数控铣专用夹具设计

数控铣床专用夹具设计 摘 要 夹具是一种装夹工件的工艺装备。它的主要功能是实现工件定位和夹紧，使工件加工时相对于机床刀具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、生产效率和生产成本以及工人的劳动强度等。 本设计是结合目前实际生产中，常常发现仅用通用夹具不能满足生产要求，用通用夹具装夹工件生产效率低劳动强度大，加工质量不高，而且往往需要增加划线工序，而专门设计的一种铣床夹具，主要包括夹具的定位方案，夹紧方案、对刀方案，夹具体与定位键的设计及加 工精度等方面的分析。该夹具有良好的加工精度，针对性强，主要用于拨叉零件铣槽工序的加工。本夹具具有夹紧力装置，具备现代机床夹具所要求的高效化和精密化的特点，可以有效的减少工件加工的基本时间和辅助时间，大大提高了劳动生产力，从而可以有效地减轻工人的劳动强度和增加劳动效率。因此对夹具知识的认识和学习，在今天显得尤为重要起来。 关键词 ：夹具； 设计； 数控铣床 Abstract Fixture is a kind of work-piece clamping equipment ,its main function is to realize positioning and clamping work-piece the machine processing relative to the correct position in order to ensure the processing precision .The machine tools fixture in machining plays an important role ,it directly influences the quality of machnical processing productivity and production cost and works labor intensity etc. The design of CNC milling machine dedicated fixture design is to combine the actual production, often found only in general can not meet the production requirements, fixture with general clamping work-piece jig low labor productivity, quality is not high, and often need to increase crossed, specially designed a kind of milling fixture, mainly including the positioning jig, clamping, to plan, and specific design and machining precision of key aspects of analysis. The clip has good machining precision and pertinence, mainly used for gearshift forks slot lathing parts of the processing procedure. This fixture is clamping force device, the machine tools fixture with modern requirements of precision and efficiency of the characteristic, can effectively reduce the processing time and auxiliary time of basic, greatly improving the labor productivity, which can effectively reduce the labor intensity and increase the work efficiency. So the understanding and knowledge of fixture in learning, today is particularly important. Keywords : Fixture； Design； CNC milling machine 目 录 1 铣 床夹具设计 . 1 1.1 夹具的概念 . 1 1.2 夹具的主要功能 . 1 1.3铣床夹具的特点 . 1 1.4铣床夹具的设计特点 . 2 1.5夹具的设计步骤 . 2 1.6确定各表面的加工方案 . 3 1.7 铣床夹具的安装 . 3 1.7.1铣床夹具的对刀装置 . 3 1.8 定位方案 . 4 1.8.1常用定位元件及选用 . 4 1.8.2对定位元件的基本要求 . 4 1.8.3定位基准的选择 . 4 1.9 定位误差分析 . 4 1.9.1定位误差产生的原因 . 5 1.9.2定位误差分析 . 5 2 工件的夹紧 . 5 2.1夹紧装置的组成 . 5 2.2夹紧装置的设计原则 . 6 2.3定夹紧力的基本原则 . 6 2.3.1夹紧力的方向 . 6 2.3.2夹紧力的作用点 . 6 2.3.3夹紧力的大小 . 7 2.3.4切削力及夹紧力的计算 . 7 2.4对刀操作说明 . 8 结 论 . 8 致 谢 . 9 参考文献 . 10 中国地质大学长城 2015 级毕业论文（设计） 1 绪 论 通过本次研究，掌握机械设计的一般方法，培养完善的设计思想，锻炼分析问题、解决问题的能力，特别是掌握总体设计和零部件设计的方法与技巧。 综合运用机械设计与原理及其他有关的专业知识，去分析和解决生活工作中的问题，做到理论联系实际，进一步巩固自己所学到的知识。 机制专业的课程设计使我们学会了运用大学的基础知识和理论与实际操作相结合。因此 ,最后的毕业设计是重中之重。就我个人而对我来讲，我期待能通过此次毕业设计对自己将来的工作进行一次模拟训练，从中锻炼自己分析问题、解决问题的能力，为今后的实践打下一个 良好的基础。通过查阅相关资料和进行设计分析，了解到了现代数控机床专用夹具的现状与发展前景。而由于数控技术的广泛应用，使得这一课题设计具有很大的研究空间。但是，由于考虑不周、创新不够、时间不足，本次设计有很大的待提升空间。虽然本方案实践上有待进一步证明，但理论上还是具有可行性的。而这些专用夹具的应用，对数控加工的生产也会有很多的好处。 1 铣床夹具设计 1.1 夹具的概念 在日常的生产制造过程中，一般用来将加工的物件进行固定，使它能具有一个合适的占位，这样的元件简称为夹具。在生产实践中，某些工序中使用夹具的作 用就是通过夹具来将工 件定位，在加工时可以使物件具有一个合适的占位，并把物件夹紧。 1.2 夹具的主要功能 生产活动中，想要在相应的机床上加工工件时，就需要用一定的夹具来吧工件进行固定，这样可以让工件在加工时不会移动位置，可以让加工出来的零件精度更高。例如数控铣床铣零件键槽，其中一道工序可能就需要一个专用夹具来将工件固定夹紧。将工件正确安装好，让工件和刀具以及机床三者之间的位置关系合理，我们把这一过程称为定位。工 件的夹紧，就是在确定和定位后把工件固定牢固，这一过程称为夹紧。也就是说工件的装夹过程包括定位和 夹紧。机床夹具的主要功能就是为了完成工件的装夹工作。总结达到一点可以知道工件定位和夹紧状况的好坏将直接影响工件的加工精度。 1.3 铣床夹具的特点 （ 1）保证工件的加工精度 中国地质大学长城学院 2015 级毕业论文（设计） 2 数控铣床专用夹具的设计应该具有适合的定位方案，并且需要必要的精密解析，以确保精密，以满足工件的要求。 （ 2）提高生产效率 专用夹具，为了适应工作方案的复杂性，应与复杂性取决于工件夹紧装置有效生产量的大小不同程度的使用，缩短辅助时间，提高生产效率。 （ 3）工艺性好 简单结构的专用夹具，要便于拆装维护，易于加工生产。专用夹具属于大批量生 产。 （ 4）使用性好 专用夹具操作要容易，省时，安全，方便，如果有必要，可以增添排屑结构。 （ 5）经济性好 除了要照顾到专用夹具自身的机构简洁，高程度的标准化，较少的成本，但也可根据夹具项目的必要的经济分析的生产计划，提高经济效率的生产夹具。 1.4 铣床夹具的设计特点 数控铣的夹具与其它机床夹具的不同之处在于：它是通过定位键将夹具定位在铣床上，用对刀装置决定刀具相距夹具的正确位置。 1.5 夹具的设计步骤 1）明确设计任务书与收集设计材料在生产计划的前提下，被称为夹具的设计的第一步，研究部分被加工零件图，流 程图，流程规划和任务书，工件过程分析设计。工件的主要内容是要了解该材料的特性 ;这个过程中，确定加工表面，加工要求，津贴，定位基准和夹紧面和使用机床，刀具，量具。 第二，根据设计的任务是收集书籍材料，如机器的国家标准技术参数，工装夹具元件，部颁标准和有约束力的标准，各种灯具阿特拉斯，夹具设计手册等，还可以收集一些类似种夹具设计图和了解模具生产厂，以供参考 2）确定该方案的结构和开发夹具固定，画出草图 A）确定工件的定位方案，设计定位装置。 B）确定工件装夹方案，设计夹紧装置。 C）确定对刀或导向方案，设计对刀 或导向装置。 D）确定基面连接元件的夹具和机床连接，设计和安装 E）识别和其他器件和部件的设计结构类型，如分度装置，定位装置和升降组件。 F）确定夹具体的结构型式及夹具在机床上的安装方式。 G）画出草图夹具和尺寸，公差和技术要求。 进行必要的分析计算 当工件的加工精度高，对工件的加工精度的分析应进行。动力单元夹具，夹紧力来计算中国地质大学长城学院 2015 级毕业论文（设计） 3 的。当有多个夹具项目，经济分析可以进行，更好的经济计划的选择。 审查方案与改进设计 夹具后画出草图，应咨询有关人员，并且送到相关的部门检查，然后根据他们的要求进一步修改夹具方案。 绘制 夹具装配总图 夹具装配图的国家标准应当制定。尝试绘图比例 1 比 1 通过反向夹具，主视图中绘制操作者的面部。总的数字应该夹紧结构工程，各种设备和它们之间的关系明确。 绘制夹具零件图 夹具非标准部件将要绘制的零件图，根据该夹具的整体数字来确定尺寸，公差和零件的技术要求的要求。 1.6 确定各表面的加工方案 在选择各表面的加工方法时，需综合考虑以下因素： （ 1）要考虑每个表面的精度和质量要求，根据每一个工表面的技术要求，选择处理方法和处理数次。 （ 2）根据选择生产的类型，可以在大量生产的高效率设备专用使用 ;然而在单件小 批生产中使用的通用设备和一般的加工方法。 （ 3）要考虑被加工材料的性质。 （ 4）要求加工时实际情况，但也应考虑现有的加工水平和机器的不断改进。 （ 5）另外，其他因素也应加以考虑，如对工件的一些特殊技术要求 综上所述：夹具的安装应力求方便简洁，不被技术水平制约，便于使用。 1.7 铣床夹具的安装 铣床夹具安装在铣床工作台上的位置， 会很大程度上影响到被加工表面的加工精度，因此，必须在安装方法的设计中考虑到这个问题。可以在底部加上两个定位元件，可以是定位键。而定位键的结构和尺 寸已经标准化，它和夹具底座和 T 形槽 的配合为 H7/H6， H8/h8。两个定位键之间的距离应该力求最大，以提高安装精度。 1.7.1 铣床夹具的对刀装置 首先需要安装好夹具，接着要调整刀具相对于夹具的相 对位置，以便于进行定距加工。为了使刀具与工件的被加工表面的相对位置能快而正确地对准，在夹具上可以采用对 刀装置。对刀装置是由对刀块和塞尺等组成，其结构尺寸已标准化。各种对刀块的结构，可以根据工件的具体加工要求进行选择。 中国地质大学长城学院 2015 级毕业论文（设计） 4 1.8 定位方案 这次设计的数控铣床专用夹具是用来铣槽宽为 80+0.03mm 的拨叉键槽。使用的铣刀是宽为80+0.022mm的精 密级高速钢直 齿三面刃铣刀，铣 削一次，因此主要考虑如何提高工人的生产效率，降低劳动强度。 1.8.1 常用定位元件及选用 工件要想在夹具中具有合理的定位，第一步就要选择合适的定位基准，其次就是选择合适的定位元件。 对于本次拨叉零件在数控铣床上铣槽工序的定位，夹具体采用定位销定位销。 综上：正确定位，必须选对定位基准。 1.8.2 对定位元件的基本要求 1. 足够的精度 2. 足够的强度和刚度 3. 耐磨性好 4. 工艺性好 1.8.3 定位基准的选择 从手绘零件图中可以看出，铣宽为 80+0.03mm的拨叉的槽， 其设计基准为花键孔的中心线和拨叉零件的右侧加工表面（ A）为定位基准。 1.9 定位误差分析 应用六点定位原理可以解决关于工件自由度的问题。但是，工件逐个在夹具中进行定位时，各个工件所能占据的位置并不是相同的，也就是说出现了夹具的位置定位不准的问题。如果工件在夹具中所处的位置不准确，完成加工后各物件的尺寸形状必然不准确，产生加工误差。这种只与工件定位有关的误差称为定位误差，用 D表示。 11 在加工过程中，加工误差的产生被很多方面影响，误差的产生则是不能被阻止的。定位的误差仅是加工误差的一部分，所以为了保 证加工精度，一般限定定位误差不超过工件加工公差 T的 1/5-1/3， 中国地质大学长城学院 2015 级毕业论文（设计） 5 公式（ 1-1） 1.9.1 定位误差产生的原因 工件依次定位时，每个工件的定位不准确的原因主要是基准不重合。而基准不重合又分为两种情况：一种是因为定位基准与限位基准不重合，而产生的基准位移误差；第二种是由于定位基准与工序基准不重合，产生的基准不重合误差。 10 1.9.2 定位误差分析 本次设计中，由于键槽的轴向尺寸的在加工是的定位尺寸和它的设计基准是一样的，所以在其轴向的尺寸上没有基准不重合度误差 。并且径向尺寸没有极限偏差、形状和位置公差，故径向尺寸无基准不重合度误差。所以夹具定位过程中产生的误差不需要考虑，仅仅需要确保夹具花键心轴在加工时的加工精度和夹具安装时的安装精度。 2 工件的夹紧 在加工过程中，由于加工复杂性，零件在机床上加工时可能会受到各种外力的作用。为了保证工件在受到力的作用是可以依然稳定，需要在夹具结构中设置一定的夹紧装置，以便使工件依然可以在夹具体中依旧具有准确的位置。 工件完成定位后，将工件紧固准确并且使工件的位置不会发生变化的的装置，叫做夹紧装置。 2.1 夹紧装置的组成 夹紧装 置的组成由以下三部分组成。 1.动力源装置 用来产生夹紧作用力。分为手动夹紧和机动夹紧两种。手动夹紧的力源来自人力，用时比较费时费力。 2.传力机构 此机构是用来传力的机构。传力的作用机制是：改变力的方向 ;改变力的大小 ;具有一定的自锁性 ,在夹紧力消失后，能保证整个系统稳定可靠的夹紧状态，这一点尤为重要尤其在手动夹紧时。 3.夹紧元件 它是与工件直接接触并具有夹紧作用的最终执行元件。 中国地质大学长城学院 2015 级毕业论文（设计） 6 2.2 夹紧装置的设计原则 一：工件不移动原则 夹紧时，不改变工件的正确占位。 二：工件不变形原则 夹紧力的大小应是合适的 ，这是必要的，以确保可靠的夹紧，并使工件不至于因为夹紧力而发生表面挤压变形。 三：安全可靠原则 夹紧装置要具有适合的夹紧行程。 四：经济实用原则 夹紧装置在保证正常的效率的情况下，最好简单易懂，便于操作。 2.3 定夹紧力的基本原则 设计夹紧装置时，力的三要素：方向、大小、作用点。 2.3.1 夹紧力的方向 夹紧力的方向与工件定位的相互配合情况，以及工件所受外力的作用方向等有关。选择时必须按照以下准则： 1.力的方向应有助于工件在夹具上的稳定。 2.力的方向应有利于减小力对工件的挤压等。 3.力的方向应是工件刚 性较好的方向。 2.3.2 夹紧力的作用点 工件和夹具相互接触的位置就是夹紧力的作用点。选择作用点的问题是确定的夹紧力在夹紧点方向的已给定的情况的矢量情况。选择一个夹紧力施加点是首要因素，以达到最佳夹紧条件。合理的选择夹紧力的作用点必须符合以下原则： 1.力的作用点最好作用在定位元件可以覆盖到的支承范围里，尽量使夹紧点与支承点对应，让力作用在支点上。 2.力的作用点应在一个具有良好刚性的部件区域进行选择。这对刚性较差的工件尤其重要，如将作用点由中间的单点改成两旁的两点夹紧，可使变形大为减小，并且夹紧更加可靠。 3.力可的作用点与加工表面的距离越近越好，这样可以防止工件晃动，有利于机床加工系统的稳定性。 中国地质大学长城学院 2015 级毕业论文（设计） 7 2.3.3 夹紧力的大小 夹紧力的大小要合适，夹紧力过大或过小都会对加工件的精度有影响，轻则影响加工质量；重则可能会造成意料之外的安全事故。 实际设计中常采用类比法、试验法和估算法用来确定所需的夹紧力。 2.3.4 切削力及夹紧力的计算 刀具：高速钢直齿三面刃铣刀， 63mm, Z=14 Fz=CP t0.83 Sz0.65 D-O.83 B Z kP （公式 2-1） (见切削手册 3-56表 ) 解得 Fz =200 (N) 其中 CP=52， t=8mm, Sz=0.08mm/s, B=8mm, D=63mm, Z=14, kP=(HB/198)0.55 在计算切削力时，必须考虑安全系数。 安全系数 K= k1 k2 k3 k4（公式 2-2） 水平切削分力 FH=1.1 Fz =220 (N) 垂直切削分力 Fv=0.3 Fz =60 (N) 其中 : k1为基本安全系数 1.5 K2为加工性质系数 1.1 K3为刀具钝化系数 1.1 K4为断续切削系数 1.1 F,=KFH =1.5 X 1.1 X 1.1 X 1.1 X 200 400 (N) 实际夹紧力为 WK= KFH/U1U2=400/0.5=800 (N) 其中 U1和 U2为夹具定位面及加紧面上的磨擦系数， U1=U2=0.025 螺母选用 M16X1.5细牙三角螺纹，产生的加紧力为 W=2M/D2tan(a+6 55)+0.66(D3- d3/ D2- d2)（公式 2-3） 解得： W=1O405 (N) 其中： M=19000 N M D2=14.8mm a=2 29, D=23mm d=16mm 此时螺母的夹紧力 W 已大于所需的 800(N)的夹紧力，故本夹具可安全工作。 如前所述，在设计夹具时，应该注意提高劳动率。为此，在螺母夹紧时采用开口垫圈，以便装卸，夹具体底面上的一对定位键可使整个夹具在机床工作台上有正确的安装位置，以利于铣削加工。 结果，本夹具大体上满足加工要求。 中国地质大学长城学院 2015 级毕业论文（设计） 8 2.4 对刀操作说明 夹具上装有对刀块装置，可使夹具在进行一批零件的加工之前可以很好的进行对刀操作（与塞尺配合使用）；同时，夹具体底面上的一对定位键可使整个夹具在机床工作台上有一正确的安装位置，以利于铣削加工。 6 铣床夹具的装配 图及夹具体零件图分别见附图。 结 论 这次的设计让我学到了很多。我更加清楚的了解到了夹具设计的一般过程和加工方法，为我们即将步入工作岗位打下了基础。 这次的设计介绍了数控铣床专用夹具的设计理念，对数控铣床的夹具的结构特点，方案选择，结构要求进行了思考，通过对铣床夹具的结构分析，工件的夹紧等问题的分析，确定了夹具选择方案、定位方案、夹紧方案。 目前，数控机床对于加工业的发展愈发重要。所以对夹具的要求也越来也高。而通过这次的设计，也让我知晓了自己的不足，这将在我以后的工作学习慢慢的去完善、