本科毕业设计 液压三爪卡盘.docx
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本科毕业设计液压三爪卡盘
泰山学院
毕业设计材料汇编
液压三爪卡盘
所在学院泰山学院
专业名称机械设计制作及其自动化
申请学士学位所属学科工科
年级二〇〇九级
学生姓名、学号刘志伟2009170096
指导教师姓名、职称季邵琨副教授
装订日期2013年6月24日
材料汇编目录
一、开题报告
二、任务书
三、论文
1.封面
2.中文摘要（含关键词）
3.英文摘要（含关键词）
4.目录
5.正文
6.参考文献
7.致谢
8.封底
四、成绩评定书
摘要
本论文是一种三爪卡盘上安装摆动式液压缸于螺旋摆动式液压缸增力机构的设计。
传统的机床如车床、磨床上三爪卡盘的操作一般依靠工人手工进行夹紧,这不仅大大增加了工人的劳动强度，而且所需要的夹紧力大,还经常有夹不紧的情况，严重阻碍了生产率的提高。
本设计通过在三爪卡盘安装摆动式液压缸和螺旋摆动式液压缸的增力机构，能实现与原有机床卡盘体的较好结合,并且可以使外加压力转换成圆周运动,且其结构设计简单,工作安全可靠,具有优良的经济性和可行性。
关键词：
卡盘，摆动式液压缸，夹具，增力
Abstrac
Thisthesisisathree-jawchuckmountedonaswingonthespiralswinghydrauliccylinderhydrauliccylinderforceincreasingmechanismdesign.Conventionalmachinetoolssuchaslathes,grindersoperatingonthree-jawchuckforclampinggenerallyrelyonmanualworkers,whichnotonlygreatlyincreasedthelaborintensity,butalsotherequiredclampingforce,alsooftenhavefolderdoesnotbearthesituation,aseriousimpedimenttoproductivity.Thedesignofthethree-jawchuckmountedbyswingingtheswinghydrauliccylinderandscrew-typeforceincreasingmechanismofthehydrauliccylinder,themachinecanbeachievedwiththeoriginalcombinationofthechuckbodyisbetter,andtheappliedpressurecanbeconvertedintoacircularmotion,andthedesignedtobesimple,safeandreliable,withexcellenteconomyandfeasibility.
Keywords:
Three-jawchuck,swingcylinders,clamps,byforce
前言
随着我国改革开放不断深入，市场化经济体系的不断完善，我国工业化水平逐渐向成熟化发展。
众所周知，在整个机械工业中，机械设计在其中占有的重要地位日益显现出来。
工业设计一般包括三个方面。
第一是基本的产品设计,第二是与产品本身有关的视觉方面传达设计，如产品的外观包装、商业广告平面设计。
第三方面是由产品设计延伸的周围环境设计．如产品的陈列和展示，商品橱窗展位设计和室内设计等。
产品设计作为工业设计核心内容，它涉及的方面广，从衣食住行，到社会各行各业，产品设计无时不在。
产品设计对象既包含一般的日用生活品，也包括工业设计生产的机床，夹具；既包括家用电器产品，也包括专业仪表，仪器；既包括轻便的自行车，摩托车，也包括大型的飞机，火车等交通工具；“从口红到宇宙飞船”都是属于工业产品的设计范畴，本论文是针对加工工具的设计，又称“加工辅助设计”，即指机床夹具体设计。
本论文是一种三爪卡盘上安装摆动式液压缸于螺旋摆动式液压缸增力机构的设计。
传统的机床如车床、磨床上三爪卡盘的操作一般依靠工人手工进行夹紧,这不仅大大增加了工人的劳动强度，而且所需要的夹紧力大,还经常有夹不紧的情况，严重阻碍了生产率的提高。
本设计通过在三爪卡盘安装摆动式液压缸和螺旋摆动式液压缸的增力机构，能实现与原有机床卡盘体的较好结合,并且可以使外加压力转换成圆周运动,且其结构设计简单,工作安全可靠,具有优良的经济性和可行性。
第1章夹具介绍
1.1夹具的特点
在机床加工工件时,可以看到两种情况:
一种是用指示表等量具,在工件的某一表面上,或按工件表面所划的线进行找正,使工件在机床处于加工的正确位置,进而夹紧工件进行机械加工;另外一种是把工件安装在夹具上进行机械加工。
为了在工件上加工出符合技术要求的表面,一般都会按工件的形状和结构,加工方法的不同,采用不同的安装方法将工件准确,快捷的安装在机床上,然后再进些机械加工.这种用来确定切削刀具与工件的相对位置并且将工件起到加紧作用的装置称为“机床夹具”。
在工件生产过程中,例如连杆的生产线上,几乎每道加工工序中都采用了机床夹具。
如果不采用机床夹具,不但工件的加工精度难以得到保证,并且生产率也会大大降低,有时候甚至会造成无法加工工件的情况。
除了机床工件加工时需要借助夹具外,有时在装配机床工件和检验机床工件等工序中也会用到机床夹具,在这种工序中用到的夹具分别称为“检验夹具”于“装配夹具”。
机床夹具是指装夹工件时所需要的装置，用于装夹各种刀具所用的装置,一般称为“辅助工具”。
辅助工具有时候根据需求也包括在机床夹具的范围之内。
按照夹具的应用范围,可分为专用夹具和通用夹具以及可调整式夹具等。
一般的普通机床上都配置通用机床夹具,如车床上的卡盘。
这类机床一般都标准化,具有一定的夹具通用性,可以用来安装具有一定尺寸范围的工件且不用进行特殊的安装调整。
在机械加工实际生产中,通用夹具通常都不能满足各种工件的加工需要;或者因为生产效率低而对通用夹具进行适当的调整和改进;或者是由于工件的加工要求和形状尺寸等的不同需要专门设计一种专用夹具,以解决实际生产过程中的需要。
专用夹具是满足某一机械工件加工中的某一工序的要求而设计的,其主要功用有以下四个方面:
第一，保证加工的工件加工表面的位置精度,比如与其他表面的,平行度和同轴度。
对于外部形状和尺寸较复杂,加工位置精度要求较高的工件的时候,使用通用夹具进行机械加工一般很难达到相应的精度要求。
第二.可以缩短加工工序时间,进而提高了机械加工的生产效率。
某一加工工序所需要的时间主要包括两部分，分别为加工工件的机动时间和装卸工件的辅助时间。
采用专用夹具进行机械加工后,安装加工工件与转换工位的工作都可以得到简化,从而大大缩短了工序的辅助时间而且省去了画线工序,进而提高了生产效率.在机械生产中因为使用多工件平行加工的工件夹具,使同时加工的几个机械工件的时间与加工一个机械工件的所需的时间相同。
运用回转多工位连续加工机械夹具,可以在切削工件的过程中再进行对其它工件的装卸,从而大大缩短机械加工的时间，提高生产加工效率。
专用机械夹具的进一步的改进和完善,可以大大的缩短加工工序的时间,从而满足机械加工不断发展的需求。
第三，运用专用机械夹具还可以扩大机床的工艺加工范围。
例如在一般的普通车床上按照镗模夹具后,即可代替镗床进行机械加工;安装专用夹具后可以进行车削成型表面的工作等,以最大程度发挥通用机床的加工作用。
第四，可以大大减轻工人的劳动强度,保障机械加工过程中的安全生产。
根据工件的生产需求,也可以采用某些液压或者气压等自动化程度比较高的专用机械夹具,对于减轻加工过程中的劳动强度,保障加工生产安全和产品的精度和生产效率都有较大的作用。
在加工大型机械工件过程中,例如加工大型的车床床身的上,下两表面上的螺孔时,其中需要把床身本身工件翻转进行机械加工,所以劳动强度极大并且加工过程也没有安全保障。
当运用电动或者液压回转式钻床夹具加工后,就可以起到提高生产加工效率,减轻工人的劳动强度,也保障了生产加工安全的作用。
由上述得出，专用夹具在机械加工生产中可以起到很大的作用，那么是不是在任何的机械加工过程中都需要使用专用夹具呢？
这个问题就需要具体问题具体分析。
上述所说的机械专用夹具的一个方面的优点，另一面,由于专用夹具的制作和所需要的材料都是需要比较大的成本，所以运用专用夹具生产一般也会增加生产过程中的成本。
所以,针对于不同的生产要求，需要灵活运用通用夹具和专用夹具，以达到比较理想低廉的加工成本。
对于产量比较大，成本比较高，设计比较负责的机械加工需要结合经验研究比较合理的专业夹具的方案。
实物一般都是具有两面性，专用夹具的缺点为专用夹具的加工产品的专用性和未来生产产品多样性的矛盾。
一般的专业夹具只适用于机械加工中的某一道工序的加工使用,所以伴随着生产产品的不断增加,所使用的专业夹具的数量也会不断的增多,着就容易造成专业夹具的管理存储比较困难，;当某件产品停止加工生产时,原来的机床专业夹具一般都不能再继续使用,比较容易造成成本的浪费.另外,专用夹具的设计时间较长,与产品生产效率的高速发展也有矛盾。
所以在现在的机械加工的工厂中一般采用在通用机床上安装机械专业夹具来进行机械产品的生产。
可调整夹具的目的是扩大机械专业夹具的加工使用范围,弥补机械专用夹具只适用与产品加工过程中的特定工序的弊端,所以可调整夹具是未来夹具的发展趋势。
可调整式夹具包括三种，分别为标准化夹具和成组夹具于组合夹具。
第一，标准化夹具就是利用已经标准化的零件装配而成的机械专用夹具。
比如夹具体和定位元件和用于机械夹紧的大型气缸部件等,因为装配零件的尺寸规格已经标准化，所以有利于工厂批量生产和加工标准化夹具，从而使可使标准化夹具的制作和设计的生产效率大大提高和加工成本的进一步降低。
另外，当产品停止生产时，可以将标准化夹具拆除后，标准化零件还可以继续使用，提高了零件的利用率。
第二，成组夹具的应用是主要为小批量生产的机械加工工厂。
采用夹具成组加工法,是把各种产品的零件按照机械加工所用的机床，刀具和夹具等相同的加工步骤分组,同一组的机械零件可以在同一台机床上用相同的装配步骤和加工方法进行加工。
例如分成轴类,盘类,杠杆和支架类等不同零件。
成组夹具是根据一组安装方法和机械加工方法相似的零件而设计制造的,只要稍微调整或者更换机床夹具上的某些定位或者夹紧件,就可以加工另外一种工件。
第三，组合夹具:
组合夹具是有一套专门设计,方便组装与拆卸的有不同的尺寸,不同形状并且有完全互换性的标准元件和合件所组成。
利用不同的元件和合件,根据机械加工的需要可以组装成车,磨,铣,镗等工序中用的各种不同的机械机床夹具。
此类机床夹具使用完后,可以进行方便的拆开,再把元件存储放起来,以方便以后组装夹具的时候的再次使用。
所以组合夹具具有高度标准化和成系列化元件的新型机床夹具设备。
在实际机械生产过程中所使用的夹具有比较多的种类,分类方法和标准也有比较多的种类。
一般情况下可按车床所使用夹具工序的不同分为车床夹具,磨床夹具等;还可以根据工件和夹具在机床上运动特点分为以下三种,1，车床类夹具:
包括车床,内外圆磨床夹具等,特点为工件与夹具共同作旋转运动。
2，铣床类夹具:
包括铣床,刨床等机床类的夹具,特点为夹具被固定在工作台上,只能作纵向喝横向的往复运动或者是回转运动。
3，钻床类夹具：
其加工特点是在钻床上钻,扩等工序,即机床夹具固定在工作台上,刀具通过夹具上的导向装置进行送进运动。
上述的各种夹具都是固定在机床上的,但是在自动线加工中,有的夹具带着工件由生产线的输送装置,挨着每台机床逐步向前输送,这类夹具通常称为“随行夹具”。
自动线上的随行夹具除了完成工件的定位,支承和夹紧外,还带着工件沿自动线的加工机床进行定位（相对于每台机床的刀具位置）,夹紧,待加工完了再自动送至下一台机床加工,以便通过自动线的各台机床,完成工件的全部工序加工。
随行夹具主要适用于采用组合机床自动线加工,但又无良好的输送基面和定位基面的工件,以便将这种畸形工件先装夹于基面完整的随行夹具上,然后在通过自动线进行加工。
对一些有色金属等软件性材料的工件,虽然具有良好的输送基面,但为了保护工件的基面不受划伤,有时也采用随行夹具。
通用可调夹具,若产品中有若干零件具有相似性,有选用通用可调整夹具的可能,应进一步探索,应用下面三方面分析判断
（1）工件结构要素的相似性,主要是被加工表面形式和部位的相似,工序内容和技术要求基本相似;能有相似或相同的定位基准和定位方式。
（2）有可能采用功能相同的定位方式和夹紧方式（包括夹紧动力源）。
（3）工件尺寸要素相似,如定位基准和外廓尺寸的近似程度,看能否使用,可调夹具结构紧凑,布局协调的夹具。
综上所述,机床专用夹具已经成为机械加工过程中的重要的辅助设备。
机床专用夹具的设计于使用可以极大促进机床零件的生产和加工水平的发展。
1.2研究夹具的目的和意义
机床夹具设计是工艺装备设计中的一个重要组成部分，是保证产品质量和提高劳动生产率的一项重要技术措施。
在设计过程中应深人实际，进行调查研究，吸取国内外的先进技术，制定出合理的设计方案，再进行具体的设计。
而深入生产实际调查研究中，应当掌握下面的一些资料：
1.工件图纸；详细阅读工件的图纸，了解工件被加工表面是技术要求，该件在机器中的位置和作用，以及装置中的特殊要求。
2.工艺文件：
了解工件的工艺过程，本工序的加工要求，工件被加工表面及待加工面状况，基准面选择的情况，可用机床设备的主要规格，与夹具连接部分的尺寸及切削用量等。
3.生产纲领：
夹具的结构形式应与工件的批量大小相适应，做到经济合理。
4.制造与使用夹具的情况，有无通用零部件可供选用。
工厂有无压缩空气站；制造和使用夹具的工人的技术状况等。
夹具的出现可靠地保证加工精度，提高整体工作效率，减轻劳动强度，充分发挥和扩大机床的工艺性能。
1.3夹具的国内外现状和发展趋势
工业设计是人类社会发展和科学技术进步的产物，从英国莫里斯的“工艺美术运动”，到德国的包豪斯设计革命以及美国的广泛传播与推广，工业设计经过了酝酿，探索，形成，发展百余年的历史沧桑。
时至今日，工业设计已成为一门独立的专业学科，并且有一套完整的研究体系。
材料、结构、工艺是产品设计的基础，第一，技术制约着设计；第二，技术也推动着设计。
运用科学技术，再结合产品的材料本身的特性，加上适当的产品加工工艺，即可制造出比较实用，经济的产品。
即在产品生产过程中发挥技术最大的潜在“功能”。
任何设计都是时代的产物，它的不同的面貌，不同的特征反映着不同历史时期的科学技术水平。
技术是产品形态发展的先导，新材料，新工艺的出现，必然给产品带来新的结构，新的形态和新的造型风格。
材料，加工工艺，结构，产品形象有机地联系在一起的，某个环节的变革，便会引起整个机体的变化。
1.4夹具的基本结构和工作原理
按在夹具中的作用,地位结构特点,组成夹具的元件可以划分为以下几类:
1．定位元件及定位装置；
（2）夹紧元件及定位装置（或者称夹紧机构）；
（3）夹具体；
（4）对刀,引导元件及装置（包括刀具导向元件,对刀装置及靠模装置等）；
（5）动力装置；
（6）分度,对定装置；
（7）其它的元件及装置（包括夹具各部分相互连接用的以及夹具与机床相连接用的紧固螺钉,销钉,键和各种手柄等）；
每个夹具不一定所有的各类元件都具备,如手动夹具就没有动力装置,一般的车床夹具不一定有刀具导向元件及分度装置。
反之,按照加工等方面的要求,有些夹具上还需要设有其它装置及机构,例如在有的自动化夹具中必须有上下料装置。
第2章三爪卡盘螺旋摆动式液压缸增力机构的结构及原理设计
本设计是在三爪卡盘上装配一个液压装置，从而达到运用液压作为动力，减少工人的劳动强度，结构方案如图所示，主要是在原来的结构基础上安装一个螺旋盘和一个摆动油缸及柱塞等。
在大锥齿轮的背面加工出凹槽，圆柱活塞的一端和槽配合，而另外一端安装在液压缸定子叶片的孔中，在端部安装上弹簧，柱塞在弹簧牵引下，有一端一直和凹槽接触。
工作过程中利用转动杠转动小锥齿轮2带动大锥齿轮3,当卡爪7没有接触加工工件时,圆锥螺旋弹簧5所受到的阻力比较小,即圆柱活塞4与大锥齿轮3没有发生相对移动,则缸体6随之一起转动,卡爪7随之径向移动,向加工工件接近,此过程为空行程。
当卡爪7接触工件后,所受到的阻力大大增加,
1.卡盘体端盖2.小锥齿轮3.大锥齿轮4.圆柱活塞
5.圆锥螺旋弹簧6.液压缸体7.卡爪8.定子叶片9.换油机构10.转子叶片11.缸体端盖12.液压油13.卡盘体
图2-1卡盘结构方案简图
继续转动手柄，活塞4受力增加，当受力达到一定程度时，圆锥螺旋弹簧5被压缩，活塞4与大锥齿轮3产生相对运动，活塞4向定子孔中运动，液压油12被压缩，从而液体推动转子叶片10旋转，卡爪7径向微进给，此过程为夹紧行程。
当大锥齿轮3继续旋转至某一角度，活塞4将得到复位，继续转动，将继续重复上一次的运动直到把加工工件完全夹紧。
第3章主要结构参数的确定和结构计算
在KZ320型三爪卡盘的上安装一个螺旋摆动式液压的机构进行结构计算分析。
3.1液压腔的结构设计
根据其具体的安装条件与机械强度和刚度的要求，初步对液压腔的结构尺寸设计数据如下：
外壁厚：
n1=16mm内壁厚：
n2=8mm
油腔宽：
a=30mm空隙宽：
x=1mm
故液压腔的面积：
S1=a（D/2-d/2-L1-L2-x-n1-n2）=1350mm²（3.1）
其中：
卡盘体大径D=320mm小径d=100mm
卡盘体外壁厚L1=25mm卡盘体内壁厚L2=15mm
3.2转子叶片数的设计
摆动缸中转子叶片的作用是尽可能得到最大的扭矩,输出的扭矩表达式为：
M=Zb（
²-
²）Pym（N.m）（3.2）
其中Z：
叶片数b：
轴间宽度D1：
油腔大径
d1：
油腔小径P：
进油口压力（Pa）Ym：
机械效率
D1=D-2L1-2x-2n1=236mmd1=d+2L1+2L2=146mm
在b、D1、d1、P及Ym等确定的情况下，叶片数越大，那得到的输出扭矩也就会越大。
在设计中，摆动液压缸利用的原理是液体压强向各个方向等压力传输，来实现轴向的直线运动向旋转的圆周运动的转换。
由于结构特定，所以在本设计中输出的扭矩并不会随叶片数的增加而增大，在外力确定情况下，扭矩只与油腔轴向的面积成正比。
叶片数只会影响压力油压强，但最终的扭矩不变。
所以为了方便制造和安装，取Z=3.
3.3 摆动角的设计
由经验可知，在通常情况下，工件被夹紧时其变形B≤1mm,取每次夹紧行程中卡爪进给0.05mm,故可得摆动角θ=360º∕t·f=1.5º
其中平面螺旋机构的升程t=12 卡爪每次进给量f=0.05
3.4 定子圆柱活塞杠面积的设计
由结构可知，叶片输出扭矩M=P•S1•r•Z1•Ym（3.3）
其中P：
进油口压强S：
叶片面积Z：
叶片数
r：
叶片面积的几何中心到轴心线的距离Ym：
机械效率
油液压强P=F2/S2（3.4）
其中F2=F/Z（3.5）
每个叶片受力F1=PS1（3.6）
F1/F2=S1/S2=σ1（3.7）
其中σ1为增力比,为一常数,故S2=S1/σ1（3.8）
第4章.凹槽轮廓线的设计
根据结构设计方案可知,凹槽轮廓线分为两个部分，为增力夹紧部分和圆柱活塞杠位置复原的部分。
活塞杠与叶片组成增力系统,又和弹簧相互配合,组成离合销系统。
为了使两个部分系统的工作顺利衔接,设计出过渡的斜面系统。
凹槽轮廓线的设计如图3所示。
图3凹槽展开图
如图所示,θ1角斜面为槽面的第一部分,α角斜面为槽面第二增力部分,θ2角为第三过渡部分，以下确定各个数据。
4.1确定轮廓面段数
因为设计安装了三个圆柱活塞杠,所以同样形状的轮廓面段数N=3n（n=1、2、3……）
考虑到结构设计的具体要求,取n=2,则N=6,卡爪在一周内将进给f=6×f10.30，所以缩短了加工工件的所需要的加紧时间，进一步提高了加工效率。
4.2活塞杠的升程
活塞杠的升程H=H1+H2分别确定H1、H2
再根据H=σ•m（4.1）
其中σ：
增力比
m：
卷子叶片的平均移动距离
m=θ0/π•r=θ0/π•（D1+d2/2）191/2×2π/200=3mm
根据结构的安装要求，活塞杠轴线与卡盘体轴线R=（191-6）/2==92mm
得轮廓线参数L=2πr/6=90.3mm
则H=m·σ1=12mm,故S2=S1/σ1,=1350/15=270mm.r2=σ1S2/π=9.0mm
凹槽轮廓线的增力部分增力比最大为σ3=J/L
对活塞杠的受力分析如图4
图4活塞杠受力图
θ=Nsinα+Fcosα（4.2）J=Ncosα（4.3）
F=Nf（4.4）其中f为摩擦系数,可取f=0.18,则：
σ3=T/Q=1/tgα+f
若α取极大值,则tgα≤H/L-2r1=15/96.3-18=0.20
故可得：
σ3min=1/0.20+0.18=1/0.36=2.6
σ1σ3=4×2.5=10.4
由于新增机构增力比为σ1σ3,且其他机构不变,故σ1σ3为最终的增力比.设计目的为增力比σ0=10,故σ1σ3=10.4相差不大,符合要求，故取σ1=4,H=mσ1=12mm可设H1=4mm,H2=8mm。
4.3参数θ1的设计
当活塞杠处于和凹槽配合状态，与大锥齿轮没有相对滑动的时候，其受力如图5所示，
图5活塞杠—凹槽受力图
取临界状态分析，则根据平衡条件可得：
Fcosθ+Nsinθ+R2=R水平力平衡（4.4）
F1+F2+Fsinθ+T=Nsinθ竖直力平衡（4.5）
Fcosθ+Nsinθ=Q（4.6）
F=Rf（4.7）
T=PS2+T0（4.8）
T：
圆锥螺旋弹簧弹力F1、F2为密封圈处摩擦力
R1、R2为密封圈处空壁对活塞杠作用力
f：
摩擦系数取f=0.15，f1=f2=0.3
已知H1=4,力N的作用点在h=H1/2=2处,为了计算的方便和实际的安装需要,初取θ=45
由以上各式可得:
（3.83sinθ-0.85cosθ）T/（0.1cosθ+sinθ）=2R1
（1.83sinθ-1.15cosθ）Q/（0.15cosθ+sinθ）=2R2
由于T≥0，θ≤52°38′；由于R2≥0，θ≤32°9′
取θ=32°9′，则T=0.86Q，R2=0
取θ=52°38′，则T=0.故可得：
随着θ的增大,T急速减小,且T随着活塞杠升程的增大而增大,也与弹簧弹力和液体压强有关,如果弹簧确定,则临界T也确定,即可以得到螺旋盘从空行程到夹紧行程的最小动力，故θ=45符合要求,即R1=1.3Q，R2=0.3Q，T=0.26Q。
4.4参数β的设计
图6凹槽中心剖面图
槽面形状为6所示,根据工作需要,取C1=3mm,C2由前述条件得:
C2=H2tgβ=H2sin45°=8mm（4.9）
则tgβ=H2/（L-Φ-C1-C2）=8/（96.3-20-3-
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