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1、前言机床夹具是机床上用以装夹工件（和引导刀具）的一种装置。其作用是将工件定位，以使工件获得相对于机床和刀具的正确位置，并把工件可靠地夹紧。机床夹具被广泛应用于机械制造业中。大量专用机床夹具的采用为大批大量生产提供了必要的条件。机床夹具是组成工艺系统的一个环节，是影响加工质量的重要因素。一般情况下，使用机床夹具能稳定地保证产品质量，而不必过高的要求工人的技术等级。先进高效的机床夹具不仅能减轻工人劳动强度，提高生产率，甚至能使生产过程实现自动化。随着汽车、内燃机、摩托车、轴承等行业的规模化发展，对机床夹具的设计与制造不断提出新的课题。深入研究机床夹具设计的理论和改进机床夹具的结构，无疑具有巨大的经
2、济意义。机床夹具设计一般包括结构设计和精度设计两个方面。而人们通常习惯侧重于结构设计而忽视精度设计。关于机床夹具的结构设计，不仅有大量的资料可供参考，而且还不断从其它学科吸收新的成果而向前发展。诸如液性塑料夹具；各种弹性膜片式夹具；真空夹紧夹具；感应分度夹具等等。关于机床夹具的精度设计，随着零件加工精度的提高，也日益受到人们的重视。人们逐渐认识到，机床夹具设计工作应围绕精度设计这个中心来进行。没有合理的精度设计不仅会给夹具制造带来困难，甚至会使制造出的夹具不能保证工件的加工精度。因此，迫切需要全面的研究机床夹具的设计、制造、使用诸方面的定量关系；研究工件精度和夹具设计精度之间的合理联系。机床夹
3、具设计是用途极广的一门专业学科，熟悉它的内容和方法，对从事机械制造方面的工程技术人员来说是十分必要的。毕业设计是我们在学习阶段的最后一个重要环节，要求我们能综合运用大学四年所学的专业知识和理论知识，结合实际，独立解决本专业一般问题,树立为生产服务，扎实肯干，一丝不苟的工作作风，为将来在机械方面工作打下良好的基础。荐于夹具的重要性,同时也为了培养我们综合设计地能力，进一步培养我们科学的思维方式和正确的设计思维，提高我们发现问题、分析问题、解决问题的实际能力，我们选用了邵阳汽车发动机厂产品4110发动机飞轮壳作为毕业课题，对其加工过程的工艺，每一道工序的工装夹具进行设计。一般来说,夹具设计必须满足
4、下列要求：1. 保证工件加工的各项技术要求要求正确确定定位方案、夹紧方案，正确确定刀具的导向方式，合理制定夹具的技术要求，必要时要进行误差分析与计算；2.具有较高的生产效率和较低的制造成本为提高生产效率，应尽量采用多件夹紧、联动夹紧等高效夹具，但结构应尽量简单，造价要低廉；3.尽量选用标准化零部件尽量选用标准夹具元件和标准件，这样可以缩短夹具的设计制造周期，提高夹具设计质量和降低夹具制造成本；4.夹具操作方便安全、省力为便于操作，操作手柄一般应放在右边或前面；为便于夹紧工件，操纵夹紧件的手柄或扳手在操作范围内应有足够的活动空间；为减轻工人的劳动强度，在条件允许的情况下，应尽量采用气动、液压等机
5、械化夹紧装置；5.夹具应具有良好的结构工艺性所设计的夹具应便于制造、检验、装配、调整和维修。经过设计和讨论，终于圆满地完成了设计任务。本次设计就是围绕以上五点要求,按照一般步骤来设计的，力求结构合理，计算准确，经济可靠。但是由于本人实践经验的欠缺和知识的局限性，设计过程中难免出现一些错误，该夹具的实际工作情况及可用性还有待于实践的检验，敬请各位领导，老师，同学提出宝贵意见和见解，本人在此表示由衷的感谢！1 机床夹具的概述机床夹具是机械加工工艺系统的一个重要组成部分。为保证工件某工序的加工要求，必须使工件在机床上相对刀具的切削或成形运动处于准确的相对位置。当用夹具装夹加工一批工件时，是通过夹具来
6、实现这一要求的。而要实现这一要求，又必须满足三个条件：一批工件在夹具中占有正确的加工位置；夹具装夹在机床上的准确位置；刀具相对夹具的准确位置。这里涉及了三层关系：零件相对夹具，夹具相对于机床，零件相对于机床。工件的最终精度是由零件相对于机床获得的。所以“定位”也涉及到三层关系：工件在夹具上的定位，夹具相对于机床的定位，而工件相对于机床的定位是间接通 过夹具来保证的。工件定位以后必须通过一定的装置产生夹紧力把工件固定，使工件保持在准确定位的位置上，否则，在加工过程中因受切削力，惯性力等力的作用而发生位置变化或引起振动，破坏了原来的准 确定位，无法保证加工要求。这种产生夹紧力的装置便是夹紧装置。1
7、1 机床夹具的概念：（1）机床夹具按专门化程度分类,可分为: 1）通用夹具 通用夹具是指已经标准化的，在一定范围内可用于加工不同工件的夹具。例如，车床上三爪卡盘和四爪单动卡盘，铣床上的平口钳、分度头和回转工作台等。这类夹具一般由专业工厂生产，常作为机床附件提供给用户。其特点是适应性广，生产效率低，主要适用于单件、小批量的生产中。 2）专用夹具 专用夹具是指专为某一工件的某道工序而专门设计的夹具。其特点是结构紧凑，操作迅速、方便、省力，可以保证较高的加工精度和生产效率，但设计制造周期较长、制造费用也较高。当产品变更时，夹具将由于无法再使用而报废。只适用于产品固定且批量较大的生产中。 3）通用可调
8、夹具和成组夹具 其特点是夹具的部分元件可以更换，部分装置可以调整，以适应不同零件的加工。用于相似零件的成组加工所用的夹具，称为成组夹具。通用可调夹具与成组夹具相比，加工对象不很明确，适用范围更广一些。 4）组合夹具 组合夹具是指按零件的加工要求，由一套事先制造好的标准元件和部件组装而成的夹具。由专业厂家制造，其特点是灵活多变，万能性强，制造周期短、元件能反复使用，特别适用于新产品的试制和单件小批生产。 5）随行夹具 随行夹具是一种在自动线上使用的夹具。该夹具既要起到装夹工件的作用，又要与工件成为一体沿着自动线从一个工位移到下一个工位，进行不同工序的加工。 本次设计的即为钻飞轮壳前端面孔而专门设
9、计的专用夹具。（2）按使用的机床分类 由于各类机床自身工作特点和结构形式各不相同，对所用夹具的结构也相应地提出了不同的要求。按所使用的机床不同，夹具又可分为：车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、磨床夹具、齿轮机床夹具和其他机床夹具等。本次设计的为钻床夹具。 （3）按夹紧动力源分类 根据夹具所采用的夹紧动力源不同，可分为：手动夹具、气动夹具、液压夹具、气液夹具、电动夹具、磁力夹具、真空夹具等。考虑到夹紧力与切销力方向相同，本次采用手动夹紧。12 钻床夹具的组成钻床夹具通常由以下几部分组成： (1)定位元件 它与工件的定位基准相接触，用于确定工件在夹具中的正确位置，从而保证加工时工件相对于刀具
10、和机床加工运动间的相对正确位置。如图1-1中的定位销2等；(2)夹紧装置 用于夹紧工件，在切削时使工件在夹具中保持既定位置。图1-1中的夹紧螺母1；(3)对刀、引导元件或装置 这些元件的作用是保证工件与刀具之间的正确位置。用于确定刀具在加工前正确位置的元件，称为对刀元件，如对刀块。用于确定刀具位置并导引刀具进行加工的元件，称为导引元件。如图1-1中的快换钻套、固定钻套4、5等；(4)连接元件使夹具与机床相连接的元件，保证机床与夹具之间的相互位置关系。 (5)夹具体 用于连接或固定夹具上各元件及装置，使其成为一个整体的基础件。它与机床有关部件进行连接、对定，使夹具相对机床具有确定的位置。如图1-
11、1中的夹具体3。(6)其它元件及装置 有些夹具根据工件的加工要求，要有分度机构，铣床夹具还要有定位键等。 图1-1 钻模外形图13 钻模及钻模板形式的选择本次设计的是一个钻床夹具，加工用的机床为Z3025摇臂钻床。钻床夹具最明显的特点是设有引导钻头的钻套，钻套安装在钻模板上，习惯上将钻床夹具称为“钻模”,主要用于加工孔及螺纹。它主要由钻套、钻模板、定位及夹紧装置夹具体组成。其主要类型有以下几种。（1）固定式钻模 在使用中，这类钻模在机床上的位置固定不动，而且加工精度较高，主要用于立式钻床上加工直径较大的单孔或摇臂钻床加工平行孔系。（2）回转式钻模 这类钻模上有分度装置，因此可以在工件上加工出若
12、干个绕轴线分布的轴向或径向孔系。（3）翻转式钻模 主要用于加工小型工件不同表面上的孔，孔径小于f8f10mm。它可以减少安装次数，提高被加工孔的位置精度。其结构较简单，加工钻模一般手工进行翻转，所以夹具及工件应小于10 kg为宜。（4）覆盖式钻模 这种钻模的钻模板是可卸的，可以直接利用工件的定位基准定位并装夹在工件上，结构简单，装卸方便，比其它形式完善的夹具经济，适用于成批生产。（5）滑柱式钻模 滑柱式钻模是带有升降钻模板的通用可调夹具。这种钻模有结构简单、操作方便、动作迅速、制造周期短的优点，生产中应用较广。在本次设计中，根据工件特点及加工要求，我所选用的是覆盖式钻模。常见的钻模板有固定式、
13、铰链式、可卸式、悬挂式等四种结构形式。可卸式钻模板具有以下特点：（1）适用于中批量生产中在钻孔后继续进行其它工序或大型工件的局部加工； （2）它由两个定位套与夹具体上相对应的二个定位销（其中一个通常是菱形的）准确定位，并在结构上采取措施，防止钻模板装错方向；（3）覆盖式可卸钻模板定位部分直接安装在工件的定位部分，或钻模体的定位件上，然后进行夹紧；（4）钻模板应尽量轻，以不超过8Kg为宜，以减轻操作者的劳动强度，对尺寸大的钻模板可用铝合金铸件。根据工件的特点，本次设计我采用的就是可卸式钻模板，采用一面两孔的定位方式。在钻模板的外形特征上，我设计了两种形式的钻模，最后经过比较选择了第二种形式，因为
14、在加工过程中，每加工一个工件，钻模板就要取下来一次，选用第二种结构即能满足各种要求，又结构更简单，更能减轻工作者的负担。其比较示意图如下图1-2所示：图1-2 两种钻模板形式2 工件定位方案的确定2.1 工件定位要则(1)选择合理的定位基准1)定位基准必须与工艺基准重合,并尽量与设计基准重合,以减小定位误差,获得最大加工允差,降低夹具制造精度。当定位基准和工艺基准或设计基准不重合时，需进行必要的加工尺寸及其允差的换算。2）应选择工件上最大的平面，最长的圆柱面或圆柱轴线为定位基准，以提高定位精度，并使定位稳定、可靠。3）在选择定位元件时，要防止出现在超定位现象。4）在工件各加工工序中，力求采用同
15、一基准，以避免因基准更换而降低工件各表面相互位置的准确度。5）当铸、锻件以毛坯面作为第一道工序的基准时，应选用比较光整的表面作基准面，避开冒口、浇口或分型面等凸起不平整的部位。（2）限制工件的自由度一个自由的物体，它对三个相互垂直的坐标系来说，有六个可活动可能性，其中三种是移动，三种是转动。习惯上把这种活动的可能性称为自由度，因此空间任一自由物体共有6个自由度，物体的6个自由度分别为：沿X轴移动，以表示；沿Y轴移动，以表示；沿Z轴移动，以表示；沿X方向的旋转，以表示；沿Y方向的旋转，以表示；沿Z方向的旋转，以表示。若要使物体在某个方向有确定的位置，就必须限制该方向的自由度，所以要使工件在空处于
16、相对固定的位置，就必须对六个自由度加以限制，限制的方法就是用相当于六个支承点的定位元件与工件的定位基准面接触。这种用正确分布的6个支承点来限制工件的6个自由度，使工件在夹具中得到正确位置的规律，称为六点定位原理。（3）对定位元件的要求1）工件定位基准与定位元件接触或配合后，能限制住必须由其限制的工件的自由度；2）由其产生的定位误差最小；3）定位表面应具有较高的尺寸精度、配合精度、表面光洁度和硬度；4）定位元件结构应尽量简单，便于装卸工件；5）具有足够的强度和刚度；6）无产生超定位的可能性；7）对尺寸大的定位件表面，从结构上采取措施，在不影响定位精度的前提下，尽量减小与工件定位表面的接触面积；8
17、）消除定位表面的切屑方便。（4）定位精度1）对夹具要做必要的定位误差分析和计算，定位误差必须满足工件的加工精度要求；2）必须考虑提高夹具在机床上的定位精度；3）必须确保刀具在夹具上的导向精度；4）必须确保对刀元件表面到工件被加工面间的尺寸精度；5）出现超定位时，应取消产生超定位的定位元件，或增加超定位元件与定位基准间的间隙，以提高定位精度；6）工件被加工平面或中心至定位元件的位置精度和尺寸精度，在未注明特殊要求的情况下，一般取工件精度要求的1/5-1/3。7）钻模板钻套孔中心距的公差在工件未注明公差要求的情况下，取工件孔中心距自由公差的1/5-1/3；8）当工件未注明定位面间的位置精度要求时，
18、夹具定位面间的位置精度一般取0.01-100mm；9）按工件公差选取夹具公差的参考值；10）按工件的直线尺寸公差确定夹具相应尺寸公差的参考值；11）按工件的角度公差确定夹具相应角度公差的参考值。22 工件的定位方式的选择2.2.1 完全定位、不完全定位和欠定位现象加工时，工件的六个自由度被完全限制了的定位称为完全定位。但生产中并不是任何工序都需要采用完全定位的。究竟应该限制几个自由度和哪几个自由度，应由工件的加工要求决定。例如在一个长轴上铣一个两头不通的键槽，加工要求除了键槽本身的宽度、深度和长度外，还需保证槽距轴端的尺寸及槽对外圆轴线的对称度。此时绕工件轴线转动的自由度就不必限制而只要限制五
19、个自由度即行了。工件的六个自由度没有被完全限制的现象称为不完全定位。在平面磨床上磨削平板零件的平面也是不完全定位的一个例子。在满足加工要求的前提下，采用不完全定位是允许的。但是根据加工要求应该限制的自由度而没有限制是不允许的，它必然不能保证加工要求，这种现象称为欠定位。2.2.2 过定位现象工件的某个自由度被重复限制的现象称为过定位。一般情况下应当尽量避免过定位。但是，在某些条件下，过定位的现象不仅允许，而且是必要的。此时应当采取适当的措施提高定位基准之间及定位元件之间的位置精度，以免产生干涉。如车削细长轴时，工件装夹在两顶尖间，已经限制了所必须限制的五个自由度（除了绕其轴线旋转的自由度以外）
20、，但为了增加工件的刚性，常采用跟刀架，这就重复限制了除工件轴线方向以外的两个移动自由度，出现了过定位现象。此时应仔细地调整跟刀架，使它的中心尽量与顶尖的中心一致。 2.2.3 定位方式的选择在本次设计中,飞轮壳的加工工序如下：粗铣前端面粗车后端面孔精车前端面钻铰定位孔，钻前端面孔粗车后端面孔精车后端面孔铣周边平面粗镗马达孔精镗马达孔马达也倒角钻周边孔周边孔攻丝钻后端面孔锪后端面2-35后端面孔攻丝钻前端面马达螺孔前端面孔攻丝清理、去尖角、毛刺、打标记成检清洗油封、包装、入库。本次的设计是在定位孔已钻出的情况下对前端面孔进行钻削。根据六点定位原理，本设计采用在夹具体底座上插入三个定位销，控制工件
21、的五个自由度（Z方向的旋转除外），实现工件的不完全定位，使工件只能在圆周上有轻微的旋转，然后工件与钻模板之间，根据本例加工零件的结构特点，以及考虑到定位基准与设计基准重合的原则和六点定位原则,选择一面及两孔12.7作为定位基准。故该类工件采用“一面两孔销”的定位方法。以消除工件在空间中的六个自由度。当采用一平面、两短圆柱销的定位元件时，此时平面限制Z方向的移动、X和Y方向的旋转三个自由度，第一个定位销限制X和Y方向的移动两个自由度，第二个定位销限制X方向的移动和Z方向的旋转，因此X方向的移动属于过定位。又设两圆孔分别为、，孔距为；两销直径分别为d1-Td1,d2-Td2,销距为。由于两孔、两销
22、的直径，两孔中心距都存在制造误差，故有可能使工件两孔无法套在两定位销上，如图2.1所示： 图2-1 产生定位误差的示意图解决的方法有三：（1)减小第二个销子的直径；（2) 使第二个销子可沿X方向移动；（3）第二个销子采用削角销及菱形销。这三种方法解决的原则都是消除X方向移动的过定位，但是，第一种方法中，减小第二个销子的直径后应有的直径大小可由图2-1求得，即销子的大小应在AB范围内，其最大半径为(或),最大直径为,由图得: (2.1) 为便于装夹,销子与孔的侧壁应有一定的最小间隙,假设为,它使得销子直径减小,同理,第一孔与销子配合也应有一定的最小间隙为,并起到了补偿第二个销子减小直径的一部分数
23、值,使第二个销子直径可以加大.因此得: + (2.2)此种方法由于销子直径减小，配合间隙加大，故使工件绕销子1的转角误差加大；第二种方法使整体结构复杂；当转角误差要求较为严格时，采用第三种方法很普遍，因为它不需要减小第二个销子直径，因此转角误差较小。因此，根据工件的具体形状，定位基准及定位要求，为补偿工件两定位孔的孔径和孔距误差及夹具两定位销的直径和距离误差，避免工件不套入定位销，选择一面两孔销定位。即两定位销一个为圆柱销，一个为菱形销。选择这些定位装置所能消除的自由度如下所示：一固定面： 消除X,Y,Z方向的旋转三个不定度，即消除，圆柱定位销：消除X,Y方向的移动两个不定度，即消除，削边销：
24、 消除Z方向的移动一个不定度，即消除来实现工件在夹具中的准确定位。见图2-2所示。 图2-2 一面两孔的定位方式23 定位件的计算231 菱形销的设计计算 菱形销定位简图如图2-3所示： 图2-3 菱形销定位简图1）确定两定位销中心距尺寸Lx及其公差&LxLx=Lg=442.98，&Lx=（1/51/3）&Lg=0.2x0.03=0.006 式中：Lg工件两定位孔中心距；&Lg工件两定位孔中心距公差。2）确定圆柱销直径d1及其公差&d1d1=D1=12.738 D1与圆柱销相配合的定位孔的最小直径&d1=0.017 &d1圆柱销直径公差 &d1按dc选取；3）削边销的宽度B和b查表，由D2=1
25、2.738可知，b=4，B=D2-2=10.738 D2与菱形销相配合的工件定位孔最小直径；4）补偿距离 (2.3)圆柱销及其相配合的工件定位孔间最小间隙5）菱形销圆弧部分与其相配合的工件定位孔间的最小间隙 (2.4)与菱形销相配合的工件定位孔的最小直径6）菱形销最大直径d2 公差选取 h5，可计算得 。 其他技术条件按GB2259-80机床夹具零件及部件技术条件。2.3.2 定位销的精度选择及提高定位精度的措施 定位销的精度等级根据被加工零件的加工精度,定位销孔精度及其距离尺寸公差的大小进行选择，应满足下列等式的要求.2：工件定位销孔中心距公差夹：夹具两定位销中心距公差面：圆柱销与定位孔间的
26、最小间隙菱：菱形销与定位孔间的最小间隙D：定位销孔（菱形销处）的最小直径b：菱形销圆柱部分宽度,由上一节算出的结果可知：2=0.015 夹=0.003 面=0.016 b=4 D=10.738 菱=0.006为了保证可靠的定位，定位销与定位孔的有效接触长度一般为5-12mm,此处取10mm。24 定位误差的分析和计算241 定位误差的基本概念所谓定位误差,是指由于工件定位造成的加工面相对工序基准的位置误差。因为对一批工件来说，刀具经调整后位置是不动的，即被加工表面的位置相对于定位基准是不变的，所以定位误差就是工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量。为了保证加工精度要求，我们加工时应满足下列关系式
27、： (2.5)式中，各种因素产生误差的总和； T工件被加工尺寸的公差。在这里，我们只研究有夹具有关的定位方法所引起的定位误差对加工精度的影响，因此上式又可写成： (2.6)式中，定位误差；W除定位误差外，其它因素所引起的误差总和，可按加工经济精度查表确定。所以由上式知道：，或者：。定位误差的组成及产生原因有以下两个方面：1）定位基准与工序基准不一致所引起的定位误差，称基准不重合误差，即工序基准相对定位基准在加工尺寸方向上的最大变动量，以 表示。2） 定位基准面和定位元件本身的制造误差所引起的定位误差，称基准位置误差，即定位基准的相对应位置在加工尺寸方向上的最大变动量，以 表示。 故有 (2.7
28、)此工式是在加工尺寸方向上的代数和。 242 定位误差的计算在本设计的定位方式中，因为工序基准与定位基准重合，故 ，（1）“1”孔中心线在X，Y方向的最大位移为：（孔与销的最大间隙） (2.8)由以上的计算知：，；故可求得 (2.9)（2）“2”孔中心线在X,Y方向的最大位移分别为： (两孔中心距公差) (2.10) (2.11)由以上的计算知：，代入计算得：（3）两孔中心连线对两销中心连线的最大转角误差为，则 (2.12)又因为 可知：，即由定位副制造误差引起的定位误差小于该工序尺寸制造公差0.03的1/3，证明上述方案可行。3 导向装置的确定31 导向装置的概述钻床的导向装置主要是钻套。钻
29、套的作用是确定钻头、铰刀等刀具的轴线位置，防止刀具在加工过程中发生偏斜。根据使用特点，钻套可分为固定式、可换式、快换式等多种结构形式。（1）固定钻套 固定钻套直接被压装在钻模板上，其位置精度较高，但磨损后不易更换，固定钻套的结构有两种，一种是有肩的，一种是无肩的。钻模板较薄时，为使钻套具有足够的引导长度，应采用有肩钻套。钻套导向部分高度尺寸H越大刀具的导向性越好，但刀具与钻套的摩擦越大，一般取H=（1.5-3）D，孔径小、精度要求较高时，H取较大值。（2）可换钻套 在成批生产、大量生产中，为便于更换钻套，采用可换钻套。可换钻套的结构为：钻套装在衬套中，衬套压装在钻模板中；为防止钻套在钻模板孔中
30、上下滑动或转动，钻套用螺钉紧固。（3）快换钻套 在工件的一次装夹中，若顺序进行钻孔、扩孔、铰孔或攻螺纹等多个工步加工，需使用不同孔径的钻套来引导刀具，此时应使用快换钻套。当使用快换钻套，更换钻套时，只需逆时针转动钻套使削边销平面转至螺钉位置，即可向上快速取出钻套。上述三种钻套的结构和尺寸已标准化，设计时可参阅有关国家标准。（4）专用钻套 在一些特殊场合，可根据具体要求自行设计钻套。各钻套示意图如下图3.1所示：图3.1 固定钻套、可换钻套及快换钻套示意图32 定位孔导向装置的确定定位孔加工时需对定位孔进行钻、铰两个工步的加工，才能最终达到工序简图上规定的加工要求，故钻定位孔时选用快换钻套做为导
31、向元件。查机床夹具设计手册表 由d=12.7 25mm，材料选为T10A，热处理为淬火HRC60-64，快换钻示意图如图3-2所示： 图3-2 快换钻示意图由定位孔直径为12.7mm，查表可得H=32，h=12，D1=34，D2=32，h1=7，m=13，m1=13.5，r=22.5，r1=1.5，r2=1，c=1.5，=50，b=2，a =0.5，t=1.2，螺钉M85；查机床夹具设计手册表可知，钻套高度H=3d=312.7=38.1，排屑空间h=10，钻套端部与工件表面间的距离L=0.5d=0.512.5=6.25；33 其余孔导向装置的确定除定位孔外，其余孔经过钻削加工就可以达到加工要求
32、,故只需选用固定钻套。固定钻套又分为两种,及无肩固定钻套及带肩固定钻套。中、小批量生产用的钻模应采用外径直接压入钻模的钻套即固定钻套；在下列情况下宜采用带肩固定钻套：利用钻套端面作基面；钻模板较薄；要防止细碎切屑进入孔内。经分析选用无肩固定钻套。图3-3 固定钻套示意图4 夹紧方案的确定机床对工件进行加工时，除需要定位支承系统获得对于刀具及其导向的正确相对位置，还需依靠夹具上的夹紧机构来消除工件因受切削力和工件自重的作用而产生的位移或振动。本例夹紧装置中，工件在加工过程中能继续保持定位所得到的正确位置。夹紧机构通常由三个部分组成：夹紧动力部分，中间传动机构和夹紧元件。夹紧动力部分用于产生力源，
33、并将作用力传给中间传动机构，中间传动机构用于改变作用力的大小和方向，并能产生自锁。夹紧元件则承受由中间传动机构传递的夹紧力并与工件直接接触而执行夹紧动作。41 工件达到正确夹紧的原则（1）在夹紧过程中，不至于因工件重力的影响而破坏正确定位1）确定定位方案及设置定位支承时，因尽量使工件重心位于支承范围内，避免因支承反力与工件重力构成力偶而破坏正确定位；2）当工件重力与主基准或双导向基准垂直，而工件的重心位置不在各支承范围内时，应使主要夹紧力与主基准或双导向基准垂直，并处在各支承范围内。同时在夹具的适当位置上设置初定位件；3）若由于工件或加工等条件的限制，使主夹紧力不能与主基准或双导向基准垂直，可
34、在夹紧前对工件施加预夹紧力。该力应垂直于主基准或双导向基准，并处在支承范围内。待夹紧后可将预夹紧力撤出，并在适当位置设置初定位件。4）当重力与主基准或双导向基准平行而与止动基准垂直时，则应在夹具的适当位置上设置初定位件。（2）在夹紧过程中，夹紧力不应使已经获得正确定位的工件脱离正确位置：1）制定夹紧方案时，应尽可能避免夹紧力与支承反务构成力偶；2）主夹紧力的方向最好压向主基准或双导向基准，其作用点应在定位支承范围内；3）当主夹紧力只能压向导向基准时，则应合理选择夹紧力的作用点或设置预夹紧力；4）若压紧力处于支承范围外，则应采取结构上的措施，使工件不脱离正确位置；（3）在夹紧过程中，应使工件不产
35、生超出表面形状精度允许范围的变形：1）制定夹紧方案时，对于刚性较差的工件，应尽可能减少或避免由于夹紧力而产生弯曲变形；2）夹紧力应力求通过或靠近定位基准与定位支承的接触面；3）当夹紧力无法通过或靠近定位基准与定位支承的接触面时，应在与夹紧力相对应的位置设置辅助支承；4）当夹紧力作用于工件的斜面上时，若其分力能够在工件上产生弯曲力矩，则应避免在斜面上施加夹紧力。5）当单方面夹紧所需要的夹紧力过大，致使弯曲力矩过大而造成工件变形较大时，可采用多向夹紧的方法；6）夹紧力应避免压向超定位元件；（4）在切削过程中，应避免工件产生不能允许的振动：1）制定夹紧方案时，对于刚性较差的工件，应尽可能减少或避免由
36、切削力而产生的振动；2）夹紧力要尽可能靠近工件被加工表面，以减少工件的悬臂长度；3）当主夹紧力无法靠近工件被加工表面，而工件被加工表面悬臂又较长时，可在切削过程中对工件刚性较差的部位设置辅助支承，或在辅助支承上还加一个夹紧力。（5）在切削过程中，切削力不应破坏工件的正确位置，并使平衡切削力所需的夹紧力最小：1）制定夹紧方案时，切削力最好由定位支承反力平衡，尽可能避免用夹紧力及由夹紧力产生的摩擦力平衡。2）用定位支承反力平衡最大切削力，此时所需要的夹紧力最小；3）用夹紧力平衡最大切削力，此时所需夹紧力最大；4）用夹紧力产生的摩擦力以平衡切削力，此时所需夹紧力最大。42 夹紧机构的确定针对成批生产
37、的工艺特征，本夹具选用螺旋夹紧机构夹压工件。采用螺旋装置直接夹紧或其它元件组合实现夹紧的机构，统称为螺旋夹紧机构。螺旋夹紧机构结构简单，容易制造。由于螺旋升角小，螺旋夹紧机构的自锁性能好，夹紧力的夹紧行程都较大，在手动夹具上应用较多。螺旋夹紧机构可以看做是绕在圆柱表面上的斜面，将它展开就相当于一人斜楔。在此螺旋夹紧装置中，采用螺母直接夹紧。装夹工件时，先将工件放在夹具体上，用三个定位销控制工件的五个自由度，使工件不能前后左右移动，然后将钻模板放在工件上，套上开口垫圈，利用一面两孔定位，然后手动拧紧螺母压紧工件。43 夹紧力三要素的确定431 夹紧力方向的确定夹紧力的方向与工件的装夹方式、工件受
38、外力的方向以及工件的刚性等有关，夹紧力方向的确定原则：(1)夹紧力的方向应使定位基面与定位元件接触良好，保证工件定位准确可靠； (2)加紧力的方向应与工件刚度最大的方向一致，以减小工件变形； (3)加紧力的方向应尽量与工件受到的切削力、重力等的方向一致，以减小加紧力。可以从以下三方面考虑：（1）当工件以几个表面作为定位基准时，若工件是大型的，则为了保持工件的正确位置，朝每个定位元件都要有夹紧力；若工件尺寸较小，切销力不大，则往往只要垂直朝向主要定位面有夹紧力，保证主要定位面与定位元件有较大的接触面积，就可以使工件装夹稳定可靠。（2）夹紧力的方向应方便装夹和有利于减小夹紧力。下图4.1为夹紧力Q
39、、重力G和切销力F三者之间的组合关系：工件重力G方向始终指向地面，因此从装夹工件出发，以图a,b 最好，因为主要定位元件表面是水平朝上，使工件装夹稳定可靠；图c,d,e情况较差，图f情况最差，一便装夹；若从减小夹紧力出发，假定图中G和F大小相同，则所需要的Q力以图a最小，图b次之，图f最大；由此可见当Q，G，F方向相同时，所需夹紧力最小，此时施加夹紧力的目的就是防止工件在加工中振动。此设计中，主夹紧力的Q，G，F方向就相同。（3）夹紧力的方向应使工件夹紧后的变形小。图4-1 六种夹紧方式的比较432 夹具力作用点的确定(1) 加紧力的作用点应正对支撑元件或位于支撑元件所形成的支撑面内；(2)
40、夹具力的作用点应位于工件刚性较好的部位。(3) 夹具力的作用点应尽量靠近加工表面，以减小切削力对夹紧点的力矩，防止或减小工件的加工振动或弯曲变形。433 夹紧力大小的确定工件的夹紧力过大，会引起工件的变形，达不到加工精度要求，而且使夹紧装置结构尺寸过大，造成结构不紧凑；夹紧力过小，会造成工件夹紧不牢，加工时易破坏定位，同样也保证不了加工精度要求，甚至会引起安全事故。由此可见，必须对工件施加大小适当的夹紧力。查金属切削机床夹具设计手册表3-21可知，当工件以一面两孔定位，而夹紧力又与切削力方向一致时，由于主切削力起着帮助夹紧工件的作用，所以当其它切削分力较小时，通常可不必计算，仅需较小的夹紧力来
41、防止工件在加工时产生的振动和转动。而在此夹紧方案中,夹紧力与切削力方向相同, 故不必计算夹紧力的大小。5 其它装置的确定51 开口垫圈的选择 垫圈按其结构形状可以分为：垫圈、球面垫圈、开口垫圈、悬式垫圈、转动垫圈、加大垫圈、螺纹垫圈和十字垫圈。在本次设计中根据加工要求及夹具结构特点，选择开口垫圈，查金属切削机床夹具设计手册，选择开口垫圈材料为45号钢，所采用的技术要求为：锐边倒钝；表面发蓝或其它防锈处理；淬火HRC35-40。根据螺杆直径为20mm，查机械制造工艺与机床夹具表5-8得，b=21,D1=42,C=2,C1=1.5,t=1.2,D=84,H=14，从而可以得出开口垫圈的具体形状。开
42、口垫圈示意图如下图5-1所示：图5-1 开口垫圈示意图52垫块的设计在装夹工件时，工件若直接放在夹具体底板上，时间过长，会造成底板的磨损，破坏底板的平面度，而使误差加大。现在底板上设计十二个圆形垫块，用圆柱头内六角螺钉使之与底板配合固定，加工工件时使工件放在垫块上，如若发生大的磨损，只需更换垫块即可。6 夹具体设计夹具体是整个基体和骨架。在夹具体上要安装组成该夹具所需要的各种元件、机构、装置等；而且还要考虑便于装卸工件以及在机床上的固定。因此，夹具体的开关和尺寸，主要取决于夹具上各组成件的分布情况，工件的形状、尺寸及加工性质等。对夹具体的设计提出以下基本要求：( 1 ) 应有足够的强度和刚度，
43、保证加工过程中在夹紧力、切削力等外力作用下，不致产生不允许的变形和振动。( 2 ) 力求结构简单，装卸工件方便，要防止无法制造和难以装卸的现在发生。( 3 ) 要有良好的结构工艺性和使用性，以便于制造、装配和使用。( 4 ) 尺寸要稳定，即夹具体经制造加工后，应防止其日久变形。( 5 ) 排除切屑要方便，为了防止加工中切屑聚积在定位元件工件表面上或其它装置中，而影响工件的正确定位和夹具的正常工作，因此在设计夹具体时，要考虑切屑的排除问题。( 6 ) 在机床上安装要稳定、可靠、安全根据以上原则，为了使底座与机床工作台接触稳定、可靠，采用周边接触,实现夹具体与机床的夹紧配合；夹具体采用铸造，夹具体
44、厚度h=25mm。夹具体的外形尺寸可根据工件，定位元件，夹紧装置，对刀，引导元件以及其他辅助机构和装置在总体上的配置确定。根据本次加工工艺的特点，设计的夹具体示意图见图6-1所示：图6-1 夹具体示意图夹具体通过T形螺钉与机床定位。底部的孔是为夹具体与螺杆的配合而设计的。夹具体与螺杆底部以四个内六角圆柱头螺钉定位夹紧，工件通过螺杆安装在夹具体上，再与钻模板夹紧定位，从而使各零部件组合为一个整体。总结机床夹具是由定位元件,夹紧装置,对刀元件,夹具体部分组成,机床夹具设计也就是针对夹具组成的各个部分进行设计,其中定位与夹紧量个环节是夹具设计的重点。本次设计中，基本上按专用夹具设计步骤来设计夹具的。首先对工件零件图进行仔细研究，分析，明确设计任务书中的设计要求及有关资料。对工件有了全面透彻的了解，熟悉了它的结构和工艺要求。考虑到在生产实际方便、可靠性、机床型号、生产批量、零件工艺性等各方面的因素，然后确定夹具的结构方案。主要包括：1、 工件的定位方案2、 确定夹紧方案3、 确定夹紧机构4、 确定夹具体极其总体结构根据具体方案的各项工艺性指标，画出非标准件的零件工作图，