镗床夹具.wps

前 言前 言 随着科技的迅速发展，镗床发展的水平之高主要表现在产品设计理念的不 断更新，体现了产品设计将装饰艺术与精细加工的完美结合；产品结构的不断 创新，显示了镗床在向高速、 高精、 高效发展的同时，还向人性化、 精细化制造的 方向发展。 镗床技术发展的同时，镗床夹具也在迅速的直追而上，因为他们是相辅相 成的。 夹具是机械加工不可缺少的部件，在机床技术向高速、 高效、 精密、 复合、 智 能、 环保方向发展的带动下，夹具技术正朝着高精、 高效、 模块、 组合、 通用、 经济 方向发展。 镗床的起源、功能及基本特点镗床的起源、功能及基本特点 17 世纪，由于军事上的需要，大炮制造业的发展十分迅速，如何制造出大 炮的炮筒成了人们亟需解决的一大难题。 世界上第一台真正的镗床是 1775 年由威尔金森发明的。其实，确切地说， 威尔金森的镗床是一种能够精密地加工大炮的钻孔机，它是一种空心圆筒形镗 杆，两端都安装在轴承上。 1775 年，47 岁的威尔金森在他父亲的工厂里经过不断努力，终于制造出了 这种能以罕见的精度钻大炮炮筒的新机器。有意思的是，1808 年威尔金森去世 以后，他就葬在自己设计的铸铁棺内。 1802 年，瓦特也在书中谈到了威尔金森的这项发明，并在他的索霍铁工厂 里进行仿制。 以后，瓦特在制造蒸汽机的汽缸和活塞时，也应用了威尔金森这架 神奇的机器。 原来，对活塞来说，可以在外面一边量着尺寸，一边进行切削，但 对汽缸就不那么简单了，非用镗床不可。 当时，瓦特就是利用水轮使金属圆筒旋 转，让中心固定的刀具向前推进，用以切削圆筒内部，结果，直径 75 英寸的汽 缸，误差还不到一个硬币的厚度，这在当对是很先进的了。 在以后的几十年间，人们对威尔金森的镗床作了许多改进。1885年，英国 的赫顿制造了工作台升降式镗床，这已成为了现代镗床的雏型。 经过一百多年的 发展，镗床发展的水平之高主要表现在产品设计理念的不断更新，体现了产品 设计将装饰艺术与精细加工的完美结合；产品结构的不断创新，显示了镗床在 向高速、高精、高效发展的同时，还向人性化、精细化制造的方向发展。 镗床主要是用镗刀在工件上镗孔的机床，通常，镗刀旋转为主运动，镗刀 或工件为进给运动。它的加工精度和表面质量要高于钻床。镗床是大型箱体零件 加工的主要设备。 镗床的功能是十分强大的，它是车床和铣床的综合体，不但可 以进行镗孔加工还可以进行车削和铣削加工。 镗削是把工件上的预制孔扩大至具有一定的孔径、 并提高孔形精度和表面光 洁度的加工过程。镗孔的质量是镗床性能好坏的重要标志。镗床的镗孔精度一般 可达it7，对于精度要求更高的孔，可用高精度的金刚镗、坐标镗或专用镗床进 行细精镗，以获得更高的孔形精度和孔距精度。 根据机床、 刀具和工件的相对位置以及成形原理，镗削具有以下基本特点： 1）镗削表面的运动轨迹是由镗床主轴上的镗刀作回转运动来实现的。它 与钻削加工相似。 2）镗削时，由于刀具装在刀杆上伸入内孔进行切削，因此，镗刀是在半 封闭状态下工作的。 3）镗削加工时，把工件装夹在工作台上，有镗杆作纵向、垂直移动或工 作台纵、横向移动来实现对工件的进给运动。 4）镗削时，由于刀具后刀面和内孔表面摩擦较大和镗杆悬臂外伸，因此镗 刀的切削条件较差，且一起振动。 夹具夹具制造背景制造背景 机械制造离不开金属切削机床，而机床夹具则是保证机械加工质量、 提高生 产效率、 减轻劳动强度、 降低对工人技术的过高要求、 实现生产过程自动化不可或 缺的重要工艺装备之一。 机床夹具被广泛用于制造业中，大量专用机床夹具的使 用为大批量生产提供了必要条件。 在机床制造或修理中，常常遇到在圆柱上横穿孔的工件，这些工件的孔或 螺纹孔的中心线不相交，需在车好圆柱后装配，画好孔的位置线，在按线加工 孔或螺纹。以前当工件画好线后，用四爪卡盘按线进行安装，再加工内孔。在校 正的过程中，调整夹在圆柱面上的两爪时，工件产生滚动，使划线孔的中心线 产生角度位移，很难将工件校正，而产生加工废品。 为此人们设计制造了夹具， 通过 30年的使用，效果很好。 国内研究动态国内研究动态 目前中国制造业发展迅猛，以前的我国制造业普遍使用刚性专机加工各种 各样的零部件，导致改型和生产个零部件周期较长。 为了提高机床的生产效率， 双面、四面和多件装夹的夹具产品越来越多。为了减少工件的安装时间，各种自 动定心夹紧、 精密平口钳、 杠杆夹紧、 凸轮夹紧、 气动和液压夹紧等，快速夹紧功 能部件不断的推陈出新。 随着我国制造业发展和各种各样零件的需求与日俱增， 加工设备和工艺也向着柔性化的方向转变。 加工装备的柔性概念和需求主要体现 在对设备快速性和适应性的需求上，因此制造商不得不寻求柔性和产量之间的 最佳组合。 当然，在满足了柔性的条件下、 也有着不同的解决方案，如：模块化、 可变换化、 可重新配置化、 在线兼容性等。 不论采用哪种方案，使用高性能的气动 夹具都显得尤为重要，使用气动夹具的主要优势是能节省夹紧和松卸工件时所 花的大量的时间。有关统计资料表明液压夹紧相比机械夹紧节省90%95%的时间 缩小了生产循环周期，从而增加了产量也就意味着降低了成本。 夹具发展趋势夹具发展趋势 夹具是机械加工不可缺少的部件，在机床技术向高速、 高效、 精密、 复合、 智 能、 环保方向的带动下，夹具技术正朝着高精、 高效、 模块、 通用、 经济方向发展。 (1) 高精随着机床加工精度的提高，为了降低定位误差，提高加工精度对 夹具的制造精度要求更高高精度夹具的定位孔距精度高达5m，夹具支承面 的垂直度达到0.01mm/300mm，平行度高达0.01mm/500mm。德国demmeler（戴美 乐）公司制造的 4m 长、2m 宽的孔系列组合焊接夹具平台，其等高误差为 0.03mm；精密平口钳的平行度和垂直度在 5m以内；夹具重复安装的定位精 度高达5m；瑞士erowa柔性夹具的重复定位精度高达 25m。机床夹具的 精度已提高到微米级，世界知名的夹具制造公司都是精密机械制造企业。 诚然， 为了适应不同行业的需求和经济性，夹具有不同的型号，以及不同档次的精度 标准供选择。 (2) 高效为了提高机床的生产效率，双面、 四面和多件装夹的夹具产品越来 越多。 为了减少工件的安装时间，各种自动定心夹紧、 精密平口钳、 杠杆夹紧、 凸 轮夹紧、气动和液压夹紧等，快速夹紧功能部件不断地推陈出新。新型的电控永 磁夹具，加紧和松开工件只用 12秒，夹具结构简化，为机床进行多工位、多 面和多件加工创造了条件。为了缩短在机床上安装与调整夹具的时间，瑞典 3r 夹具仅用 1 分钟，即可完成线切割机床夹具的安装与校正。采用美国 jergens （杰金斯）公司的球锁装夹系统，1 分钟内就能将夹具定位和锁紧在机床工作 台上，球锁装夹系统用于柔性生产线上更换夹具，起到缩短停机时间，提高生 产效率的作用。 (3) 模块、组合夹具元件模块化是实现组合化的基础。利用模块化设计的系 列化、标准化夹具元件，快速组装成各种夹具，已成为夹具技术开发的基点。省 工、 省时，节材、 节能，体现在各种先进夹具系统的创新之中。 模块化设计为夹具 的计算机辅助设计与组装打下基础，应用cad技术，可建立元件库、 典型夹具库 标准和用户使用档案库，进行夹具优化设计，为用户三维实体组装夹具。 模拟仿 真刀具的切削过程，既能为用户提供正确、 合理的夹具与元件配套方案，又能积 累使用经验，了解市场需求，不断地改进和完善夹具系统。 组合夹具分会与华中 科技大学合作，正在着手创建夹具专业技术网站，为夹具行业提供信息交流、 夹 具产品咨询与开发的公共平台，争取实现夹具设计与服务的通用化、 远程信息化 和经营电子商务化。 (4）通用、 经济夹具的通用性直接影响其经济性。 采用模块、 组合式的夹具系 统，一次性投资比较大，只有夹具系统的可重组性、 可重构性及可扩展性功能强 应用范围广，通用性好，夹具利用率高，收回投资快，才能体现出经济性好。 德 国 demmeler（戴美乐）公司的孔系列组合焊接夹具，仅用品种、规格很少的配 套元件，即能组装成多种多样的焊接夹具。 元件的功能强，使得夹具的通用性好 元件少而精，配套的费用低，经济实用才有推广应用的价值。 第一章 夹具的基本信息第一章 夹具的基本信息 1.11.1 夹具概念、功能及夹具设计的意义：夹具概念、功能及夹具设计的意义： 1.1.1 夹具概念夹具概念 夹具是在机械制造过程中，用来固定加工对象，使之占有正确的位置，以 接受加工或检测并保证加工要求的机床附加装置，简称为夹具。 在我们实际生产 中夹具的作用是将工件定位，以使加工工件获得相对于机床和刀具的正确位置， 并把工件可靠地夹紧。 1.1.2 夹具的主要功能夹具的主要功能 在机床上加工工件的时候，必须用夹具装好夹牢所要加工工件。 将工件装好 就是在机床上确定工件相对于刀具的正确位置，这一过程称为定位。 将工件夹紧 就是对工件施加作用力，使之在已经定好的位置上将工件可靠地夹紧，这一过 程称为夹紧。从定位到夹紧的全过程，称为装夹。工件的定位和夹紧是夹具的两 个主要功能。 1.1.3 夹具设计的意义夹具设计的意义 夹具是工艺装备的主要组成部分，在机械制造中占有重要地位。 对保证工件 的加工精度和加工质量，提高生产率，降低制造成本，减轻劳动强度，扩大机 床使用范围，缩短产品试制周期等都具有重要意义。 1.2 夹具的分类夹具的分类 夹具的种类很多，形状千差万别。为了设计、制造和管理的方便，往往按某 一属性进行分类。 1.2.1 按夹具的通用特性分类按夹具的通用特性分类 目前中国常用夹具有通用夹具、 专用夹具、 可调夹具、 组合夹具和自动线夹具 等五大类。 1通用夹具 通用夹具是指结构、尺寸已规格化，且具有一定通用性的夹具。其优点是适 应性强、不需要调整或稍加调整即可装夹一定形状和尺寸范围内的各种工件。这 类夹具已商品化。 如三爪自定心卡盘、 四爪单动卡盘、 台虎钳、 万能分度头、 顶尖、 中心架、电磁吸盘等。采用这类夹具可缩短生产准备周期，减少夹具品种，从而 减低生产成本。 其缺点是夹具的加工精度不高，生产力较低且较难装夹形状复杂 的工件，故适用于单件小批量生产中。 2专用夹具 专用夹具是针对某一工件的某一道工序的加工要求而专门设计和制造的夹 具。 特点是针对性强。 适用与产品相对稳定、 批量较大的生产中，可获得较高的生 产率和加工精度。 3可调夹具 夹具的某些元件可调整或可更换，已适应多中工件的夹具，称为可调夹具。 它还分通用可调夹具和成组夹具两类。 4组合夹具 组合夹具是由可循环使用的标准夹具零部件（或专用零部件）组装成易于 连接和拆卸的夹具。 根据被加工零件的工艺要求可以很快地组装成专用夹具，夹 具使用完毕，可以方便地拆开。夹具主要应用在单件，中、小批多品种生产和数 控加工中，是一种较经济的夹具。 5自动线夹具 自动线夹具一般分为两种，一种为固定式夹具，它与专用夹具相似；另一 种为随行夹具，使用中夹具随工件一起运动，并将工件沿着自动线从一个工位 移至下一个工位进行加工。 1.2.2 按夹具的动力源分类按夹具的动力源分类 按夹具夹紧动力源可将夹具分为手动夹具和机动夹具两大类。 为减轻劳动强 度和确保安全生产，手动夹具应有扩力机构与自锁性能。 常用的机动夹具有气动 夹具、液压夹具、气液夹具、电动夹具、电磁夹具、真空夹具和离心力夹具等。 上述各分类中：最常用的分类方法是，按通用，专用和组合进行分类。 1.3 机床夹具的组成及各组成元件的作用机床夹具的组成及各组成元件的作用 1.定位元件与定位装置 用于确定工件正确位置的元件或装置，如定位销轴、挡销等。 2.夹紧元件与夹紧装置 用于固定工件已获得的正确位置的元件与装置，如开口垫圈、螺母等。 3.对刀或导向装置 用于确定工件与刀具相互位置的元件。 4.连接元件 用于确定夹具在机床上正确位置的元件，如夹具体的地面位安装基面，保 证了镗套的轴线与镗床工作台平行。 5.夹具体 用于将各种元件、装置连接成一体，并通过它将整个夹具安装在机床上。 6.其他装置或元件 根据加工需要而设置的装置或元件。 如需加工按一定规律分布的多个表面时 常设置分度装置；为能方便、 准确的定位，常设置预定位装置；对于大型夹具， 常设置吊装工艺结构等。 第二章 夹具设计与定位第二章 夹具设计与定位 2.1 夹具设计基本过程夹具设计基本过程 2.1.1 夹具设计的基本原则 1. 满足使用过程中工件定们的稳定性和可靠性； 2.有足够的承载或夹持力度以保证工件在工装夹具上进行的施工工程； 3.满足装夹过程中的简单与快速操作； 4.易损零件必须是可以快速更换的结构，条件充分时最好不需要使用其它 工具进行； 5.满足夹具在调整或更换过程中重复定位的可靠性； 6.尽可能的避免结构复杂、成本昂贵； 7.尽可能的选用市场上质量可靠的标准品做组成零件； 8.满足夹具使用国家或地区的安全法令法规； 9.设计方案遵循手动、气动、液压、伺服的依次选用原则； 10.形成公司内部产品的系列化和标准化。 2.1.2 夹具设计基本知识 1夹具设计的基本要求 (1)夹具应具备足够的强度和刚度； (2)夹紧的可靠性； (3)焊接操作的灵活性； (4)便于焊件的装卸； (5)良好的工艺性。 2夹具设计的基本方法与步骤 (1)设计前准备夹具设计的原始资料包括以下内容 1)夹具设计任务单； 2)工件图样及技术条件； 3)工件的装配工艺规程； 4)夹具设计的技术条件； 5)夹具的标准化和规格化资料，包括国家标准工厂标准和规格化结构图册 等。 (2)设计的步骤 1)确定镗床夹具结构方案； 2)绘制镗床夹具工作总图阶段； 3)绘制镗床夹具零件图阶段； 4)编写夹具设计说明书； 5)必要时，还需要编写夹具使用说明书，包括夹具的性能、 使用注意事项等 内容。 3.工装夹具制造的精度要求 夹具的制造公差，根据夹具元件的功用及装配要求不同可将夹具元件分为 四类: (1)第一类时直接与工件接触，并严格确定工件的位置，主要包括接头定位 件、v 形块、定位销等定位元件； (2)第二类是各种导向件，此类元件虽不与定位工件直接接触，但它确定第 一类元件的位置； (3)第三类属于夹具内部结构零件相互配合的夹具元件，如夹紧装置各组成 零件之间的配合尺寸公差； (4)第四类是不影响工件位置，也不与其它元件相配合，如夹具的主体骨架 等。 2.22.2 工件的定位工件的定位 2.2.12.2.1 工件定位的基本原理工件定位的基本原理 1.自由度的概念 由刚体运动学可知，一个自由刚体，在空间有且仅有六个自由度。 工件在空 间的位置是任意的，即它既能沿ox、 oy、 oz三个坐标轴移动，称为移动自由度， 分别表示为 ；又能绕ox、 oy、 oz三个坐标轴转动，称为转动自由度，分 别表示为 。 图2. 自由度示意图 2.六点定位原则 zyx 、 zyx 、 如果要使一个自由刚体在空间有一个确定的位置，就必须设置相应的六个 约束，分别限制刚体的六个运动自由度。 在讨论工件的定位时，工件就是我们所 指的自由刚体。 如果工件的六个自由度都加以限制了，工件在空间的位置也就完 全被确定下来了。因此，定位实质上就是限制工件的自由度。 分析工件定位时，通常是用一个支承点限制工件的一个自由度。 用合理设置 的六个支承点，限制工件的六个自由度，使工件在夹具中的位置完全确定，这 就是六点定位原则。 关于六点定位原则的几个主要问题： （1）定位支承点是定位元件抽象而来的。在夹具的实际结构中，定位支承 点是通过具体的定位元件体现的，即支承点不一定用点或销的顶端，而常用面 或线来代替。 根据数学概念可知，两个点决定一条直线，三个点决定一个平面， 即一条直线可以代替两个支承点，一个平面可代替三个支承点。 在具体应用时， 还可用窄长的平面（条形支承）代替直线，用较小的平面来替代点。 （2）定位支承点与工件定位基准面始终保持接触，才能起到限制自由度的 作用。 （3）分析定位支承点的定位作用时，不考虑力的影响。工件的某一自由度 被限制，是指工件在某个坐标方向有了确定的位置，并不是指工件在受到使其 脱离定位支承点的外力时不能运动。 使工件在外力作用下不能运动，要靠夹紧装 置来完成。 3.工件定位中的几种情况 （1）完全定位 完全定位是指不重复地限制了工件的六个自由度的定位。 当工件在x、y、z三个坐标方向均有尺寸要求或位置精度要求时，一般采用这种 定位方式。 （2）不完全定位 根据工件的加工要求，有时并不需要限制工件的全部自 由度，这样的定位方式称为不完全定位。 如在车床上加工通孔，根据加工要不需 限制两个自由度，所以用三爪自定心卡盘夹持限制其余四个自由度，就可以实 现四点定位。 由此可知，工作在定位时应该限制的自由度数目应由工序的加工要 求而定，不影响加工精度的自由度可以不加限制。 采用不完全定位可简化定位装 置，因此不完全定位在实际生产中也广泛应用。 （3）欠定位 根据工件的加工要求，应该限制的自由度没有完全被限制的 定位称为欠定位。 欠定位无法保证加工要求，因此，在确定工件在夹具中的定位 方案时，决不允许有欠定位的现象产生。 （4）过定位 夹具上的两个或两个以上的定位元件重复限制同一个自由度 的现象，称为过定位。 而在实际定位过成中会有随机误差，这种随机的误差造成 了定位的不稳定，严重时会引起定位干涉，因此应该尽量避免和消除过定位现 象。 消除或减少过定位引起的干涉，一般有两种方法：一是改变定位元件的结构 如缩小定位元件工作面的接触长度；或者减小定位元件的配合尺寸，增大配合 间隙等；二是控制或者提高工件定位基准之间以及定位元自由度。 2.2.22.2.2 定位基准选取定位基准选取 为了保证工件上各加工表面之间或对其它加工表面的位置精度，工件在机 械加工时，必须安放在机床基础板的一个固定位置上。 任何一个工件都是有若干 个几何表面组成，这些表面之间根据工件设计的技术要求，广泛存在着距离尺 寸和角度位置的要求。 工艺文件中的所谓基准，就是指工件图上的某些点、 线、 面 可以用它来确定某些其它点、 线、 面的位置。 根据基准的作用和性质，可以分为设 计基准和工艺基准两类。设计基准通常是指工件图样上标注尺寸的起点。工艺基 准又分为:工序基准、 定位基准和测量基准。 通常希望将设计基准和工艺基准统一 但实际上，由于制造上的困难而难以做到，这就引起了误差。 定位基准的选择是 否合理，将直接影响到夹具结构的复杂程度以及工件的加工精度，因此，在选 择定位基准时应进行多种方案的分析比较。 选择定位基准时，应重点考虑如何减 少误差，提高定精度，也要考虑安装的方便性、准确性和可靠性。一般定位基准 的选择应遵循以下原则 1)应尽量选用工件上的设计基准作为定位基准，也就是“基准重合”原则， 这样可避免因基准不重合而引起的基准不重合误差。 2)应尽可能选用统一的定位基准加工各个表面，以确保各表面相对基准的 定位精度，这就是“基准统一”原则。 采用统一的定位基准，可以避免由于基准 转换引起的误差，也有利于夹具结构的简化。 3)为了获得均匀的加工余量或使加工表面间有较高的位置精度，有时可采 取互为基准反复加工的原则。 4)一般精加工工序要求加工余量小而且均匀，或垂直度要求高，为了保证 加工质量和提高生产率，应选择加工面本身作为定位基准。 在选择定位基准时， 必须综合考虑，在保证工件加工要求的前提下，尽量使夹具结构简单，工件稳 定性好。 本夹具在参考了以上原则后，确定了以夹具体的上表面为定位基准，由于 工件的设计基准在与夹具体安装时是重合的，只要保证安装误差定位不会出现 大的问题，不会导致工件位置误差。 2.2.32.2.3 常用定位元件及选用常用定位元件及选用 工件在夹具中要想获得正确定位，首先应正确选择定位基准，其次是选择 合适的定位元件。 工件定位时，工件定位基准和夹具的定位元件接触形成定位副 以实现工件的六点定位。 1.对定位元件的基本要求 （1）限位基面应有足够的精度。定位元件具有足够的精度，才能保证工件 的定位精度。 （2）限位基面应有较好的耐磨性。由于定位元件的工作表面经常与工件接 触和磨擦，容易磨损，为此要求定位元件限位表面的耐磨性要好，以保持夹具 的使用寿命和定位精度。 （3）支承元件应有足够的强度和刚度。定位元件在加工过程中，受工件重 力、 夹紧力和切削力的作用，因此要求定位元件应有足够的刚度和强度，避免使 用中变形和损坏。 （4）定位元件应有较好的工艺性。 定位元件应力求结构简单、 合理，便于制 造、装配和更换。 （5）定位元件应便于清除切屑。定位元件的结构和工作表面形状应有利于 清除切屑，以防切屑嵌入夹具内影响加工和定位精度。 2.常用定位元件所能限制的自由度 常用定位元件可按工件典型定位基准面分为以下几类： （1）用于平面定位的定位元件包括固定支承（钉支承和板支承），自位支 承，可调支承和辅助支承。 （2）用于外圆柱面定位的定位元件包括v形架，定位套和半圆定位座等。 （3）用于孔定位的定位元件包括定位销（圆柱定位销和圆锥定位销），圆 柱心轴和小锥度心轴。 3.常用定位元件的选用 常用定位元件选用时，应按工件定位基准面和定位元件的结构特点进行选 择。 （1）工件以平面定位 1）以面积较小的已经加工的基准平面定位时，选用平头支承钉，以基准面 粗糙不平或毛坯面定位时，选用圆头支承钉，侧面定位时，可选用网状支承钉。 2）以面积较大、平面度精度较高的基准平面定位时，选用支承板定位元件， 用于侧面定位时，可选用不带斜槽的支承板，通常尽可能选用带斜槽的支承板， 以利清除切屑。 3）以毛坯面，阶梯平面和环形平面作基准平面定位时，选用自位支承作定 位元件。 但须注意，自位支承虽有两个或三个支承点，由于自位和浮动作用只能 作为一个支承点。 4）以毛坯面作为基准平面，调节时可按定位面质量和面积大小分别选用可 调支承作定位元件。 5）当工件定位基准面需要提高定位刚度、稳定性和可靠性时，可选用辅助 支承作辅助定位元件，但须注意，辅助支承不起限制工件自由度的作用，且每 次加工均需重新调整支承点高度，支承位置应选在有利工件承受夹紧力和切削 力的地方。 （2）工件以外圆柱面定位 1）当工件的对称度要求较高时，可选用v形块定位。 v形块工作面间的夹角 常取60、 90、 120三种，其中应用最多的是90v形块。 90v形块的典 型结构和尺寸已标准化，使用时可根据定位圆柱面的长度和直径进行选择。v形 块结构有多种形式，有的v形块适用于较长的加工过的圆柱面定位；有的v 形 块适于较长的粗糙的圆柱面定位；有的v形块适用于尺寸较大的圆柱面定位， 这种 v 形块底座采用铸件，v 形面采用淬火钢件，v 形块是由两者镶合而成。 2）当工件定位圆柱面精度较高时（一般不低于it8），可选用定位套或 半圆形定位座定位。 大型轴类和曲轴等不宜以整个圆孔定位的工件，可选用半圆 定位座。 （3）工件以内孔定位 1）工件上定位内孔较小时，常选用定位销作定位元件。圆柱定位销的结构 和尺寸标准化，不同直径的定位销有其相应的结构形式，可根据工件定位内孔 的直径选用。当工件圆柱孔用孔端边缘定位时，需选用圆锥定位销。当工件圆孔 端边缘形状精度较差时，选用圆锥定位销；当工件需平面和圆孔端边缘同时定 位时，选用浮动锥销。 2）在套类、 盘类零件的车削、 磨削和齿轮加工中，大都选用心轴定位，为了 便于夹紧和减小工件因间隙造成的倾斜，当工件定位内孔与基准端面垂直精度 较高时，常以孔和端面联合定位。 因此，这类心轴通常是带台阶定位面的心轴， 当工件以内花键为定位基准时，可选用外花键轴，当内孔带有花键槽时，可在 圆柱心轴上设置键槽配装键块；当工件内孔精度很高，而加工时工件力矩很小 时，可选用小锥度心轴定位。 2 22 24 4 现有定位规划方法介绍现有定位规划方法介绍 现有的定位规划方法大都采用了六点定位原理或者根据形封闭和力封闭规 则进行定位，具有代表性的是brost-goldberg用来分析多边形工件的算法， markus针对棱柱形工件提出的基于规则的组合夹具定位和夹具位置选择的一种 算法以及融亦鸣通过解非线性方程组求出定位元件位置确定定位方案的分析方 法等。 所谓 bros t-goldberg算法，主要是适用于分析棱柱形工件的平面组合夹 具。 算法的基本假设是工件可以描述成一个简单的多边形，定位销可以看作是半 径相同的圆，同时半径小于基础板孔间距的一半。 夹具元件为三个定位销和一个 夹紧元件，假设基础板无限大，所有接触都是无摩擦接触。 除了多边形的边界， 还提出了几何可及性约束和质量评价约束。算法的输出包括三个定位销、一个夹 紧元件的位置以及工件相对于基础板的移动和旋转的位置。算法描述如下: 1) 棱柱形工件和几何可及性约束通过对工件进行边界扩展来实现，扩展的 距离为定位销 的半径 ，从而将定位销简化为一个理想的点。 2) 通过工件相对于基础板的旋转和移动，枚举出三个定位销所有可能的位 置， 得到所有 的候选定位方案，根据每一种候选定位方案确定夹紧元件可能 的夹紧位置 。 3 从所有候选定位方案种剔除可能带来问题的方案，例如干涉等，然后对 剩余的定位方 案根据定位质量评价指标进行评价。在工件相对于基础板旋转和 移动的过程中来确定基础板上的三个定位销的位置，需要一套较复杂的算法。 首 先要确定第一、第二定位销的位置，然后枚举出第三个定位销所有可能的位置。 在对力域的约束分析的基础上，可以枚举出夹紧元件所有可能的位置。 之所以称 这种算法为组合夹具设计的完备算法，是因为它能针对一个特定的棱柱形工件 产生所有的定位方案。但是，这种方法还存在以下局限性。 1) 仅考虑了工件为一般多边形时的定位情况，没有考虑工件侧定位面为曲 面的情况 。 而 在实际生产过程中，侧定位面为圆柱面或圆弧面的情况很多。 2) 算法只考虑了具有统一半径的定位销，而在实际组合夹具设计中，还有 其它类型的定位销或其它定位元件(如v形块、半v形块等)可以广泛应用 。 3) 算法只考虑了二维工件的定位，在实践中，它只能适用于高度很小的棱 柱形工件 ，三维工件的夹具设计仍需进一步探讨。 4) 未能考虑夹具设计过程中所需的一些标准，如定位公差、可及性分析以 及其它的加工条件 。 5) 夹紧元件位置规划中没有考虑摩擦力。 由于本夹具设计主要针对大型的工件，而且在定位中选择了限制六自由度 的一面两销定位方式，为了防止过定位和欠定位的影响，加之夹紧采用了液压 夹紧，所以本夹具的定位采用的是六点定位原理。 2.32.3 定位误差分析定位误差分析 六点定位原则解决了消除工件自由度的问题，即解决了工件在夹具中位置 “定与不定”的问题。 但是，由于一批工件逐个在夹具中定位时，各个工件所占 据的位置不完全一致，即出现工件位置定得“准与不准”的问题。 如果工件在夹 具中所占据的位置不准确，加工后各工件的加工尺寸必然大小不一，形成误差。 这种只与工件定位有关的误差称为定位误差，用d表示。 在工件的加工过程中，产生误差的因素很多，定位误差仅是加工误差的一 部分，为了保证加工精度，一般限定定位误差不超过工件加工公差 t 的 1/5 1/3。 即： d(1/51/3)t 式中：d定位误差，单位为mm； t 工件的加工误差，单位为mm。 2.3.12.3.1 定位误差产生的原因定位误差产生的原因 工件逐个在夹具中定位时，各个工件的位置不一致的原因主要是基准不重 合，而基准不重合又分为两种情况：一是定位基准与限位基准不重合，产生的 基准位移误差；二是定位基准与工序基准不重合，产生的基准不重合误差。 2.3.22.3.2 误差分类误差分类 1.基准位移误差y 由于定位副的制造误差或定位副配合间所导致的定位基准在加工尺寸方向 上最大位置变动量，称为基准位移误差，用y表示。 不同的定位方式，基准位 移误差的计算方式也不同。 如果工件内孔直径与心轴外圆直径做成完全一致，作无间隙配合，即孔的 中心线与轴的中心线位置重合，则不存在因定位引起的误差。 但实际上，如图所 示，心轴和工件内孔都有制造误差。 于是工件套在心轴上必然会有间隙，孔的中 心线与轴的中心线位置不重合，导致这批工件的加工尺寸 h 中附加了工件定位 基准变动误差，其变动量即为最大配合间隙。可按下式计算： y = amax - amin = 1/2 (dmax - dmin) = 1/2（d +d） 式中y基准位移误差单位为mm； dmax孔的最大直径单位为mm； dmin轴的最小直径单位为mm。 d 工件孔的最大直径公差，单位为mm； d圆柱心轴和圆柱定位销的直径公差，单位为mm。 基准位移误差的方向是任意的。 减小定位配合间隙，即可减小基准位移误差 y 值，以提高定位精度。 2.基准不重合误差b 加工尺寸的基准是外圆柱面的母线时，定位基准是工件圆柱孔的中心线。 这 种由于工序基准与定位基准不重合所导致的工序基准在加工尺寸方向上的最大 位置变动量，称为基准不重合误差，用b表示。 此时除定位基准位移误差外， 还有基准不重合误差。 误差计算： b 基准不重合误差 i 定位基准与工序基准之间的尺寸链各组 环公差 i方向与加工尺寸方向间的夹角 3.定位误差的合成 定位误差是两误差的合成即：d=b+y 在圆柱间隙配合定位和 v 形块中心定位中，当基准不重合误差和位移误差 都存在时，定位误差的合成需判断“”、“”号。 例如下图2-1 图 1-1 v 形块中 b bdd2 2 当b 与 y 的变动方向相同时： dby 当b 与 y 的变动方向相反时 dby 第三章 夹具设计的夹紧第三章 夹具设计的夹紧 3 31 1 夹具的夹紧夹具的夹紧 本装置在设计中考虑到在精确定位后，工件不能任意的旋转和移动。 但是在 实际加工过程中，还必须确保工件在受力的情况下，仍然保持原来的位置。 因此 夹紧和夹紧装置的主要任务是保持工件的精确定位位置，在自身重力、切削力、 惯性力和离心力等外力作用下，不发生位移偏转，确保加工质量和生产安全。 3 31 11 1夹紧机构的组成夹紧机构的组成 夹具中的夹紧装置一般是由动力源和夹紧机构两个部分组成。 动力源是产生 原始作用力的部分，如用人的体力对工件进行夹紧，称为手动夹紧；若采用气 动，液动，电动以及机床的运动等动力装置来代替人力进行夹紧，则称为机动 夹紧。 夹紧机构是接受和传递原始作用力，使其变为夹紧力并执行夹紧任务的部 分，包括中间传递力机构和夹紧元件。 中间传递力机构把来自人力或者动力装置 的力转给夹紧元件，再由夹紧元件直接与工件受压面接触，最终完成夹紧任务。 在夹紧的组成中可以看出，不论采用何种动力源（手动或机动），外加的 原始作用力要转化为夹紧力，都必须通过夹紧机构。 夹具中常用的夹紧机构由斜 楔夹紧机构、 螺旋夹紧机构、 圆偏心夹紧机构、 铰链夹紧机构、 定心对中夹紧机构 以及联动夹紧机构等 31.2夹紧机构的类型夹紧机构的类型 (1) 斜楔夹紧机构 斜楔夹紧机构是夹紧机构中最基本的形式之一，螺 旋夹紧机构、圆偏心夹紧机构、定心对中夹紧机构等均是斜楔夹紧机构的变形， 由于手动的斜楔夹紧机构在夹紧工件时既费时又费力，效率很低，故实际上与 其他元件组成复合夹紧机构。 (2) 螺旋夹紧机构 利用螺杆直接夹紧工件，或者与其他元件组成复合 夹紧机构夹紧工件，是应用较广泛的一种夹紧机构，由于螺旋夹紧机构具有结 构简单，容易制造，夹紧可靠，扩力比大和夹紧行程不受限制等特点，所以在 手动夹紧装置中被广泛应用，在夹具中除采用螺杆直接夹紧工件外，经常采用 螺旋压板夹紧机构。 (3) 圆偏心夹紧机构 由于偏心圆的夹紧力小，自锁性又不是很好，故 只使用于切削力不大而且无很大震动的场合，为满足自锁条件，其夹紧行程也 相应受到限制，用于夹紧行程较小的场合。 (4)铰链夹紧机构 因铰链夹紧机构的结构简单，扩力比大，适用于多点 或多件夹紧，在气动或者液动夹具中广泛应用。 (5)定心、对中夹紧机构 定心，对中夹紧机构是一种特殊的夹紧机构， 工件在其上同时实现定位和夹紧。 (6)联动夹紧机构 工件装夹所使用的夹具，有的需要同时有几个点对工 作的工件进行夹紧，而有的则需要同时夹紧几个工件，为了提高效率，减少装 夹时间，可采用联动夹紧机构。 在生产实践中, 尽管定位方式是合理的, 但由于夹紧状态不良(即夹紧力 的大小、方向、作用点和支承的位置选择不当) 可能出现如下问题: 加工件飞 出夹具, 打坏刀具, 造成安全事故; 加工出来的位置尺寸不准确; 加工表 面产生形位公差(如不平度、 不垂直度) ; 加工表面粗糙度高等。 因此, 当加工 件正确定位后, 还需要获得良好的夹紧状态。 使加工件获得良好的夹紧状态的措 施, 叫做正确的夹紧。 工件的正确夹紧原则 (1) 在夹紧过程中, 如何克服重力的影响, 把加工件压回正确位置, 是正确夹 紧原则之一。 所以在考虑定位方案及设置定位支承时, 应尽可能使支承反力与重 力不构成力偶, 使加工件重心位于支承范围内。 (2) 在夹紧过程中, 如何使已获得正确定位的加工件不脱离正确位置, 是正确 夹紧原则之二。 所以, 在制定夹紧方案时, 应尽可能避免夹紧力与支承反力构成 力偶。 (3) 在夹紧过程中, 如何使加工件不产生超出允许范围的变形, 是正确夹紧原 则之三。 所以在制定夹紧方案时, 对于刚性较差的加工件, 应尽可能避免产生或 应尽可能减小由夹紧力产生的弯曲力矩。 (4) 在切削过程中, 如何避免加工件发生不能允许的振动, 是正确夹紧原则之 四。 所以, 在制定夹紧方案时, 对于刚性较差的加工件, 应尽可能避免产生或应 尽可能减小由切削力产生并作用于加工件上的弯曲力矩。 (5) 如何使平衡切削力所需要的夹紧力最小, 是正确夹紧原则之五。 所以, 在制 定夹紧方案时, 切削力最好由支承反力平衡, 而尽可能避免用夹紧力及由夹紧 力产生的摩擦力平衡。 3 31.31.3夹紧设计的基本要求夹紧设计的基本要求 工件加工过程中受到切削力、惯性力、离心力等各种力的作用，为了保证工 件能可靠的固定在工作平台上，除对工件定位外，还必须将其夹紧。 夹紧机构组 装正确与否，不仅影响工件的加工精度，而且也影响加工效率、 安全和劳动强度 的改善。因此，对夹具中夹紧机构的基本要求是 : 1) 夹紧必须保证加工质量，夹紧后不能破坏工件在夹具中的正确定位。 2) 夹紧力的大小要适当，既要防止因夹紧力不足工件在加工过程中产生移 动 、 转动或发生 振动，又要避免夹紧力过大以致工件产生变形，压坏工件表面 或损坏组合夹具元件。 3) 夹紧机构要操作方便，节省操作工人的劳动力，提高劳动生产率。夹紧 机构不能妨碍工件的装卸，并保证装卸方便，夹紧操作时不应碰到工件、 刀具或 机床上相关部分。 4) 夹紧结构的复杂程度和自动化程度应与工件的产量和批量相适应。 .2.1.2.1夹紧力三要素夹紧力三要素 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。 （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。 （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。 （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。 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 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。 3 32 2夹紧力方向、位置和大小的确定夹紧力方向、位置和大小的确定 夹紧就是意味着力的作用，力有三要素，即:力的方向、力的大小和作用点 (夹紧位置)。为了正确的确定夹紧力的方向、大小和作用点，就需要根据工件的 定位方法、 工件的几何形状以及工件的刚度等，具体的分析各种力(切削力、 重力、 支承力、 摩擦力和夹紧力)共同作用在工件上时，对受力平衡最为有利、 对工件变 形影响最小等来确定夹紧力的方向、 大小和作用点(夹紧位置)。 设计 夹 具 夹紧 机构，首先要确定夹紧力的位置、 方向以及所施夹紧力的大小，然后再进一步确 定安装夹紧装置的位置。 1）夹紧力的方向 在实际生产中，工件的安装方式各种各样，但对夹紧力作用方向的基本要 求是一致的，在选择夹紧力方向时，应考虑以下问题: a. 夹紧力的作用方向应不破坏工件定位的准确性和可靠性。为保证安装的 正确可靠，保证工件定位的准确性和可靠性，夹紧力的方向应该朝向对工件精 度影响最大的定位面(主定位面)，以保证定位的可靠，当夹紧力f1作用于工件 时，工件定位基准与定位面接触面积较大，使夹紧稳定，但如果在夹紧力f2作 用下，工件可能离开主基准面，使加工精度降低，因此夹紧力的选择应该朝向 影响定位精度最大的定位面。 图2.8夹紧力的方向选择可能出现的问题 b. 夹紧力方向应使工件不会产生超出许可范围内的变形。为了减少工件产 生超出许可范围内变形的可能，夹紧力方向应当选择垂直于主要定位元件与工 件接触面积较大的那个表面。 因为夹紧力一定时，接触面积越大，单位压力就越 小，因而变形也越小。 另外，还应选择工件刚度最大的方向，以减少工件的形变 量。 在加工薄壁工件时，更要注意避免工件的形变，一般选择在工件刚度和厚度 较大的方向上夹紧。 c. 夹紧力方向的确定，应使所需的夹紧力尽可能的小。在加工过程中，工 件受到切削力p、 重力g等的作用，有时还有离心力和惯性力的作用，这些力均由 夹紧力q来平衡。在保证夹紧力可靠的条件下，减小所需的夹紧力可以减轻工人 的劳动强度，减小工件的变形程度，简化夹紧机构。如图2.9(a)夹紧力q的方向 与切削力p、 重力g的方向一致，夹紧力不是用来平衡p和g的，而是为了确保安全 可靠，只需稍加夹紧力就够了，故所需夹紧力最小;图(b)中切削力p和重力g都 与夹紧力q方向相反，故需要较大的夹紧力q:图(c)中p与主要定位表面平行，如 果忽略重力g，则应使q产生的摩擦力能克服切削力p产生的移动，故所需夹紧力 也比较大; 定位表面在垂直方向的情况，此时需要一定大小的摩擦力来平衡切削力和重力， 故所需的夹紧力q很大。在选择夹紧力方向时，能完全满足以上要求的情况，实 际上并不多见，在设计夹具时，只能按主要因素来考虑夹紧力的方向。 2)夹紧力的位置 夹紧位置是指夹紧件与工件接触的位置。 选择夹紧位置的问题是在夹紧力方 向已确定的情况下，再确定夹紧位置和数目。确定夹紧位置应注意以下几点: a. 夹紧力的作用点应不破坏工件的定位 夹紧位置要保证工件定位正确不变，即夹紧力的合力应该落在定位基准与 定位支承表面接触面积(等效受力面)的范围内。 b. 夹紧位置应选择工件刚度和厚度最好的位置 夹紧方向正确，但夹紧位置刚度差，或者夹紧方向正确，但夹紧位置厚度 太薄，都会造成工件的夹紧变形量很大，这样的夹紧位置选择并不合适。如图 2.10所示，（a)图夹紧方向正确，但夹紧点位置刚度差，工件夹紧变形量大， 一般不适合用作夹紧;(b)图作用点作用在工件刚度较好的位置，夹紧工件稳定 并且变形小，所以一般选择(b)图夹紧方式。 本装置的夹紧选择的是中的夹紧方式，这种夹紧方式将力集中在工件和夹 具体相接触的位置，这个位置强度高，不会由于夹紧力过大而造成工件的变形。 c. 夹紧位置应避免对工件造成的翻转力矩和产生振动 在加工过程中，为减少因切削力、惯性力等形成的力矩而产生的形变、振动 或翻转，夹紧位置应尽可能地靠近被加工表面。 应在工件刚度差，远离等效受力 面的位置增加辅助支承并施加夹紧力。如图2.5所示，由于加工表面远离主要受 力面，同时工件悬伸部分刚度差，故应在a点增加一个辅助支承，然后施加夹紧 力q，这样工件在被切削时，翻转力矩变小，增加了刚性，同时减少了工件在加 工时产生振动的可能，保证了定位与夹紧的可靠性，又减小了工件的振动和变 形。 d. 又寸薄壁或刚度差的工件可采用分散夹紧力的形式进行夹紧 当对某些工件不适合采用集中力进行夹紧时，可以增加夹紧力作用点的数 量，从而能减小单个夹紧力的大小，使工件夹紧均匀，提高夹紧的可靠性，减 少夹紧变形。另外 ，夹紧位置还要避开加工部分，保证不与定位元件干涉等。 3)夹紧力的计算时的注意事项 对于一定的加工形式和定位夹紧方案, 为保证有足够的力量来平衡切削力, 必须求出为平衡切削力所需要的夹紧力最大值。 为此, 在求平衡切削力所需的夹 紧力(q 平衡) 时, 应注意以下各点: a. 如果在整个切削过程中, 切削力作用点在变化着, 那么在计算q 平衡时, 应 分别计算切削力在各极端位置时所需的q 平衡, 然后选取最大值。 b. 如果在整个切削过程中, 切削力大小