鉆模夾具畢業設計——連接桿固定式鉆模夾具的設計方法

　　摘要：闡述連接桿固定式鉆模夾具的設計方法， 詳細分析連接桿定位方案、夾緊方案及夾緊裝置的設計、鉆床夾具的總體結構設計、鉆模夾具精度的驗算等。該鉆模夾具能高效、準確完成對連接桿的定位、裝夾、加工， 并能提高加工效率， 降低生產成本。

　　關鍵詞：連接桿； 鉆模； 夾具設計；

　　Abstract:

　　In this article, we expound the design methods of drill jig fixture of joint lever and clearly analyze the locating scheme and clamping scheme of joint lever, the design of the clamping device, the design of ensemble structure of drill jig, the checking computations of the precision of drill jig fixture, and so on. This drill jig fixture can finish positioning, clamping and processing the joint lever efficiently and accurately, improving the machining efficiency and reducing production costs.

　　Keyword:joint lever; drill jig; fixture design;

目錄

　　0 引言--------------------------------------------------------------------------------------------------1

　　1 鉆模夾具設計任務-------------------------------------------------------------------------------2

　　2 連接桿加工工藝分析---------------------------------------------------------------------------3

　　3 確定鉆模夾具方案-------------------------------------------------------------------------------4

　　4 確定定位方案及定位元件--------------------------------------------------------------------5

　　5 夾緊方案及夾緊裝置的設計--------------------------------------------------------------------6

　　6 鉆床夾具的總體結構設計---------------------------------------------------------------------7

　　7 繪制夾具裝配圖--------------------------------------------------------------------------------8

　　8 鉆模夾具精度的驗算---------------------------------------------------------------------------9

　　9 結束語--------------------------------------------------------------------------------------------10

　　文內圖表

　　圖1 連接桿

　　圖2 定位方案

　　圖3 定位元件和夾緊機構

　　圖4 銷軸

　　圖5 輔助螺旋支承

　　圖6 襯套

　　圖7 鉆模板

　　圖8 鉆模板支架

　　圖9 夾具體

　　圖1 0 連接桿鉆模夾具總圖

　　參考文獻---------------------------------------------------------------------------------11

　　0 引言

　　在機械制造各類工序中 （如機加工、檢測、焊接等） , 使用著大量不同類型的機床夾具， 它們是機床和工件之間的連接裝置， 使工件相對于機床或刀具獲得正確的位置。機床夾具的好壞將直接影響工件加工表面的位置精度。由于機床夾具各機構 （如定位、夾緊機構） 的復雜程度決定了夾具的設計難度， 尤其是加工一些典型工件時， 如：連接桿、拔叉等此類零件， 將給夾具設計者帶來一定的困難和挑戰， 甚至影響企業的生產和效益。因此， 機床夾具的設計是裝備設計中一項重要的工作。為了能給同行特別是缺乏設計經驗的工程技術人員提供幫助和參考， 本文作者以河源市某機械加工廠生產500件連接桿為例， 對連接桿固定式鉆模夾具設計的過程進行詳細闡述。

　　1 鉆模夾具設計任務

　　設計在立式鉆床上加工連接桿零件上孔？16H9的鉆模夾具。工件數量為500件小批量生產。零件圖如圖1所示。

　　2 連接桿加工工藝分析

　�。�1） 加工要求

　　連接桿上除？16H9孔外， 其余表面均已加工， 所設計的鉆模保證兩孔的精度要求如下：

　　1） 待加工孔？16H9和已加工孔？360+0.025mm的距離尺寸為120±0.06 mm;

　　2） 待加工孔？16H9和已加工孔？360+0.025mm的中心線平行度為0.05 mm;

　�。�2） 加工工藝

　　該工件的結構形狀不規則， 臂部剛性不足， 加工孔？16H9位于懸臂結構處， 且該孔尺寸和形位精度和表面粗糙度要求高， 故工藝規規中分鉆、擴、鉸多個工序。

　　3 確定鉆模夾具方案

　　本專用鉆模用于鉆連接桿的？16H9鉆削加工。由于加工精度不高， 屬于單工步工序應采用固定鉆套。鉆模在設計制造時應注意安裝位置的平穩性及切屑的排出等問題。本工序 （？16H9孔的鉆、擴、鉸） 之前已加工完各平面和內孔？360+0.025, 提供了本工序的加工定位基準。為此， 根據加工要求確定定位方案為完全定位， 夾緊機構采用螺旋夾緊機構， 簡單可靠。本工序采用立式鉆床加工， 刀具為標準麻花鉆、擴鉆、機用鉸刀。機床與刀具均為通用型號， 故夾具設計應使其適應機床與刀具， 由于是小批量生產， 夾具的結構力求簡單， 易于制造， 操作方便。

　　圖1 連接桿  

　　4 確定定位方案及定位元件[1]

　�。�1） 確定定位方案

　　在本工序加工前， 所有平面和？360+0.025mm孔均已加工達到要求， 為定位基準的選擇提供了有利條件。由于待加工孔的位置在三個坐標方向都有要求， 所以， 應按完全定位方式來消除工件的自由度。即六點定位， 用適當分布的六個約束點限制連接桿的六個自由度。

　　如圖2所示， 以？360+0.025mm孔底面為定位基準， 臂部？16H9圓臺底面為輔助基準， 可消除兩個轉動、一個移動自由度， 即、、z��；以？360+0.025mm孔為基準， 可消除兩個移動自由度， 即x��、y��；以臂部？32 mm圓臺的外圓一側為定位基準， 可消除一個轉動自由度， 即。所以， 通過以上方案， 可完全消除工件的六個自由度， 從而加工孔？16H9.

　�。�2） 選用定位元件

　　針對上述定位方案， 為實現上述定位方案， 定位元件的具體選擇如下。

　　1） 銷軸軸環端面將該工件？360+0.025mm孔底面置放于銷軸軸環端面上， 可消除工件的3個自由度， 即。為增強工件加工時的剛性及平穩性， 調節螺旋輔助支承面， 使其與臂部？32 mm孔底面接觸。

　　2） 銷軸圓柱面通過銷軸圓柱面與？360+0.025mm孔配合， 來消除2個自由度， 即

　　3） 可調節支承釘通過可調支承釘與臂部？32 mm圓臺的外圓周一側接觸， 用來消除1個自由度， 即。

　　圖2 定位方案  

　　5 夾緊方案及夾緊裝置的設計

　　根據夾緊力應朝向主要定位基準， 并使其作用點落在工件剛性好的部位的原則， 在加工？16H9孔時， 為了提高裝夾效率， 本次夾緊裝置選用快速螺旋壓板機構如圖3所示， 使夾緊力W作用在？360+0.025mm孔的上端面上。臂部？32mm圓臺底面靠螺旋輔助支承受鉆孔的軸向力， 因此， 此位置不需要施加夾緊力。對于鉆削時產生的轉矩， 一方面依靠快速螺旋壓板機構夾緊力產生的摩擦阻力來平衡， 另一方面則由可調支承釘的阻礙作用平衡。本夾緊機構采用手動夾緊， 其結構簡單， 夾緊方便， 自鎖性好， 安全省力的特點。符合夾具的基本要求， 也符合夾緊力三要素的選擇原則， 很適合小批量生產。

　　圖3 定位元件和夾緊機構 

　　6 鉆床夾具的總體結構設計[2]

　　根據連接桿定位、夾緊的需要， 鉆床夾具結構主要由定位裝置、夾緊裝置、輔助裝置和夾具體組成。

　�。�1） 定位裝置的設計

　　1） 銷軸。銷軸的結構設計， 主要是由工件結構、夾緊方式、夾具體的結構、定位方案來確定。本銷軸要同時消除三個移動和兩個轉動共五個自由度。銷軸一端通過雙螺母固定在夾具體上， 同時另一端螺紋通過快速螺旋壓板機構夾緊工件。

　　連接桿孔徑？36 mm與銷軸軸徑？36 mm處配合， 該配合處的相對運動是上下移動和小幅度的轉動 （裝拆） , 根據配合類別選擇的基本原則， 可選擇較小配合間隙， 故此優先選擇H7/g6間隙配合；銷軸？20 mm與夾具體的配合類別選擇， 主要是為了方便裝拆， 借用緊固件可以傳遞一定的載荷， 故此優先選擇H7/k6過渡配合。經多次試驗和調整， 確定銷軸設計成圖4所示。

　　2） 六角支承釘。六角支承釘 （可調） 主要作用是消除工件的一個自由度。由于六角支承釘已標準化了， 可從GB2227-80選取M10X40.

　　3） 輔助螺旋支承。因本夾具夾緊力作用點遠離切削力， 為了提高工件裝夾剛性和穩定性， 宜在工件定位后， 在？16H9下方增設螺旋輔助支承 （用M30螺紋擰緊） .因它不起定位作用， 而是在定位夾緊后， 微調高度與工件接觸。為了讓開鉆頭并有利排屑， 螺旋支承制成中空通孔？20 mm （比？16 mm大） , 高度調好后由M30鎖緊螺母鎖緊。一般情況下同一批零件輔助支承不進行調整， 零件換批后需進行調整。其結構設計成如圖5所示。

　　圖4 銷軸  

　　圖5 輔助螺旋支承

　�。�2） 夾緊裝置的設計

　　1） 夾緊機構經過對夾緊力大小的估算和實際切削實驗， 夾緊機構設計成螺旋夾緊機構 （如圖3所示） , 為了簡化夾具的結構， 在定位心軸上直接加工出M16螺栓， 選用M16螺母擰緊。

　　2） 開口墊圈開口墊圈將螺母旋轉產生的力傳遞到連接桿？36 mm端面上， 實現對連接桿的夾緊 （如圖3所示） .開口墊圈已經標準化了， 它的結構可以根據心軸螺紋公稱直徑M16從標準GB/T851-1988中選取。

　�。�3） 輔助裝置的設計

　　1） 鉆套設計鉆套是確定刀具位置和方向的導向元件。它在鉆模中的作用是確定鉆頭、擴孔鉆、鉸刀等刀具中心線的位置， 保證被加工孔的位置精度。同時也能提高刀具的剛性， 防止鉆頭加工時偏斜和振動， 有利于提高孔的尺寸、形狀、位置精度， 降低表面粗糙度。此外， 由于加工時不需要劃線和找正， 工序時間縮短， 因而可顯著提高生產效率。

　　按結構和使用情況有固定鉆套、快換鉆套、可換鉆套和特殊鉆套四種。根據連接桿圖紙分析得知， ?16H9孔加工精度較高， 表面粗糙度達Ra1.6μm.故應采用鉆、擴、鉸三個工步完成加工。對應的需設計三個鉆套來滿足加工的需求。為了減少更換鉆套的時間， 本次采用鉆、擴、鉸孔快換鉆套。鉆、擴、鉸孔快換鉆套導引孔的尺寸及公差帶具體設計如下。

　�。�1） 鉆孔先用？15.2 mm標準麻花鉆鉆孔。？15.2 mm標準麻花鉆的最大極限尺寸就是？15.2 mm, 按照鉆孔鉆套導引孔設計原則， 導引孔公差帶應選用F7, 故鉆孔鉆套導引孔尺寸及公差帶為？15.2F7, 即導引孔徑為15.216~15.234 mm.

　�。�2） 擴孔再用？16 mm的1號擴孔鉆擴孔。根據GB/T4256-2004, ?16 mm的1號擴孔鉆的尺寸為？15.75~?15.79 mm.同樣， 按照擴孔鉆套導引孔設計原則， 導引孔公差帶也應選用F7, 故擴孔鉆套導引孔尺寸及公差帶為？15.79 F7, 即導引孔徑為15.806~15.824 mm.

　�。�3） 鉸孔最后用？16H9的標準鉸刀鉸孔。鉸孔選用GB/T1132-2004的標準鉸刀， 其尺寸為？16H9, 根據鉸孔時導引孔的設計原則， 故可決定鉸孔鉆套導引孔尺寸及公差為？16E7.即導引孔徑為16.032~16.050 mm.

　�。�4） 鉆套長度 （H） 鉆套的導向長度H對刀具的導向作用影響很大， H較大時， 刀具在鉆套內不易產生偏斜， 但會加快刀具與鉆套的的磨損；H過小時， 則鉆孔時導向性不好。通�？讖皆�？12 mm以上的或加工工件孔距精度要求在±0.06~±0.1 mm時， 鉆套高度H= （2.5~3.5） d.因此， 此次鉆套高度選擇范圍是H= （2.5~3.5） ×16=40~56 mm.

　　此外， 在鉆模設計時需考慮鉆套高度要適中， 過低導引性能差， 過高會增加磨損。鉆套裝在鉆模板上后， 鉆套底部與連接桿加工表面應有適當的排屑間隙 （S） , 以利于排屑。S= （0.5~1.0） d.S取8~16 mm.

　　快換鉆套的結構可從標準JB/T8045.3-1999選取。

　　2） 襯套為避免頻繁更換鉆套時損壞鉆模板， 在快換鉆套和鉆模板之間加裝一個襯套。根據經驗， 快換鉆套與襯套之間通常采用H6/g5或H7/g6配合， 而襯套與鉆模板之間常用H7/n6或H7/r6配合。本次分別選用H6/g5和H7/r6配合 （如圖6所示） .

　　圖6 襯套  

　　3） 鉆模板的設計鉆模板通常是裝配在夾具體或支架上， 或與夾具體上的其他元件相連接。常見的有以下幾種類型：固定式鉆模板、翻轉式鉆模板、回轉式鉆模板、滑柱式鉆模板、蓋板式鉆模板等不同的總體形式。根據被加工連接桿的形狀、尺寸大小、加工內容及選用機床等， 并考慮孔的加工精度和模板裝拆方便， 鉆模板按固定式結構來設計。鉆模板與夾具體之間通過圓錐銷和螺釘進行定位和固定， 在裝配時要注意保證？16 mm孔鉆套中心線和螺旋輔助支承的中心線共線， 鉆模板的具體結構設計如圖7所示。

　　4） 鉆模板支架的設計鉆模板支架是連接夾具體和鉆模板的部件， 通常是通過銷釘、螺釘進行定位和連接。其結構和形狀設計如圖8所示。

　�。�4） 夾具體的設計

　　夾具體用于將各種元件、裝置連接為一體， 并通過它將整個夾具安裝在機床上。夾具體是整個夾具的基體和骨架， 要服從所有元件、機構和裝置的安裝要求來精心設計， 夾具體需要正確的安裝在機床上， 故夾具體的形狀和尺寸， 主要取決于夾具上各組成體的分布、工件形狀、尺寸、加工性質等�？紤]到加工過程中， 夾具體要承受一定的切削力， 為防止產生變形和振動， 在夾具體設計時要保證有足夠的強度和剛性。夾具體結構設計如圖9所示。

　　圖7 鉆模板  

　　7 繪制夾具裝配圖

　　根據各種元件的結構和布置， 鉆模整體結構基本成形， 現將所有零部件進行裝配， 組裝完成后的鉆模如圖10所示 （裝配圖按1:1繪制） .

　　8 鉆模夾具精度的驗算[3]

　　鉆模夾具的主要功能是用來保證連接桿加工表面的位置精度。影響位置精度的主要因素包連接桿在夾具中的安裝誤差、夾具在鉆床上對定的誤差、加工過程中出現的誤差 （較難驗算） .夾具精度驗算是指連接桿在夾具中的安裝誤差、夾具在鉆床上對定的誤差兩項之和不大

　　圖8 鉆模板支架  

　　于連接桿公差的2/3即為合格。

　�。�1） 驗算中心距120±0.06 mm.影響此項精度的因素有如下：

　　1） 定位誤差， 此項主要有定位孔？36H7與銷軸？36g6的間隙產生， 最大間隙為0.05 mm;

　　2） 鉆模板襯套中心與定位銷中心距誤差， 裝配圖標注尺寸為120±0.01 mm, 誤差為0.02 mm;

　　3） 鉆套與襯套的配合間隙， 由？28H6/g5可知最大間隙為0.029 mm;

　　4） 鉆頭與鉆套間的間隙會引偏刀具， 產生中心距誤差E, 根據刀具與鉆套配合公差帶和鉆套導向高度、排屑空間、鉆孔深度、刀具與鉆套間的最大間隙可算出產生中心距誤差E≈0.025 mm.

　　圖9 夾具體  

　　由于上述各項是按最大誤差計算， 實際上各項誤差一般不可能同時出最大值， 各誤差方向也很可能不一致， 因此， 其綜合誤差可按概率法求和：

　　Δ∑=0.052+0.022+0.0292+0.0252mm≈0.066mm, 誤差小于中心距允差0.12mm的2/3 （0.08 mm） , 鉆模夾具精度符合要求， 可以適用。

　�。�2） 驗算兩孔平行度精度。連接桿要求？16H9孔全長上平行度公差0.05 mm.導致兩孔平行度誤差的因素如下。

　　圖1 0 連接桿鉆模夾具總圖  

　　1） ?36H7/g6配合間隙及孔與端面的垂直度公差會產生基準位置公差， 定位銷軸中心與大頭孔中心的偏斜角а （rad） 為а=Xmax/H （Xmax為？36H7/g6處最大間隙Xmax=0.05 mm、H為定位銷軸定位面長度4 mm） .

　　а1=0.05/4=0.012 5 mm.

　　2） 定位銷軸中心線對夾具體底面的垂直度為а2=0.03 mm.

　　3） 鉆套孔中心與定位銷軸的平行度公差， 標注為0.02mm, 則а3=0.02/57 （鉆套長為57 mm） =0.005 mm.

　　4） 刀具引偏量E產生的偏斜角а4=△max/H=0.025/57=0.000 4 mm （可忽略不計） .

　　因此， 總的平行度誤差， 誤差略小于兩孔平行度允差0.05 mm的2/3 （0.033 3mm） , 鉆模夾具精度符合要求， 可以適用。

　　9 結束語

　　該鉆模夾具作為立式鉆床的輔助裝置， 其設計質量的好壞對連接桿的加工質量、效率、成本以及工人的勞動強度均有直接的影響， 因此在進行連接桿鉆模夾具設計時， 應使加工質量、生產率、勞動條件和經濟性等方面達到統一， 其中保證加工質量是最基本的要求。本次連接桿鉆模夾具設計經多次調整和試驗， 最終設計完成， 并已正式投產， 為企業帶來很好的經濟效益。

　　參考文獻
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