毕业设计论文液压台虎钳设计.docx
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毕业设计论文液压台虎钳设计
液压台虎钳设计
摘要
液压台虎钳是对现有螺纹传动台虎钳的改进，主要用于大批量生产，他能实现快速夹紧与快速松开，并且能保证夹紧力大小。
这样就可以避免过去夹紧一个较薄的零件时，因夹紧力没办法确定调试的时间，同时因能实现快速夹紧与快速松开，从而大大的提高生产效率。
为了实现快速夹紧与快速松开，将传统的螺纹传动改为液压传动，活动钳身的固定通过刹车手柄带动刚带刹车块，通过摩擦力来抱死活动钳身，从而实现活动钳身的快速移动，而夹紧力有弹簧来保证，我们可以通过调整弹簧的张紧程度来保证夹紧力的大小。
液压台虎钳与传统台虎钳相比有不足之处：
一是咋成本上要比传统的螺纹台虎钳要贵而且相对来说，制造复杂，操作也复杂一些：
二是液压台虎钳的受力方向受到限制，较大的力（如冲击力）只能固定钳身方向，给操作者带来不便这写不足之处还需改进，以后要超这个方向努力。
关键词：
液压传动；螺纹传动；夹紧力。
前言
随着工业生产节奏的加快，传统的螺纹台虎钳已跟不上工业生产的需求，对比螺纹传动的局限性，液压传动具有结构紧凑|、惯性小、反应快，工作平稳等特点，因此以液压为传动的台虎钳更适用当前工业生产的需要，在市场上需求量极大。
首先，根据现在生产核技术越来越高，生产精度越高，同时也是生产越来越精巧，夹紧力也要求越来越准确，不能过大过小。
但传统的螺纹台虎钳所产生的夹紧力是根据师傅的经理来保证的，因此极有可能会产生以上的不足而使废品率提高，根据生产的需要，特此设计一套适合加工的液压台虎钳。
其次，传统的台虎钳工作效率比较低，传统台虎钳是螺纹传动，无法实现快速夹紧与松开，使得生产效率比较低。
而新设计的钳工用液压台虎钳，可以实现快速夹紧与松开，同时液压系统的动力源为手动，使用极为方便。
与传统螺纹台虎钳相比液压台虎钳具有种种优越性，为体现这一优越性，在此设计一套液压台虎钳。
一、设计构思
1.需获得何种功能：
工件的装夹——工件的快速加紧与放松快速。
2.功能需要何种运动：
往复直线运动。
3.运动需何种机构：
4.能获得往复只想运动的机构有螺纹传动机构、曲柄滑块机构、液压传动、气
压传动。
5.机构需何种性能：
1）循环周期——5秒；
2）运动精度——一般；
3）工作效率——高；
4）可靠性——使用寿命5000小时。
二、方案设计
1.工作机构方案罗列：
1）执行机构——驱动机构（采用何种驱动机构）夹持行程（150mm）。
2）钳口宽度（150mm）夹块材料：
考虑到夹块与工件接触频繁容易磨损，所以采用45号锻钢‘合金钢或不锈钢。
3）钳身材料：
考虑到经济性和工艺性钳身材料采用Q235号钢材。
2.工作机构性能分析：
1）螺旋传动机构——螺旋传动机构具有增力特性，古故传动力大，且结构简单、传动平稳、传递运动准确、易于实现自锁。
但螺旋机构传动效率低，不宜长期连续运动；同时考虑到整体结构的简单和紧凑，电动机与螺旋机构一同安装在工作台上，如此安全性低。
2）曲柄滑块机构——结构简单、容易制造、能传递较大载荷。
但不适合高速运动和运动规律要求较高的场合；同时考虑到整体结构简单和紧凑，电动机与曲柄滑块机构一同安装在工作台上，安全性低。
3）气压传动机构——气动动作迅速、反应快、结构简单、空气具有科压缩性，气动系统能够实现过载自动保护。
同时空气具有可压缩性，气缸的动作速度容易受负载变化影响气动不容易密封噪声大。
4）液压传动机构——传动平稳、能传递较大载荷、结构紧凑、操作简单、易于实现过载保护使用寿命较长。
且液压元件实现了标准化、系列化、通用化，便于设计、制造和使用。
但传动比不准确、效率低、故障维修困难。
3.工作机构性能比较：
螺旋传动机构
曲柄滑块机构
气压传动机构
液压传动机构
价格
低
低
高
高
可靠性
高
低
低
高
安全性
低
低
高
高
效率
低
低
低
高
夹紧力
大
大
小
大
比较以上几种传动形式，液压传动具有更多优点，具体表现在一下各个方面：
1）在输出效率相同的情况下，其结构及紧凑、体积小、重量轻、承载能力强。
2）液压系统有卸荷、减压、保压（自锁）等装置和回路很容易控制。
3）惯性力小、动作灵敏，气动、制动速度快，传动平稳，科实现快速而无冲击的换向。
4）动力的传递和储存都很方便，边于用管道传递压力油，所以液压元件机构和装置易于布置，且各元件的安装自由度很大，可随意放置在适当位置，并且能实现远距离操纵。
5）自动防止过载，可避免事故的发生。
6）液压元件自动润滑，寿命长
7）液压系统中的泵阀等元件均已实现标准化、系列化。
设计过程只做计算选取简化
设计工作量，缩短了制造周期，提高了生产率，因而成本更经济、合理。
当然液压传递也有一些突出的缺点：
如泄露、油管产生的一些弹性变形易影响传动精度，另外还有油管的粘温性、节流现象等，此外精密元件的加工精度高，因而制造成本高，但相比而言，这写问题都可以在其允许的范围得以解决。
三、台虎钳的工作原理
液压台虎钳的工作原理就是将传统的螺纹夹紧换成液压系统，利用液压系统的系统压力可调节，通过计算可以调出钳口的夹紧力大小，这杨就不会出来夹紧力过大或者过小。
过小夹不稳工件，使工件达不到精度要求；过大对工件易产生损害。
图3.1钳工台虎钳示意图
1调整螺母，2弹簧，3活动钳身固定杆，4液压油管联接螺母，5活动钳口，
6柱塞缸，7柱塞泵，8底座，9固定钳口，10刹车手柄，11刹车，
12带型刹车模块，13挡圈螺母，15液压油管，16油泵手柄，17钳口，等组成
其工作原理具体为：
台虎钳的夹紧力是靠弹簧来保证的，液压系统在此的功能只是让活动钳口克
服弹簧的张力向左移动一点距离，其工作步骤如下：
（一）通过调整螺母1，调整好弹簧在图示位置的张力，使张力等于要加工零件夹
（二）紧力。
（三）压油泵手柄16，通过油管15个柱塞缸6注入液压油，通过柱塞缸6推动钳活动钳口向左移动。
并且将油泵手柄16卡入（图示位置，在16的下方方块）方块中。
（四）用手推动活动钳身向左移动，并且给工作一个初始的夹紧力（预紧力），然后可用手扳动手柄10，通过带型刹车摩擦块死死的抱死活动钳身固定杆，使他不能再动。
（五）完成以上工作后，就放开油泵手柄16，释放液压系统的压力，让弹簧的张力来实现工作，从而可以实现快速松开。
（六）加工完以后，只需松开手柄10，然后用手拖开活动钳身就可以实现快速松开。
四、液压台虎钳总体方案设计
本设计中，充分考虑到台虎钳的功能和需求和液压的配合需求，在具体实现的过程中，以系统的可靠性与易用为准则，尽量把液压台虎钳设计成为一个功能齐全、可靠性高切易于使用的产品。
1、液压台虎钳的几中设计方案及工作原理：
由于液压台虎钳是以传统螺纹台虎钳为基础进行改进，有下面两种设计方案，A与B方案都能实现快速夹紧与松开
图4.1设计方案A
1活动钳身，2小活动钳口，3液压泵手柄，4弹簧，
5柱塞泵，6刹车手柄，7挡快，8柱塞缸
图4.1液压台虎钳设计方案A
此种设计方案的工作原理是：
先压下液压泵手柄3给柱塞缸8注入液压油使小活动钳口向右移动，然后放入工件再用手推活动钳身1，给工件一个预紧力，之后就用手往下压刹车手柄6使活动钳身迅速固定不动，再后就是放松液压泵手柄3，使液压系统压力位零，此时再释放弹簧张力，通过弹簧张力来对工件进行夹紧，实现快速夹紧。
只要把刹车手柄6网往上拉，就可以拖活动钳口，从而实现快速松开。
图4.2设计方案B
1调整螺母，2弹簧，3液压泵手柄，4柱塞泵，
5柱塞缸，6活动钳口，7固定钳身，8刹车手柄
图4.2液压台虎钳设计方案B
此种设计方案的工作原理是：
先压下液压泵手柄3给柱塞缸5注入液压油使活动钳口向左移动活动，然后放入工件再用手推活动钳身，给工件一个预紧力，之后就用手往下压刹车手柄8使活动钳身迅速固定不动，再后就是放松液压泵手柄3，使液压系统压力位零，此时再释放弹簧张力，通过弹簧张力来对工件进行夹紧，实现快速夹紧。
只要把刹车手柄8网往上拉，就可以拖活动钳口，从而实现快速松开。
2设计方案的选定
1）A中设计方案，虽说设计与加工比B中方案要简单，也可以实现快进与
快退，但在加工（如锉削、凿削、锯削）时，主受力方向为弹簧的那个方向，因为弹簧虽说可以保证夹紧，但在受到冲击力时会因为力的突然增大而使工件松动，这对工件（如表面质量、精度要求）也会造成一定的影响，如果冲击力是朝活动钳身这边，因力的突然增加会使得摩擦块产生摩擦力无法抱死活动钳身，这样会使以前的夹紧没效，会使以前的定位无效。
2）B种设计方案，虽说设计与加工比A种设计方案稍要复杂，但解决了A种设
计方案加工时的主要缺点，因为受冲击力的方向是在固定钳身这边，所以，在允许范围内，不管受多大的冲击力，都不会使工件长生松动；同时可以快进与快退。
比较这两种设计方案，两种方案都能实现快速夹紧与快速松开，A种方案只能用于加工时没有冲击的场合，但台虎钳作为钳工的一种必不可少的工具，是不可能在加工时不遇到冲击力的，反而是经常会遇到这中情况，所以比较而言A种方案并不合适；而B种方案只要保证受力方向朝固定钳口方向，则可以在受到冲击力作用的同时保证加工工件不会松动。
由此可见方案B比方案A要优越，搜所以选择设计方案B。
五、液压台虎钳各部分的设计
1、液压缸内径与活塞杆直径的确定
行程150mm
缸径根据夹紧力的要求来求：
设定所需夹紧力伟2000kg
查机械工程师电子手册选液压缸的公称压力位16MPa
根据活塞受力平衡方程：
AP=F
整理后得活塞有效面积：
A=F/P
根据上式推出缸筒内径：
将A=（π/4）D²带入上式得：
D=（4F/πp）²=√（4×20000/3.14×16×10^6）＝39.9
查阅电子手册国家标准系列取D=40mm。
活塞材料选用45号钢缸筒选用Q235，活塞杆直径的确定：
根据活塞杆的受力情况为受压，P=16MPa，
查得活塞杆的直径d=0.7D（P＞7.0MPa，d=28mm
活塞杆强度根据公式d≥√{4F/π[δ]}进行强度校核
查阅电子手册克制材料45号钢的抗性强度极限δ≥340MPa；
d≥√[（4×20000）/（3.14×340×10^6）]
d≥8.66mm
所以所求活塞杆强度足够。
缸筒壁厚δ德确定δ≥PyD[δ]
Py为实验压力，当缸的额定压力Pn≤16MPa时，取Py=1.5Pn，即Py=24MPa。
[δ]——缸筒材料的许用力；[δ]=δh/n;δh为材料抗拉强度，
查阅电子手册δh≥600MPa，n为安全系数，一般取n=5.
[δ]=（600×10^6）/5=120MPa
δ≥[24×10^6×40×10^（-3）]/（2×120×10^6）
δ≥4mm
当D/δ≤10时，按厚壁筒来进行校核
δ≥D/2{（[δ]+0.4Py）/√（[δ]－1.3Py）-1}
δ≥20×10^（-3）×（129.6×10^6）/（88.8×10^6）－1
δ≥4mm
所以所求壁厚强度足够。
液压缸行程的确定，设定所需液压缸行程为150mm。
液压缸外径D1便可以根据公式D1=D+2δ求出D1=48mm
查阅电子手册国标系列圆整取D1=57mm。
液压缸其他部位尺寸的确定：
活塞宽度B=（0.6R1.0）D（取B=0.8D），B=32mm
活塞杆长度的确定：
活塞杆两端均采用螺纹联接方式，经查阅电子手册两端螺纹长度取28mm，活塞内径为40mm、活塞杆直径为28mm的螺纹联接部分采用M20×1.5的螺纹。
具体尺寸见零件图（如下图所示）：
图5.1.1
活塞尺寸的确定：
活塞密封腔体L2用橡胶密封的尺寸系列及公差根据GB/T10708.1—1989查得：
L2=8mmd=30mmF=0.5mmS=5mm（Smax=5.15mm；Smin=4.90mm）。
根据工作要求查阅电子手册选择活塞与缸筒配合表面为间隙配合，配合公差φ48H8/f7查表GB/T1800.3—1998公差等级为IT7级的标准公差数值为25μm，再根据GB/T1800.4—1999查得极限偏差数值f，上偏差为-25μm，下偏差-50μm如下图所示
图5.1.2
活塞密封圈采用Y型橡胶密封圈。
导向套滑动面长度A＝（0.6R1.6）D（D＜80mm）（取A=1.0D）
A＝40mm
导向长度H≥L/20＋D/2（L为液压缸最大行程）
H≥125/20＋40/2
H≥26.25mm
导向套与缸筒内壁的配合为基孔制间隙配合φ40H8/h7,导向套与活塞杆的配合为基轴制间隙配合φ28H8/h7.
如图所示为单活塞杆液压缸的结构图，它主要有缸底1、活塞3、缸筒4、活塞杆5、导向套6等组成。
缸底设计成为耳环式的，缸底尾部利用固定固定销将液压缸固定在钳身上，相对于法兰连接来说，耳环具有结构简单，拆装方便等优点。
因缸底主要承受压力，故选择受压状态时承载能力较强的Q235，考虑到缸底有M18×1.5螺孔，连接耳环，所以初选缸底厚为70mm。
由手册可知HT250的δb≥250MPa，由手册可知，铸铁的抗压强度为抗拉强度的2-5倍即δb2=3δb=3×250=750MPa。
根据计算缸底强度足够，缸底与缸壁联接处采用焊接。
具体结构如下图所示：
图5.1.3
导向套尺寸的确定，导向套主要承受压力，与缸底同选HT250，其外圆表面与缸壁的配合为过渡配合，配合公差为φ40H8/f7,导向套的内表面与活塞杆之间具有相对运动，表面应渡一层耐磨材料。
导向套的内外面精度等级和总体尺寸如下图所示：
图5.1.4
缸筒另一端与缸盖采用螺纹连接。
活塞与活塞杆采用螺纹连接。
为了保证液压缸的可靠密封，在相应部位设置了密封圈2、7、9和防沉圈10.
图5.1.5活塞杆液压结构图
1—缸底；2、7、9—密封圈；3—活塞；4—缸筒；5活塞杆；
6—导向套；8—缸盖；10—防尘圈；A、B—进油口。
液压泵的选择
为了保证操作都轻松，所以要求液压泵的横截面积小于液压缸为了减低成本，在就是便于设计，所以选择柱塞直径为8mm的柱塞式液压缸，见图如下：
图5.1.6柱塞式液压泵
1—缸体；2—柱塞；3—导向套；4、5—密封圈；6—防尘圈
图1.7柱塞式液压泵
所以止时液压系统的压力位：
P=F/A
A=πd²/4
P=250/（3.14×18²/4）
=1MPa
A：
柱塞有效面积
D：
柱塞直径
但根据弹簧的张力等于F=KN
F：
弹簧的张力
X：
弹簧的改变长度
所以当液压缸推动活动钳身口移动时，越推力会越大，所以要求P比计算出来的要大些，所以取1.5MPa，所以系统压力为1.5MPa。
这时作用在柱塞式液压泵上的压力应为：
F=PA
F=1.5×π×10²/4=117.75N
由于杠杆原理的原因，所以操作者不需用到一百牛的力，操作起来就不会感到吃力，所以所取的液压元件合理。
2台虎钳身的设计
液压台虎钳的设计要求是整体高度不超过250mm，为了使结构紧凑，所以对现用的台虎钳必须进行修改方能适用，钳身的设计中遇到的强度等方面的考虑可以参照已有台虎钳进行设计，故可以免除强度计算。
2.1活动钳身设计
为了便于加工，将传统的整体活动钳身改为由几部分组成，活动钳身主要优活动钳口、钳杆、液压缸、液压泵组成，其结构图如图所示：
图5.2.1
1、钻口；2、钻口螺栓；3、液压手柄；4、液压拉杆；5、柱塞杆；
6、加紧弹簧；7、调整螺母；8、活动钳口；9、油管螺母；
10、油管；11、柱塞缸；12活动钳身
图5.2.1活动钳口示意图
为了设计和制造简单，减低成本，其液压系统没有油箱这样就要求工作者定期加油，活动钳口这样设计的作用主要是便于快速夹紧与松开，只要固定钳身能快速抱紧与松开钳身杆，其余事就交给活动钳口了，为了满足这些要求将活动钳口用弹簧来推动来实现夹紧，其工作原理是：
（一）工作者能通过调整螺母7来调弹簧的张力，因为这个弹簧的张力为夹紧工件的夹紧力，调好夹紧此类工件的夹紧力。
（二）工作者用手压压杆3，给液压柱塞注入液压油，推动活动钳口，并且将手柄卡入液压手柄固定块内。
（三）工作者将工件放入钳口，用手推活动钳身，给工件一个预紧的夹紧力。
（四）将3从固定块内拿出来，释放柱塞里的液压油，此时液压系统的压力为零。
同时弹簧释放势能通过弹簧的张力来实现真正的夹紧。
2.2固定钳身的设计
在介绍活动钳身时，讲到了固定钳身必须能在很短时间内死死的抱死活动钳身不让他移动，另外它还参与加紧工作，这与现用的台虎钳是相同的，所以可以参照现有的固定钳身来进行设计，与现有台虎钳的固定钳身相比，只需增加一个能实现在很短的时间内抱死活动钳身的装置就可以了，其他方面改动不大，故可免掉一些强度计算。
固定钳身主要由：
底座、固定钳口、带型刹车机构、凸轮机构组成，其结构如图所示：
图5.2.2
1、钻口；2、固定钳口；3、刹车手柄；4、刹车轴；
5、钢带刹车；6、底座；7、螺栓
图5.2.2固定钳身示意图
此种设计通过刹车手柄3往下压时，带动钢带刹车块，通过摩擦力来抱死活动钳身固定杆，从而实现快速夹紧与松开，不过要是摩擦力来抱死活动钳身，就要求钢带拉得较紧。
F=Nf
F:
摩擦力
N:
正压力
F:
摩擦系数
因为只有摩擦系数比较
3、钳口夹块尺寸的确定
图5.3.1
夹块长度为120mm，高度为40mm厚度为15mm。
由于夹块所受作用力大，且与工件的频繁接触所造成的磨损严重，为使夹具有较高强度和耐磨性选用夹块的材料为45号钢，硬度大于45HRC，查阅电子手册材料的抗压强度极限δs≥340MPa经计算夹块所受的压力远远小于材料的抗压强度极限，所以夹块的强度足够。
夹块上有两个沉头螺钉孔用来固定在钳口上，螺钉采用GB/68M8开槽沉头孔螺钉，因螺钉在这里仅用于固定夹块，所以现用的螺钉强度足够。
4台钳与工作台的联接
为了设计简单、便于制造、降低成本，所以台虎钳与工作台的联接部分不做任何改动，完全按照原样照搬。
各个零件与装配的尺寸、公差配合、技术要求详细见零件图和装配图。
六、液压台钳的使用说明
本台钳是改进现有螺纹台虎钳，将螺纹传动改为液压传动，且液压系统的动力源为手动，可以实现快速松开与夹紧，切保证工作要求的新型台虎钳
（一）根据所加工工件的大小和材料以及加工时的受力大小和力的类型，确定要夹紧此
类的夹紧力，并调好夹紧力（通过调整螺母来调节）。
（二）调整好夹紧力以后，就压下液压泵给柱塞缸注入液压油
（三）将工件放入钳口，用手推活动钳口，夹紧工件，给工件一个初始夹紧力，然后压下刹车手柄
（四）放开液压手柄，让液压系统压力为零，即可达到快速夹紧。
夹紧之后就是工作者对工件加工了。
（五）只要将刹车手柄往上提就可以拖动活动钳口，从而快速松开。
注意事项：
一位此液压台钳没有油箱，虽说系统压力比较低，但还是会存在泄露，所以要求操作者对台钳定时加液压油，其加油时间根据加工时的夹紧力打小来确定，另外就是在工作是要注意力的方向，只能是力朝固定钳身这边，如果方向搞反了得话，就可能会使得台钳的夹紧失效。
七、总结
此次的毕业设计把我在学校几年所学的专业基础知识与生产实践相结合的一次大胆的尝试，也是对自己这几年来所学专业基础知识的一次总结，而且在本次的设计中也学到了许多性的知识，也由于经验不足，所以设计出来的台钳不一定会比现有的台钳先进和使用，但对于我来说这是一次新的尝试。
在这段时间的设计中，有以下几点新得体会：
（一）初步是我懂得了搞设计是怎么一回事，应从哪里入手，要找一些什么样的资料和参考书籍，还有就是多在社会中找找现用的，与之差不多的产品来研究他们的工作方式，这样设计有什么好处和不足之处，应如何改正。
进行大量的数据采集以后，进行分析，从生产加工的厂家的使用要求和现在社会的实用情况出发，选择最优的，最经济的设计方案。
（二）通过此次设计，使我具备了一定的独立设计能力，能够使自己所学的专业知识应用在实践中，此次设计综合了同学的建议，并查阅了大量资料，实现了台钳的快速夹紧与松开，这对台虎钳来说是一次大胆的改进和创新。
可能我这次设计出来的并不是很实用，但对我来说这是一次很大的进步，使我懂得如何去思考和发现现有产品的不足。
（三）通过设计锻炼了自己独立思考问题的能力，并且培养了自己对设计的创新能力，同时也发现了自己的不足之处，如对某些结构设计和工作时有可能遇到的情况考虑不全面等。
（四）在设计过程中，对于各门专业基础课的纵使应用不是很熟练，对于在设计中所遇到的问题不能全面独立自主的解决，这在实际生产加工是不能胜任的的，所以在以后的生活中必需加强专业知识和社会实践，让自己进一步提高。
八、致谢
经过紧张的毕业设计，我如愿的较圆满的完成了设计任务，从中发现了许多值得注意的问题。
本次设计培养了我们的设计能力，学习和掌握课件的基本制作方法步骤，并给我以后的工作打下坚实的基础，本次设计让我把以前所学的专业理论知识与现实的操作实践相结合。
这段时间的设计中我也遇到了不少难题，但通过与同学的探讨与查阅资料，使我对其加深了认识。
最后衷诚的感谢老师对我的教育与指导，由于我对所学知识理解不够彻底，而且学习时间较短，又缺乏经验，设计中难免会存在疏漏和欠缺之处，恳请老师批评指正，以便在以后的工作和学习中不犯类似的错误。
九、参考文献
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2.王志泉、董慧灵主编《机械制图》。
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