机械制造基础冯之敬-工件定位夹紧与夹具设计

1、第4章 机床夹具原理与设计4.1 工件的装夹4.2 机床夹具概述4.3 典型定位方式及定位元件4.4 定位误差分析4.5 工件在夹具中的加紧4.6 典型机床夹具 4.7 机床夹具设计的基本步骤第1节 工件的安装1.1 工件的安装 必须使工件在机床上相对刀具的切削运动处于准确的相对位置 确定工件在机床上或夹具中占有准确加工位置的过程叫定位。 在工件定位后用外力将其固定，使其在加工过程中保持定位位置不变的操作叫夹紧。 工件的安装就是定位和夹紧过程的总和。主要有用找正法装夹和用夹具装夹(大批量,调整法)工件1.2 基准 用来确定生产对象几何要素间几何关系所依据的那些点、线、面，称为基准。基准可分为设

2、计基准和工艺基准两大类；工艺基准又可分为工序基准、定位基准、测量基准和装配基准等。1 设计基准 设计图样上标注设计尺寸所依据的基准，称为设计基准。A与B互为设计基准40 外圆是60外圆的设计基准平面1是平面2与孔的设计基准，孔3是孔 4和 5的设计基堆中心线是内孔、齿轮分度圆和顶圆 的设计基难。2 工艺基准 在生产过程中凡属直接改变生产对象的尺寸、形状、物理化学性能以及相对位置关系的过程，统称为工艺过程。 工艺过程又可分为铸造、锻造、冲压、焊接、机械加工、热处理、装配等工艺过程。 工艺过程中所使用的基准，称为工艺基准。按其用途之不同，又可分为工序基准、定位基准、测量基准和装配基准。1）工序基准

3、 在工序图上用来确定本工序加工表面尺寸、形状和位置所依据的基准，称为工序基准(又称原始基准)。 一个工人或一组工人，在一个工作地对同一工件或同时对几个工件所连续完成的那一部分工艺过程，称为工序。端面C是端面T的工序基准，端面T是端面A、B的工序基准，孔中心线为外圆D和内孔d的工序基准。为减少基准转换误差，应尽量使工序基准和设计基准重合。 2）定位基准 在加工中用作定位的基准，称为定位基准。作为定位基准的点、线、面在工件上有时不一定具体存在(例如:孔的中心线、轴的中心线、平面的对称中心面等)，面常由某些具体的定位表面来体现，这些定位表面称为定位基面。工件被夹持在三爪卡盘上车外圆D和镗内孔d，此时

4、D和d的设计基准与定位基准皆为中心线，而定位基面则为外圆面E。 3）测量基准 工件在加工中或加工后，测量尺寸和形位误差所依据的基准，称为测量基准. 4）装配基准 装配时用来确定零件或部件在产品中相对位置所依据的基准称为装配基准。1.3 定位原理 任一物体在空间都有六个自由度，即 x、 y、 z三个坐标轴的移动自由度，以及绕此三个坐标轴的转动自由度。如果完全限制了物体的这六个自由度，则物体在空间的位置就完全确定了。1.六点定位原理自由度示意图 限制工件在空间的六个自由度，使工件完全正确定位即工件的 “六点定位原理”。 l 应用六点定位原理时的注意事项：1） 定位支承点与工件的定位基准面必须始终保

5、持紧贴；2）一个定位支承点只能限制工件一个自由度，同时一个自由度原则上不得有多个支承点重复限制，（支承点数不应超过六个）；3）工件应限制几个自由度，由工件加工技术条件来确定；4）工件的定位不是由夹紧力作用获得的。5）工件的六个自由度被完全限制的定位称完全定位。定位与夹紧的区别： 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。2 不完全定位允许少于六点的定位称为不完全定位。完全定位和不完全定位都是合理的定位方式。3 欠定位 限制自由度数少于加工技术要求限制的最少自由度数。在实际生产中是绝对不允许的。4过定位/重复定位 工件的某一个或几个自由度被多个定位元件限制。 过定位造成的后果

6、：（1）使工件或夹具元件变形，引起加工误差；（2）使部分工件不能安装，产生定位干涉（如一面两销） 过定位一般是不允许的，但在精加工时也可看到。消除过定位及其干涉的途径： 1. 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；2. 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，减少或消除过定位引起的干涉，精加工时可增加刚度和定位稳定性。 采用完全定位还是部分定位，主要根据工件的形状特点和工序加工要求来确定，一般应遵循以下几条原则：由于工件的形状特点，限制工件某些方向的自由度没有必要，也无法限制，则可不必限制该方向的自由度。由于加工特点，工件某些方向自由度的存在并不影

7、响加工精度要求，则该方向的自由度可以不必限制。 在保证加工要求的条件下，限制自由度的数目应尽量少，使夹具结构简单。 在实际加工中，对工件限制的自由度数目一般不少于三个。 欠定位是不允许的。 应尽量避免重复定位，但在有利于减小加工误差时可采用重复定位方式定位的。 定位方案限定自由度的选择原则：第2节 机床夹具概述 在机床上用于装夹工件或引导刀具，具有使工件在机床上相对刀具占有正确的位置功能的辅助装置。1. 夹具的组成（1）定位元件（2）夹紧元件（3）导向元件（钻套、对刀块）（4）夹具体 此外有连接元件、分度机构、 操作元件等。2.机床夹具的分类按使用特点分：（1）通用夹具（2）专用夹具（3）成组

8、夹具（4）组合夹具 （5）随行夹具按使用机床分：车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具按动力源分：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3.机床夹具的功用（1）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 位置精度。夹具的最大功用是保证加工表面的位置精度。（2）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 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 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1工件以平面定位 1）固定支承：支承钉（限1个）、支承板（限2个） 4）辅助支承 在工件定位后才参与支承的元

9、件，不限制自由度， 主要用于提高工件的刚度和定位稳定性。 2）可调支承 多用于毛面定位，每批调整一次，以补偿各批 毛坯误差 3）自位支承（浮动支承）支承本身可随工件定位基准面的变化而自动适应，一般只限制一个自由度，即一点定位。第3节 典型定位方式及定位元件定位元件的设计要求： 要有与工件相适应的精度； 足够的刚度，受力后不允许变形； 耐磨性好，使用中保持精度。 2）工件以圆锥孔定位（1）锥心轴（2）顶尖1） 工件以内圆定位 （1）心轴：短的限两个自由度，长的限四个自由度，锥度多限一个。 （2）定位销 分固定式和可换式，圆柱销、菱形销和圆锥销（ 常用于工件孔端的定位）2 工件以孔定位 3 工件以

10、外圆表面定位 1）定位套筒 2）V形块定位 结构尺寸已标准化，斜面夹角有6090120 3) 支承平面4）半圆定位座 常用于大型轴类工件的定位5）外圆定心夹紧 三爪卡盘、双V形铁定心夹紧、弹簧夹头 4 工件以其它表面定位 5 组合表面定位 1）一个平面和与其垂直的两个孔组合过定位的解决办法是：将销2做成削边销 2）一平面和与其垂直的两外圆柱面组合3）一孔和一平行于孔中心线的平面组合定位实例分析1 定位实例分析 2定位实例分析 3注意要点：1）定位就是限制自由度，通常用合理布置定位支承点的方法来限制工件的自由度。 2） 定位支承点与工件定位基准面始终保持紧贴接触限制工件自由度的。 3）一个定位支

11、承点仅限制一个自由度，一个工件所设置的定位支承点数目，原则上不应超过六个。 4）分析定位支承点的定位作用时，不考虑力的影响。定位和夹紧是两个概念 。 5）定位支承点是由定位元件抽象而来的，在夹具中，定位支承点总是通过具体的定位元件体现，至于具体的定位元件应转化为几个定位支承点，需结合其结构进行分析。 第4节 定位误差分析 定位误差产生的原因 基准不重合误差和基准位移误差定位误差概念 指一批工件在夹具中定位时，工件的设计基准（或工序 基准）在加工尺寸方向上的最大变动量。 1. 以平面定位时的定位误差计算2. 工件以圆孔定位时的定位误差（1）工件圆孔与刚性心轴或销过盈配合 孔与心轴始终同心，故 但

12、由于工件装夹困难，一般很少采用。（2）工件圆孔与刚性心轴或销间隙配合 心轴水平放置（重力作用下孔与心轴固定上母线接触） 工件孔尺寸 ，心轴尺寸 工件孔中心最大变动量即为基准位移误差：孔 Dmax=D+TD Dmin=D 轴 dmax=d dmin=d- Td心轴垂直放置 孔与心轴可以在任意方向接触，孔的中心最大变动量即为基准位移误差：（3）工件圆孔与弹性（自动定心）心轴定位其中 Xmin=(Dmin-dmax) 为孔与轴的最小配合间隙3. 工件以外圆定位时的定位误差 主要分析工件外圆在V形块上定位情况： 由于工件设计基准不同，可能出现以下三种情况，即设计基准分别为B、C 、O 。1）尺寸H1的

13、定位误差 设计基准为B，定位基准为E,F。其最大的位置变动量为即定位误差： = 2）尺寸H2的定位误差 设计基准为C，定位基准为E、F，其最大的位置变动量为即定位误差： 3）尺寸H3的定位误差 设计基准为O，定位基准为E、F，其最大的位置变动量为即定位误差： 提高工件定位精度的措施消除或减少基准不重合误差 要正确选择定位基准，尽可能与工序基准重合。消除或减少基准位移误差 （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； （2）选用基准位置误差小的定位元件，提高定位元件间的位置精度； （3）提高工件定位表面与定位元件的配合精度，将销或消除配合间隙来减小基准

14、位移误差。保证加工精度实现的条件 若规定工件的加工允差为工件，以夹具表示与采用夹具有关的误差，以加工表示除夹具外与工艺系统其它因素（如机床误差、刀具误差、受力受热变形等）有关的加工误差，为保证工件的加工精度要求，必须满足误差计算不等式 ： 工件夹具加工 制订夹具公差时，应保证夹具的定位、制造和调整误差 的总和不超过零件公差的三分之一。第5节 工件在夹具中的加紧1.夹紧装置的组成及要求组成（1）动力装置（2）中间传力机构（3）夹紧元件作用1）改变作用力的方向；2）改变作用力的大小；3）使夹紧实现自锁。1）夹紧时不破坏工件定位后的正确位置； 稳2）夹紧力大小要适当； 牢3）夹紧动作要迅速、可靠；

15、快4）结构紧凑，易于制造与维修。基本要求2.夹紧力的确定必须合理确定夹紧力的三要素：大小、方向和作用点 (1)夹紧力方向的确定 1）主要夹紧力方向应垂直于主要定位面 保证定位准确、可靠； 2）夹紧力的作用方向应使所需夹紧力最小 尽量与切削力、重力方向一致 3）夹紧力的作用方向应使工件变形尽可能小 ()夹紧力作用点的确定 1）夹紧力应作用在刚度较好部位 2）夹紧力作用点应正对支承元件或位于支承元件 形成的支承面内3）夹紧力作用点应尽可能靠近加工表面3.常用夹紧机构（1）斜楔夹紧机构（2）螺旋夹紧机构螺旋夹紧特点： 1）结构简单，自锁性好，夹紧可靠； 2）扩力比约为80,远比斜楔夹紧力大； 3）夹

16、紧行程不受限制； 4）夹紧动作慢，辅助时间长，效率低（3）其它夹紧机构1）螺旋压板夹紧机构2）螺旋定心夹紧机构3）联动夹紧机构4）多件夹紧机构（4）偏心夹紧机构常见的偏心轮压板夹紧机构（5）夹紧动力装置气动、液压、电磁、真空等气液压组合夹紧第六节 典型机床夹具 1 钻床夹具(1)钻夹具的特点 （a）钻床夹具用钻套引导钻头，防止钻头偏斜，用钻模板固定钻套，保证钻孔正确位置； （b）夹具放在工作台上，钻孔时钻头回转和进给，夹具和工件不动； （c）由于钻削力矩小，钻小孔时夹具常不固定。 (2) 钻套 确定钻头、铰刀等刀具的轴线位置，防止刀具在加工中发生偏斜。结构分为固定式、可换式、快换式和特殊。钻套

17、导向部分高度尺寸H越大刀具的导向性越好钻模板较薄时采用有肩钻套。孔径小、精度要求较高时，H取较大值。1）固定式于排屑，钻套下端与被加工工件间应留有适当距离h。2）可换式3）快换式 用于工件的一次装夹中，顺序进行钻孔、扩孔、铰孔或攻螺纹等多个工步加工时，使用不同孔径的钻套来引导刀具。4）特殊钻套（自行设计）(3) 钻模板及钻模1) 固定式钻模板及固定式钻模2) 铰链式钻模板及盖板式钻模3) 回转式钻模板及回转式钻模4) 悬挂式钻模板及滑柱式钻模5) 翻转式钻模 2 铣床夹具 切削力较大，断续切削，易振动，夹紧力要大和较好的自锁性，受力元件要有足够的强度和刚性。便于调整刀具，要设置对刀装置。对刀块

18、和刀具之间要放对刀塞尺，以避免刀具与对刀块直接接触，而碰伤刀刃获对刀块。采用导向键与机床工作台T形槽相配合来实现夹具在机床上的定位，要使夹具上定位元件工作面与铣削运动方向有一准确位置。3 镗床夹具（1）镗套的种类 1）单支承前引导 2）单支承后引导 3）前后双支承引导 4）双支承后引导a) 适合于加工孔径大于60mm，长径比小于1的通孔。b)和c) 主要用于盲孔或孔径小于60mm的通孔。 要求镗杆与机床主轴采用浮动联接，镗孔的精度完全由夹具来保证，而不受机床精度的影响。用于加工长径比大于1.5的长孔或同轴度要求较高的几个短孔。（2） 镗套分为固定式镗套和回转式镗套两类。 1）固定式： 外形尺寸较小，且位置精度较高。缺点是易于磨损，多用于速度较低的场合。2）回转式镗套a）内滚式镗套 镗杆相对于导向滑套回转，并连同导向滑套一起相对于镗套移动。镗套精度较好，但尺寸较大，因此多用于后导向。b）外滚式镗套 镗刀杆与镗套间只有相对移动而无相对转动。镗套尺寸较小，应用较多。镗速高。4 车床夹具特点和要求 （1） 结构紧凑，尺寸小，重量轻，重心尽可能靠近回转轴线，减小惯性力。 （2）应有