机床夹具设计-第一二章(2012mqc)

机床夹具设计

主讲人：马秋成E-mail:mqc@第一章机床夹具概述

1.1工件的装夹与夹具

夹具是一种装夹工件的工艺装备(简称工装).在机械加工过程中，为保证工件的加工精度，使之相对于机床、刀具占有确定的位置，并能迅速、可靠地夹紧工件，以接受加工或检测的工艺装备称为机床夹具，简称夹具。一、工件装夹的概念钻床夹具机床夹具的主要功能：使工件定位和夹紧。定位——使工件在机床上或夹具上占有正确加工位置的过程，称为定位。夹紧——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。安装——工件从定位到夹紧的整个过程。根据加工精度要求和生产批量的不同,安装方法有三种：直接找正法：是用百分表、划针或用目测，在机床上直接找正工件，使工件获得正确位置的方法。二、工件装夹的方法划线找正法：当零件形状复杂时，先用划针在工件上画出中心线、对称线或各加工表面的加工位置，然后再按划好的线来找正工件在机床上的位置。专用夹具安装法：靠专用夹具保证工件相对于刀具及机床所需的位置，并使其夹紧。三、用夹具装夹保证工件加工精度的条件采用夹具对工件进行加工时，为保证工件加工表面相对其它表面的尺寸和位置精度，须满足下述三个条件：(一)工件在夹具中保持一定的位置；(二)夹具在机床上保持一定的位置；(三)夹具相对刀具保持一定的位置。1、基本组成

定位元件夹紧装置夹具体作用是将工件压紧夹牢，保证工件在加工过程中受到外力作用时位置不变。作用是使工件在夹具中占据正确的位置。将夹具上的所有组成部分，联接成为一个整体的基础件。是夹具的基座和骨架。四、机床夹具的组成2、其它组成

连接元件对刀装置其它装置作用是确定刀具的位置。作用是确定夹具本身在机床上的位置。如分度装置、靠模装置、上下料装置和平衡块等。四、机床夹具的组成图1－3钻床夹具§1-2夹具的分类与作用

一、按夹具的应用范围分类二、按夹具上的动力源分类三、按所用机床分类(一)通用夹具：指结构、尺寸已标准化、系列化，且具有一定通用性的机床附件；如三爪卡盘、四爪卡盘、平口虎钳和万能分度头等。这类夹具主要用于单件小批生产。三爪卡盘：用于回转工件的装卡四爪单动卡盘：用于非回转体或偏心件的装卡平口钳分固定侧与活动侧，固定侧与底面作为定位面，活动侧用于夹紧。(二)专用夹具：指专为某一工件的某一加工工序而设计制造的夹具。结构紧凑，操作方便，主要用于固定产品的大批大量生产。连杆加工专用夹具：该夹具靠工作台T形槽和夹具体上定位键确定其在数控铣床上的位置，并用T形螺栓紧固。(三)成组夹具：采用成组加工工艺，将工件按形状、尺寸和工艺的共性分组，再为每组工件设计组内通用的专用夹具(四）组合夹具：是一种模块化的夹具，由一套预先制造好的标准元件组装成的专用夹具组合夹具是一种适应多品种、小批量生产的新型夹具。由一套结构和尺寸已经规格化、系列他的通用元件、合件和部件构成。包括：基础件、支承件、定位件、导向件、压紧件、紧固件、辅助件、合件和部件等。夹具使用完毕后，可以将各组成元件、合件等拆开，清洗后入库以备下次组合使用。孔系组合夹具孔系组合夹具实例l一长方形基础板；2一方形支撑件；3一菱形定位盘；4一快换钻套；

5一叉形压板；6一螺栓；7一手柄杆；8一分度合件。槽系组合夹具二、按夹具的动力源分类(一)手动夹具以操作工人手臂之力作为动力源，通过夹紧机构夹紧工件。为尽量减轻工人的劳动强度和保证夹紧可靠,此类夹具的夹紧机构必须具有增力和自锁作用。手动夹具一般采用结构简单的螺旋或偏心压板机构，制造方便，但使用时的工作效率较低。(二)气动夹具以压缩空气作为动力源，通过管道、气阀、气缸等元件产生夹紧力。当需要较大的夹紧力时，在气缸和夹紧元件之间增设斜楔式、铰链式或杠杆式等扩力机构。

气动夹具特点：夹紧动作迅速、夹紧力稳定、操作方便，在成批和大量生产中广泛的应用。(三)液压夹具以液压油作动力源，通过管道、液压阀，液压缸等元件，产生夹紧力。具有气动夹具的各种优点，而夹紧动作则更为平稳。由于油压比气压高，夹紧力大，夹具体积小，一般不用增力机构即可直接夹紧工件。需要液压站。

(四)电动夹具以电机扭力作动力源，通过减速器产生夹紧力。其传动部分常采用齿轮减速装置，结构比较复杂，夹紧动作比气动和液压夹紧缓慢。应用很少(五)磁力夹具以电磁铁或永久磁铁产生的磁力作为动力源直接夹紧工件，一般多用于切削力较小的精加工，如车床上的电磁吸盘、平面磨床的磁力工作台等。(六)真空夹具利用真空泵或以压缩空气为动力源，使夹具的内腔产生真空，依靠四周大气的压力将工件压紧。这类夹具的夹紧力较小，一般适用于精加工刚度低的工件，如磨削加工不导磁的薄形工件等。可分为车床、铣床、钻床、镗床、磨床、齿轮机床、数控机床夹具等。三、按夹具使用的机床分类（1）保证加工精度。

（2）缩短辅助时间，提高劳动生产率，降低生产成本。（3）减轻工人操作强度，降低对工人的技术水平要求。（4）扩大机床工艺范围，实现一机多能。（5）用成组可调夹具缩短生产准备时间四、夹具的作用§1-3机床夹具设计研究的内容本课程主要研究以下内容：一、工件在夹具中的定位二、工件在夹具中的夹紧三、夹具在机床上约定位、对刀及分度四、各类机床夹具的结构特点五、机床夹具的设计方法和步骤

本课程的任务

1、掌握机床夹具的基础理论知识和设计计算方法，能对机床夹具进行结构和精度分析。2、会查阅有关夹具设计的标准，手册、图册等资料。3、掌握机床夹具设计的方法，具有设计一定复杂程度夹具的能力。4、具有现代机床夹具设计的有关知识。本课程结束以后要进行课程设计第二章工件在夹具中的定位采用夹具加工时，为获得工件在加工时的准确位置，既要解决工件在夹具中的定位,还要解决夹具在机床上的准确定位和夹具相对刀具的准确调整等问题。如何保证一批工件位置的一致性，是工件在夹具中定位的根本问题。本章主要研究一批工件在夹具中的定位规律及定位精度。自由度(又称不定度）:即空间位置的不确定性一个位于空间自由状态的物体，对于空间直角坐标系来说，具有六个自由度：三个位移自由度和三个旋转自由度。§2.1工件定位原理定位的实质：就是限制工件自由度。工件六个自由度如果全部被限制，则工件的空间位置就完全被确定。工件在夹具中定位的任务，就是通过定位元件，限制工件的自由度，以满足工序的加工精度要求。工件在夹具中的定位分为：完全定位部分定位欠定位过定位工件在夹具中定位，若六个自由度都被限制，称为完全定位。支承点：为便于定位分析，将具体定位元件抽象转化为对应的定位支承点，一个支承点限制工件一个自由度。六点定位原理使用合理设置的六个支承点，与工件的定位基准相接触，以限制工件的六个自由度，使工件在夹具中的位置完全被确定的方法，称为六点定位原理。一、完全定位长方体定位时支承点的分配①主要定位基准面：设置三个支承点，限制了工件的三个自由度的定位表面。要求：支承面积大；三个支承点要对称配置。②导向定位基准面：设置二个支承点，限制了工件的二个自由度的定位表面。要求：应选狭长表面；支承点布置应尽可能远，且两点连线不能与主定位面垂直。③止推定位基准面：限制一个移动自由度的定位基准面。要求：应选窄小且与切削力相对的表面；支承方向平行于导向方向。④防转定位基准面：限制一个旋转自由度的定位表面。要求：支承点布置应离回转线尽可能远。二、部分定位（又称不完全定位）工件在夹具中定位，若六个自由度没有被全部限制时，称为部分定位。分两种情况：（1）由于零件特定的形状和结构，无法也没有必要限制某些自由度部分定位不影响加工一批零件的一致性（2）根据加工精度要求，工件在定位时允许某些自由度不限制。分析定位时应注意的几个问题1）定位支承点必须与工件定位基准面始终保持紧贴接触，才能起到限制自由度作用；2）将夹具上定位元件抽象转化为定位支承点时，每个支承点只限制一个自由度；3）分析支承点的定位作用时，不考虑力的影响；4）定位与夹紧的区别，定位是使工件获得正确位置，而夹紧是保持这个位置在加工时不变。

工件固定不动了，就定位了，这种说法是错误的工件在夹具中定位时，若实际限制的自由度个数少于工序加工要求应予限制的自由度个数，称为欠定位（应该限制的自由度没有被限制）。由于欠定位不能保证一批工件加的一致性和加工精度要求，因此，欠定位不允许存在。三、欠定位书图2-8，2-9四、重复定位（也称过定位）工件同一个自由度被几个支承点重复限制的定位。

在设计夹具时，是否允许重复定位，应根据工件的不同情况进行分析。一般来说，对工件上用形状精度和位置精度很低的毛坯表面作为定位表面时，是不允许出现重复定位的；对用已加工过的工件表面或精度较高的毛坯表面作为定位表面对，为了提高工件定位的稳定性和刚度，在一定的条件下是允许采用重复定位的。支承钉和支承板在安装后要磨平过定位的不良后果：使接触点不稳定，难以保证加工的一致性；增加了夹紧变形；部分工件不能顺利与定位元件配合。消除或减少过定位干涉的措施：改变定位元件结构，使定位元件重复限制自由度的部分不起定位作用；提高工件定位基准之间以及定位元件工作表面之间的位置精度；撤消重复限制自由度的定位元件；只有提出合理的附加条件，才允许采用过定位。§2-2定位元件的选择与设计工件种类繁多，形状不同，但工件基本是由平面、圆柱面、圆锥面及各种成形面所组成。工件在夹具中定位时，可根据其结构特点和工序加工要求，选取其上的平面、圆柱面、圆锥面或它们之间的组合表面作为定位基准。一、平面定位元件常用的平面定位元件有固定支承、可调支承、自位支承及辅助支承等。除辅助支承外，其他支承均对工件起定位作用。(一)固定支承是位置固定不变的定位元件,包括支承钉和支承板①支承钉—用于面积较小的基准平面平头支承钉，主要用于已加工过的平面定位球头支承钉，主要用于未经加工的粗糙平面的定位锯齿形支承钉，用于要求摩擦力大的工件侧平面定位②支承板—用于面积较大、平面度精度较高的基准平面定位结构简单、制造方便，但积屑不易清除，多用于工件侧平面定位易于清除切屑，广泛应用于工件上已加工过的平面定位(二)可调支承支承点的位置可调节的定位元件称为可调支承。

可调支承主要用于工件毛坯制造精度不高，而又以未加工过的毛面作为定位基准的工序中。不同批次的毛坯尺寸往往相差较大．若选用固定支承定位，在用调整法加工的条件下，引起工序尺寸较大变化。

在同一批工件的加工中,可调支承相当于固定支承。(三)自位支承自位支承是指支承点的位置随工件定位基淮面位置变化面自动与之适应酌定位元件。自位支承与工件可能有两、三个接触点，但只起到一个支承点的作用，限制工件1个自由度。由于自位支承增加了与工件的接触点数，故可提高工件定位时的刚度，减小工件的受力变形。

(四)辅助支承辅助支承主要起提高工件支承刚性作用或起辅助定位作用。

辅助支承不起定位作用，不限制工件的自由度。1．自引式辅助支承2．升托式辅助支承3．直接锁紧和液压锁紧的辅助支承工件以平面定位总结面积较小的基准平面选用支承钉；面积较大、平面度精度较高的基准平面定位选用支承板毛坯面、阶梯平面和环形平面作基准平面定位时，选用自位支承；毛坯面作基准平面，调节时可按定位面质量和面积大小分别选用可调支承；当工件定位基准面需提高定位刚度、稳定性和可靠性时，可选用辅助支承。二、圆孔表面定位元件圆孔表面定位元件有定位销、刚性心轴和锥度心轴等(一)定位销工件以圆孔表面定位时使用的定位销一般有固定式和可换式两种．在大批量生产中，由于定位销磨损较快，为保证工序加工精度和定期维修，多采用可换式定位销。1、固定式定位销

与夹具体连接成过盈配合，长销限制4个自由度，短销限制2个自由度。2、可换式定位销在定位销与夹具体之间装有衬套，定位销与衬套内径的配合采用间隙配合．而衬套与夹具体则采用过渡配合。由于定位销与衬套之间存在装配间隙，故定位精度较固定式定位低。锥销限制3个自由度3、削边定位销为适应工件用两孔一起定位的需要，采用一个削边定位销。削边销限制1个自由度，尺寸在3-50mm之间的削边销做成菱形，又叫菱形销。削边定位销结构小于3mm大于50mm(二)刚性心轴对于套类零件，常常采用刚性心轴作为定位元件。刚心轴由导向部分1，定位部分2及传动部分3组成。限制4个自由度。过盈心轴定位相度高，但装卸工件麻烦，生产效率较低。(三)锥度心轴小锥度心轴可消除工件与心轴的配合间隙，提高定心精度，为防止工件在心轴上倾斜，其锥度K常取1:5000到1:1000

限制4个自由度小锥度心轴将工件楔紧在心轴锥面上，由孔的局部弹性变形，将工件夹紧。锥度越小，定心定位精度越高，但工件轴向位置变动也越大。一般用于工件定位孔精度高于7级，切削负荷较小的精加工。为了减少工件在锥度心轴上的轴向位置变动量，可按孔径尺寸公差分组设计相应的锥度心轴。三、外圆表面定位元件定位套、支承板和V形块等(一)定位套定位套用于对工件外圆表面实现定心定位。当工件定位圆柱面精度较高时，可选用定位套或半圆形定位座。短定位套，限制2个自由度长定位套，限制4个自由度锥定位套，限制3个自由度(二)支承板支承板实现对外圆表面的支承定位。定位时所限制自由度数的多少由它与工件外圆侧母线接触的长短确定。(三)V形块V形块实现对外圆表面的定心对中定位。特点：①对中性好；②可用于非完整外圆表面的定位。V形块角度有60º，90º和120º，90º应用最广且标准化。设计参数：V形块在夹具中的安装尺寸T是V形块的主要设计参数，该尺寸常用作V形块检验和调整的依据。当a为90º时则：T=H+0.707d-0.5N

三个锯齿形定位销相当于两个V形块四、锥面定位元件在加工轴或某些定心精度要求的零件时，常以工件上的锥孔作为定位基难，这时需要选用相应的锥面定位元件。锥形心轴定位限制5个自由度。§2.3定位误差的分析与计算一、定位误差及计算方法（一）定位误差及产生原因1、定位误差概念

定位误差是指由于定位不准而引起某一工序尺寸或位置要求方面的加工误差。在工件加工中，加工误差除定位误差外,还存在制造与安装、工件夹紧、机床工作精度、刀具精度、受力变形、热变形等因素而产生误差，定位误差仅是加工误差的一部分。定位误差一般不超过工件加工公差T的1/5～1/3即ΔD≤(1/5～1/3)T对一批工件来说，工件的尺寸和位置上都存在公差，不可能完全一致,同时夹具上定位元件本身及相互间存在尺寸和位置公差。因此，虽然工件已经定位，但每个被定位的工件的一些表面的位置仍然会产生变化，这就造成了工序尺寸和位置要求方面的加工误差。2、定位误差产生的原因1）基准不重合误差

由于工序基准与定位基准不重合所导致的工序基准在加工尺寸方向上的最大位置变动量，称为基准不重合误差,用δ不重表示2)基准位移误差由于定位副的制造误差或定位副配合间隙所导致的定位基准在加工尺寸方向上最大位置变动量，称为基准位移误差，用δ位置表示3）定位误差δ定位=δ位置±δ不重1）定位基准与设计基准不重合而产生的基准不重合误差基准不重合误差等于定位基准到设计基准间的联系尺寸的公差。δ不重=ΔH2）定位副制造不准确所产生的基准位移误差由于定位副制造不准确，使得定位基准位置发生变动而产生的定位误差。定位基准的最大变动量，为定位基准的位置误差。=Dmax-dmin（二）定位误差的组成及其计算方法定位误差是采用调整法加工一批工件时，由于定位不准而造成工序尺寸或位置要求可能变动的最大范围。定位误差由基准位置误差和基准不重合误差组成。即：δ定位=δ位置±δ不重在分析计算定位误差时，先分别计算其基准不重合误差和基准位置误差，再求出其在加工尺寸方向上的矢量和。分析基准不重合误差时，不考虑基准位置误差的影响，分析基准位置误差时，不考虑基准不重合误差，两者均以刀具位置固定为条件。工件同一尺寸同时影响基准位置误差和基准不重合误差时,如果引起加工尺寸同向增大或减小则取加号，如果引起加工尺寸反向变化，则取减号。不同尺寸所引起的基准位置误差和基准不重合误差取加号。δ不重=Td/2Δ位置=最大间隙（三）定位误差分析要点1.定位误差只有在采用调整法加工一批零件时才存在。采用试切法加工则不会产生定位误差。2.定位误差是因工件定位不准而产生的加工误差。它表现为工序基准相对于加工表面可能产生的最大的尺寸或位置的变动量，定位误差是由工件的制造误差、定位元件的制造误差、两者之间的配合间隙及基准不重合等因素造成。3.定位误差由基准位置误差和基准不重合误差两部分组成，但不是任何情况下这两者都存在。4.定位误差的计算可按定位误差的定义，根据所画出的一批工件定位可能产生定位误差的极端情况，再分析计算其几何位置的最大变动量求得。二、几种典型表面定位时的定位误差(一)平面定位时的定位误差平面定位的主要方式是支承定位，常用定位元件为：支承钉、支承板、自位支承和可调支承。

如果用粗基准（毛面）定位，毛坯表面的形状误差为基准位置误差。δ位置=ΔH

如果用已加工过的精基准定位，由于平面精度高，可以认为基准位置误差为0。δ位置=0例:(二)圆孔表面定位时的定位误差圆孔表面的主要定位方式是定心定位，定位元件为各种定位销、定位心轴。

圆孔定位时其定位基准是孔的中心线。

圆孔表面的基准位置误差为孔与定位销（或心轴）的间隙。1、工件圆孔与心轴或定位销成过盈配合的情况由于过盈配合的间隙为0，所以δ位置=0，在定位误差计算时只需要考虑基准不重合误差。

当采用自动定心心轴定位时，也为无间隙的定心定位，其基准位置误差同样也为0

δ定位（H1）=δ不重+δ位置=0+0=0δ定位（H2）=δ不重+δ位置=Td/2+2e+0=Td/2+2e尺寸H2δ不重=Td/2+2eH1H22、工件圆孔与心轴或定位销间隙配合，水平放置心轴与孔成间隙配合，在重力作用下，工件与销成单边接触，基准位置误差为孔销间隙变动量的一半。也等于孔销公差之和的1/2δ位置=(TD+Td)/2H3H1对于H1：δ定位（H1）=δ不重+δ位置=0+（Td1+TD）/2对于H2：δ不重=TD/2δ定位（H2）=δ位置-δ不重=（Td1+TD）/2-TD/2=Td1/2对于H3：δ不重=Td/2δ定位（H3）=δ位置+δ不重=（Td1+TD）/2+Td/23、工件圆孔与心轴或定位销间隙配合，垂直放置心轴与孔成间隙配合且垂直放置时，工件与销为任意边接触，其定位孔轴线在空间的变动范围与单边接角相比将扩大一倍。

基准位置误差为孔销配合的最大间隙。也等于孔公差、销公差与最小间隙三者之和。δ位置=TD+Td+△minH3H1对于H1：δ定位（H1）=δ不重+δ位置=0+Td1+TD+△min对于H2：δ不重=TD/2δ定位（H2）=δ位置+δ不重=Td1+TD+△min

+T