第五章 机床夹具设计原理续(贾)

⑴中心偏移：销、或套筒垂直放置如图：x、y两个方向定位误差2．用定位销、心轴定位内圆表面和用套筒定位外圆表面这两种情况都是由于配合间隙引起的定位误差，这会产生中心偏移和中心偏转。中心圆当定位销、或套筒水平放时，由于重力等作用，高点接触定位误差：

销小孔大销大孔小⑵中心偏转3.锥心轴定位当工件孔有孔径误差时基准位移误差：当心轴有直径误差时公差⑴位移误差对销1来说最小间隙各个方向对销2来说，由于不限x方向自由度，即由销1决定。y方向：⑵转角：转角为一般α转角：可取例：如图5.V形铁定位①下母线为设计基准（如键槽等）此时由于基准不重合（Q→A、C）产生基准转换误差，设调整是按标准工件调整，工件直径为d，现工件直径为d+δ，则产生的定位误差为其中∴120°90°60°当直径公差带入后→得误差分布范围②中心线为设计基准如端键槽此时定位误差α=120°，60°，90°③设计基准为上母线此时定位误差∴α=120°，90°，60°K3>K2>K1第五节

工件的夹紧定位后，必须用夹紧机构将工件夹紧，以保证工件在加工过程中不致因切削力、惯性力、离心力或重力等外力作用而产生位置偏移或振动，保持确定位置加工。一、夹紧机构的组成：1.夹紧元件——直接夹紧工件的元件

2.动力装置——夹紧机构产生夹紧力的动力源，如气动、电动、液压装置等。采用手动夹紧时无此部分

3.中间传力机构——在动力源和夹紧元件之间的传力机构。夹紧元件传力机构一般混在一起，夹紧机构设计一般指这两部分设计，它变作用力为夹紧力。根据要求改变力的大小、方向及自锁等。二、夹紧机构的基本要求与设计原则

1.夹紧时不应破坏工件定位精度，保证工件可靠地与定位元件接触，不破坏定位。如图：左半部不对，夹紧时工件向上抬起，右半部对2.在保证可靠夹紧的前提下，夹紧力不应过大，以免压伤工件表面或使工件变形，夹紧力的反作用力不应使夹具产生影响加工精度的变形。1－夹具体；2－定位板；3－压板车床夹具夹紧机构布局3.夹紧机构(特别是手动夹紧机构)应具有自锁功能和足够行程，保证加工时夹紧机构安全可靠，包括夹紧元件与夹具体的强度和刚度等。强度铁→钢轴

4.在保证足够刚度和强度的条件下，夹紧机构应结构紧凑、动作迅速、操作方便省力。5.夹紧机构的复杂程度、自由化程度应与生产要求及条件相适应，注意经济效果。三、夹紧力的确定所需夹紧力的确定应考虑夹紧力的方向、作用点和大小。——夹紧力的三要求1、夹紧力的方向夹紧力的方向与工件定位基准配置情况以及工件所受外力的作用方向等因素有关。确定时应考虑：

①夹紧力的方向应保证定位准确可靠，而不破坏定位，即保证在夹紧作用下使工件与定位元件接触，方向一般垂直于定位面。②夹紧力的作用方向应使所需夹紧力尽可能的小，以减轻疲劳强度，提高生产率，夹紧机构紧凑，工件变形小。一般与重力、切削力一致，如钻孔。α<90°2、夹紧力的作用点作用点指夹紧元件与工件接触的一小块面积。选择时应注意：①夹紧力作用点应能保持工件定位稳定而不致引起工件位移或偏移。夹紧力作用点应在定位元件上或几个定位元件形成的稳定受力区域内。②夹紧力作用点应使工件的夹紧变形尽可能的小，不影响精度。③夹紧力作用点应尽可能靠近工件被加工表面，以提高加工部位的夹紧刚性，防止或减少工件振动。可加辅助支承3、夹紧力大小的选择夹紧力大小应适当:大→工件压伤、变形，夹具刚性要增加，以致笨重小→不能抵抗切削力、重力、惯性力，破坏定位

确定方法：①类比法——工厂参照在相似工作条件下经过考验的同类夹具进行确定.②计算分析法：实质上是一个解精力平衡的问题，即利用切削原理公式求出切削力大小、方向、作用点（并必须考虑重力、惯性力），并确定支承反力、摩擦力以及夹紧力的作用点、方向等，按最不利的情况列出力的平衡方程，解出夹紧力的大小，然后乘一定系数K，得实际夹紧力因实际加工中存在一系列问题，如毛坯变化、切削表面的连续性、刀具几何参数等，一般取总安全系数K=1.5～2.5～3K1——一般安全系数，考虑可靠性和因工件材料及余量不均等引起的切削力变化，K1=1.5～2K2——加工性质系数，粗加工K2=1.2，精加工K2=1K3——刀具钝化系数，一般K3=1.1～1.3K4——断续切削系数，断续K4=1.2，连续K4=1注意摩擦系数f,不同表面不一样，查表

如图加工过程中，切削力的作用点、大小、方向变化，按最不利情况，刚开始加工时，在切削力作用下，绕0点看翻转。摩擦力矩为具体各种加工方法查相关手册《切削原理》第六节夹紧机构一、斜楔夹紧机构手动可改→气动、液压、导轮1、夹紧力的计算2、结构特点：⑴斜楔具有自锁性——外力Q消失后，夹紧构在摩擦力作用下，仍能保持夹紧状态而不松开。一般约6º，→手动可靠气动、液压时，α可大些，15º～30º。⑵具有改变压力方向的特点⑶具有增力作用增力系数3左右⑷夹紧行程小，行程h，移动S

α

↓行程小α

↑自锁差3、适用范围由于机构操作不便，工作效率低，增力系数不大，仅在小型钻床、铣床上用，由于结构简单，常用其他装置组合用。二、螺旋夹紧机构1、结构形式2、夹紧力计算如图方牙螺纹，对螺杆原始作用力Q，手柄长L，垂直于螺杆端面的反作用力W（夹紧力）及摩擦力F2→分布于整个接触面，计算时视为集中一个半径为r'的圆上，摩擦元r'

→当量摩擦半径，螺母对螺杆作用力有：垂直于螺旋面的正压力R及摩擦力F1

，其合力为R

1，此力分布于整个螺旋面上，计算时按中径计算，根据力矩平衡对其他螺纹，只要将φ1换成φ1′即可。对于三角罗纹，对于梯形罗纹，增力系数大三、偏心夹紧机构偏心夹紧机构指用偏心轮或凸轮来实现夹紧的一种夹紧机构。使用的偏心有圆偏心和曲线偏心（凸轮）。曲线偏心的工作轮廓曲线多为阿基米德螺线，具有升角变化均匀等，但制造复杂，应用少。而圆偏心为固盘装，结构简单，加工方便。仅讲圆偏心夹紧机构。

如图01是圆偏心轮的几何中心，R是半径，0是回转中心，R0是“基元”半径（最小回转半径），偏心距，当圆盘绕0顺时针回转时，圆上各点到0的距离（回转半径）不断增加，相当于一个绕在基元上的弧形楔不断向前楔紧于“基元”与工件之间，从而使工件夹紧。2、结构特点圆偏心轮上各点升角是随着相应回转角而变化的。如图：圆偏心的任一点升角αx，它是工件受压表面aa与受压点x处回转半径ρ的法线的bb的夹角，也等于，由几何关系得当r=0时，αx=0，当达到极值时，也取得最大值。→此时⊥0x，为极大值对于一般偏心轮当r连续增大时r↑，↓当r=180º时，αx=0如图把弧形楔展开可得曲线，各点曲率是变化的，说明升角αx变化，P点附近的升角最大，但变化最小，这一点对设计偏心轮，保证自锁，计算夹紧力和选择工作弧段等都很重要。在实际设计中，为了方便，一般近似认为r=90º时的夹紧点就是P点，即r=90º时，αx达最大值，此时即②圆偏心的自锁条件和圆偏心的特性参数圆偏心必须保证自锁，要自锁，与前述斜楔夹紧机构相同——圆偏心与工件间的摩擦角——偏心孔与回转轴间的摩擦角一般为了安全起见，不考虑回转轴的摩擦，则有，即故有：或当f1=0.1时，当f1=0.15时，的比值称为圆偏心的特征参数或偏心率。3、圆偏心轮的设计主要确定下列参数：偏心量e，偏心轮半径R，手柄长度及工件弧度。①偏心量e

e取决于夹紧行程的大小，若用其整个半圆弧时，总行程为2e，但需转180º，操作不便，且空间有限，一般取的一段作为工作弧段。所产生的行程：式中：hB、hC——B、C点所对应的h值；γB、γC——B、C点所对应的γ角。偏心夹紧原理显然，hBC应大于被夹紧处工件尺寸的公差δ。考虑到安装工件所必须的间隙、机构和工件的夹紧变形、偏心轮的制造误差和磨损量的补偿以及必要的行程储备量，一般可取（2）偏心轮半径R偏心量e确定后，偏心轮半径R主要取决于自锁条件，即去掉手柄上的作用力后，偏心轮仍能继续夹紧工作，而不会自行松夹。根据前面对α角的分析，若在αP最大的P点偏心轮能自锁，则毫无疑问在其它点上更能自锁。由机械原理可知，在P点的自锁条件是，为偏心轮与工件间的摩擦角。这里为了简化，忽略了回转轴与轴颈间的摩擦力，因而得出的自锁条件更为可靠。

将代入中即得:若取偏心轮与工件之间的摩擦系数则；若取，则，。叫做偏心轮的偏心特性，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，手册上一般推荐。与工件对偏心轮的摩擦力F1的合力；N为回转轴对偏心轮的反作用力，它与轴颈的摩擦圆（半径为ρ）相切。偏心轮在此三力作用下处于平衡状态。分别对O2取力矩，则可得力矩平衡方程式如下：

（3）偏心轮的夹紧力（或手柄长度）。偏心轮夹紧时的受力分析如图所示。Q为所用在手柄上的力；W'为工件法反向力W（也就是夹紧工件的力）偏心轮受力分析由于，所以，，取代入根据W、Q→L④工作弧段的选择：原则上整个弧段都可用，但在p点左右升角显然较大，但变化较小，所以夹紧力比较稳定，同时在这一范围内曲线的升程较大，即夹紧行程较大，所以大多数偏心轮都是p点从前30º～45º，到后30º～45º之间。如下图偏心夹紧优点：结构简单、制造方便、操作方便迅速

缺点：行程小、夹紧力小，自锁性不好，振动时易松开。用于尺寸变化不大，振动小，切削力不大的场合。铣拨叉夹具四、铰链夹紧机构优点：是一种增力机构，常与气缸、油缸联动以扩大夹紧力，动作迅速，容易改变力的传递方向压板张开量大。缺点：自锁性能差双向作用的铰链夹紧机构五、定心夹紧机构三爪卡垫、弹性夹头等。六、联动夹紧机构有些夹紧同时从工件几个点夹紧，有些夹具同时加工几个工件同时夹紧，有的夹具要先使工件定位后→辅助支承锁紧→夹紧。1、常见的联动夹紧方式：①多点夹紧联动A图②多件夹紧联动弯轴瓦分型面B图

③先定位后夹紧联动C图④夹紧与其他动作联动如夹紧与锁紧辅助支承联动D图A图多点夹紧联动铣平面夹具B图多件联动夹紧平磨夹具C图先定位后夹紧联动机构压板夹紧和移动联动夹紧与锁紧辅助支承联动2、设计联动夹紧机构时应注意的问题①由于联动机构动作和受力情况都比较复杂，所以应仔细进行运动分析和受力分析，以确保设计意图的实现。②注意设计必要的浮动环节及浮动程度，以保证夹紧均衡、运动不发生干涉。③要保证所有压板都能松夹，以便装卸工件。④环节多，要注意刚性，以免刚性不足而夹不紧。⑤不要太复杂，否则会降低可靠性，制造困难。第七节

夹具的动力装置一、动力装置的作用当切削力较大或夹具较大时，夹紧力就必须较大，从而原始作用力也很大，因此为减轻工人劳动强度，提高生产率，保证安全生产，采用动力装置产生原始力。夹具常用的动力装置为：气压、液压、气液联合、电动、电磁、真空等。二、气压加紧——采用压缩空气1、*2特点：优点：

①压缩空气可由压缩空气站通过管道集中供应，使用、操纵方便；

②气压动作快，夹紧效率高。空气流速在管道中为180m/s；

③减轻体力劳动，夹紧时工人只要操纵阀门，比较轻便；缺点：

④压缩空气有弹性，夹紧刚度不高，对于重型零件加工，当切削力太大时不宜采用，当作用力不够时，可以和斜楔、杠杆等机构结合；

⑤压缩空气单位压力不如液压油压力高，一般空气站为0.8MPa，损失度为0.4~0.6MPa，因此气压夹紧装置的空间大，布置不好；

⑥工作后压缩空气排放时噪声很大，形成污染。尖叫声2、*1气压传动系统及其元件压缩空气使用前应经过分水滤气器，进行滤清和去除水分，以免锈蚀元件，阻塞通道；经过油雾器使压缩空气中有油雾以润滑运动部件，要经过调压阀，以保证工作压力稳定。这称三大件。如图气动夹紧及其辅助装置系统图3、气缸形式①活塞式气缸按工作方向分：单作用（单向）双作用（双向）按气缸运动：固定式、摆动式、回转式

②薄膜式气缸

固定式摆动式回转式三、液压夹紧特点：（与气压比）1、液压的压力较高，可达6MPa，特别是油缸小，设计时布局方便，不需要增加机构，结构简单；2、液体不可压缩，夹紧刚度大，夹紧可靠，动作比较平稳；3、液压夹紧在液压机床上实现比较方便，否则需增设油泵站，提供高压油