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本科畢業(yè)設計(論文)
題目：鉸鏈式鉆模板夾具設計與裝配工藝
規(guī)劃
鉸鏈式鉆模板夾具設計與裝配工藝規(guī)劃
摘要
夾具是能夠使產品按一定的技術要求準確定位和牢固夾緊的工藝裝置，它的主要用于保證產品的加工質量、減輕勞動強度、輔助產品檢測、展示、運輸?shù)?。本文以汽車變速箱上蓋為工件，為其設計部分孔加工的鉸鏈式鉆模板。在設計過程中，對鉸鏈式鉆模板夾具進行了工藝分析，工件的定位分析，零件夾具定位誤差計算，夾緊力的分析與計算，同時還對所設計的鉸鏈式鉆模板進行了Solidworks三維建模，并進行了虛擬裝配與仿真。通過設計此汽車變速箱上蓋鉸鏈式鉆模板，達到了設計要求，能夠很好地結合搖臂鉆床進行汽車變速箱上蓋的部分孔的加工，具備現(xiàn)代機床夾具所要求的高效化和精密化的特點，可以有效的減少工件加工的基本時間和輔助時間，大大提高了勞動生產力，從而可以有效地減輕工人的勞動強度和增加勞動效率。
關鍵詞：鉸鏈鉆模板；Solidworks建模；工藝分析；誤差計算
49
Fixture design of hinged drilling and assembly process
Abstract
The fixture is to be able to make the product according to certain technical requirements for accurate positioning and clamping devices, it is mainly used to guarantee the quality of products, reduce labor intensity, auxiliary products detection, display, transportation, etc. Based on the cover of automobile gearbox for original parts for its design and hinged drill template with its parts machining. In the design process, the hinge drill template jig process analyzed, work piece positioning analysis of fixture locating error calculation, analysis and calculation of clamping force, but also for the design of the hinge type drill template for Solidworks 3 d modeling, and virtual assembly and simulation was carried out. Through the design of the automobile gearbox cover hinge drill template, meet the design requirements, combining well radial drilling machine of automobile gearbox cover part of the hole processing. The fixture with clamping force device has the characteristics of efficiency and precision required by modern machine tools. It is so effectively to reduce the processing time and auxiliary time that greatly improve the labor productive, effectively reduce the labor intensity and increase the work efficiency as well.
Key words：Hinge drill template, Solidworks modeling, Technology analysis, Error calculation
主要符號表
鉆削力
安全系數(shù)
鉆頭直徑
σb 應力
K 安全系數(shù)
F 摩擦系數(shù)
Fx 鉆削力徑向分力
Fy 鉆削力軸向分力
Fn 支持力
a Fx對應的力臂
b Fy對應的力臂
實際所需夾緊力
理論夾緊力
基準不重合誤差
基準位移誤差
定位誤差
對刀誤差
安裝誤差
夾具誤差
加工方法誤差
總加工誤差
B 工件厚度
H 鉆套高度
h 排屑空間的高度
最大配合間隙
X 孔的偏移量X
加工尺寸
精度儲備量
目 錄
1 緒論 1
1.1 機床夾具的發(fā)展概括 1
1.2 夾具的分類 1
1.2.1 按夾具的通用特性分類 2
1.2.2 按夾具的動力源分類 2
1.3 夾具的組成 3
1.4 夾具的特點 3
1.5 機床夾具的發(fā)展方向 4
1.6 夾具的設計要點 5
2 鉆床夾具的總體設計 6
2.1 夾具的設計任務 6
2.2 夾具的設計步驟 6
2.3 鉆床夾具的設計 8
2.4 對定位元件的基本要求 9
2.5 定位方案與定位元件 9
2.6 工件的夾緊 9
2.7 夾緊方案的選擇 11
2.7.1 夾具鉆削力的計算 11
2.7.2 夾具實際所需夾緊力的計算 12
2.7.3 夾具的夾緊裝置與機構設計 15
3 鉆床夾具體及夾具零件的設計 18
3.1 夾具體的要求 18
3.2 夾具體毛坯的類型 18
3.3 夾具鉆模板以及鉆套的設計 19
3.3.1 夾具鉆模板設計 19
3.3.2 夾具鉆套設計 20
3.3.3 夾具鉆模板和鉆套的具體設計 22
3.4 底座的尺寸確定及機構設計 24
3.5 壓緊氣缸及其相應支撐零件的設計 27
3.6 鉸鏈鉆模的設計 28
4 夾具誤差的計算 29
4.1 角度尺寸公差 29
4.2 定位誤差的分析 29
4.3 工件在夾具上加工的精度分析 30
4.4 鉸鏈式夾具誤差的計算 31
4.4.1 夾具誤差的計算 31
4.4.2 保證加工精度的條件 33
5 鉸鏈鉆模板的虛擬裝配與仿真 35
5.1 虛擬樣機技術簡介 35
5.2 三維實體建模與虛擬裝配 35
6 結論 39
參考文獻 40
致謝 41
畢業(yè)設計（論文）知識產權聲明 42
畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明 43
附錄1 44
1 緒論
1.1 機床夾具的發(fā)展概括
夾具是在機械制造過程中，用來固定加工對象，使之占有正確的位置，以接受加工或檢測并保證加工要求的機床附加裝置，簡稱為夾具。在我們實際生產中夾具的作用是將工件定位，以使加工工件獲得相對于機床和刀具的正確位置，并把工件可靠地夾緊[1]。
夾具最早出現(xiàn)在18世紀后期。隨著科學技術的不斷進步，夾具已從一種輔助工具發(fā)展成為門類齊全的工藝裝備。
國際生產研究協(xié)會的統(tǒng)計表明，目前中、小批多品種生產的工件品種已占工件種類總數(shù)的85％左右?，F(xiàn)代生產要求企業(yè)所制造的產品品種經常更新?lián)Q代，以適應市場的需求與競爭。然而，一般企業(yè)都仍習慣于大量采用傳統(tǒng)的專用夾具，一般在具有中等生產能力的工廠里，約擁有數(shù)千甚至近萬套專用夾具；另一方面，在多品種生產的企業(yè)中，每隔3～4年就要更新50％～80％左右專用夾具，而夾具的實際磨損量僅為10％～20％左右，為了適應科學技術的快速發(fā)展，我們在短短幾年內需更新大量的專用夾具，這樣即提高了加工的成本，也造成了材料的浪費，為了減少這種情況，我們可以采用數(shù)控機床的柔性化制造技術[2]。
近年來，數(shù)控機床、加工中心、成組技術、柔性制造系統(tǒng)（FMS）等新加工技術的應用，對機床夾具提出了如下新的要求：
（1）能迅速方便地裝備新產品的投產，以縮短生產準備周期，降低生產成本；
（2）能裝夾一組具有相似性特征的工件；
（3）能適用于精密加工的高精度機床夾具；
（4）能適用于各種現(xiàn)代化制造技術的新型機床夾具；
（5）采用以液壓站等為動力源的高效夾緊裝置，以進一步減輕勞動強度和提高勞動生產率；
（6）提高機床夾具的標準化程度[3]。
1.2 夾具的分類
夾具的種類很多，形狀千差萬別。為了設計、制造和管理的方便，往往按某一屬性進行分類[4]。
1.2.1按夾具的通用特性分類
目前中國常用夾具有通用夾具、專用夾具、可調夾具、組合夾具和自動線夾具等五大類。
1）通用夾具
通用夾具是指結構、尺寸已規(guī)格化，且具有一定通用性的夾具。其優(yōu)點是適應性強、不需要調整或稍加調整即可裝夾一定形狀和尺寸范圍內的各種工件。這類夾具已商品化。如三爪自定心卡盤、四爪單動卡盤、臺虎鉗、萬能分度頭、頂尖、中心架、電磁吸盤等。采用這類夾具可縮短生產準備周期，減少夾具品種，從而減低生產成本。其缺點是夾具的加工精度不高，生產力較低且較難裝夾形狀復雜的工件，故適用于單件小批量生產中。
2）專用夾具
專用夾具是針對某一工件的某一道工序的加工要求而專門設計和制造的夾具。特點是針對性強。適用與產品相對穩(wěn)定、批量較大的生產中，可獲得較高的生產率和加工精度。
3）可調夾具
夾具的某些元件可調整或可更換，已適應多中工件的夾具，稱為可調夾具。它還分通用可調夾具和成組夾具兩類。
4）組合夾具
組合夾具是由可循環(huán)使用的標準夾具零部件（或專用零部件）組裝成易于連接和拆卸的夾具。根據被加工零件的工藝要求可以很快地組裝成專用夾具，夾具使用完畢，可以方便地拆開。夾具主要應用在單件，中、小批多品種生產和數(shù)控加工中，是一種較經濟的夾具。
5）自動線夾具
自動線夾具一般分為兩種，一種為固定式夾具，它與專用夾具相似；另一種為隨行夾具，使用中夾具隨工件一起運動，并將工件沿著自動線從一個工位移至下一個工位進行加工[5]。
1.2.2按夾具的動力源分類
按夾具夾緊動力源可將夾具分為手動夾具和機動夾具兩大類。為減輕勞動強度和確保安全生產，手動夾具應有擴力機構與自鎖性能。常用的機動夾具有氣動夾具、液壓夾具、氣液夾具、電動夾具、電磁夾具、真空夾具和離心力夾具等。
上述各分類中：最常用的分類方法是，按通用，專用和組合進行分類[6]。
1.3 夾具的組成
雖然夾具的種類繁多，但它們的工作原理基本上是相同的。將各類夾具中，作用相同的結構或元件加以概括，可得出夾具一般所共有的以下幾個組成部分，這些組成部分既相互獨立又相互聯(lián)系。
a. 定位支承元件
定位支承元件的作用是確定工件在夾具中的正確位置并支承工件，是夾具的主要功能元件之一。定位支承元件的定位精度直接影響工件加工的精度。
b. 夾緊裝置
夾緊元件的作用是將工件壓緊夾牢，并保證在加工過程中工件的正確位置不變。
c. 連接定向元件
這種元件用于將夾具與機床連接并確定夾具對機床主軸、工作臺或導軌的相互位置。
d．對刀元件或導向元件
這些元件的作用是保證工件加工表面與刀具之間的正確位置。用于確定刀具在加工正確位置的元件稱為對刀元件，用于確定刀具位置并引導刀具進行加工的元件稱為導向元件。
e．其它裝置或元件
根據加工需要，有些夾具上還設有分度裝置、靠模裝置、上下料裝置、工件頂出機構、電動扳手和平衡塊等，以及標準化了的其它聯(lián)接元件。
f．夾具體
夾具體是夾具的基體骨架，用來配置、安裝各夾具元件使之組成一整體。常用的夾具體為鑄件結構、鍛造結構、焊接結構和裝配結構，形狀有回轉體形和底座形等形狀。
上述各組成部分中，定位元件、夾緊裝置、夾具體是夾具的基本組成部分[7]。
1.4 夾具的特點
（1）保證工件的加工精度
專用夾具應有合理的定位方案，合適的尺寸，公差和技術要求，并進行必要的精度分析，確保夾具能滿足工件的加工精度要求。
（2）提高生產效率
專業(yè)夾具的復雜程度要與工件的生產綱領相適應，應根據工件生產批量的大小選用不同復雜程度的高效夾緊裝置，以縮短輔助時間，以提高生產效率。
（3）工藝性好
專用夾具的結構簡單，合理，便于加工，裝配，檢驗和維修。專用夾具的生產屬于小批量生產。
（4）使用性好
專用夾具的操作應簡單，省力，安全可靠，排屑應方便，必要時可設置排屑機構。
（5）經濟型好
除考慮專用夾具本身結構簡單，標準化程度高，成本低廉外，還應根據生產綱領對夾具方案進行必要的經濟分析，以提高夾具在生產中的經濟效益[8]。
1.5 機床夾具的發(fā)展方向
現(xiàn)代機床夾具的發(fā)展方向：主要表現(xiàn)為標準化、精密化、高效化、柔性化和模塊化等五個方面。
(1) 標準化
機床夾具的標準化與通用化是相互聯(lián)系的兩個方面。目前我國已有夾具零件及部件的國家標準：GB/T2148～T2259－91以及各類通用夾具、組合夾具標準等。機床夾具的標準化，有利于夾具的商品化生產，有利于縮短生產準備周期，降低生產總成本。
(2) 精密化
隨著機械產品精度的日益提高，勢必相應提高了對夾具的精度要求。精密化夾具的結構類型很多，例如用于精密分度的多齒盤，其分度精度可達±0.1"；用于精密車削的高精度三爪自定心卡盤，其定心精度為5μm。
(3) 高效化
高效化夾具主要用來減少工件加工的基本時間和輔助時間，以提高勞動生產率，減輕工人的勞動強度。常見的高效化夾具有自動化夾具、高速化夾具和具有夾緊力裝置的夾具等。例如，在銑床上使用電動虎鉗裝夾工件，效率可提高5倍左右；在車床上使用高速三爪自定心卡盤，可保證卡爪在試驗轉速為9000r/min的條件下仍能牢固地夾緊工件，從而使切削速度大幅度提高。目前，除了在生產流水線、自動線配置相應的高效、自動化夾具外，在數(shù)控機床上，尤其在加工中心上出現(xiàn)了各種自動裝夾工件的夾具以及自動更換夾具的裝置，充分發(fā)揮了數(shù)控機床的效率。
(4) 柔性化
機床夾具的柔性化與機床的柔性化相似，它是指機床夾具通過調整、組合等方式，以適應工藝可變因素的能力。工藝的可變因素主要有：工序特征、生產批量、工件的形狀和尺寸等。具有柔性化特征的新型夾具種類主要有：組合夾具、通用可調夾具、成組夾具、模塊化夾具、數(shù)控夾具等。為適應現(xiàn)代機械工業(yè)多品種、中小批量生產的需要，擴大夾具的柔性化程度，改變專用夾具的不可拆結構為可拆結構，發(fā)展可調夾具結構，將是當前夾具發(fā)展的主要方向。
(5) 模塊化
模塊化的設計省時、節(jié)能，體現(xiàn)在各種先進夾具的系統(tǒng)中，為夾具的計算機輔助設計與組裝打下了堅實的基礎，應用CAD技術，可建立元件庫、典型夾具庫和用戶使用檔案庫，可進行夾具優(yōu)化設計，進行夾具的三維實體組裝。模擬仿真刀具的切削過程，為用戶提供正確、合理的配套方案，了解市場需求，不斷地改進和完善夾具系統(tǒng)[9]。
1.6 夾具的設計要點
確定各表面加工方案，在選擇各表面孔的加工方法時，需綜合考慮以下因素：
（1）要考慮各表面的精度和質量要求，根據各加工表面的技術要求，選擇加工方法及分幾次加工。
（2）根據生產類型來選擇，在大批量生產中可使用專用的高效率的設備；在單件小批量生產中則使用常用設備和一般加工方法。
（3）要考慮被加工材料的性質。
（4）要考慮工廠或車間的實際情況，同時也應考慮不斷改進現(xiàn)有的加工方法和設備，推廣新技術，提高工藝水平。
（5）此外，還要考慮一些其他因素，如加工表面的物理機械性能的特殊要求，工件形狀和重量等[10]。
2 鉆床夾具的總體設計
2.1 夾具的設計任務
本設計的主要任務是設計一個鉸鏈式鉆模板夾具，主要包括：加工汽車變速箱上蓋Φ10mm孔、锪Φ12mm沉孔深2.5mm，鉆M10mm螺紋底孔Φ8.4mm、锪平面保證尺寸32.50.1mm，為了使鉆孔的位置精確，必須對零件進行固定定位，提高加工精度，使之滿足使用要求。專用夾具設計，方便加工及裝卸，節(jié)省時間，提高工作效率。被加工零件圖2.1所示：
圖2.1 被加工零件及需要加工的孔
考慮到變速箱上蓋的生產類型是大批量生產，結構形狀較為復雜，制造精度不高，幾何尺寸也比較大，以及考慮到生產經濟性。所以其毛坯的材料選用容易成型，吸震性好，加工工藝性好和成本低的灰口鑄鐵HT20-40。
如圖2.1所示，根據設計要求，可知鉆孔應為此零件最后的加工工序，之前已經對次毛坯進行了一定的粗加工與精加工。在設計夾具時，應該選在好基準，在保證孔的形狀公差時，還行保準其位置公差。
2.2 夾具的設計步驟
（1）明確設計任務書與收集設計材料
夾具設計的第一步是在已知生產綱領的前提下，研究被加工零件的零件圖、工序圖、工藝規(guī)程和設計任務書，對工件進行工藝分析。其內容主要是了解工件的特點、材料；確定本工序的加工表面、加工要求、加工余量、定位基準和夾緊表面及所用的機床、刀具、量具等。
其次是根據設計任務書收集有關材料，如機床的技術參數(shù)，夾具零部件的國家標準、部頒標準和裝訂標準，各類夾具圖冊、夾具設計手冊等，還可收集一些同類夾具的設計樣圖，并了解該廠的工裝制造水平，以供參考。
（2）擬定夾具結構方案與繪制夾具草圖
①確定工件的定位方案，設計定位裝置。
②確定工件的夾緊方案，設計夾緊裝置。
③確定對刀或導向方案，設計對刀或導向裝置。
④確定夾具與機床的連接方式，設計連接元件及安裝基面。
⑤確定和設計其它裝置及元件的結構型式，如分度裝置、定位裝置及吊裝元件等。
⑥確定夾具體的結構型式及夾具在機床上的安裝方式。
⑦繪制夾具草圖，并標注尺寸、公差及技術要求。
（3）進行必要的分析計算
工件的加工精度較高時，應進行工件加工精度分析。有動力裝置的夾具，需計算夾緊力。當有幾種夾具方案時，可進行經濟分析，選用經濟效益較好的方案。
（4）審查方案與改進設計
夾具草圖畫出后，應征求有關人員的意見，并送有關部門審查，然后根據他們的意見對夾具方案作進一步修改。
（5）繪制夾具裝配總圖
夾具的總裝配圖應按國家標準繪制。繪圖比例盡量采用1:1. 主視圖按夾具面對操作者的反向繪制?？倛D應把夾具的工作原理、各種裝置的結構及其相互關系表達清楚。
夾具總圖的繪制次序如下：
①用雙點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視圖的合適位置上。在總圖中，工件可看作透明體，不遮擋后面夾具的線條。
②依次繪出定位裝置、夾緊裝置、對刀或導向裝置、其它裝置、夾具體及連接元件和安裝基面。
③標注必要的尺寸、公差和技術要求。
④編制夾具明細表及標題欄。
⑤完整的夾具裝配總圖可參閱夾具圖冊。
（6）繪制夾具零件圖
夾具中的非標準零件均要畫零件圖，并按夾具總圖的要求，確定零件的尺寸、公差及技術要求[11]。
2.3 鉆床夾具的設計
初步設計鉸鏈式鉆模板夾具如圖2.2所示。
圖2.2 鉸鏈式夾具鉆模板
在使用時工件放到兩個圓柱銷1上，前后移動工件使定位孔對準并滑進定位銷。轉動配氣閥手柄26，壓縮空氣進入氣缸右側，推動活塞桿24向左移動，將工件以地面及2-Φmm孔，分別在五個支承釘3、圓柱銷1、削邊銷12上定位并夾緊。
裝卸工件時，松開鎖緊螺母10，翻轉鉸鏈鉆摸板9和17。
重復以上動作即可實現(xiàn)一整套工序。
2.4 對定位元件的基本要求
（1）足夠的精度
由于工件的定位是通過定位副的接觸（或配合）實現(xiàn)的，定位元件上限位基面的精度直接影響工件的定位精度，因此，限位基面應有足夠的精度，以適應加工的要求。
（2）足夠的強度和剛度
定位元件不僅限制工件的自由度，還能起到支撐元件、承受夾緊力和切削力的作用，因此，因有足夠的強度和剛度，以免使用中變形或損毀。
（3）耐磨性好
工件的裝卸會磨損定位元件的限位基面，導致定位精度下降。定位精度下降到一定程度時，定位元件必須更換，否則，夾具不能繼續(xù)使用。為了延長定位元件的更換周期，提高夾具的使用壽命，定位元件應有較好的耐磨性。
（4）工藝性好
定位元件的結構應力求簡單、合理，便于加工、裝配和更換[12]。
2.5 定位方案與定位元件
工件在夾具中定位的任務是：使同一工序中的一批工件都能在夾具中占據正確的位置，工件位置的正確與否，用加工要求來衡量，能滿足加工要求的為正確，不能滿足加工要求的為不正確。一批工件逐個在夾具上定位時，各個工件在夾具中占據的位置不可能完全一致，也不必要求它們完全一致，但各個工件的位置變動量必須控制在加工誤差所允許的范圍之內[13]。
該設計為了滿足鉆孔的需要，在定位過程中需要保證零件的上下表面與水平面垂直，Φ10、Φ8.4的中心線與水平面垂直，保證這兩個孔的垂直度。由于定位基準為夾具的下平面，這就要保證夾具側壁與地面的垂直度，進而保證零件地面與夾具側板的平行度。
2.6 工件的夾緊
對夾緊裝置的基本要求：
（1）夾緊過程中，不改變工件定位后占據的正確位置。
（2）夾緊力的大小適當，一批工件的夾緊力要穩(wěn)定不變。既要保證工件在整個加工過程中的位置穩(wěn)定不變，振動小，又要是工件不產生過大的夾緊變形。夾緊力穩(wěn)定可減小夾緊誤差。
（3）夾緊裝置的復雜程度應與工件的生產綱領相適應。工件生產批量越大，允許設計越復雜、效率越高的夾緊裝置。
（4）工藝性好，使用性好。其結構力求簡單，便于制造和維修。夾緊裝置的操作應當方便、安全、省力[14]。
在夾緊工件的過程中，夾緊作用的效果會直接影響工件的加工精度、表面粗糙度以及生產效率。因此，設計夾緊裝置應遵循以下原則[15]：
（1）工件不移動原則
夾緊過程中，應不改變工件定位后所占據的正確位置。
（2）工件不變形原則
夾緊力的大小要適當，既要保證夾緊可靠，又應使工件在夾緊力的作用下不致產生加工精度所不允許的變形。
（3）工件不振動原則
對剛性較差的工件，或者進行斷續(xù)切削，以及不宜采用氣缸直接壓緊的情況，應提高支承元件和夾緊元件的剛性，并使夾緊部位靠近加工表面，以避免工件和夾緊系統(tǒng)的振動。
（4）安全可靠原則
夾緊傳力機構應有足夠的夾緊行程，手動夾緊要有自鎖性能，以保證夾緊可靠。
（5）經濟實用原則
夾緊裝置的自動化和復雜程度應與生產綱領相適應，在保證生產效率的前提下，其結構應力求簡單，便于制造、維修，工藝性能好；操作方便、省力，使用性能好。
夾緊機構：傳遞夾緊力，它是直接與工件接觸完成夾緊作用的最終執(zhí)行元件。要使動力裝置所產生的力或人力正確地作用到工件上，需有適當?shù)膫鬟f機構。在工件夾緊過程中起力的傳遞作用的機構，稱為夾緊機構[16]。
夾緊機構在傳遞力的過程中，能根據需要改變力的大小、方向和作用點。手動夾具的夾緊機構還應具有良好的自鎖性能，以保證人力的作用停止后，仍能可靠地夾緊工件[17]。
2.7 夾緊方案的選擇
本設計是一個鉆床夾具，加工五個孔，由于鉆孔精度要求較高，必須保證在鉆孔過程零件保持不動，所以必須設計夾緊裝置。根據題目所需，在畢業(yè)設計過程中，設計過兩種夾緊方案，現(xiàn)在分析兩種方案的優(yōu)劣，選擇更適合的一種。
首先計算鉆孔的切削力，然后計算實際夾緊力。
2.7.1 夾具鉆削力的計算
需要鉆孔零件的材料為HT20-40，其性能HB170-290， 。
采用的是高速鋼鉆頭進行鉆孔。查設計手冊可以得到鉆削力計算公式[18]：
（2.1）
式中：——鉆削力（N）；
——安全系數(shù)；
——鉆頭直徑（mm）；
——系數(shù)，由被加工的材料性質和鉆削條件決定[19]。
（1）對于鉆Ф8.4mm孔，由文獻查表得安全系數(shù)[20]為：
（2.2）
（2.3）
所以：
(2.4)
(2.5)
?。?
所以鉆削力為：
(2.6)
同理，查其它參數(shù)得：
所以 ：
同理對于鉆Ф10mm的孔計算過程與計算鉆Ф8.4mm孔相同，因此計算鉆削力為：
同理對于锪Ф12mm的孔，計算鉆削力為：
2.7.2 夾具實際所需夾緊力的計算
計算夾緊力時，通常將夾具和工件看成是一個剛性系統(tǒng)。根據工件受切削力、夾緊力（大型工件還應考慮工件重力，運動的工件還應考慮慣性力等）的作用情況，找出在加工過程中對夾緊最不利的瞬時狀態(tài)，按靜力平衡原理計算出理論夾緊力[21]。最后為保證夾緊可靠，再乘以安全系數(shù)作為實際所需夾緊力的數(shù)值，即：
(2.7)
式中：—實際所需夾緊力（N）；
—在一定條件下，由靜力平衡計算出的理論夾緊力（N）；
—安全系數(shù)[22]。
安全系數(shù)K可按下試計算：
（2.8）
式中，為各種因素的安全系數(shù)[23]，如表2.1，表2.2所示：
表2.1 安全系數(shù)的數(shù)值
符號
考慮的因素
系數(shù)值
考慮工件材料及加工余量均勻性的安全系數(shù)
1.2~1.5
加工性質
粗加工
1.2
精加工
1.0
刀具鈍化程度（詳見表3）
1.0~1.9
切削特點
連續(xù)切削
1.0
斷續(xù)切削
1.2
夾緊力的穩(wěn)定性
手動夾緊
1.3
機動夾緊
1.0
手動夾緊的手柄位置
操作方便
1.0
操作不方便
1.2
僅有力矩使工件回轉時，工件與支撐面接觸的情況
接觸點穩(wěn)定
1.0
接觸點不穩(wěn)定
1.5
表2.2 安全系數(shù)
加工方法
切削力分力情況
K
鉆削
鑄鐵
鋼
1.15
1.15
粗擴（毛坯）
1.0
1.0
1.3
1.3
精擴
1.2
1.2
1.2
1.2
粗車或粗鏜
1.0
1.0
1.2
1.4
1.25
1.6
精車或精鏜
1.05
1.0
1.4
1.05
1.3
1.0
圓周銑削
（粗、精）
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%)
端面銑削
（粗、精）
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
1.15~1.2
拉削
F
1.5
根據所設計鉆模板，對工件受力進行分析，同時做工件的受力分析圖，如圖2.3所示。
圖2.3 零件受力分析圖
在進行鉆孔時，由于搖臂鉆床每次只能鉆一個孔，因此圖所示的Fx、Fy其實只能同時存在一對。對于Fy，其大小和方向不變，方向均為豎直向下。對于Fx，其大小不變，方向圓周變化。由受力分析圖可知，當Fx與W方向相反時，鉆削力的分量會與夾緊力相反，此時應最為危險，因此對圖2.3列力的平衡關系式：
（2.9）
其中：f——摩擦系數(shù)；
a——Fx對應的力臂；
b——Fy對應的力臂。
計算，Ф8.4mm孔時需要的夾緊力。此時，a=32.5mm，b=166mm。
支承板對工件的摩擦系數(shù)：
將所得數(shù)據帶入方程組，得：
W=484.5N
同理，因為在加工Ф10mm的孔時與在加工Ф12mm孔時在同一個位置，因此只需要的計算在加工Ф12mm夾緊力即可。此時，a=97mm，b=18mm。
將數(shù)據帶入方程組，得：
W=1786.4N
因為加工Ф12mm夾緊力大于加工Ф8.4mm孔時的夾緊力。因此，以加工Ф12mm時所需的夾緊力作為最終的夾緊力。
根據表2.1，表2.2可以得出：
因此，實際所需夾緊力為2358.04N。
2.7.3 夾具的夾緊裝置與機構設計
對于加緊機構，設計了兩種加緊機構，下面對兩種加緊機構進行對比。如圖2.4所示，為第一種加緊機構：
1—定位銷 2—鉸鏈鉆模板 3—鎖緊螺釘 4—支點 5—壓板 6—手柄 7—定位釘
圖2.4 普通鉸鏈式鉆
在實際使用時工件孔以定位銷1定位。旋轉手柄6使壓板5繞支點4回轉，而將工件的下部壓緊在定位釘7上。當鉆完孔再攻螺紋時應松開鎖緊螺釘3，翻起鉸鏈鉆模板2，這是手動加緊方式。
圖2.5是鉸鏈式夾具鉆模板：
圖2.5 鉸鏈式夾具鉆模板
專用鉸鏈式鉆模如圖2.5所示，可將軸承蓋板固定在鉆模當中，翻轉兩個鉸鏈式鉆模壓緊之后，可以同時對多個鉆孔進行加工。加工過程中不用多次移位，安裝、拆卸方便，有利于大批量進行加工。本夾具使用在搖臂鉆床上，加工汽變速箱上蓋Φ10mm孔、锪Φ12mm沉孔深2.5mm，鉆M10mm螺紋底孔Φ8.4mm、
锪平面保證尺寸32.50.1mm。
在使用時工件放到兩個圓柱銷1上，前后移動工件使定位孔對準并滑進定位銷。轉動配氣閥手柄26，壓縮空氣進入氣缸右側，推動活塞桿24向左移動，將工件以地面及2-Φmm孔，分別在五個支承釘3、圓柱銷1、削邊銷12上定位并夾緊。
裝卸工件時，松開鎖緊螺母10，翻轉鉸鏈鉆摸板9和17。
對比兩種方案，其優(yōu)缺點如表2.3所示：
表2.3 兩種加緊方式優(yōu)缺點
定位
夾緊
成本
效率
周期
生產
方案一
加工時蓋在工件上定位
結構簡單，夾緊力不大
低
低
生產周期長
生產周期長
方案二
典型的一面兩銷定位
為了工件便于夾緊采用氣動夾緊
高
高
生產周期短
大批量
考慮到汽車變速箱上蓋是大量生產，并且夾緊力又比較大，因此選擇方案二，即鉸鏈式夾具鉆模板。
3 鉆床夾具體及夾具零件的設計
3.1 夾具體的要求
（1）有適當?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、安裝對刀或導向元件的表面以及夾具體的安裝基面（與機床相連接的表面）等，應有適當?shù)某叽绾托螤罹龋鼈冎g應有適當?shù)奈恢镁取?
為使夾具體尺寸穩(wěn)定，鑄造夾具體要進行時效處理，焊接和鍛造夾具體要進行退火處理。
（2）有足夠的強度和剛度
加工過程中，夾具體要承受較大的切削力和夾緊力。為保證夾具體不產生變形和振動，夾具體應有足夠的強度和剛度。因此夾具體需要有一定的壁厚，鑄造和焊接夾具體常設置加強筋，或在不影響工件裝卸的情況下采用框架式夾具體。
（3）結構工藝性好
夾具體應便于制造、裝配和檢驗。鑄造夾具體上安裝各種元件的表面應鑄出凸臺，以減少加工面積。夾具體毛面與工件之間應留有足夠的間隙，一般為4~15mm。夾具體結構型式應便于工件的裝卸，分為開式結構、半開式結構、框架式結構等。
（4）排屑方便
切屑多時，夾具體上應考慮排屑結構?？梢栽趭A具體開排屑槽、在夾具體下部設置排屑斜面。
（5）在機床上安裝穩(wěn)定可靠
夾具在機床上的安裝都是通過夾具體上的安裝基面與機床上相應表面的接觸或配合實現(xiàn)的。當夾具在機床工作臺上安裝時，夾具的重心應盡量低，重心越高則支承面應越大；夾具底面四邊應凸出，使夾具體的安裝基面與機床的工作臺面接觸良好。接觸邊或支腳的寬度應大于機床工作臺梯形槽的寬度，應一次加工出來，并保證一定的平面精度；當夾具在機床主軸上安裝時，夾具安裝基面與主軸相應表面應有較高的配合精度，并保證夾具體安裝穩(wěn)定可靠[24]。
3.2 夾具體毛坯的類型
（1）鑄造夾具體
鑄造夾具體的優(yōu)點是工藝性好，可鑄出各種復雜形狀，具有較好的抗壓強度、剛度和抗振性，但生產周期長，需進行時效處理，以消除內應力。常用材料為灰鑄鐵（如HT200），要求強度高時用鑄鋼（如ZG270-500），要求重量輕時鑄鋁（如ZL104）。目前鑄造夾具體應用較多。
（2）焊接夾具體
焊接夾具體，它由鋼板、型材焊接而成，這種夾具體制造方便、生產周期短、成本低、重量輕（壁厚比鑄造夾具體?。?。但焊接夾具體的熱應力較大，易變形，需經退火處理，以保證夾具體尺寸的穩(wěn)定性。
（3）鍛造夾具體
鍛造夾具體，它適用于形狀簡單、尺寸不大、要求強度和剛度大的場合。鍛造后也需經退火處理。此類夾具體應用較少。
（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、生產周期短、成本低、重量輕，如各種心軸類夾具的夾具體及鋼套鉆模夾具體[25]。
這里我們采用鑄造夾具體，蓋板、中間板、底板的材料均采用灰鑄（HT200）。HT200指的是最低抗拉強度為200MPa的灰鑄鐵，是較高強度鑄鐵，基體為珠光體，強度、耐磨性、耐熱性、減振性均較好，鑄造性能也較好，使用前需要進行人工時效處理，主要用來鑄造汽車發(fā)動機汽缸、汽缸套、車床床身等承受壓力及振動部件。
工作條件:
a.承受較大應力的零件（彎曲應力<29.40MPa）；
b.摩擦面間的單位面積壓力>0.49MPa（大于10t在磨損下工作的大型鑄件壓力>1.47MPa）；
c.要求一定的氣密性或耐弱腐蝕性介質[26]。
3.3 夾具鉆模板以及鉆套的設計
3.3.1 夾具鉆模板設計
鉆模板結構形式的選擇：在設計鉆模板的結構時，主要要根據工件的外形大小、加工部位、結構特點和生產規(guī)模以及機床類型等條件而定。要求所設計的鉆模板結構簡單、使用方便、制造容易。
鉆模板用于安裝鉆套，并確保鉆套在鉆模板上的正確位置。常見的鉆模板有固定式、鉸鏈式、可卸式、懸掛式等四種結構形式。
（1）固定式鉆模板
固定式鉆模板與夾具是固定連接的可以與夾具體做成一體，也可以用螺釘將它與夾具體相連接。采用這種鉆模板鉆孔，位置精確度較高。
（2）鉸鏈式鉆模板
鉸鏈式鉆模板與夾具體通過鉸鏈連接。翻轉：裝卸工件時，將鉆模板往上翻；加工時將鉆模板往下翻，并用菱形銷定位。夾緊：采用鉸鏈式鉆模板，工件可以在夾具上方裝入，裝卸工件方便；但翻轉鉆模板費工費時，效率較低，且鉆模板位置精度受鉸鏈間隙影響，鉆孔位置精度不高；它主要用于生產規(guī)模不大、鉆孔精度要求不高的場合。
（3）懸掛式鉆模板
懸掛式鉆模板是與機床主軸箱連接的，懸掛式鉆模板通常用在多軸傳動頭加工平行孔系時采用，生產效率高，適于在大批量生產中應用[27]。
3.3.2 夾具鉆套設計
鉆套是鉆模上特有的元件，它的作用是確定鉆頭，鉸刀等刀具的軸線位置，防止刀具在加工過程中發(fā)生偏斜，保證被加工孔的位置精度和提高工藝系統(tǒng)的剛度。
根據使用特點，鉆套可分為固定式，可換式，快換式等多種結構形式[28]。
(1) 固定鉆套
固定鉆套（如圖3.1）直接被壓在鉆模板上，其位置精度要求較高，但磨損后不易更換，鉆模板較薄時，為使鉆套具有足夠的引導長度，應采用有肩鉆套。
a) 類型1 b) 類型2
圖3.1 固定鉆套
(2) 可換鉆套
可換鉆套（如圖3.2）用于零件單一、大批量生產中，方便更換磨損的鉆套。鉆套和襯套之間采用F7/m6或F7/k6配合，襯套和鉆模板之間采用H7/n6配合。當鉆套磨損后，可卸下螺釘，更換新的鉆套。螺釘能防止鉆套加工時轉動及退刀
時脫出。
a) A型 b）B型
c) C型 d) D型
圖3.2 可換鉆套
(3) 快換鉆套
在工件的一次裝夾中，若順序進行鉆孔、擴孔、鉸孔或攻絲等多個加工工步，需要不同孔徑的鉆套來引導刀具，此時應使用快換鉆套（如圖3.3）。更換鉆套時，只需逆時針轉動鉆套使削邊平面轉至螺釘位置，即可向上快速取出鉆套。削邊的方向應考慮刀具的旋向，以免鉆套自動脫出。
圖3.3 快換鉆套
(4) 特殊鉆套
因工件的形狀或被加工孔的位置需要而不能使用標準鉆套時，需自行設計的鉆套稱為特殊鉆套。圖3.4加長鉆套為常見的特殊鉆套，在加工凹面上的孔時使用，為減少刀具與鉆套的摩擦，可將鉆套引導高度H以上的孔徑放大，鉆套的高度H增大，則導向性能好，刀具剛度提高，加工精度高，但鉆套與刀具的磨損加劇，一般取H=1～2.5d[29]。
圖3.4 加長鉆套
3.3.3 夾具鉆模板和鉆套的具體設計
圖3.5 鉆模板和鉆套的設計
該夾具用于零件的大批量生產，在鉆孔的過程中，鉆套經常發(fā)生磨損，如果設計成固定鉆套，在使用一段時間后，磨損的鉆套會影響零件的加工精度。當單一鉆孔、大批量生產時，為便于更換磨損的鉆套，選用可換鉆套。在保證鉆模板有足夠剛度的前提下，要盡量減輕其重量。在生產中，鉆模板的厚度往往按鉆套的高度來確定，一般在10~30mm之間。如果鉆套較長，可將鉆模板局部加厚。此外，鉆模板一般不宜承受夾緊力。此處，鉆模板的厚度設計為25mm，滿足加工要求。鉆套和襯套之間采用配合，襯套和鉆模板之間采用配合。當鉆套磨損后，可卸下鉆套用的螺釘，更換新的鉆套。鉆模板與夾具的連接固定：鉆模板支撐鉆套，對鉆套進行固定。因為螺釘固定有空隙會產生誤差，影響加工精度，所以將螺釘用在連接固定上，再加上圓錐銷進行固定，使鉆模板與夾具體緊密結合，避免加工時螺釘松動產生誤差，影響加工[30]。
對于此鉸鏈鉆模板，尺寸的確定與機構的設計是實現(xiàn)其具體設計的重要一個環(huán)節(jié)。對于尺寸的確定，應該根據具體加工的零件進行確定，同時，根據受力的大小進行校核。
在對零件的受力進行校核時，使用有限元軟件Ansys Workbench進行分析。
3.4底座的尺寸確定及機構設計
對于所設計的鉸鏈鉆模板，底座起到了支撐作用，所有零件均安裝在底座上。底座的設計如圖3.6所示：
圖3.6 底座設計圖
底座的主要尺寸應根據所加工零件的尺寸進行設計，能夠放下零件為宜。中間的凹槽為流屑槽，可以使加工碎屑通過流屑槽排出。圖2.8表示出了底座所受的力的示意圖，通過計算，已經計算出加工此種零件所需的夾緊力，因此，這里應該驗證底座能不能承受2358.04N夾緊力。通過有限元軟件Ansys Workbench進行計算。
在使用有限元軟件進行分析時，具體的流程是建立所需要分析零件的三維模型，之后導入有限元軟件進行網格劃分，之后施加邊界條件進行求解。這里我們已經建好了三維模型，直接導入軟件進行分析。圖3.6為導入有限元分析軟件后的模型。
圖3.6 底座導入有限元軟件
接下來，對模型進行網格劃分。
圖3.7 網格劃分結果
圖3.7為網格劃分結果，在劃分網格的時候，可以調節(jié)網格的大小來滿足不同的精度要求。
劃分完網格后，可以對模型進行邊界條件的施加：
圖3.8 邊界條件的施加
對于邊界條件的施加，應該根據實際情況進行分析。在具體操作時，這里將底面進行固定處理，將側板支撐零件的5個凸起面施加總共2358.04N的壓力。邊界條件施加完成后就可以運行程序了。
這里我們應該關心零件的應力是否超出材料的許用應力，變形是否滿足使用條件。圖3.9為零件的應力云圖，圖3.10為零件的位移圖。
圖3.9 應力云圖
圖3.10 位移云圖
通過分析我們可以發(fā)現(xiàn)，零件的最大應力為0.879MPa，遠遠小于材料的許用應力，最大變形為0.002mm，也能夠滿足我們的使用要求，因此設計合理。
3.5壓緊氣缸及其相應支撐零件的設計
壓緊氣缸及其相應支撐零件與底座一樣，均是需要受力的零件，因此這里選用這兩個零件優(yōu)先進行分析設計。因分析步驟與分析底座時相同，這里不再重復敘述，只顯示最終分析結果。
圖3.11 壓緊氣缸及其相應支撐零件導入有限元分析軟件
圖3.12 壓緊氣缸網格劃分結果
圖3.13 應力云圖
圖3.14 位移云圖
通過分析，我們可以看出，壓緊氣缸的最大應力為27.765Mpa，最大位移為0.008799mm，同樣滿足使用需求。
3.6鉸鏈鉆模的設計
設計完底座與壓緊氣缸之后，需要受力分析的零件基本結束。其余的零件不需要對零件的強度進行校核，只需要滿足其使用要求即可。對于鉸鏈鉆模的設計，應該與加工零件的孔相適應。具體設計已經在前文中敘述，并在第六節(jié)進行了誤差分析，這里也不再重復敘述。
4 夾具誤差的計算
4.1 角度尺寸公差
規(guī)定了未注出公差的角度尺寸的極限偏差數(shù)值；適用于金屬切削加工的尺寸，也適用于一般的沖壓加工的尺寸，非金屬材料和其他工藝方法加工的尺寸可參照采用。
一般公差分精密、中等、粗糙、最粗共4個公差等級，按未注公差的線性尺寸和角度尺寸分別給出了各公差等級的極限偏差數(shù)值[31]。
表4.1 角度尺寸的極限偏差數(shù)值
公差等級
長度分段mm
~10
>10~50
>50~120
>120~400
>400
精密f
中等m
粗糙c
最粗v
4.2 定位誤差的分析
一批工件逐個在夾具上定位時，由于工件及定位元件存在加工誤差，使各個工件所占據的位置不完全一致，加工后加工尺寸不一致，形成定位誤差，用表示。
造成定位誤差的原因有兩個：一是定位基準與工序基準不重合，由此產生基準不重合誤差；二是定位基準與限位基準不重合，由此產生基準位移誤差。
由于定位基準與工序基準不重合以及定位基準與限位基準不重合是造成定位誤差的原因，因此，定位誤差是基準不重合誤差與基準位移誤差的合成。計算時，和計算出和，然后將兩者合成而得。
合成時，若工序基準不在定位基面上（工序基準與定位基面為兩個獨立的表面），即與無相關公共變量，則=+。
若工序基準在定位基面上，即與有相關公共變量，則=。
在定位基面尺寸變動方向一定（由大到小，由小到大）的條件下，（或定位基準）與（或工序基準）的變動方向相同，取“+”號；變動方向相反，取“-”號[32]。
4.3 工件在夾具上加工的精度分析
影響加工精度的因素：
圖4.1 工件在夾具上加工時影響加工精度的主要因素
如圖4.1所示，用夾具裝夾工件進行機械加工時，其工藝系統(tǒng)中影響工件加工精度有關的因素，有定位誤差、對刀誤差、夾具在機床上的安裝誤差和夾具誤差。在機械加工工藝系統(tǒng)中，影響加工精度的其它因素綜合稱為加工方法誤差。上述各項誤差均導致刀具相對工件的位置不精確，從而形成總的加工誤差。
圖4.2 零件圖
4.4 鉸鏈式夾具誤差的計算
4.4.1 夾具誤差的計算
（1）定位誤差
機床夾具的主要功能：在機床上加工工件時，先將工件裝好，然后用夾具夾緊工件。將工件裝好，就是在機床上確定工件相對于刀具的正確位置，這一過程稱為定位。將工件夾緊，就是對工件施加作用力，使之在已經定好的位置上將工件可靠地夾緊，這一過程稱為夾緊。從定位到夾緊的全過程，稱為裝夾。機床夾具的主要功能就是完成工件的裝夾工作。工件裝夾情況的好壞，將直接影響工件的加工精度，因此，準確定位就是很重要的一個環(huán)節(jié)，現(xiàn)在需計算定位誤差[33]。
根據圖4.1和圖4.2可知，第一基準A面。
對于鉆Φ10孔：
定位基準A面；限位基準A面；工序基準A面。
（4.1）
對于鉆Φ8.4孔：
定位基準A面；限位基準A面；工序基準A面。
（4.2）
（2）對刀誤差
因刀具相對于對刀或導向元件的位置不精確而造成的加工誤差，稱為對刀誤差。鉆頭與鉆套間的間隙，會引起鉆頭的位移或傾斜，造成加工誤差。
圖4.3 鉆模對刀誤差
鉆模對刀誤差的計算如圖4.3所示，刀具與鉆套的最大配合間隙的存在會引起刀具的偏斜，將導致加工孔的偏移量
（4.3）
式中： B—工件厚度；
H—鉆套高度；
h—排屑空間的高度。
工件厚度大時，按計算對刀誤差：；
工件薄時，按計算對刀誤差：。
鉆Φ10孔
鉆套導向尺寸為，鉆頭尺寸為。
鉆Φ8.4孔
鉆套導向尺寸為，鉆頭尺寸為。
（3）夾具安裝誤差
因夾具在機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5.2中夾具的安裝基面為平面，因而沒有安裝誤差，=0.
（4）夾具誤差
因夾具上定位元件、對刀或導向元件、分度裝置及安裝基準之間的位置不精確而造成的加工誤差，稱為夾具誤差。夾具誤差主要包括定位元件相對于安裝基準的尺寸或位置誤差；定位元件相對于對刀或導向元件（包含導向元件之間）的尺寸或位置誤差；導向元件相對于安裝基準的尺寸或位置誤差；若有分度裝置時，還存在分度誤差。以上幾項共同組成夾具誤差。
圖5.2中，鉆Φ10的孔時，保證垂直精度。
鉆Φ8.4的孔時，保證垂直度。
（5）加工方法誤差
因機床精度、刀具精度、刀具與機床的位置精度、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。因該項誤差影響因素多，又不便于計算，所以常根據經驗為它留出工件公差的1/3計算時可設