GY01-154@机床夹具柔性化技术研究及设计
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机械毕业设计全套
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GY01-154@机床夹具柔性化技术研究及设计,机械毕业设计全套
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- 1 - 机床夹具柔性化技术研究及设计 摘要 在研究可调整夹具和组合夹具技术特性的基础上，介绍了四种结构新颖的柔性夹具设计方案，进行定位误差分析，推导出了相应的定位误差计算公式；建立力学模型，推导出了相应的力学计算公式。在综合分析的基础上，优选出钳口改进的平口钳夹具与双偏心轮定位夹具，将它们的优势结合，改进为一种新型的柔性夹具，并进行了具体结构设计。结论认为，采用双偏心轮定位夹具具有快速反应功能，能较好地适应多品种、小批量生产对夹具的要求，在机械制造业中具有推广意义。 关键词 柔性夹具 双偏心 轮定位机构 平口钳 偏心距 Study and Creative Design on machine tools fixture Lin Yi Adviser Prof. Zhong Kangmin (School of Mechanical & Electronic Engineering, Soochow University, China) Abstract In the base of studying technique characteristic of adjustable tongs and built-up jig, introduced four kinds of new constructions design project of flexibility tongs, proceed to positioning error analyze, deducing a homologous positioning error calculation formula, establish the mechanics model, deduce a homologous mechanics calculation formula. After synthesizing the analytic foundation, decide to choose gad tongs and double cam tongs with improving the mouth of tongs, joining together their advantage, a new gentle flexibility tongs has come out, The conclusion is, adopting a double cam positioning tongs has quick-reaction function, can used in many species or small batch quantities produces, have the meaning of expanding in machine manufacturing industry. Key words flexible fixture double cam tongs gad tongs eccentricity nts - 2 - 1 前 言 迄今为止，夹具是机电产品制造中必不可缺的四大工具（刀具、模具、量具、夹具）之一。无论是在传统制造业还是现代制造系统中，夹具始终发挥着重要作用。在以标准产品大批大量生产为主导生产模式的传统制造业中，专用夹具曾起到了关键性的作用。自 70 年代以后，随着 NC 机床和加工中心在生产中的普遍使用， 80 年代柔性制造系统（ FMS）的兴起，计算机集成制造系统（ CIMS）的提出，多品种中小批生产日益受到重视。柔性成为现代制造业的主要发展方向之一，继续沿用专用夹具将限制制造系统实现真正柔性，柔性夹具应运而生。所谓柔性 夹具，是指工件的形状和尺寸有一定变化后，可以适应这种变化并继续使用的夹具。随着柔性已作为一个和质量、成本、生产率等量齐观考虑的问题，柔性夹具理所当然成为现代夹具的一个主要发展方向。 1.1 柔性夹具的分类 目前，柔性夹具 包括组合夹具、可编程夹具、通用柔性夹具、相变材料柔性夹具及其他夹具。 柔性夹具的大致分类如图 1-1。 图 1-1 柔性夹具的分类 1.2 柔性夹具的发展状况 虽然柔性夹具可以适应工件形状和尺寸的变化，但是工件变化可以在 小范围，即在相似的形状和尺寸变动不大的范围内，也可以在大范围，即零件形状完全不同，尺寸变化也很大。所以，柔性夹具还是模糊的，没有明确的定义和界限。笼统地说，就是指与 NC 机床、加工柔性夹具 可编程夹具 组合夹具 结构调整夹具 相变材料夹具 结构适应型 阵列销、钢丸 相变材料 NC 机床、夹具一体化 夹具元件库 （标准件与非标准） 夹具元件不用更换 nts - 3 - 中心配合使用的、具有夹持多种不同工件能力的夹具。自 80 年代后期，柔性夹具的研究开发主要沿以下两大方向发展。 1.2.1 原理和结构都有创新的柔性夹具 这种柔性夹具主要包括三种类型： 1 ） 真 相 变 柔 性 夹 具 （ Authentic phase-change fixtures ） 和 伪 相 变 柔 性 夹 具（ Pseudo-phase-change fixtures）。 相变材料夹具可如图 1-2 所示分类。 图 1-2 相变材料柔性夹具分类 真相变柔性夹具是利用材料物理性质使之从液相到固相，再回到液相。具体的应用是当材料为液相时，将工件放入装有该材料的容器中，而后施加外界刺激，使材料快速转变为固态，夹紧工件，加工完毕后，再使相变材料由固态转变为液态，取出工件。伪相变柔性夹具是相对于真相变柔性夹具而言的，这是用颗粒流化长模拟相变材料的双响性质，即用某种物理方法迫使材料在“固结态”和“流动态”之间的变换， 称之为伪相变，即貌似相变，实际上没有发生相变。其基本原理是在流化床中布满了细小的金属颗粒，床底开有进气孔，床中放入标准夹具元件，元件埋入颗粒中，靠重力作用及液压夹头夹紧工件，加工完毕后，再从进气孔通入气体，使颗粒成松散状，取出工件即完成加工。 2）适应性夹具（ adaptable fixtures）。该夹具是指夹紧元件能自动适应工件形状的夹具，即夹紧时能改变形状以适应工件的变化。 3）模块化程控式夹具。这类夹具是由伺服系统驱动，将定位和夹紧及支撑元件装在可双向移动的导轨上，通过数控程序设计出不同的夹具构形。 1.2.2 传统夹具的创新 传统夹具可分为可调整夹具（ adjustable fixtures）和组合夹具（ modular fixture）。相变材料夹具 伪相变材料夹具 真相变材料夹具 离子悬浮 流化床夹具 石墨夹具流变材料夹具 低熔点 合金夹具 电流变 材料夹具 温度流变 材料夹具 磁流变 材料夹具 震动流变 材料夹具 nts - 4 - 可调整夹具包括通用可调整夹具和专用可调整夹具，可以适应小范围内的柔性；组合夹具主要是以成组技术（ GT）为技术工具，能符合大范围内柔性夹具的要求。由于依照夹具特征进行的工件分类，夹具的相似性分析，加工刀具的结构等技术难题，以及计算机辅助可调整夹具设计系统的发展水平和现状，使得可调整夹具在工业上的应用受到了限制，在工业生产中，最常用的柔性装夹设备就是组合夹具。 1.3 可调整夹具 可调整夹具可分为通用可调整夹具和专用调整夹具，后者又可称为成组夹具。这两种夹具都是根据加工对象在工艺上的相似性、尺寸的相近程度对零件进行分类编组进行设计的。适合形状相似的一组或一族零件的生产，可用于各类产品的成批生产。两者在原理上和结构上都比较类同。它们的结构一般是由两部分组成。其一是基本部分，包括夹具体、夹紧传动装置和操纵机构等。它可长期固定在机床上，不随加工对象的改变而更换。其二是可更换调整部分，包括某些定位、夹紧和导向元件等。它随加工对象不同而调整更换。在使用时，对同一组内不同零 件的加工，只需更换或调整有关定位和夹紧元件即可。 1.3.1 通用可调整夹具 对通用可调整夹具来说，其基本部分常可采用通用标准部件。这种夹具在开始设计时，其加工对象并不很确定，故其可更换调整部分的结构设计应考虑有较大的适应性，以满足一定类别形状和一定尺寸范围内的零件加工，使其具有较大的通用范围。例如：钳口形状可更换的虎钳、定位件和钻模板可更换的滑柱钻模等，都属通用可调整夹具。 1.3.2 成组夹具 对成组夹具来说，它是针对成组加工工艺中的一组或一族零件的某一工序而专门设计的夹具。在设计时，其加工对象十分 明确，其调整范围也只限于在本组内的零件，夹具的基本部分，常须由加工对象的要求来专门设计。这种夹具即比专用夹具的工艺范围广泛，又比通用可调整夹具针对性强，所以它具有结构紧凑和生产率较高的特点。 1.4 组合夹具 组合夹具是在零部件标准化的基础上发展起来的一种新型的工艺装备。这类柔性夹具是由一套预先制造好的各种不同形状、不同尺寸规格、不同功能的系列化、标准化元件、合件组装而成的。组合夹具元件、合件具有较好的互换性和较高的精度及耐磨性。组合夹具能保证工件在规定的坐标位置上准确定位和牢固的夹紧，也就是说能保证工 件相对于机床坐标原点具有准确和稳定可靠的坐标位置。这种夹具具有较高的刚度和精度，在粗加工时能承受较大的切削用量，以充分发挥数控、加工中心机床的生产能力，在精加工是能更好地保证工件定位基准和加工表面的位置精度，还能根据数控、加工中心机床的要求保证夹具应允许刀具接近尽可能更多的被加工表面甚至全部被加工表面，可减少机床的停机时间，在夹具上还能nts - 5 - 一次装夹多个工件同时依次加工，可以减少夹具、刀具、工件系统的调整时间，还能减少刀具的更换次数和刀具的调整时间，更好地发挥数控、加工中心机床的高效性能。组合夹具元件可以通过组装 使用 拆卸 在组装重复使用。 根据使用场合不同，组合夹具可以分为：车床夹具、钻床夹具、镗床夹具和磨床夹具等。按照用途的不同可分为八大类，即：基础件、支撑件、定位件、导向件、夹紧件、紧固件、辅助件及组合件。 组合夹具系统一般有两种类型：基于 T 型槽和基于销钉（也称作基于孔）的系统。 基于 T 型槽的组合夹具在生产制造中已经发展和使用了 50 多年，它是通过基座上互相垂直和平行的 T 型槽实现对工件的精确定位的，在该系统中，当夹具元件紧固在同一排 T 型槽上时，尤其要合理安排夹具元件的组装顺序。世界上有许多基于 T 型槽的组合夹具 系统，主要的系统如图 1-3 所示。 图 1-3 当代国际上主要槽系组合夹具系统 基于销钉的组合夹具主要是通过基座上的定位孔实现对夹具元件精确定位和紧固作用的，主要的系统如图 1-4 所示。 图 1-4 当代国际上主要孔系组合夹具系统 槽系组合夹具系统 Halder 系统（德国） CATIC 系统（中国） YC 系统（俄罗斯） Wharton Unitool 系统（英格兰） Bluco Technik 系统（德国，美国） Kipp 系统（德国） Qu-Co 系统（美国） Stevens 系统（美国） Carr Lane 系统（美国） 孔系组合夹具系统 SAFE 系统（美国） CATIC 系统（中国，保定） CP 系统（俄罗斯） TJMGS 系统（中国，天津） nts - 6 - 组合夹具无论是在 FMS 还是在 CIMS 中都是很有发展前景的柔性装夹方法，但是，它也尚存一些问题。第一，它需要较多的夹具标准件，一次性投资较大，同时，需要一定空间存储。第二，由于一套夹具要 由多个夹具标准件组成，每一件都有制造误差，所以容易产生较大的累积误差。第三，由于夹具标准件间的间隙，使夹具的刚度下降，容易产生震动，影响加工精度。 2 创新设计方案的构思及对各种方案的分析评价 目前，柔性夹具种类虽然繁多，但每种夹具都存在着一些问题。相对于原理和结构都有创新的柔性夹具来说，传统夹具创新的问题较少。其中，孔系组合夹具更因其材料价廉、加工方便、配件元件少、成本低、性能好等优势，一跃成为当代柔性夹具的主流。与之同属传统夹具的可调整夹具则由于受到成组生产组织形式和产品品种市场需求不确定性的约束 ，应用受到限制。但是，可调整夹具的高生产率仍是组合夹具不可取代的。此外，可调整夹具具有较高的尺寸柔性，而组合夹具具有较高的形状柔性。长期以来，两者并行发展，在两者之间的双柔性地带几乎一片空白。此次的创新设计主要从传统夹具的创新及尺寸、形状双柔性入手。 2.1 铰链定位夹具的构思及评价 2.1.1 铰链定位夹具的工作原理 铰链定位夹具的工作原理如图 2-1 所示。可见，作为定位元件的四根铰链杆通过链轴与夹具体相联结，并可绕铰链轴摆动；非定位使用的四根铰链杆通过销与夹具体相联结；每一对作为定位元件的铰链杆之间 的角度 ，由链轴与销之间的距离 L 决定。 显而易见， 当链轴与销之间的距离 L 增加时， 由于对工件进行定位的铰链杆的位置，随链轴与销之间的距离 L的改变而变化，铰链杆与夹具体之间的角度 必然减小 ，而作为定位元件的铰链杆之间的角度 随之增大。 图 2-1 铰链定位夹具 nts - 7 - 2.1.2 铰链定位夹具的定位误差计算 工件在铰链杆定位元件上定位时，其直径尺寸的差异将导致在垂直方向上产生定位误差。如图 2-2 是铰链杆定位夹具的定位误差分析图。可见，当工件半径 R 由 R0变化到 R0+ r时， 垂直方向上的尺寸 h 由 h0变 化到 h0+ h；工件中心的位移 h 便是因工件直径尺寸制造不准确而产生的定位误差。 图 2-2 定位误差分析图 由图 2-2 可知 2s in2s in2s in00rRrRh 2.1.3 铰链定位夹具的力学模型计算 该夹具中，工件的夹紧点在压板中间。其受力情况 如图 2-3 所示。 图 2-3 受力分析图 根据受力平衡原理，可以得到： 21LQLW 式中 W 夹紧力 Q 原始作用力 nts - 8 - L1 原始作用力至固定支撑点的距离 L2 夹紧力至固定支撑点的距离 2.1.4 铰链定位夹具的特点 该夹具操作方便，在定位不同尺寸工件时，可以实现快速调整。但由于采用螺旋压板夹紧机构，在工件尺寸改变后，调整螺杆高度的速度较慢。但其仅为尺寸柔性夹具，且只适应小范围内的尺寸柔性。同时，其刚性较差，定位精度相对较低，结构不紧凑。 2.2 钳口改进的平口钳夹具的构思及评价 2.2.1 钳口改进的平口钳夹具的工作原理 钳口改进的平口钳夹具的工作原理如图 2-4 所示。可知，作为定位元件的两块成 45斜角的钳口通过螺钉（未具体示出）固定在平口钳上，组成可调 整 V 形架；活动钳口通过旋转螺纹杆，可左右移动；可调整 V 形架的尺寸大小由两钳口之间的距离 l 决定。 显而易见， 当两钳口之间的距离 l 增加时， 由于对工件进行定位的两钳口之一的活动钳口的位置，随 两钳口之间的距离 l 的改变而变化，由两块钳口构成的可调整 V 形架的尺寸 必然增大 ，随之由其进行定位的圆形工件的尺寸也可增大 。 此外，不用更换钳口，该夹具还可以对尺寸不同的矩形工件进行定位。若有其他形状的工件，通过更换可换钳口也可以对其进行定位。并且工作原理都与该夹具定位圆形工件时的工作原理相同。 图 2-4 钳口改 进的平口钳 夹具 2.2.2 钳口改进的平口钳夹具的误差计算 工件在 可调整 V 形架 定位元件上定位时，其直径尺寸的差异将导致在垂直方向上产生定位误差。 如图 2-5 是 钳口改进的平口钳 夹具的定位误差分析图。可见，当工件半径 R 由 R0变化到 R0+ r时， 垂直方向上的尺寸 h 由 h0变化到 h0+ h；工件中心的位移 h 便是因工件直径尺寸制造不准确而产生的定位误差。 nts - 9 - 图 2-5 定位误差分析图 由图 2-5 可知 45s in45s in45s in 00 rRrRh2.2.3 钳口改进的平口钳夹具的力学模 型计算 该夹具中，夹紧机构采用螺旋夹紧机构，如图 2-6 所示。 图 2-6 夹紧方案 螺旋夹紧机构的受力情况 如图 2-7 所示。 nts - 10 - 图 2-7 受力分析图 根据平衡条件，对螺杆中心线的力矩为零，可以得到： 02 NFQ MMM 因 QDMQ 222 rW t grFM f 2)(2)s in ( 2121 dW t gdNM N 故 02)( 212 dW t grW t gQD 212 )(2 tgrtgdQDW式中 MQ 原始作用力偶 MF 2 摩擦力 F 2 的力矩 MN 垂直于螺旋面的正压力 N 及螺旋面上的摩擦力 F 1 的合力 N的力矩 W 夹紧力 Q 原始作用力 D 螺杆顶部直径 r 螺杆端部与工件（或压脚）的当量摩擦半径，螺杆端部为球面时， r 0 d2 螺杆中径 1 方牙螺纹螺杆的摩擦角 2 螺杆端部与工件（或压脚）的当量摩擦角 DdQQW r21nts - 11 - 对其他类型螺纹的螺杆夹紧机构，可按下式计算 212 )(2 tgrtgdQDW式中 ”1 螺母与螺杆的摩擦角 对于 三角形螺纹 ”1 arctg(1.15 1) 对于 梯形螺纹 ”1 arctg(1.03 1) 2.2.4 钳口改进的平口钳夹具的特点 在平口钳的钳口上各安装一块 45斜块，可组成可调整 V 形架。通过更换平口钳的钳口还可以对圆以外的其他形状的工件进行定位，因此该夹具同时具有较好的尺寸柔性和形状柔性。此外，该夹具的刚性较好，结构较 紧凑，但由于通过螺旋机构来调整活动钳口，不能实现快速反应。 2.3 双偏心轮定位夹具的构思及评价 2.3.1 双偏心轮定位夹具的工作原理 双偏心轮定位夹具的工作原理如图 2-8 所示。可见，作为定位元件的两个偏心轮通过链轴与夹具体（未具体示出）相联结，并可绕铰链轴摆动；它们通过销在夹具体上确定位置；偏心轮的几何中心所处的位置，由销所插的夹具体上的某个销孔与链轴连线和水平线之间的夹角 决定。 当 0 90时，偏心轮的几何中心随角 的增大而右移，其中心距 N 也随之增大。 图 2-8 双偏心轮定位夹具 此外，若在两个偏心轮外套上一个滑块，则该定位夹具还可以对矩形进行定位。这种定 nts - 12 - 位方式如图 2-8 所示。用双偏心轮定位夹具定位矩形工件的工作原理与定位圆形工件的工作原理相同。 当 0 90时，偏心轮的几何中心随角 的增大而右移，套在偏心轮外的滑块也随着向右移动，滑块与夹紧元件之间的距离 l 则随之减小。与定位圆形工件的情况相同，当工件尺寸变化时，只需要将销插在不同位置的销孔中即可。 图 2-8 套上滑块的双偏心轮定位夹具 2.3.2 双偏心轮定位夹具的误差计算 工件在双偏心轮定位元件上定位时，其直径尺寸的差异将导致在水平方向上产生定位误差。 如图 2-9 是双偏心轮定位夹具的定位误差分析图。可见，当工件半径 R 由 R0变化到 R0+ r时， 水平方向上的尺寸 h 由 h0变化到 h0+ h；工件中心的位移 h 便是因工件直径尺寸制造不准确而产生的定位误差。 图 2-9 定位误差分析图 nts - 13 - 由图 2-9 可知 220220 )2()()2()( NRrNrRrh 而 sin22 eBN，由此可得 220220 )s i n2()()s i n2()( eBRreBrRrh 2.3.3 双偏心轮定位夹具的力学模型计算 该夹具中，夹紧机构采用螺旋夹紧机构，螺旋夹紧机构的受力情况 如图 2-10 所示。 图 2-10 受力分析图 根据平衡条件，对螺杆中心线的力矩为零，可以得到： 02 NFQ MMM 因 QDMQ 222 rW t grFM f 2)(2)s in ( 2121 dW t gdNM N 故 02)( 212 dW t grW t gQD 212 )(2 tgrtgdQDW式中 MQ 原始作用力偶 DdQQW r21nts - 14 - MF 2 摩擦力 F 2 的力矩 MN 垂直于螺旋面的正压力 N 及螺旋面上的摩擦力 F 1 的合力 N的力矩 W 夹紧力 Q 原始作用力 D 螺杆顶部直径 r 螺杆端部与工件（或压脚）的当量摩擦半径，螺杆端部为球面时， r 0 d2 螺杆中径 1 方牙螺纹螺杆的摩擦角 2 螺杆端部与工件（或 压脚）的当量摩擦角 对其他类型螺纹的螺杆夹紧机构，可按下式计算 212 )(2 tgrtgdQDW式中 ”1 螺母与螺杆的摩擦角 对于 三角形螺纹 ”1 arctg(1.15 1) 对于 梯形螺纹 ”1 arctg(1.03 1) 2.3.4 双偏心轮定位夹具的特点 双偏心轮定位夹具对工件直径尺寸变化的适应能力强，具有较强的尺寸柔性。由于在偏心轮外套一个滑块后，该夹具可对矩形工件定位，故其又具有一定的形状柔性。而且，双偏心轮定位夹具的调整只需通过将销插入不同的销孔即可实现。因此，该夹具具 有快速反映功能。其夹紧方式采用螺旋定位夹紧。这种夹紧方式具有较好的尺寸柔性，但调整速度较慢，会影响夹具实现快速反应。这个夹具的主要缺点是刚性较差，定位精度相对较低，结构不紧凑。 2.3.5 双偏心轮定位夹具的改进 图 2-8 的方案虽然具有较大的尺寸柔性，但在使用螺旋夹紧机构夹紧不同尺寸的工件时调整速度较慢。图 2-11 所示的偏心夹紧方式可以较好的克服这个缺点，但相对尺寸柔性较差。 nts - 15 - 图 2-11 双偏心轮定位夹具的改进 图 2-11所示夹具的工作原理与 图 2-8所示夹 具的工作原理相同，但两者的夹紧方式不同，夹紧力也不相同。圆偏心夹紧机构的受力情况 如图 2-12 所示。 图 2-12 受力分析图 设偏心轮的手柄上所施加的原始作用力为 Q，其作用点至回转中心 O 的距离为 L，则所产生的力矩为 QLM 在此力矩 M 作用下，在夹紧接触点 P 处必然有一相当的锲紧力 Q,其对 O 点的力矩为 lQM MM 故 LQQL lQLQ偏心轮的夹紧作用可看作是在偏心轴与夹紧接触点之间有一个升角等于 p的斜 锲在锲紧nts - 16 - 工件，因此在斜锲上除有 Q”，还受到夹紧点的夹紧力 W 和摩擦力 F 2 以及偏心轴给予斜锲面的反作用力 N 和摩擦力 F 1。 W 与 F 2 的合力为 W， N 与 F 1 的合力为 N，而 N又可分解为水平分力 H2 和垂直分力 H1，按静力平衡条件 22 FHQ 1HW PQQ cos 而 22 WtgF )()( 1112 PP W t gtgHH 21 )(co s W t gW t gQ PP )(c os)(c os2121 tgtglQLtgtgQWPPPP 又因 Pdl cos2（因 001 OP） 故 )( 2 21 tgtgd QLW P 式中 p 偏心圆在 P 点与工件接触时的升角， de2arcsin d 偏心圆直径 2.4 真空夹具 的构思及评价 2.4.1 真空夹具的工作原理 真空夹具的工作原理如图 2-13 所示。密封圈 2 与夹板 3 粘在一起，真空泵通过真空管 1抽真空，在工件、密封圈 2 和夹板 3 之间形成一真空室 4。此时大气压力将工件压紧在密封圈上，这样就可以实现工件的定位和夹紧。 nts - 17 - 图 2-13 真空夹具 1.真空管 2.密封圈 3.夹板 4.真空室 2.4.2 真空夹具的力学模型计算 该夹具中，夹紧力主要是工件向着密封圈 2 的压力 P。参阅相关资料可知， P 的理论计算公式： SUP )1.0( 式中 U 夹具的工作真空度， MPa S 夹具的设计吸附面积， cm2 2.4.3 真空夹具的特点 真空夹具仅利用工件的一个面即可定位夹紧工件，便于多种机械加工方式；定位夹紧的操作方便，效率高，减少了装夹在产品生产中所占用的时间，具有快速反应功能。而且，该夹具的设计简单。其主要缺点是气体真空吸附法抗剪切力的能 力较差，小零件吸附不紧。 2.5 综合分析优选 以上 四个方案都具有各自鲜明的特点 。但比较可知：在尺寸柔性方面，方案二、方案三和方案四都占有较大优势；在形状柔性方面，方案二占有较大优势；在快速反应方面，方案一、改进后的方案三以及方案四较好。再结合各方案的受力情况分析，可见，方案二和方案三相对较好，并各具优势。因此，决定将两者相结合，将平口钳的固定钳口改为双偏心轮结构，并在双偏心轮外套上一个滑块，以实现除圆之外，对平面的定位。并且将螺旋夹紧机构改为圆偏心夹紧机构。 3 优选方案工作原理及工作特点 以上所设计的方案只是初步构想，与实际应用还有一定距离，现在我们分析当所设计的nts - 18 - 方案结构化后的工作原理和工作特点 3.1 双偏心轮平口钳夹具的工作原理及工作特点 3.1.1 双偏心轮平口钳夹具的工作原理 双偏心轮定位夹具的工作原理如图 3-1 所示。可见，作为定位元件的两个偏心轮通过链轴与夹具体（未具体示出）相联结，并可绕铰链轴摆动；它们通过销在夹具体上确定位置；偏心轮的几何中心所处的位置，由销所插的夹具体上的某个销孔与链轴连线和水平线之间的夹角 决定。 当 0 90时，偏心轮的几何中心随角 的增大而右 移，其中心距 N 也随之增大。显而易见，由于对工件进行定位的偏心轮的外圆弧面的位置，随夹角 的改变而有较大的变动范围，且工件中心与两个偏心轮几何中心连线的夹角 在许可范围内变化时，也能增强对工件 直径变化的适应能力。因此，这种定位方式允许工件的直径尺寸在较大范围内变化 。当工件直径变化时，只需要将销插在不同位置的销孔中即可。 用双偏心轮定位夹具定位矩形工件的工作原理与定位圆形工件的工作原理相同。 当 0 90时，偏心轮的几何中心随角 的增大而右移，套在偏心轮外的滑块也随着向右移动，滑块与夹紧元件之间的距离 l 则随之 减小。与定位圆形工件的情况相同，当工件尺寸变化时，只需要将销插在不同位置的销孔中即可。 图 3-1 双偏心轮平口钳夹具 3.1.2 双偏心轮平口钳夹具的特点 双偏心轮平口钳夹具与铰链定位夹具、钳口改进的平口钳夹具、双偏心轮定位夹具和真空夹具相比，具有鲜明的特点： （ 1） .双偏心轮平口钳夹具对工件直径尺寸变化的适应能力强，具有较强的尺寸柔性。 （ 2） .双偏心轮平口钳夹具具有一定的形状柔性。 （ 3） .双偏心轮定位夹具的调整只需通过将销插入不同的销孔即可实现，具有快速反映nts - 19 - 功能。 （ 4） . 双偏心轮平口钳夹具的主要缺点是刚性较差，定位精度相对较低，结构不紧凑。 4 优选方案主要技术参数的确定 4.1 双偏心轮平口钳夹具主要技术参数确定 4.1.1 钳口的距离、宽度及深度 由于作为可调整夹具的平口钳是标准件，因此通过查机械加工工艺手册 P600 表 10-65机用平口钳尺寸参数，可得平口钳的主要尺寸参数。由于已将平口钳的固定钳口改为双偏心轮定位机构，双偏心轮定位机构要求有较大的偏心距以满足较大的尺寸柔性，故平口钳的钳口宽度应选择较大值。但是，由于夹具的重量、体积问题，钳口宽度又不能 太大。最终，将钳口宽度定为 200 毫米。由此可确定钳口的最大张度为 160 毫米，钳口高度为 60 毫米。 4.1.2 偏心距 首先我们确定作为定位机构的双偏心轮定位机构中的偏心轮的偏心距。由于受钳口宽度的限制，又应将偏心轮的偏心距选择较大值，因此，将定位元件的偏心轮的偏心距定为 15 毫米。 接着确定夹紧元件的偏心轮的偏心距。由于，平口钳作为通用可调整夹具，其装夹工件的形状尺寸不定。因此，偏心距相应选择较大值，确定为 10 毫米。当工件尺寸改变时，通过更换可换钳口进行调整两钳口之间的距离。 4.1.3 链轴的直径 链轴 是该夹具中有较高强度要求的连接元件，要保证链轴的强度，应使其直径大于一定值，链轴直径的确定与切削力有关，因此我们首先确定工件所受切削力。 为保证夹具的使用安全性，我们选择较大的切削力。假设，该工具在卧式铣床上使用，铣刀为圆柱形铣刀，材料为碳钢。查机械加工工艺手册 P472 表 9-61 硬质合金铣刀铣削力的计算公式，可得： 87.0075.088.06.9681.9 zdafaF pzec查机械加工工艺手册 P638 表 11-42 圆柱形铣刀，得 1000 d ， z=10 查机械加工工艺手 册 P473 表 9-63 铣削时各分力与圆周力的比值，得 005.0 dae 查机械加工工艺手册 P476 表 9-68 高速钢端铣刀、圆柱铣刀和盘铣刀的进给量，得 2.0zf ， 70pa 故， 687.075.088.0 100 1 4 7.010010702.056.9681.9 cFnts - 20 - 3100 8 5.855.0 cr FF 工件的受力情况分析如图 4-1 所示。 图 4-1 受力情况分析 根据力矩平衡得 fllflflF r 2211s in 55.0tg 91.7 lWlWlWdlF r 210 2219.7s in)36s in( 3210 10967.8)2(19.7s in)36s in( llldlFW r60 10027.03 WW 4 2 zdF 查表可知 MPa80 mmzFd 36.1041 mmzFd 73.2042 式中 l 假设的工件 长度 铣削合力与水平面之间的夹角 nts - 21 - l1 辅助支撑（图中未具体示出）与较近处的偏心轮之间的距离 l2 辅助支撑（图中未具体示出）与较远处的偏心轮之间的距离 5 优选方案结构设计及注意事项 5.1 双偏心轮平口钳夹具机构设计 5.1.1 链轴 链轴设计成顶端有内螺纹，偏下部有较大轴肩的形式。链轴顶端的螺纹孔用于在链轴顶端安装轴端挡圈，以限制偏心轮轴向的自由度。在链轴大轴肩处，钻有四个螺纹通孔，用螺钉通过这四个孔，将链轴安装在夹具体上，这样既便于链轴的安装，又不会破坏夹具体的刚性。 5.1.2 定位件和夹紧件 做为定位元件的偏心轮，钻有两个直径为 12 毫米的通孔，一个用于安装链轴，另一个用于插入内螺纹孔锥销。内螺纹孔锥销是用来调整双偏心轮几何中心间距的，选用该零件是因为其装拆方便。在双偏心轮定位机构外套有一滑块，该滑块装拆可以提高夹具的形状柔性。安装滑块时，夹具可以装夹矩形工件；拆除滑块后，夹具可以装夹圆形工件。 作为夹紧元件的偏心轮，只需用链轴安装在夹具体上即可。此外，在偏心轮上做出一个手柄便于夹紧操作。在夹紧偏心轮外同样套有一个滑块，该滑块的作用是实现形封闭，以快速装夹工件。 5.1.3 夹具体 夹具体顶部平面做出一个与钳口宽度、钳口最大张度尺寸相近的方形孔，这样，便于适应尺寸不同的零件安装。夹具体两侧接近顶部处铣槽，两处槽用于安装套在双偏心轮定位机构即圆偏心夹紧机构外的滑块。 由于夹具体结构较简单，故可采用锻造而成，在需要安装 T 形槽用螺钉的部位需要铣出一平台，夹具体最终通过 T 形螺栓与铣床 T 形槽连接。 5.2 双偏心轮平口钳夹具结构设计注意事项 5.2.1 夹具体结构要稳定可靠，有足够的强度和刚度 要求夹具体的结构要求粗壮低矮，以降低夹具重心，增加刚度和强度，夹具体高度与宽度之比取 1-1.25 为宜，并合理布置加强筋和耳槽。 5.2.2 注意材料和刚度的选择 nts - 22 - 正确选择零件的材料和刚度，对于保证结构和工作的可靠性、夹具的寿命和夹具的制造和维修有着重要的影响，本方案中夹具体采用 A6，并进行人工时效处理，其他零件参照已有的夹具进行选择。 5.2.3 夹具受力情况要合理 夹具上的受力部分应尽量由夹具体、底座和链轴来承受，尽可能避免通过紧固螺钉来受力，对于夹具精度要求较高的受力零件，如本方案中的用于安装定位偏心轮的链轴与安装夹紧偏心轮的链轴，应尽量分布的远一些，以增加装夹的稳定性。 5.2.4 设计夹具时要考虑它的装配性 在设计夹具时除了要考虑满足使用要求，便于加工外，还要考虑它的装配性。本方案中双偏心轮机构对两个偏心轮要求对称布置，以使定位精确，在装配时要注意这点，再比如夹具体两侧槽，如果采用在夹具体内侧用支承板或者支承钉定位，则装配性较差，采用本方案设计的支承钉则可以在满足定位要求的同时具有良好的装配性。 5.2.5 注意夹具设计的合理性 设计结构时要注意活动部件不发生干涉，各零件布置要合理，结构要紧凑，比例要协调，大小要匀称。 5.2.6 夹具的易损部分要便于修理和更换 由于滑块与 夹具体间以及链轴和定位偏心轮见经常有相对运动，摩擦损失较大。因此，应将夹具体的两侧各铣一个从夹具体的一端到另一端的长槽。这样便于更换磨损过大的滑块；链轴用螺钉固定在夹具体上，可便于更换磨损过大的链轴。 6 对柔性夹具应用前景的展望 夹具是机械加工不可缺少的部件，在机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展的带动下，夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、 通用、经济方向发展。 为了提高机床的生产效率，双面、四面和多件装夹的夹具产品越来越多。为了减少工件的安装时间，各种自动定 心夹紧、精密平口钳、杠杆夹紧、凸轮夹紧、气动和液压夹紧等，快速夹紧功能部件不断地推陈出新。 夹具的通用性直接影响其经济性。 柔性夹具的尺寸柔性及形状柔性，即夹具的通用性。因此 柔性夹具是现代夹具的主要发展方向。随着柔性制造系统、计算机集成制造系统的不断发展，在其中占具重要地位的夹具系统，就成为推动其发展还是阻碍其发展的关键。 然而，现有的柔性夹具都存在着或多或少的缺陷。因此在将来一段时间内，对传统夹具的创新还将是成熟的、可在实际生产中使用的柔性夹具的主要部分 。 但是，由于 原理和结构都有创新的柔性夹具的柔性 相对于创新的传统夹具的柔性较高，因此，前者终将成为柔性夹具的主流。 nts - 23 - 7 毕业设计总结 看到自己辛苦了三个月的毕业设计终于完稿，马上就要答辩，心中有说不出的喜悦。一方面是因为圆满的完成大学四年最后一门课程，另一方面更是由于我在这次毕业设计中受益菲浅。 毕业论文（设计）是高等学校本科教学计划的重要组成部分，是培养大学生综合运用本学科基础理论、基本知识、专业知识和基本技能，提高分析和解决问题的能力，进行文献综述、科学研究或工程设计 、外文阅读和使用计算机 等方面基本训练的重要环节；也是综合素质教育和创新能力培 养的重要途径，对提高大学生 培养学生的独立思考、解决问题和独立工作能力 具有十分重要的意义；同时又是检验学生学习质量的重要手段。 通过这次设计，我不但发现自己所学的知识不足，同时也学习了许多专业知识，尤其是有关夹具和流体传动的方面的知识，培养了我严谨的工作态度，提高了我独立思考、解决问题、独立工作、理论联系实际和创新能力。 我的课题是“机床夹具柔性化技术研究与创新设计”，知识点零碎且知识面广，在专业课程学习时涉及的较少。幸运的是我得到了指导老师钟康民教授的悉心指导和帮助。从方案的构思、优选、确定，再到方案的结构 化，直至最后论文的定稿，钟老师都倾注了大量的心血，在此我表示深深的谢意。同时我也要感谢在大学四年学习过程中悉心指导我的其他专业课老师，他们是郭旭红、倪俊芳、钱志良、樊琳、卫瑞元、顾德裕、苏桂生、盛小明、兰向军、陈其汉等老师。 由于本人水平有限，加上实践知识缺乏，错误和不足之处在所难免，恳请各位老师批评指正。 nts - 24 - 参考文献 1、潘尚峰、杨向东、赵广木、冯之敬 CIMS 环境下柔性夹具的快速准备机械制造， 1997（ 7）： 30 31 2、杨建国、李蓓智非传统工件安装技术与通用夹具系统的研究制造业 自动化： 24 26 3、刘璇、王小北基于相变材料的柔性夹具机械设计与制造工程， 2000， 29（ 5）： 5356 4、张先舟、王琪民、张培强基于磁流变相变技术的柔性夹具实验力学， 2003， 18（ 2）：185 192。 5、韩雄飞基于柔性夹具加工方法与传统工艺比较研究上海电机技术高等专科学校学报，2001，总第 42 期： 18 22 6、朱耀祥、陆宇明夹具柔性化机器在 NC 机床中的应用机床， 1992（ 11）： 39 42 7、蔡瑾、段国林、李翠玉、李德红夹具设计技术发展综述 河北工业大学学报， 2002， 31（ 5）： 35 40 8、龙夫春、吴栋梁模块化集成夹具设计四川工业学院学报， 1998， 17（ 4）： 42 44 9、张雨农柔性定位珩磨夹具机械工艺师， 1
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