机械制造工艺学 课件 项目6 机床夹具设计

项目6机床夹具设计机械制造工艺学(任务)目录

任务6.1认识机床夹具1

任务6.2工件定位方案的设计2

任务6.3工件夹紧方案的设计3任务6.4机床专用夹具及其设计方法4机械制造工艺学项目引入机械制造工艺学任务6.1认识机床夹具6.1.1机床夹具的分类和组成机械制造工艺学机床夹具的组成

定位装置（元件）

夹紧装置夹具与机床之间的联接元件对刀或导向元件其它装置或元件

夹具体

机械制造工艺学机械制造工艺学6.1.2机床夹具在机械加工中的作用

保证加工精度，稳定产品质量提高生产率、降低成本扩大机床工艺范围减轻工人的劳动强度机械制造工艺学任务6.2工件定位方案的设计6.2.1工件定位的基本原理1.自由度的概念一个位于空间自由状态的物体，对于直角坐标系来说，具有六个自由度。它的空间位置是任意的，即能沿X、Y、Z轴移动（移动自由度）。又能绕三个坐标轴转动（转动自由度）。机械制造工艺学机械制造工艺学2.六点定位原则

用合理设置的六个支承点，限制工件的六个自由度，使工件在夹具中的位置完全确定，这就是所谓“六点定位原则”，简称“六点定则”。机械制造工艺学(1)长方体工件机械制造工艺学(2)圆盘类工件机械制造工艺学(3)轴类工件机械制造工艺学

用定位支承点限制工件的自由度，可以理解为：定位支承点与工件的定位基准必须始终保持紧贴接触，若二者一旦脱离，就表示失去了定位作用。在分析定位支承点即定位元件起定位作用时，不要考虑力的影响。不要把“定位”与“夹紧”两个概念相混淆。在分析限制工件的定位时，需注意：机械制造工艺学3.限制工件自由度与加工要求的关系

一是需要限制的自由度，必须都得到恰当地限制；二是保证必要的定位精度和稳定性。

因此确定定位方案时，要根据工件的加工精度要求，遵循六点定位原则，分析工件应该限制的自由度，确定定位方法，选择定位元件，继而进行定位误差的分析和计算。机械制造工艺学4.工件定位中的几种情况

完全定位：工件的六个自由度全部被限制的定位。不完全定位：根据工件的加工要求，所限制的自由度少于六个的定位。机械制造工艺学

欠定位：根据工件的加工要求，应该限制的自由度没有完全被限制的定位。无法保证加工要求，所以是不允许的。

过定位：夹具上的两个或两个以上的定位元件，重复限制工件的同一个或几个自由度的现象。机械制造工艺学过定位可能导致下列后果：

工件无法安装造成工件或定位元件变形机械制造工艺学由于过定位往往会带来不良后果，一般确定定位方案时，应尽量避免。消除或减小过定位所引起的干涉，一般有两种方法：（1）改变定位元件的结构，使定位元件重复限制自由度的部分不起定位作用。（2）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。

机械制造工艺学6.2.2定位方式及定位元件1.平面定位(1)对粗基准平面的定位粗基准是指毛坯上未经机械加工的表面,该基准平面的平面度误差较大,同一批工件上的平面状况也不相同。机械制造工艺学(2)对精基准平面的定位精基准是指已经机械加工的表面,这样的基准平面度误差小,可以直接放在平面上定位。机械制造工艺学(3)平面定位的定位元件1)支承钉机械制造工艺学2)支承板机械制造工艺学3)可调支承机械制造工艺学4)自位支承机械制造工艺学(4)工件以台阶面为基准的定位机械制造工艺学(5)辅助支承辅助支承件并不起定位作用,只是增加工件的稳定性,避免工件在切削力的作用下发生变形或振动。机械制造工艺学2.工件以外圆柱面为基准的定位(1)圆孔定位机械制造工艺学(2)半孔定位机械制造工艺学(3)V形块定位1)定位方法V形块是由两个互成γ角的平面组成的定位元件。用V形块定位时,装卸工件方便,而且在垂直于V形块对称面的方向上误差等于0。机械制造工艺学2)V形块的结构C——V型块开口尺寸D——V型块的标准心轴直径γ——V型块上两斜面之间的夹角

h——V型块的高度

H——V型块标准定位高度在V型块工作图上必须标注该尺寸，它是用来检验V型块制造精度的重要指标当γ=90˚时

H=h+0.707D−0.5C机械制造工艺学3.工件以圆孔为基准的定位(1)外圆柱面定位机械制造工艺学(2)外圆锥面定位1)小锥度心轴定位机械制造工艺学2)大锥度定位机械制造工艺学4.工件以特形表面为基准的定位用作定位的基准表面取决于工件的形状、表面精度和技术要求。

除前述常用的表面外,有时还用螺纹面、齿轮的齿面、锥面、型面及花键等作定位基准。机械制造工艺学常见定位元件及其组合所能限制的自由度机械制造工艺学机械制造工艺学机械制造工艺学机械制造工艺学5.工件以一面两孔定位

在实际生产中，通常都是以工件上的两个或两个以上的几何表面作为定位基准，即采取组合定位方式。常用的就是“一面两孔”。(1)定位元件分析机械制造工艺学(2)定位元件的设计两销主要尺寸计算步骤如下：确定两销中心距尺寸(Ld)及其偏差基本尺寸Ld=LD(两孔中心距尺寸)

公差δLd=(1／5～1／3)δLD确定圆柱销尺寸及公差圆柱销的基本尺寸是配合孔的最小极限尺寸，配合按g6或f7选取。

机械制造工艺学确定削边销尺寸及公差

按表选取削边销的b1及B，按公式求a，按公式求削边销的最小配合间隙X2min，然后求削边销最大直径：

d2max=D2min-X2min

配合一般按h6选取。

机械制造工艺学6.2.3定位误差的分析与计算1.定位误差的组成

由于定位引起的加工尺寸的最大变动范围称为定位误差,用ΔD表示。

工件能否保证加工精度,取决于刀具与工件之间的相互位置。而影响这个正确位置关系的误差因素主要是夹具的安装与调整误差、加工过程误差(或加工方法误差)以及定位误差等。为保证工件的加工精度,上述三项误差合成后应小于或等于工件公差。机械制造工艺学(1)基准不重合误差

工件在夹具中定位时,工件的定位基准与工序基准不重合,两基准之间的联系尺寸的尺寸公差将引起工序基准相对于定位基准在加工尺寸方向上发生变动,其最大变动范围即称为基准不重合误差,用ΔB表示。机械制造工艺学

由于定位副的制造误差和间隙的影响,引起定位基准在加工尺寸方向上有位置的变动,其最大的变动范围称为基准位移误差,用ΔY表示。(2)基准位移误差机械制造工艺学定位误差ΔD为基准不重合误差ΔB与基准位移误差ΔY的矢量和,即此外,只有用调整法加工一批零件时才产生定位误差,用试切法加工时不产生定位误差,而且定位误差是一个范围值。机械制造工艺学2.常见定位误差的分析与计算(1)工件以平面定位(2)工件以圆柱孔定位1)基准位移误差圆柱销垂直放置时：圆柱销水平放置时：2)转角误差机械制造工艺学(3)工件以外圆定位机械制造工艺学

由上述关于工件以圆孔和外圆为定位基面，分别在心轴（或定位销）和V形架上定位时，定位误差计算公式的推导，可总结出以下定律：当ΔY和ΔB两项均为零时，则ΔD亦为零。当ΔY和ΔB两项均不为零时，则基准不重合误差ΔB的正、负号可根据工序基准是否在定位基面上分别判断。工序基准在定位基面上，即以定位基面的任一母线为工序基准，且为固定单边接触。工序基准不在定位基面上。此时基准不重合误差永远取正号，即定位误差为基准位移误差和基准不重合误差之和。故总有机械制造工艺学任务6.3工件夹紧方案的设计6.3.1夹紧装置的组成与基本要求1.夹紧装置的组成1)动力源装置2)传力机构3)夹紧元件机械制造工艺学2.对夹紧装置的基本要求

应能始终保持工件的定位位置；夹紧力适当和可靠；操作方便、安全省力；复杂及自动化程度应与生产批量相适应；具有良好的工艺性及经济性。选择工件的夹紧方式一般与选择定位方法同时考虑，在设计夹紧装置时，必须满足下列要求：机械制造工艺学6.3.2夹紧力的确定

夹紧力的概念是由力的大小、方向和作用点（数量和位置）三个要素体现的。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机械制造工艺学②夹紧力方向应使工件变形尽可能小机械制造工艺学③夹紧力方向应使所需夹紧力尽可能小

机械制造工艺学2.夹紧力作用点的选择夹紧力作用点是指夹紧件与工件接触的一小块面积。合理选择夹紧力作用点必须注意以下几点：选择作用点的问题是指在夹紧力方向已定的情况下，确定夹紧力作用点的位置和数目。①夹紧力应落在支承元件上或几个支承元件所形成的支承面内

机械制造工艺学②夹紧力作用点应落在工件刚性较好的部位上机械制造工艺学③夹紧力作用点应尽可能靠近被加工表面以减小切削力对工件造成的翻转力矩。必要时应在工件刚性差的部位增加辅助支承并施加夹紧力，以免振动和变形。机械制造工艺学3.夹紧力大小的估算

夹紧力大小要适当，过大了会使工件变形，过小了则在加工时工件会松动造成报废甚至发生事故1)采用手动夹紧时，可凭人力来控制夹紧力的大小，一般不需要算出所需夹紧力的确切数值，只是必要时进行概略的估算计算夹紧力时，首先求出切削力的大小，必要时算出惯性力、离心力的大小，然后与工件重力及待求的夹紧力组成静平衡力系，列出平衡方程式，算出理论夹紧力，再乘以安全系数K，即为实际夹紧力。粗加工时K取2.5～3，精加工时K取1.5～22)当设计机动（如气动、液压、电动等）夹紧装置时，则需要计算夹紧力的大小。以便决定动力部件的尺寸（如气缸、活塞的直径等）机械制造工艺学6.3.3典型夹紧机构1.楔块夹紧机构

(1)工作性能机械制造工艺学(2)结构特点①楔块结构简单，有增力作用。一般扩力比ip

=Q/F

≈3，只宜用在受力不大的工序中或与其他增力机构组合使用②α≤φ1+φ2为斜楔的自锁条件。一般取α=5º～7º③楔块夹紧行程小，且受楔块升角α的影响，增大α可加大行程，但自锁性能变差④夹紧和松开要敲击大、小端，操作不方便一般多用于改变夹紧力的方向或作为扩力机构，与其他机械传动装置联合使用。机械制造工艺学2.螺旋夹紧机构

螺旋夹紧机构是利用螺旋元件的旋转产生夹紧行程，从而产生夹紧力的机构。螺旋夹紧实际上就是将楔块的斜面绕在圆柱体上成为螺旋面，因此螺旋夹紧的原理与楔块夹紧相似(1)工作性能机械制造工艺学(2)结构特点由于螺纹升角小于摩擦角,故螺旋夹紧机构的自锁性能很好;螺旋夹紧机构的扩力比很大。(3)适用范围夹紧动作缓慢、夹紧力变化较大，故不易实现机械化。具有夹紧力大、夹紧可靠、自锁性能好和制造容易等优点，应用也非常广泛，特别是在手动夹紧装置中。生产中常采用一些快速的螺旋夹紧机构。机械制造工艺学3.圆偏心夹紧机构

圆偏心夹紧机构是利用圆偏心件回转时工作半径的变化产生夹紧行程从而夹紧工件偏心轮可以看作是一个绕在转轴上的弧形楔。常用的偏心夹紧件是偏心轮（轴），都已标准化(1)工作性能及其结构特点机械制造工艺学自锁条件：圆偏心的升角α是随转角而变化的。圆偏心的自锁条件相应为由上图知，圆偏心所受反作用力矩应小于或等于磨擦力矩，即：整理化简得：一般采用即能自锁。机械制造工艺学其优点是操作迅速，构造简单。缺点是工作行程小，自锁性较差。其夹紧力不大；自锁性能不够稳定；一般在切削负荷不大且振动较小的工序中使用。(2)适用范围机械制造工艺学6.3.4其他夹紧机构1.铰链夹紧机构

(1)工作性能机械制造工艺学(2)结构特点及适用范围铰链夹紧机构的结构简单,具有增力倍数较大,摩擦损失较小的优点,但无自锁性能,通常不宜单独使用。它常与动力装置(汽缸、液压缸等)联用,在气动铣床夹具中应用较广。机械制造工艺学2.定心夹紧机构

定心夹紧机构也称自动定心机构,它使工件的定位与夹紧同时完成,如车床上的自定心卡盘、弹簧夹头等,特点是定位与夹紧使用同一元件,利用该元件的等速趋近或退离,完成工件的定位夹紧或松开。机械制造工艺学3.联动夹紧机构

联动夹紧机构是一种高效夹紧机构,它可通过一个操作手柄或一个动力装置,对一个工件的同一方向或不同方向的多点进行均匀夹紧或同时夹紧若干工件。前者称为多点联动夹紧,后者称为多件联动夹紧。(1)多点联动夹紧机构机械制造工艺学机械制造工艺学(2)多件联动夹紧机构根据夹紧方式和夹紧方向的不同,又可分为平行夹紧、连续夹紧、对向夹紧和复合夹紧等。机械制造工艺学设计多位夹紧机构注意点必须同时且均匀夹紧工件保证每个工件都有足够的夹紧力夹紧件和传力件要有足够的刚性，保证传力均匀机械制造工艺学任务6.4机床专用夹具及其设计方法6.4.1常用机床专用夹具及其结构特点1.车床夹具车床夹具大致可分为心轴、圆盘式、花盘式和角铁式等数种车床夹具包括用于各种车床、内外圆磨床等机床上的夹具车床夹具都是安装在机床主轴上，要求定位件与机床主轴的旋转轴线有高的位置精度设计时要考虑其安装方式、平衡问题和安全问题。夹持应尽量短些（减少悬臂长度）、轻些机械制造工艺学(1)心轴机械制造工艺学(2)圆盘式车床夹具机械制造工艺学(3)角铁式车床夹具机械制造工艺学（4）花盘式车床夹具花盘式车床夹具适用于形状比较复杂的工件，往往还需要改变工位，以加工相隔一定距离的几个表面，所以平衡问题就更为重要。此外，当出现较大尺寸的工件在车床主轴上无法安装和工件转速难以提高的问题时，可以拆去车床的刀架和横拖板，将夹具固定在床鞍上，加工时工件作纵向直线送进运动，而刀具则安装在车床主轴上作旋转运动。机械制造工艺学综上所述，在设计车床夹具时，应特别注意：1）因整个车床夹具是随机床主轴一起回转的，所以要求结构紧凑，轮廓尺寸要尽可能的小，重量轻，而且重心尽可能靠近回转轴线，以减少惯性力和回转力矩；2）夹具应有平衡措施，消除回转不平衡产生的振动现象，生产中常采用配重块来达到夹具的静平衡。3）与主轴连接部分应有较准确圆柱孔（或圆锥孔），其结构形式及尺寸规格，随使用机床而异。4）为使夹具使用安全，尽可能避免带有尖角或凸出的部分，必要时加防护罩。工件的夹紧装置也要夹紧可靠，防止工件松动飞出。机械制造工艺学2．钻床夹具（1）钻床夹具的结构和种类图6-65固定模板式钻模1）固定模板式钻模机械制造工艺学2）覆盖式钻模覆盖式钻模有覆式和盖式两种结构类型。图6-66无夹紧装置的覆式钻模图6-67盖式钻模机械制造工艺学3）翻转式钻模

图6-68钻8个孔的翻转式钻模机械制造工艺学4）回转式钻模图6-69带分度装置的回转式钻模机械制造工艺学5）滑柱式钻模图6-70滑柱式钻模机械制造工艺学（2）钻套的种类图6-71标准钻套机械制造工艺学图6-72特种钻套机械制造工艺学3．铣床夹具（1）铣床夹具的结构图6-73加工壳体的铣床夹具机械制造工艺学（2）铣床夹具的安装铣床夹具在机床工作台上的安装位置，直接影响工件被加工表面的位置精度，所以在设计时必须考虑其安装方法。一般在铣床夹具的底面都装着两个定向键，用以确定夹具（定位件）对工作台送进方向的位置精度（平行度或垂直度等）。采用定向键虽然便于安装夹具，但其位置精度不高，所以又常在夹具体的一侧设置一个校正面（将夹具体的一个侧面磨平即可），安装夹具时，以校正面为准用百分表找正。该校正面同时也作为定位元件、定向件等在夹具体上装配和检验时的基准。机械制造工艺学（3）铣床夹具的对刀装置图6-74用对刀块调刀示意图图6-75塞尺机械制造工艺学图6-76对刀块机械制造工艺学4．镗床夹具（1）镗床夹具的结构图6-77加工磨床尾架的镗模机械制造工艺学（2）镗套的种类1）固定式镗套图6-78固定式镗套机械制造工艺学2）回转式镗套图6-79回转式镗套机械制造工艺学6.4.2机床专用夹具的设计步骤和方法1．掌握生产条件，明确设计要求1）研究分析零件图纸和装配图纸。2）明确产品的生产批量和产品情况。了解工件的结构特点、材料和使用要求等。批量大时，生产效率要高，夹具结构应完善；批量很小或任务甚急，夹具结构则力求简单。3）明确工序要求和加工现状。4）了解使用要求和制造条件5）掌握必要的设计资料。机械制造工艺学2．拟订夹具的结构方案按照精度好、效率高、结构简单、容易制造和便于使用的要求，来正确地拟订出夹具的结构方案。首先确定工件的定位方法并设计定位装置；确定工件的夹紧方式并设计夹紧装置，确定夹紧形式，分析计算夹紧力的大小等；然后确定夹具其他装置；最后确定夹具的总体结构，绘制总装配草图。3．夹具的精度分析和估算夹具结构方案拟出之后，它能否可靠地满足工件的质量要求，还得进行分析和估算。从分析计算其误差关系中，确定各主要零件的尺寸精度和形位公差。机械制造工艺学4．夹具总图设计当夹具的结构方案确定之后，即可正式绘制夹具总图。在绘制夹具总图时，最好采用1∶1的比例绘制，以体现良好的直观性。当工件过大或过小时，也可选用其他常用的制图比例。总图上的主视图，应尽可能选取与操作者正对的位置。为了使工件不影响夹具零部件的绘制，总图上的工件要用双点划线绘出工件的形状和主要表面（定位基准面、夹紧表面和被加工表面），而且要按加工位置绘制。机械制造工艺学（1）绘制总图的步骤先用双点画线把工件在加工位置状态时的形状绘在图纸上，并将工件看作透明体。然后，依次绘制定位元件、夹紧装置和夹紧元件、刀具的对刀或导引元件、夹具本体及各个连接件等。结构部分绘制完成之后，标注必要的尺寸、配合和技术要求等。（2）夹具总图上尺寸的标注夹具总图上需标注的尺寸及公差包括定位元件上定位表面的尺寸以及各定位表面之间的尺寸，刀具导引元件尺寸，定位元件和定位元件之间的尺寸，定位元件与对刀元件（或导引元件）之间的距离尺寸和公差，夹具与机床的联系尺寸及配合，夹具的外形轮廓尺寸等。机械制造工艺学（3）夹具上主要元件之间的位置尺寸公差夹具上主要元件之间的尺寸应取工件相应尺寸的平均值，其公差按工件相应公差的1/3～1/5取值，一般取±0.02～±0.05mm。夹具上主要角度公差一般按工件相应角度公差的1/2～1/5，一般取±10′，要求严格的可取±5′～±1′。（4）夹具总图上技术要求的规定夹具总图上规定技术要求的目的在于限制定位元件和导引元件等在夹具体上的相互位置误差，以及夹具在机床上的安装误差。机械