钻夹具毕业设计论文

φ8孔钻夹具设计说明书

作者姓名：李学军

（井冈山大学机电工程学院，江西吉安343009）指导老师：周太平

摘要

[摘要]机械制造装备设计是机械设计制造及其自动化专业的一门主要专业课，其任务是通过该课程的学习，掌握主要机械制造装备的工作原理及其正确使用和选用方法、原则，并具备一定的机械制造装备的总体设计、传动设计、结构设计等基本知识和主要工艺装备的设计能力。而课程设计是机械制造装备设计课程的一个重要的实践性教学环节，也是机械类专业学生较为全面的机械设计训练。其目的在于通过课程设计，使学生能综合运用夹具设计课程及其他相关专业课程的知识，学会用所学的理论知识指导设计实践，树立正确的设计思想。

- 1 -

目录

摘要 ............................................................................................................................................. - 1 -第一章专用夹具设计................................................................................................................ - 3 -§1.1 明确工件的生产纲领.............................................................................................. - 3 -§1.2 熟悉工件零件图和工序图...................................................................................... - 3 -§1.3 加工方法.. (4)

第二章方案设计 (4)

§2.1 定位方案 (4)

§2.2 选择夹紧机构 (5)

§2.3 钻模板以及钻套的设计 (6)

§2.4 钻削切削力............................................................................................................ - 11 -§2.5 实际所需夹紧力计算............................................................................................ - 12 -第三章夹具装配图上应标注的尺寸和技术条件................................................................ - 15 -§3.1 夹具装配图上标注的尺寸.................................................................................... - 15 -§3.2 夹具装配图上应标注的技术要求........................................................................ - 15 -第四章三维模型.................................................................................................................... - 17 -第五章设计心得.................................................................................................................... - 16 -参考文献.............................................................................................................................. - 18 -

- 2 -

- 3 -

第一章 专用夹具设计

§1.1明确工件的生产纲领

生产纲领是夹具总体方案确定的依据之一，决定了夹具的复杂程度和自动化程度。如大批量生产时，一般选择机动、多工件，自动化程度高的方案，结构也随之复杂，成本也提高较多。根据工厂的生产条件和该工件的生产需求，该零件采用中小批量生产。

§1.2熟悉工件零件图和工序图

零件图给出了工件的尺寸、形状和位置、表面粗糙度等精度的总体要求。工序图则给出了夹具所在工序的零件的工序基准、工序尺寸、已加工表面、待 加工表面、以及本工序的定位、夹紧原理方案，这是夹具设计的直接依据。 已知待加工工件如下图1-1所示，Φ16孔及Φ12孔（粗糙度为1.6）、2个Φ6孔（粗糙度为3.2）及粗糙度为3.2和粗糙度为6.3的两端面均已加工，设计一个辅助加工Φ8孔的钻床夹具。

图1-1 手柄套

§1.3加工方法

了解工艺规程中本工序的加工内容，机床、刀具、切削用量、工步安排及工时定额，同时加工零件的个数。这些是在考虑夹具总体方案、操作、估算夹紧力等方面必不可少的。根据零件图可知，本道工序的内容是钻一个圆柱面上直径为Φ8的孔，所以应选用立式钻床加工。

第二章方案设计

§2.1定位方案

设计夹具时原则上应该选择该工艺基准为定位基准，但无论是工艺基准还是定位基准，均应符合六点定位原理。工序图，只是给出了原理方案，此时应仔细分析本工序的工序内容及加工精度要求，按照六点定位原理和本工序的加工精度要求，确定具体的定位方案和定位元件，要拟定几种具体方案进行比较，选择最佳方案。

根据工序图给出的定位元件方案，按有关标准正确选择定位元件或定位的组合。在机床夹具的使用过程中，工件的批量越大，定位元件的磨损越快，选用标准定位元件增加了夹具的可换性和延长夹具的使用周期，方便机床夹具的维修和维护。

根据本次要加工的零件的特性，我设计的定位方案为用芯轴和圆柱销来组合定位，在工件的右端面用一个面来定位，芯轴和菱形销组合定位限制了工件的5个自由度，右端面的一个面限制了1个自由度。工件的6个自由度都被限制，符合六点定位原理。

- 4 -

§2.2选择夹紧机构

(1)夹紧力的方向：

夹紧力的方向应有利于定位稳定且主要夹紧力应处于主要定位基面、应与工件刚度高的方向一致以利于减少工件的变形、应尽可能与切削力、重力方向一致有利于减小夹紧力，不能使工件有脱离定位表面的趋势，防止工件在夹紧力的作用下产生变形。

(2)夹紧力的作用点：

夹紧力的作用点应正对定位元件或位于定位元件所形成的支撑面内、夹紧力的作用点应位于工件刚度高的部位、夹紧力的作用点应尽量靠近加工表面使夹紧稳固可靠。以确保工件定位准确、不变形。

在确定夹紧力的方向、作用点的同时，要确定相应的夹紧机构。确定夹紧机构要注意以下几方面的问题：

①安全性夹紧机构应具备足够的强度和夹紧力，以防止意外伤及夹具操作人员。

②手动夹具夹紧机构的操作力不应过大，以减轻操作人员的劳动强度。

③夹紧机构的行程不宜过长，以提高夹具的工作效率。

④手动夹紧机构应该操作灵活、方便。

根据工件的加工要求和工件自身的材料情况，我采用弹簧夹紧机构利用弹簧的松紧来产生或减少夹紧力，通过弹簧的作用力产生压紧力，使档杆来压紧或松开工件。操作方便灵活，结构简单，成本低廉。弹簧夹紧机构如图2-1所示。

- 5 -

图2-1 弹簧档杆压紧机构

§2.3钻模板以及钻套的设计

1、钻模板的设计

钻模板结构形式的选择：在设计钻模板的结构时，主要要根据工件的外形大小、加工部位、结构特点和生产规模以及机床类型等条件而定。要求所设计的钻模板结构简单、使用方便、制造容易。

钻模板用于安装钻套，并确保钻套在钻模板上的正确位置。常见的钻模板有固定式、铰链式、可卸式、悬挂式等四种结构形式

（1）固定式钻模板

固定式钻模板与夹具是固定连接的可以与夹具体做成一体，也可以用螺钉将它与夹具体相连接。采用这种钻模板钻孔，位置精确度较高。

（2）铰链式钻模板

- 6 -

铰链式钻模板与夹具体通过铰链连接。翻转：装卸工件时，将钻模板往上翻；加工时将钻模板往下翻，并用菱形销定位。夹紧：采用铰链式钻模板，工件可以在夹具上方装入，装卸工件方便；但翻转钻模板费工费时，效率较低，且钻模板位置精度受铰链间隙影响，钻孔位置精度不高；它主要用于生产规模不大、钻孔精度要求不高的场合。

（3）悬挂式钻模板

悬挂式钻模板是与机床主轴箱连接的，悬挂式钻模板通常用在多轴传动头加工平行孔系时采用，生产效率高，适于在大批量生产中应用。

2、钻套

钻套是钻模上特有的元件，它的作用是确定钻头，铰刀等刀具的轴线位置，防止刀具在加工过程中发生偏斜，保证被加工孔的位置精度和提高工艺系统的刚度。

根据使用特点，钻套可分为固定式，可换式，快换式等多种结构形式。

（1）固定钻套固定钻套（如图2-1）直接被压在钻模板上，其位置精度要求较高，但磨损后不易更换，钻模板较薄时，为使钻套具有足够的引导长度，应采用有肩钻套。

图2-2 固定钻套

- 7 -

（2）可换钻套可换钻套（如图2-2）用于零件单一、大批量生产中，方便更换磨损的钻套。钻套和衬套之间采用F7/m6或F7/k6配合，衬套和钻模板之间采用H7/n6配合。当钻套磨损后，可卸下螺钉，更换新的钻套。螺钉能防止钻套加工时转动及退刀时脱出。

图2-3 可换钻套

（3）快换钻套在工件的一次装夹中，若顺序进行钻孔、扩孔、铰孔或攻丝等多个加工工步，需要不同孔径的钻套来引导刀具，此时应使用如图2-4所示的快换钻套。更换钻套时，只需逆时针转动钻套使削边平面转至螺钉位置，即可向上快速取出钻套。削边的方向应考虑刀具的旋向，以免钻套自动脱出。

- 8 -

- 9 -

图2-4 快换钻套

（4）特殊钻套 因工件的形状或被加工孔的位置需要而不能使用标准钻套时，需自行设计的钻套称为特殊钻套。图2-5所示加长钻套为常见的特殊钻套，在加工凹面上的孔时使用，为减少刀具与钻套的摩擦，可将钻套引导高度H 以上的孔径放大，钻套的高度H 增大，则导向性能好，刀具刚度提高，加工精度高，但钻套与刀具的磨损加剧，一般取H=1～2.5d 。

图2-5 加长钻套

- 10 -

刀具的导向是保证孔的位置精度，增加钻头的支撑以提高其刚度，减少刀具的变形，确保孔加工的位置精度，使用钻床钻孔时，钻头的导向可采用钻套，钻套有固定钻套、可换钻套、快换钻套和特殊钻套等四种。

固定钻套是直接压入钻模板或夹具体得孔中，属过盈配合。这种钻套位置精度高，结构简单，但磨损后不易更换，故适用于中小批生产中只钻一次的孔。

可换钻套是先把衬套用过盈配合H7/n6或H7/r6固定在钻模板或夹具体上再采用间隙配合H6/g5或H7/g6将可换钻套装入衬套中，并用螺钉压住钻套。这种钻套更方便，适用于中批以上生产，对于在一道工序内需要加工的孔，采用快换钻套。

快换钻套与可换钻套结构上基本相似，只是在钻套头部多开一个圆弧状或直线状缺口。换钻套时，只需将钻套逆时针转动，当缺口转到螺钉位置时即可取出，换套方便迅速。

根据中小批量生产要求，故选择带衬套的固定钻套，如图2-6所示：

图2-6 固定钻套

- 11 -

§2.4钻削切削力

需要钻孔零件的材料为45号钢，优质碳素结构钢，钢材的平均含碳量为0.1%。

145号钢力学性能：抗拉强度

MPa 410b ≥σ；屈服强度 MPa 245s ≥σ；

伸长率 δ≥25%；断面收缩率 ψ ≥5%；硬度：未热处理≤156HB。 钻削切削力的计算公式，见表2-1。

表2-1 钻削切削力的计算公式

工件 材料

加工 方法

刀具 材料 切削扭矩 计算公式

切削力 计算公式

结构钢和铸钢 b σ=736MPa 钻

高速钢

p K f D M 8.024.30=

P f K DF F 7.0667=

扩钻 p 8

.09.08.80K f

Da M p = p P f K f

a F 7

.03.1371= 耐热钢 （HB141）

钻

p K f D M 7.020.40= P f K Df F 7.01402=

灰铸铁 （HB190）

p K f D M 8.021.20=

P f K Df F 8.0419=

硬质合金

p K f D M 8.022.10= P f K f D F 75.02.1412=

扩钻

高速钢 P K f D M 8.00.75p

2a 83.0= P p f K f

a F 4.02.1231= 可锻铸铁（HB120） 钻

P K f D M 8.021.20= P f K Df F 8.0425=

硬质合金 P K f D M 8.02.298.00= P f K f D F 75.02.1319= 铜合金 高速钢

p K f D M 8.022.10=

P f K Df F 8.0309=

钻削时的进给量

f ：0.15~0.32mm/转，取f=0.2mm/转

- 12 -

由表3-3可知，切削扭矩的计算公式

p K f D M 8.024.30= （3-1）

P K 为修正参数，它的计算公式

因为10号钢的抗拉强度 MPa 410b ≥σ，取MPa 736b =σ

5

.475

.0675

.01010736736736=??? ???=?

?

? ??=b P K σ （3-2）

Φ8把孔，带入式3-1得：

()

m

10

84.110.201064.305

.1 4.5

.802

3??=????=--N M （3-3）

由表2-6可知，切削力的计算计算公式如下，其中f=0.2mm/转 P f K DF F 7.0667= （3-4） 计算Φ8孔的切削力，带入式3-3得：

()

N

F f 6010102.01066675

.47

.03

3≈?????=-- （3-5）

§2.5 实际所需夹紧力计算

计算夹紧力时，通常将夹具和工件看成是一个刚性系统。根据工件受切削力、夹紧力（大型工件还应考虑工件重力，运动的工件还应考虑惯性力等）的作用情况，找出在加工过程中对夹紧最不利的瞬时状态，按静力平衡原理计算出理论夹紧力。最后为保证夹紧可靠，再乘以安全系数作为实际所需夹紧力的数值，即： WK W K = （3-6）

- 13 -

式中 K W —实际所需夹紧力（N ）；

W —在一定条件下，由静力平衡计算出的理论夹紧力（N ）； K —安全系数。 安全系数K 可按下试计算：

6543210K K K K K K K K （3-7）

式中，60~K K 为各种因素的安全系数，见表2-2。

表2-2 安全系数60~K K 的数值

符号

考虑的因素

系数值 0K

考虑工件材料及加工余量均匀性的安全系数

1.2~1.5 1K

加工性质

粗加工 1.2 2K 精加工

1.0 3K

刀具钝化程度（详见表3） 1.0~1.9 4K

切削特点

连续切削 1.0 断续切削

1.2 5K

夹紧力的稳定性 手动夹紧 1.3 机动夹紧

1.0 6K

手动夹紧的手柄位置 操作方便 1.0 操作不方便

1.2 7K

仅有力矩使工件回转时，工件

与支撑面接触的情况

接触点稳定 1.0 接触点不稳定

1.5

若安全系数K 的计算结果小于2.3时，取K=2.5。

钻孔时，根据表2-2、表2-3，带入式3-7，计算相应的安全系数得：

- 14 -

2.5

.013.1.01.51.01.316

543210≈?????==K K K K K K K K （3-8）

表2-3 安全系数2K

加工方法 切削力分力情况

K

钻削

K M 铸铁 钢 C F

1.15 1.15 粗扩（毛坯）

K M 1.0 1.0 C F

1.3 1.3 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 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(含碳量小于0.3%) 1.2~1.4(含碳量大于0.3%)

端面铣削 （粗、精） C F

1.2~1.4 1.6~1.8(含碳量小于0.3%) 1.2~1.4(含碳量大于0.3%)

磨削 C F

1.15~1.2 拉削

F

1.5

第三章夹具装配图上应标注的尺寸和技术条件

§3.1夹具装配图上标注的尺寸

（1）夹具外形轮廓尺寸。

（2）夹具与机床工作台或主轴的配合尺寸，以及固定夹具的尺寸等。

（3）夹具中工件与定位元件间，导向元件与刀具、衬套间，夹具中所有相互间有配合关系元件应标注配合尺寸，种类和精度。

（4）各定位元件之间，定位元件与导向元件之间，各导向元件之间装配后的位置尺寸及公差。

一般来说，夹具误差对加工表面的定位误差影响最大。在设计夹具时，凡影响工件精度的尺寸应严格控制其制造误差，粗加工用夹具一般可取工件上相应尺寸或位置公差的1/2-1/3,精加工用夹具则可取为1/5-1/10。根据加工零件的情况，本次粗加工夹具取工件尺寸的1/3，精加工取工件尺寸的1/5。

§3.2夹具装配图上应标注的技术要求

应标注的技术要求包括：相关元件表面间的位置精度，主要表面的形状精度保证装配精度和检测的特殊要求，以及调整、操作等必要的说明。通常有以下几方面：

（1）定位面和安装基面的平行位置精度。

(2）定位表面与导向元件工作面间的相互位置精度。

(3）定位销中心线与夹具安装基面、定向基面间的相互位置精度。

(4）各导向元件的工作面间的相互位置精度。

(5）装配时，钳工和磨工配合以满足以上所要求的技术条件。

- 15 -

- 16 -

第四章 三维模型

图4-1 Φ8孔的钻床夹具

图4-2 Φ8孔的钻床夹具爆炸视图

图4-4 Φ8孔的钻床夹具工程图

第五章设计体会

总结两周的课程设计，我学到了很多知识，也巩固了之前学习的基本上所有专业课的知识。通过这次课程设计实训，使我对机械工艺课程有了更进一步的了解。当然，我们现在对机械设计的了解只是一个基础，这门课程还有更多的知识等着我们去学习，在这短暂的课程设计期间，我学会了一些机械设计的最基本的理论，同时使我对机械工艺产生了浓厚的兴趣。

通过这次实训，我能够更加熟练的运用AutoCAD、Solidworks等绘图软件，在这次课程设计过程中，我发现自己还有很多的不足之处，在设计和计算过程中也出现了各种各样的错误，在同学和老师的帮助下也都尽量改正了，虽然还存在或多或少的问题，但我会继续努力学习知识，来提高自己的专业技能。

- 17 -

参考文献

[参考文献]

[1] 候洪生主编，董国耀主审.机械工程图学.北京：科学出版社，2001

[2] 肖继德，陈宁平主编.机床夹具设计.北京：机械工业出版社，1997

[3] 孙已德主编.机床夹具图册.北京：机械工业出版社，1983

[4] 李名望主编.机床夹具设计实例教程.北京：化学工业出版社，2009.8

[5] 李家宝主编.夹具设计.北京：中国工业出版社，1961.5

[6] 傅成昌，傅晓燕主编.公差与配合问答.北京：机械工业出版社，2007.1

[7] 虞自奋主编.AutoCAD2008高级案例解析.北京：中国电力出版社，2008.5

[8] HIRAME`GRANT主编.夹具-非标准夹紧装置.北京：机械工业出版社，1974.5

[9] 曹岩主编.机床夹具手册与三维图库.北京：化学工业出版社，2010.3

[10] 东北重型机械学院、洛阳农业机械学院、长春汽车厂工人大学编.机床夹具

- 18 -