钻床夹具设计实例

摘 要：本设计以培养和提升技工院校学生的机床夹具设计能力为主旨,结合作者多年的教学和实践经验,系统地介绍了机床夹具的功能及作用、钻床夹具的特点和设计要点、项目分析等内容.

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一、机床夹具概述及作用

在机械加工过程中,为了保证工件的加工精度,使之相对于机床、刀具占有确定的位置,并能迅速、可靠地夹紧工件,以接受加工或检测的工艺装备称为夹具,在金属切削机床上使用的夹具统称为机床夹具.

机床夹具的作用：一是保证工件的加工精度,稳定产品质量.使用夹具的主要作用是保证工件上被加工表面的相互位置精度,如表面之间的位置尺寸、平行度、垂直度、对称度、同轴度等.二是提高劳动生产率和降低加工成本.采用机床夹具可以省去划线工序,减少找正操作时间,同时操作方便、安全,安装稳固；可以加大切削用量,减少基本时间,提高劳动生产率.三是改善工人劳动条件、保证安全生产.四是充分发挥机床设备的潜力,扩大机床的使用范围.

二、钻床夹具的特点和设计要点

在各类钻床和组合机床等设备上进行钻、扩、铰孔的夹具,统称钻床夹具.钻床夹具一般都装有钻套,通过钻套对刀具的引导可以保证被加工孔的坐标位置,并防止钻头在切入时引偏,从而保证和提高被加工孔的位置精度、尺寸精度及提高孔的表面粗糙度,大大缩短工序时间,提高生产率.这就是钻床夹具的主要特点.钻床夹具的类型,决定于工件上被加工孔的分布情况.例如,工件上有排列成直线的平行孔,有分布在不同表面或圆周上的径向孔,有分布在同一表面并具有公共回转轴线的平行孔系.因此,钻床夹具有固定式、回转式、移动式和翻转式等不同类型.

钻床夹具的设计要点：一是夹具与机床对接方式的设计.夹具在工作台水平面安装或侧面安装；工件直接在机床工作台上定位,夹具的部分元件在工件上定位；通用夹具在工作台上定位,工件在通用夹具上定位.二是钻套的设计：钻套轴线与夹具定位基准的尺寸公差和位置公差.钻床夹具的设计主要考虑钻套的设计.钻套是用来引导钻头、扩孔钻、铰刀的.三是夹具的总高度.

三、项目分析

“刀杆”工件是学院机械系学生中级工鉴定时的重点练习件之一,但在“刀杆”备料时,杆身上有一个ф14mm的通孔,需要提前加工,如图1所示.

图1

“刀杆”工件加工数量多,ф14mm通孔尺寸及形位公差要求高如果单独划线加工劳动强度大而且加工精度不易保证.笔者设计一个由长V形铁为主定位元件的“刀杆”钻孔夹具来解决上述问题.“刀杆”零件为轴类零件,材料为45钢,具有较好的材料力学性能,强度硬度适中,易于钻削加工.ф30mm的外圆精度较高,可以作为定位基准面,本钻床夹具的设计主要考虑提高劳动生产率、降低劳动强度,设计重点应在定位基准的确定及装夹操作的方便性上.

四、选择定位基准

为了保证工件被加工表面的技术要求,必须使工件相对于刀具和机床处于正确的加工位置,在使用夹具的情况下,就要使机床、刀具、夹具和工件之间保持正确的加工位置.显然,工件的定位是其中极为重要的一个环节.

要使工件完全定位,就必须限制工件在空间的6个自由度,此即为工件的“六点定位原则”,同时工件在定位时,限制自由度的数目应根据工序的加工要求而确定,对于不影响加工精度的自由度可以不加限制,采用不完全定位可以简化定位装置.

根据ф14mm孔相对于基准面的对称度和孔中心距端面51mm的尺寸精度要求,需要限制工件X方向的转动自由度、Y轴方向的转动自由度和Z方向的转动自由度,限制工件Y方向移动自由度和Z方向移动自由度,所以该夹具的设计根据加工需要,只需要限制5个自由度,即采用不完全定位的定位方式.一是定位方案.经过上述分析,我们把工件直径ф30mm的外圆放到长V形块上定位,限制4个自由度,端面轴向在夹具上设计一个挡板使刀杆零件在轴向方向定位,限制一个自由度.二是选择定位元件.选用V形块进行定位,V形块的优点有：定位精度高、安装方便、对中性好、V形块结构已经标准化.V形块的缺点是结构较复杂,制造要求较高.

五、确定夹紧方案

在机械加工过程中,为保证工件定位时所确定的加工位置,防止工件在切削力、惯性力、离心力及重力等作用下发生位移和振动,一般机床夹具应有一定的夹紧装置,以将工件压紧.因此,夹紧装置的合理性、可靠性和安全性对工件加工的技术和经济效果有重大影响.

由于钻削加工切削力较大,且为连续切削,故切削力较大,易产生冲击和振动,因此夹紧方案要考虑圆周方向和轴向方向的夹紧力,考虑夹紧力的方向应方便装夹和有利于减小夹紧力、减小工件的变形.而且夹紧力的方向最好与切削力、重力方向一致.

根据夹紧力的方向应朝向主要限位面以及作用点应落在定位元件的支持范围内的原则,我们设计一个上压板的夹紧方案.采用上压板有利于工件方便装卸,夹紧力的方向与切削力、重力方向重合,夹紧力朝向V形块的V形面,使工件夹紧稳定可靠,且夹紧力的方向有助于圆周方向的定位.

六、钻套的设计

钻套是钻床夹具的基础元件,装在钻模板或夹具体上使用.钻套的作用是确定被加工工件孔的位置,引导钻头、扩孔钻或铰刀,并防止其在加工过程中发生偏斜.按结构和使用情况,分为固定钻套、可换钻套、快换钻套和特殊钻套等四种类型.该钻床夹具结构简单,因此我们设计了一个固定钻套压装在上模板上,如图2所示.

图2

七、夹具设计及操作的简要说明

如前所述,在设计夹具时,我们应该注意提高劳动生产率,避免干涉,应使夹具结构简单便于操作,降低成本提高夹具性价比.本钻床夹具选用了上压板和压紧螺钉夹紧方式.本夹具设计主要用于钻孔,切削力大,所以选用压紧力大的压紧装置,就能达到本夹具的设计要求.把“刀杆”零件放到夹具体内通过夹具端面轴向上的一个挡板使刀杆零件在轴向方向定位.把“刀杆”零件放到V形铁上通过上模板压紧,再用压紧螺钉压紧.

实用机床夹具技术课程是机械制造类专业的主要专业课之一,笔者通过带领学生完成“刀杆”零件专用钻床夹具设计,使学生加深该课程的基本概念、基本理论等知识的理解和应用,从而培养学生分析问题和解决问题的实际能力,使学生掌握基本实践技能,具备分析和整理实验数据的能力.

（作者单位：河北省秦皇岛技师学院）