支架夹具设计说明.docx
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支架夹具设计说明
专业课程综合设计
题目
支架钻孔加工
专用夹具设计
院（系）别
机电及自动化学院
专业
机械制造及其自动化
级别
2009级
学号
0911116036
姓名
沈华坤
指导老师
黄国钦
华侨大学机电及自动化学院
2012年10月
第一章夹具设计任务1
1.1零件（产品）结构分析及零件图1
1.2支架钻孔工序的重点技术要求分析2
第二章拨叉夹具设计方案的确定3
2.1基准面的选择（夹具体方案的确定）3
2.2定位方式及定位元件的选择3
2.3夹紧方案及夹紧元件选择3
2.4夹具结构4
第三章主要零件设计及计算说明6
3.1夹紧力计算6
3.2其他零件设计计算8
第四章夹具定位误差计算14
第五章夹具的装配要求及使用说明……………………………………………..15
参考文献
附录
第一章夹具设计任务
1.1零件（产品）结构分析及零件图
1、零件的二维图如图1.1所示
图1.1支架CAD图
2、零件的三维图如图1.2所示
图1.2支架三维图
1.2支架钻孔工序六的重点技术要求分析
1、支架钻孔工序图六如图1.3所示
图1.3工序图
2、工装及切削要素数据表如表1.1所示
表1.1工装及切削要素数据表如表
工步号
工步内容
工艺装备
主轴转速
切削速度
进给量
切削深度
进给次数
工步工时
r/min
m/min
mm/r
mm
机动
辅助
01
钻与φ18垂直的孔
φ10至φ9.8
X525卧式铣床
545
17.1
0.4
4.9
1
0.18
02
粗铰与φ18垂直的
孔φ10
锥柄麻花钻
680
21
0.3
0.1
1
0.15
3、工序的重点技术要求分析
由工件的零件图和三维立体图可以看出，钻与
垂直的孔
至
的重点是保证两通孔的垂直度要求。
故夹具体应围绕保证其垂直度的精度来设计，同时也要保证其表面粗糙度及位置精度。
第二章支架夹具设计方案的确定
2.1基准面的选择（夹具体方案的确定）
因采用卧式钻床，故待加平面处于水平位置。
若设φ18垂直的孔的凸台面分别为前面和后面，则使后面面为定位基准面。
以基准面上的直径为φ20的两孔以及基准面定位。
夹紧件由工件前面向定位基准面夹紧。
采用快速螺旋夹紧机构。
2.2定位方式及定位元件的选择
如图2.1为工件在夹具中的定位方式简图．
图2.1定位方式简图
在夹具中，工件以圆孔表面定位时，需要限制6个自由度，所选钻孔的轴线要与
孔轴线垂直，所以应该以该轴线为定位基准。
使用短定位销加一个侧面限制了5个自由度，为确保与底面的平行度再在底面加一个可调节支承，限制住第六个自由度。
在大批量生产中，由于定位销磨损较快，为保证工序加工精度需定期维修更换，此时常采用便于更换的可换式定位销。
总而言之，图中是通过一个短销加上一个侧面限制五个自由度，在通过可调节辅助支撑限制一个自由度，从而达到完全定位。
2.3夹紧方案及夹紧元件选择
2.3.1夹紧方案
机械零件是由若干要素组成的，每个要素之间都有一定的尺寸和位置公差要求用来确定生产对象上几何要素间几何关系所依据的那些点，线，面称为基准。
输出轴的轴线在设计中就是一个精基准。
通过零件图的分析得知，输出轴的定位基准有两端面及中心孔，而设计的夹具是用来钻端面
的通孔的，因此采用一个套环和套筒，共限制5个自由度，定位面为
轴颈外圆及阶梯轴端面，定位基准即为轴心线，夹紧元件为一个浮动压块，靠齿轮齿条机构及压紧弹簧产生夹紧力。
2.3.2夹紧元件选择
一般夹紧装置由下面两个基本部分组成。
1）动力源
即产生原始作用力的部分。
如果用人的体力对工件进行夹紧，称为手动夹紧；如果用气动、液压、气液联合、电动以及机床的运动等动力装置来代替人力进行夹紧，则称为机动夹紧。
2）夹紧机构
即接受和传递原始作用力，使之变为夹紧力，并执行夹紧任务的部分。
它包括中间递力机构和夹紧元件。
中间递力机构把来自人力或动力装置的力传递给夹紧元件，再由夹紧元件直接与工件接触，最终完成夹紧任务。
根据动力源的不同和工件夹紧的实际需要，一般中间递力机构在传递夹紧力的过程中，可以起到以下作用：
a改变作用力的方向；
b改变作用力的大小；
c具有一定的自锁性能，以保证夹紧可靠，在手动夹紧时尤为重要。
本次设计采用手动夹紧方式。
2.4夹具结构
从前面提到的夹紧装置组成中可以看出，不论采用何种力源（手动或机动）形式，一切外加的作用力要转化为夹紧力均需通过夹紧机构。
因此，夹紧机构是夹紧装置中的一个很重要的组成部分。
夹紧机构可分为斜楔夹紧机构、螺旋夹紧机构、偏心夹紧机构、定心对中夹紧机构等。
斜楔夹紧机构中最基本的形式之一，螺旋夹紧机构、偏心夹紧机构及定心对中夹紧机构等都是斜楔夹紧机构的变型。
斜楔夹紧机构主要是利用其斜楔面移动时所产生的压力来夹紧工件的，亦即一般所谓的楔紧作用。
斜楔的斜度一般为1:
10，其斜度的大小主要是根据满足斜楔的自锁条件来确定。
一般对夹具的夹紧机构，都要求具有自锁性能。
所谓自锁，也就是当外加的作用力Q一旦消失或撤除后，夹紧机构在纯摩擦力的作用下，仍应保持其处于夹紧状态而不松开。
螺旋夹紧机构中所用的螺旋，实际上相当于把斜楔绕在圆柱体上因它的夹紧作用原理与斜楔时一样的。
不过这里是通过转动螺旋，使绕在圆柱体上的斜楔高度发生变化来夹紧工件的。
本次工件夹紧便采用螺旋夹紧机构。
第三章主要零件设计及计算说明
3.1夹紧力计算
夹紧力的大小对于保证定位稳定、加紧可靠，确定夹紧装置的结构尺寸，都有很大关系。
夹紧力过小，则加紧不稳固，在加工过程中工件仍会发生位移而破坏定位。
结果，轻则影响加工质量，重则造成安全事故。
夹紧力过大，则没有必要，反而增加加紧变形，对加工质量不利。
此外，夹紧装置的结构尺寸也不必要的加大了。
所以，夹紧力的大小必须恰当。
夹紧力大小的确定：
计算夹紧力时，通常将夹具和工件看成一个刚性系统，然后根据工件受切削力、夹紧力（大工件还应考虑重力，运动的工件还需考虑惯性）后处于静力平衡条件，求出理论夹紧力，为了安全起见再乘以安全系数K。
式中：
——计算出的理论夹紧力；
W——实际夹紧力；
K——安全系数
安全系数K=K1×K2×K3×K4XK5XK6XK7
K1——基本安全系数1.33
K2——加工性质系数1
K3——刀具钝化系数1
K4——断续刀削系数1
K5——夹紧力的稳定性1
K6——手动夹紧时的手柄位置1
K7——接触情况1
所以K=K1×K2×K3×K4XK5XK6XK7=1.33
理论夹紧力的计算：
式中：
w——理论夹紧力
T——理论夹紧转矩
R——螺纹的平均半径
ψ——螺纹升角
n——螺纹线数
——螺纹摩擦角
f1——摩擦因数
τ——计算力臂
所以查表得w=637
综上所述实际夹紧力w=12953N,而此时只需在扳手上施加不到100N的力便可产生此效果，且再加上钻削时切削力与夹紧力方向一致，故可认为此设计是合理的。
在夹紧力工件时各种不同接触面之间的摩擦系数
可见表。
表3.1各种不同接触表面之间的摩擦系数
接触表面的形式
摩擦系数
接触表面均为加工过的光滑表面
0.15～0.25
工件表面为毛坯，夹具的支承面为球面
0.2~0.3
夹具定位或夹紧元件的淬硬表面在沿主切削力方向有齿纹
0.3
夹具定位或夹紧元件的淬硬表面在垂直于主切削力的方向有齿纹
0.4
夹具定位或夹紧元件的淬硬表面有相互垂直齿纹
0.4~0.5
夹具定位或夹紧元件的淬硬表面有网状齿纹
0.7~0.8
为了减小夹紧力，可以在正对切削力F的作用方向，设置一支承元件。
这种支承不用作定位，而是用来防止工件在加工中移动。
在钻床上对工件钻孔时，为了减小夹紧力，应力求使主要定位基准面处于水平位置，使夹紧力、重力和切削力同向，都垂直作用在主要定位基准面上。
2）夹紧力的作用点
夹紧力的作用点是指夹紧元件与工件相接触的一小块面积。
选择作用点的问题是在夹紧力方向已定的情况下才提出来的。
选择夹紧力作用点位置和数目时，应考虑工件定位可靠，防止夹紧变形，确保工序的加工精度。
a夹紧力的作用点应能保持工件定位稳定，而不致引起工件发生位移和偏转。
当夹紧力虽然朝向主要定位基面，但作用点却在支承范围以外时，夹紧力与支反力构成力矩，夹紧时工件将发生偏转，使定位基面与支承元件脱离，以至破坏原有定位。
应使夹紧力作用在稳定区域内。
b夹紧力的作用点，应使被夹紧工件的夹紧变形尽可能小。
对于箱体、壳体、杆叉类工件，要特别注意选择力的作用点问题。
在使用夹具时，为尽量减少工件的夹紧变形，可采用增大工件受力面积的措施。
采用具有较大弧面的夹爪来防止薄壁套筒变形；可在压板下增加垫圈，使夹紧力均匀地作用在薄壁
夹紧力的大小必须适当。
当夹紧力过小，工件可能在加工过程中移动而破坏定位，不仅影响质量，还能造成事故；夹紧力过大，不但会使工件和夹具产生变形，对加工质量不利，而且造成人力、物力的浪费。
3.2其他零件设计计算
3.2.1钻套的选择与设计
夹具在机床上安装完毕，在进行加工之前，尚需进行夹具的对刀，使刀具相对夹具定位元件处于正确位置。
在钻床夹具中，通常用钻套实现刀具的对准，如图7所示，加工中只要钻头对准钻套，所钻孔的位置就能达到工序要求。
当然，钻套和镗套还有增强刀具刚度的作用。
图3.1钻套对刀
1-定位元件；2-工件；3-钻模板；4-固定衬套；5-快换钻套
1）钻套的四种形式
a固定钻套
图8（a）为固定钻套的两种结构，A型为无肩的，B型为带肩的。
带肩的主要用于钻模板较薄时，用以保持钻套必要的导引长度。
钻套外圆以
或
配合直接压入夹具体或钻模板孔中。
这种钻套的缺点是磨损后不易更换，因此主要用于中小批生产用的钻床夹具上或用来加工孔距小和孔距精度要求较高的孔。
为防止切屑进入钻套内，钻套的上下端应以突出钻模板为宜，一般不能低于钻模板。
b可换钻套
可换钻套的实际功用仍和固定钻套一样，可供钻、扩、铰孔工序使用，在批量较大时，磨损后可迅速更换。
可换钻套的结构如图8（b）所示，它的凸缘铣有台肩，防转螺钉的头部与此台肩有一定间隙以防止可换钻套转动。
拧去螺钉便可取出可换钻套。
为了避免钻模板的磨损，钻套不直接压配在夹具体或钻模板上，而是以
或
的配合装进衬套的内孔中，并用防转螺钉防止在加工过程中刀具、切屑与钻套内孔的摩擦力使钻套产生转动，或推倒时随刀具抬起。
衬套外圆与夹具体或钻模板的配合采用
或
。
c快换钻套
快换钻套是供一个孔须经多个加工工步（如钻、扩、铰、锪孔和攻丝等）所用的。
由于在加工过程中，需依次更换、取出钻套，以适应不同加工刀具的需要，所以采用快换钻套。
图8（c）是标准快换钻套结构。
它除在其凸缘铣有台肩以供防转螺钉压住外，同时还铣出一削边平面。
当此削边平面转至钻套螺钉位置时，便可向上快速取出钻套。
为防止直接磨损钻模板或夹具体，也必须配有衬套。
图8各类钻套
1-可换钻套；2-衬套；3-防转螺钉
d特殊钻套
特殊钻套是根据具体加工情况自行设计的，以补充标准钻套性能的不足,在本次设计中，根据加工情况选择长型快换钻套。
2）钻套导引孔尺寸和公差的确定
根据待加工孔的尺寸d＝4.5mm，选择快换钻套的尺寸。
其结构见图9，具体尺寸参数见表4。
长型快换钻套
技术条件：
a材料：
d＜26mmT10A；d＞26mm20；
b热处理：
T10AHRC58～64；20渗碳深度0.8～1.2mm；HRC58～64[5]。
表4长型快换钻套尺寸
d
D
D1（滚花前）
D2
H
h
基本尺寸
极限偏差F7
基本尺寸
极限偏差m6
极限偏差k6
>0~3
+0.016
+0.006
8
+0.015
+0.006
+0.010
+0.001
15
12
10~40
8
3
8
>3~4
+0.022
+0.010
10
12
>4~6
18
15
15~55
12
18
续表
d
r
m
a
b
配钻套螺钉
基本尺寸
>0~3
10
11.5
1
4.2
4.2
0.5
2
50°
0.008
M5
>3~4
14
>4~6
14
13
5.5
5.5
18
3）钻套高度和钻套与工件距离
a钻套高度
钻套高度由孔距精度、工件材料、孔加工深度、刀具耐用度、工件表面形状等因素决定。
一般材料强度高，钻头刚度低（钻头悬伸长度直径与直径之比大于15）和在斜面上钻孔时，采用长钻套。
钻一般的螺钉孔、销子孔，工件孔距精度在
0.25mm或是自由尺寸公差时，钻套的高度取
，钻套内径采用基轴制F8的公差。
加工IT6、IT7级精度，孔径在
12mm以上的孔或加工加工工件孔距精度要求在
0.10～
0.15mm时，钻套的高度取
。
钻套内径采用基轴制G7的公差。
加工IT7、IT8级精度的孔和孔距精度要求在
0.06～
0.10时，钻套的高度取
。
参见表5可知具体选择方法。
表5钻套高度和钻套端部与工件表面的距离
简图
加工条件
钻套高度
加工材料
钻套与工件间的距离
一般孔、销孔，孔距公差为
铸铁
H7以上的孔，孔距公差为±0.1～±0.15
钢
青铜
铝合金
H8以下的孔，孔距公差为±0.06～±0.10
b钻套与工件表面的距离
钻套与工件间留有一定的距离h，如表2-4的简图。
如果h太大，会增大钻头的倾斜量，使钻套不能很好的导向。
h过小，切屑排出困难（特别使钢件），不仅会增大工件加工表面的粗糙度，有时还可能将钻头折断。
h值可按表5选取
材料越硬，则式中的系数应取小值，钻头直径越小，也即钻头刚性越差，式中的系数取最大值，以免切屑堵塞而使钻头折断。
但是下面几种特殊情况需另考虑：
a在斜面上钻孔（或钻斜孔）时，钻头最易引偏，为保证起钻良好，h应尽可能小一些（
）。
b孔的位置精度要求高时，可取h=0，以保证钻套有较好的导引作用，而让切屑从钻头的螺旋槽中排出。
这样，排屑条件反比只留很小h值的要好，但此时钻套磨损严重。
c钻深孔（孔的长径比
）时，要求排屑畅快，可取h＝1.5d.
此外，各种钻套内孔合外圆的同轴度不应大于0.005mm。
因此钻套与工件表面的距离h取h＝1.5d。
第四章夹具定位误差计算
定位误差主要有两个方面，一个是基准不重合误差，一个是基准位移误差。
工件以Φ75外圆的圆柱面为定位面，在套筒上定位，此时定位基准就是外圆轴线，由零件图可知Φ20孔设计基准也是外圆轴线。
确定定位误差：
由于定位基准与设计基准重合，故基准不重合误差为0，基准位移误差
所以心轴与内孔的定位误差为
再由于钻模套与地面存在垂直度误差，为0.005mm
故综上所述
第五章夹具的装配要求及使用说明
夹具在工作台面上是用夹具安装面及定向键定位的。
为了保证夹具安装面与工作台面有良好的接触，夹具安装面的结构形式及加工精度都应有一定的要求。
除夹具安装面之外，一般还通过两个定向键或定位销与工作台上的T型槽相配合，以限制夹具在定位时所应限制的不定度，并承受部分切削力矩，增强夹具在工作过程中的稳定性。
图5.1（a）是定向键的标准结构，图5.2（b）为定向键相配合零件的尺寸。
图5.1标准定向键结构
在小型夹具中，为了制造简便，可用圆柱定位销代替定向键。
图2-15为圆柱销直接装配在夹具体的圆孔中（过盈配合）。
其螺纹孔是供取出定位销用的。
为了提高定向精度，定向键与T型槽应有良好的配合（一般采用,）,必要时定向键宽度可按机床工作台T型槽配作。
两定向键之间的距离在夹具底座的允许范围内尽可能远些。
另外在夹具安装时应对T型槽精度进行检测，选择精度高的使用（一般工作台中间处T型槽精度较高），或使定向键靠向T型槽的一侧，以减少间隙造成的误差。
定向键的材料常用45钢，淬火HRC40～45。
参考文献
[1]卢秉恒．机械制造技术基础．机械工业出版社，2007
[2]李军．互换性与测量技术基础．华中科技大学出版社，2007
[3]张进生．机械制造工艺与夹具设计指导．机械工业出版社,1995
[4]徐发仁．机床夹具设计．重庆大学出版社，1996
[5]大连理工大学工程图学教研室．机械制图．高等教育出版社，2007
[6]刘守勇．机械制造工艺与机床夹具．机械工业出版社，1994
[7]浦林祥．金属切削机床夹具设计手册．机械工业出版社，1995
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