立臂钻床夹具创新设计说明书.doc

洛阳理工学院

创新设计说明书

课 程 名 称 先进制造技术
设 计 课 题 立臂钻床夹具创新设计
专 业 机械设计制造及其自动化
班 级
姓 名
学 号

2017年 03月08日

第1章 夹具的发展概况

机床夹具实在金属切削中用以准确地确定工件位置，并将其牢固地夹紧，以接受加工的工艺装备。它的主要作用是：可靠的保证工件的加工质量，提高加工效率，减轻劳动强度，充分发挥和扩大机床的工艺性能。因此，机床夹具在机械制造中占有重要的地位。
夹具最早出现在18世纪后期。随着科学技术的不断进步，夹具已从一种辅助工具发展成为门类齐全的工艺装备。
1、机床夹具的现状
国际生产研究协会的统计表明，目前中、小批多品种生产的工件品种已占工件种类总数的85％左右。现代生产要求企业所制造的产品品种经常更新换代，以适应市场的需求与竞争。然而，一般企业都仍习惯于大量采用传统的专用夹具，一般在具有中等生产能力的工厂里，约拥有数千甚至近万套专用夹具；另一方面，在多品种生产的企业中，每隔3~4年就要更新50~80％左右专用夹具，而夹具的实际磨损量仅为10~20％左右。特别是近年来，数控机床、加工中心、成组技术、柔性制造系统（FMS）等新加工技术的应用，对机床夹具提出了如下新的要求：
(1) 能迅速而方便地装备新产品的投产，以缩短生产准备周期，降低生产成本；
(2) 能装夹一组具有相似性特征的工件；
(3) 能适用于精密加工的高精度机床夹具；
(4) 能适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具；
(5) 采用以液压站等为动力源的高效夹紧装置，以进一步减轻劳动强度和提高劳动生产率；
(6) 提高机床夹具的标准化程度。

2、现代机床夹具的发展方向
现代机床夹具的发展方向主要表现为标准化、精密化、高效化和柔性化等四个方面。
(1) 标准化 机床夹具的标准化与通用化是相互联系的两个方面。目前我国已有夹具零件及部件的国家标准：GB/T2148~T2259－91以及各类通用夹具、组合夹具标准等。机床夹具的标准化，有利于夹具的商品化生产，有利于缩短生产准备周期，降低生产总成本。
(2) 精密化 随着机械产品精度的日益提高，势必相应提高了对夹具的精度要求。精密化夹具的结构类型很多，例如用于精密分度的多齿盘，其分度精度可达±0.1"；用于精密车削的高精度三爪自定心卡盘，其定心精度为5μm。
(3) 高效化 高效化夹具主要用来减少工件加工的基本时间和辅助时间，以提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度。常见的高效化夹具有自动化夹具、高速化夹具和具有夹紧力装置的夹具等。例如，在铣床上使用电动虎钳装夹工件，效率可提高5倍左右；在车床上使用高速三爪自定心卡盘，可保证卡爪在试验转速为9000r/min的条件下仍能牢固地夹紧工件，从而使切削速度大幅度提高。目前，除了在生产流水线、自动线配置相应的高效、自动化夹具外，在数控机床上，尤其在加工中心上出现了各种自动装夹工件的夹具以及自动更换夹具的装置，充分发挥了数控机床的效率。
(4) 柔性化 机床夹具的柔性化与机床的柔性化相似，它是指机床夹具通过调整、组合等方式，以适应工艺可变因素的能力。工艺的可变因素主要有：工序特征、生产批量、工件的形状和尺寸等。具有柔性化特征的新型夹具种类主要有：组合夹具、通用可调夹具、成组夹具、模块化夹具、数控夹具等。为适应现代机械工业多品种、中小批量生产的需要，扩大夹具的柔性化程度，改变专用夹具的不可拆结构为可拆结构，发展可调夹具结构，将是当前夹具发展的主要方向。

第2章 夹具设计
2.1 夹具的功用
机床夹具是在机床上用以准确，迅速地安装工件或刀具，从而保证工件与刀具间正确相对位置的一种工艺装备。使用夹具可以有效地保证工件的加工质量，提高劳动生产率，扩大机床的工艺范围和减轻劳动强度；因此，夹具在机械制造中占有重要的地位。
2.2 夹具的设计
2.2.1. 设计前的准备工作
1、 明确工件的年生产纲领
机床夹具是在机床上装加工件的一种装置，其作用是使工件相对机床和刀具有一个正确的位置，并在加工过程中保持不变。它是夹具总体方案确定的依据之一，它决定了夹具的复杂程度和自动化程度。本次加工的工件需大批量生产，此时，一般选择机动、多工件同时加工，自动化程度高的方案，结构也随之复杂，成本也提高较多。
2、 熟悉工件零件图和工序图
零件图给出了工件的尺寸、形状和位置、表面粗糙度等精度的总体要求，工序图则给出了夹具所在工序的零件的工序基准、工序尺寸、已加工表面、待加工表面、以及本工序的定位、夹紧原理方案，这是夹具设计的直接依据。
已知待加工工件如图2-1所示，加工C向2×φ6的通孔（前工序已将各部尺寸加工完成）。
2.2.2. 加工方法
了解工艺规程中本工序的加工内容，机床、刀具、切削用量、工步安排、工时定额，同时加工零件数。这些是在考虑夹具总体方案、操作、估算夹紧力等方面必不可少的，根据零件图可知，本夹具主要用来钻直径为φ6的通孔，这个孔的技术要求一般，考虑提高生产率，降低生产成本及劳动强度，需设计专用夹具。而精度则不是本道工序主要考虑的重点问题。
2.3. 总体方案的确定
2.3.1. 定位方案和定位元件的拟定和选择
工件在机床上的定位实际上包括工件在夹具上的定位和夹具在机床上的定位两个方面。工序图只是给出了原理方案，此时应仔细分析本工序的工序内容

图2-1 工件视图

及加工精度要求，按照六点定位原理和本工序的加工精度要求，确定具体的定位方案和定位元件。要拟定几种具体方案进行比较，选择或组合最佳方案。
根据工序图给出的定位元件方案，按有关标准正确选择定位元件或定位的组合。在机床夹具的使用过程中，工件的批量越大，定位元件的磨损越快，选用标准定位元件增加了夹具零件的互换性，方便机床夹具的维修和维护。
常有定位方法有：
(1) 工件以平面定位。
(2) 工件以圆柱孔定位。
(3) 工件以外圆表面定位。
(4) 工件以其他表面定位。
根据加工零件的形状，工艺要求，加工精度和批量我采用一个平面、一个支撑板和一个菱形销组合定位，限制工件6个自由度，同时保证了加工方向上的刚性，保证零件的加工精度以及便于保证加工部位之间位置要求，如图2-2所示。
由零件图可知：直径为φ6的孔对底面的技术要求一般，其设计基准为底面，所以为了使定位基准为零，应选择以与孔垂直的基准底面定位。另外，选择φ8定位螺钉作为定位零件。

图2-2 定位方案示意图

2.3.2. 定位精度的分析与计算
夹具的主要功能是用来保证工件加工表面的位置精度。影响位置精度的主要因素有三个方面：
　　（1）工件在夹具中的安装误差，它包括定位误差和夹紧误差。
　　（2）夹具在机床上对定误差，指夹具相对于刀具或相对于机床成形运动的位置误差。
　　（3）加工过程中出现的误差，包括机床的几何精度、运动精度，机床、刀具、工件和夹具组成的工艺系统加工时的受力变形，受热变形，磨损，调整、测量中的误差，以及加工成形原理上的误差等。
　　第三项一般不易估算，夹具精度验算是指前两项，其和不大于工件允差的2/3为算合格。

2.3.3. 夹紧方案的设计和压紧元件的选择
(1) 对工件夹紧装置的要求
① 在夹紧过程中应保持工件定位时所获得的正确位置 。
② 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。
③ 在切削过程中，应避免工件产生不能允许的振动。
④ 夹紧装置应操作方便、省力、安全。
⑤ 夹紧装置的复杂程度和制动化程度应与生产批量和生产方式相适应。
(2) 夹紧力的方向
夹紧力的方向要有利于工件的定位，并注意工件的刚性方向，不能使工件有脱离定位表面的趋势，防止工件在夹紧力的作用下产生变形。
(3) 夹紧力的作用点
夹紧力的作用点应选择在定位元件支承点的作用范围内，以及工作刚度高的位置，确保工件定位准确、不变形。
(4) 选择夹紧机构
在确定夹紧力的方向、作用点的同时，要确定相应的夹紧机构。确定夹紧机构要注意以下几方面的问题：
① 安全性。夹紧机构应具备足够的强度和夹紧力，以防止以外伤及夹具操作人员。
② 手动夹具夹紧机构的操作力不应过大，以减轻操作人员的劳动强度。
③ 夹紧机构的行程不宜过长，以提高夹具的工作效率。
　　确定夹紧力的方向、作用点，以及夹紧元件或夹紧机构，估算夹紧力大小，要选择和设计动力源。夹紧方案也需反复分析比较，确定后，正式设计时也可能在具体结构上作一些修改。
　　方案一 使用快速螺旋夹紧机构
　　方案二 使用偏心轮夹紧机构
　　因定位方案选择的是一面一销一支撑板定位，偏心轮夹紧机构更合适于本方案，所以采用方案二。
根据以上对夹紧机构的要求和钻床夹具的主要技术要求，本设计采用的夹紧机构比较简单，如图2-3所示。

图2-3 夹紧机构

2.3.4 导正装置的选择
刀具的导向是为了保证孔的位置精度，增加钻头的支撑以提高其刚度，减少刀具的变形，保证孔加工的位置精度，常用的几种钻套如下图所示。

图2-4可换钻套 图2-5快换钻套 图2-6固定钻套（A、B型）

图示钻套均已标准化，设计时可以查夹具设计手册。本次设计由于加工方式只有钻一道工序，故选用可换钻套，如图2-7所示。

图2-7可换钻套

2.3.5. 夹具体的设计
用来安装和固定定位元件，夹紧机构和钻模板的实体。具体大小根据整个机构的大小而调整，要保证机构的稳定，水平，所以形位公差会有较严格的要求。
夹具体是夹具的基础体，它将夹具上的各种装置和元件连接成一个整体，并通过它将夹具安装到机床上。它的结构形状及尺寸大小，取决于加工工件的特点、尺寸大小，各种元件的结构和布局，夹具于机床的连接方式，切削力、重力等大小的影响。
夹具体应满足以下几点计算要求：
1、应有足够的强度和刚度；
2、力求结构简单及装卸工件方便 ；
3、结构工艺形好；
4、排屑切屑要方便；
5、在机床上安装稳定可靠；
6、具有适当的精度和尺寸稳定性
根据要求夹具体选用铸件，这样既满足要求而且工艺性较锻造好，然后对夹具体毛胚进行加工。

2.4. 绘制夹具装配图
根据以上夹具设计要求和相应分析，本次夹具设计选择制图比例为1:1，绘图时把工件视为透明体，用双点划线画出轮廓，同时画出定位面、夹紧面和加工表面，具体装配图见图2-8。

图2-8 夹具装配图

第3章 夹具装配图上的尺寸和技术条件

夹具装配图上应标注必要的尺寸和技术要求，主要目的是为了检验本工序零件加工表面的形状，位置和尺寸精度在夹具中是否可以达到，为了设计夹具零件图，也为了夹具装配和装配精度的检测。

3.1. 夹具装配图上标注的尺寸
1、夹具总体外形轮廓尺寸，总长310mm，总宽262mm，总高105mm。
2、夹具与钻模套导向的配合关系，如衬套与钻模套所需的配合为Φ18H7/n6。
3、各定位元件之间，定位元件与工件之间，与夹具体之间装配后的位置尺寸及公差，如圆柱销与孔配合为Φ6H7/g6。
上述联系尺寸和位置尺寸的公差，一般取工件的相应公差的1/3~1/5,最常用的是1/3。

3.2. 夹具装配图上应标注的技术要求
应标注的技术要求包括：相关元件表面间的位置精度，主要表面形状精度，保证装配精度和检测的特殊要求，以及调整、操作等必要的说明。通常有以下几方面：
(1) 定位元件的定位表面间相互位置精度。
(2) 定位元件的定位表面与夹具安装基面、定向基面间的相互位置精度。
(3) 导向元件工作面与安装基面间的相互位置精度。
(4) 写明需要钳工配作的元件。
对于不同的机床夹具，对于夹具的具体结构和使用要求，应进行具体分析，订出该夹具的具体的技术要求。设计中可以参考机床夹具设计手册以及同类夹具的图样资料。

第4章 夹具零件图上的尺寸和技术条件
零件图上应标注必要的尺寸和技术要求，标注的主要目的是保证夹具体各个零件之间的尺寸要求和安装配合后的精度要求，也是为了各夹具零件加工后进行安装配合能满足制造工件的要求，本设计所画夹具零件图为夹具体。

4.1 夹具零件图上标注的尺寸
(1) 夹具体底座的外形尺寸，总长为310mm，总宽262mm，总高33mm。
(2) 夹具体底座上各螺纹孔之间的位置尺寸要求，定位销的配做精度要求。

4.2 夹具零件图上应标注的技术要求
(1) 零件图中必须用规定的代号、数字和文字简明地表示出在制造和检验时所应达到的技术要求。
(2) 夹具体零件图需要标注必要的表面粗糙度、形位公差、极限配合等技术要求，以满足加工精度。夹具体零件示意图如图4 -1所示

图4-1 夹具体零件示意图

第5章 设计论证
5.1 设计方案论证
(1) 根据所给工件的需要，选择加工机床，选用摇臂钻床加工比较合理。
(2) 然后工件主要定位部分为基准底面平面、后面和一个φ10的孔，分析所要加工2×φ6的孔必须完全定位，而本次设计所选用的定位方案正好满足六点定位原理且结构简单。
(3) 最后将定位销固定在大平面上，以平面、支撑板和菱形销进行定位。把工件定位后，可利用偏心轮夹紧机构来对工件进行夹紧，工件的夹紧力的方向应该与工件重心线平行，保证夹紧时点的稳定可靠。

5.2 设计方法与结果
(1) 对工件的加工要进行分析，已知工件上待加工2×φ6的孔，根据工件的形状和加工要求和批量，采用立式摇臂钻床比较合理。
(2) 根据六点定位原理，选用一面、一支撑板和一菱形销定位，由于限制了六个自由度，所以只需要将工件夹紧就可以进行加工了，在工件加工方向上进行夹紧，可以用偏心轮夹紧机构，因为他们可以对工件快速夹紧，且夹紧力的方向要有利于工件的定位。
(3) 最后，对整个夹紧方案分析得出，定位符合六点定位原理，夹紧工件稳定，所以此夹具设计可行。

课程设计心得

通过这次课程设计实训，使我对机械装备课程有了更进一步的了解。装备在现在工业中有着重要的作用，当然，我们现在对机械设计只不过时一个初步的了解，这门课程还有更多的知识等着我们去学习，在这两周短暂的课程设计里，我学会了一些机械设计的最基本的理论，同时也对机械装备产生了浓厚的兴趣。
在这次课程设计过程中，我发现自己还有很多不足之处，在设计和计算过程中也出现了各种各样的错误，在同学和张老师的帮助下也都尽量改正了，虽然还存在或多或少的问题，这也是我今后努力的方向，我会继续努力学习，来丰富自己的知识。
在这段时间的不懈努力下，我了解了在课程设计中应注意的问题：
(1) 注意与工艺规程的衔接，夹具设计应和工序设计统一
所需设计的夹具绝大多数用于零件加工的某一特定工序。在工艺设计环节中，对该工序的设计已要求设计其定位与夹紧方案，因此夹具设计的具体内容应与工序设计保持一致，不能相互冲突。
(2) 设计时要有整体观念
夹具设计有其自身的特点：定位、夹紧等各种装置在设计前是分开考虑的，设计后期通过夹具体的设计将各种元件联系为一个整体。
(3) 设计中应学习正确运用标准与规范
对于国家标准的规范要严格要求和执行。夹具设计过程中选择各种功能元件时应注意尽可能选用标准件，减少非标准件的设计制造工作量，降低夹具成本。
另外，在写说明书的过程中学习到好多关于Word应用方面的知识，为以后的毕业设计说明书的书写打下了良好的基础。
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参考文献

[1]　 《机械制造装备设计》 赵雪松 任小中 于华 编著 华中科技大学出版社
[2]　 《现代夹具设计手册》 朱耀祥 蒲林祥 主编 机械工业出版社
[3]　 《现代机床夹具设计》 吴 拓 编著 化学工业出版社
[4]　 《机床制图》 何铭新 钱可强 徐祖茂 主编 高等教育出版社
[5]　 《机械制造装备设计课程设计》 陈立德 主编 高等教育出版社
[6]　 《机械制造工艺与机床夹具》 刘守勇 主编 机械工业出版社
[7]　 《机床夹具设计手册》 孟宪栋 刘彤安 编著 机械工业出版社
[8]　 《机床夹具设计手册》 徐弘本 编著 辽宁科学技术出版社

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