毕业设计--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

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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

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Abstract

This 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

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目录

第1章绪论 (4)

1.1 机床夹具简述 (4)

1.2 钻床夹具介绍 (5)

第2章夹具设计内容与任务要求 (6)

2.1 设计任务 (6)

2.2 夹具的设计内容 (6)

第3章夹具结构设计与工作原理 (8)

3.1 夹具总体方案设计 (8)

3.2 定位方案设计 (9)

3.3 夹紧方案设计 (9)

3.4 分度装置设计 (14)

第4章夹具精度分析 (15)

4.1 定位误差 (15)

4.2 对刀误差 (16)

4.3 夹具误差 (17)

4.4加工精度分析 (17)

第5章主要零件设计 (19)

5.1 夹具体的设计 (19)

5.2 钻模板设计和标准钻套选用 (20)

5.3 定位心轴的设计 (21)

5.4 分度盘设计 (21)

第6章结论 (23)

致谢 (24)

参考文献 (24)

附件 (25)

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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。

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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。

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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Φ8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；

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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。

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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。

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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*15 15-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Φ22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Φ22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。

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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○5，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，松开螺母○5，取下开口垫圈，可实现工件的快速更换。

3.3.2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σ

s

=300MPa；抗拉强度σ

b

≥200MPa；伸长率δ≥10%；断面收缩率ψ≥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

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钻削时刀具进给量

f：0.15~0.32mm/转，取f=0.21mm/r

由表3-1可知，切削扭矩的计算公式

p

K

f

D

M8.0

2

4

.3

=（式○1）P

K为修正参数，它的计算公式

因为HT200的抗拉强度MPa

200

b

≥

σ，取MPa

736

b

=

σ

5.4

75

.0

6

75

.0

10

10

736

736

736

=

?

?

?

?

?

?

=

?

?

?

?

?

=b

P

K

σ

○2

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8

φ孔，带入式○1得：

○3

由表3-1(P11)可知，其中f=0.2mm/转：

切削力

P

f

K

DF

F7.0

667

=○4

计算8

φ孔的切削力，带入式2-5得：

○5

2、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：

WK

W

K

=式○6

安全系数

6

5

4

3

2

1

K

K

K

K

K

K

K

K=式○7

式中，

6

~K

K为各种因素的安全系数，

钻孔时，根据表3-1(P

14

)、表3-2(P

14)

，带入式○8，计算安全系数

式○8

即：理论夹紧力WK

W

K

==2.5X80=200N

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表3-2 安全系数

6

~K

K

的数值

表3-3 安全系数

2

K

加工方法切削力分力状

况

K

钻削

K

M

HT200 45钢

C

F

1.14 1.14

粗扩（毛

坯）K

M

1.0 1.0

C

F

1.4 1.4

精扩

K

M

1.2 1.2

C

F

1.2 1.2

粗车或粗

镗C

F

1.0 1.0

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P

F

1.2 1.4

f

F 1.25 1.6

精车或精

镗C

F

1.05 1.0

P

F

1.4 1.05

f

F 1.3 1.0

圆周铣削

（粗、精）C

F

1.2~1.4 1.6~1.8(含碳量﹤0.3%)

1.2~1.4(含碳量﹥0.3%)

端面铣削

（粗、精）C

F

1.2~1.4 1.6~1.8(含碳量﹤0.3%)

1.2~1.4(含碳量﹥0.3%)

磨削

C

F

1.15~1.2

拉削 F 1.5

而压板螺旋夹紧时产生的夹紧力

)

(

2

1

0?

α

γ

?

γ+

+

'

=tg

tg

QL

W

z

其中：2.76

z

r=6.22

γ'=

90

1

=

?'

229

α=0

5

9

2

'

=

?

L=32mm Q=80N

螺旋夹紧力：W

=2431.45(N)

因为

0K

W W

>>

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。待分度盘转动20