第四章 机床夹具原理与设计 1概要.docx
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第四章机床夹具原理与设计1概要
第四章机床夹具原理与设计第一节机床夹具概述
第二节工件在夹具中的定位
第三节定位误差分析
第四节工件在夹具中的夹紧
第五节各类机床夹具
第六节现代机床夹具
第七节机床夹具设计的基本步骤
第一节机床夹具概述
一、工件的装夹方法
机床夹具是机械加工工艺系统的一个重要组成部分。
为保证工件某工序的加工要求（尺寸精度和形位精度,必须使工件在机床上相对刀具的切削或成形运动处于准确的相对位置,必须通过一定的装置把工件固定保持在准确定位的位置上。
机床夹具通过使工件在机床上相对刀具占有正确的位置的过程—定位,以及克服切削过程中工件受外力的作用保持工件的准确位置的过程—夹紧,来实现工件装夹。
定位和夹紧两个过程的综合称为装夹,完成工件装夹的工艺装备称为机床夹具。
工件在机床上的装夹方法主要有两种:
1.用找正法装夹工件
把工件直接放在机床工作台上或放在四爪单动卡盘、机用虎钳等机床附件中,根据工件的一个或几个表面用划针或百分表找正工件准确位置后再进行夹紧。
也有先按加工要求进行加工面位置的划线工序,然后再按划出的线痕进行找正实现装夹。
工件装夹法
a磨孔时工件的找正b刨削时工件的找正c划线找正装夹法d夹具装夹法在磨床上磨削1个与外圆表面有同
轴度要求的内孔时,加工前将工件
装在四爪单动卡盘上,用百分表直
接找正外圆表面,即可获得工件的
正确位置,如图a。
在牛头刨床上加工1个同工件底
面及侧面有平行度要求的槽时,用
百分表找正工件的右侧面,如图b,
即可使工件获得正确的位置。
直接找正法装夹工件时找正面即为定位基准。
直接找正法生产效率低,对
工人技术水平要求高,定位精度较
低,一般用于单件小批量生产。
图4-1铣槽工序用的铣床夹具
1—定位键2—支承板3—齿纹顶支承钉4—平头支承钉5—对刀块6—夹具底座7—夹具底板8—螺旋压板9—夹紧螺母10—对
刀塞尺
1.夹具的主要工作原理二、机床夹具的工作原理和在机械加工过程中的作用
图4-2铣槽夹具在立式铣床上的工作原理图1—铣床床身2—铣床升降台3—立铣刀4—铣槽夹具5—夹具的定位键6—铣床工
作台7—铣床溜板
支撑板2的支撑工作面与夹具底板7
保持平行;
底板7与工作台接触;
A面与支撑板2的工作面接触;
保证了铣出的槽与A面平行;
支撑钉3的支撑工作面与两定位键1
侧面平行;
两个定位键1与铣床的T型槽相配
合,即定位键1
与铣床的纵向进给方向平行;
B面与支撑定3的工作面接触;
保证了铣出的槽侧面与B面平行;保证了位置精度--平行度的要求
夹具的工作原理要点:
1使工件在夹具中占有正确的加工位置。
是通过工件各定位面与夹具的相应定位元件的定位工作面（定位元件上起定位作用的表面接触、配合或对准来实现的。
2夹具对于机床应先保证有准确的相对位置,而夹具结构又保证定位元件的定位工作面对夹具与机床相连接的表面之间的相对准确位置。
这就保证了夹具定位工作面相对机床切削运动形成表面的准确几何位置,也就达到了工件加工面对定位基准的相互位置精度要求。
3使刀具相对有关的定位元件的定位工作面调整到准确位置,这就保证了刀具在工件上加工出的表面对工件定位基准的位置尺寸。
2.夹具的作用
1稳定地保证工件的加工精度用夹具装夹工件时,工件相对刀具、
机床的位置由夹具保证,不受划线质量及工人技术水平的影响,因而精度高,稳定可靠。
2缩短辅助时间,提高劳动生产率采用夹具后,能使工件迅速地定
位和夹紧,缩短了辅助时间和基本时间,提高了劳动生产率。
3改善劳动条件,降低生产成本用夹具装夹工件方便、省力、安全。
特别是采用气动、液压等夹紧装置时,减轻了工人的劳动强度,保证了安全生产。
同时,生产率也得到了提高,故可明显的降低成本。
4扩大机床工艺范围在车床的溜板上或在摇臂钻床工作台上装上镗
模就可以进行箱体的镗孔加工。
三、夹具的分类与组成
1夹具的分类
夹具按应用范围可分为以下5种基本类型:
1.通用夹具通用夹具是指结构、尺寸已规格化,且
具有一定的通用性,可以用来装夹一定形状和一定尺寸范围内的各种工件,而不需进行特殊调整的夹具。
如三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘、万能分度头、回转工作台、机用平口钳等。
2.专用夹具为满足某一工件的某道工序加工而专门
设计的夹具。
这类夹具能提高零件加工的生产率,且操作方便,安全可靠,但设计与制造周期长,费用较高,生产对象变化后无法再用,故适用于加工对象固定的成批生产。
3.可调夹具可调整夹具是指加工完一种工件后,通过调整或更换原夹具上个别元件就可加工形状相似,尺寸相近工件的夹具。
一般分为通用可调夹具和成组夹具。
通用可调夹具是在通用夹具的基础上发展起来的,通用范围较大。
而成组夹具则是专门为成组加工工艺中某一组工件而设计制造的,针对性强,加工对象和适用范围明确,可使多品种、小批量生产获得类似于大量生产的经济效益,是夹具发展的方向。
通用可调夹具
成组夹具
4.组合夹具组合夹具是指按某种工序的加工要求,将一套专门设计、制造的标准元件组装而构成的夹具。
其灵活多变、功能强、制造周期短、元件可重复使用。
因此,特别适用于新产品的试制和单件小批生产,在数控加工中应用较多,是夹具发展的方向。
5.随行夹具这是一种在自动线或柔性制造系统中使用的夹具。
工件安装在随行夹具上,除完成对工件的定位和夹紧外,还载着工件由运输装置送往各机床,并在各机床上被定位和夹紧,从生产线开始到生产线终端在各位置上进行不同工序的加工。
也可按使用的机床类型分为:
车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、磨床夹具等。
图4-3夹具分类表
2.夹具的组成
图4-4分度钻床夹具
1—分度操纵手柄2—
钻模板3—分度板
（棘轮4—钻套5—
定位心轴6—开口垫
圈7—夹紧螺母8—
工件9—对定机构
（棘爪10—夹具体
夹具的组成
（1定位元件:
与工件的定位基准相接触,确定工件在夹具中的正确位置。
（2夹紧装置:
这是用于夹紧工件的装置,在切削时使工件在夹具中保
持既定位置。
（3对刀元件:
这种元件用于确定夹具与刀具的相对位置。
（4导引元件:
如钻套,决定刀具相对夹具的位置。
（5夹具体:
这是用于联接夹具各元件及装置,使其成为一个整体的基
础件。
它与机床相结合,使夹具相对机床具有确定的位置。
（6其他装置:
有些夹具根据工件的加工要求,要有分度机构。
（7连接元件与连接表面:
如铣床夹具上的定位键1;与机床工作台面相
接触的夹具体的底面;
任何夹具都必须有定位元件和夹紧装置,它们是保证工件加工精度的
关键,目的是使工件“定准、夹牢”。
对刀元件
图2-1后盖零件图及后盖钻夹具
a后盖零件图b后盖钻夹具1—菱形销2—螺杆3—螺母4—开口垫圈5—圆柱销6—支承板7—夹具体8—钻模板9—钻套
图4-5工件在空间中的自由度
一、六点定位原理
第二节工件在夹具中的定位
定位的目的:
使工件在夹具中相对于机床、
刀具占有确定的正确位置,并且应用夹具定
位工件,可使同一批工件在夹具中的加工位
置一致性好。
1六点定位原理
一个自由的物体,它对三个相互垂直
的坐标系来说,有六种活动的可能性,其中
三种是移动,三种是转动。
自由物体在空间
的不同位置,就是这六种活动的综合结果。
习惯上把这种活动的可能性称为自由度,因
此空间任一自由物体共有六个自由度。
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,如图所示。
在底面xoy内,三个支承点限制了x和y方向旋转自由度、z方向移动自由度;在侧面xoz内,两个支承点限制了y方向移动自由度、z方向旋转自由度;在端面yoz内,一个支承点限制了x方向移动自由度。
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定位原理。
注意:
1定位就是限制自由度,通常用合理布置定位支承点的方法来限制工件的
自由度。
2定位支承点限制自由度,是指定位支承点与工件定位基准面始终保持紧
贴接触,若二者脱离,即失去定位作用。
3一个定位支承点仅限制一个自由度,工件有6个自由度,所设置的定位
支承点数目,不超过6个。
4分析定位支承点的定位作用时,不考虑力的作用。
工件的某一自由度被
限制,是指工件在这一方向上有确定的位置,并非指工件在受到使其脱离定位支承点的外力时,不能运动。
如果使其在外力作用下不能运动,是夹紧的任务。
同理,工件在外力作用下不能运动,即被夹紧,并不是说工件的所有自由度都被限制了。
定位和夹紧是两个概念。
5定位支承点由定位元件抽象而来。
在夹具中,定位支承点总是通过相应
的定位元件体现。
具体的定位元件应转化为几个支撑点,需结合结构进行分析。
而且,一种定位元件转化成的支承点数目是一定的,具体限制的自由度与支承点的布置有关。
平面
工件定位基准面为:
圆孔
工件定位基准面为:
外圆柱面
工件定位基准面为:
外圆柱面
锥孔定位
2完全定位与不完全定位
完全定位
工件的6个自由度全被限制的定位状态,称为完全定位。
一般工件在3个方向上都有尺寸要求时,要用此方式定位。
不完全定位
工件被限制的自由度数目少于6个,但能保证加工要求时的定位状态。
图6.5（a是在工件上加工不通槽。
槽宽由刀具直径保证,但是要保证尺寸A、尺寸B、尺寸C,就需要限制x、y、z方向的移动和x、y、z的旋转六个自由度。
为完全定位。
图6.5（b是在工件上加工通槽,不需要保证C,所以也不必限制y方向的移动自由度,只需要限制其它五个自由度就可以了。
为不完全定位或部分定位。
图6.5（c是在工件上加工平面,不需要保证尺寸A、C,所以也不必限制x、y方向的移动、z方向的旋转自由度,只需要限制其它三个自由度就可以了。
为不完全定位。
工件在加工中对六个自由度的限制,要根据被加工工件的加工要求来确定。
图4-6工件应限制自由度的确定
AC
B
3欠定位与过定位
欠定位
欠定位是指工件实际定位所限制的自由度少于按其加工要求所必须限制的自由度时的定位状态。
由于应限制的自由度未被限制,必然无法保证工序所规定的加工要求,因此欠定位在生产中是不允许的。
过定位
定位元件重复限制工件同一自由度的定位状态称为过定位。
这种定位状态是否允许采用,主要从它产生的后果来判断。
当过定位导致工件或定位元件变形,工件与定位元件干涉,明显影响工件的定位精度时,不能采用。
A
CB
对于过定位的工件,施加夹紧力后,可能产生工件变形或定位元件被损坏、定位精度降低等不良后果。
图6.6（a是轴承盖的定位简图。
图中长V形块与两个支撑钉A、B的组合均限制了z方向移动自由度,属于过定位。
y
x
z
A
B
DH（a
（b
图6.6轴承盖的过定位其消除
加工连杆大孔的定位方案
b若工件孔与端面垂直度的误差较大,而孔与销间隙又很小;
c考虑工件和销刚性不同时
消除过定位及干涉的方法:
①改变定位元件的结构,以减少转化为支撑点的数目,消除被重复限制的自由度。
②提高工件定位基面之间及夹具定位元件工作表面之间的位置精度,以消除过定位引起的干涉。
如以一个精确平面代替三个支承点支承已加工的平面,可提高定位稳定性和工艺系统刚度,保证加工精度。
过定位不是绝对不允许,视具体情况而定。
实际生产中,在采取适当工艺措施的情况下,可利用过定位来提高定位刚度,这就是过定位的合理应用。
仍以上图为例来说明,若连杆大头孔与端面的垂直度误差很小,长销与台阶面的垂直度误差也很小,此时就可利用大头孔与长销的配合间隙来补偿这种较小的垂直度误差,并不致引起相互干涉仍能保证连杆端面与平面支承可靠接触。
、
采用这种方式定位由于整个端面接触,增强了切削时的刚度和定位稳定性,保证了加工精度。
总结•完全定位
•不完全定位--允许
•过定位—视实际情况而定•欠定位—不允许
三、常见的定位方式和定位元件
工件的定位表面有各种形式,如平面、外圆、内孔等。
因此,对于这些表面,总是采用一定结构的定位元件,以保证定位元件的定位面和工件定位基准面相接触或配合,实现工件的定位。
定位元件的设计应满足下列要求:
1要有与工件相适应的精度。
2要有足够的刚度,不允许受力后反生变形。
3要有耐磨性,以便在使用中保持精度,一般多采用低碳钢渗碳淬火或中碳钢淬火,硬度为58~62HRC。
典型表面的定位方法和定位元件:
1.工件以平面定位
2.工件以圆孔定位
3.工件以外圆柱面定位
4.工件以组合表面定位
1.工件以平面定位
在机械加工中,利用工件上的一个或几个平面作为定位基面来定位工件的方式,称为平面定位。
如箱体、机座、支架、板盘类零件,多以平面定位。
所用的定位元件称为基本支承,包括:
固定支承
可调支承
自位支承。
指高度尺寸固定,不能调整的支承,包括固定支承钉和固定支承板。
固定支承钉用于较小平面的支承。
固定支承板用于较大平面的支承。
（1固定支承
图4-8各种固定支承钉
a是平头支承钉,用于已加工表面,定位加工过的精基准;
b是球头支承钉,用于定位未加工毛坯的粗基准,保证良好的接触。
c是齿纹面支承钉,用于未加工表面,可减小实际接触面积,保证良好的接触,由于槽中易积屑,常用于侧面定位以增大摩擦力。
d是带套筒的支承钉,用于大批量生产,便于磨损后更换。
（a（b
（c图4.9支撑板支承板一般多用于已加工表面,用作精基准面较大时的定位元件。
（a平板式支承板,结构简单、紧凑,但不易清除落入沉头螺钉孔内的碎屑;一般用于侧面或顶面定位;
（b台阶式支承板,装夹螺钉的平面低于支承面3~5mm,克服了不易清屑的缺点,但结构不紧凑;
（c斜糟式支承板,在支承面上开两个斜糟为固定螺钉用,使清屑容易又结构紧凑。
一般用于工件底面定位;不论采用支承钉或支承板作为定位元件,装入夹具体后,为使各支承面在一个水平面内,应再修磨一次。
它指顶端位置可在一定
高度范围内调整的支承。
多用于未加工平面的定
位,以调节和补偿各批毛坯
尺寸的误差,一般每批毛坯
调整一次。
调整时要先松后调,调好后用防松螺母锁紧。
可调支承主
要用于工件以粗基准面定位或
定位基面的形状复杂（如成型面,台阶面等,以及各批毛
坯的尺寸、形状变化较大时的情况。
（2可调支承
图4-10可调支承
图可调支承的应用
如图所示工件,毛坯为砂型铸件,先以B面定位铣A面,再以A面定位镗双孔。
铣A面时,若采用固定支承,由于定位基面B的尺寸和形状误差较大,铣完后A面与两毛坯孔（图中虚线的距离尺寸H1、H2变化也大,致使镗孔时余量很不均
匀,甚至余量不够。
因此,固定支承必须改为可调支承,再根据每批毛坯的实际误差大小调整支承钉的高度,就可避免上述情况发生。
图可调支承的应用
图中利用可调支承加工不
同尺寸的相似工件。
可调支
承在一批工件加工前调整一
次,在同一批工件加工中保
持不变,其作用与固定支承
相同。
（3自位支承
指支承本身的位置在定
位过程中,能自动适应
工件定位基准面位置变
化的一类支承。
多用于定位刚度不
足的毛坯表面或不连续
的平面。
图4-11自位支承
这类支承的特点是:
支承点的位置能随着工件定位基准面的不同而自动调节,工件定位基面压下其中一点,其余点便上升,直至各点都与工件接触。
自位支承可增加与工件定位面的接触点数,提高了工件的装夹刚度和稳定性,但其作用仍相当于1个固定支承,只限制工件1个自由度。
（4辅助支承
（1辅助支承的作用
a辅助支承提高工件的刚度和定位稳定性,但不起定位作用,不应限制工件的自由度,更不能破坏基本支承对工件的定位、;
b提高工件的装夹稳定性和刚性。
（2辅助支承的工作特点可调并能锁紧,即待工件定位夹紧以后,再调整支承钉的高度,使其分别与工件的有关表面接触并锁紧。
每安装1个工件就调整一次辅助支承。
（3辅助支承的结构形式很多
辅助支承不起定位作用
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