底座钻孔夹具设计说明书.docx
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底座钻孔夹具设计说明书
机电及自动化学院
底座钻孔夹具设计说明书
姓名：
学号：
0811112006
专业：
机械及自动化专业
届别：
2008
课任老师：
2011年12月13日至2012年1月12日
一、前言————————————————————————————————3
二、零件工艺分析————————————————————————————4
2.1、零件的作用——————————————————————————————4
2.2、零件的技术条件分析机加工面的选择———————————————————4
2.3、底座的机械加工工艺过程————————————————————————5
2.4、底座的机械加工工艺过程的分析—————————————————————5
三、切削用量的确定———————————————————————————6
四、定位方案设计————————————————————————————8
4.1、方案选择———————————————————————————————8
4.2、定位误差分析—————————————————————————————8
4.3、选取定位元件————————————————————————————10
4.4、导引元件的选择———————————————————————————10
五、夹紧方案设计———————————————————————————11
5.1、夹紧机构设计————————————————————————————11
5.2、切削力计算—————————————————————————————12
5.3、夹紧力计算—————————————————————————————13
六、夹具总体设计———————————————————————————14七、小结———————————————————————————————15
八、参考文献—————————————————————————————16
九、附录————————————————————————————————16
前言
夹具课程设计是一个非常重要的教学环节，它既要求我们通过设计能获得综合应用过去所学的全部课程进行工艺及结构设计的基本能力，这也为以后做好毕业设计进行一次综合训练和准备。
在我们学完过机械制造工艺学，工艺技术基础课以及专业课之后并参加了一些实践活动后，此次的设计是对大学期间所学各课程及相关的应用绘图软件的一次深入的综合性的总复习，也是一次理论联系实际的训练。
学习工艺规程的能力和运用夹具设计的基本原理和方法；锻炼自己熟悉和运用有关手册、图表等技术资料及编写技术文件等基本技能。
而实际机械加工是讲究经济性，高效性，以及美观合理，作为学生的设计肯定在设计过程中有很多与实际不合，再所难免，望老师指出并给予指导。
希望自己通过这次夹具课程设计能够掌握和理解对知识的应用，找出自己的不足，在步入社会之前补充自己的能力，为以后的发展做好准备。
二、零件的工艺分析
夹具工序图
2.1、零件的作用
上枕座用于支销轴，起支撑，定位，保护等作用，是机器的重要组成部分之一。
2.2、零件的技术条件分析机加工面的选择
底座材料45#。
根据工程材料知识可以知道：
45号钢为优质碳素结构用钢,硬度不高易切削加工,模具中常用来做模板,梢子,导柱等,但须热处理。
经调质处理后零件具有良好的综合机械性能，广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。
但表面硬度较低，不耐磨。
可用调质+表面淬火提高零件表面硬度。
再经过时效处理后可以消除精密量具或模具、零件在长期使用中尺寸、形状发生变化，消除残余应力，稳定钢材组织和尺寸。
生产批量为大批量生产，由生产批量可得到相关信息为：
毛坯精度中等，加工余量中等；加工机床部分采用通用机床，部分采用专用机床，按零件分类，部分布置成流水线，部分布置成机群式；广泛采用专用夹具，可调夹具和钻模模板等；按零件产量和精度，部分采用通用刀具和量具，部分采用专用刀具和量具；部分采用划线找正装夹，广泛采用通用或专用夹具装夹；有较详细的工艺规程，用工艺卡管理生产。
2.3、上枕座的机械加工工艺过程
根据零件图可得到:
零件整体要求精度较高，其所有的表面均为加工面，其中水平面的平面度要求较高，销轴槽的侧边距离精度和相对于中心轴线A的对称度要求也较高，粗糙度整体要求也很高。
上枕座的零件尺寸很大，但又是板状零件，整体装夹比较困难。
因此机械加工工序应该:
遵循“先基准后其他”原则，首先加工精基准——外圆面A和底面B。
遵循“先粗后精”原则，先安排粗加工工序，后安排精加工工序。
遵循“先面后孔”原则，孔和螺纹孔在各个面加工完后再加工。
2.4、上枕座的机械加工工艺过程的分析
2.4.1、定位基准的选择
根据零件图的要求，对零件而言，尽可能选择不加工面为粗基准，而对有若干不加工表面的工件选用要求相对位置精度较高的不加工表面作为粗基准；同时根据零件毛坯的形式。
加工上枕座时，先以毛坯面C为粗基准车外圆面，而后以外圆面A为精基准作为而后工序的加工基准，具体的工序应根据其位置距离精度和公差来具体看待。
2.4.2、工艺过程的分析
根据零件的具体要求和各种加工方法所能够达到的经济度和粗糙度能力，查阅《机械制造工艺学》和《机械制造工艺手册》各加工面的加工方法（如表1）：
表1、工序流程表
工序号
工序
定位基准
工序1
车外圆面A
平面C
工序2
铣平面C，D
平面C，平面D
工序3
铣底面B
中心轴线A
工序4
铣平面J，倒圆角R3，铣平面I
平面B
工序5
铣上端面
平面B
工序6
铣平面F,G，倒圆角R1.5
平面B
工序7
铣平面K，L
中心轴线A
工序8
铣销轴槽
平面B
工序9
磨平面G
中心轴线A
工序10
钻-铰孔Φ12
中心轴线A
工序11
钻扩孔Φ18
中间面
工序12
钻-攻螺纹孔M16，M10
中间面
工序13
清洗、去毛刺、倒角
三、切削用量的确定
3.1切削用量的选择原则
正确的选择切削用量对提高切削效率，保证必要的刀具耐用度和经济性，保证加工质量具有重要的作用。
3.1.1粗加工时切削用量的选择原则
粗加工时加工精度于表面粗糙度要求不太高，毛坯余量较大。
因此，选择粗加工的切削用量时，要尽可能保证较高的单位时间金属切削量（金属切除率）和必要的刀具耐用度，以提高生产效率和降低加工成本。
金属切除率可以用下式计算：
Z≈Vfa1000
式中：
Z单位时间内的金属切除量（mm³/s）
V切削速度（m/s）
F进给量（mm/r）
a切削深度（mm）
提高切削速度、增加进给量和切削深度，都能提高金属切除率。
但是，在这三个因素中，影响刀具耐用度最大的是切削速度，其次是进给量，影响最小的是切削深度。
所以粗加工切削用量的选择原则是：
首先考虑选择一个尽可能的大的吃刀深度a，其次选择一个较大的进给量f，最后确定一个合适的切削速度V。
选用较大的a和f以后，刀具耐用度t显然也会下降，但要比V对t的影响小得多，只要稍微降低一下V便可以是t回升到规定的合理的数值，因此，能够使V、f、a的乘积较大，从而保证较高的金属切除率。
此外，增大a可使走刀次数减少，增大f又有利于断屑。
因此，根据以上原则选择粗加工切削用量对提高生产效率，减少刀具消耗，降低加工成本是比较有利的。
（1）切削深度的选择：
粗加工时切削深度应根据工件的加工余量和有机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统的刚性来确定。
在保留半精度加工、精加工必要余量的前提下，应当尽量即将粗加工余量一次切除。
只有当总加工余量太大，一次切不完时，才考虑分几次走刀。
（2）进给量的选择：
粗加工时限制进给量提高的因素主要是切削力。
因此，进给量应根据工艺系统的刚性和强度来确定。
选择进给量是应考虑到机床进给机构的强度、刀杆尺寸、刀片厚度、工件的直径和长度等。
在工艺系统的刚度和强度好的情况下，可选用大一些的进给量；在刚性和强度较差的情况下，应适当减少进给量。
（3）切削速度的选择：
粗加工时，切削速度主要受刀具耐用度和机床功率的限制。
切削深度、进给量和切削速度三者决定了切削功率，在确定切削速度时必须考虑机床的许用功率。
如超过了机床的许用功率，适当减低切削速度。
3.1.2精加工时切削用量的选择原则
精加工时加工精度和表面质量要求较高，加工余量要小且均匀。
因此，选择加工的切削用量是应先考虑如何保证加工质量，并在此基础上尽量提高生产效率。
（1）切削深度的选择：
精加工时的切削深度应根据粗加工留下的余量确定。
通常希望精加工余量不要留得太大，否则，当吃刀深度较大时，切削力增加较为显著，影响加工质量。
（2）进给量的选择：
精加工时限制进给量提高的主要因素是表面粗糙度。
进给量增大时，虽有利于断屑，单残留面积高度才、增大，切削力上升，表面质量下降。
（3）切削速度的选择：
切削速度提高时，切削变形减小，切削力有所下降，而且不会产生积屑瘤个鳞刺。
一般选用切削性能高的刀具材料和合理的几何参数，尽可能提高切削速度。
只有当切削速度受到工艺条件限制而不能提高时，才选用低速，以避开积屑瘤产生的范围
。
由此可见，精加工时选用较小的吃刀深度a和进给量f，并在保证合理刀具耐用度的前提下，选取尽可能高的切削速度V，以保证加工精度和表面质量，同时满足生产率的要求。
四、夹具设计
4.1、方案选择：
方案一：
以中心轴线A为基准，用圆形装置夹紧工件进行加工，加工时外圆面A定位3个自由度，再以底面为定位面定位2个自由度。
由于前面的加工工序的原因，所装夹外圆面工件的壁厚太小，夹紧力不能太大，且夹紧装置不易制造，要求过高，虽然可以满足侧面的对称度要求，但是方案过于理想，实际生产中不易实现。
方案二：
以平面J为基准，以底面定位3个自由度，J定位2个自由度，夹紧力作用于Z和X两个方向，在垂直于铣削方向的两侧面的其中一面，设计两个辅助支承，用以提高夹紧刚度和稳定性。
这种方案的缺点是由于选用J为基准，会有基准不重合误差，但是这种方案易于实现，夹紧可靠，相对于方案一更为合理。
4.2、定位误差分析
定位误差是由于工件在夹具体（或机床上）定位不准确而引起的加工误差。
定位误差主要的来源有两方面：
（1）由于工件的定位表面或夹具上的定位元件制作不准确引起的定位误差，称为基准位置误差。
（2）由于工件的工序基准与定位基准不重合而引起的定位误差，称为基准不重合误差。
对于方案二铣槽侧面定位误差的原因有两个：
基准基准与设计基准不重合的误差和基准位移误差，由设计图和加工工艺可知基准位移误差为零，而基准不重合误差包括了定位支承板的安装面相对于放置工件底面的支承面得垂直度误差和支撑板的厚度误差。
4.2.1、定位误差:
（1）基准不重合误差
由于设计基准为中心轴线，定位基准是侧面，二者是不重合的，心轴的基准不重合
误差为支承板的厚度误差与支承板安装面与放置工件底面的垂直度误差之和：
（2）基准位移误差
综上所述，夹具的总定位误差小于零件形位公差，故该设计可行。
4.3、选取定位元件
由于定位是以工件侧面J为主定位，在工件侧面加一支承板，进而设计专用夹具。
故主定位元件是用紧固螺钉固定于夹具体上的标准支承板。
五、夹紧方案设计
5.1、夹紧机构设计
方案一：
将夹紧力施加于朝底面的方向，在夹具体中间设计一带有可换垫片的压板，用两个螺栓固定紧固，侧面用压紧螺钉和压板的配合夹紧。
方案分析：
用可换垫片可提高生产效率，但夹紧力作用点距离工件加工面太长，容易在加工中出现震动和弹性形变使工件不合格。
方案二：
在工件两端分别使用通用压板装置进行夹紧，与刀具进给方向相对的一侧面使用辅助支承进行辅助，加工侧面的夹紧方案与方案一一致。
方案分析：
通用压板装置简单经济，拆装方便，夹紧力距离加工面较近，加上辅助支承的作用，可以使夹紧刚度大大提高，在加工中有效减小弹性变形和震动。
两方案相比，方案二更经济，加工精度和稳定性都较好，所以选用方案二
夹紧方案二
5.2、切削力计算
刀具材料：
高速钢
刀具选用高速钢立铣刀，d0/z=40/8，走刀六次，ap=0.5mm,f=0.64mm/r,Vc=41m/min,n=355r/min,v=44.6m/min
查手册表切削力计算公式
式中P——铣削力
——高速钢铣刀铣削时考虑工件材料和铣刀类型的系数
——背吃刀量
——每齿进给量
——铣刀直径
——铣削宽度
——铣刀的齿数
——修正系数
=
=1
计算得P=145.2N
在机械制造工艺设计简明手册中查得满足机床的强度承载能力范围内。
5.3、夹紧力计算
夹紧力的大小对于保证定位稳定、加紧可靠，确定夹紧装置的结构尺寸，都有很大关系。
夹紧力过小，则加紧不稳固，在加工过程中工件仍会发生位移而破坏定位。
结果，轻则影响加工质量，重则造成安全事故。
夹紧力过大，则没有必要，反而增加加紧变形，对加工质量不利。
此外，夹紧装置的结构尺寸也不必要的加大了。
所以，夹紧力的大小必须恰当。
夹紧力大小的确定：
计算夹紧力时，通常将夹具和工件看成一个刚性系统，然后根据工件受切削力、夹紧力（大工件还应考虑重力，运动的工件还需考虑惯性）后处于静力平衡条件，求出理论夹紧力，为了安全起见再乘以安全系数K。
式中：
W`——计算出的理论夹紧力；
W——实际夹紧力；
K——安全系数
安全系数K=K1×K2×K3×K4XK5XK6XK7
K1——基本安全系数1.3
K2——加工性质系数1.1
K3——刀具钝化系数1.15
K4——断续刀削系数1.2
K5——夹紧力的稳定性1.3
K6——手动夹紧时的手柄位置1
K7——接触情况1.
所以K=K1×K2×K3×K4XK5XK6XK7=2.565
理论夹紧力的计算：
式中：
w——理论夹紧力
T——理论夹紧转矩
R——螺纹的平均半径
ψ——螺纹升角
n——螺纹线数
φ——螺纹摩擦角
f1——摩擦因数
τ——计算力臂
所以查表得w=5050N
综上所述实际夹紧力w=12953N,而此时只需在夹紧上施加不到100N的力便可产生此效果，且再加上有辅助支承的支承作用，故可认为此设计是合理的。
五、夹具的总体设计
如前所述，在设计夹具时，特别是大型板状零件在铣削加工时，铣削应力较大，工件较不稳定，所以除了必要的夹紧装置，辅助支承装置也是非常必要的。
如此次夹具体上设计的两辅助支撑，可以保证在铣削侧面时工件不会绕z旋转或者发生侧翻时加工精度不合格，还可以有效增强夹紧刚度，减小加工过程中的震动。
由于是大型板状零件，所以以工件底面为定位面加工槽侧面时，应特别注意其支承问题，支承面不能过大，因为会让夹具加工很困难，实际中很难实现，所以在设计夹具底座时，设计为中空的形式，并铣出宽度为100mm的平面作为支承面，使定位合理而且降低了夹具生产难度。
夹具设计应遵循在满足装夹要求的条件下尽量简洁易使用，夹具体底面加两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，以利于铣削加工。
三维总装效果图
二维总装图左视剖视图
六、小结
经过这次底座夹具课程设计，对自己所设计的底座夹具有一定的了解，同时对《制造技术基础》和《工程材料》中的部分知识有所复习，结合实际画图，对我们掌握CAD的能力有所巩固。
而且设计是我们学完了大学的绝大多数基础课、专业基础课以及大部分专业课之后进行的。
这是我们在进行毕业设计之前对所学各课程的一次深入的综合性的总复习，也是一次理论联系实际的训练。
此次课程设计对给定的零件工序图分析进行分析并设计气加工所用夹具，其中考察了定位基准的选择，零件表面加工方法的选择，定位元件的选择，加紧机构的选择，切削力、夹紧力的计算，对刀元件或者引导元件的选择，夹具的总体设计等相关知识，利用近一个月的时间进行课程设计，加深了对所学知识的理解，有助于今后工作。
本次课程设计使我学会了解决机械加工中分析设计夹具的能力，提高结构设计能力，熟悉并运用有关手册、规范、图表等技术资料的能力，同时还具备了识图、制图、运算和编写技术文件等基本技能。
整体来说，在此次设计中学习到了很多以前没有用心学过的知识，同时也有对课外知识的自主学习，因此在设计中巩固和学习了一部分知识，对以后我们的实际工作都有很现实的意义。
因为此次是首次进行有关制造设计夹具的课程设计，对中间所需要的知识掌握不够牢固，同时缺少实际经验，因此设计中间难免会出现不合理和错误的地方，但是这些不合理和错误的地方将是我们在以后实际工作值得借鉴的地方，因此还请老师多多指教，多多指导。
八、参考文献
【1】大连大学工程画教研室.机械制图.北京：
高等教育出版社，2003.8
【2】王光斗，王春福，燕山大学，洛阳工学院，长春汽车工业高等专科学校.机床夹具设计手册.上海：
上海科学技术出版社，2000.11
【3】宁传华.机械制造技术课程设计指导.北京：
北京理工大学出版社，2009.8（24）
【4】赵家齐.机械制造工艺学课程设计指导书.北京：
机械工业出版社，2000.10.
【5】机床夹具设计手册东北重型机械学院洛阳农业机械学院长春汽车厂工人大学编海科学技术出版社出版
【6】龚定安蔡建国编著机床夹具设计原理陕西科学技术出版社
【7】孙丽媛主编机械制造工艺及专用夹具设计指导冶金工业出版社
【8】王先逵主编机械制造工艺学机械工业出版社
【9】李军主编互换性与测量技术基础华中科技大学出版社
九、附录
1、夹具装配图1张
2、夹具零件图2张
3、夹具三维图1张
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