《机床夹具设计原理》

机床夹具设计原理本章要点机床夹具概述定位原理与定位误差工件的夹紧专用夹具设计方法和步骤典型机床夹具设计特点机械制造技术基础

机床夹具设计原理5.1机床夹具概述5.1.1机床夹具的作用1)工件易于正确定位，保证加工精度；2)缩短安装时间，提高劳动生产率；3)扩大机床工艺范围，实现一机多能；4)操作方便、安全、可降低对工人的技术要求，还可减轻工人的劳动强度。1）通用夹具：三爪、四爪卡盘，平口钳等，一般由专业厂生产，常作为机床附件提供给用户。2）专用夹具：为某一工件特定工序专门设计的夹具，多用于批量生产中。3）通用可调整夹具及成组夹具：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。4）组合夹具：由一套预先制造好的标准元件组合而成。根据工件的工艺要求，将不同的组合夹具元件像搭积木一样，组装成各种专用夹具。使用后，元件可拆开、洗净后存放，待需要时重新组装。组合夹具特别适用于新产品试制和单件小批生产。5）随行夹具：在自动线或柔性制造系统中使用的夹具。◆按夹具使用范围划分5.1.2机床夹具的分类通用夹具三爪卡盘四爪卡盘万向平口钳回转工作台分度头图5-1通用夹具图5-2专用夹具

43φDL零件工序简图专用夹具零件工序简图43φDLLφD43φD43LφDL34φDL43φDL34图5-3成组夹具KH1KH2KH3KH4成组夹具图5-4组合夹具1234567891011121314151617181—加筋角铁（2）2—槽用螺栓（6）3—平键（10）4—方形支承5—定位支承6—方形支承7—平垫圈8—六角螺母（8）9—槽用螺栓

10—钻套螺钉11—快换钻套12—钻模板13—圆形定位销14—工件15—方形支承16—角铁17—压紧螺钉18—基础板组合夹具图5-5铣拨叉槽组合夹具1—方形基础板2—小长方支承3，14，20—六角螺母4—φ40圆形定位盘5—大长方支承6—螺钉7—右支承角铁8，10—厚六角螺母9—垫圈11—槽用螺栓12—侧中孔定位支承13—小长方支承15—回转压板16—双头螺栓17—φ24圆形定位销18—圆螺母19—工件图5-6组合夹具实例组合夹具可分为钻床夹具、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5.1.2机床夹具的分类气动虎钳液压夹具图5-9铣轴端槽夹具1—V型块2—支撑套3—手柄4—定向键5—夹具体6—对刀块5.1.3夹具的组成1）定位元件及装置123646）其他元件及装置（防护、防错、分度…）5）夹具体4）连接元件3）对刀及导向元件2）夹紧元件及装置5.2工件在夹具中的定位5.2.1定位的概念定位:工件在加工前相对于刀具和机床切削成形运动必须占有正确的加工位置。定位的作用：使工件占据定位元件所规定的位置，并且使一批逐次加工的工件在夹具中占据正确的位置。定位是工件安装过程的一部分，已经定位的工件尚需通过夹紧使工件固定下来。

定位和夹紧是两个不同的概念。既不能只定位不夹紧，也不能用夹紧代替定位。5.2.2工件的定位基本原理

图5-10六点定位原理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。

一个在空间处于自由的物体具有6个自由度,即沿三个垂直坐标轴的移动、绕三个垂直坐标轴的转动。图5-11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

注意：“点”的含义

——对自由度的限制，与实际接触点不同

正确理解工件定位原理的几点注意事项定位支撑点与工件定位基准要始终保持紧密接触或配合，才能起到限制自由度的作用；分析支撑点的定位作用时，不考虑外力的作用；一个自由度由对应的一个支撑点限制，每个支撑点限制的自由度不允许重复或相互干涉；工件在夹具中实际定位时，是根据工件上已被选作定位基准的形状而采用相应结构形状的定位元件来实现的。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。定位原理

完全定位与不完全定位ZYXa）ZYXb）ZYXc）ZYXd）e）ZYXf）ZYX图5-12工件应限制的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，因而是不允许的。图5-13欠定位示例XZYa）b）BBB定位原理

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。

定位原理

过定位分析（桌子与三角架）图5-14过定位分析

定位原理

过定位分析图5-15过定位示例a）ZYXYc）ZYXY定位原理

b）ZYYX

过定位分析图5-16过定位示例XYa）ZYb）ZYXY定位原理

一面两孔定位分析D1D2d2d1b图5-17一面两孔定位干涉分析定位原理

刀柄主轴拉杆涨套

过定位应用图5-18HSK刀柄与传统刀柄结构HSK刀柄传统刀柄1:107:24间隙主轴拉杆刀柄定位原理

定位端面配合锥面

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5-19过定位示例定位原理

图5-20过定位引起夹紧变形定位原理

橡胶垫图5-21过定位处理分析

定位原理

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5-22过定位分析定位原理

a）YXZa1）YXZa2）YXZa3）YXZ图5-23a过定位示例分析

定位原理

b）XZYXb1）XZYXXZb2）YXXZb3）YX图5-23b过定位示例分析定位原理

c）XZYXc’）XZYXc1）YXXZ图5-23c过定位示例分析定位原理

ZXYZXYZXYZXY图5-24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5-24给出了平面定位的几种情况。ZXYZXY5.2.3定位方法与定位元件

工件以平面定位l

工件以平面定位（1）固定支承：支承钉（限1个自由度）支承板（限制2个自由度）（2）可调支承（3）自位支承（浮动支承）（4）辅助支承（不限制自由度）图5-25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5-25。XYZXYZXYZXYZXYZXYZ5.2.3定位方法与定位元件

工件以圆孔定位图5-26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。XYZXYZXYZXYZXYZ5.2.3定位方法与定位元件

工件以外圆柱面定位除平面、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5-27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5-27工件以锥孔定位5.2.3定位方法与定位元件

工件以其他表面定位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。5.2.3定位方法与定位元件

定位表面的组合XZY图5-28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5-28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。定位实例分析1

定位实例分析2定位实例分析3定位实例分析4思考题1、试述机床夹具的类型、特点和应用范围。2、试说明机床夹具的组成，各组成部分的作用？3、什么是定位？定位和夹紧概念的区别？4、试述六点定位原理的基本内容。5、只要有六个定位支承点，工件的六个自由度就可以完全被限制了，这种说法对吗？6、什么是完全定位？什么是不完全定位？7、什么是过定位和欠定位？是否均不允许存在？举例说明。8、试说明工件以平面定位基准时，其主要支承的类型和选用原则是什么？9、可调支承、辅助支承有什么区别？使用是应注意什么问题？10、会分析保证工件加工精度所需要限制的自由度。（表5-1）11、掌握常用定位元件所能限制的自由度。（表5-2）5.2.4定位误差分析►基准的概念及其分类基准：用来确定生产对象上的几何要素之间的几何关系所依据的那些点、线、面。

基面：基准不一定具体可见（如孔的中心线等），在零件上通常是通过有关具体表面表现出来的，这些表面称为基面。

基准的分类：5.2.4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5-29）。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5-29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5-29所示例子。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5-30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5-30由于基准不重合引起的定位误差工序基准

定位基准5.2.4定位误差

定位误差的来源5.2.4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。1）用几何方法计算定位误差

当工件孔径为最大，定位销的直径为最小时，孔心在任意方向上的最大变动量等于孔与销配合的最大间隙量，即无论工序尺寸方向如何，只要工序尺寸方向垂直于孔心轴线，其定位误差均为：

ΔDW

=Dmax－dmin（5-6）式中ΔDW

——定位误差

Dmax——工件定位孔最大直径

dmin——夹具定位销最小直径【解】5.2.4定位误差

【例5-4】图5-31所示为孔与销间隙配合的情况，若工件的工序基准为孔心，试确定其定位误差。图5-31孔与销间隙配合时的定位误差DmaxdminOΔDWO1O25.2.4定位误差

某些情况，工件孔与夹具定位销保持固定边接触（图5-32），此时孔心在接触点与销子中心连线方向上的最大变动量为孔径公差的一半。若工件的定位基准仍为孔心，且工序尺寸方向与接触点和销子中心连线方向相同，则其定位误差为：图5-32孔与销间隙配合固定边接触时定位误差DmaxO1DminOΔDWO2

ΔDW

=（Dmax－Dmin）=TD1212此时，孔在销上的定位已由定心定位转化为支承定位的形式，定位基准也由孔心变成了与定位销固定边接触的一条母线。这种情况下，定位误差是由于定位基准与工序基准不重合所造成的，属于基准不重合误差，与定位销直径无关。5.2.4定位误差

2）用微分方法计算定位误差【例5-5】工件在V型块上定位铣键槽，计算定位误差【解】要求保证的工序尺寸和工序要求：①槽底至工件外圆中心的距离H（或槽底至外圆下母线的距离H1，或槽底至外圆上母线的距离H2

）；②键槽对工件外圆中心的对称度OA=Sin(α/2)OB=Sin(α/2)d对上式求全微分，图5-33外圆表面在V型块上的定位误差HBαOA

对于第1项要求，考虑第1种情况（工序基准为圆心O，见图5-33），写出O点至加工尺寸方向上某一固定点（如V型块两斜面交点A）的距离：以微小增量代替微分，并将尺寸误差视为微小增量，且考虑到尺寸误差可正可负，各项误差均取最大值，得到工序尺寸H的定位误差：5.2.4定位误差

定位式中Td

——工件外圆直径公差；

Tα——V型块两斜面夹角角度公差。若忽略V型块两斜面夹角的角度公差，可以得到用V型块对外圆表面定位，当工序基准为外圆中心时，在垂直方向（图5-33中尺寸H方向）上的定位误差为：对于第2项要求，若忽略工件的圆度误差和V型块角度偏差，可以认为工序基准（工件外圆中心）在水平方向上的位置变动量为零，即使用V型块对外圆表面定位时，在垂直于V型块对称面方向上定位误差为零。5.2.4定位误差

若工件工序基准为外圆下母线或上母线时，用同样方法可求出其定位误差分别为：图5-34外圆表面在V型块上的定位误差b）a）H2BdOH1BOAC例：同轴度误差分析

如图所示，以外圆和平面定位加工内孔，试计算加工后与外圆的最大同轴度误差。例：同轴度误差分析

计算以外圆和平面定位加工内孔时产生的与外圆的同轴度误差。外圆φ80变化时，轴心线变化为OO’=δ’尺寸30变化时，轴心线变化为O’O”=δ”合成后:

练习题:什么是定位误差？定位误差产生的条件是什么？图示工件用α=90°的V形块和挡块定位铣削阶梯平面，要求保证尺寸和。试计算该定位方案的定位误差（假设两外圆同轴）？如要求定位误差控制在工序公差的1/3以内，判断能否满足加工要求？

练习题:

在图所示工件上加工键槽，工件内孔，外圆，要求保证尺寸。现有3种定位方案，分别如图b，c，d所示，其中心轴直径。试分别计算3种方案的定位误差，并选择最佳方案。（不考虑工件内外圆同轴度误差）（a）零件图（b）V形块定位（c）垂直心轴定位d）支承板定位►提高工件定位精度的措施1）消除或减少基准不重合误差要正确选择定位基准，尽可能与工序基准重合。2）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，减小或消除配合间隙来减小基准位移误差。5.3工件的夹紧5.3.1夹紧装置设计基本要求:（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。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。夹紧力作用力点的确定（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的力矩，增加可靠性，防止振动和变形。5.3.2夹紧力的大小的确定

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。通常粗加工取ｋ＝２．５～３，精加工取ｋ＝１．５～２。5.3.3常用夹紧机构斜楔夹紧机构螺旋夹紧机构圆偏心夹紧机构铰链夹紧机构定心、对中夹紧机构联动夹紧机构5.3.3常用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+25.3.3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。偏心夹紧机构自锁条件：5.3.3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。

5.3.3常用夹紧机构联动夹紧机构夹紧的动力：人工手动、气动、液压、电动等。5.3.3常用夹紧机构铰链夹紧机构定心、对中夹紧机构

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。5.4各类机床夹具设计特点

5.4.1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5.4.2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。

钻套

分度机构5.4.3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。5.4.4镗床夹具镗套的布置（1）单支承前引导（2）单支承后引导（3）前后双支承引导（4）双支承后引导5.5机床夹具设计5.5.1专用夹具设计的基本要求1）保证工件的加工要求。正确定位、刀具导向、夹紧方案。2）提高加工效率、降低成本。结构简单、装夹快速