机械制造基础第六章.ppt

内内容容提提要要机床夹具是机械加工工艺系统的一个重要组成部分。为保证工件某工序的加工要求，必须使工件在机床上相对刀具的切使工件在机床上相对刀具的切削或成形运动处于准确的相对位置削或成形运动处于准确的相对位置，必须通过一定的装置把工通过一定的装置把工件固定保持在准确定位的位置上件固定保持在准确定位的位置上。本章主要讨论工件在夹具上的定位原理与定位误差、夹紧本章主要讨论工件在夹具上的定位原理与定位误差、夹紧装置的设计与计算。装置的设计与计算。本章内容主要包括本章内容主要包括：(1)工件定位基本原理；工件定位基本原理；(2)基本定位元件对工件的定位；基本定位元件对工件的定位；(3)定位误差的分析与计算；定位误差的分析与计算；(4)夹紧力及夹紧装置设计的一般原则；夹紧力及夹紧装置设计的一般原则；(5)常用的夹紧机构。常用的夹紧机构。机机 床床 夹夹 具具 概概 述述6.1机床夹具概述机床夹具概述机床夹具通过使工件在机床上相对刀具占有正确的位置的使工件在机床上相对刀具占有正确的位置的过程过程定位定位，以及克服切削过程中工件受外力的作用保持工件克服切削过程中工件受外力的作用保持工件的准确位置的过程的准确位置的过程夹紧夹紧，来实现工件装夹。定位和夹紧两个定位和夹紧两个过程的综合称为过程的综合称为装夹装夹,完成工件装夹的工艺装备称为完成工件装夹的工艺装备称为机床夹具机床夹具。6.1.1机床夹具的分类机床夹具的分类机床夹具按通用化程度可分为两大类。第一类第一类通用夹具通用夹具此类夹具具有通用性，只需调整或更换少量零件就可用于此类夹具具有通用性，只需调整或更换少量零件就可用于装夹不同的工件装夹不同的工件。如三爪、四爪卡盘、顶尖、平口钳等。通用通用夹具的结构复杂，适用用于大批量生产，也适用于单件小批生夹具的结构复杂，适用用于大批量生产，也适用于单件小批生产产，是使用最广泛的一类夹具。机机 床床 夹夹 具具 的的 分分 类类及及作作用用第二类第二类专用夹具专用夹具专用夹具是专门为某工件的某工序设计和制造的专用夹具是专门为某工件的某工序设计和制造的专用夹具,其结构简单、紧凑、操作迅速方便其结构简单、紧凑、操作迅速方便，因设计和制造的周期较长，批量少，所以成本较高。当产品变更时，因无法使用而报废，因此专用夹具适用于产品固定的成批或大量生产中。6.1.2夹具的作用和组成夹具的作用和组成下面以钻床夹具和铣床夹具为例进行分析。6.1.2.1夹具的作用夹具的作用(1)可以缩短辅助时间，提高劳动生产率可以缩短辅助时间，提高劳动生产率(2)易于保证加工精度的稳定易于保证加工精度的稳定(3)可扩大机床的使用范围可扩大机床的使用范围(4)可以减轻劳动强度，保证安全生产可以减轻劳动强度，保证安全生产夹夹 具具 的的 组组 成成 6.1.2.2夹具的组成夹具的组成(1)定位元件：定位元件：与工件的定位基准相接触，确定工件在夹具中的正确位置。(2)夹紧装置：夹紧装置：这是用于夹紧工件的装置，在切削时使工件在夹具中保持既定位置。(3)对刀元件对刀元件：这种元件用于确定夹具与刀具的相对位置。(4)夹具体：夹具体：这是用于联接夹具各元件及装置，使其成为一个整体的基础件。它与机床相结合，使夹具相对机床具有确定的位置。(5)其它元件及装置：其它元件及装置：有些夹具根据工件的加工要求，要有分度机构，铣床夹具还要有定位键等。任何夹具都必须有定位元件和夹紧装置，它们是保证工件加工精度的关键，目的是使工件“定准、夹牢”。工工 件件 的的 定定 位位6.2工件的定位工件的定位定位的目的定位的目的是使工件在夹具中相对于机床、刀具都有一个是使工件在夹具中相对于机床、刀具都有一个确定的正确位置确定的正确位置。工件上用来定位的表面称为工件上用来定位的表面称为定位基准面。定位基准面。6.2.1六点定位原理六点定位原理一个自由的物体相对于三个相互垂直的空间坐标系，有六一个自由的物体相对于三个相互垂直的空间坐标系，有六种活动的可能性种活动的可能性(三种是移动，三种是转动三种是移动，三种是转动)。习惯把这种活动把这种活动的可能性称为的可能性称为自由度自由度，自由物体在空间的不同位置，就是这六种活动的综合结果。因此空间任一自由物体共有六个自由度空间任一自由物体共有六个自由度。如图6.3所示，这六个自由度为沿x、y、z轴移动的三个自由度；绕x、y、z轴转动的三个自由度。若使物体在某方向有确定的位置，就必须限制在该方向的自由度，所以要使工件在空间处于相对固定不变的位置，就必须对六个自由度加以限制。六六点点定定位位原原理理6.2.1六点定位原理六点定位原理一个自由的物体，它对三个相互垂直的坐标系来说，有一个自由的物体，它对三个相互垂直的坐标系来说，有六种活动的可能性，其中三种是移动，三种是转动六种活动的可能性，其中三种是移动，三种是转动。自由物体在空间的不同位置，就是这六种活动的综合结果。习惯上把这种活动的可能性称为把这种活动的可能性称为自由度自由度，因此空间任一自由物体共空间任一自由物体共有六个自由度有六个自由度。如图6.3所示，这六个自由度为沿x、y、z轴移动的三个自由度；绕x、y、z轴转动的三个自由度。若使物体在某方向有确定的位置，就必须限制在该方向的自由度，所以要使工件在空间处于相对固定不变的位置，就必须对六个自由度加以限制。六六 点点 定定 位位 原原 理理用相当于六个支承点的定位元件与工件的定位基准面接触，如图6.4所示。在底面在底面xoy内内，三个支承点限制了x和y方向旋转自由度、z方向移动自由度；在侧面在侧面yoz内内，两个支承点限制了x方向移动自由度、z方向旋转自由度；在端面在端面xoz内内，一个支承点限制了y方向移动自由度。用正确分布的六个支承点来限制工件的六个自由度，使工用正确分布的六个支承点来限制工件的六个自由度，使工件在夹具中得到正确位置的规律称为件在夹具中得到正确位置的规律称为六点定位原理六点定位原理。工件在加工中对六个自由度的限制，要根据被加工工件的加工要求来确定。如图6.5所示。六六 点点 定定 位位 原原 理理图6.5(a)是在工件上加工不通槽。糟宽由刀具直径保证，但是要保证尺寸A、尺寸B、尺寸C，就需要限制x、y、z方向的移动和x、y、z的旋转六个自由度。这种定位方法，称这种定位方法，称为为完全定位完全定位。图6.5(b)是在工件上加工通槽，不需要保证C，所以也不必限制y方向的移动自由度，只需要限制其它五个自由度就可以了。图6.5(c)是在工件上加工平面，不需要保证尺寸B、C，所以也不必限制x方向的移动、z方向的旋转自由度，只需要限制其它三个自由度就可以了。这种没有完全限制六个自由度而仍然保证有关工序尺寸这种没有完全限制六个自由度而仍然保证有关工序尺寸的定位方法，称为的定位方法，称为不完全定位不完全定位。六六 点点 定定 位位 原原 理理如果两种定位元件均能限制工件的同一个方向自由度时，如果两种定位元件均能限制工件的同一个方向自由度时，称为称为过定位过定位。对于过定位的工件，施加夹紧力后，可能产生工件变形或定位元件被损坏、定位精度降低等不良后果。图6.6(a)是轴承盖的定位简图。图中长V形块与两个支撑钉A、B的组合均限制了z方向移动自由度，属于过定位。避免产生这种不良后果的方法有：避免产生这种不良后果的方法有：消除过定位现象消除过定位现象 改变过定位件的结构，使它失去过定位的能力改变过定位件的结构，使它失去过定位的能力。如两个支承钉去掉一个，只剩一个支承钉用来限制；或把两个支承钉联起来并可移动如图6.6(b)，消除限制z方向移动自由度。当确定定位元件尺寸时，应使过定位元件当确定定位元件尺寸时，应使过定位元件(支承钉支承钉)与工件定位基准与工件定位基准之间有足够间隙之间有足够间隙，以保证在任何情况下，工件总与v形块两侧面接触，以限制z方向移动自由度。六六 点点 定定 位位 原原 理理各种定位若定位支承点少于所应消除的自由度数，则工各种定位若定位支承点少于所应消除的自由度数，则工件定位不足，称为件定位不足，称为欠定位欠定位。这种定位方法不能满足加工要求，因此是不允许的。元件所限制的自由度数，与定位元件的形式、数量及其布置情况有关。表6.1列举了各种定位元件所能限制的自由度数。6.2.2定位元件定位元件夹具定位元件的结构和尺寸，主要取决于工件上已被选定的定位基准面的结构形状、大小及工件的重量等。定位元件在夹具中的布置，既要符合六点定位原理六点定位原理，又要能保证工件定位的稳定性定位的稳定性。定定 位位元元件件6.2.2.1定位元件的主要技术要求和常用材料定位元件的主要技术要求和常用材料要求一定的：定位精度、粗糙度值、耐磨性、硬度和刚度。常用的材料：低碳钢低碳钢如20钢或20Cr钢，工件表面经渗碳淬火，深度0.81.2mm左右，硬度HRC5565。高碳钢高碳钢如T7、T8、T10等，淬硬至HRC5565。此外也有用中碳钢此外也有用中碳钢如45钢，淬硬至HRC4348。6.2.2.2固定式定位元件固定式定位元件支承钉支承钉多用于以平面作定位基准时的定位元件多用于以平面作定位基准时的定位元件。如图6.8，(a)平顶支承钉平顶支承钉，适用于己加工表面的定位；(b)圆顶支承钉圆顶支承钉，适用于毛坯面定位，以减小装夹误差，但支撑钉容易磨损和压伤工件基准面；(c)花纹顶面支撑钉花纹顶面支撑钉，用于工件的侧面定位，增大摩擦系数，但清除切屑不方便，不易用在水平面定位；(d)带衬套支撑钉带衬套支撑钉，批量大、磨损快时使用，便于拆卸。支撑钉与夹具体的配合可用H7/r6或H7/n6。定定 位位元元件件支承板支承板一般用作精基准面较大时的定位元件一般用作精基准面较大时的定位元件。如图6.9。(a)平板式支承板平板式支承板，结构简单、紧凑，但不易清除落入沉头螺钉孔内的碎屑；(b)台阶式支承板台阶式支承板，装夹螺钉的平面低于支承面35mm，克服了不易清屑的缺点，但结构不紧凑；(c)斜糟式支承板斜糟式支承板，在支承面上开两个斜糟为固定螺钉用，使清屑容易又结构紧凑。不论采用支承钉或支承板作为定位元件，装人夹具体后，为使不论采用支承钉或支承板作为定位元件，装人夹具体后，为使各支承面在一个水平面内，应再修磨一次各支承面在一个水平面内，应再修磨一次。定定 位位元元件件定位销定位销对于既用平面又用与平面相垂直的圆柱孔定位对于既用平面又用与平面相垂直的圆柱孔定位的工件，通常用定位销作定位元件的工件，通常用定位销作定位元件。图6.10是几种常用的圆柱型定位销。图(a)、(c)固定式定位固定式定位销销，结构简单，采用H7/r6与夹具体直接配合；图(b)、(d)带村套带村套的可换式定位销的可换式定位销，用于大批量生产，因工件装卸次数频繁，定位销易磨损，采用此结构便于更换，衬套外径与夹具体配合采用H7/n6，而内径与定位销的配合采用H7/h6或H7/g6；图(e)可换的支承垫圈销，用于凸肩端面易磨损的场合，可以在销子未装入之前，将垫圈支承面与其它支承面磨成同一平面。所有定位销的定位端头部均做成15的长倒角，以便于工件套人，定位销与定位孔的配合采用K7/g6或H7/f7。在加工套筒类工件时，也常用锥形定位销锥形定位销，如图6.11所示，(a)用于粗基准，(b)用于精基准。定定 位位元元件件在加工箱体工件时，往往采用一平面及与该平面垂直的一平面及与该平面垂直的两孔为定位基准两孔为定位基准。定位元件则为一平面、一短圆柱销及一短一平面、一短圆柱销及一短的削角销的削角销，如图6.12。削角销的截面形状，见图6.13。定位心轴定位心轴用于以内孔表面为定位基准的工件，如套筒、用于以内孔表面为定位基准的工件，如套筒、盘类等盘类等。心轴的结构如图6.14，其中(a)是圆柱心轴，(b)是花键心轴，与孔的配合常采用H7/h8或H7/g6；(c)为锥心轴，其锥度一般为1/15001/2000，使用时将工件轻轻压人，依靠锥面使工件对中和涨紧，此种心轴用于磨削或精车。v形块形块用于以外圆表面为定位基准的工件用于以外圆表面为定位基准的工件。其结构如图6.15。v形块用销子及螺钉紧固在夹具体上，工件外圆中心对中于两斜面的对称轴线上。两斜面的夹角一般选用60,90,120。当基准面较大时可选用图6.16的结构，其中(b)用于粗基准；(a)(c)用于精基准。定定 位位元元件件6.2.2.3可调式定位元件可调式定位元件主要用于粗基准定位主要用于粗基准定位。当毛坯的尺寸及形状变化较大时，为了适应各批毛坯表面位置的变化，需采用可调支承进行定位。如图6.17。6.2.2.4辅助式支承元件辅助式支承元件工件在装夹加工时，为了增加工件的刚性和稳定性，但为了增加工件的刚性和稳定性，但又要避免过定位，此时经常采用辅助支承又要避免过定位，此时经常采用辅助支承，图6.18为常见的几种辅助支承。(a)、(b)为旋出式辅助支承，(a)结构简单，但会损伤工件定位面，带动工件转动而破坏定位；(b)支承只做上下运动，避免了上述缺点。(c)是弹力式辅助支承，靠弹簧的弹力使支承与工件表面接触，并可锁紧；(d)是推力式辅助支承，推动楔块顶起支承，通过涨紧进行锁紧。一般辅助支承是在工件定位后才参与工作，故不起定位作用。绪绪 论论 定定 位位元元件件6.2.2.5浮动式定位支承浮动式定位支承由于工件定位表面有几何形状误差，或当定位表面是断续表面、阶梯表面时，采用浮动式支承可以增加与工件的接触点，提高刚度，又可避免过定位。这种支承在结构上是活动的，能够随工件定位基准面位置的变化而自动与之相适应，如图6.19。(a)是两点浮动式支承；(b)、(c)是三点浮动支承；(d)是杠杆式浮动支承；(e)是斜面式浮动支承。上述各种浮动支承，只限制工件一个方向自由度，起一个支承点的作用。定定位位误误差差6.2.3定位误差定位误差六点定位原理，可以保证工件在夹具中的正确位置，但是能否满足加工精度的要求，还需要进一步讨论定位的准确性，即定位误差有多大。为了保证加工质量，应满足如下关系：e总T(6.1)式中e总各种因素产生误差的总和；T工件被加工尺寸的公差。上式又可写成：e定T(6.2)式中e定定位误差；除定位误差以外，其它因素所引起的误差总和(如机床、刀具误差，工艺系统变形等)，可按加工经济精度查表确定。定定位位误误差差6.2.3.1定位误差的组成定位误差的组成所谓定位误差所谓定位误差，是指由于工件定位造成的加工面相对工是指由于工件定位造成的加工面相对工序基准的位置误差序基准的位置误差。因为对一批工件来说，刀具经调整后位置是不动的，即被加工表面的位置相对于定位基准是不变的，所以定位误差定位误差就是工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量就是工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量。定位误差的组成及产生原因有以下两个方面：定位基准与工序基准不一致所引起的定位误差定位基准与工序基准不一致所引起的定位误差，称基准不重合误差基准不重合误差，即工序基准相对定位基准在加工尺寸方向工序基准相对定位基准在加工尺寸方向上的最大变动量上的最大变动量，以e不不表示。定位基准面和定位元件本身的制造误差所引起的定定位基准面和定位元件本身的制造误差所引起的定位误差位误差，称基准位置误差基准位置误差，即定位基准的相对位置在加工尺定位基准的相对位置在加工尺寸方向上的最大变动量寸方向上的最大变动量，以e基基表示。故有e定=e不+e基(6.3)此公式是在加工尺寸方向上的代数和。绪绪 论论定定位位误误差差(1)工件以平面定位时的定位误差工件以平面定位时的定位误差图6.20为在镗床上加工箱体的A、B两通孔时的定位情况(因是通孔，所以不需要止动定位基准)，要保证尺寸A1、A2和B1、B2。加工时刀具位置经调整好不再改变，因此对加工一批工件来说，被加工的A、B二孔表面相对夹具的位置不变。加工孔A时，尺寸A1的工序基准和定位基准均是D面，基准重合，所以e不(A1)O(6.4)定位基准面D有角度制造误差T/2，根据基准位置误差的定义有：e基(A1)=2H.tanT(6.5)所以e定(A1)=e不(A1)+e基(A1)=2H.tanT(6.6)绪绪 论论定定位位误误差差尺寸A2的工序基准是E面，定位基准是C面，基准不重合，根据基准不重合误差的定义有：e不(A2)TL2(6.7)假定定位基准C面制造得平整光滑，则同批工件的定位基准位置不变，此时就有：e基(A2)0(6.8)所以e定(A2)=e不(A2)+e基(A2)=TL2(6.9)加工孔B1时，尺寸B1的工序基准是F面，定位基准是D面，基准不重合，根据定义有：e不(B1)TL1(6.10)e基(B1)=2H.tanT(6.11)所以e定(B1)=e不(B1)+e基(B1)=TL1+2H.tanT(6.12)绪绪 论论定定位位误误差差尺寸B2的工序基准和定位基准均是C面，基准重合，此时有：e不(B2)0(6.13)e基(B2)0(6.14)所以e定(B2)=e不(B2)+e基(B2)=0(6.15)工件以平面定位时，在大多数情况下，不考虑定位基准面和定位元件的制造误差。(2)工件以外圆柱定位的定位误差工件以外圆柱定位的定位误差外圆面在v形块上定位时的定位误差。如图6.21，在圆柱面上加工一平面。设V形块的夹角a无制造误差，外圆定位面的直径公差为Td。(a)中加工尺寸A，工序基准为o1中心线。一批工件从最小尺寸dTd变到最大尺寸d，工序基准从o1变到o2，工序基准o1在加工尺寸方向的最大变动量，根据定义为：绪绪 论论定定位位误误差差 从结果看出，e定与v形块夹角有关，越大，e定越小，但太大时，v形块对中性差，故常取a=90。依此方法可对其它两种情况进行分析，可得：工序基准为外圆表面上侧母线时定位误差为(6.20)；工序基准为外圆表面下侧母线时定位误差为(6.21)。显然e定(h)e定(A)e定(B)，图6.21(c)的尺寸标注方法最好。(3)工件以内孔表面定位时的定位误差工件以内孔表面定位时的定位误差工件孔与定位心轴(或销)采用间隙配合，以孔中心线为工序基准时的定位误差计算。绪绪 论论定定位位误误差差当工件装夹到心轴上时，工序基准、定位基准都是中心线，基准重合；工件孔和心轴是间隙配合，有制造误差，则：e不=0 e定=e不+e基=e基。设孔尺寸为D+TD，心轴尺寸为d-Td，最小配合间隙为Cmin，工件装夹时心轴放置的位置不同，定位误差分两种情况：心轴垂直放置心轴垂直放置，如图6.22(a)，按最大孔和最小轴求得孔中心线位置的变动量为心心轴轴水水平平放放置置，如图6.22(b)所示，由于自重，工件始终靠往心轴一边下垂，此时孔中心线的变动是铅垂方向，其最大值为：(4)工件以工件以“一面两孔一面两孔”定位时的定位误差定位时的定位误差 当采用一平面、两短圆柱销的定位元件时，此时平面限制 三个自由度，第一个销和第二个销各限制两个自由度，因此过定位，在两销连心线方向过定位。由于两孔、两销的直径，两孔中心距和两销中心距都存在制造误差，故有可能使工件两孔无法套在两定位销上，如图6.23所示 设两孔直径分别、孔心距，两销直径、销心距分别为：绪绪 论论定定位位误误差差 针针对对第第二二个个销销子子解解决决的的方方法法有有：减小直径；采用削角销；使其沿x方向移动。第三种方法结构复杂，一般采用前两种方法消除过定位。绪绪 论论定定位位误误差差减小第二个销子直径减小第二个销子直径。见图6.24，销子的大小应在AB范围内，由图得：此种方法由于销子直径减小，配合间隙加大，故使工件绕销子1的转角误差加大。第二个销采用削角销。第二个销采用削角销。工件转角误差要求较严格时，采用这种方法。不减小第二个销子直径，而转角误差较小。a.削角销宽度b的确定。如图6.25，令AF等于圆柱形定位销应减小的部分DE，则可通过削角而不减小销的直径消除过定位，且工件转角误差小。由图可得：b.定位误差的确定：“1”孔中心线在x、y方向的最大位移为：绪绪 论论定定位位误误差差 “2”孔中心线在x、y方向的最大位移分别为：两孔中心连线对两销中心连线的最大转角误差，可由图6.26得出：以上定位误差都属于基准位置误差，因为e不0。定位销的直径公差一般按g6、f7配合选取，两定位销之间的尺寸公差取两孔中心距公差的1/51/3。削角销的结构尺寸可参考表6.2。削角销的截面形状见图6.26。表6.2削角销的结构尺寸 销子直径d2(mm)4661010181830305050b(mm)23581214B(mm)d21d22d24d26d2 10d212绪绪 论论定定位位误误差差绪绪 论论定定位位误误差差实实例例6.2.4定位误差计算实例定位误差计算实例【例题例题6.1】在套筒零件上铣槽，如图6.27(a)所示，要求保持尺寸100.08、80.12，其它尺寸已在前工序完成。若采用图6.27(b)的定位方案，孔与销子配合按H7/g6，问能否保持加工精度要求？否则应如何改进？解：解：按H7/g6的配合精度,则销子直径应为，因销子为水平放置，故由式(6.25)有：在铣床上加工，其平均经济精度为10级，查表得0.05，所以 可满足尺寸可满足尺寸80.12的要求的要求。对于尺寸80.12，对于尺寸100.08，又因绪绪 论论定定位位误误差差定定位位误误差差实实例例不能满足尺寸不能满足尺寸100.08的求的求。采用图6.27(c)的改进方案，以端面A和右端孔为定位基准，销子与孔的配合仍然按H7/g8，则销子直径为 。可满足尺寸可满足尺寸80.12的要求。的要求。又 e定(10)0 +e定(10)0.05T(10)=0.08可满足尺寸可满足尺寸100.08的要求。的要求。【例例题题6.2】如图6.28所示零件，在铣槽工序中，要保证4550(其它尺寸已在前工序完成)。要求设计该工序的定位方案，并检查能否满足精度要求。解：解：采用“一面两孔”的完全定位方案。选取 短圆销、短削角销。查表削角销b3,B8。夹具的制造公差工件公差的1/3左右，两销心距公差TLd=0.08,夹具上45角公差取T30(是定位误差的一部分)。铣床平均加工经济精度10级，查表得4。由式(6.34)得T,45角的定位误差为：绪绪 论论定定位位误误差差定定位位误误差差实实例例这种定位方案可满足加工精度要求这种定位方案可满足加工精度要求。若不能满足加工精度要求时，可采用下述方法解决：减小销子与孔的配合间隙，销子直径选g5或h6，同时适当减小削角销宽度b。采用活动锥形定位销，使孔与销无间隙配合，如图6.29。绪绪 论论定定位位误误差差工工件件的的夹夹紧紧6.3工件的夹紧工件的夹紧工件在定位元件上定位后，必须采用一定的装置将工件压采用一定的装置将工件压紧夹牢紧夹牢，使其在加工过程中不会因受切削力、惯性力或离心力等作用而发生振动或位移，从而保证加工质量和生产安全，这种装置称为夹紧装置夹紧装置。机械加工中所使用的夹具一般都必须有夹紧装置，在大型工件上钻小孔时，可不单独设计夹紧装置。设设计计夹夹紧紧装装置置的的要要求求：夹夹紧紧动动作作要要准准确确迅迅速速；操操作作方方便便省省力；夹紧安全可靠；结构简单，易于制造力；夹紧安全可靠；结构简单，易于制造。夹紧装置设计和选择的核心问题是夹紧力的大小、方向和夹紧装置设计和选择的核心问题是夹紧力的大小、方向和作用点。作用点。工工件件的的夹夹紧紧6.3.1夹紧力三要素设计原则夹紧力三要素设计原则6.3.1.1夹紧力的方向夹紧力的方向夹紧力的方向选取考虑以下三方面：工件用几个表面作为定位基准工件用几个表面作为定位基准。大型工件为保持工件的正确位置，朝向各定位元件都要有夹紧力；小型工件尺寸，则只要垂直朝向主定位面有夹紧力，保证主要定位面与定位元件有较大的接触面积，就可以使工件装夹稳定可靠。夹紧力的方向应方便装夹和有利于减小夹紧力夹紧力的方向应方便装夹和有利于减小夹紧力。为夹紧力Q、重力G、切削力F三者之间的方向组合关系见图6.30、图6.31、图6.32。夹紧力的方向应使工件夹紧后的变形小夹紧力的方向应使工件夹紧后的变形小。由于工件在不同方向上刚性不同，因此对工件在不同方向施加夹紧力时所产生的变形也不同。见图6.33。工工件件的的夹夹紧紧6.3.1.2夹紧力的作用点夹紧力的作用点夹紧力方向确定后，夹紧力的作用点的位置和数目的选择将直接影响工件定位后的可靠性和夹紧力的变形。对作用点位置的选择和数目的确定应注意以下几个方面：力的作用点的位置应能保持工件的正确定位而不发生位移力的作用点的位置应能保持工件的正确定位而不发生位移或偏转或偏转。为此，作用点的位置应靠近支承面的几何中心，使夹紧力均匀分布在接触面上。见图6.34(a)、(b)。夹紧力的作用点应位于工件刚性较大处夹紧力的作用点应位于工件刚性较大处。且作用点应有足够的数目，这样可使工件的变形量最小。如图6.34(c)、(d)。夹紧力的作用点应尽量靠近工件被加工表面夹紧力的作用点应尽量靠近工件被加工表面。这样可使切削力对该作用点的力矩减小，同时减小工件的振动。若加工面远离夹紧作用点，可增加辅助支承并附加夹紧力以防止工件在加工中产生位置变动、变形或振动。如图6.35。工工件件的的夹夹紧紧6.3.1.3夹紧力的大小夹紧力的大小对工件所施加的夹紧力，要适当。夹紧力过大，会引起工件变形；夹紧力过小，易破坏定位。进行夹紧力计算时，通常将夹具和工件看作一刚性系统，以简化计算。根据工件在切削力、夹紧力(重型工件要考虑重力，高速时要考虑惯性力)作用下处于静力平衡，列出静力平衡方程式，即可算出理论夹紧力。为安全起见，计算出的夹紧力应乘以安全系数安全系数K，故实际夹紧力一般比理论计算值大23倍。常常用用的的夹夹紧紧装装置置6.3.2常用的夹紧装置常用的夹紧装置夹具中常用的夹紧装置有楔块、螺旋、偏心轮等，它们都是根据斜面夹紧原理夹紧工件。下面分别介绍各种夹紧装置的结构、夹紧力的计算和它们的特性。6.3.2.1楔块夹紧装置楔块夹紧装置楔块夹紧装置见图6.36，主要用于增大夹紧力或改变夹紧力方向。楔块夹紧常与杠杆、压板、螺旋等组合使用。特点：特点：(1)有增力作用；有增力作用；(2)夹紧行程小；夹紧行程小；(3)结构简单，但操作不方便。结构简单，但操作不方便。楔楔块块夹夹紧紧装装置置(1)楔块夹紧受力的计算楔块夹紧受力的计算楔块夹紧的受力分析见图6.37。楔块在原始力P、工件给楔块的作用力Q、夹具体给楔块的作用力R作用下，处于平衡状态。当工件被夹紧时，P、Q、R三力合成，计算出楔块对工件所产生的夹紧力Q为：式中楔块升角，通常取610。因工件、夹具体与楔块的摩擦系数一般取f0.10.15,故相应的摩擦角为1和2为545830。楔楔块块夹夹紧紧装装置置(2)楔块的自锁条件楔块的自锁条件当原始力P撤除后，楔块在摩擦力的作用下仍然不会松开工件的现象称为自锁。楔块在力Q、R作用下平衡，此时摩擦力的方向与楔块松开的趋势相反，如图6.37(c)所示自锁的条件应该是：若12，f0.10.15，则11.517。为安全起见一般取1015或更小些。(3)传力系数传力系数夹紧力与原始力之比称传力系数，以iP表示则有：楔楔块块夹夹紧紧装装置置从公式可以看出，楔块的升角越小，iP就越大；当原始力P一定时，越小则夹紧力Q就越大，但同时楔面的工作长度加大致使结构不紧凑，夹紧速度变慢。因此楔块夹紧装置常用在工件尺寸公差较小的机动夹紧装置中。(4)楔块的尺寸及材料楔块的尺寸及材料升角确定后，其工作长度应满足夹紧要求，其厚度应保证热处理时不变形，小头厚度应大于5mm为宜。楔块材料一般用20钢或20Cr，渗碳厚度0.81.2mm，热处理硬度HRC5662，工作表面粗糙度值Ra为1.6m。螺螺旋旋夹夹紧紧装装置置6.3.2.2螺旋夹紧装置螺旋夹紧装置螺旋夹紧装置是从楔块夹紧装置转化而来的，相当于把螺旋夹紧装置是从楔块夹紧装置转化而来的，相当于把楔块绕在圆柱体上，转动螺旋时即可夹紧工件楔块绕在圆柱体上，转动螺旋时即可夹紧工件。图6.38为单螺旋夹紧机构。图6.39为两种标准压块结构。特点：特点：(1)夹紧结构简单，夹紧可靠，在加具中得到广泛应用；夹紧结构简单，夹紧可靠，在加具中得到广泛应用；(2)夹紧力比斜楔夹紧力大，螺旋夹紧行程不受限制，所夹紧力比斜楔夹紧力大，螺旋夹紧行程不受限制，所以在手动夹紧中应用极广；以在手动夹紧中应用极广；(3)螺旋夹紧动作慢，辅助时间长，效率低，在实际生产螺旋夹紧动作慢，辅助时间长，效率低，在实际生产中，螺旋压板组合夹紧比单螺旋夹紧应用更为普遍。中，螺旋压板组合夹紧比单螺旋夹紧应用更为普遍。螺螺旋旋夹夹紧紧装装置置(1)螺杆夹紧力计算螺杆夹紧力计算如图6.40所示，工件处于夹紧状态时，根据力的平衡、力矩的平衡可算得夹紧力Q：式中螺旋升角，一般为=24；1螺母与螺杆间的摩擦角；2工件与螺杆头部(或压块)间的摩擦角；r中螺旋中径的一半 r1摩擦力矩计算半径。其数值与螺杆头部或压块的形状有关，如图6.41所示。螺螺旋旋夹夹紧紧装装置置(2)螺旋夹紧的自锁性能和传力系数螺旋夹紧的自锁性能和传力系数楔块夹紧装置的自锁条件为11.517，而螺旋夹紧装置的螺旋升角(a24)很小，故自锁性能好。传力系数为：因为螺旋升角小于楔块升角，而L大于r中和r1，所以螺旋夹紧装置的传力系数远比楔块夹紧装置的大。由于螺旋夹紧装置结构简单，制造容易，夹紧行程大，传力系数大，自锁性能好，所以广泛用于手动夹紧。但夹紧缓慢，效率低。螺螺旋旋夹夹紧紧装装置置(3)螺旋与压板的组合夹紧装置螺旋与压板的组合夹紧装置为了在工件最合适的位置和方向上进行夹紧，生产中经常采用图6.42的结构。在图6.42(a)、(b)、(c)三种装置中，若要求对工件产生的夹紧力Q相同，那么所需要施加的原始力P的大小和方向是不同的。图6.43(d)为钩形螺旋压板，它使夹具结构紧凑，且已规格化，选用时可查夹具设计手册。而为了减少夹压的辅助时间和提高生产率，采用多位或多件夹紧装置，如图6.43。多件夹紧的共同特点是：用一个原始力对数个点或数个工件同时进行夹紧。为了避免工件因尺寸或形状误差而出现夹紧不牢或破坏夹紧机构的现象，在压块两边各连接摆动压板，可以摆动来补偿各自夹压的两个工件的直径尺寸公差。偏偏心心夹夹紧紧装装置置6.3.2.3偏心夹紧装置偏心夹紧装置偏心夹紧装置是将楔块包在圆盘上，旋转圆盘使工件得偏心夹紧装置是将楔块包在圆盘上，旋转圆盘使工件得以夹紧以夹紧。偏心夹紧经常与压板联合使用，如图6.44。常用的偏心轮有圆偏心和曲线偏心。曲线偏心为阿基米德曲线或对数曲线，这两种曲线的优点是升角变化均匀或不变，可使工件夹紧稳定可靠，但制造困难，故使用较少；圆偏心由于制造容易，因而使用较广。下面介绍圆偏心夹紧装置。特点：特点：由于圆由于圆偏心夹紧时的夹紧力小，自锁性能不是很好，且偏心夹紧时的夹紧力小，自锁性能不是很好，且夹紧行程小，故多用于切削力小，无振动，工件尺寸公差不夹紧行程小，故多用于切削力小，无振动，工件尺寸公差不大的场合，但是圆偏心夹紧机构是一种快速夹紧机构。大的场合，但是圆偏心夹紧机构是一种快速夹紧机构。圆圆偏偏心心夹夹紧紧装装置置(1)圆偏心夹紧原理圆偏心夹紧原理 圆偏心夹紧原理见图6.45，圆偏心轮直径为D，几何中心为Ol，回转中心为O，偏心距为e，虚线圆为基圆，其直径为D2e，圆偏心就相当于绕在基圆盘上的楔块圆偏心就相当于绕在基圆盘上的楔块。偏心轮顺时针转动时，楔块楔进基圆盘和工件中间，使工件得以夹紧。若将偏心轮的工作部分弧展开，就可得到一个具有曲线斜边的楔块。从图中看出，斜面上各点的斜率斜面上各点的斜率(即升角即升角)是变是变化的，而在化的，而在P点点(展开图为展开图为90的点的点)附近变化较小附近变化较小。为使偏心轮工作稳定可靠，常取P点左右夹角为3045度的一段圆弧为工作部分，也就是弧APB为6090。，圆圆偏偏心心夹夹紧紧装装置置(2)圆偏心的自锁条件圆偏心的自锁条件 圆偏心x点处升角x为：在=0，即P点升角最大p根据楔块自锁条件，为安全起见，可不考虑偏心轮孔与支承轴间的摩擦，于是可得到圆偏心的夹紧特性为：式中是偏心距e从水平位置转过的角度。(3)圆偏心夹紧行程圆偏心夹紧行程 圆偏心转过角度,其夹紧行程为：设计夹紧行程S时，考虑工件尺寸公差T，装卸工件必要的间隙C间，夹紧机构的变形、磨损等行程储备量为C贮,则 圆圆偏偏心心夹夹紧紧装装置置(4)圆偏心夹紧力计算圆偏心夹紧力计算圆偏心夹紧实际上是斜楔夹紧的一种变形，假设一升角为的楔块，根据楔块夹紧力计算式(6.36)，有：(5)圆偏心夹紧的传力系数圆偏心夹紧的传力系数圆偏心最大升角p8.13,而螺旋升角为24,又因在一般情况下r中，因此圆偏心夹紧的传力系数远小于螺旋夹紧的传力系数。偏心轮的材料，一般可选用20钢或20Cr钢，工作表面渗碳淬火至HRC5560，表面粗糙度值Ra为0.8m。定定心心夹夹紧紧装装置置6.3.2.4定心夹紧装置定心夹紧装置在切削加工中，若工件是以中心线或对称面为工序基准，为使C定0，可采用一种保证工件准确定心或对中的装置，使工件的定位和夹紧过程同时完成，而定位元件与夹紧元件合二为一。这种装置称为定心夹紧装置定心夹紧装置。(1)定心夹紧装置的原理定心夹紧装置的原理在定心夹紧装置中，利用等速移动或均匀的弹性变形，使定位夹紧元件或工件定位基准的尺寸制造误差均匀分布在工件定位面上，保证工件的中心或对称位置不变。图6.49为圆柱面定位的情况。图(a)定位误差C定O1O2TDTdCmin，使圆柱面中心偏离圆孔中心。图(b)是圆柱面在三爪卡盘中定心和夹紧的情况。圆柱面的制造误差Td在三个爪上的分布是相同的，各为Td/2，使中心O位置不动。定定心心夹夹紧紧装装置置(2)定心夹紧装置的类型定心夹紧装置的类型定心夹紧装置种类很多，按其工作原理可分为两大类。定位夹紧元件等速移动的装置定位夹紧元件等速移动的装置。这类装置中常见的几种如图6.50所示。图6.50(a)左右螺旋定心夹紧装置。图6.50(b)斜楔定心夹紧装置。此类定心夹紧装置，由于制造误差和组成元件间的间隙较大，故定心精度不高，约为0.20.16mm，但夹紧力和夹紧行程较大，所以常用于粗加工和半精加工。定位夹紧元件均匀弹性变形的装置定位夹紧元件均匀弹性变形的装置当定心精度要求较高时，一般都利用这类定心夹紧装置，其中常见的装置如图6.51所示。图6.51(a)为用于装夹工件以外圆柱面为定位基准的弹簧夹头。图6.51(b)为蝶型簧片式定心夹紧装置。图6.51(c)为液性塑料定心夹紧装置。这是一种以液性塑料为介质传递作用力的高精度夹具。图6.51(d)为鼓膜式定心夹紧装置。机机床床夹夹具具的的基基本本要要求求和和设设计计步步骤骤6.4机床夹具的基本要求和设计步骤机床夹具的基本要求和设计步骤6.4.1对机床夹具的基本要求对机床夹具的基本要求对机床夹具的基本要求可总括为四个方面：对机床夹具的基本要求可总括为四个方面：稳定地保证工件的加工精度；提高机械加工的劳动生产率；结构简单，有良好的结构工艺性和劳动条件；应能降低工件的制造成本。考虑上述四方面要求时，应在满足加工要求的前提下，根据具体情况处理好生产率与劳动条件、生产率与经济性的关系，解决主要矛盾。应在设计过程中深入生产实际进行调查研究，广泛征求操作者的意见，吸收国内外有关的先进经验，在此基础上拟出初步设计方案，经过讨论，然后定出合理的方案进行具体设计。机机床床夹夹具具的的基基本本要要求求和和设设计计步步骤骤6.4.2夹具设计的工作步骤夹具设计的工作步骤6.4.2.1研究原始资料，明确设计任务研究原始资料，明确设计任务为明确设计任务，首先应分析研究工件的结构特点、材料、生产规模和本工序加工的技术要求以及前后工序的联系；然后了解加工所用设备、辅助工具中与设计夹具有关的技术性能和规格；了解工具车间的技术水平等。必要时还要了解同类工件的加工方法和所使用夹具的情况，作为设计的参考。6.4.2.2考虑和确定夹具的结构方案，绘制结构草图考虑和确定夹具的结构方案，绘制结构草图确定夹具的结构方案时，主要解决如下问题：根据六点定位原理确定工件的定位方式，并设计相应的定位装置；确定刀具的引导方法，并设计引导元件或对刀装置；机机床床夹夹具具的的基基本本要要求求和和