摘要
本文主要介绍翻转式钻床夹具的设计与虚拟制造。通过CATIA和CAXA制造工程师软件完成对翻转式钻床夹具的设计与虚拟制造。
设计的重点是选定零件翻转式钻床夹具，通过CATIA三维实体设计软件对翻转式钻床夹具进行绘制设计，然后将各零件进行装配，最后生成动画，完成顶帖座的设计，以及利用CAXA制造工程师对夹具进行虚拟制造。因此本文要全面的多方位的介绍CATIA 三维实体设计和CAXA制造工程师软件，并详细的记录CATIA三维实体设计软件对各个零件的设计与绘制的过程，还要展示CATIA三维实体设计软件对各个零件进行的最后的动画的虚拟装配过程，还要展示CAXA制造工程师对夹具的虚拟制造。另外对于为何选择CATIA三维实体设计软件来进行设计，而不选择其他类似的绘图软件精心设计进行必要的说明和简单的对比。之后形成完整的设计。
翻转式钻床夹具设计与虚拟制造是本设计的重中之重，而翻转式钻长夹具的虚拟制造又是另一重点。
关键词：翻转式钻床，CATIA，CAXA制造工程师，虚拟设计制造，夹具
Abstract
This paper mainly introduces the tilting drilling fixture design and virtual manufacturing. Through the CATIA software CAXA and manufacturing engineers to tilting drilling fixture design and virtual manufacturing.
The focal point of design is selected parts of tilting drilling fixture, through the CATIA software design of three-dimensional tilting drilling fixture design, and then draw the part assembly, finally completed, DingTie generated animation design, and the movement by using CAXA manufacturing engineers to fixture on virtual manufacturing. This paper introduces the multidimensional should fully 3d entity CATIA software CAXA design and manufacturing engineers, and detailed records of CATIA software design of each part of the design and drawing process and display CATIA software to design various parts of the virtual assembly process, the animation will display manufacturing engineers to fixture of CAXA virtual manufacturing. Another choice for why CATIA software to design and choose not to carry on the design, and other similar drawing software designed to explain and simple contrast. After forming a complete design.
Tilting drilling fixture design and the design of virtual manufacturing is the priority and tilting drill long fixture of virtual manufacturing is another key.
Keywords: Tilting drilling machine，CATIA ，CAXA manufacturing engineers，Virtual design manufacture，Fixture
目录
引言
1：机床夹具的发展概括
2：钻床夹具的概括
第一章：设计任务
第二章：翻转式钻床夹具的总体设计
1：翻转式钻床夹具的设计
2：夹具的工作原理与结构设计
3：夹具的使用方法
4：夹具与翻转式钻床的固定
第三章：翻转式钻床夹具零件的具体设计
1：夹具零件的设计
2：夹具体的设计
3.2.1夹具体机构分析设计
3.2.2夹具体的制造
3.2.3夹具体的固定
3：定位销的设计
3.3.1定位销的设计
3.3.2定位销加工时的问题及解决方法
4：钻模板以及钻套的设计
3.4.1钻模板的设计
3.4.2钻套的设计
3.4.3钻模板与夹具的连接固定
第四章：夹具的二维视图
第五章：翻转式钻床夹具的三维设计
1：翻转式钻床夹具的零件三维视图
2：翻转式钻床夹具装配图的设计描述
3:CATIA设计零件的实例
4翻转式钻床夹具的装配
第六章：翻转式钻床夹具零件的制造
1：制造工程师实体及毛胚的确定
2：刀具轨迹的拾取
3：轨迹仿真和加工代码的生成
第七章：计算机辅助设计/计算机辅助制造的概括
1：CAD/CAM技术发展
2：CATIA V5软件特点
3：AutoCAD软件的特点
4：CAXA制造工程师的特点
5：虚拟设计
6：虚拟制造
7：CATIA V5、AutoCAD、CAXA软件工程师及虚拟设计制造的研究的目的、意义及国内外发概况
第八章：CATIA 软件的简介
1：CATIA软件的发展
2：CATIA软件基本操作界面
第九章：CAXA制造工程师简介
1:CAXA制造工程师的发展
2:CAXA制造工程师的安装与基本界面
3:CAXA制造工程师的加工概述
4：利用CAXA制造工程师CAD/CAM系统进行自动编程的基本步骤9.4.1加工工艺的确定
9.4.2加工模型建
9.4.3刀具轨迹生成
9.4.4后置代码生
9.4.5加工代码输出
引言
1：机床夹具的发展概括
机床夹具的现状：国际生产研究协会的统计表明，目前中、小批多品种生产的工件品种已占工件种类总数的85％左右。
现代生产要求企业所制造的产品品种经常更新换代，以适应市场的需求与竞争。然而，一般企业都仍习惯于大量采用传统的专用夹具，一般在具有中等生产能力的工厂里，约拥有数千甚至近万套专用夹具；另一方面，在多品种生产的企业中，每隔3~4年就要更新50~80％左右专用夹具，而夹具的实际磨损量仅为10~20％左右。特别是近年来，数控机床、加工中心、成组技术、柔性制造系统（fms）等新加工技术的应用，对机床夹具提出了如下新的要求：
1）能迅速而方便地装备新产品的投产，以缩短生产准备周期，降低生产成本；
2）能装夹一组具有相似性特征的工件；
3）能适用于精密加工的高精度机床夹具；
4）能适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具；
5）采用以液压站等为动力源的高效夹紧装置，以进一步减轻劳动强度和提高劳动生产率；
6）提高机床夹具的标准化程度。
现代机床夹具的发展方向：现代机床夹具的发展方向主要表现为标准化、精密化、高效化和柔性化等四个方面。
（1）标准化机床夹具的标准化与通用化是相互联系的两个方面。目前我国已有夹具零件及部件的国家标准：gb/t2148~t2259－91以及各类通用夹具、组合夹具标准等。机床夹具的标准化，有利于夹具的商品化生产，有利于缩短生产准备周期，降低生产总成本。（2）高效化高效化夹具主要用来减少工件加工的基本时间和辅助时间，以提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度。常见的高效化夹具有自动化夹具、高速化夹具和具有夹紧力装置的夹具等。例如，在铣床上使用电动虎钳装夹工件，效率可提高5倍左右；在车床上使用高速三爪自定心卡盘，可保证卡爪在试验转速为9000r/min的条件下仍能牢固地夹紧工件，从而使切削速度大幅度提高。目前，除了在生产流水线、自动线配置相应的高效、自动化夹具外，在数控机床上，尤其在加工中心上出现了各种自动装夹工件的夹具以及自动更换夹具的装置，充分发挥了数控机床的效率。
（3）精密化随着机械产品精度的日益提高，势必相应提高了对夹具的精度要求。精密化夹具的结构类型很多，例如用于精密分度的多齿盘，其分度精度可达±0.1'；用于精密车削的高精度三爪自定心卡盘，其定心精度为5μm。
（4）柔性化机床夹具的柔性化与机床的柔性化相似，它是指机床夹具通过调整、组合等方式，以适应工艺可变因素的能力。工艺的可变因素主要有：工序特征、生产批量、
工件的形状和尺寸等。具有柔性化特征的新型夹具种类主要有：组合夹具、通用可调夹具、成组夹具、模块化夹具、数控夹具等。为适应现代机械工业多品种、中小批量生产的需要，扩大夹具的柔性化程度，改变专用夹具的不可拆结构为可拆结构，发展可调夹具结构，将是当前夹具发展的主要方向。
2：钻床夹具的概括
钻床夹具的特点
1）保证工件的加工精度
专用夹具应有合理的定位方案，合适的尺寸，公差和技术要求，并进行必要的精度分析，确保夹具能满足工件的加工精度要求。
2）提高生产效率
专业夹具的复杂程度要与工件的生产纲领相适应，应根据工件生产批量的大小选用不同复杂程度的高效夹紧装置，以缩短辅助时间，以提高生产效率。
3）工艺性好
专用夹具的结构简单，合理，便于加工，装配，检验和维修。专用夹具的生产属于批量生产
4）使用性好
专用夹具的操作应简单，省力，安全可靠，排屑应方便，必要时可设置排屑机构。
5）经济型好
除考虑专用夹具本身结构简单，标准化程度高，成本低廉外，还应根据生产纲领对夹具方案进行必要的经济分析，以提高夹具在生产中的经济效益。
钻床夹具的设计要点
1、钻套
钻套的作用是确定钻头，铰刀等刀具的轴线位置，防止刀具在加工过程中发生偏斜。根据使用二点，钻套可分为固定式，可换式，快换式等多种结构形式
（1）固定钻套固定钻套直接被压在钻模板上，其位置精度要求较高，但磨损后不易更换，钻模板较薄时，为使钻套具有足够的引导长度，赢采用有肩钻套。
（2）可换钻套在成批生产、大量生产中，为便于更换钻套，采用可换钻套
（3）快换钻套在工件的一次装夹中，若顺序进行钻孔、扩孔、铰孔或攻丝等多个工步加工，需要不同孔径的钻套来引导刀具，此时应使用快换钻套。更换钻套时，只需逆时针转动钻套使削边平面转至螺钉位置，即可向上快速取出钻套。
（4）专用钻套在一些特殊场合，可以根据具体要求自行设计钻套
2、钻模板
常见的钻模板有固定式、铰链式、可卸式、悬挂式等四种结构形式
（1）固定式钻模板固定式钻模板与夹具是固定连接的可以与夹具体做成一体，也可
以用螺钉将它与夹具体相连接。采用这种钻模板钻孔，位置精确度较高。
（2）铰链式钻模板铰链式钻模板与夹具体通过铰链连接。1.翻转。装卸工件时，将钻模板往上翻；加工时将钻模板往下翻，并用菱形夹紧螺钉。2.固紧。采用铰链式钻模板，工件可以在夹具上方装入，装卸工件方便；但翻转钻模板费工费时，效率较低，且钻模板位置精度受铰链间隙影响，钻孔位置精度不高；它主要用于生产规模不大、钻孔精度要求不高的场合。
（3）悬挂式钻模板悬挂式钻模板是与机床主轴箱连接的，悬挂式钻模板通常用在多轴传动头加工平行孔系时采用，生产效率高，适于在大批量生产中应用。
确定各表面加工方案
在选择各表面的及孔的加工方法时，需综合考虑以下因素
（1）要考虑各表面的精度和质量要求，根据各加工表面的技术要求，选择加工方法及分几次加工
（2）根据生产类型来选择，在大批量生产中可使用专用的高效率的设备；在单件小批量生产中则使用常用设备和一般加工方法。
（3）要考虑被加工材料的性质
（4）要考虑工厂或车间的实际情况，同时也应考虑不断改进现有的加工方法和设备，推广新技术，提高工艺水平。
（5）此外，还要考虑一些其他因素，如加工表面的物理机械性能的特殊要求，工件形状和重量等
第一章：设计任务
本任务主要是设计翻转式钻床杠杆臂的夹具，对杠杆臂进行相互垂直两空的加工，要对杠杆臂进行固定定位，提高加工精度。杠杆臂专用夹具设计，方便加工以及装卸，提高工作效率。
被加工零件的分析:
杠杆壁（如图1.1所示），杠杆臂左右两端底面作为与夹具接触定位固定的面（如图1.1所示），在杠杆上钻的两个相互垂直的Φ10mm 、Φ13mm 的孔（如图1.1所示）。
图1.1
杠杆臂在安装到夹具上时应对左右两端底面进行定位固定，因不同零件左右两端底面垂直距离存在一定的误差，所以应设计能够上下移动的平面对零件两端底面进行定位固定；在钻水平孔时，杠杆臂承受向里的力，所以应对杠杆臂进行防止前后运动的固定；在钻垂直孔时，杠杆臂承受向下的力，所以应对杠杆臂进行防治下移的固定。
水平孔Φ13mm
第二章：翻转式钻床夹具的总体设计
1：翻转式钻床夹具的设计
2.1翻转式钻床夹具总装图
2：夹具的工作原理与结构设计
2.2.1定位方案与定位元件：为了满足杠杆臂的需要，使杠杆臂左右两端底面定位固定，因不同零件存在一定的误差，应使杠杆臂被加工两孔轴线与钻模板轴线的重合，所以将钻模板固定，又因零件要求为垂直距离，所以设计右端平面固定，左端设置螺旋辅助支撑2进行左右两端垂直距离的调整定位。使其孔轴线与钻模板轴线重合。（如图2.2所示）
2.2.2夹紧机构：防止钻孔时零件晃动，应对杠杆臂的两端底面以及前后移动进行定位固定，所以在右端设计定位销7、开口垫圈6、夹紧螺母5对零件零件进行固定；（如图2.2所示）定位销7通过垫圈16和六角螺母15固定于夹具体上。
2.2.3其他辅助设备：考虑到零件加工存在误差，所以设计螺旋辅助支撑2可以上下升降，使所有零件都能使左右两端面同时得到固定，为防止误差使加工时上下颠簸，设置锁紧螺母1对螺旋辅助支撑进行锁紧，防止钻孔时辅助支撑受力太大而下降影响加工。设计可调支撑钉11为防止钻孔时零件前后移动，影响加工精度；设计锁紧螺母10，方
便了可调支撑钉11的前后移动，提高了定位固定的精度。设计定位体17为了使零件右端底面固定精度更高。（如图2.2所示）
2.2定位零件、固定零件和其他辅助零件
3：夹具的使用方法
被加工零件放在夹具体上时以右端底面与夹具体接触面重合为基准，将被加工零件右端底面放在平面上，调整螺旋辅助支撑2使零件左右底面同时接触夹具，拧紧锁紧螺母1是螺旋辅助支撑固定；调整可调支撑钉11使被加工零件的垂直孔轴线与钻套轴线重合，拧紧定位销7使零件固定于夹具体上。
4：夹具与翻转式钻床的固定
夹具加紧杠杆臂后，加工的时候将承受向下、向内的力以及钻孔时的旋转力，夹具将会受力而产生直线以及旋转运动，所以夹具固定在钻床上应受到约束，是夹具加紧零件加工时，不因受力而产生位移，影响加工精度，所以对家具的下面以及左面进行固定。
第三章：翻转式钻床夹具零件的具体设计
1：夹具零件的设计
为了节省零件的加工时间，减少家具的成本，在同样的情况下采用了国标零件，减少因为专用零件的开发要花费很多时间以及成本，螺母、垫圈、螺钉、锁紧螺母等零件采用国标零件
2：夹具体的设计
夹具体是整个夹具的结构基础，它与翻转钻床连接，支撑整个夹具，所以夹具体的设计应符合与钻床连接要求也要符合支撑整个夹具体以及加工时承受的力的机械性能要求。
3.2.1夹具体机构分析设计
夹具体体型比较大，为了减轻其重量，方便在钻床上装卸，所以我将夹具体的后面以及下面个减去一个方形空间。为了提高夹具体对零件定位的精度，在夹具体上左右两面各设一个突台，提高定位固定精度。
3.2.2夹具体的制造
夹具体是铸造件，铸造完成后要进行时效处理，满足加工强度要求，要对表面进行去除氧化层处理，保证表面粗糙度，满足定位精度。
3.2.3夹具体的固定
夹具下端固定于钻床上，通过凹槽直接防御钻床上，方便与装卸，并能满足加工时对夹具的约束。
3：定位销的设计
3.3.1定位销的设计
定位销的作用是固定被加工零件的右端，时期在被加工时能够固定不动，提高加工精度。定位销应先让自己固定于夹具体上，然后将零件放在夹具体上进行定位固定，因而定位销属于一个细长轴，所以定位销要具有足够的强度和韧性，一面在加工时承受不了冲击力而折断，影响加工。所以定位销的材料选择为20号钢，并进行渗碳处理，渗碳深度为0.8~1.2mm，达到HRC为55~60。
3.3.2定位销加工时的问题及解决方法
定位销的加工：由于细长轴本身刚性差（L/d值愈大，刚性愈差），在车削过程中会出现以下问题：
1、工件受切削力、自重和旋转时离心力的作用，会产生弯曲、振动，严重影响其圆柱度和表面粗糙度。
2、在切削过程中，工件受热伸长产生弯曲变形，；车削就很难进行，严重时会使工件在顶尖间卡住。
因此，车细长轴是一种难度较大的加工工艺。虽然车细长轴的难度较大，但它也有一定的规律性，主要抓住中心架和跟刀架的使用、解决工件热变形伸长以及合理选择车刀几
何形状等三个关键技术，问题就迎刃而解了。
细长轴的加工比较困难，在加工时可能会产生热变形，对加工时的固定也是很困难，下面将介绍加工时的方法：
一：在车削细长轴时，可使用中心架来增加工件刚性。一般车削细长轴使用中心架的方法有：
1、中心架直接支承在工件中间当工件可以分段车削时，中心架支承在工件中间，
这样支承，L/d值减少了一半，细长轴车削时的刚性可增加好几倍。在工件装上中心架之前，必须在毛坯中部车出一段支承中心架支承爪的沟槽，表面粗糙度及圆柱度误差要小，否则会影响工件的精度。车削时，中心架的支承爪与工件接触处应经常加润滑油。为了使支承爪与工件保持良好的接触，也可以在中心架支承爪与工件之间加一层砂布或研磨剂，进行研磨抱合。
2、用过渡套筒支承车细长轴用上述方法车削支承承中心架的沟槽是比较困难的。为了解决这个问题，可加用过渡套筒的处表面接触，过渡套筒的两端各装有四个螺钉，用这些螺钉夹住毛坯工件，并调整套筒外圆的轴线与主轴旋转轴线相重合，即可车削。二：使用跟刀架支承车细长轴
跟刀架固定在床鞍上，一般有两个支承爪，跟刀架可以跟随车刀移动，抵消径向切削时可以增加工件的刚度，减少变形。从而提高细长轴的形状精度和减小表面粗糙度。从跟刀架的设计原理来看，只需两只支承爪就可以了因车刀给工件的切削抗力F`r，使工件贴住在跟刀架的两个支承爪上。但是实际使用时，工件本身有一个向下重力，以及工件不可避免的弯曲，因此，当车削时，工件往往因离心力瞬时离开支承爪、接触支承爪而产生振动。如果采用三只支承爪的跟刀架支承工件一面由车刀抵住，使工件上下、左右都不能移动，车削时稳定，不易产生振动。因此车细找轴时一个非常关键的问题是要应用三个爪跟刀架。
三：减少工件的热变形主要可采取以下措施：
1、使用弹性回转顶尖用弹性回转顶尖加工细长轴，可有较地补偿工件的热变形伸长，工件不易弯曲，车削可顺利进行。
2、加注充分的切削液车削细长轴时，不论是低速切削还是高速切削，为了减少工件的温升而引起热变形，必须加注切液充分冷却。使用切削液还可以防止跟刀架支承爪拉毛工件，提高刀具的使用寿命和工件的加工质量。
3、刀具保持锐利以减少车刀与工件的摩擦发热。
四：合理选择车刀几何形状
车削细长轴时，由于工件刚性差，车刀的几何形状对工件的振动有明显的影响。选择时主要考虑以下几点：
1、由于细长轴刚生差，为减少细长轴弯曲，要求径向切削力越小越好，而刀具的主偏角是影响径向切削力的主要因素，在不影响刀具强度情况下，应尽量增大车刀主偏角。
车刀的主偏角取kr=80°～93°。
2、为减少切削烟力和切削热，应该选择较大的前角，取r0=15°～30°。
3、车刀前面应该磨有R11.5～3的断屑槽，使切削顺利卷曲折断。
4、选择正刃倾角，取入=3°使切削屑流向待加工表面，并使卷屑效果良好。
5、切削刃表面粗糙度要求在Ra0.4以下，并要经常保持锋利。
6、为了减少径向切削力，应选择较小的刀尖圆弧半径（re<0.3mm）。倒棱的宽度也应选得较小，取倒棱宽br1=0.5f。
五：车削细长轴的车刀
1、刀片材料为YT15硬质合金。
2、切削用量：粗车时，切削速度vc=50～60m/min；进给量f=0..3～0.4mm/r；切削
深度ap=1.5～2mm。精车时，切削速度vc=60～100m/min；进给量 f=0.08～0.12mm/r ；切削深度ap=0.5～1mm.。
3、采用乳化液作切削液。
4、适用范围：适用于车削光杠、丝杆等细长轴。
4：钻模板以及钻套的设计
4.1钻模板的设计
钻模板结构形式的选择：在设计钻模板的结构时，主要要根据工件的外形大小、加工部位、结构特点和生产规模以及机床类型等条件而定。要求所设计的钻模板结构简单、使用方便、制造容易。
常见的钻模板有固定式、铰链式、可卸式、悬挂式等四种结构形式
1）固定式钻模板固定式钻模板与夹具是固定连接的可以与夹具体做成一体，也可以用螺钉将它与夹具体相连接。采用这种钻模板钻孔，位置精确度较高。
2）铰链式钻模板铰链式钻模板与夹具体通过铰链连接。1.翻转。装卸工件时，将钻模板往上翻；加工时将钻模板往下翻，并用菱形夹紧螺钉。2.固紧。采用铰链式钻模板，工件可以在夹具上方装入，装卸工件方便；但翻转钻模板费工费时，效率较低，且钻模板位置精度受铰链间隙影响，钻孔位置精度不高；它主要用于生产规模不大、钻孔精度要求不高的场合。
3）悬挂式钻模板悬挂式钻模板是与机床主轴箱连接的，悬挂式钻模板通常用在多轴传动头加工平行孔系时采用，生产效率高，适于在大批量生产中应用。
钻模板上安装钻套的底孔与定位元件间的位置精度直接影响工件孔的位置精度，因此至关重要。在上述各钻模板结构中，以固定式钻模板钻套底孔的位置精度最高，而以悬挂式钻模板钻套底孔的位置精度为最低。杠杆臂的夹具属于专用夹具，进行小批量生产，考虑到夹具的加工成本，所以选择固定式钻模板。为了减少成本又可以进行装卸，我将通过螺钉将它与夹具体固定（如图4.1所示）。固定钻模板与夹具体，我选择国标零件圆锥销14（6X30）和螺钉9（M8X25）。
在保证钻模板有足够刚度的前提下，要尽量减轻其重量。在生产中，钻模板的厚度往往按钻套的高度来确定，一般在10~30mm 之间。如果钻套较长，可将钻模板局部加厚。此外，钻模板一般不宜承受夹紧力。因为钻模板13的钻套在顶部，所以将钻模板13的厚度设计为21mm 。因为钻模板4的钻套位于靠右端，所以讲钻模板4厚度定位17mm 。
钻模板材料的选择：钻模板在满足刚性要求的情况下减轻其重量，所以对材料的选择进行了对比。45号钢为优质碳素结构用钢，硬度不高易切削加工,模具中常用来做45号钢管模板,梢子,导柱等。45号钢广泛的应用于机械制造行业，二它的机械性能要求完全满足钻模板的要求，所以选择45
图4.1钻模板与夹具体的固定
4.2钻套的设计
钻套结构形式的选择：
钻套的作用是确定钻头，铰刀等刀具的轴线位置，防止刀具在加工过程中发生偏斜。根据使用二点，钻套可分为固定式，可换式，快换式等多种结构形式
1）固定钻套 固定钻套直接被压在钻模板上，其位置精度要求较高，但磨损后不易更换，钻模板较薄时，为使钻套具有足够的引导长度，应采用有肩钻套。
2）可换钻套 在成批生产、大量生产中，为便于更换钻套，采用可换钻套
3）快换钻套 在工件的一次装夹中，若顺序进行钻孔、扩孔、铰孔或攻丝等多个工步加工，需要不同孔径的钻套来引导刀具，此时应使用快换钻套。更换钻套时，只需逆时针转动钻套使削边平面转至螺钉位置，即可向上快速取出钻套。
4）专用钻套 在一些特殊场合，可以根据具体要求自行设计钻套
跟据钻套的选择原则，杠杆臂的加工属于小批量生产，所以选择固定钻套。又因为右端垂直孔孔径大，钻模板薄，应采用有肩钻套（如图4.2所示）
夹具体8
钻套的选择：
由于钻套属于国标规定零件，按照杠杆臂钻孔的大小要求，选择国标内的钻套：无肩钻套3（10G7）和右肩钻套12（B13F7X32）。
4.3钻模板与夹具的连接固定
钻模板支撑钻套，对钻套进行定位固定，所以在加工时钻模板将承受力而产生运动，影响加工，所以应对其进行固定。因为螺钉固定会有空隙产生误差，影响加工精度，所以在应用螺钉的固定的基础上，再加上圆锥销进行定位固定，是钻模板与夹具体紧密结合，以免加工时螺钉松动产生误差，影响加工。
第四章：夹具的二维视图
一：螺旋辅助支撑2
图4.1螺旋辅助支撑2
二：钻模板4
图4.2钻模板4