多功能机用虎钳设计说明书

摘要

随着社会的快速发展，企业间的竞争力越来越大，各个企业都在通过先进的技术提高自己的竞争力，对于机械行业而言拥有新的机床技术和新型的夹具就显的尤为重要。而我设计的这种多功能机用虎钳正符合这一点。从多功能机用虎钳的优点我们看出：新型铣床夹具既适合于频繁更换毛坯尺寸的场合，也适合于毛坯形状不同的场合和批量生产的场合，其通用性较高，在确保使用的前提下，大大的提高了加工效率，增大了生产率。因此在机械制造业竞争日益激烈的时代下，必将有着广阔的应用前景。

本论文基于铣床常用的夹具平口钳设计了一种多功能机用虎钳。该多功能机用虎钳设计了V形钳口板，扩大了虎钳的夹持范围。V形钳口板上设计了锥度比例为1:4的燕尾槽，可实现快速更换钳口的功能。还设计了定位块安装在固定钳身上，在批量生产同一种零件时，无需重复对刀，即可利用定位块找正工件，大大提高了装夹零件的效率。此外将传动螺杆设计为双线螺杆，在有效夹持范围内装夹工件的速度提高一倍。还对关键零件进行了结构设计和强度校核，以保证多功能机用虎钳工作的可靠性。

关键词：夹具 V形钳口燕尾槽定位块

目录

摘要.................................................. 错误!未定义书签。目录.................................................... 错误!未定义书签。

课题背景、意义及目的............................. 错误!未定义书签。

国内外发展状况................................... 错误!未定义书签。

机床夹具发展趋势................................. 错误!未定义书签。

本文主要内容..................................... 错误!未定义书签。第2章多功能机用虎钳的工艺分析与设计.................. 错误!未定义书签。

多功能机用虎钳的设计方案....................... 错误!未定义书签。

多功能机用虎钳的工作原理....................... 错误!未定义书签。

夹具结构及工作原理......................... 错误!未定义书签。

V形钳口板的结构及原理..................... 错误!未定义书签。

定位块结构及原理........................... 错误!未定义书签。

第3章多功能机用虎钳关键零件的设计和强度校核........... 错误!未定义书签。

多功能机用虎钳关键零件的材料选择............... 错误!未定义书签。

螺栓的设计和强度校核........................... 错误!未定义书签。

紧固螺钉的设计和强度校核....................... 错误!未定义书签。

固定钳身的结构设计............................. 错误!未定义书签。

毕业设计总结............................................ 错误!未定义书签。致谢.................................................... 错误!未定义书签。参考文献................................................ 错误!未定义书签。

第1章绪论

课题背景、意义及目的

现代加工时综合应用计算机、自动检索、自动检测以及精密机械

等高技术的产物，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，夹具是机电产品制造中国必不可缺的四大工

具（刀具、夹具、量具、模具）之一。夹具在国内行业也正在逐渐形

成一个依附于机床业或独立的小行业。

在现代模具生产中，随着对工件的美观度及功能要求得越来越

高，工件内部结构设计得越来越复杂，模具的外形设计也日趋复杂，

自由曲面所占比例不断增加，相应的模具结构也设计得越来越复杂。

这些都对模具加工技术提出了更高要求，不仅应保证高的制造精度和

表面质量，而且要追求加工表面的美观。

其中铣床在模具制造加工中起的作用很大，像模板的加工都是需

要铣床来加工的，比如铣模板的六面的加工，模板导柱孔的铣、镗，模具型腔的加工，都是需要铣床来加工的。不过，现在模具的型腔大多数都已经在数控铣床或者加工中心上来加工了。但不管是数控铣床还是加工中心夹具都发挥着不可替代的作用。铣床主要由定位装置、夹紧装置、夹具体、连接元件、对刀元件组成。铣削加工时，切削力较大，又是断续切削，振动较大，因此铣床夹具的夹紧力要求较大，夹具刚度、强度要求都比较高。而在铣床加工的过程中,夹具是保证加工质量、提高生产效率、降低生产成本、减轻劳动强度、降低对工人技术的要求、实现生产过程自动化不可或缺的重要工艺装备之一。

国内外发展状况

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处产品，夹具也可是不断的演变，由以往的夹具变成组合夹具，这样既可以节省成本也节省设计专用夹具的时间。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。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。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。

机床夹具发展趋势

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、柔性制造基础、（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和生产率；

6）提高机床夹具的标准化程度。

本文主要内容

本文所设计的多功能机用虎钳就是针对铣床上最常用的普通机用虎钳存在的缺陷进行改进设计的。采用一种方法设计一个通用夹具来满足不同截面形状毛坯的要求，并能较为精确的定位,且能减少夹紧工件时所需的时间，从而大大提

高生产效率。

第2章多功能机用虎钳的工艺分析与设计

多功能机用虎钳的设计方案

本设计基于常用的机用平口钳，设计了一种多功能机用虎钳，如图和3,2所示。设计了一种的V形钳口板，设计一种了定位块，并将原有的单线螺杆改为双线螺杆。该V形钳口板安装在固定钳身上，改变了固定钳身钳口的形状，V形钳口板与固定钳身之间采用燕尾槽连接，大大节省了安装和拆卸的时间。定位块安装在固定钳身的侧面，采用螺钉连接。固定钳身通过底部的孔与底座上的定位圆柱配合，固定钳身底部平面连接底座的上平面，且固定钳身两侧设有紧固螺栓与底座连接在一起。固定钳身通过两块挡板与固定钳身之间间隙配合，通过螺杆和螺母的传动，活动钳身可以在固定钳身上来回移动。活动钳身通过方形螺母与双线螺杆连接，通过旋转螺杆带动活动钳身前后运动。活动钳身还通过螺钉连接安装普通钳口板。通过上述方案,本设计能够在保证足够的夹紧力使工件夹紧可靠的情况下,大大缩短定位和夹紧工件所需的时间,特别适合于批量生产和毛坯形状不规则的场合使用，而且结构简单紧凑、造型美观、制造成本低且零件磨损后便于更换。

多功能机用虎钳的工作原理

2.2.1 夹具结构及工作原理

夹具结构如图和所示:

图多功能机用虎钳三维实体图

图多功能机用虎钳装配图

1、固定钳身

2、V形钳口板

3、钳口板

4、活动钳身

5、方块螺母

6、螺杆挡板

7、双头螺杆

8、底座

9、挡板 10、定位块 11、调节螺栓

安装及工作原理：

多功能机用虎钳的结构组成如图所示。多功能机用虎钳是通过底座8固定在机床上。固定钳身1通过螺钉安装在底座8上，松开调节螺栓11上的螺母，固定钳身1相对于底座转动一定的角度，以满足不同加工的需要。固定钳身1和V形钳口板2起垂直定位作用，固定钳身1上的导轨平面起水平定位作用，V 形钳口板通过燕尾槽与固定钳身配合。燕尾槽(1)处竖直平面与固定钳身是1mm 的间隙配合，这样避免了同一方向上有两个配合面利于加工，且钳口V形口最底部到燕尾槽的竖直平面的厚度设计超过了20mm，因此在夹持工件时强度足够。定位块10通过螺钉固定在固定钳身1上。钳口板3也通过螺钉装配在活动钳身5上。双头螺杆7通过方块螺母5装配在活动钳身4上可转动，螺杆挡板6使双头螺杆7固定在活动钳身4上。活动钳身4与固定钳身1之间为隙配合，通过方块螺母5和双头螺杆7一起装配在固定钳身1上，活动钳身4可沿着导轨平面前后滑动。挡板9通过螺钉与活动钳身固定以防止活动钳身4与固定钳身1脱离。转动双头螺杆7即可带动活动钳身4前进或后退，从而达到夹紧和松开工件的目的。

2.2.2 V形钳口板的结构及原理

如图是V形钳口板夹持工件的示意图[6]。普通的钳口板只能夹持长方体类工件，如果遇到像图示的圆形截面工件就不便于夹紧了。而V形钳口板配上普通钳口板就属于三点固定，就可以夹持牢靠。

图 V形钳口板夹持工件示意图

V形钳口板：如图和所示，是一种新型的能够夹持多种形状毛坯且能够达到快速更换的钳口板。

图 V形钳口板三维实体图

图 V形钳口板零件图

V形口结构及定位原理：本设计钳口板采用V形，V形口设置成九十度。通用的钳口板只能夹持长方体类毛坯，碰到圆形、半圆形毛坯就无法夹持。V形钳口板能够和普通的钳口板相配合，实现三点定位，夹持方便、可靠。

图固定钳身三维实体图

燕尾槽结构及原理：如图和所示，在V形钳口板上设计了一种燕尾槽结构，

而在固定钳身上也设计了一个与之相配合的燕尾槽，从而实现快速更换钳口的效果。燕尾槽通常用作两个物体间的相对运动,运动精度高,稳定。平口钳在夹持工件时只受垂直于钳口方向的力，燕尾槽完全可以达到要求，不会影响钳口的夹持效果。此外，还把燕尾槽设计了一个1:4的锥度，上面大下面小。1:4的锥度有一定的楔紧力但不像莫氏锥度那样有自锁性，还可以达到定位的效果。这样既不影响钳口的快速更换，也防止了钳口的上下晃动。在燕尾槽的根本设计了圆柱孔，是为了便于加工。固定钳身和V形钳口装配示意图如图所示。

图固定钳身和V形钳口装配示意图

此外我还基于平板钳口板设计了一种加燕尾槽的钳口板，便于在加工长方体类零件时更换使用。其燕尾槽原理和V形钳口板的原理一样。如图和所示。

图平板燕尾槽钳口板三维示意图

图平板燕尾槽钳口板

2.2.3 定位块结构及原理

如图和所示，是定位块的零件图和三维实体图[7]。由于在整个机加工中定位块只是起一个定位工件的作用所受力不大，所以对其力学性能要求不严。定位块的结构很简单，就是根据平口钳的大小，选择一个合适的尺寸加工的长方体。定位块通过螺钉固定在固定钳身上。

图定位块零件图

图定位块三维实体图

如图所示，是定位块和固定钳身的装配示意图。定位块和固定钳身采用螺钉连接，固定在固定钳身的侧面。在批量生产同一种工件时，将每一个工件都靠在定位块上，只需要对第一个毛坯进行对刀即可，当更换毛坯时无需重复对刀，大大节省了对刀找正的时间，提高了加工效率。

图定位块和固定钳身装配示意图

第3章多功能机用虎钳关键零件的设计和强度校核

多功能机用虎钳关键零件的材料选择

机用平口钳的形状比较复杂，不易直接加工[8]。所以其底座和活动钳身，固定钳身一般选用铸造成型。其双头螺杆选用45号圆钢车削而成，钳口板要有一定的硬度，可选用T12A。

45号钢的性能如下：

特性及适用范围：是强度较高的一种中碳优质钢，因淬透性差，一般以正火状态使用，机械性能要求较高时，采用调质处理。冷变形塑性中等，退火和正火的切削加工性比调质的好。用于制造强度要求较高的零件，如齿轮、轴、活塞销等和受力不很大的机械加工件、锻件、冲压件和螺栓、螺母等。

力学性能

材料牌号: 45 化学成分:

材料名称: 优质碳素钢材料化学成分组成

标准号: GB699-88 元素比例(%)

试样状态: 退火钢碳 C : ～

抗拉强度: ≥600 (MPa)铬Cr ; ≤

屈服强度: ≥355 (MPa)锰 Mn ; ～

延长率: ≥16%镍Ni ; ≤

断面收缩率: ≥40%磷P ; ≤

布氏硬度: ≤197 (Hblack eye硫S ; ≤

特性及应用: 硅 Si ; ～

未热处理时：HB≤229

热处理：正火

冲击功：Aku≥39J

螺杆的设计和强度校核

多功能机用虎钳的工作原理是用扳手转动双头螺杆，通过传动螺母带动活动钳身移动，形成对工件的夹紧与松开。该螺杆采用双线螺纹，要比单线螺纹的速度快一倍，因此可以减少一半夹紧毛坯时所需的时间，提高加工效率。双头螺杆的零件图如图所示。

图双头螺杆零件图

传动件设计计算[9]

在夹具工作中，主要的设计为丝杠螺母传动。由于采用摩擦传动，因此设计时应从耐磨性着手。

螺杆采用45钢，梯形螺纹，牙型角30°，线程数取2，螺距取6mm。

螺母采用剖分式， =3，青铜材料。

滑动螺旋副的磨损与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因素有关，其中最主要的是螺纹工作面上的压力，压力越大螺纹副y

越容易磨损。因此，滑动螺旋副耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压强P 。

其强度条件为： []p hz d F A F p a a ≤==

2π （） （式中F a 为轴向载荷，N ；d 2为螺纹中经,mm ；h 为螺纹工作高度,mm;z 为螺

纹工作圈数，不宜超过10圈;[P]为许用压强，MPa ；）

为了设计方便，令2/d H =ψ，H 为螺母高度;P d P H z //2ψ==,带入公式（）

便可决定2d 的设计公式，即

[]p h P F d a ψπ≥

2 （） 对于梯形螺纹，h=,为

[]p F d a

ψ8.02≥ （） 对于整体螺母，由于磨损后不能调整间隙，为使受力比较均匀，

ψ取~;其中，查表得[P]=11~18MPa,F a =50N ，所以20.98mm d ≥

由于丝杠径向尺寸较长，故取d 2较大值为20mm 。

丝杠传动效率及驱动力矩：

效率：

tan /tan()v ηγγρ=+

γ：导程角： ()2arctan /p d γπ=

v ρ：诱导摩擦角： arctan

cos v f ρα=，α为牙型半角。 查表9-5，摩擦系数f=~，取，

则： 0.1arctan 5.91cos15

v ρ==?，()arctan 2/18 2.03γπ==? tan 2.03/tan(2.03 5.91)0.254η=+=

驱动力矩：

mm N P F T a ?=?==98.187254

.02652ππη 刚度校核： 2

()2a p

F p Tp p EA GI λπ=+ 其中，45钢522.110/E N mm =?，42810/

G N mm =?

um GI Tp EA p F p a p 4442521048.15)18

108232498.18718101.2650()2(-?=??????+????=+=ππππλ 1000/0.258/[]p p m m λλμλ==<

所以刚度满足设计要求。

螺杆强度校核：

螺杆受轴向压力F 和扭矩T 的作用，螺杆危险截面上既有压缩应力，又有剪

切应力。根据第四强度理论，螺纹危险截面的强度条件为

[]σπτσσ≤+=+=)2.0(3)4(331

2122d T d F a e （） []

σππσ≤=?+??=+=2117.0)182.098.187(3)18504()2.0(3)4(232223121mm N a e d T d F （e σ为危险截面的当量应力，MPa ；1d 螺纹小径，mm ；T 摩擦力矩，N ·mm;[]

σ螺杆材料的许用应力，可查表，MPa 。

所以螺杆强度满足设计要求。

螺纹牙的强度校核

图螺纹牙强度校核

通常螺母的材料低于螺杆，所以只需校核螺母螺牙的强度，将一圈螺纹展开

并把它看做悬臂梁，如图所示，螺牙根部受到弯曲应力和剪切应力，其强度条件

为： []b a b z

db h F db h

z F σππσ≤==2236

2 （） （式中，b σ为螺母大径处的弯曲应力，可查表，MPa,;b 是牙根厚度，对于

梯形牙b=。）d=22mm,N F a 500=,b==,z=6则:

[]b b mm N σπσ≤=?????=

22/952.06

9.32245003 剪切强度 []τπτ≤=dbz F a （） （式中[]τ是螺母材料的许用切应力，可查表，MPa ）

[]τππτ≤=???==2/309.06

9.322500mm N dbz F a 所以螺母螺纹牙的设计强度满足要求。

螺栓的设计和强度校核

底盘和铣床的加工面采用M6的螺栓连接，其受力分析和强度校核如下所示：

受横向载荷紧螺栓连接的基本形式如图所示：

图 受横向载荷紧螺栓连接

因为在加工过程中，螺栓连接属于承受横向外载荷的紧螺栓连接。图所示为

普通螺栓连接，被连接件承受垂直于螺栓轴线的横向载荷A F 。由于处于拧紧状

态，螺栓受预紧力的作用，被连接件受到压力，在接合面之间产生摩擦力f F 0（f

为接合面间的摩擦系数）。若满足不滑动条件 f F 0≥A F 则连接不发生滑移。考

虑螺栓的个数、连接的可靠性及接合面的数目，上式可改为 zfm F K F F K fm zF A

f A

f ≥≥00 （）

式中，A F ——横向载荷，N ，取A F =300N ；

f ——接合面的摩擦系数，可查参考资料1：表，取f =；

m ——接合面的数目；

f K ——可靠性系数，取～；

z ——螺栓的个数。

N F 7501

13.043003.10=???≥

求出0F ≥750N 后即可按下式进行强度计算： []σπ≤4

3.1210d F （）

[]σMPa 5.34467503.12=?

≥π 式中，[]σ——紧螺栓连接的地许用应力，可查参考资料1:表，MPa 。 []σ=S

s σ 螺栓选择合金钢M6的螺栓，

可查参考资料1：表，可知紧螺栓连接的安全系数S 可取5 。

可查参考资料1：表，可取屈服强度s σ=360MPa 。

[]σ=MPa MPa 5.34725

360≥= 所以，螺栓能够承载横向的载荷，而不会变形，保证了加工的安全精度。

紧固螺钉的设计和强度校核

如图和图是采用螺钉连接的。选用M4共4个螺钉固定连接。

图垫板

图垫板零件图

我设计出来的底板是与固定钳身采用普通螺钉连接，就靠接合面上的摩擦力

来承受外载荷，接合面处于受剪切作用，螺钉与被连接件孔壁相互挤压，所以应

按挤压及剪切强度条件进行计算。螺钉的剪切强度条件为： []τπτ≤=

42d m F R 式中，m ——螺钉受剪切面的数目；

[]τ——螺钉材料的许用切应力，可查参考资料11：表 。

螺钉与孔壁间的挤压强度条件为： []p R p d F σδσ≤=

（） 式中，R F ——横向载荷，N ；

d ——螺钉杆直径，mm ；

δ——螺钉与孔壁接触面的最小长度，mm ；

[]p σ——螺钉与孔壁中较弱材料的许用挤压应力，可查参考资料11：表 。取横向力F=1KN ，

则由F 引起的剪切力N F F R 250410004===

,m=1 []τππτ≤=?==MPa d m F R 9.194

/4250422 []p R p MPa d F σδσ≤=?==81.78

4250 所以螺钉满足强度设计要求。

固定钳身的结构设计

如图所示，是固定钳身的三维实体图。图是固定钳身的零件图。固定钳身在整个夹具中起着很重要的作用，它是直接承载工件的部件，是整套夹具的支撑件，起着导向定位的作用。固定钳身的上平面两边设计有5mm 高的凸台，由于定位平面加工要求较高，这样设计减小了加工的难度，而且该平面也要与活动钳身相配合，设计两个凸台更利于两者之间的配合。固定钳身的钳口设计了一个上大下小、锥度为1:4的燕尾槽。这样的设计是为了和V 形钳口板更好的配合。采用燕尾槽连接处可以不用螺栓来连接，大大节省了钢铁。1:4的锥度有一定的