第二章 机床夹具设计20130505

机械制造工艺学机电工程学院第二章2机床夹具设计2.1概述2.2工件的定位2.3工件的夹紧

2.4夹具的其它元件及装置2.5典型机床夹具设计要求2.6专用夹具设计方法与步骤2.1概述2.1.1工件的安装

安装是将工件在机床上或夹具中定位并夹紧的过程。

定位是指确定工件在机床或夹具占有正确位置的过程。

夹紧是指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操作。在各种不同的机床上加工时，一般可采用如下几种安装方法。

1.直接安装2.找正安装

3.夹具安装图2-1找正装夹方法

直接安装是将工件的定位基准面直接靠紧在机床的装夹面上进行定位，然后将工件夹紧。如：平磨工作台，等。

找正安装是先将工件夹持在机床上，然后使机床缓慢运动，再利用划针或百分表在工件表面上划过的轨迹来调整工件，使工件处于正确的位置，然后夹紧。

夹具是机床的附加装置，其上备有专门的定位元件和夹紧装置，加工工件可以在夹具上迅速而准确地安装。夹具在机床上已预先调整好位置，故工件通过夹具相对于机床就占据了正确的位置。2.1概述

直接找正安装精度高，效率低，对工人技术水平高。毛坯孔加工线找正线

划线找正安装精度不高，效率低，多用于形状复杂的铸件。

对于形状复杂、重、大的铸、锻件，往往先在待加工处划线，然后装上机床，再按所划的线进行找正定位。划线工序费时费力、效率低、精度差，故主要应用于单件小批生产。2.1概述

工件在夹具上装夹（滚齿夹具）

精度和效率均高，在批量生产上广泛采用。2.1概述2.1.2夹具的组成

1．定位元件：起定位作用，保证工件在机床上或夹具中占有正确的位置。

2．夹紧装置：将工件夹紧，保证工件定位后的正确位置不变。

3．导向元件和对刀装置：保证刀具加工时的正确位置，对于钻、

镗等孔加工刀具用导向元件。对于铣刀、刨刀等用对刀装置。

4．连接元件：用来保证夹具和机床之间的相对位置，如铣床夹具的定位键，车床卡盘类夹具有过渡盘等。

5．夹具体：它是夹具的基础件，将上述各元件连成一个整体。

6．其它元件：如对刀装置、对定装置、分度机构、起重吊环、排屑装置、机械传动装置等。2.1概述图2-2铣床夹具图2-3钻床夹具2.1概述2.1.3夹具的作用及分类

1.夹具的作用

（1）保证加工精度

夹具与机床、工件与夹具的相对位置均已确定，从而使工件在加工中的位置精度得到保证，且精度稳定；

（2）提高生产率

减少了划线、找正、多次对刀、调刀等辅助时间，生产率提高；（3）减轻劳动强度

如用气动、液压、电动等夹具，动作迅速、简单、省力；

（4）扩大机床的工艺范围如在车床上安装镗模夹具，可以进行箱体孔系加工；在铣床上加转台和分度装置，可加工有等分要求的零件。2.1概述2.夹具的分类（1）按夹具的使用范围来分1）通用夹具：三爪、四爪卡盘，平口钳等。2）专用夹具：为某一工件特定工序专门设计的夹具。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，以适应同一组（类）零件的加工。有一定的柔性。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，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。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。2.1概述三爪卡盘四爪卡盘回转工作台万向平口钳通用夹具示例分度头2.1概述

组合夹具实例2.1概述（2）按使用机床划分可分为钻床夹具、铣床夹具、车床夹具、磨床夹具等（3）按用途来分可分为机床夹具、装配夹具、检验夹具等（4）按夹紧力源划分可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、真空夹具、电动夹具等气动虎钳液压夹具2.1概述2.1.4工件在夹具中加工时加工误差的组成

工件的加工误差是指工件加工后的实际几何参数(尺寸、形状、相互位置)偏离理想几何参数的大小。采用夹具安装加工工件时，产生的加工误差由三部分因素产生。

1.工件安装误差

包括工件在夹具中的定位误差和夹紧误差。

2.夹具对定误差包括夹具相对刀具位置的对刀误差和夹具相对机床切削成形运动的误差。

3.加工过程误差

包括工艺系统几何精度、受力变形、受热变形及磨损等因素造成的误差。2.1概述

为保证零件加工精度，必须使上述各误差之和小于或等于零件的相应公差T

，即

此式称为加工误差不等式。通常可粗略地平均分配，各项均在公差要求的1/3之内，并给过程误差留有余地：也可综合考虑，按Z移动，X、Y轴旋转自由度2.2工件的定位图2-4六点定位原理XZY

任何一个物体在空间直角坐标系中都有6个自由度——用表示。Y移动，Z轴转动自由度X移动自由度2.2.1六点定位原理2.2工件的定位

工件在空间的六个自由度，可以用合理设置的六个支承点与其保持接触来限制，从而使工件在空间得到确定位置的方法，称为六点定位原理。

工件的定位通常有如下几种情况：

1.完全定位

工件的六个自由度完全被限制的定位。如六方体零件在中的定位。

2.不完全定位（部分定位）

允许有一个或几个自由度不被限制的定位．称为不完全定位。在实际生产中，工件被限制的自由度数一般不少于三个。

2.2工件的定位ZYXa）限制3个自由度ZYXb）限制5个自由度ZYXc）限制6个自由度d）ZYX限制2个自由度e）ZYX限制4个自由度f）ZYX限制5个自由度XZYa）2.2工件的定位3.欠定位

按工序的加工要求，工件应该限制的自由度而未被限制的定位，称为欠定位。欠定位是绝对不允许的。B欠定位b）B正确定位2.2工件的定位4.过定位

工件的同一自由度被重复限制的定位，称为过定位或称重复定位、超定位。过定位应尽量避免，消除过定位一般有两种方法：其一是改变定位元件结构，以消除重复限制的自由度；其二是提高定位基面之间及夹具定位元件工作表面之间的位置精度，以减小或消除过定位引起的误差。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，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。2.2工件的定位过定位分析（桌子与三角架）2.2工件的定位b）ZYYXa）ZYXY2.2工件的定位刀柄与传统刀柄结构刀柄传统刀柄1:107:24拉杆刀柄主轴拉杆涨套主轴刀柄过定位应用2.2工件的定位过定位讨论如图示，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。A0.02A间隙配合刚性心轴2.2工件的定位

过定位引起夹紧变形2.2工件的定位橡胶垫2.2工件的定位解决过定位的措施：以教材图2-6（b）为例图2-7改善过定位的措施2.2工件的定位思考：①不完全定位就是欠定位?

②过定位不一定就是完全定位?

③多于六个定位点的定位一定是过定位?

※常见的典型定位元件分析，见教材表2-12.2工件的定位2.2.2典型的定位方式及定位元件

1．工件以平面定位

箱体、床身、机座、支架类零件的加工，常以平面为定位基准。图2—8(a)为粗基准定位，采用支承钉；图2—8(b)为精基准定位，采用支承板。图2-8平面定位2.2工件的定位(1)主要支承

在工件定位时起主要的支承作用，有如下几种：

①固定支承在夹具中定位支承点的位置固定不变的定位元件。根据工件上定位平面的不同，可选取图2—9所示的支承钉或支承板。图2-9各类固定支承A型支承钉——平头，已加工表面B型支承钉——球头，未加工表面C型支承钉——网纹，要求摩擦大的侧面A型支承板——结构简单、难于清理积屑，多用于侧面；B型支承板——易于清理积屑，广泛用于平面定位。2.2工件的定位②可调支承在夹具中定位支承点的位置可调节的定位元件。图2—l0所示即为常用的几种可调支承。可调支承一般只对一批毛坯调整一次。图2-10各种可调支承2.2工件的定位③自位支承定位支承点的位置在工件定位过程中，随工件定位基准位置变化而自动与之适应的定位元件。图2—11所示即为经常采用的自位支承结构。定位基面不连续、台阶面、有角度误差时，或多个支承组合只限制一个自由度而提高支承刚度，可采用自位支承。图2-11自位支承2.2工件的定位(2)辅助支承

在工件定位时只起提高工件支承刚性或辅助定位作用的定位元件称为辅助支承。图2—12所示为辅助支承的结构。图2-12辅助支撑导向导向斜面2.2工件的定位思考辨析：辅助支承与可调支承的区别

辅助支承有些结构与可调支承相近，但有区别。可调支承起定位作用，而辅助支承不起定位作用，不限制自由度。可调支承是先调整，而后定位，最后夹紧工件；辅助支承是先定位，夹紧工件，最后调整辅助支承。2.2工件的定位2.工件以孔定位

当工件上的孔为定位基准时，即采用这种定位方式，其基本特点是定位孔和定位元件之间处于配合状态。常用的定位元件是各种心轴和定位销。

(1)心轴定位

①小锥度心轴这类心轴外圆表面锥度为1:1000一1:5000，定心精度高达0.005—0.01mm，要求工件定位孔有较高的精度。工件安装是从小端楔入，楔紧后孔表面产生局部弹性变形，使其与心轴在长度LK上产生过盈配合，保证工件定位后不倾斜。同时工件不需再夹紧。如图2—13所示。图2-13小锥度心轴2.2工件的定位②刚性的心轴

对套类工件，常用刚性心轴作定位元件，如图2—14所示。刚性心轴由导向部分1、定位部分2及传动部分而组成。

导向部分的作用是使工件能快速正确地套在心轴的定位部分上，其直径尺寸按间隙配合选取。心轴两端设有顶尖孔，一端铣扁，可插入拨盘方孔，也可设计成带有莫氏锥柄的结构，使用时直接插入主轴前锥孔内。图2—14(a)和图2—14(b)为过盈配合，采用基孔制r、s、u，定心精度高。图2—14(c)为间隙配合，采用基孔制h、g、f，装卸方便。图2-14刚性心轴其它心轴：弹性心轴、液性塑料心轴，在完成定位的同时也夹紧了工件。使用方便、结构复杂。2.2工件的定位(2)定位销图2—15所示为常用的固定式定位销的几种典型结构。圆孔尺寸较小时选用图(a)所示结构；圆孔尺寸较大时选用图(b)所示结构；当工件同时以圆孔和端面组合定位时，选用图(c)所示结构。定位销上端部有较长倒角，便于工件装卸。直径部分与定位孔配合，按基孔制g或f制造。尾柄部分与夹具体过盈配合。图2-15固定式定位销2.2工件的定位图2-16可换式定位销及锥面定位销长圆柱销限制四个自由度；短圆柱销限制二个自由度；短削边销限制一个自由度；锥面定位销限制三个自由度。2.2工件的定位箱体类零件加工时的一面二销定位以加工好的一个面及其面上的两个工艺孔作为定位基准。平面限制三个自由度，一个短圆柱销限制二个自由度，另一个是菱形销(或削边销)，限制一个自由度，实现完全定位。短圆柱销菱形销2.2工件的定位一面二销定位的设计按下述步骤进行：已知条件为D1min、D2min孔距及公差L±TL工

。①确定两销中心距及公差L±TL夹其中TL夹=(1/3～1/5)TL工

②确定圆销直径d1max及其公差

d1max＝D1min，配合选H7/g6或H7/f6。③确定菱形销直径d2max、宽度b及公差查表2—2选定b，按下式计算出菱形销与孔配合最小间隙△2min，再计算菱形销直径。

△2min=b(TL夹+TL工)/D2min

d2max

＝D2min－△2min

菱形销公差可按H7/g6选取。22.2工件的定位3.工件以外圆定位

工件以外圆表面定位主要有两种形式。一种是定心定位，常用各种自定心卡盘和弹簧夹头以及定位套；另一种是支承定位，常用支承板和V型块。(1)定位套

图2—18所示为各种定位套。图(a)所示为短定位套和长定位筒，其内孔分别限制二个自由度和四个自由度。图(b)为锥面定位套，限制三个自由度。图(c)为便于装卸工件的半圆定位套，限制的自由度视其长短而定。图2-18各种类型定位套2.2工件的定位(2)支承板

工件以外圆表面的侧母线定位时，常采用支承板，此时属支承定位。支承板与侧母线接触长限制二个自由度，接触短限制—个自由度，如图2—19所示。图2-19支承板对工件外圆表面定位2.2工件的定位(3)V形块

工件外圆以V形块定位是最常见的定位方式一。V形块两斜面夹角有60°、90°、120°等，其中90°V形块应用最广泛。V形块定位的优点是对中性好，可用于非完整外圆柱表面定位。长V形块或两个短V形块组合限制四个自由度；短V形块则限制二个自由度，常见的V形块结构型式见图2—20所示。图2-20常见V形块的结构形式2.2工件的定位4.工件以锥面定位图2—21所示为锥孔套简在锥度心轴上定位磨外圆及精密齿轮在锥度心轴上定位进行滚齿加工的情况，此时锥形心轴将限制工件的五个自由度。相当于长心轴+小平面图2—22(a)所示为轴类零件以顶尖孔在顶尖上定位的情况，左端固定顶尖限制三个自由度，右端可移动顶尖只限制二个自由度。为提高工件轴向定位精度，可采用图2—22(b)所示的固定顶尖套和活动顶尖的结构，此时左端活动顶尖只限制二个自由度，固定顶尖套限制沿轴向移动的一个自由度。图2-21长圆锥孔在锥度心轴上的定位图2-22工件上顶尖孔在顶尖上的定位主要定位基准，限制X、Y、Z自由度次基准，与主基准一起限制X、Y自由度限制5个自由度2.2工件的定位2.2.3定位误差的分析与计算

1.定位误差的概念及组成

定位误差是指由于定位不准确造成的某一工序的工序基准在工序尺寸方向上相对于其理想位置的最大位移量。

(1)基准位置误差图2-23平面定位的基准位置误差2.2工件的定位

图2—23(a)所示工件在相应垂直的三个平面内定位。对于工件上的第二定位基准B面，则由于与A面有角度偏差±△α，将造成此定位基准的位置误差δ位置和角度误差δ角度。其值可由图示几何关系求得

定位基准本身的最大位置变动量在工序尺寸方向上造成的误差即为基准位置误差。2.2工件的定位(2)基准不重合误差

基准不重合误差是由于定位基准和工序基准不重合造成的工序基准在工序尺寸方向上的最大位置变动量。2.2工件的定位2.定位误差的计算

(1)定位误差只产生在用调整法加工的条件下，按试切法加工时，则不存在定位误差；

(2)定位误差是由于工件定位不准而产生的加下误差。其产生原因为基准位置变动和基准不重合。但两部分并不一定都存在；

(3)定位误差计算可按其定义，画出工件定位时的两种极端位置，再通过几何关系直接求得，也可根据

δ定位=δ位置+δ不重计算得到。但要注意，δ定位是δ位置和δ不重的几何和。2.2工件的定位3.几种定位误差的计算

(1)工件上圆孔与刚性心轴或定位销间隙配合，定位元件水平或垂直放置。图2—25(a)所示，在套类工件上铣键槽，保证工序尺寸H1、H2和H3，现分析计算采用定位销定位时的定位误差。图2-25套类工件铣键槽工序简图及定位误差分析2.2工件的定位键槽的对称度误差多大？如果销与孔是过盈配合，定位误差是多少？2.2工件的定位(2)工件以外圆表面在V形块中定位图2—26(a)所示，在一轴类工件上铣键槽，要求键槽与外圆中心线对称，并保证工序尺寸H1

、H2或H3，现分别计算各工序尺寸的定位误差。图2-26轴类工件铣键槽工序简图及定位误差分析上母线变动下母线变动2.2工件的定位工序尺寸H1的定位误差分析如图2—26(b)所示，图中1和2为一批工件在V形块中定位的两种极端位置，根据图中几何关系可知工序尺寸H2的定位误差分析如图2—26(c)所示，图中1及2为一批工件在V形块中定位的两个极端位置，根据图示几何关系可知工序尺寸H3的定位误差分析如图2—26(d)所示，图中1及2为一批工件在V形块上定位的两种极端位置，极据图示几何关系可知2.2工件的定位

图2—27所示为工件以一面二孔定位的情况，夹具采用一面二销。工件底面A为第一定位基准限制三个自由度，孔O1用短圆销定位限制二个自由皮，孔O2用短削边销定位限制一个自由度。图2-27长方体工件在夹具中的一面两销上定位(3)工件以一面二孔组合定位长削边销限制几个自由度？2.2工件的定位图2-28两销位定位基准的位置误差和角度误差横向纵向2.2工件的定位

由于与定位销配合间隙及两孔、两销中心距误差将引起基准位置误差。如图2—28(a)所示，当O1孔径最大、d1销径最小，且考虑两孔中心距误差，根据图示的两种极端位置（即极值情况）可知式中

——工件上内孔D1公差

——夹具上短圆销d1公差

——工件内孔O1与销最小配合间隙

——工件两孔中心矩公差2.2工件的定位

如图2—28(b)所示，当工件O2孔径最大，削边销d2直径最小，根据图示的两种极端位置可求得两孔中心连线O1O2的角度误差，即式中——工件上内孔D2公差

——夹具上短圆销d2公差

——工件内孔O2与削边销最小配合间隙

——两孔、两销中心矩什么情况下，产生最大的角度误差？2.3工件的夹紧2.3.1夹紧装置的组成及设计要求

1.夹紧装置的组成

(1)夹紧机构接受和传递动力源的原始作用力，使其变为夹紧力的中间机构和夹紧元件称为夹紧机构，包括中间传力机构和夹紧元件。中间传力机构作用：改变原始力大小（增力）；改变原始力方向；具有自锁性能

(2)动力源人力、气动、液动、电磁、电动等。

2.夹紧装置的设计要求

(1)应保证定位准确．而不能破坏定位；

(2)夹紧后工件与夹具的变形应在允许的范围内；

(3)夹紧机构安全可靠，有足够的刚度和强度，手动夹紧应自锁，夹紧行程要足够；

(4)结构简单、制造和操作方便、快速和省力。2.3工件的夹紧2.3.2夹紧力的确定夹紧力包括方向、作用点和大小三个要素，这是夹紧机构设计中首先要解决的问题。

1．夹紧力方向的确定

(1)夹紧力方向应有利于工件的准确定位，一般应朝向主要定位基准。如图2—29所示。2.3工件的夹紧

(2)夹紧力方向应与工件刚度大的方向一致，以减小工件夹紧变形，如图2—30所示。

(3)夹紧力的方向尽可能与切削力方向、重力方向等一致，以减小夹紧力。图2—31(a)所示情况是合理的，图2—31(b)则不尽合理。图2-31夹紧力与切削力的方向2.3工件的夹紧2．夹紧力作用点的选择

(1)夹紧力作用点应作用在支承元件所形成的支承面内，图2—32所示两种情况均破坏了定位。

(2)夹紧力作用点应位于工件刚性较好的部位，如图2—33(a)所示情况可造成工件底部较大变形，改进后情况如图(b)所示。

(3)夹紧力作用点应尽量靠近加工表面,以提高切削部分的刚度和抗振性，如图2—34所示夹具，在切削部位增加了辅助支承和辅助夹紧。图2-32夹紧力作用点的位置2.3工件的夹紧图2-33夹紧力的作用点与工件变形图2-34辅助支承和辅助夹紧2.3工件的夹紧3．夹紧力大小的估算在估算夹紧力时，可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，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，再乘以安全系数K，即可得到实际所需的夹紧力。K值在粗加工时取2.5—3，精加工时取1.5—2。由于在加工过程中，切削力的作用点、方向和大小可能都在变化，因此应按最不利情况考虑。O点图2-35卧式铣床上铣平面时工件受力情况

图2-35所示中，最不利的情况是开始铣削时，切削力矩FrL会使工件绕O点翻转，与之平衡的是A、B处的摩擦力对O点的力矩。NA=NB=W/2，力矩平衡得：FrL=MFμA+MFμB

MFμA=WμL1/2，MFμB=WμL2/2

解得夹紧力W=———

，实际夹紧力WO=KW2FrL（L1-L2）μ2.3工件的夹紧2.3.2常用夹紧机构

1.斜楔夹紧机构

斜楔夹紧机构是最基本的夹紧机构，螺旋和偏心夹紧机构都是斜楔夹紧的变形。图2-36斜楔夹紧机构的作用原理及受力分析斜楔的楔角手动一般为2.3工件的夹紧

(2)自锁条件图2—37(a)所示为自锁斜楔的一种结构，其楔角一般取1:10。图2-37自锁斜楔结构及自锁条件分析

斜楔的自锁条件是2.3工件的夹紧

(3)斜楔特点①斜楔可改变原始作用力方向；②斜楔有扩力作用，一般扩力比

当

Q一定时，α越小，扩力比越大；③夹紧行程小，夹紧行程与楔角有关，楔角越小，夹紧行程越小；当要求具有较大的夹紧行程，且机构又要求自锁时，可采用图2—38所示的双升角的斜楔结构。图2-38具有两个升角的斜楔2.3工件的夹紧④夹紧效率低，因斜楔与工件和夹具体为滑动摩擦，故夹紧效率低。为提高效率，可采用带滚轮的斜楔夹紧机构，如图2—39所示。图2-39带滚子的斜楔夹紧机构2.3工件的夹紧2．螺旋夹紧机构

螺旋夹紧机构是斜楔夹紧机构的一种转化形式，螺纹相当于绕在圆柱体上的楔块。通过转动螺旋，使绕在圆柱体上的斜楔高度发生变化来实现工件夹紧。图2-40典型螺旋夹紧机构及压块结构2.3工件的夹紧

(1)工作原理及夹紧力计算图2-41螺旋夹紧中的螺杆受力分析M1M2

(2)螺旋夹紧机构特点

①结构简单，制造容易，自锁性好；

②是增力机构；一般可达ip=75

③动作慢，效率低，常用于手动夹紧。2.3工件的夹紧(3)螺旋压板夹紧机构