机床夹具设计步骤与方法.doc

5.6 机床夹具设计步骤与方法本节着重介绍专用机床夹具的设计步骤与方法，并讨论与此有关的一些问题。5.6.1 专用夹具设计的基本要求机床专用夹具设计的基本要求可概括为以下几方面：1保证工件的加工精度这是夹具设计的最基本要求，其关键是正确地确定定位方案、夹紧方案、刀具导向方式及合理制定夹具的技术要求，必要时应进行误差分析与计算。2夹具总体方案应与生产纲领相适应在大批量生产时，应尽量采用各种快速、高效结构，如多件夹紧、联动夹紧等，以缩短辅助时间，提高生产率；在中小批量生产中，则要求在满足夹具功能的前题下，尽量使夹具结构简单、容易制造、以降低夹具制造成本。3操作方便，使用安全所设计的夹具应能减轻工人劳动强度，如采用气功、液压等机械化夹紧装置，以减轻工人的劳动强度，并可较好地控制夹紧力。夹具操作位置应符合操作工人的习惯，必要时应有安全保护装置，以确保使用安全。4便于排屑切屑积聚在夹具中，会破坏工件正确的定位；切屑带来的大量热量会引起夹具和工件的热变形，影响加工质量；切屑的清扫又会增加辅助时间，降低工作效率；切屑积聚严重时，还会损伤刀具或造成工伤事故。因此排屑问题在夹具设计时必须给予充分的注意，在设计高效机床夹具时尤为重要。5有良好的结构工艺性所设计的夹具应便于制造、检验、装配、调整、维修等。 5.6.2 专用夹具设计的一般步骤专用夹具设计的一般步骤如下：1研究原始资料，明确设计要求，收集设计资料在接到夹具设计任务书后，首先要仔细地阅读被加工零件的零件图和装配图，清楚地了解零件的作用、结构特点、材料及技术要求。其次要认真地研究零件的工艺规程，充分了解本工序的加工内容和加工要求、加工余量、定位基准及所使用的工艺装备。收集有关资料，如机床的技术参数，夹具部件的国家标准、部颁标准、企业标准和厂定标准，典型夹具结构图册，夹具设计指导资料等。必要时还应了解同类零件所用过的夹具及其使用情况，作为设计时的参考。2拟定夹具结构方案，绘制夹具结构草图拟定夹具结构方案时应主要考虑以下问题：根据零件加工工艺所给的定位基准和六点定位原理，确定工件的定位方法并选择相应的定位元件；确定刀具引导方式，并设计引导装置或对刀装置；确定工件的夹紧方法，并设计夹紧机构；确定其他元件或装置的结构形式；考虑各种元件和装置的布局，确定夹具体的总体结构。为使设计的夹具先进、合理，常需拟定几种结构方案，进行比较，从中择优。在构思夹具结构方案时，应绘制夹具结构草图，以帮助构思，并检查方案的合理性和可行性，同时也为进一步绘制夹具装配图做好准备。3绘制夹具装配图，标注有关尺寸及技术要求夹具装配图应按国家标准绘制，比例尽量取1:1，这样可使所绘制的夹具图有良好的直观性。对于很大的夹具，可使用1:2或1:5的比例；夹具很小时可使用2:1的比例。夹具装配图在清楚表达夹具工作原理和结构的情况下，视图应尽可能少，主视图应取操作者实际工作位置。绘制夹具装配图可参照如下顺序进行：用假想线（双点画线）画出工件轮廓（注意将工件视为透明体，不挡夹具），并应画出定位面、夹紧面和加工面（画在各视图上）；画出定位元件及刀具引导元件；按夹紧状态画出夹紧元件及夹紧机构（必要时用假想线画出夹紧元件的松开位置）；绘制夹具体和其他元件，将夹具各部分连成一体；标注必要的尺寸、配合、技术条件；待加工面上的加工余量可用网纹线或粗实线表示；对零件进行编号，填写零件明细表和标题栏。4绘制零件图对夹具装配图中的非标准件均应绘制零件图，零件图视图的选择应尽可能与零件在总图上的工作位置相一致，并按总图要求确定零件的尺寸、公差和技术要求。如图5-92所示为一夹具设计过程示例。该夹具用于加工连杆零件的小头孔，图5-92（a）所示为工序简图。零件材料为45钢、毛坯为模锻件、生产纲领为500件，所用机床为立式钻床Z5250。设计主要过程如下：（1）精度与批量分析本工序有一定位置精度要求，属于批量生产，使用夹具加工是适当的。但考虑到生产批量不是很大，因而夹具结构应尽可能的简单，以减小夹具制造成本（具体分析从略）。（2）确定夹具结构方案 确定定位方案，选择定位元件。本工序加工要求保证的位置精度主要是中心距尺寸120mm±0.05mm 及平行度公差0.05mm。根据基准重合原则，应选f36H7孔为主要定位基准，即工序简图中所规定的定位基准是恰当的。为使夹具结构简单，选择间隙配合的刚性心轴加小端面的定位方式（若端面B与孔A垂直度误差较大，则端面处应加球面垫圈）。又为保证小头孔处壁厚均匀，采用活动V形块来确定工件的角向位置，参考图5-92（b）。 确定导向装置。本工序小头孔加工的精度要求较高，一次装夹要完成钻扩粗铰精铰四个工步，故采用快换钻套（机床上相应的采用快换夹头）；又考虑到要求结构简单且能保证精度，采用固定式钻模板，参考图5-92（c）。 确定夹紧机构。理想的夹紧方式应使夹紧力作用在主要定位面上，本例中可采用弹性可涨心轴、液塑心轴等，但这样作夹具结构较复杂，制造成本较高。为简化结构，确定采用螺旋夹紧，即在心轴上直接做出一段螺纹，并用螺母和开口垫圈锁紧，参考图5-92（d）。 确定其他装置和夹具体。为了保证加工时工艺系统的刚度和减小加工时工件的变形，应在靠近工件的加工部位增加辅助支撑。夹具体的设计应全盘考虑，应能使上述各部分通过夹具体有机地联系起来，形成一个完整的夹具。此外，还应考虑夹具与机床的连接。因为是在立式钻床上使用，夹具安装在工作台上可直接用钻套找正并用压板固定，故只需在夹具体上留出压板压紧的位置即可。又考虑到夹具的刚度和安装的稳定性，夹具体底面设计成周边接触的形式，参考图5-92（e）。图5-92 夹具设计过程示例（3）绘制夹具装配图在绘制夹具草图的基础上绘制夹具装配图，标注尺寸和技术要求，参考图5-92（e）。 （4）拆画零件图对零件进行编号，填写明细表和标题栏，绘制零件图（从略）。 5.6.3 专用夹具设计中的几个重要问题1夹具设计的经济性分析在零件加工过程中，对于某一工序而言，是否要使用夹具，应使用什么类型的夹具（通用夹具、专用夹具、组合夹具等），以及在确定使用专用夹具的情况下应设计什么档次的夹具，这些问题在夹具设计前必须加以认真的考虑。除了从保证加工质量的角度考虑外，还应作经济性分析，以确保所设计的夹具在经济上合理。具体内容可参考有关文献。2成组设计思想的采用以相似性原理为基础的成组技术在设计、制造、管理等各方面均有广泛的应用，夹具设计也不例外。在夹具设计中应用成组技术的主要方法是：根据夹具的名称、类别、所用机床、服务对象、结构形式、尺寸规格、精度等级等对夹具及夹具零部件进行分类编码，并将设计图纸及有关资料分类存放。当设计新夹具时，首先要对已有的夹具进行检索，找出编码相同或相近的夹具，或对它进行小的修改、或取其部分结构、或供设计时参考。在设计夹具零部件时，亦可采用相同的方法，或直接将已有的夹具零部件拿来使用、或在原有图纸基础上作些小的改动。不论采用哪种方式，均可大大减小设计工作量，加快设计进度。此外，在夹具设计中采用成组技术原理，有利于夹具设计的标准化和通用化。如图5-80所示的车床夹具本来是为成组加工服务的，但完全可将它标准化后，作为一种专用的或通用可调整的夹具使用，以适应更多品种零件加工的需要。3夹具装配图上尺寸及技术条件的标注夹具装配图上标注尺寸及技术要求的目的主要是为了便于拆零件图，便于夹具装配和检验。为此应有选择地标注尺寸及技术要求，具体讲，夹具装配图上应标注以下内容： 夹具外形轮廓尺寸。 与夹具定位元件、导向元件及夹具安装基准面有关的配合尺寸、位置尺寸及公差。 夹具定位元件与工件的配合尺寸。 夹具导向元件与刀具的配合尺寸。 夹具与机床的连接尺寸及配合。 其他重要配合尺寸。夹具上有关尺寸公差和形位公差通常取工件上相应公差的1/51/2。当生产批量较大时，考虑夹具的磨损，应取较小值；当工件本身精度较高，为使夹具制造不十分困难，可取较大值。当工件上相应的公差为自由公差时，夹具上有关尺寸公差常取±0.1mm或±0.05mm，角度公差（包括位置公差）常取±10' 或±5'。确定夹具公差带时，还应注意保证夹具的平均尺寸与工件上相应的平均尺寸一致，即保证夹具上有关尺寸的公差带刚好落在工件上相应尺寸公差带的中间。夹具装配图上标注的技术要求通常有以下几方面： 定位元件与定位元件定位表面之间的相互位置精度要求。 定位元件的定位表面与夹具安装面之间的相互位置精度要求。 定位元件的定位表面与引导元件工作表面之间的相互位置精度要求。 引导元件与引导元件工作表面之间的相互位置精度要求。 定位元件的定位表面或引导元件的工作表面对夹具找正基准面的位置精度要求。 与保证夹具装配精度有关的或与检验方法有关的特殊的技术要求。几种常见情况的技术要求见表5-6。表5-6 夹具技术要求举例夹具简图技术要求夹具简图技术要求1. A面对Z（锥面或顶尖孔中心线）的垂直度公差2. B面对Z（锥面或顶尖孔中心线）的同轴度公差1. 检验棒A对L面的平行度公差2. 检验棒A对B面的平行度公差1. A面对L面的平行度公差2. B面对止口面N的同轴度公差3. B面对C面的同轴度公差4. B面对A面的垂直度公差1. A面对L面的平行度公差2. B面对D面的平行度公差1. B面对L面的平行度公差2. B面对A面的垂直度公差3. G面对L面的垂直度公差4. G轴线对B最大偏移量1. B面对L面的垂直度公差2. K面（找正孔）对L、N的同轴度公差1. A面对L面的平行度公差2. G面对A面的平行度公差3. G面对D面的平行度公差4. B面对D面的垂直度公差夹具装配图上尺寸标注及技术条件标注示例可参考图5-92（e）。4夹具结构工艺性分析在分析夹具结构工艺性时，应重点考虑以下问题：（1）夹具零件的结构工艺性。与一般机械零件的结构工艺性相同，首先要尽量选用标准件和通用件，以降低设计和制造费用，其次要考虑加工的工艺性及经济性。（2）夹具最终精度保证方法。专用夹具制造精度要求较高，又属于单件生产，因此大都采用调整、修配、装配后加工，以及在使用机床上就地加工等工艺方法来达到最终精度要求。在设计夹具时，必须适应这一工艺特点，以利于夹具的制造、装配、检验和维修。如图5-93所示镗模，要求保证工件定位面A与夹具底面L平行。若直接通过加工后装配来保证，则根据尺寸链原理，支撑板3的高度及上下表面的平行度、夹具底板4上下表面的平行度均要求很好地保证，这往往会给加工带来一定的困难。若将支撑板安装在夹具底板上以后再加工A面，则不但可以很容易地保证A面对L面的平行度要求，而且可以降低夹具制造费用。又如该夹具中轴线C与支撑面A的距离尺寸H及平行度要求，轴线C与导向面B的距离尺寸K及平行度要求，均可通过对镗模支架1和2的调整及修配来达到。这样做既给加工带来很大方便，也使夹具最终精度易于保证。（3）夹具的测量与检验。在确定夹具结构尺寸及公差时，应同时考虑夹具上有关尺寸及形位公差的检验方法。夹具上有关位置尺寸及其误差的测量方法通常有三种，即直接测量方法、间接测量方法和辅助测量方法。例如在图5-93中，测量轴线C至支撑面A的位置尺寸H，可以在两镗模支架孔中插入一检验棒，然后测量检验棒上母线至A面的距离，再减去检验棒的半径值，即可得到尺寸H的数值。这种方法属于直接测量方法。当采用直接测量方法有困难时，可采用间接测量方法。例如要测量图5-93中B面与轴线C的平行度，直接测量比较困难，此时可利用夹具底板上的找正基面D进行间接测量，即先测出B面对D面的平行度误差，再测量出C对D面的平行度误差，最后经计算可得到B面对轴线C的平行度误差。1、2镗模支架；3支撑板；4底板图5-93 夹具装配精度的保证当采用上述两种测量方法均有困难时，还可采用辅助测量方法。在使用夹具加工工件上的斜面或斜孔时经常会出现这样的情况，此时零件图上所给的尺寸在夹具上无法测量，需在夹具上设置辅助的测量基准，进行辅助测量。例如图5-70所示铣夹具，用于加工工件上与定位面成16°30' 角的斜面，并保证斜面上M点的坐标尺寸67mm和93mm。与这两个尺寸相对应的夹具尺寸无法测量，为此在夹具上设置了一个直径为f8mm的工艺孔。此工艺孔设在工件主轴线的延长线上，并与定位面保持一定的距离x。若对刀块顶面至工艺孔中心点的距离已经确定，则通过简单的几何关系，可求出Z的数值。由图5-70（b）可列出如下方程 （5-26）将有关数值代入，有解上述方程可求出按此值在夹具体上做出工艺孔，再按工艺孔调整对刀块的高度尺寸148mm及圆柱销至工艺孔的距离58mm，即可使夹具达到设计要求。上述的测量方法属于辅助测量方法。图5-68所示的车夹具采用的也是这种测量方法。在加工空间斜面（加工面与定位面在两个投影面上均有角度关系）或空间斜孔（孔的轴线在两个投影面上均与定位面构成角度关系）时，情况更复杂一些。此时常需使用测量球作为辅助测量基准，并需进行空间角度和坐标计算，这里不再详述。5夹具的精度分析夹具的主要功能是用来保证零件加工的位置精度。使用夹具加工时，影响被加工零件位置精度的误差因素主要有三个方面：（1）定位误差。工件安装在夹具上位置不准确或不一致性，用Ddw即表示，如前所述。（2）夹具制造与安装误差。包括： 夹具制造误差。定位元件与导向元件的位置误差、导向件本身的制造误差、导向元件之间的位置误差、定位面与夹具安装面的位置误差等。 夹紧误差。夹紧时夹具或工件变形所产生的误差。 导向误差。对刀误差、刀具与引导元件偏斜误差等。 夹具装夹误差。夹具安装面与机床安装面的配合误差、装夹时的找正误差等。该项误差用Dzx表示。（3）加工过程误差。在加工过程中由于工艺系统（除夹具外）的几何误差、受力变形、热变形、磨损以及各种随机因素所造成的加工误差，用Dgc表示。上述各项误差中，第一项与第二项与夹具有关、第三项与夹具无关。显然，为了保证零件的加工精度，应使+T （5-27）式中，T为零件有关的位置公差。式（5-27）即为确定和检验夹具精度的基本公式。通常要求给Dgc留三分之一的零件公差，即应使与夹具有关的误差限定在零件相应公差三分之二的范围内。当零件生产批量较大时，为了保证夹具的使用寿命，在制定夹具的制造公差时，还应考虑留有一定的夹具磨损公差。下面对图5-92（e）所示夹具精度进行验算，以进一步说明夹具精度分析方法。首先考虑工件上两孔中心距要求120mm±0.05mm，影响该项精度的与夹具有关的误差因素主要有： 定位误差。该夹具的定位基准与设计基准一致，基准不重合误差为零。基准位置误差取决于心轴与工件大头孔的配合间隙。由配合尺寸f36H7/g6可求出最大配合间隙为 0.05mm，该值即为定位误差。 夹具制造与安装误差。该项误差包括：钻模板衬套轴线与定位心轴轴线距离误差，此值为±0.01mm；钻套与衬套的配合间隙，由配合尺寸f28H6/g5可确定其最大间隙为 0.029mm；钻套孔与外圆的同轴度误差，在本例中此值假定为0.01mm；刀具引偏量，采用钻套引导刀具时，刀具引偏量可按下式计算（参考图5-94） （5-28）式中 e 刀具引偏量；H钻套高度；h 排屑间隙；B钻孔深度；刀具与钻套之间的最大间隙。本例中，精铰刀与钻套配合取f18H6/g5后，可确定=0.025mm。将H=30mm，h=12mm，B=18mm 代入式（5-28）中，可求得e0.038mm。图5-94 刀具引偏量计算上述各项误差都是按最大值计算的。实际上，各项误差不可能都出现最大值，而且各项误差方向也不可能都一样。考虑到上述各项误差大小与方向的随机性，采用概率方法计算总误差是恰当的，即有D0=（0.052 + 0.022 + 0.0292 + 0.012 + 0.0352）= 0.07 mm式中，D0为与夹具有关的加工误差总和。该值略大于零件相应公差（0.1mm）的三分之二，即留给加工过程的误差还有0.03mm，夹具勉强可用。其次再来分析两孔平行度要求。影响此项精度的与夹具有关的误差主要有： 定位误差。本例中设计基准与定位基准重合，因此只有基准位置误差，其值为工件大头孔轴线对夹具心轴轴线的最大偏转角式中 a1 孔轴间隙配合时，轴线最大偏转角（rad）；Dl max工件大头孔与夹具心轴最大配合间隙（mm）；H1 夹具心轴长度（mm）。 夹具制造与安装误差。该项误差主要包括两项：一是钻套孔轴线对心轴轴线的平行度误差。由夹具标注的技术要求可知该项误差值为a2 = 0.02/30；二是刀具引偏量，如图5-94所示，刀具最大偏斜角为a，令a3 = a，则有上述各项误差同样具有随机性，仍按概率算法计算，可求得影响平行度要求的与夹具有关的误差总和为:18该值小于零件相应公差（0.05/18mm）的三分之二，夹具设计合理。需要说明的是上述精度分析方法仍然是近似的，可供设计时参考，正确与否仍需通过实践加以检验。