《机械制造工艺学（3D版）》 课件 第3章 金属切削机床夹具设计

第3章机床夹具设计原理3.1机床夹具概述3.2工件在夹具中的定位方式与定位元件3.3定位误差的分析与计算3.4工件的夹紧3.5各类机床夹具的设计特点3.6机床夹具的设计方法及步骤3.1机床夹具概述3.1.1机床夹具在机械加工中的作用夹具是机械加工中不可缺少的工艺装备之一，它对保证产品质量、提高生产效率、扩大机床的使用范围、减轻劳动强度等。机床夹具在机械加工中有以下作用：1.易于保证加工精度，并使加工精度稳定2.缩短装夹时间，提高劳动生产率3.扩大机床工艺范围，充分发挥机床潜力4.减轻工人的劳动强度，保证安全生产。3.1.2机床夹具的分类与组成1.机床夹具分类通常按机床夹具的使用特点，可划分为以下5种类型：1)通用夹具2)专用夹具3)组合夹具4)可调整夹具和成组夹具5)随行夹具3.1机床夹具概述3.1机床夹具概述尾座套筒铣键槽夹具1－V形块；2－压板；3－拉杆；4－限位螺钉；6－手柄；7－轴；8－杠杆；9－偏心轮；10－定向键；11－夹具体3.1机床夹具概述3.1机床夹具概述3.1机床夹具概述3.1机床夹具概述2机床夹具的组成1)定位装置2)夹紧装置3)夹具体4)连接元件5)对刀元件6)导向元件7)其他元件或装置3.1机床夹具概述3.2.1工件以平面定位及其定位元件1．定位方法2．定位元件上述定位元件都是根据工件加工要求，用来限制工件自由度的，因起着主要支承工件的作用，所以叫做主要支承。按支承的结构和作用的不同可分为：3.2工件在夹具中的定位方式与定位元件图3-1平面定位分析简图3.2工件在夹具中的定位方式与定位元件一、工件一平面定位及其定位元件固定支承。固定支承有支承钉和支承板两种型式。可调支承辅助支承3.2工件在夹具中的定位方式与定位元件固定支承有支承钉和支承板两种型式。在使用过程中，它们都是固定不动的。在定位过程中，支承钉一般只限制工件的一个自由度，而支承板相当于两个支承钉。当工件以粗糙不平的毛坯面定位时，采用球头支承钉。齿纹头支承钉用在工件的侧面，它能增大摩擦系数，防止工件滑动。当工件以加工过的平面定位时，可采用平头支承钉或支承板。3.2工件在夹具中的定位方式与定位元件需要经常更换的支承钉应加衬套。支承钉、支承板和衬套都已标准化，其公差配合、材料、热处理等可查阅手册。工件以平面定位时，除采用上面介绍的标准支承钉和支承板之外，还可根据工件定位平面的具体形状设计相应的支承板，工件批量不大时也可直接以夹具体作为限位平面。

3.2工件在夹具中的定位方式与定位元件支承钉和支承板3.2工件在夹具中的定位方式与定位元件标准定位支承板A侧平面精基准定位用B水平面精基准定位用3.2工件在夹具中的定位方式与定位元件3.2工件在夹具中的定位方式与定位元件在工件定位过程中，支承钉的高度需要调整时，可采用可调支承结构。标准可调支承钉：支承高度可调3.2工件在夹具中的定位方式与定位元件3.2工件在夹具中的定位方式与定位元件辅助支承用来提高工件的装夹刚度和稳定性，不起定位作用。工件定位时，辅助支承是浮动的（或可调的），待工件夹紧后再固定下来，以承受切削力。（1）手动式辅助支承（2）弹簧式辅助支承3.2工件在夹具中的定位方式与定位元件辅助支承应用实例1－工件2－辅助支承3－铣刀3.2工件在夹具中的定位方式与定位元件3.2.2工件以外圆定位及其定位元件工件以外圆面定位有定心定位和支承定位两种基本方法。定心定位有各种形式的定心夹紧卡盘，弹簧夹头以及其他形式的定心夹紧机构。有时也用套筒作为定位元件。1、定位方式：定心定位：各种定心夹紧卡盘、弹簧夹头定心机构及弹性套筒；支承定位：支撑钉或支撑板。2、定位元件：定位套、支撑板和V型块等。V形块半圆环定位套支承定位

3.2工件在夹具中的定位方式与定位元件工件以外圆表面定位，V形块

Ｖ型块3.2工件在夹具中的定位方式与定位元件活动V型块的应用3.2工件在夹具中的定位方式与定位元件定位外圆的定位元件⑴在V形块中定位，如图。

a)较长精基准；

b)较长粗基准；

c)阶梯轴定位用；

d)较长、较重工件。3.2工件在夹具中的定位方式与定位元件经分析知，V形块定位有以下特点：对中性：即当工件外圆直径发生变化时，其中心线始终位于V形块两斜面的对称面上，所以可认为定位基准为外圆中心线。对固定V形块而言短接触限2个自由度；长接触限4个自由度；其长短接触与孔轴接触判断相似。3.2工件在夹具中的定位方式与定位元件工件以外圆表面定位,定位套

工件以圆孔定位的定位套3.2工件在夹具中的定位方式与定位元件在半圆孔中定位：如下图，无对中性，但耐磨性好。半圆孔定位分析3.2工件在夹具中的定位方式与定位元件在锥坑中定位。固定锥坑限自3个自由度。锥坑定位分析3.2工件在夹具中的定位方式与定位元件3.2.3工件以圆孔定位及其定位元件1．定位方法套类工件常以孔中心线为定位基准。2．定位元件工件以圆孔为定位基面，夹具通常所用的定位元件是定位销和心轴。1)定位销。2)心轴3.2工件在夹具中的定位方式与定位元件3.2.4工件以组合表面定位及其定位元件在实际生产中，通常工件多是以两个或两个以上的表面作为定位基准，采用组合定位方式。常见的工件如圆孔及其端面、以两个或三个相互垂直的平面（图3-18，图3-19）作定位基准等较简单的基准组合情况。而图3-20a)、b)则是以一面两孔，图3-21是以两面一孔为定位基准等较复杂的基准组合情况。3.2工件在夹具中的定位方式与定位元件3.2工件在夹具中的定位方式与定位元件1、组合定位中各定位元件限制自由度分析⑴判断准则①定位元件单个定位时，限制转动自由度的作用在组合定位中不变；②组合定位中各定位元件单个定位时限制的移动自由度，相互间若无重复，则在组合定位中该元件限制该移动自由度的作用不变；若有重复，其限制自由度的作用要重新分析判断，方法如下：3.2工件在夹具中的定位方式与定位元件1)在重复限制移动自由度的元件中，按各元件实际参与定位的先后顺序，分首参和次参定位元件，若实际分不出，可假设；2)首参定位元件限制移动自由度的作用不变；3)让次参定位元件相对首参定位元件在重复限制移动自由度的方向上移动，引起工件的动向就是次参定位元件限制的自由度。

3.2工件在夹具中的定位方式与定位元件⑵应用举例例1以两孔一面在两销一面上定位，分析各元件限制的自由度。两销一面定位3.2工件在夹具中的定位方式与定位元件常用定位元件能限制的工件自由度3.2工件在夹具中的定位方式与定位元件3.2工件在夹具中的定位方式与定位元件3.3定位误差的分析与计算例如在轴上铣键槽，要求保证槽底至轴心的距离为H。若采用V形块定位，键槽铣刀按规定尺寸H调整好位置（右图）。实际加工时，由于工件直径存在公差，会使轴心位置发生变化。不考虑加工过程误差，仅由于轴心位置变化而使工序尺寸H也发生变化。此变化量（即加工误差）是由于工件的定位而引起的，故称为定位误差。定位误差的概念定位误差定位误差是由于工件在夹具上（或机床上）定位不准确而引起的加工误差。3.3定位误差的分析与计算右图所示工件以底面定位铣台阶面，要求保证尺寸a，即工序基准为工件顶面。如刀具已调整好位置，则由于尺寸b的误差会使工件顶面位置发生变化，从而使工序尺寸a产生误差。由于基准不重合引起的

定位误差定位误差的来源

1）由于工件定位表面或夹具定位元件制作不准确引起的定位误差，称为基准位置误差。

2）由于工件的工序基准与定位基准不重合而引起的定位误差，称为基准不重合误差。3.3定位误差的分析与计算定位误差计算 在采用调整法加工时，工件的定位误差实质上就是工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量。因此计算定位误差，首先要找出工序尺寸的工序基准，然后求其在工序尺寸方向上的最大变动量即可。1.用几何方法计算定位误差

用几何方法计算定位误差通常要画出工件的定位简图，并在图中夸张地画出工件变动的极限位置；然后运用三角几何知识，求出工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量，即为定位误差。3.3定位误差的分析与计算=外圆表面在V型块上的

定位误差44工件在V形块上定位铣键槽，计算定位误差。要求保证的工序尺寸和工序要求： ①槽底至工件外圆中心的距离H（或槽底至外圆下母线的距离H1，或槽底至外圆上母线的距离H2）； ②键槽对工件外圆中心的对称度对于第1项要求，考虑第1种情况（工序基准为圆心O），写出O点至加工尺寸方向上某一固定点（如V形块两斜面交点A）的距离对上式求全微分，得到：

=3.3定位误差的分析与计算以微小增量代替微分，并将尺寸误差视为微小增量，且考虑到尺寸误差可正可负，各项误差均取最大值，得到工序尺寸H的定位误差式中Td——工件外圆直径公差； Tα——V形块两斜面夹角角度公差。若忽略V形块两斜面夹角的角度公差，可以得到用V形块对外圆表面定位，当工序基准为外圆中心时，在垂直方向（图中尺寸H方向）上的定位误差为ΔDW

ΔDW

3.3定位误差的分析与计算若工件工序基准为外圆下母线或上母线时（图b、c），用同样方法可求出其定位误差分别为

外圆表面在

V

形块上的

定位误差

对于第2项要求，若忽略工件的圆度误差和V形块角度偏差，可以认为工序基准（工件外圆中心）在水平方向上的位置变动量为零，即使用V形块对外圆表面定位时，在垂直于V形块对称面方向上定位误差为零。3.4工件的夹紧在加工过程中，工件将受到切削力、惯性力及其本身重力等力的作用，若无相应的夹紧力与其平衡，工件在力的作用下就可能发生位移，破坏了工件的定位，甚至会造成事救。所以，夹紧装置是夹具不可缺少的基本组成部分。3.4.1夹紧装置的组成和基本要求1.夹紧装置的组成1)动力装置2)传动机构3)夹紧元件2.夹紧装置的基本要求1)夹紧过程中应能保持工件定位时所获得的正确位置；动作迅速，操作方便省力2)夹紧力大小适当，既保证加工时工件不振不移，又无不允许的变形；3)夹紧装置复杂程度应与生产规模相适应，力求结构简单、制修方便。3.4工件的夹紧在加工过程中，工件将受到切削力、惯性力及其本身重力等力的作用，若无相应的夹紧力与其平衡，工件在力的作用下就可能发生位移，破坏了工件的定位，甚至会造成事救。所以，夹紧装置是夹具不可缺少的基本组成部分。3.4.1夹紧装置的组成和基本要求1.夹紧装置的组成1)动力装置2)传动机构3)夹紧元件2.夹紧装置的基本要求1)夹紧过程中应能保持工件定位时所获得的正确位置；动作迅速，操作方便省力2)夹紧力大小适当，既保证加工时工件不振不移，又无不允许的变形；3)夹紧装置复杂程度应与生产规模相适应，力求结构简单、制修方便。3.4工件的夹紧3.4.2设计和选用夹紧装置的基本原则设计和选用夹紧装置的基本原则，如何正确地确定夹紧力的方向、夹紧力作用点的位置和夹紧力的大小。1.夹紧力方向的确定夹紧力的方向与工件定位基准的配置情况、工件的重力方向和工件所受切削力的方向等有关。确定的原则是：1)夹紧力的方向应垂直于主要定位表面，以保证工件的定位精度。2)夹紧力的方向应有利于减少夹紧力2.夹紧力作用点的选择正确选择夹紧力作用点的位置，这与工件的定位可靠、防止工件夹紧变形、保证工件加工精度等有关。选择的原则是：1)夹紧力作用点的位置，应能保证工件定位稳定，不致发生位移或偏转。2)夹紧力作用点应作用在工件刚度较大的部位，以减少夹紧变形。3)夹紧力作用点应靠近工件的加工表面，以增加夹紧的可靠性。3.4工件的夹紧3.夹紧力大小计算夹紧力的大小对于确定夹紧装置的结构尺寸，保证夹紧工件的可靠性等，都有很大的关系。夹紧力太小，则不能抵抗切削力的作用，影响装夹工件的可靠性。夹紧为太大，则易使工件变形，降低加工精度。主要作用是防止切削力破坏工件的定位，因而夹紧力的大小主要是根据切削力的大小来确定。由于切削力的大小和作用点的位置在切削过程中是变化的，所以计算夹紧力时，则应以最不利情况下所需的夹紧力为准。计算夹紧力时，通常将夹具和工件看成一刚性系统。按切削原理公式计算或从有关资料中查得切削力的大小。然后根据工件所受切削力、夹紧力（大工件还应考虑重力，运动的工件还应考虑惯性力等）、各支承反力及摩擦力等处于静力平衡条件下，列出夹紧力计算公式，从而计算出应需的理论夹紧力。为了安全可靠起见，再乘以安全系数，作为实际所需夹紧力。即可按下式计算夹紧力：3.4工件的夹紧式中：W——实际所需夹紧力；W’——按平衡条件求得的理论夹紧力；K——安全系数，通常K=1.5～3；粗加工时取K=2.5～3；精加工时取K=1.5～2。3.4工件的夹紧3.4.3典型夹紧机构生产中常用的典型夹紧机构有：斜楔夹紧机构、螺旋夹紧机构、偏心夹紧机构和铰链夹紧机构等。斜楔夹紧机构螺旋夹紧机构偏心夹紧机构铰链夹紧机构3.5各类机床夹具的设计特点任何一种机床夹具，通常都是由定位元件、夹紧装置、夹具体和其他一些元件、装置等组成。但各类机床夹具在其元件的结构、夹具的整体构造和技术要求等方面，又有各自的特点。钻床夹具镗床夹具铣床夹具车床夹具3.5各类机床夹具的设计特点任何一种机床夹具，通常都是由定位元件、夹紧装置、夹具体和其他一些元件、装置等组成。但各类机床夹具在其元件的结构、夹具的整体构造和技术要求等方面，又有各自的特点。钻床夹具镗床夹具铣床夹具车床夹具3.6机床夹具的设计方法及步骤专用夹具设计的基本要求保证工件加工精度——关键是正确地确定定位方案、夹紧方案、刀具导向方式及合理确定夹具的技术要求。必要时应进行误差分析与计算。夹具结构方案（复杂程度）应与生产纲领相适应。操作方便、安全、省力——如采用气动、液压等夹紧装置， 以减轻工人劳动强度，并可较好地控制夹紧力。夹具操作位 置应符合工人操作习惯，必要时应有安全防护装置，以确保 使用安全。便于排屑。有良好的结构工艺性——便于制造、检验、装配、调整、维 修等。3.6机床夹具的设计方法及步骤研究原始资料，明确设计要求拟定夹具结构方案，绘制夹具结构草图 ——确定工件的定位方法并选择相应的定位元件；确定刀具的引导方式，并设计引导装置或对刀装置；确定工件的夹紧方法，并设计夹紧机构；确定其他元件或装置的结构形式；考虑各种元件或装置的布局，确定夹具的总体结构。为使设计的夹具先进、合理，常需拟定几种结构方案，进行比较，从中择优。绘制夹具总图，标注有关尺寸及技术要求 ——按照国家标准绘制，比例尽量取1:1，视图应尽可能少，主视图应取操作者实际工作位置。绘制零件图3.6机床夹具的设计方法及步骤3.6机床夹具的设计方法及步骤钻、绞连杆小头孔夹具（分解图）3.6机床夹具的设计方法及步骤夹具总图上尺寸及技术条件的标注标注目的——便于拆零件图、便于夹具装配和检验。标注内容： 夹具外形轮廓尺寸； 与夹具定位元件、导向元件及夹具安装基准面有关的配合 尺寸、位置尺寸及公差； 夹具定位元件与工件的配合尺寸； 夹具导向元件与刀具的配合尺寸； 夹具与机床的联接尺寸及配合； 其他重要配合尺寸。3.6机床夹具的设计方法及步骤夹具公差确定 夹具上有关尺寸公差和几何公差通常取工件上相应公差的1/5～1/2。 当生产批量较大时，考虑夹具磨损，应取较小值；当工件本身精度较高，为使夹具制造不十分困难，可取较大值。 当工件上相应的公差为自由公差时，夹具有关尺寸公差常取±0.1mm或±0.05mm，角度公差（包括位置公差）常取±10′或±5′。 确定夹具公差带时，还应注意保证夹具的平均尺寸与工件上相应的平均尺寸一致，即保证夹具上有关尺寸的公差带刚好落在工件上相应尺寸公差带的中间。3.6机床夹具的设计方法及步骤夹具总图技术要求标注 定位元件与定位元件定位表面之间的相互位置精度； 定位元件的定位表面与夹具安装面之间的相互位置精度； 定位元件的定位表面与引导元件工作表面之间的相互位置精度； 引导元件与引导元件工作表面之间的相互位置精度； 定位元件的定位表面或引导元件的工作表面对夹具找正基准面的位置精度； 与保证夹具装配精度有关的或与检验方法有