管状零件内涨夹具设计说明书讲解

专业课程综合设计说明书
题目管状零件内涨夹具设计
院(系)别机电及自动化学院
专业机械电子2班
级别2010级
学号1011113042
姓名肖晓杰
指导老师郑亚青老师
华侨大学机电及自动化学院
2014年1月
目录
第1章、设计任务介绍 (2)
1.1零件的工艺分析 (3)
1.2零件生产类型 (3)
1.3夹具设计任务简述 (3)
第2章、夹具设计 (3)
2.1方案选择 (4)
2.2定位误差分析与计算 (5)
2.3夹具的夹紧力分析 (7)
2.4夹具体各个非标零件的确定 (9)
2.5各个非标零件表面粗糙度值、形位公差和尺寸公差的确定 (12)
第3章、夹具在机床上的安装与调整过程分析 (12)
第4章、夹具设计的注意事项 (13)
第5章、夹具优缺点 (13)
第6章、设计小结 (14)
参考文献 (15)
第1章、设计任务介绍
1.1零件的工艺分析
下图为某工厂需要生产的管状工件。

该工件毛坯沿轴线方向整个外圆表面在数控车床上一次加工完成；该工件上∅90、∅95、∅98、∅100等4处有规定长度的直径部位，表面粗糙度应达到0．8um，需上磨床磨削；中段及尾段各有25 mm及15 mm 长的两段螺纹有待加工；最后有一段57 mm长的花键需要加工。

这些部位均有同轴度要求。

1.2零件生产类型
工件毛坯为模锻成型，沿轴线方向整个外圆表面在型号CK6140数控车床上一次加工完成。

为满足成批生产，针对该工件的加工工艺需设计一套夹具来保证工件的加工质量，同时又能提高生产效率。

1.3夹具设计任务简述
夹具是工艺装备的主要组成部分，很大程度上影响着机械产品的质量、生产率及生产成本。

机械行业国内外市场竞争的日趋激烈，以及数控机床和加工中心的普遍使用，快速工装准备显得尤为关键。

使用夹具可以提高工件的加工精度并保证零件的互换性，提高劳动生产率；同时可以降低劳动强度，改善工人的劳动条件；使用夹具还可以扩大现有机床的应用范围，充分利用现有的设备资源。

由于市场的竞争越来越激烈，产品推向市场的周期越来越短，产品更新换代的速度越来越快，因此必须在最短的时间内设计并制造出结构简单、夹紧点固定、夹紧力可靠、能减少工人劳动强度和人为因素的不稳定性的夹具。

第2章、夹具设计
夹具的设计不宜太复杂，在保证质量的生产率的前提下，应尽量简化结构，做到经济合理。

该工件的通身需在数控车床上一次加工到预定尺寸，所以夹持内孔成了唯一可行的方案。

2.1方案选择
方案一：
方案分析：
该夹具以M12螺纹杆为夹具中心，四根压杆与压片和圆弧柱体压轴通过铰链连接。

右侧M12螺母固定，当工件装上后，通过锁紧与拧松左侧M12螺母，使压轴向内外移动。

当锁紧时，压轴向外移动，通过螺母作用使夹紧力向外，涨紧内孔，从而夹紧工件，达到装夹目的。

同时，加工时工件右侧用顶尖顶住。

当工件加工完毕，螺母拧松，压轴向着轴心方向运动，从而松开工件。

但是，该方案不太合理，因为压轴面积相对较小，向外的夹紧力会使管件内壁受一些集中应力作用，管状零件在数控车床上加工时易出现变形，导致不符合工件加工要求。

同时，由于管件内壁直径较小，四根压杆较细，若螺母预紧力较大，压杆强度无法保证。

方案二：
方案分析：
该夹具通过联接盘3与数控车床夹盘头部联接。

利用M20螺母1控制心轴8左右移动，当工件装上后，螺母带动心轴向左移动，三个夹爪9在心轴的斜面作用下沿槽向外运动，涨紧内孔，准确夹持工件；当工件加工完毕，螺母控制心轴向右运动，夹爪向着轴心方向运动，从而松开工件。

由于该工件的轴向尺寸相对径向尺寸比例较大，在加工过程中为防止轴线变形，一端为内孔夹持的同时，另一端要用顶尖11顶住。

该工件轴向尺寸比较大，在夹持工件时为防止轴线偏斜，要先加工出左边内孔及左端面，作为粗基准。

上数控车床加工时，用此内涨夹具夹持左内孔并将左端面靠紧定位衬套6。

这种机床夹具设计方案是合理的，因为一方面它保证了加工基准与定位基准，误差较小，能够满足要求。

综合上述分析，管状零件内涨专用夹具设计采用方案二。

2.2定位误差分析与计算
该夹具定位时，由心轴顶住夹爪向外，使管状零件内孔受4个自由度限制，再由工件左侧的定位衬套补充定位，总共限制5个自由度（除绕X轴旋转自由度未限制外），属于不完全定位，但是是合理定位，满足加工要求。

定位误差是由于定位不准确而引起加工表面相对工序基准在工序尺寸方向
上的最大位移量，以dw ∆表示。

定位误差由基准不重合误差jb ∆和定位基准位移误差jw ∆两部分组成。

基准不重合误差由工序基准与定位基准不重合引起的，其大小为工序基准与定位基准之间的尺寸在工序尺寸方向上的最大变化量。

定位基准位移误差是由于定位副制造不准确或间隙配合引起定位基准在工序尺寸方向上的最大变化量。

基准不重合误差jb ∆分析（此时，暂不考虑定位副制造误差和间隙配合，及定位孔径与工件孔径完全重合）：
由于待加工件是管状零件，加工外圆，其定位基面是管状零件70Φ内孔，由心轴、夹爪、定位衬套组成的定位基准是中心轴线，而工序基准是管状零件中心轴线，即工序基准与定位基准重合，故不存在基准不重合误差，即基准不重合误差0=∆jb 。

定位基准位移误差jw ∆分析：
由于心轴和夹爪要插入管状零件内孔，故它们与零件的配合方式是间隙配合，必然存在由配合间隙引起的定位基准位移误差。

加工时，工件以孔中心线为定位基准在水平放置的心轴上定位，由于工件受重力的作用使工件定位孔与心轴和夹爪在上母线处接触，且非标准零件心轴与夹爪子都存在制造误差，心轴与本体的配合代号为7
7
40h H Φ，本体与管件内孔的配合代号为7
870
h K Φ，心轴外径mm 0025.040-Φ本体内径mm 025
.00
40+Φ本体外径mm 0030.070-Φ管状零件内径mm 007
.0039.070+-Φ
故定位基准位移误差jw ∆为
mm
T T T jw 063.0046.021
030.021025.021025.02121
212121=⨯+⨯+⨯+⨯=+
++=∆管内本外本内轴外 所以，定位误差dw ∆=基准不重合误差jb ∆+定位基准位移误差jw ∆
mm 063.0063.00=+= 查阅资料可知，工件加工允许误差mm 17.0=∆允许，
则有允许∆<∆dw ，故该定位方案合理。

2.3夹具的夹紧力分析
（1）夹紧机构：
根据成批生产的类型所设计的该管状零件内涨夹具，采用的夹紧方式是螺旋夹紧机构方式，当工件装上后，M20螺母带动心轴向左移动，三个夹爪9在心轴的斜面作用下沿槽向外运动，涨紧内孔，准确夹持工件；当工件加工完毕，螺母控制心轴向右运动，夹爪向着轴心方向运动，从而松开工件。

由于工件和夹具一起随着主轴旋转，工件除受切削力作用外，还受到离心力作用，故要求夹紧装置产生的夹紧力足够。

在该夹具设计中特意将夹爪设计成长方形块状，与管状零件的轴向接触长度为40 mm ，以保证比较长的接触长度；其次在夹爪上设计出夹角为60°的沟槽，增大夹爪表面与工件接触表面之间的摩擦系数，从而增大夹持力。

（2）夹紧力的确定：
方法一（查表法）：由于该夹具运用螺旋夹紧机构，其夹紧力可通过查《机床夹具设计手册》（1979年7月，上海科学出版社，东北重型机械学院、洛阳农业机械学院、长春汽车厂工人大学 编 ） 表2-18可知，
用扳手的M20六角螺母的夹紧力计算： 螺纹公称直径（mm ）
螺纹中径(mm) 手柄长度(mm) 手柄上作用力 产生的夹紧力 20
18.376
240
10KgF=98N
806KgF=7898.8N
方法二（计算法）：
夹紧力计算的一般公式为：()1
1ϕβαtg r tg r L
P W ⨯'++⨯⨯=；
式中：
W---工作夹紧力（公斤力）；P---手柄上的外加力；L---手柄长； r---螺纹中经；α---螺纹升角；r
t
tg ⨯=
πα2；t----螺纹螺距； β1--螺纹配合面的摩擦角（实际计算β1可取8.5°）； 1ϕ---旋转接触面的摩擦系数，可取1ϕtg =0.15； r '---摩擦力炬的半径，与接触处的形状有关。

（3）夹紧力的校核
其中，
主切削力 FC n C Y X P
FC C K V f C F FC FC FC
⋅⋅⋅⋅=.81.9α 取加工材料为铸钢，刀具材料为高速钢，加工方式为外圆纵车，各系数取最大值：mm p 5=α，r mm f /5.0=，min /105m v c =修正系数2.1=FC K ，
则最大主切削力
N
K f
K V f C F FC p FC n C Y X P FC C FC FC FC 71.62992.115
,0518081.9118081.9.81.975
.075
.00.1max =⨯⨯⨯⨯⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=⋅⋅⋅⋅=αα
而夹紧力N F N F C 71.62998.7898max =>=
故该夹紧力完全可以满足要求，该夹紧机构合理。

2.4夹具体各个非标零件的确定
(1)零件图1：联接盘 材料：ZG230-450
热处理：表面渗碳淬硬至
58-62HRC
(2)零件图2：本体 材料：45钢 热处理：
35-40HRC
(3)零件图3：心轴
材料：45钢
热处理：表面渗碳淬硬至58-62HRC
为配合夹爪的伸缩运动，在控制其运动的心轴上设计出三个斜面，呈间隔120。

对称分布，如下图所示。

为保证夹爪伸缩时的尺寸一致，用铣刀加工这三个斜面时必须保证在任一截面上，三等槽至芯轴外圆所要求的尺寸公差为±0．02 mm。

这三个斜面用铣刀加工在工艺性方面较优越。

(4)零件图4：紧固压板
材料：HT200
热处理：35-40HRC
(5)零件图5：定位衬套
材料：20钢
渗碳、淬火、回火54-60HRC
渗碳深度0.8-1.2mm
(6)零件图6：夹爪
材料：45钢
渗碳、淬火、回火54-60HRC
渗碳深度0.8-1.2mm
夹爪设计成矩形块状如下图所示。

安装时将心轴插入本体，放置矩形夹爪，然后用橡皮圈将三个夹爪紧固住，以防止夹爪从槽中掉出。

由于工件和夹具一起随着主轴旋转，工件除受切削力作用外，还受到离心力作用，故要求夹紧装置产生的夹紧力足够。

在该夹具设计中特意将夹爪设计成长方形块状，与管状零件的轴向接触长度为40 mm，以保证比较长的接触长度；其次在夹爪上设计出夹角为60。

的沟槽，增大夹爪表面与工件接触表面之间的摩擦系数，从而增大夹持力。

夹爪三个为一组，一组夹爪中高度必须一致。

所以加工时先由钳工在圆棒料上划线，标出三个夹爪的矩形凸起部位。

然后用铣刀铣掉不必要的材料，保留夹爪的矩形凸起部分，但不把矩形夹爪切割下来，而是仍然保留在棒料上。

加工出夹爪表面的60°沟槽后进行热处理，上磨床加工外圆，最后把夹爪切割下来。

然后完成176°±5’的斜面的加工以及各配合面的磨削加工。

2.5各个非标零件表面粗糙度值、形位公差和尺寸公差的确定
由于该管状零件的生产类型是成批生产，且其中零件图中有位置公差同轴度的要求，值均为0.03，为保证工件加工精度要求，经分析，对通用机械而言，定联接盘的公差等级为IT8，本体的公差等级为IT7，心轴的公差等级为IT7，紧固压板的公差等级为IT8，定位衬套的公差等级为IT7，夹爪的公差等级为IT6。

工件为精密级，查阅GB（见附件1-4）的标准公差表、线性尺寸未注公差的公差表、公差等级与表面粗糙度值(用于通用机械)、形位公差的公差值（GB/T1184--1996）等表格，可确定各个非标零件表面粗糙度值、形位公差和尺寸公差。

（见零件图）
第3章、夹具在机床上的安装与调整过程分析
（1）安装：
该夹具通过联接盘3与数控车床（型号：CK6140卧式）夹盘头部联接，用螺杆拉紧。

（2）调整：
安装前：利用M20螺母1控制心轴8左右移动，当工件装上后，螺母带动心轴向左移动，三个夹爪9在心轴的斜面作用下沿槽向外运动，涨紧内孔，准确夹持工件；当工件加工完毕，螺母控制心轴向右运动，夹爪向着轴心方向运动，从而松开工件。

由于该工件的轴向尺寸相对径向尺寸比例较大，在加工过程中为防止轴线变形，一端为内孔夹持的同时，另一端要用顶尖11顶住，从而使工件定心夹紧。

该工件轴向尺寸比较大，在夹持工件时为防止轴线偏斜，要先加工出左边内孔及左端面，作为粗基准。

上数控车床加工时，用此内涨夹具夹持左内孔并将左端面靠紧定位衬套6。

安装时：车床主要用于加工零件的内外圆柱面、圆锥面、螺纹以及端平面等。

该夹具安装在车床主轴上，加工时夹具随机床主轴一起旋转，切削刀具作进给运
动。

因此该夹具是围绕机床主轴的旋转轴线的原理而设计的，并根据机床轴线为基准线进行安装。

该夹具与机床主轴的连接精度对夹具的加工精度有一定的影响。

因此，要求夹具的回转轴线与卧式车床主轴轴线应具有尽可能小的同轴度误差。

第4章、夹具设计的注意事项
该成批生产的管状零件，其夹具属于车床专用夹具。

车床夹具的主要特点是夹具与车床主轴连接，工作时由车床主轴带动其回转。

因此，在设计车床夹具时应考虑以下几种因素：
(1)工件上加工表面的回转轴线应与车床主轴回转轴线同轴。

当主轴油高速转动，急刹车等情况时，夹具与主轴间的连接应有防松装置。

(2)车床夹具一般在悬伸状态下工作，为保证车削的稳定性，夹具的结构应尽量做到紧凑、轻便、悬臂尺寸短、中心靠近主轴。

另外，夹具上的各种元件或装置应安装可靠，尽量不要有径向凸出部分，必要时要加防护罩。

(3)车床夹具应有必要的平衡装置，以消除旋转中的质量不平衡，减少主轴轴承的不正常磨损，避免产生振动和降低夹具寿命。

平衡措施有设置重量和位置可调的平衡块或加工减重孔两种。

在实际工作中，由于车床主轴的刚性较好，允许有一定程度的质量不平衡，常采用试配的方法来进行夹具的平衡工作。

(4)夹紧装置应夹紧迅速、可靠，产生的夹紧力必须足够大，自锁性能好。

车床夹具和圆磨床夹具有很多相似之处，二者都是装在机床主轴上，由主轴带动工件旋转，加工表面基本相同，夹具的主要类型也相似。

因此，车床夹具的设计要点也适合于圆磨床夹具。

第5章、夹具优缺点
优点：
（1）该夹具使用灵活，单人就可将其安装到位。

零件都是回转体，安装方便，这样也可保证机床回转中心与夹具中心重合，减小误差。

同时该夹具在数控加工结束后，可拆装到铣床、磨床上使用，加工花键及磨削加工，夹持及定位面不变，既保证了位置精度要求，又减少了夹具设计，一举多得。

为操作工人节省了安放工件的时间，提高了工件成批生产的效率。

（2）该夹具可以针对所涨内孔的大小更换适当尺寸的心轴及本体，其余零
部件不作改动，便可方便成为新的内涨夹具，大大节约了工装的成本，提高了工装中其它零部件的利用率。

缺点：
该夹具非标准零件过多，且加工精度都有一定要求，这些在装配时对管状零件的加工精度有一定程度上的影响。

第6章、设计小结
本次专业课程综合设计的设计题目是管状零件内涨夹具设计，通过本次课程设计，对夹具设计有了一定的了解，同时对CAD、ProE等软件和《机械制造工艺学》和《互换性与测量技术》等相关专业课程知识有所复习。

本次课程设计是通过结合课本知识来解决实际问题能力的一次锻炼，同时也锻炼了自学能力和查阅资料的能力。

感觉颇深的是机械加工工艺的严谨性，每一个数据都比较严格和有相应的规范与出处，以及每一个步骤都不是孤立的，要有全局意识才能做好设计。

经过这次设计，让自己大概知道了机械零件是怎样生产出来的，夹具该如何设计才符合要求与规范，对机械行业也有了更深的认识。

但是由于自己相关专业知识知贫乏，当中出现问题当属正常，希望老师谅解，并多多批评和指正。

参考文献
[1] 王先逵主编.机械制造工艺学（第2版）.北京：机械工业出版社，2006.1
[2] 尹成湖主编.机械制造技术基础课程设计.北京：高等教育出版社，2006.12
[3] 王栋主编.机械制造工艺学课程设计指导书.北京：机械工业出版社，2010.8
[4] 邹青呼咏主编.机械制造技术课程设计指导书.北京：北京出版社，2011.6
[5] 李柱主编.互换性与测量技术.北京：高等教育出版社，2004.12
[6] 吴拓编著.现代机床夹具设计.北京：化学工业出版社，2009.1。