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（2）该钻床夹具作为机床夹具的典型代表，其基本组成是什么？
（3）便于认识和更好的使用机床夹具，如何对机床的夹具进行分类？
（4）生产一线对机床夹具还有什么新的要求？
（5）在生产实习时，应对常见机床夹具的基本结构及其分析有所认识。
【知识准备】
学习情境1.1机床夹具
1.1.1机床夹具的基本概念
工件在机床上进行加工时，为了保证其精度要求，工件的加工表面与刀具之间必须保持一定的位置关系。
机床夹具就是机床上用以装夹工件和引导刀具的一种装置。
其作用是将工件定位，以使工件获得相对于机床和刀具的正确位置，并把工件可靠地夹紧。
因此，工件必须借助于夹具占有正确位置。
夹具是指夹持工件的工具，如卡盘、顶尖、平口钳等。
刀具也必须借助于辅具使其保持一定位置。
辅具是指夹持刀具的工具，如钻夹头、丝锥夹头及刀夹等，如图1-2所示为丝锥夹头。
图1-2丝锥夹头
1.1.2机床夹具在机械加工中的作用
在机械加工中，工件通过定位元件在夹具中占有正确的位置，工件和夹具通过连接元件在机床上占有正确位置，工件和夹具通过对刀元件相对于刀具占有正确位置，从而保证了工件相对于机床位置正确、工件相对于刀具位置正确，最终保证工件的加工要求。
因此，机床夹具在机械加工中应具有以下作用：
1.能稳定地保证工件的加工精度
使用机床夹具来对工件定位，可以准确地确定工件与机床、刀具之间的相互位置。
工件的位置精度完全由夹具保证，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，保证工件加工精度高且稳定。
2.能减少辅助工时，提高劳动生产率
由于机床夹具的存在，无需找正便能使工件迅速地定位和夹紧，显著地减少了辅助工时；
用夹具装夹工件提高了工件的刚性，因此，可增大切削用量；
可以使用多件、多工位夹具装夹工件，并采用高效夹紧机构，这些因素均有利于提高劳动生产率。
另外，采用夹具后，产品质量稳定，废品率下降，可以安排技术等级较低的工人，明显降低了生产成本。
3.能扩大机床的使用范围，实现“一机多能”
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，就可以进行箱体零件的镗孔加工了。
4.能减轻工人的劳动强度
用夹具装夹工件方便、快速，当采用液压、气动等夹紧装置时，可减轻工人的劳动强度。
学习情境1.2机床夹具的分类及组成
1.2.1机床夹具的分类
在现代生产中，机床夹具是一种不可缺少的工艺装备，它直接影响着工件加工的精度、劳动生产率和产品的制造成本等。
机床夹具的种类繁多，可以从不同的角度对它进行分类。
常用的分类方法有以下几种：
1.按使用范围分
根据夹具在不同生产类型中的通用特性，按使用范围分，机床夹具可分为通用夹具、专用夹具、可调夹具、组合夹具和随行夹具五大类。
1）通用夹具
通用夹具是指已经标准化了的夹具，适用于不同工件的装夹。
如三爪卡盘、四爪卡盘、平口钳、分度头和回转工作台等，如图1-3所示，这些夹具已经作为机床附件，可以充分发挥机床的使用性能。
因此，通用夹具使用范围广泛，无论是大批大量生产，还是单件小批量生产都广泛地使用通用夹具。
（a）三爪卡盘（b）四爪卡盘（c）平口钳
（c）分度头（d）回转工作台
图1-3常见通用夹具
2）专用夹具
专用夹具是指为加工某一零件、某一道工序专门设计的夹具。
该夹具结构紧凑，针对性强，使用方便，但设计制造周期长，制造费用高，需要库房保存。
当产品变更时，专用夹具常会因无法再用而“报废”。
因此，专用夹具只用在成批和大量生产中。
3）可调夹具
可调夹具是把通用夹具和专用夹具相结合，通过少量零件的调整、更换以适应某些零件加工的夹具。
根据加工范围的宽窄，可调夹具可分为以下两种类型：
（1）通用可调夹具通用可调夹具指经调整、更换某些元件后可获得较宽加工范围的可调夹具。
（2）专用可调夹具。
专用可调夹具又称为成组夹具，是指经调整、更换某些元件后其加工范围较窄的可调夹具。
它是专门为成组加工工艺中某一组零件而设计制造的。
可调夹具在多品种，中、小批工件的生产中被广泛采用。
【小提示】可调夹具是由基本部分和可调部分组成的。
基本部分即通用部分，它包括夹具体、动力装置和操纵机构；
可调部分即专用部分，是为某些工件或某族工件专门设计的，它包括定位元件、夹紧元件和导向元件等。
4）组合夹具
组合夹具是指按某一工件的某道工序的加工要求，由一套事先准备好的通用标准元件和组件组合而成的夹具。
标准元件包括基础件、支承元件、定位元件、导向元件、夹紧元件、紧固元件、辅助元件和组件八类。
如图1-4所示，这些元件相互配合部分尺寸精度高、硬度高及耐磨性好，并有互换性。
用这些元件组装的夹具用完之后可以拆卸存放，重新组装新夹具时可再次使用。
采用组合夹具可减轻专用夹具设计和制造的工作量，缩短生产准备周期，具有灵活多变、重复使用的特点，因此，在多品种、单件小批量生产及新产品试制中使用。
图1-4组合夹具
5）随行夹具
随行夹具是适用于自动线上的一种移动式夹具。
工件安装在随行夹具上，随行夹具由自动线运输装置从一个工序运送到另一个工序，完成全部工序的加工。
随行夹具用于形状复杂且不规则、又无良好输送基面的工件中。
一些有色金属的工件，虽具有良好的输送基面，为了保护基面避免划伤，也采用随行夹具。
2.按使用机床的类型分
按使用机床的类型分，机床夹具可分为钻床夹具、铣床夹具、车床夹具、磨床夹具、镗床夹具、齿轮机床夹具等。
如图1-5所示为钻铣床夹具。
图1-5钻铣床夹具
3.按夹紧动力源分
按夹紧动力源分，机床夹具可分为手动夹具、电磁夹具、液压夹具及气动夹具等。
1）手动夹具
手动夹具是指以人力将工件定位和夹紧的夹具。
如图1-6所示为手动虎钳夹具。
图1-6快速虎钳手动夹具
2）电磁夹具
电磁夹具是指采用最新稀土永磁材料，应用现代磁路原理设计的新型夹具，其夹紧力可达15kgf/cm，可用于黑色金属的各种切削加工，装夹方便并能充分暴露表面。
如图1-7所示为电磁吸盘夹具，它主要用于平面磨床和数控加工中心。
如图1-8所示为电磁吸盘夹具在数控加工中心的应用。
图1-7电磁吸盘夹具图1-8电磁吸盘夹具在数控加工中心的应用
3）液压夹具
液压夹具是以液体压力将工件定位和夹紧的夹具，如图1-9所示。
图1-9液压夹具
液压夹具主要用于大批量高精度产品的加工，它的主要特点是定位精度高，夹紧稳定可靠，夹紧释放工件时间短，可缩短加工辅助时间，减少人为因素，提高机床效率。
如图1-10所示液压夹具的应用。
图1-10液压夹具的应用
4）气动夹具
气动夹具是用液压、气动元件代替机械零件实现对工件的定位、支撑与夹紧的专用夹具，它主要在高效率、大批量、高精度的生产加工中使用，如图1-11所示。
图1-11气动夹具
1.2.2机床夹具的组成
机床夹具的种类和结构繁多，但它们一般是由定位元件、夹紧装置、对刀或导向元件、连接元件、其他装置或元件以及夹具体等部分组成，为了更好理解机床夹具的基本组成，下面以钻床夹具为例来说明。
【相关举例】
例1-1如图1-12所示为钻6H9mm径向孔的钻床夹具。
试分析该夹具的基本组成及各组成部分的作用。
图1-12钻6H9径向孔的钻床夹具
1—快换钻套；
2—衬套；
3—钻模板；
4—开口垫圈；
5—螺母；
6—定位销；
7—夹具体
分析如下：
本工序（工艺过程的基本单元）要求在轴套零件上按尺寸6H9加工，并保证所钻孔的轴线与工件内孔的中心线垂直相交。
工件分别以内孔及端面在定位销6及其端面支承上定位，用开口垫圈4和螺母5夹紧工件；
快换钻套1用来导引钻头，所有的元件和装置都在夹具体7上。
夹具在立式钻床上的位置，可通过先找正主轴上装夹的钻头与钻套的位置，然后把其紧固在工作台上。
例1-2如图1-13所示为铣销轴端槽的夹具。
图1-13铣销轴端槽的夹具
1—V形块；
2—定位套；
3—手柄；
4—定位键；
5—夹具体；
6—对刀块
本工序要求保证槽宽、槽深和槽两侧面对轴心线的对称度。
工件分别以外圆和一端面在V形块1和定位套2上定位，转动手柄3，偏心轮推动活动V形块夹紧工件。
夹具以夹具体5的底面及安装在夹具体上的两个定位键4与铣床工作台面、T形槽配合，并固定在机床工作台面上。
这样夹具相对于机床占有确定的位置，然后通过对刀块6及塞尺调整刀具位置，使刀具相对于夹具占有确定的位置。
所有的元件和装置都装在夹具体5上。
一般的专用夹具由以下几部分组成：
1.定位元件
定位元件是用来确定工件在夹具中位置的元件，见图1-12中的定位销6，以及图1-13中的V形块1和定位套2。
2.夹紧装置
夹紧装置是用来夹紧工件，使其保持在正确的定位位置上的装置，见图1-12中的开口垫圈4和螺母5，以及图1-13中的V形块1和手柄3。
3.对刀或导向元件
对刀或导向元件是用来确定刀具位置或引导刀具方向的元件，用于确定刀具在加工前正确位置的元件称为对刀元件，见图1-13中的对刀块6；
用于确定刀具位置并引导刀具进行加工的元件称为导向元件，见图1-12中的快换钻套l。
4.连接元件
连接元件是用来确定夹具和机床之间正确位置的元件，见图1-13中的定位键4。
5.其他装置或元件
其他装置和元件如分度装置、为便于卸下工件而设置的顶出器、动力装置的操作系统、夹具起吊和搬运用的起重螺栓和起重吊环等。
6.夹具体
夹具体是将上述装置和元件连成整体的基础件，见图1-12中的夹具体7和图1-13中的夹具体5。
【小提示】若需加工按一定规律分布的多个表面，常设置分度装置；
为了能方便、准确地定位，常设置预定位装置；
对于大型夹具常设置吊装元件等。
【知识拓展】机床夹具各组成部分的关系
机床夹具的各部分之间既相互独立又相互联系。
为了更好理解机床夹具各组成部分的关系，图示加以说明。
如图1-14所示可以看到被加工件通过夹紧装置进行固定的，整个夹具体通过连接元件与机床工作台连接，加工过程中，刀具通过对刀或导向元件进行准确定位。
因此，机床夹具的各部分之间既相互独立又相互联系。
图1-14夹具的组成及各组成部分与机床工件刀具的相互关系
学习情境1.3工件在机床中的装夹方法
1.3.1工件装夹的概念
工件在开始加工前，首先必须使工件在机床上或夹具中占有某一正确的位置，这个过程称为定位。
为了使定位好的工件在切削力的作用下不发生位移，使其在加工过程始终保持正确的位置，还需将工件压紧夹牢，这个过程称为夹紧。
定位和夹紧的整个过程合起来称为装夹。
工件的装夹不仅影响加工质量，而且对生产率、加工成本及操作安全都有直接影响。
1.3.2找正装夹方式
1.直接找正安装
直接找正安装是用划针或百分表等直接在机床上找正工件的位置，如图1-15（a）所示为在磨床上磨削一个与外圆表面有同轴度要求的内孔，加工前将工件装在四爪盘上，用百分表直接找正外圆，使工件获得正确的位置。
又如图1-15（b）所示为在牛头刨床上加工一个与工件底面、右侧面有平行度要求的槽，用百分表找正工件的右侧面，可确定工件的位置，而槽与底面的平行度则由机床的几何精度来保证。
（a）（b）
图1-15直接找正安装
直接找正安装的精度和工作效率，取决于要求的找正精度、所采用的找正方法、所使用的找正工具和工人的技术水平。
此法的缺点是费时较多，因此，一般只适用于工件批量用夹具不经济或工件定位精度要求特别高，采用专用夹具也不能保证，只能用精密量具直接找正定位的场合。
【小提示】直接找正法生产率低，对工人技术水平要求高，一般用于单件、小批量生产中。
2.划线找正安装
对形状复杂的工件，因毛坯精度不易保证，若用直接找正很难使工件上各个加工面都有足够和比较均匀的加工余量。
若先在毛坯上划线，然后按照所划的线来找正安装，则能较好地解决这些矛盾。
如图1-16所示，此方法要增加划线工序，定位精度也不高。
因此，多用于批量小、零件形状复杂、毛坯制造精度较低的场合，以及大型铸件和锻件等不宜使用专用夹具的粗加工中。
图1-16划线找正安装
【小提示】划线找正法生产率低，精底低，且对工人技术水平要求高，一般用于单件、小批量生产中加工复杂而笨重零件，或毛坯尺寸公差大而无法直接用夹具装夹的场合。
1.3.3夹具装夹方式
用专用夹具安装可使工件在夹具中定位并夹紧，不需要进行找正。
此方法安装精度较高，而且装卸方便，可以节省大量辅助时间。
但制造专用夹具成本高，周期长，因此，适用于成批和大量生产。
为了更好理解夹具装夹方式，以钻后盖零件上孔的加工找正为例来说明夹具装夹方式。
【小提示】用夹具装夹工件生产率高，定位精度高，但需要设计、制造专用夹具。
例1-3如图1-17所示，成批生产中，钻后盖零件上10mm的孔。
保证10mm孔的中心线距后盖零件后端面的距离为（18±
0.1）mm，10mm孔的中心线与30mm孔的中心线垂直，10mm孔的中心线与其下面的5.8mm孔的中心线在同一平面上。
试分析该零件在钻床夹具上的装夹过程。
图1-17钻后盖零件上10mm的孔
加工10mm孔的钻床夹具示意图如图1-18所示。
10mm孔径尺寸由刀具（钻头）自身的尺寸保证，10mm孔的中心线距后盖零件后端面的距离（18±
0.1）mm由支承板4保证，10mm孔的中心线与30mm孔的中心线垂直由钻套1和圆柱销5共同保证，10mm孔的中心线与其下面的5.8mm孔的中心线在同一平面上由菱形销9保证。
加工时，拧紧螺母7以实现定位；
松开螺母7，拿开开口垫圈6以实现快速更换工件。
图1-18加工10mm孔的钻床夹具示意图
1—钻套；
2—钻模板；
3—夹具体；
4—支承板；
5—圆柱销；
6—开口垫圈；
7—螺母；
8—螺杆；
9—菱形销
通过例题1-3，我们不难看出使用专用夹具装夹工件有如下优点：
（1）保证工件加工精度。
使用专用夹具装夹工件时，工件相对于刀具及机床的位置精度由专用夹具保证，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。
（2）提高劳动生产率。
使用专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，提高劳动生产率；
工件在专用夹具中装夹后提高了工件的刚性，因此，可增大切削用量，提高劳动生产率；
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。
（3）扩大机床的使用范围。
在通用机床上采用专用夹具可以扩大机床的工艺范围，充分发挥机床的潜力，达到一机多用的目的。
例如，使用专用夹具可以在普通车床上很方便地加工小型壳体类工件，甚至在车床上拉出油槽，减少了昂贵的专用机床，降低了成本。
这对中、小型工厂尤为重要。
（4）改善了操作者的劳动条件。
由于液压、气动、电磁等动力源在夹具中的应用，一方面减轻了工人的劳动强度，另一方面也保证了夹紧工件的可靠性，并能实现机床的互锁，避免事故，保证了操作者和机床设备的安全。
（5）降低了成本。
在批量生产中使用专用夹具后，由于劳动生产率的提高、使用技术等级较低的工人以及废品率下降等原因，明显地降低了生产成本。
专用夹具制造成本分摊在一批工件上，每个工件增加的成本是极少的。
工件批量越大，使用专用夹具所取得的经济效益就越显著。
【小提示】专用夹具也有其弊端，如设计制造周期长；
因工件直接装在夹具体中，不需要找正工序，因此，对毛坯质量要求较高；
所以专用夹具主要适用于生产批量较大，产品品种相对稳定的场合。
学习情境1.4机床夹具的现状与发展趋势
1.4.1机床夹具的现状
机床夹具最早出现在18世纪后期。
随着科学技术的不断进步，机床夹具已从一种辅助工具发展成为门类齐全的工艺装备。
国际生产研究协会的统计表明，目前中、小批量多品种生产的工件已占工件种类总数的85％左右。
现代生产要求企业所制造的产品经常更新换代，以适应市场的需求与竞争。
然而，一般企业都仍习惯于大量采用传统的专用夹具，一般在具有中等生产能力的工厂里，约拥有数千甚至近万套专用夹具；
另一方面，在多品种生产的企业中，每隔3~4年就要更新50％~80％左右的专用夹具，而夹具的实际磨损量仅为10％~20％左右。
特别是近年来，数控机床、加工中心、成组技术、柔性制造系统（FMS）等新加工技术的应用，对机床夹具提出了如下新的要求：
（1）能迅速而方便地装备新产品的投产，以缩短生产准备周期，降低生产成本。
（2）能装夹一组具有相似性特征的工件。
（3）能适用于精密加工的高精度机床夹具。
（4）能适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具。
（5）采用以液压站等为动力源的高效夹紧装置，以进一步减轻劳动强度和提高劳动生产率。
（6）提高机床夹具的标准化程度。
1.4.2机床夹具的发展趋势
机床夹具的发展趋势主要表现为标准化、精密化、高效化和柔性化等四个方面。
1.标准化
机床夹具的标准化与通用化是相互联系的两个方面。
目前我国已有机床夹具零件及部件技术要求的行业标准（JB/T8044—1999）及各类通用夹具、组合夹具的标准等。
机床夹具的标准化有利于夹具的商品化生产，有利于缩短生产准备周期，降低生产总成本。
2.精密化
随着机械产品精度的日益提高，势必相应提高了对夹具的精度要求。
精密化夹具的结构类型很多，例如，用于精密分度的多齿盘，其分度精度可达±
0.1"
；
用于精密车削的高精度三爪自定心卡盘，其定心精度为5μm。
3.高效化
高效化夹具主要用来减少工件加工的基本时间和辅助时间，以提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度。
常见的高效化夹具有自动化夹具、高速化夹具和具有夹紧力装置的夹具等。
例如，在铣床上使用电动虎钳装夹工件，效率可提高5倍左右；
在车床上使用高速三爪自定心卡盘，可保证卡爪在试验转速为9000r/min的条件下仍能牢固地夹紧工件，从而使切削速度大幅度提高。
目前，除了在生产流水线、自动线配置相应的高效、自动化夹具外，在数控机床上，尤其在加工中心上出现了各种自动装夹工件的夹具以及自动更换夹具的装置，充分发挥了数控机床的效率。
4.柔性化
一般机械制造装备的柔性化有两重含义，即产品结构柔性化和功能柔性化。
1）产品结构柔性化
产品结构柔性化是指产品设计时采用模块化设计方法和机电一体化技术，只需对结构做少量的重组和修改，或修改软件，就可以快速推出满足市场需求的、具有不同功能的新产品。
2）功能柔性化
功能柔性化是指只需进行少量的调整或修改软件，就可以方便地改变产品或系统的运行功能，以满足不同的加工需要。
如数控机床、柔性制造单元或系统具有较高的功能柔性化程度。
柔性制造系统中，不同工件可以同时上线，实现混流加工。
这里所讲的机床夹具柔性化主要是指机床夹具的结构柔性化。
即指机床夹具设计时采用可调或成组技术和计算机软件技术（系统），只需对结构做少量的重组、调整和修改，或修改软件，就可以快速地推出满足不同工件或相同工件的相似工序加工要求的夹具。
可调夹具、成组夹具、组合夹具由于其柔性较好，为企业在保证产品质量、满足用户的不同要求、大大缩短生产周期需要的同时，从单一品种的生产成为多品种、小批量生产的需要，近年来得到快速发展。
尤其是可调整机床夹具逐步成为机床夹具设计中的一个发展趋势。
随行夹具由于其特有的适用于自动线或柔性制造系统的功用，因此，成为整个柔性制造系统发展中的一个研究内容。
机床夹具的柔性化与机床的柔性化相似，它是指机床夹具通过调整、组合等方式，以适应工艺可变因素的能力。
工艺的可变因素主要有：
工序特征、生产批量、工件的形状和尺寸等。
具有柔性化特征的新型夹具种类主要有：
组合夹具、通用可调夹具、成组夹具、模块化夹具、数控夹具等。
为适应现代机械工业多品种，中、小批量生产的需要，扩大机床夹具的柔性化程度，改变专用夹具的不可拆结构为可拆结构，发展可调夹具结构，将是当前机床夹具发展的主要方向。
学习情境1.5本课程研究的内容、性质及任务
《机床夹具设计》是高等职业院校机械类专业的必修课。
在教学培养计划中一般作为主要的专业课，总是安排在学生毕业前的1～2个学期开设。
此前开设的基础课程和专业技术课程都将直接在本门课程中得到应用，机床夹具也是学生毕业设计的主要课题，是体现学生专业能力的重要课程，在机制专业的课程设置中占有重要的地位。
1.5.1课程内容
本书涵盖以下几方面内容：
（1）机床夹具的基本概念，包括：
机床夹具的分类及组成、工件在机床夹具中的定位以及机床夹具现状与发展趋势。
（2）工件在夹具中的定位基准的概念，定位的基本原理，定位单个典型表面的定位元件，组合定位中各定位元件限制自由度分析，定位误差的分析计算。
（3）夹紧装置的组成和基本要求，设计夹紧装置的基本准则，常见的典型夹紧机构包括：
铰链夹紧机构、联动夹紧机构及定心夹紧机构等。
（4）典型机床夹具包括：
车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具。
（5）专用夹具的设计方法包括：
夹具设计的要求、方法和设计步骤、夹具总装配图上尺寸、公差配合与技术要求的标注及夹具的制造等特点。
（6）现代机床夹具包括：
随行夹具、通用可调夹具、成组夹具、组合夹具及数控机床夹具等。
1.5.2课程性质及任务
按照机床夹具设计课程教学的基本要求，这是最后一个重要的教学环节，也是对学生进行一次较全面的设计能力的训练。
该课程的任务包括以下几个方面：
（1）综合运用机械制造技术及其他有关先修课程，如《机械制图》、《公差配合与测量技术》、《金属材料与热处理》、《工程力学》等的理论和生产实际知识进行机床夹具设计训练，使理论和实际结合起来，使这些知识得到进一步巩固、加深和拓展。
（2）学习和理解机床夹具设计的一般步骤和方法，培养设计能力和解决实际问题的能力。
（3）进行机床夹具设计基本技能的训练，对计算、制图、运用设计资料（如手册、图册、技术标准、规范等）以及进行经验估算等基本技能得到一次综合训练，提高技能水平。
【情景模拟】
如图1-19所示为加工垫片上300mm孔的零件图，请同学们应用本模块所学过的知识，从机床夹具应用的角度出发，构建该零件上孔的加工机床夹具基本框架方案。
【小提示】可以从机床夹具的类型、孔类夹具的基本组成、机床夹具的找正方法等方面考虑。
图1-19加工垫片上300mm孔的零
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