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1、第六章 机床夹具设计原理o本章提要本章提要o o 为保证工件的加工要求，必须使工件在机床上处于准确的位置，夹具就是用来实现这一要求的。用夹具定位涉及到三层关系：（1）工件在夹具上的定位；（2）夹具相对于机床的定位；（3）工件相对于机床的定位间接通过夹具来保证的。本章主要讨论工件在工件在夹具上的定位原理夹具上的定位原理。o 工件定位以后必须通过一定的装置产生夹紧力，使工件保持在准确的位置上。这种产生夹紧力的装置就是夹紧装置。夹紧装置的设夹紧装置的设计与计算计与计算也是本章所讨论的主题。内容提纲6.1 机床夹具概述6.2 工件的定位6.3 工件的夹紧6.4 夹具的基本要求和设计步骤单螺旋夹紧装置6
2、.1 机床夹具概述 首先，让我们了解一下机床夹具的基本概念：v定位定位：工件在机床上加工时，为保证加工精度和提高生产率，必 须使工件在机床上相对刀具占有正确的位置，这个过程称为定位。v夹紧夹紧：为克服切削过程中工件受外力的作用而破坏定位，必须对工件施加夹紧力，这个过程称为夹紧。v装夹装夹：定位和加紧综合称为装夹。v机床夹具机床夹具：完成装夹的工艺设备称为机床夹具。6.1.1 机床夹具的分类 机床夹具按通用化程度可分为两大类：通用夹具通用夹具专用夹具专用夹具机床夹具机床夹具为某工件的某工序专门设计制造的夹具，结构简单、紧凑，操作方便 迅速。可适应不同工件的需要，结构较复 杂，使用广泛。夹具的作用
3、和组成o下面通过一个专用夹具的实例来说明夹具的作用和组成：1快换钻头；2导向套；3钻模板；4开口垫圈；5螺母；6工件；7定位销；8夹具体由上一个例子可以看出:o夹具的作用:（1）可以缩短辅助时间，提高劳动生产力；（2）易于保证加工精度的稳定；（3）可扩大机床的使用范围；（4）可以减轻劳动强度，保证生产安全。夹具的组成:（1）定位元件，如图的定位销7；（2）夹紧装置，如图的螺母5、开口垫圈4；（3）对刀元件，如图的钻套1；（4）夹具体8；（5）其它元件和装置，有些夹具根据加工要求，有分度机构，铣床夹具还要有定位键等。工件的定位o六点定位原理 一个自由的物体，它对三个相互垂直的坐标系来说，有六个活
4、动可能性，其中三种是移动，三种是转动。习惯上把这种活动的可能性称为自由度自由度，因此空间任一自由物体共有六个自由度。如图所示，物体的六个自由度分别为：同时还规定：o（1）沿X轴移动，用 表示；o（2）沿Y轴移动，用 表示；o（3）沿Z轴移动，用 表示；o（4）绕X轴转动，用 表示；o（5）绕Y轴转动，用 表示；o（6）绕Z轴转动，用 表示。六点定位原理o 这种用正确分布的六个支承点来限制工件的六个自由度，使工件在夹具中得到正确位置的规律，称为六点六点定位原理定位原理。图6.4 工件的六点定位o若使物体在某个方向有确定的位置，就必须限制该方向的自由度，所以要使工件在空间处于相对固定的位置，就必须
5、对六个自由度加以限制。限制的方法就是用相当于六个支承点的定位元件与工件的定位基准面接触，如图6.4所示：在底面XOY内的三个支承点限制了 ，三个自由度；在侧面YOZ内的两个支承点限制了 ，两个自由度；在端面XOY内的一个支承点限制了 一个自由度。下面我们来了解一下关于六点定位原理的一些概念：o完全定位完全定位：六个自由度都需要限制的定位方法，称为 完全定位。o不不完完全全定定位位：没有完全限制六个自由度而仍然保证有关工序尺寸的定位方法称为不完全定位。o过过定定位位：当两种定位元件均能限制工件的同一个方向自由度时称为过定位。o欠欠定定位位：若定位支承点少于所应消除的自由度数时，则工件定位不足，称
6、为欠定为。定位元件o定位元件在夹具中的布置，一方面要符合六点定位原理，另一方面为保证工件定位的稳定性，要使支承点的布置尽量敞开，这样可以使工件的重力和切削力的作用点都落在支撑点连线所组成的平面内。o定位元件的主要技术要求和常用材料主要技术要求：主要技术要求：要有足够的定位精度，较低的粗糙度值，还要有一定的耐磨性、硬度和刚度。常用材料：常用材料：（1）低碳钢：如20钢或20Cr钢，工作表面经渗碳淬火，达到HRC5565；（2）高碳钢：如T7、T8、T10等，淬硬至HRC4348。定位元件的种类定位元件定位元件固定式定位元件固定式定位元件可调式定位元件可调式定位元件辅助式支承元件辅助式支承元件浮动
7、式定位元件浮动式定位元件支承钉支承板定位销定位心轴V型块定位误差o为了保证加工精度的要求，我们加工时应满足如下关系式：式中，各种因素产生误差的总合；工件被加工尺寸的公差。o在这一章里，我们只研究与夹具有关的定位方法所引起的定位误差对加工精度的影响，因此上式又可写成：式中，定位误差；除定位误差以外，其他因素所引起的误差总和，可按加工经济精度查表确定。定位误差的组成o所谓定位误差定位误差，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，即工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量。o定位误差的组成及产生原因有以下两个方面：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，即工序相对定位基准
8、在加工尺寸方向上最大变动量以 表示。定位基准面和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 表示。故有：此公式是在加工尺寸方向上的代数和。各种定位方法的定位误差计算o（1）工件以平面定位）工件以平面定位时时的定位的定位误误差差 如图，在镗床上加工箱体的A、B两通孔时的定位情况（因是通孔，所以不需要止动定位基准），要保证尺寸 、。图6.20 平面定位时的定位误差 观看动画 加工孔A时，尺寸A1的工序基准和定位基准均是D面，基准重合，所以而定位基准面D有角度制造误差 ，根据基准位置误差的定义有:所以 保证尺寸A1 尺寸A2的工序基准
9、是E面，定位基准是C面，基准不重合，根据基准不重合误差的定义有：假定定位基准C面制造的平整光滑，则有：0所以 +=保证尺寸A2 加工孔B时，尺寸的工序基准是F面，定位基准是D面，基准不重合，根据定义有：2Htan所以 +保证尺寸B1尺寸B2的工序基准和定位基准均是C面，基准重合，有：0 0所以 +0保证尺寸B2注：注：工件以平面定位时，在大多数情况下，不考虑定位基准面和定位元件的制造误差。o 当工件装夹到心轴上时，因工序基准是中心线，定位基准也是中心线，基准重合，则：0o 因工件孔和心轴是间隙配合又都有制造误差，因而存在孔中心线的位置变化，即基准位置误差，则：o 假定孔尺寸为 ，心轴尺寸为 ，
10、最小配合间隙为 ，根据工件装夹时心轴放置的位置不同，定位误差分两种情况考虑：（2）工件以内孔表面定位时的定位误差：）工件以内孔表面定位时的定位误差：心轴垂直放置时 o心轴垂直放置时，如图a所示，按最大孔和最小轴求得孔中心线位置的变动量为：图a心轴水平放置时 o心轴水平放置时，如图b所示，由于自重，工件始终往心轴一边下垂，此时孔中心线的变动是铅垂方向，其最大值为：图b定位误差计算实例 o 【例题】在套筒零件上铣槽，如图（a）所示，要求保持尺寸 、，其它尺寸已在前工序完成。若采用图（b）的定位方案，孔与销子配合按H7g6，问能否保持加工精度要求？否则应如何改进？观看动画图a 图b解解:按的配合精度
11、H7g6，则销子的直径应为 ，因销子为 水平放置，故有：对于尺寸 得：在铣床上加工，其平均经济精度为10级，查表得 ，所以：即可满足尺寸 的要求。解题过程对于尺寸 ，又因：得所以即不能满足尺寸 的要求。解题过程改进方案：以端面A和右端孔为定位基准，销子与孔的配合仍然按H7g8。如图（c）所示 观看动画改进为(b)(c)以端面A和右端孔为定位基准，销子与孔的配合仍然按H7g8，则销子直径为 。因 得所以即可满足尺寸 的要求。解题过程又因此时 所以 即可满足尺寸 的要求。解题过程工件的夹紧 o为了使工件加工时在切削力、惯性力、重力等外力作用下，仍然保持已定好的位置，在夹具上还须设有夹紧装置夹紧装置
12、，对工件产生适当的夹紧力夹紧力。o夹紧装置的设计和选择是否合理，将直接影响工件的加工质量和生产率。因此对夹紧装置提出以下要求：夹紧动作要准确迅速；操作省力方便；夹紧安全可靠；结构简单，易于制造。o夹紧力的组成：夹紧力力的大小力的方向力的作用点这三要素是夹紧装置设计和选择的核心问题。夹紧力三要素的设计原则o夹紧力的方向 夹紧力的方向与工件的装夹方式、工件受外力的方向以及工件的刚性等有关，可以从以下三方面考虑：（1）当工件用几个表面作为定位基准时，若工件是大型的，则为了保持工件的正确位置，朝向个定位元件都要有夹紧力；若工件尺寸较小，切削力不大，则往往只要垂直朝向主要定位面有夹紧力，保证主要定位面与
13、定位元件有较大的接触面积，就可以使工件装夹稳定可靠。（2）夹紧力的方向应方便装夹和有利于减小夹紧力。o下图为夹紧力Q、重力G、切削力F三者之间的组合关系。工件重力G的方向始终指向地面，因此从装夹工件出发，以图（a）、（b）最好，因为主要定位元件表面是水平朝上，使工件装夹稳定可靠。图（c）、（d）、（e）情况较差；图（f）情况最差，不便装夹。若从减小夹紧力出发，假定图中G和F大小相同，者所需要的Q力以图（a）最小，图（b）次之，图（f）最大。由此可见当Q、F、G方向相同时，所需夹紧力最小，此时施加夹紧力的目的就是防止工件在加工中的振动。观看动画（3）夹紧力的方向应使工件夹紧后的变形小。o 如图(
14、a)是用三爪卡盘将薄壁套筒零件用径向力夹紧,因刚性不足易引起工件变形。若改为图(b)用特定的螺母通过轴向力夹紧工件，则工件不易变形。观看动画 夹紧力的作用点o当夹紧力方向确定后，夹紧力的作用点的位置和数目的选择将直接影响工件定位后的可靠性和夹紧后的变形。对作用点位置的选择和数目的确定应注意以下几个方面：（1）力的作用点的位置应能保持工件的正确定位而不发生位移或偏转。为此，作用点的位置应靠近支承面的几何中心，使夹紧力均匀分布在接触面上。如图应将夹紧力Q改为Q1。o （2）夹紧力的作用点应位于工件刚性较大处，而且作用点应有足够的数目，这样可使工件的变形量最小。如图应将夹紧力Q改为Q1。o（3）夹紧
15、力的作用点应尽量靠近工件被加工表面，这样可使切削力对该作用点的力矩减小，工件的振动也可以减小。观看动画-夹紧力的作用点-夹紧力的大小o 工件的夹紧力过大，会引起工件变形，达不到加工精度要求，而且使夹紧装置结构尺寸加大，造成结构不紧凑；夹紧力过小，会造成夹不牢工件，加工时易破坏定位，同样也保证不了加工精度要求，甚至会引起安全事故。由此可见，必须对工件施加大小适当的夹紧力。实际夹紧力为：QK Q 其中，K为安全系数，一般取1.52；Q为按工件受力平衡所需要的夹紧力；o注：对于关键性的重要夹具，往往通过试验的方法来测定所需的 夹紧力。常用的夹紧装置 o楔块夹紧装置 在生产中，很少单独使用楔块对工件直
16、接夹紧，而是与杆杠、压板、螺旋等组合使用，或是与气压、液压传动装置联用。如图 所示，楔块夹紧主要用于增大夹紧力或改变夹紧力方向。螺旋夹紧装置o螺旋夹紧装置是从楔块夹紧装置转化而来的，相当于把楔块绕在圆柱体上，转动螺旋时即可夹紧工件。如图所示为简单的单螺旋夹紧机构。o观看动画1o观看动画2o观看动画3偏心夹紧装置 o偏心夹紧装置也是从楔块夹紧装置转化而来的，它是将楔块包在圆盘上，旋转圆盘使工件得以夹紧。观看动画1 观看动画2 偏心夹紧装置定心夹紧装置o 在切削加工中，若工件是以中心线或对称面为工序基准，为使 0，可采用一种保证工件准确定心或对中的装置，使工件的定位和夹紧过程同时完成，而定位元件与
17、夹紧元件合二为一。这种装置称为定心夹紧装置。如图所示，三爪卡盘就是一种定心夹紧装置。观看动画机床夹具的基本要求和设计步骤 o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）稳定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和劳动条件；（4）应能降低工件的制造成本。o夹具设计的工作步骤（1）研究原始资料，明确设计任务；（2）考虑和确定夹具的结构方案，绘制结构草图；（3）绘制夹具总图；（4）确定并标注有关尺寸和夹具技术要求；（5）绘制夹具零件图。本章小结o （1）机床夹具是由定位元件、夹紧装置、对刀元件、夹具体等部分组成，机床夹具设计也就是
18、针对夹具组成的各部分进行设计，其中定位与夹紧两个环节是夹具设计的重点。o （2）定位就是确定工件在夹具中的正确位置，是通过在夹具上设置正确的定位元件与工件定位面的接触来实现的。工件的定位有完全定位和不完全定位，要根据其具体加工要求而定，欠定位在夹具设计中是不允许的，而过定位则有条件地使用。o （3）通常，由于定位副制造不准确或采用了基准不重合定位等原因，定位过程中会引用定位误差，定位误差的计算要根据具体情况分析计算。o （4）夹紧是为了克服切削力等外力干扰而使工件正确定位的一种手段。夹紧一般在定位步骤之后，有时定位与夹紧是同时进行的。o （5）车、铣、钻、磨等不同的机床其夹具设计具有各自典型特点，应根据具体设计任务，遵从夹具设计的基本要求和步骤进行设计。