孔槽系组合夹具设计 毕业设计
编号 本科生毕业论文孔槽系组合夹具设计Slotted Modular Fixture Design学生姓名专业 学号 指导教师 学院二O——年六月摘要组合夹具是一种先进的工艺装备，它是由一套预先制造好的各种不同的形 状、不同规格、不同尺寸、具有互换性、高耐磨性和高精度的标准元件组成， 其结构灵活多变，适应性广，元件可长期循环使用，组合夹具分为槽系和孔系 两个系列，随着科技不断发展，组合夹具的应用程度在机械行业得到了很大的 提高，特别是近年来机械行业领域正朝着高精度、高质量、高效率、低成本方 向发展，因此为了适应现代制造技术的发展，组合夹具的发展也达到了更高的 领域，其由原来的孔系组合夹具和槽系组合夹具发展到孔槽系组合夹具孔槽 系组合夹具是采用孔和槽结合的定位结构，克服了槽系夹具刚性差、不稳定， 及孔系夹具不能连续调整的缺点，将孔、槽夹具的优势合二为一，其可用几小 时的组装周期代替几个月的设计制造周期，从而缩短了生产周期；节省了工时 和材料、保证加工精度，提高生产率、降低了生产成本，扩大了机床的工艺范 围；还可减轻工人劳动强度，减少夹具库房面积，有利于管理关键词：组合夹具 孔系 槽系 孔槽系AbstractModular fixture is an advanced technology and equipment, it is a good set of pre-manufacturing a variety of different shapes, different sizes, different sizes, with interchangeable, high wear resistance and high-precision standard components, its structure Flexibility, adaptability, long-term recycling of components, integrated systems and fixture holes into slot two series, with the continuous development, the application of modular fixture degree in mechanical industry has been greatly improved, especially In recent years, is moving in the field of precision machinery industry, high quality, high efficiency, lower costs, so in order to adapt to modern manufacturing technology, the development of modular fixture also reached a higher field, the combination of holes from the original Modular Fixture fixture and development to Slot Slotted Modular Fixture. Slotted Modular Fixture is combined with the positioning holes and slots structure, to overcome the rigid tank clamp system is poor, unstable, and can not continuously adjust the fixture holes shortcomings, the holes, slots combined the advantages of clamp, which can be used The assembly of a few hours instead of months, the design cycle, manufacturing cycle, thus shortening the production cycle; save hours of work and materials, ensure accuracy, improve productivity, reduce production costs, expanding the range of machine tool technology; can also reduce the labor Strength, reduce fixture warehouse area is conducive to management.Keywords: modular fixture; holes; tank system; hole slot system目录摘 要 IAbstract II第1章 绪论 11.1 研究的目的及意义 11.2 国内外的发展及研究状况 21.3 本课题研究的内容 3第 2 章 组合夹具的类型 52.1 组合夹具的概念 52.2 槽系组合夹具 52.3 孔系组合夹具 52.4 孔槽系组合夹具 62.4.1 孔槽系组合夹具在数控机床中的应用 62.4.2 孔槽系组合夹具在焊接中的应用 62.4.3 孔槽系组合夹具的发展趋势 7第 3 章 组合夹具的基本组成 83.1 主要有八大类元件组成及元件图 8第 4 章 工件在组合夹具中的定位与夹紧 114.1 工件的定位 114.1.1 工件定位的概念 114.1.2 定位基准的概念 114.2 定位原理 114.2.1 六点定位原理 114.2.2 完全定位 114.3 定位误差的分析与计算 124.3.1 定位误差的概念 124.3.2 产生定位误差的原因 134.3.3 工件以孔定位 134.4 工件在夹具中的夹紧 154.4.1 工件的夹紧 154.4.2 夹紧力的确定 15第5章 CATIA设计系统 195.1 CATIA简介 195.2 CATIA界面介绍 195.2.2 CATIA的工作界面 205.3 CATIA V5的设计思路 20第 6 章 孔槽系组合夹具 226.1 零件的结构分析 226.2 工艺规程设计 226. 3 夹具设计 236.3.1 设计夹具体的基本要求 236.3.2 夹具设计为螺旋夹紧机构 246.5 组合夹具的组装 25总 结 27参考文献 28致 谢 29第 1 章 绪论1.1 研究的目的及意义组合夹具是一种先进的工艺装备，它是由一套预先制造好的各种不同的形 状、不同规格、不同尺寸、具有互换性、高耐磨性和高精度的标准元件组成， 其结构灵活多变，适应性广，元件可长期循环使用。
组合夹具的元件精度高、 耐磨，并且实现了完全互换，元件精度一般为IT6〜IT7级用组合夹具加工的工 件，位置精度一般可达IT8〜IT9级，若精心调整，可以达到IT7级由于组合夹 具有很多优点，又特别适用于新产品试制和多品种小批量生产，所以近年来发 展迅速应用较广组合夹具的主要缺点是体积较大，刚度较差，一次投资多， 成本高，这使组合夹具的推广应用受到一定限制随着机械制造业的飞速发展， 产品的更新换代越来越快，传统的大批量生产模式逐步被中小批量生产模式所 取代，机械制造系统欲适应这种变化需具备较高的柔性国外己把柔性制造系 统（FMS）作为开发新产品的有效手段，并将其作为机械制造业的主要发展方向 柔性化的着眼点主要在机床和工装两个方面，组合夹具是工装柔性化的重点 组合夹具是一种标准化、系列化、通用化程度很高的工艺装备，它是由一套预 先制造好的各种不同形状、不同规格、不同尺寸、具有完全互换性的标准元件 和组合件，按工件的加工要求组装而成的夹具它可以拆卸、清洗，并可重新 组装成新的夹具，其应用非常普遍，尤其适合于多品种、中小批量的生产由 于组合夹具的平均设计和组装时间是专用夹具所花时间的5%-20%，可以认为组 合夹具就是柔性夹具的代名词。
一个优良的组合夹具必须满足下列基本要求：（1） 保证工件的加工精度，稳定加工质量保证加工精度的关键，首先在于正确地选定定位基准、定位方法和定位元 件，必要时还要进行定位误差分析，还要注意夹具中其它零部件的结构对加工 精度的影响，确保组合夹具能满足工件的加工精度要求2） 提高生产效率，降低成本 组合夹具的复杂程度应与生产纲领相适应，应尽量采用各种快速高效的装夹机构，保证操作方便，缩短辅助时间，提高生产效率3） 良好的强度、刚度和结构工艺性能 组合夹具的结构应力简单、合理，便于制造、装配、调整、检验、维修等有利于提高组合夹具的制造精度4） 操作性能好 组合夹具的操作方便、省力、安全可靠在客观条件允许及又经济适用的前提下，应尽可能采用气动、液压等机械化夹紧装置，以减轻操作者的劳动强 度5）经济性好组合夹具应尽量采用标准件和标准结构，力求结构简单、制造容易，以降 低组合夹具的成本因此，设计时应根据生产纲领对组合夹具方案进行必要的 技术经济分析，以提高组合夹具在生产中的经济效益6）扩大机床的使用范围 使用组合夹具可以改变原机床的用途和使用范围，实现一机多能（7）排屑顺畅组合夹具中积集切削会影响到工件的定位精度，切削的热量使工件和夹具 产生热变形，影响加工精度。
清理切削将曾加辅助时间，降低生产率因此组 合夹具设计中要给予排屑问题充分的重视1.2 国内外的发展及研究状况我国国内的组合夹具【1】始于20世纪60 年代, 当时建立了面向机械行业的天 津组合夹具厂, 和面向航空工业的保定向阳机械厂 , 和面向航空工业的保定向 阳机械厂, 以后又建立了数个生产组合夹具元件的工厂当时产品均为引进前 苏联乌斯贝（YCII）槽系组合夹具系统推广应用遍及机械航空、电子轻工、 造船、纺织等各类制造业, 取丰硕的社会经济效益在使用过程中改进并修改 了原系统, 建立了适合我国国情有我国特色的槽系组合夹具系统在当时曾达 到全国年产组合夹具元件800万件的水平至今天津保定二厂仍是我国组合夹具 的主要生产基地 .20世纪80 年代以后,两厂又各自独立开发了适合, 机床加工 中心的孔系组合夹具系统, 不仅满足了我国国内的需求,还出口到美国等国家 当前我国每年尚需进口不少, ） 机床加工中心, 而由国外配套孔系夹具, 价格非 常昂贵, 现大都由国内配套, 节约了大量外汇从国际上看俄国、德国和美国是组合夹具的主要生产国前苏联的（ YCI ） 槽系组合夹具系统非常著名, 以后又开发了孔系组合夹具系统冲合冲模和焊接 组合夹具系统, 但主要在国内应用, 出口交流较少。
德国一直都重视工艺装备 （包括夹具） 的设计制造及其标准化,组合夹具和各种机床附件都由专业化中 小型企业生产这些企业中具有代表性的有：Halder是设计生产槽系组合夹具 的著名公司；Bluco是享誉世界生产完整系列孔系组合夹具系统的供应商；Kipp 生产中型和大型孔系组合夹具；Witte公司生产孔系组合检测夹具，是为三座标 准测量机（CMM）配套的绝好的柔性检测夹具目前在美国本土生产销售和 出租组合夹具的工厂都是小型企业，分为三种类型： 一种是专门销售出租组合 夹具的小型工厂! 二是工具制造厂， 同时生产或销售组合夹具# 三为某类机械 厂，在生产某一产品的同时也生产销售组合夹具在芝加哥附近的Rockford的 Blueo公司原为德国Bluco公司的销售代理商，现已独立生产、销售、租赁，16 mm、12mm、10mm三个系列的公制孔系组合夹具Carrlane是一家工具公司，生 产夹具通用零部件, 历史悠久, 20 世纪82年代后期开始生产销售英制孔系组合 夹具 TECO 公司是一家生产标准件夹具通用件和检测仪表附件的工厂， 也于 10余年前生产商标为“QU.C0”的英制孔系组合夹具西部亚利桑那州的Stevens 工具公司早在20多年前开始制造组合夹具的基础件， 然后用铝板为用户制造过 渡板， 以适应客户各种工件的要求。
该公司目前生产有本公司特色的整套英制 孔系组合夹具别为当前国际当前国际上的夹具企业均为中小企业 ， 专用夹具 可调整夹具主要接受本地区和国内订货， 而通用性强的组合夹具已逐步成熟为 国际贸易中的一个品种有关夹具和组合夹具的产值和贸易额尚缺乏统计资料， 但欧美市场上一套用于加工中心的夹具，通常为机床价格1/10-1/15，而组合夹 具的大型基础件尤其昂贵由于我国在组合夹具技术上有历史的积累和性能价 格比的优势，随着我国加入WTO制造业全球一体化的趋势，特别是电子商务的 日益发展， 其中蕴藏着很大的商机， 具有进一步扩大出口良好前景1.3 本课题研究的内容我们目前常见的标准件库主要是基于不同 CAD 支撑软件的通用零件标准 件库，它的建立和使用提高了设计效率，使设计人员有更多的时间注重产品的 设计，充分体现了使用CAD系统所带来的经济效益⑸从目前的使用情况来看，主要有二维和三维标准件库两大类二维标准件 库一般是利用编程方式实现的，调用方便但这种建库方式编程工作量相当大， 增加和修改零件时都需修改程序，系统的应用范围窄，此外，二维图形不够直 观，不便于设计的可用性评价，也很难进行干涉检验与此相比，三维平台可 以很方便地实现参数驱动功能、装配图和零件图关联功能，而且其造型非常直 观，进行干涉检验也非常方便，所以随着三维设计的广泛使用，现在越来越多 的标准件库基于三维平台建立。
三维标准件库的建立现在常用的有三种: 1.建立完全的三维标准件模型，为 每一个标准件建立一个实体模型，然后将每个标准件都存储在标准零件库中， 在需要时直接调用这种方法工作量巨大不说，并且会出现存储量占用庞大， 管理困难，调用速度慢等一系列问题 2.利用二次开发工具通过编程来实现三 维标准件建模，对于每一系列的标准件，采用一个独立的子程序来实现，通过 预留的接口来实现参数化这样的好处是不必建立三维实体模型库，标准件实 例化是在程序运行时自动形成装配用的零件图形文件，大大节省了硬盘空间 缺点是编程工作量庞大，有些复杂零件建模困难，容易出错 3.采用参数化方 法建立三维标准件模型，由于相同系列的标准件具有相间的拓扑结构和不同的 尺寸参数，对同一系列的标准件就可以使用同一三维实体模型，不同的实际尺 寸由存储在数据库中的参数表来提供其特点一是现用现生成，执行速度快， 占用空间小；二是只通过修改参数表就可以修改标准件，给标准件库的维护和 扩充带来了极大的便利它是一种非常可行的建库方法，因此，本文也正是采 用这种方法建立了 CATIA环境下的标准件库［5］第 2 章 组合夹具的类型2.1 组合夹具的概念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由于使用组合夹 具可缩短生产准备周期，元件能重复多次使用 ,并具有减少专用夹具数量等优 点，因此组合夹具在单件、中、小批量多品种生产和数控加工中，是一种较经 济的夹具组合夹具也已经商品化组合夹具由可以循环使用的标准夹具元件、 合件配套组成，根据工艺要求组装成容易联接和拆卸的夹具，组合夹具分为槽 系组合夹具、孔系组合夹具、孔槽系组合夹具【11】2.2 槽系组合夹具主要是通过键与槽确定元件间的相互位置（主要靠槽来定位和紧固） 槽系夹具元件最突出的特点是组装灵活多变，可调性好；缺点是精度低、 刚性差；T型槽和螺栓头定位和紧固变形，多个元件用一个螺栓连接稳定性差、 结合强度低，因元件紧固靠摩擦力，组装调整需要测量即费时又费力使用中 承受不了大切削量切削力，因碰撞或较大的负载而产生位移，降低精度，导致 工件报废，不能满足现代加工要求槽系列夹具元件分为八大类，曹宽分别为大型16H7和中型12H7螺栓直 径分大、中、小、微型M6X1.5 M16、M12X1.5 M12、M8 M6三个系列大型、中型、小型系列元件均可独立使用，用户根据机床工作台或托板尺 寸以及被加工工件的外形尺寸选择所需要的系列，三系类具有统一的节距尺寸， 备有过渡元件，因此可以混合使用。
2.3 孔系组合夹具主要是通过销和孔确定元件间的相互位置靠孔来定位和紧固）孔系组合夹具是目前国际上的一种新技术，主要是为了适应现在加工设配 对工装精度和刚性的要求而创造的，是继槽系组合夹具元件之后出现的又一新 颖快速组合工艺装备，它的主要特点是：结构简单、以孔定位、螺栓连接，定 位精度高、刚性好、品种少、组装方便、经济效益大，便于计算机编程，特别 使用于数控机床和加工中心等切削受力较大的工件加工，缺点是可调性差、不 太适宜普通机床使用孔系夹具元件在国外应用很普遍，在国内的用户也在逐 年增多孔系组合夹具刚出现的时候为螺纹孔式，只是在基础件矩阵式分布螺纹孔， 用螺栓进行连接、定位和紧固，没有定位孔和定位销，承受的外力较槽式的要 小，不像现在这样为配合孔式即有精密的配合孔还有相互连接的螺纹孔孔系列夹具元件也分为八大类，大、中、小型三个系列 M8、M12、M16 定位孔中心设计有螺纹孔，定位孔和螺纹孔是同心的，定位销是空心定位销， 定位孔和螺纹孔是间隔分布的，孔距有40mm和50mm大型元件的定位孔径 16H6和定位孔径12H5、螺纹M16 M16X1.5和螺纹M12 M12X1.5俩种，定位 孔和螺纹孔是间隔分布的。
孔系夹具元件的定位孔采用压套结构，定位孔中心 至定位基准面的尺寸差0.015mm，相邻定位孔孔距公差±0.01孔系组合夹具是以孔销来完成元件之间的定位，以 M16 M16X1.5、 M12M12X1.5 的短螺钉来完成元件间的紧固连接2.4 孔槽系组合夹具主要是通过销、孔和建、槽及槽孔结合的键销确定元件间的相互位置即通 过槽和孔结合的方式进行定位和紧固孔槽系组合夹具吸收了槽、孔系列的精华，克服了二者得缺点和不足，它 的主要特点是：结构巧、精度高、刚性好、强度大、体积小、重量轻、承受工 件负荷大、组装安装调整简易快速、灵活多变（柔性）、组装结合强度高、精度 稳定、安全可靠2.4.1 孔槽系组合夹具在数控机床中的应用随着机械制造业的发展，对于组合夹具数控机床有许多不同于普通机床的 特殊要求，如:粗加工时要求夹具具有很好的刚度，能承受大功率、高速切削; 精 加工时要求工件在夹具中产生的定位及夹紧误差最小;为提高工效，要求组合夹 具元件能大、中融合一体，安装在同一块基础板上，以适应单件或多件同时加 工等孔系夹具靠销孔定位，故坐标孔系一定，组装程度简单，无需测量调整 就能确定工件在机床坐标中的位置。
当使用多夹具基础板时，既可组装单个大 零件夹具，又可组装多个中小零件夹具，工效高，柔性好孔系夹具的特点， 适用于数控机床和柔性制造系统的配套工装或随行夹具，在数控中的应用覆盖 面超过槽系夹具，占据主导地位2.4.2 孔槽系组合夹具在焊接中的应用Grove 公司是生产汽车液压吊车的著名制造企业过去焊接工序全部依靠 手工焊接临时工装和专用焊接夹具去完成现在该公司设计出组合夹具系统， 其核心是安装焊接零件、各式各样的标准角度支承、支承块及各种附件的三维 工作台此台设计成一个坚实的平台，并由带加强筋的高强度钢制成，加工到 很严的公差以保证稳定性和平直度在0.033mm/m以内三维工作台做成数种尺 寸，设计成单独使用或用螺栓将数个工作台连接在一起以适应较大焊接零件 每一工作台作为焊接夹具的主要结构元件，由孔径28mm和10mm的孔遍布工 作台面及四周的网状孔系组成需要更准确的孔距时，可用网孔密度为一倍的 辅助板，这些板的网状孔距为50mm-6Omm，并很容易安装在三维工作台上 这些网状孔系设计成将结构零件和夹具元件安装在工作台上并保持孔的位置精 度为士 0.025mm,整体为士0.05mm除网状孔系外有些夹具元件也制成28mm 宽的槽系，这些槽允许不同夹具元件精确定位以适应焊接零件需要的位置。
为使每一焊工容易理解每项焊接任务，每一焊接工作地上有一本夹具组装 手册，手册中包括一切照片、图形以及每一种零件的相关资料每一次每项特 定任务重复进行时，焊工简易地参考这一手册作为组装所需夹具的指南，今天 随着工装设计的功能集成到 CAD 系统中，焊工和工具工程师紧密配合，将点 焊夹具与 CAD 系统合在一起为每一焊接夹具准备好必需的生产文件，组合夹 具在加工特殊工件中的应用：在组合夹具使用过程中，针对一些形状复杂、尺寸较大、要求精度较高、 定位压紧有困难的零件，单纯用组合夹具无法完成的，可以采取以下方法:(1) 设计专用零件配合组合夹具元件使用使用最多也最常用的是设计制造 专用定位心轴和钻模板因工件孔定位时，多数情况下不是最后工序，孔没有 做到尺寸，都留有磨量由于产品图样和工艺要求不一样，孔所留的磨量各异， 组合夹具元件不能满足要求，为保证定位精度，设计制造专用定位心轴或者定 位盘，下面与组合夹具元件一级精度配合，上面和零件孔配合，从而解决了定 位精度问题2) 采用半组合夹具形式对一些工件加工内容复杂，精度要求高，用组合 夹具和专用夹具都不好解决的，可以采用半组合夹具形式2.4.3孔槽系组合夹具的发展趋势夹具元件多功能模块化:能单独使用也能与其他元件组合在一起使用的多 功能模块化单元体的比例将进一步增加，如现在使用的各种定位夹紧座、定位 压紧支承、精密虎钳等模块式单元体具有定位、夹紧以及调节的综合功能，可 以一件单独使用，也可以几件组装在一起使用， T 形基础、方箱能组装成一次 能装夹多件相同或不相同的工件的夹具，使用这种夹具可以减少机床的停机时 间，最大限度发挥数控、加工中心机床的高效性能。
专用夹具、组合夹具一体 化:现代化加工设备的多功能化，使工艺过程高度集中、工件一次定位装夹后能 完成多工序加工，这就需要一种通用而又能重复使用的组合可调式的夹具系统 它是由一系列统一化、标准化的元件和合件组成，利用这些元件、合件组装成 各种不同形式、不同结构、可重复使用的夹具，供单件或中小批量生产使用 这种夹具系统保留了组合夹具的各种优点，组装又像专用夹具那样简单可靠 为了便于夹具与机床定位连接，夹具基体有统一标准的定位连接位置，使之专 用、组合夹具向着一体化、组合化方向发展，以满足现代化加工设备的需要第3章 组合夹具的基本组成3.1主要有八大类元件组成及元件图1、基础件 夹具的基本元件例如：方形基础板、长方形基础板和基础角铁等【5】图3-1长方形基础板2、支撑件夹具的骨架元件例如：各种垫片、垫板、支撑、角铁、V形角铁、伸长板和菱形板等图3-2垫片图3-3支撑件3、定位件元件间定位和工件正确安装用的元件例如：各种键、定位销、定位盘、角度定位件、定位支撑、定位板、和V 形件等图3-4定位销4、导向件在夹具上确定切削工具位置的元件例如：各种钻模板、钻套、铰套和导向支撑等这类元件主要用来确定刀具与工件的相对位置，加工时起到刀具上的正确引导作用。
导向件中的钻模板, 是组装钻床家具的重要元件钻床夹具在各类组合夹具中用的数量最多，因此, 钻模板的型别和规格也较多在组装夹具时，应根据被加工孔的直径和位置来 选择相应孔径和长度的钻模板图3-7钻套图3-8钻模板5、压紧件作压紧元件或工件的元件 例如：平压板、伸长板6、紧固件作紧固元件或工件的元件例如：各种螺栓、螺钉、螺母和垫圈等组合夹具上使用的螺栓和螺母，一般要求强度高、寿命长，因此这些元件与普通 螺栓、螺母相比所用的材料要好一些，技术要求要高一些12mm槽系列组合夹具使用的螺栓、螺钉只 有四种直径即M12、M8、M6、M5除M12外，都采用粗牙螺纹M12的螺 栓和螺钉采用螺距为1.5mm的细牙螺纹，其优点是自锁性能较好，在受到切削 振动情况下不易松动⑷图3-10螺钉图3-11螺母图3—12螺栓7、其它件在夹具中起辅助作用的元件例如：包括上述六类外的各种用途的单件元件，如连接板、滚花手柄、各 种支钉和支撑冒、支撑环、弹簧、二爪支撑、三爪支撑及平衡块等这类元件, 有的有比较明显的用途，若选用适当，能再组装中起到极为有利的辅助作用图3-12弹簧8、合 件 用于分度、导向、支撑等的组合件例如：是指在组装过程中不拆散使用的独立元件。
按其用途不同，可分为 定位合件、导向合件、度合件、支撑合件、夹紧合件等【6】第4章 工件在组合夹具中的定位与夹紧4.1工件的定位4.1・1工件定位的概念在机械加工中，为了保证工件个加工表面间的相互位置精度，工艺系统的 各要素，即机床、刀具、组合家具及工件之间，要有正确的相对位置关系工件定位的准确性和可靠性是影响加工后工件个表面相互位置精度的重要 因素定位的准确性和可靠性，除了与工件定位基准面得制造精度有关外，还 取决于夹具定位元件的精度和定位机构的合理性实践表明，在组装组合夹具 时，首先要熟悉和掌握工件在组合夹具中的定位基本原理和方法，拟定出定位 方案，在此基础上根据工件的加工要求，分析定位的准确性和可靠性，最后通 过组装达到夹具结构的合理化4.1.2定位基准的概念用来确定工件相对于夹具位置的基准称为定位基准定位基准是工件与夹 具定位元件接触或配合的实际点、线和面定位基准分为粗基准和精基准，在 选择定位基准是时一般都是先根据零件的加工要求要求选择精基准，然后再考 虑用哪一组表面做粗基准才能把精基准加工出来4.2定位原理4.2.1六点定位原理任一物体在空间都有宏观运动的可能性，称之为自由度，在OXYZ坐标系 中，物体可以有沿X、Y、Z轴的移动和绕此三轴的转动如图4-1所示，欲使工 件在空间取得唯一位置，则必须限制六个自由度，这就是六点定位原理。
所谓 的工件的定位，就是采取适当的约束措施，来消除工件的六个自由度，以实现 工件的定位图4-1六点自由度4.2.2完全定位消除全部（6个）自由度，叫做完全定位图4-2所示的定位情况即为完全定位在底面（主支承面）设置3个支承 钉限制Z旋转、X移动、Y移动；侧面（导向面）设置2个支承钉限制Z旋转、 X移动；后面（止推面）设置1个支承钉限制Y移动，共限制6个自由度这种方式常用、保险，因为不必担心漏了自由度但是，可能会造成夹具 复杂化，使夹具成本上升图4-2长方体在空间的六个自由度例如：图4-3工件分别以两个①8mm孔的上下两端面为主要定位基准，在①8mm 孔的上端与压板4接触限制3个自由度，工件的①8mm孔与定位销13接触限 制3个自由度，以实现六点定位安装时，先将定位销13安装在支撑件2上, 随即将工件放在以固定好的定位销13上，最后用压板4压紧①8mm孔的上端 面/y1 \:3图4-3工件4.3定位误差的分析与计算4・3・1定位误差的概念工件的正确定位是保证加工精度的必要条件，但不是充分条件，还要在正 确定位基础之上进一步分析工件定位的误差问题由于工件定位所造成的加工 表面对于工序基准的位置变化成为定位误差(在机械加工工序中确定本工序被 加工表面位置的基准成为工序基准)。
定位误差用它是由三部分因素产生的： 工件在夹具中的定位、加紧误差1) 夹具带着工件安装在机床上，相对机床主轴(或刀具)或运动导航的位 置误差，也成对定误差2) 加工过程中误差，如机床几何精度、工艺系统的受力与受热变形、切削 振动等原因引起的误差其中，定位误差是指工序基准在加工方向上的最大位置变动量所引起的加 工误差可见，定位误差只是工件加工误差的一部分设计夹具定位方案时， 要充分考虑此定位方案的定位误差的大小是否在允许的范围内一般定位误差 应控制在工件的 1/5~1/3 之内4.3.2 产生定位误差的原因（1）基准不重合带来的定位误差即定位基准与设计基准不重合导致的误差△ jb计算定位误差时,主要这 两项,把它们限制在工件公差的 1/3范围内,把 2/3留给其它（安装误差、夹紧变形、 热变形、磨损等）误差，工件以已经加工过的表面定位，其定位基准的位置可 基 准面位置误差△ jwAdw二Ajw+AjbWl/3Tg （4-1）（2） 间隙引起的定位误差（3） 与夹具有关的因素产生的定位误差 这类因素基本上属于组合夹具设计与制造中的误差，如：1） 定位基准面与定位元件表面的形状误差2） 导向元件、对刀元件与定位元件间的位置误差，以及其形状误差导致产 生的导向误差和对刀误差。
3） 夹具在机床上的安装误差，即对定位误差导致工件相对刀具主轴或运动 方向产生的位置误差4） 夹紧力使工件或夹具产生变形，产生位置误差5） 定位元件与定位元件间的位置误差，以及定位元件、对刀元件、导向元 件、定向元件等元件的磨损4.3.3 工件以孔定位 工件以孔定位时，夹具上相应的定位元件可以是心轴或是定位销 工件内孔以过盈配合在刚性心轴（或定位销）上定位内，孔定位误差的计算 比较复杂，尺寸的标注方式不同，定位误差计算方法也不一样,一般有以下不同 的情况：（ 1）工件内孔以过盈配合在刚性心轴（或定位销）上定位1） 过盈配合，孔与轴无间隙，孔与轴（销）的同轴度误差等于零，艮△ jw =02） 孔中心线作定位基准，在心轴上定位，△ jb=0，所以△ dw = 03） 过盈配合时，孔在心轴上定位的定心精度是最高的2）工件内孔以间隙配合在刚性心轴（或销）上定位 1）心轴与内孔单边接触（心轴水平放置） 由于工件自重，工件内孔的上母线始终与心轴上母线接触，由于孔中心定 位，△ jb=0，设定位心轴（销）直径dl、工件外径d、工件内孔D图4-4心轴水平放置△ dw=A jw=olo2=ol P-o2P= (Dmax-dlmin)/2=(D+A D)/2-(d1-A d1)/2=△ S/2+A D/2+A dl/2=(△ S+A D+ △ d1)/22)心轴与内孔双边接触(心轴垂直放置) 同样以孔中心定位△ jb=0△ dw = △ jw=Dmax-d1min=(D+A D)-(d1-A dl)=△ S+A D+A dl定位误差为单边接触定位误差的两倍*.Lpn53.7 .图4-5工件例如：图5定位销水平放置，工件装到定位销中后，由于自重作用，工件定位孔 与心轴上母线接触，孔轴线位于心轴轴线的下方，由于定位副制造不准确引起 的定位误差A b=1/2(D -d .)ab max min由于 D =D . +Tdmax min Dd . =d -Tdmin max d所以 A b=1/2【D .+TD-(d -Td)】ab min D max d=1/2 (TD+Td+As)D d式中Dmin_定位孔的最小直径（mm）；TD 定位孔的公差（mm）；D —定位销的最大直径（mm）；IlldATd一定位销的公差（mm）；As一定位孔与定位销间最小配合间隙（mm）, As=D . -d 。
min max定位孔的直径 D=8 0.025 mm0定位销的直径 d=8 -0.0098 mm-0.0265则 TD=Dmax-Dmin=°.°25-0=0.025Td=dmax-dm.n=-0.0098-（ -0.0265） =0.0167As=0-（ -0.0098） =0.0098所以 Aab=1/2（ 0.025+0.0167+0.0098）=0.0515定位误差Aab=0.0515,对于工序尺寸（①10±0.08） mm而言，由公式（4-1） 可知，定位误差小于该工序尺寸制造误差 0.16 的 1/3，证明上述定位方案可行4.4 工件在夹具中的夹紧4.4.1 工件的夹紧1、 夹紧装置的组成：（两个部分组成）（ 1 ）动力源：手动夹紧：人力提供动力源 机动夹紧：以气动、液动、电动等提供动力源2）夹紧机构：是接受和传递作用力的机构，包括中间递力机构和 夹紧元件中间递力机构的作用：a、改变夹紧力方向；b、改变夹紧力大小；c、 提供自锁功能2、 夹紧装置的设计要求1、 夹紧力不应破坏定位；2、 足以抵抗加工中的各种力和振动；3、 工件不应发生过度变形；4、 有足够的夹紧行程；5、 具有自锁性；6、 结构简单、易于操作。
4.4.2 夹紧力的确定1、夹紧力的方向的选择（1）夹紧力的方向应垂直于主要定位基准面，主要定位基准面面积大、精度高、 限制不定度数目多，二者垂直，有利于准确定位如图 4-8A图4-8夹紧力方向对镗孔位置精度的影响（2）夹紧力的方向与工件刚度最大的方向一致减小夹紧力，以减小工件的 夹紧变形如图4-9图4-9夹紧力方向与工件刚度最大的方向一致（3）夹紧力作用方向应尽量与工件的切削力、重力等的作用方向一致，可以减小所需夹紧力值如图4-10V777/7777A图4-10夹紧力方向尽量与作用力方向一致2、夹紧力作用点的选择（1）夹紧力的作用点应位于工件刚性较好的部位，若夹紧力的作用点位置 工件刚性较大，工件变形小；若夹紧力作用点位置工件刚性小，工件变形大 即夹紧力应作用在工件刚度最大的部位如图4-11图4-11夹紧力作用的部位（2）夹紧力的作用点应正对定位元件或位于定位元件所形成的支撑面内, 若夹紧力的作用点不正对定位元件，容易是定位元件发生翻转，从而破坏了工 件的定位位置如图4-12图4-12夹紧力的稳定性(3)夹紧力作用点应尽量靠近加工表面，使夹紧稳固可靠如图4-13<*> ⑹L-«l 3-ftS图4-13夹紧力的作用位置3、夹紧力的大小的选择(1) 设计夹具，估算夹紧力是一件十分重要的工作。
夹紧力过大会增大工 件的夹紧变形，还会无谓地增大夹紧装置，造成浪费；夹紧力过小工件夹不紧, 加工中工件的定位位置将被破坏，而且容易引发安全事故在确定夹紧力时，可将夹具和工件看成一个整体，将作用在工件上的切削 力、夹紧力、重力和惯性力等，根据静力平衡原理列出静力平衡方程式，即可 求的夹紧力夹紧力太小，不足以抵抗加工中的各种力；夹紧力太大，易造成 工件、夹具的较大变形实际夹紧力W0 一般为理论夹紧力W乘以安全系数K,即：W0 =KW一般安全系数K=1.5~3粗加工 K=2.5~3精加工 K=1.5~2加工过程中切削力的作用点、方向和大小可能都在变化，估算夹紧力时应 按最不利的情况考虑2) 钻床钻孔时切削力分析切削力的来源，切削合力及其分解，切削功率研究切削力，对进一步弄清切削机理，对计算功率消耗，对刀具、机床、 夹具的设计，对制定合理的切削用量，优化刀具几何参数等，都具有非常重要 的意义金属切削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形并成为切屑所需 的力，称为切削力切削力来源于三个方面：克服被加工材料对弹性变形的抗力；克服被加工材料对塑性变形的抗力；克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面与已加工表面之间的 摩擦力。
切削力的来源上述各力的总和形成作用在刀具上的合力Fr（国标为F）为了实际应用， Fr可分解为相互垂直的Fx（国标为Ff）、Fy（国标为Fp）和Fz（国标为Fc）三个分力 在车削时：Fz——切削力或切向力它切于过渡表面并与基面垂直Fz是计算车刀强 度，设计机床零件，确定机床功率所必需的Fx——进给力、轴向力或走刀力它是处于基面内并与工件轴线平行与走 刀方向相反的力Fx是设计走刀机构，计算车刀进给功率所必需的Fy——切深抗力、或背向力、径向力、吃刀力它是处于基面内并与工件 轴线垂直的力Fy用来确定与工件加工精度有关的工件挠度，计算机床零件和 车刀强度它与工件在切削过程中产生的振动有关FL2 J/夕「\|LI ■'图4-14工件受力图例如图4-14所示钻孔工序中，G为工件自重，F为夹紧力F]、F2分别为 主切削力和进给力已知 L=21mm，L2=40mm, L]=54mm，L3=7mm， F]=800N， F2=200N, G=100N问需施加多大夹紧力才能保证加工正常进行？（F]=Fz， F2=Fx,）解 根据静力平衡原理可列出作用在工件上所有作用力的静力平衡方程式F1L-[GL2+FL3+F（2L2-L3）-F2L2]=0从夹紧性的可靠性考虑，在刀具切削到终点时，属于最不利的情况。
将有 关已知条件代入上式，即可求得夹紧力F= 318.4N；取安全系数K=3，最后求 得需施加的夹紧力F=955.2N夹具设计中，夹紧力大小并非在所有情况下都需要计算在手动夹紧装置 中，常根据经验或类比法确定所需的夹紧力第5章CATIA设计系统5.1 CATIA 简介CATIA 是英文 Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application 的 缩写是世界上一种主流的CAD/CAE/CAM 一体化软件在70年代Dassault Aviation成为了第一个用户，CATIA也应运而生从1982年到1988年，CATIA 相继发布了1版本、2版本、3版本，并于1993年发布了功能强大的4版本，现在 的CATIA软件分为V4版本和V5版本两个系列V4版本应用于UNIX平台， V5版本应用于UNIX和Windows两种平台V5版本的开发开始于1994年为 了使软件能够易学易用，Dassault System于94年开始重新开发全新的CATIA V5版本，新的V5版本界面更加友好，功能也日趋强大，并且开创了 CAD/CAE /CAM软件的一种全新风格，法国Dassault Aviation是世界著名的航空航天企 业。
其产品以幻影2000和阵风战斗机最为著名CATIA的产品开发商Dassault System 成立于1981年而如今其在CAD/CAE/CAM 以及PDM 领域内的领导 地位，已得到世界范围内的承认其销售利润从最开始的一百万美圆增长到现 在的近二十亿美圆雇员人数由20人发展到2, 000多人CATIA是法国Dassault System公司的CAD/CAE/CAM 一体化软件，居世 界CAD/CAE/CAM领域的领导地位，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、 机械制造、电子\电器、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与 制造领域，其特有的DMU电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着企业 竞争力和生产力的提高oCATIA提供方便的解决方案，迎合所有工业领域的大、 中、小型企业需要包括:从大型的波音747飞机、火箭发动机到化妆品的包装 盒，几乎涵盖了所有的制造业产品在世界上有超过13,000的用户选择了 CATI ACATIA源于航空航天业，但其强大的功能以得到各行业的认可，在欧洲汽 车业，已成为事实上的标准CATIA的著名用户包括波音、克莱斯勒、宝马、 奔驰等一大批知名企业其用户群体在世界制造业中具有举足轻重的地位。
波 音飞机公司使用CATIA完成了整个波音777的电子装配，创造了业界的一个奇 迹，从而也确定了 CATIA在CAD/CAE/CAM行业内的领先地位5.2 CATIA界面介绍本课题选用CATIA V5作为本次设计开发的平台CATIA V5是IBM/DS基于Windows NT/2000操作系统上开发的高端的 CAD/CAM软件，它涵盖了产品开发的全过程，提供了完善无缝的集成环境， CATIA V5之前的版本CATIA V4是基于UNIX系统开发的，随着NT操作系统 的普及，以及个人计算机性能不断地提高、成本不断地下降，许多高端的 CAD/CAM软件纷纷从UNIX移植到 Windows NT平台IBM/DS在充分了解客户的需求，并积累了大量客户的应用经验后，决定开发新一代基于NT平台的CATIA 即 CATIA V5522 CATIA的工作界面CATIA采用了标准的Windows工作界面，虽然拥有几十个模块，但其工作界面的风格是一致的，如下图二维作图或三维建模的区域位于屏幕的中央,周边是工具栏,顶部是菜单条,11 司 ~刁| 寸| Auto ▼[[Auto ~ TlNone底部是状态栏如图5-1W Parti■D xy plane工具栏三维坐标平面□ e? ra J 屯0 々廿铝可3 ©上協Select eject or « command图5-1 CATIA的工作界面主更立件类型r+IWt*PtodiM：lnp■AinlysisLa LvhDw u dld ：5.3 CATIA V5的设计思路1•零件三维模型的建立要建立起零件的三维模型,首先要根据零件的具体结构勾画出零件的草图, 一般来说这些草图是由点、线或者面组合而成的单一、封闭的图形。
根据这些 草图进行特征的设计如拉伸、旋转、放样、扫面、倒角、抽壳、拔模等，形成 所需的零件的三维模型2. 装配造型的建立装配零部件首先要有装配关系的零件嵌入到装配环境中，按照相切、同轴、 重合、平行、垂直等装配关系将零部件之间添加装配约束关系，限制零部件的 自由度3. 干涉检查检查相互有接触的零部件之间是否会产生运动干涉，软件可自动进行检查, 在系统提示了检查结果后，要对干涉的零件进行尺寸或者位置的修改4. 装配体的运动仿真根据装配体实际的运动状态，设置有运动关系的零部件之间的相对运动状 态，用来检查零部件之间的位置约束和相对运动关系的正确性，并简单明了的 进行仿真运动，是运动件的运动轨迹在装配体中的显示5. 二维工程图的设计 可以由三维视图直接生成，在二维工程图上可以加注尺寸和技术要求生成 工程图样，使三维实体转换成工程图纸5.4 三维装配装配设计过程所涉及的对象是立体的工业产品装配设计的优劣，对于缩 短产品的开发周期，提高设计质量，降低装配成本有着显著的影响对处于设 计阶段的工业产品，比较直观的评判是在计算机上仿真产品的实际装配过程， 实现由可视化方式展开并改进产品性能的目的CATIA V5所提供的装配模式 就是通过零件间的装配关系来生成装配体，还能管理装配过程中的一些装配文 件，并在装配体生成之后可以进行装配体中零件间的干涉检查、装配体的分解， 可以手动或者自动生成爆炸图，以使观众对装配体的零件组成有一个宏观上总 体的把握；还可以定义装配体各部件的分解动画和总体分解动画。
可以采用自 底向上、自顶向下的装配方法进行在实际的装配体设计里，通常会混合使用 自顶向下的装配体设计和自底向上的装配体设计方式在完成组合夹具的零件建模后，就可以进行装配了可直接用CATIA V5 中的重合、对齐、平行、距离、相切、同心等命令将所有零件模型按要求装配 在一起即可第6章 孔槽系组合夹具6.1零件的结构分析零件的材料为Q235,灰铸铁生产工艺简单，主要铳工件上①10mmH7的孔（如图6-1）工件以8H7mm孔为定位基准，实现6点定位，用定位销限制工 件的转动自由度通过螺旋平板夹紧工件夹具的定位装置均安装在由长方形 基础版所组成的弯板上该夹具结构简单，使用方便图6-1工件图6.2工艺规程设计零件材料为Q235考虑零件在机床运行过程中所受冲击不大，零件结构又 比较简单，故选择铸造毛坯基面选择是工艺规程设计的重要工作之一基面选择的正确与合理是加工 质质量得到保证，生产率得以提高否则，加工工艺过程中回问题百出，更有甚 者，还会造成零件的大批量报废，使生产无法正常运行1. 粗基准的选择对于零件而言，尽可能选择不加工表面为粗基准而对 于若干个不加工的表面的工件，则应该与加工表面要求相对位置精度较高的不 加工表面作粗基准。
根据这个基准选择原则，选取侧面和上面限制自由度以达 到完全定位2•精基准的选择主要应该考虑基准重合的问题当设计基准和工序基准 重合时，应该进行尺寸换算，在这以后还要专门计算，此处不再重复制定工艺路线得出发点，应是使零件的的几何形状、尺寸精度及位置精度 等技术要求能得到合理的保证，在生产纲领已确定的情况下，可以考虑采用万 能性机床配以组合夹具，并尽量使工序集中来提高生产率除此之外，还应当考虑经济 效果，以便使生产成本尽量降低一个好的结构不但要达到设计要求，而且要有好的机械加工工艺性，也就 是要有加工的可能性，要便与加工，要能够保证加工质量，同时使加工的劳动 量最小而设计和工艺是密切相关的，设计者要考虑加工工艺，巩工艺师要考 虑如何从工艺上保证设计的要求［13］工艺路线：1. 先粗铣上端面，再精铣上端面；2. 粗铳①10mmH7的孔，再精铳①10mmH7的孔；3. 检验4.入库由于本工件简单容易加工，故采用上边的工艺路线便可完成加工，而且效 率很高6. 3 夹具设计6.3.1 设计夹具体的基本要求夹具体是夹具的基本件，它既要把夹具的各种元件、机构、装置连接成一 个整体，而且还要考虑工件装卸的方便［4。
］ 因此，夹具体的形状和尺寸主要取 决于夹具各组成件的分布位置、工件的外形轮廓尺寸以及加工的条件等在设 计夹具体时应满足以下基本要求:1. 结构简单、轻便，在保证强度和刚度前提下结构尽可能简单紧凑，体积 小、质量轻和便于工件装卸2. 结构的工艺性好，便于制造、装配和检验3. 尺寸要稳定且具有一定精度4. 具有足够的强度和刚度5. 安装稳定牢靠6. 清理方便夹具体毛坯制造方法的选择，综合考虑经济型、结构合理性、标准化、工 艺性以及各种夹具体的优缺点等，选择夹具体毛坯制造方法为铸造夹具体；夹 具体的外形尺寸在绘制夹具总图时，根据定位元件、工件、夹紧装置及其辅助 机构在总体上的配置，夹具体的外形尺寸便已大体确定然后进行造型设计， 再根据强度和刚度要求选择断面的结构形状和壁厚尺寸夹紧是工件装夹过程的重要组成部分工件定位之后必须通过夹具上的夹 紧装置将其可靠地固定在正确的加工位置上，使其在承受工艺力和惯性力等的 情况下正确位置不发生变化［4］否则，在加工过程中因切削力、惯性力的作用 而发生位置的变化或引起振动，原有的正确定位遭到破坏，就不能保证加工要 求夹紧机构的三要素是夹紧力作用点的确定、夹紧力方向的确定、夹紧力大 小的确定。
对夹紧机构的基本要求如下：1. 夹紧动作迅速，操作方便省力。
