第九章機床夾具設計原理wz

第九章金屬切削機床夾具設計原理第五講典型機床夾具主要內容車床夾具鉆床夾具鏜床夾具銑床夾具專用夾具設計思路一、車床夾具

在車床上用來加工工件的內外回轉面及端面的夾具稱為車床夾具。車床夾具多數安裝在車床主軸上；少數安裝在車床的床鞍或床身上。

1.車床夾具的種類

安裝在車床主軸上的夾具，根據被加工工件定位基準和夾具的結構特點，分為四類：

(1)卡盤和夾頭式車床夾具，以工件外圓為定位基面，如三爪自定心卡盤及各種定心夾緊卡頭等。以工件內孔為定位基面，如各種定位心軸(剛性心軸)、彈簧心軸。圖9-52所示為一車床上常用的帶錐柄的圓柱心軸。加工時，工件以內孔及端面為定位基準，在心軸上定位，用螺母通過開口墊圈將工件夾緊。該心軸以錐柄與車床主軸連接。設計心軸時，應注意正確選擇工件孔與心軸配合。(2)心軸式的車床夾具(3)以工件頂尖孔定位的車床夾具，如頂尖、撥盤等。

(4)角鐵和花盤式夾具，以工件的不同組合表面定位。

圖9-53所示為車氣門頂桿端面的角鐵式車床夾具。由于該工件是以細小的外圓柱面定位，因此很難采用自動定心裝置，于是采用半圓套定位元件，夾具體必然設計成角鐵狀。為了使夾具平衡，在夾具體一側鉆平衡孔。

2.車床夾具設計要點

車床夾具工作時，和工件隨機床主軸或花盤一起高速旋轉，具有離心力和不平衡慣量。因此設計夾具時，除了保證工件達到工序精度要求外，還應著重考慮以下問題：

(1)車床夾具的總體結構夾具結構應力求緊湊、輪廓尺寸小、重量輕。車床夾具的輪廓尺寸，如圖9-54所示，可參考以下數據：當夾具采用錐柄與機床主軸錐孔連接時，如圖9-54所示，夾具上最大輪廓直徑D<140mm或D≤(2~3)d，d為錐柄大端的直徑。

當夾具采用過渡盤與機床主軸相連接時，在在D<150mm時，B/D≤1.25；D=150~300mm時，B/D≤0.9；D>300mm時，B/D≤0.6。當為單支承的懸臂心軸時，其懸伸長度應小于直徑的5倍。當為前后頂尖支承的心軸時，其長度應小于直徑的12倍。當心軸直徑大于φ50～φ60mm時，可采用中空結構，以減輕重量。

(2)定位裝置和夾緊裝置的設計

車床夾具主要用來加工回轉體表面，定位裝置的作用必須使工件加工表面的軸線與車床主軸的回轉軸線重合。對于盤套類或其他回轉體工件，要求工件的定位基面、加工表面和車床主軸三者軸線重合，常采用心軸或定心夾緊夾具；對于殼體、支架、托架等形狀復雜的工件，被加工表面與工序基準之間有位置尺寸和平行度、垂直度等相互位置要求，定位裝置主要是保證定位基準與車床主軸回轉軸線具有正確的尺寸和位置關系。加工這類工件多采用花盤式、角鐵式車床夾具。

由于車床夾具高速旋轉，在加工過程中除受切削力作用外，還承受離心力和工件重力的作用。因此，車床夾具的夾緊機構必須安全可靠，夾緊力必須克服切削力、離心力等外力的作用，且自鎖可靠。若采用螺旋夾緊機構，一般要加彈簧墊圈或使用鎖緊螺母。

(3)夾具的平衡問題車床夾具高速回轉，若不平衡，就會產生離心力。不僅增加了主軸和軸承的磨損，還會產生振動，影響加工質量，降低刀具壽命。因此，設計車床夾具時，特別是角鐵式、花盤式等結構不對稱的車床夾具，必須采取平衡措施，以減少由離心力產生的振動和主軸、軸承的磨損。生產中常用加平衡塊或加工減重孔的辦法，通過平衡試驗，來達到平衡夾具的目的。(4)夾具與機床的連接方式

主要取決于夾具的結構和機床主軸前端的結構形式。圖9-55所示是車床夾具與機床主軸常用的連接方式：

圖a以錐柄與主軸錐孔連接，夾具2以莫氏錐柄與主軸孔配合定心，由拉桿1拉緊。圖b所示以主軸前端外圓柱面與夾具過渡盤連接(或直接與夾具連接)，夾具3通過過渡盤2的內錐孔與主軸1的前端定心軸頸配合定心，并用螺釘緊固在一起。圖c所示以主軸前端短圓錐面與夾具過渡盤連接，夾具3通過過渡盤2的內錐孔與主軸1前端的短錐面相配合定心，并用螺釘緊固在主軸上。圖d所示是以主軸前端長圓錐面與夾具過渡盤連接，夾具4通過過渡盤3的內錐孔與主軸1前端的長錐面相配合定心，并用鎖緊螺母2緊固。用鍵5連接傳遞扭矩。

5.找正環(huán)節(jié)，保證同軸找正環(huán)槽6.安全問題最大外園的設置不準有突出的部位二、鉆床夾具

在各種鉆床上用來鉆、擴、鉸孔的機床夾具稱為鉆床夾具，這類夾具的特點是裝有鉆套和安裝鉆套用的鉆模板，故習慣上簡稱為鉆模。

1.鉆床夾具的種類

鉆床夾具的種類很多，根據鉆模板的工作方式分為以下五類：

這類鉆模在加工過程中固定不動。夾具體上設有安放緊固螺釘或便于夾壓的部位。這類鉆模主要用于立式鉆床加工單孔，或在搖臂鉆床上加工平行孔系。(1)固定式鉆模圖9-56所示是在階梯軸的大端鉆孔的固定式鉆模。工序圖已確定了定位基準，鉆模上采用V形塊2及其端面和手動拔銷5定位，用偏心壓板夾緊，夾具體周圍留有供夾緊用的凸緣或U形槽?；剞D式鉆模用于加工工件上同一圓周上平行孔系或加工分布在同一圓周上的徑向孔系。(2)回轉式鉆模翻轉式鉆模是一種沒有固定回轉軸的回轉鉆模。在使用過程中，需要用手進行翻轉，因此夾具連同工件的重量不能太重，一般限于≤8～10kg。主要適用于加工小型工件上分布幾個方向的孔。

(3)翻轉式鉆模蓋板式鉆模，只有一塊鉆模板，在鉆模板上除了裝鉆套外，還有定位元件和夾緊裝置。加工時，鉆模板蓋在工件上定位、夾緊即可。蓋板式鉆模的特點是定位元件、夾緊裝置及鉆套均設在鉆模板上，因此結構簡單、制造方便、成本低、加工孔的位置精度較高。常用于床身、箱體等大型工件上的小孔加工。

(4)蓋板式鉆模滑柱式鉆模是帶升降臺的通用可調夾具。其平臺上可根據需要安裝定位裝置，鉆模板上可設置鉆套、夾緊元件及定位元件等。滑柱式鉆模已標準化，其結構尺寸可查閱國家標準。

(5)滑柱式鉆模2.鉆床夾具的設計要點

設計鉆模時，應根據工件的形狀、尺寸、工序的加工要求、使用的設備及生產類型，合理地選用鉆模的結構形式，并注意解決以下問題：

鉆套是鉆模上特有的元件，用來引導刀具以保證被加工孔的位置精度和提高刀具的剛度，并防止加工過程中刀具偏斜。

(1)鉆套通常鉆套分為以下四種類型：

1)固定鉆套：圖9-57a、b所示為固定鉆套(JB/T8045.1-1999)的結構，圖a為A型固定鉆套；圖b為B型固定鉆套。鉆套安裝在鉆模板或夾具體中，其配合為或。固定鉆套結構簡單，鉆孔精度高，但鉆套磨損后，不易更換。適于小批生產或孔距小及孔位精度高的孔加工。

圖9-57c所示為可換鉆套(JB/T8045.2-1999)的結構。在大批量生產中，可選用可換鉆套。鉆套與襯套(JB/T8045.4-1999)的配合為或，襯套與鉆模板的配合為或，并用鉆套螺釘(JB/T8045.5-1999)固定，以防止加工時鉆套轉動及退刀時脫出。鉆套磨損后，卸下鉆套螺釘，便可更換新的可換鉆套。

2)可換鉆套：圖9-57d所示為快換鉆套(JB/T8045.3-1999)的結構。適用于工件在一次裝夾中，需要依次進行鉆、擴、鉸孔的工序可以快速更換不同孔徑的鉆套。快換鉆套與襯套的配合為或，襯套與鉆模板的配合為或?？鞊Q鉆套除在其凸緣上有供鉆套螺釘壓緊的肩臺外，還有一個削邊平面。削邊方向應考慮刀具的旋向，以免鉆套自動脫出。

3)快換鉆套:因工件形狀或被加工孔的位置需要而不能使用標準鉆套時，則需要設計特殊結構的鉆套。如圖9-58所示，圖a是加長鉆套，加工凹面上的孔，而鉆模板又無法接近工件的加工平面時使用；圖b是斜面鉆套，用于斜面或圓弧面上鉆孔，排屑空間的高度h≤0.5mm，可增加鉆頭剛度，避免鉆頭引偏或折斷；圖c是小孔距鉆套，用定位銷確定鉆套方向。圖d是帶內錐定位、夾緊鉆套，鉆套與襯套之間一段為圓柱間隙配合，一段為螺紋連接，鉆套下端為內錐面，具有對工件定位、夾緊和引導刀具三種功能。4)特殊鉆套:設計鉆套時，應注意以下問題：

1)鉆套導向孔的基本尺寸取刀具的最大極限尺寸，以防止卡住和咬死。

2)對于標準的定尺寸刀具，如麻花鉆、擴孔鉆、鉸刀，鉆套導向孔與刀具的配合應按基軸制選取

若刀具不是用切削部分導向，而是用刀具的導柱部分導向，此時可按基孔制的相應配合、或選取。

鉆套導向孔與刀具之間，應保證一定的配合間隙。一般根據所用刀具和工件的加工精度要求來選取鉆套導向孔的公差與配合。當鉆孔和擴孔時，選F7或F8；粗鉸孔時，選G7；精鉸孔時，選G6。當采用標準鉸刀鉸H7或H9孔時，導向孔的基本尺寸取被加工孔的基本尺寸，公差選F7或E7；H增大，則導向性能好，刀具剛度提高，但鉆套與刀具的磨損加劇。應根據孔距精度、工件材料、孔深、刀具耐用度、工件表面形狀等因素決定。通常取H=(1~1.25)d，當加工精度較高或加工的孔徑較小時，可以H=(2.5~3.5)d，d為被加工孔徑。

3)鉆套的高度如圖9-59a所示。若h太小，如圖9-59b所示，排屑困難，會加速導向表面的磨損；若h太大，排屑方便，但導向性能降低，如圖9-59c所示。因此設計時應根據鉆頭直徑及工件材料確定適當的間隙。通常按經驗公式選取h值：

4)鉆套與工件間應留有適當的排屑空間h加工鑄鐵、黃銅時：h=(0.3~0.7)d；加工鋼件時：h=(0.7~1.5)d。工件材料硬度越高，其系數應取小值，鉆頭直徑越小(鉆頭剛性越差)，其系數應取大值，以免切屑堵塞而使鉆頭折斷。

在斜面上鉆孔(或鉆斜孔)時，可取h=0.3d，以免鉆頭引偏；孔的位置精度較高時，可取h=0.，使切屑從鉆頭的螺旋槽中排出；鉆深孔(孔的長徑比L/d>5)時，要求排屑暢快，取h=1.5d。下面幾種特殊情況，需另行考慮：(2)鉆模板

鉆模板用于安裝鉆套，并確保鉆套在鉆模上的正確位置。常見的鉆模板有以下幾種：固定式鉆模板與夾具體的連接，一般采用圖9-60所示的三種結構：圖a為整體鑄造結構；圖b為焊接結構；圖c為用螺釘和銷釘裝配結構。1)固定式鉆模板：固定式鉆模板結構簡單、制造容易。通過鉸鏈與夾具體固定支架相連接的鉆模板(圖9-61所示)。當鉆模板防礙工件裝卸或鉆孔后需擴孔、攻螺紋時常采用這種結構。鉸鏈軸1與鉆模板5的軸孔配合為G7/h6，與鉸鏈座3的軸孔配合為

N7/h6。鉆模板5與鉸鏈座3之間的配合為H8/g7。鉆套導向孔與夾具安裝面的垂直度可通過調整兩個支承釘4的高度加以保證。加工時，鉆模板5由菱形螺母6鎖緊。使用鉸鏈式鉆模板，裝卸工件方便，但由于鉸鏈軸孔之間存在配合間隙，因此加工孔的位置精度比固定式鉆模板低。

2)鉸鏈式鉆模板：也叫分離式鉆模板。鉆模板與夾具體是分離的，各為獨立部分。裝卸工件時可以將鉆模板取下。這類鉆模板鉆孔精度比鉸鏈式鉆模板高，但每裝卸一次工件就需裝卸一次模板，裝卸時間長，效率較低。

3)可卸式鉆模板：懸掛在機床主軸上，由機床主軸帶動而與工件靠近或離開的鉆模板稱為懸掛式鉆模板。

4)懸掛式鉆模板：如圖9-62所示，鉆模板5的位置由導向滑柱2來確定，并懸掛在滑柱上，通過彈簧1和橫梁6與機床主軸或主軸箱連接。這類鉆模板多與組合機床或多軸箱聯(lián)合使用。

三、鏜床夾具

鏜床夾具又稱鏜模。它是用來加工箱體、支架等類工件上的精密孔或孔系的機床夾具。

1.鏜模的種類

根據鏜套的布置形式不同，分為雙支承鏜模、單支承鏜模和無支承鏜模。

雙支承鏜模有兩個引導鏜桿的支承，鏜桿與機床主軸采用浮動連接，鏜孔的位置精度由鏜模保證，消除了機床主軸回轉誤差對鏜孔精度的影響。根據支承相對于刀具的位置分為以下兩種。(1)雙支承鏜模圖9-63為鏜削車床尾座孔鏜模，鏜模的兩個支承分別設置在刀具的前方和后方。鏜桿9和主軸之間通過浮動卡頭10連接。工件以底面、槽及側面在定位板3、4及可調支承釘7上定位，限制工件的六個自由度。采用聯(lián)動夾緊機構，擰緊夾緊螺釘6，壓板5、8同時將工件夾緊。鏜模支架1上裝有滾動回轉鏜套2，用以支承和引導鏜桿。鏜模以底面作為安裝基面安裝在機床工作臺上，其側面設置找正基面B，因此可不設定位鍵。

1)前后雙支承鏜模：前后雙支承鏜模，一般用于鏜削孔徑較大，孔的長徑比L/D<1.5的通孔或孔系，其加工精度較高，但更換刀具不方便。

圖9-64為后雙支承導向鏜孔示意圖，兩支承設置在刀具后方，鏜桿與主軸浮動連接。為保證鏜桿剛性，鏜桿懸伸量L1<5d；為保證鏜孔精度，兩支承導向長度L>(1.25~1.5)L1。后雙支承導向鏜?？稍谙潴w一個壁上鏜孔，便于裝卸工件和刀，也便于觀察和測量。2)后雙支承鏜模:這類鏜模只有一個導向支承，鏜桿與主軸采用固定連接。根據支承相對于刀具的位置分為以下兩種。

(2)單支承鏜模1)前單支承鏜模：圖9-65為前單支承導向鏜孔，鏜模支承設置在刀具的前方，用于加工孔徑D>60mm、加工長度L<D的通孔。一般鏜桿的導向部分直徑d<D。因導向部分直徑不受加工孔徑大小的影響，故在多工步加工時，可不更換鏜套。這種布置便于在加工中觀察和測量，但在立鏜時，應設置鏜套防護罩。

圖9-66所示為后單支承導向鏜孔，鏜套設置在刀具的后方。用于立鏜時，切屑不會影響鏜套。當鏜削

D<60mm、L<D的通孔或盲孔時，如圖a所示，可使鏜桿導向部分的尺寸d>D，這種形式的鏜桿剛度好，加工精度高，裝卸工件和更換刀具方便，多工步加工時可不更換鏜桿；當加工孔長度時L=(1~1.25)D，如圖b所示，應使鏜桿導向部分直徑d<D，以便鏜桿導向部分可伸入加工孔，從而縮短鏜套與工件之間的距離及鏜桿的懸伸長度。2)后單支承鏜模:為便于刀具及工件的裝卸和測量，單支承鏜模的鏜套與工件之間的距離一般在20～80mm之間，常取h=(0.5~1)D。工件在剛性好、精度高的金剛鏜床、坐標鏜床或數控機床、加工中心上鏜孔時，夾具上不設置鏜模支承，加工孔的尺寸和位置精度均由鏜床保證。這類夾具只需設計定位裝置、夾緊裝置和夾具體。

(3)無支承鏜模2.鏜模的設計要點

設計鏜模時，除了定位、夾緊裝置外，主要考慮與鏜刀密切相關的刀具導向裝置的合理選用(鏜套、鏜桿)。

用于引導鏜桿。鏜套的結構形式和精度直接影響被加工孔的精度。常用的鏜套有以下兩類。

(1)鏜套在鏜孔過程中不隨鏜桿轉動的鏜套。圖9-67是標準結構的固定式鏜套(JB/T8046.1-1999)，與快換鉆套結構相似。A型不帶油杯和油槽，鏜桿上開油槽；B型則帶油杯和油槽，使鏜桿和鏜套能充分潤滑。這類鏜套結構緊湊，外形尺寸??；制造簡單；位置精度高；但鏜套易于磨損。因此固定式鏜套適用于低速鏜孔，一般線速度v≤0.3m/s，固定式鏜套的導向長度L=(1.5~2)d。1)固定式鏜套：在鏜孔過程中隨鏜桿一起轉動，鏜桿與鏜套之間只有相對移動而無相對轉動，減少鏜套磨損，不會因摩擦發(fā)熱出現(xiàn)“卡死”現(xiàn)象。這類鏜套適用于高速鏜孔。

2)回轉式鏜套:根據回轉部分的工作方式不同，分為內滾式回轉鏜套和外滾式回轉鏜套。內滾式回轉鏜套是把回轉部分安裝在鏜桿上，并且成為鏜桿的一部分；外滾式回轉鏜套是把回轉部分安裝在導向支架上。圖9-68是常見的幾種外滾式回轉鏜套的典型結構：

鏜套1可在滑動軸承2內回轉，鏜模支架3上設置油杯，經油孔將潤滑油送到回轉副，使其充分潤滑。鏜套中間開有鍵槽，鏜桿上的鍵通過鍵槽帶動鏜套回轉。這種鏜套的徑向尺寸較小，適用于孔距較小的孔系加工，且回轉精度高，減振性好，承載能力大，但需要充分潤滑。常用于精加工，摩擦面線速度v<0.3~0.4m/s。

圖a為滑動軸承外滾式回轉鏜套鏜套6支承在兩個滾動軸承上，軸承安裝在鏜模支架3的軸承孔中，軸承孔的兩端用軸承端蓋5封住。這種鏜套采用標準滾動軸承，所以設計、制造和維修方便，鏜桿轉速高，一般摩擦面線速度v>0.4m/s。但徑向尺寸較大，回轉精度受軸承精度影響?？刹捎脻L針軸承以減小徑向尺寸，采用高精度軸承提高回轉精度。圖b為滾動軸承外滾式回轉鏜套為避免切屑和切削液落入鏜套，需要設置防護罩。為承受軸向力，一般采用圓錐滾子軸承。圖c立式鏜孔用的回轉鏜套回轉鏜套一般用于鏜削孔距較大的孔系，當被加工孔徑大于鏜套孔徑時，需在鏜套上開引刀槽，使裝好刀的鏜桿能順利進入。為確保進入引刀槽，鏜套上設置尖頭鍵或鉤頭鍵(如圖9-69所示)。回轉鏜套的導向長度L=(1.5~3)d。

圖9-70為用于固定鏜套的鏜桿導向部分結構。當導向直徑d<50mm時，常采用整體式結構。圖a為開油槽的鏜桿，鏜桿與鏜套的接觸面積大，磨損大，若切屑從油槽內進入鏜套，則易出現(xiàn)“卡死”現(xiàn)象，但鏜桿的剛度和強度較好；圖b、c為深直槽和螺旋槽的鏜桿，這種結構可減少鏜桿與鏜套的接觸面積，溝槽有存屑能力，可減少“卡死”現(xiàn)象，但鏜桿剛度較低；圖d為鑲條式結構。鑲條采用摩镲系數小和耐磨的材料，如銅或鋼。鑲條磨損后，可在底部加墊片，重新修磨。這種結構摩擦面積小，容屑量大，不易“卡死”。

(2)鏜桿圖9-71為用于回轉鏜套的鏜桿導向部分結構，圖a在鏜桿前端設置平鍵，鍵下裝有壓縮彈簧，鍵的前部有斜面，適用于有鍵槽的鏜套，無論鏜桿以何位置進入鏜套，平鍵均能進入鍵槽，帶動鏜套回轉；圖b所示的鏜桿上開有鍵槽，其頭部作成≤45°的螺旋引導結構，可與圖9-69所示裝有尖頭鍵的鏜套配合使用。鏜桿與加工孔之間應有足夠的間隙容納切屑，通常鏜桿直徑按d=(0.7~0.8)D選取。

四、銑床夾具

銑床夾具主要用于加工平面、溝槽、缺口、花鍵、齒輪以及成形表面等。

1.銑床夾具的種類

按銑削時的進給方式不同，銑床夾具可分為直線進給、圓周進給和靠模進給三種類型。

這類夾具安裝在銑床工作臺上，在加工中隨工作臺按直線進給方式運動。按照在夾具中同時安裝工件的數目和工位多少分為單件加工、多件加工和多工位加工夾具。(1)直線進給式銑床夾具圖9-72所示是多件加工的直線進給式銑床夾具，該夾具用于在小軸端面上銑一通槽。六個工件以外圓面在活動V形塊2上定位，以一端面在支承釘6定位?；顒覸形塊裝在兩根導向柱7上，V形塊之間用彈簧3分離。工件定位后，由薄膜式氣缸5推動V形塊2依次將工件夾緊。由對刀塊9和定位鍵8來保證夾具與刀具和機床的相對位置。

圖9-73所示是利用進給時間裝卸工件的多工位直線進給式銑床夾具，在銑床工作臺上裝有兩個相同的夾具1和3，每個夾具都可以分別裝夾5個工件，銑刀2安放在兩個夾具中間位置。當工作臺向左直線進給時，銑刀便可銑削裝在夾具1中的工件，與此同時，操作者便可在夾具1中裝卸工件。待夾具3中的工件加工完后，工作臺快速退至中間位置，然后向右直線進給，銑削裝在夾具3中的工件，這時操作者便可裝卸夾具3中的工件。

圓周進給銑床夾具多用在回轉工作臺或回轉鼓輪銑床，依靠回轉臺或鼓輪的旋轉將工件順序送入銑床的加工區(qū)域，實現(xiàn)連續(xù)切削。在切削的同時，可在裝卸區(qū)域裝卸工件，使輔助時間與機動時間重合，因此它是一種高效率的銑床夾具。

(2)圓周進給銑床夾具(3)靠模進給式銑床夾具是一種帶有靠模的銑床夾具，適用于專用或通用銑床上加工各種非圓曲面。按照進給運動方式可分為直線進給式和圓周進給式兩種。圖9-74所示為直線進給式靠模銑夾具示意圖?？磕?與工件1分別裝在夾具上，夾具安裝在銑床工作臺上，滾子滑座5與銑刀滑座6兩者連為一體，且保持兩者軸線間的距離k不變。該滑座組合件在重錘或彈簧拉力F的