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第5章 鉆4-M6螺紋孔夾具設(shè)計(jì)
5.1 研究原始質(zhì)料
利用本夾具主要用來(lái)加工鉆4-M6螺紋孔，加工時(shí)除了要滿足粗糙度要求外，還應(yīng)滿足兩孔軸線間公差要求。為了保證技術(shù)要求，最關(guān)鍵是找到定位基準(zhǔn)。同時(shí)，應(yīng)考慮如何提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低勞動(dòng)強(qiáng)度。
一、機(jī)床夾具定位元件
工件定位方式不同，夾具定位元件的結(jié)構(gòu)形式也不同，這里只介紹幾種常用的基本定位元件。實(shí)際生產(chǎn)中使用的定位元件都是這些基本定位元件的組合。
（一）工件以平面定位常用定位元件
1．支承釘
常用支承釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式如圖6-1所示。平頭支承釘（圖a）用于支承精基準(zhǔn)面；球頭支承釘（圖b）用于支承粗基準(zhǔn)面；網(wǎng)紋頂面支承釘（圖c）能產(chǎn)生較大的摩擦力，但網(wǎng)槽中的切屑不易清除，常用在工件以粗基準(zhǔn)定位且要求產(chǎn)生較大摩擦力的側(cè)面定位場(chǎng)合。一個(gè)支承釘相當(dāng)于一個(gè)支承點(diǎn)，限制一個(gè)自由度；在一個(gè)平面內(nèi)，兩個(gè)支承釘限制二個(gè)自由度；不在同一直線上的三個(gè)支承釘限制三個(gè)自由度。
圖6-1 常用支承釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式
2．支承板
常用的支承板結(jié)構(gòu)形式如圖6-2所示。平面型支承板（圖a）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但沉頭螺釘處清理切屑比較困難，適于作側(cè)面和頂面定位；帶斜槽型支承板（圖b），在帶有螺釘孔的斜槽中允許容納少許切屑，適于作底面定位。當(dāng)工件定位平面較大時(shí)，常用幾塊支承板組合成一個(gè)平面。一個(gè)支承板相當(dāng)于兩個(gè)支承點(diǎn)，限制兩個(gè)自由度；兩個(gè)（或多個(gè)）支承板組合，相當(dāng)于一個(gè)平面，可以限制三個(gè)自由度。
圖6-2 常用支承板的結(jié)構(gòu)形式
3．可調(diào)支承
常用可調(diào)支承結(jié)構(gòu)形式如圖6-3所示。可調(diào)支承多用于支承工件的粗基準(zhǔn)面，支承高度可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整到位后用螺母鎖緊。一個(gè)可調(diào)支承限制一個(gè)自由度。
圖6-3 常用可調(diào)支承的結(jié)構(gòu)形式
(二) 工件以孔定位常用定位元件
1．定位銷
圖6-6是幾種常用固定式定位銷的結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)工件的孔徑尺寸較小時(shí)，可選用圖 a 所示的結(jié)構(gòu)；當(dāng)孔徑尺寸較大時(shí)，選用圖 b 所示的結(jié)構(gòu)；當(dāng)工件同時(shí)以圓孔和端面組合定位時(shí)，則應(yīng)選用圖c所示的帶有支承端面的結(jié)構(gòu)。用定位銷定位時(shí)，短圓柱銷限制二個(gè)自由度；長(zhǎng)圓柱銷可以限制四個(gè)自由度；短圓錐銷（圖d）限制三個(gè)自由度。
圖6-6 固定式定位銷的結(jié)構(gòu)形式
5.2 定位、夾緊方案的選擇
由零件圖可知：在對(duì)加工前，平面進(jìn)行了粗、精銑加工，底面進(jìn)行了鉆、擴(kuò)加工。因此，定位、夾緊方案有：
為了使定位誤差達(dá)到要求的范圍之內(nèi)，采用一面一銷再加上一V型塊定位的定位方式，這種定位在結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)單易操作。一面即底平面。
5.3 切削力及夾緊力的計(jì)算
刀具：鉆頭。
則軸向力：見(jiàn)《工藝師手冊(cè)》表28.4
F=Cdfk……………………………………3.1
式中： C=420， Z=1.0, y=0.8, f=0.35
k=(
F=420
轉(zhuǎn)矩
T=Cdfk
式中: C=0.206, Z=2.0, y=0.8
T=0.206
功率 P=
在計(jì)算切削力時(shí),必須考慮安全系數(shù),安全系數(shù)
K=KKKK
式中 K—基本安全系數(shù)，1.5;
K—加工性質(zhì)系數(shù)，1.1;
K—刀具鈍化系數(shù), 1.1;
K—斷續(xù)切削系數(shù), 1.1
則 F=KF=1.5
鉆削時(shí) T=17.34 N
切向方向所受力:
F=
取
F=4416
F> F
所以,時(shí)工件不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng),故本夾具可安全工作。
根據(jù)工件受力切削力、夾緊力的作用情況，找出在加工過(guò)程中對(duì)夾緊最不利的瞬間狀態(tài)，按靜力平衡原理計(jì)算出理論夾緊力。最后為保證夾緊可靠，再乘以安全系數(shù)作為實(shí)際所需夾緊力的數(shù)值。即：
安全系數(shù)K可按下式計(jì)算有：：
式中：為各種因素的安全系數(shù)，查參考文獻(xiàn)[5]表可得：
所以有：
該孔的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)為中心軸，故以回轉(zhuǎn)面做定位基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)“基準(zhǔn)重合”原則； 參考文獻(xiàn)，因夾具的夾緊力與切削力方向相反，實(shí)際所需夾緊力F夾與切削力Ｆ之間的關(guān)系F夾＝KF
軸向力：F夾＝KF （N）
扭距：
Nm
在計(jì)算切削力時(shí)必須把安全系數(shù)考慮在內(nèi)，安全系數(shù)
由資料《機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)》查表可得：
切削力公式： 式（2.17）
式中
查表得：
即：
實(shí)際所需夾緊力：由參考文獻(xiàn)[16]《機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)》表得：
安全系數(shù)K可按下式計(jì)算，由式（2.5）有：：
式中：為各種因素的安全系數(shù)，見(jiàn)參考文獻(xiàn)[16]《機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)》表 可得：
所以
由計(jì)算可知所需實(shí)際夾緊力不是很大，為了使其夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，決定選用螺旋夾緊機(jī)構(gòu)。
5.4 誤差分析與計(jì)算
該夾具以一銷定位，為了滿足工序的加工要求，必須使工序中誤差總和等于或小于該工序所規(guī)定的尺寸公差。
與機(jī)床夾具有關(guān)的加工誤差，一般可用下式表示：
由參考文獻(xiàn)[5]可得：
⑴銷的定位誤差 ：
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(guò)
⑷ 夾具相對(duì)刀具位置誤差：取
誤差總和：
從以上的分析可見(jiàn)，所設(shè)計(jì)的夾具能滿足零件的加工精度要求。
5.5定位銷選用
本夾具選用一可換定位銷和棱形銷來(lái)定位，其參數(shù)如下表：
表3.1 定位銷
d
H
D
公稱尺寸
允差
20
16
20
～0.011
22
5
1
4
M12
4
4.6 鉆套、襯套、鉆模板設(shè)計(jì)與選用
工藝孔的加工只需鉆切削就能滿足加工要求。故選用可換鉆套（其結(jié)構(gòu)如下圖所示）以減少更換鉆套的輔助時(shí)間。
圖6.1 可換鉆套
表
d
D
D1
H
t
基本
極限
偏差F7
基本
極限
偏差D6
＞0～1
+0.016
+0.006
3
+0.010
+0.004
6
6
9
--
0.008
＞1～1.8
4
+0.016
+0.008
7
＞1.8～2.6
5
8
＞2.6～3
6
9
8
12
16
＞3～3.3
+0.022
+0.010
＞3.3～4
7
+0.019
+0.010
10
＞4～5
8
11
＞5～6
10
13
10
16
20
＞6～8
+0.028
+0.013
12
+0.023
+0.012
15
＞8～10
15
18
12
20
25
＞10～12
+0.034
+0.016
18
22
＞12～15
22
+0.028
+0.015
26
16
28
36
＞15～18
26
30
0.012
＞18～22
+0.041
+0.020
30
34
20
36
HT200
＞22～26
35
+0.033
+0.017
39
＞26～30
42
46
25
HT200
56
＞30～35
+0.050
+0.025
48
52
＞35～42
55
+0.039
+0.020
59
30
56
67
＞42～48
62
66
＞48～50
70
74
0.040
鉆模板選用鉆模板，用沉頭螺釘錐銷定位于夾具體上。
5.7 確定夾具體結(jié)構(gòu)和總體結(jié)構(gòu)
對(duì)夾具體的設(shè)計(jì)的基本要求
（1）應(yīng)該保持精度和穩(wěn)定性
在夾具體表面重要的面，如安裝接觸位置，安裝表面的刀塊夾緊安裝特定的，足夠的精度，之間的位置精度穩(wěn)定夾具體，夾具體應(yīng)該采用鑄造，時(shí)效處理，退火等處理方式。
（2）應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度
保證在加工過(guò)程中不因夾緊力，切削力等外力變形和振動(dòng)是不允許的，夾具應(yīng)有足夠的厚度，剛度可以適當(dāng)加固。
（3）結(jié)構(gòu)的方法和使用應(yīng)該不錯(cuò)
夾較大的工件的外觀，更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，之間的相互位置精度與每個(gè)表面的要求高，所以應(yīng)特別注意結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，應(yīng)處理的工件，夾具，維修方便。再滿足功能性要求（剛度和強(qiáng)度）前提下，應(yīng)能減小體積減輕重量，結(jié)構(gòu)應(yīng)該簡(jiǎn)單。
（4）應(yīng)便于鐵屑去除
在加工過(guò)程中，該鐵屑將繼續(xù)在夾在積累，如果不及時(shí)清除，切削熱的積累會(huì)破壞夾具定位精度，鐵屑投擲可能繞組定位元件，也會(huì)破壞的定位精度，甚至發(fā)生事故。因此，在這個(gè)過(guò)程中的鐵屑不多，可適當(dāng)增加定位裝置和夾緊表面之間的距離增加的鐵屑空間：對(duì)切削過(guò)程中產(chǎn)生更多的，一般應(yīng)在夾具體上面。
（5）安裝應(yīng)牢固、可靠
夾具安裝在所有通過(guò)夾安裝表面和相應(yīng)的表面接觸或?qū)崿F(xiàn)的。當(dāng)夾安裝在重力的中心，夾具應(yīng)盡可能低，支撐面積應(yīng)足夠大，以安裝精度要高，以確保穩(wěn)定和可靠的安裝。夾具底部通常是中空的，識(shí)別特定的文件夾結(jié)構(gòu)，然后繪制夾具布局。圖中所示的夾具裝配。
加工過(guò)程中，夾具必承受大的夾緊力切削力，產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)，夾具的形狀，取決于夾具布局和夾具和連接，在因此夾具必須有足夠的強(qiáng)度和剛度。在加工過(guò)程中的切屑形成的有一部分會(huì)落在夾具，積累太多會(huì)影響工件的定位與夾緊可靠，所以?shī)A具設(shè)計(jì)，必須考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)便于鐵屑。此外，夾點(diǎn)技術(shù)，經(jīng)濟(jì)的具體結(jié)構(gòu)和操作、安裝方便等特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中還應(yīng)考慮。在加工過(guò)程中的切屑形成的有一部分會(huì)落在夾具，切割積累太多會(huì)影響工件的定位與夾緊可靠，所以?shī)A具設(shè)計(jì)，必須考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)便排出鐵屑。
5.8夾具設(shè)計(jì)及操作的簡(jiǎn)要說(shuō)明
為提高生產(chǎn)率，經(jīng)過(guò)方案的認(rèn)真分析和比較，選用了手動(dòng)夾緊方式（螺旋機(jī)構(gòu)）。這類夾緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、夾緊可靠、通用性大，在機(jī)床夾具中很廣泛的應(yīng)用。
此外，當(dāng)夾具有制造誤差，工作過(guò)程出現(xiàn)磨損，以及零件尺寸變化時(shí)，影響定位、夾緊的可靠。為防止此現(xiàn)象，選用可換定位銷。以便隨時(shí)根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整換取。