制造技術(shù)第四章機床夾具

第四章工件的定位夾緊與夾具設(shè)計第一節(jié) 工件在機床上的安裝第二節(jié) 夾具的基本概念第三節(jié) 定位原理第四節(jié) 工件在夾具中的夾緊第五節(jié) 夾具舉例第一節(jié)

工件在機床上的安裝工件在機床或夾具上的安裝方式1、直接找正安裝2、劃線找正安裝3、夾具安裝第二節(jié)

夾具的基本概念一、夾具的作用及分類機床夾具的組成：1、定位元件──用來確定工件在夾具中的位置。2、夾緊元件──用來夾緊工件，在加工中保持工件的正確位置。3、對刀元件(導(dǎo)向元件)──用來確定刀具與工件的相互位置。4、夾具體──將夾具的各種元件連接起來的基礎(chǔ)件，并用于與機床有關(guān)部位（如主軸、工作臺）進行連接，以確定夾具相對機床的位置。5、其它元件──根據(jù)夾具特殊功用所需要具有的一些裝置。如分度裝置等。二、夾具的組成2、鉆床夾具定位原理第三節(jié)一、六點定位原理二、定位方法1、工件以平面定位支承釘輔助支承與可調(diào)支承的區(qū)別：支承板2、工件以圓孔定位圓柱定位銷圓錐銷心軸3、工件以圓柱面定位V形塊用V形塊定位雖然是用V形的2個斜面作支承定位，但2面支承定位的結(jié)果實現(xiàn)了工件外圓的定中定位（定心定位），因此，略去工件外圓的圓度誤差，工件的定位基準(zhǔn)為外圓的幾何軸心。V形塊有固定式和活動式定位套4、工件以圓錐面定位三、完全定位與不完全定位四、欠定位和過定位1、欠定位：應(yīng)該限制的自由度沒有被限制2、過定位：有重復(fù)限定的自由度平面的過定位大端面與長銷組合產(chǎn)生的過定位總結(jié)：在討論工件定位的合理性問題時，主要應(yīng)研究三個問題：為滿足工件加工面位置要求必須限制哪些自由度？從承受切削力、夾緊力以及提高生產(chǎn)率的角度分析在不完全定位中還應(yīng)限制哪些自由度？在定位方案中，是否有欠定位和過定位問題，能否允許過定位的存在。習(xí)題與思考題（四）4-1

機床夾具的組成有哪些部分?舉例說明工件在機床夾具中定位的概念，定位和夾緊有何區(qū)別?什么是過定位?造成的后果是什么?消除過定位的措施有哪些?4-1分析圖4—56所列定位方案。指出各定位元件所限制的自由度；判斷有無欠定位或過定位；對不合理的定位方案提出改進意見。圖(a)過三通管中心O打一孔，使孔軸線與管軸線Ox，Oz垂直相交，用

3個短V形塊定位；圖(b)

車外圓，保證外圓與內(nèi)孔同軸；圖(c)

車階梯軸外圓；圖(d)

在圓盤零件上鉆孔，保證孔與外圓同軸；圖(e) 鉆鉸鏈桿零件小頭孔，保證小頭孔與大頭孔之間的距離及兩孔平行度。圖(f)

加工齒輪齒形，齒坯工件在心軸上定位。補充：分析圖示各工件在加工有粗糙度符號表面時必須限制的自由度是哪些？4—2

圖4—57所示零件的A，

B，C面及φ10H7及φ307

孔均安排在前工序中加工，試分析加工φ20H7孔時選用哪表面定位最為合理。為什么?4—3

分析圖4—58所列加工零件中必須限制的自由度，選擇定位基準(zhǔn)和定位元件，并在圖中示意畫出；確定夾緊力作用點的位置和作用方向，并用規(guī)定的符號在圖中標(biāo)出。圖(a)

過球心打一孔；圖(b)

加工齒輪坯兩端面，要求保證尺寸A及兩端面與內(nèi)孔的垂直度；圖(c)

在小軸上銑槽，保證尺寸H和L；圖(d)

過軸心打通孔，保證尺寸L圖(e)

在支座上加工兩通孔，保證尺寸A和H4—3在分析多個表面定位情況下各表面所限制的自由度時，分清主次定位面是很有必要的。五、定位表面的組合一面兩孔組合定位在加工箱體類零件時經(jīng)常采用一面兩孔組合定位，夾具上相應(yīng)的定位元件是一面兩銷(圖5-19)。請分析各自限制的自由度及組合限制的自由度數(shù)為了避免由于過定位而引起的工件安裝時的干涉，兩銷中一個應(yīng)采用菱形銷．菱形銷的寬度（

b)可以通過簡單的幾何關(guān)系導(dǎo)出。如圖所示，考慮最不利的情況：孔心距為最大（L+TLK/2）,兩銷中心距為最?。↙-TLX/2）兩孔直徑均為最小(D1、D2)，兩銷直徑均為最大(d1、d2),且d1=D1-Δ1min；d2=D2-Δ2min菱形銷寬度計算忽略高次項(TLK+TLX)2、（Δ2min

)2得：b=

D2Δ2min/(TLK+TLX)或：Δ2min

=b(TLK+TLX)/D2菱形銷已標(biāo)準(zhǔn)化，因此常采用下述步驟設(shè)計菱形銷。22222

2222

2 2

min

2

2

2 2

2

b

2

D

T

T

b

1

D

2

ABAOAO'

AC

LXLk五、定位方式的定位誤差的分析計算1．平面定位時的定位誤差ΔD工件以未加工過的毛坯表面定位，一般只能采用三點支承方式，由于每個工件的定位基準(zhǔn)表面本身的情況不相同，將產(chǎn)生如圖（a）所示的基準(zhǔn)位移誤差，其變動量在ΔH范圍內(nèi)。ΔY≤ΔH。若工件以已加工過的表面定位，由于定位基準(zhǔn)本身的誤差很小，則可以忽略不計。即ΔY

=0工件以平面定位時可能產(chǎn)生的定位誤差，主要是由基準(zhǔn)不重合引起。分析和計算基準(zhǔn)不重合誤差的要點，在于找出聯(lián)系設(shè)計基準(zhǔn)和定位基準(zhǔn)之間的定位尺寸。當(dāng)定位尺寸是由多環(huán)尺寸組成時，則這時定位誤差實際上等于此尺寸鏈中所有組成環(huán)節(jié)的公差之和。2．工件以外圓柱面定位時的定位誤差Da）基準(zhǔn)位移誤差由于工件外圓直徑的偏差，將引起工件中心在V形塊上的對稱軸線上發(fā)生偏移，即造成基準(zhǔn)位移誤差ΔY（Z）如圖所示。ΔY=

OO’=

OE

-

O’E而OE=OF/sin(α/2)∵OF=D/2∴OE=（D/2）/

sin(α/2)同理：O’E=O’F’/sin(α/2)=[(D-T )/2]

/

sin(α/2)∴ΔY=

OO’

=

OE

-

O’E

=

[D

/

2sin(α/2)]-[(D-

TD

)/

2sin(α/2)]=TD

/

2sin（α/2）如圖所示，工序基準(zhǔn)有三種情況：H1，H2，H3，其基準(zhǔn)不重合誤差分別為：ΔBH1

=

0；ΔBH2

=

-

TD

/2；ΔBH3

=

TD

/2；（由于ΔBH2

使H2

的變化方向與ΔY所產(chǎn)生的變化方向相反。）b）基準(zhǔn)不重合誤差c）定位誤差計算尺寸從外圓柱面的軸線注起時，ΔDA0

=ΔY+ΔBA0

=

TD

/

2sin（α/2）+

0

=

TD

/

2sin（α/2）尺寸從外圓柱面的下母線注起時，ΔDA1

=ΔY+ΔBA1

=

TD

/

2sin（α/2）-TD

/2=

TD

/2×

[(

1/

2sin（α/2）)

-

1]當(dāng)α=90°時，ΔD=0.207TD尺寸從外圓柱面的上母線注起時，ΔDA2

=ΔY+ΔBA2=

TD

/

2sin（α/2）+TD

/2=

TD

/2×

[(

1/

2sin（α/2）)+1]當(dāng)α=90°時，ΔD=1.207TD上述分析表明，軸套類零件在V形塊上定位時，加工尺寸的標(biāo)注方法不同，產(chǎn)生的定位誤差不同。以下母線為設(shè)計基準(zhǔn)時，定位誤差最小；以軸線為設(shè)計基準(zhǔn)時次之；以上母線為設(shè)計基準(zhǔn)時為最大。故軸套類零件上鍵槽的尺寸，一般多以下母線為設(shè)計基準(zhǔn)。3．

工件圓孔定位時的定位誤差工件以圓孔在過盈配合圓柱心軸上定位因為工件圓孔與心軸是過盈配合，所以定位副之間無徑向間隙，也即這時不存在徑向基準(zhǔn)位移誤差(ΔY=0)。工件在軸線方向上的軸向定位誤差，則可利用壓力機的壓下行程加以控制，故：ΔD

=0。由此可見，過盈配合圓柱心軸的定心精度是相當(dāng)高的。工件以圓孔在錐度心軸上定位由于錐面有自動補償徑向間隙的作用，雖然工件圓孔直徑有制造誤差，在錐度心軸上定位也不會引起徑向基準(zhǔn)位移誤差，即ΔY

=0這說明錐度心軸的定心作用較好。但工件會沿心軸軸向發(fā)生位移，從而造成軸向定位誤差。對一批工件而言軸向定位誤差可由下式計算ΔD

=

TD

/2tanα此外，工件在錐度心軸上可能產(chǎn)生軸線偏轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)角定位誤差

Δθ。因為圓孔在錐體上僅靠大頭端接觸定位，而小頭端與圓孔之間則有間隙，所以使工件軸線發(fā)生偏轉(zhuǎn)。對于一批工件而言的轉(zhuǎn)角定位誤差為：Δ

θ=α。由此可見，錐度心軸存在軸向定位誤差和轉(zhuǎn)角定位誤差。3．

工件圓孔定位時的定位誤差①心軸水平放置時由于定位副間存在徑向間隙，因此有徑向基準(zhǔn)位移誤差。在重力作用下定位副只存在單邊間隙，即工件始終以孔壁與心軸上母線接觸，故此時的徑向基準(zhǔn)位移誤差僅在Z軸方向，且向下。ΔY

=（TD

+

Td

）

/

2式中ε——定位副間的最小配合間隙(nm)；TD——工件圓孔直徑公差

Td——心軸外圓直徑公差(mm)；(mm)。②心軸垂直放置時由于定位副間存在徑向間隙，因此也必將引起徑向基準(zhǔn)位移誤差。不過這時的徑向定位誤差不再只是單向的了，而是在水平面內(nèi)任意方向上都有可能發(fā)生，其最大值也比心軸水平放置時大一倍，ΔYx

=ΔYy

=（TD

+Td

+ε）小結(jié)設(shè)計工件在夾具中定位方案的基本步驟：①分析工件結(jié)構(gòu)、尺寸關(guān)系以及加工精度要求，確定至少必須限制的自由度，選擇定位基準(zhǔn)、標(biāo)明定位基準(zhǔn)具體限制的自由度，制訂工序圖；②根據(jù)工序圖要求及定位基準(zhǔn)幾何結(jié)構(gòu)，選擇相應(yīng)的定位元件；③進行定位誤差計算；④進行定位結(jié)構(gòu)設(shè)計。練習(xí)2:如圖所示,工件以A、B面定位加工φ10H7孔，試計算尺寸12±0.1mm的定位誤差。分析:該工序的設(shè)計基準(zhǔn)為:C；定位基準(zhǔn)為:A。設(shè)計基準(zhǔn)與定位基準(zhǔn)不重合，有基準(zhǔn)不重合誤差ΔB用已加工平面A定位，ΔY

=0基準(zhǔn)不重合誤差ΔB=尺寸L的公差公稱尺寸L=37-27=10LES=0-（-0.02)=0.02LIS=-0.03-0=-0.03ΔB

=0.02-(-0.03)=0.05ΔD

=

ΔB

+ΔY

=

0.05+

0=0.05練習(xí)3在圖a所示零件上銑

鍵槽，要求保證尺寸

54mm及對稱度?，F(xiàn)有三種定位方案，分別如圖b、c、d所示。已知內(nèi)、外圓的同軸度誤差e為0.02mm，其余參數(shù)見圖所示。試計算三種方案的定位誤差。并從中選出最優(yōu)方案。要求：保證尺寸54mm及對稱度。解:方案b:垂直方向:ΔB

=

TD

/

2

=0.05(尺寸φ60

-0.1的半徑公差)ΔY

=

TD

/

2sin（α/2）=0.0707由于ΔB、ΔY誤差方向相反，ΔD

=

ΔB

+ΔY

=│0.05-0.0707│=0.0207(同軸度誤差不影響ΔD)水平方向:ΔB

=0

;ΔY

=0

;ΔD

=0要求：保證尺寸54mm及對稱度。解：方案c垂直方向:ΔB

=TD

/2=0.05(尺寸φ60-0.1的半徑公差)ΔY

=

（TD

+

Td

）/

2=(0.03-(-0.03))/2=0.03由于ΔB、ΔY誤差方向相反，由于定位面與設(shè)計基準(zhǔn)表面有同軸度誤差ΔD

=

ΔB

+ΔY

+e=│0.05-0.03│+0.02=0.04水平方向:ΔB

=0

;ΔY

=0

;ΔD

=0要求：保證尺寸54mm及對稱度解：方案d:垂直方向:ΔB

=0

;ΔY

=0

;ΔD

=0水平方向:ΔB

=TD

/2

=0.05(尺寸φ60

-0.1的半徑公差)ΔY

=

0ΔD

=ΔB

+ΔY=0.05＞對稱度0.03的要求,不能采用.結(jié)論:三個方案中,方案b的定位誤差為最小。為最優(yōu)方案.練習(xí)4階梯軸工件的定位如圖所示，欲鉆孔O，保證尺寸A。試計算工序尺寸A的定位誤差。解:ΔB

=

Td

/

2(尺寸d

-Td的半徑公差)ΔY

=TD

/2sin（α/2）由于ΔB、ΔY誤差方向相反，ΔD

=

│

ΔB

-ΔY

│+2c(同軸度誤差影響ΔD)習(xí)題與思考題（四）4—10

在圖a所示零件上

銑鍵槽，要求保證尺寸

54mm及對稱度。現(xiàn)有三種定位方案，分別如圖b、c、d所示。已知內(nèi)、外圓的同軸度誤差為0.02mm，其余參數(shù)見圖6—82所示。試計算三種方案的定位誤差。并從中選出最優(yōu)方案。習(xí)題與思考題（四）4-4批量生產(chǎn)圖4-59所示零件，設(shè)A，B兩尺寸已安排在前工序加工好，今以底面定位鏜D孔，求此工序基準(zhǔn)不重合誤差。4-5在圖4-60（a）所示零件上銑鍵槽，要求保證尺寸54-0.20mm及對稱度?，F(xiàn)有三種定位方案，分別如圖4-60b、c、d所示。已知內(nèi)、外圓的同軸度誤差

e為0.02mm，其余參數(shù)見圖所示。試計算三種方案的定位誤差。并從中選出最優(yōu)方案。4-6凸輪軸導(dǎo)塊銑

槽工序如圖4-61所示，試設(shè)計定位方案，保

證定位誤差為0。4-7工件定位如圖4-62所示，欲鉆孔O并保證尺寸A，試分析計算此種定位方案的定位誤差。第四節(jié) 工件在夾具中的夾緊夾緊機構(gòu)的作用：夾緊機構(gòu)保證了在加工力的作用下工件的正確定位狀態(tài)。對夾具的夾緊裝置有下列基本要求：在夾緊過程中保持工件的既定位置或使工件等到定位。

夾緊可靠、適當(dāng)。即要使工件在加工過程中不產(chǎn)生移動或振動，又不使工件產(chǎn)生不允許的變形和表面損傷，夾緊力要穩(wěn)定。

夾緊機構(gòu)要有自鎖功能。即原始作用力消除后工件仍能保持夾緊狀態(tài)，不會松開。夾緊機構(gòu)操作時應(yīng)安全、方便、省力。

夾緊機構(gòu)應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，并具有足夠的剛度。盡可能使用標(biāo)準(zhǔn)夾具零件和部件。在設(shè)計夾具時，首先要決定的夾緊主要參數(shù)，就是夾緊力的方向、作用點和大小。然后進一步選擇適當(dāng)?shù)膫髁Ψ绞剑⒕唧w設(shè)計合理的夾緊機構(gòu)。二、夾緊力的確定（一）夾緊力的方向1. 夾緊力的作用方向應(yīng)不破壞定位。夾緊力方向就朝向主要定位基準(zhǔn)，把工件壓向定位元件的定位面上。如圖所示，A，B面相互成直角，要求所鏜的孔與A面垂直，故以A面為主要定位基準(zhǔn)。2.夾緊力的作用方向應(yīng)使工件變形最小。如圖所示工件會因徑向剛性不足而引起畸變。采用圖b所示的結(jié)構(gòu)不易產(chǎn)生變形。3.

夾緊力的方向應(yīng)使所需的夾緊力盡可能小。夾緊機構(gòu)在保證可靠夾緊的前提下，其夾緊力越小越好。（二）夾緊力的作用點夾緊力的作用點是指夾緊件與工件接觸的一小塊面積。選擇夾緊力作用點的位置和數(shù)目應(yīng)考慮：）工件定位穩(wěn)定、可靠；(如圖所示)）防止夾緊變形，

確保工序的加工精度；(如圖所示)3）夾緊力作用點應(yīng)量靠近切削部位，以減小切削力矩。4）夾緊力作用點應(yīng)盡量使各支承點的接觸變形均勻，以減小加工誤差（三）夾緊力的大小將夾具和工件看作剛性系統(tǒng)，以切削力的作用點、方向、大小處于最不利于夾緊時的狀況為工件受力情況，計算理論夾緊力，再乘以安全系數(shù)，作為實際所需夾緊力。安全系數(shù)：K＝2～3或K=K1×K2×K3×K4(K1－一般安全系數(shù)、材料性質(zhì)1.5－2；K2－加工性質(zhì)系數(shù)：粗1.2，精1；K3－刀具鈍化系數(shù)：1.1－1.3；

K4－斷續(xù)切削系數(shù)：連續(xù)1，斷續(xù)1.2)（三）夾緊力的大小夾緊力過小，工件在夾具中的位置可能變動，影響加工；夾緊力過大，不但會使工件和夾具產(chǎn)生過大變形，而且往往會使機構(gòu)復(fù)雜，尺寸過大。工件在加工過程中受切削力、慣性力、離心力和重力等力的作用，據(jù)此，可列出靜平衡方程式，算出所需理論夾緊力，再乘以安全系數(shù)K，作為實際所需的夾緊力。對中小型工件加工時，主要考慮切削力的影響；對于大型工件，加工時要考慮重力的影響；對于高速回轉(zhuǎn)和往復(fù)運動的工件加工，要考慮離心力和慣性力的影響。常見加工夾緊力近似計算公式，在夾緊設(shè)計手冊中可以查閱。三、常用夾緊機構(gòu)的設(shè)計(一)對夾緊機構(gòu)的設(shè)計要求:1）可浮動2）可聯(lián)動可增力可自鎖當(dāng)去掉動力源的作用后，仍能保持對工件的夾緊狀態(tài)。(二)、典型夾緊機構(gòu)：1.斜楔夾緊機構(gòu)：特點：①有自鎖性。通常斜角α=6°～8°②有增力作用。增力比為i=2

～5。③能改變夾緊力的方向。④夾緊行程小。2.螺旋夾緊機構(gòu)圖為螺旋夾緊機構(gòu)實例。螺旋夾緊的作用原理與斜楔類似。將斜楔繞在圓柱體上就

形成螺旋面。但螺旋夾緊時的螺旋升角α很小(α=2°～4°)所以，螺旋夾緊具有增力比大和自鎖性能好兩大特點。2.

螺旋夾緊機構(gòu)：特點：①自鎖性好，可靠性高。②增力比大。i=65~140③多為手動操作，通常使用快速裝夾結(jié)構(gòu)提高工件安裝速度。④結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用廣泛。3.偏心夾緊機構(gòu)1．圓偏心輪的夾緊原理轉(zhuǎn)動手柄，偏心輪繞回轉(zhuǎn)中心O轉(zhuǎn)動。它相當(dāng)于把一個圓弧形斜楔楔入工件與“基圓”之間，而實現(xiàn)對工件的夾緊。特點：①有自鎖差，一般用于切削負荷不大的場合。②有增力作用。增力比為i=12

～14。③夾緊迅速。④夾緊行程小。⑤很少單獨直接作用于工件，通常與其他元件聯(lián)合使用。如：偏心壓板機構(gòu)。3.

偏心夾緊機構(gòu)：其它夾緊機構(gòu)1.鉸鏈夾緊機構(gòu)鉸鏈夾緊機構(gòu)的特點：動作迅速，增力比大，易于改變力的作用方向。缺點：自鎖性能差，

常用于氣動、液壓夾緊中。2.定心夾緊機構(gòu)定心夾緊機構(gòu)是一種同時實現(xiàn)對工件定心定位和夾緊的夾緊機構(gòu)，即在夾緊過程中能使工件實現(xiàn)定心或?qū)χ小?）以等速移動原理來實現(xiàn)定心夾緊。第五節(jié)各類機床夾具特點一．鉆床夾具組成：鉆模板、鉆套、定位元件、夾緊裝置、鉆模體鉆套：鉆套尺寸：①內(nèi)徑：d=刀具的外徑?；S制F7/h6，G6/h5。②高度：H=(1.5~2)d（一般）H=(2.5~3.5)d（高精度）③鉆套與工件間的距離：

h=(0.3~0.7)d（鑄鐵）

h=(0.7~1.5)d（鋼材）回轉(zhuǎn)式鉆?；剞D(zhuǎn)式鉆模

的結(jié)構(gòu)特點是夾

具具有分度裝置，而某些分度裝置

已標(biāo)準(zhǔn)化，在設(shè)

計回轉(zhuǎn)式鉆模時

可以充分利用這

些裝置。翻轉(zhuǎn)式鉆模加工時，將工件連同夾具一起翻轉(zhuǎn)。對于需要在多個方向上鉆孔的工件，使用這種鉆模非常方便。但由于加工過程中需要人力翻轉(zhuǎn)，因此夾具連同工件一起重量不能太大。蓋板式鉆模特點是沒有夾具體，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，多用于加工大型工件上的小孔。用圓柱銷1

和菱形銷3

在工件兩孔中定位，并通過3個支承釘4

安放在工件上。蓋板式鉆?；姐@模是一種具有升降模板的通用可調(diào)整鉆模?；姐@模當(dāng)模板上升到一定高度時或壓緊工件后能夠自鎖。（利用齒輪軸上的兩個錐面和斜齒輪1的作用）使用時，只需設(shè)計制造專用定位、夾緊裝置和鉆套，并將其安裝在夾具基體上即可?；姐@模幾種常見的鉆模：第五節(jié)各類機床夾具特點二．鏜床夾具組成：導(dǎo)向支架、鏜套、定位元件、夾緊裝置、鏜模體鏜套：3.類型：雙面導(dǎo)向有兩個鏜模支架，分別分布在刀具的前后方，并要求鏜桿與機床主軸采用浮動聯(lián)接。此時，鏜孔的精度完全由夾具來保證，而不受機床精度的影響。雙面導(dǎo)向常用于加工長徑比大于1.5的長孔或同軸度要求較高的幾個短孔。（b)

雙面導(dǎo)向支架鏜模旋轉(zhuǎn)式導(dǎo)向裝置第五節(jié)各類機床夾具特點一．銑床夾具組成：

定位元件、夾緊裝置、對刀塊、連接元件、夾具體連接元件：對刀裝置：三、銑床夾具(圖4-56）四、車床夾具4-8分析圖示各夾緊方案，判斷其合理性，說明理由并提出改進意見。習(xí)題與思考題（四）補充1：夾緊裝置的作用是什么?不良的夾緊裝置將會產(chǎn)生什么后果?補充