周振 ZHOU Zhen；左安洋 ZUO An-yang；张瑞 ZHANG Rui；牛志勇 NIU Zhi-yong
（山东科技大学，青岛 266590）
摘要： 本文基于专用夹具的设计和加工要求，举例分析其各部件尺寸、加工定位方案以及夹紧力计算过程，旨在提高产品质量和生产效率。
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关键词 ： 机床专用夹具；设计步骤；工序
中图分类号：TG502.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）17-0123-03
作者简介：周振（1990-），男，山东菏泽人，硕士研究生，机械工程专业。
0 引言
机械工业的快速发展，使得各类专用零件应用于各种特殊功能的机器上，传统夹具已无法满足其定位精度要求，因此，能够提高机床表面位置精度的机床专用夹具开始广泛应用在机械生产领域。
机床专用夹具在设计和加工过程中普遍存在一些问题，如设计不合理、不科学；加工精度低；过定位、欠定位和夹紧方式不合理等等。这些问题源自于对专用夹具的功用、设计基本要求与设计步骤不了解所致。因此，本文从夹具功用、设计基本要求与设计步骤等方面展开分析研究，以解决更多生产实际问题。
1 机床夹具的分类、组成
按照机床夹具的应用范围，一般可分为通用夹具、专用夹具和可调整式夹具等。
机床夹具组成主要包括：定位元件、夹紧装置、对刀引导元件或装置、连接元件、夹具体。
2 机床专用夹具的功用
机床专用夹具是为了适应某一工件的某一工序加工的要求而专门设计制造的，其功用如下：
①保证工件被加工表面的位置精度。
②缩短工序时间，提高劳动生产率。
③扩大机床的工艺范围。
④减轻劳动强度，保障安全生产。
3 机床专用夹具基本要求
①准确把控各部件的设计及加工精度；②根据生产批量和加工难以程度合理调配加工工艺和生产进度，提高生产效率；③突出专用夹具的实用性和经济性。
4 机床专用夹具设计步骤
4.1 明确设计任务与收集设计资料
夹具设计的第一步是在已知生产纲领的前提下，研究工件的零件图、工序图、工艺规程和设计任务书，对工件进行工艺分析。
4.2 拟订夹具结构方案，绘制夹具草图
①确定工件的定位方案和夹紧方案，设计定位装置和夹紧装置。
②确定对刀、导向装置等其它装置及元件的结构形式。
③确定夹具体的结构形式及夹具在机床上的安装方式。
④绘制夹具草图。
4.3 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，且计算定位误差。有动力装置的夹具，需计算夹紧力。
4.4 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。
4.5 绘制夹具装配总图
①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。
②依次绘出定位装置、夹紧装置、其他装置及夹具体。
③标准必要的尺寸、公差和技术要求。
④编制夹具明细表及标题栏。
⑤绘制夹具零件图夹具中的非标准零件均要画零件图，并按夹具总图要求，确定零件的尺寸公差及技术要求。
5 实例分析
5.1 工件分析
5.2 工件的定位方案
根据连杆铣槽的工序尺寸，形状和位置精度要求，工件定位时需限制六个自由度。在铣连杆槽时，工件在槽深方向的工序基准是和槽相连的端面，若以次端面为平面定位基准，可以达到与工序基准相重合。但是由于要在此面上开槽，那么夹具的定位面就势必要设计成朝下的，这就会给工件的定位夹紧带来麻烦，夹具的结构也较复杂。如果选择与所加工槽相对的另一端面为定位基准，则会引起基准不重合误差，起大小等于工件两端面间的尺寸公差0.1mm。考虑到槽深的公差较大（为0.4mm），还可以保证精度要求的。而这样又可以使定位夹紧可靠，操作方便，所以应当选择工件底面为定位基准。采用平面为定位元件。
在保证角度方面，以两孔为定位基准，可以做到基准重合，而且操作方便。为了避免发生不必要的过定位现象，采用一个圆柱销和一个菱形销做定位元件。工件以一面两孔为定位基准。而定位元件采用一面两销，分别限制了工件的六个自由度，属于完全定位。如图2所示。
5.3 定位销尺寸计算
①确定两定位销的中心距两定位销的中心距的基本尺寸应该等于工件两定位孔中心距的平均尺寸，其公差一般取：
②确定圆柱销直径圆柱销直径的基本尺寸取与之配合的工件孔的最小极限尺寸，其公差一般取g6或h7。
因连杆两定位孔的尺寸为Φ13H8=Φ13mm，取圆柱销的直径d=Φ13h7=Φ13mm。
③确定菱形销的尺寸b。
菱形销尺寸如表1所示。
④计算菱形销的最小间隙。
⑤确定削边销基本尺寸d2及公差。
1）按公式d2 max=D2 min-X2 min算出菱形销的最大直径
=d2 max（13-0.08）mm
=12.92mm
2）确定菱形销的公差等级，一般取IT7或IT6。
因此IT7=0.018mm
5.4 夹紧力的计算
计算夹紧力时，通常是把夹具体和工件看成是一个刚性系统。根据工件所受的切削力、夹紧力（大型工件应考虑工件重力、惯性力）的作用状况，找出加工中对夹紧最不利的状态，按静力平衡原理计算出理论夹紧力，再乘以安全系数作为实际夹紧力。即：
选取铣床的背吃刀量ap=3mm，每转进给量f=0.5mm/r。因待加工工件为钢材，故单位切削力P=2000
则铣床的切削力为：
FR=Pfap=2000×3×0.5=3000（N）
故F=3000/0.15=20（kN） FK=20×1.5=30（kN）
结论：本夹具所需实际夹紧力为30kN。
5.5 夹具加工误差的分析
2）夹具在铣床上安装的不准确并不影响加工槽的位置尺寸，所以A可不考虑。
3）加工方法有关误差。
对刀块的制造与对刀调整误差铣刀的跳动，机床工作台的倾斜等因素所引起的加工法误差，可根据生产经验并参照经济加工精度进行确定。今取0.05mm。
综上所述：
2）夹具安装误差。
由于夹具定位面N和夹具底面M间的平行度误差等，会引起工件倾斜。
3）加工方法有关的误差。
对刀块的制造和对刀调整误差，铣刀的跳动，机床工作台的倾斜等因素所引起的加工方法误差，可根据生产经验并参照经济加工精度进行确定，今取0.1mm。但是不同的人安装同样的夹具，其安装的夹具误差都不一样。
6 夹具的安装
①先以平衡的方式把支承板和夹具体以两个定位削（其中一个为削边销）定位，接着依次上固定螺钉。
②支承板留有0.2-0.3mm的加工余量，在安装上去后，等检验精度的时候再磨削部分余量至达到要求。按照磨损规则是尽量的初次磨削最少的余量，可以使使用时间加长，减少成本。
③安装夹具体右侧的调节支撑和两侧的定位键。
④安装杠杆板和螺栓，因夹具体长度限制，杠杆板和螺栓不能同时放入夹具体内腔，应先将杠杆板由夹具体侧孔放入夹具体内的正确位置，螺栓由底面直接插入对应的螺栓孔，依次放入垫圈、压缩弹簧、垫圈、压紧板、弹簧垫圈，后拧紧螺母。
（注意：螺母只要稍稍旋入螺栓即可，否则杠杆板会绕铰链旋转，导致另一侧的螺栓安装困难，理论上应先安装长螺栓，即靠近液压缸一侧的螺栓。）
⑤安装液压缸，将液压缸的安装板放入夹具体左侧凹槽中，使缸底与夹具体底板接触，在夹具体上配钻安装孔。然后绞孔、攻螺纹，最后用螺钉将液压缸固定在夹具体左侧凹槽中。
⑥安装T型槽快换螺栓，将夹具体固定在铣床工作台上。
7 结论
本文系统介绍了机床专用夹具的功用、设计时的基本要求以及详细的设计步骤，并以连杆铣槽时专用夹具的设计为例，详细的阐述了整个设计过程，达到了科学高效的设计目的，提高了工作效率，减少了劳动强度。
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