铰链式钻模板夹具设计与装配工艺-汽车变速箱上盖工艺夹具设计【含12张CAD图纸、说明书】【GJ系列】
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毕业设计(论文)中期报告题目：铰链式钻模板夹具设计与装配工艺 规划 1. 设计（论文）进展状况本设计已经完成以下内容： （1）对于在开题答辩中，老师针对我的设计草图和开题报告所提出的相关问题，我在这段时期内完成了对夹具装配平面草图的详细研究，并通过了指导老师的检查；进一步完善了开题报告的内容和格式。 （2）根据设计原理的要求完成了对夹具各部分零件的三维建模。 （3）根据要求布置的相关规定和设计原则，完成了对铰链式钻模板夹具设计的三维建模，完成了夹具的三维总装配图和二维草图。 （4）根据要求完成了对本设计相关外文文献3000字的翻译，并通过了老师的检查。 （5）完成情况（如下所示）如图1所示，先建立一个草图，此草图的尺寸应该和设计的零件相吻合。图1 Solidworks创建草图 创建好草图后，对草图进行拉伸操作，如图2所示。图2 拉伸草图 接着，在以拉伸出来的零件上进行继续操作，接着创建草图进行操作。最后形成铰链座的基本特征。如图3所示：图3 铰链座基本特征创建好基本特征后，需要在上面进行切除操作，从而形成需要的孔和凹槽。如图4所示：图4 铰链座成型图根据所设计的零件，对不同的零件进行建模，就可以创建出一个完整的铰链钻模板的三维模型。将不同的零件装配，就可以形成完整的铰链钻模板。如图5所示：图5 铰链钻模板三维模型 二维图如下所示: a) 主视图 b) 左视图 c) 俯视图 图6 二维装配简图 2.存在的问题及解决措施 存在的问题：1.在本设计里设计了许多的定位标准件的选用，之前接触过，但在综合考虑结构和可操作等方面还有所欠缺。认真地参考资料，积极和同学讨论，向老师请教。2.在绘图中存在不能完全达到预计要求相一致的图，软件绘图的能力有缺陷。3.同时夹具的一些结构功能在实际生产加工中是否可以实现人工的操作，实现真正的投入使用。整体设计是否合理，要进行优化完善，能够达到设计预想的理想要求。 解决措施：继续完善设计，从图中改进，优化设计，以求更加准确。在设计过程中存在很多问题，经过一段时间的优化与调整后，设计有了明显改进。 优化调整（具体如下）： （1）加强底座左侧靠板在定位时的承受夹紧力的强度，在后方增加两个加强筋，同时底座上下板分离，采用螺栓将两者连接在在一起，并焊接这两部分，已达到两者之间垂直度的要求。如图7 a）筋 b）底座 图7 筋和底座 （2）在翻转铰链转板1时会有干涉，调整其中的间隙，消除这一现象。如图8 图8 铰链转板 （3）加工变速箱上盖的孔时会产生钻屑，因此需要增加一个流屑槽。如图9 图9流屑槽 （4）夹具夹紧装置采用的是气源动力，为了控制夹紧时气缸提供的气压，以保证加工时的夹紧力，所以需要增加一个控制气压的减压阀。如图10 图10减压阀 （5）为了保证工件底座与靠板之间的平行度，保证在夹紧时的加工精确度，所以采用可调支承。如图11 图11可调支承 优化完善后的三维建模（如图12） 图12 夹具三维装配图3. 后期工作安排 继续对铰链式钻模板夹具设计进行优化改进，改进中期设计中存在的缺点，例如防止工件在夹紧时有过大变形，确保夹紧定位中达到设计的精确要求，并进行定位误差分析，对夹具进行夹紧力和自由度分析等问题。1. 完成铰链式钻模板夹具系统化设计和外文翻译，完成中期检查报告，并进行中期答辩；2. 后期完成夹具最终的总体设计，完成二维装配图及零件图；并撰写毕业论文，准备答辩。 （1）第10周第11周：工件的分析；定位分析（自由度）。 （2）第12周：铰链式钻模的工作原理；设计中存在的问题。 （3）第13周：铰链式钻模装配工艺设计。 （4）第14周第15周：完成毕业论文。 指导老师签字: 年 月 日毕业设计(论文)开题报告题目：铰链式钻模板夹具设计与装配工艺 规划 1. 毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况）1.1题目背景、研究意义夹具作为传统机械制造业中最重要的工艺装备之一已有了一百余年的历史，在机械业的发展过程中发挥了巨大的作用。我国社会发展第十二个五年规划指出，振兴装备制造业是推进国民经济和工业结构优化升级的主要内容1。所谓“装备制造业”就是传统机械制造业中的主体。因为装备制造业的发展水平是国家工业化、现代化水平和综合国力的重要标志，这意味着我国的工业将在不太长的时间内逐步赶上并达到当今世界上发达国家的先进水平2。随着装备制造业的发展，作为装备制造业的必不可少组成部分的工艺装备(夹具)也必然会得到相应的重视3。近年来我国国民经济的飞速发展推动了机床和工具行业从低谷中走出，我国已连续8年保持世界上机床最大消费市场和世界机床第一大进口国，而对于与机床配套的夹具设计更是不可或缺4。夹具是能够使产品按一定的技术要求准确定位和牢固夹紧的工艺装置，它主要用于保证产品的加工质量、减轻劳动强度、辅助产品检测、展示、运输等。机床夹具在机械加工中起着重要的作用，所以应用十分广泛5。归纳起来有以下几个方面的作用：保证工件的加工精度，稳定产品质量；提高劳动生产率和降低加工成本；改善工人劳动条件；在流水线生产中，便于平衡生产节拍6。对于不同种类的机床，其对应的夹具有不同的分类。包括：车床类夹具、铣床类夹具、钻镗床夹具、组合夹具、数控机床夹具、自动线夹具及其他机床夹具7。本课题主要研究的是针对钻镗床设计的夹具，钻模的结构形式繁多，归类方法各异。按照钻模有夹具体，结合使用方面的特点，通常可分为以下五种形式8：（1） 固定式钻模 这种钻模在使用时被固定在钻床工作台上，钻模的位置固定不动。它可用于立式钻床、摇臂钻床和多轴钻床上9。（2） 翻转式钻模 夹具整体在钻床工作台上翻转，顺序钻削各孔。主要用于加工中、小型工件分布在不同表面上的孔10。（3） 回转式钻模 其一般用于加工同一圆周上的平行孔系，或分布在圆周上的径向孔。一般为专用的工作夹具与标准回转台联合使用11。（4） 盖板式钻模 盖板式钻模是由钳工的划线样板演变来的，它没有夹具体。定位元件、导引元件和夹紧装置全部安装在钻模板上，使用时象盖子一样盖在工件加工部位上，是最简单的一种钻模12。（5） 滑柱式钻模滑柱式钻模由标准通用底座为主体组成的钻模。该标准通用底座由升降钻模板、升降机机构和夹具体组成。它的结构已标准化，规格尺寸也系列化、可由制造部门预先批量生产备用13。孔加工中，需要加工中、小型零件分布在不同表面上的孔，同时在钻模设计中，常常遇到工件钻孔后需要孔口倒角或攻螺纹、或铰孔:有的被加工孔为阶梯孔，有的工件孔组内孔距很小，小到不足以放置两个钻套13。有的工件相当大，在同一表面上或几个平面上有位置要求的两个或多个孔组，孔组间的距离又很大。一般的钻模结构是很难或不能满足其要求的14。为加工上述类型的工件孔，我们采用钻模板可以翻转的结构形式，解决了上述难加工问题、使钻孔夹具结构变得简单、紧凑，既能保证质量，使用又方便，还提高了效率15。这也就是本课题所设计的铰链式钻模。1.2国内外相关研究情况从文献上可见，从80年代中期开始，计算机辅助夹具设计（CAFD）和自动夹具设计（AFD）在国际上普遍受到重视18。其中随着CAD/CAM系统在工业中的建立，CAFD很自然地应用到了夹具设计当中，而且由于夹具对制造成本和制造周期的影响非常大，研究人员才开始注意到CAFD的重要作用，并把缩短加工准备周期作为CAFD的一个重要目标19。九十年代后发展起来的CAFD转向了以产品夹具结构为目的，实际生产应用为导向的夹具软件设计上。目前CAFD的发展大大降低了制造研制周期，优化了制造加工过程，验证了制造工艺流程，在FMS及CIMS中正发挥着越来越重要的作用。近年来组合夹具系统的设计受到了夹具行业的普遍关注，并且在一些文献中对该领域的最新发展成果进行了回顾20。 随着我国机床技术的发展，夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用经济的方向发展16。目前发展的成组技术是应用系统工程学的观点，把中、小批生产中的设计制造和管理等方面作为一个生产系统整体，统一协调生产活动的各个方面，全面实施成组技术以提高综合经济效益，我国不少高等工业院校结合教学和科研工作，在成组技术基本理论及其应用方面、软件系统方面都开展了许多研究工作，并取得了不少成果17。2. 本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施2.1本课题研究的主要内容 （1）以轴承盖为对象，对铰链式钻模板零件的工艺分析；铰链式钻模板工件的定位分析（自由度）； （2）铰链式钻模板零件工件定位误差计算；铰链式钻模板工件夹紧力的分析与计算； （3）铰链式钻模板零件夹具的工作原理；铰链式钻模板设计中存在的问题； （4）铰链式钻模板夹具装配工艺设计与仿真。 研究方案：由于工作零件是轴承盖（如下图1所示）。 图1 轴承盖 轴承盖孔如使用数控钻床加工，则结构复杂，定位困难，成本较高；而划线钻孔则效率较低，不能满足批量生产要求。为此，专门设计一种适用于大批量加工轴承盖孔的专用模具。设计两种对比方案进行对比：2.2研究方案及方法 （1）轴承盖钻模 见图2，工件孔以定位销1定位。旋转手柄6使压板5绕支点4回转，而将工件的下部压紧在定位钉7上。当钻完孔再攻螺纹时应松开锁紧螺钉3，翻起铰链钻模板2。1 定位销 2 铰链钻模板 3 锁紧螺钉 4 支点 5 压板 6 手柄 7 定位钉图2 普通铰链式钻 （2）专用铰链式钻模专用铰链式钻模如图3所示，可将轴承盖板固定在钻模当中，翻转两个铰链式钻模压紧之后，可以同时对多个钻孔进行加工。加工过程中不用多次移位，安装、拆卸方便，有利于大批量进行加工。本夹具使用在摇臂钻床上，加工汽车变速箱上盖10mm孔、锪12mm沉孔深2.5mm,钻M10mm螺纹底孔8.4mm、锪平面保证尺寸32.50.1mm。工件放在两个圆柱销2上，前后移动工件使定位孔对准并滑进两个定位销。转动配气阀手柄10，压缩空气进入气缸右侧，推动活塞杆7向左移动，将工件以底面及2-12mm孔，分别在五个支撑钉3、圆柱销1、削边销4上定位并夹紧。5 装卸工件时，松开锁紧螺母5和9，翻转铰链钻模板6和8。 图3 专用铰链式钻模方案对比如下： 定位夹紧成本效率周期生产方案1加工时盖在工件上定位结构简单，夹紧力不大低低生产周期长小批量方案2典型的一面两销定位为了工件便于夹紧采用气动夹紧高高生产周期短大批量方案对比表1 综上所述，本次设计选用第二套方案。3.本课题研究的重点及难点，前期已开展工作重点及难点：设计出针对轴承盖为对象的铰链式钻模，并且分析和计算定位误差、夹紧力等，然后进行绘制CAD，SolidWorks等图，并对三维模型进行干涉及仿真检验。前期已开展的工作：（1）查阅相关资料，阅读文献，对夹具设计背景初步了解；（2）初步了解常规夹具的设计及加工方法；（3）初步了解关于铰链式钻模的一些相关知识；（4）学会运用SolidWorks，CAD等作图软件。4.完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）第1周第3周：查阅资料，完成文献综述和开题报告。 第4周第7周：工件的分析；定位分析（自由度）。 第7周第9周：铰链式钻模的工作原理；设计中存在的问题。 第10周第13周：铰链式钻模装配工艺设计与仿真。 第14周第15周：完成毕业论文。指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见） 指导教师： 年 月 日 所在系审查意见： 系主管领导： 年 月 日参考文献1 吴拓.现代机床夹具设计M.化学工业出版社，2009.1-2.2 朱大品.可翻式钻模板的设计J.机械工程师，1990.3-5.3 蔡瑾，段国林，李翠玉；李德红.夹具设计技术发展综述J.河北工业大学学报，2002， （10）:13-15.4 隋聚艳.夹具的发展及其趋势分析J.现代商贸工业，2009，（19）:8-9.5 朱耀祥，浦林祥. 现代夹具设计手册M.机械工业出版社,2010，（2）:45-46.6 薛源顺.机床夹具设计(第二版)M.机械工业出版社,2003.165-167. 7 刘友才.机床夹具设计M.机械工业出版社,1992.22：34-36.8 法琴琴，杜继国，梁泉.钻床夹具的设计J.中小企业管理与科技,2011，（14）:2-3. 9 张升殿，王昊奎.一种可调的通用钻床夹具J.机械工艺师,1990，（05）:4-5.10 黎自芳.快速装卸可调钻床夹具J.机械工艺师,1987，（11）:3-4.11 王艳红.钻模钻孔精度分析J.精密制造与自动化,2009，（02）:1-3.12 田培棠；石晓辉；米林.夹具结构设计手册M.国防工业出版社，2011,1:4-5.13 袁晓斌.平面翻转式钻模的应用J.机械工人,1999，（12）:2-3.14 张约美.一种新型钻模装置设计J.林业机械与木工设备,2011,（9）:4-5.15 孙已德.机床夹具图册M.机械工业出版社,1984.20-23.16 朱耀祥，融亦鸣.柔性夹具与计算机辅助夹具设计技术的发展J.制造技术与机床， 2000 ，（8）：5-8.17 王后红.基于Pro/E的翻转式钻模设计J.机电技术，2011，（4）:10-13.18 Kong xiaoling,Yangyi, Zhou jie, Guo chen, Zhang hua, Zhao wenlong. Research and Development of the Software on Computer-Aided Fixtures Designing J.Computer-Aided Industrial Design & Conceptual Design.IEEE 10th International Conference on ,2009.13 - 16. 19 Y Kang and Y Rong. Computer-aided fixture design verification J.第五届海内外青年设 计与制造科学会议论文集（第一卷),2002.20 Mathew, Y.R.Design and fabrication of work holding device for Drilling and spot facing of bucket wheel excavator teeth J. Frontiers in Automobile and Mechanical Engineering (FAME),2010,(11): 4 - 5. 本科毕业设计(论文) 题目：铰链式钻模板夹具设计与装配工艺 规划 铰链式钻模板夹具设计与装配工艺规划摘要夹具是能够使产品按一定的技术要求准确定位和牢固夹紧的工艺装置，它的主要用于保证产品的加工质量、减轻劳动强度、辅助产品检测、展示、运输等。本文以汽车变速箱上盖为工件，为其设计部分孔加工的铰链式钻模板。在设计过程中，对铰链式钻模板夹具进行了工艺分析，工件的定位分析，零件夹具定位误差计算，夹紧力的分析与计算，同时还对所设计的铰链式钻模板进行了Solidworks三维建模，并进行了虚拟装配与仿真。通过设计此汽车变速箱上盖铰链式钻模板，达到了设计要求，能够很好地结合摇臂钻床进行汽车变速箱上盖的部分孔的加工，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。关键词：铰链钻模板；Solidworks建模；工艺分析；误差计算 49Fixture design of hinged drilling and assembly process AbstractThe fixture is to be able to make the product according to certain technical requirements for accurate positioning and clamping devices, it is mainly used to guarantee the quality of products, reduce labor intensity, auxiliary products detection, display, transportation, etc. Based on the cover of automobile gearbox for original parts for its design and hinged drill template with its parts machining. In the design process, the hinge drill template jig process analyzed, work piece positioning analysis of fixture locating error calculation, analysis and calculation of clamping force, but also for the design of the hinge type drill template for Solidworks 3 d modeling, and virtual assembly and simulation was carried out. Through the design of the automobile gearbox cover hinge drill template, meet the design requirements, combining well radial drilling machine of automobile gearbox cover part of the hole processing. The fixture with clamping force device has the characteristics of efficiency and precision required by modern machine tools. It is so effectively to reduce the processing time and auxiliary time that greatly improve the labor productive, effectively reduce the labor intensity and increase the work efficiency as well.Key words：Hinge drill template, Solidworks modeling, Technology analysis, Error calculation主要符号表 钻削力 安全系数 钻头直径 b 应力 K 安全系数 F 摩擦系数 Fx 钻削力径向分力 Fy 钻削力轴向分力 Fn 支持力 a Fx对应的力臂 b Fy对应的力臂 实际所需夹紧力 理论夹紧力 基准不重合误差 基准位移误差 定位误差 对刀误差 安装误差 夹具误差 加工方法误差 总加工误差 B 工件厚度 H 钻套高度 h 排屑空间的高度 最大配合间隙 X 孔的偏移量X 加工尺寸 精度储备量目 录1 绪论11.1 机床夹具的发展概括11.2 夹具的分类11.2.1 按夹具的通用特性分类2 1.2.2 按夹具的动力源分类21.3 夹具的组成31.4 夹具的特点31.5 机床夹具的发展方向41.6 夹具的设计要点52 钻床夹具的总体设计62.1 夹具的设计任务62.2 夹具的设计步骤62.3 钻床夹具的设计82.4 对定位元件的基本要求92.5 定位方案与定位元件92.6 工件的夹紧92.7 夹紧方案的选择112.7.1 夹具钻削力的计算11 2.7.2 夹具实际所需夹紧力的计算12 2.7.3 夹具的夹紧装置与机构设计153 钻床夹具体及夹具零件的设计183.1 夹具体的要求183.2 夹具体毛坯的类型183.3 夹具钻模板以及钻套的设计193.3.1 夹具钻模板设计193.3.2 夹具钻套设计203.3.3 夹具钻模板和钻套的具体设计223.4 底座的尺寸确定及机构设计243.5 压紧气缸及其相应支撑零件的设计273.6 铰链钻模的设计284 夹具误差的计算294.1 角度尺寸公差294.2 定位误差的分析294.3 工件在夹具上加工的精度分析304.4 铰链式夹具误差的计算314.4.1 夹具误差的计算314.4.2 保证加工精度的条件335 铰链钻模板的虚拟装配与仿真355.1 虚拟样机技术简介355.2 三维实体建模与虚拟装配356 结论39参考文献40致谢41毕业设计（论文）知识产权声明42毕业设计（论文）独创性声明43附录1441 绪论1.1 机床夹具的发展概括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。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。国际生产研究协会的统计表明，目前中、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34年就要更新5080左右专用夹具，而夹具的实际磨损量仅为1020左右，为了适应科学技术的快速发展，我们在短短几年内需更新大量的专用夹具，这样即提高了加工的成本，也造成了材料的浪费，为了减少这种情况，我们可以采用数控机床的柔性化制造技术2。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3。1.2 夹具的分类 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4。1.2.1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。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。它还分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5。1.2.2按夹具的动力源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6。1.3 夹具的组成虽然夹具的种类繁多，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。a. 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。b. 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。c. 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。d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。e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。f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7。1.4 夹具的特点（1）保证工件的加工精度专用夹具应有合理的定位方案，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）提高生产效率专业夹具的复杂程度要与工件的生产纲领相适应，应根据工件生产批量的大小选用不同复杂程度的高效夹紧装置，以缩短辅助时间，以提高生产效率。（3）工艺性好专用夹具的结构简单，合理，便于加工，装配，检验和维修。专用夹具的生产属于小批量生产。（4）使用性好专用夹具的操作应简单，省力，安全可靠，排屑应方便，必要时可设置排屑机构。（5）经济型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8。1.5 机床夹具的发展方向现代机床夹具的发展方向：主要表现为标准化、精密化、高效化、柔性化和模块化等五个方面。 (1) 标准化 机床夹具的标准化与通用化是相互联系的两个方面。目前我国已有夹具零件及部件的国家标准：GB/T2148T225991以及各类通用夹具、组合夹具标准等。机床夹具的标准化，有利于夹具的商品化生产，有利于缩短生产准备周期，降低生产总成本。 (2) 精密化 随着机械产品精度的日益提高，势必相应提高了对夹具的精度要求。精密化夹具的结构类型很多，例如用于精密分度的多齿盘，其分度精度可达0.1；用于精密车削的高精度三爪自定心卡盘，其定心精度为5m。 (3) 高效化 高效化夹具主要用来减少工件加工的基本时间和辅助时间，以提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度。常见的高效化夹具有自动化夹具、高速化夹具和具有夹紧力装置的夹具等。例如，在铣床上使用电动虎钳装夹工件，效率可提高5倍左右；在车床上使用高速三爪自定心卡盘，可保证卡爪在试验转速为9000r/min的条件下仍能牢固地夹紧工件，从而使切削速度大幅度提高。目前，除了在生产流水线、自动线配置相应的高效、自动化夹具外，在数控机床上，尤其在加工中心上出现了各种自动装夹工件的夹具以及自动更换夹具的装置，充分发挥了数控机床的效率。 (4) 柔性化 机床夹具的柔性化与机床的柔性化相似，它是指机床夹具通过调整、组合等方式，以适应工艺可变因素的能力。工艺的可变因素主要有：工序特征、生产批量、工件的形状和尺寸等。具有柔性化特征的新型夹具种类主要有：组合夹具、通用可调夹具、成组夹具、模块化夹具、数控夹具等。为适应现代机械工业多品种、中小批量生产的需要，扩大夹具的柔性化程度，改变专用夹具的不可拆结构为可拆结构，发展可调夹具结构，将是当前夹具发展的主要方向。 (5) 模块化 模块化的设计省时、节能，体现在各种先进夹具的系统中，为夹具的计算机辅助设计与组装打下了坚实的基础，应用CAD技术，可建立元件库、典型夹具库和用户使用档案库，可进行夹具优化设计，进行夹具的三维实体组装。模拟仿真刀具的切削过程，为用户提供正确、合理的配套方案，了解市场需求，不断地改进和完善夹具系统9。1.6 夹具的设计要点确定各表面加工方案，在选择各表面孔的加工方法时，需综合考虑以下因素： （1）要考虑各表面的精度和质量要求，根据各加工表面的技术要求，选择加工方法及分几次加工。 （2）根据生产类型来选择，在大批量生产中可使用专用的高效率的设备；在单件小批量生产中则使用常用设备和一般加工方法。 （3）要考虑被加工材料的性质。 （4）要考虑工厂或车间的实际情况，同时也应考虑不断改进现有的加工方法和设备，推广新技术，提高工艺水平。 （5）此外，还要考虑一些其他因素，如加工表面的物理机械性能的特殊要求，工件形状和重量等10。2 钻床夹具的总体设计2.1 夹具的设计任务本设计的主要任务是设计一个铰链式钻模板夹具，主要包括：加工汽车变速箱上盖10mm孔、锪12mm沉孔深2.5mm，钻M10mm螺纹底孔8.4mm、锪平面保证尺寸32.50.1mm，为了使钻孔的位置精确，必须对零件进行固定定位，提高加工精度，使之满足使用要求。专用夹具设计，方便加工及装卸，节省时间，提高工作效率。被加工零件图2.1所示：图2.1 被加工零件及需要加工的孔考虑到变速箱上盖的生产类型是大批量生产，结构形状较为复杂，制造精度不高，几何尺寸也比较大，以及考虑到生产经济性。所以其毛坯的材料选用容易成型，吸震性好，加工工艺性好和成本低的灰口铸铁HT20-40。 如图2.1所示，根据设计要求，可知钻孔应为此零件最后的加工工序，之前已经对次毛坯进行了一定的粗加工与精加工。在设计夹具时，应该选在好基准，在保证孔的形状公差时，还行保准其位置公差。2.2 夹具的设计步骤 （1）明确设计任务书与收集设计材料夹具设计的第一步是在已知生产纲领的前提下，研究被加工零件的零件图、工序图、工艺规程和设计任务书，对工件进行工艺分析。其内容主要是了解工件的特点、材料；确定本工序的加工表面、加工要求、加工余量、定位基准和夹紧表面及所用的机床、刀具、量具等。其次是根据设计任务书收集有关材料，如机床的技术参数，夹具零部件的国家标准、部颁标准和装订标准，各类夹具图册、夹具设计手册等，还可收集一些同类夹具的设计样图，并了解该厂的工装制造水平，以供参考。 （2）拟定夹具结构方案与绘制夹具草图 确定工件的定位方案，设计定位装置。 确定工件的夹紧方案，设计夹紧装置。 确定对刀或导向方案，设计对刀或导向装置。 确定夹具与机床的连接方式，设计连接元件及安装基面。 确定和设计其它装置及元件的结构型式，如分度装置、定位装置及吊装元件等。 确定夹具体的结构型式及夹具在机床上的安装方式。 绘制夹具草图，并标注尺寸、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，选用经济效益较好的方案。（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反向绘制。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：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，不遮挡后面夹具的线条。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。标注必要的尺寸、公差和技术要求。编制夹具明细表及标题栏。完整的夹具装配总图可参阅夹具图册。 （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11。2.3 钻床夹具的设计初步设计铰链式钻模板夹具如图2.2所示。图2.2 铰链式夹具钻模板在使用时工件放到两个圆柱销1上，前后移动工件使定位孔对准并滑进定位销。转动配气阀手柄26，压缩空气进入气缸右侧，推动活塞杆24向左移动，将工件以地面及2-mm孔，分别在五个支承钉3、圆柱销1、削边销12上定位并夹紧。 装卸工件时，松开锁紧螺母10，翻转铰链钻摸板9和17。 重复以上动作即可实现一整套工序。2.4 对定位元件的基本要求 （1）足够的精度由于工件的定位是通过定位副的接触（或配合）实现的，定位元件上限位基面的精度直接影响工件的定位精度，因此，限位基面应有足够的精度，以适应加工的要求。 （2）足够的强度和刚度定位元件不仅限制工件的自由度，还能起到支撑元件、承受夹紧力和切削力的作用，因此，因有足够的强度和刚度，以免使用中变形或损毁。 （3）耐磨性好工件的装卸会磨损定位元件的限位基面，导致定位精度下降。定位精度下降到一定程度时，定位元件必须更换，否则，夹具不能继续使用。为了延长定位元件的更换周期，提高夹具的使用寿命，定位元件应有较好的耐磨性。 （4）工艺性好定位元件的结构应力求简单、合理，便于加工、装配和更换12。2.5 定位方案与定位元件工件在夹具中定位的任务是：使同一工序中的一批工件都能在夹具中占据正确的位置，工件位置的正确与否，用加工要求来衡量，能满足加工要求的为正确，不能满足加工要求的为不正确。一批工件逐个在夹具上定位时，各个工件在夹具中占据的位置不可能完全一致，也不必要求它们完全一致，但各个工件的位置变动量必须控制在加工误差所允许的范围之内13。该设计为了满足钻孔的需要，在定位过程中需要保证零件的上下表面与水平面垂直，10、8.4的中心线与水平面垂直，保证这两个孔的垂直度。由于定位基准为夹具的下平面，这就要保证夹具侧壁与地面的垂直度，进而保证零件地面与夹具侧板的平行度。2.6 工件的夹紧对夹紧装置的基本要求： （1）夹紧过程中，不改变工件定位后占据的正确位置。 （2）夹紧力的大小适当，一批工件的夹紧力要稳定不变。既要保证工件在整个加工过程中的位置稳定不变，振动小，又要是工件不产生过大的夹紧变形。夹紧力稳定可减小夹紧误差。 （3）夹紧装置的复杂程度应与工件的生产纲领相适应。工件生产批量越大，允许设计越复杂、效率越高的夹紧装置。 （4）工艺性好，使用性好。其结构力求简单，便于制造和维修。夹紧装置的操作应当方便、安全、省力14。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15： （1）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。 （2）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。 （3）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。 （4）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。 （5）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。夹紧机构：传递夹紧力，它是直接与工件接触完成夹紧作用的最终执行元件。要使动力装置所产生的力或人力正确地作用到工件上，需有适当的传递机构。在工件夹紧过程中起力的传递作用的机构，称为夹紧机构16。夹紧机构在传递力的过程中，能根据需要改变力的大小、方向和作用点。手动夹具的夹紧机构还应具有良好的自锁性能，以保证人力的作用停止后，仍能可靠地夹紧工件17。2.7 夹紧方案的选择本设计是一个钻床夹具，加工五个孔，由于钻孔精度要求较高，必须保证在钻孔过程零件保持不动，所以必须设计夹紧装置。根据题目所需，在毕业设计过程中，设计过两种夹紧方案，现在分析两种方案的优劣，选择更适合的一种。首先计算钻孔的切削力，然后计算实际夹紧力。2.7.1 夹具钻削力的计算需要钻孔零件的材料为HT20-40，其性能HB170-290， 。采用的是高速钢钻头进行钻孔。查设计手册可以得到钻削力计算公式18： （2.1）式中：钻削力（N）； 安全系数； 钻头直径（mm）； 系数，由被加工的材料性质和钻削条件决定19。（1）对于钻8.4mm孔，由文献查表得安全系数20为： （2.2） （2.3） 所以： (2.4) (2.5)取：所以钻削力为： (2.6)同理，查其它参数得：所以 ：同理对于钻10mm的孔计算过程与计算钻8.4mm孔相同，因此计算钻削力为：同理对于锪12mm的孔，计算钻削力为：2.7.2 夹具实际所需夹紧力的计算计算夹紧力时，通常将夹具和工件看成是一个刚性系统。根据工件受切削力、夹紧力（大型工件还应考虑工件重力，运动的工件还应考虑惯性力等）的作用情况，找出在加工过程中对夹紧最不利的瞬时状态，按静力平衡原理计算出理论夹紧力21。最后为保证夹紧可靠，再乘以安全系数作为实际所需夹紧力的数值，即： (2.7)式中：实际所需夹紧力（N）； 在一定条件下，由静力平衡计算出的理论夹紧力（N）； 安全系数22。安全系数K可按下试计算： （2.8） 式中，为各种因素的安全系数23，如表2.1，表2.2所示：表2.1 安全系数的数值符号考虑的因素系数值考虑工件材料及加工余量均匀性的安全系数1.21.5 加工性质粗加工1.2精加工1.0刀具钝化程度（详见表3）1.01.9切削特点连续切削1.0断续切削1.2夹紧力的稳定性手动夹紧1.3机动夹紧1.0 手动夹紧的手柄位置操作方便1.0操作不方便1.2仅有力矩使工件回转时，工件与支撑面接触的情况接触点稳定1.0接触点不稳定1.5表2.2 安全系数加工方法切削力分力情况K钻削铸铁钢1.151.15粗扩（毛坯）1.01.01.31.3精扩1.2粗车或粗镗1.01.051.6精车或精镗1.051.01.41.051.31.0圆周铣削（粗、精）1.8(含碳量小于0.3%)1.21.4(含碳量大于0.3%)端面铣削（粗、精）1.8(含碳量小于0.3%)1.21.4(含碳量大于0.3%)磨削1.151.2拉削F1.5根据所设计钻模板，对工件受力进行分析，同时做工件的受力分析图，如图2.3所示。图2.3 零件受力分析图在进行钻孔时，由于摇臂钻床每次只能钻一个孔，因此图所示的Fx、Fy其实只能同时存在一对。对于Fy，其大小和方向不变，方向均为竖直向下。对于Fx，其大小不变，方向圆周变化。由受力分析图可知，当Fx与W方向相反时，钻削力的分量会与夹紧力相反，此时应最为危险，因此对图2.3列力的平衡关系式： （2.9）其中：f摩擦系数； aFx对应的力臂；bFy对应的力臂。计算，8.4mm孔时需要的夹紧力。此时，a=32.5mm，b=166mm。支承板对工件的摩擦系数：将所得数据带入方程组，得：W=484.5N同理，因为在加工10mm的孔时与在加工12mm孔时在同一个位置，因此只需要的计算在加工12mm夹紧力即可。此时，a=97mm，b=18mm。将数据带入方程组，得： W=1786.4N因为加工12mm夹紧力大于加工8.4mm孔时的夹紧力。因此，以加工12mm时所需的夹紧力作为最终的夹紧力。根据表2.1，表2.2可以得出： 因此，实际所需夹紧力为2358.04N。2.7.3 夹具的夹紧装置与机构设计对于加紧机构，设计了两种加紧机构，下面对两种加紧机构进行对比。如图2.4所示，为第一种加紧机构：1定位销 2铰链钻模板 3锁紧螺钉 4支点 5压板 6手柄 7定位钉图2.4 普通铰链式钻在实际使用时工件孔以定位销1定位。旋转手柄6使压板5绕支点4回转，而将工件的下部压紧在定位钉7上。当钻完孔再攻螺纹时应松开锁紧螺钉3，翻起铰链钻模板2，这是手动加紧方式。图2.5是铰链式夹具钻模板：图2.5 铰链式夹具钻模板 专用铰链式钻模如图2.5所示，可将轴承盖板固定在钻模当中，翻转两个铰链式钻模压紧之后，可以同时对多个钻孔进行加工。加工过程中不用多次移位，安装、拆卸方便，有利于大批量进行加工。本夹具使用在摇臂钻床上，加工汽变速箱上盖10mm孔、锪12mm沉孔深2.5mm，钻M10mm螺纹底孔8.4mm、锪平面保证尺寸32.50.1mm。在使用时工件放到两个圆柱销1上，前后移动工件使定位孔对准并滑进定位销。转动配气阀手柄26，压缩空气进入气缸右侧，推动活塞杆24向左移动，将工件以地面及2-mm孔，分别在五个支承钉3、圆柱销1、削边销12上定位并夹紧。 装卸工件时，松开锁紧螺母10，翻转铰链钻摸板9和17。 对比两种方案，其优缺点如表2.3所示：表2.3 两种加紧方式优缺点定位夹紧成本效率周期生产方案一加工时盖在工件上定位结构简单，夹紧力不大低低生产周期长生产周期长方案二典型的一面两销定位为了工件便于夹紧采用气动夹紧高高生产周期短大批量 考虑到汽车变速箱上盖是大量生产，并且夹紧力又比较大，因此选择方案二，即铰链式夹具钻模板。 3 钻床夹具体及夹具零件的设计3.1 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置精度。为使夹具体尺寸稳定，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。为保证夹具体不产生变形和振动，夹具体应有足够的强度和刚度。因此夹具体需要有一定的壁厚，铸造和焊接夹具体常设置加强筋，或在不影响工件装卸的情况下采用框架式夹具体。 （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凸台，以减少加工面积。夹具体毛面与工件之间应留有足够的间隙，一般为415mm。夹具体结构型式应便于工件的装卸，分为开式结构、半开式结构、框架式结构等。 （4）排屑方便切屑多时，夹具体上应考虑排屑结构。可以在夹具体开排屑槽、在夹具体下部设置排屑斜面。 （5）在机床上安装稳定可靠夹具在机床上的安装都是通过夹具体上的安装基面与机床上相应表面的接触或配合实现的。当夹具在机床工作台上安装时，夹具的重心应尽量低，重心越高则支承面应越大；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。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；当夹具在机床主轴上安装时，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24。3.2 夹具体毛坯的类型 （1）铸造夹具体铸造夹具体的优点是工艺性好，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（如HT200），要求强度高时用铸钢（如ZG270-500），要求重量轻时铸铝（如ZL104）。目前铸造夹具体应用较多。 （2）焊接夹具体焊接夹具体，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、成本低、重量轻，如各种心轴类夹具的夹具体及钢套钻模夹具体25。这里我们采用铸造夹具体，盖板、中间板、底板的材料均采用灰铸（HT200）。HT200指的是最低抗拉强度为200MPa的灰铸铁，是较高强度铸铁，基体为珠光体，强度、耐磨性、耐热性、减振性均较好，铸造性能也较好，使用前需要进行人工时效处理，主要用来铸造汽车发动机汽缸、汽缸套、车床床身等承受压力及振动部件。工作条件:a.承受较大应力的零件（弯曲应力0.49MPa（大于10t在磨损下工作的大型铸件压力1.47MPa）；c.要求一定的气密性或耐弱腐蚀性介质26。3.3 夹具钻模板以及钻套的设计3.3.1 夹具钻模板设计钻模板结构形式的选择：在设计钻模板的结构时，主要要根据工件的外形大小、加工部位、结构特点和生产规模以及机床类型等条件而定。要求所设计的钻模板结构简单、使用方便、制造容易。钻模板用于安装钻套，并确保钻套在钻模板上的正确位置。常见的钻模板有固定式、铰链式、可卸式、悬挂式等四种结构形式。（1）固定式钻模板 固定式钻模板与夹具是固定连接的可以与夹具体做成一体，也可以用螺钉将它与夹具体相连接。采用这种钻模板钻孔，位置精确度较高。（2）铰链式钻模板 铰链式钻模板与夹具体通过铰链连接。翻转：装卸工件时，将钻模板往上翻；加工时将钻模板往下翻，并用菱形销定位。夹紧：采用铰链式钻模板，工件可以在夹具上方装入，装卸工件方便；但翻转钻模板费工费时，效率较低，且钻模板位置精度受铰链间隙影响，钻孔位置精度不高；它主要用于生产规模不大、钻孔精度要求不高的场合。（3）悬挂式钻模板 悬挂式钻模板是与机床主轴箱连接的，悬挂式钻模板通常用在多轴传动头加工平行孔系时采用，生产效率高，适于在大批量生产中应用27。3.3.2 夹具钻套设计钻套是钻模上特有的元件，它的作用是确定钻头，铰刀等刀具的轴线位置，防止刀具在加工过程中发生偏斜，保证被加工孔的位置精度和提高工艺系统的刚度。根据使用特点，钻套可分为固定式，可换式，快换式等多种结构形式28。 (1) 固定钻套 固定钻套（如图3.1）直接被压在钻模板上，其位置精度要求较高，但磨损后不易更换，钻模板较薄时，为使钻套具有足够的引导长度，应采用有肩钻套。 a) 类型1 b) 类型2图3.1 固定钻套 (2) 可换钻套 可换钻套（如图3.2）用于零件单一、大批量生产中，方便更换磨损的钻套。钻套和衬套之间采用F7/m6或F7/k6配合，衬套和钻模板之间采用H7/n6配合。当钻套磨损后，可卸下螺钉，更换新的钻套。螺钉能防止钻套加工时转动及退刀时脱出。 a) A型 b）B型 c) C型 d) D型图3.2 可换钻套 (3) 快换钻套 在工件的一次装夹中，若顺序进行钻孔、扩孔、铰孔或攻丝等多个加工工步，需要不同孔径的钻套来引导刀具，此时应使用快换钻套（如图3.3）。更换钻套时，只需逆时针转动钻套使削边平面转至螺钉位置，即可向上快速取出钻套。削边的方向应考虑刀具的旋向，以免钻套自动脱出。图3.3 快换钻套 (4) 特殊钻套 因工件的形状或被加工孔的位置需要而不能使用标准钻套时，需自行设计的钻套称为特殊钻套。图3.4加长钻套为常见的特殊钻套，在加工凹面上的孔时使用，为减少刀具与钻套的摩擦，可将钻套引导高度H以上的孔径放大，钻套的高度H增大，则导向性能好，刀具刚度提高，加工精度高，但钻套与刀具的磨损加剧，一般取H=12.5d29。图3.4 加长钻套3.3.3 夹具钻模板和钻套的具体设计图3.5 钻模板和钻套的设计该夹具用于零件的大批量生产，在钻孔的过程中，钻套经常发生磨损，如果设计成固定钻套，在使用一段时间后，磨损的钻套会影响零件的加工精度。当单一钻孔、大批量生产时，为便于更换磨损的钻套，选用可换钻套。在保证钻模板有足够刚度的前提下，要尽量减轻其重量。在生产中，钻模板的厚度往往按钻套的高度来确定，一般在1030mm之间。如果钻套较长，可将钻模板局部加厚。此外，钻模板一般不宜承受夹紧力。此处，钻模板的厚度设计为25mm，满足加工要求。钻套和衬套之间采用配合，衬套和钻模板之间采用配合。当钻套磨损后，可卸下钻套用的螺钉，更换新的钻套。钻模板与夹具的连接固定：钻模板支撑钻套，对钻套进行固定。因为螺钉固定有空隙会产生误差，影响加工精度，所以将螺钉用在连接固定上，再加上圆锥销进行固定，使钻模板与夹具体紧密结合，避免加工时螺钉松动产生误差，影响加工30。对于此铰链钻模板，尺寸的确定与机构的设计是实现其具体设计的重要一个环节。对于尺寸的确定，应该根据具体加工的零件进行确定，同时，根据受力的大小进行校核。在对零件的受力进行校核时，使用有限元软件Ansys Workbench进行分析。3.4底座的尺寸确定及机构设计对于所设计的铰链钻模板，底座起到了支撑作用，所有零件均安装在底座上。底座的设计如图3.6所示：图3.6 底座设计图底座的主要尺寸应根据所加工零件的尺寸进行设计，能够放下零件为宜。中间的凹槽为流屑槽，可以使加工碎屑通过流屑槽排出。图2.8表示出了底座所受的力的示意图，通过计算，已经计算出加工此种零件所需的夹紧力，因此，这里应该验证底座能不能承受2358.04N夹紧力。通过有限元软件Ansys Workbench进行计算。在使用有限元软件进行分析时，具体的流程是建立所需要分析零件的三维模型，之后导入有限元软件进行网格划分，之后施加边界条件进行求解。这里我们已经建好了三维模型，直接导入软件进行分析。图3.6为导入有限元分析软件后的模型。图3.6 底座导入有限元软件接下来，对模型进行网格划分。图3.7 网格划分结果图3.7为网格划分结果，在划分网格的时候，可以调节网格的大小来满足不同的精度要求。划分完网格后，可以对模型进行边界条件的施加：图3.8 边界条件的施加对于边界条件的施加，应该根据实际情况进行分析。在具体操作时，这里将底面进行固定处理，将侧板支撑零件的5个凸起面施加总共2358.04N的压力。边界条件施加完成后就可以运行程序了。这里我们应该关心零件的应力是否超出材料的许用应力，变形是否满足使用条件。图3.9为零件的应力云图，图3.10为零件的位移图。图3.9 应力云图图3.10 位移云图 通过分析我们可以发现，零件的最大应力为0.879MPa，远远小于材料的许用应力，最大变形为0.002mm，也能够满足我们的使用要求，因此设计合理。3.5压紧气缸及其相应支撑零件的设计压紧气缸及其相应支撑零件与底座一样，均是需要受力的零件，因此这里选用这两个零件优先进行分析设计。因分析步骤与分析底座时相同，这里不再重复叙述，只显示最终分析结果。图3.11 压紧气缸及其相应支撑零件导入有限元分析软件图3.12 压紧气缸网格划分结果图3.13 应力云图图3.14 位移云图通过分析，我们可以看出，压紧气缸的最大应力为27.765Mpa，最大位移为0.008799mm，同样满足使用需求。3.6铰链钻模的设计设计完底座与压紧气缸之后，需要受力分析的零件基本结束。其余的零件不需要对零件的强度进行校核，只需要满足其使用要求即可。对于铰链钻模的设计，应该与加工零件的孔相适应。具体设计已经在前文中叙述，并在第六节进行了误差分析，这里也不再重复叙述。4 夹具误差的计算4.1 角度尺寸公差规定了未注出公差的角度尺寸的极限偏差数值；适用于金属切削加工的尺寸，也适用于一般的冲压加工的尺寸，非金属材料和其他工艺方法加工的尺寸可参照采用。一般公差分精密、中等、粗糙、最粗共4个公差等级，按未注公差的线性尺寸和角度尺寸分别给出了各公差等级的极限偏差数值31。表4.1 角度尺寸的极限偏差数值公差等级长度分段mm10105050120120400400精密f中等m粗糙c最粗v4.2 定位误差的分析一批工件逐个在夹具上定位时，由于工件及定位元件存在加工误差，使各个工件所占据的位置不完全一致，加工后加工尺寸不一致，形成定位误差，用表示。造成定位误差的原因有两个：一是定位基准与工序基准不重合，由此产生基准不重合误差；二是定位基准与限位基准不重合，由此产生基准位移误差。由于定位基准与工序基准不重合以及定位基准与限位基准不重合是造成定位误差的原因，因此，定位误差是基准不重合误差与基准位移误差的合成。计算时，和计算出和，然后将两者合成而得。合成时，若工序基准不在定位基面上（工序基准与定位基面为两个独立的表面），即与无相关公共变量，则=+。若工序基准在定位基面上，即与有相关公共变量，则=。在定位基面尺寸变动方向一定（由大到小，由小到大）的条件下，（或定位基准）与（或工序基准）的变动方向相同，取“+”号；变动方向相反，取“-”号32。4.3 工件在夹具上加工的精度分析 影响加工精度的因素： 图4.1 工件在夹具上加工时影响加工精度的主要因素如图4.1所示，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有关的因素，有定位误差、对刀误差、夹具在机床上的安装误差和夹具误差。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。上述各项误差均导致刀具相对工件的位置不精确，从而形成总的加工误差。图4.2 零件图4.4 铰链式夹具误差的计算4.4.1 夹具误差的计算 （1）定位误差机床夹具的主要功能：在机床上加工工件时，先将工件装好，然后用夹具夹紧工件。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。机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，因此，准确定位就是很重要的一个环节，现在需计算定位误差33。根据图4.1和图4.2可知，第一基准A面。对于钻10孔： 定位基准A面；限位基准A面；工序基准A面。 （4.1）对于钻8.4孔： 定位基准A面；限位基准A面；工序基准A面。 （4.2） （2）对刀误差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。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。图4.3 钻模对刀误差 钻模对刀误差的计算如图4.3所示，刀具与钻套的最大配合间隙的存在会引起刀具的偏斜，将导致加工孔的偏移量 （4.3）式中： B工件厚度； H钻套高度； h排屑空间的高度。工件厚度大时，按计算对刀误差：；工件薄时，按计算对刀误差：。钻10孔 钻套导向尺寸为，钻头尺寸为。钻8.4孔 钻套导向尺寸为，钻头尺寸为。 （3）夹具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5.2中夹具的安装基面为平面，因而没有安装误差，=0. （4）夹具误差 因夹具上定位元件、对刀或导向元件、分度装置及安装基准之间的位置不精确而造成的加工误差，称为夹具误差。夹具误差主要包括定位元件相对于安装基准的尺寸或位置误差；定位元件相对于对刀或导向元件（包含导向元件之间）的尺寸或位置误差；导向元件相对于安装基准的尺寸或位置误差；若有分度装置时，还存在分度误差。以上几项共同组成夹具误差。图5.2中，钻10的孔时，保证垂直精度。钻8.4的孔时，保证垂直度。 （5）加工方法误差因机床精度、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1/3计算时可设 （4.4） 钻10孔 钻8.4孔 4.4.2 保证加工精度的条件工件在夹具中加工时，总加工误差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 （4.5）即工件的总加工误差应不大于工件的加工尺寸。 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。因此将上式改写为 （4.6）或 （4.7） 当时，夹具能满足工件的加工要求。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确定得是否合理34。3、钻孔的加工精度计算在图4.2所示钻模上钻机壳的孔时，加工精度的计算列于表4.2中。表4.2 用钻模钻孔的加工精度计算误差名称误差计算加工要求000.017 mm0.0195 mm000.03 mm0.03 mm0.001 mm0.001 mm0.048 mm0.0505 mm 由表4.2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。5 铰链钻模板的虚拟装配与仿真5.1虚拟样机技术简介虚拟样机技术（VPT，virtual prototyping technology)是一种基于虚拟样机的数字化设计方法，是各领域CAx/DFx技术的发展和延伸。虚拟样机技术进一步融合了先进建模/仿真技术，现代信息技术，先进设计制造技术和现代管理技术，将这些技术应用于复杂产品全生命周期和全系统的设计，并对他们进行综合管理。与传统产品设计技术相比，虚拟样机技术强调系统的观点，涉及产品全生命周期，支持对产品的全方位测试，分析与评估，强调不同领域的虚拟化的协同设计。同时作为三维建模软件中的佼佼者，Solidworks功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点，使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用35。5.2 三维实体建模与虚拟装配 SolidWorks建模过程主要就是通过创建草图，然后对草图进行拉伸、切除等一系列操作从而设计出需要的产品。以设计的铰链钻模板的铰链座为例说明SolidWorks的建模过程。在以拉伸出来的零件上进行操作，创建草图后进行操作。最后形成铰链座的基本特征。如图5.1所示： 图5.1 铰链座基本特征创建好基本特征后，需要在上面进行切除操作，从而形成需要的孔和凹槽。如图5.2所示： 图5.2 铰链座成图 根据工作原理依次创建好各零件，并进行结构设计分析。如图5.3所示：图5.3 零件爆炸图装配过程如下：1.装配的准备工作：1.备齐装配所需的所有部件、零件及其紧固件 2.准备齐全有关的装配用的工具 2. 铰链及底座装配：1.将2个导向销焊接到底座体上(JLZM01-1) 2.将5个平面垫螺纹(JLZM01-2)部分旋入底座体上， 保证平面度小于0.03 3.将2个定位销(JLZM01-3)，菱形销(JLZM01-4)， 圆柱销安装在底座体上，保证与底座体平面的垂直度 为0.03 4.安装铰链1支架(JLZM01-5)，使用内六角螺栓 M10x30固定 5.安装铰链1(JLZM01-9)，并使用销钉(JLZM01-8)固定 6.安装钻模1(JLZM01-13)与衬套1(JLZM01-14) 图5.4 夹具铰链1装配3.气缸体装配： 7.完整安装气缸体(JLZM01-19)，将气动套筒 (JLZM01-23)、气动滑块(JLZM01-24)装入气缸内， 活塞杆杆端头（JLZM01-29）插入气动滑块塞孔中， 用内六角螺栓M10x30固定活塞杆(JLZM01-28)和 活塞杆端头，最后安装上气缸端(JLZM01-25) 8.将安装完整的气缸体用六角螺栓固定在底座体上。接 着安装气源装置，用六角螺栓将换向阀(JLZM01-27) 固定在底座体上，阀手柄开关(JLZM01-26)安在换向 阀上，最后用气管连接减压阀(JLZM01-22)和气缸图5.5 气缸装配及连接4.整体装配： 9.按4、5、6步骤安装铰链2（JLZM01-17）及相关部件 10.将铰链1与铰链2调整到图中未夹紧时的位置并安装 零件体 11.翻转铰链转板，各自安装上可调螺钉（JLZM01-11）和 锁紧螺母（JLZM01-12），将铰链1与铰链2调整到图 中夹紧时的位置，保证钻套与底座的垂直度为0.03 12.开启气源装置，转动阀手柄开关图5.6 夹具装配成型图同时通过进行三维建模虚拟装配，可以零部件进行动态的干涉检查和间隙检查，从而避免真正加工时出现问题。如图5.7：图5.7 夹具三维图6 结论本设计的主要任务是设计一个铰链式钻模板夹具，主要包括：加工汽车变速箱上盖10mm孔、锪12mm沉孔深2.5mm，钻M10mm螺纹底孔8.4mm、锪平面保证尺寸32.50.1mm。为了使钻孔的位置精确，必须对零件进行固定定位，提高加工精度，使之满足使用要求。专用夹具设计，方便加工及装卸，节省时间，提高工作效率。本次设计首先介绍了夹具的结构及特点，根据特点选择了合适的方案，接下来选择了合适的材料，还有标准件和夹紧机构，同时也根据夹具的特点设计了气源装置、锁紧机构和钻套。本次设计的夹具采用铰链式钻模板方式，提高了生产效率，节省了加工时间。通过夹具结构的力的分析，能够顺利加工大批量的工件，夹具总体设计合理。本次的设计涵盖了大学四年以来所学的全部知识，在设计中，所学的许多课程等到了更加深刻的理解和巩固，例如互换性、机械设计、机械制造技术基础等，同时在设计中对三维软件SolidWorks有了更好的掌握，能够利用该软件进行基本的建模和分析。同时在设计中也遇到了一些自身掌握的不好的问题，例如对夹具设计零件的计算、夹具的三维建模等。在今后需要对这些自己掌握不好的部分进一步学习和研究。参考文献1 吴拓.现代机床夹具设计M.化学工业出版社，2009.1-2.2 朱大品.可翻式钻模板的设计J.机械工程师，1990.3-5.3 蔡瑾，段国林，李翠玉；李德红.夹具设计技术发展综述J.河北工业大学学报，2002， （10）:13-15.4 隋聚艳.夹具的发展及其趋势分析J.现代商贸工业，2009，（19）:8-9.5 朱耀祥，浦林祥. 现代夹具设计手册M.机械工业出版社,2010，（2）:45-46.6 薛源顺.机床夹具设计(第二版)M.机械工业出版社,2003.165-167. 7 刘友才.机床夹具设计M.机械工业出版社,1992.22：34-36.8 法琴琴，杜继国，梁泉.钻床夹具的设计J.中小企业管理与科技,2011，（14）:2-3. 9 张升殿，王昊奎.一种可调的通用钻床夹具J.机械工艺师,1990，（05）:4-5.10 黎自芳.快速装卸可调钻床夹具J.机械工艺师,1987，（11）:3-4.11 王艳红.钻模钻孔精度分析J.精密制造与自动化,2009，（02）:1-3.12 田培棠；石晓辉；米林.夹具结构设计手册M.国防工业出版社，2011,1:4-5.13 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