机用虎钳设计

摘要
夹具对于保证加工精度，提高生产效率、降低生产成本，缓解工人劳动强度，扩大机床的工艺范围等都具有重要意义。

夹具是工艺装备的重要组成部分，在机械制造行业中具有举足轻重的地位。

近年来，夹具在国内外也正在逐渐形成为一个依附于机床业或独立的小行业。

本文主要使用计算机辅助设计软件（creo2.0）完成机用虎钳的整体机构建模与装配，并加载伺服电机进行运动仿真分析，得出结论。

研究发现，虎钳具有结构紧凑，夹紧力度强，易于操作使用等特点，很适合中小型铣床、钻床以及平面磨床等机械设备使用。

通过该课题研究，加强对夹具原理设计以及计算机辅助设计等方面的系统化认识，加深对先进设计、智能制造的理解。

关键词机用虎钳计算机辅助设计运动仿真
目录
第一章绪论 (1)
1.1 国内外夹具设计的发展背景 (1)
1.2 课题背景及意义 (2)
第二章机用虎钳概述 (3)
2.1 机床夹具概述 (3)
2.1.1 夹具的分类 (4)
2.2.2 夹具的原理 (4)
2.2 机用虎钳的作用与结构 (5)
2.3 机用虎钳的工作原理 (6)
2.4 机用虎钳使用的注意事项 (7)
第三章机用虎钳三维设计 (9)
3.1 Creo 2.0概述 (9)
3.2 Creo 2.0的选用理由 (10)
3.3机用虎钳主要零件设计 (10)
第四章机用虎钳运动仿真 (27)
致谢 (29)
参考文献 (30)
第一章绪论
1.1 国内外夹具设计的发展背景
作为机电产品制造中不可或缺的四大工具（刀具、夹具、量具、模具）之一，夹具对于保证加工精度，提高生产效率、降低生产成本，减轻工人劳动强度，扩大机床的工艺范围，缩短产品试制周期等都具有重要意义。

夹具是工艺装备的重要组成部分，在机械制造行业中具有举足轻重的地位。

近10余年来，单件、小批量生产正逐渐成为现代机械制造业新的生产模式。

在这种模式下，发达国家普遍采用计算机辅助产品设计(CAD)、计算机辅助工程分析(CAE)和计算机仿真技术进行产品设计，这同时也对加工机床及机床夹具提出了更高的柔性要求，以求缩短生产准备时间、降低生产成本。

按照单一品种设计出来的专用夹具已经远远不能满足生产发展的需求，在这种情况下，组合夹具的出现是必然的。

组合夹具正好能够适应单件、小批量生产的模式，它对缩短工艺装备的设计、制造周期，以及产品换型后对原有工装夹具延续使用起到至关重要的作用。

图1-1 计算机辅助设计制造
虽然我国赶超世界发达国家的步伐越来越快，借鉴“德国工业4.0”，也提出了“中国制造2025”的概念，但由于起步晚，底子薄，与德国、美国、日本等先进水平相比，仍然还有较大差距。

为了提高我国数字化产品在国际市场中的竞争力，我们必须加强先进设计方面的研究。

1.2 课题背景及意义
本课题来源于德州职业技术学院毕业设计，设计要求是：设计一机用虎钳，使用计算机辅助设计软件（creo2.0）完成整体机构建模与装配，并加载伺服电机进行运动仿真分析，得出结论。

机用虎钳具有结构紧凑，夹紧力度强，易于操作使用等特点，很适合中型铣床、钻床以及平面磨床等机械设备使用。

通过该项研究，系统加强对夹具原理设计以及计算机辅助设计等方面的认识，加深对先进设计、智能制造的理解。

第二章机用虎钳概述
2.1 机床夹具概述
机床夹具是机床上用以装夹工件（和引导刀具）的一种装置。

其作用是将工件定位，以使工件获得相对于机床和刀具的正确位置，并把工件可靠地夹紧。

图2-1 a) 机床夹具
b) 机床夹具
c) 机床夹具
2.1.1 夹具的分类
（1）通用夹具
特点是适应性广，生产效率低，主要适用于单件、小批量的生产中。

（2）专用夹具
特点是结构紧凑，操作迅速、方便，可以保证较高的加工精度和生产效率。

（3）通用可调夹具和成组夹具
该类夹具特点是夹具的部分元件可以更换，部分装置可以调整，以适应不同零件的加工。

（4）组合夹具
组合夹具特点是灵活多变，万能性强，制造周期短、元件能反复使用，特别适用于新产品的试制和单件小批生产。

（5）随行夹具
随行夹具是一种在自动线上使用的夹具。

该夹具既要起到装夹工件的作用，又要与工件成为一体沿着自动线从一个工位移到下一个工位，进行不同工序的加工。

2.2.2 夹具的原理
（1）定位元件
它与工件的定位基准相接触，用于确定工件在夹具中的正确位置，从而保证加工时工件相对于刀具和机床加工运动间的相对正确位置。

（2）对刀、引导元件或装置
这些元件的作用是保证工件与刀具之间的正确位置。

（3）夹紧装置
用于夹紧工件，在切削时使工件在夹具中保持既定位置。

（4）连接元件
使夹具与机床相连接的元件，保证机床与夹具之间的相互位置关系。

（5）夹具体
用于连接或固定夹具上各元件及装置，使其成为一个整体的基础件。

它与机床有关部件进行连接、对定，使夹具相对机床具有确定的位置。

（6）其它元件及装置
有些夹具根据工件的加工要求，要有分度机构，铣床夹具还要有定位键等。

以上这些组成部分，并不都是缺一不可的，但是任何夹具都必须有定位元件和夹紧装置，它们是保证工件加工精度的关键，目的是使工件定准、夹牢。

图2-2 夹具的原理
2.2 机用虎钳的作用与结构
机用虎钳是安装在机床工作台上，用于夹紧工件，以便进行切削加工的一种通用工具。

固定钳身可安装在机床的工作台上，起固定机座作用。

转动手柄可以旋转丝杠，丝杠通过螺旋孔带动滑块左右运动，移动滑块上面带着活动钳口，这样，活动钳口和固定钳口一起就可以实现工件的夹紧和松开。

图2-3 机用虎钳结构图
机用虎钳主要由以下几个部件组成：
①底座：用来支撑底盘及钳体；
②底盘：用来支掌钳体，并可带动钳体旋转；
③钳体：安装在底座上面，用来和支掌活动掌及工件；
④活动掌：用来收紧或放松钳身，从而夹紧工件；
⑤钳口：夹紧工件时钳口接触工件的部份，可置换；
⑥压板：用来活动掌固定在钳体上；
⑦丝杠：用来连接钳体与活动掌，并带动活动掌作轴向运动；
⑧手柄：安装在丝杠右端，使丝杠作旋转运动；
⑨螺栓、螺母：用来固定虎钳的各部件。

2.3 机用虎钳的工作原理
它的结构是由钳体、底座、导螺母、丝杠、钳口体等组成。

活动钳身通过导轨与固定钳身的导轨作滑动配合。

丝杠装在活动钳身上，可以旋转，但不能轴向移动，并与安装在固定钳身内的丝杠螺母配合。

当转动手柄使丝杠旋转，就可以带动活动钳身相对于固定钳身作轴向移动，起夹紧或放松的作用。

弹簧借助挡圈和开口销固定在丝杠上，其作用是当放松丝杠时，可使活动钳身及时地退出。

在固定钳身和活动钳身上，各装有钢制钳口，并用螺钉固定。

钳口的工作面上制有
交叉的网纹，使工件夹紧后不易产生滑动。

钳口经过热处理淬硬，具有较好的耐磨性。

固定钳身装在转座上，并能绕转座轴心线转动，当转到要求的方向时，扳动夹紧手柄使夹紧螺钉旋紧，便可在夹紧盘的作用下把固定钳身固紧。

转座上有三个螺栓孔，用以与钳台固定。

图2-4 机用虎钳原理图
图2-5 机用虎钳装配图
2.4 机用虎钳使用的注意事项
（1）安装时，必须使固定钳口的一部分突出于钳台外缘，这样在夹持长条形工件的时候，钳台外缘不会干涉工件。

（2）固定在钳台上的时候，三个压紧螺钉必须扳紧，不能使虎钳钳身在零件加工过程中出现松动，否则会损坏虎钳和影响加工精度。

（3）在夹紧工件时，只许用手的力量扳动手柄，绝不允许用锤子或其他套筒扳动手柄，以免丝杠、螺母或钳身受到损坏。

（4）装卸工件需要敲击时，应该在固定钳身的平台上进行，不能在钳口上敲击工件，以免损坏钳口。

（5）丝杠、螺母和其他滑动表面要求经常保持清洁，并加油润滑。

第三章机用虎钳三维设计
近年来计算机辅助设计之所以能迅速发展，主要是因为它可以提高设计效率、提高设计质量、实现数据共享、实现智能设计。

计算机辅助设计方便快捷、效率高，大型设计可以数人同时操作；易修改，后期处理方便，数套设计方案可以同时推出；它的表现手段丰富，视觉冲击强烈。

但是计算机辅助设计带来方便的同时也对设计人员提出了更高的要求，设计人员需要具备扎实的功底和熟练的操作技能。

3.1 Creo 2.0概述
图3-1 Creo 2.0界面
2012年3月，PTC公司推出正式版Creo 2.0。

Creo 是一组可伸缩的、可互操作的产品设计软件，可快速实现价值，功能覆盖整个产品开发领域，空前的互操作性，可确保在内部和外部团队之间轻松共享数据。

Creo 的产品设计应用程序使企业中的每个人都能使用最适合自己的工具，因此，他们可以全面参与产品开发过程。

Creo 2.0是目前工作中最优秀的2D和3D CAD软件，具备互操作性、开放、易用三大特点，软件整合了PTC公司的三个软件Pro/Engineer的参数化技术、CoCreate的直接建模技术和ProductView的三维可视化技术，能够为用户设计出富有创意的三维产品。

3.2 Creo 2.0的选用理由
Creo 2.0在计算机辅助设计制造方面属于中档以上的设计软件，非常具有先进性。

同时，该软件操作简单、容易上手，操作界面比较人性化，特别是参数化设计，对于操作者来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。

所以在本次毕业课题设计中选用该软件。

图3-2 a) 零件模式下的工具栏
b) 组件模式下的工具栏
c) 工程图模式下的工具栏
3.3机用虎钳主要零件设计
（1）钳体设计
本次设计的定位为一般的小型机用虎钳，所以设计钳体的三维尺寸为长
184mm、宽126mm、高84mm。

内槽两侧开有退位槽，这样可以增大虎钳的行程。

考虑到安装要求，对称添加四个耳板，半径R28。

图3-3 钳体零件图
①新建文件
依次点击“新建”→“零件”→“实体”，将文件名记为零件“qianti”，最后点击“确定”进入设计界面。

②创建特征
点击“拉伸”按钮，进入草绘模式。

创建草绘，拉伸深度为25，单击“确定”，完成创建。

③创建导轨
选择侧面螺杆支撑座的侧面为草绘平面，创建矩形，然后拉伸127mm，得到导轨实体。

④创建固定钳口的固定体
将钳体的上端面作为草绘平面，创建矩形，拉伸100mm。

⑤添加左右耳板
点击“拉伸”按钮，进入草绘模式。

创建圆形，拉伸深度为8，单击“确定”，完成创建。

⑥创建“孔”特征
单击特征工具栏中“拉伸”按钮，单击“放置”→“定义”，点击相应位置作为草绘平面，单击“草绘”按钮，进入草绘模式。

最后选择去除材料，拉伸得到孔眼。

⑦最后还需要创建“螺纹孔”特征
图3-4 a) 钳体三维视图
b) 钳体仰视图
c) 钳体俯视图
（2）活动钳身设计
活动钳身主要承载活动钳口，还要连接螺杆。

所以钳身上端设计螺纹孔，用于螺杆的连接，侧边采用弧形设计，以方便必要的时候生产加工人员手工操作。

图3-5 活动钳身零件图
采用相同的建模“草绘”、“拉伸”方法，首先创建底板，然后创建上部实体，最后打通孔。

得到上滑块的三维视图和俯视图如下：
①创建底板特征
②创建键槽特征
选择板的侧表面为草绘平面，选择“拉伸”进入草绘模式。

最后选择去除材
料，得到键槽。

③创建“孔”特征
④最后创建固定钳口的支撑座
图3-6 a) 活动钳身主视图
b) 活动钳身左视图
（3）螺杆的设计
图3-7 螺杆零件图
螺杆的具体尺寸如上图所示，在参数设计时，丝杠螺纹进行45°倒角，螺距为3。

具体创建过程如下：
①创建“丝杠主体”特征
单击特征工具栏中“旋转”按钮，然后依次点击“放置”→“定义”，选择右面为草绘平面，进入草绘模式后单击“直线”选项。

②创建“丝杠螺纹”特征
单击工具栏中的“插入”按钮，依次选择“螺纹扫描”→“切口”→“常数——穿过轴—右手定则—完成”→“TOP—正向—缺省”，输入螺距。

最后点击对话框中“确定”按钮，完成“螺纹”创建。

③在螺杆的端部开Φ9的孔，以便安装手柄。

图3-8 a) 丝杠三维建模图
（4）钳口的设计
钳口包括活动钳口和固定钳口。

①钳口主体设计
在草绘模式中创建草图如下：
“拉伸”深度为10。

②创建“锥孔”特征
选择“Front”平面作为草绘平面。

③创建“纹路”特征
单击按钮，选择直线进入草绘模式。

选择“阵列”，以方向分布，选取右侧面，数量为20，距离为6。

图3-9 a) 钳口板三维建模
b) 钳口板零件图
（5）其它附件的设计
附件主要是指螺钉、手柄、手柄球、定位销等等。

①螺钉
图3-10 a) 螺钉尺寸
b) 螺钉三维建模
②手柄
图3-11 a)手柄尺寸
b) 手柄三维建模
c) 手柄两端开Φ3.2孔
③手柄球
图3-12 a) 手柄球尺寸
b) 手柄球与手柄装配
④卡套
图3-13 a) 卡套尺寸
b) 卡套三维侧视图
c) 卡套三维俯视图
⑤紧定销
图3-14 紧定销尺寸
⑥滑键
图3-15 a) 滑键尺寸
b) 滑键三维视图（6）装配图
图3-16 机用虎钳剖视图
图3-17 三维装配图
图3-18 三维侧视图最后的总装配图如下所示：
第四章机用虎钳的运动仿真
机械运动仿真技术是一种建立在机械系统运动学、动力学理论和计算机实用技术基础上的新技术，涉及建模、运动控制、机构学、运动学和动力学等方面的内容，主要是利用计算机来模拟机械系统在真实环境下的运动和动力特性，并根据机械设计要求和仿真结果，修改设计参数直至满足机械性能指标要求或对整个机械系统进行优化。

运动仿真是设计过程中不可或缺的一个环节，通过运动仿真可以查看设计方案是否合理、运动和力学性能参数是否满足设计要求、零部件在运动过程中是否存在干涉问题等等。

所以在最后一章，我们进行运动仿真来检测设计结果。

首先将钳体与固定钳口用刚性连接在一起组成一个部分记为f0，再将上滑块、下滑块、活动钳口、螺钉用刚性连接在一起记为f1，最后将f0和f1通过丝杠连接在一起，装配完成。

在装配好的基础上进行机构的运动仿真，在丝杠和下滑块以及钳体上装配伺服电动机，之后进行分析就可以让机用虎钳进行运动了。

机用虎钳的运动过程具体如下：
（1）当手柄顺时针旋转时，丝杠带动虎钳上下滑块相对固定钳体从左向右移动，将丝杠的转动转变为滑块的直线运动，利用固定钳口夹紧工件。

图4-1 a) 活动钳口向右运动
b) 夹紧工件
（2）当手柄逆时针旋转时，丝杠带动虎钳上下滑块相对固定钳体从右向左移动，从而松开工件。

图4-2 a) 活动钳口向左运动
b) 松开工件
致谢
不知不觉大学生活转瞬即逝，我自己也从一个懵懂无知的少年变成了装满知识的青年，即将走出校园，迈入社会。

在技术学院学习、生活的这段时间里，我收获了很多，譬如知识、朋友等等，这段时间离不开老师、朋友的指导和督促，正是由于他们才有了我的今天，在这里向他们表示深深的感谢。

首先要感谢的是我的导师梁东明老师，在毕业设计的这段时间里，他总是不辞辛苦地指导、修改我的设计，每当遇到困难，他都指导我查阅资料、一起研究，如果没有他的悉心指导，我的毕业设计是很难完成的。

导师高尚的品德、渊博的学识、严谨的学风和高度的责任心深深地影响着我，他的治学严谨和科学研究的精神也是永远值得我学习的。

在此，谨向尊敬的导师表示真诚的感谢和崇高的敬意！
然后还要感谢和我一起作毕业设计的各位同学，感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励，此次毕业设计才会顺利完成。

最后，作者还要深深地感谢默默支持本人完成学业的父母及亲友，感谢他们为我所做出的无私奉献和巨大支持！
李兆旺
2015年11月17日
参考文献
[1]陈立德.机械设计基础.北京：高等教育出版社,2004.
[2]黄恺,李雷,刘杰.Pro/E参数化设计高级应用教程.北京：化学工业出版社,2008.
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[4]诸小丽.CAD/CAM实体造型教程与实训（Pro/ENGINEER版）.北京：北京大学出版社,2009.
[5]张启光.机械制图与计算机绘图.北京:中国铁道出版社,2011.
[6]刘友芳,邱卉颖.CAD/CAM技能训练教程.北京:中国水利水电出版社,2013.。