《机械设备制造技术》课件第5章

第5章机床夹具设计5.1概述5.2工件在夹具中的定位5.3工件在夹具中的夹紧5.4各类机床夹具设计5.5专用夹具设计方法5.1概述

5.1.1机床夹具分类

1.按使用机床的类型分类可分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、磨床夹具和齿轮加工机床夹具等。

2.按机床夹具的通用特性分类

(1)通用夹具。指结构、尺寸已规格化,且具有一定通用性的夹具,如三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘、平口钳、万能分度头、顶尖、中心架、电磁吸盘等。这类夹具已成为机床附件,一般用于单件小批生产。

(2)专用夹具。根据某一零件加工工艺过程中某一工序的加工要求而专门设计和制造的夹具。主要用于成批大量生产中。

(3)可调夹具。可调夹具又分为通用可调夹具和成组夹具两种。这两种夹具的结构很相似,其共同点为:在加工完一种工件后,经过调整或更换个别元件,即可加工形状相似,尺寸相近或加工工艺相似的多种工件。不同点为:通用可调夹具的加工对象并不很确定,通用范围较大;成组夹具则是专门为成组加工工艺中某一组工件而设计制造的,其针对性强,加工对象及适用范围明确,结构更为紧凑。可调夹具适用于多品种、小批量生产,能获得较好的经济效益。

(4)组合夹具。指根据某一工件的某道工序的加工要求,由一套预先准备好的通用标准元件及合件组成的夹具。夹具使用完毕后即可拆卸,留待组装新的夹具。由于这种夹具组装周期短,元件能重复多次使用,因此在新产品试制和多品种、小批量生产中使用。

(5)自动线夹具。自动线夹具一般分为两种:一种为固定式夹具,它与专用夹具相似;另一种为随行夹具,使用中夹具随着工件一起运动,并将工件沿着自动线从一个工位移至下一个工位进行加工。无论是从使用机床的类型分类还是从机床夹具通用特性来分析,机床夹具均可用图5－1来表述。图5-1机床夹具的分类

5.1.2机床夹具的组成图5-2为加工拨叉零件的铣床夹具。工件以一内孔、一端面及一侧面与夹具的定位元件接触来确定工件的正确位置。用对刀块来确定铣刀与工件加工表面的位置，并用螺母及开口垫圈将工件夹紧。

图5-2铣床夹具

1.定位元件定位元件起定位作用，用来确定工件在夹具中处于一个正确位置,即与工件定位基准面相接触的元件。

2.夹紧元件或装置

夹紧元件将工件夹紧，使工件牢固地固定在一个准确的位置上不发生移动。根据动力源的不同，夹紧装置可分为气动、手动、液动和电动等方式。

3.对刀或导向元件导向元件用来保证刀具与工件加工表面的正确位置。对于铣刀、刨刀用对刀元件；对于钻头、扩孔钻、铰刀和镗刀等孔加工刀具，用钻套或镗套等导向元件。

4.连接元件

连接元件用来保证夹具与机床工作台之间的相对位置，如铣床夹具的定位键。

5.夹具体

夹具体是一个基础件，它将夹具的所有组成部分有机地组成一个整体，并保证它们之间的相对位置关系。

6.其它装置或元件根据加工要求,有些夹具还需采用分度装置、靠模装置、上下料装置、顶出器和平衡块等。这些元件或装置也需要专门设计。在夹具的组成中，定位、夹紧和夹具体等三部分是每个夹具都必不可少的；至于对刀或导向元件及其它装置等，按使用要求而定，有的需要，有的不需要。

5.1.3机床夹具的作用机床夹具是用于装夹工件的,其作用可归纳为以下几点:

(1)保证加工精度。采用夹具装夹工件,可以准确确定工件与机床、刀具之间的相对位置,因此能可靠和稳定地获得加工精度。

(2)提高劳动生产率。使用夹具后,能使工件迅速地定位和夹紧,可显著地缩短辅助时间和机动时间,提高劳动生产率。

(3)降低生产成本。在成批大量生产中使用夹具时,由于劳动生产率的提高和允许使用技术等级较低的工人操作,故可明显降低生产成本。

(4)改善工人的劳动条件。用夹具装夹工件方便、省力、安全。当采用气动、液压等夹紧装置时,可减轻工人的劳动强度,保证安全生产。

(5)扩大机床的工艺范围。在机床上配备专用夹具,可以使机床的工艺范围扩大。例如在车床床鞍上安装镗床夹具后,可以进行箱体孔系的镗削加工,使车床具有镗床的功能。5.2工件在夹具中的定位

5.2.2工件的定位方式及定位元件

1.工件以平面定位在机械加工中,大多数工件都以平面作为主要定位基准,如箱体、机体、支架、圆盘等零件。也就是利用工件上的一个或几个平面作为定位基面来安装工件的定位方式，在设计和分析定位方案时,应根据工件定位基准面与定位元件工作表面接触面积的大小、长短及接触形式,来判断定位元件所相当的支承点数目及其所限制的工件自由度。当接触面积较大时,相当于三个支承点,限制工件三个自由度;窄长的接触面,相当于两个支承点,限制工件的两个自由度;当接触面积较小时,只相当于一个支承点,限制工件一个自由度。

(1)固定支承。固定支承有支承钉和支承板。支承钉结构如图5-3所示,A型支承钉是平头支承钉,用于精基准平面的定位;当定位基准面是粗糙不平的粗基准表面时,应选用B型的球头支承钉,使其接触良好;而C型的网纹支承钉常用于侧面定位,它能增大摩擦系数,防止工件受力后滑动。

图5-3支承钉(GB/T2226-91)大中型工件以精基准平面定位时,多采用支承板定位,可使接触面增大,避免压伤基准面,减少支承的磨损。图5-4为支承板的结构形式,其中A型结构是光面支承板,结构简单,便于制造。但沉头螺钉处的积屑难于清除,宜作侧面或顶面反向定位。B型是带斜槽的支承板,因易于清除切屑和容纳切屑,宜作底面定位,常用于以推拉方式装卸工件的夹具和自动线夹具。当几个支承钉或支承板在装配后要求等高时,应磨平工作表面,以保证它们在同一平面上。

图5-4支承板(GB/T2236-91)

(2)可调节支承。图5-5所示调节支承(GB/T2230-91)、圆柱头调节支承(GB/T2229-91)、六角头支承(GB/T2227-91)属于支承高度可调节的支承,以保证工序有足够和均匀的加工余量。

图5-5可调节支承

图5-6所示为可调节支承定位的应用示例。工件以箱体的底面为粗基准定位,铣削顶面。由于毛坯的误差,将使后续镗孔工序的余量偏向一边,甚至出现余量不够的现象。为此,定位时需按划线调节工件的位置,通常需对同一批工件作一次调节,调节后用锁紧螺母锁紧。

图5-6可调节支承的应用示例

(3)浮动支承。浮动支承的结构如图5-7所示,它们与工件的接触点虽然是两点或三点,但仍只限制工件的一个自由度。浮动支承点的位置随工件定位基准面的变化而自动调节,当基准面有误差时,压下其中一点,其余点即上升,直至全部接触为止。图5-7(a)、(b)所示支承均为一个方向浮动;图5-7(c)的结构可在两个方向上转动。由于增加了接触点数,可提高工件的安装刚性和稳定性,但夹具结构复杂。浮动支承适用于工件以毛面定位或刚性不足的场合。

图5-7浮动支承

(4)辅助支承。生产中,由于工件形状以及夹紧力、切削力、工件重力等原因使工件定位后有可能产生变形或使定位不稳定。为了提高工件的安装刚性和稳定性,常需要设置辅助支承。辅助支承在定位支承对工件定位后才参与支承,因此不起限制工件自由度的作用。图5-8所示为几种常用的辅助支承结构。

图5-8辅助支承

2.工件以圆柱孔定位

(1)定位销。定位销是组合定位中最常用的定位元件之一。根据其结构和尺寸大小的不同又有:固定式定位销(GB/T2203-91)、小定位销(GB/T2202-91)、可换式定位销(GB/T2204-91)和定位插销(GB/T2205-91)等几种形式。每种定位销都有A型、B型两种形式。如图5-9所示为固定式定位销,图5-9(a)所示为A型定位销,可限制工件的两个移动自由度。图5-9(b)所示为B型(菱形)定位销,只能限制工件的一个自由度,B型(菱形)定位销的应用较特殊,它布置在会发生定位干涉的部位上。若定位销容易磨损,应采用可换式定位销。图5-10所示为定位插销的结构,定位插销常用于不便装卸的部位和工件以被加工孔为定位基准的定位中。

图5-9固定式定位销(GB/T2203-91)

图5-10定位插销

(GB/T2205-91)

(2)定位心轴。能限制工件四个自由度的心轴为圆柱定位心轴,它能分别与前后顶尖、拨盘或鸡心夹头等配套,用于加工盘类和套类等零件。心轴的结构类型极多,但选用的结构及拟订的技术要求必须与工件的加工技术要求相协调。图5-11为常用心轴的结构形式,可供设计参考。

图5-11定位心轴结构

(3)圆锥销。如图5-12所示为几种圆锥销的定位示例。其中图5-12(a)用于粗基准定位;图5-12(b)用于精基准定位。由于工件用单个圆锥销定位易倾斜,故应像图5-12(c)、(d)、(e)那样成对使用或与其它定位元件配合使用。单个圆锥销限制工件三个移动自由度,两个圆锥销成对使用(其中一个沿轴线方向可移动)共限制工件五个自由度。图5-12(d)、(e)所示的圆锥销沿轴线方向可移动,因此只限制工件两个自由度。

图5-12圆锥销

3.工件外圆柱面定位

以外圆柱面定位的工件有:轴类、套类、盘类、连杆类以及小壳体类等零件。常用的定位元件有:V形块、半圆套、定位套等,它们常用作中心定位。

(1)V形块。不论工件的定位基准是否经过加工、是完整的圆柱面还是圆弧面,都可以采用V形块定位。其优点是对中性好,即能使工件的定位基准轴线处于V形块两工作斜面的对称面上,并且安装方便。

常用的V形块结构如图5-13所示。图5-13(a)用于较短的精基面定位;图5-13(b)适用于粗基准或阶梯轴的定位;图5-13(c)适用于长的精基面或两段基准面相距较远的轴的定位;图5-13(d)适用于直径和长度较大的重型工件,其V形块采用铸铁底座镶装淬硬的钢片或硬质合金的结构,以减少磨损,提高寿命和节约材料。上述V形块的结构虽然各异,但其目的均在于与定位基准面保持预定的紧贴关系,使短V形块能限制工件的两个移动自由度,长V形块能限制工件的四个自由度(两个移动及两个转动)。

图5-13

V形块的结构

V形块有固定式和活动式两种。活动式V形块的应用如图5-14所示,图5-14(a)为加工连杆孔的定位方式,活动V形块(GB/T2211-91)限制工件的Z自由度,固定V形块限制工件x、y自由度。图5-14(b)所示为活动V形块限制工件的一个y自由度的定位方式示意图。

图5-14活动V形块的应用

(2)半圆套。如图5-15所示,半圆套的定位面A置于工件的下方。这种定位方式类似于V形块,也类似于轴承,常用于大型轴类零件的精基准定位中,其稳固性比V形块更好,定位精度取决于定位基面的精度。通常工件轴颈取精度IT7、IT8,表面粗糙度为Ra0.8～0.4μm。图5-15半圆套

图5-16定位套

4.工件以一面两孔定位在加工箱体、支架类零件时,常用工件的一面两孔定位,以使基准统一。相应的定位元件为支承板、定位销和菱形销。但应注意,当工件上两定位孔与销的配合间隙不大,而中心距误差较大时,就会使装卸工件发生干涉。因此,应正确选择菱形销的直径和削边后圆柱部分的宽度,以防止产生过定位。

图5-17一面两孔定位图

(2)菱形销的设计。当孔距为最大极限尺寸,销距为最小极限尺寸时,菱形销的干涉点会发生在A、B两点,如图5-18(a)所示。当孔距为最小极限尺寸,销距为最大极限尺寸时,菱形销的干涉点则在C、D,如图5-18(b)所示。为了满足顺利装卸工件的要求,需控制菱形销直径d2和经削边后的圆柱部分宽度b。

菱形销宽度b可由图5-18(c)所示的几何关系求得

(5-1)菱形销宽度b已标准化,按表5-1数值选取,故可反算得

(5-2)式中:X2min为菱形销定位的最小间隙(mm);b为菱形销圆柱部分的宽度(mm);D2为工件定位孔2的最小极限尺寸(mm);a为补偿量(mm)。又

(5-3)式中:δLD为孔距公差(mm);δLd为销距公差(mm)。

菱形销直径可按下式求得

(5-4)图5-18菱形销的设计

(3)设计示例。在图5-17中,如工件两个定位孔为2×￠12+0.0270,两定位孔中心距为80±0.06mm,试设计两销尺寸。

解:设计步骤如下:

(1)确定两定位销的中心距两定位销中心距的基本尺寸应等于工件两定位孔距的平均尺寸,其公差一般为δLd=(1/3~1/5)δLD。因LD=80±0.06mm,故取

(2)选择圆柱定位销d1为

(3)确定菱形销直径d2

选择菱形销宽度b,按附表2取b=4mm。①按式(5-3)求补偿量a。②按式(5-2)计算X2min。

③按式(5-4)计算菱形销的直径d2max。

取公差带为h6,其下偏差为-0.011mm,故菱形销的直径为

5.2.3定位误差分析与计算工件按六点定位规则定位后,它在夹具中的位置就已被确定,然而由于某种原因,工件仍会产生定位误差。为了保证工件的加工精度,在定位设计时要仔细分析和研究定位误差。

1.定位误差的定义由定位引起的同一批工件的工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量,称为定位误差,以ΔD表示。定位误差研究的主要对象是工件的工序基准和定位基准。它的变动量将影响工件的尺寸精度和位置精度。

2.定位误差产生的原因造成定位误差的原因是定位基准与工序基准不重合以及定位基准的位移误差两个方面。

(1)基准不重合误差ΔB。由于定位基准与工序基准不重合而造成的定位误差,称为基准不重合误差,以ΔB表示。图5-19为一个工件的铣削加工工序简图,图5-20为其定位简图。加工尺寸h1的工序基准是E,定位基准则是A。这种定位基准与工序基准的不重合,将会使它们之间的尺寸

(或位置)误差,给工序尺寸造成定位误差,即由图5-20可知

(5-5)图5-19铣削加工工序简图

图5-20定位简图

如图5-19中的工序尺寸,其工序基准与定位基准均为B,即基准重合,基准不重合误差为零。计算基准不重合误差时,应注意判别定位基准和工序基准。当基准不重合误差由多个尺寸影响时,应将其在工序尺寸方向上合成。基准不重合误差的一般计算:

(5-6)式中:δi为基准与工序基准间的尺寸链组成环的公差(mm);β为定位方向与加工尺寸方向间的夹角(°)。

(2)基准位移误差ΔY。由于定位基准的误差或定位支承点的误差而造成的定位基准位移,这种定位误差称为基准位移误差,以Δy表示。不同的定位方式,其基准位移误差的计算方法也不同。①平面支承定位。工件以精基准平面在平面支承上定位时,其基准位移误差可忽略不计。在图5-19中,认为工序尺寸h1的基准位移误差为零。②用圆柱定位销、圆柱心轴中心定位。如图5-21所示,由于定位配合的间隙的影响,会使工件的中心发生偏移,其偏移量即为最大配合间隙,可按下式计算

(5-7)式中:Xmax为定位最大配合间隙(mm);δD为工件定位基准孔的直径公差(mm);δd0为圆柱定位销或圆柱心轴的直径公差(mm);Xmin为定位所需最小间隙,由设计时确定(mm)。

基准位移误差的方向是任意的。减小定位配合间隙,即可减小ΔY值,以提高定位精度。

当工件用长定位轴定位时,定位的配合间隙还会使工件发生歪斜,并影响工件的平行度要求。如图5-22所示,工件除了孔距公差外,还有平行度要求,定位配合的最大间隙Xmax同时会造成平行度误差,即

(5-8)式中:L1为加工面长度(mm);L2为定位孔长度(mm)。

图5-21

Xmax对工件位置公差的影响

图5-22

Xmax对工件位置公差的影响

③用定位套定位。用定位套中心定位的基准位移误差产生的原因,与上述定位相同,其基准位移误差的方向也是任意的。其定位误差可按下式计算

(5-9)式中:δD0为定位套孔径的公差(mm);δd为工件定位外圆的直径公差(mm)。

④用V形块定心定位。如图5-23(a)所示,若不计V形块的误差而仅有工件基准面的圆度误差时,其工件的定位中心会发生偏移,产生基准位移误差。由图5-23(b)可知,由于δd的影响,使工件中心沿z向从O1移至O2,即基准位移量

(5-10)式中:δd为工件定位基准直径公差；α/2为V形块的半角(°)。

图5-23

V形块定心定位的位移误差

V形块的对中性好,即其沿x向的位移误差为零。对于较精密的定位,需适当提高外圆的精度。当α=90°时,

V形块的位移误差可由下式计算

（5—11）

3.定位误差的合成

定位误差可由基准不重合误差ΔB与基准位移误差ΔY合成。

(1)当ΔB=0、ΔY≠0时,产生定位误差的原因是基准位移,故只要计算出ΔY即可,即

ΔD=ΔY

(5-12)

例5-1钻铰如图5-24所示零件上￠10H7的孔,工件主要以￠20H7(+0.0210)mm孔定位,定位轴直径为￠20-0.007-0.016mm,求工序尺寸50±0.07mm及平行度的定位误差。

解①工序尺寸50±0.07mm的定位误差。(定位基准与工序基准重合,均为A)ΔB=0由式(5-7)得

则由式(5-12)求得

ΔD=ΔY=0.037mm

②平行度0.04mm的定位误差。同理,ΔB=0。由式(5-8)得

则影响工件平行度的定位误差为

ΔD=ΔY=0.018mm

图5-24定位误差计算示例之一

(2)当ΔB≠0、ΔY=0时,产生定位误差的原因是基准不重合误差,故只要计算出ΔB即可,即

ΔD=ΔB

(5-13)这种情况常见于以平面为主要基准的定位中。

例5-2如图5-25所示,以A面定位加工￠20H8孔,求加工尺寸40±0.1mm的定位误差。

解

ΔY=0(平面A与支承接触较好)由图5-25可知,工序基准为B面,定位基准为A,故基准不重合。由式(5-6)得

图5-25定位误差计算示例之二

(3)当ΔB≠0、ΔY≠0时,且造成定位误差的原因是相互独立的因素时(如δD、δd、δi),应将两项误差相加,即

ΔD=ΔB+ΔY

(5-14)例5-3如图5-26所示,工件以d1外圆定位,加工￠10H8孔。已知d1=￠300-0.01mm,d=￠50-0.056-0.010,H=40±0.15mm,t=0.03mm,求加工尺寸40±0.15mm的定位误差。

图5-26定位误差计算示例之三

解定位基准是圆柱d1的轴线A,工序基准则在d2外圆的素线B上,是相互独立的因素,故可按式(5-14)合成。由式(5-6)得又由式(5-11)得

则

ΔD=ΔB+ΔY=（0.053+0.007）mm=0.06mm

图5-27判别合成的“+”、“-”号

(4)在圆柱间隙配合定位和V形块中心定位中,当ΔB≠0、ΔY≠0,且造成定位误差的原因是同一因素时,定位误差的合成需判别“+”、“-”号,即

ΔD=ΔB+ΔY或ΔD=ΔB-ΔY

(5-15)例如,当工序基准在圆柱面上定位,其判别的方法见图5-27。对于工序尺寸A1、A2,其基准不重合误差和基准位移误差值是

造成定位误差的原因虽是同一因素δd,但ΔB与ΔY之间的方向,即两者的工序基准的变动方向有两种情况。

对于工序尺寸A1的工序基准F,两者的变动方向相同,取“+”号,即

对于工序尺寸A1的工序基准F,两者的变动方向相同,取“+”号,即

(5-16)(5-17)上两式中,式(5-17)的值较小,故通常设计员采用A2工序尺寸的标注形式,以提高工艺性。

4.工件以一面两孔定位时定位误差的计算工件以一面两孔定位时,基准不重合误差的计算较简单,与前面介绍的情况相同。而基准位移误差的计算相对复杂一些,一般要从两个方面考虑:

(1)工件在两定位孔连心线方向上的基准位移误差。工件在该方向上的移动自由度是由圆柱销限制的,因此,当两销竖直放置时,在该方向上工件可能产生的最大移动范围取决于定位孔与圆柱销之间的最大配合间隙。即

(5-18)

(2)工件转动产生的基准位移误差,即工件转角误差Δα造成的基准位移误差。工件的转动有两种情况,一种是工件上两定位孔相对于两销可向异侧移动,产生最大转角误差,如图5-28所示,该转角误差的计算方法如下:即

(5-19)式中:X1max、X2max分别为两定位副的最大间隙。

图5-28一面两孔定位时转角误差的计算之一

如工件可向相反方向异侧转动,则应按双向转角误差考虑,即

(5-20)第二种情况是工件上两定位孔相对于两销向同侧移动。由于一般情况下,定位孔与菱形销之间的最大配合间隙大于定位孔与圆柱销之间的最大配合间隙,因此,两定位孔相对于两销向同侧移动的量不相同,故产生转角误差,如图5-29所示。该转角误差较第一种情况下的转角误差要小,计算方法如下:

图5-29一面两孔定位时转角误差的计算之二即

(5-21)如工件可向相反方向同侧移动,则应按双向转角误差考虑,即

(5-22)当加工表面相对于两定位孔的具体位置不同时,上述两种情况下转角误差对加工精度的影响是不同的,应根据实际情况,具体分析计算。

5.3工件在夹具中的夹紧

1.夹紧装置的组成夹紧装置的结构形式是多种多样的,但根据力源不同可分为手动和机动夹紧装置。机动夹紧装置一般由三部分组成,如图5-30所示。

(1)动力装置。通常指机动夹紧装置中的动力源,常用的有气动、液压和电动等动力装置,如图5-30中摆动气缸1。手动则没有这种装置。

图5-30气动夹紧装置示例

(2)中间传力机构。它是将动力装置产生的原动力传递给夹紧元件的机构。图5－30中杠杆3、4、5即为传力机构。根据夹紧的需要,中间传力机构一般可以起到改变夹紧力的大小、方向及保证自锁等作用。

(3)夹紧元件。它是夹紧装置的最终执行元件。它直接作用在工件上完成夹紧作用。图5-30中摆动压块即为夹紧元件。在一些手动夹紧装置中,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,因此常将二者统称为夹紧机构。

2.对夹紧装置的基本要求

夹紧装置设计的合理与否,是否可靠和安全,对保证工件的加工质量,缩短工件安装辅助时间,降低工人的劳动强度都有直接的影响。因此对夹紧装置提出如下基本要求:

(1)夹紧过程中,不改变工件定位后占据的正确位置。

(2)夹紧力的大小要可靠和适当,既要保证工件在整个加工过程中位置稳定不变、振动小,又要使工件不产生过大的夹紧变形。

(3)夹紧装置的自动化和复杂程度应与生产纲领相适应,在保证生产效率的前提下,其结构要力求简单,以便于制造和维修。

(4)夹紧装置的操作应当方便、安全、省力。

3.夹紧力的确定

1)夹紧力方向的确定

(1)夹紧力的方向应有助于定位稳定,且主夹紧力应朝向主要定位基面。如图5－31(a)所示,夹紧力FW的竖直分力背向定位基面使工件抬起,图5-31(b)中夹紧力的两个分力分别朝向了定位基面,将有助于定位稳定。又如图5-32(b)、(c)中的FW都不利于保证加工孔轴线与A面的垂直度,图5-32(d)的FW朝向了主要定位基面,则有利于保证加工孔轴线与A面的垂直度。图5-31夹紧力方向

图5-32夹紧力应指向主要定位基面

(2)夹紧力的方向应有利于减小夹紧力。图5-33所示为夹紧力FW、工件重力G和切削力F三者关系的几种常见典型情况。为了安装方便及减小夹紧力,应使主要定位支承表面处于水平朝上位置,如图5-33(a)、(b)所示工件安装既方便又稳定,特别是图5-33(a),其切削力F和工件重力G均朝向主要支承表面,与夹紧力方向相同,因而所需夹紧力为最小。此时的夹紧力FW只要防止工件加工时的转动及振动即可。但图5-33(c)、(d)、(e)、(f)所示的情况就较差,特别是图5-33(d)所示情况所需夹紧力为最大,一般应尽量避免。

图5-33夹紧力方向与夹紧力大小的关系

(3)夹紧力的方向应是工件刚性较好的方向。如图5-34所示,薄套件径向刚性差而轴向刚性好,采用图5-34(b)所示夹紧方案,可避免工件发生严重的夹紧变形和产生较大的加工误差。

图5-34夹紧力方向与工件刚性的关系

2)夹紧力作用点的确定夹紧力的方向确定后,应根据下述几点原则合理确定作用点的位置。

(1)夹紧力的作用点应落在定位元件的支承范围内(见图5-35(a))。图5-35(d)、(f)、(h)所示,夹紧力的作用点落到了定位元件支承范围之外,夹紧时将破坏工件的定位;图5-35(b)、(c)、(e)、(g)布置的作用点全落在支承范围内,有助于定位稳定。

图5-35作用点与定位支承的位置关系

(2)夹紧力的作用点应选在工件刚性较好的部位。如图5-36所示,图5-36(a)、(c)中工件的夹紧变形最小,图5-36(b)、(d)、(e)夹紧力作用点的选择会使工件产生较大的变形。

图5-36作用点应在工件刚性好的部位

(3)夹紧力的作用点应靠近加工表面。作用点靠近加工表面,可减小切削力对该点的力矩和减小振动。如图5-37所示,因M1＜M2,故在切削力大小相同的条件下,图5-37(a)、(c)所用夹紧力最小。当作用点只能远离加工面,造成工件安装刚性较差时,应在靠近加工面附近设置辅助支承,并施加辅助夹紧力FW1(见图5-38),以减小振动。

图5-37作用点应靠近加工部位

图5-38增设辅助支承和辅助夹紧力

3)夹紧力的大小理论上,夹紧力的大小应与作用在工件上的其它力(力矩)相平衡;而实际上,夹紧力的大小还与工艺系统的刚度、夹紧机构的传递效率等因素有关,计算是很复杂的。因此,实际设计中常采用估算法、类比法和试验法确定所需的夹紧力。当采用估算法确定夹紧力的大小时,为简化计算,通常将夹具和工件看成一个刚性系统。根据工件所受切削力、夹紧力(大型工件应考虑重力、惯性力等)的作用情况,找出加工过程中对夹紧最不利的状态,按静力平衡原理计算出理论夹紧力,最后再乘以安全系数作为实际所需夹紧力,即

5.3.2各类夹紧机构

1.斜楔夹紧机构自锁性夹紧机构大多利用斜面自锁夹紧的原理,斜楔是它们的原始形式。如图5－39所示是手动斜楔夹紧实例。工件2装入后,敲入斜楔1,夹紧工件。加工完毕后,锤击斜楔小头,松开工件。由此可见,斜楔主要是利用其斜面移动时所产生的压力夹紧工件的。

图5-39手动斜楔夹紧机构

(1)夹紧力计算。由受力图5-40(a)可知,斜楔的静力平衡条件为

而

所以

(5-24)设φ1=φ2=φ,当α很小时(α≤10°),可用下式作近似计算

(5-25)式中:FW为斜楔对工件的夹紧力(N);FQ为原始作用力(N);φ1、φ2分别为斜楔与工件、斜楔与夹具体之间的摩擦角(°);α为斜楔升角(°)。图5-40斜楔的受力分析

(2)斜楔的自锁条件。图5-40(b)为原始作用力FQ停止作用后斜楔的受力情况。从图中可以看出,自锁条件为即

则

因此,斜楔的自锁条件是:斜楔的升角小于斜楔与工件、斜楔与夹具体之间摩擦角之和。一般钢铁件接触面的摩擦系数f=0.1～0.15,故摩擦角φ=5°43′～8°30′,欲使斜楔自锁,应使α＜11°～17°。(3)斜楔的增力比ip。

（5—27）

在不考虑摩擦影响时,理想增力比ip′为

(5-28)

(4)斜楔的夹紧行程。工件所要求的夹紧行程h与斜楔相应移动的距离s之比称为行程比is。由图5－40(c)可知(5-29)因ip=1/is,故斜楔理想增力倍数等于夹紧行程的缩小倍数。因此,选择升角α时,必须同时考虑增力比和夹紧行程两方面的问题。

(5)升角α的选择。根据自锁条件和对增力比与行程比的综合考虑,手动夹紧时,一般取α=6°～8°;自锁的机动夹紧,取α＜12°,不需要自锁的机动夹紧,取α=15°～30°。

(6)斜楔夹紧机构的应用。因用手动的斜楔直接夹紧工件费时费力,效率极低,所以实际生产中应用的不多,多数情况下是斜楔与其它元件或机构组合起来使用。

2.螺旋夹紧机构

螺旋夹紧机构在生产中使用极为普遍。螺旋夹紧机构结构简单。夹紧行程大,特别是它具有增力大、自锁性能好两大特点,其许多元件都已标准化,很适用于手动夹紧。它主要有两种典型的结构形式。

(1)单个螺旋夹紧机构。图5-41(a)所示为GB/T2161-91六角头压紧螺钉,它是用螺钉头部直接压紧工件的一种结构。为了保护夹具体不致过快磨损和简化修理工作,常在夹具体中装配一个钢质螺母。图5-41(b)所示在螺钉头部装上摆动压块,可防止螺钉转动时损伤工件表面或带动工件转动。

图5-41单个螺旋夹紧机构

图5-42摆动压块

(2)螺旋压板夹紧机构。夹紧机构中,结构形式变化最多的是螺旋压板机构。图5-43所示为常用的五种典型结构。图5-43(a)、(b)两种机构的施力螺钉位置不同,图(a)减力增加夹紧行程,图(b)不增力但可改变夹紧力的方向。图5-43(c)采用了铰链压板增力但减小了夹紧行程,使用上受工件尺寸形状的限制。图5-43(d)为GB/T2197-91钩形压板,其结构紧凑,适应夹具上安装夹紧机构位置受到限制的场合。图5-43(e)为GB/T2872-91自调式压板,它能适应工件高度由0～200mm范围内的变化,其结构简单、使用方便。

图5-43典型螺旋压板机构

3.偏心夹紧机构用偏心件直接或间接夹紧工件的机构,称为偏心夹紧机构。偏心件一般有圆偏心和曲线偏心两种类型,圆偏心因结构简单、制造容易而得到广泛的应用。图5-44所示为常见的几种圆偏心夹紧机构。图5-44(a)、(b)采用的是圆偏心轮,图5-44(c)用的是偏心轴,图5－44(d)用的是有偏心圆弧的偏心叉。圆偏心夹紧机构操作方便、夹紧迅速,缺点是夹紧力和夹紧行程均不大,结构不耐振,自锁可靠性差,故一般适用于夹紧行程及切削负荷较小且平稳的场合。

图5-44圆偏心夹紧机构

(1)圆偏心轮的工作原理。图5-45所示为圆偏心轮直接夹紧工件的原理。图中，O1是偏心轮的几何中心，R是它的几何半径；O2是偏心轮的回转中心；O1O2是偏心距。若以O2为圆心、半径r画圆（虚线圆）,便把偏心轮分成了三部分。其中，虚线部分是个“基圆盘”，半径r=R-e。另部分是两个相同的弧形楔。当偏心轮绕回转中心O2顺时针方向转动时，相当于一个弧形楔逐渐楔入“基圆盘”与工件之间，从而夹紧工件。图5-45圆偏心轮的工作原理

(2)圆偏心轮的夹紧行程及工作段。如图5-46所示，当圆偏心轮绕回转中心O2转动时，设轮周上任意点x的回转角为x，回转半径为rx。用x、rx为坐标轴建立直角坐标系，再将轮周上各点的回转角与回转半径一一对应地记入此坐标系中，便得到了圆偏心弧形楔的展开图，如图5-46(b)所示。从图5-46中可看出，当圆偏心轮从0°回转到180°时，其夹紧行程为2e，并表明轮周上各点的升角是不相等的，P点的升角最大(αmax)。根据解析几何可知P点的升角等于P点的切线与P点回转半径的法线间的夹角。按照上述原理，在图5-46(a)中，过P点分别作O1P、O2P的垂线，便可得到P点的升角。因所以

(5-30)圆偏心轮的工作角一般小于90°，因为转角太大，不仅操作费时，也不安全。工作转角范围内的那段轮周称为圆偏心轮的工作段，常用的工作段是x=45°～135°或x=90°～180°。当取x=45°～135°时，升角大，夹紧力较小，但夹紧行程大（h≈1.4e);当x=90°~180°时，升角由大到小，夹紧力逐渐增大，但夹紧行程较小（h=e）。图5-46弧形楔展开图

(3)圆偏心轮的自锁条件。使用圆偏心轮夹紧时,必须保证自锁,否则将不能使用。由于圆偏心轮的弧形楔夹紧与斜楔夹紧的实质相同,因此其自锁条件为

式中:αmax为圆偏心轮的最大升角;φ1、φ2分别为圆偏心轮与工件、圆偏心轮与转轴间的摩擦角。如前所述,圆偏心轮在P点的升角较大,自锁性最差,若该点能自锁,则其它任何接触点均能保证自锁。为了可靠起见,不考虑转轴处的摩擦,则

因αmax很小，tanαmax≈sinαmax,tanφ1=f1,得又因为 ,所以，偏心轮的自锁条件为

(5-31)当f1=0.10时,

;f1=0.15,。称D/e之值为偏心率和偏心特性。按上述关系设计偏心轮时,应按已知的摩擦系数和需要的工作行程定出偏心量及偏心轮的直径。一般摩擦系数取较小的值,以使偏心轮的自锁更可靠。

(4)偏心轮的结构。实际应用中e值一般为1.7～7mm,偏心轮的直径可根据自锁条件和偏心特性确定

Ｄ=（14—20）ｅ

圆偏心轮的结构已标准化,图5-47(a)为GB/T2191-91圆偏心轮,图5-47(b)为GB/T2192-91叉形偏心轮,这两种偏心轮空套在心轴上,通过组装的手柄旋动,其结构简单。图5-47(c)为GB/T2193-91单面偏心轮,图5-47(d)为GB/T219A-91双面偏心轮,此两种偏心轮固定于转轴上,通过手柄转动转轴旋动,用于偏心轮不便或不能直接安装手柄的场合。将偏心轮的非工作面做成不完整的外形,便于装卸工件。双面偏心轮主要用于夹紧两个工件,或需要增大夹紧行程的场合。

图5-47标准偏心轮结构

4.联动夹紧机构

1)单件联动夹紧机构单件联动夹紧机构大多用于分散的夹紧力作用点或夹紧力方向差别较大的场合。按夹紧力的方向单件联动夹紧有三种方式。

(1)单件同向联动夹紧。图5-48所示为浮动压头。通过浮动柱2的水平滑动协调浮动压头1、3实现对工件的夹紧。

(2)单件对向联动夹紧。图5-49为对向侧夹紧联动夹紧机构。当液压缸中的活塞杆3向下移动时,通过双臂铰链使浮动压板2相对转动,最后将工件1夹紧。

图5-48单件同向多点联动夹紧机构

图5-49单件对向联动夹紧机构

(3)互垂力或斜交力的联动夹紧。图5-50(a)所示为双向浮动四点联动夹紧机构。由于摇臂2可以转动并与摆动压块1、3铰链连接,因此,当拧紧螺母4时,便可从两个相互垂直的方向上实现四点联动夹紧。图5-50(b)为通过摆动压块1实现斜交力两点联动夹紧的浮动压头。

图5-50互垂力或斜交力的联动夹紧机构

2)多件联动夹紧机构多件联动夹紧机构,多用于中、小型工件的加工,按其对工件施力方式的不同,一般分为如下几种形式。

(1)平行式多件联动夹紧。图5-51(a)为浮动压板机构对工件平行夹紧的实例。由于压板2、摆动压块3和球面垫圈4可以相对转动,均是浮动件,故旋动螺母5即可同时平行夹紧每个工件。图5-51(b)所示为液性介质联动夹紧机构。密闭腔内的不可压缩液性介质既能传递力,还能起浮动环节的作用。旋紧螺母5时,液性介质推动各个柱塞7,使它们与工件全部接触并夹紧。

图5-51平行式多件联动夹紧机构

(2)连续式多件夹紧。如图5-52所示,7个工件1以外圆及轴肩在夹具的可移动V形块2中定位,用螺钉3夹紧。V形块2既是定位、夹紧元件,又是浮动元件,除左端第一个工件外,其它工件也是浮动的。

图5-52连续式多件联动夹紧机构

(3)对向式多件联动夹紧。如图5-53所示,两对向压板1、4利用球面垫圈及间隙构成了浮动环节。当旋动偏心轮6时,迫使压板4夹紧右边的工件,与此同时拉杆5右移使压板1将左边的工件夹紧。这类夹紧机构可以减小原始作用力,但相应增大了对机构夹紧行程的要求。

图5-53对向式多件联动夹紧机构

(4)复合式多件联动夹紧。凡将上述多件联动夹紧方式合理组合构成的机构,均称为复合式多件联动夹紧。图5-54所示为平行式和对向式组合的复合式多件联动夹紧的实例。

图5-54复合式多件联动夹紧机构

5.定心夹紧机构

1)定心夹紧机构的工作原理当工件被加工面以中心要素(轴线、中心平面等)为工序基准时,为使基准重合以减少定位误差,就须采用定心夹紧机构。定心夹紧机构具有定心(对中)和夹紧两种功能,如图5-55所示的三爪自定心卡盘。三个夹爪1为定心夹紧元件,能等速趋近或离开卡盘中心(夹爪保持等距性行程),使其工作面2对中心总保持相等的距离。当工件定位直径不同时,由夹爪1的等距移动来调整,使工件工序基准(轴线)与卡盘中心保持一致。

图5-55定心夹紧的工作原理

2)各类典型定心夹紧机构的特点及适用范围定心夹紧机构按其定心作用原理有两种类型,一种是依靠传动机构使定心夹紧元件同时作等速移动,从而实现定心夹紧,如螺旋式、杠杆式、楔式机构等;另一种是定心夹紧元件本身作均匀地弹性变形(收缩或扩张),从而实现定心夹紧,如弹簧筒夹、膜片卡盘、波纹套、液性塑料等。下面介绍常用的几种结构。

(1)螺旋式定心夹紧机构。如图5-56所示,旋动有左、右螺纹的双向螺杆6,使滑座1、5上的V形块钳口2、4作对向等速移动,从而实现对工件的定心夹紧;反之,便可松开工件。V形块钳口可按工件需要更换,对中精度可借助调节杆3实现。这种定心夹紧机构的特点是:结构简单、工作行程大、通用性好。但定心精度不高,一般约为0.05～0.1mm。主要适用于粗加工或半精加工中需要行程大而定心精度要求不高的工件。

图5-56螺旋式定心夹紧机构

(2)楔式定心夹紧机构。图5-57所示为机动的楔式夹爪自动定心机构。当工件以内孔及左端面在夹具上定位后,气缸通过拉杆4使六个夹爪1左移,由于本体2上斜面的作用,夹爪左移的同时向外胀开,将工件定心夹紧;反之,夹爪右移时,在弹簧卡圈3的作用下使夹爪收拢,将工件松开。这种定心夹紧机构的结构紧凑且传动准确,定心精度一般可达0.02～0.07mm,比较适用于工件以内孔作定位基面的半精加工工序。

图5-57机动楔式夹爪自动定心机构

(3)弹簧筒夹式定心夹紧机构。这种定心夹紧机构常用于安装轴套类工件。图5-58(a)为用于装夹工件以外圆柱面为定位基面的弹簧夹头。旋转螺母4时,锥套3内锥面迫使弹性筒夹2上的簧瓣向心收缩,从而将工件定心夹紧。图5-58(b)是用于工件以内孔为定位基面的弹簧心轴。因工件的长径比L/d＞1,故弹性筒夹2的两端各有簧瓣。旋转螺母4时,锥套3的外锥面向心轴5的外锥面靠拢,迫使弹性筒夹2的两端簧瓣向外均匀扩张,从而将工件定心夹紧。反向转动螺母,带退锥套,便可卸下工件。图5-58弹簧夹头和弹簧芯轴

弹簧筒夹定心夹紧机构的结构简单、体积小、操作方便迅速,因而应用十分广泛。其定心精度可稳定在￠0.04～￠0.1mm之间,高的可达￠0.01～￠0.02mm。为保证弹性筒夹正常工作,工件定位基面的尺寸公差应控制在0.1～0.5mm范围内,故一般适用于精加工或半精加工场合。5.4各类机床夹具设计

5.4.1车床夹具

1.车床夹具的主要类型车床主要用于加工零件的内、外圆柱面、圆锥面、回转成形面、螺纹以及端平面等。上述各种表面都是围绕机床主轴的旋转轴线而形成的,根据这一加工特点和夹具在机床上安装的位置,将车床夹具分为两种基本类型。

(1)安装在车床主轴上的夹具。这类夹具中,除了各种卡盘、顶尖等通用夹具或其它机床附件外,往往根据加工的需要设计各种心轴或其它专用夹具,加工时夹具随机床主轴一起旋转,切削刀具作进给运动。

(2)安装在滑板或床身上的夹具。对于某些形状不规则和尺寸较大的工件,常常把夹具安装在车床滑板上,刀具则安装在车床主轴上作旋转运动,夹具作进给运动。加工回转成形面的靠模属于安装在床身上的夹具。生产中需要设计且用得较多的是安装在车床主轴上的各种专用夹具,故在此只讨论该类夹具的结构特点和设计要点。

2.车床专用夹具的典型结构

下面介绍典型的角铁式车床夹具。角铁式车床夹具的结构特点是具有类似角铁的夹具体。它常用于加工壳体、支座、接头等类零件上的圆柱面及端面。图5-59所示为横拉杆接头工序图。工件孔￠34+0.050mm、M36mm×1.5mm-6H及两端面均已加工过。图5-59横拉杆接头工序图

图5-60角铁式车床夹具

3.车床夹具设计要点

(1)定位装置。在车床上加工回转表面时,要求工件加工面的轴线与车床主轴的旋转轴线重合,夹具上定位装置的结构和布置,必须保证这一点。因此,对于轴套类和盘类工件,要求夹具定位元件工作表面的对称中心线与夹具的回转轴线重台。

(2)夹紧装置。由于车削时工件和夹具一起随主轴作旋转运动,故在加工过程中,工件除受切削扭矩的作用外,整个夹具还受到离心力的作用,转速越高离心力越大,会影响夹紧机构产生的夹紧效果,此外,工件定位基准的位置相对于切削力和重力的方向来说是变化的。因此,夹紧机构所产生的夹紧力必须足够,自锁性能要好,以防止工件在加工过程中脱离定位元件的工作表面。对于角铁式车床夹具,夹紧力的施力要注意防止引起夹具变形。

(3)车床夹具与机床主轴的联接。车床夹具与机床主轴的联接精度对夹具的回转精度有决定性的影响。因此,要求夹具的回转轴线与车床主轴轴线有尽可能高的同轴度。根据车床夹具径向尺寸的大小,其在机床主轴上的安装一般有两种方式:①对于径向尺寸D<140mm,或D<(2～3)d的小型夹具,其联接结构如图5-61(a)所示,一般通过锥柄安装在车床主轴锥孔中,并用螺栓杆拉紧。这种联接方式定心精度较高。

图5-61夹具与车床主轴的连接

②对于径向尺寸较大的夹具,通过过渡盘与车床主轴前端联接。过渡盘的结构如图5-61(b)、(c)所示。过渡盘的一面与机床主轴联接,其配合表面形状取决于主轴前端的结构形式;过渡盘的另一面通常具有凸缘,它与夹具体上的定位止口配合,从而实现夹具在主轴上的定位。图5-61(c)中过渡盘按主轴前端结构以圆锥面定心,用活套在主轴上的螺母锁紧,转矩由平键传递。通过过渡盘在主轴上安装夹具,如果供夹具安装用的凸缘的结构尺寸统一,可简化夹具体的设计,且使专用夹具能在不同主轴结构的车床上使用。若不用过渡盘,可将夹具直接安装到机床主轴上,这时夹具体与主轴联接的一面必须与主轴前端结构相适应。

(4)对夹具总体结构的要求。①车床夹具一般是在悬臂状态下工作,为保证加工的稳定性,夹具结构应力求紧凑、轻便,悬臂尺寸要短,使重心尽可能靠近主轴。夹具的悬伸长度L与其外轮廓直径D之比,应有一定比例关系:

D<150mm的夹具,L/D≤1.25;

150mm<D<300mm的夹具,L／D≤0.9;

D>300mm的夹具,L／D≤0.6。

②应有平衡措施,以消除回转不平衡所引起的振动现象。平衡措施有两种,一种是在较轻的一侧加平衡块,一种是在较重的一侧加工减重孔。平衡块的位置最好可以调节。为使操作安全,夹具上尽可能避免有尖角或突出夹具体圆形轮廓之外的元件,必要时应加防护罩。此外,夹紧装置的自锁性能应可靠,以防止在回转过程中产生松动,致使工件有飞出的危险。

5.4.2铣床夹具

1.铣床夹具的主要类型铣床夹具主要用于加工零件上的平面、沟槽、缺口、花键以及成形面等。按照铣削时的进给方式,通常将铣床夹具分为三类:直线进给式、圆周进给式以及靠模铣床夹具。在此主要介绍前两类铣床夹具。

(1)直线进给式铣床夹具。这类夹具安装在铣床工作台上,随工作台一起作直线进给运动。按照在夹具上装夹工件的数目,它可分为单件夹具和多件夹具。多件夹具广泛用于成批生产或大量生产的中、小零件加工。可按先后加工,平行加工,或平行-先后加工等方式设计铣床夹具,以减少切削的基本时间或使切削的基本时间重合。

图5-62所示轴端铣方头夹具,采用平行对向式多位联动夹紧结构,旋转夹紧螺母6,通过球面垫圈及压板7将工件压在V形块上。四把三面刃铣刀同时铣完两侧面后,取下楔块5,将回转座4转过90°,再用楔块5将回转座定位并楔紧,即可铣工件的另两个侧面。该夹具在一次安装中完成两个工位的加工,在设计中采用了平行-先后加工方式,既节省切削基本时间,又使铣削两排工件表面的基本时间重合。

图5-62轴端铣方头夹具

(2)圆周进给式铣床夹具。圆周进给式铣床夹具一般在有回转工作台的专用铣床上使用,在通用铣床上使用时,应进行改装,增加一个回转工作台。如图5-63所示,铣削拨叉上、下两端面。工件以圆孔、端面及侧面在定位销2和挡销4上定位,由液压缸6驱动拉杆1通过快换垫圈3将工件夹紧。夹具上可同时装夹12个工件。

工作台由电动机通过蜗杆蜗轮机构带动回转。AB是工件的切削区域,CD是装卸工件区域,可在不停车的情况下装卸工件,使切削的基本时间和装卸工件的辅助时间重合。因此,它生产效率高,适用于大批大量生产中的中、小件加工。

图5-63圆周进给铣床夹具

2.专用铣床夹具的典型结构分析图5-64为车床尾座顶尖套筒铣键槽和油槽的工序图。工件外圆及两端面均已加工,本工序的加工要求是:①键槽宽12H11。键槽对工件轴线的对称度公差为0.1mm,平行度公差为0.08mm。控制键槽深度尺寸为64.8mm,轴向长度尺寸为282mm;②油槽半径为3mm,其圆心在轴的圆柱面上。油槽长度为170mm;③键槽与油槽的对称面应在同一平面内。

图5-64顶尖套双槽工序图

本工序采用两把铣刀同时进行加工,图5-65为用于大批生产中的夹具。在工位Ⅰ上用三面刃盘铣刀铣键槽,工件以外圆和端面在V形块8、10和止推销13上定位,限制了工件的五个自由度。在工位Ⅱ上,用圆弧铣刀铣油槽,工件以外圆、已加工过的键槽和端面作为定位基准,在V形块9、11,定位销12和止推销14上完全定位。由于键槽和油槽的长度不等,为了能同时加工完毕,可将两个止推销的位置前后错开,并设计成可调支承,以便于调整。

夹具采用液压驱动联动夹紧,当压力油从油路系统进入液压缸5的上腔时,推动活塞下行,通过支钉4、浮动杠杆2、螺杆3带动铰链压板7下行夹紧工件。为了使压板均匀地夹紧工件,联动夹紧机构的各环节采用浮动连接。此外应注意夹紧力的着力点。两个工位的前后V形块的轴线与两定位键侧面应平行;对刀块两个工作面与工位Ⅰ前后V形块的轴线间的位置尺寸经计算确定为24.4mm和11mm。铣刀位置通过用5mm的塞尺对刀调整。

3.铣床夹具的设计要点

(1)铣床夹具的结构特点。铣削加工时,切削力比较大,并且是不连续切削,易引起冲击和振动,所以夹紧力要求较大,以保证工件夹紧可靠,因此铣床夹具要具有足够的强度和刚度。在设计和布置定位元件时,应尽量使主要支承面大些,导向定位元件的两个支承之间要尽量远些。设计夹紧装置时,为防止工件在加工过程中因振动而松动,夹紧装置要有足够的夹紧力和自锁性能。施力方向和作用点要恰当,并尽量靠近加工表面,必要时可采用辅助支承和辅助夹紧机构,以提高夹紧刚度。

图5-65双件铣双槽夹具

(2)定位键的设计。铣床夹具上一般都有定位键安装在夹具体底面的纵向槽中,一般使用两个,其距离应尽可能布置得远些,小型夹具也可使用一个断面为矩形的长键。通过定位键与铣床工作台T形槽配合,其主要作用是使夹具上的定位元件的工作表面相对工作台的进给方向具有正确的位置关系,同时还可以承受部分切削力矩。以减轻夹具体与铣床工作台联接用螺栓的负荷,增强夹具在加工过程中的稳定性。

定位键有矩形和圆柱形两种,如图5-66所示。常用的矩形键有两种结构。一种在键侧开有沟槽或台阶把槽分为上下两部分,如图5-66(a)、(b)所示,上部尺寸按H7/h6与夹具体上的键槽配合,下部宽度尺寸为b,和工作台T形槽配合,常取H8/h8或H7/h6,即定位键的键宽b常按h8或h6制造。定位键与槽的配合间隙有时会影响工件的加工精度,因此为提高夹具的定向精度,定位键下部尺寸b可留有余量以便修配,或在安装夹具时把它推向一边,使定位键的-侧和工作台T型槽侧面贴紧。另一种矩形定位键没有开出沟槽或台阶,即上下两部分尺寸相同适宜于夹具的定向精度要求不高时采用。由于夹具体上键槽的精度保证较困难,因此近年来出现了圆柱形定位键,如图5-66(c)所示。使用这种定位键时,夹具体上的两孔在坐标镗床上加工,能得到很高的位置精度,简化了夹具的制造过程。但圆柱形定位键较易磨损,生产中使用不多。

图5-66定位键的结构

(3)对刀装置。在铣床夹具上一般都设计有对刀装置,对刀装置由对刀块和塞尺组成。对刀块用来确定夹具和刀具的相对位置,使用塞尺是为了防止对刀时碰伤刀刃和对刀块工件表面,使用时,将其塞入刀具与对刀装置之间,根据接触的松紧程度,来确定刀具相对于夹具的最终位置。图5-67为几种常见的对刀装置。图5-67(a)所示结构用于加工平面,图5-67(b)所示结构用于铣键槽,图5-67(c)、(d)所示结构用于成形铣刀加工成形面。

图5-67对刀装置

(4)夹具的总体设计及夹具体。铣床夹具的结构形式在很大程度上取决于定位元件、夹紧装置和其它元件的结构和布置。为使夹具结构紧凑,保证夹具在机床上安装的稳定性,夹具体应有足够的强度和刚度,且使工件的加工表面尽可能靠近工作台面,以降低夹具的重心,夹具体的高宽比应限制在H／B≤1～1.25范围内,如图5-68(a)所示。此外还应合理地设置加强筋和耳座等。常见耳座结构如图5-68(b)、(c)所示,其结构已标准化,设计时可查阅有关资料。如果夹具体较宽时,可在同一侧设置两个耳座,两耳座的中心距要和铣床工作台两T型槽中心距一致。对于重型铣床夹具,应在夹具体上设置吊环等,以方便搬运。

图5-68夹具体和耳座简图

5.4.3钻床夹具

1.钻床夹具的主要类型在钻床上进行孔的钻、扩、铰、锪、攻螺纹加工所用的夹具,称为钻床夹具。钻床夹具用钻套引导刀具进行加工,有利于保证被加工孔对其定位基准和各孔之间的尺寸精度和位置精度,并可显著提高劳动生产率。钻床夹具的种类繁多,一般分为固定式、回转式、移动式、翻转式、盖板式和滑柱式等类型。

1)固定式钻模在使用过程中,夹具和工件在机床上的位置固定不变。常用于在立式钻床上加工较大的单孔或在摇臂钻床上加工平行孔系。在立式钻床上安装钻模时,一般先将装在主轴上的定尺寸刀具(精度要求高时用心轴)伸入钻套中,以确定钻模的位置,然后将其紧固。这种加工方式的钻孔精度较高。

2)回转式钻模在钻削加工中,回转式钻模使用较多,它用于加工同一圆周上的平行孔系,或分布在圆周上的径向孔。它包括立轴、卧轴和斜轴回转三种基本型式。由于回转台已经标准化,故回转式夹具的设计,在一般情况下是设计专用的工作夹具和标准回转台联合使用,必要时才设计专用的回转式钻模。图5-69所示为立轴回转式钻模,用其加工工件上均布的轴向孔。

图5-69专用回转式钻模

3)移动式钻模这类钻模用于在单轴立式钻床上,先后钻削工件同一表面上的多个孔。一般工件和加工孔径都不大。图5-70所示的移动式钻模,用于加工连杆大、小头上的孔。工件以端面及大、小头圆弧面作为定位基面,在定位套12、13,固定V形块2及活动V形块7上定位。先通过手轮8推动活动V形块7压紧工件,然后转动手轮8带动螺钉11转动,压迫钢球10,使两片半月键9向外胀开而锁紧。V形块带有斜面,使工件在夹紧分力作用下与定位套贴紧。通过移动钻模,使钻头分别在两个钻套4、5中导入,从而加工工件上的两个孔。

图5-70移动式钻模

4)翻转式钻模这类钻模主要用于加工中、小型工件分布在不同表面上的孔,图5-71所示为加工套筒上四个径向孔的翻转式钻模。工件以内孔及端面在台肩销1上定位,用快换垫圈2和螺母3夹紧。钻完一组孔后,翻转60°钻另一组孔。该夹具的结构比较简单,但每次钻孔都需找正钻套相对钻头的位置,所以辅助时间较长,而且翻转费力。因此,夹具连同工件的总重量不能太重,一般以不超过100kg为宜,其加工批量也不宜过大。

图5-71

60°翻转式钻模

5)盖板式钻模这类钻模没有夹具体,钻模板上除钻套外,一般还装有定位元件和夹紧装置,只要将它覆盖在工件上即可进行加工。图5-72所示为加工车床溜板箱上多个小孔的盖板式钻模。在钻模盖板1上不仅装有钻套,还装有定位用的圆柱销2、削边销3和支承钉4。因钻小孔,钻削力矩小,故未设置夹紧装置。

图5-72盖板式钻模

6)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。它由夹具体、滑柱、升降钻模板和锁紧机构等组成,其结构已通用化和规格化。根据不同工件的形状和加工要求,配置相应的定位、夹紧元件和钻套,便可组成一个滑柱式钻模,因此可简化设计工作。这种钻模不必使用单独的夹紧装置,操作方便,夹紧迅速,在生产中使用较广,但钻孔的垂直度和孔距精度不高。图5-73所示为应用手动滑柱钻模的实例。滑柱钻模用来钻、扩、铰拨叉上的￠20H7孔。工件以圆柱端面,底面及后侧面放在圆锥套9、两个可调支承2及圆柱挡销3上定位。这些定位元件都装置在底座1上。转动手柄通过齿轮、齿条传动机构,使滑柱带动钻模板下降,两个压柱4通过液性塑料对工件均匀夹紧。刀具依次由快换钻套7引导,进行钻、扩、铰加工。件号1～9所示零件是专门设计制造的,钻模板也须作相应的加工,其它件为滑柱钻模的通用结构。

图5-73滑柱式钻模

2.典型钻床夹具的结构分析图5-74所示为杠杆臂工序图。￠22+0.280mm孔及两头的上下端面均已加工。本工序在立式钻床上加工￠10+0.100mm、￠13mm孔,两孔轴线相互垂直,且与￠22+0.280mm孔轴线的距离分别为78±0.50mm及15±0.5mm。

图5-74杠杆臂工序图

图5-75所示为钻杠杆臂两孔的翻转式钻模。工件以￠22+0.280mm孔及其端面、R12mm圆弧面作为定位基准,分别在台肩定位销7、可调支承11上定位,限制工件的全部自由度。钻￠10+0.100mm孔处时工件呈悬臂状,为增强工件的刚度,避免工件加工时的变形,该处采用了螺旋辅助支承2,当工件定位夹紧后,旋转辅助支承2与工件接触,用锁紧螺母1锁紧。该夹具采用快换垫圈和螺母夹紧工件,夹紧机构较简单且夹紧可靠。钻完一个孔后,翻转90°再钻削另一个孔。此夹具适合中、小批生产。图5-75钻两孔翻转式钻模

3.钻床夹具的设计要点

1)钻模的类型的选择钻模的类型很多,在设计钻模时,首先需要根据工件的形状、尺寸、重量和加工要求、并考虑生产批量和工厂的技术情况等具体条件来选择钻模的结构类型。选择时注意以下几点:

(1)被钻孔直径大于10mm或加工精度要求高时,宜采用固定式钻模。

(2)翻转式和移动式钻模适用于加工中、小型工件,包括工件在内所产生的总重量不宜超过100kg。

(3)当加工分布不在同心圆周上的平行孔系时,如工件与夹具所产生的总重量超过150kg,宜采用固定钻模在摇臂钻床上加工。如生产批量大,则可在立式钻床上采用多轴传动头加工。

(4)对于孔的垂直度和孔距要求不高的中、小型工件,有条件时宜优先采用滑柱钻模。如孔的垂直度公差小于0.1mm,孔距尺寸公差小于±0.15mm时,一般不宜采用这类钻模。

(5)钻模板和夹具体为焊接式的钻模,因焊接应力不能彻底消除,精度不能长期保持,故一般在工件孔距公差要求不高(大于±0.15mm)时才采用。

2)钻套的选择和设计钻套是钻模的特殊元件,其作用是确定被加工工件上孔的位置,引导钻头、扩孔钻或铰刀,并防