机床夹具原理

第9章

机床夹具设计原理

机床夹具作用的实现必须满足三个条件：(1)夹具在机床上的准确装夹；(2)工件在夹具中占有正确的加工位置；(3)刀具相对夹具具有准确位置。

使工件在机床上相对刀具占有正确的位置，这个过程称为定位。

在切削过程中，为了克服工件受外力(惯性力、切削力、重力等)的作用而破坏定位，还必须对工件施加夹紧力，这个过程称为夹紧。

9.1.1机床夹具的分类按通用化程度机床夹具可分为两大类，即通用夹具和专用夹具。

通用夹具是由机床附件厂或专门的工具制造厂制造的，如三爪卡盘、四爪卡盘、顶尖、平口钳、分度头等。因为它们具有通用性，对它们只需要稍加调整或更换少量零件就可以用于装夹不同的工件，所以一般称为通用夹具。

专用夹具是指为某工件的某工序专门设计和制造的夹具,通常由使用厂自行设计和制造.9.1机床夹具概述9.1.2夹具的作用和组成1．夹具的作用(1)保证加工精度的稳定;(2)缩短辅助时间，提高劳动生产率；(3)可扩大机床的使用范围；(4)可以减轻劳动强度，保证安全生产。9.1机床夹具概述2．夹具的组成(1)定位元件与工件的定位基准相接触，用于确定工件在夹具中的正确位置。

(2)夹紧装置这是用于夹紧工件的装置，在切削时使工件在夹具中保持既定位置。

(3)对刀元件这种元件用于确定夹具与刀具的相对位置

9.1机床夹具概述9.1机床夹具概述(4)夹具体这是用于联接夹具各元件及装置，使其成为一个整体的基础件。它与机床相结合，使夹具相对机床具有确定的位置。(5)其它元件及装置根据工件的加工要求，有些夹具要有分度机构，铣床夹具还要有定位键等。9.2工件的定位原理任何一个自由刚体（工件），在空间直角坐标系中均有六个自由度，即沿三个互相垂直坐标轴的移动和绕三个坐标轴的转动（用表示）。要定位，就必须限制这六个自由度。限制自由度的办法是采用定位支承。

图9-3刚体在空间具有六个自由度图9-4工件在空间的六点定位定位的几种情况：1．完全定位：将工件六个自由度完全限制的定位，叫做完全定位。

2．不完全定位：只要限部分自由度，就可以保证工件的加工要求的定位。3．欠定位：应该限制的自由度没有被限制，这种定位叫欠定位。

9.2工件的定位原理图9-5工件应限制自由度的确定4．过定位多个支承点重复限制同一个自由度的情况称为过定位。

结论：完全定位和不完全定位是正确的定位方式；欠定位是错误的定位方式；一般地说，过定位是错误的定位方式。9.2工件的定位原理图9-6连杆的过定位

消除过定位的干涉，一般有两种途径：一）是提高定位基面之间以及定位元件工作表面之间的位置精度；二）是改变定位元件的结构。9.2工件的定位原理图9-7

改善过定位的措施各种典型定位元件的定位分析如表9-1所示：

9.2工件的定位原理各种典型定位元件的定位分析如表9-1所示：

9.2工件的定位原理各种典型定位元件的定位分析如表9-1所示：

9.2工件的定位原理9.2工件的定位原理各种典型定位元件的定位分析如表9-1所示：

2．支承元件的结构形式一般常用的支承元件，已有国家标准。（1）主要支承

（起定位作用）

①固定支承：9.3.1工件以平面定位图9-9支承钉与支承板9.3工件用夹具定位装夹时的基准位置误差9.3.1工件以平面定位1．定位元件的布置粗基准定位：由于定位基面误差大，故定位元件选用支承钉。精基准定位：基面精度较高，一般采用的定位元件为支承板。

图9-8平面定位9.3.1工件以平面定位选择定位平面及其定位元件的布置，一般应遵守下述原则：

（1）主要定位基面（第一定位基面）应是工件上最大且较精确的平面。在主要定位基面范围内布置的支承钉或支承板等定位元件，应能限制三个自由度。

（2）导向基面（第二定位基面）应选择工件上窄长的平面，一般布置两个定位支承,限制二个自由度。

（3）止推基面（第三定位基面）一般选面积较小的面，布置一个定位支承，限制一个自由度。

②可调支承：即支承的高度尺寸在一定范围内可以进行调整。支承调到合适的高度后，应用锁紧螺母锁紧，防止松动（定位）。9.3.1工件以平面定位图9-10可调支承③自位支承（浮动支承）：自位支承是指支承本身的角向位置在工件定位过程中能随工件定位基面位置变化而自动与之适应。这种支承一般具有两个以上的支承点，各点间互有联系，其上放置工件后，若压下其中一点，就迫使其余的点上升，直至各点全部与工件接触为止，其定位作用只限一个自由度，相当于一个固定支承钉。

9.3.1工件以平面定位图9-11自位支承（2）辅助支承

辅助支承是在夹具中对工件不起限制自由度作用的支承。它主要用于提高工件的支承刚性，防止工件因受力产生变形。

9.3.1工件以平面定位图9-12辅助支承的应用辅助支承结构形式

图a在转动支承1时，有可能因摩擦力矩带动工件而破坏定位；图b所示结构避免了上述缺点，调节时转动螺母2，支承1只作上下直线移动；图c为自位式辅助支承，靠弹簧3的弹力使支承1与工件接触，转动手柄4将支承1锁紧。因弹簧力可以调整，作用力适当而稳定，避免了操作上的失误而将工件顶起。

3．平面定位时的基准位置误差基准位置误差的定义：由于定位副（工件的定位基准和定位元件工作表面）的制造误差或定位方式，引起同批工件中的定位基准在夹具中的位置的最大变动量，称为基准位置误差。1）工件以平面作为主要定位基准时，只要定位基面为精基面，夹具上的定位元件工作面又处在同一平面上，则定位基面与定位平面接触较好，基准位置误差很小，可以忽略不计。2）当工件以粗基准定位时，没有必要计算基准位置误差。

9.3工件用夹具定位装夹时的基准位置误差9.3.2工件以圆孔定位常用的定位元件是各种心轴和定位销。1．间隙配合圆柱心轴：（1）定位基准孔与心轴任意接触：孔中心位置的最大变动量，即基准位置误差为：

图9-14间隙配合心轴（2）定位基准孔与心轴固定边接触当心轴水平放置时，因受重力影响或在夹紧力作用下定位孔只能单向位移而与心轴固定边接触时：孔中心位置的最大变动量，即基准位置误差为：

9.3.2工件以圆孔定位2．过盈配合圆柱心轴由于孔与轴间无间隙，基准位置误差为零，所以定心精度较高。9.3.2工件以圆孔定位3．圆锥心轴圆锥心轴一般具有很小的锥度K，装夹时以轴向力将工件均衡推入，靠孔与心轴接触表面的均匀弹性变形，使工件楔紧在心轴的锥面上。加工时靠摩擦力带动工件。采用圆锥心轴，孔、轴间的间隙得以消除，定心精度较高。

9.3.2工件以圆孔定位4．定位销

图9-18a、b、c定位销大多采用过盈配合直接压入夹具体孔中，定位销头部均有15°倒角，以便引导工件套入。

在大批量生产条件下，定位销较容易磨损而降低定位精度。为便于更换，常常采用图9-18d所示可换式定位销。

图9-18定位销9.3.2工件以圆孔定位5．圆锥销

9.3.2工件以圆孔定位图9-19圆锥销1．在V形块中定位采用V形块定位的特点是对中性好，即工件定位圆的轴线与V形块两斜面对称轴线保证重合，不受定位外圆直径误差的影响。利于保证加工表面与外圆轴线有对称度要求的工件。9.3.3工件以外圆柱面定位（1）V形块的结构（2）V形块在夹具中的安装尺寸T9.3.3工件以外圆柱面定位（3）工件以外圆在V形块上定位时的基准位置误差工件定位外圆的几何中心即是定位基准。因此计算定位基准位置误差，就是计算同批工件中该几何中心位置的最大变动量。9.3.3工件以外圆柱面定位2．在圆轴孔中定位工件以外圆在圆柱孔中定位，与前述的孔在心轴或定位销上定位情况相似，只是外圆与孔的作用正好对换。3．在半圆孔中定位

对于工件尺寸较大或定位外圆不便于直接插入定位圆孔时，可用半圆孔定位。9.3.3工件以外圆柱面定位在加工箱体、壳体等类零件时，常用一个平面和两个圆柱孔定位。两个圆柱孔可以是工件结构上原有的，也可以是为满足定位需要而专门加工的工艺孔。

问题：由于一批工件中两孔及两销之间的中心距都在一定公差范围内变动，在极限情况下，就有可能使工件两孔无法套入两个定位销中。

9.3.4工件以一面两孔定位图9-23一面二孔定位1．减小第二定位销的直径：采用缩小第二定位销直径的方法，由于使转角误差增大，影响定位精度，因此只有在工件加工精度不高时才使用这种方法。9.3.4工件以一面两孔定位图9-25定位时的转角误差图9-24求第二定位销直径尺寸原理图2．将第二定位销作成菱形销（削边销）

9.3.4工件以一面两孔定位菱形销结构尺寸已标准化：9.3.4工件以一面两孔定位9.4工件用夹具装夹时的加工误差分析9.4.1工件用夹具装夹时加工误差的组成在调整好的机床上加工一批工件时，造成工件加工误差的因素很多。

9.4工件用夹具装夹时的加工误差分析9.4.2定位误差分析计算1．定位误差及其产生原因定位误差定义:同批工件在夹具中定位时，工序基准位置在工序尺寸方向上的最大变动量。引起定位误差的原因为：若工件的工序基准与定位基准不重合，就会导致工序基准相对定位基准的位置产生变动，即产生了基准不重合误差.

9.4.2定位误差分析计算基准不重合误差举例:图9-29基准不重合引起的定位误差如图所示的V形块定位，若在工件轴端钻孔，其工序基准为外圆几何中心，此时工序基准与定位基准重合，但由于外圆在V形块上定位时，会产生基准位置误差，故使工序基准变动，工序基准变动在加工工序尺寸方向上的分量（投影），就是引起的定位误差.

9.4.2定位误差分析计算2．定位误差的分析计算定位误差的计算，一般有两种方法，现分述如下：

9.4.2定位误差分析计算序尺寸方向上的分量的代数和，即为所求定位误差。

例9-1:计算一圆盘形工件在V形块上定位钻孔时,孔的位置尺寸采用三种的标注方法时的定位误差.图9-30在V形块上定位的定位误差分析9.4.2定位误差分析计算9.4.2定位误差分析计算例9-2工件以E、D两平面为定位基准铣平面F，要求保证工序尺寸A。工序基准是孔中心Ｏ，假定E、D两平面已经精加工，与定位元件接触良好，可以认为，因此只存在基准不重合误差。9.4.2定位误差分析计算（2）用微分法计算定位误差例如在一轴上铣平面，要求保证的工序尺寸为A，与定位有关的尺寸及定位方案如图9-32所示，求对尺寸A的定位误差。9.4.2定位误差分析计算图9-32用微分方法计算定位误差讨论:分析计算定位误差的目的，是为了在夹具设计阶段对定位方案能否保证加工要求有一个明确的概念:分析计算定位误差的目的，是为了在夹具设计阶段对定位方案能否保证加工要求有一个明确的概念。计算出的定位误差只能占相应工序尺寸公差的一定比例，如果占的比例过大，以致不能保证加工精度时，就必须采取相应措施提高定位精度，例如提高定位副的加工精度，采用基准重合原则，或改用其它定位误差较小的定位方案等。计算出的定位误差只能占相应工序尺寸公差的一定比例，如果占的比例过大，以致不能保证加工精度时，就必须采取相应措施提高定位精度，例如提高定位副的加工精度，采用基准重合原则，或改用其它定位误差较小的定位方案等。9.4.2定位误差分析计算9.5工件的夹紧装置设计9.5.1夹紧装置的组成及设计要求（1）力源装置。用以产生夹紧力。

（2）中间传力机构。它将力源装置产生的力传给夹紧元件.（3）夹紧元件。它是夹紧装置的最终执行元件，一般与工件的夹压表面直接接触。

设计夹紧装置时应满足以下基本要求：（1）保证加工质量。夹紧力的大小应适当，既保证工件夹紧的可靠性，又使夹紧时不破坏工件的定位或使工件和夹具上的元件产生不允许的变形。（2）保证生产率。要求夹紧动作迅速，与生产率的要求相适应。（3）操作方便、省力、安全。（4）具有良好的结构工艺性。

9.5工件的夹紧装置设计9.5.2正确施加夹紧力1．夹紧力的方向（1）夹紧力的方向应不破坏工件的准确定位图9-33夹紧力作用方向对准确定位的影响（2）夹紧力作用方向应指向主要定位基准

9.5.2正确施加夹紧力图9-34夹紧力作用方向与主要定位基准的关系（3）夹紧力的方向应与工件刚度最大的方向一致，以减小工件变形.(加套环均布夹紧压力)9.5.2正确施加夹紧力图9-35夹紧力方向与工件刚性关系（4）夹紧力的方向尽量与切削力、工件重力的方向一致，以减小夹紧力这样可使夹紧装置结构紧凑，操作省力。假如夹紧力与重力、切削力的方向相反，就需要较大的夹紧力。9.5.2正确施加夹紧力2．夹紧力的作用点（1）夹紧点应正对支承元件或位于支承元件所形成的支承面内，避免使工件遭受翻转力矩。

9.5.2正确施加夹紧力图9-36夹紧力作用点的选择1—夹具体2—工件3—定位支承（2）夹紧力作用点应位于工件刚性最好的部位，以防工件变形。

9.5.2正确施加夹紧力（3）夹紧点应尽量靠近加工部位，防止或减小工件的振动。

9.5.2正确施加夹紧力图9-38夹紧点靠近加工表面3．夹紧力的大小为了保证夹紧的可靠性，选择合适的夹紧装置以及确定机动（如气动、液压等）夹紧装置的动力部件尺寸（如缸孔直径）时，一般需要确定夹紧力的大小。在确定夹紧力时，通常将夹具和工件看成一个刚性系统，并视工件在切削力、夹紧力、重力和惯性力作用下，出现最不利情况仍处于静力平衡，然后列出平衡方程式，即可求出理论夹紧力。为使夹紧可靠，应再乘以安全系数K后作为实际所需的夹紧力。

9.5.2正确施加夹紧力9.5.3典型夹紧机构1．斜楔夹紧机构（1）夹紧作用原理图9-39斜楔夹紧机构1—钻套2—衬套3—工件4—楔块5—夹具体（2）斜楔夹紧力的计算

9.5.3典型夹紧机构图9-40斜楔受力分析（3）斜楔的自锁条件夹紧机构一般都要求能自锁，即当原始力Fs撤除后，夹紧机构在摩擦力作用下仍能保持其夹紧状态而不松开。

要实现自锁，得自锁条件为（9-16）9.5.3典型夹紧机构（4）斜楔夹紧机构的特点1）由于扩力比i>Fj/Fs，故斜楔具有明显的增力特性。2）夹紧行程小。增大斜楔升角可增加夹紧行程，但影响自锁性能。可以采用双升角的斜楔，即大升角使h增大，实现夹紧元件迅速进退；小升角保证夹紧自锁。3）自锁性。自锁条件为：4）适用范围：主要作为增力自锁机构与气动、液压夹紧装置组合使用。9.5.3典型夹紧机构2．螺旋夹紧机构 （1）作用原理 螺旋就像绕在圆柱体上的一个斜楔。

（2）夹紧力计算

9.5.3典型夹紧机构（3）螺旋夹紧的特点螺旋夹紧的优点是结构简单紧凑，增力效果突出，自锁性能好，夹紧行程较大，故在各类夹具中应用较广。缺点是每次夹紧和松开工件时间较长，效率低。提高效率的措施是使用各种快速螺旋夹紧机构，如图9-41c所示的压板4，只要旋松螺钉，便可使压板4退出，即可装卸工件。9.5.3典型夹紧机构3．偏心夹紧机构（1）夹紧作用原理原始力使圆偏心回转时，其回转半径不断增大，相当于把曲线楔逐渐楔紧于基圆和工件之间而把工件压紧,如以为圆心，以（R－e）为半径画一虚线圆（称基圆），则图中的阴影线部分就相当于一个曲线楔绕在基圆盘上。

9.5.3典型夹紧机构（2）圆偏心夹紧机构的特点圆偏心夹紧机构的主要优点是动作迅速。但升角在各夹紧点是不相同的，夹紧行程小，夹紧力不大，因此一般适用于切削负荷小，且无很大振动的场合。9.5.3典型夹紧机构4．定心夹紧机构定心夹紧机构是一种对工件同时实现定心定位和夹紧作用的夹紧机构。该种机构在夹紧过程中能使工件相对某一轴线或对称面保持对称性或对中性。定心夹紧的实质，在于定心—夹紧元件能够等速趋近或退离，从而使工件定位基面的尺寸偏差对称地平均分配在夹紧方向上，而不产生基准位置误差。9.5.3典型夹紧机构图9-45定心夹紧示意图定心夹紧机构的结构形式

（1）定心—夹紧元件以等速移动实现定心夹紧.图9-46是螺旋式定心夹紧机构，螺杆3两端分别有螺距相等的左右螺纹。

9.5.3典型夹紧机构图9-46螺旋式定心夹紧机构图9-47为斜楔式夹紧机构。

9.5.3典型夹紧机构图9-48为杠杆式定心夹紧机构。

9.5.3典型夹紧机构这一类等速移动实现定心夹紧的定心夹紧机构由于机构组成环节多，运动副间的配合间隙也不易控制，定心精度一般为0.15～0.05mm。但因能产生较大的夹紧力和夹紧行程，所以多用于粗加工和半精加工。

（2）依靠定心—夹紧元件产生均匀弹性变形实现定心夹紧图9-49为弹簧夹头和弹性心轴，分别夹紧按外圆和内孔定心的工件。它们都是利用圆锥面间的相对移动使弹簧套筒2产生弹性张开或收缩来使工件5定心夹紧。

9.5.3典型夹紧机构图9-49弹簧夹头和弹性心轴弹簧夹头和弹性心轴结构简单，定心精度达0.04～0.1mm。因弹簧套筒变形量不宜过大，故对工件定位面精度要求高，公差应在0.1～0.5mm以内。通常用在精加工和半精加工场合。

液性塑料夹具：它是在薄壁套筒中注入了一种常温下呈冻胶状（介于固体与液体之间）的液性塑料。因液性塑料有液体的不可压缩性，当旋人螺钉1时、塑料在密封的套筒内将压力同时传递到薄壁套筒的四周；使之产生均匀变形将工件定心夹紧。液性塑料夹具的特点是：结构简单，定心精度高，可达0.01～0.02mm。但由薄壁套筒变形量小，因夹紧行程和夹紧力都较小，故适用于精加工及工件定心尺寸精度等级不低于IT8的场合。目前因液性塑料本身易老化，使应用范围受到限制。

9.5.3典型夹紧机构图9-50液性塑料夹具5．联动夹紧机构从一处施力，能同时从不同的地方和方向对一个工件或若干个工件进行夹紧。能实现这个要求的装置称为联动装置，或叫多点多件夹紧机构。9.5.3典型夹紧机构多点多件夹紧机构例2：9.5.3典型夹紧机构9.6典型机床夹具的应用9.6.1车床夹具设计车床类夹具时，除了正确解决定位、夹紧问题外，还应注意以下特点和要求。（1）因为夹具随机床主轴一起回转，所以要求结构紧凑，重量轻且重心尽可能靠近回转轴线，以减小惯性力和回转力矩。（2）应有平衡措施消除回转不平衡引起的振动现象。

（3）夹具上应避免有尖角或突出部分，必要时回转部分外面应加护罩。（4）注意夹具在车床主轴上的定位与连接。夹具与主轴的定位表面之间必须有良好的配合和可靠的联接，特别是夹紧装置的自锁应可靠。9.6典型机床夹具的应用在主轴上装夹的夹具一般分为心轴式及卡盘式两种：1）心轴式：用心轴2的莫氏锥柄装在主轴莫氏锥孔内，并用拉杆1从主轴尾部将锥柄拉紧。这种装夹型式迅速方便，定位精度高、但刚性低，适用于D小于140mm或的小型夹具。

9.6典型机床夹具的应用2）卡盘式：专用夹具通过过渡盘2装在主轴上。过渡盘的一面与机床主轴联接，其配合表面的形状取决于车床主轴的端部结构；过渡盘的另一面通常有与专用夹具定位用的凸缘。图中过渡盘按主轴前端结构以圆锥面定心，用活套在主轴上的螺母1锁紧，扭矩则由键3传递。9.6典型机床夹具的应用9.6典型机床夹具的应用9.6.2铣床夹具设计铣床夹具时应特别注意下列问题：（1）铣削是断续切削，当余量大时易引起振动，因此铣床夹具的受力元件要有足够的强度和刚度；夹紧机构提供的夹紧力应足够大，且要求有较好的自锁性能。（2）当需要用对刀块来确定刀具和夹具间的正确位置时，选用对刀块。对刀时，对刀块和刀具间要放入对刀塞尺、防止刀具和对刀块直接接触而损坏刀具和对刀块。对刀精度由抽动塞尺时的松紧程度来控制。平塞尺和圆塞尺均已有国家标准。（3）铣床夹具在机床上的定位，一般是夹具体底面及其上的两个定位键来实现的。9.6典型机床夹具的应用9.6典型机床夹具的应用定位键的结构及其在机床T型槽中的位置：（a）A型（b）B型（c）相配件尺寸图9-58标准定位键的结构9.6.3钻床夹具

1）钻套结构的选择与设计：9.6典型机床夹具的应用钻模例：9.6典型机床夹具的应用图9-59回转式钻模9.6.4镗床夹具镗床夹具（简称镗模）设计的关键问题，是必须很好地解决镗杆的导向，即有关镗套的布置方式和镗套结构型式的选择和设计。1．镗套的布置方式按镗套的位置分布，可分为下列几种：（1