《機械制造技術》課件第3章

第3章金屬切削機床及夾具的基礎知識概述

3.1概述

3.2金屬切削機床的基礎知識

3.3機床夾具的基礎知識

習題

3.1概述各種機械產(chǎn)品的用途和零件結構的差別雖然很大，但它們的制造工藝卻有著共同之處，即都是構成零件的各種表面的成形過程。機械零件表面的切削加工成形過程是通過刀具與被加工零件的相對運動完成的。這一過程要在由切削機床、刀具、夾具及工件構成的機械加工工藝系統(tǒng)中完成。機床是加工機械零件的工作機械，刀具直接對零件進行切削，夾具用來裝夾工件。如圖3-1所示為機械加工工藝系統(tǒng)的構成及相互關系。在第二章中已介紹了部分刀具的知識，本章將重點研究機床和工裝的基礎知識。

圖3-1機械加工工藝系統(tǒng)的構成

3.2金屬切削機床的基礎知識

3.2.1機床概述金屬切削機床是用切削的方法將金屬毛坯加工成機器零件的機器，也可以說是制造機器的機器，因此又稱為“工作母機”或“工具機”，習慣上簡稱為機床。在機械制造工業(yè)中，切削加工是將金屬毛坯加工成具有一定尺寸、形狀和精度的零件的主要加工方法，尤其是在加工精密零件時，目前主要是依靠切削加工來達到所需的加工精度和表面粗糙度。因此，金屬切削機床是加工機器零件的主要設備，它所擔負的工作量，在一般情況下約占機器總制造工作量的40%～60%，它的先進程度直接影響到機器制造工業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率。

機床的質(zhì)量和性能直接影響機械產(chǎn)品的加工質(zhì)量和經(jīng)濟加工的適用范圍，而且它總是隨著機械工業(yè)工藝水平的提高和科學技術的進步而發(fā)展。如新型刀具的出現(xiàn)，電氣、液壓等技術的發(fā)展以及計算機技術的應用，使機床生產(chǎn)率、加工精度、自動化程度得到不斷提高，機床品種不斷擴大。機床不僅要滿足使用性能要求，還要考慮藝術性、宜人性、工業(yè)環(huán)境的美化等，使人機關系達到最佳狀態(tài)。

目前我國已形成了布局比較合理且相對完整的機床工業(yè)體系，機床的產(chǎn)量與質(zhì)量不斷上升，除滿足國內(nèi)建設的需要外，還有一部分已遠銷國外。我國已制定了完整的機床系列型譜。我國生產(chǎn)的機床品種也日趨齊全，能生產(chǎn)出從小型儀表機床到重型機床等上千個品種的各種機床，也能生產(chǎn)出各種精密的、高度自動化的以及高效率的機床和自動線。我國所生產(chǎn)機床的性能也在逐步提高，有些機床已經(jīng)接近世界先進水平。我國數(shù)控技術近年來也有較快的發(fā)展，目前已能生產(chǎn)上百種數(shù)控機床。我國機床工業(yè)已經(jīng)取得了很大成就，但與世界發(fā)達國家相比，仍有較大差距，主要表現(xiàn)在機床產(chǎn)品的精度、質(zhì)量穩(wěn)定性、自動化程度以及基礎理論研究等方面。

3.2.2機床的分類

金屬切削機床的品種和規(guī)格繁多，為了便于區(qū)別、使用和管理，必須對機床進行分類。根據(jù)需要，可以從不同的角度對機床作如下分類：

1.按機床的加工性質(zhì)和結構特點分類

根據(jù)國家標準（GB／T1537-94），我國機床分為11大類：車床、鉆床、鏜床、銑床、刨插床、拉床、磨床、齒輪加工機床、螺紋加工機床、鋸床和其他機床。

2.按機床的通用程度分類

(1)通用機床。這類機床是可以加工多種工件、完成多種工序、工藝范圍較廣的機床，主要適用于單件小批量生產(chǎn)。例如，臥式車床、臥式銑鏜床和萬能升降臺銑床等。

(2)專門化機床。這類機床是用于完成形狀類似而尺寸不同的工件的某一種工序的加工的機床，其工藝范圍較窄，主要適用于成批生產(chǎn)。例如，曲軸車床、凸輪軸車床等。

(3)專用機床。這類機床是用于完成特定工件的特定工序的加工的機床，其工藝范圍最窄，主要適用于大批量生產(chǎn)。例如，專用鏜床、專用銑床等。

此外，在同一種機床中，根據(jù)加工精度不同，可分為普通機床、精密機床和高精度機床；按機床質(zhì)量不同，可分為儀表機床、中型機床、大型機床、重型機床和超重型機床；按機床自動化程度的不同，可分為手動、機動、半自動和自動機床；按機床運動執(zhí)行件的數(shù)目不同，可分為單軸的與多軸的、單刀架的與多刀架的機床等。

3.2.3機床型號的編制方法

1.通用機床的型號

通用機床型號的構成如下：

其中：“△”表示阿拉伯數(shù)字，“○”表示大寫漢語拼音字母，()表示可選項，(◎)表示大寫漢語拼音字母或阿拉伯數(shù)字。

1）機床類、組、系的劃分及其代號機床的類代號用漢語拼音大寫字母表示。例如“車床”的漢語拼音是“Chechuang”，所以用“C”表示。必要時，每類又可分為若干分類，分類代號用阿拉伯數(shù)字表示，放在類代號之前，居于型號的首位，但第一分類不予表示。例如，磨床類分為M、2M、3M三類。機床的類別代號及其讀音見表3-1。

表3-1普通機床類別和分類代號

2）機床的特性代號

機床的特性代號表示機床具有的特殊性能，包括通用特性和結構特性。當某類型機床除有普通型外，還具有如表3-2所列的某種通用特性，則在類別代號之后加上相應的特性代號。例如“CK”表示數(shù)控車床。如同時具有兩種通用特性，則可用兩個代號同時表示，如“MX”表示半自動、高精度磨床。如某類型機床僅有某種通用特性，而無普通型式，則通用特性不必表示，如C1312型單軸轉塔自動車床，由于這類自動車床沒有“非自動”型，所以不必用“Z表示”通用特性。

為了區(qū)分主參數(shù)相同而結構不同的機床，在型號中用結構特性代號表示。結構特性代號為漢語拼音字母。通用特性代號已用的字母和“I、O”兩個字母不能用。結構特性的代號字母是根據(jù)各類機床的情況分別規(guī)定的，在不同型號中的意義不同。

表3-2通用特性代號

3）機床主參數(shù)、第二主參數(shù)和設計順序號機床主參數(shù)代表機床規(guī)格的大小，用折算值（主參數(shù)乘以折算系數(shù)）表示。某些普通機床當無法用一個主參數(shù)表示時，則在型號中用設計順序號表示。設計順序號由1起始，當設計順序號小于10時，則在設計號之前加“0”。

第二主參數(shù)一般是主軸數(shù)、最大跨距、最大工件長度、工作臺工作面長度等等。第二主參數(shù)也用折算值表示。

4）機床重大改進順序號當對機床的結構、性能有更高的要求，需要按新產(chǎn)品重新設計、試制和鑒定機床時，在原機床型號的尾部，加重大改進順序號，以區(qū)別于原機床型號。序號按A、B、C、…字母（但“I、O”兩個字母不得選用）的順序選用。

5）同一型號機床的變型代號根據(jù)不同的加工需要，某些機床在基本型號機床的基礎上僅改變機床的部分性能結構時，則在機床基本型號之后加1、2、3、…變型代號。綜合上述普通機床型號的編制方法，舉例如下：

例1：

例2：

2.專用機床型號

專用機床型號由設計單位代號和設計順序號構成。例如，B1—100表示北京第一機床廠設計制造的第100種專用機床——銑床。

3.2.4機床的運動分析

1.工件表面形狀及其形成方法

1）工件加工表面的形狀

工件在被切削加工過程中，通過機床的傳動系統(tǒng)，使機床上的工件和刀具按一定規(guī)律作相對運動，從而切削出所需要的表面形狀。圖3-2所示的就是機器零件上常用的各種表面。這些表面大都是可以在機床上加工的既經(jīng)濟,又能獲得所需精度的表面，如平面、圓柱面、圓錐面、球面和成形表面等，它們都屬于“線性表面”。所謂“線性表面”都是以一條線為母線，以另一條線為軌跡（稱導線）運動而形成的，如圖3-2中，平面是以一直線為母線，以另一直線為軌跡，作平移運動而形成的；圓柱面是以一直線為母線，以圓為軌跡，作旋轉運動而形成的等。

圖3-2機器零件上常用表面

2）工件加工表面的形成

零件的表面通常是幾種簡單表面的組合，如圖3-3所示的各種常見的零件都由各種線性表面構成。成形平面、圓柱面及直線成形表面的母線及導線的作用可以互換，稱此類表面為可逆表面。而形成螺紋面、圓環(huán)面、球面和圓錐面的母線和導線則不能互換，稱此類表面為非可逆表面。形成工件上各種表面的母線和導線統(tǒng)稱為發(fā)生線。

圖3-3常見的零件類型

3）發(fā)生線的形成發(fā)生線是形成工件表面的幾何要素，是在金屬切削機床運轉時，由工件和刀具彼此間協(xié)調(diào)的相對運動和刀具切削刃的形狀共同形成的。如圖3-4所示，形成發(fā)生線的方法有以下四種：（1）軌跡法:母線和導線都是刀具切削刃端點（刀尖）相對于工件的運動軌跡。如圖3-4(a)所示，刀尖的運動軌跡和工件回轉運動結合，形成了回轉成形面所需的母線和導線。（2）成形法:刀具的切削刃就是被加工表面的母線，導線是由刀具切削刃相對于工件的運動形成的。如圖3-4(b)所示，刨刀切削刃形狀與工件曲面的母線相同，刨刀的直線運動形成直導線。

（3）展成法:如圖3-4(c)所示，對各齒形表面進行加工時，刀具與工件間作展成運動即嚙合運動，切削刃各瞬時位置的包絡線是齒形表面的母線，導線是由刀具沿齒長方向的運動形成。

（4）相切法:如圖3-4(d)所示，采用銑刀、砂輪等旋轉刀具加工工件時，刀具自身的旋轉運動形成圓形發(fā)生線，同時切削刃相對于工件的運動形成其他發(fā)生線。

圖3-4形成發(fā)生線的方法

2.機床的運動

為了加工出所需要的工件表面形狀，機床上需要有多種運動。其中通過加工出母線和導線而形成工件表面形狀的運動被稱為機床的表面成形運動，它是機床最基本的運動。除表面成形運動外，還有分度運動、切入運動、輔助運動、操縱及控制運動等。下面將對它們作詳細的說明。1）表面成形運動為保證得到工件表面的形狀所需的運動，稱為表面成形運動（簡稱為成形運動）。根據(jù)工件表面形狀和成形方法的不同，成形運動有以下類型：（1）簡單成形運動，它是獨立的成形運動，也是最基本的成形運動。如車外圓時，由工件的旋轉運動和刀具的直線運動兩個獨立的運動形成圓柱面。

（2）復合成形運動，它是由兩個或兩個以上簡單運動按照一定的運動關系合成的成形運動。如圖3-4(c)所示，展成法加工齒輪時，刀具的旋轉和被加工齒輪的旋轉必須保持嚴格的相對運動關系，才能形成所需的漸開線齒面，因而這是一個復合成形運動。同理，車螺紋時，螺紋表面的導線（螺旋線）必須由工件的旋轉運動和刀架直線運動保持確定的相對運動關系才能形成，這也是一個復合成形運動。成形運動是為了形成工件表面發(fā)生線的運動。相同的表面可以有不同的成形方法和不同的成形運動。例如在車削回轉曲面時，用成形法加工，只需工件回轉運動；用軌跡法加工，則需要兩個獨立的成形運動。

從保證金屬切削過程的實現(xiàn)和連續(xù)進行的角度看，成形運動可分為主運動和進給運動兩種：①主運動。它是進行切削的最基本、最主要的運動，也稱為切削運動，通常它的速度最高，消耗機床動力最多。一般機床的主運動只有一個。如車削、鏜削加工時工件的旋轉運動，銑削和鉆削加工時刀具的旋轉運動，刨削加工時刨刀的直線運動等都是主運動。②進給運動。與主運動配合，使切削工作能夠連續(xù)地進行的運動。通常它消耗的動力較小。進給運動可以有一個或幾個，也可以沒有（例如拉床）。它可以是連續(xù)的（車削），也可以是周期間斷的（刨削）。

2）輔助運動除主運動和進給運動外，為完成機床工作循環(huán)，還需一些其他的輔助運動。

（1）空行程運動。例如刀架、工作臺的快速接近和退出工件等運動，可節(jié)省輔助時間。

（2）切入運動。切入運動是使刀具切入工件從而保證工件被加工表面獲得所需要的尺寸的運動。一個表面切削加工的完成一般需要數(shù)次切入運動。

（3）分度運動。分度運動是當在工件上加工若干個完全相同的均勻分布表面時，為使表面成形運動得以重復進行而由一個表面過渡到另一個表面所作的運動。例如，車削多頭螺紋，在車完一條螺紋后，工件相對于刀架要回轉360°/

k（k

為螺紋頭數(shù)），再車下一條螺紋。這個工件相對于刀架的旋轉運動即為分度運動。

（4）操縱及控制運動。其包括機床運動部件的變速、換向、啟停及工件的裝夾等。控制運動是通過接通或斷開某個傳動鏈，從而改變運動部件速度的運動?？刂七\動一般為簡單的回轉或往復運動，在普通機床上多為手動，在半自動機床、自動機床和某些齒輪機床上則為自動。

3.2.5機床的傳動

1.機床傳動的組成

機床為實現(xiàn)加工過程中所需的各種運動，必須具備以下三個基本組成部分：

1）執(zhí)行件執(zhí)行件是執(zhí)行機床運動的部件，如主軸、刀架和工作臺等。它的任務是裝夾刀具或工件并完成一定形式的運動，保持準確的運動軌跡。

2）運動源運動源是提供運動和動力、實現(xiàn)機床上執(zhí)行件運動的動力來源。運動源通常采用交流電動機、直流電動機、伺服電動機、變頻調(diào)速電動機和步進電動機等。一臺機床上可以有一個或多個運動源。

3）傳動件傳動件是將運動源的運動和動力按要求傳遞給執(zhí)行件的零件或裝置。如齒輪、膠帶輪、絲杠、摩擦離合器、液壓傳動和電氣傳動元件等。

2.機床傳動聯(lián)系

把運動源和執(zhí)行件或者把執(zhí)行件之間聯(lián)系起來的一系列傳動件，構成了一個傳動聯(lián)系。構成一個傳動聯(lián)系的一系列傳動件稱為“傳動鏈”。根據(jù)傳動聯(lián)系的性質(zhì)，傳動鏈可以分為外聯(lián)系傳動鏈和內(nèi)聯(lián)系傳動鏈兩類。

外聯(lián)系傳動鏈是聯(lián)系運動源和執(zhí)行件之間的傳動鏈。它的作用是給機床的執(zhí)行件提供動力和扭矩，并能改變運動速度的大小和轉動方向，但它不要求運動源和執(zhí)行件之間有嚴格的傳動比關系。例如用普通車床車削螺紋，從電動機到主軸之間由一系列零部件構成的傳動鏈就是外聯(lián)系傳動鏈。它沒有嚴格的傳動比要求，可以采用皮帶和皮帶輪等摩擦傳動或采用鏈傳動。

內(nèi)聯(lián)系傳動鏈是聯(lián)系復合運動各個分解部分之間的傳動鏈，所聯(lián)系的執(zhí)行件之間必須具有嚴格的相對關系。例如用普通車床車削螺紋，主軸和刀架的運動就構成了一個復合成形運動，所以聯(lián)系主軸和刀架之間由一系列零部件構成的傳動鏈就是內(nèi)聯(lián)系傳動鏈。設計機床內(nèi)聯(lián)系傳動鏈時，各傳動副的傳動比必須準確，不應有摩擦傳動（帶傳動）或瞬時傳動比變化的傳動件（如鏈傳動）。

3.傳動原理圖

為了便于分析研究機床的傳動聯(lián)系，常用一些簡單的符號把運動源和執(zhí)行件或不同執(zhí)行件之間的傳動聯(lián)系表示出來，這就是傳動原理圖。它主要表示了與表面成形運動有直接關系的運動及其傳動聯(lián)系。因此，采用它作為工具來研究機床的傳動聯(lián)系，重點突出，簡潔明了，能比較容易掌握機床的傳動系統(tǒng)，尤其對那些運動較為復雜的機床（如齒輪機床）來說，利用傳動原理圖來研究機床的轉動聯(lián)系則更有必要。圖3-5所示為傳動原理圖中常使用的一部分符號，其中表示執(zhí)行件的符號目前還沒有統(tǒng)一的規(guī)定，一般可用較直觀的簡單圖形來表示。

圖3-5傳動原理圖中常用的符號下面以用螺紋車刀車削螺紋為例，說明傳動原理圖的畫法（如圖3-6所示）。

圖3-6用螺紋車刀車削螺紋的傳動原理圖第一步，畫出機床上的執(zhí)行件。該機床的執(zhí)行件共有兩個，即展成運動的兩端件，一是主軸（夾持工件）與螺紋車刀，二是為運動提供動力的電動機。

第二步，畫出相應的換置機構，并標出相應的傳動比。由于車床可以加工不同螺距的螺紋，因此，在主軸和刀具之間應有一換置機構iv；由于受刀具和工件的材料、尺寸不同以及加工時所要求的精度和表面粗糙度不同等因素的影響，展成運動的速度也是不一樣的。因此，在電動機和主軸之間也應有一換置機構ix。

第三步，用代表傳動比不變的虛線將執(zhí)行件和換置機構之間相關聯(lián)的部分連接起來。如電動機至ix、ix至主軸、主軸至iv，iv至絲杠之間的傳動用虛線連接起來。

由于其他的中間傳動件一概不畫，所得到的傳動原理圖簡單明了，表達了機床傳動最基本的特征。對于同一種類型的機床來說，不管它們在具體結構上有多大的差別，其傳動原理圖卻是完全相同的。因此，用傳動原理圖來研究機床的運動時，很容易找出不同類型的機床之間最根本的區(qū)別。

在圖3-6中，主軸旋轉B和車刀的縱向移動A之間有嚴格的比例關系要求:主軸旋轉一圈，刀架要移動一個螺距。因此，B和A就構成了一個復合成形運動。聯(lián)系這兩個運動的傳動鏈4—5—iv—6—7是復合成形運動內(nèi)部的傳動鏈，即內(nèi)聯(lián)系傳動鏈；電動機和主軸之間的傳動鏈1—2—ix—3—4屬于外聯(lián)系傳動鏈。圖3-7所示為數(shù)控車床的傳動原理圖。與普通車床相比，主運動傳動鏈完全相同，屬于內(nèi)聯(lián)系傳動鏈，而在進給運動傳動鏈中則用電聯(lián)系代替了機械聯(lián)系。車削螺紋時，聯(lián)系主軸與刀架之間的傳動鏈4—5—脈沖發(fā)生器—6—7—ic1—8—9—M1（伺服電動機）—10—11—縱向絲杠—A1，A1—縱向絲杠—11—10—M1—9—8—ic1—7—6—脈沖發(fā)生器—12—13—ic2—14—15—M2（伺服電動機）—16—17—橫向絲杠—A2也屬于內(nèi)聯(lián)系傳動鏈。由脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖同時控制A1和A2

，以車削成形曲面。車削圓柱面時，B、A1和A2是三個獨立的簡單運動，因此聯(lián)系主軸和刀架之間傳動鏈屬于外聯(lián)系傳動鏈。圖3-7數(shù)控車床的傳動原理圖

4.傳動系統(tǒng)及運動調(diào)整計算

由傳動原理圖所表示的機床各執(zhí)行件的運動情況和它們之間的相互關系以及其他各種切削加工所必需的輔助運動，最后均由機床的傳動系統(tǒng)圖表達出來。機床傳動系統(tǒng)圖的主體是表面成形運動傳動系統(tǒng)，它包括主運動傳動系統(tǒng)和進給運動傳動系統(tǒng)。它可在一個能反映機床外形和主要部件相互位置的投影面上，按運動傳遞的先后順序，依次畫出來。在傳動系統(tǒng)圖中，通常須標明齒輪和蝸輪的齒數(shù)，絲杠的導程和頭數(shù)，帶輪的直徑，電動機的功率和轉速，傳動軸的編號等有關數(shù)據(jù)。

在分析一個機床的傳動系統(tǒng)時，首先要根據(jù)加工方法、刀具的材料和尺寸以及工件的材料、加工的精度和表面粗糙度等來確定各傳動鏈中執(zhí)行件的運動參數(shù)，然后再根據(jù)各傳動鏈中執(zhí)行件之間的相對運動關系計算出變速機構的傳動比，從而選定合適的傳動齒輪副。以上的計算過程就是機床運動參數(shù)的調(diào)整計算過程，大致可按以下步驟進行，以圖3-5所示的普通車刀加工螺紋的傳動原理圖為例：

1）根據(jù)傳動原理圖，確定各傳動鏈兩端件外聯(lián)系傳動鏈兩端件為電動機和主軸，內(nèi)聯(lián)系傳動鏈兩端件為主軸和刀架。

2）根據(jù)兩端件的相對運動關系計算位移主軸和刀架的計算位移為：主軸1轉—刀架移動S（S為工件螺紋導程，單位為mm）。

3）列出相應的運動平衡式

本例中外聯(lián)系傳動鏈的運動平衡式為：n主=1450ivi1內(nèi)聯(lián)系傳動鏈的運動平衡式為：1×i2ix×p=S

式中i1為外聯(lián)系傳動鏈的固定傳動比，i2為內(nèi)聯(lián)系傳動鏈的固定傳動比，p為車床絲杠的導程(mm)。

4)導出傳動鏈的換置公式，求出變速機構的傳動比外聯(lián)系傳動鏈的換置公式為：

內(nèi)聯(lián)系傳動鏈的換置公式為：

求出iv和ix的值后，用iv和ix的值確定主軸箱和進給箱中變速齒輪的齒數(shù)和掛輪架的配換齒輪，從而確定機床的運動參數(shù)。

3.2.6數(shù)控機床

1.數(shù)控機床的定義

數(shù)控機床是指采用數(shù)字形式信息控制的機床。國際信息處理聯(lián)盟第五技術委員會對數(shù)控機床作了如下定義：數(shù)控機床是一個裝有數(shù)控系統(tǒng)的機床，該系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有使用號碼或其他符號編碼指令規(guī)定的程序。數(shù)控機床是近代發(fā)展起來的、具有廣闊發(fā)展前景的、新型自動化機床，是高度機電一體化的產(chǎn)品，是體現(xiàn)現(xiàn)代機床水平的重要標志。數(shù)控機床解決了形狀復雜、高精密、生產(chǎn)批量不大且生產(chǎn)周期短及產(chǎn)品更換頻繁的多品種、小批量產(chǎn)品的制造問題，是一種靈活的、高效能的自動化機床，是構成柔性制造系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)的基礎單元。常見的數(shù)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、數(shù)控加工中心等。

數(shù)控機床工作時，首先要將被加工零件圖上的幾何信息和工藝信息數(shù)字化，并按規(guī)定的代碼和格式編成加工程序；然后把加工程序輸入機床數(shù)控裝置，數(shù)控系統(tǒng)把程序進行譯碼、運算后向機床的各個坐標的伺服裝置和輔助控制裝置發(fā)出指令，驅動機床運動部件，并控制所需要的輔助動作，完成零件的加工。

2.數(shù)控機床的組成

數(shù)控機床的基本組成包括信息載體、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、測量反饋裝置和機床本體等五部分，如圖3-8所示。

圖3-8數(shù)控機床的基本組成

1）信息載體信息載體又稱控制介質(zhì)，用于記錄各種加工指令，以控制機床的運動，實現(xiàn)零件的自動加工。

2）數(shù)控裝置數(shù)控裝置是數(shù)控機床的核心，用于接受讀入裝置輸入的加工信息，經(jīng)過譯碼處理與運算，發(fā)出相應的指令脈沖給伺服系統(tǒng)，控制機床各執(zhí)行件按指令要求協(xié)調(diào)動作，完成零件加工。它由輸入裝置、運算器、輸出裝置和控制器四部分組成。目前隨計算機技術發(fā)展，數(shù)控功能可根據(jù)用戶需要進行任意組合和擴展，可實現(xiàn)幾臺數(shù)控機床之間的數(shù)據(jù)通信，并可以直接對幾臺數(shù)控機床進行控制。

3）伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)是以控制移動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)，它能快速響應數(shù)控裝置發(fā)出的指令?，F(xiàn)在普遍采用的是交流數(shù)字伺服系統(tǒng)。

4）測量反饋裝置測量反饋裝置是將位移的實際值檢測出來，反饋給數(shù)控裝置，它的檢測精度決定了數(shù)控機床的加工精度，測量反饋裝置普通應用高分辨率的脈沖編碼器。

5）機床本體機床本體采用剛性強、熱變形小、高精度的新型機床，在外部造型、傳動系統(tǒng)及刀具系統(tǒng)等方面都有很大改進，采用機電一體化的總體布局，機床主機和伺服系統(tǒng)實現(xiàn)了很好的機電匹配。與普通機床相比，數(shù)控機床的機械結構，尤其是傳動系統(tǒng)的結構大為簡化，機床的功能擴充，機床自身精度、加工精度和加工效率顯著提高。

3.數(shù)控機床的分類

數(shù)控機床一般按以下幾種方法分類：

1）按工藝用途分類

（1）普通數(shù)控機床。在加工工藝過程中的一個工序上實現(xiàn)數(shù)字控制的自動化機床，自動化程度還不夠完善，工藝可行性和通用機床相似，刀具更換、零件裝夾仍需人工完成。（2）數(shù)控加工中心機床。數(shù)控加工中心是帶有刀庫和自動換刀裝置的數(shù)控機床，又稱多工序數(shù)控機床，簡稱加工中心。加工中心在一次裝夾后，可進行多種工序加工，能有效避免由于多次安裝造成的定位誤差，并提高加工生產(chǎn)率。

2）按運動軌跡分類（1）點位控制數(shù)控機床。這類機床的數(shù)控裝置中只能控制行程終點的坐標值，在移動過程中不進行切削加工，即對運動軌跡和速度無要求。這類控制系統(tǒng)主要用于數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、數(shù)控沖床、測量機等。（2）點位直線控制數(shù)控機床。這類機床不僅要求具有準確的定位功能，還要求當機床的移動部件移動時，可沿平行于坐標軸的直線及與坐標軸成45°的斜線進行切削加工，如數(shù)控車床、數(shù)控鏜銑床等。（3）輪廓控制數(shù)控機床。這類機床的控制裝置不僅能夠準確定位，而且還能夠控制加工過程中每點的速度和位置，以得到形狀復雜的零件輪廓，如數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、數(shù)控加工中心機床等。

3）按伺服系統(tǒng)的控制方式分類

（1）開環(huán)控制數(shù)控機床。如圖3-9所示,機床沒有檢測反饋裝置，加工精度不高，其精度主要取決于伺服系統(tǒng)的精度。

圖3-9開環(huán)控制系統(tǒng)原理

（2）閉環(huán)控制數(shù)控機床。如圖3-10所示，在開環(huán)控制數(shù)控機床中增加了檢測反饋裝置，在加工中時刻檢測機床移動部件的位置，以達到較高的加工精度。

圖3-10閉環(huán)控制系統(tǒng)原理

（3）半閉環(huán)控制數(shù)控機床。如圖3-11所示，半閉環(huán)控制數(shù)控機床對工作臺實際位置不進行檢查測量，而是測量伺服電機的轉角，推算出工作臺實際位移量，并用此值與指令值進行比較，用差值來實現(xiàn)控制，以達到精確定位。這種方式工作臺不包括在控制回路內(nèi)，因此調(diào)整方便，目前大多數(shù)數(shù)控機床采用這種控制方法。

圖3-11半閉環(huán)控制系統(tǒng)原理

4）其他類型數(shù)控機床

（1）金屬塑性成形類數(shù)控機床。如數(shù)控折彎機、數(shù)控彎管機、數(shù)控回轉頭壓力機等。

（2）特種加工數(shù)控機床。如數(shù)控線切割機床、數(shù)控電火花加工機床、數(shù)控激光切割機床、數(shù)控火焰切割機、數(shù)控三坐標測量機等。此外，還有具有多坐標聯(lián)動功能、顯示功能、通信功能等的數(shù)控機床。

4.數(shù)控機床的加工特點

(1）數(shù)控機床能將生產(chǎn)率提高3～5倍，使用數(shù)控加工中心機床則可將生產(chǎn)率提高5～10倍。

(2）數(shù)控機床可以獲得比機床本身精度還高的加工精度。(3）可加工復雜形狀零件，且不需專用夾具。

(4）可實現(xiàn)一機多用，減輕工人勞動強度且節(jié)省廠房面積。

(5）有利于生產(chǎn)向計算機控制和管理方面發(fā)展，有利于機械加工綜合自動化的發(fā)展。

(6）數(shù)控機床初期投資及維修技術等費用較高，對操作及管理人員的素質(zhì)要求也較高。

3.3機床夾具的基礎知識

3.3.1概述

1.工件裝夾的概念

在機床上對工件進行加工時，為了保證加工表面相對其它表面的尺寸和位置精度，首先需要使工件在機床上占有準確的位置，并在加工過程中能承受各種力的作用而始終保持這一準確位置不變。前者稱為工件的定位，后者稱為工件的夾緊，這一整個過程統(tǒng)稱為工件的裝夾。在機床上裝夾工件所使用的工藝裝備稱為機床夾具（以下簡稱夾具）。

工件的裝夾，可根據(jù)工件加工的不同技術要求，采取先定位后夾緊或在夾緊過程中同時實現(xiàn)定位兩種方式，其目的都是為了保證工件在加工時相對刀具及切削成形運動具有準確的位置。例如在牛頭刨床上加工一槽寬尺寸為B的通槽，若此通槽只對A面有尺寸和平行度要求時（如圖3-12(a)所示），可采用先定位后夾緊的裝夾方式；若此通槽對左右側兩面有對稱度要求時（如圖3-12(b)所示），則要求采用在夾緊過程中實現(xiàn)定位的對中裝夾方式。

圖3-12需采用不同裝夾方式的工件

2.工件裝夾的方法

在機床上對工件進行加工時，根據(jù)工件的加工精度要求和加工批量的不同，可采用如下兩種裝夾方法：

1）找正裝夾法找正裝夾法即通過對工件上有關表面或劃線的找正，最后確定工件加工時應具有準確位置的裝夾方法。圖3-13(a)所示為工件由四爪卡盤夾持，用百分表找正定位。通過四爪卡盤和百分表調(diào)整工件的位置，使其外圓表面軸線與主軸回轉軸線恰好重合。這樣加工完的內(nèi)孔，就能和已加工過的外圓同軸。

2）夾具裝夾法夾具裝夾法即通過安裝在機床上的夾具對工件進行定位和夾緊，最后確定工件加工時應具有的準確位置的裝夾方法。圖3-14所示為套筒形工件采用夾具安裝，進行鉆孔的一個例子。工件1靠定位銷軸2外圓表面和軸肩定位，螺母4通過開口墊圈5將工件1夾緊。由于鉆套3與定位銷軸2在夾具裝配時就按工件精度要求調(diào)整到正確的位置，所以，鉆頭經(jīng)鉆套3引導在工件上就能鉆出符合要求的孔。開口墊圈5的作用是縮短裝卸工件的時間。

圖3-13找正裝夾法圖3-14夾具裝夾

3.夾具的組成

通過上述例子可以看出，雖然加工工件的形狀、技術要求不同，所使用的機床也不同，但在加工時所使用的夾具大多由以下五個部分組成：

（1）定位元件及定位裝置。定位元件的作用是確定工件在夾具中的正確位置，如圖3-14中的定位銷軸就是定位元件。有些夾具還采用由一些零件組成的定位裝置對工件進行定位。

（2）夾緊裝置。夾緊裝置的作用是用以保持工件在夾具中已確定的位置，并承受加工過程中各種力的作用而不發(fā)生任何變化，它由動力裝置、中間傳力機構、夾緊元件組成。如圖3-14中的螺母、開口墊圈等。

（3）對刀及導向元件。在夾具中，用來確定加工時所使用刀具位置的元件稱為對刀及導引元件，如圖3-14中的鉆套。它們的作用是用來保證工件與刀具之間的正確位置。

（4）夾具體。在夾具中，用于連接夾具上各元件及裝置使其成為一個整體的基礎零件稱為夾具體，如圖3-14中的件6。

（5）其它元件及裝置。根據(jù)工序要求的不同，有些夾具上還設有分度裝置、上下料裝置以及標準化了的其它聯(lián)接元件。

4.夾具的分類

機床夾具的種類很多，可按夾具的應用范圍分類，也可按所使用的動力源進行分類。

1）按夾具的應用范圍分類

（1）通用夾具。通用夾具是指結構、尺寸已規(guī)格化且具有一定通用性的夾具，如車床、外圓磨床上的三爪和四爪卡盤、頂針和雞心夾頭，銑、刨床上的平口鉗、分度頭等。其特點是通用性強，無需調(diào)整或稍加調(diào)整就可用于裝夾不同的工件，這類夾具一般已標準化，且成為機床附件供用戶使用。其缺點是夾具的加工精度不高，生產(chǎn)效率較低，故主要用于單件和中、小批生產(chǎn)，裝夾形狀比較簡單和加工精度要求不太高的工件。

（2）專用夾具。專用夾具是指針對某一種工件的某一工序的加工要求設計的夾具。此類夾具沒有通用性，針對性強，故夾具設計要求結構簡單、緊湊、操作迅速和維修方便。專用夾具的設計與制造，生產(chǎn)準備周期較長，當生產(chǎn)的產(chǎn)品或零件工藝過程變更時，往往無法繼續(xù)使用，故此類夾具只適于在產(chǎn)品固定和工藝過程穩(wěn)定的大批量生產(chǎn)中使用。

（3）成組夾具。在生產(chǎn)中，有時由于加工批量較小，為每種零件都分別設計專用夾具很不經(jīng)濟，而使用通用夾具又往往不能滿足加工精度和生產(chǎn)率的要求，故而采用成組加工工藝，并根據(jù)組內(nèi)的典型代表工件設計成組夾具。這類夾具在使用時，只需對夾具上的部分定位、夾緊元件等進行調(diào)整或更換，就可用于組內(nèi)不同工件的加工。

（4）組合夾具。組合夾具是在夾具零、部件標準化的基礎上發(fā)展起來的一種適應多品種、小批量生產(chǎn)的新型夾具。它是由一套結構和尺寸已經(jīng)規(guī)格化、系列化的通用元件、合件和部件構成，它們包括：基礎件、支承件、定位件、導向件、壓緊件、緊固件、輔助件、合件和部件等。這些通用元件、合件和部件是由專業(yè)工廠生產(chǎn)供應的，使用單位可根據(jù)被加工工件的加工要求，很快地組裝出所需要的夾具。夾具使用完畢后，可以將各組成元件、合件等拆開，清洗后入庫以備下次組合使用。由于這類夾具具有縮短生產(chǎn)準備周期，減少專用夾具的品種、數(shù)量和存放面積等優(yōu)點，且組裝后又可達到較高的精度，故在加工批量較大的生產(chǎn)條件下也是適用的。

2）按夾具上的動力源分類按夾具上的動力源還可將夾具分為手動夾具、氣動夾具、液壓夾具、電動夾具、磁力夾具、真空夾具、切削力夾具、離心力夾具等。

3）按使用機床分類按使用機床的不同，夾具可分為車床夾具、銑床夾具、鉆床夾具、鏜床夾具、磨床夾具齒輪機床夾具和其它機床夾具等。

5.夾具的作用

夾具在機械加工中的作用可以歸納為以下幾個方面：

（1）易于保證加工精度。

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，較容易地保證工件在該工序中的加工精度,減少了對其它生產(chǎn)條件的依賴性。

（2）縮短輔助時間，提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。

工件在夾具中的裝夾和工位轉換及夾具在機床上的安裝等，都可通過專門的元件或裝置迅速完成。此外，還可以采用高效率的多件、多位、快速、聯(lián)動等夾緊方式，因而可以縮短輔助時間，提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。

（3）減輕工人勞動強度。

采用夾具后，取消了復雜的劃線、找正工作，在夾具中又可采用增力、機動等夾緊機構，使裝夾工件方便省力，故可減輕工人勞動強度。

（4）擴大機床的工藝范圍，實現(xiàn)一機多能。

根據(jù)加工機床的成形運動，附以不同類型的夾具，即可擴大機床原有的工藝范圍。例如在車床的滑板上或在搖臂鉆床的工作臺上裝上鏜模就可以進行箱體的鏜孔加工。

（5）減少生產(chǎn)準備時間，縮短新產(chǎn)品試制周期。

對多品種小批生產(chǎn)，在加工中大量應用通用、可調(diào)、成組和組合夾具，可以減少大量的專用夾具設計和制造時間，從而減少生產(chǎn)準備時間。同理，對新產(chǎn)品試制，也同樣可以顯著縮短新產(chǎn)品的試制周期。

3.3.2工件在夾具中的定位

1.工件定位基本原理

1）六點定位原則

任何一個在空間的自由物體，對于直角坐標系來說，均有六個自由度（如圖3-15所示），即沿空間坐標軸x、y、z三個方向的移動和繞此三坐標軸的轉動。以x、y、z分別表示沿x、y、z三個坐標軸的移動，以x、y、z分別表示繞x、y、z三個坐標軸的轉動。要使工件定位，必須限制工件的自由度。工件的六個自由度如果都加以限制了，工件在空間的位置就完全被確定下來了。

分析工件定位時，通常是用一個支承點限制工件的一個自由度，用合理設置的六個支承點，限制工件的六個自由度，使工件在定位裝置中的位置完全確定，這就是六點定位原理，也稱為“六點定位原則”，如圖3-16所示。（（（圖3-15工件的六個自由度

圖3-16六點定位原則

2）工件定位中的幾種情況

要確定工件的定位方法，一是要遵循“六點定位原則”，二是要根據(jù)工件具體的加工要求，分析工件應該被限制的自由度，從而選擇定位元件。一種具體的定位元件，究竟限制工件的哪幾個自由度，要根據(jù)具體情形進行分析。工件的定位中有以下幾種情況。

（1）完全定位。根據(jù)工件加工面的位置度（包括位置尺寸）要求，需要限制六個自由度，而六個自由度全部被限制的定位，稱為完全定位。當工件在x、y、z三個坐標方向上均有尺寸要求或位置精度要求時，一般采用這種定位方式。如圖3-17所示的工序，在軸上銑槽，此槽的位置，除了須對稱于軸的中心線，距軸端保證尺寸a外，還須與上道工序銑出的槽b相隔180°。

圖3-17軸在銑槽時的定位

（2）不完全定位。根據(jù)工件的加工要求，生產(chǎn)中有時不一定要限制六個自由度，而是只需要限制一個或幾個（少于六個）自由度，這樣的定位，稱為不完全定位。

（3）欠定位。根據(jù)工件的加工要求，應必須限制的自由度沒有完全被限制，這樣的定位稱為欠定位。

（4）過定位。工件在定位時，同一個自由度被兩個或兩個以上的限制點限制，這樣的定位稱為過定位。

圖3-18連桿的定位

圖3-19滾齒時齒坯的夾具及定位

2.定位基準的選擇

1）基準的概念及其分類

(1)基準。用來確定生產(chǎn)對象上幾何要素間的幾何關系所依據(jù)的點、線、面稱為基準。它往往是計算、測量或標注尺寸的起點。根據(jù)基準功用的不同，它可以分為設計基準和工藝基準兩大類。

圖3-20柴油機機體（2）設計基準。設計圖樣上所采用的基準稱為設計基準。它是標注設計尺寸的起點。例如圖3-20所示的柴油機機體，平面2和孔3的設計基準是平面1，孔4和孔5的設計基準均是孔3中心線。

（3）工藝基準。在工藝過程中所采用的基準稱為工藝基準。根據(jù)用途的不同工藝基準可分為定位基準、工序基準、測量基準和裝配基準。

①定位基準，即在加工中用作定位的基準。它是工件上與夾具定位元件直接接觸的點、線或面。例如圖3-20所示的機體，在加工孔3、4、5時，一般用底面2在夾具的支承板上定位，限制三個自由度，所以底面2是加工孔3、4、5時的定位基準。

②工序基準，即在工序圖上用來確定本工序所加工表面加工后的尺寸、形狀、位置的基準。如圖3-20所示的機體，加工孔3時，按尺寸B進行加工，則平面1即為工序基準，加工尺寸B叫做工序尺寸。

③測量基準,即測量時所采用的基準。

④裝配基準,即裝配時用來確定零件或部件在產(chǎn)品中的相對位置所采用的基準。

說明：作為基準的點、線、面，有時并不是具體存在于零件上（例如軸心線、對稱平面等），而是由零件上具體存在的表面來體現(xiàn)的，該表面稱為基準面。例如圖3-20中孔徑的中心線并不是具體存在的，而是通過孔的表面來體現(xiàn)的，所以孔3的內(nèi)圓表面就是基準面。

2）定位基準的分類與選擇

定位基準可分為粗基準和精基準：用毛坯上未經(jīng)加工的表面作為定位基準的稱為粗基準；用經(jīng)過切削加工的表面作為定位基準的稱精基準。定位基準選擇的是否合適，對能否保證零件的表面位置精度要求有很大影響。下面分別介紹粗基準和精基準的選擇原則。

（1）粗基準的選擇原則。

選擇粗基準時，應考慮兩個問題：一是保證加工面與不加工面之間的相互位置精度要求；二是合理分配各加工面的加工余量。一般應遵循以下原則：

①重要表面原則。如圖3-21所示的車床床身導軌表面是重要表面，車床床身在粗加工時，為了保證導軌面有均勻的金相組織和較高的耐磨性，應使其加工余量適當而且均勻，為此先以導軌面作為粗基準加工床腳面，再以床腳面為精基準加工導軌面。

②不加工表面原則。若在設計上要求保證加工面與不加工面之間的相互位置精度，則應選擇不加工面作為粗基準。如圖3-22所示的工件，在毛坯鑄造時，毛孔2與外圓1之間有偏心。如果外圓1是不加工表面，設計上要求外圓1與加工后的孔3保證一定的同軸度，則在加工時應選擇不加工表面1作為粗基準，以保證加工孔3與外圓1同軸，壁厚均勻。

圖3-21床身加工的粗基準選擇

圖3-22保證壁厚均勻的粗基準選擇

如果工件上有好幾個不加工表面，則應選擇與其中加工面位置要求較高的不加工面作為粗基準，以便于保證精度要求，使外形對稱等。

③余量最小原則。如果零件上每個表面都要加工，則應選擇加工余量最小的表面作為粗基準，以避免該表面在加工時因余量不足而留下部分毛坯面，造成廢品。

④使用一次原則。粗基準一般只在第一道工序中使用一次，盡量避免重復使用。因為毛坯面粗糙且精度低，重復使用易產(chǎn)生較大的誤差。

⑤平整光潔原則。作為粗基準的表面，應盡量平整光潔，有一定面積，不能有飛邊、澆口、冒口或其他缺陷，以使工件定位可靠、夾緊方便。

（2）精基準的選擇。

選擇精基準時，主要應考慮保證加工精度和工件安裝方便可靠。一般應遵循以下原則：

①基準重合原則。選擇精基準時應盡量選用零件上的設計基準作為定位基準，以避免定位基準與設計基準不重合而引起的定位誤差。

②基準統(tǒng)一原則。應盡可能采用同一組基準定位加工零件上盡可能多的表面，這就是基準統(tǒng)一原則。這樣可以減少基準轉換，便于保證各加工表面的相互位置精度。例如加工軸類零件時，采用兩中心孔定位加工各外圓表面，就符合基準統(tǒng)一原則。箱體零件采用一面兩孔定位，齒輪的齒坯和齒形加工多采用齒輪的內(nèi)孔及一端面作為定位基準，均符合基準統(tǒng)一原則。

③自為基準原則。某些加工工序，加工余量小而均勻，常選擇加工表面本身作為定位基準，稱為自為基準原則。例如，磨削床身導軌面時，就以導軌面本身為基準來找正，還有浮動鏜刀鏜孔、珩磨孔、無心磨外圓等也都是自為基準的實例。

④互為基準原則。當對工件上兩個相互位置精度要求很高的表面進行加工時，需要用兩個表面互相作為基準，反復進行加工，以保證位置精度要求。例如要保證精密齒輪的齒圈跳動精度，在齒面淬硬后，先以齒面定位磨內(nèi)孔，再以內(nèi)孔定位磨齒面，從而保證位置精度。

⑤所選精基準應保證工件定位準確，夾緊可靠、操作方便。

3.定位元件的選擇與設計

工件在夾具中定位，主要是通過各種類型的定位元件實現(xiàn)的。在機械加工中，雖然被加工工件的種類繁多、形狀各異，但從它們的基本結構來看，不外乎是由平面、圓柱面、圓錐面及各種成形面所組成。所以可根據(jù)各自的結構特點和工序加工精度要求，選擇其上的平面、圓柱面、圓錐面或它們之間的組合表面作為定位基準。因此，在夾具設計中可根據(jù)需要選用下述各種類型的定位元件。

1）平面定位元件

在夾具設計中常用的平面定位元件有固定支承、可調(diào)支承、自位支承及輔助支承等。在工件定位時，上述支承中除輔助支承外均對工件起主要定位作用。

（1）固定支承。在夾具體上，支承點的位置固定不變的定位元件稱為固定支承。根據(jù)工件上平面定位基準的加工狀況，可選取如圖3-23所示的各種支承釘或支承板。

圖3-23各種類型的固定支承釘和支承板

(2）可調(diào)支承。在夾具體上，支承點的位置可調(diào)節(jié)的定位元件稱為可調(diào)支承。圖3-24所示即為常用的幾種可調(diào)支承結構。這幾種可調(diào)支承都是采用螺釘螺母形式，并通過螺釘和螺母實現(xiàn)支承點位置的調(diào)節(jié)。其中圖（a）是直接用手或扳桿擰動球頭螺釘進行調(diào)節(jié)，一般適用于重量較輕的小型工件；圖（b）則是通過扳手進行調(diào)節(jié)，故適用于較重的工件；圖（c）是供設置在工件側面進行支承點位置的調(diào)節(jié)用的?？烧{(diào)支承的支承點位置，一經(jīng)調(diào)節(jié)適當后，便須通過鎖緊螺母鎖緊，以防止在夾具使用過程中定位支承螺釘?shù)乃蓜佣蛊渲С悬c位置發(fā)生變化。

圖3-24各種可調(diào)支承

(3）自位支承，又稱浮動支承，是指支承點的位置在工件定位過程中，隨工件定位基準面位置的變化而自動與之相適應的定位元件。因此，這類支承在結構上均需設計成活動或浮動的。其工作特點是：在定位過程中支承點位置能隨工件定位基面位置的變化而自行浮動并與之相適應。當自位支承中的一個點被壓下，其余點即上升，直到這些點都與定位基面接觸為止。自位支承的作用仍相當于一個固定支承，只限制一個自由度，如圖3-25所示。

圖3-25自位支承例子

(4）輔助支承。在夾具中，為提高工件支承剛性或起輔助作用的定位元件，稱為輔助支承。在夾具設計中，為了實現(xiàn)工件的預定位或提高工件定位的穩(wěn)定性，常采用輔助支承。其工作特點是：待工件定位夾緊后，再調(diào)整輔助支承，使其與工件的有關表面接觸并鎖緊，而且輔助支承是每安裝一個工件就調(diào)整一次。如圖3-26所示，由于工件的重心超出主要支承所形成的穩(wěn)定區(qū)域時，工件重心所在一端便會下垂而使工件上的定位基準面脫離定位元件。為了避免出現(xiàn)這種現(xiàn)象，可以在工件重心所在部位下方設置輔助支承，先實現(xiàn)預定位，然后在夾緊力作用下再實現(xiàn)與主要定位元件全部接觸的準確定位。輔助支承的常用結構有螺旋式輔助支承、自位式輔助支承、推引式輔助支承和液壓鎖緊輔助支承。

圖3-26輔助支承在工件定位中的作用

2）圓孔表面定位元件

在夾具設計中常用于圓孔表面的定位元件有定位銷、圓柱心軸和錐度心軸等。

（1）定位銷（圓柱銷)。在夾具中，工件以圓孔表面定位時使用的定位銷一般有固定式和可換式兩種。

圖3-27所示為常用的固定式定位銷的幾種典型結構。當被定位工件的圓孔尺寸較小時，可選用圖（a）所示的定位銷結構，這種帶有小凸肩的定位銷結構，與夾具體連接時穩(wěn)定牢靠。當被定位工件的圓孔尺寸較大時，選用圖（b）所示的結構即可。若被定位工件同時以其上的圓柱孔和端面組合定位時，還可選用圖（c）所示的帶有支承墊圈的定位銷結構。支承墊圈與定位銷可做成整體式的，也可做成組合式的。為保證定位銷在夾具上的位置精度，一般與夾具體的連接采用過盈配合。

圖3-27固定式定位銷

在大批大量生產(chǎn)中，由于定位銷磨損較快，為保證工序加工精度需定期維修更換，此時常采用便于更換的可換式定位銷。如圖3-28（a）所示為常用的可換式定位銷，為了便于定期更換，在定位銷與夾具體之間裝有襯套，定位銷與襯套內(nèi)徑的配合采用間隙配合，而襯套與夾具體則采用過渡配合。由于這種定位銷與襯套之間存在裝配間隙，故其位置精度較固定式定位銷低。

圖3-28可換式定位銷和錐面定位銷

為了便于工件的順利裝入，上述定位銷的定位端頭部均加工成15°的大倒角，各種類型定位銷對工件圓孔定位時限制的自由度，應視其與工件定位孔的接觸長度而定，一般選用長定位銷時限制四個自由度，選用短定位銷時則限制兩個自由度。若采用削邊銷，則分別限制兩個或一個自由度。當采用如圖3-28（b）所示的錐面定位銷定位時則相當于三個支承點，限制三個自由度。

在固定式和可換式定位銷中，為適應以工件上的兩孔一起定位的需要，應在兩個定位銷中采用一個削邊定位銷。常用削邊定位銷的結構形狀如圖3-29（a）所示，分別用于工件孔徑D＜?3mm、?3mm＜D＜?50mm及D＞?50mm的定位。直徑為?3～50mm的削邊定位銷都做成菱形，其標準結構如圖3-29（b）所示。標準菱形定位銷的結構尺寸，在夾具設計時可按表3-3所列數(shù)值直接選取。

圖3-29常用削邊定位銷和菱形定位銷的標準結構

表3-3標準菱形定位銷的結構尺寸

（2）圓柱心軸。圓柱心軸的結構如圖3-30所示。其中，圖（a）所示為帶有凸肩并與工件圓孔過盈配合的心軸，心軸由導向部分1，定位部分2及傳動部分3組成。導向部分的作用是使工件能迅速正確地套在心軸的定位部分上，其直徑尺寸按間隙配合選取。心軸兩端設有頂尖孔，其左端傳動部分銑扁，以便于能迅速放入車床主軸上帶有長方槽的撥盤中。圖（b）所示為無凸肩的過盈配合心軸，用此種心軸可同時定位加工工件的兩端面，工件在心軸上的軸向位置L1在工件用油壓壓入心軸時予以保證。上述兩種圓柱心軸，定位精度高，但裝卸工件麻煩，生產(chǎn)效率較低。圖（c）所示為帶凸肩并與工件圓孔間隙配合的心軸，使用時需用螺母5夾緊，其上的開口墊圈4是為了迅速裝卸工件而設置的。

圖3-30圓柱心軸

（3）錐度心軸。為了消除工件與心軸的配合間隙，提高定心定位精度，在夾具設計中還可選用如圖3-31所示的小錐度心軸。定位時，工件楔緊在心軸錐面上，楔緊后由于孔的局部彈性變形，使它與心軸在長度Lx上為過盈配合，從而保證工件定位后不致傾斜。此外，加工時也靠此楔緊所產(chǎn)生的過盈部分帶動工件，而不需另外再夾緊工件。

圖3-31錐度心軸

3）外圓表面定位元件

在夾具設計中常用于外圓表面的定位元件有V形塊、支承板和定位套等。V形塊則實現(xiàn)對外圓表面的定心對中定位，各種定位套對工件外圓表面主要實現(xiàn)定心定位，支承板實現(xiàn)對外圓表面的支承定位。

（1）V形塊。

在夾具中，為了確定工件定位基準——外圓表面中心線的位置，也常采用以兩個支承平面組成的V形塊定位。此種V形塊定位元件，還可對具有非完整外圓表面的工件進行定位。常見的V形塊結構如圖3-32所示，其中長V形塊限制工件的四個自由度，短V形塊則只限制工件的兩個自由度。對由兩個高低不等的短V形塊組成的定位元件，還可實現(xiàn)對階梯形的兩段外圓表面中心連線的定位。V形塊在對工件定位時，還可起對中作用，即通過與工件外圓兩側母線的接觸，使工件上的外圓中心線對中在V形塊兩支承斜面的對稱面上。

圖3-32常見的V形塊結構

V形塊上兩斜面的夾角α一般選用60°、90°和120°三種，最常用的是夾角為90°的V形塊。90°夾角的V形塊的結構和尺寸可參閱有關國家標準。當在夾具設計過程中，需根據(jù)工件定位要求自行設計V形塊時，則可參照圖3-33對有關尺寸進行計算。

當自行設計一個V形塊時，d是已知的，而H和N確定以后，即可求出其他相關尺寸了。

圖3-33V形塊的典型結構及主要尺寸設計時尺寸H的取值：

用于大外圓直徑定位時，取H≤0.5d;

用于小外圓直徑定位時，取H≤1.2d。

尺寸N的取值：

當α=60°時，N=1.16d－1.15h

；

當α=90°時，N=1.41d－2h；

當α=120°時，N=2d－3.46h。

h=（0.14～0.16）d圖3-34V形塊定位的代用元件及活動的V形塊

（2）定位套。

在夾具中，工件以外圓表面定心定位時，常采用如圖3-35所示的各種定位套。其中，圖3-35（a）所示為短定位套和長定位套，它們分別限制被定位工件的兩個和四個自由度。圖3-35（b）所示為錐面定位套，和錐面銷對工件圓孔定位一樣，它限制了工件的三個自由度。在夾具設計中，為了裝卸工件的方便也可采用如圖3-35（c）所示的半圓套對工件外圓表面進行定心定位。根據(jù)半圓套與工件定位表面接觸的長短，將分別限制工件的四個或兩個自由度。各種類型定位套和定位銷一樣，也可根據(jù)被加工工件批量和工序加工精度要求，設計成為固定式和可換式的。同樣，固定式定位套在夾具中可獲得較高的位置定位精度。

圖3-35各種類型定位套

（3）支承板。在夾具中，工件以外圓表面的側母線定位時，常采用平面定位元件——支承板。支承板對工件外圓表面的定位屬于支承定位，定位時限制自由度數(shù)的多少將由它與工件外圓側母線接觸的長短確定。如圖3-36(a)所示，當兩者接觸長度較短時，支承板對工件限制了一個自由度；當兩者接觸長度較長時,如圖3-36(b)所示，則限制了工件的兩個自由度。

圖3-36支承板對工件外圓的定位

表3-4常用定位元件及所能限制的自由度

表3-4常用定位元件及所能限制的自由度

4.定位誤差的分析與計算

工件的加工精度，取決于刀具與工件之間正確的相互位置，而影響這個正確位置關系的誤差因素有以下幾種：

(1)定位誤差ΔD：它是指一批工件在夾具中的位置不一致而引起的誤差。

(2)調(diào)安誤差ΔT-A（調(diào)整和安裝誤差）：調(diào)整誤差是指夾具上的對刀元件或導向元件與定位元件之間的位置不準確所引起的誤差；安裝誤差是指夾具在機床上安裝時引起定位元件與機床上安裝夾具的裝夾面之間位置不準確的誤差。

(3)加工過程誤差ΔG：由機床運動精度和工藝系統(tǒng)的變形等因素引起的誤差。

為了得到合格零件，必須使上述各項誤差之和等于或小于零件的相應公差δk，即

ΔD+ΔT-A+ΔG≤δk此式稱為加工誤差的不等式。在對定位方案進行分析時，假設這三項誤差各占工件公差的1/3。這里，我們重點分析與工件在夾具上定位有關的誤差ΔD。設計夾具過程中,選擇和確定工件的定位方案，除了根據(jù)定位原理選用相應的定位元件外，還必須對選定的工件定位方案能否滿足工序的加工精度要求作出判斷，為此就需對可能產(chǎn)生的定位誤差進行分析和計算。

1）定位誤差產(chǎn)生的原因和計算

造成定位誤差的原因有兩個：一是由于定位基準與設計基準不重合，而使工件尺寸產(chǎn)生的加工誤差，稱基準不重合誤差，用ΔB

表示；二是由于定位基準面和定位元件的工件表面的制造誤差及配合間隙的影響，而使工件產(chǎn)生的加工誤差，稱為基準位移誤差，用ΔY表示。

（1）基準不重合誤差ΔB的計算。如圖3-37(a)所示零件，底面3與側面4已加工好。現(xiàn)在要加工1、2兩平面，用底面3和側面4定位。其定位誤差分析如下：圖（b）所示為加工平面2，這時定位基準和設計基準均為底面3，基準重合，即ΔB=0。圖（c）所示為加工平面1，這時定位基準是底面3，設計基準是上平面2，兩者不重合。加工時，同樣將刀具調(diào)整到尺寸C，尺寸C是定值，當一批工件逐個在夾具上定位時，受到尺寸H±ΔH的影響，設計基準2的位置是變動的，尺寸從H-ΔH變化到H+ΔH，就給尺寸A帶來誤差，這就是基準不重合誤差。顯然它的大小應等于引起設計基準相對定位基準在加工尺寸方向上發(fā)生的最大變動量，即ΔB=2ΔH

。

圖3-37定位誤差分析

由此可以得出基準不重合誤差的計算方法如下：

①定位基準與設計基準重合時，ΔB=0；

②定位基準與設計基準不重合時分兩種情況：

當設計基準相對定位基準的變動方向與加工尺寸方向一致時，

ΔB=∑δdi（從設計基準到定位基準之間所有尺寸公差之和);

當設計基準相對定位基準的變動方向與加工尺寸方向有一夾角β時，

ΔB=∑δdi

cosβ（從設計基準到定位基準之間所有尺寸公差之和在加工尺寸方向上的投影）。

（2）基準位移誤差ΔY的計算。

①工件以平面定位時，定位基面的位置可以看成是不變的，因此ΔY=0，如圖3-37所示，基準位移誤差為零。

②工件以圓孔表面定位時,其可能產(chǎn)生的定位誤差將隨定位方式和定位時圓孔與定位元件配合性質(zhì)的不同而各不相同?，F(xiàn)分別進行分析和計算。

·工件上圓孔與剛性心軸或定位銷過盈配合，定位元件水平或垂直放置因為過盈配合時，定位副間無間隙，所以定位基準的位移量為零,即

ΔY=0

·工件上圓孔與剛性心軸或定位銷間隙配合，定位元件水平放置（固定單邊接觸）由于定位銷水平放置且與工件內(nèi)孔有配合間隙，若每個工件在重力作用下均使其內(nèi)孔上母線與定位銷單邊接觸，如圖3-38所示，由于定位副的制造誤差，將產(chǎn)生定位基準位移誤差：

圖3-38工件以圓孔定位時的位移誤差

為安裝方便，有時還增加一最小間隙Δmin。由于Δmin是常量，它可在調(diào)整刀具時預先加以考慮消除Δmin的影響，因此在計算ΔY時可不計Δmin的影響。

·工件上圓孔與剛性心軸或定位銷間隙配合，定位元件垂直放置（任意邊接觸）

定位心軸垂直放置時，與工件內(nèi)孔可能任意邊接觸，應考慮加工尺寸方向的二個極限位置及孔的最小配合間隙Δmin的影響，此時Δmin無法在調(diào)整刀具尺寸時預先予以補償，因此在加工尺寸方向上的最大基準位移誤差為：

ΔY=D

max－dmin=δTD+δTd+Δmin=ESD－eid

③工件以外圓表面定位時,V形塊最為常用。下面主要分析工件以外圓在V形塊上定位時產(chǎn)生的基準位移誤差。如不考慮V形塊的制造誤差，則工件定位基準在V形塊的對稱面上。因此，工件中心線在水平方向上的位移為零，在垂直方向上因工件外圓有制造誤差，故如圖3-39所示，通過計算可得：

當α=90°時，ΔY=0.707δd。

圖3-39工件以外圓表面定位時的位移誤差

當這個基準位移誤差方向與加工尺寸方向有一夾角β

時，則應把基準位移誤差投影到加工尺寸方向上，即：ΔY=O1O2cosβ。

當α=90°時，ΔY=0.707δdcosβ。

2）定位誤差的計算

定位誤差是由基準不重合誤差和基準位移誤差兩方面組成，由上述分析及對于定位誤差的計算，可以總結如下規(guī)律：

①當ΔB=0，ΔY=0時，ΔD=0；

②當ΔB=0，ΔY≠0時，ΔD=ΔY；

③當ΔB≠0，ΔY=0時，ΔD=ΔB；

④當ΔB≠0，ΔY≠0時，如果設計基準不在定位基面上，ΔD=ΔB+ΔY；

如果設計基準在定位基面上，ΔD=ΔB±ΔY。

“±”的取向：

分析定位基面尺寸由大變小（或由小變大）時，判斷定位基準的變動方向；

定位基面尺寸由大變?。ɑ蛴尚∽兇螅r，定位基準不動，判斷設計基準的變動方向。

若兩者變動方向相同，取“+”，兩者變動方向相反，取“－”。

圖3-40定位誤差計算

3）定位誤差計算舉例

【例1】如圖3-40所示，工件以A面定位加工?20H8孔，求加工尺寸40±0.1mm的定位誤差。

解①求基準不重合誤差ΔB

定位基準：A面。

設計基準：B面。

故:ΔB=∑δdi=0.05+0.1=0.15mm②求基準位移誤差ΔY

工件以平面定位，故ΔY=0

③求定位誤差ΔD

ΔD=ΔB+ΔY=0.15mm

【例2】如圖3-41所示，用角度銑刀銑削斜面，求加工尺寸為39±0.04mm的定位誤差。

解①求基準不重合誤差ΔB

定位基準：80的中心線。

設計基準：80的中心線。

故:ΔB=0②求基準位移誤差ΔY

ΔY=0.707δdcosβ=0.707×0.04×cos30°=0.024mm③求定位誤差ΔD

ΔD=ΔB+ΔY=0.024mm圖3-41定位誤差計算

圖3-42定位誤差計算

【例3】如圖3-42所示，工件以外圓柱面在V形塊上定位加工鍵槽，保證鍵槽，試計算其定位誤差。

解①求基準不重合誤差ΔB

定位基準：工件的中心線。

設計基準：工件的下母線。

故:②求基準位移誤差ΔY

ΔY=0.707δd=0.707×0.025=0.0177mm③求定位誤差ΔD因為設計基準在定位基面上，且設計基準變動方向與定位基準變動方向相反故：

ΔD=ΔY－ΔB=0.0177－0.0125=0.0052mm3.3.3工件在夾具中的夾緊

1.夾緊裝置的組成及設計要求

1）夾緊裝置的組成

夾緊裝置一般由下面兩個基本部分組成。

（1）動力源，即產(chǎn)生原始作用力的部分。如果用人力對工件進行夾緊，稱為手動夾緊；用氣動、液壓、氣液聯(lián)合、電動以及機床的運動等動力裝置來代替人力進行夾緊，為機動夾緊。

（2）夾緊機構,即接受和傳遞原始作用力，使之變?yōu)閵A緊力，并執(zhí)行夾緊任務的部分。它包括中間傳力機構和夾緊元件。中間傳力機構把來自人力或動力裝置的力傳遞給夾緊元件，再由夾緊元件直接與工件接觸，最終完成夾緊任務。

2）夾緊裝置的設計要求

夾緊裝置的設計和選用是否正確合理，對于保證加工質(zhì)量、提高生產(chǎn)率、減輕工人勞動強度都有很大影響。為此，對夾緊裝置提出了如下基本要求：

（1）在夾緊過程中應能保持工件在定位時已獲得的正確位置。

（2）夾緊應適當和可靠。夾緊機構一般要有自鎖功能，保證在加工過程中工件不會產(chǎn)生松動和振動。在夾緊工件時，不許使工件產(chǎn)生不適當?shù)淖冃魏捅砻鎿p傷。

（3）夾緊機構應操作方便，安全省力，以便減輕工人勞動強度，縮短輔助時間，提高生產(chǎn)效率。（4）夾緊機構的復雜程度和自動化程度應與生產(chǎn)類型相適應。

（5）結構設計應具有良好的工藝性和經(jīng)濟性，結構緊湊，有足夠的強度和剛度。應盡可能采用標準化夾緊裝置和元件，以縮短夾具設計和制造周期。

2.夾緊力的確定

1）夾緊力的方向

（1）夾緊力應垂直于主要定位基準面。為使夾緊力有助于定位，工件應緊靠支承點，并保證各個定位基準與定位元件接觸可靠。一般地講，工件的主要定位基準面其面積較大，精度較高，限制的自由度多，夾緊力垂直作用于此面上，有利于保證工件的加工質(zhì)量。

（2）夾緊力方向應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不同而變形各異，尤其是在夾緊薄壁零件時，更需注意。

2）夾緊力作用點的確定

夾緊力的作用點是指夾緊元件與工件相接觸的一小塊面積，選擇作用點就是在夾緊力方向已定的情況下確定夾緊力作用點的位置和數(shù)目，應注意以下幾點：

（1）夾緊力的作用點應落在支承元件上或幾個支承元件所形成的支承范圍內(nèi)。如圖3-43所示的例子，夾緊力雖然朝向主要定位基面，但作用點卻在支承范圍以外，夾緊力與支反力構成力矩，夾緊時工件將發(fā)生偏轉，使定位基面與支承元件脫離，以至破壞原有定位，因此應使夾緊力作用在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)。

（2）夾緊力的作用點，應落在工件剛性較好的部位上，如圖3-44所示。

圖3-43夾緊力作用點的位置不對圖3-44

夾緊力應落在工件剛性較好的部位上（3）夾緊力應盡量靠近加工表面。夾緊力靠近加工表面，可減小切削力對夾緊點的力矩，從而有效地減小加工時工件的振動。

圖3-45中，加工面離夾緊力Q1作用點較遠，這時應增添輔助支承，并附加夾緊力Q2，以減少工件受切削力后產(chǎn)生位置變動、變形或振動。

圖3-45增添輔助支承和附加夾緊力

3）夾緊力大小的估算

夾緊力的大小要適當，過大會使工件產(chǎn)生變形，過小則在加工時會松動,造成報廢甚至發(fā)生事故。

在手動夾緊時，可憑人力來控制夾緊力的大小，一般不作計算。

當設計機動（如氣動、液壓、電力等）夾緊裝置時，則應計算夾緊力的大小，以便決定動力部件的尺寸（如氣缸、活塞的直徑等）。

夾緊力的計算，通常先根據(jù)切削原理的公式求出切削力的大小。必要時，也要算出慣性力和離心力，再與工件重力及待求的夾緊力組成靜平衡力系，求出夾緊力的大小。算出夾緊力后，再乘以安全系數(shù)K，作為實際所需的夾緊力。粗加工時值取2.5～3，精加工時取1.5～2。

3.典型的夾緊機構

在夾緊機構中，絕大多數(shù)都是用斜面楔緊原理來夾緊工件的，其基本形式是斜楔夾緊，而螺旋夾緊、偏心夾緊等都是它的變形。

1）斜楔夾緊

斜楔主要是利用其斜面移動時所產(chǎn)生的壓力來夾緊工件的，這也是所謂的楔緊作用，如圖3-46所示。斜楔夾緊機構具有以下特點：

(1)具有自鎖性能，所謂自鎖即當外力撤消后，夾緊機構在純摩擦力的作用下，仍保持其處于夾緊狀態(tài)而不松開。

(2)斜楔能改變夾緊作用力的方向。

(3)斜楔具有擴力作用。

(4)斜楔的夾緊行程很小。

(5)斜楔夾緊效率低。因斜楔與夾具體及工件間是滑動摩擦，故效率低。

圖3-46斜楔的結構斜楔的適用范圍為：

(1)毛坯質(zhì)量較高時。

(2)主要用于機動夾緊裝置中，手動的夾緊機構，因費時費力而效率極低，故實際上較少采用。

2）螺旋夾緊

螺旋夾緊機構結構簡單，夾緊可靠，特別是增力大，自鎖性能好，非常適用于手動夾緊，在生產(chǎn)中使用極為普遍，主要缺點是夾緊和松開比較費時費力。

圖3-47(a)所示為最簡單的螺旋夾緊機構，其直接用螺桿來壓緊工件表面。圖3-47(b)所示為典型的螺旋夾緊機構（單螺桿夾緊），手柄1固定在螺桿2上，旋轉手柄，則螺桿在螺母套筒3的內(nèi)螺紋中轉動，起夾緊或松開作用。螺母套筒以螺紋擰在夾具體上，使螺桿不直接與夾具體接觸，以防止夾具體磨損。止動螺釘4防止螺母套筒松動。若用螺桿頭部直接壓緊工件，則不僅容易壓壞工件表面，而且在擰動螺桿時，還會帶動工件偏轉而破壞原有定位，因此在螺桿頭部裝有擺動的壓塊5。壓塊的典型結構如圖3-48所示。

圖3-47單個螺旋夾緊機構

圖3-48擺動壓板

圖3-49螺旋壓板機構

3）聯(lián)動夾緊

聯(lián)動夾緊可以在一處操作，就能和幾個夾緊點同時夾緊一個或幾個工件，這樣可縮短以工件夾緊的輔助時間，提高生產(chǎn)率。

聯(lián)動夾緊分單件聯(lián)動夾緊和多件聯(lián)動夾緊。

（1）單件多點聯(lián)動夾緊機構。多點夾緊是用一個原始作用力，通過浮動壓頭在多個點對工件進行夾緊，如圖3-50所示就是常見的兩種浮動壓頭。

圖3-50浮動壓頭

浮動壓頭的作用是：當浮動壓頭一點在夾緊力作用下接觸工件后，它能擺動（如圖3-50(a)所示）或移動（如圖3-50(b)所示），使兩個或多個夾緊點都接觸工件，這樣夾緊力就能均勻地作用在各夾緊點上，可以縮短工件的夾緊時間，大大提高生產(chǎn)率。

（2）多件聯(lián)動夾緊機構。用一個原始作用力，通過一定的機構對數(shù)個相同或不同的工件進行夾緊稱為多件夾緊。多件夾緊機構多用手動夾緊小型工件，在銑床夾具中應用最廣。根據(jù)夾緊力的方向和作用情況，一般有下列幾種形式：

①串行式多件夾緊：如圖3-51所