机械制造工艺学夹具设计说明书.docx
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机械制造工艺学夹具设计说明书
机械制造工艺学
课程设计
题目：
夹具设计
学号：
2
姓名：
系别：
矿业工程系
专业班级：
机
指导老师：
闫金顺
完成时间：
2017.05.19
第一章零件的分析4
1.1轴的用途4
1.2零件图4
1.3零件工艺分析4
1.3.1尺寸精度分析5
1.3.2表面粗糙度的要求分析5
1.2.3形位公差要求分析5
1.3.4其他技术要求分析5
第二章输出轴加工工艺的设计5
2.1毛坯选择5
2.1.1毛坯的选择方法6
2.1.2毛坯的确定6
2.2定位基准的选择6
2.2.1粗基准的选择原则6
2.2.2精基准的选择原则6
2.2.3零件基准的确定7
2.3表面加工方法的选择7
2.4加工顺序的安排7
2.5制定工艺路线8
2.6工艺方案的比较与分析9
2.7切削用量及切削工时的计算10
2.7.1背吃刀量的确定10
2.7.2主轴转速的确定11
2.7.3确定进给速度11
2.8计算切削用量12
2.8.1车外圆台阶12
2.8.2φ4铣刀铣键槽12
第三章夹具设计14
3.1夹具类型及使用机床选择14
3.2定位基准及定位元件选择14
3.2.1工件定位面选择14
3.2.2夹具定位元件选择14
3.2.3定位元件限制不定度分析15
3.3夹紧机构及夹紧元件初步选择16
3.4切削力计算16
3.4.1钻削力计算16
3.4.2铣削力计算17
3.5夹紧力计算17
3.6夹具定位元件的设计18
3.7对刀方式18
3.8夹具体设计19
3.9夹具的总体设计19
第四章三维图20
参考文献21
工艺卡
工序卡
零件图
装配图＋Q657695031
微信
第一章零件的分析
1.1轴的用途
轴是组成机器的主要零件之一。
一切作回转运动的传动零件都必须要安装在轴上才能进行运动及动力的传动。
因此轴的主要作用是支撑回转零件及传递动力。
安装轴的载荷不同，轴可以分为转轴，心轴及传动轴三类。
在工作中既承受弯矩又承受扭矩的轴为转轴，只承受弯矩的称为心轴，只承受扭矩的为传动轴。
该轴为输出轴，称为转轴，采用45钢作为材料，可以承受一定的载荷和冲击。
此轴为台阶类零件，由于有安装面，尺寸精度，形位公差要求均比较高。
φ16及φ14为主要配合面，需要的精度更高，粗糙度要求为1.6。
φ15面粗糙度要求为0.8。
两键槽位置精度要求，在加工过程中需要严格控制。
1.2零件图
图1-1
1.3零件工艺分析
在零件开始加工之前，需要对零件的加工工艺进行分析，加工工艺的分析需要从以下几方面着手分析。
1.3.1尺寸精度分析
零件主要的加工精度属于7级以下加工精度，7级精度要求较高，如尺寸φ15及φ14精度要求较高，在加工过程中需要通过粗加工精加工逐步获得优良的加工表面，8级以下，在加工中精度相对来说比较容易保证，如总长82宽度5等、图纸中一些未标注公差的尺寸，如长度18、长度24等未标注尺寸公差，在加工中可以按照1804中所规定的公差带进行加工。
1.3.2表面粗糙度的要求分析
由于零件表面工作部位不同，可以对不同的工作表面，选择不同的表面粗糙度。
零件整体的便面粗糙度要求较高，多处粗糙度要求0.8，0.8粗糙度精度要求较高，在加工中需要使用车床精车外圆，从而满足零件对粗糙度的要求。
1.2.3形位公差要求分析
形状公差包括形状公差和位置公差。
任何机械零件都是由点,线,面,这些点,线,面被称为元素。
零件加工后的实际元素相对于理想总是有错误,包括形状误差和位置误差形位公差包括形状公差和位置公差，零件外形复杂前后轴承台阶要求同轴度0.02，在加工时要主要保证行为公差尺寸。
1.3.4其他技术要求分析
零件图纸中经常会出现一些其他技术要求，例如零件图纸中说明了材料热处理的情况、未注的倒角及圆角情况，还说明了未注尺寸公差按照1804执行，在安排加工工艺时务必注意保证此类技术参数。
第二章输出轴加工工艺的设计
2.1毛坯选择
2.1.1毛坯的选择方法
毛坯是根据零件所需要的形状以及一些尺寸制成的然后供生产加工的材料。
毛坯的选择要考虑很多的因素：
1、零件的生产类型，本设计零件主要是以成批生产为主；
2、零件的结构形状与尺寸，本设计零件结构比较简易，尺寸清楚，属于中小型零件。
3、零件的材料工艺性和力学性能要求，即零件的铸造和锻造性能，本设计零件是采用45#铸钢为材料，
2.1.2毛坯的确定
由题目要求得知工件材料为45号钢。
根据毛坯的外形，选择棒料作为毛坯，棒料市场价格低，由于取材等优点，此次设计绘制毛坯零件简图，如下：
2.2定位基准的选择
2.2.1粗基准的选择原则
粗基准：
用未加工过的表面作为定位基准。
选择粗基准时，主要考虑的问题是如何使各道工序均有足够的加工余量以及工件安装的稳定性，其选择原则为：
（1）为了保证加工面与不加工面之间的位置要求，应选不加工面为粗基准；
（2）合理分配各加工表面的余量；
（3）尽量选用面积大而平整的表面为粗基准，以保证定位准确、夹紧可靠；
（4）粗基准一般不重复使用，同一尺寸方向的粗基准一般只能使用一次。
2.2.2精基准的选择原则
精基准：
用已加工过的表面作为定位基准。
选择精基准时，主要考虑的问题是如何保证零件的加工精度以及安装可靠，其选择原则为：
（1）基准重合原则；
（2）基准统一原则；
（3）自为基准原则；
（4）互为基准原则；
（5）保证工件定位准确、夹紧可靠、操作方便的原则
2.2.3零件基准的确定
轴零件首次加工使用毛坯外圆作为加工基准，加工出φ20外圆台阶后掉头装夹，以直径20外圆为精基准加工出另一端，符合基准选择原则，在加工键槽的时候使也使用同样的一组定位基准，有利与保证加工精度，减少产品报废率。
2.3表面加工方法的选择
很多零件都是由很多基础表面和一些特殊的表面组成的，每个表面都有着不同的精度和表面粗糙度，从而确定了各个表面的加工方法和加工方案，进而确定零件的加工内容。
总的来说，如果想确定一个零件各个表面的加工方法必须要确定零件各表面的加工精度和表面粗糙度。
下表是该零件的每个表面的加工方法总结：
序号
被加工表面
经济精度等级
表面粗糙度
加工方法
1
Φ22外圆
67
3.2
粗车-精车
2
Φ16外圆
67
1.6
粗车-半精车-精车
3
Φ15外圆
67
0.8
粗车-半精车-精车
4
Φ14外圆
67
1.6
粗车-半精车-精车
5
Φ15外圆
67
0.8
粗车-半精车-精车
6
两键槽
67
0.8
粗铣-精铣
7
两端面
10111
3.2
粗车-精车
8
退刀槽
10111
3.2
粗车-精车
2.4加工顺序的安排
切削加工工序的安排原则：
1．基面先行原则
零件在加工的过程中首先要加工零件的基准面，因为零件的毛坯面一般不用做重复定位，所以在加工零件的基准的时候需要首先把零件的基准加工出来，为后序工序提供一个精基准。
2．先粗后精原则
零件在加工的过程中一般需要经过，粗加工半精加工精加工等工序。
零件的一般表面都是先粗加工再精加工。
初加工的目的主要是为了去除零件的大部分切削余量，精加工的目的主要是为了获得，较好的表面质量。
3．先主后次原则
零件在加工的过程中一般需要，先加工主要表面在加工次要表面，主要表面是指零件的一些重要表面，如配合面。
次要表面是一些不重要的表面，这些表面，一般安排在主要表面加工完成以后，在加工这些表面。
4．先面后孔原则
零件的加工过程中，一般需要先加固面，再加工孔。
如果先加工的孔在加工面，当刀具，切削到孔的位置是容易发生震动，降低了表面的加工精度，而且刀具由于冲击，容易损坏刀具，另一方面，平面的加工，较容易，而孔的加工较难，所以一般需要先将后面这一面为基准去加工这些孔，这样的话加工精度更高。
2.5制定工艺路线
制定零件的加工工艺过程首先要确定零件的加工方法，对加工的工序进行划分，先从图纸中确定零件的最终加工要求，从而确定了零件的最终的加工方法，在确定了零件的最终的加工方法以后，选择合适的粗加工，半精加工方法去除零件的主要的加工余量。
在安排零件的加工工艺的同时要有同时对比零件的多种加工方案，以下为零件的加工安排了两种加工方案：
方案一
传动轴
1
下料
下料长度82
2
调质处理
调质处理
3
车
三爪夹持加工零件φ15至φ20一端
4
车2
掉头装夹夹持φ20一端，加工φ14一端。
5
铣键槽
铣键槽
6
终检
7
入库
方案二
传动轴
1
下料
下料长度82
2
调质处理
调质处理
3
车
三爪夹持加工零件φ14至φ15一端
4
车2
掉头装夹夹持φ15一端，加工另一个φ15一端。
5
铣键槽
铣键槽
6
终检
7
入库
2.6工艺方案的比较与分析
综合比较另种加工工艺，方案二首次按加工φ15台阶外圆，然后利用φ15外圆为基准加工出φ15另一端，而方案一正好相反，先加工出φ20一端再加工尾部，两种方案都比较好，但是方案二选取φ15夹装没有φ20夹装精度高，综合比较选定工艺方案一为加工方案。
综合比较选择方案1为零件的加工方案，具体方案如下：
零件轴
一
下料
圆钢
二
热
调质处理
三
车
三爪卡盘夹持毛坯外圆
1
平端面见光
2
粗车外圆φ15、φ16、φ20留0.3
3
精车外圆φ15、φ16、φ20至图纸尺寸
4
车2X0.5、1X0.5退刀槽
四
车2
掉头装加工件
1
平端面见光
2
粗车外圆φ14、φ15留0.3
3
精车外圆φ14、φ15至图纸尺寸
4
车2X0.5、1.1X0.3退刀槽
五
钻铣
V形铁装夹
1
粗铣两键槽留0.3余量
2
精铣键槽至图纸尺寸
六
终检
2.7切削用量及切削工时的计算
切削用量是设计加工工艺的时候的关键技术参数，在选用这些参数的时候，咬住一以下几点：
粗加工时，结合了零件及机床的的刚性应该选择尽可能快速的切除零件的表面加工余量，此时刀具磨损严重，在加工的时候尺寸，粗糙度都不是很稳定，所以在粗加工的时候要留取一定的切削余量。
精加工时，主要是为获得较高的表面粗糙度及加工精度，此时刀具应该有较高的切削速度，较小的背吃刀量，加工时应该选择较好的刀具，减小的刀具的磨损，有利于保证零件在加工的过程中尺寸的稳定。
2.7.1背吃刀量的确定
零件加工的背吃刀量的选择是切削三要素中首先要确定的重要参数，在零件的加工过程中粗加工的时候，在机床刚性允许的情况下应该尽可能的选择较大的背吃刀量，提高切削效率，在精加工的时候尽可能选择较小的背吃刀量也已有效的改善切削表面的加工粗糙度。
此次设计的背吃刀量在粗加工的时候选择为1，精加工为0.3
2.7.2主轴转速的确定
查阅《刀具手册》，可知，加工中主轴转速计算公式如下：
1000πd（式2-1）
公式中：
n—主轴转速，单位
—切削速度，单位
d—工件直径，单位
综合考虑，加工中零件各部位切削速度数值选取如下：
粗车外表面时选取100；
精车外表面时选取150；
铣槽时选取60；
2.7.3确定进给速度
进给速度应根据零件的加工精度和表面粗糙度的要求以及刀具和工件材料来选择
=
（式2-8）
式中：
—切削时单位时间内工件与刀具沿进给方向的相对位移，单位
—车刀每齿工作台的移动距离，即每齿进给量（）
—工件的转速
硬质合金车刀的每齿进给量高于同类高速钢车刀，可参考表5-2选取：
工件材料
每齿进给量（）
粗车
精车
高速钢车刀
硬质合金车刀
高速钢车刀
硬质合金车刀
钢
0.10~0.15
0.10~0.25
0.02~0.05
0.10~0.15
铸铁
0.12~0.20
0.15~0.30
铝
0.06~0.20
0.10~0.25
0.05~0.10
0.02~0.05
表2-4车刀每齿进给量
2.8计算切削用量
2.8.1车外圆台阶
加工零件右侧时，零件的转速以零件最小结构外圆来计算，可以保证零件最小直径处的切削速度，获得较高的表面质量，确定进给量f：
根据《工艺手册》），确定粗车0.2切削速度：
参考有关手册，确定100
当1447,工作台的每分钟进给量应为：
0.2×1447=289.5（）.
精车的切削速度较高，确定进给量f：
根据《工艺手册》），确定精车0.08切削速度：
参考有关手册，确定150
当2895,工作台的每分钟进给量应为：
0.08×2895=231（）
加工零件左侧时，零件的转速以零件最小结构外圆来计算，可以保证零件最小直径处的切削速度，获得较高的表面质量，确定进给量f：
根据《工艺手册》），确定粗车0.1切削速度：
参考有关手册，确定100
当1137,工作台的每分钟进给量应为：
0.1×1137=114（）.
精车的切削速度较高，确定进给量f：
根据《工艺手册》），确定精车0.1切削速度：
参考有关手册，确定150
当1706,工作台的每分钟进给量应为：
0.1×1706=170（）
2.8.2φ4铣刀铣键槽
使用φ4铣刀铣键槽，确定进给量f：
根据《工艺手册》），确定粗铣参考有关手册，确定100
当2653,工作台的每分钟进给量应为：
0.1×2×2653=530（）.
第三章夹具设计
3.1夹具类型及使用机床选择
根据工艺规程可知，铣削键槽加工采用立式铣床。
如图3-1立式铣床是一种常见的机械加工装备，立式铣床的主轴是垂直布置的，决定了他的加工方向是工作台水平移动。
在夹具设计时，要考虑到机床工作台的进给方向和进给行程。
铣键槽和钻孔分别用三面刃立铣刀和麻花钻加工、。
图3-1立式铣床
3.2定位基准及定位元件选择
3.2.1工件定位面选择
该夹具所涉及的工序是铣两键槽，这道工序在工件的整个工艺流程中属于比较靠后的工序，此时工件的外圆面和端面都已经加工完成，选择加工定位面的余地较大。
为了保证能够获得较高的加工质量，选择加工精度较高的外圆面作为定位面。
3.2.2夹具定位元件选择
零件的定位通常采用外圆、内孔等要素。
对该零件使用V型块进行定位。
V型块是夹具设计中的标准件，有各种大小型号可用于不同形状和外圆尺寸的工件，本夹具使用一个V型块进行定位即可，由于V型块宽度与工件长度相比较宽，此V型块可限制4个自由度。
V型块如图3-2所示。
图3-2V型块
本夹具设计中除了要使用V型块，还需要有定位元件能够限制一个移动自由度，这里选择如图4-3支承钉定位。
图3-3支承钉
3.2.3定位元件限制不定度分析
要保证工件和夹具的相对位置，需要限制6分自由度，分别为三个移动和三个转动自由度。
工件外圆用V型块限制4个自由度，分别是2个移动自由度和2个旋转自由度，端面用支撑钉限制1个移动自由度。
这样就限制了工件的5个自由度。
由于加工本工序时工件是一个回转体，所以不需要限制工件剩余的一个旋转自由度。
3.3夹紧机构及夹紧元件初步选择
如图3-4所示，采用压板作为夹紧机构。
压板机构选用的都是标准件，包括移动压板、螺母、双头螺柱、弹簧、调节支撑。
压板是一种结构简单，容易获得的夹紧机构，使用移动压板时，先装入工件，然后调节压板到夹紧位置，再拧紧压板上的螺母，这样就能压紧工件。
图3-4压板夹紧
3.4切削力计算
3.4.1钻削力计算
刀具：
采用高速钢锪孔刀，
材料：
45，
，锻件。
钻削轴向力为
引自参考文献《机床夹具手册（第三版）》表1-2-8.
进给量
修正系数
引自参考文献《机夹具设计手册（第三版）》表1-2-8.
故
则实际夹紧力为
查《机床夹具计手册（第三版）》表1-2-1.
安全系数K可按下式计算
－基本安全系数1.5；
－加工性质系数1.1;
－刀具钝化系数1.0；
－断续切削系数１.0;
上述数据查《机械夹具具设计手册（第三版）》表1-2-1.
故
3.4.2铣削力计算
查《机械加工工艺师手册》表30-19，材料选择45钢，刀具选择立铣刀，公式为：
查表30-20得立铣刀加工45钢
取294；
查表30-21得修正系数
取1.0
背吃刀量
取粗加工时2
进给量
取0.1
铣刀直径
为10
铣刀齿数z取3
带入数据计算得
3.5夹紧力计算
根据《机械加工工艺手册》孟少农表6.4-8中公式
W：
作用在工件上的夹紧力
：
螺旋夹紧力
M：
螺旋上的原始作用力
d2：
螺纹中径
Q：
手柄上的的作用力
L：
手柄长度
l1:
支撑到螺栓中心线距离
l2:
螺栓中心线到夹紧中心距离
q:
弹簧弹力（此处无弹簧）
：
机构效率，取0.9
带入数据得夹紧力为1272N。
3.6夹具定位元件的设计
定向键装配在夹具底面的纵向槽当中，正常使用两个。
它距离尽量布置的要远一些。
经过定向键以及铣床的工作台U形槽的配合，使本次设计的夹具上的定位元件的工作表面相对于工作台的送进的方向具有合理的位置关系。
定向键可以承受铣削加工时所产生的扭转的力矩，可以降低夹紧夹具的螺栓的负荷度，提高夹具在加工当中的稳定性。
定位键的具体结构如图3-4。
图3-5定位键
3.7对刀方式
铣床夹具和铣床之间相互位置的确定依靠夹具底面定位键与机床工作台T型槽之间的配合。
但是当把夹具安装到铣床上后，铣刀位置和工件位置还不确定，这时就需要对刀块来确定这一位置。
对刀块可分为直角对刀块和圆形对刀块，直角对刀块能够确定铣刀两个方向上的位置，圆形对刀块只能限制铣刀一个方向上的位置。
对于输出轴的加工，用直角对刀块进行对刀。
使用对刀块时，用手动方式把操作工作台，把对刀块逐渐逼近铣刀，在铣刀和对刀块之间塞入塞尺，当塞尺刚好能在铣刀和对刀块缝隙间移动时，此时刀具和夹具的位置便被确定下来，通过减去塞尺的厚度可得到二者之间精确的位置。
3.8夹具体设计
夹具体是整个夹具的基础和骨架，是夹具上最大和最复杂的基础零件，该夹具是钻夹具，所以不需要安装定位原件也不需要对刀块。
故为了满足有足够的强度和刚度、安放稳定可靠、结构紧凑和工艺性好，并且重量尽可能轻巧，便于操作，使用安全，所以选择夹具体为铸造体。
对于铸造结构的夹具体，其结构优点是工艺性好，容易获得形状复杂的内、外轮廓，且具有较好的强度、刚度和抗震性，故夹具体材料选择200。
3.9夹具的总体设计
根据要求绘制夹具装配图，如图3-7所示。
夹具装配图中应该标注配合尺寸，配合尺寸如下所示：
圆柱销与V型块和夹具体的配合：
V型块通过内六角螺钉固定在夹具体上，但内六角螺钉只能将V型块固定在夹具体上而不能起到定位V型块的作用。
简单地说V型块和夹具体之间的相对位置需要一组成对使用的圆柱销来定位，圆柱销作为不经常拆卸的零件，应选用过盈配合。
圆柱销与夹具体和V型块之间的配合为过盈配合H76。
圆柱销与对刀块和夹具体的配合：
对刀块通过内六角螺钉固定在夹具体上，但内六角螺钉只能将对刀块固定在夹具体上而不能起到定位对刀块的作用。
简单地说对刀块和夹具体之间的相对位置需要一组成对使用的圆柱销来定位，圆柱销作为不经常拆卸的零件，应选用过盈配合。
圆柱销与夹具体和对刀块之间的配合为过盈配合H76。
图3-7夹具装配图
3.10定位误差分析
（1）定位元件尺寸及公差确定。
夹具的主要定位元件为两V型块，一挡销。
（2）工件的工序基准为圆柱面。
本夹具是用来在铣床上加工，所以工件与夹具上的定位销保持固定接触。
此时可求出接触点与销中心连线方向上的最大变动量为轴颈公差多一半。
工件的定位基准为柱面。
工序尺寸方向与固定接触点和销中心连线方向相同，则其定位误差为：
本工序采用一定位销，两V型块定位，工件始终靠近挡销的一面，而定位销的会使工件自重带来一定的平行于夹具体底版的水平力，因此，工件不在在定位销正上方，进而使加工位置有一定转角误差。
但是，由于加工是自由公差，故应当能满足定位要求。
第4章三维图
参考文献
1．张龙勋，《机械制造工艺学课程设计指导书》，机械工业出版社，2000，9
2．《机械制造工艺学简明设计手册》，机械工业出版社，2000，9，
3．肖刚，《切削用量简明手册》，机械工业出版社，1999，10
4．赵如福，《金属切削加工工艺人员手册》，上海科学技术出版社，2006.12
5．孟宪栋，《机床夹具设计图册》，机械工业出版社，1990，8
6.王光斗，《机床夹具设计手册》，上海科学技术出版社，1994
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