[工学]3机械制造基础.ppt

第四章,机床夹具原理与设计,机床夹具原理与设计,4.1 机床夹具概述 4.2 工件在夹具中的定位 4.3 定位误差分析 4.4 工件在夹具中的夹紧 4.7 机床夹具设计的基本步骤,4.1 机床夹具概述,4.1 机床夹具概述,机床夹具是机床上用以装夹工件（和引导刀具）的一种装置。其作用是将工件定位，以使工件获得相对的于机床和刀具的正确位置，并把工件可靠地夹紧。,4.1 机床夹具概述,定位：确定工件在机床上或夹具中占有准确加工位置的过程； 夹紧：在工件定位后用外力将其固定，使其在加工过程中保持定位位置不变的操作叫夹紧。 装夹就是定位和夹紧过程的总和。,4.1 机床夹具概述,一、工件的装夹方法,直接找正安装 操作工人利用千分表、卡尺、划线盘等工具，找正某些有相互位置要求的表面，然后夹紧工件。 特点： 效率低； 应用于单件小批量生产； 如找正仪器精度高，被找正工件表面加工精度也高，可达到很高的定位精度，因此适于精度要求高的场合。,4.1 机床夹具概述,划线找正安装 按图纸要求在工件表面上划出位置线以及加工线和找正线，安装时首先按着找正线找正工件位置，夹紧工件。 特点： 精度低；（0.1mm左右） 效率低； 不需其它专门设备，通用性好； 适合单件小批量的复杂铸件的粗加工（箱体）。,4.1 机床夹具概述,夹具安装 直接由夹具保证工件在机床上的正确位置，并直接在夹具上夹紧工件。 特点： 效率高； 精度一致性好； 操作简单； 适合成批及大批量生产。,4.1 机床夹具概述,找正法与用夹具装夹工件的对比,待装夹工件,采用找正法装夹工件的步骤： 1)先进行划线，划出槽子的位置； 2)将工件放在立式铣床的工作台上，按划出的线痕进行找正，找正完成后用压板或虎钳夹紧工件。 3)根据槽子线痕位置调整铣刀相对工件的位置，调整好后才能开始加工。,4.1 机床夹具概述,4)加工中需先试切一段行程，测量尺寸，根据测量结果再调整铣刀的相对位置，直至达到要求为止。 5)每加工一个工件均重复上述步骤。 这种装夹方法不但费工费时，而且加工出一批工件的加工误差分散范围较大。,4.1 机床夹具概述,采用夹具装夹方法，不需划 线，把工件直接放入夹具中。 工件的A面支承在两支承板2 上；B面支承在两齿纹顶支承 钉3上；端面靠在支承钉4上， 这样就确定了工件在夹具中 的位置，然后旋紧螺母9通 过压板8把工件夹紧，完成 了装。下一工件进行加工时， 夹具在机床上的位置不动， 只需松开螺母9进行装卸工 件即可。,4.1 机床夹具概述,二.机床夹具的工作原理和在机械加工过程中的作用,1.夹具的主要工作原理 以下将介绍夹具装夹 工件时，采用调整法达 到尺寸精度的工作原理。,4.1 机床夹具概述,对位置精度的保证,1. 因为工件的A面是支承在 支承板2的工作面上的，因 而最终达到了铣出的糟底面 与A面平行的要求。 2. 夹具利用两定位键1 与铣床工作台的T型槽 配合，保证了与铣床 纵向进给方向平行,4.1 机床夹具概述,3. 夹具的两个齿纹顶支承钉3的支承工作面与两定位键侧面保持平行，也就使支承钉3的支承工作面与铣床纵向进给方向平行。 4. 由于工件以B面与两支承钉3的支承工作面相接触，因而最终保证了铣出的槽的侧面与工件B面平行。,4.1 机床夹具概述,对尺寸精度的保证 1.夹具上装有对刀块5，利用对刀塞尺10塞入对刀块工作面与立铣刀切削刃之间来确定铣刀相对夹具的位置，此时可相应横向调整铣床工作台的位置和垂直升降工作台来达到刀具相对对刀块的正确位置。 2.由于对刀块的两个工作面与相应夹具定位支承板2和齿纹顶支承钉3的各自支承面已保证和尺寸，因而最终保证铣出槽子的a和b尺寸。,4.1 机床夹具概述,3.至于槽子长度的位置尺寸,则依本调整铣床工作台纵向进给的行程挡块的位置，使立式铣床工作台纵向进给的终结位置保证铣刀距支承钉4的距离等于c。由于工件以端面与支承钉4的工作面相接触，因而最终使铣出槽子的长度位置达到尺寸的要求。,4.1 机床夹具概述,加工一批工件时，只要在允许的刀具尺寸磨损限度内，都不必调整刀具位置，不需进行试切，直接保证加工尺寸要求。这就是用夹具装夹工件时，采用调整法达到尺寸精度的工作原理。,4.1 机床夹具概述,夹具工作原理的要点： （1）使工件在夹具中占有正确的加工位置。 （2）夹具对于机床应先保证有准确的相对位置。 （3）使刀具相对有关的定位元件的定位工作面调整到准确位置。,4.1 机床夹具概述,2.夹具的作用： (1)保证稳定可靠地达到各项加工精度要求； (2)缩短加工工时，提高劳动生产率； (3)降低生产成本； (4)减轻工人劳动强度； (5)可由较低技术等级的工人进行加工； (6)能扩大机床工艺范围。,4.1 机床夹具概述,三、夹具的分类与组成,1.夹具的分类,通用夹具；三爪、四爪卡盘, 虎钳, 分度头 专用夹具: 只适合该零件的专门为某工序而设计的 成组夹具: 适合同类零件的、经调整后即可实现的 组合夹具: 可根据零件需要, 经许多标准件组合而成的 随行夹具: 随着工件走、到各种机床都可,4.1 机床夹具概述,2.夹具的组成,1)定位元件：用于确定工件在夹具中的位置。 2)夹紧装置：用于夹紧工件。 3)对刀、导引元件： 确定刀具相对夹具 定位元件的位置。,4.1 机床夹具概述,4)其它装置：如分度元件等。 5)连接元件和连接表面：用于确定夹具本身在机床主轴或工作台上的位置。 6)夹具体：用于将夹具上的各种元件和装置连接成一个有机整体。 7）其他元件,4.2 工件在夹具中的定位,定位的目的是使工件在夹具中相对于机床、刀具占有确定的正确位置，并且应用夹具定位工件，还能使同一批工件在夹具中的加工位置一致性好。 在夹具设计中，定位方案不合理，工件的加工精度就无法保证。工件定位方案的确定是夹具设计中首先要解决的问题。,4.2 工件在夹具中的定位,一、基准,定义: 用来确定生产对象上几何要素（点、线、面）间的几何关系所依据的那些点、线、面. 根据功用: 设计基准和工艺基准. 定位基准 加工中用作定位的基准. 测量基准 测量时所采用的基准.,装配基准 是装配时确定零件或部件在产品中的相对位置所采用的基准. 工序基准 在工序图上用来确定该工序加工表面加工后的尺寸、形状、位置的基准 注意：作为基准的点、线、面在实际上不一定存在（如孔中心线、对称中心平面），但它们都是以具体表面体现的，这个表面称为基面。,4.2 工件在夹具中的定位,4.2 工件在夹具中的定位,二.六点定位原理,任何一个未受约束的物体, 在空间都有6个自由度 要确定物体在空间的位置, 必须约束其6个自由度 理论上讲, 工件的六个自由度可用六个支承点加以限制, 前提是这六个支承点在空间按一定规律分布, 并保持与工件的定位基面相接触.,4.2 工件在夹具中的定位,1、六点定位原理,在相互垂直的三个平面上, 按3、2、1分布六个支撑, 共同限制工件的六个自由度, 这种定位方式叫六点定位原理.,4.2 工件在夹具中的定位,“六点定位”的注意问题 定位就是限制自由度。 定位支承点与工件定位基准面始终保持紧贴接触。 一个定位支承点仅限制一个自由度，一个工件仅有六个自由度，所设置的定位支承点数目，原则上不应超过六个。 分析定位支承点的定位作用时，不考虑力的影响。 定位支承点是由定位元件抽象而来的。,4.2 工件在夹具中的定位,2、支撑点与定位元件,与工件有小面积接触的支撑钉定义为支撑点, 不同的定位元件相当于一个或多个支撑钉, 也就是实现一个或多个支撑钉的作用, 在数目上等于限制的自由度数目.,4.2 工件在夹具中的定位,4.2 工件在夹具中的定位,3、完全定位与不完全定位,完全定位: 工件的六个自由度完全被限制的定位称为完全定位.,不完全定位: 按加工要求, 允许有一个或几个自由度不被限制的定位, 称为不完全定位.,4、过定位与欠定位,过定位: 工件的同一自由度被两个或两个以上的支承点重复限制的定位, 称为过定位. 某些情况允许,欠定位: 按工序的加工要求, 工件应该限制的自由度而未予限制的定位, 称为欠定位. 绝对不允许出现,4.2 工件在夹具中的定位,过定位举例,4.2 工件在夹具中的定位,欠定位在实际加工中是绝对不允许的.,过定位不提倡, 但是在精加工中, 根据具体情况, 可以有, 可以提高刚度, 如上面例子, 粗加工不允许.,解决过定位的方法 (1)改变定位元件结构, 从根本上消除过定位因素, 抓源头. (2)提高工件及定位元件的制造精度, 特别是位置精度, 允许过定位的存在, 但是把影响降低或消除,4.2 工件在夹具中的定位,三.常见的定位方式和定位元件,定位元件的设计应满足下列要求： 要有与工件相适应的精度； 要有足够的刚度，不允许受力后发生变形； 要有耐磨性，以便在使用中保持精度。一般多采用低碳钢渗碳淬火或中碳钢淬火，硬度为5862HRC,4.2 工件在夹具中的定位,1.工件以平面定位 概念：在机械加工中，利用工件上的一个或几个平面作为定位基面来定位工件的方式，称为平面定位。 定位元件：固定支承、可调支承和自位支承。 (1)固定支承：包括固定支承钉、固定支承板。,4.2 工件在夹具中的定位,4.2 工件在夹具中的定位,(2)可调支承 可调支承是顶端位置可在一定高度范围内调整的支承。多用于未加工平面的定位，以调节和补偿各批毛坯尺寸的误差，一般每批毛坯调整一次.,4.2 工件在夹具中的定位,(3)自位支承 支承本身的位置在定位过程中，能自动适应工件定位基准面位置变化的一类支承。自位支承能增加与工件定位面的接触点数目，使单位面积压力减小，故多用于刚度不足的毛坯表面或不连续的平面的定位。,4.2 工件在夹具中的定位,(4)辅助支承 有时为了提高工件的刚度和定位稳定性，常采用辅助支承。,4.2 工件在夹具中的定位,2.工件以圆孔定位 有些工件，如套筒、法兰盘、拨叉等以孔作为定位基准. (1)定位销,4.2 工件在夹具中的定位,(2)锥销 孔端的定位可限制工件三个自由度,4.2 工件在夹具中的定位,(3)定位心轴 心轴定心精度高，但装卸费时，有时易损伤工件孔，多用于定心精度要求高的情况。,4.2 工件在夹具中的定位,3.工件以外圆柱面定位 工件以外圆柱面定位在生产中是常见的，如轴套类零件等。常用的定位元件有V形块、定位套、半圆定位座。 (1)V形块 V形块是用得最广泛的外圆表面定位元件。,4.2 工件在夹具中的定位,4.2 工件在夹具中的定位,在V形块上定位时，工件具有自动对中作用。 D标准心轴直径，即工件定位用外圆直径 ; HV形块高度(mm); NV形块的开口尺寸 (mm); T对标准心轴而言，V形块的标准高度， V形块两工作平面间的夹角。,设计V形块时T值的计算：,4.2 工件在夹具中的定位,（2）定位套筒 定位元件结构简单，但定心精度不高，当工件外圆与定位孔配合较松时，还易使工件偏斜，因而，常采用套筒内孔与端面一起定位，以减少偏斜。若工件端面较大，为避免过定位，定位孔应做短些。,4.2 工件在夹具中的定位,(3)半圆孔定位座 下半圆部分装在夹具体上，起定位作用，上半圆部分装在可卸式或铰链式盖上，起夹紧作用，半圆孔定位座适用于大型轴类工件的定位。,4.2 工件在夹具中的定位,(4)外圆定心夹紧机构 在实现定心的同时，能将工件夹紧的机构，称为定心夹紧机构，如三爪自定心卡盘、弹簧夹头等。,4.2 工件在夹具中的定位,4.工件以组合表面定位 实际加工过程中，工件往往是以几个表面同时定位的，称为“组合表面定位”。 (1)“一面二孔”定位,4.2 工件在夹具中的定位,“一面两销”的两圆柱销重复限制了沿方向的移动自由度，属于过定位。由于工件上两孔的孔心距和夹具上两销的销心距均会有误差，因而会出现上图所示的相互干涉现象。,4.2 工件在夹具中的定位,解决“一面两孔”的定位干涉问题的途径： (1)减小一个销的直径； (2)将一个销做成削边销。,4.2 工件在夹具中的定位,(2)一个平面和二个与其垂直的外圆柱面的组合,4.2 工件在夹具中的定位,(3)一个孔和一个平行于孔中心线的平面的组合,4.3 定位误差分析,通过六点定位原理解决了工件的“定不定”问题； “准不准”的问题没有得到解决； 误差的存在是客观的, 引起的原因有随机性的, 有由于热、力变形，也有由于磨损等而引起的； 与夹具有关的误差有刀具与对刀元件间的对刀误差、夹具在机床中的安装误差、夹具本身的制造误差及定位误差； 定位误差引起原因：工件在夹具上定位，因位置不一致而引起的误差；用dw表示,4.3 定位误差分析,定位误差产生的前提是: 采取调整法加工一批零件时, 由于基准不重合（工序基准和定位基准）或定位面的配合间隙而引起；试切法没有； 定义: 用夹具装夹一批工件时, 工序基准相对于定位基准在加工尺寸方向上的最大变动量.,4.3 定位误差分析,例：加工一键槽,除键槽外其余全部加工完成；键槽的设计尺寸为 ，下母线为设计基准，定位元件为心轴。,加工一批零件，以心轴的中心为调刀基准 外圆尺寸是变化的，因而必然引起h的加工误差，这是由于设计基准和定位基准不重合引起的，称为基准不重合误差，或第一类误差 如果心轴和工件内孔有间隙，也必然引起h加工误差，这类误差称为第二类误差,4.3 定位误差分析,工件在夹具中位置确定了以后, 有可能存在定位误差, 为了保证工件的加工精度, 在进行定位设计时, 必须进行定位误差的分析和计算, 根据具体情况, 计算后的定位误差小于相应尺寸及位置公差的1/31/5, 认为这种定位方案合适。,定位误差构成,基准不重合误差: 计为jb,基准位移误差: 计为jw,dwjb jw,严格来讲是两项的矢量和,4.3 定位误差分析,注意,定位误差是某一工序中某一精度指标（尺寸、位置）的误差； 一种定位方式可以引起多种定位误差； 存在定位误差的前提是采取调整法加工一批零件时； 得出的误差值是最大的误差范围； 误差不一定为线性关系。,4.3 定位误差分析,定位误差的分配,1.如果工件在机床上的安装误差为:,2.加工误差为, 包括机床、刀具、力变形、热变形等,3.为保证加工精度, 上述三项公差之和满足:,4.生产中常以等分配原则:,4.3 定位误差分析,定位误差的计算方法,定义法,(1)工件以平面定位,4.3 定位误差分析,(2) 工件以圆孔定位,4.3 定位误差分析,4.3 定位误差分析,4.3 定位误差分析,(3) 工件以V型块定位,4.3 定位误差分析,设计基准为中心线（H1）,P,4.3 定位误差分析,设计基准为上母线（H2）,4.3 定位误差分析,设计基准为下母线（H3）,P,4.3 定位误差分析,极限位置法,根据定位误差的概念直接计算出工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量。,1.当b、d为最小时，工件中心最低；如O1; 2.在b、d为最大时，工件中心最高；如O4 3. DA为定位误差； 4.计算,A,dd,bb,O1,O4,DA,O,d,b,4.3 定位误差分析,微分法,1.根据工件的定位情况，建立工件加工尺寸与有关的工件和夹具相应各几何参数的尺寸关系 D=f（x1,x2,x3,.） 2.对上式取全微分 3.计算,4.4 工件在夹具中的夹紧,一、夹紧装置的组成及基本要求 为防止工件的定位在切削力、振动、惯性力及离心力等作用下发生变化, 需对其进行夹紧, 主要由三部分构成,(1) 力源装置,(2) 夹紧元件,（3）中间传力机构,4.4 工件在夹具中的夹紧,夹紧装置的基本要求,不破坏工件的定位； 夹紧力大小适中 夹紧装置的自动化及复杂程度与生产纲领相符； 夹紧装置安全、方便、省力.,4.4 工件在夹具中的夹紧,二、夹紧力的确定,1、方向确定原则 (1)夹紧力的方向有助于工件的稳定, 主夹紧力方向为垂直于工件的主要定位面；,4.4 工件在夹具中的夹紧,(2)夹紧力的方向有利于减小夹紧力,如与切削力同向；,4.4 工件在夹具中的夹紧,(3)防止工件变形.,4.4 工件在夹具中的夹紧,2.夹紧力作用点的确定,(1)力应作用在支撑范围内；,4.4 工件在夹具中的夹紧,(2)选择刚度高的部分；,4.4 工件在夹具中的夹紧,(3)尽可能的靠近加工表面.,4.4 工件在夹具中的夹紧,3.夹紧力大小的确定,(1)确定原则: 与切削过程产生的力与力矩相平衡. (2)确定方法: 估算法、类比法和试验法.,4.4 工件在夹具中的夹紧,估算法确定夹紧力,(1) 将夹具及工件看成刚体, 找出切削加工中最不利的情况, 根据力学原理计算出理论夹紧力, 乘以安全系数, 得到实际夹紧力； (2) 安全系数: 粗加工K=2.53;精加工K1.52.,4.4 工件在夹具中的夹紧,三、典型夹紧机构,行程、增力比、自锁条件、斜角等是设计时需要考虑的条件,4.4 工件在夹具中的夹紧,特点： (1)有增力作用； (2)夹紧行程小； (3)结构简单，但操作不方便。,4.4 工件在夹具中的夹紧,夹紧时，FP、FQ、FR三力平衡。 夹紧力：,4.4 工件在夹具中的夹紧,工件夹紧后力FP消失，则斜楔 应能自锁。,斜楔夹角的自锁条件：,通常为安全起见，取,4.4 工件在夹具中的夹紧,(2) 螺旋夹紧机构,特点： (1)夹紧结构简单，可靠，应用广泛； (2)夹紧力比斜楔夹紧力大，螺旋夹紧行程不受限制，所以在手动夹紧中应用极广； (3)螺旋夹紧动作慢，辅助时间长，效率低，在实际生产中，螺旋一压板组合夹紧比单螺旋夹紧用的更为普遍。,4.4 工件在夹具中的夹紧,(3) 偏心夹紧机构,特点：夹紧力小，自锁性能不是很好，且夹紧行程小，故多用于切削力小，无振动，工件尺寸公差不大的场合，但是圆偏心夹紧机构是一种快速夹紧机构。,4.4 工件在夹具中的夹紧,(4) 铰链夹紧机构,适于气动、多点、多力夹紧, 结构简单、增力大、摩擦损失小.,4.4 工件在夹具中的夹紧,四.夹紧动力源装置,1.气动夹紧,1雾化器 2减压阀 3止回阀 4转向阀 5调速阀 6气压表 7气缸,4.4 工件在夹具中的夹紧,图为单作用气缸，夹紧靠气压顶紧，松开由弹簧推回，用于夹紧行程较短的情况。活塞在压缩空气作用下产生的原始推动力。,原始推动力：,4.4 工件在夹具中的夹紧,右图为双作用气缸，活塞的双向移动均由压缩空气驱动，用于行程较大或往复均需推动的情况。,压缩空气进入无杆腔一侧时，活塞杆的推力：,压缩空气作用在有杆腔一侧时，活塞杆的拉力：,4.4 工件在夹具中的夹紧,2.液压夹紧 特点： (1)工作压力高，传动力大，不需增力机构，夹具结构简单； (2)油液不可压缩，夹紧刚性大，工作平稳，夹紧可靠； (3)噪声小，劳动条件好。 (4)适用于重力切削或加工大型工件时的多处夹紧。,4.4 工件在夹具中的夹紧,3.气-液压组合夹紧,1气缸 2增压缸 3活塞杆 4活塞杆 5工作缸 6活塞,4.4 工件在夹具中的夹紧,由于 ，故增压器输出的油压比输入的气压增大 倍（ 为总效率），这是它的主要优点。其缺点是行程小。因油液容积不变，故活塞6的行程 和活塞3的行程 与相应的活塞、活塞杆面积成反比，即,4.4 工件在夹具中的夹紧,五、新型夹具简介,车削一组阀片的外圆, 工件以内孔和端面定位在4上, 经活动拉杆拉动滑柱5、压圈6, 经快换垫圈7压紧工件, 当加工不同型号工件时, 只需更换定位套4即可. 成组夹具分基础部分(不可