劉遠(yuǎn)娟

（廣東省河源市高級(jí)技工學(xué)校，廣東河源 517000）

連接桿固定式鉆模夾具的設(shè)計(jì)

劉遠(yuǎn)娟

（廣東省河源市高級(jí)技工學(xué)校，廣東河源 517000）

闡述連接桿固定式鉆模夾具的設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)分析連接桿定位方案、夾緊方案及夾緊裝置的設(shè)計(jì)、鉆床夾具的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鉆模夾具精度的驗(yàn)算等。該鉆模夾具能高效、準(zhǔn)確完成對(duì)連接桿的定位、裝夾、加工，并能提高加工效率，降低生產(chǎn)成本。

連接桿；鉆模；夾具設(shè)計(jì)

0 引言

在機(jī)械制造各類工序中（如機(jī)加工、檢測(cè)、焊接等），使用著大量不同類型的機(jī)床夾具，它們是機(jī)床和工件之間的連接裝置，使工件相對(duì)于機(jī)床或刀具獲得正確的位置。機(jī)床夾具的好壞將直接影響工件加工表面的位置精度。由于機(jī)床夾具各機(jī)構(gòu)（如定位、夾緊機(jī)構(gòu)）的復(fù)雜程度決定了夾具的設(shè)計(jì)難度，尤其是加工一些典型工件時(shí)，如：連接桿、拔叉等此類零件，將給夾具設(shè)計(jì)者帶來一定的困難和挑戰(zhàn)，甚至影響企業(yè)的生產(chǎn)和效益。因此，機(jī)床夾具的設(shè)計(jì)是裝備設(shè)計(jì)中一項(xiàng)重要的工作。為了能給同行特別是缺乏設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的工程技術(shù)人員提供幫助和參考，本文作者以河源市某機(jī)械加工廠生產(chǎn)500件連接桿為例，對(duì)連接桿固定式鉆模夾具設(shè)計(jì)的過程進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 鉆模夾具設(shè)計(jì)任務(wù)

設(shè)計(jì)在立式鉆床上加工連接桿零件上孔?16H9的鉆模夾具。工件數(shù)量為500件小批量生產(chǎn)。零件圖如圖1所示。

2 連接桿加工工藝分析

（1）加工要求

連接桿上除?16H9孔外，其余表面均已加工，所設(shè)計(jì)的鉆模保證兩孔的精度要求如下：1）待加工孔?16H9和已加工孔?3mm的距離尺寸為120±0.06 mm；

（2）加工工藝

該工件的結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則，臂部剛性不足，加工孔?16H9位于懸臂結(jié)構(gòu)處，且該孔尺寸和形位精度和表面粗糙度要求高，故工藝規(guī)規(guī)中分鉆、擴(kuò)、鉸多個(gè)工序。

3 確定鉆模夾具方案

本專用鉆模用于鉆連接桿的?16H9鉆削加工。由于加工精度不高，屬于單工步工序應(yīng)采用固定鉆套。鉆模在設(shè)計(jì)制造時(shí)應(yīng)注意安裝位置的平穩(wěn)性及切屑的排出等問題。本工序（?16H9孔的鉆、擴(kuò)、鉸）之前已加工完各平面和內(nèi)孔?36，提供了本工序的加工定位基準(zhǔn)。為此，根據(jù)加工要求確定定位方案為完全定位，夾緊機(jī)構(gòu)采用螺旋夾緊機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)單可靠。本工序采用立式鉆床加工，刀具為標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆、擴(kuò)鉆、機(jī)用鉸刀。機(jī)床與刀具均為通用型號(hào)，故夾具設(shè)計(jì)應(yīng)使其適應(yīng)機(jī)床與刀具，由于是小批量生產(chǎn)，夾具的結(jié)構(gòu)力求簡(jiǎn)單，易于制造，操作方便。

圖1 連接桿

4 確定定位方案及定位元件[1]

（1）確定定位方案

在本工序加工前，所有平面和?36+00.025mm孔均已加工達(dá)到要求，為定位基準(zhǔn)的選擇提供了有利條件。由于待加工孔的位置在三個(gè)坐標(biāo)方向都有要求，所以，應(yīng)按完全定位方式來消除工件的自由度。即六點(diǎn)定位，用適當(dāng)分布的六個(gè)約束點(diǎn)限制連接桿的六個(gè)自由度。

（2）選用定位元件

針對(duì)上述定位方案，為實(shí)現(xiàn)上述定位方案，定位元件的具體選擇如下。

2）銷軸圓柱面 通過銷軸圓柱面與?36+00.025mm孔配合，來消除2個(gè)自由度，即x→、y→。

3）可調(diào)節(jié)支承釘 通過可調(diào)支承釘與臂部?32 mm圓臺(tái)的外圓周一側(cè)接觸，用來消除1個(gè)自由度，即。

圖2 定位方案

5 夾緊方案及夾緊裝置的設(shè)計(jì)

根據(jù)夾緊力應(yīng)朝向主要定位基準(zhǔn)，并使其作用點(diǎn)落在工件剛性好的部位的原則，在加工?16H9孔時(shí)，為了提高裝夾效率，本次夾緊裝置選用快速螺旋壓板機(jī)構(gòu)如圖3所示，使夾緊力W作用在?36mm孔的上端面上。臂部?32mm圓臺(tái)底面靠螺旋輔助支承受鉆孔的軸向力，因此，此位置不需要施加夾緊力。對(duì)于鉆削時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，一方面依靠快速螺旋壓板機(jī)構(gòu)夾緊力產(chǎn)生的摩擦阻力來平衡，另一方面則由可調(diào)支承釘?shù)淖璧K作用平衡。本夾緊機(jī)構(gòu)采用手動(dòng)夾緊，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，夾緊方便，自鎖性好，安全省力的特點(diǎn)。符合夾具的基本要求，也符合夾緊力三要素的選擇原則，很適合小批量生產(chǎn)。

圖3 定位元件和夾緊機(jī)構(gòu)

6 鉆床夾具的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[2]

根據(jù)連接桿定位、夾緊的需要，鉆床夾具結(jié)構(gòu)主要由定位裝置、夾緊裝置、輔助裝置和夾具體組成。

（1）定位裝置的設(shè)計(jì)

1）銷軸。 銷軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要是由工件結(jié)構(gòu)、夾緊方式、夾具體的結(jié)構(gòu)、定位方案來確定。本銷軸要同時(shí)消除三個(gè)移動(dòng)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)共五個(gè)自由度。銷軸一端通過雙螺母固定在夾具體上，同時(shí)另一端螺紋通過快速螺旋壓板機(jī)構(gòu)夾緊工件。

連接桿孔徑?36 mm與銷軸軸徑?36 mm處配合，該配合處的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是上下移動(dòng)和小幅度的轉(zhuǎn)動(dòng)（裝拆），根據(jù)配合類別選擇的基本原則，可選擇較小配合間隙，故此優(yōu)先選擇H7/g6間隙配合；銷軸?20 mm與夾具體的配合類別選擇，主要是為了方便裝拆，借用緊固件可以傳遞一定的載荷，故此優(yōu)先選擇H7/k6過渡配合。經(jīng)多次試驗(yàn)和調(diào)整，確定銷軸設(shè)計(jì)成圖4所示。

2）六角支承釘。 六角支承釘（可調(diào)）主要作用是消除工件的一個(gè)自由度。由于六角支承釘已標(biāo)準(zhǔn)化了，可從GB2227-80選取M10X40。

3）輔助螺旋支承。 因本夾具夾緊力作用點(diǎn)遠(yuǎn)離切削力，為了提高工件裝夾剛性和穩(wěn)定性，宜在工件定位后，在?16H9下方增設(shè)螺旋輔助支承（用M30螺紋擰緊）。因它不起定位作用，而是在定位夾緊后，微調(diào)高度與工件接觸。為了讓開鉆頭并有利排屑，螺旋支承制成中空通孔?20 mm（比?16 mm大），高度調(diào)好后由M30鎖緊螺母鎖緊。一般情況下同一批零件輔助支承不進(jìn)行調(diào)整，零件換批后需進(jìn)行調(diào)整。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成如圖5所示。

圖4 銷軸

圖5 輔助螺旋支承

（2）夾緊裝置的設(shè)計(jì)

1）夾緊機(jī)構(gòu) 經(jīng)過對(duì)夾緊力大小的估算和實(shí)際切削實(shí)驗(yàn)，夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成螺旋夾緊機(jī)構(gòu)（如圖3所示），為了簡(jiǎn)化夾具的結(jié)構(gòu)，在定位心軸上直接加工出M16螺栓，選用M16螺母擰緊。

2）開口墊圈 開口墊圈將螺母旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力傳遞到連接桿?36 mm端面上，實(shí)現(xiàn)對(duì)連接桿的夾緊（如圖3所示）。開口墊圈已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了，它的結(jié)構(gòu)可以根據(jù)心軸螺紋公稱直徑M16從標(biāo)準(zhǔn)GB/T851-1988中選取。

（3）輔助裝置的設(shè)計(jì)

1）鉆套設(shè)計(jì) 鉆套是確定刀具位置和方向的導(dǎo)向元件。它在鉆模中的作用是確定鉆頭、擴(kuò)孔鉆、鉸刀等刀具中心線的位置，保證被加工孔的位置精度。同時(shí)也能提高刀具的剛性，防止鉆頭加工時(shí)偏斜和振動(dòng)，有利于提高孔的尺寸、形狀、位置精度，降低表面粗糙度。此外，由于加工時(shí)不需要?jiǎng)澗€和找正，工序時(shí)間縮短，因而可顯著提高生產(chǎn)效率。

按結(jié)構(gòu)和使用情況有固定鉆套、快換鉆套、可換鉆套和特殊鉆套四種。根據(jù)連接桿圖紙分析得知，?16H9孔加工精度較高，表面粗糙度達(dá)Ra1.6μm。故應(yīng)采用鉆、擴(kuò)、鉸三個(gè)工步完成加工。對(duì)應(yīng)的需設(shè)計(jì)三個(gè)鉆套來滿足加工的需求。為了減少更換鉆套的時(shí)間，本次采用鉆、擴(kuò)、鉸孔快換鉆套。鉆、擴(kuò)、鉸孔快換鉆套導(dǎo)引孔的尺寸及公差帶具體設(shè)計(jì)如下。

①鉆孔 先用?15.2 mm標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆鉆孔。?15.2 mm標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆的最大極限尺寸就是?15.2 mm，按照鉆孔鉆套導(dǎo)引孔設(shè)計(jì)原則，導(dǎo)引孔公差帶應(yīng)選用F7，故鉆孔鉆套導(dǎo)引孔尺寸及公差帶為 ?15.2F7，即導(dǎo)引孔徑為15.216～15.234 mm。

②擴(kuò)孔 再用?16 mm的1號(hào)擴(kuò)孔鉆擴(kuò)孔。根據(jù)GB/T4256-2004，?16 mm的1號(hào)擴(kuò)孔鉆的尺寸為?15.75～?15.79 mm。同樣，按照擴(kuò)孔鉆套導(dǎo)引孔設(shè)計(jì)原則，導(dǎo)引孔公差帶也應(yīng)選用F7，故擴(kuò)孔鉆套導(dǎo)引孔尺寸及公差帶為?15.79 F7，即導(dǎo)引孔徑為15.806～15.824 mm。

③鉸孔 最后用?16H9的標(biāo)準(zhǔn)鉸刀鉸孔。鉸孔選用GB/T1132-2004的標(biāo)準(zhǔn)鉸刀，其尺寸為?16H9，根據(jù)鉸孔時(shí)導(dǎo)引孔的設(shè)計(jì)原則，故可決定鉸孔鉆套導(dǎo)引孔尺寸及公差為?16E7。即導(dǎo)引孔徑為16.032～16.050 mm。

④鉆套長(zhǎng)度（H） 鉆套的導(dǎo)向長(zhǎng)度H對(duì)刀具的導(dǎo)向作用影響很大，H較大時(shí)，刀具在鉆套內(nèi)不易產(chǎn)生偏斜，但會(huì)加快刀具與鉆套的的磨損；H過小時(shí)，則鉆孔時(shí)導(dǎo)向性不好。通?？讖皆?12 mm以上的或加工工件孔距精度要求在±0.06～±0.1 mm時(shí)，鉆套高度H=（2.5～3.5）d。因此，此次鉆套高度選擇范圍是H=（2.5～3.5）×16=40～56 mm。

此外，在鉆模設(shè)計(jì)時(shí)需考慮鉆套高度要適中，過低導(dǎo)引性能差，過高會(huì)增加磨損。鉆套裝在鉆模板上后，鉆套底部與連接桿加工表面應(yīng)有適當(dāng)?shù)呐判奸g隙（S），以利于排屑。S=（0.5～1.0）d。S取8～16 mm。

快換鉆套的結(jié)構(gòu)可從標(biāo)準(zhǔn)JB/T8045.3-1999選取。

2）襯套 為避免頻繁更換鉆套時(shí)損壞鉆模板，在快換鉆套和鉆模板之間加裝一個(gè)襯套。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，快換鉆套與襯套之間通常采用H6/g5或H7/g6配合，而襯套與鉆模板之間常用H7/n6或H7/r6配合。本次分別選用H6/g5和H7/r6配合（如圖6所示）。

圖6 襯套

3）鉆模板的設(shè)計(jì) 鉆模板通常是裝配在夾具體或支架上，或與夾具體上的其他元件相連接。常見的有以下幾種類型：固定式鉆模板、翻轉(zhuǎn)式鉆模板、回轉(zhuǎn)式鉆模板、滑柱式鉆模板、蓋板式鉆模板等不同的總體形式。根據(jù)被加工連接桿的形狀、尺寸大小、加工內(nèi)容及選用機(jī)床等，并考慮孔的加工精度和模板裝拆方便，鉆模板按固定式結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)。鉆模板與夾具體之間通過圓錐銷和螺釘進(jìn)行定位和固定，在裝配時(shí)要注意保證?16 mm孔鉆套中心線和螺旋輔助支承的中心線共線，鉆模板的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7所示。

4）鉆模板支架的設(shè)計(jì) 鉆模板支架是連接夾具體和鉆模板的部件，通常是通過銷釘、螺釘進(jìn)行定位和連接。其結(jié)構(gòu)和形狀設(shè)計(jì)如圖8所示。

（4）夾具體的設(shè)計(jì)

夾具體用于將各種元件、裝置連接為一體，并通過它將整個(gè)夾具安裝在機(jī)床上。夾具體是整個(gè)夾具的基體和骨架，要服從所有元件、機(jī)構(gòu)和裝置的安裝要求來精心設(shè)計(jì)，夾具體需要正確的安裝在機(jī)床上，故夾具體的形狀和尺寸，主要取決于夾具上各組成體的分布、工件形狀、尺寸、加工性質(zhì)等?？紤]到加工過程中，夾具體要承受一定的切削力，為防止產(chǎn)生變形和振動(dòng)，在夾具體設(shè)計(jì)時(shí)要保證有足夠的強(qiáng)度和剛性。夾具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖7 鉆模板

7 繪制夾具裝配圖

根據(jù)各種元件的結(jié)構(gòu)和布置，鉆模整體結(jié)構(gòu)基本成形，現(xiàn)將所有零部件進(jìn)行裝配，組裝完成后的鉆模如圖10所示（裝配圖按1:1繪制）。

8 鉆模夾具精度的驗(yàn)算[3]

鉆模夾具的主要功能是用來保證連接桿加工表面的位置精度。影響位置精度的主要因素包連接桿在夾具中的安裝誤差、夾具在鉆床上對(duì)定的誤差、加工過程中出現(xiàn)的誤差（較難驗(yàn)算）。夾具精度驗(yàn)算是指連接桿在夾具中的安裝誤差、夾具在鉆床上對(duì)定的誤差兩項(xiàng)之和不大于連接桿公差的2/3即為合格。

（1）驗(yàn)算中心距120±0.06 mm。影響此項(xiàng)精度的因素有如下：

1）定位誤差，此項(xiàng)主要有定位孔?36H7與銷軸?36g6的間隙產(chǎn)生，最大間隙為0.05 mm；

2）鉆模板襯套中心與定位銷中心距誤差，裝配圖標(biāo)注尺寸為120±0.01 mm，誤差為0.02 mm；

3）鉆套與襯套的配合間隙，由?28H6/g5可知最大間隙為0.029 mm；

圖8 鉆模板支架

圖9 夾具體

4）鉆頭與鉆套間的間隙會(huì)引偏刀具，產(chǎn)生中心距誤差E，根據(jù)刀具與鉆套配合公差帶和鉆套導(dǎo)向高度、排屑空間、鉆孔深度、刀具與鉆套間的最大間隙可算出產(chǎn)生中心距誤差E≈0.025 mm。由于上述各項(xiàng)是按最大誤差計(jì)算，實(shí)際上各項(xiàng)誤差一般不可能同時(shí)出最大值，各誤差方向也很可能不一致，因此，其綜合誤差可按概率法求和：0.066 mm，誤差小于中心距允差0.12mm的2/3（0.08 mm），鉆模夾具精度符合要求，可以適用。

（2）驗(yàn)算兩孔平行度精度。連接桿要求?16H9孔全長(zhǎng)上平行度公差0.05 mm。導(dǎo)致兩孔平行度誤差的因素如下。

圖10 連接桿鉆模夾具總圖

1） ?36H7/g6配合間隙及孔與端面的垂直度公差會(huì)產(chǎn)生基準(zhǔn)位置公差，定位銷軸中心與大頭孔中心的偏斜角а（rad）為а=Xmax/H（Xmax為?36H7/g6處最大間隙Xmax=0.05 mm、H為定位銷軸定位面長(zhǎng)度4 mm）。

2）定位銷軸中心線對(duì)夾具體底面的垂直度為а2=0.03 mm。

3）鉆套孔中心與定位銷軸的平行度公差，標(biāo)注為0.02mm，則а3=0.02/57（鉆套長(zhǎng)為57 mm）= 0.005 mm。

4）刀具引偏量E產(chǎn)生的偏斜角а4=△max/H= 0.025/57=0.000 4 mm(可忽略不計(jì))。

9 結(jié)束語

該鉆模夾具作為立式鉆床的輔助裝置，其設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞對(duì)連接桿的加工質(zhì)量、效率、成本以及工人的勞動(dòng)強(qiáng)度均有直接的影響，因此在進(jìn)行連接桿鉆模夾具設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使加工質(zhì)量、生產(chǎn)率、勞動(dòng)條件和經(jīng)濟(jì)性等方面達(dá)到統(tǒng)一，其中保證加工質(zhì)量是最基本的要求。本次連接桿鉆模夾具設(shè)計(jì)經(jīng)多次調(diào)整和試驗(yàn)，最終設(shè)計(jì)完成，并已正式投產(chǎn)，為企業(yè)帶來很好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］洪惠良，孫喜兵，姚業(yè)榮，等.機(jī)床夾具［M］.北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2011.

［2］王光斗，王春福.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2001.

［3］關(guān)慧貞，馮辛安.機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

The Design of Stationary Drill Jig Fixture of Joint Lever

LIU Yuan-juan
（Guangdong Province Senior Technical School in Heyuan，Heyuan517000，China）

In this article，we expound the design methods of drill jig fixture of joint lever and clearly analyze the locating scheme and clamping scheme of joint lever，the design of the clamping device，the design of ensemble structure of drill jig， the checking computations of the precision of drill jig fixture，and so on.This drill jig fixture can finish positioning，clamping and processing the joint lever efficiently and accurately，improving the machining efficiency and reducing production costs.

joint lever；drill jig；fixture design

TG75

A

1009－9492(2014)09－0085－06

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.09.023

劉遠(yuǎn)娟，女，1982年生，廣東河源人，大學(xué)本科，講師/高級(jí)技師。研究領(lǐng)域：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。已發(fā)表論文4篇。 (編輯：向 飛)

2014－01－26