机床夹具第六章1

第六章机床夹具设计本章学习目标典型的定位方式及定位元件定位误差分析与计算工件的夹紧了解机床夹具的分类及组成本节内容一、机床夹具的主要功能三、机床夹具的组成第一节机床夹具概述二、机床夹具的分类机械加工过程中，为保证加工精度，固定工件，使之占有确定位置以接受加工或检测的工艺装备统称为机床夹具。一、机床夹具的主要功能使工件相对于刀具及机床占有正确的加工位置，保证其被加工表面达到工序所规定的各项技术要求。工件定位后，经夹紧装置施力于工件，将其固定夹牢，使其在加工过程中保持正确位置不变。1、定位2、夹紧安装——工件从定位到夹紧的整个过程。通用夹具专用夹具可调夹具组合夹具按夹具的应用范围和特点分车床夹具铣床夹具钻床夹具镗床夹具按所使用的机床分手动夹具气动夹具液压夹具电动夹具按产生夹紧力的动力源分二、机床夹具的分类通用夹具专用夹具可调夹具和成组夹具组合夹具随行夹具指已经标准化的，对同一性质的装夹表面具有一定的通用性的夹具。如三爪卡盘、四爪卡盘、顶尖；平口虎钳、分度头和回转工作台专为某一工件的某道工序的加工而设计制造的夹具。适用于加工形状相似、尺寸相近、加工工艺相似的多种工件。兼有专用性与通用性。由标准元件拼装成的“专用夹具”。灵活多变。携带安装的工件随加工顺序运行于各机床之间，并在各机床上得到安装。（工件相对夹具是一次安装）三、机床夹具的组成定位元件（如一面两销）夹紧元件（如压板、螺栓、螺母）对刀-导向元件夹具体其它元件——起分度、防错、安保等作用。（如止动销）连接元件用来对刀和引导刀具进入正确加工位置的零件。钻套和导向套：用在钻床夹具和镗床夹具上；对刀块：用在铣床、刨床夹具上。是夹具的基准零件，用它来连接并固定定位元件、夹紧机构和导向元件等，使之成为一个整体，并通过它将夹具安装在机床上。将夹具与机床连接并确定夹具对机床主轴、工作台或导轨的相互位置。（定位键、耳座、T型螺栓）固定式钻模（钻床夹具）夹具各组成部分与机床、工件、刀具的相互联系第二节工件在夹具上的定位方式与定位元件典型的定位方式：工件以平面定位、工件以外圆柱面定位、工件以圆柱孔或圆锥孔定位。夹具与工件选定的定位基准面接触，用以确定工件正确位置的零件即定位元件。以平面定位用支承钉和支承板作定位元件以外圆柱面定位用V形块和定位套筒等作定位元件以孔定位用定位心轴和定位销等作定位元件一、定位方式及定位元件工件上的定位基准面与相应的定位元件合称为定位副。定位方案的确定1）工件在夹具中定位时，起定位支承点作用的是一定形状的定位元件；2）必须根据工件定位所需限制的自由度数目和工件的结构，合理选择定位元件；3）当一个定位元件不能满足定位要求时，则必须考虑多个定位元件的合理搭配，而且结构应简单、工艺性要好。

较高的制造精度

设计定位元件时，应满足以下基本要求：足够的强度和刚度较好的工艺性

便于清除切屑根据平面所限制自由度的数目分为三种：

1、定位方式主要支承面导向支承面止推支承面限制工件的三个自由度的定位平面，常用于精度比较高的工件定位表面。限制工件的两个自由度的定位平面，常做成窄长面。限制一个自由度的平面，为了确保定位准确，往往将平面面积作的尽可能小。（一）工件以平面定位2、定位元件常用支承钉和支承板作定位元件；定位基准为平面本身。（1）标准固定支撑钉（支撑高度不变）A型：较小精基准平面定位用；B型：水平面粗基准定位用；C型：侧平面粗基准定位用。（2）标准可调支撑钉其定位点位置可调，调定后加工一批工件适用于毛坯分批制造，其形状和尺寸变化较大的粗基准定位。构成：1调节件（螺杆件）2锁紧件（螺母）（3）自位支撑（浮动支撑）能自动适应工件定位面的几何形貌，不限定浮动方向的自由度。可提高支撑面积、减小单位接触力。球面三点式自位支撑杠杠两点式自位支撑（4）辅助支撑：每次工件定位后才固定位置，不影响定位（不限定自由度）功用：提高定位稳定性和工艺系统刚度注意：由于辅助支承是在工件定位后才参与支承，因此不起任何消除自由度作用，只起减小工件变形和振动的作用。各种辅助支承在每次卸下工件后，必须松开，装上工件后再进行调整和锁紧，另外，辅助支承不应破坏原有定位。应用场合：

①起预定位作用

②提高夹具工件的稳定性

③提高工件的刚性辅助支撑的结构形式：①螺旋式：结构简单，易顶起工件，用限力板手，逐个调整、效率低、常用于单件小批生产中②自位（自引）式：效率高，弹簧力不可太大，tgа＜f，保证自锁。③推引（升托）式：适用于工件较重，切削负荷大的场合（5）标准固定支撑板A型：侧平面精基准定位用；B型：水平面精基准定位用。对面定位相对工件而言：小平面限制一个自由度；窄长平面限制两个自由度；大平面限制三个自由度。常用的定位元件主要有：定位销、刚性心轴和小锥度心轴。定位基准为孔的中心线。定心——定孔的中心线固定式定位销可换式定位销（二）工件以圆柱孔定位长销限制4个自由度；短销限制2个自由度。（L/d<0.5视为短；L/d>1.2视为长）短销可理解为一条圆母线接触；长销可理解为相距较远的两条圆母线接触。

锥面定位销:工作面是锥面，可限定3个自由度菱形销（削边销、扁销）：工作面单侧定位，可限定一个自由度削边定位销：

D<3mm；

3<D<50mm；

D>

50mm

标准菱形定位销心轴：起长圆柱面定位作用，可限定4个自由度。分类：1）刚性心轴2）自动定心心轴刚性心轴小锥度心轴：小锥度心轴可消除工件与心轴之间的配合间隙，提高定心精度。锥度一般取K=1/5000~1/1000自动定心心轴：定位夹紧同时实现，有弹性心轴、液塑心轴等V型块：实现外圆表面定心、对中定位，可用于非完整外圆的定位。（夹角分60º、90º、120º，已标准化）（三）工件以外圆柱面定位(a)较长精基准(b)较长粗基准(c)阶梯轴定位用(d)较长、较重工件固定V形块：短接触限制2个自由度；长接触限制4个自由度。定位套：实现定心定位长套限制四个自由度，短套限制二个自由度，锥套限制三个自由度，半圆套长四、短二。支承板：给外圆定位长板限制二个自由度，短板限制一个自由度。（四）工件以锥面定位当轴类零件要求精确定心时，可用工件上的锥孔作为定位基准。长锥心轴限制五个自由度：两个顶尖（短锥）配合使用，限制五个自由度。作业6-1第三节工件定位误差分析计算

本节解决工件定位准确性问题（重点、难点之一）第三节工件定位误差分析计算能否保证工件的加工精度，取决于刀具与工件间正确的相互位置。而影响这个正确位置关系的误差因素有：⑴定位误差——ΔDW⑵除ΔDW以外的其它加工误差之和——w为保证加工要求，有限定式：ΔDW+W≤T（工件工序公差）ΔDW一般不能超过T的1/3

即△DW≤T/3

（常作为定位误差验算公式）一、定位误差的概念及其产生的原因●仅调整法加工时才考虑定位误差。1、定位误差：定位不准引起的加工误差，是工序基准在工序尺寸方向上的最大变动量。（1）定位元件的制造误差和工件定位基准面的制造误差（基准位移误差）ΔY2、产生原因：（2）定位基准与工序基准不重合误差ΔB⑴基准不重合误差△B须明确的概念：a)设计基准：在零件图上用来确定某一表面的尺寸、位置所依据的基准。b)工序基准：在工序图上用来确定本工序被加工表面加工后的尺寸、位置所依据的基准。c)基准不重合误差等于定位基准相对于设计基准在工序尺寸方向上的最大变动量。1）工件定位基准面的制造误差ΔY工件用已加工过的表面定位，其定位基准的位置可认为没有变动，即ΔY=02）基准不重合误差ΔB图b

铣顶面工序中，H尺寸定位基准与设计基准重合，不存在ΔB图c

铣台阶面工序中，A尺寸由于基准不重合而存在ΔB，设计基准在H+TH与H-TH之间变化，ΔB=2TH定位误差：ΔDw=ΔY+ΔB=2TH=H尺寸的公差工件以平面定位的定位误差分析如工件总高H=40±0.14mm,要求保证A=20±0.15mm.求加工阶梯面时的ΔDW，能否保证加工要求？ΔDw

=2TH=2X0.14=0.28mm本工序尺寸A的公差T

=0.15-(-0.15)=0.30mmΔDw

>

1/3T

不满足要求工序二改进方案使基准重合了(△B

=0)。这种方案虽然提高了定位精度，但夹具结构复杂，工件安装不便，并使加工稳定性和可靠性变差，因而有可能产生更大的加工误差。从多方面考虑，在满足加工要求的前提下，基准不重合的定位方案在实践中也经常采用。

工件以圆柱孔在过盈配合心轴上定位时定位误差分析(a)ΔDW=ΔY+ΔB=0(b)ΔDW=ΔY+ΔB=ΔB=δd/2(c)ΔDW=ΔY+ΔB=ΔB=δD/2（若工件内、外圆不同轴，还要

加上最大同轴度误差）△B的计算

当设计基准的变动方向与加工尺寸的方向不一致，存在一夹角时，△B等于定位基准与设计基准之间所有尺寸的公差和在加工尺寸方向上的投影。当设计基准的变动方向与加工尺寸的方向相同时，△B等于定位基准与设计基准之间所有尺寸的公差之和。在工序图上寻找这些尺寸的公差。

⑵基准位移误差△Y△Y定位基准与限位基准不重合引起的误差。工件定位面与夹具定位元件共同构成定位副，由于定位副制造得不准确和定位副间的配合间隙引起的工件最大位置变动量，也称为定位副制造不准确误差。△Y这是由于定位基面和限位基面的制造公差和间隙造成的。二、定位误差的计算计算思路：

找出工序基准→求出工序尺寸方向上的最大变动量。定位误差计算常用方法有：

几何方法

微分方法

1、几何方法计算定位误差

画定位简图→画工件变动极限位置→求变动量

[例1]孔与销间隙配合的情况，工件的工序基准为孔心（或销心），试确定其定位误差。

[解]考虑销最小、孔最大（图6-17）

1）对任意周向定位的情形（图a）

ΔDW=Dmax

－dmin式中ΔDW--定位误差；

Dmax--工件上定位孔的最大直径；

dmin--夹具上定位销的最小直径。

在此考虑了：尺寸大小、圆度、不同定位元件的极端情况。图6-172）在单一方向定位的情形

如工件以孔定位（图b）用同一销定位加工一批工件时的定位误差：

ΔDW=（Dmax－Dmin）=TD即为孔的半径公差（工件用销定位取销公差的一半）式中Dmax--定位孔最大直径

Dmin--定位孔最小直径

TD--定位孔直径公差此时ΔDW与销的公差和间隙无关

*若用不同的销定位时：

ΔDW=（TD+Td

）

[例2]求图6-1的连杆铣槽定位误差：

槽深的ΔDW

槽对称性的ΔDW

槽位置的ΔDW[例2]1）槽深的ΔDW工序基准是槽所在的端面，而定位基准是连杆的另一端面，即基准不重合误差就是其定位误差：

ΔDW=基准不重合误差=宽度尺寸公差=0.1mm2）槽对称性的ΔDW工序基准是大孔（孔1）的中心=定位基准

ΔDW=D1max

－d1min=0.125mm3）槽对称性（45°±30´）的ΔDW

工序基准是两孔中心连线，与定位基准一致，仅考虑两孔接触极端偏斜情形。2、微分方法计算定位误差

它将几何关系的处理转为纯解析的关系[例3]圆柱工件用V形块定位加工键槽时，三种情形下的定位误差计算。（工件外圆直径为d，公差为Td，V形块两斜面夹角为α）工序技术要求：槽的深度H和槽对工件外圆中心的对称度1）键槽对工件外圆中心的对称度。

若忽略工件的圆度误差和V形块角度误差，

ΔDW=02）对槽的深度，不同工序基准定位误差不同为计算方便，在过圆心垂线上选一点A，则工序基准相对A的最大变化量即为ΔDW①工序基准——圆心O点求全微分以d、α的最大变化量代微分量，并注意也有正负：若使用同一V型块进行定位，是一个定值，则d（α）＝0则②工序基准——下母线处C③工序基准——上母线处D同样处理：

用几何解法求上题的：

通过以上计算，可得出如下结论：（1），即定误差随定位面误差增大而增大。

（2）

与V形块夹角α有关。即定位误差随α增大而增减小，但定位稳定性却差了，故一般选用α=90°。

（3）

与加工尺寸标注方法有关。分析：注意：

定位误差是对采用调整法加工的成批生产中考虑的，在数控机床上加工时也存在定位误差；对采用试切法加工的小批生产中不存在定位误差。小结一、定位误差及其产生的原因二、定位误差的计算工件以平面定位工件以外圆定位工件以内孔定位保证加工精度的条件

工件利用夹具加工时，影响加工精度的误差因素除定位误差外，尚有：

1.夹具的有关制造误差（Δ制造）

这个误差主要包括夹具制造时的两项误差：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；定位元件与夹具安装到机床上的安装基面间的位置误差。

2.夹具安装误差（Δ安装）

即是夹具在机床上的定位误差。

3.加工误差（Δ加工）

指上件在切削过程中所产生的误差。

为了保证工件的加工精度，必须使上述所有误差因素对工件加工的综合影响，控制在工件所允许的公差（T公差）范围之内，即：

Δ制造＋Δ安装＋Δ加工≤T工件

上式即为用夹具安装加工时的误差计算不等式。

为使T工件做到合理地分配给以上机械加工中产生误差的各个环节，通常在夹具设计时，夹具上定位元件之间，定位元件与引导元件之间，以及其他相关尺寸和相互位置的公差，一般取工件上相应公差的1/5～1/2，最常用的是1/3～1/2。因粗加工的T工件大，此时，夹具上相应公差取小的比例。

作业6-36-46-6下周一交！第四节工件的夹紧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装置，称为夹紧装置。一、夹紧装置的组成和设计要求本节内容二、确定夹紧力的基本原则三、常见的夹紧机构一、夹紧装置的组成和设计要求1、夹紧装置的组成动力装置：产生夹紧作用力，通常指气缸、油缸、活塞、电磁装置等。传力机构（介于力源和夹紧元件之间）：传递力，如斜楔、连杆、铰链等。夹紧元件：夹紧装置的最终执行元件，与工件直接接触，如压板、螺栓等。2、对工件夹紧装置的基本要求1）夹得稳不破坏定位，刚度足够。2）夹得牢夹紧力要合适，过大工件变形或损伤，影响加工精度，过小工件加工中易移动或产生振动，同时，夹紧装置应保证自锁，即原始夹紧力去除后，工件能保持夹紧状态。3）夹得快机构简单、紧凑、操作安全、省力、迅速方便。3、设计夹具时应考虑的问题夹紧力（三要素：大小、方向、作用点）传力方式（手动、气动、液力、电力等）夹紧机构（增力、快速、机动等）二、确定夹紧力的基本原则1、夹紧力方向的确定（1）应有利于工件的准确定位，而不能破坏定位。一般要求主要夹紧力方向应垂直指向主要定位基准面；镗孔轴线与A面要求垂直的夹紧方案比较（2）主夹紧力最好与P、W方向一致，使所需夹紧力尽可能小P、W方向相同时，哪一情况Q可最小？夹紧力大小与夹紧力方向直接有关，在考虑夹紧方向时，夹紧力越小越好。切削力重力夹紧力（3）夹紧力的方向应是工件刚性较大的方向，以减小工件变形。此外，在确定夹紧力方向时还要考虑加工方便、加工可行、易于自动化等。径向夹紧，工件易变性轴向夹紧，工件刚度大2、夹紧力作用点的选择指在夹紧力作用方向已定的情况下，确定夹紧元件与工件接触点的位置和接触点的数目。选择原则有三：（1）夹紧力作用点应正对支承点或支承面以内，避免工件翻转；夹紧力作用点的位置装夹对比（2）夹紧力作用点应落在工件刚性较好的部位，增加、均布作用点，以减小工件的夹紧变形；夹紧力作用点的位置对比应尽量减小夹紧变形：增大受力面积，合理布置作用点

（3）夹紧力作用点应尽量靠近被加工表面，设置辅助支撑，附加夹紧力，以防止工件产生振动和变形。辅助支承与辅助夹紧3、夹紧力大小的确定（估算）夹紧力方向和作用点位置确定以后，还需合理地确定夹紧力的大小。夹紧力不足，会使工件在切削过程中产生位移并容易引起振动；夹紧力过大，又会造成工件或夹具不应有的变形或表面损伤。合理估算夹紧力十分必要实际所需夹紧力安全系数（大于1）理论夹紧力估算夹紧力的方法：首先将工件视为分离体，分析作用在工件上的各种力；再根据力系平衡条件，确定保持工件平衡所需的最小夹紧力；最后再乘以一合适的安全系数，以此作为所需的夹紧力。一般安全系数K=1.5~3

粗加工K=2.5~3精加工K=1.5~2PzRiRD#如轴承套圈车削时不打滑夹紧力的计算常以：切削力矩=摩檫力矩计算不打Fjmin一般只有Pz产生切削力矩*考虑几把刀同时切削工件的最不利情况.式中J——切削时所用刀具总个数

Ri

——第i把切削刀具的最大作用半径Pzi——第i把切削刀具的最大主切削力

式中

——工件与刀具表面的摩擦系数；

RD——工件夹持面半径；

n——夹持点数Fj

考虑安全Fj=KFjmin（安全系数K=1.5～2.5）Fj

工件定位后，为了防止工件由于受切削力等外力的作用而产生位移，而将其夹牢紧固的机构称为夹紧机构。它是将动力源的作用力转化为夹紧力的机构。常用的夹紧机构有三、常见夹紧机构1、斜楔（楔块）夹紧机构利用楔块的斜面将楔块的推力转变为夹紧力，从而夹紧工件。夹紧力的计算∑F（X）=0→Q=F1+Rx

F1=wtgφ1Rx=wtg(α+φ2)Q=wtgφ1+wtg(α+φ2)w--斜楔对工件的夹紧力；α--斜楔升角；Q--

加在斜楔上的作用力；Φ1--斜楔与工件间的摩擦角；Φ2--斜楔与夹具体间的摩擦角。自锁条件F1＞RxF1=wtgφ1Rx=wtg(α-φ2)又α、φ1、φ2很小tgφ1≈φ1tg(α-φ2)≈α-φ2∴φ1＞α-φ2α＜φ1+φ2斜楔自锁条件：斜楔的升角小于斜楔与工件、斜楔与夹具体之间的摩擦角之和。为安全可靠，手动时取α

=6～8°机动时(气动、液动)可不考虑自锁,取α

=15～30°。增力比与夹紧行程夹紧力与作用力之比称为增力比。i表示夹紧机构在的增力倍数。夹紧行程斜楔移动距离S受到斜楔长度的限制，要增大h，就得增大α，而斜角太大，便不能自锁。当要求机构既能自锁，又有较大的夹紧行程时，可采用双斜面斜楔。大斜角的一段使滑柱迅速上升，小斜角的一段确保自锁。气动杠杆夹紧机构

结构简单增力比大自锁性能好夹紧行程小手动操作不方便，一般用于气动、液压夹紧中。斜楔夹紧机构的特点2、螺旋夹紧机构可看成缠绕在圆柱体上的斜楔机构。由螺钉、螺母、压板、手柄等元件组成，采用螺旋直接夹紧或与其他元件组合实现夹紧。应用最为广泛。结构简单，增力比大，容易制造；夹紧可靠，自锁性能好，夹紧力和夹紧行程都较大；适合手动夹紧，常伴有快撤装置（如开口垫圈）。特点：螺旋夹紧机构的力系示意

单螺旋夹紧机构螺杆1在2中转动而起夹紧作用；螺母套2采用可换式，其目的是为了内螺纹磨损后可及时更换；螺钉3用以防止2的松动；压块4是防止在夹紧时带动工件转动；并避免1的头部直接与工件接触而造成压痕。螺钉压板实际生产中，采用螺旋—压板的组合夹紧，在手动操作时用得比单螺旋夹紧更为普遍。较典型有三种：图（a）的增力比最低；图（c）的操作省力，但结构受工件形状限制；图（b）增力比基本不变。故设计这类夹具时，要注意合理布置杠杆比例，寻求最省力、最方便的方案。当结构尺寸受限制时，可采用钩形压板机构用于螺旋夹紧机构的快撤装置3、偏心夹紧机构偏心夹紧机构靠偏心轮回转时回转半径变大而产生夹紧作用。可看成楔角连续变化的斜楔机构。偏心压板夹紧机构1垫板2手柄3偏心轮4轴5压板结构简单，操作方便，动作迅速；自锁性能比较差，增力比较小；常用于切削平稳而切削力不大的场合。偏心夹紧机构在设计偏心轮机构时，应注意以下三个问题：a）自锁条件；b）保证足够的夹紧力；c）保证足够的夹紧距离（指偏心轮工作部分与工作间接触点的最大垂直位移）。偏心夹紧必须保证自锁条件，否则就不能应用。D/e值反映了偏心轮的偏心特性，它可用来表示偏心轮工作的可靠性；此值大，自锁性能好，但结构尺寸也大。

一般满足偏心轮D/e≥14～20的条件时