《机械制造工程学》课件第四章

第四章机床夹具原理与设计4.1机床夹具的基本概念4.2机床夹具定位原理和定位设计4.3定位误差分析4.4工件的夹紧4.5夹具的组成部件4.6常用夹具4.7机床夹具的设计方法4.8计算机辅助夹具的发展

4.1机床夹具的基本概念

1.夹具的组成

图4-1所示为一种铣床夹具,用于在卧式铣床上加工法兰盘90法兰上的两个平面,工件以端面和内孔为定位基准,在支承板和定位销上实现5点定位,采用汽缸通过联动的铰链机构带动压爪夹紧工件。图4-1铣床夹具分析图4-1所示的铣床夹具可知，机床夹具一般由以下几部分组成:

(1)定位元件：用于确定工件在夹具中的位置。

(2)夹紧装置:用于夹紧工件。对于非手动夹具,夹紧动力源也是夹紧装置的一部分。

(3)对刀、引导元件或装置:用于确定刀具相对夹具定位元件的位置。

(4)连接元件:用于确定夹具本身在机床主轴或工作台上的位置。

(5)夹具体：用于将夹具上的各种元件和装置连接成一个有机的整体。夹具体是夹具的基础件。

(6)其他元件及装置:如用于分度的分度元件、用于自动上下料的上下料装置等。定位元件、夹紧装置和夹具体是夹具的基本组成部分。

2.夹具的分类

夹具可以从不同的角度来分类。按工艺过程的不同,夹具可分为机床夹具、检验夹具、装配夹具、焊接夹具等。按机床种类的不同,夹具可分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具(钻模)、镗床夹具(镗模)、磨床夹具和齿轮机床夹具等。

按所采用的夹紧动力源的不同,夹具又可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、电动夹具、电磁夹具和真空夹具等。按夹具结构与零部件的通用性程度，夹具可分为机床附件类夹具、可调夹具、随行夹具、组合夹具和专用夹具等。

机床附件类夹具包括三爪卡盘、四爪卡盘、机用虎钳、万能分度头、电磁工作台等。这类夹具结构的通用化程度高,又能适应在各种不同机床上使用。其最大特点是通用性

强,使用时无需调整或稍加调整,可适用于多种类型不同尺寸工件的装夹,因而被广泛应用于单件小批量生产中。通用可调夹具和成组夹具统称可调夹具，它们的结构通用性很好。可调夹具是在成组工艺的基础上发展起来的。此类夹具是根据成组工艺的要求,针对一组零件的某一工序而专门设计的可调夹具,即对某一组零件是专用的,而对组内的零件是通用的,使用时只需对夹具上的相关元件加以调整即可。使用成组夹具时要求一组零件的工艺相似、装夹表面相似、尺寸相似、材料相似、精度相似。随行夹具是自动或半自动生产线上使用的夹具。虽然它只适用于某一种工件,但毛坯装上随行夹具后,可从生产线开始一直到生产线终端在各位置上进行各种不同工序的加工。

因此,它的结构也具有适用于各种不同工序加工的通用性。组合夹具的零部件具有高度的通用性,可用来组装成各种不同的夹具。但一经组装成一个夹具以后,其结构是专用的,只适用于某个工件的某道工序的加工。

4.2机床夹具定位原理和定位设计

4.2.1机床夹具定位原理

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,即沿x、y、z三个坐标轴方向的移动自由度、、和绕三个坐标轴的转动自由度、、,如图4-2所示。图4-2工件在空间的六个自由度要限制工件的六个自由度,理论上至少需要在空间按一定规律分布的六个支承点,如图4-3所示。

在夹具中用空间合理布置的六个支承点与工件接触,分别限制工件相应的六个自由度,从而使工件在空间得到唯一确定位置的方法,称为工件的六点定位原理。图4-3工件在空间的六点定位

2.工件在夹具中的定位

1)找正法定位

如果先按加工要求进行加工面位置的划线工序,然后再按划出的线痕进行找正,从而实现装夹,这种找正方法称为划线找正法,如图4-4所示。图4-4划线找正法定位

2)夹具定位

采用按照被加工工件的加工工序专门设计的专用夹具、组合夹具、成组夹具、随行夹具等安装工件时,不需要进行找正,便能直接得到准确加工位置,从而实现装夹。这种定位方法安装方便,定位准确,生产效率高。

3.定位基准

1)设计基准

在零件图上,用以确定某一轮廓要素(点、线、面)位置所依据的轮廓要素,称为设计基准。设计基准是标注尺寸的起点。图4-5所示的齿轮零件图中,外圆表面及内孔的设计基准为其中心线,长度尺寸的设计基准为齿轮的右端面。图4-5设计基准与工艺基准

2)工艺基准

在机械加工、测量和装配过程中所使用的基准称为工艺基准。工艺基准按用途不同分为定位基准、测量基准、装配基准。在加工中使工件在机床或夹具上占有正确位置所采用的点、线、面称为定位基准。如图4-6所示,工件以A面与定位元件接触,加工C面,A面即为定位基准。图4-6工艺基准

4.工件在夹具中定位的几种情况

1)完全定位

工件的6个自由度完全被限制而在夹具中占有完全确定的唯一位置的定位,称为完全定位。如图4-3所示,若在工件上铣键槽,要求保证工序尺寸及键槽侧面和底面分别与工件侧面和底面平行,那么加工时必须限制6个自由度,采用完全定位。

2)不完全定位

不完全定位就是被限制的自由度少于6个的定位。工件在夹具中究竟应限制哪几个自由度，需根据具体加工要求确定。生产中,工件被限制的自由度一般不少于3个。

3)欠定位

按工序的加工要求,工件必须被限制的自由度未予限制的定位,称为欠定位。在确定工件定位方案时,欠定位是绝对不允许的。

例如,在图4-3中,若没有被限制,则出现欠定位,从而无法保证x向尺寸,这是不允许的。

4)过定位

工件的同一自由度被两个或两个以上的支承点重复限制的定位,称为过定位,也称为重复定位。如图4-7所示,长定位销限制了工件的4个自由度,大平面支承板限制了工件的3个自由度,挡销限制了工件的1个自由度,共限制了工件的8个自由度,其中和被两个定位元件重复限制,这就产生了过定位。图4-7连杆的过定位4.2.2定位元件

1.定位元件的基本要求

定位元件尺寸精度一般为IT6~IT8级;表面粗糙度一般为0.2~0.8μm;采用T7A、T8A、T10A直接淬火,大元件采用20或20Cr渗碳淬火,淬火硬度要求为HRC58~64。

2.定位平面

1)支承钉

支承钉的结构如图4-8所示。图中,A型为平头支承钉,B型为球头支承钉,C型为齿纹式支承钉。其中,A型支承钉用于精基准定位,B型、C型用于毛坯面的定位,而C型支承钉的齿纹可增加摩擦力,使定位稳定。为了便于清理切屑,定位时一般在侧面。以上三种支承钉与夹具体的连接配合常采用过盈配合,又称固定式支承钉。由于支承钉在使用中不断磨损,使定位精度下降,甚至导致夹具报废,故而可采用可换式支承钉。如图4-8(d)所示,支承钉通过衬套和夹具体相连,衬套外径与夹具体孔的配合为过盈配合,内径与支承钉的配合为过渡

配合。图4-8支承钉

2)支承板

图4-9所示为标准支承板。图中,A型支承板结构简单,但切屑易落入沉头螺钉头部与沉头孔配合处,不易清理,一般用于侧面定位或顶面定位;B型支承板的工作平面上开有斜槽,紧固螺钉沉头孔位于斜槽内,由于支承板定位工作平面高于紧固螺钉沉头孔,因此工件沿其平面推入定位时,切屑排入斜槽内,不影响定位精度，一般用于底面定位。图4-9支承板

3)可调支承

可调支承的支承面在高度方向上可以调节,其结构见图4-10。一般采用螺旋调节,当调节到所要求的高度后,必须用螺母锁紧以防止位置发生变化。图4-10可调支承

4)自位支承

自位支承在工件定位过程中能自动调整定位元件的位置。图4-11(a)为三点球面式自位支承,图4-11(b)、(c)、(d)为两点式自位支承。同固定支承相比,自位支承接触点数目增多,提高了工件的定位稳定性,而其作用和支承钉相同,仅限制工件的1个自由度。图4-11自位支承

5)辅助支承

在夹具设计中,有时为了提高工艺系统中工件或夹具的刚性或稳定性,以提高加工质量,保证加工要求,可使用辅助支承。辅助支承锁紧后就成为固定支承,能承受切削力。它不限制工件的自由度,不起定位作用,因而不是定位元件。图4-12所示的夹具定位方案中,工件已由平面和两孔在平面支承和两定位销上达到完全定位,但加工凸座面时向左的切削力会使工件产生严重的变形和振动,无法进行正常加工。此时在左方设置辅助支承,可以提高工件的刚性,保证加工质量。图4-12夹具定位方案最简单的辅助支承是螺旋调节式结构,如图4-13所示。辅助支承在装夹工件之前首先要调节到最低位置,等工件装夹后再向上调节直至与工件接触为止,加工完毕后,又必须把辅助支承重新调节到较低位置,以免影响后续工件的定位。待第二个工件装夹完毕后,再把辅助支承向上调节直至与工件接触为止。图4-13辅助支承由于一批工件存在制造误差,因此辅助支承各次接触工件的位置都不相同,如此反复进行调整费工费时,效率较低。图4-14为自位式辅助支承。图中,支承受弱弹簧顶力的作用始终向上占最高位置。当装夹工件时,支承受工件重力被压下,但始终与工件保持接触,在工件装夹后,加外力于顶销,通过顶销与支承的斜面接触将支承锁紧,起辅助支承作用。当加工完毕后,应先松开锁紧顶销,再装夹下一个工件。图4-14自位式辅助支承

3.定位圆柱孔

1)圆柱定位心轴

圆柱定位心轴主要用于套筒类和盘类零件圆柱孔的定位。

图4-15所示为间隙配合圆柱心轴,由凸肩实现轴向定位,工件装卸方便。为减少辅助时间,一般采用开口垫圈来快速装卸工件。图4-15间隙配合圆柱心轴

2)圆柱定位销

标准圆柱定位销见图4-16。定位销有固定式和可换式两种结构。可换式结构用于大批量生产,更换方便,便于维修,但由于定位销的外圆与衬套的内孔采用间隙配合,其位置精度比固定式定位稍低。为方便工件定位孔套入定位销,定位销头部常做成15°的大倒角。圆柱定位销与圆柱定位孔采用间隙配合,其定位分析与间隙配合圆柱定位心轴相似,长定位销限制4个自由度,短定位销限制2个自由度。图4-16标准圆柱定位销

3)锥头销

用锥头销定位圆柱孔见图4-17。锥头销与圆柱孔沿孔口接触,孔口的形状直接影响接触情况,从而影响定位精度。图(a)所示的整体锥头销适用于加工过的圆柱孔。若定位圆柱孔是毛坯孔,则锥头销采用图(b)的结构,只保留120°均布的三小段圆锥面,保证锥头销与定位圆柱孔接触点的分布均匀。锥头销定位圆柱孔比短定位销定位圆柱孔多限制了工件一个沿轴线方向移动的自由度,即可限制工件3个自由度。图4-17锥头销定位圆柱孔

4.定位外圆

1)定位套

定位套有整圆与半圆两种结构,如图4-18所示。图(a)是长定位套,限制工件4个自由度;图(b)是短定位套,限制工

件2个自由度;图(c)是带端面定位的组合结构;图(d)是半圆定位套装置,限制工件2个自由度，其中下半圆套起定位作用,其直径的最小极限尺寸应等于工件定位外圆直径的最大极限尺寸,上半圆套起夹紧作用,它绕铰链轴打开,便于工件装卸。图4-18定位套

2)V形块

图4-19是几种典型的V形块结构。图(a)是标准V形块,用于较短的精基准外圆定位;图(b)用于外圆面较长、两段精基准外圆面相距较远的精基准外圆定位;图(c)用于粗基准外圆面定位或阶梯轴定位,目的是缩短V形块的工作面宽度,以利于定位稳定;图(d)为铸铁底座镶淬火钢垫块的结构,用于外圆直径较大时定位,这种结构制造经济性好,便于V形块定位工作面磨损后更换或修磨垫块,还可通过更换不同厚度的垫块来适应不同直径外圆的工件定位,使结构通用化。

图4-19V形块

V形块是一个对中定心的定位元件,它定位外圆时具有下列特性:①对中作用,根据几何关系可知,不管定位外圆直径如何变化,被定位外圆的轴线一定通过V形块两斜面的对称平面;②定心作用,V形块以两斜面与工件的外圆接触,因而起定位作用,工件的定位面是外圆柱面,但其定位基准是外圆轴线,即V形块起定心作用。

3)支承板

用支承板定位外圆就是使平面与外圆母线接触,如图

4-20所示。若用长支承板定位,则限制工件2个自由度；若用短支承板(支承钉)定位,则只限制工件1个自由度。图4-20支承板定位外圆

4)内锥套

用内锥套定位外圆与锥头销定位内孔相似。如图4-21所示,内锥套的定位工作面是内锥孔,它与外圆沿圆周接触,因而限制了工件3个自由度。图4-21内锥套定位外圆

5.定位圆锥孔

定位圆锥孔的定位元件有锥心轴和顶尖。锥心轴用于定位长圆锥孔,限制工件5个自由度,如图4-22(a)所示；顶

尖定位就是常见的短圆锥定位，限制工件3个自由度,如图4-22(b)所示。图4-22锥心轴和顶尖4.2.3组合定位

【例4-1】分析图4-23所示的定位方案。各定位元件限制了几个自由度？按图示坐标系限制了哪几个方向的自由度?有无过定位现象?图4-23组合定位分析解:一个固定短V形块能限制工件2个自由度,三个固定短V形块组合起来共限制工件6个自由度,不因组合而发生数量上的增减。

按图示坐标系,短V形块1限制;短V形块2与之组合限制,短V形块3限制了，因而这是一个完全定位,没有过定位现象。这里,V形块2由单独定位时的限制2个移动自由度转化成限制2个转动自由度,短V形块3由单个定位时的限制

的作用转化成限制的作用。分析时,也可以把固定短V形块1、2组合起来视为一个长V形块,用它来定位长圆柱体,共限制4个自由度。

2.组合定位时过定位现象的消除方法

组合定位时,常会产生过定位现象。若这种过定位不允许出现,则一般要对过定位进行消除。

消除过定位现象的方法如下：

(1)使定位元件可沿某一坐标轴移动,以消除其限制沿该坐标轴移动方向自由度的作用。图4-24中,定位元件可沿y轴移动,消除了限制方向自由度的作用。图4-24过定位的消除

【例4-2】分析如图4-25所示的在车床上用前后顶尖定位轴类工件的定位方案。

解:前顶尖为固定顶尖,限制工件3个自由度、、

。工程上把车床的后顶尖做成沿x轴可移动的,因而和前顶尖组合定位时只限制工件2个自由度、，消除了过定位。除了绕x轴的旋转之外,其余5个自由度都已限制。图4-25用前后顶尖定位轴类工件的定位方案

【例4-3】一面两销定位是组合定位的典型情况。这种情况下,工件的定位面是两定位孔,夹具的定位元件是

两短圆柱定位销,如图4-26所示。箱体类、连杆类、盘盖类零件的加工,常采用这种组合定位方案。图4-26一面两销定位4.2.4定位设计的一般原则

(1)选最大尺寸的表面为安装面,限制工件的3个自由度;选最大距离的表面为导向面,限制工件的2个自由度;选最小尺寸的表面为支承面,限制工件的1个自由度。

(2)首先考虑保证空间位置精度,再考虑保证尺寸精度。因为在加工中保证空间位置精度有时要比尺寸精度困难得多。(3)尽量选择零件的主要表面为定位基准。

(4)定位基准应便于实现对工件的夹紧,且在加工过程中稳定可靠。

4.3定位误差分析

1.定位误差

当夹具在机床上的定位精度达到要求时,如果工件在夹具中定位不准确,将会使设计基准在加工尺寸方向上产生偏移,往往导致加工后工件达不到要求。设计基准在工序尺寸方向上的最大位置变动量,称为定位误差。

1)定位基准位移误差

造成定位基准位移误差的原因有:

(1)零件定位基准不准确,如用长销或短销定位,因为零

件上的孔径总是有偏差的,因此每个零件的定位情况就有所不同。

(2)夹具定位元件制造不准确,如车床上三爪卡盘偏心等。图4-27所示为一间隙配合心轴定位工件内孔进行平面铣削的示例。加工时,本工序尺寸为H0+ΔH。理论上,工件内孔轴心线与心轴外圆轴心线重合,即定位基准与设计基准重合,定位误差δ=0。工程上,定位心轴和工件内孔都不可避免地存在制造误差,而且配合面之间采用了间隙配合,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。图4-27基准位移产生的定位误差设孔径为D0+ΔD,轴径为d0－Δd,最小间隙δ=D－d。如图4-27所示,工件孔与心轴在上母线A单边接触,则设计基准O与O1间的最大距离为

最小距离为加工误差为即此定位误差为内孔公差ΔD与心轴公差Δd之和的一半,且与最小间隙δ无关。若将工件定位基准与夹具定位元件合称为“定位副”,则由于定位副的制造误差,会直接影响定位精度。

2)定位基准与设计基准不重合误差

在加工时,如果采用调整法来获得加工尺寸,则经常会产生定位基准与设计基准不重合的问题,因此就会引入定位基准与设计基准不重合误差,简称基准不重合误差。

图4-28(a)所示为用调整法加工工件的台阶,工件以3面定位,加工顶面1和台阶面2。图4-28定位基准与设计基准不重合误差

工序一:加工顶面1。以底面定位,如图4-28(b)所示,此时定位基准和设计基准都是底面3,即基准重合。采用调整法加工时,铣刀相对于定位面3的距离是一定的,用对刀块调整后便不再变动,直到换刀时再重新调整,由于刀具调整尺寸与工序尺寸一致,因此定位误差δ=0，本工序的加工误差

δ=2ΔH。工序二:加工台阶面2。以底面定位,如图4-28(c)所示,此时定位基准为底面3,而设计基准为顶面1,即基准不重合,因此尺寸A±ΔA就不能直接得到,要通过尺寸H±ΔH和C间接得到。这是由于工序一加工后顶面1的尺寸在H±ΔH范围内变动,导致加工尺寸A±ΔA

变为A±ΔA±ΔH,其误差增大,显然该误差完全是由于定位基准与设计基准不重合引起的,称为“基准不重合误差”,其值为2ΔH。因此,本工序的加工误差δ=2ΔH+2ΔA。若将工序二的定位方案改进,使定位基准与设计基准重合,如图4-28(d)所示,则虽然提高了定位精度,但夹具结构复杂,工件安装不便,并使加工稳定性和可靠性变差,因而有可能产生更大的加工误差。因此,从多方面考虑,在满足加工要求的前提下,基准不重合的定位方案在实践中采用得非常多。

2.定位误差的计算

1)用一个平面定位平面

图4-29所示的工件用三个支承钉定位,加工一个台阶面,要求的尺寸如图所示,则定位误差为

ΔDW(A)=0

ΔDW(B)=δ

定位误差是由于基准不重合造成的。图4-29平面定位时的基准不重合误差

2)用两个垂直支承定位平面

图4-30(a)所示的工件用三个支承钉定位底面,用两个支承钉定位侧面,加工一个台阶面,要求的尺寸如图所示,要保证尺寸B,则定位误差为

ΔDW(B)=2(H－h)tanΔα

这种情况下基准是重合的,定位误差是由于工件定位面不准确所造成的,工件的两个定位面不垂直,有角度误差±Δα,因此产生基准位移误差。如图4-30(b)所示,要保证尺寸A1,则不仅有基准不重合误差ΔA2,同时还有由于定位面不准确所造成的基准位移误差ΔDW(B)=2(H－h)tanΔα,其定位误差为

ΔDW(A1)=2ΔA2+2(H－h)tanΔα图4-30支承定位时的基准位移误差

3)用两个垂直支承定位外圆表面

图4-31所示的工件用两个支承板定位外圆,加工一个键槽,要求的尺寸如图所示,则定位误差:尺寸A有由于定位基准不准确所造成的基准位移误差δD/2,尺寸A的定位误差ΔDW(A)=δD/2。

尺寸B有基准不重合误差δD/2,尺寸B的定位误差ΔDW(B)=δD/2。

尺寸C无基准不重合误差,尺寸C的定位误差ΔDW(C)=0。图4-31用支承定位外圆表面时的定位误差

4)用一面两销定位工件

工件用一面两销(一个为圆柱定位销,另一个为菱形销)定位时,其基准位移误差表现在位移误差和转角误差两个方面,如图4-32所示。图4-32一面两销定位时的定位误差

(1)位移误差。

对定位销1来说,位移误差就是间隙造成的误差,所以位移误差为

εD1=δD1+δd1+Δ1

式中:δD1为孔1的直径公差;δd1为定位销1的直径公差;

Δ1为孔1与定位销1的最小间隙。对定位销2(菱形销)来说,它在两个方向的位移误差值是不同的。

在x方向:

εD2x=δD2+δd2+Δ2

式中:δD2为孔2的直径公差;δd2为定位销2的直径公差;

Δ2为孔2与定位销2的最小间隙。在z方向:

εD2z=δL孔+δL销

式中:δL孔为两孔中心距的公差;δL销为两定位销中心距的公差。

在用一面两销定位时,如果使定位销1准确定位,由定位销2来补偿两销和两孔中心距误差,则整个的位移误差就根据定位销1来计算。当采用两面和一个削边销定位时,其位移误差和上述定位销2(削边销)相同,如图4-33所示。

(2)转角误差。

转角误差为

式中:L为工件上两孔中心距的基本尺寸,即夹具上两定位销中心距的基本尺寸。图4-33一面一孔定位4.4工件的夹紧

4.4.1夹紧装置

1.夹紧装置的组成

图4-34所示的夹紧装置中,压板4直接用于夹紧工件,是夹紧元件;汽缸1用来产生夹紧动力,是动力源装置;介于二者之间的是斜楔2和滚子3,将汽缸产生的原动力以一定的

大小和方向传递给夹紧元件,是中间传力机构。图4-34夹紧装置

1)夹紧元件

夹紧元件是执行夹紧任务的最终元件,直接和工件接触。夹紧元件可以是一个,也可以是一组。

2)中间传力机构

中间传力机构是把动力源装置产生的力传给夹紧元件的中间机构,其主要作用是改变夹紧力的大小和方向,使夹紧力实现自锁。

3)动力源装置

动力源装置是产生夹紧力的动力来源,一般有电动、气动、液压、电磁等形式。若动力来源为人进行手动夹紧,则认为此夹具无动力源装置。

中间传力机构和夹紧元件统称为夹紧机构,所以也可以说夹紧装置由动力源装置和夹紧机构两大部分组成。

2.夹紧装置的基本要求

(1)夹紧装置应保证工件的定位,而不应因夹紧破坏工件定位的可靠性。

(2)夹紧时要有足够的夹紧力,但夹紧力不能使工件产生过大的夹紧变形。

(3)有足够的夹紧行程夹紧动作迅速,操纵方便使用安全。(4)机动夹紧装置要考虑夹紧的自锁性和原动力的稳定性,手动夹紧机构要有可靠的自锁性。

(5)结构简单紧凑,制造、维修方便。

3.典型夹紧机构

1)斜楔夹紧机构

斜楔夹紧机构如图4-35所示。夹紧时外力作用在楔块的大端,使楔块楔入夹具与工件之间,斜面移动,产生压力,工件夹紧。当外力作用在楔块的小端时,使楔块从夹具与工件之间退出,压力消除,工件卸下。图4-35斜楔夹紧机构

2)螺旋夹紧机构

螺旋夹紧机构通过转动螺旋,使螺母在高度上发生变化,实现对工件的夹紧。其特点是结构简单,增力大,自锁性好,但夹紧动作较慢。生产中使用的螺旋夹紧机构主要是螺旋压板夹紧机构。

图4-36所示为几种常用的螺旋压板夹紧机构。图4-36(a)中,工件由螺杆、螺母通过压板被夹紧。为便于压板后退和防止转动,在压板中间和下面开有长孔和直槽。弹簧在螺母松开后,能使压板自动抬起并与工件脱开。球型垫圈在压板倾斜时,可以避免螺杆的弯曲和变形。

图4-36(b)所示的压板和螺杆为铰链式结构。螺母松开后，螺栓翻离压板，压板即可逆时针翻转,方便装卸工件。图4-36螺旋压板夹紧机构一般螺旋夹紧机构动作较慢,为了克服这一缺点,可采用如图4-37所示的螺旋快速夹紧装置

图4-37(a)为快速撤离机构。图中,螺杆开有螺旋槽和直槽,转动手柄,螺钉从螺旋槽到直槽,松开工件,沿直槽可将螺杆快速退到图示位置,方便工件的装卸。

图4-37(b)为带有开口垫圈的螺母夹紧。螺母外径小于工件孔径,只要稍松螺母,抽出开口垫圈,工件即可穿过螺母取出。图4-37螺旋快速夹紧装置

3)偏心夹紧机构

偏心夹紧机构多采用偏心轮通过压块夹紧工件，或者配以各种压板构成复合夹紧机构。偏心夹紧机构夹紧迅速。

图4-38所示为两种压板偏心夹紧机构。压板偏心复合夹紧机构的应用较为广泛。图4-38偏心夹紧机构

4)铰链夹紧机构

铰链夹紧机构的主要特点是结构简单，摩擦损失小,增力比大,但自锁性差。因此,该机构常用在气动夹具中作

为增力机构,以弥补汽缸原动力的不足,如图4-1所示。

5)定心夹紧机构

(1)双向定心的螺旋式夹紧机构。图4-39所示为双向定心的螺旋式夹紧机构。螺杆被固定叉所限制，它只转动，不移动。螺杆转动时，其上的左右螺纹带动V形块和定位板同时等速向工件移动，从而使工件被定位夹紧。工件定位精度取决于螺纹的精度和螺杆的轴向位置。图4-39双向定心的螺旋式夹紧机构

(2)滑块斜楔定心加紧机构。图4-40所示为滑块斜楔定心夹紧机构。当旋转滚花螺钉时，斜面推动压块移动，

三爪分别动作，使工件得到定心并夹紧。这种机构定心精度不高，适用于工件的粗加工。图4-40滑块斜楔定心夹紧机构

6)联动夹紧机构

(1)多点夹紧。多点夹紧机构利用一个原始力,通过带浮动元件的机构分散到数个点上对工件进行夹紧。图4-41(a)所示为通过作用力Q,使压头绕小轴中心线摆动,实现两个方向上的两点夹紧;图4-41(b)所示为使浮动件在水平方向上移动,实现两点夹紧。图4-41多点夹紧机构

(2)多件夹紧机构。多件夹紧机构由一个原始作用力,通过一定浮动机构对数个相同或不相同的工件实现夹紧,如图4-42所示。图4-42多件夹紧机构

4.夹紧动力源装置

1)气动夹紧装置

气动夹紧是一种以压缩空气为动力的夹紧形式。压缩空气一般由工厂空压机房集中供应。这种装置使用操作方便,夹紧动作快,效率高,因此使用广泛,但工作后排放压缩空气时会造成噪声污染。

2)液压夹紧装置

液压夹紧装置操作简单、省力,辅助时间少,工作平稳,夹紧可靠,噪音小,劳动条件好。该装置特别适合于强力切削和加工大型工件时的多处夹紧,在组合机床和自动线上使用比较广泛,因为有现成的高压油可供使用。但是,当机床没有液压系统时,则需要专用的液压系统,从而会使夹具的成本提高。

3)气液组合夹紧装置

气液组合夹紧的能量来源是压缩空气,它利用压缩空气推动增压器活塞动作,并通过油缸推动活塞杆,从而夹紧工件。4)电动夹紧装置

电动夹紧系统一般由电动机、减速装置和螺旋副等传动装置组成。同液压、气动夹紧装置比较,该装置省去了复杂的管路系统,噪声小,基本无环境污染,而且电力传输方便,因此在夹具中应用较为广泛。

5)电磁夹紧装置

该装置一般作为机床附件的通用夹具,如平面磨床上的磁力吸盘等。由于电磁夹紧力不大,因此电磁夹紧装置只适于一些切削力较小的切削加工。

6)自夹紧装置

自夹紧装置直接利用机床的运动或切削力来进行夹紧,不需要另设夹紧动力源,钻孔时刀具实现了工件的夹紧动作。

7)真空夹紧装置

真空夹紧装置利用封闭腔内真空的吸力来夹紧工件,实质上是利用大气压力来夹紧工件,该机构特别适合于夹紧薄壁易变形的零件。4.4.2夹紧力的确定

1.夹紧力方向的确定

(1)应使定位基面与定位元件接触良好,当工件由几个表面组合定位时,主要夹紧力的方向应朝向主要定位基面。

如图4-43所示,工件以A、B面定位镗孔K,要求保证孔的轴线与A面垂直。显然,A面是主要定位基面,主要夹紧力应朝向该面。如果使夹紧力指向B面,则由于A面与B面间存在垂直度误差,因此α≠90°,将不能满足加工要求。图4-43夹紧力方向的确定1

(2)应与工件刚度最大的方向一致,以减小工件变形。图4-44所示为加工薄壁套筒的两种夹紧方式。由于工件的径向刚度较差,因此用图(a)的径向夹紧方式将产生过大的夹紧变形而无法保证加工精度;图(b)的轴向夹紧方式,由于工件轴向刚度大,因此夹紧力产生的变形很小,加工精度容易保证。图4-44夹紧力方向的确定2

(3)夹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,以减小夹紧力。

2.夹紧力作用点的确定

(1)夹紧力的作用点应正对支承元件或位于支承元件所形成的支承面内。如图4-45所示,A处的夹紧力作用点位于支承元件之外,所产生的转动力矩可使工件发生翻转,会破坏

工件的定位;B处的夹紧力作用点就处于正确位置。图4-45夹紧力作用点的确定1

(2)夹紧力的作用点应位于工件刚性较好的部位。对于薄壁件,如果必须在工件刚性较差的部位夹紧,则应采用多点夹紧或使夹紧力均匀分布,以减小工件的夹紧变形。如图4-46所示,当夹紧力为图中虚线位置时,将引起较大的工件变形,如改在图示实线位置,则由于该部位工件刚性较好,因此变形较小。图4-47所示的薄壁工件必须在刚性差的部位夹紧,这时如加一厚度较大的锥面垫圈,使夹紧力均匀地分布在薄壁上,就不会产生工件局部压陷。图4-46夹紧力作用点的确定2图4-47夹紧力作用点的确定3

(3)夹紧力的作用点应尽量靠近加工表面,以减小切削力对夹紧点的力矩,防止或减小工件的加工振动或弯曲变形。对于有些由于结构限制而使夹紧力的作用点远离加工表面且刚性较差的工件,应在加工表面附近增加辅助支承及对应的附加夹紧力,如图4-48中FQ2所示。图4-48夹紧力作用点的确定4

3.夹紧力大小的确定

实际设计工作中,夹紧力的大小常根据同类夹具的实际使用情况,用类比法进行估算,或将夹具和工件看成刚性系统,找出加工过程中对夹紧最不利的瞬时状态,按静力平衡条件进行分析计算。计算时,为使夹紧可靠,应将计算出的理论夹紧力乘以安全系数K,作为实际夹紧力。K值在粗加工时取4.5~3,精加工时取1.5~2。

4.5夹具的组成部件

4.5.1连接元件

定位键有矩形和圆形两种。图4-49(a)所示的圆形定位键容易加工,但较易磨损,使用较少。矩形定位键如图4-49(b)所示,其上部与夹具体底面上的槽配合,通过螺钉连接在夹具

体上,其下部与机床工作台上的T形槽配合。如图4-1所示,夹具在工作台上的夹紧是在夹具体上设计开口耳座,用T形槽螺栓和螺母进行夹紧。图4-49定位键4.5.2对刀装置

用调整法进行铣削加工时,为确定工件相对于刀具的位置,铣床夹具一般设置有对刀装置。对刀装置的结构形式取决于工件加工表面的形状。图4-50所示为几种常用的对刀装置。其中，图(a)用于铣平面;图(b)用于铣槽或台阶面;图(c)、(d)用于铣削成型面。图4-50对刀装置对刀时,在刀具与对刀块之间加一塞尺,可避免刀具与对刀块直接接触而损坏刀刃或造成对刀块的磨损。塞尺

有平塞尺和圆柱形塞尺两种。平塞尺厚度一般为1mm、

2mm、3mm,圆柱形塞尺直径常用3mm或5mm。目前对刀块与塞尺均已标准化。4.5.3夹具体

(1)刚度。夹具体要有足够的刚度,以承受工件安装时的夹紧力和加工时的切削力。夹具体可选铸件、焊接件或机加件。

(2)工艺性。夹具体一般比较复杂,所以要考虑结构工艺性,使加工和装配合理、方便。

(3)使用方便,便于排屑和清扫切屑。

4.6常用夹具

4.6.1车床夹具

图4-51所示为加工轴承座内孔的角铁式车床夹具,工

件6以底面在支承板3上定位,两孔在圆柱销2和削边销1上定位,用两块压板夹紧工件。图4-51角铁式车床夹具

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必须和车床主轴的旋转轴线重合。对于支座、壳体等工件,当被加工工件的回转表面与工序基准之间有尺寸要求或相互位置精度时,应以夹具回转轴线为基准来确定定位元件工作表面的位置。

图4-51中,就要根据夹具的轴线来确定支承板以及两定位销的位置。

2.夹紧装置

车削时工件和夹具一起随主轴作旋转运动,在加工过程中,工件除受切削扭矩的作用外,整个夹具还受离心力的作用,而且工件定位基准的位置相对于切削力和重力的方向是变化的。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松动。

3.车床夹具与机床的连接

(1)对于径向尺寸D小于140mm,或D<(2~3)d的小型夹具,一般通过锥柄安装在车床主轴锥孔中,并用螺栓拉紧,这种连接方式的定心精度较高。

(2)对于径向尺寸较大的夹具,一般通过过渡盘与车床主轴连接。

4.夹具的总体结构要求

(1)结构紧凑、悬伸短。车床夹具一般是在悬臂状态下工作的,为保证加工的稳定性,夹具的结构应力求紧凑、轻便,悬伸长度要短,使重心尽可能靠近主轴端部。

(2)平衡。由于车床夹具在加工时随主轴旋转,且车削转速较高,所以要保证夹具的重心和主轴的回转轴线同轴,就要对车床夹具进行平衡设计。

平衡的方法有两种:设置配重块或加工减重孔。配重块上应开有弧形槽或径向孔,以便调整配重块的位置。

(3)安全。车床夹具应设计成圆形结构,且夹具上的各个元件(包括工件)一般不允许突出在夹具体的圆形轮廓之外。此外,还应注意防止切屑缠绕和冷却润滑液的飞溅等问题,必要时可设置防护罩。4.6.2铣床夹具

铣床夹具如图4-1所示,用于在卧式铣床上加工法兰盘上的两个平面,工件以端面和中心的孔为定位基准,在支承板和定位销上实现5点定位,采用汽缸通过联动的铰链机构带动压爪夹紧工件。铣削加工为多刃断续切削,一般切削用量较大,切削力也大,极易产生铣削振动,在设计时要特别注意工件定位的稳定性和夹紧的可靠性。

为提高生产率,铣床夹具设计中定位可安排工件多件加工,夹紧应采用快速夹紧、联动夹紧等高效夹紧装置。对于大型铣床夹具,在夹具体上还要设置悬吊装置,以便搬运。4.6.3镗床夹具

图4-52所示为镗削车床尾架孔的双支承镗模结构简图。图中，镗模的两个支承分别设置在刀具的前方和后方,镗刀杆9和主轴通过浮动接头10连接;工件以底面、槽及侧面在定位板3、4及可调支承钉7上定位,限制6个自由度,采用联动夹紧机构夹紧,拧紧夹紧螺钉6,压板5、8同时将工件夹紧;镗模支架1上用回转镗套2来支承和引导镗杆;镗模以底面A安装在机床工作台上,其位置用B面找正。图4-52镗床夹具

1.找正面

由于箱体孔系的加工精度一般要求较高,因此镗床夹具的制造精度要求也较高。为便于确定镗床夹具在机床工作台上的相对位置,一般在镗模底座的侧面设置一窄长的找正基准面,安装时用百分表找正。

2.镗杆的引进结构

由于镗套的结构类型不一样,因此镗杆的引进结构也不一样,设计时可参阅有关设计手册。

3.镗模支架

镗模支架主要用来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,并设置必要的加强筋,且支架上不允许安装夹紧机构和承受夹紧反力,以免支架变形而破坏精度。支架的典型结构和尺寸可参阅有关设计手册。

4.镗模底座

镗模底座比其他夹具体要高,且内腔设有田字格形加强筋。底座的典型结构和尺寸可参阅有关设计手册。

5.浮动接头

当用双支承镗模镗孔时,镗杆通过浮动接头与机床主轴浮动连接。

6.镗套

镗套的结构形式和精度直接影响被加工孔的精度。常用的镗套有固定式镗套和回转式镗套两类。

图4-53所示的固定式镗套在加工时镗套不随镗杆转动。A型镗套靠镗杆上开的油槽润滑;B型镗套设置有油杯和油槽,使镗杆和镗套之间能充分地润滑,从而减少镗套的磨损。固定式镗套外形尺寸小,结构简单,导向精度高,但镗套容易磨损,一般用于低速镗孔。图4-53固定式镗套回转式镗套随镗杆一起转动,镗杆与镗套之间只有相对移动,大大减少了镗套的磨损,主要用于高速镗孔。

图4-54所示为回转式镗套,用于卧式镗孔。由于镗套与支架之间安装了滚动轴承,所以回转线速度得到了提高,但径向尺寸较大,回转精度主要受轴承精度的影响。图4-54回转式镗套4.6.4钻床夹具

根据夹具的总体结构和钻模板的特点,生产中使用的钻模有固定式、回转式、移动式、翻转式、盖板式、铰链式、滑柱式等结构。

1.钻套

在钻、扩、铰加工时,钻套用来引导刀具以保证被加工孔的位置精度。钻套有标准钻套和特殊钻套两大类。

1)标准钻套

标准钻套有固定钻套、可换钻套和快换钻套、长型快换钻套、薄壁钻套等不同类型。

图4-55(a)所示为固定钻套,钻套和钻模板采用过盈配合安装。这种钻套结构简单,钻孔精度高,但磨损后不能更换,适用于单一钻孔工序的小批生产。图(b)所示为可换钻套,钻套采用过渡配合装在衬套中,衬套采用过渡配合压装在钻模板上,钻套用螺钉压紧,以防止钻套转动和退刀时脱出。钻套磨损后,将螺钉松开即可更换。这种钻套适用于大批量生产时的单一钻孔工序。图(c)所示为快换钻套,其结构与可换钻套相似,当工件同一孔须经多工步加工(如钻、扩、铰或攻螺纹等)时,能快速更换不同孔径的钻套。更换时,将钻套缺口转至螺钉处,即可快速取出更换。

图(d)所示为长型快换钻套，图(e)所示为薄壁钻套。图4-55标准钻套

2)特殊钻套

当工件的结构形状不适合采用标准钻套时,可自行设计与工件相适应的特殊钻套,如图4-56所示。图4-56(a)是钻两个近距离孔的钻套结构;图(b)是在工件深凹面上钻孔;图(c)是在斜面上钻孔。图4-56特殊钻套

2.钻模的分类

1)固定式钻模

固定式钻模的特点是钻模用螺钉压板固定在机床上,用于在立式钻床上加工单孔或在摇臂钻床上加工位于同一方向上的平行孔系。由于它在机床上的位置固定,故所加工孔的精度较高。

2)回转式钻模

回转式钻模用于加工工件上围绕某一轴线分布的轴向或径向孔系,工件一次安装,经夹具分度机构转位顺序加工各孔。图4-57所示为加工扇形工件上3个径向孔的回转式钻模。拧紧螺母10,通过开口垫圈9将工件夹紧。转动手柄7,可将分度盘11松开,用手钮6将分度对定销5从定位套4中拔出,将

分度盘11连同工件一起转过20°,再将分度对定销5插入定位套4′或4″,即实现了分度。转动手柄7,将分度盘锁紧即可加工。图4-57回转式钻模

3)移动式钻模

移动式钻模用在立式钻床上,先后钻削工件同一表面上的多个孔,属于小型夹具,被加工的孔径一般小于10mm。移动方式有两种:一种是自由移动,让钻套去对准钻头;另一种是定向移动,用专门设计的导轨和定程机构来控制移动的方向和距离。

4)翻转式钻模

在加工中,翻转式钻模一般用手进行翻转。所以,夹具和工件总重量不能太重,一般以不超过10kg为宜。

翻转式钻模主要用于加工小型工件分布在不同表面上的孔,它可以减少安装次数,提高各被加工孔的位置精度,但其加工批量不宜过大。

5)盖板式钻模

盖板式钻模适合在体积大而笨重的工件上加工小孔,也可用在中小工件上钻孔。对于中小批量的生产,若在钻孔后立即进行倒角、锪孔、攻螺纹等工序,则采用盖板式钻模也极为方便。

盖板式钻模每次需从工件上装卸,故钻模的重量一般不超过10kg。图4-58所示为盖板式钻模示意图。图4-58盖板式钻模4.6.5组合夹具

1.组合夹具的组成

组合夹具由八大类零件组成,即基础件、支承件、定位件、导向件、夹紧件、紧固件、辅助件及组合件。

1)基础件

基础件主要用作夹具体,有方形基础板、长方形基础板、圆形基础板和角尺形基础板等。基础板的各个面上都有T形槽、螺钉孔,通过定位键、螺栓来安装其他元件。

2)支承件

支承件主要用作不同高度的支承和各种定位支承平面,将其他元件与基础件连成一体,或作为夹具中的定位元件使用,分为垫片、垫板、支承等。垫片有方垫片、长方垫片等;垫板有方垫板、长方垫板、紧固支承垫板、角铁垫板、菱形垫板、V形垫板等;

支承有方支承、长方支承、紧固支承、角铁支承、V形支承等。

支承件有时可以和基础件一起构成夹具体,也可以在小型组合夹具中单独作为夹具体。

3)定位件

定位件主要用作定位元件,以保证组合夹具的精度和强度,有定位键、定位销、定位盘、定位支承、定位板、定位支座、定位轴和顶尖等。

4)导向件

导向件主要用来确定孔加工刀具的位置,并起引导刀具的作用,有时也可起定位作用。导向件有钻模板、钻套和导向支承等。

5)夹紧件

夹紧件用来夹紧工件,有各种压板,如平压板、U型压板、钩形压板、伸长压板、叉形压板等。

6)紧固件

紧固件用于夹具上各元件之间的夹紧,有各种螺钉、螺母、螺栓、垫圈等,而螺栓又有双头螺栓、T形螺栓、铰链螺栓等,垫圈又有球面垫圈、开口垫圈等。

7)辅助件

除上述6类元件的元件都称为辅助件,包括连接板、手柄、浮动块、接头、弹簧、支承环等。

8)组合件

组合件是由若干个元件所组成的独立部件,在组装过程中作为一个独立单元使用。

2.组合夹具的特点

(1)缩短了设计和制造专用夹具的周期及工作量,并缩短了生产准备周期,提高了效率,且能重复多次使用,节省了人力、物力。因此,无论是对成批生产还是单件生产或新产品试制,其应用都很广泛。

2.组合夹具的特点

(1)缩短了设计和制造专用夹具的周期及工作量,并缩短了生产准备周期,提高了效率,且能重复多次使用,节省了人力、物力。因此,无论是对成批生产还是单件生产或新产品试制,其应用都很广泛。

(2)元件选材好,精度高,耐磨性好。由于是由元件组装的,并且能多次重复使用,因此元件的制造精度和耐磨性对组合夹具的精度有很大的影响。组合夹具各类元件一般多用优质钢渗碳淬火,精度较高,重要元件的材料多为合金钢。

(3)刚度和接触刚度较差,因为它是由许多元件组装而

成的。

4.7机床夹具的设计方法

(1)明确任务,收集资料。

分析和研究被加工零件的零件图、工序图、工艺规程等文件,了解零件的生产类型,以及本工序的加工要求、加工余量、定位基准、所使用的工艺装备等,收集有关资料,如机床的技术参数,夹具零部件的国家标准、部颁标准、企业标准和厂订标准,典型夹具结构图册,夹具设计指导资料等。

(2)拟订夹具结构方案,绘制夹具草图,

包括的内容有:

①确定工件的定位方案,设计定位装置;

②确定工件的夹紧方案,设计夹紧装置;

③确定刀具的引导方式,选择或设计导向元件或对刀

元件;

④确定其他元件或装置的结构形式,如定位键、分度装置等;

⑤确定夹具的总体结构及夹具在机床上的安装方式。

(3)绘制夹具总图。

在绘制夹具总图时,主视图取操作者面对机床所看到的夹具位置,用双点画线将工件的外形轮廓画在各视图相应的位置上,待加工面上的加工余量可用网纹线表示。在夹具总图中,工件应看做透明体,不遮挡夹具的任何线条。其余图样画法和常规装配图相同。

(4)绘制零件图。

绘制夹具零件图,夹具中的非标准零件都要绘制零件图,并按总图要求确定零件的尺寸、公差和技术条件。

(5)检查。

夹具总图、零件图绘制完毕后,为了使夹具在工作中定位准确、夹紧可靠,应进行一些检查。

应该注意的主要有以下几点:

①干涉检查:工作时,夹具不能和刀具、机床运动部件有干涉。

②运动检查:夹具中运动零件的位置不应受阻,如夹紧位置、松开位置和运动过程都不能和其他元件有干涉和碰撞。③定位调整:为保证不同批次毛坯件的尺寸差异,应设计一些可调整结构。

④防止误定位:对外形对称的工件,应注意工件上的工艺标记,或在夹