设计论文-隔板钻侧孔钻孔夹具设计学位论文.doc

浙江工贸职业技术学院
毕业设计（论文）

课题名称： 隔板钻侧孔钻孔夹具设计
专 业： 机电一体化技术
班 级： 机电1104班
姓 名： 邬 亮 敏
学 号： 1110201208
指导教师： 张 海 南
教师职称： 教 授

完成时间 2013年 11 月 25 日

论文题目：隔板钻侧孔夹具设计
专 业： 机电一体化技术
学 生： 邬亮敏 （签名）
指导教师： 张海南 （签名）

摘 要

制造业中广泛应用的夹具，是产品制造各工艺阶段中十分重要的工艺装备之一，生产中所使用夹具的质量、工作效率，及夹具使用的可靠性，都对产品的加工质量及生产效率有着决定性的影响。
在工艺设计中要首先对零件进行分析，了解零件的工艺再设计出毛坯的机构，并选择好零件的加工基准，设计出零件的工艺路线；接着对零件各个工步的工序进行尺寸计算，关键是决定出各个工序的工序装备及切削用量；然后惊醒专用夹具的设计，选择设计出夹具的各个组成部件，如定位元件、夹紧元件、引导元件、夹具体与机床的连接部件以及其它部件；几岁安出夹具定位时产生的定位误差，分析夹具结构的合理性与不足之处，并在以后设计中注意改进。

[关键词]：工艺、工序、切削用量、夹紧、定位、误差。

目 录
绪论 1
第一章 夹具的发展概况 2
1.1 机床夹具的现状 2
第二章 夹具工件的装夹和基准 3
2.1工件的装夹方式 3
2.2 基准及其分类 4
第三章 专用夹具设计 5
3.1设计前的工作准备 5
3.1.1 明确工件的生产纲领 5
3.1.2 熟悉工件零件图和工序图 5
3.1.3加工方法 5
3.2总体方案的确定 7
3.2.1 定位方案 7
3.2.2 夹紧机构 7
3.2.3 选择导向装置 8
3.2.4 夹具体 9
3.3绘制夹具装配图 10
3.3.1 定位、夹紧、导向、夹具体 10
3.3加工平面和刀具的选择 14
3.4机床切削量和切削力的确定 14
3.4.1切削量的确定 14
3.4.2切削力的确定 14
第四章 定位精度分析及定位误差分析计算 15
4.1定位精度通用要则 15
4.2 定位精度分析 16
4.3 误差分析 16
4.4 误差计算 17
4. 5 夹具设计及操作的简要说明 17
结束语 18
参考文献 19

20

绪 论

机械制造业是制造具有一定形状位置和尺寸的零件盒产品，并把他们装备承机械装备的行业。机械制造业的产品既可以直接供人们使用，可可以为其它行业的生产提供装备，社会上有着各种各样的机械或机械制造业的产品。我们的生活离不开制造业，因此制造业是国民经济发展的重要行业，是一个国家或地区发展的重要基础及有力支柱。从某种意义上讲，机械制造水平的高低是衡量一个国家国民境地综合实力的科学水平的重要指标。
隔板钻侧孔夹具的工装设计是在学完了机械制图、机械制造技术基础、机械设计、机械工程材料等进行课程设计之后的下一个教学环节。正确地解决一个零件在加工中的定位，夹紧以及工艺路线安排。本次设计也要培养自己的自学与创造能力。因此本次设计综合性和实践性强、设计知识面广。所以在设计中既要注意基本概念、基本理论，又要注意生产时间的需要，只有将各种理论与生产实践相结合，才能很好地完成本次设计。第一章 夹具的发展概况

机床夹具是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，减轻劳动轻度，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。

1.1 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（GT）、柔性制造系统（FMS）等新加工技术与理念的应用，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。
1.2 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，将是今后夹具发展的主要方向。

第二章 夹具工件的装夹和基准
2.1工件的装夹方式
工件在机床上的装夹方式有以下三种方法：
⑴ 直接找正法
在机床上根据工件上有关基准直接找正工件，使工件获得加工的正确位置的方法。直接找正法的定位精度和工作效率，取决于被找工件表面的精度、找正方法和所用工具及工人的技术水平。此法一般多用于单件小批生产和精度要求特别高的场合。
⑵ 划线找正法
在机床上按毛坯或工件上所划线找正工件，使工件获得正确位置的方法。
此法由于受到划线精度的限制，定位精度比较低，多用于单件小批量生产、毛坯精度较低以及大型零件等不使用夹具的粗加工中。
⑶ 专用夹具装夹
即通过夹具上的定位元件使工件相对于刀具及机床获得正确位置的方法。
此法使工件定位迅速方便，定位精度较高，广泛用于成批和大量生产。
上述用装夹工件的方法有以下几个特点：
工件在夹具中的定位，是通过工件上的定位基准与夹具上的定位元件相接触而实现的。由于夹具预先在机床上已调整好位置（也有在加工过程中再进行找正的），因此，工件通过夹具相对于机床也就有了正确的位置。通过夹具上的对刀装置，保证了工件加工表面相对于刀具的正确位置。
2.2 基准及其分类
机器零件是由若干个表面组成的。这些表面之间的相对位置关系包括两方面的要求：表面见的位置尺寸精度和相对位置精度。研究零件表面的相对位置关系，是离不开基准的。不明确基准就不无法确定表面的位置。基准是用来确定生产对象上几何要素间的几何关系所依据的那些点、线、面。根据基准的不同功能，基准分为设计基准和工艺基准两大类。
⑴ 设计基准
在零件图样上所采用的基准，称为设计基准。
⑵ 工艺基准
零件在工艺过程中所采用的基准，称为工艺基准。工艺基准按用途不同，又分为装配基准、测量基准、工序基准和定位基准。
①装配基准
装配时用以确定零件在部件或产品中的位置的基准，称为装配基准。
②测量基准
测量时用以检验已加工表面尺寸几 位置的基准，称为测量基准。
③工序基准
在加工工序中，用以确定本工序被加工表面家工后的尺寸、形状及位置的基准，称为工序基准。
④定位基准
工件定位时所采用的基准，称为定位基准。
需要说明的是，作为基准的点、线、面在工件上并不一定具体存在。如轴心线、对称面等，它们是由某些具体表面来体现的。用以体现基准的表面称为定位基准。

第三章 专用夹具设计
3.1设计前的工作准备
1）熟悉任务书，明确设计的内容与要求；
2）熟悉设计指导书、有关资料、图纸等；
3）观看实物，了解夹具的工作过程。

3.1.1 明确工件的生产纲领
这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。如大批量生产时，一般选择机动、多工件。自动化程度高的方案，结构也随之复杂，成本也提高较多。
经分析所加工工件属于轻型零件，根据所加工工件可知，属于中批生产。考虑到经济性和实用性,将夹具设计成 可快速夹紧的手动夹具，即可满足要求。
3.1.2 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。

3.1.3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一个Φ10的侧孔，所选用的是立式钻床，在手动的专用夹具中完成加工。

图 3-1隔板零件图

一个好的结构不但要应该达到设计要求，而且要有好的机械加工工艺性，也就是要有加工的可能性，要便于加工，要能够保证加工质量，同时使加工的劳动量最小。而设计和工艺是密切相关的，又是相辅相成的。设计者要考虑加工工艺问题。工艺师要考虑如何从工艺上保证设计的要求。

3.2总体方案的确定

3.2.1 定位方案
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及其组合。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，方便机床夹具的修理与维护。圆柱夹紧柱限制工件6个自由度，此时工件被完全定位。
因此根据本次夹具设计的零件，我采用的定位方案为圆柱夹紧柱定位，6个自由度被全部限制。

图 3-2 圆柱夹紧柱

3.2.2 夹紧机构
(1)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，不能使工件有脱离定位表面的趋势，并防止工件在夹紧力的作用下产生变形。
(2)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。
(3)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，以防止意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；
④手动夹紧机构应操作灵活、方便。
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，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。

3.2.3 选择导向装置
导向装置是夹具保证加工精度的重要装置，如钻孔导向套、镗套、对刀装置、对定装置等，这些装置均已标准化，可按标准选择，常用的几种钻套如下图所示

图3-3可换钻套 图3-4快换钻套 图3-5固定钻套（A、B型）

根据本设计夹具类型，工件大批大量生产，为提高加工效率，优先选用快换钻套。
但经尺寸计算及论证可知，使用快换钻套时，钻套与工件之间会相互间发生干涉现象。故的快换钻套不可用。
然后考虑使用可换钻套。可套钻套一旦其中任何一个钻套损坏，整个钻套即需更换，经济性不好。故此种方案亦不可行。
考虑到以上原因，同时顾及到钻套距工件间距离，易采用固定钻套。其结构如下图所示。

图3-6固定钻套

3.2.4 夹具体
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。

3.3绘制夹具装配图

3.3.1 定位、夹紧、导向、夹具体
画出定位元件和导向元件，按夹紧状态画出夹紧元件或机构，必要时可用双点划线画出松开位置时的夹紧元件的轮廓，画出夹具体，其他元件或机构，以及上述各元件与夹具体的联结，使夹具形成一体，标注必要的尺寸，配合和技术条件。对零件编号，填写标题栏和零件明细表。其中还要在定位，导向完成后进行定位精度验算，在夹紧机构完成后进行夹紧力的验算，以及重要的受力元件或机构的强度、刚度验算。如下图所示：

图3-7 夹具总装图之主视图

图3-8 夹具体总装图之左视图

图2-9 夹具体总装图之C向视图

图2-10夹具体总装图之俯视图

（1）总装配图应按国家标准尽可能1：1地绘制，这样图样有良好的直观性。主视图应按操作实际位置布置，三视图要能完整清楚表示出夹具的工作原理和结 构。
（2）视工件为透明体，用双点画线画出主要部分（如轮廓，定位面‘夹紧面和加工表面）。画出定位元件、夹紧机构、导向装置的位置。
（3）按照夹紧状态画出夹紧元件和夹紧机构。
（4）画出夹具体及其他用的元件（螺柱、螺钉等），将夹具各组成元件联成一体。
（5）标注必要的尺寸、配合、公差等
①夹具的外形尺寸，所设计夹具的最大长、宽、高尺寸。如本次设计中的长486mm，宽160mm，高310mm。
②夹具与机床的联系尺寸，即夹具在机床上的定位、国定尺寸。
③夹具中所有有配合关系的元件间应标注尺寸和配合种类。如定位键1与夹具体孔的配合。
⑤各定位元件之间，定位元件与导向元件之间，各导向元件之间应标注装配后的位置尺寸和形位公差。
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1/3~1/10,最常用的是1/3。

（6）标注技术条件和要求。
①定位元件的定位面间相互位置精度。
②定位元件的定位表面与夹具安装基面的位置精度。
③定位表面与导向元件间的位置精度。
④导向元件工作面间的位置精度。
⑤ 夹具上有检测基准面的话，还应标注定位表面，导向工作面与该基准面间的位置精度。
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。
（7）对零件编号，填写标题栏和零件明细表。
每一个零件都必须有自己的编号，此编号是唯一的。在工厂的生产活动中，生产部件按零件编号生产、查找工作。
完整填写标题栏，如装配图号、名称、单位、设计者、比例等。
完整填写明细表，一般来说，加工工件填写在明细表的下方，标准件、装配件填写在明细表的上方。注意，不能遗漏加工工件和标准件、配套件。

3.3 加工平面和刀具的选择

隔板的布氏硬度在HB127-156，孔径D为Φ10.0mm，刀具的材料选择高速钢钻头(W18Cr4V)，为了使工作可靠、结构简单、刃磨简单，选择标准Φ10的麻花钻，孔加工刀具的长度应保持加工终了时，刀具螺旋槽尾端与导向套之间有30-50mm的距离，以便排屑和刀具磨损后有一定的向前的调整量。

3.4 机床切削量和切削力的确定
3.4.1切削量的确定

切削速度v=12.57m／min,进给量f=0.12mm／r.
3.4.2切削力的确定

根据v=12.57m／min，f=0.12mm／r， 选择主轴转速为

轴向力：

式中，D——钻头直径（mm）；
f——系数；
——抗拉强度（kg/）。
扭矩：

式中，D——钻头直径（mm）；
f——系数
——抗拉强度（kg/）；
M——扭矩（N·mm）。
切削功率：

式中，M——扭矩（N·mm）；
v——切削速度（m/s）。

第四章 定位精度分析及定位误差分析计算

4.1定位精度通用要则
（1）对夹具要做必要的定位误差分析和计算，定位误差必须满足工件的加工精度要求。
（2）必须考虑提高夹具在机床上的定位精度：
① 提高定位元件的定位表面与机床上的定位精度。
② 减小与机床联接处的配合间隙。
③ 可采用夹具在机床上安装时找正夹具上设置的校准基面，或当夹具安装在机床上后加工定位表面的方法，使夹具在机床上获得高精度定位。

⑶ 必须确保刀具在夹具上的导向精度，如：
① 导套中心到定位元件的定位表面的位置精度。
② 刀具与钻套的间隙。
⑷ 必须确保对刀元件表面到工件被加工面间的尺寸精度。
⑸ 出现超定位时，应取消产生超定位的定位元件，或增加超定位元件与定位基准间的间隙，以提高定位精度。
⑹ 工件被加工平面或中心至定位元件的位置精度和尺寸精度，在未注明特殊要求的情况下，一般取工件精度要求的1/5～1/3。
⑺孔中心距的公差在工件未注明公差要求的情况下，取工件孔中心距自由公差的1/5～1/3。
⑻ 当工件未注明定位面间的位置精度要求时，夹具定位面间的位置精度一般取0.01/100mm。

4.2 定位精度分析
本次设计的夹具是加工长的通孔，为了保证工件的加工精度，需要工件与地面保证一定的平行度。选取工件的精度等级为8级。
夹紧机构采用液性油脂介质浮动多件夹紧，工作原理是操作时拧紧螺母，三角杠将工件压向左侧，同时利用液性油脂的流动性，将压力均匀地传递给工件上边的导杆，导杆将工件压紧。
由于工件的加工精度要求不是特别高，所以保证以上的精度要求就可以满足工件加工精度，所以其他零件的精度等级不用进行分析。

4.3误差分析
1、位置精度
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。

4.4 误差计算
1、影响此项精度的因素有：
1）定位误差，此项主要是定位孔Φ10 h7与钻套Φ10的间隙产生，最大间隙为0.05mm;
2）钻套与定位孔的配合间隙，由可知最大间隙为0.025mm；
3）钻套内孔与外圆的同轴度误差，对于标准钻套，精度较高，此项可以忽略；
4）钻头与钻套间的间隙会引偏刀具，产生中心距误差e=0.034mm。
由于上述各项都是按最大误差计算，实际上各项误差也不可能同时出现最大值，各误差方向也可能不一致，因此，其综合误差可按概率法求和=0.07mm。
该项误差略大于中心距允差0.13mm的2/3，勉强可用。应减小定位和导向的配合间隙。

4.5 夹具设计及操作的简要说明
如前所述，夹具在设计与工作时,既要保证产品质量和提高劳动生产率，又要操作简单、灵活。该夹具设计采用了手动夹紧方式，在夹紧和松开工件时比较费时费力。由于该工件体积小，工件材料易切削，切削力不大等特点。经过方案的认真分析和比较，选用了手动夹紧方式（浮动夹紧机构）。这类夹紧机构结构简单、夹紧可靠、通用性大，在机床夹具中很广泛的应用。
夹具安装与操作说明：
夹具在钻床上安装时，应使夹具使用方向与操作者的工作位置相适应，且使夹具上的键槽位置面对操作者。再将钻头全部引入钻套内并使其上下移动自如，手感无任何阻碍后，方可用螺栓与压板将钻孔夹具底座固定在钻床工作台面上。这样，既可保证钻头与工件间的相对位置不变，也方便操作者操作钻孔夹具。
在夹具上安装工件时，先将压紧螺母拧松两圈，应保证夹具上无铁屑等杂物，再将工件内孔及端面等定位基准面擦拭干净，然后将三角杠向下压紧，钻套与压板保持压紧，最后刀具对准钻套即可开始钻削加工。
在夹具上拆卸工件，只需将夹紧螺钉拧松，抽出开口垫片，即可将三角杠拿起，从而将工件卸下即可。

结束语

通过这次课程设计实训，使我对机械夹具有了更进一步的了解。夹具在现在工业中有着重要的作用，当然，我们现在对夹具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，在这两个月短暂的课程设计里，我学会了一些夹具设计的最基本的理论，同时也对机械夹具产生了浓厚的兴趣。
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。

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