机械制造装备设计之4——机床夹具设计(annie)

1、机械制造装备设计机械制造装备设计郑州科技学院郑州科技学院 机械工程学院机械工程学院“工欲善其事，必先利其器”邱邱 慧慧Design of Machine Manufacturing Equipment本课程主要讲述内容p 机械制造装备及制造业动态p 机械制造装备设计方法p 金属切削机床设计p 机床夹具设计p 金属切削刀具与刀具系统设计p 物流系统设计p 工业机器人设计概述p 夹具？u在机床上对工件进行加工时，为保证加工精度和提高生产率，使工件在机床上相对刀具占有正确位置的辅助装置。 对机械加工质量、工人劳动强度、生产率和生产成本有直接影响。 比直接装夹和划线找正等方法更为快捷有效p 夹具工作的

2、要点u使工件在夹具中占有正确的位置；（工件在夹具中的定位）u夹具对机床有准确的相对位置（夹具相对机床的定位）n 定位元件的定位工作面对于夹具与机床相联接的表面之间有准确的相对位置，从而满足工件加工面对定位基准的相互位置精度要求；u刀具相对定位元件的定位工作面调整到准确位置，保证刀具在工件上加工出的表面对工件定位基准的位置尺寸；（对刀）u定位始终可靠，需要夹紧；u装夹效率夹具的分类p 1. 按夹具的应用范围分类u(1) 通用夹具：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。u(2) 专用夹具：针对某一工件某一工序的加工要求专门

3、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。u(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。u(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、小批多品种生产和数控加工中，是一种较经济的夹具。u(5) 随行夹具：给自动化生产线专门设计的夹具。夹具的分类夹紧动力源手动气动液动电动使用机床车床；铣床；刨床；钻床；镗床；磨床夹具（一

4、）保证加工精度（一）保证加工精度： 获得正确的位置；获得正确的位置； 夹紧夹紧加工过程中保证工件在正确的位置上不变。加工过程中保证工件在正确的位置上不变。（二）提高生产率：减少辅助时间。（二）提高生产率：减少辅助时间。（三）扩大机床的适用范围。（三）扩大机床的适用范围。（四）减轻工人的劳动强度，保证生产安全。（四）减轻工人的劳动强度，保证生产安全。 机床夹具的作用机床夹具的组成u1、定位元件n用以确定工件在夹具中的位置u2、夹紧装置n保持工件在夹具中的既定位置n加工过程中不因外力而改变位置u3、对刀与导引元件n预先调正夹具相对于刀具的位置u4、联接元件和联接表面n确定夹具在机床上的位置u5、夹

5、具体n夹具的各种元件、装置联结成一个整体的基础件u6、其它装置n一些特殊需要而设置的装置 机床夹具的组成机床夹具的组成机床夹具的组成夹具设计工件在夹具中的定位p 定位的概念u定位使工件占据规定的位置 u夹紧使该既定位置固定下来 u安装是指工件从定位到夹紧的过程 首先选择与夹具定位元件接触的表面，即选择工件的定位基准。工件的定位基准一旦选定，则工件的定位方案、夹具的定位元件也就基本确定了。p 基准u零件上用以确定其它点、线、面位置所依据的那些点、线、面。u设计基准n 零件图上用以确定点、线、面位置的基准。u工艺基准n 零件加工、测量和装配过程中使用的基准。分为工序基准、定位基准、度量基准和装配基

6、准。夹具设计工件在夹具中的定位p 基准（续）u定位基准n 在工件加工时用来确定工件加工位置所采用的基准。u工序基准n 在工序图上用来确定本工序所加工表面的尺寸和位置所采用的基准。u测量基准n 测量工件已加工表面的尺寸和位置所采用的基准。u装配基准n 产品装配时，用来确定零件或部件在产品中的相互位置所采用的基准。u几点注意：n 作为基准的点、线、面在工件上不一定存在，而常常由基准面来体现；n 基准可以是没有面积的点或线，但基准面一定是有面积的；n 基准包含尺寸之间的联系和位置之间的关系（如平行度、垂直度等）。夹具设计定位原理p 六点定位原理u任何一个刚体在空间都有 6 个自由度，即沿（绕）三个坐

7、标轴的移动和转动用 表示；n 要完全确定刚体的空间位置，就需要限制其 6 个自由度；n 六个自由度可以用夹具上按一定要求布置的六个定位支承点来限制，每个定位支承点限制一个自由度，实现工件在夹具中的位置唯一。x y z x y z 、 、 、夹具设计定位原理p 关于“六点定位”的几个问题：u定位限制自由度，几“点”定位不能机械地理解成几个接触点；u限制自由度应理解为：n 定位支承点与工件定位基准面始终保持紧贴接触;u定位支承点数目原则上不应超过工件自由度数目；u自由度被限制，是指工件在此方向上有确定的位置:n 不考虑外力的影响（注：定位和夹紧的区别）;u定位支承点是抽象的，通过具体定位元件来体现

8、。u工件应限制几个自由度，由工件加工技术条件来确定。1) 明确工件在本工序的加工要求和相应的工序基准。明确工件在本工序的加工要求和相应的工序基准。2) 根据工序基准的所在位置建立空间直角坐标系。根据工序基准的所在位置建立空间直角坐标系。3) 依次找出影响本工序加工要求的自由度。依次找出影响本工序加工要求的自由度。4) 将找出的自由度进行归纳即可得到本工序应限制的将找出的自由度进行归纳即可得到本工序应限制的第一种自由度。第一种自由度。 p自由度分析方法及步骤a a）图应限制的第一种自由度为沿着）图应限制的第一种自由度为沿着Z 轴的一个移动自由度。轴的一个移动自由度。 b b）图应限制的第一种自由

9、度为沿着）图应限制的第一种自由度为沿着X 和和Y 轴的两个移动自由度。轴的两个移动自由度。c）应限制的第一种自由度为沿着）应限制的第一种自由度为沿着Z 轴的一个移动自由度和轴的一个移动自由度和沿着沿着X和和Y轴的两个转动自由度。轴的两个转动自由度。 d）应限制的第一种自由度为沿着）应限制的第一种自由度为沿着X 与与Z 轴的两个移动自由轴的两个移动自由度和沿着度和沿着X和和Z轴的两个转动自由度。轴的两个转动自由度。e）图应限制的第一种自由度为沿着）图应限制的第一种自由度为沿着X与与Z的二个移动自由度的二个移动自由度和沿着和沿着X、Y和和Z轴的三个转动自由度。轴的三个转动自由度。f）图应限制的第一

10、种自由度为沿着）图应限制的第一种自由度为沿着X、Y和和Z轴的三个移动自轴的三个移动自由度和沿着由度和沿着X、Y和和Z轴的三个转动自由度。轴的三个转动自由度。夹具设计定位状态p 完全定位u工件的6个自由度均被限制，称为“完全定位”。p 不完全定位（部分定位）u工件6个自由度中有1个或几个自由度未被限制。p 欠定位u工件加工时必须限制的自由度未被完全限制；n 不能保证工件的正确安装，不允许。p 过定位（重复定位）u工件某一个自由度（或某几个自由度）同时被两个（或两个以上）定位支承点限制。夹具设计重复定位p 平面定位u正常三点决定一个平面；若四点则过定位n 粗糙平面采用四点，不合理；n 精基准平台，

11、则无碍，甚至有利。夹具设计重复定位p 套筒类工件加工时，常以内孔与端面组合作为定位基准uAB之间垂直度很高时，没问题n 形式上属于重复定位，但是定位支承点之间并末产生干涉。uAB之间垂直度低，则有问题n 工件一旦被夹紧，就可能使工件或心轴产生变形。n 重复限制同一自由度的定位支承点互相产生了干涉夹具设计重复定位p 套筒类工件加工，重复定位解决方案u长心轴与小端面支承凸台组合，定位以长心轴为主； u短心轴与大端面支承凸台组合，定位以大端面为主； u长心轴与浮动端面组合，定位以长心轴为主。夹具设计重复定位p 连杆加工大头孔的定位情况u在夹紧力的作用下，必然会造成连杆或长销l弯曲变形，降低大头孔与小

12、头孔的位置精度p 定位方案的选择要点：u工件形状特点导致某些方向自由度没必要限制，则可不必限制；u加工特点使得某些自由度不影响加工精度，则可不必限制。 u保证加工要求后，限制自由度越少越好，有利于夹具结构简单。 u在实际加工中，对工件限制的自由度数目一般不少于三个。 u欠定位是不允许的。 u是否采用重复定位，应具体情况具体分析。n 有利于减小加工误差时，可采用重复定位1 1）固定支承）固定支承 支承钉（平头、球头、锯齿头）支承钉（平头、球头、锯齿头） 支承板（无槽、有槽）支承板（无槽、有槽）夹具设计常见定位元件p 1工件以平面定位u利用工件上一个或几个平面作为定位基面来定位工件的方式。n 如箱

13、体、支架、机座、板盘类零件的加工，多用平面定位。u平面定位的主要形式是支承定位，所用的定位元件称为基本支承u多用于工件上已加工表面的定位，有时可用一块支承板代替两个支承钉多用于工件上已加工表面的定位，有时可用一块支承板代替两个支承钉A A型结构简单，但埋头螺钉处易堆积切屑，故用于工件侧面或顶面定位型结构简单，但埋头螺钉处易堆积切屑，故用于工件侧面或顶面定位B B型支承板可克服这一缺点，主要用于工件的底面定位型支承板可克服这一缺点，主要用于工件的底面定位p 定位元件的设计要求u要有与工件相适应的精度。u要有足够的刚度，不允许受力后发生变形。u要有耐磨性，以便在使用中保持精度。n 一般多采用低碳钢

14、渗碳淬火或中碳钢淬火，硬度为5862HRC夹具设计常见定位元件p 可调支承（限制一个自由度）( (锥头、球头、自位、侧向锥头、球头、自位、侧向) ) u顶端位置可在一定高度范围内调整的支承。n 多用于未加工平面的定位，以调节和补偿各批毛坯尺寸的误差；n 一般每批毛坯调整一次。p 自位支承（浮动支承）相当于1个定位支承u位置能在定位过程中自动适应工件定位基面位置变化。u多用于刚度不足的毛坯表面或不连续的平面的定位。p 辅助支承不起定位作用u提高工件的刚度和定位稳定性；u在定位支承对工件定位后才参与支承； 辅助支承是在工件定位后才实现支承的作用。因此只辅助支承是在工件定位后才实现支承的作用。因此只

15、能起到支承工件的作用。能起到支承工件的作用。 辅助支承的结构形式很多。常见的有螺旋式、自位式和辅助支承的结构形式很多。常见的有螺旋式、自位式和推引式等。推引式等。p 辅助支撑结构形式有：固定式、伸缩式结构形式有：固定式、伸缩式 长圆柱销（可限制长圆柱销（可限制4 4个自由度）个自由度）短圆柱销（可限制短圆柱销（可限制2 2个自由度）个自由度） 短固定圆锥销（可限制短固定圆锥销（可限制3 3个自由度）个自由度）p 工件以圆柱孔定位u1)1) 定位销（定位销（可分为圆柱销、圆锥销、菱形销与组合销可分为圆柱销、圆锥销、菱形销与组合销）可分为刚性心轴和弹性心轴。刚性心轴可分为圆柱心轴和小可分为刚性心轴

16、和弹性心轴。刚性心轴可分为圆柱心轴和小锥度心轴。刚性圆柱心轴可分为间隙配合、过盈配合和花键轴。锥度心轴。刚性圆柱心轴可分为间隙配合、过盈配合和花键轴。长圆柱心轴（可限制长圆柱心轴（可限制4 4个自由度）个自由度）短圆柱心轴（可限制短圆柱心轴（可限制2 2个自由度）个自由度）u2)2) 定位心轴定位心轴夹具设计常见定位元件p 圆孔定位定位心轴u心轴定心精度高，但装卸费时，有时易损伤工件孔n定位时，工件楔紧在心轴上，多用于车或磨同轴度要求高的盘类零件n类型：间隙配合心轴、过盈配合心轴、小锥度心轴、弹性心轴等。n芯轴一般限制的自由度为四个。n过盈芯轴定位的定心精度都比较高，但工件的安装比较麻烦。所以

17、在定心精度要求较高时一般均使用小锥度芯轴。n带小轴肩的芯轴多限制一个自由度；带大轴肩的芯轴产生过定位。n弹性芯轴结构最复杂，适于定心精度要求较高、生产量较大零件。n实际应用中圆柱孔常与平面组合定位 若为短孔，应与大平面组合，并以大平面为第一定位基准 若为长孔，则与小平面组合，并以孔中心线为第一定位基准夹具设计常见定位元件p 外圆柱面定位轴套类零件等u类型有：V形块、定位套、半圆定位座、定心装置等。uV型块n 在V形块上定位时，工件具有自动对中作用 D标准心轴直径，即工件定位用外圆直径 (mm); HV形块高度(mm); NV形块的开口尺寸 (mm); T对标准心轴而言，V形块的标准高度， V形

18、块两工作平面间的夹角。p 工件以外圆柱面定位u1)1) V V形块形块( (定位长定位长V V形块和短形块和短V V形块；固定形块；固定V V形块和活动形块和活动V V形块形块) ) 固定长固定长V V形块（可限制形块（可限制4 4个自由度）个自由度） 固定短固定短V V形块（可限制形块（可限制2 2个自由度）个自由度）u2)2)定位套定位套（半圆套、圆柱及圆锥套）（半圆套、圆柱及圆锥套）u3)3)定心夹紧机构定心夹紧机构（卡盘类、弹性卡头）（卡盘类、弹性卡头）夹具设计常见定位元件p 外圆定位定位套筒u定位套筒内孔支承工件外圆表面定位（套筒自身定于夹具体）u定位元件结构简单，但定心精度不高；u

19、当工件外圆与定位孔配合较松时，还易使工件偏斜n 常采用套筒内孔与端面一起定位，以减少偏斜。n 若工件端面较大，为避免过定位，定位孔应做短些。夹具设计常用定位元件夹具设计常用定位元件夹具设计常用定位元件夹具设计常用定位元件夹具设计常用定位元件p 定位分析实例夹具设计定位误差分析p 误差成因（总误差）n 夹具在机床上的安装和调整误差；n 工件在夹具中的定位误差和夹紧误差；n 工艺系统的弹性变形和热变形误差；n 机床和刀具的制造误差及磨损误差u应满足：总 T ；T为工件被加工尺寸的公差要求；u总= D+AZ+GC n DW定位误差：只与工件的定位有关的加工误差，它是设计基准在工序尺寸方向上的最大位置

20、变动量。n AZ安装调整误差：包括夹具在机床上的装夹误差、机床调整误差、夹紧误差以及机床和刀具的制造误差等。n GC加工过程误差：包括工艺系统的弹性变形和热变形误差以及磨损误差等。u对定位方案进行分析时，假设上述三项误差各占工件公差的1/3。n 有：D T/3夹具设计定位误差分析p 定位误差D的组成u（1）基准不重合误差Bn 工序基准与定位基准不重合而引起的工序基准相对于定位基准在加工尺寸方向上的最大位置变动 当设计基准的变动方向与加工尺寸的方向存在夹角时，B等于定位基准与设计基准之间所有尺寸的公差和在加工尺寸方向上投影。 方向相同时，B等于定位基准与设计基准之间所有尺寸的公差和。p加工顶面2

21、，以底面和侧面定位，定位基准和设计基准重合，B=0p加工台阶面1，定位基准为底面3，而设计基准为顶面2，基准不重合。 即使本工序刀具以底面为基准调整得绝对准确，且无其它加工误差，仍会由于上一工序加工后顶面2在H H 范围内变动，导致加工尺寸A A 变为A A H，基准不重合误差B = 2 H。 可通过可通过计算定位尺寸（计算定位尺寸（C C）的公差在工序（加工）尺）的公差在工序（加工）尺寸方向上的投影分量得到基准不重合误差（寸方向上的投影分量得到基准不重合误差（B）的大小。）的大小。定位尺寸（定位尺寸（C）是指工序（设计）基准与定位基准之间的）是指工序（设计）基准与定位基准之间的联系尺寸。当定

22、位尺寸（联系尺寸。当定位尺寸（C）由多个尺寸所决定时，则要）由多个尺寸所决定时，则要以定位尺寸为封闭环所组成的尺寸链进行解算。以定位尺寸为封闭环所组成的尺寸链进行解算。 基准不重合误差基准不重合误差B的计算公式表示为：的计算公式表示为： B =C COS 为工序基准的变动方向与工序（加工）尺寸方向间为工序基准的变动方向与工序（加工）尺寸方向间的夹角。的夹角。（a）图图 D （20）= B （20）= 0.28（b）图图 D （20）= B （20）= 0夹具设计定位误差分析p 定位误差D的组成u（2）基准位置误差Yn 定位元件和工件的制造误差而引起的定位基准在加工尺寸方向上的最大位置变动n 例

23、：工件以圆柱孔在水平放置的心轴上定位铣键槽 理想状态（左）定位副无间隙配合 实际情况（右）定位副有制造误差并预留有间隙 该批工件定位基准的最大位置变动量，在圆柱孔和心轴间有最大间隙时夹具设计定位误差的计算方法1 1）极限位置法（几何作图法）极限位置法（几何作图法） 先根据工件的定位方案，画出工序（设计）基准相对起先根据工件的定位方案，画出工序（设计）基准相对起始（调刀、限位）基准最大与最小的两个极限位置，再根据几始（调刀、限位）基准最大与最小的两个极限位置，再根据几何关系求出这两个极限位置间的距离，即得出定位误差。何关系求出这两个极限位置间的距离，即得出定位误差。 2 2）合成法）合成法 由于

24、定位误差是由基准不重合误差以及基准位移误差所造由于定位误差是由基准不重合误差以及基准位移误差所造成的。因此定位误差可以由这两项误差组合而成。计算定位误成的。因此定位误差可以由这两项误差组合而成。计算定位误差时，先分别求出基准不重合误差与基准位移误差，然后再将差时，先分别求出基准不重合误差与基准位移误差，然后再将两项误差组合后得出定位误差。即：两项误差组合后得出定位误差。即：D D = B BY Y 夹具设计定位误差分析p 定位误差的合成计算u基准位置误差和基准不重合误差是彼此独立存在的误差；u分别求基准位置误差与基准不重合误差，根据它们的作用方向对工序尺寸产生影响的极端情况，将其合成为定位误差

25、(矢量合成）。n 若设计基准不在定位基面上（设计基准与定位基面为彼此独立表面），即基准不重合误差与基准位移误差无相关公共变量。 DYBn 若设计基准在定位基面上，即基准不重合误差与基准位移误差有相关的公共变量。 DYB工序基准工序基准定位基准定位基准DWH1尺寸：A圆心OB0，Y0H2尺寸：o圆心OB=0， Y0H3尺寸：B圆心OB0，Y0夹具设计定位误差分析p 续上图u对H2尺寸（加工面到中心线）n Y为定位基准线O的在加工方向的最大变动量，即O1O2n 所以Y = O1O2=O1C-O2C n u对H1尺寸（加工到上母线）n 由于B0，Y0 ； DYB Y =O1O2=O1CO2C= B

26、=n 则DYB D= Aa= AO1O1O2 aO2/ 2 * (1 / sin(/ 2)d/ 2d2sin/212sin/21minmaxdd=/ 2 * (1 / sin(/ 2)d 定位误差随工件误差的增大而增大; 与V形块夹角有关，随增大而减小，但定位稳定性变差，一般取=90定位误差定位误差的合成的合成解算方法如下：解算方法如下：（1 1）当）当B B 0 0， Y Y 00 时，则时，则D D Y Y ；（2 2）当）当B B 00， Y Y 0 0 时，则时，则D D B B ；（3 3）当）当B B 00， Y Y 00 时，时， 1 1）如果工序（设计）基准不在定位基面上：）如

27、果工序（设计）基准不在定位基面上： D D = B B + + Y Y 2 2）如果工序（设计）基准落在定位基面上：）如果工序（设计）基准落在定位基面上：D D = B BY Y公式中公式中“” 、“”号的确定方法如下：号的确定方法如下： 先分析定位基面直径由大到小（或由小到大）先分析定位基面直径由大到小（或由小到大）时，定位基准的变动方向。时，定位基准的变动方向。 然后设定位基准的位置不变，再分析工序（设然后设定位基准的位置不变，再分析工序（设计）基准的变动方向。（此时定位基面直径应作上述计）基准的变动方向。（此时定位基面直径应作上述相同的变化。）相同的变化。） 如果在上述判断中两者的变动方

28、向相同时，取如果在上述判断中两者的变动方向相同时，取“”号，而两者的变动方向相反时，取号，而两者的变动方向相反时，取“”号。号。由于两个基准的变化方向相同，故取由于两个基准的变化方向相同，故取 “ + ”号号由大到小由大到小由大到小由大到小 当工件以外圆柱面在当工件以外圆柱面在V V形块上定位，且工序（设计）形块上定位，且工序（设计） 基准落在定位基面的上母线时，基准变化的分析。基准落在定位基面的上母线时，基准变化的分析。由于两个基准的变化方向相反，故取由于两个基准的变化方向相反，故取 “ ”号号由大到小由大到小由大到小由大到小 当工件以外圆柱面在当工件以外圆柱面在V V形块上定位，且工序（设

29、计）形块上定位，且工序（设计） 基准落在定位基面的下母线时，基准变化的分析。基准落在定位基面的下母线时，基准变化的分析。由大到小由大到小由大到小由大到小由于两个基准的变化方向相反，故取由于两个基准的变化方向相反，故取 “”号号 当工件以内孔在心轴上定位，且工序（设计）基准当工件以内孔在心轴上定位，且工序（设计）基准 落在定位基面的上母线时，基准变化的分析。落在定位基面的上母线时，基准变化的分析。由大到小由大到小由大到小由大到小由于两个基准的变化方向相同，故取由于两个基准的变化方向相同，故取 “+”号号 当工件以内孔在心轴上定位，且工序（设计）基准当工件以内孔在心轴上定位，且工序（设计）基准 落

30、在定位基面的下母线时，基准变化的分析。落在定位基面的下母线时，基准变化的分析。夹具设计定位误差分析p 常见定位误差计算平面定位u工件定位面与定位元件的工作面是平面接触，二者几何位置变化一般不考虑，即 Y0n 精基准平面时，确实很小，可忽略不计；n 粗基准平面时，有Y，但因要求也不高，所以一般仍忽略。n 定位误差DB 联系两基准面的尺寸称为定位尺寸，定位尺寸公差就是基准不重合误差。常见定位方式的定位误差分析与计算 1) 1) 工件以平面定位工件以平面定位已知：大圆直径公差为已知：大圆直径公差为0.03，小圆直径公差为，小圆直径公差为0.02，同轴度误差为，同轴度误差为0.02 求：求： D D（

31、30） =？ 解：分析可知解：分析可知 B B（30）0， Y Y（30）0 得：得：D D（30） = B B（30） = 0.03/2+0.02/2+0.02 0.03/2+0.02/2+0.02 = 0.0450.045已知：已知：大圆直径公差为大圆直径公差为 0.03，小圆直径公差为，小圆直径公差为 0.02，同轴度误差为同轴度误差为 0.02 。 求：求： D（30） =？ 解：解： 分析可知分析可知 B（30） 0， Y（30） 0得：得： D（30） = 0已知：已知：大圆直径公差为大圆直径公差为 0.03，小圆直径公差为，小圆直径公差为 0.02，同轴，同轴度误差为度误差为 0

32、.02求：求： D（30） =？ 解：解： 分析可知分析可知 B（30）0， Y（30）0 得：得： D（30） = B（30） = 0.03 / 2+0.02 / 2+ 0.02 = 0.0452) 2) 工件以外圆柱面在工件以外圆柱面在V V形块上定位形块上定位已知：外圆直径公差为已知：外圆直径公差为D D V V形块的夹角为形块的夹角为 得：得： Y Y )2/sin(2D 已知：外圆直径公差为已知：外圆直径公差为D D ， V V形块的夹角为形块的夹角为 （1 1）设计基准为外圆轴线时：）设计基准为外圆轴线时： 求：求： D D（H1H1） = = ？ 解：分析可知解：分析可知 B B

33、（H1H1） 0 0 ；Y Y（H1H1） 0 0 得：得： D D（H1H1） = = Y Y（H1H1） = =)2/sin(2D（2 2）设计基准为外圆下母线时：）设计基准为外圆下母线时： 求：求： D D （H2） = ？ 解：分析可知解：分析可知 B B （H2） 0， Y Y （H2） 0 得：得： B B （H2） = ； Y Y （H2） = 分析：分析：设计基准落在定位基面上，两基准的变化方向相反，故取设计基准落在定位基面上，两基准的变化方向相反，故取 - - 号。号。 最终得：最终得： D D （H2）= Y Y （H2） - - B B （H2） =2D)2/sin(2D

34、1)2/sin(12D由大到小由大到小由大到小由大到小（3 3）设计基准为外圆上母线时：）设计基准为外圆上母线时： 求：求： D D （H3） = ？ 解：分析可知解：分析可知 B B （H3） 0， Y Y （H3） 0 得：得： B B （H3） = ； Y Y （H3） = 分析：设计基准落在定位基面上，两基准的变化方向相同，分析：设计基准落在定位基面上，两基准的变化方向相同， 故取故取“”号。号。 最终得：最终得： D D （H3） = Y Y （H3） B B （H3） = 2D)2/sin(2D1) 1/sin(12D由大到小由大到小由大到小由大到小解：分析可知解：分析可知 B B

35、 （3030） 0 0 ； Y Y （3030） 0 0得：得： B B （3030）= 0.03/2 = 0.03/2 0.02 = 0.035 0.02 = 0.035 Y Y （3030）= = 0.014 = = 0.014 D D （3030）= B = B （3030） Y Y （3030）= 0.049 = 0.049 （工序基准不在定位基面上）（工序基准不在定位基面上）已知：大圆直径公差为已知：大圆直径公差为0.03 0.03 ，小圆直径公差为，小圆直径公差为0.020.02，同轴度误差为，同轴度误差为0.020.02， V V形块的夹角为形块的夹角为9090o o 求：求：

36、D D （3030）= = ？ 045sin202. 0 求：求： D D （3030）= = ？ 解：解： 分析可知分析可知 B B （3030） 0 0， Y Y （3030） 0 0 得：得： B B （3030）= 0.03/2 = 0.03/2 0.02 = 0.035 0.02 = 0.035 ； D D （3030）= = B B （3030）= 0.035= 0.035 已知：大圆直径公差为已知：大圆直径公差为0.030.03，小圆直径公差为，小圆直径公差为0.020.02，同轴度误差为，同轴度误差为0.020.02，V V形块的夹角为形块的夹角为9090o o 求：求：D D

37、 （3030） ？ 解：分析可知解：分析可知 B B （3030） 0 0， Y Y （3030） 0 0 得：得：B B （3030） 0.03/2 0.03/2 0.02 = 0.035 0.02 = 0.035 ；D D （3030）B B （3030）0.0350.035已知：大圆直径公差为已知：大圆直径公差为0.03 0.03 ，小圆直径公差为，小圆直径公差为0.020.02，同轴度误，同轴度误差为差为0.02 0.02 ，V V形块的夹角为形块的夹角为9090o o已知：大圆直径公差为已知：大圆直径公差为T TD D ，小圆直径公差为，小圆直径公差为T Td d，同轴度误差为，同轴

38、度误差为2e2e， V V形块的夹角为形块的夹角为求：求： D D （A A） ？ 解：分析可知解：分析可知 B B （A A ） 0 0， Y Y （A A） 0 0得：得： B B （A A） 2e2e Y Y （A A） D D （A A） B B （A A） Y Y （A A） （工序基准不在定位基面上）（工序基准不在定位基面上）2Td)2/sin(2TD 3) 3) 工件以圆柱孔在心轴（定位销）上定位工件以圆柱孔在心轴（定位销）上定位（1 1）工件定位孔与心轴（销）为固定单边接触时：）工件定位孔与心轴（销）为固定单边接触时： 已知：工件定位孔已知：工件定位孔 ，心轴为，心轴为 得：得

39、： Y Y Y Y （2 2）工件定位孔与心轴（销）为任意边接触时：）工件定位孔与心轴（销）为任意边接触时： 已知：工件定位孔已知：工件定位孔 ，心轴为，心轴为 得：得： Y Y Y Y D0D 0d00d min0maxdD )d()D(0d0D min0dDX D0D 0d00d 2dDmin0max 2)d()D(0d0D 2Xmin0dD 20dD 已知：工件定位孔与定位销的配合已知：工件定位孔与定位销的配合为固定单边接触，加工上表面。为固定单边接触，加工上表面。 定位孔直径为定位孔直径为 定位销直径为定位销直径为解：解：分析分析 B B （5959） 0 ；Y Y （5959） 0B

40、 B （5959） Y Y （5959） D D （59） B B （5959） + Y Y （5959） 0.1151 . 004. 0212. 0 015. 0201. 002. 0 02. 003. 020 02. 0020 已知：工件小圆与定位套的配合为固已知：工件小圆与定位套的配合为固定单边接触。大圆直径公差为定单边接触。大圆直径公差为0.03 0.03 ，小，小圆直径公差为圆直径公差为0.020.02，同轴度误差为，同轴度误差为0.020.02，定位套直径公差为定位套直径公差为0.040.04。解：分析得解：分析得 B B （3030） 0 0，Y Y （3030） 0 0B B

41、（3030） 0.03/2 0.03/2 0.02 = 0.035 0.02 = 0.035 Y Y （3030） D D （3030）B B （3030） + + Y Y （3030） 0.070.07035. 0201. 002. 004. 0 夹具设计定位误差分析p 提高工件定位精度的措施u消除或减少基准不重合误差n 要正确选择定位基准，尽可能与工序基准重合。u消除或减少基准位移误差n （1）选择精度高、位置误差小的表面为定位基准，尤其是组合定位中的第一基准，位置误差要小；n （2）选用位置误差小的定位元件，提高定位元件间的位置精度；n （3）提高工件定位表面与定位元件的配合精度，减小或

42、消除配合间隙来减小基准位移误差。夹具设计夹紧p 夹紧装置的组成u力源装置n提供原始作用力的装置称为力源装置，常用的力源装置有： 液压装置、气动装置、电磁装置、电动装置、真空装置等。 以操作者的人力为力源时，称为手动夹紧。u夹紧机构n最终夹紧工件的执行元件（即夹紧元件）n以及将原始作用力或操作者的人力传递给夹紧元件的中间递力机构p 夹紧装置的设计要求n满足加工要求 不破坏工件定位；夹紧变形在允许的范围之内n效率高迅速夹紧n工艺性好结构简单紧凑；制造维修方便；尽量采用标准件n操作方便、省力、安全。夹具设计定位误差分析p 夹紧力的确定u确定夹紧力就是确定夹紧力的大小、方向和作用点确定夹紧力就是确定夹

43、紧力的大小、方向和作用点三个要素。三个要素。n1.1.夹紧力方向的确定夹紧力方向的确定（1 1）夹紧力方向应朝向主要定位基准面。）夹紧力方向应朝向主要定位基准面。（2 2）夹紧力应朝向工件刚性较好的方向，）夹紧力应朝向工件刚性较好的方向，使工件变形尽可能小，使工件变形尽可能小，（3 3）夹紧力方向应尽可能实现）夹紧力方向应尽可能实现“三力三力”同同向，以利于减小所需的夹紧力，向，以利于减小所需的夹紧力，n2.夹紧力作用点的确定（1）夹紧力作用点应落在定位元件上或几个定位元件形成的支承区域内（2）夹紧力作用点应作用在工件刚性较好的部位上；（3）夹紧力作用点应尽量靠近加工部位。n3. 3. 夹紧力

44、大小的确定夹紧力大小的确定大小要适当，太小难夹紧；太大将增大结构尺寸与工大小要适当，太小难夹紧；太大将增大结构尺寸与工件变形，影响加工质量。夹紧力大小的计算可根据具件变形，影响加工质量。夹紧力大小的计算可根据具体情况用体情况用类比法类比法进行估算或用进行估算或用分析计算分析计算进行估算。进行估算。分析计算法是将夹具和工件看成是一个刚性系统，根分析计算法是将夹具和工件看成是一个刚性系统，根据工件在加工过程中受切削力、离心力、惯性力以及工件的据工件在加工过程中受切削力、离心力、惯性力以及工件的重力的作用情况，找出在加工过程中对工件最不利的瞬间状重力的作用情况，找出在加工过程中对工件最不利的瞬间状态

45、，然后按静力平衡原理计算出理论夹紧力，再乘上安全系态，然后按静力平衡原理计算出理论夹紧力，再乘上安全系数即可得到实际夹紧力的数值。数即可得到实际夹紧力的数值。 即即 ：k 式中式中 ： K K01夹具设计典型夹紧机构p 斜楔夹紧机构u斜锲角度一般为6-8度，便于自锁n 有扩力出力装置，则可大一些u优点：n 有扩力作用，扩力比3左右；n 方便地改变出力方向90度；u缺点：n 楔角小，从而行程较长。12tantanQW斜楔夹紧时产生的夹紧力（斜楔夹紧时产生的夹紧力（N N）；）；原始作用力（原始作用力（N N）；）；斜楔升角（斜楔升角（0 0）；）；1 1平面摩擦时作用在斜楔面上的摩擦角（平面摩擦

46、时作用在斜楔面上的摩擦角（0 0）；）；平面摩擦时作用在斜楔基面上的摩擦角（平面摩擦时作用在斜楔基面上的摩擦角（0 0）。）。p 1）斜楔夹紧机构的夹紧力计算 12tantan1QWip21p 2）斜楔夹紧机构的增力比 p 3）斜楔夹紧机构的自锁条件 p 4）斜楔夹紧机构的行程比 shtan夹具设计典型夹紧机构p 螺旋夹紧机构u结构简单，夹紧可靠结构简单，夹紧可靠u扩力比大（扩力比大（ipip8080）u夹紧行程不受限制夹紧行程不受限制u夹紧动作慢，辅助时夹紧动作慢，辅助时间长，效率低间长，效率低螺旋夹紧机构螺旋夹紧机构夹具设计典型夹紧机构p 偏心夹紧机构u偏心轮回转时半径逐渐增大，而产生夹紧

47、力n 与斜楔夹紧类似，只是楔角变化。u特性：n 夹紧力小，自锁性能差n 夹紧行程小n 夹紧动作快，效率高n 应用场合：切削力小，无振动，工件尺寸公差不大的场合夹具设计典型夹紧机构p 定心夹紧机构n 夹紧的过程中保证圆心定位（一般来说）。u等速位移原理均分工件定位面的尺寸误差u均匀弹性变形原理弹性心轴、弹性筒夹等。夹具设计典型夹紧机构p 联动夹紧机构u单一力源实现多点、多向同时夹紧u应用场合：n 工件多点同时夹紧；n 多个工件同时夹紧；n 工件先可靠定位再夹紧；n 先锁定辅助支承再夹紧。u多件联动夹紧机构一般有平行式机构和连续式机构n 右下方与右上方分别是平行式与连续式夹具设计动力装置p 动力装

48、置u气动夹紧装置n 夹紧力较小（0.4-0.6MPa工作压力），噪音大，有气源的则比较方便。u液压夹紧n 6Mpa左右工作压力，紧凑有力，噪音小，常用。u真空夹紧n 适合铝、铜等薄板及薄壳工件u电磁夹紧u惯性力、弹性力等。夹具设计夹具的其他装置p 导向装置（钻套、镗套等）u增加钻头或镗杆的支承，以提高其刚度，确保孔的位置精度p 对刀装置u刀具与工件加工面的位置准确调整。p 对定装置u夹具在机床上的定位、固定。夹具设计夹具设计步骤p 1.研究原始资料，明确设计任务p 2.确定夹具的结构方案，绘制结构草图u确定工件的定位方案、夹紧方案和引导方案。u确定其他元件或装置的结构型式，如定向键，分度装置等

49、。u合理布置各元件或装置，确定夹具体和夹具的总体结构。p 3.绘制夹具总装配图u主视图应选面对操作者的工作位置。u绘制总装配图的顺序：n 先用双点划线将工件的外形轮廓、定位基面、夹紧表面及加工表面绘制在各个视图上;视工件为透明体，再绘出定位、对刀引导、夹紧元件及其它元件或装置；最后绘出夹具体，并填写明细表及标题栏.u标注有关的尺寸、公差和技术要求。p 4.绘制夹具零件图u并按夹具总装配图的要求,确定各零件的尺寸、公差及技术要求。夹具设计设计过程示例p 夹具设计实例：uA）工件图uB）设计定位装置uC）设计钻套uD）设计夹紧装置uE）总装配图夹具设计钻床夹具p 钻床夹具简称钻模，类型有：u 1、

50、固定式钻模n 多为大型钻模，一般在立钻或摇臂钻床上使用，加工工件上较大的孔或轴线相互平行（用摇臂钻）的孔系，钻模需要固定在机床工作台。u2、回转式钻模n 按其转轴的位置可分为立轴式，卧轴式和斜轴式三种。这类钻模的引导元件钻套，一般是固定不动的，一般配合采用回转式分度装置。n 待加工孔是互相平行的轴向孔或分布在圆柱面上的径向孔时，使用回转式钻模是很方便的，即可保证加工精度，又可以提高生产效率。u 3、翻转式钻模 n 整个工件和夹具可以一起翻转，可以用来加工同方向的平行孔系，也可以用来加工不同方向的孔。n 这类钻模是一种小型夹具，在操作过程中，需要用人工进行翻动，为了减轻工人的劳动强度，这类钻模的

51、总质量最好不要超过10KG，对于稍大一些的工件用翻转钻模时，必须设计专门的托架。u还有：覆盖式、移动式、滑柱式等。夹具设计钻床夹具p 钻套：u钻套又称为导套，作用是引导并确定刀具的位置和方向。u类型：n 固定钻套 固定钻套分为无肩钻套和带肩钻套两种形式。这种钻套的外圆用H7/r6或H7/n6的过盈配合压入钻模板或夹具体的底孔内。n 可换钻套 可换钻套用H7/g5或H7/g6的间隙配合压入衬套孔内，衬套外圆与钻模板底孔的配合采用H7/n6或H7/r6的过盈配合。为了防止钻套随刀具转动或被切削顶出，常用螺钉固紧。n 快换钻套 快换钻套更换迅速，只要将钻套逆时针转动一下，即可从钻模板中取出。 适用于

52、在一个工序中使用几种刀具（指钻，扩，铰）依次连续加工。 n 特种钻套 当工件的结构形状或工序加工条件均不允许采用上述几种标准钻套时，就应视具体情况设计各种形式的特种钻套。 夹具设计钻床夹具p 研究原始资料，明确设计任务u加工零件：杠杆u加工任务：加工杠杆臂上两个相互垂直的10mm和13mm孔。夹具设计钻床夹具p 定位方案u根据零件的构造，最容易想到的是以22mm的孔为定位基准，这样可以避免基准不重合误差，同时可以限定可以限定四个自由度。u再用一个螺母限定零件的上下窜动的自由度和用一个支撑钉限定零件沿22mm中心线转动的自由度就可以实现完全定位。n 定位销22mm的孔，用来限制X,Y方向的移动和

53、转动，共四个自由度n 可调支承钉：限定Z方向的转动 n 用一辅助支承来提高工件的安装刚度和定位的稳定性夹具设计钻床夹具p 钻模板类型选择u根据工件和夹具体的结构，选用固定式钻模板。u固定式钻模板虽然有时装卸工件不便，但它结构简单、制造方便、定位精度高。u钻套的选择n 由于孔10mm和13mm，一次钻孔就可达到要求，因此采用固定式钻套。10mm选无肩，13mm选有肩夹具设计钻床夹具p 夹紧方案设计u采用锁紧螺母和开口垫圈来实现快速锁紧夹紧机构，它与一个加工面位置靠近，增加了刚性，零件夹紧变形也小；u但对于另一个加工面较远，为提高刚性，故采用辅助定位元件来固定，该设计采用了螺旋辅助支承夹具设计钻床

54、夹具p 夹具体与总装图夹具设计镗床夹具p 镗床夹具u导向支架的布置在布置上有多种形式，可分为：n 单面前导向：导向支架在刀具前方，镗杆与机床主轴刚性连接。n 单面双导向：两个导向支架布置在工件的一侧，镗杆与机床主轴浮动连接。n 单面后导向：导向支架在刀具后方，镗杆与机床主轴刚性连接。刀杆刚性好，加工精度高。n 双面单导向：导向支架分别装在工件两侧，镗杆与机床主轴浮动连接。n 双面双导向：适于专用双面镗床，效率高，在大批量生产中应用广泛。n 中间导向：镗杆长L镗杆直径d十倍时，应增加中间导向装置，适用于安装面敞开的工件。p 镗套设计n 固定式镗套:外形尺寸小，结构简单，同轴度好，适用于低速扩孔，

55、镗孔。u回转式镗套（高速），有滑动轴承、滚动轴承等。镗床夹具又称镗模，主要用于加工箱体，支座等零件的孔或孔系。镗床夹具又称镗模，主要用于加工箱体，支座等零件的孔或孔系。1. 1. 镗床夹具的类型及结构特点镗床夹具的类型及结构特点 镗床夹具多由镗床夹具多由镗套镗套引导引导镗孔刀具或镗杆镗孔刀具或镗杆进行镗孔，与钻模进行镗孔，与钻模特点相似，工件上的孔或孔系的位置精度主要由镗模来保证，特点相似，工件上的孔或孔系的位置精度主要由镗模来保证，可以减少镗床主轴及进给系统误差的影响。由于箱体孔及孔系可以减少镗床主轴及进给系统误差的影响。由于箱体孔及孔系的精度要求较高，所以，的精度要求较高，所以，镗模的制造

56、精度应比钻模高镗模的制造精度应比钻模高。在大批量生产中，多用于组合机床。在中、小批量生产中，在大批量生产中，多用于组合机床。在中、小批量生产中，多用于卧式或立式镗床。在无镗床时，也可在车床、钻床和铣多用于卧式或立式镗床。在无镗床时，也可在车床、钻床和铣床上进行镗孔加工（扩大该类机床的工艺范围）。床上进行镗孔加工（扩大该类机床的工艺范围）。镗床夹具的镗床夹具的结构类型主要取决于导向支承的布置形式结构类型主要取决于导向支承的布置形式，分为以下几种形式：，分为以下几种形式： （1 1） 单支承前导向镗模单支承前导向镗模 镗套设置在刀具的前方，镗套设置在刀具的前方，刀具与主轴刚性连接。主要刀具与主轴刚

57、性连接。主要用于加工孔径用于加工孔径D60mmD60mm，加工，加工长度长度LDLD的通孔。一般镗杆的的通孔。一般镗杆的导向部分直径导向部分直径dDdD，在多工步，在多工步加工时，可不更换镗套，也加工时，可不更换镗套，也便于加工中观察和测量。但便于加工中观察和测量。但在立镗时，切屑易落入镗套在立镗时，切屑易落入镗套中，应设防尘措施。中，应设防尘措施。 （2 2） 单支承后导向镗模单支承后导向镗模 镗套设置在刀具的后方，刀具与主轴刚性连接。主要用镗套设置在刀具的后方，刀具与主轴刚性连接。主要用于镗削于镗削D60mmD60mm的的通孔或盲孔通孔或盲孔。当。当L LD1D1D11.251.25时，应

58、使镗杆引导部分直径时，应使镗杆引导部分直径d d小于孔径小于孔径D D，并且，并且制成等直径镗杆，以便镗杆引导部分可进入加工孔，从而缩短制成等直径镗杆，以便镗杆引导部分可进入加工孔，从而缩短镗套与工件之间的距离镗套与工件之间的距离h h及镗杆的悬伸长度。及镗杆的悬伸长度。（3 3） 双支承前后导向镗模双支承前后导向镗模 两个导向支承套分别布置在刀具的前后方，镗杆与机床两个导向支承套分别布置在刀具的前后方，镗杆与机床主轴采用主轴采用浮动连接浮动连接。（目的是消除镗床主轴误差的影响）。（目的是消除镗床主轴误差的影响）该类镗模适用于加工该类镗模适用于加工孔径较大孔径较大，孔长与孔径比，孔长与孔径比L

59、 LD1.5D1.5以上的通孔，或以上的通孔，或一组同轴线的孔一组同轴线的孔，而且孔本身或孔间距、孔，而且孔本身或孔间距、孔同轴度要求很高的场合同轴度要求很高的场合。（4 4） 双支承后导向镗模双支承后导向镗模 两个镗套设置在刀具的后方。可适应不能使用前后双支两个镗套设置在刀具的后方。可适应不能使用前后双支承的情况。由于镗杆为悬臂梁，为保证其刚性，镗杆的悬伸量承的情况。由于镗杆为悬臂梁，为保证其刚性，镗杆的悬伸量L1(1.55)l。镗杆。镗杆与机床也采用浮动连接方式。可在箱体的一个壁上镗孔或镗不与机床也采用浮动连接方式。可在箱体的一个壁上镗孔或镗不通孔。这种支承方式除具有前后单支承镗模的优点外

60、，还便于通孔。这种支承方式除具有前后单支承镗模的优点外，还便于装卸工件、刀具，刀具径向尺寸调整也便于观察和测量。装卸工件、刀具，刀具径向尺寸调整也便于观察和测量。 夹具设计镗床夹具p 研究原始资料,明确设计任务u工件为一箱体盖，如图所示，需加工盖上两个平行的100H9孔。p 确定要限制的自由度，并选择定位元件u需限制5个方向的自由度：Z向的转动，X、Y向的移动和转动，u但为了进给的方便，也应限制Z向的移动。夹具设计镗床夹具p 定位元件的选择u夹具体平面：限制Z方向的移动，X和Y方向的转动。u可调支承钉1：限制Y方向的移动。可调支承钉2：限制X方向的移动。可调支承钉3：限制Z方向的转动。u定位方