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多功能组合铣夹具设计
本科毕业设计（论文）
题目：
多功能组合铣夹具设计
系别：
机电信息系
专业：
机械设计制造及其自动化
班级：
学生：
学号：
指导教师：
2013年04月
多功能组合铣夹具设计
摘要
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。
轴类工件是常见的工程结构，提高轴类工件铣床夹具设计效率有实际工程意义。
目前，世界上许多国家在计算机辅助夹具设计方面，都做了大量工作。
我国在该项领域中尚处于研究阶段。
计算机辅助夹具设计是通过计算机软件程序来完成夹具结构设计、总装图和零件图的绘制，以及制定出夹具零件的制造工艺等主要工作的计算机辅助机械设计的一个分支。
传统的机床夹具设计需要检索许多资料，并花费许多绘图时间，设计的效率低、成本高。
机床夹具设计往往还需借助于设计者的经验。
计算机辅助夹具设计的开发和应用，既可缩短设计周期，又能促进机床夹具的标准化和系列化。
在计算机辅助夹具设计中，主要分为组合夹具和专用夹具设计二类。
而国际上主要研究的对象是采用标准元件的槽系和孔系的组合夹具。
当前国外正向开发夹具柔性化系统领域努力。
夹具柔性化主要表现在以下两方面：
一是结构的柔性化，即广泛采用标准元件的槽系和孔系组合夹具。
二是夹具设计过程柔性化，也就是利用计算机技术和人工智能，把工程师设计夹具的过程描述为一个软件系统。
关键词：
夹具；SolidWorks；零件库；标准件；模型
Multi-functionalcombinationmillingfixturedesign
Abstract
Fixtureistomaketheproductsaccordingtocertaintechnicalrequirementsforaccuratepositioningandfirmclampingoftheprocessdevice,itsmainproductsforprocessingtoensurequality,reducelaborintensity,supportproducttesting,displayandtransportation.Shaftpartsisacommonprojectstructureandimprovetheefficiencyofshaftpartsmillingfixturedesignofpracticalengineeringsignificance.
Currently,manycountriesinthecomputer-aidedfixturedesign,hasdoneagreatjob.Chinainthefieldresearchstage.Computer-aidedfixturedesignbycomputersoftwareapplicationstodoFixtureDesign,assemblyTuandmappingcomponents,andfixturepartstodevelopmanufacturingprocessesandothermajorworkinabranchofcomputeraidedmechanicaldesign.Thetraditionaldesignofjigsandfixturesneedtoretrievealotofinformation,andspendtoomuchtimedrawinganddesignoflowefficiencyandhighcost.Toolfixturedesignoftenneedthehelpofthedesigner'sexperience.Computer-aidedfixturedesigndevelopmentandapplication,canshortenthedesigncycle,butalsotopromotethestandardizationandserializationofjigsandfixtures.
Inthecomputer-aidedfixturedesign,dividedintomodularfixtureandspecialfixturedesignTypeII.Themajorinternationalstudyoftheobjectisastandardcomponentofthetanksystemandacombinationoffixtureholes.Thecurrentpositivedevelopmentofforeignsystemsinthefieldofflexibleworkfixture.Fixtureflexibilityliesinthefollowingtwoaspects:
First,theflexiblestructure,widerangeofstandardcomponentsthatslotmodularfixturesystemandholes.Second,theflexiblefixturedesignprocess,thatisusingcomputertechnologyandartificialintelligence,toengineerthedesignprocessisdescribedasafixtureofthesoftwaresystem.
Keywords:
MachineToolFixture；SolidWorks；partslibrary；standard；model
主要符号表
M弯矩
F力
n转速
ap背吃刀量
T寿命
d直径
v速度
f进给量
L长度
P功率
p压力
t时间
1绪论
1.1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。
保证稳定可靠地达到各项加工精度要求，缩短加工工时，提高劳动生产率，降低生产成本，可由较低等级的工人进行加工，能扩大机床工艺范围。
槽类工件是常见的工程结构，提高槽类工件铣床夹具设计效率有实际工程意义。
应用机床夹具，有利于保证机床的加工精度、稳定产品质量；有利于提高劳动生产率和降低成本；有利于改善工人劳动条件，保证安全生产。
一个优良的机床夹具必须满足下列基本要求：
a.保证工件的加工精度，保证加工精度的关键，首先在于正确地选定定位基准、定位方法和定位元件，必要时还需进行定位误差分析，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。
b.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，保证操作方便，缩短辅助时间，提高生产效率。
c.工艺性能好，专用夹具的结构应力求简单、合理，便于制造、装配、调整、检验、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保证时，夹具上应设置调整和修配结构。
d.使用性能好，专用夹具的操作应简便、省力、安全可靠。
在客观条件允许且又经济适用的前提下，应尽可能采用气动、液压等机械化夹紧装置，以减轻操作者的劳动强度。
专用夹具还应排屑方便。
必要时可设置排屑结构，防止切屑破坏工件的定位和损坏刀具，防止切屑的积聚带来大量的热量而引起工艺系统变形。
经济性好，专用夹具应尽可能采用标准元件和标准结构，力求结构简单、制造容易，以降低夹具的制造成本。
因此，设计时应根据生产纲领对夹具方案进行必要的技术
经济分析，以提高夹具在生产中的经济效益。
1.2国内外的发展及研究状况
1.2.1国外发展现状
由于计算机技术迅猛发展、CAD技术和标准化技术的广泛应用,国外对零件库技术一直给予了充分的重视。
早在1971年,德国标准化协会（DIN）为建立标准件库而制定发布了标准件和通用件的DIN4000标准,并逐渐得到了多个国家（包括中国）的采用。
随着WEB技术的发展和制造业的全球化,对零部件供应商与企业之间,企业与企业之间数据交换和共享的要求也日益强烈。
为了提供一个传输零件库数据的中性机制和独立于任何使用零件库数据系统的应用系统,ISO/TC184技术委员会在德国国家标准DIN4000的基础上,制定了一个关于计算机可解释的零件库数据表达和交换的国际标准ISO13584。
ISO13584对零件库的基本原理、零件库的概念模型、表达式的逻辑模型、供应商库的逻辑模型、零件族构造方法学等进行了描述,为零件库的信息表达、数据交换、使用和更新提供了必要的机制和定义。
这一标准的制定和实施为基于的零件库建立与应用提供必要条件在具体应用方面,目前国外已有多家极具规模的网络零件库。
如EWEBCAD、Inpart3Dcontent、CADClick和TraceParts等。
各零件供应厂家提供的CAD模型支持目前世界上较流行的CAD系统如：
AutoCAD、Pro/Engineer、SolidEdge、SoidWorks、CATIA等。
1.2.2国内发展现状
在理论研究方面,上海交大的杨东,张申生等对基于ISO13584的零件库的零件的表达方法、体系结构和实现方案等进行了研究；浙江大学苏宝华等人基于零件库国际标准（ISO13584）,对零件库建立的方法及基于零件库实现产品资源共享的原理进行了研究,分析了网上信息交互的类型,讨论了零件库在产品设计中的应用；中科院软件研究所对基于Internet/Intranet的零件库资源共享技术进行了研究；中国矿业大学的张宏林等对建立基于Internet的符合国际标准（ISO13584）的零件库总体开发方案进行了探讨。
随着各种CAD系统在国内企业中的广泛应用,许多企业在CAD系统中提供的标准件库基础上建立了企业自己的零件库系统,并基于IEGS和STEP标准实现零件信息在不同CAD系统之间的数据交换。
但是在国内还没有一个满足零部件供应商与企业之间,企业与企业之间数据交换和共享的、投人实际运行的在线零件库。
一提供了一个3D标准件的在线零件图库,可以通过网络浏览三维零件图,查看详细尺寸。
但不提供下载功能,也没有供应商的信息,只相当于一个在线的电子设计手册。
1.3本课题研究的内容
1.3.1研究内容
我们目前常见的标准件库主要是基于不同CAD支撑软件的通用零件标准件库，它的建立和使用提高了设计效率，使设计人员有更多的时间注重产品的设计，充分体现了使用CAD系统所带来的经济效益。
从目前的使用情况来看，主要有二维和三维标准件库两大类。
二维标准件库一般是利用编程方式实现的，调用方便。
但这种建库方式编程工作量相当大，增加和修改零件时都需修改程序，系统的应用范围窄，此外，二维图形不够直观，不便于设计的可用性评价，也很难进行干涉检验。
与此相比，三维平台可以很方便地实现参数驱动功能﹑装配图和零件图关联功能，而且其造型非常直观，进行
干涉检验也非常方便，所以随着三维设计的广泛使用，现在越来越多的标准件库基于三维平台建立。
三维标准件库的建立现在常用的有三种:
1.建立完全的三维标准件模型，为每一个标准件建立一个实体模型，然后将每个标准件都存储在标准零件库中，在需要时直接调用。
这种方法工作量巨大不说，并且会出现存储量占用庞大，管理困难，调用速度慢等一系列问题。
2.利用二次开发工具通过编程来实现三维标准件建模，对于每一系列的标准件，采用一个独立的子程序来实现，通过预留的接口来实现参数化。
这样的好处是不必建立三维实体模型库，标准件实例化是在程序运行时自动形成装配用的零件图形文件，大大节省了硬盘空间。
缺点是编程工作量庞大，有些复杂零件建模困难，容易出错。
3.采用参数化方法建立三维标准件模型，由于相同系列的标准件具有相间的拓扑结构和不同的尺寸参数，对同一系列的标准件就可以使用同一三维实体模型，不同的实际尺寸由存储在数据库中的参数表来提供。
其特点一是现用现生成，执行速度快，占用空间小；二是只通过修改参数表就可以修改标准件，给标准件库的维护和扩充带来了极大的便利。
它是一种非常可行的建库方法，因此，本文也正是采用这种方法建立了SOLIDWORKS环境下的标准件库。
1.3.2研究意义
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。
保证稳定可靠地达到各项加工精度要求，缩短加工工时，提高劳动生产率，降低生产成本，可由较低等级的工人进行加工，能扩大机床工艺范围。
槽类工件是常见的工程结构，提高槽类工件铣床夹具设计效率有实际工程意义。
应用机床夹具，有利于保证机床的加工精度、稳定产品质量；有利于提高劳动生产率和降低成本；有利于改善工人劳动条件，保证安全生产。
一个优良的机床夹具必须满足下列基本要求：
a.保证工件的加工精度保证加工精度的关键，首先在于正确地选定定位基准、定位方法和定位元件，必要时还需进行定位误差分析，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。
b.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，保证操作方便，缩短辅助时间，提高生产效率。
c.工艺性能好专用夹具的结构应力求简单、合理，便于制造、装配、调整、检验、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保证时，夹具上应
设置调整和修配结构。
d.使用性能好专用夹具的操作应简便、省力、安全可靠。
在客观条件允许且又经济适用的前提下，应尽可能采用气动、液压等机械化夹紧装置，以减轻操作者的劳动强度。
专用夹具还应排屑方便。
必要时可设置排屑结构，防止切屑破坏工件的定位和损坏刀具，防止切屑的积聚带来大量的热量而引起工艺系统变形。
e.经济性好专用夹具应尽可能采用标准元件和标准结构，力求结构简单、制造容易，以降低夹具的制造成本。
因此，设计时应根据生产纲领对夹具方案进行必要的技术经济分析，以提高夹具在生产中的经济效益。
2中型组合夹具概念
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和夹紧的机床附加装置。
2.2机床夹具的分类
夹具的形式很多，可以按照不同的特点进行分类，现主要按以下类型来进行分类：
2.2.1通用夹具
通用夹具是指结构、尺寸已规格化,而且具有一定通用性的夹具，如三爪自动定心卡盘、四爪单动卡盘、台虎钳、万能分度头、顶尖、中心架和电子吸盘等。
这类夹具适应性强，可用来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，且成为机床附件。
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，一般适用于单件小批量生产中。
2.2.2专用夹具
这类夹具是专为零件的某一道工序的加工而设计和制造的。
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。
专用夹具的设计周期较长、投资较大。
2.2.3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。
它一般又可分为通用可调夹具和成组夹具两种。
前者的通用范围比通
用夹具更广；后者则是一种专用可调夹具，它按成组原理设计并能加工一族相似的工件，故在多品种，中、小批量生产中使用有较好的经济效果。
2.2.4组合夹具
组合夹具是一种模块化的夹具。
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。
夹具用毕可拆卸,清洗后留待组装新夹具。
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,并具有减少专用夹具数量等优点，因此组合夹具在单件、中、小批量多品种生产和数控加工中，是一种较经济的夹具。
组合夹具也已经商品化。
2.2.5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,使用中夹具随着工件一起运动,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。
夹具还可以按使用机床可将其分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、齿轮机床夹具、数控机床夹具、自动机床夹具、自动线随行以及其他机床夹具等。
这是专用夹具设计所用的分类方法。
设计专用夹具时,机床的组别、型别和主要参数均已确定。
它们的不同点是机床的切削成形运动不同，故夹具与机床的连接方式不同。
它们的加工精度要求也各不相同。
按夹紧的动力源分类夹具按夹紧的动力源可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、气液增力夹具、电磁夹具、真空夹具、离心夹具等。
2.3槽系列组合夹具概念
组合夹具是在机床夹具零部件标准化的基础上，由一整套预先制造好的，具有各种不同形状、不同规格的标准元件和合件，按照组合化的原理，针对工件的加工要求组装成各种专用夹具。
夹具使用完毕后，可以拆卸，待留组装新夹具时使用。
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2.1。
表2.1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2.1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。
组合夹具元件的精度一般在IT6-7级，因此在通常情况的组装技术水平下，采用组合夹具加工元件时，工件的位置精度一般在IT8-9级，通过精选元件和精心调整，也可达到IT6-7级的精度。
组合夹具具有以下特点：
a.元件可供多次使用，但其一旦组装成某个夹具后，该夹具结构仍属专用性，只能一次使用。
当变换加工对象时，一般仍需要全部拆开，重新组装成新夹具结构，以满足新工件的加工要求。
b.夹具不一样，组合夹具的最终精度，是靠各组合元件的精度，直接组合来保证的，不允许进行任何的补充加工，否则无法保证元件的互换性。
c.合夹具是由各标准件组合起来的，因此刚性较差，尤其是元件连接的接合面接触刚度，对加工精度影响较大。
e.一般组合夹具的外形尺寸较大，不及专用夹具那样紧凑。
f.这种夹具不受生产类型的限制，可随时组装，以适应生产之需。
2.4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2.3。
另有一类是组合夹具组装工具和辅具。
分别用2.3表示。
表2.3元件类别及用途
类别
名称
用途
1
基础件
夹具的基础元件
2
支承件
作夹具骨架的元件
3
定位件
元件间定位和工件定位用的元件
4
导向件
在夹具上确定刀具位置的元件
5
压紧件
作压紧元件或工件的元件
6
紧固件
作紧固元件或工件的元件
7
其他件
在夹具中起辅助作用的元件
8
合件
用于分度、导向、支承等的组合件
9
组装工具和辅具
在夹具组装中起辅助作用的元件
组合夹具元件的每一类别中又包括对多个品种，每个品种中又有不同的规格。
组合夹具元件的分类编号用分数来表示。
分子表示元件的型、类、组、品种，总分类代号。
分母表示元件的规格特征尺寸，及规格。
分类标号示例（图2.1）：
图2.1元件编号示例
在元件图纸指定的标记处一般标注元件的全部分类编号，但是常用的中型元件一律不标记型别。
如上例，可标记为：
2.5组合夹具的组装
组合夹具的组装就是将组合夹具元件按照一定的步骤和要求，装配成加工所需要的夹具的全过程。
其本质和设计制造一套专用夹具完全相同，是一个复杂的思维设计和动手装配制造的全过程。
但是，组合夹具又有自己的装配特点和装配规律。
组装步骤如下：
a.组装前的准备。
首先明确组装的要求，熟悉有关组装工作的原始资料，即了解工件的加工要求，工件的形状、尺寸、公差和其他技术要求，加工工艺以及使用的机床、刀具等情况。
认真分析工件的定位、夹紧、装卸等问题。
b.拟定组装方案。
按工件的定位原理和夹紧的基本要求，确定工件的定位基准面及夹紧部件。
选择定位元件、夹紧元件以及相适应的支承元件、基础板等，从而初步确定夹具的结构形式。
与其同时进行有关尺寸的计算和分析，其中包括工件工序尺寸，夹具结构尺寸，测量尺寸及精度分析等。
在考虑组装方案时，应该注意矛盾的特殊性，如铣、刨夹具要求刚性好，磨夹具和镗孔夹具要求高的精度。
c.试装。
试装就是把前面设想的夹具结构方案先组装一下，摆出一个样子。
对一些主要元件的精度，如等高度、平行度等需进行测量和挑选，但各元件之间暂不紧固。
试装的目的就是要检验夹具的结构方案是否合理，发现问题及时解决，最后确定组装方案。
e.连接。
经过试装确定了夹具的结构方案后，即可进行元件的连接和调整工作。
按照所要求的位置和数量装上定位键，用螺栓和螺母连接成不同形式的组装单元，由组装单元装配成不同的结构，最后组装成完整的夹具。
通常一套组合夹具顺序是基础部分—定位部分—导向部分—夹紧部分。
装配时要求对各有关尺寸进行测量和调整，以达到
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