数控机床工件装夹及夹具的选用

数控机床工件装夹及夹具的选用第1页/共103页

在机械制造中，为完成需要的加工工序、装配工序及检验工序等，使用着大量的夹具。

利用夹具，可以提高劳动生产率，提高加工精度，减少废品；可以扩大机床的工艺范围，改善操作的劳动条件。

因此，夹具是机械制造中的一项重要的工艺装备。机床夹具是在机床上用以装夹工件的一种装置，其作用是使工件相对于机床或刀具有一个正确的位置，并在加工过程中保持这个位置不变机床夹具概述第2页/共103页机床夹具概述夹具的组成定位装置

夹紧装置夹具体其它装置或元件作用是使工件在夹具中占据正确的位置作用是将工件压紧夹牢，保证工件在加工过程中受到外力作用时不离开已经占据的正确位置将夹具上的所有组成部分，联接成为一个整体的基础件包含对刀元件、导向元件、分度装置、连接元件等第3页/共103页夹具的分类通用夹具可调夹具专用夹具组合夹具成组夹具按用途分类第4页/共103页车床夹具钻床夹具铣床夹具镗床夹具磨床夹具按适用机床分类夹具的分类第5页/共103页手动夹具气动夹具液压夹具气液增压夹具电动夹具磁力夹具真空夹具离心力夹具其它按动力源分类夹具的分类第6页/共103页工件在夹具中的定位夹紧定位使工件相对于机床及刀具处于正确的位置在机械加工中，要求加工出来的表面，对加工件的其它表面保持规定的位置尺寸。因为加工表面是由切削刀具和机床的综合运动所造成，所以在加工时，必须使加工件上的规定表面（线、点）对刀具和机床保持正确的位置才能加工出合格的产品工件：在加工中保持这一正确位置不变第7页/共103页工件定位基本原理六点定位原则任何一个自由刚体，在空间均有六个自由度，即沿空间坐标轴X、Y、Z三个方向的移动和绕此三坐标轴的转动。工件定位的实质就是限制工件的自由度基准轴第二定位基准面第三定位基准面基准轴主定位基准面基准轴工件定位时，用合理分布的六个支承点与工件的定位基准相接触来限制工件的六个自由度，使工件的位置完全确定，称为“六点定则”。六点定则是工件定位的基本法则，用于实际生产时，起支承作用的是一定形状的几何体，这些用来限制工件自由度的几何体就是定位元件第8页/共103页工件完全定位不完全定位在夹具中限制工件的自由度欠定位过定位加工时，工件的六个自由度被完全限制了的定位在满足加工要求的前提下，工件的六个自由度没有被完全限制的现象根据加工要求应该限制的自由度而没有限制的现象工件的某个自由度被重复限制的现象称为过定位第9页/共103页完全定位第10页/共103页不完全定位：Z轴旋转未限制第11页/共103页a)b)不完全定位：Z轴旋转未限制ZXZ第12页/共103页按工件加工前的结构特点和工序加工精度要求，又可分成如下两种情况：1）由于工件加工前的结构特点，无法限制、也没有必要限制某些方面的自由度。如：在球面上钻孔，在光轴上车一段轴颈、在套筒上铣一平面及在圆盘周边铣一个槽，都没有必要，也不可能限制绕它们自身回转轴线或球心的不定度。这方面的不定度未被限制，并不影响一批工件在加工中位置的一致性。2）由于工序的加工精度要求，工件在定位时允许保留某些方面的不定度。不完全定位第13页/共103页不完全定位：a图：完全自由b、c、d图：可以沿Y轴方向移动，e图：可以沿x、Y轴方向移动，绕Z轴旋转不完全定位是允许的。第14页/共103页当过定位导致工件或定位元件变形，影响加工精度时，应该严禁采用。但当过定位并不影响加工精度，反而对提高加工精度有利时，也可以采用。

过定位第15页/共103页过定位第16页/共103页欠定位即：按照加工要求应该限制的自由度没有被限制的定位。工件的定位，若应限制的自由度没有被限制，出现欠定位，则不能保证一批工件在夹具中位置的一致性和工序的加工精度要求，因而是不允许的。欠定位第17页/共103页欠定位第18页/共103页常用定位元件及定位方式

以平面定位以圆柱孔定位以外圆柱面定位支承钉支承板浮动支承圆柱销各种心轴V型块定位套辅助支承第19页/共103页以平面定位A型用于精基准，B型用于粗基准，C型用于侧面定位。支承钉与夹具孔的配合为H7/r6或H7/n6。若支承钉需经常更换时可加衬套，其外径与夹具体孔的配合亦为H7/r6或H7/n6，内径与支承钉的配合为H7/js6。使用几个A型支承钉时，装配后应磨平工作表面，以保证等高性支承订适用于精基准。A型用于侧面和顶面定位，B型用于底面定位。支承板用螺钉紧固在夹具体上。若受力较大或支承板有移动趋势时，应增加圆锥销或将支承板嵌入夹具体槽内。采用两个以上支承板定位时，装配后应磨平工作表面，以保证等高性支承板第20页/共103页以平面定位适用于毛坯（如铸件）分批制造，其形状和尺寸变化较大的粗基准定位。亦可用于同一夹具加工形状相同而尺寸不同的工件，或用于专用可调整夹具和成组夹具中。在一批工件加工前调整一次，调整后用锁紧螺母锁紧调节支承支承本身在定位过程中所处的位置，随工件定位基准面位置的变化而自动与之适应，其作用相当于一个固定支承，只限制一个自由度。由于增加了与定位基准面接触的点数，故可提高工件的安装刚性和稳定性。适用于工件以粗基准定位或刚性不足的场合自位支承第21页/共103页调节支承应用实例第22页/共103页以平面定位旨在提高工件的装夹刚性和定位的稳定性，并不起消除自由度的作用。使用时必须逐个工件进行调整，以适应工件支承表面的位置变化结构简单，但效率较低螺旋式辅助支承支承销的高度高于主要支承，当工件装夹在主要支承上后，支承销被工件定位基准面压下，并与其他主要支承一起与工件定位基准面保持接触，然后锁紧。适用于工件重量较轻，垂直作用的切削负荷较小的场合自位螺旋式辅助支承第23页/共103页以圆柱孔定位当工作部分直径D<3mm时采用小定位销（JB/T8014.1－1999），夹具体上应有沉孔，使定位销圆角部分沉入孔内而不影响定位。大批量生产时，应采用可换定位销（JB/T8014.3－1999）。工作部分的直径，可根据工件的加工要求和安装方便，按g5、g6、f6、f7制造，与夹具体配合为H7/r6或H7/n6，衬套外径与夹具体配合为H7/h6，其内径与定位销配合为H7/h6或H7/h5。当采用工件上孔与端面组合定位时，应该加上支承垫板或支承垫圈定位销第24页/共103页以圆柱孔定位图a为间隙配合心轴，心轴工作部分按基孔制h6、g6或f7制造。装卸工件较方便，但定心精度不高；图b为过盈配合心轴，引导部分直径D3按e8制造，其基本尺寸为基准孔的最小极限尺寸，其长度约为基准孔长度的一半。工作部分直径按r6制造，其基本尺寸为基准孔的最大极限尺寸。当工件基准孔的长径比L/D>1时，心轴的工作部分应稍带锥度，直径D1按r6制造，其基本尺寸为孔的最大极限尺寸；直径D2按r6制造，其基本尺寸为基准孔的最小极限尺寸。心轴上的凹槽供车削工件端面时退刀用。这种心轴制造简便，定心准确，但装卸工件不便，且易损伤工件定位孔。多用于定心精度要求较高的场合；图c为花键心轴，用于以花键孔为定位基准的工件定位心轴第25页/共103页以外圆柱面定位对中性好，能使工件的定位基准轴线在V形块两斜面的对称平面上，而不受定位基准直径误差的影响，并且安装方便。可用于粗、精基准活动V型块固定V型块用于定位夹紧机构中，起消除一个自由度的作用第26页/共103页活动V型块应用实例第27页/共103页以外圆柱面定位图a中外圆柱面为第二定位基准；图b中外圆柱面为主定位基准；图c中定位元件为半圆形衬套，上半圆起夹紧作用，下半圆孔的最小直径应取工件定位基准外圆的最大直径。适用于大型轴类零件定位套第28页/共103页连杆盖工序图一面两孔定位应用实例一面两孔定位组合定位方式第29页/共103页定位误差分析定位误差：因工件定位而产生的工序基准在工序尺寸上的最大变动量△Ｄ定位误差的组成基准不重合误差△Ｂ基准位移误差△Ｙ定位基准与工序基准不重合引起的误差定位基准与限位基准不重合引起的误差大小等于定位基准与工序基准之间的尺寸公差由于定位基面和限位基面的制造公差和间隙造成的第30页/共103页定位误差：指一批工件在夹具中的位置不一致而引起的误差。用△D表示。误差产生原因：基准不重合误差△B与基准位移误差△Y定位误差的计算：△D=△B±△Y当工件以平面定位时:△D=△B，（△Y=0）当工件以内孔定位时:△Y=1/2（D+d）当工件以外圆柱面定位时:△Y=0.707D（90°V型块定位）

第31页/共103页例：用α=90°的V形块定位铣轴上键槽，计算定位误差；若不考虑其它误差，判断其加工精度能否满足加工要求？解：=0.207=0.207×0.12=0.025㎜为0.025㎜，远小于工件尺寸公差0.25㎜，所以能够满足加工要求

定位误差计算实例第32页/共103页工件的夹紧夹紧力的确定方向作力点大小夹紧力方向有助于定位；夹紧力应指向主要定位面落在支承范围内；落在工件刚性较好的方向或部位；靠近加工表面主要根据切削力大小，由计算法或类比法确定确定第33页/共103页夹紧力应指向主要定位面工件的夹紧第34页/共103页夹紧力作力点的位置工件的夹紧第35页/共103页作用力点落在工件刚性较好的方向或部位工件的夹紧第36页/共103页作用力靠近加工面工件的夹紧第37页/共103页基本夹紧机构斜楔夹紧机构偏心夹紧机构定心：位于中心、对中用偏心件直接或间接夹紧工件的机构。螺旋夹紧机构特点：夹紧力小，费时→组合单螺旋夹紧机构螺旋压板夹紧机构特点：动作慢，费时特点：夹紧力可靠，应用广泛定心夹紧机构工件的夹紧第38页/共103页单螺旋夹紧机构第39页/共103页典型螺旋压板夹紧机构第40页/共103页

压紧件螺旋压板夹紧机构中，压紧件主要用于将工件压紧在夹具体上，以保证工件定位后的正确位置，并使工件在切削力的作用下位置保持不变。压紧件的类型较多，用途广泛，适当使用可以改善夹具的压紧结构，提高效。压板第41页/共103页紧固件

紧固件在夹具系统中所占的比例较大，数量约占一半以上，主要用于连接夹具系统中的各类元件及紧固被加工工件第42页/共103页常用夹紧元件的使用第43页/共103页

斜楔夹紧：是铣床夹具中使用最普遍的是机械夹紧机构，这类机构大多数是利用机械摩擦的原理来夹紧工件的。斜楔夹紧是其中最基本的形式，螺旋、偏心等机构是斜楔夹紧机构的演变形式第44页/共103页斜楔夹紧机构第45页/共103页斜楔夹紧机构结构简图l一斜楔；2一滑柱；3一浮动压板；4一工件第46页/共103页偏心夹紧机构第47页/共103页螺旋式定心夹紧机构第48页/共103页工装夹具基本要求数控铣床的工装夹具基本要求在数控铣削加工中一般不要求很复杂的夹具，只要求简单的定位、夹紧就可以了，其设计的原理也与通用铣床夹具相同，结合数控铣削加工的特点，这里提出一些基本要求：

夹紧机构不得影响进给，加工部位要敞开。为保证工件在本工序中所有需要完成的待加工面充分暴露在外，夹具要做的尽可能开敞，因为夹紧机构元件和加工面之间应保持一定的安全距离，同时要求夹紧机构元件能低则低，以防止夹具与铣床主轴套筒或刀套、刃具在加工过程中发生干涉。

第49页/共103页工装夹具基本要求夹具在机床上能实现定向安装。为保持零件的安装方位与机床坐标系及编程坐标系方向的一致性，夹具应保证在机床上实现定向安装，还要求协调零件定位面与机床之间保持一定的坐标联系。尽量不要在加工过程中更换夹紧点，当一定要在加工过程中更换夹紧点时，要特别注意不能因更换夹紧点而破坏夹具或工件的定位精度。夹具的刚性与稳定性要好。第50页/共103页不影响进给的装夹示例不影响进给的装夹示例第51页/共103页组合夹具的优缺点：优点：使用组合夹具可节省夹具的材料费、设计费、制造费，方便库存保管；另外，其组合时间短，能够缩短生产周期，反复拆装，不受零件尺寸改动限制，可以随时更换夹具定位易磨损件；缺点：组合夹具需要经常拆卸和组装；其结构与专用夹具相比显得复杂、笨重；对于定型产品大批量生产时，组合夹具的生产效率不如专用夹具生产效率高组合夹具的适用范围：1.组合夹具适用于新产品研制，单件、小批量生产，适用于产品品种多，生产周期短的产品结构；2.机床设备适用于钻床、加工中心、镗床、铣床、磨床，也可以组合成装配工装、检查的检具和焊接夹具数控夹具的选用组合夹具的特点第52页/共103页的类型组合夹具孔系组合夹具槽系组合夹具根据零件的加工要求，用孔系列组合夹具元件即可快速地组装成机床夹具。该系列元件结构简单，以孔定位，螺栓连接，定位精度高，刚性好，组装方便夹具元件是靠基础板定位基准槽、键来连接各元件而组合成的夹具，所有元件可以拆卸、反复组装，重复使用。元件按其用途可分为基础件、支承件、定位件、导向件、压紧件、紧固件、合件、其它件八大类进行组合第53页/共103页孔系组合夹具第54页/共103页孔系组合夹具应用实例第55页/共103页孔系组合夹具应用实例第56页/共103页第一步——决定工件的定位基准面

第二步——选择组合夹具定位元件第三步——选择组合夹具夹紧元件并装夹工件孔系组合夹具应用举例第57页/共103页槽系组合夹具l一长方形基础板；2一方形支撑件；3一菱形定位盘；4一快换钻套；5一叉形压板；6一螺栓；7一手柄杆；8一分度合件第58页/共103页槽系组合夹具应用实例第59页/共103页

通用夹具是指已经标准化、无需调整或稍加调整就可以用来装夹不同工件的夹具。如三爪卡盘、四爪卡盘、平口虎钳和万能分度头等。这类夹具主要用于单件小批生产通用具夹的选用第60页/共103页液压

三爪卡盘：用于回转工件的自动装卡四爪单动卡盘：用于非回转体或偏心件的装卡卡盘的夹紧过程第61页/共103页工件在平口钳上的夹紧平口钳分固定侧与活动侧，固定侧与底面作为定位面，活动侧用于夹紧工件安装在平口钳上时，工件的定位基准面应与平口钳的固定钳口面接触。第62页/共103页正弦平口钳，通过钳身上的孔及滑槽来改变角度，可用于斜面零件的装夹第63页/共103页平口钳可选附件第64页/共103页通用夹具的装卡过程第65页/共103页第66页/共103页专用夹具指专为某一工件的某一加工工序而设计制造的夹具。结构紧凑，操作方便，主要用于固定产品的大批大量生产专用夹具第67页/共103页连杆加工专用夹具该夹具靠工作台T形槽和夹具体上定位键确定其在数控铣床上的位置，并用T形螺栓紧固第68页/共103页

连杆加工专用铣槽夹具结构夹具l一夹具体；2一压板；3、7一螺母；4、5一垫圈：6一螺栓；8一弹簧；9一定位键；10一菱形销；11一圆柱销第69页/共103页工件安装的基本原则在数控机床上工件安装的原则与普通机床相同，也要合理地选择定位基准和夹紧方案。为了提高数控机床的效率，在确定定位基准与夹紧方案时就注意以下几点：1)力求设计基准、工艺基准与编程计算的基准统一。2)考虑到数控加工每次装夹都必须重新对刀，这样会大大增加辅助加工时间，影响加工效率，同时也是对数控机床功能的“浪费”。所以，在数控加工中，尽量减少装夹次数，尽可能做到一次装夹后，能加工出全部的待加工表面，以充分发挥数控机床的功效。第70页/共103页工件安装的基本原则3)需要数控加工的零件其定位基准面一般都已预先加工完毕,所以当有些零件需要二次装夹时,要尽可能利用同一基准面来加工另一些待加工面,这样可以减少加工误差。4)避免采用占机人工调整式方案，以充分发挥数控机效能。5)尽量选择通用、组合夹具,一次安装中把零件的所有加工面都加工出来,零件的定位基准与设计基准重合,以减少定位误差。使用组合夹具,生产准备周期短,夹具零件可以反复使用,经济效果好。第71页/共103页工件安装的基本原则6)应特别注意要迅速完成工件的定位和夹紧过程,以减少辅助时间,必要时可以考虑采用专用夹具。7)所用夹具应便于安装,便于协调工件和机床坐标系的尺寸关系。8）对小型零件或工序不长的零件，可以考虑在工作台上同时装夹几件进行加工，以提加工效率第72页/共103页零件装夹和夹具选择

安装工件中要全面考虑工件，铣刀，铣床和夹具等各方面情况，然后依据实际情况确定安装工件的方法。初次使用的夹具应对其平行面，垂直面等定位面进行检验，看它是否正确。在数控加工中,既要保证加工质量,又要减少辅助时间,提高加工效率。因此要注意选用能准确和迅速定位并夹紧工件的装夹方法和夹具。零件的定位基准应尽量与设计基准及测量基准重合,以减少定位误差。第73页/共103页数控加工对夹具主要有两点要求编程人员一般不进行数控加工的夹具设计,而是选用夹具或参与夹具设计方案的讨论。这里所讲的夹具,是指数控机床上完成工件定位夹紧的夹具。根据数控加工的特点，对夹具提出了两个基本要求：一是保证夹具本身在机床上安装准确;要保证夹具的坐标方向、机床的坐标方向相对固定；二是能协调零件和机床坐标系的尺寸关系。第74页/共103页定位、夹紧、夹具的选择应注意的几个方面

1）装卸零件要快速、方便，缩短机床的停顿时间，以缩短准备时间。夹具在机床上安装要准确可靠,以保证工件在正确的位置上加工。2）加工批量不大时,又经常变换品种的零件，应优先考虑使用组合夹具、可调式夹具及其他通用夹具,以缩短生产准备时间、节省生产费用。3）当工件批量较大、工件精度要求较高时,可以设计专用夹具,并力求结构简单;第75页/共103页定位、夹紧、夹具的选择应注意的几个方面4）对装夹精度要求很高，批量少的零件，可在机床工作台上进行找正，用设定的坐标系进行加工，以节省夹具的费用。5）对小型零件或工序不长的零件，可以考虑在工作台上同时装夹几个零件进行加工。第76页/共103页定位、夹紧、夹具的选择应注意的几个方面6）零件定位、夹紧的部位应考虑到不妨碍各部位的加工、更换刀具以及测量。

夹具要开敞，加工部位开阔，夹具的定位、夹紧机构上的各部件不得妨碍走刀。不能影响加工中的进给（如产生碰撞等）。尤其要避免发生刀具与工件、刀具与夹具相撞的现象。第77页/共103页定位、夹紧、夹具的选择应注意的几个方面7）夹紧力应力求加在主要支承点上方或在支承点所组成的三角形内,应力求靠近切削部位并在刚性较好的地方。尽量不要在被加工孔径的上方,以减少零件变形。8）零件的装夹、定位要考虑到重复安装的一致性,以减少对刀时间,提高同一批零件加工质量的一致性。一般同一批零件采用同一定位基准,同一装夹方式。

9）为了在一次安装中加工出更多的表面,有时要增加一些辅助定位面(即工艺面)。第78页/共103页数控铣削加工工件的安装第79页/共103页数控铣削加工工件的安装加工内轮廓时的安装第80页/共103页数控铣削加工工件的安装加工外轮廓时的安装第81页/共103页数控铣削加工工件的安装不影响进给的装夹示例第82页/共103页数控铣削加工工件的安装

对刀点与加工原点重合第83页/共103页

平口钳平口钳第84页/共103页平口钳第85页/共103页平口钳第86页/共103页平口钳的安装安装平口钳：数控铣床工作台面有三条T形槽，一般安装在中间槽口（因中间槽口是定位槽，公差较严）。要求钳口垂直于纵向工作台面（即与横向工作台面运动方向一致）；也可以使钳口平行于纵向工作台面（即与纵向工作台面运动方向一致）。第87页/共103页平口钳的校正校正平口钳：平口钳底座上一般都有定位键，以保证钳口垂直或者平行于纵向工作台面。如果遇到键块与工作台面T形槽宽度尺寸不符时，则需要利用百分表、划线针、或者直角尺进行校正。在数控铣加工中，为了保证精度，不管平口钳底面没有定位键，都应该进行校正（转盘不一定是正的）。

校正定钳口方法是：将千分表的磁性表座吸附在主轴端盖上。第88页/共103页平口钳夹紧工件时要注意的问题平口钳夹紧工件时要注意以下几个问题：（1）夹紧工件前，必须检查两个钳口平面，要求两个钳口平面平直度要好，且需垂直于平口钳底面。当两个钳口并拢时，要求钳口两个平面应同时接触或者两个钳口上部接触，下面允许略有间隙（0.02~0.05毫米）,可用直角尺进行检查。如果两个钳口下面接触，上面有间隙，将会产生夹不住工件现象。

第89页/共103页工件应高出钳口（2）用平口钳夹紧工件时，为避免铣坏钳口和损坏铣刀，应使工件被加工表面高出钳口。如果工件低于钳口平面，可在工件下面垫放适当厚度的平行垫铁，垫铁应具有一定的尺寸规格和表面粗糙度要求。

第90页/共103页敲击工件（3）在夹紧工件过程中，应用铜锤或木锤轻轻敲击工件，使工件紧密的落实在平行垫铁上，以用手不能轻易推动平行垫铁为适宜。第91页/共103页夹紧工件时要注意以下几个问题（4）当工件的一面是己加工表面，而另一面却是高低不平的毛坯表面，或者相对两平面出现微小倾斜面时，可将工件的己加工表面紧贴在固定钳口上作为基准面；再在活动钳口与工件毛坯表面之间增添一根圆棒或一块挤板，就能使工件装夹稳固，而且还能保证铣削出来的平面垂直于基准面。

第92页/共103页基准面紧贴在固定钳口上（5）在夹紧工件时，应把工件的基准面紧贴在固定钳口上，而且在铣削进行中，应把固定钳口作为承受铣削力的钳口。第93页/共103页毛坯面与钳口之间垫以铜片（6）用平口钳夹紧毛坯工件时，为避免损坏钳口，应在毛坯面与钳口之间垫以铜片等物。

（7）夹紧有色金属时，用力不要过猛，夹紧力不要太大，防止工件变形。不正确第94页/共103页铣削长形工件时铣削长形工件时，要注意工件的正确位置，防止当工作台已走到尽头，而工件还没有铣到所要求的长度。可以用二套夹具把工件夹紧，以免工件伸出太长，加工中引起颤动。第95