第四章 机床夹具原理与设计1(学生版)

1、第四章 机床夹具原理与设计3.1 机床夹具概述3.2 工件夹具中的定位3.3 定位方式与定位元件3.4 定位误差分析3.5 工件在夹具中的夹紧3.6 现代机床夹具简介3.1 机床夹具概述3.1.1 工件的装夹方式装夹是指工件加工前，在机床或夹具中 占据某一正确加工位置，然后再予以压紧工 件的过程。1. 找正法装夹工件 找正法装夹工件有以下两种：(1) 以工件已有表面找正装夹工件，如图3-1所示在四爪卡盘上用划针找正装夹工件。图3-1 四爪装夹工件(2) 以工件上事先划好的线痕迹找正装夹工件，如图3-2所示在虎钳上用划针找正装夹工 件。找正法装夹工件主要过程：预夹紧找 正、调整完全夹紧。找正法装

2、夹工件，工件正确位置的获得 是通过找正达到的，夹具只起到夹紧工件的 作用。这种方法方便、简单、生产率低、劳 动强度大，适用于单件、小批生产。图3-2 虎钳装夹工件2. 专用夹具装夹工件1) 钻床夹具装夹工件如图3-3所示，在钻床夹具上加工套类零 件上的径向小孔，工件以内孔及端面与夹具 上定位销6及其端面接触定位，通过开口垫圈4、螺母5压紧工件。把夹具放在钻床工作台面上，移动夹具让钻套1引导钻头钻孔。图3-3 钻床夹具2) 铣床夹具装夹工件如图3-4所示，在铣床夹具上加工套类零件上的 通槽，工件以内孔及端面与夹具上心轴1及其端面接 触定位，通过开口垫圈5、螺母4压紧工件。在铣床 上，夹具通过底面

3、和定位键2与铣床工作台面和T形 槽面接触确定在铣床工作台上的位置，用螺栓压板 压紧夹具，然后移动工作台，通过对刀块3工作面确 定刀具与工件的相对位置加工工件。因为对刀块工 作面到定位销轴线的位置尺寸是根据工件加工要求确定的，所以能满足工件加工要求。图3-4 铣床夹具专用夹具装夹工件的特点如下：(1) 工件在夹具中定位迅速；(2) 工件通过预先在机床上调整好位置的 夹具，相对机床占有正确位置；(3) 工件通过对刀、导引元件，相对刀具占有正确位置；(4) 对加工成批工件效率尤为显著。3. 工件装夹的目的(1) 定位：使工件获得正确的加工位置。(2) 夹紧：固定工件的正确加工位置。 一般先定位、后夹

4、紧，特殊情况下定位、夹紧同时实现，如三爪自动卡盘装夹工件。.2 夹具的组成与作用1. 夹具的组成如图3-3和图3-4所示，机床夹具主要由以下几部分组成。(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) 其他装置：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。请指出定位元件、 夹紧装置、 对刀元件、 导引元件、 夹具体？图3-3 钻床夹具请指出定位元件、夹紧装置、对刀元件、导 引元件、夹具体？图3-4

5、 铣床夹具2. 夹具的作用夹具的作用有以下几点： (1) 保证加工精度。 用机床夹具装夹工件，能准确确定工件与刀具、机床之间的相对位置关系，可以保证加工精度。 (2) 提高生产效率、降低成本。 机床夹具能快速地将工件定位和夹紧，可以减少辅助时间，提高生产效率，降低成本。(3) 减轻工人劳动强度。机床夹具采用机械、气动、液动夹紧装置，可以大大减轻工人的劳动强度。 (4) 扩大机床的使用范围。 利用机床夹具，能扩大机床的加工范围，例如在车床或钻床上使用镗模可以代替镗床镗孔，使车床、钻床具有镗床的功能。.3 夹具的分类1. 按夹具的应用范围分类 按夹具的应用范围不同，夹具可分为以下几种。 (1) 通

6、用夹具：指结构、尺寸已标准化，且有较大适用范围的夹具。如车床用的三爪自动定心卡盘、 四爪单动卡盘，铣床用的平口钳及分度头等。(2) 专用夹具：针对某一工件某一工序的加工要求专门设计和制造的夹具。专用夹具适于在产品相 对稳定、产量较大的场合应用。(3) 可调夹具：不对应特定的加工对象，适用范围宽，通过适当的调整或更换夹具上的个别元件， 即可用于加工形状、尺寸和加工工艺相似的多种工 件，是针对通用夹具和专用夹具的缺陷而发展起来 的一类新型夹具。(4) 组合夹具：是由一套预先制定好的各种不同形状、不同尺寸规格、具有互换性的标准元件或组 件，按照一定的装配约束关系组合而成的。组合夹 具常用在单件，中、

7、小批多品种生产和数控加工 中，是一种较经济的夹具。(5) 随行夹具：给自动化生产线专门设计的夹具。2. 按使用机床分类按使用的机床不同，夹具可分为车床、铣床、刨床、钻床、镗床、磨床夹具等。3. 按夹紧动力源分类按夹紧动力源不同，夹具可分为手动、气动、液动、电动等。3.2 工件夹具中的定位.1 基准的概念 基准是零件上用来确定其他点、线、面位置所依据的那些点、线、面。按其功用不同，基准可分 为设计基准和工艺基准两大类。1. 设计基准设计基准是在零件图上所采用的基准。它是标注设计尺寸的起点。如图3-5(a)所示的零件，平面2、3的设计基准是平面1，平面5、6的设计基准是平面4，孔7的设计基准是平面

8、1和平面4，而孔8的设计基准是孔7的中心和平面4。图3-5 基准分析(a) 支承块；(b) 钻套1、设计基准 设计基准是在零件图上所采用的基准。它是标注设计尺寸的起点。如图3-5(a)所示的零件，平面2、3的设计基准是平面1，平面5、6的设计基准是平面4，孔7的设计基准是平面1和平面4，而孔8的设计基准是孔7的中心和平面4。在零件图上不仅标注的尺寸具有设计基准，而且标注的位置精度同样具有设计基准。如图3-5(b) 所示的钻套零件，轴心线OO是各外圆和内孔的设 计基准，也是两项跳动误差的设计基准；端面A是 端面B、C的设计基准。2. 工艺基准工艺基准是在加工、测量和装配时所使用的，必 须是实在的

9、。然而作为基准的点、线、 面有时并不 一定具体存在(如孔和外圆的中心线，两平面的对称 中心面等)，往往通过具体的表面来体现。用以体现 基准的表面称为基面。例如图3-5(b)所示钻套的中心 线是通过内孔表面来体现的，内孔表面就是基面。工艺基准是在工艺过程中所使用的基准。工艺过程是一个复杂的过程，按用途不同，工艺 基准又可分为定位基准、工序基准、测量基准和 装配基准。1) 定位基准在加工中用做定位的基准，称为定位基准。它 是工件上与夹具定位元件直接接触的点、线或面。 如图3-5(a)所示零件，加工平面3和6是通过平面1和4放在夹具上定位的，所以，平面1和4是加工平面3 和6的定位基准；如图3-5(

10、b)所示的钻套，用内孔装 在心轴上磨削 f 40h6外圆表面时，内孔表面是定位基面，孔的中心线就是定位基准。定位基准又分为粗基准和精基准。用做定位的表面，如果是没有经过加工的毛坯表 面，称为粗基准； 若是已加工过的表面，则称为精基准。2) 工序基准在工序图上，用来标定本工序被加工面尺寸和 位置所采用的基准，称为工序基准。它是某一工序 所要达到加工尺寸(即工序尺寸)的起点。如图3-5(a) 所示零件，加工平面3时按尺寸H2进行加工，则平 面1即为工序基准，加工尺寸H2叫做工序尺寸。工序基准应当尽量与设计基准相重合；当考虑定位或试切测量方便时， 也可以与定位基准或 测量基准相重合。3) 测量基准零

11、件测量时所采用的基准，称为测量基准。如 图3-5(b)所示，钻套以内孔套在心轴上测量外圆的 径向圆跳动，则内孔表面是测量基面，孔的中心线 就是外圆的测量基准；用卡尺测量尺寸l和L，表面A是表面B、C的测量基准。4) 装配基准装配时用以确定零件在机器中位置的基准，称为装配基准。如图3-5(b)所示的钻套， 装配基准。f40h6外圆及端面B即为.2 六点定位原理一个尚未定位的工件，其空间位置是不确定的，有六个自由度，如图3-6所示。沿空间坐标轴X、Y、Z三个方向的移动和绕这三个坐标轴的转动分别以 X、Ya、 Z 和 Xaa、Y 、Z表示。图3-6 工件的六个自由度定位，就是限制自由度。如图3-7所

12、示的长方体工件，欲使其完全定位，可以设置六个固定点，工 件的三个面分别与这些点保持接触。图3-7 长方体形工件的定位在其底面设置三个不共 线的点1、2、3(构成一 个面)，限制工件的三个、自由度：Za 、a ；XY侧面设置两个点4、5(成、Z一条线)，限制了 Ya两个自由度；图3-7 长方体形工件的定位端面设置一个点6，限制X 自由度。于是工件的六个自由度便都被限制了。定位，就是限制自由度这些用来限制工件自由度的固定点，称为定位支 承点，简称支承点。用合理分布的六个支承点限制工件六个自由度的 法则，称为六点定位原理。定位，就是限制自由度图3-7 长方体形工件的定位在应用“六点定位原理”分析工件

13、的定位时，应注意以下几点：(1) 支承点限制工件自由度的作用，应理解为定 位支承点与工件定位基准面始终保持接触。若二者 脱离，则意味着失去定位作用。(2) 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。(3) 分析定位支承点的定位作用时，不考虑力的影响。工件的某一自由度被限制，并非指工件在 受到使其脱离定位支承点的外力时不能运动。欲使 其在外力作用下不能运动，是夹紧的任务；反之， 工件在外力作用下不能运动，即被夹紧，也并非是 说工件的所有自由度都被限制了。所以，定位和夹 紧是两个概念，绝不能混淆。.3 工件定位的几种情况工件定位有以下几种情况

14、。(1) 完全定位：工件的六个自由度全部被限制的定位。(2) 不完全定位：工件的部分自由度被限制的定位。(3) 欠定位：工件定位时，应该限制的自由度没有 被全部限制的定位。这种情况在实际定位时不允许发 生。(4) 过定位(重复定位)：工件定位时，几个定位元件重复限制工件同一自由度的定位。 在通常情况下不允许出现这种定位方式。3.3 定位方式与定位元件.1 工件以平面定位在机械加工中，利用工件上的一个或几个平面 作为定位基准来定位工件的方式，称为平面定位。 如箱体、支架类零件等，常以平面为定位基准。平 面定位常用的定位元件有固定支承、可调支承和自 位支承。1. 固定支承固定支承是指高度尺寸固定，

15、不能调整的支承，包括固定 支承钉和固定支承板两类。常用支承钉的结构形式如图3-8所示。 当工件以粗糙不平的毛坯面定位时，采用球头支承钉(B型)，使 其与毛坯良好接触。齿纹头支承钉(C型)用在工件的侧面，能增 大摩擦系数，防止工件滑动。当工件以加工过的平面定位时，可采用平头支承钉(A型)。图3-8 常用支承钉的结构形式工件以精基准面定位时，除采用上述平头支承钉外，还常用图3-9所示的支承板作定位元件。A型支承板结构简单，便于制 造，但不利于清除切屑，故适用于顶面和侧面定位；B型支承板 则易保证工作表面清洁，故适用于底面定位。 夹具装配时，为使几个支承钉或支承板严格共面，装配后需将其 工作表面一次

16、磨平，从而保证各定位表面的等高性。图3-9 常用支承板的结构形式2. 可调支承可调支承是指顶端位置可在一定高度范围内调整的支承。 常用的可调支承结构如图3-10 所示。可调支承多用于支承工 件的粗基准面，支承高度可根据需要进行调整，调整到位后用螺母锁紧。一个可调支承限制一个自由度。图3-10 常用可调支承的结构形式3. 自位支承自位支承是指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作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平面的定位。图3-11为几种自位支 承的结构形式，只相当于一个定位支承点，仅限制工件的一个

17、自由度。图3-11 自位支承的结构形式此外，在生产中有时为了提高工件的刚度和定位。稳定性，常采用辅助支承。图3-12在靠近铣刀处增设 辅助支承，可避免铣削时的振动，提高定位 及加工的稳定性。 值得注意的是：无论采 用哪种形式的辅助支承， 它都不起定位作用， 因此不限制工件的自由度图3-12 辅助支承的应用实例.2 工件以圆孔定位有些工件，如套筒、法兰盘等类工件常以孔作 为定位基准，此时采用的定位元件有定位销、圆锥 销、定位心轴等。1. 定位销图3-13为几种常用的圆柱定位销，其工作部分直径d通常根据加工要求和考虑便于装夹，按g5、g6、f6或f7制造。图3-13(a)、(b)、(c)所示定位销

18、为固定式定位销，其与夹具体的连接采用过盈配合；图3-13(d)为带衬套的可换式圆柱销结构，这种定位销与衬套的配合采用间隙配合，故其位置精度较固定式定位销低，一般用于大批大量生产中。图3-13 几种常用的圆柱定位销为便于工件顺利装入，定位销的头部应有15倒角。短圆柱销限制工件的两个自由度，长圆柱销限制工件的四个自由度。图3-13 几种常用的圆柱定位销2. 圆锥销在加工套筒、空心轴等类工件时，也经常用到圆锥销，如图3-14所示。图3-14(a)用于粗基准，图3-14(b)用于精基准。圆锥销限制了工件三个移动自由度。X 、Y 、Z图3-14 圆锥销工件在单个圆锥销上定位容易倾斜，所以圆锥销一般与其他

19、定位元件组合定位。 如图315所示，工件以底 面作为主要定位基面，采用活动圆锥销，只限制X、Y个移动自由度，即使工件的孔径变化 较大，也能准确定位。图3-15 圆锥销组合定位3. 定位心轴定位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。常见的定位心轴有圆柱心轴和圆锥心轴等。1) 圆柱心轴图3-16(a)为间隙配合圆柱心轴，其定位精度不 高，但装卸工件较方便；图316(b)为过盈配合 圆柱心轴，常用于对定心 精度要求高的场合；图3-16(c)为花键心轴， 用于以花键孔作为定位基 准的场合。当工件孔的长 径比L/D1时，工作部分 可略带锥度。图3-16 几种常见的圆柱心轴短圆柱心轴限制

20、工件的两个自由度，长圆柱心轴限制工件的四个自由度。图3-16 几种常见的圆柱心轴2) 圆锥心轴图3-17是以工件上的圆锥孔在圆锥心轴上定位的情形。这类定位方式是圆锥面与圆锥面接触，要求锥 孔和圆锥心轴的锥度相同，接触良好，因此定心精度 与角向定位精度均较高，而轴向定位精度取决于工件 孔和心轴的尺寸精度。圆锥心轴限制工件的五个自由 度，即除绕轴线转动的自由度没限制外均已限制。图3-17 圆锥心轴.3 工件以外圆定位工件以外圆柱面作为定位基准时，根据外圆柱 面的完整程度、加工要求和安装方式，可以在V形块、 定位套、半圆套及圆锥套中定位。其中最常用的是 在V形块上定位。1. V形块V形块有固定式和活

21、动式之分。图3-18为常用固定式V形块。其中，图3-18(a)用于较短的精基准定位；图3-18(b)用于较长的粗基准(或阶梯轴)定位；图3-18(c)用于两段精基准面相距较远的场合；图3-18(d)中的V形块是在铸铁底座上镶淬火钢垫而成的，用于定位基准直径与长度较大的场合。图3-18 固定式V形块图3-19中的活动式V形 块限制工件在Y方向上 的移动自由度。它除定位外，还兼有 夹紧作用。图3-19 活动式V形块应用实例根据工件与V形块的接触母线长度，固定式V形块可以分为短V形块和长V形块，短V形块限制工件两个自由度，长V形 块限制工件四个自由度。V形块定位的优点是： 对中性好，即能使工件的定位

22、基 准轴线对中在V形块两斜面的对称平面上，在左右方向上不会 发生偏移，且安装方便； 应用范围较广。不论定位基准是否 经过加工，不论是完整的圆柱面还是局部圆弧面，都可采用V 形块定位。V形块上两斜面间的夹角一般选用60、90和120，其中以90应用最多。其典型结构和尺寸均已标准化，设计时可查国家标准手册。V形块的材料一般用20钢，渗碳深0.81.2 mm，淬火硬度为6064 HRC。2. 定位套筒装在夹具体上，用以支承外圆表面，起定位作用。 定位元件结构简单，但定位精度不高，当工件外圆与定 位孔配合较松时，易使工件偏斜。常采用套筒内孔与端 面一起定位，减少偏斜。工件面较大，避免过定位，定 位孔应做短些。图3-20 工件在定位套内定位3. 半圆套图3-21为半圆套结构简图，下半圆起定位作用， 上半圆起夹紧作用。图3-21(a)为可卸式，图3-21(b