铁板块铣槽夹具设计

毕业设计说明书 目 录 摘要 绪论 . 1 一、夹具设计目的与意义 . 1 二、机床夹具的现状及发展 . 1 现状 . 1 2. 现代机床夹具的发展方向 . 2 . 2 第 1 章 夹具设计的概论 . 3 床夹具的概述 . 3 机床夹具概述 . 3 床夹具的种类 . 机床夹具的组成 . 3 床夹具的分类 . 3 削专用夹具的设计要点 . 4 床夹具的安装 . 4 件的定位与误差分析 . 5 件定位的基本原理 . 5 位方法与定位元件 . 5 件的误差分析 . 6 位误差产生的原因 . 7 紧装置 . 7 紧装置的组成 . 8 夹紧装置的基本要求 . 8 紧力的确定 . 8 紧力大小计算 . 9 紧机构种类 . 9 小夹紧变形措施 . 9 第 2 章 铣削专用夹具的设计 . 100 确设计任务，了解零件加工工艺过程 . 100 悉工件零件图、本工序加工要求 . 100 悉零件加工工艺过程 . 100 定定位方案 . 111 准的选择 . 111 确定定位夹紧方案 . 111 位元件的选择及设计 . 122 位误差的计算与分析 . 145 小定位误差的措施 . 156 算切削力及实际所需的夹紧力 . 156 计夹紧机构并验算机构所能产生的夹紧力 . 177 要元件的设计与 模 . 18 刀元件及夹具 体 . 19 第 3 章 夹具图的绘制 . 21 毕业设计说明书 序图 . 211 具体零件图 . 211 具装配总图 . 211 注总图上的尺寸、公差与配合和技术条件 . 211 注尺寸、公差与配合 . 211 订技术条件 . 222 维装配图 模 . 222 第 4 章 夹具工作精度分析 . 255 宽尺寸 . 255 置尺寸 62 . 255 称度允差 . 255 直度允差 . 255 结束语 .谢 .考文献 . 278 毕业设计说明书 1 1 绪论 夹具是机械制造厂里的一种工艺装备，机床夹具就是机床上用以装夹工件的一种装置，它使得工件相对于刀具或机床活动正确的位置，并在加工过程中不因外力的影响而变动。广义的说夹具一种保证加工质量并能加速工艺过程的一种工艺装备，而在机械制造领 域中，机床夹具作为机床的一种辅助设备，用以对工件的定位和夹紧，其数量和种类很多，显得相当重要。 机械制造离不开金属切削机床，对于切削机床，机床夹具是保证机械加工质量、提高生产效率、降低生产成本、减轻劳动强度、降低对工人技术的过高要求、实现生产过程自动化不可或缺的重要工艺装备之一。虽然各种数控机床和加工中心等，高度智能化的加工设备已经在我国各个生产单位已被广泛使用，但是，在大部分情况下都还以普通专用机床为主要生产设备。因此，根据我国机械行业规模化流水生产线生产的现状，设计一款专用铣床夹具来满足生产纲领高效、大 批量的要求，是对机械设计从业人员的基本要求。我们必须掌握对铣床夹具的设计方法和设计思路，将其应用到实际生产中，从中不断提高自己对所学理论知识的认识与运用能力 。此次设计不仅可对整个大学专业课所学知识加以巩固和弥补，更能锻炼自身的自学能力，对于以后个人发展大有裨益。 二、机床夹具的现状及发展 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 34 年就要更新 5080%左右专用夹具，而 夹具的实际磨损量仅为 1020%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 （ 新加工技术的应用，对机床夹具提出了如下新的要求： 缩短生产准备周期，降低生产成本； 似性特征的工件； 毕业设计说明书 2 轻劳动强度和提高 生产率 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。 机床夹具的标准化与通用化是相互联系的两个方面。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。 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；用于精密车削的高精度三爪自定心卡盘，其定心精度为 5m 。 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 。 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。 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 【 2】 。 本 次设计 主要介绍 了铣床夹具的的一般 设计思想 和方法。 所给零件为一矩形工件，有形状和位置公差的要求，所以对夹具的精度有较高的要求。并且夹具的设计要符合铣床夹具的特性。明确设计的要求和意图；然后 对原始资料 (零件图、技术要求等 )进行分析 ， 然后提出具体的 定位、 夹紧 、对刀方案，并进行精度分析；最后绘制出 夹具的 零件图及装备图，运用 三维软件对整个夹具进行建模和装配 ,完成设计论文的撰写。 毕业设计说明书 3 第 1 章 夹具设计的概论 床夹具的概述 机床夹具概述 机床夹具是在机械制造过程中，用来固定加工对象，使之占有正确的位置，以 接受加工或检测并保证加工要求的机床附加装置，简称为夹具。 在机床上加工工件的时候，必须用夹具装好夹牢所要加工工件。 工件在机床上加工时，为保证加工精度和提高生产率，必须使工件在机床上相对刀具占有正确的位置， 这一过程称为定位。将工件夹紧，就是对工件施加作用力，使之在已经定好的位置上将工件可靠地夹紧，这一过程称为夹紧。从定位到夹紧的全过程，称为装夹。机床夹具的主要功能就是完成工件的装夹工作。工件的装夹方法有找正装夹法和夹具装夹法两种。 床夹具的种类 机床夹具按其适用范围可分为通用夹具、专业夹具、组合 夹具、可调夹具及随行夹具五种基本类型。如按所使用的机床来分类，则机床夹具可分为车床夹具、铣床夹具、躺床夹具、钻床夹具、磨床夹具、自动机床夹具及数控机床夹具等。 通用夹具是指已经标准化的、可用于加工一定范围内的不同工件的夹具，如三爪卡盘、平口虎钳、万能分度头等。这些夹具已作为机床附件由专门工厂制造供应。 专业夹具是指专为某一工件的某道工序而设计制造的夹具。专业夹具在批量生产中使用，这也是本次夹具设计的主要研究对象。 床夹具的组成 用于确定工件在夹具中的正确位置， 定位支承 元件的定位精度直接影响工件加工的精度。定位元件有支承钉，支承板等。 用于夹紧工件，保持工件定位后的位置在加工过程中不变。 夹具体是机床夹具的基础件，通过它将夹具的所有元件连接成一个整体，并通过它将整个夹具安装在机床上。 各种夹具还应根据需要设置一些其它装置或元件，有分度装置，导向或对刀元件，夹具与机床之间的连接元件等。如铣削加工一般多采用定距切削，为便于调整刀具相对于工件被加工表面的位置，夹具上常设置对刀装置，其中对刀装置包括对刀块和塞尺。 毕业设计说明书 4 铣床夹具的分类 铣床夹具主要用于加工零件上的平面、凹槽、花键及各种成型面等，是最常见的夹具之一。按铣削的进给方式，可将铣床夹具分为直线进给式、圆周进给式和靠模进给式三类。其中，直线进给式夹具用得最多。 另外， 铣床夹具按使用范围可分为通用铣夹具、专用铣夹具和组合铣夹具三类；还可按自动化程度和夹紧动力源的不同以及装夹工件数量的多少等进行分类。 削专用夹具的设计要点 夹具体与地面之间应具有两个定位键。 正确选用对刀装置，对刀装置应在使用塞尺方便和易于观察的位置，并应在铣刀开始切入工件的一端。 具应有足够的刚性和强度，夹具的重心应尽量低。 证必需的夹紧力，并有良好的自锁性能。 件与主要定位元件的定位表面接触刚度要大。当从侧面压紧工件时，压板在侧面的着力点应低于工件侧面支承点。 要时应开排泄孔 【 2】 床夹具的安装 夹具在铣床工作台上的定位 ,由装在夹具体底部的两个定位键实现 。铣床夹具在铣床工作台上的安装位置，直接影响被加工表面的位置精度，因而在设计时必须考虑其安装方法，一般是在夹具底座下面装两个定位键。定位键的结构尺寸已标准化，应按铣床工作台的 T 形槽尺寸选定，它和夹具底座以及工作台 T 形槽的配合为 H7/H8/定位键的距离应力求最大，以利提高安装精度。 定位键安装在夹具体底面的纵向槽中 ,一个夹具一般要配置两个定位键 。 铣床夹具底座定位键与铣床工作台 再用 T 形螺栓和垫圈、螺母将夹具体紧固在工作台上，所以在夹具体上还需要提 供两个穿 果夹具宽度较大时，可在同侧设置两个耳座，两耳座的距离要和铣床工作台两个 毕业设计说明书 5 图 床 T 行槽导轨 件的定位与误差分析 件定位的基本原理 工件的定位实质就是要使工件在夹具中有某个确定的位置。这一位置可以通过定位支承限制相应的自由度来获得。 六点定位原理：如果要使一个自由刚体在空间有一个确定的位置，就必须设置相应的六个约束以限制六个运动自由度。如果工件的六个自由 度都加以限制了，工件在空间的位置也就完全被确定下来了。因此定位实质上就是限制自由度。 关于六点定位原则的几个主要问题： 位支承点是通过具体的定位元件体现的，即支承点不一定用点或销的顶端，而常用面或线来代替。两个点决定一条直线，三个点决定一个平面，即一条直线可以代替两个支承点，一个平面可代替三个支承点。在具体应用时，还可用窄长的平面代替直线，用较小的平面来替代点。 起到限制自由度的作用。 考虑力的影响。工件的 某一自由度被限制是指工件在某个坐标方向有了确定位置，并不是指工件在受到使其脱离定位支承点的外力时不能运动。使工件在外力作用下不能运动，要靠夹紧装置来完成。 位方法与定位元件 定位方法和定位元件的选择，主要决定于工件的加工要求、工件的定位基准和外力的作用情况等。定位方法有平面定位，圆柱孔定位，圆柱面定位，特殊表面定位，组合表面定位等。据定位方法及各定位元件的特点合理选择定位元件 (1) 限位基面应有足够的精度。足够的精度才能保证工件的定位精度。 毕业设计说明书 6 (2) 限位基 面应有较好的耐磨性。由于定位元件的工作表面经常与工件接触和磨擦，为此定位元件限位表面的耐磨性要好，以保证夹具的寿命和精度。 (3) 支承元件应有足够的强度和刚度。定位元件在加工过程中受工件重力、夹紧力和切削力的作用，因此要求定位元件应有足够的刚度和强度。 (4) 应有较好的工艺性。定位元件应简单、合理，便于制造、装配和更换。 (5) 定位元件应便于清除切屑。定位元件的结构和工作表面形状应有利于清除切屑，以防切屑嵌入夹具内影响加工和定位精度。 定位元件选用时，应按工件定位基准面和定位 元件的结构特点进行选择。 用平头支承钉，以基准面粗糙不平或毛坯面定位时，选用圆头支承钉，侧面定位时，可选用网状支承钉。 面度精度较高的基准平面定位时，选用支承板，用于侧面定位时，可选用不带斜槽的支承板，尽可能用带斜槽的支承板，以利清除切屑。 用自位支承作定位元件。 定性和可靠性时，可选用辅助定位元件，辅助支承不限制自由度，且每次加工均需重新调整支承点高度，支承位置应选在有利工件承受夹紧力和切削力的地方。常见的支承板和支承钉如下图 图 承钉 图 承板 毕业设计说明书 7 件的误差分析 由于一批工件逐个在夹具中定位时，各个工件所占据的位置不完全一致，即出现工件位置定得“准与不准”的问题。如果工件在夹具中所占据的位置不准确，加工后各工件的尺寸必然有误差。这种由工件定位引起的误差即定位误差（ D）。 为保证精度，限定定位误差不超过工件加工公差 1/2。 【 3】 即， D (1/5 1/2)T 式中： D定位误差，单位为 T 工件的加工误差，单位为 定位误差产生的原因 工件逐个在夹具中定位时，各个工件的位置不一致的原因主要是基准不重合，而基准不重合又分为两种情况：一是定位基准与限位基准不重合，产生的基准位移误差 Y；二是定位基准与设计基准不重合，产生的基准不重 合误差 B。 加工尺寸的设计基准是外圆柱面的母线时，定位基准是圆柱孔的中心线，这种由设计基准与定位基准不重合所致的工序基准在加工尺寸方向上的最大位置变动量，称基准不重合误差，此时除定位基准位移误差外，还有基准不重合误差。 当定位基准与设计基准不重合时产生基准不重合误差。因此选择定位基准时应尽量与设计基准相重合。当被加工工件的工艺过程确定以后，各工序的工序尺寸也就随之而定，此时在工艺文件上，设计基准便转化为工序基准。 由于定位副的制造误差或定位副配合间所导致的定位 基准在加工尺寸方向上最大位置变动量，称为基准位移误差（ Y）。 如果工件内孔直径与心轴外圆直径做成完全一致，作无间隙配合，即孔的中心线与轴的中心线位置重合，则不存在因定位引起的误差。但实际上，心轴和工件内孔都有制造误差。基准位移误差的方向是任意的，减小定位配合间隙，即可减小基准位移误差 提高定位精度。 紧装置 工件在夹具定位之后，在机械加工过程中，工件会受到切削力、离心力、惯性力等的作用，故必须设计夹紧装置对工件夹紧，它对工件加工有较大影响。 紧装置的组成 夹紧装置的组 成由以下三部分组成： 毕业设计说明书 8 产生夹紧作用力的装置。分手动和机动夹紧两种，为了改善劳动条件和提高生产率，目前在大批量生产中均采用机动夹紧。机动夹紧的力源来自气动、液压、气液联动、电磁、真空等动力夹紧装置。 介于动力源和夹紧元件之间传递动力的机构。作用是，改变作用力的方向、大小；具有一定的自锁性能，以便在夹紧力一旦消失后，仍能保证整个夹紧系统处于可靠的夹紧状态，这一点在手动夹紧时尤为重。 它是直接与工件接触完成夹紧作用的最终执行元件。 夹紧装置的基本要求 在 夹紧工件的过程中，夹紧作用的效果会直接影响工件的加工精度、表面粗糙度以及生产效率。因此，设计夹紧装置应遵循以下原则： 能破坏工件定位时占据的正确位置。 要保证加工过程中工件不发生送的或振动，又不允许工件产生不适当的变形和表面损伤。 作方便、安全、省力。 紧力的确定 夹紧力的确定包括夹紧力的方向、作用点和大小三个要素。 夹紧力的方向与工件定位的基本配置情况，以及工件所受外力的作用方向等有关。 选择时必须遵守以下准则： （ 1）夹紧力的方向应有助于定位稳定，且主夹紧力应朝向主要定位基面。 （ 2）夹紧力的方向应有利于减小夹紧力，以减小工件的变形、减轻劳动强度。 （ 3）夹紧力的方向应是工件刚性较好的方向。 合理选择夹紧力作用点必须遵守以下准则： （ 1）夹紧力的作用点应落在定位元件的支承范围内，应尽可能使夹紧点与支承点对应，使夹紧力作用在支承上。如夹紧力作用在支承面范围之外，会使工件倾斜或移动，夹紧时将破坏工件的定位。 （ 2）夹紧力的作用点应选在工件刚性较好的部位。这对刚度较差的工件尤 其重要，如将作用点由中间的单点改成两旁的两点夹紧，可使变形大为减小，并且夹紧更加可靠。 毕业设计说明书 9 （ 3）夹紧力的作用点应尽量靠近加工表面，以防止工件产生振动和变形，提高定位的稳定性和可靠性。 夹紧力的大小，对于保证定位稳定、夹紧可靠，确定夹紧装置的结构尺寸，都有着密切的关系。 紧力大小计算 计算夹紧力时，通常将夹具和工件看成一个刚性系统。根据工件受切削力、夹紧力的作用情况，找出在加工过程中对夹紧最不利的瞬时状态，按静力平衡原理计算出理论夹紧力。最后保证夹紧可靠，再乘以安全系数作 为实际所需的夹紧力数值。即： 式中， 实际所需的夹紧力 N ； W 在一定条件下，由静力平衡计算出的理论夹紧力 N ； K 安全系数。 其中，6543210 【 2】 紧机构种类 机床夹具的夹紧装置所采用的夹紧机构可根据实际需要合理选择。常用的夹紧机构有，斜锲夹紧机构，螺旋夹紧机构，偏心夹紧机构，端面凸轮 夹紧机构，铰链夹紧机构，联动夹紧机构等。 小夹紧变形措施 加工薄壁套筒时，采用加宽卡爪，如果夹紧力较大，仍有可能发生较大的变形。因此，在精加工时，除减小夹紧力外，夹具的夹紧设计，应保证工件能产生均匀的对称变形，以便获得变形量的统计平均值，通过调整刀具适当消除部分变形量，也可以达到所要求的加工精度。 毕业设计说明书 10 第 2 章 铣削专用夹具的设计 确设计任务，了解零件加工工艺过程 悉工件零件图、本工序加工要求 其余图 工零件图 该零件为 45 钢；零件图如上图 批量生产；该工序在卧式铣床上用三面刃铣刀加工。由零件图可知，所设计的夹具应满足以下工序加工要求： 。 孔轴线的对称度 面的垂直度 悉零件加工工艺过程 面 孔 以上铣削 1、 2、 3、 4、 6 工序均在 式铣床上加工，工序 5 在 毕业设计说明书 11 定定位方案 准的选择 图 件坐标系 根据工件的加工要求，该工序必须限制工件的五个自由度。建立坐标系如图 保证槽底面至工件 B 面的垂直度，应选 B 面为定位基面，限制 z、x ；为保证工序尺寸 ，须限制 z 、 y ，所以选取 A 面为定位基面；为保证槽两侧面对 孔轴线的对称度要求，还必须在加工时限制自由度 x 。另外，为了方便控制刀具的走刀位置，还需要限制 y 。 综上所述，工件的六个自由度均被限制，为使定位基准与设计基准重合，选取的定位基准是 B 面、 孔和 A 面。 确定定位夹紧方案 根据零件特点，按照工艺过程要求，确定工件定位夹紧方案 【 4】 ，采用机械夹紧方式对工件进行夹紧。 综上对工件定位、夹紧方案的分析，确定定位、夹紧方案。其定位夹紧图如下图 示： 毕业设计说明书 12 图 位夹紧方案图 位元件的选择及设计 由上知，工件的定位面是侧平面 B 面、底平面 A 面、 孔，据此在夹具上的定位元件选为支承板、支承钉、和菱形定位销。 定位平面 3】 第 272页设计。 标记为：支承板 5 236料： 如下图 图 位板 图 位板三维建模 钉参照 机床夹具设计手册 【 3】 第 271 页设计 标记：支承钉 8 226料： 如下图 毕业设计说明书 13 图 型支承钉 图 承钉三维建模 用于 孔定位的菱形定位销 参照 机床夹具设计手册 【 3】 第 262 页设计 菱形销（ 226 材料： 如下图 毕业设计说明书 14 图 形销三维建模 现确定定位销的极限偏差 2中223 平均尺寸，公差取相应尺寸公差的 ( 21 51 )倍，现取 41 ， 【 2】 则有： 3 足工件顺利装拆的补偿量值： a =( 2=( 2=，菱形定位销和定位孔配合的最小间隙 14 =其中， b 的值可查手册得值为 3【 3】 ） 菱形定位销圆柱部分的直径为： 公差按 取，公差值为 ： d= 位误差的计算与分析 定位误差 该尺寸由铣刀尺寸直接保证，不需考虑定位误差。 2 定位误差 平面定位时，基准位移误 毕业设计说明书 15 差忽略不计， Y 0；定位基准与设计基准重合， B 0，则 D = B + Y =0。 孔轴线的对称度 定额误差 工件以 14 孔轴线定位，定位基准与设计基准重合， B 0；但菱形定位销圆柱部分直径 合时产生的最 大间隙将直接影响对称度要求： Y = 为对称度允差的 21 ，应采取措施予以减小此项误差。 面的垂直度的定位误差 此时，定位基准与设计基准重合，B 0；平面定位时，基准位移误差为 0， Y 0，故 D = B + Y =0。 小定位误差的措施 由上知，槽两侧面对 孔轴线的对称度不满足加工要求。采取措施： 菱形定位销圆柱部分精度提高到 ，公差值为 则 此 时 菱 形 定 位 销 圆 柱 部 分 直 径 接近加工误差的 21 。 14 孔的精度提高到 ，其 公 差 值 为 此 时 孔 的 尺 寸 及 公 差为 则Y 么就要约 加工精度预留量，可满足保证对称度加工要求。 算切削力及实际所需的夹紧力 F F 用于工件上的切削力 工件在加工时的受力情况如图 示。加工时，工件受到切削合力 F 的作用，F 可分解为水平和垂直方向的切削分力 由经验公式， 通过切 毕业设计说明书 16 向铣削力 乘 以 一 个 系 数 来 得 到 。 在 对 称 铣 削 情 况 下 ，(1 ( 参照机床夹具设计手册 【 3】 表 1 参数的选取： 切向铣削力 N） 铣刀系数 69 铣削深度 每齿 进给量 铣刀直径 d=100削宽度 B=12刀齿数 z=12 修正系数 36/( （工件屈服应力 650b） 综上，计算得： 铣削力 1 6 39 6 9 。 故水平分力 279N，垂直分力 49N。 工件的主定位面是 B 面，故选择夹紧力的作用方向为水平方向作用于 B 面。当夹紧力水平作用于工件上时，所需要的理论夹紧力理F= 1279+ 3606N 由公式实F= 理计算出实际所需夹紧力。 现在计算安全系数 K 的值。 安全系数 6543210 由机床夹具设计手册表 1的取值如下： 基本安全系数 11K 刀具钝化程度 12K 切削特点 13 K 手柄位置 15 16 K 将各安全系数值代入上面公式计算得 ,K=015N,故夹紧机构满足设计要求。 要元件的设计与 模 依据机床夹具设计手册对各个元件进行设计并对其标记如下如下： 毕业设计说明书 18 1. 铰链叉座： B 2248 材料： 45 钢 2. 对位键： B 2206 材料： 45 钢 3. 压板： 30 188 材料： 45 钢 4. 浮动压块： 4 174 材料： 45 钢 5. 销 8 材料： 35 钢 6. 销 8 材料： 35 钢 7. 对刀块 242 材料： 20 钢 8. 对刀塞尺 3 244 材料： . 螺钉 685 对夹具主要元件夹紧元件建模如下图 图 链叉座 毕业设计说明书 19 图 动压块 图 板 图 杆 刀元件及夹具体 根据工件加工表面形状，对刀件可选用夹具零件及部件中的标准直角对刀块。它的直 角对刀面和工件被加工槽形相对应，其间距等于塞尺厚度，设计塞尺厚度 毕业设计说明书 20 为 3，并把对刀件安装于夹具体的竖直板上。 根据铣床 T 行槽的宽度，选用宽度 B=14差为 A 型定位键来确定夹具在机床上的位置。 【 1】 夹具体选用灰铸铁的铸造夹具体 【 7】 。其基本厚度选为 22设计出供 T 形槽用螺栓紧固夹具用得 U 形槽耳座。根据所设计的各种元件、机构、装置，设计出夹具的形状、结构。如下图 具体 图 位键 毕业设计说明