机械工艺与工装夹具的设计

机械工艺与工装夹具的设计

一.工装夹具设计的基础

㈠.具备机械设计方面的知识；

㈡.具备机械原理、液压（气压）传动原理、电机电气

等方面的知识；

㈢.具备制造工艺方面的知识；

㈣.具备材料工程方面的知识；

㈤.具备检测方面的知识；

伏）.具备机械绘图（特别是计算机辅助设计）方面的知

识；

㈤.具备有关国家、企业标准方面的知识；

二.制造工艺的简单介绍

I、机床的分类

机床要紧是按加工方法与所用刀具进行分类，根据国家制定的机床

型号编制方法，机床分为11大类：车床，钻床，锋床，磨床，齿轮加

工机床，螺纹加工机床，铳床，刨插床，拉床，锯床与其他机床。在每

一类机床中，又按工艺范围，布局型式与结构性能分为若干组，每一组

又分为若干个系（系列）。

除了上述基本分类方法外，还有其它分类方法：

1.按照万能性程度，机床可分为:

①通用机床工艺范围很宽，可完成多种类型零件不一致工序的加

工，如卧式车床、万能外圆磨床及摇臂钻床等。

②专门化机床工艺范围较窄，它是为加工某种零件或者某种工序

而专门设计与制造的，如铲齿车床、丝杠铁床等。

③专用机床工艺范围最窄，它通常是为某特定零件的特定工序而

设计制造的，如大量生产的汽车零件所用的各类钻、锋组合机床。

2.按照机床的工作精度，可分为普通精度机床、精密机床与高精度机

床。

3.按照重量与尺寸，可分为仪表机床、中型机床（通常机床）、大型

机床（质量大于10t）、重型机床（质量在30t以上）与超重型机床（质

量在100t以上）。

4.按照机床要紧器官的数目，可分为单轴、多轴、单刀、多刀机床等。

5.按照自动化程度不一致，可分为普通、半自动与自动机床。

三.自动机床具有完整的自动工作循环，包含自动装卸工件，能够连

续的自动加工出工件。半自动机床也有完整的自动工作循环，但

装卸工件还需人工完成，因此不能连续地加工。

由于机械零件的材质、形状、技术要求与加工工艺的多样性，客观上要求进

行加工的刀具具有不一致的结构与切削性能。因此，生产中所使用的刀具的种类

很多。刀具常按加工方式与具体用途，分为车刀、孔加工刀具、铳刀、拉刀、螺

纹刀具、齿轮刀具、自动线及数控机床刀具与磨具等几大类型。刀具还能够按其

它方式进行分类，如按所用材料分为高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、立

方氮化硼（CBN）刀具与金刚石刀具等；按结构分为整体刀具、镶片刀具、机

夹刀具与复合刀具等；按是否标准化分为标准刀具与非标准刀具等。

（二）常用刀具简介

1.车刀

车刀是金属切削加工中应用最广的一种刀具。它能够在车床上加工外圆、端

平面、螺纹、内孔，也可用于切槽与切断等。车刀在结构上可分为整体车刀、焊

接装配式车刀与机械夹固刀片的车刀。机械夹固刀片的车刀又可分为机床车刀与

可转位车刀。机械夹固车刀的切削性能稳固，工人不必磨刀，因此在现代生产中

应用越来越多。

2.孔加工刀具

孔加工刀具通常可分为两大类：一类是从实体材料上加工出孔的刀具，常用

的有麻花钻、中心钻与深孔钻等；另一类是对工件上已有孔进行再加工的刀具，

常用的有扩孔钻、钱刀及键刀等。比如，下图示标准高速钢麻花钻的结构。工作

部分（刀体）的前端为切削部分，承担要紧的切削工作，后端为导向部分，起引

导钻头的作用，也是切削部分的后备部分。

3.铳刀

齿刀。

7.自动线与数控机床刀具

这类刀具的切削部分总的来说与通常刀具没有多大区别不一致情况，只是为

了习惯数控机床与自动线加工的特点，对它们提出了更高的要求。

螺纹刀具齿轮刀具孔加工刀具

车刀拉刀铳刀

（梳刀）（盘形械刀）（麻花钻）

二、刀具材料

刀具切削性能的好坏，取决于构成刀具切削部分的材料、几何形状

与刀具结构。刀具材料对刀具使用寿命、加工效率、加工质量与加工成

本等都有很大影响，因此要重视刀具材料的正确选择与与合理使用。

（-）刀具材料应具备的性能

1、高的硬度与耐磨性

刀具材料要比工件材料硬度高，常温硬度在HRC62以上；耐磨性表示抵抗磨损的

能力，它取决于组织中硬质点的硬度、数量与分布。

2、足够的强度与韧性

为了承受切削中的压力冲击与韧性，避免崩刀与折断，刀具材料应具有足够的强度

与韧性。

3、高耐热性

刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度与韧性得能力。

4、良好的工艺性

为了便于制造，要求刀具材料有较好的可加工性。如，切削加工性、铸造性、锻造

性与热处理性等。

5、良好的经济性

（二）常用的刀具材料

目前，生产中所用的刀具材料以高速钢与硬质合金居多。碳素工具钢（如T10A、T12A）、

工具钢（如9SiCr、CrWMn）因耐热性差，仅用于一些手工或者切削速度较低的刀具。

•高速钢

＞定义：是一种加入较多的鸨、铝、机等合金元素的高合金工具钢。

》性能：有较高的热稳固性；有较高的强度、韧性、硬度与耐磨性；制造工艺简单，容易

磨成锋利的切削刃，可锻造。是制造钻头、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等的要紧材料。

》分类：

按用途分：通用型高速钢与高性能高速钢；

按制造工艺分：熔炼高速钢与粉末冶金高速钢。

1、通用型高速钢

铝钢：典型牌号为WI8Q4V,有良好的综合性能，能够制造各类复杂刀具。

铐铝钢：典型牌号为W6Mo5Cr4V2,可做尺寸较小、承受冲击力较大的刀具；热塑性

特别好，更适用于制造热轧钻头等；磨加工性好，目前各国广泛应用。

2、高性能高速钢

典型牌号为高碳高速钢9W18O4V、高帆高速钢W6Moer4V3、钻高速钢

W6MoCr4V2Co8与超硬高速钢W2Mo9Cr4Co8等。适合于加工高温合金、钛合金与超高强

度钢等难加工材料。

3、粉末冶金高速钢

用高压氨气或者氮气雾化熔融的高速钢水，直接得到细小的高速钢粉末，高温卜压

制成致密的钢坯，而后锻压成材或者刀具形状,适合于制造切削难加工材料的刀具、

大尺寸刀具（如滚刀、插齿刀）、精密刀具、磨加工量大的复杂刀具、高动教荷下使

用的刀具等。

•硬质合金

由难熔金属化合物（如WC、TiC）与金属粘结剂（Co）经粉末冶金法制成。

硬质合金以其切削性能优良被广泛用作刀具材料（约占50%）。如大多数的车刀、

端铳刀以至深孔钻、狡刀、拉刀、齿轮刀具等。

具有高耐磨性与密耐热性，但抗弯强度低、冲击韧性差，很少用于制造整体刀具。

它还可用于高速钢刀具不能切削的淬硬钢等硬材料。

ISO将切削用的硬质合金分为三类：（各类牌号的应用范围见p16表1.1）

1、YG（K）类，即WC-Co类硬质合金

2、YT（P）类，即WC-TiC-Co类硬质合金

3、YW（M）类，即WC-TiC-TaC-Co类硬质合金

（三）其它刀具材料

1、涂层刀具

2、陶瓷：硬度高、耐用度高，还可用于冲击负荷下的粗加工，切削效率显

著提高。

3、金刚石

4、立方氮化硼

三、刀具选用

1.刀具种类的选择

刀具种类要紧根据被加工表面的形状、尺寸、精度、加工方法、所用机床及要求的生产

率等进行选择。

2.刀具材料的选择

刀具材料要紧根据工件材料、刀具形状与类型及加工要求等进行选择。

ni-机械加工方法

根据机床运动的不一致、刀具的不一致，可将去除零件毛坯多余材

料的切削方法分为几种要紧不一致方法。要紧有：车削、刨削、磨削、

钻削与特种加工等。下面对这些要紧方法逐一介绍。

一、车削

车削中工件旋转，形成主切削运动。刀具沿平行旋转轴线运动时，就

形成内、外园柱面。刀具沿与轴线相交的斜线运动，就形成锥面。仿形

车床或者数控车床上，能够操纵刀具沿着一条曲线进给，则形成一特定

的旋转曲面。使用成型车刀，横向进给时，也可加工出旋转曲面来。车

削还能够加工螺纹面、端平面及偏心轴等。车削加工精度通常为

IT8—IT7,表面粗糙度为6.3—1.6即1。精车时，可达IT6—IT5,粗糙

度可达0.4—0.1/。车削的生产率较高，切削过程比较平稳，刀具较

简单。

车床加工的典型工艺（FLASH动画）锥面车削（avi）

二、铳削

主切削运动是刀具的旋转。卧铳时，平面的形成是由铳刀的外园面上

的刃形成的。立铳时，平面是由铳刀的端面刃形成的。提高铳刀的转速

能够获得较高的切削速度，因此生产率较高。但由于铳刀刀齿的切入、

切出，形成冲击，切削过程容易产生振动，因而限制了表面质量的提高。

这种冲击，也加剧了刀具的磨损与破旧，往往导致硬质合金刀片的碎裂。

在切离工件的通常时间内，能够得到一定冷却，因此散热条件较好。按

照铳削时主运动速度方向与工件进给方向的相同或者相反，又分为顺铳

与逆铳。

铳削力的水平分力与工件的进给方向相同，工件台

进给丝杠与固定螺母之间通常有间隙存在，因此切

顺削力容易引起工件与工作台一起向前窜动，使进给

铳量突然增大，引起打刀。在铳削铸件或者锻件等表

面有硬度的工件时，顺铳刀齿首先接触工件硬皮，

加剧了铳刀的磨损。

能够避免顺铳时发生的窜动现象。逆铳时，切削厚

逆度从零开始逐步增大，因而刀刃开始经历了一段在

切削硬化的已加工表面上挤压滑行的阶段，加速了

铳刀具的磨损。同时，逆铳时，铳削力将工件上抬，

易引起振动，这是逆铳的不利之处。

铳削的加工精度通常可达IT8—IT7,表面粗糙度为6.3—1.6即1。

普通铳削通常只能加工平面，用成形铳刀也能够加工出固定的曲面。

数控铳床能够用软件通过数控系统操纵几个轴按一定关系联动，铳出复

杂曲面来，这时通常使用球头铳刀。数控铳床对加工叶轮机械的叶片、

模具的模芯与型腔等形状复杂的工件，具有特别重要的意义。

三、刨削

包I］削时，刀具的往复直线运动为切削主运动。因此，

刨削速度不可能太高，生产率较低。刨削比铳削平稳，

其加工精度通常可达IT8—IT7,表面粗糙度为‘

Ra6.3-l.6nm,精刨平面度可达0.02/1000,表面粗糙

度为0.8—0.4/m。

犯、磨削

磨削以砂轮或者其它磨具对工件进行加工，其主运动是砂轮的旋转。

砂轮的磨削过程实际上是磨粒对工件表面的切削、刻削与滑擦三种作用

的综合效应。磨削中，磨粒本身也由尖锐逐步磨钝，使切削作用变差，

切削力变大。当切削力超过粘合剂强度时，圆钝的磨粒脱落，露出一层

新的磨粒，形成砂轮的“自锐性”。但切屑与碎磨粒仍会将砂轮堵塞。

因而，磨削一定时间后，需用金刚石车刀等对砂轮进行修整。

磨削时，由于刀刃很多，因此加工时平稳、、精度高。磨床是精加工机

床，磨削精度可达IT6—IT4,表面粗糙度Ra可达1.25—0.01|im,甚至

可达0.1—0.008用口。磨削的另一特点是能够对淬硬的金属材料进行加

工。因此，往往作为最终加工工序。磨削时，产生热量大，需有充分的

切削液进行冷却。按功能不一致，磨削还可分为外园磨、内孔磨、平磨

五、钻削与锋削

在钻床上，用钻头旋转钻削孔，是孔加工的最常用方法。钻削的加工

精度较低，通常只能达到IT10,表面粗糙度通常为12.5—6.3用。在钻削

后常常使用扩孔与较孔来进行半精加工与精加工。扩孔使用扩孔钻，钱

孔使用皎刀进行加工。钱削加工精度通常为IT9—IT6,表面粗糙度为

Ral.6—0.4pimo扩孔、钱孔时，钻头、钱刀通常顺着原底孔的轴线，无

法提高孔的位置精度。锋孔能够较正孔的位置。锋孔可在镇床上或者车

床上进行。在锋床上锋孔时，锋刀基本与车刀相同，不一致之处是工件

不动，锋刀在旋转。锋孔加工精度通常为IT9—IT7,表面粗糙度为

Ra6.3—0.8mm。。

六、齿面加工

齿轮齿面加工方法可分为两大类：成形法与展成法。成形法加工齿

面所使用的机床通常为普通铳床，刀具为成形铳刀，需要两个简单成形

运动：刀具的旋转运动与直线移动。展成法加工齿面的常用机床有滚齿

机、插齿机等。

七、复杂曲面加工

三维曲面的切削加工，要紧使用仿形铳与数控铳的方法或者特种加

工方法。仿形铳务必有原型作为靠模。加工中球头仿形头，一直以一定

压力接触原型曲面。仿形头的运动变换为电感量，加工放大操纵铳床三

个轴的运动，形成刀头沿曲面运动的轨迹。铳刀多使用与仿形头等半径

的球头铳刀。数控技术的出现为曲面加工提供了更有效的方法。在数控

铳床或者加工中心上加工时，是通过球头铳刀逐点按坐标值加工而成。

使用加工中心加工复杂曲面的优点是：加工中心上有刀库，配备几十把

刀具。曲面的粗、精加工，可用不一致刀具对凹曲面的不一致曲率半径,

也可选用适当的刀具。同时，可在一次安装中加工各类辅助表面，如孔、

螺纹、槽等。这样充分保证了各表面的相对位置精度。

八、特种加工

特种加工方法是指区别于传统切削加工方法，利用化学、物理(电、声、

光、热、磁)或者电化学方法对工件材料进行加工的一系列加工方法的

总称。这些加工方法包含：化学加工(CHM)、电化学加工(ECM)、电化学

机械加工(ECMM)、电火花加工(EDM)、电接触加工(RHM)、超声波加工

(USM)、激光束加工(LBM)、离子束加工(IBM)、电子束加工(EBM)、等离

子体加工(PAM)、电液加工(EHM)、磨料流加工(AFM)、磨料喷射加工

(A川)、液体喷射加工(HDM)及各类复合加工等。

IV.粤件制造的工艺过程

一、几个概念

1、生产过程：从原材料或者半成品到成品制造出来的各有关劳动过程

的总与称之工厂的生产过程。

品L台产品的生产过程包含的内容有：

:演示:

2、工艺过程：在生产过程中凡直接改变生产对象的尺寸、形状、性能（包

含物理性能、化学性能、机械性能等）与相对位置关系的过程，统称之

工艺过程。

工艺过程又可分为铸造、锻造、冲压、焊接、机械加工、装配等工

艺过程，本门课程只研究机械加工工艺过程与装配工艺过程；铸造、锻

造、冲压、焊接、熟处理等工艺过程是《材料成型技术》课程的研究对

象。

二、机械加工工艺过程

（-）定义：用机械加工的方法直接改变毛坯形状、尺寸与机械性能等，

使之变为合格零件的过程，称之机械加工工艺过程，又称工艺路线或者

工艺流程。

（二）机械加工工艺过程的构成

机械加工工艺过程由若干个按一定顺序排列的需工序构成。

::工序：指一个（或者一组）工人在一个工作地点（如一台机床或者一个钳工台），

对一个（或者同时对几个）工件连续完成的那部分工艺过程，称之工序。工位：工

位是指在一次装夹中，工件在机床上所占的每个位置上所完成那一部分工

序。

（三）机械加工工艺过程与生产类型

不一致的生产类型，其生产过程与生产组织、车间的机床布置、毛

坯的制造方法、使用的工艺装备、加工方法与工人的熟练程度等都有很

大的不一致，因此在制定工艺路线时务必明确该产品的生产类型。

1、生产纲领：指包含备品、备件在内的该产品的年产产品的年生

产纲领就是产品的年生产

:图件的年生产纲领由下式计算：

2、生产类型：根据生产纲领的大小，篌产可分为三种类型：

1）单件生产：定义：单个的生产不一致结构与不一致尺寸的产品。特

点：是产品的种类繁多。

2）成批生产：定义：一年中分批、分期地制造同一产品。特点：生

产品种较多，每种品种均有一定数量，各类产品分批、分期轮番进行生

产。

•小批生产：生产特点与单件生产基本相同。

•中批生产：生产特点介于小批生产与大批生产之间。

•大批生产：生产特点与大量生产相同。

3）大■生产：定义：全年中重复制造同一产品。特点：产品品种少、

产,大，长期重复进行同一产品的加工。

V.粤件工艺性分析与毛坯的选择

一、零件工艺性分析

1、查零件图的完整性：审查零件图上的尺寸标注是否完整、结构表达

是否清晰。

2、分析技术要求是否合理：

(1)加工表面的尺寸精度；

(2)要紧加工表面的形状精度；

(3)要紧加工表面的相互位置精度；

(4)表面质量要求；

(5)热处理要求。

零件上的尺寸公差、形位公差与表面粗糙度的标注，应根据零件的功

能经济合理地决定。过高的要求会增加加工难度，过低的要求会影响工

作性能，两者都是不同意的。

3、审查零件材料选用是否适当：

材料的选择既要满足产品的使用要求，又要考虑产品成本，尽可能

使用常用材料，如45号钢，少用贵重金属。

4、零件的结构工艺性分析：

(1)零件结构工艺性：是指所设计的零件在能满足使用要求的前提

下制造的可行性与经济性。

它包含零件的各个制造过程中的工艺性，有零件结构的铸造、锻造、

冲压、焊接、热处理、切削加工等工艺性。由此可见，零件结构工艺性

涉及面很广，具有综合性，务必全面综合地分析。

在制订机械加工工艺规程时，要紧进行零件切削加工工艺性分析。

(2)机械加工对零件局部结构工艺性的要求

(3)机械加工对零件整体结构工艺性的要求

零件是各要素、各尺寸构成的一个整体，因此更应考虑零

件整体结构的工艺性，具体有下列几点要求：

1)尽■使用标准件、通用件。

2)在满足产品使用性能的条件下，零件图上标注的尺寸精

度等级与表面粗糙度要求应取最经济值

3)尽・选用切削加工性好的材料

4)有便于装夹的定位基准与夹紧表面。

5)节约材料，减轻质量。

二、毛坯的选择

1、毛坯的种类：

(1)铸造毛坯：适合做形状复杂零件的毛坯

(2)锻造毛坯：适合做形状简单零件的毛坯；

(3)型材：适合做轴、平板类零件的毛坯；

(4)焊接毛坯：适合板料、框架类零件的毛坯。

2、选择毛坯的原则：

(1)选择原则：毛坯的形状与尺寸应尽■接近零件的形状与尺寸，

以减少机械加工。

(2)毛坯选择应考虑的因素：

1)生产纲领的大小：关于大批大■生产，应选择高精度的毛坯制

造方法，以减少机械加工，节约材料。

2)现有生产条件：要考虑现有的毛坯制造水平与设备能力。

VI.基准

一、基准的概念及分类:

1、基准的定义：在零件图上或者实际的零件上，用来确定其它点、

线、面位置时所根据的那些点、线、面，称之基准。

2、基准的分类：承其功用可分为：

1)设计基准：零件工作图上用来确定其它点、线、面位置的基准，为设计基准。

2)工艺基准：是加工、测量与装配过程中使用的基准，又称制造基准。

a、工序基准：是指在工序图上，用来确定加工表面位置的基准。它与加工表面有尺寸、位置

要求。

b、定位基准：是加工过程中，使工件相对机床或者刀具占据正确位置所使用的基准。

c、度量基准(测量基准)：是用来测量加工表面位置与尺寸而使用的基准。

d、装配基准：是装配过程中用以确定零部件在产品中位置的基准。苫比如下：

（a）零件图上的设计其准⑹工序图上的工序基准

⑷测量E面时的测量基准

图5.3各种基准示例

图5.4定住基准表示法

二、定位基准的选择：

定位基准包含粗基准与精基准。

粗基准：用未加工过的毛坯表面做基准。

精基准：用已加工过的表面做基准。

1、粗基准的选择原则：

粗基准影响：位置精度、各加工表面的余量大小（均匀？足够？）o

重点考虑：如何保证各加工表面有足够余量，使不加工表面与加工

表面间的尺寸、位置符合零件图要求。

1）合理分配加工余量的原则

a、应保证各加工表面都有足够的加工余量：如外圆加工以轴线为基

准；

b、以加工余量小而均匀的重要表面为粗基准，以保证该表面加工余

量分布均匀、表面质量高；如床身加工，先加工床腿再加工导轨面；：;

具体实例

在床身零件中，导轨面是最重要的表面，它

不仅精度要求高，而且要求导轨面具有均匀的导轨面作粗基准加

金相组织与较高的耐磨性。由于在铸造床身工床身底面

时，导轨面是倒扣在砂箱的最底部浇铸成型

的，导轨面材料质地致密，砂眼、气孔相对较

少，因此要求加工床身时，导轨面的实际切除

量要尽可能地小而均匀，故应选导轨面作粗基

床身底面作精基准

准加工床身底面，然后再以加工过的床身底面

加工导轨面

作精基准加工导轨面，如今从导轨面上去除的

加工余量可较小而均匀。

2）保证零件加工表面相关于不加工表面具有一定位置精度的原则

通常应以非加工面做为粗基准，这样能够保证不加工表面相关于加

工表面具有较为精确的相对位置。当零件上有几个不加工表面时，应

选择与加工面相对位置精度要求较高的不加工表面作粗基准具体实

例

图示套筒法兰零件，表面为不加工

表面，为保证键孔后零件的壁厚均匀，

应选表面作粗基准键孔、车外圆、车

端面。套筒法兰加工实例

3）便于装夹的原则：选表面光洁的平面做粗基准，以保证定位准确、夹紧可

靠。

4）粗基准通常不得重复使用的原则：在同一尺寸方向上粗基准通常只同意使

用一次，这是由于粗基准通常都很粗糙，重复使用同一粗基准所加工的两组表

面之间位置误差会相当大，因此，粗基通常不得重复使用。

2、精基准的选择：重点考虑：如何较少误差，提高定位精度。

1）基准重合原则：利用设计基准做为定位基准，即为基准重合原则。.

2）基准统一原则：在大多数工序中，都使用同一基准的原则。这样容易保证各加工表面的相互位置精度,

基准变换所产生的误差。

比如，加工轴类零件时，通常都使用两个顶尖孔作为统一精基准来加工轴类零件上的所有外圆表面与端面:

能够保证各外圆表面间的同轴度与端面对轴心线的垂直度。

3）互为基准原则：加工表面与定位表面互相转换的原则。通常适用于精加工与光磨加工中。比如:

车床主轴前后支承轴颈与主轴锥孔间有严格的同轴度要求，常先以主轴锥孔为基准磨主轴前、后支承

轴颈表面，然后再往常、后支承轴颈表面为基准磨主轴锥孔，最后达到图纸上规定的同轴度要求。

4）自为基准原则：以加工表面自身做为定位基准的原则，如浮动键孔、拉孔。只能提高加工表面的

尺寸精度，不能提高表面间的位置精度。

还有一些表面的精加工工序，要求加工余量小而均匀，常以加工表面自身为基准，洪匕如：

图示为在导轨磨床上磨床身导轨表面，被加工床身1通过楔铁2支承在工作台上，纵向移动工作台时,

轻压在被加工导轨面上的百分表指针便给出了被加工导轨面相关于机床导轨的不平行度读数，根据此

读数操作工人调整工件1底部的4个楔铁，直至工作台带动工件纵向移动时百分表指针基本不动为止，

然后将工件1夹紧在工作台上进行磨削。

在导轨磨床上磨床身导轨面

1—工件（床身）2—楔铁3一百分表4一机床工作台

在导轨磨床上磨床身导轨面

三.工装夹具设计原理

I.工艺装备的概念与分类

从广义来说，工艺过程所使用的一切工具，都属于“工装”的范畴。

各工序使用的主机，如机床、冲压设瞽等是工艺装备的要紧部分，而每

工序使用的各类辅助工具，如夹具、刀具、■检具与各类模具等也是工

装的内容。通常，我们说的“工装”，指的是后者。

机床夹具是机械加工工艺系统的一个重要构成部分。为保证工件某

工序的加工要求，务必使工件在机床上相对刀具的切削或者成形运动处

于准确的相对位置。当用夹具装夹加工一批工件时，是通过夹具来实现

这一要求的。而要实现这一要求，又务必满足三个条件：①一批工件在

夹具中占有正确的加工位置；②夹具装夹在机床上的准确位置；③刀具

相对夹具的准确位置。这里涉及了三层关系：零件相对夹具，夹具相关

于机床，零件相关于机床。工件的最终精度是由零件相关于机床获得的。

因此“定位”也涉及到三层关系：工件在夹具上的定位，夹具相关于机床

的定位，而工件相关于机床的定位是间接通过夹具来保证的。

工件定位以后务必通过一定的装置产生夹紧力把工件固定，使工件

保持在准确定位的位置上，否则，在加工过程中因受切削力，惯性力等

力的作用而发生位置变化或者引起振动，破坏了原先的准确定位，无

法保证加工要求。这种产生夹紧力的装置便是夹紧装置。

u.夹具

㈠：机床夹具概述

1.机床夹具的概念।尸yu

机床夹具是机床上用以装夹工件(与引导刀具)的一种装置。其作

用是将工件定位，以使工件获得相关于机床与刀具的正确位置,并把工

件可靠地夹紧。

装夹:定位+夹紧

2.机床夹具的分类

(1)按专门化程度分类

1）通用夹具

通用夹具是指已经标准化的，在一定范围内可用于加工不一致工件

的夹具。比如，车床上三爪卡盘与四爪单动卡盘，铳床上的平口钳、分

度头与回转工作台等。这类夹具通常由专业工厂生产，常作为机床附件

提供给用户。其特点是习惯性广，生产效率低，要紧适用于单件、小批

量的生产中。

2）专用夹具

专用夹具是指专为某一工件的某道工序而专门设计的夹具。其特点

是结构紧凑，操作迅速、方便、省力，能够保证较高的加工精度与生产

效率，但设计制造周期较长、制造费用也较高。当产品变更时，夹具将

由于无法再使用而报废。只适用于产品固定且批量较大的生产中。

3）通用可调夹具与成组夹具

其特点是夹具的部分元件能够更换，部分装置能够调整，以习惯不

一致零件的加工。用于相似零件的成组加工所用的夹具，称之成组夹具。

通用可调夹具与成组夹具相比,加工对象不很明确，适用范围更广一些。

4）组合夹具

组合夹具是指按零件的加工要求，由一套事先制造好的标准元件与

部件组装而成的夹具。由专业厂家制造，其特点是灵活多变，万能性强,

制造周期短、元件能反复使用，特别适用于新产品的试制与单件小批生

产。

5）随行夹具

随行夹具是一种在自动线上使用的夹具。该夹具既要起到装夹工件

的作用，又要与工件成为一体沿着自动线从一个工位移到下一个工位，

进行不一致工序的加工。

（2）按使用的机床分类

由于各类机床自身工作特点与结构形式各不相同，对所用夹具的结

构也相应地提出了不一致的要求。按所使用的机床不一致，夹具又可分

为：车床夹具、铳床夹具、钻床夹具、链床夹具、磨床夹具、齿轮机床

夹具与其他机床夹具等。

（3）按夹紧动力源分类

根据夹具所使用的夹紧动力源不一致，可分为：手动夹具、气动夹

具、液压夹具、气液夹具、电动夹具、磁力夹具、真空夹具等。

3.机床夹具的构成

⑴定位元件：它与工件的定位基准相接触，用于确定工件在夹具中的

正确位置，从而保证加工时工件相关于刀具与机床加工运动间的相

对正确位置。如图6-1中的定位销60

⑵夹紧装置：用于夹紧工件，在切削时使工件在夹具中保持既定位置。

如图6-1中的螺母5与开口垫圈4o

(3)对刀、引导元件或者装置：这些元件的作用是保证工件与刀具之间的

正确位置。用于确定刀具在加工前正确位置的元件，称之对刀元件，如

对刀块。用于确定刀具位置并导引刀具进行加工的元件，称之导引元件。

如图6-1中的快换钻套1。

图为用于钻轴套工件上96H7孔的钻床夹具，工件以内孔及

端面为定位基准，在夹具的定位销6及其端面上定位，即确定了工

件在夹具中的正确位置。拧紧螺母5,通过开口垫圈4可将工件夹

紧，然后由装在钻模板3上的快换钻套1导引钻头进行钻孔。

轴套工件

375±0.叱

-S6H7"""

图6-1钻床夹具

1一快换钻套2—导向套3一钻模板4一开口垫圈5一螺母

6一定位销7一夹具体

(4)连接元件

使夹具与机床相连接的元件，保证机床与夹具之间的相互位置关系。

(5)夹具体

用于连接或者固定夹具上各元件及装置，使其成为一个整体的基础

件。它与机床有关部件进行连接、对定，使夹具相对机床具有确定的位

置。如图6-1中的夹具体7。

(6)其它元件及装置

有些夹具根据工件的加工要求，要有分度机构，铳床夹具还要有定

位键等。

以上这些构成部分，并不是对每种机床夹具都是缺一不可的，但是

任何夹具都务必有定位元件与夹紧装置，它们是保证工件加工精度的关

键，目的是使工件定准、夹牢。

4、机床夹具的功用

1)能稳固地保证工件的加工精度

用夹具装夹工件时，工件相关于刀具及机床的位置精度由夹具保证,

不受工人技术水平的影响，使一批工件的加工精度趋于一致。

2)能减少辅助工时，提高劳动生产率

使用夹具装夹工件方便、快速，工件不需要划线找正，可显著地减

少辅助工时;工件在夹具中装夹后提高了工件的刚性,可加大切削用量;

可使用多件、多工位装夹工件的夹具，并可使用高效夹紧机构，进一步

提高劳动生产率。

3)能扩大机床的使用范围，实现一机多能

根据加工机床的成形运动，附以不一致类型的夹具，即可扩大机床

原有的工艺范围。比如在车床的溜板上或者摇臂钻床工作台上装上健

模，就能够进行箱体零件的锚孔加工。

㈡、工件在夹具中的定位

(1).六点定位原理

任何未定位的工件在空间直角坐标系中都

具有六个自由度。工件定位的任务就是根据加

工要求限制工件的全部或者部分自由度。工件^

7月J%0

的六点定位原理是指用六个支撑点来分别限fJ密以

制工件的六个自由度,从而使工件在空间得到"

确定定位的方法。

⑵,完全定位与不完全定位

工件的六个自由度完全被限制的定位称之完全定位。按加工要求，

同意有一个或者几个自由度不被限制的定位称之不完全定位。

图6-2a所示，在工件上加工

不通槽。槽宽由刀具直径保

证，但是要保证尺寸A,就

需要限制X、P、要

保证尺寸B,需要限制尤、

3要保证尺寸c,需要限

制P,因此六个自由度都要

限制。

图6-3b所示，在工件上

加工通槽，不需要保证尺

寸C,因此也不必限制

P,只需要限制其它五个

自由度就能够了。这种定

位尽管没有完全限制工

图6・2不一致加工要求的工件

件的六个自由度，但保证

加工精度的自由度己全

部限制，因此也是合理的

定位，在实际夹具定位中

普遍存在。

(4).欠定位与过定位

图6・3工件过定位情况及改善措施

按工序的加工要求，工件应该限制的自由度而未予限制的定位，称之欠定

位。在确定工件定位方案时，欠定位时绝对不同意的。

工件的同一自由度背二个或者二个以上的支撑点重复限制的定位，称之过定

位。在通常情况下，应尽量避免出现过定位。

图6-3a为某工件以孔与端面联合定位情况，长销与工件孔配合限制工件

，泉RP四个自由度，支承大端面限制工件发R2三个自由度，可见

X.P被两个定位元件重复限制，出现过定位。

消除过定位及其干涉通常有两个途径：

①改变定位元件的结构，以消除被重复限制的自由度；如图6-3b中将

大端面改为小端面，图6-3c中在工件与大端面间加球形垫圈。

②提高工件定位基面之间及夹具定位元件工

作表面之间的位置精度，以减少或者消除过定-||-^——^4-崔-

位引起的干涉。a>

支承点与定位元件

（3）.图5-7两种常用的支承板

常见的定位方式及其定位元件：

（一）工件以平面定位

平面定位的要紧形式是支承定

位，工件的定位基准平面与定位元件

表面相接触而实现定位。常见的支承

元件有下列几种：

1.固定支承支承的高矮尺寸

是固定的，使用时不能调整高度。

1）支承钉图5-6所示为用于

平面定位的几种常用支承钉，它们利图5-6几种常用支承打

用顶面对工件进行定位。其中图5-6a

为平顶支承钉，常用于精基准面的定位。图5-61）为圆顶支承钉，多用于粗基准面的定位。

图5-6c为网纹顶支承钉，常用在要求较大摩擦力的侧面定位。图5-6d为带衬套支承钉，由

于它便于拆卸与更换，通常用于批量大、磨损快、需要经常修理的场合。支承钉限制一个自

由度。

2）支承板支承板有较大的接触面积，工件定位稳固。通常较大的精基准平面定位多

用支承板作为定位元件。图5-7是两种常用的支承板，图5-7a为平板式支承板，结构筒单、

紧凑，但不易清除落入沉头螺孔中的切屑，通常用于侧面定位。图5-7b为斜槽式支承板，

它在结构上做了改讲，即在支承面上开两个斜槽为固定螺钉用，使清屑容易，适用于底面定

位。短支承板限制一个自由度，长支戈

支承钉、支承板的结构、尺寸均

已标准化，设计时可查国家标准手册。

2.可调支承可调支承的顶端位

置能够在一定的范围内调整。图5-8

为几种常用的可调支承典型结构，按

要求高度调整好调整支承钉1后，用

螺母2锁紧。可调支承压于未加工过

的平面定位，以调节补偿各批毛坯尺

寸误差，通常不是对每个加工工件进图5-8几种常用的可调支承

行调整，而是一批工件毛环调整一次。1一可谓支承螺钉2—摞母

3.自位支承又称浮动支承，在

定位过程中，支承本身所处的位置随

工件定位基准面的变化而自动调整并

与之相习惯。图5-9是几种常见的自

位支承结构，尽管每一个自位支承与

工件间可能是二点或者三点接触，但

实质上仍然只起一个定位支承点的作

用，只限制工件的一个自由度，常用

于毛坏表面、断续表面、阶梯表面定

位。图5-9几种常见的自位支承结构

4.辅助支承辅助支承是在工件

实现定位后才参与支承的定位元件，不起定位作用，只能提高工件加工时刚度或者起辅助定

位作用。图57()为常用的几种辅助支承类型，图5T0a、b为螺旋式辅助支承，用于小批量

生产；图5Toe为推力式辅助支承，用于大批量生产。

图5-11为辅助支承应用实例，图5-lla的辅助支承用于提高工件稳固性与刚度；图

图5T0常见的几种辅助支承

1一支承2—燥母3一手轮4-楔块

图6-11辅助支承应用实例

工件以外圆定位

工件以外圆柱面作定位基准时.，根据外圆柱面的完整程度、加工要求与安装方式，能够

在V形块、定位套、半圆套及圆锥套中定位。其中最常用的是在V形块上定位。

I.V形块V形块有固定式

与活动式之分。图5-12为常用固

定式V形块，图572a用于较短

的精基准定位；图5-12b川于较长

的粗基准（或者阶梯轴D定位；图

5-12c用于两段精基准面相距较

远的场合;图572d中的V形块是图5-12常用固定式V形块

在铸铁底座上镶淬火钢垫而成，用

于定位基准直径与长度较大的场合。

图5-13中的活动式V形块限制工件在Y方向上的移动自

由度。它除定位外，还兼有夹紧作用。

根据工件与V形块的接触母线长度，固定式V形块能够分

为短V形块与长V形块，前者限制工件两个自由度，后者限制

工件四个自由度。

V形块定位的优点是：①对中性好，即能使工件的定位基

准轴线对中在V形块两斜面的对称平面上，在左右方向上的不

可能发生偏移，旦安装方便；②应用范围较广。不论定位基准

是否通过加工，不论是完整的圆柱面还是局部圆弧面，都可使图5T3活动V形块应用实例

用V形块定位。

V形块上两斜面间的夹角通常选用60°、90。与120°,其中以900应用最多。其典

型结构与尺寸均已标准化，设计时可查国家标准手册。V形块的材料通常用20钢，渗碳深

0.8〜1.2mm,淬火硬度为60〜64HBC。

2.定位套工件以外圆柱表面为定位基准在定位套内孔中定位,

用于精基准定位，见图5-14所示。图5-14a为短定

位套定位，限制工件两个自由度，图5T4b为长定

位套定位，限制工件四个自由度。

3.半圆套图5T5为半圆套结构简图，下半

圆起定位作用，上半圆起夹紧作用。图5T5a为可

卸式，图575b为钱链式，后者装卸工件方便些。

短半圆套限制工件两个自由度，长半圆套限制工件

四个自由度。图574工件在定位套内定位

4.圆锥套工件以圆柱面为定位基准面在圆

锥孔中定位时，常与后顶尖（反顶尖）配合使用。如图5-16所示，夹具体锥柄1插入机床

主轴孔中，通过传动螺钉2对定位圆锥套3传递扭矩，工件4圆柱左端部在定位圆锥套3

中通过齿纹锥面进行定位，限制工件的三个移动自由度；工件圆柱右端锥孔在后顶尖5（当

外径小于6mm时，用反顶尖）上定位，限制工件两个转动自由度。

图5T6工件在圆锥套中定位

图5T5半圆套结构简图1一夹具体锥柄2一传动螺灯3一定位E1锥套4一工件5一后顶尖

（三）工件以圆孔定位

工件以圆孔定位大都属于定心定位（定位基准为孔的轴线），常用的定位元件有定位销、

圆柱心轴、圆锥销、圆锥心轴等。圆孔定位还经常与平面定位联合使用。

1.定位销图5T7为几种常用的圆柱定位销，其工作部分直径d通常根据加工要求与

考虑便于装夹，按g5、g6、f6或者

f7制造。图5T7a、b、c所示定位

销与夹具体的连接使用过盈配合；

图5-17d为带衬套的可换式圆柱销

结构，这种定位销与衬套的配合使

用间隙配合，故其位置精度较固定

式定位销低，通常用于大批大量生

产中。

为便于工件顺利装入，定位销

的头部应有15°倒角。图5T7几种常用的画柱定位销

短圆柱销限制工件两个自由

度，长圆柱销限制工件的四个自由度。

2.圆锥销在加工套筒、空心轴等类工件时，也经常用到圆锥销，如图5T8所示。图

5-18a用于粗基准，图5T8b用于精基准。它限制了工件反、Y.2三个移动自由度。

工件在单个圆锥销上定位容易倾斜，因此圆锥销通常与其它定位元件组合定位。如图

5-19所示，工件以底面作为要紧定位基面.,使用活动圆锭销，只限制文、声两个转动自由度,

即使工件的孔径变化较大，也能准确定位。

3.定位心轴要紧用于套简类与空心盘类工件的

a)b)

图5T8圆锥销

图579圆锥销组合定位

车、铳、磨及齿轮加工。常见的有圆柱心轴与圆锥心釉等。

1)圆柱心轴图5-20a为间隙配合圆柱心轴，其定位精度不高，但装卸工件较方便；

图5-20b为过盈配合圆柱心轴，常用于对定心精度要求高的场合；图5-20c为花键心轴，用

于以花键孔为定位基准的场合。当工件孔的长径比时，工作部分可略带锥度。

短圆柱心地限制工件两个自由度，长圆柱心轴

限制工件的四个自由度。

/7/7/三///三//////2)圆锥心轴图5-21是以工件上的圆锥孔在

圆锥心轴上定位的情形。这类定位方式是圆锥面与

同，接触良好，因此定心精度与角向定位精a)

度均较高，而轴向定位精度取决于工件孔与图5-21圆锥心轴

心釉的尺寸精度。圆锥心轴限制工件的五个自由度，即除绕轴线转动的自由度没限制外均已

限制。

(四)工件以组合表面定位

在实际加工过程中，工件往往不是使用单一表面的定位，而是以组合表面定位。常见的

有平面与平面组合、平面与孔组合、平面与外圆柱面组合、平面与其它表面组合、锥面与锥

面组合等。

比如，在加工箱体工件时，往往使用一面两孔组合定位，即一个平面及与该平面垂直

的两孔为定位基准，如图5-22所示。当使用一平面、两短圆柱销为定位元件时，如今平面

限制又、Y.2三个自由度，第一个定位销限制文、V两个移动自由度，第二定位销限制区与

Z,因此又过定位。又设两孔直径分别为。,两孔中心距为L±S〃)，两销直

径分别为4山、d「心壮，两销中心距为由于两孔、两销的直径，两孔中心

距与两销中心距都存在制造误差，故有可能使工件两孔无法套在两定位销上，如图E-22a

所示。

a)b)c)d)

图5-22一面两孔组合定位情况

a)l、2一孔b}l—平面2—短圆柱销3一短削边销

解决亍过定位的方法有:

①减小第二个销子的直径。此种方法由于销子直径减小，配合间隙加大，故

使工件绕第一个销子的转角误差加大。

②使第二个销子可沿X方向移动，但结构复杂。

③第二个销子使用削边销结构，即采取在过定位方向上，将第二个圆柱销削边，如图

5-18b所示。平面限制礼Y,2三个自由度，短圆柱销限制片声两个自由度，短的削边销

（菱形销）限制2一个自由度。它不需要减小第二个销子直径，因此转角误差较小。

图5-22c所示削边销的截面形状为菱形，乂称菱形销，用于直径小于50mm的孔，图5-22d

所示削边销的截面形状常用于直径大于50mm的孔。

习题与思考题

1根据六点定位原理，分析图5-47所示各类定位方案中定位元件所限制的臼由度。

图5-47题5-8图

2图5-44所示零件以平面3与两个短V形块1、2进行定位，试分析该定位方案是否合理?

各定位元件应分别限制什么自由度？如何改进？

图5-48题5-9图

㈢.定位误差分析计算

所谓定位误差，是指由于工件定位造成的加工面相对工序基准的位置误

差。由于对一批工件来说，刀具经调整后位置是不动的，即被加工表面

的位置相关于定位基准是不变的，因此定位误差就是工序

基准在加工尺寸方向上的最大变动量。

㈠引言

•①△总Wb其中△总为多种原因产生的误差总与，b是工件被加

工尺寸的公差，△总包含夹具在机床上的装夹误差，工件在夹具中

的定位误差与夹紧误差，机床调整误差，工艺系统的弹性变形与

热变形误差，机床与刀具的制造误差及磨损误差等。

•②△定+3W&其中，3除定位误差外，其他因素引起的误差总

与，可按加工经济精度查表确定。

•因此由①与②明白：△定W6-3（是验算加工工件合格与否的

公式）

或者者：△定《1/36（也是验算加工工件合格与否的公式）

㈡定位误差的构成

1、定义：定位误差是工件在夹具中定位，由于定位不准造成的加工面

相关于工序基准沿加工要求方向上的最大位置变动量。

2、定位误差的构成：

1）定位基准与工序基准不一致所引起的定位误差，称基准不重合误

差，即工序基准相对定位基准在加工尺寸方向上的最大变动量，以

△不表示。

2）定位基准与设计基准不重合时所产生的基准不重合误差，只有在使

用调整法加工时才会产生，在试切法加工中不可能产生。

3）定位基准面与定位元件本身的制造误差所引起的定位误差，称基准

位置误差，即定位基准的相对位置在加工尺寸方向上的最大变动

量，以△墓表示。故有：基准不重合误差的方向与定位副制造不准

确误差的方向可能不相同，定位误差取为基准不重合误差与定位副

制造不准确误差的矢量与。

△定二△不十△基

此外明确两点：

①只用调整法加工一批零件才产生定位误差，用试切法不产生定位误差；

②定位误差是一个界限值（有一个范围）。

㈣.工件的夹紧与加用的夹紧装置

一：工件的夹紧

（一）夹紧装Jt

1.夹紧装置的构成——动力装置、夹紧元件、中间传力机构

2.夹紧装置的基本要求

(1)夹紧既不应破坏工件的定位，或者产生过大的夹紧变形，又要有足够

的夹紧力，防止工件在加工中产生振动；

(2)足够的夹紧行程，夹紧动作迅速，操纵方便、安全省力；

(3)手动夹紧机构要有可靠的自锁性，机动夹紧装置要统筹考虑夹紧的自

锁性与原动力的稳固性；

(4)结构应尽,简单紧凑,制造、维修方便。

(二)夹紧力的确定

1.确定夹紧力作用方向的原则

⑴夹紧力的方向应使定位基面与定位元件接触

良好，保证工件定位准确可靠；

⑵加紧力的方向应与工件刚度最大的方向一致，W山

以减小工件变形；||\可

⑶加紧力的方向应尽量与工件受到的切削力、重

力等的方向一致，以减小加紧力。

2.确定夹具力作用点的原则

(1)加紧力的作用点应正对支撑元件或者位于支撑元件所形成的支撑面

内；

(2)夹具力的作用点应位于工件刚性较好的部位。

(3)夹具力的作用点应尽,靠近加工表面，以减小切削力对夹紧点的力

矩，防止或者减小工件的加工振动或者鸾曲变形。

http://jxzz.ahut.edu.cn/kjxx/chnp6/chap6.files/i-lodcl.drf-licrosoftInternetExplorer

文件Q)waqp1［看也)物欢Q)IACL)帮助QP

QAin・jEg；/竦，7收藏买QTw

叫＜&＞同”3//jxzz.4Lf«A/iuKx/ch«pWchavO.eil*s/l-Mel.4tol

MAD2005-(£■工，曲十

二、常用的夹紧装置

•楔块夹紧装置

楔块夹紧装置是最基本的夹紧装置形式之一,其他夹紧装置均是它

的变形。它要紧用于增大夹紧力或者改变夹紧力方向。

⑴楔块夹紧装置特点：

①自锁性（自锁条件烬明+甲2）

②斜楔能改变夹紧作用力方向

③斜楔具有扩力作用,ip=e/p=1/[tanip2+tan（a+qji）]

④夹紧行程小

⑤效率低（由于斜楔与夹具体及工件间是滑动摩擦，因此夹紧效率低）

因此适用范围:多用与机动夹紧装置中

•螺旋夹紧装置

螺旋夹紧装量是从楔块夹紧装■转化而来的，相当于把楔块绕在圆

柱体上，转动螺旋时即可夹紧工作.

⑴螺旋夹紧装置特点：

①结构简单，制造容易，夹紧可靠

②扩力比ip大，夹紧行程S不受限制

③夹紧动作慢，效率低

应用场合:手动夹紧装置常使用.

.偏心夹紧装置

偏心夹紧装置也是由楔块夹紧装的一种变形.

特点及应用场合:

偏心夹紧与螺旋夹紧相比，夹紧行程小，夹紧力小，自锁能力差，但夹

紧迅速，结构紧凑，因此常用与切削力不大，振动较小的的场合，常与其他

夹紧元件联合使用.

.定心夹紧结构

定心夹紧结构是一种利用定位夹紧元件等速移动或者弹性变形来保

证工件准确定心或者对中的装置.使工件的定位与夹紧过程同时完成，而

定位元件与夹紧元件合二为一.

㈤.机床夹具的基本要求与设计步骤

一、对机床夹具的基本要求

对机床夹具的基本要求可总括为四个方面：

①稳固地保证工件的加工精度；

②提高机械加工的劳动生产率；

③结构简单，有良好的结构工艺性与劳动条件；

④应能降低工件的制造成本。

二、夹具设计的工作步要

⑴研究原始资料，明确设计任务

⑵考虑与确定夹具的结构方案，绘制结构草图

⑶绘制夹具总图

⑷确定并标注有关尺寸与夹具技术要求

⑸绘制夹具零件图

困.精度设计中的要紧原理与原则

工艺狄*通笊有校高的精