法兰钻床夹具设计课程设计

齐齐哈尔工程学院

课程设计（论文）

题目法兰钻床夹具设计课程设计

（钻4x直径6孔）

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目录

一、绪论 (1)

（一）钻孔夹具方案设计 (1)

（二）了解夹具总体设计的要求 (2)

（三）钻床的发展趋势 (3)

（四）钻床夹具的概述 (4)

1.钻床夹具的特点 (4)

2.钻床夹具的主要类型 (5)

3.钻模类型选择 (6)

4.钻套的选择 (6)

5.钻模板类型 (7)

二钻床夹具设计特点 (8)

三、工件的夹紧计算及其选择 (10)

（一）工件的夹紧 (10)

（二）夹紧力的选择 (11)

1. 夹紧力方向 (11)

2. 夹紧力的作用点 (12)

3.夹紧力的计算 (12)

四、夹具结构分析与设计 (15)

（一）夹具的夹紧装置和定位装置 (15)

（二）钻孔与工件之间的切屑间隙 (17)

（三）钻模板 (19)

（四）定位误差的分析 (19)

（五）钻套、衬套、钻模板设计与选用 (20)

（六）确定夹具体结构和总体结构 (22)

（七）夹具设计及操作的简要说明 (24)

结论 (25)

致谢 (27)

参考文献 (29)

一、绪论

（一）钻孔夹具方案设计

方案设计是夹具设计的重要阶段，它在分析各种原始资料的基础上，要完成下列设计工作：[1]

①研究壳体零件原始资料，明确设计要求。

②拟订钻孔夹具结构方案，绘制夹具结构草图。

③绘制夹具总图，标注有关尺寸及技术要求。

④绘制零件图。

从另外一方面来说，机床夹具设计是工艺装备设计中的一个重要组成部分，是保证产品质量和提高劳动生产率的一项重要技术措施。在设计过程中应深人实际，进行调查研究，吸取国内外的先进技术，制定出合理的设计方案，再进行具体的设计。而深入生产实际调查研究中，应当掌握下面的一些资料：[1]

(1)工件图纸；详细阅读工件的图纸，了解工件被加工表面是技术要求，该零件在机器中的位置和作用，以及装置中的特殊要求。

(2)工艺文件：了解工件的工艺过程，本工序的加工要求，工件被加工表面及待加工面状况，基准面选择的情况，可用机床设备的主要规格，与夹具连接部分的尺寸及切削用量等。

(3)生产纲领：夹具的结构形式应与工件的批量大小相适应，做到经济合理。

在本次毕业设计的夹具要求是中小批量生产的夹具设计。

(4)制造与使用夹具的情况，有无通用零部件可供选用。

工厂有无压缩空气站；制造和使用夹具的工人的技术状况等。

夹具的出现可靠地保证加工精度，提高整体工作效率，减轻劳动强度，充分发挥和扩大机床的工艺性能。

（二）了解夹具总体设计的要求

1）夹具应满足零件加工工序的精度要求。特别对于精加工工序，

应适当提高夹具的精度，以保证工件的尺寸公差和形状位置公差等。

2）夹具应达到加工生产率的要求。特别对于大批量生产中使用的

夹具，应设法缩短加工的基本时间和辅助时间。

3）夹具的操作要方便、安全。按不同的加工方法，可设置必要的

防护装置、挡屑板以及各种安全器具。

4）能保证夹具一定的使用寿命和较低的夹具制造成本。夹具元件

的材料选用将直接影响夹具的使用寿命。因此，定位元件以及主要元件宜采用力学性能较好的材料。夹具的低成本设计在世界各国都以相当重视。为此，夹具的复杂程度应与工件的生产批量相适应。在大批量生产中。宜采用气压、液压等高效夹紧装置；而小批量生产，则宜采用较简单的夹具结构。

5）要适当提高夹具元件的通用化和标准程度。选用标准化元件，

特别应选用商品化的标准元件，以缩短夹具制造周期，从而

降低夹具成本。

6）必须具有良好的结构工艺性，以便夹具的制造、使用和维修。

以上要求有时是互相矛盾的，故应在全面考虑的基础上，处理好主要矛盾，使之达到较好的效果。例如钻模设计中，通常侧重于生产率的要求。

（三）钻床的发展趋势

钻床系指主要用钻头在工件上加工孔的机床。通常钻头旋转为主运动，钻头轴向移动为进给运动。钻床结构简单，加工精度相对较低，可钻通孔、盲孔，更换非凡刀具，可扩、锪孔，铰孔或进行攻丝等加工。钻床可分为下列类型：

(1)台式钻床：可安放在作业台上，主轴垂直布置的小型钻床。

(2)立式钻床：主轴箱和工作台安置在立柱上，主轴垂直布置的钻床。

(3)摇臂钻床：摇臂可绕立柱回转、升降，通常主轴箱可在摇臂上作水平移动的钻床。它适用于大件和不同方位孔的加工。

(4)铣钻床：工作台可纵横向移动，钻轴垂直布置，能进行铣削的钻床。

(5)深孔钻床：使用特制深孔钻头，工件旋转，钻削深孔的钻床。

(6)平端面中心孔钻床：切削轴类端面和用中心钻加工的中心孔钻床。

(7)卧式钻床：主轴水平布置，主轴箱可垂直移动的钻

床

钻床相关标准与其他金属切削机床相关标准大体相同，其专用标准有：GB6477.4-86《金属切削机床术语钻床》，GB2815-89、JB/T5763-91《钻床联接尺寸标准》，GB9461-88、JB/Z108-89《摇臂钻床参数及系列型谱标准》等，出口产品不得低于一等品。

主要生产厂家有：中捷友谊厂、沙市第一机床厂、宁夏大河机床厂、鲁南机床厂、保定钻床厂等。钻床主要出口日本、东南亚、欧、美、非洲及港、澳等30余个国家及地区。

（四）钻床夹具的概述

钻床夹具：用干各种钻床（镗床组合机床）上的夹具，又称钻模，镗模。主要目的保证孔的精度（位置）。要想对钻床夹具有深刻的了解，就要先知道钻床夹具的特点。

1.钻床夹具的特点

在一般钻床对工件进行空加工，多具一下特点:

首先是刀具本身的刚性比较差。钻床上所加工的空多为小尺寸的孔，其工序内容不外乎钻、扩、铰、锪或攻螺纹等加工，所以，刀具直径往往比较小，而轴向尺寸比较啊，刀具的刚性均较差。

其次是多刃刀的不对称，易造成空的形位公差。钻、扩、铰等孔加工刀具，多为多刃刀具，当刀刃分布不对称，或刀刃分布不对称，或刀刃长度不等，会造成被加工孔的制造误差，尤其是采用普通麻花钻钻孔，手工刃磨钻头所造成的两侧不对称，极易造成被加工孔的孔位偏移、孔径增大及孔轴线的弯曲和歪斜，严重影响孔的形状、位置精度。

再有就是普通麻花钻头起钻时，孔的精度极差。普通麻花钻轴向尺寸大，结构刚性差，加上钻心结构所形成的横刃，破坏定心，使钻尖运动布稳定，往往在起钻过程造成较大的孔位误差。在单件、小批量生产种中，往往要考操作工在起钻过程中不断地进行人工矫正控制孔位精度，而在大批生产中，则需依靠刀刃结构的改进和夹具对刀具的严格引导解决。

综合以上孔加工特点，钻床夹具的主要任务是解决好工件相对刀具的正确加工位置的严格控制问题。在大批量生产中，为有自傲解决钻头钻孔的精度不稳定的问题，多直接设置带有刀具引导的钻模板，对钻头进行正确引导和对孔位进行强制性限制。尤其是对箱体、盖板类工件的钻孔，往往要同时有多支钻头一次性钻出众多的孔，为保证加工孔隙的位置精度，一定要通过一块精确的模版，把多个孔位由引导限制好。这种用来正确引导钻头控制孔位精度的模版。专业化、高效生产中的钻床夹具，通常具有较精确的钻模版，以正确、快速地引导钻头控制孔位精度，这是钻床夹具的最主要的特点。所以，习惯上又把钻床夹具称为钻模。为防止钻刃破坏钻模板上引导孔的孔壁，多在引导孔中设置高硬度的钻套，以维持钻模板的孔系精度。

对钻床夹具的类型要有一定的认知。

2.钻床夹具的主要类型

钻床加工中对不同的加工工件所选着的夹具体液是不同的。因此根据经验人们总结了以下不同工件加工的主要夹具。它们主要是：

1.固定式：夹具与机床上位置固定不变，用于立钻，摇

臂钻加工大件等

2.回转式：用于同一圆周上的孔系加工。它包括立轴、卧轴和斜轴回转三种基本型式。

3.移动式：钻模移动，用于加工同一表面上的多个孔中小型工件

4、翻转式：钻模板转动一定角度，用于加工不同表面上的孔，翻转点力，

5、盖板式：没有夹具体，模板盖在工件上加工

6、滑柱式：升降钻模板的通用可调夹具

根据不同工件的加工，因此我们也要对钻模由工件的形状和加工要求进行选择。

3.钻模类型选择

钻模类型多，在设计时，要根据工件的形状、重量、加工要求和批量来选型：被钻孔径>10mm，或加工精度较高时，宜用固定钻模。不同表面上的孔，总G<100N，中、小型工件，宜用翻转钻模。当分布在不同心圆周上的孔系，总G<150N，宜用回转式钻模。当G>150N,宜用固定钻模，在摇臂钻加工，量大时用立钻多轴加工。垂直度与孔间距要求不高时，用滑柱式钻模。若加工大件上的小孔时，宜用盖式钻模。

为了提高钻孔的精度，可以通过钻套来来引导刀具的位置，保证孔加工的精度。但由于加工工件的量大小和孔位置特殊，所以钻套也分为以下几种。

4.钻套的选择

钻套和钻模板是钻床夹具的特殊元件。钻套的作用是确定被加工孔的位置和引导刀具加工，钻套装配在模板上，用钻套比不用钻套可减少50%以上的误差。其结构尺寸已标准

化：

1）固定钻套：配合H7/n6,H7/r6,结构简单，精度高，适用于单孔或小批生产。

2）可换钻套：H7/g5,H7/g6，间隙配合装入衬套内，用螺钉固定

3）快换钻套：配合H7/g5,H7/g6,结构与上述不同，不用固定螺钉便可更换。适用于加工多，更换不同孔经的钻套。

上述钻套标准化。还有一种特殊故钻套。

4）特殊钻套：适用于工件结构形状和被加工孔的位置特殊性，标准钻套不满足时用的钻套。

钻套的安装也是非常重要的，因此钻模板可以通过合理的设计将钻套定位安装，从而保证孔的加工位置。钻模板通常装配在夹具体或支架上，或与夹具上的其它元件相连接。常见的有如下几种类型：

5.钻模板类型

A固定式钻模板：钻模板和夹具体或支架是用固定方法相连接，一般采用两个圆锥销和螺钉装配连接；对于简单的结构也可采用整体的铸造或焊接结构。

B铰链式钻模板：当钻模板妨碍工件装卸等工作时，可用活动铰链把钻模板与夹具体相连接。

C可卸式钻模板

D悬挂式钻模板：在立式钻床上采用多轴传动头进行平行孔系加工时，所用的钻模板就连接在传动箱上，并随机床主轴往复移动。这种钻模板简称为悬挂式钻模板

二钻床夹具设计特点

（一）明确设计任务，了解零件加工工艺过程1. 熟悉工件零件图、本工序加工要求

图2.3 加工零件图

该零件为45#钢；零件图如上图2.3，中批量生产；该工序在立式钻床上用钻头工。

该手柄的加工表面分三种，主要是孔的加工，，各组加工面之间有严格的尺寸位置度要求和一定的表面加工精度要求，特别是孔的加工，几乎都要保证Ra3.2um的表面粗糙度，因而需精加工

三、工件的夹紧计算及其选择

（一）工件的夹紧

1. 夹紧基本原理理论

夹紧的目的是保证工件在夹具中的定位，不致因工时受切削力，重力或伴生离心力，惯性力，热应力等的作用产生移动或振动。夹紧装置是夹具完成夹紧作用的一个重要的而不可以缺少的组成部分，除非工件在加工过程中所受到的各种力不会使它离开定位时所需确定的位置，才可以设有夹紧装置。夹紧装置设计的优劣，对于提高夹紧的精度和加工作效率，减轻劳动强度都有很大的影响。

图3.1 夹紧功能原理方案设计组成结构分析各类夹具的基本功能要求可以将夹紧装置概括为两类：第一类是性能要求，主要指定位唯一性、定位稳定性，夹紧稳定性及总体约束；第二类要求是夹具的结构刚性、成本及易操作性、易于维修等要求。本设计目录中功能项包括夹紧对象特征项、加工信息特征及夹紧要求特征。

夹紧对象特征项目：包括夹紧对象类型、材料、形状、体积、数量、物理特性、磁性、导电性、刚性等信息。

加工信息特征项：加工类型、机加工、装配、检测、焊接等、加工参数、切削参数、运动参数、几何参数等。

夹紧要求特征项：主要指性能要求，包括定位要求、定位基准选择，如特征点、特征面。夹紧力大小、夹紧方向、夹紧行程、夹紧松开速率，自锁性等。

元件功能分析：夹紧功能主要包括四种元功能。它们是：定位功能、传动功能、执行功能和分度功能等辅助功能。定位功能由定位元件完成，定位元件按定位面特征分为平面定位元件、圆孔定位元件、外圆定位元件。传动功能由中间递力机构完成，该机构一般有三个作用；改变作用力的力一向、大小和自锁作用。目前常用的有以下机构：斜楔机构、螺旋机构、圆偏心机构、杠杆铰链机构、连杆机构、联动机构、对中机构、定心机构等。

设计夹紧装置时，应满足下述主要要求：[2]

1.夹紧装置在对工件夹紧时，不应破坏工件的定位，为此，必须正确选择夹紧力的方向及着力点。

2.夹紧力的大小应该可靠，适当，要保证工件在夹紧后的变形和受压表面的损伤不致超出允许的范围。

3.夹紧装置结构简单合理，夹紧动作要迅速，操作方便省力，安全。

4.夹紧力或夹紧行程在一定范围内可进行调整和补偿。

（二）夹紧力的选择

1. 夹紧力方向

在保证安装的真确可靠，减少工件的变形，定位方便和在可以减少所需夹紧力的大小的前提下，此套夹具的夹紧方向和工件重力方向和切削方向相同。工件的定位工作面为垂

直方向上，则工件的夹紧通过工件的一个定位销与水平方向的移动压块完成。夹紧力的方向为平行重力方向垂直夹紧。

[2]

在本次夹具设计中，夹紧力是由中心螺杆和一边压板提供的。

2. 夹紧力的作用点

夹紧力的作用点是指夹紧元件与工件相接触的一小块面积。现在夹紧力的方案已定。考虑夹具的结构尺寸特征可以确定夹紧力的作用点个数为2个。

考虑夹紧力作用点的一般要求：[1]

①夹紧力的作用点应能保持工件定位稳定，而不至引起

工件发生位移和偏转；

②夹紧力的作用点，应使被夹紧的夹紧变形尽可能的小

些；

③夹紧力的作用点应尽可能靠近加工表面，以提高定位

稳定性。

3.夹紧力的计算

夹紧力的大小重要取决于切削P和重力G，重力是可认为不变的，而切削力在切削的过程中是变化的。影响切削力的大小因素很多，如工件质量的不均匀，加工质量的不均匀，刀具磨损以及切削用量的变化等等。同时夹紧力也和其他因素有关，如夹紧件和工件及工件与定位件间接触表面的光洁度，工艺系统的刚性等等，因此夹具夹紧力的设计只能对其作初略的估算。

W:实际夹紧力 Wi:理论夹紧力 K:安全系数安全系数:K= K1×K2×K3×K4

式中: K1-基本安装系数 K2-加工安装系数 K3-刀具钝化系数 K4-切削特点系数 其加工直径全部为10

刀具：钻头 D=6。

则轴向力：见《工艺师手册》表28.4

F=C F d 0F z f F

y k F ……………………………………3.1

式中： C F =420， Z F =1.0, y F =0.8, f=0.35

k F =(07.1)190200()1903.1==F n HB F=420)(212307.135.048.00.1N =???

转矩

T=C T d 0T Z f T

y k T

式中: C T =0.206, Z T =2.0, y T =0.8

T=0.206 2.00.860.35 1.0717.34()N M ???=?

功率 P m =KW d T V 726.063095.1634.17300=??= 在计算切削力时,必须考虑安全系数,安全系数

K=K 1K 2K 3K 4

式中 K 1—基本安全系数，1.5;

K 2—加工性质系数，1.1;

K 3—刀具钝化系数, 1.1;

K 4—断续切削系数, 1.1

则 F /

=KF=1.5)(423921231.11.11.1N =???? 钻削时 T=17.34 N M ?

切向方向所受力:

F 1=N L T 267106534.173=?=-

取1.0=f

F f =4416)(6.4411.0N =?

F f > F 1

所以,时工件不会转动,故本夹具可安全工作。

四、夹具结构分析与设计

（一）夹具的夹紧装置和定位装置

夹具中的装夹是由定位和夹紧两个过程紧密联系在一起的。定位问题已在前面研究过，其目的在于解决工件的定位方法和保证必要的定位精度。

仅仅定好位在大多数场合下，还无法进行加工。只有进而在夹具上设置相应的夹紧装置对工件进行夹紧，才能完成工件在夹具中装夹的全部任务。

夹紧装置的基本任务是保持工件在定位中所获得的即定位置，以便在切削力、重力、惯性力等外力作用下，不发生移动和震动，确保加工质量和生产安全。有时工件的定位是在夹紧过程中实现的，正确的夹紧还能纠正工件定位的不正确。

一般夹紧装置由动源即产生原始作用力的部分。夹紧机构即接受和传递原始作用力，使之变为夹紧力，并执行夹紧任务的部分。他包括中间递力机构和夹紧元件。

考虑到机床的性能、生产批量以及加工时的具体切削量决定采用手动夹紧。

螺旋夹紧机构是斜契夹紧的另一种形式，利用螺旋杆直接夹紧元件，或者与其他元件或机构组成复合夹紧机构来夹紧工件。是应用最广泛的一种夹紧机构。

螺旋夹紧机构中所用的螺旋，实际上相当于把契绕在圆柱体上，因此他的作用原理与斜契是一样的。也利用其斜面移动时所产生的压力来夹紧工件的。不过这里上是通过转动螺旋，使绕在圆柱体是的斜契高度发生变化来夹紧的。

典型的螺旋夹紧机构的特点：

（1）结构简单；

（2）扩力比大；

（3）自琐性能好；

（4）行程不受限制；

（5）夹紧动作慢。

夹紧装置可以分为力源装置、中间传动装置和夹紧装置，在此套夹具中，中间传动装置和夹紧元件合二为一。力源为机动夹紧，通过螺栓夹紧移动压板。达到夹紧和定心作用。

工件通过定位销的定位限制了绕Z轴旋转，通过螺栓夹紧移动压板，实现对工件的夹紧。并且移动压板的定心装置是与工件外圆弧面相吻合的移动压板，通过精确的圆弧定位，实现定心。此套移动压板制作简单，便于手动调整。通过松紧螺栓实现压板的前后移动，以达到压紧的目的。压紧的同时，实现工件的定心，使其定位基准的对称中心在规定位置上。