机床夹具在设计过程中夹紧力的计算

1、收稿日期:2006年10月机床夹具在设计过程中夹紧力的计算刘俊成自贡硬质合金有限责任公司摘要:在机床夹具的设计过程中,夹紧力起着非常重要的作用。本文结合应用实例,主要介绍了在实际加工中如何正确计算夹紧力的大小,基本思路是根据静力平衡原理求出理论夹紧力的大小,然后乘以安全因数得到合理的实际夹紧力的大小。关键词:夹具,夹紧力,静力平衡原理,计算方法C alculation of Chucking Force in Designing Process of Machine Tool ClampLiu JunchengAbstract:The chucking force is very im por

2、tant in designing process of machine tool clam p.With exam ples,the calculation of the chucking force in machining process is expatiated,the factual chucking force is equal to the product of the safety factor and the theoretical chucking force,which is figured out by principle of statical equilibriu

3、m.K eyw ords:clam p,chucking force,principle of statical equilibrium,calculation method1引言在机床上加工零件时,为了保证加工精度,必须先对工件进行定位并将其夹紧。夹具夹紧力的作用主要用来保证工件的定位基准与定位件保持良好的接触,使加工时不致于受切削力、离心力、惯性力、工件自重等作用而移位。夹紧力通过其大小、作用点和方向来体现1,2,在夹具设计过程中十分重要。2夹紧力大小的计算确定夹紧力大小的原则是,夹紧时不得破坏工件的准确定位,工件在夹紧后的变形和受压表面的损伤不允许超过技术条件所允许的范围2,4。夹紧力直

4、接影响工件的安装可靠性、夹紧变形、定位准确性和加工精度。实际加工过程中,影响夹紧力的因素很多,计算也非常复杂5。严格意义上说,夹紧力是一个粗略的估算值。机械加工时,工件受到切削力、离心力、惯性力、工件自重等作用,为了保证夹紧可靠,夹紧力必须与上述各力相平衡。但不同情况下,各种力的方向、大小都不相同,因此不能用通式来描述夹紧力与各力之间的关系。为简化计算,一般只考虑主要外力的影响,从夹紧可靠的前提出发,根据静力平衡原理 ,列出静力平衡方程式1,3,加工过程中取不利状态所需夹紧力的大小,即理论夹紧力大小F J,再乘以安全系数K作为实际夹紧力F J O,即F J O=KF J 式中,F J O为实际

5、所需要的夹紧力(N,F J为按静力平衡原理计算的理论夹紧力(N,K为安全因数,K =K0K1K2K32。K0为基本安全因数(考虑工件材质、余量是否均匀,一般取112115;K1为加工性质因数,粗加工时取112,精加工时取110;K2为刀具钝化因数,一般取111113;K3为切削特点因数,连续切削时取110,断续切削时取112。阻止工件转动和移动通过摩擦力来实现,因此夹紧元件与工件接触表面之间存在摩擦因素,根据实践经验,不同接触表面之间的因数可按以下数值取值:若接触表面均为较光滑(加工过的表面,一般取=012013;若夹紧元件淬火表面有平行齿纹,一般取=013015;若夹紧元件的淬火表面有网状齿

6、纹,一般取=017018。3计算实例图1零件套筒某单位利用C A6140型普通卧式车床加工如图1所示的套筒零件时,由于其壁厚仅115mm,刚性较差,加工时容易变形。若直接将套筒安装在自定心三爪卡盘上,夹紧后套筒孔将产生弹性变形,车削加工后孔成圆形,松开三爪卡盘后,由于套筒孔壁的弹982007年第41卷6性恢复使已车削成圆形的孔变成三角棱圆形孔。为了减少夹紧力引起的形状误差,可用一开口环夹紧薄壁零件套筒,这样可使夹紧力在薄壁件周围均匀分布,从而大大减小加工误差 。图2工件夹紧时的受力分析图如图2所示,夹紧的主要作用是防止套筒在切削力矩M 的作用下发生转动和轴向力F Y 的作用下发生轴向移动。为简

7、化计算,近似将三爪受力视为一样大,因此在每个夹紧点上使套筒转动的力为M/(3R ,使套筒移动的力为F Y /3,夹紧力F J 产生的摩擦力为F J 。在开口环上取与卡盘爪子相接触的一点A 作为静力平衡点,在XOY 平面内(见图3,根据静力平衡原理,摩擦力F J 在X 和Y 方向产生的分力应分别与套筒转动的力M/(3R 和移动的力F Y /3的大小相等,方向相反,假设摩擦力与Y 轴形成的夹角为,则F J cos =-F Y /3(1F J sin =-M/(3R (2将 (1、(2两式分别二次方后再相加,得(F J 2=(F Y /32+M 2/(3R 2故夹紧力为F J =F Y 2+(M/R

8、 21/2/(3实际夹紧力为F J O =KF J =KF Y 2+(M/R 21/2/(3式中F J 理论夹紧力(N F J O 实际夹紧力(N K 安全因数摩擦因数R 工件半径(mm F Y 轴向切削力(N M 切削力矩(N.mm ,可按最大值M =F C R 进行计算,F C 为主切削力。F C 、F Y 可按切削力的相关经验公式(指数公式或单位切削力计算公式求得。4结语在机床夹具的设计过程中,夹紧力的计算比较图3静力平衡计算图复杂,但思路是一致的。首先,根据加工条件和安装方式,合理选择夹紧力方向和作用点;其次,将夹具和工件看成一个刚性系统,找出加工过程中最不利的状态,按静力平衡原理计算

9、出理论夹紧力F J 再乘以安全因数K 作为实际夹紧力F J O ,一般最大夹紧力不应超过最大切削力的2-3倍6。最后夹紧力还应满足如下基本条件:夹紧时不能破坏工件定位后获得的正确位置;在加工过程中要保证工件不移动、不转动、不振动,又不能产生形状误差和损伤工件表面。参考文献1卢秉恒.机械制造技术基础(第2版.北京:机械工业出版社,2005,107109社,2005,1771803王红岩,史锦屏.适应盘套类零件高速切削的离心式弹性夹具.制造技术与机床,2002(5:18191421452004,33术,2005(10:6667作者:刘俊成,高级工程师,自贡硬质合金有限责任公司,643011四川省自贡市“错齿丝锥”获国家发明专利金奖小丝锥也能做出节能大文章。黑龙江省劳动模范、高级工程师刘海福研制发明的“错齿单侧工作丝锥”获得国家专利局颁发的发明专利金奖。经企业一年的对比应用,发现错齿丝锥