顶尖套数控加工及其夹具设计
摘
要
本文是利用数控方面知识对顶尖套进行零件分析，培养调查研究、检索和阅读中外文献资料用AUTO CAD和UG绘图软件绘画出零件图纸二维图和三维图。根据产品的技术资料、生产条件与生产纲领制定零件机械加工工艺流程、刀具卡片、确定数控设备以及所用刀具量具，设计专用夹具以提高生产效率，确定加工切削用量以及编写数控加工程序 。
通过对零件图的分析和零件技术要求的分析，拟定了零件的加工方法。对所涉及的顶尖套夹具，从定位方案的选择、夹紧方案的确定、对刀方案的选择、夹具体与定位键、夹具总图上的尺寸、公差和技术要求以及加工精度分析，分析了所涉及的导向套夹具。查阅夹具设计相关手册，用CAD、UG绘图工具绘制出夹具装配图；同时，按照中华人民共和国国家标准，画出夹具装配图的零部件。
夹具设计过程中，我首先会收集零件资料和了解零件结构特点，提出设计的任务和明确设计的要求。接着是定位、夹紧方案的设计，要满足要求、工作性能可靠、结构设计可行以及成本低廉。然后是技术设计，在既定设计方案的基础上，完成机械产品的总设计、部件设计、零件设计等。最后是制造和试验出合理的零件夹具，完成毕业设计所要求的任务。
关键词：定位,夹紧,对刀,铣床夹具 ，数控加工
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顶尖套数控加工及夹具设计
0 引言
随着计算机技术的飞速发展，数控机床在我国机械加工行业中得到越来越广泛的应用。它不仅解决了普通机床难以解决的许多加工难题，而且提高了加工精度和生产效率，同时也对加工工艺和刀具设计提出了许多新的、更高的要求。为使这些先进的设备更好地发挥作用，必须解决这些问题。
数控加工技术是将普通金属切削加工、计算机数控、计算机辅助制造等技术综合的一门先进加工技术。在以上各个领域进步的推动下，尤其是计算机技术的飞速发展下，数控加工技术正从深度、广度上对机械加工技术进行革命性的变革。数控技术是制造工业现代化的重要基础。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术。
同时夹具也是是制造系统与装备中的一个重要工艺装备。夹具能保证零件的加工精度，提高生产效率，夹具还能扩大机床的工艺范围和减轻工人的劳动强度。随着机械产品更新换代不断加快，多品种小批量生产，对夹具的设计制造有了更高的要求，夹具的设计制造必须具有快速响应产品的变化、能够缩短产品设计制造周期、增加制造系统的柔性、降低成本、提高产品质量等。因此，合理的夹具设计被人们越来越重视。
为了保证加工精度要求，提高生产效率，降低生产成本，所以要设计一个专用夹具，这样就充分发挥车床在孔加工方面的优势，用夹具来保证加工精度。
总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。
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1选题背景
1.1背景
题目来源于企业实际加工产品。选题目的在于通过本次毕业实践设计，培养学生综合运用所学知识解决本专业实际生产问题的能力，进一步培养调查研究、检索和阅读中外文献资料、方案选择和比较、理论分析、工装夹具设计和实验研究、计算机应用及写作等方面的能力。使得学生通过本次毕业实践设计，能够独立对中等复杂程度的零件技术要求进行分析，并能根据零件图进行专用工装夹具设计，设计加工工艺，编写数控加工程序。本次毕业实践设可以提高学生综合素质、培养学生认真刻苦的钻研精神和严格细致的工作作风。 1.2 零件图纸分析
车床尾座上的套筒，如图1.1所示。该零件加工完成需要经过数控车床、磨床及铣床的加工，必须采取专用设计铣床夹具才能达到图纸技术要求。由于考虑到材料是45号钢，毛坯采用锻件。
图1.1 顶尖套零件
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该零件在车床上加工外圆柱面、内圆锥面莫氏4号、内孔面，完成零件所需图纸要求的硬度、其中多个直径尺寸与轴向尺寸有较高的尺寸精度和表面粗糙度要求，必须采用热处理及在磨床上进行精密磨削。然后在数控铣床上采用专用夹具大批量的生产双工位来加工键槽12H11和油槽R3。 1.3 零件的技术要求分析
阅读分析图样，车床尾座套筒,主要技术要求如下: （1） 键槽12H11mm对Φ70.8h6mm外圆轴线的对称度公差0.10mm，平行度公差0.08mm。
（2） 锥孔涂色检查其接触面积应大于75%。
（3） 热处理：调质处理250HBW，局部外圆及锥孔淬火45-50HRC。 零件技术要求是调质HRC25-28和锥面高频淬火HRC45-50（淬火深度0.2MM）。生产中常把淬火及高温回火的复合热处理工艺称为“调质”。调质钢与正火钢相比，不仅强度较高，而且塑性、韧性远比后者，这是由于调质后钢的组织是回火索氏体，其渗碳体呈球粒状，而正火的索氏体中渗碳体呈薄片状，因此，重要零件均应采用调质处理。仅对工件表面层进行淬火的工艺称为表面淬火。在机械设备中，有许多零件是在冲击载荷及表面摩擦条件下工作的。这类零件表面须具有高硬度和耐磨性，而心部要有足够的塑性和韧性。为满足这类零件的性能要求，就要进行表面热处理。根据零件的二维图，用UG4.0对零件进行三维建模，零件三维视图如图所示。
2 零件的加工工艺过程的分析
2.1 零件的工艺分析
工艺分析的目的，一是审查零件的结构形状及尺寸精度、相互位置精
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度、表面粗糙度、材料及热处理等的技术要求是否合理，是否便于加工和装配；二是通过工艺分析，对零件的工艺要求有进一步的了解，以便制订出合理的工艺规程。
该零件的外形结构是圆柱体、内孔及莫氏4号锥孔，因此可以放在车床上来加工零件的第一部分，然后则通过专用夹具在铣床上来加工键槽和油槽。首先夹住零件的一端，在车床上切削出直径为Φ70.8h6mm，在车床上进行打孔，先用钻头在零件上15mm通孔，然后用镗刀进行镗孔，最后再用铰刀把孔铰到规定尺寸。然后掉头加工零件另一端，车出端面保证长度为342±0.10mm的圆柱体及莫氏4号锥孔，然后将工件放在专用夹具上，用弧形压板压住加工宽12H11mm键槽和R3的油槽，并且保证键槽12H11mm对Φ70.8h6mm外圆轴线的对称度公差0.10mm，平行度公差0.08mm。最后在磨床上进行精密磨削。该零件的要求精度要高，因此要设计一个专用夹具，以保证零件在加工过程中能够达到所规定的要求。
通过上述分析，采用以下几点工艺措施。
（1） 对图样上带公差的尺寸，因公差值较小，故编程时不必取平均值，而取基本尺寸即可。
（2） 左右端面均为多个尺寸的设计基准，相应工序加工前，应该先将左右端面车出来。
（3） 内孔尺寸较小，加工左端莫氏4号锥孔及右端内孔时需掉头装夹。
2.2 拟定工艺路线
锻造-热处理(正火)-车削加工零件右端钻孔-车削加工零件右端钻通孔-热处理（调质处理）-半精车左右两端面、内孔及锥孔-精车左右两端面、内孔及锥孔-划线-在数控铣床上使用专用夹具铣键槽和油槽-热处理
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（高频淬火）-磨削圆柱面、内孔表面及莫氏4号锥孔。
3 数控加工工艺分析
3.1 数控加工内容的确定
（1） 在调质处理前进行粗加工，调质处理后进行半精加工和精加工。 （2） 应将粗、精加工分开，以减少切削应力对加工精度的影响。 （3） 莫氏4号锥孔与右端Φ40mm、Φ25mm孔。应在进行凋质处理前钻通，这样有利于加热和内部组织的转变，使工件内孔得到较好的处理。
根据工艺规程铣双槽之前，其他表面均已加工好本工序的加工要求是：
（1）键槽宽12H11由键槽铣刀保证。槽两侧对称平面对Φ70.8h6轴线的对称度0.10mm，平行度0.08mm。槽深控制尺寸64.8mm，槽长60±0.4mm。
（2）油槽半径R3,由圆弧铣刀保证，其圆心应在Φ70.8的圆柱面上。油槽长170mm。
（3）双槽的对称平面在同一平面内。
由于相同定位、夹紧方式加工或用同一把刀具加工的工序，为了以减少重复定位次数、换刀次数、保持连续加工与减少劳动力的原则，所以该零件的外圆、内孔可以由数控车床与加工中心来加工完成。 3.2 数控加工设备的选用
3.2.1 车削选取数控机床型号为是CAK6136 性能特点是配置无级调速主轴、电子手轮、自动润滑系统、伺服驱动。 （1） 床身上最大工件回转直径(mm) 360 （2） 刀架上最大工件回转直径（非排刀架）(mm) 180 （3） 最大工件长度(mm) 750/1000 400(轴类) （4） 最大加工长度(mm) 620/870 300(轴类)
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（5） 套筒锥孔锥度 莫氏4号 3.2.2 铣削选取数控机床型号为是XK714 （1） 性能特点是X，Y坐标采用直线滚动导轨，摩擦系数小；Z坐标导轨
（2） 采用铸铁贴塑滑动导轨，摩擦系数小；保证了机床运动灵活，刚性好。
（3） 精密滚珠丝杠与AC伺服电机直联传动。主轴转速有两种供选配，切削功率大，可以进行镗削、铣削、钻削等加工。采用半封闭罩以及挡屑板防护，快速方便，可根据客户要求采用全封闭防护罩。其数控系统是FANUC。 3.3 加工工序的制订
工序1：下料 Φ75*350mm的热轧圆钢 工序2： 热处理正火。
工序3：车端面、钻中心孔、车全部外圆、车阶台孔加工4#莫氏锥孔、倒角
工序4：（1）粗铣键槽、粗铣油槽,留加工余量1（2）半精铣键槽、油 槽留加工余量0.6（3）精铣键槽、油槽至图样要求,留磨量0.3 工序5： 整体淬火45-48HRC加高温回火
工序6： 粗磨外圆、内孔、键槽4#莫氏锥孔,留磨量0.4，(1)粗磨Φ 70.8h6到Φ70.18,到两端面,保证总长342±0.1mm(2)粗磨右端Φ40Φ25到尺寸，保证总长（3）掉头装夹，粗磨4#莫
工序7：半精磨外圆、全部内孔、4#莫氏锥孔,留磨量0.2 工序8：精磨至图纸要求，保证车床尾座上顶尖套与顶尖的配合间隙0.01-0.015,精磨锥度孔莫氏4号
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工序9：去毛刺清理
工序10：防锈 检验合格后入库。 3.4 加工工步制订
工序3的工步
（1）夹Φ75mm外圆,车Φ75mm两端面，保证尺寸342±0.1m留加工余 （2）粗车外圆Φ70.8h6mm,留加工余量5mm, 长度车至尺寸,倒角 （3）半精车外圆Φ70.8h6mm, 留加工余量0.2-0.3mm,长度车至尺寸,留加工余量0.8 （4）钻两端B型中心孔 （5）钻通孔Φ18mm （6）扩钻孔Φ24mm,保证尺寸239mm （7）精铰孔至Φ25mm （8）扩孔Φ39mm,保证尺寸60±0.4 （9）精铰孔至Φ40mm （10）倒角2.5*45 （11）精车外圆Φ70.8h6mm, 留磨量0.8 （12）夹外圆Φ70.8h6mm粗车内锥孔 （13）粗磨锥孔,留磨量0.3,装锥堵 （14）倒角2.5×45 3.5 进给路线确定
在数控机床加工过程中，进给路线的确定是非常重要的。所谓进给路线就是数控机床在加工过程中刀具中心的移动路线。确定进给路线，就是确定刀具的移动路线。进给路线不但包括了工步的内容，而且也反映出工步的顺序。进给路线也是编程的依据之一。加工路线的确定首先必须保持被加工零件的尺寸精度和表面质量，其次考虑数值计算简单、走刀路线尽
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量短、效率较高等。它与工件的加工精度和粗糙度直接相关。此零件由于两孔加工要求一致，因此，孔可以用数控加工来完成。
零件的加工路线同样分为两个部分，顶尖套外圆的粗加工进给路线和零件的槽、孔等部位可以用直接进刀法。切削进给路线短，可有效地提高生产效率，降低刀具损耗等。在安排粗加工或半精加工的切削进给路线时，应同时兼顾到被加工零件的刚性及加工的工艺性等要求。 3.6 刀具的选择
在数控机床上所使用的刀具应具有以下特点：刀具有很高的切削效率；数控刀具有很高的精度和重复定位精度，要求刀具有很高的可靠性和耐用度，实现刀具尺寸的预调和速度换刀，具有一个比较完善的工具系统，建立刀具的管理系统，应有刀具在线监控以及尺寸补偿的系统。
正90度外圆车刀(刀尖半径0.4)、Φ32麻花钻、镗孔刀、立铣刀、M12螺纹刀。刀具的选择是在数控编程的人机交互状态下进行的。应根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其它相关因素正确选用刀具及刀柄。刀具选择总的原则是：安装调整方便，刚性好，耐用度和精度高。在满足加工要求的前提下，尽量选择较短的刀柄，以提高刀具加工的刚性。选取刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸相适应。生产中，平面零件周边轮廓的加工，常采用立铣刀；铣削平面时，应选硬质合金刀片铣刀。此零件毛胚材料是铸铁，可选用硬质合金刀具来完成对零件的加工。详细资料可以查看数控加工刀具卡。 3.7 切削用量的确定
在切削加工过程中的切削速度、进给量和背吃刀量(切削深度)是完成切削工作具备的三要素,总称为切削用量三要素： 切削速度vc、进给量、背吃刀量(切削深度)ap。
（1）切削速度
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在进行切削加工时，刀具切削刃上的某一点相对于待加工表面在主运动方向上的瞬时速度(m/s或m/min)，用Vc表示。
主运动为旋转运动时:
m/s 或 m/min
………………………………(3.1)
(2.1)…………
1 主运动为往复运动时:
………………………………(3.2)
(2.1)…………1m/s 或 m/min 式中 d－工件或刀具上某一点的回转直径（mm)
n－工件或刀具的转速（r/s或r/min) （2）进给速度、进给量和每齿进给量
进给速度vf是单位时间的进给量
………………………………(3.3)
………………………………(3.3)
mm/s或mm/min
(2.1)…………
1进给量是工件或刀具每回转一周时两者沿进给运动方向的相对位移，单位是mm/r（毫米/转）。
对于铣刀、铰刀、拉刀、齿轮滚刀等多刃切削工具，在它们进行工作时，还应规定每一个刀齿的进给量fz，即后一个刀齿相对于 前一个刀齿的进给量，单位是mm/z(毫米/齿)。
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（3）背吃刀量
对于车削和刨削加工来说，背吃刀量ap为工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位为mm。 外圆柱表面车削的深度可用下式计算：
………………………………(3.4) mm
(2.1)…………1对于钻孔工作
… mm …………………(3.5)
ap=dm/2
(2.1)…………1 上两式中 dm——已加工表面直径（mm）
dw—— 待加工表面直径（mm）
4 铣床夹具设计
4．1 定位分析
若先铣键槽（工位Ι）后铣油槽（工位Π），按加工要求，工位Ι应限制除x旋转自由度外的五个自由度，而工位Ⅱ应限制六个自由度。 于是大批生产，为了提高生产率，可在卧式铣床主轴上安装两把直径相等的圆盘铣刀，同时对两个工件铣键槽和油槽，机床每进给一次，即能得到一对双槽均已加工好的工件。为此，有所示两种定位方案。
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（a）顶尖套筒铣双槽定位方案1
（b）顶尖套筒铣双槽定位方案2
图4.1 定位方案
方案1 工件以Φ70.8h6外圆面在两个相互垂直的平面上定位，端面加圆柱支承销（图4.11a）
方案2 方案2 工件以Φ70.8h6外圆面为定位基准，定位元件选取双V形块,端面加圆柱销（限制一个移动自由度x），但为了保证双槽的对称平面在同一平面内，第II位还需要增设一个定位销12配合在已铣好的键槽内，以限制工件x旋转自由度。由于键槽和油槽的长度不等，要同时进给完毕，需将两个圆柱支撑销
13、14后错开112mm（图4.2）。
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图4.2 两圆柱销错开的位置示意图
比较以上两种方案，方案1加工尺寸64.8mm的△D=0，按2使对称度的△D=0，由于尺寸64.8为自由公差，加工要求低，而对称度公差较小，故选用方按2较可靠，从承受切削力角度来看也如此。
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图4.3 定位元件V形块
4．2 夹紧方案及夹紧装置的设计
根据夹紧力方向和作用点确定的原则，要使工件在双V形块上同时夹紧，必须设计弧形压板，其弧形的曲率半径R应大于工件外径之半（如取R为40mm），使夹紧时压板与工件外圆面为一段短窄的圆弧面接触。另外，若工件定位基面与V形快接触处的法线为P，则夹紧点与工件轴心的连线和铅锤方向的夹角β必须小于45°，负责夹紧就不稳定，β小则越稳定可靠。由于顶尖套较长，须在工件全长上设计两快块压板在两处同时
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夹紧的夹紧装置。
4.3 导向对刀方案及夹具总体设计 4.3.1 对刀方案
键槽铣刀需在两个方向对刀，故采用直角对刀块配以5mm塞尺对好铣刀位置后，再按125±0.03距离调整圆弧铣刀的位置。由于两铣刀的直径相等，油槽R3深度由Ⅱ工位V形块定位高度T′与Ι工位V形块的定位高度T之差决定，T-T′=3mm，如果考虑V形块的制造方便，两个工位的V形块定位高度也可制造的相等（即T=T′）， 但此时要保证油槽深度就要采用两把直径相等6mm的圆盘铣刀来加工了。
设计V形块的定位高度T对刀块的两工作面必须和V形块的定位心轴线平行。
图4.4 直角对刀块
4.3.2 夹具体及其在机床的安装
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当进行夹具整体结构设计时，在满足铣切加工要求的前提下应尽量使各种装置地紧凑些；为了提高铣床夹具在机床上安装的稳固性，应尽量降低夹具的重心，并防止变形和振动，按照有关标准设计耳座；夹具体的高宽比应限制在H/B≤1～1.25范围内
4.4 夹具总图上的尺寸、公差和技术要求
夹具总图上的尺寸公差和技术要求 见夹具装配图，为直线送进式双工位铣双槽夹具总图，图中必须标注一下尺寸：
（1）夹具最大轮廓尺寸为584mm*240mm*230mm。
（2）影响工件定位精度的尺寸和公差为V形块1的定位高度64±0.02mm和61±0.02mm；两圆柱支撑销的距离112±0.1mm；定位销12与工件加工的键槽配合尺寸12h11。
（3）各主要元件的位置精度有：工位Ι的双V形块心轴线对夹具底面A的平心度0.05mm；工位Ι
与工位Ⅱ的两组双V形快的距离尺寸125±0.03mm；其心轴线间的平行度0.03mm，对定向键侧面B的平行度0.03mm。对刀块的位置尺寸11±0.015mm及24.4±0.015mm及塞尺厚度尺寸5h6。
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图4.5 夹具装配图
4.5 工序精度分析
由于本工序中，键槽两侧面对Φ70.8h6轴线的对称度和平行度要求较高，故应进行工序精度分析，其它加工要求可省略。
（1）键槽侧面对Φ70.8h6轴线的对称度精度
①定位误差△D。对称度的工序基准是Φ70.8轴线，定位基准也是该轴线，故△B=0。又因V形块的对中性，△Y=0。于是△D=0。
②对刀误差△T。对称度的对刀误差等于塞尺厚度的公差，因5h6=5（-00.009）mm，故△T=0.009mm。
③夹具制造误差△Z。影响对称度的△Z有：工位Ι的V形块心轴轴线对定向键侧面B的平行度0.03mm；对刀块水平位置尺寸11±0.015mm公差0.03mm。故△Z=0.03mm+0.03mm=0.06mm。
④加工方法误差取△G=0.1×1/3 =0.033mm。
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（2）键槽侧面B对Φ70.8h6轴线的平行度误差分析如下：
①定位误差△D。由于同组双V形块一般都在装配后一起磨平V形面，它们的相互位置误差极小，可看作为一长V形块，故△D=0。
②安装误差△A。与上面分析相同。
③对刀误差△T。由于平行度不受塞尺厚度的影响，故△T=0。 ④夹具制造误差△Z。影响平行度的制造误差是工位Ι的V形块心轴轴线与定向键侧面B的平行度0.03mm，故△Z=0.03mm。
⑤加工方法误差取△G=0.08×1/3=0.027mm。
5 仿真加工与课题制作
现代仿真技术的发展趋势就是面向对象，将面 向对象技术引人数控加工过程仿真系统的研究与开发中，必将提高数控加工过程仿真系统研究的质量，促进数控加工过程仿真系统的应用与发展。设计出 一个正确的仿真对象是整个仿真系统实现的基础。在分析了数控机床的结构和功能特性后，指出数控机床是由相对独立的数量较为固定的不同功能的模块组成，这些模块在组成数控机床的过程中，不仅存在几何位置的约束关系，而且存在着选用上的排斥关系。由此，提出了一种面向对象的数控机床定 义方法，并在此基础上建立了数控机床类库，文中还建立了数控加工过程仿真系统的整体结构。
以下是本论文的仿真加工程序：
夹住左端加工外圆 O0001;
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T0101; M03 S800; GOO X76.Z5.; G71 P10 Q20U0.5 W0 F0.2; N10 G01 X50.8 F0.1; G01 X70.8 Z-5.; G01 Z-180.; N20 G01 X76.; G00 Z10.; M05; M00; T0101; M03 S1000; GOO X76.Z5.; G70 P10 Q20; G00 Z100.; M05; M30;
零件内孔加工 O0002； T0202；
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M03 S500； G00 X26.Z5.; G71 U1 R0.5; G71 P10 Q20 U-0.5 W0.05 F0.1; N10 G01 X60 F0.05; G01 X40.Z-5.; G01 Z-60.; G01 X25.; G01 Z-236.5; G01 X20.Z-239.; N20 G01 X18.; G00 Z10.; M05; M00; T0202; M03 S600; G00 X20.Z5.; G70 P10 Q20; G00 Z100; M05; M30; 夹住右端加工莫氏4号
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O0003； T0303； M03 S500； G00 X26.Z2.5.; G71 U1 R0.5; G71 P10 Q20 U-0.5 W0.05 F0.1; N10 G01 X41.202 F0.05; G01 X31.202.Z-2.5.; G01 X20.Z-103.; N20 G01 X18.; G00 Z10.; M05; M00; T0303; M03 S600; G00 X26.Z2.5.; G70 P10 Q20; G00 Z100; M05; M30;
6 结论
通过合理的分析顶尖套，利用已有的理论知识，设计出此零件的夹具，
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可以发现使用该夹具加工该零件，有效的保证了零件的平行度和对称度，提高了该零件的加工精度和生产效率，而且适应零件批量生产的要求。
该夹具结构比较紧凑，但也可能使刚度不足。
总得来说，设计此夹具是可以明显提高加工精度，降低辅助生产时间节约了不少成本和装配、定位、夹紧时间等优点。
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参考文献
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1.零件图（二维） 2.零件图（三维） 3.夹具图
4.数控加工刀具卡片 5.数控加工工序卡片 6.数控加工进给路线图 7.数控程序
附 录
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