《机械制造技术》课件第3章

第3章金属切削机床及夹具的基础知识概述

3.1概述

3.2金属切削机床的基础知识

3.3机床夹具的基础知识

习题

3.1概述各种机械产品的用途和零件结构的差别虽然很大，但它们的制造工艺却有着共同之处，即都是构成零件的各种表面的成形过程。机械零件表面的切削加工成形过程是通过刀具与被加工零件的相对运动完成的。这一过程要在由切削机床、刀具、夹具及工件构成的机械加工工艺系统中完成。机床是加工机械零件的工作机械，刀具直接对零件进行切削，夹具用来装夹工件。如图3-1所示为机械加工工艺系统的构成及相互关系。在第二章中已介绍了部分刀具的知识，本章将重点研究机床和工装的基础知识。

图3-1机械加工工艺系统的构成

3.2金属切削机床的基础知识

3.2.1机床概述金属切削机床是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器，也可以说是制造机器的机器，因此又称为“工作母机”或“工具机”，习惯上简称为机床。在机械制造工业中，切削加工是将金属毛坯加工成具有一定尺寸、形状和精度的零件的主要加工方法，尤其是在加工精密零件时，目前主要是依靠切削加工来达到所需的加工精度和表面粗糙度。因此，金属切削机床是加工机器零件的主要设备，它所担负的工作量，在一般情况下约占机器总制造工作量的40%～60%，它的先进程度直接影响到机器制造工业的产品质量和劳动生产率。

机床的质量和性能直接影响机械产品的加工质量和经济加工的适用范围，而且它总是随着机械工业工艺水平的提高和科学技术的进步而发展。如新型刀具的出现，电气、液压等技术的发展以及计算机技术的应用，使机床生产率、加工精度、自动化程度得到不断提高，机床品种不断扩大。机床不仅要满足使用性能要求，还要考虑艺术性、宜人性、工业环境的美化等，使人机关系达到最佳状态。

目前我国已形成了布局比较合理且相对完整的机床工业体系，机床的产量与质量不断上升，除满足国内建设的需要外，还有一部分已远销国外。我国已制定了完整的机床系列型谱。我国生产的机床品种也日趋齐全，能生产出从小型仪表机床到重型机床等上千个品种的各种机床，也能生产出各种精密的、高度自动化的以及高效率的机床和自动线。我国所生产机床的性能也在逐步提高，有些机床已经接近世界先进水平。我国数控技术近年来也有较快的发展，目前已能生产上百种数控机床。我国机床工业已经取得了很大成就，但与世界发达国家相比，仍有较大差距，主要表现在机床产品的精度、质量稳定性、自动化程度以及基础理论研究等方面。

3.2.2机床的分类

金属切削机床的品种和规格繁多，为了便于区别、使用和管理，必须对机床进行分类。根据需要，可以从不同的角度对机床作如下分类：

1.按机床的加工性质和结构特点分类

根据国家标准（GB／T1537-94），我国机床分为11大类：车床、钻床、镗床、铣床、刨插床、拉床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、锯床和其他机床。

2.按机床的通用程度分类

(1)通用机床。这类机床是可以加工多种工件、完成多种工序、工艺范围较广的机床，主要适用于单件小批量生产。例如，卧式车床、卧式铣镗床和万能升降台铣床等。

(2)专门化机床。这类机床是用于完成形状类似而尺寸不同的工件的某一种工序的加工的机床，其工艺范围较窄，主要适用于成批生产。例如，曲轴车床、凸轮轴车床等。

(3)专用机床。这类机床是用于完成特定工件的特定工序的加工的机床，其工艺范围最窄，主要适用于大批量生产。例如，专用镗床、专用铣床等。

此外，在同一种机床中，根据加工精度不同，可分为普通机床、精密机床和高精度机床；按机床质量不同，可分为仪表机床、中型机床、大型机床、重型机床和超重型机床；按机床自动化程度的不同，可分为手动、机动、半自动和自动机床；按机床运动执行件的数目不同，可分为单轴的与多轴的、单刀架的与多刀架的机床等。

3.2.3机床型号的编制方法

1.通用机床的型号

通用机床型号的构成如下：

其中：“△”表示阿拉伯数字，“○”表示大写汉语拼音字母，()表示可选项，(◎)表示大写汉语拼音字母或阿拉伯数字。

1）机床类、组、系的划分及其代号机床的类代号用汉语拼音大写字母表示。例如“车床”的汉语拼音是“Chechuang”，所以用“C”表示。必要时，每类又可分为若干分类，分类代号用阿拉伯数字表示，放在类代号之前，居于型号的首位，但第一分类不予表示。例如，磨床类分为M、2M、3M三类。机床的类别代号及其读音见表3-1。

表3-1普通机床类别和分类代号

2）机床的特性代号

机床的特性代号表示机床具有的特殊性能，包括通用特性和结构特性。当某类型机床除有普通型外，还具有如表3-2所列的某种通用特性，则在类别代号之后加上相应的特性代号。例如“CK”表示数控车床。如同时具有两种通用特性，则可用两个代号同时表示，如“MX”表示半自动、高精度磨床。如某类型机床仅有某种通用特性，而无普通型式，则通用特性不必表示，如C1312型单轴转塔自动车床，由于这类自动车床没有“非自动”型，所以不必用“Z表示”通用特性。

为了区分主参数相同而结构不同的机床，在型号中用结构特性代号表示。结构特性代号为汉语拼音字母。通用特性代号已用的字母和“I、O”两个字母不能用。结构特性的代号字母是根据各类机床的情况分别规定的，在不同型号中的意义不同。

表3-2通用特性代号

3）机床主参数、第二主参数和设计顺序号机床主参数代表机床规格的大小，用折算值（主参数乘以折算系数）表示。某些普通机床当无法用一个主参数表示时，则在型号中用设计顺序号表示。设计顺序号由1起始，当设计顺序号小于10时，则在设计号之前加“0”。

第二主参数一般是主轴数、最大跨距、最大工件长度、工作台工作面长度等等。第二主参数也用折算值表示。

4）机床重大改进顺序号当对机床的结构、性能有更高的要求，需要按新产品重新设计、试制和鉴定机床时，在原机床型号的尾部，加重大改进顺序号，以区别于原机床型号。序号按A、B、C、…字母（但“I、O”两个字母不得选用）的顺序选用。

5）同一型号机床的变型代号根据不同的加工需要，某些机床在基本型号机床的基础上仅改变机床的部分性能结构时，则在机床基本型号之后加1、2、3、…变型代号。综合上述普通机床型号的编制方法，举例如下：

例1：

例2：

2.专用机床型号

专用机床型号由设计单位代号和设计顺序号构成。例如，B1—100表示北京第一机床厂设计制造的第100种专用机床——铣床。

3.2.4机床的运动分析

1.工件表面形状及其形成方法

1）工件加工表面的形状

工件在被切削加工过程中，通过机床的传动系统，使机床上的工件和刀具按一定规律作相对运动，从而切削出所需要的表面形状。图3-2所示的就是机器零件上常用的各种表面。这些表面大都是可以在机床上加工的既经济,又能获得所需精度的表面，如平面、圆柱面、圆锥面、球面和成形表面等，它们都属于“线性表面”。所谓“线性表面”都是以一条线为母线，以另一条线为轨迹（称导线）运动而形成的，如图3-2中，平面是以一直线为母线，以另一直线为轨迹，作平移运动而形成的；圆柱面是以一直线为母线，以圆为轨迹，作旋转运动而形成的等。

图3-2机器零件上常用表面

2）工件加工表面的形成

零件的表面通常是几种简单表面的组合，如图3-3所示的各种常见的零件都由各种线性表面构成。成形平面、圆柱面及直线成形表面的母线及导线的作用可以互换，称此类表面为可逆表面。而形成螺纹面、圆环面、球面和圆锥面的母线和导线则不能互换，称此类表面为非可逆表面。形成工件上各种表面的母线和导线统称为发生线。

图3-3常见的零件类型

3）发生线的形成发生线是形成工件表面的几何要素，是在金属切削机床运转时，由工件和刀具彼此间协调的相对运动和刀具切削刃的形状共同形成的。如图3-4所示，形成发生线的方法有以下四种：（1）轨迹法:母线和导线都是刀具切削刃端点（刀尖）相对于工件的运动轨迹。如图3-4(a)所示，刀尖的运动轨迹和工件回转运动结合，形成了回转成形面所需的母线和导线。（2）成形法:刀具的切削刃就是被加工表面的母线，导线是由刀具切削刃相对于工件的运动形成的。如图3-4(b)所示，刨刀切削刃形状与工件曲面的母线相同，刨刀的直线运动形成直导线。

（3）展成法:如图3-4(c)所示，对各齿形表面进行加工时，刀具与工件间作展成运动即啮合运动，切削刃各瞬时位置的包络线是齿形表面的母线，导线是由刀具沿齿长方向的运动形成。

（4）相切法:如图3-4(d)所示，采用铣刀、砂轮等旋转刀具加工工件时，刀具自身的旋转运动形成圆形发生线，同时切削刃相对于工件的运动形成其他发生线。

图3-4形成发生线的方法

2.机床的运动

为了加工出所需要的工件表面形状，机床上需要有多种运动。其中通过加工出母线和导线而形成工件表面形状的运动被称为机床的表面成形运动，它是机床最基本的运动。除表面成形运动外，还有分度运动、切入运动、辅助运动、操纵及控制运动等。下面将对它们作详细的说明。1）表面成形运动为保证得到工件表面的形状所需的运动，称为表面成形运动（简称为成形运动）。根据工件表面形状和成形方法的不同，成形运动有以下类型：（1）简单成形运动，它是独立的成形运动，也是最基本的成形运动。如车外圆时，由工件的旋转运动和刀具的直线运动两个独立的运动形成圆柱面。

（2）复合成形运动，它是由两个或两个以上简单运动按照一定的运动关系合成的成形运动。如图3-4(c)所示，展成法加工齿轮时，刀具的旋转和被加工齿轮的旋转必须保持严格的相对运动关系，才能形成所需的渐开线齿面，因而这是一个复合成形运动。同理，车螺纹时，螺纹表面的导线（螺旋线）必须由工件的旋转运动和刀架直线运动保持确定的相对运动关系才能形成，这也是一个复合成形运动。成形运动是为了形成工件表面发生线的运动。相同的表面可以有不同的成形方法和不同的成形运动。例如在车削回转曲面时，用成形法加工，只需工件回转运动；用轨迹法加工，则需要两个独立的成形运动。

从保证金属切削过程的实现和连续进行的角度看，成形运动可分为主运动和进给运动两种：①主运动。它是进行切削的最基本、最主要的运动，也称为切削运动，通常它的速度最高，消耗机床动力最多。一般机床的主运动只有一个。如车削、镗削加工时工件的旋转运动，铣削和钻削加工时刀具的旋转运动，刨削加工时刨刀的直线运动等都是主运动。②进给运动。与主运动配合，使切削工作能够连续地进行的运动。通常它消耗的动力较小。进给运动可以有一个或几个，也可以没有（例如拉床）。它可以是连续的（车削），也可以是周期间断的（刨削）。

2）辅助运动除主运动和进给运动外，为完成机床工作循环，还需一些其他的辅助运动。

（1）空行程运动。例如刀架、工作台的快速接近和退出工件等运动，可节省辅助时间。

（2）切入运动。切入运动是使刀具切入工件从而保证工件被加工表面获得所需要的尺寸的运动。一个表面切削加工的完成一般需要数次切入运动。

（3）分度运动。分度运动是当在工件上加工若干个完全相同的均匀分布表面时，为使表面成形运动得以重复进行而由一个表面过渡到另一个表面所作的运动。例如，车削多头螺纹，在车完一条螺纹后，工件相对于刀架要回转360°/

k（k

为螺纹头数），再车下一条螺纹。这个工件相对于刀架的旋转运动即为分度运动。

（4）操纵及控制运动。其包括机床运动部件的变速、换向、启停及工件的装夹等。控制运动是通过接通或断开某个传动链，从而改变运动部件速度的运动。控制运动一般为简单的回转或往复运动，在普通机床上多为手动，在半自动机床、自动机床和某些齿轮机床上则为自动。

3.2.5机床的传动

1.机床传动的组成

机床为实现加工过程中所需的各种运动，必须具备以下三个基本组成部分：

1）执行件执行件是执行机床运动的部件，如主轴、刀架和工作台等。它的任务是装夹刀具或工件并完成一定形式的运动，保持准确的运动轨迹。

2）运动源运动源是提供运动和动力、实现机床上执行件运动的动力来源。运动源通常采用交流电动机、直流电动机、伺服电动机、变频调速电动机和步进电动机等。一台机床上可以有一个或多个运动源。

3）传动件传动件是将运动源的运动和动力按要求传递给执行件的零件或装置。如齿轮、胶带轮、丝杠、摩擦离合器、液压传动和电气传动元件等。

2.机床传动联系

把运动源和执行件或者把执行件之间联系起来的一系列传动件，构成了一个传动联系。构成一个传动联系的一系列传动件称为“传动链”。根据传动联系的性质，传动链可以分为外联系传动链和内联系传动链两类。

外联系传动链是联系运动源和执行件之间的传动链。它的作用是给机床的执行件提供动力和扭矩，并能改变运动速度的大小和转动方向，但它不要求运动源和执行件之间有严格的传动比关系。例如用普通车床车削螺纹，从电动机到主轴之间由一系列零部件构成的传动链就是外联系传动链。它没有严格的传动比要求，可以采用皮带和皮带轮等摩擦传动或采用链传动。

内联系传动链是联系复合运动各个分解部分之间的传动链，所联系的执行件之间必须具有严格的相对关系。例如用普通车床车削螺纹，主轴和刀架的运动就构成了一个复合成形运动，所以联系主轴和刀架之间由一系列零部件构成的传动链就是内联系传动链。设计机床内联系传动链时，各传动副的传动比必须准确，不应有摩擦传动（带传动）或瞬时传动比变化的传动件（如链传动）。

3.传动原理图

为了便于分析研究机床的传动联系，常用一些简单的符号把运动源和执行件或不同执行件之间的传动联系表示出来，这就是传动原理图。它主要表示了与表面成形运动有直接关系的运动及其传动联系。因此，采用它作为工具来研究机床的传动联系，重点突出，简洁明了，能比较容易掌握机床的传动系统，尤其对那些运动较为复杂的机床（如齿轮机床）来说，利用传动原理图来研究机床的转动联系则更有必要。图3-5所示为传动原理图中常使用的一部分符号，其中表示执行件的符号目前还没有统一的规定，一般可用较直观的简单图形来表示。

图3-5传动原理图中常用的符号下面以用螺纹车刀车削螺纹为例，说明传动原理图的画法（如图3-6所示）。

图3-6用螺纹车刀车削螺纹的传动原理图第一步，画出机床上的执行件。该机床的执行件共有两个，即展成运动的两端件，一是主轴（夹持工件）与螺纹车刀，二是为运动提供动力的电动机。

第二步，画出相应的换置机构，并标出相应的传动比。由于车床可以加工不同螺距的螺纹，因此，在主轴和刀具之间应有一换置机构iv；由于受刀具和工件的材料、尺寸不同以及加工时所要求的精度和表面粗糙度不同等因素的影响，展成运动的速度也是不一样的。因此，在电动机和主轴之间也应有一换置机构ix。

第三步，用代表传动比不变的虚线将执行件和换置机构之间相关联的部分连接起来。如电动机至ix、ix至主轴、主轴至iv，iv至丝杠之间的传动用虚线连接起来。

由于其他的中间传动件一概不画，所得到的传动原理图简单明了，表达了机床传动最基本的特征。对于同一种类型的机床来说，不管它们在具体结构上有多大的差别，其传动原理图却是完全相同的。因此，用传动原理图来研究机床的运动时，很容易找出不同类型的机床之间最根本的区别。

在图3-6中，主轴旋转B和车刀的纵向移动A之间有严格的比例关系要求:主轴旋转一圈，刀架要移动一个螺距。因此，B和A就构成了一个复合成形运动。联系这两个运动的传动链4—5—iv—6—7是复合成形运动内部的传动链，即内联系传动链；电动机和主轴之间的传动链1—2—ix—3—4属于外联系传动链。图3-7所示为数控车床的传动原理图。与普通车床相比，主运动传动链完全相同，属于内联系传动链，而在进给运动传动链中则用电联系代替了机械联系。车削螺纹时，联系主轴与刀架之间的传动链4—5—脉冲发生器—6—7—ic1—8—9—M1（伺服电动机）—10—11—纵向丝杠—A1，A1—纵向丝杠—11—10—M1—9—8—ic1—7—6—脉冲发生器—12—13—ic2—14—15—M2（伺服电动机）—16—17—横向丝杠—A2也属于内联系传动链。由脉冲发生器发出的脉冲同时控制A1和A2

，以车削成形曲面。车削圆柱面时，B、A1和A2是三个独立的简单运动，因此联系主轴和刀架之间传动链属于外联系传动链。图3-7数控车床的传动原理图

4.传动系统及运动调整计算

由传动原理图所表示的机床各执行件的运动情况和它们之间的相互关系以及其他各种切削加工所必需的辅助运动，最后均由机床的传动系统图表达出来。机床传动系统图的主体是表面成形运动传动系统，它包括主运动传动系统和进给运动传动系统。它可在一个能反映机床外形和主要部件相互位置的投影面上，按运动传递的先后顺序，依次画出来。在传动系统图中，通常须标明齿轮和蜗轮的齿数，丝杠的导程和头数，带轮的直径，电动机的功率和转速，传动轴的编号等有关数据。

在分析一个机床的传动系统时，首先要根据加工方法、刀具的材料和尺寸以及工件的材料、加工的精度和表面粗糙度等来确定各传动链中执行件的运动参数，然后再根据各传动链中执行件之间的相对运动关系计算出变速机构的传动比，从而选定合适的传动齿轮副。以上的计算过程就是机床运动参数的调整计算过程，大致可按以下步骤进行，以图3-5所示的普通车刀加工螺纹的传动原理图为例：

1）根据传动原理图，确定各传动链两端件外联系传动链两端件为电动机和主轴，内联系传动链两端件为主轴和刀架。

2）根据两端件的相对运动关系计算位移主轴和刀架的计算位移为：主轴1转—刀架移动S（S为工件螺纹导程，单位为mm）。

3）列出相应的运动平衡式

本例中外联系传动链的运动平衡式为：n主=1450ivi1内联系传动链的运动平衡式为：1×i2ix×p=S

式中i1为外联系传动链的固定传动比，i2为内联系传动链的固定传动比，p为车床丝杠的导程(mm)。

4)导出传动链的换置公式，求出变速机构的传动比外联系传动链的换置公式为：

内联系传动链的换置公式为：

求出iv和ix的值后，用iv和ix的值确定主轴箱和进给箱中变速齿轮的齿数和挂轮架的配换齿轮，从而确定机床的运动参数。

3.2.6数控机床

1.数控机床的定义

数控机床是指采用数字形式信息控制的机床。国际信息处理联盟第五技术委员会对数控机床作了如下定义：数控机床是一个装有数控系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序。数控机床是近代发展起来的、具有广阔发展前景的、新型自动化机床，是高度机电一体化的产品，是体现现代机床水平的重要标志。数控机床解决了形状复杂、高精密、生产批量不大且生产周期短及产品更换频繁的多品种、小批量产品的制造问题，是一种灵活的、高效能的自动化机床，是构成柔性制造系统、计算机集成制造系统的基础单元。常见的数控机床有数控车床、数控钻床、数控镗床、数控铣床、数控磨床、数控加工中心等。

数控机床工作时，首先要将被加工零件图上的几何信息和工艺信息数字化，并按规定的代码和格式编成加工程序；然后把加工程序输入机床数控装置，数控系统把程序进行译码、运算后向机床的各个坐标的伺服装置和辅助控制装置发出指令，驱动机床运动部件，并控制所需要的辅助动作，完成零件的加工。

2.数控机床的组成

数控机床的基本组成包括信息载体、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体等五部分，如图3-8所示。

图3-8数控机床的基本组成

1）信息载体信息载体又称控制介质，用于记录各种加工指令，以控制机床的运动，实现零件的自动加工。

2）数控装置数控装置是数控机床的核心，用于接受读入装置输入的加工信息，经过译码处理与运算，发出相应的指令脉冲给伺服系统，控制机床各执行件按指令要求协调动作，完成零件加工。它由输入装置、运算器、输出装置和控制器四部分组成。目前随计算机技术发展，数控功能可根据用户需要进行任意组合和扩展，可实现几台数控机床之间的数据通信，并可以直接对几台数控机床进行控制。

3）伺服系统伺服系统是以控制移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，它能快速响应数控装置发出的指令。现在普遍采用的是交流数字伺服系统。

4）测量反馈装置测量反馈装置是将位移的实际值检测出来，反馈给数控装置，它的检测精度决定了数控机床的加工精度，测量反馈装置普通应用高分辨率的脉冲编码器。

5）机床本体机床本体采用刚性强、热变形小、高精度的新型机床，在外部造型、传动系统及刀具系统等方面都有很大改进，采用机电一体化的总体布局，机床主机和伺服系统实现了很好的机电匹配。与普通机床相比，数控机床的机械结构，尤其是传动系统的结构大为简化，机床的功能扩充，机床自身精度、加工精度和加工效率显著提高。

3.数控机床的分类

数控机床一般按以下几种方法分类：

1）按工艺用途分类

（1）普通数控机床。在加工工艺过程中的一个工序上实现数字控制的自动化机床，自动化程度还不够完善，工艺可行性和通用机床相似，刀具更换、零件装夹仍需人工完成。（2）数控加工中心机床。数控加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床，又称多工序数控机床，简称加工中心。加工中心在一次装夹后，可进行多种工序加工，能有效避免由于多次安装造成的定位误差，并提高加工生产率。

2）按运动轨迹分类（1）点位控制数控机床。这类机床的数控装置中只能控制行程终点的坐标值，在移动过程中不进行切削加工，即对运动轨迹和速度无要求。这类控制系统主要用于数控钻床、数控镗床、数控冲床、测量机等。（2）点位直线控制数控机床。这类机床不仅要求具有准确的定位功能，还要求当机床的移动部件移动时，可沿平行于坐标轴的直线及与坐标轴成45°的斜线进行切削加工，如数控车床、数控镗铣床等。（3）轮廓控制数控机床。这类机床的控制装置不仅能够准确定位，而且还能够控制加工过程中每点的速度和位置，以得到形状复杂的零件轮廓，如数控铣床、数控磨床、数控加工中心机床等。

3）按伺服系统的控制方式分类

（1）开环控制数控机床。如图3-9所示,机床没有检测反馈装置，加工精度不高，其精度主要取决于伺服系统的精度。

图3-9开环控制系统原理

（2）闭环控制数控机床。如图3-10所示，在开环控制数控机床中增加了检测反馈装置，在加工中时刻检测机床移动部件的位置，以达到较高的加工精度。

图3-10闭环控制系统原理

（3）半闭环控制数控机床。如图3-11所示，半闭环控制数控机床对工作台实际位置不进行检查测量，而是测量伺服电机的转角，推算出工作台实际位移量，并用此值与指令值进行比较，用差值来实现控制，以达到精确定位。这种方式工作台不包括在控制回路内，因此调整方便，目前大多数数控机床采用这种控制方法。

图3-11半闭环控制系统原理

4）其他类型数控机床

（1）金属塑性成形类数控机床。如数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机等。

（2）特种加工数控机床。如数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床、数控火焰切割机、数控三坐标测量机等。此外，还有具有多坐标联动功能、显示功能、通信功能等的数控机床。

4.数控机床的加工特点

(1）数控机床能将生产率提高3～5倍，使用数控加工中心机床则可将生产率提高5～10倍。

(2）数控机床可以获得比机床本身精度还高的加工精度。(3）可加工复杂形状零件，且不需专用夹具。

(4）可实现一机多用，减轻工人劳动强度且节省厂房面积。

(5）有利于生产向计算机控制和管理方面发展，有利于机械加工综合自动化的发展。

(6）数控机床初期投资及维修技术等费用较高，对操作及管理人员的素质要求也较高。

3.3机床夹具的基础知识

3.3.1概述

1.工件装夹的概念

在机床上对工件进行加工时，为了保证加工表面相对其它表面的尺寸和位置精度，首先需要使工件在机床上占有准确的位置，并在加工过程中能承受各种力的作用而始终保持这一准确位置不变。前者称为工件的定位，后者称为工件的夹紧，这一整个过程统称为工件的装夹。在机床上装夹工件所使用的工艺装备称为机床夹具（以下简称夹具）。

工件的装夹，可根据工件加工的不同技术要求，采取先定位后夹紧或在夹紧过程中同时实现定位两种方式，其目的都是为了保证工件在加工时相对刀具及切削成形运动具有准确的位置。例如在牛头刨床上加工一槽宽尺寸为B的通槽，若此通槽只对A面有尺寸和平行度要求时（如图3-12(a)所示），可采用先定位后夹紧的装夹方式；若此通槽对左右侧两面有对称度要求时（如图3-12(b)所示），则要求采用在夹紧过程中实现定位的对中装夹方式。

图3-12需采用不同装夹方式的工件

2.工件装夹的方法

在机床上对工件进行加工时，根据工件的加工精度要求和加工批量的不同，可采用如下两种装夹方法：

1）找正装夹法找正装夹法即通过对工件上有关表面或划线的找正，最后确定工件加工时应具有准确位置的装夹方法。图3-13(a)所示为工件由四爪卡盘夹持，用百分表找正定位。通过四爪卡盘和百分表调整工件的位置，使其外圆表面轴线与主轴回转轴线恰好重合。这样加工完的内孔，就能和已加工过的外圆同轴。

2）夹具装夹法夹具装夹法即通过安装在机床上的夹具对工件进行定位和夹紧，最后确定工件加工时应具有的准确位置的装夹方法。图3-14所示为套筒形工件采用夹具安装，进行钻孔的一个例子。工件1靠定位销轴2外圆表面和轴肩定位，螺母4通过开口垫圈5将工件1夹紧。由于钻套3与定位销轴2在夹具装配时就按工件精度要求调整到正确的位置，所以，钻头经钻套3引导在工件上就能钻出符合要求的孔。开口垫圈5的作用是缩短装卸工件的时间。

图3-13找正装夹法图3-14夹具装夹

3.夹具的组成

通过上述例子可以看出，虽然加工工件的形状、技术要求不同，所使用的机床也不同，但在加工时所使用的夹具大多由以下五个部分组成：

（1）定位元件及定位装置。定位元件的作用是确定工件在夹具中的正确位置，如图3-14中的定位销轴就是定位元件。有些夹具还采用由一些零件组成的定位装置对工件进行定位。

（2）夹紧装置。夹紧装置的作用是用以保持工件在夹具中已确定的位置，并承受加工过程中各种力的作用而不发生任何变化，它由动力装置、中间传力机构、夹紧元件组成。如图3-14中的螺母、开口垫圈等。

（3）对刀及导向元件。在夹具中，用来确定加工时所使用刀具位置的元件称为对刀及导引元件，如图3-14中的钻套。它们的作用是用来保证工件与刀具之间的正确位置。

（4）夹具体。在夹具中，用于连接夹具上各元件及装置使其成为一个整体的基础零件称为夹具体，如图3-14中的件6。

（5）其它元件及装置。根据工序要求的不同，有些夹具上还设有分度装置、上下料装置以及标准化了的其它联接元件。

4.夹具的分类

机床夹具的种类很多，可按夹具的应用范围分类，也可按所使用的动力源进行分类。

1）按夹具的应用范围分类

（1）通用夹具。通用夹具是指结构、尺寸已规格化且具有一定通用性的夹具，如车床、外圆磨床上的三爪和四爪卡盘、顶针和鸡心夹头，铣、刨床上的平口钳、分度头等。其特点是通用性强，无需调整或稍加调整就可用于装夹不同的工件，这类夹具一般已标准化，且成为机床附件供用户使用。其缺点是夹具的加工精度不高，生产效率较低，故主要用于单件和中、小批生产，装夹形状比较简单和加工精度要求不太高的工件。

（2）专用夹具。专用夹具是指针对某一种工件的某一工序的加工要求设计的夹具。此类夹具没有通用性，针对性强，故夹具设计要求结构简单、紧凑、操作迅速和维修方便。专用夹具的设计与制造，生产准备周期较长，当生产的产品或零件工艺过程变更时，往往无法继续使用，故此类夹具只适于在产品固定和工艺过程稳定的大批量生产中使用。

（3）成组夹具。在生产中，有时由于加工批量较小，为每种零件都分别设计专用夹具很不经济，而使用通用夹具又往往不能满足加工精度和生产率的要求，故而采用成组加工工艺，并根据组内的典型代表工件设计成组夹具。这类夹具在使用时，只需对夹具上的部分定位、夹紧元件等进行调整或更换，就可用于组内不同工件的加工。

（4）组合夹具。组合夹具是在夹具零、部件标准化的基础上发展起来的一种适应多品种、小批量生产的新型夹具。它是由一套结构和尺寸已经规格化、系列化的通用元件、合件和部件构成，它们包括：基础件、支承件、定位件、导向件、压紧件、紧固件、辅助件、合件和部件等。这些通用元件、合件和部件是由专业工厂生产供应的，使用单位可根据被加工工件的加工要求，很快地组装出所需要的夹具。夹具使用完毕后，可以将各组成元件、合件等拆开，清洗后入库以备下次组合使用。由于这类夹具具有缩短生产准备周期，减少专用夹具的品种、数量和存放面积等优点，且组装后又可达到较高的精度，故在加工批量较大的生产条件下也是适用的。

2）按夹具上的动力源分类按夹具上的动力源还可将夹具分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、电动夹具、磁力夹具、真空夹具、切削力夹具、离心力夹具等。

3）按使用机床分类按使用机床的不同，夹具可分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、磨床夹具齿轮机床夹具和其它机床夹具等。

5.夹具的作用

夹具在机械加工中的作用可以归纳为以下几个方面：

（1）易于保证加工精度。

采用夹具安装，可以准确地确定工件与机床、刀具之间的相互位置，较容易地保证工件在该工序中的加工精度,减少了对其它生产条件的依赖性。

（2）缩短辅助时间，提高劳动生产率，降低生产成本。

工件在夹具中的装夹和工位转换及夹具在机床上的安装等，都可通过专门的元件或装置迅速完成。此外，还可以采用高效率的多件、多位、快速、联动等夹紧方式，因而可以缩短辅助时间，提高劳动生产率，降低生产成本。

（3）减轻工人劳动强度。

采用夹具后，取消了复杂的划线、找正工作，在夹具中又可采用增力、机动等夹紧机构，使装夹工件方便省力，故可减轻工人劳动强度。

（4）扩大机床的工艺范围，实现一机多能。

根据加工机床的成形运动，附以不同类型的夹具，即可扩大机床原有的工艺范围。例如在车床的滑板上或在摇臂钻床的工作台上装上镗模就可以进行箱体的镗孔加工。

（5）减少生产准备时间，缩短新产品试制周期。

对多品种小批生产，在加工中大量应用通用、可调、成组和组合夹具，可以减少大量的专用夹具设计和制造时间，从而减少生产准备时间。同理，对新产品试制，也同样可以显著缩短新产品的试制周期。

3.3.2工件在夹具中的定位

1.工件定位基本原理

1）六点定位原则

任何一个在空间的自由物体，对于直角坐标系来说，均有六个自由度（如图3-15所示），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。以x、y、z分别表示沿x、y、z三个坐标轴的移动，以x、y、z分别表示绕x、y、z三个坐标轴的转动。要使工件定位，必须限制工件的自由度。工件的六个自由度如果都加以限制了，工件在空间的位置就完全被确定下来了。

分析工件定位时，通常是用一个支承点限制工件的一个自由度，用合理设置的六个支承点，限制工件的六个自由度，使工件在定位装置中的位置完全确定，这就是六点定位原理，也称为“六点定位原则”，如图3-16所示。（（（图3-15工件的六个自由度

图3-16六点定位原则

2）工件定位中的几种情况

要确定工件的定位方法，一是要遵循“六点定位原则”，二是要根据工件具体的加工要求，分析工件应该被限制的自由度，从而选择定位元件。一种具体的定位元件，究竟限制工件的哪几个自由度，要根据具体情形进行分析。工件的定位中有以下几种情况。

（1）完全定位。根据工件加工面的位置度（包括位置尺寸）要求，需要限制六个自由度，而六个自由度全部被限制的定位，称为完全定位。当工件在x、y、z三个坐标方向上均有尺寸要求或位置精度要求时，一般采用这种定位方式。如图3-17所示的工序，在轴上铣槽，此槽的位置，除了须对称于轴的中心线，距轴端保证尺寸a外，还须与上道工序铣出的槽b相隔180°。

图3-17轴在铣槽时的定位

（2）不完全定位。根据工件的加工要求，生产中有时不一定要限制六个自由度，而是只需要限制一个或几个（少于六个）自由度，这样的定位，称为不完全定位。

（3）欠定位。根据工件的加工要求，应必须限制的自由度没有完全被限制，这样的定位称为欠定位。

（4）过定位。工件在定位时，同一个自由度被两个或两个以上的限制点限制，这样的定位称为过定位。

图3-18连杆的定位

图3-19滚齿时齿坯的夹具及定位

2.定位基准的选择

1）基准的概念及其分类

(1)基准。用来确定生产对象上几何要素间的几何关系所依据的点、线、面称为基准。它往往是计算、测量或标注尺寸的起点。根据基准功用的不同，它可以分为设计基准和工艺基准两大类。

图3-20柴油机机体（2）设计基准。设计图样上所采用的基准称为设计基准。它是标注设计尺寸的起点。例如图3-20所示的柴油机机体，平面2和孔3的设计基准是平面1，孔4和孔5的设计基准均是孔3中心线。

（3）工艺基准。在工艺过程中所采用的基准称为工艺基准。根据用途的不同工艺基准可分为定位基准、工序基准、测量基准和装配基准。

①定位基准，即在加工中用作定位的基准。它是工件上与夹具定位元件直接接触的点、线或面。例如图3-20所示的机体，在加工孔3、4、5时，一般用底面2在夹具的支承板上定位，限制三个自由度，所以底面2是加工孔3、4、5时的定位基准。

②工序基准，即在工序图上用来确定本工序所加工表面加工后的尺寸、形状、位置的基准。如图3-20所示的机体，加工孔3时，按尺寸B进行加工，则平面1即为工序基准，加工尺寸B叫做工序尺寸。

③测量基准,即测量时所采用的基准。

④装配基准,即装配时用来确定零件或部件在产品中的相对位置所采用的基准。

说明：作为基准的点、线、面，有时并不是具体存在于零件上（例如轴心线、对称平面等），而是由零件上具体存在的表面来体现的，该表面称为基准面。例如图3-20中孔径的中心线并不是具体存在的，而是通过孔的表面来体现的，所以孔3的内圆表面就是基准面。

2）定位基准的分类与选择

定位基准可分为粗基准和精基准：用毛坯上未经加工的表面作为定位基准的称为粗基准；用经过切削加工的表面作为定位基准的称精基准。定位基准选择的是否合适，对能否保证零件的表面位置精度要求有很大影响。下面分别介绍粗基准和精基准的选择原则。

（1）粗基准的选择原则。

选择粗基准时，应考虑两个问题：一是保证加工面与不加工面之间的相互位置精度要求；二是合理分配各加工面的加工余量。一般应遵循以下原则：

①重要表面原则。如图3-21所示的车床床身导轨表面是重要表面，车床床身在粗加工时，为了保证导轨面有均匀的金相组织和较高的耐磨性，应使其加工余量适当而且均匀，为此先以导轨面作为粗基准加工床脚面，再以床脚面为精基准加工导轨面。

②不加工表面原则。若在设计上要求保证加工面与不加工面之间的相互位置精度，则应选择不加工面作为粗基准。如图3-22所示的工件，在毛坯铸造时，毛孔2与外圆1之间有偏心。如果外圆1是不加工表面，设计上要求外圆1与加工后的孔3保证一定的同轴度，则在加工时应选择不加工表面1作为粗基准，以保证加工孔3与外圆1同轴，壁厚均匀。

图3-21床身加工的粗基准选择

图3-22保证壁厚均匀的粗基准选择

如果工件上有好几个不加工表面，则应选择与其中加工面位置要求较高的不加工面作为粗基准，以便于保证精度要求，使外形对称等。

③余量最小原则。如果零件上每个表面都要加工，则应选择加工余量最小的表面作为粗基准，以避免该表面在加工时因余量不足而留下部分毛坯面，造成废品。

④使用一次原则。粗基准一般只在第一道工序中使用一次，尽量避免重复使用。因为毛坯面粗糙且精度低，重复使用易产生较大的误差。

⑤平整光洁原则。作为粗基准的表面，应尽量平整光洁，有一定面积，不能有飞边、浇口、冒口或其他缺陷，以使工件定位可靠、夹紧方便。

（2）精基准的选择。

选择精基准时，主要应考虑保证加工精度和工件安装方便可靠。一般应遵循以下原则：

①基准重合原则。选择精基准时应尽量选用零件上的设计基准作为定位基准，以避免定位基准与设计基准不重合而引起的定位误差。

②基准统一原则。应尽可能采用同一组基准定位加工零件上尽可能多的表面，这就是基准统一原则。这样可以减少基准转换，便于保证各加工表面的相互位置精度。例如加工轴类零件时，采用两中心孔定位加工各外圆表面，就符合基准统一原则。箱体零件采用一面两孔定位，齿轮的齿坯和齿形加工多采用齿轮的内孔及一端面作为定位基准，均符合基准统一原则。

③自为基准原则。某些加工工序，加工余量小而均匀，常选择加工表面本身作为定位基准，称为自为基准原则。例如，磨削床身导轨面时，就以导轨面本身为基准来找正，还有浮动镗刀镗孔、珩磨孔、无心磨外圆等也都是自为基准的实例。

④互为基准原则。当对工件上两个相互位置精度要求很高的表面进行加工时，需要用两个表面互相作为基准，反复进行加工，以保证位置精度要求。例如要保证精密齿轮的齿圈跳动精度，在齿面淬硬后，先以齿面定位磨内孔，再以内孔定位磨齿面，从而保证位置精度。

⑤所选精基准应保证工件定位准确，夹紧可靠、操作方便。

3.定位元件的选择与设计

工件在夹具中定位，主要是通过各种类型的定位元件实现的。在机械加工中，虽然被加工工件的种类繁多、形状各异，但从它们的基本结构来看，不外乎是由平面、圆柱面、圆锥面及各种成形面所组成。所以可根据各自的结构特点和工序加工精度要求，选择其上的平面、圆柱面、圆锥面或它们之间的组合表面作为定位基准。因此，在夹具设计中可根据需要选用下述各种类型的定位元件。

1）平面定位元件

在夹具设计中常用的平面定位元件有固定支承、可调支承、自位支承及辅助支承等。在工件定位时，上述支承中除辅助支承外均对工件起主要定位作用。

（1）固定支承。在夹具体上，支承点的位置固定不变的定位元件称为固定支承。根据工件上平面定位基准的加工状况，可选取如图3-23所示的各种支承钉或支承板。

图3-23各种类型的固定支承钉和支承板

(2）可调支承。在夹具体上，支承点的位置可调节的定位元件称为可调支承。图3-24所示即为常用的几种可调支承结构。这几种可调支承都是采用螺钉螺母形式，并通过螺钉和螺母实现支承点位置的调节。其中图（a）是直接用手或扳杆拧动球头螺钉进行调节，一般适用于重量较轻的小型工件；图（b）则是通过扳手进行调节，故适用于较重的工件；图（c）是供设置在工件侧面进行支承点位置的调节用的。可调支承的支承点位置，一经调节适当后，便须通过锁紧螺母锁紧，以防止在夹具使用过程中定位支承螺钉的松动而使其支承点位置发生变化。

图3-24各种可调支承

(3）自位支承，又称浮动支承，是指支承点的位置在工件定位过程中，随工件定位基准面位置的变化而自动与之相适应的定位元件。因此，这类支承在结构上均需设计成活动或浮动的。其工作特点是：在定位过程中支承点位置能随工件定位基面位置的变化而自行浮动并与之相适应。当自位支承中的一个点被压下，其余点即上升，直到这些点都与定位基面接触为止。自位支承的作用仍相当于一个固定支承，只限制一个自由度，如图3-25所示。

图3-25自位支承例子

(4）辅助支承。在夹具中，为提高工件支承刚性或起辅助作用的定位元件，称为辅助支承。在夹具设计中，为了实现工件的预定位或提高工件定位的稳定性，常采用辅助支承。其工作特点是：待工件定位夹紧后，再调整辅助支承，使其与工件的有关表面接触并锁紧，而且辅助支承是每安装一个工件就调整一次。如图3-26所示，由于工件的重心超出主要支承所形成的稳定区域时，工件重心所在一端便会下垂而使工件上的定位基准面脱离定位元件。为了避免出现这种现象，可以在工件重心所在部位下方设置辅助支承，先实现预定位，然后在夹紧力作用下再实现与主要定位元件全部接触的准确定位。辅助支承的常用结构有螺旋式辅助支承、自位式辅助支承、推引式辅助支承和液压锁紧辅助支承。

图3-26辅助支承在工件定位中的作用

2）圆孔表面定位元件

在夹具设计中常用于圆孔表面的定位元件有定位销、圆柱心轴和锥度心轴等。

（1）定位销（圆柱销)。在夹具中，工件以圆孔表面定位时使用的定位销一般有固定式和可换式两种。

图3-27所示为常用的固定式定位销的几种典型结构。当被定位工件的圆孔尺寸较小时，可选用图（a）所示的定位销结构，这种带有小凸肩的定位销结构，与夹具体连接时稳定牢靠。当被定位工件的圆孔尺寸较大时，选用图（b）所示的结构即可。若被定位工件同时以其上的圆柱孔和端面组合定位时，还可选用图（c）所示的带有支承垫圈的定位销结构。支承垫圈与定位销可做成整体式的，也可做成组合式的。为保证定位销在夹具上的位置精度，一般与夹具体的连接采用过盈配合。

图3-27固定式定位销

在大批大量生产中，由于定位销磨损较快，为保证工序加工精度需定期维修更换，此时常采用便于更换的可换式定位销。如图3-28（a）所示为常用的可换式定位销，为了便于定期更换，在定位销与夹具体之间装有衬套，定位销与衬套内径的配合采用间隙配合，而衬套与夹具体则采用过渡配合。由于这种定位销与衬套之间存在装配间隙，故其位置精度较固定式定位销低。

图3-28可换式定位销和锥面定位销

为了便于工件的顺利装入，上述定位销的定位端头部均加工成15°的大倒角，各种类型定位销对工件圆孔定位时限制的自由度，应视其与工件定位孔的接触长度而定，一般选用长定位销时限制四个自由度，选用短定位销时则限制两个自由度。若采用削边销，则分别限制两个或一个自由度。当采用如图3-28（b）所示的锥面定位销定位时则相当于三个支承点，限制三个自由度。

在固定式和可换式定位销中，为适应以工件上的两孔一起定位的需要，应在两个定位销中采用一个削边定位销。常用削边定位销的结构形状如图3-29（a）所示，分别用于工件孔径D＜∅3mm、∅3mm＜D＜∅50mm及D＞∅50mm的定位。直径为∅3～50mm的削边定位销都做成菱形，其标准结构如图3-29（b）所示。标准菱形定位销的结构尺寸，在夹具设计时可按表3-3所列数值直接选取。

图3-29常用削边定位销和菱形定位销的标准结构

表3-3标准菱形定位销的结构尺寸

（2）圆柱心轴。圆柱心轴的结构如图3-30所示。其中，图（a）所示为带有凸肩并与工件圆孔过盈配合的心轴，心轴由导向部分1，定位部分2及传动部分3组成。导向部分的作用是使工件能迅速正确地套在心轴的定位部分上，其直径尺寸按间隙配合选取。心轴两端设有顶尖孔，其左端传动部分铣扁，以便于能迅速放入车床主轴上带有长方槽的拨盘中。图（b）所示为无凸肩的过盈配合心轴，用此种心轴可同时定位加工工件的两端面，工件在心轴上的轴向位置L1在工件用油压压入心轴时予以保证。上述两种圆柱心轴，定位精度高，但装卸工件麻烦，生产效率较低。图（c）所示为带凸肩并与工件圆孔间隙配合的心轴，使用时需用螺母5夹紧，其上的开口垫圈4是为了迅速装卸工件而设置的。

图3-30圆柱心轴

（3）锥度心轴。为了消除工件与心轴的配合间隙，提高定心定位精度，在夹具设计中还可选用如图3-31所示的小锥度心轴。定位时，工件楔紧在心轴锥面上，楔紧后由于孔的局部弹性变形，使它与心轴在长度Lx上为过盈配合，从而保证工件定位后不致倾斜。此外，加工时也靠此楔紧所产生的过盈部分带动工件，而不需另外再夹紧工件。

图3-31锥度心轴

3）外圆表面定位元件

在夹具设计中常用于外圆表面的定位元件有V形块、支承板和定位套等。V形块则实现对外圆表面的定心对中定位，各种定位套对工件外圆表面主要实现定心定位，支承板实现对外圆表面的支承定位。

（1）V形块。

在夹具中，为了确定工件定位基准——外圆表面中心线的位置，也常采用以两个支承平面组成的V形块定位。此种V形块定位元件，还可对具有非完整外圆表面的工件进行定位。常见的V形块结构如图3-32所示，其中长V形块限制工件的四个自由度，短V形块则只限制工件的两个自由度。对由两个高低不等的短V形块组成的定位元件，还可实现对阶梯形的两段外圆表面中心连线的定位。V形块在对工件定位时，还可起对中作用，即通过与工件外圆两侧母线的接触，使工件上的外圆中心线对中在V形块两支承斜面的对称面上。

图3-32常见的V形块结构

V形块上两斜面的夹角α一般选用60°、90°和120°三种，最常用的是夹角为90°的V形块。90°夹角的V形块的结构和尺寸可参阅有关国家标准。当在夹具设计过程中，需根据工件定位要求自行设计V形块时，则可参照图3-33对有关尺寸进行计算。

当自行设计一个V形块时，d是已知的，而H和N确定以后，即可求出其他相关尺寸了。

图3-33V形块的典型结构及主要尺寸设计时尺寸H的取值：

用于大外圆直径定位时，取H≤0.5d;

用于小外圆直径定位时，取H≤1.2d。

尺寸N的取值：

当α=60°时，N=1.16d－1.15h

；

当α=90°时，N=1.41d－2h；

当α=120°时，N=2d－3.46h。

h=（0.14～0.16）d图3-34V形块定位的代用元件及活动的V形块

（2）定位套。

在夹具中，工件以外圆表面定心定位时，常采用如图3-35所示的各种定位套。其中，图3-35（a）所示为短定位套和长定位套，它们分别限制被定位工件的两个和四个自由度。图3-35（b）所示为锥面定位套，和锥面销对工件圆孔定位一样，它限制了工件的三个自由度。在夹具设计中，为了装卸工件的方便也可采用如图3-35（c）所示的半圆套对工件外圆表面进行定心定位。根据半圆套与工件定位表面接触的长短，将分别限制工件的四个或两个自由度。各种类型定位套和定位销一样，也可根据被加工工件批量和工序加工精度要求，设计成为固定式和可换式的。同样，固定式定位套在夹具中可获得较高的位置定位精度。

图3-35各种类型定位套

（3）支承板。在夹具中，工件以外圆表面的侧母线定位时，常采用平面定位元件——支承板。支承板对工件外圆表面的定位属于支承定位，定位时限制自由度数的多少将由它与工件外圆侧母线接触的长短确定。如图3-36(a)所示，当两者接触长度较短时，支承板对工件限制了一个自由度；当两者接触长度较长时,如图3-36(b)所示，则限制了工件的两个自由度。

图3-36支承板对工件外圆的定位

表3-4常用定位元件及所能限制的自由度

表3-4常用定位元件及所能限制的自由度

4.定位误差的分析与计算

工件的加工精度，取决于刀具与工件之间正确的相互位置，而影响这个正确位置关系的误差因素有以下几种：

(1)定位误差ΔD：它是指一批工件在夹具中的位置不一致而引起的误差。

(2)调安误差ΔT-A（调整和安装误差）：调整误差是指夹具上的对刀元件或导向元件与定位元件之间的位置不准确所引起的误差；安装误差是指夹具在机床上安装时引起定位元件与机床上安装夹具的装夹面之间位置不准确的误差。

(3)加工过程误差ΔG：由机床运动精度和工艺系统的变形等因素引起的误差。

为了得到合格零件，必须使上述各项误差之和等于或小于零件的相应公差δk，即

ΔD+ΔT-A+ΔG≤δk此式称为加工误差的不等式。在对定位方案进行分析时，假设这三项误差各占工件公差的1/3。这里，我们重点分析与工件在夹具上定位有关的误差ΔD。设计夹具过程中,选择和确定工件的定位方案，除了根据定位原理选用相应的定位元件外，还必须对选定的工件定位方案能否满足工序的加工精度要求作出判断，为此就需对可能产生的定位误差进行分析和计算。

1）定位误差产生的原因和计算

造成定位误差的原因有两个：一是由于定位基准与设计基准不重合，而使工件尺寸产生的加工误差，称基准不重合误差，用ΔB

表示；二是由于定位基准面和定位元件的工件表面的制造误差及配合间隙的影响，而使工件产生的加工误差，称为基准位移误差，用ΔY表示。

（1）基准不重合误差ΔB的计算。如图3-37(a)所示零件，底面3与侧面4已加工好。现在要加工1、2两平面，用底面3和侧面4定位。其定位误差分析如下：图（b）所示为加工平面2，这时定位基准和设计基准均为底面3，基准重合，即ΔB=0。图（c）所示为加工平面1，这时定位基准是底面3，设计基准是上平面2，两者不重合。加工时，同样将刀具调整到尺寸C，尺寸C是定值，当一批工件逐个在夹具上定位时，受到尺寸H±ΔH的影响，设计基准2的位置是变动的，尺寸从H-ΔH变化到H+ΔH，就给尺寸A带来误差，这就是基准不重合误差。显然它的大小应等于引起设计基准相对定位基准在加工尺寸方向上发生的最大变动量，即ΔB=2ΔH

。

图3-37定位误差分析

由此可以得出基准不重合误差的计算方法如下：

①定位基准与设计基准重合时，ΔB=0；

②定位基准与设计基准不重合时分两种情况：

当设计基准相对定位基准的变动方向与加工尺寸方向一致时，

ΔB=∑δdi（从设计基准到定位基准之间所有尺寸公差之和);

当设计基准相对定位基准的变动方向与加工尺寸方向有一夹角β时，

ΔB=∑δdi

cosβ（从设计基准到定位基准之间所有尺寸公差之和在加工尺寸方向上的投影）。

（2）基准位移误差ΔY的计算。

①工件以平面定位时，定位基面的位置可以看成是不变的，因此ΔY=0，如图3-37所示，基准位移误差为零。

②工件以圆孔表面定位时,其可能产生的定位误差将随定位方式和定位时圆孔与定位元件配合性质的不同而各不相同。现分别进行分析和计算。

·工件上圆孔与刚性心轴或定位销过盈配合，定位元件水平或垂直放置因为过盈配合时，定位副间无间隙，所以定位基准的位移量为零,即

ΔY=0

·工件上圆孔与刚性心轴或定位销间隙配合，定位元件水平放置（固定单边接触）由于定位销水平放置且与工件内孔有配合间隙，若每个工件在重力作用下均使其内孔上母线与定位销单边接触，如图3-38所示，由于定位副的制造误差，将产生定位基准位移误差：

图3-38工件以圆孔定位时的位移误差

为安装方便，有时还增加一最小间隙Δmin。由于Δmin是常量，它可在调整刀具时预先加以考虑消除Δmin的影响，因此在计算ΔY时可不计Δmin的影响。

·工件上圆孔与刚性心轴或定位销间隙配合，定位元件垂直放置（任意边接触）

定位心轴垂直放置时，与工件内孔可能任意边接触，应考虑加工尺寸方向的二个极限位置及孔的最小配合间隙Δmin的影响，此时Δmin无法在调整刀具尺寸时预先予以补偿，因此在加工尺寸方向上的最大基准位移误差为：

ΔY=D

max－dmin=δTD+δTd+Δmin=ESD－eid

③工件以外圆表面定位时,V形块最为常用。下面主要分析工件以外圆在V形块上定位时产生的基准位移误差。如不考虑V形块的制造误差，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，在垂直方向上因工件外圆有制造误差，故如图3-39所示，通过计算可得：

当α=90°时，ΔY=0.707δd。

图3-39工件以外圆表面定位时的位移误差

当这个基准位移误差方向与加工尺寸方向有一夹角β

时，则应把基准位移误差投影到加工尺寸方向上，即：ΔY=O1O2cosβ。

当α=90°时，ΔY=0.707δdcosβ。

2）定位误差的计算

定位误差是由基准不重合误差和基准位移误差两方面组成，由上述分析及对于定位误差的计算，可以总结如下规律：

①当ΔB=0，ΔY=0时，ΔD=0；

②当ΔB=0，ΔY≠0时，ΔD=ΔY；

③当ΔB≠0，ΔY=0时，ΔD=ΔB；

④当ΔB≠0，ΔY≠0时，如果设计基准不在定位基面上，ΔD=ΔB+ΔY；

如果设计基准在定位基面上，ΔD=ΔB±ΔY。

“±”的取向：

分析定位基面尺寸由大变小（或由小变大）时，判断定位基准的变动方向；

定位基面尺寸由大变小（或由小变大）时，定位基准不动，判断设计基准的变动方向。

若两者变动方向相同，取“+”，两者变动方向相反，取“－”。

图3-40定位误差计算

3）定位误差计算举例

【例1】如图3-40所示，工件以A面定位加工∅20H8孔，求加工尺寸40±0.1mm的定位误差。

解①求基准不重合误差ΔB

定位基准：A面。

设计基准：B面。

故:ΔB=∑δdi=0.05+0.1=0.15mm②求基准位移误差ΔY

工件以平面定位，故ΔY=0

③求定位误差ΔD

ΔD=ΔB+ΔY=0.15mm

【例2】如图3-41所示，用角度铣刀铣削斜面，求加工尺寸为39±0.04mm的定位误差。

解①求基准不重合误差ΔB

定位基准：80的中心线。

设计基准：80的中心线。

故:ΔB=0②求基准位移误差ΔY

ΔY=0.707δdcosβ=0.707×0.04×cos30°=0.024mm③求定位误差ΔD

ΔD=ΔB+ΔY=0.024mm图3-41定位误差计算

图3-42定位误差计算

【例3】如图3-42所示，工件以外圆柱面在V形块上定位加工键槽，保证键槽，试计算其定位误差。

解①求基准不重合误差ΔB

定位基准：工件的中心线。

设计基准：工件的下母线。

故:②求基准位移误差ΔY

ΔY=0.707δd=0.707×0.025=0.0177mm③求定位误差ΔD因为设计基准在定位基面上，且设计基准变动方向与定位基准变动方向相反故：

ΔD=ΔY－ΔB=0.0177－0.0125=0.0052mm3.3.3工件在夹具中的夹紧

1.夹紧装置的组成及设计要求

1）夹紧装置的组成

夹紧装置一般由下面两个基本部分组成。

（1）动力源，即产生原始作用力的部分。如果用人力对工件进行夹紧，称为手动夹紧；用气动、液压、气液联合、电动以及机床的运动等动力装置来代替人力进行夹紧，为机动夹紧。

（2）夹紧机构,即接受和传递原始作用力，使之变为夹紧力，并执行夹紧任务的部分。它包括中间传力机构和夹紧元件。中间传力机构把来自人力或动力装置的力传递给夹紧元件，再由夹紧元件直接与工件接触，最终完成夹紧任务。

2）夹紧装置的设计要求

夹紧装置的设计和选用是否正确合理，对于保证加工质量、提高生产率、减轻工人劳动强度都有很大影响。为此，对夹紧装置提出了如下基本要求：

（1）在夹紧过程中应能保持工件在定位时已获得的正确位置。

（2）夹紧应适当和可靠。夹紧机构一般要有自锁功能，保证在加工过程中工件不会产生松动和振动。在夹紧工件时，不许使工件产生不适当的变形和表面损伤。

（3）夹紧机构应操作方便，安全省力，以便减轻工人劳动强度，缩短辅助时间，提高生产效率。（4）夹紧机构的复杂程度和自动化程度应与生产类型相适应。

（5）结构设计应具有良好的工艺性和经济性，结构紧凑，有足够的强度和刚度。应尽可能采用标准化夹紧装置和元件，以缩短夹具设计和制造周期。

2.夹紧力的确定

1）夹紧力的方向

（1）夹紧力应垂直于主要定位基准面。为使夹紧力有助于定位，工件应紧靠支承点，并保证各个定位基准与定位元件接触可靠。一般地讲，工件的主要定位基准面其面积较大，精度较高，限制的自由度多，夹紧力垂直作用于此面上，有利于保证工件的加工质量。

（2）夹紧力方向应使工件变形尽可能小。由于工件在不同方向上刚度是不等的，不同的受力表面也因其接触面积大小不同而变形各异，尤其是在夹紧薄壁零件时，更需注意。

2）夹紧力作用点的确定

夹紧力的作用点是指夹紧元件与工件相接触的一小块面积，选择作用点就是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，应注意以下几点：

（1）夹紧力的作用点应落在支承元件上或几个支承元件所形成的支承范围内。如图3-43所示的例子，夹紧力虽然朝向主要定位基面，但作用点却在支承范围以外，夹紧力与支反力构成力矩，夹紧时工件将发生偏转，使定位基面与支承元件脱离，以至破坏原有定位，因此应使夹紧力作用在稳定区域内。

（2）夹紧力的作用点，应落在工件刚性较好的部位上，如图3-44所示。

图3-43夹紧力作用点的位置不对图3-44

夹紧力应落在工件刚性较好的部位上（3）夹紧力应尽量靠近加工表面。夹紧力靠近加工表面，可减小切削力对夹紧点的力矩，从而有效地减小加工时工件的振动。

图3-45中，加工面离夹紧力Q1作用点较远，这时应增添辅助支承，并附加夹紧力Q2，以减少工件受切削力后产生位置变动、变形或振动。

图3-45增添辅助支承和附加夹紧力

3）夹紧力大小的估算

夹紧力的大小要适当，过大会使工件产生变形，过小则在加工时会松动,造成报废甚至发生事故。

在手动夹紧时，可凭人力来控制夹紧力的大小，一般不作计算。

当设计机动（如气动、液压、电力等）夹紧装置时，则应计算夹紧力的大小，以便决定动力部件的尺寸（如气缸、活塞的直径等）。

夹紧力的计算，通常先根据切削原理的公式求出切削力的大小。必要时，也要算出惯性力和离心力，再与工件重力及待求的夹紧力组成静平衡力系，求出夹紧力的大小。算出夹紧力后，再乘以安全系数K，作为实际所需的夹紧力。粗加工时值取2.5～3，精加工时取1.5～2。

3.典型的夹紧机构

在夹紧机构中，绝大多数都是用斜面楔紧原理来夹紧工件的，其基本形式是斜楔夹紧，而螺旋夹紧、偏心夹紧等都是它的变形。

1）斜楔夹紧

斜楔主要是利用其斜面移动时所产生的压力来夹紧工件的，这也是所谓的楔紧作用，如图3-46所示。斜楔夹紧机构具有以下特点：

(1)具有自锁性能，所谓自锁即当外力撤消后，夹紧机构在纯摩擦力的作用下，仍保持其处于夹紧状态而不松开。

(2)斜楔能改变夹紧作用力的方向。

(3)斜楔具有扩力作用。

(4)斜楔的夹紧行程很小。

(5)斜楔夹紧效率低。因斜楔与夹具体及工件间是滑动摩擦，故效率低。

图3-46斜楔的结构斜楔的适用范围为：

(1)毛坯质量较高时。

(2)主要用于机动夹紧装置中，手动的夹紧机构，因费时费力而效率极低，故实际上较少采用。

2）螺旋夹紧

螺旋夹紧机构结构简单，夹紧可靠，特别是增力大，自锁性能好，非常适用于手动夹紧，在生产中使用极为普遍，主要缺点是夹紧和松开比较费时费力。

图3-47(a)所示为最简单的螺旋夹紧机构，其直接用螺杆来压紧工件表面。图3-47(b)所示为典型的螺旋夹紧机构（单螺杆夹紧），手柄1固定在螺杆2上，旋转手柄，则螺杆在螺母套筒3的内螺纹中转动，起夹紧或松开作用。螺母套筒以螺纹拧在夹具体上，使螺杆不直接与夹具体接触，以防止夹具体磨损。止动螺钉4防止螺母套筒松动。若用螺杆头部直接压紧工件，则不仅容易压坏工件表面，而且在拧动螺杆时，还会带动工件偏转而破坏原有定位，因此在螺杆头部装有摆动的压块5。压块的典型结构如图3-48所示。

图3-47单个螺旋夹紧机构

图3-48摆动压板

图3-49螺旋压板机构

3）联动夹紧

联动夹紧可以在一处操作，就能和几个夹紧点同时夹紧一个或几个工件，这样可缩短以工件夹紧的辅助时间，提高生产率。

联动夹紧分单件联动夹紧和多件联动夹紧。

（1）单件多点联动夹紧机构。多点夹紧是用一个原始作用力，通过浮动压头在多个点对工件进行夹紧，如图3-50所示就是常见的两种浮动压头。

图3-50浮动压头

浮动压头的作用是：当浮动压头一点在夹紧力作用下接触工件后，它能摆动（如图3-50(a)所示）或移动（如图3-50(b)所示），使两个或多个夹紧点都接触工件，这样夹紧力就能均匀地作用在各夹紧点上，可以缩短工件的夹紧时间，大大提高生产率。

（2）多件联动夹紧机构。用一个原始作用力，通过一定的机构对数个相同或不同的工件进行夹紧称为多件夹紧。多件夹紧机构多用手动夹紧小型工件，在铣床夹具中应用最广。根据夹紧力的方向和作用情况，一般有下列几种形式：

①串行式多件夹紧：如图3-51所