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1、 课程课程:数控加工工艺学数控加工工艺学主讲教师:主讲教师:葛新锋葛新锋Chapter 5、机床夹具、机床夹具本章要点机床夹具概述工件在夹具上的定位工件夹紧各类机床夹具夹具设计步骤与方法柔性夹具计算机辅助夹具设计第第5章章 机床夹具设计机床夹具设计5.1 机床夹具概述机床夹具概述 Introduction to the machine fixtural toolp夹具?夹具?u在机床上对工件进行加工时,为保证加工精在机床上对工件进行加工时,为保证加工精度和提高生产率,使度和提高生产率,使工件在机床上相对刀具工件在机床上相对刀具占有正确位置的辅助装置占有正确位置的辅助装置。对机械加工质量、工人劳
2、动强度、生产率和生产成本对机械加工质量、工人劳动强度、生产率和生产成本有直接影响。有直接影响。比直接装夹和划线找正等方法更为快捷有效比直接装夹和划线找正等方法更为快捷有效5.1.1 机床夹具定义和组成机床夹具定义和组成 连杆铣槽夹具连杆铣槽夹具1 菱形销菱形销 2 对刀块对刀块 3 定位键定位键 4 夹具底板夹具底板 5 圆柱销圆柱销 6 工件工件 7 弹簧弹簧 8 螺栓螺栓 9 螺母螺母 10 压板压板 11 止动销止动销 5.1.1 机床夹具定义和组成机床夹具定义和组成 铣轴端槽夹具铣轴端槽夹具1 V型块型块 2 支撑套支撑套 3 手柄手柄 4 定向键定向键 5 夹具体夹具体 6 对刀块对
3、刀块5.1.1 机床夹具定义和组成机床夹具定义和组成p夹具工作的要点夹具工作的要点u使工件在夹具中占有正确的位置;(使工件在夹具中占有正确的位置;(工件在工件在夹具中的定位夹具中的定位)u夹具对机床有准确的相对位置(夹具对机床有准确的相对位置(夹具相对机夹具相对机床的定位床的定位)定位元件的定位工作面对于夹具与机床相联接的表面之间有准定位元件的定位工作面对于夹具与机床相联接的表面之间有准确的相对位置,从而满足工件加工面对定位基准的相互位置精度确的相对位置,从而满足工件加工面对定位基准的相互位置精度要求;要求;u刀具相对定位元件的定位工作面调整到准确刀具相对定位元件的定位工作面调整到准确位置,保
4、证刀具在工件上加工出的表面对工件位置,保证刀具在工件上加工出的表面对工件定位基准的位置尺寸;定位基准的位置尺寸;(对刀)(对刀)u定位始终可靠,需要夹紧。定位始终可靠,需要夹紧。5.1.1 机床夹具定义和组成机床夹具定义和组成p夹具的组成夹具的组成u1 1、定位元件、定位元件n用以确定工件在夹具中的位置用以确定工件在夹具中的位置u2 2、夹紧装置、夹紧装置n保持工件在夹具中的既定位置保持工件在夹具中的既定位置n加工过程中不因外力而改变位置加工过程中不因外力而改变位置u3 3、对刀与导引元件、对刀与导引元件n预先调整夹具相对于刀具的位置预先调整夹具相对于刀具的位置u4 4、联接元件和联接表面、联
5、接元件和联接表面n确定夹具在机床上的位置确定夹具在机床上的位置u5 5、夹具体、夹具体n夹具的各种元件、装置联结成一个整体的基础件夹具的各种元件、装置联结成一个整体的基础件u6 6、其它装置、其它装置n一些特殊需要而设置的装置一些特殊需要而设置的装置 5.1.1 机床夹具定义和组成机床夹具定义和组成5.1.2 机床夹具功能机床夹具功能1 1 1 1)保证加工质量)保证加工质量)保证加工质量)保证加工质量 用夹具装夹工件时,工件相对于刀具及机床的位置精度由夹具保证,用夹具装夹工件时,工件相对于刀具及机床的位置精度由夹具保证,不受工人技术水平的影响,使一批工件的加工精度趋于一致。不受工人技术水平的
6、影响,使一批工件的加工精度趋于一致。2 2)提高生产效率,降低生产成本)提高生产效率,降低生产成本 使用夹具装夹工件方便、快速,工件不需要划线找正,可显著地减使用夹具装夹工件方便、快速,工件不需要划线找正,可显著地减少辅助工时;工件在夹具中装夹后提高了工件的刚性,可加大切削用量;少辅助工时;工件在夹具中装夹后提高了工件的刚性,可加大切削用量;可使用多件、多工位装夹工件的夹具,并可采用高效夹紧机构,进一步可使用多件、多工位装夹工件的夹具,并可采用高效夹紧机构,进一步提高劳动生产率。提高劳动生产率。3 3)扩大机床工艺范围)扩大机床工艺范围 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
7、原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。例如在车床的溜板上或摇臂钻床工作台上装上镗模,就有的工艺范围。例如在车床的溜板上或摇臂钻床工作台上装上镗模,就可以进行箱体零件的镗孔加工可以进行箱体零件的镗孔加工。4 4)减轻工人劳动强度,保证安全生产)减轻工人劳动强度,保证安全生产 夹具功能夹具功能三爪卡盘四爪卡盘万向平口钳回转工作台分度头通用夹具5.1.3 5.1.3 机床夹具分类机床夹具分类专用夹具 4 3D L零件工序简图5.1.3 5.1.3 机床夹具分类机床夹具分类零件工序简图43DLLD43D43LDL34DL43DL34成组夹具KH1KH2KH3KH45
8、.1.3 5.1.3 机床夹具分类机床夹具分类组合夹具实例5.1.3 5.1.3 机床夹具分类机床夹具分类可分为钻床夹具、铣床夹具、车床夹具、磨床夹具等。按使用机床划分按使用机床划分可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、真空夹具、电动夹具等。按夹紧力源划分按夹紧力源划分气动虎钳 液压夹具5.1.3 5.1.3 机床夹具分类机床夹具分类第第5章章 机床夹具设计机床夹具设计5.2 工件在夹具上的定位工件在夹具上的定位The workpiece positioning in the fixturep定位的概念定位的概念定位定位使工件占据规定的位置使工件占据规定的位置 夹紧夹紧使该既定位置固定下来使该既
9、定位置固定下来 安装安装是指工件从定位到夹紧的过程是指工件从定位到夹紧的过程注意:注意:首先选择与夹具定位元件接触的表面,即首先选择与夹具定位元件接触的表面,即选择选择工件的定位基准工件的定位基准。工件的定位基准一旦选定,则工件。工件的定位基准一旦选定,则工件的定位方案、夹具的定位元件也就基本确定了。的定位方案、夹具的定位元件也就基本确定了。足够的精度。足够的硬度和耐磨性。足够的刚足够的精度。足够的硬度和耐磨性。足够的刚度和强度。工艺性要好。便于清除切屑。度和强度。工艺性要好。便于清除切屑。p定位元件的基本要求定位元件的基本要求5.2 5.2 工件在夹具上定位工件在夹具上定位工件以平面定位工件
10、以平面定位 固定支承固定支承支承钉支承板为保持几个支承板的等为保持几个支承板的等高性应高性应:严格控制其高度公差严格控制其高度公差装配后统一磨削装配后统一磨削在设计时应注意,支承在设计时应注意,支承板定位表面应被工件板定位表面应被工件定位表面完全遮盖,定位表面完全遮盖,即其面积小于工件定即其面积小于工件定位表面面积,以使定位表面面积,以使定位元件均匀磨损。位元件均匀磨损。5.2.1 5.2.1 定位方法与定位元件定位方法与定位元件 可调支承可调支承可调支承可调支承支承点的位置可以在一定高度范围内调支承点的位置可以在一定高度范围内调支承点的位置可以在一定高度范围内调支承点的位置可以在一定高度范围
11、内调整的支承。当工件定位表面不规整或工件批与批之间毛整的支承。当工件定位表面不规整或工件批与批之间毛整的支承。当工件定位表面不规整或工件批与批之间毛整的支承。当工件定位表面不规整或工件批与批之间毛坯尺寸变化较大时,常用可调支承坯尺寸变化较大时,常用可调支承坯尺寸变化较大时,常用可调支承坯尺寸变化较大时,常用可调支承。可调支承注意:注意:每一批工件都要对可调支承进行调整,且调每一批工件都要对可调支承进行调整,且调整完后一定要锁紧,即将该位置固定。整完后一定要锁紧,即将该位置固定。5.2.1 5.2.1 定位方法与定位元件定位方法与定位元件自位支承 自位支承自位支承自位支承自位支承又称浮动支承。在
12、定位过程中,支承点又称浮动支承。在定位过程中,支承点又称浮动支承。在定位过程中,支承点又称浮动支承。在定位过程中,支承点可以自动调整其位置以适应工件定位表面的变化。只限可以自动调整其位置以适应工件定位表面的变化。只限可以自动调整其位置以适应工件定位表面的变化。只限可以自动调整其位置以适应工件定位表面的变化。只限制一个自由度,可提高工件的安装刚性和稳定性。制一个自由度,可提高工件的安装刚性和稳定性。制一个自由度,可提高工件的安装刚性和稳定性。制一个自由度,可提高工件的安装刚性和稳定性。5.2.1 5.2.1 定位方法与定位元件定位方法与定位元件 辅助支承辅助支承辅助支承辅助支承在工件完成定位后才
13、参与支承,它不起定在工件完成定位后才参与支承,它不起定位作用,而只起支承作用,常用于在加工过程中加强被加位作用,而只起支承作用,常用于在加工过程中加强被加工部位的刚度,提高切削稳定性。工部位的刚度,提高切削稳定性。辅助支承5.2.1 5.2.1 定位方法与定位元件定位方法与定位元件p平面定位元件的选用平面定位元件的选用面积较小面积较小的基准平面选用的基准平面选用支承钉支承钉面积较大面积较大、平面度精度较高平面度精度较高的基准平面定位的基准平面定位选用选用支承板支承板毛坯面、阶梯平面毛坯面、阶梯平面和和环形平面环形平面作基准平面定作基准平面定位时,选用位时,选用自位支承自位支承毛坯面作基准平面,
14、调节时可按定位面质量毛坯面作基准平面,调节时可按定位面质量和面积大小分别选用和面积大小分别选用可调支承可调支承当工件定位基准面需当工件定位基准面需提高提高定位刚度、稳定性定位刚度、稳定性和可靠性时,可选用和可靠性时,可选用辅助支承辅助支承5.2.1 5.2.1 定位方法与定位元件定位方法与定位元件工件以圆柱孔定位工件以圆柱孔定位 心轴心轴在车、铣、在车、铣、磨、齿轮加工等机床磨、齿轮加工等机床上加工套筒类和盘类上加工套筒类和盘类零件。零件。心轴刚性心轴弹性心轴自动定心心轴液塑心轴过盈配合间隙配合小锥度心轴过盈配合心轴间隙配合心轴小锥度心轴5.2.1 5.2.1 定位方法与定位元件定位方法与定位
15、元件工件以圆柱孔定位工件以圆柱孔定位 心轴心轴弹性心轴5.2.1 5.2.1 定位方法与定位元件定位方法与定位元件工件以圆柱孔定位工件以圆柱孔定位 心轴心轴自动定心心轴1螺母 2弹簧 3活块123AB5.2.1 5.2.1 定位方法与定位元件定位方法与定位元件工件以圆柱孔定位工件以圆柱孔定位 心轴心轴液塑心轴5.2.1 5.2.1 定位方法与定位元件定位方法与定位元件工件以圆柱孔定位工件以圆柱孔定位 定位销:定位销:工件上定工件上定位内孔较小时,常选位内孔较小时,常选定位销定位销定位销圆柱定位销圆锥定位销菱形定位销圆柱定位销5.2.1 5.2.1 定位方法与定位元件定位方法与定位元件工件以圆柱
16、孔定位工件以圆柱孔定位 定位销定位销菱形销锥形销5.2.1 5.2.1 定位方法与定位元件定位方法与定位元件工件以外圆柱面定位工件以外圆柱面定位 套筒套筒套筒定位l当工件对称度要求较高时,选用当工件对称度要求较高时,选用V形块形块l当工件定位圆柱面精度较高时,可选用定位套或半圆当工件定位圆柱面精度较高时,可选用定位套或半圆形定位座形定位座5.2.1 5.2.1 定位方法与定位元件定位方法与定位元件5.2.1 5.2.1 定位方法与定位元件定位方法与定位元件对于有些大型工件,不便从轴向安装,此时可利用半圆对于有些大型工件,不便从轴向安装,此时可利用半圆套定位。如下图上半圆夹紧,下半圆定位。套定位
17、。如下图上半圆夹紧,下半圆定位。半圆套半圆套5.2.1 5.2.1 定位方法与定位元件定位方法与定位元件V V形块的结构类型形块的结构类型 图图a a用于短精基准用于短精基准图图b b用于较长粗基准用于较长粗基准图图c c用于长基准,精基准用于长基准,精基准图图d d较粗大工件,可镶钢垫,提高耐磨性,节约钢材较粗大工件,可镶钢垫,提高耐磨性,节约钢材工件以外圆柱面定位工件以外圆柱面定位 V V 形块(支承定位)形块(支承定位)5.2.1 5.2.1 定位方法与定位元件定位方法与定位元件工件以外圆柱面定位工件以外圆柱面定位 V V 形块(支承定位)形块(支承定位)V 形块 当当 9090时,有:
18、时,有:5.2.1 5.2.1 定位方法与定位元件定位方法与定位元件工件以其他表面定位工件以其他表面定位工件以锥面定位工件以齿面定位5.2.1 5.2.1 定位方法与定位元件定位方法与定位元件p生产中最常见的生产中最常见的“一面两孔一面两孔”定位定位p“一面两孔一面两孔”定位的特点:定位的特点:容易实现基准统一;容易实现基准统一;位置精度高;位置精度高;一面两孔定位一面两孔定位5.2.1 5.2.1 定位方法与定位元件定位方法与定位元件一面两孔定位一面两孔定位 一面两孔定位菱形销宽度尺寸计算BbD2d2O2O2ACL1/2TLKL1/2TLXD1d1O1式中 b 菱形销宽度;D1,D2 与圆柱
19、销和菱形销配合孔最小直径;1min,2min 孔1、2与销1、2的最小间隙;TLK,TLX 两孔和两销中心距的公差。5.2.1 5.2.1 定位方法与定位元件定位方法与定位元件一面两孔定位设计计算一面两孔定位设计计算1)确定两销中心距尺寸及公差:取工件两孔中心距基本尺寸为两销中心距基本尺寸,其公差取工件孔中心距公差的1/51/32)确定圆柱销直径及其公差:取相应孔的最小直径作为圆柱销直径的基本尺寸,其公差一般取g6或f7。3)确定菱形销宽度、直径及其公差:按有关标准(见下表)选取菱形销的宽度b;然后按前式计算菱形销与其配合孔的最小间隙2min;再计算菱形销直径的基本尺寸:d2D22min;最后
20、按h6或h7确定菱形销直径公差。菱形销结构尺寸d36688202025253232404050Bd0.5d1d2d3d4d5d6b11233345b2345568(单位:mm)b 削边销计算宽度削边销计算宽度 b1 修圆后留下的圆柱部分宽度修圆后留下的圆柱部分宽度5.2.1 5.2.1 定位方法与定位元件定位方法与定位元件【例例1】设计设计计算图计算图6-1夹具两销定位的有关夹具两销定位的有关尺寸。尺寸。【解解】取两销中心距(取两销中心距(570.02)mm 取圆柱销直径为取圆柱销直径为d d1=42.6g6mm1=42.6g6mm 选取菱形销的宽度选取菱形销的宽度b=4mmb=4mm 计算菱
21、形销与其配合孔的最小间隙计算菱形销与其配合孔的最小间隙确定菱形销的公差确定菱形销的公差 u使用机床夹具时,加工误差由三部分组成:使用机床夹具时,加工误差由三部分组成:定位误差定位误差 DWDW 基准位置误差基准位置误差JWJW 1 1、安装误差、安装误差 AZ AZ 基准不重合误差基准不重合误差BCBC 夹紧误差夹紧误差JJJJ 对刀误差对刀误差DODO 2 2、对定误差、对定误差DDDD 夹具位置误差夹具位置误差WW 力变形、热变形力变形、热变形 3 3、过程误差、过程误差GCGC 机床、夹具、刀具的磨损机床、夹具、刀具的磨损 5.2.2 5.2.2 定位误差计算定位误差计算要保证加工精度要
22、保证加工精度,必须满足加工误差不等式:必须满足加工误差不等式:AZ+DD+GC TAZ+DD+GC T T T工件公差工件公差 一般可平均分配一般可平均分配 AZAZ(1/31/3)T T DDDD(1/31/3)T T GCGC(1/31/3)T T 也可给也可给GCGC留(留(1/31/3)T T、(、(2/32/3)T T在在AZAZ、DDDD之间进行调整之间进行调整 5.2.2 5.2.2 定位误差计算定位误差计算5.2.2 定位误差计算定位误差计算 定位误差的概念定位误差的概念 例例如如在在轴轴上上铣铣键键槽槽,要要求求保保证证槽槽底底至至轴轴心心的的距距离离H H。若若采采用用V
23、V 型型块块定定位位,键键槽槽铣铣刀刀按按规规定定尺尺寸寸H H调调整整好好位位置置。实实际际加加工工时时,由由于于工工件件直直径径存存在在公公差差,会会使使轴轴心心位位置置发发生生变变化化。此此变变化化量量就就是是由由于于工工件件的的定定位位而而引引起起的的加加工工误误差差,故称为定位误差。故称为定位误差。定位误差HOAO1O2DW定位误差是由于工件在夹具上(或机床上)定位不准确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。而引起的加工误差。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,如前页图所示例子。2)由于工件的工序基准与定位基准不重
24、合而引起的定位误差,称为基准不重合误差。右右图图所所示示工工件件以以底底面面定定位位铣铣台台阶阶面面,要要求求保保证证尺尺寸寸a a,即即工工序序基基准准为为工工件件顶顶面面。如如刀刀具具已已调调整整好好位位置置,则则由由于于尺尺寸寸 b b 的的误误差差会会使使工工件件顶顶面面位位置置发发生生变变化化,从从而而使使工工序序尺尺寸寸 a a 产产生生误误差。差。bDWa由于基准不重合引起的定位误差工序基准 定位基准5.2.2 5.2.2 定位误差计算定位误差计算 定位误差的来源定位误差的来源1 1)合成法)合成法DWBCcos JW cos 式中式中 DWDW 定位误差;定位误差;BCBC 基
25、准不重合误差;基准不重合误差;JWJW 基准位置误差;基准位置误差;基准不重合误差与加工方向的夹角;基准不重合误差与加工方向的夹角;基准位置误差与加工方向的夹角。基准位置误差与加工方向的夹角。注意注意:式中式中“号号”的选取:当某种因素引起的、的选取:当某种因素引起的、变动趋势相同时,取变动趋势相同时,取“+”号;当、变动方向相反时,号;当、变动方向相反时,取取“-”号。号。5.2.2 5.2.2 定位误差计算定位误差计算 2 2)定义法)定义法利用定义法计算利用定义法计算DWDW步骤:步骤:明确工序要求(加工要求方向)明确工序要求(加工要求方向)找出工序基准找出工序基准计算工序基准在加工方向
26、上最大变动量计算工序基准在加工方向上最大变动量工件以平面定位时的定位误差工件以平面定位时的定位误差定位基准:平面;定位基准:平面;定位元件工作面:平面定位元件工作面:平面 =易加工平整,接触良好易加工平整,接触良好=所以所以JWJW=0 ,=0 ,DWDW=JBJB (注:若是毛坯面,则仍有(注:若是毛坯面,则仍有JWJW)5.2.2 5.2.2 定位误差计算定位误差计算3 3)微分法)微分法 根据定位误差的定义,要计算定位误差,必须确定工序根据定位误差的定义,要计算定位误差,必须确定工序基准在加工要求方向上最大的变动量,而这个变动量相对基准在加工要求方向上最大的变动量,而这个变动量相对于基本
27、尺寸而言是个于基本尺寸而言是个微量微量,因而可将这个变动量视为某个,因而可将这个变动量视为某个基本尺寸的基本尺寸的微分微分。微分法是把工序基准与夹具上在加工要。微分法是把工序基准与夹具上在加工要求方向上某固定点相连后得到一线段,用几何的方法得出求方向上某固定点相连后得到一线段,用几何的方法得出该线段的表达式,然后对该表达式进行微分,再将各尺寸该线段的表达式,然后对该表达式进行微分,再将各尺寸误差视为微小增量,取绝对值后代替微分,最后以公差代误差视为微小增量,取绝对值后代替微分,最后以公差代替尺寸误差,就可以得到定位误差的表达式。替尺寸误差,就可以得到定位误差的表达式。5.2.2 5.2.2 定
28、位误差计算定位误差计算定义法定义法通过两个极限位置求解定位误差,通过两个极限位置求解定位误差,既有效又简洁;既有效又简洁;合成法合成法避免了用极限位置求解定位误差时避免了用极限位置求解定位误差时复杂的位移计算,还有助于正确理解定位复杂的位移计算,还有助于正确理解定位误差产生的原因;误差产生的原因;微分法微分法在解决较复杂的定位误差分析计算在解决较复杂的定位误差分析计算问题时有明显的优势,但有时不易建立工问题时有明显的优势,但有时不易建立工序基准与夹具上固定点的关系式,无法进序基准与夹具上固定点的关系式,无法进行计算。行计算。【例例1】一批工件用一批工件用“调整法调整法”铣缺口,定位有铣缺口,定
29、位有a)、)、b)两种方案,)两种方案,如图所示。如图所示。试计算两种情况下工序尺寸试计算两种情况下工序尺寸20的定位误差。的定位误差。【解解】(1)合成法)合成法 a)DW.20=BC+JW=T40+0=0.28+0 =0.28(mm)T20/3=0.3/3=0.1(mm)不能够采用此种定位方案。不能够采用此种定位方案。b)DW.20=BC+JW=0+0=0 故可以采用此种定位方案。故可以采用此种定位方案。工件以平面定位工件以平面定位(2 2)微分法)微分法 先建立工序基准到某一固定点距离的关系式,然后对先建立工序基准到某一固定点距离的关系式,然后对其进行微分。其进行微分。a a)工序基准)
30、工序基准A A到定位表面到定位表面B B的距离刚好就是工件的高的距离刚好就是工件的高度尺寸度尺寸HHTH=40TH=400.140.14 对其进行微分:对其进行微分:DW|20dHDW|20dHHH=TH=TH0.28 0.28(mmmm)b)b)工序基准到定位表面的距离是一个固定的常值,常工序基准到定位表面的距离是一个固定的常值,常值的微分是值的微分是0 0。DW|20=0DW|20=0 工件以平面定位工件以平面定位(3 3)定义法)定义法 a a)1 1、加工方向:竖直、加工方向:竖直 2 2、工序基准:、工序基准:A A面面 3 3、计算工序基准在加工方向上的最大、计算工序基准在加工方向
31、上的最大变动量变动量 DW|20=T20=0.28(mm)DW|20=T20=0.28(mm)b)b)DW|20=0DW|20=0 工件以平面定位工件以平面定位【例例2】如下图所示,以如下图所示,以A A 面定位加工面定位加工20H820H8孔,孔,求加工尺寸求加工尺寸40400.1mm0.1mm的定位误差。的定位误差。【解解】设计基准设计基准 B B 与定位基准与定位基准 A A不重合,因此将产生基准不重合不重合,因此将产生基准不重合误差误差 JWJW0mm0mm JBJB0.025-(0.025)+0.050.025-(0.025)+0.05 -(-0.05)mm=0.15mm -(-0.
32、05)mm=0.15mm DWDW JWJW+JBJB 0.15mm0.15mm工件以外圆定位工件以外圆定位【例】有一批轴件有一批轴件.在支承上定位铣键槽在支承上定位铣键槽.保证相应保证相应的工序要求,求各工序要求定位误差是多少?的工序要求,求各工序要求定位误差是多少?【解解】(仅使用定义法)(仅使用定义法)DW|H=Td/2DW|H=Td/2 DW|bDW|b=0=0 DW|DW|=Td/2=Td/2 工件以外圆定位工件以外圆定位【例例】有一批轴件有一批轴件,现用调整法铣一缺口。定现用调整法铣一缺口。定位方案如图位方案如图.试求工序尺寸试求工序尺寸A A、B B的定位误差的定位误差工件以外圆
33、定位工件以外圆定位 5.3 工件的夹紧工件的夹紧Workpiece clamping第第5章章 机床夹具设计机床夹具设计5.3.1 对工件夹紧装置要求对工件夹紧装置要求 在夹紧过程中应能保持工件定位时所获得的正确位置在夹紧过程中应能保持工件定位时所获得的正确位置 夹紧力大小适当夹紧力大小适当夹紧机构应能保证在加工过程中工夹紧机构应能保证在加工过程中工件不产生松动或振动,同时又要避免工件产生不适当的变件不产生松动或振动,同时又要避免工件产生不适当的变形和表面损伤形和表面损伤 夹紧机构一般应有自锁作用夹紧机构一般应有自锁作用 夹紧装置应操作方便、省力、安全夹紧装置应操作方便、省力、安全 夹紧装置的
34、复杂程度和自动化程度应与生产批量和生产夹紧装置的复杂程度和自动化程度应与生产批量和生产方式相适应。结构设计应力求简单、紧凑,并尽量采用标方式相适应。结构设计应力求简单、紧凑,并尽量采用标准化元件准化元件 夹紧装置的组成夹紧装置的组成夹紧装置的组成夹紧装置的组成动力源装置:动力源装置:它是产生夹紧作用力的装置它是产生夹紧作用力的装置传传力力机机构构:传传递递力力的的机机构构,其其作作用用是是:改改变变作作用用力力的的方方向向;改改变变作作用用力力的的大大小小;具具有有一一定定的的自自锁锁性性能能,以以保保证证夹紧可靠。夹紧可靠。夹紧元件:夹紧元件:它是直接与工件接触完成夹紧作用的元件它是直接与工
35、件接触完成夹紧作用的元件u设计夹具时应考虑的问题设计夹具时应考虑的问题夹紧力夹紧力(三要素:大小、方向、作用点)(三要素:大小、方向、作用点)传力方式传力方式(手动、气动、液力、电力等)(手动、气动、液力、电力等)夹紧机构夹紧机构(增力、快速、机动等)(增力、快速、机动等)5.3.2 5.3.2 夹紧力的确定夹紧力的确定 夹紧力方向选择夹紧力方向选择 夹夹紧紧力力作作用用方方向向应应有有利利于于工工件件的的准准确确定定位位,而而不不能能破破坏坏定定位位。为为此此一一般般要要求求主主要要夹夹紧紧力力垂直指向主要定位面垂直指向主要定位面夹紧力方向选择(1)夹紧力方向选择(2)夹夹紧紧力力作作用用方
36、方向向应应尽尽量量与与切切削削力力、工工件件重重力力方方向向一一致致,以以减小所需夹紧力减小所需夹紧力 5.3.2 5.3.2 夹紧力的确定夹紧力的确定 夹紧力方向选择夹紧力方向选择 夹夹紧紧力力作作用用方方向向应应尽尽量量与与工工件件刚刚度度大大的的方方向向相相一一致致,以减小工件夹紧变形以减小工件夹紧变形 夹紧力方向选择(3)5.3.2 5.3.2 夹紧力的确定夹紧力的确定 夹紧力作用点选择夹紧力作用点选择 夹夹紧紧力力作作用用点点应应正正对对支支承承元元件件或或位位于于支支承承元元件件所所形形成成的支承面内,以保证工件已获得的定位不变的支承面内,以保证工件已获得的定位不变 a)b)夹紧力
37、作用点的选择(1)5.3.2 5.3.2 夹紧力的确定夹紧力的确定 夹紧力作用点选择夹紧力作用点选择 夹夹紧紧力力作作用用点点应应处处于于工工件件刚刚性性较较好好的的部部位位,以以减减小小工工件夹紧变形件夹紧变形 夹紧力作用点选择(2)5.3.2 5.3.2 夹紧力的确定夹紧力的确定 夹紧力作用点选择夹紧力作用点选择 夹夹紧紧力力作作用用点点应应尽尽量量靠靠近近加加工工表表面面,以以减减小小切切削削力力对对工工件件造造成成的的翻翻转转力力矩矩。必必要要时时应应在在工工件件刚刚度度差差的的部部位位增增加加辅辅助助支支承承并并施施加加夹夹紧紧力力,以以减减小小切切削削过过程程中中的的振振动动和和变
38、形变形 夹紧力作用点选择(3)5.3.2 5.3.2 夹紧力的确定夹紧力的确定 夹紧力大小估算夹紧力大小估算 估估算算夹夹紧紧力力一一般般方方法法将将工工件件视视为为分分离离体体,并并分分析析作作用用在在工工件件上上的的各各种种力力,再再根根据据力力系系平平衡衡条条件件,确确定定保保持持工工件件平平衡衡所所需需最最小小夹夹紧紧力力,最最后后将将最最小小夹夹紧紧力力乘乘以以一一适当的安全系数适当的安全系数 车削时夹紧力的估算d0d【例】估算图示车削夹紧力由上式可求出最小夹紧力,再乘以安全系数k,得到所需的夹紧力:【解】只考虑主切削力Fc所产生的力矩与卡爪夹紧力Fj所产生的力矩相平衡,有:5.3.
39、2 5.3.2 夹紧力的确定夹紧力的确定【例】估算图示铣削夹紧力由上式可求出最小夹紧力,再乘以安全系数k,得到所需的夹紧力:铣削时夹紧力的估算【解】开始铣削时的受力情况最为不利。此时在力矩FaL的作用下有使工件绕O点转动的趋势,与之相平衡的是作用在A、B点上的夹紧力反力所构成的摩擦力矩。根据力矩平衡条件有:5.3.2 5.3.2 夹紧力的确定夹紧力的确定 夹紧力大小估算夹紧力大小估算 安安全全系系数数通通常常取取1.51.52.52.5。精精加加工工和和连连续续切切削削时时取取小小值值,粗粗加加工工或或断断续续切切削削时时取取大大值值。当当夹夹紧紧力力与与切切削削力力方向相反时,可取方向相反时
40、,可取2.52.53 3 摩摩擦擦系系数数主主要要取取决决于于工工件件与与夹夹具具支支承承件件或或夹夹紧紧件件之间的接触形式,具体数值可参考下表:之间的接触形式,具体数值可参考下表:不同表面的摩擦因数接触表面特征摩擦因数光滑表面直沟槽,方向与切削方向一致直沟槽,方向与切削方向垂直交错网状沟槽0.150.250.250.350.40.50.60.85.3.2 5.3.2 夹紧力的确定夹紧力的确定u夹紧力大小的确定夹紧力大小的确定要足够防止加工时松动要足够防止加工时松动使工件受压变形小,刚性差的工件应均匀加压使工件受压变形小,刚性差的工件应均匀加压 在实际的加工中,对于小件,往往不需要在实际的加工
41、中,对于小件,往往不需要计算夹紧力,可根据经验进行设计。大批量生产计算夹紧力,可根据经验进行设计。大批量生产或者是新产品上马时,可查阅夹具设计手册,利或者是新产品上马时,可查阅夹具设计手册,利用给定的现成公式来估算夹紧力的大小。用给定的现成公式来估算夹紧力的大小。夹紧力三要素的确定,是一个综合性问题,夹紧力三要素的确定,是一个综合性问题,必须考虑工件的结构特点、加工工艺方法、定位必须考虑工件的结构特点、加工工艺方法、定位元件的结构和布置等多种因素。元件的结构和布置等多种因素。5.3.3 5.3.3 常用夹紧机构常用夹紧机构 斜楔夹紧机构斜楔夹紧机构 斜楔夹紧的翻转式钻模 5.3.3 5.3.3
42、 常用夹紧机构常用夹紧机构 斜楔夹紧机构斜楔夹紧机构 夹夹紧紧力力取取斜斜楔楔为为分分离离体体,分分析析其其所所受受作作用用力力,并并根根据力平衡条件,可得到直接采用斜楔夹紧时的夹紧力为:据力平衡条件,可得到直接采用斜楔夹紧时的夹紧力为:式中 Fj 可获得的夹紧力(N)Fx 作用在斜楔上的原始力(N)1 斜楔与工件间摩擦角()2 斜楔与夹具体间摩擦角()斜楔的楔角()工作原理工作原理工作原理工作原理:利用楔块的斜面将楔块的推力转变为夹紧力,利用楔块的斜面将楔块的推力转变为夹紧力,从而夹紧工件从而夹紧工件5.3.3 5.3.3 常用夹紧机构常用夹紧机构 斜楔夹紧机构斜楔夹紧机构 自自锁锁条条件件
43、当当工工件件夹夹紧紧并并撤撤除除原原始始力力Fx后后,夹夹紧紧机机构构依依靠靠摩摩擦擦力力的的作作用用,仍仍能能保保持持对对工工件件的的夹夹紧紧状状态态的的现现象称为自锁。象称为自锁。12 钢铁表面间的摩擦因数一般为钢铁表面间的摩擦因数一般为=0.10.15,可知摩擦角,可知摩擦角1和和2的值的值为为5.758.5。因此,斜楔夹紧机构满足自锁的条件是:。因此,斜楔夹紧机构满足自锁的条件是:11.517但为了保证自锁可靠,一般取但为了保证自锁可靠,一般取为为1015;手动夹具一般取为;手动夹具一般取为68。5.3.3 5.3.3 常用夹紧机构常用夹紧机构 Fj/Fx=1/(tan1tan(+2)
44、若取若取11226 6,1010带入上式带入上式i=2.6.i=2.6.増力比是是指指在在夹夹紧紧原原始始力力FxFx作作用用下下,夹紧机构所能产生的夹紧力夹紧机构所能产生的夹紧力FjFj和和FxFx的比值。的比值。5.3.3 5.3.3 常用夹紧机构常用夹紧机构楔角楔角 越小,则产生的夹紧力越小,则产生的夹紧力F Fj j就越大,而要保证必要的就越大,而要保证必要的夹紧行程夹紧行程S S,必须加大斜楔的移动行程,必须加大斜楔的移动行程L L,致使结构不紧凑,致使结构不紧凑,夹紧速度变慢。所以在选择楔角夹紧速度变慢。所以在选择楔角 时,必须同时兼顾增力比时,必须同时兼顾增力比和夹紧行程,不可顾
45、此失彼。现场中可以采用和夹紧行程,不可顾此失彼。现场中可以采用“双楔角双楔角”的斜楔的斜楔 行行程程比比一一般般把把斜斜楔楔的的移移动动行行程程L L与与工工作作需需要要的的夹夹紧紧行行程程S S的的比比值值,称称为为行行程程比比,它它一一定定程程度度上上反反映映了了对对某某一一工件夹紧的夹紧机构的尺寸大小。工件夹紧的夹紧机构的尺寸大小。L/S1/tan双升角斜楔滑块夹紧机构双升角斜楔滑块夹紧机构1 1夹具体夹具体 2 2斜楔斜楔 3 3工件工件双升角斜楔机构双升角斜楔机构双升角斜楔机构双升角斜楔机构:大升角迅速趋近工件:大升角迅速趋近工件 小升角夹紧工件、自锁小升角夹紧工件、自锁5.3.3
46、常用夹紧机构常用夹紧机构5.3.3 5.3.3 常用夹紧机构常用夹紧机构夹紧特点:夹紧特点:结构简单,有增力作用。结构简单,有增力作用。一般扩力比一般扩力比Q/F3。具有自锁特性:自锁条件具有自锁特性:自锁条件 1+2楔块夹紧行程小,楔块夹紧行程小,夹紧力小,夹紧力小,夹紧和松开均需敲击,直接应用不方便,用作夹紧和松开均需敲击,直接应用不方便,用作增力机构,常增力机构,常与机械、汽动、液压机构联动。与机械、汽动、液压机构联动。楔块材料:通常用楔块材料:通常用20钢渗碳,淬硬钢渗碳,淬硬5862HRC斜楔夹紧机构斜楔夹紧机构6.3.3 6.3.3 常用夹紧机构常用夹紧机构 螺旋夹紧机构螺旋夹紧机
47、构 夹夹紧紧力力螺螺旋旋可可视视为为绕绕在在圆圆柱柱体体上上的的斜斜楔楔,因因此此可可从从斜斜楔楔公公式直接导出螺旋夹紧力计算公式:式直接导出螺旋夹紧力计算公式:式中 Fj 沿螺旋轴向作用的夹紧力(N)Fx 作用在扳手上的力(N)L 作用力的力臂(mm)d0 螺纹中径(mm)螺纹升角()1 螺纹副的当量摩擦角()2 螺杆(或螺母)端部与工件(或压板)之间的当量摩擦角()r 螺杆(或螺母)端部与工件(或压板)之间的当量摩擦半径(mm)1-螺母螺母 2-螺杆螺杆 3-工件工件5.3.3 5.3.3 常用夹紧机构常用夹紧机构 螺旋夹紧机构螺旋夹紧机构螺旋夹紧机构示例5.3.3 5.3.3 常用夹紧机
48、构常用夹紧机构 2r2RR压块形状当量摩擦半径计算公式矩形螺纹梯形螺纹三角螺纹螺纹形状当量摩擦角计算公式6030压紧螺钉端部的当量摩擦半径压紧螺钉端部的当量摩擦半径r1的值与螺杆头部(或压块)的结构有关的值与螺杆头部(或压块)的结构有关 5.3.3 5.3.3 常用夹紧机构常用夹紧机构 计计算算准准确确性性由由于于1 1 与与 2 2数数值值在在很很大大范范围围内内变变化化,要要获获得得准准确确结结果果很很困困难难。目目前前许许多多手手册册给给出出的的数数据据大大多多以以摩摩擦擦系系数数 0.10.1为为依依据据的的,这这与与实实际际情情况况出出入入较较大大。当当需需要准确确定螺旋夹紧力时,需
49、要采用实验方法。要准确确定螺旋夹紧力时,需要采用实验方法。力矩与夹紧力的关系实验(8mm系列组合夹具)Fj kt Ts 5.3.3 5.3.3 常用夹紧机构常用夹紧机构 自锁条件自锁条件螺旋夹紧机构的自锁条件和斜楔夹紧机螺旋夹紧机构的自锁条件和斜楔夹紧机构相同,即也可写为构相同,即也可写为 12螺旋夹紧机构的螺旋升角螺旋夹紧机构的螺旋升角很小(一般为很小(一般为24),故),故自锁性能好。自锁性能好。増力比増力比因为螺旋升角小于斜楔的楔角,螺旋夹紧因为螺旋升角小于斜楔的楔角,螺旋夹紧机构的扩力作用远大于斜楔夹紧机构。机构的扩力作用远大于斜楔夹紧机构。如一个如一个M10的螺钉,手柄长度的螺钉,手
50、柄长度120mm,其增力比约其增力比约为为140。若原始作用力。若原始作用力FX25N(2.5kg),则会产生则会产生Fj=3500 N(350kg)的作用力。的作用力。5.3.3 5.3.3 常用夹紧机构常用夹紧机构 螺螺旋旋夹夹紧紧特特点点结结构构简简单单,易易于于制制造造,增增力力比比大大,自自锁锁性性能能好好,在在手手动动夹夹紧紧中中应应用用广广泛泛。缺缺点点是是动动作作较较慢慢,为为提高作效率,可采用一些快撤装置。提高作效率,可采用一些快撤装置。两种快撤机构(螺旋夹紧)5.3.3 5.3.3 常用夹紧机构常用夹紧机构 偏心夹紧机构偏心夹紧机构 几种偏心夹紧机构几种偏心夹紧机构 偏心夹