冯刚-基于Solidworks的台虎钳结构的改造及功能的拓展.doc
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河南科技学院
2009届本科毕业论文（设计）
论文题目：
基于Solidworks的台虎钳结构的改造
及其功能的拓展
学生姓名：
冯刚
所在院（系）：
机电学院
所学专业：
机械设计制造及其自动化
导师姓名：
杜家熙
完成时间：
2009年5月20日
目录
1绪论 1
2普通机用台虎钳的结构设计 1
2.1机用台虎钳的工作原理 1
2.2对台虎钳各个零件的设计 2
2.2.1固定钳座的设计 2
2.2.2活动钳身的结构设计 4
2.2.3方块螺母的结构设计 5
2.2.4钳口板的结构设计 6
2.2.5固定钳口板用螺钉的结构设计 7
2.2.6固定活动钳身用螺钉的结构设计 8
2.2.7螺母M10的选择设计 9
2.2.8销的选择设计 10
2.2.9螺杆的结构设计 10
2.2.10螺杆的强度校核计算 11
2.2.11垫片的选择设计 12
3对台虎钳的部件（钳口）的结构改进 12
3.1钳口的分析设想 12
3.2V形钳口的分析 14
3.3V形钳口的选择设计 15
3.4V形钳口的实例设计 16
3.5紧固螺钉的选择 16
4台虎钳结构的装配 17
4.1台虎钳的爆炸视图 17
4.2装上V形钳口的台虎钳效果示意图：
17
5台虎钳使用功能方法的拓展 18
5.1当V形块使用 18
5.2手工绕制弹簧 18
5.3校正小钢材 18
6结论 19
致谢 20
参考文献 21
1绪论
机械加工中，台虎钳是较为常见的装夹工具，它分机同和手用两种，都是利用两钳口作定位基准，靠丝扛、螺母传送机械力的原理进行工作的。
台虎钳结构简单，装夹迅速。
加工时省时省力，提高了加工效率、加工精度、产品质量。
但是台虎钳也有其不足之处，如不能较好的装夹外形较为复杂和不规则工件。
主要原因是台虎钳钳口是平直的，不适于装夹球形，特别是圆柱形工件。
机加工时工件易位移，有时工件还会飞出机床台面。
为此，特对台虎钳的钳口进行结构的改进设计，以满足其使用功能的要求，使其更加的实用化。
普通台虎钳的主要功能是夹紧工件，以使加工方便、快捷。
本论文利用普通台虎钳的特性，对其使用功能进行了拓展，如充当划线平台、绕制弹簧、校正小钢材等。
使台虎钳的功能更加全面化。
根据使用条件的不同，加工环境的不同，人们还会对台虎钳进行进一步的改进创新和功能的拓展，会有越来越多不同的结构使台虎钳的使用功能多样化、全面化。
2普通机用台虎钳的结构设计
2.1机用台虎钳的工作原理
机用虎钳是一种在机床工作台上用来夹持工件、以便于对工件进行加工的夹具。
机用台虎钳装配图采用了俯视图、主视图、三维立体图和一个表示单独零件的爆炸视图来表达。
主视图采用了全剖视图，反映台虎钳的工作原理和零件间的装配关系。
俯视图反映了固定钳身的结构形状。
主视图基本上反映了台虎钳的工作原理：
旋转长轴带动活动钳身作水平方向左右移动，夹紧工件进行切削加工。
主视图反映了主要零件的装配关系：
长柄螺母将导向座与长柄连接，螺杆窜过套筒通过螺杆螺母与活动钳身连接，长柄螺母将固定钳身和长柄连接，螺钉将两块钳口板分别与固定钳身和活动钳身连接。
机用虎钳（图1）由固定钳座1、钳口板2、活动钳身4、螺杆8和方块螺母9等零件组成。
当用扳手转动螺杆8时，由于螺杆8的左边用开口销卡住，使它只能在固定钳座1的两圆柱孔中转动，而不能沿轴向移动，这时螺杆8就带动方块螺母9，使活动钳身4沿固定钳座1的内腔作直线运动。
方块螺母9与活动钳身4用螺钉3连成整体，这样使钳口闭合或开放，便于夹紧和卸下零件。
（图1）
固定钳座1在装配件中起支承钳口板2、活动钳身4、螺杆8和方块螺母9等零件的作用，螺杆8与固定钳座1的左、右端分别以Φ12H8/f7和Φ18H8/f7间隙配合。
活动钳身4与方块螺母9以Φ20H8/f7间隙配合[1]。
固定钳座1的左、右两端是由Φ12H8和Φ18H8水平的两圆柱孔组成，它支承螺杆8在两圆柱孔中转动，其中间是空腔，使方块螺母9带动活动钳身4沿固定钳座1作直线运动。
图1普通台虎钳的装配图
2.2对台虎钳各个零件的设计
2.2.1固定钳座的设计
根据固定钳座的零件图画出三维实体图，选取材料为T200[2]。
固定钳座的零件图（图2）:
图2固定钳座的零件图
固定钳身的三维实体图（图3、图4）：
图3固定钳身（上视）图4固定钳身（下视）
2.2.2活动钳身的结构设计
根据活动钳身的零件图画出三维实体图，选取材料为T200[2]。
活动钳身的零件图（图5）：
图5活动钳身的零件图
活动钳身的三维实体图（图6、图7、图8不同视角的三维图）：
图6活动钳
图7活动钳身
图8活动钳身
2.2.3方块螺母的结构设计
根据方块螺母的零件图画出三维实体图[3]，选取材料为Q235。
方块螺母的零件图[6]（图9）：
图9方块螺母的零件图
方块螺母的三维实体图（图10）：
图10方块螺母
2.2.4钳口板的结构设计
根据钳口板的零件图画出三维实体图，选取材料为45。
钳口板的零件图（图11）：
图11钳口板零件图
钳口板的三维实体图（图12）：
图12钳口板
2.2.5固定钳口板用螺钉的结构设计
根据设计需求和台虎钳的使用性能要求，本设计中选取标准件螺钉——GB/T68—M8X20，选取材料为Q235。
查取设计手册可得相关尺寸，根据查得的相关尺寸设计得钳口板用螺钉的三维实体图（图13）：
图13固定钳口板用螺钉
2.2.6固定活动钳身用螺钉的结构设计
根据固定活动钳身用螺钉的零件图画出三维实体图。
固定活动钳身用螺钉的零件图（图14）：
图14固定活动钳身用螺钉的零件图
固定活动钳身用螺钉的三维实体图（图15）：
图15固定活动钳身用螺钉
2.2.7螺母M10的选择设计
根据设计需求和台虎钳的使用性能要求，本设计中选取标准件螺母——GB/T6174—2000—M10[10]，选取材料为35。
查取设计手册可得相关尺寸，根据查得的相关尺寸设计得螺母M10的三维实体图（图16）。
图16螺母M10
2.2.8销的选择设计
根据设计需求和台虎钳的使用性能要求，本设计中选取标准件y圆锥销——GB/T91—3x14，选取材料为Q235。
查取设计手册可得相关尺寸，根据查得的相关尺寸设计得销的三维实体图（图17）。
图17销
2.2.9螺杆的结构设计
根据螺杆的零件图画出三维实体图，选取材料为45。
螺杆的零件图（图18）：
图18螺杆（丝杠）的零件图
螺杆的三维实体图（图19）：
图19螺杆（丝杠）
2.2.10螺杆的强度校核计算
进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的计算方法，并恰当地选取其许用应力。
本设计中，螺杆主要是扭矩，则应该按扭转强度条件计算。
这种方法是只按轴所受的扭矩来计算轴的强度，轴的扭转强度条件为：
式中：
——扭转切应力，Mpa；T——轴所受的扭矩，N.mm；
·——轴的抗扭截面系数，n——轴的转数，p——轴传递的功率，d——计算截面处轴的直径，mm；——许用扭转切应力，Mpa。
根据国家标准，选取许用扭转切应力为25-45Mpa.T=15kN.m。
截面处轴的直径为18mm。
代入数据可算得实际扭转切应力为12.86Mpa，与理论相比可知符合设计使用性能的要求。
所以，和螺母配合处轴的尺寸选择合理。
2.2.11垫片的选择设计
为了使螺杆在固定钳身里能够较好的定位，特配备两个垫圈，一个用于和M10螺母的配合使用，另一个用在螺杆的把手方位与固定钳身的配合使用。
和M10螺母配合使用的弹簧垫圈（图20）选用标准件，按GB93—87，相关尺寸为：
d=10.2，s=b=2.6，0图20垫圈
螺杆的把手方位与固定钳身的配合使用的垫圈选用标准件，按GB93—87，相关尺寸为：
d=18.3，s=b=4.5，03对台虎钳的部件（钳口）的结构改进
3.1钳口的分析设想
机械加工中，台虎钳是较为常见的装夹工具，它分机同和手用两种，都是利用两钳口作定位基准，靠丝扛、螺母传送机械力的原理。
其结构简单，装夹迅速，所以被人们称道。
但是台虎钳也有其不足之处，如袭夹外形较为复杂和不规则工件时，就力不从心了。
主要原因是台虎钳钳口是平直的，不适于装夹球形，特别是圆柱形工件。
机加工时工件易位移，有时工件还会飞出机床台面。
为此，我们对台虎钳的钳口部位进行了改造，使之能装夹各种工件。
具体方法是，按原钳口大小制一对对称的V型钳口（如图21）。
图21V形钳口示意图
该V形钳口需经热处理淬火及表面处理。
使用时需将原钳口卸下，装上V形新钳口，即可使用。
若工件是单件或批量小，也可不卸原钳口，直接将新钳口装上。
另外，还可以使用一块V形钳口，这样就形成了工件和钳口之间呈三条线定位接触加紧；如果使用两块V形钳口则是四条线接触夹紧。
在此基础上，我们进一步设计制作了一系列钳口（如图22）。
图22-a
图22-b
图22-c
图22-a所示钳口特别适用于小圆柱件的多件立式夹紧。
装拆方便，夹紧力平衡，并能实现自动补偿。
图22-b适用于装夹较大直径工件的立兜，可形成三线和四线接触夹紧。
图22-c所示钳口适用于不规则工件的立式夹紧。
上述三种钳口在使用时只需将其卡在原钳口上，并用紧固螺钉（图27）紧固即可。
根据工件与V形块的接触母线长度，V形块可以分为短V形块和长V形块，前者限制工件两个自由度，后者限制工件四个自由度。
3.2V形钳口的分析
V形块定位的优点是：
①对中性好，即能使工件的定位基准轴线对中在V形块两斜面的对称平面上，在左右方向上不会发生偏移，且安装方便；②应用范围较广。
不论定位基准是否经过加工，不论是完整的圆柱面还是局部圆弧面，都可采用V形块定位。
V形块上两斜面间的夹角一般选用60°、90°和120°，其中以90°应用最多。
其典型结构和尺寸均已标准化（见国标附图23、图24、表1）。
V形块的材料一般用20钢，渗碳深0.8～1.2mm，淬火硬度为60～64HRC。
图23V形口典型结构
图24V形口典型结构
表1V形口的国标尺寸
3.3V形钳口的选择设计
此次设计为改装普通台虎钳的平面钳口为V形钳口[13]，以更好的加紧圆柱工件。
此V形钳口的制作应该是一系列的，结合国家标准和本设计的要求，可得出台虎钳V形块的效果图（图25）
图25v形钳口
3.4V形钳口的实例设计
此次设计中选取一组数据为例，有关尺寸如下：
N=42,35图26V形钳口
3.5紧固螺钉的选择
固定V形钳口的紧固螺钉按国家标准ＧＢ/T5783-2000进行选择，结合设计要求，即可选取M10X20的螺钉（图２7）就能满足紧固要求。
图27紧固V形钳口螺栓
4台虎钳结构的装配
4.1台虎钳的爆炸视图
爆炸视图（图28）能够较好的展示台虎钳各个零件之间的关系，它从三维立体的角度阐明了台虎钳的结构，给人们直观直接的视觉感受。
图28台虎钳爆炸视图
4.2装上V形钳口的台虎钳效果示意图：
利用solidworks生成装配体的功能对设计改进的台虎钳进行组装，生成效果示意图（图29）。
图29V形钳口台虎钳
此示意图只是表示了一个方面，只是在活动钳身上装有V形钳口，此时形成三线接触夹紧，根据需要也可以同时在固定钳身上装上V形钳口，此时形成四线接触夹紧。
另外如果是满足大批量生产使用，应该将平直钳口卸下，再装上V形钳口。
5台虎钳使用功能方法的拓展
5.1当V形块使用
利用普通台虎钳钳口的开度可以调节以及两块钢制钳口表面的直线度、平面度、硬度、比较高的特点，在对小件圆柱体材料进行粗加工画线时，可以把它当V形块使用。
因为在对圆柱体材料如圆钢进行画线时，需要找出圆柱体的母线。
这时往往需要有V形块、千斤顶把圆柱体支撑起来，然后再放到划线平台上进行画线。
使用该方法，可以不用V形块、划线平台等工具也能完成小件圆柱体母线的画线工作。
如圆钢粗加工母线的划法。
操作方法：
把台虎钳的钳口旋开一定得开度即钳口的的距离，注意营销与圆柱体的直径，把材料直接放在钳口上，然后用划针沿着钳口的平面划出圆柱体材料的一条母线，再以这条母线为基准面画出其他的母线。
假如圆柱体材料要锯开一个矩形的平面，那么可以量取钳口张开的距离等于要加工的平面的宽，然后把材料放在钳口上，沿着钳口两边划出线来，这样就能够同时划出两条圆柱的母线。
这样简单、易操作。
假如钳口不够平，可垫着钢直尺进行画线。
如学生钳工实习用直径32mm、长度110mm的圆钢制作小铁锤，就使用这种方法，可以节省很多工、量具。
5.2手工绕制弹簧
这种方法也是利用普通台虎钳钳口的夹紧力，用它来夹紧弹簧的钢丝一端，配合其它工具就能绕制结构简单的弹簧。
因为在机械维修中会经常遇到设备内的弹簧折断，在短时间内很难买到原配件的情况下，就需要重新绕制弹簧。
操作方法：
先把弹簧钢丝折成一个直角，短边约20mm左右，长边是用来绕制弹簧用的，然后把短边与芯棒一起夹在普通台虎钳钳口上（靠近钳口两侧），用钢丝钳或其它夹具夹紧钢丝长边一端绕制芯棒旋转到所需要的弹簧长度就可以了。
注意要选择合适的芯棒，即棒的直径要比原弹簧直径小一些，但又不能太小。
5.3校正小钢材
利用普通台虎钳钳口夹紧力的大小，可以校正不同规格的小钢材。
在校正时台虎钳的夹紧力应大于材料变形时所能承受的压力的大小。
一般用来校正小直径的圆钢、小面积的薄钢板等。
操作：
把工件夹在普通台虎钳的钳口上，转动手柄利用台虎钳钳口的夹紧力，对工件的变形进行有效的校正。
6结论
在整个毕业设计阶段，通过对SolidWorks软件和AutoCad软件知识的学习，我了解到了Solidworks和AutoCad的基本原理和具体运用方法。
并且能够运用SolidWorks软件对各种零件进行三维实体建模，运用AutoCad对零件进行工程图的国标绘制。
掌握了利用solidworks软件中Animator插件对装配体进行动画演示。
在本文中我利用SolidWorks软件对台虎钳及其改进结构进行了三维造型，并利用配置完成了对台虎钳的三维实体设计和动画演示制作，但还有很多不理解的地方需要更加努力的加强学习。
致谢
毕业设计是我的大学学习生涯必经的一个阶段。
为了更高质量完成这个任务，我付出了很大的努力，克服了很多困难，但仅靠我个人的努力仍是远不能实现的。
在整个设计及论文写作过程中，我得到了很多老师的帮助，尤其是指导老师杜老师的耐心指导与悉心指正给我留下了深刻的印象。
在此我再次对于他们的关心表示衷心的感谢！
参考文献
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