开合螺母夹具设计毕业设计.docx

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开合螺母夹具设计毕业设计

河南机电高等专科学校

毕业设计说明书（论文）

论文题目：

开合螺母夹具设计

—三维建模

系部：

机械工程系

专业：

计算机辅助设计与制造

班级：

机计101

*******

学号：

*********

******

2013年1月8日

摘要

夹具是机械制造厂里使用的一种工艺装备，分为机床夹具、焊接夹具、装配夹具及检验夹具等。

各种金属切削机床上用于装夹工件的工艺装备，称机床夹具，如车床上使用的三爪自定心卡盘、铣床上使用的平口虎钳等。

对工件进行机械加工时，为了保证加工要求，首先要使工件相对于刀具及机床有正确的位置，并使这个位置在加工过程中不因外力的影响而变动。

为此，在进行机械加工前，先要将工件装夹好。

工件的装夹方法有两种：

一种是工件直接装夹在机床的工作台或花盘上；另一种是工件装夹在夹具上。

采用第一种方法装夹工件时，一般要先按图样要求在工件表面划线，划出加工表面的尺寸和位置，装夹时用划针或百分表找正后再夹紧。

这种方法无需专用装备，但效率低，一般用语单件和小批生产。

批量较大时，大多用夹具装夹工件。

用夹具装夹工件有下列优点：

（1）能稳定地保证工件的加工精度，用夹具装夹工件时，工件相对于刀具及机床的位置精度由夹具保证，不受工人技术水平的影响，使一批工件的加工精度趋于一致。

（2）能提高劳动生产率，使用夹具装夹工件方便、快速，工件不需要划线找正，可显著的减少辅助工时，提高劳动生产率；工件在夹具中装夹后提高了工件的刚性，因此可加大切削用量，提高劳动生产率；可使用多件、多工位装夹工件的夹具，并可使用高效夹紧机构，进一步提高劳动生产率。

（3）能扩大机床的使用范围，更加有效的使用机床。

第一章绪论………………………………………………………………………1

1．1引言………………………………………………………………………1

1．2制造业信息化的发展……………………………………………………1

1．3PROE软件模块简介……………………………………………………1

1．4本论文的研究目的、意义………………………………………………3

第二章平面图纸及计算过程……………………………………………………4

2．1明确设计任务与收集设计资料…………………………………………4

2．2拟定夹具结构方案与绘制夹具草图……………………………………5

2．2．1确定工件的定位方案，设计定位装置………………………5

2．2．2夹具类型的确定………………………………………………6

2.2.3确定工件的夹紧方案及设计夹紧装置…………………………7

2．2．4夹具与机床的连接方式及安装基面………………………11

2．2．5夹具的平衡……………………………………………………12

2．2．6对夹具总体结构的要求………………………………………13

2．2．7绘制夹具草图，并标注尺寸、公差及技术要求……………13

2．3夹具的精度分析………………………………………………………14

第三章成型设计及装配………………………………………………………17

3．1过渡盘的三维造型设计…………………………………………………17

3．2开合螺母的三维造型设计………………………………………………18

3．3夹具体的三维造型设计…………………………………………………21

3．4总装配图与分解图………………………………………………………24

总结………………………………………………………………………………25

参考文献……………………………………………………………………………26

附件…………………………………………………………………………………27

致谢……………………………….……………………..……………...…...……....26

参考文献………………………….…………………..……..………………….……..26

附录………………………….…………………..……..……………………….……..28

第一章绪论

1.1引言

夹具作为制造企业中重要的基础工艺装备，广泛应用于加工、检测和装配等制造过程中。

作为生产准备的重要组成部分，夹具设计的效率直接影响到制造的生产准备时间和产品成本。

一般来说，夹具设计过程不仅需要大量的有关零件设计、工艺和加工的数据，同时还需要设计人员具有很丰富的领域知识和设计经验。

1.2制造业信息化的发展

随着计算机技术的飞速发展，实现快速生产准备的计算机辅助夹具设计（CAFD）技术成为国际上竞相研究的热点，它已经越来越多的取代传统的手工夹具设计。

与传统的夹具设计相比，计算机辅助夹具设计有着无可比拟的优越性：

1、设计者从繁琐的劳动中解放出来，提高了设计的效率和设计质量，使设计者把更多的注意力放在创新性开发上面；

2、可以把夹具设计人员的经验和智慧存入计算机，构成专家系统，有利于夹具设计技术的继承和发展；

3、由于计算机辅助夹具设计采用了统一的系统程序，可以获得相对统一的设计与优化结果，有利于实现夹具设计的“三化”，即通用化、标准化、系列化。

1.3PROE软件模块简介

PRO/E的最新版本为PRO/Ewildfire3.0，它可运行于Windows/NT和UNIX平台上，共有六大主模块：

（1）工业设计（CAID）模块

工业设计模块主要用于对产品进行几何设计，以前，在零件未制造出时，是无法观看零件形状的，只能通过二维平面图进行想象。

现在，用3DS可以生成实体模型，但用3DS生成的模型在工程实际中是“中看不中用”。

用PRO/E生成的实体建模，不仅中看，而且相当管用。

事实上，PRO/E后阶段的各个工作数据的产生都要依赖于实体建模所生成的数据。

包括：

PRO/3DPAINT（3D建模）、PRO/ANIMATE（动画模拟）、PRO/DESIGNER（概念设计）、PRO/NETWORKANIMATOR（网络动画合成）、PRO/PERSPECTA-SKETCH（图片转三维模型）、PRO/PHOTORENDER（图片渲染）几个子模块。

（2）机械设计（CAD）模块

机械设计模块是一个高效的三维机械设计工具，它可绘制任意复杂形状的零件。

在实际中存在大量形状不规则的物体表面，如图1中的摩托车轮轱，这些称为自由曲面。

随着人们生活水平的提高，对曲面产品的需求将会大大增加。

用PRO/E生成曲面仅需2步～3步操作。

PRO/E生成曲面的方法有：

拉伸、旋转、放样、扫掠、网格、点阵等。

由于生成曲面的方法较多，因此PRO/E可以迅速建立任何复杂曲面。

它既能作为高性能系统独立使用，又能与其它实体建模模块结合起来使用，它支持GB、ANSI、ISO和JIS等标准。

包括：

PRO/ASSEMBLY（实体装配）、PRO/CABLING（电路设计）、PRO/PIPING（弯管铺设）、PRO/REPORT（应用数据图形显示）、PRO/SCAN-TOOLS（物理模型数字化）、PRO/SURFACE（曲面设计）、PRO/WELDING（焊接设计）

（3）功能仿真（CAE）模块

功能仿真（CAE）模块主要进行有限元分析。

我们中国有句古话：

“画虎画皮难画骨，知人知面不知心”。

主要是讲事物内在特征很难把握。

机械零件的内部变化情况是难以知晓的。

有限元仿真使我们有了一双慧眼，能“看到”零件内部的受力状态。

利用该功能，在满足零件受力要求的基础上，便可充分优化零件的设计。

著名的可口可乐公司，利用有限元仿真，分析其饮料瓶，结果使瓶体质量减轻了近20％，而其功能丝毫不受影响，仅此一项就取得了极大的经济效益。

包括：

PRO/FEM~POST（有限元分析）、PRO/MECHANICACUSTOMLOADS（自定义载荷输入）、PRO/MECHANICAEQUATIONS（第三方仿真程序连接）、PRO/MECHANICAMOTION（指定环境下的装配体运动分析）、PRO/MECHANICATHERMAL（热分析）、PRO/MECHANICATIREMODEL（车轮动力仿真）、PRO/MECHANICAVIBRATION（震动分析）、PRO/MESH（有限元网格划分）。

（4）制造（CAM）模块

在机械行业中用到的CAM制造模块中的功能是NCMachining（数控加工）。

说到数控功能，就不能不提八十年代著名的“东芝事件”。

当时，苏联从日本东芝公司引进了一套五座标数控系统及数控软件CAMMAX，加工出高精度、低噪声的潜艇推进器，从而使西方的反潜系统完全失效，损失惨重。

东芝公司因违反“巴统”协议，擅自出口高技术，受到了严厉的制裁。

在这一事件中出尽风头的CAMMAX软件就是一种数控模块。

PRO/ES的数控模块包括：

PRO/CASTING（铸造模具设计）、PRO/MFG（电加工）、PRO/MOLDESIGN（塑料模具设计）、PRO/NC-CHECK（NC仿真）、PRO/NCPOST（CNC程序生成）、PRO/SHEETMETAL（钣金设计）。

（5）数据管理（PDM）模块

PRO/E的数据管理模块就像一位保健医生，它在计算机上对产品性能进行测试仿真，找出造成产品各种故障的原因，帮助你对症下药，排除产品故障，改进产品设计。

它就像PRO/E家庭的一个大管家，将触角伸到每一个任务模块。

并自动跟踪你创建的数据，这些数据包括你存贮在模型文件或库中零件的数据。

这个管家通过一定的机制，保证了所有数据的安全及存取方便。

（6）数据交换（GeometryTranslator）模块

在实际中还存在一些别的CAD系统，如UGⅡ、EUCLID、CIMATRTON、MDT等，由于它们门户有别，所以自己的数据都难以被对方所识别。

但在实际工作中，往往需要接受别的CAD数据。

这时几何数据交换模块就会发挥作用。

PRO/E中几何数据交换模块有好几个，如：

PRO/CAT（PRO/E和CATIA的数据交换）、PRO/CDT（二维工程图接口）、PRO/DATAFORPDGS（PRO/E和福特汽车设计软件的接口）、PRO/DEVELOP（PRO/E软件开发）、PRO/DRAW（二维数据库数据输入）、PRO/INTERFACE（工业标准数据交换格式扩充）、PRO/INTERFACEFORSTEP（STEP/ISO10303数据和PRO/E交换）、PRO/LEGACY（线架/曲面维护）、PRO/LIBRARYACCESS（PRO/E模型数据库进入）、PRO/POLT（HPGL/POSTSCRIPTA数据输出）

1.4本论文的研究目的、意义

多年来，机械制造过程中把设计蓝图比喻成工程师的语言，对于机床专用夹具而言，也总是利用众多视图的不同投影来描绘，采用标注各种线条和符号绘图，不仅费时费力，而且一旦理解有误或形体表现，将会影响产品的制造和质量。

采用计算机辅助设计方法，零件的造型如同车间中加工零件的过程一样，设计完成以后，零件就“加工”出来了，这样不需要很强的空间想象力就可以设计出产品的真实三维模型，经过虚拟装配，可清楚地检验出产品结构的合理性.空间布置是否干涉等问题。

造型结束后，将设计模型投影到二维图纸空间，就可自动生成工程图纸的三视图.轴侧图.剖视图等，大大方便了设计过程，形象直观易于接受，从而达到更快地设计机械产品。

本课题在探讨机床专用夹具的基本知识和基本理论的同时，研究如何利用计算机图形学采用计算机辅助设计专用夹具以及如何对专用夹具进行可视化设计，形成专用夹具计算机辅助设计系统。

第二章平面图纸及设计过程

图2-1所示为一开合螺母车削工序图，工件的燕尾面和两个φ120+0.019mm孔已经加工，两孔距离为38±0.1mm，φ400+0.027mm孔经过粗加工。

本道工序为精镗φ400+0.027mm孔及车端面。

加工要求是：

（1）φ400+0.027mm孔轴线至燕尾面C的距离为45±0.05mm；

（2）φ400+0.027mm孔轴线与C面的平行度为0.05mm；

（3）加工孔轴线与φ120+0.019mm孔的距离为8±0.05mm。

（4）φ400+0.027mm的孔轴线对两B面的对称面的垂直度为0.05mm

试设计本道工序所用的专用夹具。

图2-1开合螺母车削工序图

2．1明确设计任务与收集设计资料

1）工件的结构特点及材料

开合螺母由上下两个半螺母组成，装在溜板箱体后壁的燕尾形导轨中，可上下移动。

上下半螺母的背面各装有一个圆销，其伸出端分别嵌在槽盘的两条曲线槽中。

扳动手柄，经轴使槽盘逆时针转动时，曲线槽迫使两圆销互相靠近，带动上下半螺母合拢，与丝杠啮合，刀架便由丝杠螺母经溜板箱传动进给。

槽盘顺时针转动时，曲线槽通过迫使圆销使两半螺母相互分离，与丝杠脱开啮合，刀架便停止进给。

开合螺母的材料为45钢

2）确定本工序的加工表面、加工要求、加工余量、定位基准和夹紧表面及所用的机床、刀具、量具等

表2-1:

加工表面、加工要求、加工余量、定位基准和夹紧表面及机床

（1）加工表面：

φ400+0.027mm孔和两个端面

（2）加工要求：

a.φ400+0.027mm孔轴线至燕尾面C的距离为45±0.05mm；

b.φ400+0.027mm孔轴线与C面的平行度为0.05mm；

c.加工孔轴线与φ120+0.019mm孔的距离为8±0.05mm

（3）加工余量：

精镗φ400+0.027mm孔的工序余量为0.5mm；

车端面的工序余量为1mm。

（4）定位基准：

主要加工表面φ400+0.027mm孔的定位基准为燕尾底面C和

φ120+0.019mm孔轴心线

（5）夹紧表面：

燕尾面B和C

（6）所需机床：

C620车床

2．2拟定夹具结构方案与绘制夹具草图

2．2．1确定工件的定位方案，设计定位装置。

定位就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。

它的基本任务有以下三项：

（1）从理论上讲就是如何使同一批工件在夹具中占据正确的位置。

（2）选择或设计合理的定位方案及定位装置。

（3）保证有足够的定位精度。

即工件在夹具中虽有一定的误差，但仍能保证工件

的加工误差。

它的基本原理是六点定位规则，即用合理分布的六个支承点限制工件六个自由度的规则。

但实际中还存在着过定位和欠定位。

其中欠定位保证不了加工精度，所以是绝不允许发生的，而过定位由于夹具上的定位元件同时重复限制了工件的一个或几个自由度，将造成工件定位不稳定，降低了加工精度；使工件或定位元件产生变形，甚至无法安装和加工，故应尽量避免采用。

根据本工序的加工要求，不仅要镗孔，还要加工两个平面，因此工件必须完全定位，即六点定位原则。

按照加工要求，工件的定位方案分析如下：

（1）φ400+0.027mm孔轴线至燕尾面C的距离为45±0.05mm；400+0.027mm孔轴线与C面的平行度为0.05mm。

加工φ400+0.027mm孔的工序基准为燕尾底面C，根据基准重合原理，应以燕尾底面C为定位基准，则限位基准为固定支承板8和活动支承板10上与燕尾底面C接触的平面。

燕尾底面C限制Z转动、Y移动、X移动三个自由度；燕尾面B限制Z转动、X移动二个自由度。

即工件用燕尾面B和C在固定支承板8和活动支承板10上定位（两板高度相等），限制了Z转动、Z移动、Y转动、X转动、X移动五个自由度。

（2）加工孔轴线与φ120+0.019mm孔的距离为8±0.05mm。

φ400+0.027mm孔轴心线的另一定位元件是活动菱形销9，根据基准重合原理，应以φ120+0.019mm孔轴心线为定位基准，则限位基准为φ120+0.019mm孔轴心线，即φ120+0.019mm孔与活动菱形销9配合，限制Y向转动自由度。

表2-2:

工件的定位及应限制的自由度：

定位元件

限位基准

定位基准

限制

自由度

支承板8、10

支承板8、10

的平面

燕尾底面C

Z转动、Y移动、X转动

燕尾面B

Y转动、X移动

活动菱形销9

活动菱形销9

的轴心线

φ120+0.019mm

孔轴心线

Z移动

工件装卸时，可从上方推开活动支承板10将工件插入，靠弹簧力使工件靠紧固定支承板8，并略推移工件使活动菱形销9弹入定位孔φ120+0.019mm内。

2．2．2夹具类型的确定

由于开合螺母以燕尾面C为主要定位基准，且在车床上加工，而工件的形状与尺寸决定了它不适宜于采用心轴类、卡盘类或花盘类夹具，只能采用角铁式车床加工。

夹具体呈角铁状的车床夹具称为角铁式车床夹具，其结构不对称，用于加工壳体、支承座、杠杆、接头等零件上的回转面和端面。

具体适用于以下两种情况：

（1）工件的主要定位基准是平面，要求被加工表面的轴线对定位基准面保持一定的位置关系（平行或成一定角度）。

这时夹具的平面定位元件必须相应地设置在与车床主轴轴线相平行或成一定角度的位置上。

（2）工件定位基准虽然不是与被加工表面的轴线平行或成一定角度的平面，但由于工件外形的限制，不适于采用卡盘式夹具，而必须采用半圆孔或V形块定位件的情况。

考虑车床夹具的特点和工件的加工表面，本工序应有两次安装，当孔和一个端面加工完毕后，应松开压板，将工件回转180度，重新定位夹紧，再加工另一端面。

2．2．3确定工件的夹紧方案，设计夹紧装置。

（1）确定夹紧装置

车床夹具的夹紧装置必须安全可靠。

夹紧力的方向和作用点应按以下要求进行选择：

a.主要夹紧力应朝向主要定位基准，作用点应靠近支承面的几何中心；

b.夹紧力的方向应有利于减少夹紧力，尽量垂直于工件的主要定位基面，尽量和切削力、重力方向一致；

c.夹紧力的方向和作用点应施于工件刚性较好的方向和部位；

d.夹紧力的作用点应适当靠近加工表面。

由于车削时工件和夹具一起随主轴作旋转运动，故在加工过程中，工件除受切削扭矩的作用外，整个夹具还受到离心力的作用，转速越高离心力越大，会降低夹紧机构产生的夹紧力。

此外，工件定位基准的位置相对于切削力和重力的方向来说是变化的。

因此，夹紧机构所产生的夹紧力必须足够，自锁性能要好，以防止工件在加工过程中脱离定位元件的工作表面。

对于角铁式夹具，夹紧力的施力方式要注意防止引起夹具变形。

这里有两种夹紧方案。

图a）图b）

图2-2夹紧方案的选择

如果采用图a）所示的施力方式其夹紧装置比较简单，但可能会引起角铁悬伸部分的变形和夹具体的弯曲变形，离心力、切削力也会助长这种变形。

如果改用图b）所示回转式螺旋摆动压板机构显然较好，因为角铁刚性好，压板的变形不影响加工精度。

所以根据工件形状特点，采用带摆动V形块3的回转式螺旋压板机构夹紧。

（2）夹紧力计算与分析

螺旋夹紧机构中计算各种螺旋副所产生夹紧力大小的通用公式为：

W0=QL/r‘tgψ1+r2tg（a+ψ‘2）N

式中：

ψ‘2——螺旋副的当量摩擦角；

ψ1——螺杆端部与工件间的摩擦角；

a——螺纹升角；

r2——螺纹中径的一半；

r‘——螺杆端部与工件间的当量摩擦半径；

查表得：

Q=35NL=140mm

a=2。

30＇ψ‘2=6。

34＇

r2=5.43mmf=tgψ1=0.1

r‘=（D3-D30）/3（D2-D20）=22.3mm

代入上式求得：

W0=5800N

螺旋压板夹紧机构是利用杠杆原理来实现夹紧作用。

其好处是：

增大夹紧力，改变夹紧力作用方向，增大夹紧行程。

它可以绕水平轴翻转，增力显著，夹紧时既省力又迅速可靠。

夹紧受力分析如下：

图2-3夹紧受力分析

由杠杆原理知：

W·a=W0·b

当a=1/2b时，

W=2W0=11600N

由此可见，该夹紧机构所产生的夹紧力比作用力大一倍。

（3）螺旋夹紧机构各元件材料、热处理要求和结构尺寸确定。

螺旋夹紧机构各元件均已标准化，可参阅《机械零件手册》确定。

1.带肩六角螺纹（GB/T2148-91）

图2-4带肩六角螺纹

技术要求：

材料：

45钢；

热处理：

HRC35-40；

细牙螺纹的支承面对螺纹轴线的垂直度按GB1184-80《形状和位置公差》规定的9级公差。

2.铰链压板（GB/T2188-91）

图2-5铰链压板

技术要求：

材料：

45钢;

热处理：

淬火、回火HRC35-40。

3．摆动V形块（GB2208-80）

图2-6摆动V形块

技术要求：

材料：

20钢;

热处理：

淬火HRC60-64,渗碳深0.8~1.2mm;

锐边倒钝。

4．活节螺栓（GB/T798-88）

图2-7活节螺栓

技术要求：

材料：

钢

表面处理：

a.不经处理；b.镀锌钝化；

螺纹公差：

8g

2．2．4夹具与机床的连接方式及安装基面。

车床夹具与机床主轴的连接精度对夹具的回转精度有决定性的影响。

因此，要求夹具的回转轴线与车床主轴轴线有尽可能高的同轴度。

对于径向尺寸较大的夹具，一般通过过渡盘与车床主轴轴颈联接。

专用夹具以其定位止口按H7/h6或H7/js6装配在过渡盘的凸缘上，然后用螺钉紧固。

过渡盘与主轴配合的表面形状取决于主轴前端的结构。

如图2-8所示的过渡盘，其上有一个定位圆孔按H7/h6或H7/js6和主轴的轴颈相配合，并有螺纹和主轴连接。

为了安全起见，还可以用压块把过渡盘压紧在主轴上，这样可防止停车和倒车时，不致因惯性作用而可能松开。

这种连接方式的安装精度受到配合精度的限制，为了提高安装精度，在车床上安装夹具时，可按找正圆校正夹具与车床主轴的同轴度

图2-8过渡盘

2．2．5夹具的平衡

由于加工时夹具随同主轴旋转，如果夹具的重心不在主轴旋转轴线上就会产生离心力，这样不仅加剧机床主轴和轴承的磨损，而且会产生振动，影响加工质量和刀具寿命且不安全。

所以对于角铁式夹具，要有平衡要求，平衡的方法是设置平衡块。

平衡块重心的位置应可以调节，可在平衡块上（或夹具体上）开径向槽或环形槽，以使夹具装配时调整其位置。

图2-9平衡块

2．2．6对夹具总体结构的要求

⑴结构要紧凑，悬伸量要短，使重心尽可能靠近主轴。

车床夹具的悬伸长度过大，会加剧主轴轴承的磨损，同时引起振动，影响加工质量。

因此，夹具的悬伸长度L与轮廓直径D之比应控制如下：

a.直径小于150mm的夹具，L/D≤2.5；

b.直径在150~300mm之间的夹具，L/D≤0.9；

c.直径大于300mm的夹具，L/D≤0.6。

⑵车床夹具的夹具体应制成圆形，夹具上（包括工件在内）的各元件不应伸出夹具体的轮廓之外，当夹具上有不规则的突出部分，或有切削液飞溅及切屑缠绕时，应加设防护罩。

⑶夹具的结构应便于工件在夹具上安装和测量，切屑能顺利排出或清理。

2．2．7绘制夹具草图，并标注尺寸、公差及技术要求。

图2-10角铁式车床夹具

图2-10为加工图2-1开合螺母φ400+0.027mm孔的专用夹具。

由角铁式的专用夹具和过渡盘两部分组成，专用夹具以夹具体5上定位止口和过渡盘4的凸缘相配合并加以紧固，形成一个夹具整体。

在装配时应使夹具体止口的轴线（代表专用夹具的回转轴线）和过渡盘的定位圆孔同轴。

为保持夹具回转运动时平衡，在角铁的另一端设置了平衡块。

2．3夹具的精度分析

工件在车床夹具上加工时，加工误差的大小受工件在夹具在夹具上的定位误差△D、夹具误差△J、夹具在主轴上的安装误差△A和加工方法误差△G的影响。

以下对尺寸45±0.05mm的精度问题作一分析。

1）定位误差△D

一批工件逐个在夹具上定位时，由于工件及定位元件存在公差，使各个工件所占据的位置不完全一致，加工后形成加工尺寸的不一致，为加工误差