机械制造工艺学 机床夹具

机床夹具第3章机床夹具

3.1机床夹具概述3.2工件在夹具中的定位3.3定位误差3.4工件的夹紧3.5数控加工常用夹具3.6夹具设计方法与步骤3.1机床夹具概述概念：在机械加工过程中，为了保证加工精度，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，简称夹具。1．工件的装夹工件的装夹包含的内容：(1)定位(2)夹紧工件在夹具中的定位夹紧定位使工件相对于机床及刀具处于正确的位置在机械加工中，因为加工表面是由切削刀具和机床的综合运动所造成，所以在加工时，必须使加工件上的规定表面（线、点）对刀具和机床保持正确的位置才能加工出合格的产品工件：在加工中保持这一正确位置不变2．工件的装夹方法 工件常用的装夹方法：(1)直接找正装夹概念：用划针、百分表等工具直接找正工件位置并加以夹紧的方法称直接找正安装法。特点：生产率低，精度取决于工人的技术水平和测量工具的精度(2)划线找正装夹概念：先用划针画出要加工表面的位置，再按划线用划针找正工件在机床上的位置并加以夹紧。特点：费时，又需要技术高的划线工

(3)用夹具正装夹概念：将工件直接安装在夹具的定位元件上的方法特点：①工件在夹具中的正确定位，是通过工件上的定位基准面与夹具上的定位元件相接触而实现的。因此，不再需要找正便可将工件夹紧。②由于夹具预先在机床上已调整好位置，因此，工件通过夹具相对于机床也就占有了正确的位置③通过夹具上的对刀装置，保证了工件加工表面相对于刀具的正确位置。④夹具位置及刀具位置，在规定磨损范围内不需再调整，可连续加工一批工件并保持加工要求。3．夹具的作用(1)保证加工精度(2)提高生产率、降低成本(3)扩大机床的工艺范围(4)减轻工人的劳动强度4．夹具的组成(图3-3)(1)定位元件定位元件保证工件在夹具中处于正确的位置。(2)夹紧装置

夹紧装置的作用是将工件压紧夹牢，保证工件在加工过程中受到外力(切削力等)作用时不离开已经占据的正确位置。(3)对刀或导向装置对刀或导向装置用于确定刀具相对于定位元件的正确位置。

(4)连接元件连接元件是确定夹具在机床上正确位置的元件。(5)夹具体

夹具体是机床夹具的基础件，(6)其它装置或元件它们是指夹具中因特殊需要而设置的装置或元件。若需加工按一定规律分布的多个表面时，常设置分度装置；为了能方便、准确地定位，常设置预定位装置；对于大型夹具，常设置吊装元件等。5、夹具的分类通用夹具可调夹具专用夹具组合夹具成组夹具按用途分类车床夹具钻床夹具铣床夹具镗床夹具磨床夹具按适用机床分类一、工件定位基本原理六点定位原则任何一个自由刚体，在空间均有六个自由度，即沿空间坐标轴X、Y、Z三个方向的移动和绕此三坐标轴的转动。工件定位的实质就是限制工件的自由度基准轴第二定位基准面第三定位基准面基准轴主定位基准面基准轴工件定位时，用合理分布的六个支承点与工件的定位基准相接触来限制工件的六个自由度，使工件的位置完全确定，称为“六点定则”。六点定则是工件定位的基本法则，用于实际生产时，起支承作用的是一定形状的几何体，这些用来限制工件自由度的几何体就是定位元件

3.2工件在夹具中的定位“六点定位原理”应注意：(1)定位支承点限制工件自由度的作用，应理解为定位支承点与工件定位基准面始终保持紧贴接触。(2)一个定位支承点仅限制一个自由度，一个工件仅有六个自由度，所设置的定位支承点数目，原则上不应超过六个。(3)分析定位支承点的定位作用时，不考虑力的影响完全定位不完全定位在夹具中限制工件的自由度欠定位过定位加工时，工件的六个自由度被完全限制了的定位在满足加工要求的前提下，工件的六个自由度没有被完全限制的现象根据加工要求应该限制的自由度而没有限制的现象工件的某个自由度被重复限制的现象称为过定位完全定位不完全定位：Z轴旋转未限制a)b)不完全定位：Z轴旋转未限制ZXZ不完全定位：a图：完全自由b、c、d图：可以沿Y轴方向移动，e图：可以沿x、Y轴方向移动，绕Z轴旋转不完全定位：保证了加工要求允许欠定位：X向的移动没有限制，保证不了加工要求欠定位：保证不了加工要求不允许图为孔与端面联合定位情况，由于大端面限制三个自由度，四个自由度，长销限制被两个定位元件重复限制，出现过定位。

图为平面与两个短圆柱销联合定位情况，

平面限制、、三个自由度，

两个短圆柱销分别限制、

和、共4个自由度，

则自由度被重复限制，

出现过定位。①过定位可能导致的后果A、工件无法安装B、造成工件或定位元件变形②消除或减小过定位所引起干涉的方法A、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。（改进图）B、合理应用过定位，提高工件定位基准之间以及定位元件的工作表面之间的位置精度。（图）

过定位：有时允许有时不允许(a)大端面加球面垫圈(b)大端面改为小端面改进措施滚齿夹具1—压紧螺母2—垫圈3—压板4—工件5—支承凸台6—工作台7—心轴

图所示滚齿夹具，是可以使用过定位这种定位方式的典型实例，其前提是齿坯加工时工艺上已保证了作为定位基准用的内孔和端面具有很高的垂直度，而且夹具上的定位心轴和支承凸台之间也保证了很高的垂直度。此时，不必刻意消除被重复限制的、自由度，利用过定位装夹工件，还提高了齿坯在加工中的刚性和稳定性，有利于保证加工精度，反而可以获得良好的效果。

二.定位方式及定位元件概念：工件上的定位基准面与相应的定位元件合称为定位副1．工件以平面定位(1)支承钉①、球头支承钉（

B型）

②、齿纹头支承钉（C型）③、平头支承钉（A型）(2)支承板(3)可调支承(4)自位支承

A型用于精基准，B型用于粗基准，C型用于侧面定位。支承钉与夹具孔的配合为H7/r6或H7/n6。若支承钉需经常更换时可加衬套，其外径与夹具体孔的配合亦为H7/r6或H7/n6，内径与支承钉的配合为H7/js6。使用几个A型支承钉时，装配后应磨平工作表面，以保证等高性支承钉适用于精基准。A型用于侧面和顶面定位，B型用于底面定位。支承板用螺钉紧固在夹具体上。若受力较大或支承板有移动趋势时，应增加圆锥销或将支承板嵌入夹具体槽内。采用两个以上支承板定位时，装配后应磨平工作表面，以保证等高性支承板适用于毛坯（如铸件）分批制造，其形状和尺寸变化较大的粗基准定位。亦可用于同一夹具加工形状相同而尺寸不同的工件，或用于专用可调整夹具和成组夹具中。在一批工件加工前调整一次，调整后用锁紧螺母锁紧调节支承在工件定位过程中能自动调整位置的支承称为自位支承。支承本身在定位过程中所处的位置，随工件定位基准面位置的变化而自动与之适应，其作用相当于一个固定支承，只限制一个自由度。由于增加了与定位基准面接触的点数，故可提高工件的安装刚性和稳定性。适用于工件以粗基准定位或刚性不足的场合自位支承调节支承应用实例旨在提高工件的装夹刚性和定位的稳定性，并不起消除自由度的作用。使用时必须逐个工件进行调整，以适应工件支承表面的位置变化结构简单，但效率较低螺旋式辅助支承支承销的高度高于主要支承，当工件装夹在主要支承上后，支承销被工件定位基准面压下，并与其他主要支承一起与工件定位基准面保持接触，然后锁紧。适用于工件重量较轻，垂直作用的切削负荷较小的场合自位螺旋式辅助支承2．工件以圆柱孔定位定位方式的基本特点是：定位孔与定位元件之间处于配合状态，并要求确保孔中心线与夹具规定的轴线相重合。(1)小锥度心轴(2)圆柱心轴

心轴主要用于套筒类和空心盘类工件的车、铣、磨及齿轮加工。(3)圆柱销工件以圆柱孔在圆锥销上定位(4)圆锥销图a为间隙配合心轴，装卸工件较方便，但定心精度不高；图b为过盈配合心轴，心轴上的凹槽供车削工件端面时退刀用。这种心轴制造简便，定心准确，但装卸工件不便，且易损伤工件定位孔。多用于定心精度要求较高的场合；图c为花键心轴，用于以花键孔为定位基准的工件。定位心轴(a)间隙配合心轴

(b)过盈配合心轴

(c)花键心轴

圆柱定位销(a)D＞3～10(b)D＞10～18(c)D＞18(d)带套可换定位销常用的标准化的圆柱定位销结构。图(a)、(b)、(c)是最简单的定位销，用于不经常需要更换的情况下。图(d)带衬套可换式定位销。圆锥销定位

(左)粗基准定位(右)精基准定位

工件以圆柱孔在圆锥销上定位。孔端与锥销接触，其交线是一个圆，相当于三个止推定位支承，限制了工件的三个自由度图(a)用于粗基准，图(b)用于精基准。。

这种定位方式的定心精度较高，但工件的轴向位移误差较大，适用于工件定位孔精度不低于IT7的精车和磨削加工，不能加工端面。

但是工件以单个圆锥销定位时易倾斜，故在定位时可成对使用，或与其它定位元件联合使用。采用圆锥销组合定位，均限制了工件的五个自由度。3．工件以圆锥孔定位(1)圆锥形心轴圆锥心轴限制了工件除绕轴线转动自由度以外的其它五个自由度。(2)顶尖即为锥孔与锥销配合。两个中心孔是定位基面，所体现的定位基准是由两个中心孔确定的中心线在加工轴类或某些要求准确定心的工件时，在工件上专为定位加工出工艺定位面——中心孔。中心孔与顶尖配合，即为锥孔与锥销配合。两个中心孔是定位基面，所体现的定位基准是由两个中心孔确定的中心线。左中心孔用轴向固定，限制了、、三个自由度；右中心孔用活动后顶尖定位，与左中心孔一起联合限制了、两个自由度。中心孔定位的优点是定心精度高，还可实现定位基准统一，并能加工出所有的外圆表面。这是轴类零件加工普遍采用的定位方式。4．工件以外圆柱表面定位(1)V形架

V形架定位的最大优点是对中性好。V形架可分为固定式和活动式。

(2)定位套一般适用于精基准定位，常与端面联合定位。工件以外圆柱面定位，有时也可用半圆套或锥套作定位元件。对中性好，能使工件的定位基准轴线在V形块两斜面的对称平面上，而不受定位基准直径误差的影响，并且安装方便。可用于粗、精基准活动V型块固定V型块用于定位夹紧机构中，起消除一个自由度的作用V形架

图(a)用于较短的精基准面的定位，图(b)和图(c)用于较长的或阶梯轴的圆柱面，其中图(b)用于粗基准面，图(c)用于精基准面；图(d)用于工件较长且定位基面直径较大的场合，V形架做成在铸铁底座上镶装淬火钢垫板的结构。活动V型块应用实例P81图3-19图a、图b中外圆柱面为定位基准；图c中定位元件为半圆形衬套，上半圆起夹紧作用，下半圆孔的最小直径应取工件定位基准外圆的最大直径。适用于大型轴类零件定位套5.组合表面定位最常用的就是“一面两孔”定位。

一平面、一圆柱销和一削边销其它组合定位方式还有以一孔及其端面定位（齿轮加工中常用），有时还会采用V形导轨、燕尾导轨等组合成形表面作为定位基面。工件采用一面两孔定位时，定位平面一般是加工过的精基面，两孔可以是工件结构上原有的，也可以是为定位需要专门设置的工艺孔。相应的定位元件是支承板和两定位销。支承板限制工件、、三个自由度；短圆柱销1限制工件的、两个自由度；短圆柱销2限制工件的、两个自由度。可见被两个圆柱销重复限制。产生过定位现象。严重时将不能安装工件。

、

一批工件定位可能出现干涉的最坏情况为：孔心距最大，销心距最小，或者反之。为使工件在两种极端情况下都能装到定位销上，可把定位销2上与工件孔壁相碰的那部分削去，即做成削边销。图所示削边销的形成机理。

为保证削边销的强度，一般多采用菱形结构，又称为菱形销。安装削边销时，削边方向应垂直于两销的连心线。

常用削边销结构。

(a)d<3(b)d=3～50(c)d>50常见定位元件能限制的工件自由度定位误差：因工件定位而产生的工序基准在工序尺寸上的最大变动量△Ｄ

定位误差的组成基准不重合误差△Ｂ基准位移误差△Ｙ定位基准与工序基准不重合引起的误差定位基准与限位基准不重合引起的误差大小等于定位基准与工序基准之间的尺寸公差由于定位基面和限位基面的制造公差和间隙造成的

3.3定位误差定位误差：指一批工件在夹具中的位置不一致而引起的误差。用△D表示。误差产生原因：基准不重合误差△B

与基准位移误差△W定位误差的计算：△D=△B±△W当工件以平面定位时:△D=△B，（△W=0）当工件以内孔定位时:△Y=1/2（

D+

d）当工件以V形块定位时:△Y=0.707

D（90°V型块定位）

合成时，若设计基准不在定位基面上（设计基准与定位基面为两个独立的表面），即基准不重合误差与基准位移误差无相关公共变量。

△D＝△B＋△W

合成时，若设计基准在定位基面上，即基准不重合误差与基准位移误差有相关的公共变量。

△D＝△B±△W+-确定方法：定位基准与限位基面接触，定位基面直径由小变大（或由大变小），分析定位基准变动方向。定位基准不变，定位基面直径同样变化，分析设计基准的变动方向。

△基（或定位基准）与△不（或工序基准）的变动方向相同时，取“＋”号；变动方向相反时，取“一”号。如图所示，工件以内孔中心O为定位基准，套在心轴上，铣上平面，工序尺寸为从定位角度看，孔心线与轴心线重合，即设计基准与定位基准重合，△不

=0。举例0301：实际上，定位心轴和工件内孔都有制造误差，而且为了便于工件套在心轴上，还应留有间隙，故安装后孔和轴的中心必然不重合，使得两个基准发生位置变动。此时基准位移误差：△基=（△D+

△d）/2O1O2H1H2H3ABabdmaxdmin举例0302：αC

合成时，若设计基准不在定位基面上（设计基准与定位基面为两个独立的表面），即基准不重合误差与基准位移误差无相关公共变量。

△定＝△基＋△不

合成时，若设计基准在定位基面上，即基准不重合误差与基准位移误差有相关的公共变量。

△定＝△基±△不+-确定方法：定位基准与限位基面接触，定位基面直径由小变大（或由大变小），分析定位基准变动方向。定位基准不变，定位基面直径同样变化，分析设计基准的变动方向。

△基（或定位基准）与△不（或工序基准）的变动方向相同时，取“＋”号；变动方向相反时，取“一”号。O1O2H1H2H3ABadmaxdmin举例：α工序基准定位基准△定H1尺寸：Ao△不≠0，△基≠0H2尺寸：oo△不

=0，△基≠0H3尺寸：Bo△不≠0，△基≠0

②对H1尺寸（加工面到上母线）由于△不≠0，△基≠0；△定＝△基＋△不

而△基=O1O2=O1C－O2C△不=则△定＝△基＋△不

推算一下当工件以内孔定位时:1、过盈配合:△D=02、间隙配合:△max=△+

D+

d

定位副最大间隙定位副最小间隙定位孔公差定位轴公差

1）心轴与孔单边接触：△Y=△max/2=（△

+

D+

d）/2≈（

D+

d）

/2

2）心轴与孔任意边接触：

△Y=△max=△+

D+

d3、一面两销:△Y=△max=△+

D+

d当工件以V形块定位时:(P87图3-25)1、设计基准为工件中心A时:△D=△Y=

D

/2sin(α/2)≈0.707

D

2、设计基准为工件中心B时:

△D=△Y+△B=

D

/2sin(α/2)+D

/2≈1.207

D

3、设计基准为工件中心C时:△D=△Y-△B=

D

/2sin(α/2)-D

/2≈0.207

D

例：用α=90°的V形块定位铣轴上键槽，计算定位误差；若不考虑其它误差，判断其加工精度能否满足加工要求？解：=0.207=0.207×0.12=0.025㎜

为0.025㎜，远小于工件尺寸公差0.25㎜，所以能够满足加工要求

定位误差计算实例1．夹紧装置的组成图3-30(1)力源装置

产生夹紧作用力的装置。所产生的力称为原始力(2)中间传力机构

介于力源和夹紧元件之间传递力的机构

(3)夹紧元件

夹紧装置的最终执行件，与工件直接接触完成夹紧作用

3.3工件的夹紧3.3.1．夹紧装置的组成与要求2．对夹具装置的要求（1）夹紧时应保持工件定位后所占据的正确位置。（2）

夹紧力大小要适当。（3）夹紧机构的自动化程度和复杂程度应和工件的生产规模相适应，并有良好的结构工艺性，尽可能采用标准化元件。（4）夹紧动作要迅速、可靠，且操作要方便、省力、安全。3.3.2夹紧力三要素的确定夹紧力的三要素：大小、方向和作用点。1．夹紧力方向的确定确定原则：（1）夹紧力的作用方向应垂直于主要定位基准面。图（2）夹紧力作用方向应使所需夹紧力最小。

图（3）夹紧力作用方向应使工件变形最小。

图2）．夹紧力作用点的确定①、概念；选择作用点的问题是指在夹紧方向已定的情况下，确定夹紧力作用点的位置和数目。②、依据原则：（1）夹紧力作用点应落在支承元件上或几个支承元件所形成的支承面内。图（2）夹紧力作用点应落在工件刚性好的部位上。图（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。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。图3．夹紧力大小的确定夹紧力大小要适当，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。采用手动夹紧时，可凭人力来控制夹紧力的大小当设计机动(如气动、液压、电动等)夹紧装置时，则需要计算夹紧力的大小。夹紧力三要素的确定必须全面考虑工件的结构特点、工艺方法、定位元件的结构和布置等多种因素。3.3.3典型夹紧机构1．楔块夹紧

图工作特点：(1)楔块的自锁性楔块的自锁条件为：取α=5°~7°(2)楔块能改变夹紧作用力的方向；(3)楔块具有增力作用，增力比i=Q/F≈3；(4)楔块夹紧行程小；(5)结构简单，夹紧和松开需要敲击大、小端，操作不方便。增力比、行程大小和自锁条件是相互制约的图2．螺旋夹紧机构

图工作特点：(1)自锁性能好(2)增力比大(i≈75)(3)夹紧行程调节范围大(4)夹紧动作慢、工件装卸费时适用范围；适用于手动夹紧，在机动夹紧机构中应用较少在实际生产中，螺旋——压板组合夹紧比单螺旋夹紧用得更为普遍。3．偏心夹紧

图①、特性:(1)圆偏心夹紧的自锁条件：D/e≥14。D/e值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(2)增力比：i=12~13。②、特点:优点是操作方便，动作迅速，结构简单缺点是工作行程小，自锁性不如螺旋夹紧好，结构不耐振，适用于切削平稳且切削力不大的场合，常用于手动夹紧机构。3.5数控加工常用夹具

3.5.1数控加工夹具简介①、数控机床夹具必须适应特点；数控机床的高精度、高效率、多方向同时加工、数字程序控制及单件小批生产的。②、数控机床夹具的新要求：

(1)推行标准化、系列化和通用化；(2)发展组合夹具和拼装夹具，降低生产成本；(3)提高精度；(4)提高夹具的高效自动化水平。③、通用夹具的种类：1．数控车床夹具数控车床夹具分类：A、三爪自定心卡盘

图优点：可自动定心，装夹方便，应用较广，缺点：夹紧力较小，不便于夹持外形不规则的工件B、四爪单动卡盘