三爪卡盘增力机构夹具设计设计说明书Word文件下载.docx
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4.1轮廓面段数的确定
4.2活塞杠升程的确定
4.3参数θ1的设计
4.4参数β的设计
第5章.夹具在安装和操作时应注意的事项……………………………………16
5.1夹具的安装
5.2夹具在操作时应注意的事项
第6章.夹具的经济效益分析……………………………………………………18
第7章.单工位夹具与成组夹具的分析…………………………………………19
7.1定位基准与定位元件的选择
7.2夹紧元件与夹紧力的选择
7.3夹具基体的设计夹具基体
7.4机壳成组夹具结构
第8章.误差分析…………………………………………………………………23
8.1定位误差分析
8.2装备误差分析
第9章.机床夹具公差的综合设计理论与方法…………………………………25
结束语…………………………………………………………………………32
附录1参考文献
前言
随着我国改革开放的不断深入，市场经济体系的不断完善，我国工业逐渐向成熟化发展。
在整个机械工业中，设计在其中占有的地位日益显现出来。
工业设计主要包括三个方面的内容。
第一是产品设计,第二是与产品有关的视觉传达设计，如产品的包装、商业广告等平面设计。
第三是由产品设计扩展的环境设计．如产品的展示与陈列，商品橱窗设计以及室内设计等。
产品设计作为工业设计的核心，它涉及的面广，从人们的衣食住行，到社会的各行各业，产品设计无时不有，无时不在。
产品设计的对象既包括一般的日用生活制品，也包括工业生产的机床，加工工具；
既包括家用小电器产品，也包括专业的仪器，仪表；
既包括私有的自行车，摩托车，也包括大型的汽车，飞机等交通工具；
“从口红到宇宙飞船”都是属于产品的设计的范畴，本论文主要针对加工工具设计，在一定范围内又称“加工辅助设计”，即机床夹具体的设计。
第1章选题背景
在机床上加工工件时,我们可以看到两种不同的情况:
一种是用划针或指示表等量具,按工件的某一表面,或者按工件表面上所划的线进行找正,使工件在机床上处于所需要的正确位置,然后夹紧工件进行加工;
另一种是把工件安装字夹具上进行加工。
为了在工件的某一部位上加工出符合规定技术要求的表面,一般都按工件的结构形状,加工方法和生产批量的不同,采用各种不同的装置将工件准确,方便的而可靠地安装在机床上,然后进行加工.这种用来安装的工件以确定工件与切削刀具的相对位置并将工件夹紧的装置称为“机床夹具”。
在实际的生产中,例如活塞,连杆的生产线上,几乎每道工序中都采用了夹具。
十分明显,如果不采用夹具,不但工件的加工精度难以保证,而且加工生产率也会大大降低,有时甚至会造成无法加工的情况。
除了机床加工时需要使用夹具外,有时在检验,装配等的工序中也要用到夹具,因之在这种场合中用到的夹具可分别称为“检验夹具”和“装配夹具”。
机床夹具通常是指装夹工件用的装置:
至于装夹各种刀具用的装置,则一般称为“辅助工具”。
辅助工具有时也广义地包括在机床夹具的范围内。
按照机床夹具的应用范围,一般可分为通用夹具,专用夹具和可调整式夹具等。
通用夹具是在普通机床上一般都附有通用夹具,如车床上的卡盘,铣床上的回转工作台,分度头,顶尖座等。
它们都一标准化了,具有一定的通用性,可以用来安装一定形状尺寸范围内的各种工件而不需要进行特殊的调整。
但是,在实际生产中,通用夹具常常不能够满足各种零件加工的需要;
或者因为生产率低而必须把通用夹具进行适当的改进;
或者由于工件的形状,加工的要求等的不同须专门设计制造一种专用夹具,以解决生产实际的需要。
专用夹具是为了适应某一工件的某一工序加工的要求而专门设计制造的,其功用主要有下列几个方面:
1.保证工件被加工表面的位置精度,例如与其他表面间的距离精度,平行度,同轴度等。
对于外行比较复杂,位置精度要求比较高的工件,使用通用夹具进行加工往往难以达到精度要求。
2.缩短了工序时间,从而提高了劳动生产率。
进行某一工序所需要的时间,其中主要包括加工工件所需要的机动时间和装卸工件等所需要的辅助时间两部分。
采用专用夹具后,安装工件和转换工位的工作都可以大为简化,不再需要画线和找正,缩短了工序的辅助时间并且节省了画线这个工序,从而提高了劳动生产率.在生产中由于采用了多工件平行加工的夹具,使同时加工的几个工件的机动时间将与加工一个工件的机动时间相同。
采用回转式多工位连续加工夹具,可以在进行切削加工某个工件的同时,进行其它工件的装卸工作,从而使辅助时间与机动时间相重合。
总之,随着专用夹具的采用和进一步改善,可以有效地缩短工序时间,满足生产不断发展的需要。
3.采用专用夹具还能扩大机床的工艺范围。
例如在普通车床上附加镗模夹具后,便可以代替镗床工作;
装上专用夹具后可以车削成型表面等,以充分发挥通用机床的作用。
4.减轻劳动强度,保障安全生产。
根据生产需要,采用一些气动,液压或其它机械化,自动化程度较高的专用夹具,对于减轻工人的劳动强度,保障生产安全和产品的稳质高产都有很大作用。
加工大型工件时,例如加工车床床身上,下两面上的螺孔,需要把床身工件翻转几次进行加工,劳动强度大而且不安全。
采用电动回转式钻床家具后,就能够达到提高生产效率,减轻劳动强度,保障生产安全的目的。
专用夹具在生产上起着很大的作用,那么是不是在任何场合都要设计和采用呢!
这个问题就是具体问题具体的分析。
上面说的关于专用夹具在生产中的作用,只是事物的一个方面。
另一方面,由于夹具的设计,制造和所用的材料等须消耗一定的费用,增加了产品的成本。
因之,在什么情况下采用什么样的夹具才是经济合算的,这是一个大问题,特别对于重大的,设计制造工作量大的专用夹具需与工人师傅等三结合共同研究解决。
事物总是一分为二的,专用夹具也存在缺点,即专用夹具的专用性和产品多样性的矛盾。
由于专用夹具只适用于一个工件加工的某一个工序,因而随着产品品种的不断增多,夹具数量也不断上升,造成存放和管理上的困难;
而当某产品不再进行生产时,原来的夹具一般都无法重新利用,造成浪费.同时,专用夹具的设计生产时间周期长,与生产的迅速发展也有矛盾。
但是在当前成批生产的机械工厂中,多数还是采用通用机床加上专用夹具进行工件的机械加工。
可调整夹具是为了扩大夹具的使用范围,弥补专用夹具只适用与一个工件的某一特定工序的缺点,正在逐步推广使用可调整式的夹具。
可调整式夹具一般可分为标准化夹具,成组夹具和组合夹具等。
1.标准化夹具:
标准化夹具就是利用本厂已规格化了的部分或全部标准零件装配成的专用夹具。
专用夹具中的大件,如夹具体,以及定位元件,夹紧件和机械夹紧用的气缸部件等,经过标准化,尺寸规格化后有利于工厂成批准备配件,成批加工,这样可使夹具的设计,制造工作加快,节省费用。
另外,当产品更改,夹具不再使用时可以拆开,把标准零件保存起来,备以后使用。
2.成组夹具:
多品种,小批量生产的机械加工车间中,往往可以采用成组加工法。
采用成组加工法,是把多种产品的零件按加工所用的机床和刀具,夹具等工艺装备的共性分组,同一组的零件能在同一台机床上用共同的工艺装备和调整方法进行加工。
例如分成轴类,套类,盘类,齿轮,杠杆,支架类等各种零件。
成组夹具就是根据一组安装方法相类似的零件而设计的,只要稍作调整或更换夹具上的某些定位,夹紧件,就可以从加工某一工件转为加工另一工件。
3.组合夹具:
组合夹具是有一套专门设计制造,便于组装和拆卸的有各种不同的形状,不同尺寸规格并且有完全互换性和耐磨性的标准元件和合件所组成。
利用这些元件和合件,根据加工工件的需要可以组装成车,磨,铣,刨,钻,镗等工序用的各种不同的机床夹具。
夹具使用完毕,可以方便的拆开,洗净元件存放起来,留待以后组装新夹具时再用。
因之组合夹具是具有高度标准化和系列化元件的新型工艺装备。
关于组合夹具的问题,其设计原理基本相同。
在实际生产中应用的夹具很多,分类方法也有很多种。
通常还可按使用夹具的工序不同分为车床夹具,铣床夹具……等;
还可以根据在机床上运动的特点归并成以下几类,
（1）车床类夹具:
包括车床,内外圆磨床,螺纹磨床用夹具,其特点是夹具与工件一起作旋转运动。
（2）铣床类夹具:
包括铣床,刨床,平面磨床等机床用夹具,其特点是夹具固定字工作台上,只作纵向或横向往复运动或回转运动。
（3）钻,镗床类夹具:
用于在钻床上钻,扩,铰等工序或在镗孔工序,其实就是夹具固定在机床上,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,机床夹具已成为机械加工中的重要装备。
机床夹具的设计和使用是促进生产发展的重要工艺措施之一。
随着我国机械工业生产的不断发展,机床夹具的改进和创造已成为广大机械工人和技术人员在技术革新中的一项重要任务。
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。
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。
1980年国际工业设计协会理事会（ICSID）给工业作了明确定义：
“就批量生产的工业产品而言，凭借训练，技术知识，经验及视觉感受，而预示材料、结构、构造、形态、色彩、表面加工，装饰以新的品质和规格，叫做工业设计。
根据当时的具体情况，工业设计师应在上述工业产品全部侧面或其中几个方面进行工作，而且需要工业设计师对包装、宣传、展示，市场开发等问题的解决付出自己的技术知识和经验以及视觉评价能力时，这也属于工业设计的范畴”。
材料、结构、工艺是产品设计的物质技术基础，一方面，技术制约着设计；
另一方面，技术也推动着设计。
从设计美学的观点看，技术不仅仅是物质基础还具有其本身的“功能”作用，只要善于应用材料的特性，予以相应的结构形式和适当的加工工艺，就能够创造出实用，美观，经济的产品，即在产品中发挥技术潜在的“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的结构基础上增设一个液压机构来实现夹紧省力的，设计方案如图1所示，主要是在原有结构的基础上增加了一个螺旋盘，一个摆动油缸及柱塞等。
大锥齿轮背面加工出凹槽，圆柱活塞一端与槽配合，另一端装在液压缸定子叶片的孔中，端部装有弹簧，柱塞在弹簧作用下，一端始终与凹槽接触。
工作时利用转动杠转动小锥齿轮2带动大锥齿轮3,当卡爪7未接触工件时,圆锥螺旋弹簧5所受载荷较小,圆柱活塞4与大锥齿轮3无相对运动,缸体6随之一起转动,卡爪7径向移动,接近工件,此为空行程。
当卡爪7接触工件后,所受阻力激
增,进
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
给激减，继续转动手柄，活塞4受力增大，当其达到一定程度时，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被加压缩，液体推动转子叶片10旋转，卡爪7径向微进给，此为夹紧行程。
当大锥齿轮3继续旋转至某一角度，活塞4将复位，继续转动，将重复上一次的运动直到把工件完全夹紧。
第3章主要参数确定与结构计算
以下以在KZ320型卡盘基础上增设一个螺旋摆动式液压机构为例进行分析。
3.1液压腔的结构设计
根据其具体的安装条件和强度刚度要求，拟对其尺寸初步取：
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
……………………
（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得到尽可能大的扭矩,其输出扭矩的表达式为：
M=Zb（
²
-
）Pym（N.m）…………………………
（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-2L1-2X1-2n1=236mmd1=d+2L1+2L2=146mm
由
可得,在b、D1、d1、P及Ym等一定的情况下，理论上叶片数越大，得到的输出扭矩也越大。
在本设计中，摆动液压缸是利用液体压强向各个方向等压强传递的原理，来实现轴向运动向旋转运动的转换。
由于已知结构特定，故在本方案中其输出扭矩并不随叶片数的增大而增大，在外力一定的情况下，M只与油腔轴向面积成正比。
叶片数Z只影响压力油压强，但最终扭矩不变。
故为了便于制造、安装和密封，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）
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………（4）
其中F2=F/Z………………（5）
每个叶片受力F1=PS1…………（6）
F1/F2=S1/S2=σ1…………（7）
其中σ1为增力比,为一常数,故S2=S1/σ1…………………（8）
第4章.凹槽轮廓线的设计
根据设计方案可知,凹槽轮廓线分两个功能部分,即增力夹紧部分和圆柱活塞杠位置复原部分。
活塞杠与叶片组成增力系统,又与弹簧配合,组成离合销系统。
为了使两个系统的工作顺利衔接,特设计过渡斜面系统.设计的凹槽形状如图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角斜面为槽面第二部分增力部分,θ2角为第三部分过渡部分，下面分别确定个参数。
4.1确定轮廓面段数
因采用三个圆柱活塞杠,故同样形状的轮廓面段数N=3n（n=1、2、3……）
考虑到结构的具体需要,取n=2,则N=6,卡爪在一周内将进给f=6×
f10.30
故缩短了夹紧时间,提高了效率。
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……………………（9）
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
根据安装的需要，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
对活塞杠进行受力分析,如图4所示
图4活塞杠受力图
θ=Nsinα+Fcosα…………（10）J=Ncosα……………………（11）
F=Nf…………（12）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就是最终的增力比.设计目标为增力比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
当活塞杠处于与凹槽配合状态，与大锥齿轮还没有相对滑动时，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…………………（13）
F1+F2+Fsinθ+T=Nsinθ竖直力平衡…………………（14）
Fcosθ+Nsinθ=Q……………………………………………（15）
F=Rf……………………………………………………………（16）
T=PS2+T0………………………………………………………（17）
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,为方便计算和实际需要,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急剧减少,且T随活塞杠升程增大而增大,其与弹簧弹力及液体压强有关,若弹簧确定,则临界T确定,即能求得螺旋盘从空行程转入到夹紧行程的最小动力，故θ=45符合要求,此时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
槽面形状如图6所示,基于工作要求,取C1=3mm,C2由前述条件得:
C2=H2tgβ=H2sin45°
=8mm.…………………（18）
则tgβ=H2/（L-Φ-C1-C2）=8/（96.3-20-3-8）=0.123，得：
β=7°
第5章夹具在安装和操作时应注意的事项
5.1夹具的安装
当夹具的各个零件生产出来后，就要对它进行安装。
安装夹具看起来是非常简单的事情，但是不同的人安装同样的夹具，其安装的夹具误差都不一样。
（从瑞士手表的安装准确度，其秒针走时误差一年相隔一秒与一星期相隔一秒的例子得启示）公司有专人安装夹具的队伍，在某些程度上提高了安装精度。
在安装夹具的过程中要注意一些事项：
（1）先以平衡的方式把钻模板和夹具体以两个锥销定位，接着依次
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