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组合夹具设计论文

毕业论文

组合夹具设计

专业组合夹具设计

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摘要

机械制造过程及检测，检验中，都要使用大量的夹具。

夹具是能够使产品按一定的技术要求准确定位和牢固夹紧的工艺装置，它的主要用于保证产品的加工质量、减轻劳动强度、辅助产品检测、展示、运输等。

关键词：

专用夹具；立式铣床；槽、斜度；

摘要1

第2章夹具的分类及设计原则4

2.1夹具概念4

2.2机床夹具的分类4

2.3铣床专用夹具设计原则6

第3章定位方案6

3.1定位方案7

3.2加紧方案10

3.3对刀方案10

3.4夹具体与定位键 10

第4章铣槽组合夹具11

4.1槽系列组合夹具概念11

4.2组合夹具原件的分类和编号12

4.2夹具设计12

总结14

参考文献15

1绪 论 

1.1本课题研究的内容 

本课题主要是根据国内目前的机械制造行业的技术力量，结合现实工作中普通立式铣床在加工多样化的批量产品中所遇到的困难与不足，进行研究、分析，并寻找最优良的铣床专业夹具。

1.2夹具发展现状及发展方向 

1.2.1夹具发展现状 

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。

据有关部门统计表明，目前的中、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业夹具，一般在具有中等生产能力的工厂里，约拥有数以千计的专用夹具；另一方面，在多品种生产企业中，每隔2-3年就要更新50%--80%左右的专用夹具，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、柔性制造系统（FMS）等新加工技术的应用，对机床夹具提出新的要求：

1、能迅速、方便的促进新产品的投产，以缩短生产周期，降低生产成本；

2、能装夹一组具有相似特征的工件；

3 、能适用于精密加工的高精密机床夹具； 

 1.2.2现代机床夹具发展方向 

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。

1.3研究的目的及意义 

夹具是能够使产品按一定的技术要求准确定位和牢固夹紧的工艺装置，它的主要用于保证产品的加工质量、减轻劳动强度、辅助产品检测、展示、运输等。

优良的专用机床夹具在保证工件各项加工精度要求、改善工人劳动条件、提高劳动生产率、降低生产成本、扩大机床工艺范围、有效的安全生产、缩短新产品试制周期等方面有着显著的经济效益。

槽类、孔类工件是常见的工程结构，提高槽类、孔类工件铣床夹具设计能力对加工行业具有重要的现实意义。

一个优良的机床专用夹具必须具备以下几个主要特征：

（1）保证工件加工精度   

对于专用夹具本身来讲，要确保工件的加工精度，首先要正确地选择定位基准、定位方法和定位元件，必要时还需进行精度分析；另外还要注意夹具中其他零部件的结构对加工精度的影响，确保夹具能满足工件的加工精度要求。

（2）提高生产效率   

专用夹具的复杂程度应与生产纲领相适应，应尽量采用各种快速高效的装夹机构，保证操作简单、方便，缩短加工辅助时间，有效的提高生产效率。

（3）工艺性好   

专用夹具的结构应力求简单、合理，便于加工、检验、装配及维修等。

专用夹具的制造属于单件生产，当最终精度由调整或修配来保证时，夹具应设计成可以调整或修配的结构。

2  夹具的分类及设计原则 

2.1夹具概念 

在机械制造工业中，为了达到保证产品质量，改善劳动条件，提高劳动生产条件提高劳动生产率及降低劳动成本的目的，在工艺过程中，除机床等设备外，还大量使用着各种工艺装备。

它包括：

夹具、模具、刀具、辅助工具及测量工具等。

因此，广义的说，夹具是一种保证产品质量并便利和加速工艺过程的一种工艺装备。

不同的夹具，其结构形式、工作情况、设计原则都不同。

但就其数量和在生产中所占的地位来说，应以“机床夹具”为首。

所谓机床夹具，就是机床上所使用的一种辅助设备，用它来准确的确定工件与刀具的准确位置，即将工件的定位及加紧，以完成加工所需的相对运动。

所以机床夹具是用以使工件准确定位和夹紧的机床附加装置。

2.2机床夹具的分类 

2.2.1 机床夹具的分类 

机床夹具的种类很多，形状千差万别。

为了设计、制造和管理的方便，往往按某一属性进行分类。

 第一，按夹具的通用特性分类 

按这一分类方法，常用的夹具有通用夹具、专用夹具、可调夹具、组合夹具和自动线夹具等五大类。

它反映夹具在不同生产类型中的通用特性，因此是选择夹具的主要依据。

（1）通用夹具  通用夹具是指结构、尺寸已规格化，且具有一定通用性的夹具，如三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘、台虎钳、万能分度头、中心架、电磁吸盘等。

其特点是适用性强、不需调整或稍加调整即可装夹一定形状范围内的各种工件。

采用这类夹具可缩短生产准备周期，减少夹具品种，从而降低生产成本。

其缺点是夹具的加工精度不高，生产率也较低，且较难装夹形状复杂的工件，故适用于单件小批量生产中。

（2）专用夹具  专用夹具是针对某一工件的某一工序的加工要求而专门设计和制造的夹具。

其特点是针对性极强，没有通用性。

在产品相对稳定、批量较大的生产中，常用各种专用夹具，可获得较高的生产率和加工精度。

专用夹具的设计制造周期较长，随着现代多品种及中、小批生产的发展，专用夹具在适应性和经济性等方面已产生许多问题。

（3）可调夹具  可调夹具是针对通用夹具和专用夹具的缺陷而发展起来的一类新型夹具。

对不同类型和尺寸的工件，只需调整或更换原来夹具上的个别定位元件和夹紧元件便可使用。

可调夹具在多品种、小批量生产中得到广泛应用。

（4）组合夹具  组合夹具是一种模块化的夹具，并已商品化。

标准的模块元件具有较高精度和耐磨性，可组装成各种夹具，夹具用毕即可拆卸，留待组装新的夹具。

由于使用组合夹具可缩短生产准备周期，元件能重复多次使用，并具有可减少专用夹具数量等优点；因此组合夹具在单件、中小批多品种生产和数控加工中，是一种较经济的夹具。

2.3铣床专用夹具的设计原则 

（1）由于铣削过程不是连续切削，且加工余量较大，所以不但所需的切削力较大，而且切削力的大小及方向随时都可能在变化， 致使在铣削过程中产生振动。

因此铣床夹具要有足够的夹紧力，夹具结构要有足够的刚性。

（2） 为了提高铣床夹具的刚性，工件待加工的表面应尽量不超出工作台，在确保夹具有足够排屑空间的前提下，尽最降低夹具的高度，一般夹具高与宽之比为 1：

1.25。

（3）对于以铸、锻件毛坯面定位的铣夹具，应以毛坯图作为设计夹具的依据，以免对工件毛坯余量尺寸和形状误差、分型面或浇 冒口等问题因考虑不周而影响夹具的合理性和可靠性。

3  拔叉部件铣直槽夹具设计 

图3-1所示拔叉零件，

要求设计铣槽工序用的铣床夹具。

根据工艺规程，在铣槽之前其它各表面均已加工好，本工序的加工要求是：

槽宽14H11mm，槽深7mm，槽的中心平面与Ф26H7孔轴线的垂直度公差为0.08mm，槽侧面与E面的距离12 ±0.2mm，槽底面与B面平行。

3.1定位方案 

3.1.1六点定位原理 

当工件在不受任何条件约束时，其位置是任意的不确定的。

设工件为一理想的钢体，并以一个空间直角坐标作为参照来观察钢体的位置变动。

由理论力学可知，在空间处于自由状态的钢体，具有六个自由度，即沿着X、Y、Z三个坐标轴的移动和绕着这三个坐标轴的转动，如图3-1拔叉零件图所示。

用X、Y、Z分别表示沿三个坐标轴的移动和绕着这三个坐标轴转动的自由度。

六个自由度是工件在空间位置不确定的最高程度。

定位的任务，就是要限制工件的自由度。

在夹具中，用分别适当的与工件接触的六个支撑点，来限制工件六个自由度的原理，称为六点定位原理。

3.1.2应用定位原理几种情况 

（1）完全定位 

 工件的六个自由度全部被限制，它在夹具中只有唯一的位置，称为完全定位。

（2）部分定位 

工件定位时，并非所有情况下都必须使工件完全定位。

在满足加工要求的条件下，少于六个支撑点的定位称为部分定位。

在满足加工要求的前提下，采用部分定位可简化定位装置，在生产中应用很多。

如工件装夹在电磁吸盘上磨削平面只需限制三个自由度。

（3）过定位（重复定位） 

 ①一般情况下，应该避免使用过定位。

 通常，过定位的结果将使工件的定位精度受到影响，定位不确定可使工件（或定位件）产生变形，所以在一般情况下，过定位是应该避免的。

②过定位亦可合理应用 虽然工件在夹具中定位，通常要避免产生“过定位”，但是在某些条件下，合理地采用“过定位”，反而可以获得良好的效果。

这对刚性弱而精度高的航空、仪表类工件更为显著。

 3.1.3确定要限制的自由度 

按照加工要求，铣通槽时应限制五个自由度，即沿x轴移动的自由度不需要限制，但若在此方向设置一止推支撑，则可起到承受部分铣削力的作用，故可采用完全定位。

 3.1.4定位方案选择 

有三中定位方案可供选择：

方案I：

工件已E面作为主要定位面，用支承板1和短销2（与工件Ф26H7孔配合）限制工件五个自由度，另设置一防转挡销实现六点定位。

为了提高工件的装夹刚度，在C处加一辅助支承。

方案II：

工件以Ф26H7孔作为主要定位基面，用长销3和支承钉4限制工件五个自由度，另设置一防转挡销实现六点定位。

在C处也加一支承。

方案III：

工件以Ф26H7孔为主要定位基面，用长销3和长条支承板5限制两个自由度，限制工件六个自由度，其中绕z轴转动的自由度被重复限制了，另设置一防挡销。

在C处也加一辅助支承。

比较以上三种方案，方案I中工件绕x轴转动的自由度由E面限制，定位基准与设计基准不重合，不利于保证槽的中心平面与Ф26H7孔轴线的垂直度。

方案II中虽然定位基准与设计基准重合，槽的中心平面与Ф26H7孔轴线的垂直度要求保证，但这种定位方式不利于工件的夹紧。

由于辅助支承是在工件夹紧后才起作用，而施加夹紧力P时，支承钉4的面积太小，工件极易歪斜变形，夹紧也不可靠。

方案III中虽是过定位，但若在工件加工工艺方案中，安排Ф26H7孔与E面在一次装夹中加工，使Ф26H7孔与E面有较高的垂直度，则过定位的影响甚小。

在对工件施加夹紧力P时，工件的变形也很小，且定位基准与设计基准重合。

综上所述，方案III较好。

计算定位误差:

 除槽宽14H11由铣刀保证外，本夹具要保证槽侧面与E面的距离及槽的中心平面与Ф25H7孔轴线的垂直度，其它要求未注公差，因此只需计算上述两项加工要求的定位误：

3.2夹紧方案 

根据工件夹紧的原则，除施加夹紧力外，还应在靠近加工面处增加一夹紧力，用螺母与开口垫圈夹压在工件圆柱的左端面，而对着支撑板的夹紧机构可采用钩形压板，使结构紧凑，操作方便。

 3.3对刀方案 

加工槽的铣刀需两个方向对刀，故应采用直角对刀块。

3.4夹具体与定位键 

为保证工件在工作台上安装稳定，应按照夹具体的高宽比不大于1.25的原则确定其宽度，并在两端设置耳座，以便固定。

为了使夹具在机床工作台的位置准确及保证槽的中心平面与Ф26H7孔轴线垂直度要求，夹具体底面应设置定位键，定位键的侧面应与长销的轴心线垂直。

4  铣槽组合夹具 

4.1槽系列组合夹具概念 

组合夹具的应用范围十分的广泛。

它最适合于品种多、产品变化快、新产品试制和单件小批生产等场合，在批量生产也可以利用组合夹具代替临时短缺的专用夹具，以满足生产要求。

用组合夹具元件可以组装成各类机床夹具。

数控机床和柔性制造单元的出现，更加推动了组合夹具技术的进步，扩大了组合夹具的应用范围。

使用组合夹具，工件轮廓尺寸在一定范围内不受形状的限制。

我国的槽系列组合夹具可以满足普通机械制造厂的大部分零件的加工，其中6mm、8mm槽系列组合夹具主要适用于仪表制造行业的小型零件的加工。

适用于各系列组合夹具的工件范围见表4.1。

表4-1  各系列组合夹具的适用范围 

组合夹具元件的系列  可加工工件的最大外轮廓尺寸（mm）       

 6mm系列，8mm系列           500×250×250     

 12mm系列          1500×1000×500         

 16mm系列 2500×2500×1000 

应当指出，由于组合夹具有很大的机动性和灵活性，表4-1中所介绍的可加工工件的最大轮廓尺寸，仅是一般情况下的参考数据，通过熟练的组合技术，可用小尺寸系列的元件组装成更大尺寸工件的组合夹具。

此外，不同系列的组合夹具元件还可以通过过渡元件共同组装在一套组合夹具上，以达到缩小组合夹具尺寸和减轻组合夹具重量的目的。

4.2组合夹具元件的分类和编号 

我国目前生产和使用的组合夹具多是槽系列的组合夹具，其元件间以键和键槽定位。

用孔和圆销定位的组合夹具称为孔系列组合夹具，目前生产中亦有应用。

下面主要介绍槽系列组合夹具元件。

根据连接螺栓直径、支承截面尺寸和定位键槽尺寸，槽系列组合夹具分为三种：

 1.16mm槽系列组合夹具，又称大型组合夹具，用“D”表示。

2.12mm槽系列组合夹具，又称中型组合夹具，用“Z”表示

 3.8mm和6mm槽系列组合夹具，又称小型夹具，用“X”表示。

组合夹具元件的分类，主要根据元件的结构、形状和用途而划分的。

按其用途不同，可分为八大类，参见表4.2。

另有一类是组合夹具组装工具和辅具。

分别用表4-2表示。

4.3夹具设计 

毛坯为铸造件，且对毛坯的结构工艺有一定的要求，其材料是HT200，生产类型为中批量生产，具体要求如下：

1）.铸件的壁厚要均匀，不应有较大的截面变化。

2）.铸件的选材要合理，以便于铸造。

3）.要设计合理的起模斜度，便于起模。

 4）.铸件要有圆角，不得出现尖角棱角等。

基面选择是工艺规程设计的重要工作之一。

基面选择的正确与合理是加工质质量得到保证，生产率得以提高。

6 总结 

基于以上工作所建立的基于机床夹具的设计，可以给机床夹具设人员在对夹具进行设计时作为参考，避开繁琐的建模工作，从而大大提高设计人员的工作效率，减少设计人员的工作量和劳动强度，缩短夹具的设计和开发周期，减少夹具设计中的成本费用，加快产品的更新速度。

同时应用人机交互方法可以避免不必要的疏忽和错误，能在短时间内寻求最优设计结果，从而加快了设计速度，提高到了设计质量。

由于设计时间有限，该设计中的疏忽和缺陷在所难免，夹具设计中依然存在许多漏洞和不足之处，因此，在以后还需对该设计进行必要的修补和完善工作，望广大同行多多批评、指正。

参考文献 

[1] 杨 杰.基于WEB的夹具系统设计[J].煤矿机械，2004  

[2] 马贤智.夹具与附具标准应用手册[M].北京:

机械工业出版社，1996.  [3] 许生蛟.组合夹具图册.上册.北京:

机械工业出版社，1996，12. [6] 

[4] 王光斗，王春福.机床夹具设计手册.第三版.上海:

上海科学技术出版社，2005    [5] 李德信，任建亭，等.Solid WorksV18基础篇.北京:

化学工业出版社，2015 

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