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叉架加工夹具设计

本科毕业设计（论文）

叉架加工夹具设计

系部：

机电学院

专业：

机械设计制造及其自动化

班级：

学号：

学生姓名：

＿＿＿

指导教师：

＿＿＿

叉架加工夹具设计

摘要

本论文是结合目前实际生产中，常常发现仅用通用夹具不能满足生产要求，用通用夹具装夹工件生产效率低劳动强大，加工质量不高，而且往往需要增加划线工序，而专门设计的夹具：

叉架夹具，主要包括夹具的定位方案，夹紧方案、夹具的加工工艺、夹具体与定位键的设计及加工精度等方面的分析。

本设计叉架夹具有良好的加工精度，针对性强，主要用于拨叉零件铣槽工序的加工。

其具有夹紧力装置，具备现代机床夹具所要求的高效化和精密化的特点，可以有效的减少工件加工的基本时间和辅助时间，大大提高了劳动生产力，从而可以有效地减轻工人的劳动强度和增加劳动效率。

叉架夹具具有提高生产率、扩大机床工艺范围、减轻工人劳动强度以及保证生产安全等特点。

因此，对夹具知识的认识和学习以及设计新式的适合实际生产的夹具在今天显得尤为重要起来。

关键词：

拔叉；工艺规格设计；定位夹紧；夹具设计；加工精度

Forkframeprocessingfixturedesign

Abstract

Thispaperisbasedontheactualproduction,oftenfoundinonlygeneralcannotmeettheproductionrequirementsfixture,withgeneralfixtureclampingwork-pieceproductionefficiencylowlaborpowerful,processingqualityisnothigh,andoftenneedtoincreasecrossedprocess,andspecialdesignoffixture:

forkframeclamp,mainlyincludingfixturepositioningscheme,clampingfixture,theprocessingtechnologyoftheconcreteandtheTAB,clipthedesignandmachiningaccuracyofanalysis.

Thisdesignforkframecliphasgoodprocessingprecision,targeted,mainlyusedforforkpartsslottingprocessofprocessing.Ithastheclampingforcedevice,withmodernmachinetoolfixturesrequiredthecharacteristicsofhighefficiencyandprecision,andcaneffectivelyreducetheprocessingtimeandthebasicauxiliarytime,greatlyimprovinglaborproductivity,whichcaneffectivelyreducethelaborintensityandincreasetheworkefficiency.Forkframeclampisraisingproductivity,expandthescopeoftechnology,toreducethemachinelaborintensityandensurethesafetyinproduction,etc.Therefore,tofixtureknowledgeknowandstudyanddesignofnewproductionoffixtureforpracticalintodayisespeciallyimportanttorise.

Keywords:

Fork-lever;Craftspecificationdesign;Thelocalizationclamps;Jigdesign；Processingprecision

前言

机械制造过程中用来固定加工对象，使之占有正确的位置，以接受施工或检测的装置。

又称卡具。

从广义上说，在工艺过程中的任何工序，用来迅速、方便、安全地安装工件的装置，都可称为夹具。

例如焊接夹具、检验夹具、装配夹具、机床夹具等。

其中机床夹具最为常见，常简称为夹具。

在机床上加工工件时，为使工件的表面能达到图纸规定的尺寸、几何形状以及与其他表面的相互位置精度等技术要求，加工前必须将工件装好（定位）、夹牢（夹紧）。

夹具通常由定位元件（确定工件在夹具中的正确位置）、夹紧装置、对刀引导元件（确定刀具与工件的相对位置或导引刀具方向）、分度装置（使工件在一次安装中能完成数个工位的加工，有回转分度装置和直线移动分度装置两类）、连接元件以及夹具体（夹具底座）等组成。

机床夹具是机械制造业中不可或缺的重要工艺装备，可以保证机械加工质量、提高生产效率、降低生产成本、减轻劳动强度、实现生产过程自动化，使用专用夹具还可以改变原机床的用途和扩大机床的使用范围，实现一机多能，所以，夹具在机械加工中发挥着重要的作用，大量专用机床夹具的采用为大批量生产提供了必要的条件。

　　本书以培养和提升技术人员的机床夹具设计能力为主旨，强调应用能力的培养，以“必需、够用”为度，着眼于解决现场实际问题，突出综合素质的培养。

编者结合自己多年的教学和实践经验，将机床夹具设计原理、典型机床夹具设计及夹具设计内容有机地融合，以通俗易懂的文字和丰富的图表，按照课题形式进行编排，采用案例式教学模式，从生产要求出发，突出实际应用，具有很强的实用性；并以相关理论知识为纽带，紧密联系生产实际，突出了科学性。

夹具是机械加工不可缺少的部件，在机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展的带动下，夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济方向发展。

一、高精随着机床加工精度的提高，为了降低定位误差，提高加工精度对夹具的制造精度要求更高高精度夹具的定位孔距精度高达±5μm，夹具支承面的垂直度达到0.01mm/300mm，平行度高达0.01mm/500mm。

德国demmeler（戴美乐）公司制造的4m长、2m宽的孔系列组合焊接夹具平台，其等高误差为±0.03mm；精密平口钳的平行度和垂直度在5μm以内；夹具重复安装的定位精度高达±5μm；瑞士EROWA柔性夹具的重复定位精度高达2～5μm。

机床夹具的精度已提高到微米级，世界知名的夹具制造公司都是精密机械制造企业。

诚然，为了适应不同行业的需求和经济性，夹具有不同的型号，以及不同档次的精度标准供选择。

二、高效为了提高机床的生产效率，双面、四面和多件装夹的夹具产品越来越多。

为了减少工件的安装时间，各种自动定心夹紧、精密平口钳、杠杆夹紧、凸轮夹紧、气动和液压夹紧等，快速夹紧功能部件不断地推陈出新。

新型的电控永磁夹具，加紧和松开工件只用1～2秒，夹具结构简化，为机床进行多工位、多面和多件加工创造了条件。

为了缩短在机床上安装与调整夹具的时间，瑞典3R夹具仅用1分钟，即可完成线切割机床夹具的安装与校正。

采用美国Jergens（杰金斯）公司的球锁装夹系统，1分钟内就能将夹具定位和锁紧在机床工作台上，球锁装夹系统用于柔性生产线上更换夹具，起到缩短停机时间，提高生产效率的作用。

三、模块、组合夹具元件模块化是实现组合化的基础。

利用模块化设计的系列化、标准化夹具元件，快速组装成各种夹具，已成为夹具技术开发的基点。

省工、省时，节材、节能，体现在各种先进夹具系统的创新之中。

模块化设计为夹具的计算机辅助设计与组装打下基础，应用CAD技术，可建立元件库、典型夹具库、标准和用户使用档案库，进行夹具优化设计，为用户三维实体组装夹具。

模拟仿真刀具的切削过程，既能为用户提供正确、合理的夹具与元件配套方案，又能积累使用经验，了解市场需求，不断地改进和完善夹具系统。

组合夹具分会与华中科技大学合作，正在着手创建夹具专业技术网站，为夹具行业提供信息交流、夹具产品咨询与开发的公共平台，争取实现夹具设计与服务的通用化、远程信息化和经营电子商务化。

四、通用、经济夹具的通用性直接影响其经济性。

采用模块、组合式的夹具系统，一次性投资比较大，只有夹具系统的可重组性、可重构性及可扩展性功能强，应用范围广，通用性好，夹具利用率高，收回投资快，才能体现出经济性好。

德国demmeler（戴美乐）公司的孔系列组合焊接夹具，仅用品种、规格很少的配套元件，即能组装成多种多样的焊接夹具。

元件的功能强，使得夹具的通用性好，元件少而精，配套的费用低，经济实用才有推广应用的价值。

1绪论

1.1夹具概念

夹具是在机械制造过程中，用来固定加工对象，使之占有正确的位置，以接受加工或检测并保证加工要求的机床附加装置，简称为夹具。

在我们实际生产中夹具的作用是将工件定位，以使加工工件获得相对于机床和刀具的正确位置，并把工件可靠地夹紧。

1.2夹具的主要功能

在机床上加工工件的时候，必须用夹具装好夹牢所要加工工件。

将工件装好，就是在机床上确定工件相对于刀具的正确位置，这一过程称为定位。

将工件夹紧，就是对工件施加作用力，使之在已经定好的位置上将工件可靠地夹紧，这一过程称为夹紧。

从定位到夹紧的全过程，称为装夹。

1.3夹具的分类

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。

1.3.1按夹具的通用特性分类

目前中国常用夹具有通用夹具、专用夹具、可调夹具、组合夹具和自动线夹具等五大类。

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。

其优点是适应性强、不需要调整或稍加调整即可装夹一定形状和尺寸范围内的各种工件。

这类夹具已商品化。

如三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘、台虎钳、万能分度头、顶尖、中心架、电磁吸盘等。

采用这类夹具可缩短生产准备周期，减少夹具品种，从而减低生产成本。

其缺点是夹具的加工精度不高，生产力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道工序的加工要求而专门设计和制造的夹具。

特点是针对性强。

适用与产品相对稳定、批量较大的生产中，可获得较高的生产率和加工精度。

3．可调夹具

夹具的某些元件可调整或可更换，已适应多中工件的夹具，称为可调夹具。

它还分通用可调夹具和成组夹具两类。

4．组合夹具

组合夹具是由可循环使用的标准夹具零部件（或专用零部件）组装成易于连接和拆卸的夹具。

根据被加工零件的工艺要求可以很快地组装成专用夹具，夹具使用完毕，可以方便地拆开。

夹具主要应用在单件，中、小批多品种生产和数控加工中，是一种较经济的夹具。

5．自动线夹具

自动线夹具一般分为两种，一种为固定式夹具，它与专用夹具相似；另一种为随行夹具，使用中夹具随工件一起运动，并将工件沿着自动线从一个工位移至下一个工位进行加工。

1.3.2按夹具的动力源分类

按夹具夹紧动力源可将夹具分为手动夹具和机动夹具两大类。

为减轻劳动强度和确保安全生产，手动夹具应有扩力机构与自锁性能。

常用的机动夹具有气动夹具、液压夹具、气液夹具、电动夹具、电磁夹具、真空夹具和离心力夹具等。

上述各分类中：

最常用的分类方法是，按通用，专用和组合进行分类。

1.4夹具的组成

虽然夹具的种类繁多，但它们的工作原理基本上是相同的。

将各类夹具中，作用相同的结构或元件加以概括，可得出夹具一般所共有的以下几个组成部分，这些组成部分既相互独立又相互联系。

1．定位支承元件

定位支承元件的作用是确定工件在夹具中的正确位置并支承工件，是夹具的主要功能元件之一。

定位支承元件的定位精度直接影响工件加工的精度。

2．夹紧装置

夹紧元件的作用是将工件压紧夹牢，并保证在加工过程中工件的正确位置不变。

3．连接定向元件

这种元件用于将夹具与机床连接并确定夹具对机床主轴、工作台或导轨的相互位置。

4．对刀元件或导向元件

这些元件的作用是保证工件加工表面与刀具之间的正确位置。

用于确定刀具在加工正确位置的元件称为对刀元件，用于确定刀具位置并引导刀具进行加工的元件称为导向元件。

5．其它装置或元件

根据加工需要，有些夹具上还设有分度装置、靠模装置、上下料装置、工件顶出机构、电动扳手和平衡块等，以及标准化了的其它联接元件。

6．夹具体

夹具体是夹具的基体骨架，用来配置、安装各夹具元件使之组成一整体。

常用的夹具体为铸件结构、锻造结构、焊接结构和装配结构，形状有回转体形和底座形等形状。

上述各组成部分中，定位元件、夹紧装置、夹具体是夹具的基本组成部分。

1.5常用定位元件及选用

工件在夹具中要想获得正确定位，首先应正确选择定位基准，其次是选择合适的定位元件。

工件定位时，工件定位基准和夹具的定位元件接触形成定位副，以实现工件的六点定位。

用定位元件选用时，应按工件定位基准面和定位元件的结构特点进行选择。

1.5.1工件以平面定位

1.以面积较小的已经加工的基准平面定位时，选用平头支承钉，以基准面粗糙不平或毛坯面定位时，选用圆头支承钉，侧面定位时，可选用网状支承钉。

2.以面积较大、平面度精度较高的基准平面定位时，选用支承板定位元件，用于面定位时用不带斜槽的支承板，通常尽可能选用带斜槽的支承板，以利清除切屑。

3.以毛坯面，阶梯平面和环形平面作基准平面定位时，选用自位支承作定位元件。

但须注意，自位支承虽有两个或三个支承点，由于自位和浮动作用只能作为一个支承点。

4.以毛坯面作为基准平面，调节时可按定位面质量和面积大小分别选用可调支承作定位元件。

5.当工件定位基准面需要提高定位刚度、稳定性和可靠性时，可选用辅助支承作辅助定位元件，但须注意，辅助支承不起限制工件自由度的作用，且每次加工均需重新调整支承点高度，支承位置应选在有利工件承受夹紧力和切削力的地方。

1.5.2工件以外圆柱定位

1.当工件的对称度要求较高时，可选用V形块定位。

V形块工作面间的夹角α常取60°、90°、120°三种，其中应用最多的是90°V形块。

90°V形块的典型结构和尺寸已标准化，使用时可根据定位圆柱面的长度和直径进行选择。

V形块结构有多种形式，有的V形块适用于较长的加工过的圆柱面定位；有的V形块适于较长的粗糙的圆柱面定位；有的V形块适用于尺寸较大的圆柱面定位，这种V形块底座采用铸件，V形面采用淬火钢件，V块是由两者镶合而成。

2.当工件定位圆柱面精度较高时（一般不低于IT8），可选用定位套或半圆形定位座定位。

大型轴类和曲轴等不宜以整个圆孔定位的工件，可选用半圆定位座。

1.5.3工件以内孔定位

1.工件上定位内孔较小时，常选用定位销作定位元件。

圆柱定位销的结构和尺寸标准化，不同直径的定位销有其相应的结构形式，可根据工件定位内孔的直径选用。

当工件圆柱孔用孔端边缘定位时，需选用圆锥定位销。

当工件圆孔端边缘形状精度较差时，选用圆锥定位销；当工件需平面和圆孔端边缘同时定位时，选用浮动锥销。

2.在套类、盘类零件的车削、磨削和齿轮加工中，大都选用心轴定位，为了便于夹紧和减小工件因间隙造成的倾斜，当工件定位内孔与基准端面垂直精度较高时，常以孔和端面联合定位。

因此，这类心轴通常是带台阶定位面的心轴，当工件以内花键为定位基准时，可选用外花键轴，当内孔带有花键槽时，可在圆柱心轴上设置键槽配装键块；当工件内孔精度很高，而加工时工件力矩很小时，可选用小锥度心轴定位。

综上：

正确定位，必须选对定位基准。

1.5.4对定位元件的基本要求

1.限位基面应有足够的精度。

定位元件具有足够的精度，才能保证工件的定位精度。

2.限位基面应有较好的耐磨性。

由于定位元件的工作表面经常与工件接触和磨擦，容易磨损，为此要求定位元件限位表面的耐磨性要好，以保持夹具的使用寿命和定位精度。

3.支承元件应有足够的强度和刚度。

定位元件在加工过程中，受工件重力、夹紧力和切削力的作用，因此要求定位元件应有足够的刚度和强度，避免使用中变形和损坏。

4.定位元件应有较好的工艺性。

定位元件应力求结构简单、合理，便于制造、装配和更换。

5.定位元件应便于清除切屑。

定位元件的结构和工作表面形状应有利于清除切屑，以防切屑嵌入夹具内影响加工和定位精度。

1.5.5常用定位元件所能限制的自由度

定位元件可按工件典型定位基准面分为以下几类：

1.用于平面定位的定位元件：

括固定支承（钉支承和板支承），自位支承，可调支承和辅支承。

2.用于外圆柱面定位的定位元件：

括V形架，定位套和半圆定位座等。

3.用于孔定位的定位元件：

括定位销（圆柱定位销和圆锥定位销），圆柱心轴和小锥度心轴。

1.5.6定位误差分析

六点定位原则解决了消除工件自由度的问题，即解决了工件在夹具中位置“定与不定”的问题。

但是，由于一批工件逐个在夹具中定位时，各个工件所占据的位置不完全一致，即出现工件位置定得“准与不准”的问题。

如果工件在夹具中所占据的位置不准确，加工后各工件的加工尺寸必然大小不一，形成误差。

这种只与工件定位有关的误差称为定位误差，用ΔD表示。

在工件的加工过程中，产生误差的因素很多，定位误差仅是加工误差的一部分，为了保证加工精度，一般限定定位误差不超过工件加工公差T的1/5～1/3，

即：

ΔD≤（1/5～1/3）T（1-1）

式中ΔD——定位误差，单位为mm；

T——工件的加工误差，单位为mm。

1.5.7定位误差产生的原因

工件逐个在夹具中定位时，各个工件的位置不一致的原因主要是基准不重合，而基准不重合又分为两种情况：

一是定位基准与限位基准不重合，产生的基准位移误差；二是定位基准与工序基准不重合，产生的基准不重合误差。

由于定位副的制造误差或定位副配合间所导致的定位基准在加工尺寸方向上最大位置变动量，称为基准位移误差，用ΔY表示。

不同的定位方式，基准位移误差的计算方式也不同。

如果工件内孔直径与心轴外圆直径做成完全一致，作无间隙配合，即孔的中心线与轴的中心线位置重合，则不存在因定位引起的误差。

但实际上，如图所示，心轴和工件内孔都有制造误差。

于是工件套在心轴上必然会有间隙，孔的中心线与轴的中心线位置不重合，导致这批工件的加工尺寸H中附加了工件定位基准变动误差，其变动量即为最大配合间隙。

可按下式计算：

ΔY=amax-amin=1/2（Dmax-dmin）=1/2（δD+δd）（1-2）

式中：

ΔY——基准位移误差单位为mm；

Dmax——孔的最大直径单位为mm；

dmin——轴的最小直径单位为mm。

δD——工件孔的最大直径公差，单位为mm；

δd——圆柱心轴和圆柱定位销的直径公差，单位为mm。

基准位移误差的方向是任意的。

减小定位配合间隙，即可减小基准位移误差ΔY值，以提高定位精度。

加工尺寸的基准是外圆柱面的母线时，定位基准是工件圆柱孔的中心线。

这种由于工序基准与定位基准不重合所导致的工序基准在加工尺寸方向上的最大位置变动量，称为基准不重合误差，用ΔB表示。

此时除定位基准位移误差外，还有基准不重合误差。

综上：

定位误差产生的原因是，定位基准与限位基准不重合及定位基准与工序基准不重合而产生的误差。

1.5.8常见定位方式中基准位移误差

1.用圆柱定位销、圆柱心轴中心定位

计算式：

ΔY＝Xmax=δD+δd0+Xmin（定位心轴较短）（1-3）

Xmax——工件定位后最大配合间隙；

δD——工件定位基准孔的直径公差；

δd0——圆柱定位销或圆柱心轴的直径公差；

Xmin——定位所需最小间隙，由设计而定。

注意：

基准位移误差的方向是任意的。

当工件用长定位心轴定位时，需考虑平行度要求。

计算式：

ΔY＝Xmax=（δD+δd+Xmin）L1／L2（1-4）

L1——加工面长度；

L2——定位孔长度。

2.定位套定位

计算式：

ΔY＝Xmax=δD0+δd+Xmin（1-5）

δD0——定位套的孔径公差；

δd——工件定位外圆的直径公差。

注意：

基准位移误差的方向是任意的。

3.平面支承定位

平面支承定位的位移误差较容易计算，当忽略支承误差且定位基准制作精度较高时，工序尺寸的基准位移误差视为零。

4.V形体定心定位

若不计V形体制造误差，仅有工件基准面的圆度误差时，工件的定位中心会发生偏移即O1O2＝T1－T2，产生基准位移误差。

即：

ΔY＝O1O2=T1－T2（1-6）

故：

对于90°V形体ΔY＝0.707δd。

1.5.9定位误差的合成

定位误差是两误差的合成即：

ΔD=ΔB+ΔY（1-7）

在圆柱间隙配合定位和V形块中心定位中，当基准不重合误差和位移误差都存在时，定位误差的合成需判断“＋”、“－”号。

例如：

V形块中：

ΔB＝δd／2（1-8）

当ΔB与ΔY的变动方向相同时：

ΔD＝ΔB＋ΔY＝δd／2+ΔY（1-9）

当ΔB与ΔY的变动方向相反时：

ΔD＝ΔB－ΔY＝δd／2－ΔY（1-10）

1.5.10六点定位原理

当工件在不受任何条件约束时，其位置是任意的不确定的。

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。

1.5.11应用定位的几种情况

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）

几个定位支撑点重复限制一个自由度，称为过定位。

（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。

工件本身刚性和支承刚性的加强，是提高加工质量和生产率的有效措施，生产中常有应用。

大家都熟知车削长轴时的安装情况，长轴工件的一端装入三爪卡盘中，另一端用尾架尖支撑。

这就是个“过定位”的定位方式。

只要事先能对工件上诸定位基准和机床（夹具）有关的形位误差从严控制，过定位的弊端就可以免除。

由于工件的支撑刚性得以加强，尾架的扶持有助于实现稳定，可靠的定位，所以工件安装方便，加工质量和效率也大为提高。

1.6工件的夹紧

在机械加工过程中，工件会受到切削力、离心力、惯性力等的作用。

为了保证在这些外力作用下，工件仍能在夹具中保持已由定位元件所确定的加工位置，而不致发生振动和位移，在夹具结构中必须设置一定的夹紧装置将工件可靠地夹牢。

工件定位后，将工件固定并使其在加工过程中保持定位位置不变的装置，称为夹紧装置。

1.6.1夹紧装置的组成

夹紧装置的组成由以下三部分组成。

第一部分：

动力源装置

它是产生夹紧作用力的装置。

分为手动夹紧和机动夹