镗床夹具毕业设计

镗床夹具设计摘要镗床发展的水平之高主要表现在产品设计理念的不断更新，体现了产品设计将装饰艺术与精细加工的完美结合；产品结构的不断创新，显示了镗床在向高速、高精、高效发展的同时，还向人性化、精细化制造的方向发展，而镗床夹具的发展也是齐头并进，毫不逊色。本论文通过对镗床的加工方法，工作原理的研究分析，选定了箱体零件设计了一个镗床夹具，并给出了结构方案。该夹具设计有对刀装置。既能够实现工件的准确装夹，还可以准确对刀。夹紧方式采用了液压夹紧。夹紧快速简洁，夹紧力的控制和装夹定位准确，通过对刀装置的准确对刀，最终保证了工件的加工精度。关键词镗床夹具对刀箱体JIGSFORBORINGMACHINEDESIGNABSTRACTBORINGDEVELOPMENTOFAHIGHSTANDARDOFPERFORMANCEINTHEMAJORPRODUCTDESIGNCONCEPTSISCONTINUOUSLYUPDATEDREFLECTTHEPRODUCTDESIGNOFDECORATIVEARTSANDFINEPROCESSINGTHEPERFECTCOMBINATIONPRODUCTMIXOFCONSTANTINNOVATIONANDSHOWSTHEBORINGMACHINETOTHEHIGHSPEED,HIGHPRECISION,HIGHEFFICIENCYDEVELOPMENT,ITISALSOTOHUMANITY,FINEMANUFACTURINGDIRECTION,JIGBORINGMACHINEANDTHEPARALLELDEVELOPMENTISNOTOUTOFSTEPINTHISPAPER,THROUGHTHEBORINGMACHINEPROCESSINGMETHOD,PRINCIPLEOFRESEARCHANDANALYSISSELECTEDPARTSOFTHEBOXDESIGNAJIGBORINGMACHINE,ANDGIVESTHESTRUCTUREOFTHEPROGRAMTHEFIXTUREISDESIGNEDTOKNIFEDEVICEBOTHTOACHIEVETHEEXACTWORKPIECEFIXTURING,BUTALSOACCURATERIGHTKNIFEWAYSTOINTENSIFYTHEUSEOFHYDRAULICCLAMPINGCLAMPINGRAPIDCONCISE,CLAMPINGFORCECONTROLANDACCURATEPOSITIONINGFIXTURE,THERIGHTKNIFEDEVICESACCURATERIGHTKNIFE,THEULTIMATEGUARANTEEOFAWORKPIECEMACHININGACCURACYKEYWORDSBORINGMACHINEJIGSRIGHTKNIFEBOXI目录序言11绪论311镗床的起源、功能及基本特点312镗床的分类413镗床的发展趋势414本课题的研究目标，内容及意义6141本课题的研究目标6142本课题的研究内容6143本课题的研究意义72夹具设计及其概论821概论822夹具发展简史8221夹具发展简史及其分类8222夹具的基本功能描述923工件的装夹方式1024夹具的组成及夹具体的设计11241夹具的组成11242夹具体的设计12243其它装置或元件1425夹具设计中的定位15251定位基准选取15252工件在空间自由度的分析16253工件定位方式的确定17254现有定位规划方法介绍1826夹具中夹紧方式的设计19261夹紧设计的基本要求20262夹紧力方向、位置和大小的确定2127现有组合夹具夹紧规划方法介绍24271确定工件的夹紧区域24II272确定与可行夹紧区域对应的安装固定区域2428夹具的定位误差分析及夹紧力的计算25281定位销高度的计算25282定位误差计算26283工件以一面及两圆孔定位的夹紧力计算27284液压压板组合夹紧计算2829小结293夹具中对刀的设计3031对刀概述3032工件与主轴的同轴找正3033对刀3134对刀误差的确定334液压系统的设计3441液压传动技术的发展概况3443液压系统中执行元件的选择36431液压缸的类型和特点3644本课题选用液压缸的计算38441液压缸的组成38442液压缸的计算3845液压系统的控制及动力源395夹具的装配4151概述41511机器装配的基本概念41512装配精度4152装配尺寸链42521装配尺寸链的基本概念42522装配尺寸链的查找方法42523装配尺寸链的计算方法4353保证装配精度的方法43531完全互换法43III532选择装配法44533修配法44534调节法调整法4554装配工艺规程的制定46541制定装配工艺规程的基本原则及原始资料46542制定装配工艺过程的步骤46543装配元件系统图4755本装置的装配要求47致谢48参考文献49第1页共49页序言随着科技的迅速发展，镗床发展的水平之高主要表现在产品设计理念的不断更新，体现了产品设计将装饰艺术与精细加工的完美结合；产品结构的不断创新，显示了镗床在向高速、高精、高效发展的同时，还向人性化、精细化制造的方向发展。镗床技术发展的同时，镗床夹具也在迅速的直追而上，因为他们是相辅相成的。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。一、高精随着机床加工精度的提高，为了降低定位误差，提高加工精度，对夹具的制造精度要求更高。高精度夹具的定位孔距精度高达5M，夹具支承面的垂直度达到001MM/300MM，平行度高达001MM/500MM。德国DEMMELER（戴美乐）公司制造的4M长、2M宽的孔系列组合焊接夹具平台，其等高误差为003MM；精密平口钳的平行度和垂直度在5M以内；夹具重复安装的定位精度高达5M；瑞士EROWA柔性夹具的重复定位精度高达25M。机床夹具的精度已提高到微米级，世界知名的夹具制造公司都是精密机械制造企业。诚然，为了适应不同行业的需求和经济性，夹具有不同的型号，以及不同档次的精度标准供选择。二、高效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。新型的电控永磁夹具，加紧和松开工件只用12秒，夹具结构简化，为机床进行多工位、多面和多件加工创造了条件。为了缩短在机床上安装与调整夹具的时间，瑞典3R夹具仅用1分钟，即可完成线切割机床夹具的安装与校正。采用美国JERGENS（杰金斯）公司的球锁装夹系统，1分钟内就能将夹具定位和锁紧在机床工作台上，球锁装夹系统用于柔性生产线上更换夹具，起到缩短停机时间，提高生产效率的作用。三、模块、组合夹具元件模块化是实现组合化的基础。利用模块化设计的系列化、标准化夹具元件，快速组装成各种夹具，已成为夹具技术开发的基点。省工、省时，节材、节能，第2页共49页体现在各种先进夹具系统的创新之中。模块化设计为夹具的计算机辅助设计与组装打下基础，应用CAD技术，可建立元件库、典型夹具库、标准和用户使用档案库，进行夹具优化设计，为用户三维实体组装夹具。模拟仿真刀具的切削过程，既能为用户提供正确、合理的夹具与元件配套方案，又能积累使用经验，了解市场需求，不断地改进和完善夹具系统。组合夹具分会与华中科技大学合作，正在着手创建夹具专业技术网站，为夹具行业提供信息交流、夹具产品咨询与开发的公共平台，争取实现夹具设计与服务的通用化、远程信息化和经营电子商务化。四、通用、经济夹具的通用性直接影响其经济性。采用模块、组合式的夹具系统，一次性投资比较大，只有夹具系统的可重组性、可重构性及可扩展性功能强，应用范围广，通用性好，夹具利用率高，收回投资快，才能体现出经济性好。德国DEMMELER（戴美乐）公司的孔系列组合焊接夹具，仅用品种、规格很少的配套元件，即能组装成多种多样的焊接夹具。元件的功能强，使得夹具的通用性好，元件少而精，配套的费用低，经济实用才有推广应用的价值。第3页共49页1绪论11镗床的起源、功能及基本特点17世纪，由于军事上的需要，大炮制造业的发展十分迅速，如何制造出大炮的炮筒成了人们亟需解决的一大难题。世界上第一台真正的镗床是1775年由威尔金森发明的。其实，确切地说，威尔金森的镗床是一种能够精密地加工大炮的钻孔机，它是一种空心圆筒形镗杆，两端都安装在轴承上。1775年，47岁的威尔金森在他父亲的工厂里经过不断努力，终于制造出了这种能以罕见的精度钻大炮炮筒的新机器。有意思的是，1808年威尔金森去世以后，他就葬在自己设计的铸铁棺内。1802年，瓦特也在书中谈到了威尔金森的这项发明，并在他的索霍铁工厂里进行仿制。以后，瓦特在制造蒸汽机的汽缸和活塞时，也应用了威尔金森这架神奇的机器。原来，对活塞来说，可以在外面一边量着尺寸，一边进行切削，但对汽缸就不那么简单了，非用镗床不可。当时，瓦特就是利用水轮使金属圆筒旋转，让中心固定的刀具向前推进，用以切削圆筒内部，结果，直径75英寸的汽缸，误差还不到一个硬币的厚度，这在当对是很先进的了。在以后的几十年间，人们对威尔金森的镗床作了许多改进。1885年，英国的赫顿制造了工作台升降式镗床，这已成为了现代镗床的雏型。经过一百多年的发展，镗床发展的水平之高主要表现在产品设计理念的不断更新，体现了产品设计将装饰艺术与精细加工的完美结合；产品结构的不断创新，显示了镗床在向高速、高精、高效发展的同时，还向人性化、精细化制造的方向发展。镗床主要是用镗刀在工件上镗孔的机床，通常，镗刀旋转为主运动，镗刀或工件为进给运动。它的加工精度和表面质量要高于钻床。镗床是大型箱体零件加工的主要设备。镗床的功能是十分强大的，它是车床和铣床的综合体，不但可以进行镗孔加工还可以进行车削和铣削加工。镗削是把工件上的预制孔扩大至具有一定的孔径、并提高孔形精度和表面光洁度的加工过程。镗孔的质量是镗床性能好坏的重要标志。镗床的镗孔精度一般可达IT7，第4页共49页对于精度要求更高的孔，可用高精度的金刚镗、坐标镗或专用镗床进行细精镗，以获得更高的孔形精度和孔距精度。根据机床、刀具和工件的相对位置以及成形原理，镗削具有以下基本特点1）镗削表面的运动轨迹是由镗床主轴上的镗刀作回转运动来实现的。它与钻削加工相似。2）镗削时，由于刀具装在刀杆上伸入内孔进行切削，因此，镗刀是在半封闭状态下工作的。3）镗削加工时，把工件装夹在工作台上，有镗杆作纵向、垂直移动或工作台纵、横向移动来实现对工件的进给运动。4）镗削时，由于刀具后刀面和内孔表面摩擦较大和镗杆悬臂外伸，因此镗刀的切削条件较差，且一起振动。12镗床的分类加工特点加工过程中工件不动，让刀具移动，将刀具中心对正孔中心，并使刀具转动主运动。1卧式镗床是镗床中应用最广泛的一种。它主要是孔加工，镗孔精度可达IT7，表面粗糙度RA值为1608UM卧式镗床的主参数为主轴直径。2坐标镗床是高精度机床的一种。它的结构特点是有坐标位置的精密测量装置。坐标镗床可分为单柱式坐标镗床、双柱式坐标镗床和卧式坐标镗床。单柱式坐标镗床主轴带动刀具作旋转主运动，主轴套筒沿轴向作进给运动。特点结构简单，操作方便，特别适宜加工板状零件的精密孔，但它的刚性较差，所以这种结构只适用于中小型坐标镗床。双柱式坐标镗床主轴上安装刀具作主运动，工件安装在工作台上随工作台沿床身导轨作纵向直线移动。它的刚性较好，目前大型坐标镗床都采用这种结构。双柱式坐标镗床的主参数为工作台面宽度。卧式坐标镗床工作台能在水平面内做旋转运动，进给运动可以由工作台纵向移动或主轴轴向移动来实现。它的加工精度较高。3）金刚镗床特点是以很小的进给量和很高的切削速度进行加工，因而加工的工件具有较高的尺寸精度（IT6），表面粗糙度可达到02微米。13镗床的发展趋势镗床技术发展呈现新的特点，在提高进给速度和快速移动速度的同时，又出现了提高加速度这一新的概念，提高起动加速度，以提高速度挖掘镗床的潜力。因此，镗铣床采用电主轴也就成为新的追求。并且有出现立柱采用斜面概念的设计，刚性极高，具有卧式主轴和电主轴可交换使用的功能，具有“一机两用”之功效的镗床等等。纵第5页共49页观镗床的发展过程，其发展趋势大致为1高速高精高效的数字化镗床由提高主轴转速后能够降低工件对刀具的切削力的理论的提出，出现了提高加速度这一新的概念，这样电主轴就成为新的追求。目前世界一流的电主轴，功率达到80KW，转速高达30000R/MIN。其X、Y、Z轴的移动速度高达50M/MIN，加速度98M/S2。为了满足汽车发动机缸体缸盖及航天航空、高新技术、仪器、仪表、电子信息和生物工程、轻金属材料零件和精密零件加工需求，高精度镗床的发展更是突飞猛进。位置精度达到0008001MM，重复定位精度00040005MM。2重型、超重型的大型镗床为了满足能源、航天航空、军工、舰船主机制造、重型机械制造、大型模具加工、汽轮机缸体、大型发电、输变电设备、大型石油化工和煤化工装置、矿山采掘设备、成套轧钢设备、大型海洋船舶、高速列车、大端面岩石掘进机为代表的工程机械、民用航空飞机及发动机等零件加工的需要。重型、超重型的镗床加工能力显得越来越重要。这类镗床不但在精度和刚度方面要求高，而且对床子的综合性能方面提出了更高的要求。我国的机床技术指标、加工精度、可靠性和先进性在国际竞争中处于下风是不争的事实。我国的西部大开发也正在进行之中，基础设施建设十分重要，像一些大型的水力发电机组的建设等，这给重型镗铣床的发展带来了很大的锲机。迎合这个发展机遇重型镗铣床设备的发展将走出一条新的大道。3主流产品和各类产品共存传统制造业的发挥依托先进制造业的发展而变化，同时势必影响着数控机床行业的变化。由于国内行业繁多，并且各类行业所需生产方式不同，对镗床的加工要求也就存在不同的方式，所以各类床子的生产就必须同时进行。在我国，从地域发展分析，由于近几年中国经济飞速发展，带动了一系列相关事物的变化，尤其是我国东部产业的升级、东北等老工业基地的振兴和中西部的开发加快步伐，并且多数是重型制造行业要求大型的镗床装备。在我国中南，东南部，大都是一些轻工业和精工业的部门，相对与中小型装备需求较多。国内市场；经济全球化，国际发展期资本和产业向中国的转移、国际技术和人才的交流、中国国际贸易的强劲发展等，更为我国镗床产业的综合发展提供了外部环境，使我们处于难得的战略，走一条依存互补、相辅相成、共同发展的道路。第6页共49页14本课题的研究目标，内容及意义141本课题的研究目标结合国内镗床夹具的各方面的现状和不足，由于加工精度和加工效率的提高，目前的普通镗床的夹具在装夹工件和夹紧工件十分麻烦，尤其在工件的定位，对刀方面，如果遇到体积大、吨位重的大型工件时，定位，夹紧，对刀是十分困难的。这样不但装夹、对刀时间长，而且加工精度不能够保证。为了解决这个问题，我们设计了主要针对于加工大型或超大型工件的重型镗床和普通卧式镗床的夹具装置，主要为了缩短定位，夹紧，对刀时间，提高加工精度和大型镗床的加工效率，减少加工成本，最终使达到资源的优化利用。142本课题的研究内容镗铣床适用于机械加工车间对单件或小批量生产的零件进行平面铣削和孔系加工，能精确镗削尺寸较大的孔和平面。此外还可进行钻、铰孔及螺纹加工。本课题研究的内容镗床工作台的工作原理的了解、镗床夹具的设计、镗床结构的分析、了解镗床传动机构、同轴度的调整、对刀调刀等问题。1了解工作台的运动原理，确定定为基准以及对刀基准。2镗床夹具方面，主要研究定位元件，夹紧装置，对刀，引导元件，安装装置和夹具体等。选择合适的零件设计一夹具来完成对刀装置的设计。3镗床种类较多，但主要功能是加工各种孔。通过各种途径了解它的结构，传动方式，加工原理和加工能力等。最终选择一个合适的镗床为例来完成课题。4同轴度保证了对刀也就容易了。利用一种机械装置来完成对孔和主轴同轴这一要求。此装置可以通过在工作台上设计一个特殊的夹具或镗模来完成。5对于对刀装置的设计可以依据先摆正工件的装夹位置，然后对刀位利用对刀块和其它的辅助装置进行调整，最终完成镗床的对刀。从而保证工件的加工精度。6定位误差的分析计算，对刀误差的分析计算，液压夹紧装置的设计等等各种夹紧力的计算。7总装图的绘制。第7页共49页143本课题的研究意义由于目前国内的镗床加工要求的不断提高，对加工效率的要求越来越高，在航空航天，军工，船舶，煤炭，汽轮机缸体，大型发电机组，装备制造等行业对重型镗床的使用越来越多，这使的镗床的发展加速，对镗床的加工效率提出挑战，本装置的设计正是迎合了这种要求，在设计中对夹具的定位精度，夹紧速度以及夹具上的对刀装置作了很大的改进，使夹具的加工精度更高。因此本课题的研究有很重要的现实意义，并且有一定的市场前景。再加之这些年来精密机械和精密测量的快速发展对本课题的研究也提供了相当多的参考资料。第8页共49页2夹具设计及其概论21概论在机械制造过程中，用来固定加工对象，使之保持正确的位置，以便接受施工或检测的装置，都可以称为夹具。在机械加工中，为了保证工件的加工精度要求，工件在机床中需要有准确的定位和可靠的夹紧。使工件相对于刀具和机床占有准确的加工位置称为工件的定位把工件定位后压紧夹牢，以保证这个准确的位置在加工过程中不会发生改变称为工件的夹紧。工件的定位和夹紧是夹具的两个主要功能。夹具是工艺装备的主要组成部分，在机械制造中占有重要地位。对保证工件的加工精度和加工质量，提高生产率，降低制造成本，减轻劳动强度，扩大机床使用范围，缩短产品试制周期等都具有重要意义。夹具一般可分为专用夹具和组合夹具两种。随着市场对产品的需求不断增加，产品的更新换代速度不断加快。由于机械产品的品种繁多，要求机械产品的开发周期不断缩短，传统的大批量生产模式逐步被中小批量生产模式所取代。按单一品种设计专用夹具的方法己不能满足生产发展的要求，因此，如何缩短工艺装备的设计和制造周期，以及产品换型后能如何保证原有工装夹具延续使用已事在必行。机械制造业欲适应这种变化须具备较高的柔性，国内外已把柔性制造系统作为开发新产品的有效手段，并将其作为机械制造业的主要发展向。22夹具发展简史221夹具发展简史及其分类早期的机床夹具，如车床的鸡心夹头和卡盘、刨床的虎钳，是和机床同时诞生和发展起来的。由于他们是与机床配套供应用户，一般也称为机床附件，是通用机床夹具的鼻祖。现代的专用夹具是伴随着大批大量生产的发展而发展出现的，特别是和汽车工业的发展密切相关。专用夹具的使用，一方面缩短了工序时间，降低了加工成本另一方面，夹具本身的设计制造工时、材料消耗等又增加了工件的成本。因此，在何种生产条件下使用哪种类型的夹具才是经济合理的，也就是夹具的经济性，一直都是第9页共49页夹具结构发展和设计的一个主要问题。如图所示，为夹具分类框图。图21夹具分类框图专用夹具的费用分担在大批量生产的每一个工件上是极小的，所以，从事大批量生产的企业都采用专用夹具。与此同时，却带来一个严重问题如果零件的结构和尺寸参数一旦发生变化，相关夹具就要报废。从这个意义上说专用夹具被认为是一种一次性使用的夹具。但是制造业中约有75的企业从事单件小批生产。若为其单独设计制造专用夹具，在经济上就极不合理了。为解决这一问题，从20世纪40年代开始，人们就已经着手研制能够适合单件小批和成批生产的可多次重复使用的夹具，相继出现了组合夹具和各种可调整夹具。90年代以后，快速多变的市场竞争促进制造产品的快速变化，要求制造企业对传统的夹具技术进行革新，以满足产品品种变化频繁、批量变换、交货期缩短、制造低成本与高质量的要求。它们形成了夹具发展的新动力。222夹具的基本功能描述夹具的功能应该满足将工件固定在机床或其他设备准确位置上的要求，所以在现代制造系统条件下一个常用的“321”定为夹具结构设计应能满足的功能要求为底面定位，顶面夹紧，水平定位，水平夹紧，侧面定位，侧面夹紧。设计者SFR应该按照功能要求确定夹具的设计参数底面定位组件，顶面夹紧组件，水平SDP定位组件，水平夹紧组件，侧面定位组件，侧面夹紧组件。分析与之间的关SFRDP系，底面定位功能的实现主要取决于底面定位组件，即0顶面夹12A3145A16紧功能的实现主要取决于顶面夹紧组件即0以此类推21A34560，0，31A2345A362340，0。5616A65第10页共49页因此，按照顾客需求的和设计参数之间的关系，可以得到SFRSDP显然，是一个对角矩阵，故此它是一个非复合方案，符合独立公理的要求。夹具设计还要考虑动力源，主要是气动或者液压装置，这些装置本身大多已经标准化和通用化，可以从市场上采购到。这时应该考虑的主要问题就是这些夹具组件与其它夹具组件的接口问题。例如，应该在其它夹具组件设计时考虑它们与这些气压装置之间的空间位置关系，不同夹紧力源组件与其它夹具组件之间的接口问题，以及夹具同机床运动时刀具间相互干涉等。23工件的装夹方式工件在机床上加工时，应按照定位基准的要求，把工件安放在工作台上或夹具里使它和刀具之间保持正确的相对位置，这就是定位。定位是为了能够使工件占据正确的空间坐标位置，多次重复摆放时，都能在同样的位置。在加工过程中为了保持工件位置不变，必须把工件夹紧，以承受切削力及其他外力，这就是夹紧。夹紧是为了平衡和抵抗来自加工中的切削力，保持正确的定位位置不变。工件定位与夹紧的过程称为裝夹或安装。工件在机床上的装夹，有三种方式（1）直接找正裝夹工件装到机床后，用百分表或划线盘上的划针目测校正工件位置，以保证被加工表面的位置精度，而后夹紧工件。每加工一个工件都得重复上述过程。（2）划线找正裝夹有些重、大、复杂工件，先在待加工处划线，然后装到机床上，按线找正定位。（3）夹具裝夹夹具是使工件在机床上迅速、正确裝夹的一种工艺装备。夹具与刀具间的相对位置，以在加工前预先调整好，所以一批工件加工时，不必逐个找正定位。在夹具上裝夹工件时，有工件上的定为基准与夹具定位元件的工作表面保持接触来实现工件的定位，再用夹紧装置夹紧。第11页共49页24夹具的组成及夹具体的设计机床夹具的种类和结构虽然繁多，但它们的组成均可概括为以下几个部分，这些组成部分既相互独立又相互联系。241夹具的组成1）定位元件定位元件保证工件在夹具中处于正确的位置。如图22所示，钻后盖上的10孔，其钻夹具如图24所示。夹具上的圆柱销5、菱形销9和支承板4都是定位元件，通过它们使工件在夹具中占据正确的位置。2）夹紧装置夹紧装置的作用是将工件压紧夹牢，保证工件在加工过程中受到外力切削力等作用时不离开已经占据的正确位置。3）对刀或导向装置对刀或导向装置用于确定刀具相对于定位元件的正确位置。如图24中钻套L和钻模板2组成导向装置，确定了钻头轴线相对定位元件的正确位置。铣床夹具上的对刀块和塞尺为对刀装置。图22后盖零件钻径向孔的工序4）连接元件连接元件是确定夹具在机床上正确位置的元件。如图24中夹具体3的底面为安装基面，保证了钻套1的轴线垂直于钻床工作台以及圆柱销5的轴线平行于钻床工作台。因此，夹具体可兼作连接元件。车床夹具上的过渡盘、铣床夹具上的定位键都是连接元件。第12页共49页5）夹具体夹具体是夹具的基座和骨架。定位装置、夹紧机构及其它装置或元件都安装在夹具体上，使之成为一个夹具整体。242夹具体的设计如图23所示的夹具体，它是本装置设计的夹具体的零件图。夹具体是夹具的基础件。在夹具体上，要安装组成该夹具所需要的各种元件、机构、装置、并且还必须便于装卸工件，因此夹具体应该具有一定的形状尺寸。在加工过程中，夹具还要承受夹紧力、切削力、和由此产生的冲击和震动。所以，夹具体应该具有必要的强度和刚度。加工过程中所产生的切削，有一部分落在夹具体上。若夹具体上切削聚集过多，将严重影响工件可靠地定位和夹紧。为此，在夹具体的结构设计中，还应考虑便于清除切屑的要求。此外，还要考夹具体结构的工艺性，使能合理、经济、方便地设计与制造出来。1夹具体的毛坯结构实际生产汇总所用夹具体的毛坯结构很多，但常见的有下列三种1铸造结构夹具体采用铸造结构时，则具有下述优点可以铸出复杂的结构形状铸铁件的抗压强度大、耐振性好，因此特别使用于加工时振动大、切削负荷大的场合。铸铁件易于加工，价格低廉，可降低夹具成本。但是铸造的生产周期长，而且因铸造时内应力缘故，易引起变形，从而影响夹具体精度的持久性。因此铸造夹具体必须进行时效处理。2焊接结构与铸造相比，焊接结构的优点为容易制造，生产周期短。采用钢板、型材组成，结构合理，可减轻夹具重量。根据这两个优点，焊接结构的夹具体特别适用于新产品试制或其它临时急用的场合，以缩短生产周期。此外，一些结构简单的小型夹具，采用焊接结构也十分有利。焊接结构的主要缺点，是焊接过程中的热变形以及残余应力对夹具工作精度的不利影响。因此，应在焊完后进行退火处理。此外，焊接结构一般须增加强筋来提高刚性。具体选择夹具体毛坯结构时，必须根据夹具体本身的要求和工厂的实际生产技术情况第13页共49页综合考虑。一般精度要求高，结构相当复杂，加工时有较大振动的，宜选用周件结构；否则，应考虑充分利用焊接结构。3由标准毛坯件组合成夹具体毛坯，或由标准零部件组合成夹具体，为克服周件制造周期长、单件生产成本高、经济性差的缺点，便选用标准毛坯件或标准零部件组合成夹具体的结构。这样，不但大大缩短了夹具体的制造周期，而且可组织专业化生产，有利于降低生产成本。为此，就必须使夹具体的结构标准化、系列化。4由于本夹具主要是加工大型工件，所以本夹具体使用的是使铸造结构，并且需要人工时效处理。2夹具制造属单件生产性质，为缩短设计和制造周期，减少设计和制造经费，所以夹具体设计，一般不做复杂的计算，通常都是参照类似的夹具结构。按经验类比法估计确定。实际上，在绘制夹具总图时，根据工件、定位元件、夹紧装置、对刀引导元件、以及其它辅助机构和装置在总体上的配置，夹具体的外形尺寸，便已大体确定。为具体确定夹具体结构尺寸，特取以下数据参考选取1采用铸造结构的夹具体，其壁厚一般取为830MM。过厚处应挖空。2选用钢板和型材制作焊接结构的夹具体时，一般板厚取为610MM。若刚度不够。可增设加强筋。参考以上数据，本夹具在设计中采用了加强筋来保证夹具体的刚度，加强筋的厚度为10MM，夹具体的壁厚取为30MM左右。3夹具体不加工的毛面与工件表面之间有一定的间隙，以保证工件与夹具体之间不致干涉。间隙的大小应按下述规定选取夹具体是毛面，工件也是毛面时，取815MM；夹具体是毛面，工件是光面时，取410MM。本夹具中确定取为10MM3夹具体的排屑结构为了便于排除切屑，不使积聚在定位元件工作表面上而影响工件正确定位，一般在夹具体结构设计时，可从以下两方面考虑排屑1增加容纳切屑的空间在本夹具体上增加容屑空间，使落在定位元件上的少量切屑，可将容屑空间排除。2采用切屑自动排除结构本夹具体上专门设计排屑用的斜面或缺口，是切屑自动由斜面处滑下而排至夹具第14页共49页体外。即使不能使切屑全部自动排除，也便于操作者来清除切屑。对于加工时产生大量切屑的夹具体来说，应该尽可能考虑这种排屑结构（A）主视图B左视图（C）俯视图图23夹具体零件图第15页共49页243其它装置或元件它们是指夹具中因特殊需要而设置的装置或元件。若需加工按一定规律分布的多个表面时，常设置分度装置；为了能方便、准确地定位，常设置预定位装置；对于大型夹具，常设置吊装元件等。图24后盖钻夹具25夹具设计中的定位在机床上加工工件时，要使工件的各个被加工面的尺寸及位置精度满足工件图或工艺文件所规定的要求，就必须在切削加工前使工件在机床夹具中占有一个确定的位置，使其相对于刀具的切削运动具有正确的位置，这是定位方案设计的主要任务。251定位基准选取为了保证工件上各加工表面之间或对其它加工表面的位置精度，工件在机械加工时，必须安放在机床基础板的一个固定位置上。任何一个工件都是有若干个几何表面组成，这些表面之间根据工件设计的技术要求，广泛存在着距离尺寸和角度位置的要求。工艺文件中的所谓基准，就是指工件图上的某些点、线、面，可以用它来确定某第16页共49页些其它点、线、面的位置。根据基准的作用和性质，可以分为设计基准和工艺基准两类。设计基准通常是指工件图样上标注尺寸的起点。工艺基准又分为工序基准、定位基准和测量基准。通常希望将设计基准和工艺基准统一，但实际上，由于制造上的困难而难以做到，这就引起了误差。定位基准的选择是否合理，将直接影响到夹具结构的复杂程度以及工件的加工精度，因此，在选择定位基准时应进行多种方案的分析比较。选择定位基准时，应重点考虑如何减少误差，提高定精度，也要考虑安装的方便性、准确性和可靠性。一般定位基准的选择应遵循以下原则1应尽量选用工件上的设计基准作为定位基准，也就是“基准重合”原则，这样可避免因基准不重合而引起的基准不重合误差。2应尽可能选用统一的定位基准加工各个表面，以确保各表面相对基准的定位精度，这就是“基准统一”原则。采用统一的定位基准，可以避免由于基准转换引起的误差，也有利于夹具结构的简化。3为了获得均匀的加工余量或使加工表面间有较高的位置精度，有时可采取互为基准反复加工的原则。4一般精加工工序要求加工余量小而且均匀，或垂直度要求高，为了保证加工质量和提高生产率，应选择加工面本身作为定位基准。在选择定位基准时，必须综合考虑，在保证工件加工要求的前提下，尽量使夹具结构简单，工件稳定性好。本夹具在参考了以上原则后，确定了以夹具体的上表面为定位基准，由于工件的设计基准在与夹具体安装时是重合的，只要保证安装误差定位不会出现大的问题，不会导致工件位置误差。252工件在空间自由度的分析忽略工件的微小变形，工件可视为一个理想的刚体。将其放在一个空间直角坐标系中，如图25所示，以此坐标系作为参照系来观察刚体位置和方位的变化，由刚体力学可知，在空间中处于自由状态的刚体，共有六种可能的运动，即沿X轴、Y轴、Z轴移动，或绕X轴、Y轴、Z轴转动，这种移动和转动的可能性就称为自由度。因此，工件在自由状态下共具有六个自由度。用表示沿三个坐标轴移动，用表示绕三个ZYX,ZYX,坐标轴转动，这六种移动或转动的变化形式是基本的变化形式，工件在空间的运动状态都可以由这6种基本变化合成得到。限制了工件的某个自由度，该工件在这个方向上的位置就确定了。因此，我们可以根据工件加工的要求，通过限制工件自由度的方法，达到工件在夹具上定位的目的。当工件的六个自由度被全部限制后，工件的位置和方位就会被唯一的确定下来。第17页共49页图25自由度示意图253工件定位方式的确定1）定位原理的介绍基于运动学原理，夹具要限制工件的6个自由度，典型的方法就是在夹具设计中设置如图26所示的6个支承点。图中所示矩形工件每次都安放到与6个支承相接触，从而使一批工件中每个工件得到确定的位置，其中工件的底面A放在了3个支承上，限制了3个自由度，侧平面B与2个支撑接触，限制了2个自由度，另一侧面C与1YXZ,ZY,个支承点接触，限制了一个自由度。用分布在3个相互垂直平面上的6个支承点来X限制工件的6个自由度，使工件在夹具中的位置完全确定，这就是著名的321六点定位原理。六点定位原理适合于任何形状的工件，如图26B为轴类工件的六点定位示意图其中轴的圆柱表面放在4个支承点上，消除了工件的4个自由度，轴端部靠在一个支承点上消除了ZY,一个自由度，轴上一端的槽正放在一个支承点上，消除了工件绕X轴转动的自由度。根据工件形状的不同，所用的定位基准也不同，定位点的分布情况因而也不同。X运用六点定位原理可以分析和判断夹具中的定位结构是否正确，将工件的六个自由度完全约束或受限制的定位称为完全定位。但是，六点定位并不是指六个支承点定位，例如，假设图26A中侧面B上的两个支承点在一条垂直线上，这样绕Z轴转动的自由度就没有被限制，而沿Y轴移动的自由度被限制了两次。因此，在定位时，Y可能会出现欠定位和过定位的情况欠定位是指工件在某一个方向上可以自由旋转或移第18页共49页动，六个自由度没有被完全限制过定位是指工件上同一个或几个自由度被几个定位支承重复限制。在一般情况下要避免欠定位和过定位的情况，但是当考虑增加结构刚度、增强工件的刚度及减振如图27,增加一个辅助支承，防止工件的长臂由于受力发生断裂或产生振动以及提高定位精度时，可以考虑采用过定位。图26六点定位原理图27夹紧位置与翻转力矩问题2）定位方式的确定如图213所示，本夹具在设计中参考已有的定位原理和定位方法发，考虑到本夹具设计中的实际情况，以及在定位中过定位和欠定位对工件定位的影响，采用了一面两销的定位方式对工件进行定位，在考虑到由于孔中心距的误差可能使工件难以装夹，为此将其中的一个圆柱销变成菱形销，以适应基准孔的变化。夹具体限制了，绕X,Y轴旋转的自由度，圆柱销限制了沿X,Y移动的自由度,菱形销限制了绕Z轴旋转的自由度,然后通过压板限制沿Z轴移动的自由度。254现有定位规划方法介绍现有的定位规划方法大都采用了六点定位原理或者根据形封闭和力封闭规则进行定位，具有代表性的是BROSTGOLDBERG用来分析多边形工件的算法，MARKUS针对棱柱形工件提出的基于规则的组合夹具定位和夹具位置选择的一种算法以及融亦鸣通过解非线性方程组求出定位元件位置确定定位方案的分析方法等。所谓BROSTGOLDBERG算法，主要是适用于分析棱柱形工件的平面组合夹具。算法的基本假设是工件可以描述成一个简单的多边形，定位销可以看作是半径相同的圆，同时半径小于基础板孔间第19页共49页距的一半。夹具元件为三个定位销和一个夹紧元件，假设基础板无限大，所有接触都是无摩擦接触。除了多边形的边界，还提出了几何可及性约束和质量评价约束。算法的输出包括三个定位销、一个夹紧元件的位置以及工件相对于基础板的移动和旋转的位置。算法描述如下1棱柱形工件和几何可及性约束通过对工件进行边界扩展来实现，扩展的距离为定位销的半径，从而将定位销简化为一个理想的点。2通过工件相对于基础板的旋转和移动，枚举出三个定位销所有可能的位置，得到所有的候选定位方案，根据每一种候选定位方案确定夹紧元件可能的夹紧位置。3从所有候选定位方案种剔除可能带来问题的方案，例如干涉等，然后对剩余的定位方案根据定位质量评价指标进行评价。在工件相对于基础板旋转和移动的过程中来确定基础板上的三个定位销的位置，需要一套较复杂的算法。首先要确定第一、第二定位销的位置，然后枚举出第三个定位销所有可能的位置。在对力域的约束分析的基础上，可以枚举出夹紧元件所有可能的位置。之所以称这种算法为组合夹具设计的完备算法，是因为它能针对一个特定的棱柱形工件产生所有的定位方案。但是，这种方法还存在以下局限性。1仅考虑了工件为一般多边形时的定位情况，没有考虑工件侧定位面为曲面的情况。而在实际生产过程中，侧定位面为圆柱面或圆弧面的情况很多。2算法只考虑了具有统一半径的定位销，而在实际组合夹具设计中，还有其它类型的定位销或其它定位元件如V形块、半V形块等可以广泛应用。3算法只考虑了二维工件的定位，在实践中，它只能适用于高度很小的棱柱形工件，三维工件的夹具设计仍需进一步探讨。4未能考虑夹具设计过程中所需的一些标准，如定位公差、可及性分析以及其它的加工条件。5夹紧元件位置规划中没有考虑摩擦力。由于本夹具设计主要针对大型的工件，而且在定位中选择了限制六自由度的一面两销定位方式，为了防止过定位和欠定位的影响，加之夹紧采用了液压夹紧，所以本夹具的定位采用的是六点定位原理。26夹具中夹紧方式的设计本装置在设计中考虑到在精确定位后，工件不能任意的旋转和移动。但是在实际第20页共49页加工过程中，还必须确保工件在受力的情况下，仍然保持原来的位置。因此，夹紧和夹紧装置的主要任务是保持工件的精确定位位置，在自身重力、切削力、惯性力和离心力等外力作用下，不发生位移偏转，确保加工质量和生产安全。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。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。261夹紧设计的基本要求工件加工过程中受到切削力、惯性力、离心力等各种力的作用，为了保证工件能可靠的固定在工作平台上，除对工件定位外，还必须将其夹紧。夹紧机构组装正确与否，不仅影响工件的加工精度，而且也影响加工效率、安全和劳动强度的改善。因此，对夹具中夹紧机构的基本要求是1夹紧必须保证加工质量，夹紧后不能破坏工件在夹具中的正确定位。2夹紧力的大小要适当，既要防止因夹紧力不足工件在加工过程中产生移动、转动或发生振动，又要避免夹紧力过大以致工件产生变形，压坏工件表面或损坏组合第21页共49页夹具元件。3夹紧机构要操作方便，节省操作工人的劳动力，提高劳动生产率。夹紧机构不能妨碍工件的装卸，并保证装卸方便，夹紧操作时不应碰到工件、刀具或机床上相关部分。4夹紧结构的复杂程度和自动化程度应与工件的产量和批量相适应。262夹紧力方向、位置和大小的确定夹紧就是意味着力的作用，力有三要素，即力的方向、力的大小和作用点夹紧位置。为了正确的确定夹紧力的方向、大小和作用点，就需要根据工件的定位方法、工件的几何形状以及工件的刚度等，具体的分析各种力切削力、重力、支承力、摩擦力和夹紧力共同作用在工件上时，对受力平衡最为有利、对工件变形影响最小等来确定夹紧力的方向、大小和作用点夹紧位置。设计夹具夹紧机构，首先要确定夹紧力的位置、方向以及所施夹紧力的大小，然后再进一步确定安装夹紧装置的位置。1）夹紧力的方向在实际生产中，工件的安装方式各种各样，但对夹紧力作用方向的基本要求是一致的，在选择夹紧力方向时，应考虑以下问题A夹紧力的作用方向应不破坏工件定位的准确性和可靠性。为保证安装的正确可靠，保证工件定位的准确性和可靠性，夹紧力的方向应该朝向对工件精度影响最大的定位面主定位面，以保证定位的可靠。如图28所，当夹紧力F1作用于工件时，工件定位基准与定位面接触面积较大，使夹紧稳定，但如果在夹紧力F2作用下，工件可能离开主基准面，使加工精度降低，因此夹紧力的选择应该朝向影响定位精度最大的定位面。图28夹紧力的方向选择可能出现的问题B夹紧力方向应使工件不会产生超出许可范围内的变形。为了减少工件产生超出许可范围内变形的可能，夹紧力方向应当选择垂直于主要定位元件与工件接触面积较大的那个表面。因为夹紧力一定时，接触面积越大，单位压力就越小，因而变形也越第22页共49页小。另外，还应选择工件刚度最大的方向，以减少工件的形变量。在加工薄壁工件时，更要注意避免工件的形变，一般选择在工件刚度和厚度较大的方向上夹紧。C夹紧力方向的确定，应使所需的夹紧力尽可能的小。在加工过程中，工件受到切削力P、重力G等的作用，有时还有离心力和惯性力的作用，这些力均由夹紧力Q来平衡。在保证夹紧力可靠的条件下，减小所需的夹紧力可以减轻工人的劳动强度，减小工件的变形程度，简化夹紧机构。如图29A夹紧力Q的方向与切削力P、重力G的方向一致，夹紧力不是用来平衡P和G的，而是为了确保安全可靠，只需稍加夹紧力就够了，故所需夹紧力最小图B中切削力P和重力G都与夹紧力Q方向相反，故需要较大的夹紧力Q图C中P与主要定位表面平行，如果忽略重力G，则应使Q产生的摩擦力能克服切削力P产生的移动，故所需夹紧力也比较大图29夹紧力方向与大小的关系图D是定位表面在垂直方向的情况，此时需要一定大小的摩擦力来平衡切削力和重力，故所需的夹紧力Q很大。在选择夹紧力方向时，能完全满足以上要求的情况，实际上并不多见，在设计夹具时，只能按主要因素来考虑夹紧力的方向。2夹紧力的位置夹紧位置是指夹紧件与工件接触的位置。选择夹紧位置的问题是在夹紧力方向已确定的情况下，再确定夹紧位置和数目。确定夹紧位置应注意以下几点A夹紧力的作用点应不破坏工件的定位夹紧位置要保证工件定位正确不变，即夹紧力的合力应该落在定位基准与定位支承表面接触面积等效受力面的范围内。B夹紧位置应选择工件刚度和厚度最好的位置夹紧方向正确，但夹紧位置刚度差，或者夹紧方向正确，但夹紧位置厚度太薄，都会造成工件的夹紧变形量很大，这样的夹紧位置选择并不合适。如图210所示，（A图夹紧方向正确，但夹紧点位置刚度差，工件夹紧变形量大，一般不适合用作夹紧B图作用点作用在工件刚度较好的位置，夹紧工件稳定并且变形小，所以一般选择B图第23页共49页夹紧方式。本装置的夹紧选择的是图B中的夹紧方式，这种夹紧方式将力集中在工件和夹具体相接触的位置，这个位置强度高，不会由于夹紧力过大而造成工件的变形。图210夹紧力位置选择预受力变形问题C夹紧位置应避免对工件造成的翻转力矩和产生振动在加工过程中，为减少因切削力、惯性力等形成的力矩而产生的形变、振动或翻转，夹紧位置应尽可能地靠近被加工表面。应在工件刚度差，远离等效受力面的位置增加辅助支承并施加夹紧力。如图25所示，由于加工表面远离主要受力面，同时工件悬伸部分刚度差，故应在A点增加一个辅助支承，然后施加夹紧力Q，这样工件在被切削时，翻转力矩变小，增加了刚性，同时减少了工件在加工时产生振动的可能，保证了定位与夹紧的可靠性，又减小了工件的振动和变形。D又寸薄壁或刚度差的工件可采用分散夹紧力的形式进行夹紧当对某些工件不适合采用集中力进行夹紧时，可以增加夹紧力作用点的数量，从而能减小单个夹紧力的大小，使工件夹紧均匀，提高夹紧的可靠性，减少夹紧变形。另外，夹紧位置还要避开加工部分，保证不与定位元件干涉等。3夹紧力的计算时的注意事项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A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。B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。C在计算Q平衡时,要特别注意切削力对加工件的力矩,有