典型轴上钻孔、铣槽夹具设计夹具设计.doc

摘
要

本设计是基于典型轴零件的加工工艺规程及一些工序的专用夹具设计。典型轴零件
的主要加工表面是平面及孔系。一般来说，保证平面的加工精度要比保证孔系的加工精
度容易。因此，本设计遵循先面后孔的原则。并将孔与平面的加工明确划分成粗加工和
精加工阶段以保证孔系加工精度。基准选择以典型轴的输入轴和输出轴的支承孔作为粗
基准，以顶面与两个工艺孔作为精基准。主要加工工序安排是先以支承孔系定位加工出
顶平面，再以顶平面与支承孔系定位加工出工艺孔。在后续工序中除个别工序外均用顶
平面和工艺孔定位加工其他孔系与平面。支承孔系的加工采用的是坐标法镗孔。整个加
工过程均选用组合机床。夹具选用专用夹具，夹紧方式多选用气动夹紧，夹紧可靠，机
构可以不必自锁，因此生产效率较高，适用于大批量、流水线上加工，能够满足设计要
求。

关键词：典型轴类零件；工艺；夹具；

Abstract

This design is the special fixture for machining process of forked plectrum parts and
process design based on. The main processing surface fork parts of the plane and a series of
hole. In general, ensure the machining accuracy of plane than to ensure machining accuracy
hole easily. Therefore, the design follows the surface after the first hole of the principle. And
the hole and the plane processing clearly divided into roughing and finishing stages of
processing to ensure the accuracy of the hole. The supporting hole of the input shaft and the
output shaft of the benchmark by a shifting fork as a rough benchmark, the top two holes as a
precision technology base. Main processing process arrangement is to support hole
positioning processing the top plane, and then the top plane and the series of supporting hole
location hole processing technology. In addition to the follow-up processes individual
processes are used in the top plane positioning technology and other processing Kong and
plane. The supporting hole processing system using the method of coordinate boring. The
whole process selection of combined machine tool. The special fixture fixture, clamping
means more choice of pneumatic clamping, clamping reliable, agencies can not self-locking,
therefore the production efficiency is higher, suitable for high-volume, line processing, can
meet the design requirements.

Key
Words: A typical shaft parts; technology; fixture;

III

目
录

摘
要........................................................................................................................................II

Abstract.....................................................................................................................................III
目 录...................................................................................................................................... IV
第 1 章 绪论.............................................................................................................................. 1
1.1 夹具概述.......................................................................................................................1
1.2 机床夹具的功能...........................................................................................................1
1.3 机床夹具的发展趋势...................................................................................................2
1.3.1 机床夹具的现状.............................................................................................. 2
1.3.2 现代机床夹具的发展方向.............................................................................. 3
第 2 章 零件的工艺性分析...................................................................................................... 5
2.1 零件的作用...................................................................................................................5
2.2 零件的工艺分析...........................................................................................................5
第 3 章 工艺规程设计.............................................................................................................. 6
3.1 确定毛坯的制造形成...................................................................................................6
3.2 基准的选择...................................................................................................................6
3.3 制定工艺路线...............................................................................................................6
第 4 章 钻Æ10 孔钻床专用夹具设计......................................................................................8
4.1 问题的提出..................................................................................................................8
4.2 夹具设计......................................................................................................................8
4.2.1 定位基准的选定...............................................................................................8
4.2.2 夹紧力分析.......................................................................................................8
4.2.3 定位误差的分析...............................................................................................9
4.3 夹具设计及操作..........................................................................................................9
第 4 章 铣槽 28H11 槽夹具专用夹具设计............................................................................11

IV

4.1
4.2
4.3
问题的提出................................................................................................................11
夹具设计....................................................................................................................11
4.2.1 定位基准的选定.............................................................................................11
4.2.2 夹紧力分析.....................................................................................................11
4.2.3 定位误差的分析.............................................................................................12
夹具设计及操作........................................................................................................12

结
参
致
论.........................................................................................................................................14
考 文 献.............................................................................................................................15
谢.........................................................................................................................................16

V

第
1 章
绪论

1.1 夹具概述

夹具是一种装夹工件的工艺装备，它广泛地应用于机械制造过程的切削加工、热处
理、装配、焊接和检测等工艺过程中。

在金属切削机床上使用的夹具统称为机床夹具。在现代生产中，机床夹具是一种不
可缺少的工艺装备，它直接影响着加工的精度、劳动生产率和产品的制造成本等，帮机
床夹具设计在企业的产品设计和制造以及生产技术准备中占有极其重要的地位。机床夹
具设计是一项重要的技术工作。

“工欲善其事，必先利其器。”

工具是人类文明进步的标志。自 20 世纪末期以来，现代制造技术与机械制造工艺
自动化都有了长足的发展。但工具（含夹具、刀具、量具与辅具等）在不断的革新中，
其功能仍然十分显著。机床夹具对零件加工的质量、生产率和产品成本都有着直接的影
响。因此，无论在传统制造还是现代制造系统中，夹具都是重要的工艺装备。

1.2 机床夹具的功能

在机床上用夹具装夹工件时，其主要功能是使工件定位和夹紧。

1．机床夹具的主要功能

机床夹具的主要功能是装工件，使工件在夹具中定位和夹紧。

（1）定位
确定工件在夹具中占有正确位置的过程。定位是通过工件定位基准面

1

与夹具定位元件面接触或配合实现的。正确的定位可以保证工件加工的尺寸和位置精度
要求。

（2）夹紧
工件定位后将其固定，使其在加工过程中保持定位位置不变的操作。

由于工件在加工时，受到各种力的作用，若不将工件固定，则工件会松动、脱落。因此，
夹紧为工件提供了安全、可靠的加工条件。

2．机床夹具的特殊功能

机床夹具的特殊功能主要是对刀和导向。

（1）对刀
调整刀具切削刃相对工件或夹具的正确位置。如铣床夹具中的对刀块，

它能迅速地确定铣刀相对于夹具的正确位置。

（2）导向
如钻床夹具中的钻模板的钻套，能迅速地确定钻头的位置，并引导其

进行钻削。导向元件制成模板形式，故钻床夹具常称为钻模。镗床夹具（镗模）也具有
导向功能。

1.3 机床夹具的发展趋势

随着科学技术的巨大进步及社会生产力的迅速提高，夹具已从一种辅助工具发
展成为门类齐全的工艺装备。

1.3.1 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作品种已占工件种类
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，以适应市场激烈
的竞争。然而，一般企业仍习惯于大量采用传统的专用夹具。另一方面，在多品种生产
的企业中，约 4 年就要更新 80%左右的专用夹具，而夹具的实际磨损量仅为 15%左右。

2

特别是近年来，数控机床（NC）、加工中心（MC）、成组技术（GT）、柔性制造系统（FMS）
等新技术的应用，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）适用于精密加工的高精度机床夹具。

4）适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具。

5）采用液压或气压夹紧的高效夹紧装置，以进一步提高劳动生产率。

6）提高机床夹具的标准化程度。

1.3.2 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精密化、高效化、柔性化、标准化四个方面。

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
精度三爪卡盘，其定心精度为 5μm；精密心轴的同轴度公差可控制在 1μm 内；又如用
于轴承套圈磨削的电磁无心夹具，工件的圆度公差可达 0.2～0.5μm。

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、具有夹紧动力装
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
使用的高速三爪自定心卡盘，可保证卡爪在（试验）转速为 2600r/min 的条件下仍能牢

3

固地夹紧工件，从而使切削速度大幅度提高。

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、拼装、组合等
方式，以适应可变因素的能力。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、
拼装夹具、数控机床夹具等。在较长时间内，夹具的柔性化将是夹具发展的主要方向。

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。在制订典型夹具结构的基础
上，首先进行夹具元件和部件的通用化，建立类型尺寸系列或变型，以减少功能用途相
近的夹具元件和部件的型式，屏除一些功能低劣的结构。通用化方法包括夹具、部件、
元件、毛坏和材料的通用化。夹具的标准化阶段是通用化的深入，主要是确立夹具零件
或部件的尺寸系列，为夹具工作图的审查创造良好的条件。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。

第 2
章
零件的工艺性分析

2.1 零件的作用

题目给定的零件是典型轴（见附图 1），可以进行回转运动，传递扭矩。

4

2.2 零件的工艺分析

分析零件图可知，该典型轴形状、结构比较简单，通过毛坯可得到基本形状，减少了
工序加工，又节约了材料。除了典型轴上表面外，其余加工表面精度低，不需要高度机
床加工，可通过铣削、钻床等车床的粗加工就可以达到要求；而主要工作表面----典型
轴上表面加工精度虽然较高，但也可以在正常的生产条件下，采用经济的方法保质保量
的加工出来。由此可见，该零件工艺性较好。
共有三组加工表面
（1） 零件两端面，可以后端面加工精度高，可以先以后端面为粗基准加工右端面，
再以前端面为精基准加工左端面；
(2） 以中心线为基准的加工面：
（3) 以工件右端面为基准的的槽、上顶面的孔。
经上述分析可知， 对于后两组加工表面，可先加工其中一组表面，然后借助于专用
夹具加工另一组表面。

5

第
3 章
工艺规程设计

3.1 确定毛坯的制造形成

（1）选择毛坯
零件材料为 45，灰零件的形状简单，因此毛坯形状需要与零件形状尽量接近，又因内
花键较小，因此不可直接铸出。
（2)确定毛坯尺寸公差和机械加工余量
1.公差等级
由典型轴的功能和技术要求，确定该零件的公差等级为 IT10
2.零件表面粗糙度
由零件图可知，该典型轴各加工表面粗糙度 Ra 均大于等于 1.6um
3.机械加工余量

3.2 基准的选择

基准的选择是工艺规程设计中的重要工作之一，基准的选择的正确与合理，可
以使加工质量得到保证，生产率得到提高，否则，加工工艺过程中将会出现很多问题，
使生产无法进行。
（1）粗基准的选择 因为要保证花间道中心线垂直于右端面，所以Φ40 的外圆表面
为粗基准。
（2）精基准的选择 为保证定位基准和工序基准重合，加工 2—M8、Φ5 锥孔、18H11
槽以零件的左端面和花键的中心线为精基准，铣上顶面以花键中心线为精基准。
3.3 制定工艺路线

制定工艺路线的出发点，应当是使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求
能得到合理的保证。在生产纲领已确定为中批生产的条件下，可以考虑采用通用机床配
以专用夹具，并尽量使工序集中来提高生产率。除此以外好应当考虑经济效果，以便使
生产成本尽量下降。

6

1、
工艺路线方案一

工序 10：粗、精车外圆Φ40；
工序 20：粗、精车台阶Φ30；
工序 30：倒角 1X 45°；
工序 40：粗、精铣 2 侧面；
工序 60：钻铰孔中心孔通孔Φ20H7 孔；
工序 50：粗、精铣 28 槽；
工序 70：钻φ10 孔；
工序 80：去毛刺，清洗；
工序 90：终检。

2、
工艺路线方案二

工序 10：粗、精铣 2 侧面；
工序 20：粗、精车外圆Φ40；
工序 30：粗、精车台阶Φ30；
工序 40：倒角 1X 45°；
工序 50：钻铰孔中心孔通孔Φ20H7 孔；
工序 60：粗、精铣 28 槽；
工序 70：钻φ10 孔；
工序 80：去毛刺，清洗；
工序 90：终检。
3、 两套工艺方案的比较与分析
上述两个工艺方案的特点在于：方案一把放在粗、精铣 28 槽之后，这样后面的工序
50、工序 60、工序 70 很难对工件进行定位和夹紧。造成生产率的下降。而工艺路线二
把Φ20 钻削出来并倒角后紧接着就。这样后面的工序就很容易对工件进行定位和夹紧，
即进行定位、进行螺旋夹紧。此方案定位精度高，专用夹具结构简单、可靠。
通过以上两种工艺路线的优缺点分析。最后确定工艺路线二为该零件的加工路线.

7

第
4
章
钻Æ10 孔钻床专用夹具设计

为了提高劳动生产率，保证加工质量，降低劳动强度，需要设计专用夹具。经分析
决定设计第七道工序钻攻 2-M8 螺纹孔钻床专用夹具。
4.1 问题的提出

本夹具主要用于钻Æ10 孔，以保证进度要求。因此，在本工序加工时，主要考虑如
何提高生产率，降低劳动强度，提高加工质量。
4.2 夹具设计

4.2.1
定位基准的选定

工件以Æ20 孔及端面和侧面为定位基准。
4.2.2 夹紧力分析

2M l h
F = ，因为在完成本工序时，钻Æ7 孔所需的切削余量和切削速度最快，
Z y Z y
F = C d f K ； M = C d f K
Z y 1.0 0.8
则， F = C d f K = 420´ 7 ´ 0.36 ´ 0.94 = 1220N
Z y 2.0 0.8
1、夹紧力方向的确定
由 V 型块机构夹紧工件，所以可以判定工件的受力方向是水平方向。
2、夹紧力作用点的选择
夹紧力的作用点应该在端面上，这样可以保证工件不会产生较大的变形。
3、夹紧力大小的确定
由《 指 导手 册 》表 10-1 常见 的 夹紧 方 式所 需 夹紧 力 ，可 以 得出 其 夹紧 力
d2l tan(a + j)
所用的力也最大，所以夹紧力满足钻孔时所需要的力，剩余的其他加工时的夹紧也必定
满足要求。
钻孔加工切削力：
由《切削用 量简明手册 》表 2-32 钻 孔时轴向力 、扭矩及 功率的计算 公式：
F 0 r c M 0 r
其中，CF=420；zF=1.0；yF=0.8；CM=0.206；zM=2.0；yM=0.8；Kr=0.94;
F 0 r
M c = CM d0 f K r = 0.206 ´ 7 ´ 0.36 ´ 0.94 = 4.19N × mm
钻孔加工夹紧力：

8

查《机械设计手册》表 1-7，传动效率h = 0.96 ；
由普通螺纹基本尺寸表（GB/T 196-2003）查得螺纹中径d
2
= 10.863mm ；

f 0.12
由《机械设计》查得，螺纹升角a = arctan
螺纹摩擦角
nP
pd2
= arctan
1´ 1.75
3.14 ´10.863
= 2.94° ；

j = arctan
2M
cos b
l h
= arctan
cos 30°
= 7.89°

则夹紧力 FJ
=
d
2
c 1
l tan(a + j)
=
2´ 4.19 ´ 55´ 0.96
10.863´ 40 ´ tan( 2.94° + 7.89°)
= 6.22N

4.2.3
定位误差的分析

本夹具采用分度结构，用于在立式钻床上加工典型轴的 2-M8 螺纹孔。工件以Æ22H12
孔及端面和侧面为定位基准，在带台肩长销和挡销上实现完全定位。
1.平面定位误差
2.间隙引起的定位误差
4.3 夹具设计及操作

由于本夹具需要钻孔，在竖直方向受到很大的冲击力，在其相应的方向上应适当的
考虑强度的要求，使之方便的操作和快速的切换工件。
目前可以采用的措施有：一是提高毛坯的精度，使最大切削深度减低，以减小切削
力；二是选择精度高的心轴，使其定位准确。
为使其工作进行时，工作紧凑和保证加工要求。夹具体上装有快换钻套，使夹具在
一批零件之间能加工不同要求的零件，同时在夹具体上装有一块可转动的快速螺旋压板
机构用以压紧工件，这样有利于工件的拆装。
由于本工序需要在加工孔，因此，为了提高工作效率，本夹具上装有一个可转动的
摆台，工件安装夹紧在摆台上。当摆台旋转到位后，可拉紧手柄，使摆台夹紧并开始加
工。加工完成后，松开手柄，并使摆台摆到下一工位，拉紧手柄即可加工。

9

10

第 4
章
铣槽 28H11 槽夹具专用夹具设计

为了提高劳动生产率，保证加工质量，降低劳动强度，需要设计专用夹具。经分析
决定设计铣槽专用夹具。
4.1 问题的提出
本夹具主要用于铣槽，以保证进度要求。因此，在本工序加工时，主要考虑如何提
高生产率，降低劳动强度，提高加工质量。
4.2 夹具设计
4.2.1 定位基准的选定

由零件图可知，其设计基准为中心孔和工件的右加工表面（A）为定位基准。
4.2.2 夹紧力分析

2M l h
F = ，因为在完成本工序时，钻Æ7 孔所需的切削余量和切削速度最快，
Z y Z y
F = C d f K ； M = C d f K
Z y 1.0 0.8
则， F = C d f K = 420´ 7 ´ 0.36 ´ 0.94 = 1220N
Z y 2.0 0.8
1、夹紧力方向的确定
由快速螺旋压板机构夹紧工件，所以可以判定工件的受力方向是水平方向。
2、夹紧力作用点的选择
夹紧力的作用点应该在端面上，这样可以保证工件不会产生较大的变形。
4、夹紧力大小的确定
由《 指 导手 册 》表 10-1 常见 的 夹紧 方 式所 需 夹紧 力 ，可 以 得出 其 夹紧 力
d2l tan(a + j)
所用的力也最大，所以夹紧力满足钻孔时所需要的力，剩余的其他加工时的夹紧也必定
满足要求。
加工切削力：
由《切削用 量简明手册 》表 2-32 钻 孔时轴向力 、扭矩及 功率的计算 公式：
F 0 r c M 0 r
其中，CF=420；zF=1.0；yF=0.8；CM=0.206；zM=2.0；yM=0.8；Kr=0.94;
F 0 r
M c = CM d0 f K r = 0.206 ´ 7 ´ 0.36 ´ 0.94 = 4.19N × mm
钻孔加工夹紧力：
查《机械设计手册》表 1-7，传动效率h = 0.96 ；
由普通螺纹基本尺寸表（GB/T 196-2003）查得螺纹中径d2 = 10.863mm ；

11

f 0.12
由《机械设计》查得，螺纹升角a = arctan
螺纹摩擦角
nP
pd2
= arctan
1´ 1.75
3.14 ´10.863
= 2.94° ；

j = arctan
2M
cos b
l h
= arctan
cos 30°
= 7.89°

则夹紧力 FJ
=
d
2
c 1
l tan(a + j)
=
2´ 4.19 ´ 55´ 0.96
10.863´ 40 ´ tan( 2.94° + 7.89°)
= 6.22N

4.2.3
定位误差的分析

由于槽的轴向尺寸的设计基准与定位基准重合，故轴向尺寸无基准不重合度误差。
径向尺寸无极限偏差、形状和位置公差，故径向尺寸无基准不重合度误差。即不必考虑
定位误差，只需保证夹具的花键心轴的制造精度和安装精度。
4.3 夹具设计及操作
如前所述,在设计夹具时,应该注意提高劳动率.为此,在螺母夹紧时采用开口垫圈,
以便装卸,夹具体底面上的一对定位键可使整个夹具在机床工作台上有正确的安装位置,
以利于铣削加工。结果，本夹具总体的感觉还比较紧凑。
夹具上装有对刀块装置，可使夹具在一批零件的加工之前很好的对刀（与塞尺配
合使用）；同时，夹具体底面上的一对定位键可使整个夹具在机床工作台上有一正确的
安装位置，以有利于铣削加工。

12

13

结
论

通过本次的毕业设计，使我能够对书本的知识做进一步的了解与学习，对
资料的查询与合理的应用做了更深入的了解，本次进行工件的工艺路线分析、工
艺卡的制定、工艺过程的分析，对我们在大学期间所学的课程进行了实际的应用
与综合的学习提高了我了思考问题，解决问题的能力以及创新设计的能力，为以
后的设计工作打下了坚实的基础。
由于能力有限，设计中还有很多不足之处，恳请老师批评指导

14

参
考
文
献

[1]
李
洪．机械加工工艺手册[M]
．北京出版社，2006．1．

[2]
陈宏钧．实用金属切削手册[M]
．机械工业出版社，2005．1．

[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
上海市金属切削技术协会．金属切削手册[M]．上海科学技术出版社，2002．
杨叔子．机械加工工艺师手册[M]．机械工业出版社，2000．
徐鸿本．机床夹具设计手册[M] ．辽宁科学技术出版社，2003．10．
都克勤．机床夹具结构图册[M] ．贵州人民出版社，2003．4
胡建新．机床夹具[M] ．中国劳动社会保障出版社，2001．5．
冯 道．机械零件切削加工工艺与技术标准实用手册[M] ．安徽文化音像出版社，

2003．
[9] 王先逵．机械制造工艺学[M]．机械工业出版社，2000．
[10] 马贤智．机械加工余量与公差手册[M]．中国标准出版社，1994．12．
[11] 刘文剑．夹具工程师手册[M]．黑龙江科学技术出版社，2007
[12] 王光斗．机床夹具设计手册[M]．上海科学技术出版社，2002．8．

15

致
谢

在毕业设计即将结束之际我向所有帮助过我的老师和同学说一声，谢谢！我想没有
他们的帮助，毕业设计就会做得很困难。
这次毕业设计是在老师悉心指导下完成的。XX 老师以其渊博的学识、严谨的治学
风范、高度的责任感使我受益非浅。在做设计的过程中也遇到了不少的问题，XX 老师
给了我许多关怀和帮助，并且随时询问我毕业设计的进展情况、细心的指导我们，也经
常打电话或者发电子邮件过来指导我的设计。
在论文工作中，得到了机电学院有关领导和老师的帮助与支持，在此表示衷心的感
谢。
最后，在即将完成毕业设计之时，我再次感谢对我指导、关心和帮助过老师、领导
及同学。谢谢了！

16目 录
第一章 总 论 1
1.1项目概况 1
1.2研究依据及范围 2
1.3结论 3
1.4建议 4
第二章 项目建设的背景和必要性 5
2.1项目建设的背景 6
2.2项目建设的必要性 7
第三章 项目服务需求分析 9
第四章 项目选址与建设条件 11
4.1选址原则 11
4.2项目选址 11
4.3建设条件 12
第五章 建设方案与设计 12
5.1建设规模与内容 12
5.2总体规划设计 13
5.3结构方案 18
5.4主要配套设备 19
5.5给水工程 20
5.6排水工程 22