[摘要]主要说明铣床专用夹具设计的标准和制作工艺的要求，以及绘制总装配图的程序。
[关键词]水泵体;夹具;设计
1 专用夹具的设计要求
铣床专用夹具是铣削加工中确定工件在机床上与刀具之间具有相对正确位置的专用工艺装备。由夹具体、定位元件、夹紧元件、对刀引导元件和导向定位元件等部分组成。
1.1 夹具体一般的设计要求
(1)必须要有足够的强度和刚度，使之能够承受较大原切削力和夹紧力。为保证夹具体不产生不允许的变形和振动，需有一定的壁厚，设置加强肋。
(2)结构工艺性好。夹具体应便于制造、装配和检验。
(3)排屑方便。在夹具体上设置排屑装置，使夹具体重要的地方不留下切屑。
(4)在机床上安装应稳定可靠。夹具在机床上的安装都是通过夹具体的安装基面与机床上相应表面的接触或配合实现的，在机床工作台上安装时，夹具的重心应尽量低，重心越高则支承面应越大，使夹具体的安装基面与机床的工作台面接触良好。
1.2 用户对夹具设计的特殊的要求
(1)标准化，换装方便，而且夹具总高度控制在290mm内。
(2)要求操作方便、高效、安全可靠。
(3)具有良好的使用寿命和较低的生产成本。
(4)应满足零件的加工精度要求。
(5)要求夹具轻，一个人就能搬运。
2设计准备
2.1 准备工作
收集原始资料，并根据设计任务对资料进行分析。具体内容有:
(1)研究被加工零件。明确夹具设计任务，包括分析零件在整个产品中的应用、零件本身的形状和结构特点、材料、技术要求和毛坯的获得方法。
(2)分析零件的加工工艺过程。特别要了解零件进入工序的状态，包括尺寸、形状精度、材质、加工要求、定位基准、夹紧表面等。
(3)了解使用机床的性能、规格和运动情况。特别要掌握与所设计夹具连接部分的结构和联系尺寸。
(4)了解零件的生产批量和生产纲领情况。
(5)收集有关设计资料，包括机械零件、夹具设计等标准及其他相关资料。
2.2分析零件图
设计的是铣水泵体底平面的夹具，夹具的材料是45号钢，零件加工的材料是铝，需要批量生产。认真分析了零件图，下平面(下面称大平面)到上表面的距离820mm+0.02mm，加工的毛坯尺寸是138mmx 125mm x 84mm，设备名称是X333/3的单柱式立卧二头铣床，要把毛坯倒过来放在夹具中，在主切削力的作用下不发生运动和变形。加工后的大平面为后道工序的基准面，加工的精度、平面度要求较高，表面粗糙度要求也较高，为Ra=3.2um。 所以初步设计为铣两次，第一次粗加工，去掉1.9mm，第二次精加工，达到表面粗糙度和平面度要求，且保证尺寸要求。
综上所述，装配夹具体，由标准的毛坯件、零件及个别非标准件通过螺钉、销钉连接组装而成。标准件由专业厂生产。此类夹具具有制造成本低、周期短、精度稳定等优点，有利于夹具标准化、系列化，也便于夹具的计算机辅助设计。
3选择定位方 案设计定位装置
3.1 定位分析
根据六点定位规划，一个工件在夹具中未定位前，可以看作在空间直角坐标系中的自由物体。工件在空间的位置是任意的，可沿X、Y、Z三轴有不同的位置，通常称为工件沿三个垂直坐标轴具有移动自由度。此外工件可以绕X、Y、z轴有不同的位置，通常称为绕三个垂直坐标轴具有转动自由度。任何工件在直角坐标系中都有以上六个自由度，要使工件定位时有确定的位置，必须消除工件在某几个方位上的任何影响加工 精度的转动自由度。六点定位规则需要重视以下几点:
(1)六个支承点的分布必须适当，否则就限制不了工件的六个自由度。
(2)用支承点去限制工件在空间的自由度时，支承点必须与工件的定位基准始终保持紧贴接触，不得脱离;否则支承点就失去了限制工件自由度的作用。
(3)在分析支承点的定位作用时，不应考虑力的影响。
设计夹具总高度时，应考虑到，工件夹在夹具中，主轴端面到工作台的距离应该在规定的范围内: Hmax> H> Hmin,注: Hmax、Hmin是根据铣床的型号，查得相关的数值。X333/3铣床的最大高度是Hmax=290mm，设计时高度应低于290mm。
确定其他零件装置的结构形式，如钩形压板，着座等。勾形压板，不能设计得太长，太长时铣平面会把勾形压板的顶部一起铣掉，这样可能会把铣刀碰坏，也浪费材料。一般设计成比所需平面尺寸低0.5~ 1.0mm，例如，上表面与 底平面的尺寸是820mm +0.02mm， 勾形压板的顶部应离底平面1.0mm，这样确保勾形压板不会被铣到。勾形压板的右边设计成斜面，主要是为了避免干涉，可以增大压板与零件接触平面的压力，也可以节省材料。中间的弯形槽主要作用是通过铰链机构改变力的方向，使勾形压板能够压紧和放松。
零件z方向的上下运动是用着座元件来控制。着座中间是通孔，主要是为了通气，设计的目的是为了安全。这个通孔主要是起检测作用，检测零件有没有放或有没有放好。假如零件没有放或没有放好，就按下行程开关，机床就不会工作;只有零件放了而且放正确了，机床才会正常工作。设计成下面孔径大而上面孔径小，主要是增大气压和检测。零件放或没放的气压是不一样的， 如果零件放下以后的压力在它的气压范围之内就可以工作，否则机床也不会工作。底部外径设计成锥度，是为了方便气管插入或拔出。
3.2不同方案的比较
考虑各种零件装置的布局，确定夹具体的结构，完成夹具整体结构设计。对于夹具总体结构，拟两个或两个以上的方案，经分析比较确定较合理的方案。
方案一:
用两个定位销把零件固定在夹具上，控制零件x方向和y方向的移动。中间用钩子钩住，控制零件上下运动。
方案二:
用两个定位销把零件固定在夹具上，控制零件x方向和y方向的移动。旁边用压板压住，控制零件上下运动。
方案三:
把零件放在着落支撑销和定型的挡块上，用气缸装置从侧面压紧，控制零件x方向和y方向的移动，并且安装着座检测装置。着落支撑销，控制了零件的上下运动自由度，还控制了X、Y轴的转动自由度。
分析比较以上三种方案:
方案一:
优点:结构简单。
缺点:设计和计算定位销比较麻烦。
方案二:
优点:结构比较简单。
缺点:安全性不好，压紧时，压板和零件旁边的冲击力比较大。
方案三:
优点:放置零件方便，工作安全，其中着座中间是通孔，主要是起检测作用，可以提高生产效率，还可以保护机床。
缺点:与以上两种方案比较，结构稍微复杂。
因此，采用第三种方案比较好。
3.3定位误差的分析与计算
这关系到工件在夹具中所确定的位置准确与否的问题，即所设计的定位方式能否保证这批工件加工后达到规定的加工技术要求。在机械加工过程中，工件的加工误差由下述三部分组成:
(1)定位误差，在夹具定位时产生的误差，以D表示。
(2)与夹具有关的加工误差(除定位误差外)包括夹紧误差、夹具的磨损所引起的误差、夹具在机床上的安装误差、对刀(或导向)误差和夹具的制造误差，以J表示。
(3)加工方法误差除夹具外，与工艺系统其他一切因素有关的加工误差，以G表示。
上述三部分误差的总和应不超出工件的加工公差K，即D+J+ GsK对某一定位方案，经分析计算其可能产生的定位误差，只要小于工件有关尺寸或位置公差的1/3~ 1/5，一般即认为此方案能满足该工序的加工精度要求。
对于本夹具的定位误差分析:
工件定位的尺寸着座尺寸15+0.025(单位: mm)着座支撑51+0.025着座支撑14+0.025从以上尺寸可知最大定位误差为Xmax=0.025x3=0.075mm符合要求。
4夹紧方案的分析及夹紧力的计算
4.1夹紧装置的要求
机械加工过程中，为保证工件定位时所确定的正确加工过程，防止工件在切削力、惯性力、重力等作用下发生位移和振动，因而对夹紧装置的合理性提出以下要求:
(1)夹紧过程中不改变工件定位后占据的正确位置。
(2)夹紧力的大小要可靠合适。既要保证工件在整个加工过程中位置稳定不变，振动小，又要使工件不产生过大的夹紧变形。
(3)夹紧装置的自动化和复杂程序与生产纲领相适应，与大批量生产相适应。既要保证生产效率，又要结构简单，便于制造和维修。
(4)夹紧装置的操作应方便、安全、省力。根据以上要求综合考虑，采用汽缸自动夹紧是合理的。
4.2夹紧装置的组成
(1)力源装置
力源装置产生夹紧力，夹紧力来源于机械或电力，常见的有气压装置、液压装置等。此夹具用的是气压自动装置，特点是以压缩空气为动力的气气压夹紧，动作迅速，压力可调，污染少，设备维护简便。
但气压夹紧刚性差，装置的结构尺寸相对较大。
汽缸的标准型号为CDQ2BS63- 20D。
(2)夹紧结构
在工件夹紧过程中，将力源装置产生的夹紧力作用在工件上的机构称为夹紧机构。一般夹紧机构又 包括中间力的传递和夹紧元件两个部分。
①中间传力机构，将力源装置产生的夹紧力传递给夹紧元件，以便对工件实施夹紧。根据需要，中间传力机构可以改变夹紧作用力的大小和方向，并具有一定的自锁性能。
②夹紧元件，是夹紧装置的最终执行元件。它和工件直接接触而完成夹紧作用。
由于4G6水泵体的毛坯有拔模斜度，所以要用斜楔夹紧机构。
4.3夹紧力确定的基本原则
(1)夹紧力的方向，应有利于定位稳定，主夹紧力朝向主要定位基面，有助于减少夹紧力。夹紧力的方向应向工件刚性较好部位。
(2)夹紧力作用点，应落于定位元件的支撑范围内，尽量靠近加工表面。
4.4夹紧机构的工作原理
按下行程开关，电磁阀通电，开始工作，就与气管接通。气管的两端分别连接活塞的进气口和出气口，工作时气是由进气口进入，带动活塞向左运动。活塞杆和杠杆的一端连接，活塞I作时带动杠杆向左运动，通过杠杆机构带动滑动杆向右运动;并且调整力矩，从而带动压紧机构工作，达到压紧的目的，机床才开始工作。当零件加工完成，气从出气口进入，推动活塞反方向运动，使杠杆向右运动，带动滑块向左运动，达到放松的目的。
4.5夹紧力的大小
从理论上讲，夹紧力的大小和作用效果，应与在加工过程中工件受到的切削力、离心力、惯性力和工件自身重力所形成的合力或者力矩相平衡。工件在加工过程中，切削力本身是变化的，夹紧力的大小与工艺系统的刚度、夹紧机构的传递效率等因素有关。夹紧力大小的计算是一个很复杂的问题，只能作粗略的估算。在估算夹紧力时，考虑主要因素在力系中的影响，一般只考虑切削力(矩)对夹紧的影响。
并假设工艺系统是刚性的，切削过程是稳定的;找出在加工过程中对夹紧最不利的瞬时状态，按静力平衡原理估算此状态下所需的夹紧力大小。为保证夹紧安全可靠，由静力平衡计算出的夹紧力再乘以安全系数，作为实际需要的夹紧力，即:
W=Kw式中W-实际所需的夹紧力;w一由静力平衡计算出的夹紧力;K-安全系数，考虑到工艺系统的刚度和切削力的变化，一般取K=1.5~ 3最后还要校核夹紧机构产生的夹紧力W机构是否满足实际所需的夹紧力。
5 审查、改进绘制总装图
5.1夹具草图画出后， 应征求有关人员的意见，并送有关部门审核，然后根据他们的意见对夹具方案作进一步修改。
5.2 绘制夹具总装配图应遵循国家标准绘制。绘图比例尽量采用1 : 1。主视图按夹具面对操作者的方向绘制。总图纸应把夹具的工作原理、各种装置的结构及其相互关系表达清楚。
[参考文献]
[1]李澄，吴天生，闻百桥机械制图[M].北京:高等教育出版社，1997.
[2]薛彦成.公差配合与技术测量[M].北京:机械工业出版社，1999.
附录:三菱4G6水泵体夹具设计图(目录)
1.挡块
2.支撑左底板
3.钩形压板
4.推块
5.铰点支座
6.下滑板
7.上滑板
8.拉块
9.拉条
10.气缸安装块
11.气缸安板
12.偏心销
13.支撑右底板
14加强筋
15.提手
16.压块
17.支撑底座
18.支撑块
19.浮动板
20.夹具板
21.夹具板定位销
22.着座安装块
23.着座
24.压紧板
25.浮动板底座
26.压紧板引
27.支撑垫块
28.着座支撑
29.压紧块
30.杠杆
31.垫圈
[评析]
吴鹏炯同学的《三菱4G6水泵体夹具设计》是一篇设计型毕业论文，由设计说明书和图纸组成。其主要有三方面的特点。
一、边实习边设计，学用统一。吴鹏炯同学在毕业实习的公司里,在指导教师和公司技术人员的精心指教下，专业理论联系生产实际，工作岗位验证毕业设计。使设计的夹具直接为生产第一线服务， 具备了工作方便、 加工安全、生产效率高、便于安装和拆卸等优点，不足之处是制造较复杂，费用较高。能做到这一步， 也是难能可贵的。
二、条分缕析，说明清楚。先概述夹具的设计要求，按夹具的构成和设计程序进行具体说明，有准备工作，有选择比较，有分析计算，有审查改进，最后绘成总装图。细看31幅设计图，线条准确流畅，科学有序，表现了作者较扎实的制图功底。这给人以完整、具体、深刻的印象。
三、比较设计，重点突出。第三部分在全文中处于“重心”位置，作者用比较方法，对夹具的三个定位设计方案的优缺点，进行多方面的比较，最后选定第三方案，真是不比不知道，一比全明了。同时仔细分析和计算了夹具定位误差率，使其符合设计要求。这既为整个设计打好基础，也说明了夹具设计的优势和实用价值。
(点评:陈春法)
