夹具设计课件

机械制造工工艺学第2章工件的装夹与夹具设计

2.1概述1机械制造工工艺学第2章工件的装夹2.1概述12.1.1夹具的基本概念夹具的含义

夹具是指在机床上用以装夹工件的一种装置。夹具的功用

(1)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。(3)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。22.1.1夹具的基本概念夹具的含义

夹具是指在机2.1.1

夹具的基本概念夹具的组成图2-42铣轴端槽夹具1—V型块2—支撑套3—手柄4—定向键5—夹具体6—对刀块1236411）定位元件及装置；6）其他元件及装置（防护、防错、分度…）。5）夹具体；4）连接元件；3）对刀及导向元件；2）夹紧元件及装置；32.1.1夹具的基本概念夹具的组成图2-42铣轴端槽夹夹具的分类1）通用夹具：三爪、四爪卡盘，平口钳等。2）专用夹具：为某一工件特定工序专门设计的夹具。3）通用可调整夹具及成组夹具：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。4）组合夹具：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。5）随行夹具：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2.1.1

夹具的基本概念4夹具的分类1）通用夹具：三爪、四爪卡盘，平口钳2.1.1

夹具的基本概念三爪卡盘四爪卡盘万向平口钳回转工作台分度头图2-2通用夹具52.1.1夹具的基本概念三爪卡盘四爪卡盘万向平口钳回转工作图2-3组合夹具实例2.1.1机床夹具6图2-3组合夹具实例2.1.1机床夹具6可分为钻床夹具、铣床夹具、车床夹具、磨床夹具等。◆按使用机床划分可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、真空夹具、电动夹具等。◆按夹紧力源划分2.1.1夹具的基本概念夹具的分类气动虎钳液压夹具图2-4夹具7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2.1.2工件装夹直接找正装夹装夹的含义

装夹又称安装，包括定位和夹紧两项内容。定位

—使工件在机床或夹具上占有正确位置。夹紧

—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。工件装夹方法82.1.2工件装夹直接找正装夹装夹的含义定位—2.1.2工件装夹

图2-5直接找正安装毛坯孔加工线找正线图2-6划线找正安装精度高，效率低，对工人技术水平高。划线找正装夹精度不高，效率低，多用于形状复杂的铸件。92.1.2工件装夹图2-5直接找正安装毛坯孔2.1.2工件装夹图2-7工件在夹具上装夹（滚齿夹具）夹具装夹精度和效率均高，广泛采用。102.1.2工件装夹图2-7工件在夹具上装夹（滚齿夹机械制造工工艺学第2章工件的装夹与夹具设计

2.2工件的定位11机械制造工工艺学第2章工件的装夹2.2工件的定位112.2.1定位原理

图2-8六点定位原理XZY

六点定位原理要确定其空间位置，就需要限制其6个自由度。将6个支承抽象为6个“点”，6个点限制了工件的6个自由度，这就是六点定位原理。任何一个物体在空间直角坐标系中都有6个自由度——用表示。Z移动，X、Y轴旋转自由度X移动，Z轴转动自由度Y移动自由度122.2.1定位原理图2-8六点定位原理XZY六点工件的6个自由度均被限制，称为完全定位。工件6个自由度中有1个或几个自由度未被限制，称为不完全定位。完全定位与不完全定位不完全定位主要有两种情况：①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。例如球体绕过球心轴线的转动，圆柱体绕自身轴线的转动等。②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平行度，则只需限制3个自由度就够了。2.2.1定位原理

13工件的6个自由度均被限制，称为完全定位。工件6个自由度中有12.2.1定位原理

完全定位与不完全定位图2-9工件应限制的自由度ZYXa）限制3个自由度ZYXb）限制5个自由度ZYXc）限制6个自由度ZYXd）限制2个自由度限制5个自由度e）ZYX限制4个自由度限制2个自由度f）ZYX限制5个自由度142.2.1定位原理完全定位与不完全定位图2-9工件欠定位工件加工时必须限制的自由度未被完全限制，称为欠定位。欠定位不能保证工件的正确安装，是不允许的。图2-10欠定位示例XZYa）B2.2.1定位原理

B欠定位b）B正确定位15欠定位工件加工时必须限制的自由度未被完全限制，称为欠定位。欠过定位过定位—工件某一个自由度（或某几个自由度）被重复约束，称为过定位。过定位是否允许，要视具体情况而定：1）如果工件的定位面经过机械加工，且形状、尺寸、位置精度均较高，则过定位是允许的。有时还是必要的，合理的过定位不仅不会影响加工精度，还会起到加强工艺系统刚度和增加定位稳定性的作用。2）反之，如果工件的定位面是毛坯面，或虽经过机械加工，但加工精度不高，这时过定位一般是不允许的，因为它可能造成定位不准确，或定位不稳定，或发生定位干涉等情况。2.2.1定位原理

16过定位过定位—工件某一个自由度（或某几个自由度）被重复约束，

过定位分析（桌子与三角架）图2-11过定位分析2.2.1定位原理

17过定位分析（桌子与三角架）图2-11过定位分析2.2.

过定位分析图2-12过定位示例a）ZYXYc）非过定位ZYXY2.2.1定位原理

b）ZYYX18过定位分析图2-12过定位示例a）ZYXYc）非过定位

过定位分析图2-13过定位示例XYa)过定位ZYb)合理定位ZYXY2.2.1定位原理

19过定位分析图2-13过定位示例XYa)过定位ZYb)刀柄主轴拉杆涨套过定位应用图2-14HSK刀柄与传统刀柄结构HSK刀柄传统刀柄1:107:24间隙主轴拉杆刀柄2.2.2定位原理

定位端面配合锥面20刀柄主轴拉杆涨套过定位应用图2-14HSK刀柄与传统刀

过定位讨论如图示，齿轮坯以内孔和一小端面定位，车削外圆和大端面。加工后检测发现大端面与内孔垂直度超差。试分析原因，提出改进意见。4A0.02A间隙配合刚性心轴图2-15过定位示例2.2.2定位原理

21过定位讨论如图示，齿轮坯以内孔和一小端面定位，车削外圆和大图2-15a过定位引起夹紧变形2.2.2定位原理

22图2-15a过定位引起夹紧变形2.2.2定位原理2橡胶垫图2-15b过定位处理分析2.2.2定位原理

23橡胶垫图2-15b过定位处理分析2.2.2定位原理

讨论分析图示定位方案：①各方案限制的自由度；②有无欠定位或过定位；③对不合理的定位方案提出改进意见。

b）XZYXc）XZYXa）YXZ图2-16过定位分析2.2.2定位原理

24讨论分析图示定位方案：b）XZYXc）XZYXa）YXZ图a）过定位YXZa2）合理定位YXZa1）合理定位YXZ图2-16a过定位示例分析2.2.2定位原理

25a）过定位YXZa2）合理定位YXZa1）合理定位YXZ图2b）过定位XZYXb1）XZYXXZb2）合理定位YXXZb3）YX图2-16b过定位示例分析2.2.2定位原理

有过定位，提高V形块的制造与导向精度，可解决此问题有过定位，提高相关精度，可解决此问题26b）过定位XZYXb1）XZYXXZb2）合理定位YXXZbc2）YXXZ图2-16c过定位示例分析2.2.2定位原理

c）XZYX有过定位，提高V形块的制造与导向精度，可解决此问题合理定位27c2）YXXZ图2-16c过定位示例分析2.2.2图2-17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承钉、支承板、夹具支承件和夹具体的凸台及平面等。ZXY2.2.3定位方法与定位元件

工件以平面定位ZXYZXYZXYZXYZXY28图2-17工件以平面定位平面定位的主要形式是支承定位。2.2.3定位方法与定位元件

图2-18支承钉与支承板a)支承钉b)支承板固定支承292.2.3定位方法与定位元件图2-18支承钉与支承2.2.3定位方法与定位元件

可调支承图2-19可调支承302.2.3定位方法与定位元件可调支承图2-19可调2.2.3定位方法与定位元件

图2-20自位支承自位支承312.2.3定位方法与定位元件图2-20自位支承自位图2-21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。XYZXYZXYZXYZXYZXYZ2.2.3定位方法与定位元件

工件以圆孔定位32图2-21工件以圆孔定位工件以圆孔定位多2.2.3定位方法与定位元件

定位销图2-22常用的定位销332.2.3定位方法与定位元件定位销图2-22常用2.2.3定位方法与定位元件

刚性心轴图2-23刚性新轴342.2.3定位方法与定位元件刚性心轴图2-23刚2.2.3定位方法与定位元件

工件以外圆定位常用于外圆表面的定位元件有：定位套、支承板和V型块等。图2-24定位套352.2.3定位方法与定位元件工件以外圆定位2.2.3定位方法与定位元件

图2-25V形块362.2.3定位方法与定位元件图2-25V形块36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。图2-26工件以锥孔定位2.2.3定位方法与定位元件

工件以其他表面定位限制5个自由度37除平面、圆孔、外圆柱面外，工件有时还可能以其在多个表面同时参与定位情况下，各定位表面所起作用有主次之分。定位点数最多的表面为主要定位面、位点数次多的表面为次定位基准面。2.2.3定位方法与定位元件

定位表面的组合XZY图2-27工件在两顶尖上定位在分析多个表面定位情况下各表面限制的自由度时，分清主次定位面很重要。主要定位基准，限制X、Y、Z自由度次基准，与主基准一起限制X、Y自由度38在多个表面同时参与定位情况下，各定位表面所起作用有主次之分。2.2.4定位误差

定位误差的概念如图2-28在轴上铣键槽，采用V型块定位，键槽铣刀按规定尺寸H调整好位置，分析其定位误差。图2-28定位误差HOAO2O1ΔDW定位误差是由于工件在夹具上（或机床上）定位不准确而引起的加工误差。实际加工时，由于工件直径存在公差，会使轴心位置发生变化，进而使工序尺寸H也发生变化。定位误差392.2.4定位误差定位误差的概念如图2-28在轴上铣键1）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定位误差，称为基准不重合误差。图2-29所示工件以底面定位铣台阶面，要求保证尺寸a。2.2.4定位误差

定位误差的来源ba图2-29由于基准不重合引起的定位误差定位基准工序基准ΔDW基准不重合误差401）由于工件定位表面或夹具定位元件制作不准确引起2.2.4定位误差

定位误差计算工件的定位误差实质上就是工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量。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，即可求出定位误差。1)用几何方法计算定位误差412.2.4定位误差定位误差计算工件的定位误差当工件孔径为最大，定位销的直径为最小时，孔处在左右两个极限位置。【解】2.2.4定位误差

【例2-1】图2-30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，试确定其定位误差。式中ΔDW—定位误差；

Dmax—工件定位孔最大直径;

dmin—夹具定位销最小直径。图2-30孔与销间隙配合时的定位误差DmaxdminO定位误差均为：O2ΔDWO142当工件孔径为最大，定位销的直径为最小时，2.2.4定位误差

当工件孔与夹具定位销保持固定边接触时，定位误差为孔径公差的一半。

ΔDW

=（Dmax－Dmin）=TD

（2-7）1212此时，定位误差是由于定位基准与工序基准不重合所造成的，属于基准不重合误差，与定位销直径无关。图2-31孔与销间隙配合固定边接触时定位误差OO1DminDmaxΔDWO2定位误差为：432.2.4定位误差当工件孔与夹具定位销保持固定边接触时2.2.4定位误差

2.用微分方法计算定位误差【例2-2】工件在V型块上定位铣键槽，计算定位误差。要求保证的工序尺寸和工序要求：①槽底至工件外圆中心的距离H；②键槽对工件外圆中心的对称度。图2-32外圆表面在V型块上的定位误差HBαOAOA=Sin(α/2)OB=Sin(α/2)d对上式求全微分，得到：d(OA)=Sin(α/2)1d(d)－4Sin2(α/2)dcos(α/2)d(α)对于第1项要求，写出O点至加工尺寸方向上某一固定点如V型块两斜面交点A的距离：442.2.4定位误差2.用微分方法计算定位误差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，得到工序尺寸H的定位误差：2.2.4定位误差

（2-8）式中Td

—工件外圆直径公差；

Tα—V型块两斜面夹角角度公差。若忽略V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：（2-9）45以微小增量代替微分，并将尺寸误差视为微小增量若忽略V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：2.2.4定位误差

工件工序基准为外圆下母线时，由右图得：图2-33外圆表面在V型块上的定位误差b）H1BOAC46若忽略V型块两斜面夹角的角度公差，可以得到用2.2.4定位误差

若工件工序基准为外圆上母线时，由右图得：图2-33外圆表面在V型块上的定位误差c）H2BdOAC若忽略V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：472.2.4定位误差若工件工序基准为外圆

关于键槽对工件外圆中心的对称度要求。图2-32外圆表面在V型块上的定位误差HBαOA2.2.4定位误差

若忽略工件的圆度误差和V型块角度偏差，可以认为工序基准在水平方向上的位置变动量为零，即定位误差为零。48关于键槽对工件外圆中心的对称度要求。图2-322.2.4定位误差

3.组合定位误差【例2-3】一面两销定位误差分析计算。图2-34一面两销的定位误差492.2.4定位误差3.组合定位误差【例2-3】一2.2.4定位误差

直线位移误差图2-35两销定位的直线位移误差O1O2O11O21O12O22极端情况为：工件内孔1的直径尺寸最大、定位销1直径尺寸最小，极端位置为最左、最右两种情况。ΔO1ΔO1=Dmax－dmin式中ΔO1——定位误差；

D1max——工件定位孔最大直径；

d1min——夹具定位销最小直径。502.2.4定位误差直线位移误差图2-35两销定位的2.2.4定位误差

角位移误差图2-36两销定位的角位移误差O1O2O11O21O12O22极端情况为：工件内孔1、2的直径尺寸最大、定位销1、2直径尺寸最小，极端偏摆为上、下最大转角两种情况。Δdw-ΔdwO12O22O'12O'22O2O1L512.2.4定位误差角位移误差图2-36两销定位的角2.2.4定位误差

角位移误差O12O22O'12O'22O2O1L522.2.4定位误差角位移误差O12O22O'12O'2机械制造工工艺学第2章工件的装夹与夹具设计

2.3工件的夹紧53机械制造工工艺学第2章工件的装夹2.3工件的夹紧532.3.1夹紧装置的组成及设计要求

夹紧装置的组成

(1)动力源。人力、气动、液动、电动等。(2)夹紧机构。包括中间递力机构和夹紧元件。

夹紧装置的设计要求

（1）夹紧力应有助于定位，而不应破坏定位；（2）夹紧立的大小应能保证加工过程中工件不发生位置变动和振动，并能在一定范围内调节；（3）工件在夹紧后的变形和受压表面的损伤不应超出允许的范围；（4）应有足够的夹紧行程；（5）手动时要有自锁性能：（6）结构简单紧凑、动作灵活，制造、维护方便，省力、安全并有足够的强度和刚度。542.3.1夹紧装置的组成及设计要求夹紧装置的组成2.3.2夹紧力的确定

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。夹紧力的方向

(1)夹紧力的方向应垂直于主要定位基准面。

WWWWα

α>90°α<90°

α>90°α<90°

图2-37两销定位的角位移误差552.3.2夹紧力的确定正确确定夹紧力，主2.3.2夹紧力的确定

(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，以减小工件变形。

Fj变形大FjFj变形小(a)(b)图2-38薄壁套筒的夹紧562.3.2夹紧力的确定(2)夹紧力的作用方2.3.2夹紧力的确定

(3)夹紧力的方向应尽可能与切削力、工件重力方向一致，以减少夹紧力。夹紧力作用点的选择

(1)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。(a)(b)FjFj图2-39加紧力作用点对稳定性的影响572.3.2夹紧力的确定(3)夹紧力的方2.3.2夹紧力的确定

(2)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(b)合理图2-40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，以提高夹紧的可靠性，若切削部位刚性不足，可采用辅助支承。582.3.2夹紧力的确定(2)夹紧力的作用点应使夹紧力的大小

2.3.2夹紧力的确定

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，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。然后根据工件受切削力、重力、夹紧力等后处于静力平衡条件，计算出理论夹紧力W，再乘以安全系数K，作为实际所需的夹紧力W0，即

W0＝KW

59夹紧力的大小2.3.2夹紧力的确定夹紧2.3.3常用夹紧机构

(1)斜楔夹紧机构斜楔夹紧机构原理图2-41斜楔夹紧机构的原理图602.3.3常用夹紧机构(1)斜楔夹紧机2.3.3常用夹紧机构

斜楔夹紧的特点（1）斜楔的自锁性；（2）斜楔能改变夹紧作用力的方向；（3）斜楔具有扩力作用；（4）斜楔的夹紧行程小；（5）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，效率很低，故实际上多在机动夹紧装置中采用。适用范围612.3.3常用夹紧机构斜楔夹紧的特点（1）斜楔的2.3.3常用夹紧机构

(2)螺旋夹紧机构

图2-42螺旋夹紧原理图螺旋夹紧机构具有结构简单、制造容易、夹紧可靠、扩力比大和夹紧行程不受限制等特点，所以在手动夹紧装置中被广泛使用，其缺点是夹紧动作慢、效率低。622.3.3常用夹紧机构(2)螺旋夹紧机2.3.3常用夹紧机构

(3)圆偏心夹紧机构

圆偏心夹紧实际上是斜楔夹紧的一种变形。

图2-43偏心圆夹紧原理图

适应范围：(1)

适用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；(3)很少直接用于夹紧工件，大多是与其它夹紧元件联合使用。632.3.3常用夹紧机构(3)圆偏2.3.3常用夹紧机构

(4)铰链夹紧机构

图2-44铰链夹紧原理图铰链夹紧机构的结构简单、扩力比大且摩擦损失小，故适用于多点或多件夹紧，在气动或液压夹具中广泛应用。642.3.3常用夹紧机构(4)铰链2.3.3常用夹紧机构

(5)定心、对中夹紧机构

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相接触的元件，即是定位元件，又是夹紧元件。图2-45定心、对中夹紧原理图652.3.3常用夹紧机构(5)定心、对中夹紧机构2.3.3常用夹紧机构

(5)联动夹紧机构

图2-46联动夹紧原理图662.3.3常用夹紧机构(5)联动夹紧机构图2-46机械制造工工艺学第2章工件的装夹与夹具设计

2.4夹具设计67机械制造工工艺学第2章工件的装夹2.4夹