《机床夹具设计》夹紧装置设计.docx
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《机床夹具设计》夹紧装置设计
模块3夹紧装置设计
【知识目标】
Ø机床夹具夹紧装置的组成和基本要求；
Ø夹紧装置中夹紧力大小、方向及作用点的基本确定方法；
Ø基本夹紧机构（斜楔夹紧机构、螺旋夹紧机构、偏心夹紧机构、铰链夹紧机构）等工作特性。
【技能目标】
Ø掌握联动夹紧机构、定心夹紧机构以及夹紧动力装置的应用；
Ø掌握专用夹具夹紧装置设计的基本方法及应用；
Ø培养学生查阅“设计手册”和资料的能力，逐步提高学生处理实际工程技术问题的能力。
【任务描述】
机械加工过程中，被加工的工件常会受到切削力、离心力、重力、惯性力等的作用，在这些外力作用下，要使工件仍能在夹具中保持已由定位元件所确定的加工位置，而不致发生振动或偏移，保证加工质量和生产安全，夹紧装置的设计尤为重要，一般夹具结构中都必须设计夹紧装置将工件可靠夹牢。
同时夹紧装置的结构合理性、装卸快捷性及使用的安全性等因素对于工件的加工的质量有重要的影响。
如图3-1所示，需要加工摇臂零件18H7孔，本任务就是根据加工要求设计一套专用夹具的夹紧机构来满足孔18H7的加工要求。
图3-1加工摇臂零件18H7孔
【任务分析】
图3-1为加工摇臂零件18H7孔的工序图，要求根据加工工艺要求设计该零件的夹紧装置。
首先要分析在加工18H7孔时，需要限制该零件哪几个自由度，既确定工件的定位基准；其次要根据夹紧装置的基本要求，来确定夹紧的三要素（大小、方向、作用点），并且根据常见夹紧装置的结构及生产现场的情况初步确定夹紧装置的结构特点。
最后要对夹紧装置进行误差分析和相关特性分析。
【任务引导】
（1）工件定位与夹紧概念是什么？
工件夹紧是由什么装置实现的？
（2）机床夹具夹紧装置的组成和基本要求是什么？
（3）夹紧力确定的基本原则是什么？
（4）基本夹紧机构有哪些？
主要结构特点是什么？
（5）联动夹紧机构的种类有哪些？
主要结构特点是什么？
（6）定心夹紧机构的种类有哪些？
主要结构特点是什么？
（7）夹紧动力装置有哪些？
主要结构特点是什么？
（8）生产现场机床夹具动力装置有哪些？
（9）生产现场专用机床夹具气动和液压动力装置组成有哪些？
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1
（10）生产现场斜楔夹紧机构和偏心夹紧机构的种类有哪些？
特点是什么？
（11）生产现场联动夹紧机构和定心夹紧机构的种类有哪些？
特点是什么？
【知识准备】
学习情境3.1夹紧装置的组成和基本要求
3.1.1夹紧装置的组成
夹紧装置是指工件定位后将其固定，使其在加工过程中保持定位位置不变的装置，典型的夹紧装置是由力源装置、中间传力机构和夹紧元件所组成。
如图3-2所示为夹紧装置组成示意图，它主要由力源装置、中间传力机构和夹紧元件三部分组成。
1.力源装置
力源装置是指产生夹紧作用力的装置。
力源装置所产生的力称为原始力，如气动、液动、电动等，图3-2中的力源装置为气缸1。
对于手动夹紧来说，力源来自人力。
2.中间传力机构
中间传力机构是介于力源和夹紧元件之间传递力的机构，如图3-2中的斜楔2和滚轮3。
在传递力的过程中，中间传力机构能够改变作用力的方向和大小，起增力作用；还能使夹紧实现自锁，保证力源提供的原始力消失后，仍能可靠地夹紧工件，这对手动夹紧尤为重要。
3.夹紧元件
夹紧元件是指夹紧装置的最终执行件，与工件直接接触完成夹紧作用，如图3-2中的压板4。
图3-2夹紧装置组成示意图
1—气缸；2—斜楔；3—滚轮；4—压板
3.1.2夹紧装置的基本要求
夹紧装置是夹具重要组成部分，合理设计夹紧装置有利于保证工件的加工质量、提高生产率和降低工人劳动强度。
通常夹紧装置的具体组成并非一成不变，须根据工件的加工要求、安装方法和生产规模等条件来确定。
但无论其组成如何，都必须满足以下基本要求：
（1）夹紧时应保持工件定位后所占据的正确位置。
（2）夹紧力大小要适当，夹紧机构既要保证工件在加工过程中不产生松动或振动。
同时，又不得产生过大的夹紧变形和表面损伤。
（3）夹紧机构的自动化程度和复杂程度应和工件的生产规模相适应，并有良好的结构工艺性，尽可能采用标准化元件。
（4）夹紧动作要迅速、可靠，且操作要方便、省力、安全。
（5）结构简单，易于制造。
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学习情境3.2夹紧力的确定
一套夹紧装置设计的优劣，很大程度上取决于夹紧力的设计是否合理。
夹紧力包括三要素：
方向、作用点和大小。
确定这些要素时，要分析工件的结构特点、加工要求、切削力和其他外力作用工件的情况,以及定位元件的结构和布置方式。
3.2.1夹紧力方向
确定夹紧力方向时，应与工件定位基准的位置及所受外力的作用方向等结合起来考虑。
其确定原则是：
1.夹紧力的作用方向应垂直于主要定位基准面
如图3-3（a）所示的直角支座以A、B面定位镗孔，要求保证孔中心线垂直于A面。
为此应选择A面作为主要定位基准，夹紧力Q的方向垂直于A面。
这样无论A面与B面有多大的垂直度误差，都能保证孔中心线与A面垂直。
否则如图3-3（b）所示的夹紧力方向垂直于B面，则因A、B面间有垂直度误差（＞90°或＜90°），使镗出的孔不垂直于A面而可能工件报废。
（a）合理（b）不合理
图3-3夹紧力方向对镗孔垂直度的影响
2.夹紧力作用方向应使所需夹紧力最小
夹紧力作用方向应使所需夹紧力最小，这样可使机构轻便、紧凑，工件变形小，对手动夹紧可减轻工人劳动强度，提高生产效率。
为此，应使夹紧力Q的方向最好与切削力F、工件的重力G的方向重合，这时所需要的夹紧力为最小。
如图3-4所示了F、G、Q三力不同方向之间关系的几种情况。
显然，图3-4（a）最合理，图3-4（f）最不合理。
（a）最合理（b）较合理（c）可行（d）不合理（e）不合理（f）最不合理
图3-4夹紧方向与夹紧力大小的关系
3.夹紧力作用方向应使工件变形最小
由于工件不同方向上的刚度是不一致的，不同的受力表面也因其接触面积不同而变形各异，尤其在夹紧薄壁工件时，更需注意。
如图3-5所示的套筒，用三爪自定心卡盘夹紧外圆，显然要比用特制螺母从轴向夹紧工件的变形大得多。
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3
2
（a）不合理（b）合理
图3-5夹紧力方向与工件刚性关系
3.2.2夹紧力作用点
选择作用点的问题是指在夹紧方向已定的情况下，确定夹紧力作用点的位置和数目。
由于夹紧力作用点的位置和数目直接影响工件定位后的可靠性和夹紧后的变形，应依据以下原则：
1.夹紧力作用点应落在支承元件上或几个支承元件所形成的支承面内
如图3-6（a）所示，夹紧力作用在支承面范围之外，会使工件倾斜或移动，而如图3-6（b）所示，夹紧力作用在支承面范围之内则是合理的。
（a）不合理（b）合理
图3-6夹紧力作用点应在支承面内
2.夹紧力作用点应落在工件刚性好的部位上
如图3-7所示，将作用在壳体中部的单点改成在工件外缘处的两点夹紧，工件的变形大为改善，且夹紧也更可靠。
该原则对刚度差的工件尤其重要。
（a）不合理（b）合理
图3-7夹紧力作用点应在刚性较好部位
3.夹紧力作用点应尽可能靠近被加工表面，以减小切削力对工件造成的翻转力矩
必要时应在工件刚性差的部位增加辅助支承并施加夹紧力，以免振动和变形。
如图3-8所示，支承a尽量靠近被加工表面，同时给予夹紧力Q。
这样翻转力矩小又增加了工件的刚性R，既保证了定位夹紧的可靠性，又减小了振动和变形。
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4
图3-8夹紧力作用点应靠近加工表面
3.2.3夹紧力大小
夹紧力的大小主要影响工件定位的可靠性、工件夹紧变形以及夹紧装置的结构尺寸和复杂性，夹紧力大小要适当，过大了会使工件变形，过小了则在加工时工件会松动，造成报废甚至发生事故。
1.夹紧力的大小确定方法
在实际设计中确定夹紧力大小的方法有两种：
经验类比法和分析计算法。
经验类比法如手动夹紧时，可凭人力来控制夹紧力的大小，一般不需要算出所需夹紧力的确切数值，只是必要时进行概略的估算。
采用分析计算法，一般将夹具和工件看做一刚性系统，以简化计算。
根据工件在切削力、夹紧力（重型工件要考虑重力，高速时要考虑惯性力）作用下处于静力平衡，列出静力平衡方
程式，即可算出理论夹紧力Q/
，再乘以安全系数K，作为所需的实际夹紧力Q。
K的取值范围一般为1.5～3，粗加工时为2.5～3，精加工时为1.5～2。
夹紧力的计算可根据图3-4中的几种情况来进行。
现分析其中的三种情况：
1）切削力完全作用在支承上。
这时可不增加夹紧力或增加少量的夹紧力，如在拉削套筒、盘类零件的孔时就可不增加夹紧力。
2）切削力与夹紧力的方向垂直。
夹紧力的情况如图3-4（b）所示，切削力F的计算公式为：
FQffGf12
1
（3-1）
式中，f为工件已加工定位面与定位元件之间的摩擦系数，一般取0.10～0.15；f为夹紧元
12
件与工件夹紧表面之间的摩擦系数，一般取0.2～0.25。
不计工件重力，并考虑安全系数，则由式（3-1）变形可得夹紧力为：
Q
KF
ff
1
2
（3-2）
3）切削力与夹紧力的方向相反。
夹紧力的情况如图3-4（f）所示：
此时需要夹紧力最大为：
QKFG
（3-3）
2.计算夹紧力的典型实例
1）车削加工时的夹紧力计算
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5
/
Z
如图3-9所示，工件夹于三爪卡盘上，每爪的夹紧力为Q。
车削时，工件所受的切削力F分为F、F、F三个分力。
xyz
图3-9车削时的夹紧力计算
由于工件夹于三爪卡盘上，三个夹紧力Q要克服工件切削时的轴向移动和绕轴线的转
动，轴向移动分力为F，绕轴线的转动扭矩为
x
F
Z
D
1
2
，但夹紧力是夹紧在直径为D的截面
处，故根据力矩平衡关系可得直径为D处的力F：
Z
F
Z
DD
1F/
22
F/F
ZZ
D
1
D
则合力F为
FF/2Z
QfK
F2
X
F
n
则可得工件与卡爪间处夹紧力值：
QK
F
nf
式中，n为卡爪数；f为工件与卡爪间的摩擦系数。
2）钻削加工时的夹紧力计算
钻孔时产生轴向力和扭矩，轴向力可以帮助夹紧。
如图3-10（a）所示为用压板压紧工件时钻孔，考虑最不利的情况，钻削扭矩全部由夹紧力Q克服，这时由力矩平衡关系可得：
KMQfL
QK
M
fL
式中，M为钻削扭矩（N·m）。
如图3-10（b）所示为用三爪卡盘夹紧工件时钻孔，这时钻削扭矩和轴向力全部由三个爪的夹紧力承受，由静力学平衡关系可知：
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6
nQf
F
M
K
D
MQKF
D
1
nf
式中，F为钻削时的轴向力（N）；D为需要加工孔的直径（mm）。
（a）用压板压紧工件时钻孔（b）用三爪卡盘夹紧工件时钻孔
图3-10钻孔时的夹紧力计算
3）铣削加工时的夹紧力计算
如图3-11所示为在卧式铣床上用圆柱铣刀铣削工件上的一个平面，工件由侧面上的两处进行夹紧。
图中表示了一个刀齿正在切削的情况，其径向力F和周向力F的合力为F这
rT
时合力F会使工件绕O点翻转，其力矩为FL，而阻止它的反力矩是两个夹紧力Q、Q产
12
生的摩擦力矩。
图3-11铣削时的夹紧力计算
FLKQfflQffl
1121212
2
若两处夹紧力相等
FFF12
FLKQffll
121
2
【小提示】若有几个刀齿同时切削，可逐个刀齿进行计算。
由于加工中的切削力随刀具的磨钝、工件材料的性质和余量不均匀等因素而变化，而且切削力的公式是在一定的条件下求得的，使用时虽然根据实际的加工情况给予修正，但是很难计算准确，所以在实际生产中一般很少通过计算的方法求的夹紧力，而是通过类比的方法估算夹紧力大小。
对于关键的重
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z
2
1
2
要夹具，则往往通过试验的方法测定所需的夹紧力。
夹紧力三要素的确定是一个综合性问题，必须全面考虑工件的结构特点、工艺方法、定位元件的结构和布置等多种因素，才能最后确定并具体设计出较为理想的夹紧机构。
例3-1如图3-12所示，工件在V形块上定位，进行镗孔。
在工件的上母线上施以垂直向下的夹紧力Q，求夹紧力Q的大小。
图3-12镗孔时V形块定位的受力分析
解镗孔时，工件受到圆周切削力F和轴向切削力F的作用。
圆周切削力F使工件受到
zxz
在V形块内转动的力矩，而轴向切削力F会使工件轴向移动。
工件重力相对很小，可忽略
x
不计。
（1）防止工件转动所需夹紧力。
圆周切削力产生的切削转距为M=Fr，它由夹紧后夹
z
紧点和定位点产生的摩擦力距平衡。
设理论夹紧力为Q/，定位表面的支反力为N，由力的平衡方程得
Q
/
F2Nsinz
2
即
N
Q/F
z
2sin
2
设夹紧点的磨擦系数为，支承点的摩擦系数为，由力矩平衡方程得
12
FrQ
z
/
R2NR12
即
FrQ/Rz1
Q/RFR2z2
sinsin
22
整理得
Q
/
FrsinR
2
Rsin
2
考虑安全系数K，则所需的夹紧力Q为
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z
2
1
2
X
Z
2
1
2
X
Z
1
2
QK
FrsinR
2
Rsin
2
（2）防止工件轴向移动所需的夹紧力、摩擦力与轴向切削力平衡方程为
Q
/
2NF12x
Q
/
1
Q/F
z
2sin
2
F
2x
整理得
Q/
FsinF
2
sin
2
考虑安全系数K，且Q=KQ/，则所需的夹紧力为
QK
FsinF
2
sin
2
2
比较防止工件转动所需夹紧力和防止工件轴向移动所需的夹紧力，取其较大者作为实际所需的夹紧力。
【小提示】各接触表面间的摩擦系数取决于工件与定位支承面或压板之间的接触情况。
当接触表面均为已加工表面时，摩擦系数可按下列数据选取：
（1）支承块表面为光滑面时，=0.16～0.25。
（2）支承块表面有与位移方向一致的沟槽时，=0.3。
（3）支承块表面有与位移方向垂直的沟槽时，=0.4。
（4）支承块表面有交错的网状沟槽时，=0.7～0.8。
学习情境3.3基本夹紧机构设计
夹紧机构的选择需要满足加工方法、工件所需夹紧力大小、工件结构、生产率等方面的要求，因此，在设计夹紧机构时，首先需要了解各种基本夹紧机构的工作特点（如能产生多大的夹紧力、自锁性能、夹紧行程、扩力比等）。
常用的基本夹紧机构有斜楔、螺旋、偏心等形式，它们都是利用机械摩擦的斜面自锁原理来夹紧工件。
3.3.1斜楔夹紧机构设计
斜楔夹紧机构主要用于增大夹紧力或改变夹紧力方向。
如图3-13（a）所示为手动式斜楔夹紧机构，图3-13（b）所示为机动式斜楔夹紧机构。
在图3-13（b）中斜楔2在气动（或液动）作用下向前推进，装在斜楔2上方的柱塞3在弹簧的作用下推动压板6向前。
当压板6与螺杆5靠近时，斜楔2继续前进，此时柱塞3压缩弹簧7而压板6停止不动。
当斜楔2再向前前进时，压板6后端抬起，前端将工件压紧。
斜楔2只能在楔座1的槽内滑动。
当斜楔2向后退时，弹簧7将压板6抬起，斜楔2上的销
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子4将压板6拉回。
图3-13斜楔夹紧机构
1—楔座；2—斜楔；3—柱塞；4—销子；5—螺杆；6—压板；7—弹簧
1.夹紧力的计算
斜楔在夹紧过程中的受力分析如图3-14（a）所示，工件与夹具体给斜楔的作用力分别为Q和R；工件和夹具体与斜楔的摩擦力分别为F和F，相应的摩擦角分别为和。
R
2121
与F的合力为R，Q与F的合力为Q。
1121
图3-14斜楔夹紧力的计算
当斜楔处于平衡状态时，根据静力学平衡，可得斜楔对工件所产生的夹紧力Q为
Q
tan
P
tan
1
2
（3-4）
式中，P为夹紧原动力（N）；为斜楔的楔角（°），一般为6°～10°；和分别为斜楔
12
与夹具体和工件间的摩擦角（°）。
由于、和均较小，设==，由式（3-4）可得
1212
Q
tan
P2
2.自锁条件
当工件夹紧并撤除夹紧原动力P后，夹紧机构依靠摩擦力的作用，仍能保持对工件的夹紧状态的现象称为自锁。
根据这一要求，当撤除夹紧原动力P后，此时摩擦力的方向与斜楔松开的趋势相反，斜楔自锁时的受力分析如图3-14（b）所示。
则斜楔夹紧的自锁条件为
12
钢铁表面间的摩擦因数一般为f=0.1～0.15，可知摩擦角和的值为5.75°～8.5°。
12
因此，斜楔夹紧机构满足自锁的条件为≤11.5°～17°。
但为了保证自锁可靠，一般取=10°～15°或更小些。
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3.扩力比
扩力比也称为扩力系数i，是指在夹紧原动力P的作用下，夹紧机构所能产生的夹紧力
p
Q与夹紧原动力P的比值。
4.行程比
一般把斜楔的移动行程L与工件需要的夹紧行程s的比值，称为行程比i，它一定程度
s
上反映了对某一工件夹紧的夹紧机构的尺寸大小。
【小提示】当夹紧原动力P和斜楔行程L一定时，楔角越小，则产生的夹紧力Q和夹紧行程s比就越大，而夹紧行程s却越小。
此时楔面的工作长度加长，致使结构不紧凑，夹紧速度变慢。
所以在选择楔角时，必须同时兼顾扩力比和夹紧行程，不可顾此失彼。
5.应用场合
斜楔夹紧机构结构简单，工作可靠，但由于它的机械效率较低，很少直接应用于手动夹紧，而常用在工件尺寸公差较小的机动夹紧机构中。
3.3.2螺旋夹紧机构设计
螺旋夹紧机构是从斜楔夹紧机构转化而来的，相当于将斜楔斜面绕在圆柱体上，转动螺旋时即可夹紧工件。
如图3-15所示为手动单螺旋夹紧机构，转动手柄，使压紧螺钉1向下移动，通过浮动压块5将工件6夹紧。
浮动压块既可增大夹紧接触面积，又能防止压紧螺钉旋转时带动工件偏转而破坏定位和损伤工件表面。
图3-15手动单螺旋夹紧机构
1—压紧螺钉；2—螺纹衬套；3—止动螺钉；4—夹具体；5—浮动压块；6—工件
螺旋夹紧机构的主要元件（如螺杆、压块等）已经标准化，设计时可参考机床夹具设计手册。
1.夹紧力的计算
如图3-16所示为螺旋夹紧的受力分析。
根据力矩平衡原理，可得螺旋夹紧机构的夹紧力Q为
Q
rtan
1
PL
rtan
2z
1
（3-5）
式中，L为手柄长度（mm）；r为螺旋中径一半（mm）；r为压紧螺钉端部的当量摩擦半径
z1
（mm）；为斜楔的楔角（°），一般为2°～4°；为螺旋与螺杆间的摩擦角（°）；
12
为工件与螺杆头部的（或压块）间的摩擦角（°）。
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（a）受力分析（b）夹紧力分析图3-16螺旋夹紧力的计算1—螺母；2—螺杆；3—工件
2.自锁条件
螺旋夹紧机构自锁条件和斜楔夹紧的自锁条件相同，即
螺旋升角很小（一般为2°～4°），故自锁性能好。
12
。
但螺旋夹紧机构的
3.扩力比
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远大于斜楔夹紧机构。
4.应用场合
螺旋夹紧机构结构简单，制造容易，夹紧行程大，扩力比大，自锁性能好，应用广泛，尤其适用于手动夹紧机构，但夹紧动作缓慢，效率低，不宜使用在自动化夹紧装置上。
3.3.3偏心夹紧机构设计
偏心夹紧机构是靠偏心轮回转时其半径逐渐增大而产生夹紧力来夹紧工件的，偏心夹紧机构常与压板联合使用，如图3-17所示。
常用的偏心轮有曲线偏心和圆偏心。
曲线为阿基米德曲线或对数曲线，这两种曲线的优点是升角变化均匀或不变，可使工件夹紧稳定可靠，但制造困难；圆偏心外形为圆，制造方便，应用广泛。
下面介绍圆偏心夹紧机构。
图3-17偏心夹紧机构偏心夹紧机构
夹紧机构相似，只是变，而偏心夹紧的楔3-18（a）所示的偏心3-18（b）所示。
的夹紧原理与斜楔斜楔夹紧的楔角不角是变化的。
如图轮展开后情形如图
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图3-18偏心夹紧原理
1.夹紧力的计算
如图3-19所示为偏心轮在P点处夹紧时的受力情况。
此时，可以将偏心轮看做是一个楔角为的斜楔，该斜楔处于偏心轮回转轴和工件垫块夹紧面之间，可得圆偏心夹紧的夹紧力Q为
图3-19圆偏心夹紧力计算1—垫块；2—工件
Q
tan
PL
tan
2
1
（3-6）
2.自锁条件
根据斜楔自锁条件，可得圆偏心夹紧机构的自锁条件为
e
R
tan
22
（3-7）
式中，e为偏心轮的偏心距（mm）；R为偏心轮的半径（mm）；μ为偏心轮作用点处的摩擦
2
因数。
若μ=0.1～0.15，则圆偏心夹紧机构的自锁条件可写为R/e7~102
。
3.扩力比
圆偏心夹紧机构的扩力比远小于螺旋夹紧机构的扩力比，但大于斜楔夹紧机构的扩力比。
4.应用场合
圆偏心夹紧机构的优点是操作方便、夹紧迅速、结构紧凑；缺点是夹紧行程小、夹紧力小、自锁性能差，因此，其常用于切削力不大、夹紧行程较小、振动较小的场合。
学习情境3.4其他夹紧机构设计
3.4.1联动夹紧机构设计
在夹紧机构设计中，有时需要对一个工件上的几个点或对多个工件同时进行夹紧。
一次夹紧动作能使几个点同时夹紧工件的机构称为联动夹紧机构或多位夹紧机构。
联动夹紧机构既可对一个工件实现多点夹紧，也可用于多件夹紧。
【小提示】联动夹紧机构根据需要可设计成各种形式，但总的要求是各点的夹紧元件间必须用浮动件相联系，以保证各点都能同时夹紧。
1.联动夹紧机构的主要类型
1）单件联动夹紧机构
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单件联动夹紧机构大多用于分散的夹紧力作用点或夹紧力方向差别较大的场合。
按夹紧力的方向分单件同向联动夹紧机构、单件对向联动夹紧机构及互垂力或斜交力联动夹紧
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