機(jī)械制造工藝第六章機(jī)床夾具設(shè)計(jì)原理

6.1機(jī)床夾具概述第六章機(jī)床夾具設(shè)計(jì)原理在機(jī)床上用于裝夾工件或引導(dǎo)刀具的裝置。夾具的作用：定位+夾緊1.夾具的組成（1）定位元件（2）夾緊元件（3）導(dǎo)向元件（鉆套、對(duì)刀塊）（4）夾具體此外有連接元件、分度機(jī)構(gòu)、操作元件等。2.機(jī)床夾具的分類按使用特點(diǎn)分：（1）通用夾具（2）專用夾具（3）成組夾具（4）組合夾具（5）隨行夾具按使用機(jī)床分：車床夾具、銑床夾具、鉆床夾具、鏜床夾具按動(dòng)力源分：手動(dòng)夾具、氣動(dòng)夾具、液壓夾具、電動(dòng)夾具、磁力夾具、真空夾具等3.機(jī)床夾具的功用（1）保證加工精度

零件加工精度包括尺寸精度、幾何形狀和表面相互位置精度。夾具的最大功用是保證加工表面的位置精度。（2）提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本快速將工件定位夾緊，免除了找正、對(duì)刀等，縮短輔助時(shí)間，提高了成品率，降低了成本。（3）擴(kuò)大機(jī)床的加工范圍

如在車床上加鏜夾具，可完成鏜孔加工。

（4）減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度

二、工件在夾具中的定位工件定位目的：使同批工件在機(jī)床或夾具上有正確位置工件的定位方法

(1)直接找正定位

效率低，適于單件小批生產(chǎn)和定位精度要求較高的情況

(2)劃線找正定位適于單件小批生產(chǎn)或毛坯精度較低、大型工件粗加工

(3)夾具中定位效率高，易保證質(zhì)量，廣泛用于批量生產(chǎn)

2.工件在夾具中的定位

(1)六點(diǎn)定位原理未定位工件在空間有六個(gè)自由度，定位就是限制其自由度。合理布置六個(gè)定位支承點(diǎn)，使工件上的定位基面與其接觸，一個(gè)支承點(diǎn)限制工件一個(gè)自由度，使工件六個(gè)自由度被完全限制，在空間得到唯一確定的位置，此即六點(diǎn)定位原理。

實(shí)際中一個(gè)定位元件可體現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)支承點(diǎn)，

視具體工作方式及其與工件接觸范圍大小而定定位與夾緊的區(qū)別：定位是使工件占有一個(gè)正確的位置，夾緊是使工件保持這個(gè)正確位置。(2)完全定位與不完全定位工件的六個(gè)自由度被完全限制的定位稱完全定位，允許少于六點(diǎn)的定位稱為不完全定位。都是合理的定位方式。

考慮定位方案時(shí)，先分析必須消除哪些自由度，再以相應(yīng)定位點(diǎn)去限制。(3)欠定位與過(guò)定位工件應(yīng)限制的自由度未被限制的定位，為欠定位，在實(shí)際生產(chǎn)中是絕對(duì)不允許的。工件一個(gè)自由度被兩個(gè)或以上支承點(diǎn)重復(fù)限制的定位稱為過(guò)定位或重復(fù)定位。一般來(lái)說(shuō)也是不合理的。欠定位工件加工時(shí)必須限制的自由度未被完全限制，稱為欠定位。欠定位不能保證工件的正確安裝，因而是不允許的。圖欠定位示例XZYa）b）BBB(3)欠定位與過(guò)定位過(guò)定位

過(guò)定位——工件某一個(gè)自由度（或某幾個(gè)自由度）被兩個(gè)（或兩個(gè)以上）約束點(diǎn)約束，稱為過(guò)定位。

過(guò)定位是否允許，要視具體情況而定：1）如果工件的定位面經(jīng)過(guò)機(jī)械加工，且形狀、尺寸、位置精度均較高，則過(guò)定位是允許的。有時(shí)還是必要的，因?yàn)楹侠淼倪^(guò)定位不僅不會(huì)影響加工精度，還會(huì)起到加強(qiáng)工藝系統(tǒng)剛度和增加定位穩(wěn)定性的作用。2）反之，如果工件的定位面是毛坯面，或雖經(jīng)過(guò)機(jī)械加工，但加工精度不高，這時(shí)過(guò)定位一般是不允許的，因?yàn)樗赡茉斐啥ㄎ徊粶?zhǔn)確，或定位不穩(wěn)定，或發(fā)生定位干涉等情況。6.2工件的定位

過(guò)定位造成的后果：（1）使工件或夾具元件變形，引起加工誤差；（2）使部分工件不能安裝，產(chǎn)生定位干涉（如一面兩銷）過(guò)定位一般是不允許的，但在精加工時(shí)也可看到。消除過(guò)定位及其干涉的途徑：

1.改變定位元件結(jié)構(gòu)，消除對(duì)自由度的重復(fù)限制，如長(zhǎng)銷改成短銷；2.提高工件定位基面之間的位置精度，提高夾具定位元件之間的位置精度，減少或消除過(guò)定位引起的干涉，精加工時(shí)可增加剛度和定位穩(wěn)定性。

過(guò)定位分析（桌子與三角架）圖過(guò)定位分析6.2工件的定位

過(guò)定位分析圖過(guò)定位示例a）ZYXYc）ZYXY6.2工件的定位b）ZYYX

過(guò)定位分析圖過(guò)定位示例XYa）ZYb）ZYXY過(guò)定位分析

過(guò)定位討論如圖示，齒輪坯以內(nèi)孔和一小端面定位，車削外圓和大端面。加工后檢測(cè)發(fā)現(xiàn)大端面與內(nèi)孔垂直度超差。試分析原因，提出改進(jìn)意見(jiàn)。4A0.02A間隙配合剛性心軸圖過(guò)定位示例過(guò)定位討論圖a過(guò)定位引起夾緊變形過(guò)定位討論

橡膠墊圖過(guò)定位處理分析過(guò)定位處理

討論分析圖示定位方案：①各方案限制的自由度②有無(wú)欠定位或過(guò)定位③對(duì)不合理的定位方案提出改進(jìn)意見(jiàn)。

b）XZYXc）XZYXa）YXZ圖過(guò)定位分析定位原理

a）YXZa1）YXZa2）YXZa3）YXZ圖a過(guò)定位示例分析定位原理

b）XZYXb1）XZYXXZb2）YXXZb3）YX圖b過(guò)定位示例分析定位原理

c）XZYXc’）XZYXc1）YXXZ圖c過(guò)定位示例分析定位原理

3.常見(jiàn)定位方法與定位元件

(1)工件以平面定位1)固定支承（支承釘、支承板）3.常見(jiàn)定位方法與定位元件

(1)工件以平面定位1)固定支承（支承釘、支承板、定位分析）2)可調(diào)支承多用于毛面定位，每批調(diào)整一次，以補(bǔ)償各批毛坯誤差3)自位支承支承本身可隨工件定位基準(zhǔn)面的變化而自動(dòng)適應(yīng)，一般只限制一個(gè)自由度，即一點(diǎn)定位。4)輔助支承在工件定位后才參與支承的元件，不限制自由度，主要用于提高工件的剛度和定位穩(wěn)定性。(2)工件以圓孔定位

1）定位銷

分固定式和可換式，圓柱銷和菱形銷2）圓錐銷

常用于工件孔端的定位，可限制三個(gè)自由度

3）定位心軸

主要用于盤(pán)套類零件的定位圓孔定位分析(3)工件以外圓表面定位

1）定位套筒

2）半圓定位座

常用于大型軸類工件的定位3）V形塊定位

結(jié)構(gòu)尺寸已標(biāo)準(zhǔn)化，斜面夾角有60°90°120°4）外圓定心夾緊三爪卡盤(pán)、雙V形鐵定心夾緊、彈簧夾頭外圓定位分析(4)工件以其它表面定位漸開(kāi)線齒面定位分析(5)組合表面定位

1）一個(gè)平面和與其垂直的兩個(gè)孔組合這種定位屬于過(guò)定位解決辦法是：將銷2做成削邊銷

2）一平面和與其垂直的兩外圓柱面組合3）一孔和一平行于孔中心線的平面組合6.2.3定位誤差影響加工精度（引起加工誤差）的因素：

●工件在夾具中的定位誤差和夾緊誤差；●夾具在機(jī)床上的裝夾誤差；●機(jī)床的調(diào)整誤差；●工藝系統(tǒng)的彈性變形和熱變形誤差；●機(jī)床與刀具的制造誤差和磨損誤差等。誤差總和應(yīng)滿足：△總——各種因素產(chǎn)生的誤差總和；T——工件被加工尺寸的公差。

6.2.3定位誤差本章只考慮定位誤差對(duì)加工精度的影響。上式可寫(xiě)成：△dw——定位誤差；ω——除定位誤差外，其它因素所引起的誤差總和。

定位誤差概念定位誤差——由于工件在夾具上（或機(jī)床上）定位不準(zhǔn)確而引起的加工誤差，即由工件定位所造成的加工面相對(duì)工序基準(zhǔn)的位置誤差。用夾具來(lái)定位工件——調(diào)整法加工。6.2.3定位誤差對(duì)一批工件來(lái)說(shuō)，刀具經(jīng)調(diào)整后相對(duì)于定位基準(zhǔn)的位置是不變的，即工件被加工表面的位置相對(duì)于定位基準(zhǔn)的位置也是不變的，所以定位誤差就是工序基準(zhǔn)在加工尺寸方向上的最大變動(dòng)量，以△dw

表示。

成批加工工件時(shí)，夾具相對(duì)機(jī)床的位置及切削運(yùn)動(dòng)的行程調(diào)定后不再變動(dòng)，可認(rèn)為加工面的位置是固定的。但因一批工件中每個(gè)工件在尺寸形狀及表面相互位置上均存在差異，所以定位后各表面有不同的位置變動(dòng)。

工序基準(zhǔn)的位置變動(dòng)將對(duì)加工精度有直接影響6.2.3定位誤差

定位誤差的實(shí)例

例如在軸上銑鍵槽，要求保證槽底至軸心的距離H。若采用V型塊定位，鍵槽銑刀按規(guī)定尺寸H調(diào)整好位置（圖6-26）。實(shí)際加工時(shí)，由于工件直徑存在公差，會(huì)使軸心位置發(fā)生變化。不考慮加工過(guò)程誤差，僅由于軸心位置變化而使工序尺寸H也發(fā)生變化。此變化量（即加工誤差）是由于工件的定位而引起的，故稱為定位誤差。圖6-26定位誤差HOAO1O2ΔDW

圖6-27所示工件以底面定位銑臺(tái)階面，要求保證尺寸a，即工序基準(zhǔn)為工件頂面。如刀具已調(diào)整好位置，則由于尺寸b的誤差會(huì)使工件頂面位置發(fā)生變化，從而使工序尺寸a產(chǎn)生誤差。bΔDWa圖6-27由于基準(zhǔn)不重合引起的定位誤差工序基準(zhǔn)

定位基準(zhǔn)2.4.5定位誤差

定位誤差的實(shí)例

定位誤差包括基準(zhǔn)不重合誤差和基準(zhǔn)位置誤差1）基準(zhǔn)不重合誤差△jb——定位基準(zhǔn)與工序基準(zhǔn)不一致所引起的定位誤差。其大小等于工序基準(zhǔn)相對(duì)于定位基準(zhǔn)在加工尺寸方向上的最大變動(dòng)量（公差）。

一次安裝加工兩孔A和B，孔B在X方向定位基準(zhǔn)C與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)A不重合，基準(zhǔn)不重合誤差為聯(lián)系尺寸22的公差0.26.2.3.1定位誤差的組成（來(lái)源）2）基準(zhǔn)位置誤差△jw——定位基準(zhǔn)面和定位元件本身的制造誤差所引起的定位誤差。

即工件的定位基準(zhǔn)在加工尺寸方向上的最大變動(dòng)量。由工件定位面和夾具定位元件的制造誤差以及兩者之間的間隙所引起。

定位誤差包括基準(zhǔn)不重合誤差和基準(zhǔn)位置誤差6.2.3.1定位誤差的組成所以，定位誤差可表示為實(shí)際計(jì)算時(shí)，即是求在加工尺寸方向上的代數(shù)和。

6.2.3.2常見(jiàn)定位方法的定位誤差計(jì)算(1)工件以平面定位時(shí)的定位誤差平面度誤差很小，定位副制造不準(zhǔn)確誤差可忽略(即△jw=0)，所以定位誤差主要由基準(zhǔn)不重合引起。6.2.3.2常見(jiàn)定位方法的定位誤差計(jì)算(1)工件以平面定位時(shí)的定位誤差6.2.3.2常見(jiàn)定位方法的定位誤差計(jì)算(1)工件以平面定位時(shí)的定位誤差(2)工件以外圓柱面定位時(shí)的定位誤差工件在V形塊上定位④定位誤差分析：

a)定位誤差Δd隨工件誤差Td的增大而增大；

b)定位誤差Δd隨V形塊夾角α

增大而減小，但穩(wěn)定性變差；

c)定位誤差Δd

與工序尺寸標(biāo)注方式有關(guān)，Δd2＞Δd1＞

Δd3③工序尺寸以H3標(biāo)注，其定位誤差為：

Δd3=B1B2=O2B2+O1O2-O1B1

==sinα21Td2d-Td2d2+－sinα21Td2－1②工序尺寸以H2標(biāo)注，其定位誤差為：

Δd2=A1A2=A1O1+O1O2-A2O2

==d2+Td2sinα21－d-Td2sinα21Td2+

1①工序尺寸以H1標(biāo)注，其定位誤差為：

Δd1=O1O2=O1C-O2C==d2sinα21－d-Td2sinα21sinα21Td26.2.3.2常見(jiàn)定位方法的定位誤差計(jì)算(3)工件以內(nèi)孔表面定位時(shí)的定位誤差考慮工件孔與定位心軸采用間隙配合，以孔中心線為工序基準(zhǔn)時(shí)的定位誤差。注意：心軸的中心線位置不變。此時(shí)，工序基準(zhǔn)和定位基準(zhǔn)都是中心線，基準(zhǔn)重合，故但是，由于工件孔和心軸是間隙配合又都有制造誤差，所以存在孔中心線的位置變化，即有基準(zhǔn)位置誤差，故6.2.3.2常見(jiàn)定位方法的定位誤差計(jì)算(3)工件以內(nèi)孔表面定位時(shí)的定位誤差根據(jù)工件裝夾時(shí)心軸放置位置的不同，可分為如下兩種情況：①心軸垂直放置（圖6.22（a））改錯(cuò)6.2.3.2常見(jiàn)定位方法的定位誤差計(jì)算(3)工件以內(nèi)孔表面定位時(shí)的定位誤差①心軸垂直放置（圖6.22（a））6.2.3.2常見(jiàn)定位方法的定位誤差計(jì)算(3)工件以內(nèi)孔表面定位時(shí)的定位誤差②工件單向靠緊定位，如定位心軸水平放置，或在夾緊力作用下單向推移工件靠緊定位（圖6.22（b））改錯(cuò)定位心軸水平放置單向推移工件靠緊定位6.2.3.2常見(jiàn)定位方法的定位誤差計(jì)算(3)工件以內(nèi)孔表面定位時(shí)的定位誤差②工件單向靠緊定位，如定位心軸水平放置，或在夾緊力作用下單向推移工件靠緊定位（圖6.22（b））(4)工件以“一面兩孔”（夾具上“一面兩銷”）定位時(shí)的定位誤差這種定位屬于過(guò)定位,甚至兩孔無(wú)法套在定位銷上(4)工件以“一面兩孔”（夾具上“一面兩銷”）定位時(shí)的定位誤差解決上述過(guò)定位問(wèn)題的方法有：a.減小第二個(gè)銷子的直徑；缺點(diǎn)：配合間隙大，轉(zhuǎn)角誤差加大b.第二個(gè)銷子改成削角銷；優(yōu)點(diǎn)：第2個(gè)銷直徑不變，轉(zhuǎn)角誤差小c.

將第二個(gè)銷子設(shè)計(jì)成可沿X方向移動(dòng)的（但結(jié)構(gòu)復(fù)雜）。(4)工件以“一面兩孔”（夾具上“一面兩銷”）定位時(shí)的定位誤差①.減小第二個(gè)銷子的直徑圖改錯(cuò)為了推導(dǎo)第二個(gè)銷子直徑，特假設(shè)：孔1與銷1中心重合；孔2與銷2之間的最小配合間隙為△2min＝0.(4)工件以“一面兩孔”（夾具上“一面兩銷”）定位時(shí)的定位誤差①.減小第二個(gè)銷子的直徑情況一：孔心距最?。↙－TLD），孔直徑最?。―1，D2）；銷心距最大（L＋TLd），銷直徑最大（d1，d′2）。(4)工件以“一面兩孔”（夾具上“一面兩銷”）定位時(shí)的定位誤差①.減小第二個(gè)銷子的直徑情況二：孔心距最大（L＋TLD），孔直徑最?。―1，D2）；銷心距最小（L－TLd），銷直徑最大（d1，d2）。(4)工件以“一面兩孔”（夾具上“一面兩銷”）定位時(shí)的定位誤差①.減小第二個(gè)銷子的直徑(4)工件以“一面兩孔”（夾具上“一面兩銷”）定位時(shí)的定位誤差②.第二個(gè)銷子改成削角銷圖及推導(dǎo)過(guò)程改錯(cuò)(4)工件以“一面兩孔”（夾具上“一面兩銷”）定位時(shí)的定位誤差1）在平面內(nèi)任意方向的位移誤差

“1”孔中心線O1在X、Y方向的最大位移為:△dw1=TD1

+Td1

+△1min＝

△1max

“2”孔中心線O2在X方向的最大位移為：△dw2x=△dw1＋2TLD

“2”孔中心線O2在Y方向的最大位移為：△dw2y=TD2+

Td2+

△2min

＝△2max2）轉(zhuǎn)角誤差

△dw(θ)

=2△θ=2arctan((△dw1x+△dw2x)/2L)

=2arctan((△1max+

△

2max)/2L)

要減小角度定位誤差，①提高孔銷精度，減小配合間隙；②增大孔（銷）中心距6.2.4定位誤差計(jì)算實(shí)例6.2.4定位誤差計(jì)算實(shí)例6.2.4定位誤差計(jì)算實(shí)例6.2.4定位誤差計(jì)算實(shí)例6.2.4定位誤差計(jì)算實(shí)例6.2.4定位誤差計(jì)算實(shí)例保證加工精度實(shí)現(xiàn)的條件若規(guī)定工件的加工允差為δ工件，以Δ夾具表示與采用夾具有關(guān)的誤差，以Δ加工表示除夾具外與工藝系統(tǒng)其它因素（如機(jī)床誤差、刀具誤差、受力受熱變形等）有關(guān)的加工誤差，為保證工件的加工精度要求，必須滿足誤差計(jì)算不等式：

δ工件≥Δ夾具＋Δ加工

制訂夾具公差時(shí)，應(yīng)保證夾具的定位、制造和調(diào)整誤差的總和不超過(guò)零件公差的三分之一。

6.3工件(在夾具中)的加緊1.夾緊裝置的組成及基本要求組成（1）力源裝置（2）中間傳力機(jī)構(gòu)（3）夾緊元件作用1）改變作用力的方向；2）改變作用力的大?。?）使夾緊實(shí)現(xiàn)自鎖。1）夾緊時(shí)不破壞工件定位后的正確位置；

穩(wěn)2）夾緊力大小要適當(dāng)，夾緊安全可靠；牢3）夾緊動(dòng)作要迅速、準(zhǔn)確；

快4）結(jié)構(gòu)緊湊，易于制造與維修?；疽?.3.1夾緊力的確定必須合理確定夾緊力的三要素：大小、方向和作用點(diǎn)

(1)夾緊力方向的確定

1）主要夾緊力方向應(yīng)垂直于主要定位面

2）夾緊力的作用方向應(yīng)使所需夾緊力最小

3）夾緊力的作用方向應(yīng)使工件變形盡可能小

(２)夾緊力作用點(diǎn)的確定

1）夾緊力應(yīng)作用在剛度較好部位

2）夾緊力作用點(diǎn)應(yīng)正對(duì)支承元件或位于支承元件形成的支承面內(nèi)3）夾緊力作用點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近加工表面

(３)夾緊力大小的確定

夾緊力的大小根據(jù)切削力、工件重力的大小、方向和相互位置關(guān)系具體計(jì)算，并乘以安全系數(shù)K，一般精加工K=1.5～2，粗加工K=

2.5～3。Q′——按工件受力的平衡條件計(jì)算得到的夾緊力。

K——安全系數(shù)。6.3.2常用夾緊機(jī)構(gòu)6.3.2.1斜楔夾緊機(jī)構(gòu)以斜楔為研究對(duì)象，夾緊時(shí)根據(jù)靜力平衡原理，有

FQ=F1+FRXF1=FJtanΦ1FRX=FJtan(α＋Φ2)FJ=FQ/[tanΦ1＋tan(α＋Φ2)]設(shè)Φ1=Φ2=Φ，當(dāng)α≤10°，可用下式近似計(jì)算FJ=FQ/(

tanα＋2Φ)夾緊力FQ去除，斜楔受到F1、FRX作用，要能自鎖，必須滿足下式

F1＞FRXF1=FJtanΦ1FRX=FJtan(α－Φ2)tanΦ1＞tan(α－Φ2)

即Φ1＞(α－Φ2)

或α＜Φ1＋Φ2一般Φ1=Φ2=Φ=5～7°，故當(dāng)α＜10～14°時(shí)自鎖，一般取α=6～8°

斜楔夾緊的特點(diǎn)：

1）有增力作用，擴(kuò)力比i=FJ

/FQ

，約等于3；

2）夾緊行程小,h/s=tanα，故h遠(yuǎn)小于s；

3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但操作不方便。主要用于機(jī)動(dòng)夾緊，且工件質(zhì)量較高的場(chǎng)合。6.3.2.2螺旋夾緊機(jī)構(gòu)(1)螺桿夾緊力計(jì)算(1)螺桿夾緊力計(jì)算(1)螺桿夾緊力計(jì)算(2)螺旋夾緊的自鎖性能和傳力系數(shù)6.3.2.2螺旋夾緊機(jī)構(gòu)螺旋夾緊特點(diǎn)：

1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自鎖性好，夾緊可靠；

2）擴(kuò)力比約為80,遠(yuǎn)比斜楔夾緊力大；

3）夾緊行程不受限制；

4）夾緊動(dòng)作慢，輔助時(shí)間長(zhǎng)，效率低（4）其它夾緊機(jī)構(gòu)1）螺旋壓板夾緊機(jī)構(gòu)(3)螺旋與壓板組合夾裝置3）聯(lián)動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)4）多件夾緊機(jī)構(gòu)6.3.2.3圓偏心夾緊機(jī)構(gòu)常見(jiàn)的偏心輪—壓板夾緊機(jī)構(gòu)1）圓偏心夾緊原理及其幾何特性

偏心夾緊實(shí)質(zhì)是一種斜楔夾緊，但各點(diǎn)升角不等，m、n處升角為為0，

P處升角最大。教材圖6.45(b)改錯(cuò)

2）圓偏心夾緊的自鎖條件

圓偏心弧mPn上任意點(diǎn)X的升角的計(jì)算：

過(guò)X點(diǎn)分別作該點(diǎn)與回轉(zhuǎn)中心O和幾何中心O1連線的垂線XA和XB，兩垂線的夾角就是X點(diǎn)的升角αX，該角也等于X點(diǎn)與回轉(zhuǎn)中心O和幾何中心O1連線O1

X、OX的夾角。

2）圓偏心夾緊的自鎖條件

P點(diǎn)（展開(kāi)圖90的點(diǎn)）附近升角最大，但升角變化較小。

P點(diǎn)夾緊時(shí)能自鎖