【某异形工件的定位及夹紧机构设计7300字】

某异形工件的定位及夹紧机构设计目录TOC\o"1-3"\h\u摘要 摘要：异形工件是工件里的一大复杂种类，伴随着机械产业的发展，加工的工件逐渐精细化，对异形工件的定位及夹紧提出了更高的需求，虽然我国一些地方在异形工件的定位和测量实现了成功，但仍有很多需要改进的地方。根据国内外发展来看，异形工件的定位和夹紧方面还有很大发展空间。本文以异形工件的定位及夹紧机构为研究对象，在分析国内外研究的基础上，设计一种新型异形工件定位及夹紧机构。关键词：异形工件定位夹紧机构夹具设计1绪论1.1目的和意义自新中国成立后，我国进行了改革开放，这使我国在各个领域都获得了快速的发展，机械行业的先进程度也在不断改善，相比传统的人力劳作，工作效率发生了很大程度的提升。伴随着机械产业的进步，加工的工件逐渐精准化，人们对机床的整体性能和精度要求越来越高，这需要设计人员仔细观察关键的机床零件，而定位夹紧机构是保证机床精度、性能的重中之重。定位夹紧是机械加工过程中的一个重要环节，因为它在一定程度上决定着加工工件的精度，所以合理利用夹紧机构确保工件的定位是当前机械加工的的一种趋势[1]。而伴随着机械加工行业的深入发展，定位夹紧机构也一步步成为影响工件精度的重要因素之一。通过对夹紧机构进行相关调查分析可以发现，使用定位夹紧机构的效率都普遍较高，能够有效地运用在各种环境中，这就使定位夹紧机构变成了机械行业的一种方便、好用的工具。但因为我们国家夹具的发展起步较晚，夹紧机构相关技术并不全面，导致一些工件生产出来可能没有那么精准，这肯定就会在加工过程中浪费很多资源，即使我们国家有着各种各样的夹具，但还是需要靠谱好用的定位夹紧机构。因此本文以设计一种定位及夹紧机构为目的，对定位夹紧机构进行相关的设计研究，以期能够满足工作环境的需要，为夹具的发展提供一定的参考。1.2研究现状到目前为止，夹具依然是机械行业中必需的四大工具（刀具、夹具、量具、摸具）之一。夹具在国内外也正在逐渐形成一个依附于机床业或独立的小行业。1.1.1国外研究现状就国际角度而言，夹紧机构的主要制造国当属德国和美国等发达国家。就目前来说，一般生产夹具的外国企业都是一些中型企业和小型企业，普通夹紧机构和一些特殊工件夹紧机构的主要订单都只接受国内，并且能适用于各种环境的组合夹紧机构也多用于国际贸易之间的来往。关于夹紧机构和组合夹具的国际交易额目前还没有相关统计资料，但欧洲发达国家那边大型基础件特别昂贵[2]。我国有着模块化夹紧机构技术上的积累和成本优势，尤其是电子商务的日益发展，是一个相当好的机会，在扩大出口这方面具有广阔的应用前景。1.2.2国内研究现状中国国内是从20世纪60年代开始的，当时建造了航空工业的保定向阳机械厂，和机械行业的天津组合夹具厂，后来又成立了一批工厂生产模块化夹具元件。在当时，国家已经达到年产夹具800万件的水平。上世纪80年代之后，两家工厂又各自独立研发了许多关于机床的夹具系统，这极大地满足了我们国家自己的需求，而且还出口到了美国、德国等许多机械行业先进的国家[3]。2异形工件分析本次异形工件以承载鞍为例进行分析。2.1异形工件概述承载鞍是铁路和货车转向架的重要零部件，它主要安装在转向架侧架导框和货车轮对滚动轴承之间，其主要承担着货车轮对轴承座的作用。承载鞍工作面在车辆的工作过程中承受牵引、轴重和制动载荷，及曲线离心力产生的载荷作用和车辆的冲击载荷作用，转向架运动等。在列车的运转过程中，承载鞍与轴承及转向架侧架相互摩擦而产生磨损和磨耗，如果承载鞍过重磨损，将会对货车和列车的速度、载重量以及安全性产生严重影响[4]。所以，对承载鞍进行定位和夹紧，对车辆的安全工作起着至关重要的作用。2.2异形工件的地位和作用承载鞍在铁道与车辆转向架的组件中有着无可替代的作用，转向架两翼侧架的主要定位是依靠导框和承载鞍来完成的，因为承载鞍和轴箱之间存在着配合，所以它们会将车轮转动这个圆周运动转变为车体沿轨道直线前进的运动，并将载荷传递到车轮与车轴上，最终再传到轨道上面。承载鞍的各部分名称如图2-1所示。图2-1承载鞍各部位名称1.导框挡边；2.鞍面；3.顶面沟槽；4.顶面；5.推力挡肩导框挡边是负责承载鞍水平运动的一个关键面，推力挡肩是一个负责轴承轴向位置的半圆挡，鞍面是和轴承外圆直接相接触配合的圆弧面，顶面沟槽是与侧架支承面相配合的一个面，下面设有R1520mm的圆弧面，是需要重点加工的部件。在车辆的行驶运动中，承载鞍需要承受从车体上来的压力和车体在转动过程中的扭转力，它让车体传来的重量均匀的分配到轴承和轴颈上，对燃轴、防止车辆偏载有着不可磨灭的作用。承载鞍具体装配在货车的转向架侧架导框与滚动轴承的中间，传递和承受着各种载荷，它的加工质量将对车辆的安全、平稳运行产生直接影响。2.3承载鞍尺寸及加工工艺分析承载鞍的顶面加工要求为R1520mm的圆弧面，加工余量约3～5mm，加工完成后的表面粗糙度度Ra=25μm，材质选为ZG230--450，是普通碳钢铸件。按照相关要求，冒口需要设置在上面位置，切割后依然存在残余切口，使得加工面凹凸不平且带有冷作硬化现象，加工时非常容易造成刀具的不正常磨损和系统振动，加上加工面精度要求不高，所以不宜采用过于精密的仪器来加工。若采用大型立式车床来进行工件的加工，可以将多件同时放置在圆周底盘上，工作效率会提高许多。外协加工又会被限制很多，所以如何利用现有的装备和仪器，通过设计方便、合理、牢固的工艺装备来使加工要求得到满足，是需要重点考虑的问题[5]。3夹具设计夹具的基本组成部分主要有：定位元件、夹紧元件、气缸、连杆机构、夹具体、其他元件或装置。定位夹紧机构属于非标设计，没有统一设计标准，但是存在基本设计要求：（1）尽量确保夹具的结构简单，操作方便。（2）尽量满足各工件的定位准确，并选择合适的夹紧方式有效控制异形工件变形。（3）夹具各零部件应当尽可能标准化，增强互换性，降低成本。本文选用的是SolidWorks三维建模软件，SolidWorks目前应用较为广泛并且具有界面简单，设计功能方便，分析功能准确，可快速生成工程图等优点，在参数化设计，装配设计，全相关等领域优势明显[6]。本文的产品设计与三维建模过程如下方所示：选取基准面→草图绘制、对草图应用特征命令→生成特征→模型建造→零件装配。3.1定位元件工件与定位元件之间不仅有点定位而且还有线定位，面定位，两点之间确定一条直线，线定位只能使工件的两个自由度得到限制，平面定位只能使工件的三个自由度得到限制[7]，而本文选用的定位元件为旋转气缸。3.1.1定位元件工作原理要想准确夹紧工件，就需要先定位，这时就需要旋转气缸的存在了。当工件放置到工作台时，旋转气缸通过推力使活塞直杆上升，并使旋转气缸上面部分旋转，使定位螺钉位置对准工件两侧，然后旋转气缸通过推力使活塞直径下降，从而使工件夹紧，确保机构翻转工件不会掉落。其3D建模图如下图3-1所示图3-1定位元件3.1.2气动回路图气动回路图如图3-2所示图3-2气动回路图1.油箱；2.液压泵；3.溢流阀；4.三位四通电磁换向阀1；5.液压缸1；6.三位四通电磁换向阀2；7.液压缸23.2.1对夹紧装置的要求夹紧装置可以说是夹紧机构最关键的一部分。所以在设计的过程中中，应注意以下几点：设计出的夹紧装置应该是一个靠谱、方便、易用、安全的装置。夹紧装置在夹紧的过程中可以正确地找到（定位到）工件的位置。夹紧力大小不能太大也不能太小即大小合适。夹紧装置要确保工件在加工的过程中尽量保持固定不动，不能产生位移和偏转。夹紧装置的先进程度应该与生产工件的多少和生产工件的方式相适应。并且设计出的夹紧装置尽可能地采用国家标配元件[8]。异形工件定位夹紧机构要求具体如下特点：首先动作迅速，能够满足工作环境使用需求，夹紧异形工件后机构旋转90°保证工件不会掉落。夹紧力要适中，过小容易造成旋转过程中工件滑落，过大则会造成工件产生形变。夹紧装置主要包括与导轨座相连的挡板、连接架、固定架、夹紧部分。3.2.2夹紧装置分析夹紧装置的设计要符合实际异形工件大小，不能太大也不能太小，且能对应异形工件进行夹紧、限制工件自由度。并且可使其与导轨座相连最后能在滑轨上移动。由于夹紧装置对应异形工件尺寸设计，所以可进行准确夹紧。3.2.3夹紧装置设计过程根据对工作台整体和异形工件的分析，设计了一个长为280mm、宽为90mm的挡板。在挡板的左右两侧各设计一个底长为370mm、高为220mm、上方长为300mm的连接架，其中连接架的宽为40mm。为防止连接架活动，在挡板后方、挡板上方靠后各连接一个固定架，最后设计夹紧部分。通过第二章异形工件尺寸分析可知，需要设计出夹紧异形工件左右两侧的夹紧部分。异形工件的鞍面长为124mm，宽为70mm，两侧的小凹槽长为15mm，宽为70mm，小凹槽左右两侧凸出来的地方长为23.5mm，相对鞍面突出25.5mm。由以上数据可以确定夹紧部分的高为70mm，经过对异形工件和夹紧装置的分析，确定模型拉伸尺寸为110mm，由此可以设计出与异形工件两侧相啮合的夹紧部分。最后将挡板与连接架相连接再用固定架接上两个连接架，之后将夹紧部分装在连接架上方，夹紧装置就完成了。其中，夹紧装置三维图如下图3-3所示图3-3夹紧装置1.挡板；2.连接架；3.固定架；4.夹紧部分3.2.4夹紧力的确定要想确定夹紧力，就需要从夹紧力的大小、夹紧力的方向、夹紧力的作用点这三个方面来入手：首先是夹紧力方向的确定：通常情况下，夹紧力的方向最好和工件刚度大的那个方向保持一致，因为这样可以最不容易使工件产生变形。夹紧力作用的方向应该更方便工件的定位，而不是妨碍工件的定位。大部分情况下，夹紧力都是和主要定位面垂直。尽可能地，使夹紧力作用的方向与重力一个方向，因为这样可以减小所需夹紧力，从而使计算更简单[9]。其次是夹紧力作用点的选择：只有在夹紧力的方向确定的情况下，才能确定夹紧力的作用点。一般要注意以下几点：夹紧力作用点最好与支承的元件或支承元件所在的面保持平行（或正对），因为这样可以使工件的定位不发生改变。夹紧力作用点可能在工件刚度强的地方，这样不会使工件产生变形。最好让夹紧力作用点尽可能靠近被加工的面，因为这样可以降低切削时候的力对工件产生的旋转力矩。在迫不得已的时候，可以在工件刚度弱的地方增加一个辅助支承，这样可以降低切削过程中的抖动[10]。由之前对异形工件的分析可知，为了有效控制异形工件的形变，夹紧点确定在鞍面两侧的凹槽点处。3.2.3夹紧力大小的估算想要估算夹紧力的大小，我们一般会把工件看成一个整体（分离体），然后再对工件进行受力分析，之后依据力的平衡条件，算出可以使工件能一直平衡所需要的最小的夹紧力，最后再将之前算出的最小的夹紧力乘一个合适的安全系数，就可以算出所需的夹紧力[11]。设加工部件的直径为d，装夹部位的直径为d0。把工件视为一个分离体，忽略其他因素，只考虑主切削力Fc所产生的力矩与夹紧装置夹紧力Fj所产生的力矩相平衡，可列出如下关系式：Fc·式中μ—夹紧装置与工件之间的摩擦系数；Fjmin--由上式可得Fjmin=Fc将算出的最小夹紧力再乘安全系数k，就可以得到所需夹紧力Fj=kFc摩擦系数主要取决于工件与夹具支承件或夹紧件之间的接触形式，其具体数值见表3-1。表3-1不同表面的摩擦系数接触表面特征摩擦系数接触表面特征摩擦系数光滑表面0.15～0.25直沟槽，方向与切削方向垂直0.4～0.5直沟槽，方向与切削方向一致0.25～0.35交错网状沟槽0.6～0.83.3气缸气缸是气压传动系统中的执行元件，它的职能是将空气中的压力能转换成机械能，对外做功。3.3.1气缸的工作原理气缸的工作原理就是,气缸先利用活塞来使自身增加气压，然后气压传动会将压缩空气时产生的压力能转换成机械能,产生的机械能就会让机构做来回重复的运动，包括直线运动、旋转运动等。其中它的具体过程是没有杆的一侧会先使压缩空气进入,而有杆的一侧进行压缩空气输出（排气）,这时气缸两侧会产成压力差,这会使活塞上的力,推着活塞向前走,使活塞杆往外伸；当有杆的一侧使压缩空气进入,而没有杆的一侧进行压缩空气输出（排气）时,气缸两侧同样会形成压力差，这就会使活塞杆往回缩,若有杆的一侧和没有杆的一侧交替进气和排气,活塞就会做出往复直线运动[12]。3.3.2气缸的组成和特点气缸主要由缸筒、端盖、活塞、活塞杆和密封件等结构组成。结构上的特点是卡环把活塞和活塞杆相连接，因此拆装起来非常容易；活塞上面支撑环的材料比较特殊，它是由聚四氟乙烯组成，这种材料的特点是摩擦力小；活塞杆可以在轴向的运动中一直保持竖直不动都是导向套的功劳，这样可以保护密封件；缓冲装置装在缸的两侧，缓冲装置的主要作用就是减小活塞在运动中的冲击。此类缸的工作压力为12～15MPa[13]。三维建模图如下图3-4所示图3-4气缸3.4夹具体夹具体是夹具的主要承载体，夹具各个零部件都安装在夹具体上面，夹具体的加工精度直接影响工件定位的准确性，材质为Q345钢，夹具体上表面进行精细加工，平面度为0.02mm，表面粗糙度为1.6μm，上下两侧安装面的平面度、表面粗糙度与上面一致。其余各个表面的表面粗糙度均为3.2μm。本文采用SolidWorks软件完成夹具体设计，其三维建模如下图3-5所示图3-5夹具体夹具体为长1800mm，宽1000mm，高40mm的钢板，以图3-8的左端面为定位基准面，钢板中心为定位基准点。定位基准点左右两侧各排列着直径为9mm的8个通孔，其中通孔以定位基准点左右对称分布，最左边通孔距离左端面80mm，通孔之间距离为80mm。在第五个通孔的上下100mm处装两个边长为40mm，高为190mm的两个柱体，同样以定位基准点对称分布，用于安装小挡板限制夹紧装置移动过度。在左上角柱体距离底板80mm处有一置物板，其中置物板的厚度为8mm，置物板用于连接气缸。3.5其他零部件（1）连杆机构连杆机构用于连接气缸和夹紧装置，从而使气缸带动夹紧装置夹紧工件。其SolidWorks三维建模图如图3-6所示图3-6连杆机构（2）导轨座在夹紧装置挡板下有两个导轨座，导轨座的通孔与挡板上的通孔相连，使其与挡板紧紧连接在一起，从而使导轨座带着夹紧装置在滑轨上移动。其三维建模图如图3-7所示图3-7导轨座（3）滑轨滑轨的长度为630mm，其上有8个直径为9mm的通孔，每个通孔之间的距离为80mm，与夹具体相吻合。滑轨需要固定在夹具体上，然后让导轨座带着夹紧装置在上面滑动。其三维建模如图3-8所示图3-8滑轨3.6定位夹紧机构通过对异形工件的分析和参考资料的研究，经由以上思路以及各种零部件、装置配合就有了下面的完整体定位夹紧机构，其三维建模图如3-9所示图3-9定位加紧机构4相关公式计算4.1夹紧力的计算在计算夹紧力之前需要先对工件进行受力分析，其受力分析图如图4-1所示图4-1受力分析异形工件放置时受到夹紧装置对其的夹紧力F，定位元件工件放置板对异形工件的支撑力Fn，异形工件自身重力G，异形工件所受摩擦力f，其中测量异形工件的质量为30Kg，由受力平衡，得F=f，Fn=G,所以G=mg=30×9.8=294N（4-1）放置时要保证异形工件不掉落，即Fnf=2μFn（4其中μ由表3-1可知，异形工件与工件放置板的接触表面为光滑表面，所以μ=0.25所以f=2μFn=2μG=0.5×294=147N最小夹紧力Fmin=f=147N（44.2气缸基本参数的计算由表4-1及气工程师设计手册中各类设备常用压力表，小型工程机械可初选系统设计压力为P=15MPa[14]。表4-1各类设备常用系统压力设备类型常用压力值磨床≤2.5组合机床、牛头刨床、插床、齿轮加工机床<6.3车床、铣床、镗床、珩磨机床2.5−6.3拉床、龙门刨床<10农业机械、汽车工业、小型工程机械及辅助机械10-16工程机械、重型机械16-32船舶机械14-25由夹紧力与气缸之间的关系得出F=Wmax=π4所以气缸活塞直径D=4Wmaxπ(P−P式中：Pηm—气缸的机械效率，此处取η=0.8查表4-2气缸内径尺寸系列可以确定气缸内径D=32mm，再根据求得活塞杆直径d为22.4mm，查表4-3气缸活塞杆直径标准，选择标准值d=22mm[15]。表4-2气缸内径尺寸系列（单位：mm）840125（280）1050（140）3201263160（360）1680（180）40020（90）200（450）2510022050032（110）250表4-3气缸活塞杆直径系列（单位：mm）4184511028052050125320622561403608256316010287018010328020014369022016401002505结论本文在对异形工件与定位夹紧机构进行详细分析的基础上，结合网上资料进行分析整合，设计一种可以定位并且夹紧异形工件的机构。根据工作要求对异形工件定位及夹紧机构进行相关计算，包括夹紧力、气缸的各种参数等等，并通过SolidWorks对异形工件定位夹紧机构进行3D建模。异形工件定位夹紧机构可以准确定位工件并牢固夹紧，即使旋转也不会掉落；并且可以节省一些不必要浪费的资源。对特殊工件的定位及夹紧机构设计和发展提供一定的参考价值。参考文献赵长征.不锈钢筒体内衬焊接工装夹具设计与分析[D].山东科技大学,2020.王鑫宇.多孔多面零件加工工艺分析与夹具设计研究[D].大连交通大学,2020.曹锌明.焊模中薄壁轴套的定位与夹紧结构设计[J].模具制造,2019,19(11):64-68.刘九庆,金雨飞,韩英健,夏鹏,杨春梅.梁柱材自动双端开榫机床的旋转夹紧机构[J].林业和草原机械,2020,1(01):30-35.李虎,马岩,杨春梅,任长清,汪茜茜.木屋