机用虎钳

第一章绪论

1.1 课题背景及目的

现代加工业是综合应用计算机、自动控制、自动检测以及精密机械等高新技术的产物，是典型的机电一体化产品，但是夹具的作用也显得越来越重要。迄今为止，夹具仍是机电产品制造中必不可缺的四大工具(刀具、夹具、量具、模具)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。

1.1.1 设计夹具目的

科学技术的不断进步与工业生产的迅速发展，夹具在工业生产中的使用极为广泛，如汽车、电器、仪器仪表、机械制造、航空航天、轻工业产品等行业，有60%~90%的零部件需用夹具加工。如螺钉、螺母、垫圈等标准件，没有夹具就无法大批量生产。新材料的推广应用，如工程塑料、粉末冶金、合金压铸、玻璃成型等工艺也需要夹具来完成批量生产。

夹具是实现压力加工的主要工具，也是现代工业生产中应用极为广泛的主要工艺装备。没有高水平的模具就没有高水平的产品，是制造业的一个共识。作为制造业的重要基础性工艺设备，夹具技术被认为是衡量一个国家产品制造水平的重要标志之一。采用夹具成型工艺生产零部件，具有高效、节能、成本低、保证质量等一系列优点，能适应产品竞争和不断的更新换代。因此，成形是当代工业生产的主要手段和工艺发展方向。

对工件进行机械加工时，为了保证加工要求，首先要使工件相对于刀具及机床有正确的位置，并使这个位置在加工过程中不因外力的影响而变动。为此，在进行机械加工前，先要将工件装夹好。生产夹具的目的1）快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）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。

1.1.2 机床夹具的国、内外发展背景

夹具工业在现代社会中具有"不衰亡工业"之称，世界夹具市场总体上供不应求，市场需求量维持在每年600亿至650亿美元。目前，电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电、通讯和军工等产品中，60%～80%的零部件，都需要通过夹具工艺来加工成型。用夹具成型的制件具有高精度、高复杂性、高一致性、高生产率和低消耗，这是其他加工工艺所无法达到的。

欧美许多模具企业的生产技术水平，在国际上是一流的，CAD/CAE/CAM、高

速切削加工等技术在欧企业中得到了广泛应用。将高新技术应用于夹具的设计与制造，已成为当今社会快速制造优质模具的有力保证。

中国夹具生产总量已位居世界第三，虽然中国夹具工业在过去十多年中取得了令人瞩目的发展，但设计制造水平在总体上要比欧美等国落后很多，特别在大型、精密、复杂和长寿命夹具技术上存在明显差距。差别主要表现在下列几个方面：1、体制不顺，基础薄弱；2、人才急缺，在科研开发及技术攻关等方面投入资金太少；

3、工艺工装水平低，且配套性不好，利用率低；

4、专业化、标准化、商品化程度低，协作性差；

5、夹具材料及夹具相关技术落后。

电子、通讯、建材等行业对模具的需求，对我国夹具工业和技术产生了巨大的推动作用。未来我国夹具将朝着大型化、精密化、多功能化、标准化、快速成型方向发展。

当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。同时没有相应的夹具是不能在短时间内生产出产品，夹具也开始不断的演变，由以往的变成组合夹具，这样既可以节省成本同时也节省了设计专用夹具的时间。

近年来随着计算机技术，三维彩色图像仿真技术和软件编程技术的飞速发展，计算机绘图已从二维平面图发展到三维立体图，计算机辅助设计也从二维设计发展到三维设计。计算机辅助三维设计技术运用于机械设计中，让学生利用计算机表达设计零件的三维模型并对其进行工程分析，虚拟装配等，使学生更易于理解、更加直观化，能扩展学生设计思路，激发学生学习兴趣。

虽然我国的数字化工业发展是迅速的，但由于起步晚，底子薄，与世界先进水平相比，还有很大的差距。为了提高数字化产品在国际市场的竞争能力，我们必须加强工艺试验研究。作为将来从事模型设计加工产业的毕业学生，我们很有必要对设计中运用最广泛也最基础的三维环境下机械设计做一个比较系统的认识了解。

1.2 机床夹具概述

机床夹具是机床上用以装夹工件（和引导刀具）的一种装置。其作用是将工件定位，以使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。

1.2.1 夹具的分类

夹具是机械制造厂里使用的一种工艺装备，可以从不同角度对机床夹具进行分类。常用的分类方法有以下几种。

1、按夹具的使用特点分类

（1）通用夹具。已经标准化的，可加工一定范围内不同工件的夹具，成为通用夹具，如三爪自定心卡盘、机床用平口虎钳、万能分度头、磁力工作台等。

（2）专用夹具。专为某一工件的某道工序设计制造的夹具，称为专用夹具。

（3）可调夹具。夹具的某些元件可调整或可更换，以适应多种工件加工的夹具，称为可调夹具。

（4）组合夹具。采用标准的组合夹具元件、部件，专为某一工件的某道工序

组装的夹具，称为组合夹具。

（5）拼装夹具。用专门的标准化、系列化的拼装夹具零部件拼装而成的夹具，

称为拼装夹具。它具有组合夹具的优点，但比组合夹具精度高、效能高、架构紧凑。

2、按机床使用分类

夹具按机床使用可分为车床夹具、钻床家具、镗床夹具、齿轮机床夹具、数

控机床夹具、自动机床夹具、自动线随行夹具以及其他机床夹具等。

3、按夹紧的动力源分类

夹具按夹紧的动力源可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、气液增力夹具、电磁夹具以及真空夹具等。

1.2.2 夹具的选择

数控加工的特点对夹具提出了两个基本要求：一是保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定；二是要能协调零件与机床坐标系的尺寸。除此之外，重点考虑以下几点：

（1）单件小批量生产时，优先选用组合夹具、可调夹具和其他通用夹具、以缩短生产准备时间和节省生产费用；

（2）在成批生产时，应考虑采用专用夹具，并力求结构简单；

（3）零件的装卸要快速、方便、可靠，以缩短机床的停顿时间；

（4）夹具上各零部件应不妨碍机床对零件各表面的加工，即夹具要敞开，其定位、夹紧机构元件不能影响加工中的走刀（如产生碰撞等）；

（5）为提高数控加工的效率，批量较大的零件加工可以采用多工位、气动或液压夹具。

1.2.3 夹具的作用

在机床上加工工件时，必须用夹具装好夹牢工件。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。将工件夹牢，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。

在夹具中有的是通用夹具，有的则是专用。但要达到预期的加工效果，除了正确的加工方法外，夹具的作用也是不可忽视的。

机床夹具在机械加工中的作用：

（1）保证加工精度

采用夹具安装，可以准确地确定工件与机床、刀具之间的相互位置，工件的位置精度由夹具保证，不受工人技术水平的影响，其加工精度高而且稳定。

（2）提高生产率、降低成本

用夹具装夹工件，无需找正便能使工件迅速地定位和夹紧，显著地减少了辅助工时；用夹具装夹工件提高了工件的刚性，因此可加大切削用量；可以使用多件、多工位夹具装夹工件，并采用高效夹紧机构，这些因素均有利于提高劳动生产率。另外，采用夹具后，产品质量稳定，废品率下降，明显地降低了生产成本。

（3）扩大机床的工艺范围

使用专用夹具可以改变原机床的用途和扩大机床的使用范围，实现一机多能。例如，在车床或摇臂钻床上安装镗模夹具后，就可以对箱体孔系进行镗削加工；通

过专用夹具还可将车床改为拉床使用，以充分发挥通用机床的作用。

（4）改善工人的劳动条件

用夹具装夹工件具有方便、省力、安全的优点。当采用气压、液压等夹紧装置装置时，可减轻工人的劳动强度，保证安全生产。

（5）保证工艺纪律

在生产过程中使用夹具，可确保生产周期、生产调度等工艺秩序。例如，夹具设计往往也是工程技术人员解决高难度零件加工的主要工艺手段之一。

第二章机用虎钳概述

2.1 机用虎钳的基本信息

2.1.1 机用虎钳的结构

机用虎钳主要由以下几个部件组成：

1、固定钳身：用来支撑活动钳身及工件；

2、活动钳身：用来收紧或放松固定钳身，从而夹紧工件；

3、钳口铁：夹紧工件时钳口铁接触工件的部份，可置换；

4、压板：用来活动钳身固定在固定钳身上；

5、螺杆：用来连接固定钳身与活动钳身，并带动活动钳身作轴向运动；

6、螺钉、螺母：用来固定虎钳的各部件。

2.1.2 机用虎钳的种类

一般可以分为两种：

1、固定式：不会转动方向，固定钳身直接固定在机床上；

2、转盘（旋转）式：固定钳身可按不同角度、操作需要进行旋转摆动使用。

2.1.3 机用虎钳的规格

机虎钳的规格是以钳口铁的长度来标称的；规格有75、100、125、150、200（毫米）。（另根据体形、使用时的需要，还有轻型和重型之分。）

2.2 机用虎钳的工作原理

机械加工中，虎钳是较为常见的装夹工具，它分机用和手用两种，都是利用两钳口作定位基准，靠丝杠，螺母传送机械力的原理，其结构简单，装夹迅速，但是台虎钳也有其不足之处，如装夹外形较为复杂和不规则工件时，就力不从心了。主要原因是台虎钳钳口是平直的，不适于装夹球形，特别是圆柱形工件。机加工时工

件易位移，有时工件还会飞出机床台面。

该机用虎钳工作原理如下：

圆柱销7固定螺母环6与螺杆8，钳口铁2通过螺钉10固定在固定钳身1和活动钳身4上。为了便于夹紧工件，钳口铁板上应有滚花结构。螺钉3用于固定活动钳身4和螺母块9。转动螺杆右端带动螺杆8旋转，使活动钳身4在螺母块9上左右移动，以夹紧或松动工件，从而达到预期效果。

下面给出机用虎钳的装配示意图。如图所示

机用虎钳装配示意图

2.3 机用虎钳的拆卸顺序

先旋下螺钉3，即可卸下活动钳身4。拔出圆柱销7，然后拧下螺母环6，向虎钳左端抽出螺杆，取下螺母块9和垫圈11。旋下螺钉10四个，即可取下两块钳口铁2。最后剩下固定钳身1。如下图所示：

机用虎钳各组成部分零件

2.4 机用虎钳装配图的表达方案

1、主视图的选择

从部件的装配示意图及拆卸过程可以看出，9种零件有3种零件集中装配在螺杆7上，而且该部件前后对称。因此，可通过螺杆轴线剖开部件得到全剖的主视图。这样，其中6种零件在主视图上都可表达出来，能够将零件之间的装配关系、相互位置以及工作原理清晰地表达出来。左端圆锥销联接处可再用局部剖视图，表达出装配连接关系。

2、选择其他视图和表达方法

左视图可将螺母轴线及活动固定钳身放置在固定钳身上安装孔的轴线位置，然后取半剖画出。这样，半个剖视图上表达了固定钳身1、活动钳身4、螺钉3、10之间的装配连接关系；半个视图上同时表达了虎钳一个方向的外形，内、外形状兼而有之。俯视图可取外形图，侧重表达机用虎钳的外形，其次在外形图上取局部视图，表达出钳口铁板的螺钉连接关系。

对于主视图和俯视图也应将螺母及活动固定钳身放置在与左视图相同的位置画出，以保证视图之间的投影对应关系。

2.5 机用虎钳使用的注意事项

1、机虎钳应牢固地安装在工作台上，不可松动，而且要尽可能地安装在靠工作台脚上以减少工作时的震动；

2、在机虎钳上夹持工件时，用力要恰当，既要将工件夹牢固，也不要用力过

猛，以防将螺杆或螺母拉坏；工件要尽量夹在中间；夹持精密工件时要用软钳口铁铁；

3、有砧座的虎钳允许在该处施以小型的锤击工作，其他部位不允许用锤敲击；

4、要经常拆开虎钳，去除污垢，清除滑动面与螺杆上的铁屑，并在螺杆、螺母处加注润滑油。

第三章机用虎钳三维模型设计

3 虎钳主要零件的创建

虎钳结构特点和技术要求：

孔径精度该螺杆支撑孔的尺寸误差和几何形状误差会使螺杆与其配合不良。孔径过大，配合过松，使螺杆回转不稳定，并降低了支承刚度，易产生晃动；孔径过小，配合过紧，螺杆将因外环变形而不能正常运转，缩短寿命。螺孔不圆，也使螺杆外环变形而引起径向跳动。从上分析可知，对孔的精度要求较高，螺孔的尺寸精度为IT6级，孔的几何形状误差控制在尺寸公差范围之内。

孔形位公差要求同一轴线上各孔的同轴度误差和孔端面对轴线的垂直度误差，形位公差如果不能保证，会使螺杆装配到钳身上后产生歪斜，致使螺杆产生径向圆跳动，和轴向窜动，加剧磨损。孔系之间的平行度误差会影响螺杆传动质量。一般同轴上各孔的同轴度约为最小孔尺寸公差之半。一般都要规定螺杆轴线对安装基面的平行度公差。在垂直和水平面两个方面上允许螺杆前端向上向前偏。

3.1 固定钳身的创建

根据活动钳身的零件图画出三维实体图，选取材料为HT200。

1、首先打开UG8.0建模，新建一个文件HQ-1.prt。

2、在Y-Z平面创建草图，进入草图模式，绘制草图如下，完成草图，沿X轴方向拉伸82，如图：

3、在底面创建矩形腔体，尺寸90*46*10，如图：

4、在上平面创建草图，尺寸如图，向下拉伸并进行波尔求差：

5、在两侧打沉头孔，并打出轴孔

6、打螺纹孔，并通过镜像操作完成剩余图形，固定底座建模完成

3.2 钳口铁的创建

根据钳口板的零件图画出三维实体图，选取材料为45。

1、新建文件：HQ-2.prt.

2、创建长方体80*22*9，如图

3、打埋头孔

4、通过镜像操作，完成另一个埋头孔，并完成倒角。

3.3 固定螺钉的创建

根据固定螺钉的零件图画出三维实体图，选取材料为Q235A。

1、新建文件：HQ-3.prt.

2、在原点创建圆柱D25*H8，并在其上创建两个凸台

,

3、端沿倒C1，创建修饰螺纹

4、在两个点处创建Ф4*4的简单孔，完成螺钉的创建

3.4 活动钳身的创建

根据活动钳身的零件图画出三维实体图，选取材料为HT200。

1、新建文件：HQ-4.prt.

2、在X-Y平面创建草图

3、沿Z轴向拉伸，并在上平面创建新草图

4、选中新草图，向下拉伸8.并进行波尔求差操作

5、在中心处打沉头孔28*9*20

6、在后面打矩形腔体，并打螺纹孔，镜像完成另一个

7,、在下方创建矩形垫块，并通过镜像操作，倒角等完成活动钳身的创建

3.5 垫圈与环的创建

根据垫圈与环的零件图画出三维实体图，选取材料为Q235A。

1、新建文件：HQ-5.prt.

2、在原点创建圆柱24*3，在中心处打D13的通孔，倒斜角完成垫圈的创建

3、另一垫圈，创建文件HQ-11.prt,同上操作完成

4、环的创建，新建文件HQ-6.prt，

5、在原点创建圆柱22*10，在中心处打D12的通孔，倒角C2

6、在上平面创建基准面，并打通孔，与销做配合

3.6 螺杆的创建

根据螺杆的零件图画出三维实体图，选取材料为45。

1、新建文件：HQ-8.prt

2、在Y-Z平面内创建草图，尺寸如图

3、完成草图后，绕Y轴回转360得实体

4、创建新基准平面，画出草图后拉伸并进行波尔求差操作，阵列特征后得图：

5、在轴右端处创建基准面，并打通孔与销作配合，倒角

6、螺纹杆的创建，定义新用户坐标，插入螺旋线，参数如图

7、创建新基准面，并在基准面上创建矩形草图，如图：

8、将矩形沿螺旋线扫略并进行波尔求差后，完成螺杆的创建

3.7 螺母块的创建

根据螺母块的零件图画出三维

实体图，选取材料为Q235A。

1、创建文件：HQ-9.prt

2、在Y-Z平面创建草图，尺

寸如图：

3、完成草图后，沿X轴拉伸得实体，在上表面正中间创建20*18的凸台

4、在凸台上表面打M10*18，螺纹深度16的螺纹孔，并倒角C2

5、同螺杆相配合，创建螺旋线和与螺旋线相切的草图平面内的矩形，如图

6、将矩形沿螺旋线扫略并进行波尔求差后，完成螺母块的创建。

3.8 螺钉的创建M8*20 GB/T68-2000

根据设计需求和虎钳的使用性能要求，本设计中选取标准件螺母——GB/T 68—2000—M8【20】，选取材料为Q235A。查取设计手册可得相关尺寸，根据查得的相关尺寸设计得螺母M8的三维实体图。

1、在Y-Z平面内创建草图，尺寸如下：

2、完成草图后，绕Z轴回转360得三维实体

3、创建新矩形草图，沿X轴向对称拉伸并进行波尔求差后，得三维图

4、创建符号螺纹并倒角C0.5，完成螺钉的创建。

至此完成机用虎钳各组成零件的三维建模（基于UG）

用机用虎钳各个组成零件精确地装配在一起，装配顺序及装配后的效果如图所示

完成装配后的机用虎钳三维实体图

心得体会

通过这段时间的机械设计课程设计进一步巩固、加深和拓宽所学的知识；通过设计实践，树立了正确的设计思想，增强创新意思和竞争意识，熟悉掌握了机械设计的一般规律，也培养了分析和解决问题的能力；通过设计计算、绘图以及对运用技术标准、规范、设计手册等相关设计资料的查阅，对自己进行了一个全面的机械设计基本技能的训练。

在具体做的过程中，从设计到计算，从分析到绘图，让我更进一步的明白了作为一个设计人员要有清晰的头脑和整体的布局，要有严谨的态度和不厌其烦的细心，要有精益求精、追求完美的一种精神。从开始的传动方案的拟定的总体设计中，让我清楚的了解了自己接下来要完成的任务，也很好的锻炼了自己自主学习的能力；在大量的计算和最终的选择过程中，不但考验了自己计算过程中的细心程度还提高了自己快速资料的一种能力；在最后的绘图过程中，再次锻炼并提高了自己绘图的能力。在这个过程中也遇到了些许的问题，在面对这些问题的时候自己曾焦虑，但是最后还是解决了。才发现当我们面对很多问题的时候所采取的具体行动也是不

同的,这当然也会影响我们的结果.很多时候问题的出现所期待我们的是一种解决问题的心态,而不是看我们过去的能力到底有多强,那是一种态度的端正和目的的明确, 只有这样把自己身置于具体的问题之中,我们才能更好的解决问题。

通过此次设计，使我具备了一定的独立设计的能力，能够使自己所学的专业知识，应用在实践中。此次设计，综合了指导老师和同学的意见，给我很大启发。老师同学的意见对我论文的设计来说是一个大胆的改进和创新。可能我这次设计出来的不实用但对我来说也是一个较大的进步，使我懂得了如何去思考和发现现有产品的不足。

通过设计锻炼了自己思考问题的能力，并且培养了自己对设计的创新能力，同时也发现自己的不足之处，如对某些设计结构，和工作时有可能遇到的情况考虑不全面等。

在设计过程中对于各门专业基础课的即使应用不是很熟练，对于在设计中所遇到的问题不能全面独立自主的解决，这在实际生产加工是不能胜任的等缺点。所以在以后的生活中需要加强专业知识和社会实践，使自己进一步提高。

现在把这个课程做完了才发现自己对以前学的知识点有了更好的理解，知识只有放在实践运用上才能体现他的价值才能更好地被大家接受，所以这门实践课是很有必要开设的，也是大家很有必要去认真做的。在这个过程中，要谢谢老师对我的教导，在老师的讲解下让我对整个设计过程以及绘图过程有了很好的了解，对我后面的整体的设计和绘图的进行有了很大的帮助。

参考文献

[1] 陈立德.机械设计基础. 北京：高等教育出版社, 2004。

[2] 凯德设计.精通Pro/ENGINEER 中文野火版. 北京：中国青年出版社, 2007。

[3] 诸小丽. CAD/CAM实体造型教程与实训.北京：北京大学出版社, 2009。

[4] 王隆太等.《机械CAD/CAM技术》，机械工业出版社。

[5] 廖念钊，古莹艳，莫雨松，李硕根，杨兴骏，等.互换性与技术测量（第五版），中国计量出版社。

[6] 张春林,曲继方、张美麟，等.机械创新设计，机械工业出版社。