夹具的设计方法.docx

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夹具的设计方法

第二章专用夹具的设计方法

2.1专用夹具的基本要求和设计步骤

2.1.1对专用夹具的基本要求

1、保证工件的加工精度

专用夹具应有合理的定位方案，标注合适的尺寸、公差和技术要求，并进行必要的精度分析，确保夹具能满足工件的加工精度要求。

2．提高生产效率应根据工件生产批量的大小设计不同复杂程度的高效夹具，以缩短辅助时间，提高生产效率。

3、工艺性好专用夹具的结构应简单、合理，便于加工、装配、检验和维修．

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，夹具上应设置调整或修配结构，如设置适当的调整间隙，采用可修磨的垫片等。

4、使用性好

专用夹具的操作应简便、省力、安全可靠，排屑应方便，必要时可设置排屑结构。

5、经济性好

除考虑专用夹具本身结构简单、标准化程度高、成本低廉外，还应根据生产纲领对夹具方案进行必要的经济分析，以提高夹具在生产中的经济效益。

2.1.2专用夹具设计步骤

1.明确设计任务与收集设计资料

2．拟定夹具结构方案与绘制夹具草图

1）确定工件的定位方案，设计定位装置。

2）确定工件的夹紧方案，设计夹紧装置。

3）确定对刀或导向方案，设计对刀或导向装置。

4）确定夹具与机床的连接方式，设计连接元件及安装基面。

5）确定和设计其它装置及元件的结构型式，如分度装置、预定位装置及吊装元件等。

6）确定夹具体的结构型式及夹具在机床上的安装方式。

7）绘制夹具草图，并标注尺寸、公差及技术要求。

3．进行必要的分析计算

工件的加工精度较高时，应进行工件加工精度分析。

有动力装置的夹具，需计算夹紧力。

当有几种夹具方案时，可进行经济分析，选用经济效益较高的方案．

4．审查方案与改进设计

夹具草图画出后，应征求有关人员的意见，并送有关部门审查，然后根据他们的意见对夹具方案作进一步修改．

5．绘制夹具装配总图夹具的总装配图应按国家制图标准绘制。

绘图比例尽量采用1：

1。

主视图

按夹具面对操作者的方向绘制。

总图应把夹具的工作原理、各种装置的结构及其相互关系表达清楚。

夹具总图的绘制次序如下：

1）用双点划线将工件的外形轮廓、定位基面、夹紧表面及加工表面绘制在各个视图的合适位置上。

在总图中，工件可看作透明体，不遮挡后面夹具上的线条。

2）依次绘出定位装置、夹紧装置、对刀或导向装置、其它装置、夹具体及连接元件和安装基面。

3）标注必要的尺寸、公差和技术要求。

4）编制夹具明细表及标题栏。

6.绘制夹具零件图夹具中的非标准零件均要画零件图，并按夹具总图的要求，确定零件的尺寸、公差及技术要求。

2.2夹具体的设计

2.2.1对夹具体的要求

1、有适当的精度和尺寸稳定性夹具体上的重要表面，如安装定位元件的表面、安装对刀或导向元件的表面以及夹具体的安装基面（与机床相连接的表面）等，应有适当的尺寸和形状精度，它们之间应有适当的位置精度。

为增加夹具体尺寸稳定，铸造夹具体要进行时效处理，焊接和锻造夹具体要进行退火处理。

2、有足够的强度和刚度

加工过程中，夹具体要承受较大的切削力和夹紧力。

夹具体需有一定的壁厚,铸造和焊接夹具体常设置加强肋，或在不影响工件装卸的情况下采用框架式夹具体（如图2-1c所示）。

3、结构工艺性好

夹具体应便于制造、装配和检验。

铸造夹具体上安装各种元件的表面应铸出

4、排屑方便

切屑多时，夹具体上应考虑排屑结构。

如图2—2所示,在夹具体上开排屑槽及夹具体下部设置排屑斜面，斜角可取30°—50°

图2-2夹具体上设置排屑结构

5、在机床上安装稳定可靠

1夹具在机床工作台上安装，夹具的重心应尽量低，重心越高则支承面应越大；

2夹具底面四边应凸出，使夹具体的安装基面与机床的工作台面接触良好，如图2—3所示，接触边或支脚的宽度应大于机床工作台梯形槽的宽度，应一次加工出来，并保证一定的平面精度；

①夹具在机床主轴上安装，夹具安装基面与主轴相应表面应有较高的配合

精度，并保证夹具体安装稳定可靠

222夹具体毛坯的类型

1.铸造夹具体

夹具体材料一般是铸造，其特点是工艺性好，可铸出各种复杂形状，具有较好的抗压强度、刚度和抗振性，但生产周期长，需进行时效处理，以消除内应力。

常用材料为灰铸铁

2.焊接夹具体

它由钢板、型材焊接而成，这种夹具体制造方便、生产周期短、成本低、重量轻（壁厚比铸造夹具体薄）。

但焊接夹具体的热应力较大，易变形，需经退火处理，以保证夹具体尺寸的稳定性。

3.锻造夹具体

它适用于形状简单、尺寸不大、要求强度和刚度大的场合。

锻造后也需经退火处理.此类夹具体应用较少。

4.型材夹具体

小型夹具体可以直接用板料、棒料、管料等型材加工装配而成.

这类夹具体取材方便、生产周期短、成奉低、重量轻，

5.装配夹具体

它由标准的毛坯件、零件及个别非标准件通过螺钉、销钉连接，组装而成此类夹具体具有制造成本低、周期短、精度稳定等优点，有利于夹具标准化、

系列化，也便于夹具的计算机辅助设计

2.3专用夹具设计示例

如图2—6所示，本工序需在钢套上钻©5mnJL,应满足如下加工要求:

1、©5mn孔轴线到端面B的距离20士0.Imn;

2、©5mn孔对©20H7孔的对称度为0.1mm

试设计钻©5mnJL的钻床夹具。

图2—6

图2—7

［亠

、疋位方案

按基准重合原则定位基准确定为:

B面及©20H7孔轴线。

采用一凸面和一心轴组合定位。

、导向方案

置，钻夹具上都应设置引导刀具的元件钻套。

钻套一般安装在钻模板上，钻模板与夹具体连接,钻套与工件之间留有排屑空间，如图2—7所示

三、夹紧方案

钢套的轴向刚度比径向刚度好，因此夹紧力应指

向限位台阶面。

如图2—8所示，采用带开口垫圈的螺旋夹紧机构。

四、夹具体的设计如图2—8所示采用铸造夹具体的钢套钻孔钻模。

图2—8铸造夹具体钻模

1—铸造夹具体2—定位心轴3—钻模板4—固定钻套

5—开口垫圈6—具紧螺母7—防转销钉8—锁紧螺母

五、绘制夹具装配总图如图2—9所示

图2-9为采用型材夹具体的钻模。

夹具体由盘I及套2组成，定位心轴3安装在盘I上，套2下部为安装基面8,上部兼作钻模板。

此方案的夹具体为框架式结构。

采用此方案的钻模刚度好、重量轻、取材容易、制造方便、制造周期短、成本较低。

123

图2-9型材夹具体钻模

7一螺钉8一垫圈9一锁紧螺母10一防转销钉11一调整垫圈

2.4夹具总图上尺寸、公差和技术要求的标注

2.4.1夹具总图上应标注的尺寸和公差

1•最大轮廓尺寸

若夹具上有活动部分，则应用双点划线画出最大活动范围，或标出活动部分的尺寸范围。

如图2—9中最大轮廓尺寸为：

84mm©70mn和60mm

2.影响定位精度的尺寸和公差

主要指工件与定位元件及定位元件之间的尺寸、公差。

如图2-9中标注的定位基面与限位基面的配合尺寸©20也;

f6

图2—10中标注为圆柱销及菱

形销的尺寸di、d2及销间距

L±.L。

3.影响对刀精度的尺寸和公差图2—10车床夹具尺寸标注示意

主要指刀具与对刀或导向元件之间的尺寸、公差，如图2-9中标注的钻套导

向孔的尺寸©5F7

4.影响夹具在机床上安装精度的尺寸和公差

主要指夹具安装基面与机床相应配合表面之间的尺寸、公差，如图2—10中

的尺寸DH7

5.影响夹具精度的尺寸和公差

主要指定位元件、对刀或导向元件、分度装置及安装基面相互之间的尺寸、公差和位置公差，

如图2-9中尺寸：

20土0.03mm对称度0.03mm垂直度60:

0.03、平行度0.05mm

6.其它重要尺寸和公差

一般是机械设计中应标注的尺寸、公差，如图2—9中标注的配合尺寸©

“H7H7H7

14、©40、©10

n6n6n6

242夹具总图上应标注的技术要求

1、夹具的装配、调整方法，如几个支承钉应装配后修磨达到等高、装配时

调整某元件或临床修磨某元件的定位表面等，以保证夹具精度；

2、某些零件的重要表面应一起加工，如一起镗孔、一起磨削等；

3、工艺孔的设置和检测；

4、夹具使用时的操作顺序；

5、夹具表面的装饰要求等。

2.4.3夹具总图上公差值的确定

夹具总图上标注公差值的原则是：

在满足工件加工要求的前提下，尽量降低夹具的制造精度。

1•直接影响工件加工精度的夹具公差

夹具总图上的尺寸公差或位置公差为

j=（1/2〜1/5）（2—1）

式中十与j相应的工件尺寸公差或位置公差。

当工件批量大、加工精度低时，「取小值，反之取大值。

1工件的加工尺寸未注公差时，工件公差娃视为ITI2〜ITI4，夹具上相应的尺寸公差按IT9〜ITII标注；

2工件上的位置要求未注公差时，工件位置公差文视为9〜11级，夹具上相

应的位置公差按7〜9级标注；

3工件上加工角度未注公差时，工件公差&视为士307〜士I07，夹具上相

应的角度公差标为土10'〜土37'（相应边长为10〜400mm边长短时取大值）。

2•夹具上其它重要尺寸的公差与配合

这类尺寸的公差与配合的标注对工件的加工精度有间接影响。

在确定配合性

质时，应考虑减小其影响，其公差等级可参照“夹具手册”或《机械设计手册》标注。

2.5工件在夹具上加工厂的精度分析

2.5.1影响加工精度的因素

用夹具装夹工件进行机械加工时，其工艺系统中用夹具装夹工件进行机械加工时，其工艺系统中影响工件加工精度的因素很多。

与夹具有关的因素如图

2—11所示，有定位误差△D对刀误△「夹具在机床上的安装误差△A和夹具误差厶DJ。

在机械加工工艺系统中，影响加工精度的其它因素综合称为加工方法误差厶G上述各项误差均导致刀具相对工件的位置不精确，从而形成总的加工误差刀

以图2-9钢套钻①5mm孔的钻模为例计算。

1、定位误差AD

加工尺寸2O±0.1mm的定位误差，△D=Q

对称度0.1mm误差为工件定位孔与定位心轴配合的最大间隙。

工件定位孔的尺寸为①20H7（•一2OoO.O21mm）定位心轴的尺寸①20f6（一201023mm）

=d=Xmax=（0.021-0.033）mm=0.54mm

2、对刀误差盘：

T

因刀具相对于对刀或导向元件的位置不精确而造成的加工误差，称为对刀误差。

如图2-9中钻头与钻套间的间隙，会引起钻头的位移或倾斜，造成加工误差。

由于钢套壁厚较薄，可只计算钻头位移引起的误差。

钻套导向孔尺寸为声

5F7（*5¥022）mm）钻头尺寸为声5h9（軌纭^mm）尺寸20±0.1mm及对称度0.1mm的对刀误差均为钻头与导向孔的最大间隙

“二Xmax=（0.0220.03）mm=0.052mm

3、夹具的安装误差-■:

-

因夹具在机床上的安装不精确而造成的加工误差，

称为夹具的安装误差。

图2—9中夹具的安装基面为平面，因而没有安装误差，厶A=0。

图2—10中车床夹具的安装基面D1H7与车床过渡盘配合的最大间隙为安装误

差，厶a，或者把找正孔相对车床主轴的同轴度「2作为安装误差。

4、夹具误差LJ

差二ji；

图2-11工件在夹具上加工时影响加工精度的主要因素

若有分度装置时，还存在分度误差「汴。

以上几项共同组成夹具误差5。

图2—9中，影响尺寸20_0.1mm勺夹具误差的定位面到导向孔轴线的尺寸公差△j2=0.06mm及导向孔对安装基面B的垂直度△j3=0.03mm

影响对称度0.1mm的夹具误差为导向孔对定位心轴的对称度.>J2=0.03mm导向孔对安装基面B的垂直度误差厶J3=0.03mm与J在公差上兼容，只需计算其中较大的一项即可）。

5•加工方法误差>G

因机床精度、刀具精度、刀具与机床的位置精度、工艺系统的受力变形和受热变形等因素造成的加工误差，统称为加工方法误差。

因该项误差影响因素多，又不便于计算，所以常根据经验为它留出工件公差的、。

计算时可设

AG=（2-2）

2.5.2保证加工精度的条件

工件在夹具中加工时，总加工误差刀△为上述各项误差之和。

由于上述误差均为独立随机变量，应用概率法叠加。

因此保证工件加工精度的条件是

Z.■■:

=二；*7尤一、：

K（2—3）

即工件的总加工误差刀△应不大于工件的加工尺寸公差；，K。

为保证夹具有一定的使用寿命，防止夹具因磨损而过早报废，在分析计算工件加工精度时，需留出一定的精度储备量Jc。

因此将上式改写为

:

八-■-K-JC

或Jc二、K-（2—4）

当Jc一°时，夹具能满足工件的加工要求。

Jc值的大小还表示了夹具使用寿命的长短和夹具总图上各项公差值J确定得是否合理。

3、在钢套上钻5mnfL的加工精度计算

在图2—9所示钻模上钻钢套的5mnfL时，加工精度的计算列于表2—1中。

由表2—1可知，该钻模能满足工件的各项精度要求，且有一定的精度储备。

表2-1用钻模在钢套上钻5mnfL的加工精度计算

误差计算^工^误差名称

2°±0.1mm

对称度为°.1mm

心D

°

°.°54mm

0.052mm

°.°52mm

—

°

°

△j2+^J3=（°.°6+°.°3）mm

AJ2=°.°3mm

也G

（°.2/3）mm=°.°67mm

（°.1/3）mm=°.°33mm

J°.°52十。

"+°.°才+°.°67mm

J°°54!

+°.°52?

+°.°3?

十°.°33mm

=°.1°8mm

=°.°87mm

JC

（°.2-°.1°8）mm°.°92mm>°

（°.1一°.°87）mm=°.°13mm>°

2.6夹具的经济分析

夹具的经济分析是研究夹具的复杂程度与工件工序成本的关系，以便分析比

较和选定经济效益较好的夹具方案。

261经济分析的原始数据

1）工件的年批量N（件）。

2）单件工时td（h）。

3）机床每小时的生产费用f（元/h）。

此项费用包括工人工资、机床折旧费、生产中辅料损耗费、管理费等。

它的数值主要根据使用不同的机床而变化，一般情况下可参考各工厂规定的各类机床对外协作价。

4）夹具年成本Cj（元）0Cj为专用夹具的制造费用Cz分摊在使用期内每年的

费用与全年使用夹具的费用之和。

专用夹具的制造费用Cz由下式计算

Cz=pmtfe

（2-5）

式中p材料的平均价格（元/kg）；

m夹具毛坯的重量（kg）;

――夹具制造工时（h）;

制造夹具的每小时平均生产费

用（元/h）。

夹具年成本Cj由下式计算

Cj=

（2-6）

<2――专用夹具使用系数，常取0.2〜0.3;

-――专用夹具使用年限，对于简单

夹具，-=1a；

对于中等复杂程度的夹具，-=2~3a;

对于复杂夹具，T=4~5a

2.6.2经济分析的计算步骤

经济分析的计算步骤如表2—2所示。

根据工序总成本公式：

C=Cj・CsdN,

可作出各方案的成本与批量关系线，如图2-12所示。

表2-2经济分析的计算步骤

序号

项目

计算公式

单位

备注

1

工件年批量

N

件

已知

2

单件工时

td

h

已知

3

机床每小时生产费用

f

元/h

已知

4

夹具年成本

Cj

元

估算

5

生产效率

tl=1/ta

件/h

6

工序生产成本

Nf

Cs-Ntdf-

元

7

单件工序生产成本

Csd=%=tdf=—

元/件

8

工序总成本

C=Cj+Cs=Cj+CsdN

元

9

单件工序总成本

cC59

Cd-NN

元/件

10

两方案比较的经济效益e1,2

E1.2=C1_C2=N（Cd1—Cd2）

元

两个方案交点处的批量称临界批量Nk。

当批量为Nk时，两个方案的成本相

等。

在图2—12中，方案I、U的临界批量为Nk1.2，当N•Nk12时，C2:

:

:

G,

采用第二方案经济效益高；反之，应采用第一方案按成本相等条件，可求出临界批量N“2。

Csd1Nk1.2'Cj^-Csd2Nk1.2'Cj2

Cj2—Cj1N（Cj2—Cj1）

Csd1-Csd2Cs1-Cs2

2.经济分析举例

设钢套（图2—6）批量N=500件，钻床每小时生产费用f=20元/h。

试分

析下列三种加工方案的经济效益。

方案I:

不用专用夹具，通过划线找正钻孔。

夹具年成本Cj1=0，单件工时

td1=0.4ho

方案U:

用简单夹具，如图2—9所示。

单件工时td2=0.15h,设夹具毛坯重量m=2kg材料平均价p=l6元/kg，夹具制造工时t=4h，制造夹具每小时平均生产费fe=20元/h,可估算出专用夹具的制造价格为

Cz2二pmtfe二（16X2+4X20）元=112元

计算夹具的年成本Cj2。

设心=0.5,K2=0.2,T=1a则

j2

10.5

0.2112元=190.4元

方案川：

采用如图7—19所示的自动化夹具。

单件工时td3=0.05h,设夹具毛坯重量m=30kg材料平均价格p=16元，夹具制造工时t=56h，制造夹具每小时平均生产费用fe=20元/h,则夹具制造价格为

Cz3二pmtfe=（16305620）兀二1600兀

计算夹具成本Cj3。

设K^0.5,K^0.2,T=2a贝U

各方案的工序成本估算见表2-3。

表2-3钢套钻孔各方案成本估算

工序成本估算

方案I（不用夹具）

方案n（简单夹具）

方案川（半自动夹具）

%

0.4

0.15

0.05

山丄）（件・h-1）

丄=2.5

1-6.7

1-20

1

0.4

0.15

0.05

Cj

/元

0

190.4

1520

Cs=（Ntdf）/元

500汉0.4汉20=4000

500汉0.15汉20=1500

500汉0.05汉20=500

Csd=

d1/

IN丿

4000

=8

1500

=3

500=1

500

500

500

（元，

件1）

c=（Cj

+Csy元

4000

190.4+1500=1690.4

1520十500=2020

Cd—

*NC\

——1/

l丿

4000°

1690.4

2020小

=8

一4.04

—3.38

500

500

500

（元

•件-1

各方案的经济效益估算如下

E12-C1-0^4000-1690.4兀二2309.6兀

E2、3=C2-C3二1690.4-2020元二-329.6元

E1、=G-C3=（4000-2020^元=1980兀

可见，批量为500件时，用简单钻模经济效益最好，不用钻模经济效益最差

图2—12是上述三个方案的成本一批量关系图。

可算出三个方案的临界批量为