《數(shù)控加工工藝學(xué)》課件第5章

第5章數(shù)控加工工件的定位和機(jī)床夾具

5.1數(shù)控夾具5.2工件在數(shù)控夾具中的定位與夾緊5.3數(shù)控加工中的組合夾具5.4計算機(jī)輔助組合夾具元件的選擇與安裝規(guī)劃5.1.1數(shù)控加工中使用的夾具

在數(shù)控機(jī)床上加工零件時，為保證加工精度，必須先使工件在機(jī)床上占據(jù)一個正確的位置，即定位，然后將其夾緊。這種定位與夾緊的過程稱為工件的裝夾，而用于裝夾工件的工藝裝備就是機(jī)床夾具。在數(shù)控機(jī)床上，工件在一次安裝條件下，完成過去要多道工序才能完成的多個加工表面的加工。5.1數(shù)控夾具數(shù)控機(jī)床的上述特點(diǎn)對夾具設(shè)計產(chǎn)生了直接的影響，傳統(tǒng)夾具以專用夾具為代表的主要有定位、夾緊、導(dǎo)向和對刀四種功能。由于NC系統(tǒng)的準(zhǔn)確控制和精密機(jī)床傳動中小摩擦和零間隙的實(shí)現(xiàn)，以及采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)塔車床工藝中鉆孔的方法，因此不用導(dǎo)向套也可以得到較高的孔的位置精度。此外，編程中可以決定刀具的正確位置，銑刀的對刀就能輕而易舉地得到解決，并且一次安裝下的多工步加工，不同加工部位之間的尺寸公差和位置公差都由機(jī)床代替夾具來保證。可見，在數(shù)控機(jī)床上使用的夾具，只需要具備定位和夾緊兩種功能就能滿足要求。夾具中取消了導(dǎo)向和對刀功能，使夾具種類減少，結(jié)構(gòu)簡化，這些都有利于CAFD（計算機(jī)輔助夾具設(shè)計）系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。5.1.2夾具的組成

數(shù)控機(jī)床夾具按其作用和功能通?？捎啥ㄎ辉?、夾緊裝置、安裝連接元件和夾具體等幾個部分組成。

（1）定位元件。用于確定工件在夾具中的位置，使工件在加工時相對刀具及運(yùn)動軌跡有一個正確的位置。常用的定位元件有V型塊、定位銷、定位塊等。定位裝置是由定位元件及其組合構(gòu)成的，用于確定工件在夾具中的正確位置。圖5－1中的圓柱銷11、菱形銷10等都是定位元件。

（2）夾緊裝置。夾緊裝置用于保持工件在夾具中的既定位置，保證定位可靠，使其在外力作用下不致產(chǎn)生移動，包括夾緊元件、傳動裝置及動力裝置等。圖5－1中的壓板2、螺母3和7、墊圈4和5、螺栓6及彈簧8等元件的裝置就是夾緊裝置。（3）安裝連接元件。用于確定夾具在機(jī)床上的位置，從而保證工件與機(jī)床之間的正確位置。

（4）夾具體。用于連接夾具元件及裝置，使其成為一個整體的基礎(chǔ)件，以保證夾具的精度、強(qiáng)度和剛度。

（5）其他元件及裝置。如定位鍵、操作件、分度裝置及連接元件。圖5－1連桿銑槽夾具結(jié)構(gòu)5.1.3數(shù)控機(jī)床夾具的作用與分類

1.機(jī)床夾具的作用

使用機(jī)床夾具主要能起到如下的作用：

(1)易于保證工件的加工精度。使用夾具的作用之一就是保證工件加工表面的尺寸精度與位置精度。如在搖臂鉆床上使用鉆夾具加工平行孔時，位置精度可達(dá)0.10～0.20mm(同批)，而按劃線找正加工時，位置精度僅能控制在0.4～1mm。同時，由于受操作者技術(shù)的影響，同批生產(chǎn)零件的質(zhì)量也不穩(wěn)定，因此在成批生產(chǎn)中使用夾具就顯得非常必要。

(2)可改變和擴(kuò)大原機(jī)床的功能，實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用”。例如，在車床的床鞍上或搖臂轉(zhuǎn)床的工作臺上裝上鏜模，就可以進(jìn)行箱體或支架零件的鏜孔加工，以代替鏜床加工；在刨床上加裝夾具后可代替拉床進(jìn)行拉削加工。

(3)不僅可省去劃線找正等輔助時間，而且有時還可采用高效率的多件、多位、機(jī)動夾緊裝置，縮短輔助時間，從而大大提高勞動生產(chǎn)率。

(4)裝夾工件方便、省力、安全。當(dāng)采用氣動、液壓等夾緊裝置時，可減輕工人的勞動強(qiáng)度，保證安全生產(chǎn)。

(5)在批量生產(chǎn)中，由于勞動生產(chǎn)效率的提高和允許使用技術(shù)等級較低的工人操作，因此可明顯地降低生產(chǎn)成本。但在單件生產(chǎn)中，使用夾具的生產(chǎn)成本仍較高。

2.機(jī)床夾具的類型

機(jī)床夾具的種類繁多，可以從不同的角度對機(jī)床夾具進(jìn)行分類。夾具按使用機(jī)床不同，可分為車床夾具、銑床夾具、鉆床夾具、鏜床夾具、齒輪機(jī)床夾具、數(shù)控機(jī)床夾具、自動機(jī)床夾具、自動線隨行夾具以及其他機(jī)床夾具等。夾具按夾緊的動力源可分為手動夾具、氣動夾具、液壓夾具、氣液增力夾具、電磁夾具以及真空夾具等。下面按夾具在不同生產(chǎn)類型中的通用特性分類，機(jī)床夾具可分為通用夾具、專用夾具、可調(diào)夾具、組合夾具和拼裝夾具等五大類。

1)通用夾具

已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的可加工一定范圍內(nèi)不同工件的夾具，稱為通用夾具，其結(jié)構(gòu)、尺寸已規(guī)格化，而且具有一定通用性，如三爪自定心卡盤、機(jī)床用平口虎鉗、四爪單動卡盤、臺虎鉗、萬能分度頭、頂尖、中心架和磁力工作臺等。這類夾具適應(yīng)性強(qiáng)，可用于裝夾一定形狀和尺寸范圍內(nèi)的各種工件。這些夾具已作為機(jī)床附件由專門工廠制造供應(yīng)，只需選購即可。其缺點(diǎn)是夾具的精度不高，生產(chǎn)效率也較低，且較難裝夾形狀復(fù)雜的工件，故一般適用于單件小批量生產(chǎn)。

2)專用夾具

專為某一工件的某道工序設(shè)計制造的夾具，稱為專用夾具。在產(chǎn)品相對穩(wěn)定、批量較大的生產(chǎn)中，采用各種專用夾具，可獲得較高的生產(chǎn)效率和加工精度。專用夾具的設(shè)計周期較長，投資較大。

專用夾具一般在批量生產(chǎn)中使用。除大批大量生產(chǎn)之外，中、小批量生產(chǎn)中也需要采用一些專用夾具，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計時要進(jìn)行具體的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

3)可調(diào)夾具

某些元件可調(diào)整或更換，以適應(yīng)多種工件加工的夾具，稱為可調(diào)夾具?？烧{(diào)夾具是針對通用夾具和專用夾具的缺陷而發(fā)展起來的一類新型夾具。對不同類型和尺寸的工件，只需調(diào)整或更換原來夾具上的個別定位元件和夾緊元件便可使用。它一般又可分為通用可調(diào)夾具和成組夾具兩種。前者的通用范圍比通用夾具更大；后者則是一種專用可調(diào)夾具，它按成組原理設(shè)計，并能加工一批相似的工件，故在多品種，中、小批量生產(chǎn)中使用有較好的經(jīng)濟(jì)效果。

4)組合夾具

采用標(biāo)準(zhǔn)的組合元件、部件，專為某一工件的某道工序組裝的夾具，稱為組合夾具。組合夾具是一種模塊化的夾具。標(biāo)準(zhǔn)的模塊元件具有較高精度和耐磨性，可組裝成各種夾具。夾具用畢可拆卸，清洗后留待組裝新的夾具。由于使用組合夾具可縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，元件能重復(fù)多次使用，并具有減少專用夾具數(shù)量等優(yōu)點(diǎn)，因此組合夾具在單件，中、小批量多品種生產(chǎn)和數(shù)控加工中，是一種較經(jīng)濟(jì)的夾具。

5)拼裝夾具

用專門的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的拼裝零部件拼裝而成的夾具，稱為拼裝夾具。它具有組合夾具的優(yōu)點(diǎn)，但比組合夾具精度高、效能高、結(jié)構(gòu)緊湊。它的基礎(chǔ)板和夾緊部件中常帶有小型液壓缸。此類夾具更適合在數(shù)控機(jī)床上使用。5.1.4數(shù)控夾具的要求

數(shù)控機(jī)床是先進(jìn)的高精度、高效率、高自動化程度的加工設(shè)備。除了機(jī)床本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，控制運(yùn)動和動作準(zhǔn)確、迅速外，還要求工件的定位夾緊裝置也能適應(yīng)數(shù)控機(jī)床的要求。總的來說，數(shù)控機(jī)床對數(shù)控夾具的要求有以下四點(diǎn)。

（1）精度要求。由于數(shù)控機(jī)床具有連續(xù)多型面自動加工的特點(diǎn)，因此對數(shù)控機(jī)床夾具的精度和剛度的要求比一般機(jī)床夾具的精度和剛度的要求都高，這樣可減少工件在夾具中的定位與夾緊誤差及粗加工中的變形誤差。（2）定位要求。工件相對夾具一般應(yīng)完全定位，且工件的基準(zhǔn)相對于機(jī)床坐標(biāo)原點(diǎn)應(yīng)有嚴(yán)格的確定位置，以滿足能在數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系中實(shí)現(xiàn)工件與刀具相對運(yùn)動的要求。同時，夾具在機(jī)床上也應(yīng)完全定位，夾具上的每一個定位面相對數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)原點(diǎn)均應(yīng)有精確的坐標(biāo)尺寸，以滿足數(shù)控加工中簡化定位和安裝的要求。

（3）空間要求。數(shù)控類機(jī)床能一次安裝工件而加工多個表面，數(shù)控夾具就應(yīng)能在空間上滿足各刀具均有可能接近所有待加工表面的要求。此外，支承夾具的托盤具有移動、上托、下沉和旋轉(zhuǎn)等動作，夾具也應(yīng)能保證前、后、左、右各個方面加工的需要。（4）快速重調(diào)要求。數(shù)控加工可通過快速更換程序而變換加工對象，為不花去過多的更換工裝的輔助時間，減少貴重設(shè)備等待閑置時間，故要求夾具在更換加工工件中能具有快速重調(diào)或更換定位、夾緊元件的功能，采用高效的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)等。此外，由于在數(shù)控加工中因多表面加工而使單件加工時間增長，夾具結(jié)構(gòu)若能滿足在機(jī)動時間內(nèi)，在機(jī)床工作區(qū)外也能進(jìn)行工件更換，則會極大地減少機(jī)床停機(jī)時間。5.1.5數(shù)控加工夾具的特點(diǎn)

作為機(jī)床夾具，首先要滿足機(jī)械加工時對工件的裝夾要求。同時，數(shù)控加工的夾具還有它本身的特點(diǎn)。這些特點(diǎn)是：

(1)數(shù)控加工適用于多品種，中、小批量生產(chǎn)，為能裝夾不同尺寸、不同形狀的多品種工件，數(shù)控加工的夾具應(yīng)具有柔性，經(jīng)過適當(dāng)調(diào)整即可夾持多種形狀和尺寸的工件。

(2)傳統(tǒng)的專用夾具具有定位、夾緊、導(dǎo)向和對刀四種功能，而數(shù)控機(jī)床上一般都配備有接觸試測頭、刀具預(yù)調(diào)儀及對刀部件等設(shè)備，可以由機(jī)床解決對刀問題。數(shù)控機(jī)床上由程序控制的準(zhǔn)確的定位精度，可實(shí)現(xiàn)夾具中的刀具導(dǎo)向功能。因此數(shù)控加工中的夾具一般不需要導(dǎo)向和對刀功能，只要求具有定位和夾緊功能，就能滿足使用要求，這樣可簡化夾具的結(jié)構(gòu)。

(3)為適應(yīng)數(shù)控加工的高效率，數(shù)控加工夾具應(yīng)盡可能地使用氣動、液壓、電動等自動夾緊裝置快速夾緊，以縮短輔助時間。

(4)夾具本身應(yīng)有足夠的剛度，以適應(yīng)大切削用量切削。數(shù)控加工夾具有工序集中的特點(diǎn)，在工件的一次裝夾中既要進(jìn)行切削力很大的粗加工，又要進(jìn)行達(dá)到工件最終精度要求的精加工，因此夾具的剛度和夾緊力都要滿足大切削力的要求。

(5)為適應(yīng)數(shù)控機(jī)床的多方面加工，要避免夾具結(jié)構(gòu)，包括夾具上的組件對刀具運(yùn)動軌跡的干涉，夾具結(jié)構(gòu)不應(yīng)妨礙刀具對工件各部位的多面加工。

(6)夾具的定位要可靠，定位元件應(yīng)具有較高的定位精度，定位部位應(yīng)便于清屑，無切屑積留。如工件的定位面偏小，可考慮增設(shè)工藝凸臺或輔助基準(zhǔn)。

(7)對剛度小的工件，應(yīng)保證最小的夾緊變形，如使夾緊點(diǎn)靠近支承點(diǎn)，避免把夾緊力作用在工件的中空區(qū)域等。當(dāng)粗加工和精加工同在一個工序內(nèi)完成時，如果上述措施不能把工件變形控制在加工精度要求的范圍內(nèi)，應(yīng)在精加工前使程序暫停，讓操作者在粗加工后，精加工前變換夾緊力（適當(dāng)減?。?，以減小夾緊變形對加工精度的影響。5.2工件在數(shù)控夾具中的定位與夾緊

5.2.1定位方式與定位元件

工件的定位是通過工件上的定位表面與夾具上的定位元件的配合或接觸實(shí)現(xiàn)的。定位表面分平面定位、以外圓柱定位、以內(nèi)孔定位和一面兩孔定位等。定位表面形狀不同，所用定位元件種類也不同。1.六點(diǎn)定位原理圖5-2工件的六個自由度

2.六點(diǎn)定位原理的應(yīng)用

六點(diǎn)定位原理對于任何形狀工件的定位都是適用的，如果違背這個原理，工件在夾具中的位置就不能完全確定。然而，用工件六點(diǎn)定位原理進(jìn)行定位時，必須根據(jù)具體加工要求靈活運(yùn)用，工件形狀不同，定位表面不同，定位點(diǎn)的布置情況會各不相同。宗旨是使用最簡單的定位方法，使工件在夾具中迅速獲得正確的位置。

3.工件的定位

(1)完全定位。工件的六個自由度全部被夾具中的定位元件所限制，而在夾具中占有完全確定的惟一位置，稱為完全定位。

(2)不完全定位。根據(jù)工件加工表面的不同加工要求，定位支承點(diǎn)的數(shù)目可以少于六個。有些自由度對加工要求有影響，有些自由度對加工要求無影響，這種定位情況稱為不完全定位。不完全定位是允許的。

(3)欠定位。按照加工要求應(yīng)該限制的自由度沒有被限制的定位稱為欠定位。欠定位是不允許的。欠定位保證不了加工要求。

(4)過定位。工件的一個或幾個自由度被不同的定位元件重復(fù)限制的定位稱為過定位。當(dāng)過定位導(dǎo)致工件或定位元件變形，影響加工精度時，應(yīng)該嚴(yán)禁采用。但當(dāng)過定位并不影響加工精度，反而對提高加工精度有利時，也可以采用。

4.工件以平面定位

1)支承釘

如圖5－3所示，當(dāng)工件以粗糙不平的毛坯面定位時，采用球頭支承釘(B型)，使其與毛坯良好接觸。齒紋頭支承釘(C型)用在工件的側(cè)面，能增大摩擦系數(shù)，防止工件滑動。當(dāng)工件以加工過的平面定位時，可采用平頭支承釘(A型)。圖5－3支承釘圖5－4用可調(diào)支承加工相似件

可調(diào)支承在一批工件加工前調(diào)整一次，調(diào)整后需要鎖緊，其作用與固定支承相同。在工件定位過程中能自動調(diào)整位置的支承稱為自位支承，其作用相當(dāng)于1個固定支承，只限制1個自由度。由于增加了接觸點(diǎn)數(shù)，因此可提高工件的裝夾剛度和穩(wěn)定性，但夾具結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜。自位支承一般適用于毛面定位或剛性不足的場合。

工件因尺寸形狀或局部剛度較差等原因，使其定位不穩(wěn)或受力變形時，需增設(shè)輔助支承，用以承受工件重力、夾緊力或切削力。輔助支承的工作特點(diǎn)是：待工件定位夾緊后，再調(diào)整輔助支承，使其與工件的有關(guān)表面接觸并鎖緊。輔助支承是每安裝一個工件就調(diào)整一次，但此支承不限制工件的自由度，也不允許破壞原有定位。

2)支承板

工件以精基準(zhǔn)面定位時，除采用上述平頭支承釘外，還常用如圖5－5所示的支承板作定位元件。A型支承板結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，但不利于清除切屑，故適用于頂面和側(cè)面定位；B型支承板則易保證工作表面清潔，故適用于底面定位。圖5－5支承板

5.工件以圓柱孔定位

各類套筒、盤類、杠桿、撥叉等零件,常以圓柱孔定位，所采用的定位元件有圓柱銷和各種心軸。這種定位方式的基本特點(diǎn)是：定位孔與定位元件之間處于配合狀態(tài)，并要求確?？字行木€與夾具規(guī)定的軸線相重合。孔定位還經(jīng)常與平面定位聯(lián)合使用。

1)圓柱銷

圖5－6為常用的標(biāo)準(zhǔn)化的圓柱定位銷結(jié)構(gòu)。圖(a)、(b)、(c)是最簡單的定位銷，用于不經(jīng)常需要更換的情況；圖(d)為帶襯套可換式定位銷。圖5－6圓柱定位銷

(a)D＞3～10；(b)D＞10～18；

(c)D＞18；(d)帶套可換定位銷2)圓柱心軸

心軸主要用于套筒類和空心盤類工件的車、銑、磨及齒輪加工。圖5－7為常用圓柱心軸的結(jié)構(gòu)形式。其中，圖(a)為間隙配合心軸，圖(b)為過盈配合心軸，圖(c)為花鍵心軸。圖5－7圓柱心軸

(a)間隙配合心軸；(b)過盈配合心軸；(c)花鍵心軸3)圓錐銷圖5－8圓錐銷定位

(a)粗基準(zhǔn)定位；(b)精基準(zhǔn)定位圖5－9圓錐銷組合定位

4)小錐度心軸

這種定位方式的定心精度較高，但工件的軸向位移誤差較大，適用于工件定位孔精度不低于IT7的精車和磨削加工，不能加工端面。

6.工件以圓錐孔定位

1)圓錐形心軸

圓錐心軸限制了工件除繞軸線轉(zhuǎn)動自由度以外的其他五個自由度。圖5－10中心孔定位

7.工件以外圓柱表面定位

1)V形架

V形架定位的最大優(yōu)點(diǎn)是對中性好。即使作為定位基面的外圓直徑存在誤差，仍可保證一批工件的定位基準(zhǔn)軸線始終處在V形架的對稱面上,并且安裝方便,見圖5－11。

圖5－12為常用V形架結(jié)構(gòu)。圖(a)用于較短的精基準(zhǔn)面的定位;圖(b)和圖(c)用于較長的或階梯軸的圓柱面，其中圖(b)用于粗基準(zhǔn)面，圖(c)用于精基準(zhǔn)面；圖(d)用于工件較長且定位基面直徑較大的場合，V形架做成在鑄鐵底座上鑲裝淬火鋼墊板的結(jié)構(gòu)。圖5－11

V形架對中性分析圖5－12

V形架圖5－13活動V形架應(yīng)用

2)定位套

工件以外圓柱面在圓孔中定位，這種定位方法一般適用于精基準(zhǔn)定位，常與端面聯(lián)合定位。所用定位件結(jié)構(gòu)簡單，通常做成鋼套裝于夾具中，有時也可在夾具體上直接做出定位孔。工件以外圓柱面定位，有時也可用半圓套或錐套作定位元件。圖5－14一面兩孔組合定位一批工件定位可能出現(xiàn)干涉的最壞情況為：孔心距最大，銷心距最小，或者反之。為使工件在兩種極端情況下都能裝到定位銷上，可把定位銷2上與工件孔壁相碰的那部分削去，即做成削邊銷。圖5－15所示為削邊銷的形成機(jī)理。圖5－15削邊銷的形成圖5－16削邊銷結(jié)構(gòu)5.2.2定位誤差的分析

加工時，因定位不準(zhǔn)確而引起的加工誤差稱為定位誤差，常用ΔD表示。它包括基準(zhǔn)不重合誤差和基準(zhǔn)位移誤差兩部分。

1.定位誤差的產(chǎn)生

1)基準(zhǔn)不重合誤差

工件的定位基準(zhǔn)與設(shè)計基準(zhǔn)不重合時產(chǎn)生的加工誤差稱為基準(zhǔn)不重合誤差，用ΔB表示。

基準(zhǔn)不重合誤差的大小等于定位基準(zhǔn)與設(shè)計基準(zhǔn)之間的尺寸公差，即

2)基準(zhǔn)位移誤差

由定位副的制造誤差和間隙引起定位基準(zhǔn)位置的變動量稱為基準(zhǔn)位移誤差，用ΔY表示。

基準(zhǔn)位移誤差的大小為定位基準(zhǔn)的最大變動范圍，即因此，定位誤差ΔD為上述兩方面的矢量和，即式中的和是有方向的。如果ΔB、ΔY方向相同（或相反）且與加工尺寸線方向平行（相一致），則兩項(xiàng)可以直接相加（或相減）；如果ΔB、ΔY方向與加工面的尺寸線方向不平行（即不一致），則需將ΔB、ΔY投影到加工尺寸線方向來計算。

2.定位誤差的分析與計算

根據(jù)定位方式分別計算出基準(zhǔn)不符誤差ΔB和基準(zhǔn)位移誤差ΔY后，按一定規(guī)律將其合成即可得到定位誤差。

1)工件以外圓柱面在V形塊上定位時的定位誤差

工件以外圓柱面在V形塊中定位，由于工件定位面外圓直徑有公差δD，對一批工件而言，當(dāng)直徑由最小D-δD變到最大D時，工件中心（即定位基準(zhǔn)）將在V形塊的對稱中心平面內(nèi)上下偏移，左右不發(fā)生偏移，即工件中心由O1變到O2，其變化量O1O2（即ΔY）幾何關(guān)系推出：工件以外圓柱面在V形塊上定位的基準(zhǔn)不符誤差ΔB與設(shè)計基準(zhǔn)的位置有關(guān)，下面分別介紹其定位誤差。

設(shè)計基準(zhǔn)與定位基準(zhǔn)重合，則基準(zhǔn)不符誤差ΔB＝0，其定位誤差為設(shè)計基準(zhǔn)與定位基準(zhǔn)不重合，除含有定位基準(zhǔn)位移誤差ΔY外，還有基準(zhǔn)不符誤差ΔB。假定定位基準(zhǔn)不動，當(dāng)工件直徑由最小D-δD變到最大D時，設(shè)計基準(zhǔn)的變化量為δD/2，就是ΔB的大小，故其定位誤差ΔD是二者之和，即

設(shè)計基準(zhǔn)與定位基準(zhǔn)不重合的另一種情況是，當(dāng)工件直徑由最小D-δD變到最大D時，設(shè)計基準(zhǔn)的變化量仍為δD/2，故其定位誤差ΔD是二者之差，即

(2）心軸垂直放置。因?yàn)闊o法預(yù)測間隙偏向哪一邊，定位基準(zhǔn)孔在任何方向都可作雙向移動，故其最大位移量（即ΔY）較心軸水平放置時大一倍，即5.2.3工件在夾具中的夾緊

1.夾緊裝置的組成

圖5－17為夾緊裝置組成示意圖，它主要由以下三部分組成：

(1)力源裝置。產(chǎn)生夾緊作用力的裝置。所產(chǎn)生的力稱為原始力，如氣動、液動、電動等，圖5－17中的力源裝置是氣缸1。對于手動夾緊來說，力源來自人力。

(2)中間傳力機(jī)構(gòu)。介于力源和夾緊元件之間傳遞力的機(jī)構(gòu)，如圖5－17中的連桿2。在傳遞力的過程中，它能夠改變作用力的方向和大小，起增力作用；還能使夾緊實(shí)現(xiàn)自鎖，保證力源提供的原始力消失后，仍能可靠地夾緊工件，這對手動夾緊尤為重要。圖5－17夾緊裝置組成示意圖

(3)夾緊元件。夾緊裝置的最終執(zhí)行件，與工件直接接觸完成夾緊作用，如圖5－17中的壓板3。

2.對夾具裝置的要求

必須指出，夾緊裝置的具體組成并非一成不變，須根據(jù)工件的加工要求、安裝方法和生產(chǎn)規(guī)模等條件來確定。但無論其組成如何，都必須滿足以下基本要求：

(1)夾緊時應(yīng)保持工件定位后所占據(jù)的正確位置。

(2)夾緊力大小要適當(dāng)。夾緊機(jī)構(gòu)既要保證工件在加工過程中不產(chǎn)生松動或振動,同時，又不得產(chǎn)生過大的夾緊變形和表面損傷。

(3)夾緊機(jī)構(gòu)的自動化程度和復(fù)雜程度應(yīng)和工件的生產(chǎn)規(guī)模相適應(yīng)，并有良好的結(jié)構(gòu)工藝性，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化元件。

(4)夾緊動作要迅速、可靠，且操作要方便、省力、安全。

3.夾緊力三要素確定

設(shè)計夾緊機(jī)構(gòu)，必須首先合理確定夾緊力的三要素：大小、方向和作用點(diǎn)。

1)夾緊力方向的確定

確定夾緊力作用方向時，應(yīng)與工件定位基準(zhǔn)的配置及所受外力的作用方向等結(jié)合起來考慮。其確定原則是：（1）夾緊力的作用方向應(yīng)垂直于主要定位基準(zhǔn)面。

圖5－18所示直角支座以A、B面定位鏜孔，要求保證孔中心線垂直于A面。為此應(yīng)選擇A面為主要定位基準(zhǔn)，夾緊力Q的方向垂直于A面，如圖5－18(a)所示。這樣，無論A面與B面有多大的垂直度誤差，都能保證孔中心線與A面垂直。否則，如圖5－18(b)所示,夾緊力方向垂直于B面，則因A、B面間有垂直度誤差（α＞90°或α＜90°），使鏜出的孔不垂直于A面而可能報廢。圖5－18夾緊力方向?qū)︾M孔垂直度的影響

(a)合理；(b)不合理

(2)夾緊力作用方向應(yīng)使所需夾緊力最小。

這樣可使機(jī)構(gòu)輕便、緊湊，工件變形小，對手動夾緊可減輕工人勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。為此，應(yīng)使夾緊力Q的方向最好與切削力F、工件的重力G的方向重合，這時所需要的夾緊力為最小。

圖5－19表示了F、G、Q三力不同方向之間關(guān)系的幾種情況。顯然，圖（a）最合理，圖（f）情況為最差。圖5－19夾緊方向與夾緊力大小的關(guān)系

（a）最合理；（b）較合理；（c）可行；（d）不合理；（e）不合理；（f）最不合理

(3)夾緊力作用方向應(yīng)使工件變形最小。

由于工件不同方向上的剛度是不一致的，不同的受力表面也因其接觸面積不同而變形各異，尤其在夾緊薄壁工件時，更需注意。

圖5－20所示的套筒，用三爪自定心卡盤夾緊外圓，顯然要比用特制螺母從軸向夾緊工件的變形大得多。圖5－20夾緊力方向與工件剛性關(guān)系

2)夾緊力作用點(diǎn)的確定

選擇作用點(diǎn)的問題是指在夾緊方向已定的情況下，確定夾緊力作用點(diǎn)的位置和數(shù)目。應(yīng)依據(jù)以下原則確定：

（1）夾緊力作用點(diǎn)應(yīng)落在支承元件上或幾個支承元件所形成的支承面內(nèi)。

如圖5－21(a)所示，夾緊力作用在支承面范圍之外，會使工件傾斜或移動，而圖5－21(b)則是合理的。圖5－21夾緊力作用點(diǎn)應(yīng)在支承面內(nèi)

(a)不合理；(b)合理（2）夾緊力作用點(diǎn)應(yīng)落在工件剛性好的部位上。

如圖5－22所示，將作用在殼體中部的單點(diǎn)改成在工件外緣處的兩點(diǎn)夾緊，工件的變形大為改善，且夾緊也更可靠。該原則對剛度差的工件尤其重要。圖5－22夾緊力作用點(diǎn)應(yīng)在剛性較好部位

(a)不合理；(b)合理

5.3數(shù)控加工中的組合夾具

5.3.1組合夾具的發(fā)展過程及經(jīng)濟(jì)效益

組合夾具是在夾具完全模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，由一整套預(yù)先制造好的標(biāo)準(zhǔn)元件和組件，針對不同工件對象迅速裝配成各種專用夾具，這些夾具元件相互配合部分的尺寸具有完全互換性。夾具使用完畢后，再拆散元件的組件，因此是一種可重復(fù)使用的夾具系統(tǒng)。圖5－23是專用夾具和組合夾具使用過程的比較。由圖可見，使用組合夾具的經(jīng)濟(jì)效果符合現(xiàn)代生產(chǎn)的環(huán)境保護(hù)要求。目前有兩種類型組合夾具，即槽系組合夾具和孔系組合夾具系統(tǒng)。圖5－23專用夾具和組合夾具使用過程的比較

(a)專用夾具；(b)組合夾具5.3.2槽系組合夾具系統(tǒng)

圖5－24所示為一槽系組合夾具。圖5－24槽系組合夾具

1.槽系組合夾具的規(guī)格

為了適應(yīng)不同工廠、不同產(chǎn)品的需要，槽系組合夾具分大、中、小型三種規(guī)格，其主要參數(shù)如表5－1所示。

2.組合夾具的工作原理、特點(diǎn)及應(yīng)用

1)組合夾具的工作原理與特點(diǎn)

組合夾具是機(jī)床夾具中一種標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化程度很高的工藝裝備。它是由一套預(yù)先制造好的標(biāo)準(zhǔn)元件組合而成的。這些元件具有各種不同形狀、尺寸和規(guī)格，并且有較好的互換性、耐磨性和較高的精度。根據(jù)工件的工藝要求，采用搭積木的方式組裝成各種專用夾具。使用完畢后，可方便地拆開元件，洗凈后存放起來，待重新組裝時重復(fù)使用。組合夾具有以下特點(diǎn)：

(1）靈活多變，為生產(chǎn)迅速提供夾具，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。

(2）保證加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。

(3）節(jié)約人力、物力和財力。

(4）減少夾具存放面積，改善管理工作。

2)組合夾具的應(yīng)用

組合夾具應(yīng)用范圍很廣，它不僅成熟地應(yīng)用于機(jī)床、汽車、農(nóng)機(jī)、儀表等行業(yè)，而且在重型、礦山等機(jī)械行業(yè)也進(jìn)行了推廣使用。

（1）從生產(chǎn)類型方面看，組合夾具的特點(diǎn)決定了它最適用于產(chǎn)品經(jīng)常變換的生產(chǎn)，如單件小批生產(chǎn)、新產(chǎn)品試制和臨時突擊性的生產(chǎn)任務(wù)等。

（2）從加工工種方面看，組合夾具可用于鉆、車、銑、刨、磨、鏜、檢驗(yàn)等工種，其中以鉆床夾具應(yīng)用量最大。（3）從加工工件的幾何形狀和尺寸方面看，組合夾具一般可不受工件形狀復(fù)雜程度的限制，很少遇到因工件形狀特殊而不能組裝夾具的情況。

（4）從加工工件的公差等級方面看，由于組合夾具元件本身為IT2公差等級，通過各組裝環(huán)節(jié)的累積誤差，因此在一般情況下，工件加工公差等級可達(dá)IT3級。

3.槽系組合夾具元件的分類

組合夾具元件按其用途不同，可分為八大類。

(1)基礎(chǔ)件,如圖5－25所示，包括各種規(guī)格尺寸的方形、矩形、圓形基礎(chǔ)板和基礎(chǔ)角鐵等?；A(chǔ)件主要用作夾具體。圖5－25基礎(chǔ)件

(2)支承件，如圖5－26所示，包括各種規(guī)格尺寸的墊片、墊板、方形和矩形支承、角度支承、角鐵、菱形板、V形塊、螺孔板、伸長板等。支承件主要用作不同高度的支承和各種定位支承平面，是夾具體的骨架。圖5－26支承件

(3)定位件，如圖5－27所示，包括各種定位銷、定位盤、定位鍵、對位軸、各種定位支座、定位支承、鎖孔支承、頂尖等。定位件主要用于確定元件與元件、元件與工件之間的相對位置尺寸，以保證夾具的裝配精度和工件的加工精度。圖5－27定位件

(4)導(dǎo)向件，如圖5－28所示，包括各種鉆模板、鉆套、鉸套和導(dǎo)向支承等。導(dǎo)向件主要用來確定刀具與工件的相對位置，加工時起到引導(dǎo)刀具的作用。

圖5－28導(dǎo)向件

(5)夾緊件，如圖5－29所示，包括各種形狀尺寸的壓板。夾緊件主要用來將工件夾緊在夾具上，保證工件定位后的正確位置在外力作用下不變動。由于各種壓板的主要表面都經(jīng)過磨光，因此也常作定位擋板、連接板或其他用途。圖5－29夾緊件

(6)緊固件，包括各種螺栓、螺釘、螺母和墊圈等。緊固件主要用來把夾具上各種元件連接緊固成一個整體，并可通過壓板把工件夾緊在夾具上。

(7)其他件，包括除了上述六類以外的各種用途的單一元件，例如連接板、回轉(zhuǎn)壓板、浮動塊、各種支承釘、支承帽、二爪支承、三爪支承、平衡塊等。

(8)組合件，指在組裝過程中不拆散使用的獨(dú)立部件。按其用途可分為定位合件、導(dǎo)向合件、夾緊合件和分度合件等。5.3.3孔系組合夾具系統(tǒng)

1.孔系和槽系組合夾具的比較

與槽系組合夾具相比較，孔系組合夾具具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)元件剛度高。由于元件剛度好，因而裝配出的整體孔系組合夾具的剛度也高，從而滿足了數(shù)控機(jī)床需要高切削用量的要求，提高了數(shù)控機(jī)床加工的生產(chǎn)效率。

孔系組合夾具的剛度比槽系高，這是因?yàn)榭紫到M合夾具的基礎(chǔ)件，雖然其厚度較同系列槽系為薄，上面又加工了眾多的孔，但仍為整體的板結(jié)構(gòu)，故剛度高。而槽系組合夾具的基礎(chǔ)件和支承件表面布滿了縱橫交錯的T形槽，造成截面上的斷層，嚴(yán)重削弱了結(jié)構(gòu)的剛度。圖5－30孔系組合夾具

1.孔系和槽系組合夾具的比較

與槽系組合夾具相比較，孔系組合夾具具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)元件剛度高。由于元件剛度好，因而裝配出的整體孔系組合夾具的剛度也高，從而滿足了數(shù)控機(jī)床需要高切削用量的要求，提高了數(shù)控機(jī)床加工的生產(chǎn)效率。

孔系組合夾具的剛度比槽系高，這是因?yàn)榭紫到M合夾具的基礎(chǔ)件，雖然其厚度較同系列槽系為薄，上面又加工了眾多的孔，但仍為整體的板結(jié)構(gòu)，故剛度高。而槽系組合夾具的基礎(chǔ)件和支承件表面布滿了縱橫交錯的T形槽，造成截面上的斷層，嚴(yán)重削弱了結(jié)構(gòu)的剛度。

(2)制造和材料成本低。因?yàn)榭紫翟募庸すに囆院?，精密孔系的坐?biāo)磨削成本也高，但在采用粘接淬火定位襯套和孔距樣板保證孔距后，工藝性能好，成本比T形槽的磨削降低。此外，槽系夾具元件為保證高強(qiáng)度性能都用合金鋼的材料，而孔系夾具元件基體都用普通鋼或優(yōu)質(zhì)鑄鋼，因而制造和材料成本大為降低。

(3)組裝時間短。由于槽系組合夾具在裝配過程中需要較多的測量和調(diào)整工作，而孔系組合夾具的裝配大部分只要將元件之間的孔對準(zhǔn)并用螺釘緊固即可，因而裝配工作相對容易和簡單，要求裝配工人的熟練程度也比較低。

(4)定位可靠。孔系元件之間由一面雙銷定位，比槽系夾具中槽和鍵的配合，在定位精度和可靠性方面都高。同時，任何一個定位孔均可方便地作為數(shù)控機(jī)床加工時的坐標(biāo)原點(diǎn)。

(5)孔系組合夾具裝配的靈活性差。孔系組合夾具上元件位置不方便做無級調(diào)節(jié)，元件的品種數(shù)量不如槽系組合夾具多，從組裝的靈活性來看，也不及槽系組合夾具好。因此，當(dāng)前世界制造業(yè)中，是孔系和槽系并存的局面，但以孔系更具有優(yōu)勢。有關(guān)槽系和孔系兩種組合夾具的全面比較見表5－2。

2.孔系組合夾具的元件、功能單元及分類

當(dāng)今，世界上生產(chǎn)組合夾具的主要國家是德國、美國、中國和俄羅斯，不同的企業(yè)生產(chǎn)各有特色的孔系組合夾具系統(tǒng)。元件大體上可分成5類，即基礎(chǔ)件、結(jié)構(gòu)支承件、定位件、夾緊件、合件和附件。圖5－31列出此系統(tǒng)中較典型的元件。現(xiàn)對各類元件作一簡要說明。

(1)基礎(chǔ)件，用作夾具的底板或夾具體，除傳統(tǒng)的方形、長方、圓形基礎(chǔ)板和角鐵外，增加了T形板和方箱，后者主要是適應(yīng)NC機(jī)床的需要，特別是在加工中心上有著廣泛的用途。圖5－31孔系組合夾具元件分類

(2)結(jié)構(gòu)件，這類元件的功能是在基礎(chǔ)件上構(gòu)建夾具的骨架，組成實(shí)際的夾具體，如小尺寸的長型或?qū)捫徒氰F，各種多面支承等。

(3)夾緊件，壓緊工件用，有各種壓板和夾緊合件，既有垂直方向壓緊的，也有水平方向壓緊的，品種繁多。

(4)定位件，主要用作定位，有條形板、定位板、塔形柱、V形塊等。

(5)附件，包含螺釘、螺母、墊圈等各種緊固件，以及扳手、保護(hù)孔免遭切屑和灰塵落入的螺塞等。

3.孔系組合夾具的結(jié)構(gòu)要素

孔系組合夾具元件之間的相互位置是由孔和銷來決定的，為了準(zhǔn)確可靠地決定元件的相互空間位置，采用了一面兩銷的定位原理，即利用相連的兩個元件上的兩個孔，插入兩根定位銷來決定其位置，同時再用螺釘將兩個元件連接在一起。對于沒有準(zhǔn)確位置要求的元件可僅用螺釘連接。因此，部分孔系元件上都有網(wǎng)狀分布的定位孔和螺紋孔。為了達(dá)到孔系元件之間的互換性裝配，必須對孔的尺寸、公差、孔距加以標(biāo)準(zhǔn)化才能達(dá)到目的，這就是孔系組合夾具的結(jié)構(gòu)要素。現(xiàn)在雖然生產(chǎn)孔系組合夾具的各公司都有自己的結(jié)構(gòu)要素標(biāo)準(zhǔn)，但在一些主要參數(shù)上都是相同或相近的。和槽系組合夾具一樣，為了適應(yīng)不同尺寸大小工件的加工，孔系組合夾具也有大、中、小、微型4個系列，并有英制和米制兩種標(biāo)準(zhǔn)。

孔在基礎(chǔ)件或其他元件表面上的分布，一般有兩種形式，一種是定位孔和螺紋孔相互交叉的形式，如圖5－32(a)所示；另一種是定位孔和螺紋孔做在同一孔上的形式，如圖5－32(b)所示。圖5－32孔系組合夾具基礎(chǔ)件上孔分布的兩種基本形式

4.孔系組合夾具的裝配

手工裝配孔系組合夾具和手工裝配槽系組合夾具的過程完全相同。實(shí)踐證明，裝配孔系組合夾具在形成夾具結(jié)構(gòu)方面比槽系夾具要方便和容易，這是因?yàn)楝F(xiàn)代孔系組合夾具系統(tǒng)元件及其品種都較小，同時元件的數(shù)量比較多；但是裝配出夾具結(jié)構(gòu)后，在對元件做尺寸調(diào)整使之滿足工件尺寸要求方面，則不如槽系夾具迅速，這是因?yàn)椴巯翟蠖寄茏鲭p向調(diào)整之故。所以，用孔系元件手工裝配較簡單的孔系組合夾具時，可將前面所示裝配過程簡化為圖5－33所示流程進(jìn)行。圖5－33孔系組合夾具裝配過程流程簡圖5.3.4使用組合夾具的成本及管理分析

1.使用組合夾具的成本分析

夾具成本對產(chǎn)品成本有很大的影響。通常，從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)出發(fā)，大批大量生產(chǎn)適合用專用夾具，成批生產(chǎn)宜使用可調(diào)夾具或成組夾具，單件小批生產(chǎn)應(yīng)用組合夾具。由于可調(diào)整夾具受市場、訂貨、生產(chǎn)組織和產(chǎn)品技術(shù)要求等多種條件的限制，目前應(yīng)用較少。各種生產(chǎn)類型下使用的夾具可見圖5－34。圖5－34用于不同生產(chǎn)類型的夾具選擇

(1)對單件小批生產(chǎn)中使用組合夾具和常規(guī)裝夾方法的成本進(jìn)行比較可得，在單件小批生產(chǎn)中，常規(guī)的裝夾方法可以用通用夾具或元件，如卡盤、虎鉗和壓板等。由于通用夾具只適合形狀簡單的工件，對復(fù)雜的裝夾任務(wù)需要一些專用的元件，而設(shè)計制作這些專用元件要花費(fèi)較多的時間和費(fèi)用，這時候用組合夾具也許是合適的。在某些裝夾情況下，雖然可以不用專用元件，仍需要用劃線找正的方法將工件、加工面與機(jī)床對準(zhǔn)，使用組合夾具就可以減少在線裝夾時間，從而降低制造成本。

(2)將成批生產(chǎn)中使用組合夾具和專用夾具的成本比較可得，在成批生產(chǎn)中，不論是用專用夾具還是組合夾具，在線裝夾時間都是相同的，將零件裝入夾具后通常都不用測量和調(diào)整。采用組合夾具代替專用夾具可以減少工裝制造周期時間和降低成本。

當(dāng)生產(chǎn)條件是確定的時，采用專用夾具還是組合夾具的決策取決于生產(chǎn)成本。假如年需求小于盈虧平衡點(diǎn)，采用組合夾具可以降低裝夾成本。簡單地說，在成批生產(chǎn)中采用組合夾具的理由是組合夾具元件的成本加上夾具組裝的成本低于設(shè)計和制造專用夾具的成本。

2.使用組合夾具的管理分析

當(dāng)采用組合夾具時，夾具站中有大量各式各樣的夾具元件，從制造部門向夾具站提出各種各樣的夾具訂單。裝夾信息系統(tǒng)已經(jīng)變?yōu)镃IMS的一個子信息系統(tǒng)，目的是用庫存信息和作業(yè)計劃要求來管理夾具元件的通信聯(lián)系。夾具站管理系統(tǒng)是成功應(yīng)用組合夾具所必須的條件。夾具站管理的主要目的是：

（1）用最少數(shù)量的夾具元件組裝出數(shù)量最多的夾具。

（2）優(yōu)化夾具元件的庫存水平。

（3）制定組裝組合夾具的作用計劃。5.3.5組合夾具結(jié)構(gòu)的自動化設(shè)計

CAFD（ComperterAidFixtureDesign）是一個夾具結(jié)構(gòu)自動化設(shè)計軟件，它的輸入部分用于輸入工件及工藝信息，包括幾何形狀、工件方向、定位點(diǎn)及夾緊點(diǎn)位置和刀具軌跡包絡(luò)空間等，這些數(shù)據(jù)都可以從工件的圖紙中得到。5.4計算機(jī)輔助組合夾具元件的選擇與安裝規(guī)劃

5.4.1計算機(jī)輔助組合夾具元件的選擇

在計算機(jī)輔助夾具設(shè)計的發(fā)展早期，設(shè)計人員以CAD作為工具，先建立一個標(biāo)準(zhǔn)夾具元件圖形庫，并且開發(fā)出一種基于圖形的計算機(jī)輔助夾具設(shè)計系統(tǒng)。用戶先從數(shù)據(jù)庫中檢索出夾具標(biāo)準(zhǔn)元件，圍繞零件圖形的輪廓將這些元件安裝在適當(dāng)?shù)奈恢蒙?，從而在顯示屏上裝配成夾具圖形。而后又開發(fā)出了一種交互式的CAFD（ComperterAidFixtureDesign）計算機(jī)輔助夾具設(shè)計環(huán)境，通過夾具元件庫和菜單來驅(qū)動夾具的裝配順序。組合夾具元件可分成五類：基礎(chǔ)件、定位件、夾緊件、合件和附件。這些夾具元件均以圖形形式儲存于I—CAFD系統(tǒng)的夾具元件數(shù)據(jù)庫中。