钻床夹具设计说明书

西南交通大学本科毕业设计（论文）

钻床夹具设计

年级:2007级

学号:20078938

姓名:耿孟娇

专业:数控技术

指导老师:刘顺东、谢敏

2011年6月

院系机械工程系专业数控技术

年级 2007级姓名耿孟娇

题目钻床夹具设计

指导教师

评语

指导教师 (签章)

评阅人

评语

评阅人 (签章)

成绩

答辩委员会主任 (签章)

年月日

毕业设计（论文）任务书

班级 2007级数控技术1班学生姓名耿孟娇学号 20078938

发题日期：2011 年 3 月 1 日完成日期：2011 年 6 月 18日

题目钻床夹具设计

1、本论文的目的、意义

（1）培养学生运用机械制造工艺学及相关课程的知识，并结合生产实践中学到的知识，独立地分析和解决问题，能根据被加工零件的技术要求，运用夹具设计的基本原理和方法，学会拟定夹具设计方案，完成夹具结构设计，初步具备设计出高效、省力、经济合理并能保证加工质量的专用夹具。

（2）培养学生熟悉并运用有关手册、标准、图表等技术资料的能力。

（3）进一步培养学生识图、制图、运算和编写技术文件等基本技能。

2、学生应完成的任务：

（1）完成论文相关资料的收集。

（2）完成不少于10000字符的英文相关资料翻译。

（3）完成夹具的总体方案设计。

（4）完成夹具的结构设计，画出夹具总装图及典型零部件图（要求总图量至少达到两张0号图）。

（5）完成具有规定格式的设计说明书（不少于15000字）一份。

3、论文各部分内容及时间分配：（共 16 周）

第一部分收集毕业设计所需要的中文、英文资料，选定设计零件（2周）第二部分完成毕业设计中的英文翻译部分（1周）第三部分设计、修改钻床夹具结构草图（4周）第四部分完成钻床夹具的误差计算（1周）

第五部分绘制、修改钻床夹具装配图、零件图（5周）第六部分完成毕业设计中的论文部分（1周）第七部分修改、整理及装订毕业设计有关资料（1周）评阅及答辩（1周）备注:[1] 孙已德.机床夹具图册.北京：机械工业出版社，1983；

[2] 李名望.机床夹具设计实例教程.北京：化学工业出版社，2009.8；

[2] 李家宝.夹具设计.北京：中国工业出版社，1961.5；

[3] 傅成昌,傅晓燕.公差与配合问答.北京：机械工业出版社，2007.1；

[4] 虞自奋.AutoCAD2008高级案例解析.北京：中国电力出版社，2008.5；

[5] HIRAME`GRANT.夹具-非标准夹紧装置.北京：机械工业出版社，1974.5；

[6] 曹岩.机床夹具手册与三维图库.北京：化学工业出版社，2010.3；

指导教师：刘顺东、谢敏 2011 年 2 月 28日

审批人： 2011年月日

摘要

夹具是机械加工不可缺少的部件，在机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展的带动下，夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济方向发展。

该论文的设计任务是加工零件（机壳）上的五个孔，端面四个，侧壁上一个。由于该零件属于大批量生产，钻孔精度要求较高，所以设计一个专用的钻床夹具，保证零件的加工质量。由于夹具的利用率高，经济性好，使用元件的功能强并且数量少，配套费用低，降低了生产成本；采用夹紧装置，缩短停机时间，提高生产效率。

设计钻床夹具，首先要仔细分析加工零件的技术要求，运用夹具设计的基本原理和方法，拟定夹具设计方案；在满足加工精度的条件下，合理的进行安装、定位、夹紧；在完成夹具草图后，进一步考虑零件间的连接关系和螺钉、螺母、定位销等的固定方式，设计合理的结构实现各零部件间的相对运动；根据各零件的使用要求，选择相应的材料。

完成钻床夹具的所有设计后，用AutoCAD进行二维图形的绘制，首先画装配图，然后从装配图上拆画零件图，标注相关尺寸及技术要求，最后进行论文的撰写、整理、修改完成该毕业设计。

关键词：夹具；钻床夹具；精度；CAD

Abstract

Fixture is an indispensable component in machining, in the machine tool technology to high-speed, high efficiency, precision, complex, intelligent, environmentally friendly direction, driven by fixture technology is moving in high-precision, high efficiency, module, combination, general economic direction.

The task of the thesis is processing five holes on parts (cabinet) ,four face, a sidewall.As the parts are high-volume production,hole require high precision, so the design of a special drilling fixture.Assurance the quality of machining .Thanks to the high utilization rate of the fixture, the economy is good, with strong features and a small number of components, supporting low-cost, lower production costs,with clamping device, reduce downtime, improve production efficiency.

Designed drilling fixture, the first careful analysis is the technical requirements for processing components, fixture design using the basic principles and methods.Prepared the fixture design scheme ;Meet the conditions of precision ,then reasonable installation, positioning, clamping;After the completion of draft fixture, and further consider the connection relation between parts and screws, nuts, pins and other fixed means,designing the reasonable structure to achieve relative motion between the various components;Requirements of the various components, select the appropriate materials. Completion of all drilling fixture design, using the AutoCAD drawing two-dimensional graphics,first draw assembly drawing, and then removed from the part drawing on the painting Parts,marking the related to size and technical requirements,finally, write a thesis, organize, edit, complete the graduation project.

Keywords Fixture; drilling fixture; accuracy; CAD

目录

第1章绪论 (1)

1.1 机床夹具的发展概括 (1)

1.2 机床夹具的发展方向 (2)

1.3 夹具的特点 (3)

1.4 夹具的设计要点 (3)

第2章钻床夹具的总体设计 (4)

2.1 设计任务 (4)

2.2 夹具的设计步骤 (7)

2.3 钻床夹具的设计 (5)

第3章夹具的工作原理与结构设计 (10)

3.1 对定位元件的基本要求 (10)

3.2 定位方案与定位元件 (10)

3.3 夹紧 (11)

3.4 夹紧方案的选择 (12)

3.4.1 钻削切削力 (12)

3.4.2 实际所需夹紧力的计算 (14)

3.4.3 夹紧方案 (17)

3.5 夹具的使用方法 (21)

第4章钻床夹具体及夹具零件的设计 (22)

4.1 夹具体的要求 (22)

4.2 夹具体毛坯的类型 (23)

4.3 钻模板以及钻套的设计 (24)

第5章夹具误差的计算 (29)

5.1 角度尺寸公差 (29)

5.2 定位误差 (29)

5.3 工件在夹具上加工的精度分析 (30)

5.4 夹具误差的计算 (31)

第6章零件材料 (36)

6.1 标准件 (36)

6.2 盖板、中间板、底板 (37)

6.3 铰链叉架、压板 (39)

6.4 长型固定钻套、可换钻套 (41)

6.5 螺纹头凸肚手柄 (43)

致谢 (45)

参考文献 (47)

第1章绪论

1.1 机床夹具的发展概括

机床夹具的现状：机床夹具是在机械制造过程中，用来固定加工对象，使之占有正确的空间位置，用来加工或检测并保证加工要求的机床附加装置，简称为夹具。

夹具最早出现在18世纪后期。随着科学技术的不断进步，夹具已从一种辅助工具发展成为门类齐全的工艺装备。

国际生产研究协会的统计表明，目前中、小批多品种生产的工件品种已占工件种类总数的85％左右。现代生产要求企业所制造的产品品种经常更新换代，以适应市场的需求与竞争。然而，一般企业都仍习惯于大量采用传统的专用夹具，一般在具有中等生产能力的工厂里，约拥有数千甚至近万套专用夹具；另一方面，在多品种生产的企业中，每隔3～4年就要更新50％～80％左右专用夹具，而夹具的实际磨损量仅为10％～20％左右，为了适应科学技术的快速发展，我们在短短几年内需更新大量的专用夹具，这样即提高了加工的成本，也造成了材料的浪费，为了减少这种情况，我们可以采用数控机床的柔性化制造技术。

近年来，数控机床、加工中心、成组技术、柔性制造系统（FMS）等新加工技术的应用，对机床夹具提出了如下新的要求：

1）能迅速方便地装备新产品的投产，以缩短生产准备周期，降低生产成本；

2）能装夹一组具有相似性特征的工件；

3）能适用于精密加工的高精度机床夹具；

4）能适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具；

5）采用以液压站等为动力源的高效夹紧装置，以进一步减轻劳动强度和提高劳动生产率；

6）提高机床夹具的标准化程度。

1.2 机床夹具的发展方向

现代机床夹具的发展方向：主要表现为标准化、精密化、高效化、柔性化和模块化等五个方面。

（1）标准化机床夹具的标准化与通用化是相互联系的两个方面。目前我国已有夹具零件及部件的国家标准：GB/T2148～T2259－91以及各类通用夹具、组合夹具标准等。机床夹具的标准化，有利于夹具的商品化生产，有利于缩短生产准备周期，降低生产总成本。

（2）精密化随着机械产品精度的日益提高，势必相应提高了对夹具的精度要求。精密化夹具的结构类型很多，例如用于精密分度的多齿盘，其分度精度可达±0.1"；用于精密车削的高精度三爪自定心卡盘，其定心精度为5μm。

（3）高效化高效化夹具主要用来减少工件加工的基本时间和辅助时间，以提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度。常见的高效化夹具有自动化夹具、高速化夹具和具有夹紧力装置的夹具等。例如，在铣床上使用电动虎钳装夹工件，效率可提高5倍左右；在车床上使用高速三爪自定心卡盘，可保证卡爪在试验转速为9000r/min

的条件下仍能牢固地夹紧工件，从而使切削速度大幅度提高。目前，除了在生产流水线、自动线配置相应的高效、自动化夹具外，在数控机床上，尤其在加工中心上出现了各种自动装夹工件的夹具以及自动更换夹具的装置，充分发挥了数控机床的效率。

（4）柔性化机床夹具的柔性化与机床的柔性化相似，它是指机床夹具通过调整、组合等方式，以适应工艺可变因素的能力。工艺的可变因素主要有：工序特征、生产批量、工件的形状和尺寸等。具有柔性化特征的新型夹具种类主要有：组合夹具、通用可调夹具、成组夹具、模块化夹具、数控夹具等。为适应现代机械工业多品种、中小批量生产的需要，扩大夹具的柔性化程度，改变专用夹具的不可拆结构为可拆结构，发展可调夹具结构，将是当前夹具发展的主要方向。

（5）模块化模块化的设计省时、节能，体现在各种先进夹具的系统中，为夹具的计算机辅助设计与组装打下了坚实的基础，应用CAD技术，可建立元件库、典型夹具库和用户使用档案库，可进行夹具优化设计，进行夹具的三维实体组装。模拟仿真刀具的切削过程，为用户提供正确、合理的配套方案，了解市场需求，不断地改进和完善夹具系统。

1.3 夹具的特点

1）保证工件的加工精度

专用夹具应有合理的定位方案，合适的尺寸，公差和技术要求，并进行必要的精度分析，确保夹具能满足工件的加工精度要求。

2）提高生产效率

专业夹具的复杂程度要与工件的生产纲领相适应，应根据工件生产批量的大小选用不同复杂程度的高效夹紧装置，以缩短辅助时间，以提高生产效率。

3）工艺性好

专用夹具的结构简单，合理，便于加工，装配，检验和维修。专用夹具的生产属于小批量生产。

4）使用性好

专用夹具的操作应简单，省力，安全可靠，排屑应方便，必要时可设置排屑机构。5）经济型好

除考虑专用夹具本身结构简单，标准化程度高，成本低廉外，还应根据生产纲领对夹具方案进行必要的经济分析，以提高夹具在生产中的经济效益。

1.4 夹具的设计要点

确定各表面加工方案，在选择各表面孔的加工方法时，需综合考虑以下因素：（1）要考虑各表面的精度和质量要求，根据各加工表面的技术要求，选择加工方法及分几次加工。

（2）根据生产类型来选择，在大批量生产中可使用专用的高效率的设备；在单件小批量生产中则使用常用设备和一般加工方法。

（3）要考虑被加工材料的性质。

（4）要考虑工厂或车间的实际情况，同时也应考虑不断改进现有的加工方法和设备，推广新技术，提高工艺水平。

（5）此外，还要考虑一些其他因素，如加工表面的物理机械性能的特殊要求，工件形状和重量等。

第2章 钻床夹具的总体设计

2.1 设计任务

本设计的主要任务是设计一个钻床夹具，在零件端面上钻四个大小相同，相互对称的孔，另外在侧壁上钻一个孔，为了使钻孔的位置精确，必须对零件进行固定定位，提高加工精度，使之满足使用要求。专用夹具设计，方便加工及装卸，节省时间，提高工作效率。被加工零件如下图：

图2-1 被加工零件及需要加工的孔

水平孔Φ8mm

垂直孔4-Φ6mm

如2-1所示，被加工零件材料为10#，厚度为5mm ，总长为30mm ，在零件端面上钻四个大小相同，相互对称的孔，孔的直径为6mm ，相对于基准平面B 和720H Φ中心线的位置度为1.00Φ，在侧壁上加工一个直径为8mm ，相对于720H Φ中心线的垂直度为2.00Φ。

被加工零件安装到夹具上应对上端面和下部的720H Φ内孔面进行定位，因为在钻端面上的四个孔时，可能发生零件的左右移动，所以采用芯轴定位，因为设计的是盖板式钻床夹具，所以定位芯轴与盖板为一个整体，满足以端面B 和720H Φ中心线为定位基准的要求；在钻零件侧壁上水平孔时，夹具需要旋转90度，因此需要一个夹紧装置将夹具连接起来，同时需要设置一个转轴实现夹具的旋转，在加工过程中采用加长钻套进行钻孔，满足设计要求。

2.2 夹具的设计步骤

1）明确设计任务书与收集设计材料

夹具设计的第一步是在已知生产纲领的前提下，研究被加工零件的零件图、工序图、工艺规程和设计任务书，对工件进行工艺分析。其内容主要是了解工件的特点、材料；确定本工序的加工表面、加工要求、加工余量、定位基准和夹紧表面及所用的机床、刀具、量具等。

其次是根据设计任务书收集有关材料，如机床的技术参数，夹具零部件的国家标准、部颁标准和装订标准，各类夹具图册、夹具设计手册等，还可收集一些同类夹具的设计样图，并了解该厂的工装制造水平，以供参考。

2）拟定夹具结构方案与绘制夹具草图

A ）确定工件的定位方案，设计定位装置。

B ）确定工件的夹紧方案，设计夹紧装置。

C ）确定对刀或导向方案，设计对刀或导向装置。

D ）确定夹具与机床的连接方式，设计连接元件及安装基面。

E ）确定和设计其它装置及元件的结构型式，如分度装置、定位装置及吊装元件等。

F ）确定夹具体的结构型式及夹具在机床上的安装方式。

G ）绘制夹具草图，并标注尺寸、公差及技术要求。

3）进行必要的分析计算

工件的加工精度较高时，应进行工件加工精度分析。有动力装置的夹具，需计算夹紧力。当有几种夹具方案时，可进行经济分析，选用经济效益较好的方案。

4）审查方案与改进设计

夹具草图画出后，应征求有关人员的意见，并送有关部门审查，然后根据他们的意见对夹具方案作进一步修改。

5）绘制夹具装配总图

夹具的总装配图应按国家标准绘制。绘图比例尽量采用1:1. 主视图按夹具面对操作者的反向绘制。总图应把夹具的工作原理、各种装置的结构及其相互关系表达清楚。

夹具总图的绘制次序如下：

A）用双点划线将工件的外形轮廓、定位基面、夹紧表面及加工表面绘制在各个视图的合适位置上。在总图中，工件可看作透明体，不遮挡后面夹具的线条。

B）依次绘出定位装置、夹紧装置、对刀或导向装置、其它装置、夹具体及连接元件和安装基面。

C）标注必要的尺寸、公差和技术要求。

D）编制夹具明细表及标题栏

完整的夹具装配总图可参阅夹具图册。

6）绘制夹具零件图

夹具中的非标准零件均要画零件图，并按夹具总图的要求，确定零件的尺寸、公差及技术要求。

2.3 钻床夹具的设计

钻床夹具装配图，如图2-2a、2-2b、2-2c所示。

如图2-2a，钻床夹具装配图的主视图，采用铸造型的夹具体，盖板15、中间板18、底板19 ，材料均为灰铸铁（HT200）；开槽圆柱头螺钉1、铰链叉架2、螺杆6、六角螺母7的作用是，实现盖板的翻转，用来装卸零件；长型固定钻套3固定在钻模板上，用开槽圆柱头螺钉4和定位销5进行连接、固定、定位。

2-2a 钻床夹具主视图

在图2-2b，钻床夹具装配图的俯视图中，可以清楚的看到，为了钻零件端面上四个孔时设计的可换钻套11与钻套用螺钉10在盖板上的位置；设计了一个装配把手21，它与盖板连接，作用是方便盖板翻转时的手工操作；压紧螺钉8、六角螺母9是压板下面部分的剖视，可以看出与螺杆的连接情况；六角头螺栓12的作用是连接压板和支板，当旋转螺纹头凸肚手柄14时，压板绕六角头螺栓12转动，运用杠杆原理，压板夹紧盖板。

2-2b 钻床夹具俯视图

在图2-2c ，钻床夹具装配图的左视图中，可以清楚的看到整个夹紧装置和它的连接情况，压板23、支板24、轴29，压板和轴的连接处，采用梯形螺纹，将旋转运动转化为直线运动，传动效率高、定位准确、自锁性等特点，夹紧后，钻孔的过程中，即使有振动，也不会出现打滑的现象；中间板剖视后可以清楚的看到轴的形状，采用梯形轴，方便安装，6

745f H 的轴起到一个定位的作用，使压板左右对称，在夹紧过程中，不会因为位置偏移，影响加工精度；在俯视图中可以看到装配把手21的大致形状。

2-2c 钻床夹具左视图

第3章 夹具的工作原理与结构设计

3.1 对定位元件的基本要求

1) 足够的精度

由于工件的定位是通过定位副的接触（或配合）实现的，定位元件上限位基面的精度直接影响工件的定位精度，因此，限位基面应有足够的精度，以适应加工的要求。

2) 足够的强度和刚度

定位元件不仅限制工件的自由度，还有支撑元件、承受夹紧力和切削力的作用，因此，因有足够的强度和刚度，以免使用中变形或损毁。

3) 耐磨性好

工件的装卸会磨损定位元件的限位基面，导致定位精度下降。定位精度下降到一定程度时，定位元件必须更换，否则，夹具不能继续使用。为了延长定位元件的更换周期，提高夹具的使用寿命，定位元件应有较好的耐磨性。

4) 工艺性好

定位元件的结构应力求简单、合理，便于加工、装配和更换。

3.2 定位方案与定位元件

工件在夹具中定位的任务是：使同一工序中的一批工件都能在夹具中占据正确的位置，工件位置的正确与否，用加工要求来衡量，能满足加工要求的为正确，不能满足加工要求的为不正确。一批工件逐个在夹具上定位时，各个工件在夹具中占据的位置不可能完全一致，也不必要求它们完全一致，但各个工件的位置变动量必须控制在加工误差所允许的范围之内。

该设计为了满足钻孔的需要，在定位过程中需要保证零件的上下表面与水平面平行，20Φ的中心线与水平面垂直，保证6-4Φmm 孔的位置度和8Φmm 的垂直度。由于定位基准为零件的上平面和720H Φ的中心线，采用“T ”字形定位，即盖板和定位心

轴为一体的定位方案，满足了定位基准的要求。同时下面采用圆锥台定位，圆锥台的锥形面与零件的外圆面线接触，定位心轴与锥形块也是线接触，使零件不会发生移动或左右偏转的情况，满足加工要求（如图3-1所示）。

盖板，与零件的

上表面接触。 定位心轴，保证端面

图3-1 零件的定位

3.3 夹紧

对夹紧装置的基本要求：

1）夹紧过程中，不改变工件定位后占据的正确位置。

2）夹紧力的大小适当，一批工件的夹紧力要稳定不变。既要保证工件在整个加工过程中的位置稳定不变，振动小，又要是工件不产生过大的夹紧变形。夹紧力稳定可减小夹紧误差。

3）夹紧装置的复杂程度应与工件的生产纲领相适应。工件生产批量越大，允许设计越复杂、效率越高的夹紧装置。

工艺性好，使用性好。其结构力求简单，便于制造和维修。夹紧装置的操作应当方便、安全、省力。

在夹紧工件的过程中，夹紧作用的效果会直接影响工件的加工精度、表面粗糙度以及生产效率。因此，设计夹紧装置应遵循以下原则：

（1）工件不移动原则

夹紧过程中，应不改变工件定位后所占据的正确位置。

（2）工件不变形原则

夹紧力的大小要适当，既要保证夹紧可靠，又应使工件在夹紧力的作用下不致产生加工精度所不允许的变形。

（3）工件不振动原则

对刚性较差的工件，或者进行断续切削，以及不宜采用气缸直接压紧的情况，应提高支承元件和夹紧元件的刚性，并使夹紧部位靠近加工表面，以避免工件和夹紧系统的振动。

（4）安全可靠原则

夹紧传力机构应有足够的夹紧行程，手动夹紧要有自锁性能，以保证夹紧可靠。

（5）经济实用原则

夹紧装置的自动化和复杂程度应与生产纲领相适应，在保证生产效率的前提下，其结构应力求简单，便于制造、维修，工艺性能好；操作方便、省力，使用性能好。

夹紧机构---传递夹紧力，它是直接与工件接触完成夹紧作用的最终执行元件。要使动力装置所产生的力或人力正确地作用到工件上，需有适当的传递机构。在工件夹紧过程中起力的传递作用的机构，称为夹紧机构。

夹紧机构在传递力的过程中，能根据需要改变力的大小、方向和作用点。手动夹具的夹紧机构还应具有良好的自锁性能，以保证人力的作用停止后，仍能可靠地夹紧工件。

3.4 夹紧方案的选择

本设计是一个钻床夹具，加工五个孔，由于钻孔精度要求较高，必须保证在钻孔过程零件保持不动，所以必须设计夹紧装置。根据题目所需，在毕业设计过程中，设计过两种夹紧方案，现在分析两种方案的优劣，选择更适合的一种。

首先计算钻孔的切削力，然后计算实际夹紧力。

3.4.1 钻削切削力

需要钻孔零件的材料为10号钢，优质碳素结构钢，钢材的平均含碳量为0.1%。 10号钢力学性能：抗拉强度 MPa 410b ≥σ；屈服强度 MPa 245s ≥σ；伸长率 δ≥25%；断面收缩率 ψ ≥5%；硬度：未热处理≤156HB 。

钻削切削力的计算公式如表3-3：

表3-3 钻削切削力的计算公式