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南京工程學院
畢業(yè)設計任務書
機械工程 學院 機械設計制造及其自動化（流體傳動）專業(yè)
設 計 題 目 A型齒輪油泵泵體安裝板底面銑夾具3D設計
學 生 姓 名 顧家明
班 級 流體傳動 111
起 止 日 期 2015.3.2～2012.6.12
指 導 教 師 郝維春
教研室主任 高培川
發(fā)任務書日期 2015 年 1 月 16 日
1.畢業(yè)設計的原始數據：
零件圖；
生產綱領：1萬件/年；兩班制；
夾具夾緊方式不限。
2.畢業(yè)設計(論文)的內容和要求(包括技術要求、圖表要求以及工作要求等)：
熟悉課題要求，收集、閱讀、翻譯有關資料；
擬定方案，比較方案，確定方案；
繪制夾具裝配圖；
繪制夾具零件3D圖；
繪制夾具3D裝配圖；
繪制主要零件圖，編寫設計說明書。
3.畢業(yè)設計應完成的技術文件：
開題報告；論文摘要（中、英文）；譯文；
夾具圖總裝圖（約1張零號）；
主要零件圖等（約0.15～2張零號）；
夾具3D裝配圖（約0.5～1張零號）；
設計說明書1.5萬字以上（計算機打?。?。
4.主要參考文獻：
機械制造工藝人員設計手冊
夾具設計手冊
夾具設計圖冊
工程師設計手冊
機械零件設計手冊
機械加工工藝手冊及典型零件工藝圖冊
5.畢業(yè)設計(論文)進度計劃(以周為單位)：
起 止 日 期
工 作 內 容
備 注
第1周
第2周
第3-4周
第5周
第6周
第7-8周
第9周
第10-11周
第12周
第13周
第14周
第15周
布置課題，熟悉課題、查閱資料
研讀課題相關資料，撰寫開題報告
開題、查閱翻譯資料
完成開題報告和資料翻譯
擬定零件加工工序
繪制夾具裝配圖
繪制主要零件圖
繪制零件3D圖
繪制夾具裝配3D圖
編寫中英文摘要
編寫設計說明書，打印圖紙、文檔
答辯
教研室審查意見：
室主任
年 月 日
院部審查意見：
教學院長
年 月 日
夾具夾緊力的優(yōu)化及對工件定位精度的影響
B.Li 和 S.N.Mellkote
布什伍德拉夫機械工程學院，佐治亞理工學院，格魯吉亞，美國研究所
由于夾緊和加工，在工件和夾具的接觸部位會產生局部彈性變形，使工件尺寸發(fā)生變化，進而影響工件的最終加工質量。這種效應可通過最小化夾具設計優(yōu)化，夾緊力是一個重要的設計變量，可以得到優(yōu)化，以減少工件的位移。本文提出了一種確定多夾緊夾具受到準靜態(tài)加工部位的最佳夾緊力的新方法。該方法采用彈性接觸力學模型代表夾具與工件接觸，并涉及制定和解決方案的多目標優(yōu)化模型的約束。夾緊力的最優(yōu)化對工件定位精度的影響通過3-2-1式銑夾具的例子進行了分析。
關鍵詞：彈性 接觸 模型 夾具 夾緊力 優(yōu)化
前言
定位和夾緊的工件加工中的兩個關鍵因素。要實現夾具的這些功能，需將工件定位到一個合適的基準上并夾緊，采用的夾緊力必須足夠大，以抑制工件在加工過程中產生的移動。然而，過度的夾緊力可誘導工件產生更大的彈性變形 ，這會影響它的位置精度，并反過來影響零件質量。所以有必要確定最佳夾緊力，來減小由于彈性變形對工件的定位誤差，同時滿足加工的要求。在夾具分析和綜合領域上的研究人員使用了有限元模型的方法或剛體模型的方法。大量的工作都以有限元方法為基礎被報道[參考文獻1-8]。隨著得墨忒耳[8]，這種方法的限制是需要較大的模型和計算成本。同時，多數的有限元基礎研究人員一直重點關注的夾具布局優(yōu)化和夾緊力的優(yōu)化還沒有得到充分討論，也有少數的研究人員通過對剛性模型[9-11]對夾緊力進行了優(yōu)化，剛型模型幾乎被近似為一個規(guī)則完整的形狀。得墨忒耳[12，13]用螺釘理論解決的最低夾緊力，總的問題是制定一個線性規(guī)劃，其目的是盡量減少在每個定位點調整夾緊力強度的法線接觸力。接觸摩擦力的影響被忽視，因為它較法線接觸力相對較小，由于這種方法是基于剛體假設，獨特的三維夾具可以處理超過6個自由度的裝夾，復和倪[14]也提出迭代搜索方法，通過假設已知摩擦力的方向來推導計算最小夾緊力，該剛體分析的主要限制因素是當出現六個以上的接觸力是使其靜力不確定，因此，這種方法無法確定工件移位的唯一性。
這種限制可以通過計算夾具——工件系統(tǒng)[15]的彈性來克服，對于一個相對嚴格的工件，該夾具在機械加工工件的位置會受夾具點的局部彈性變形的強烈影響。Hockenberger和得墨忒耳[16]使用經驗的接觸力變形的關系（稱為元功能），解決由于夾緊和準靜態(tài)加工力工件剛體位移。同一作者還考察了加工工件夾具位移對設計參數的影響[17]。桂 [18] 等 通過工件的夾緊力的優(yōu)化定位精度彈性接觸模型對報告做了改善，然而，他們沒有處理計算夾具與工件的接觸剛度的方法，此外，其算法的應用沒有討論機械加工刀具路徑負載有限序列。李和Melkote [19]和烏爾塔多和Melkote [20]用接觸力學解決由于在加載夾具夾緊點彈性變形產生的接觸力和工件的位移，他們還使用此方法制定了優(yōu)化方法夾具布局[21]和夾緊力[22]。但是，關于multiclamp系統(tǒng)及其對工件精度影響的夾緊力的優(yōu)化并沒有在這些文件中提到 。
本文提出了一種新的算法，確定了multiclamp夾具工件系統(tǒng)受到準靜態(tài)加載的最佳夾緊力為基礎的彈性方法。該法旨在盡量減少影響由于工件夾緊位移和加工荷載通過系統(tǒng)優(yōu)化夾緊力的一部分定位精度。接觸力學模型，用于確定接觸力和位移，然后再用做夾緊力優(yōu)化，這個問題被作為多目標約束優(yōu)化問題提出和解決。通過兩個例子分析工件夾緊力的優(yōu)化對定位精度的影響，例子涉及的銑削夾具3-2-1布局。
1． 夾具——工件聯(lián)系模型
1．1 模型假設
該加工夾具由L定位器和帶有球形端的c形夾組成。工件和夾具接觸的地方是線性的彈性接觸，其他地方完全剛性。工件——夾具系統(tǒng)由于夾緊和加工受到準靜態(tài)負載。夾緊力可假定為在加工過程中保持不變，這個假設是有效的，在對液壓或氣動夾具使用。在實際中，夾具工件接觸區(qū)域是彈性分布，然而，這種模式的發(fā)展，假設總觸剛度（見圖1）第i夾具接觸力局部變形如下：
(1) 其中（j=x，y，z）表示，在當地子坐標系切線和法線方向的接觸剛度
第 19 頁 共 15 頁
圖1 彈簧夾具——
工件接觸模型。
表示在第i個
接觸處的坐標系
（j=x，y，z）是對應沿著xyz方向的彈性變形，分別 （j= x，y，z）的代表和切向力接觸 ，法線力接觸。
1．2 工件——夾具的接觸剛度模型
集中遵守一個球形尖端定位，夾具和工件的接觸并不是線性的，因為接觸半徑與隨法線力呈非線性變化 [23]。由于法線力接觸變形作用于半徑和平面工件表面之間，這可從封閉赫茲的辦法解決縮進一個球體彈性半空間的問題。對于這個問題， 是法線的變形，在[文獻23 第93頁]中給出如下：
（2）
其中式中 和是工件和夾具的彈性模量，、分別是工件和材料的泊松比。
切向變形沿著和切線方向）硅業(yè)切力距有以下形式[文獻23第217頁]
（3）
其中、 分別是工件和夾具剪切模量
一個合理的接觸剛度的線性可以近似從最小二乘獲得適合式 （2），這就產生了以下線性化接觸剛度值：在計算上述的線性近似，
（4）
(5)
正常的力被假定為從0到1000N，且最小二乘擬合相應的R2值認定是0.94。
2．夾緊力優(yōu)化
我們的目標是確定最優(yōu)夾緊力，將盡量減少由于工件剛體運動過程中，局部的夾緊和加工負荷引起的彈性變形，同時保持在準靜態(tài)加工過程中夾具——工件系統(tǒng)平衡，工件的位移減少，從而減少定位誤差。實現這個目標是通過制定一個多目標約束優(yōu)化問題的問題，如下描述。
2.1 目標函數配方
工件旋轉，由于部隊輪換往往是相當小[17]的工件定位誤差假設為確定其剛體翻譯基本上，其中 、、和 是 沿，和三個正交組件（見圖2）。
圖2 工件剛體平移和旋轉
工件的定位誤差歸于裝夾力，然后可以在該剛體位移的范數計算如下：
（6）
其中表示一個向量二級標準。
但是作用在工件的夾緊力會影響定位誤差。當多個夾緊力作用于工件，由此產生的夾緊力為,有如下形式：
（7）
其中夾緊力是矢量，夾緊力的方向矩陣，是夾緊力是矢量的方向余弦，、和 是第i個夾緊點夾緊力在、和方向上的向量角度（i=1、2、3...,C）。
在這個文件中，由于接觸區(qū)變形造成的工件的定位誤差，被假定為受的作用力是法線的，接觸的摩擦力相對較小，并在進行分析時忽略了加緊力對工件的定位誤差的影響。意指正常接觸剛度比，是通過（i=1，2…L）和最小的所有定位器正常剛度相乘，并假設工件、、取決于、、的方向，各自的等效接觸剛度可有下式計算得出（見圖3），工件剛體運動，歸于夾緊行動現在可以寫成：
(8)
工件有位移，因此，定位誤差的減小可以通過盡量減少產生的夾緊力向量 范數。因此，第一個目標函數可以寫為：
最小化 （9）
要注意，加權因素是與等效接觸剛度成正比的在、和 方向上。通過使用最低總能量互補參考文獻[15，23]的原則求解彈性力學接觸問題得出A的組成部分是唯一確定的，這保證了夾緊力和相應的定位反應是“真正的”解決方案，對接觸問題和產生的“真正”剛體位移，而且工件保持在靜態(tài)平衡，通過夾緊力的隨時調整。因此，總能量最小化的形式為補充的夾緊力優(yōu)化的第二個目標函數，并給出：
最小化 （10）
其中代表機構的彈性變形應變能互補，代表由外部力量和力矩配合完成，是遵守對角矩陣的， 和是所有接觸力的載體。
如圖3 加權系數計算確定的基礎
內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計（外文翻譯）
2.2 摩擦和靜態(tài)平衡約束
在（10）式優(yōu)化的目標受到一定的限制和約束，他們中最重要的是在每個接觸處的靜摩擦力約束。庫侖摩擦力的法律規(guī)定（是靜態(tài)摩擦系數）,這方面的一個非線性約束和線性化版本可以使用，并且[19]有：
（11）
假設準靜態(tài)載荷，工件的靜力平衡由下列力和力矩平衡方程確保（向量形式）：
(12)
其中包括在法線和切線方向的力和力矩的機械加工力和工件重量。
2.3界接觸力
由于夾具——工件接觸是單側面的，法線的接觸力只能被壓縮。這通過以下的的約束表（i=1，2…,L+C） （13）
它假設在工件上的法線力是確定的，此外，在一個法線的接觸壓力不能超過壓工件材料的屈服強度（）。這個約束可寫為：
（i=1，2，…,L+C） (14)
如果是在第i個工件——夾具的接觸處的接觸面積，完整的夾緊力優(yōu)化模型，可以寫成：最小化 (15)
3．模型算法求解
式（15）多目標優(yōu)化問題可以通過求解約束[24]。這種方法將確定的目標作為首要職能之一，并將其轉換成一個約束對。該補充（）的主要目的是處理功能，并由此得到夾緊力（）作為約束的加權范數最小化。對為主要目標的選擇，確保選中一套獨特可行的夾緊力，因此，工件——夾具系統(tǒng)驅動到一個穩(wěn)定的狀態(tài)（即最低能量狀態(tài)），此狀態(tài)也表示有最小的夾緊力下的加權范數。 的約束轉換涉及到一個指定的加權范數小于或等于，其中是 的約束，假設最初所有夾緊力不明確，要確定一個合適的。在定位和夾緊點的接觸力的計算只考慮第一個目標函數（即）。雖然有這樣的接觸力，并不一定產生最低的夾緊力，這是一個“真正的”可行的解決彈性力學問題辦法，可完全抑制工件在夾具中的位置。這些夾緊力的加權系數，通過計算并作為初始值與比較，因此，夾緊力式（15）的優(yōu)化問題可改寫為:
最小化 （16）
由： (11)–(14) 得。
類似的算法尋找一個方程根的二分法來確定最低的上的約束, 通過盡可能降低上限，由此產生的最小夾緊力的加權范數。 迭代次數K，終止搜索取決于所需的預測精度和，有參考文獻[15]：
（17）
其中表示上限的功能，完整的算法在如圖4中給出。
圖4 夾緊力的優(yōu)化算法（在示例1中使用）。 圖5 該算法在示例2使用
4． 加工過程中的夾緊力的優(yōu)化及測定
上一節(jié)介紹的算法可用于確定單負載作用于工件的載體的最佳夾緊力，然而，刀具路徑隨磨削量和切割點的不斷變化而變化。因此，相應的夾緊力和最佳的加工負荷獲得將由圖4算法獲得，這大大增加了計算負擔，并要求為選擇的夾緊力提供標準， 將獲得滿意和適宜的整個刀具軌跡 ，用保守的辦法來解決下面將被討論的問題，考慮一個有限的數目（例如m）沿相應的刀具路徑設置的產生m個最佳夾緊力，選擇記為， ， …,在每個采樣點，考慮以下四個最壞加工負荷向量：
(18)、和表示在、和方向上的最大值，、和上的數字1，2，3分別代替對應的和另外兩個正交切削分力，而且有：
雖然4個最壞情況加工負荷向量不會在工件加工的同一時刻出現，但在每次常規(guī)的進給速度中，刀具旋轉一次出現一次，負載向量引入的誤差可忽略。因此，在這項工作中，四個載體負載適用于同一位置，（但不是同時）對工件進行的采樣 ，夾緊力的優(yōu)化算法圖4，對應于每個采樣點計算最佳的夾緊力。夾緊力的最佳形式有：
(i=1,2,…,m) (j=x,y z,r) (19)
其中是最佳夾緊力的四個情況下的加工負荷載體，(C=1，2，…C)是每個相應的夾具在第i個樣本點和第j負荷情況下力的大小。是計算每個負載點之后的結果，一套簡單的“最佳”夾緊力必須從所有的樣本點和裝載條件里發(fā)現，并在所有的最佳夾緊力中選擇。這是通過在所有負載情況和采樣點排序，并選擇夾緊點的最高值的最佳的夾緊力，見于式 （20）：
（k=1，2，…，C） （20）
只要這些具備，就得到一套優(yōu)化的夾緊力，驗證這些力，以確保工件夾具系統(tǒng)的靜態(tài)平衡。否則，會出現更多采樣點和重復上述程序。在這種方式中，可為整個刀具路徑確定“最佳”夾緊力 ，圖5總結了剛才所描述的算法。請注意，雖然這種方法是保守的，它提供了一個確定的夾緊力，最大限度地減少工件的定位誤差的一套系統(tǒng)方法。
5．影響工件的定位精度
它的興趣在于最早提出了評價夾緊力的算法對工件的定位精度的影響。工件首先放在與夾具接觸的基板上，然后夾緊力使工件接觸到夾具，因此，局部變形發(fā)生在每個工件夾具接觸處，使工件在夾具上移位和旋轉。隨后，準靜態(tài)加工負荷應用造成工件在夾具的移位。工件剛體運動的定義是由它在、和方向上的移位和自轉（見圖2），
如前所述，工件剛體位移產生于在每個夾緊處的局部變形，假設為相對于工件的質量中心的第i個位置矢量定位點，坐標變換定理可以用來表達在工件的位移，以及工件自轉如下: (21)
其中表示旋轉矩陣,描述當地在第i幀相聯(lián)系的全球坐標系和是一個旋轉矩陣確定工件相對于全球的坐標系的定位坐標系。假設夾具夾緊工件旋轉，由于旋轉很小，故也可近似為：
（22）
方程（21）現在可以改寫為： （23）
其中是經方程（21）重新編排后變換得到的矩陣式，是夾緊和加工導致的工件剛體運動矢量。工件與夾具單方面接觸性質意味著工件與夾具接觸處沒有拉力的可能。因此，在第i裝夾點接觸力可能與的關系如下：
（24）
其中是在第i個接觸點由于夾緊和加工負荷造成的變形，意味著凈壓縮變形，而負數則代表拉伸變形; 是表示在本地坐標系第i個接觸剛度矩陣，是單位向量. 在這項研究中假定液壓/氣動夾具，根據對外加工負荷，故在法線方向的夾緊力的強度保持不變，因此，必須對方程（24）的夾緊點進行修改為：
（25）
其中是在第i個夾緊點的夾緊力，讓表示一個對外加工力量和載體的6×1矢量。并結合方程（23）—（25）與靜態(tài)平衡方程，得到下面的方程組：
（26）
其中，其中表示相乘。由于夾緊和加工工件剛體移動，q可通過求解式（26）得到。工件的定位誤差向量， （見圖6），
現在可以計算如下： （27）
其中是考慮工件中心加工點的位置向量，且
6．模擬工作
較早前提出的算法是用來確定最佳夾緊力及其對兩例工件精度的影響例如：
1．適用于工件單點力。
2．應用于工件負載準靜態(tài)銑削序列
如左圖7 工件夾具配置中使用的模擬研究 工件夾具定位聯(lián)系; 、和全球坐標系。
3-2-1夾具圖7所示，是用來定位并控制7075 - T6鋁合金（127毫米×127毫米×38.1毫米）的柱狀塊。假定為球形布局傾斜硬鋼定位器/夾具在表1中給出。工件——夾具材料的摩擦靜電對系數為0.25。使用伊利諾伊大學開發(fā)EMSIM程序[參考文獻26] 對加工瞬時銑削力條件進行了計算，如表2給出例（1），應用工件在點（109.2毫米，25.4毫米，34.3毫米）瞬時加工力，圖4中表3和表4列出了初級夾緊力和最佳夾緊力的算法 。該算法如圖5所示 ，一個25.4毫米銑槽使用EMSIM進行了數值模擬，以減少起步（0.0毫米，25.4毫米，34.3毫米）和結束時（127.0毫米，25.4毫米，34.3毫米）四種情況下加工負荷載體，
（見圖8）。模擬計算銑削力數據在表5中給出。
圖8最終銑削過程模擬例如2。
表6中5個坐標列出了為模擬抽樣調查點。最佳夾緊力是用前面討論過的排序算法計算每個采樣點和負載載體最后的夾緊力和負載。
7．結果與討論
例如算法1的繪制最佳夾緊力收斂圖9，
圖9
對于固定夾緊裝置在圖示例假設（見圖7），由此得到的夾緊力加權范數有如下形式：.結果表明，最佳夾緊力所述加工條件下有比初步夾緊力強度低得多的加權范數，最初的夾緊力是通過減少工件的夾具系統(tǒng)補充能量算法獲得。由于夾緊力和負載造成的工件的定位誤差，如表7。結果表明工件旋轉小，加工點減少錯誤從13.1％到14.6％不等。在這種情況下，所有加工條件改善不是很大，因為從最初通過互補勢能確定的最小化的夾緊力值已接近最佳夾緊力。圖5算法是用第二例在一個序列應用于銑削負載到工件，他應用于工件銑削負載一個序列。最佳的夾緊力，，對應列表6每個樣本點，隨著最后的最佳夾緊力，在每個采樣點的加權范數和最優(yōu)的初始夾緊力繪圖10，在每個采樣點的加權范數的，，和繪制。
結果表明，由于每個組成部分是各相應的最大夾緊力，它具有最高的加權范數。如圖10所示，如果在每個夾緊點最大組成部分是用于確定初步夾緊力，則夾緊力需相應設置，有比相當大的加權范數。故是一個完整的刀具路徑改進方案。上述模擬結果表明，該方法可用于優(yōu)化夾緊力相對于初始夾緊力的強度，這種做法將減少所造成的夾緊力的加權范數，因此將提高工件的定位精度。
圖10
8．結論
該文件提出了關于確定多鉗夾具，工件受準靜態(tài)加載系統(tǒng)的優(yōu)化加工夾緊力的新方法。夾緊力的優(yōu)化算法是基于接觸力學的夾具與工件系統(tǒng)模型，并尋求盡量減少應用到所造成的工件夾緊力的加權范數，得出工件的定位誤差。該整體模型，制定一個雙目標約束優(yōu)化問題，使用-約束的方法解決。該算法通過兩個模擬表明，涉及3-2-1型，二夾銑夾具的例子。今后的工作將解決在動態(tài)負載存在夾具與工件在系統(tǒng)的優(yōu)化，其中慣性，剛度和阻尼效應在確定工件夾具系統(tǒng)的響應特性具有重要作用。
9．參考資料：
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2、W. Cai, S. J. Hu 和J. X. Yuan .“柔性鈑金夾具：原理，算法和模擬”，交易美國ASME，制造科學與工程雜志 ：1996 318-324頁。
3、P. Chandra, S. M. Athavale, R. E. DeVor 和S. G. Kapoor.“負載對表面平整度的影響”工件夾具制造科學研討會論文集1996，第一卷：146-152頁。
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5、A. J. C. Trappey, C. Su 和J. Hou.《計算機輔助夾具分析中的應用有限元分析和數學優(yōu)化模型》， 1995 ASME程序，MED： 777-787頁。
6、 S. N. Melkote, S. M. Athavale, R. E. DeVor, S. G. Kapoor 和J. Burkey .“基于加工過程仿真的加工裝置作用力系統(tǒng)研究”， NAMRI/SME：207–214頁, 1995
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9、Y.-C. Chou, V. Chandru, M. M. Barash .《加工夾具機械構造的數學算法：分析和合成》，美國ASME，工程學報工業(yè)“：1989 299-306頁。
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11、S. Jeng, L. Chen 和W. Chieng.“最小夾緊力分析”，國際機床制造，碩士論文 1995年。
12、E. C. DeMeter.《加工夾具的性能的最小——最大負荷標準》 美國ASME，工業(yè)工程雜志 ：1994
13、E. C. DeMeter .《加工夾具最大負荷的性能優(yōu)化模型》 美國ASME，工業(yè)工程雜志 1995。
14、JH復和AYC倪.“核查和工件夾持的夾具設計”方案優(yōu)化，設計和制造，4，碩士論文： 307-318，1994。
15、T. H. Richards、埃利斯 霍伍德.1977,《應力能量方法分析》，1977。
16、M. J. Hockenberger and E. C. DeMeter. 對工件準靜態(tài)分析功能位移在加工夾具的應用程序，制造科學雜志與工程： 325–331頁, 1996。
南 京 工 程 學 院
畢業(yè)設計說明書(論文)
作 者： 學 號：
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專 業(yè)：
題 目：A型齒輪油泵泵體安裝板
底面銑夾具3D設計
指導者：
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評閱者：
(姓 名) (專業(yè)技術職務) 注：打印時刪除
注：
20 年 月 南 京
II
南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文）
畢業(yè)設計說明書（論文）中文摘要
A型齒輪油泵泵體零件加工工藝及夾具設計是包括零件加工的工藝設計、工序設計以及專用夾具的設計三部分。在工藝設計中要首先對零件進行分析，了解零件的工藝再設計出毛坯的結構，并選擇好零件的加工基準，設計出零件的工藝路線；接著對零件各個工步的工序進行尺寸計算，關鍵是決定出各個工序的工藝裝備及切削用量；然后進行專用夾具的設計，選擇設計出夾具的各個組成部件，如定位元件、夾緊元件、引導元件、夾具體與機床的連接部件以及其它部件；計算出夾具定位時產生的定位誤差，分析夾具結構的合理性與不足之處，并在以后設計中注意改進。
關鍵詞 工藝，工序，切削用量，夾緊，定位，誤差
南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文）
畢業(yè)設計說明書（論文）外文摘要
Title A type gear pump mounting plate bottom milling fixture design 3D
Abstract
Disc type parts processing technology and fixture design is the design of process design, including the parts processing process design and the three part special fixture. In the process of design should first of all parts to analyze, understand parts of the process and then design a blank structure, and choose the good parts of the machining datum, designs the process routes of the parts; then the parts each step process dimension calculation, the key is to determine the process equipment and cutting the amount of each working procedure design; then a special fixture, fixture for the various components of a design, such as the connecting part positioning device, clamping element, a guide element, clamp and the machine tool and other components; the positioning error caused calculate fixture when positioning, analysis of the rationality and deficiency of fixture structure, pay attention to improving and will design in.
Keywords process, process, cutting, clamping, positioning, error
目 錄
第1章 緒 論 1
1.1 夾具設計目的與意義 1
1.2 專用夾具設計的國內外現狀 2
1.2.1 國內專用技術應用及現狀 2
1.2.2 專用工藝在國外的發(fā)展狀況 3
1.3 專用夾具設計的發(fā)展趨勢 4
第2章 專用夾具的設計 6
2.1 銑床專用夾具的主要類型 6
2.2 銑床專用夾具的設計要點 6
2.3 夾緊裝置 7
2.4 專用夾具的基準選擇 7
2.5 機床夾具的概述 8
2.5.1 機床夾具的種類 8
2.5.2 機床夾具的組成 8
2.6 銑床夾具的分類 9
2.7 銑削專用夾具的設計要點 9
2.8 銑床夾具的安裝 9
2.9 工件的定位與誤差分析 10
2.9.1 工件定位的基本原理 10
2.9.2 定位方法與定位元件 11
2.9.3 工件的誤差分析 12
2.9.4 定位誤差產生的原因 12
2.10 夾緊裝置 13
2.10.1夾緊裝置的組成 13
2.10.2 對夾緊裝置的基本要求 13
2.10.3 夾緊力的確定 14
2.10.4 夾緊力大小計算 14
第3章 銑削安裝板底面精加工工序專用夾具的設計 16
3.1 明確設計任務，了解零件加工工藝過程 16
3.1.1 熟悉工件零件圖、本工序加工要求 16
3.1.2 熟悉零件加工工藝過程 16
3.2 確定定位方案 16
3.2.1 基準的選擇 16
3.2.2 確定定位夾緊方案 17
3.2.3 定位元件的選擇及設計 17
3.3 定位誤差的計算與分析 18
3.4 計算切削力及實際所需的夾緊力 19
3.5 設計夾緊機構并驗算機構所能產生的夾緊力 21
3.6 主要元件的設計與建模 22
3.7 對刀元件及夾具體 23
第4章 夾具圖的繪制 24
4.1 工序圖 24
4.2 夾具體零件圖 24
4.3 繪制夾具裝配總圖 24
4.4 標注總圖上的尺寸、公差與配合和技術條件 25
4.4.1 標注尺寸、公差與配合 25
4.4.2制訂技術條件 25
4.5 三維裝配圖SOLIDWORKS建模 26
第5章 夾具工作精度分析 30
5.1 位置尺寸700.10 30
5.2平面度允差0.2mm 30
結論 31
致謝 32
參考文獻 33
V
第1章 緒 論
1.1 夾具設計目的與意義
夾具是機械制造廠里的一種工藝裝備，機床夾具就是機床上用以裝夾工件的一種裝置，它使得工件相對于刀具或機床活動正確的位置，并在加工過程中不因外力的影響而變動。廣義的說夾具一種保證加工質量并能加速工藝過程的一種工藝裝備，而在機械制造領域中，機床夾具作為機床的一種輔助設備，用以對工件的定位和夾緊，其數量和種類很多，顯得相當重要。
機械制造離不開金屬切削機床，對于切削機床，機床夾具是保證機械加工質量、提高生產效率、降低生產成本、減輕勞動強度、降低對工人技術的過高要求、實現生產過程自動化不可或缺的重要工藝裝備之一。雖然各種數控機床和加工中心等，高度智能化的加工設備已經在我國各個生產單位已被廣泛使用，但是，在大部分情況下都還以普通專用機床為主要生產設備。因此，根據我國機械行業(yè)規(guī)?；魉a線生產的現狀，設計一款專用銑床夾具來滿足生產綱領高效、大批量的要求，是對機械設計從業(yè)人員的基本要求。我們必須掌握對銑床夾具的設計方法和設計思路，將其應用到實際生產中，從中不斷提高自己對所學理論知識的認識與運用能力。此次設計不僅可對整個大學專業(yè)課所學知識加以鞏固和彌補，更能鍛煉自身的自學能力，對于以后個人發(fā)展大有裨益。
隨著社會的發(fā)展，人類的進步，人們對于日常生活、工作中的物資需求呈現出了極大的多樣化與復雜化。傳統(tǒng)的簡單的產品已經難以再滿足人們的需求。而且在企業(yè)、工廠的運營過程中，需要的工具也不斷精細化與多樣化，給制造業(yè)帶來了新的難題。個性化的社會導致了制造產品大批量越來越少，更多的是需求多品種少批量，這種單件小值的生產模式是對傳統(tǒng)的機械加工產業(yè)模式的挑戰(zhàn)[1]。為此，制造技術的研究者提出了專用技術的科學理論及實現方法，從根本上解決了生產由于品種多、產量少帶來的矛盾。它是將多種零件按其工藝的相似性分類專用，以形成零件族，即把同一零件族中零件分散的小生產量匯聚成較大的專用生產量，從而使小批量生產能獲得接近于大批量生產的經濟效益，專用夾具便應運而生[2]。
專用夾具的應用可以擴大機床的使用范圍，提高生產效率和零件的加工質量，也能夠降低工人的勞動強度，縮短生產準備周期，提高勞動生產率[3]。而且隨著專用夾具的應用和發(fā)展，必將加速開拓專用技術新的應用領域。因此，專用夾具將是我國機械工業(yè)今后夾具發(fā)展的一個主要方面。
1.2 專用夾具設計的國內外現狀
1.2.1 國內專用技術應用及現狀
1.專用技術的應用
目前發(fā)展的專用技術是應用系統(tǒng)工程學的觀點，把中、小批生產中的設計制造和管理等方面作為一個生產系統(tǒng)整體，統(tǒng)一協(xié)調生產活動的各個方面，全面實施專用技術以提高綜合經濟效益。
（1）產品設計方面。由于用專用技術指導設計，賦予各類零件以更大的相似類，這就為在制造管理方面實施專用技術奠定了良好的基礎，使之取得更好的效果。以專用技術為指導的設計合理化和標準化工作將為實現計算機輔助設計(CAD)奠定良好的基礎；為設計信息最大程度地重復使用，加快設計速度，節(jié)約時間作出貢獻。據統(tǒng)計，當設計一種新產品時，往往有3/4以上的零件設計可參考借鑒或直接引用原有的產品圖紙，從而減少新設計的零件，這不僅可免除設計人員的重復性勞動，也可以減少工藝準備工作和降低制造費用。
（2）制造工藝方面。專用技術在制造工藝方面最先得到廣泛應用。開始是用于專用工序，即把加工方法、安裝方式和機床調整相近的零件歸結為零件組，設計出適用于全組零件加工的專用工序。專用工序允許采用同一設備和工藝裝置，以及相同或相近的機床調整加工全組零件，這樣，只要能按零件組安排生產調度計劃，就可以大大減少由于零件品種更換所需要的機床調整時間。此外，由于零件組內諸零件的安裝方式和尺寸相近，可設計出應用于專用工序的公用夾具，只要進行少量的調整或更換某些零件，公用夾具就可適用于全組零件的工序安裝。
（3）生產組織管理方面。專用加工要求將零件按工藝相似性分類形成加工族，加工同一加工族有其相應的一組機床設備。因此，很自然專用生產系統(tǒng)要求按模塊化原理組織生產，即采取專用生產單元的生產組織形式。專用技術是計算機輔助管理系統(tǒng)技術基礎之一。這是因為運用專用技術基本原理將大量信息分類專用，并使之規(guī)格化、標準化，這將有助于建立結構合理的生產系統(tǒng)公用數據庫，可大量壓縮信息的儲存量；由于不再是分別針對一個工程問題和任務設計程序，可使程序設計優(yōu)化[5]。
2. 發(fā)展現狀
專用技術從20世紀50年代提出到如今已經歷了近50年的發(fā)展和應用。專用技術作為一門綜合性的生產技術科學是計算機輔助設計、計算機輔助工藝過程設計、計算機輔助制造（CAM）和柔性制造系統(tǒng)等方面的技術基礎。我國早在20世紀60年代初就在紡織機械、飛機、機床及工程機械等機械制造業(yè)中推廣應用專用技術，并初見成效。因此，專用技術受到國家有關部、局和工廠企業(yè)，研究所及高等院校的重視。目前，正積極開展這一方面的科學研究、人材培訓和推廣應用等工作。原機械部設計研究院負責組織研制的全國機械零件分類編碼系統(tǒng)JLBM I，它將對我國推廣應用專用技術起到積極推進作用。我國不少高等工業(yè)院校結合教學和科研工作，在專用技術基本理論及其應用方面，如零件分類編碼系統(tǒng)、零件分類專用方法和計算機輔助編碼、分類、工藝設計、零件設計、生產管理的軟件系統(tǒng)等方面都開展了許多研究工作，并取得了不少成果。可以相信，隨著應用推廣和科研工作的持續(xù)開展，專用技術對提高我國機械工業(yè)的制造技術和生產管理水平將日益發(fā)揮其重要的作用[6]。
1.2.2 專用工藝在國外的發(fā)展狀況
專用工藝作為一種先進的工藝方法和生產準備方法，先后在蘇聯(lián)、民德、捷克、波蘭以及英國、法國、日本等國已經逐步得到了應用，并獲得了良好的經濟效果。由于它能縮短單件、小批生產的準備時間，擴大加工批量，提高生產效率，為適應多品種生產的發(fā)展創(chuàng)造了條件。機床工業(yè)具有多品種、小批量生產的特點，因而近年來在國外有不少機床制造廠家先后也采用了專用工藝技術。如日本三菱公司的機床制造部門也引進了專用工藝技術[7]。據介紹，該公司從引進專用工藝到過渡為新的管理系統(tǒng)只用了半年時間。他們引進專用工藝分為兩個階段進行。第一階段主要是進行零件的編碼和分類，確定機床布局，按類似零件設置專用生產線，以改進加工技術，縮短加工時間，并為在新的生產管理系統(tǒng)中采用電子數據處理系統(tǒng)創(chuàng)造條件。第二階段的任務著重在設計部門推廣和應用專用工藝。通過有效地利用現有圖紙及標準化以減少圖紙數量及設計工時。依靠反復使用質量穩(wěn)定而有效的零件圖紙，保證產品質量，擴大加工批量，從而降低成本，縮短生產周期，并為采用專用夾具、專用機床以及數控機床等高效率的設備創(chuàng)造條件。
英國赫伯特(Herbert) 公司的埃奇維克 (Edgwick)和馬肯當一萊恩(Mackadown Lane)工廠也成功地應用了專用工藝?，F在埃奇維克廠有26個專用加工工段。在馬肯當一萊恩廠有18個專用加工工段。這些工段所加工的零件相當于赫伯特公司制造的機床零件的90%以上。其余零件則在非專用加工線上加工。該公司采用專用工藝后，使新產品的生產周期由原來的12~18個月減為平均6個月；其次是減少庫存和再制品數量。據該公司介紹，采用專用工藝后，生產效率可提高60%。另外該公司還特別從專用加工的觀點出發(fā)，發(fā)展了小批、中批及大批生產用的自動化車床[8]。
隨著生產的不斷發(fā)展，進一步提高勞動生產率，今后專用工藝的采用將會更加廣泛。
1.3 專用夾具設計的發(fā)展趨勢
專用夾具由于能夠利用加工零件工藝上的相似性，并且適應工件特征在一定范圍內的變化而得到推廣和應用，如何提高專用夾具設計效率成為需要重點解決的問題之一[9]。
組合夾具與專用夾具都適用于中小批生產和新產品試制，任何事物都不是十全十美的，組合夾具可多次重復使用，縮短生產準備周期，但制造成本高，組裝后笨重復雜，剛性差，積累誤差大，而專用夾具可克服組合夾具的不足，組裝調整時間短，生產和技術管理較方便。采用專用夾具是企業(yè)全面實行專用技術的需要，是實現專用加工的重要手段和工具，而專用加工是實施專用技術的重要領域和必要的環(huán)節(jié)[10]。夾具設計正朝著多功能、模塊化、高精度、高剛性、高強度、通用化、快速化和自動化的方向發(fā)展[11]。
1.國內外研究現狀
目前發(fā)展的專用技術是應用系統(tǒng)工程學的觀點，把中、小批生產中的設計制造和管理等方面作為一個生產系統(tǒng)整體，統(tǒng)一協(xié)調生產活動的各個方面，全面實施專用技術以提高綜合經濟效益。
專用技術從20世紀50年代提出到如今已經歷了近50年的發(fā)展和應用。專用技術作為一門綜合性的生產技術科學是計算機輔助設計、計算機輔助工藝過程設計、計算機輔助制造和柔性制造系統(tǒng)等方面的技術基礎。我國早在20世紀60年代初就在紡織機械、飛機、機床及工程機械等機械制造業(yè)中推廣應用專用技術，并初見成效。因此，專用技術受到國家有關部、局和工廠企業(yè)，研究所及高等院校的重視。目前，正積極開展這一方面的科學研究、人材培訓和推廣應用等工作?？梢韵嘈?，隨著應用推廣和科研工作的持續(xù)開展，專用技術對提高我國機械工業(yè)的制造技術和生產管理水平將日益發(fā)揮其重要的作用[4]。
專用工藝作為一種先進的工藝方法和生產準備方法，先后在蘇聯(lián)、民德、捷克、波蘭以及英國、法國、日本等國已經逐步得到了應用，并獲得了良好的經濟效果。由于它能縮短單件、小批生產的準備時間，擴大加工批量，提高生產效率，為適應多品種生產的發(fā)展創(chuàng)造了條件。機床工業(yè)具有多品種、小批量生產的特點，因而近年來在國外有不少機床制造廠家先后也采用了專用工藝技術[5]。
2.發(fā)展趨勢
專用夾具由于能夠利用加工零件工藝上的相似性，并且適應工件特征在一定范圍內的變化而得到推廣和應用，如何提高專用夾具設計效率成為需要重點解決的問題之一[6]。
組合夾具與專用夾具都適用于中小批生產和新產品試制，任何事物都不是十全十美的，組合夾具可多次重復使用，縮短生產準備周期，但制造成本高，組裝后笨重復雜，剛性差，積累誤差大，而專用夾具可克服組合夾具的不足，組裝調整時間短，生產和技術管理較方便。采用專用夾具是企業(yè)全面實行專用技術的需要，是實現專用加工的重要手段和工具，而專用加工是實施專用技術的重要領域和必要的環(huán)節(jié)[7]。夾具設計正朝著多功能、模塊化、高精度、高剛性、高強度、通用化、快速化和自動化的方向發(fā)展[8]。
3.本課題主要討論的問題
本次設計主要介紹了銑床夾具的的一般設計思想和方法。所給零件為一矩形工件，有形狀和位置公差的要求，所以對夾具的精度有較高的要求。并且夾具的設計要符合銑床夾具的特性。明確設計的要求和意圖；然后對原始資料(零件圖、技術要求等)進行分析，然后提出具體的定位、夾緊、對刀方案，并進行精度分析；最后繪制出夾具的零件圖及裝備圖，運用SOLIDWORKS三維軟件對整個夾具進行建模和裝配,完成設計論文的撰寫。
31
第2章 專用夾具的設計
2.1 銑床專用夾具的主要類型
（一）直線送進的專用銑床夾具
這類夾具安裝在銑床工作臺上，加工中工作臺是按直線進給方式運動的，
在洗削工序中，為了提高夾具的工作效率，對于這類銑床夾具，可采用連動加緊機構和氣動，和液壓傳動裝置，也可采用多件多工位夾具使加工的機構時間和裝卸工件時間重合等項措施。
（二）圓周送進的專用銑床夾具
圓周銑削法的送進運動時連續(xù)的，能在不停車的情況下裝卸工件，因此是一種高效率的加工方法，適用于大批量生產。
設計圓周送進銑床夾具時應注意使沿圓周排列的工件盡量緊湊，以減少銑刀的空程和夾具的尺寸和質量；手柄沿轉臺的四周分布以便于操作，盡可能采用氣動液壓等機械化夾緊方式以減輕工人勞動強度。
（三）機械仿形送進的靠模夾具
靠模夾具時用來加工各種直線曲面或空間曲面，靠模夾具的作用是使主送進運動和由靠模獲得的輔助運動合成加工所需要的仿形運動。因此按照送進運動的方式，把用于加工直線曲面的仿形夾具分成直線送進和圓周送進的兩種。采用靠模夾具可在一般萬能銑床上加工出所需要的成形面以代替價格昂貴的靠模銑床加工，這對于中小廠來說，通過采用夾具來擴大機床工藝用途，以解決缺少特殊設備問題，具有較大的技術經濟意義。
2.2 銑床專用夾具的設計要點
（一）由于銑削過程不是連續(xù)切削，且加工余量較大，切削力較大而方向隨時多可能在改變。所以夾具應具有足夠的剛性和強度，夾具的重心應盡量低，夾具的高度于寬度之比應為1：1.25，并應有足夠排屑空間。
（二）夾緊裝置要有足夠的強度和剛度，保證必需的夾緊力，并有良好的自鎖性能，一般在銑床夾具上特別是粗銑，不宜采用偏心夾緊。
（三）夾緊力應作用在工件剛度較大的部位上。工件與主要定位元件的定位表面接觸剛度要大。當從側面壓緊工件時，壓板在側面的著力點應低于工件側面支承點。
（四）為了調整和確定夾具與銑刀的相對位置，應正確選用對刀裝置，對到裝置在使用塞尺方便和易于觀察的位置，并應在銑刀開始切入工件的一端。
（五）切削和切削液應能順利地排除，必要時應開排屑孔。
（六）為了調整和確定夾具與機床工作臺軸線的相對位置，在夾具的底面應具有兩個定向建，定向健與工作臺T形槽宜用單面貼合。當工作臺T形槽表面平整時可采用圓柱銷，精度高的或重型夾具宜采用夾具體上的找正基面。
2.3 夾緊裝置
在機械加工中，加工件將受到切削力，離心力，慣性力等外力的作用。為了保證在這些外力作用下，工件仍能在夾具中保持有定位元件所確定的加工位置，而不致發(fā)生震動或位移，一般在夾具結構中都必須設置一定的夾緊裝置，將工件可靠的夾緊。
1.夾緊裝置的組成
典型的夾緊裝置是由幾部分組成
（1）力源裝置。力源裝置是產生夾緊作用力的裝置。通常是指機動夾緊時所用的氣動，液壓，電動等動力裝置。
（2）中間遞力機構，。中間遞力機構是介于力源和夾緊作用力傳遞給夾緊元件，然后由夾緊元件，然后由夾緊元件最終完成對工件的夾緊。一般遞力機構可以在傳遞加緊作用力過程中，改變夾緊作用力的方向和大小，并根據需要亦可具有一定的自鎖性能。
（3）夾緊元件與夾緊機構。夾緊元件是夾緊裝置的最終執(zhí)行元件。通過它和工件受壓面的直接接觸而完成夾緊動作。
以上就是夾緊裝置的基本設計內容。
2.夾緊裝置的基本要求
(1)在夾緊過程中，工件應能保持在既定位置，即在夾緊力的作用下，工件不應離開定位置支承。
（2）夾緊力的大小要適當，可靠。既要是工件在加工過程中不產生移動和振動，又不使工件產生不允許的變形和損傷。
（3）夾緊裝置應操作安全，方便，省力。
（4）夾緊裝置的自動化程度和復雜程度應與工件的產量和批量相適應。
2.4 專用夾具的基準選擇
本夾具采用側面定位限制一個方向的自由度；由壓板軸定位，這樣六個自由度全部都被限制住了?？烧{部分安裝在夾具體上，即通過滑塊來限制住支座X軸方向上的轉動。并通過滑塊上的可換定位銷來實現限制作用。
定位基礎可以通過夾具體上的面來定位或由底板來定位，因為夾具上的面上的定位誤差比起底板所產生的定位誤差相比較大，因此為了減少定位誤差，在此我選擇了以底板作為定位基準。
2.5 機床夾具的概述
機床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。
在機床上加工工件的時候，必須用夾具裝好夾牢所要加工工件。工件在機床上加工時，為保證加工精度和提高生產率，必須使工件在機床上相對刀具占有正確的位置，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。工件的裝夾方法有找正裝夾法和夾具裝夾法兩種。
2.5.1 機床夾具的種類
機床夾具按其適用范圍可分為通用夾具、專業(yè)夾具、組合夾具、可調夾具及隨行夾具五種基本類型。如按所使用的機床來分類，則機床夾具可分為車床夾具、銑床夾具、躺床夾具、鉆床夾具、磨床夾具、自動機床夾具及數控機床夾具等。
通用夾具是指已經標準化的、可用于加工一定范圍內的不同工件的夾具，如三爪卡盤、平口虎鉗、萬能分度頭等。這些夾具已作為機床附件由專門工廠制造供應。
專業(yè)夾具是指專為某一工件的某道工序而設計制造的夾具。專業(yè)夾具在批量生產中使用，這也是本次夾具設計的主要研究對象。
2.5.2 機床夾具的組成
1.定位元件及定位裝置 用于確定工件在夾具中的正確位置，定位支承元件的定位精度直接影響工件加工的精度。定位元件有支承釘，支承板等。
2.夾緊元件及夾緊裝置 用于夾緊工件，保持工件定位后的位置在加工過程中不變。
3.夾具體 夾具體是機床夾具的基礎件，通過它將夾具的所有元件連接成一個整體，并通過它將整個夾具安裝在機床上。
4.其他裝置或元件 各種夾具還應根據需要設置一些其它裝置或元件，有分度裝置，導向或對刀元件，夾具與機床之間的連接元件等。如銑削加工一般多采用定距切削，為便于調整刀具相對于工件被加工表面的位置，夾具上常設置對刀裝置，其中對刀裝置包括對刀塊和塞尺。
2.6 銑床夾具的分類
銑床夾具主要用于加工零件上的平面精加工工序、花鍵及各種成型面等，是最常見的夾具之一。按銑削的進給方式，可將銑床夾具分為直線進給式、圓周進給式和靠模進給式三類。其中，直線進給式夾具用得最多。
另外，銑床夾具按使用范圍可分為通用銑夾具、專用銑夾具和組合銑夾具三類；還可按自動化程度和夾緊動力源的不同以及裝夾工件數量的多少等進行分類。
2.7 銑削專用夾具的設計要點
1.為了調整和確定夾具與機床工作臺軸線的相對位置，在夾具體與地面之間應具有兩個定位鍵。
2.為了調整和確定夾具與銑刀的相對位置，應正確選用對刀裝置，對刀裝置應在使用塞尺方便和易于觀察的位置，并應在銑刀開始切入工件的一端。
3.考慮加工余量大和切削力方向隨時可能變化的因素，夾具應有足夠的剛性和強度，夾具的重心應盡量低。
4.夾具裝置要有足夠的強度和剛度，保證必需的夾緊力，并有良好的自鎖性能。
5.夾緊力應作用在工件剛度較大的部位上。工件與主要定位元件的定位表面接觸剛度要大。當從側面壓緊工件時，壓板在側面的著力點應低于工件側面支承點。
6.切屑和冷卻液應能順利排出，必要時應開排泄孔【2】
2.8 銑床夾具的安裝
夾具在銑床工作臺上的定位,由裝在夾具體底部的兩個定位鍵實現。銑床夾具在銑床工作臺上的安裝位置，直接影響被加工表面的位置精度，因而在設計時必須考慮其安裝方法，一般是在夾具底座下面裝兩個定位鍵。定位鍵的結構尺寸已標準化，應按銑床工作臺的T形精加工工序尺寸選定，它和夾具底座以及工作臺T形精加工工序的配合為H7/h6、H8/h8。兩定位鍵的距離應力求最大，以利提高安裝精度。
定位鍵安裝在夾具體底面的縱向精加工工序中,一個夾具一般要配置兩個定位鍵。銑床夾具底座定位鍵與銑床工作臺T型精加工工序的配合連接，再用T 形螺栓和墊圈、螺母將夾具體緊固在工作臺上，所以在夾具體上還需要提供兩個穿T形螺栓的耳座。如果夾具寬度較大時，可在同側設置兩個耳座，兩耳座的距離要和銑床工作臺兩個T形精加工工序間的距離一致。T形精加工工序導軌如下圖1.1：
圖1.1 銑床加工工序導軌
2.9 工件的定位與誤差分析
2.9.1 工件定位的基本原理
六點定位原理：如果要使一個自由剛體在空間有一個確定的位置，就必須設置相應的六個約束以限制六個運動自由度。如果工件的六個自由度都加以限制了，工件在空間的位置也就完全被確定下來了。因此定位實質上就是限制自由度。
關于六點定位原則的幾個主要問題：
1.在夾具的結構中，定位支承點是通過具體的定位元件體現的，即支承點不一定用點或銷的頂端，而常用面或線來代替。兩個點決定一條直線，三個點決定一個平面，即一條直線可以代替兩個支承點，一個平面可代替三個支承點。在具體應用時，還可用窄長的平面代替直線，用較小的平面來替代點。
2.定位支承點與工件定位基準面始終保持接觸，方起到限制自由度的作用。
3.分析定位支承點的定位作用時，不考慮力的影響。工件的某一自由度被限制是指工件在某個坐標方向有了確定位置，并不是指工件在受到使其脫離定位支承點的外力時不能運動。使工件在外力作用下不能運動，要靠夾緊裝置來完成。
2.9.2 定位方法與定位元件
定位方法和定位元件的選擇，主要決定于工件的加工要求、工件的定位基準和外力的作用情況等。定位方法有平面定位，圓柱孔定位，圓柱面定位，特殊表面定位，組合表面定位等。據定位方法及各定位元件的特點合理選擇定位元件
1.對定位元件的基本要求
(1) 限位基面應有足夠的精度。足夠的精度才能保證工件的定位精度。
(2) 限位基面應有較好的耐磨性。由于定位元件的工作表面經常與工件接觸和磨擦，為此定位元件限位表面的耐磨性要好，以保證夾具的壽命和精度。
(3) 支承元件應有足夠的強度和剛度。定位元件在加工過程中受工件重力、夾緊力和切削力的作用，因此要求定位元件應有足夠的剛度和強度。
(4) 應有較好的工藝性。定位元件應簡單、合理，便于制造、裝配和更換。
(5) 定位元件應便于清除切屑。定位元件的結構和工作表面形狀應有利于清除切屑，以防切屑嵌入夾具內影響加工和定位精度。
2.常用定位元件的選用
定位元件選用時，應按工件定位基準面和定位元件的結構特點進行選擇。
1.以面積較小的已經加工的基準平面定位時，選用平頭支承釘，以基準面粗糙不平或毛坯面定位時，選用圓頭支承釘，側面定位時，可選用網狀支承釘。
2.以面積較大、平面度精度較高的基準平面定位時，選用支承板，用于側面定位時，可選用不帶斜精加工工序的支承板，盡可能用帶斜精加工工序的支承板，以利清除切屑。
3.以毛坯面和環(huán)形平面作基準平面定位時，選用自位支承作定位元件。
4.定位基準面需提高定位剛度、穩(wěn)定性和可靠性時，可選用輔助定位元件，輔助支承不限制自由度，且每次加工均需重新調整支承點高度，支承位置應選在有利工件承受夾緊力和切削力的地方。常見的支承板和支承釘如下圖1.2和圖1.3：
圖1.2 支承釘
圖1.3 支承板
2.9.3 工件的誤差分析
由于一批工件逐個在夾具中定位時，各個工件所占據的位置不完全一致，即出現工件位置定得“準與不準”的問題。如果工件在夾具中所占據的位置不準確，加工后各工件的尺寸必然有誤差。這種由工件定位引起的誤差即定位誤差（ΔD）。
為保證精度，限定定位誤差不超過工件加工公差T的1/5～1/2?！?】
即， ΔD≤(1/5～1/2)T
式中：ΔD──定位誤差，單位為mm；
T ──工件的加工誤差，單位為mm
2.9.4 定位誤差產生的原因
工件逐個在夾具中定位時，各個工件的位置不一致的原因主要是基準不重合，而基準不重合又分為兩種情況：一是定位基準與限位基準不重合，產生的基準位移誤差ΔY；二是定位基準與設計基準不重合，產生的基準不重合誤差ΔB。
1.基準不重合誤差ΔB
加工尺寸的設計基準是外圓柱面的母線時，定位基準是圓柱孔的中心線，這種由設計基準與定位基準不重合所致的工序基準在加工尺寸方向上的最大位置變動量，稱基準不重合誤差，此時除定位基準位移誤差外，還有基準不重合誤差。
當定位基準與設計基準不重合時產生基準不重合誤差。因此選擇定位基準時應盡量與設計基準相重合。當被加工工件的工藝過程確定以后，各工序的工序尺寸也就隨之而定，此時在工藝文件上，設計基準便轉化為工序基準。
2.基準位移誤差ΔY
由于定位副的制造誤差或定位副配合間所導致的定位基準在加工尺寸方向上最大位置變動量，稱為基準位移誤差（ΔY）。
如果工件內孔直徑與心軸外圓直徑做成完全一致，作無間隙配合，即孔的中心線與軸的中心線位置重合，則不存在因定位引起的誤差。但實際上，心軸和工件內孔都有制造誤差。基準位移誤差的方向是任意的，減小定位配合間隙，即可減小基準位移誤差ΔY值，以提高定位精度。
2.10 夾緊裝置
工件在夾具定位之后，在機械加工過程中，工件會受到切削力、離心力、慣性力等的作用，故必須設計夾緊裝置對工件夾緊，它對工件加工有較大影響。
2.10.1夾緊裝置的組成
夾緊裝置的組成由以下三部分組成：
1.動力源裝置 產生夾緊作用力的裝置。分手動和機動夾緊兩種，為了改善勞動條件和提高生產率，目前在大批量生產中均采用機動夾緊。機動夾緊的力源來自氣動、液壓、氣液聯(lián)動、電磁、真空等動力夾緊裝置。
2.傳力機構 介于動力源和夾緊元件之間傳遞動力的機構。作用是，改變作用力的方向、大??；具有一定的自鎖性能，以便在夾緊力一旦消失后，仍能保證整個夾緊系統(tǒng)處于可靠的夾緊狀態(tài)，這一點在手動夾緊時尤為重。
3.夾緊元件 它是直接與工件接觸完成夾緊作用的最終執(zhí)行元件。
2.10.2 對夾緊裝置的基本要求
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：
1.夾緊過程中，不能破壞工件定位時占據的正確位置。
2.夾緊力的大小應適當可靠。既要保證加工過程中工件不發(fā)生送的或振動，又不允許工件產生不適當的變形和表面損傷。
3.夾緊裝置工藝性好。
4.使用性好。操作方便、安全、省力。
2.10.3 夾緊力的確定
夾緊力的確定包括夾緊力的方向、作用點和大小三個要素。
1.夾緊力的方向
夾緊力的方向與工件定位的基本配置情況，以及工件所受外力的作用方向等有關。選擇時必須遵守以下準則：
（1）夾緊力的方向應有助于定位穩(wěn)定，且主夾緊力應朝向主要定位基面。
（2）夾緊力的方向應有利于減小夾緊力，以減小工件的變形、減輕勞動強度。
（3）夾緊力的方向應是工件剛性較好的方向。
2.夾緊力的作用點
合理選擇夾緊力作用點必須遵守以下準則：
（1）夾緊力的作用點應落在定位元件的支承范圍內，應盡可能使夾緊點與支承點對應，使夾緊力作用在支承上。如夾緊力作用在支承面范圍之外，會使工件傾斜或移動，夾緊時將破壞工件的定位。
（2）夾緊力的作用點應選在工件剛性較好的部位。這對剛度較差的工件尤其重要，如將作用點由中間的單點改成兩旁的兩點夾緊，可使變形大為減小，并且夾緊更加可靠。
（3）夾緊力的作用點應盡量靠近加工表面，以防止工件產生振動和變形，提高定位的穩(wěn)定性和可靠性。
3.夾緊力的大小
夾緊力的大小，對于保證定位穩(wěn)定、夾緊可靠，確定夾緊裝置的結構尺寸，都有著密切的關系。
2.10.4 夾緊力大小計算
計算夾緊力時，通常將夾具和工件看成一個剛性系統(tǒng)。根據工件受切削力、夾緊力的作用情況，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。最后保證夾緊可靠，再乘以安全系數作為實際所需的夾緊力數值。即：
式中，—實際所需的夾緊力；
—在一定條件下，由靜力平衡計算出的理論夾緊力；
—安全系數。
其中，【2】
第3章 銑削安裝板底面精加工工序專用夾具的設計
3.1 明確設計任務，了解零件加工工藝過程
3.1.1 熟悉工件零件圖、本工序加工要求
圖2.1 加工零件圖
該零件為HT20鋼；零件圖如上圖2.1，中批量生產；該工序在立式銑床上用三面刃銑刀加工。
3.1.2 熟悉零件加工工藝過程
1.粗銑A型齒輪油泵泵體端面
2.銑安裝板底面 3 銑側面凸臺
5.鉆、鉸各個孔 6.銑安裝板底面精加工工序
以上銑削1、2、3、4、6工序均在X52K銑床上加工，工序5在Z525立式鉆床上加工。
3.2 確定定位方案
3.2.1 基準的選擇
根據工件的加工要求，該工序必須限制工件的五個自由度。建立坐標系如圖2.2所示。為保證底面至工件B面的垂直度，應選B面為定位基面，限制；為保證工序尺寸70mm，須限制、，所以選取A面為定位基面；為保證兩側面對孔軸線的對稱度要求，還必須在加工時限制自由度。另外，為了方便控制刀具的走刀位置，還需要限制。
綜上所述，工件的六個自由度均被限制，為使定位基準與設計基準重合，選取的定位基準是A型齒輪油泵泵體端面、側面。
3.2.2 確定定位夾緊方案
根據零件特點，按照工藝過程要求，確定工件定位夾緊方案【4】，采用機械夾緊方式對工件進行夾緊。
綜上對工件定位、夾緊方案的分析，確定定位、夾緊方案。其定位夾緊圖如
圖2.3 定位夾緊方案圖
3.2.3 定位元件的選擇及設計
1.定位元件的選擇 由上知，工件的定位面是側平面B面、底平面A面、和孔，據此在夾具上的定位元件選為支承板、支承釘、和菱形定位銷。
2.定位板設計 定位平面B面所用的定位支承板參照參考文獻【3】第272頁設計。 標記為：支承板 A6×HT20 GB 2236-80 材料：T8。
現確定定位銷的極限偏差和定位表面到定位銷中心的名義尺寸：
=L，其中取工件相應尺寸=L=230.08mm的平均尺寸，公差取相應尺寸公差的(~)倍，現取，【2】則有：
=400.02mm
滿足工件順利裝拆的補償量值：=(+)÷2=(0.16+0.04)÷2=0.10mm
則，菱形定位銷和定位孔配合的最小間隙===0.43mm
（其中，b的值可查手冊得值為3【3】）
3.3 定位誤差的計算與分析
必須要滿足誤差的總和應該小于或等于該工序公差。
與夾具有關的加工誤差，一般可用下式表示：
由參考文獻可得：
⑴銷定位誤差 ：
其中：
，
，
，
⑵ 夾緊誤差 ：
其中接觸變形位移值：
查[5]表1～2～15有。
⑶ 磨損造成的加工誤差：通常不超過
⑷ 夾具相對刀具位置誤差：取
誤差總和：
從以上、所設計的夾具滿足零件加工精度要求。
3.4 計算切削力及實際所需的夾緊力
圖2.9作用于工件上的切削力
工件在加工時的受力情況如圖2.9所示。加工時，工件受到切削合力F的作用，F可分解為水平和垂直方向的切削分力和，由經驗公式，和可通過切向銑削力分別乘以一個系數來得到。在對稱銑削情況下，=(1~1.2),=(0.2~0.3)。
參照《機床夾具設計手冊》【3】表1-2-9得銑削力的計算公式：
參數的選?。?
切向銑削力 （N）
銑刀系數 =669
銑削深度 =3mm
每齒進給量 =0.15mm
銑刀直徑 d=100mm
銑削寬度 B=12mm
銑刀齒數 z=12
修正系數 （工件屈服應力）
綜上，計算得：
銑削力 。
故水平分力=1.1=1279N，垂直分力=0.3=349N。
工件的主定位面是B面，故選擇夾緊力的作用方向為水平方向作用于B面。當夾緊力水平作用于工件上時，所需要的理論夾緊力=+=1279+=3606N
由公式 = 可計算出實際所需夾緊力。
現在計算安全系數K的值。
安全系數K的計算公式為：
由《機床夾具設計手冊》表1-2-0得各安全系數K的取值如下：
基本安全系數 加工性質
刀具鈍化程度 切削特點
穩(wěn)定性 手柄位置
工件與支撐面接觸情況
將各安全系數值代入上面公式計算得,K=1.95<2.5（注：若安全系數的計算值小于2.5，則取=2.5），則取K的值為2.5。
所以實際所需夾緊力為： = =9015N。
實際所需的夾緊力計算是一個很復雜的問題，一般只能作粗略的估算。為簡化計算，在設計夾緊裝置時，可只考慮切削力對夾緊的影響，并假定工藝系統(tǒng)是剛性的切削過程穩(wěn)定不變。【2】
3.5 設計夾緊機構并驗算機構所能產生的夾緊力
采用氣動元件作為夾緊元件，活塞桿是液壓缸傳遞力的主要零件，它主要承受拉力、壓力、彎曲力及振動沖擊等多種作用，必須有足夠的強度和剛度。其材料取Q235鋼。
在這取負載約為10000N，初選液壓缸的設計壓力P1=3MPa，為了滿足工作這里的液壓缸課選用單桿式的，并在快進時差動連接，則液壓缸無桿腔與有桿腔的等效面積A1與A2應滿足A1=2A2（即液壓缸內徑D和活塞桿直徑d應滿足：d=0.707D。為防止切削后工件突然前沖，液壓缸需保持一定的背壓，暫取背壓為0.5MPa，并取液壓缸機械效率。則液壓缸上的平衡方程
故液壓缸無桿腔的有效面積：
液壓缸直徑
液壓缸內徑：
按GB/T2348-1980，取標準值D=20mm；因A1=2A，故活塞桿直徑d=0.707D=56mm（標準直徑）
現設計一種機構，設夾緊機構所能產生的夾緊力為,鉸鏈壓板的受力分析如下圖2.10所示：
圖2.10受力分析
由受力分析計算得：
= (選定=)【6】
式中，—夾緊機構效率，取值為0.9；
—螺栓的許用夾緊力，單位：。
當螺桿的螺紋公稱直徑為M12時，可查表得：=5620N。
所以，==2=2×5620×0.9=10116N
因>=9015N,故夾緊機構滿足設計要求。
3.6 主要元件的設計與建模
依據《機床夾具設計手冊》對各個元件進行設計并對其標記如下如下：
1. 定位鍵： A14h6 GB 2206-80 材料：HT20鋼
2. 壓板： A14×130 GB 2188-80 材料：HT20鋼
3. 浮動壓塊：A40×14 GB 2174-80 材料：HT20鋼
4. 銷 A10×28 GB/T 119.1-2000 材料：35鋼
5. 銷 A6×28 GB/T 119.1-2000 材料：35鋼
6. 對刀塊 GB 2242-80 材料：20鋼
7. 對刀塞尺 3 GB 2244-80 材料：T8
8. 螺釘 GB/T 68-2000 M5.5×25
3.7 對刀元件及夾具體
根據工件加工表面形狀，對刀件可選用夾具零件及部件中的標準直角對刀塊。它的直角對刀面和工件被加工安裝板底面精加工工序形相對應，其間距等于塞尺厚度，設計塞尺厚度為3，并把對刀件安裝于夾具體的豎直板上。
根據銑床T行安裝板底面精加工工序的寬度，選用寬度B=14mm,公差為h6的A型定位鍵來確定夾具在機床上的位置?！?】
夾具體選用灰鑄鐵的鑄造夾具體【7】。其基本厚度選為22mm,并設計出供T形安裝板底面精加工工序用螺栓緊固夾具用得U形安裝板底面精加工工序耳座。根據所設計的各種元件、機構、裝置，設計出夾具的形狀、結構。如下圖2.15
圖2.15 夾具體
第4章 夾具圖的繪制
4.1 工序圖
依據零件的加工要求，制訂銑安裝板底面精加工工序工序圖。見附圖01
4.2 夾具體零件圖
參照工序圖的定位夾緊方案，合理設計銑安裝板底面精加工工序的夾具，繪制夾具體零件圖。見附圖02
4.3 繪制夾具裝配總圖
見附圖03 如下圖3.1：
圖3.1 銑安裝板底面精加工工序夾具總圖
4.4 標注總圖上的尺寸、公差與配合和技術條件
4.4.1 標注尺寸、公差與配合
1.夾具外形輪廓尺寸 夾具在長、寬、高三個方向的輪廓尺寸為273m、192mm、和239mm。如上圖3-1。
2.工件與定位元件的聯(lián)系尺寸
3.夾具與刀具的聯(lián)系尺寸 即調刀尺寸，分為水平和垂直兩個方向的尺寸。
（1）水平方向的調刀尺寸為為銷中心至對刀元件尺面的距離。 查手冊的所用銑刀的寬度尺寸及其極限偏差為，其平均尺寸為12.09mm。定位銷中心至工件上安裝板底面精加工工序，再加上塞尺厚度2mm，故水平方向調刀尺寸的基本尺寸
（2）垂直方向的調刀尺寸為定位元件(兩支承釘)工作面至對刀面之間的位置尺寸。工件上相應的尺寸為工件安裝板底面精加工工序底至工件底面之間的尺寸(620.10)mm，減去3mm的塞尺厚度，就得到垂直方向調刀尺寸的基本尺寸為(62-3)=59mm。根據與調刀尺寸(9.0HT200.02)mm相同的公差，取垂直方向的調刀基本尺寸及其極限偏差為(590.02)mm。
4.夾具與機床連接部分的聯(lián)系尺寸 定位鍵與工作臺T形安裝板底面精加工工序配合尺寸為14H7/h6。
5.夾具內部的配合尺寸：【1】
銷與螺桿： 過渡配合 孔 軸；
支承釘與夾具體底面孔： 過盈配合 孔 軸；
銷與浮動壓塊孔： 間隙配合 孔 軸；
銷與夾具體頂面孔： 過盈配合 孔 軸。
4.4.2制訂技術條件
1.由于工件上有安裝板底面精加工工序底至工件B面的垂直度要求0.10mm，夾具上應標注定位表面Q(兩個支承板限定的表面)對底面的垂直度允差100:0.2 (mm)。
2.由于工件上有安裝板底面精加工工序兩側面對Φ10孔軸線對稱度要求，夾具上應標注定位表面Q(兩個支承板限定的表面)對定位鍵側面的垂直度允差100:0.2 (mm)。
3.兩定位支承釘的等高允差不大于0.02(mm)。
4.5 三維裝配圖SOLIDWORKS建模
下圖為裝配三維建模圖3.2、3.3、3.4：
圖3.2
圖3.3
圖3.4
第5章 夾具工作精度分析
在完成夾具結構設計的全部工作后，還需對夾具工作精度進行分析，即分析計算各項加工要求的夾具部分誤差，并將它與加工允差比較，從而判斷夾具能否可靠地保證各項加工要求，以證明所設計夾具方案的合理性。
與夾具有關的誤差有定位誤差、對刀誤差、夾具在機床上的安裝誤差和夾具誤差等。各項誤差均導致刀具相對于工件的位置不準確，而形成夾具總的加工誤差。
5.1 位置尺寸700.10
定位基準與設計基準重合，=0，平面定位時=0；工件夾緊力的作用面是B面，其對底面的垂直度允差造成的對尺寸30mm會有影響，此值較?。徽{刀尺寸的公差也會引起0.04mm的調刀誤差。此三值相加遠小于工件的加工允差0.2mm，故夾具可滿足尺寸70。
5.2平面度允差0.2mm
定位基準與設計基準重合，工件以平面定位，故=0。夾具由兩個支承板表面決定的限位基面對夾具體底面的垂直度允差100:0.2，將引起工件安裝板底面精加工工序底面對B面的垂直度誤差。其中=(0.02/100)×50=0.01mm.
故夾具部分誤差=+=0.01mm，此值僅占加工允差的很少部分，夾具滿足垂直度允差0.2mm.
綜上，通過對夾具結構的選擇、設計和夾具工作精度的分析計算，證明該夾具能穩(wěn)定可靠地保證工件的加工技術要求，且結構簡單、操作方便。從而說明所設計的夾具結構是可行的。
結論
本次設計是我們進入社會之前，也是我學生生涯的最后一次設計。此次設計對我受益匪淺，讓我基本上又把所學的知識復習了一遍，使我能夠對書本的知識做進一步的了解與學習，對資料的查詢與合理的應用做了更深入的了解。
首先，尋找有關資料和課題并且研究方案，進行設計的總體規(guī)劃，理清設計思路，但是將這些具體的方案落實到每一個設計環(huán)節(jié)和步驟中，難免會出現一些錯誤，這就需要在具體的設計過程中利用所掌握的知識認真排查錯誤原因，多方面的思考問題，不斷的改正自己的設計不足之處和錯誤。
其次，運用所學的知識對設計零件優(yōu)化設