最新半圆键槽铣床夹具设计.docx

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最新半圆键槽铣床夹具设计

半圆键槽铣床夹具设计

毕业设计论文

设计课题：

半圆键槽铣床夹具设计

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摘要

铣削加工一般用于加工平面、沟槽、缺口以及成形曲面。

铣床夹具也是一种常用夹具。

该设计的夹具是用于在卧式铣床上对于凸轮轴铣半圆键槽的专用夹具,主要由夹具体、定位元件（V型块）、夹紧元件（压板）、夹紧机构（斜楔联动夹紧）等组成。

在设计中,分析了零件图、夹具的结构特点、夹具工作原理,计算了定位误差、夹紧力,从而保证了该专用夹具能够用于加工该工件的可靠性、高效性。

专用夹具也有很大的应用空间,即通过专用夹具达到定位准确、夹紧迅速、操作快捷等优点,易于保证，并通过绘图软件完成了铣床夹具装配图及零件图的设计。

关键词：

铣床夹具、凸轮轴、沟槽、V形块

1.绪论---------------------------------------------5

2.现代夹具的发展-----------------------------------5

2.1柔性夹具的主要发展方向--------------------------5

2.2夹具的发展趋势----------------------------------6

2.3组合夹具的应用----------------------------------6

3.零件的分析----------------------------------------7

4.工件定位设计--------------------------------------7

4.1方案选择-----------------------------------------8

4.2V形块的设计--------------------------------------8

4.3定位误差的计算-----------------------------------9

5.工件的夹紧设计------------------------------------10

5.1夹紧装置的组成-----------------------------------11

5.2夹紧机构的选择-----------------------------------11

5.3夹紧力的计算-------------------------------------11

6.对刀元件和夹具体的设计----------------------------12

6.1对刀装置的设计-----------------------------------12

6.2夹具体的设计-------------------------------------12

7.感受与总结-----------------------------------------14

8.参考文献-------------------------------------------15

1.绪论

夹具是一种装夹工件的工艺装备，它广泛地应用于机械制造过程的切削加工、热处理、装配、焊接和检测等工艺过程中。

在金属切削机床上使用的夹具统称为机床夹具。

在现代生产中，机床夹具是一种不可缺少的工艺装备，它直接影响着加工的精度、劳动生产率和产品的制造成本等，故机床夹具设计在企业的产品设计和制造以及生产技术准备中占有极其重要的地位。

机床夹具设计是一项重要的技术工作，是工艺装备设计中的一个重要组成部分，是保证产品质量和提高劳动生产率的一项重要技术措施。

在设计过程中，一般设计夹具步骤如下：

1.1确定工件的定位方法和刀具的导向方式

工件在夹具中的定位应符合定位原理。

合理地设置定位和导向件。

设计定位件和导向件时，应尽量采用通用标准。

1.2确定工件的夹紧方式和设计夹紧机构

夹紧力的作用点和方向应符合夹紧原则，进行夹紧力的分析和计算，以确定夹紧元件和传动装置的主要尺寸。

1.3确定夹具其他部分的结构形式

如分度装置、对刀元件和夹具体等。

1.4绘制夹具总装配图

在绘制总装图配图是，尽量采用1:

1比例。

1.5标注各部分主要尺寸、公差配合和技术要求

1.6标注零件编号及编制零件明细表

在标注零件编号时，标准件可直接标出国家标准代号。

明细表要注明夹具名称、编号、序号、零件名称及材料、数量等。

1.7绘制夹具零件图

拆绘夹具零件图的顺序和绘制夹具总装配图的顺序相同。

在机床上加工工件时，为了要使该工序所加工的表面，能达到图纸规定的尺寸、几何形状以及与其他表面的互相位置精度等技术要求，在加工前，必须首先将工件装好夹牢，把工件装好就是要在机床上确定工件相对刀具的正确加工位置，工件只有处在这一位置接受加工，才能保证其被加工表面达到工序所规定的各项技术要求。

在夹具设计的术语中，把工件装好称为定位。

把工件夹牢，就是指在已经定好的位置上将工件可靠地夹住，以防止在加工时工件因受到切削力、离心力、冲击和振动等的影响，发生不应有的位移而破坏了定位。

在夹具设计的术语中把夹牢工件称做夹紧。

由此可见，工件装夹的实质，就是在机床上对工件进行定位和夹紧，装夹工件的目的，则是通过定位和夹紧而使工件在加工过程中始终保持其正确的加工位置，以保证达到该工序所规定的加工技术要求。

2.现代夹具的发展

2.1柔性夹具的发展方向

由于经济和技术的发展以及数控、加工中心机床的特点，对机床夹具的使用性能和结构提出了更高更新的需求，需要一种结构简单、精度高、强度高和通用性好、适应性强、柔性高的新型夹具系统。

这种夹具能适应不同的机床、不同的产品或同一产品不同的规格型号，能最大限度地满足各种机床夹具的需要。

以组合夹具为基础的柔性夹具就是根据以上的要求设计制造的，这种柔性夹具的特点是：

元件规格统一化、元件性能多功能化、元件结构简单化、模块化、夹紧工件快速自动化、重复使用可调化、组装管理微机化。

柔性夹具是现代夹具的一个主要发展方向。

柔性夹具是又一套预先制造好的各种不同形状、不同尺寸规格、不同功能的系列化、标准化元件、合件组装而成的。

柔性夹具元件、合件具有较好的互换性和较高的精度及耐磨性。

柔性夹具能保证工件在规定的坐标位置上准确定位和牢固的夹紧，也就是说能保证工件相对于机床坐标原点具有准确和稳定可靠的坐标位置。

这种夹具具有较高的刚度和精度，在粗加工是能承受较大的切削用量，以充分发挥数控、加工中心机床的生产能力，在精加工时能更好地保证工件定位基准和加工表面的位置精度，还能根据数控、加工中心机床的要求保证夹具应允许刀具接近尽可能更多的被加工表面甚至全部被加工表面，可减少机床的停机时间，在夹具上还能一次装夹多个工件同时依次加工，可以减少夹具、刀具、工件系统的调整时间，还能减少刀具的更换次数和刀具的调整时间，更好地发挥数控、加工中心机床的高效性能。

柔性夹具元件可以通过组装、使用、拆卸、再组装重复使用。

柔性夹具元件分三个系列：

槽系列夹具元件、孔系列夹具元件、光面系列夹具元件。

2.2夹具的发展趋势

2.2.1夹具元件多功能模块化

能单独使用也能与其他元件组合在一起使用的多功能模块化单元体的比例将进一步增加。

如现在使用的各种定位夹紧座、定位夹紧支承、精密虎钳等模块式单元体具有定位、夹紧以及调节的综合功能，可以一件单独使用，也可以几件组装在一起使用，T形基础、方箱能组装成一次能装夹多件相同或不相同的工件的夹具，使用这种夹具可以减少机床可以减少机床的停机时间，最大限度发挥数控、加工中心机床的高效性能。

2.2.2高强度、高刚性、高精度

为了提高劳动生产率，缩短工件的加工工时，工件的加工的加工已向着高速、大切削量方向发展、工序高度其中，工件定位夹紧后要依次完成铣、钻、镗等多工序的加工。

切削力的大小、方向在不断地变化，这就需要柔性夹具本身要有较高的使用强度和刚度，才能满足工件的加工精度。

2.2.3专用夹具、组合夹具、成组夹具一体化

现代化加工设备的多功能化，使工艺过程高度其中、工件一次定位夹紧后能完成多工序加工，这就需要一种通用而又能重复使用的组合可调式的夹具系统。

它是由一系统统一化、标准化的元件和合作组成。

利用这些元件、合件组装成各种不同形式、不同结构、可重复使用的夹具，供单件或中小批量生产使用。

这种夹具系统保留了组合夹具的各种优点。

为了便于夹具与机床定位连接，夹具基体有统一标准的定位连接位置，使之专用、组合、成组夹具向着一体化、组合化方向发展，以满足现代化加工设备的需要，

2.2.4工件夹紧快速、自动化

为缩短工件加工中的辅助时间，减轻工人的劳动强度，工件的装夹、拆卸也需要机械化、自动化。

工件的夹紧有原先的单一功能的压紧件、紧固件发展为可以调整的模块，以便实现快速组装和快速夹紧。

2.3组合夹具的应用

随着机械制造业的飞速发展，产品的更新换代越来越快，传统的大批量生产模式逐步被中小批量生产模式所取代，机械制造系统适应这种变化需具备较高的柔性，国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方向。

柔性化的着眼点主要在机床工装两个方面，组合夹具是工装柔性化的重点。

随着科学技术的日新月异，先进制造技术不断得到发展。

柔性制造技术、集成制造技术将是现代先进制造技术发展的主流。

未来制造过程将变得更智能化，制造企业适应市场的能力更强。

柔性制造技术由于其高效、灵活的特性使其成为实施敏捷制造、并行工程和智能制造系统的基础，且应用日益广泛，已成为整个机构制造领域的核心技术，面组合夹具由于其灵活性，已成为现代夹具主要发展方向，在制造业中发挥着重要作用。

3.零件的分析

3.1如下图，各表面均已加工完毕，只需铣削R14深5

mm、Ra1.6粗糙度的半圆键槽，工件材料45＃钢，数量为为中批量.

要求设计一卧式铣床夹具，加工凸轮轴的半圆形键槽。

该零件的技术要求为：

大端直径φ40h6mm，加工段直径φ28.450-0.1mm，半圆形槽深5+10，半径为14mm，槽宽

mm,键槽的对程度公差为0.1。

凸轮轴的轴线对于机床工作台面的水平度误差为0.02，键槽的表面粗糙度为3.2。

由图可知此零件为轴类零件，年产量为1500件，属于中批量生产，该轴是45钢属于调质钢，一般都经淬火和高温回火后，具有较高的综合力学性能，强度硬度适中，易铣削。

外形简单，其它各表面已经加工过，半圆键槽宽度要求高，且有对成都要求。

直径为40和28.45的外圆加工精度高可作为定位基准面。

除了尺寸精度外还需要保证形位精度，因此，可在卧式铣床上用三面刃铣刀加工。

4.工件定位设计

为了保证工件被加工表面的技术要求，必须使工件相对刀具和机床处于正确的加工位置。

在使用夹具的情况下，就要使机床、刀具、夹具和工件之间保持正确的加工位置。

显然，工件的定位是其中极为重要的一个环节。

要使工件完全定位，就必须限制工件在空间的六个自由度，此即为工件的“六点定位原则”。

在定位设计中，会遇到以下几种情况：

（1）完全定位

限制了工件全部的六个自由度，称为工件的“完全定位”

（2）不完全定位

在对工件的加工精度没有影响的情况下，允许少于六点的定位称为“不完全定位”

（3）欠定位

工件的定位支承点数少于应限制的自由度数，这种工件定位点不足的情况，称为“欠定位”，欠定位在实际生产中是不允许的。

（4）过定位

工件的某一个自由度同时被两个或多个定位支承点重复限制，这种情况称为“过定位”，也叫“重复定位”

本设计因加工需要，对其限制五个自由度。

所以选用不完全定位。

4.1定位方案选择

在工件直径40mm和直径28.45mm两个外圆放在两个V形块上定位，限制四个自由度，端面轴向定位于挡板上，限制一个自由度。

从而形成不完全定位。

优点：

（1）定位精度高：

（2）安装方便：

（3）对中性好：

（4）V形块结构已经标准化。

缺点：

结构较复杂，制造要求较高。

4.2V形块的设计

V形块的基本尺寸为：

H：

v形块的高度；

D：

v形块的标准心轴

直径，即，工件定位用的

外圆直径；

N：

v形块的开口尺寸；

T：

对标准心轴而言，

V形块的标准定位

高度。

V形块的夹角a取90度。

已知：

D=40mm.

D1=28.45mm

V形块计算则为：

1）N=1.41D-2A

=1.41*40-2*4.3=48.1mm

又H小于1.2D

H取46mm

所以，T=H+0.707D-0.5N

=46+0.707*40-0.5*48.1=50.23mm

2）N1=1.41D1-2A

=1.41*28.45-2*4.3=31.5mm

又H1小于1.2D1

H1取32mm

所以，T=H1+0.707D1-0.5N1

=32+0.707*28.45-0.5*31.5

=36.4mm

4.3定位误差

定义：

由定义引起的同一批工件的工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量。

定位误差研究的主要对象是工件的工序基准和定位基准。

它的变动量将影响工件的尺寸精度和位置精度。

原因：

定位基准与工序基准不重合而产生的基准不重合误差以及工件基准与定位元件的限位基准不重合。

Δδ由题意可知：

Δb=0（定位基准与工序基准重合）

沿z方向的基准位移误差

Δy=0.707*δd=0.707*1mm=0.707mm

Δy值投影到加工尺寸方向，即

Δd=Δy*cos30=0.707*0.866mm=0.612mm

当Δb不等于0，Δy等于0时。

产生定位误差的原因是基准不重合误差，故

只要计算出Δb即可。

即Δb=Δd

5.工件的夹紧设计

机械加工过程中，为保持工件定位时所确定加工位置，防止工件在切削力、惯性力、离心力及重力等作用下发生位移和振动，一般机床夹具应有一定的夹紧装置，以将工件压紧。

因此，夹紧装置的合理、可靠和安全性，对工件加工的技术和经济效果有重大影响，故提出下列基本要求：

1）夹紧过程中，不改变工件定位后占据的正确位置。

2）夹紧力的大小要可靠和适当，既要保证工件在整个加工过程中位置稳定不变、振动小，又要使工件不产生过大的夹紧变形。

3）夹紧装置的自动化和复杂程度应与生产纲领相适应，在保证生产效率的前提下，其结构要力求简单，以便于制造和维修

4）夹紧装置的操作应当方便、安全、省力。

5.1夹紧装置的组成

典型的夹紧装置由动力源装置和夹紧部分两个基本部分组成。

5.1.1动力源装置

它是产生夹紧力的动力源，所产生的力称为原始力，有气动、液压、电动等。

一般人体产生的力不列为动力源装置。

5.1.2夹紧部分

夹紧部分是接受和传递原始作用力使之变为夹紧力并执行夹紧任务的部分，一般由下列元件或机构组成：

（1）夹紧元件。

常指夹紧装置的终端持行元件，它与元件直接接触，并施以夹紧力F而实现夹紧。

（2）中间递力机构。

指介于力源于夹紧元件之间，起传递增力等作用机构

（3）接受原始作用力的元件。

如手柄、螺母或用来连接气缸活塞杆的元件等。

其中中间递力机构在传递原始作用力至夹紧元件的过程中可以起到诸如改变作用力的方向、改变作用力的大小以及自锁等作用。

5.2夹紧装置的基本要求

在不破坏工件定位精度，并保证加工质量的前提下，尽量使夹紧装置做到：

（1）夹紧作用准确、安全、可靠。

（2）夹紧动作迅速，操作方便省力。

（3）夹紧变形小。

（4）结构简单，制造容易。

5.3夹紧力的计算

W=QL/μ（R+r）+e（sinr-μcosr）

在偏心轮转角γ=90°时，在其所计算的夹紧力下，按给定的计算条件如摩擦系数μ=0.1等。

是不能可靠地保证其自锁的。

为便于分析计算，将公式如下变换

W=1/μ（1+r/R）+e/R（sinγ-μcosγ）*l/R*Q

式中：

e为偏心距，R为偏心轮半径，其比值e/R称为偏心率，其不仅影响夹紧力W，而且还影响机构的自锁性能。

tga=esinγ/R-ecosγ≤tgθ=μ

上式经化简整理后可得出圆偏心夹紧机构的自锁条件为：

ε=μ/sinγ+μcosγ=sinθ/sin（γ+θ）

式中：

θ——为偏心轮与被夹压表面间的摩擦系数；

ε——为保证自锁允许的最大偏心率

表为ε与γ的对应值

γ

0°

30°

60°

90°-θ

90°

150°

180°-θ

ε

1

0.170

0.109

0.0995

0.1

0.242

∞

ε值表明在偏心轮工作面上各位置的自锁性能是不同的，在γ=90-θ的位置，ε

值为最小，即自锁性能最差的位置。

完全自锁类偏心是指在偏心轮的工作面上以任意位置夹紧时均能保证自锁的偏心。

为此，必须满足如下条件：

e/R≤εmin由此可知，当γ=90°-θ时，ε=εmin=sinθ

则偏心伦自锁条件为：

e/R≤sinθ其夹紧力计算公式：

Wa=1/μ（1+r/R）+sinθ（sinγ-μcosγ）*L/R*Q

根据公式，讨论Wa的大小以及随γ的变化规律，式中各参数据参考文献一般可取：

μ=0.1-0.5，现取μ=0.1

r/R=0.15-0.25，现取r/R=0.2

L/R=4.5-5.5，现取L/R=5

Q=100N

将以上数据代入可得：

Wa=5000/1.2+sin（γ-θ）N

由公式可知最小夹紧力Wa产生在γ=90°+θ的位置，而并非通常所认为的产生在其升角为最大。

W与γ的对应值

γ

30

45

60

90

90+θ

120

135

150

165

180

Wa

3103

2727

2485

2278

2273

2368

2533

2803

3218

3846

6.对刀装置和夹具体的设计

6.1对刀装置的设计

由于对刀装置只是辅助部分，跟据V形块的高度半圆键槽的宽度，深度及设计夹具体的长度和宽度进行设计，并直接焊接在夹具体上，且对刀装置的对刀口表面须表面淬火以提高其表面强度和硬度。

6.1.1铣床夹具的连接元件由两部分组成：

（1）定位键

铣床夹具以定位键和机床工作台T型槽配合，每个夹具一般设置两个定位键，起到夹具在机床上的定向作用，，并用埋头螺钉把定位键固定在夹具体的键槽中。

（2）夹紧装置

在机械中，为了便于机械的制造、安装、运输、维修等，广泛的使用各种联接。

机械联接分为两大类：

一类是机器工作时被连接零件间可以有相对运动的联接，成为机械动联接。

另一类是在机器工作时，被联接零件间不允许产生相对运动的联接，成为机械静联接，在制造工业中，“联接”这一术语通常是指静联接。

在这里我们为保证加工要求必须采用静连接，也就是常用的螺纹联接。

6.2夹具体

6.2.1夹具体的作用及基本要求

夹具体是夹具的基础元件。

夹具体的安装基面与机床连接，其它工作表面则装配各种元件和装置，以组成夹具的总体。

在加工过程中，夹具体要承受工件重力、夹紧力、切削力、惯性力和振动力的使用，所以夹具体应具有足够的强度、刚度和抗振性，以保证工件的加工精度。

对于大型精密夹具，由于刚度不足引起的变形和残余应力产生的变形，应予以足够的重视。

6.2.2夹具体设计应符合以下基本要求：

（1）夹具体的结构形式一般由机床的有关参数和加工方式而定。

主要分两大类：

车床夹具旋转型夹具体，铣床、镗床夹具的固定型夹具。

旋转型夹具体与车床主轴连接，固定型夹具体则与机床工作台连接。

（2）有一定的精度和良好的结构工艺性。

夹具体有三个重要表面，即夹具体在机床上的安装面、装配定位元件的表面和装配对刀或导向元件的表面等。

一般应以夹具的安装面为夹具体的主要设计基准及工艺基准，这样有利于制造、装配、使用和维修。

夹具体上的装配表面，一般应铸出3—5mm高的凸面以减少加工面积。

铸造夹具体壁厚要均匀，转角处应有R5—R10mm的圆角。

（3）必要的强度和刚度。

铸造夹具体的壁厚一般取15—30mm;焊接夹具体的壁厚为8—15mm。

必要时可用肋来提高夹具体的刚度。

肋的厚度取壁厚0.7—0.9倍

（4）在机床工作台上安装的夹具，应使其重心尽量低，夹具体的高度尺寸要小。

（5）夹具体的结构应简单、紧凑，尺寸要稳定，残余变形要小。

夹具的刚度与结构经常有矛盾，往往刚度提高了，而夹具体的结构复杂了。

因此必须提高整体设计水平，在保证强度和刚度的前提下，减小夹具体的体积尺寸和重量。

（6）要有适当的屑空间和良好的排屑性能。

对于切削是产生切屑不多的夹具，可加大定位元件工作表面与夹具直径为之间的距离或增设容屑沟槽，以增加容屑空间；

（7）要有较好的外观。

夹具体外观造型要新型，钢质夹具体需热处理，铸件为加工部位必须清理，并涂油漆。

（8）在夹具体适当部位用钢印打出夹具编号，以便于工装的管。

7.感受

经过一个多月的毕业设计使我收获了不少知识，首先是组队的团结意识得到了很大的提高，一个人的力量是有限的而团队的力量是无穷的。

记得杨院长讲过一句话：

“在一个团队中不要总是说我，而是要说我们。

即使你的能力再大而你的组员再弱也必须配合起来,如果你觉得自己在这次设计中出力最多而他们出力最少就以为这设计是你设计的，他们会怎么想？

”。

所以在这次设计中首先学会的是配合。

其次，选设计题时我们就没想那么多，对这个半圆键槽铣床夹具也不是很理解，直到老师讲了一堂有关夹具的设计课，让我知道了设计该夹具的相关步骤，然后根据这些相关步骤进行设计，比如定位装置的选择，夹紧装置的选择，夹具体及对刀装置的设计等等。

不明白就直接找指导老师问明白，在这次设计中我们也复习了我们大一大二的一些相关知识，比如caxa，机械制图，金属材料，机械加工等一系列与本次设计的书籍，caxa我们几乎已经忘记了怎么运用但后来经过一个星期的自学终于学会了才能保证后面的工作的继续实行。

最后，在这里我要感谢学校给我们一次这样的机会让我们从新学到了一些“新”知识而这些知识也是记得最深的。

8.参考文献

《机械设计基础》孙宝钧主编，机械工业出版社2009年1月

《工程力学》张国民，赵关康主编，机械工业出版社2009年6月

《机械制图》李跃兵，钟震坤主编，机械工业出版社2009年7月

《金属材料与热处理》李炜新主编，机械工业出版社2010年9月

《机械加工设备与工装》韩洪涛主编，高等教育出版社2008年12月

《高等数学》张孝理主编，湖南科学技术出版社2008年8月出版

《机床夹具设计》薛源顺主编，机械工业出版社

《机床夹具设计》肖继德，陈宁平主编，北京机械工业出版社2009

《CAD/CAM应用》陶波主编，北京高等教育出版社2009