第五章机床夹具设计

1、 一、概一、概 述述机床夹具机床夹具在机床上用于装夹工件或在机床上用于装夹工件或引导刀具的装置。引导刀具的装置。1. 1. 夹具的组成夹具的组成（1 1）定位元件及定位装置）定位元件及定位装置（2 2）夹紧装置）夹紧装置（3 3）对刀与导引元件）对刀与导引元件（钻套、对（钻套、对刀块）刀块）（4 4）夹具体）夹具体 （5 5）其他元件及装置，有些）其他元件及装置，有些夹具根据工具的加工要求，要夹具根据工具的加工要求，要有分度机构、铣床夹具还要有有分度机构、铣床夹具还要有定位键。定位键。2.2.机床夹具的分类机床夹具的分类按专门化程度分：按专门化程度分：（1 1）通用夹具）通用夹具（2 2）专用

2、夹具）专用夹具（3 3）成组夹具）成组夹具（4 4）组合夹具）组合夹具 （5 5）随行夹具）随行夹具按使用机床分：按使用机床分：车床夹具、铣床夹具、车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具钻床夹具、镗床夹具按动力源分：按动力源分：手动夹具、气动夹具、液压夹具、手动夹具、气动夹具、液压夹具、电动夹具、磁力夹具、真空夹具等电动夹具、磁力夹具、真空夹具等3.3.机床夹具的功用机床夹具的功用（1）保证加工精度）保证加工精度 零件加工精度包括尺寸精度、几何形状和表面相互零件加工精度包括尺寸精度、几何形状和表面相互 位置精度。夹具的最大功用是保证加工表面的位置精度。夹具的最大功用是保证加工表面的位置精度。位

3、置精度。（2）提高生产率，降低生产成本）提高生产率，降低生产成本 快速将工件定位夹紧，免除了找正、对刀等，缩短快速将工件定位夹紧，免除了找正、对刀等，缩短 辅助时间，提高了成品率，降低了成本。辅助时间，提高了成品率，降低了成本。（3）扩大机床的加工范围）扩大机床的加工范围 如在车床上加镗夹具，可完成镗孔加工。如在车床上加镗夹具，可完成镗孔加工。 （4）减轻工人劳动强度）减轻工人劳动强度 二、工件在夹具中的定位二、工件在夹具中的定位工件定位目的：工件定位目的：使同批工件在机床或夹具上有正确位置使同批工件在机床或夹具上有正确位置工件的定位方法工件的定位方法 (1)(1)直接找正定位直接找正定位 效

4、率低，适于单件小批生产和定位精度要求较高的情况效率低，适于单件小批生产和定位精度要求较高的情况 (2)(2)划线找正定位划线找正定位 适于单件小批生产或毛坯精度较低、大型工件粗加工适于单件小批生产或毛坯精度较低、大型工件粗加工 (3)(3)夹具中定位夹具中定位 效率高，易保证质量，广泛用于批量生产效率高，易保证质量，广泛用于批量生产第二节第二节 工件的定位工件的定位 一、六点定位原理一、六点定位原理 未定位工件在空间有六个自由度，未定位工件在空间有六个自由度， 定位就是限制其自由度。定位就是限制其自由度。合理布置六个定位支承点，使工合理布置六个定位支承点，使工件上的定位基面与其接触，一个件上的

5、定位基面与其接触，一个支承点限制工件一个自由度，使支承点限制工件一个自由度，使工件六个自由度被完全限制，在工件六个自由度被完全限制，在空间得到唯一确定的位置，此即空间得到唯一确定的位置，此即六点定位原理六点定位原理。 zyx、zyx、 实际中一个定位元件可体现一个或多个支承点，实际中一个定位元件可体现一个或多个支承点， 视具体工作方式及其与工件接触范围大小而定视具体工作方式及其与工件接触范围大小而定定位与夹紧的区别：定位与夹紧的区别： 定位是使工件占有一个正定位是使工件占有一个正确的位置，夹紧是使工件保持这个正确位置。确的位置，夹紧是使工件保持这个正确位置。(1)(1)完全定位完全定位与与不完

6、全定位不完全定位工件的六个自由度被完全限制的定位称工件的六个自由度被完全限制的定位称完全定位，完全定位，允许少于六点的定位称为允许少于六点的定位称为不完全定位不完全定位。都是合理的定位方式。都是合理的定位方式。2、工件在夹具中定位的几种情况、工件在夹具中定位的几种情况 考虑定位方案时，先分析必须消除哪些自由度，考虑定位方案时，先分析必须消除哪些自由度，再以相应定位点去限制。再以相应定位点去限制。(2)(2)欠定位欠定位与与过定位过定位工件应限制的自由度未被限制的定位，为工件应限制的自由度未被限制的定位，为欠定位，欠定位，在实际生产中是绝对不允许的。在实际生产中是绝对不允许的。工件一个自由度被两

7、个或以上支承点重复限制的工件一个自由度被两个或以上支承点重复限制的定位称为定位称为过定位过定位或或重复定位。重复定位。一般来说也是不合一般来说也是不合理的。理的。长圆柱销长圆柱销1限制限制 ？ 个自由度，支承板个自由度，支承板2限制？限制？ 个自由个自由度。其中，？度。其中，？ 被两个定位元件重复限制，产生过定位。被两个定位元件重复限制，产生过定位。 若工件孔与端面垂直度误差较大，且孔与销间隙又很小，则定位情况如图4-7b所示，定位后工件歪斜，端面只有一点接触。若长圆柱销刚度好，压紧后连杆将变形；若刚度不足，压紧后长圆柱销将歪斜，工件也可能变形（图4-7b，二者都会引起加工大孔的位置误差，使连

8、杆两孔的轴线不平行。 若工件孔与端面垂直度误差较大，且孔与销间隙又很小，则若工件孔与端面垂直度误差较大，且孔与销间隙又很小，则定位情况如图所示，定位后工件歪斜，端面只有一点接触。定位情况如图所示，定位后工件歪斜，端面只有一点接触。若长圆柱销刚度好，压紧后连杆将变形，图若长圆柱销刚度好，压紧后连杆将变形，图b所示所示 ；若刚度不足，压紧后长圆柱销将歪斜，工件也可能变形，二若刚度不足，压紧后长圆柱销将歪斜，工件也可能变形，二者都会引起加工大孔的位置误差，使连杆两孔的轴线不平行。者都会引起加工大孔的位置误差，使连杆两孔的轴线不平行。 消除过定位及其干涉的途径：消除过定位及其干涉的途径： 1. 1.

9、改变定位元件结构，消除对自由度的重复改变定位元件结构，消除对自由度的重复 限制，如长销改成短销；限制，如长销改成短销；2. 2. 提高工件定位基面之间的位置精度，提高提高工件定位基面之间的位置精度，提高 夹具定位元件之间的位置精度，减少或消夹具定位元件之间的位置精度，减少或消 除过定位引起的干涉，精加工时可增加刚除过定位引起的干涉，精加工时可增加刚 度和定位稳定性。度和定位稳定性。 3. 常见定位方法与定位元件常见定位方法与定位元件 (1) (1) 工件以平面定位工件以平面定位1) 1) 固定支承（支承钉、固定支承（支承钉、支承板支承板）限制一个自由）限制一个自由度度3. 常见定位方法与定位元

10、件常见定位方法与定位元件 (1) (1) 工件以平面定位工件以平面定位1) 1) 固定支承（支承钉、支承板、定位分析）固定支承（支承钉、支承板、定位分析）限制两个自由度限制两个自由度2) 2) 可调支承可调支承 多用于毛面定位，每批调整一次多用于毛面定位，每批调整一次，以补偿各批以补偿各批 毛坯误差毛坯误差3) 3) 自位支承自位支承支承本身可随工件定位基准面的变化而自动适应，支承本身可随工件定位基准面的变化而自动适应，一般只限制一般只限制一个自由度，一个自由度，即一点定位。即一点定位。4) 4) 辅助支承辅助支承 在工件定位后才参与支承的元件，不限制自由度，在工件定位后才参与支承的元件，不限

11、制自由度， 主要用于提高工件的刚度和定位稳定性。主要用于提高工件的刚度和定位稳定性。(2) (2) 工件以圆孔定位工件以圆孔定位 工件以圆孔定位属于定心定位，包括定位销、圆柱工件以圆孔定位属于定心定位，包括定位销、圆柱心轴、圆锥销、圆锥心轴等。心轴、圆锥销、圆锥心轴等。1 1）定位销）定位销 短限制两个自由度，长限制四个自由度短限制两个自由度，长限制四个自由度 分固定式和可换式，圆柱销和菱形销分固定式和可换式，圆柱销和菱形销2 2）圆锥销）圆锥销 常用于工件孔端的定位，可限制三个自由度常用于工件孔端的定位，可限制三个自由度 3 3）定位心轴）定位心轴 主要用于盘套主要用于盘套 类零件的定位类零

12、件的定位短圆柱心轴限制两个短圆柱心轴限制两个自由度自由度长圆柱心轴限制四个自由度长圆柱心轴限制四个自由度圆孔定位分析圆孔定位分析(3) (3) 工件以外圆柱面定位工件以外圆柱面定位 1 1）定位套筒）定位套筒 2 2）半圆定位座）半圆定位座 常用于大型轴类工件的定位常用于大型轴类工件的定位3 3）V V形块定位形块定位 结构尺寸已标准化，斜面夹角有结构尺寸已标准化，斜面夹角有606090901201204 4）外圆定心夹紧）外圆定心夹紧 三爪卡盘、双三爪卡盘、双V V形铁定心夹紧、弹簧夹头形铁定心夹紧、弹簧夹头外圆定位分析外圆定位分析(4) (4) 工件以其它表面定位工件以其它表面定位圆锥孔定

13、位分析圆锥孔定位分析习题1、长圆柱心轴限制哪、长圆柱心轴限制哪几个自由度？几个自由度？2、台阶端面、台阶端面B限制哪限制哪几个自由度？几个自由度？3、该工件的定位方法、该工件的定位方法属于哪种定位？属于哪种定位？4、该工件的定位方法、该工件的定位方法有什么缺陷？如何解有什么缺陷？如何解决？决？1、长圆柱心轴限制哪、长圆柱心轴限制哪几个自由度？几个自由度？ 长圆柱心轴限制了长圆柱心轴限制了y 、z 方向的移动自由度和方向的移动自由度和绕绕y、z轴的转动自由度。轴的转动自由度。 2、台阶端面、台阶端面B限制哪限制哪几个自由度？几个自由度？ 台阶面台阶面B限制了限制了x方向方向的移动自由度绕的移动自

14、由度绕y、z 轴的转动自由度。轴的转动自由度。 3、该工件的定位方法、该工件的定位方法属于哪种定位？属于哪种定位？该工件属于重复定位。该工件属于重复定位。 4、该工件的定位方法有、该工件的定位方法有什么缺陷？如何解决？什么缺陷？如何解决？缺陷是：由于工件的端面缺陷是：由于工件的端面与孔的轴心线存在垂直度与孔的轴心线存在垂直度误差，夹紧时，会使心轴误差，夹紧时，会使心轴或工件变形影响加工精度。或工件变形影响加工精度。可采取以下措施：可采取以下措施：1、如、如果工件主要以孔定位，则果工件主要以孔定位，则平面要做得小些或者采用平面要做得小些或者采用球面垫圈，使平面只限制球面垫圈，使平面只限制一个移动

15、自由度。一个移动自由度。2、如、如果工件主要以平面定位，果工件主要以平面定位，则心轴要做得短些，使心则心轴要做得短些，使心轴只限制两个移动自由度。轴只限制两个移动自由度。对图示轴类零件加工的两种装夹情况，试分析各限制了哪些自由度?指出下图所示零件需限制的自由度 根据六点定位原理，试分析下图中各定位方案中定位元件所消除的自由度？有无过定位现象？如何改正？（b） 根据六点定位原理，试分析下图中各定位方案中定位元件所消除的自由度？有无过定位现象？如何改正？(c)(d)根据六点定位原理，试分析下图中各定位方案中定位元件所消除的自由度？有无过定位现象？如何改正？(e)(f)根据六点定位原理，试分析下图中

16、各定位方案中定位元件所消除的自由度？有无过定位现象？如何改正？中心架(g)(h)根据六点定位原理，试分析下图中各定位方案中定位元件所消除的自由度？有无过定位现象？如何改正？321(i)(j)(5) (5) 组合表面定位组合表面定位 1 1）一个平面和与其垂直的两个孔组合）一个平面和与其垂直的两个孔组合这种定位属于过定位这种定位属于过定位解决办法是：解决办法是：将销将销2 2做成做成削边销削边销 2 2）一平面和与其垂直的两外圆柱面组合）一平面和与其垂直的两外圆柱面组合3 3）一孔和一平行于孔中心线的平面组合）一孔和一平行于孔中心线的平面组合三、三、 定位误差及其分析计算定位误差及其分析计算 定

17、位误差概念定位误差概念 指一批工件在夹具中定位时，工件的设计基准（或工序指一批工件在夹具中定位时，工件的设计基准（或工序 基准）在加工尺寸方向上的最大变动量，以基准）在加工尺寸方向上的最大变动量，以d dw w 表示。表示。 成批加工工件时，夹具相对机床的位置及切削运动成批加工工件时，夹具相对机床的位置及切削运动的行程调定后不再变动，可认为加工面的位置是固定的。的行程调定后不再变动，可认为加工面的位置是固定的。但因一批工件中每个工件在尺寸形状及表面相互位置上但因一批工件中每个工件在尺寸形状及表面相互位置上均存在差异，所以定位后各表面有不同的位置变动。均存在差异，所以定位后各表面有不同的位置变动

18、。 工序基准的位置变动将对加工精度有直接影响工序基准的位置变动将对加工精度有直接影响 （一）（一）定位误差定位误差产生原因产生原因1 1）基准不重合误差）基准不重合误差jb 其大小等于设计基准与定位基其大小等于设计基准与定位基准间联系尺寸在加工尺寸方向上的变动量（公差）。准间联系尺寸在加工尺寸方向上的变动量（公差）。 一次安装加工两孔一次安装加工两孔A和和B，孔，孔B在在X方向定位基准方向定位基准C与设计基与设计基准准A不重合，基准不重合误差为联系尺寸不重合，基准不重合误差为联系尺寸22的公差的公差0.22 2）基准位移误差）基准位移误差jw 是指工件的定位基准在加工尺寸方是指工件的定位基准在

19、加工尺寸方 向上的变动量。由工件定位面和夹具定位元件的制造误差向上的变动量。由工件定位面和夹具定位元件的制造误差 以及两者之间的间隙所引起。以及两者之间的间隙所引起。 （二）常见定位方式定位误差计算（二）常见定位方式定位误差计算(1) (1) 以平面定位时的定位误差计算以平面定位时的定位误差计算平面度误差很小，定位副制造不准确误差可忽略，所平面度误差很小，定位副制造不准确误差可忽略，所以定位误差主要由基准不重合引起。以定位误差主要由基准不重合引起。2.2.工件以外圆柱面定位工件以外圆柱面定位工件在工件在V形块上定位形块上定位 定位误差分析：定位误差分析： a) 定位误差定位误差d 随毛坯误差随

20、毛坯误差Td 的增大而增大；的增大而增大； b) 定位误差定位误差d 随随V形块夹角形块夹角 增大而减小，但稳定性变差；增大而减小，但稳定性变差； c) 定位误差定位误差d 与工序尺寸标注方式有关，与工序尺寸标注方式有关，d2 d1 d3 工序尺寸以工序尺寸以H3标注，其定位误差为：标注，其定位误差为： d3=B1B2=O2B2+O1O2-O1B1 = =sin21Td2d-Td2 d2+sin21Td2 1 工序尺寸以工序尺寸以H2标注，其定位误差为：标注，其定位误差为： d2=A1A2=A1O1+O1O2-A2O2 = = d2+Td2sin21d-Td2sin21Td2+ 1 工序尺寸以

21、工序尺寸以H1标注，其定位误差为：标注，其定位误差为： d1=O1O2=O1C-O2C = = d2sin21d-Td2sin21sin21Td23.工件以圆柱孔定位 工件以单一圆柱孔定位时常用的定位元件是圆柱定位心轴（或定位销），此时定位误差的计算有两种情形：工件孔与定位心轴（或定位销）采用过盈配合和间隙配合。 （1）工件孔与定位心轴（或定位销）过盈配合的定位误差计算图5-25 工件以圆柱孔在过盈配合心轴上定位时定位误差分析（1）工件孔与定位心轴（或定位销）过盈配合的定位误差计算（2）工件孔与定位心轴（或定位销）采用间隙配合的定位误差）工件孔与定位心轴（或定位销）采用间隙配合的定位误差计算计

22、算1）工件孔与定位心轴（或定位销）水平放置图5-26 工件孔与定位心轴间隙配合水平放置定位误差计算 222maxminminmax1221dDjdDdDOOOOOO2）工件孔与定位心轴（或定位销）垂直放置图5-27 工件孔与定位心轴间隙配合垂直放置定位误差计算 maxmin11dDj4 4、工件以一面两孔定位、工件以一面两孔定位图5-28 孔中心距的转角误差第三节第三节 工件在夹具中的夹紧工件在夹具中的夹紧一一. .夹紧装置的组成和设计要求夹紧装置的组成和设计要求组成（1）力源装置力源装置（2）中间传力机构中间传力机构（3）夹紧元件夹紧元件作用1 1）改变作用力的方向；）改变作用力的方向；2

23、2）改变作用力的大小；）改变作用力的大小；3 3）使夹紧实现自锁。）使夹紧实现自锁。1 1）夹紧时不破坏工件定位后的正确位置；）夹紧时不破坏工件定位后的正确位置； 稳稳2 2）夹紧力大小要适当；）夹紧力大小要适当； 牢牢3 3）夹紧动作要迅速、可靠；）夹紧动作要迅速、可靠； 快快4 4）结构紧凑，易于制造与维修。）结构紧凑，易于制造与维修。基基本本要要求求二二. .夹紧力的确定夹紧力的确定必须合理确定夹紧力的三要素：必须合理确定夹紧力的三要素：大小、方向和作用点大小、方向和作用点 1 1、夹紧力方向的确定夹紧力方向的确定 1 1）主要夹紧力方向应垂直于主要定位面）主要夹紧力方向应垂直于主要定位

24、面 2 2）夹紧力的作用方向应使所需夹紧力最小）夹紧力的作用方向应使所需夹紧力最小 3 3）夹紧力的作用方向应使工件变形尽可能小）夹紧力的作用方向应使工件变形尽可能小2 2、夹紧力作用点的确定夹紧力作用点的确定 1 1）夹紧力应作用在刚度较好部位）夹紧力应作用在刚度较好部位 2 2）夹紧力作用点应正对支承元件或位于支承元件）夹紧力作用点应正对支承元件或位于支承元件 形成的形成的支承面内支承面内3 3）夹紧力作用点应尽可能靠近加工表面）夹紧力作用点应尽可能靠近加工表面 3 3、夹紧力大小的估算、夹紧力大小的估算 夹紧力的大小根据切削力、工件重力的夹紧力的大小根据切削力、工件重力的大小、方向和相互

25、位置关系具体计算，并大小、方向和相互位置关系具体计算，并乘以安全系数乘以安全系数K ，一般精，一般精加工加工K =1.52 2，粗加工粗加工K = 2 2.53。三三. .典型夹紧机构典型夹紧机构（1）斜楔夹紧机构）斜楔夹紧机构（2）偏心夹紧机构）偏心夹紧机构常见的偏心轮常见的偏心轮压板夹紧机构压板夹紧机构 1 1）圆偏心夹紧原理及其几何特性）圆偏心夹紧原理及其几何特性 偏心夹紧实质是一种斜楔夹紧，但各点升角不等，偏心夹紧实质是一种斜楔夹紧，但各点升角不等， M、N处处 升角为为升角为为0 0， P处升角最大。处升角最大。 2 2）圆偏心夹紧的自锁条件）圆偏心夹紧的自锁条件 P P点夹紧时能自

26、锁，则可保证其余各点均可自锁点夹紧时能自锁，则可保证其余各点均可自锁 自锁条件自锁条件 p 1 12 2 tanp=2e/Dtanp=2e/Dp 为安全起见取为安全起见取1 1 =0=0 2e/D 2e/D 2 22 2, , 取取2 2=0.1=0.1 0.15,0.15, D/e14 D/e142020自锁自锁, , D/e D/e叫偏心轮的偏心特性，表示偏心轮的工作叫偏心轮的偏心特性，表示偏心轮的工作 可靠性可靠性 3 3）圆偏心夹紧的夹紧力）圆偏心夹紧的夹紧力 3 3）圆偏心夹紧的夹紧力）圆偏心夹紧的夹紧力 M=P l =Q1 或或Q1 P l / 因为因为p很小，很小， Q1Q1co

27、sp= FQ 根据斜楔夹紧原理，得根据斜楔夹紧原理，得P P点产生的夹紧力为点产生的夹紧力为QFJ P l / /(tan(tan1 1+tan+tan（p p2 2） 一般取一般取 l =(22.5)D， D /2 扩力比约为扩力比约为12121313 4 4）圆偏心的夹紧行程）圆偏心的夹紧行程 确定夹紧行程确定夹紧行程hPE需考虑如下因素：需考虑如下因素： 夹紧工件尺寸公差、装卸间隙、夹紧变形及夹紧工件尺寸公差、装卸间隙、夹紧变形及磨损贮备量等磨损贮备量等 hPET+间间+ 贮贮偏心距偏心距e为为 e = hPE / (cosP - cosE ) 若取若取P P点左右各点左右各4545圆弧

28、作为工作段，则圆弧作为工作段，则 e = hPE / (cos 4545 - cos 135 5) = hPE / 1.1414 圆偏心轮夹紧力小，行程小，自锁性不太好，用于圆偏心轮夹紧力小，行程小，自锁性不太好，用于 切削力小，无振动，工件尺寸公差不大的场合。切削力小，无振动，工件尺寸公差不大的场合。（3）螺旋夹紧机构）螺旋夹紧机构螺旋夹紧特点：螺旋夹紧特点： 1 1）结构简单，自锁性好，夹紧可靠；）结构简单，自锁性好，夹紧可靠； 2 2）扩力比约为扩力比约为80,80,远比斜楔夹紧力大；远比斜楔夹紧力大； 3 3）夹紧行程不受限制；）夹紧行程不受限制； 4 4）夹紧动作慢，辅助时间长，效率低）夹紧动作慢，辅助时间长，效率低（4）其它夹紧机构）其它夹紧机构1）螺旋压板夹紧机构）螺旋压板夹紧机构2）螺旋定心夹紧机构）螺旋定心夹紧机构3）联动夹紧机