精度，稳定加工质量

保证加工精度的关键，首先在于正确地选定定位基准、定位方法和定位元件，必要时还要进行定位误差分析，还要注意夹具中其它零部件的结构对加工精度的影响，确保组合夹具能满足工件的加工精度要求。

（2）提高生产效率，降低成本

组合夹具的复杂程度应与生产纲领相适应，应尽量采用各种快速高效的装夹机构，保证操作方便，缩短辅助时间，提高生产效率。

（3）良好的强度、刚度和结构工艺性能

组合夹具的结构应力简单、合理，便于制造、装配、调整、检验、维修等，有利于提高组合夹具的制造精度。

（4）操作性能好

组合夹具的操作方便、省力、安全可靠。

在客观条件允许及又经济适用的前提下，应尽可能采用气动、液压等机械化夹紧装置，以减轻操作者的劳动强度。

（5）经济性好

组合夹具应尽量采用标准件和标准结构，力求结构简单、制造容易，以降低组合夹具的成本。

因此，设计时应根据生产纲领对组合夹具方案进行必要的技术经济分析，以提高组合夹具在生产中的经济效益。

（6）扩大机床的使用范围

使用组合夹具可以改变原机床的用途和使用范围，实现一机多能

（7）排屑顺畅

组合夹具中积集切削会影响到工件的定位精度，切削的热量使工件和夹具产生热变形，影响加工精度。

清理切削将曾加辅助时间，降低生产率。

因此组合夹具设计中要给予排屑问题充分的重视。

1.2国内外的发展及研究状况

我国国内的组合夹具【1】始于20世纪60年代,当时建立了面向机械行业的天津组合夹具厂,和面向航空工业的保定向阳机械厂,和面向航空工业的保定向阳机械厂,以后又建立了数个生产组合夹具元件的工厂。

当时产品均为引进前苏联乌斯贝（YCⅡ）槽系组合夹具系统。

推广应用遍及机械航空、电子轻工、造船、纺织等各类制造业,取丰硕的社会经济效益。

在使用过程中改进并修改了原系统,建立了适合我国国情有我国特色的槽系组合夹具系统。

在当时曾达到全国年产组合夹具元件800万件的水平。

至今天津保定二厂仍是我国组合夹具的主要生产基地。

.20世纪80年代以后,两厂又各自独立开发了适合,机床加工中心的孔系组合夹具系统,不仅满足了我国国内的需求,。

还出口到美国等国家。

当前我国每年尚需进口不少,）机床加工中心,而由国外配套孔系夹具,价格非常昂贵,现大都由国内配套,节约了大量外汇。

从国际上看俄国、德国和美国是组合夹具的主要生产国。

前苏联的（YCⅡ）槽系组合夹具系统非常著名,以后又开发了孔系组合夹具系统冲合冲模和焊接组合夹具系统,但主要在国内应用,出口交流较少。

德国一直都重视工艺装备（包括夹具）的设计制造及其标准化,组合夹具和各种机床附件都由专业化中小型企业生产。

这些企业中具有代表性的有：

Halder是设计生产槽系组合夹具的著名公司；Bluco是享誉世界生产完整系列孔系组合夹具系统的供应商；Kipp生产中型和大型孔系组合夹具；Witte公司生产孔系组合检测夹具,是为三座标准测量机（CMM）配套的绝好的柔性检测夹具。

目前在美国本土生产销售和出租组合夹具的工厂都是小型企业,分为三种类型：

一种是专门销售出租组合夹具的小型工厂!

二是工具制造厂,同时生产或销售组合夹具#三为某类机械厂,在生产某一产品的同时也生产销售组合夹具。

在芝加哥附近的Rockford的Bluco公司原为德国Bluco公司的销售代理商,现已独立生产、销售、租赁,16㎜、12㎜、10㎜三个系列的公制孔系组合夹具。

Carrlane是一家工具公司,生产夹具通用零部件,历史悠久,20世纪82年代后期开始生产销售英制孔系组合夹具。

TECO公司是一家生产标准件夹具通用件和检测仪表附件的工厂,也于10余年前生产商标为“QU.CO”的英制孔系组合夹具。

西部亚利桑那州的Stevens工具公司早在20多年前开始制造组合夹具的基础件,然后用铝板为用户制造过渡板,以适应客户各种工件的要求。

该公司目前生产有本公司特色的整套英制孔系组合夹具。

别为当前国际当前国际上的夹具企业均为中小企业,专用夹具可调整夹具主要接受本地区和国内订货,而通用性强的组合夹具已逐步成熟为国际贸易中的一个品种。

有关夹具和组合夹具的产值和贸易额尚缺乏统计资料,但欧美市场上一套用于加工中心的夹具，通常为机床价格1/10-1/15，而组合夹具的大型基础件尤其昂贵。

由于我国在组合夹具技术上有历史的积累和性能价格比的优势,随着我国加入WTO制造业全球一体化的趋势,特别是电子商务的日益发展,其中蕴藏着很大的商机,具有进一步扩大出口良好前景。

1.3本课题研究的内容

我们目前常见的标准件库主要是基于不同CAD支撑软件的通用零件标准件库，它的建立和使用提高了设计效率，使设计人员有更多的时间注重产品的设计，充分体现了使用CAD系统所带来的经济效益【3】。

从目前的使用情况来看，主要有二维和三维标准件库两大类。

二维标准件库一般是利用编程方式实现的，调用方便。

但这种建库方式编程工作量相当大，增加和修改零件时都需修改程序，系统的应用范围窄，此外，二维图形不够直观，不便于设计的可用性评价，也很难进行干涉检验。

与此相比，三维平台可以很方便地实现参数驱动功能﹑装配图和零件图关联功能，而且其造型非常直观，进行干涉检验也非常方便，所以随着三维设计的广泛使用，现在越来越多的标准件库基于三维平台建立。

三维标准件库的建立现在常用的有三种:

1.建立完全的三维标准件模型，为每一个标准件建立一个实体模型，然后将每个标准件都存储在标准零件库中，在需要时直接调用。

这种方法工作量巨大不说，并且会出现存储量占用庞大，管理困难，调用速度慢等一系列问题。

2.利用二次开发工具通过编程来实现三维标准件建模，对于每一系列的标准件，采用一个独立的子程序来实现，通过预留的接口来实现参数化。

这样的好处是不必建立三维实体模型库，标准件实例化是在程序运行时自动形成装配用的零件图形文件，大大节省了硬盘空间。

缺点是编程工作量庞大，有些复杂零件建模困难，容易出错。

3.采用参数化方法建立三维标准件模型，由于相同系列的标准件具有相间的拓扑结构和不同的尺寸参数，对同一系列的标准件就可以使用同一三维实体模型，不同的实际尺寸由存储在数据库中的参数表来提供。

其特点一是现用现生成，执行速度快，占用空间小；二是只通过修改参数表就可以修改标准件，给标准件库的维护和扩充带来了极大的便利。

它是一种非常可行的建库方法，因此，本文也正是采用这种方法建立了CATIA环境下的标准件库[5]。

第2章组合夹具的类型

2.1组合夹具的概念

组合夹具是一种模块化的夹具。

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。

夹具用毕可拆卸,清洗后留待组装新夹具。

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,并具有减少专用夹具数量等优点，因此组合夹具在单件、中、小批量多品种生产和数控加工中，是一种较经济的夹具。

组合夹具也已经商品化。

组合夹具由可以循环使用的标准夹具元件、合件配套组成，根据工艺要求组装成容易联接和拆卸的夹具，组合夹具分为槽系组合夹具、孔系组合夹具、孔槽系组合夹具【11】。

2.2槽系组合夹具

主要是通过键与槽确定元件间的相互位置（主要靠槽来定位和紧固）

槽系夹具元件最突出的特点是组装灵活多变，可调性好；缺点是精度低、刚性差；T型槽和螺栓头定位和紧固变形，多个元件用一个螺栓连接稳定性差、结合强度低，因元件紧固靠摩擦力，组装调整需要测量即费时又费力。

使用中承受不了大切削量切削力，因碰撞或较大的负载而产生位移，降低精度，导致工件报废，不能满足现代加工要求。

槽系列夹具元件分为八大类，曹宽分别为大型16H7和中型12H7。

螺栓直径分大、中、小、微型M6X1.5M16、M12X1.5M12、M8M6三个系列。

大型、中型、小型系列元件均可独立使用，用户根据机床工作台或托板尺寸以及被加工工件的外形尺寸选择所需要的系列，三系类具有统一的节距尺寸，备有过渡元件，因此可以混合使用。

2.3孔系组合夹具

主要是通过销和孔确定元件间的相互位置。

（靠孔来定位和紧固）

孔系组合夹具是目前国际上的一种新技术，主要是为了适应现在加工设配对工装精度和刚性的要求而创造的，是继槽系组合夹具元件之后出现的又一新颖快速组合工艺装备，它的主要特点是：

结构简单、以孔定位、螺栓连接，定位精度高、刚性好、品种少、组装方便、经济效益大，便于计算机编程，特别使用于数控机床和加工中心等切削受力较大的工件加工，缺点是可调性差、不太适宜普通机床使用。

孔系夹具元件在国外应用很普遍，在国内的用户也在逐年增多。

孔系组合夹具刚出现的时候为螺纹孔式，只是在基础件矩阵式分布螺纹孔，用螺栓进行连接、定位和紧固，没有定位孔和定位销，承受的外力较槽式的要小，不像现在这样为配合孔式即有精密的配合孔还有相互连接的螺纹孔。

孔系列夹具元件也分为八大类，大、中、小型三个系列M8、M12、M16。

定位孔中心设计有螺纹孔，定位孔和螺纹孔是同心的，定位销是空心定位销，定位孔和螺纹孔是间隔分布的，孔距有40mm和50mm。

大型元件的定位孔径16H6和定位孔径12H5、螺纹M16M16X1.5和螺纹M12M12X1.5俩种，定位孔和螺纹孔是间隔分布的。

孔系夹具元件的定位孔采用压套结构，定位孔中心至定位基准面的尺寸差0.015mm，相邻定位孔孔距公差±0.01。

孔系组合夹具是以孔销来完成元件之间的定位，以M16M16X1.5、M12M12X1.5的短螺钉来完成元件间的紧固连接。

2.4孔槽系组合夹具

主要是通过销、孔和建、槽及槽孔结合的键销确定元件间的相互位置即通过槽和孔结合的方式进行定位和紧固。

孔槽系组合夹具吸收了槽、孔系列的精华，克服了二者得缺点和不足，它的主要特点是：

结构巧、精度高、刚性好、强度大、体积小、重量轻、承受工件负荷大、组装安装调整简易快速、灵活多变（柔性）、组装结合强度高、精度稳定、安全可靠。

2.4.1孔槽系组合夹具在数控机床中的应用

随着机械制造业的发展，对于组合夹具数控机床有许多不同于普通机床的特殊要求，如:

粗加工时要求夹具具有很好的刚度，能承受大功率、高速切削;精加工时要求工件在夹具中产生的定位及夹紧误差最小;为提高工效，要求组合夹具元件能大、中融合一体，安装在同一块基础板上，以适应单件或多件同时加工等。

孔系夹具靠销孔定位，故坐标孔系一定，组装程度简单，无需测量调整就能确定工件在机床坐标中的位置。

当使用多夹具基础板时，既可组装单个大零件夹具，又可组装多个中小零件夹具，工效高，柔性好。

孔系夹具的特点，适用于数控机床和柔性制造系统的配套工装或随行夹具，在数控中的应用覆盖面超过槽系夹具，占据主导地位。

2.4.2孔槽系组合夹具在焊接中的应用

Grove公司是生产汽车液压吊车的著名制造企业。

过去焊接工序全部依靠手工焊接临时工装和专用焊接夹具去完成。

现在该公司设计出组合夹具系统，其核心是安装焊接零件、各式各样的标准角度支承、支承块及各种附件的三维工作台。

此台设计成一个坚实的平台，并由带加强筋的高强度钢制成，加工到很严的公差以保证稳定性和平直度在0.033mm/m以内。

三维工作台做成数种尺寸，设计成单独使用或用螺栓将数个工作台连接在一起以适应较大焊接零件。

每一工作台作为焊接夹具的主要结构元件，由孔径28mm和l0mm的孔遍布工作台面及四周的网状孔系组成。

需要更准确的孔距时，可用网孔密度为一倍的辅助板，这些板的网状孔距为50mm-6Omm，并很容易安装在三维工作台上。

这些网状孔系设计成将结构零件和夹具元件安装在工作台上并保持孔的位置精度为士0.025mm，整体为士0.05mm。

除网状孔系外有些夹具元件也制成28mm宽的槽系，这些槽允许不同夹具元件精确定位以适应焊接零件需要的位置。

为使每一焊工容易理解每项焊接任务，每一焊接工作地上有一本夹具组装手册，手册中包括一切照片、图形以及每一种零件的相关资料。

每一次每项特定任务重复进行时，焊工简易地参考这一手册作为组装所需夹具的指南，今天随着工装设计的功能集成到CAD系统中，焊工和工具工程师紧密配合，将点焊夹具与CAD系统合在一起为每一焊接夹具准备好必需的生产文件，组合夹具在加工特殊工件中的应用：

在组合夹具使用过程中，针对一些形状复杂、尺寸较大、要求精度较高、定位压紧有困难的零件，单纯用组合夹具无法完成的，可以采取以下方法:

（1）设计专用零件配合组合夹具元件使用。

使用最多也最常用的是设计制造专用定位心轴和钻模板。

因工件孔定位时，多数情况下不是最后工序，孔没有做到尺寸，都留有磨量。

由于产品图样和工艺要求不一样，孔所留的磨量各异，组合夹具元件不能满足要求，为保证定位精度，设计制造专用定位心轴或者定位盘，下面与组合夹具元件一级精度配合，上面和零件孔配合，从而解决了定位精度问题。

（2）采用半组合夹具形式。

对一些工件加工内容复杂，精度要求高，用组合夹具和专用夹具都不好解决的，可以采用半组合夹具形式。

2.4.3孔槽系组合夹具的发展趋势

夹具元件多功能模块化:

能单独使用也能与其他元件组合在一起使用的多功能模块化单元体的比例将进一步增加，如现在使用的各种定位夹紧座、定位压紧支承、精密虎钳等模块式单元体具有定位、夹紧以及调节的综合功能，可以一件单独使用，也可以几件组装在一起使用，T形基础、方箱能组装成一次能装夹多件相同或不相同的工件的夹具，使用这种夹具可以减少机床的停机时间，最大限度发挥数控、加工中心机床的高效性能。

专用夹具、组合夹具一体化:

现代化加工设备的多功能化，使工艺过程高度集中、工件一次定位装夹后能完成多工序加工，这就需要一种通用而又能重复使用的组合可调式的夹具系统。

它是由一系列统一化、标准化的元件和合件组成，利用这些元件、合件组装成各种不同形式、不同结构、可重复使用的夹具，供单件或中小批量生产使用。

这种夹具系统保留了组合夹具的各种优点，组装又像专用夹具那样简单可靠。

为了便于夹具与机床定位连接，夹具基体有统一标准的定位连接位置，使之专用、组合夹具向着一体化、组合化方向发展，以满足现代化加工设备的需要。

第3章组合夹具的基本组成

3.1主要有八大类元件组成及元件图

1、基础件夹具的基本元件

例如：

方形基础板、长方形基础板和基础角铁等【5】。

图3-1长方形基础板

2、支撑件夹具的骨架元件

例如：

各种垫片、垫板、支撑、角铁、V形角铁、伸长板和菱形板等。

图3-2垫片

图3-3支撑件

3、定位件元件间定位和工件正确安装用的元件

例如：

各种键、定位销、定位盘、角度定位件、定位支撑、定位板、和V形件等。

图3-4定位销

4、导向件在夹具上确定切削工具位置的元件

例如：

各种钻模板、钻套、铰套和导向支撑等。

这类元件主要用来确定刀具与工件的相对位置，加工时起到刀具上的正确引导作用。

导向件中的钻模板，是组装钻床家具的重要元件。

钻床夹具在各类组合夹具中用的数量最多，因此，钻模板的型别和规格也较多。

在组装夹具时，应根据被加工孔的直径和位置来选择相应孔径和长度的钻模板。

图3-7钻套

图3-8钻模板

5、压紧件作压紧元件或工件的元件

例如：

平压板、伸长板。

图3-9平压板

6、紧固件作紧固元件或工件的元件

例如：

各种螺栓、螺钉、螺母和垫圈等。

组合夹具上使用的螺栓和螺母，一般要求强度高、寿命长，因此这些元件与普通螺栓、螺母相比所用的材料要好一些，技术要求要高一些。

12mm槽系列组合夹具使用的螺栓、螺钉只有四种直径即M12、M8、M6、M5。

除M12外，都采用粗牙螺纹。

M12的螺栓和螺钉采用螺距为1.5mm的细牙螺纹，其优点是自锁性能较好，在受到切削振动情况下不易松动【4】。

图3-10螺钉

图3-11螺母

图3-12螺栓

7、其它件在夹具中起辅助作用的元件

例如：

包括上述六类外的各种用途的单件元件，如连接板、滚花手柄、各种支钉和支撑冒、支撑环、弹簧、二爪支撑、三爪支撑及平衡块等。

这类元件，有的有比较明显的用途，若选用适当，能再组装中起到极为有利的辅助作用。

图3-12弹簧

8、合件用于分度、导向、支撑等的组合件

例如：

是指在组装过程中不拆散使用的独立元件。

按其用途不同，可分为定位合件、导向合件、度合件、支撑合件、夹紧合件等【6】。

第4章工件在组合夹具中的定位与夹紧

4.1工件的定位

4.1.1工件定位的概念

在机械加工中，为了保证工件个加工表面间的相互位置精度，工艺系统的各要素，即机床、刀具、组合家具及工件之间，要有正确的相对位置关系。

工件定位的准确性和可靠性是影响加工后工件个表面相互位置精度的重要因素。

定位的准确性和可靠性，除了与工件定位基准面得制造精度有关外，还取决于夹具定位元件的精度和定位机构的合理性。

实践表明，在组装组合夹具时，首先要熟悉和掌握工件在组合夹具中的定位基本原理和方法，拟定出定位方案，在此基础上根据工件的加工要求，分析定位的准确性和可靠性，最后通过组装达到夹具结构的合理化。

4.1.2定位基准的概念

用来确定工件相对于夹具位置的基准称为定位基准。

定位基准是工件与夹具定位元件接触或配合的实际点、线和面。