第三章 工件装夹和机床夹具

第3章工件的装夹

和机床夹具

在机床上加工工件时，为了使工件在该工序所加工的表面能达到规定的尺寸和位置公差要求，在开动机床进行加工之前，必须首先使工件占有一正确位置。通常将确定工件在机床上或机床夹具中占有正确位置的过程，称为定位。当工件定位后，为了避免在加工中受到切削力、重力等力的作用而受到破坏，还应该用一定的机构或装置将工件固定住。工件定位后将其固定，使其在加工过程中保持定位位置不变的操作，称为夹紧。将工件在机床上或机床夹具中定位、夹紧的过程称为装夹。在成批大量生产中，工件的装夹是通过机床夹具实现的。用以装夹工件(和引导刀具)的装置，称为机床夹具。机床夹具是工艺系统的组成部分之一。机床夹具在汽车零件机械加工过程中应用十分广泛。第一节基准的概念

机械零件是由若干几何要素(点、线、面)组成的，各几何要素之间都有一定的尺寸和位置公差要求。用来确定生产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。根据其作用和应用场合不同，基准可分为两大类，即一、设计基准

设计图样上采用的基准称为设计基准。如图2-1a所示，假想的球心O为球外圆Sφ100mm的设计基准，实际存在的球下点B是平面A的设计基准。图2-1b所示的汽车变速器拨叉图样中，孔φ19mm和螺纹孔M10的设计基准分别为假想的孔轴线和螺纹孔轴线。拨叉平面F，用尺寸31.7mm±0.15mm与螺纹孔相联系，假想的螺纹孔轴线是拨叉平面F的设计基准；反之也可以认为实际存在的拨叉平面F是螺纹孔的设计基准，两者互为设计基准。螺纹孔垂直度的设计基准为φ19mm孔的轴线和19mm槽的对称中心平面组成的公共轴平面A—B。从上述两个实例分析可知，设计基准可以是点、线、面，它既可以是实际存在的，也可以是假想的；并且有些设计基准可以是互为的。设计图样上标注的尺寸均称为设计尺寸。二、工艺基准在工艺过程中采用的基准称为工艺基准。工艺基准常见的有工序基准、定位基准、测量基准和装配基准等。1．工序基准

工序卡上用以表示工件被加工表面加工要求及工件装夹情况的简图，称为工序图。在工序图上用来确定本道工序被加工表面加工尺寸、位置公差的基准，称为工序基准。图2-2所示为—车削工序图，工件外圆表面5装夹在三爪自定心卡盘中，端面6靠在卡爪平面上，加工端面F、1、2和内孔及外圆3、4。分别保证轴向尺寸L0、L1、L2和外圆、内孔直径尺寸φd、φD。端面6是端面F的工序基准，端面F是端面1和2的工序基准，表面1、2通过加工尺寸L1、L2及平行度公差与工序基准F相联系。外圆φd和内孔φD的工序基准为其轴线。联系被加工表面与工序基准间的加工尺寸，是本工序应直接保证的尺寸，称为工序尺寸。工序基准是工序图上工序尺寸、位置公差标注的起始点。从上述分析可知，工序基准可以是实际存在的，也可以是假想的点、线、面。工序尺寸从工序基准为起点，指向被加工表面，所以工序尺寸具有方向性。多数情况下，工序基准与设计基准重合。2．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，称为定位基准。有时，作为定位基准的点、线、面在工件上不一定实际存在(如外圆和内孔的轴线、对称面等)，而常由某些实际存在的表面来体现，这些体现假想的定位基准的表面称为定位基面。如图2-2所示工件装夹在三爪自定心卡盘中，工件外圆5与卡爪接触，端面6靠在卡盘平面上，从而实现径向(轴线)和轴向的定位。端面6是实际存在的定位基准，它确定了工件的轴向位置；外圆轴线是假想的定位基准，它确定了工件的径向位置；外圆5是径向定位的定位基面。

定位基准(基面)有粗基准和精基准之分。用未经加工过的表面作为定位基准(基面)，称为粗基准；用已加工过的表面作为定位基准(基面)，称为精基准。一般情况下，定位基准应与工序基准和设计基准重合，否则将产生基准不重合误差。有关基准不重合误差问题将在本章第五节中详细介绍。3．测量误差

测量时所采用的基准，即用来确定被测量尺寸、形状和位置的基准，称为测量基准。测量基准可以是实际存在的，也可以是假想的。实际存在的测量基准亦称为测量基面。如图2-2中，以端面F为基准，用深度卡尺测量端面1、2的尺寸L1、L2，端面F就是端面1、2的测量基面。对于假想的测量基准，一定有一实际存在的测量基面来体现，如图2-3所示阶梯轴放在V形块上测量轴颈2的径向圆跳动，轴颈1的轴线3为测量基准，而轴颈1的外圆表面为测量基面。4．装配基准

装配时用来确定零件或部件在产品中的相对位置所采用的基准，称为装配基准。装配基准可以是实际存在的，也可以是假想的。实际存在的装配基准，亦称为装配基面。如图2-4所示，倒挡齿轮2轴向的装配基面是与变速器壳体1接触的右端轮毂端面，倒挡齿轮径向的装配基准为其内孔轴线，而内孔表面为装配基面。

上述各基准应该尽可能使之重合。图2-4所示的倒挡齿轮，其零件图样设计时，把装配基准的内孔作为设计基准；在轮齿齿面加工时，将内孔轴线又作为工序基准和定位基准；在测量齿圈径向圆跳动时，也将内孔轴线作为测量基准。因此该齿轮的内孔轴线——装配基准、设计基准、工序基准、定位基准和测量基准重合。基准重合是工程设计中应遵循的一个基本原则。在产品设计时，应尽量把装配基准作为零件图样上的设计基准，以便直接保证装配精度的要求。在零件加工时，应使工序基准与设计基准重合，以便能直接保证零件的加工精度；工序基准与定位基准重合，可避免进行复杂的尺寸换算，还可以避免产生基准不重合误差。第二节工件的装夹方法

工件装夹时，为了保证工序尺寸和位置公差，应满足以下两项基本要求：

1)加工之前，工件必须正确定位，即工件相对于机床和刀具应占有正确位置。

2)加工过程中，工件必须合理夹紧，即保证作用于工件上的各种外力不破坏定位。实现工件的正确装夹，有找正装夹法和专用机床夹具装夹法两种方法。

一、找正装夹法

按找正的方法，有直接找正装夹和划线找正装夹两种。

(1)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(如划针和指示表)找正工件的正确位置以实现定位，然后将工件夹紧的方法，称为直接找正装夹。如图2-5所示，在内孔磨床上用四爪单动卡盘装夹套筒，欲保证磨孔后的内孔对外圆的同轴度。采用指示表(百分表)按工件外圆进行找正，使外圆轴线与磨床主轴轴线同轴，从而使工件径向在磨床上占有一正确位置，然后用四爪单动卡盘将找正获得的正确位置固定下来。此时．找正的外圆称为定位基面，外圆的轴线为定位基准。

此种装夹方法生产率低，一般只适用于单件小批生产。找正的精度取决于找正工具和工人的技术水平。如果操作工人的技术水平高，且采用精密测量仪器，则可以获得较高的定位精度。(2)划线找正装夹以划线工人在工件上划出的待加工表面所在位置的线痕作为定位依据，定位时用划针找正其位置，然后将工件夹紧的装夹方法，称为划线找正装夹。图2-6所示为在汽车变速器拨叉上加工螺纹孔的找正装夹。若加工工件数量较少，可以按划线找正装夹。首先将拨叉安装在划线平台的方箱上，在螺纹孔处涂上颜色，按要求找出螺纹孔中心位置，并在孔中心处划出十字线痕和底孔圆线痕。然后将待加工拨叉装在图2-6示的虎钳上，用划针找正拨叉的正确位置。加工时，将钻头对准已划出孔中心线痕的位置进行钻孔和攻螺纹。此种装夹方法生产率低，定位精度也低，而且对工人的技术水平要求较高，一般只适用于单件小批生产中加工复杂而笨重的零件，或零件不宜直接使用通用机床夹具装夹的场合。采用找正装夹法，工件正确定位是通过找正来实现的，工件夹紧往往是通过四爪单动卡盘、虎钳等通用机床夹具或压板夹紧来实现的。由上述可知，找正装夹法虽然简便，但效率较低，工人劳动强度较大，找正精度取决于找正方法、找正工具和工人的技术水平等，对于产量不大、加工质量要求不高的场合，仍不失为一种简单、实用、经济的装夹方法，但对于成批大量生产的汽车零件机械加工并不适用。二、专用机床夹具装夹法专用机床夹具是为某种零件在某一道工序上的装夹而专门设计和制造的机床夹具。图2-7a所示为加工拨叉工件用的专用钻床夹具。该钻床夹具安放在钻床工作台上，先将钻头对准钻套2，然后用压板将钻床夹具固定在钻床工作台上。使用时，首先将拨叉工件套人定位销3(A1)上，同时使工件的槽对准并装在定位销8(A2)上，并将拨叉平面F与支承钉5接触，实现工件的正确定位。然后，转动星形手柄(螺母)7，通过钩形压板6夹紧工件。这样，加工时只需将工件装夹到钻床夹具上，就可方便地进行钻孔，并保证工序尺寸及位置公差要求。为在钻孔后立即攻螺纹，可把钻模板l绕销轴翻转让出空间，丝锥就能下移加工。

专用机床夹具定位准确，装卸工件迅速，但设计与制造的周期较长，费用较高。因此，主要适用于产品相对稳定而产量较大的成批和大量生产。对于多品种、小批生产的汽车生产来说，采用专用机床夹具装夹工件是不适当的。为适应多品种、小批生产的需要，可以使用组合夹具、可调整夹具和成组夹具等。由上述分析可知，专用机床夹具的作用有以下几方面：

1)保证加工精度。机床夹具可准确确定工件、刀具和机床之间的相对位置，从而保证被加工表面的工序尺寸和位置公差要求，加工精度的稳定性好。

2)提高生产率。专用机床夹具可快速地将工件定位和夹紧，减少装卸工件的辅助时间。

3)减轻工人的劳动强度。采用机械、气动、液压等夹紧装置，安全省力，可以减轻工人的劳动强度。

4)扩大机床的工艺范围。利用专用机床夹具，可扩大机床的加工范围。如在卧式车床刀架处安装一专用镗孔夹具，车床可对箱体轴承座孔进行加工。一、工件定位的六点定位规则

一个自由刚体，在空间直角坐标系中有六个方向活动的可能性，即沿三个坐标轴方向的移动(分别用符号表示)和绕三个坐标轴方向的转动(分别用符号表示)。自由刚体在空间的不同位置，就是六个方向活动的结果。一般将某个方向活动的可能性称为一个自由度，即一个自由刚体在空间共有六个自由度。工件可以近似地看成为自由刚体。工件在没有采取定位措施时，其位置具有六个可活动的自由度。要使工件在某个方向有确定的位置，就必须限制该方向的自由度。可通过在坐标平面上适当布置支承点(实际上是一较小的支承面积)的方式来限制相应的自由度。如图2-11所示，若使一个六方体工件在空间占有惟一确定的位置，可在空间直角坐标系的三个平面上适当布置六个支承点，即在XOY平面上布置三个不在同一直线上的支承点l、2和3，相应限制工件的三个自由度；在YOZ平面上布置两个支承点4和5，限制两个自由度；在XOZ平面上布置一个支承点6，限制工件自由度。六个支承点实现限制工件在空间的六个自由度，使工件在空间占据了惟一确定位置。我们将在工件的适当位置上布置六个支承点，相应限制工件的六个自由度，从而确定工件惟一确定位置的规则，称为六点定位规则。第三节工件在机床夹具中的定位

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移动自由度例1在图2-12所示的一圆球上铣平面B，保证工序尺寸H。试分析为保证加工要求应限制的自由度。

解直角坐标系如图2-12所示，坐标轴应与工件工序基准重合或相平行。然后对应限制的自由度进行分析，凡是对加工要求有影响的自由度必须加以限制，并用分析式表示例2在图2-13所示的一圆柱体上铣平面，保证工序尺寸H。试分析为保证加工要求应限制的自由度。解直角坐标系如图2-13所示。分析为保证加工要求应限制的自由度：工序尺寸H(工序基准为圆柱体下母线A)，应限制的自由度；该工序应限制两个自由度。例3在图2-14所示圆柱体上扩孔，要保证扩孔尺寸ΦD及内孔对外圆的同轴度公差Φt的加工要求。试分析工件正确定位应限制的自由度。例4在图2-15所示的长方形铁块上铣一通槽，要保证工序尺寸A、B、C。试分析正确定位应限制的自由度。例5在图2-16所示的圆柱体上铣一槽，要保证：①槽宽尺寸b；②槽深尺寸H；③槽对圆柱体轴线的对称度公差t。试分析工件正确定位应限制的自由度。解直角坐标系如图2-16所示。为保证加工要求应限制的自由度：槽宽尺寸b：由定尺寸刀具直接保证，不需要限制自由度；槽深尺寸H(工序基准为下母线C)，应限制自由度;

槽的对称度(工序基准为圆柱体轴线)，应限制自由度;

综上分析知，该工序应限制四个自由度。例6在图2-7b所示拨叉上钻螺纹孔底孔。要保证：①钻孔φ8.9mm；②螺纹孔位置尺寸(31.7±0.15)mm；③孔φ8.9mm对孔φ19mm的对称度；④孔φ8.9mm对孔φ19mm及槽19mm的对称中心平面A-B的垂直度。试分析为保证加工要求应限制的自由度。解直角坐标系如图2-7b所示。为保证加工要求应限制的自由度：钻底孔φ8.9mm：由刀具直接保证，不需要限制自由度；工序尺寸31.7mm(工序基准为F平面)，应限制自由度;

保证垂直度(工序基准为A一B平面)，应限制自由度;

保证对称度(工序基准为φ19mm孔的轴线)，应限制的自由度

;

综上分析知，该工序应限制五个自由度。

通过上述实例分析可知，用静调整法加工一批工件时，为保证某一工序的加工要求，工件必须正确定位。正确定位可以用对工件工序基准限制一定的自由度来达到。但是工件应限制的自由度并不一定要将六个自由度都被限制住，只是对加工要求有影响的自由度应加以限制。由刀具直接保证的加工要求和不影响加工要求的自由度，都不必加以限制。为保证加工要求应限制的自由度，称为第一类自由度。而对加工要求无关的自由度称为第二类自由度。在工件实际定位时，第二类自由度可根据工件所承受的切削力、夹紧力等情况和刀具在工件加工表面上运行的工作行程范围，考虑是否应加以限制。为简化分析自由度，可将对工件工序各项加工要求应限制的自由度分析，转化成对各项加工要求的工序基准的自由度分析。工序基准常见的有点、线、平面三种，它们在直角坐标系中的位置分别由：点—三个移动自由度；线—两个移动和两个转动自由度；平面—一个移动和两个转动自由度决定的。如果某些自由度对加工要求有影响，则该自由度就必须加以限制。表2-1列举了常见加工形式为保证加工要求应限制的自由度。

三、机床夹具定位元件及其所限制的自由度在实际生产中，工件正确定位时，对工件第一类自由度的限制，是通过工件定位基准(或基面)与机床夹具定位元件的配合或接触来实现的。工件在机床夹具中定位时，根据工件的结构特点和工序的加工要求的不同，选择的定位基准(基面)有各种形式(如平面、内孔、外圆、圆锥面和型面等)，不同的定位基准(基面)选择不同类型的定位元件。定位元件限制工件定位基准(基面)的自由度情况与定位元件的结构形式、采用的数量、布置的位置等有关，也与定位元件与工件定位基面的接触及配合的面积或长度的大小等有关。由于机床夹具定位元件是确定工件正确位置的元件，它要经常与工件定位基准(基面)接触，所以定位元件必须满足以下几点要求：

1)一定的精度。定位元件的精度直接影响工件的加工精度。除定位元件本身应具有一定尺寸精度外，定位元件间的位置尺寸及位置公差，一般应取与工件相应尺寸及位置公差的1／5～1／2。

2)良好的耐磨性。定位元件与定位基准(基面)直接接触，易引起磨损。为能较长期保持其精度，定位元件的定位表面必须具有良好的耐磨性。

3)足够的刚性。为保证在受到切削力、夹紧力等力的作用下，不致发生较大的变形而影响工件的加工精度，定位元件必须具有足够的刚性。

4)良好的工艺性。定位元件应便于制造、装配和维修。(一)工件以平面为定位基准时常用的定位元件

使用元件的平面支承工件的定位基准，这类元件称为支承件。支承件有两类：一类是用来限制自由度的支承件，即起定位作用的支承件，称为基本支承；另一类是不起限制自由度作用的支承件，称为辅助支承。

1．支承钉常用支承钉的结构形式如图2-17所示，A型平头支承钉用于支承精基准；B型球头支承钉用于支承粗基准；C型齿纹平面支承钉常用于要求摩擦力大的工件侧面的支承。一个支承钉相当于一点支承，限制一个自由度；在一个平面内，两个支承钉限制两个自由度；不在同一条直线上的三个支承钉限制三个自由度。2．支承板常用支承板的结构形式如图2-18所示。图a所示为平面型支承板的结构简图，其缺点是埋头螺钉孔处落入切屑后不易清除，适用于作工件侧面和顶面的定位；图b所示为带斜槽型支承板，优点是易清除槽内落入的切屑，适用于作工件底面的定位。当支承的定位基准平面较大时，常用几块支承板组合成一个大的支承平面，各支承板组装到夹具体上后，应在平面磨床上将其支承平面一起磨平，以保证等高。限制三个自由度，一般称为主要支承；一个支承板相当于两个支承点，限制两个自由度，一般称为导向支承，一般将限制一个自由度的支承称为止推支承。3．可调支承可调支承常用形式如图2-20所示。可调支承多用于支承工件的粗基准，其支承的高度可根据需要进行调节。一般每加工一批工件时，应根据粗基准表面的状态作出相应调节，以保证加工余量均匀或保证加工面与非加工面间的位置尺寸。支承调节到位后应用螺母将其锁紧。在同一批工件加工中，一般不再进行调节，其定位作用与支承钉相同。4．自位支承自位支承常用的几种结构形式如图2-21所示。由于自位支承是摆动的或浮动的结构，所以结构是以两点或三点与工件支承表面接触，其实质只起一个点的支承作用，限制一个自由度。自位支承用以增加与工件表面的支承点，以减小工件的变形或减小接触应力。5．辅助支承

辅助支承不是定位元件，只是用以增加工件在加工中的支承刚性作用，不能限制工件的自由度。图2-22所示为工件以两个相互垂直的平面定位在支承上，并在上部夹紧，加工表面(以粗实线表示)远离定位支承面和夹紧点。由于加工面悬伸较大，刚性差，加工时工件容易发生变形和引起振动。因此，在悬伸部位设置辅助支承2，并在辅助支承对面处施加夹紧力FC2，这样，缩短了力臂，提高了工件在加工中的刚性和稳定性。

图2-23所示为几种典型的辅助支承的结构形式。图a所示结构简单，但调节支承钉转动时会破坏工件的定位；图b所示结构调节螺母l旋转时，支承钉2作上下移动；图c结构为弹性辅助支承，支承钉4受下端弹簧3的作用而与工件底平面接触。当工件夹紧后，回转手柄7通过锁紧螺杆6，推动斜面顶销5，将支承钉4的圆柱销锁紧；图d所示为推力辅助支承，工作时通过推杆8的斜面，将支承滑柱9上移与工件平底面接触，然后回转手柄11使与之相连接的螺杆左移，通过钢球12使上、下半圆键10胀紧在孔壁上而被锁紧。(二)工件以内孔为定位基面时常用的定位元件以内孔作为定位基面，常用的定位元件有定位销和心轴两类。1．定位销常用的固定式定位销的几种典型结构如图2-24所示。当工件的内孔直径尺寸较小时，可选用图a所示的结构；内孔直径尺寸较大时可使用图b所示结构的定位销；当工件同时以内孔及其端面组合定位时，则应用图c所示的带有支承环的结构，该结构定位销为非标准结构；图d为圆锥形定位销。圆柱定位销根据与工件内孔配合的长径比，分为长圆柱销和短圆柱销。长圆柱销可限制四个自由度，短圆柱销限制两个自由度。图d所示圆锥销限制三个移动自由度。2．心轴常用心轴有下列三种结构形式。

1)锥形心轴。图2-25a所示锥形心轴的锥度，一般为1／1000～1／5000。定位时是依靠心轴的锥体定心和胀紧，可限制五个自由度。

2)过盈配合的圆柱心轴。图2-25b所示心轴的定位部分3与工件定位基面内孔为过盈配合。为了使工件易于迅速而准确地套入，在心轴的前端设置导向部分1。这种心轴的定心精度较高，利用过盈产生的摩擦力矩传递一定的扭矩，常用于盘套类零件的精车外圆和端面等。过盈配合心轴限制四个自由度。

3)间隙配合心轴。图2-25c所示心轴的定位部分3与工件定位基面内孔为间隙配合，图示心轴左端轴肩作轴向定位，依靠心轴右端的螺母进行夹紧。间隙配合心轴装卸工件较为方便，但因存在配合间隙，定位精度较低。带轴肩的间隙配合心轴可限制五个自由度，其中心轴定位部分限制四个自由度。(三)工件以外圆为定位基面时常采用的定位元件工件以外圆作为定位基面时，常用定位元件有V形块、半圆定位块、定位套及定心夹紧机构等。

1．固定式V形块固定式V形块的几种结构形式如图2-26所示。其中图a所示为短V形块；图b所示为两个短V形块的组合，用于作为定位基面的外圆柱面较长或两段外圆柱面分布较远时的情况；图c所示为分体式结构的V形块，它们装在夹具体上，其V形块工作面上镶有淬硬钢或硬质合金镶块，常用于工件定位基面外圆柱面长度和直径均较大的情况。上述V形块如用于粗基准或阶梯外圆柱面的定位时，V形块工作面的长度一般应减为2～5mm，可制造成图d的结构，以提高定位的稳定性。一个短V形块限制两个自由度；两个短V形块的组合或一个长V形块均限制四个自由度。2．活动式V形块活动式V形块有浮动式V形块和移动式V形块两种。图2-27所示为两种浮动式V形块结构，V形块是依靠其后边的弹簧实现浮动的。活动式短V形块限制一个自由度。3．定位套定位套的结构形式如图2-28所示。图a结构用于工件以端面为主要定位基准，工件短圆柱面定位于夹具定位套内孔内，定位套孔限制两个自由度；图b结构用于以工件外圆柱面为主要定位基面定位在长定位套内孔内，长定位套孔限制四个自由度；图c结构用于工件以圆柱端面外缘为定位基面定位于锥孔内，定位元件锥孔限制三个自由度。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）BB欠定位b）B正确定位过定位过定位—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。

过定位分析图2-13过定位示例XYa)过定位ZYb)合理定位ZYXY2.2.5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

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。2.2.5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基准不重合误差第2章工件的装夹与夹具设计

2.3工件的夹紧2.3.1夹紧装置的组成及基本要求组成（1）力源装置.人力、气动、液动、电动等。（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；2）夹紧力大小要适当；并能在一定范围内调节,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；

3）应有足够的夹紧行程；4）手动时要有自锁性能：5）夹紧动作要迅速、可靠；6）结构紧凑，易于制造与维修。基本要求牢、准、快2.3.2.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）夹紧力方向应垂直于主要定位面,以保证加工精度

2）夹紧力的作用方向应使所需夹紧力最小

3）夹紧力的作用方向应使工件变形尽可能小

(２)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，以减小切削力对夹紧点的力矩，防止或减少工件加工时的振动(３)夹紧力大小的估算

夹紧力的大小根据切削力、工件重力的大小、方向和相互位置关系具体计算，并乘以安全系数K，一般精加工K=1.5～2，粗加工K=

2.5～3。2.3.3.常用夹紧机构（1）斜楔夹紧机构利用斜面移动所产生的压力夹紧工件。以斜楔为研究对象，夹紧时根据静力平衡原理，有

FQ=F1+FRXF1=FJtanΦ1FRX=FJtan(α＋Φ2)FJ=FQ/[tanΦ1＋tan(α＋Φ2)]设Φ1=Φ2=Φ，当α≤10°，可用下式近似计算FJ=FQ/(

tanα＋2Φ)夹紧力FQ去除，斜楔受到F1、FRX作用，要能自锁，必须满足下式

F1＞FRXF1=FJtanΦ1FRX=FJtan(α－Φ2)tanΦ1＞tan(α－Φ2)即Φ1＞(α－Φ2)或α＜Φ1＋Φ2一般Φ1=Φ2=Φ=5～7°，故当α＜10～14°时自锁，一般取α=6～8°斜楔夹紧的特点：

1）有增力作用，扩力比i=FJ/FQ

，约等于3；2）夹紧行程小,h/s=tanα，故h远小于s；3）结构简单，但操作不方便。主要用于机动夹紧，且毛坯质量较高的场合。（2）偏心夹紧机构常见的偏心轮—压板夹紧机构1）圆偏心夹紧原理及其几何特性

偏心夹紧实质是一种斜楔夹紧，但各点升角不等，m、n处升角为0，P处升角最大。

2）圆偏心夹紧的自锁条件

P点夹紧时能自锁，则可保证其余各点均可自锁自锁条件αp≤

Φ1＋Φ2

tanαp=2e/D≈αp为安全起见取Φ1=02e/D≤Φ2≈μ2,取μ2=0.1~0.15,D/e≥14～20自锁,D/e叫偏心轮的偏心特性，表示偏心轮的工作可靠性3）圆偏心夹紧的夹紧力

3）圆偏心夹紧的夹紧力

M=Pl=Q1ρ或Q1＝Pl/ρ

因为αp很小，Q1≈Q1cosαp=FQ

根据斜楔夹紧原理，得P点产生的夹紧力为Q＝FJ＝Pl/〔ρ(tanΦ1+tan（αp＋Φ2））〕

一般取l=(2～2.5)D，ρ≈D/2

扩力比约为12～134）圆偏心的夹紧行程确定夹紧行程hPE需考虑如下因素：夹紧工件尺寸公差、装卸间隙、夹紧变形及磨损贮备量等

hPE≥T+Δ间+Δ贮偏心距e为e=hPE/(cosγP-cosγE)若取P点左右各45°圆弧作为工作段，则

e=hPE/(cos45°

-cos135°)=hPE/1.1414

圆偏心轮夹紧力小，行程小，自锁性不太好，用于切削力小，无振动，工件尺寸公差不大的场合。（3）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）夹紧行程不受限制；4）夹紧动作慢，辅助时间长，效率低（4）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（5）夹紧动力装置气动、液压、电磁、真空等气—液压组合夹紧图2-61固定式钻床夹具

1一圆支承板2一长V形块3一钻模板4一钻套

5一v形压块6一止动螺钉7一转轴8一手柄专用钻床夹具定位键是保证铣床夹具对铣床工作台间相对位置的连接元件。(2).对刀装置(3).引导元件钻套是用来引导钻头、铰刀等孔加工刀具的导向元件。钻套的功能是确定孔加工刀具相对于夹具定位元件间的位置和引导孔加工刀具，提高刀具的刚性，防止其在加工中发生偏移。当钻削凹坑内孔，或处于斜面上孔，或钻削两孔中心距很小的孔时，可分别使用特殊钻套。钻套的高度与工件材料、钻孔直径、孔深、刀具刚度、工件表面形状等因素有关。钻套高度尺寸H对孔加工刀具的导向作用和刀具与钻套内孔间的摩擦都有很大的影响。一般取H／d=1～2．5，如被加工孔的加工精度要求高、工件材料强度高、钻头刚性较差和在工件斜面上钻孔时，取较大的比值。钻套与工件间的间隙是排屑的空间。其间隙值h太大，将影响刀具的导向精度，进而影响孔的加工精度；如尺寸h太小，切屑难以自由排出，会影响被加工孔的表面质量，甚至会因阻力矩的增大而折断钻头。根据经验，加工钢件材料时取h=(0．7～0．5)d；加工铸铁等脆性材料时取h=(0．3～0．4)d，其中大孔取小值，小孔取大值。2.3.5常见机床夹具（1）钻床夹具

（2）铣床夹具（3）车床夹具（4）成组夹具（5）组合夹具（6）随行夹具.北汽福田汽车股份有限公司蒙派克工厂右舵轻客（左右舵车型切换）车身总成装焊线改造的设计、加工制造、安装调试与现场服务。2.3.6汽车焊接夹具示例.河北长安汽车股份有限公司SC6393车身左右侧围装焊夹具改造的设计、加工制造、安装调试与现场服务。.北京汽车制造厂有限公司007皮卡左右侧围焊接总成焊装线的设计、加工制造、安装调试与现场服务。

.长安汽车(集团)重庆长安跨越车辆有限公司CY5车身焊接夹具的设计、加工制造与安装调试与现场服务.郑州日产汽车股份有限公司D22车架焊接总成装焊线的设计、加工制造、安装调试与现场服务.北汽福田南海汽车厂皮卡系列三种车架焊接总成装焊线的设计、加工制造、安装调试与现场服务.北京汽车制造厂有限责任公司S12副车架焊接总成装焊夹具的设计、加工制造、安装调试与现场.奇瑞汽车有限公司P11（SUV）车架焊装线改造项目设计、制造、安装调试。.北京汽车制造厂有限责任公司007项目车架焊接总成装焊线的设计、制造、安装调试。第2章工件的装夹与夹具设计

2.4夹具设计2.4.1夹具设计的步骤

1)收集和研究有关资料（1）生产批量；（2）零件图及工序图；（3）零件工艺规程；（4）夹具典型结构及有关标准。2)确定夹具的结构方案(1)确定工件的定位方式和定位元件，进行定位误差计算；(2)确定工件的夹紧方式，选择合适的夹紧装置；(3)选择刀具的对准及引导元件；(4)确定其它元件或装置的结构形式；(5)协调各元件、装置的布局，确定夹具体的总体结构。(6)夹具工作精度的分析计算2.4.1夹具设计的步骤

3)绘制夹具总图4)确定并标注有关尺寸、配合及技术条件(1)应标注的尺寸及配合①工件与定位元件的联系尺寸；②夹具与刀具的联系尺寸；③夹具与机床的联系尺寸；④夹具内部的配合尺寸；⑤夹具的外廓尺寸。

(2)应标注的技术条件①定位元件之间或定位元件与夹具体底面间的位置要求；②定位元件与连接元件间的位置要求；③对刀元件与连接元件间的位置要求；④定位元件与导引元件的位置要求。例1（1）熟悉工件零件图以及本工序的加工要求该零件中批生产，材料为45钢。该铣槽工序在X6130卧铣上用三面刃铣刀加工。本工序加工要求为（1）槽宽12+0.27mm。（2）槽底至工件底面的位置尺寸62±0.01mm。（3）槽两侧面对孔轴线的对称度0.2mm。（4）槽底面对工件B面的垂直度0.10mm。（1）熟悉工件零件图以及本工序的加工要求1）自由度分析建立坐标系（2）确定定位方案①为保证槽底面至工件B面的垂直度0.10mm

，应限制工件、，选B面作定位基准

。1）自由度分析（2）确定定位方案②为保证工序尺寸62土0.10mm，应限制工件

，选A面为定位基准。1）自由度分析（2）确定定位方案③为保证槽两侧面对mm孔轴线的对称度，应限制工件，选孔轴线定位基准。1）自由度分析（2）确定定位方案④为了方便地控制刀具的走刀位置，还应限制工件。因而工件的六个自由度都被限制。1）自由度分析（2）确定定位方案本道工序工件的定位面是后平面B、底平面A和mm孔。夹具上相应的定位元件选为支承板、支承钉和菱形定位销。2）选择定位元件旋转：Z、X移动:Y旋转：Y移动:Z旋转：移动:X（2）确定定位方案

定位平面B所用的支承板参考JB／T8029.1—1999中的定位支承板进行设计。定位平面A的定位支承钉以及菱形定位销按实际需要在JB／T8029.2—1999中选取。

（3）确定定位元件尺寸、极限偏差和定位元件间位置尺寸及其极限偏差（3）确定定位元件尺寸、极限偏差和定位元件间位置尺寸及其极限偏差确定支承钉定位表面到菱形定位销中心的名义尺寸及其极限偏差Ld=L±δd。其中l取工件相应尺寸的平均尺寸，公差取相应尺寸公差的1／4，则有

Ld=23±0.02mm。（其中，查阅手册b=3）（3）确定定位元件尺寸、极限偏差和定位元件间位置尺寸及其极限偏差最后确定菱形定位销圆柱部分的直径及其极限偏差，则菱形定位销和定位孔配合的最小间隙Xmin为公差按IT7选取，则（3）确定定位元件尺寸、极限偏差和定位元件间位置尺寸及其极限偏差菱形定位销圆柱部分的直径为

①槽宽12+0.27mm的定位误差

该尺寸由铣刀直接保证，不存在定位误差。（4）分析计算定位误差平面定位时，基准位移误差忽略不计，△Y=0（4）分析计算定位误差②槽底至工件底面位置尺寸62土0.10mm的定位误差定位基准与设计基准重合，△B=0故△D=△B+△Y=0③槽两侧面对孔轴线的对称度0.2mm的定位误差工件以φ14孔轴线定位，定位基准和设计基准重合，△B=0。（4）分析计算定位误差菱形定位销圆柱部分直径和定位孔配合时产生的最大间隙将直接影响对称度要求。△Y约为对称度允差的1／2，应采取措施减小该项误差。（4）分析计算定位误差0.097mm仍接近加工允差0.2mm的1／2。减少对称度定位误差的措施①提高菱形定位销圆柱部分的制造精度，将菱形定位销圆柱部分精度提高到IT6级。这时孔的尺寸为，公差为0.027mm②在提高菱形定位销圆柱部分精度的基础上，将φ14孔的精度提高到IT8级减少对称度定位误差的措施有约0.12mm的加工精度预留量，可以保证对称度加工要求。通过钻、铰加工仍能保证孔的加工要求。

④槽底面对工件B面的垂直度的定位误差定位基准与设计基准重合，△B=0。平面定位，基准位移误差△Y=0。故△D=△B+△Y=0（4）分析计算定位误差在对称铣削情况下FH=（0.2~0.3）Fc

FV=（1.0~1.2）Fc

(5)确定夹紧方式，设计夹紧机构1）计算切削力及所需夹紧力

如下图所示，加工时，工件受到切削合力F′，可分解为水平和垂直方向的切削分力FH、FV，切向铣削力Fc。式中Fc——铣削力，N；CFc——影响系数，大小与实验条件有关；ae——铣削宽度，mm；fz——每齿进给量，mm／齿；d0——铣刀直径，mm；ap——铣削深度，mm；Z——铣刀齿数；KFc——修正系数。切向铣削力Fc为1）计算切削力及所需夹紧力(5)确定夹紧方式，设计夹紧机构1）计算切削力及所需夹紧力已知：CFc=68.3，ae=3mm，fz=0.15mm／齿，d0=100mm，ap=12mm，Z=12；故水平分力和垂直分力FH=0.3Fc=348N;FV=1.1,Fc=1275N(5)确定夹紧方式，设计夹紧机构由于工件主定位面是B面，故选择夹紧力的作用方向为水平方向作用于B面上。当夹紧力水平作用于工件上时，所需要的计算夹紧力F应为：实际所需夹紧力与计算夹紧力之间的关系为（K为安全系数，取K=2.5）1）计算切削力及所需夹紧力(5)确定夹紧方式，设计夹紧机构

方案A:为螺旋杠杆压板夹紧机构，夹紧时从夹具体背面拧紧夹紧螺母。2）设计夹紧机构并验算机构产生的夹紧力a）方案B.铰链压板机构，当铰链压板转开时，装卸工件及清理切屑都很方便，这种结构较好。2）设计夹紧机构并验算机构产生的夹紧力b）式中η——夹紧机构效率，取0.9；FQ——螺栓的许用夹紧力，N。2）设计夹紧机构并验算机构产生的夹紧力图b）所示的夹紧机构所能产生的夹紧力，由下图所示的压板受力分析计算得铰链压板受力分析选定L1=L2，当螺杆螺纹公称直径为M12时，查表可得FQ=5620N。FJ=2FQη=2×5620×0.9=10116N因FJ＞FJ需（=8988N），故夹紧方案可行。2）设计夹紧机构并验算机构产生的夹紧力根据工件加工表面形状，对刀元件可选用标准的直角对刀块。它的直角对刀面应和工件被加工槽形相对应（间距等于3mm塞尺厚度），并把它安装在夹具体的竖直板上。3）设计对刀元件、连接元件根据所选X6130型铣床T形槽的宽度，选用宽度B=14mm，公差带为h6的A型两个定位键来确定夹具在机床上的位置。3）设计对刀元件、连接元件夹具选用灰铸铁的铸造夹具体。基本厚度选为22mm，并要在夹具体底部两端设计出U形槽耳座，用于T形槽用螺栓紧固夹具。布置好夹具上各种元件、机构、装置之间的相对位置。4）设计夹具体根据工件在几个视图上的投影关系，分别画出其轮廓线，如工件三视图所示。(6)、绘制夹具总图及制定技术要求1).绘制夹具总图夹具总图及其绘制步骤如下:工件三视图安排定位元件，如定位元件布置图所示。1)绘制夹具总图定位元件布置图布置夹紧装置，如夹紧装置布置图所示。1)绘制夹具总图夹紧装置布置图布置对刀元件、连接元件；设计夹具体并完成夹具总图。1).绘制夹具总图2).标注总图上的尺寸、公差配合与技术条件标注尺寸、公差与配合夹具外形轮廓尺寸夹具在长、宽、高三个方向的外形轮廓尺寸分别为212mm、158mm和115mm。标注尺寸、公差与配合菱形定位销轴线的位置尺寸（23±0.02）mm，菱形定位销定位圆柱部分直径尺寸

mm。工件与定位元件间的联系尺寸该夹具的夹具与刀具之间的联系尺寸就是调刀尺寸，该调刀尺寸又分为水平与垂直两个方向的尺寸。夹具与刀具的联系尺寸标注尺寸、公差与配合水平方向的调刀尺寸为菱形定位销中心至对刀元件尺面之间的距离。水平方向的调刀尺寸夹具与刀具的联系尺寸由手册查得所选用铣刀的宽度尺寸及其极限偏差为12+0.018mm，其平均尺寸为12.09mm。菱形定位销中心至工件上槽左侧面的距离为12.09/2=6.045mm

水平方向的调刀尺寸夹具与刀具的联系尺寸再加上3mm的塞尺厚度，故水平方向调刀尺寸的基本尺寸为6.045+3=9.045mm由于调刀误差△T对工件尺寸公差有直接影响，故取工件相应要求公差（槽两侧面对φ14mm孔轴线的对称度0.2mm）的1／5，就得到水平方向调刀尺寸的基本尺寸及其极限偏差为（9.045±0.02）mm。水平方向的调刀尺寸夹具与刀具的联系尺寸垂直方向的调刀尺寸为定位元件工作面P面至对刀元件S面之间的位置尺寸。垂直方向的调刀尺寸夹具与刀具的联系尺寸工件上相应的尺寸为工件槽底至工件底面之间的位置尺寸（62±0.10）mm，减去3mm的塞尺厚度，就得到垂直方向调刀尺寸的基本尺寸为（62-3）mm=59mm。垂直方向的调刀尺寸夹具与刀具的联系尺寸垂直方向的调刀尺寸夹具与刀具的联系尺寸根据与水平调刀尺（9.045±0.02）mm相同的公差，取垂直方向调刀尺寸的基本尺寸及其极限偏差为（59士0.02）mm。定向键与工作台T型槽的配合尺寸14H7／h6。夹具与机床连接部分的联系尺寸菱形销：φ12H7／n6，夹紧装置转销：φ10F8／h7，φ10M8／h7，定位销：φ10H7／n6夹紧元件转销：φ6F8／H7，φ6M8／h7，对刀块定位销：φ5H7／n6等。夹具内部的配合尺寸由于工件上有槽底至工件B面的垂直度要求0.10mm，夹具上应标注定位表面Q对夹具体底面的垂直度允差100：0.02（mm）。由于工件上槽两侧面对φ14孔轴线对称度的要求，夹具上应标注定位表面Q对定位键侧面的垂直度允差100：0.02（mm）。（3）两定位支承钉的等高允差不大于0.02mm。3）制订技术条件在完成夹具结构设计的全部工作之后，还需对夹具工作精度进行分析计算，即分析计算各项加工要求的夹具部分误差△J，并将它与加工允差进行比较，从而判断该夹具能否可靠地保证各项加工要求，以证明所设计夹具方案的合理性。（7）夹具工作精度的分析计算用夹具装夹工件进行机械加工时，其工艺系统中影响工件加工精度的因素很多。与夹具有关的因素有定位误差△D、对刀误差△T、夹具在机床上的安装误差△A和夹具误差△Z。在机械加工工艺系统中，影响加工精度的其它因素综合称为加工方法误差△G。上述各项误差均导致刀具相对工件的位置不精确，而形成总的加工误差△J

，即为由夹具引起的总的加工误差。（7）夹具工作精度的分析计算1）影响加工精度的因素分析1）.影响加工精度的因素分析（1）定位误差△D（2）对刀误差△T

因刀具相对于对刀或导向元件的位置不精确而造成的加工误差，称为对刀误差。（3）夹具的安装误差△A因夹具在机床上的安装不精确而造成的加工误差，称为夹具的安装误差。1）影响加工精度的因素分析（4）夹具误差△Z因夹具上定位元件、对刀或导向元件及安装基面三者间（包括导向元件与导向元件之间）的位置不精确而造成的加工误差，称为夹具误差。1).影响加工精度的因素分析（5）加工方法误差△G因机床精度、刀具精度、刀具与机床的位置精度、工艺系统受力变形和受热变形等因素造成的加工误差，统称为加工方法误差。因该项误差影响因素多，又不便于计算，所以常根据经验为它留出工件公差的三分之一。计算时可设△G=Tg/32)保证加工精度的条件工件在夹具中加工时，总加工误差△J为上述各项加工误差之和。由于上述误差均为独立随机变量，应用概率