夹具的设计方法.docx

1、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，

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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23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；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

7、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26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2

8、0 士 0. Imn;2、 5mn孔对 20H7孔的对称度为0. 1 mm试设计钻 5mnJL的钻床夹具。图26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 27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28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28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

9、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29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。1 2 3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29中最

10、大轮廓尺寸为：84mm 70mn和60mm2 .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;f 6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210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 5F74 .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 210中的尺寸DH75.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

11、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. 05mm6.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 29中标注的配合尺寸“H7 H7 H714 、 40 、 10n6 n6 n6242 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

12、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ITI2ITI4，夹具上相应的 尺寸公差按IT9ITII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 911级，夹具上相应的位置公差按79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

13、10400mm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211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

14、成总的加工误 差刀以图2-9钢套钻5mm孔的钻模为例计算。1、 定位误差AD加工尺寸2O0.1mm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20H7(一 2OoO.O21mm)定位心轴的尺寸 20f6( 一 201023mm)=d =Xmax = (0.021 - 0.033) mm=0.54mm2、 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(*502

15、2)mm)钻头尺寸为声5h9(軌纭 mm)尺寸200.1mm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 =(0.022 0.03) mm=0.052mm3、 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29中夹具的安装基面为平面，因而没有安装误差，厶A = 0。图210中车床夹具的安装基面D1H 7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L J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

16、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A G = （2 -2）2.5.2 保证加工

17、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。J c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29所示钻

18、模上钻钢套的 5mnfL时，加工精度的计算列于表 2 1中。 由表21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 0.1 mm对称度为.1mm心D.54mm0.052mm.52mmj2 +J3 =(.6 +.3)mmAJ2 = .3 mm也G(.2 /3)mm=.67mm(.1 / 3)mm=.33mmJ.52 十。+.才 +.67 mmJ54!+.52?+.3?十.33 mm=.18mm=.87mmJ C(.2 -.18) mm .92mm(.1 一.87) mm=.13mm2.6夹具的经济分析夹具的经

19、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 = pm tfe(2-5)式中p 材料的平均价格（元/kg）；m 夹具毛坯的重量（k

20、g）;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 0.20.3 ;-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，-=23a ;对于复杂夹具，T =45a2.6.2经济分析的计算步骤经济分析的计算步骤如表22所示。根据工序总成本公式：C=CjCsdN ,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tdh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

21、6工序生产成本NfCs - Ntd f -元7单件工序生产成本Csd = % = td f =元/件8工序总成本C=Cj +Cs=Cj+CsdN元9单件工序总成本c C 5 9Cd - N N元/件10两方案比较的经济效益 e1,2E1.2 =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212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。Csd1 N k1.2 C j - Csd2 N k1.2 C j2Cj2

22、 Cj1 N(Cj2 Cj1)Csd1 - Csd2 Cs1 - Cs22.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 = 0.4 ho方案U:用简单夹具，如图29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 pm tfe 二(16 X 2+4X 20)元=112 元计算夹具的年成本

23、Cj2。设 心=0.5, K2 =0.2, T =1a则j21 0.50.2 112元=190.4元方案川：采用如图719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 pm tfe = (16 30 56 20)兀二 1600兀计算夹具成本Cj3。设K0.5,K0.2, 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）%0.40.150.05山丄)

24、(件h-1 )丄= 2.51 -6.71 -2010.40.150.05Cj/元0190.41520Cs =(Ntd f) /元500 汉 0.4 汉 20 =4000500汉 0.15汉 20 =1500500汉 0.05汉 20= 500Csd =d 1/IN丿4000=81500=3500 =1500500500（元，件1 )c =(Cj+Cs y 元4000190.4 + 1500 = 1690.41520 十 500 =2020Cd *NC 1/l丿4000 1690.42020 小 =8一 4.043.38500500500（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212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