数控机床夹具设计.docx

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数控机床夹具设计

西京学院

本科毕业设计（论文）

题目：

数控机床夹具设计

教学单位：

西京学院

专业：

机械设计制造及其自动化

学号：

姓名：

指导教师：

2012年04月

摘要

夹具是机械制造工艺系统的必要组成部分，特别是在批量生产中，为了提高生产效率，保证加工质量，夹具的使用更是必不可少。

夹具主要由定位件、夹紧件、夹具体三部分构成，在加工中起到定位与夹紧的作用。

夹具的设计依照加工工序的要求，一般按定位、夹紧的顺序完成。

本论文是结合目前实际生产中，常常发现仅用通用夹具不能满足生产要求，用通用夹具装夹工件生产效率低劳动强大，加工质量不高，而且往往需要增加划线工序，而专门设计的一种机床夹具，主要包括夹具的定位方案，夹紧方案、对刀方案，夹具体与定位键的设计及加工精度等方面的分析。

该夹具有良好的加工精度，针对性强，主要用于拨叉零件铣槽工序的加工。

本夹具具有夹紧力装置，具备现代机床夹具所要求的高效化和精密化的特点，可以有效的减少工件加工的基本时间和辅助时间，大大提高了劳动生产力，从而可以有效地减轻工人的劳动强度和增加劳动效率。

因此对夹具知识的认识和学习，在今天显得尤为重要起来。

关键词：

高效制造机床夹具

ABSTRACT

Fixtureisthemechanicalmanufacturingprocessanecessarypartofthesystem,especiallyinbatchproduction,inordertoimproveproductionefficiencyandguaranteetheprocessingquality,theuseoffixtureisindispensable.Mainlybypositioningafixture,clampingpieces,clipconcreteiscomposedofthreeparts,intheprocessingoforientationandclampingplayarole.Thedesignoffixtureinaccordancewiththerequirementsofprocessingoperations,accordingtothegeneralorientation,clampingordercompleted.

Thisthesisistocombinetheactualproduction,oftenfoundonlyingeneralcannotmeettheproductionrequirements,fixturewithgeneralclampingwork-piecejiglowlaborproductivity,qualityisnothigh,andoftenneedtoincreasecrossed,speciallydesignedakindofmillingfixture,mainlyincludingthepositioningjig,clamping,toplan,andspecificdesignandmachiningprecisionofkeyaspectsofanalysis.

Thecliphasgoodmachiningprecisionandpertinence,mainlyusedforgearshiftforksslotlathingpartsoftheprocessingprocedure.Thisfixtureisclampingforcedevice,themachinetool'sfixturewithmodernrequirementsofprecisionandefficiencyofthecharacteristic,caneffectivelyreducetheprocessingtimeandauxiliarytimeofbasic,greatlyimprovingthelaborproductivity,whichcaneffectivelyreducethelaborintensityandincreasetheworkefficiency.Sotheunderstandingandknowledgeoffixtureinlearning,todayisparticularlyimportant.

Keywords：

Efficientmanufacturingmillingfixtur

1.绪论

1.1机床夹具设计概述

夹具设计是金属切削加工批量生产的重要环节，设计质量的高低直接影响到零件的加工质量和效率。

机床夹具是现代机械加工行业中不可缺少的重要工艺装备之一。

机床夹具设计一般包括定位元件，夹紧装置，夹具体，连接元件，对刀，导向元件等设计。

1.2课题的目的及意义

由于市场竞争激烈，因此必须在最短的时间内设计并制造出高效的夹具。

如果每个工件都使用一套专用夹具，特别是在小批量生产的情况时，夹具的设计，制造周期相对较长，不但产品的生产周期长，而且零件的制造成本也会大幅度提高。

综合考虑上述因素，设计一种模块式的万能型铣钻夹具势在必行，它也可以用于加紧各种尺寸和形状的工件，加工质量高并且成本较低。

机床夹具是现代机械加工行业中不可缺少的重要工艺装备之一。

夹具是工艺装备的主要组合部分，在机械制造中占有重要地位。

使用夹具可以提高工件的加工精度并保证零件的互换性，提高劳动生产率，同时可以降低劳动强度，改善工人的劳动条件，使用夹具还可以扩大现有机床的应用范围，充分利用现有的设备资源。

夹具对保证产品质量，缩短产品试制周期等都具有重要意义。

1.3国内外文献综述

1.3.1国内机床夹具的发展历史

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家具厂，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，现在大都由国内配套，节约了大量外汇。

1.3.2国外机床夹具的发展历史

从国际上看俄国、德国和美国是组合夹具的主要生产国。

当前国际上的夹具其他企业均为中小企业，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夹具，通常为机床的1110$到1115$,而组合夹具的大型基础件尤其昂贵。

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！

1.3.3国内外机床夹具的发展现状

国际生产研究协会的计表明，目前，中、小批多品种生产的工件品种已占工件种类总数的85%左右。

现代生产要求企业所制造的产品品种经常更新换代，以适应市场的需求与竞争。

然而，一般企业都仍习惯于大量采用传统的专用夹具，一般在具有中等生产能力的工厂里，约拥有数千甚至近万套专用夹具；另一方面，在多品种生产的企业中，每隔3～4年就要更新50～80%左右专用夹具，而夹具的实际磨损量仅为10～20%左右。

特别是近年来，数控机床、加工中心、成组技术、柔性制造系统（FMS）等新加工技术的应用，对机床夹具提出了如下新的要求：

（1）能迅速而方便地装备新产品的投产，以缩短生产准备周期，降低生产成本；

（2）能装夹一组具有相似性特征的工件；

（3）能适用于精密加工的高精度机床夹具；

（4）能适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具；

（5）采用以液压站等为动力源的高效夹紧装置，以进一步减轻劳动强度和提高劳动生产率；

（6）提高机床夹具的标准化程度。

1.3.4现代机床夹具的发展方向

现代机床夹具的发展方向主要表现为标准化、精密化、高效化和柔性化等四个方面。

1.标准化

机床夹具的标准化与通用化是相互联系的两个方面。

目前我国已有夹具零件及部件的国家标准：

GB/T2148～T2259－91以及各类通用夹具、组合夹具标准等。

机床夹具的标准化，有利于夹具的商品化生产，有利于缩短生产准备周期，降低生产总成本。

2.精密化

随着机械产品精度的日益提高，势必相应提高了对夹具的精度要求。

精密化夹具的结构类型很多，例如用于精密分度的多齿盘，其分度精度可达±0.1"；用于精密车削的高精度三爪自定心卡盘，其定心精度为5μm。

3.高效化

高效化夹具主要用来减少工件加工的基本时间和辅助时间，以提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度。

常见的高效化夹具有自动化夹具、高速化夹具和具有夹紧力装置的夹具等。

例如，在机床上使用电动虎钳装夹工件，效率可提高5倍左右；在车床上使用高速三爪自定心卡盘，可保证卡爪在试验转速为9000r/min的条件下仍能牢固地夹紧工件，从而使切削速度大幅度提高。

目前，除了在生产流水线、自动线配置相应的高效、自动化夹具外，在数控机床上，尤其在加工中心上出现了各种自动装夹工件的夹具以及自动更换夹具的装置，充分发挥了数控机床的效率。

4.柔性化

机床夹具的柔性化与机床的柔性化相似，它是指机床夹具通过调整、组合等方式以适应可变因素的能力。

工艺的可变因素主要有：

工序特征、生产批量、工件的形状和尺寸等。

具有柔性化特征的新型夹具种类主要有：

组合夹具、通用可调夹具、成组夹具、模块化夹具、数控夹具等。

为适应现代机械工业多品种、中小批量生产的需要，扩大夹具的柔性化程度，改变夹具的不可拆结构为可拆结构，发展可调夹具结构，将是当前夹具发展的主要方向。

1.4论文研究内容

本课题主要研究的内容是：

1、对机床夹具设计进行理论分析，了解其工作装置、结构特点等。

2、通过分析确定夹具选择方案，夹紧方案等。

3、通过所选择方案进行夹紧装置的设计。

4、通过所设计的装置进行夹具结构的相关参数的确定。

1.5创新点

2.机床夹具设计

2.1夹具的概念

夹具是在机械制造过程中，用来固定加工对象，使之占有正确的位置，以接受加工或检测并保证加工要求的机床附加装置，简称为夹具。

在我们实际生产中夹具的作用是将工件定位，以使加工工件获得相对于机床和刀具的正确位置，并把工件可靠地夹紧。

2.2夹具的主要功能

在机床上加工工件的时候，必须用夹具装好夹牢所要加工工件。

将工件装好，就是在机床上确定工件相对于刀具的正确位置，这一过程称为定位。

将工件夹紧，就是对工件施加作用力，使之在已经定好的位置上将工件可靠地夹紧，这一过程称为夹紧。

从定位到夹紧的全过程，称为装夹。

机床夹具的主要功能就是完成工件的装夹工作。

工件装夹情况的好坏，将直接影响工件的加工精度。

2.3机床夹具的分类

机床夹具的种类很多，形状千差万别。

为了设计、制造和管理的方便，往往按某一属性进行分类。

2.3.1按夹具的通用特性分类

目前中国常用夹具有通用夹具、夹具、可调夹具、组合夹具和自动线夹具等五大类。

1．通用夹具

通用夹具是指结构、尺寸已规格化，且具有一定通用性的夹具。

其优点是适应性强、不需要调整或稍加调整即可装夹一定形状和尺寸范围内的各种工件。

这类夹具已商品化。

如三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘、台虎钳、万能分度头、顶尖、中心架、电磁吸

盘等。

采用这类夹具可缩短生产准备周期，减少夹具品种，从而减低生产成本。

其缺点是夹具的加工精度不高，生产力较低且较难装夹形状复杂的工件，故适用于单件小批量生产中。

2．夹具

夹具是针对某一工件的某一道工序的加工要求而专门设计和制造的夹具。

特点是针对性强。

适用与产品相对稳定、批量较大的生产中，可获得较高的生产率和加工精度。

3．可调夹具

夹具的某些元件可调整或可更换，已适应多中工件的夹具，称为可调夹具。

它

通用可调夹具和成组夹具两类。

4．组合夹具

组合夹具是由可循环使用的标准夹具零部件（或专用零部件）组装成易于连接和拆卸的夹具。

根据被加工零件的工艺要求可以很快地组装成夹具，夹具使用完毕，可以方便地拆开。

夹具主要应用在单件，中、小批多品种生产和数控加工中，是一种较经济的夹具。

5．自动夹具

自动夹具一般分为两种，一种为固定式夹具，它与夹具相似；另一种为随行夹具，使用中夹具随工件一起运动，并将工件沿着自动线从一个工位移至下一个工位进行加工。

2.3.2按夹具动力源来分类

按夹具夹紧动力源可将夹具分为手动夹具和机动夹具两大类。

为减轻劳动强度和确保安全生产，手动夹具应有扩力机构与自锁性能。

常用的机动夹具有气动夹具、液压夹具、气液夹具、电动夹具、电磁夹具、真空夹具和离心力夹具等。

上述各分类中：

最常用的分类方法是，按通用，专用和组合进行分类。

2.3.3机床夹具的组成

虽然机床夹具的种类繁多，但它们的工作原理基本上是相同的。

将各类夹具中，作用相同的结构或元件加以概括，可得出夹具一般所共有的以下几个组成部分，这些组成部分既相互独立又相互联系。

1．定位支承元件

定位支承元件的作用是确定工件在夹具中的正确位置并支承工件，是夹具的主要功能元件之一。

定位支承元件的定位精度直接影响工件加工的精度。

2．夹紧装置

夹紧元件的作用是将工件压紧夹牢，并保证在加工过程中工件的正确位置不变。

3．连接定向元件

这种元件用于将夹具与机床连接并确定夹具对机床主轴、工作台或导轨的相互位置。

4．对刀元件或导向元件

这些元件的作用是保证工件加工表面与刀具之间的正确位置。

用于确定刀具在加工

正确位置的元件称为对刀元件，用于确定刀具位置并引导刀具进行加工的元件称为导向元件。

5．其它装置或元件

根据加工需要，有些夹具上还设有分度装置、靠模装置、上下料装置、工件顶出机构、电动扳手和平衡块等，以及标准化了的其它联接元件。

6．夹具体

夹具体是夹具的基体骨架，用来配置、安装各夹具元件使之组成一整体。

常用的夹具体为铸件结构、锻造结构、焊接结构和装配结构，形状有回转体形和底座形等形状。

上述各组成部分中，定位元件、夹紧装置、夹具体是夹具的基本组成部分。

2.4机床夹具结构

2.4.1机床常用通用夹具的结构

机床常用的通用夹具主要有平口虎钳，它主要用于装夹长方形工件，也可用于装夹圆柱形工件。

机用平口虎钳是通过虎钳体固定在机床上。

固定钳口和钳口铁起垂直定位作用，虎钳体上的导轨平面起水平定位作用。

活动座、螺母、丝杆（及方头的）和紧固螺钉可作为夹紧元件。

回转底座和定位键分别起角度分度和夹具定位作用。

2.4.2机床夹具的设计特点

机床夹具与其它机床夹具的不同之处在于：

它是通过定位键在机床上定位，用对刀装置决定铣刀相对于夹具的位置。

2.4.3夹具装夹工件的特点

夹具装夹方法是靠夹具将工件定位、夹紧，以保证工件相对于刀具、机床的正确位置具有以下特点：

1.工件在夹具中的正确定位，是通过工件上的定位基准面与夹具上的定位元件相接触而实现的。

因此，不再需要找正便可将工件夹紧。

2.由于夹具预先在机床上已调整好位置（也有在加工过程中再进行找正的），因此，工件通过夹具对于机床也就占有了正确的位置。

3.通过夹具上的对刀装置，保证了工件加工表面相对于刀具的正确位置。

4.装夹基本上不受工人技术水平的影响，能比较容易和稳定地保证加工精度。

5.装夹迅速、方便，能减轻劳动强度，显著地减少辅助时间，提高劳动生产率。

6.能扩大机床的工艺范围。

如镗削图机体上的阶梯孔，若没有卧式镗床和专用设备，可设计一夹具在车床上加工。

综上所述：

夹具安装方法简单，不受技术水平影响，易操作。

2.4.4机床夹具的安装

机床夹具在机床工作台上的安装位置，直接影响被加工表面的位置精度，因而在设计时必须考虑其安装方法，一般是在夹具底座下面装两个定位键。

定位键的结构尺寸已标准化，应按机床工作台的T形槽尺寸选定，它和夹具底座以及工作台T形槽的配合为H7/h6、H8/h8。

两定位键的距离应力求最大，以利提高安装精度。

作为定位键的安装是夹具通过两个定位键嵌入到机床工作台的同一条T形槽中，再用T形螺栓和垫圈、螺母将夹具体紧固在工作台上，所以在夹具体上还需要提供两个穿T形螺栓的耳座。

如果夹具宽度较大时，可在同侧设置两个耳座，两耳座的距离要和机床工作台两个T形槽间的距离一致。

2.4.5机床夹具的对刀装置

机床夹具在工作台上安装好了以后，还要调整铣刀对夹具的相对位置，以便于进行定距加工。

为了使刀具与工件被加工表面的块的结构，可以根据工件的具体加工要求进行选择。

相对位置能迅速而正确地对准，在夹具上可以采用对刀装置。

对刀装置是由对刀块和塞尺等组成，其结构尺寸已标准化。

各种对刀块的结构，可以根据工件的具体加工要求进行选择。

2.5定位方案

图2.1所示拔叉零件，要求设计铣槽工序用的机床夹具。

根据工艺规程，在铣槽之前其它各表面均已加工好，本工序的加工要求是：

槽宽16H11mm，槽深8mm，槽的中心平面与Ф25H7孔轴线的垂直度公差为0.08mm，槽侧面与E面的距离11±0.2mm，槽底面与Ф25H7孔轴线平行。

图2.1拨叉零件图

2.5.1定位方案的选择

如图2.2所示，有三种定位方案可供选择：

图2.2铣槽定位方案

方案

：

工件以E面作为主要定位面，用支承板1和短销2（与工件Ф25H7孔配合）限制工件五个自由度，另设置一防转挡销实现六点定位。

为了提高工件的装夹刚度，在C处加一辅助支承，如图2.2（a）所示。

方案

：

工件以Ф25H7孔作为主要定位基面，用长销3和支承钉4限制工件五个自由度，另设置一防转挡销实现六点定位。

在C处也加一辅助支承，如图2.2（b）所示。

方案

：

工件以Ф25H7孔为主要定位基面，用长销3和长条支承板5限制两个自由度，限制工件六个自由度，其中绕z轴转动的自由度被重复限制了，另设置一防挡销。

在C处也加一辅助支承，如图2.2（c）所示。

比较以上三种方案，方案

中工件绕x轴转动的自由度由E面限制，定位基准与设计基准不重合，不利于保证槽的中心平面与Ф25H7孔轴线的垂直度。

方案

中虽然定位基准与设计基准重合，槽的中心平面与Ф25H7孔轴线的垂直度要求保证，但这种定位方式不利于工件的夹紧。

由于辅助支承是在工件夹紧后才起作用，而是施加夹紧力P时，支承钉4的面积太小，工件极易歪斜变形，夹紧也不可靠。

方案

中虽是过定位，但若在工件加工工艺方案中，安排Ф25H7孔与E面在一次装夹中加工，使Ф25H7孔与E面有较高的垂直度，则过定位的影响甚小。

在对工件施加夹紧力P时，工件的变形也很小，且定位基准与设计基准重合。

综上所述，方案

较好。

对于防转挡销位置的设置，也是三种不同的方案，如图2.3所示。

图2.3挡销的位置

当挡销放在位置1时，由于B面与Ф25H7孔的距离较进（230-0.3mm），尺寸公差又大，定位精度低。

挡销放在位置2时，虽然距Ф25H7孔轴线较远，但由于工件定位是毛面，因而定位精度也较低。

而当挡销放在位置3时，距Ф25H7孔轴线较远，工件定位面的精度较高（Ф55H12），定位精度较高，且能承受切削力所引起的转矩。

因此，防转挡销应放在位置3较好。

综上所述：

选择方案

较好。

2.5.2常用定位元件及选用

工件在夹具中要想获得正确定位，首先应正确选择定位基准，其次是选择合适的定位元件。

工件定位时，工件定位基准和夹具的定位元件接触形成定位副，以实现工件的六点定位。

用定位元件选用时，应按工件定位基准面和定位元件的结构特点进行选择。

1．工件以平面定位

（1）以面积较小的已经加工的基准平面定位时，选用平头支承钉，以基准面粗糙不平或毛坯面定位时，选用圆头支承钉，侧面定位时，可选用网状支承钉。

（2）以面积较大、平面度精度较高的基准平面定位时，选用支承板定位元件，用于面定位时用不带斜槽的支承板，通常尽可能选用带斜槽的支承板，以利清除切屑。

（3）以毛坯面，阶梯平面和环形平面作基准平面定位时，选用自位支承作定位元件。

但须注意，自位支承虽有两个或三个支承点，由于自位和浮动作用只能作为一个支承点。

（4）以毛坯面作为基准平面，调节时可按定位面质量和面积大小分别选用可调支承作定位元件。

（5）当工件定位基准面需要提高定位刚度、稳定性和可靠性时，可选用辅助支承作辅助定位元件，但须注意，辅助支承不起限制工件自由度的作用，且每次加工均需重新调整支承点高度，支承位置应选在有利工件承受夹紧力和切削力的地方。

2．工件以外圆柱定位

（1）当工件的对称度要求较高时，可选用V形块定位。

V形块工作面间的夹角α常取60°、90°、120°三种，其中应用最多的是90°V形块。

90°V形块的典型结构和尺寸已标准化，使用时可根据定位圆柱面的长度和直径进行选择。

V形块结构有多种形式，有的V形块适用于较长的加工过的圆柱面定位；有的V形块适于较长的粗糙的圆柱面定位；有的V形块适用于尺寸较大的圆柱面定位，这种V形块底座采用铸件，V形面采用淬火钢件，V块是由两者镶合而成。

（2）当工件定位圆柱面精度较高时（一般不低于IT8），可选用定位套或半圆形定位座定位。

大型轴类和曲轴等不宜以整个圆孔定位的工件，可选用半圆定位座。

3．工件以内孔定位

（1）工件上定位内孔较小时，常选用定位销作定位元件。

圆柱定位销的结构和尺寸标准化，不同直径的定位销有其相应的结构形式，可根据工件定位内孔的直径选用。

当工件圆柱孔用孔端边缘定位时，需选用圆锥定位销。

当工件圆孔端边缘形状精度较差时，选用圆锥定位销；当工件需平面和圆孔端边缘同时定位时，选用浮动锥销。

（2）在套类、盘类零件的车削、磨削和齿轮加工中，大都选用心轴定位，为了便于夹紧和减小工件因间隙造成的倾斜，当工件定位内孔与基准端面垂直精度较高时，常以孔和端面联合定位。

因此，这类心轴通常是带台阶定位面的心轴，当工件以内花键为定位基准时，可选用外花键轴，当内孔带有花键槽时，可在圆柱心轴上设置键槽配装键块；当工件内孔精度很高，而加工时工件力矩很小时，可选用小锥度心轴定位。

综上：

正确定位，必须选对定位基准。

2.5.3对定位元件的基本要求

1.限位基面应有足够的精度。

定位元件具有足够的精度，才能保证工件的定位精度。

2.限位基面应有较好的耐磨性。

由于定位元件的工作表面经常与工件接触和磨擦，容易磨损，为此要求定位元件限位表面的耐磨性要好，以保持夹具的使用寿命和定位精度。

3.支承元件应有足够的强度和刚度。

定位元件在加工过程中，受工件重力、夹紧力和切削力的作用，因此要求定位元件应有足够的刚度和强度，避免使用中变形和损坏。

4.定位元件应有较好的工艺性。

定位元件应力求结构简单、合理，便于制造、装配和更换。

5.定位元件应便于清除切屑。

定位元件的结构和工作表面形状应有利于清除切屑，以防切屑嵌入夹具内影响加工和定位精度。

2.5.4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准面分为以下几类：

1.用于平面定位的定位元件：

括固定支承（钉支承和板支承），自位支承，可调支承和辅支承。

2.用于外圆柱面定位的定位元件：

括V形架，定位套和半圆定位座等。

3.用于孔定位的定位元件：

括定位销