螺旋夹紧装置的设计与制造本科论文.doc

西安电子科技大学
现代远程教育

专 科 实 习 报 告

题 目 螺旋夹紧装置的设计与制造

学生姓名 批 次
专 业 机械制造与自动化 学 号
学习中心

年 月

I

中文摘要

本课题通过对螺旋夹紧装置的设计与制造的研究；对螺旋夹紧装置的机构外形和零件及零件的尺寸的设计，材料的选择和热处理等工艺进行分析；对机床的选择与运用；对加工的零件进行工艺分析和工艺路线的制定；对数控机床的运用，数控加工路线的确定，工艺卡的制定，数控程序的编制；运用AUTOCAD、PORE 等绘制零件图、工程图。使自己对企业产品的设计和加工流程有了进一步的了解。同时，为保证零件的加工精度和生产效率，也使自己对实际加工中所使用的机床等有了更深入的认识，充分将自己所学 的理论知识和实践知识联系起来了。
综合运用机械加工工艺基础、数控加工工艺和相关课程的基本理论，并结合生产实习中学到的实践知识，独立地分析和解决产品的设计和机械加工工艺问题,完成产品在批量生产前的编程与仿真加工。

关键词： PORE； 夹具设计； 加工编程

Abstract

The subject of this spiral of clamping device design and manufacture of research; spiral of clamping device body shape and size of the parts and components in the design, material selection and heat treatment processes such as analysis; on the machine tool selection and use; on Part of the processing technology for process analysis and development of the line; on the use of numerical control machine tools, CNC machining line identification, the card technology to develop, CNC Program; the use of AUTOCAD, PORE or UG drawn parts, such as maps, engineering drawings , Assembly drawing. Self-to-business product design and processing have further understanding of the process. At the same time, to ensure the accuracy of parts of the processing and production efficiency, but also their actual processing used in machine tools, fixtures, cutting, and so have a better understanding of the full study of their theoretical knowledge and practical knowledge of the link .
Comprehensive use of technology-based machining, CNC processing technology and related courses in basic theory and practice of production combined with the practice of learned knowledge, independent analysis and resolution of product design and machining technology issues, before the completion of the product in volume production for the Process simulation and processing.

Keywords：Pore; Design; MachiningProgramme

目 录
引言...............................................................................................................................................................1
1、螺旋夹紧机构的原理及组成..................................................................................................................2
1.1螺旋夹紧装置的原理及结构............................................................................................................2
1.2螺旋夹紧装置组成及基本要求.........................................................................................................2
2、 浮动压块的设计与制造.........................................................................................................................2
2.1压块的设计及选择.............................................................................................................................2
2.2浮动压块的加工.................................................................................................................................4
3、销的设计与制造.....................................................................................................................................5
3.1销的设计............................................................................................................................................5
3.2销的制造............................................................................................................................................7
4、螺钉的设计与制造.................................................................................................................................8
7.1螺钉的设计........................................................................................................................................8
7.2螺钉的制造......................................................................................................................................10
5、螺杆的设计与加工................................................................................................................................11
5.1螺杆的设计.......................................................................................................................................11
5.2螺杆的加工.......................................................................................................................................13
6、衬套的设计与制造.................................................................................................................................15
6.1衬套的设计........................................................................................................................................15
6.2衬套的加工........................................................................................................................................16
7、 夹具体的设计与制造............................................................................................................................17
7.1夹具体的设计....................................................................................................................................17
7.2夹具体的制造....................................................................................................................................19
8、手柄和端盖的设计与制造.....................................................................................................................20
8.1手柄的设计与制造............................................................................................................................20
8.2端盖的设计........................................................................................................................................22
8.3端盖的制造........................................................................................................................................23
9、 总装........................................................................................................................................................24
10、总结........................................................................................................................................................25
致谢................................................................................................................................................................26
参考文献........................................................................................................................................................27

西安电子科技大学继续教育学院现代远程教育专科、本科生毕业论文（设计）

引 言

在现代生产和日常生活中，机器已经成为代替或减轻人类劳动、提高劳动生产率的主要手段，也是完成人类难以承担的各种复杂和危险劳动的重要工具。提高劳动生产率的主要手段，也是完成人类难以承担的各种复杂和危险劳动的重要工具。机器在现代社会中的应用随处可见，市级用机器进行生产的水平是衡量一个国家的技术水平和现代化程度的重要标志。
机械是人类生产和生活的基本工具要素之一。机械工业担负着向国民经济各部门，包括工业、农业和社会各个方面提供各种性能先进、使用安全可靠的技术装备任务。随着机械化生产规模的日益扩大，除机械制造部门外，在动力、采矿、冶金、石油、化工、轻纺、食品等许多生产部门工作的工程技术人员，都会经常接触各种类型的机械。螺旋夹紧装置是利用人力作用使螺杆上下作直线运动为原理的简单机械机构，使用起来比较方便，可用于科研、化工、工业场所。
主要涉及内容包括浮动压块、销、螺钉、螺杆、衬套、夹具、手柄和端盖的设计计算和工艺分析。设计过程综合机械设计基础的大部分内容，通过设计进一步掌握机械传动部件和简单机械装置的设计，具备运用标准、规范、手册、图册和查阅其它技术资料的能力，提高机械设计能力，为日后从事技术革新创造条件。

1 螺旋夹紧机构的原理及组成
1.1螺旋夹紧装置的原理及结构
1.1.1螺旋夹紧机构的原理
采用螺杆作中间传力元件的夹紧机构统称为螺旋夹紧机构。螺旋夹紧装置中的螺旋相当于斜砌绕在圆柱上形成的，所以螺旋夹紧机构夹紧工件是砌紧作用。
1.1.2螺旋夹紧机构的机构特点
自锁性。当夹紧力去掉后，在纯摩擦力的作用下，仍能保持夹紧的现象。而且螺纹升角ａ≤4°时，自锁性能更好，耐振。
改变夹紧力的方向。
1.2螺旋夹紧装置的组成及基本要求
1.2.1夹紧装置的组成
力源装置：产生加紧力的装置。
夹紧元件：压紧工件元件。
中间传力机构：介于力源装置和夹紧元件之间。
传力机构的作用：改变夹紧力的方向，改变夹紧力的大小，保证安全自锁。
1.2.2夹紧装置的基本要求
工件不移动原则。
工件不变形原则。
工件不振动原则。
安全、方便、省力原则。
自动化、复杂化程度与生产要求相一致。

2 浮动压块的设计和制造
2.1压块的设计及选择
2.1.1设计夹紧装置的基本准则
与夹紧力方向有关的准则：
不能破坏定位精度。夹紧力方向应尽可能的垂直主要定位面。
有利于减小夹紧力。切削力应尽量传递给夹具体。
有利于减小工件变形。夹紧力方向应是工件刚度较高的方向。
与夹紧作用点有关的准则:
保证定位稳定可靠。作用点与定位支承点，应避免构成力偶。夹紧作用点应落在定位元件支承范围内。
有利于减小变形。作用点位于工件刚性较好部位则能变集中作用力为分散作用力。
有利于减小振动。作用点尽量靠近工件加工部位。
其他准则
1.定位的夹紧力先动作，夹紧的夹紧力后动作。
2.夹紧元件只有在夹紧方向上移动，夹紧过程才不会破坏定位。
2.1.2压块结构的选择
在下图中（a）结构简单，但容易压伤工件表面，容易带动工件旋转破坏定位；(b)图中带有摆动压块，可以克服上述不足。所以我们选择摆动压块。螺旋夹紧机构由于直接用螺钉头部压紧工件，易使工件受压表面损伤，或带动工件旋转。因此常在头部装有摆动的压块。由于压块与工件间的摩擦力矩大于压块与螺钉间的摩擦力矩，压块不会随螺钉一起转动。如图2-1

图2-1几种常见的摆动压块
在生产过程有几种常见的摆动压块。图(a)常用于光面的加工，图(b)常用于毛面的加工。在下面的设计中主要以图(b)为例进行设计。如图2-2

图2-2 B型压块
通过查国标可知：槽面压块B型JB/T8009-2-1999
公称直径20MM内径(d1)16.5MM总高（H）25MM槽面外径（D）45MM槽面高度（h）12MM配置名称20
常见的螺纹种类：如表2-1
表2-1 常见的螺纹种类
类型

特征代号
用途及说明
管道螺纹
粗牙
M
最常用的一种联接螺纹，直径相同时，细牙螺纹的螺距比粗牙螺纹的螺距小
细牙

通过上表选择压块的螺纹牙形。由于浮动压块的螺纹是在薄壁上，薄壁零件易受冲击、振动和变负载荷的影响，而细牙螺纹的螺距小，升角小，自锁性能较好，强度高，所以一般选择细牙。同时，细牙螺纹有一个重要的作用就是可以作为微调机构的调整螺纹使用。
通过PORE绘制实体图如图2-3所示：

图2-3 压块实体图
通过PORE出工程图，输出到AUTOCAD进行其他操作。再通过CAD转化为图2-4。

图2-4 压块工程图
技术要求：摆动压块常用45钢，热处理要求淬火43～48HRC。
机械加工未偏差尺寸精度为IT12
未标注的倒角为1×1mm
未标注的表面粗糙度为Ra=3.2um
2.2浮动压块的加工
2.2.1零件工艺分析
摆动压块使用的材料为45钢具有良好的切削加工性能。零件图的尺寸标注完整，轮廓清楚。表面粗糙度为Ra=3.2um可以通过粗车—精车获得。下端面的表面粗糙度需要进行粗磨可以获得。加工的难点是垂直族和平面度。
浮动压块的加工工艺过程。如表2-2
表2-2 浮动压块的加工工艺过程
工序号
工序名称
工序内容
备注
1
备料
50×50 mm的棒料

2

粗车端面；车48×10 mm的圆台作为精基准
6140卧式车床
3
粗车
粗车端面；车Φ20mm和Φ40mm 的外圆留0.5mm的余量和圆角

4
钻孔
钻Φ18×21mm的孔留05mm的余量

5
镗孔
镗Φ18mm孔；倒角，镗内沟槽

6
精车
精车外轮廓

7
切断
保证总长，留0.1mm

8
铣削
铣端面，铣Φ15 mm的凹孔和沟槽

9
攻丝
攻M18 mm的细牙螺纹
丝锥
10
淬火
淬火43～48HRC
高频淬火
11
磨削
保证平面度和垂直度

12

清洗去毛刺

13
检验

3 销的设计与制造
3.1销的设计
3.1.1销的选择
常见的销的类型有圆柱销和圆锥销。与圆柱相比圆锥销由于一定的锥度有良好的自锁性能，同时圆锥销的安装和更换比较方便。一般圆锥销的锥度为1：50如图3-1

图3-1 圆锥销的锥度
圆锥销（GB/T117-2000）如表3-1
表3-1 圆锥销（GB/T117-2000）
D(公称)
0.6
0.8
1
1.2
1.5
2
2.5
3
4
5
a≈
0.08
0.1
0.12
0.16
0.2
0.25
0.3
0.4
0.5
0.63
L(商品长度范围)
4～8
5～12
6～16
6～20
8～24
10～35
10～35
12～45
14～55
18～60

D(公称)
6
8
10
12
16
20
25
30
40
50
a≈
0.8
1
1.2
1.6
2
2.5
3
4
5
6.3
L(商品长度范围)
22～90
22～120
26～160

32～180
40～200以上
45～200以上
50～200以上
55～200以上
60～200以上
65～200以上
L(系列)
2，3，4，5，6，8，10，12，14，16，18，20，22，24，26，28，30，32，35，50，55，60，70，75，80，85，90，95，100，120，140，160，180，200，……
从上面的设计和上表中我们可以知道L和D的尺寸范围。我们选择D=2㎜，L=18㎜
R1≈D
由此可知
R1=2㎜
R2≈a/2+D+(0.02L)2 /8a
由计算可知：R2≈2.1㎜
本设计中的圆锥销的材料为45钢、热处理淬火硬度28～38HRC、表面氧化处理的A型圆锥销
通过PORE绘制下面的实体图.如图3-2

图3-2 圆锥销的实体图
工程图。如图3-3

图3-3 圆锥销的工程图
技术要求：1.公称直径D的公差规定为h10,其他公差为f8
2.圆锥销有A型和B型。（本设计中使用A型）。A型为磨削，锥面表面粗糙度为Ra=0.8um，B型为切削或冷镦，锥面表面粗糙度Ra=3.2 um
3.2销的加工
3.2.1零件图工艺分析
该零件主要有圆锥面和端面的球面组成，零件图的尺寸标注完整，轮廓描述清楚；圆锥面的表面粗糙度要求比较高为Ra=0.8um。零件的材料为45钢综合性能良好，需要进行淬火硬度28～38HRC，还需要进行氧化处理。
销加工工艺卡，如表3-2
表3-2 销加工工艺卡
产品名称
零件名称
零件图号

圆锥销

工序号
工序内容
备注
1
备料45钢20×3MM的棒料

2
车削圆锥面和球面（粗车即可）
使用6140卧式车床
3
淬火硬度28～38HRC
使用高频淬火。在淬火前先进行正火或调质处理为表面淬火进行准备，淬火后进行低温回火。
4
磨削加工锥面获得Ra=0.8um的表面粗糙度
使用外圆无心磨床，采用切入磨削法
5
氧化处理

4 螺钉的设计与制造
4.1螺钉的设计
4.1.1螺钉的选择
常见的螺钉类型有六角头螺栓、开槽盘头螺钉、开槽沉头螺钉十字槽盘头螺钉、内六角圆柱头螺钉等。综合各种螺钉的特点和生产实际，内六角圆柱头螺钉具有良好的连接性能和比较好的抗切应力的能力。内六角螺钉能承受较的扳手力矩，联接的强度高，可代替六角头螺栓，用于要求结构紧凑的场合。在下面的黑色及中我们将使用内六角头圆柱螺钉。
根据GB/T3103—1982的规定，螺纹联接件的精度分为三个等级精度，其代号为A、B、C级。A级精度的公差小，精度高，用于要求配合精确、防止振动等重要零件的连接；B级用于受载较大并且经常装换、经常承受变载荷的联接；C级用于标准螺纹联接件，通常选用C级精度。考虑本设计的用途我们选择B级精度。
下面我们将根据内六角圆柱头螺钉（GB/T70.1-2000）进行螺钉的设计。如表4-1
表4-1 内六角圆柱头螺钉（GB/T70.1-2000）
螺纹规格d
M3
M4
M5
M6
M8
M10
螺距P
0．5
0．7
0．8
1
1．25
1．5
b参考
18
20
22
24
28
32
dk
max
5.50
7.00
8.50
10.00
13.00
16.00
min
5.32
6.78
8.28
9.78
12.73
15.73
da max
3.6
4.7
5.7
6.8
9.2
11.2
ds
max
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
min
2.86
3.82
4.82
5.82
7.78
9.78
e min
2.87
3.44
4.58
5.72
6.86
9.15
k
Max
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
min
2.86
3.82
4.82
5.7
7.64
9.64
s
max
2.48
3.080
4.095
5.140
6.140
8.175
min
2.52
3.020
4.202
5.020
6.020
8.025
公称
2.5
3
4
5
6
7
L的范围
5～30
6～40
8～50
10～60
12～60
16～100
4.1.2螺纹的预紧力
预紧的目的在于增强联接的可靠性和紧密性，以防止受载后被联接件之间出现缝隙和发生相对滑移。
经验证明：适当的选用较大的预紧力对螺纹联接的可靠性以及联接件的疲劳强度都有利的。但过大的预紧力会导致整个在装配时过载被拉断。
通常规定，拧紧后的 螺纹联接件的预紧力不超过其材料的屈服极限的80﹪对于钢制螺钉的预紧力F≤（0.6～0.7）σsA1
式中的σs-------螺钉材料的屈服极限
A1--------螺钉的危险截面的面积，A1≈∏d2/4
本设计中的螺栓的材料为Q235、性能等级为4.6的螺钉，查表可知：σs=235MPa安全系数S=1.5,故螺钉的许用应力[σ]= σs/S=235/1.5MPa≈156 MPa
螺钉的危险截面的直径：
d≥{4×1.3F0/∏[σ]}的 开平方根
经计算d≥2.45mm
经查表螺纹为M3的螺纹。
预紧力经计算可知：F≤996N，符合设计要求。
螺纹联接强度的计算
螺钉危险截面的拉伸应力为σ=F/（∏/4d2）≤[σ]
螺钉危险截面的扭转切应力t=0.5σ=117.5 MPa
我们将根据内六角圆柱头螺钉（GB/T70.1-2000）进行螺钉的设计。由上表来确定内六角圆柱头螺钉的具体尺寸。
通过PORE绘制下图中的实体。如图4-1

图4-1 内六角圆柱头螺钉实体图

通过PORE出工程图，转化为AUTOCAD进行处理。如图4-2

图4-2 内六角圆柱头螺钉工程图
技术要求：螺钉的精度等级为B级。
螺钉的材料是Q235、性能等级为4.6的螺钉，安全系数1.5
采用冷镦螺栓头部和滚压螺纹的工艺
4.2内六角圆柱头螺钉的制造
目前市场上加工内六角圆柱头螺钉常用的方法是，采用冷镦螺栓头部和滚压螺纹的工艺，可以显著的提高螺钉的疲劳强度。这是因为除可以 降低应力集中外，冷镦和滚压工艺不切断材料纤维，而且冷镦有冷作硬化的效果，并使表层留有残余应力。因而滚压螺纹的疲劳强度可较切削螺纹的疲劳强度提高30﹪～40﹪。如果热处理后在滚压螺纹，其疲劳强度可提高70﹪～100﹪。这种工艺有材料的利用率高，生产效率高制造成本低的优点。此外在工艺上在加上氮化、喷丸等处理从而进一步提高螺纹的联接疲劳强
5 螺杆的设计与加工
5.1螺杆的设计
5.1.1螺杆设计原理分析
本设计中机械装置设计的重点是利用螺旋传动实现螺杆的上升、下降。因此，螺杆设计是本设计机械部分的核心。要求齿轮啮合传动安全、可靠、效率高，螺杆与螺母的传动能够自锁，有安全保障。螺杆由４５号钢调质处理，再对其进行淬火处理，使螺杆的强度与硬度提高。由于螺杆在本设计中的重要作用，决定了螺杆的寿命是本设计成败的重要标志。设计时，充分考虑了螺杆的强度和机械自锁，必须保证螺杆在任意位置能够自锁，才能使整个夹紧装置安全、可靠。本设计要求螺杆要自锁。否则，夹紧装置失效，将造成极坏的后果。
自锁性。当夹紧力去掉后，在纯摩擦力的作用下，仍能保持夹紧的现象。而且螺纹升角ａ≤4°时，自锁性能更好，耐振。所以本设计中的螺纹升角为4°。
5.1.2夹紧力的估算
设计夹具，估算夹紧力是一件十分重要的工作。夹紧力过大会增大工件的夹紧变形，还会无谓地增大夹紧装置，造成浪费；夹紧力过小工件夹不紧，加工中工件的定位位置将被破坏，而且容易引发安全事故。
在确定夹紧力时，可将夹具和工件看成一个整体，将作用在工件上的切削力、夹紧力、重力和惯性力等，根据静力平衡原理列出静力平衡方程式，即可求得夹紧力。为使夹紧可靠，应再乘以安全系数k，粗加工时取k＝2.5～3，精加工时取k＝1.5～2。
加工过程中切削力的作用点、方向和大小可能都在变化，估算夹紧力时应按最不利的情况考虑。
本设计中夹紧力的计算：
受力分析图5-1

图5-1 夹紧力的受力分析
设：MQ为原始力矩；M1为螺母阻止螺杆转动的力矩；M2为工件阻止螺杆转动力矩。则
MQ - M1- M2=0
MQ =FQ×L
M1 =d2/2×FW tan(α+φ1)
M2=r FW tanφ2
FW = FQ ×L/[ d2 /2 tan(α+φ1)+ r FW tanφ2 ]
式中：FW ----夹紧力，N；
r------螺杆端面当量摩擦半径，㎜；
L------作用力臂，㎜
FQ ----原始作用力，N；
α-----螺纹升角，（°）；
d2-----螺纹中径，㎜
φ2-----螺杆端部摩擦角，（°）；
φ1-----螺纹处摩擦角，（°）
经计算可知本设计的加紧力约为960N
行程计算：
本设计中的行程由螺杆的长度决定。
每圈螺杆的移动的距离：
L=n P z
式中的L-----为螺杆的移动距离，㎜
n------螺纹的线数；
z------螺杆的转动的圈数
经计算可知：每圈的螺杆的移动距离为2.5mm
通过PORE出实体图。如图5-2

图5-2 螺杆实体图
通过PORE出工程图。如图5-3

图5-3 螺杆工程图
技术要求：螺杆由４５号钢调质处理，再对其进行淬火处理硬度为55～60HRC。
螺纹升角为4°。螺纹牙面的表面粗糙度为1.6um。
机械加工未偏差尺寸精度为IT12
未标的倒角为1×1 mm
5.2螺杆的制造
5.2.1零件的工艺分析
本设计中螺杆是由45号钢，经过调质处理后再对其进行淬火处理硬度为55～60HRC。使螺杆获得一定强度、韧性和耐磨性。螺杆的毛坯为棒料。由于设计基准为轴线，为了消除基准不重合误差，一两中心孔定位装夹，符合基准统一原则。此外，两中心孔定位无需找正，定位精度高。车削是螺杆加工的主要方法，一般精度的螺杆经过粗车就可以满足加工要求。本设计中要经过粗车—精车。螺杆单件小批量生产的基本工艺过程如下：备料（棒料）→粗车（平端面齐全长、钻中心孔、粗车各部分）→调质→精车→划线（孔线）→铣（钻）→淬火→检验。端部的四方台可以通过铣和分度头来实现。
1、走刀路线：
本螺杆的生产类型为单件小批量生产，因此其走刀路线可以不考虑最短进给路线和短空行行程路线。车削外轮廓表面时，走刀路线可根据尺寸标注进行，从右端开始沿零件轮廓进行。
2、刀具的选择：
由于轮廓表面为台阶，因而车刀的主偏角应为90°～93°。为防止副后刀面与工件发生干涉，应选择较大的副偏角。
切削用量的选择：
背吃刀量在粗、精加工中的应用不同。在粗加工时在工艺系统刚性和机床功率允许的情况下，尽可能取较大的背吃刀量，以减少进刀的次数；在精加工时，为保证零件的加工精度和表面质量的要求，背吃刀量一般取0.1～0.4mm较为合适。
数控加工工序卡，如表5-1
表5-1 数控加工刀具卡
工厂

产品名称
零件名称
零件图号

螺杆

工序号
程序编号
夹具名称
使用设备
车间

三爪卡盘和自制心轴

工步号
工步内容
刀具号
刀具规格/mm
主轴转速/（r.min-1
吃刀量/mm.
进给速度/mm.min-1
备注
1
车平端面
T01
25×25
320
1

手动
2
钻中心孔
T02
Φ5
950
2．5

手动
3
心轴装夹自右向左粗车外轮廓
T03
25×25
800
1
40
自动
4
自右向左精车外轮廓
T03
25×25
1000
0．1
20
自动
5
粗车螺纹
T04
25×25
320
0．4
480
自动
6
精车的螺纹
T04
25×25
320
0．1
480
自动

刀具表，如表5-2
表5-2 刀具表
产品名称

零件名称
螺杆
序号
刀具号
刀具规格名称
数量
刀尖半径
备注
1
T01
45°硬质合金端面车刀
1
0．5
25×25
2
T02
Φ5中心钻
1