镗床夹具毕业设计

1、镗床夹具设计 摘要摘要 镗床发展的水平之高主要表现在产品设计理念的不断更新，体现了产品设 计将装饰艺术与精细加工的完美结合；产品结构的不断创新，显示了镗床在向高速、 高精、高效发展的同时，还向人性化、精细化制造的方向发展，而镗床夹具的发展也 是齐头并进，毫不逊色。本论文通过对镗床的加工方法，工作原理的研究分析，选定 了箱体零件设计了一个镗床夹具，并给出了结构方案。该夹具设计有对刀装置。既能 够实现工件的准确装夹，还可以准确对刀。夹紧方式采用了液压夹紧。夹紧快速简洁， 夹紧力的控制和装夹定位准确，通过对刀装置的准确对刀，最终保证了工件的加工精 度。 关键词关键词镗床 夹具 对刀 箱体 jigs

2、for boring machine design abstract: boring development of a high standard of performance in the major product design concepts is continuously updated. reflect the product design of decorative arts and fine processing the perfect combination; product mix of constant innovation and shows the boring ma

3、chine to the high-speed, high-precision, high-efficiency development, it is also to humanity, fine manufacturing direction, jig boring machine and the parallel development is not out of step. in this paper, through the boring machine processing method, principle of research and analysis selected par

4、ts of the box design a jig boring machine, and gives the structure of the program. the fixture is designed to knife device. both to achieve the exact workpiece fixturing, but also accurate right knife. ways to intensify the use of hydraulic clamping. clamping rapid concise, clamping force control an

5、d accurate positioning fixture, the right knife devices accurate right knife, the ultimate guarantee of a workpiece machining accuracy. key words: boring machine jigs right knife box 目 录 序序 言言 .1 1 1 绪论绪论 .3 1.1 镗床的起源、功能及基本特点.3 1.2 镗床的分类.4 1.3 镗床的发展趋势.4 1.4 本课题的研究目标，内容及意义.6 1.4.1 本课题的研究目标.6 1.4.2 本课

6、题的研究内容.6 1.4.3 本课题的研究意义.7 2 2 夹具设计及其概论夹具设计及其概论 .8 2.1 概论.8 2.2 夹具发展简史.8 2.2.1 夹具发展简史及其分类.8 2.2.2 夹具的基本功能描述.9 2.3 工件的装夹方式.10 2.4 夹具的组成及夹具体的设计.11 2.4.1 夹具的组成.11 2.4.2 夹具体的设计.12 2.4.3 其它装置或元件.14 2. 5 夹具设计中的定位.15 2.5.1 定位基准选取.15 2.5.2 工件在空间自由度的分析.16 2.5.3 工件定位方式的确定.17 2.5.4 现有定位规划方法介绍.18 2.6 夹具中夹紧方式的设计.

7、19 2.6.1 夹紧设计的基本要求.20 2.6.2 夹紧力方向、位置和大小的确定.21 2.7 现有组合夹具夹紧规划方法介绍.24 2.7.1 确定工件的夹紧区域.24 2.7.2 确定与可行夹紧区域对应的安装固定区域.24 2.8 夹具的定位误差分析及夹紧力的计算.25 2.8.1 定位销高度的计算.25 2.8.2 定位误差计算.26 2.8.3 工件以一面及两圆孔定位的夹紧力计算.27 2.8.4 液压-压板组合夹紧计算.28 2.9 小结.29 3 3 夹具中对刀的设计夹具中对刀的设计 .30 3.1 对刀概述.30 3.2 工件与主轴的同轴找正.30 3.3 对刀.31 3.4

8、对刀误差的确定.33 4 4 液压系统的设计液压系统的设计 .34 4.1 液压传动技术的发展概况.34 4.3 液压系统中执行元件的选择 .36 4.3.1 液压缸的类型和特点.36 4.4 本课题选用液压缸的计算.38 4.4.1 液压缸的组成.38 4.4.2 液压缸的计算.38 4.5 液压系统的控制及动力源.39 5 5 夹具的装配夹具的装配 .41 5.1 概述.41 5.1.1 机器装配的基本概念.41 5.1.2 装配精度.41 5.2 装配尺寸链 .42 5.2.1 装配尺寸链的基本概念.42 5.2.2 装配尺寸链的查找方法.42 5.2.3 装配尺寸链的计算方法.43 5

9、.3 保证装配精度的方法.43 5.3.1 完全互换法.43 5.3.2 选择装配法.44 5.3.3 修配法.44 5.3.4 调节法(调整法).45 5.4 装配工艺规程的制定 .46 5.4.1 制定装配工艺规程的基本原则及原始资料.46 5.4.2 制定装配工艺过程的步骤.46 5.4.3 装配元件系统图.47 5.5 本装置的装配要求.47 致致谢谢.48 参考文献参考文献.49 序序 言言 随着科技的迅速发展，镗床发展的水平之高主要表现在产品设计理念的不断更新， 体现了产品设计将装饰艺术与精细加工的完美结合；产品结构的不断创新，显示了镗 床在向高速、高精、高效发展的同时，还向人性化

10、、精细化制造的方向发展。 镗床技术发展的同时，镗床夹具也在迅速的直追而上，因为他们是相辅相成的。夹 具是机械加工不可缺少的部件，在机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环保 方向发展的带动下，夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济方向发展。 一、高精 随着机床加工精度的提高，为了降低定位误差，提高加工精度，对夹具的制造精 度要求更高。高精度夹具的定位孔距精度高达5m，夹具支承面的垂直度达到 0.01mm/300mm，平行度高达 0.01mm/500mm。德国 demmeler（戴美乐）公司制造的 4m 长、2m 宽的孔系列组合焊接夹具平台，其等高误差为0.03mm；精密平口钳的平

11、行度和垂直度在 5m 以内；夹具重复安装的定位精度高达5m；瑞士 erowa 柔性 夹具的重复定位精度高达 25m。机床夹具的精度已提高到微米级，世界知名的夹具 制造公司都是精密机械制造企业。诚然，为了适应不同行业的需求和经济性，夹具有 不同的型号，以及不同档次的精度标准供选择。 二、高效 为了提高机床的生产效率，双面、四面和多件装夹的夹具产品越来越多。为了减 少工件的安装时间，各种自动定心夹紧、精密平口钳、杠杆夹紧、凸轮夹紧、气动和 液压夹紧等，快速夹紧功能部件不断地推陈出新。新型的电控永磁夹具，加紧和松开 工件只用 12 秒，夹具结构简化，为机床进行多工位、多面和多件加工创造了条件。 为了

12、缩短在机床上安装与调整夹具的时间，瑞典 3r 夹具仅用 1 分钟，即可完成线切割 机床夹具的安装与校正。采用美国 jergens（杰金斯）公司的球锁装夹系统，1 分钟内 就能将夹具定位和锁紧在机床工作台上，球锁装夹系统用于柔性生产线上更换夹具， 起到缩短停机时间，提高生产效率的作用。 三、模块、组合 夹具元件模块化是实现组合化的基础。利用模块化设计的系列化、标准化夹具元 件，快速组装成各种夹具，已成为夹具技术开发的基点。省工、省时，节材、节能， 体现在各种先进夹具系统的创新之中。模块化设计为夹具的计算机辅助设计与组装打 下基础，应用 cad 技术，可建立元件库、典型夹具库、标准和用户使用档案库

13、，进行 夹具优化设计，为用户三维实体组装夹具。模拟仿真刀具的切削过程，既能为用户提 供正确、合理的夹具与元件配套方案，又能积累使用经验，了解市场需求，不断地改 进和完善夹具系统。组合夹具分会与华中科技大学合作，正在着手创建夹具专业技术 网站，为夹具行业提供信息交流、夹具产品咨询与开发的公共平台，争取实现夹具设 计与服务的通用化、远程信息化和经营电子商务化。 四、通用、经济 夹具的通用性直接影响其经济性。采用模块、组合式的夹具系统，一次性投资比 较大，只有夹具系统的可重组性、可重构性及可扩展性功能强，应用范围广，通用性 好，夹具利用率高，收回投资快，才能体现出经济性好。德国 demmeler（戴

14、美乐）公 司的孔系列组合焊接夹具，仅用品种、规格很少的配套元件，即能组装成多种多样的 焊接夹具。元件的功能强，使得夹具的通用性好，元件少而精，配套的费用低，经济 实用才有推广应用的价值。 1 1 绪论绪论 1.11.1 镗床的起源、功能及基本特点镗床的起源、功能及基本特点 17 世纪，由于军事上的需要，大炮制造业的发展十分迅速，如何制造出大炮的炮 筒成了人们亟需解决的一大难题。 世界上第一台真正的镗床是 1775 年由威尔金森发明的。其实，确切地说，威尔金 森的镗床是一种能够精密地加工大炮的钻孔机，它是一种空心圆筒形镗杆，两端都安 装在轴承上。 1775 年，47 岁的威尔金森在他父亲的工厂里

15、经过不断努力，终于制造出了这种能 以罕见的精度钻大炮炮筒的新机器。有意思的是，1808 年威尔金森去世以后，他就葬 在自己设计的铸铁棺内。 1802 年，瓦特也在书中谈到了威尔金森的这项发明，并在他的索霍铁工厂里进行 仿制。以后，瓦特在制造蒸汽机的汽缸和活塞时，也应用了威尔金森这架神奇的机器。 原来，对活塞来说，可以在外面一边量着尺寸，一边进行切削，但对汽缸就不那么简 单了，非用镗床不可。当时，瓦特就是利用水轮使金属圆筒旋转，让中心固定的刀具 向前推进，用以切削圆筒内部，结果，直径 75 英寸的汽缸，误差还不到一个硬币的厚 度，这在当对是很先进的了。 在以后的几十年间，人们对威尔金森的镗床作了

16、许多改进。1885 年，英国的赫顿 制造了工作台升降式镗床，这已成为了现代镗床的雏型。经过一百多年的发展，镗床 发展的水平之高主要表现在产品设计理念的不断更新，体现了产品设计将装饰艺术与 精细加工的完美结合；产品结构的不断创新，显示了镗床在向高速、高精、高效发展 的同时，还向人性化、精细化制造的方向发展。 镗床主要是用镗刀在工件上镗孔的机床，通常，镗刀旋转为主运动，镗刀或工件 为进给运动。它的加工精度和表面质量要高于钻床。镗床是大型箱体零件加工的主要 设备。镗床的功能是十分强大的，它是车床和铣床的综合体，不但可以进行镗孔加工 还可以进行车削和铣削加工。 镗削是把工件上的预制孔扩大至具有一定的孔

17、径、并提高孔形精度和表面光洁度 的加工过程。镗孔的质量是镗床性能好坏的重要标志。镗床的镗孔精度一般可达it7， 对于精度要求更高的孔，可用高精度的金刚镗、坐标镗或专用镗床进行细精镗，以获 得更高的孔形精度和孔距精度。 根据机床、刀具和工件的相对位置以及成形原理，镗削具有以下基本特点： 1）镗削表面的运动轨迹是由镗床主轴上的镗刀作回转运动来实现的。它与钻削 加工相似。 2）镗削时，由于刀具装在刀杆上伸入内孔进行切削，因此，镗刀是在半封闭状 态下工作的。 3）镗削加工时，把工件装夹在工作台上，有镗杆作纵向、垂直移动或工作台纵、 横向移动来实现对工件的进给运动。 4）镗削时，由于刀具后刀面和内孔表面

18、摩擦较大和镗杆悬臂外伸，因此镗刀的 切削条件较差，且一起振动。 1.21.2镗床的分类镗床的分类 加工特点：加工过程中工件不动，让刀具移动，将刀具中心对正孔中心，并使 刀具转动(主运动)。 1) 卧式镗床是镗床中应用最广泛的一种。它主要是孔加工，镗孔精度可达it7， 表面粗糙度ra值为1.6-0.8um.卧式镗床的主参数为主轴直径。 2) 坐标镗床是高精度机床的一种。它的结构特点是有坐标位置的精密测量装置。 坐标镗床可分为单柱式坐标镗床、双柱式坐标镗床和卧式坐标镗床。 单柱式坐标镗床：主轴带动刀具作旋转主运动，主轴套筒沿轴向作进给运动。特 点：结构简单，操作方便，特别适宜加工板状零件的精密孔，

19、但它的刚性较差，所以 这种结构只适用于中小型坐标镗床。 双柱式坐标镗床：主轴上安装刀具作主运动，工件安装在工作台上随工作台沿床 身导轨作纵向直线移动。它的刚性较好，目前大型坐标镗床都采用这种结构。双柱式 坐标镗床的主参数为工作台面宽度。 卧式坐标镗床：工作台能在水平面内做旋转运动，进给运动可以由工作台纵向移 动或主轴轴向移动来实现。它的加工精度较高。 3）金刚镗床：特点是以很小的进给量和很高的切削速度进行加工，因而加工的 工件具有较高的尺寸精度（it6），表面粗糙度可达到0.2微米。 1.31.3 镗床的发展趋势镗床的发展趋势 镗床技术发展呈现新的特点，在提高进给速度和快速移动速度的同时，又出

20、现了提 高加速度这一新的概念，提高起动加速度，以提高速度挖掘镗床的潜力。因此，镗铣 床采用电主轴也就成为新的追求。并且有出现立柱采用斜面概念的设计，刚性极高， 具有卧式主轴和电主轴可交换使用的功能，具有“一机两用”之功效的镗床等等。纵 观镗床的发展过程，其发展趋势大致为： 1) 高速高精高效的数字化镗床 由提高主轴转速后能够降低工件对刀具的切削力的理论的提出，出现了提高加速 度这一新的概念，这样电主轴就成为新的追求。目前世界一流的电主轴，功率达到 80kw，转速高达 30000r/min。其 x、y、z 轴的移动速度高达 50m/min，加速度 9.8m/s2。为了满足汽车发动机缸体缸盖及航天

21、航空、高新技术、仪器、仪表、电子信 息和生物工程、轻金属材料零件和精密零件加工需求，高精度镗床的发展更是突飞猛 进。位置精度达到 0.0080.01mm，重复定位精度 0.0040.005mm。 2) 重型、超重型的大型镗床 为了满足能源、航天航空、军工、舰船主机制造、重型机械制造、大型模具加工、 汽轮机缸体、大型发电、输变电设备、大型石油化工和煤化工装置、矿山采掘设备、 成套轧钢设备、大型海洋船舶、高速列车、大端面岩石掘进机为代表的工程机械、民 用航空飞机及发动机等零件加工的需要。重型、超重型的镗床加工能力显得越来越重 要。这类镗床不但在精度和刚度方面要求高，而且对床子的综合性能方面提出了更

22、高 的要求。我国的机床技术指标、加工精度、可靠性和先进性在国际竞争中处于下风是 不争的事实。我国的西部大开发也正在进行之中，基础设施建设十分重要，像一些大 型的水力发电机组的建设等，这给重型镗铣床的发展带来了很大的锲机。迎合这个发 展机遇重型镗铣床设备的发展将走出一条新的大道。 3) 主流产品和各类产品共存 传统制造业的发挥依托先进制造业的发展而变化，同时势必影响着数控机床行业 的变化。由于国内行业繁多，并且各类行业所需生产方式不同，对镗床的加工要求也 就存在不同的方式，所以各类床子的生产就必须同时进行。在我国，从地域发展分析， 由于近几年中国经济飞速发展，带动了一系列相关事物的变化，尤其是我

23、国东部产业 的升级、东北等老工业基地的振兴和中西部的开发加快步伐，并且多数是重型制造行 业要求大型的镗床装备。在我国中南，东南部，大都是一些轻工业和精工业的部门， 相对与中小型装备需求较多。国内市场；经济全球化，国际发展期资本和产业向中国 的转移、国际技术和人才的交流、中国国际贸易的强劲发展等，更为我国镗床产业的 综合发展提供了外部环境，使我们处于难得的战略，走一条依存互补、相辅相成、共 同发展的道路。 1.41.4 本课题的研究目标，内容及意义本课题的研究目标，内容及意义 1.4.11.4.1 本课题的研究目标本课题的研究目标 结合国内镗床夹具的各方面的现状和不足，由于加工精度和加工效率的提

24、高，目前 的普通镗床的夹具在装夹工件和夹紧工件十分麻烦，尤其在工件的定位，对刀方面， 如果遇到体积大、吨位重的大型工件时，定位，夹紧，对刀是十分困难的。这样不但 装夹、对刀时间长，而且加工精度不能够保证。为了解决这个问题，我们设计了主要 针对于加工大型或超大型工件的重型镗床和普通卧式镗床的夹具装置，主要为了缩短 定位，夹紧，对刀时间，提高加工精度和大型镗床的加工效率，减少加工成本，最终 使达到资源的优化利用。 1.4.21.4.2 本课题的研究内容本课题的研究内容 镗铣床适用于机械加工车间对单件或小批量生产的零件进行平面铣削和孔系加工， 能精确镗削尺寸较大的孔和平面。此外还可进行钻、铰孔及螺纹

25、加工。 本课题研究的内容：镗床工作台的工作原理的了解、镗床夹具的设计、镗床结构 的分析、了解镗床传动机构、同轴度的调整、对刀调刀等问题。 1) 了解工作台的运动原理，确定定为基准以及对刀基准。 2) 镗床夹具方面，主要研究定位元件，夹紧装置，对刀，引导元件，安装装置和 夹具体等。选择合适的零件设计一夹具来完成对刀装置的设计。 3) 镗床种类较多，但主要功能是加工各种孔。通过各种途径了解它的结构，传动 方式，加工原理和加工能力等。最终选择一个合适的镗床为例来完成课题。 4) 同轴度保证了对刀也就容易了。利用一种机械装置来完成对孔和主轴同轴这一 要求。此装置可以通过在工作台上设计一个特殊的夹具或镗

26、模来完成。 5) 对于对刀装置的设计可以依据先摆正工件的装夹位置，然后对刀位利用对刀块 和其它的辅助装置进行调整，最终完成镗床的对刀。从而保证工件的加工精度。 6) 定位误差的分析计算，对刀误差的分析计算，液压夹紧装置的设计等等各种夹 紧力的计算。 7) 总装图的绘制。 1.4.31.4.3 本课题的研究意义本课题的研究意义 由于目前国内的镗床加工要求的不断提高，对加工效率的要求越来越高，在航空 航天，军工，船舶，煤炭，汽轮机缸体，大型发电机组，装备制造等行业对重型镗床 的使用越来越多，这使的镗床的发展加速，对镗床的加工效率提出挑战， 本装置的设 计正是迎合了这种要求，在设计中对夹具的定位精度

27、，夹紧速度以及夹具上的对刀装 置作了很大的改进，使夹具的加工精度更高。因此本课题的研究有很重要的现实意义， 并且有一定的市场前景。再加之这些年来精密机械和精密测量的快速发展对本课题的 研究也提供了相当多的参考资料。 2 2 夹具设计及其概论夹具设计及其概论 2.12.1 概论概论 在机械制造过程中，用来固定加工对象，使之保持正确的位置，以便接受施工或 检测的装置，都可以称为夹具。在机械加工中，为了保证工件的加工精度要求，工件 在机床中需要有准确的定位和可靠的夹紧。使工件相对于刀具和机床占有准确的加工 位置称为工件的定位;把工件定位后压紧夹牢，以保证这个准确的位置在加工过程中不 会发生改变称为工

28、件的夹紧。工件的定位和夹紧是夹具的两个主要功能。 夹具是工艺装备的主要组成部分，在机械制造中占有重要地位。对保证工件的加 工精度和加工质量，提高生产率，降低制造成本，减轻劳动强度，扩大机床使用范围， 缩短产品试制周期等都具有重要意义。 夹具一般可分为专用夹具和组合夹具两种。随着市场对产品的需求不断增加，产 品的更新换代速度不断加快。由于机械产品的品种繁多，要求机械产品的开发周期不 断缩短，传统的大批量生产模式逐步被中小批量生产模式所取代。按单一品种设计专 用夹具的方法己不能满足生产发展的要求，因此，如何缩短工艺装备的设计和制造周 期，以及产品换型后能如何保证原有工装夹具延续使用已事在必行。机械

29、制造业欲适 应这种变化须具备较高的柔性，国内外已把柔性制造系统作为开发新产品的有效手段， 并将其作为机械制造业的主要发展向。 2.22.2 夹具发展简史夹具发展简史 2.2.12.2.1 夹具发展简史及其分类夹具发展简史及其分类 早期的机床夹具，如车床的鸡心夹头和卡盘、刨床的虎钳，是和机床同时诞生和 发展起来的。由于他们是与机床配套供应用户，一般也称为机床附件，是通用机床夹 具的鼻祖。现代的专用夹具是伴随着大批大量生产的发展而发展出现的，特别是和汽 车工业的发展密切相关。专用夹具的使用，一方面缩短了工序时间，降低了加工成本: 另一方面，夹具本身的设计制造工时、材料消耗等又增加了工件的成本。因此

30、，在何 种生产条件下使用哪种类型的夹具才是经济合理的，也就是夹具的经济性，一直都是 夹具结构发展和设计的一个主要问题。 如图所示，为夹具分类框图。 图2.1夹具分类框图 专用夹具的费用分担在大批量生产的每一个工件上是极小的，所以，从事大批量 生产的企业都采用专用夹具。与此同时，却带来一个严重问题 如果零件的结构和尺 寸参数一旦发生变化，相关夹具就要报废。从这个意义上说.专用夹具被认为是一种一 次性使用的夹具。但是制造业中约有75%的企业从事单件小批生产。若为其单独设计制 造专用夹具，在经济上就极不合理了。为解决这一问题，从20世纪40年代开始，人们 就已经着手研制能够适合单件小批和成批生产的可

31、多次重复使用的夹具，相继出现了 组合夹具和各种可调整夹具。 90年代以后，快速多变的市场竞争促进制造产品的快速变化，要求制造企业对传 统的夹具技术进行革新，以满足产品品种变化频繁、批量变换、交货期缩短、制造低 成本与高质量的要求。它们形成了夹具发展的新动力。 2.2.22.2.2 夹具的基本功能描述夹具的基本功能描述 夹具的功能应该满足将工件固定在机床或其他设备准确位置上的要求，所以在现 代制造系统条件下一个常用的“3-2-1”定为夹具结构设计应能满足的功能要求为 = 底面定位，顶面夹紧，水平定位，水平夹紧，侧面定位，侧面夹紧。设计者 s fr 应该按照功能要求确定夹具的设计参数=底面定位组件

32、，顶面夹紧组件，水平 s dp 定位组件，水平夹紧组件，侧面定位组件，侧面夹紧组件。分析与之间的关 s fr s dp 系，底面定位功能的实现主要取决于底面定位组件，即=0;顶面夹 12 a 13 a 14 a 15 a 16 a 紧功能的实现主要取决于顶面夹紧组件即= = =0以此类推： 21 a 23 a 24 a 25 a 26 a =0， = =0， 31 a 32 a 34 a 35 a 36 a 41 a 42 a 43 a 45 a 46 a =0， =0 。 51 a 52 a 53 a 54 a 56 a 61 a 62 a 63 a 64 a 65 a 因此，按照顾客需求的

33、和设计参数之间的关系，可以得到: s fr s dp 显然 ， 是一个对角矩阵，故此它是一个非复合方案，符合独立公理的要求。夹 具设计还要考虑动力源，主要是气动或者液压装置，这些装置本身大多已经标准化和 通用化，可以从市场上采购到。这时应该考虑的主要问题就是这些夹具组件与其它夹 具组件的接口问题。例如，应该在其它夹具组件设计时考虑它们与这些气压装置之间 的空间位置关系，不同夹紧力源组件与其它夹具组件之间的接口问题，以及夹具同机 床运动时刀具间相互干涉等。 2.32.3 工件的装夹方式工件的装夹方式 工件在机床上加工时，应按照定位基准的要求，把工件安放在工作台上或夹具里 使它和刀具之间保持正确的

34、相对位置，这就是定位。定位是为了能够使工件占据正确 的空间坐标位置，多次重复摆放时，都能在同样的位置。在加工过程中为了保持工件 位置不变，必须把工件夹紧，以承受切削力及其他外力，这就是夹紧。夹紧是为了平 衡和抵抗来自加工中的切削力，保持正确的定位位置不变。工件定位与夹紧的过程称 为裝夹或安装。 工件在机床上的装夹，有三种方式： （1）直接找正裝夹 工件装到机床后，用百分表或划线盘上的划针目测校正工件位 置，以保证被加工表面的位置精度，而后夹紧工件。每加工一个工件都得重复上述过 程。 （2）划线找正裝夹 有些重、大、复杂工件，先在待加工处划线，然后装到机床上， 按线找正定位。 （3）夹具裝夹 夹

35、具是使工件在机床上迅速、正确裝夹的一种工艺装备。夹具 与刀具间的相对位置，以在加工前预先调整好，所以一批工件加工时，不必逐个找正 定位。在夹具上裝夹工件时，有工件上的定为基准与夹具定位元件的工作表面保持接 触来实现工件的定位，再用夹紧装置夹紧。 2.42.4 夹具的组成夹具的组成及夹具体的设计及夹具体的设计 机床夹具的种类和结构虽然繁多，但它们的组成均可概括为以下几个部分，这些 组成部分既相互独立又相互联系。 2.4.12.4.1 夹具的组成夹具的组成 1）定位元件 定位元件保证工件在夹具中处于正确的位置。如图 2.2 所示，钻后盖上的 10 孔，其钻夹具如图 2.4 所示。夹具上的圆柱销 5

36、、菱形销 9 和支承板 4 都是定位元件， 通过它们使工件在夹具中占据正确的位置。 2）夹紧装置 夹紧装置的作用是将工件压紧夹牢，保证工件在加工过程中受到外力(切削力等) 作用时不离开已经占据的正确位置。 3）对刀或导向装置 对刀或导向装置用于确定刀具相对于定位元件的正确位置。如图 2-4 中钻套 l 和 钻模板 2 组成导向装置，确定了钻头轴线相对定位元件的正确位置。铣床夹具上的对 刀块和塞尺为对刀装置。 图2.2后盖零件钻径向孔的工序 4）连接元件 连接元件是确定夹具在机床上正确位置的元件。如图 2.4 中夹具体 3 的底面为安 装基面，保证了钻套 1 的轴线垂直于钻床工作台以及圆柱销 5

37、 的轴线平行于钻床工作 台。因此，夹具体可兼作连接元件。车床夹具上的过渡盘、铣床夹具上的定位键都是 连接元件。 5）夹具体 夹具体是夹具的基座和骨架。定位装置、夹紧机构及其它装置或元件都安装在夹 具体上，使之成为一个夹具整体。 2.4.22.4.2 夹具体的设计夹具体的设计 如图 2.3 所示的夹具体，它是本装置设计的夹具体的零件图。夹具体是夹具的基 础件。在夹具体上，要安装组成该夹具所需要的各种元件、机构、装置、并且还必须 便于装卸工件，因此夹具体应该具有一定的形状尺寸。在加工过程中，夹具还要承受 夹紧力、切削力、和由此产生的冲击和震动。所以，夹具体应该具有必要的强度和刚 度。加工过程中所产

38、生的切削，有一部分落在夹具体上。若夹具体上切削聚集过多， 将严重影响工件可靠地定位和夹紧。为此，在夹具体的结构设计中，还应考虑便于清 除切屑的要求。此外，还要考夹具体结构的工艺性，使能合理、经济、方便地设计与 制造出来。 1)夹具体的毛坯结构 实际生产汇总所用夹具体的毛坯结构很多，但常见的有下列三种： (1) 铸造结构 夹具体采用铸造结构时，则具有下述优点： 可以铸出复杂的结构形状 铸铁件的抗压强度大、耐振性好，因此特别使用于加工时振动大、切削负荷大的场 合。 铸铁件易于加工，价格低廉，可降低夹具成本。但是铸造的生产周期长，而且因铸 造时内应力缘故，易引起变形，从而影响夹具体精度的持久性。因此

39、铸造夹具体必须 进行时效处理。 (2) 焊接结构 与铸造相比，焊接结构的优点为： 容易制造，生产周期短。 采用钢板、型材组成，结构合理，可减轻夹具重量。 根据这两个优点，焊接结构的夹具体特别适用于新产品试制或其它临时急用的场 合，以缩短生产周期。此外，一些结构简单的小型夹具，采用焊接结构也十分有利。 焊接结构的主要缺点，是焊接过程中的热变形以及残余应力对夹具工作精度的不利影 响。因此，应在焊完后进行退火处理。此外，焊接结构一般须增加强筋来提高刚性。 具体选择夹具体毛坯结构时，必须根据夹具体本身的要求和工厂的实际生产技术情况 综合考虑。一般精度要求高，结构相当复杂，加工时有较大振动的，宜选用周件

40、结构； 否则，应考虑充分利用焊接结构。 (3) 由标准毛坯件组合成夹具体毛坯，或由标准零部件组合成夹具体，为克服周件制造 周期长、单件生产成本高、经济性差的缺点，便选用标准毛坯件或标准零部件组合 成夹具体的结构。这样，不但大大缩短了夹具体的制造周期，而且可组织专业化生 产，有利于降低生产成本。为此，就必须使夹具体的结构标准化、系列化。 (4) 由于本夹具主要是加工大型工件，所以本夹具体使用的是使铸造结构，并且需要人 工时效处理。 2)夹具制造属单件生产性质，为缩短设计和制造周期，减少设计和制造经费，所以夹 具体设计 ，一般不做复杂的计算，通常都是参照类似的夹具结构。按经验类比法估计 确定。实际

41、上，在绘制夹具总图时，根据工件、定位元件、夹紧装置、对刀-引导元件、 以及其它辅助机构和装置在总体上的配置，夹具体的外形尺寸，便已大体确定。 为具体确定夹具体结构尺寸，特取以下数据参考选取： (1)采用铸造结构的夹具体，其壁厚一般取为 830mm。过厚处应挖空。 (2)选用钢板和型材制作焊接结构的夹具体时，一般板厚取为 610mm。若刚度不够。 可增设加强筋。 参考以上数据，本夹具在设计中采用了加强筋来保证夹具体的刚度，加强筋的厚度 为 10mm，.夹具体的壁厚取为 30mm 左右。 (3)夹具体不加工的毛面与工件表面之间有一定的间隙，以保证工件与夹具体之间不致 干涉。间隙的大小应按下述规定选

42、取： 夹具体是毛面，工件也是毛面时，取 815mm； 夹具体是毛面，工件是光面时，取 410mm。 本夹具中确定取为 10mm. 3)夹具体的排屑结构 为了便于排除切屑，不使积聚在定位元件工作表面上而影响工件正确定位，一般 在夹具体结构设计时，可从以下两方面考虑排屑： (1) 增加容纳切屑的空间 在本夹具体上增加容屑空间，使落在定位元件上的少量切屑，可将容屑空间排除。 (2) 采用切屑自动排除结构 本夹具体上专门设计排屑用的斜面或缺口，是切屑自动由斜面处滑下而排至夹具 体外。即使不能使切屑全部自动排除，也便于操作者来清除切屑。对于加工时产生大 量切屑的夹具体来说，应该尽可能考虑这种排屑结构.

43、（a） 主视图 (b) 左视图 （c） 俯视图 图 2.3 夹具体零件图 2.4.32.4.3 其它装置或元件其它装置或元件 它们是指夹具中因特殊需要而设置的装置或元件。若需加工按一定规律分布的多 个表面时，常设置分度装置；为了能方便、准确地定位，常设置预定位装置；对于大 型夹具，常设置吊装元件等。 图 2.4 后盖钻夹具 2.2. 5 5 夹具设计中的夹具设计中的定位定位 在机床上加工工件时，要使工件的各个被加工面的尺寸及位置精度满足工件图或 工艺文件所规定的要求，就必须在切削加工前使工件在机床夹具中占有一个确定的位 置，使其相对于刀具的切削运动具有正确的位置，这是定位方案设计的主要任务。

44、2.5.12.5.1 定位基准定位基准选取选取 为了保证工件上各加工表面之间或对其它加工表面的位置精度，工件在机械加工 时，必须安放在机床基础板的一个固定位置上。任何一个工件都是有若干个几何表面 组成，这些表面之间根据工件设计的技术要求，广泛存在着距离尺寸和角度位置的要 求。工艺文件中的所谓基准，就是指工件图上的某些点、线、面，可以用它来确定某 些其它点、线、面的位置。根据基准的作用和性质，可以分为设计基准和工艺基准两 类。设计基准通常是指工件图样上标注尺寸的起点。工艺基准又分为:工序基准、定位 基准和测量基准。通常希望将设计基准和工艺基准统一，但实际上，由于制造上的困 难而难以做到，这就引起

45、了误差。定位基准的选择是否合理，将直接影响到夹具结构 的复杂程度以及工件的加工精度，因此，在选择定位基准时应进行多种方案的分析比 较。选择定位基准时，应重点考虑如何减少误差，提高定精度，也要考虑安装的方便 性、准确性和可靠性。一般定位基准的选择应遵循以下原则 1)应尽量选用工件上的设计基准作为定位基准，也就是“基准重合”原则，这样 可避免因基准不重合而引起的基准不重合误差。 2)应尽可能选用统一的定位基准加工各个表面，以确保各表面相对基准的定位精 度，这就是“基准统一”原则。采用统一的定位基准，可以避免由于基准转换引起的 误差，也有利于夹具结构的简化。 3)为了获得均匀的加工余量或使加工表面间

46、有较高的位置精度，有时可采取互为 基准反复加工的原则。 4)一般精加工工序要求加工余量小而且均匀，或垂直度要求高，为了保证加工质 量和提高生产率，应选择加工面本身作为定位基准。在选择定位基准时，必须综合考 虑，在保证工件加工要求的前提下，尽量使夹具结构简单，工件稳定性好。 本夹具在参考了以上原则后，确定了以夹具体的上表面为定位基准，由于工件的 设计基准在与夹具体安装时是重合的，只要保证安装误差定位不会出现大的问题，不 会导致工件位置误差。 2.5.22.5.2 工件在空间自由度工件在空间自由度的分析的分析 忽略工件的微小变形，工件可视为一个理想的刚体。将其放在一个空间直角坐标 系中，如图2.5

47、所示，以此坐标系作为参照系来观察刚体位置和方位的变化，由刚体力 学可知，在空间中处于自由状态的刚体，共有六种可能的运动，即沿x轴、y轴、z轴移 动，或绕x轴、y轴、z轴转动，这种移动和转动的可能性就称为自由度。因此，工件在 自由状态下共具有六个自由度。用表示沿三个坐标轴移动，用表示绕三个zyx ,zyx , 坐标轴转动，这六种移动或转动的变化形式是基本的变化形式，工件在空间的运动状 态都可以由这6种基本变化合成得到。限制了工件的某个自由度，该工件在这个方向上 的位置就确定了。因此，我们可以根据工件加工的要求，通过限制工件自由度的方法， 达到工件在夹具上定位的目的。当工件的六个自由度被全部限制后

48、，工件的位置和方 位就会被唯一的确定下来。 图2.5 自由度示意图 2.5.32.5.3 工件定位方式的确定工件定位方式的确定 1）定位原理的介绍 基于运动学原理，夹具要限制工件的6个自由度，典型的方法就是在夹具设计中设 置如图2.6所示的6个支承点。图中所示矩形工件每次都安放到与6个支承相接触，从而 使一批工件中每个工件得到确定的位置，其中工件的底面a放在了3个支承上，限制了3 个自由度()，侧平面b与2个支撑接触，限制了2个自由度()，另一侧面c与1yxz ,zy , 个支承点接触，限制了一个自由度()。用分布在3个相互垂直平面上的6个支承点来x 限制工件的6个自由度， 使工件在夹具中的位

49、置完全确定，这就是著名的3-2-1六点定位原理。六点定位原理适 合于任何形状的工件，如图2.6(b)为轴类工件的六点定位示意图其中轴的圆柱表面放 在4个支承点上，消除了工件的4个自由度()，轴端部靠在一个支承点上消除了zyzy , 一个自由度()，轴上一端的槽正放在一个支承点上，消除了工件绕x轴转动的自由度x ()。根据工件形状的不同，所用的定位基准也不同，定位点的分布情况因而也不同。x 运用六点定位原理可以分析和判断夹具中的定位结构是否正确，将工件的六个自 由度完全约束或受限制的定位称为完全定位。但是，六点定位并不是指六个支承点定 位，例如，假设图2.6(a)中侧面b上的两个支承点在一条垂直

50、线上，这样绕z轴转动的 自由度()就没有被限制，而沿y轴移动的自由度()被限制了两次。因此，在定位时，z y 可能会出现欠定位和过定位的情况:欠定位是指工件在某一个方向上可以自由旋转或移 动，六个自由度没有被完全限制;过定位是指工件上同一个或几个自由度被几个定位支 承重复限制。在一般情况下要避免欠定位和过定位的情况，但是当考虑增加结构刚度、 增强工件的刚度及减振(如图2.7,增加一个辅助支承，防止工件的长臂由于受力发生断 裂或产生振动)以及提高定位精度时，可以考虑采用过定位。 图2.6六点定位原理 图2.7 夹紧位置与翻转力矩问题 2）定位方式的确定 如图2.13所示，本夹具在设计中参考已有的

51、定位原理和定位方法发，考虑到本夹 具设计中的实际情况，以及在定位中过定位和欠定位对工件定位的影响，采用了一面 两销的定位方式对工件进行定位，在考虑到由于孔中心距的误差可能使工件难以装夹， 为此将其中的一个圆柱销变成菱形销，以适应基准孔的变化。夹具体限制了，绕x,y轴 旋转的自由度，圆柱销限制了沿x,y移动的自由度,菱形销限制了绕z轴旋转的自由度, 然后通过压板限制沿z轴移动的自由度。 2.5.42.5.4 现有定位规划方法介绍现有定位规划方法介绍 现有的定位规划方法大都采用了六点定位原理或者根据形封闭和力封闭规则进行 定位，具有代表性的是brost-goldberg用来分析多边形工件的算法，m

52、arkus针对棱柱 形工件提出的基于规则的组合夹具定位和夹具位置选择的一种算法以及融亦鸣通过解 非线性方程组求出定位元件位置确定定位方案的分析方法等。所谓 bros t-goldberg 算法，主要是适用于分析棱柱形工件的平面组合夹具。算法的基本假设是工件可以描 述成一个简单的多边形，定位销可以看作是半径相同的圆，同时半径小于基础板孔间 距的一半。夹具元件为三个定位销和一个夹紧元件，假设基础板无限大，所有接触都 是无摩擦接触。除了多边形的边界，还提出了几何可及性约束和质量评价约束。算法 的输出包括三个定位销、一个夹紧元件的位置以及工件相对于基础板的移动和旋转的 位置。算法描述如下: 1) 棱柱

53、形工件和几何可及性约束通过对工件进行边界扩展来实现，扩展的距离为 定位销 的半径 ，从而将定位销简化为一个理想的点。 2) 通过工件相对于基础板的旋转和移动，枚举出三个定位销所有可能的位置， 得到所有 的候选定位方案，根据每一种候选定位方案确定夹紧元件可能的夹紧位置 。 3 从所有候选定位方案种剔除可能带来问题的方案，例如干涉等，然后对剩余的 定位方 案根据定位质量评价指标进行评价。在工件相对于基础板旋转和移动的过程中 来确定基础板上的三个定位销的位置，需要一套较复杂的算法。首先要确定第一、第 二定位销的位置，然后枚举出第三个定位销所有可能的位置。在对力域的约束分析的 基础上，可以枚举出夹紧元

54、件所有可能的位置。之所以称这种算法为组合夹具设计的 完备算法，是因为它能针对一个特定的棱柱形工件产生所有的定位方案。但是，这种 方法还存在以下局限性。 1) 仅考虑了工件为一般多边形时的定位情况，没有考虑工件侧定位面为曲面的情 况 。 而 在实际生产过程中，侧定位面为圆柱面或圆弧面的情况很多。 2) 算法只考虑了具有统一半径的定位销，而在实际组合夹具设计中，还有其它类 型的定位销或其它定位元件(如v形块、半v形块等)可以广泛应用 。 3) 算法只考虑了二维工件的定位，在实践中，它只能适用于高度很小的棱柱形工 件 ，三维工件的夹具设计仍需进一步探讨。 4) 未能考虑夹具设计过程中所需的一些标准，

55、如定位公差、可及性分析以及其它 的加工条件 。 5) 夹紧元件位置规划中没有考虑摩擦力。 由于本夹具设计主要针对大型的工件，而且在定位中选择了限制六自由度的一面 两销定位方式，为了防止过定位和欠定位的影响，加之夹紧采用了液压夹紧，所以本 夹具的定位采用的是六点定位原理。 2.62.6 夹具中夹紧夹具中夹紧方式的设计方式的设计 本装置在设计中考虑到在精确定位后，工件不能任意的旋转和移动。但是在实际 加工过程中，还必须确保工件在受力的情况下，仍然保持原来的位置。因此，夹紧和 夹紧装置的主要任务是保持工件的精确定位位置，在自身重力、切削力、惯性力和离 心力等外力作用下，不发生位移偏转，确保加工质量和

56、生产安全。 在生产实践中, 尽管定位方式是合理的, 但由于夹紧状态不良(即夹紧力的大小、 方向、作用点和支承的位置选择不当) 可能出现如下问题: 加工件飞出夹具, 打坏 刀具, 造成安全事故; 加工出来的位置尺寸不准确; 加工表面产生形位公差(如不 平度、不垂直度) ; 加工表面粗糙度高等。因此, 当加工件正确定位后, 还需要获 得良好的夹紧状态。使加工件获得良好的夹紧状态的措施, 叫做正确的夹紧。 工件的正确夹紧原则 (1) 在夹紧过程中, 如何克服重力的影响, 把加工件压回正确位置, 是正确夹紧原则 之一。所以在考虑定位方案及设置定位支承时, 应尽可能使支承反力与重力不构成力 偶, 使加工

57、件重心位于支承范围内。 (2) 在夹紧过程中, 如何使已获得正确定位的加工件不脱离正确位置, 是正确夹紧原 则之二。所以, 在制定夹紧方案时, 应尽可能避免夹紧力与支承反力构成力偶。 (3) 在夹紧过程中, 如何使加工件不产生超出允许范围的变形, 是正确夹紧原则之三。 所以在制定夹紧方案时, 对于刚性较差的加工件, 应尽可能避免产生或应尽可能减小 由夹紧力产生的弯曲力矩。 (4) 在切削过程中, 如何避免加工件发生不能允许的振动, 是正确夹紧原则之四。所 以, 在制定夹紧方案时, 对于刚性较差的加工件, 应尽可能避免产生或应尽可能减小 由切削力产生并作用于加工件上的弯曲力矩。 (5) 如何使平

58、衡切削力所需要的夹紧力最小, 是正确夹紧原则之五。所以, 在制定夹 紧方案时, 切削力最好由支承反力平衡, 而尽可能避免用夹紧力及由夹紧力产生的摩 擦力平衡。 2.6.12.6.1 夹紧设计的基本要求夹紧设计的基本要求 工件加工过程中受到切削力、惯性力、离心力等各种力的作用，为了保证工件能 可靠的固定在工作平台上，除对工件定位外，还必须将其夹紧。夹紧机构组装正确与 否，不仅影响工件的加工精度，而且也影响加工效率、安全和劳动强度的改善。因此， 对夹具中夹紧机构的基本要求是 : 1) 夹紧必须保证加工质量，夹紧后不能破坏工件在夹具中的正确定位。 2) 夹紧力的大小要适当，既要防止因夹紧力不足工件在

59、加工过程中产生移动 、 转动或发生 振动，又要避免夹紧力过大以致工件产生变形，压坏工件表面或损坏组合 夹具元件。 3) 夹紧机构要操作方便，节省操作工人的劳动力，提高劳动生产率。夹紧机构不 能妨碍工件的装卸，并保证装卸方便，夹紧操作时不应碰到工件、刀具或机床上相关 部分。 4) 夹紧结构的复杂程度和自动化程度应与工件的产量和批量相适应。 2.6.22.6.2 夹紧力方向、位置和大小的确定夹紧力方向、位置和大小的确定 夹紧就是意味着力的作用，力有三要素，即:力的方向、力的大小和作用点(夹紧 位置)。为了正确的确定夹紧力的方向、大小和作用点，就需要根据工件的定位方法、 工件的几何形状以及工件的刚度

60、等，具体的分析各种力(切削力、重力、支承力、摩擦 力和夹紧力)共同作用在工件上时，对受力平衡最为有利、对工件变形影响最小等来确 定夹紧力的方向、大小和作用点(夹紧位置)。设计 夹 具 夹紧机构，首先要确定夹紧 力的位置、方向以及所施夹紧力的大小，然后再进一步确定安装夹紧装置的位置。 1）夹紧力的方向 在实际生产中，工件的安装方式各种各样，但对夹紧力作用方向的基本要求是一 致的，在选择夹紧力方向时，应考虑以下问题: a. 夹紧力的作用方向应不破坏工件定位的准确性和可靠性。为保证安装的正确可 靠，保证工件定位的准确性和可靠性，夹紧力的方向应该朝向对工件精度影响最大的 定位面(主定位面)，以保证定位