夾具的設(shè)計(jì)方法

1、第二章專用夾具的設(shè)計(jì)方法2.1專用夾具的基本要求和設(shè)計(jì)步驟對專用夾具的基本要求1 、保證工件的加工精度專用夾具應(yīng)有合理的定位方案，標(biāo)注合適的尺寸、公差和技術(shù)要求，并進(jìn)行必要的精度分析，確保夾具能滿足工件的加工精度要求。2 提高生產(chǎn)效率應(yīng)根據(jù)工件生產(chǎn)批量的大小設(shè)計(jì)不同復(fù)雜程度的高效夾具，以縮短輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。3 、工藝性好專用夾具的結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單、合理，便于加工、裝配、檢驗(yàn)和維修專用夾具的制造屬于單件生產(chǎn)。當(dāng)最終精度由調(diào)整或修配保證時(shí)，夾具上應(yīng)設(shè)置調(diào)整或修配結(jié)構(gòu)，如設(shè)置適當(dāng)?shù)恼{(diào)整間隙，采用可修磨的墊片等。4 、使用性好專用夾具的操作應(yīng)簡便、省力、安全可靠，排屑應(yīng)方便，必要時(shí)可設(shè)置排屑結(jié)構(gòu)。5

2、、經(jīng)濟(jì)性好除考慮專用夾具本身結(jié)構(gòu)簡單、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、 成本低廉外， 還應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)對夾具方案進(jìn)行必要的經(jīng)濟(jì)分析，以提高夾具在生產(chǎn)中的經(jīng)濟(jì)效益。專用夾具設(shè)計(jì)步驟1. 明確設(shè)計(jì)任務(wù)與收集設(shè)計(jì)資料2 擬定夾具結(jié)構(gòu)方案與繪制夾具草圖1) 確定工件的定位方案，設(shè)計(jì)定位裝置。2) 確定工件的夾緊方案，設(shè)計(jì)夾緊裝置。3) 確定對刀或?qū)蚍桨?，設(shè)計(jì)對刀或?qū)蜓b置。4) 確定夾具與機(jī)床的連接方式，設(shè)計(jì)連接元件及安裝基面。5) 確定和設(shè)計(jì)其它裝置及元件的結(jié)構(gòu)型式，如分度裝置、預(yù)定位裝置及吊裝元件等。6) 確定夾具體的結(jié)構(gòu)型式及夾具在機(jī)床上的安裝方式。7) 繪制夾具草圖，并標(biāo)注尺寸、公差及技術(shù)要求。3進(jìn)行必要的分

3、析計(jì)算工件的加工精度較高時(shí)， 應(yīng)進(jìn)行工件加工精度分析。 有動(dòng)力裝置的夾具， 需計(jì)算夾緊力。當(dāng)有幾種夾具方案時(shí)， 可進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析， 選用經(jīng)濟(jì)效益較高的方案4 審查方案與改進(jìn)設(shè)計(jì)夾具草圖畫出后， 應(yīng)征求有關(guān)人員的意見， 并送有關(guān)部門審查， 然后根據(jù)他們的意見對夾具方案作進(jìn)一步修改5 繪制夾具裝配總圖夾具的總裝配圖應(yīng)按國家制圖標(biāo)準(zhǔn)繪制。繪圖比例盡量采用1： 1。主視圖按夾具面對操作者的方向繪制。 總圖應(yīng)把夾具的工作原理、 各種裝置的結(jié)構(gòu)及其相互關(guān)系表達(dá)清楚。夾具總圖的繪制次序如下：1) 用雙點(diǎn)劃線將工件的外形輪廓、 定位基面、夾緊表面及加工表面繪制在各個(gè)視圖的合適位置上。 在總圖中，工件可看作透明體

4、， 不遮擋后面夾具上的線條。2) 依次繪出定位裝置、夾緊裝置、對刀或?qū)蜓b置、其它裝置、夾具體及連接元件和安裝基面。3) 標(biāo)注必要的尺寸、公差和技術(shù)要求。4) 編制夾具明細(xì)表及標(biāo)題欄。6. 繪制夾具零件圖夾具中的非標(biāo)準(zhǔn)零件均要畫零件圖， 并按夾具總圖的要求， 確定零件的尺寸、公差及技術(shù)要求。2.2 夾具體的設(shè)計(jì)對夾具體的要求1 、有適當(dāng)?shù)木群统叽绶€(wěn)定性夾具體上的重要表面， 如安裝定位元件的表面、 安裝對刀或?qū)蛟谋砻嬉约皧A具體的安裝基面 ( 與機(jī)床相連接的表面 ) 等，應(yīng)有適當(dāng)?shù)某叽绾托螤罹?，它們之間應(yīng)有適當(dāng)?shù)奈恢镁?。為增加夾具體尺寸穩(wěn)定， 鑄造夾具體要進(jìn)行時(shí)效處理， 焊接和鍛造夾具

5、體要進(jìn)行退火處理。2、有足夠的強(qiáng)度和剛度加工過程中，夾具體要承受較大的切削力和夾緊力。 夾具體需有一定的壁厚，鑄造和焊接夾具體常設(shè)置加強(qiáng)肋， 或在不影響工件裝卸的情況下采用框架式夾具體 ( 如圖 2-1c 所示 ) 。3、結(jié)構(gòu)工藝性好夾具體應(yīng)便于制造、裝配和檢驗(yàn)。鑄造夾具體上安裝各種元件的表面應(yīng)鑄出凸臺(tái)，以減少加工面積。夾具體毛面與工件之間應(yīng)留有足夠的間隙，一般為 4 15mm。夾具體結(jié)構(gòu)型式應(yīng)便于工件的裝卸，如圖 21 所示 .分為開式結(jié)構(gòu) ( 圖 2 一 la) ；半開式結(jié)構(gòu) ( 圖 2 一 lb) ；框架式結(jié)構(gòu) ( 圖 2 一 lc) 等。圖 2-14、排屑方便切屑多時(shí)，夾具體上應(yīng)考慮排

6、屑結(jié)構(gòu)。如圖 2 2 所示，在夾具體上開排屑槽及夾具體下部設(shè)置排屑斜面， 斜角可取 30一 50圖 2-2夾具體上設(shè)置排屑結(jié)構(gòu)5 、在機(jī)床上安裝穩(wěn)定可靠 夾具在機(jī)床工作臺(tái)上安裝，夾具的重心應(yīng)盡量低，重心越高則支承面應(yīng)越大； 夾具底面四邊應(yīng)凸出，使夾具體的安裝基面與機(jī)床的工作臺(tái)面接觸良好，如圖 23 所示，接觸邊或支腳的寬度應(yīng)大于機(jī)床工作臺(tái)梯形槽的寬度，應(yīng)一次加工出來，并保證一定的平面精度； 夾具在機(jī)床主軸上安裝，夾具安裝基面與主軸相應(yīng)表面應(yīng)有較高的配合精度，并保證夾具體安裝穩(wěn)定可靠。圖 2-3 夾具體安裝基畫的形式a) 周邊接觸 b) 兩端接觸 c) 四腳接觸夾具體毛坯的類型1 鑄造夾具體夾具

7、體材料一般是鑄造， 其特點(diǎn)是工藝性好， 可鑄出各種復(fù)雜形狀， 具有較好的抗壓強(qiáng)度、 剛度和抗振性， 但生產(chǎn)周期長， 需進(jìn)行時(shí)效處理， 以消除內(nèi)應(yīng)力。常用材料為灰鑄鐵2焊接夾具體它由鋼板、型材焊接而成，這種夾具體制造方便、生產(chǎn)周期短、成本低、重量輕 ( 壁厚比鑄造夾具體薄 ) 。但焊接夾具體的熱應(yīng)力較大， 易變形，需經(jīng)退火處理，以保證夾具體尺寸的穩(wěn)定性。3 鍛造夾具體它適用于形狀簡單、尺寸不大、要求強(qiáng)度和剛度大的場合。鍛造后也需經(jīng)退火處理此類夾具體應(yīng)用較少。4 型材夾具體小型夾具體可以直接用板料、棒料、管料等型材加工裝配而成這類夾具體取材方便、生產(chǎn)周期短、成奉低、重量輕，5 裝配夾具體它由標(biāo)準(zhǔn)的

8、毛坯件、零件及個(gè)別非標(biāo)準(zhǔn)件通過螺釘、銷釘連接，組裝而成此類夾具體具有制造成本低、 周期短、精度穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，有利于夾具標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，也便于夾具的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。2.3 專用夾具設(shè)計(jì)示例如圖 26 所示，本工序需在鋼套上鉆5mm孔，應(yīng)滿足如下加工要求：1、5mm孔軸線到端面B 的距離 20 士 01mm；2、5mm孔對 20H7孔的對稱度為 0 1 mm。3、已知工件材料為 Q235A鋼，批量 N=500件。試設(shè)計(jì)鉆 5mm孔的鉆床夾具。圖 26一、定位方案按基準(zhǔn)重合原則定位基準(zhǔn)確定為：B 面及 20H7孔軸線。采用一凸面和一心軸組合定位。二、導(dǎo)向方案為能迅速、準(zhǔn)確地確定刀具與夾具的相對位置，鉆

9、夾具上都應(yīng)設(shè)置引導(dǎo)刀具的元件鉆套。鉆套一般安裝在鉆模板上，鉆模板與夾具體連接，鉆套與工件之間留有排屑空間，如圖2 7 所示。三、夾緊方案由于工件批量小，宜用簡單的手動(dòng)夾緊裝置。鋼套的軸向剛度比徑向剛度好，因此夾緊力應(yīng)指圖 27向限位臺(tái)階面。如圖28 所示，采用帶開口墊圈的螺旋夾緊機(jī)構(gòu)。四、夾具體的設(shè)計(jì)如圖 28 所示采用鑄造夾具體的鋼套鉆孔鉆模。圖 2 8鑄造夾具體鉆模1 鑄造夾具體2 定位心軸3 鉆模板4 固定鉆套5開口墊圈6 具緊螺母7 防轉(zhuǎn)銷釘8 鎖緊螺母五、繪制夾具裝配總圖如圖 29 所示圖 2-9 為采用型材夾具體的鉆模。夾具體由盤l 及套 2 組成，定位心軸3安裝在盤 l 上，套

10、2 下部為安裝基面8，上部兼作鉆模板。此方案的夾具體為框架式結(jié)構(gòu)。采用此方案的鉆模剛度好、重量輕、取材容易、制造方便、制造周期短、成本較低。123圖 2-9 型材夾具體鉆模1 一盤 2 一套 3 一定位心軸 4 一開口墊圈 5 一夾緊螺母 6 一固定鉆套 7 一螺釘 8 一墊圈 9 一鎖緊螺母 10 一防轉(zhuǎn)銷釘 11 一調(diào)整墊圈2.4 夾具總圖上尺寸、公差和技術(shù)要求的標(biāo)注夾具總圖上應(yīng)標(biāo)注的尺寸和公差1最大輪廓尺寸若夾具上有活動(dòng)部分， 則應(yīng)用雙點(diǎn)劃線畫出最大活動(dòng)范圍， 或標(biāo)出活動(dòng)部分的尺寸范圍。如圖 29 中最大輪廓尺寸為： 84mm、70mm和 60mm。2 影響定位精度的尺寸和公差主要指工件

11、與定位元件及定位元件之間的尺寸、公差。如圖 2-9中標(biāo)注的定位基面與限位基面的配合尺寸 20 H 7 ；f 6圖 210中標(biāo)注為圓柱銷及菱形銷的尺寸d1 、 d2 及銷間距L L。3影響對刀精度的尺寸和公差圖 2 10 車床夾具尺寸標(biāo)注示意主要指刀具與對刀或?qū)蛟g的尺寸、公差，如圖 2-9 中標(biāo)注的鉆套導(dǎo)向孔的尺寸 5F74 影響夾具在機(jī)床上安裝精度的尺寸和公差主要指夾具安裝基面與機(jī)床相應(yīng)配合表面之間的尺寸、公差，如圖2 10 中的尺寸 D1 H75影響夾具精度的尺寸和公差主要指定位元件、對刀或?qū)蛟⒎侄妊b置及安裝基面相互之間的尺寸、公差和位置公差，如圖 2-9 中尺寸： 20 土

12、003mm、對稱度 0 03mm、垂直度 60：003、平行度 005mm。6 其它重要尺寸和公差一般是機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)標(biāo)注的尺寸、公差，如圖29 中標(biāo)注的配合尺寸 14 H 7 、 40 H 7 、 10 H 7 。n6n6n62.4.2夾具總圖上應(yīng)標(biāo)注的技術(shù)要求1、夾具的裝配、調(diào)整方法，如幾個(gè)支承釘應(yīng)裝配后修磨達(dá)到等高、裝配時(shí)調(diào)整某元件或臨床修磨某元件的定位表面等，以保證夾具精度；2、某些零件的重要表面應(yīng)一起加工，如一起鏜孔、一起磨削等；3、工藝孔的設(shè)置和檢測；4、夾具使用時(shí)的操作順序；5、夾具表面的裝飾要求等。夾具總圖上公差值的確定夾具總圖上標(biāo)注公差值的原則是：在滿足工件加工要求的前提下，盡

13、量降低夾具的制造精度。1 直接影響工件加工精度的夾具公差?yuàn)A具總圖上的尺寸公差或位置公差為j =(1 215) k(21)式中k 與j 相應(yīng)的工件尺寸公差或位置公差。當(dāng)工件批量大、加工精度低時(shí)，j 取小值，反之取大值。工件的加工尺寸未注公差時(shí)， 工件公差娃視為 ITl2 ITl4 ，夾具上相應(yīng)的尺寸公差按 IT9 ITll 標(biāo)注；工件上的位置要求未注公差時(shí)，工件位置公差文視為 911 級(jí)，夾具上相應(yīng)的位置公差按 7 9 級(jí)標(biāo)注；工件上加工角度未注公差時(shí)，工件公差視為士 307士 l07 ，夾具上相應(yīng)的角度公差標(biāo)為 10 37 ( 相應(yīng)邊長為 10400mm，邊長短時(shí)取大值 ) 。2 夾具上其它重

14、要尺寸的公差與配合這類尺寸的公差與配合的標(biāo)注對工件的加工精度有間接影響。 在確定配合性質(zhì)時(shí)，應(yīng)考慮減小其影響，其公差等級(jí)可參照“夾具手冊”或機(jī)械設(shè)計(jì)手冊標(biāo)注。2.5工件在夾具上加工廠的精度分析影響加工精度的因素用夾具裝夾工件進(jìn)行機(jī)械加工時(shí), 其工藝系統(tǒng)中用夾具裝夾工件進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，其工藝系統(tǒng)中影響工件加工精度的因素很多。與夾具有關(guān)的因素如圖211 所示，有定位誤差 D對刀誤 T、夾具在機(jī)床上的安裝誤差A(yù) 和夾具誤差 DJ。在機(jī)械加工工藝系統(tǒng)中， 影響加工精度的其它因素綜合稱為加工方法誤差 G。上述各項(xiàng)誤差均導(dǎo)致刀具相對工件的位置不精確，從而形成總的加工誤差。以圖 2-9 鋼套鉆 5mm孔的鉆

15、模為例計(jì)算。1、定位誤差D加工尺寸 200.1mm的定位誤差， D=0。對稱度 0.1mm誤差為工件定位孔與定位心軸配合的最大間隙。工件定位孔的尺寸為 20H7(20 00.021 mm)，定位心軸的尺寸 20f6(20 00.020033 mm)DX max(0.0210.033) mm=0.54mm2、對刀誤差盤T因刀具相對于對刀或?qū)蛟奈恢貌痪_而造成的加工誤差，稱為對刀誤差。如圖 2-9 中鉆頭與鉆套間的間隙， 會(huì)引起鉆頭的位移或傾斜， 造成加工誤差。由于鋼套壁厚較薄，可只計(jì)算鉆頭位移引起的誤差。鉆套導(dǎo)向孔尺寸為聲5F7(5 00.022010 mm)，鉆頭尺寸為聲5h9(50 0

16、.03 mm)。尺寸 200.1mm及對稱度 0.1mm的對刀誤差均為鉆頭與導(dǎo)向孔的最大間隙TX max(0.0220.03) mm=0.052mm3、夾具的安裝誤差因夾具在機(jī)床上的安裝不精確而造成的加工誤差，稱為夾具的安裝誤差。圖 2 9 中夾具的安裝基面為平面，因而沒有安裝誤差,0。A圖 210 中車床夾具的安裝基面D1H 7 與車床過渡盤配合的最大間隙為安裝誤差 ,A ， 或者把找正孔相對車床主軸的同軸度t 2 作為安裝誤差。4、夾具誤差J因夾具上定位元件、對刀或?qū)蛟?、分度裝置及安裝基準(zhǔn)之間的位置不精確而造成的加工誤差，稱為夾具誤差。如圖211 所示，夾具誤差 J 主要由以下幾項(xiàng)組成

17、。1）定位元件相對于安裝基準(zhǔn)的尺寸或位置誤差 J1；2）定位元件相對于對刀或?qū)蛟? 包含導(dǎo)向元件之間 ) 的尺寸或位置誤差J 2 ；3）導(dǎo)向元件相對于安裝基準(zhǔn)的尺寸或位置誤差J 3 ；圖2-11工件在夾具上加工時(shí)影響加工精度的主要因素若有分度裝置時(shí)，還存在分度誤差F 。以上幾項(xiàng)共同組成夾具誤差J 。圖 2 9 中，影響尺寸 20 0.1mm的夾具誤差的定位面到導(dǎo)向孔軸線的尺寸公差 J 2 =0.06mm，及導(dǎo)向孔對安裝基面 B 的垂直度 J 3 =0.03mm。影響對稱度 0.1mm的夾具誤差為導(dǎo)向孔對定位心軸的對稱度J 2 =0.03mm(導(dǎo)向孔對安裝基面B 的垂直度誤差J 3 =0.0

18、3mm與J 2 在公差上兼容，只需計(jì)算其中較大的一項(xiàng)即可 ) 。5 加工方法誤差G因機(jī)床精度、 刀具精度、刀具與機(jī)床的位置精度、 工藝系統(tǒng)的受力變形和受熱變形等因素造成的加工誤差， 統(tǒng)稱為加工方法誤差。 因該項(xiàng)誤差影響因素多， 又不便于計(jì)算，所以常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)為它留出工件公差K 的 1。計(jì)算時(shí)可設(shè)3GK(22)3保證加工精度的條件工件在夾具中加工時(shí)， 總加工誤差為上述各項(xiàng)誤差之和。由于上述誤差均為獨(dú)立隨機(jī)變量，應(yīng)用概率法疊加。因此保證工件加工精度的條件是22222DTAJG(23)K即工件的總加工誤差應(yīng)不大于工件的加工尺寸公差K 。為保證夾具有一定的使用壽命， 防止夾具因磨損而過早報(bào)廢， 在分析計(jì)

19、算工件加工精度時(shí)，需留出一定的精度儲(chǔ)備量 J C 。因此將上式改寫為KJC或JCK0(24)當(dāng) J C0 時(shí)，夾具能滿足工件的加工要求。J C 值的大小還表示了夾具使用壽命的長短和夾具總圖上各項(xiàng)公差值J 確定得是否合理。3、在鋼套上鉆5 mm孔的加工精度計(jì)算在圖 29 所示鉆模上鉆鋼套的5 mm孔時(shí)，加工精度的計(jì)算列于表2 1 中。由表 21 可知，該鉆模能滿足工件的各項(xiàng)精度要求，且有一定的精度儲(chǔ)備。表 2-1 用鉆模在鋼套上鉆5 mm孔的加工精度計(jì)算誤差計(jì)算加工要求200.1mm對稱度為 0.1mm誤差名稱D00.054mmT0.052mm0.052mmA00JJ 2J3 (0.060.03

20、) mmJ 2 0.03 mmG(0.2 3)mm=0.067mm(0.1 3)mm=0.033mm222222220.052 0.06 0.030.067 mm0.0540.0520.030.033 mm=0.108mm=0.087mmJ C(0.2 0.108) mm0.092 mm0(0.10.087)mm=0.013mm02.6 夾具的經(jīng)濟(jì)分析夾具的經(jīng)濟(jì)分析是研究夾具的復(fù)雜程度與工件工序成本的關(guān)系，以便分析比較和選定經(jīng)濟(jì)效益較好的夾具方案。經(jīng)濟(jì)分析的原始數(shù)據(jù)1) 工件的年批量 N(件) 。2) 單件工時(shí) td (h) 。3) 機(jī)床每小時(shí)的生產(chǎn)費(fèi)用 f ( 元 h) 。此項(xiàng)費(fèi)用包括工人工

21、資、 機(jī)床折舊費(fèi)、生產(chǎn)中輔料損耗費(fèi)、 管理費(fèi)等。它的數(shù)值主要根據(jù)使用不同的機(jī)床而變化，一般情況下可參考各工廠規(guī)定的各類機(jī)床對外協(xié)作價(jià)。4) 夾具年成本 C j ( 元 ) 。C j 為專用夾具的制造費(fèi)用 CZ 分?jǐn)傇谑褂闷趦?nèi)每年的費(fèi)用與全年使用夾具的費(fèi)用之和。專用夾具的制造費(fèi)用CZ 由下式計(jì)算CZ pm tf e（2-5 ）式中 p 材料的平均價(jià)格 ( 元 kg) ；m夾具毛坯的重量 (kg) ；t 夾具制造工時(shí) (h) ；f e 制造夾具的每小時(shí)平均生產(chǎn)費(fèi)用( 元 h) 。夾具年成本 C j 由下式計(jì)算1K1K 2Cz（2-6 ）C jT式中1 專用夾具設(shè)計(jì)系數(shù)，常取0.5 ；2 專用夾具使

22、用系數(shù)，常取0.2 0.3 ；專用夾具使用年限，對于簡單夾具，1a ；對于中等復(fù)雜程度的夾具，2 3a ；對于復(fù)雜夾具， T4 5a 。經(jīng)濟(jì)分析的計(jì)算步驟經(jīng)濟(jì)分析的計(jì)算步驟如表22 所示。根據(jù)工序總成本公式： CC jCsd N ，可作出各方案的成本與批量關(guān)系線，如圖2-12 所示。表 2-2經(jīng)濟(jì)分析的計(jì)算步驟序 號(hào)項(xiàng)目計(jì)算公式單 位備 注1工件年批量N件已知2單件工時(shí)t dh已知3機(jī)床每小時(shí)生產(chǎn)費(fèi)用f元 h已知4夾具年成本C j元估算5生產(chǎn)效率tl=1 ta件 hC sN tdNf6工序生產(chǎn)成本f元7單件工序生產(chǎn)成本CsdCstd ffN元件8工序總成本C C j CsC jCsd N元9C

23、C jC s單件工序總成本CdN元件N10兩方案比較的經(jīng)濟(jì)效益E1,2E1.2C1C2N (Cd1Cd 2 )元兩個(gè)方案交點(diǎn)處的批量稱臨界批量N k 。當(dāng)批量為 N k 時(shí)，兩個(gè)方案的成本相等。在圖 212 中，方案 l 、的臨界批量為N k1.2 ，當(dāng) NNk1.2 時(shí)， C2C1 ，采用第二方案經(jīng)濟(jì)效益高；反之，應(yīng)采用第一方案。按成本相等條件，可求出臨界批量N k1 .2 。Csd1 Nk1.2C j 1Csd 2 N k1. 2C j 2N k1. 2 =C j 2C j 1N (C j 2C j1 )(2-7)Csd1Csd 2Cs1Cs22. 經(jīng)濟(jì)分析舉例設(shè)鋼套 ( 圖 2 6) 批量 N=500件，鉆床每小時(shí)生產(chǎn)費(fèi)用f 20 元 h。試分析下列三種加工方案的經(jīng)濟(jì)效益。方案 l ：不用專用夾具，通過劃線找正鉆孔。夾具年成本C j1 0 ，單件工時(shí)t d1 0.4 h。方案：用簡單夾具，如圖29 所示。單件工時(shí) t d 20.15 h，設(shè)夾具毛坯重量 m=2kg，材料平均價(jià) p=l6 元 kg，夾具制造工時(shí) t=4h ，制造夾具每小時(shí)平均生產(chǎn)費(fèi) fe 20 元 h，可估算出專用夾具的制造價(jià)格為Cz2pm tf e