第九章 机床夹具基本原理

第九章机床夹具的基本原理第一节夹具的基本概念第二节工件的定位原理第三节定位方式与定位元件的选择第四节定位误差第五节工件的夹紧第六节各类机床夹具特点第一节夹具的基本概念夹具的组成：将工件进行定位、夹紧，将刀具进行导向或对刀，以保证工件和刀具间的相对位置关系的附加装置。定位元件：起定位作用，保证工件相对于夹具的位置。夹紧装置：将工件夹紧，以保持工件在加工时的既得位置。导向元件和对刀装置：保证刀具相对夹具的位置。连接元件：用来保证夹具和机床工作台之间的相对位置。夹具体：用于连接夹具各元件及装置使其成为一个整体的基础件。其它元件：如动力装置、分度装置等。二、夹具的作用：保证加工质量；提高生产率；减轻劳动强度；扩大机床的工艺范围；三、夹具的分类：按专业化程度分：通用夹具：与通用机床配套。如：三爪卡盘等。专用夹具：根据某一工序专门设计。成组夹具：按照成组工艺原理设计，适用于一组零件。组合夹具：由标准件拼接而成。随行夹具：用于自动线上，工件在夹具上由输送装置送往各机床，并在机床夹具或机床工作台上进行定位和夹紧。四、加工误差的组成：安装误差：△安装工件在夹具中的定位和夹紧误差对定误差：△对定刀具的导向或对刀误差过程误差：△过程与加工过程中一些因素有关的加工误差。如：受力变形、受热变形、磨损等。通常：△安装+△对定+△过程≤T工件第二节工件的定位原理一、六点定位原理：一、六点定位原理：完全定位：六个自由度全部被限制。不完全定位：（部分定位）欠定位：根据加工要求，未能限制应该限制的自由度一、六点定位原理：过定位：（重复定位）零件某一个自由度同时由多个定位元件限制。二、定位方式与定位元件的选择工件以平面定位：固定支承钉：可调支承：自位支承：辅助支承：不限制自由度工件以平面定位：支承板：工件以外圆表面定位：套筒：V形块：工件以圆柱孔定位：圆柱定位销：圆锥定位销：定位心轴：工件以圆锥孔定位：定位方式的组合：一个平面和两个与其垂直的孔的组合（一面双销）定位方式的组合：一个平面和两个与其垂直的孔的组合（一面双销）两孔中心距为：L±Tlk/2，两销中心距为：L±TlX/2。两孔与两销的最小间隙分别是△1min，△2min。由图中△AO2B和△AO2’C可得：整理后得：去掉式中高阶无穷小量后得：定位销的设计与选取：确定两定位销的尺寸：确定定位销中心距及公差：确定圆柱销尺寸及公差：定位销的设计与选取：确定菱销的宽度：查表取：b=4mm确定菱形销尺寸及公差：根据式：得：取菱形销的精度为：IT6，Td2=0.011d2min=d2max-Td2=11.947-0.011=11.936定位方式的组合：一个平面和一个与其垂直的孔的组合（一面一销）定位方式的组合：两个相互垂直的平面和一个与其中一个平面垂直的孔的组合（两面一销）定位方案分析定位方案分析第三节定位误差定位误差的概念：在机械加工过程中产生误差的因素很多，可归纳为两类：一类与采用夹具有关的误差(Δj)，包括工件在夹具中的定位误差(ΔD)、夹具在机床上安装误差(Δdz)、夹具几何误差(Δjz)及刀具相对于夹具的相对位置的调整误差(Δdi)。另一类是加工方法的误差(ξ)，其中包括工艺系统的受力变形，热变形及磨损等因素造成的加工误差。第三节定位误差定位误差的概念：这两项误差引起的被加工工件在加工尺寸方面的误差总和应不大于工件允许误差(公差)即：

Δ总=Δj+ξ=ΔD+Δdz+Δdi+Δjz+ξ≤δk

Δ总──加工总误差；δk──工件允许误差(公差)

Δj──与夹具有关的误差；ξ──加工方法的误差

ΔD──定位误差；Δdz──安装误差

Δdi──调整误差；Δjz──夹具制造误差而其中安装误差(Δdz)和调整误差(Δdi)在机床的调整时可以综合调整，从而消除或减少误差。一般取：Δjz=(1/3～1/5)δk

ΔD=(1/3～1/5)δk在设计夹具时，与加工精度有关的零件精度分配及定位误差均按此式进行。第三节定位误差定位误差（△D）是指同批工件在夹具中定位时，工序基准位置在工序尺寸方向或沿加工要求方向上的最大变动量。定位误差基准位移误差(△Y)

基准不重合误差(△B)

定位误差的概念：零件定位基准不准确夹具上定位元件不准确举例：基准的位移误差：基准不重合误差：结论：定位误差只产生在采用调整法加工一批零件的条件下。定位误差是由于工件定位不准而产生的加工误差。表现形式为工序基准相对加工面可能产生的最大尺寸或位置的变动范围。

△D=△Y±△B以平面定位时的定位误差：工件以已加工平面定位，由于定位基准本身的误差很小，如果不考虑形位公差，则△Y=0二、定位误差分析计算：对于尺寸A3：对于尺寸A1：二、定位误差分析计算：以平面定位时的定位误差：练习：如图所示，工件以A、B面(已加工)定位加工φ10H7孔，试计算尺寸12±0.1mm的定位误差。解：本题的设计基准为C面，加工的工序基准为A面，基准不重合误差为L的尺寸公差，即ΔB=0.02+0.03=0.05ΔY=0ΔD=ΔB+ΔY=0.05CL二、定位误差分析计算：以外圆在V形块上定位时的定位误差：二、定位误差分析计算：以外圆在V形块上定位时的定位误差：对于尺寸H1：或根据：△D=△Y+△B二、定位误差分析计算：以外圆在V形块上定位时的定位误差：对于尺寸H2：二、定位误差分析计算：以外圆在V形块上定位时的定位误差：对于尺寸H3：二、定位误差分析计算：结论：上述分析表明，轴套类零件在V形块上定位时，加工尺寸的标注方法不同，产生的定位误差不同。以下母线为设计基准时，定位误差最小；以轴线为设计基准时次之；以上母线为设计基准时为最大。★★故轴套类零件上键槽的尺寸，一般多以下母线为设计基准。★★★★★刀具位置始终不变★★★★★先分析ΔB，再分析ΔY★★★★★刀具的位置始终不变★★★★★尺寸的大小变化根据公差的变化二、定位误差分析计算：小窍门：当工序基准不在定位基面上时，肯定相加；当工序基准在定位基面上时，判断加减。二、定位误差分析计算：已知：D=90+00.2；B=35+00.3；α=45°图示定位方式能否满足加工A=40+00.25的要求。解:先进行定位误差计算；ΔB=0ΔY=TD/(2sin45o)+TB×tg45o=0.071+0.3=0.371ΔD=ΔB+ΔY=0+0.371=0.371已超出A的尺寸公差要求。TBΔY1二、定位误差分析计算：齿轮坯的内孔和外圆已加工合格，即d=80-00.1mm，D=35+0.025mm。现在插床上用调整法加工内键槽，要求保证尺寸H=38.5+0.2mm。忽略内孔与外圆同轴度误差，试计算该定位方案能否满足加工要求?若不能，应如何改进?解：ΔB=TD/2=0.025/2=0.0125ΔY=0.1/(2sin45o)=0.0707ΔD=ΔY+ΔB=0.0125+0.0707=0.0832>0.2/3=0.0667不能满足加工要求。取外圆的尺寸和公差为d=80-0.05mm则ΔY=0.05/(2sin45o)=0.0354<0.0667能满足加工要求。二、定位误差分析计算：阶梯轴工件的定位如图所示，欲钻孔O，保证尺寸A。试计算工序尺寸A的定位误差。解：ΔB=Td/2ΔY=TD/(2sin(a/2))ΔD=ΔY+ΔB+CΦC二、定位误差分析计算：以内孔在圆柱心轴上定位时的定位误差：定位心轴水平放置：定位心轴垂直放置：以内孔在圆柱心轴上定位时的定位误差：对于尺寸H1：对于尺寸H2：对于尺寸H3：以定位心轴水平放置时为例：对于尺寸H4：二、定位误差分析计算：★★★定位误差计算步骤：当工序基准不在定位基面上时，肯定相加；当工序基准在定位基面上时，要判断加减，方法如下：1.分析定位基面直径由小变大（或由大变小）时，假设定位基准的位置不变动，分析工序基准的变动方向2.当定位基面直径同样变化时，假设定位基面与定位元件接触，分析定位基准的变动方向3.两者的变动方向相同取+，相反取-二、定位误差分析计算：以一面双销定位时的定位误差：基准位移误差：转角误差：二、定位误差分析计算：例：如图所示的工件，加工孔O1和O2，两定位销垂直安置(工件水平放置)，试计算定位误差。解：由于工件水平放置，孔与销可以在任意方向上接触，基准位移误差不仅受定位元件的公差及间隙的影响，还受加工尺寸方向和位置的影响。1)计算O1加工尺寸60±0.260±0.2mm的定位误差ΔB=0ΔY=(40.05-(40-0.032))=0.082ΔD=ΔB+ΔY=0.082二、定位误差分析计算：2)计算O1加工尺寸70±0.2mm的定位误差ΔB=0对于加工尺寸70±0.2mm，基准位移误差既有直线位移误差，又有角位移误差。如图所示。对于孔O1，两销孔的间隙偏向一个方向时，产生的误差为最大。故：ΔY=X1max+2L1tanΔα=X1max+2L1((X2max-X1max)/2L)X1max=(40.05-(40-0.032))=0.082X2max=(30.045-(30-0.045))=0.09ΔY=0.082+60(0.09-0.082)/180=0.085ΔD=ΔB+ΔY

=0+0.085=0.085二、定位误差分析计算：3)计算加工尺寸50±0.12mm的定位误差由于设计基准与工序基准不重合，故：ΔB=0.24(孔中心距误差±0.12）基准位移误差：ΔY=(40.05-(40-0.032))=0.082定位误差：ΔD=ΔB+ΔY

=0.24+0.082=0.322二、定位误差分析计算：4).计算O2加工尺寸70±0.2mm的定位误差基准不重合误差：ΔB=0对于孔O2，两销孔的间隙偏向相反方向时，产生的误差为最大。故：ΔY=X2max+2L2tanΔβ=X2max+2L2((X1max+X2max)/2L)X1max=(40.05-(40-0.032))=0.082X2max=(30.045-(30-0.045))=0.09ΔY=0.138定位误差：ΔD=ΔB+ΔY

=0+0.138=0.138二、定位误差分析计算：例题：试计算三种方案的定位误差，并从中选出最优方案。解：对于图(b)水平方向：ΔB=ΔY=0ΔD=ΔB+ΔY=0垂直方向：ΔB=0.1/2=0.05ΔY=Td/(2sin(a/2))=0.1/1.41=0.0707ΔD=ΔY-ΔB=0.0207二、定位误差分析计算：例题：试计算三种方案的定位误差，并从中选出最优方案。解：对于图(c)水平方向：ΔB=0ΔY=0ΔD=ΔB+ΔY=0垂直方向：ΔB=0.1/2=0.05ΔY=[32.03-31.97)]/2=0.03ΔD=ΔB+ΔY+C

=0.05+0.03=0.08二、定位误差分析计算：例题：试计算三种方案的定位误差，并从中选出最优方案。解：对于图(d)水平方向：ΔB=0.1/2=0.05ΔY=0ΔD=ΔB+ΔY=0.05垂直方向：ΔB=0ΔY=0ΔD=ΔB+ΔY=0方案b最合理；方案c最不合理。第四节工件的夹紧夹紧装置的组成及设计要求：夹紧装置的组成：夹紧元件：中间传力机构：改变力的大小，通常为增力机构；改变夹紧力的方向；使夹具具有一定的自锁性，以保证夹紧可靠。动力源：产生原始的作用力执行夹紧的最终元件，直接与工件接触。中间传力机构夹紧装置的组成及设计要求：设计要求：夹紧应有助于定位，不能破坏定位；夹紧可靠、可调，应保证工件在加工过程中不发生位置变动和振动；夹紧产生的工件变形应在允许的范围之内；夹紧装置操作应安全、方便、省力，结构应简单合理，便于制造；手动夹紧时，应有自锁性能。二、夹紧力的确定：夹紧力的方向：夹紧力的方向应不破坏工件定位的准确性和可靠性夹紧力的方向应有利于减小夹紧力二、夹紧力的确定：夹紧力的作用点：作用点应保持工件的稳定，不能使工件产生位移或偏转作用点应位于工件刚性较好的部位夹紧力应尽可能靠近工件上被加工面，必要时应加辅助支承夹紧力应使夹具本身变形小F’摩擦系数f1二、夹紧力的确定：夹紧力的大小：式中：W0：实际夹紧力；W：理论夹紧力；K：安全系数。粗加工时K=2.5~3，精加工时K=1.5~2如右图所示:摩擦系数f2三、典型夹紧机构：斜楔夹紧机构：特点：有自锁性。通常斜角α=6°～8°有增力作用。增力比为i=2～5。能改变夹紧力的方向。夹紧行程小。三、典型夹紧机构：斜楔夹紧机构：QQaaRR’F1φ1a+φ1φ2WW’F2R’W’φ2工件三、典型夹紧机构：螺旋夹紧机构：三、典型夹紧机构：螺旋夹紧机构：特点：自锁性好，可靠性高。增力比大。i=65~140多为手动操作，通常使用快速装夹结构提高工件安装速度。结构简单，应用广泛。三、典型夹紧机构：F1F’1WF2QF1WW’三、典型夹紧机构：螺旋夹紧机构：三、典型夹紧机构：螺旋夹紧机构：三、典型夹紧机构：偏心夹紧机构：转动手柄，偏心轮绕回转中心O转动。它相当于把一个圆弧形斜楔楔入工件与“基圆”之间，而实现对工件的夹紧。(1)夹紧点至回转中心的距离h是随回转角γ的变化而变化的。(2)当γ由0至180°变化时，h由R-e至R+e变化，最大夹紧行程：

Δhmax=(R+e)-(R-e)=2e三、典型夹紧机构：偏心夹紧机构：夹紧力计算可用下面公式(推导从略)：

ρ－转动中心O2到作用点P间的距离；

φ1－轮周作用点的摩擦角；

φ2－转轴处的摩擦角。Q()()12tantanjjar++=pQLW特点：有自锁差，一般用于切削负荷不大的场合。有增力作用。增力比为i=12～14。夹紧迅速。夹紧行程小。很少单独直接作用于工件，通常与其他元件联合使用。如：偏心压板机构。三、典型夹紧机构：偏心夹紧机构：三、典型夹紧机构：增力比：螺旋夹紧(i=65-140)>偏心夹紧(i=12-14)>斜楔夹紧(i=2-5)自锁性：螺旋夹紧>斜楔夹紧>偏心夹紧四、其它夹紧装置：4.1铰链夹紧机构铰链夹紧机构的特点：动作迅速，增力比大，易于改变力的作用方向。缺点：自锁性能差，常用于气动、液压夹紧中。四、其它夹紧装置：4.2定心夹紧机构(1)定位——夹紧元件按等位移原理来均分工件定位的尺寸误差，实现定心或对中。(a)锥面定心夹紧心轴四、其它夹紧装置：4.2定心夹紧机构(1)定位——夹紧元件按等位移原理来均分工件定位的尺寸误差，实现定心或对中。(b)螺旋定心夹紧心轴四、其它夹紧装置：4.2定心夹紧机构(2)定位——夹紧元件按均匀弹性变形原理来实现定心夹紧。