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机床“羊角”拨叉加工工艺及孔加工工序夹具设计
3 夹具设计
3.1 夹具的整体设计
3.1.1夹具设计分析 1．机床夹具
机床上用来装夹工件的一种装置，其作用是使工件相对于机床或刀具有一个正确的位置，并在加工过程中保持这个位置不变。
夹具是一种装夹工件的工艺装备，它广泛地应用于机械制造过程的切削加工、热处理、装配、焊接和检测等工艺过程中。在金属切削机床上使用的夹具统称为机床夹具。在现代生产中，机床夹具是一种不可缺少的工艺装备，对工件进行机械加工时，为了保证加工要求，首先要使工件相对于刀具及机床有正确的位置，并使这个位置在加工过程中不因外力的影响而变动。为此，在进行机械加工前，先要将工件装夹好。工件的装夹方法有两种:一种是工件直接装夹在机床的工作台或卡盘上;另一种是工件装夹在夹具上。采用第一种方法装夹工件时，一般要先按图样要求在工件表面划线，划出加工表面的尺寸和位置，装夹时用划针或百分表找正后再夹紧。这种方法无需专用装备，但效率低，一般用于单件和小批量生产。批量较大时，大都用夹具装夹工件。用夹具装夹工件的优点如下:
(l)稳定地保证工件的加工精度。用夹具装夹工件时，工件相对于刀具及机床的位置精度由夹具保证，不受工人技术水平的影响，使一批工件的加工精度趋于一致。
(2)提高劳动生产率。使用夹具装夹工件方便、快速，工件不需要划线找正，可显著地减少辅助工时，提高劳动生产率;工件在夹具中装夹后提高了工件的刚性，因此可加大切削用量，提高劳动生产率;可使用多件、多工位装夹工件的夹具，并可采用高效夹紧机构，进一步提高劳动生产率。
(3)扩大机床的使用范围。在通用机床上采用专用夹具可以扩大机床的工艺范围，充分发挥机床的潜力，达到一机多用的目的。例如，使用专用夹具可以在普通车床上很方便地加工小型箱体类工件。甚至在车床上拉出油槽，减少了昂贵的专用机床，降低了成本，这对中小型工厂尤其重要。
(4)改善操作者的劳动条件。由于气动、液压、电磁等动力源在夹具中的应用，一方面减轻了工人的劳动强度;另一方面也保证了夹紧工件的可靠性，并能实现机床的互锁，避免事故，保证了操作者和机床设备的安全。
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(5)降低成本。在批量生产使用夹具后，由干劳动生产率的提高，使技术等级较低的工人以及废品率下降等原因，明显地降低了生产成本。
夹具制造成本分摊在一批工件上，每个工件增加的成本是极少的，远远小于由于提高劳动生产率而降低的成本。工件批量愈大，使用夹具所取得的经济效益就愈显著。
2.机床夹具的分类
根据夹具在不同生产类型中的通用特性，机床夹具可分为通用夹具、专用夹具、可调夹具、组合夹具和自动线夹具等[1]。
（1）通用夹具是指结构、尺寸已规格化，而且具有一定通用性的夹具。这类夹具适应性强，可用来装夹一定形状和尺寸范围内的各种工件。
(2)专用夹具。这类夹具是专为零件的某一道工序的加工而设计和制造的。在产品相对稳定、批量较大的生产中，常用各种专用夹具，可获得较高的生产率和加工精度。
(3)可调夹具。可调夹具是针对通用夹具和专用夹具的缺陷而发展起来的一类新型夹具。对不同类型和尺寸的工件，只需调整或更换原来夹具上的个别定位元件和夹紧元件便可使用。
(4)组合夹具。组合夹具是一种模块化的夹具。标准的模块元件具有较高精度和耐磨性，可组装成各种夹具。夹具用毕可拆卸，清洗后留待组装新夹具。 （5）自动线夹具。自动线夹具一般分为两种:一种为固定式夹具，它与专用夹 具相似;另一种为随行夹具，使用中夹具随着工件一起运动，并将工件沿着自动线从一个工位移至下一个工位进行加工。
按使用机床可将夹具分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、齿轮机床夹具、数控机床夹具、自动机床夹具以及其他机床夹具等。这是专用夹具设计所用的分类方法。
按夹紧的动力源分类可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、气液增力夹具、电磁夹具、真空夹具、离心力夹具等。 3．工件装夹的实质
在机床上加工工件时，为使该工序所加工表面达到图纸规定的尺寸、几何形状及相对位置等技术要求，加工前必须将工件装好、夹牢。 把工件装好：
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就是要在机床上确定工件相对于刀具只有一个正确的加工位置，工件只有在这一位置加工才能保证其加工表面达到工序所规定的各项技术要求，——定位 把工件夹牢：
指在已经定好的位置上将工件可靠的夹住，以防止加工时工件受切削力等冲击，振动等影响发生不应有的位移而破坏原有的定位。——夹紧
由此可知，工件装夹的实质是在机床上对工件进行定位和夹紧，装夹的目的是通过定位和夹紧使工件在加工过程中始终保持正确的加工位置，以保证该工序所规定的加工技术要求。
本文选择其中的 小孔加工 工序的夹具进行设计。因为 该工序精度要求较高，所以采用夹具一次装夹使其达到设计要求。
本工序是加工 钻孔，加工完成应达到图纸的技术要求。 3.1.2 夹具结构方案的确定
该夹具采用一面两销的定位思路，采用组合定位中的平面定位和内孔定位方式来实现其定位目的。
工件的定位基准是铣销的两个￠为20和￠40的孔端面和￠20D6的内孔做为定位面
夹具定位元件类型采用平面定位和小锥度心轴及调节支撑的定位元件
这样确定的方案，符合定位夹紧的选择原则，能够实现对中批量的加工。 3.1.3 夹具的具体设计
1、定位基准的选择
由零件图可知，工件的定位基准是铣销的两个￠为20和￠40的孔端面和￠20D6的内孔做为定位面。
2、定位误差分析
（1）定位元件尺寸及公差的确定。夹具的主要定位元件为一个平面、以短圆柱销一个销边销，短圆柱销和销边销的尺寸与公差现规定与本零件φ22孔的尺寸与公差相同:即φ20D6
所谓定位误差，是指由于定位造成的加工面相对于工序基准的位置误差，因为对于一批工件而言，刀具经调整后位置是不动的，即被加工表面的位置相对于定位基准是不变的，所以定位误差就是工序基准在 加工尺寸方向上的最大变动量。
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（2）造成定位误差的原因：
由于定位基准与工序基准不一定引起的定位误差，称基准不重合误差，即工序基准对定位基准在加工方向上的最大变动量，用ΔB表示。
由于定位副制造误差及其配合间隙所引起的定位误差，称为基准定位误差，即定位误差的相对位置在加工尺寸方向上的最大变动量。
3、夹紧装置的设计要求
夹紧装置是夹具的重要组成部分，合理设计夹紧装置有利于保证工件的加工质量。提高生产率和减轻工人的劳动强度，因此对夹紧装置提出以下要求：
（1）工件在夹紧过程中，不能破坏工件在定位时所获得的正确位置 （2）夹紧力的方向应可靠、适当。也就是即要保证工件在加工过程中不产生移动或震动，同时又必须使工件不产生不适当的变形和表面损伤
（3）夹紧动作要准确迅速，以便提高生产效率
（4）操作简便，省力，安全，以改善工人的劳动条件，减轻劳动强度 （5）结构简单，易于制造 4、夹紧力的方向
（1）夹紧力的作用方向应不破坏工件的准确性和可靠性，一般要求夹紧力的方向应指向主要定位基面，把工件压向定位元件的主要定位表面上。
（2）夹紧力方向应使工件变形尽可能变小，使工件的夹紧部分属于套筒零件，显然轴向夹紧要比要比径向夹紧使工件变形要小。
（3）夹紧力方向应使所需夹紧力可能小，在保证夹紧可靠的前提下，减小夹紧力可以减轻工人的劳动强度，提高生产效率，同时可以使机构轻便，紧凑以及减少工件变形，，为此，应使加紧力Q的方向最好与切削力下，工件重力G的方向，这时所需夹紧力为最小。
5、夹紧力的作用点
（1）夹紧力作用点应靠近支撑元件的几何中心，或几个支撑元件所形成的支撑面内
（2）夹紧力的作用点应落在工件刚度较好的部位上
（3）夹紧力的作用点应尽可能靠近被加工表面，这样可以减小切削力对工件造成的翻转力矩，必要时应在工件刚性差的部位增加辅助支撑并施加附加夹紧力。
该夹具夹紧机构需要满足Z方向的夹紧和Z方向的转动为目的，夹紧力的方向沿20的内孔轴线方向传递夹紧力。作用点刚好在20的轴线上且刚性大不容
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