新型楔形夹头设计.docx
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新型楔形夹头设计.docx
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新型楔形夹头设计
本科生毕业设计(论文)
题目:
新型楔形夹头的设计
学生姓名:
XXX
系别:
机械与控制工程学院
专业年级:
机械设计制造及其自动化本科
指导教师:
XXX
2015年6月10日
摘要
夹具被广泛应用于各种行业,其主要作用就是用来有效定位、支撑、夹紧元件,尽可能使元件的安装固定变的迅速、准确、方便,尽可能的缩减无用功。
由于夹具的广泛应用,夹具也诞生出了各种分类,其中楔形夹头就是被广泛应用于电拉验机的夹具。
之所以应用楔形夹头作为电拉试验机的夹头,主要是因为它的自锁性。
在拉力试验中,随着试验的进行,夹板会对试件夹得越来越紧,避免了随着试验的进行由于拉力的增大而使试件脱落。
但楔形的自锁性也有一个巨大的缺点,那就是随着试验的进行,当拉力增大到一定程度后,夹板对试件的夹紧也达到了一个很大的强度,以至于出现锁死现象,使得试件不能轻松取出,这对于试验结束后的试件拆卸造成了很大的麻烦。
本课题针对这一问题对楔形夹头的夹体做了相应的改进,以达到在不影响夹头工作的情况下解除锁死现象。
相对于一体化的夹体,改进后可移动的夹体可以很轻松的打开因为夹体形变而产生的锁死。
关键词:
夹具;楔形夹头;夹体;锁死;可移动夹体
ABSTRACT
Fixtureiswidelyusedinvariousindustries,itsmainfunctionistoeffectivelylocate,supportingandclampingofcomponentsofthedevice,asfaraspossibletomakethecomponentsoftheinstallationoffixedofrapid,accurateandconvenient,asfaraspossibletoreduceuseless.Duetothewideapplicationoffixturefixturewasalsobornoutofthevariousclassifications,whichwedgechuckiswidelyusedinelectricpulltestmachinefixture.Theapplicationofwedgechuckchuckaspulltestmachine,mainlybecauseofitsself.Inthetensiletest,withthetest,thesplintcangetmoreandmoretension,andavoidthetestpiecesheddingduetotheincreaseofthetension..Butwedgeself-lockingalsohasahugedrawback,thatiswiththetest,whenthelagincreasestoacertainextent,splintonthespecimenclampingreachedalotofstrength,thattheemergenceofthephenomenonoflocking,thespecimencannotbetakenouteasily,andthetestaftertheendofthetestpiecesofthedemolitioncausedalotoftrouble.
Thisprojecttosolvetheproblemofwedgechuckclampbodydocorrespondingimprovement,inordertoachievethechuckworkreleaselockingphenomenon.Relativetotheintegratedclip,theimprovedremovableclipcaneasilyopenthelockthatisgeneratedduetotheclipbodyshape..
Keywords:
Clamp;Wedgeclamp;Clamp;Lock;Movableclampbody
目录
第一章引言1
1.1课题的背景和意义1
1.2夹具国内外发展状况2
1.2.1国内夹具现状2
1.2.2国外夹具现状3
1.3夹具的市场发展前景4
第二章传统楔形夹头的的原理与分析5
2.1夹头的工作原理5
2.2夹头工作时的问题6
2.3问题分析与解决方案6
2.3.1问题分析6
2.3.2解决方案7
第三章新型楔形夹头的设计8
3.1新型楔形夹头的初步设计8
3.1.1初步的设计构想8
3.1.2简要的工作过程8
3.2新型楔形夹头的结构设计9
3.3新型楔形夹头的工作原理11
3.4新型楔形夹头的特点11
第四章新型楔形夹头的设计计算分析13
4.1初始夹紧时的静力学分析13
4.2拉伸试验时的静力学分析14
第五章新型楔形夹头的优势17
5.1新型楔形夹头的实用性17
5.2新型楔形夹头的借鉴性17
第六章总结18
参考文献...................................................................................................................19
致谢20
第一章引言
1.1课题的背景和意义
试验机,广义说就是一种产品或材料在投入使用前,对其质量或性能按设计要求进行验证的仪器。
从定义可以看出,凡是对于质量或性能进行验证的仪器都可以叫做试验机,试验机的产品在不断创新、改进、完善,可以适应检测材料的各种性能。
试验机主要是用于测量材料或产品的物理性能,比如:
钢材的屈服强度、抗拉强度,抗冲击韧性等。
试验机的种类:
试验机的种类很多,有多种不同的分类方法。
按照传统分类方法可以分为金属材料试验机、非金属材料试验机,动平衡试验机,测力仪、拉力机、硫化仪和无损探伤机等五大类。
夹头被称之为弹性夹头或者是简筒,是一种用来装置在铣床等机床及试验机上的一种用来禁锢铣刀和实验材料的一种用来固定加固需要改造或试验的零件材料的一种固定装置。
拉力试验可以测试出各种材料试件的抗拉特性,了解各种材料的特性,这对于平时的研究,生产和改造都有很大的帮助,能够更有效,快速,方便的试验,就意味着更快的发展和进步。
拉力试验,一般需要借助试验机完成,而小型电拉试验机一般就可以满足大多数的拉力试验,小型的电拉试验机,普遍采用的是楔形夹头。
一直以来,楔形夹头都可以很好的协助完成拉力试验,即使其他方面所需要的夹具也有很多采用楔形夹头。
楔形夹头的自锁性质,对于拉力试验中逐步增大的拉力做到了很有效的运用,也就是说楔形夹头的夹紧程度会随着拉力试验中拉力的增大而增大,也正是这条性质才使得试验顺利完成,不至于出现某些因为夹紧程度不够而导致试件脱落造成的失败试验。
不过,也正因为楔形夹头的自锁性质,一般试验结束之后都会造成试件的锁死现象,对于试件的拆卸造了很大的不便,大大的降低了拉力试验进行的效率。
所以本课题要对楔形夹头做一改善,利用自锁性,并有效解决楔形夹头锁死现象,只要客服了楔形夹头的锁死现象,就可以不用费力的拆卸锁死的试件。
没有锁死现象,进行拉力试验的效率将会有一个很大的提高,从而进一步促进试验的发展和进步,同时改善后的楔形夹头不仅适用于拉力试验机,也适用于其他应用楔形夹头的地方。
1.2夹具国内外发展状况
1.2.1国内夹具现状
我国国内的夹具始于20世纪60年代,当时建立了面向机械行业的天津组合夹具厂,和面向航空工业的保定向阳机械厂,以后又建立了数个生产组合夹具元件的工厂,在当时曾达到全国年产组合夹具元件800万件的水平。
20世纪80年代以后,两厂又各自独立开发了适合NC机床、加工中心的孔系组合夹具系统,不仅满足了我国国内的需求,还出口到美国等国家。
当前我国每年尚需进口不少NC机床、加工中心,而由国外配套孔系夹具,价格非常昂贵,现大都由国内配套,节约了大量外汇。
我国机床、刀具、量具和机床附件等制造企业相对集中在机床工具行业以内,而夹具制造企业和兼顾夹具制造的企业分散于机床与附件、工具、汽车、航空、军工、纺织、农机、家电、仪器仪表等诸多机械制造行业之中,各行其道,自我发展,长期没有建立行业组织形成产业实体。
我国夹具行业大多数是中小企业,千变万化的夹具制造只能是单件小批量生产模式,致使企业的经济效益有限,由于大多数企业自我改造能力微弱,行业总体实力不强,必须根据夹具行业的特点,探索和确定中小夹具制造企业由弱变强的科学发展之路,才能保持行业稳定和持续发展。
由于过去国有体制“大而全”的企业几乎都是自制、自用所需的夹具,我国夹具设计和制造分散于各行各业的企业之中。
只有机床附件中的通用夹具与组合夹具形成了专业化的夹具制造产业,建立了行业标准化工作体系,制定了这两类夹具的行业标准。
其他门类的夹具,以及夹具标准件和功能部件等产品的行业标准几乎空白,也没有专业化制造企业。
各种夹具产品标准的缺位,不仅制约着夹具产品向专业化、市场化转化的进程,同时造成社会认知度低,对夹具产品缺乏具体的了解,导致市场营销难度大,行业发展速度缓慢。
夹具行业标准化工作是亟待加强的基础工作。
夹具行业潜在着很多的市场需求,有多种机床配套的夹具尚待创新开发或完善,许多高新夹具技术需要向国外学习和攻关。
如何为中小企业的产品调整给力,推动行业占大多数的小企业充分发挥自身的优势,向“专、特、精”的方向发展,是行业的主攻方向。
由于我国在组合夹具技术上有历史的积累和性能价格比的优势,随着我国加入WTO和制造业全球一体化的趋势,特别是电子商务的日益发展,其中蕴藏着很大的商机,具有进一步扩大出口良好前景,迄今为止,夹具仍是机电产品制造中必不可缺的四大工具之一,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。
1.2.2国外夹具现状
从国际上看俄国、德国和美国是组合夹具的主要生产国。
当前国际上的夹具企业均为中小企业,专用夹具、可调整夹具主要接受本地区和国内订货,而通用性强的组合夹具已逐步成熟为国际贸易中的一个品种。
有关夹具和组合夹具的产值和贸易额尚缺乏统计资料,但欧美市场上一套用于加工中心的央具,而组合夹具的大型基础件尤其昂贵。
随着机床加工精度的提高,为了降低定位误差,提高加工精度,对夹具的制造精度要求更高。
高精度夹具的定位孔距精度高达±5μm,夹具支承面的垂直度达到0.01mm/300mm,平行度高达0.01mm/500mm。
德国Demmeler(戴美乐)公司制造的4m长、2m宽的孔系列组合焊接夹具平台,其等高误差为±0.03mm;精密平口钳的平行度和垂直度在5μm以内;夹具重复安装的定位精度高达±5μm;瑞士EROWA柔性夹具的重复定位精度高达2~5μm。
机床夹具的精度已提高到微米级,世界知名的夹具制造公司都是精密机械制造企业。
诚然,为了适应不同行业的需求和经济性,夹具有不同的型号,以及不同档次的精度标准供选择。
为了提高机床的生产效率,双面、四面和多件装夹的夹具产品越来越多。
了减少工件的安装时间,各种自动定心夹紧、精密平口钳、杠杆夹紧、凸轮夹紧、气动和液压夹紧等,快速夹紧功能部件不断地推陈出新。
新型的电控永磁夹具,加紧和松开工件只用1~2秒,夹具结构简化,为机床进行多工位、多面和多件加工创造了条件。
为了缩短在机床上安装与调整夹具的时间,瑞典3R夹具仅用1分钟,即可完成线切割机床夹具的安装与校正。
采用美国Jergens(杰金斯)公司的球锁装夹系统,1分钟内就能将夹具定位和锁紧在机床工作台上,球锁装夹系统用于柔性生产线上更换夹具,起到缩短停机时间,提高生产效率的作用。
模块、组合夹具元件模块化是实现组合化的基础。
利用模块化设计的系列化、标准化夹具元件,快速组装成各种夹具,已成为夹具技术开发的基点。
省工、省时,节材、节能,体现在各种先进夹具系统的创新之中。
模块化设计为夹具的计算机辅助设计与组装打下基础,应用CAD技术,可建立元件库、典型夹具库、标准和用户使用档案库,进行夹具优化设计,为用户三维实体组装夹具。
模拟仿真刀具的切削过程,既能为用户提供正确、合理的夹具与元件配套方案,又能积累使用经验,了解市场需求,不断地改进和完善夹具系统。
组合夹具分会与华中科技大学合作,正在着手创建夹具专业技术网站,为夹具行业提供信息交流、夹具产品咨询与开发的公共平台,争取实现夹具设计与服务的通用化、远程信息化和经营电子商务化。
夹具的通用性直接影响其经济性。
采用模块、组合式的夹具系统,一次性投资比较大,只有夹具系统的可重组性、可重构性及可扩展性功能强,应用范围广,通用性好,夹具利用率高,收回投资快,才能体现出经济性好。
德国demmeler(戴美乐)公司的孔系列组合焊接夹具,仅用品种、规格很少的配套元件,即能组装成多种多样的焊接夹具。
元件的功能强,使得夹具的通用性好,元件少而精,配套的费用低,经济实用才有推广应用的价值。
专家们建议组合夹具行业加强产、学、研协作的力度,加快用高新技术改造和提升夹具技术水平的步伐,创建夹具专业技术网站,充分利用现代信息和网络技术,与时俱进地创新和发展夹具技术。
主动与国外夹具厂商联系,争取合资与合作,引进技术,这是改造和发展我国组合夹具行业较为行之有效的途径。
1.3夹具的市场发展前景
夹具是加工时用来迅速紧固工件,使机床、刀具、工件保持正确相对位置的工艺装置,也就是说Workholding工装夹具是机械加工不可缺少的部件,在机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展的带动下,夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济方向发展。
在机床上加工工件时,为使工件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相互位置精度等技术要求,加工前必须将工件装好、夹牢。
应用机床夹具,有利于保证工件的加工精度、稳定产品质量;有利于提高劳动生产率和降低成本;有利于改善工人劳动条件,保证安全生产;有利于扩大机床工艺范围,实现“一机多用”。
夹具通常由定位元件、夹紧装置、对刀引导元件、分度装置、连接元件以及夹具体等组成。
夹具在电子厂商使用也是非常高的,在生产中为了提高生产效率和产品质量,在生产的中段和后段就常用工装夹具来进行功能测试或者辅助装配。
从菲克雄和广大电子厂商打交道的情况来看还有很多工装夹具是用在测试时的一个信号转接和电气老化工位,实际在电子生产制造厂中的用途是非常广。
第二章传统楔形夹头的的原理与分析
2.1夹头的工作原理
楔形夹头是试验机中的一个重要零件也是使用最为广泛的夹具种类之一,楔形夹头的性能直接影响到试验结果的精度。
图2-1拉力试验机楔形夹头结构
试验时首先向上启动顶杆,使之顶起夹板沿楔形夹角β两边张开。
此时,卡口处于张开状态。
在卡口中放入试件,再次启动顶杆并向下压夹板,因为夹身的楔形结构,夹板向下的运动中,自然会受到楔形夹身对夹板的水平推力,而两边夹身产生的推力是相向的,这样夹板自不而然就会沿夹角β两边合拢。
夹板合拢,夹板中间的试件当然也就被夹板夹紧。
试验开始,试件受到竖直向下的拉力,夹板则因为对试件的夹力对试件产生竖直向上的摩擦力,阻止试件的脱落,但是随着试验的继续,试件所受到的拉力会逐渐增大,倘若夹板对试件的夹力不能随之增大,那么很可能就会出现试件滑落的现象。
此时,楔形夹头的好处就体现出来了,因为夹板对试件有竖直向上的摩擦力,反过来试件对夹板也有一个竖直向下的摩擦力,夹板受到竖直向下的摩擦力,那么夹板就有一个向下的运动趋势,但是夹板的运动空间不是竖直的,而是楔形的,所以夹板向下运动必会产生一个水平的分运动,并且左夹板水平向右,右夹板水平向左,相向运动的两夹板当然也就再次对试件施加了夹紧力,夹紧力增加,试件受到的竖直向上的摩擦力也相应的增加,所以试件也就不会发生滑落的现象。
整个试验过程就是一个力的循环,拉力增大,会造成夹板相向运动,那么两夹板的相向力增大,相向力增大也就是夹紧力增大,夹紧力增大则夹板和试件之间的摩擦力也随之增大,那么试件受到的竖直向上的拉力也增大,两者同时以一个循环增大,而试件的初始就是被夹紧的状态,所以试件直到试验结束只会被越加越紧,当然也就没有滑落一说了,这就是楔形夹头被广泛应用的原因,因为它拥有超强的自锁性,非常适用于这种拉力逐渐增大的情况。
2.2夹头工作时的问题
楔形夹头具有超强的自锁性,拉力试验需要这种自锁性。
但是,就因为楔形夹头的自锁性,往往进行完试验之后,夹头和试件残体就会出现锁死的现象。
在试验过程中,整个力循环中的各力都会不断增大,当夹板运动到一定的程度,没有运动空间的时候,那么试件、夹板和夹身在不断增大的各力作用下,就会产生形变,产生出一个微小的运动空间,有了运动空间,那么夹板当然也将会自动运动到那处空隙,填补了空间,试件、夹板和夹身三者之间的接触当然也就更加的紧密了,但是形变的的产生,使得夹板在试件和夹身之间产生了类似过渡配合的效果,并且这个过渡随着试验的继续还不断增大,试验结束后,三者的形变达到了最大,而这个类似于过渡配合的效果也达到了最大程度,这样的情况下,就是试验结束,不再给试件施加拉力,夹头也将试件牢牢的抓住,要拆卸出试件残体就只能采取破坏性的暴力拆除。
这就是楔形夹头的锁死现象,要想不出现这种现象,那么只要换个夹头,去掉自锁性就好了,可是没有了自锁性,那么夹头也就不能完美的完成实验了,所以自锁性是必须要保留的。
2.3问题分析与解决方案
2.3.1问题分析
假设,在理想状态下,夹头和试件都不会产生形变,那么继续进行试验,同时进行分析。
试验开始,试件受到竖直向下的拉力,夹板对试件的夹力对试件产生竖直向上的摩擦力,阻止试件的脱落,试验继续进行,试件所受到的拉力逐渐增大,夹板对试件的夹力随之增大,此时,夹板对试件产生竖直向上的摩擦力,同时试件对夹板也产生竖直向下的摩擦力,夹板受到竖直向下的摩擦力,夹板产生向下的运动趋势,夹板楔形的运动空间,使夹板向下运动时产生水平的分运动,并且左夹板水平向右,右夹板水平向左。
相向运动的两夹板再次对试件施加了夹紧力,夹紧力增加,试件受到的竖直向上的摩擦力也相应的增加。
整个试验过程还是一个力的循环,拉力增大,造成夹板相向运动,然后两夹板的相向力增大,相向力增大就是夹紧力增大,夹紧力增大使夹板和试件之间的摩擦力也随之增大,试件受到的竖直向上的拉力也增大。
两者同时以一个循环增大,而试件的初始就是被夹紧的状态,所以试件直到试验结束还是只会被越加越紧,结合锁死现象分析,楔形夹头的锁死现象是试件和夹头的形变在自锁性的条件下产生的,形变的去除不会影响楔形夹头的正常工作,可是在实际中,要去掉材料的形变特性这是不可能的,况且试件倘若不能形变,那么它的强度已经达到了一个恐怖的程度,小型试验机根本不可能测试成功,假如夹头采用不会形变的材料,可是在试件还是会形变,在试件的形变之下,还是会产生锁死现象,所以说取出形变是不可行的。
2.3.2解决方案
锁死现象,产生的条件是楔形的自锁性,原因是材料的形变,效果是类似过渡配合的接触效果,要解决锁死现象就只能从这三个方面出发:
a)自锁性这是采用楔形夹头的原因,倘若去掉了自锁性,那么楔形夹头也将没用,所以这一点不可行;b)材料形变,这点之前就知道不可行,不管什么材料都会发生形变,况且只去掉了夹头的形变对锁死现象也没用;c)解决夹头和试件之间的接触效果,那么锁死现象也将解除。
锁死现象对试验的进行没有影响,唯一的缺点就是对试验结束后的拆卸会造成很大的困难,要去除类似于过度配合的效果,可以借鉴过渡配合,有两种方法,一种就是缩小夹板的尺寸,只要夹板一变小,那么过渡配合的效果也将解除;一种是扩大夹身的尺寸,只要夹身扩大,间隙变大,过渡配合效果也将解除,不过,要控制夹板的大小,这点现在暂时没办法解决,以当前的技术倘若用可以随意变换大小的夹板,那么夹板的材质肯定没办法完成固定试件的作用。
综合起来,目前可以采取的办法将是改变夹身,在不改变夹板和夹身的大小的情况下,让夹身的两侧楔形壁可以移动就是唯一的方法。
第三章新型楔形夹头的设计
3.1新型楔形夹头的初步设计
3.1.1初步的设计构想
想要改变夹身和夹板之间的间隙,又是在不能改变夹板的条件下,那么唯一的方法将是改变夹身的结构,倘若夹身的两侧可以自由移动,那么试验结束之后,只要移动夹身,夹身、夹板和试件残体三者组成的锁死结构自然也将消失。
要是夹身两侧可以自由移动,那么夹身就不能是一个整体,必须改变为组合体,由两侧楔形的夹身和最后的顶部组成,两侧楔形结构可以称之为外夹板,而最后的顶部则可以继续称之为顶座。
图3-1可移动楔形外夹板图3-2夹头顶座
3.1.2简要的工作过程
将原先一体的夹身分割为外夹板和顶座,外夹板和顶座之间将可以通过预紧力旋钮来改变两外夹板之间的间隙大小,试验之前,保证外夹板和顶座之间的开合程度没有达到最大,因为试验结束后需要调整扩大外夹板和顶座的开合程度来增大两外夹板之间的间隙,从而消除三者之间的锁死效果,所以试验之前不能使外夹板和顶座的开合程度不能达到最大,若是开合程度达到最大,那也将失去去除锁死效果的作用。
3.2新型楔形夹头的结构设计
图3-3顶座
图3-4螺母
图3-5旋钮
图3-6推进器
图3-7外夹板图3-8夹板
图3-9新型楔形夹头
3.3新型楔形夹头的工作原理
试验前,首先调整预紧力旋钮,使外夹板与顶座的开合程度比较小,放入试件,滑动螺母,借助推进器推动夹板,当夹板在外夹板上运动时,跟普通楔形夹头一样,两块夹板会相向闭合,从而产生对试件的夹紧力,夹紧试件之后开始试验,对试件加持一个拉力,由小慢慢增大,随着拉力的增大,试件和夹板之间的摩擦力增大,夹板对外夹板的作用力增大,但顶座部设有锁键,外夹板不能移动。
所以夹板只能沿着外夹板的楔形面移动,移动就会产生向试件的闭合分运动,从而使得夹板对试件越夹越紧。
当拉力增大到一定程度,内夹板、试件和外夹板三者之间的形变也已增大到一定程度,形成了初步锁死,拉力继续增大,达到试件的极限,试件断裂,试验结束,三者之间因为形变所产生的锁死程度也已达到最大,形成了比较强的过渡配合效果。
图3-10活动式外夹板
试验结束,拆卸试件时,普通的楔形夹头只能暴力性的强拆试件,但是新型楔形夹头如图3-10只要扭动旋钮,外夹板就会张开,锁死时,外夹板只受到夹板水平的推力,所以外夹板张开时没有阻力,相反还有一个夹板提供的助力,旋钮当然也就很容易扭动了。
轻松扭动旋钮,外夹板张开,间隙变大,过渡配合效果消除,试件不再被锁死,这样可以轻松取出试件。
3.4新型楔形夹头的特点
新型楔形夹头不仅拥有普通楔形夹头的优点,还拥有普通楔形夹头所没有的特点,那就是轻松解除锁死现象的能力,使用普通的楔形夹头,做拉力试验和新型楔形夹头是相同的,但是试验结束后的暴力拆卸,不仅费时费力,还会在拆卸过程中对夹头造成破坏,使得夹头失去原有的精度,长期以往的强制拆除,对夹头破坏的累积达到一定程度后,再进行拉力试验就会失去准确性。
使用新型楔形夹头,从试验开始到结束都不对夹头进行强力的操作,对夹头的破坏可以忽略不计,这样夹头的
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