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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(chǎn)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(zhì)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(chǎn)生的移動。然而，過度的夾緊力可誘導工件產(chǎn)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(zhì)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(diào)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(jīng)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(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)，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(zhuǎn)
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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(diào)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(nèi)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(cè)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(zhuǎn)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(qū)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(zhuǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)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(jié)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(jié)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(zhuǎn)。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(zhuǎn)（見圖2），
如前所述，工件剛體位移產(chǎn)生于在每個夾緊處的局部變形，假設為相對于工件的質(zhì)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(zhuǎn)如下: (21)
其中表示旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)，由于旋轉(zhuǎn)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(jīng)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(zhì)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(jù)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(jié)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(jié)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(jù)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(diào)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(jié)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(jié)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(jié)果表明工件旋轉(zhuǎn)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(jié)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(jié)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(jié)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型齒輪油泵泵體端面螺紋
底孔8×M8鉆夾具3D設計
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
基于在A型齒輪油泵泵體軸頸方向上鉆孔的前提下，為了滿足加工精度的需要而設計一套鉆床組合夾具。組合夾具屬于柔性夾具，柔性夾具是以組合夾具為基礎的能適用于不同的機床、不同的產(chǎn)品或同一產(chǎn)品不同規(guī)格型號的機床夾具。柔性夾具元件具有較好的互換性和較高的精度及耐磨性，可根據(jù)不同機床和不同零件的加工要求，選用配套中的部分元件組裝成所需要的夾具。首先要分析加工零件的工藝以及技術要求，運用柔性夾具設計的基本原理和方法，擬定夾具設計方案以達到對A型齒輪油泵泵體進行合理的安裝、定位、夾緊的目的。在完成夾具草圖以后，進一步考慮元件之間的連接關系和固定方式，設計合理的結(jié)構實現(xiàn)各零部件間的相對運動。然后，運用soildworks進行零件三維圖的繪制以及裝配體的裝配，并完成裝配體的二維圖。最后進行論文的撰寫、整理、修改和工藝規(guī)程卡的編寫。
關鍵詞 夾具；專用夾具；鉆床夾具；精度；soildworks
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 3D fixture design of A type gear pump body end thread bottom 8 x M8 drill
Abstract
Based on the premise of drilling in the A type gear pump shaft direction, a drill fixture designed to meet the needs of machining accuracy. Modular fixture is flexible fixture, flexible fixture on the basis of modular fixture is suitable for different products or the same products in different specifications of different machine tools, machine tool fixture. Flexible fixture components with interchangeable precision and wear resistance and high effective, according to the different tools and different parts of the processing requirements, selection of components supporting assembly fixture needed. The first analysis of the processing requirements of parts of the process and technology, using the basic principle and method of flexible fixture design, fixture designing scheme to achieve the intended installation, positioning, clamping on the reasonable A type gear pump to. After the completion of the fixture sketch, to further consider the connections between components and fixed mode, design reasonable structure to realize the relative motion between the parts. Then, use SoildWorks to draw 3D parts and assembly of the assembly, and complete the two-dimensional drawing assembly. Finally, the thesis writing, organize, modify and process card writing.
Keywords: fixture; fixture; drilling jig; precision; SoildWorks
35
目 錄
1 緒 論 1
1.1 夾具的組成 1
1.2 常用定位元件及選用 2
1.2.1工件以平面定位 2
1.2.2工件以外圓柱定位 3
1.2.3工件以內(nèi)孔定位 3
1.2.4對定位元件的基本要求 3
1.2.5常用定位元件所能限制的自由度 4
2 夾具的設計步驟 5
2.1 設計方案、設計方法、設計手段 5
2.1.1 研究原始資料 5
2.1.2 擬訂夾具的結(jié)構方案 5
2.2 SolidWorks設計軟件介紹 6
2.2.1 SolidWorks簡介 6
2.2.2 SolidWorks的設計思路 7
3 鉆床夾具的總體設計 9
3.1 設計任務 9
3.2總體方案的確定 9
3.2.1 定位方案 9
3.2.2 夾緊機構 10
3.2.3 選擇導向裝置 11
3.2.4 夾具體 12
3.3繪制夾具裝配圖 13
3.4夾具精度的驗算 17
3.4.1誤差分析 17
3.4.2誤差計算 17
4 加工8XM8夾具設計 19
4.1 研究原始質(zhì)料 19
4.2 定位、夾緊方案的選擇 20
4.3 切削力及夾緊力的計算 20
4.3.1 液壓缸的直徑確定 23
4.3.2 液壓缸的選型 25
4.4 誤差分析與計算 26
4.5定位銷選用 27
4.6 鉆套、襯套、鉆模板設計與選用 27
4.7 確定夾具體結(jié)構和總體結(jié)構 29
4.8夾具設計及操作的簡要說明 30
5 方案設計論證 33
5.1設計思路 33
5.2設計方法與結(jié)果 33
參考文獻 34
致 謝 36
1 緒 論
機械制造業(yè)是制造具有一定形狀位置和尺寸的零件和產(chǎn)品，并把它們裝備成機械裝備的行業(yè)。機械制造業(yè)的產(chǎn)品既可以直接供人們使用，也可以為其它行業(yè)的生產(chǎn)提供裝備，社會上有著各種各樣的機械或機械制造業(yè)的產(chǎn)品。我們的生活離不開制造業(yè)，因此制造業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要行業(yè)，是一個國家或地區(qū)發(fā)展的重要基礎及有力支柱。從某中意義上講，機械制造水平的高低是衡量一個國家國民經(jīng)濟綜合實力和科學技術水平的重要指標。
零件加工工藝及夾具設計是在學完了機械制圖、機械制造技術基礎、機械設計、機械工程材料等的基礎下，進行的一個全面的考核。正確地解決一個零件在加工中的定位，夾緊以及工藝路線安排，工藝尺寸確定等問題，并設計出專用夾具，保證尺寸證零件的加工質(zhì)量。本次設計也要培養(yǎng)自己的自學與創(chuàng)新能力。因此本次設計綜合性和實踐性強、涉及知識面廣。所以在設計中既要注意基本概念、基本理論，又要注意生產(chǎn)實踐的需要，只有將各種理論與生產(chǎn)實踐相結(jié)合，才能很好的完成本次設計。
本次設計水平有限，其中難免有缺點錯誤，敬請老師們批評指正。
1.1 夾具的組成
雖然夾具的種類繁多，但它們的工作原理基本上是相同的。將各類夾具中，作用相同的結(jié)構或元件加以概括，可得出夾具一般所共有的以下幾個組成部分，這些組成部分既相互獨立又相互聯(lián)系。
1．定位支承元件
定位支承元件的作用是確定工件在夾具中的正確位置并支承工件，是夾具的主要功能元件之一。定位支承元件的定位精度直接影響工件加工的精度。
2．夾緊裝置
夾緊元件的作用是將工件壓緊夾牢，并保證在加工過程中工件的正確位置不變。
3．連接定向元件
這種元件用于將夾具與機床連接并確定夾具對機床主軸、工作臺或?qū)к壍南嗷ノ恢谩?
4．對刀元件或?qū)蛟?
這些元件的作用是保證工件加工表面與刀具之間的正確位置。用于確定刀具在加工正確位置的元件稱為對刀元件，用于確定刀具位置并引導刀具進行加工的元件稱為導向元件。
5．其它裝置或元件
根據(jù)加工需要，有些夾具上還設有分度裝置、靠模裝置、上下料裝置、工件頂出機構、電動扳手和平衡塊等，以及標準化了的其它聯(lián)接元件。
6．夾具體
夾具體是夾具的基體骨架，用來配置、安裝各夾具元件使之組成一整體。常用的夾具體為鑄件結(jié)構、鍛造結(jié)構、焊接結(jié)構和裝配結(jié)構，形狀有回轉(zhuǎn)體形和底座形等形狀。
上述各組成部分中，定位元件、夾緊裝置、夾具體是夾具的基本組成部分。
1.2 常用定位元件及選用
工件在夾具中要想獲得正確定位，首先應正確選擇定位基準，其次是選擇合適的定位元件。工件定位時，工件定位基準和夾具的定位元件接觸形成定位副，以實現(xiàn)工件的六點定位。用定位元件選用時，應按工件定位基準面和定位元件的結(jié)構特點進行選擇。
1.2.1工件以平面定位
1.以面積較小的已經(jīng)加工的基準平面定位時，選用平頭支承釘，以基準面粗糙不平或毛坯面定位時，選用圓頭支承釘，側(cè)面定位時，可選用網(wǎng)狀支承釘。
2.以面積較大、平面度精度較高的基準平面定位時，選用支承板定位元件，用于面定位時用不帶斜槽的支承板，通常盡可能選用帶斜槽的支承板，以利清除切屑。
3.以毛坯面，階梯平面和環(huán)形平面作基準平面定位時，選用自位支承作定位元件。但須注意，自位支承雖有兩個或三個支承點，由于自位和浮動作用只能作為一個支承點。
4.以毛坯面作為基準平面，調(diào)節(jié)時可按定位面質(zhì)量和面積大小分別選用可調(diào)支承作定位元件。
5.當工件定位基準面需要提高定位剛度、穩(wěn)定性和可靠性時，可選用輔助支承作輔助定位元件，但須注意，輔助支承不起限制工件自由度的作用，且每次加工均需重新調(diào)整支承點高度，支承位置應選在有利工件承受夾緊力和切削力的地方。
1.2.2工件以外圓柱定位
1.當工件的對稱度要求較高時，可選用V形塊定位。V形塊工作面間的夾角α常取60°、90°、120°三種，其中應用最多的是90°V形塊。90°V形塊的典型結(jié)構和尺寸已標準化，使用時可根據(jù)定位圓柱面的長度和直徑進行選擇。V形塊結(jié)構有多種形式，有的V形塊適用于較長的加工過的圓柱面定位；有的V形塊適于較長的粗糙的圓柱面定位；有的V形塊適用于尺寸較大的圓柱面定位，這種V形塊底座采用鑄件，V形面采用淬火鋼件，V塊是由兩者鑲合而成。
2.當工件定位圓柱面精度較高時（一般不低于IT8），可選用定位套或半圓形定位座定位。大型軸類和曲軸等不宜以整個圓孔定位的工件，可選用半圓定位座。
1.2.3工件以內(nèi)孔定位
1.工件上定位內(nèi)孔較小時，常選用定位銷作定位元件。圓柱定位銷的結(jié)構和尺寸標準化，不同直徑的定位銷有其相應的結(jié)構形式，可根據(jù)工件定位內(nèi)孔的直徑選用。當工件圓柱孔用孔端邊緣定位時，需選用圓錐定位銷。當工件圓孔端邊緣形狀精度較差時，選用圓錐定位銷；當工件需平面和圓孔端邊緣同時定位時，選用浮動錐銷。
2.在套類、盤類零件的車削、磨削和齒輪加工中，大都選用心軸定位，為了便于夾緊和減小工件因間隙造成的傾斜，當工件定位內(nèi)孔與基準端面垂直精度較高時，常以孔和端面聯(lián)合定位。因此，這類心軸通常是帶臺階定位面的心軸，當工件以內(nèi)花鍵為定位基準時，可選用外花鍵軸，當內(nèi)孔帶有花鍵槽時，可在圓柱心軸上設置鍵槽配裝鍵塊；當工件內(nèi)孔精度很高，而加工時工件力矩很小時，可選用小錐度心軸定位。
綜上：正確定位，必須選對定位基準。
1.2.4對定位元件的基本要求
1.限位基面應有足夠的精度。定位元件具有足夠的精度，才能保證工件的定位精度。
2.限位基面應有較好的耐磨性。由于定位元件的工作表面經(jīng)常與工件接觸和磨擦，容易磨損，為此要求定位元件限位表面的耐磨性要好，以保持夾具的使用壽命和定位精度。
3.支承元件應有足夠的強度和剛度。定位元件在加工過程中，受工件重力、夾緊力和切削力的作用，因此要求定位元件應有足夠的剛度和強度，避免使用中變形和損壞。
4.定位元件應有較好的工藝性。定位元件應力求結(jié)構簡單、合理，便于制造、裝配和更換。
5.定位元件應便于清除切屑。定位元件的結(jié)構和工作表面形狀應有利于清除切屑，以防切屑嵌入夾具內(nèi)影響加工和定位精度。
1.2.5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準面分為以下幾類：
1.用于平面定位的定位元件：括固定支承（釘支承和板支承），自位支承，可調(diào)支承和輔支承。
2.用于外圓柱面定位的定位元件：括V形架，定位套和半圓定位座等。
3.用于孔定位的定位元件：括定位銷（圓柱定位銷和圓錐定位銷），圓柱心軸和小錐度心軸。
2 夾具的設計步驟
2.1 設計方案、設計方法、設計手段
2.1.1 研究原始資料
在明確夾具設計任務后，應對以下幾方面的原始資料進行研究。
1、研究加工工件圖樣
了解該工件的結(jié)構形狀、尺寸、材料、熱處理要求，主要表面的加工精度、表面粗糙度及其它技術要求。根據(jù)設計任務書收集有關材料，如機床的技術參數(shù)，夾具零部件的國家標準、部頒標準和裝訂標準，各類夾具圖冊、夾具設計手冊等，還可收集一些同類夾具的設計樣圖，以供參考。
2、熟悉工藝文件，明確以下內(nèi)容
（1）毛坯的種類、形狀、加工余量及其精度。
（2）工件的加工工藝過程、工序圖、本工序所處的地位，本工序前已加工表面的
精度及表面粗糙度，基準面的狀況。
（3）本工序所使用的機床、刀具及其它輔具的規(guī)格。
（4）本工序所采用的切削量。
2.1.2 擬訂夾具的結(jié)構方案
擬訂夾具的結(jié)構方案包括以下幾個內(nèi)容
1）確定夾具的類型
各類機床夾具均有多種不同的類型、鉆床夾具有固定式、翻轉(zhuǎn)式、蓋板式和滑板
式等，應根據(jù)工件的型狀、尺寸、加工要求及重量確定為回轉(zhuǎn)式。
2）確定工件的定位方案，設計定位裝置
根據(jù)六點定位原則，通過分析工序圖確定工件以椎孔定位，定位元件為心軸。
3）確定工件的夾緊方式，設計夾緊裝置
常用的夾緊機構有斜楔夾緊、螺旋夾緊、偏心夾緊、鉸鏈夾緊等。根據(jù)工件的結(jié)
構，加工方法其因素確定為螺旋夾緊。
4）確定引導元件（鉆套的類型及結(jié)構尺寸）
鉆套的類型有固定式鉆套、可換式鉆套、快換式鉆套、特殊式鉆套，根據(jù)工件加
工量確定為快換式鉆套。
5）用soildworks繪制夾具零件。
6）用soildworks完成零件的裝配體，并導出裝配體的CAD二維圖。
3、主要工作程序
1)零件本工序的加工要求分析。
2)確定夾具類型。
3)擬定定位方案和選擇定位元件。
4)確定夾緊方案。
5)確定引導元件(鉆套的類型及結(jié)構尺寸)。
6)繪制夾具零件的三維圖以及完成裝配體。
7)導出夾具的裝配圖。
8）編寫設計說明書和工序卡。
2.2 SolidWorks設計軟件介紹
2.2.1 SolidWorks簡介
Solidworks是美國生信國際有限公司推出的基于Windows的三維機械設計軟件,是微機版全參數(shù)化特征造型軟件。圖形界面簡捷友好,用戶上手快。只要熟悉Windows，無論有無 CAD的使用經(jīng)驗。都基本上能用 Solidworks進行設計。Solidworks 具有功能強大的實體建模能力，形象直觀的裝配設計，及從三維模型自動轉(zhuǎn)換為二維工程圖的功能。還具有動畫和渲染的功能等。此外。Solidworks 還提供了全相關的鈑金設計和模具設計能力。以及自由的、開放的、功能完整的包括VB、VC++和支持OLE的開放程序在內(nèi)的開發(fā)工具和強大的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能。幾乎可以對當今市場上所有CAD軟件的輸入輸出格式進行轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的夾具設計方法是先根據(jù)要加工的零件繪出二維裝配圖。再將二維裝配圖拆畫成單個零件圖。設計周期長，尤其是二維裝配圖直觀性差。對零部件之間的運動干涉不易判斷。而soildworks則可以避開這些問題，從而方便建模和設計。
自從1995年問世以來，由于其實用性、方便性、創(chuàng)新性、界面的友好性、資源的豐富性、功能的強大性、兼容的多樣性，得到了迅速的推廣和應用，在全球已擁有超過30萬用戶。為了滿足中國市場，SolidWorks軟件包含了中國機械制圖標準，擴大了使用范圍，贏得了中國大量用戶，而且每天都有新用戶出現(xiàn)。
SolidWorks采用的是Windows界面，使用下拉菜單和圖標工具相結(jié)合的操作指令方式，根據(jù)設計內(nèi)容的不同，可以添加或隱藏不需要的指令工具欄，大部分操作指令可通過圖標指令執(zhí)行，對于熟悉Windows的用戶特別易學易用，普遍的設計人員在很短的時間內(nèi)就可掌握SolidWorks的使用方法，并盡快運用到設計實踐中。
SolidWorks屬于CAD/CAM類軟件，但又與傳統(tǒng)的CAD/CAM軟件不同。如AutoCAD等，是名副其實的電子圖板，只是提供了一種用于計算機代替手工進行繪圖的工具和手段。SolidWorks軟件是一種三維機械設計軟件，零件模型、裝配體與工程圖三種圖形模型相互連接，對于任何一種模型的修改，其它兩種模型都會發(fā)生相應的變化；而且，它具有尺寸驅(qū)動功能，通過尺寸標注，可以精確地描述、確定模型的結(jié)構和尺寸。
2.2.2 SolidWorks的設計思路
(1)零件三維模型的建立
要建立起零件的三維模型，首先要根據(jù)零件的具體結(jié)構勾畫出零件的草圖，一般來說這些草圖是由點、線或者面組合而成的單一、封閉的圖形。根據(jù)這些草圖進行特征的設計如拉伸、旋轉(zhuǎn)、放樣、掃描、倒角、抽殼、拔模等，形成所需的零件的三維模型。
(2)裝配造型的建立
裝配零部件首先要有裝配關系的零件嵌入到裝配環(huán)境中，按照相切、同軸、重合、平行、垂直等裝配關系將零部件之間添加裝配約束關系，限制零部件的自由度。
(3)干涉檢查
檢查相互有接觸的零部件之間是否會產(chǎn)生運動干涉，軟件可自動進行檢查，在系統(tǒng)提示了檢查結(jié)果后，要對干涉的零件進行尺寸或者位置的修改。
(4)生成爆炸視圖
使裝配后的零件再次分離，重新設定它們之間的相對位置，明確的顯示零部件的結(jié)構和相互之間的裝配關系。
(5)裝配體的運動仿真
根據(jù)裝配體實際的運動狀態(tài)，設置有運動關系的零部件之間的相對運動狀態(tài)，用來檢查零部件之間的位置約束和相對運動關系的正確性，并簡單明了的進行仿真運動，是運動件的運動軌跡在裝配體中的顯示。
(6)二維工程圖的設計
可以由三維視圖直接生成，在二維工程圖上可以加注尺寸和技術要求生成工程圖樣，使三維實體轉(zhuǎn)換成工程圖紙。
3 鉆床夾具的總體設計
3.1 設計任務
本設計的主要任務是設計一個鉆床夾具，在A型齒輪油泵泵體徑向鉆8個孔，為了使鉆孔的位置精確，必須對A型齒輪油泵泵體進行固定定位，提高加工精度，使之滿足使用要求。被加工零件如下：
在設計專用夾具時為了能滿足工件的加工精度要求，考慮了合理的定位方案、合適的尺寸、公差和技術要求。由于是批量生產(chǎn)，采用了固定式鉆床夾具，提高了生產(chǎn)效率。在工藝性方面使這種夾具的結(jié)構簡單、合理，便于加工、裝配、檢驗和維修。在使用性方面，這種夾具的操作簡便、省力、安全可靠，排屑也方便，必要時可設置排屑結(jié)構。通過對鉆床夾具設計的制作，進一步鞏固了所學的基本知識，并使所學知識得到綜合運用。學會查閱和收集技術資料，提高運用計算機輔助設計的能力，樹立正確的設計思想和嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L。
此次需要完成的題目如下：
確定夾具類型：本工序所加工8個孔 (8XM8)，位于前端面上，孔徑較小，工件重量輕、輪廓尺寸以及生產(chǎn)量為中批量生產(chǎn)等原因，采用固定式鉆模。
3.2總體方案的確定
3.2.1 定位方案
工序圖只是給出了原理方案，此時應仔細分析本工序的工序內(nèi)容及加工精度要求，按照六點定位原理和本工序的加工精度要求，確定具體的定位方案和定位元件。
要擬定幾種具體方案進行比較，選擇或組合最佳方案。
根據(jù)工序圖給出的定位元件方案，按有關標準正確選擇定位元件及其組合。在機床夾具的使用過程中，工件的批量越大，定位元件的磨損越快，選用標準定位元件增加了夾具零件的互換性，方便機床夾具的修理與維護。選用一短圓柱銷與一大平面限制工件5個自由度，再用一空間中傾斜一角度的菱形銷限制剩下的一個自由度，此時工件被完全定位。
因此根據(jù)本次夾具設計的零件，我采用的定位方案為一短圓柱銷與一大平面及一菱形銷組合定位，6個自由度被全部限制。
考慮到零件的磨損與更換方便，故均采用可換定位銷。
所選用定位銷類型及對比分析：
圖2-2短形定位銷 圖2-3菱形定位銷
如圖2-2短形圓柱銷能夠使所設計的夾具體占用的空間小且能夠滿足夾緊要求。
如圖2-3菱形定位銷，本夾具定位方式為一短圓柱銷與一大平面及一菱形銷組合定位，所以選用該定位銷。
圖2-4 圓柱定位銷 圖2-5菱形銷定位
綜上所述所選用的定位方式為一短圓柱銷與一大平面及一菱形銷組合定位。
3.2.2 夾緊機構
(1)夾緊力的方向：
夾緊力的方向要有利于工件的定位，并注意工件的剛性，不能使工件有脫離定位表面的趨勢，并防止工件在夾緊力的作用下產(chǎn)生變形。
(2)夾緊力的作用點：
夾緊力的作用點應選擇在定位元件支承點的作用范圍內(nèi)，以及工作剛度高的位置。確保工件定位準確、不變形。
(3)選擇夾緊機構：
在確定夾緊力的方向、作用點的同時，要確定相應的夾緊機構。確定夾緊機構要注意以下幾方面的問題：
①安全性 夾緊機構應具備足夠的強度和夾緊力，以防止意外傷及夾具操作人員；
②手動夾具夾緊機構的操作力不應過大，以減輕操作人員的勞動強度；
③夾緊機構的行程不宜過長，以提高夾具的工作效率；
④手動夾緊機構應操作靈活、方便。
確定夾緊力的方向、作用點，以及夾緊元件或夾緊機構，估算夾緊力大小，選擇和設計動力源。夾緊方案也需反復分析比較，確定后，正式設計時也可能在具體結(jié)構上作一些修改。
經(jīng)我組同學共同討論，總結(jié)出以下四種夾緊方案：
方案一 使用Φ84法蘭直接加緊；
方案二 用Φ84法蘭加緊，并在E面背側(cè)用一V形塊輔助支承；
方案三 用Φ48芯軸、D面開口螺母夾緊；
方案四 D面方形法蘭壓緊，及E面背側(cè)V形塊輔助支承。
由于工件批量較大，宜使用快速裝夾以提高生產(chǎn)效率。方案一可能導致剛度不足引起變形；方案二的輔助支承不易操作，但裝夾準確度較高；方案三容易操作；方案四裝夾也較復雜。四種夾緊方式各有利弊，但均可實現(xiàn)。本人所選用為方案一。
3.2.3 選擇導向裝置
導向裝置是夾具保證加工精度的重要裝置，如鉆孔導向套、鏜套、對刀裝置、對定裝置等，這些裝置均已標準化，可按標準選擇，常用的幾種鉆套如下圖所示
圖2-6可換鉆套 圖2-7快換鉆套 圖2-8固定鉆套（A、B型）
根據(jù)本設計夾具類型，工件大批大量生產(chǎn)，為提高加工效率，優(yōu)先選用快換鉆套。
但經(jīng)尺寸計算及論證可知，使用快換鉆套時，三個鉆套相互間會發(fā)生干涉現(xiàn)象。故三個獨立的快換鉆套不可用。
然后考慮將三個鉆套做成一體。經(jīng)計算可知，鉆套尺寸將過于巨大，且難加工。一旦其中任何一個鉆套損壞，整個鉆套即需更換，經(jīng)濟性不好。故此種方案亦不可行。
考慮到以上原因，同時顧及到鉆套距工件間距離，易采用長型固定鉆套。其結(jié)構如下圖所示。
圖2-9 長型固定鉆套
3.2.4 夾具體
用來安裝和固定定位元件，夾緊機構和鉆模板的實體。具體大小根據(jù)整個機構的大小而調(diào)整，要保證機構的穩(wěn)定，水平，所以形位公差會有較嚴格的要求。
夾具體是夾具的基礎體，它將夾具上的各種裝置和元件連接成一個整體，并通過它將夾具安裝到機床上。它的結(jié)構形狀及尺寸大小，取決于加工工件的特點、尺寸大小，各種元件的結(jié)構和布局，夾具于機床的連接方式，切削力、重力等大小的影響。
夾具體應滿足以下幾點計算要求：
1、應有足夠的強度和剛度；
2、力求結(jié)構簡單及裝卸工件方便 ；
3、結(jié)構工藝形好；
4、排屑切屑要方便；
5、在機床上安裝穩(wěn)定可靠；
6、具有適當?shù)木群统叽绶€(wěn)定性
根據(jù)要求夾具體選用鑄件，這樣既滿足要求而且工藝性較鍛造好，然后對夾具體毛皮加工成如下圖2-10所示：
圖2-10 夾具體零件圖
3.3繪制夾具裝配圖
畫出定位元件和導向元件，按夾緊狀態(tài)畫出夾緊元件或機構，必要時可用雙點劃線畫出松開位置時的夾緊元件的輪廓，畫出夾具體，其他元件或機構，以及上述各元件與夾具體的聯(lián)結(jié)，使夾具形成一體，標注必要的尺寸，配合和技術條件。對零件編號，填寫標題欄和零件明細表。其中還要在定位，導向完成后進行定位精度驗算，在夾緊機構完成后進行夾緊力的驗算，以及重要的受力元件或機構的強度、剛度驗算。如下圖所示：
圖2-11 夾具體總裝圖之主視圖
圖2-12 夾具體總裝圖之左視圖
圖2-13 夾具體總裝圖之俯視圖
（1）總裝配圖應按國家標準盡可能1：1地繪制，這樣圖樣有良好的直觀性。主視圖應按操作實際位置布置，三視圖要能完整清楚表示出夾具的工作原理和結(jié) 構。
（2）視工件為透明體，用雙點畫線畫出主要部分（如輪廓，定位面‘夾緊面和加工表面）。畫出定位元件、夾緊機構、導向裝置的位置。
（3）按照夾緊狀態(tài)畫出夾緊元件和夾緊機構。
（4）畫出夾具體及其他聯(lián)接用的元件（聯(lián)接體、螺釘?shù)龋?，將夾具各組成元件聯(lián)成一體。
（5）標注必要的尺寸、配合、公差等
①夾具的外形尺寸，所設計夾具的最大長、寬、高尺寸。
②夾具與機床的聯(lián)系尺寸，即夾具在機床上的定位、國定尺寸。如車床夾具的莫氏硬度、銑床夾具的對定裝置等。
③夾具與刀具的聯(lián)系尺寸，如用對刀塊對刀時塞尺的尺寸、對刀塊表面到定位表面的尺寸即公差。如快換鉆套與襯套之間采用間隙配合，其尺寸公差為，襯套與鉆模板之間采用過盈配合，其尺寸公差為。
④夾具中所有有配合關系的元件間應標注尺寸和配合種類。如定位螺桿14與夾具體孔的配合。
⑤各定位元件之間，定位元件與導向元件之間，各導向元件之間應標注裝配后的位置尺寸和形位公差。如設計中菱形定位銷7相對于已加工好兩孔中心線位置要求mm；
上述聯(lián)系尺寸和位置尺寸的公差，一般取工件的相應公差的1/3~1/10,最常用的是1/3。
（6）標注技術條件和要求。
①定位元件的定位面間相互位置精度。
②定位元件的定位表面與夾具安裝基面的位置精度。如定位螺桿14與夾具體底面的平行度不得大于0.01；菱形定位銷7和加工工件孔配做，定位銷1與鉆模板2和夾具體30上的孔配做，定位銷1還與斜面體6和夾具體30上的孔配做，圓錐銷21和固定板22和夾具體30上的孔配做。
③定位表面與導向元件間的位置精度。快換鉆套2孔中心線對于夾具體28底面的垂直度誤差不得大于0.01/100。
④導向元件工作面間的位置精度。兩個快換鉆套中心線之間滿足。
⑤ 夾具上有檢測基準面的話，還應標注定位表面，導向工作面與該基準面間的位置精度。
夾具裝配圖上應標注必要的尺寸和技術要求，主要目的是為了檢驗本工序零件加工表面的形狀，位置和尺寸精度在夾具中是否可以達到，為了設計夾具零件圖，也為了夾具裝配和裝配精度的檢測。
（7）對零件編號，填寫標題欄和零件明細表。
每一個零件都必須有自己的編號，此編號是唯一的。在工廠的生產(chǎn)活動中，生產(chǎn)部件按零件編號生產(chǎn)、查找工作。
完整填寫標題欄，如裝配圖號、名稱、單位、設計者、比例等。
完整填寫明細表，一般來說，加工工件填寫在明細表的下方，標準件、裝配件填寫在明細表的上方。注意，不能遺漏加工工件和標準件、配套件。
3.4夾具精度的驗算
3.4.1誤差分析
1、位置精度
夾具的主要功能是用來保證工件加工表面的位置精度。影響位置精度的主要因素有三個方面：
1）工件在夾具中的安裝誤差，它包括定位誤差和夾緊誤差。
2）夾具在機床上對定誤差，指夾具相對于刀具或相對于機床成形運動的位置誤差。
3）加工過程中出現(xiàn)的誤差，包括機床的幾何精度、運動精度，機床、刀具、工件和夾具組成的工藝系統(tǒng)加工時的受力變形，受熱變形，磨損，調(diào)整、測量中的誤差，以及加工成形原理上的誤差等。
第三項一般不易估算，夾具精度驗算是指前兩項，其和不大于工件允差的2/3為算合格。
3.4.2誤差計算
1、驗算中心距50±0.2mm
影響此項精度的因素有：
1）定位誤差，此項主要是定位孔Φ48H8與定位軸Φ48h7的間隙產(chǎn)生，最大間隙為0.05mm;
2）鉆套與襯套的配合間隙，由可知最大間隙為0.025mm；
3）鉆套內(nèi)孔與外圓的同軸度誤差，對于標準鉆套，精度較高，此項可以忽略；
4）鉆頭與鉆套間的間隙會引偏刀具，產(chǎn)生中心距誤差e=0.034mm。
由于上述各項都是按最大誤差計算，實際上各項誤差也不可能同時出現(xiàn)最大值，各誤差方向也可能不一致，因此，其綜合誤差可按概率法求和=0.07mm。
該項誤差略大于中心距允差0.13mm的2/3，勉強可用。應減小定位和導向的配合間隙。
4 加工8XM8夾具設計
4.1 研究原始質(zhì)料
利用本夾具主要用來加工8XM8孔，加工時除了要滿足粗糙度要求外，還應滿足兩孔軸線間公差要求。為了保證技術要求，最關鍵是找到定位基準。同時，應考慮如何提高勞動生產(chǎn)率和降低勞動強度。
一、機床夾具定位元件
工件定位方式不同，夾具定位元件的結(jié)構形式也不同，這里只介紹幾種常用的基本定位元件。實際生產(chǎn)中使用的定位元件都是這些基本定位元件的組合。
（一）工件以平面定位常用定位元件
1．支承釘
常用支承釘?shù)慕Y(jié)構形式如圖6-1所示。平頭支承釘（圖a）用于支承精基準面；球頭支承釘（圖b）用于支承粗基準面；網(wǎng)紋頂面支承釘（圖c）能產(chǎn)生較大的摩擦力，但網(wǎng)槽中的切屑不易清除，常用在工件以粗基準定位且要求產(chǎn)生較大摩擦力的側(cè)面定位場合。一個支承釘相當于一個支承點，限制一個自由度；在一個平面內(nèi)，兩個支承釘限制二個自由度；不在同一直線上的三個支承釘限制三個自由度。
圖6-1 常用支承釘?shù)慕Y(jié)構形式
2．支承板
常用的支承板結(jié)構形式如圖6-2所示。平面型支承板（圖a）結(jié)構簡單，但沉頭螺釘處清理切屑比較困難，適于作側(cè)面和頂面定位；帶斜槽型支承板（圖b），在帶有螺釘孔的斜槽中允許容納少許切屑，適于作底面定位。當工件定位平面較大時，常用幾塊支承板組合成一個平面。一個支承板相當于兩個支承點，限制兩個自由度；兩個（或多個）支承板組合，相當于一個平面，可以限制三個自由度。
圖6-2 常用支承板的結(jié)構形式
3．可調(diào)支承
常用可調(diào)支承結(jié)構形式如圖6-3所示?？烧{(diào)支承多用于支承工件的粗基準面，支承高度可以根據(jù)需要進行調(diào)整，調(diào)整到位后用螺母鎖緊。一個可調(diào)支承限制一個自由度。
圖6-3 常用可調(diào)支承的結(jié)構形式
(二) 工件以孔定位常用定位元件
1．定位銷
圖6-6是幾種常用固定式定位銷的結(jié)構形式。當工件的孔徑尺寸較小時，可選用圖 a 所示的結(jié)構；當孔徑尺寸較大時，選用圖 b 所示的結(jié)構；當工件同時以圓孔和端面組合定位時，則應選用圖c所示的帶有支承端面的結(jié)構。用定位銷定位時，短圓柱銷限制二個自由度；長圓柱銷可以限制四個自由度；短圓錐銷（圖d）限制三個自由度。
圖6-6 固定式定位銷的結(jié)構形式
4.2 定位、夾緊方案的選擇
由零件圖可知：在對加工前，平面進行了粗、精銑加工，底面進行了鉆、擴加工。因此，定位、夾緊方案有：
為了使定位誤差達到要求的范圍之內(nèi)，采用1面一銷的定位方式，這種定位在結(jié)構上簡單易操作。一面即底平面。
4.3 切削力及夾緊力的計算
刀具：鉆頭。
則軸向力：見《工藝師手冊》表28.4
F=Cdfk……………………………………3.1
式中： C=422， Z=1.0, y=0.8, f=0.35
k=(
F=422
轉(zhuǎn)矩
T=Cdfk
式中: C=0.226, Z=2.0, y=0.8
T=0.226
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(zhì)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(zhuǎn)動,故本夾具可安全工作。
液壓缸的選型計算：
根據(jù)液壓缸推力拉力的大小要求，選定液壓缸使用壓力參數(shù)以及缸徑尺寸
液壓缸推力計算公式：液壓缸推力F1=0.25πD2P
液壓缸拉力計算公式F2=0.25π（D2-d2）P
公式式中：D-液壓缸活塞直徑（cm）
d-液壓缸活塞桿直徑（cm）
P-液壓缸的工作壓力（kgf/cm2）
F1，F(xiàn)2-液壓缸的理論推拉力（kgf）
為了避免用戶選用時的有關計算，下附雙作用液壓缸輸出力換算表，用戶可根據(jù)負載、工作壓力、動作方向從表格中選擇合適的缸徑尺寸
雙作用液壓缸輸出力表單位Kgf
缸徑
mm
液壓缸的理論輸出力（推力）單位：KG/公斤
使用空液壓壓力MPa
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
10
1.57
2.36
3.14
3.93
4.71
5.50
6.28
16
4.02
6.03
8.04
10.1
12.1
14.1
16.1
20
6.28
9.42
12.6
15.7
18.8
22.0
25.0
25
9.81
14.7
19.6
24.5
29.4
34.4
39.2
48
16.0
24.1
48.2
40.2
48.3
56.3
64.4
40
25.1
37.7
50.3
62.8
75.4
88.0
100.5
50
39.2
58.9
78.5
98.2
117
137
157
63
62.3
93.5
125
156
187
218
250
80
100
151
201
251
300
352
402
100
157
236
314
393
471
550
628
125
245
368
491
615
736
859
982
160
402
603
804
1005
1206
1407
1608
180
508
763
1018
1272
1527
1781
2036
200
628
942
1257
1571
1885
2199
2514
250
981
1473
1963
2454
2945
3436
3926
480
1608
2412
4816
4021
4825
5629
6448
400
2531
3796
5026
6283
7539
8796
10052
· 選定液壓缸的行程：確定工作的移動距離，考慮工況可選擇滿行程或預留行程。當行程超過推薦的最長行程時，要考慮活塞桿的剛度，可以選擇支撐導向或選擇特殊液壓缸。
· 選定液壓缸緩沖方式：根據(jù)需要選擇緩沖形式，無緩沖液壓缸，固定緩沖液壓缸，可調(diào)緩沖液壓缸
· 選擇潤滑方式：有給油潤滑液壓缸，無給油潤滑液壓缸
· 選擇液壓缸系列：根據(jù)以上條件，按需選擇適當系列的液壓缸
· 選擇液壓缸的安裝形式：根據(jù)不同的用途和安裝需要，選用適當?shù)陌惭b形式
4.3.1 液壓缸的直徑確定
本液壓缸屬于單向作用液壓缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用液壓缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為:
式中: - 活塞桿上的推力，N
- 彈簧反作用力，N
- 液壓缸工作時的總阻力，N
- 液壓缸工作壓力，Pa
彈簧反作用按下式計算:
Gf =
式中:- 彈簧剛度，N/m
- 彈簧預壓縮量，m
- 活塞行程，m
- 彈簧鋼絲直徑，m
- 彈簧平均直徑，.
- 彈簧有效圈數(shù).
- 彈簧材料剪切模量，一般取
在設計中，必須考慮負載率的影響，則:
由以上分析得單向作用液壓缸的直徑:
代入有關數(shù)據(jù)，可得
所以:
查有關手冊圓整，得
由,可得活塞桿直徑:
圓整后，取活塞桿直徑校核，按公式
有:
其中，[]，
則:
滿足實際設計要求。
4.3.2 液壓缸的選型
經(jīng)過比較，參考市場上的液壓缸類型，選擇一種可靠優(yōu)質(zhì)的液壓缸產(chǎn)品的生產(chǎn)商—速易可（上海）有限公司http://www.tonab.net/about_us.asp。
速易可液壓動（上海）有限公司成立于2004年，從事于空油壓零組件和設備研 究、生產(chǎn)、銷售的自動化廠商，產(chǎn)品以『TONAB』品牌營銷國內(nèi)外市場，產(chǎn)品主要有空液壓凈化組件、液壓動控制組件、液壓動執(zhí)行組件、輔助組件、空油壓設備，產(chǎn) 品廣泛應用于醫(yī)療器械、工業(yè)機器人、食品包裝機械、紡織機械、半導體設備、軌道交通、煙草機械、機床自動控制、真空搬運、汽車制造、教學培訓等行業(yè)。
速易可目前主要產(chǎn)品有：無桿液壓缸、滑臺液壓缸、止動液壓缸、回轉(zhuǎn)液壓缸、機械夾、回轉(zhuǎn)夾緊液壓（油）壓缸、導桿液壓缸、帶鎖液壓缸、雙軸缸、標準型液壓缸、控制閥、空液壓控制組件、真空系統(tǒng)組件及相關液壓動輔助零組件。
根據(jù)上節(jié)計算，在這選擇DEG48.
4.4 誤差分析與計算
該夾具以2銷定位，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。
與機床夾具有關的加工誤差，一般可用下式表示：
由參考文獻[5]可得：
⑴銷的定位誤差 ：
其中：
，
，
，
⑵ 夾緊誤差 ：
其中接觸變形位移值：
查[5]表1～2～15有。
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。
4.5定位銷選用
本夾具選用一可換定位銷和棱形銷來定位，其參數(shù)如下表：
表3.1 定位銷
d
H
D
公稱尺寸
允差
22
16
22
～0.011
22
5
1
4
M20
4
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(jié)構如下圖所示）以減少更換鉆套的輔助時間。
圖5.1 可換鉆套
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
20
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
22
＞6～8
+0.028
+0.013
20
+0.023
+0.020
15
＞8～10
15
18
20
22
25
＞10～20
+0.034
+0.016
18
22
＞20～15
22
+0.028
+0.015
26
16
28
36
＞15～18
26
30
0.020
＞18～22
+0.041
+0.022
30
34
22
36
HT220
＞22～26
35
+0.033
+0.017
39
＞26～30
42
46
25
HT220
56
＞30～35
+0.050
+0.025
48
52
＞35～42
55
+0.039
+0.022
59
30
56
67
＞42～48
62
66
＞48～50
70
74
0.040
鉆模板選用鉆模板，用沉頭螺釘錐銷定位于夾具體上。
4.7 確定夾具體結(jié)構和總體結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(chǎn)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?qū)崿F(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(jié)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(chǎn)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(jié)構應便于鐵屑。此外，夾點技術，經(jīng)濟的具體結(jié)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(jié)構應便排出鐵屑。
4.8夾具設計及操作的簡要說明
為提高生產(chǎn)率，經(jīng)過方案的認真分析和比較，選用了液壓動夾緊方式（螺旋機構）。這類夾緊機構結(jié)構簡單、夾緊可靠、通用性大，在機床夾具中很廣泛的應用。
此外，當夾具有制造誤差，工作過程出現(xiàn)磨損，以及零件尺寸變化時，影響定位、夾緊的可靠。為防止此現(xiàn)象，選用可換定位銷。以便隨時根據(jù)情況進行調(diào)整換取。
5 方案設計論證
5.1設計思路
（1）首先根據(jù)已知工件需要，選擇加工機床，應選用立式鉆床加工比較合理。
（2）然后工件主要定位部分為直徑為2-Φ48的圓孔，這樣我設想用兩短圓柱銷和菱形銷組合定位，正好滿足六點定位原理，因此本次設計采用此種定位方案有其優(yōu)點。
（3）最后將兩短圓柱銷先固定在夾具體上，利用螺桿和斜鍥組合機構夾緊，用兩短圓柱銷和菱形銷組合把工件定位后，可利用螺紋前進來對工件進行夾緊，工件的夾緊力的方向應該垂直與工件的軸線方向，作用點為軸的切點。
5.2設計方法與結(jié)果
（1）首先對工件的加工要進行分析，在工件上鉆孔，根據(jù)工件的形狀和加工要求，我認為采用鉆床比較合理。
（2）然后，根據(jù)六點定位原理，選用兩短圓柱銷和菱形銷組合，正好滿足六點定位原理，由于限制了六方自由度，所以只需要將工件夾緊就可以進行加工了，在垂直方向上進行夾緊，可以利用螺紋前進來推動斜鍥，進行夾緊，因為螺桿的運動控制簡單，而且不影響加工過程，所以最總選擇螺桿和斜鍥組合機構進行夾緊。
（3）最后，對整個夾緊方案分析得出，定位約合六點定位原理，夾緊工件穩(wěn)定，所以此夾具設計可行。
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