某異形工件的定位及夾緊機構設計目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 摘要：異形工件是工件里的一大復雜種類，伴隨著機械產業的發展，加工的工件逐漸精細化，對異形工件的定位及夾緊提出了更高的需求，雖然我國一些地方在異形工件的定位和測量實現了成功，但仍有很多需要改進的地方。根據國內外發展來看，異形工件的定位和夾緊方面還有很大發展空間。本文以異形工件的定位及夾緊機構為研究對象，在分析國內外研究的基礎上，設計一種新型異形工件定位及夾緊機構。關鍵詞：異形工件定位夾緊機構夾具設計1緒論1.1目的和意義自新中國成立后，我國進行了改革開放，這使我國在各個領域都獲得了快速的發展，機械行業的先進程度也在不斷改善，相比傳統的人力勞作，工作效率發生了很大程度的提升。伴隨著機械產業的進步，加工的工件逐漸精準化，人們對機床的整體性能和精度要求越來越高，這需要設計人員仔細觀察關鍵的機床零件，而定位夾緊機構是保證機床精度、性能的重中之重。定位夾緊是機械加工過程中的一個重要環節，因為它在一定程度上決定著加工工件的精度，所以合理利用夾緊機構確保工件的定位是當前機械加工的的一種趨勢[1]。而伴隨著機械加工行業的深入發展，定位夾緊機構也一步步成為影響工件精度的重要因素之一。通過對夾緊機構進行相關調查分析可以發現，使用定位夾緊機構的效率都普遍較高，能夠有效地運用在各種環境中，這就使定位夾緊機構變成了機械行業的一種方便、好用的工具。但因為我們國家夾具的發展起步較晚，夾緊機構相關技術并不全面，導致一些工件生產出來可能沒有那么精準，這肯定就會在加工過程中浪費很多資源，即使我們國家有著各種各樣的夾具，但還是需要靠譜好用的定位夾緊機構。因此本文以設計一種定位及夾緊機構為目的，對定位夾緊機構進行相關的設計研究，以期能夠滿足工作環境的需要，為夾具的發展提供一定的參考。1.2研究現狀到目前為止，夾具依然是機械行業中必需的四大工具（刀具、夾具、量具、摸具）之一。夾具在國內外也正在逐漸形成一個依附于機床業或獨立的小行業。1.1.1國外研究現狀就國際角度而言，夾緊機構的主要制造國當屬德國和美國等發達國家。就目前來說，一般生產夾具的外國企業都是一些中型企業和小型企業，普通夾緊機構和一些特殊工件夾緊機構的主要訂單都只接受國內，并且能適用于各種環境的組合夾緊機構也多用于國際貿易之間的來往。關于夾緊機構和組合夾具的國際交易額目前還沒有相關統計資料，但歐洲發達國家那邊大型基礎件特別昂貴[2]。我國有著模塊化夾緊機構技術上的積累和成本優勢，尤其是電子商務的日益發展，是一個相當好的機會，在擴大出口這方面具有廣闊的應用前景。1.2.2國內研究現狀中國國內是從20世紀60年代開始的，當時建造了航空工業的保定向陽機械廠，和機械行業的天津組合夾具廠，后來又成立了一批工廠生產模塊化夾具元件。在當時，國家已經達到年產夾具800萬件的水平。上世紀80年代之后，兩家工廠又各自獨立研發了許多關于機床的夾具系統，這極大地滿足了我們國家自己的需求，而且還出口到了美國、德國等許多機械行業先進的國家[3]。2異形工件分析本次異形工件以承載鞍為例進行分析。2.1異形工件概述承載鞍是鐵路和貨車轉向架的重要零部件，它主要安裝在轉向架側架導框和貨車輪對滾動軸承之間，其主要承擔著貨車輪對軸承座的作用。承載鞍工作面在車輛的工作過程中承受牽引、軸重和制動載荷，及曲線離心力產生的載荷作用和車輛的沖擊載荷作用，轉向架運動等。在列車的運轉過程中，承載鞍與軸承及轉向架側架相互摩擦而產生磨損和磨耗，如果承載鞍過重磨損，將會對貨車和列車的速度、載重量以及安全性產生嚴重影響[4]。所以，對承載鞍進行定位和夾緊，對車輛的安全工作起著至關重要的作用。2.2異形工件的地位和作用承載鞍在鐵道與車輛轉向架的組件中有著無可替代的作用，轉向架兩翼側架的主要定位是依靠導框和承載鞍來完成的，因為承載鞍和軸箱之間存在著配合，所以它們會將車輪轉動這個圓周運動轉變為車體沿軌道直線前進的運動，并將載荷傳遞到車輪與車軸上，最終再傳到軌道上面。承載鞍的各部分名稱如圖2-1所示。圖2-1承載鞍各部位名稱1.導框擋邊；2.鞍面；3.頂面溝槽；4.頂面；5.推力擋肩導框擋邊是負責承載鞍水平運動的一個關鍵面，推力擋肩是一個負責軸承軸向位置的半圓擋，鞍面是和軸承外圓直接相接觸配合的圓弧面，頂面溝槽是與側架支承面相配合的一個面，下面設有R1520mm的圓弧面，是需要重點加工的部件。在車輛的行駛運動中，承載鞍需要承受從車體上來的壓力和車體在轉動過程中的扭轉力，它讓車體傳來的重量均勻的分配到軸承和軸頸上，對燃軸、防止車輛偏載有著不可磨滅的作用。承載鞍具體裝配在貨車的轉向架側架導框與滾動軸承的中間，傳遞和承受著各種載荷，它的加工質量將對車輛的安全、平穩運行產生直接影響。2.3承載鞍尺寸及加工工藝分析承載鞍的頂面加工要求為R1520mm的圓弧面，加工余量約3～5mm，加工完成后的表面粗糙度度Ra=25μm，材質選為ZG230--450，是普通碳鋼鑄件。按照相關要求，冒口需要設置在上面位置，切割后依然存在殘余切口，使得加工面凹凸不平且帶有冷作硬化現象，加工時非常容易造成刀具的不正常磨損和系統振動，加上加工面精度要求不高，所以不宜采用過于精密的儀器來加工。若采用大型立式車床來進行工件的加工，可以將多件同時放置在圓周底盤上，工作效率會提高許多。外協加工又會被限制很多，所以如何利用現有的裝備和儀器，通過設計方便、合理、牢固的工藝裝備來使加工要求得到滿足，是需要重點考慮的問題[5]。3夾具設計夾具的基本組成部分主要有：定位元件、夾緊元件、氣缸、連桿機構、夾具體、其他元件或裝置。定位夾緊機構屬于非標設計，沒有統一設計標準，但是存在基本設計要求：（1）盡量確保夾具的結構簡單，操作方便。（2）盡量滿足各工件的定位準確，并選擇合適的夾緊方式有效控制異形工件變形。（3）夾具各零部件應當盡可能標準化，增強互換性，降低成本。本文選用的是SolidWorks三維建模軟件，SolidWorks目前應用較為廣泛并且具有界面簡單，設計功能方便，分析功能準確，可快速生成工程圖等優點，在參數化設計，裝配設計，全相關等領域優勢明顯[6]。本文的產品設計與三維建模過程如下方所示：選取基準面→草圖繪制、對草圖應用特征命令→生成特征→模型建造→零件裝配。3.1定位元件工件與定位元件之間不僅有點定位而且還有線定位，面定位，兩點之間確定一條直線，線定位只能使工件的兩個自由度得到限制，平面定位只能使工件的三個自由度得到限制[7]，而本文選用的定位元件為旋轉氣缸。3.1.1定位元件工作原理要想準確夾緊工件，就需要先定位，這時就需要旋轉氣缸的存在了。當工件放置到工作臺時，旋轉氣缸通過推力使活塞直桿上升，并使旋轉氣缸上面部分旋轉，使定位螺釘位置對準工件兩側，然后旋轉氣缸通過推力使活塞直徑下降，從而使工件夾緊，確保機構翻轉工件不會掉落。其3D建模圖如下圖3-1所示圖3-1定位元件3.1.2氣動回路圖氣動回路圖如圖3-2所示圖3-2氣動回路圖1.油箱；2.液壓泵；3.溢流閥；4.三位四通電磁換向閥1；5.液壓缸1；6.三位四通電磁換向閥2；7.液壓缸23.2.1對夾緊裝置的要求夾緊裝置可以說是夾緊機構最關鍵的一部分。所以在設計的過程中中，應注意以下幾點：設計出的夾緊裝置應該是一個靠譜、方便、易用、安全的裝置。夾緊裝置在夾緊的過程中可以正確地找到（定位到）工件的位置。夾緊力大小不能太大也不能太小即大小合適。夾緊裝置要確保工件在加工的過程中盡量保持固定不動，不能產生位移和偏轉。夾緊裝置的先進程度應該與生產工件的多少和生產工件的方式相適應。并且設計出的夾緊裝置盡可能地采用國家標配元件[8]。異形工件定位夾緊機構要求具體如下特點：首先動作迅速，能夠滿足工作環境使用需求，夾緊異形工件后機構旋轉90°保證工件不會掉落。夾緊力要適中，過小容易造成旋轉過程中工件滑落，過大則會造成工件產生形變。夾緊裝置主要包括與導軌座相連的擋板、連接架、固定架、夾緊部分。3.2.2夾緊裝置分析夾緊裝置的設計要符合實際異形工件大小，不能太大也不能太小，且能對應異形工件進行夾緊、限制工件自由度。并且可使其與導軌座相連最后能在滑軌上移動。由于夾緊裝置對應異形工件尺寸設計，所以可進行準確夾緊。3.2.3夾緊裝置設計過程根據對工作臺整體和異形工件的分析，設計了一個長為280mm、寬為90mm的擋板。在擋板的左右兩側各設計一個底長為370mm、高為220mm、上方長為300mm的連接架，其中連接架的寬為40mm。為防止連接架活動，在擋板后方、擋板上方靠后各連接一個固定架，最后設計夾緊部分。通過第二章異形工件尺寸分析可知，需要設計出夾緊異形工件左右兩側的夾緊部分。異形工件的鞍面長為124mm，寬為70mm，兩側的小凹槽長為15mm，寬為70mm，小凹槽左右兩側凸出來的地方長為23.5mm，相對鞍面突出25.5mm。由以上數據可以確定夾緊部分的高為70mm，經過對異形工件和夾緊裝置的分析，確定模型拉伸尺寸為110mm，由此可以設計出與異形工件兩側相嚙合的夾緊部分。最后將擋板與連接架相連接再用固定架接上兩個連接架，之后將夾緊部分裝在連接架上方，夾緊裝置就完成了。其中，夾緊裝置三維圖如下圖3-3所示圖3-3夾緊裝置1.擋板；2.連接架；3.固定架；4.夾緊部分3.2.4夾緊力的確定要想確定夾緊力，就需要從夾緊力的大小、夾緊力的方向、夾緊力的作用點這三個方面來入手：首先是夾緊力方向的確定：通常情況下，夾緊力的方向最好和工件剛度大的那個方向保持一致，因為這樣可以最不容易使工件產生變形。夾緊力作用的方向應該更方便工件的定位，而不是妨礙工件的定位。大部分情況下，夾緊力都是和主要定位面垂直。盡可能地，使夾緊力作用的方向與重力一個方向，因為這樣可以減小所需夾緊力，從而使計算更簡單[9]。其次是夾緊力作用點的選擇：只有在夾緊力的方向確定的情況下，才能確定夾緊力的作用點。一般要注意以下幾點：夾緊力作用點最好與支承的元件或支承元件所在的面保持平行（或正對），因為這樣可以使工件的定位不發生改變。夾緊力作用點可能在工件剛度強的地方，這樣不會使工件產生變形。最好讓夾緊力作用點盡可能靠近被加工的面，因為這樣可以降低切削時候的力對工件產生的旋轉力矩。在迫不得已的時候，可以在工件剛度弱的地方增加一個輔助支承，這樣可以降低切削過程中的抖動[10]。由之前對異形工件的分析可知，為了有效控制異形工件的形變，夾緊點確定在鞍面兩側的凹槽點處。3.2.3夾緊力大小的估算想要估算夾緊力的大小，我們一般會把工件看成一個整體（分離體），然后再對工件進行受力分析，之后依據力的平衡條件，算出可以使工件能一直平衡所需要的最小的夾緊力，最后再將之前算出的最小的夾緊力乘一個合適的安全系數，就可以算出所需的夾緊力[11]。設加工部件的直徑為d，裝夾部位的直徑為d0。把工件視為一個分離體，忽略其他因素，只考慮主切削力Fc所產生的力矩與夾緊裝置夾緊力Fj所產生的力矩相平衡，可列出如下關系式：Fc·式中μ—夾緊裝置與工件之間的摩擦系數；Fjmin--由上式可得Fjmin=Fc將算出的最小夾緊力再乘安全系數k，就可以得到所需夾緊力Fj=kFc摩擦系數主要取決于工件與夾具支承件或夾緊件之間的接觸形式，其具體數值見表3-1。表3-1不同表面的摩擦系數接觸表面特征摩擦系數接觸表面特征摩擦系數光滑表面0.15～0.25直溝槽，方向與切削方向垂直0.4～0.5直溝槽，方向與切削方向一致0.25～0.35交錯網狀溝槽0.6～0.83.3氣缸氣缸是氣壓傳動系統中的執行元件，它的職能是將空氣中的壓力能轉換成機械能，對外做功。3.3.1氣缸的工作原理氣缸的工作原理就是,氣缸先利用活塞來使自身增加氣壓，然后氣壓傳動會將壓縮空氣時產生的壓力能轉換成機械能,產生的機械能就會讓機構做來回重復的運動，包括直線運動、旋轉運動等。其中它的具體過程是沒有桿的一側會先使壓縮空氣進入,而有桿的一側進行壓縮空氣輸出（排氣）,這時氣缸兩側會產成壓力差,這會使活塞上的力,推著活塞向前走,使活塞桿往外伸；當有桿的一側使壓縮空氣進入,而沒有桿的一側進行壓縮空氣輸出（排氣）時,氣缸兩側同樣會形成壓力差，這就會使活塞桿往回縮,若有桿的一側和沒有桿的一側交替進氣和排氣,活塞就會做出往復直線運動[12]。3.3.2氣缸的組成和特點氣缸主要由缸筒、端蓋、活塞、活塞桿和密封件等結構組成。結構上的特點是卡環把活塞和活塞桿相連接，因此拆裝起來非常容易；活塞上面支撐環的材料比較特殊，它是由聚四氟乙烯組成，這種材料的特點是摩擦力小；活塞桿可以在軸向的運動中一直保持豎直不動都是導向套的功勞，這樣可以保護密封件；緩沖裝置裝在缸的兩側，緩沖裝置的主要作用就是減小活塞在運動中的沖擊。此類缸的工作壓力為12～15MPa[13]。三維建模圖如下圖3-4所示圖3-4氣缸3.4夾具體夾具體是夾具的主要承載體，夾具各個零部件都安裝在夾具體上面，夾具體的加工精度直接影響工件定位的準確性，材質為Q345鋼，夾具體上表面進行精細加工，平面度為0.02mm，表面粗糙度為1.6μm，上下兩側安裝面的平面度、表面粗糙度與上面一致。其余各個表面的表面粗糙度均為3.2μm。本文采用SolidWorks軟件完成夾具體設計，其三維建模如下圖3-5所示圖3-5夾具體夾具體為長1800mm，寬1000mm，高40mm的鋼板，以圖3-8的左端面為定位基準面，鋼板中心為定位基準點。定位基準點左右兩側各排列著直徑為9mm的8個通孔，其中通孔以定位基準點左右對稱分布，最左邊通孔距離左端面80mm，通孔之間距離為80mm。在第五個通孔的上下100mm處裝兩個邊長為40mm，高為190mm的兩個柱體，同樣以定位基準點對稱分布，用于安裝小擋板限制夾緊裝置移動過度。在左上角柱體距離底板80mm處有一置物板，其中置物板的厚度為8mm，置物板用于連接氣缸。3.5其他零部件（1）連桿機構連桿機構用于連接氣缸和夾緊裝置，從而使氣缸帶動夾緊裝置夾緊工件。其SolidWorks三維建模圖如圖3-6所示圖3-6連桿機構（2）導軌座在夾緊裝置擋板下有兩個導軌座，導軌座的通孔與擋板上的通孔相連，使其與擋板緊緊連接在一起，從而使導軌座帶著夾緊裝置在滑軌上移動。其三維建模圖如圖3-7所示圖3-7導軌座（3）滑軌滑軌的長度為630mm，其上有8個直徑為9mm的通孔，每個通孔之間的距離為80mm，與夾具體相吻合。滑軌需要固定在夾具體上，然后讓導軌座帶著夾緊裝置在上面滑動。其三維建模如圖3-8所示圖3-8滑軌3.6定位夾緊機構通過對異形工件的分析和參考資料的研究，經由以上思路以及各種零部件、裝置配合就有了下面的完整體定位夾緊機構，其三維建模圖如3-9所示圖3-9定位加緊機構4相關公式計算4.1夾緊力的計算在計算夾緊力之前需要先對工件進行受力分析，其受力分析圖如圖4-1所示圖4-1受力分析異形工件放置時受到夾緊裝置對其的夾緊力F，定位元件工件放置板對異形工件的支撐力Fn，異形工件自身重力G，異形工件所受摩擦力f，其中測量異形工件的質量為30Kg，由受力平衡，得F=f，Fn=G,所以G=mg=30×9.8=294N（4-1）放置時要保證異形工件不掉落，即Fnf=2μFn（4其中μ由表3-1可知，異形工件與工件放置板的接觸表面為光滑表面，所以μ=0.25所以f=2μFn=2μG=0.5×294=147N最小夾緊力Fmin=f=147N（44.2氣缸基本參數的計算由表4-1及氣工程師設計手冊中各類設備常用壓力表，小型工程機械可初選系統設計壓力為P=15MPa[14]。表4-1各類設備常用系統壓力設備類型常用壓力值磨床≤2.5組合機床、牛頭刨床、插床、齒輪加工機床<6.3車床、銑床、鏜床、珩磨機床2.5?6.3拉床、龍門刨床<10農業機械、汽車工業、小型工程機械及輔助機械10-16工程機械、重型機械16-32船舶機械14-25由夾緊力與氣缸之間的關系得出F=Wmax=π4所以氣缸活塞直徑D=4Wmaxπ(P?P式中：Pηm—氣缸的機械效率，此處取η=0.8查表4-2氣缸內徑尺寸系列可以確定氣缸內徑D=32mm，再根據求得活塞桿直徑d為22.4mm，查表4-3氣缸活塞桿直徑標準，選擇標準值d=22mm[15]。表4-2氣缸內徑尺寸系列（單位：mm）840125（280）1050（140）3201263160（360）1680（180）40020（90）200（450）2510022050032（110）250表4-3氣缸活塞桿直徑系列（單位：mm）4184511028052050125320622561403608256316010287018010328020014369022016401002505結論本文在對異形工件與定位夾緊機構進行詳細分析的基礎上，結合網上資料進行分析整合，設計一種可以定位并且夾緊異形工件的機構。根據工作要求對異形工件定位及夾緊機構進行相關計算，包括夾緊力、氣缸的各種參數等等，并通過SolidWorks對異形工件定位夾緊機構進行3D建模。異形工件定位夾緊機構可以準確定位工件并牢固夾緊，即使旋轉也不會掉落；并且可以節省一些不必要浪費的資源。對特殊工件的定位及夾緊機構設計和發展提供一定的參考價值。參考文獻趙長征.不銹鋼筒體內襯焊接工裝夾具設計與分析[D].山東科技大學,2020.王鑫宇.多孔多面零件加工工藝分析與夾具設計研究[D].大連交通大學,2020.曹鋅明.焊模中薄壁軸套的定位與夾緊結構設計[J].模具制造,2019,19(11):64-68.劉九慶,金雨飛,韓英健,夏鵬,楊春梅.梁柱材自動雙端開榫機床的旋轉夾緊機構[J].林業和草原機械,2020,1(01):30-35.李虎,馬巖,楊春梅,任長清,汪茜茜.木屋