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1、洛阳理工学院 前言机械制造装备设计课程设计是机械设计中的一个重要的实践性教学环节，也是机械设计制造及其自动化专业学生应该学习的一门主要专业课。其目的在于： (1) 学习和掌握一般机械设计的基本方法和步骤。培养独立设计能力，为以后续的专业课程及毕业设计打好基础，做好准备。(2) 为了开阔视野，掌握制造技术最新发展，开阔专业视野，培养复合型人才，促进先进制造技术在我国的研究和应用，“先进制造技术”以作为许多学校的必修课程。为了提高学生综合运用机械设计基础及其他先修课程的理论知识和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力，通过课程设计训练可以巩固、加深有关机械设计方面的理论知识。(3) 使学生具有
2、运用标准、规范手册、图册和查询有关设计资料的能力。 零件在工艺规程之后，就要按工艺规程顺序进行加工。在加工中除了需要机床、刀具、量具之外，成批生产时还要用机床夹具。它们是机床和工件之间的连接装置，使工件相对于机床获得正确的位置。机床夹具的好坏将直接影响工件加工表面的位置精度。通常把确定工件在机床上或夹具中占有正确位置的过程，称为定位。当工件定位后，为了避免在加工中受到切削力、重力等的作用而使工件的既有位置遭到破坏，还应该用一定的机构或装置将工件加以固定。使工件在加工过程中保持定位位置不变的操作，称为夹紧。将工件定位、夹紧的过程称为装夹。工件装夹是否正确、迅速、方便和可靠，将直接影响工件的加工质
3、量、生产效率、制造成本和操作安全。在成批、大量生产中，工件的装夹是通过机床夹具来实现的。机床夹具在生产中应用十分广泛。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，并将其牢固地加紧，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
4、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（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
5、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/T2148T225991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
6、于精密车削的高精度三爪自定心卡盘，其定心精度为5m。(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
7、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
8、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
9、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44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，本道工序的内容是钻C向44的通孔。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 甲面图2-1 工件视图及加工精度要求，按照六点定位
10、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。(1) 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，选用一面两孔定位。方案一 用一个平面、一个短圆柱销和一个菱形销限制工件的六个自由度。方案二 用一个平面和一个浮动锥销限制工件的六个自由度
11、。但当大批量生产时，浮动锥销容易损坏且定位精度低。根据本次加工零件的形状和批量，我采用方案一，即一个大平面，此平面由凸台组成，一个短圆柱销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。图2-2 方案一：一面两销定位2.3.2. 定位精度的分析与计算 由于工件的中心距允许偏差为400.1mm，而允许误差由三部分组成，其中定位误差为其中之一，另外有对刀误差，安装误差，根据机械设计相关要求，定位误差不能超过允许误差的1/3，所以，首先分析能引起定位误差的因素：(1) 钻模板定位孔轴线到定位表面距离的公差=2
12、X 0.1mm=0.04mm(2) 定位短圆柱销销20g7与工件20H7内孔的配合，它们之间的最大间隙会引起定位误差，最大间隙为0.041mm，最小间隙为0.007。菱形销6r6与工件孔6H7之间的间隙虽然会对工件造成转动方向的影响，但是转动轴心与加工孔轴心方向一致，所以即使有误差，也不会影响工件的钻削加工精度，所以此项也可忽略不计。综上所述，工件的定位误差为0.057mm。而许用误差为400.1m，显然有：定位误差0.057 0.067 = 1/3 X 2X0.1。所以定位误差小于许用误差值，满足加工精度要求。2.3.3. 夹紧方案的设计和压紧元件的选择(1) 对工件加紧装置的要求 在加紧过
13、程中应保持工件定位时所获得的正确位置 。 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。 在切削过程中，应避免工件产生不能允许的振动。 加紧装置应操作方便、省力、安全。 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。
14、确定夹紧机构要注意以下几方面的问题： 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。 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。 夹紧机构的行程不宜过长，以提高夹具的工作效率。 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 夹紧机构夹紧机构的原理是用固定扳手拧开右边方螺母，去掉十字垫圈及其十字垫圈用垫圈，然后把工件装在轴上，定位完全后再装上十字垫圈用垫圈及十字垫圈，用方螺母拧紧。原理简单，操作简单。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
15、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A型固定钻套，如下图所示图2-7 快换钻套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
