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数控铣床的专用夹具设计毕业论文数控铣床的专用夹具设计毕业论文 目 录 引 言 1 第一章 铣床夹具设计 2 1 1 夹具的概念 2 1 2 夹具的主要功能 2 1 3 铣床夹具的分类 2 1 3 1 按夹具的通用特性分类 2 1 3 2 按夹具动力源来分类 5 1 3 3 铣床夹具的组成 5 1 4 铣床夹具结构 7 1 4 1 铣床常用通用夹具的结构 7 1 4 2 铣床夹具的设计特点 7 1 4 3 夹具装夹工件的特点 8 1 4 4 铣床夹具的安装 8 1 4 5 铣床夹具的对刀装置 8 1 5 定位方案 10 1 5 1 定位方案的选择 10 1 5 2 常用定位元件及选用 13 1 5 3 对定位元件的基本要求 15 1 5 4 常用定位元件所能限制的自由度 15 1 6 定位误差分析 15 1 6 1 定位误差产生的原因 16 1 6 2 常见的定位方式中基准位移误差 17 1 6 3 定位误差的合成 17 1 6 4 六点定位原理 18 1 6 5 应用定位的几种情况 18 1 6 6 计算定位误差 19 第二章 工件的加紧 21 2 1 加紧装置的组成 21 2 2 夹紧装置的设计原则 21 2 3 定夹紧力的基本原则 22 2 3 1 夹紧力的方向 22 2 3 2 夹紧力的作用点 22 2 3 3 夹紧力的大小 23 2 3 4 减小夹紧变形的措施 23 2 4 夹紧方案 24 2 4 1 对刀方案 25 2 4 2 夹具体与定位键 25 2 4 3 夹具总图上的尺寸 公差和技术要求 25 2 5 夹具精度分析 26 2 6 机床夹具的现状及发展方向 28 2 6 1 机床夹具的现状 28 2 6 2 现代机床夹具的发展方向 28 结 论 30 致 谢 31 参考文献 32 1 引 言 机械制造工艺学课程设计使我们学完了大学的全部基础课 技术基础课以及大部 分专业课之后进行的 这是我们在进行毕业设计之前对所学各课程的一次深入的综合性 的总复习 也是一次理论联系实际的训练 因此 它在我们三年的大学生活中占有重要的 地位 就我个人而言 我希望能通过这次课程设计对自己未来将从事的工作进行一次适 应性训练 从中锻炼自己分析问题 解决问题的能力 为今后参加祖国的建设打下一 个良好的基础 由于能力所限 设计尚有许多不足之处 恳请各位老师给予指导 2 第一章 铣床夹具设计 1 1 夹具的概念 夹具是在机械制造过程中 用来固定加工对象 使之占有正确的位置 以接受加 工或检测并保证加工要求的机床附加装置 简称为夹具 在我们实际生产中夹具的作 用是将工件定位 以使加工工件获得相对于机床和刀具的正确位置 并把工件可靠地 夹紧 1 2 夹具的主要功能 在机床上加工工件的时候 必须用夹具装好夹牢所要加工工件 将工件装好 就 是在机床上确定工件相对于刀具的正确位置 这一过程称为定位 将工件夹紧 就是 对工件施加作用力 使之在已经定好的位置上将工件可靠地夹紧 这一过程称为夹紧 从定位到夹紧的全过程 称为装夹 铣床夹具的主要功能就是完成工件的装夹工作 工件装夹情况的好坏 将直接影响工件的加工精度 1 3 铣床夹具的分类 铣床夹具的种类很多 形状千差万别 为了设计 制造和管理的方便 往往按某 一属性进行分类 1 3 1 按夹具的通用特性分类 目前中国常用夹具有通用夹具 专用夹具 可调夹具 组合夹具和自动线夹具等 五大类 1 通用夹具 通用夹具是指结构 尺寸已规格化 且具有一定通用性的夹具 其优点是适应性 强 不需要调整或稍加调整即可装夹一定形状和尺寸范围内的各种工件 这类夹具已 商品化 如三爪自定心卡盘 四爪单动卡盘 台虎钳 万能分度头 顶尖 中心架 电磁吸盘等 采用这类夹具可缩短生产准备周期 减少夹具品种 从而减低生产成本 3 其缺点是夹具的加工精度不高 生产力较低且较难装夹形状复杂的工件 故适用于单 件小批量生产中 2 专用夹具 专用夹具是针对某一工件的某一道工序的加工要求而专门设计和制造的夹具 特 点是针对性强 适用与产品相对稳定 批量较大的生产中 可获得较高的生产率和加 工精 度 3 可调夹具 夹具的某些元件可调整或可更换 已适应多中工件的夹具 称为可调夹具 它 通用可调夹具和成组夹具两类 4 组合夹具 组合夹具是由可循环使用的标准夹具零部件 或专用零部件 组装成易于连接和 拆卸的夹具 根据被加工零件的工艺要求可以很快地组装成专用夹具 夹具使用完毕 可以方便地拆开 夹具主要应用在单件 中 小批多品种生产和数控加工中 是一种 较经济的夹具 5 自动线夹具 自动线夹具一般分为两种 一种为固定式夹具 它与专用夹具相似 另一种为随 行夹具 使用中夹具随工件一起运动 并将工件沿着自动线从一个工位移至下一个工 位进行加工 1 3 2 按夹具动力源来分类 按夹具夹紧动力源可将夹具分为手动夹具和机动夹具两大类 为减轻劳动强度和 确保安全生产 手动夹具应有扩力机构与自锁性能 常用的机动夹具有气动夹具 液 压夹具 气液夹具 电动夹具 电磁夹具 真空夹具和离心力夹具等 上述各分类中 最常用的分类方法是 按通用 专用和组合进行分类 4 1 3 3 铣床夹具的组成 虽然铣床夹具的种类繁多 但它们的工作原理基本上是相同的 将各类夹具中 作用相同的结构或元件加以概括 可得出夹具一般所共有的以下几个组成部分 这些 组成部分既相互独立又相互联系 1 定位支承元件 定位支承元件的作用是确定工件在夹具中的正确位置并支承工件 是夹具的主要 功能元件之一 定位支承元件的定位精度直接影响工件加工的精度 2 夹紧装置 夹紧元件的作用是将工件压紧夹牢 并保证在加工过程中工件的正确位置不变 3 连接定向元件 这种元件用于将夹具与机床连接并确定夹具对机床主轴 工作台或导轨的相互位 置 4 对刀元件或导向元件 这些元件的作用是保证工件加工表面与刀具之间的正确位置 用于确定刀具在加 工 正确位置的元件称为对刀元件 用于确定刀具位置并引导刀具进行加工的元件称 为导向元件 5 其它装置或元件 根据加工需要 有些夹具上还设有分度装置 靠模装置 上下料装置 工件顶出 机构 电动扳手和平衡块等 以及标准化了的其它联接元件 6 夹具体 夹具体是夹具的基体骨架 用来配置 安装各夹具元件使之组成一整体 常用的 夹具体为铸件结构 锻造结构 焊接结构和装配结构 形状有回转体形和底座形等形 状 上述各组成部分中 定位元件 夹紧装置 夹具体是夹具的基本组成部分 5 1 4 铣床夹具结构 1 4 1 铣床常用通用夹具的结构 铣床常用的通用夹具主要有平口虎钳 它主要用于装夹长方形工件 也可用于装 夹圆柱形工件 机用平口虎钳是通过虎钳体固定在机床上 固定钳口和钳口铁起垂直定位作用 虎钳体上的导轨平面起水平定位作用 活动座 螺母 丝杆 及方头的 和紧固螺钉 可作为夹紧元件 回转底座和定位键分别起角度分度和夹具定位作用 1 4 2 铣床夹具的设计特点 铣床夹具与其它机床夹具的不同之处在于 它是通过定位键在机床上定位 用对 刀装置决定铣刀相对于夹具的位置 6 1 4 3 夹具装夹工件的特点 夹具装夹方法是靠夹具将工件定位 夹紧 以保证工件相对于刀具 机床的正确 位置具有以下特点 1 工件在夹具中的正确定位 是通过工件上的定位基准面与夹具上的定位元件相接 触而实现的 因此 不再需要找正便可将工件夹紧 2 由于夹具预先在机床上已调整好位置 也有在加工过程中再进行找正的 因此 工件通过夹具对于机床也就占有了正确的位置 3 通过夹具上的对刀装置 保证了工件加工表面相对于刀具的正确位置 4 装夹基本上不受工人技术水平的影响 能比较容易和稳定地保证加工精度 5 装夹迅速 方便 能减轻劳动强度 显著地减少辅助时间 提高劳动生产率 6 能扩大机床的工艺范围 如镗削图机体上的阶梯孔 若没有卧式镗床和专用设备 可设计一夹具在车床上加工 综上所述 夹具安装方法简单 不受技术水平影响 易操作 1 4 4 铣床夹具的安装 铣床夹具在铣床工作台上的安装位置 直接影响被加工表面的位置精度 因而在 设计时必须考虑其安装方法 一般是在夹具底座下面装两个定位键 定位键的结构尺 寸已标准化 应按铣床工作台的 T 形槽尺寸选定 它和夹具底座以及工作台 T 形槽的 配合为 H7 h6 H8 h8 两定位键的距离应力求最大 以利提高安装精度 作为定位键的安装是夹具通过两个定位键嵌入到铣床工作台的同一条 T 形槽中 再用 T 形螺栓和垫圈 螺母将夹具体紧固在工作台上 所以在夹具体上还需要提供两 个穿 T 形螺栓的耳座 如果夹具宽度较大时 可在同侧设置两个耳座 两耳座的距离 要和铣床工作台两个 T 形槽间的距离一致 1 4 5 铣床夹具的对刀装置 铣床夹具在工作台上安装好了以后 还要调整铣刀对夹具的相对位置 以便于进 行定距加工 为了使刀具与工件被加工表面的相对位置能迅速而正确地对准 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 7 种对刀块的结构 可以根据工件的具体加工要求进行选择 8 1 5 定位方案 图 1 1 所示拔叉零件 要求设计铣槽工序用的铣床夹具 根据工艺规程 在铣槽 之前其它各表面均已加工好 本工序的加工要求是 槽宽 16H11mm 槽深 8mm 槽的中 心平面与 25H7 孔轴线的垂直度公差为 0 08mm 槽侧面与 E 面的距离 11 0 2mm 槽底面与 25H7 孔轴线平行 B c A E x z 图 1 1 拨叉零件图 1 5 1 定位方案的选择 如图 1 2 所示 有三种定位方案可供选择 9 a b c PP 图 1 2 铣槽定位方案 方案 I 工件以 E 面作为主要定位面 用支承板 1 和短销 2 与工件 25H7 孔配 合 限制工件五个自由度 另设置一防转挡销实现六点定位 为了提高工件的装夹刚 度 在 C 处加一辅助支承 如图 1 2 a 所示 方案 II 工件以 25H7 孔作为主要定位基面 用长销 3 和支承钉 4 限制工件五 个自由度 另设置一防转挡销实现六点定位 在 C 处也加一辅助支承 如图 1 2 b 所示 方案 III 工件以 25H7 孔为主要定位基面 用长销 3 和长条支承板 5 限制两个 自由度 限制工件六个自由度 其中绕 z 轴转动的自由度被重复限制了 另设置一防 挡销 在 C 处也加一辅助支承 如图 1 2 c 所示 比较以上三种方案 方案 I 中工件绕 x 轴转动的自由度由 E 面限制 定位基准与 设计基准不重合 不利于保证槽的中心平面与 25H7 孔轴线的垂直度 方案 II 中虽 然定位基准与设计基准重合 槽的中心平面与 25H7 孔轴线的垂直度要求保证 但这 种定位方式不利于工件的夹紧 由于辅助支承是在工件夹紧后才起作用 而是施加夹 紧力 P 时 支承钉 4 的面积太小 工件极易歪斜变形 夹紧也不可靠 方案 III 中虽 是过定位 但若在工件加工工艺方案中 安排 25H7 孔与 E 面在一次装夹中加工 使 25H7 孔与 E 面有较高的垂直度 则过定位的影响甚小 在对工件施加夹紧力 P 时 工件的变形也很小 且定位基准与设计基准重合 综上所述 方案 III 较好 对于防转挡销位置的设置 也是三种不同的方案 如图 1 3 所示 10 b FR a B 图 1 3 挡销的位置 当挡销放在位置 1 时 由于 B 面与 25H7 孔的距离较进 230 0 3mm 尺寸 公差又大 定位精度低 挡销放在位置 2 时 虽然距 25H7 孔轴线较远 但由于工件 定位是毛面 因而定位精度也较低 而当挡销放在位置 3 时 距 25H7 孔轴线较远 工件定位面的精度较高 55H12 定位精度较高 且能承受切削力所引起的转矩 因此 防转挡销应放在位置 3 较好 综上所述 选择方案 III 较好 11 1 5 2 常用定位元件及选用 工件在夹具中要想获得正确定位 首先应正确选择定位基准 其次是选择合适的定 位元件 工件定位时 工件定位基准和夹具的定位元件接触形成定位副 以实现工件 的六点定位 用定位元件选用时 应按工件定位基准面和定位元件的结构特点进行选 择 1 工件以平面定位 1 以面积较小的已经加工的基准平面定位时 选用平头支承钉 以基准面粗糙 不平或毛坯面定位时 选用圆头支承钉 侧面定位时 可选用网状支承钉 2 以面积较大 平面度精度较高的基准平面定位时 选用支承板定位元件 用 于面定位时用不带斜槽的支承板 通常尽可能选用带斜槽的支承板 以利清除切屑 3 以毛坯面 阶梯平面和环形平面作基准平面定位时 选用自位支承作定位元 件 但须注意 自位支承虽有两个或三个支承点 由于自位和浮动作用只能作为一个 支承点 4 以毛坯面作为基准平面 调节时可按定位面质量和面积大小分别选用可调支 承作定位元件 5 当工件定位基准面需要提高定位刚度 稳定性和可靠性时 可选用辅助支 承作辅助定位元件 但须注意 辅助支承不起限制工件自由度的作用 且每次加工均 需重新调整支承点高度 支承位置应选在有利工件承受夹紧力和切削力的地方 2 工件以外圆柱定位 1 当工件的对称度要求较高时 可选用 V 形块定位 V 形块工作面间的夹角 常取 60 90 120 三种 其中应用最多的是 90 V 形块 90 V 形块的典型结构 和尺寸已标准化 使用时可根据定位圆柱面的长度和直径进行选择 V 形块结构有多种 形式 有的 V 形块适用于较长的加工过的圆柱面定位 有的 V 形块适于较长的粗糙的 圆柱面定位 有的 V 形块适用于尺寸较大的圆柱面定位 这种 V 形块底座采用铸件 V 形面采用淬火钢件 V 块是由两者镶合而成 2 当工件定位圆柱面精度较高时 一般不低于 IT8 可选用定位套或半圆形定 位座定位 大型轴类和曲轴等不宜以整个圆孔定位的工件 可选用半圆定位座 3 工件以内孔定位 1 工件上定位内孔较小时 常选用定位销作定位元件 圆柱定位销的结构和尺 12 寸标准化 不同直径的定位销有其相应的结构形式 可根据工件定位内孔的直径选用 当工件圆柱孔用孔端边缘定位时 需选用圆锥定位销 当工件圆孔端边缘形状精度较 差时 选用圆锥定位销 当工件需平面和圆孔端边缘同时定位时 选用浮动锥销 2 在套类 盘类零件的车削 磨削和齿轮加工中 大都选用心轴定位 为了便 于夹紧和减小工件因间隙造成的倾斜 当工件定位内孔与基准端面垂直精度较高时 常以孔和端面联合定位 因此 这类心轴通常是带台阶定位面的心轴 当工件以内花 键为定位基准时 可选用外花键轴 当内孔带有花键槽时 可在圆柱心轴上设置键槽 配装键块 当工件内孔精度很高 而加工时工件力矩很小时 可选用小锥度心轴定位 综上 正确定位 必须选对定位基准 13 1 5 3 对定位元件的基本要求 1 限位基面应有足够的精度 定位元件具有足够的精度 才能保证工件的定位精 度 2 限位基面应有较好的耐磨性 由于定位元件的工作表面经常与工件接触和磨擦 容易磨损 为此要求定位元件限位表面的耐磨性要好 以保持夹具的使用寿命和定位 精度 3 支承元件应有足够的强度和刚度 定位元件在加工过程中 受工件重力 夹紧 力和切削力的作用 因此要求定位元件应有足够的刚度和强度 避免使用中变形和损 坏 4 定位元件应有较好的工艺性 定位元件应力求结构简单 合理 便于制造 装 配和更换 5 定位元件应便于清除切屑 定位元件的结构和工作表面形状应有利于清除切屑 以防切屑嵌入夹具内影响加工和定位精度 1 5 4 常用定位元件所能限制的自由度 定位元件可按工件典型定位基准面分为以下几类 1 用于平面定位的定位元件 括固定支承 钉支承和板支承 自位支承 可调支 承和辅支承 2 用于外圆柱面定位的定位元件 括 V 形架 定位套和半圆定位座等 3 用于孔定位的定位元件 括定位销 圆柱定位销和圆锥定位销 圆柱心轴和小 锥度心轴 1 6 定位误差分析 六点定位原则解决了消除工件自由度的问题 即解决了工件在夹具中位置 定与 不定 的问题 但是 由于一批工件逐个在夹具中定位时 各个工件所占据的位置不 完全一致 即出现工件位置定得 准与不准 的问题 如果工件在夹具中所占据的位 置不准确 加工后各工件的加工尺寸必然大小不一 形成误差 这种只与工件定位有 关的误差称为定位误差 用 D 表示 14 在工件的加工过程中 产生误差的因素很多 定位误差仅是加工误差的一部分 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 即 D 1 5 1 3 T 式中 D 定位误差 单位为 mm T 工件的加工误差 单位为 mm 1 6 1 定位误差产生的原因 工件逐个在夹具中定位时 各个工件的位置不一致的原因主要是基准不重合 而 基准不重合又分为两种情况 一是定位基准与限位基准不重合 产生的基准位移误差 二是定位基准与工序基准不重合 产生的基准不重合误差 由于定位副的制造误差或定位副配合间所导致的定位基准在加工尺寸方向上最大 位置变动量 称为基准位移误差 用 Y 表示 不同的定位方式 基准位移误差的计 算方式也不同 如果工件内孔直径与心轴外圆直径做成完全一致 作无间隙配合 即孔的中心线 与轴的中心线位置重合 则不存在因定位引起的误差 但实际上 如图所示 心轴和 工件内孔都有制造误差 于是工件套在心轴上必然会有间隙 孔的中心线与轴的中心 线位置不重合 导致这批工件的加工尺寸 H 中附加了工件定位基准变动误差 其变动 量即为最大配合间隙 可按下式计算 Y amax amin 1 2 Dmax dmin 1 2 D d 式中 Y 基准位移误差单位为 mm Dmax 孔的最大直径单位为 mm dmin 轴的最小直径单位为 mm D 工件孔的最大直径公差 单位为 mm d 圆柱心轴和圆柱定位销的直径公差 单位为 mm 基准位移误差的方向是任意的 减小定位配合间隙 即可减小基准位移误差 Y 值 以提高定位精度 加工尺寸的基准是外圆柱面的母线时 定位基准是工件圆柱孔的中心线 这种由 于工序基准与定位基准不重合所导致的工序基准在加工尺寸方向上的最大位置变动量 称为基准不重合误差 用 B 表示 此时除定位基准位移误差外 还有基准不重合误 差 15 综上 定位误差产生的原因是 定位基准与限位基准不重合及定位基准与工序基 准不重合而产生的误差 1 6 2 常见的定位方式中基准位移误差 1 用圆柱定位销 圆柱心轴中心定位 计算式 Y Xmax D d0 Xmin 定位心轴较短 Xmax 工件定位后最大配合间隙 D 工件定位基准孔的直径公差 d0 圆柱定位销或圆柱心轴的直径公差 Xmin 定位所需最小间隙 由设计而定 注意 基准位移误差的方向是任意的 当工件用长定位心轴定位时 需考虑平行度要求 计算式 Y Xmax D d Xmin L1 L2 L1 加工面长度 L2 定位孔长度 2 定位套定位 计算式 Y Xmax D0 d Xmin D0 定位套的孔径公差 d 工件定位外圆的直径公差 注意 基准位移误差的方向是任意的 3 平面支承定位 平面支承定位的位移误差较容易计算 当忽略支承误差且定位基准制作精度较 高时 工序尺寸的基准位移误差视为零 4 V 形体定心定位 若不计 V 形体制造误差 仅有工件基准面的圆度误差时 工件的定位中心会发生 偏移即 O1O2 T1 T2 产生基准位移误差 即 Y O1O2 T1 T2 故 对于 90 V 形体 Y 0 707 d 1 6 3 定位误差的合成 定位误差是两误差的合成即 D B Y 16 在圆柱间隙配合定位和 V 形块中心定位中 当基准不重合误差和位移误差都存在 时 定位误差的合成需判断 号 例如 V 形块中 B d 2 当 B 与 Y 的变动方向相同时 D B Y d 2 Y 当 B 与 Y 的变动方向相反时 D B Y d 2 Y 1 6 4 六点定位原理 当工件在不受任何条件约束时 其位置是任意的不确定的 由理论力学可知 在 空间处于自由状态的钢体 具有六个自由度 即沿着 X Y Z 三个坐标轴的移动和绕 着这三个坐标轴转动的自由度 六个自由度是工件在空间位置不确定的最高程度 定位的任务 就是要限制工件 的自由度 在夹具中 用分别适当的与工件接触的六个支撑点 来限制工件六个自由 度的原理 称为六点定位原理 1 6 5 应用定位的几种情况 1 完全定位 工件的六个自由度全部被限制 它在夹具中只有唯一的位置 称为完全定位 2 部分定位 工件定位时 并非所有情况下都必须使工件完全定位 在满足加工要求的条件下 少于六个支撑点的定位称为部分定位 在满足加工要求的前提下 采用部分定位可简化定位装置 在生产中应用很多 如工件装夹在电磁吸盘上磨削平面只需限制三个自由度 3 过定位 重复定位 几个定位支撑点重复限制一个自由度 称为过定位 1 一般情况下 应该避免使用过定位 通常 过定位的结果将使工件的定位精度受到影响 定位不确定可使工件 或定 位件 产生变形 所以在一般情况下 过定位是应该避免的 2 过定位亦可合理应用 17 虽然工件在夹具中定位 通常要避免产生 过定位 但是在某些条件下 合理地 采用 过定位 反而可以获得良好的效果 这对刚性弱而精度高的航空 仪表类工件 更为显著 工件本身刚性和支承刚性的加强 是提高加工质量和生产率的有效措施 生产中 常有应用 大家都熟知车削长轴时的安装情况 长轴工件的一端装入三爪卡盘中 另 一端用尾架尖支撑 这就是个 过定位 的定位方式 只要事先能对工件上诸定位基 准和机床 夹具 有关的形位误差从严控制 过定位的弊端就可以免除 由于工件的 支撑刚性得以加强 尾架的扶持有助于实现稳定 可靠的定位 所以工件安装方便 加工质量和效率也大为提高 1 6 6 计算定位误差 除槽宽 16H11 由铣刀保证外 本夹具要保证槽侧面与 E 面的距离及槽的中心平面 与 25H7 孔轴线的垂直度 其它要求未注公差 因此只需计算上述两项加工要求的定 位误差 1 加工尺寸 11 0 2mm 的定位误差 采用图 1 2 c 所示定位方案时 E 面 既是工序基准 又是定位基准 故基准不重合误差为零 有由于 E 面与长条支承板始 终保持接触 故基准位移误差为零 因此 加工尺寸 11 0 2mm 没有定位误差 2 槽的中心平面与 25H7 孔轴线垂直度的定位误差长销与工件的配合去 25H7 g6 则 25g6 25 0 009 0 025 mm 25H7 25 0 025 0 mm 由于定位基准与设计基准重合 故基准不重合误差为零 基准位移误差的分析如 图 1 4 所示 18 工件孔轴线 定位销轴线 孔与销的配合 图2 4 基准位移误差分析 图 1 4 基准位移误差分析 基准位移误差 y 2 8tan a 2 8 0 000625 0 01 mm 由于定位误差 D y 0 01 0 08 3 mm 故此定位方案可行 结论 基准不重合误差为零 19 第二章 工件的加紧 在机械加工过程中 工件会受到切削力 离心力 惯性力等的作用 为了保证在 这些外力作用下 工件仍能在夹具中保持已由定位元件所确定的加工位置 而不致发 生振动和位移 在夹具结构中必须设置一定的夹紧装置将工件可靠地夹牢 工件定位 后 将工件固定并使其在加工过程中保持定位位置不变的装置 称为夹紧装置 2 1 加紧装置的组成 夹紧装置的组成由以下三部分组成 第一部分 动力源装置 它是产生夹紧作用力的装置 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 为了改善劳动条件和提高生产率 目前在大批量生产中 均采用机动夹紧 机动夹紧的力源来自气动 液压 气液联动 电磁 真空等动力夹 紧装置 第二部分 传力机构 它是介于动力源和夹紧元件之间传递动力的机构 传力机构的作用是 改变作用 力的方向 改变作用力的大小 具有一定的自锁性能 以便在夹紧力一旦消失后 仍 能保证整个夹紧系统处于可靠的夹紧状态 这一点在手动夹紧时尤为重要 第三部分 夹紧元件 它是直接与工件接触完成夹紧作用的最终执行元件 2 2 夹紧装置的设计原则 在夹紧工件的过程中 夹紧作用的效果会直接影响工件的加工精度 表面粗糙度 以及生产效率 因此 设计夹紧装置应遵循以下原则 一 一 工件不移动原则 夹紧过程中 应不改变工件定位后所占据的正确位置 二 工件不变形原则 夹紧力的大小要适当 既要保证夹紧可靠 又应使工件在夹紧力的作用下不致产 生加工精度所不允许的变形 20 三 工件不振动原则 对刚性较差的工件 或者进行断续切削 以及不宜采用气缸直接压紧的情况 应 提高支承元件和夹紧元件的刚性 并使夹紧部位靠近加工表面 以避免工件和夹紧系 统的振动 四 安全可靠原则 夹紧传力机构应有足够的夹紧行程 手动夹紧要有自锁性能 以保证夹紧可靠 五 经济实用原则 夹紧装置的自动化和复杂程度应与生产纲领相适应 在保证生产效率的前提下 其结构应力求简单 便于制造 维修 工艺性能好 操作方便 省力 使用性能好 2 3 定夹紧力的基本原则 设计夹紧装置时 夹紧力的确定包括夹紧力的方向 作用点和大小三个要素 2 3 1 夹紧力的方向 夹紧力的方向与工件定位的基本配置情况 以及工件所受外力的作用方向等有关 选择时必须遵守以下准则 1 力的方向应有助于定位稳定 且主夹紧力应朝向主要定位基面 2 紧力的方向应有利于减小夹紧力 以减小工件的变形 减轻劳动强度 3 力的方向应是工件刚性较好的方向 由于工件在不同方向上刚度是不等的 不 同的受力表面也因其接触面积大小而变形各异 尤其在夹压薄壁零件时 更需注意使 夹紧力的方向指向工件刚性最好的方向 2 3 2 夹紧力的作用点 夹紧力作用点是指夹紧件与工件接触的一小块面积 选择作用点的问题是指在夹 紧方向已定的情况下确定夹紧力作用点的位置和数目 夹紧力作用点的选择是达到最 佳夹紧状态的首要因素 合理选择夹紧力作用点必须遵守以下准则 1 力的作用点应落在定位元件的支承范围内 应尽可能使夹紧点与支承点对应 使夹紧力作用在支承上 如夹紧力作用在支承面范围之外 会使工件倾斜或移动 夹 紧时将破坏工件的定位 21 2 力的作用点应选在工件刚性较好的部位 这对刚度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 力可的作用点应尽量靠近加工表面 以防止工件产生振动和变形 提高定位的 稳定性和靠性 2 3 3 夹紧力的大小 夹紧力的大小 对于保证定位稳定 夹紧可靠 确定夹紧装置的结构尺寸 都有 着密切的关系 夹紧力的大小要适当 夹紧力过小则夹紧不牢靠 在加工过程中工件 可能发生位移而破坏定位 其结果轻则影响加工质量 重则造成工件报废甚至发生安 全事故 夹紧力过大会使工件变形 也会对加工质量不利 理论上 夹紧力的大小应与作用在工件上的其它力 力矩 相平衡 而实际上 夹紧力的大小还与工艺系统的刚度 夹紧机构的传递效率等因素有关 计算是很复杂 的 因此 实际设计中常采用估算法 类比法和试验法确定所需的夹紧力 当采用估算法确定夹紧力的大小时 为简化计算 通常将夹具和工件看成一个刚 性系统 根据工件所受切削力 夹紧力 大型工件应考虑重力 惯性力等 的作用情 况 找出加工过程中对夹紧最不利的状态 按静力平衡原理计算出理论夹紧力 最后 再乘以安全系数作为实际所需夹紧力 即 Fwk KFw 式中 Fwk 实际所需夹紧力 单位为 N Fw 在一定条件下 由静力平衡算出的理论夹紧力 单位为 N K 安全系数 粗略计算时 粗加工取 K 2 5 3 精加工取 K 1 5 2 夹紧力三要素的确定 实际是一个综合性问题 必须全面考虑工件结构特点 工 艺方法 定位元件的结构和布置等多种因素 才能最后确定并具体设计出较为理想的 夹紧装置 2 3 4 减小夹紧变形的措施 有时 一个工件很难找出合适的夹紧点 如较长的套筒在车床上镗内孔和高支座 在镗床上镗孔 以及一些薄壁零件的夹持等 均不易找到合适的夹紧点 这时可以采 22 取以下措施减少夹紧变形 1 均匀的对称变形 以便获得变形量的统计平均值 通过调整刀具适当消除部分 变形量 也可以达到所要求的加工精度 增加辅助支承和辅助夹紧点 若高支座可 采用增加一个辅助支承点及辅助夹紧力 就可以使工件获得满意的夹紧状态 2 分散着力点 用一块活动压板将夹紧力的着力点分散成两个或四个 从而改变 着力点的位置 减少着力点的压力 获得减少夹紧变形的效果 3 增加压紧件接触面积 在压板下增加垫环 使夹紧力通过刚性好的垫环均匀地 作用在薄壁工件上 避免工件局部压陷 4 利用对称变夹具的夹紧设计 应保证形状在加工薄壁套筒时 采用加宽卡爪 如果夹紧力较大 仍有可能发生较大的变形 因此 在精加工时 除减小夹紧力外 工件能产生 5 其它措施对于一些极薄的特形工件 靠精密冲压加工仍达不到所要求的精度而需 要进行机械加工时 上述各种措施通常难以满足需要 可以采用一种冻结式夹具 这 类夹具是将极薄的特形工件定位于一个随行的型腔里 然后浇灌低熔点金属 待其固 结后一起加工 加工完成后 再加热熔解取出工件 低熔点金属的浇灌及熔解分离 都是在生产线上进行的 2 4 夹紧方案 根据工件夹紧的原则 除施加夹紧力外 还应在靠近加工面处增加一夹紧力 如 图 2 1 所示 用螺母与开口垫圈夹压在工件圆柱的左端面 而对着支撑板的夹紧机构 可采用钩形压板 使结构紧凑 操作方便 图2 5 加紧方案 23 图 2 1 夹紧方案 2 4 1 对刀方案 铣刀的分类 铣刀的类型很多 可根据铣刀的形状及用途分类 1 按铣刀的用途分类 1 加工平面用的铣刀 圆柱铣刀 用于卧式铣床上加工平面 主要是用高速钢制造 圆柱铣刀采用螺旋 形刀齿以提高切削工作的平稳性 端面铣刀 用于立式铣床上加工平面 刀齿采用硬质合金制造 生产高 2 加工沟槽用的铣刀 如键槽铣刀 两面刃铣刀 三面刃铣刀 立铣刀 角度 铣刀 月牙键槽铣刀 锯片铣刀等 3 加工成形表面用的铣刀 如成形铣刀 2 按铣刀齿背形状分类 1 尖齿铣刀 尖齿铣刀也叫直线齿背铣刀 这种铣刀的刀齿是尖齿的 其齿背 是用角度铣刀铣出来的 所以呈直线形 2 产齿铣刀 产齿铣刀的齿背是用产齿的方法得到的 产齿铣刀沿前刀面重磨 重磨后铣刀的刀齿性能保持不变 因此适用于切削廓形较复杂的铣刀 如成形铣刀等 除此之外 铣刀还可以按刀齿数目分为粗齿铣刀和细齿铣刀 在直径相同的情况 下 粗齿铣刀的刀数较少 刀齿的强度及容屑空间较大 适于粗加工 细齿铣刀适用 于半精加工和精加工 加工槽的铣刀需两个方向对刀 故应采用直角对刀块 2 4 2 夹具体与定位键 为保证工件在工作台上安装稳定 应按照夹具体的高宽比不大于 1 25 的原则确定 其宽度 并在两端设置耳座 以便固定 为了使夹具在机床工作台的位置准确及保证槽的中心平面与 25H7 孔轴线垂直度 要求 夹具体底面应设置定位键 定位键的侧面应与长销的轴心线垂直 24 2 4 3 夹具总图上的尺寸 公差和技术要求 下面是对拨叉铣槽夹具 见装配图 的分析说明 1 夹具最大轮廓尺寸为 234mm 210mm 250mm 2 影响工件定位精度的尺寸和公差为工件内孔与长销 10 的配合尺寸为 25H7 g6 和挡销的位置尺寸为 6 0 024mm 及 107 0 07mm 3 影响夹具在机床上安装精度的尺寸和公差定位键与铣床工作台 T 形槽的配合尺 寸 14h6 4 影响夹具精度的尺寸个公差为定位长销 10 的轴心线对定位键侧面 B 的垂直度为 0 03mm 定位长销 10 的轴心线对夹具底面 A 的平行度为 0 05mm 对刀块的位置尺寸为 9 0 04 和 13 0 04mm 图中 塞尺厚度为 2h8mm 所以对刀块水平方向的位置尺寸为 a 11 2 9 mm 基本尺寸 对刀块垂直方向的位置尺寸为 b 23 8 2 13 mm 基本尺寸 对刀块位置尺寸的公差取工件相应尺寸公差的 2 1 1 5 因此 a 9 0 04mm b 13 0 04mm 5 影响对刀精度的尺寸和公差 塞尺的厚度尺寸 2h8 22 0 014mm 2 5 夹具精度分析 为确使夹具能满足工序要求 在夹具技术要求指定以后 还必须对夹具进行精度 分析 若工序某项精度不能被保证时 还需要夹具的有关技术要求作适当调整 按夹 具的误差分析一章中的分析方法 下面对本例中的工序要求逐项分析 1 槽宽尺寸 16H11mm 此项要求由刀具精度保证 与夹具精度无关 2 槽侧面到 E 面尺寸 11 0 2mm 对此项要求有影响的是对刀块侧面到定位板 间 的尺寸 9 0 04mm 及塞尺的精度 2h8mm 上述两项误差之和 D G A J T 0 094 0 4 vmm 因此 尺寸 11 0 2mm 能保证 3 槽深 8mm 由于工件在 Z 方向的位置由定位销确定 而该尺寸的设计基准为 B 面 25 因此有定位误差 其中 B 0 2VMM y d D 2 0 16 0 025 2 0 02mm d 为销公差 D 为工件公差 D B y 0 22mm 另外 塞尺尺寸 2h8mm 及对刀块水平面到 定位销的尺寸 13 0 04mm 也对槽深尺寸有影响 T 0 014 0 08 0 094mm J G A 都对槽深无影响 因此 D G A J T 0 314 mm 尺寸 8 的公差 按 IT14 级 为 0 36mm 故尺寸 8mm 能保证 4 槽的中心平面与 25H7 孔轴线垂直度公差 0 08mm 影响该项要求的因素有 1 定位误差 D y 0 01mm 2 加工方法误差 G 0 012mm 3 夹具定位心轴 17 的轴线与夹具底面 A 的平行度公差 0 05mm 见装配图 即 A 0 05mm 4 定位心轴 17 的轴线对定位侧面 B 的垂直度公差 0 05mm 即 A 0 05mm 而 J T 都对垂直度无影响 由于这些误差不在同一方向 因此 槽中心平面最大位置误 差在 YOZ 面之上为 0 01 0 012 0 05 0 072mm 在 YOX 平面上为 0 01 0 012 0 03 0 052mm 此两项都小于垂直度公差 0 08mm 故该项要求能保证 综上所述 该铣槽家具能满足铣槽工序要求 可行 26 2 6 机床夹具的现状及发展方向 夹具最早出现在 18 世纪后期 随着科学技术的不断进步 夹具已从一种辅助工具 发展成为门类齐全的工艺装备 2 6 1 机床夹具的现状 有关统计表明 目前的中 小批多品种生产的工件品种已占工件种类总数的 85 左右 现代生产要求企业所制造的产品品种经常更新换代 以适应市场的需求与竞争 然而 一般企业都仍习惯于大量采用传统的专用夹具 一般在具有中等生产能力的工 厂里 约拥有数千甚至近万套专用夹具 另一方面 在多品种生产的企业中 每隔 3 4 年就要更新 50 80 左右专用夹具 而夹具的实际磨损量仅为 10 20 左右 特别是近 年来 数控机床 加工中心 成组技术 柔性制造系统 FMS 等新加工技术的应用 对机床夹具提出了如下新的要求 1 能迅速而方便地装备新产品的投产 以缩短生产准备周期 降低生产成本 2 能装夹一组具有相似性特征的工件 3 能适用于精密加工的高精度机床夹具 4 能适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具 5 采用以液压站等为动力源的高效夹紧装置 以进一步减轻劳动强度和提高劳 动生产率 6 提高机床夹具的标准化程度 2 6