铣床专用偏心夹紧机构的设计.docx

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铣床专用偏心夹紧机构的设计

，

本科生毕业论文（设计）

题目：

铣床专用偏心夹紧机构的设计

专业代码：

机械设计制造及其自动化（080301）

作者姓名：

学号：

单位：

汽车与交通工程学院

指导教师：

2010年5月17日

原创性声明

　　本人郑重声明：

所提交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得聊城大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。

对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人承担本声明的相应责任。

学位论文作者签名：

　　　　　　　日期　　　　　　　

指导教师签名：

　　　　　　日期　　　　　　　

摘要

夹具是一种装夹工件的工艺装备，它的主要功用是实现工件定位和夹紧，使工件加工时相对于机床、刀具有正确的位置，以保证工件的加工精度。

机床夹具在机械加工中起着重要的作用，它直接影响机械加工的质量、生产率和生产成本以及工人的劳动强度等。

由于机床夹具设计是机械加工工艺准备中的一项重要工作，针对一些企业在铣夹具上加工零件常利用螺栓与普通的平压板压紧工件而带来的不便和生产效率低的情况，设计了偏心夹紧装置，采用该夹紧装置，夹压牢固、操作方便、生产率高。

关键词：

圆偏心夹紧机构；自锁条件；偏心夹紧行程

Abstract

Fixtureisakindofwork-piececlampingequipment,itsmainfunctionistorealizepositioningandclampingworkpiece,themachineprocessing,relativetothecorrectposition,inordertoensuretheprocessingprecision.Themachinetool'sfixtureinmachiningplaysanimportantrole,itdirectlyinfluencesthequalityofmechanicalprocessing,productivityandproductioncostandworker'slabourintensity,etc.

Thereforethemachinetool'sfixturedesignisanimportantjobinthemachiningprocesspreparation.Forsomeenterprisesinmilling,fixtureonprocessingpartsusedboltsandordinaryflatplateclampingworkpieceandinconvenienceandproductionefficiencywaslow,thispaperdesignedaneccentricclampingdevice.Theclampingdeviceisreliable,convenient,withhighproductivity.

Keywords:

Circulareccentricclampinginstitution,Self-lockingcondition,Eccentricclampingtrip

铣床专用偏心夹紧机构的设计

前　言

机床为了加工出符合规定技术要求的表面，必须在加工前将工件装夹在机床上或夹具中。

工件的装夹包括定位和夹紧两个过程。

工件在夹具中定位的任务是：

使同一工序中的所有工件都能在夹具中占据正确的位置。

一批工件在夹具上定位时，各个工件在夹具中占据的位置不可能完全一致，但各个工件的位置变动量必须控制在加工要求所允许的范围之内。

将工件定位后的位置固定下来，称为夹紧。

工件夹紧的任务是：

使工件在切削力、离心力、惯性力和重力的作用下不离开已经占据的正确位置，以保证机械加工的正常进行。

机床夹具的发展缩短了辅助时间，提高了劳动生产率；能够保证加工精度稳定；扩大机床使用范围；减轻劳动强度，降低工人等级。

铣床是工业生产中重要的加工工具，它有着广泛的加工范围，因此设计铣床的夹具显得更加重要。

铣床夹具可以分为：

直线进给铣床夹具，工作台按直线进给方式运动，可加工平面、直角面和各种槽等。

圆周进给的铣床夹具，铣床工作台做连续的回转运动，配合采用气动或液压等高效夹紧装置，生产率高，可加工平面，适用于大批量生产

。

靠模仿行铣床夹具，机床工作台的主进给运动和由靠模获得的辅助运动形成的仿行运动，采用靠模夹具可再一般万能铣床上加工出所需的成形面。

本论文根据实际铣床夹具提出改良方案，利用三维设计软件SolidWorks2008完成了偏心夹紧机构的整体零部件的设计，绘制了铣床夹具的零件图和装配图。

1总体设计方案

夹具是一种装夹工件的工艺装备，它的主要功用是实现工件定位和夹紧，使工件加工时相对于机床、刀具有正确的位置，以保证工件的加工精度。

机床夹具在机械加工中起着重要的作用，它直接影响机械加工的质量、生产率和生产成本以及工人的劳动强度等

。

因此机床夹具设计是机械加工工艺准备中的一项重要工作，针对一些企业在铣床夹具上加工零件常利用螺栓与普通的平压板压紧工件而带来的不便和生产效率低的情况，设计了偏心夹紧装置，采用该夹紧装置，夹压牢固、操作方便、生产率高。

铣床专用偏心夹紧机构的整体设计

本论文设计的铣床专用偏心夹紧机构是由圆偏心轮、压板、垫块、普通螺栓、弹簧等构件组成

。

如图1所示：

1.手柄2.偏心轮3.压板4.螺栓5.定位销6.垫板

图1整体结构图

铣床专用偏心夹紧机构的自由度的计算

夹紧机构设计出来后，还需要确定是否具有确定运动，这就需要我们通过对偏心夹紧机构自由度的计算。

由图1可知：

（1）

n--机构的活动构件

--件2和件3构成的转动副

--件2和压板构成的线高副

铣床专用偏心夹紧机构工作原理

偏心夹紧装置实际上是一个串连式的2级增力机构：

其中杠杆作用为第1级，偏心轮形成的斜楔作用为第2级。

因此，在要求输出夹紧力一定的条件下，采用偏心夹紧机构可以大大简化手工劳动。

动力的输入方式比较简单，并且易于导轨副配合起来使用，制造起来也比较方便，成本较低

。

在现代制造业中，偏心夹紧装置在手动夹具上得到了非常广泛的应用，但是在气压传动领域，却极少看到偏心机构的存在。

造成这种现象的原因是人们往往认为偏心夹紧机构不适合在气压传动中应用；其次是偏心夹紧机构的夹紧是一个旋转运动，气缸的活塞是一个直线往复运动，人们受传统思维的束缚很少去考虑这2种运动的转换问题。

当气缸右腔进入压缩空气，则偏心轮反向运动，将工件松开，完成工件复位。

工作原理如图1所示。

气缸内活塞杆的外端装配有圆柱滚轮，在偏心轮的驱动杆上开一长槽，将滚轮以适当间隙配合嵌入槽中并适当润滑。

当气缸活塞在缸体左腔压缩空气的用下向右运动时，偏心轮驱动杆槽中的滚轮也随之向右移动，驱动杆将向下运动，驱动偏心轮以定位销为轴心作顺时针方向的摆动；活塞所受的轴向力经过驱动杆与偏心轮的作用放大后，由偏心轮向外输出力F0，从而夹紧工件

。

2铣床专用偏心夹紧机构部件设计

铣床专用偏心夹紧机构关键部件设计

该铣床专用偏心夹紧机构关键部件设计为偏心轮设计。

2.1.1偏心轮机构的特点

偏心夹紧机构与气压缸组成的夹紧机构具有以下优点:

（1）利用偏心夹紧机构的2级增力放大功能，在系统压力一定的条件下，可以显著提高系统输出力；

（2）利用偏心夹紧机构的自锁功能，在需要长时间保持作用力的场合，可以让提供压缩气体的设备停止工作，节能效果显著；

（3）解决了在实践中往往要求输出力方向与液压缸轴线相垂直的问题。

该装置的不足之处在于：

由于偏心轮对工件存在着切向力，所以如果长时间工作，可能会对工件表面造成一定的摩擦损伤。

这一缺点也是目前偏心夹紧装置所未能克服的普遍问题

。

2.1.2圆偏心轮的设计

（1）确定夹紧行程

偏心轮夹紧工件时：

（2）

式中T—工件夹压表面至定位面的尺寸公差（mm）

—装卸工件所需的间隙，一般取

=0.3mm

—夹紧装置的压移量，一般取

=—0.5mm

—夹紧行程储备量，一般取

=—0.3mm

所以，h=2+++=3mm

（2）计算偏心距

取

=90°—180°作为工作段，e=h=3mm

（3）按自锁条件计算D

f=时，D=20e=20

3=60mm

（4）圆偏心轮的结构

图2圆偏心轮的设计图

2.1.3圆偏心夹紧机构的特性分析

圆偏心夹紧机构在工装应用中的首要问题是保证自锁，只有在自锁的前提下夹紧才是可靠的。

圆偏心夹紧机构在工装设计中应用比较广泛，实际上它是楔形夹紧的变形而已，特点是其升角α（相当于楔角）不是一个常数，而与圆周上夹紧点的位置有关。

这是偏心夹紧机构的重要特点。

因此它与偏心轮工作段的选择、自锁条件、夹紧力的计算及主要结构尺寸的确定有密切关系。

作为一种手动夹紧机构，必须具有可靠的自锁性，只有在保证自锁的前提下夹紧才是可靠的，同时夹紧力的计算才有实际意义

。

但是，自锁条件是否可靠呢？

图3圆偏心轮的受力分析图

夹紧力的计算公式如下：

（3）

式中:

e——偏心距

R——偏心轮半径

e/R——偏心率或偏心比

圆偏心夹紧时，要可靠地保证自锁，其夹紧点（转角为γ）处的升角α必须满足下式:

式中，μ=tanφ为偏心轮与被夹压表面间的摩擦系数（摩擦角）

经化简整理后可得出圆偏心夹紧机构的自锁条件为:

令

表1为偏心轮工作面上几个特殊位置处的

值（按tanφ=μ=计算）。

表1ε与r的对应值

/（°）030456090-2φ90-φ90120150180-φ

1∞

值表明在偏心轮工作面上各位置的自锁性能是不同的，在γ=90°-φ的位置，

值为最小，即是自锁性能最差的位置

。

为便于分析讨论，现根据偏心轮保证自锁的程度不同将其分为两种类型:

a）完全自锁类偏心（简称A类偏心）

，是指在偏心轮的工作面上以任意位置夹紧时均能保证自锁的偏心。

为此，必须满足如下条件:

（4）

由式可知，当γ=90°-φ时，ε=εmin=sinφ，则A类偏心的自锁条件为:

b）部分自锁类偏心（简称B类偏心），是指当时e/R>sinφ，偏心轮不能保证完全自锁，而仅有部分工作面夹紧时能保证自锁。

其自锁条件为:

其中：

（γ≠90°-φ）（5）

由式子（5）可求出B类偏心能保证自锁的转角范围:

①

②

不能保证自锁的转角范围:

我们现在分析e=3mm，R=30mm的标准偏心轮，分析其属于何种类型及自锁状况:

并不能满足自锁条件，将各已知值代入①式和②式，可得:

=°;

=°;

=°

可见在γ1～γ2之间约23°的转角范围内，偏心轮是不能自锁的。

由于偏心距公差标注为e±0.2，若是按e=3+0.2计算，则Δγmax≈31°。

由于B类偏心在Δγ所对应的圆弧段上是不能自锁的，夹紧的可靠性也就不能得到保证，因此，计算在此范围内产生的夹紧力也就无什么意义。

A类偏心如前所述，应在保证自锁的前提下来研究夹紧力的计算问题。

如前所述，比值e/R越小（即R越大，e越小），W越大，且自锁性能也越好，但这又会使结构尺寸增大和夹紧行程减小，为兼顾各方面，我们取R=32mm。

现根据各种参考文献一般可取:

μ=0.1～0.15，　现取μ=0.1

r/R=0.15～0.25，现取r/R=0.2

L/R=4.5～5.5，现取L/R=5

Q=100N

代入公式（3）数据得：

=2278N

铣床专用偏心夹紧机构其它部件设计

2.2.1偏心夹紧机构的压板设计

压板是偏心机构的重要部件，它在整个机构中起承上启下的作用，一般压板在设计时主要选择的材料较硬，变形小。

同时还要考虑，与偏心轮的连接，一般为间隙连接。

压板不宜过长，因为工件在加工的过程中需要一定的夹紧力，如果无法保证夹紧力的大小，加工出来的工件将很难保证它在图纸上所标注的加工精度。

我们可以根据国标GB/T2181-91来选择压板的尺寸，其材料一般为优质碳素结构钢，可满足夹具的夹紧要求。

同时，压板还要和螺栓进行连接，我们这次所选的压板满足螺纹规格为M6～M20的螺栓，一般为间隙连接。

夹具压板如下图4：

图4夹具设计图

2.2.2偏心夹紧机构的垫板设计

垫板和偏心轮配套使用，垫板的设计加工要求相对较低，主要是保证和偏心轮接触面的直线度粗糙度。

偏心轮在和垫板相接触时会产生一定的摩擦。

因此，可以在其表面进行贴塑，减少摩擦。

注：

贴塑一般应用在某些数控机床导轨上，称之为贴塑导轨。

贴塑导轨是采用粘接剂将聚四氟乙烯导轨软带粘接在导轨面上，使得传统导轨的摩擦形式变为铸铁-塑料摩擦副。

本论文所设计的偏心夹紧机构主要缺点是偏心轮的摩擦，它不仅降低了偏心轮的寿命，更主要的是严重影响加工精度，这是偏心夹紧机构至今尚未解决的难题，采用这种工艺可以在很大程度上增加偏心轮的寿命和加工精度。

希望在一定程度上能够解决这种问题。

垫板的设计也可以根据国标国标GB/T2195-91来选择。

夹具垫板如下图5：

图5夹具压板设计图

3铣床专用偏心夹紧机构的动力系统

概述

偏心夹紧装置实际上是一个串连式的2级增力机构：

其中杠杆作用为第1级，偏心轮形成的斜楔作用为第2级

。

因此，在要求输出夹紧力一定的条件下，采用偏心夹紧机构可以大大简化手工劳动。

在现代制造业中，偏心夹紧装置在手动夹具上得到了非常广泛的应用，但是在气压传动领域，却极少看到偏心机构的存在。

造成这种现象的原因是人们往往认为偏心夹紧机构不适合在气压传动中应用;其次是偏心夹紧机构的夹紧是一个旋转运动，气缸的活塞是一个直线往复运动，人们受传统思维的束缚很少去考虑这2种运动的转换问题

。

本论文给出了一种偏夹紧机构与有杆液压缸组成的、齿轮齿条为中驱动装置的夹具系统。

该夹具在结构方面很不紧凑，整个系统的刚性较差。

基于以上原因我们创新设计出了一种由偏心夹紧机构和气压缸组成的夹紧装置，该方案在较大程度上解决了上述矛盾。

工作原理

工作原理如图1所示气缸内活塞杆的外端装配有圆柱滚轮，在偏心轮的驱动杆上开一长槽，将滚轮以适当间隙配合嵌入槽中并适当润滑。

当气缸活塞在缸体左腔压缩空气的作用下向右运动时，偏心轮驱动杆槽中的滚轮也随之向右移动，驱动杆将向下运动，驱动偏心轮以O2为轴心作顺时针方向的摆动;活塞所受的轴向力经过驱动杆与偏心轮的作用放大后，由偏心轮向外输出力F0，从而夹紧工件。

当气缸右腔进压缩空气，则偏心轮反向运动，将工件松开，完成工件复位。

力学分析

不考虑摩擦时，系统的理论竖直方向输出力可用下式计算:

（6）

式中　D——气缸活塞直径

p——气缸左腔压力

L、γ——如图（3）所示

——力输出点处偏心凸轮的升角，

（e为偏心距，

R为偏心轮半径）

——偏心凸轮转动中心与力输出点间的距

离，

考虑偏心轮在力输出点处及转轴处的摩擦后，系统的实际输出力Fop可用下式计算:

（7）

式中　β——力输出点处偏心轮与其作用对象间的摩擦角

φ——转轴处的摩擦角偏心轮在水平方向切向力Fox可用下式计算:

（8）

由前前面的论述可以得出输出的实际夹紧力为Fop=2278N，采用系统压力

p=0.5MPa的气压缸作用，L=145mm，γ=30°，e=3mm，R=32mm，

β=φ=10°，

=6°53′，

≈16.65mm，代入公式（8）进行计算，则直径

≈83mm，（9）

4铣床专用偏心夹紧机构的3D视图

三维软件Solidworks简介

SolidWorks公司成立于1993年，由PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁发起，总部位于马萨诸塞州的康克尔郡（Concord，Massachusetts）内，当初所赋予的任务是希望在每一个工程师的桌面上提供一套具有生产力的实体模型设计系统。

从1995年推出第一套SolidWorks三维机械设计软件至今，它已经拥有位于全球的办事处，并经由300家经销商在全球140个国家进行销售与分销该产品。

SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。

良好的财务状况和用户支持使得SolidWorks每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。

该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名；从1995年至今，已经累计获得十七项国际大奖，其中仅从1999年起，美国权威的CAD专业杂志CADENCE连续4年授予SolidWorks最佳编辑奖，以表彰SolidWorks的创新、活力和简明。

至此，SolidWorks所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场

。

由于SolidWorks出色的技术和市场表现，不仅成为CAD行业的一颗耀眼的明星，也成为华尔街青睐的对象。

终于在1997年由法国达索公司以三亿一千万美元的高额市值将SolidWorks全资并购。

公司原来的风险投资商和股东，以一千三百万美元的风险投资，获得了高额的回报，创造了CAD行业的世界纪录。

并购后的SolidWorks以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作，成为CAD行业一家高素质的专业化公司，SolidWorks三维机械设计软件也成为达索企业中最具竞争力的CAD产品。

在美国，包括麻省理工学院（MIT）、斯坦福大学等在内的著名大学已经把SolidWorks列为制造专业的必修课，国内的一些大学（教育机构）如清华大学、北京航空航天大学、北京理工大学、上海教育局等也在应用SolidWorks进行教学。

相信在未来的5~8年内，SolidWorks将会成为与当今AutoCAD一样，成为3D普及型主流软件乃至于CAD的行业标准

。

偏心夹紧机构的3D视图

本例论文所使用的三维软件是SolidWorks2008版，它可以从三维立体的感受零件，给设计者真实感。

（1）偏心夹紧机构偏心轮的3D视图

图6偏心轮的3D视图

（2）偏心夹紧机构压板的3D视图

图7压板的3D视图

（3）偏心夹紧机构的垫板3D视图

图8垫板3D视图

结论

本论文针对铣床专用偏心夹紧机构展开研究，主要完成了如下工作:

（1）根据实际铣床夹具提出改良方案，通过大量资料查询确定了偏心夹紧机构的整体设计方案。

（2）经过受力分析，利用三维设计软件SolidWorks2008完成了偏心夹紧机构的整体零部件的设计，绘制了铣床夹具的零件图和装配图。

（3）利用SolidWorks2008软件对铣床夹具的零部件进行了三维立体建模，确定了偏心夹紧机构的最终模型。

本论文只是进行了偏心夹紧机构的虚拟设计，后续研究工作中，可以加工出实际的夹具实体。

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附录1

夹具标准零件和部件的技术要求

表1

配合件的工作形式

精度要求

示例

一般精度

较高精度

定位元件与工件定位基准面间的配合

H7H7H7

h6g6f6

H6H6H6

h5g5f5

定位销与工件定位基准孔的配合

有导向作用，并有相对运动的元件间的配合

H7H7H7

h6g6f7

H7