螺旋夾緊器是利用人力作用使螺桿上下做直線運動為原理的簡單機械機構，使用起來比較方便，可用于科研、化工、工業等場所。本設計是用于較小工件、零件等機加工時常用的螺旋夾緊器裝置,它可以將螺旋運動轉換為直線運動，實現使用較小的人力去固定和夾緊物體，從而達到減輕人類勞動、提高勞動生產效率。其工作原理是通過人力作用，將動力傳導到螺旋副，使螺桿上下作直線運動達到固定和夾緊作用。所設計的螺旋夾緊器是以零件的設計計算與校核為主要內容的設計，包括螺旋副、螺桿和螺母的設計計算與校核及其它零部件的選擇確定，最后運用AutoCAD軟件分別畫出所設計的螺旋夾緊器的各個零部件及裝配圖。關鍵詞：螺旋，夾緊器，設計ABSTRACTScrewClampistheuseofhumanroletoscrewupanddowntodoasimplelinearmotionmachineryfortheprincipleofagency,sothatitismoreconvenienttooperate,canbeusedforresearch,chemicals,industryandotherplaces.Thisdesignisusedforspiralclampingdevicewheresmallpartsandmachinepartsareprocessed,whichcanconvertthespiralmovementtolinearmotion.Itcanmakeanachievementofusingsmallermanpowertofixandclampobjects.Therefore,humanlaborisrelievedandworkingproductivityisimproved.Itsprincipleisthatthroughthemanpower,thepoweristransmittedtothescrewtomakeitupanddowninastraightlinetoreachtheeffectoffixingandclamping.Themaincontentofthedesignofthespiralclampiscalculationandcheckingofmachineparts,whichincludescrewpair,screwandnutandotherparts’selection.FinallyusingAusoftwarerespectivelyworkoutallthepartsandassemblydrawingoftheScrewClampdesign.KEYWORDS:screw,clamp,designTOC\o"1-5"\h\z刖言 1\o"CurrentDocument"第1章課題要求 2\o"CurrentDocument"1.1主要內容與要求 2\o"CurrentDocument"1.2主要技術指標 2\o"CurrentDocument"第2章方案的擬定 3\o"CurrentDocument"第3章螺旋副及其結構設計 5\o"CurrentDocument"3.1螺桿設計與計算 63.1.1材料選擇 63.1.2尺寸設計 63.1.3螺桿尺寸校核與確定 9\o"CurrentDocument"3.2螺母設計與計算 133.2.1材料選擇 133.2.2尺寸設計 133.2.3螺母尺寸校核與確定 15\o"CurrentDocument"第4章其它零部件及其結構設計 17\o"CurrentDocument"4.1手柄設計 174.1.1材料選擇 174.1.2尺寸設計與確定 17\o"CurrentDocument"4.2基座設計 184.2.1材料選擇 184.2.2尺寸設計與確定 18\o"CurrentDocument"4.3機架設計 194.3.1材料選擇 194.3.2尺寸設計與確定 19\o"CurrentDocument"4.4其他零部件設計 19第5章結論 20\o"CurrentDocument"致謝 21\o"CurrentDocument"參考文獻 22附錄1 23附錄2 24人類在長期的生產實踐中創造了機器，并使其不斷發展形成了當今多種多樣的類型。20世紀80年代以來，以微電子、信息、新材料、系統科學等為代表的新一代科學技術的發展及其在機械工程領域中的廣泛滲透、應用和衍生，極大地拓展了機械產品設計制造活動的深度和廣度，改變了現代制造業的產品設計方法、產品結構、生產方式、生產工藝和設備以及生產組織模式，產生了一大批新的機械設計制造方法和制造系統。在現代生產和日常生活中，機器已成為代替或減輕人類勞動、提高勞動生產率的主要手段，也是完成人類難以承擔的各種復雜和危險勞動的重要工具。機器在現代社會中的應用隨處可見，如起重機、汽車、車床、電動機、內燃機等，使用機器進行生產的水平是衡量一個國家的技術水平和現代化程度的重要標志。機械是人類生產和生活的基本工具要素之一，是人類物質文明最重要的一個組成部分。機械工業擔負著向國民經濟各部門，包括工業、農業和社會生活各個方面提供各種性能先進、使用安全可靠的技術裝備任務，在國家現代化建設中占有舉足輕重的地位。隨著機械化生產規模的日益擴大，除機械制造部門外，在動力、采礦、冶金、石油、化工、輕紡、食品等許多生產部門工作的工程技術人員，都會經常接觸各種類型的機械。螺旋夾緊器是利用人力作用使螺桿上下做直線運動為原理的簡單機械機構,使用起來比較方便，可用于科研、化工、工業等場所。本設計是工業等各個領域常用的螺旋夾緊器裝置，是以零件的設計計算為主要內容的設計。螺旋夾緊器裝置可以將螺旋運動轉換為直線運動，實現使用較小的人力去固定和夾緊物體，從而達到減輕人類勞動、提高勞動生產效率。其原理是通過人力作用，將動力傳導到螺旋副，使螺桿上下作直線運動達到固定和夾緊作用。主要設計內容包括螺旋副、螺桿和螺母的設計計算與校核及其它零部件的選擇確定。設計過程綜合機械設計基礎的大部分內容，通過設計進一步掌握機械傳動部件和簡單機械裝置的設計，具備運用標準、規范、手冊、圖冊和查閱有關技術資料的能力，提高機械設計能力，為日后從事技術革新創造條件。第1章課題要求1.1主要內容與要求1、 方案的擬定2、 材料選擇3、 零部件及結構的初步設計4、 受力件的校核計算5、 零部件及結構設計的最終確定6、 編寫設計說明書7、 繪制零件圖及裝配圖1.2主要技術指標1、 最大夾緊力為25KN2、 夾持物最大尺寸為150mm第2章方案的擬定螺旋傳動是通過螺桿和螺母的旋合傳遞運動和動力，主要用來把回轉運動變為直線運動。1、 按使用要求的不同可分為以下三類：（1） 傳力螺旋，以傳遞動力為主，要求用較小的力矩轉動螺桿（或螺母）而使螺母（或螺桿）產生軸向運動和較大的軸向力，這個軸向力可以用來做起重和加壓等工作。（2） 傳導螺旋，以傳遞運動為主，并要求具有很高的運動精度，它常用作刀架或工作臺的進給機構。（3） 調整螺旋，用于調整并固定零件或部件之間的相對位置。2、 按摩擦性質的不同可分為以下三類：（1） 滑動螺旋，常用梯形、矩形或鋸齒型螺旋副，滑動螺旋結構簡單、便于制造、易于自鎖，應用廣泛。（2） 滾動螺旋，在螺桿和螺母之間有可滾動的鋼球將兩者隔開，將螺旋副的滑動摩擦變為滾動摩擦。（3） 靜壓螺旋，螺桿與螺母螺旋面間被注入的壓力油膜分隔開，螺旋副表面處于液體摩擦狀態。此設計為螺旋夾緊器裝置，用于固定和夾緊物體，由于螺旋夾緊器結構簡單、成本低，故選用傳力螺旋且是滑動螺旋。如圖2-1，螺旋夾緊器裝置在工件加工過程中使用極為普遍，屬于夾具，是夾緊物體和固定物體的重要機械，主要由螺旋副、螺桿、螺母、手柄、基座和機架等組成。螺母固定在機架上，以圓周運動搖動搖柄，搖柄將動力傳給螺桿，螺桿在螺母中上下作直線運動，螺桿向上運動時，螺旋夾緊器處于不工作狀態，螺桿向下運動時，被夾物體所受壓力越來越大，從而達到固定和夾緊作用。圖2-1螺旋夾緊器第3章螺旋副及其結構設計螺旋副由螺桿和螺母組成，是螺旋夾緊器必不可少的重要組成部分。螺旋副在工作中起到了決定性作用，因此選擇材料時要嚴格按照要求。螺桿和螺母的材料除要求有足夠的強度、耐磨性外，還要求兩者配合時摩擦系數小。一般螺桿選用Q275、45、50鋼等；重要螺桿可選用T12、40Cr、65Mn鋼等，并進行熱處理。常用的螺母材料有鑄造錫青銅ZCuSn10P1和ZCuSn5Pb5Zn5,重載低速時可選用強度高的鑄造鋁青銅ZCuAl10Fe3；在低速輕載，特別是不經常運轉時，也可選用耐磨鑄鐵。表3-1滑動螺旋副常用材料及應用范圍螺旋副材料牌號應用范圍螺桿Q235、Q275、45、50材料不經熱處理，適用于經常運動，受力不大，轉速較低的傳動40Cr、65Mn、T12、40WMn、18CrMnTi材料需經熱處理，以提高其耐磨性，適用于重載、轉速較高的重要傳動9Mn2V、CrWMn38CrMoAl材料需經熱處理，以提高其尺寸的穩定性，適用于精密傳導螺旋傳動螺母ZCu10P1、ZCu5Pb5Zn5材料減摩、耐磨性好，用于一般傳動。ZCuAl9Fe4Ni4Mn2ZCuZn25Al6Fe3Mn3材料耐磨性好，強度高，用于重載低速傳動。對于尺寸較大的螺母可采用鋼或鑄鐵制造，其內孔澆注青銅或巴氏合金滑動螺旋傳動的主要零件是螺桿和螺母。螺桿材料應有足夠的強度和耐磨性，以及良好的加工性，對于精密傳動螺旋，還要求熱處理后有較好的尺寸穩定性。螺母材料除應具有足夠的強度外，還要求與螺桿配合傳動時摩擦因數小、耐磨性好。常用螺旋副材料如表3-1。3.1螺桿設計與計算3.1.1材料選擇本設計是常用的螺旋夾緊器，其特點是重載低速，螺旋副的傳動螺桿采用經熱處理的合金調質鋼40Cr制成，熱處理硬度值為200HB，抗拉強度氣=980MPa，屈服強度q=785MPa，具有一定的耐磨性。s3.1.2尺寸設計本設計的螺旋夾緊器螺桿尺寸可根據使用要求及條件確定。螺旋傳動按其螺旋副的摩擦性質不同，分為滑動螺旋副，滾動螺旋副和靜壓螺旋副?；瑒勇菪苯Y構簡單，便于制造，易于自鎖，所以螺旋夾緊器選擇滑動螺旋副。螺紋類型有矩形，梯形和鋸齒形。矩形螺紋牙型為正方形，傳動效率高，但生產精度較低；梯形螺紋牙根強度高，螺紋工藝性好，易加工，強度適中，傳動性能可靠；鋸齒螺紋牙根出有相當大的圓角，減小了應力集中，提高了動載強度，工作效率比梯形螺紋高，但生產成本高。根據機械設計手冊，選擇具有單向受力優點的30。梯形單線螺紋，右旋，以達到自鎖要求?；瑒勇菪哪p與螺紋工作面上的壓力、滑動速度、螺紋表面粗糙度以及潤滑狀態等因素有關。其中最主要的是螺紋工作面上的壓力，壓力越大螺旋副間越容易形成過度磨損。因此，滑動螺旋的耐磨性計算，主要是限制螺紋工作面上的壓力〃，使其小于材料的許用壓力［p］。1、按耐磨性計算螺紋尺寸值：根據機械設計任務書技術指標給出最大夾緊力為25KN,所以本設計的軸向力可以定為F=25KN，對于整體螺母，由于磨損后不能調整間隙，受力比較均勻，所以螺紋圈數不宜過多，故取4=1.2?2.5,此處4取2。螺桿一螺母材料分別為鋼一青銅，滑動速度為手動低速，查機械設計手冊［p］=18?25N/mm3，?。踦］=20N/mm3。由機械設計手冊查的梯形螺紋公式:

(3-1)將上述數據帶入（3-1）式得：d>0.8：4=0.8：―25^^—=20.00mm2 \血p」 《2x20Nmm3查機械設計手冊，取外螺紋大徑d=30mm,螺距p=6mm,牙頂間隙a=0.5mm的梯形螺紋Tr30x6，如圖3-1。圖3-1梯形螺紋基本尺寸基本牙型高度H:1H=0.5p=0.5x6mm=3.00mm外螺紋牙高h:3h=H+a=3.00+0.5mm=3.50mm內螺紋牙高H:4H=H+a=3.00+0.5mm=3.50mm牙頂高z:z=0.25p=0.25x6mm=1.50mm外螺紋中經d:2d=d-2z=30—2x1.50mm=27.00mm2內螺紋中經D:2D=d=27.00mm外螺紋小徑d:3d=d-2h=30-2x3.5mm=23.00mm內螺紋小徑D:1D=d-2H=30-2x3.00mm=24.00mm內螺紋大徑D:4D4=d+2ac=30+2x0.5mm=31.00mm外螺紋牙頂圓角R :1maxR=0.5a=0.5x0.5mm=0.25mm牙底圓角R :2maxR=a=0.50mm2、螺旋升角w:W=arctan—=arctan =4.05°兀d2 3.14x27.003、當量摩擦系數廣與當量摩擦角pj牙型角a=600,螺桿與螺母材料為鋼與青銅，查機械設計手冊有摩擦因數f=0.08?0.10,取f=0.08。當量摩擦系數f:f=-!—=0.08=0.092

cospcos30°當量摩擦角p，:p'=arctanf=5.27°3.1.3螺桿尺寸校核與確定一、螺桿尺寸校核螺桿在全部旋出降至最低位置時，其受力情況最為不利，且螺桿為一壓桿，同時承受壓力及扭矩，因此應分別按照耐磨性、自鎖條件、抗壓強度及穩定性對螺桿進行校核計算。1、 耐磨性條件校核：鋸齒螺紋工作高度H1：H[=0.5p=0.5x6mm=3.00mm螺母高度H從初步設計得：H=60mm軸向外載荷H:F=25KN=25000N螺紋旋合圈數〃:n=10螺旋夾緊器滑動裝置滑動速度較低，根據螺桿和螺母材料為鋼一青銅，查資料得其許用壓強[p]=18?25MPa。根據機械設計手冊查的工作壓強公式：F 、p= (3-2)兀d2H1n由式p=—————得：兀d2H1nF 25000Np= =兀d2Hn3.14x27.00x3.00x10mm3=9.83MPaV[p]=18?25MPa由p<[p]，得所選螺桿和螺母合適。2、 螺紋的自鎖性驗算：螺紋升角w:p 6W=arctan =arctan =4.05°兀d2 3.14x27.00當量摩擦角p，:p'=5.27°

有p，>人，即螺紋升角小于當量摩擦角，滿足自鎖條件。3、螺桿的強度校核：螺桿所受轉矩T:T=Ftan +p'）4=25000Nxtan（4.05。+5.27。）x27002 2=55389N-mm由機械設計手冊查得當量應力b公式：ca 頃d3由機械設計手冊查得當量應力b公式：ca 頃d32J冗d23/I冗d3/' 37b=切2+3T2=ca當量應力b由公式b=Jb2+3r2="膈32J、2+3［岑］2（兀d3J、37+3際（兀d3J

、37、2算出:（3-3）f4xf4x25000］2"3.14x23.002J+3f16x55389+"3.14x23.003、2MPaJ=72.4MPa確定許用應力lb],查表得[b]=bc/（3?5）。因夾緊裝置屬于靜載，許用應力[b]可取較大值：[b]=竺=261.56MPa3由以上計算有b<[b],故螺桿符合要求。ca4、螺桿螺紋牙的強度校核：查機械設計手冊有梯形螺紋牙根部寬度b:b=0.65p=0.65x3mm=3.90mm查機械設計手冊得螺桿許用剪切應力lr]=0.6[b],許用彎曲應力[b七（1.0?1.2）[b]。由機械設計手冊及相關資料查的螺桿的剪切強度和彎曲強度的公式如下：剪切強度t公式:（3-4（3-4）t=兀dbn3彎曲強度。公式:bbTidb^n

3剪切強度T:t=-J—= ^299 MPa=8.9MPCIndbn3.14x23x3.9x103確定許用應力[』，查表得[b]=b/(3?5)。因夾緊裝置屬于靜載，許用應力&]C可取較大值：t]=—=261.56MPa3t=S.9MPa<[r]=0.6[c>]=0.6x261.56MF。=157MPa由t<It],得所設計的螺桿符合要求。彎曲強度。:b3FH3x25000x3.00山八“八川 = MPa=20.5MP。bndb^n3.14x23.00x3.92xlO3Q=20.5<[b]=(1.0?1.2)b b由。<[o],得所設計的螺桿符合要求。bb5、螺桿的穩定性校核：對于長徑比大的受壓螺桿，當軸向壓力8大于某一臨界值時，螺桿就會突然發生側向彎曲而喪失其穩定性。因此，在正常情況下，螺桿承受的軸向力8必須小于臨界載荷七。確定螺桿的柔度人值：入業 (3-6)i式中日-螺桿的長度系數，?-螺桿危險截面慣性半徑(1)、螺桿的長度系數日的確定：螺桿上部螺母端：

l

-^

dH~dl

-^

dH~d6027.00=2.22在1.5?3.0內屬于不完全固定，本設計所設計的螺旋夾緊器為一端固定一端為不完全固定，查機械設計手冊，得u=0.6。(2)、螺桿危險截面慣性半徑，的確定：.d23.00I=t= mm=5.75mm4 4本設計的螺旋夾緊器，其螺桿最大工作長度主要根據外界條件和人類身高因素等確定，所以本設計螺桿的最大工作長度可以取為l=500mm。螺桿的柔度人值："pl0.6X500sc人=——= =52.2i5.75臨界載荷Fc:340F=c340F=c1+0.00013人23401+0.00013x52.223.14x23.002 104643NcFcF104643S=―c= cF25000=4.2>S=2.5?4由Sc>S可得穩定性條件滿足。6、效率門計算：螺旋夾緊器裝置為回轉運動轉化為直線運動，由機械設計手冊查的效率門公式:(0.95?(0.95?0.99)xtan人

tan(X土p。(3-7)系數(0.95?0.99)屬于軸承效率，軸承形式為滑動軸承，取小值0.95。本設計的螺旋夾緊器根據機械設計手冊相關知識，只需要計算上升時效率，上升時支架載荷與運動方向反，取“+”號。門=0.95x一嚴」.05°__=0.95x0071=41.0%tan【4.05。+5.27。) 0.164因為是手動螺旋夾緊裝置，故螺桿的剛度及橫向振動不予驗算。二、螺桿尺寸最終確定經過計算與校核，根據計算尺寸螺桿可設計成如圖3-2,其具體尺寸見附錄1。圖3-2螺桿模型圖3.2螺母設計與計算3.2.1材料選擇螺母材料一般可選用青銅，對于尺寸較大的螺母可采用鋼或鑄鐵制造，其內孔澆注青銅或巴氏合金,ZCuAl10Fe3耐磨性好，強度高，使用于重載、低速的傳動，所以螺母材料選擇青銅ZCuAl10Fe3制成。3.2.2尺寸設計由機械設計手冊查的求取螺母高度H的公式：H=中d (3_8)對于整體式螺母中=1.2?2.5，取中=2。螺母高度H:H=中d=2x27.00mm=54.00mm螺紋中經D:2D2=d2=27.00mm螺紋小徑D:1D=d—2H=30—2x3.00mm=24.00mm螺紋大徑D:4D=d+2a=30+2x0.5mm=31.00mm圖3-3螺母相關尺寸圖因為螺紋各圈受力不均勻，低10圈以上的螺紋實際上起不到分擔載荷的作用，所以螺紋圈數〃一般不宜超過10圈。取H=60mm，所以n=—=^-=10，滿足p6所以螺紋圈數〃一般不宜超過n=H<10?12的要求。P螺母高度H:H=60mm設計固定高度a:a=(0.2?0.3)H=0.25x60mm=15mm螺母壓入支架上的孔內，圓柱接觸面間的配合常采用間隙配合。為了安裝簡便，需在螺母上下兩端做出倒角，還應裝置緊定螺釘，緊定螺釘直徑由軸向力大小決定，一般為6?12mm，螺釘為M8，螺母螺紋的相關尺寸如圖3-3。3.2.3螺母尺寸校核與確定由機械設計手冊查的求取梯形螺紋牙根部寬度力的公式:b=0.65p (3-9)梯形螺紋牙根部寬度b:b=0.65p=0.65x3mm=3.90mm查機械設計手冊得螺母許用剪切應力X]=30?40MPa，許用彎曲應力卜]=40?b60MPa。由機械設計手冊及相關資料查的螺母的剪切強度和彎曲強度的公式如下。剪切強度T公式：F , 、T= (3-10)兀Dbn4彎曲強度%公式：bf (3-11)4根據螺母螺紋圈的受力情況并結合公式可得到如下校核計算結果。剪切強度T:

25000t=F= MPa=6.6MPa25000兀Dbn3.14x31.00x3.9x104t=6.6MPa<|r]=30?40MPa因t<|t],所以所設計螺母符合要求。彎曲強度a:b3x25000x3.00a=3FH1=_— "J3x25000x3.00b兀Db2n3.14x31.00x3.92x104氣=15.2MPa<[a]=40?60MPa因氣<[a]b,所以所設計螺母符合要求。第4章其它零部件及其結構設計

4.1手柄設計4.1.1材料選擇螺旋夾緊器的手柄是傳遞動力的主要組成部分，因此它必須具備一定的耐磨性。手柄材料經常采用Q235和Q215,此設計選擇Q235作為手柄材料，查機械設計手冊其"]=120MPa。4.1.2尺寸設計與確定3B3B圖4-1手柄尺寸圖根據外界條件及人為因素，所設計的螺旋加緊器人力機械，可根據人類手臂長度

來確定，所以選擇長度L=300mm作為手柄長度。查機械設計手冊的彎曲強度公式a:（4-1）KL

a= （4-1）0.1D3把手柄看成一個懸臂梁，可由彎曲強度公式a=史＜[c]確定其直徑D,其中把手柄看成一個懸臂梁，0.1D3KK=200N（K為工人臂力），L=300mm，[a]=120MPa。變化公式帶入數據得：八、:KL ：200x300x10-3D> =3 17.10mm30.1[a]30.1x120x106所以取D=20mm。手柄可設計成倒“工”字形，且一端設計成一個圓孔帽，使之蓋在螺桿上端并用鍵緊固，以防止手柄打滑脫離螺桿，具體尺寸如上圖4-1。4.2基座設計4.2.1材料選擇基座在本設計中具有將物體固定和夾緊的作用，他相當于鉗子，是固定物體和夾緊物體的重要支柱，是螺旋夾緊器不可缺少的重要組成部分。根據機械設計常用規則，它對材料的選擇沒有嚴格要求，因此我們可以根據市場經濟和加工成本等要求選擇QT420鑄鐵。4.2.2尺寸設計與確定根據設計任務書技術指標給出夾持物的最大尺寸為150mm，本次設計的螺旋夾緊器可設計成只運用于夾持圓柱體的夾緊器，根據夾緊物最大尺寸為6150，所以我們可以把基座設計成V型形狀且角度為90。。上基座可根據實際裝機經驗設計成“T”形直接裝到螺桿上，下基座可用M10螺栓固定在工作臺上，其形狀及具體尺寸可見附錄1。4.3機架設計4.3.1材料選擇機架是機械必不可少的重要組成部分，它對機械不僅取到了固定作用，而且是整個機械的脊髓。由于鑄鐵的鑄造性能好、價廉以及吸振能力強，所以運用廣泛。本設計是螺旋夾緊器的機架，可根據市場價格要求，可選擇經濟實惠的HT250鑄鐵。4.3.2尺寸設計與確定根據使用場所、受力情況和螺母尺寸，螺旋夾緊器支架可設計成門框形式，并用螺栓M10固定在工作臺上，其形狀和具體尺寸可見附錄1。4.4其它零部件設計1、 根據設計要求螺母采用4個M8的螺釘固定在機架上，下基座和機架采用12個M10的螺栓固定在工作臺上。2、 根據設計需要，手柄與螺桿連接處可采用鍵連接，本設計采用半圓頭普通平鍵，結合螺桿直徑并查機械設計手冊，選用的鍵為：b=8mm，h=7mm，L=25mm。即C8x25GB/T1096?2003。3、 螺釘和螺栓連接處都采用墊圈，螺桿與螺母之間采用潤滑油。螺旋夾緊器設計，主要是以設計為主，即運用大學所學的專業知識，特別是用工程制圖、金屬材料及熱處理及機械設計等相關知識設計出符合要求的夾具裝置。本設計選擇梯形螺紋Tr306，螺桿材料為調質鋼40Cr,螺母為銅合金ZCuAl10Fe3,通過耐磨性校核、螺紋自鎖性驗算、螺桿強度校核、螺紋牙強度校核及螺桿的穩定性校核，螺旋傳動設計合理達到要求。其它零部件經過設計和校核，滿足螺旋夾緊裝置。通過