畢業(yè)設計——基于磁盤驅動臂生產的夾具設計與實現

1、基于磁盤驅動臂生產的夾具設計與實現【摘要】 磁盤驅動臂屬于異性支架類零件，針對其在加工中卻會因其材質較軟、形狀不規(guī)則、體積較小、結構復雜、要求精度高等因素而難以裝夾的問題。采用NX軟件設計出生產中必須出能夠快速裝夾的專用夾具并進行分析。本設計在分析其結構特點的基礎上合理控制其自由度并結合氣壓傳動的相關知識設計出適合的專用夾具，結果表明：該夾具具有高精度、高穩(wěn)定性、結構簡單、拆裝方便、裝夾快速等設計目標?！娟P鍵詞】：硬盤驅動臂、專用夾具、六點定位原理、氣壓傳動目 錄引言.1一、磁盤驅動臂零件簡介.1（一）圖樣分析.1 （二）零件結構分析.2 （三）零件加工工序及工藝介紹.3二、工位1的夾具設計.

2、3 （一）設計原理.3 （二）設計方案.4 1.夾具部件的設計.4 2.加緊元件的選擇.6 （三）工位一夾具試制.7 三、工位2夾具設計.8 （一）設計原理.8 （二）設計方案.8 1.夾具結構的設計.8 2.加緊機構的設計.9 3.夾具傳動元件的設計.10 4.夾具給力裝置的選擇.10 5.夾具控制裝置的選擇.11 （三）工位二夾具試制.13四、工位3夾具設計.13 （一）設計原理.13 （二）設計方案.14（三）工位三夾具試制.15五、夾具材料選擇.15六、結束語.16參考文獻.17致謝.17引言隨著電腦技術的迅猛發(fā)展，使得電腦硬盤對磁盤讀寫的能力要求越來越高，一個高質量的磁盤驅動臂是硬盤

3、的壽命延遲及磁盤讀寫快速的一個保障。磁盤驅動臂是一種形狀復雜、精度要求較高的支架類零件。所以我們采用精度較高的加工中心進行加工，為了保證其高效率、高質量生產我們采用了工序集中原則。減少多次裝夾所帶來的累計誤差，因此設計出一套快速方便易操作的夾具是非常有必要的。1、 磁盤驅動臂零件簡介：（一）零件圖樣： 圖1-1-1 產品視圖 圖 1-1-2 零件圖(2) 零件結構分析： 通過分析零件圖可以看出，該零件是形狀復雜的支架類零件，主要由主體（Body Arm)、Arm、Pad、Fintail幾部分組成。其中Body Arm上的9.3大孔為軸承孔，精度要求高，2.8的孔是安裝磁頭用的對平行度要求較高，

4、在Arm上有1.8和3.6的孔側面有兩條槽，Body Arm側面還有兩個0.49的小孔，在Fantail角上還有一個0.865的小孔。圖1-2-1 工位一加工的半成品（3） 零件工序介紹及工藝分析 其原材料為鋁擠壓型材，其總共需要三道工序來完成分，其目的就是為了提高產量，在工位一中需一次性加工4片（如圖1-2-1），所以部分結構需在工位二、三中完成。工位一主要加工外輪廓、Fantail、Camel、Arm、 Pad、槽、以及1.8、2.8、3.6、9.3的孔。工位二主要加工外輪廓和Camel的正面倒角。工位三主要加工1.0、1.3的孔及其倒角和外輪廓、Camel的背面倒角。工位一加工工序為銑基

5、準平面加工外輪廓依次加工2.8、1.8、3.6的孔割槽加工Pad及其倒角加工Fantail及其倒角加工Arm鏜9.3的大孔及其倒角依次加工1.8、2.8、3.6和Arm槽的倒角割斷。工位二加工工藝為外輪廓正面倒角Camel正面倒角。工位三加工工藝為外輪廓背面倒角鉆1.0的孔Camel倒角FCBA面的兩個孔1.3的孔及其倒角。由于是批量生產，為了提高生產率同時又簡單已操作而結合加工工藝的分析運用NX軟件設計出的一套專用夾具。三、工位一夾具設計：（一）、夾具的設計原理： 圖3-1-1 工件原材料 圖3-1-2 工位一夾具面 工件在空間具有六個自由度，即沿x、y、z三個直角坐標軸方向的移動自由度和繞

6、這三個坐標軸的轉動自由度 。因此，要完全確定工件的位置，所設計的夾具就必須消除這六個自由度，通常用六個支承點（即定位元件）來限制工件的六個自由度，其中每一個支承點限制相應的一個自由度。根據零件的原材料（鋁擠壓型材）如圖3-1-1及成品零件圖1-1-2中的重要尺寸可對夾具進行設計。經過對零件圖的分析可知，工件對Pad寬度及大孔的尺寸要求是非常的高，所以我選擇了原料Pad側面及和大孔保持一定距離的FCBA面（如圖3-1-1紅色區(qū)域）作為定位的基準面，并從圓弧面施加力，選擇接觸的皆為面面接觸從而控制x方向的移動自由度和繞y的轉動自由度，另外選擇Fantail里的面（如圖3-1-1藍色區(qū)域）作為基準面

7、，對面給予一個子彈頭裝置及一個定位點來控制工件的y方向的移動自由度及繞x和z方向的轉動自由度，在工件的底部設置一個定位銷來控制z方向移動自由度（如圖3-1-2）?？傮w來說，該設計采用了點、線、面相結合的方式控制了零件原材料的六個自由度，用六點定位法設計驅動臂原材料的定位元件時采用定位面、圓柱銷以及子彈頭，可以限制驅動臂原材料的6個自由度，既未產生欠定位，也未產生過定位，從而保證了產品原料在數控機床中裝夾的可靠性和穩(wěn)定性。（2） 設計方案： 1、夾具部件的設計： 圖 3-2-1 工位一夾具 圖 3-2-2 夾具爆炸圖 如圖3-2-1所示為工位一工序加工所用到的夾具，其由M6螺絲擋板6銷棒M5螺絲

8、加緊塊子彈頭夾具面4銷棒底座梯形塊10部分組成（如圖3-2-2）。 整套夾具每個部件都是可拆卸的，其目的就是為了方便更換產品時夾具只需更換其中的部件就行，從而提高工作效率、減少制作夾具的材料浪費。號元件為螺絲其作用是連接夾具面與夾具底座以及將夾具底座與梯形塊連接使其固定在機床的工作臺上。號元件為擋板其作用是放銷棒，其上有七個孔，這表示原材料可以在這上面加工七次，每個孔的距離即為每次加工所用掉材料的長度，其側面有兩個M5的螺紋孔為了將擋板與夾具底座連接，擋板之所以不與夾具底座設計為一體其原因還是考慮到了更換產品時的方便（每種產品每次加工所用料的長度不一樣）,考慮到夾具安裝后，固定底座的螺絲會影響

9、銷棒插入最下面孔，所以將所有的孔在保持孔距不變的情況下整體盡量向上平移。元件為6銷棒其作用是控制驅動臂原料z方向的移動自由度保證加工的穩(wěn)定性。號元件為M5的螺絲起連接夾具底座與擋板的作用。號元件為加緊塊元件其側面兩個孔可與號元件配合使其放在夾具面之中而不掉落，并通過夾具面?zhèn)让媛萁z的螺紋傳 動使其將原料加緊，其另外一面突出的兩個部分與和原料相接觸的部分是保持平行的，這樣加緊后配合夾具面上突出的部分才能控制x方向的移動自由度和繞z及y的轉動自由度。號元件為子彈頭，其結構特點與圓珠筆芯的類似，鋼珠嵌在圓柱體內受力便會縮進去并與接觸上帶有螺紋同時方便調節(jié)，使其緊靠加工原材料。號元件為夾具面，其內部兩處

10、突出部分配合號元件將x方向的移動自由度和繞x、y的轉動自由度限制住。其表面有四個沉頭孔用于將其固定在夾具底座上。號元件為4銷棒，將其插入號元件側面的孔內，可使號元件在空蕩的情況下不掉下來。號元件為夾具底座，其為整套夾具的主體，其作用是支撐各個部件，該底座為通用底座即在更換產品時只需更換相應的部件，這樣就減少了夾具安裝時所浪費的時間。號元件為梯形塊，其與機床工作臺上的梯形槽配合利用螺絲將夾具底座快捷的固定。圖3-2-3 工位一夾具部件2、加緊元件的選擇：工位一中，工件在完全定位后為了保證加工的安全性與穩(wěn)定性需要加緊機構將其加緊，在這套夾具中，選擇螺絲與夾緊塊配合利用螺紋傳動將夾緊塊向里推從而加緊

11、工件原料（如圖3-2-4）。與夾具元件、不同這里采用的螺紋牙型為梯形螺紋，其效率高、牙根強度較大、工藝好，多用于傳動。 圖3-2-4 工位一夾緊圖（3） 工位一夾具試制：圖3-3-1 工位一夾具實體圖四、工位二夾具設計：（一）設計原理： 工位二的夾具同樣是基于六點定位原理所設計的，兩者皆運用了一面兩銷的定位方法來限制工件的六個自由度。工位二中主要加工外輪廓和Camel的正面倒角，所以定位時用A基準面背面、9.3mm的孔、Pad來定位驅動臂工件。A基準面背面定位是限制了工件的三個自由度即z方向的移動和繞x、y旋轉的自由度，大孔采用短銷來限制兩個自由度即x、y方向的移動自由度，在加上Pad旁的防轉

12、銷限制一個自由度即繞z旋轉的自由度（如圖4-1-1）。這樣就限制了工件的六個自由度。 圖 4-1-1 工位二夾具 在工位二夾具設計中所用夾具中的定位銷皆為短銷，這樣才能只限制了x、y方向的移動和繞z方向的旋轉自由度，這樣即有效的避免了定位時出現過定位現象。 綜上所述，工位二中的夾具采用六點定位的方法對工件進行定位時采用支撐板和兩個短銷作為定位元件，來限制驅動臂工件的六個自由度，即沒有欠定位，也沒產生過定位，從而確保了工件在加工時裝夾的可靠性和穩(wěn)定性。(2) 設計方案1、夾具結構的設計: 磁盤驅動臂在完全定位后，在加工中會受到切削力的影響工件位置會產生變化，為了保證定位元件的位置在外力作用下不產

13、生變化，因此必須需要加緊裝置將其加緊固定。 磁盤驅動臂是精度要求較高的薄壁、細長型零件，選用的材料是鋁型材。工位二主要加工半成品，精度要求高、加工余量少且切削余量均勻，為了提高生產效率，故選用氣壓傳動裝置夾緊工件，以達到快速方便的目的。其主要由力源裝置、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件等組成。2、加緊機構的設計： 在工位二中整套夾具中，A為氣缸，B為豎直傳動桿，C為定位銷D、E為水平傳動桿。通過氣缸發(fā)力配合輔助元件和定位元件將驅動臂半成品加緊，為了防止加工中機床刀具與氣缸等夾具元件產生干涉，所以將氣缸固定在定位板的底部配合夾具元件改變氣缸在加緊時的運動方向，這樣使其與加工刀具保持一定的距離，使整體

14、結構更合理。在整套夾具中除了定位元件就主要由加緊元件構成即氣缸、傳動桿、銷、氣閥、氣管、快速接頭等構成。其整體的工作原理主要是由氣源裝置給力，通過氣閥改變氣體的流向來作用于氣缸使其推力桿來回運動并結合傳動桿改變力的方向，實現對驅動臂工件的加緊。圖4-2-1 工位二夾具 3、夾具傳動元件的設計：在工位二中，定位z旋轉自由度的定位基準非常的薄弱，如果對其施力易產生工件的變形，所以選擇了從兩邊需同時給力，保證工件在完全定位的基礎上被加緊。夾具中用一個水平桿和兩個等長的豎直桿將氣缸的活塞桿的上下運動改變成兩側的上下運動，在利用被控制z方向移動的Pin（如圖4-3-1）將上下運動轉變成左右運動，其結構簡

15、單類似于斜鍥式加緊元件。通過銷釘將其與豎直桿連接，再通過銷釘在孔內的上下運動，實現Pin的左右運動。工位三中由于不需要同時被加緊故沒有選擇工位二的加緊結構，但同時需要注意的是加緊時必須是Fantail先被加緊，這樣才能保證加緊后的工件是完全定位。所以設計了兩個大小不一的氣缸，并配合節(jié)流閥將其實現。圖4-3-1 加緊Pin4、夾具給力裝置的選擇：氣缸的原理氣缸是氣動系統(tǒng)中最常用的一種執(zhí)行元件，它具有結構簡單、成本低、污染少、便于維修、動作迅速等優(yōu)點，但由于其推力較小，所以廣泛用于輕載系統(tǒng)。結合工件工藝及整套夾具的需要我們選擇了雙作用氣缸即未加緩沖裝置兩端進氣的缸，圖4-4-1為雙作用氣缸的原理圖

16、，活塞的往返運動均由壓縮空氣來推動，當無桿腔進氣時活塞桿受壓，當有腔桿進氣時活塞桿承受拉力。12345678后端蓋活塞氣筒活塞桿密封圈前端蓋有桿腔前密封圈圖4-4-1 氣缸結構圖氣缸大小的選擇：由作用在活塞桿上的工作載荷和初選的工作壓力，利用下述公式計算出氣缸的直徑D。當活塞桿輸出推力F1克服載荷做功時，氣缸內徑為： （1） 式中，D為氣缸內徑mm；F1為活塞上的推力或稱工作載荷N；p為初選的工作壓力Pa，一般p=（0.31）MPa；為機械效率，當氣缸動態(tài)性能要求和工作頻率較高時，取=0.30.5，速度低時取最大值，速度高時取最小值，當氣缸動態(tài)性能要求一般，工作頻率較低時，可取=0.70.85

17、。 當活塞桿輸出拉力F2克服載荷做功時，氣缸內徑為 （2） 式中，F2為活塞桿的拉力N；d為根據拉力預先估計活塞桿的直徑mm， 估計活塞桿直徑可按照dD=0.20.3（也可按dD=0.160.4)選取。 根據參考文獻5可知把dD=0.160.4代入式（2）中得： （3） 實際生產中需要克服切削力即工作載荷約80N，工作壓力P為1MPa,由于工作頻率較高所以機械效率取0.3，由此可根據公式（1）可得氣缸無桿腔的直徑D=4×80/（×1×0.3）18.5mm及有桿腔直徑根據公式（3）可得D20.5mm5、夾具控制裝置的選擇：方向控制閥的選擇：方向控制閥就是用以改變管道

18、內氣體流向的控制元件，根據工件加工的需要通過方向控制閥對氣體流向的改變來控制氣缸并帶動整套夾具的運動。為了結合實際并在減少成本的基礎上選擇人力控制換向閥，其利用人的手來操縱閥桿，改變閥芯的位置，實現氣流的換向，見（圖4-5-1）a，A為進氣口，P、T為出氣口通過中心干的上下運動來實現閉路和通路。圖形符號上的缺口數表示有幾個定位位置。手動閥除了彈簧復位外，也有采用氣壓復位的，有點是具有記憶性，即不加氣壓信號，氣閥能保持原位而不復位。 圖4-5-1 方向控制閥結構圖單向節(jié)流閥： 節(jié)流閥是通過改變節(jié)流截面或節(jié)流長度以控制氣體流量的閥門，其開閉件的形狀大多為圓錐流線型，通過它改變通道截面積而達到調節(jié)流

19、量和壓力。從而達到氣缸給力的先后順序及避免了氣缸給力過大對工件造成損傷。1234567頂蓋導套閥體下閥芯復位彈簧底座上閥芯4-5-2 單向節(jié)流閥結構圖3、 工位二的夾具試制：4-5-3 工位二夾具實體圖四、工位三的夾具設計： （一）設計原理：與工位二原理相同工位三由于加工工件的背面，所以定位時用了A基準面、9.3mm的孔、Fantail來進行定位驅動臂工件（如圖4-1-2）。 圖 4-1-1 工位三夾具由于在工位三中需要配合B軸的旋轉來加工側面的兩個小孔（如圖4-1-4），側面必須在B軸旋轉后保證其是水平，所以將限制z方向旋轉自由度的防轉銷設計在Fantail的旁邊，讓后從另一面施加一個力將驅

20、動臂工件完全固定。圖4-1-2工件側面圖（2） 設計方案：圖4-2-1 工位三夾具圖4-2-1中A為氣缸1，B為氣缸2，C為定位銷，D為加緊Pin。工位三中所用的氣缸結構與工位二有所不同，工位三中所用的兩個氣缸必須由氣缸2先加緊，這樣才能保證所加工的工件能夠完全定位，在氣缸2定位加緊后氣缸1發(fā)力將整個工件固定，整個結構必須由單向節(jié)流閥控制氣流的大小來實現。其余部件的選擇與工位二夾具基本一致。（3） 工位三夾具試制：圖4-3-1 工位三夾具實體五夾具材料的選擇：在工位一中夾具的底座用HT200，因為鑄鐵類零件不容易產生變形，而剛容易變形，變形了影響使用甚至是不能使用。因為在工位一中夾具不與成品直接接觸故其他部件用45鋼，因為45鋼加工性良好，相比較鑄鐵要耐磨損，塑性好，抗疲勞性也好些。受驅動臂材料的影響，在工位二、三中，由于驅動臂成品要與夾具直接接觸，