機(jī)用虎鉗設(shè)計(jì)

摘要夾具對于保證加工精度，提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，緩解工人勞動(dòng)強(qiáng)度，擴(kuò)大機(jī)床的工藝范圍等都具有重要意義。夾具是工藝裝備的重要組成部分，在機(jī)械制造行業(yè)中具有舉足輕重的地位。近年來，夾具在國內(nèi)外也正在逐漸形成為一個(gè)依附于機(jī)床業(yè)或獨(dú)立的小行業(yè)。本文主要使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件（creo2.0）完成機(jī)用虎鉗的整體機(jī)構(gòu)建模與裝配，并加載伺服電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，得出結(jié)論。研究發(fā)現(xiàn)，虎鉗具有結(jié)構(gòu)緊湊，夾緊力度強(qiáng)，易于操作使用等特點(diǎn)，很適合中小型銑床、鉆床以及平面磨床等機(jī)械設(shè)備使用。通過該課題研究，加強(qiáng)對夾具原理設(shè)計(jì)以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等方面的系統(tǒng)化認(rèn)識(shí)，加深對先進(jìn)設(shè)計(jì)、智能制造的理解。關(guān)鍵詞機(jī)用虎鉗計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)仿真目錄第一章緒論 11.1國內(nèi)外夾具設(shè)計(jì)的發(fā)展背景 11.2課題背景及意義 2第二章機(jī)用虎鉗概述 32.1機(jī)床夾具概述 32.1.1夾具的分類 42.2.2夾具的原理 42.2機(jī)用虎鉗的作用與結(jié)構(gòu) 52.3機(jī)用虎鉗的工作原理 62.4機(jī)用虎鉗使用的注意事項(xiàng) 7第三章機(jī)用虎鉗三維設(shè)計(jì) 83.1Creo2.0概述 83.2Creo2.0的選用理由 93.3機(jī)用虎鉗主要零件設(shè)計(jì) 9第四章機(jī)用虎鉗運(yùn)動(dòng)仿真 25致謝 27參考文獻(xiàn) 28機(jī)用虎鉗設(shè)計(jì)與仿真分析PAGE28第一章緒論1.1國內(nèi)外夾具設(shè)計(jì)的發(fā)展背景作為機(jī)電產(chǎn)品制造中不可或缺的四大工具（刀具、夾具、量具、模具）之一，夾具對于保證加工精度，提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，擴(kuò)大機(jī)床的工藝范圍，縮短產(chǎn)品試制周期等都具有重要意義。夾具是工藝裝備的重要組成部分，在機(jī)械制造行業(yè)中具有舉足輕重的地位。近10余年來，單件、小批量生產(chǎn)正逐漸成為現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)新的生產(chǎn)模式。在這種模式下，發(fā)達(dá)國家普遍采用計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助工程分析(CAE)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，這同時(shí)也對加工機(jī)床及機(jī)床夾具提出了更高的柔性要求，以求縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間、降低生產(chǎn)成本。按照單一品種設(shè)計(jì)出來的專用夾具已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)發(fā)展的需求，在這種情況下，組合夾具的出現(xiàn)是必然的。組合夾具正好能夠適應(yīng)單件、小批量生產(chǎn)的模式，它對縮短工藝裝備的設(shè)計(jì)、制造周期，以及產(chǎn)品換型后對原有工裝夾具延續(xù)使用起到至關(guān)重要的作用。圖1-1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造雖然我國趕超世界發(fā)達(dá)國家的步伐越來越快，借鑒“德國工業(yè)4.0”，也提出了“中國制造2025”的概念，但由于起步晚，底子薄，與德國、美國、日本等先進(jìn)水平相比，仍然還有較大差距。為了提高我國數(shù)字化產(chǎn)品在國際市場中的競爭力，我們必須加強(qiáng)先進(jìn)設(shè)計(jì)方面的研究。1.2課題背景及意義本課題來源于德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)要求是：設(shè)計(jì)一機(jī)用虎鉗，使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件（creo2.0）完成整體機(jī)構(gòu)建模與裝配，并加載伺服電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，得出結(jié)論。機(jī)用虎鉗具有結(jié)構(gòu)緊湊，夾緊力度強(qiáng)，易于操作使用等特點(diǎn)，很適合中型銑床、鉆床以及平面磨床等機(jī)械設(shè)備使用。通過該項(xiàng)研究，系統(tǒng)加強(qiáng)對夾具原理設(shè)計(jì)以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等方面的認(rèn)識(shí)，加深對先進(jìn)設(shè)計(jì)、智能制造的理解。第二章機(jī)用虎鉗概述2.1機(jī)床夾具概述機(jī)床夾具是機(jī)床上用以裝夾工件（和引導(dǎo)刀具）的一種裝置。其作用是將工件定位，以使工件獲得相對于機(jī)床和刀具的正確位置，并把工件可靠地夾緊。圖2-1a)機(jī)床夾具b)機(jī)床夾具c)機(jī)床夾具2.1.1夾具的分類（1）通用夾具特點(diǎn)是適應(yīng)性廣，生產(chǎn)效率低，主要適用于單件、小批量的生產(chǎn)中。（2）專用夾具特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，操作迅速、方便，可以保證較高的加工精度和生產(chǎn)效率。（3）通用可調(diào)夾具和成組夾具該類夾具特點(diǎn)是夾具的部分元件可以更換，部分裝置可以調(diào)整，以適應(yīng)不同零件的加工。（4）組合夾具組合夾具特點(diǎn)是靈活多變，萬能性強(qiáng)，制造周期短、元件能反復(fù)使用，特別適用于新產(chǎn)品的試制和單件小批生產(chǎn)。（5）隨行夾具隨行夾具是一種在自動(dòng)線上使用的夾具。該夾具既要起到裝夾工件的作用，又要與工件成為一體沿著自動(dòng)線從一個(gè)工位移到下一個(gè)工位，進(jìn)行不同工序的加工。2.2.2夾具的原理（1）定位元件它與工件的定位基準(zhǔn)相接觸，用于確定工件在夾具中的正確位置，從而保證加工時(shí)工件相對于刀具和機(jī)床加工運(yùn)動(dòng)間的相對正確位置。（2）對刀、引導(dǎo)元件或裝置這些元件的作用是保證工件與刀具之間的正確位置。（3）夾緊裝置用于夾緊工件，在切削時(shí)使工件在夾具中保持既定位置。（4）連接元件使夾具與機(jī)床相連接的元件，保證機(jī)床與夾具之間的相互位置關(guān)系。（5）夾具體用于連接或固定夾具上各元件及裝置，使其成為一個(gè)整體的基礎(chǔ)件。它與機(jī)床有關(guān)部件進(jìn)行連接、對定，使夾具相對機(jī)床具有確定的位置。（6）其它元件及裝置有些夾具根據(jù)工件的加工要求，要有分度機(jī)構(gòu)，銑床夾具還要有定位鍵等。以上這些組成部分，并不都是缺一不可的，但是任何夾具都必須有定位元件和夾緊裝置，它們是保證工件加工精度的關(guān)鍵，目的是使工件定準(zhǔn)、夾牢。圖2-2夾具的原理2.2機(jī)用虎鉗的作用與結(jié)構(gòu)機(jī)用虎鉗是安裝在機(jī)床工作臺(tái)上，用于夾緊工件，以便進(jìn)行切削加工的一種通用工具。固定鉗身可安裝在機(jī)床的工作臺(tái)上，起固定機(jī)座作用。轉(zhuǎn)動(dòng)手柄可以旋轉(zhuǎn)絲杠，絲杠通過螺旋孔帶動(dòng)滑塊左右運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)滑塊上面帶著活動(dòng)鉗口，這樣，活動(dòng)鉗口和固定鉗口一起就可以實(shí)現(xiàn)工件的夾緊和松開。圖2-3機(jī)用虎鉗結(jié)構(gòu)圖機(jī)用虎鉗主要由以下幾個(gè)部件組成：①底座：用來支撐底盤及鉗體；②底盤：用來支掌鉗體，并可帶動(dòng)鉗體旋轉(zhuǎn)；③鉗體：安裝在底座上面，用來和支掌活動(dòng)掌及工件；④活動(dòng)掌：用來收緊或放松鉗身，從而夾緊工件；⑤鉗口：夾緊工件時(shí)鉗口接觸工件的部份，可置換；⑥壓板：用來活動(dòng)掌固定在鉗體上；⑦絲杠：用來連接鉗體與活動(dòng)掌，并帶動(dòng)活動(dòng)掌作軸向運(yùn)動(dòng)；⑧手柄：安裝在絲杠右端，使絲杠作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；⑨螺栓、螺母：用來固定虎鉗的各部件。2.3機(jī)用虎鉗的工作原理它的結(jié)構(gòu)是由鉗體、底座、導(dǎo)螺母、絲杠、鉗口體等組成?；顒?dòng)鉗身通過導(dǎo)軌與固定鉗身的導(dǎo)軌作滑動(dòng)配合。絲杠裝在活動(dòng)鉗身上，可以旋轉(zhuǎn)，但不能軸向移動(dòng)，并與安裝在固定鉗身內(nèi)的絲杠螺母配合。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄使絲杠旋轉(zhuǎn)，就可以帶動(dòng)活動(dòng)鉗身相對于固定鉗身作軸向移動(dòng)，起夾緊或放松的作用。彈簧借助擋圈和開口銷固定在絲杠上，其作用是當(dāng)放松絲杠時(shí)，可使活動(dòng)鉗身及時(shí)地退出。在固定鉗身和活動(dòng)鉗身上，各裝有鋼制鉗口，并用螺釘固定。鉗口的工作面上制有交叉的網(wǎng)紋，使工件夾緊后不易產(chǎn)生滑動(dòng)。鉗口經(jīng)過熱處理淬硬，具有較好的耐磨性。固定鉗身裝在轉(zhuǎn)座上，并能繞轉(zhuǎn)座軸心線轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)到要求的方向時(shí)，扳動(dòng)夾緊手柄使夾緊螺釘旋緊，便可在夾緊盤的作用下把固定鉗身固緊。轉(zhuǎn)座上有三個(gè)螺栓孔，用以與鉗臺(tái)固定。圖2-4機(jī)用虎鉗原理圖圖2-5機(jī)用虎鉗裝配圖2.4機(jī)用虎鉗使用的注意事項(xiàng)（1）安裝時(shí)，必須使固定鉗口的一部分突出于鉗臺(tái)外緣，這樣在夾持長條形工件的時(shí)候，鉗臺(tái)外緣不會(huì)干涉工件。（2）固定在鉗臺(tái)上的時(shí)候，三個(gè)壓緊螺釘必須扳緊，不能使虎鉗鉗身在零件加工過程中出現(xiàn)松動(dòng)，否則會(huì)損壞虎鉗和影響加工精度。（3）在夾緊工件時(shí)，只許用手的力量扳動(dòng)手柄，絕不允許用錘子或其他套筒扳動(dòng)手柄，以免絲杠、螺母或鉗身受到損壞。（4）裝卸工件需要敲擊時(shí)，應(yīng)該在固定鉗身的平臺(tái)上進(jìn)行，不能在鉗口上敲擊工件，以免損壞鉗口。（5）絲杠、螺母和其他滑動(dòng)表面要求經(jīng)常保持清潔，并加油潤滑。第三章機(jī)用虎鉗三維設(shè)計(jì)近年來計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)之所以能迅速發(fā)展，主要是因?yàn)樗梢蕴岣咴O(shè)計(jì)效率、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、實(shí)現(xiàn)智能設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方便快捷、效率高，大型設(shè)計(jì)可以數(shù)人同時(shí)操作；易修改，后期處理方便，數(shù)套設(shè)計(jì)方案可以同時(shí)推出；它的表現(xiàn)手段豐富，視覺沖擊強(qiáng)烈。但是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)帶來方便的同時(shí)也對設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求，設(shè)計(jì)人員需要具備扎實(shí)的功底和熟練的操作技能。3.1Creo2.0概述圖3-1Creo2.0界面2012年3月，PTC公司推出正式版Creo2.0。Creo是一組可伸縮的、可互操作的產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件，可快速實(shí)現(xiàn)價(jià)值，功能覆蓋整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域，空前的互操作性，可確保在內(nèi)部和外部團(tuán)隊(duì)之間輕松共享數(shù)據(jù)。Creo的產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用程序使企業(yè)中的每個(gè)人都能使用最適合自己的工具，因此，他們可以全面參與產(chǎn)品開發(fā)過程。Creo2.0是目前工作中最優(yōu)秀的2D和3DCAD軟件，具備互操作性、開放、易用三大特點(diǎn)，軟件整合了PTC公司的三個(gè)軟件Pro/Engineer的參數(shù)化技術(shù)、CoCreate的直接建模技術(shù)和ProductView的三維可視化技術(shù)，能夠?yàn)橛脩粼O(shè)計(jì)出富有創(chuàng)意的三維產(chǎn)品。3.2Creo2.0的選用理由Creo2.0在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造方面屬于中檔以上的設(shè)計(jì)軟件，非常具有先進(jìn)性。同時(shí)，該軟件操作簡單、容易上手，操作界面比較人性化，特別是參數(shù)化設(shè)計(jì)，對于操作者來說是更自然，更直觀，無需采用復(fù)雜的幾何設(shè)計(jì)方式。所以在本次畢業(yè)課題設(shè)計(jì)中選用該軟件。圖3-2a)零件模式下的工具欄b)組件模式下的工具欄c)工程圖模式下的工具欄3.3機(jī)用虎鉗主要零件設(shè)計(jì)（1）鉗體設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的定位為一般的小型機(jī)用虎鉗，所以設(shè)計(jì)鉗體的三維尺寸為長184mm、寬126mm、高84mm。內(nèi)槽兩側(cè)開有退位槽，這樣可以增大虎鉗的行程。考慮到安裝要求，對稱添加四個(gè)耳板，半徑R28。圖3-3鉗體零件圖新建文件依次點(diǎn)擊“新建”→“零件”→“實(shí)體”，將文件名記為零件“qianti”，最后點(diǎn)擊“確定”進(jìn)入設(shè)計(jì)界面。創(chuàng)建特征點(diǎn)擊“拉伸”按鈕，進(jìn)入草繪模式。創(chuàng)建草繪，拉伸深度為25，單擊“確定”，完成創(chuàng)建。③創(chuàng)建導(dǎo)軌選擇側(cè)面螺桿支撐座的側(cè)面為草繪平面，創(chuàng)建矩形，然后拉伸127mm，得到導(dǎo)軌實(shí)體。創(chuàng)建固定鉗口的固定體將鉗體的上端面作為草繪平面，創(chuàng)建矩形，拉伸100mm。⑤添加左右耳板點(diǎn)擊“拉伸”按鈕，進(jìn)入草繪模式。創(chuàng)建圓形，拉伸深度為8，單擊“確定”，完成創(chuàng)建。創(chuàng)建“孔”特征單擊特征工具欄中“拉伸”按鈕，單擊“放置”→“定義”，點(diǎn)擊相應(yīng)位置作為草繪平面，單擊“草繪”按鈕，進(jìn)入草繪模式。最后選擇去除材料，拉伸得到孔眼。⑦最后還需要?jiǎng)?chuàng)建“螺紋孔”特征圖3-4a)鉗體三維視圖b)鉗體仰視圖c)鉗體俯視圖（2）活動(dòng)鉗身設(shè)計(jì)活動(dòng)鉗身主要承載活動(dòng)鉗口，還要連接螺桿。所以鉗身上端設(shè)計(jì)螺紋孔，用于螺桿的連接，側(cè)邊采用弧形設(shè)計(jì)，以方便必要的時(shí)候生產(chǎn)加工人員手工操作。圖3-5活動(dòng)鉗身零件圖采用相同的建?！安堇L”、“拉伸”方法，首先創(chuàng)建底板，然后創(chuàng)建上部實(shí)體，最后打通孔。得到上滑塊的三維視圖和俯視圖如下：①創(chuàng)建底板特征②創(chuàng)建鍵槽特征選擇板的側(cè)表面為草繪平面，選擇“拉伸”進(jìn)入草繪模式。最后選擇去除材料，得到鍵槽。③創(chuàng)建“孔”特征④最后創(chuàng)建固定鉗口的支撐座圖3-6a)活動(dòng)鉗身主視圖b)活動(dòng)鉗身左視圖（3）螺桿的設(shè)計(jì)圖3-7螺桿零件圖螺桿的具體尺寸如上圖所示，在參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，絲杠螺紋進(jìn)行45°倒角，螺距為3。具體創(chuàng)建過程如下：創(chuàng)建“絲杠主體”特征單擊特征工具欄中“旋轉(zhuǎn)”按鈕，然后依次點(diǎn)擊“放置”→“定義”，選擇右面為草繪平面，進(jìn)入草繪模式后單擊“直線”選項(xiàng)。創(chuàng)建“絲杠螺紋”特征單擊工具欄中的“插入”按鈕，依次選擇“螺紋掃描”→“切口”→“常數(shù)——穿過軸—右手定則—完成”→“TOP—正向—缺省”，輸入螺距。最后點(diǎn)擊對話框中“確定”按鈕，完成“螺紋”創(chuàng)建。③在螺桿的端部開Φ9的孔，以便安裝手柄。圖3-8a)絲杠三維建模圖（4）鉗口的設(shè)計(jì)鉗口包括活動(dòng)鉗口和固定鉗口。①鉗口主體設(shè)計(jì)在草繪模式中創(chuàng)建草圖如下：“拉伸”深度為10。②創(chuàng)建“錐孔”特征選擇“Front”平面作為草繪平面。③創(chuàng)建“紋路”特征單擊按鈕，選擇直線進(jìn)入草繪模式。選擇“陣列”，以方向分布，選取右側(cè)面，數(shù)量為20，距離為6。圖3-9a)鉗口板三維建模b)鉗口板零件圖（5）其它附件的設(shè)計(jì)附件主要是指螺釘、手柄、手柄球、定位銷等等。螺釘圖3-10a)螺釘尺寸b)螺釘三維建模手柄圖3-11a)手柄尺寸b)手柄三維建模c)手柄兩端開Φ3.2孔手柄球圖3-12a)手柄球尺寸b)手柄球與手柄裝配卡套圖3-13a)卡套尺寸b)卡套三維側(cè)視圖c)卡套三維俯視圖緊定銷圖3-14緊定銷尺寸滑鍵圖3-15a)滑鍵尺寸b)滑鍵三維視圖（6）裝配圖圖3-16機(jī)用虎鉗剖視圖圖3-17三維裝配圖圖3-18三維側(cè)視圖最后的總裝配圖如下所示：第四章機(jī)用虎鉗的運(yùn)動(dòng)仿真機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)是一種建立在機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)理論和計(jì)算機(jī)實(shí)用技術(shù)基礎(chǔ)上的新技術(shù)，涉及建模、運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)等方面的內(nèi)容，主要是利用計(jì)算機(jī)來模擬機(jī)械系統(tǒng)在真實(shí)環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性，并根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)要求和仿真結(jié)果，修改設(shè)計(jì)參數(shù)直至滿足機(jī)械性能指標(biāo)要求或?qū)φ麄€(gè)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。運(yùn)動(dòng)仿真是設(shè)計(jì)過程中不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)，通過運(yùn)動(dòng)仿真可以查看設(shè)計(jì)方案是否合理、運(yùn)動(dòng)和力學(xué)性能參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)要求、零部件在運(yùn)動(dòng)過程中是否存在干涉問題等等。所以在最后一章，我們進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真來檢測設(shè)計(jì)結(jié)果。首先將鉗體與固定鉗口用剛性連接在一起組成一個(gè)部分記為f0，再將上滑塊、下滑塊、活動(dòng)鉗口、螺釘用剛性連接在一起記為f1，最后將f0和f1通過絲杠連接在一起，裝配完成。在裝配好的基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真，在絲杠和下滑塊以及鉗體上裝配伺服電動(dòng)機(jī)，之后進(jìn)行分析就可以讓機(jī)用虎