凸轮轴铣槽夹具设计

目录
绪论 (2)
1 现代夹具的发展 (4)
1.1柔性夹具的主要发展方向 (4)
1.2 夹具的发展趋势 (4)
1.3 组合夹具的应用 (5)
2 设计任务 (6)
3 定位方案的设计 (7)
3.1 定位方案选择 (7)
3.2 V形块的设计 (9)
3.3 定位误差的计算 (10)
4 工件的夹紧设计 (12)
4.1 夹紧装置的组成 (12)
4.2 夹紧机构的选择 (12)
4.3 夹紧力的计算 (13)
5连接元件和夹具体的设计 (15)
5.1 连接元件的设计 (15)
5.2 夹具体的设计 (15)
结论 (17)
致谢 (18)
参考文献 (19)
绪论
机床夹具是在切削加工中，用以准确确定工件位置，并将其牢固地夹紧
的工艺装备。

它的主要作用是：可靠地保证工件的加工精度，提高加工效率，减轻劳动强度，充分发挥和扩大机床的工艺性能。

因此，机床夹具在机械制造中占有重要的地位。

机床夹具设计是工艺装备设计中的一个重要组成部分，是保证产品质量和提高劳动生产率的一项重要技术措施。

在设计过程中，应深入生产实际，进行调查研究，吸取国内外的先进技术，制定出合理的设计方案，一般夹具设计步骤如下：
（1）深入生产实际调查研究
在深入生产实际调查研究中，应掌握下面一些资料。

1）工件图纸：详细阅读工件图纸，了解工件被加工表面的技术要求，该件在机器中的位置和作用，以及装配中的特殊要求。

2）工艺文件：了解工件的工艺过程，本工序的加工要求，工件已加工面及待加工面的状态，基准面选择的情况，可用的机床设备的主要规格，与夹具连接部分的尺寸及切削用量等。

3）生产纲领：夹具的结构形式应与工件批量大小相适应，做到经济合理。

4）制造与使用夹具的情况：有无通用零部件可供选用；工厂有无压缩空气站；制造和使用夹具的工人的技术状况等。

（2）确定工件的定位方法和刀具的导向方式
工件在夹具中的定位应符合定位原理。

合理地设置定位件和导向件。

设计定位件和导向件时，应尽量采用通用标准。

（3）确定工件的夹紧方式和设计夹紧机构
夹紧力的作用点和方向应符合夹紧原则。

进行夹紧力的分析和计算，以确定夹紧元件和传动装置的主要尺寸。

（4）确定夹具其他部分的结构形式
如分度装置、对刀元件和夹具体等。

(5）绘制夹具总装配图
在绘制总装配图时，尽量采用1：1比例，主视图应选取面对操作者的工作位置。

绘图时，先用红线或双点划线画出工件的轮廓和主要表面，如定位表面，夹紧表面和被加工表面等。

其中，被加工表面用网纹线或粗实线画出加工余量。

工件在夹具上可看成是一个假想的透明体，按定位元件、导向元件、夹紧机构、传动装置等顺序，画出具体结构，最后画夹具体。

(6) 标注各部分主要尺寸、公差配合和技术要求
(7) 标注零件编号及编制零件明细表
在标注零件编号时，标准件可直接标出国家标准代号。

明细表要注明夹具名称、编号、序号、零件名称及材料、数量等。

(8) 绘制夹具零件图
拆绘夹具零件图的顺序和绘制夹具总装配图的顺序相同。

在机床上加工工件时，为了要使该工序所加工的表面，能达到图纸规定的尺寸、几何形状以及与其他表面的互相位置精度等技术要求，在加工前，必须首先将工件装好夹牢。

把工件装好就是要在机床上确定工件相对刀具的正确加工位置。

工件只有处在这一位置上接受加工，才能保证其被加工表面达到工序所规定的各项技术要求。

在夹具设计的术语中，把工件装好称为定位。

把工件夹牢，就是指在已经定好的位置上将工件可靠地夹住。

以防止在加工时工件因受到切削力、离心力、冲击和振动等的影响，发生不应有的位移而破坏了定位。

在夹具设计的术语中把夹牢工件称做夹紧。

由此可知，工件装夹的实质，就是在机床上对工件进行定位和夹紧。

装夹工件的目的，则是通过定位和夹紧而使工件在加工过程中始终保持其正确的加工位置，以保证达到该工序所规定的加工技术要求。

在机械制造过程中，用来固定加工对象，使之占有正确的位置，以接受施工或检验的装置，都可以统称为夹具。

例如：焊接过程中用于拚焊的焊接夹具；检验过程中用的检验夹具；装配过程中用的装配夹具；机械加工中用的机床夹具等，都属于泛指的夹具范畴。

1 现代夹具的发展
1.1柔性夹具的主要发展方向
由于经济和技术的发展以及数控、加工中心机床的特点,对机床夹具的使用性能和结构提出了更高更新的要求,需要一种结构简单、精度高、强度高和通用性好、适应性强、柔性高的新型夹具系统。

这种夹具能适应不同的机床、不同的产品或同一产品不同的规格型号,能最大限度地满足各种机床夹具的需要。

以组合夹具为基础的柔性夹具就是根据以上的要求设计制造的,这种柔性夹具的特点是:元件规格统一化、元件性能多功能化、元件结构简单化、模块化、夹紧工件快速自动化、重复使用可调化、组装管理微机化。

柔性夹具是现代夹具的一个主要发展方向。

柔性夹具是由一套预先制造好的各种不同形状、不同尺寸规格、不同功能的系列化、标准化元件、合件组装而成的。

柔性夹具元件、合件具有较好的互换性和较高的精度及耐磨性。

柔性夹具能保证工件在规定的坐标位置上准确定位和牢固的夹紧,也就是说能保证工件相对
于机床坐标原点具有准确和稳定可靠的坐标位置。

这种夹具具有较高的刚度和精度,在粗加工时能承受较大的切削用量,以充分发挥数控、加工中心机床的生产能力,在精加工时能更好地保证工件定位基准和加工表面的位置精度,还能根据数控、加工中心机床的要求保证夹具应允许刀具接近尽可能更多的被加工表面甚至全部被加工表面,可减少机床的停机时间,在夹具上还能一次装夹多个工件同时依次加工,可以减少夹具、刀具、工件系统的调整时间,还能减少刀具的更换次数和刀具的调整时间,更好地发挥数控、加工中心机床的高效性能。

柔性夹具元件可以通过组装、使用、拆卸、再组装重复使用。

柔性夹具元件分三个系列:槽系列夹具元件、孔系列夹具元件、光面系列夹具元件。

1.2 夹具的发展趋势
a．夹具元件多功能模块化
能单独使用也能与其他元件组合在一起使用的多功能模块化单元体的比例将进一步增加。

如现在使用的各种定位夹紧座、定位压紧支承、精密虎钳等模块式单元体具有定位、夹紧以及调节的综合功能,可以一件单独使用,也可以几件组装在一起使用,T 形基础、方箱能组装成一次能装夹多件相同或不相同的工件的夹具,使用这种夹具可以减少机床的停机时间,最
大限度发挥数控、加工中心机床的高效性能。

b．高强度、高刚性、高精度
为了提高劳动生产率,缩短工件的加工工时,工件的加工已向着高速、大切削量方向发展,工序高度集中,工件定位夹紧后要依次完成铣、钻、镗等多工序的加工。

切削力的大小、方向在不断地变化,这就需要柔性夹具本身要有较高的使用强度和刚度,才能满足工件的加工精度。

c．专用夹具、组合夹具、成组夹具一体化
现代化加工设备的多功能化,使工艺过程高度集中、工件一次定位装夹后能完成多工序加工,这就需要一种通用而又能重复使用的组合可调式的夹具系统,它是由一系列统一化、标准化的元件和合件组成,利用这些元件、合件组装成各种不同形式、不同结构、可重复使用的夹具,供单件或中小批量生产使用。

这种夹具系统保留了组合夹具的各种优点,组装又像专用夹具那样简单可靠,又有可调整元件,保留了成组夹具的优点。

为了便于夹具与机床定位连接,夹具基体有统一标准的定位连接位置,使之专用、组合、成组夹具向着一体化、组合化方向发展,以满足现代化加工设备的需要。

d．工件夹紧快速化、自动化
为缩短工件加工中的辅助时间,减轻工人的劳动强度,工件的装夹、拆卸也需要机械化、自动化。

工件的夹紧由原来的单一功能的压紧件、紧固件发展为可以调整的模块,以便实现快速组装和快速夹紧。

对于批量大的一些零件的加工,液压夹具、气动夹具可实现工件自动化快速夹紧。

1.3 组合夹具的应用
随着机械制造业的飞速发展，产品的更新换代越来越快，传统的大批量生产模式逐步被中小批量生产模式所取代，机械制造系统欲适应这种变化需具备较高的柔性。

国外已把柔性制造系统(FMS)作为开发新产品的有效手段，并将其作为机械制造业的主要发展方向。

柔性化的着眼点主要在机床和工装两个方面，组合夹具是工装柔性化的重点。

随着科学技术的日新月异，先进制造技术不断得到发展。

柔性制造技术、集成制造技术将是现代先进制造技术发展的主流。

未来制造过程将变得更智能化，制造企业适应市场的能力更强。

柔性制造技术由于其高效、灵活的特性使其成为实施敏捷制造、并行工程、精益生产和智能制造系统的基础，且应用日益广泛，已成为整个机构制造领域的核心技术，而组合夹具由于其灵活性，已成为现代夹具的主要发展方向，在制造业中发挥着重要作用。

2 设计任务
待加工工件及加工要求
要求设计一卧式铣床夹具，加工凸轮轴的半圆形键槽。

该零件的技术要求为：大端直径φ40h6mm ，加工段直径φ28.450
-0.1mm ，半圆形槽深5+10，半径为14mm ，槽宽501.002.0++mm,键槽的对
程度公差为0.1。

凸轮轴的轴线对于机床工作台面的水平度误差为0.02，键槽的表面粗糙度为
3.2。

R14
5.13+10
2×45°1×45°
φ40h 613
+10193622308171
φ28.50-0.15+0.02+0.01
A 5
0.1A
夹具体的基本要求：
1） 能保证工件的加工要求 保证加工质量，是必须首先满足的要求。

保证加工质量的关键，就在于
正确选定定位基准、定位方法和定位元件。

必要时需进行误差的分析计算。

2） 能提高生产率，降低成本
应尽量采用各种快速高效的结构，缩短辅助时间，提高生产率。

同时尽可能采用标准元件与标准结构，力求结构简单，制造容易，以降低夹具制造成本。

3） 操作方便、省力和安全
在客观条件许可且又经济的前提下，尽可能采用气动、液压和气液等机械化夹紧装置，以减轻操作者的劳动强度。

操作位置应正确符合操作工人的操作习惯，并注意操作安全。

加工件图--01
3 定位方案的设计
在工艺学中已经知道，工件在加工前，必须首先使它在机床上相对刀具占有正确的加工位置，这就是定位。

夹具在工件定位过程中起着决定的作用，工件正是通过夹具相对机床、刀具占有正确的加工位置。

工件在夹具中定位的目的，就是要使同一批工件在夹具中占有一致的正确加工位置。

要使工件完全定位，就必须限制工件在空间的六个自由度，此即为工件的“六点定位原则”。

在定位设计中，会遇到以下几种情况：
（1）完全定位
限制了工件全部的六个自由度，称为工件的“完全定位”。

（2）不完全定位
在对工件的加工精度没有影响的情况下，允许少于六点的定位称为“不完全定位。

（3）欠定位
工件的定位支承点数少于应限制的自由度数，这种工件定位点不足的情况，称为“欠定位“，欠定位在实际生产中是不允许的。

（4）过定位
工件的某一个自由度同时被两个或多个定位支承点重复限制，这种情况称为“过定位“，也叫”重复定位“。

本设计因加工需要，对六个自由度均有限制的要求，所以选用完全定位。

3.1 定位方案选择
方案一：
工件以φ40和φ28.45两个外圆放在两个V形块上定位，端面轴向定位于挡板上，为控制凸轮与键槽的相对位置，由浮动的V形板来对凸轮的表面做角向定位，从而完成六点定位。

（方案一图）
优点：（1）定位精度高；
（2）安装方便；
（3）对中性好；
（4）V形块结构已经标准化。

缺点：结构较复杂，制造要求较高。

方案二：
工件在φ40外圆处以定位套筒定位，端面轴向定位于挡板上，由浮动的V形板来对凸轮的表面做角向定位。

（方案二图）
优点：（1）元件结构非常简单；
（2）制造、安装很方便。

缺点： (1) 定心精度不高；
（2）配合较松时易产生工件倾斜；
（3）定位精度不高。

方案三：
凸轮轴两端用两个锥套定位，
由浮动的V形板来对凸轮的表面做角向定位。

（方案三图）
优点：（1）结构简单；
（2）制造和安装都很方便。

缺点：（1）定位精度不高；
（2）有可能挡住刀具。

综合以上三个方案，从经济性，可行性，方案的优缺点以及加工零件的加工要求出发，应优先选用方案一。

所以该夹具设计的定位方案为方案一。

采用两个V 形块、一个浮动V 形板和一块挡板来完成六点定位。

3.2 V 形块的设计
如图所示，
V 形块的基本尺寸为：
H ：V 形块的高度；
N ：V 形块的开口尺寸；
D ：V 形块的标准心轴
直径，即，工件定
位用的外圆直径；
T ：对标准心轴而言，
V 形块的标准定位
高度。

V 形块的夹角α取90度。

已知：mm D 40=, mm D 45.281=；
两块V 形块的计算内容如下：
（V 形块图）
mm A D N 5.313.4245.2841.1241.1111=⨯-⨯=-=
因 112.1D H < , 1H 取mm 32
所以，mm N D H T 4.365.315.045.28707.0325.0707.01111=⨯-⨯+=-+=
mm N 5.311= mm H 321= mm T 4.361=
3.3 定位误差的计算
在机械加工过程中，工件的加工允差δk 要大于与夹具有关的加工误差和其他一些因素有
关的加工误差之和。

即， ωδ+∆>j k
式中，
k δ：工件的加工允差；
j ∆：与夹具有关的加工误差；
ω：其它因素引起的加工误差。

其中， m j z a j j w d j ∙∙∙∙∆+∆+∆+∆=∆
式中， w d ∙∆：定位误差；
j j ∙∆：夹紧误差；
z a ∙∆：夹具的安装误差；
i d ∙∆ ：导引误差；
m j ∙∆ ：夹具磨损引起的加工误差。

在夹具设计制造中，要尽可能减少与夹具有关的加工误差，如果这部分误差所占比重很大，则留给补偿其它误差的比例就很小，结果不是降低了工件的加工精度，就是有可能造成超差而导致工件报废。

下面主要讨论工件在夹具中定位时所产生的定位误差。

定位误差的计算
如图所示：
误差示意图--02
定位误差产生的原因有两个：
（1）定位基准与设计基准不重合，必然产生基准不重合引起的定位误差Δ
j ·b ； （2）由于定位副制造不准确，而引起的定位误差Δ
d ·b 。

所以，定位误差b d b j w d ∙∙∙∆+∆=∆
由图可知： 基准不重合误差2K L b j ∆=∆=∆∙ 其中， K ∆为工件的公差。

mm K 1.0=∆
所以， mm b j 05.0=∆∙
由图可知： 定位副不准确误差， 2
a sin 2⨯∆=∆∙K
b d 所以， mm b
d 071.045sin 21.0=︒⨯=∆∙ 因此，总的定位误差为 2sin 22a K K w d ⨯∆+∆=
∆∙ 即， mm a K w d 121.0145sin 121.012sin 12=⎪⎭⎫ ⎝⎛+︒⨯=⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛+∙∆=∆∙ mm K 1.0=∆ mm b j 05.0=∆∙ mm b d 071.0=∆∙ mm w d 121.0=∆∙
4 工件的夹紧设计
4.1 夹紧装置的组成
(1)动力装置
夹紧力的来源，一是人力；二是某种装置所产生的力。

能产生力的装置称为夹具的动力装置。

常用的动力装置有：气动装置、液压装置、电动装置、电磁装置、气—液联动装置和真空装置等。

由于手动夹具的夹紧力来自人力，所以它没有动力装置。

(2)夹紧部分
接受和传递原始作用力使之变为夹紧力并执行夹紧任务的部分，一般由下列机构组成：1）接受原始作用力的机构。

如手柄、螺母及用来连接气缸活塞杆的机构等。

2）中间递力机构。

如铰链、杠杆等。

3）夹紧元件。

如各种螺钉压板等。

其中中间递力机构在传递原始作用力至夹紧元件的过程中可以起到诸如改变作用力的方向、改变作用力的大小以及自锁等作用。

(3)夹紧装置的基本要求
在不破坏工件定位精度，并保证加工质量的前提下，应尽量使夹紧装置做到：
1)夹紧作用准确、安全、可靠。

2)夹紧动作迅速，操作方便省力。

3)夹紧变形小。

4)结构简单，制造容易。

4.2 夹紧机构的选择
本夹具采用斜楔夹紧机构，
特点：1）斜楔具有良好的自锁性能；
2）斜楔可以改变夹紧作用力的方向；
3）斜楔具有增力作用；
4）斜楔的夹紧行程很小。

综合以上特点，本夹具设计可以优先选用斜楔夹紧机构。

夹紧力的计算
4.3 夹紧力的计算
如图所示：
斜楔机构示意图--03
其中，W 为夹紧力，Q 为使工件夹紧的推力。

查手册可知：
增力比 )
('(1131+)+-=φφφa tg tg a tg i p 其中，a ：斜楔夹紧机构的斜楔角；
1φ：平面摩擦时作用在斜楔面上的摩擦角；
3φ ：移动柱塞双头导向时导向孔对移动柱塞的摩擦角；
'3φ：移动柱塞单头导向时导向孔对移动柱塞的摩擦角； 3
'331φφtg h tg ∙= l ：移动柱塞导向孔的中点至斜楔面德距离；
h ：移动柱塞导向孔长。

所以，︒=6α ，︒=61φ，︒=63φ； h 1取 0.7
则， 221.067.03'3=︒⨯⨯=tg tg φ
5.412
12221.01=-=
tg tg i p ； 所以，外力Q 取200N
N Q i W p 9002005.4=⨯=∙=
夹紧力符合加工要求。

︒===631φφα 7.01=h
221.0'3=φtg 5.4=p i
N Q 200=
N W 900=
5连接元件和夹具体的设计
5.1 连接元件的设计
铣床夹具的连接元件由两部分组成：
1）定位键
铣床夹具以定位键和机床工作台T型槽配合，每个夹具一般设置两个定位键，起到夹具在机床上的定向作用，，并用埋头螺钉把定位键固定在夹具体的键槽中。

材料选用45钢；
本夹具采用B型定位键，具体结构尺寸如下图所示：
定位键图--04
2）带U型槽的耳座
在铣床夹具纵向两端底边上，设计带U型槽的耳座，供T型槽用螺栓穿过，将夹具体紧固在工作台上。

材料：HT30。

5.2 夹具体的设计
本夹具体采用铸造结构；
优点：1）可以铸出复杂的结构形状；
2）铸铁件的抗压强度的、耐振性好，因此特别适用于加工时振动大，
切削负荷大的场合；
3）铸铁件易于加工，价格低廉，可降低夹具成本。

铸造的生产周期长，而且因铸造时的内应力缘故，易引起变形，从而影响夹具体精度的持久性。

因此铸造夹具体必须进行时效处理。

与焊接结构相比，铸造可以铸出形状复杂的结构。

因此，本夹具采用铸造结构比较合适。

材料：选用HT20，壁厚：20mm 。

本夹具采用斜楔夹紧机构，
特点：1）具有良好的自锁性能；
2）可以改变夹紧作用力的方向；
3）具有增力作用；
4）夹紧行程很小；
5)夹紧作用准确、安全、可靠；
6)夹紧动作迅速，操作方便省力；
7)夹紧变形小；
8)结构简单，制造容易。

本夹具体采用铸造结构；
优点：1）可以铸出复杂的结构形状；
2）铸铁件的抗压强度的、耐振性好，因此特别适用于加工时振动大，
切削负荷大的场合；
3）铸铁件易于加工，价格低廉，可降低夹具成本。

铸造的生产周期长，而且因铸造时的内应力缘故，易引起变形，从而影响夹具体精度的持久性。

因此铸造夹具体必须进行时效处理。

在这次历时两周的课程设计中，发现自己在理论与实践中有很多的不足，自己知识中存在着很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论到实践的能力还急需提高。

让我认识到了仔细认真的重要性。

我们这次进行的小设计，是入大学以来一次较为正式，知识面涉及较广的设计，与前几次不同的是，这次设计的对象是实际生产中经常用到的机床附件：夹具。

在这次小设计之前，我们大学四年所有的课程，几乎全部结束。

学校安排这样一次实践项目，就是要让我们对大学四年所学的东西进行一次巩固和深化，重新把各科的知识汇总梳理了一遍。

这对我们将来踏上社会工作是很有好处的。

书本上的理论知识可能掌握了，但是关键是要如何吸纳为自己的东西，并投入到实践创新中去，做到能融会贯通，举一反三，能实实在在地解决实际问题。

用电脑绘图也是这次小设计的重要内容，我们在大二学过CAXA制图，但在自己实际操作中还是遇到了很多困难，比如，线型的选择，布图等等。

经过了一段时间的熟悉，还是掌握了许多CAXA制图的秘诀，感觉在这次小设计中真是学到许多在课堂上学不到的知识。

当然，本次设计也遇到了很多困难，比如在参考资料的寻找、独立完成制图到打印的过程以及对说明书的严谨的排版等等。

整个设计也还有诸多不足之处及遗忘之处，将来可以引以为戒，会成为以后的学习及工作中宝贵的财富。

最后，我还要感谢韩宇老师和王树逵老师在这段时间对我的指导，让我能够更快、更好地完成这次设计。

参考文献
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[5]朱辉.画法几何及工程制图[M].第五版.上海：上海科学技术出版社，2005.
[6]刘友才，肖继德．机床夹具设计[M]．北京：机械工业出版社，1991.忽略此处..。