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基于SolidWorks車床夾具虛擬設(shè)計(jì)
1緒論
1.1 引言
夾具作為制造企業(yè)中重要的基礎(chǔ)工藝裝備，廣泛應(yīng)用于加工、檢測和裝配等制造過程中。作為生產(chǎn)準(zhǔn)備的重要組成部分，夾具設(shè)計(jì)的效率直接影響到制造的生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間和產(chǎn)品成本。一般來說，夾具設(shè)計(jì)過程不僅需要大量的有關(guān)零件設(shè)計(jì)、工藝和加工的數(shù)據(jù)，同時(shí)還需要設(shè)計(jì)人員具有很豐富的領(lǐng)域知識(shí)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。
1.2 制造業(yè)信息化的發(fā)展
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)快速生產(chǎn)準(zhǔn)備的計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)（CAFD）技術(shù)成為國際上競相研究的熱點(diǎn)，它已經(jīng)越來越多的取代傳統(tǒng)的手工夾具設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的夾具設(shè)計(jì)相比，計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)有著無可比擬的優(yōu)越性：
1、設(shè)計(jì)者從繁瑣的勞動(dòng)中解放出來，提高了設(shè)計(jì)的效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，使設(shè)計(jì)者把更多的注意力放在創(chuàng)新性開發(fā)上面；
2、可以把夾具設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和智慧存入計(jì)算機(jī)，構(gòu)成專家系統(tǒng)，有利于夾具設(shè)計(jì)技術(shù)的繼承和發(fā)展；
3、由于計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)采用了統(tǒng)一的系統(tǒng)程序，可以獲得相對(duì)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)與優(yōu)化結(jié)果，有利于實(shí)現(xiàn)夾具設(shè)計(jì)的“三化”，即通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。
1.3 Solidworks2010版介紹
Solidworks軟件功能強(qiáng)大，組件繁多。Solidworks 功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks 的三大特點(diǎn)，使得SolidWorks 成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks 能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks 不僅提供如此強(qiáng)大的功能，同時(shí)對(duì)每個(gè)工程師和設(shè)計(jì)者來說，操作簡單方便、易學(xué)易用。對(duì)于熟悉微軟的Windows系統(tǒng)的用戶，基本上就可以用SolidWorks 來搞設(shè)計(jì)了。SolidWorks獨(dú)有的拖拽功能使用戶在比較短的時(shí)間內(nèi)完成大型裝配設(shè)計(jì)。SolidWorks資源管理器是同Windows資源管理器一樣的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks ，用戶能在比較短的時(shí)間內(nèi)完成更多的工作，能夠更快地將高質(zhì)量的產(chǎn)品投放市場。在目前市場上所見到的三維CAD解決方案中，SolidWorks是設(shè)計(jì)過程比較簡便而方便的軟件之一。美國著名咨詢公司Daratech所評(píng)論：“在基于Windows平臺(tái)的三維CAD軟件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市場快速增長的領(lǐng)導(dǎo)者?！?在強(qiáng)大的設(shè)計(jì)功能和易學(xué)易用的操作（包括Windows風(fēng)格的拖/放、點(diǎn)/擊、剪切/粘貼）協(xié)同下，使用SolidWorks ，整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是可百分之百可編輯的，零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)和工程圖之間的是全相關(guān)的。
SolidWorks2010 提供的大量新功能可提高設(shè)計(jì)師和工程師的工作效率。例如，正在申請(qǐng)專利的快速尺寸標(biāo)注功能可顯示新的尺寸放置替代方案，并整齊勻稱地重新布置現(xiàn)有尺寸，從而為所選尺寸騰出空間。配置發(fā)布器使用戶可方便地將界面發(fā)布到3D ContentCentral® 服務(wù)，從而可容易地配置替代模型。正在申請(qǐng)專利的靈巧鼠標(biāo)手勢在簡化手部動(dòng)作方面作出了空前的改進(jìn)。SolidWorks 2010 還提供了大大加強(qiáng)的參考平面創(chuàng)建方法丶鈑金功能丶焊接性能丶組件鏡像功能和直接編輯工具。使用 PhotoView 360，初學(xué)者也能象高手那樣設(shè)計(jì)照片級(jí)圖像渲染效果。
SolidWorks 2010相對(duì)solidworks2009版本新增改進(jìn)功能超300項(xiàng)，主要包括如下方面： 草圖與特征，邊焊縫及高級(jí)梁殼模型，裝配體與配置，SolidWorks Enterprise PDM 2010 新增功能，Motion，3DVIA Composer 2010新功能，工程圖。
SolidWorks 2010大幅改善了工程圖繪制功能,尺寸標(biāo)注的操作將更為簡潔。這包括對(duì)多段文字可通過拖拽進(jìn)行合并、多尺寸標(biāo)注自動(dòng)實(shí)現(xiàn)等間距布局、零件明細(xì)表和公差尺寸標(biāo)注的靈活編輯等。在裝配圖中，新版本提供了零部件詳細(xì)信息的可視化功能，重量、材質(zhì)、是否外購件、價(jià)格等參數(shù)還可直接導(dǎo)入Excel進(jìn)行輸出。3D建模工具中增加了盆腔中段平面和相切平面的草圖繪制功能，簡化了高復(fù)雜度模型設(shè)計(jì)。裝配環(huán)境下允許進(jìn)行零部件的精確鏡面復(fù)制、運(yùn)動(dòng)干涉檢查和參數(shù)化應(yīng)力分析。隨上一版本推出的SpeedPak技術(shù)也得到進(jìn)一步增強(qiáng)，該功能可在保持圖形完整細(xì)節(jié)與關(guān)聯(lián)性的同時(shí)降低計(jì)算機(jī)內(nèi)存使用率，從而無需調(diào)用大量內(nèi)存便可高效地創(chuàng)建和使用大型裝配體及工程圖。此外，對(duì)直接導(dǎo)入的實(shí)體模型進(jìn)行編輯是一個(gè)非常重要的新特性，這將大幅減少調(diào)用舊有設(shè)計(jì)時(shí)的工作量。用戶界面看起來使用了Instant3D技術(shù)的標(biāo)尺，直接拖拽即可修改。編輯工具將修改產(chǎn)生的新特征記錄于特征樹中，因此能輕而易舉地將導(dǎo)入模型恢復(fù)成原始狀態(tài)。
不同于針對(duì)CAD的增強(qiáng)功能，在SolidWorks 2010中還新增一個(gè)用于評(píng)估設(shè)計(jì)對(duì)環(huán)境影響的工具，這是同類軟件所沒有的。該工具的研發(fā)代號(hào)為“Sage”，以PE International公司的一款環(huán)境影響量化工具GaBi為基礎(chǔ)。GaBi用于量化材料、工藝、產(chǎn)品和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的環(huán)境性能，包含十萬多種影響模式，它能從溫室氣體、能源、最顯著的環(huán)境影響、生命周期成本和社會(huì)影響等多個(gè)不同角度評(píng)估可持續(xù)性。“Sage”以一個(gè)儀表板的形式出現(xiàn)在用戶界面底部。出于降低不良環(huán)境影響的考慮，設(shè)計(jì)師和工程師可在“Sage”中創(chuàng)建“基準(zhǔn)”設(shè)計(jì)，然后將每個(gè)新設(shè)計(jì)與其相比較。當(dāng)設(shè)計(jì)師選擇不同的材料、工藝或設(shè)計(jì)方法時(shí)，儀表板上反映出的影響會(huì)隨之改變。例如，設(shè)計(jì)目標(biāo)碳排放量為100噸，分析結(jié)果可能顯示50%源于選材，40%源于制造工藝，10%源于報(bào)廢后的處理。如果采用影響較小的材料，就可以減少碳排放量?！癝age”軟件還可生成各種報(bào)告，供深入分析使用。就像設(shè)計(jì)驗(yàn)證工具Simulation一樣，深度集成的“Sage”將幫助工程師在設(shè)計(jì)過程中對(duì)環(huán)保指標(biāo)做出考量，這能大幅減少因環(huán)保不達(dá)標(biāo)而導(dǎo)致的返工。CEO Jeff Ray曾表示，SolidWorks會(huì)持續(xù)在綠色環(huán)保方面的投入，SolidWorks 2010無疑將是標(biāo)志性的一步，這也是對(duì)去年創(chuàng)新日活動(dòng)的主題“綠色設(shè)計(jì)激發(fā)未來”的延續(xù)。
1.4 本論文的研究目的、意義
多年來，機(jī)械制造過程中把設(shè)計(jì)藍(lán)圖比喻成工程師的語言，對(duì)于機(jī)床專用夾具而言，也總是利用眾多視圖的不同投影來描繪，采用標(biāo)注各種線條和符號(hào)繪圖，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且一旦理解有誤或形體表現(xiàn)，將會(huì)影響產(chǎn)品的制造和質(zhì)量。
采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，零件的造型如同車間中加工零件的過程一樣，設(shè)計(jì)完成以后，零件就“加工”出來了，這樣不需要很強(qiáng)的空間想象力就可以設(shè)計(jì)出產(chǎn)品的真實(shí)三維模型，經(jīng)過虛擬裝配，可清楚地檢驗(yàn)出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性.空間布置是否干涉等問題。造型結(jié)束后，將設(shè)計(jì)模型投影到二維圖紙空間，就可自動(dòng)生成工程圖紙的三視圖.軸側(cè)圖.剖視圖等，大大方便了設(shè)計(jì)過程，形象直觀易于接受，從而達(dá)到更快地設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品。
本課題在探討機(jī)床專用夾具的基本知識(shí)和基本理論的同時(shí)，研究如何利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)專用夾具以及如何對(duì)專用夾具進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)，形成專用夾具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。2收集資料和確定方案
圖2-1所示為一開合螺母車削工序圖，工件的燕尾面和兩個(gè)φ120+0.019mm孔已經(jīng)加工，兩孔距離為38±0.1mm，φ400+0.027mm孔經(jīng)過粗加工。本道工序?yàn)榫Mφ400+0.027mm孔及車端面。加工要求是：
(1)φ400+0.027mm孔軸線至燕尾面C的距離為45±0.05 mm；
(2)φ400+0.027mm孔軸線與C面的平行度為0.05 mm；
(3)加工孔軸線與φ120+0.019mm孔的距離為8±0.05 mm。
(4)φ400+0.027mm的孔軸線對(duì)兩B面的對(duì)稱面的垂直度為0.05mm
試設(shè)計(jì)本道工序所用的專用夾具。
圖2-1 開合螺母車削工序圖
2．1 明確設(shè)計(jì)任務(wù)與收集設(shè)計(jì)資料
2.1.1工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及材料
開合螺母由上下兩個(gè)半螺母組成，裝在溜板箱體后壁的燕尾形導(dǎo)軌中，可上下移動(dòng)。上下半螺母的背面各裝有一個(gè)圓銷，其伸出端分別嵌在槽盤的兩條曲線槽中。扳動(dòng)手柄，經(jīng)軸使槽盤逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，曲線槽迫使兩圓銷互相靠近，帶動(dòng)上下半螺母合攏，與絲杠嚙合，刀架便由絲杠螺母經(jīng)溜板箱傳動(dòng)進(jìn)給。槽盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，曲線槽通過迫使圓銷使兩半螺母相互分離，與絲杠脫開嚙合，刀架便停止進(jìn)給。開合螺母的材料為45鋼。
2.1.2確定本工序的加工表面、加工要求、加工余量、定位基準(zhǔn)和夾緊表面及所用的機(jī)床、刀具、量具等。
表2-1 加工要求
加工表面
加工要求
加工余量
定位基準(zhǔn)
夾緊表面
所需機(jī)床
φ400+0.027mm孔和兩個(gè)端面
a.φ400+0.027mm孔軸線至燕尾面C的距離為45±0.05 mm；
b.φ400+0.027mm孔軸線與C面的平行度為0.05mm；
c.加工孔軸線與φ120+0.019mm孔的距離為8±0.05 mm
精鏜φ400+0.027mm孔的工序余量為0.5mm；
車端面的工序余量為1mm。
主要加工表面φ400+0.027mm孔的定位基準(zhǔn)為燕尾底面C和
φ120+0.019mm孔軸心線
燕尾面B和C
C620車床
2．2 確定工件的定位方案，設(shè)計(jì)定位裝置。
定位就是使同一工序中的一批工件都能在夾具中占據(jù)正確的位置。它的基本任務(wù)有以下三項(xiàng)：
（1）從理論上講就是如何使同一批工件在夾具中占據(jù)正確的位置。
（2）選擇或設(shè)計(jì)合理的定位方案及定位裝置。
（3）保證有足夠的定位精度。即工件在夾具中雖有一定的誤差，但仍能保證工件的加工誤差。
它的基本原理是六點(diǎn)定位規(guī)則，即用合理分布的六個(gè)支承點(diǎn)限制工件六個(gè)自由度的規(guī)則。但實(shí)際中還存在著過定位和欠定位。其中欠定位保證不了加工精度，所以是絕不允許發(fā)生的，而過定位由于夾具上的定位元件同時(shí)重復(fù)限制了工件的一個(gè)或幾個(gè)自由度，將造成工件定位不穩(wěn)定，降低了加工精度；使工件或定位元件產(chǎn)生變形，甚至無法安裝和加工，故應(yīng)盡量避免采用。
根據(jù)本工序的加工要求，不僅要鏜孔，還要加工兩個(gè)平面，因此工件必須完全定位，即六點(diǎn)定位原則。按照加工要求，工件的定位方案分析如下：
（1）φ400+0.027mm孔軸線至燕尾面C的距離為45±0.05 mm；400+0.027mm孔軸線與C面的平行度為0.05 mm。
加工φ400+0.027mm孔的工序基準(zhǔn)為燕尾底面C，根據(jù)基準(zhǔn)重合原理，應(yīng)以燕尾底面C為定位基準(zhǔn)，則限位基準(zhǔn)為固定支承板8和活動(dòng)支承板10上與燕尾底面C接觸的平面。燕尾底面C限制Z轉(zhuǎn)動(dòng)、Y移動(dòng)、X移動(dòng)三個(gè)自由度；燕尾面B限制Z轉(zhuǎn)動(dòng)、X移動(dòng)二個(gè)自由度。即工件用燕尾面B和C在固定支承板8和活動(dòng)支承板10上定位（兩板高度相等），限制了Z轉(zhuǎn)動(dòng)、Z移動(dòng)、Y轉(zhuǎn)動(dòng)、X轉(zhuǎn)動(dòng)、X移動(dòng)五個(gè)自由度。
（2）加工孔軸線與φ120+0.019mm孔的距離為8±0.05 mm。
φ400+0.027mm孔軸心線的另一定位元件是活動(dòng)菱形銷9，根據(jù)基準(zhǔn)重合原理，應(yīng)以φ120+0.019mm孔軸心線為定位基準(zhǔn)，則限位基準(zhǔn)為φ120+0.019mm孔軸心線，即φ120+0.019mm孔與活動(dòng)菱形銷9配合，限制Y向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。
表2-2工件的定位及應(yīng)限制的自由度
定位元件
限位基準(zhǔn)
定位基準(zhǔn)
限制自由度
支承板8、10
活動(dòng)菱形銷9
支承板8、10的平面
活動(dòng)菱形銷9的軸心線
燕尾底面C
燕尾面B
φ120+0.019mm孔軸心線
Z轉(zhuǎn)動(dòng)、Y移動(dòng)、X轉(zhuǎn)動(dòng)、Y轉(zhuǎn)動(dòng)、X移動(dòng)、Z移動(dòng)
工件裝卸時(shí)，可從上方推開活動(dòng)支承板10將工件插入，靠彈簧力使工件靠緊固定支承板8，并略推移工件使活動(dòng)菱形銷9彈入定位孔φ120+0.019mm內(nèi)。
3草圖繪制和和計(jì)算
3.1夾具類型的確定
由于開合螺母以燕尾面C為主要定位基準(zhǔn)，且在車床上加工，而工件的形狀與尺寸決定了它不適宜于采用心軸類、卡盤類或花盤類夾具，只能采用角鐵式車床加工。
夾具體呈角鐵狀的車床夾具稱為角鐵式車床夾具，其結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，用于加工殼體、支承座、杠桿、接頭等零件上的回轉(zhuǎn)面和端面。具體適用于以下兩種情況：（1）工件的主要定位基準(zhǔn)是平面，要求被加工表面的軸線對(duì)定位基準(zhǔn)面保持一定的位置關(guān)系（平行或成一定角度）。這時(shí)夾具的平面定位元件必須相應(yīng)地設(shè)置在與車床主軸軸線相平行或成一定角度的位置上。（2）工件定位基準(zhǔn)雖然不是與被加工表面的軸線平行或成一定角度的平面，但由于工件外形的限制，不適于采用卡盤式夾具，而必須采用半圓孔或V形塊定位件的情況。
考慮車床夾具的特點(diǎn)和工件的加工表面，本工序應(yīng)有兩次安裝，當(dāng)孔和一個(gè)端面加工完畢后，應(yīng)松開壓板，將工件回轉(zhuǎn)180度，重新定位夾緊，再加工另一端面。
3.2 確定工件的夾緊方案，設(shè)計(jì)夾緊裝置。
3.2.1確定夾緊裝置
車床夾具的夾緊裝置必須安全可靠。夾緊力的方向和作用點(diǎn)應(yīng)按以下要求進(jìn)行選擇：
a.主要夾緊力應(yīng)朝向主要定位基準(zhǔn)，作用點(diǎn)應(yīng)靠近支承面的幾何中心；
b.夾緊力的方向應(yīng)有利于減少夾緊力，盡量垂直于工件的主要定位基面，盡量和切削力、重力方向一致；
c.夾緊力的方向和作用點(diǎn)應(yīng)施于工件剛性較好的方向和部位；
d.夾緊力的作用點(diǎn)應(yīng)適當(dāng)靠近加工表面。
由于車削時(shí)工件和夾具一起隨主軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故在加工過程中，工件除受切削扭矩的作用外，整個(gè)夾具還受到離心力的作用，轉(zhuǎn)速越高離心力越大，會(huì)降低夾緊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的夾緊力。此外，工件定位基準(zhǔn)的位置相對(duì)于切削力和重力的方向來說是變化的。因此，夾緊機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的夾緊力必須足夠，自鎖性能要好，以防止工件在加工過程中脫離定位元件的工作表面。
對(duì)于角鐵式夾具，夾緊力的施力方式要注意防止引起夾具變形。這里有兩種夾緊方案。
如果采用圖a）所示的施力方式其夾緊裝置比較簡單，但可能會(huì)引起角鐵懸伸部分的變形和夾具體的彎曲變形，離心力、切削力也會(huì)助長這種變形。
如果改用圖b）所示回轉(zhuǎn)式螺旋擺動(dòng)壓板機(jī)構(gòu)顯然較好，因?yàn)榻氰F剛性好，壓板的變形不影響加工精度。所以根據(jù)工件形狀特點(diǎn)，采用帶擺動(dòng)V形塊3的回轉(zhuǎn)式螺旋壓板機(jī)構(gòu)夾緊。
圖a） 圖b）
圖3-1 夾緊方案的選擇
3.2.2夾緊力計(jì)算與分析
螺旋夾緊機(jī)構(gòu)中計(jì)算各種螺旋副所產(chǎn)生夾緊力大小的通用公式為：
式中：
ψ‘2——螺旋副的當(dāng)量摩擦角；
ψ1——螺桿端部與工件間的摩擦角；
a——螺紋升角；
r2——螺紋中徑的一半；
r‘——螺桿端部與工件間的當(dāng)量摩擦半徑；
查表得：
Q=35N L=140mm
a =2。30＇ ψ‘2=6。34＇
r2=5.43mm f= tgψ1=0.1
r‘= （D3-D30）/3（D2-D20）=22.3mm
代入上式求得： W0= 5800 N
螺旋壓板夾緊機(jī)構(gòu)是利用杠桿原理來實(shí)現(xiàn)夾緊作用。其好處是：增大夾緊力，改變夾緊力作用方向，增大加緊行程。它可以繞水平軸翻轉(zhuǎn)，增力顯著，夾緊時(shí)既省力又迅速可靠。
夾緊受力分析如下：
圖3-2 夾緊受力分析
由杠桿原理知：
W·a =W0·b
當(dāng)a=1/2b時(shí)，
W =2 W0=11600 N
由此可見，該夾緊機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的夾緊力比作用力大一倍。
3.2.3螺旋夾緊機(jī)構(gòu)各元件材料、熱處理要求和結(jié)構(gòu)尺寸確定。
螺旋夾緊機(jī)構(gòu)各元件均已標(biāo)準(zhǔn)化，可參閱《機(jī)械零件手冊》確定。
1)帶肩六角螺紋（GB/T2148-91）
技術(shù)要求：
材料：45鋼；
熱處理：HRC35-40；
細(xì)牙螺紋的支承面對(duì)螺紋軸線的垂直度按GB1184-80《形狀和位置公差》規(guī)定的9級(jí)公差。
圖3-3 帶肩六角螺紋
2)鉸鏈壓板（GB/T2188-91）
技術(shù)要求：
材料：45鋼 ;
熱處理：淬火、回火HRC35-40。
圖3-4鉸鏈壓板
3)擺動(dòng)V形塊（GB2208-80）
技術(shù)要求：
材料：20鋼;
熱處理：淬火HRC60-64, 滲碳深0.8~1.2mm;
銳邊倒鈍。
圖3-5 擺動(dòng)V形塊
3.3夾具與機(jī)床的連接方式及安裝基面
車床夾具與機(jī)床主軸的連接精度對(duì)夾具的回轉(zhuǎn)精度有決定性的影響。因此，要求夾具的回轉(zhuǎn)軸線與車床主軸軸線有盡可能高的同軸度。
對(duì)于徑向尺寸較大的夾具，一般通過過渡盤與車床主軸軸頸聯(lián)接。專用夾具以其定位止口按H7/h6或H7/js6裝配在過渡盤的凸緣上，然后用螺釘緊固。過渡盤與主軸配合的表面形狀取決于主軸前端的結(jié)構(gòu)。
如圖3-6所示的過渡盤，其上有一個(gè)定位圓孔按H7/h6或H7/js6和主軸的軸頸相配合，并有螺紋和主軸連接。為了安全起見，還可以用壓塊把過渡盤壓緊在主軸上，這樣可防止停車和倒車時(shí)，不致因慣性作用而可能松開。這種連接方式的安裝精度受到配合精度的限制，為了提高安裝精度，在車床上安裝夾具時(shí)，可按找正圓校正夾具與車床主軸的同軸度。
圖3-6 過 渡 盤
3.4 夾具的平衡
由于加工時(shí)夾具隨同主軸旋轉(zhuǎn)，如果夾具的重心不在主軸旋轉(zhuǎn)軸線上就會(huì)產(chǎn)生離心力，這樣不僅加劇機(jī)床主軸和軸承的磨損，而且會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，影響加工質(zhì)量和刀具壽命且不安全。所以對(duì)于角鐵式夾具，要有平衡要求，平衡的方法是設(shè)置平衡塊。平衡塊重心的位置應(yīng)可以調(diào)節(jié)，可在平衡塊上（或夾具體上）開徑向槽或環(huán)形槽，以使夾具裝配時(shí)調(diào)整其位置。
圖3-7 平 衡 塊
3.5對(duì)夾具總體結(jié)構(gòu)的要求
⑴結(jié)構(gòu)要緊湊，懸伸量要短，使重心盡可能靠近主軸。車床夾具的懸伸長度過大，會(huì)加劇主軸軸承的磨損，同時(shí)引起振動(dòng)，影響加工質(zhì)量。因此，夾具的懸伸長度L與輪廓直徑D之比應(yīng)控制如下：
a. 直徑小于150mm的夾具，L/D≤2.5；
b. 直徑在150~300mm之間的夾具，L/D≤0.9；
c. 直徑大于300mm的夾具，L/D≤0.6。
⑵車床夾具的夾具體應(yīng)制成圓形，夾具上（包括工件在內(nèi)）的各元件不應(yīng)伸出夾具體的輪廓之外，當(dāng)夾具上有不規(guī)則的突出部分，或有切削液飛濺及切屑纏繞時(shí)，應(yīng)加設(shè)防護(hù)罩。
⑶夾具的結(jié)構(gòu)應(yīng)便于工件在夾具上安裝和測量，切屑能順利排出或清理。
3.6繪制夾具草圖，并標(biāo)注尺寸、公差及技術(shù)要求
圖3-8 角鐵式車床夾具
圖3-8為加工圖2-1開合螺母φ400+0.027mm孔的專用夾具。由角鐵式的專用夾具和過渡盤兩部分組成，專用夾具以夾具體5上定位止口和過渡盤4的凸緣相配合并加以緊固，形成一個(gè)夾具整體。在裝配時(shí)應(yīng)使夾具體止口的軸線（代表專用夾具的回轉(zhuǎn)軸線）和過渡盤的定位圓孔同軸。為保持夾具回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)平衡，在角鐵的另一端設(shè)置了平衡塊。
3.7夾具的精度分析
工件在車床夾具上加工時(shí)，加工誤差的大小受工件在夾具在夾具上的定位誤差△D、夾具誤差△J、夾具在主軸上的安裝誤差△A和加工方法誤差△G的影響。
以下對(duì)尺寸45±0.05mm的精度問題作一分析。
1）定位誤差△D
一批工件逐個(gè)在夾具上定位時(shí)，由于工件及定位元件存在公差，使各個(gè)工件所占據(jù)的位置不完全一致，加工后形成加工尺寸的不一致，為加工誤差。這種只與工件定位有關(guān)的加工誤差，稱為定位誤差△D。
造成定位誤差的原因有兩個(gè)：
一是定位基準(zhǔn)與工序基準(zhǔn)不重合，由此產(chǎn)生基準(zhǔn)不重合誤差△B?；鶞?zhǔn)不重合誤差△B是一批工件逐個(gè)在夾具上定位時(shí)，定位基準(zhǔn)與工序基準(zhǔn)不重合而造成的加工誤差，其大小為定位尺寸的公差δS在加工尺寸方向上的投影。
二是定位基準(zhǔn)與限位基準(zhǔn)不重合，由此產(chǎn)生基準(zhǔn)位移誤差△Y。基準(zhǔn)位移誤差△Y是一批工件逐個(gè)在夾具上定位時(shí)，定位基準(zhǔn)相對(duì)于限位基準(zhǔn)的最大變化范圍δi在加工尺寸方向上的投影。
定位誤差△D常用合成法進(jìn)行計(jì)算。
由于定位基準(zhǔn)與工序基準(zhǔn)不重合以及定位基準(zhǔn)與限位基準(zhǔn)不重合是造成定位誤差的原因，因此，定位誤差應(yīng)是基準(zhǔn)不重合誤差△B與基準(zhǔn)位移誤差△Y的合成。計(jì)算時(shí)，可先算出△B和△Y，然后將兩者合成而得△D。
由于C面既是工序基準(zhǔn)，又是定位基準(zhǔn)，基準(zhǔn)不重合誤差△B為零。
工件在夾具上定位時(shí)，定位基準(zhǔn)與限位基準(zhǔn)（支承板8、10平面）是重合的，基準(zhǔn)位移誤差△Y也為零。
因此，尺寸45±0.05mm的定位誤差△D等于零。
2）夾具誤差△J
因夾具上定位元件、對(duì)刀或?qū)蛟?、分度裝置及安裝基準(zhǔn)之間的位置不精確而造成的加工誤差，稱為夾具誤差△J。
夾具誤差△J主要包含定位元件相對(duì)于安裝基準(zhǔn)的尺寸或位置誤差△J1；定位元件相對(duì)于對(duì)刀或?qū)蛟ò▽?dǎo)向元件之間）的尺寸或位置誤差△J2；導(dǎo)向元件相對(duì)于安裝基準(zhǔn)的尺寸或位置誤差△J3。以上幾項(xiàng)共同組成夾具誤差△J。
圖3-8中，夾具誤差△J為限位基面（支承板8、10的平面）與止口軸線間的距離誤差，即夾具總圖上尺寸45±0.05mm的公差0.04mm，以及限位基面相對(duì)于安裝基面D、C的平行度和垂直度誤差0.01mm（兩者公差兼容）。
3）夾具的安裝誤差△A
因夾具在機(jī)床上的安裝不精確而造成的加工誤差，稱為夾具的安裝誤差△A。產(chǎn)生夾具的安裝誤差的因素有：
⑴夾具定位元件對(duì)夾具體安裝基面的相互位置誤差。
⑵夾具安裝基面本身的制造誤差及其與機(jī)床卡面間的間隙所產(chǎn)生的連接誤差。
△A = X1max + X2max
式中
X1max——過渡盤與主軸間的最大配合間隙；
X2max——過渡盤與夾具體間的最大配合間隙。
設(shè)過渡盤與車床主軸間的配合尺寸為φ92H7/js6，查表：φ92H7為φ920+0.035mm，φ92js6為φ92±0.011mm，因此
X1max = （0.035+0.011）mm = 0.046mm
過渡盤與夾具體間的配合尺寸為φ160H7/js6，查表：φ160H7為φ1600+0.040mm，φ160js6為φ160±0.0125mm，因此
X2max = （0.040+0.0125）mm = 0.0525mm
故
△A =（0.0462 + 0.05252）0.5 =0.0698mm
4）加工方法誤差△G
因機(jī)床精度、刀具精度、刀具與機(jī)床的位置精度、工藝系統(tǒng)的受力變形和受熱變形等因素造成的加工誤差，統(tǒng)稱為加工方法誤差△G。
車床夾具的加工方法誤差，如車床主軸上安裝夾具基準(zhǔn)（圓柱面軸線、圓錐面軸線或圓錐孔軸線）與主軸回轉(zhuǎn)軸線間的誤差、主軸的徑向跳動(dòng)、車床溜板進(jìn)給方向與主軸軸線的平行度或垂直度等。它的大小取決于機(jī)床的制造精度、夾具的懸伸長度和離心力的大小等因素。一般取
△G =δK/3=0.1/3=0.033mm
5）總加工誤差∑△
工件在夾具中加工時(shí)，總加工誤差∑△為上述各項(xiàng)誤差之和。由于上述誤差均為獨(dú)立隨機(jī)變量，應(yīng)用概率法疊加。因此保證工件加工精度的條件是
∑△=（△D+△J +△A +△G）0.5≤δK
既工件的總加工誤差∑△應(yīng)不大于工件的加工尺寸公差δK。
為保證夾具有一定的使用壽命，防止夾具因磨損而過早損廢，在分析計(jì)算工件加工精度時(shí)，需留出一定的精度儲(chǔ)備量JC。因此將上式改寫為
JC=δK-∑△≥0
當(dāng)JC≥0時(shí)，夾具能滿足工件的加工要求。JC值的大小還表示了夾具使用壽命的長短和夾具總圖上各項(xiàng)公差值δJ確定得是否合理。
圖1-2夾具的總加工誤差為
∑△=（△2D+△2J +△2A +△2G）0.5
=（0+0.042+0.012+0.0462+0.05252+0.0332）0.5
=0.088mm
精度儲(chǔ)備 JC=（0.1-0.088）mm=0.012mm
4標(biāo)準(zhǔn)件庫的建立
4.1參數(shù)化方法的種類
目前采用SolidWorks平臺(tái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法有兩大類。1 )基SolidWorks軟件進(jìn)行二 次開發(fā)的方法,可用宏技術(shù),通過內(nèi)部編程操作SolidWorks對(duì)象,后用VC /VB等語言編程實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì); 也可用尺寸驅(qū)動(dòng)技術(shù),采用外部編程操作SolidWorks 對(duì)象,實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。2 )靈活應(yīng)用SolidWorks軟件本身的強(qiáng)大功能, 實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。這兩種參數(shù)化設(shè)計(jì)方法各有千秋。
( 1 ) 軟件二次開發(fā)的方法對(duì)零件特征提取的要求較低, 使用方便、效率高, 對(duì)操作者水平要求不高;但是軟件開發(fā)工作量大,軟件修改維護(hù)不便。( 2 ) 采用SolidWorks 軟件本身的功能實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí), 對(duì)操作者的水平要求較高, 對(duì)零件特征提取要求高; 使用比較方便, 不需軟件開發(fā), 非常便于修改、維護(hù)和擴(kuò)展。由于組合夾具元件的特征參數(shù)和參數(shù)系列比較明確, 經(jīng)常要按應(yīng)用情況進(jìn)行局部修改, 所以采用SolidWorks 軟件的方程式、系列零件表、配置技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計(jì)。
4.2基于方程式的參數(shù)化方案
由于SolidWorks三維造型設(shè)計(jì)中沒有程序段的編輯與插入功能, 故在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中, 對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件和使用頻率較高、形狀相似、尺寸不同的系列零部件的制作, 往往因改許多尺寸導(dǎo)致麻煩。采 用SolidWorks 內(nèi)設(shè)的方程式功能模塊可以初步解決這個(gè)問題。具體方法 可 按 如 下 步 驟 進(jìn) 行 。1 ) 單 擊 工 具 欄 上 的 “∑”或 工具、方程式。2 ) 單擊窗口右上角的添加。3 ) 在模型設(shè)計(jì)樹中, 雙擊包含第一個(gè)用于方程式中的尺寸特征 。4 ) 尺寸上單擊, 將其名稱粘貼到方 程 式 中 ( 尺 寸 名稱表示成尺寸名稱M 特征或草圖名稱的格式) 。5 ) 鍵入或單擊計(jì)算按鈕的方法完成方程式, 或單擊其他的尺寸將其名稱粘貼進(jìn)來。方程式會(huì)由左到右( 位于等號(hào)左側(cè)的尺寸會(huì)被右側(cè)的值所驅(qū)動(dòng)) , 而且以其方程式清單中的順序一一解出。6 ) 單擊確定。該方程式會(huì)在方程式對(duì)話框中列出, 解出的數(shù)值在估計(jì)單元格出現(xiàn)。7 ) 單擊確定, 然后單擊編輯、重建模型更新模型( 所有的方程式會(huì)在整個(gè)幾何重建之前先全部求解出來) 。8 )方程式文件夾出現(xiàn) 在 Feature Manager設(shè)計(jì)樹中,在該文件夾上單擊右鍵, 可以刪除或編輯已有的方程式或添加新的方程式到文件中。
4.3基于配置的參數(shù)化方案
配置是SolidWorks 軟件的重要功能, 實(shí)現(xiàn)配置的方法可有: 1) 通過壓縮或隱藏特征來設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相近或相似的系列零件和裝配體方案, 并對(duì)它們分別命名, 快速實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)。2) 通過系列零件設(shè)計(jì)表來控制系列零件的尺寸值, 從而生成不同的配置, 實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。
4.3.1基于特征的參數(shù)化方案
圖4-1列出結(jié)構(gòu)相似的系列零件。采用SolidWorks配置功能, 可以通過壓縮或隱藏特征來控制零件孔的有無及高度的變化。設(shè)計(jì)時(shí), 只需對(duì)圖4-1(a)零件一次造型, 通過靈活使用配置功能, 不需再次造型就可實(shí)現(xiàn)圖4-1(b)、圖4-1(c)零件的設(shè)計(jì), 從而實(shí)現(xiàn)圖4-l零件組的參數(shù)化設(shè)計(jì)。
a） b)
C)
圖4-1 零件組的參數(shù)化設(shè)計(jì)
4.3.2基于系列零件表的參數(shù)化方案
采用SolidWorks 三維參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí), 往往需要用到參數(shù)表, 是因它能取得很好效果。具體步驟如下: 1 )將要表達(dá)的模型參數(shù)做成Microsoft Execel 文件并存盤。2 ) 單擊插入、對(duì)象。會(huì)出現(xiàn)對(duì)話框, 您可插入現(xiàn)有的對(duì)象或動(dòng)態(tài)地生成并插入新對(duì)象。所出現(xiàn)的對(duì)話框根據(jù)您所使用的應(yīng)用程序而定。3 ) 這里單擊由文件創(chuàng)建, 并單擊瀏覽。會(huì)出現(xiàn)瀏覽文件窗口。4 ) 選擇要插入的文件單擊打開, 便返回到上一窗口。5 ) 單擊確定。這時(shí)會(huì)在總裝圖的左上角出現(xiàn)一個(gè)用黑色線條繪制的表。將鼠標(biāo)移到該表上并按住左鍵就可把該表移到你認(rèn)為適合的任何位置; 將鼠標(biāo)移到表的四角中的任一角便會(huì)出現(xiàn)一個(gè)雙向箭頭, 用左鍵按住此箭頭移動(dòng), 就可把表調(diào)整至任意大小。在使用該表時(shí), 你只要放大該表或者用鼠標(biāo)左鍵雙擊該表, 就可看到或編輯參數(shù)表。
4.4自制夾具標(biāo)準(zhǔn)件庫
通過以上方法自制了一個(gè)夾具標(biāo)準(zhǔn)件庫，其中包括襯套導(dǎo)套鏜套、過渡盤、鍵銷、螺釘螺柱、壓板壓塊。襯套導(dǎo)套鏜套包括：定位襯套A、固定鉆套A、可換鉆套、鏜套用襯套、壓入式螺紋襯套。
過渡盤包括：C型三爪卡盤用過渡盤、C型四爪卡盤過渡盤、D型三爪卡盤過渡盤、D型四爪卡盤過渡盤。鍵銷包括:齒條式定位器銷套、定位插銷A-1、固定式定位銷A-1、可換定位銷A-1、偏心定位銷、手柄式定位器定位銷-A。螺釘螺柱包括：固定手柄壓緊螺釘A型、螺釘、球面帶肩螺母A、塑料夾具用六角螺釘、鎖緊螺釘、壓緊螺釘。壓板壓塊包括：U型壓板A型、鉤形壓板（A）、偏心輪用寬頭壓板、彎頭壓板A型。
圖4-2 夾具標(biāo)準(zhǔn)件庫
4.5總結(jié)
相對(duì)于二維軟件來說, 采用三維軟件進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計(jì)有許多優(yōu)點(diǎn), 其中之一就是它能很好地體現(xiàn)出設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖, 擺脫了二維軟件純粹繪圖的作用, 是目前機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。利用SolidWorks的參數(shù)化功能可以實(shí)現(xiàn)相似機(jī)械產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì), 大大減輕了設(shè)計(jì)人員的工作量。
致 謝
畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們大學(xué)四年學(xué)習(xí)階段的最后一個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用四年所學(xué)的理論專業(yè)知識(shí)，獨(dú)立解決本專業(yè)一般工程技術(shù)問題的能力，培養(yǎng)我們獨(dú)立創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力，樹立正確的設(shè)計(jì)思想和優(yōu)秀的工作作風(fēng)。
畢業(yè)設(shè)計(jì)是把實(shí)際生產(chǎn)中的問題變?yōu)榱W(xué)、數(shù)學(xué)模型，然后加以求解，再設(shè)計(jì)出圖紙和技術(shù)文件及其運(yùn)算過程。畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅涉及到數(shù)學(xué)、力學(xué)、材料、公差、機(jī)械制造等方面的知識(shí)，而且涉及到計(jì)算、繪圖、文字分析表達(dá)等方面的綜合實(shí)際能力。
畢業(yè)設(shè)計(jì)有助于培養(yǎng)我們的工程技術(shù)能力，主要包括分析能力和設(shè)計(jì)能力，分析能力主要對(duì)課題、工藝技術(shù)等方面的分析，是自己能夠較熟練掌握四年來的專業(yè)知識(shí)，并得到一定的整體鍛煉的機(jī)會(huì)，并加以鞏固。
畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的主要是培養(yǎng)能力，它包括計(jì)算能力，繪圖能力和編寫設(shè)計(jì)說明書的能力，文獻(xiàn)檢索能力等方面。
畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)大，對(duì)圖紙質(zhì)量要求高，視圖選擇、線型、公差和技術(shù)要求等均符合國家標(biāo)準(zhǔn)。畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)我們的要求較高，我們在設(shè)計(jì)過程中必須勤翻、參考各種資料書，認(rèn)真、務(wù)實(shí)地把設(shè)計(jì)說明書、畢業(yè)設(shè)計(jì)所需圖紙、資料作好，作全。在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，感謝我們的指導(dǎo)老師丁羽悉心的教導(dǎo)，是丁老師們精心地指導(dǎo)，我才能不斷鞏固和深化自己所學(xué)的基礎(chǔ)專業(yè)知識(shí)，使我能圓滿地完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。也在此感謝幫助我的同學(xué)，使我遇到問題時(shí)能及時(shí)解決。
由于本人知識(shí)面較窄，又缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，加上時(shí)間倉促，設(shè)計(jì)中難免出現(xiàn)錯(cuò)誤或不足之處，還望各位老師批評(píng)指正，我將不勝感激。
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