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1、 基于ProE的法兰座钻模设计王 海 东摘 要：本课题以车床夹具的设计过程为学习平台，通过查找和收集相关材料和数据，翻阅和学习相关材料，借助于pro/e这个三维设计软件，在学习中设计，在设计中学习。本课题着重研究了零件的加工工艺，车床夹具的外形结构，车床夹具的装夹和拆卸以及车床夹具的关键尺寸。本课题主要的设计项目是，利用参数化设计夹具的相关零件，利用约束关系和条件关系装配和分析夹具体，用工程图表达夹具零件的内部结构，通过夹具的运动仿真来模拟装夹过程。本课题以设计出精度高、效率高、使用方便、结构精简的夹具为设计目标。关键词: 车床夹具, 实体建模, 工程图, 装配图, 运动仿真Based on
2、the pro/e lathe fixture design（Electronic & Information Engineering Department, Supervisor: XXX）Abstract: Based on the pro/e lathe fixture design Abstract Lathe fixture of the subject to the design process for the learning platform. Through the search and collection of related materials and data rel
3、ated to reading and learning materials, through the use of pro/e of the three-dimensional design software, in the study design, in the design of learning. Focused on the subject machining process, the shape lathe fixture structure, lathe clamping fixture and the demolition of the key size lathe fixt
4、ure. The main design issue is the use of parametric design of the fixture-related parts, the relationship between the use of constraints and conditions of the assembly and analysis of the relationship between a specific folder, using engineering drawings to express the internal structure of fixture
5、components, Simulation of the movement through the fixture to simulate the process of clamping. This issue in order to design high-precision, high efficiency, easy to use, streamlined structure for the design of the target fixture. Key words： lathe fixtures, solid modeling, engineering drawings, ass
6、embly drawings, motion simulation.1 引言当前三维设计技术已经达到了一个很高的境界，它能为产品开发的设计和研发提供更为先进的设计手段和研究方法，形象生动又具有较强的直观性，适应了现实设计的需要，其人性化的设计和开发过程很适合涉及人员的思维方式。这种三维方式的开发平台的不断发展,为提高设计效率和增强企业的开发能力、产品质量,有了很好的技术支撑。三维开发技术也可以说是对传统的机械设计的一次伟大的革命; 二维平面的设计已经逐步的被三维立体设计所替代，这也是一种必然的趋势。当前在市面上可以看到各种这也的软件 ,这包括高端的 I - DEAS, Pro /Enginee
7、r, UG, CATI A以及中端的SolidEdge，Solidworks等3D的设计软件。尺寸参数驱动技术和虚拟装配技术是这些软件的一个普遍共性;特别是高端的3D系列的设计软件不仅有模块化、智能化、并行化、集成化、相关性等优点，而且能够能满足多数用户各项设计的需求，例如计算分析、设计、虚拟装配、运动分析、干涉检查、制造和有限元分析等高级的CAD需求。Pro/Engineer系统是美国参数技术公司（PTC）的产品。PTC公司提出的一系列的参数化、基于特征、单一数据库和全相关概念，这种新开发的CAD/CAE/CAM第三代机产品Pro/Engineer软件几乎能将设计到生产全过程都系统的集成到一
8、块，有利于所有用户同时能够进行某一产品的各种的设计和制造工作，着就是所谓的并行工程。 Pro/Engineer采用基于特征的技术指标化的设计实体模型化的系统，工程设计人员可以采用智能化的基于特征的功能去生成模型，如壳、腔、圆角及倒角，在这里设计者可随意勾画出草图，很方便的改变模型。就Pro/Engineer系统的用户界面而言简洁并且概念清晰，很适合工程人员的与设计习惯和设计思想。这种建立在统一的数据库上的整个系统是一个具有完整性的统一的模型。本设计区别于传统设计，采用三维参数化设计软件Pro/E进行了机械系统建模，对钻模机构装配现代化的数字技术，进行虚拟设计，有着功能足够强大的虚拟设计手段和数
9、字化平台。本文将以现有传统机械理论研究和国内外钻钻床夹具资料为基础，运用虚拟制造技术开发的各种先进技术，实现其整个虚拟开发过程。2 机床夹具系统概述2.1机床夹具的组成由于各种专用夹具装夹的工件是各不相同的，所以夹具结构也各种各样。尽管新的夹具层出不穷，但是他们的工作原理基本相似。我们在认识一定的数量的夹具之后，加以概括，找出他们的内在联系和共性，以便于尚未研究过的各种夹具进行研究。由此可以得出一般夹具共有的如下组成元件和装置。图 1 机床夹具组成示意图定位元件和装置 它的作用是确定工件在夹具中的加工位置。夹紧装置 这种装置包括夹紧元件或组合和动力源。其作用是将工件压紧夹牢，保证工件的定位在加
10、工中不因受外力而产生位移，同时防止或减少振动。确定夹具位置的元件 其作用是确定夹具在机床上的饿安装位置，从而保证工件与机床之间的正确加工位置。对刀导向装置 用于确定刀具位置并引导刀具进行加工的饿元件称为对刀导向元件。其他装置 有些夹具还设有分度装置、上下料装置、工件顶出装置等。夹具体 他是夹具的基本件和骨架，上述各类元件或装置都安装在夹具体上，使之成为一个夹具整体。他们的基面一般都和机床工作台或花盘相联结。上述六个组成部分，并非每套机床夹具都必须全部具备。但是一般说来，定位装置、夹紧装置和夹具体则是夹具的基本部分。机床夹具的组成部分与工件、机床、刀具之间的联系，可以从下图看出，该图为正确设计夹
11、具提供了思考问题的线索：例如定位、夹紧装置直接与工件有关，故在设计时必须掌握与工件形状、尺寸、技术要求等有关资料；在设计对刀导相元件时，应考虑加工所用刀具的类型、结构和尺寸等；设计确认夹具在机床上位置的元件时，则应依据机床工作台或主轴端部的结构形式和尺寸等。2.2机床夹具的分类随着机械制造业的发展，机床夹具的种类也在不断的增加，出现了许多的新颖的夹具，如果想要对所有的夹具加以分析，那是不可能的。为了便于研究各种夹具的特性，找出规律性的东西，从而运用这些规律有必要将夹具加以分类如下： 1）按应用分类：通用夹具、专用夹具、通用可调与成组夹具、组合夹具。 2）按使用机床分类：磨床夹具、车床夹具、钻床
12、夹具、铣床夹具、镗床夹具以及其他的机床夹具。3）按夹紧动力源的分类：液压夹具、气动夹具、手动夹具、电磁夹具、真空夹具和电动夹具等。通用夹具 是指已经标准化的、可用于一定范围内加工不同工件的夹具。如三爪自定心或四爪单动卡盘、机用虎钳、回转工作台、万能分度头、磁力工作台等。这类夹具以作为机床附件，可以充分发挥机床技术性能和扩大工艺范围。不论何种生产类型，都被广泛利用。专用夹具 在使用夹具装夹工件时，有找正和不找正之分。在使用专为工件的某道工序时，一般能够直接装夹工件而无须划线和找正，他成为机床的一种附加装备，在加工中起到机床、工件、刀具之间的桥梁作用，我们称之为专用夹具。专用夹具的设计和制造是机械
13、加工中的一项重要的技术准备工作。通用可调与成组夹具 这两类夹具结构相似。其共同点是：在加工完一种工件后，经过调整或更换个别元件，即可加工形状相似、尺寸相近或加工工艺相似的多种工件。在当前多品种小批量生产条件下，这两类夹具是改革工艺装备设计的一个发展方向。组合夹具 是指按某一工件的某道工序的加工要求，由一套事先准备好的通用的标准元件和部件组合成的夹具。这种夹具用完后可以拆御存放，还可多次反复使用，具有组装迅速，周期短的特点，故特别适用于多品种小批生产或新产品试制1。2.3机床夹具在机械加工中的应用2.3.1保证加工精度采用夹具安装，可以准确地确定机床、工件与刀具三者之间的具体位置，工件的位置精度
14、不受工人技术水平的影响，由夹具保证，其加工精度较高并且较稳定。2.3.2降低成本提高生产率用夹具装夹工件，显著地减少了辅助工时，不需要找正便能使工件快速地定位和夹紧，；它提高了工件的刚性，因此可加大切削用量；采用高效夹紧机构，可以使用多件、多工位夹具装夹工件，劳动生产率的提高主要是依靠这些因素。此外采用夹具之后，废品率大大下降，产品质量相对稳定，明显地降低了生产成本，还可以安排技术等级较低的工人。2.3.3机床的工艺范围的扩大专用夹具不仅可以扩大机床的使用范围和改变原机床的用途，还可以实现一机多能。比如在摇臂钻床或车床上安装镗模夹具后，就很方便的对箱体孔系进行镗削的加工；通过这一工具还可将车床
15、改为拉床使用，最大限度的发挥了通用机床的作用。2.3.4减轻了工人劳动强度用夹具装夹工件方便、快速，当采用了气动、液压等夹紧装置时，可减轻工人的劳动强度3工件的定位3.1工件定位的基本原理3.1.1六点定则一尚未定位的工件，其空间位置是不确定的。如图2所示，将工件放在空间直角坐标系中，工件存在六个方向的自由度。三个移动自由度：、三个转动自由度：、图2用合理分布的六个支承点限制工件六个自由度的法则，称为六点定则，如图3所示。图3 在工件定位时，起定位支承点作用是定位元件，定位元件是能限制工件一个或几个自由度并具有一定几何形状的独立元件。3.1.2限制工件自由度与加工要求的关系工件定位时，应该限制
16、的自由度数目，主要由工件加工要求确定，一般讲，工件定位所需限制自由度的数目6个。各定位元件限制的自由度原则上不允许重复或干涉。如图4所示在工件上铣通槽，为保证槽底面与工件底面的平行度和尺寸两项加工要求，必须限制、三个自由度；为保证槽侧面与前后侧面的平行度和尺寸两项加工要求，必须限制、两个自由度，共计五个自由度。图43.1.3重复定位重复定位分两种情：不可用重复定位和可用重复定位。当工件的一个或几个自由度被重复限制时，对加工产生有害影响的重复定位，称为不可用重复定位。 当工件的一个或几个自由度被重复限制时，仍能满足加工要求，即不但不产生有害影响，反而可增加装夹刚度的定位，称为可用重复定位。如图5
17、所示的插齿常用夹具，工件3以内孔在心轴1上定位，限制工件四个自由度；又以端面在支承凸台2上定位，限制工件三个自由度，其中，、被子重复限制了。当齿坯孔与端面的垂直度较高时可能是可用重复定位。其判断条件是：齿坯孔与端面的垂直度误差小于孔与定位轴的最小间隙和允许的定位副弹性变形量时，为可用重复定位，否则为不可用重复定位。 不可用重复定位 可用重复定位图53.2 定位副及对定位元件的基本要求3.2.1足够的精度定位元件的精度将直接影响工件的加工精度。因此，限位基面应有足够的精度，以适应工件的加工要求。3.2.2定位元件不仅限制工件的自由度，还有支承工件，承受夹紧力和切削力的作用，因此，应有足够的强度和
18、刚度，以免使用中变形或损坏。3.2.3耐磨性好定位元件的结构应力简单、合理，便于制造、装配和维修。3.2.4工艺性好定位元件工作表面的形状应有利于清理切削。否则，会因切削而影响定位精度，切削还会损坏定位基准表面。4 工件的夹紧4.1夹紧装置的组成夹紧装置的种类繁多，它主要由以下三部分组成：（1）力源装置 产生夹紧作用力的装置。所产生的力称为原始力，如气动、液动、电动等，对于手动夹紧来说，力源来自人力。（2）中间传力机构 其是一种处于夹紧原件和力源之间的主要的传递力机构，其在实现这一传递力的过程中，既可以改变作用力的方向，还可以它能够改变作用力的方向和大小，起增力作用；并且能够夹紧实现自锁，这就
19、保证了力源提供的原始力即便消失后，他依然可以靠地夹紧工件，因此这对手动夹紧尤为重要。（3）夹紧元件 夹紧装置的最终执行件，与工件直接接触完成夹紧作用， 4. 2夹紧装置的基本要求就夹紧装置具体组成而言并非一成不变，须根据工件的加工要求、安装方法和生产规模等条件来确定。但无论其组成如何，都必须满足以下基本要求：（1）夹紧时应保持工件定位后所占据的正确位置。（2）夹紧力大小要适当。夹紧机构既要保证工件在加工过程中不产生松动或振动。同时，又不得产生过大的夹紧变形和表面损伤。（3）夹紧机构的自动化程度和复杂程度应和工件的生产规模相适应，并有良好的结构工艺性，尽可能采用标准化元件。（4）夹紧动作要迅速、
20、可靠，且操作要方便、省力、安全。5 钻用夹具设计步骤5.1选用钻床型号选用Z33系列滑座式摇臂钻床5.2加工工件分析图2-1该零件的材料为45.该材料具有较高的强度、耐磨性、耐热性及减震性，适用于承受较大应力、要求耐磨的零件。 该零件主要加工面为12 孔和17.5 孔。12 孔和17.5孔内表面的粗糙度都为25，加工精度要求不高，可在加工这些孔的时候应该在一次装夹下完成。由参考文献有关面和孔的加工的经济精度及机床能达到的位置精度可知上述技术要求是可以达到的，零件的结构工艺性也是可行的。5.3确定夹具的结构方案5.3.1确定工件的定位方案工件在空间具有六个自由度，即沿x、y、z三个直角坐标轴方向
21、的移动自由度和绕这三个坐标轴的转动自由度 。因此，要完全确定工件的位置，就必须消除这六个自由度，通常用六个支承点（即定位元件）来限制工件的六个自由度，其中每一个支承点限制相应的一个自由度。夹具正是根据六点定位原理来限制零件的自由度，固定零件。从对工件的结构分析，零件的底面放置在支撑板上，定位比较稳定，可靠，容易实现。这样就限制了三个自由度。在支撑板上加上心轴及定位销与工件的90H8孔和20孔配合，则限制了2个自由度。零件上端面用螺母夹紧，则六个自由度全被限制，零件被固定。定位方案如图5-1所示。图5-15.3.2确定分度方法由于3-12斜孔及3-17.5径向孔对3-20孔对称度要求不高（未注公
22、差），设计一般精度的分度装置即可。工件已端面和90内圆在夹具体上定位，由两块压板压紧。夹具体上的定位销插入工件的20定位孔中，以确定加工位置。由于工件的20定位孔与12斜孔及17.5径向孔的孔数相等。分度时，将工件的20定位孔插入夹具体上的定位销中，拧紧压紧螺母，钻孔。加工完成后，松开压紧螺母，将工件的下一个20定位孔插入夹具体上的定位销中，从而完成一次分度。此分度装置结构简单，制造方便，能满足加工要求。图5-25.3.3确定夹具的夹紧方案为便于快速装卸工件，工件的夹紧通过螺母、开口垫圈和双头螺栓实现。零件的夹紧过程：旋转钻模板，放入零件，并用螺母夹紧，进行零件的加工。零件加工完以后，松螺母，
23、再次旋转钻模板，取出零件，这样周而复始的进行零件的加工。夹紧方案如图5-3所示。图5-35.4绘制夹具总装配图利用Pro/E软件可以方便、快捷的建立起零件的虚拟模型，并完成夹具的虚拟装配与运动仿真。图5-4 斜孔钻模图5-5 径向孔钻模5.5绘制夹具零件图5.5.1斜孔钻模夹具体的建模选择平面进行【草绘】，完成后利用【拉伸】等命令进行夹具体的建立。其中夹具体的筋板需要建立新的平面进行绘制，绘制时需要用到左侧工具栏中的【基准平面工具】来建立新的基准面，然后利用【筋工具】来完成筋板的绘制，绘制过程如下图所示。图5-6 夹具体主体骨架图5-7 斜孔夹具体5.5.2径向孔钻模夹具体的建模选择平面进行【
24、草绘】，完成后利用【拉伸】等命令进行夹具体的建立。其中夹具体的筋板需要建立新的平面进行绘制，绘制时需要用到左侧工具栏中的【基准平面工具】来建立新的基准面，然后利用【筋工具】来完成筋板的绘制，绘制过程如下图所示。图5-8 夹具体主体骨架图5-9 径向孔夹具体5.5.3钻模板的建模 实体生成操作步骤如上，利用左侧工具栏【孔工具】来生成螺纹孔和销孔，结果如下图所示。5.5.4心轴的建模 心轴建模采用多次【拉伸】来完成建模，其结果如下图所示。5.5.5标注零件编号及编制零件明细表6 结论这次写毕业论文给我提供了一个应用自己所学知识的机会，从到图书馆、网上查找资料到运用自己所学知识书写论文，把课本上所学
25、的理论知识和实际设计的结合，锻炼了我综合运用所学专业基础知识，解决实际问题的能力，同时也提高我查阅文献资料自己动手的能力，同时写论文时对word文档的运用有了很大提高，从排版到布局都让我对word文档有了更深的认识。虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。从不知道毕业论文怎么写，到顺利如期的完成本次毕业论文，这给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心，这一次设计让我积累了无数实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来。参考文献1 长春第一汽车制造厂工装设计室编.机床夹具设计原理.长春:吉林人民出版社.1978.2 重庆汽车发动机厂工艺科编.机床夹具设计原
26、理.重庆:重庆人民出版社.1980.3 上海柴油机厂工艺设备研究所编.金属切削机床夹具设计手册.北京:机械工业出版社.1987.4 哈尔滨工业大学、上海工业大学主编. 机床夹具设计M.上海: 上海科学技术出版社.1980.5 东北重型机械学院等主编. 机床夹具设计手册M.上海:上海科学技术出版社.1985.6 机械设计师手册编写组. 机械设计师手册M.北京: 机械工业出版社.1989.7 刘德荣.组合夹具结构简图的初步探讨.组合夹具.1982. (1).8 孙已德.机床夹具图册M.北京：机械工业出版社.1984：20-23.9 贵州工学院机械制造工艺教研室.机床夹具结构图册M.贵阳：贵州任命出版社.1983. 42-50.10 刘友才.机床夹具设计.北京：机械工业出版社.1992.11 孟少龙.机械加工工艺手册第1卷M.北京：机械工业出版社.1991.12金属机械加工工艺人员手册.修订组.金属机械加工工艺人员手册M.上海：上海科学技术出版.1979.13 李洪.机械加工工艺师手册M.北京：机械工业出版社.1990.