机床夹具的设计.pdf

第6期(总第127期)2004年12月机械工程与自动化MECHANICALENGINEERING&AUTOMATIONNo16Dec1文章编号:167226413(2004)0620099203机床夹具的设计李青(山西省机电设计研究院,山西太原030009)摘要:介绍了夹具设计的基础理论、定位夹紧原理及夹具设计的实例分析。关键词:机床；夹具；设计；定位原理；夹紧原理中图分类号:TG75012文献标识码:A收稿日期:2004207209作者简介:李青(19692),女,山西省人,工程师,在读硕士研究生。0引言在机械制造中,为完成需要的加工工序、装配工序及检验工序等,使用着大量的夹具。利用夹具,可以提高劳动生产率,提高加工精度,减少废品；可以扩大机床的工艺范围,改善操作的劳动条件。因此,夹具是机械制造中的一项重要的工艺装备。1夹具设计的基础理论一个好的机床夹具,首先要保证能加工出合格的产品。为此,所设计的夹具首先应满足以下两项要求:(1)在未受外力作用时,加工件对刀具和机床应保持正确的位置,即加工件应有正确的定位。(2)在加工过程中,作用于加工件上的各种外力,不应当破坏加工件原有的正确定位,即对加工件应有正确的夹紧。2定位原理在机械加工中,我们要求加工出来的表面,对加工件的其它表面保持规定的位置尺寸。因为加工表面是由切削刀具和机床的综合运动所造成,所以在加工时,必须使加工件上的规定表面(线、点)对刀具和机床保持正确的位置才能加工出合格的产品。211定位原理把加工件上的规定表面(线、点)与夹具上的规定表面(线、点)相互靠住的这一措施,叫做加工件在夹具中的定位。该加工件上的这种规定表面(线、点)称为定位基准。212定位基本原理在夹具设计中的应用21211自由物体定位的基本原理自由的物体,它对三个互相垂直的坐标面来说,有六种活动的可能性,其中三种是移动,三种是转动,习惯上,我们把这种活动的可能性称为自由度。当物体的六个自由度被完全限制后,该物体在空间的位置也就完全确定了,所以定位就是限制自由度。21212在夹具中限制加工件的自由度在夹具中,使加工件的规定表面与定位元件接触,就能限制自由度。定位元件所能限制的自由度数与定位元件的形式、数量及布置情况有关。21213夹具中的超定位如果两种定位元件均能限制加工件的同一个自由度时,就发生了超定位,超定位能产生一些不良后果。如使定位不稳定,降低了定位精度；因加工件定位基准间的误差,使加工件装不进夹具等。在设计中应尽量避免超定位。3夹紧原理在生产实践中,尽管定位方式是合理的,但由于夹紧状态不良(即夹紧力的大小、方向、作用点和支承的位置选择不当)可能出现如下问题:加工件飞出夹具,打坏刀具,造成安全事故；加工出来的位置尺寸不准确；加工表面产生形位公差(如不平度、不垂直度)；加工表面粗糙度高等。因此,当加工件正确定位后,还需要获得良好的夹紧状态。使加工件获得良好的夹紧状态的措施,叫做正确的夹紧。311加工件的正确夹紧原则(1)在夹紧过程中,如何克服重力的影响,把加工件压回正确位置,是正确夹紧原则之一。所以在考1994-2008ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.虑定位方案及设置定位支承时,应尽可能使支承反力与重力不构成力偶,使加工件重心位于支承范围内。(2)在夹紧过程中,如何使已获得正确定位的加工件不脱离正确位置,是正确夹紧原则之二。所以,在制定夹紧方案时,应尽可能避免夹紧力与支承反力构成力偶。(3)在夹紧过程中,如何使加工件不产生超出允许范围的变形,是正确夹紧原则之三。所以在制定夹紧方案时,对于刚性较差的加工件,应尽可能避免产生或应尽可能减小由夹紧力产生的弯曲力矩。(4)在切削过程中,如何避免加工件发生不能允许的振动,是正确夹紧原则之四。所以,在制定夹紧方案时,对于刚性较差的加工件,应尽可能避免产生或应尽可能减小由切削力产生并作用于加工件上的弯曲力矩。(5)如何使平衡切削力所需要的夹紧力最小,是正确夹紧原则之五。所以,在制定夹紧方案时,切削力最好由支承反力平衡,而尽可能避免用夹紧力及由夹紧力产生的摩擦力平衡。312夹紧力的计算对于一定的加工形式和定位夹紧方案,为保证有足够的力量来平衡切削力,必须求出为平衡切削力所需要的夹紧力最大值。为此,在求平衡切削力所需的夹紧力(Q平衡)时,应注意以下各点:(1)如果在整个切削过程中,切削力作用点在变化着,那么在计算Q平衡时,应分别计算切削力在各极端位置时所需的Q平衡,然后选取最大值。(2)如果在整个切削过程中,切削力大小在变化着,那么在计算Q平衡时,应取最大的切削力数值。(3)在计算Q平衡时,要特别注意切削力对加工件的力矩,有时为平衡切削力矩所需要的夹紧力是较大的。(4)当定位基准为毛坯面时,只有在夹紧力的方向上,定位基准和定位元件才能保持良好的接触。在计算Q平衡时,对于不在夹紧力方向上的那些定位支承元件不能按受力元件看待,它不起承担平衡切削力的作用。4实例分析钻叉子上两个通孔(1015+0124)的钻模定位方案的制定。图1是工序简图,图1中带方框的尺寸为本工序的加工尺寸,其余尺寸为已加工尺寸。按下列程序制定定位方案。411熟悉加工要求(1)1015+0124两孔中心距应为9815012(用符号L1代表)。(2)1015+0124孔的外母线到30+01045孔的外母线的距离应为3812+014-011(381350125,用符号L2代表)。(3)1015+0124孔中心线应垂直于D1、D2两孔中心线所组成的平面P。(4)尺寸9815012两孔中心线应与77+0174两平面对称。图1工序简图412了解加工用的机床型号本工序中,使用Z525立钻,因此形成加工面的运动是钻头绕机床主轴的回转运动和机床主轴的垂直移动。413确定制件在加工时与空间坐标面的关系制件在加工时,加工孔中心线处于垂直位置,即与z轴平行。现以制件上的D1孔中心线为x轴,以尺寸77+0174两平面的中心面与x轴的交点为坐标原点。414确定需要限制的自由度(1)影响尺寸381350125的自由度有y向的移动和绕x、z轴的转动。(2)影响尺寸9815012两孔中心线与尺寸77+0174两平面对称度的自由度有x方向的移动和绕y、z轴的转动。(3)影响1015+0124孔中心线与P面的垂直度的自由度有绕x、y轴的转动。因此,应限制的自由度为沿x、y方向的移动,绕x、y、z轴的转动。415选择定位基准(1)D1孔的外母线是尺寸381350125的设计基准,采用D1孔为定位基准限制沿y向的移动较好。(2)根据转动自由度应用较长表面作定位基准的001机械工程与自动化2004年第6期1994-2008ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.原则,用D1孔作定位基准限制绕y、z轴的转动；用D2孔作定位基准限制绕x轴的转动。(3)表面A、C、E均可用来限制x方向的移动。现假定用C面作定位基准,通过图2的尺寸链,即可求得新的加工尺寸及允差:A2=N-A1=49125-381685=101565,$A2上=0131-01185=+01125,$A2下=-0131+01185=-01125。图2尺寸链通过上述分析,用C面作定位基准时,其加工允差量足够小(01125),所以用C面作定位基准来限制x向的移动。416选择定位元件(1)采用两个同心的圆柱销与D1配合,限制四个自由度,即z、y向的移动和转动。圆柱销的直径为30-01008-01022。(2)在30-01008-01022圆柱销上做一个小凸台,与加工件的C面相靠以限制x向的移动。(3)采用削边菱形销与D2孔配合,以限制x向的转动。取菱形销的宽度为8,夹具上30-01008-01022中心到菱形销中心为1100102,则菱形销的直径为37-01052-01069。各定位件的尺寸关系见图3。图3各定位件的尺寸关系图417各种误差允许值的分析(1)对于尺寸381350125,因加工时得到的位置尺寸是孔中心的位置尺寸,所以要求出加工尺寸起始处到孔中心的加工尺寸数值,其尺寸关系见图4尺寸链。由B2=121015+0124=5125+0112,N1=381350125得出:B1=331040119。同理,可确定其它的加工尺寸,新的加工尺寸L2=331040119,新的允差为0119。则定位、安装、其它误差均为0106。(2)对于新的加工尺寸10156501125,允差为01125,则定位、安装、其它误差均为0104。(3)对于新的加工尺寸9815012,允差为012,则定位、安装、其它误差均为0106。图4尺寸链418分析定位误差(1)加工尺寸331040119的尺寸起始处为D1孔外母线,定位基准处于理想位置时,该母线与30-01008-01022定位销中心的距离为1510225。当基准直径最大,定位销直径最小时,该尺寸起始处对理想位置的偏差有两种情况,见图5所示。其偏离量为(01045+010222)=010335,其定位误差为010335,小于其允许的定位误差。(2)影响加工尺寸10156501125及9815012的定位误差为零。图5两种偏差情况419确定定位件到导向件的位置尺寸及制造公差(1)30-01008-01022定位销中心到钻套中心的名义数值LJ2,如图6定位件和导向件位置关系所示,LJ2=L2-D2+$18101,取$LJ2为0103,此值小于导向误差。(下转第103页)1012004年第6期李青:机床夹具的设计1994-2008ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.槽60280连接,起导向的作用,有力地消除了套的径向摆动,刀具通过支承套壁上的U形孔自由进给。通过采用带支承套的加强刀杆,降低了丝母丝的抛光底面粗糙度。图2加强刀杆21212仿形齿砂带的制作及工作原理采用人工方式在砂轮机上将砂带磨出与螺纹齿形相同的形状,将修磨后的砂带装在夹具上进行试磨,效果明显,表面粗糙度达到Ra116。213丝母内宽20mm的盲槽的加工对于丝母内宽20mm的盲槽加工问题,我们采用了制作车床铣刀杆的方法来解决,20mm宽盲槽用铣刀杆见图4。其工作原理为:在电机(图中未画出)的端部有一个皮带轮,电机旋转带动皮带轮1旋转,同时皮带轮2也旋转,再由2带动皮带轮3旋转,从而带动铣刀旋转,在手动进给下铣出20mm宽盲槽。图3支承套图4宽盲槽用铣刀杆示意图3结论(1)实践证明,通过工装器具的使用,攻克了大型压下丝母的加工难题,使加工的压下丝母质量稳定,符合图纸要求。(2)通过技术小组的攻关,增加了机加公司的加工能力,为承接外来合同拓宽了空间。BreakthroughinProcessingTechnologyonLargeOverbearingNutANXue-ling(WugangMechanicalProcessingCompany,Wugang462500,China)Abstract:Thispapermainlyexpatiatedonthekeytechnologyproblemonprocessingthelargeoverbearingnutofrollingmillandthemanufactureofprocessingapparatusaswellasitseffect.Keywords:largeoverbearingnut；process；keytechnology(上接第101页)(2)30-01008-01022定位销凸台到钻套中心的距离的名义数值为LJ3,LJ3=L3=101565,取$LJ3为0104,小于导向误差。从以上误差分析来看,采用本定位方案是可行的。5结束语夹具设计的理论基础和夹具结构分析,对合理制定夹具设计方案和正确设计夹具结构起着巨大的作用。夹具方案选择正确与否,将直接影响制件的质量。图6定位件和导向件位置关系JigsforMachineToolsLIQing(ShanxiDesignandResearchInstituteofMechanicalandElecticalEngineering,Taiyuan030009,China)Abstract:Thispaper