机床夹具设计

机床夹具设计3.1绪论

夹具是机械制造过程中使用的一种工艺装备，分为机床夹具、焊接夹具、装配夹具和检验夹具等。各种金属切削机床上用于装夹工件的工艺装备，称机床夹具，如车床上使用的三爪自动定心卡盘、铣床上使用的平口虎钳等。

机床夹具是机械加工中不可缺少的一种工艺装备，应用十分广泛。其主要作用有：稳定保证加工质量；提高劳动生产率；减轻工人的劳动强度，保证安全生产；扩大机床的使用范围。3.1.2机床夹具组成1．按夹具的使用特点分类通用夹具

已经标准化的，可加工一定范围内不同工件的夹具，如三爪自定心卡盘、机床用平口虎钳、万能分度头、磁力工件台等。

专用夹具

专为某一工件的某道工序设计制造的夹具，称为专用夹具。专用夹具一般在批量生产中使用。三爪卡盘四爪卡盘万向平口钳回转工作台分度头通用夹具专用夹具可调夹具

夹具的某些元件可调整或可更换，以适应多种工件加工的夹具，称为可调夹具。它还分为通用可调夹具和成组可调夹具两类。组合夹具

采用标准的组合夹具元件、部件，专为某一工件的某道工序组装的夹具，称为组合夹具。组合夹具2．按使用机床分类

夹具按使用机床可分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、齿轮机床夹具、数控机床夹具、自动机床夹具、自动线随行夹具以及其它机床夹具等。3．按夹紧的动力源分类

夹具按夹紧的动力源可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、气液增力夹具、电磁夹具以及真空夹具等。铣轴端槽夹具1—V型块2—支撑套3—手柄4—定向键5—夹具体6—对刀块1）定位元件及装置123646）其他元件及装置（防护、防错、分度…）5）夹具体4）连接元件3）对刀及导向元件2）夹紧元件及装置3.1.2机床夹具组成3.2工件在夹具中的定位

工件在夹具中定位就是要确定工件与定位元件的相对位置，从而保证工件相对于刀具和机床的正确加工位置。工件在夹具中的定位是由工件的定位基准（面）与夹具定位元件的工作表面（定位表面）相接触或相配合实现的。工件位置正确与否，用加工要求来衡量，一批工件逐个在夹具上定位时，每个工件在夹具中占据的位置不可能绝对一致，但每个工件的位置变动量必须控制在加工要求所允许的范围内。3.2.1六点定位原理

如图所示，用六个合理分布的定位支承点与工件分别接触，即一个支承点限制工件的一个自由度，使工件在夹具中的位置完全确定。由此可见，要使工件在空间具有唯一确定的位置，就必须限制工件在空间的六个自由度，这就是“六点定位原理”。在应用工件的“六点定位原理”进行定位分析时，应注意以下几点：定位就是限制自由度，通常用合理布置的定位支承点来限制工件的自由度。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。若二者脱离，则意味着失去定位作用。定位和夹紧是两个不同的概念：定位是为了使工件在空间某一方向占据唯一确定的位置。对于一般夹具，先实施定位，然后再夹紧。对于自定心夹具（如三爪卡盘），则是定位和夹紧过程同时进行。因此，一定要把定位和夹紧区别开来，不能混为一谈。3.2.2工件定位的几种情况1.完全定位

工件的六个自由度被定位元件无重复的限制，工件在夹具中具有唯一确定的位置称为完全定位。2.不完全定位对不影响工件加工要求的某些自由度不加限制的定位方式称为不完全定位。ZYXZYX3.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称为欠定位。欠定位无法保证加工要求。因此，在确定工件的定位方案时，决不允许有欠定位的现象发生。

工件加工时必须限制的自由度未被完全限制，称为欠定位。欠定位不能保证工件的正确安装，因而是不允许的。XZYa）Bb）BBB4．过定位工件的一个或几个自由度被不同的定位支承点重复限制的定位称为过定位或重复定位。

过定位分析ZYXYZYYX过定位讨论如图示，齿轮坯以内孔和一小端面定位，车削外圆和大端面。加工后检测发现大端面与内孔垂直度超差。试分析原因，提出改进意见。4A0.02A间隙配合刚性心轴过定位示例过定位引起夹紧变形橡胶垫过定位处理分析3.2.3常见定位方式及其所用定位元件1．工件以平面定位

ZXYZXYZXYZXYZXYZXY支承钉和支承板2、工件以圆孔定位

工件以圆孔定位多属于定心定位（定位基准为圆柱孔轴线）。常用定位元件是定位销和心轴。定位销有圆柱销、圆锥销、菱形销等形式。工件以圆孔定位XYZXYZXYZXYZXYZXYZ3、工件以外圆柱面定位

工件以外圆柱面定位两种形式：定心定位和支承定位。工件以外圆柱面定心定位的情况与工件以圆孔定位的情况相仿（用套筒和卡盘代替心轴或柱销）。工件以外圆柱面支承定位的元件常采用V型块，短V型块限制2个自由度，长V型块（或两个短V型块组合）限制4个自由度。工件以外圆柱面定位XYZXYZXYZXYZXYZ4、工件以其他表面定位

除平面、圆孔、外圆柱面外，工件有时还可能以其它表面（如圆锥面、渐开线齿面、曲面等）定位。图为工件以锥孔定位的例子，锥度心轴限制了除绕工件自身轴线转动外的5个自由度。工件以锥孔定位6、定位表面的组合

在多个表面同时参与定位情况下，各定位表面所起作用有主次之分。通常称定位点数最多的表面为主要定位面或支承面，称定位点数次多的表面为第二定位基准面或导向面，称定位点数为1的表面为第三定位基准面或止动面。3.3定位误差的分析与计算

一批工件逐个在夹具上定位时，由于工件及定位元件存在公差，使各个工件所占据的位置不完全一致，加工后形成加工尺寸的不一致，为加工误差。只与工件定位有关的加工误差，称为定位误差。3.3.1产生定位误差的原因

造成定位误差的原因有两个：一是定位基准与工序基准不重合，由此产生基准不重合误差ΔB；二是定位基准与限位基准不重合，由此产生基准位移误差ΔY。1．基准不重合误差ΔB

图a是在工件上铣缺口的工序简图，加工尺寸为A和B。图b是加工示意图，工件以底面和E面定位。基准不重合误差ΔB是一批工件逐个在夹具上定位时，定位基准与工序基准不重合而造成的加工误差，其大小为定位尺寸的公差δs在加工尺寸上的投影。

ΔA=0 ΔB=δ

2．基准位移误差ΔY

由于定位副有制造误差及包含定位副间的配合间隙，而引起的定位基准在加工尺寸方向上的最大位置变动范围称为基准位移误差，以表示ΔY。

综合上述定位误差产生原因分析，无论是基准不重合误差，还是基准位移误差，皆是由定位引起的，因此统称为定位误差。定位误差是基准位移误差和基准不重合误差的综合结果。可表示为：3.3.2常见定位方式的定位误差计算1．工件以平面定位

如图所示，按图a所示定位方案铣工件上的台阶面C，要求保证尺寸。下面计算其定位误差。

由工序简图知，加工尺寸的工序基准（也是设计基准）是A面，而图a中定位基准是B面，可见定位基准与工序基准不重合，必然存在基准不重合误差。这时的定位尺寸是，与加工尺寸方向一致，所以基准不重合误差的大小就是定位尺寸的公差，即=0.28mm。而以B面定位加工C面时，不会产生基准位移误差，即。所以有：而加工尺寸的公差为此时，由上面分析计算可见，定位误差太大，而留给其它加工误差的允许值就太小了，只有0.02mm。所以在实际加工中容易出现废品，因此这一方案在没有其它工艺措施的条件下不宜采用。若改成图b所示定位方案，使工序基准与定位基准重合，则定位误差为零，但改成新的定位方案后，工件需从下向上夹紧，夹紧方案不够理想，且使夹具结构复杂。2．工件以圆柱孔定位工件以圆孔在过盈配合心轴上定位

因为过盈配合时，定位副间无间隙，所以定位基准的位移量为零，即。b)ΔH3=0ΔH1=ΔH2=δd1/2c)ΔH3=δD/2+δd/2(轴线水平放置)

ΔH3=δD+δd+Δmin(轴线垂直放置）ΔH1=ΔH2=δD/2+δd/2+δd1/2(轴线水平放置)

ΔH1=ΔH2=δD+δd+Δmin+δd1/2(轴线垂直放置）图3-5工件以圆孔定位时，定位误差的计算3．工件以外圆定位

工件以外圆在V形块上定位。如不考虑V型块的制造误差，则工件定位基准在V形块的对称面上，因此工件中心线在水平方向上的位移为零。但在垂直方向上，因工件外圆有制造误差，而产生基准位移，见图所示。其值为：（1）工序基准为工件轴心线

此时为定位基准与工序基准重合，则基准不重合误差为零，而基准位移的方向又与加工尺寸方向一致，所以加工尺寸B2的定位误差为：（2）工序基准为外圆上母线

此时为定位基准与工序基准不重合。不仅有基准位移误差，而且还有基准不重合误差，定位尺寸方向与加工尺寸方向一致，所以加工尺寸B1的定位误差为：（3）工序基准为外圆下母线

此时亦为基准不重合，且基准位移和定位尺寸的方向均与加工尺寸方向一致，故工序尺寸B3的定位误差为：轴类零件以V形块定位时定位误差随加工尺寸的标注方法不同而异；随V形块夹角的增大，定位误差减小，但夹角过大，将引起工件定位不稳定，故一般采用90º角V形块。3.4工件在夹具中的夹紧

工件在夹具上定位以后，必须采用一些装置将工件夹紧压牢，使其在加工过程中不会因受切削力、惯性力等作用而使工件产生位移或振动。这种将工件夹紧压牢的装置称为夹紧装置。3.4.1夹紧装置的组成及基本要求1.夹紧装置的组成夹紧装置的结构形式是多种多样的，一般由三部分组成，包括：力源装置中间传力机构夹紧元件在一些简单的手动夹紧装置中，夹紧元件与中间传力机构往往是混在一起的，很难截然分开，因此常将二者又统称为夹紧机构。2.对夹紧装置的基本要求夹紧时不破坏工件的定位，不损伤已加工表面；夹紧力的大小要适当，即既要夹紧，又不使工件产生不允许的变形；夹紧动作准确、迅速、操作方便省力，安全可靠；手动夹紧装置要有可靠的自锁性，机动夹紧装置要统筹考虑其自锁性和稳定的原动力；夹紧装置要具有足够的夹紧行程，以满足工件装卸空间的需要；夹紧装置的设计应与工件的生产类型一致；结构简单，制造修理方便，工艺性好，尽量采用标准化元件。3.4.2夹紧力的确定

设计夹紧机构，必须首先合理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夹紧力作用方向时，应与工件定位基准的配置及所受外力的作用方向等结合起来考虑。其确定原则是：夹紧力的作用方向应垂直于主要定位基准面。夹紧力作用方向应使所需夹紧力最小。夹紧力作用方向应使工件变形尽可能小。2.夹紧力作用点的确定

它对工件的可靠定位、夹紧后的稳定和变形有显著影响，选择时应依据以下原则：夹紧力的作用点应落在支承元件或几个支承元件形成的稳定受力区域内。夹紧力作用点应落在工件刚性好的部位。夹紧力作用点应尽可能靠近加工面。3.夹紧力的大小

夹紧力的大小可根据切削力、工件重力的大小、方向和相互位置关系具体计算。为安全起见，计算出的夹紧力应乘以安全系数K，故实际夹紧力一般比理论计算值大2～3倍。K—KoKlK2K3K4K5式中Ko——基本安全系数，取1．5；

K1——考虑工件材质和余量不均匀的安全系数，一般取1．5～2；

K2——考虑加工性质的安全系数，粗加工取1．2，精加工取1；

K3——考虑刀具钝化的安全系数，取1．1～1．3；

K4——考虑加工状态的安全系数，断续切削取1．2，连续切削取1；

K5——考虑夹紧动力稳定性系数，手动夹紧取1．3，机动夹紧取1。进行夹紧力计算时，通常将夹具和工件看作一刚性系统，以简化计算。根据工件在切削力、夹紧力(重型工件要考虑重力，高速时要考虑惯性力)作用下处于静力平衡，列出静力平衡方程式，即可算出理论夹紧力。一般来说，手动夹紧时不必算出夹紧力的确切值，只有机动夹紧时，才进行夹紧力计算，以便决定动力部件(如气缸、液压缸直径等)的尺寸。3.4.3典型夹紧机构1．斜楔夹紧图为斜楔夹紧的钻夹具，以原始作用力将斜楔推入工件和夹具之间实现夹紧。

斜楔夹紧的特点：有增力作用。夹紧行程小。结构简单，但操作不方便。根据以上特点，斜楔夹紧很少用于手动操作的夹紧装置，而主要用于机动夹紧，且毛坯质量较高的场合。2.螺旋夹紧机构

螺旋夹紧机构是利用螺旋直接或间接夹紧工件的机构。这类夹紧结构简单，夹紧可靠，易于操作，增力比大，自锁性能好，是手动夹紧中应用最广泛的一种夹紧机构。其中有关元件和结构多数已标准化、规格化和系列化。其主要缺点是夹紧和松开工件比较费时费力。1）简单螺旋夹紧机构

这种装置有两种形式，如图a所示的机构螺杆直接与工件接触，容易损伤已加工面或使工件转动，一般不宜选用。如图b所示的是常用的螺旋夹紧机构，其螺钉头部常装有摆动压块，可防止螺杆夹紧时带动工件转动和损伤工件表面。ab2）螺旋压板夹紧机构

在夹紧机构中，结构形式变化最多的是螺旋压板机构，如图所示。选用时，可根据夹紧力大小的要求、工作高度尺寸的变化范围、夹具上夹紧机构允许占有的部位和面积进行选择。3.偏心夹紧机构

偏心夹紧是指由偏心轮或凸轮实现夹紧的夹紧机构。该结构简单，制造容易，操作方便，动作迅速，缺点是自锁性能较差，增力比较小，夹紧行程小。一般常用于切削平稳且切削力不大的场合。4.铰链夹紧机构

铰链夹紧机构是一种增力机构，其结构简单，动作迅速，增力比大，摩擦损失小，并易于改变力的作用方向，但自锁性能差，常与具有自锁性能的机构组成复合夹紧机构。铰链夹紧机构适用于多点、多件夹紧，在气动、液压夹具中获得广泛应用。5.联动夹紧机构

需多点夹紧工件或同时夹紧几个工件时，为提高生产效率，可采用联动夹紧机构。

浮动压头和四点双向浮动夹紧机构3.5典型机床夹具3.5.1车床夹具这类夹具一般都装在车床主轴上并随其带动工件回转。车床上除使用象顶尖、三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘、花盘等通用夹具外，常按工件的加工需要，设计一些专用夹具。图所示为花盘角铁式车床夹具：花盘角铁式车床夹具1一削边销2一圆柱定位销3一轴向定程基面4一夹具体5一压块6一工件7一导向套8一平衡块车床夹具的设计特点是：整个车床夹具随机床主轴一起回转，所以要求它结构紧凑，轮廓尺寸尽可能小，质量小，而且重心应尽可能靠近回转轴线，以减小惯性力和回转力矩。应有平衡措施消除回转中的不平衡现象，以减少振动等不利影响。平衡块的位置应根据需要可以调整。与主轴端联结部分是夹具的定位基准，所以应有较准确的圆柱孔(或锥孔)，其结构形式和尺寸，依具体使用的机床而定。高速回转的夹具，应特别注意使用安全，如尽可能避免带有尖角或凸出部分；夹紧力要足够大，且自锁可靠等。必要时回转部分外面可加罩壳，以保证操作安全。3.5.2铣床夹具1．直线进给式铣床夹具

这类夹具安装在作直线进给运动的铣床工作台上。如图所示料仓式铣床夹具2.圆周进给式铣床夹具

一般用于立式圆工作台铣床或鼓轮式铣床等。加工时，机床工作台做回转运动。这类夹具大多是多工位或多件夹具。3.靠模铣床夹具

在铣床上用靠模铣削工件的夹具，可用来在一般万能铣床上加工出所需要的成形曲面，扩大了机床的工艺用途。铣床夹具的设计特点：

铣床加工中切削力较大，振动也较大，故需要较大的夹紧力，夹具刚性也要好。借助对刀装置确定刀具相对夹具定位元件的位置，此装置一般固定在夹具体上。图所示是标准对刀块结构。借助定位键确定夹具在工作台上的位置。图是标准定位键结构。由于铣削加工中切削时间一般较短，因而单件加工时辅助时间相对长。故在铣床夹具设计中，需特别注意降低辅助时间。3.5.3钻床夹具

在钻床上进行孔的钻、扩、铰、锪、攻螺纹加工时所用的夹具称为钻夹具，也称钻模。钻床夹具上均设置钻套，用以保证被加工孔的位置精度。在机床夹具中，钻模占有相当的比例，类型也繁多。1．固定式钻模

在加工一批工件的过程中，其位置固定不动的钻模称为固定式钻模。固定式钻模在使用过程中钻模板的位置固定不动，一般用于摇臂钻床、镗床、多轴钻床上。l一螺钉；2一转动开口垫圈；3一拉杆；4一定位法兰；5一快换钻套6一钻模板；7一夹具体；8一手柄；9一圆偏心凸轮；10一弹簧2．回转式钻模

在钻削加工中，回转式钻模使用得较多，它用于加工工件上同一圆周上的平行孔系，或加工分布在同一圆周上的径向孔系。回转式钻模的基本型式有立轴、卧轴和斜轴三种。工件随着分度转位部分转动。回转式钻模1一夹具体；2、7一钻套：3一回转分度盘；4一夹紧螺钉；5一手柄；6—回转压板；8一止动螺钉；9一垫圈；

10一螺钉：ll一钻套：12一滚花螺母13一小销；14一弹簧：15一套筒；16一对定销；17一锁紧螺母3．翻转式钻模

这是一种转动夹具，只是没有转轴和分度装置。当工件有几个面上的孔系或回转体的套类工件有几个径向孔系时，可以将工件安装于特殊的夹具体内。加工时，将夹具翻转即能加工完工件上的各孔。翻转式钻模适用于夹具与工件总重量不大于100N，工件上钻孔直径小于8～10mm，加工精度要求不高且生产批量中等的场合。4．盖板式钻模

这类钻模没有夹具体，在一般情况下，钻模板上除了钻套外，还装有定位元件及夹紧元件。在加工一些大、中型的工件的小孔时，因工件笨重安装很困难，可采用图所示的盖板式钻模。5．滑柱式钻模

滑柱式钻模是一种带有升降钻模板的通用可调夹具，在生产中应用较广泛。手动滑柱式钻模的机械效率较低，夹紧力不大。此外，由于滑柱和导向孔为问隙配合一般为H7／f7)，因此被加工孔的垂直度和孔的位置尺寸难以达到较高的精度。但是，它的突出优点是：自锁可靠，结构简单，操作迅速方便，通用可调性好。所以在大量生产和中小批生产中都广泛地采用，适用于中小工件上孔与端面的垂直度精度低于0．1mm的孔加工。6.钻床夹具的设计特点

钻床夹具的设计特点在于它有独特的元件一一钻套与钻模板。因此，设计钻床夹具时，除了根据加工要求选择夹具类型外，主要是钻模板与钻套的选择与设计。（1）钻套

钻套(又称导套)是钻模上的重要元件，通常装配在钻模板上。在夹具在机床上安装时靠刀具或标准心棒通过钻套来确定位置。钻套的作用是用来引导刀具以保证被加工孔的位置，提高刀具在加工过程中的刚性和防止加工中的振动。钻套可分为：固定式钻套；可换式钻套；快换式钻套。（2）钻模板

钻模板是供安装钻套用的。要求具有一一定的强度和刚度，以防止由于变形而影响钻套的位置精度和导向精度。常用的有如下几种类型。固定式钻模板；铰链式钻模板；可卸式钻模板。3.5.4镗床夹具

镗床夹具又称镗模，如图所示，它由镗套、镗模架、定位元件、夹紧装置和夹具体组成，主要用于保证箱体类工件孔及孔系的加工精度1一镗模架；2一工件；3一镗套；4一镗杆；5一浮动接头；6一主轴；7一底座；8一工作台；9一定位块1．镗床夹具的组成（1）镗套镗套的结构型式和精度直接影响到被加工孔的精度和表面粗糙度。常用的镗套有以下两类：固定式镗套回转式镗套固定式镗套a)滑动式回转镗套b)滚动式回转镗套c)立式滚动回转镗套

回转式镗套（2）镗杆

镗杆用于安装镗刀，其端部有用于引导的导向结构。当镗杆导向部分直径d<50mm时，镗杆常采用整体式结构；当d>50mm时，采用镶条式结构。镶条选用摩擦系数小和耐磨的材料。图为用于固定式镗套的镗杆导向部分结构。c)螺旋槽镗杆d)镶条式镗杆用于固定式镗套的镗杆导向部分结构a)带键式镗杆b)开键式镗杆

用于回转式镗套的镗杆导向结构（3）镗模架

这是镗模的主要零件之一，用以安装镗套和承受切削力。要求有足够的刚性和稳定性，在结构上一般要有较大的安装基面和设置必要的加强肋。支架上不允许安装夹紧机构或承受夹紧反力，以防支架产生变形而破坏精度。其结构形式如图所示，结构尺寸可查阅有关设计手册。2．镗床夹具的类型（1）双支承镗模

双支承镗模上有两个引导镗杆的镗模架，镗孔的位置精度由镗模保证，不受机床主轴精度的影响。又分为：前后双支承镗模后双支承镗模后双支承镗孔（2）单支承镗模

这类镗模只有一个导向支承，镗杆与主轴采用固定联接。主轴的回转精度将影响镗孔精度。根据支承相对刀具的位置，单支承镗模又可分为：前单支承镗模，镗模支承设置在刀具的前方；后单支承镗模，镗模支承设置在刀具的后方。镗削车床尾架孔的镗模1一镗模架；2一镗套；3、4一定位板；5、8一压板；6一夹紧螺钉；7一可调支承钉；8一压板；9一镗杆；10一浮动接头3.6组合夹具

组合夹具是一种标准化、系列化、柔性化程度很高的夹具。它由一套预先制造好的具有不同几何形状、不同尺寸的高精度元件与合件组成，包括基础件、支承件、定位件、导向件、压紧件、紧固件、其它件、合件等。使用时按照工件的加工要求，采用组合的方式组装成所须的夹具。3.6.1组合夹具的特点组合夹具由一套预先好的不同形状、不同规格、不同尺寸的标准元件及合件组装而成。组