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畢業(yè)設(shè)計(論文)中期報告
題目：鉸鏈?zhǔn)姐@模板夾具設(shè)計與裝配工藝
規(guī)劃
1. 設(shè)計（論文）進(jìn)展?fàn)顩r
本設(shè)計已經(jīng)完成以下內(nèi)容：
（1）對于在開題答辯中，老師針對我的設(shè)計草圖和開題報告所提出的相關(guān)問題，我在這段時期內(nèi)完成了對夾具裝配平面草圖的詳細(xì)研究，并通過了指導(dǎo)老師的檢查；進(jìn)一步完善了開題報告的內(nèi)容和格式。
（2）根據(jù)設(shè)計原理的要求完成了對夾具各部分零件的三維建模。
（3）根據(jù)要求布置的相關(guān)規(guī)定和設(shè)計原則，完成了對鉸鏈?zhǔn)姐@模板夾具設(shè)計的三維建模，完成了夾具的三維總裝配圖和二維草圖。
（4）根據(jù)要求完成了對本設(shè)計相關(guān)外文文獻(xiàn)3000字的翻譯，并通過了老師的檢查。
（5）完成情況（如下所示）
如圖1所示，先建立一個草圖，此草圖的尺寸應(yīng)該和設(shè)計的零件相吻合。
圖1 Solidworks創(chuàng)建草圖
創(chuàng)建好草圖后，對草圖進(jìn)行拉伸操作，如圖2所示。
圖2 拉伸草圖
接著，在以拉伸出來的零件上進(jìn)行繼續(xù)操作，接著創(chuàng)建草圖進(jìn)行操作。最后形成鉸鏈座的基本特征。如圖3所示：
圖3 鉸鏈座基本特征
創(chuàng)建好基本特征后，需要在上面進(jìn)行切除操作，從而形成需要的孔和凹槽。如圖4所示：
圖4 鉸鏈座成型圖
根據(jù)所設(shè)計的零件，對不同的零件進(jìn)行建模，就可以創(chuàng)建出一個完整的鉸鏈鉆模板的三維模型。將不同的零件裝配，就可以形成完整的鉸鏈鉆模板。如圖5所示：
圖5 鉸鏈鉆模板三維模型
二維圖如下所示:
a) 主視圖 b) 左視圖
c) 俯視圖
圖6 二維裝配簡圖
2.存在的問題及解決措施
存在的問題：1.在本設(shè)計里設(shè)計了許多的定位標(biāo)準(zhǔn)件的選用，之前接觸過，但在綜合考慮結(jié)構(gòu)和可操作等方面還有所欠缺。認(rèn)真地參考資料，積極和同學(xué)討論，向老師請教。2.在繪圖中存在不能完全達(dá)到預(yù)計要求相一致的圖，軟件繪圖的能力有缺陷。3.同時夾具的一些結(jié)構(gòu)功能在實際生產(chǎn)加工中是否可以實現(xiàn)人工的操作，實現(xiàn)真正的投入使用。整體設(shè)計是否合理，要進(jìn)行優(yōu)化完善，能夠達(dá)到設(shè)計預(yù)想的理想要求。
解決措施：繼續(xù)完善設(shè)計，從圖中改進(jìn)，優(yōu)化設(shè)計，以求更加準(zhǔn)確。在設(shè)計過程中存在很多問題，經(jīng)過一段時間的優(yōu)化與調(diào)整后，設(shè)計有了明顯改進(jìn)。
優(yōu)化調(diào)整（具體如下）：
（1）加強底座左側(cè)靠板在定位時的承受夾緊力的強度，在后方增加兩個加強筋，同時底座上下板分離，采用螺栓將兩者連接在在一起，并焊接這兩部分，已達(dá)到兩者之間垂直度的要求。如圖7
a）筋 b）底座
圖7 筋和底座
（2）在翻轉(zhuǎn)鉸鏈轉(zhuǎn)板1時會有干涉，調(diào)整其中的間隙，消除這一現(xiàn)象。如圖8
圖8 鉸鏈轉(zhuǎn)板
（3）加工變速箱上蓋的孔時會產(chǎn)生鉆屑，因此需要增加一個流屑槽。如圖9
圖9流屑槽
（4）夾具夾緊裝置采用的是氣源動力，為了控制夾緊時氣缸提供的氣壓，以保證加工時的夾緊力，所以需要增加一個控制氣壓的減壓閥。如圖10
圖10減壓閥
（5）為了保證工件底座與靠板之間的平行度，保證在夾緊時的加工精確度，所以采用可調(diào)支承。如圖11
圖11可調(diào)支承
優(yōu)化完善后的三維建模（如圖12）
圖12 夾具三維裝配圖
3. 后期工作安排
繼續(xù)對鉸鏈?zhǔn)姐@模板夾具設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，改進(jìn)中期設(shè)計中存在的缺點，例如防止工件在夾緊時有過大變形，確保夾緊定位中達(dá)到設(shè)計的精確要求，并進(jìn)行定位誤差分析，對夾具進(jìn)行夾緊力和自由度分析等問題。
1. 完成鉸鏈?zhǔn)姐@模板夾具系統(tǒng)化設(shè)計和外文翻譯，完成中期檢查報告，并進(jìn)行中期答辯；
2. 后期完成夾具最終的總體設(shè)計，完成二維裝配圖及零件圖；并撰寫畢業(yè)論文，準(zhǔn)備答辯。
（1）第10周－第11周：工件的分析；定位分析（自由度）。
（2）第12周：鉸鏈?zhǔn)姐@模的工作原理；設(shè)計中存在的問題。
（3）第13周：鉸鏈?zhǔn)姐@模裝配工藝設(shè)計。
（4）第14周－第15周：完成畢業(yè)論文。
指導(dǎo)老師簽字: 年 月 日
畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告
題目：鉸鏈?zhǔn)姐@模板夾具設(shè)計與裝配工藝
規(guī)劃
1. 畢業(yè)設(shè)計（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內(nèi)外相關(guān)研究情況）
1.1題目背景、研究意義
夾具作為傳統(tǒng)機械制造業(yè)中最重要的工藝裝備之一已有了一百余年的歷史，在機械業(yè)的發(fā)展過程中發(fā)揮了巨大的作用。我國社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃指出，振興裝備制造業(yè)是推進(jìn)國民經(jīng)濟和工業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級的主要內(nèi)容[1]。所謂“裝備制造業(yè)”就是傳統(tǒng)機械制造業(yè)中的主體。因為裝備制造業(yè)的發(fā)展水平是國家工業(yè)化、現(xiàn)代化水平和綜合國力的重要標(biāo)志，這意味著我國的工業(yè)將在不太長的時間內(nèi)逐步趕上并達(dá)到當(dāng)今世界上發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)水平[2]。隨著裝備制造業(yè)的發(fā)展，作為裝備制造業(yè)的必不可少組成部分的工藝裝備(夾具)也必然會得到相應(yīng)的重視[3]。近年來我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展推動了機床和工具行業(yè)從低谷中走出，我國已連續(xù)8年保持世界上機床最大消費市場和世界機床第一大進(jìn)口國，而對于與機床配套的夾具設(shè)計更是不可或缺[4]。
夾具是能夠使產(chǎn)品按一定的技術(shù)要求準(zhǔn)確定位和牢固夾緊的工藝裝置，它主要用于保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量、減輕勞動強度、輔助產(chǎn)品檢測、展示、運輸?shù)取C床夾具在機械加工中起著重要的作用，所以應(yīng)用十分廣泛[5]。歸納起來有以下幾個方面的作用：保證工件的加工精度，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量；提高勞動生產(chǎn)率和降低加工成本；改善工人勞動條件；在流水線生產(chǎn)中，便于平衡生產(chǎn)節(jié)拍[6]。對于不同種類的機床，其對應(yīng)的夾具有不同的分類。包括：車床類夾具、銑床類夾具、鉆鏜床夾具、組合夾具、數(shù)控機床夾具、自動線夾具及其他機床夾具[7]。本課題主要研究的是針對鉆鏜床設(shè)計的夾具，鉆模的結(jié)構(gòu)形式繁多，歸類方法各異。按照鉆模有夾具體，結(jié)合使用方面的特點，通?？煞譃橐韵挛宸N形式[8]：
（1） 固定式鉆模
這種鉆模在使用時被固定在鉆床工作臺上，鉆模的位置固定不動。它可用于立式鉆床、搖臂鉆床和多軸鉆床上[9]。
（2） 翻轉(zhuǎn)式鉆模
夾具整體在鉆床工作臺上翻轉(zhuǎn)，順序鉆削各孔。主要用于加工中、小型工件分布在不同表面上的孔[10]。
（3） 回轉(zhuǎn)式鉆模
其一般用于加工同一圓周上的平行孔系，或分布在圓周上的徑向孔。一般為專用的工作夾具與標(biāo)準(zhǔn)回轉(zhuǎn)臺聯(lián)合使用[11]。
（4） 蓋板式鉆模
蓋板式鉆模是由鉗工的劃線樣板演變來的，它沒有夾具體。定位元件、導(dǎo)引元件和夾緊裝置全部安裝在鉆模板上，使用時象蓋子一樣蓋在工件加工部位上，是最簡單的一種鉆模[12]。
（5） 滑柱式鉆模
滑柱式鉆模由標(biāo)準(zhǔn)通用底座為主體組成的鉆模。該標(biāo)準(zhǔn)通用底座由升降鉆模板、升降機機構(gòu)和夾具體組成。它的結(jié)構(gòu)已標(biāo)準(zhǔn)化，規(guī)格尺寸也系列化、可由制造部門預(yù)先批量生產(chǎn)備用[13]。
孔加工中，需要加工中、小型零件分布在不同表面上的孔，同時在鉆模設(shè)計中，常常遇到工件鉆孔后需要孔口倒角或攻螺紋、或鉸孔:有的被加工孔為階梯孔，有的工件孔組內(nèi)孔距很小，小到不足以放置兩個鉆套[13]。有的工件相當(dāng)大，在同一表面上或幾個平面上有位置要求的兩個或多個孔組，孔組間的距離又很大。一般的鉆模結(jié)構(gòu)是很難或不能滿足其要求的[14]。為加工上述類型的工件孔，我們采用鉆模板可以翻轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)形式，解決了上述難加工問題、使鉆孔夾具結(jié)構(gòu)變得簡單、緊湊，既能保證質(zhì)量，使用又方便，還提高了效率[15]。這也就是本課題所設(shè)計的鉸鏈?zhǔn)姐@模。
1.2國內(nèi)外相關(guān)研究情況
從文獻(xiàn)上可見，從80年代中期開始，計算機輔助夾具設(shè)計（CAFD）和自動夾具設(shè)計（AFD）在國際上普遍受到重視[18]。其中隨著CAD/CAM系統(tǒng)在工業(yè)中的建立，CAFD很自然地應(yīng)用到了夾具設(shè)計當(dāng)中，而且由于夾具對制造成本和制造周期的影響非常大，研究人員才開始注意到CAFD的重要作用，并把縮短加工準(zhǔn)備周期作為CAFD的一個重要目標(biāo)[19]。九十年代后發(fā)展起來的CAFD轉(zhuǎn)向了以產(chǎn)品夾具結(jié)構(gòu)為目的，實際生產(chǎn)應(yīng)用為導(dǎo)向的夾具軟件設(shè)計上。目前CAFD的發(fā)展大大降低了制造研制周期，優(yōu)化了制造加工過程，驗證了制造工藝流程，在FMS及CIMS中正發(fā)揮著越來越重要的作用。近年來組合夾具系統(tǒng)的設(shè)計受到了夾具行業(yè)的普遍關(guān)注，并且在一些文獻(xiàn)中對該領(lǐng)域的最新發(fā)展成果進(jìn)行了回顧[20]。
隨著我國機床技術(shù)的發(fā)展，夾具技術(shù)正朝著高精、高效、模塊、組合、通用經(jīng)濟的方向發(fā)展[16]。目前發(fā)展的成組技術(shù)是應(yīng)用系統(tǒng)工程學(xué)的觀點，把中、小批生產(chǎn)中的設(shè)計制造和管理等方面作為一個生產(chǎn)系統(tǒng)整體，統(tǒng)一協(xié)調(diào)生產(chǎn)活動的各個方面，全面實施成組技術(shù)以提高綜合經(jīng)濟效益，我國不少高等工業(yè)院校結(jié)合教學(xué)和科研工作，在成組技術(shù)基本理論及其應(yīng)用方面、軟件系統(tǒng)方面都開展了許多研究工作，并取得了不少成果[17]。
2. 本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施
2.1本課題研究的主要內(nèi)容
（1）以軸承蓋為對象，對鉸鏈?zhǔn)姐@模板零件的工藝分析；鉸鏈?zhǔn)姐@模板工件的定位分析（自由度）；
（2）鉸鏈?zhǔn)姐@模板零件工件定位誤差計算；鉸鏈?zhǔn)姐@模板工件夾緊力的分析與計算；
（3）鉸鏈?zhǔn)姐@模板零件夾具的工作原理；鉸鏈?zhǔn)姐@模板設(shè)計中存在的問題；
（4）鉸鏈?zhǔn)姐@模板夾具裝配工藝設(shè)計與仿真。
研究方案：
由于工作零件是軸承蓋（如下圖1所示）。
圖1 軸承蓋
軸承蓋孔如使用數(shù)控鉆床加工，則結(jié)構(gòu)復(fù)雜，定位困難，成本較高；而劃線鉆孔則效率較低，不能滿足批量生產(chǎn)要求。為此，專門設(shè)計一種適用于大批量加工軸承蓋孔的專用模具。設(shè)計兩種對比方案進(jìn)行對比：
2.2研究方案及方法
（1）軸承蓋鉆模
見圖2，工件孔以定位銷1定位。旋轉(zhuǎn)手柄6使壓板5繞支點4回轉(zhuǎn)，而將工件的下部壓緊在定位釘7上。當(dāng)鉆完孔再攻螺紋時應(yīng)松開鎖緊螺釘3，翻起鉸鏈鉆模板2。
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 普通鉸鏈?zhǔn)姐@
（2）專用鉸鏈?zhǔn)姐@模
專用鉸鏈?zhǔn)姐@模如圖3所示，可將軸承蓋板固定在鉆模當(dāng)中，翻轉(zhuǎn)兩個鉸鏈?zhǔn)姐@模壓緊之后，可以同時對多個鉆孔進(jìn)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(jìn)行加工。本夾具使用在搖臂鉆床上，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。
工件放在兩個圓柱銷2上，前后移動工件使定位孔對準(zhǔn)并滑進(jìn)兩個定位銷。轉(zhuǎn)動配氣閥手柄10，壓縮空氣進(jìn)入氣缸右側(cè)，推動活塞桿7向左移動，將工件以底面及2-Φ12mm孔，分別在五個支撐釘3、圓柱銷1、削邊銷4上定位并夾緊。
5
裝卸工件時，松開鎖緊螺母5和9，翻轉(zhuǎn)鉸鏈鉆模板6和8。
圖3 專用鉸鏈?zhǔn)姐@模
方案對比如下：
定位
夾緊
成本
效率
周期
生產(chǎn)
方案1
加工時蓋在工件上定位
結(jié)構(gòu)簡單，夾緊力不大
低
低
生產(chǎn)周期長
小批量
方案2
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(chǎn)周期短
大批量
方案對比表1
綜上所述，本次設(shè)計選用第二套方案。
3.本課題研究的重點及難點，前期已開展工作
重點及難點：
設(shè)計出針對軸承蓋為對象的鉸鏈?zhǔn)姐@模，并且分析和計算定位誤差、夾緊力等，然后進(jìn)行繪制CAD，SolidWorks等圖，并對三維模型進(jìn)行干涉及仿真檢驗。
前期已開展的工作：
（1）查閱相關(guān)資料，閱讀文獻(xiàn)，對夾具設(shè)計背景初步了解；
（2）初步了解常規(guī)夾具的設(shè)計及加工方法；
（3）初步了解關(guān)于鉸鏈?zhǔn)姐@模的一些相關(guān)知識；
（4）學(xué)會運用SolidWorks，CAD等作圖軟件。
4.完成本課題的工作方案及進(jìn)度計劃（按周次填寫）
第1周－第3周：查閱資料，完成文獻(xiàn)綜述和開題報告。
第4周－第7周：工件的分析；定位分析（自由度）。
第7周－第9周：鉸鏈?zhǔn)姐@模的工作原理；設(shè)計中存在的問題。
第10周－第13周：鉸鏈?zhǔn)姐@模裝配工藝設(shè)計與仿真。
第14周－第15周：完成畢業(yè)論文。
指導(dǎo)教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見）
指導(dǎo)教師： 年 月 日
所在系審查意見：
系主管領(lǐng)導(dǎo)： 年 月 日
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本科畢業(yè)設(shè)計(論文)
題目：鉸鏈?zhǔn)姐@模板夾具設(shè)計與裝配工藝
規(guī)劃
鉸鏈?zhǔn)姐@模板夾具設(shè)計與裝配工藝規(guī)劃
摘要
夾具是能夠使產(chǎn)品按一定的技術(shù)要求準(zhǔn)確定位和牢固夾緊的工藝裝置，它的主要用于保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量、減輕勞動強度、輔助產(chǎn)品檢測、展示、運輸?shù)?。本文以汽車變速箱上蓋為工件，為其設(shè)計部分孔加工的鉸鏈?zhǔn)姐@模板。在設(shè)計過程中，對鉸鏈?zhǔn)姐@模板夾具進(jìn)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(shè)計的鉸鏈?zhǔn)姐@模板進(jìn)行了Solidworks三維建模，并進(jìn)行了虛擬裝配與仿真。通過設(shè)計此汽車變速箱上蓋鉸鏈?zhǔn)姐@模板，達(dá)到了設(shè)計要求，能夠很好地結(jié)合搖臂鉆床進(jìn)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(chǎn)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(guān)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(yīng)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(yīng)的力臂
b Fy對應(yīng)的力臂
實際所需夾緊力
理論夾緊力
基準(zhǔn)不重合誤差
基準(zhǔn)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(shè)計要點 5
2 鉆床夾具的總體設(shè)計 6
2.1 夾具的設(shè)計任務(wù) 6
2.2 夾具的設(shè)計步驟 6
2.3 鉆床夾具的設(shè)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(gòu)設(shè)計 15
3 鉆床夾具體及夾具零件的設(shè)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(shè)計 19
3.3.1 夾具鉆模板設(shè)計 19
3.3.2 夾具鉆套設(shè)計 20
3.3.3 夾具鉆模板和鉆套的具體設(shè)計 22
3.4 底座的尺寸確定及機構(gòu)設(shè)計 24
3.5 壓緊氣缸及其相應(yīng)支撐零件的設(shè)計 27
3.6 鉸鏈鉆模的設(shè)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?zhǔn)綂A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(shù)簡介 35
5.2 三維實體建模與虛擬裝配 35
6 結(jié)論 39
參考文獻(xiàn) 40
致謝 41
畢業(yè)設(shè)計（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明 42
畢業(yè)設(shè)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(chǎn)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(jì)后期。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)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(chǎn)研究協(xié)會的統(tǒng)計表明，目前中、小批多品種生產(chǎn)的工件品種已占工件種類總數(shù)的85％左右?，F(xiàn)代生產(chǎn)要求企業(yè)所制造的產(chǎn)品品種經(jīng)常更新?lián)Q代，以適應(yīng)市場的需求與競爭。然而，一般企業(yè)都仍習(xí)慣于大量采用傳統(tǒng)的專用夾具，一般在具有中等生產(chǎn)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(chǎn)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(yīng)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，我們在短短幾年內(nèi)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(shù)[2]。
近年來，數(shù)控機床、加工中心、成組技術(shù)、柔性制造系統(tǒng)（FMS）等新加工技術(shù)的應(yīng)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(chǎn)品的投產(chǎn)，以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，降低生產(chǎn)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(shù)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(jìn)一步減輕勞動強度和提高勞動生產(chǎn)率；
（6）提高機床夾具的標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計、制造和管理的方便，往往按某一屬性進(jìn)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(diào)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(jié)構(gòu)、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(yīng)性強、不需要調(diào)整或稍加調(diào)整即可裝夾一定形狀和尺寸范圍內(nèi)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(chǎn)準(zhǔn)備周期，減少夾具品種，從而減低生產(chǎn)成本。其缺點是夾具的加工精度不高，生產(chǎn)力較低且較難裝夾形狀復(fù)雜的工件，故適用于單件小批量生產(chǎn)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(shè)計和制造的夾具。特點是針對性強。適用與產(chǎn)品相對穩(wěn)定、批量較大的生產(chǎn)中，可獲得較高的生產(chǎn)率和加工精度。
3）可調(diào)夾具
夾具的某些元件可調(diào)整或可更換，已適應(yīng)多中工件的夾具，稱為可調(diào)夾具。它還分通用可調(diào)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(biāo)準(zhǔn)夾具零部件（或?qū)Ｓ昧悴考┙M裝成易于連接和拆卸的夾具。根據(jù)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(yīng)用在單件，中、小批多品種生產(chǎn)和數(shù)控加工中，是一種較經(jīng)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(jìn)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(chǎn)，手動夾具應(yīng)有擴力機構(gòu)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(jìn)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(jié)構(gòu)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?qū)к壍南嗷ノ恢谩?
d．對刀元件或?qū)蛟?
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(dǎo)刀具進(jìn)行加工的元件稱為導(dǎo)向元件。
e．其它裝置或元件
根據(jù)加工需要，有些夾具上還設(shè)有分度裝置、靠模裝置、上下料裝置、工件頂出機構(gòu)、電動扳手和平衡塊等，以及標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)、鍛造結(jié)構(gòu)、焊接結(jié)構(gòu)和裝配結(jié)構(gòu)，形狀有回轉(zhuǎn)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(yīng)有合理的定位方案，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
專業(yè)夾具的復(fù)雜程度要與工件的生產(chǎn)綱領(lǐng)相適應(yīng)，應(yīng)根據(jù)工件生產(chǎn)批量的大小選用不同復(fù)雜程度的高效夾緊裝置，以縮短輔助時間，以提高生產(chǎn)效率。
（3）工藝性好
專用夾具的結(jié)構(gòu)簡單，合理，便于加工，裝配，檢驗和維修。專用夾具的生產(chǎn)屬于小批量生產(chǎn)。
（4）使用性好
專用夾具的操作應(yīng)簡單，省力，安全可靠，排屑應(yīng)方便，必要時可設(shè)置排屑機構(gòu)。
（5）經(jīng)濟型好
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)濟分析，以提高夾具在生產(chǎn)中的經(jīng)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(biāo)準(zhǔn)化、精密化、高效化、柔性化和模塊化等五個方面。
(1) 標(biāo)準(zhǔn)化
機床夾具的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)：GB/T2148～T2259－91以及各類通用夾具、組合夾具標(biāo)準(zhǔn)等。機床夾具的標(biāo)準(zhǔn)化，有利于夾具的商品化生產(chǎn)，有利于縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，降低生產(chǎn)總成本。
(2) 精密化
隨著機械產(chǎn)品精度的日益提高，勢必相應(yīng)提高了對夾具的精度要求。精密化夾具的結(jié)構(gòu)類型很多，例如用于精密分度的多齒盤，其分度精度可達(dá)±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(chǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)流水線、自動線配置相應(yīng)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(diào)整、組合等方式，以適應(yīng)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(chǎn)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(diào)夾具、成組夾具、模塊化夾具、數(shù)控夾具等。為適應(yīng)現(xiàn)代機械工業(yè)多品種、中小批量生產(chǎn)的需要，擴大夾具的柔性化程度，改變專用夾具的不可拆結(jié)構(gòu)為可拆結(jié)構(gòu)，發(fā)展可調(diào)夾具結(jié)構(gòu)，將是當(dāng)前夾具發(fā)展的主要方向。
(5) 模塊化
模塊化的設(shè)計省時、節(jié)能，體現(xiàn)在各種先進(jìn)夾具的系統(tǒng)中，為夾具的計算機輔助設(shè)計與組裝打下了堅實的基礎(chǔ)，應(yīng)用CAD技術(shù)，可建立元件庫、典型夾具庫和用戶使用檔案庫，可進(jìn)行夾具優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)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(jìn)和完善夾具系統(tǒng)[9]。
1.6 夾具的設(shè)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(zhì)量要求，根據(jù)各加工表面的技術(shù)要求，選擇加工方法及分幾次加工。
（2）根據(jù)生產(chǎn)類型來選擇，在大批量生產(chǎn)中可使用專用的高效率的設(shè)備；在單件小批量生產(chǎn)中則使用常用設(shè)備和一般加工方法。
（3）要考慮被加工材料的性質(zhì)。
（4）要考慮工廠或車間的實際情況，同時也應(yīng)考慮不斷改進(jìn)現(xiàn)有的加工方法和設(shè)備，推廣新技術(shù)，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(shè)計
2.1 夾具的設(shè)計任務(wù)
本設(shè)計的主要任務(wù)是設(shè)計一個鉸鏈?zhǔn)姐@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(jìn)行固定定位，提高加工精度，使之滿足使用要求。專用夾具設(shè)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(chǎn)類型是大批量生產(chǎn)，結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜，制造精度不高，幾何尺寸也比較大，以及考慮到生產(chǎn)經(jīng)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(jù)設(shè)計要求，可知鉆孔應(yīng)為此零件最后的加工工序，之前已經(jīng)對次毛坯進(jìn)行了一定的粗加工與精加工。在設(shè)計夾具時，應(yīng)該選在好基準(zhǔn)，在保證孔的形狀公差時，還行保準(zhǔn)其位置公差。
2.2 夾具的設(shè)計步驟
（1）明確設(shè)計任務(wù)書與收集設(shè)計材料
夾具設(shè)計的第一步是在已知生產(chǎn)綱領(lǐng)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(shè)計任務(wù)書，對工件進(jìn)行工藝分析。其內(nèi)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(zhǔn)和夾緊表面及所用的機床、刀具、量具等。
其次是根據(jù)設(shè)計任務(wù)書收集有關(guān)材料，如機床的技術(shù)參數(shù)，夾具零部件的國家標(biāo)準(zhǔn)、部頒標(biāo)準(zhǔn)和裝訂標(biāo)準(zhǔn)，各類夾具圖冊、夾具設(shè)計手冊等，還可收集一些同類夾具的設(shè)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(jié)構(gòu)方案與繪制夾具草圖
①確定工件的定位方案，設(shè)計定位裝置。
②確定工件的夾緊方案，設(shè)計夾緊裝置。
③確定對刀或?qū)蚍桨福O(shè)計對刀或?qū)蜓b置。
④確定夾具與機床的連接方式，設(shè)計連接元件及安裝基面。
⑤確定和設(shè)計其它裝置及元件的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)型式及夾具在機床上的安裝方式。
⑦繪制夾具草圖，并標(biāo)注尺寸、公差及技術(shù)要求。
（3）進(jìn)行必要的分析計算
工件的加工精度較高時，應(yīng)進(jìn)行工件加工精度分析。有動力裝置的夾具，需計算夾緊力。當(dāng)有幾種夾具方案時，可進(jìn)行經(jīng)濟分析，選用經(jīng)濟效益較好的方案。
（4）審查方案與改進(jìn)設(shè)計
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反向繪制?？倛D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?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。
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(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[11]。
2.3 鉆床夾具的設(shè)計
初步設(shè)計鉸鏈?zhǔn)姐@模板夾具如圖2.2所示。
圖2.2 鉸鏈?zhǔn)綂A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(zhǔn)并滑進(jìn)定位銷。轉(zhuǎn)動配氣閥手柄26，壓縮空氣進(jìn)入氣缸右側(cè)，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(zhuǎn)鉸鏈鉆摸板9和17。
重復(fù)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(yīng)有足夠的精度，以適應(yīng)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(dǎo)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(yīng)有較好的耐磨性。
（4）工藝性好
定位元件的結(jié)構(gòu)應(yīng)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(wù)是：使同一工序中的一批工件都能在夾具中占據(jù)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(jù)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(nèi)[13]。
該設(shè)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(zhǔn)為夾具的下平面，這就要保證夾具側(cè)壁與地面的垂直度，進(jìn)而保證零件地面與夾具側(cè)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(jù)的正確位置。
（2）夾緊力的大小適當(dāng)，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(chǎn)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(fù)雜程度應(yīng)與工件的生產(chǎn)綱領(lǐng)相適應(yīng)。工件生產(chǎn)批量越大，允許設(shè)計越復(fù)雜、效率越高的夾緊裝置。
（4）工藝性好，使用性好。其結(jié)構(gòu)力求簡單，便于制造和維修。夾緊裝置的操作應(yīng)當(dāng)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(chǎn)效率。因此，設(shè)計夾緊裝置應(yīng)遵循以下原則[15]：
（1）工件不移動原則
夾緊過程中，應(yīng)不改變工件定位后所占據(jù)的正確位置。
（2）工件不變形原則
夾緊力的大小要適當(dāng)，既要保證夾緊可靠，又應(yīng)使工件在夾緊力的作用下不致產(chǎn)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(jìn)行斷續(xù)切削，以及不宜采用氣缸直接壓緊的情況，應(yīng)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(gòu)應(yīng)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(jīng)濟實用原則
夾緊裝置的自動化和復(fù)雜程度應(yīng)與生產(chǎn)綱領(lǐng)相適應(yīng)，在保證生產(chǎn)效率的前提下，其結(jié)構(gòu)應(yīng)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(gòu)：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(chǎn)生的力或人力正確地作用到工件上，需有適當(dāng)?shù)膫鬟f機構(gòu)。在工件夾緊過程中起力的傳遞作用的機構(gòu)，稱為夾緊機構(gòu)[16]。
夾緊機構(gòu)在傳遞力的過程中，能根據(jù)需要改變力的大小、方向和作用點。手動夾具的夾緊機構(gòu)還應(yīng)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(shè)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(shè)計夾緊裝置。根據(jù)題目所需，在畢業(yè)設(shè)計過程中，設(shè)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(jìn)行鉆孔。查設(shè)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(zhì)和鉆削條件決定[19]。
（1）對于鉆Ф8.4mm孔，由文獻(xiàn)查表得安全系數(shù)[20]為：
（2.2）
（2.3）
所以：
(2.4)
(2.5)
取：
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(jù)工件受切削力、夾緊力（大型工件還應(yīng)考慮工件重力，運動的工件還應(yīng)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(zhì)
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(zhuǎn)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?jǐn)U（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(jù)所設(shè)計鉆模板，對工件受力進(jìn)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(jìn)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(dāng)Fx與W方向相反時，鉆削力的分量會與夾緊力相反，此時應(yīng)最為危險，因此對圖2.3列力的平衡關(guān)系式：
（2.9）
其中：f——摩擦系數(shù)；
a——Fx對應(yīng)的力臂；
b——Fy對應(yīng)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(jù)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(jù)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(jù)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(gòu)設(shè)計
對于加緊機構(gòu)，設(shè)計了兩種加緊機構(gòu)，下面對兩種加緊機構(gòu)進(jìn)行對比。如圖2.4所示，為第一種加緊機構(gòu)：
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?zhǔn)姐@
在實際使用時工件孔以定位銷1定位。旋轉(zhuǎn)手柄6使壓板5繞支點4回轉(zhuǎn)，而將工件的下部壓緊在定位釘7上。當(dāng)鉆完孔再攻螺紋時應(yīng)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?zhǔn)綂A具鉆模板：
圖2.5 鉸鏈?zhǔn)綂A具鉆模板
專用鉸鏈?zhǔn)姐@模如圖2.5所示，可將軸承蓋板固定在鉆模當(dāng)中，翻轉(zhuǎn)兩個鉸鏈?zhǔn)姐@模壓緊之后，可以同時對多個鉆孔進(jìn)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(jìn)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(zhǔn)并滑進(jìn)定位銷。轉(zhuǎn)動配氣閥手柄26，壓縮空氣進(jìn)入氣缸右側(cè)，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(zhuǎn)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(chǎn)
方案一
加工時蓋在工件上定位
結(jié)構(gòu)簡單，夾緊力不大
低
低
生產(chǎn)周期長
生產(chǎn)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(chǎn)周期短
大批量
考慮到汽車變速箱上蓋是大量生產(chǎn)，并且夾緊力又比較大，因此選擇方案二，即鉸鏈?zhǔn)綂A具鉆模板。
3 鉆床夾具體及夾具零件的設(shè)計
3.1 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)奈恢镁取?
為使夾具體尺寸穩(wěn)定，鑄造夾具體要進(jìn)行時效處理，焊接和鍛造夾具體要進(jìn)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(chǎn)生變形和振動，夾具體應(yīng)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(shè)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(jié)構(gòu)工藝性好
夾具體應(yīng)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(yīng)鑄出凸臺，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，分為開式結(jié)構(gòu)、半開式結(jié)構(gòu)、框架式結(jié)構(gòu)等。
（4）排屑方便
切屑多時，夾具體上應(yīng)考慮排屑結(jié)構(gòu)?？梢栽趭A具體開排屑槽、在夾具體下部設(shè)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(yīng)表面的接觸或配合實現(xiàn)的。當(dāng)夾具在機床工作臺上安裝時，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床的工作臺面接觸良好。接觸邊或支腳的寬度應(yīng)大于機床工作臺梯形槽的寬度，應(yīng)一次加工出來，并保證一定的平面精度；當(dāng)夾具在機床主軸上安裝時，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[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(fù)雜形狀，具有較好的抗壓強度、剛度和抗振性，但生產(chǎn)周期長，需進(jìn)行時效處理，以消除內(nèi)應(yīng)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(yīng)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(chǎn)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(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
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(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(jìn)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(yīng)力的零件（彎曲應(yīng)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(zhì)[26]。
3.3 夾具鉆模板以及鉆套的設(shè)計
3.3.1 夾具鉆模板設(shè)計
鉆模板結(jié)構(gòu)形式的選擇：在設(shè)計鉆模板的結(jié)構(gòu)時，主要要根據(jù)工件的外形大小、加工部位、結(jié)構(gòu)特點和生產(chǎn)規(guī)模以及機床類型等條件而定。要求所設(shè)計的鉆模板結(jié)構(gòu)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?zhǔn)健⒖尚妒?、懸掛式等四種結(jié)構(gòu)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?zhǔn)姐@模板
鉸鏈?zhǔn)姐@模板與夾具體通過鉸鏈連接。翻轉(zhuǎn)：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?zhǔn)姐@模板，工件可以在夾具上方裝入，裝卸工件方便；但翻轉(zhuǎn)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(chǎn)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(chǎn)效率高，適于在大批量生產(chǎn)中應(yīng)用[27]。
3.3.2 夾具鉆套設(shè)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(jù)使用特點，鉆套可分為固定式，可換式，快換式等多種結(jié)構(gòu)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(dǎo)長度，應(yīng)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(chǎn)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(dāng)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(zhuǎn)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(jìn)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(dǎo)刀具，此時應(yīng)使用快換鉆套（如圖3.3）。更換鉆套時，只需逆時針轉(zhuǎn)動鉆套使削邊平面轉(zhuǎn)至螺釘位置，即可向上快速取出鉆套。削邊的方向應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)鉆套時，需自行設(shè)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(dǎo)高度H以上的孔徑放大，鉆套的高度H增大，則導(dǎo)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(shè)計
圖3.5 鉆模板和鉆套的設(shè)計
該夾具用于零件的大批量生產(chǎn)，在鉆孔的過程中，鉆套經(jīng)常發(fā)生磨損，如果設(shè)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(dāng)單一鉆孔、大批量生產(chǎn)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(chǎn)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(shè)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(dāng)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(jìn)行固定。因為螺釘固定有空隙會產(chǎn)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(jìn)行固定，使鉆模板與夾具體緊密結(jié)合，避免加工時螺釘松動產(chǎn)生誤差，影響加工[30]。
對于此鉸鏈鉆模板，尺寸的確定與機構(gòu)的設(shè)計是實現(xiàn)其具體設(shè)計的重要一個環(huán)節(jié)。對于尺寸的確定，應(yīng)該根據(jù)具體加工的零件進(jìn)行確定，同時，根據(jù)受力的大小進(jìn)行校核。
在對零件的受力進(jìn)行校核時，使用有限元軟件Ansys Workbench進(jìn)行分析。
3.4底座的尺寸確定及機構(gòu)設(shè)計
對于所設(shè)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(shè)計如圖3.6所示：
圖3.6 底座設(shè)計圖
底座的主要尺寸應(yīng)根據(jù)所加工零件的尺寸進(jìn)行設(shè)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(jīng)計算出加工此種零件所需的夾緊力，因此，這里應(yīng)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(jìn)行計算。
在使用有限元軟件進(jìn)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(dǎo)入有限元軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，之后施加邊界條件進(jìn)行求解。這里我們已經(jīng)建好了三維模型，直接導(dǎo)入軟件進(jìn)行分析。圖3.6為導(dǎo)入有限元分析軟件后的模型。
圖3.6 底座導(dǎo)入有限元軟件
接下來，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
圖3.7 網(wǎng)格劃分結(jié)果
圖3.7為網(wǎng)格劃分結(jié)果，在劃分網(wǎng)格的時候，可以調(diào)節(jié)網(wǎng)格的大小來滿足不同的精度要求。
劃分完網(wǎng)格后，可以對模型進(jìn)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(yīng)該根據(jù)實際情況進(jìn)行分析。在具體操作時，這里將底面進(jìn)行固定處理，將側(cè)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(yīng)該關(guān)心零件的應(yīng)力是否超出材料的許用應(yīng)力，變形是否滿足使用條件。圖3.9為零件的應(yīng)力云圖，圖3.10為零件的位移圖。
圖3.9 應(yīng)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(yīng)力為0.879MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，最大變形為0.002mm，也能夠滿足我們的使用要求，因此設(shè)計合理。
3.5壓緊氣缸及其相應(yīng)支撐零件的設(shè)計
壓緊氣缸及其相應(yīng)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(jìn)行分析設(shè)計。因分析步驟與分析底座時相同，這里不再重復(fù)敘述，只顯示最終分析結(jié)果。
圖3.11 壓緊氣缸及其相應(yīng)支撐零件導(dǎo)入有限元分析軟件
圖3.12 壓緊氣缸網(wǎng)格劃分結(jié)果
圖3.13 應(yīng)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(yīng)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(shè)計
設(shè)計完底座與壓緊氣缸之后，需要受力分析的零件基本結(jié)束。其余的零件不需要對零件的強度進(jìn)行校核，只需要滿足其使用要求即可。對于鉸鏈鉆模的設(shè)計，應(yīng)該與加工零件的孔相適應(yīng)。具體設(shè)計已經(jīng)在前文中敘述，并在第六節(jié)進(jìn)行了誤差分析，這里也不再重復(fù)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(jù)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(zhǔn)與工序基準(zhǔn)不重合，由此產(chǎn)生基準(zhǔn)不重合誤差；二是定位基準(zhǔn)與限位基準(zhǔn)不重合，由此產(chǎn)生基準(zhǔn)位移誤差。
由于定位基準(zhǔn)與工序基準(zhǔn)不重合以及定位基準(zhǔn)與限位基準(zhǔn)不重合是造成定位誤差的原因，因此，定位誤差是基準(zhǔn)不重合誤差與基準(zhǔn)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(zhǔn)不在定位基面上（工序基準(zhǔn)與定位基面為兩個獨立的表面），即與無相關(guān)公共變量，則=+。
若工序基準(zhǔn)在定位基面上，即與有相關(guān)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(zhǔn)）與（或工序基準(zhǔn)）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(jìn)行機械加工時，其工藝系統(tǒng)中影響工件加工精度有關(guān)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(dǎo)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?zhǔn)綂A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(jīng)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(zhǔn)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(jù)圖4.1和圖4.2可知，第一基準(zhǔn)A面。
對于鉆Φ10孔：
定位基準(zhǔn)A面；限位基準(zhǔn)A面；工序基準(zhǔn)A面。
（4.1）
對于鉆Φ8.4孔：
定位基準(zhǔn)A面；限位基準(zhǔn)A面；工序基準(zhǔn)A面。
（4.2）
（2）對刀誤差
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。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(dǎo)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(dǎo)向尺寸為，鉆頭尺寸為。
鉆Φ8.4孔
鉆套導(dǎo)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?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。夾具誤差主要包括定位元件相對于安裝基準(zhǔn)的尺寸或位置誤差；定位元件相對于對刀或?qū)蛟ò瑢?dǎo)向元件之間）的尺寸或位置誤差；導(dǎo)向元件相對于安裝基準(zhǔn)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(jù)經(jīng)驗為它留出工件公差的1/3計算時可設(shè)