機械制造工藝與機床夾具課件第3章機床夾具設計基礎

1、第3章機床夾具設計基礎第3章機床夾具設計基礎3.1概述3.2工件定位的基本原理及定位元件3.3定位誤差的分析和計算3.4工件的夾緊3.1概述3.1.1工件在夾具上的安裝在機械加工中，利用夾具安裝工件時，工件安裝在夾具上，夾具再安裝到機床上，最終要使工件相對于刀具和機床占有一個準確的加工位置(即定位)。圖3-1工序圖及液壓銑床夾具1夾具體2液壓缸3壓板4對刀塊5V形塊6圓柱銷7定向鍵3.1概述圖3-2機械加工工藝系統(tǒng)3.1概述1)夾具上V形塊5的軸線(即檢驗心軸的軸線)與底面及兩個定向鍵7的一側面(安裝基面)平行，而定向鍵和T形槽配合，T形槽又與導軌方向一致，因此，工件在V形塊上定位，可以保證所

2、加工鍵槽的側面、底面與其軸線平行。2)工件的軸線在V形塊的對稱面上，而對刀塊的垂直工作面至V形塊對稱面的距離為B/2+S(B為銑刀寬度，S為塞尺寬度)，故通過塞尺對刀，使銑刀的位置和形塊兩工作面對稱，從而保證鍵槽的對稱度要求。3.1概述圖3-3軸套零件鉆床夾具1快換鉆套2鉆套用襯套3鉆模板4開口墊圈5螺母6定位銷7夾具體3.1概述3)對刀塊的水平工作面至V形塊軸線的距離為H=24.6mm-S，通過塞尺對刀，可保證加工尺寸要求24.6mm。4)工件定位時，其端面C緊靠定位銷6，則可通過調整行程擋鐵(圖3-1中未示出)，來控制槽的長度l。圖3-4機床夾具的分類3.1概述1)工件在夾具中的正確定位，

3、是通過工件上的定位基準面與夾具上的定位元件相接觸而實現(xiàn)的。2)由于夾具預先在機床上已調整好位置(也有在加工過程中再進行找正的)，因此，工件通過夾具相對于機床也就占有了正確的位置。3)通過夾具上的對刀裝置，保證了工件加工表面相對于刀具的正確位置。3.1.2機床夾具的分類和組成1.機床夾具的分類3.1概述2.機床夾具的組成雖然機床夾具的種類繁多，但它們的工作原理基本上是相同的。(1)定位元件定位元件的作用是確定工件在夾具中的正確位置。(2)夾緊裝置夾緊元件的作用是將工件壓緊夾牢，并保證工件在加工過程中正確位置不變。(3)夾具與機床之間的聯(lián)接元件這種元件用于確定夾具對機床主軸、工作臺或導軌的相互位置

4、。(4)對刀或導向元件這些元件的作用是保證工件與刀具之間的正確位置。3.1概述(5)其他裝置或元件根據工序要求的不同，有些夾具上還設有分度裝置、靠模裝置、工件頂出器、上下料裝置以及標準化了的其他連接元件。(6)夾具體夾具體是夾具的基座和骨架，用來配置、安裝各夾具元件使之組成一整體。3.1.3機床夾具在機械加工中的作用夾具在機械加工中的作用可歸納為以下幾個方面。3.1概述(1)保證加工精度由于采用夾具安裝，可以準確地確定工件與機床、刀具之間的相互位置，所以在機械加工中，可以保證工件各表面的相互位置精度，使其不受或少受各種主觀因素的影響。(2)提高生產率、降低成本采用夾具使工件裝夾方便，免去工件逐

5、個找正、對刀所花費的時間，因此可以大大縮短這部分的輔助時間。(3)擴大機床工藝范圍使用專用夾具可以改變原機床的用途和擴大機床的使用范圍，實現(xiàn)一機多能。3.1概述(4)減輕工人的勞動強度采用夾具安裝工件方便、省力，特別是采用氣動或液動夾緊時，可以較大地減輕工人的勞動強度。3.2工件定位的基本原理及定位元件3.2.1工件定位的基本原理1.六點定位原則圖3-5工件的六個自由度3.2工件定位的基本原理及定位元件圖3-6長方體形工件的定位3.2工件定位的基本原理及定位元件圖3-7環(huán)形工件定位時支承點的分布示例3.2工件定位的基本原理及定位元件圖3-8軸類零件的定位3.2工件定位的基本原理及定位元件(1)

6、主要定位基準面如圖3-6所示的XOY平面，設置三個支承點，限制了工件的三個自由度，這樣的平面稱為主要定位基面。(2)導向定位基準面如圖3-6所示的XOZ平面，設置兩個支承點，限制工件兩個自由度的平面或圓柱面，稱為導向定位基面。(3)雙導向定位基準面限制工件四個自由度的圓柱面，稱為雙導向定位基準面，如圖3-9所示。(4)雙支承定位基準面限制工件兩個移動自由度的圓柱面，稱為雙支承定位基準面，如圖3-10所示。3.2工件定位的基本原理及定位元件(5)止推定位基準面限制工件一個移動自由度的表面，稱為止推定位基準面。圖3-9雙導向定位3.2工件定位的基本原理及定位元件圖3-10雙支承定位3.2工件定位的

7、基本原理及定位元件(6)防轉定位基準面限制工件一個轉動自由度時，稱作防轉定位基面。圖3-11定位與夾緊關系圖3.2工件定位的基本原理及定位元件2.工件的定位形式(1)完全定位工件的六個自由度全部被限制的定位，稱為完全定位。(2)不完全定位沒有限制工件的全部自由度，但能滿足加工要求的定位，稱為不完全定位。圖3-12不完全定位示例3.2工件定位的基本原理及定位元件圖3-13過定位的例子3.2工件定位的基本原理及定位元件(3)欠定位工件加工要求應該限制的自由度沒有完全被限制的定位，稱為欠定位。圖3-14變速箱殼體定位方案1定位銷2支承板3.2工件定位的基本原理及定位元件(4)過定位兩個或兩個以上的定

8、位支承點，同時限制工件的同一個自由度的定位，稱為過定位。1)工件無法安裝。2)造成工件或定位元件變形。1)改變定位元件的結構，使定位元件重復限制自由度的部分不起定位作用。1.tif3.2工件定位的基本原理及定位元件圖3-15連桿定位簡圖1平面2短圓柱銷3防轉銷3.2工件定位的基本原理及定位元件圖3-16消除過定位的措施3.2工件定位的基本原理及定位元件2)提高工件定位基準之間以及定位元件工作表面之間的位置精度。3.2.2定位方式及定位元件圖3-17滾齒時齒坯的定位和夾具1壓緊螺母2墊圈3壓板4工件5支承凸臺6工作臺7心軸3.2工件定位的基本原理及定位元件1.工件以平面定位(1)主要支承主要支承

9、就是起限制自由度作用的支承，有固定支承、可調支承和自位支承三種。1)固定支承。1.tif3.2工件定位的基本原理及定位元件圖3-18支承釘3.2工件定位的基本原理及定位元件圖3-19支承板3.2工件定位的基本原理及定位元件2)可調支承。圖3-20幾種常用的可調支承方式3.2工件定位的基本原理及定位元件圖3-21可調支承應用示例3.2工件定位的基本原理及定位元件圖3-22使用可調支承加工不同尺寸的相似工件1銷軸2V形塊3可調支承3.2工件定位的基本原理及定位元件3)自位支承(或稱浮動支承)。圖3-23幾種常用的自位支承方式3.2工件定位的基本原理及定位元件(2)輔助支承工件因尺寸形狀特殊或局部剛

10、度較差，有可能產生定位不穩(wěn)或受力變形等，此時，需增設輔助支承，用以承受工件重力、夾緊力或切削力。1.tif3.2工件定位的基本原理及定位元件圖3-24輔助支承提高工件穩(wěn)定性和剛性1工件2短定位銷3支承環(huán)4輔助支承3.2工件定位的基本原理及定位元件圖3-25輔助支承起預定位作用3.2工件定位的基本原理及定位元件1)螺旋式輔助支承。2)推引式輔助支承。3)自位式輔助支承。4)液壓鎖緊的輔助支承。2.工件以圓柱孔定位圖3-26輔助支承a)螺旋式b)推引式1手輪2斜楔3滑輪c)自位式1手柄2支承銷d)液壓鎖緊式1支承滑柱2螺釘3彈簧3.2工件定位的基本原理及定位元件(1)圓柱銷圖3-27為圓柱定位銷結

11、構。圖3-27圓柱定位銷(2)圓錐銷生產中工件以圓柱孔在圓錐銷上定位的情況3.2工件定位的基本原理及定位元件也很常見，如圖3-28所示。圖3-30幾種圓柱心軸結構3.2工件定位的基本原理及定位元件圖3-28圓錐銷定位3.2工件定位的基本原理及定位元件圖3-29圓錐銷組合定位3.2工件定位的基本原理及定位元件(3)定位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。3.工件以圓錐孔定位(1)圓錐形心軸圖3-31所示為以工件上的圓錐孔在錐形心軸上定位的情形。圖3-31圓錐心軸3.2工件定位的基本原理及定位元件(2)頂尖在加工軸類或某些要求準確定心的工件時，在工件上專為定位加工出工藝定位

12、面中心孔，中心孔即為圓錐孔。圖3-32中心孔定位3.2工件定位的基本原理及定位元件4.工件以外圓柱表面定位(1)在V形塊中定位1)V形塊定位的特點：V形塊定位的最大優(yōu)點就是對中性好，它可使一批工件的定位基準軸線對中在V形塊兩斜面的對稱平面上，而不受定位基準直徑誤差的影響，并且使工件安裝方便。2)V形塊的結構。1.tif1.tif3.2工件定位的基本原理及定位元件圖3-33V形塊的應用3.2工件定位的基本原理及定位元件圖3-34常用V形塊結構3.2工件定位的基本原理及定位元件圖3-35活動V型塊的應用3.2工件定位的基本原理及定位元件(2)在圓孔中定位工件以外圓柱表面為定位基準在圓孔中定位。圖3

13、-36幾種常見的定位套(3)在半圓孔中定位當工件尺寸較大，3.2工件定位的基本原理及定位元件或在整體式定位襯套內定位裝卸不便時，多采用圖3-37所示的半圓孔定位裝置。(4)在圓錐孔中定位工件以圓柱面為定位基準面在圓錐孔中定位時，相應的定位元件通常用反頂尖。圖3-37半圓孔定位裝置a)可卸式b)鉸鏈式3.2工件定位的基本原理及定位元件1.tif0338.TIF圖3-38工件在圓錐孔中定位1錐柄2螺釘3齒紋錐套4后頂尖表3-1常用定位元件及其組合所能限制的自由度3.2工件定位的基本原理及定位元件表3-1常用定位元件及其組合所能限制的自由度3.2工件定位的基本原理及定位元件表3-1常用定位元件及其組

14、合所能限制的自由度3.2工件定位的基本原理及定位元件表格3.3定位誤差的分析和計算3.3.1定位誤差及其產生原因任何一批工件，每一個工件的尺寸、形狀和表面相互位置都是在公差允許的范圍內變化的。1.由于基準不重合所引起的基準不重合誤差圖3-39定位方案誤差分析3.3定位誤差的分析和計算2.由于定位基準位移所引起的基準位移誤差圖3-40基準位移誤差分析3.3.2常見定位方式的定位誤差計算3.3定位誤差的分析和計算1.工件以平面定位圖3-41銑臺階面的兩種定位方案3.3定位誤差的分析和計算2.工件以圓柱孔定位(1)工件以圓柱孔在過盈配合心軸上定位因為過盈配合時，定位副間始終無間隙，所以定位基準的位移

15、量為零，即Y=0。圖3-42工件以圓孔在過盈配合圓柱心軸上定位的定位誤差計算3.3定位誤差的分析和計算(2)工件以圓柱孔在間隙配合的圓柱心軸(或圓柱銷)上定位由于孔與心軸的接觸情況不同，以及工序基準不同，便有不同的計算結果。1)孔與心軸(或定位銷)固定單邊接觸。圖3-43固定單邊接觸定位誤差分析3.3定位誤差的分析和計算2)孔與圓柱心軸(或定位銷)任意邊接觸。圖3-44任意邊接觸基準位移誤差分析3.工件以外圓定位3.3定位誤差的分析和計算圖3-45工件在V形塊上定位時定位誤差分析(1)工序基準為工件軸心線3.3定位誤差的分析和計算(2)工序基準為外圓上素線(3)工序基準為外圓下素線4.定位誤差

16、的綜合分析與計算示例例3-1圖3-46所示為在金剛鏜床上加工活塞銷孔的定位方式，活塞的裙部內孔與定位銷的尺寸配合為95 H7/g6，對稱度要求不大于0.2mm。試計算其定位誤差，并分析定位方案的可行性。圖3-46鏜活塞銷孔的定位誤差計算3.3定位誤差的分析和計算解鏜孔的對稱度要求，是指被鏜孔的軸心線要與定位孔的軸線正交，若有偏移不得大于0.2mm。圖3-46中工件所采用的定位方式，屬于基準重合，定位時孔與定位銷可能為任意邊接觸。例3-2圖3-47所示為階梯軸在V形塊上定位銑鍵槽，已知d1=250mm；d2=400mm；兩外圓柱面的同軸度公差為0.02mm；圖3-47銑鍵槽定位誤差計算3.3定位

17、誤差的分析和計算解各尺寸標注如圖3-47b所示，其中同軸度公差可標為e=(00.01)mm；R=200mm。例3-3圖3-48a所示的一批工件，采用鉆模夾具鉆削工件上5mm和8mm兩孔，除保證圖樣尺寸要求外，還要求保證兩孔聯(lián)心線通過工件的軸線，其偏移量公差為0.08mm?，F(xiàn)夾具上鉆模板相對于V形塊的安裝方式有圖3-48b、c、d所示三種方案，若定位誤差不得大于加工允差的1/2。試問這三種安裝方案是否都可行(=90)3.3定位誤差的分析和計算圖3-48三種方案的比較解因為工件上被加工孔的工序基準都為工件外圓的素線，而工件以外圓在V形架上定位時，定位基準是軸心線，3.3定位誤差的分析和計算其定位屬

18、于基準不重合。下面分別計算三種方案的定位誤差，方能判斷其可行性。例3-4如圖3-49所示，工件以底面和側面定位加工A面，要求保證加工尺寸(1000.1)mm。試計算定位誤差，并判斷其定位質量。圖3-49形位誤差引起的定位誤差3.3定位誤差的分析和計算解由圖3-49可見，工件兩定位表面之間存在著形位誤差，即角度誤差，該誤差對加工尺寸必有影響。由于工序基準與定位基準重合，故B=0。而定位基準之間的角度誤差所引起的基準位移誤差為圖3-50“一面兩孔”的組合定位3.3定位誤差的分析和計算3.3.3組合表面定位一面兩孔定位以上所述的常見定位方式，多為以單一表面作為定位基準的，但在實際生產中，通常都是以工

19、件上的兩個或兩個以上的幾何表面作為定位基準，即采取組合定位方式。1.定位方案的確定圖3-51削邊銷的形成3.3定位誤差的分析和計算圖3-52削邊銷結構3.3定位誤差的分析和計算2.工件以“一面兩孔”定位時的設計步驟和計算實例(1)首先確定定位銷的中心距和尺寸公差(2)確定圓柱銷的尺寸及公差圓柱銷直徑的公稱尺寸(最大尺寸)是該定位孔的最小極限尺寸，配合一般按g6或f7選取。(3)確定削邊銷的尺寸以及銷與孔的配合性質削邊銷的直徑尺寸和寬度尺寸可查閱有關手冊計算得出，此處不詳述。3.計算定位誤差，分析定位質量3.3定位誤差的分析和計算例3-5圖3-53中，工件以212+0027mm和底面定位，欲鉆兩

20、小孔O、O。已知兩定位孔的中心距為(1000.06)mm，削邊銷直徑為12-0053mm。圖3-53兩孔定位設計計算實例3.3定位誤差的分析和計算解(1)確定圓柱銷直徑尺寸圓柱銷配合按g6選取，則圓柱銷直徑為12g6=12-0006mm(2)確定兩銷中心距尺寸(3)計算定位誤差工件左右方向的定位基準是圓柱銷所在的孔中心O1，前后方向的定位基準是兩定位孔中心的連線。圖3-54“一面兩孔”定位時定位誤差計算示例3.4工件的夾緊3.4.1夾緊裝置的組成和基本要求工件定位后，必須采用一定的裝置將工件壓緊、夾牢，防止工件在加工時受到切削力、重力、慣性力等的作用而發(fā)生位移或振動，使加工無法進行。圖3-55

21、夾緊裝置示意圖1工件2夾緊元件3中間傳力機構4力源裝置3.4工件的夾緊1.夾緊裝置的組成(1)力源裝置提供原始夾緊力的裝置稱為力源裝置。(2)夾緊機構夾緊機構的作用是將動力裝置所產生的原始作用力或人力正確地作用到工件上。2.對夾緊裝置的基本要求1)在夾緊和加工過程中，應能保持工件定位的位置不變。2)夾緊力大小應適當。3)使用性好。4)經濟性和工藝性好。3.4.2夾緊力的確定3.4工件的夾緊確定夾緊力就是確定夾緊力的大小、方向和作用點三個要素。1.夾緊力方向的確定1)夾緊力的方向應朝向主要定位基準，這樣有利于保證工件定位的準確性和可靠性。圖3-56夾緊力方向對鏜孔垂直度的影響a)合理b)不合理3

22、.4工件的夾緊2)夾緊力應朝向工件剛度較好的方向。圖3-57套筒夾緊力方向與工件剛性的關系a)自定心卡盤夾緊b)特制螺母從軸向夾緊3.4工件的夾緊3)夾緊力方向應盡可能與切削力、工件重力同向，以減小夾緊力。2.夾緊力作用點的選擇1)夾緊力應落在支承元件上或幾個支承元件所形成的支承區(qū)域內。2)夾緊力作用點應落在工件剛度較好的部位上。圖3-58夾緊力作用點應落在定位元件上或定位元件所形成的支承區(qū)域內3.4工件的夾緊1.tif圖3-59夾緊力作用點應在剛性較好部位3)夾緊力作用點應盡可能靠近被加工表面。3.4工件的夾緊圖3-60夾緊力應靠近加工表面3.4工件的夾緊3.夾緊力大小的確定3.4.3典型夾

23、緊機構夾緊機構的種類很多，其中，利用機械摩擦的斜面自鎖原理來夾緊工件的斜楔夾緊機構、螺旋夾緊機構和偏心夾緊機構是典型的夾緊機構。1.斜楔夾緊機構圖3-61幾種斜楔夾緊機構1夾具體2夾緊元件3工件3.4工件的夾緊1)結構較簡單，有增力作用，一般擴力比ip3。2)夾緊行程小，增大斜楔的升角可加大行程，但自鎖性能變差。3)操作不方便，夾緊和松開工件都要敲擊楔塊，費時、費力。4)楔塊夾緊工件后應能確保自鎖。2.螺旋夾緊機構(1)單個螺旋夾緊機構圖3-62a、c是直接用螺釘或螺母夾緊工件的機構，稱為單個螺旋夾緊機構。3.4工件的夾緊圖3-62單個螺旋夾緊機構(2)螺旋壓板夾緊機構實際生產中，螺旋壓板夾緊

24、機構比單個螺旋夾緊機構應用更為廣泛，3.4工件的夾緊結構形式也比較多樣化。圖3-63螺旋壓板夾緊機構3.4工件的夾緊3.偏心夾緊機構圖3-64偏心夾緊機構的應用實例3.4工件的夾緊圖3-65偏心輪工作原理3.4工件的夾緊3.4.4聯(lián)動夾緊機構在夾緊機構設計中，有時需要同時有幾個點對某個工件夾緊，有時需要同時夾緊幾個工件。(1)單件聯(lián)動夾緊機構圖3-66所示為單件聯(lián)動夾緊機構，它是利用一種聯(lián)動機構能同時從各方向上均勻夾緊工件，而各部位夾緊力可以互相協(xié)調一致，從而可大大提高生產率。圖3-66單件聯(lián)動夾緊機構3.4工件的夾緊(2)多件聯(lián)動夾緊機構如果要在一個工序上同時加工幾個工件，使用的夾具最好能同

25、時將幾個工件夾緊。圖3-67多件聯(lián)動夾緊機構3.4工件的夾緊(3)設計聯(lián)動夾緊機構應注意的問題1)聯(lián)動夾緊機構必須能同時而均勻地夾緊工件。2)夾緊元件或傳力元件應設計成可調節(jié)的，以便適應工件公差和夾緊件的磨損。3)既要保證能同時夾緊，也要能保證同進松開。4)要保證每個工件都有足夠的夾緊力。5)夾緊元件和傳力元件要有足夠的剛性，保證傳力均勻。3.4.5定心夾緊機構3.4工件的夾緊當回轉體工件要求內外圓同軸線或開槽的工件有對稱度要求時，常采用定心夾緊機構來安裝工件，自定心卡盤就是常用的一種。圖3-68定心夾緊的工作原理3.4工件的夾緊1.機械移動式定心夾緊機構圖3-69螺旋定心裝置1、2V形塊3螺

26、桿4叉形件5螺釘2.彈性變形式定心夾緊機構3.4工件的夾緊(1)彈性夾筒定心夾緊機構該裝置是利用彈性夾筒的彈性變形將工件定心并夾緊的。圖3-70短彈簧夾筒磨孔夾具1夾具體2心軸3彈性夾筒4錐體5螺釘6圓柱銷7防轉銷3.4工件的夾緊圖3-71彈性夾筒的構造3.4工件的夾緊(2)液性塑料定心夾緊(機構)該機構是利用液性塑料受壓后，使薄壁套筒產生彈性脹大或縮小的變形，而將工件定心并夾緊的。圖3-72液性塑料自動定心裝置1本體2、4螺釘3柱塞5堵頭6薄壁彈性套筒7液性塑料3.4工件的夾緊3.4.6機動夾緊裝置以上介紹的手動夾緊機構，使用時比較費時費力，為了改善勞動條件和提高生產率，目前在大批、大量生產中均用氣動、液壓、電磁、真空等機動夾緊裝置來代替人力夾緊，稱為機動夾緊。1.氣動夾緊裝置圖3-73典型氣壓傳動系統(tǒng)1氣泵2霧化器3減壓閥4止回閥5分配閥6調速閥7壓力表8氣缸3.4工件的夾緊(1)氣壓傳動系統(tǒng)典型的氣壓傳動系統(tǒng)如圖3-73所示，圖中所用的霧化器2、減壓閥3、止回閥4、分配閥5、調速閥6、壓力表7、氣缸