盘套径向孔带分度装置钻床夹具设计

毕 业 设 计课 题 名 称 盘套径向孔带分度装置钻床夹具设计分 院/专 业 机械工程学院/机械制造与自动化2015 年 5 月 20 日装订线 第 1 页 共 27 页摘要本课题是为加工扇形盘套零件的三个径向孔设计带分度装置的钻床夹具。扇形盘套采用完全定位方式，带台阶的定位心轴限制五个自由度，分度装置实现径向分度的同时限制一个回转自由度。设计带快换垫圈的螺旋夹紧装置，更换工件方便快捷、夹紧可靠。分度装置包括带分度功能的分度盘和带停留、复位功能及定位功能的对定销。设计和选用较高精度的钻套和钻模板，保证钻孔质量。设计结构坚固的夹具体，为其它夹具零件提供可靠的安装平台。整套夹具结构经凑、精度较高、操作方便、生产率高，能满足扇形盘套零件的三个径向孔的钻削加工。关键词：螺旋夹紧；分度装置；钻模板装订线 第 2 页 共 27 页AbstractThis topic is for the processing of fan-shaped plate kit three radial hole drill jig design with dividing device . Fan-shaped plate adopt completely positioning way, with the steps of locating mandrel limit five degrees of freedom , the dividing device to realize the radial index at the same time limit a rotation degrees of freedom . Design clamping device of the spiral gasket quick change , change of fast and convenient, reliable clamping workpiece . With dividing function dividing apparatus including dial with stop and reset function and orientation function and to fix the quotas for marketing . Design and select the high precision drill and drill template , ensure the quality of drilling . Design firm structure of concrete, provide a reliable platform for the installation for other fixture parts.Fixture structure of a complete set of the pool, high precision , convenient operation, high productivity, can satisfy the fan-shaped plate set of three parts of the radial hole drilling processing .Key words: screw clamp ; Dividing device ; Drill template装订线 第 3 页 共 27 页目 录第 1章 绪论 41.1 机床夹具简述 .41.2 钻床夹具介绍 .5第 2章 夹具设计内容与任务要求 62.1 设计任务 .62.2 夹具的设计内容 .6第 3章 夹具结构设计与工作原理 83.1 夹具总体方案设计 .83.2 定位方案设计 .93.3 夹紧方案设计 .93.4 分度装置设计 15第 4章 夹具精度分析 .164.1 定位误差 164.2 对刀误差 164.3 夹具误差 174.4加工精度分析 .17第 5章 主要零件设计 .195.1 夹具体的设计 195.2 钻模板设计和标准钻套选用 205.3 定位心轴的设计 215.4 分度盘设计 21第 6章 结论 .23致谢 24参考文献 25附件 26装订线 第 4 页 共 27 页第 1 章 绪论1.1 机床夹具简述随着现代各项技术的日新月异，机床在加工精密设备中作用已经无法被任何工具所替代，而夹具是机床的附属部分，是决定加工精度的决定性因素，因此，夹具也逐渐成为单独的一门学科，在社会进步的过程中发挥重要的作用。18 世纪后期，夹具被首次应用于机床上加工工件。现代制造企业的主导是品种齐全，中小批量，品质优良，成本低的生产，而在现如今，无论是数控机床，还是加工中心更甚者柔性制造系统中都使用了先进的夹具设备，他们也因此在这个竞争激烈的社会中取得了一席之地，在提高企业的市场竞争力上起到了巨大的推动作用，试想这些企业如果不能与时俱进，提高创新意识在夹具的改良中前进，那么这些企业也必定会在市场的潮流中被淘汰。现代夹具已经广泛的应用了数控机床、加工中心、柔性制造系统等新技术，已从一种辅助性工具逐步发展成为种类繁多的广泛应用的机床工艺装备技术，并正朝着精密、复合、智能、高效、环保的方向迅速发展，而夹具作为机床不可缺少的重要组成部分，因此，必须对机床夹具设计提出新的设计要求：1）生产周期短，降低成本，适应市场竞争2）标准化3）高效自动化4）柔性化，低成本设计5）精密化6）提高劳动生产率7）模块化夹具的种类繁多，通常情况下，常见夹具分为通用夹具、成组夹具、专用夹具、组合夹具、可调夹具等几种类别。本课题主要设计的是钻床专用夹具。在机械制造加工过程中，夹具是必不可少的部分，是保证工件加工精度、满足生产要求和提高产能的关键性因素，因此夹具设计必须满足工艺性、使用性、经济性三方面的要求。因此，夹具设计需综合考虑以下因素：1）被加工工件各表面的精度与质量要求，并根据各加工表面的技术要求，选择合适的加工方法以及加工次数。2）被加工工件的生产类型，设计夹具或选择夹具。3）被加工工件材料的性质。4）工厂车间的实际生产能力，在这基础上考虑改进加工方法及设备，提高生产工艺水平和生产效率。5）工件被加工表面的特殊性要求。装订线 第 5 页 共 27 页6）国家相关设计标准，类型相同的零件设计资料。综合相关因素、国家标准、生产需求等要求，设计符合利益最大化的夹具，以满足车间需求，完成生产指标。1.2 钻床夹具介绍钻床夹具又称钻模，一般有钻模板及钻套、定位装置、夹紧装置、夹具体等部分组成，主要有固定式、翻转式、盖板式、滑柱式、回转式等形式比较常见。（1）固定式钻模：通常这类钻模通过螺钉固定在钻床工作台，有较高的加工精度，在立式钻床加工系统上和摇臂钻床加工系统中应用较多（2）翻转式钻模：钻模板可以翻转，方便更换工件，但这种钻模连同被加工工件的总重量不能太大，为翻转方便，通常用来加工小型工件。（3）盖板式钻模：这类夹具结构简单，没有夹具体，它的定位及夹紧装置直接安装在钻模板上，而钻模板直接在工件上进行装夹，通常用于加工大型工件上的小孔。（4）滑柱式钻模：这种夹具在生活应用广泛，结构简单，操作方面，制作周期短，是一种通用可调夹具并且带有升降式钻模板。（5）回转式钻模：通过查阅相关资料，这类钻模应用广泛，结构多种，通常有如下结构：一个钻套，带有分度装置；多个钻套；标准回转台；多工位结构等。本课题主要研究方向是钻床专用夹具的研究，通过对被加工工件的研究与可行性分析，在现有知识与生产能力相结合的情况下， ，慎重考虑工件工艺性、经济性、精密性的特点，设计专用夹具。装订线 第 6 页 共 27 页第 2 章 夹具设计内容与任务要求2.1 设计任务本课题的加工零件图如图 2-1所示，生产盘套类零件扇形板的材料为HT200，需加工的是三个中心线角度为 20、深 16mm、直径 8 的径向孔，生产类型为批量生产。图 2-1 盘套零件结构图查找关于盘套工件的资料分析其零件图、查看工艺规程及任务书，进行工艺性分析。工件材料为铸件，分析并研究同一工序的加工表面、加工余量、加工要求、定位基准及夹紧表面，收集的有关扇形板工件的材料，夹具零部件的国家标准、机床的技术参数及各类夹具设计手册、夹具图册等资料，进行夹具设计；工件是批量生产。因此，本设计的任务是设计一个与卧式钻床配套使用且带分度装置的专用钻床夹具。为了使钻孔的精确，必须对零件固定定位，使被加工工件在加工时，位置保持不变，提高加工精度，使其满足使用要求，而在满足加工精度的前提下，所夹具的设计应尽可能的方便加工以及装卸，提高工件生产效率，达到生产指标。2.2 夹具的设计内容1）夹具总体方案设计；2）定位方案的设计，符合六点定位规则；装订线 第 7 页 共 27 页3）夹紧装置的设计，应夹紧迅速可靠，通过钻削力与夹紧力的计算，检测是否符合要求；4）分度装置的设计，选用回转式分度机构；5）夹具主要零件的设计，如夹具体、钻模板、定位轴、分度盘等。6）夹具材料的分析与选择7）夹具的装配；8）夹具成套图样设计；9）夹具误差分析。装订线 第 8 页 共 27 页第 3 章 夹具结构设计与工作原理3.1 夹具总体方案设计3.1.1 夹具设计1）本课题所设计的夹具主要由夹具体、分度装置、定位元件、夹紧装置、钻模板及钻套等零部件组成（图 3.1） 。2）定位元件设计一个带台阶面的定位轴与其他元件配合，完成定位。3）夹紧装置是由螺母、心轴、开口垫圈组成的手动螺旋夹紧机构。4）分度装置的组成机构有转动和固定部分、分度对定机构、抬起锁紧机构及润滑部分，结构简单，分度效果明显，提高被加工工件的生产效率。5）被加工零件是批量生产，需要较高的位置精度，所以钻模板采用固定式结构，保证加工工件的位置精度，钻套选用可换钻套，方便磨损后更换。6）夹具体材料 HT200，是夹具的支撑部分，需要保证有一定的强度与刚度。3.3.2 夹具装配图设计按照国家相关标准来绘制夹具装配图。绘图比例为 1:1。总装配图清晰明确地表达夹具各零件之间的相互位置关系和有关装配精度要求。夹具总装配图的绘图步骤如下：1)工件的轮廓线、夹紧表面、加工表面和定位基面用细实线绘制在三视图中的合适位置。在装配图中，为使夹具结构在图纸上表述清晰，一般情况下将工件视为透明。2)绘制定位装置和对刀导向装置。3)绘制夹紧装置和其它装置。4)绘制夹具体及连接元件和安装基面5)标注必要尺寸、公差及技术要求。编制明细表。装订线 第 9 页 共 27 页1-夹具体 2-衬套 3-螺钉 M6*10 4-心轴 5-螺母 6-垫圈 B10*35 7-钻模板 8-钻套 9-压紧螺钉 M6*4 10-销 11-螺钉 M16*25 12-心轴套 13-垫圈 14-螺母 M16*1515-夹紧挡圈 16-手柄 17-挡销 18-分度盘 19-垫圈 20-导套 21-捏手 22-弹簧 23-后盖 23-对定销 24-螺钉 M4*10图 3-1夹具装配示意图3.2 定位方案设计以工件右面（扇形面）为第一定位基准，限制三个自由度；下部 22 孔为第二定位基准，限制两个自由度；扇形一侧为第三定位基准，限制一个自由度。符合六点定位规则。设计一个带台阶面和短圆柱的定位心轴，台阶面与工件右面接触实现三点定位，短圆柱与工件下部 22 孔配合实现两点定位，分度盘上的挡销与工件扇形一侧接触实现一点定位，这样就实现了工件的完全定位。3.3 夹紧方案设计3.3.1 夹紧机构结构设计1、设计夹紧装置的五点原则：工件不移动原则工件不变形原则工件不振动原则安全可靠原则经济实用原则2、夹紧结构设计开口垫圈，拧紧螺母，实现工件的夹紧，松开螺母，取下垫圈，快速更换工件，提高生产效率。装订线 第 10 页 共 27 页图 3-2夹紧装置手动螺旋夹紧机构夹紧工件，该夹紧机构操作简单、加紧可靠。拧紧左侧的螺母 ，可以使工件紧靠分度装置，拧紧右侧螺母，夹紧工件；当孔加工完成， 5松开螺母 ，取下开口垫圈，可实现工件的快速更换。 53.3.2 钻削切削力与夹紧力的计算1、零件分析（1）钻孔零件的材料为 HT200，铸钢，平均含碳量为 3.1-3.4%。（2）HT200 力学性能：屈服强度 s=300MPa；抗拉强度 b200MPa；伸长率 10%；断面收缩率 1%；硬度 171-241HB。计算钻削切削力公式如下表 3-1：表 3-1 钻削切削力计算公式装订线 第 11 页 共 27 页钻削时刀具进给量f：0.150.32mm/ 转，取 f=0.21mm/r由表 3-1 可知，切削扭矩的计算公式（式 ）pKfDM8.024.3 1为修正参数，它的计算公式PK因为 HT200的抗拉强度 ，取MPa20bPa736b5.475.0675.013bP 2装订线 第 12 页 共 27 页孔，带入式 得： 8 1 3由表 3-1(P11)可知，其中 f=0.2mm/转：切削力 PfKDF7.06 4计算 孔的切削力，带入式 2-5 得： 8 52、实际所需夹紧力的计算夹具和工件在计算夹紧力时被看作是一个统一的整体，根据工件受力情况，计算出实际夹紧力的最大值，并按照静力平衡原理，计算理论夹紧力。即，理论夹紧力*安全系数=实际夹紧力：式WK 6安全系数 式6543210KK 7式中， 为各种因素的安全系数， 6钻孔时，根据表 3-1(P14)、表 3-2(P14)，带入式 ，计算安全系数 8式 8即 ：理论夹紧力 =2.5X80=200NWK装订线 第 13 页 共 27 页表 3-2 安全系数 的数值60K表 3-3 安全系数 2K加工方法 切削力分力状况KKMHT200 45 钢钻削 CF1.14 1.14K1.0 1.0粗扩（毛坯） C1.4 1.4KM1.2 1.2精扩 CF1.2 1.2粗车或粗镗1.0 1.0装订线 第 14 页 共 27 页PF1.2 1.4f1.25 1.6C1.05 1.0PF1.4 1.05精车或精镗 f1.3 1.01.61.8(含碳量 0.3%)圆周铣削（粗、精） C1.21.41.21.4(含碳量 0.3%)1.61.8(含碳量 0.3%)端面铣削（粗、精） F1.21.41.21.4(含碳量 0.3%)磨削 C 1.151.2拉削 F 1.5而压板螺旋夹紧时产生的夹紧力 )(210 tgtQLWz其中： .76r . 901 2 0592 L=32mm Q=80N螺旋夹紧力：W 0 =2431.45(N)因为 K所以，设计的手动螺旋夹紧机构符合加工要求3.4 分度装置设计1.分度装置的组成回转分度装置由转动部分、固定部分、分度对定机构及控制机构、抬起锁紧结构等组成。其中，固定部分有导套、弹簧等零件。转动部分有分度盘、衬套、心轴套、垫圈、夹紧挡圈、手柄等零件。对定机构有对定轴、捏手及短销等零件。2.结构设计加工完第一个孔后，操作者拔出捏手将对定销抽离分度盘，将捏手旋转 90度，使对定销上的短轴搁在导套右端，可将对定销暂时停留在分度盘外。此时转动手柄，带动夹紧挡圈、圆螺母、垫圈、心轴套、分度盘一起转动。待分度盘转装订线 第 15 页 共 27 页动 20 度并将下一个对定孔对准对定销时，再将捏手转回 90 度并放开，由于对定机构中复位弹簧的作用是对定销再次弹出从而插入第二个对定孔，实现分度。分度时，工件始终处于被夹紧状态。（1）分度盘。分度盘内孔与定位心轴台阶后的 22 轴颈精确配合，用螺钉将两者紧固在一起。（2）衬套是为了减少在分度时対定销与分度盘之间摩擦而增大加工误差而设计保护元件。（3）对定销是在分度时进行限位。（4）工件通过夹紧机构与分度盘固定在一起，为保证加工精度，固定部分必须与转动部分精密配合。第 4 章 夹具精度分析4.1 定位误差工件在夹具上安装定位时，工件与定位元件之间存在误差，而同一批零件在夹具上定位加工时，因为安装误差，同一批工件在夹具上的位置不可能完全相同，在加工后的工件的尺寸不可能一致，因而形成定位误差 D定位基准与工序基准不重合，定位基准和限位基准不重合，时造成定位误差的主要原因，用 B表示基准不重合误差， Y表示基准位移误差 。则定位误差 D=B+Y工件的定位基准和工序基准均为分度盘端面因为 B=0 ； Y=0 装订线 第 16 页 共 27 页所以 D=04.2 对刀误差因为刀具和导向装置之间的位置原因而造成的加工误差，我们称为对刀误差T。其他原因也可能引起对刀误差，例如钻头与钻套之间的间隙，使钻头倾斜。图 5-1 钻模对刀误差根据图 5-1 所示钻模对刀误差可知，刀具与钻套配合的最大间隙 Xmax 会造成刀具偏移，进而影响孔加工时的偏移量 X2。计算偏移量计算对刀误差 Ta、工件厚度大 T=X2b、工件厚度小 T=Xmax被加工工件的加工厚度 B=16mm，所以， T=X2=1.13mm装订线 第 17 页 共 27 页4.3 夹具误差1)在生产生活中由于夹具安装机床上位置不精确而造成的加工误差，通常被我们称为安装误差。而本课题设计的夹具的安装基面是平面，因而不存在安装误差，即 A=0。2)形成夹具误差 J的原因是夹具各组成部分之间配合时由于位置精确的原因而造成的加工误差。夹具误差主要有定位元件与安装基准之间的误差 J、定位元件与对刀导向元件之间的误差 J2、导向元件与安装基准之间的的 J3、分度误差F等组成。3)加工方法误差，这类误差影响因素较多，如机床精度、刀具精度、受力变形和受热变形等，不容易根据计算得出，因此，通常留出工件公差 的 1/3作为K加工误差值 G。 4.4 加工精度分析影响加工精度的因素 在工艺加工系统中使用夹具装夹工件进行机械加工时，影响工件加工精度的因素如图 5.2所示，有定位误差 D、对刀误差 T、安装误差 A和夹具误差J。加工方法误差 G。而这些误差最终均会影响工艺系统中刀具相对工件的位置，形成总加工误差。装订线 第 18 页 共 27 页图 5-2 工件在夹具上加工时影响加工精度的主要因素工件在钻床夹具中加工时，各项误差均是独立随机变量，则=0.0062mm而 K夹具在生产中会因为磨损报废，因此在分析工件计算加工精度时，需留出一定的精度余量 。CJJc=（0.01-0.0067）=0.0033mm。 因为 KJc=0.0033mm机床工作台梯形槽的宽度，夹具体的底面与钻床钻台相接触配合,确保夹具体与钻床钻台的位置精度和定位精度。2）16 的孔同轴度要求 是为保证夹具体与衬套配合后，分度装置调节时转动的灵活度，表面粗糙度要求 1.6，夹具体也是分度装置的载体。3) 夹具体上表面的两螺纹孔与两个销孔是用来实现夹具体与钻模板的固定，设计选用 M8的标准螺纹与 B5的标准销。4）夹具体下部设计的凹槽可减少其端面加工成本及精度，也减轻了整个夹具的重量。5）夹具体与工件之间留有 410mm 的间隙，以便排屑。6）夹具体左下端设计 2mm 凹槽，方面分度盘的转动。7）25 的孔是与心轴心轴套配合，配合精度 H7/k6，表面粗糙度 1.6。装订线 第 20 页 共 27 页5.2 钻模板设计和标准钻套选用5.2.1 钻模板根据工件在加工过程中钻模板保持不动、为保证钻孔的位置精度，而选用固定式钻模板如图 4.2。在实际生产中，钻模板的厚度一般在 1030mm 之间。本设计中，设计钻模板的厚度为 12mm，满足加工要求。图 4-2 钻模板结构简图钻模板材质选用 45钢，采用调质处理，可以保证一定的强度和刚度。5.2.2 钻套（T10A）在钻孔的过程中，钻套经常磨损，为方便更换，保证零件加工精度，该夹具设计选用了 GB/T2264-91 可换钻套 A8322来实现对钻头的导向与位置限定。图 4-3 钻套简图5.2.3钻模板和钻套具体设计装订线 第 21 页 共 27 页钻模板和钻套（1）配合精度 12 H7/n6，钻套（1）和钻套（2）配合精度15 F7/k6，当钻套因为磨损而不能满足加工精度时，可快速更换新钻套，保证生产的持续。通过一对螺钉和一对圆柱销对钻模板与夹具进行紧密固定，而钻模板在支撑钻套的同时进行固定。因为螺钉在固定钻模板与夹具时存在间隙，会在加工过程中因为加工振动而产生误差，所以在螺钉固定后，再用销进行交叉固定，使钻模板与夹具体紧密固定。5.3 定位心轴的设计定位心轴是夹紧装置与分度装置的重要连接固定装置，为满足钻孔的需求，阶梯轴轴跳动小于 0.025mm，表面粗糙度 Ra 在 1.6- 3.2m 之间，工件上与其相接触的表面有具有相同表面粗糙度要求。为保证定位元件有足够的强度、刚度以及耐磨性，我们选用 45号刚进行调质处理。（1）正火，消除毛坯的锻造应力，降低硬度，改善切削加工性能，油冷；（2）调质，使主轴具有良好的综合力学性能；（3）淬火后高温回火，回火冷却后其硬度可达 217255 HBS，必要时进行消除内应力处理。定位心轴安装在心轴套内，分度盘安装在定位心轴上，定位心轴的轴向位置是由右边的两个圆螺母确定和锁紧的，内侧的圆螺母决定了分度盘与夹具体的间隙，外侧的圆螺母起锁紧作用。图 4-4 定位轴结构简图5.4 分度盘设计本课题设计的分度盘与工件是紧密固定的，所以分度盘对定孔的精度决定被加工工件的精度，因此，分度盘的公差小于径向孔的公差。分度盘的材料选用 45 号刚，保证一定的刚度与硬度装订线 第 22 页 共 27 页图 4-5 分度盘结构简图装订线 第 23 页 共 27 页第 6 章 结论在实际生产中，我们的主要目的是在零件上钻三个径向孔，为满足生产需求，本课题主要研究方向是钻床夹具的设计，而在设计过程中，重点主要在定位装置、夹紧装置和分度装置的设计上。为使径向孔的位置精确，必须对零件进行安装、定位与夹紧。1.在钻床上加工孔，定位心轴的台阶面与工件右面接触实现三点定位，短圆柱与工件下部 22 孔配合实现两点定位，分度盘上的挡销与工件扇形一侧接触实现一点定位，实现完全定位。2.夹紧装置使用手动螺旋夹紧机构，该机构操作简单，夹紧可靠，通过开口垫圈实现工件快速更换，提高生产效率。3.分度装置主要通过弹簧式抬起锁紧机构与分度盘的配合实现分度限位，分度时，工件始终处于被夹紧状态。4.固定式钻模板的设计已及标准可换钻套的选用，有效的提高被加工工件精度，钻模板的固定，减少安装时间，提高生产效率。5.夹具体材料选用 HT200，起支撑作用，需保证一定的强度与刚度。6.夹具的总体误差要在允许最大加工误差范围内，也就是所加工的径向孔的公差范围内。装订线 第 24 页 共 27 页致谢从 2014 年 10 十月份我们毕业设计开始之初，对所要设计的夹具的不熟悉，不懂，甚至不理解。到今天，毕业设计已完成并最终定稿，在这个过程中，我们学到很多以前在课题上丢失的知识，让我们的大学生活不是一无所获，专业知识技能都有显著的收获。经过长时间的研究与学习，大学生活最后一个任务就要完成了，有一丝欣喜，也有几分不舍。回想三年生活过的地方，总会有些失望、有些收获、有些开心的事有些难以忘掉的事。在操场我们挥洒激情与汗水，在宿舍我们开怀大笑，在食堂我们拼搏奋战，在教室我们蒙头大笑这段旅途是我们人生中会永远都会珍藏的记忆。然而，这也是另一份生活的开始，在这三年中，非常感谢所有传道授业解惑的老师们，谢谢你们的帮助，你们辛苦了。在大学生活最后的这段时间里，特别要谢谢殷建国殷老师，从毕业设计选课题之初到最终完成，老师给我巨大的帮助，让我由衷的感激与佩服，甚至，在某种程度上，殷老师是教师中楷模，为人师表，无可挑剔。在殷老师身上，我学到的不仅是毕业设计所涉及的内容，也有一种态度，既是对学术的态度，也是人生之态度。最后，希望大学生活中我认识的和认识我的人，有一个好的未来，也祝愿殷老师幸福快乐，阖家欢乐。参考文献1.陈庆春. 夹具设计. 上海:上海科学技术出版社, 1984.装订线 第 25 页 共 27 页2.吴明亮. 画法几何. 北京市 :化学工业出版社, 1996.3.赵耀祥, 郑顺. 现代夹具设计标准 . 北京:电子工业出版社 , 1991.4.蒲林祥. 机床夹具设计手册. 北京市: 清华大学出版社, 2011.5.詹友刚. 机械制造技术. 南京 :机械工程出版社, 2010.6.马友亮. Pro/E 教程零件设计范例. 北京: 机械工业出版社, 2004.7.钱祺中. 机械制图. 北京:中央传媒大学出版社, 2001.8.孙永良. 工艺装备设计手册. 北京:中国铁道出版社, 1992.9.李志礼. 机械设计图册. 沈阳 :东北大学出版社, 2004.10.周名望. 机床夹具设计教程. 长春: 国防工业出版社, 2006.附件1、盘套径向孔钻床夹具2、夹具体3、定位心轴装订线 第 26 页 共 27 页4、分度盘5、衬套6、导套7、对定销8、捏手9、手柄10、夹紧挡圈11、开口垫圈12、心轴套13、钻模板14、盘套工件