機械制造工藝第5章

第五章夾具設計基本原理六點定位原理zxyxzy六點定位簡圖定位和夾緊完全定位和不完全定位過定位和欠定位ZYX第一節(jié)概述第二節(jié)工件在夾具中的定位第三節(jié)工件在夾具中的夾緊第四節(jié)專用夾具的設計方法一、機床夾具的主要功能1、穩(wěn)定保證工件的加工精度；2、縮短輔助時間，提高生產(chǎn)效率；3、擴大機床使用范圍，實現(xiàn)一機多能。

第一節(jié)概述二、機床夾具的分類

1．按使用范圍1）通用夾具

2）專用夾具

4）可調(diào)夾具和成組夾具

3）組合夾具5）隨行夾具

2．按機床分類

1）車床夾具

2）銑床夾具

3）鉆床夾具

5）磨床夾具

6）數(shù)控機床夾具

3．按動力源1）手動夾具

2）氣動夾具

3）液壓夾具

4）氣液夾具7）真空夾具

4）鏜床夾具

7）齒輪機床夾具

5）磁力夾具6）電動夾具1）通用夾具：指已經(jīng)標準化的，在一定范圍內(nèi)可用于加工不同工件的夾具。三爪卡盤、四爪卡盤、頂尖；平口虎鉗、分度頭和回轉工作臺適應性廣，生產(chǎn)效率低，適用于單件小批量生產(chǎn)中中心架裝夾工件車外圓中心架裝夾工件車端面跟刀架裝夾工件車外圓2)專用夾具:專為某一工件的某道工序的加工而設計制造的夾具。結構緊湊，操作迅速、方便、省力，可以保證較高的加工精度和生產(chǎn)效率，設計制造周期長，費用高產(chǎn)品變更，夾具無法使用適用于產(chǎn)品固定批量較大生產(chǎn)3）通用可調(diào)夾具和成組夾具

其特點是夾具的部分元件可以更換，部分裝置可以調(diào)整，以適應不同零件的加工。用于相似零件的成組加工所用的夾具，稱為成組夾具。與通用可調(diào)夾具相比，加工對象的針對性明確。4）隨行夾具用于自動線上，不僅要完成工件在其上的定位和夾緊，而且?guī)еぜ刂詣泳€從一個工位移到下一個工位——承擔沿自動線輸送工件的任務。5）組合夾具組合夾具是指按零件的加工要求，由一套事先制造好的標準元件和部件組裝而成的夾具。由專業(yè)廠家制造，其特點是靈活多變，萬能性強，制造周期短、元件能反復使用，特別適用于品種多、產(chǎn)品變化快、新產(chǎn)品的試制和單件小批生產(chǎn)。

三、機床夾具的組成快換鉆套導向套鉆模板開口墊圈螺母定位銷夾具體定位元件：用以確定工件正確位置的零件夾緊元件：將工件夾緊壓牢，使工件保持在夾具中的既定位置夾具體：將夾具的各種元件、裝置聯(lián)結起來，使之成為一個整體的基礎件，他與機床有關部件聯(lián)接、對定，使夾具相對機床有確定位置對刀-導向元件：用來對刀和引導刀具進入正確加工位置的零件其它元件及裝置：分度機構，定位鍵等1、固定支承支承高度不變（一）工件以平面定位用于側面定位用于粗基準定位用于精基準定位批量大磨損快場合（1）支承釘?shù)诙?jié)工件在夾具中的定位

一、常見定位方式及定位元件一個支承釘限制一個自由度帶襯套支承釘（2）支撐板結構簡單、切屑清理不便，常用于側面精基準定位易于清除切屑結構較復雜，用于水平面精基準定位一個短板限制一個自由度，一個長板限制兩個自由度平板式支承板斜槽式支承板支承釘和支承板的結構尺寸均已標準化支承板支承板支承釘支承釘支承釘鉆套例:2、可調(diào)支撐支撐高度可調(diào)適用于毛坯分批制造，其形狀和尺寸變化較大的粗基準定位。為了使形狀相近的工件能使用同一夾具進行零件加工?？烧{(diào)支承一旦調(diào)整好，在同一批工件加工中，其作用即相當于固定支承。

采用可調(diào)支承可使夾具適應不同尺寸工件加工的定位要求可調(diào)支承應用實例3、自位支撐（浮動支承）

支承的空間位置能隨工件定位基準面位置的變化而自動適應；在結構上做成浮動或聯(lián)動的，可與工件有兩點或三點接觸；作用相當于一個定位支承點，限制工件一個自由度用于毛坯表面、斷續(xù)表面或階梯面定位自位支承實例4、輔助支承作用：提高工件的剛度和定位穩(wěn)定性，減小工件的裝夾受力變形及加工振動工件定位完成后再使輔助支承與工件表面接觸；輔助支承必須逐件調(diào)整。不起定位作用推式輔助支承螺旋式輔助支承圓柱銑刀輔助支承的應用

例:輔助支承的應用

例:1、圓柱定位銷（二）工件以孔定位工作部分直徑通常按g5、g6、f6、f7制造為使工件順利裝入，定位銷頭部應有15度倒角帶襯套的可換式圓柱銷與襯套配合間隙配合與夾具體的連接過盈配合長銷限制4個自由度；短銷限制2個自由度。yzx0xxyyyzx0xy固定錐銷活動錐銷用于粗基準用于精基準2、圓錐銷加工套筒空心軸類工件錐銷定位死頂尖活頂尖xyzxyxyzxy短限制2長限制43、定位心軸定位精度不高，裝卸工件方便定心精度高花鍵孔定位場合（1）圓柱心軸套筒類、空心盤類、齒輪類工件工件以圓錐孔定位——圓錐心軸常用的定位元件有V形塊、定位套、半圓套及圓錐套等；定位基準為外圓中心線。（三）工件以外圓柱面定位(a)較短精基準(b)較長粗基準階梯軸定位用

(c)兩段精基準面相距較遠(d)較長、較重工件短接觸限制2個自由度；長接觸限制4個自由度。固定V形塊活動V型塊的應用ZYXzxyxyzV形塊：(已標準化）①斜面夾角常取90°或120°②工藝槽：降低應力集中，便于v形工作面加工。③支承面和底面精度要求較高④安裝時，需采用定位銷孔(有定位銷孔和安裝孔)

1、V形塊對中性好，可使工件的定位基準軸線對中在V型塊兩斜面的對稱面上

2、應用范圍廣，完整和非完整外圓的定位

3、活動V形塊常常起著定位和夾緊的雙重作用。短限制2個；長限制4個自由度。2、定位套:①元件結構簡單，定心精度不變；②當工件外圓與定位圓孔配合較松時，易使工件傾斜，可考慮利用套筒內(nèi)孔及端面一起定位；③當端面大時，定位孔應短些，以避免產(chǎn)生過定位。3、半圓套主要用于大型軸類零件的精密軸徑定位，以便于安裝。

結構:下半孔起定位作用

上半孔起夾緊作用

短半圓套限制2個；長半圓套限制4個自由度。4、圓錐套筒限制3個自由度，常與后頂尖配合使用。工件以漸開線齒面定位其他定位方式

一些特殊的如齒輪淬火后磨內(nèi)孔夾具體彈性薄膜盤卡爪保持架工件定心圓柱彈簧螺釘推桿實際工件的定位是幾個定位表面的組合。常見的定位表面組合有：平面+平面組合平面+孔的組合平面+外圓組合平面+其它表面組合錐面+錐面的組合（四）工件以組合表面定位一面兩孔定位削邊銷（菱形）設計

已知：兩銷孔公稱尺寸及公差，兩孔中心距公稱尺寸及公差

求：兩銷公稱尺寸削邊銷寬度及銷公差，兩銷孔中心距及公差確定定位銷中心距及公差：確定圓柱銷尺寸及公差：確定菱形銷的寬度：查表?。篵=4mm例;確定菱形銷尺寸及公差：取菱形銷的精度為：IT6，Td2=0.011定位誤差及其分析與計算（1）夾具在機床上的裝夾誤差（2）工件在夾具中的定位誤差和夾緊誤差（3）機床調(diào)整誤差（4）工藝系統(tǒng)的彈性變形和熱變形誤差（5）機床和刀具的制造誤差及磨損誤差一、定位誤差及其產(chǎn)生的原因定位誤差：工件定位不準確而產(chǎn)生的加工面相對工序基準的最大變動量，稱為定位誤差，用D表示。本質：工序基準在加工尺寸方向上的最大變動量造成定位誤差的原因:⑴定位基準與工序基準不重合，產(chǎn)生基準不重合誤差△B。⑵定位副制造誤差及其配合間隙產(chǎn)生基準位移誤差△Y1、基準不重合誤差ΔB由于定位基準與工序基準不重合所導致的工序基準相對定位基準在加工尺寸方向上的最大位置變動量。2、基準位移誤差ΔY定位元件的制造誤差產(chǎn)生原因：工件的制造誤差（定位基準面）定位元件和工件之間的配合間隙由于定位副制造誤差及其配合間隙所引起的定位誤差，即定位基準的相對位置在加工尺寸方向上的最大變動量。d/2(d–d)/2/YO'O基準位移誤差的產(chǎn)生例：只有用調(diào)整法加工一批零件才產(chǎn)生定位誤差，用試切法不產(chǎn)生定位誤差。定位誤差是一個界限值（有一個范圍）定位誤差是由于基準不重合和基準位置變動共同作用的結果，兩部分不一定都存在。二、定位誤差的計算幾何法：按定義，畫出工件定位時兩種極端位置，再通過幾何關系直接求得；合成法:ΔD=ΔY+ΔB

，注意，是矢量和微分法1、工件以平面定位2、工件以外圓定位3、工件以內(nèi)孔定位常見定位方法的定位誤差分析及計算根據(jù)定義計算：基準不重合誤差計算ΔB——沿加工尺寸方向求工序基準相對于定位基準的最大變動量方法：將工序基準與定位基準沿加工方向相連，形成一個尺寸，該尺寸的公差就是基準不重合誤差。如工件總高H=40±0.14mm,要求保證A=20±0.15mm.求加工階梯面時的ΔD

，能否保證加工要求？ΔY=0

ΔD

=ΔB=

2TH=2X0.14=0.28mm本工序公差ΔT

=0.15-(-0.15)=0.30mm

ΔD≥

1/3ΔT工件以外圓定位d/2(d–d)/2/YO'O基準位移誤差的產(chǎn)生常用作圖法，

沿加工尺寸方向，畫出極限位置，求最大變動量。圓柱體上銑平面不同形式的工序尺寸標注

工序尺寸標注為H1，工序基準與定位基準重合，B=0H3H2H1/YO'Od/2(d–d)/2D=H'2–H''2

H'2=d/2–H

H''2=(d–d)/2–

H–

Y工序尺寸標注為H2D=Y+B/YO'OHH''2H'2d/2(d–d)/2aa1工序尺寸標注為H3D=Y–B/YO'Od/2(d–d)/2（1）工件以圓柱孔在過盈配合心軸上定位時定位誤差分析(a)ΔD=ΔY+ΔB=0(b)ΔD=ΔY+ΔB=ΔB=δd/2(c)ΔD=ΔY+ΔB=ΔB=δD/2ΔY=0(2)工件孔與定位心軸間隙配合時定位誤差計算

ΔY=O1O2=（δD+δd）

/2ΔD=（δD+δd）

/2工件孔與心軸水平放置（單邊接觸）

ΔB=δD/2ΔD=ΔY—ΔB=δd

/2

ΔB=δD/2ΔD=ΔY+ΔB=δD+

δd

/2

max為保證工件裝卸方便,孔軸之間應有最小間隙,孔:,軸:Y

=O1O2=O1O+OO2=max=D+d+

minoo2o1垂直放置心軸（任意邊接觸）30H7/g6例:40-0.016012-0.043034.8-0.16020-0.210加工要求：（1）槽寬尺寸；（2）槽距離端面尺寸；（3）槽底高度；12-0.043020-0.210（1）槽寬尺寸由定尺寸銑刀保證：

D=0（2）槽距離端面尺寸20的定位誤差：工序基準與定位基準重合，B=0

平面定位，Y=0

D=0工序基準與定位基準不重合，

B=δ外圓/2=0.008間隙配合，Y≠0Y=(δ

D+δ

d)/2=0.017(固定邊）D=0.025（3）槽底高度尺寸34.8的定位誤差：內(nèi)孔：3000.021心軸：30-0.020-0.00730H7/g640-0.016034.8-0.160一面兩孔定位yxα如下圖所示，以A面定位加工φ20H8孔，求加工尺寸40±0.1mm的定位誤差。

解：ΔY=0mm（定位基面為平面）設計基準B與定位基準A不重合，因此將產(chǎn)生基準不重合誤差

ΔD=ΔB=0.15m

有一批工件，如圖(a)所示，采用鉆模夾具鉆削工件上φ5mm和φ8mm兩孔，除保證圖紙尺寸要求外，還要求保證兩孔聯(lián)心線通過mm的軸線，其對稱度差為0.08mm?，F(xiàn)采用如圖(b)、(c)、(d)三種定位方案，若定位誤差不得大于加工允差的1/2。試問這三種定位方案是否都可行(α＝90°)？練習5-11：對于圖(b)

√對于圖(c)

×對于圖(d)

×從以上分析計算可知，只有圖(b)定位方案可行，其定位誤差滿足要求。

有一批直徑為的軸，要銑一鍵槽，工件的三個定位方案如圖所示，V形塊的頂角為90，試分別計算各定位方案中影響尺寸n和s的定位誤差。n:ΔB=0ΔD=0ΔY=0m:ΔB=0.1ΔD=0.1n:ΔB=0.1ΔD=0.1n:ΔB=0.1

ΔD=0.04ΔY=0m:ΔB=0ΔD=0ΔY=0.14m:ΔB=0ΔD=0.14第四節(jié)工件的夾緊工件定位后將其固定，使其在加工過程中保持定位位置不變的裝置，稱為夾緊裝置。一、夾緊裝置的組成和設計要求本節(jié)內(nèi)容二、確定夾緊力的基本原則三、常見的夾緊機構一、夾緊裝置的組成和設計要求1、夾緊裝置的組成人力；機動夾緊裝置氣壓，液壓，電動，磁力（1）動力源裝置——夾緊力來源（2）中間傳力機構：可改變夾緊力大小和方向，可具有自鎖功能（3）夾緊元件2、工件夾緊的基本要求1）夾緊時不破壞工件定位后的正確位置；

穩(wěn)2）夾緊力大小要適當；牢3）夾緊動作要迅速、可靠；

快4）操作方便、省力、安全5）結構緊湊，易于制造與維修。二、確定夾緊力的基本原則1、夾緊力方向的確定（1）應有利于工件的準確定位，而不能破壞定位。一般要求主要夾緊力應垂直指向主要定位基面；（2）夾緊力方向，應使所需夾緊力盡可能小；夾緊力大小與夾緊力方向直接有關，在考慮夾緊方向時，只要滿足夾緊條件，夾緊力越小越好。夾緊力Q的方向最好與切削力、工件重力的方向重合切削力重力夾緊力（3）夾緊力的方向應使工件變形盡可能小。2、夾緊力作用點的選擇指在夾緊力作用方向已定的情況下，確定夾緊元件與工件接觸點的位置和接觸點的數(shù)目。（1）夾緊力作用點應落在支承點上或支承面以內(nèi)，避免工件翻轉；夾緊力作用點的位置（2）夾緊力作用點應落在工件剛性較好的部位，以減小工件的夾緊變形；夾緊力作用點的位置輔助支承（3）夾緊力作用點應盡量靠近被加工表面，以防止工件產(chǎn)生振動和變形。輔助支承與輔助夾緊3、夾緊力大小的確定夾緊力的大小主要影響工件定位的可靠性、工件的夾緊變形以及夾緊裝置的結構尺寸和復雜性。夾緊力不足，會使工件在切削過程中產(chǎn)生位移并容易引起振動；夾緊力過大，又會造成工件或夾具不應有的變形或表面損傷。實際所需夾緊力安全系數(shù)粗加工2.5-3精加工1.5-2理論夾緊力①分析計算夾緊力的方法：首先將工件視為分離體，分析作用在工件上的各種力；再根據(jù)力系平衡條件，確定保持工件平衡所需的最小夾緊力；最后將乘以一合適的安全系數(shù)，以此作為所需的夾緊力。②類比法三、常見的夾緊機構夾緊機構是將力源的作用力轉化為夾緊力的機構。常見的有斜楔、偏心、螺旋等夾緊機構，利用機械摩擦的斜楔自鎖原理。夾緊力自鎖性能夾緊行程擴力比1、楔塊夾緊機構利用楔塊的斜面將楔塊的推力轉變?yōu)閵A緊力，從而夾緊工件。QP(1)夾緊力的計算∑F（X）=0→P=F1+Rx

F1=Qtgφ2Rx=Qtg(α+φ1)P=Qtgφ1+Qtg(α+φ2)設φ1=φ2=φ，α很小時，Q--斜楔對工件的夾緊力；α--斜楔升角；P--

加在斜楔上的作用力；Φ1--斜楔與夾具體的摩擦角；Φ2--斜楔與工件間的摩擦角。(2)自鎖條件F1RxF1=Qtgφ2Rx=Qtg(α-φ1)又α、φ1、φ2很小tgφ2≈φ2tg(α-φ1)≈α-φ1∴φ2

α-φ1α

φ1+φ2斜楔自鎖條件：斜楔的升角小于斜楔與工件、斜楔與夾具體之間的摩擦角之和。為安全可靠，手動時取α

=6～8°，機動時(氣動、液動)可不考慮自鎖,取α

=15～30°。(3)擴力比夾緊力與作用力之比稱為擴力比。i的大小表示夾緊機構在傳遞力的過程中擴大（或縮小）作用力的倍數(shù)。夾緊行程斜楔移動距離LS選楔角時，兼顧擴力比和夾緊行程QP（4）行程比（5）應用場合斜楔機構簡單，有增力作用。夾緊和松開要敲擊大、小端，操作不方便，機械效率低，在生產(chǎn)中，很少單獨使用楔塊對工件直接夾緊，而是與桿杠、壓板、螺旋等組合使用，或是與氣壓、液壓傳動裝置聯(lián)用。當要求機構既能自鎖，又有較大的夾緊行程時，可采用雙斜面斜楔。大斜角的一段使滑柱迅速上升，小斜角的一段確保自鎖。螺旋夾緊裝置是從斜塊夾緊裝置轉化而來的，相當于把楔塊繞在圓柱體上，轉動螺旋時即可夾緊工件。2、螺旋夾緊機構螺桿1在2中轉動而起夾緊作用；螺母套2采用可換式，其目的是為了內(nèi)螺紋磨損后可及時更換；螺釘3用以防止2的松動；壓塊4是防止在夾緊時帶動工件轉動；并避免1的頭部直接與工件接觸而造成壓痕。1234φ2φ2QQ'F2ααφ1RyRxRF1P受力分析pLPLr1rzF2RXM=M1+M2PL=F2·r1+Rx·rzP夾緊力計算L（2）自鎖條件螺旋夾緊機構的螺旋升角很小，故自鎖性能好。（3）擴力比因為螺旋升角小于斜楔的楔角，螺旋夾緊機構的擴力作用遠大于斜楔夾緊機構。（4）應用場合螺旋夾緊機構結構簡單，制造容易，夾緊行程大，擴力比大，自鎖性能好，應用廣泛，尤其適用于手動夾緊機構。但夾緊動作慢，效率低，不宜使用在自動化夾緊裝置上。螺旋夾緊機構應用情形偏心夾緊機構靠偏心輪回轉時回轉半徑變大而產(chǎn)生夾緊作用。3、偏心夾緊機構偏心夾緊裝置也是從斜塊夾緊裝置轉化而來的，它是將楔塊包在圓盤上，旋轉圓盤使工件得以夾緊。圓偏心和曲線偏心斜楔夾緊的楔角不變，偏心夾緊的楔角是變化的受力分析(3)自鎖條件（4）擴力比圓偏心夾緊的擴力比遠小于螺旋夾緊的擴力比，但大于斜楔夾緊的擴力比。（5）應用場合優(yōu)點是操作簡便、夾緊動作迅速、結構緊湊；缺點是夾緊行程小、夾緊力小、自鎖性能差，因此常用于切削力不大、夾緊行程小、振動較小的場合。由于偏心輪帶手柄，所以在旋轉的夾具上不允許用偏心夾緊機構，以防誤操作偏心輪作用點處摩擦因數(shù)1、鉸鏈夾緊結構優(yōu)點：動作迅速，增力比大，易于改變力的作用方向；缺點：自鎖性能差，常用于氣動、液動夾緊中四、其它典型夾緊機構螺旋自動定心夾緊機構制造方便，夾緊力和夾緊行程較大，定心精度不高，粗加工和半精加工中2、定心夾緊結構同時實現(xiàn)對工件定心定位和夾緊的機構。（1）等速移動原理工作的定心夾緊機構（2）以均勻彈性變形原理工作的定心夾緊機構液性塑料夾具

定心精度高3、聯(lián)動夾緊結構原理：利用一個原始作用力實現(xiàn)單件或多件的多點、多向同時夾緊的機構。第四節(jié)專用夾具的設計穩(wěn)定地保證工件的加工精度；提高機械加工的勞動生產(chǎn)率，并能降低成本。結構簡單，有良好的結構工藝性和勞動條件；具有良好使用性為了提高生產(chǎn)率采用先進的結構，往往會增加夾具的制造成本，但當工件的批量增加到一定規(guī)模時，將因單件工時的下降所獲得的經(jīng)濟效益而使增加的成本得到補償，從而降低工件的制造成本。因此所設計的夾具其復雜程度和工作效率必須與生產(chǎn)規(guī)模相適應，才能獲得良好的經(jīng)濟效果。一、專用夾具的基本要求設計夾具時，對加工質量、生產(chǎn)率、勞動條件和經(jīng)濟性幾個方面有時要有所側重。如對位置精度要求很高的加工，往往著眼于保證加工精度；對于位置加工精度要求不高而加工批量較大的情況，則側重考慮提高夾具的工作效率。在設計過程中必須深入生產(chǎn)實際進行調(diào)查研究，廣泛征求操作者意見，注意吸取國內(nèi)外的先進經(jīng)驗，在此基礎上擬出初步設計方案，經(jīng)過討論，然后確定合理的方案，開展結構設計。

二、專用夾具設計步驟1、明確設計任務：1）分析研究工件的結構特點、材料、生產(chǎn)規(guī)模和本工序加工的技術要求以及前后工序的聯(lián)系；2）了解加工所用設備、輔助工具中與設計夾具有關的技術性能和規(guī)格；3）了解工具車間的技術水平等。必要時還要了解同類工件的加工方法和所使用夾具的情況資料，作為設計的參考。準備好設計夾具用的各種標準、圖冊和相關夾具設計指導資料等。2、擬定夾具的結構方案1）確定工件的定位方案，設計定位裝置；2）確定工件的夾緊方案，設計夾緊裝置；3）確定其它裝置及元件的結構形式，如對刀、導向裝置，分度裝置等；4）合理布置各元件或裝置,確定夾具的總體結構，繪草圖5）審查總體方案，改進設計。3、繪制夾具總圖比例1:1直觀性好處在夾緊狀態(tài)下繪制，視圖盡量少主視圖應取操作者實際工作時的位置標注尺寸，制定技術條件，編寫零件明細表4、繪制夾具零件圖非標準零件都必須繪制零件圖，尺寸、公差、技術條件要滿足夾具總裝圖的要求繪制總裝圖的順序是：1.用雙點劃線繪出工件的輪廓外形，示意出定位基準面和加工面的位置；2.把工件視為透明體，按照工件的形狀和位置依次繪出定位、夾緊、導向及其它元件和