夹具第3章夹紧(2006)

1、机床夹具设计讲稿目 录1 机床夹具概述1.1 工件的装夹与机床夹具1.2 夹具的分类与作用1.3 机床夹具设计研究的内容2 工件在夹具中的定位 2.1 工件定位原理2.2 定位元件的选择与设计2.3 定位误差的分析与计算2.4 工件定位方案设计及定位误差计算举例3 工件在夹具中的夹紧 3.1 夹紧装置的组成及其设计要求3.2 夹紧力的确定3.3 夹紧机构设计3.4 夹紧动力装置设计3.5 夹紧装置设计实例4 夹具在机床上的定位、对刀和分度 4.1 夹具在机床上的定位4.2 夹具在机床上的对刀4.3 夹具的转位和分度装置5 各类机床夹具的结构特点 5.1 钻床夹具5.2 镗床夹具5.3 铣床夹具

2、5.4 车床和圆磨床夹具5.5 齿轮加工机床夹具6 可调夹具及组合夹具设计6.1 概述6.2 通用可调夹具和成组夹具6.3 组合夹具7 机床夹具的设计方法及步骤7.1 机床夹具设计的一般步骤7.2 机床夹具设计举例7.3 机床夹具计算机辅助设计简介7.4 夹具体的设计7.5 夹具结构的工艺性3 工件在夹具中的夹紧工件在夹具中的装夹是由定位和夹紧这两个过程紧密联系在一起的。定位问题在上一章讨论过，其目的在于解决工件的定位方法和保证必要的定位精度。仅仅定好位，在大多数场合下，还不能进行加工。只有进而在夹具上设置相应的夹紧装置对工件实行夹紧，才能完成工件在夹具中装夹的全部任务。夹紧装置的基本任务就是

3、保持工件在定位中所获得的既定位置，以便在切削力、重力、惯性力等外力作用下，不发生移动和振动，确保加工质量和生产安全。有时工件的定位是在夹紧过程中实现的，正确的夹紧还能纠正工件定位的不正确位置。本章主要讨论有关夹紧装置设计和计算方面的基本问题。3.1 夹紧装置的组成及其设计要求（1）夹紧装置的组成一般夹紧装置由下面两个基本部分组成：1）动力源即产生原始作用力的部分。如果用人的体力对工件进行夹紧，称为手动夹紧；如果用气动、液压、气液联合、电动以及机床的运动等动力装置来代替人力进行夹紧，则称为机动夹紧。2）夹紧机构即接受和传递原始作用力，使之变成夹紧力，并执行夹紧任务的部分。它包括中间递力机构和夹紧

4、元件。中间递力机构把来自人力或动力装置的力传递给夹紧元件，再由夹紧元件直接与工件接触，最终完成夹紧任务。根据动力源的不同和工件夹紧的实际需要，一般中间递力机构在传递夹紧力的过程中，可以起到以下作用：改变作用力的方向；改变作用力的大小； 具有一定的自锁性能，以保证夹紧可靠，在手动夹紧时尤为重要。夹紧装置的组成可以用方框图表示。（2）夹紧装置的设计要求夹紧装置的设计和选用是否正确合理，对于保证加工质量、提高生产率、减轻工人劳动强度有很大影响。为此，对夹紧装置提出如下基本要求：1）夹紧力应有助于定位，而不应破坏定位；2）夹紧力的大小应能保证加工过程中工件不发生移动和振动，并能在一定范围内调节；3）工

5、件在夹紧后的变形和受压表面的损伤不应超出允许的范围；4）应有足够的夹紧行程，手动时要有一定的自锁作用；5）结构紧凑、动作灵活，制造、操作、维护方便，省力、安全，并有足够的强度和刚度。为满足上述要求，其核心问题是正确地确定夹紧力。3.2 夹紧力的确定夹紧力包括大小、方向和作用点三个要素，它们的确定是夹紧机构设计中首先要解决的问题。必须合理确定夹紧力的三要素：大小、方向和作用点 （1）夹紧力方向的选择夹紧力方向的选择一般应遵循以下原则：1）夹紧力的作用方向应有利于工件的准确定位，而不能破坏定位。主要夹紧力方向应垂直于主要定位面2）夹紧力的作用方向应尽可能与切削力、工件重力方向一致，以减小所需夹紧力

6、。夹紧力的作用方向应使所需夹紧力最小。3）夹紧力的作用方向应尽量与工件刚度最大的方向相一致，以减小工件变形。夹紧力的作用方向应使工件变形尽可能小（2）夹紧力作用点的选择一般注意以下几点：1）夹紧力作用点应正对支承元件或位于支承元件所形成的支承面内，以保证工件已获得的定位不变。2）夹紧力作用点应处在工件刚性较好的部位，以减小工件的夹紧变形。3）夹紧力作用点应尽可能靠近被加工表面，以便减小切削力对工件造成的翻转力矩。（3）夹紧力大小的估算夹紧力的大小根据切削力、工件重力的大小、方向和相互位置关系具体计算，并乘以安全系数K，一般精加工K=1.52，粗加工K=2.53。夹紧力不足，会使工件在切削过程中

7、产生位移并引起振动；夹紧力过大又会造成工件或夹具不应有的变形或表面损伤。3.3 夹紧机构设计3.3.1斜楔夹紧机构（1）作用原理斜楔夹紧机构是夹紧机构中最基本的形式之一，螺旋夹紧机构、偏心基金机构及定心对中夹紧机构等都是斜楔基金机构的变形。下图是利用斜楔夹紧工件的实例。斜楔夹紧具有结构简单，增力比大，自锁性能好等特点，因此获得广泛应用。（2）夹紧力的计算与自锁以斜楔为研究对象，夹紧时根据静力平衡原理，有 FQ = F1+ FRX F1 = FJ tan1 FRX = FJ tan(2)FJ = FQ / tan1tan(2)设1 =2 =，当10，可用下式近似计算FJ = FQ / ( tan

8、2)夹紧力FQ去除，斜楔受到F1、FRX作用，要能自锁，必须满足下式 F1 FRX F1 = FJ tan1 FRX = FJ tan(2) tan1 tan(2) 即 1 ( 2) 或 1 2一般1 =2 = =57，故当1014时自锁，一般取=68（3）结构特点1）斜楔的自锁性2）斜楔能改变作用力的方向3）斜楔具有扩力作用扩力比 i = FJ / FQ ，约等于3；4）斜楔的夹紧行程小h/s =tan，故 h 远小于 s ；5）斜楔夹紧效率低6）结构简单，但操作不方便。（4）适用范围1）毛坯质量较高时；2）主要用于机动夹紧装置中；3）手动的夹紧机构，因费时费力，效率极低，故实际中较少采用。

9、3.3.2螺旋夹紧机构螺旋夹紧机构结构简单，易于操作，增力比大，自锁性能好，是手动夹紧中应用最广泛的一种夹紧机构。（1）作用原理螺旋夹紧机构中所用的螺旋，实际上相当于把斜楔绕在圆柱体上，因此它的夹紧作用原理与斜楔是一样的。不过这里是通过转动螺旋，使绕在圆柱体上的斜楔高度发生变化来夹紧工件的。（2）结构特点1）结构简单；2）扩力比大；3）自锁性能好；4）行程不受限制；5）夹紧动作慢。（3）夹紧力计算可以从斜楔的夹紧力计算公式直接导出螺旋夹紧力的计算公式：FJ沿螺旋轴线作用的夹紧力（N）；Fs作用在板手上的力；L作用力的力臂（mm）；d0螺纹中径（mm）；螺纹升角（o）螺纹副的当量摩擦角（o）螺杆

10、（或螺母）端部与工件（或压块）的摩擦角（o）；r 螺杆（或螺母）端部与工件（或压块）的当量摩擦半径（mm）。（4）适用范围由于螺旋夹紧机构具有结构简单、制造容易、夹紧可靠、扩力比大、夹紧行程不受限制等特点，所以在手动夹紧装置中被广泛使用。螺旋夹紧机构的缺点是动作慢。为提高其工作效率，常采用一些快撤装置。3.3.3 圆偏心夹紧机构偏心夹紧机构是一种快速动作的夹紧机构，它的工作效率较高，在夹具设计中应用的也比较广泛。常用的偏心轮有两种形式，即：圆偏心和曲线偏心。曲线偏心采用阿基米德螺旋线或对数螺旋线作为轮廓曲线。曲线偏心虽有升角变化均匀等优点，但因制造复杂，故而用得较少；而圆偏心则因结构简单、制造

11、容易，所以在生产中得到广泛应用。以下主要介绍圆偏心夹紧机构。（1）作用原理如图所示为三种简单的偏心夹紧机构。其中图（a）直接利用偏心轮夹紧工件，图（b）和图（c）为偏心压板夹紧机构。偏心夹紧机构靠偏心轮回转时回转半径变大而产生夹紧作用，其原理和斜楔工作时斜面高度由小变大而产生的楔紧作用是一样的。实际上，可将偏心轮视为一楔角变化的斜楔。将下图（a）所示的圆偏心轮展开，可得到图（b）所示的图形，其楔角可用下面的公式求出：式中：偏心轮的楔角（0）；e偏心轮的偏心量（mm）；R偏心轮的半径（mm）；偏心轮作用点（图a中的X点）与起始点（图a中的0点）之间的圆弧所对应的圆心角（0）。当=900时，接近最

12、大值（2）结构特点1）偏心轮上各点的升角是变化的；2）偏心轮的自锁条件如果我们知道偏心轮工作时其夹紧点的确切位置，那就可以使偏心轮在该点的升角小于摩擦角来保证其自锁。但一般偏心轮的工作点并不确定，尤其是圆偏心机构，其工作点可以在某一定范围内变化；因此要保证能自锁，必须使其max,则其它各点的升角便都小于摩擦角。根据斜楔自锁条件：，此时1和2分别为轮周作用点处与转轴处的摩擦角。忽略转轴处的摩擦，并考虑最不利的情况，可得到偏心夹紧的自锁条件 或 式中 1轮周作用点处的摩擦系数；D偏心轮的直径。一般1=0.10.15则 D/e的比值称为偏心轮的特性参数。根据偏心轮的特性参数，便可决定偏心轮的基本尺寸

13、。一般都是选定1和e去求D。例如：取1=0.1 ,e=2.5mm，则偏心轮的直径D为D（1420）2.5即 D3550（mm）3）偏心轮的有效工作区域圆偏心的回转角理论上为900，但实际上不能全部利用。标准圆偏心的有效工作区域一般为900。（3）夹紧力的计算偏心夹紧的夹紧力可用下式估算式中 Fj夹紧力（N）；Fs作用在手柄上的原始力（N）;L作用力臂（mm）；偏心轮转动中心到作用点之间的距离（mm）；偏心轮楔角（0）；1轮周作用点处摩擦角（0）；2转轴处摩擦角（0）。（4）圆偏心的结构形式偏心轮的结构都已经标准化了，设计时可参阅有关国家标准。（5）适用范围偏心夹紧的优点是结构简单，操作方便，动

14、作迅速，缺点是自锁性能较差，增力比较小。一般常用于切削平稳且切削力不大的场合。1）由于圆偏心的夹紧力小，自锁性能又不是很好，所以只适用于切削负荷不大，又无佷大振动的场合。2）为满足自锁条件，其夹紧行程也相应受到限制，一般用于夹紧行程较小的情况。3）一般很少直接用于夹紧工件，大多是与其它夹紧机构联合使用。3.3.4 铰链夹紧机构铰链夹紧机构是一种铰链和杠杆组合的夹紧机构，这种机构具有动作迅速、结构简单，扩力比较大，摩擦损失小，并易于改变力的作用方向的优点，因此应用也很广泛。但是它的自锁性很差，一般不单独使用，多用于机动夹紧机构中与气动、液压等夹具联合使用，可以缩小气缸直径，减少所需动力，故这种机

15、构又称扩力机构。（1）作用原理如图所示为三种类型的铰链夹紧机构。其中图a为单臂铰链夹紧机构，图b为单臂双作用铰链夹紧机构，图c为双臂双作用铰链夹紧机构。（2）夹紧力的计算图d是单臂铰链夹紧机构的铰链臂的受力分析图，其夹紧力可用如下公式计算。式中：r铰链和磙子轴承半径（mm）；L臂上两铰链孔中心距（mm）；1铰链轴承和磙子轴承的摩擦角（0）；R磙子半径（mm）。（3）夹紧行程和相应的铰链臂倾斜角夹紧行程h是指摆臂的铰链点A的行程。至于压板夹紧工件的行程，则还需根据压板的杠杆比关系来求得。（4）气缸的工作行程按几何关系计算所需行程后，选取标准气缸。（5）自锁条件要使铰链夹紧机构自锁，应使夹紧时铰链

16、臂的倾斜角小于40。但这个条件和保证夹紧行程的设计是有矛盾的。因此一般在夹具中，都不应用这个自锁条件。若要保证自锁，则就需和其它具有自锁性能的机构联合使用。（6）结构特点1）结构简单；2）扩力比大；3）摩擦损失小。（7）适用范围铰链夹紧机构适用于多点、多件夹紧，在气动夹紧中广泛应用。3.3.5 定心、对中夹紧机构在机械加工中常遇到以轴线或对称中心为设计基准的工件，为了使定位基准与设计基准重合，就必须采用定心、对中夹紧机构。所谓“定心”就是夹紧工件时，工件的对称中心与夹具夹紧机构的中心重合。定心夹紧机构中与工件接触的元件既是定位元件又是夹紧元件，使工件的定位与夹紧过程同时完成。定心夹紧机构是一种

17、同时实现对工件定心定位和夹紧的夹紧机构，即在夹紧过程中，能使工件相对于某一轴线或某一对称面保持对称性。定心夹紧机构主要用于要求准确定心和对中的场合。此外，由于定位与夹紧动作同时进行，可以缩短辅助时间，提高劳动生产率，因此在生产中得到广泛应用。定心、对中夹紧机构自所以能够实现准确定心、对中的原理，就在于它利用了定位夹紧元件的等速移动或均匀弹性变形的方式，来消除工件定位基准面的制造误差，使这些误差或偏差相当于所定心或对中的位置，能均匀对称地分配在工件的定位基面上。因此，定心、对中夹紧机构的种类虽多，但就其各自实现定心和对中的工作原理而言，可分为下述两大类：（1）以等速移动原理工作的定心、对中夹紧机

18、构这类定心机构常利用螺旋、斜面、偏心等传动元件，带动工件作等速移动以实现定心夹紧作用。如斜楔定心夹紧机构，螺旋定心夹紧机构，杠杆定心夹紧机构等。下图所示为斜楔式定心夹紧心轴。拧动螺母2时，由于斜面A、B的作用，使两活块1同时等距外伸，直至每组3个活块均与工件孔壁接触，使工件得到定心夹紧。反向拧动螺母，在弹簧力的作用下，活块缩回，工件被松开。下图为一螺旋定心夹紧机构，螺杆3的两端分别有螺距相等的左、右螺纹，转动螺杆，通过左、右螺纹带动2个V形块1和2同步向中心移动，从而实现工件定心夹紧。叉形件7可用来调整对称中心位置。（2）以均匀弹性变形原理工作的定心夹紧机构如弹簧夹头、薄膜卡盘、液态塑料定心夹

19、紧机构、蝶型弹簧定心夹紧机构、折纹薄壁套定心夹紧机构等。下图为一种常用的弹簧夹头结构。图中3为夹紧元件弹簧套筒，它是一个带锥面的薄壁弹性套，带锥面的一端开有三个或四个轴向槽。它有三个基本部分：一是夹爪A；二是包括夹爪在内的弹性部分B，称为簧瓣；三是导向部分C。拧紧螺母2，在斜面的作用下，夹爪收缩，将工件定心夹紧。松开螺母2，夹爪弹性恢复，工件松开。弹簧夹头结构简单，定心精度可达0.040.1mm。由于弹簧套筒变形量不宜过大，故对工件的定位基准面有一定的精度要求，其公差应控制在0.5mm以内。3.3.6联动夹紧机构在夹紧机构设计中，有时需要对一个工件上的几个点或对多个工件同时进行夹紧。此时，为了

20、减少工件裝夹时间，简化结构，常常采用各种联动夹紧机构。这种机构要求从一处施力，可同时在几处（或几个方向上）对一个或几个工件同时进行夹紧。夹紧力作用在两个相互垂直的方向上，称为双向联动夹紧；两夹紧点的夹紧力方向相同，称为平行联动夹紧。3.4 夹紧动力装置设计现代高效率的夹具，大多采用机动夹紧方式，如：气动、液压、电动等。其中以气动和液压装置应用最为普遍，所以这里主要介绍气动夹紧装置和液压夹紧装置。3.4.1气动夹紧装置气动夹紧装置的工作介质是压缩空气，一般压缩空气由压缩空气站供应，经过管路损失之后，通到夹紧装置的压缩空气，其工作压力通常为0.40.6MPa。在设计计算时，通常以0.4MPa来计算

21、，较为安全。（1）气动传动系统的典型结构典型的气动传动系统，如图所示：由气源、气缸火气室、雾化器、减压阀、单向阀、分配阀、调速阀、压力表等元件组成。1）雾化器。由气源送来的压缩空气，先经雾化器，使雾化器中的润滑油被吸上升雾化而随之进入传动系统，以便利用油雾对传动系统中的运动部件进行充分润滑。2）减压阀。将气源送来的压缩空气的压力，减至气动装置所要求的工作压力，一般为0.40.6MPa。3）单向阀。主要起安全保护作用。防止气源供气中断或压力突降而使夹紧机构松开。4）分配阀。控制压缩空气对气缸的进气和排气。5）调速阀。调节压缩空气进入气缸的流量，以控制活塞的移动速度。6）压力表。指示气缸中压缩空气

22、的工作压力。7）气缸。将压缩空气的工作压力转换为活塞的移动，由此推动夹紧机构，实现夹紧动作。气动系统对工作介质空气，要进行过滤、冷凝和干燥，去掉粉尘和水分，防止锈蚀元件或堵塞。因各组成元件都已标准化、系列化和规格化，设计时可参阅有关资料。（2）气缸结构和夹紧作用力的计算常用的气缸有两种形式，即：活塞式和薄膜式。1）活塞式气缸活塞式气缸按气缸在工作过程中的运动情况，可分为：固定式、摆动式、差动式、回转式等；按气缸进气情况，可分为：单向作用和双向作用。下图为固定式气缸，通常固定在夹具体上；回转式气缸通常用于车床夹具，因为车床夹具安装在主轴上，随主轴旋转。因此使用回转式气缸比较方便，这时需要用特殊的

23、导气接头如图。回转式气缸在主轴上的安装及与夹具的连接如图所示。夹具8通过过渡盘7安装在主轴6的前端，气缸3通过过渡盘4固定在主轴的尾部，气缸另一头装有导气接头1。活塞2推动拉杆5，带动夹具上的夹紧元件运动，使工件夹紧或松开。导气接头的典型结构如图。配气轴1用螺母紧固在气缸的后盖上，并随气缸一起转动。阀体2固定不动，接头3、4分别通过通道b、a与气缸的前腔和后腔相连通。阀体与配气轴的间隙为0.0070.015mm.。在高速回转时，使用回转式气缸必须加以仔细平衡，否则会使主轴负荷增加。此时采用不动式气缸为好。如图，图中拉杆3随主轴一起转动，而气缸不动。上图为单向、双向作用活塞式气缸结构图。由图可知

24、，单作用气缸只是由单面进气完成夹紧动作，当气缸左腔与大气接通时，活塞便在弹簧力作用下退回原位。固定式双作用气缸通常固定在夹具体上。活塞在压缩空气的推动下，来回往复运动，实现夹紧和松开。活塞式气缸所产生的作用力Q可按下式计算，单作用时式中：Q活塞上的作用力；A活塞作用面积；d活塞直径（即气缸内径）；p工作压力；传动效率，它是由运动部件的摩擦损失和漏气损失等决定，通常取=0.85P活塞压缩弹簧时所产生的阻力。双作用气缸所产生的夹紧力与单作用相同，只是没有压缩弹簧时所产生的阻力P，即P=0。则计算作用力公式可写成下式活塞式气缸的特点，在于其行程不受限制，可根据需要自行设计。且作用力不随行程长短而变化

25、，但气缸结构较庞大，制造成本高，其滑动副间易漏气。2）薄膜式气缸如图所示薄膜式气缸的结构，薄膜2被夹在壳体3和4之间，用螺钉夹紧。当压缩空气经导气接头1进入气室后薄膜2凸起向右压缩弹簧6，推动推杆5实现夹紧动作。当气室通大气时，推杆5又在又在弹簧力作用下，连同薄膜一起复位。右盖上设有排气孔，以减少背压。显然，这种薄膜式气缸，推杆上输出的作用力Q是个变值。当行程S越大，则作用力Q减少越多；当d一定时，通过增大支承板直径d0，可提高Q之值。薄膜式气缸推杆上输出的作用力Q，可按下式计算式中：Q推杆上输出的作用力；d薄膜的有效直径；d0推杆支承板直径；p气缸中的压缩空气工作压力；P弹簧阻力。薄膜式气缸

26、的优点为：结构简单，维修方便，没有密封问题。其缺点为：行程小，作用力随行程增大而减小。以上两种气缸的结构都已经标准化，可以查阅有关资料设计或选用。3）气动夹紧的特点气动夹紧一般具有以下主要优点：夹紧力基本稳定。这是因为气源压力可以控制。夹紧动作迅速。气流的速度很快，气动速度也就快。这就有利于缩短辅助时间，从而显著地提高生产率。操作省力。采用气动夹紧后，操作只需转动分配阀手柄，而不必象手动夹紧那样费力费时，因而大大减轻劳动强度。不足之处：空气是可以压缩的，因此夹紧刚度差，一般不适合切削力很大的场合。压缩空气的工作压力较小，所以对于同样的作用力来说，气动夹紧的气缸直径将比液压夹紧的油缸直径要大，因而结构较庞大。车间噪声大。3.4.2液压夹紧装置液压夹紧装置利用压力油为夹紧动力。与气动夹紧装置相比，液压夹紧装置有以下优点：1）工作压力可达56.5MPa，传动力大，可采用直接夹紧方式，结构尺寸较小。当产生同样大小