机械制造工艺第5章

第五章夹具设计基本原理六点定位原理zxyxzy六点定位简图定位和夹紧完全定位和不完全定位过定位和欠定位ZYX第一节概述第二节工件在夹具中的定位第三节工件在夹具中的夹紧第四节专用夹具的设计方法一、机床夹具的主要功能1、稳定保证工件的加工精度；2、缩短辅助时间，提高生产效率；3、扩大机床使用范围，实现一机多能。

第一节概述二、机床夹具的分类

1．按使用范围1）通用夹具

2）专用夹具

4）可调夹具和成组夹具

3）组合夹具5）随行夹具

2．按机床分类

1）车床夹具

2）铣床夹具

3）钻床夹具

5）磨床夹具

6）数控机床夹具

3．按动力源1）手动夹具

2）气动夹具

3）液压夹具

4）气液夹具7）真空夹具

4）镗床夹具

7）齿轮机床夹具

5）磁力夹具6）电动夹具1）通用夹具：指已经标准化的，在一定范围内可用于加工不同工件的夹具。三爪卡盘、四爪卡盘、顶尖；平口虎钳、分度头和回转工作台适应性广，生产效率低，适用于单件小批量生产中中心架装夹工件车外圆中心架装夹工件车端面跟刀架装夹工件车外圆2)专用夹具:专为某一工件的某道工序的加工而设计制造的夹具。结构紧凑，操作迅速、方便、省力，可以保证较高的加工精度和生产效率，设计制造周期长，费用高产品变更，夹具无法使用适用于产品固定批量较大生产3）通用可调夹具和成组夹具

其特点是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。用于相似零件的成组加工所用的夹具，称为成组夹具。与通用可调夹具相比，加工对象的针对性明确。4）随行夹具用于自动线上，不仅要完成工件在其上的定位和夹紧，而且带着工件沿着自动线从一个工位移到下一个工位——承担沿自动线输送工件的任务。5）组合夹具组合夹具是指按零件的加工要求，由一套事先制造好的标准元件和部件组装而成的夹具。由专业厂家制造，其特点是灵活多变，万能性强，制造周期短、元件能反复使用，特别适用于品种多、产品变化快、新产品的试制和单件小批生产。

三、机床夹具的组成快换钻套导向套钻模板开口垫圈螺母定位销夹具体定位元件：用以确定工件正确位置的零件夹紧元件：将工件夹紧压牢，使工件保持在夹具中的既定位置夹具体：将夹具的各种元件、装置联结起来，使之成为一个整体的基础件，他与机床有关部件联接、对定，使夹具相对机床有确定位置对刀-导向元件：用来对刀和引导刀具进入正确加工位置的零件其它元件及装置：分度机构，定位键等1、固定支承支承高度不变（一）工件以平面定位用于侧面定位用于粗基准定位用于精基准定位批量大磨损快场合（1）支承钉第二节工件在夹具中的定位

一、常见定位方式及定位元件一个支承钉限制一个自由度带衬套支承钉（2）支撑板结构简单、切屑清理不便，常用于侧面精基准定位易于清除切屑结构较复杂，用于水平面精基准定位一个短板限制一个自由度，一个长板限制两个自由度平板式支承板斜槽式支承板支承钉和支承板的结构尺寸均已标准化支承板支承板支承钉支承钉支承钉钻套例:2、可调支撑支撑高度可调适用于毛坯分批制造，其形状和尺寸变化较大的粗基准定位。为了使形状相近的工件能使用同一夹具进行零件加工。可调支承一旦调整好，在同一批工件加工中，其作用即相当于固定支承。

采用可调支承可使夹具适应不同尺寸工件加工的定位要求可调支承应用实例3、自位支撑（浮动支承）

支承的空间位置能随工件定位基准面位置的变化而自动适应；在结构上做成浮动或联动的，可与工件有两点或三点接触；作用相当于一个定位支承点，限制工件一个自由度用于毛坯表面、断续表面或阶梯面定位自位支承实例4、辅助支承作用：提高工件的刚度和定位稳定性，减小工件的装夹受力变形及加工振动工件定位完成后再使辅助支承与工件表面接触；辅助支承必须逐件调整。不起定位作用推式辅助支承螺旋式辅助支承圆柱铣刀辅助支承的应用

例:辅助支承的应用

例:1、圆柱定位销（二）工件以孔定位工作部分直径通常按g5、g6、f6、f7制造为使工件顺利装入，定位销头部应有15度倒角带衬套的可换式圆柱销与衬套配合间隙配合与夹具体的连接过盈配合长销限制4个自由度；短销限制2个自由度。yzx0xxyyyzx0xy固定锥销活动锥销用于粗基准用于精基准2、圆锥销加工套筒空心轴类工件锥销定位死顶尖活顶尖xyzxyxyzxy短限制2长限制43、定位心轴定位精度不高，装卸工件方便定心精度高花键孔定位场合（1）圆柱心轴套筒类、空心盘类、齿轮类工件工件以圆锥孔定位——圆锥心轴常用的定位元件有V形块、定位套、半圆套及圆锥套等；定位基准为外圆中心线。（三）工件以外圆柱面定位(a)较短精基准(b)较长粗基准阶梯轴定位用

(c)两段精基准面相距较远(d)较长、较重工件短接触限制2个自由度；长接触限制4个自由度。固定V形块活动V型块的应用ZYXzxyxyzV形块：(已标准化）①斜面夹角常取90°或120°②工艺槽：降低应力集中，便于v形工作面加工。③支承面和底面精度要求较高④安装时，需采用定位销孔(有定位销孔和安装孔)

1、V形块对中性好，可使工件的定位基准轴线对中在V型块两斜面的对称面上

2、应用范围广，完整和非完整外圆的定位

3、活动V形块常常起着定位和夹紧的双重作用。短限制2个；长限制4个自由度。2、定位套:①元件结构简单，定心精度不变；②当工件外圆与定位圆孔配合较松时，易使工件倾斜，可考虑利用套筒内孔及端面一起定位；③当端面大时，定位孔应短些，以避免产生过定位。3、半圆套主要用于大型轴类零件的精密轴径定位，以便于安装。

结构:下半孔起定位作用

上半孔起夹紧作用

短半圆套限制2个；长半圆套限制4个自由度。4、圆锥套筒限制3个自由度，常与后顶尖配合使用。工件以渐开线齿面定位其他定位方式

一些特殊的如齿轮淬火后磨内孔夹具体弹性薄膜盘卡爪保持架工件定心圆柱弹簧螺钉推杆实际工件的定位是几个定位表面的组合。常见的定位表面组合有：平面+平面组合平面+孔的组合平面+外圆组合平面+其它表面组合锥面+锥面的组合（四）工件以组合表面定位一面两孔定位削边销（菱形）设计

已知：两销孔公称尺寸及公差，两孔中心距公称尺寸及公差

求：两销公称尺寸削边销宽度及销公差，两销孔中心距及公差确定定位销中心距及公差：确定圆柱销尺寸及公差：确定菱形销的宽度：查表取：b=4mm例;确定菱形销尺寸及公差：取菱形销的精度为：IT6，Td2=0.011定位误差及其分析与计算（1）夹具在机床上的装夹误差（2）工件在夹具中的定位误差和夹紧误差（3）机床调整误差（4）工艺系统的弹性变形和热变形误差（5）机床和刀具的制造误差及磨损误差一、定位误差及其产生的原因定位误差：工件定位不准确而产生的加工面相对工序基准的最大变动量，称为定位误差，用D表示。本质：工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量造成定位误差的原因:⑴定位基准与工序基准不重合，产生基准不重合误差△B。⑵定位副制造误差及其配合间隙产生基准位移误差△Y1、基准不重合误差ΔB由于定位基准与工序基准不重合所导致的工序基准相对定位基准在加工尺寸方向上的最大位置变动量。2、基准位移误差ΔY定位元件的制造误差产生原因：工件的制造误差（定位基准面）定位元件和工件之间的配合间隙由于定位副制造误差及其配合间隙所引起的定位误差，即定位基准的相对位置在加工尺寸方向上的最大变动量。d/2(d–d)/2/YO'O基准位移误差的产生例：只有用调整法加工一批零件才产生定位误差，用试切法不产生定位误差。定位误差是一个界限值（有一个范围）定位误差是由于基准不重合和基准位置变动共同作用的结果，两部分不一定都存在。二、定位误差的计算几何法：按定义，画出工件定位时两种极端位置，再通过几何关系直接求得；合成法:ΔD=ΔY+ΔB

，注意，是矢量和微分法1、工件以平面定位2、工件以外圆定位3、工件以内孔定位常见定位方法的定位误差分析及计算根据定义计算：基准不重合误差计算ΔB——沿加工尺寸方向求工序基准相对于定位基准的最大变动量方法：将工序基准与定位基准沿加工方向相连，形成一个尺寸，该尺寸的公差就是基准不重合误差。如工件总高H=40±0.14mm,要求保证A=20±0.15mm.求加工阶梯面时的ΔD

，能否保证加工要求？ΔY=0

ΔD

=ΔB=

2TH=2X0.14=0.28mm本工序公差ΔT

=0.15-(-0.15)=0.30mm

ΔD≥

1/3ΔT工件以外圆定位d/2(d–d)/2/YO'O基准位移误差的产生常用作图法，

沿加工尺寸方向，画出极限位置，求最大变动量。圆柱体上铣平面不同形式的工序尺寸标注

工序尺寸标注为H1，工序基准与定位基准重合，B=0H3H2H1/YO'Od/2(d–d)/2D=H'2–H''2

H'2=d/2–H

H''2=(d–d)/2–

H–

Y工序尺寸标注为H2D=Y+B/YO'OHH''2H'2d/2(d–d)/2aa1工序尺寸标注为H3D=Y–B/YO'Od/2(d–d)/2（1）工件以圆柱孔在过盈配合心轴上定位时定位误差分析(a)ΔD=ΔY+ΔB=0(b)ΔD=ΔY+ΔB=ΔB=δd/2(c)ΔD=ΔY+ΔB=ΔB=δD/2ΔY=0(2)工件孔与定位心轴间隙配合时定位误差计算

ΔY=O1O2=（δD+δd）

/2ΔD=（δD+δd）

/2工件孔与心轴水平放置（单边接触）

ΔB=δD/2ΔD=ΔY—ΔB=δd

/2

ΔB=δD/2ΔD=ΔY+ΔB=δD+

δd

/2

max为保证工件装卸方便,孔轴之间应有最小间隙,孔:,轴:Y

=O1O2=O1O+OO2=max=D+d+

minoo2o1垂直放置心轴（任意边接触）30H7/g6例:40-0.016012-0.043034.8-0.16020-0.210加工要求：（1）槽宽尺寸；（2）槽距离端面尺寸；（3）槽底高度；12-0.043020-0.210（1）槽宽尺寸由定尺寸铣刀保证：

D=0（2）槽距离端面尺寸20的定位误差：工序基准与定位基准重合，B=0

平面定位，Y=0

D=0工序基准与定位基准不重合，

B=δ外圆/2=0.008间隙配合，Y≠0Y=(δ

D+δ

d)/2=0.017(固定边）D=0.025（3）槽底高度尺寸34.8的定位误差：内孔：3000.021心轴：30-0.020-0.00730H7/g640-0.016034.8-0.160一面两孔定位yxα如下图所示，以A面定位加工φ20H8孔，求加工尺寸40±0.1mm的定位误差。

解：ΔY=0mm（定位基面为平面）设计基准B与定位基准A不重合，因此将产生基准不重合误差

ΔD=ΔB=0.15m

有一批工件，如图(a)所示，采用钻模夹具钻削工件上φ5mm和φ8mm两孔，除保证图纸尺寸要求外，还要求保证两孔联心线通过mm的轴线，其对称度差为0.08mm。现采用如图(b)、(c)、(d)三种定位方案，若定位误差不得大于加工允差的1/2。试问这三种定位方案是否都可行(α＝90°)？练习5-11：对于图(b)

√对于图(c)

×对于图(d)

×从以上分析计算可知，只有图(b)定位方案可行，其定位误差满足要求。

有一批直径为的轴，要铣一键槽，工件的三个定位方案如图所示，V形块的顶角为90，试分别计算各定位方案中影响尺寸n和s的定位误差。n:ΔB=0ΔD=0ΔY=0m:ΔB=0.1ΔD=0.1n:ΔB=0.1ΔD=0.1n:ΔB=0.1

ΔD=0.04ΔY=0m:ΔB=0ΔD=0ΔY=0.14m:ΔB=0ΔD=0.14第四节工件的夹紧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装置，称为夹紧装置。一、夹紧装置的组成和设计要求本节内容二、确定夹紧力的基本原则三、常见的夹紧机构一、夹紧装置的组成和设计要求1、夹紧装置的组成人力；机动夹紧装置气压，液压，电动，磁力（1）动力源装置——夹紧力来源（2）中间传力机构：可改变夹紧力大小和方向，可具有自锁功能（3）夹紧元件2、工件夹紧的基本要求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；

快4）操作方便、省力、安全5）结构紧凑，易于制造与维修。二、确定夹紧力的基本原则1、夹紧力方向的确定（1）应有利于工件的准确定位，而不能破坏定位。一般要求主要夹紧力应垂直指向主要定位基面；（2）夹紧力方向，应使所需夹紧力尽可能小；夹紧力大小与夹紧力方向直接有关，在考虑夹紧方向时，只要满足夹紧条件，夹紧力越小越好。夹紧力Q的方向最好与切削力、工件重力的方向重合切削力重力夹紧力（3）夹紧力的方向应使工件变形尽可能小。2、夹紧力作用点的选择指在夹紧力作用方向已定的情况下，确定夹紧元件与工件接触点的位置和接触点的数目。（1）夹紧力作用点应落在支承点上或支承面以内，避免工件翻转；夹紧力作用点的位置（2）夹紧力作用点应落在工件刚性较好的部位，以减小工件的夹紧变形；夹紧力作用点的位置辅助支承（3）夹紧力作用点应尽量靠近被加工表面，以防止工件产生振动和变形。辅助支承与辅助夹紧3、夹紧力大小的确定夹紧力的大小主要影响工件定位的可靠性、工件的夹紧变形以及夹紧装置的结构尺寸和复杂性。夹紧力不足，会使工件在切削过程中产生位移并容易引起振动；夹紧力过大，又会造成工件或夹具不应有的变形或表面损伤。实际所需夹紧力安全系数粗加工2.5-3精加工1.5-2理论夹紧力①分析计算夹紧力的方法：首先将工件视为分离体，分析作用在工件上的各种力；再根据力系平衡条件，确定保持工件平衡所需的最小夹紧力；最后将乘以一合适的安全系数，以此作为所需的夹紧力。②类比法三、常见的夹紧机构夹紧机构是将力源的作用力转化为夹紧力的机构。常见的有斜楔、偏心、螺旋等夹紧机构，利用机械摩擦的斜楔自锁原理。夹紧力自锁性能夹紧行程扩力比1、楔块夹紧机构利用楔块的斜面将楔块的推力转变为夹紧力，从而夹紧工件。QP(1)夹紧力的计算∑F（X）=0→P=F1+Rx

F1=Qtgφ2Rx=Qtg(α+φ1)P=Qtgφ1+Qtg(α+φ2)设φ1=φ2=φ，α很小时，Q--斜楔对工件的夹紧力；α--斜楔升角；P--

加在斜楔上的作用力；Φ1--斜楔与夹具体的摩擦角；Φ2--斜楔与工件间的摩擦角。(2)自锁条件F1RxF1=Qtgφ2Rx=Qtg(α-φ1)又α、φ1、φ2很小tgφ2≈φ2tg(α-φ1)≈α-φ1∴φ2

α-φ1α

φ1+φ2斜楔自锁条件：斜楔的升角小于斜楔与工件、斜楔与夹具体之间的摩擦角之和。为安全可靠，手动时取α

=6～8°，机动时(气动、液动)可不考虑自锁,取α

=15～30°。(3)扩力比夹紧力与作用力之比称为扩力比。i的大小表示夹紧机构在传递力的过程中扩大（或缩小）作用力的倍数。夹紧行程斜楔移动距离LS选楔角时，兼顾扩力比和夹紧行程QP（4）行程比（5）应用场合斜楔机构简单，有增力作用。夹紧和松开要敲击大、小端，操作不方便，机械效率低，在生产中，很少单独使用楔块对工件直接夹紧，而是与杆杠、压板、螺旋等组合使用，或是与气压、液压传动装置联用。当要求机构既能自锁，又有较大的夹紧行程时，可采用双斜面斜楔。大斜角的一段使滑柱迅速上升，小斜角的一段确保自锁。螺旋夹紧装置是从斜块夹紧装置转化而来的，相当于把楔块绕在圆柱体上，转动螺旋时即可夹紧工件。2、螺旋夹紧机构螺杆1在2中转动而起夹紧作用；螺母套2采用可换式，其目的是为了内螺纹磨损后可及时更换；螺钉3用以防止2的松动；压块4是防止在夹紧时带动工件转动；并避免1的头部直接与工件接触而造成压痕。1234φ2φ2QQ'F2ααφ1RyRxRF1P受力分析pLPLr1rzF2RXM=M1+M2PL=F2·r1+Rx·rzP夹紧力计算L（2）自锁条件螺旋夹紧机构的螺旋升角很小，故自锁性能好。（3）扩力比因为螺旋升角小于斜楔的楔角，螺旋夹紧机构的扩力作用远大于斜楔夹紧机构。（4）应用场合螺旋夹紧机构结构简单，制造容易，夹紧行程大，扩力比大，自锁性能好，应用广泛，尤其适用于手动夹紧机构。但夹紧动作慢，效率低，不宜使用在自动化夹紧装置上。螺旋夹紧机构应用情形偏心夹紧机构靠偏心轮回转时回转半径变大而产生夹紧作用。3、偏心夹紧机构偏心夹紧装置也是从斜块夹紧装置转化而来的，它是将楔块包在圆盘上，旋转圆盘使工件得以夹紧。圆偏心和曲线偏心斜楔夹紧的楔角不变，偏心夹紧的楔角是变化的受力分析(3)自锁条件（4）扩力比圆偏心夹紧的扩力比远小于螺旋夹紧的扩力比，但大于斜楔夹紧的扩力比。（5）应用场合优点是操作简便、夹紧动作迅速、结构紧凑；缺点是夹紧行程小、夹紧力小、自锁性能差，因此常用于切削力不大、夹紧行程小、振动较小的场合。由于偏心轮带手柄，所以在旋转的夹具上不允许用偏心夹紧机构，以防误操作偏心轮作用点处摩擦因数1、铰链夹紧结构优点：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、液动夹紧中四、其它典型夹紧机构螺旋自动定心夹紧机构制造方便，夹紧力和夹紧行程较大，定心精度不高，粗加工和半精加工中2、定心夹紧结构同时实现对工件定心定位和夹紧的机构。（1）等速移动原理工作的定心夹紧机构（2）以均匀弹性变形原理工作的定心夹紧机构液性塑料夹具

定心精度高3、联动夹紧结构原理：利用一个原始作用力实现单件或多件的多点、多向同时夹紧的机构。第四节专用夹具的设计稳定地保证工件的加工精度；提高机械加工的劳动生产率，并能降低成本。结构简单，有良好的结构工艺性和劳动条件；具有良好使用性为了提高生产率采用先进的结构，往往会增加夹具的制造成本，但当工件的批量增加到一定规模时，将因单件工时的下降所获得的经济效益而使增加的成本得到补偿，从而降低工件的制造成本。因此所设计的夹具其复杂程度和工作效率必须与生产规模相适应，才能获得良好的经济效果。一、专用夹具的基本要求设计夹具时，对加工质量、生产率、劳动条件和经济性几个方面有时要有所侧重。如对位置精度要求很高的加工，往往着眼于保证加工精度；对于位置加工精度要求不高而加工批量较大的情况，则侧重考虑提高夹具的工作效率。在设计过程中必须深入生产实际进行调查研究，广泛征求操作者意见，注意吸取国内外的先进经验，在此基础上拟出初步设计方案，经过讨论，然后确定合理的方案，开展结构设计。

二、专用夹具设计步骤1、明确设计任务：1）分析研究工件的结构特点、材料、生产规模和本工序加工的技术要求以及前后工序的联系；2）了解加工所用设备、辅助工具中与设计夹具有关的技术性能和规格；3）了解工具车间的技术水平等。必要时还要了解同类工件的加工方法和所使用夹具的情况资料，作为设计的参考。准备好设计夹具用的各种标准、图册和相关夹具设计指导资料等。2、拟定夹具的结构方案1）确定工件的定位方案，设计定位装置；2）确定工件的夹紧方案，设计夹紧装置；3）确定其它装置及元件的结构形式，如对刀、导向装置，分度装置等；4）合理布置各元件或装置,确定夹具的总体结构，绘草图5）审查总体方案，改进设计。3、绘制夹具总图比例1:1直观性好处在夹紧状态下绘制，视图尽量少主视图应取操作者实际工作时的位置标注尺寸，制定技术条件，编写零件明细表4、绘制夹具零件图非标准零件都必须绘制零件图，尺寸、公差、技术条件要满足夹具总装图的要求绘制总装图的顺序是：1.用双点划线绘出工件的轮廓外形，示意出定位基准面和加工面的位置；2.把工件视为透明体，按照工件的形状和位置依次绘出定位、夹紧、导向及其它元件和