《機械制造工藝裝備》課件第6章

第6章機床專用夾具設(shè)計

6.1夾具概述

6.2常見定位方法和定位元件

6.3夾緊原理與裝置

6.4各類機床夾具典型結(jié)構(gòu)示例

6.5專用夾具設(shè)計過程及示例

思考與練習(xí)題

6.1夾具概述

6.1.1夾具的作用和分類

1.機床夾具的作用

在機械加工中,為了迅速、準(zhǔn)確地確定工件在機床上的位置,進(jìn)而正確地確定工件與機床、刀具的相對位置關(guān)系,并在加工中始終保持這個正確位置的工藝裝備稱為機床夾具。

(1)保證加工精度,穩(wěn)定加工質(zhì)量。工件經(jīng)過在夾具上裝夾,使得工件與機床、刀具之間獲得了穩(wěn)定且正確的相對位置和幾何關(guān)系,因此可以較容易地保證工件的加工精度。

(2)提高勞動生產(chǎn)率。使用夾具后,工件的定位、夾緊能在很短的時間內(nèi)完成,縮短輔助時間，提高生產(chǎn)率。

(3)改善工人的勞動條件。降低對工人的技術(shù)要求，用夾具裝夾工件,方便、省力、安全。

(4)降低生產(chǎn)成本。在批量生產(chǎn)中使用夾具時,由于勞動生產(chǎn)率的提高和允許使用技術(shù)等級較低的工人操作,故可明顯降低生產(chǎn)成本。

(5)擴大機床的工藝范圍。根據(jù)機床的成形運動,附以不同類型的夾具,即可擴大原有機床的工藝范圍。例如在車床的溜板上或搖臂鉆床的工作臺上裝上鏜模,即可進(jìn)行箱體的鏜孔加工。

2.機床夾具的分類

機床夾具的種類很多,現(xiàn)按幾種常見的分類方法描述如下:

(1)按機床夾具的通用特性分類。這是一種基本的分類方法,主要反映機床夾具在不同生產(chǎn)類型中的通用特性。這是我們選擇夾具的主要依據(jù)。

①通用夾具:通用夾具是指夾具的結(jié)構(gòu)、尺寸已標(biāo)準(zhǔn)化、系列化,具有一定通用性的夾具。如三爪自定心卡盤、四爪單動卡盤、萬能分度頭、機用虎鉗、頂尖、中心架、跟刀架、回轉(zhuǎn)工作臺、電磁吸盤等。這類夾具作為機床附件已經(jīng)商品化了。

②專用夾具:專用夾具是針對某一工件某一工序的加工要求而專門設(shè)計和制造的機床夾具。這類夾具專用性強、操作迅速方便。

③可調(diào)夾具:可調(diào)夾具是針對通用夾具和專用夾具的缺陷發(fā)展而來的一類新型夾具。對于不同類型和尺寸的工件,只需調(diào)整或更換原來夾具上的個別定位元件和夾緊元件便可使用。

在通用夾具上設(shè)置可調(diào)(或可換)元件構(gòu)成可調(diào)夾具,則稱為通用可調(diào)夾具,其通用范圍比通用夾具更大;在專用夾具上設(shè)置可調(diào)(或可換)元件構(gòu)成可調(diào)夾具,則稱為專用可調(diào)夾具,也稱成組夾具。它是按成組原理設(shè)計并能加工一族相似的工件,故能在多品種,中、小批量生產(chǎn)中取得較好的經(jīng)濟效益。

④組合夾具:組合夾具是在夾具零、部件標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種模塊化夾具。標(biāo)準(zhǔn)的模塊元件具有較高的精度和耐磨性,可組裝成各種夾具,夾具用畢可拆卸,經(jīng)清洗后入庫留待組裝新的夾具。組合夾具也已經(jīng)商品化。

⑤自動線夾具:自動線夾具一般分為兩種:一種為固定式夾具,它與專用夾具相似;另一種為隨行夾具,使用中夾具隨工件一起在自動線上運動,將工件沿著自動線從一個工位移至下一個工位加工。

(2)按夾具使用的機床分類。這是專用夾具設(shè)計所用的分類方法。按夾具在何種機床上使用分為:車床夾具、銑床夾具、鉆床夾具、鏜床夾具、磨床夾具和其他機床夾具等。設(shè)計時要求機床的類別、型號和主要參數(shù)均已確定。

(3)按夾緊動力源分類。按夾具夾緊時使用的動力源,可將夾具分為手動夾具和機動夾具,機動夾具又可分為氣動夾具、液壓夾具、氣液夾具、電動夾具、電磁夾具、真空夾具和其他夾具。其選擇應(yīng)根據(jù)工件生產(chǎn)批量的大小、所需夾緊力的大小、企業(yè)現(xiàn)有的生產(chǎn)條件等綜合考慮。

6.1.2夾具的組成

(1)定位裝置。夾具上用來確定工件位置的一些元件總稱定位裝置。定位裝置是機床夾具的主要功能元件之一,其功能是確定工件在夾具上的正確位置。

(2)夾緊裝置。夾具中由夾緊元件、中間傳力機構(gòu)和動力裝置構(gòu)成的裝置稱為夾緊裝置。夾緊裝置也是機床夾具的主要功能元件之一,其功能是確保工件定位后獲得的正確位置在加工過程中各種力的作用下保持不變。

(3)夾具體。夾具體是機床夾具的基礎(chǔ)支承件,是基本骨架。其功能是將夾具中的定位裝置、夾緊裝置及其他所有元件或裝置連接起來構(gòu)成一個整體,并通過它與機床相連接,以確定整個夾具在機床上的位置。

(4)連接元件。連接元件用來確定夾具本身在機床上的位置。根據(jù)機床的工作特點,夾具在機床上的裝夾連接有兩種形式:一種是裝夾在機床工作臺上,例如銑床夾具、鏜床夾具等;另一種是裝夾在機床主軸上,例如車床夾具中的心軸類、花盤類夾具等。夾具在機床上的裝夾形式不同,所用的連接元件也不相同,例如銑床夾具上用于與銑床工作臺連接用的定位鍵、花盤類車床夾具與車床主軸連接用的過渡盤都是連接元件。

(5)對刀元件。對刀元件用來確定刀具與工件的位置。它是銑床夾具的特殊元件,加工前,用對刀塊來調(diào)整銑刀的位置。

(6)導(dǎo)向元件。導(dǎo)向元件用來調(diào)整刀具的位置,并引導(dǎo)刀具進(jìn)行切削。它是鉆床夾具和鏜床夾具所特有的特殊元件,主要指鉆模中的鉆套和鏜模中的鏜套等。加工時,鉆頭與鉆套、鏜桿與鏜套之間均應(yīng)留有適量間隙,因此鉆頭和鏜桿的中心就有可能略偏離理想位置,這是影響鉆床夾具和鏜床夾具加工精度的一個因素。

(7)其他元件或裝置。根據(jù)不同工件的不同加工表面要素的加工需要,有些夾具分別需要采用分度裝置、靠模裝置、上下料裝置、頂出器和平衡塊等,以分別滿足生產(chǎn)率、加工精度、仿形、裝卸工件等其他要求。這些裝置或元件一般需專門設(shè)計。

6.1.3定位誤差的組成及分析

1.工件在夾具中加工時加工誤差的組成

工件在機床夾具中裝夾時,是否能達(dá)到工件的加工精度要求,這是夾具設(shè)計人員必須解決的重要問題。使用夾具時,造成表面位置的加工誤差包括下列四方面:

(1）ΔA——夾具位置誤差，即定位元件相對機床的切削成形運動的位置誤差。它包括ΔA1——定位元件定位面對夾具體基面的誤差；ΔA2——夾具的安裝連接誤差。

(2)ΔD——定位誤差，即由定位引起的工序基準(zhǔn)的位置誤差。

(3)ΔT——刀具相對夾具的位置誤差，即對刀導(dǎo)向誤差。

(4)ΔG——與加工過程中一些因素有關(guān)的加工誤差。包括機床誤差、刀具誤差以及工藝系統(tǒng)的受力變形(如夾緊誤差)、熱變形、磨損等因素造成的加工誤差。

為了保證工件的加工要求，上述誤差合成不應(yīng)超出工件的加工公差δk，即

上述誤差不等式中，與夾具有關(guān)的誤差是ΔA、ΔD、ΔT三項。本節(jié)先研究與工件在夾具中定位有關(guān)的誤差ΔD。

2．定位誤差及其產(chǎn)生的原因

工件按六點定位規(guī)則定位后，它在夾具中的位置就已被確定，然而由于種種原因，工件仍會產(chǎn)生定位誤差。為了保證工件的加工精度，在定位設(shè)計時要仔細(xì)分析和研究定位誤差。

目前，隨著機械加工精度的不斷提高，許多高精度的定位已將定位誤差限制在極小的范圍內(nèi)。例如高精度的定中心定位，使主軸的徑向圓跳動公差達(dá)到0.0005mm以內(nèi)。通常認(rèn)為當(dāng)ΔD≤δk／3時，定位誤差是較合適的。

1)定位誤差的定義

由定位引起的同一批工件的工序基準(zhǔn)在加工尺寸方向上的最大變動量，稱為定位誤差，以ΔD表示。

定位誤差研究的主要對象是工件的工序基準(zhǔn)和定位基準(zhǔn)。工序基準(zhǔn)的變動量將影響工件的尺寸精度和位置精度。

2)．定位誤差產(chǎn)生的原因

造成定位誤差的原因是定位基準(zhǔn)與工序基準(zhǔn)不重合以及定位基準(zhǔn)的位移誤差兩個方面。

1)基準(zhǔn)不重合誤差ΔB

由于定位基準(zhǔn)與工序基準(zhǔn)不重合而造成的定位誤差，稱為基準(zhǔn)不重合誤差，以ΔB表示。圖6-1所示為工件在夾具中定位后銑削臺階面。把銑刀調(diào)整到距離E面為30mm，距離F面為20mm，以保證得到工件上相應(yīng)的尺寸30mm和20±0.15mm，但由于工件的高度40±0.14在前道工序中有允許加工誤差±0.14mm，因此使得這一批工件的工序基準(zhǔn)面C相對于夾具定位支承面而在尺寸20±0.15方向上有0.28mm的變動量。使加工出來的工件尺寸20有大有小，這種由于定位基準(zhǔn)和工序基準(zhǔn)不重合而造成的誤差就是基準(zhǔn)不重合誤差ΔB，要消除這種誤差的唯一方法是遵循基準(zhǔn)重合的工藝原則。

圖6－1基準(zhǔn)不重合誤差

圖6－2基準(zhǔn)重合

基準(zhǔn)不重合誤差的計算可以先找出加工工件的定位基準(zhǔn)和工序基準(zhǔn)位置，然后確定它們之間的聯(lián)系尺寸，有時在圖紙上直接給出(如圖6-1中的40±0.14)，有時需通過尺寸鏈換算求得，如圖6-3所示工件的鏜孔，工序基準(zhǔn)為E面，通常為了安裝方便和夾持可靠而選A面為定位基準(zhǔn)，E面與A面之間的聯(lián)系尺寸通過Ll、L2、L3、L4求得：

其公差為各組成環(huán)公差之和(參見第3章),即:圖6－3座架鏜孔時的尺寸關(guān)系

圖6－4基準(zhǔn)位移誤差基準(zhǔn)位移誤差的計算應(yīng)找出由定位副(工件定位表面與定位元件合稱為定位副)的制造誤差造成的定位基準(zhǔn)在加工方向上可能產(chǎn)生的最大位移,下面介紹幾種常用定位方法的基準(zhǔn)位移誤差的計算。

①工件以平面定位。工件以平面定位時,采用支承釘或支承板來定位,如圖6－5中銑削臺階面,要求保證尺寸100±0.1mm,其基準(zhǔn)位移誤差為:圖6-5平面定位時的基準(zhǔn)位移誤差

②工件以圓柱孔為定位表面。當(dāng)工件以圓柱孔為定位表面在夾具定位元件的外圓柱表面上定位時,工件的定位基準(zhǔn)可認(rèn)為是孔的中心軸線。

若定位副之間為間隙配合,則圓柱體水平放置時,工件的定位基準(zhǔn)向下移動(如圖6－4所示),在垂直方向上的基準(zhǔn)位移誤差為:如果圓柱體垂直放置時,工件定位基準(zhǔn)在徑向的位移誤差為:③工件以外圓在V形塊上定位時。工件以外圓在V形塊上定位時,因V形塊是按照與工件直徑相同的標(biāo)準(zhǔn)芯棒中心線為對刀依據(jù),故在理想條件下,工件的外圓中心線應(yīng)與芯棒中心重合。所以,可將工件外圓的中心線作為定位基準(zhǔn)。

由于工件外圓直徑有制造誤差,致使定位基準(zhǔn)相對于芯棒中心產(chǎn)生位移誤差如圖6－6(a)所示,其值為:另外,工件加工尺寸標(biāo)注方法不同,其位移誤差也不相同(見圖6－6(b))。

圖6－6工件在V形塊上定位時的位移誤差

標(biāo)注尺寸為B2時，基準(zhǔn)重合(ΔB=0)：

標(biāo)注尺寸為B3時，因基準(zhǔn)不重合，除了位移誤差外，還有基準(zhǔn)不重合誤差，兩者的矢量和為：

標(biāo)注尺寸為B1時，基準(zhǔn)不重合誤差使尺寸B1減小，而位移誤差使B1增大，故定位誤差為：

6.2常見定位方法和定位元件

6.2.1平面定位和支承元件

1.主要支承

主要支承用來限制工件自由度,起定位作用。

(1)固定支承。固定支承有支承釘和支承板兩種形式,如圖6－7所示,在使用過程中它們都是固定不動的。當(dāng)工件以粗糙不平的毛坯面定位時,采用球頭支承釘(見圖(b));齒紋頭支承釘(見圖(c)),用在工件側(cè)面,以增大摩擦因數(shù),防止工件滑動;當(dāng)工件以加工過的平面定位時,可采用平頭支承釘(見圖(a))或支承板;如圖(d)所示的支承板結(jié)構(gòu)簡單,制造方便,但孔邊切屑不易清除干凈,故適用于側(cè)面和頂面定位;如圖(e)所示支承板便于清除切屑,適用于底面定位。

圖6－7支承釘和支承板

圖6－8襯套的應(yīng)用

需要經(jīng)常更換的支承釘應(yīng)加襯套,如圖6－8所示。支承釘、支承板均已標(biāo)準(zhǔn)化,其公差配合、材料、熱處理等可查國家標(biāo)準(zhǔn)《機床夾具零件及部件》。一般支承釘與夾具體孔的配合可取H7/n6或H7/r6。如用襯套則支承釘與襯套內(nèi)孔的配合可取H7/js6。當(dāng)要求幾個支承釘或支承板裝配后等高時,可采用裝配后一次磨削法,以保證它們的工作面在同一平面內(nèi)。

工件以平面定位時,除了采用上面介紹的標(biāo)準(zhǔn)支承釘和支承板,也可根據(jù)工件定位平面的不同形狀設(shè)計相應(yīng)的支承板。

(2)可調(diào)支承。在工件定位過程中,支承釘?shù)母叨刃枵{(diào)整時,應(yīng)采用如圖6－9所示可調(diào)支承。圖6－10(a)中,工件為砂型鑄件,先以A面定位銑B面,再以B面定位鏜雙孔。銑B面時若用固定支承,由于定位基面A的尺寸和形狀誤差較大,銑完后的B面與兩毛坯孔(圖6－10(a)中的點劃線)的距離尺寸H1,H2變化也大,使鏜孔時余量很不均勻,甚至可能使余量不夠。因此圖6－10(a)中應(yīng)采用可調(diào)支承,定位時適當(dāng)調(diào)整支承釘?shù)母叨?便可避免出現(xiàn)上述情況。對于中小型零件,一般每批調(diào)整一次,調(diào)整好后,用鎖緊螺母擰緊固定,此時其作用與固定支承完全相同。若工件較大且毛坯精度較低時,也可能每件都要調(diào)整。

圖6－9可調(diào)支承

圖6－10可調(diào)支承的應(yīng)用

(3)自位支承。工件定位過程中,能自動調(diào)整位置的支承稱為自位支承,或浮動支承。

圖6－11(a)和(b)所示是兩點式自位支承。圖6－11(c)所示是三點式自位支承。這類支承的工作特點是:支承點的位置能隨著工件定位基面位置的變動而自動調(diào)整,定位基面壓下其中一點,其余點便上升,直至各點均與工件接觸。接觸點數(shù)的增加,提高了工件裝夾剛度和穩(wěn)定性,但其作用相當(dāng)于一個固定支承,只限制了工件的一個自由度。自位支承適用于工件以毛坯面定位或定位剛性較差的場合。

圖6－11自位支承

(a)兩點式自位支承；(b)兩點式自位支承；(c)三點式自位支承

2.輔助支承

輔助支承用來提高裝夾剛度和穩(wěn)定性,不起定位作用。如圖6－12所示,工件以內(nèi)孔及端面定位鉆右端小孔。若右端不設(shè)支承,工件裝夾后,右臂為一懸臂,剛性差。若在A點設(shè)置固定支承則屬過定位,有可能破壞左端定位。在這種情況下,宜在右端設(shè)置輔助支承。工件定位時,輔助支承是浮動的(或可調(diào)的),待工件夾緊后再把輔助支承固定下來,以承受切削力。

圖6－12輔助支承的應(yīng)用

(1)螺旋式輔助支承。如圖6－13(a)所示螺旋式輔助支承的結(jié)構(gòu)與可調(diào)式支承相近,但操作過程不同,前者不起定位作用,而后者起定位作用。

(2)自位式輔助支承。如圖6－13(b)所示,彈簧2推動滑柱1與工件接觸,用頂柱3鎖緊,彈簧力應(yīng)能推動滑柱,但不可推動工件。

(3)推引式輔助支承。如圖6－13(c)所示,工件定位后,推動手輪4使滑銷5與工件接觸,然后轉(zhuǎn)動手輪使斜楔6開槽部分漲開鎖緊。

圖6－13輔助支承

(a)螺旋式；(b)自位式;(c)推引式

6.2.2外圓定位與定位元件

工件以外圓柱面定位時常用的定位元件如下。

1.V形塊

如圖6－14所示,V形塊主要參數(shù)有d(V形塊的設(shè)計心軸直徑,d等于工件定位基面的平均尺寸,其軸線是定位基準(zhǔn));α(V形塊兩工作面間的夾角,有60°、90°、120°三種,以90°應(yīng)用最廣);H(V形塊的高度);T(V形塊的定位高度,即V形塊的定位基準(zhǔn)至V形塊底面的距離);N(V形塊的開口尺寸)。V形塊已標(biāo)準(zhǔn)化了,H,N等參數(shù)均可從國家標(biāo)準(zhǔn)《機床夾具零件和部件》中查得,但T必須計算。

圖6－14

V形塊的結(jié)構(gòu)尺寸

圖6－15所示為常用V形塊的結(jié)構(gòu)。其中圖(a)用于短的精定位基面;圖(b)用于粗基面和階梯定位面;圖(c)用于較長的精基面和相距較遠(yuǎn)的兩個定位基準(zhǔn)面。V形塊不一定采用整體結(jié)構(gòu)的鋼,可在鑄鐵底座上鑲淬硬支承板或硬質(zhì)合金板,如圖6－9(d)所示。

圖6－15

V形塊的結(jié)構(gòu)形式

V形塊有活動式和固定式之分?；顒覸形塊的應(yīng)用如圖6－16(a)所示加工軸承座孔的定位方式,活動V形塊除限制一個自由度外,同時還有夾緊作用。圖6－16(b)所示V形塊只起定位作用,限制工件一個自由度。固定V形塊與夾具體的連接,一般采用兩個定位銷和2～4個螺釘,定位銷孔在裝配時調(diào)整好位置后與夾具體一起配鉆、配鉸,然后打入定位銷。

V形塊既能用于精基面,又能用于粗基面;能用于完整的圓柱面,也能用于局部的圓柱面;而且具有對中性好的特點,活動V形塊還可兼作夾緊元件。因此當(dāng)工件以外圓定位時,V形塊是應(yīng)用得最多的定位元件。

圖6－16活動V形塊的應(yīng)用

2.定位套

圖6－17所示為常用的幾種定位套,其內(nèi)孔表面是定位工作面。通常,定位套的圓柱面與端面結(jié)合定位,限制工件五個自由度。當(dāng)用端面作為主要定位基面時,應(yīng)控制長度,以免過定位而在夾緊時使工件產(chǎn)生不允許的變形。這種定位方式是間隙配合的中心定位,故對定位基面的精度要求也較嚴(yán)格,通常取軸頸精度IT7,IT8,表面粗糙度Ra值小于0.8μm。定位套結(jié)構(gòu)簡單,制造容易,但定心精度不高,常用于小型、形狀簡單零件的定位。此外,還有自動定心和夾緊的彈性薄壁套對外圓表面定位。

圖6－17常用定位套

3.半圓套

如圖6－18所示,下面的半圓套是定位元件,上面的半圓套起夾緊作用。這種定位方式主要用于大型軸類零件及不便于軸向裝夾的零件。定位基面的精度不低于IT8～I(xiàn)T9,半圓套的最小內(nèi)徑應(yīng)取工件定位基面的最大值。

圖6－18半圓套定位裝置

4.圓錐套

圖6－19所示為常用的反頂尖,由頂尖體1、螺釘2和圓錐套3組成。工件以圓柱面的端部在圓錐孔中定位,錐孔中有齒紋,以帶動工件旋轉(zhuǎn)。頂尖體1的錐柄部分插入機床主軸孔中,螺釘2用來傳遞扭矩。

圖6－19工件在圓錐套中

5.三小圓柱定外圓

圖6－20所示的是采用三點決定一個圓的基本原理設(shè)計的特殊外圓定位裝置,它具有操作方便,接觸面積小等特點。對于有磁力的工件吸力小,裝夾輕松容易。

圖6－20三個外圓柱定工件外圓

6.2.3內(nèi)孔定位與定位元件

1.圓柱銷(定位銷)

圖6－21所示為常用定位銷結(jié)構(gòu)。當(dāng)定位銷直徑D小于3～10mm時,為避免使用中折斷或熱處理時淬裂,通常將根部制成圓角R。夾具體上應(yīng)有沉孔,使定位銷的圓角部分沉入孔內(nèi)而不影響定位。大批大量生產(chǎn)時,為了便于定位銷的更換,可采用如圖6－21(d)所示的帶有襯套的結(jié)構(gòu)形式。為了便于工件裝入,定位銷頭部有15°的倒角。此時襯套的外徑與夾具體底孔采用H7/h6或H7/r6配合,而內(nèi)徑與定位銷外徑采用H7/h6或H7/h5配合。

圖6－21定位銷

2.圓柱心軸

圓柱心軸在很多工廠中有自己的廠標(biāo)。圖6－22所示為常用心軸的結(jié)構(gòu)形式。圖6－22(a)所示為間隙配合心軸。心軸的圓柱配合面一般按h6,g6或f7制造,裝卸工件方便,但定心精度不高。為減少因配合間隙而造成的工件傾斜,工件常以孔和端面聯(lián)合定位,因而要求工件定位孔與定位端面之間、心軸定位圓柱面與定位平面之間都有較高的垂直度要求,最好能在一次裝夾中加工出來。圖6－22(b)所示為過盈配合心軸,由引導(dǎo)部分、工作部分、傳動部分組成。圖6－22(c)所示是花鍵心軸,用于加工以花鍵孔定位的工件。當(dāng)工件定位孔的長徑比L/d>1時,工作部分可稍帶錐度。心軸在機床上的裝夾如圖6－23所示。

圖6－22圓柱心軸

圖6－23心軸在機床上的裝夾方式

3.圓錐銷

圖6－24所示為工件以圓孔在圓錐銷上定位的示意,它限制了工件的X、Y、Z三個移動自由度。其中圖(a)所示用于粗定位基面,圖(b)所示用于精定位基面。工件在單個定位銷上定位容易傾斜,為此圓錐銷一般與其他元件組合定位。

圖6－24圓錐銷定位

4.圓錐心軸(小錐度心軸)

如圖6－25所示,工件在錐度心軸上定位,并靠工件定位基準(zhǔn)孔與心軸工作圓錐表面的彈性變形夾緊工件,這種定位方式的定心精度較高,可達(dá)?0.02～?0.01,但工件軸向位移誤差較大,適用于工件定位孔精度不低于IT7的精車和磨削,但不能作為軸向定位加工端面等有軸向尺寸精度的工件。為保證心軸有足夠的剛度,心軸的長徑比L/d>8時,應(yīng)將工件按定位孔的公差范圍分為2～3組,每組設(shè)計一根心軸。

圖6－25小錐度心軸

6.2.4組合定位

工件以多個定位基準(zhǔn)組合定位是很常見的。它們可以是平面、外圓柱面、內(nèi)圓柱面、圓錐面等的各種組合。工件組合定位時,應(yīng)注意下列問題:

(1)合理選擇定位元件,實現(xiàn)工件的完全定位或不完全定位。不能發(fā)生欠定位、過定位。

(2)按基準(zhǔn)重合原則選擇定位基準(zhǔn)。首先確定主要定位基準(zhǔn),然后再確定其他定位基準(zhǔn)。

(3)組合定位中,一些定位元件原單獨使用時限制沿坐標(biāo)軸方向的自由度,而在組合定位時則轉(zhuǎn)化為限制繞坐標(biāo)軸方向的自由度。

(4)從多種定位方案中選擇定位元件時,應(yīng)特別注意定位元件所限制的自由度與加工精度的關(guān)系,以滿足加工要求。

最常見的組合定位是工件以兩孔一面定位,即夾具上的“一面雙銷”定位,在加工箱體、支架類零件時(見圖6－26),常用工件的兩孔一面定位,以使基準(zhǔn)統(tǒng)一。若工件上無定位孔,需專門加工兩個定位工藝孔,這種定位方式所采用的定位元件為支承板、定位銷和菱形銷。

圖6－26兩孔一面定位

工件是以平面作主要定位基準(zhǔn),用支承板限制工件的三個自由度(X、Y轉(zhuǎn)動和Z移動);其中一孔用定位銷定心定位,限制工件的兩個自由度(X、Y移動);另一孔僅消除工件的一個自由度(Z轉(zhuǎn)動)。菱形銷作為防轉(zhuǎn)支承,其布置應(yīng)使長軸方向與兩銷的中心連線相垂直,并應(yīng)正確選擇菱形銷直徑的基本尺寸和經(jīng)削邊后圓柱部分的寬度。

6.3夾緊原理與裝置

6.3.1夾緊裝置及其要求

1.夾緊裝置的組成

在機械加工前,工件在夾具的定位元件上獲得正確位置之后,還必須在夾具上設(shè)置夾緊機構(gòu)將工件夾緊,以保證工件在加工過程中不致因受到切削力、慣性力、離心力或重力等外力作用而產(chǎn)生位置偏移和振動,并保持已由定位元件所確定的加工位置。由此可見夾緊機構(gòu)在夾具中占有重要地位。

夾緊裝置分為手動夾緊和機動夾緊兩類。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點和功用,典型夾緊裝置由三部分組成(見圖6－27)。

圖6－27夾緊裝置的組成

(1)力源裝置。它是產(chǎn)生夾緊力的裝置。通常是指動力夾緊時所用的氣壓裝置、液壓裝置、電動裝置、磁力裝置、真空裝置等。圖6－27中的氣缸1,便是動力夾緊中的一種氣壓裝置。手動夾緊時的力源由人力保證,它沒有力源裝置。

(2)中間傳力機構(gòu)。它是界于力源和夾緊元件之間的機構(gòu)。通過它將力源產(chǎn)生的夾緊力傳給夾緊元件,然后由夾緊元件最終完成對工件的夾緊。一般中間傳力機構(gòu)可以在傳遞夾緊力的過程中,改變夾緊力的方向和大小,并根據(jù)需要亦可具有一定的自鎖性能。圖6－27中的斜楔2,便是中間傳力機構(gòu)。

(3)夾緊元件。它是實現(xiàn)夾緊的最終執(zhí)行元件。通過它和工件直接接觸而完成夾緊工件,如圖6－27所示的壓板4。對于手動夾緊裝置而言,夾緊機構(gòu)由中間傳力機構(gòu)和夾緊元件所組成。

2.夾緊裝置的設(shè)計要求

夾緊裝置設(shè)計的好壞,不僅關(guān)系到工件的加工質(zhì)量,而且對提高生產(chǎn)效率,降低加工成本以及創(chuàng)造良好的工作條件等諸方面都有很大的影響。所以設(shè)計的夾緊裝置應(yīng)滿足下列基本要求:

①夾緊過程中,不改變工件定位后占據(jù)的正確位置。

②夾緊力的大小要可靠適當(dāng),既要保證工件在整個加工過程中位置穩(wěn)定不變,振動小,又要使工件不產(chǎn)生過大的夾緊變形。

③夾緊裝置的自動化和復(fù)雜程度應(yīng)與生產(chǎn)綱領(lǐng)相適應(yīng),在保證生產(chǎn)率的前提下,其結(jié)構(gòu)要力求簡單,以便于制造和維修。

④夾緊裝置的操作應(yīng)當(dāng)方便、安全、省力。

6.3.2夾緊力三要素的確定

夾緊力的概念是由力的大小、方向和作用點(數(shù)量和位置)三個要素體現(xiàn)的,它對夾緊機構(gòu)的設(shè)計起著決定性的作用。在設(shè)計夾緊裝置時,首先要確定的就是夾緊力的三要素,然后進(jìn)一步選擇適當(dāng)?shù)膫髁Ψ绞?并具體設(shè)計合理的夾緊機構(gòu)。

1.夾緊力方向的確定

在實際生產(chǎn)中,盡管工件的裝夾方式各式各樣,但對夾緊力作用方向的選擇必須考慮下面幾點:

(1)夾緊力的作用方向應(yīng)不破壞工件定位的準(zhǔn)確性和可靠性。要做到這條要求,夾緊力的方向應(yīng)朝向主要定位基準(zhǔn),把工件壓向定位元件的主要定位表面上。如圖6－28所示直角支座鏜孔,要求孔與A面垂直,故應(yīng)以A面為主要定位基準(zhǔn),且夾緊力方向與之垂直,則較容易保證質(zhì)量。反之,若壓向B面,當(dāng)工件A、B兩面有垂直度誤差,就會使孔不垂直A面而可能報廢。

圖6－28夾緊力方向?qū)︾M孔垂直度的影響

(2)夾緊力方向應(yīng)使工件變形盡可能小。由于工件在不同方向上剛度是不等的;不同的受力表面也因其接觸面積大小而變形各異,尤其在夾壓薄壁零件時,更需注意。如圖6－29所示套筒,用三爪自動卡盤夾緊外圓,顯然要比用特制螺母從軸向夾緊工件變形要大。

圖6－29夾緊力方向與工件剛性關(guān)系

(3)夾緊力方向應(yīng)使所需夾緊力盡可能小。在保證夾緊可靠的情況下,減小夾緊力可以減輕工人的勞動強度,提高生產(chǎn)效率,同時可以使機構(gòu)輕便、緊湊以及減少工件變形。為此,應(yīng)使夾緊力Q的方向最好與切削力F、工件的重力G的方向重合,這時所需要的夾緊力為最小。如圖6－30所示在鉆床上鉆孔的情況,即為Q、F、G三力方向重合的理想情況。一般在定位與夾緊同時考慮時,力F、G、Q三力的方向與大小也要同時考慮。

圖6－30鉆孔時夾緊力方向與切削力、重力方向的關(guān)系

圖6－31夾緊方向與夾緊力大小的關(guān)系

2.夾緊力作用點的選擇

夾緊力作用點是指夾緊件與工件接觸的一小塊面積。選擇作用點的問題是指在夾緊方向已定的情況下確定夾緊力作用點的位置和數(shù)目。合理選擇夾緊力作用點必須注意以下幾點:

(1)夾緊力應(yīng)落在支承元件上或幾個支承元件所形成的支承面內(nèi)。如圖6－32(a)所示,夾緊力作用在支承面范圍之外,會使工件傾斜或移動,而圖(b)則是合理的。

圖6－32夾緊力作用點應(yīng)在支承面內(nèi)

(2)夾緊力作用點應(yīng)落在工件剛度較好的部位上。這對剛度較差的工件尤其重要,如圖6－33所示將作用點由中間的單點改成兩旁的兩點夾緊,變形大為改善,且夾緊也較可靠。

圖6－33夾緊力作用點應(yīng)在剛性較好部位

(3)夾緊力作用點應(yīng)盡可能靠近被加工表面以減小切削力對工件造成的翻轉(zhuǎn)力矩,必要時應(yīng)在工件剛性差的部位增加輔助支承并施加夾緊力,以免振動和變形。如圖6－34所示,支承a盡量靠近被加工表面,同時給予夾緊力Q2。這樣翻轉(zhuǎn)力矩小又增加了工件的剛性,既保證了定位夾緊的可靠性,又減小振動和變形。

圖6－34夾緊力應(yīng)靠近加工表面

3.夾緊力大小的確定

夾緊力大小要適當(dāng),過大了會使工件變形,過小了則在加工時工件會松動造成報廢甚至發(fā)生事故。

采用手動夾緊時,可憑人力來控制夾緊力的大小,一般不需要算出所需夾緊力的確切數(shù)值,只是必要時進(jìn)行概略的估算。

當(dāng)設(shè)計機動(如氣動、液壓、電動等)夾緊裝置時,則需要計算夾緊力的大小,以便決定動力部件的尺寸(如氣缸、活塞的直徑等)。

計算夾緊力時,一般根據(jù)切削原理的公式求出切削力的大小,必要時算出慣性力、離心力的大小,然后與工件重力及待求的夾緊力組成靜平衡力系,列出平衡方程式,即可算出理論夾緊力,再乘以安全系數(shù)K,作為所需的實際夾緊力。K值在粗加工時取2.5～3,精加工時取1.5～2。

夾緊力三要素的確定,實際是一個綜合性問題。必須全面考慮工件的結(jié)構(gòu)特點、工藝方法、定位元件的結(jié)構(gòu)和布置等多種因素,才能最后確定并具體設(shè)計出較為理想的夾緊機構(gòu)。

6.3.3典型夾緊施力機構(gòu)/裝置

在夾緊機構(gòu)中,絕大多數(shù)都是利用機械摩擦的斜面自鎖原理來夾緊工件的。在斜面自鎖機構(gòu)中最基本的形式就是楔塊。

1.楔塊夾緊機構(gòu)

圖6－35所示為楔塊夾緊鉆具。以F力將楔塊按圖示方向推入工件和夾具體之間,這時F力按力的分解原理在楔塊的兩側(cè)面上產(chǎn)生兩個擴大的分力,即夾緊工件的夾緊力Q和對夾具體的壓力R,從而將工件夾緊。

圖6－35楔塊夾緊機構(gòu)及其作用力分析

楔塊夾緊的特點：

⑴楔塊結(jié)構(gòu)簡單，有增力作用。一般擴力比，α愈小增力作用愈大。

⑵楔塊夾緊行程小，且受楔塊升角α影響，增大α可加大行程，但自鎖性能變差。

⑶夾緊和松開要敲擊大、小端，操作不方便。

為了既夾緊迅速又自鎖可靠，將斜面由兩部分組成，前部大升角(α=30°～40°)用于夾緊前的快速行程，后部分小升角(α=5°～10°)用來夾緊和自鎖。

楔塊一般用20鋼滲碳，淬硬50～55HRC。

2.螺旋夾緊機構(gòu)

將楔塊的斜面繞在圓柱體上就成為螺旋面,因此螺旋夾緊的原理與楔塊夾緊相似。螺旋夾緊機構(gòu)具有增力大、自鎖性能好兩大特點,在手動夾緊時使用極為普遍。

螺釘夾緊機構(gòu)的主要元件有螺桿、壓塊、手柄等。如圖6－36所示。螺釘夾緊機構(gòu)的主要元件已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化,在夾具設(shè)計手冊中可查得。

圖6－36螺桿夾緊機構(gòu)

實際生產(chǎn)中，螺桿-壓板夾緊機構(gòu)，在手動操作時用得比單螺旋夾緊更為普遍。圖6-37所示為較典型的三種，所產(chǎn)生的夾緊力按照杠桿原理可知它們是不一樣的，圖a的擴力比最低，“ip=1/2；圖c的ip=2；圖b的ip=1。故設(shè)計這類夾具時，要注意合理布置杠桿比例，尋求最省力、最方便的方案。

圖6－37螺桿壓板夾緊機構(gòu)

3.偏心夾緊機構(gòu)

1)圓偏心的夾緊原理

由圖6－38可知,偏心輪可以看作是一個繞在轉(zhuǎn)軸上的弧形楔(圖中徑向影線部分)。將偏心輪廓線展開,mk半圓作底邊,高為kn=2e,mPn弧為斜邊,因此圓偏心實質(zhì)是一曲線斜楔,夾緊的最大行程為2e(e為偏心距)。由圖6－38(b)可以看出,升角α隨轉(zhuǎn)動角度而變化:在m、n兩點之間的180°圓周上,P點附近的升角最大并向兩端逐漸減小,至m、n兩點升角為零。由圖6－38(a)看出,若用P點夾緊工件,P點升角最大則夾緊力最小,但P點附近升角變化緩慢,夾緊力平穩(wěn)、可靠。

圖6－38圓偏心夾緊原理及偏心升角的變化

2)偏心夾緊機構(gòu)的應(yīng)用

偏心夾緊機構(gòu)的應(yīng)用很普遍。如圖6－39和圖6－40所示就是偏心輪和偏心軸的典型應(yīng)用。

圖6－39偏心輪壓板夾緊機構(gòu)

圖6－40偏心軸壓板夾緊機構(gòu)

4.多位(聯(lián)動)夾緊機構(gòu)

在夾緊機構(gòu)設(shè)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。為了減少工件裝夾時間,提高生產(chǎn)率,往往設(shè)計多位夾緊機構(gòu),即聯(lián)動機構(gòu)。多位夾緊機構(gòu)是操作一個手柄或用一個動力裝置在幾個夾緊位置上同時夾緊一個工件(單件多位夾緊)或夾緊幾個工件(多件多位夾緊)的夾緊機構(gòu)。按夾緊過程多位夾緊機構(gòu)可分為平行、先后與平行、先后多位夾緊三種結(jié)構(gòu)形式。

1)單件多位夾緊機構(gòu)

如圖6－41所示為單件多位夾緊機構(gòu)。它是利用一種聯(lián)動機構(gòu)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(diào)一致,可以大大提高生產(chǎn)率。

圖6－41單件多位(聯(lián)動)夾緊機構(gòu)

2)多件多位夾緊機構(gòu)

由于工序設(shè)計提出要求,要在一個工序上同時加工許多工件,使用的夾具必須能同時將許多工件夾緊。圖6－42(a)和(c)表示平行多位夾緊機構(gòu),圖(b)所示為先后依次多件多位夾緊機構(gòu)。

圖6－42多件多位(聯(lián)動)夾緊機構(gòu)

3)設(shè)計多位(聯(lián)動)夾緊機構(gòu)應(yīng)注意的問題

(1)多位(聯(lián)動)夾緊機構(gòu)必須能同時而均勻地夾緊工件。由于工件和夾緊件都有制造公差,且夾緊件在使用后會產(chǎn)生磨損,因此工件定位后各夾緊部位就有位置差別,若用一個剛性夾緊件一次同時夾緊各部位或各工件是不可能的。如圖6－43(a)所示就有兩個工件夾不住,必須改為圖6－43(b)的浮動壓板,四個工件才能均勻夾緊。

為保證實現(xiàn)多位夾緊,需采取下列措施:

①各夾緊件之間要能聯(lián)動或浮動。如圖6－42和圖6－43所示。

圖6－43多位夾緊機構(gòu)的合理設(shè)計

②夾緊件或傳力件應(yīng)設(shè)計成可調(diào)節(jié)的,以便適應(yīng)工件公差和夾緊件的磨損。如圖6－36(c)所示中,調(diào)節(jié)螺釘就是此用。圖6－44所示則是用液性塑料自動調(diào)節(jié)夾緊力來適應(yīng)工件尺寸的變化。

③既要保證能同時夾緊,也要保證能同時松開。前述各種多位機構(gòu)中的彈簧都是用來松脫夾緊件。

(2)保證每個工件都有足夠的夾緊力,如圖6－44所示。

(3)夾緊件和傳力件要有足夠的剛性,保證傳力均勻。

圖6－44用液壓塑料自動調(diào)節(jié)夾緊力

6.3.4自動定心夾緊機構(gòu)

1.定心夾緊機構(gòu)的工作原理

當(dāng)回轉(zhuǎn)體工件要求內(nèi)/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(gòu)來裝夾工件,三爪定心卡盤就是常用的一種。

定心夾緊機構(gòu)是指能保證工件的對稱點(或?qū)ΨQ線、面)在夾緊過程中始終處于固定準(zhǔn)確位置的夾緊機構(gòu)。它的特點是:夾緊機構(gòu)的定位元件與夾緊元件合為一體,并且定位和夾緊動作是同時進(jìn)行的。由于定位夾緊元件能同時相對而動,因而可使工件的偏差均分,以達(dá)到消除工件定位基準(zhǔn)尺寸誤差的影響,在理論上似乎是定心誤差為零,但在實際上,由于該裝置的制造誤差、使用中的不均勻磨損和變形等,所以總會產(chǎn)生一定的定心誤差。

為了能滿足這種對中(即同軸度、位置度和對稱度等)的技術(shù)要求,工件的定位基準(zhǔn)面就應(yīng)具備對稱的外形。

因此,定心夾緊機構(gòu)的種類雖多,但就其工作原理而言,有較大距離的等速移動原理和小間隙的均勻彈性變形原理兩種基本類型。

2.等速移動原理的定心夾緊機構(gòu)

按定位/夾緊元件的等速移動原理來實現(xiàn)定心對中夾緊的有螺旋式、斜楔-滑柱式、偏心式等常見定心夾緊機構(gòu),以下介紹它們的應(yīng)用。

1)螺旋式定心夾緊機構(gòu)

該裝置是利用螺旋機構(gòu)來帶動幾個定心夾緊件,以同時等速地靠近或離開工件,來實現(xiàn)對工件的定心、夾緊或松開,三爪自定心卡盤就是利用盤形螺旋槽機構(gòu)的典型實例。

圖6－45所示是利用螺桿螺母傳動的自動定心裝置,當(dāng)轉(zhuǎn)動支承在叉形件4上的螺桿3時,螺桿兩端的左、右螺紋(螺距相等)就使螺母和固定在其上的V形架1、2等速地接近或分開,從而使工件得以定心夾緊或松開。四個螺釘5是用來調(diào)整該螺旋機構(gòu)在夾具體上的位置的。

圖6－45螺旋定心裝置

螺旋自動定心裝置的特點是:結(jié)構(gòu)簡單、工作行程大、通用性好,但定心精度不高,一般約為0.05～0.1mm。這主要是由于螺旋機構(gòu)的制造誤差、支承間的配合間隙、調(diào)整誤差以及不均勻磨損等所致。因此,該裝置適用于需要行程大而定心精度要求不太高的工件。

2)斜楔式定心夾緊機構(gòu)

它是利用能作軸向移動的斜面,當(dāng)移動時可以同時徑向地推動幾個卡爪來漲緊工件的定位基準(zhǔn),從而使工件得到定心并夾緊的裝置。

圖6－46所示是機動爪式自動定心夾緊機構(gòu)。當(dāng)拉桿向左拉動時,帶動卡爪1沿本體2上斜面移動的同時并徑向漲開,而將工件定心夾緊。反之,在回復(fù)彈簧作用下,卡爪沿斜面右移,松開工件。

圖6－46機動爪式自動定心裝置

3)偏心式自動定心夾緊機構(gòu)

偏心式自動定心裝置是利用機構(gòu)中帶有偏心型面的零件,在轉(zhuǎn)動時將定位夾緊件移近或分開,從而將工件定心并夾緊。

圖6－47是這種裝置的原理圖。圖(a)所示是對工件外表面進(jìn)行定心夾緊的原理圖。轉(zhuǎn)動具有偏心槽的圓盤2,偏心槽通過滑塊1上的銷子迫使兩滑塊左右移動,從而使工件定心夾緊或松開。為保證自鎖,偏心槽的升角應(yīng)小于5°。圖(b)所示是利用切削力使工件得到自動定心及夾緊的原理圖,其偏心型面,可以是偏心的圓柱面或其他曲面,也可以是端面凸輪結(jié)構(gòu)。

圖6－47偏心式自動定心裝置原理圖

圖6－48偏心式三滾柱自動定心

偏心式自動定心裝置的定心精度,主要取決于偏心型面的精度。此類裝置的定心精度一般可達(dá)0.02～0.07mm,使用中雖然工作行程短,但操作時動作快,可用于定心精度要求不高的工序中。

3.均勻彈性變形原理的定心夾緊機構(gòu)

按定位一夾緊元件均勻彈性變形原理來實現(xiàn)定心夾緊的機構(gòu)有彈簧夾頭、薄膜卡盤、碟形簧片夾具及液性塑料定心夾緊機構(gòu)等。

1)彈簧夾筒

該裝置是利用彈簧夾筒的彈性變形將工件定心并夾緊的。如圖6－49所示,轉(zhuǎn)動螺釘5就使錐體4向左移動,從而使彈簧夾筒3張開而將工件定心夾緊。

圖6－49短彈簧夾筒磨孔夾具

彈簧夾筒是該裝置的主要元件,其構(gòu)造型式是各式各樣的。圖6－50所示僅是幾種常用的夾筒構(gòu)造,其中圖(a)、(c)用于以外圓柱面作定位基準(zhǔn)的工件,圖(b)用于以長內(nèi)孔作定位基準(zhǔn)的工件,圖(d)是用于短圓柱面和端面作定位基準(zhǔn)的工件。

圖6－50彈簧夾筒的構(gòu)造

彈簧夾筒的材料,對小型的常用T7A、T8A,大型的可用65Mn、15CrA或12CrNi3A。

夾筒和錐套之間的配合錐面常用錐角為30°。為了減少錐面磨損并考慮其接觸情況,可根據(jù)情況將其二者之一的錐角增大或減小1°,工件才能夾持牢固。

彈簧夾頭定心夾緊機構(gòu),定心精度一般隨定位基準(zhǔn)精度的高低而變化,對IT7～I(xiàn)T9精度的定位基準(zhǔn),它的定位精度一般可達(dá)0.05～0.1mm,并且結(jié)構(gòu)緊湊,操作方便,不易夾傷工件表面,但彈簧夾筒有易變形的缺點,故應(yīng)用于工件的定位表面有較高精度要求的工件。

2)彈性膜片定心夾緊機構(gòu)

膜片卡盤的工作原理如圖6－51所示。膜片1與夾具體相連,當(dāng)桿3推動整體的膜片1時,膜片發(fā)生彈性變形使卡爪2張開,如圖(a)所示。裝入工件后,退回桿3,依靠膜片的彈力使工件得以定心并夾緊,如圖(b)所示。應(yīng)用如圖6－52所示。膜片卡盤具有:(1)精度高,如調(diào)整適當(dāng),可保證定心精度達(dá)0.005～0.01mm。(2)生產(chǎn)率高,操作簡單,使用方便,輔助時間大為減少。(3)設(shè)計制造裝配簡單,可調(diào)節(jié)的膜片卡盤,還可以用在一定尺寸范圍的工件。

圖6－51膜片卡盤工作原理

圖6－52膜片卡盤

3)碟形彈簧片定心夾緊機構(gòu)

這種裝置的工作部分是成組的彈簧片。當(dāng)這種彈簧片受到軸向壓縮時,外徑就漲大。內(nèi)徑則縮小,從而使工件定心夾緊。圖6－53所示就是這種裝置的構(gòu)造。在圖(a)中,轉(zhuǎn)動加壓螺釘,使左右兩組碟形彈簧片同時受壓,外徑漲大,從而將工件定心夾緊。圖(b)所示的結(jié)構(gòu)是為了提高定心精度和防止劃傷工件的基準(zhǔn)面,而在彈簧片外圓上套一個薄壁套筒,通過套筒的變形來使工件定心夾緊。從圖上可以看到,當(dāng)拉桿向左移動時,滾珠則徑向外移,經(jīng)兩個滑套同時壓縮左右兩組碟形彈簧片,使之受壓變平,迫使薄壁套筒外漲,而將工件定心夾緊。碟形彈簧片一般用60Si2A鋼板沖壓制成,熱處理后硬度為34～37HRC。

圖6－53碟形彈簧片式自動定心裝置

4)液性塑料定心夾緊裝置

該裝置是利用液性塑料受壓后,等壓力傳遞使薄壁套筒產(chǎn)生彈性漲大或縮小的變形,而將工件定心并夾緊的。其定心精度一般為0.005～0.01mm,高者可達(dá)0.002mm,而且結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便,所以得到廣泛應(yīng)用。

圖6－54所示是一種典型的液性塑料自動定心裝置,在本體1中壓配著一個薄壁彈性套筒6。在本體和套筒之間的空腔中注滿著液性塑料7。當(dāng)轉(zhuǎn)動螺釘2時,柱塞3就擠壓液性塑料,密閉容腔中的液性塑料將其壓強均勻地傳遞到各個方向上。因此,薄壁套筒6的薄壁部分便產(chǎn)生彈性變形,從而使工件定心并夾緊。當(dāng)松開螺釘2后,薄壁套筒則因彈性恢復(fù)而將工件松開。螺釘4和堵頭5是在澆注塑料后堵塞其出氣口用的。

圖6－54液性塑料自動定心裝置

6.3.5機動夾緊裝置

1.電磁夾緊裝置

電磁夾緊裝置也叫電磁工作臺或電磁吸盤,一般都是作為機床附件的通用夾具。圖6－55所示為車床用感應(yīng)式電磁卡盤。當(dāng)線圈1通上直流電后,在鐵芯4上產(chǎn)生磁力線,避開隔磁體5使磁力線通過工件和導(dǎo)磁體6形成閉合回路(如圖中虛線),工件被磁力吸在盤面上。斷電后,磁力消失,取下工件。

圖6－55車床用電磁卡盤

2.真空夾緊裝置

如圖6－56所示真空夾緊裝置的工作原理是利用大氣壓力和封閉空腔內(nèi)氣壓之差來吸緊工件的。如圖所示,夾具體A上加工出密封槽并裝有橡皮密封圈B,工件放在密封圈B上則與夾具體之間形成封閉空腔。再通過孔道,由真空泵將空腔抽為真空,工件就被空腔內(nèi)外壓力差均勻地吸在夾具體臺面E。

真空夾具適用于銅、鋁、不銹鋼等無磁性材料及非金屬材料薄板件的加工。

圖6－56真空夾緊工作原理圖

6.4各類機床夾具典型結(jié)構(gòu)示例

6.4.1鉆床夾具

鉆床夾具是指用來在各種鉆床(如臺鉆、立鉆、搖臂鉆、多軸鉆等)上加工孔的機床夾具。這類夾具用一種特殊元件——鉆套來引導(dǎo)刀具(鉆頭、擴孔鉆、鉸刀)進(jìn)入正確的加工位置,以保證刀具與工件定位基準(zhǔn)間的相互位置精度,所以這類夾具又稱為鉆模。

1.固定式鉆模結(jié)構(gòu)

固定式鉆模多為大型鉆模,一般在立鉆或搖臂鉆床上使用,加工工件較大的孔或軸線相互平行的孔系,鉆模需要固定在機床工作臺上。鉆模在立鉆上固定時,首先用裝在鉆床主軸上的鉆頭或同直徑的心軸插入鉆模引導(dǎo)孔內(nèi)校正其位置,然后將其固定。這樣既可以減少鉆模引導(dǎo)元件的磨損,又可保證有較高的位置精度。

圖6－57所示為固定式鉆模的典型結(jié)構(gòu)。工件以一平面、一外圓柱面和一小孔作定位基準(zhǔn),在夾具的定位元件上定位,用螺旋夾緊件通過開口墊圈2夾緊工件,鉆模板固定在夾具體上,而夾具體則固定在鉆床工作臺上。

圖6－57固定式鉆模

2.鉆模板

用于裝夾鉆套的鉆模板,是鉆床夾具的重要組成部分,按其與夾具體的連接方式可分為固定式、鉸鏈?zhǔn)?、分離式和懸掛式等幾種。

圖6－58固定式鉆模板

(1)固定式鉆模板。如圖6－58所示,它直接固定在夾具體上,因此鉆模板1上的鉆套2相對于夾具體是固定的,所以精度較高。由于是固定式結(jié)構(gòu),對于有些工件的裝卸不是很方便。固定式鉆模板與夾具體可以采用銷釘定位及其螺釘緊固結(jié)構(gòu)。對于簡單的鉆模,也可采用整體鑄造或者焊接結(jié)構(gòu)。

(2)鉸鏈?zhǔn)姐@模板。如圖6－59所示,是用鉸鏈裝在夾具體上的,因此它可以繞鉸鏈軸翻轉(zhuǎn)。由于鉸鏈孔和軸銷之間存在間隙,所以它的加工精度不如固定式鉆模板高,但是裝卸工件方便。

圖6－59鉸鏈?zhǔn)姐@模板

(3)分離式鉆模板。如圖6－60所示,它與夾具體是分離的,而成為一個獨立部分。工件在夾具每裝卸一次,鉆模板也要裝卸一次。用這種鉆模板鉆孔的精度較高,但是裝卸工件的時間長,效率低。圖(a)、(b)、(c)所示為分離式鉆模板三種不同的結(jié)構(gòu)。

圖6－60分離式鉆模板

(4)懸掛式鉆模板。如圖6－61所示,鉆模板懸掛在機床主軸上,由機床主軸帶動而與工件靠緊或離開。它與夾具體的相對位置由滑柱來確定。圖中的鉆模板4懸掛在滑柱2上,通過彈簧5和橫梁6與主軸連接。這種鉆模板多與組合機床的多軸頭聯(lián)用。

圖6－61懸掛式鉆模板

3.鉆套

鉆套(又稱導(dǎo)套)是確定刀具位置及方向的元件。它在鉆模中的作用是保證被加工孔的位置精度,引導(dǎo)刀具防止加工時偏斜,提高刀具的剛性,防止加工時振動。

鉆套根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同可分為:固定鉆套、可換鉆套、快換鉆套和特種鉆套四類。

(1)固定鉆套。圖6－62(a)、(b)所示為固定鉆套的兩種形式,這種鉆套的外圓用H7/n6或H7/r6的過盈配合壓入鉆模板或夾具體上。這種鉆套的缺點是磨損后不易更換,因此主要用于中小批生產(chǎn)的鉆模上或用來加工孔距小以及孔距精度要求高的孔。

圖6－62固定鉆套

(2)可換鉆套。圖6－63所示為可換鉆套,可換鉆套外圓用H6/g5或H7/g6的間隙配合裝在襯套孔中,而襯套外圓與鉆模板底孔的配合則采用H7/n6或H7/r6的過盈配合。可換鉆套由螺釘固定住,以防止轉(zhuǎn)動。由于鉆套外圓與襯套內(nèi)孔的配合間隙影響,其加工精度不如固定鉆套,但鉆套磨損后更換方便。

圖6－63可換鉆套

(3)快換鉆套。圖6－64所示為快換鉆套。該鉆套更換迅速,只要將鉆套轉(zhuǎn)動一下即可從鉆模板中取出。這種鉆套適用于在一個工序中用幾種刀具(鉆、擴、鉸)依次連續(xù)加工的情況,廣泛地應(yīng)用于批量生產(chǎn)。

圖6－64快換鉆套

(4)特種鉆套。當(dāng)工件的結(jié)構(gòu)形狀或工序加工條件均不允許采用上述標(biāo)準(zhǔn)鉆套時,就應(yīng)根據(jù)具體情況設(shè)計各種形式的特種鉆套。圖6－65所示為幾種特種鉆套的例子。

圖6－65特種鉆套

6.4.2銑床夾具

圖6－66(a)所示為銑槽夾具,圖6－66(b)所示為銑槽工序簡圖。銑槽工序應(yīng)保證的精度要求為:工序尺寸30mm,74mm±0.13mm,以及槽的對稱中心面與?24.7mm孔的軸線垂直度誤差不大于0.1mm,與?60.5mm外圓軸線的對稱度誤差不大于0.15mm。

圖6－66液壓夾緊銑平面夾具

為提高生產(chǎn)率,該夾具一次裝夾6個工件。工件軸端靠在支承板4上,限制其軸向移動自由度;由菱形銷3限制工件繞軸線轉(zhuǎn)動的自由度;以工件外圓在V形塊2上定位限制余下的四個自由度;工件用螺旋壓板夾緊機構(gòu)夾緊。由定向鍵7確定夾具在機床上的位置,通過直角對刀塊6確定夾具相對銑刀的位置。夾具上設(shè)置有四個吊環(huán)螺釘5,便于夾具的吊裝和搬運。

6.4.3鏜床夾具

圖6－67所示為鏜削泵體上兩個相互垂直的孔及端面用的夾具。夾具經(jīng)找正后緊固在臥式鏜床的工作臺上,可隨工作臺一起移動和轉(zhuǎn)動。工件以A、B面在支承板l、2、3上定位,C面在擋塊4上定位,實現(xiàn)六點定位。夾緊時先用螺釘8將工件預(yù)壓后,再用四個鉤形壓板5壓緊。兩鏜桿的兩端均有鏜套6支承及導(dǎo)向。鏜好一個孔后,鏜床工作臺回轉(zhuǎn)90°,再鏜第二個孔。鏜刀塊的裝卸和調(diào)整在鏜套與工件間的空檔內(nèi)進(jìn)行。夾具上設(shè)置的起吊螺栓9,便于夾具的吊裝和搬運。由于這種夾具前后雙支承引導(dǎo),鏜桿剛性較易保證,且鏜桿和鏜床主軸采用浮動連接,鏜孔的位置精度主要決定于鏜模精度,機床主軸只起傳遞轉(zhuǎn)矩的作用。

圖6－67前后雙支承鏜床夾具

6.4.4車床夾具

車床夾具是用于保證被加工零件在車床上與刀具之間具有相對正確位置的專用工藝裝備。車床夾具通常是裝夾在車床的主軸前端部,與主軸一起旋轉(zhuǎn)。由于夾具本身處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài),因而車床夾具在保證定位和夾緊的基本要求前提下,還必須有可靠的防松結(jié)構(gòu)。

車床夾具的基本組成包括夾具體、定位元件、夾緊裝置、輔助裝置等部分。前三者是各種夾具所共有的。在車床夾具中,夾具體一般為回轉(zhuǎn)體形狀,并通過一定的結(jié)構(gòu)與車床主軸定位聯(lián)結(jié)。根據(jù)定位和夾緊方案設(shè)計的定位元件和夾緊裝置裝夾在夾具體上。輔助裝置包括用于消除偏心力的平衡塊和用于高速快速操作的氣動、液壓和電動操作機構(gòu)。

如圖6－68所示,在加工軸承座的內(nèi)孔時,工件以底面和兩孔定位,采用兩壓板夾緊。夾具體與主軸端部以定位錐配合,用雙頭螺柱聯(lián)結(jié)在主軸上。導(dǎo)向套用于引導(dǎo)刀具。平衡塊用于消除回轉(zhuǎn)時的不平衡現(xiàn)象。

圖6－68角鐵式車削夾具

6.4.5組合夾具簡介

組合夾具是采用預(yù)先制造好的標(biāo)準(zhǔn)夾具元件,根據(jù)設(shè)計好的定位夾緊方案組裝而成的專用夾具。它既具有專用夾具的優(yōu)點,又具有標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的優(yōu)點。產(chǎn)品變換后,夾具的組成元件可以拆開清洗入庫,不會造成浪費,適用于新產(chǎn)品試制和多品種小批量的生產(chǎn)。在大量采用數(shù)控機床、應(yīng)用CAD/CAM/CAPP技術(shù)的現(xiàn)代企業(yè)機械產(chǎn)品生產(chǎn)過程中具有獨特的優(yōu)點。圖6－69所示是一個典型的T形槽系車削組合夾具。工件用已加工的底面和兩個孔定位,用兩個壓板夾緊。圖中,夾具體、定位銷、壓板、底座等均為通用元件。

圖6－69

T形槽系車削組合夾具

1.T形槽系組合夾具

T形槽系組合夾具的元件(見圖6－70)按其功用可分為八類:基礎(chǔ)件、支承件、定位件、導(dǎo)向件、夾緊件、緊固件、其他件和合件。T形槽組合夾具分為小型、中型和大型三類,適應(yīng)不同的加工場合。

圖6－70

T形槽系組合夾具的主要元件

2.孔系(H系)組合夾具簡介

孔系組合夾具元件的連接用兩個圓柱銷定位,一個螺釘緊固,稱為“三元組孔”定位聯(lián)結(jié),見圖6－71,實例圖見6－72。

圖6－71孔系組合夾具

圖6－72孔系組合夾具實例

6.5專用夾具設(shè)計過程及示例

6.5.1設(shè)計步驟

1.夾具設(shè)計的基本要求

夾具設(shè)計時,通常應(yīng)考慮以下要求:

(1)夾具應(yīng)滿足零件加工工序的精度:特別對于精加工工序,應(yīng)適當(dāng)提高夾具的精度,以保證工件的尺寸公差和位置公差等。

(2)夾具應(yīng)達(dá)到加工生產(chǎn)率:特別對于大批量生產(chǎn)中使用的夾具,應(yīng)設(shè)法縮短加工的基本時間和輔助時間。

(3)夾具的操作要方便、安全:按不同的加工方法,可設(shè)置必要的防護裝置、擋屑板以及各種安全器具。

(4)能保證夾具一定的使用壽命和較低的夾具制造成本:夾具元件的材料選擇將直接影響夾具的使用壽命。因此,定位元件以及主要元件宜采用力學(xué)性能較好的材料。夾具的復(fù)雜程度應(yīng)與工件的生產(chǎn)批量相適應(yīng)。在大批量生產(chǎn)中,宜采用如氣動、液壓等高效夾緊機構(gòu)。

(5)要適當(dāng)提高夾具元件的通用化和標(biāo)準(zhǔn)化程度:選用標(biāo)準(zhǔn)化元件,特別應(yīng)選用商品化的標(biāo)準(zhǔn)元件,以縮短夾具制造周期,降低夾具成本。

(6)具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性,以便于夾具的制造和維修。

2.夾具設(shè)計的方法

夾具設(shè)計方法可用圖6－73表示。夾具設(shè)計主要是繪制所需的圖樣,同時制定有關(guān)的技術(shù)要求。夾具設(shè)計是一種相互關(guān)聯(lián)的工作,它涉及到很廣的知識面。通常,設(shè)計者在參閱有關(guān)典型夾具圖樣的基礎(chǔ)上,按加工要求構(gòu)思出設(shè)計方案,再經(jīng)修改,最后確定夾具的結(jié)構(gòu)。

圖6－73夾具的設(shè)計方法

3.夾具設(shè)計的步驟

夾具設(shè)計的步驟可以劃分為五個階段:

1)設(shè)計準(zhǔn)備

夾具設(shè)計前,設(shè)計人員應(yīng)明確設(shè)計任務(wù)和要求,根據(jù)任務(wù)認(rèn)真調(diào)查研究,收集所需資料,并對其進(jìn)行分析:

(1)收集產(chǎn)品零件圖、裝配圖、毛坯圖和工藝規(guī)程等技術(shù)文件,分析零件的作用、形狀、結(jié)構(gòu)特點、材料和技術(shù)要求。

(2)分析零件的加工工藝規(guī)程,特別是本工序半成品的形狀、尺寸、加工余量、切削用量和所使用的工藝基準(zhǔn)。

(3)分析工藝裝配設(shè)計任務(wù)書,研究任務(wù)書所提出要求的合理性、可行性和經(jīng)濟性,以便發(fā)現(xiàn)問題,及時與工藝人員進(jìn)行磋商。

(4)了解所使用機床的規(guī)格、性能、精度以及與夾具連接部分結(jié)構(gòu)的聯(lián)系尺寸。

(5)了解所使用刀具、量具的規(guī)格。

(6)了解零件的生產(chǎn)綱領(lǐng)、投產(chǎn)批量以及生產(chǎn)組織等有關(guān)問題。

(7)收集有關(guān)設(shè)計的資料,其中包括國家標(biāo)準(zhǔn)、部頒標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等資料以及典型夾具資料。

(8)熟悉本廠工具車間的加工工藝。

2)方案設(shè)計

這是夾具設(shè)計的重要階段。在分析各種原始資料的基礎(chǔ)上,應(yīng)完成下列設(shè)計工作:

(1)確定夾具的類型。

(2)根據(jù)六點定位規(guī)則確定工件的定位方式,選擇合適的定位元件。

(3)確定工件的夾緊方式,選擇合適的夾緊裝置。

(4)確定刀具的調(diào)整方案,選擇合適的對刀元件或?qū)蛟?/p>

(5)確定夾具與機床的連接方式。

(6)確定其他元件和裝置的結(jié)構(gòu)形式,如分度裝置、靠模裝置等。

(7)確定夾具總體布局和夾具體的結(jié)構(gòu)形式。

(8)繪制總體草圖。

(9)進(jìn)行工序精度分析。

(10)對動力夾緊裝置進(jìn)行夾緊力驗算。

3)繪制夾具總圖

夾具總裝配圖應(yīng)按國家標(biāo)準(zhǔn)繪制,繪制時還應(yīng)注意以下事項:

(1)盡量選用1∶1的比例,以使所繪制的夾具具有良好的直觀性。

(2)盡可能選擇面對操作者的方向作為主視圖。

(3)總圖應(yīng)把夾具的工作原理、結(jié)構(gòu)和各種元件間的裝配關(guān)系表達(dá)清楚。

(4)用雙點劃線繪制工件外形輪廓、定位基準(zhǔn)面、夾緊表面和加工表面。

(5)合理標(biāo)注尺寸、公差和技術(shù)要求。

(6)合理選擇材料。

4)夾具零件設(shè)計

對于夾具中的非標(biāo)準(zhǔn)零件,要分別繪制零件圖。其中對于需要在裝配時加工的部位,應(yīng)特別予以注明以免出錯。圖樣審核與一般設(shè)計相同。常用夾具元件的材料及熱處理可查閱《機床夾具設(shè)計手冊》。

5)夾具的裝配、調(diào)試和驗證

完成設(shè)計圖樣后,設(shè)計工作尚未全部完成。只有待完成裝配、調(diào)試和驗證并使用夾具加工出合格的工件為止,才算完成夾具設(shè)計的全過程。其中特別是夾具的裝配,在使用中發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時加以解決。夾具的調(diào)試和驗證可以在工具車間完成,也可直接由加工車間完成。

6.5.2尺寸、公差和技術(shù)要求的標(biāo)注

1.總圖應(yīng)標(biāo)注的尺寸和公差配合

通常應(yīng)標(biāo)注以下五種尺寸:

(1)夾具外形的最大的輪廓尺寸:這類尺寸按夾具結(jié)構(gòu)尺寸的大小和機床參數(shù)設(shè)計,以表示夾具在機床上所占據(jù)的空間尺寸和可活動的范圍。

(2)工件與定位元件之間的聯(lián)系尺寸:如圓柱定位銷工作部分的配合尺寸公差等,以便控制工件的定位誤差(ΔD)。

(3)對刀或?qū)蛟c定位元件之間的聯(lián)系尺寸:這類尺寸主要是指對刀塊的對刀面至定位元件之間的尺寸、塞尺的尺寸、鉆套至定位元件間的尺寸、鉆套導(dǎo)向孔尺寸和鉆套孔距尺寸等。這些尺寸影響調(diào)整誤差(ΔT)。

(4)與夾具裝夾有關(guān)的尺寸:這類尺寸用以確定夾具體的裝夾基面相對于定位元件的正確位置。如銑床夾具定向鍵與機床工作臺T形槽的配合尺寸、角鐵式車床夾具裝夾基面(止口)的尺寸、角鐵式車床夾具中心至定位面間的尺寸等。這些尺寸對夾具的裝夾誤差(ΔA)會有不同程度的影響。

(5)其他裝配尺寸:如定位銷與夾具體的配合尺寸和配合代號等,這類尺寸通常與加工精度無關(guān)或?qū)ζ錈o直接影響,可按一般機械零件設(shè)計。

2.總圖應(yīng)標(biāo)注的位置精度

通常應(yīng)標(biāo)注以下三種位置精度:

(1)定位元件之間的位置精度:這類精度直接影響夾具的定位誤差(ΔD)。

(2)連接元件(含夾具體基面)與定位元件之間的位置精度:這類精度所造成的夾具裝夾誤差(ΔA)也影響夾具的加工精度。

(3)對刀或?qū)蛟奈恢镁?通常這類精度是以定位元件為基準(zhǔn)。為了使夾具的工藝基準(zhǔn)統(tǒng)一,也可以取夾具體的基面為基準(zhǔn)。

3.夾具設(shè)計的步驟

夾具設(shè)計的步驟可以劃分為五個階段:

1)設(shè)計準(zhǔn)備

夾具設(shè)計前,設(shè)計人員應(yīng)明確設(shè)計任務(wù)和要求,根據(jù)任務(wù)認(rèn)真調(diào)查研究,收集所需資料,并對其進(jìn)行分析:

(1)收集產(chǎn)品零件圖、裝配圖、毛坯圖和工藝規(guī)程等技術(shù)文件,分析零件的作用、形狀、結(jié)構(gòu)特點、材料和技術(shù)要求。

(2)分析零件的加工工藝規(guī)程,特別是本工序半成品的形狀、尺寸、加工余量、切削用量和所使用的工藝基準(zhǔn)。

(3)分析工藝裝配設(shè)計任務(wù)書,研究任務(wù)書所提出要求的合理性、可行性和經(jīng)濟性,以便發(fā)現(xiàn)問題,及時與工藝人員進(jìn)行磋商。

(4)了解所使用機床的規(guī)格、性能、精度以及與夾具連接部分結(jié)構(gòu)的聯(lián)系尺寸。

(5)了解所使用刀具、量具的規(guī)格。

(6)了解零件的生產(chǎn)綱領(lǐng)、投產(chǎn)批量以及生產(chǎn)組織等有關(guān)問題。

(7)收集有關(guān)設(shè)計的資料,其中包括國家標(biāo)準(zhǔn)、部頒標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等資料以及典型夾具資料。

(8)熟悉本廠工具車間的加工工藝。

2)方案設(shè)計

這是夾具設(shè)計的重要階段。在分析各種原始資料的基礎(chǔ)上,應(yīng)完成下列設(shè)計工作:

(1)確定夾具的類型。

(2)根據(jù)六點定位規(guī)則確定工件的定位方式,選擇合適的定位元件。

(3)確定工件的夾緊方式,選擇合適的夾緊裝置。

(4)確定刀具的調(diào)整方案,選擇合適的對刀元件或?qū)蛟?/p>

(5)確定夾具與機床的連接方式。

(6)確定其他元件和裝置的結(jié)構(gòu)形式,如分度裝置、靠模裝置等。

(7)確定夾具總體布局和夾具體的結(jié)構(gòu)形式。

(8)繪制總體草圖。

(9)進(jìn)行工序精度分析。

(10)對動力夾緊裝置進(jìn)行夾緊力驗算。

3)繪制夾具總圖

夾具總裝配圖應(yīng)按國家標(biāo)準(zhǔn)繪制,繪制時還應(yīng)注意以下事項:

(1)盡量選用1∶1的比例,以使所繪制的夾具具有良好的直觀性。

(2)盡可能選擇面對操作者的方向作為主視圖。

(3)總圖應(yīng)把夾具的工作原理、結(jié)構(gòu)和各種元件間的裝配關(guān)系表達(dá)清楚。

(4)用雙點劃線繪制工件外形輪廓、定位基準(zhǔn)面、夾緊表面和加工表面。

(5)合理標(biāo)注尺寸、公差和技術(shù)要求。

(6)合理選擇材料。

4)夾具零件設(shè)計

對于夾具中的非標(biāo)準(zhǔn)零件,要分別繪制零件圖。其中對