内涨式自动定心夹具设计说明书.docx

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内涨式自动定心夹具设计说明书

绪论

一、机械行业的发展

回顾过去，展望未来中国机械工业的发展，我们不难看到，中国机械行业得到了前所未有的高速发展。

在21世纪，世界机械工业进入前所未有的高速发展阶段，特别是作为有“世界工厂”之称的中国，机械行业更是迅猛发展。

在向机械行业提供了新的机遇的同时，也向我们提出的新的挑战；机械行业涉及面相当广泛，如：

工程、建筑、汽车、船舶、电子、石化、电力、电气、仪器仪表、物流、医疗、饮食、环保、纺织等等，涉及到一个国家的国计民生的方方面面，都是国家支柱性的重要行业，对这些行业的发展和影响也起着至关重要的作用。

经过半个多世纪的努力，我国机械工业已经逐步发展成为具有一定综合实力的制造业，初步确立了在国民经济中的支柱地位。

“八五”期间，党的十四大明确提出要把机械工业、汽车工业建成国民经济的支柱产业。

按照这一战略要求，原机械工业部会同原国家计划委员会制定了《机械工业振兴纲要》，经国务院批准颁布实施，要求到2010年基本实现机械工业的振兴，使之成为国民经济的支柱产业。

“九五”初期，原机械工业部按照党的十四届五中全会精神，制定了着重打好“三大战役”的战略方针。

在此期间，机械工业取得了长足的发展。

突出表现在机械工业产值在全国工业中的比重逐步上升，生产保持稳定增长，为国民经济提供了大量可靠装备；先进制造技术得到大量采用，同时在高新技术产业化方面取得重大进展；研制、制造重大、精密、成套装备的能力显著提高；全方位、多层次的对外开放格局基本形成，机械行业产品出口的迅速增长，有力地支持了机械工业乃至全国经济的发展；体制改革取得突破性进展，市场机制已在机械工业发展中起主导作用，以建立现代企业制度为目标的国有企业改革稳步推进，民营企业、乡镇企业成为机械工业发展的新兴力量。

简而言之，机械行业已成为国家支柱性的重要行业，是国民经济的重要组成部分，同时对其他行业的发展和影响也起着至关重要的作用。

二、机床夹具的现状及发展方向

1、机床夹具的现状

　　国际生产研究协会的统计表明，目前中、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用夹具，一般在具有中等生产能力的工厂里，约拥有数千甚至近万套专用夹具；另一方面，在多品种生产的企业中，每隔3~4年就要更新50~80％左右专用夹具，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、成组技术、柔性制造系统（FMS）等新加工技术的应用，对机床夹具提出了如下新的要求：

　　1）能迅速而方便地装备新产品的投产，以缩短生产准备周期，降低生产成本；

　　2）能装夹一组具有相似性特征的工件；

　　3）能适用于精密加工的高精度机床夹具；

　　4）能适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具；

　　5）采用以液压站等为动力源的高效夹紧装置，以进一步减轻劳动强度和提高劳动生产率；

　　6）提高机床夹具的标准化程度。

2、现代机床夹具的发展方向

　　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。

（4）柔性化 机床夹具的柔性化与机床的柔性化相似，它是指机床夹具通过调整、组合等方式，以适应工艺可变因素的能力。

工艺的可变因素主要有：

工序特征、生产批量、工件的形状和尺寸等。

具有柔性化特征的新型夹具种类主要有：

组合夹具、通用可调夹具、成组夹具、模块化夹具、数控夹具等。

为适应现代机械工业多品种、中小批量生产的需要，扩大夹具的柔性化程度，改变专用夹具的不可拆结构为可拆结构，发展可调夹具结构，将是当前夹具发展的主要方向。

第1章机床夹具介绍

1.1夹具的概念

机械加工过程中，用以确定工件相对于刀具和机床的正确位置，并使这个位置在加工过程中不因外力的影响而变动的工艺装备，称为机床夹具，即机床夹具是用以使工件定位和夹紧的机床附加装置。

1.2夹具的组成

夹具由以下几部分组成：

1）定位夹紧装置

由于夹具的首要任务是对工件进行定位和夹紧，因此，夹具必须有用以确定工件正确位置的定位元件和将工件夹牢的夹紧装置。

常见的定位方式是以平面、圆孔和外圆定位，为了保证定位有足够的精度、强度和刚度，还要防止大批量装卸时的磨损。

夹紧装置要保证定位可靠，不能破坏原定位精度，还要使用方便、安全。

2）对刀、引导元件

使用专用夹具进行加工时，为了预先调正刀具的位置，在夹具上设有确定刀具位置或引导刀具方向的元件，如对刀块、钻套等。

3）连接元件

为了使夹具在机床上占有正确的位置，一般夹具设有供夹具本身在机床上定位和夹紧的连接元件。

4）夹具体

夹具上所有组成部分都必须最终通过一个基础件使之连接成一个有机整体，这个基础件为夹具体。

举专用夹具为例来说明夹具的组成，专用夹具的组成如下：

专用夹具的组成

1.3夹具的作用

1）缩短辅助时间，提高劳动生产率。

2）可靠稳定定位，提高了加工精度的稳定性，便于实现工艺过程自动化。

3）扩大机床使用范围

4）降低对工人技术等级要求和减轻工人劳动强度。

1.4夹具的种类

按适用工件的范围和特点分为通用夹具、专用夹具、组合夹具和可调夹具；按适用的机床分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具及数控机床夹具等；按动力源又分为手动、气动、液压、气液压、电磁、自紧等夹具。

第2章零件的分析

2.1零件的作用

该零件的名称为贮油缸总成，它是汽车减震器上一重要零件。

汽车减震器是汽车上一重要的安全部件，它并不是用来支持车身的重量，而是用来抑制弹簧吸震后反弹时的震荡和吸收路面冲击的能量。

如果你开过减振器已坏掉的车，你就可以体会汽车通过每一坑洞、起伏后余波荡漾的弹跳，而减振器正是用来抑制这种弹跳的。

没有减振器将无法控制弹簧的反弹，汽车遇到崎岖的路面时将会产生严重的弹跳，过弯时也会因为弹簧上下的震荡而造成轮胎抓地力和循迹性的丧失。

最理想的状况是利用减振器把弹簧的弹跳限制在一次左右。

减震器和弹簧一起起到减震缓冲的作用。

而贮油缸总成是汽车减震器上一主要部件，它用来储存油液及为活塞杆的运动提供空间。

2.2零件的分析

贮油缸总成是由20钢精轧管的贮油缸，壁厚2.2mm的弹簧盘和连接板总成为厚2.5mm的冷轧板，缸底为厚3mm的冷轧板焊接而成的。

其毛坯成型方式分别为精轧和冷轧。

生产类型为大批大量生产。

该零件的焊缝特点为：

贮油缸与弹簧托盘之间为一个三等分断续焊缝，连接板总成一端与贮油缸之间有一环形焊缝，中间有85°区段不焊，另一端与贮油缸缸底焊接在一起亦为环形焊缝，其中有85°区段焊缝为贮油缸与缸底2层金属，另外的焊缝为连接板总成、贮油缸、缸底3层金属。

该零件对焊接的要求为：

此焊缝要求焊枪焊接时自动变位。

焊接参数也不相同，焊后用0.5的压缩空气进行气密性试验，不得有漏气现象，焊缝熔深≥0.5。

为确保焊缝质量，避免产生气孔，降低焊缝氢含量，焊前对焊接处进行严格清理。

装配前用砂纸将氧化膜及锈迹打磨干净，直至露出金属光泽，然后用汽油洗去油污。

最后用丙酮清洗干净，放人烘干箱进行20—250预热，保温待焊。

焊接方法采用气体保护焊对贮油缸总成进行自动焊接。

根据贮油缸总成各组件的材料及成型方式，选用1.250--6焊丝，保护气体采用妒（0）7%（）3%，气体流量为15/.3.2。

该工件在工序（焊接弹簧盘、油管支架、缸底于贮油缸上）中的主要技术要求如下：

1、所有的焊接采用二氧化碳保护焊；焊接应牢固可靠，焊接强度≥25KN，熔深最小为0.4，油管支架做剥离试验，熔深最小为0.3。

2、焊接后贮油缸总成应在不小于0.5MPa压缩空气下无渗漏。

3、工艺保证：

弹簧下座焊接后a、b、c、d四点的正确性，且偏差在同一方的1mm内。

4、各焊接部位应光整、无渗漏、裂纹等缺陷。

5、外表面电泳漆，耐雾试验480小时。

按Q/HMAC103.134-202-2005执行。

第3章专用夹具的设计

为了提高劳动生产率，保证加工质量，降低劳动强度，需要设计专用夹具。

现要求设计工序（焊接弹簧盘、油管支架、缸底于贮油缸上）的专用夹具，本夹具将用于由PLC控制的三枪自动焊接设备上。

三枪自动焊接技术是为代替焊接机器人而研制的。

此前主要靠焊接机器人完成上述焊缝，但因机器人造价高，维修费用高昂，故而研制了三枪自动焊接设备。

三台焊机同时工作，三把焊枪自动移位，同时对三条焊缝进行加工。

3.1问题的指出

由于本工序由三处待焊部位，且为环形焊缝，这就要求焊头能自动移位。

本道工序之前的工序对其没有明显的影响及制约，又因生产类型为大批大量生产，故在此主要考虑如何提高劳动生产率，降低劳动强度。

3.2夹具设计

3.2.1定位方案的选择

根据零件的结构特点和工序的安排，本工序加工时有两种定位方案可供选择。

方案一以工件的中心线为定位基准，以弹簧托盘定位铝胎具上各定位点上的磁铁吸合工件，进行定位。

方案二以工件的中心线为定位基准，在以弹簧托盘定位铝胎具上各定位点上的磁铁吸合工件进行定位后，同时以如附图1所示工件上贮油缸右端缸壁为定位表面进行定位。

两种方案都是以工件的中心线为定位基准，不同的是：

方案一中只以弹簧托盘上各定位点定位，限制六个自由度。

虽然能满足加工要求，但忽略了因支撑点过少及工件自重而带来的同轴度误差，从而不易保证加工精度。

方案二中在以弹簧托盘上各定位点进行定位，限制六个自由度后，又以贮油缸右端内缸壁定位，形成了过定位，这样就弥补了方案一中的缺陷，准确地保证加工精度。

故选用方案二的定位方案。

附图1

3.2.2定位元件的选择

定位元件应选用能与弹簧盘定位表面形成定位副的弹簧托盘定位铝胎具，和与贮油缸内壁形成间隙配合的夹具体外圆柱部分。

3.2.3夹紧方案与夹紧机构的确定

由于工件形状及焊接部位所处位置，显然从工件外部夹紧是不合理的，故应采用内部夹紧形式。

因加工要求对焊接的技术要求较高，故焊接速度不宜太大，因其产生的作用力也不大，又因工件较轻且是一薄壁零件，故主夹紧力不宜太大，因弹簧盘起定位作用，为保持工件相对平衡，内部夹紧机构应偏向油管支架一方。

为保证工件在加工过程中的同轴度，夹具体上与夹紧机构相对的一端应与工件构成间隙配合，起定位、支撑、平衡的作用。

由于焊接作用力不大，工件质量又不大，为同时满足生产要求，故应选用气动夹紧机构。

上述定位和夹紧机构即为要设计的内涨式夹紧装置，其结构祥见夹具装配图。

3.2.4内涨式夹紧装置的设计思路

因内涨式夹紧装置的动力源为气源，动力装置为气缸，易想到活塞及活塞杆。

因该工件的夹紧方式采用内部夹紧，考虑到斜楔式夹紧机构，用一带锥度的推杆推动与其有相配合锥度的楔块上下运动，从而涨紧工件内壁，达到夹紧的目的。

该夹具的作用原理可初步拟定为：

由气源产生的内能转化为活塞杆的动能，使活塞杆带动传动装置，推动推杆往复运动，从而使楔块一起上下往复运动，达到夹紧和松开的目的。

这就概括地构成了夹具的内部结构。

根据工件形状，草拟的夹具内部结构，机床主轴的结构及环缝焊接等要求，可初步确定内涨式夹紧装置的夹具体为一中空且阶梯状的外圆柱形结构。

具体设计要求中a点（适用工件内径能在0—3毫米之间调节）和b点（涨紧程度能够微调），这就要求夹紧楔块的涨紧程度能够调节，也就是与其相配合的推杆的行程可以调节。

考虑到连接螺母，使它与活塞杆配合，适当调节连接螺母的旋合程度，带动传动装置运动，进而改变推杆的行程，带动涨块做上下运动，进而改变楔块的涨紧程度，以来适应不同尺寸的工件内径。

其作用示意图见下页附图2。

因活塞杆末端已与连接螺母配合，故再需一传递力的杆（此为伸缩杆），将力传到推杆上。

设计要求中c点（气缸活塞杆不能随主轴转动），考虑到结构紧凑，传递效率要高，就在伸缩杆与推杆之间用一推力球轴承传递轴向力，用径向轴承起定心作用。

两轴承与推杆成小间隙配合，以使主轴转动时，两轴承所受周向摩擦力小于活塞杆根部的摩擦力，所受转矩小于活塞杆根部的转矩，使两轴承不随主轴一起转动，而两轴承使活塞杆和推杆相分离，进而保证活塞杆不能与主轴一起转动，气缸就不会随主轴一起转动。

其作用示意图亦见下页附图2。

上述设计思路已基本上构成了内涨式夹紧装置的雏形，其细节祥见夹具装配图。

附图2

3.2.5轴承的选择

由于伸缩杆与活塞杆构成间隙配合，涨杆与夹具体构成间隙配合。

要求中指出气缸不能随主轴一起转动，故在伸缩杆和涨杆的连接部分，需用轴承将涨杆和活塞杆两部分相“分离”，其原理是轴承与涨杆形成小间隙配合，且两轴承周向摩擦系数较小，当主轴带动涨杆转动时，轴承所受周向摩擦力小于活塞杆根部摩擦力，而不会使活塞杆一起转动，气缸就不会一起转动。

该夹具的夹紧形式确定了活塞杆、伸缩杆、涨杆等传动装置需做直线运动，故应用一推力轴承来传递轴向力。

又因该夹具所在工序为焊接，且焊接对工件产生的作用力不大，所以该轴承所处环境为轻载且冲击性不大，故应用球轴承。

由此分析和夹具图上轴承尺寸，应选用基本代号为5200的推力球轴承。

在此同时应用一径向轴承起定心作用，根据上述工作环境的分析，可选用深沟球轴承。

又已知其尺寸，故选用基本代号为6200的深沟球轴承。

3.2.6简要的分析计算

（1）夹紧机构夹紧力的计算

此内涨式夹紧装置的动力—夹紧机构为气缸—斜楔式夹紧机构，楔角α=9°27′44″,锥度为1:

3.由其心轴的结构及运动形式,选用Ⅻ型斜楔机构。

因要求活塞杆不随同主轴一起转动，故采用固定式气缸，其规格为φ40×100。

则活塞杆推力计算公式为

Q=（π×D×D/4）×p×η

其中。

D——缸筒内径

P——压缩空气单位压力

η——效率

已知D=40mm,取p=0.5MPa,η=0.8

则活塞杆推力

Q=（π×D×D/4）×p×η

=（π×40×40）/4×0.5×0.8

=502.7N

则夹紧力N=Qtanα=502.7×tan9°27′44″=83.7N

因工件质量较轻，主轴转速不大，焊接对工件产生的作用力几乎为零，故此夹紧力满足要求。

（2）定位误差的分析计算

因弹簧托盘定位铝胎具不是我们主要研究的对象，设其定位误差满足加工要求。

这里主要考虑夹具体上起定位作用的外圆柱部分的定位误差计算。

①定位元件的尺寸及公差的确定

因夹具体上定位表面与工件成小间隙配合，且工件内径已知，故夹具体上起定位作用的外圆柱的尺寸与公差现规定为φ41.1h9。

②定位误差

该定位误差主要是由工件和夹具体上起定位作用的外圆柱部分的制造加工误差引起的同轴度误差。

设工件内径的公差为T1，夹具体上起定位作用的外圆柱部分的公差为T2。

则定位误差为：

△=T1+T2=0.1+0.062=0.162mm

因本道工序为焊接，只需要保证夹具体上起定位作用的外圆柱部分与工件内壁成间隙配合，且定位误差较小即可，该定位误差满足加工需要。

3.2.7制定夹具的主要技术条件

在夹具总装图上应标注的主要尺寸和公差：

1、配合尺寸：

套内径与铜套外径及套筒外径与涨杆内径的配合尺寸φ26H8/j7；活塞杆内径与伸缩杆外径及涨杆外径与夹具体内径的配合尺寸φ20H9/e8；主轴外径与夹具体内径的配合尺寸φ45H8/e7；活塞杆内径与伸缩杆外径的配合尺寸φ10.5H9/f8；工件内径与夹具体外径的配合尺寸φ41.1H10/h9；涨杆外径与夹具体内径的配合尺寸φ32H8/e7；涨块与夹具体的配合尺寸20H8/e8、7H9/e8。

2、定位件位置尺寸：

弹簧托盘定位铝胎具的定位尺寸为φ41.1mm、77mm；夹具体外圆柱部分的定位尺寸为φ41.1mm。

3、夹具的长、宽和高等总体尺寸：

夹具的总长为318mm，总宽和总高为166mm。

由于焊枪不在本夹具上，故该工件的加工面尺寸及加工面位置尺寸暂无法确定。

夹具的主要技术要求：

根据零件的技术要求及本工序特点，选择下述技术要求：

1、铜套与套上配作的2-M5螺纹孔需装配后制造。

2、装夹工件时,人工踩动脚踏阀，由气缸驱动传动装置，使涨块涨紧，对工件进行夹紧。

3.2.8夹具的设计说明

如前所述，在设计夹具时，根据原始资料，又为提高劳动生产率，应首先着眼于机动夹具，本道工序的夹具就选择了气动夹紧方式。

为保证活塞杆在加工过程中的平衡，特在其中间部位增加一辅助支撑—筒套，以防因其重力作用使活塞杆发生变形，影响加工质量；在伸缩杆上开一键槽同时在连接螺母上相对处设有定位螺钉，以防止伸缩杆的转动。

在涨杆与涨块配合的尾部部分设有一短杆，其作用是当夹紧装置松开时，涨杆处于反行程状态，当涨杆与涨块脱离配合时，涨块就会顺势滑落，这样不仅毁坏涨块和夹具体内壁，还会造成下次涨块与涨杆无法完成配合，起不到夹紧的作用，此夹具就会因此而失效。

此短杆的作用正是防止在此过程中涨块的滑落。

3.2.9使用夹具的注意事项

在焊接不同贮油缸内径的工件时，应及时锁紧伸缩杆上的锁紧螺母，以防连接螺母松动影响涨杆的行程，而影响涨块的夹紧质量；要定期检查和更换涨块拉簧，以防拉簧强度不够，在卸下工件时涨块坠落，毁坏涨块；同时还要定期检查圆柱拉伸弹簧和压塑弹簧，以免其失效影响涨杆的复位和活塞杆持续对涨杆的推力；要确保两轴承和涨杆内壁成小间隙配合，且两轴承的周向摩擦系数较小，以免气缸会随主轴一起转动；该夹具在加工不同内径工件时，应该在夹具体上与工件相配合的外圆柱部分加垫片，以满足定位要求。

设计心得

毕业设计是我们专业知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。

”千里之行始于足下”，通过这次毕业设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义。

我今天认真的进行毕业设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。

说实话，毕业设计真的有点累。

然而，当我一着手清理自己的设计成果，漫漫回味这3周的心路历程时，一种少有的成功喜悦即刻使倦意顿消。

虽然这是我刚学会走完的第一步，也是人生的一点小小的胜利，然而它令我感到自己成熟的许多，令我有了一种”春眠不知晓”的感悟。

通过毕业设计，使我深深体会到，干任何事都必须耐心、细致。

毕业设计过程中，许多细节有时不免令我感到有些心烦意乱，但一想起司忠志老师平时对我们耐心的教导，想到今后自己应当承担的社会责任，想到世界上因为某些细小失误而出现的令世人无比震惊的事故，我不禁时刻提示自己，一定要养成一种高度负责，认真对待的良好习惯。

这次毕业设计使我在工作作风上得到了一次难得的磨练。

短短三周是毕业设计，使我发现了自己所掌握的知识是真正如此的缺乏，自己综合应用所学的专业知识能力是如此的不足，几年来的学习了那么多的课程，今天才知道自己并不应手。

想到这里，我真的心急了，老师却对我说，这说明毕业设计确实使我你有收获了。

老师的亲切鼓励了我的信心，使我更加自信。

致谢

这次毕业设计得到了很多老师、同学的帮助，其中我的导师司忠志老师对我的关心和支持尤为重要，每次遇到难题，我最先做的就是向耿老师寻求帮助，而司老师每次不管忙或闲，总会抽空来一起商量解决的办法。

另外，感谢校方给予我这样一次机会，能够独立地完成一个课题，并在这个过程当中，给予我们各种方便，使我们在即将离校的最后一段时间里，能够更多学习一些实践应用知识，增强了我们实践操作和动手应用能力，提高了独立思考的能力。

感谢在整个毕业设计期间和我密切合作的同学，和曾经在各个方面给予过我帮助的伙伴们，在大学生活即将结束的最后的日子里，我们再一次演绎了团结合作的童话，把一个庞大的、从来没有上手的课题，圆满地完成了。

正是因为有了你们的帮助，才让我不仅学到了本次课题所涉及的新知识，更让我感觉到了知识以外的东西，那就是团结的力量。

最后，再次感谢所有在这次毕业设计中给予过我帮助的人。

参考文献

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北京理工大学出版社，2008.

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