机械制造工艺与机床夹具1 (4)

1、机械制造工艺与机床夹具第四章第四章 机床夹具设计基础机床夹具设计基础第一节第一节 概述概述第二第二节节 工件的定位原则及定位元件工件的定位原则及定位元件第三节第三节 定位误差的分析和计算定位误差的分析和计算第四节第四节 工件的夹紧工件的夹紧第五节第五节 分度装置分度装置第一节 概述机械加工过程中，为保证加工精度，固定工件，使之占有确定位置以接受加工或检测的工艺装备统称为机床夹具，简称夹具一、工件一、工件的安装的安装定位定位工件应准确地安放在机床的合适位置上夹紧夹紧工件定位后，还需对工件压紧夹牢 工件在机床上的安装方法一般有两种：找正安装找正安装：按工件的有关表面或专门划出的线痕作为找正依据，用

2、划针 或指示表，逐个找正工件相对于刀具及机床的位置，然后把工件夹紧。用专用夹具安装用专用夹具安装：靠夹具来保证工件相对于刀具及机床所需的位置，并 使其夹紧。 工件以圆柱面及端面C为定位基准，分别与夹具上的定位元件V形架5和圆柱销6接触而定位，由液压传动的压板3夹紧。夹具是通过定向键7与铣床工作台T形糟配合，安装在机床上。 通过分析，可知用夹具安装工件的方法通过分析，可知用夹具安装工件的方法有如下有如下特点：特点：1)工件在夹具中的正确定位，是通过工件上的定位基准面与夹具上的定位 元件相接触实现的。因此无需找正便可将工件夹紧。2)由于夹具预先在机床上已调整好位置，因此工件通过夹具相对于机床也 就

3、占有了正确的位置。3)通过夹具上的对刀装置，保证了工件加工表面相对于刀具的正确位置。二、机床夹具的分类和组成二、机床夹具的分类和组成机床夹具的分类机床夹具的分类 机床夹具一般可按应用范围、使用机床、夹紧动力源来分类。机床夹具的组成机床夹具的组成 定位元件定位元件 夹紧装置夹紧装置 夹具与机床之间的联接元件夹具与机床之间的联接元件 对刀或导向元件对刀或导向元件 其它装置或元件其它装置或元件 夹具体夹具体 其中定位元件、夹紧装置和夹具体为基本组成部分。三、机床夹具在机械加工中的作用三、机床夹具在机械加工中的作用保证加工精度保证加工精度提高生产率、降低成本提高生产率、降低成本扩大机床工艺范围扩大机床

4、工艺范围减轻工人的劳动强度减轻工人的劳动强度第二节 工件的定位原则及定位元件一、概述一、概述 在机械加工中，必须使工件、夹具、刀具和机床之间保持正确的相互位置，才能加工出合格的零件。这种正确的相互位置关系，是通过工件在夹具中的定位、夹具在机床上的安装、刀具相对于夹具的调整来实现的。二、工件定位的基本原理二、工件定位的基本原理自由度的概念自由度的概念 一个位于空间自由状态的物体，对于直角坐标系来说，具有六个自由度。它的空间位置是任意的，即能沿X、Y、Z轴移动（移动自由度移动自由度）。又能绕三个坐标轴转动（转动自由度转动自由度）。六点定位原则六点定位原则 定位就是限制自由度。分析工件定位时，通常用

5、一个支承点限制工件的通常用一个支承点限制工件的一个自由度，用合理设置的六个支承点，限制工件的六个自由度，使工件在一个自由度，用合理设置的六个支承点，限制工件的六个自由度，使工件在夹具中的位置完全确定，这就是六点定位原则夹具中的位置完全确定，这就是六点定位原则( (六点定则六点定则) )。 通过以上分析，可将定位基准按其所限制的自由度数分为：主要定位基准面主要定位基准面 设置三个支承点，限制工件的三个自由度。导向定位基准面导向定位基准面 设置两个支承点，限制工件两个自由度的平面或圆柱面。双导向定位基准面双导向定位基准面 限制工件四个自由度的圆柱面。（左图）双支承定位基准面双支承定位基准面 限制工

6、件两个移动自由度的圆柱面。（右图）止推定位基准面止推定位基准面 限制工件一个自由度的表面。防转定位基准面防转定位基准面 限制工件一个转动自由度。 在分析限制工件在空间的自由度，即分析工件的定位时，需注意下面两点： 用定位支承点限制工件的自由度，可以理解为：定位支承点与工件定位支承点与工件的定位基准必须始终保持紧贴接触，即工件上的定位基面与夹具的定位元的定位基准必须始终保持紧贴接触，即工件上的定位基面与夹具的定位元件的工作表面要始终保持接触配合。件的工作表面要始终保持接触配合。 在分析定位支承点，即定位元件起定位作用时，不要考虑力的影响不要考虑力的影响 不能把“定位定位”与“夹紧夹紧”两个概念混

7、淆。如图，工件在支承1和两个圆柱销2上定位，工件在X方向上的任一位置都可以夹紧，这就是说工件在X方向上的位置不确定，只有在X方向上设置一个止推销时，在X的方向才能取得确定的位置。限制工件自由度与加工要求的关系限制工件自由度与加工要求的关系 工批工件在夹具中定位时，只有满足以下两条要求，定位方案才是可行的。一是需要限制的自由度，必须都得到恰当地限制一是需要限制的自由度，必须都得到恰当地限制二是保证必要的定位精度和稳定性。二是保证必要的定位精度和稳定性。 因此确定定位方案时，要根据工件的加工精度要求，遵循六点定位原则，分析工件应该限制的自由度，确定定位方法，选择定位元件，继而进行定位误差的分析和计

8、算。工件定位中的几种情况工件定位中的几种情况完全定位完全定位工件的六个自由度全部被限制的定位不完全定位不完全定位根据加工要求，并不需要限制工件的全部自由度。欠定位欠定位根据工件的加工要求，应该限制的自由度没有完全被限制的定位。无法保证加工要求，所以是不允许的。过定位过定位夹具上的两个或两个以上的定位元件，重复限制工件的同一个或几个自由度。 过定位可能导致下列后果：工件无法安装工件无法安装 造成工件或定位元件变形造成工件或定位元件变形 由于过定位往往会带来不良后果，一般确定定位方案时，应尽量避免。消除或减小过定位所引起的干涉，一般有两种方法：改变定位元件的改变定位元件的结构，使定位结构，使定位

9、元件重复限制自由度元件重复限制自由度的的部分起部分起 定位作用定位作用。 提高工件定位基准之间以及定位元件工作提高工件定位基准之间以及定位元件工作表面之间表面之间的位置精度。的位置精度。三、定位方法及定位元件三、定位方法及定位元件 工件上的定位基准面与相应的定位元件与合称为定位副。定位幅的选择及其制造精度直接影响工件定位精度和夹具的工作效率以及制造使用性能。工件以平面定位工件以平面定位 常用支承钉和支承板作定位元件来实现定位。主要支承主要支承起限制自由度作用的支承。固定支承固定支承：属固定支承的有各种支承钉和支承板 当工件定位基准面尺寸较小或刚性较差时可设计形状与基准面相仿的非标准的整体式支承

10、板，这样可简化夹具结构，提高支承刚度。 可调支承可调支承：指支承的高度可以进行调节 可调支承主要用于工件以粗基准面定位，或定位基面的形状复杂，以及各批毛坯的尺寸、形状变化较大时。 此外，在系列化产品的生产中，往往采用同一夹具来安装规格化了的零件。 自位支承自位支承：当既要保证定位副接触良好，又要避免过定位时，常把支承做成浮动或联动结构，使之定位。辅助支承辅助支承工件因尺寸形状或局部刚度较差，便其定位不稳或受力变形等原因，需增设辅助支承，用以承受工件重力、夹紧力或切削力。其特点是：待工件定位夹紧后，再行调整辅助支承，使其与工件的有关表面接待工件定位夹紧后，再行调整辅助支承，使其与工件的有关表面接

11、触并锁紧。触并锁紧。 辅助支承有以下几种：螺旋式辅助支承（图螺旋式辅助支承（图A A）自位式辅助支承（图自位式辅助支承（图C C）推引式辅助支承（图推引式辅助支承（图B B）液压锁紧的液压锁紧的辅助支承（辅助支承（图图D D） 辅助支承，不限制工件的自由度，严格来说，辅助支承不能算是定位元件。工件以圆柱孔定位工件以圆柱孔定位 生产中，工件以圆柱孔定位应用较广，所采用的定位元件有圆柱销和各种心轴。圆柱销圆柱销 圆锥销圆锥销 工件以单个圆锥销定位时易倾斜，故在定位时可成对使用，或与其它定位元件联合使用。定位心轴定位心轴 心轴主要用于套筒类和空心盘类工件的车、铣、磨及齿轮加工。圆柱心轴 小锥度心轴工

12、件以圆锥孔定位工件以圆锥孔定位 工件以圆锥孔作为定位基准面，相应的定位元件为圆锥心轴，顶类等圆锥形心轴圆锥形心轴 顶尖顶尖中心孔与顶尖配合，即为锥孔与锥销配合。 工件以外圆柱表面定位工件以外圆柱表面定位 相应的定位元件有V形架、圆孔、半圆孔、圆锥孔及定心夹紧装置。在在V V形架中定位形架中定位V形块定位的特点 V形块的结构 V形架上两斜面间的夹角一般选用60度、90度和120度。其中90度应有最多，设计非标准V形架时，可用下图尺寸计算。 在圆孔中定位在圆孔中定位 工件以外圆柱表面为定位基准在圆孔中定位。 在半圆孔中定位在半圆孔中定位 当工件尺寸较大，或在整体式定位衬套内定位装卸不便时，多采用此

13、种定位方法。 在圆锥孔中定位在圆锥孔中定位 工件以圆柱面为定位基准面在圆锥孔中定位时，相应的定位元件通常用反顶尖。工件以特殊表面定位工件以特殊表面定位第三节 定位误差的分析和计算 能否保证工件的加工精度，取决于刀具与工件间正确的相互位置。而影响这个正确位置关系的误差因素有几下几种。定位误差D安装误差和调整误差T-A加工过程误差G 为保证加工要求，上述三项误差合成后应小于或等于工件公差K，即D+T-A+GK 在对定位方案进行分析时，可先假设上述三项误差各占工件公差的1/3。一、定位误差及其产生的原因一、定位误差及其产生的原因 这种由于定位引起的加工尺寸的最大变动范围称为定位误差，由D表示。由基准

14、不重合所引起的定位误差由基准不重合所引起的定位误差即若角为零，即是定位尺寸与工序尺寸方向一致的情况。)90cos(cos21121OOOONOMOB)90cos(2cos2abB由定位基准发生位移所引起的定位误差由定位基准发生位移所引起的定位误差 一批工件定位基准可能出现的最大位移范围，是由圆孔和心轴间最大间隙所决定。 即dDYDD2121)(21minmaxBYD二、常见定位方式的定位误差计算二、常见定位方式的定位误差计算工件以平面定位工件以平面定位工件以圆柱孔定位工件以圆柱孔定位工件以圆柱孔在过盈配合心轴上定位工件以圆柱孔在过盈配合心轴上定位若工序基准与定位基准重合，则定位误差为若工序基准

15、在工件定位孔的母线上，则定位误差为若工序基准在工件外圆母线上，则定位误差为0BYDDBD21dBYD21工件以圆柱孔在间隙配合的圆柱心轴上定位工件以圆柱孔在间隙配合的圆柱心轴上定位孔与心轴固定单边接触 由于定位副的制造误差，将产生定位基准位移误差，即在计算基准位移量时可不计Xmin的影响。由于D =0，所以定位误差为此时除基准位移误差外，还有基准不重合误差，所以尺寸h的定位误差为0min0max2121)(21dDYdD02121dDYDaddDBYDh2121210孔与圆柱心轴任意边接触 在加工尺寸方向上的最大基准位移误差为minminminmaxXXdDdDY工件以外工件以外圆定位圆定位

16、如不考虑V形架的制造误差，则工件定位基准在V形架的对称面上，因此工件中心线在水平方向上的位移为零。但在垂直方向上，因工件外圆有制造误差，而产生基准位移。其值为2sin22sin)(212sin212sin2sin2112ddYddBOAOOO工序基准为工件轴心线工序基准为工件轴心线 此时为定位基准与工序基准重合，则基准不重合误差为零，而基准位移的方向又与加工尺寸方向一致，所以加工尺寸B2的定位误差为工序基准为外圆上母线工序基准为外圆上母线 此时为定位基准与工序基准不重合。不仅有基准位移误差，而且还有基准不重合，又定位尺寸与加工尺寸方向一致，所以尺寸B1的定位误差为 即2sin22dYDB222

17、121min1max11POOPPPBBDB22sin21ddDB工序基准为外圆工序基准为外圆下母线下母线 此时亦为基准不重合，且基准位移和定位尺寸的方向均与加工尺寸方向一致，故工序尺寸B3的定位误差为即1221min3max33CACAAABBDB22sin23ddDB 由上述关于工件以圆孔和外圆为定位基面，分别在心轴（或定位销）和V形架上定位时，定位误差计算公式的推导，可总结出以下定律：当当Y和和B两项均为零时，则两项均为零时，则D亦为零。亦为零。当当Y和和B两项均不为零时，则两项均不为零时，则 基准不重合误差B的正、负号可根据工序基准是否在定位基面上分别判断。BYD工序基准在定位基面上，

18、即以定位基面的任一母线为工序基准，且为固 定单边接触。工序基准不在定位基面上。此时基准不重合误差永远取正号，即定位误 差为基准位移误差和基准不重合误差之和。故总有三、定位误差的综合分析与计算实例三、定位误差的综合分析与计算实例BYD四、组合表面定位四、组合表面定位 在实际生产中，通常都是以工件上的两个或两个以上的几何表面作为定位基准，即采取组合定位方式。常用的就是“一面两孔”。定位方案的选择定位方案的选择以两个圆柱销及平面支承定位以两个圆柱销及平面支承定位 假定工件上圆柱孔1与夹具上定位销1的中心重合。这时第一孔的装入条件为当定位销2的直径缩小到时便可满足所有合格工件均能装入定位销的条件。 上

19、式又可简化为：min1min1max1XDd)2(2min2min2max2XDdldLD)2(2min1min2max2XDdldLD1)基准位移误差 2)转角误差min111XdDYLLdLDdDdD222tan22111以一圆柱销和一削边销及平面支承定位以一圆柱销和一削边销及平面支承定位削边销尺寸的确定定位误差的计算 1)基准位移误差Y 2)转角误差 转角误差只是单向误差，若工件任意方向偏转，则应按双向转角误差2来考虑。min1min1max1XDd工件以一面两孔定位时的设计步骤和计算实例工件以一面两孔定位时的设计步骤和计算实例首先确定定位销的中心距和尺寸公差首先确定定位销的中心距和尺寸

20、公差确定圆柱销的尺寸及公差确定圆柱销的尺寸及公差按表按表4-34-3选取削边销的尺寸选取削边销的尺寸b b1 1和和b b2 2以及以及B B确定削边销的直径尺寸和公差以及与孔的配合性质确定削边销的直径尺寸和公差以及与孔的配合性质计算定位误差，分析定位质量计算定位误差，分析定位质量LDLd5131min2min2max2XDd保证工件顺利安装进定位销的合理高度保证工件顺利安装进定位销的合理高度定位装置为一面一销时定位装置为一面一销时定位装置为一面两销时定位装置为一面两销时minmax25 . 0dXddlHminmax)(25 . 0XdLdLdlLH第四节 工件的夹紧一、对夹具装置的要求一、

21、对夹具装置的要求 选择工件的夹紧方式一般与选择定位方法同时考虑，在设计夹紧装置时，必须满足下列要求：1)在夹紧过程中应能保持工件在定位时已获得的正确位置。2)夹紧应适当和可靠。3)夹紧机构应操作方便、安全省力。4)夹紧机构的复杂程度和自动化程度应与工件的生产批量和生 产方式相适应。5)结构设计应具有良好的工艺性和经济性。二、夹紧力三要素的确定二、夹紧力三要素的确定 夹紧力的概念是由力的大小、方向和作用点（数量和位置）三个要素体现的。夹紧力方向的确定夹紧力方向的确定1)夹紧力的作用方向应不破坏工件定位的准确性和可靠性。2)夹紧力方向应使工件变形尽可能小。3)夹紧力方向应使所需夹紧力尽可能小。 如

22、下图所示，F、Q和G三力方向之间关系的几种示意情况。显然，图a最合理，图f情况为最差。夹紧力作用点的选择夹紧力作用点的选择 夹紧力作用点是指夹紧件与工件接触的一小块面积。合理选择夹紧力作用点必须注意以下几点：1)1)夹紧力应落在支承元件上或几个支承元件所形成的支承面内。夹紧力应落在支承元件上或几个支承元件所形成的支承面内。2)2)夹紧力作用点应落在工件刚度较好的部位上。夹紧力作用点应落在工件刚度较好的部位上。3)3)夹紧力作用点应尽可能靠近被加夹紧力作用点应尽可能靠近被加 工表面以减小切削力对工件造成工表面以减小切削力对工件造成 的翻转力矩。的翻转力矩。 如下例，受有切削力矩M M和轴向力F

23、Fx x。M M将使工件产生回转，F Fx x帮助工件压向支承表面，若工件较轻，自重可不计。令工件夹紧时与定位表面处的磨擦系数为f，磨擦力臂为r，则可列出方程式：设两块压板的夹紧力相等，则每块压板的夹紧力为则0)(21frFQQMxxFfrMQ21理KFfrMQx21实三、典型夹紧力机构三、典型夹紧力机构楔块夹紧楔块夹紧楔块结构简单，有增力 作用。楔块夹紧行程小，且受 楔块升角影响。夹紧和松开要敲击大、 小端，操作不方便。楔块一般用楔块一般用2020钢渗碳。钢渗碳。螺旋夹紧螺旋夹紧螺旋夹紧机构的工作性能螺旋夹紧机构的工作性能 螺旋夹紧时，其受力情况如图。螺杆除受到转动的推力F外，还受到螺母1的

24、反作用力R和磨擦力F1。 单螺旋夹紧力为)tan(tan12中rrFLQ螺旋夹紧的构造螺旋夹紧的构造 螺旋夹紧机构的主要元件有螺杆、压块、手柄等。螺钉夹紧机构的主要元件已经标准化。偏心夹紧偏心夹紧圆偏心的夹紧原理圆偏心的夹紧原理 偏心轮可以看作是一个绕在转轴上的弧形楔。圆偏心夹紧的工作特性圆偏心夹紧的工作特性圆偏心夹紧的自锁条件圆偏心夹紧的自锁条件 圆偏心的升角是随转角而变化的。圆偏心的自锁条件相应为 由上图知，圆偏心所受反作用力矩应小于或等于磨擦力矩，即：整理上式，可得一般采用 即能自锁。21max221dFDFQe1420DDe 1414eDDe即圆偏心的夹紧力计算圆偏心的夹紧力计算)ta

25、n(tan21FLQ传力系数传力系数 它比螺旋夹紧要小56倍，行程也受限制。1312Pi圆偏心轮工作位置的确定圆偏心轮工作位置的确定 当偏心轮直接作用于工件表面时，要保证夹紧可靠，还必须适应安装和工件的尺寸公差变化。其结构尺寸和满足下图。 根据工件尺寸公差和装卸间隙确定偏心距e，即偏心安装参数C，即偏心轮转动中心至被夹紧表面的距离为 圆偏心最小夹紧行程为e2eDC2minS偏心夹紧机构的应用偏心夹紧机构的应用 偏心夹紧的主要优点是操作迅速，结构简单，其缺点是工作行程小，偏心夹紧的主要优点是操作迅速，结构简单，其缺点是工作行程小，自锁性不如螺旋夹紧好，它不适用于振动大的工序。自锁性不如螺旋夹紧好

26、，它不适用于振动大的工序。 多位夹紧机构（联动机构）多位夹紧机构（联动机构）单件多位夹紧机构单件多位夹紧机构 它利用一种联动机构能同时从各方向上均匀夹紧工件，而各部位夹紧力可以互相协调一致，可以大提高生产率。多件多位夹紧机构多件多位夹紧机构 由于工序设计提出要求，要在一个工序上同时加工许多工件，使用的夹具必须能同时将许多工件夹紧。设计多位（联动）夹紧机构应注意的问题设计多位（联动）夹紧机构应注意的问题多位（联动）夹紧机构必须能同时而均匀夹紧工件多位（联动）夹紧机构必须能同时而均匀夹紧工件1)各夹紧件之一间要能联动或浮动2)夹紧件或传力件应设计成可调节的，以便适应工件公差和夹紧件的磨损3)既要保

27、证能同时夹紧，也要能保证同时松开保证每个工件都有足够的夹紧力保证每个工件都有足够的夹紧力夹紧件和传力件要有足够的刚性，夹紧件和传力件要有足够的刚性， 保证传力均匀保证传力均匀（如右图）四、机动夹紧装置四、机动夹紧装置 为改善劳动条件和提高生产率，目前在大批量生产中均用气动、液压、电磁、真空等机动夹紧装置，来代替人力夹紧。 机动夹紧装置由三部分组成：夹紧的动力装置夹紧的动力装置、中间传动机构中间传动机构和夹紧夹紧位位。动力装置动力装置：用来产生原始力，并把原始力传给中间传动机构。中间传动机构中间传动机构：将原始力传给夹紧件。夹紧位夹紧位：用以承受中间传动机构传过来的力，并与工件直接接触执行 夹紧

28、任务。气动夹紧装置气动夹紧装置 气动夹紧装置所使用的压缩空气是由工厂压缩空气站供给的。气压传动系统气压传动系统 一般分为气缸式和薄膜气盒式两种。气缸结构及工件特性气缸结构及工件特性 常用气缸分为单向作用式和双向作用式两种。其在活塞杆上产生的传动力为右图为双向作用气缸，则在无活塞杆一边的传动力为qpDF42单pDF42 从使用特点来说，气缸又可分为回转式回转式和不动不动式气缸式气缸。气盒的结构及工作特性气盒的结构及工作特性 生产中也常用薄膜式气盒。它也有单向和双向作用两种，利用空气压力使薄膜变形而驱动推杆。 优点优点：密封性好，不易漏气；结构紧凑，重量轻，成本低；尺寸已标准化，可在市场选购；磨擦

29、部位少，薄膜使用寿命长，可工作到数十万次以上。 缺点缺点：推杆行程受薄膜变形的限制；推力较小，并随夹紧行程增大而下降。液压夹紧装置液压夹紧装置 液压夹紧装置是用高压油产生动力，工作原理及结构与气动夹紧相似。其共同的优点是： 油压大，传动力大，可采用直接夹紧方式，结构尺寸也较小油压大，传动力大，可采用直接夹紧方式，结构尺寸也较小 油液不可压缩，比气动夹紧刚性大，工作平稳，夹紧可靠油液不可压缩，比气动夹紧刚性大，工作平稳，夹紧可靠 无噪声，劳动条件好无噪声，劳动条件好特别特别适用于大型工件的加工及切削时有较大冲击的场合。适用于大型工件的加工及切削时有较大冲击的场合。气气液压夹紧装置液压夹紧装置 能

30、源仍为压缩空气，但综合利用了气动与液压夹紧机构的优点。 根据活塞1受力平衡条件可得将油压代入上式可得根据油液的体积不可压缩的原理可得 即 空油空油pdDpDpdp21102112144空空pdDDpdDDF21221211224421221dDLL22112DdLL 下图的增力装置可克服上述缺点。 气动夹紧装置的扩力机构气动夹紧装置的扩力机构 当气动夹紧装置的夹紧力不足时，必须将中间的传动机构设计成能扩大传动力的机构，这种中间能扩力的传动机械就称扩力机构扩力机构。 常用扩力机构有楔块式楔块式、杠杆式杠杆式、铰链连杆式铰链连杆式和气气液压增力装置液压增力装置等。电磁夹紧装置电磁夹紧装置 电磁夹紧装置也叫电磁电磁工件台工件台