第2章 夹具设计

1、12 夹具夹具是指在机床上用以装夹工件的一种装置。是指在机床上用以装夹工件的一种装置。 (1) 保证加工质量，使工件相对于机床或刀具保持正确位置。保证加工质量，使工件相对于机床或刀具保持正确位置。 (2) 提高生产率，降低成本。提高生产率，降低成本。 (3) 扩大了机床的工艺范围。扩大了机床的工艺范围。 (4) 减轻了工人劳动强度，保证生产安全。减轻了工人劳动强度，保证生产安全。3图图2-42 铣轴端槽夹具铣轴端槽夹具1 V型块型块 2 支撑套支撑套 3 手柄手柄 4 定向键定向键 5 夹具体夹具体 6 对刀块对刀块1236411）定位元件及装置；）定位元件及装置；6）其他元件及）其他元件及装

2、置（防护装置（防护、防错、分、防错、分度度）。）。5）夹具体；）夹具体；4）连接元件；）连接元件；3）对刀及导向）对刀及导向元件；元件；2）夹紧元件及装置；）夹紧元件及装置；4三爪、四爪卡盘，平口钳等。三爪、四爪卡盘，平口钳等。为某一工件特定工序专门设计的夹具。为某一工件特定工序专门设计的夹具。夹具的部分元件可以更夹具的部分元件可以更换，部分装置可以调整，以适应不同零件的加工。换，部分装置可以调整，以适应不同零件的加工。由一套预先制造好的标准元件组合而成。由一套预先制造好的标准元件组合而成。根据工件的工艺要求，组装成各种专用夹具。使用后，元件根据工件的工艺要求，组装成各种专用夹具。使用后，元件

3、可拆开、洗净后存放，待需要时重新组装。适用于新产品试可拆开、洗净后存放，待需要时重新组装。适用于新产品试制和单件小批生产。制和单件小批生产。在自动线或柔性制造系统中使用的夹具。在自动线或柔性制造系统中使用的夹具。按夹具使用范围划分按夹具使用范围划分5三爪卡盘三爪卡盘四爪卡盘四爪卡盘万向平口钳万向平口钳回转工作台回转工作台分度头分度头图图2-2 通用夹具通用夹具6图图2-3 组合夹具实例组合夹具实例7可分为钻床夹具、铣床夹具、车床夹具、磨床夹具等。可分为钻床夹具、铣床夹具、车床夹具、磨床夹具等。按使用机床划分按使用机床划分可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、真空夹具、电可分为手动夹具、气动夹具、

4、液压夹具、真空夹具、电动夹具等。动夹具等。按夹紧力源划分按夹紧力源划分气动虎钳气动虎钳 液压夹具液压夹具图图2-4 夹具夹具8 装夹又称安装，包括定位和夹紧两项内容。装夹又称安装，包括定位和夹紧两项内容。 使工件在机床或夹具上占有正确位置。使工件在机床或夹具上占有正确位置。 对工件施加一定的外力，使其已确定的位置对工件施加一定的外力，使其已确定的位置在加工过程中保持不变。在加工过程中保持不变。9 图图2-5 直接找正安装直接找正安装毛坯孔毛坯孔加工线加工线找正线找正线 图图2-6 划线找正安装划线找正安装精度高，效率低，精度高，效率低，对工人技术水平高对工人技术水平高。精度不高，效率低，多精度

5、不高，效率低，多用于形状复杂的铸件。用于形状复杂的铸件。10图图2-7 工件在夹具上装夹（滚齿夹具）工件在夹具上装夹（滚齿夹具）精度和效率均精度和效率均高，广泛采用。高，广泛采用。1112 图图 2-8 六点定位原理六点定位原理XZY 要确定其空间位置，就需要限制其要确定其空间位置，就需要限制其 6 个自由度。个自由度。 将将 6 个支承抽象个支承抽象为为6个个“点点”，6个个点限制了工件的点限制了工件的6 个自由度，这就是个自由度，这就是六点定位原理。六点定位原理。 任何一个物体在空间直角坐标系中都有任何一个物体在空间直角坐标系中都有 6 个自由度个自由度用用 表示。表示。cbaZYX,Z移

6、动，移动，X、Y轴旋转自由度轴旋转自由度X移动，移动，Z轴轴转动自由度转动自由度Y移动自由度移动自由度13工件的工件的6个自由度均被限制，称为完全定位。工件个自由度均被限制，称为完全定位。工件6个自由度中有个自由度中有1个或几个自由度未被限制，称为不完个或几个自由度未被限制，称为不完全定位。全定位。不完全定位主要有两种情况：不完全定位主要有两种情况： 工件本身相对于某个点、线是完全对称的，则工工件本身相对于某个点、线是完全对称的，则工件绕此点、线旋转的自由度不需限制。例如球体绕过件绕此点、线旋转的自由度不需限制。例如球体绕过球心轴线的转动，圆柱体绕自身轴线的转动等。球心轴线的转动，圆柱体绕自身

7、轴线的转动等。 工件加工要求不需要限制某一个或某几个自由度。工件加工要求不需要限制某一个或某几个自由度。如加工平板上表面，要求保证平板厚度及与下平面的如加工平板上表面，要求保证平板厚度及与下平面的平行度，则只需限制平行度，则只需限制 3 个自由度就够了。个自由度就够了。 14 图图2-9 工件应限制的自由度工件应限制的自由度ZYXa）限制限制3个个自由度自由度ZYXb）限制限制5个个自由度自由度ZYXc）限制限制6个个自由度自由度ZYXd）限制限制2个个自由度自由度限制限制5个个自由度自由度 e）ZYX限制限制4个个自由度自由度限制限制2个个自由度自由度f）ZYX限制限制5个个自由度自由度15

8、图图2-10 欠定位示例欠定位示例XZYa）B B欠定位欠定位b）B正确定位正确定位16 17 （桌子与三角架）（桌子与三角架）图图2-11 过定位分析过定位分析 18 图图2-12 过定位示例过定位示例a）ZYXYc）非过定位）非过定位ZYXY b）ZYYX19 图图2-13 过定位示例过定位示例XYa) 过定位过定位ZYb) 合理定位合理定位ZYXY 20刀柄刀柄主轴主轴拉杆拉杆涨套涨套 过定位应用过定位应用图图2-14 HSK刀柄与传统刀柄结构刀柄与传统刀柄结构HSK刀柄刀柄传统刀柄传统刀柄1:107:24间隙间隙主轴主轴拉杆拉杆刀柄刀柄 定位端面定位端面配合锥面配合锥面21 4A0.0

9、2 A间隙配合刚性心轴间隙配合刚性心轴图图2-15 过定位示例过定位示例 22图图2-15a 过定位引起夹紧变形过定位引起夹紧变形 23图图2-15b 过定位处理分析过定位处理分析 24 b）XZYXc）XZYXa）YXZ图图2-16 过定位分析过定位分析 25a）过定位）过定位YXZa2）合理定位）合理定位YXZa1）合理定位）合理定位YXZ图图2-16a 过定位示例分析过定位示例分析 26b）过定位）过定位XZYXb1）XZYXXZb2）合理定位）合理定位YXXZb3）YX图图2-16b 过定位示例分析过定位示例分析 有过定位，提高有过定位，提高V形块的制造与形块的制造与导向精度，可解导向

10、精度，可解决此问题决此问题有过定位，提高有过定位，提高相关精度，可解相关精度，可解决此问题决此问题27c2）YXXZ图图2-16c 过定位示例分析过定位示例分析 c）XZYX有过定位，有过定位，提高提高V形块形块的制造与导的制造与导向精度，可向精度，可解决此问题解决此问题合理定位合理定位28图图2-17 工件以平面定位工件以平面定位平面定位的主要形式是支承定位。常用的定位元件有支平面定位的主要形式是支承定位。常用的定位元件有支承钉、支承板、夹具支承件和夹具体的凸台及平面等。承钉、支承板、夹具支承件和夹具体的凸台及平面等。ZXY ZXYZXYZXYZXYZXY29 图图2-18 支承钉与支承板支

11、承钉与支承板a) 支承钉支承钉b) 支承板支承板30 图图2-19 可调支承可调支承31 图图2-20 自位支承自位支承32图图2-21 工件以圆孔定位工件以圆孔定位 工件以圆孔定位多属于定心定位，常用的定位元件有工件以圆孔定位多属于定心定位，常用的定位元件有定位销和心轴。定位销有圆柱销、圆锥销、菱形销等形式；定位销和心轴。定位销有圆柱销、圆锥销、菱形销等形式；心轴有刚性心轴、弹性心轴之分。心轴有刚性心轴、弹性心轴之分。XYZXYZXYZXYZXYZXYZ 33 图图2-22 常用的定位销常用的定位销34 图图2-23 刚性新轴刚性新轴35 常用于外圆表面的定位元件有：定位套、支承板和常用于外

12、圆表面的定位元件有：定位套、支承板和V型型块等。块等。图图2-24 定位套定位套36 图图2-25 V形块形块37 除平面、圆孔、外圆柱面外，工件有时还可能以其除平面、圆孔、外圆柱面外，工件有时还可能以其它表面（如圆锥面、渐开线齿面、曲面等）定位。它表面（如圆锥面、渐开线齿面、曲面等）定位。图图2-26 工件以锥孔定位工件以锥孔定位 限制限制5个自由度个自由度38 XZY图图2-27 工件在两顶尖上定位工件在两顶尖上定位主要定位基主要定位基准，限制准，限制X、Y、Z自由度自由度次基准，与主次基准，与主基准一起限制基准一起限制X、Y自由度自由度39 图图2-28 定位误差定位误差HOAO2O1D

13、W40 1）由于工件定位表面或夹具定位元件制作不准确引）由于工件定位表面或夹具定位元件制作不准确引起的定位误差，称为起的定位误差，称为基准位置误差。基准位置误差。 2）由于工件的工序基准与定位基准不重合而引起的）由于工件的工序基准与定位基准不重合而引起的定位误差，称为定位误差，称为基准不重合误差基准不重合误差。 ba图图2-29 由于基准不重合引起由于基准不重合引起的定位误差的定位误差定位基准定位基准工序基准工序基准DW基准不重合误差基准不重合误差41 工件的定位误差实质上就是工件的定位误差实质上就是工序基准在加工尺寸方向工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量。上的最大变动量。 用几何方法计算定

14、位误差通常要画出工件的定位简用几何方法计算定位误差通常要画出工件的定位简图，并在图中夸张地画出工件变动的极限位置；然后运图，并在图中夸张地画出工件变动的极限位置；然后运用几何知识，求出工序基准在加工尺寸方向上的最大变用几何知识，求出工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量，动量，即可求出定位误差。即可求出定位误差。42 当工件孔径为最大，定位销当工件孔径为最大，定位销的直径为最小时，孔处在左右两个的直径为最小时，孔处在左右两个极限位置。极限位置。【解】【解】 【例【例2-1】图图2-30所示为孔与销间隙配合的情况，销垂直所示为孔与销间隙配合的情况，销垂直放置，若工件的工序基准为孔心，试确定其定位误

15、差。放置，若工件的工序基准为孔心，试确定其定位误差。minmaxdDDW式中式中 DW 定位误差；定位误差； Dmax工件定位孔最大直径工件定位孔最大直径; dmin夹具定位销最小直径。夹具定位销最小直径。图图2-30 孔与销间隙孔与销间隙配合时的定位误差配合时的定位误差DmaxdminO定位误差均为：定位误差均为：O2DWO143 DW = （Dmax Dmin） = TD （2-7）1212图图2-31 孔与销间隙配合孔与销间隙配合固定边接触时定位误差固定边接触时定位误差OO1DminDmaxDWO244 【例【例2-2】工件在工件在V型块上定位铣键槽，计算定位误差。型块上定位铣键槽，计算

16、定位误差。要求保证的工序尺寸和工序要求：要求保证的工序尺寸和工序要求：槽底至工件外圆中心槽底至工件外圆中心的距离的距离H；键槽对工件外圆中心的对称度。键槽对工件外圆中心的对称度。 图图2-32 外圆表面在外圆表面在V型型块上的定位误差块上的定位误差HBOAOA =Sin(/ 2)OB =Sin(/ 2)d对上式求全微分，得到：对上式求全微分，得到：d(OA) =Sin(/ 2)1 d(d) 4Sin2(/ 2)dcos(/2) d()45 以微小增量代替微分，并将尺寸误差视为微小增量，且以微小增量代替微分，并将尺寸误差视为微小增量，且考虑到尺寸误差可正可负，各项误差均取绝对值，得到工考虑到尺寸

17、误差可正可负，各项误差均取绝对值，得到工序尺寸序尺寸H的定位误差：的定位误差： 2cos22sin4sin22dDWdTT（2-8）式中式中 Td 工件外圆直径公差；工件外圆直径公差； T V型块两斜面夹角角度公差。型块两斜面夹角角度公差。 若忽略若忽略V型块两斜面夹角的角度公差，可以得到用型块两斜面夹角的角度公差，可以得到用V型型块对外圆表面的定位误差为：块对外圆表面的定位误差为： 2sin2dDWT（2-9）46 若忽略若忽略V型块两斜面夹角的角度公差，可以得到用型块两斜面夹角的角度公差，可以得到用V型块对外圆表面的定位误差为：型块对外圆表面的定位误差为： 12sin121 dDWT 工件

18、工序基准为外圆下母工件工序基准为外圆下母线时，由右图得：线时，由右图得： 图图2-33 外圆表面在外圆表面在V型块型块 上的定位误差上的定位误差b）H1BOAC T)/(sin)/cos(d)/sin(T)(d)/(sin)/cos(d)d(d)/sin()AC(dd)/sin(dOB)/sin(OBOCOAACd24212122422122122222247 sinTdDW12122 若工件工序基准为外圆若工件工序基准为外圆上母线时，由右图得：上母线时，由右图得：图图2-33 外圆表面在外圆表面在V型型 块上的定位误差块上的定位误差c）H2BdOAC T)/(sin)/cos(d)/sin(

19、T)(d)/(sin)/cos(d)d(d)/sin()AC(dd)/sin(dOB)/sin(OBOCOAACd242121224221221222222 若忽略若忽略V型块两斜面夹角的角度公差，可以得到用型块两斜面夹角的角度公差，可以得到用V型块对外圆表面的定位误差为：型块对外圆表面的定位误差为：48 关于键槽对工件外圆中心的关于键槽对工件外圆中心的对称度要求。对称度要求。图图2-32 外圆表面在外圆表面在V型型 块上的定位误差块上的定位误差HBOA 49 【例【例2-3 】一面两销定位误差分析计算。一面两销定位误差分析计算。图图2-34 一面两销的定位误差一面两销的定位误差50 直线位移

20、误差直线位移误差图图2-35 两销定位的直线位移误差两销定位的直线位移误差O1O2O11O21O12O22 极端情况为：工件内孔极端情况为：工件内孔1的直径尺寸最大、定位销的直径尺寸最大、定位销1直径直径尺寸最小尺寸最小 ，极端位置为最左、最右两种情况。，极端位置为最左、最右两种情况。O1O1 = Dmax dmin式中式中 O1 定位误差；定位误差； D1max工件定位孔最大直径；工件定位孔最大直径； d1min夹具定位销最小直径。夹具定位销最小直径。51 图图2-36 两销定位的角位移误差两销定位的角位移误差O1O2O11O21O12O22 极端情况为：工件内孔极端情况为：工件内孔1、2的

21、直径尺寸最大、的直径尺寸最大、 定位销定位销1、2直径尺寸最小直径尺寸最小 ，极端偏摆为上、下最大转角两种情况。，极端偏摆为上、下最大转角两种情况。dw-dwO12O22O12O22O2O1L52 )LdDdD(arctgdDdDOOOOOOOOOOdDOOdDOOminmaxminmaxdwminmaxminmaxminmaxminmax2222222222211112212122222222222222222211121 ；O12O22O12O22O2O1L5354 人力、气动、液动、电动人力、气动、液动、电动 等。等。包括中间递力机构和夹紧元件。包括中间递力机构和夹紧元件。 55 正确确

22、定夹紧力，主要是正确确定夹紧力的方向、作用正确确定夹紧力，主要是正确确定夹紧力的方向、作用点和大小。点和大小。 (1) 夹紧力的方向应垂直于主要定位基准面。夹紧力的方向应垂直于主要定位基准面。 WWWW 90 90 90 图图2-37 两销定位的角位移误差两销定位的角位移误差56 (2) 夹紧力的作用方向应尽量与工件刚度最大的方向相一致，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。以减小工件变形。 Fj变形大变形大FjFj变形小变形小 (a) (b) 图图2-38 薄壁套筒的夹紧薄壁套筒的夹紧57 (3) 夹紧力的方向应尽可能与切削力、工件重力方向一致，夹紧力的方向应尽可

23、能与切削力、工件重力方向一致，以减少夹紧力。以减少夹紧力。 (1) 夹紧力的作用点应能保持工件定位稳定，不致引起工件夹紧力的作用点应能保持工件定位稳定，不致引起工件产生位移或偏转。产生位移或偏转。 (a) (b) FjFj图图2-39 加紧力作用点对稳定性的影响加紧力作用点对稳定性的影响 58 (2) 夹紧力的作用点应使被夹紧工件的夹紧变形尽可能小。夹紧力的作用点应使被夹紧工件的夹紧变形尽可能小。 FjFjFj (a) 不合理不合理 (b) 合理合理 图图2-40 夹紧力作用点的布置比较夹紧力作用点的布置比较 (3) 夹紧力的作用点应尽量靠近切削部位，以提高夹紧的可夹紧力的作用点应尽量靠近切削

24、部位，以提高夹紧的可靠性，若切削部位刚性不足，可采用辅助支承。靠性，若切削部位刚性不足，可采用辅助支承。 59 夹紧力的大小必须适当，夹紧力过小，工件在夹具中的位夹紧力的大小必须适当，夹紧力过小，工件在夹具中的位置可能在加工过程中产生变动，破坏原有的定位。夹紧力过大，置可能在加工过程中产生变动，破坏原有的定位。夹紧力过大，不但会使工件和夹具产生过大的变形，对加工质量不利。不但会使工件和夹具产生过大的变形，对加工质量不利。 计算夹紧力，通常将夹具和工件看成一个刚性系统以简化计算夹紧力，通常将夹具和工件看成一个刚性系统以简化计算。然后根据工件受切削力、重力、夹紧力等后处于静力平计算。然后根据工件受

25、切削力、重力、夹紧力等后处于静力平衡条件，计算出理论夹紧力衡条件，计算出理论夹紧力W，再乘以安全系数，再乘以安全系数K，作为实际，作为实际所需的夹紧力所需的夹紧力W0，即，即 60 图图2-41 斜楔夹紧机构的原理图斜楔夹紧机构的原理图61 （1）斜楔的自锁性；）斜楔的自锁性； （2）斜楔能改变夹紧作用力的方向；）斜楔能改变夹紧作用力的方向； （3）斜楔具有扩力作用；）斜楔具有扩力作用； （4）斜楔的夹紧行程小；）斜楔的夹紧行程小； （5）斜楔夹紧的效率低。）斜楔夹紧的效率低。 由于手动的斜楔夹紧机构在夹紧工件时既费时又费力，效由于手动的斜楔夹紧机构在夹紧工件时既费时又费力，效率很低，故实际上

26、多在机动夹紧装置中采用。率很低，故实际上多在机动夹紧装置中采用。 62 图图2-42 螺旋夹紧原理图螺旋夹紧原理图 螺旋夹紧机构具有结构螺旋夹紧机构具有结构简单、制造容易、夹紧可靠、简单、制造容易、夹紧可靠、扩力比大和夹紧行程不受限扩力比大和夹紧行程不受限制等特点，所以在手动夹紧制等特点，所以在手动夹紧装置中被广泛使用，其缺点装置中被广泛使用，其缺点是夹紧动作慢、效率低。是夹紧动作慢、效率低。 63 圆偏心夹紧实际上是斜楔夹紧的一种变形。圆偏心夹紧实际上是斜楔夹紧的一种变形。 图图2-43 偏心圆夹紧原理图偏心圆夹紧原理图 适应范围：适应范围：(1) 适用于切削负荷不大且无很大振动的场合；适用

27、于切削负荷不大且无很大振动的场合；(2) 用于夹紧行程较小的情况；用于夹紧行程较小的情况；(3) 很少直接用于夹紧工件，大多很少直接用于夹紧工件，大多是与其它夹紧元件联合使用。是与其它夹紧元件联合使用。 64 图图2-44 铰链夹紧原理图铰链夹紧原理图 铰链夹紧机构的结铰链夹紧机构的结构简单、扩力比大且摩构简单、扩力比大且摩擦损失小，故适用于多擦损失小，故适用于多点或多件夹紧，在气动点或多件夹紧，在气动或液压夹具中广泛应用。或液压夹具中广泛应用。 65 定心、对中夹紧机构，是一种特殊的夹紧机构，工件在其定心、对中夹紧机构，是一种特殊的夹紧机构，工件在其上同时实现定位和夹紧。在这种夹紧机构上与工件定位基准面上同时实现定位和夹紧。在这种夹紧机构上与工件定位基准面相接触的元件，即是定位元件，又是夹紧元件。相接触的元件，即是定位元件，又是夹紧元件。 图图2-45 定心、对中夹紧原理图定心、对中夹紧原理图66 图图2-46 联动夹紧原理图联动夹紧原理图6768 （1）生产批量；）生产批量；（2）零件图及