工件定位夹紧.doc

第四节 工件的夹紧 在机械加工过程中，工件会受到切削力、离心力、惯性力等的作用。为了保证在这些外力作用下，工件仍能在夹具中保持已由定位元件所确定的加工位置，而不致发生振动和位移，在夹具结构中必须设置一定的夹紧装置将工件可靠地夹牢。一、夹紧装置的组成及其设计原则工件定位后，将工件固定并使其在加工过程中保持定位位置不变的装置，称为夹紧装置。1夹紧装置的组成夹紧装置的组成如图4-35所示，由以下三部分组成。（1）动力源装置 它是产生夹紧作用力的装置。分为手动夹紧和机动夹紧两种。手动夹紧的力源来自人力，用时比较费时费力。为了改善劳动条件和提高生产率，目前在大批量生产中均采用机动夹紧。机动夹紧的力源来自气动、液压、气液联动、电磁、真空等动力夹紧装置。图4-35所示的气缸就是一种动力源装置。（2）传力机构 它是介于动力源和夹紧元件之间传递动力的机构。传力机构的作用是：改变作用力的方向；改变作用力的大小；具有一定的自锁性能，以便在夹紧力一旦消失后，仍能保证整个夹紧系统处于可靠的夹紧状态，这一点在手动夹紧时尤为重要。图4-35所示的杠杆就是传力机构。（3）夹紧元件 它是直接与工件接触完成夹紧作用的最终执行元件。图3-35所示的压板就是夹紧元件。图4-35夹紧装置的组成1气缸 2杠杆 3压板2夹紧装置的设计原则在夹紧工件的过程中，夹紧作用的效果会直接影响工件的加工精度、表面粗糙度以及生产效率。因此，设计夹紧装置应遵循以下原则：（1）工件不移动原则 夹紧过程中，应不改变工件定位后所占据的正确位置。（2）工件不变形原则 夹紧力的大小要适当，既要保证夹紧可靠，又应使工件在夹紧力的作用下不致产生加工精度所不允许的变形。（3）工件不振动原则 对刚性较差的工件，或者进行断续切削，以及不宜采用气缸直接压紧的情况，应提高支承元件和夹紧元件的刚性，并使夹紧部位靠近加工表面，以避免工件和夹紧系统的振动。（4）安全可靠原则 夹紧传力机构应有足够的夹紧行程，手动夹紧要有自锁性能，以保证夹紧可靠。（5）经济实用原则 夹紧装置的自动化和复杂程度应与生产纲领相适应，在保证生产效率的前提下，其结构应力求简单，便于制造、维修，工艺性能好；操作方便、省力，使用性能好。二、确定夹紧力的基本原则设计夹紧装置时，夹紧力的确定包括夹紧力的方向、作用点和大小三个要素。1夹紧力的方向夹紧力的方向与工件定位的基本配置情况，以及工件所受外力的作用方向等有关。选择时必须遵守以下准则：（1）夹紧力的方向应有助于定位稳定，且主夹紧力应朝向主要定位基面。见图4-36a直角支座镗孔，要求孔与A面垂直，所以应以A面为主要定位基面，且夹紧力Fw方向与之垂直，则较容易保质量。如图4-36b、c所示中的Fw都不利于保证镗孔轴线与A的垂直度，如图4-36d所示中的Fw朝向了主要定位基面，则有利于保证加工孔轴线与A面的垂直度。图4-36 夹紧力应指向主要定位基面a）工序简图 b）、c）错误 d）正确（2）夹紧力的方向应有利于减小夹紧力，以减小工件的变形、减轻劳动强度。为此，夹紧力Fw的方向最好与切削力F、工件的重力G的方向重合。如图4-37所示为工件在夹具中加工时常见的几种受力情况。显然，图4-37a为最合理，图4-37f情况为最差。图4-37 夹紧力方向与夹紧力大小的关系（3）夹紧力的方向应是工件刚性较好的方向。由于工件在不同方向上刚度是不等的。不同的受力表面也因其接触面积大小而变形各异。尤其在夹压薄壁零件时，更需注意使夹紧力的方向指向工件刚性最好的方向。2夹紧力的作用点夹紧力作用点是指夹紧件与工件接触的一小块面积。选择作用点的问题是指在夹紧方向已定的情况下确定夹紧力作用点的位置和数目。夹紧力作用点的选择是达到最佳夹紧状态的首要因素。合理选择夹紧力作用点必须遵守以下准则：（1）夹紧力的作用点应落在定位元件的支承范围内，应尽可能使夹紧点与支承点对应，使夹紧力作用在支承上。如图4-38a所示，夹紧力作用在支承面范围之外，会使工件倾斜或移动，夹紧时将破坏工件的定位；而如图4-38b所示则是合理的。图4-38 夹紧力的作用点应在支承面内图4-39 夹紧力作用点应在刚性较好部位a) 不合理 b) 合理（2）夹紧力的作用点应选在工件刚性较好的部位。这对刚度较差的工件尤其重要，如图3-39所示，将作用点由中间的单点改成两旁的两点夹紧，可使变形大为减小，并且夹紧更加可靠。（3）夹紧力的作用点应尽量靠近加工表面，以防止工件产生振动和变形，提高定位的稳定性和可靠性。图4-40所示工件的加工部位为孔，图4-40a的夹紧点离加工部位较远，易引起加工振动，使表面粗糙度增大；图4-40b的夹紧点会引起较大的夹紧变形，造成加工误差；图4-40c是比较好的一种夹紧点选择。图4-40夹紧力作用点应靠近加工表面3夹紧力的大小夹紧力的大小，对于保证定位稳定、夹紧可靠，确定夹紧装置的结构尺寸，都有着密切的关系。夹紧力的大小要适当。夹紧力过小则夹紧不牢靠，在加工过程中工件可能发生位移而破坏定位，其结果轻则影响加工质量，重则造成工件报废甚至发生安全事故。夹紧力过大会使工件变形，也会对加工质量不利。理论上，夹紧力的大小应与作用在工件上的其它力（力矩）相平衡；而实际上，夹紧力的大小还与工艺系统的刚度、夹紧机构的传递效率等因素有关，计算是很复杂的。因此，实际设计中常采用估算法、类比法和试验法确定所需的夹紧力。 当采用估算法确定夹紧力的大小时，为简化计算，通常将夹具和工件看成一个刚性系统。根据工件所受切削力、夹紧力（大型工件应考虑重力、惯性力等）的作用情况，找出加工过程中对夹紧最不利的状态，按静力平衡原理计算出理论夹紧力，最后再乘以安全系数作为实际所需夹紧力，即 Fwk = KFw （4-15）式中 Fwk实际所需夹紧力，单位为N； Fw 在一定条件下，由静力平衡算出的理论夹紧力，单位为N； K安全系数，粗略计算时，粗加工取K2.53，精加工取K1.52。夹紧力三要素的确定，实际是一个综合性问题。必须全面考虑工件结构特点、工艺方法、定位元件的结构和布置等多种因素，才能最后确定并具体设计出较为理想的夹紧装置。4减小夹紧变形的措施有时，一个工件很难找出合适的夹紧点。如图4-41所示的较长的套筒在车床上镗内孔和图4-42所示的高支座在镗床上镗孔，以及一些薄壁零件的夹持等，均不易找到合适的夹紧点。这时可以采取以下措施减少夹紧变形。图4-41 车床上镗深孔（1）增加辅助支承和辅助夹紧点 如图4-42所示的高支座可采用图4-43所示的方法，增加一个辅助支承点及辅助夹紧力W1，就可以使工件获得满意的夹紧状态。图4-42 高支座镗孔图4-43 辅助夹紧（2）分散着力点 如图4-44所示，用一块活动压板将夹紧力的着力点分散成两个或四个，从而改变着力点的位置，减少着力点的压力，获得减少夹紧变形的效果。图4-44 分散着力点（3）增加压紧件接触面积 图4-45所示为三爪卡盘夹紧薄壁工件的情形。将图4-45a改为图4-45b的形式，改用宽卡爪增大和工件的接触面积，减小了接触点的比压，从而减小了夹紧变形。图4-46列举了另外两种减少夹紧变形的装置。图4-46a为常见的浮动压块，图4-46b为在压板下增加垫环，使夹紧力通过刚性好的垫环均匀地作用在薄壁工件上，避免工件局部压陷。a) b)图4-45 薄壁套的夹紧变形及改善图4-46 采用浮动压块和垫环减少工件夹紧变形（4）利用对称变形 加工薄壁套筒时，采用图4-45的方法加宽卡爪，如果夹紧力较大，仍有可能发生较大的变形。因此，在精加工时，除减小夹紧力外，夹具的夹紧设计，应保证工件能产生均匀的对称变形，以便获得变形量的统计平均值，通过调整刀具适当消除部分变形量，也可以达到所要求的加工精度。（5）其它措施 对于一些极薄的特形工件，靠精密冲压加工仍达不到所要求的精度而需要进行机械加工时，上述各种措施通常难以满足需要，可以采用一种冻结式夹具。这类夹具是将极薄的特形工件定位于一个随行的型腔里，然后浇灌低熔点金属，待其固结后一起加工，加工完成后，再加热熔解取出工件。低熔点金属的浇灌及熔解分离，都是在生产线上进行的。三、常用的夹紧机构及选用机床夹具中所使用的夹紧机构绝大多数都是利用斜面将楔块的推力转变为夹紧力来夹紧工件的。其中最基本的形式就是直接利用有斜面的楔块，偏心轮、凸轮、螺钉等不过是楔块的变种。1斜楔夹紧机构斜楔是夹紧机构中最基本的增力和锁紧元件。斜楔夹紧机构是利用楔块上的斜面直接或间接（如用杠杆）等将工件夹紧的机构，如图4-47所示。图4-47 斜楔夹紧机构选用斜楔夹紧机构时，应根据需要确定斜角。凡有自锁要求的楔块夹紧，其斜角必须小于2（为摩擦角），为可靠起见，通常取 = 6°8°内选择。在现代夹具中，斜楔夹紧机构常与气压、液压传动装置联合使用，由于气压和液压可保持一定压力，楔块斜角不受此限，可取更大些，一般在15°30°内选择。斜楔夹紧机构结构简单，操作方便，但传力系数小，夹紧行程短，自锁能力差。2螺旋夹紧机构由螺钉、螺母、垫圈、压板等元件组成，采用螺旋直接夹紧或与其它元件组合实现夹紧工件的机构，统称为螺旋夹紧机构。螺旋夹紧机构不仅结构简单、容易制造，而且自锁性能好、夹紧可靠，夹紧力和夹紧行程都较大，是夹具中用得最多的一种夹紧机构。(1) 简单螺旋夹紧机构 这种装置有两种形式。图4-48a所示的机构螺杆直接与工件接触，容易使工件受损害或移动，一般只用于毛坯和粗加工零件的夹紧。图4-48b所示的是常用的螺旋夹紧机构，其螺钉头部常装有摆动压块，可防止螺杆夹紧时带动工件转动和损伤工件表面，螺杆上部装有手柄，夹紧时不需要板手，操作方便、迅速。当工件夹紧部分不宜使用板手，且夹紧力要求不大的部位，可选用这种机构。简单螺旋夹紧机构的缺点是夹紧动作慢，工件装卸费时。为了克服这一缺点，可以采用如图4-49所示的快速螺旋夹紧机构。图4-48 简单螺旋夹紧机构a) 螺杆与工件直接接触 b) 螺杆与工件不直接接触图4-49 快速螺旋夹紧机构1夹紧轴 2、4、5手柄 3摆动压块（2）螺旋压板夹紧机构 在夹紧机构中，结构形式变化最多的是螺旋压板机构，常用的螺旋压板夹紧机构如图4-50所示。选用时，可根据夹紧力大小的要求、工作高度尺寸的变化范围、夹具上夹紧机构允许占有的部位和面积进行选择。例如，当夹具中只允许夹紧机构占很小面积，而夹紧力又要求不很大时，可选用如图4-50a所示的螺旋钩形压板夹紧机构。又如工件夹紧高度变化较大的小批、单件生产，可选用如图4-50e、f所示的通用压板夹紧机构。图4-50 螺旋压板夹紧机构a）、b）移动压板式 c) 铰链压板式 d）固定压板式 e）、f）通用压板式3偏心夹紧机构偏心夹紧机构是由偏心元件直接夹紧或与其它元件组合而实现对工件夹紧的机构，它是利用转动中心与几何中心偏移的圆盘或轴作为夹紧元件。它的工作原理也是基于斜楔的工作原理，近似于把一个斜楔弯成圆盘形，如图4-51a所示。偏心元件一般有圆偏心和曲线偏心两种类型，圆偏心因结构简单、容易制造而得到广泛应用。偏心夹紧机构结构简单、制造方便，与螺旋夹紧机构相比，还具有夹紧迅速、操作方便等优点；其缺点是夹紧力和夹紧行程均不大，自锁能力差，结构不抗振，故一般适用于夹紧行程及切削负荷较小且平稳的场合。在实际使用中，偏心轮直接作用在工件上的偏心夹紧机构不多见。偏心夹紧机构一般多和其它夹紧元件联合使用。如图4-51b所示是偏心压板夹紧机构。图4-51 偏心压板夹紧机构a) 工作原理 b) 偏心压板结构4铰链夹紧机构铰链夹紧机构是一种增力夹紧机构。由于其机构简单，增力倍数大，在气压夹具中获得较广泛的运用，以弥补气缸或气室力量的不足。如图4-52所示是铰链夹紧机构的三种基本结构。图4-52（a）为单臂铰链夹紧机构，臂的两头是铰链的连线，一头带滚子。图4-52（b）为双臂单作用铰链夹紧机构。图4-52（c）为双臂双作用铰链夹紧机构。图4-52 铰链夹紧机构5定心夹紧机构在工件定位时，常常将工件的定心定位和夹紧结合在一起，这种机构称为定心夹紧机构。定心夹紧机构的特点是：1）定位和夹紧是同一元件；2）元件之间有精确的联系；3）能同时等距离地移向或退离工件；4）能将工件定位基准的误差对称地分布开来。常见的定心夹紧机构有：利用斜面作用的定心夹紧机构、利用杠杆作用的定心夹紧机构以及利用薄壁弹性元件的定心夹紧机构等。（1）斜面作用的定心夹紧机构 属于此类夹紧机构的有：螺旋式、偏心式、斜楔式以及弹簧夹头等。图4-53所示为部分这类定心夹紧机构。图4-53（a）为螺旋式定心夹紧机构；图4-53（b）为偏心式定心夹紧机构；图4-53（c）为斜面（锥面）定心夹紧机构。图4-53(a) 1螺杆 2、3V形块 4叉形零件 5、6螺钉(b) (c) 1手柄 2双面凸轮 3、4夹爪图4-53 斜面定心夹紧机构弹簧夹头亦属于利用斜面作用的定心夹紧机构。图4-54所示为弹簧夹头的结构简图。图中1为夹紧元件弹簧套筒，2为操纵件拉杆。图4-54 弹簧夹头的结构（2）杠杆作用的定心夹紧机构 图4-55所示的车床卡盘即属此类夹紧机构。气缸力作用于拉杆1，拉杆1带动滑块2左移，通过三个钩形杠杆3同时收拢三个夹爪4，对工件进行定心夹紧。夹爪的张开是靠滑块上的三个斜面推动的。图4-55 自动定心卡盘1拉杆 2滑块 3钩形杠杆 4夹爪图4-56齿轮齿条定心夹紧机构图4-56所示为齿轮齿条传动的定心夹紧机构。气缸（或其他动力）通过拉杆推动右端钳口时，通过齿轮齿条传动，使左面钳口同步向心移动夹紧工件，使工件在V形块中自动定心。（2）弹性定心夹紧机构 弹性一窍不通心夹紧机构是利用弹性元件受力后的均匀变形实现对工件的自动定心的。根据弹性元件的不同，有鼓膜式夹具、碟形弹簧夹具、液性塑料薄壁套筒夹具及折纹管夹具等。图4-57所示为鼓膜式夹具。图4-58所示为液性塑料定心夹具。图4-57 鼓膜夹具1弹性盘 2螺钉 3螺母 4夹具体 5可调螺钉 6工件 7顶杆 8推杆图4-58 液性塑料定心夹具1支钉 2薄壁套筒 3液性塑料 4柱塞 5螺钉6联动夹紧机构在工件的装夹过程中，有时需要夹具同时有几个点对工件进行夹紧；有时则需要同时夹紧几个工件；而有些夹具除了夹紧动作外，还需要松开或固紧辅助支承等，这时为了提高生产率，减少工件装夹时间，可以采用各种联动机构。下面介绍一些常见的联动夹紧机构。（1）多点夹紧 多点夹紧是用一个原始作用力，通过一定的机构分散到数个点上对工件进行夹紧。图4-59所示为两种常见的浮动压头。图4-60所示为几种浮动夹紧机构的例子。图4-59 浮动压头1浮动零件 (d)图4-60 浮动夹紧机构(a) 四点双向浮动 (b)、(c) 平行式多点夹紧 (d) 多点浮动夹紧（2）多件夹紧 多件夹紧是用一个原始作用力，通过一定的机构实现对数个相同或不同的工件进行夹紧。图4-61所示为部分常见的多件夹紧机构。图4-61 多件夹紧（3）夹紧与其他动作联动 图4-62所示为夹紧与移动压板联动的机构；图4-63所示为夹紧与锁紧辅助支承联动的机构；图4-64所示为先定位后夹紧的联动机构。图4-62 夹紧与移动压板联动1拨销 2压板 3螺钉 4螺钉 5偏心轮 图4-63 夹紧与锁紧辅助支承联动1辅助支承 2压板 3螺母 4锁销图4-64 先定位后夹紧联动机构1油缸 2活塞杆 3推杆 4弹簧 5活块 6滚子 7压板8推杆 9定位块 10弹簧 11螺钉 12拨杆四、夹紧机构的设计要求夹紧机构是指能实现以一定的夹紧力夹紧工件选定夹紧点的功能的完整结构。它主要包括与工件接触的压板、支承件和施力机构。对夹紧机构通常有如下要求。（1）可浮动 由于工件上各夹紧点之间总是存在位置误差，为了使压板可靠地夹紧工件或使用一块压板实现多点夹紧，一般要求夹紧机构和支承件等要有浮动自位的功能。要使压板及支承件等产生浮动，可用球面垫圈、球面支承及间隙联接销不实现，如图4-65所示。图4-65 浮动机构（2）可联动 为了实现几个方向的夹紧力同时作用或顺序作用，并使操作简便，设计中广泛采用各种联动机构，如图4-66、图4-67、图4-68所示。图4-66 双件联动机构图4-67 实现相互垂直作用力的联动机构图4-68 顺序作用的联动机构（3）可增力 为了减小动力源的作用力，在夹紧机构中常采用增力机构。最常用的增力机构有：螺旋、杠杆、斜面、铰链及其组合。杠杆增力机构的增力比及行程的适应范围较大，结构简单，如图4-69所示。图4-69 杠杆机构的常见情况斜面增力机构的增力比较大，但行程较小，且结构复杂，多用于要求有稳定夹紧力的精加工夹具中，如图4-70所示。螺旋的增力原理和斜面一样。此外，还有气动液压增力机构等。 (a) (b) (c) (d)图4-70 几种斜面增力机构铰链增力机构常和杠杆机构组合使用，称为铰链杠杆机构。它是气动夹具中常用的一种增力机构。其优点是增力比较大，而摩擦损失较小。图4-71所示为常用铰链杠杆增力机构的示意图。此外，还有气动液压增力机构等。图4-71 铰链杠杆增力机构（4）可自锁 当去掉动力源的作用力之后，仍能保持对工件的夹紧状态，称为夹紧机构的自锁。自锁是夹紧机构的一种十分重要并且十分必要的特性。常用的自锁机构有螺旋、斜面及偏心机构等。 五、夹紧动力源装置夹具的动力源有手动、气压、液压、电动、电磁、弹力、离心力、真空吸力等等。随着机械制造工业的迅速发展，自动化和半自动化设备的推广，以及在大批量生产中要求尽量减轻操作人员的劳动强度，现在大多采用气动、液压等夹紧来代替人力夹紧，这类夹紧机构还能进行远距离控制，其夹紧力可保持稳定，机构也不必考虑自锁，夹紧质量也比较高。设计夹紧机构时，应同时考虑所采用的动力源。选择动力源时通常应遵循两条原则：1）经济合理。采用某一种动力源时，首先应考虑使用的经济效益，不仅应使动力源设施的投资减少，而且应使夹具结构简化，降低夹具的成本。2）与夹紧机构相适应。动力源的确定很大程度上决定了所采用的夹紧机构，因此动力源必须与夹紧机构结构特性、技术特性以及经济价值相适应。1手动动力源选用手动动力源的夹紧系统一定要具有可靠的自锁性能以及较小的原始作用力，故手动动力源多用于螺栓螺母施力机构和偏心施力机构的夹紧系统。设计这种夹紧装置时，应考虑操作者体力和情绪的波动对夹紧力的大小波动的影响，应选用较大的裕度系数。2气动动力源 气压动力源夹紧系统如图4-72所示。它包括三个组成部分：第一部分为气源，包括空气压缩机2、冷却器3、贮气罐4等，这一部分一般集中在压缩空气站内。第二部分为控制部分，包括分水滤气器6（降低湿度）、调压阀7（调整与稳定工作压力）、油雾器9（将油雾化润滑元件）、单向阀10、配气阀11（控制气缸进气与排气方向）、调速阀12（调节压缩空气的流速和流量）等，这些气压元件一般安装在机床附近或机床上。第三部分为执行部分，如气缸13等，它们通常直接装在机床夹具上与夹紧机构相连。气缸是将压缩空气的工作压力转换为活塞的移动，以此驱动夹紧机构实现对工件夹紧的执行元件。它的种类很多，按活塞的结构可分为活塞式和膜片式两大类，按安装方式可分固定式、摆动式和回转式等；按工作方式还可分为单向作用和双向作用气缸。图4-72 气压夹紧装置传动的组成1电动机 2空气压缩机 3冷却器 4贮气罐 5过滤器 6分水滤气器7调压阀 8压力表 9油雾器 10单向阀 11配气阀12调速阀 13气缸 14夹具示意图 15工件气动动力源的介质是空气，故不会变质和不产生污染，且在管道中的压力损失小，但气压较低，一般为0.40.6MPa，当需要较大的夹紧力时，气缸就要很大，致使夹具结构不紧凑。另外，由于空气的压缩性大，所以夹具的刚度和稳定性较差。此外，还有较大的排气噪声。3液压动力源 液压动力源夹紧系统是利用液压油为工作介质来传力的一种装置。它与气动夹紧比较，液压夹紧机构具有压力大、体积小、结构紧凑、夹紧力稳定、吸振能力强、不受外力变化的影响等优点。但结构比较复杂、制造成本较高，因此仅适用于大量生产。液压夹紧的传动系统与普通液压系统类似，但系统中常设有蓄能器，用以储蓄压力油，以提高液压泵电动机的使用效率。在工件夹紧后，液压泵电动机可停止工作，靠蓄能器补偿漏油，保持夹紧状态。 4气-液组合动力源气-液组合动力源夹紧系统的动力源为压缩空气，但要使用特殊的增压器，比气动夹紧装置复杂。它的工作原理如图4-73所示，压缩空气进入气缸1的右腔，推动增压器活塞3左移，活塞杆4随之在增压缸2内左移。因活塞杆4的作用面积小，使增压缸2和工作缸5内的油压得到增加，并推动工作缸中的活塞6上抬，将工件夹紧。图4-73 气-液组合夹紧工作原理1气缸 2增压缸 3气缸活塞 4活塞杆 5工作缸 6工作缸活塞5电动电磁动力源电动扳手和电磁吸盘都属于硬特性动力源，在流水作业线常采用电动扳手代替手动，不仅提高了生产效率，而且克服了手动时施力的波动，并减轻了工人的劳动强度，是获得稳定夹紧力的方法之一。电磁吸盘动力源主要用于要求夹紧力稳定的精加工夹具中。