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夾具夾緊力的優(yōu)化及對工件定位精度的影響
B.Li 和 S.N.Mellkote
布什伍德拉夫機械工程學院，佐治亞理工學院，格魯吉亞，美國研究所
由于夾緊和加工，在工件和夾具的接觸部位會產生局部彈性變形，使工件尺寸發(fā)生變化，進而影響工件的最終加工質量。這種效應可通過最小化夾具設計優(yōu)化，夾緊力是一個重要的設計變量，可以得到優(yōu)化，以減少工件的位移。本文提出了一種確定多夾緊夾具受到準靜態(tài)加工部位的最佳夾緊力的新方法。該方法采用彈性接觸力學模型代表夾具與工件接觸，并涉及制定和解決方案的多目標優(yōu)化模型的約束。夾緊力的最優(yōu)化對工件定位精度的影響通過3-2-1式銑夾具的例子進行了分析。
關鍵詞：彈性 接觸 模型 夾具 夾緊力 優(yōu)化
前言
定位和夾緊的工件加工中的兩個關鍵因素。要實現(xiàn)夾具的這些功能，需將工件定位到一個合適的基準上并夾緊，采用的夾緊力必須足夠大，以抑制工件在加工過程中產生的移動。然而，過度的夾緊力可誘導工件產生更大的彈性變形 ，這會影響它的位置精度，并反過來影響零件質量。所以有必要確定最佳夾緊力，來減小由于彈性變形對工件的定位誤差，同時滿足加工的要求。在夾具分析和綜合領域上的研究人員使用了有限元模型的方法或剛體模型的方法。大量的工作都以有限元方法為基礎被報道[參考文獻1-8]。隨著得墨忒耳[8]，這種方法的限制是需要較大的模型和計算成本。同時，多數(shù)的有限元基礎研究人員一直重點關注的夾具布局優(yōu)化和夾緊力的優(yōu)化還沒有得到充分討論，也有少數(shù)的研究人員通過對剛性模型[9-11]對夾緊力進行了優(yōu)化，剛型模型幾乎被近似為一個規(guī)則完整的形狀。得墨忒耳[12，13]用螺釘理論解決的最低夾緊力，總的問題是制定一個線性規(guī)劃，其目的是盡量減少在每個定位點調整夾緊力強度的法線接觸力。接觸摩擦力的影響被忽視，因為它較法線接觸力相對較小，由于這種方法是基于剛體假設，獨特的三維夾具可以處理超過6個自由度的裝夾，復和倪[14]也提出迭代搜索方法，通過假設已知摩擦力的方向來推導計算最小夾緊力，該剛體分析的主要限制因素是當出現(xiàn)六個以上的接觸力是使其靜力不確定，因此，這種方法無法確定工件移位的唯一性。
這種限制可以通過計算夾具——工件系統(tǒng)[15]的彈性來克服，對于一個相對嚴格的工件，該夾具在機械加工工件的位置會受夾具點的局部彈性變形的強烈影響。Hockenberger和得墨忒耳[16]使用經驗的接觸力變形的關系（稱為元功能），解決由于夾緊和準靜態(tài)加工力工件剛體位移。同一作者還考察了加工工件夾具位移對設計參數(shù)的影響[17]。桂 [18] 等 通過工件的夾緊力的優(yōu)化定位精度彈性接觸模型對報告做了改善，然而，他們沒有處理計算夾具與工件的接觸剛度的方法，此外，其算法的應用沒有討論機械加工刀具路徑負載有限序列。李和Melkote [19]和烏爾塔多和Melkote [20]用接觸力學解決由于在加載夾具夾緊點彈性變形產生的接觸力和工件的位移，他們還使用此方法制定了優(yōu)化方法夾具布局[21]和夾緊力[22]。但是，關于multiclamp系統(tǒng)及其對工件精度影響的夾緊力的優(yōu)化并沒有在這些文件中提到 。
本文提出了一種新的算法，確定了multiclamp夾具工件系統(tǒng)受到準靜態(tài)加載的最佳夾緊力為基礎的彈性方法。該法旨在盡量減少影響由于工件夾緊位移和加工荷載通過系統(tǒng)優(yōu)化夾緊力的一部分定位精度。接觸力學模型，用于確定接觸力和位移，然后再用做夾緊力優(yōu)化，這個問題被作為多目標約束優(yōu)化問題提出和解決。通過兩個例子分析工件夾緊力的優(yōu)化對定位精度的影響，例子涉及的銑削夾具3-2-1布局。
1． 夾具——工件聯(lián)系模型
1．1 模型假設
該加工夾具由L定位器和帶有球形端的c形夾組成。工件和夾具接觸的地方是線性的彈性接觸，其他地方完全剛性。工件——夾具系統(tǒng)由于夾緊和加工受到準靜態(tài)負載。夾緊力可假定為在加工過程中保持不變，這個假設是有效的，在對液壓或氣動夾具使用。在實際中，夾具工件接觸區(qū)域是彈性分布，然而，這種模式的發(fā)展，假設總觸剛度（見圖1）第i夾具接觸力局部變形如下：
(1) 其中（j=x，y，z）表示，在當?shù)刈幼鴺讼登芯€和法線方向的接觸剛度
第 19 頁 共 15 頁
圖1 彈簧夾具——
工件接觸模型。
表示在第i個
接觸處的坐標系
（j=x，y，z）是對應沿著xyz方向的彈性變形，分別 （j= x，y，z）的代表和切向力接觸 ，法線力接觸。
1．2 工件——夾具的接觸剛度模型
集中遵守一個球形尖端定位，夾具和工件的接觸并不是線性的，因為接觸半徑與隨法線力呈非線性變化 [23]。由于法線力接觸變形作用于半徑和平面工件表面之間，這可從封閉赫茲的辦法解決縮進一個球體彈性半空間的問題。對于這個問題， 是法線的變形，在[文獻23 第93頁]中給出如下：
（2）
其中式中 和是工件和夾具的彈性模量，、分別是工件和材料的泊松比。
切向變形沿著和切線方向）硅業(yè)切力距有以下形式[文獻23第217頁]
（3）
其中、 分別是工件和夾具剪切模量
一個合理的接觸剛度的線性可以近似從最小二乘獲得適合式 （2），這就產生了以下線性化接觸剛度值：在計算上述的線性近似，
（4）
(5)
正常的力被假定為從0到1000N，且最小二乘擬合相應的R2值認定是0.94。
2．夾緊力優(yōu)化
我們的目標是確定最優(yōu)夾緊力，將盡量減少由于工件剛體運動過程中，局部的夾緊和加工負荷引起的彈性變形，同時保持在準靜態(tài)加工過程中夾具——工件系統(tǒng)平衡，工件的位移減少，從而減少定位誤差。實現(xiàn)這個目標是通過制定一個多目標約束優(yōu)化問題的問題，如下描述。
2.1 目標函數(shù)配方
工件旋轉，由于部隊輪換往往是相當小[17]的工件定位誤差假設為確定其剛體翻譯基本上，其中 、、和 是 沿，和三個正交組件（見圖2）。
圖2 工件剛體平移和旋轉
工件的定位誤差歸于裝夾力，然后可以在該剛體位移的范數(shù)計算如下：
（6）
其中表示一個向量二級標準。
但是作用在工件的夾緊力會影響定位誤差。當多個夾緊力作用于工件，由此產生的夾緊力為,有如下形式：
（7）
其中夾緊力是矢量，夾緊力的方向矩陣，是夾緊力是矢量的方向余弦，、和 是第i個夾緊點夾緊力在、和方向上的向量角度（i=1、2、3...,C）。
在這個文件中，由于接觸區(qū)變形造成的工件的定位誤差，被假定為受的作用力是法線的，接觸的摩擦力相對較小，并在進行分析時忽略了加緊力對工件的定位誤差的影響。意指正常接觸剛度比，是通過（i=1，2…L）和最小的所有定位器正常剛度相乘，并假設工件、、取決于、、的方向，各自的等效接觸剛度可有下式計算得出（見圖3），工件剛體運動，歸于夾緊行動現(xiàn)在可以寫成：
(8)
工件有位移，因此，定位誤差的減小可以通過盡量減少產生的夾緊力向量 范數(shù)。因此，第一個目標函數(shù)可以寫為：
最小化 （9）
要注意，加權因素是與等效接觸剛度成正比的在、和 方向上。通過使用最低總能量互補參考文獻[15，23]的原則求解彈性力學接觸問題得出A的組成部分是唯一確定的，這保證了夾緊力和相應的定位反應是“真正的”解決方案，對接觸問題和產生的“真正”剛體位移，而且工件保持在靜態(tài)平衡，通過夾緊力的隨時調整。因此，總能量最小化的形式為補充的夾緊力優(yōu)化的第二個目標函數(shù)，并給出：
最小化 （10）
其中代表機構的彈性變形應變能互補，代表由外部力量和力矩配合完成，是遵守對角矩陣的， 和是所有接觸力的載體。
如圖3 加權系數(shù)計算確定的基礎
內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計（外文翻譯）
2.2 摩擦和靜態(tài)平衡約束
在（10）式優(yōu)化的目標受到一定的限制和約束，他們中最重要的是在每個接觸處的靜摩擦力約束。庫侖摩擦力的法律規(guī)定（是靜態(tài)摩擦系數(shù)）,這方面的一個非線性約束和線性化版本可以使用，并且[19]有：
（11）
假設準靜態(tài)載荷，工件的靜力平衡由下列力和力矩平衡方程確保（向量形式）：
(12)
其中包括在法線和切線方向的力和力矩的機械加工力和工件重量。
2.3界接觸力
由于夾具——工件接觸是單側面的，法線的接觸力只能被壓縮。這通過以下的的約束表（i=1，2…,L+C） （13）
它假設在工件上的法線力是確定的，此外，在一個法線的接觸壓力不能超過壓工件材料的屈服強度（）。這個約束可寫為：
（i=1，2，…,L+C） (14)
如果是在第i個工件——夾具的接觸處的接觸面積，完整的夾緊力優(yōu)化模型，可以寫成：最小化 (15)
3．模型算法求解
式（15）多目標優(yōu)化問題可以通過求解約束[24]。這種方法將確定的目標作為首要職能之一，并將其轉換成一個約束對。該補充（）的主要目的是處理功能，并由此得到夾緊力（）作為約束的加權范數(shù)最小化。對為主要目標的選擇，確保選中一套獨特可行的夾緊力，因此，工件——夾具系統(tǒng)驅動到一個穩(wěn)定的狀態(tài)（即最低能量狀態(tài)），此狀態(tài)也表示有最小的夾緊力下的加權范數(shù)。 的約束轉換涉及到一個指定的加權范數(shù)小于或等于，其中是 的約束，假設最初所有夾緊力不明確，要確定一個合適的。在定位和夾緊點的接觸力的計算只考慮第一個目標函數(shù)（即）。雖然有這樣的接觸力，并不一定產生最低的夾緊力，這是一個“真正的”可行的解決彈性力學問題辦法，可完全抑制工件在夾具中的位置。這些夾緊力的加權系數(shù)，通過計算并作為初始值與比較，因此，夾緊力式（15）的優(yōu)化問題可改寫為:
最小化 （16）
由： (11)–(14) 得。
類似的算法尋找一個方程根的二分法來確定最低的上的約束, 通過盡可能降低上限，由此產生的最小夾緊力的加權范數(shù)。 迭代次數(shù)K，終止搜索取決于所需的預測精度和，有參考文獻[15]：
（17）
其中表示上限的功能，完整的算法在如圖4中給出。
圖4 夾緊力的優(yōu)化算法（在示例1中使用）。 圖5 該算法在示例2使用
4． 加工過程中的夾緊力的優(yōu)化及測定
上一節(jié)介紹的算法可用于確定單負載作用于工件的載體的最佳夾緊力，然而，刀具路徑隨磨削量和切割點的不斷變化而變化。因此，相應的夾緊力和最佳的加工負荷獲得將由圖4算法獲得，這大大增加了計算負擔，并要求為選擇的夾緊力提供標準， 將獲得滿意和適宜的整個刀具軌跡 ，用保守的辦法來解決下面將被討論的問題，考慮一個有限的數(shù)目（例如m）沿相應的刀具路徑設置的產生m個最佳夾緊力，選擇記為， ， …,在每個采樣點，考慮以下四個最壞加工負荷向量：
(18)、和表示在、和方向上的最大值，、和上的數(shù)字1，2，3分別代替對應的和另外兩個正交切削分力，而且有：
雖然4個最壞情況加工負荷向量不會在工件加工的同一時刻出現(xiàn)，但在每次常規(guī)的進給速度中，刀具旋轉一次出現(xiàn)一次，負載向量引入的誤差可忽略。因此，在這項工作中，四個載體負載適用于同一位置，（但不是同時）對工件進行的采樣 ，夾緊力的優(yōu)化算法圖4，對應于每個采樣點計算最佳的夾緊力。夾緊力的最佳形式有：
(i=1,2,…,m) (j=x,y z,r) (19)
其中是最佳夾緊力的四個情況下的加工負荷載體，(C=1，2，…C)是每個相應的夾具在第i個樣本點和第j負荷情況下力的大小。是計算每個負載點之后的結果，一套簡單的“最佳”夾緊力必須從所有的樣本點和裝載條件里發(fā)現(xiàn)，并在所有的最佳夾緊力中選擇。這是通過在所有負載情況和采樣點排序，并選擇夾緊點的最高值的最佳的夾緊力，見于式 （20）：
（k=1，2，…，C） （20）
只要這些具備，就得到一套優(yōu)化的夾緊力，驗證這些力，以確保工件夾具系統(tǒng)的靜態(tài)平衡。否則，會出現(xiàn)更多采樣點和重復上述程序。在這種方式中，可為整個刀具路徑確定“最佳”夾緊力 ，圖5總結了剛才所描述的算法。請注意，雖然這種方法是保守的，它提供了一個確定的夾緊力，最大限度地減少工件的定位誤差的一套系統(tǒng)方法。
5．影響工件的定位精度
它的興趣在于最早提出了評價夾緊力的算法對工件的定位精度的影響。工件首先放在與夾具接觸的基板上，然后夾緊力使工件接觸到夾具，因此，局部變形發(fā)生在每個工件夾具接觸處，使工件在夾具上移位和旋轉。隨后，準靜態(tài)加工負荷應用造成工件在夾具的移位。工件剛體運動的定義是由它在、和方向上的移位和自轉（見圖2），
如前所述，工件剛體位移產生于在每個夾緊處的局部變形，假設為相對于工件的質量中心的第i個位置矢量定位點，坐標變換定理可以用來表達在工件的位移，以及工件自轉如下: (21)
其中表示旋轉矩陣,描述當?shù)卦诘趇幀相聯(lián)系的全球坐標系和是一個旋轉矩陣確定工件相對于全球的坐標系的定位坐標系。假設夾具夾緊工件旋轉，由于旋轉很小，故也可近似為：
（22）
方程（21）現(xiàn)在可以改寫為： （23）
其中是經方程（21）重新編排后變換得到的矩陣式，是夾緊和加工導致的工件剛體運動矢量。工件與夾具單方面接觸性質意味著工件與夾具接觸處沒有拉力的可能。因此，在第i裝夾點接觸力可能與的關系如下：
（24）
其中是在第i個接觸點由于夾緊和加工負荷造成的變形，意味著凈壓縮變形，而負數(shù)則代表拉伸變形; 是表示在本地坐標系第i個接觸剛度矩陣，是單位向量. 在這項研究中假定液壓/氣動夾具，根據對外加工負荷，故在法線方向的夾緊力的強度保持不變，因此，必須對方程（24）的夾緊點進行修改為：
（25）
其中是在第i個夾緊點的夾緊力，讓表示一個對外加工力量和載體的6×1矢量。并結合方程（23）—（25）與靜態(tài)平衡方程，得到下面的方程組：
（26）
其中，其中表示相乘。由于夾緊和加工工件剛體移動，q可通過求解式（26）得到。工件的定位誤差向量， （見圖6），
現(xiàn)在可以計算如下： （27）
其中是考慮工件中心加工點的位置向量，且
6．模擬工作
較早前提出的算法是用來確定最佳夾緊力及其對兩例工件精度的影響例如：
1．適用于工件單點力。
2．應用于工件負載準靜態(tài)銑削序列
如左圖7 工件夾具配置中使用的模擬研究 工件夾具定位聯(lián)系; 、和全球坐標系。
3-2-1夾具圖7所示，是用來定位并控制7075 - T6鋁合金（127毫米×127毫米×38.1毫米）的柱狀塊。假定為球形布局傾斜硬鋼定位器/夾具在表1中給出。工件——夾具材料的摩擦靜電對系數(shù)為0.25。使用伊利諾伊大學開發(fā)EMSIM程序[參考文獻26] 對加工瞬時銑削力條件進行了計算，如表2給出例（1），應用工件在點（109.2毫米，25.4毫米，34.3毫米）瞬時加工力，圖4中表3和表4列出了初級夾緊力和最佳夾緊力的算法 。該算法如圖5所示 ，一個25.4毫米銑槽使用EMSIM進行了數(shù)值模擬，以減少起步（0.0毫米，25.4毫米，34.3毫米）和結束時（127.0毫米，25.4毫米，34.3毫米）四種情況下加工負荷載體，
（見圖8）。模擬計算銑削力數(shù)據在表5中給出。
圖8最終銑削過程模擬例如2。
表6中5個坐標列出了為模擬抽樣調查點。最佳夾緊力是用前面討論過的排序算法計算每個采樣點和負載載體最后的夾緊力和負載。
7．結果與討論
例如算法1的繪制最佳夾緊力收斂圖9，
圖9
對于固定夾緊裝置在圖示例假設（見圖7），由此得到的夾緊力加權范數(shù)有如下形式：.結果表明，最佳夾緊力所述加工條件下有比初步夾緊力強度低得多的加權范數(shù)，最初的夾緊力是通過減少工件的夾具系統(tǒng)補充能量算法獲得。由于夾緊力和負載造成的工件的定位誤差，如表7。結果表明工件旋轉小，加工點減少錯誤從13.1％到14.6％不等。在這種情況下，所有加工條件改善不是很大，因為從最初通過互補勢能確定的最小化的夾緊力值已接近最佳夾緊力。圖5算法是用第二例在一個序列應用于銑削負載到工件，他應用于工件銑削負載一個序列。最佳的夾緊力，，對應列表6每個樣本點，隨著最后的最佳夾緊力，在每個采樣點的加權范數(shù)和最優(yōu)的初始夾緊力繪圖10，在每個采樣點的加權范數(shù)的，，和繪制。
結果表明，由于每個組成部分是各相應的最大夾緊力，它具有最高的加權范數(shù)。如圖10所示，如果在每個夾緊點最大組成部分是用于確定初步夾緊力，則夾緊力需相應設置，有比相當大的加權范數(shù)。故是一個完整的刀具路徑改進方案。上述模擬結果表明，該方法可用于優(yōu)化夾緊力相對于初始夾緊力的強度，這種做法將減少所造成的夾緊力的加權范數(shù)，因此將提高工件的定位精度。
圖10
8．結論
該文件提出了關于確定多鉗夾具，工件受準靜態(tài)加載系統(tǒng)的優(yōu)化加工夾緊力的新方法。夾緊力的優(yōu)化算法是基于接觸力學的夾具與工件系統(tǒng)模型，并尋求盡量減少應用到所造成的工件夾緊力的加權范數(shù)，得出工件的定位誤差。該整體模型，制定一個雙目標約束優(yōu)化問題，使用-約束的方法解決。該算法通過兩個模擬表明，涉及3-2-1型，二夾銑夾具的例子。今后的工作將解決在動態(tài)負載存在夾具與工件在系統(tǒng)的優(yōu)化，其中慣性，剛度和阻尼效應在確定工件夾具系統(tǒng)的響應特性具有重要作用。
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南 京 工 程 學 院
畢業(yè)設計說明書(論文)
作 者： 學 號：
系 部：
專 業(yè)：
題 目：A型齒輪油泵泵體進出油口端面螺紋底
孔2×M6鉆夾具3D設計【三維SW】
指導者：
(姓 名) (專業(yè)技術職務) 注：打印時刪除
評閱者：
(姓 名) (專業(yè)技術職務) 注：打印時刪除
注：
20 年 月 南 京
畢業(yè)設計說明書（論文）中文摘要
在機械制造各行業(yè)的工藝過程中廣泛應用著各種不同的，用以固定加工對象，使之占有正確位置，以便接受施工的一種工藝裝備，統(tǒng)稱為夾具。因此，無論是在機械加工，裝配，檢驗，還是在焊接，熱處理等冷，熱工藝中，以及運輸工作中都大量采用夾具。但在機械加工中應用最為廣泛的是金屬切削機床上使用的夾具，我們稱其為機床夾具。它在保證產品優(yōu)質，高產，低成本，充分發(fā)揮現(xiàn)有設備的潛力，以便工人掌握復雜或精密零件加工技術，以減輕繁重的體力勞動等諸方面起著巨大的作用。因此，機床夾具的設計和使用是促進生產迅速發(fā)展的重要工藝措施之一。為此，在本次畢業(yè)設計時，選擇了機床夾具設計。
本文主要圍繞機床鉆孔夾具設計為中心。用以鉆A型齒輪油泵泵體零件，首先通過參觀實習讓我們對夾具設計有了初步的了解，特別是對鉆模夾具設計的了解更為深刻。然后，在導師的指導下，對夾具設計方案進行分析和選擇。選定方案后，。通過查閱相關夾具設計書籍和相關圖例在鉆孔夾具設計過程中，。在查閱了相關文獻后完成外文翻譯。參考相關資料完成夾具的總體設計。
關鍵詞 機械；夾具；鉆模；加工
南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文）
畢業(yè)設計說明書（論文）外文摘要
Title A type gear pump oil outlet end thread bottom 2 * M6 fixture 3D design
Abstract
Machinery manufacturing industries in the process of a wide variety of applications for processing a fixed object, so that it occupies the correct position in order to receive a construction technology and equipment, collectively referred to as the fixture. Therefore, whether in the machinery processing, assembly, testing, or in welding, heat treatment, such as cold, heat process, and transport are a lot of work in a fixture. But in machining is the most widely used metal-cutting machine tools for use on the fixture, we called for the machine tool fixture. It guarantees high-quality products, high-yield, low-cost, bring into full play the potential of existing equipment, so that workers have complicated or sophisticated parts processing technologies, to reduce the heavy physical labors, and other aspects play a hSOLIDWORKSe role. Therefore, the fixture of the machine is designed to promote the production and use of the rapid development of one of the important process.
This article mainly revolves the engine bed drill hole jig design is a center. With drills the HBC6700 azimuth training gear shell, first let us throSOLIDWORKSh the visit practice have the preliminary understanding to the jig design, was specially more profound to the lap type jig jig design's understanding. Then, under teacher's instruction, carries on the analysis and the choice to the jig design proposal. After designating the plan. ThroSOLIDWORKSh consult related jig design books and related chart of symbols in drill hole jig design process. After having consulted the related literature completes the foreign language translation. Refers to the correlation data to complete jig's system design.
Keywords machinery；Fixture；Jig；processing
目 錄
第1章 緒論 1
1.1 鉆孔夾具方案設計 1
1.2 了解夾具總體設計的要求 1
1.3 鉆床的發(fā)展趨勢 2
1.4鉆床夾具的概述 3
1.4.1鉆床夾具的特點 3
1.4.2鉆床夾具的主要類型 3
1.4.3鉆模類型選擇 4
1.4.4鉆套的選擇 4
1.4.5鉆模板類型 5
第2章 鉆床夾具設計特點 6
2.1 確定夾具的類型 6
2.2 鉆模的主要類型 6
2.3 明確設計任務，了解零件加工工藝過程 7
2.3.1 熟悉工件零件圖、本工序加工要求 7
2.3.2 熟悉零件加工工藝過程 7
2.4 確定定位方案 7
第3章 工件的夾緊計算及其選擇 9
3.1 工件的夾緊 9
3.1.1 夾緊基本原理理論 9
3.1.2 夾緊座 10
3.1.3 夾緊壓板 10
3.1.4 夾緊螺釘 11
3.2 夾緊力的選擇 12
3.2.1 夾緊力方向 12
3.2.2 夾緊力的作用點 12
3.2.3 夾緊力的計算 12
3.2.4 夾具精度計算與分析 14
第4章 夾具結構分析與設計 15
4.1 夾具的夾緊裝置和定位裝置 15
4.2 夾具的導向 16
4.3 鉆孔與工件之間的切屑間隙 19
4.4 鉆模板 20
4.5定位誤差的分析 21
4.6 鉆套、襯套、鉆模板設計與選用 21
4.7 確定夾具體結構和總體結構 23
4.8 三維裝配圖SOLIDWORKS建模 24
4.9 夾具設計及操作的簡要說明 26
結 論 27
致 謝 29
參考文獻 30
26
第1章 緒論
1.1 鉆孔夾具方案設計
方案設計是夾具設計的重要階段，它在分析各種原始資料的基礎上，要完成下列設計工作：[1]
① 研究殼體零件原始資料，明確設計要求。
② 擬訂鉆孔夾具結構方案，繪制夾具結構草圖。
③ 繪制夾具總圖，標注有關尺寸及技術要求。
④ 繪制零件圖。
從另外一方面來說，機床夾具設計是工藝裝備設計中的一個重要組成部分，是保證產品質量和提高勞動生產率的一項重要技術措施。在設計過程中應深人實際，進行調查研究，吸取國內外的先進技術，制定出合理的設計方案，再進行具體的設計。而深入生產實際調查研究中，應當掌握下面的一些資料：[1]
(1)工件圖紙；詳細閱讀工件的圖紙，了解工件被加工表面是技術要求，該零件在機器中的位置和作用，以及裝置中的特殊要求。
(2)工藝文件：了解工件的工藝過程，本工序的加工要求，工件被加工表面及待加工面狀況，基準面選擇的情況，可用機床設備的主要規(guī)格，與夾具連接部分的尺寸及切削用量等。
(3)生產綱領：夾具的結構形式應與工件的批量大小相適應，做到經濟合理。
在本次畢業(yè)設計的夾具要求是中小批量生產的夾具設計。
(4)制造與使用夾具的情況，有無通用零部件可供選用。工廠有無壓縮空氣站；制造和使用夾具的工人的技術狀況等。
夾具的出現(xiàn)可靠地保證加工精度，提高整體工作效率，減輕勞動強度，充分發(fā)揮和擴大機床的工藝性能。
1.2 了解夾具總體設計的要求
1）夾具應滿足零件加工工序的精度要求。特別對于精加工工序，
應適當提高夾具的精度，以保證工件的尺寸公差和形狀位置公差等。
2）夾具應達到加工生產率的要求。特別對于大批量生產中使用的
夾具，應設法縮短加工的基本時間和輔助時間。
3）夾具的操作要方便、安全。按不同的加工方法，可設置必要的
防護裝置、擋屑板以及各種安全器具。
4）能保證夾具一定的使用壽命和較低的夾具制造成本。夾具元件
的材料選用將直接影響夾具的使用壽命。因此，定位元件以及主要元件宜采用力學性能較好的材料。夾具的低成本設計在世界各國都以相當重視。為此，夾具的復雜程度應與工件的生產批量相適應。在大批量生產中。宜采用氣壓、液壓等高效夾緊裝置；而小批量生產，則宜采用較簡單的夾具結構。
5）要適當提高夾具元件的通用化和標準程度。選用標準化元件，
特別應選用商品化的標準元件，以縮短夾具制造周期，從而降低夾具成本。
6）必須具有良好的結構工藝性，以便夾具的制造、使用和維修。
以上要求有時是互相矛盾的，故應在全面考慮的基礎上，處理好主要矛盾，使之達到較好的效果。例如鉆模設計中，通常側重于生產率的要求。
1.3 鉆床的發(fā)展趨勢
鉆床系指主要用鉆頭在工件上加工孔的機床。通常鉆頭旋轉為主運動，鉆頭軸向移動為進給運動。鉆床結構簡單，加工精度相對較低，可鉆通孔、盲孔，更換非凡刀具，可擴、锪孔，鉸孔或進行攻絲等加工。鉆床可分為下列類型：
(1)臺式鉆床：可安放在作業(yè)臺上，主軸垂直布置的小型鉆床。
(2)立式鉆床：主軸箱和工作臺安置在立柱上，主軸垂直布置的鉆床。
(3)搖臂鉆床：搖臂可繞立柱回轉、升降，通常主軸箱可在搖臂上作水平移動的鉆床。它適用于大件和不同方位孔的加工。
(4)銑鉆床：工作臺可縱橫向移動，鉆軸垂直布置，能進行銑削的鉆床。
(5)深孔鉆床：使用特制深孔鉆頭，工件旋轉，鉆削深孔的鉆床。
(6)平端面中心孔鉆床：切削軸類端面和用中心鉆加工的中心孔鉆床。
(7)臥式鉆床：主軸水平布置，主軸箱可垂直移動的鉆床
鉆床相關標準與其他金屬切削機床相關標準大體相同，其專用標準有：GB6477.4-86《金屬切削機床術語鉆床》，GB2815-89、JB/T5763-91《鉆床聯(lián)接尺寸標準》，GB9461-88、JB/Z108-89《搖臂鉆床參數(shù)及系列型譜標準》等，出口產品不得低于一等品。
主要生產廠家有：中捷友誼廠、沙市第一機床廠、寧夏大河機床廠、魯南機床廠、保定鉆床廠等。鉆床主要出口日本、東南亞、歐、美、非洲及港、澳等30余個國家及地區(qū)。
1.4鉆床夾具的概述
鉆床夾具：用干各種鉆床（鏜床組合機床）上的夾具，又稱鉆模，鏜模。主要目的保證孔的精度（位置）。要想對鉆床夾具有深刻的了解，就要先知道鉆床夾具的特點。
1.4.1鉆床夾具的特點
在一般鉆床對工件進行空加工，多具一下特點:
首先是刀具本身的剛性比較差。鉆床上所加工的空多為小尺寸的孔，其工序內容不外乎鉆、擴、鉸、锪或攻螺紋等加工，所以，刀具直徑往往比較小，而軸向尺寸比較啊，刀具的剛性均較差。
其次是多刃刀的不對稱，易造成空的形位公差。鉆、擴、鉸等孔加工刀具，多為多刃刀具，當?shù)度蟹植疾粚ΨQ，或刀刃分布不對稱，或刀刃長度不等，會造成被加工孔的制造誤差，尤其是采用普通麻花鉆鉆孔，手工刃磨鉆頭所造成的兩側不對稱，極易造成被加工孔的孔位偏移、孔徑增大及孔軸線的彎曲和歪斜，嚴重影響孔的形狀、位置精度。
再有就是普通麻花鉆頭起鉆時，孔的精度極差。普通麻花鉆軸向尺寸大，結構剛性差，加上鉆心結構所形成的橫刃，破壞定心，使鉆尖運動布穩(wěn)定，往往在起鉆過程造成較大的孔位誤差。在單件、小批量生產種中，往往要考操作工在起鉆過程中不斷地進行人工矯正控制孔位精度，而在大批生產中，則需依靠刀刃結構的改進和夾具對刀具的嚴格引導解決。
綜合以上孔加工特點，鉆床夾具的主要任務是解決好工件相對刀具的正確加工位置的嚴格控制問題。在大批量生產中，為有自傲解決鉆頭鉆孔的精度不穩(wěn)定的問題，多直接設置帶有刀具引導的鉆模板，對鉆頭進行正確引導和對孔位進行強制性限制。尤其是對箱體、蓋板類工件的鉆孔，往往要同時有多支鉆頭一次性鉆出眾多的孔，為保證加工孔隙的位置精度，一定要通過一塊精確的模版，把多個孔位由引導限制好。這種用來正確引導鉆頭控制孔位精度的模版。專業(yè)化、高效生產中的鉆床夾具，通常具有較精確的鉆模版，以正確、快速地引導鉆頭控制孔位精度，這是鉆床夾具的最主要的特點。所以，習慣上又把鉆床夾具稱為鉆模。為防止鉆刃破壞鉆模板上引導孔的孔壁，多在引導孔中設置高硬度的鉆套，以維持鉆模板的孔系精度。
對鉆床夾具的類型要有一定的認知。
1.4.2鉆床夾具的主要類型
鉆床加工中對不同的加工工件所選著的夾具體液是不同的。因此根據經驗人們總結了以下不同工件加工的主要夾具。它們主要是：
1.固定式：夾具與機床上位置固定不變，用于立鉆，搖臂鉆加工大件等
2.回轉式：用于同一圓周上的孔系加工。它包括立軸、臥軸和斜軸回轉三種基本型式。
3.移動式：鉆模移動，用于加工同一表面上的多個孔中小型工件
4、翻轉式：鉆模板轉動一定角度，用于加工不同表面上的孔，翻轉點力，
5、蓋板式：沒有夾具體，模板蓋在工件上加工
6、滑柱式：升降鉆模板的通用可調夾具
根據不同工件的加工，因此我們也要對鉆模由工件的形狀和加工要求進行選擇。
1.4.3鉆模類型選擇
鉆模類型多，在設計時，要根據工件的形狀、重量、加工要求和批量來選型：被鉆孔徑>10mm，或加工精度較高時，宜用固定鉆模。不同表面上的孔，總G<100N，中、小型工件，宜用翻轉鉆模。當分布在不同心圓周上的孔系，總G<150N，宜用回轉式鉆模。當G>150N,宜用固定鉆模，在搖臂鉆加工，量大時用立鉆多軸加工。垂直度與孔間距要求不高時，用滑柱式鉆模。若加工大件上的小孔時，宜用蓋式鉆模。
為了提高鉆孔的精度，可以通過鉆套來來引導刀具的位置，保證孔加工的精度。但由于加工工件的量大小和孔位置特殊，所以鉆套也分為以下幾種。
1.4.4鉆套的選擇
鉆套和鉆模板是鉆床夾具的特殊元件。鉆套的作用是確定被加工孔的位置和引導刀具加工，鉆套裝配在模板上，用鉆套比不用鉆套可減少50%以上的誤 差。其結構尺寸已標準化：
1）固定鉆套：配合H7/n6,H7/r6,結構簡單，精度高，適用于單孔或小批生產。
2）可換鉆套：H7/g5,H7/g6，間隙配合裝入襯套內，用螺釘固定
3）快換鉆套：配合H7/g5,H7/g6,結構與上述不同，不用固定螺釘便可更換。適用于加工多，更換不同孔經的鉆套。
上述鉆套標準化。還有一種特殊故鉆套。
4）特殊鉆套：適用于工件結構形狀和被加工孔的位置特殊 性，標準鉆套不滿足時用的鉆套。
鉆套的安裝也是非常重要的，因此鉆模板可以通過合理的設計將鉆套定位安裝，從而保證孔的加工位置。鉆模板通常裝配在夾具體或支架上，或與夾具上的其它元件相連接。常見的有如下幾種類型：
1.4.5鉆模板類型
A固定式鉆模板：鉆模板和夾具體或支架是用固定方法相連接，一般采用兩個圓錐銷和螺釘裝配連接；對于簡單的結構也可采用整體的鑄造或焊接結構。
B鉸鏈式鉆模板： 當鉆模板妨礙工件裝卸等工作時，可用活動鉸鏈把鉆模板與夾具體相連接。
C可卸式鉆模板
D懸掛式鉆模板： 在立式鉆床上采用多軸傳動頭進行平行孔系加工時，所用的鉆模板就連接在傳動箱上，并隨機床主軸往復移動。這種鉆模板簡稱為懸掛式鉆模板
南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文）
第2章 鉆床夾具設計特點
2.1 確定夾具的類型
按使用范圍，夾具可分為通用夾具和專用夾具兩類。通用夾具適用于各種不同尺寸的零件加工，如導尺、分度盤等。這類夾具是作為附件與機床一起配套供應的。專用夾具是專門為某一工件在某一工序進行加工而設計的夾具，如在銑床上加工彎曲零件必須采用相應的夾具，在壓刨上加工斜面、曲面也要采用專用夾具。
2.2 鉆模的主要類型
鉆床專用夾具一般通稱為“鉆?！??？砂淬@模有無夾具體，以及夾具體是否可動，而分為下面幾類：[1]
1.固定式鉆模
這種鉆模在使用時，是被固定在鉆床工作臺。用于在立軸式鉆床上加工較大的單孔或在搖臂鉆床上加工平行孔系。如果要在立式鉆床上使用固定式鉆模加工平行空系，則需要在機床主軸上安裝鉆模時，一般先將裝在主軸上的定尺刀具伸入鉆套中，以確定鉆模的位置，然后將其緊固。這種加工方式的鉆孔精度比較高。
2.回轉式鉆模
回轉式鉆模主要用于加工同一圓周面上的平行孔系，或分布在圓周上的徑向孔。有立軸、臥軸和斜軸回轉等三種基本形式。由于回轉臺已標準化，并作為機床附件由專門廠生產供應，固回轉式鉆模的設計，大多數(shù)情況是設計專用的工作夾具和標準回轉臺聯(lián)合使用。
3.翻轉式鉆模
主要用于加工小型工件不同表面上的孔。使用翻轉式鉆?？蓽p少工件裝夾的次數(shù)，提高工件上各孔之間的位置精度。
4.蓋板式鉆模
這種鉆模無夾具體，其定位元件和夾緊裝置直接裝在鉆模板上。鉆模板在工件上裝夾，適合于體積大而笨重的工件上的小孔加工。夾具、結構簡單輕便，易清除切屑；但是每次夾具需從工件上裝卸，較費時，故此鉆模的質量一般不宜超過10 kg。
5.滑柱式鉆模
滑柱式鉆模的結構已經標準化了和規(guī)格化了，具有不同的系列。使用時，只要根據工件的形狀、尺寸和加工要求等具體情況，專門設計制造相應的定位、夾緊裝置和鉆套等，裝在夾具體的平臺或鉆模板上的適當位置，就可用于加工。
2.3 明確設計任務，了解零件加工工藝過程
2.3.1 熟悉工件零件圖、本工序加工要求
圖2.3 加工零件圖
該零件為HT200鋼；零件圖如上圖2.3，中批量生產；該工序在立式鉆床上用鉆頭工。由零件圖可知，所設計的夾具應滿足以下工序加工要求：
1.2-M6螺紋底孔夾角180度。
2. 2-M6螺紋底孔至工件中心位置尺寸32mm。
2.3.2 熟悉零件加工工藝過程
1.粗銑前后兩端面 2.精銑前后兩端面 4. 銑2-M6所在平面加工工序
5.鉆鉸孔φ48H7 6.鉆孔以上銑削1、2、3、4工序均在X52K銑床上加工，工序5、6在Z525立式鉆床上加工。
2.4 確定定位方案
根據工件的加工要求，該工序必須限制工件的五個自由度。建立坐標系如圖2.2所示。為保證通孔底面至工件B面的垂直度，應選B面為定位基面，限制；為保證工序尺寸80 mm，須限制、，所以選取A面為定位基面；為保證3-φ10通孔對孔軸線的對稱度要求，還必須在加工時限制自由度。另外，為了方便控制刀具的走刀位置，還需要限制。
綜上所述，工件的六個自由度均被限制，為使定位基準與設計基準重合，選取的定位基準是2-φ48H7孔和A面。
第3章 工件的夾緊計算及其選擇
3.1 工件的夾緊
3.1.1 夾緊基本原理理論
夾緊的目的是保證工件在夾具中的定位，不致因工時受切削力，重力或伴生離心力，慣性力，熱應力等的作用產生移動或振動。夾緊裝置是夾具完成夾緊作用的一個重要的而不可以缺少的組成部分，除非工件在加工過程中所受到的各種力不會使它離開定位時所需確定的位置，才可以設有夾緊裝置。夾緊裝置設計的優(yōu)劣，對于提高夾緊的精度和加工作效率，減輕勞動強度都有很大的影響。
夾緊對象特征
加工信息特征
夾緊要求特征
動力源項
元功能解項
技術性
經濟性
社會性
應用實例
技術參數(shù)
夾緊功能原理方案設計
功能項
原理解項
評價項
備注項
圖3.1 夾緊功能原理方案設計組成結構
分析各類夾具的基本功能要求可以將夾緊裝置概括為兩類：第一類是性能要求，主要指定位唯一性、定位穩(wěn)定性，夾緊穩(wěn)定性及總體約束；第二類要求是夾具的結構剛性、成本及易操作性、易于維修等要求。本設計目錄中功能項包括夾緊對象特征項、加工信息特征及夾緊要求特征。
夾緊對象特征項目：包括夾緊對象類型、材料、形狀、體積、數(shù)量、物理特性、磁性、導電性、剛性等信息。
加工信息特征項：加工類型、機加工、裝配、檢測、焊接等、加工參數(shù)、切削參數(shù)、運動參數(shù)、幾何參數(shù)等。
夾緊要求特征項：主要指性能要求，包括定位要求、定位基準選擇，如特征點、特征面。夾緊力大小、夾緊方向、夾緊行程、夾緊松開速率，自鎖性等。
元件功能分析：夾緊功能主要包括四種元功能。它們是：定位功能、傳動功能、執(zhí)行功能和分度功能等輔助功能。定位功能由定位元件完成，定位元件按定位面特征分為平面定位元件、圓孔定位元件、外圓定位元件。傳動功能由中間遞力機構完成，該機構一般有三個作用；改變作用力的力一向、大小和自鎖作用。目前常用的有以下機構：斜楔機構、螺旋機構、圓偏心機構、杠桿鉸鏈機構、連桿機構、聯(lián)動機構、對中機構、定心機構等。
設計夾緊裝置時，應滿足下述主要要求：[2]
1.夾緊裝置在對工件夾緊時，不應破壞工件的定位，為此，必須正確選擇夾緊力的方向及著力點。
2.夾緊力的大小應該可靠，適當，要保證工件在夾緊后的變形和受壓表面的損傷不致超出允許的范圍。
3.夾緊裝置結構簡單合理，夾緊動作要迅速，操作方便省力，安全。
4.夾緊力或夾緊行程在一定范圍內可進行調整和補償。
3.1.2 夾緊座
在不考慮重力和其它的伴生力的情況下，夾緊力的大小既與切削力的大小有 關，也與切削力對支承的作用有關。
W=KM(f1Rf1+f2Rf2)N(其中K=K1K2K3K4，K1=1.5~2，K2=1.2，K3=1.1~1.3，K4=1.2)
M為切削扭矩
W=1.8×1.2×1.2×1.2×85×(0.2×7+0.2×7)=740.28(N)
Q 需=KP/(f1+f2)=1.8×1.2×1.2×1.2×100/(0.2+0.2)=777.4N
Q 需為切削力
為簡化夾具的成本及考慮工廠實際情況，擬用螺釘夾緊裝置。計算螺釘?shù)膴A緊力：W=2QL/ D中/tg(α+φ1)。此公式采用中的數(shù)據以M16標準螺紋計算。
α為螺紋升角;t“gα=S/лD中;φ1螺紋摩擦角；D中螺紋中徑；Q人工作用力；其中有f=0.1(螺母端面與工件間的摩擦系數(shù))，φ1=6。34，；計算W=836.8（N）。
很明顯，可以使用螺釘夾緊機構。
夾緊座加工要求：1.表面發(fā)藍或其它的防銹處理；2.熱處理:T10A，淬火HRC60~64；滲碳深度0.2~0.6mm；3.銳邊無毛刺；4.螺紋孔以國家標準的M16配做。
3.1.3 夾緊壓板
夾緊支板和夾緊座的目的相同，都是夾緊工件的，保證在加工過程中工件不移動，限制它的自由度，夾緊支板的工件接觸裝置擬用夾緊螺釘，支板在其中是輔助支承的，最終起決定作用的還是人的操作，不同人操作同樣的夾具或者是在夾緊的過程中用力和速度的不同，都對工件的加工精度有影響。由于取用的夾緊螺釘是一樣的，前面已經計算過了，在此不重復了。[5]具體的結構見零件圖。
螺旋夾緊機構是指螺旋副與其他元件（壓板、墊片、螺釘?shù)龋┫嘟Y合，對工件實施夾緊的機構。螺旋夾緊機構在生產中使用極為普遍。螺旋夾緊機構結構簡單，夾緊行程大，且自鎖性能好，增力比大，是手動夾緊中用的最多的一種夾緊機構。常用的夾緊形式有：單個螺旋夾緊機構、螺旋壓板夾緊機構。
圖3.2 壓板
夾緊壓板加工要求：1.表面發(fā)藍或其它的防銹處理；2.熱處理:T10A，淬火HRC38~45；滲碳深度0.2~0.6mm；3.銳邊無毛刺；4.螺紋孔以國家標準的M27配做。[1] [6]
3.1.4 夾緊螺釘
根據公司的實際情況選用夾緊螺釘，人工操作。節(jié)省成本，制造夾具的時間縮短并以國家標準的規(guī)格生產。
夾緊功能的原理方案設計目錄是設計目錄應用的具體體現(xiàn)，由于夾具種類繁多，如何對其進行抽象化整理，以利于運用設計目錄的結構形式，還需要更深入的研究。建立原理方案設計目錄涉及的知識面較廣，難度較大，目錄本身的構造規(guī)律也很復雜。這里僅作最基本的原理方案設計研究。
為使工件在定位件上所占有的規(guī)定位置在加工過程中保持不變，就要用夾緊裝置將工件夾緊.保證工件的定位基準與夾具上的定位表面可靠的接觸，防止在加工過程中移動、振動、或變形。
因為此套夾具加工的工件剛度較好，防止了切削力作用是所引起的振動，側面在加上移動壓板的定位，免除夾緊力對加工表面幾何形狀精度的不利影響夾具的夾緊選用加工表面的松態(tài)夾緊，夾緊力的作用線不通過加工表面的周圍，使加工表面的材料處在自由狀態(tài)下。
3.2 夾緊力的選擇
3.2.1 夾緊力方向
在保證安裝的真確可靠，減少工件的變形，定位方便和在可以減少所需夾緊力的大小的前提下，此套夾具的夾緊方向和工件重力方向和切削方向相同。工件的定位工作面為垂直方向上，則工件的夾緊通過工件的一個定位銷與水平方向的移動壓塊完成。夾緊力的方向為平行重力方向垂直夾緊。[2]
在本次夾具設計中，夾緊力是由中心螺桿和一邊壓板提供的。
3.2.2 夾緊力的作用點
夾緊力的作用點是指夾緊元件與工件相接觸的一小塊面積?，F(xiàn)在夾緊力的方案已定?？紤]夾具的結構尺寸特征可以確定夾緊力的作用點個數(shù)為2個。
考慮夾緊力作用點的一般要求：[1]
① 夾緊力的作用點應能保持工件定位穩(wěn)定，而不至引起工件發(fā)生位移和偏轉；
② 夾緊力的作用點，應使被夾緊的夾緊變形盡可能的小些；
③ 夾緊力的作用點應盡可能靠近加工表面，以提高定位穩(wěn)定性。
3.2.3 夾緊力的計算
夾緊力的大小重要取決于切削P和重力G，重力是可認為不變的，而切削力在切削的過程中是變化的。影響切削力的大小因素很多，如工件質量的不均勻，加工質量的不均勻，刀具磨損以及切削用量的變化等等。同時夾緊力也和其他因素有關，如夾緊件和工件及工件與定位件間接觸表面的光潔度，工藝系統(tǒng)的剛性等等，因此夾具夾緊力的設計只能對其作初略的估算。
W:實際夾緊力 Wi:理論夾緊力 K:安全系數(shù)
安全系數(shù):K= K1×K2×K3×K4
式中: K1-基本安裝系數(shù) K2-加工安裝系數(shù)
K3-刀具鈍化系數(shù) K4-切削特點系數(shù)
其加工直徑全部為10
刀具：鉆頭 D=5。
則軸向力：見《工藝師手冊》表28.4
F=Cdfk……………………………………3.1
式中： C=420， Z=1.0, y=0.8, f=0.35
k=(
F=420
轉矩
T=Cdfk
式中: C=0.206, Z=2.0, y=0.8
T=0.206
功率 P=
在計算切削力時,必須考慮安全系數(shù),安全系數(shù)
K=KKKK
式中 K—基本安全系數(shù)，1.5;
K—加工性質系數(shù)，1.1;
K—刀具鈍化系數(shù), 1.1;
K—斷續(xù)切削系數(shù), 1.1
則 F=KF=1.5
鉆削時 T=17.34 N
切向方向所受力:
F=
取
F=4416
F> F
所以,時工件不會轉動,故本夾具可安全工作。
3.2.4 夾具精度計算與分析
精度等級的選擇：首先根據所要加工的零件進行分析，看其在各方面的精度及表面粗糙度等的要求。然后，根據設計好的夾具（即零件在夾具上的配合和裝配來確定。
表3 標準公差數(shù)值表（節(jié)錄）
基本尺寸
IT5
IT6
IT7
IT8
IT9
IT10
IT11
IT12
>50~80
13
19
30
46
74
120
190
300
>80~120
15
22
35
54
87
140
220
350
>120~180
18
25
40
563
100
160
250
400
由國家標準推薦的各公差等級的應用范圍可知：
IT5～IT12級用于配合尺寸公差。其中
（1）IT5（孔到IT6）級用于高精度和重要的配合處；
（2）IT6（孔到IT7）級用于要求精密配合的情況；
（3）IT7（孔到IT8）級用于一般精度要求的配合。
選用公差等級時，除上述有關原則和因素外，還應考慮以下問題。
ａ.相關件配合的精度；
ｂ.加工成本。
在本次設計的夾具中可得知零件與夾具體的配合要求較高精度配合，所以選擇(1），而用于定位零件中間的孔和軸，在鉆孔只能夠要求這個孔和軸要有較高的位置度，所以選擇（2），鉆模板和零件上用來定位的插銷，因為它是用來對零件鉆孔裝夾定位的，所以同樣選（2）。
第4章 夾具結構分析與設計
4.1 夾具的夾緊裝置和定位裝置
夾具中的裝夾是由定位和夾緊兩個過程緊密聯(lián)系在一起的。定位問題已在前面研究過，其目的在于解決工件的定位方法和保證必要的定位精度。
僅僅定好位在大多數(shù)場合下，還無法進行加工。只有進而在夾具上設置相應的夾緊裝置對工件進行夾緊，才能完成工件在夾具中裝夾的全部任務。
夾緊裝置的基本任務是保持工件在定位中所獲得的即定位置，以便在切削力、重力、慣性力等外力作用下，不發(fā)生移動和震動，確保加工質量和生產安全。有時工件的定位是在夾緊過程中實現(xiàn)的，正確的夾緊還能糾正工件定位的不正確。
一般夾緊裝置由動源即產生原始作用力的部分。夾緊機構即接受和傳遞原始作用力，使之變?yōu)閵A緊力，并執(zhí)行夾緊任務的部分。他包括中間遞力機構和夾緊元件。
考慮到機床的性能、生產批量以及加工時的具體切削量決定采用手動夾緊。
螺旋夾緊機構是斜契夾緊的另一種形式，利用螺旋桿直接夾緊元件，或者與其他元件或機構組成復合夾緊機構來夾緊工件。是應用最廣泛的一種夾緊機構。
螺旋夾緊機構中所用的螺旋，實際上相當于把契繞在圓柱體上，因此他的作用原理與斜契是一樣的。也利用其斜面移動時所產生的壓力來夾緊工件的。不過這里上是通過轉動螺旋，使繞在圓柱體是的斜契高度發(fā)生變化來夾緊的。
典型的螺旋夾緊機構的特點：
（1）結構簡單；
（2）擴力比大；
（3）自瑣性能好；
（4）行程不受限制；
（5）夾緊動作慢。
夾緊裝置可以分為力源裝置、中間傳動裝置和夾緊裝置，在此套夾具中，中間傳動裝置和夾緊元件合二為一。力源為機動夾緊，通過螺栓夾緊移動壓板。達到夾緊和定心作用。
工件通過定位銷的定位限制了繞Z軸旋轉，通過螺栓夾緊移動壓板，實現(xiàn)對工件的夾緊。并且移動壓板的定心裝置是與工件外圓弧面相吻合的移動壓板，通過精確的圓弧定位，實現(xiàn)定心。此套移動壓板制作簡單，便于手動調整。通過松緊螺栓實現(xiàn)壓板的前后移動，以達到壓緊的目的。壓緊的同時，實現(xiàn)工件的定心，使其定位基準的對稱中心在規(guī)定位置上。
圖4.1 CAD裝配圖
如圖4.1所示在這次夾具設計中，定位是采用一根心軸和一個定位插銷來定位水平方向的。在垂直方向，用兩個同心半圓環(huán)來定位。當被加工零件放到夾具體同心圓環(huán)上后，用定位插銷把夾具上的鉆模板和零件通過先加工的孔進行定位，把壓板壓緊，之后取出定位插銷。
4.2 夾具的導向
在鉆床上加工孔時，大都采用導向元件或導向裝置，用以引導刀具進入正確的加工位置，并在加工過程中防止或減少由于切削力等因素引起的偏移，提高刀具的剛性，從而保證零件上孔的精度，在鉆床上加工的過程中，導向裝置保證同軸各孔的同軸度、各孔孔距精度、各軸線間的平行度等，因此，導向裝置如同定位元件一樣，對于保證工件的加工精度有這十分重要的作用。
確定引導元件 (鉆套的類型及結構尺寸 )
為能迅速、準確的確定刀具與夾具的相對位置，鉆夾具上都應該設置引導刀具的元件——鉆套。鉆套一般安裝在鉆模板上，鉆模板與夾具體連接，鉆套與工件之間留有排屑空間，如圖3.2-1所示。因工件批量小又是單一鉆孔工序，所以此處選用固定鉆套。
圖3.2-1 固定鉆套
主要尺寸有《機床夾具零、部件》國家標準GB/T2262-91選取鉆孔時如表3.2-1
表3.2-1 固定鉆套標準尺寸
1.鉆套的尺寸、公差配合的選擇
鉆套內徑基本尺寸=引導刀具的最大極限尺寸
1） 鉆套內徑基本尺寸：鉆頭、擴孔鉆，鉸刀是標準化定尺寸刀具，所以內徑刀與刀具按基軸制選。鉆套與刀具之間按一定的間隙配合，以防刀具使用時咬孔或長使一般根據刀具精度選套孔的公差：鉆（擴孔）選F7，粗鉸 G7，精鉸G6。若引導的是刀具導柱部分不是切削部分，可按孔制選?。篐7/f7，,H7/g6，,H6/g5等。
2）鉆套高度H：
H=（1~3）D 斜孔 H=（4~6）D
H過長，磨損嚴重由
表1.5-1可查得： 鉆套高度H取20mm
3）排屑空間：h措鉆套底部與工件表面之間的空間。h過大要引偏，過小不能排屑.
鑄鐵：S=（0.3~0.7）D 小孔取小值
鋼： S=(0.7~1.5) D 大孔取大值
斜孔：S=（0~0.2）D
所以排屑空間h為 30mm
4）材料：
性能要求：高硬度，耐磨
常用材料：T10A T12A CrMn 或20滲碳淬火
D≤10mm CrMn
D<25mm T10A T12A HRC58~64
D≥25mm 20滲碳淬火 HRC58~64
因此，本處采用材料T10A,熱處理:T10A HRC58~64。
因鉆孔φ6.5H9；由表1.5-1可查得：
鉆套內徑為φ6.5F7；
外徑為φ12D6；
麻花鉆選用φ6.5f6
鉆套軸線對基面的垂直度允差為0.02mm
導向元件包括刀桿的導向部分和導向套。
在這套鉆床夾具上用的導向套是鉆套。
鉆套按其結構可分為固定鉆套，可換鉆套，快換鉆套及特殊鉆套。
因此套鉆夾具加工量不大，磨損較小，孔距離精度要求較高，則選用固定鉆套。如圖4.2。直接壓入鉆模板或夾具體的孔中。
圖4.2 鉆套
鉆模板與固定鉆套外圓一般采用H7/h6的配合。且必須有很高的耐磨性，材料選擇20Mn2。淬火HRC60。我選擇的鉆套:12.5F7*22K6*35 GB2264-1980。
相同的，為了防止定位銷與模板之間的磨損，在模板定位孔之間套上兩個固定襯套。選取的標準件代號為12*18 GB2263-1980。材料仍選取T10A， 淬火HRC60。公差采用H7/p6的配合。
4.3 鉆孔與工件之間的切屑間隙
鉆套的類型和特點:
1、固定鉆套：鉆套直接壓入鉆模板或夾具體的孔中，鉆模板或夾具體的孔與鉆套外圓一般采用H7/n6配合，主要用于加工量不大，磨損教小的中小批生產或加工孔徑甚小，孔距離精度要求較高的小孔。
2、可換鉆套：主要用在大批量生產中，由于鉆套磨損大，因此在可換鉆套和鉆模板之間加一個襯套，襯套直接壓入鉆模板的孔內，鉆套以F7/m6或F7/k6配合裝入襯套中。
3、快換鉆套：當對孔進行鉆鉸等加工時，由于刀徑不斷增大，需要不同的導套引導刀具，為便于快速更換采用快換鉆套。
4、特殊鉆套：尺寸或形狀與標準鉆套不同的鉆套統(tǒng)稱特殊鉆套。
鉆套下端面與工件表面之間應留一定的空隙C，使開始鉆孔時，鉆頭切屑刃不位于鉆套的孔中，以免刮傷鉆套內孔，如圖4.3。
圖4.3
切屑間隙 C=(0.3～1.2)d。
在本次夾具鉆模設計中考慮了多方面的因素，確定了設計方案后，選擇了C=8。因為此鉆的材料是鑄件，所以C可以取較小的值。
4.4 鉆模板
在導向裝置中，導套通常是安裝在鉆模板上，因此鉆模板必須具有足夠的剛度和強度，以防變形而影響鉆孔精度。鉆模板按其與夾具體連接的方式，可分為固定式鉆模板、鉸鏈式鉆模板、可卸式鉆模板、滑柱式鉆模板和活動鉆模板等。
在此套鉆模夾具中選用的是可卸式鉆模板，在裝卸工件時需從夾具體上裝上或卸下，鉆模板在夾具體上采用定位銷一面雙孔定位，螺栓緊固，鉆模精度較高。[4]
4.5定位誤差的分析
該夾具以一個平面和和2個定位銷定位，要求保證孔軸線間的尺寸公差。為了滿足工序的加工要求，必須使工序中誤差總和等于或小于該工序所規(guī)定的尺寸公差。
由[5]和[6]可得：
1 定位誤差：
當短圓柱銷以任意邊接觸時
當短圓柱銷以固定邊接觸時
式中為定位孔與定位銷間的最小間隙
通過分析可得：
因此：當短圓柱銷以任意邊接觸時
2 夾緊誤差 ：
其中接觸變形位移值：
⑶ 磨損造成的加工誤差：通常不超過
⑷ 夾具相對刀具位置誤差：取
誤差總和：
從以上的分析可見，所設計的夾具能滿足零件的加工精度要求。
4.6 鉆套、襯套、鉆模板設計與選用
工藝孔的加工只需鉆切削就能滿足加工要求。故選用可換鉆套（其結構如下圖所示）以減少更換鉆套的輔助時間。
為了減少輔助時間采用可換鉆套，以來滿足達到孔的加工的要求。
表
d
D
D1
H
t
基本
極限
偏差F7
基本
極限
偏差D6
＞0～1
+0.016
+0.006
3
+0.010
+0.004
6
6
9
--
0.008
＞1～1.8
4
+0.016
+0.008
7
＞1.8～2.6
5
8
＞2.6～3
6
9
8
12
16
＞3～3.3
+0.022
+0.010
＞3.3～4
7
+0.019
+0.010
10
＞4～5
8
11
＞5～6
10
13
10
16
20
＞6～8
+0.028
+0.013
12
+0.023
+0.012
15
＞8～10
15
18
12
20
25
＞10～12
+0.034
+0.016
18
22
＞12～15
22
+0.028
+0.015
26
16
28
36
＞15～18
26
30
0.012
＞18～22
+0.041
+0.020
30
34
20
36
HT200
＞22～26
35
+0.033
+0.017
39
＞26～30
42
46
25
HT200
56
＞30～35
+0.050
+0.025
48
52
＞35～42
55
+0.039
+0.020
59
30
56
67
＞42～48
62
66
＞48～50
70
74
0.040
鉆模板選用翻轉鉆模板，用沉頭螺釘錐銷定位于夾具體上。
4.7 確定夾具體結構和總體結構
對夾具體的設計的基本要求
（1）應該保持精度和穩(wěn)定性
在夾具體表面重要的面，如安裝接觸位置，安裝表面的刀塊夾緊安裝特定的，足夠的精度，之間的位置精度穩(wěn)定夾具體，夾具體應該采用鑄造，時效處理，退火等處理方式。
（2）應具有足夠的強度和剛度
保證在加工過程中不因夾緊力，切削力等外力變形和振動是不允許的，夾具應有足夠的厚度，剛度可以適當加固。
（3）結構的方法和使用應該不錯
夾較大的工件的外觀，更復雜的結構，之間的相互位置精度與每個表面的要求高，所以應特別注意結構的過程中，應處理的工件，夾具，維修方便。再滿足功能性要求（剛度和強度）前提下，應能減小體積減輕重量，結構應該簡單。
（4）應便于鐵屑去除
在加工過程中，該鐵屑將繼續(xù)在夾在積累，如果不及時清除，切削熱的積累會破壞夾具定位精度，鐵屑投擲可能繞組定位元件，也會破壞的定位精度，甚至發(fā)生事故。因此，在這個過程中的鐵屑不多，可適當增加定位裝置和夾緊表面之間的距離增加的鐵屑空間：對切削過程中產生更多的，一般應在夾具體上面。
（5）安裝應牢固、可靠
夾具安裝在所有通過夾安裝表面和相應的表面接觸或實現(xiàn)的。當夾安裝在重力的中心，夾具應盡可能低，支撐面積應足夠大，以安裝精度要高，以確保穩(wěn)定和可靠的安裝。夾具底部通常是中空的，識別特定的文件夾結構，然后繪制夾具布局。圖中所示的夾具裝配。
加工過程中，夾具必承受大的夾緊力切削力，產生沖擊和振動，夾具的形狀，取決于夾具布局和夾具和連接，在因此夾具必須有足夠的強度和剛度。在加工過程中的切屑形成的有一部分會落在夾具，積累太多會影響工件的定位與夾緊可靠，所以夾具設計，必須考慮結構應便于鐵屑。此外，夾點技術，經濟的具體結構和操作、安裝方便等特點，在設計中還應考慮。在加工過程中的切屑形成的有一部分會落在夾具，切割積累太多會影響工件的定位與夾緊可靠，所以夾具設計，必須考慮結構應便排出鐵屑。
4.8 三維裝配圖SOLIDWORKS建模
下圖為裝配三維建模圖
4.9 夾具設計及操作的簡要說明
由于是大批大量生產，主要考慮提高勞動生產率。因此設計時，需要更換零件加工時速度要求快。本夾具設計，用移動夾緊的大平面定位三個自由度，定位兩個自由度，用定位塊定位最后一個轉動自由度。此時雖然有過定位，但面是經精銑的面，定位是允許的。
南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文）
結 論
A型齒輪油泵泵體零件夾具設計。在很多問題的設計過程中，假設出現(xiàn)不合理工藝路線，甚無法保證夾具設計的準確性。在夾具設計中，由于定位基準的選擇不合理，出現(xiàn)了定位或不定位零件加工精度無法保證。在夾緊機構由于尺寸的選擇，如不合理，但沒有達到夾緊的目的，也可能是由于位置的夾緊力和工件表面的作用所產生的營業(yè)額不合理。然而，在老師的細心指導的悉心指導下，經過三個月的努力，這些問題都一一解決方案。在這一過程中，加工工藝及夾具設計知識和更深入的了解，提高了綜合專業(yè)知識的能力，我的專業(yè)知識，進一步提高技能，為以后從事專業(yè)技術工作。然而，在老師的細心指導的悉心指導下，經過三個月的努力，這些問題都一一解決方案。在這一過程中，加工工藝及夾具設計知識和更深入的了解，提高了綜合專業(yè)知識的能力，我的專業(yè)知識，進一步提高技能，為以后從事專業(yè)技術工作。通過這次的畢業(yè)設計，我深深地感受到，做任何事都必須有耐心，細心。有時是不小心計算誤差，只能被無情地重做。但一想到老師教得比平時多，病人，認為他們的社會責任感的未來，思想在世界上是因為一些小錯誤，讓人觸目驚心的事故，我不能不提醒自己，要形成一個高度負責的好習慣，一絲不茍。發(fā)現(xiàn)自己的知識真的很差，他們的能力，用學到的知識是不夠的，幾年來學習很多課程，今天才知道自己和不使用。想到這里，我真的有點不耐煩。主要是確定的工藝設計的工藝路線，確定加工和切削參數(shù)，基本工時，本設計的零件工藝路線是正確合理的，定位和夾緊的夾緊機構可實現(xiàn)定位和夾緊的目的，可以保證工件的加工精度。在很多問題的設計過程中，假設出現(xiàn)不合理工藝路線，甚無法保證夾具設計的準確性。在夾具設計中，由于定位基準的選擇不合理，出現(xiàn)了定位或不定位零件加工精度無法保證。在夾緊機構由于尺寸的選擇，如不合理，但沒有達到夾緊的目的，也可能是由于位置的夾緊力和工件表面的作用所產生的營業(yè)額不合理。然而，在老師的細心指導的悉心指導下，經過三個月的努力，這些問題都一一解決方案。在這一過程中，加工工藝及夾具設計知識和更深入的了解，提高了綜合專業(yè)知識的能力，我的專業(yè)知識，進一步提高技能，為以后從事專業(yè)技術工作。然而，在老師的細心指導的悉心指導下，經過三個月的努力，這些問題都一一解決方案。在這一過程中，加工工藝及夾具設計知識和更深入的了解，提高了綜合專業(yè)知識的能力，我的專業(yè)知識，進一步提高技能，為以后從事專業(yè)技術工作。通過這次的畢業(yè)設計，我深深地感受到，做任何事都必須有耐心，細心。有時是不小心計算誤差，只能被無情地重做。但一想到老師教得比平時多，病人，認為他們的社會責任感的未來，思想在世界上是因為一些小錯誤，讓人觸目驚心的事故，我不能不提醒自己，要形成一個高度負責的好習慣，一絲不茍。發(fā)現(xiàn)自己的知識真的很差，他們的能力，用學到的知識是不夠的，幾年來學習很多課程，今天才知道自己和不使用。想到這里，我真的有點不耐煩。
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致 謝
畢業(yè)設計是大學知識，相關的專業(yè)知識的綜合運用，是知識在實踐中的應用。通過本次畢業(yè)設計，使我的專業(yè)知識得到鞏固和提高在原來的基礎上，就離不開老師和同學的幫助。設計的分析是在老師的指導下完成的，在分析過程中，老師給了我很大的鼓勵，在設計和分析使我覺得更多的設計思路，提高的學習能力，和討論的問題的分析，有一個更清楚的了解，使我受益不淺。
說實話，畢業(yè)設計真是有點累了。然而，明確其自身的設計結果，畢業(yè)設計仔細回味的旅程，一個罕見的成功立刻讓我昏昏欲睡。雖然這是我剛學的第一個走，一點在我的生命中的成功，但它讓我覺得更成熟了。通過這次的畢業(yè)設計，我深深地感受到，做任何事都必須有耐心，細心。有時是不小心計算誤差，只能被無情地重做。但一想到老師教得比平時多，病人，認為他們的社會責任感的未來，思想在世界上是因為一些小錯誤，讓人觸目驚心的事故，我不能不提醒自己，要形成一個高度負責的好習慣，一絲不茍。發(fā)現(xiàn)自己的知識真的很差，他們的能力，用學到的知識是不夠的，幾年來學習很多課程，今天才知道自己和不使用。想到這里，我真的有點不耐煩。
因為臨近畢業(yè)的時間，許多本來應該了解到的地方都沒有時間去仔細調查的來源，如控制，協(xié)調電網的理解，選擇求解器，它使我明白大學只是一個大致的方向，和距離太遠，離實際應用。但我認為，方向是最重要的，因為方向，將用最少的精力去做事情，這項工作后，我的生命。因為在實際生產生活中，從事的工作是千差萬別的，只有找到自己最喜歡的，最有前途的工作，個人有更高的熱情，但也最有可能在自己的崗位上做出一定的貢獻。
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參考文獻
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