第二章 机床夹具设计白底

主要内容：§2-1机床夹具概述

§2-2工件在夹具上的定位

§2-3工件在夹具上的夹紧§2-4各类机床夹具§2-5机床夹具设计步骤与方法第二章机床夹具设计原理§2-1概述一、机床夹具的基本概念

机床夹具是将工件进行定位、夹紧，将刀具进行导向或对刀，以保证工件和刀具间的相对位置关系的附加装置，简称夹具。用夹具定位涉及到三层关系：①工件在夹具上的定位；②夹具相对于机床的定位；③工件相对于机床的定位二、机床夹具的作用

1、稳定保证工件的加工精度2、减少辅助工时，提高劳动生产率3、扩大机床使用范围，实现一机多能4、能降低工人技术要求和减轻工人劳动强度。三、机床夹具分类1、按夹具使用范围来分①通用夹具②专用夹具③可调或成组夹具④组合夹具⑤随行夹具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2、按使用的机床类型分车床夹具、磨床夹具、钻床夹具、铣床夹具、镗床夹具。3、按用途分：机床夹具、装配夹具、检验夹具等。4、按夹紧的动力源不同分类手动夹具，气动夹具，液压夹具，气液夹具，电动夹具、电磁夹具及真空夹具、自来紧夹具等。四、机床夹具的组成1、定位元件2、夹紧元件3、导向元件和对刀装置4、连接元件5、夹具体6、其它辅件一、工件的定位直接找正装夹用划针，百分表或目测直接找正工件在机床或夹具中的正确位置，然后再夹紧。这种方法称为直接找正装夹。1.工件的装夹装夹又称安装。定位

—使工件在机床或夹具上占有正确位置。夹紧

—对工件施加一定的外力，使其已确定的位置在加工过程中保持不变。2装夹方法§2-2工件在夹具上的定位

图直接找正安装毛坯孔加工线找正线图划线找正安装精度高，效率低，对工人技术水平高。划线找正装夹精度不高，效率低，多用于形状复杂的铸件。图工件在夹具上装夹（滚齿夹具）夹具装夹精度和效率均高，广泛采用。3工件定位的基本原理（1）六点定位原理六点定位原理图XZY

六点定位原理将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。Z移动，X、Y轴旋转自由度X移动，Z轴转动自由度Y移动自由度注意以下几点：1设置3个定位支承点的平面限制一个移动自由度和两个转动自由度，称为主要定位面。2设置2个定位支承点的平面限制两个自由度，称为导向定位面。3设置1个定位支承点的平面限制一个自由度，称为止推定位面或防转定位面。

4一个定位支承点只能限制一个自由度。5定位支承点必须与工件的定位基准始终贴紧接触。6工件在定位时需要限制的自由度数目以及究竟是哪几个自由度，完全由工件的加工要求所决定。7定位支承点所限制的自由度，原则上不允许重复或互相矛盾。

2）根据加工精度要求，确定限制工件自由度数目

e）

f）由于工件的形状特点，没有必要也无法限制工件某些方面的自由度。由于加工特点，工件某些方面自由度的存在并不影响加工精度。（3）定位元件限制工件自由度工件在机床或夹具中定位时，其第一类自由度是通过工件的定位基准（或基面）与机床或夹具定位元件接触或配合而被限制的。1）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。①支承钉2）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。①圆柱销A结构图圆柱销的结构

图圆柱销的定位

②菱形销图圆锥销的结构

图定位心轴的结构

图定位心轴的定位

3）工件以圆锥孔定位工件以圆锥孔定位时，所用定位元件为圆锥心轴或圆锥销。圆锥心轴限制工件5个自由度，圆锥销限工件三个自由度图圆锥心轴定位

图工件以圆锥孔定位情况

4）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。支承定位时用支承板、支承钉。①圆定位套图工件外圆以套筒和锥套定位

图工件外圆以套筒定位情况

②V形块B定位分析

③支承板支承板对外圆柱面的定位就是平面与外圆母线的接触，长支承板或两个支承钉与外圆面接触，限制工件两个自由度，短支承板或支承钉与外圆柱面接触，限制一个自由度（4）工件定位时的几种情况1）完全定位工件六个自由度被分别完全限制的定位，称为完全定位。2）不完全定位根据具体的加工方法，在满足加工要求的前提下，把限制工件少于六个自由度的定位，称为不完全定位。3）欠定位当定位支承点的数目，少于应限制的自由度数目，工件不能正确定位，不能满足加工要求。这种定位方式，称为欠定位。4）过定位几个定位支承点，同时限制同一个自由度的定位，称为过定位。

过定位分析（桌子与三角架）完全定位与不完全定位图工件应限制的自由度ZYXa）限制3个自由度ZYXb）限制5个自由度ZYXc）限制6个自由度ZYXd）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

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过定位示例图过定位引起夹紧变形橡胶垫图过定位处理分析插齿时常用的夹具，如图所示，工件3以内孔在心轴上定位，限制工件的四个自由度，又以端面在支承凸台2上定位，限制工件三个自由度。重复限制:X转动Y转动二、对定位元件的基本要求1.足够的精度2.足够的强度和刚度3.耐磨性好4.工艺性好

§2-2工件在夹具上的定位三、常用的定位方法及定位元件1.工件以平面定位（1） 固定支承①支承钉②支承板(2)可调支承支承的高度可以根据需要进行调整。(3）自位支承在工件的定位过程中，能自动调整位置的支承。(4)辅助支承辅助支承用来提高工件的装夹刚度，不起定位作用。2、工件以圆柱孔定位时的定位元件（1）心轴圆锥心轴（2）圆柱销（3）圆锥销3工件以外圆定位时的定位元件（1）V形块（2）定位套4．工件以其它表面定位5.工件以组合表面定位6.工件以一面两孔定位箱体类零件加工时，往往以加工好的一个面及其上的两个工艺孔作为定位基准。通称一面二销定位。（1）两个圆柱销

要满足工件顺利装入的条件，直径缩小后的第二销与第二孔的最小配合间隙为（2）一圆柱销与一削边销在一面两孔定位中，通常根据工序图选择尺寸大、精度高的主要基准孔用短圆柱销，次要的基准孔用削边销。如果两个基准孔主次难分，且精度不高，一般大孔用圆柱销小孔用菱形销。为了保证销的强度，通常使用菱形销。图a用于直径很小时图b用于直径为3~50mm时图c用于大于50mm时菱形销宽度计算图即整理有：1.定位误差概念①夹具的有关制造误差

a确定刀具位置的元件和引导刀具的元件与定位元件间的位置误差；b定位元件与夹具安装到机床上的安装基面间的位置误差。

四、定位误差的分析与计算②夹具安装误差

③加工误差

指工件在切削过程中所产生的误差。2.造成定位误差的原因①由于定位基准与工序基准不一致所引起的定位误差，称为基准不重合误差。②由于定位副制造误差及其配合间隙所引起的定位误差，称为基准位移误差。工件定位误差的实质是工件上被加工表面的工序基准相对于定位元件工作表面在加工尺寸方向上的最大变动量（1）用几何方法计算定位误差图示为孔销配合情况，若工件的工序基准为孔心。试确定孔销间隙配合时的定位误差。解：a）图为工件孔与定位销垂直放置，定位销与工件内孔则可能任意边接触。无论工序尺寸方向如何，孔销间隙配合的定位误差均为b)图工件孔与定位销水平放置。孔中心线在垂直方向的最大变动量为若工件的工序基准仍为孔心，且工序尺寸方向与固定点和销子中心连线方向相同，则

例：工件在使用心轴、销、定位时，常会考虑留有间隙而需要进行定位误差计算。左端：孔径，公差为TD1；销径，公差为Td1；最小间隙为Δ1。右端：孔径公差为TD2；销径公差为Td2；最小间隙为Δ2。2、用微分方法计算定位误差例、工件用V形块定位加工键槽时的定位误差计算。加工键槽时，一般有两项工序要求：1）尺寸H；2）键槽对工件外圆中心的对称度。标注键槽设计尺寸H时，有三种不同的标注方法：(a)要求保证上母线到加工面尺寸H1；(b)要求保证下母线到加工面尺寸H2；(c)要求保证上母线到加工面尺寸H3。解：首先：写出O点至加工尺寸方向上某固定点的距离再对上式求全微分

同理：§2-3工件在夹具上的夹紧一、夹紧装置的组成及基本要求1.夹紧装置的组成一般由夹紧机构和动力源组成。2.对夹紧装置的基本要求①夹得稳②夹得牢③夹得快二、夹紧力的确定夹紧力力的大小力的方向力的作用点这三要素是夹紧装置设计和选择的核心问题1.夹紧力方向的确定（1）夹紧力的作用方向应不破坏工件定位的准确性和可靠性。（2）夹紧力的作用方向应与工件刚度大的方向一致，以减小工件夹紧变形。图夹紧力、切削力和重力之间关系

（3）夹紧力的方向应有利于减小夹紧力。2.夹紧力的作用点的选择（1）力的作用点的位置应能保持工件的正确定位而不发生位移或偏转。（2）夹紧力的作用点应位于工件刚性较大处，而且作用点应有足够的数目，这样可使工件的变形量最小。（3）夹紧力的作用点应尽量靠近工件被加工表面，这样可使切削力对该作用点的力矩减小，工件的振动也可以减小。实际夹紧力为说明：一般k=1.5-3，粗加工k=2.5-3精加工k=1.5-23夹紧力大小斜楔夹紧机构螺旋夹紧机构偏心夹紧机构三、基本夹紧机构1.斜楔夹紧机构（1）夹紧力的计算直接采用斜楔夹紧时可获得的夹紧力为（2）自锁条件（3）扩力比扩力比也称为扩力系数，是指在夹紧原动力作用下，夹紧机构所能产生的夹紧力与原始作用力的比值（4）行程比一般把斜楔的移动行程与工件需要的夹紧行程的比值，称为行程比。（5）应用场合斜楔机构简单，有增力作用。一般扩力比（约为3），楔角愈小增力作用愈大。夹紧和松开要敲击大、小端，操作不方便楔块夹紧装置2.螺旋夹紧机构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。螺旋夹紧机构中的螺旋，实际上是把斜楔绕在圆柱面上，旋转螺杆时，斜面上升，从而对工件进行夹紧。图螺旋夹紧机构示例简单的螺旋夹紧机构（1）夹紧力的计算

螺旋夹紧力的计算公式为表当量摩擦半径计算公式（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。但夹紧动作缓慢，效率低，不宜使用在自动化夹紧装置上。

a）b）c）图螺旋压板组合夹紧机构图偏心夹紧机构图圆偏心轮夹紧原理3偏心夹紧装置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。

（1）圆偏心轮的夹紧原理(2)夹紧力的计算(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）应用场合圆偏心夹紧的优点是操作简便、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。1铰链夹紧机构

图铰链夹紧原理图铰链夹紧机构的结构简单、扩力比大且摩擦损失小，故适用于多点或多件夹紧，在气动或液压夹具中广泛应用。四、其它夹紧机构

2.定心、对中夹紧机构特点：定位、夹紧同时实现定位元件同时又是夹紧元件用于以中心线、对称面为工序基准的场合可分为两种类型：1、按定位夹紧元件的等速移动或转动原理实现定心、对中夹紧2、按定位、夹紧元件均匀弹性变形原理实现定心夹紧①按定位夹紧元件的等速移动或转动原理实现定心、对中夹紧②按定位、夹紧元件均匀弹性变形原理实现定心夹紧3.联动夹紧机构：用于同时有几个点对进行夹紧或同时夹紧几个工件的场合(1)多点夹紧机构浮动夹紧机构(2)多件夹紧机构①平行式多件夹紧②对向式和复合式多件夹紧：例（3）依次连续式多件夹紧顺次连续式多件夹紧

图联动夹紧机构机械制造工艺学§2-4各类机床夹具一、钻床夹具的设计钻床夹具的设计主要考虑钻套的设计。钻套是用来引导钻头、扩孔钻、铰刀等孔加工刀具，加强刀具刚度，并保证所加工的孔和工件其它表面有准确的相对位置。钻套按结构和使用特点可分为以下四类固定钻套可换钻套快换钻套特殊钻套钻床类夹具一、钻床类夹具1．钻床类夹具的种类及其构造这类夹具主要是用来保证被加工孔的位置精度还可用于某些镗床、组合机床上钻床夹具的种类繁多，根据被加工孔的分布情况和钻模板的特点，一般分为固定式、回转式、移动式、翻转式、复盖式和滑柱式等几种类型钻床类夹具1.钻模的类型1）固定式钻模2）回转式钻模3）翻转式钻模图翻转式钻模1-夹具体2-斜楔3-工件4）盖板式钻模5）滑柱式钻模

2.钻床夹具的设计要点1）钻套的类型钻套作用:a）确定刀具相对于夹具定位元件的位置，引导钻头等孔加工刀具，提高其刚性，防止在加工中发生偏斜；b)保证孔系中各孔之间的位置精度。A型B型(a)(b）①固定钻套钻套直接压入钻模板或夹具体的孔中，位置精度高，但磨损后不易更换。②可换钻套当工件为单一钻孔工序的大批量生产时。③快换钻套④特殊钻套a）加长钻套b）斜面钻套c）小孔距钻套d）可定位、夹紧钻套2）钻套的尺寸和公差①导向孔径d②钻套高度H③钻套与工件之间应留有排屑间隙。3）钻模板钻模板是供安装钻套用的，应有一定的强度和刚度，以防止变形而影响钻套的位置和引导精度。按其与夹具体的连接方式有固定式、铰链式、悬挂式、升降式和可拆式。钻模板a）固定式b)铰链式c)可卸式1钻模板2夹具体3圆导柱4菱形导柱5垫片固定式钻模板②铰链式钻模板③可拆式钻模板图2-38悬挂式钻模板1－多轴传动头2－弹簧3－导柱4－钻模板5－螺钉6－导套二、镗床夹具镗床夹具通常称为镗模。镗模和钻模一样，是依靠专门的导引元件——镗套来导引镗杆，从而保证所镗的孔具有很高的位置精度。

一般镗模由定位元件、夹紧装置、导引元件（镗套）、夹具体（镗模支架和底座）四个部分组成。图车床尾座孔镗模1－支架2－导套3、4－定位元件5、8－压板6－夹紧螺钉7－可调支承9－镗模底座10－镗杆11－浮动接头镗模的种类镗套布置形式应用镗杆与主轴连接形式单面前镗套D>60mmL<D通孔h=(0.5～1)Dh≮20刚性连接单面后镗套(a)用于D＜60mmL<D通孔、盲孔(b)用于D＜60mmL>D通孔、盲孔刚性连接镗套布置形式应用镗杆与主轴连接形式双面单镗套L>1.5D的通孔或同轴孔系，当S>10d时，应设中间导引套浮动连接单面双镗套L1＜5d浮动连接3.镗模的设计要点（1）镗套的选择和设计1）镗套的类型①固定式镗套图2-40固定式镗套（GB/T226-91）②回转式镗套a）滑动镗套：图2-41a)滑动镗套；b)、c)外滚式滚动镗套b)滚动镗套内滚式：图2-42内滚式滚动镗套1－导套2－固定支承套3－镗杆2）镗套的特点：

类固定镗套滑动镗套滚动镗套适应转速低低高承载能力较大大低润滑要求较高高低径向尺寸小较小大加工精度较高高低应用低速、一般镗孔低速、孔距小高速、孔距大镗