汽车制造工艺学第2章

1汽车制造工艺学第2章

工件的装夹和机床夹具22.1基准基准

确定加工对象上几何要素间几何关系所依据的那些点、线、面称为基准。

设计基准

在设计图样上所采用的基准

定位支座零件32.1基准工艺基准

在工艺过程中所采用的基准。又可分为：工序基准、定位基准、测量基准与装配基准。

工序基准–

在工序图上用来确定本道工序被加工表面的加工尺寸、位置公差的基准。定位基准–

在加工中确定工件在机床上或机床夹具中占有正确位置的基准。测量基准–

测量时采用的基准装配基准—装配时采用的基准4图a支座零件第1工序（车削）52.2工件装夹划线找正装夹——

以划线工人在工件上划出的代加工表面所在位置的线痕作为定位依据，定位时用划针找正位置，然后将工件夹紧直接找正装夹——

以工件的实际表面作为定位的依据，用找正工具找正工件的正确位置以实现定位然后将工件夹紧。夹具装夹装夹的含义

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62.2工件装夹

图2-10直接找正安装flash毛坯孔加工线找正线

图2-11划线找正安装flash精度高，效率低，对工人技术水平要求高精度不高，效率低，多用于形状复杂的铸件72.2工件装夹图2-12工件在夹具上装夹（滚齿夹具）专用机床夹具作用：1）保证加工精度2）提高生产效率3）减轻工人劳动强度4）扩大机床的工艺范围82.3定位原理

图2-13六点定位原理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9图2-14工件以平面3点定位XYZ

与理论力学、机构学自由度概念差别

——位置不定度

——夹紧与定位概念分开

——工件、夹具是弹性体

两点注意：“点”的含义

——对自由度的限制，与实际接触点不同2.3定位原理

10ZXYZXYZXYZXY图2-24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。图2-24给出了平面定位的几种情况。ZXYZXY定位方法与定位元件

工件以平面定位1112（2）可调支承：定位支承点的位置可以调节的定位元件，称为可调支承。主要用于以制造精度不高的毛坯面定位的场合。13（3）自位支承：定位支承点的位置随工件定位基准位置变化而自动与之适应的定位元件，称为自位支承。自位支承一般只起一个定位支承点的作用。14152、辅助支承：只起提高工件支承刚性或辅助定位作用的定位元件，称为辅助支承。16图2-25工件以圆孔定位工件以圆孔定位多属于定心定位（定位基准为圆柱孔轴线）。常用定位元件是定位销和心轴。定位销有圆柱销、圆锥销、菱形销等形式；心轴有刚性心轴（又有过盈配合、间隙配合和小锥度心轴等）、弹性心轴之分。工件以圆孔定位所限制的自由度见图2-25。XYZXYZXYZXYZXYZXYZ定位方法与定位元件

工件以圆孔定位17图2-26工件以外圆柱面定位工件以外圆柱面定位两种形式：定心定位和支承定位。工件以外圆柱面定心定位的情况与工件以圆孔定位的情况相仿（用套筒和卡盘代替心轴或柱销）。工件以外圆柱面支承定位的元件常采用V型块，短V型块限制2个自由度，长V型块（或两个短V型块组合）限制4个自由度。XYZXYZXYZXYZXYZ2.4定位方法与定位元件

工件以外圆柱面定位18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2-27为工件以锥孔定位的例子，锥度心轴限制了除绕工件自身轴线转动外的5个自由度。图2-27工件以锥孔定位2.4定位方法与定位元件

工件以其他表面定位19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。通常称定位点数最多的表面为主要定位面或支承面，称定位点数次多的表面为第二定位基准面或导向面，称定位点数为1的表面为第三定位基准面或止动面。定位方法与定位元件

定位表面的组合XZY图2-28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。如图2-28所示工件在两顶尖上的定位，应首先确定前顶尖限制的自由度，他们是。然后再分析后顶尖限制的自由度。此时，应与前顶尖一起综合考虑，可以确定其限制的自由度是。20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、线旋转的自由度无法被限制（即使被限制也无意义）。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。2.3定位原理

212.3定位原理

完全定位与不完全定位ZYXa）ZYXb）ZYXc）ZYXd）e）ZYXf）ZYX图2-15工件应限制的自由度22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，因而是不允许的。图2-16欠定位示例XZYa）b）BBB2.3定位原理

23过定位

过定位——工件某一个自由度（或某几个自由度）被两个（或两个以上）约束点约束，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，因为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。2.3定位原理

24

过定位分析（桌子与三角架）图2-17过定位分析2.3定位原理

25刀柄主轴拉杆涨套

过定位应用图2-21HSK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2.3定位原理

定位端面配合锥面26

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2-22过定位示例2.3定位原理

27图2-22a过定位引起夹紧变形2.3定位原理

28橡胶垫图2-22b过定位处理分析2.3定位原理

29为减少重复定位造成的加工误差，可采取如下措施：（1）改变定位元件结构（2）撤消重复定位的定位元件：（3）提高工件定位基准之间、定位元件定位面之间的位置精度30

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2-23过定位分析2.3定位原理

31a）YXZa1）YXZa2）YXZ图2-23a过定位示例分析2.4.3定位原理

32b）XZYXc）XZYX33b）XZYXb1）XZYXXZb2）YXXZb3）YX图2-23b过定位示例分析2.4.3定位原理

34c）XZYXc’）XZYXc1）YXXZ图2-23c过定位示例分析2.3定位原理

352.5定位误差

定位误差的概念

例如在轴上铣键槽，要求保证槽底至轴心的距离H。若采用V型块定位，键槽铣刀按规定尺寸H调整好位置（图2-29）。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。不考虑加工过程误差，仅由于轴心位置变化而使工序尺寸H也发生变化。此变化量（即加工误差）是由于工件的定位而引起的，故称为定位误差。图2-29定位误差HOAO1O2ΔDW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。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，如图2-29所示例子。362）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2-30所示工件以底面定位铣台阶面，要求保证尺寸a，即工序基准为工件顶面。如刀具已调整好位置，则由于尺寸b的误差会使工件顶面位置发生变化，从而使工序尺寸a产生误差。bΔDWa图2-30由于基准不重合引起的定位误差工序基准

定位基准2.5定位误差

372.5定位误差

定位误差计算在采用调整法加工时，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。因此计算定位误差，首先要找出工序尺寸的工序基准，然后求其在工序尺寸方向上的最大变动量即可。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；然后运用三角几何知识，求出工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量，即为定位误差。用几何方法计算定位误差38常见定位方式的定位误差分析和计算1.工件以平面定位工件以平面定位时产生的定位误差主要是基准不重合误差，基准不重合误差的计算可根据其定义，即工序基准相对定位基准在工序尺寸方向上的最大位置变动范围。

基准位移误差分两种情况：工件以粗基准定位：其中ΔH是基面形状误差造成的基面最大变动范围。

工件以精基准定位：392.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：40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：41（4）工件圆孔与锥心轴定位其中α为锥心轴的半锥角，

TD为孔的直径公差。孔直径方向配合无间隙，径向基准位移误差：

轴向最大位移即轴向基准位移误差：工件轴线可能发生偏转，转角定位误差为：Δθ=α423.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A、B、C。43（1）设计基准为A时的定位误差V形块是对中定心元件，制造无误差时，理论上外圆中心与V形块中心位置重合，无基准不重合误差。

工件外圆直径有偏差时，工件轴线在V形块中心线上下偏移。44（2）设计基准为B时的定位误差由于定位基准是A，而设计基准是B，故

工件尺寸变化时，定位基准的移动方向与工序基准相对定位基准的移动方向相同。故

基准位移误差即工件直径误差造成的A上下最大变化量45（3）设计基准为C点时的定位误差由于定位基准是A，而设计基准是C，故

工件尺寸变化时，定位基准的移动方向与工序基准相对定位基准的移动方向相反。故

基准位移误差即工件直径误差造成的A上下最大变化量46(4)组合定位误差分析(一面两孔组合定位)基准位移误差47

一面两孔组合定位中心线角度误差48(5)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，经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位移误差。4950例：水平放置心轴定位轴套上铣键槽，求H1、H2、H3、H4、H5的定位误差及键槽对称度误差。尺寸ΔjwΔjbΔdwH1H2H3H4H5对称000512.6工件夹紧

（1）保证加工精度，不破坏工件定位或产生不允许的夹紧变形；（2）保证生产率、力求夹紧迅速；（3）结构简单紧凑，制造维修方便，尽量采用标准件；（4）操作方便、省力、安全。2.6.2夹紧力的确定夹紧力的方向

（1）夹紧力的方向应使定位基准面与定位元件紧密接触，保证定位准确、可靠；（2）夹紧力的方向应指向工件刚性最大的方向，以减少工件夹紧变形；（3）夹紧力的方应尽量与切削力、重力方向一致，以减小所需的夹紧力。2.6.1夹紧装置设计基本要求522.6.2夹紧力的确定

（1）作用力点应针对或位于支承元件所形成的支承面内，防止夹紧破坏定位；（2）作用力点应位于工件刚性最好的部位，以减少夹紧变形；（3）夹紧应靠近加工表面，以减小切削力对夹紧点得力矩，增加可靠性，防止振动和变形。夹紧力作用力点的确定53夹紧力的大小

在加工过程中，夹紧力要克服工件受到切削力、惯性力及重力的作用，保证工件的工作位置不变。如果工件在这些力的作用下产生瞬间的少量位移，即为夹紧失效。以对夹紧最不利的瞬间状态来估算所需的夹紧力,对于受力状态复杂的工件，通常只考虑主要因素的影响，略去次要因素。确定夹紧力的大小，通常把工件和夹具看成刚性系统，把工件看成是在切削力、夹紧力、重力、惯性力等作用下的平衡体，通过力平衡求出夹紧力，再乘以安全系数ｋ，作为实际夹紧力。

K=K0K1K2K3确定过程：1）加工情况分析：切削力的大小、方向和变化；夹紧失效的可能性；2）夹紧力估算：静力平衡方程，夹紧力计算合成。542.6.3常用夹紧机构斜楔夹紧机构：斜楔的楔角是斜楔夹紧机构的主要参数，它对斜楔的增力比、自锁性、夹紧行程及操作性能都起决定性的作用。

自锁条件是压力角(此处是斜楔升角)小于摩擦角

<1+2558.3.3常用夹紧机构螺旋夹紧机构：由螺钉、螺母、垫圈、压板等元件组成的夹紧机构，增力比很大，自锁性很好。56偏心夹紧机构自锁条件：偏心夹紧斜楔角αx

：偏心轮的工作转角一般小于90o，常用工作段φx：45o~135o：升角大，夹紧力较小，但夹紧行程大

90o~180o：升角由大到小，夹紧力增大，但夹紧行程小。

2.6.3常用夹紧机构偏心夹紧机构：偏心夹紧的实质还是斜楔的作用。

572.6.3常用夹紧机构联动夹紧机构58夹紧的动力：人工手动、气动、液压、电动等。2.6.3常用夹紧机构铰链夹紧机构定心、对中夹紧机构59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2.7机床夹具夹具的分类气动虎钳液压夹具60图2-46b组合夹具实例2.7机床夹具61

设计特点和要求

（1）因夹具要回转，要求结构紧凑，尺寸小，重量轻，重心尽可能靠近回转轴线，减小惯性力。（2）应有平衡措施，消除回转不平衡引起的振动现象，一般设计平衡块的位置可调，便于调整。（3）为了操作安全，夹具尽可能避免尖角或突出部位，必要时回转部分外面应加防护罩。（4）夹具与机床主轴定位面间必须有良好的配合和可靠的联接。2.7典型夹具实例2.7.1车床及磨圆夹具

车床和磨圆夹具通常安装在机床的主轴上，与主轴一起回转。

结构形式：心轴式、圆盘式、角铁式等622.7.2铣床夹具铣床夹具设计时特别注意：铣削加工切削力较大，又是断续切削，加工中易引起振动，因此夹紧机构要有足够的夹紧力和较好的自锁性，且受力元件要有足够的强度和刚性。铣削加工一般是定距加工，为了便于调整刀具，通常要设置对刀装置。对刀块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。铣床夹具在机床上要定位，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。常采用导向键与机床工作台T形槽相配合来实现。63

钻套2.7.3钻床夹具钻夹具的特点

（1）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。（2）由于钻削力矩小，钻小孔时夹具常不固定。（3）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。642.8机床夹具设计2.8.1专用夹具设计的基本要求保证工件的加工要求。正确定位、引刀、夹紧。提高加工效率、降低成本。结构简单、装夹快速。操作方便、便于排屑、工作安全。优良好的结构工艺性。2.8.2专用夹具设计的步骤明确任务，研究资料，了解生产条件；拟定夹具的结构方案，绘制夹具结构草图；（1）确定工件的定位方案，设计对刀装置（2）确定工件夹紧方式和夹紧装置（3）确定夹具其它元件及夹具具体结构绘制夹具图，标注有关尺寸和技术要求；绘制零件图。652.8.3夹具公差与技术要求应标注的尺寸和技术要求与一般机械装配图一样，要求标注夹具轮廓尺寸、配合尺寸、与机床联接尺寸及配合要求、动作极限等。定位元件之间、定位元件与引导元件间位置精度要求。装配、检验及调整方法及特殊技术要求等。夹具操作、平衡及安全说明。

夹具公差

确定夹具公差的原则是保证零件的加工精度。在不增加制造难度的情况下，夹具公差引尽量减少，提高可靠性，补偿使用中的磨损量。由于夹具生产为单件生产，高精度要求的夹具可采用调整法、修配法或组合法加工。通常夹具公差取相应零件公差的1/3~1/5，角度公差取1/2~1/5。有配合要求的按一般配合原则决定。返回66本工序需在钢套上钻φ5mm孔，应满足如下加工要求：

1、φ5mm孔轴线到端面B的距离20士0．1mm；

2、φ5mm孔对φ20H7孔的对称度为0．1mm。

3、已知工件材料为Q235A钢，批量N=500件。试设计钻φ5mm孔的钻床夹具。67

如图2—6所示，本工序需在钢套上钻φ5mm孔，应满足如下加工要求：

1、φ5mm孔轴线到端面B的距离20士0．1mm；

2、φ5mm孔对φ20H7孔的对称度为0．1mm。

3、已知工件材料为Q235A钢，批量N=500件。试设计钻φ5mm孔的钻床夹具。

第三节专用夹具设计示例

图2—668

一、定位方案按基准重合原则，定位基准确定为：B面及φ20H7孔轴线。采用一凸面和一心轴组合定位。二、导向方案为能迅速、准确地确定刀具与夹具的相对位置，钻夹具上都应设置引导刀具的元件——钻套。钻套一般安装在钻模板上，钻模板与夹具体连接，钻套与工件之间留有排屑空间，如图2—7所示。图2—769

三、夹紧方案由于工件批量小，宜用简单的手动夹紧装置。钢套的轴向刚度比径向刚度好，因此夹紧力应指向限位台阶面。如图2-8所示，采用带开口垫圈的螺旋夹紧机构。

四、夹具体的设计如图2—8所示采用铸造夹具体的钢套钻孔钻模。70图2—8铸造夹具体钻模1—铸造夹具体2—定位心轴3—钻模板4—固定钻套5—开口垫圈6—具紧螺母7—防转销钉8—锁紧螺母71

图2-9型材夹具体钻模1一盘2一套3一定位心轴4一开口垫圈5一夹紧螺母6一固定钻套7一螺钉8一垫圈9一锁紧螺母10一防转销钉11一调整垫圈72

图2-9为采用型材夹具体的钻模。夹具体由盘l及套2组成，定位心轴3安装在盘1上，套2下部为安装基面8，上部兼作钻模板。此方案的夹具体为框架式结构。采用此方案的钻模刚度好、重量轻、取材容易、制造方便、制造周期短、成本较低。五、绘制夹具装配总图如图2—9所示73

第四节夹具总图上尺寸、公差和技术要求的标注一、夹具总图上应标注的尺寸和公差

1．最大轮廓尺寸若夹具上有活动部分，则应用双点划线画出最大活动范围，或标出活动部分的尺寸范围。如图2-9中最大轮廓尺寸为：84mm、φ70mm和60mm。

2．影响定位精度的尺寸和公差主要指工件与定位元件及定位元件之间的尺寸、公差。如图2-9中标注的定位基面与限位基面的配合尺寸；74

图2—10中标注为圆柱销及菱形销的尺寸及销间距图2—10车床夹具尺寸标注示意图

753．影响对刀精度的尺寸和公差主要指刀具与对刀或导向元件之间的尺寸、公差，如图2-9中