第3章机床夹具设计资料.doc.doc

第3章 机床夹具设计3.1 绪论夹具是机械制造过程中使用的一种工艺装备,分为机床夹具焊接夹具装配夹具和检验夹具等各种金属切削机床上用于装夹工件的工艺装备,称机床夹具,如车床上使用的三爪自动定心卡盘铣床上使用的平口虎钳等对工件进行机械加工时,为了保证加工要求,首先要使工件相对于刀具及机床有正确的位置,并使这个位置在加工过程中不因外力的影响而变动为此,在进行机械加工前,先要将工件装夹好工件的装夹方法有两种:一种是工件直接装夹在机床的工作台或花盘上,另一种是工件装夹在夹具上采用第一种方法装夹工件时,一般要先按图纸要求在工件表面划线,划出加工的尺寸和位置,装夹时用划针或百分表找正后装夹工件这种方法无需专用设备,但效率低,一般用于单件和小批量生产批量较大时,大都用夹具装夹工件机床夹具是机械加工中不可缺少的一种工艺装备,应用十分广泛其主要作用有:1. 稳定保证加工质量采用夹具后,工件各表面间的相互位置精度是由夹具保证的,而不是依靠工人的技术水平与熟练程度,所以产品质 量容易保证2. 提高劳动生产率使用夹具使工件装夹迅速方便,从而大大缩短了辅助时间,提高了生产率特别是对于加工时间短辅助时间长的中小零件,效果更为显著3. 减轻工人的劳动强度,保证安全生产有些工件,特别是比较大的工件,调整和夹紧很费力气,而且注意力要高度集中,很容易疲劳如果使用机床夹具,采用气动或液压等自动化夹紧装置,既可减轻工人的劳动强度,又能保证安全生产4. 扩大机床的使用范围实现一机多用,一机多能如在铣床上安装一个回转台或分度装置,可以加工有等分要求的零件;在车床上安装镗模,可以加工箱体零件上的同轴孔系3.1.1 机床夹具分类机床夹具的种类繁多,可以从不同的角角度对机床夹具进行分类常用的分类方法有以下几种1. 按夹具的使用特点分类(1)通用夹具 已经标准化的,可加工一定范围内不同工件的夹具,如三爪自定心卡盘机床用平口虎钳万能分度头磁力工件台等这些夹具已作为机床附件由专门工厂制造供应,只需选购即可(2)专用夹具 专为某一工件的某道工序设计制造的夹具称为专用夹具专用夹具一般在批量生产中使用(3)可调夹具 夹具的某些元件可调整或可更换,以适应多种工件加工的夹具称为可调夹具它还分为通用可调夹具和成组可调夹具两类(4)组合夹具 采用标准的组合夹具元件部件,专为某一工件的某道工序组装的夹具称为组合夹具(5)拼装夹具 用专门的标准化系列化的拼装夹具零部件拼装而成的夹具,称为拼装夹具它具有组合夹具的优点,但比组合夹具精度高效率高结构紧凑它的基础板和夹紧部件中常带有小型液压缸此类夹具更适合在数控机床上使用2. 按使用机床分类 夹具按使用机床可分为车床夹具铣床夹具钻床夹具镗床夹具齿轮机床夹具数控机床夹具自动机床夹具自动线随行夹具以及其它机床夹具等3. 按夹紧的动力源分类 夹具按夹紧的动力源可分为手动夹具气动夹具液压夹具气液增力夹具电磁夹具以及真空夹具等3.1.2 机床夹具的组成机床夹具的种类繁多结构各异,但它们的工作原理基本相同按夹具上各部分元件和装置所起的功用划分,可得出夹具一般有以下几个组成部分,以图3-1钻模夹具为例1. 定位元件 定位元件用于确定工件在夹具中的正确位置,它是夹具的主要功能元件之一图3-1中的圆柱销5菱形销9和支承板4都是定位元件,它们使工件在夹具中占据正确位置图3-1 简易钻模夹具示例a)后盖零件简图 b)钻孔的钻床夹具1-钻套 2-钻模板 3-夹具体 4-支承板 5-圆柱销 6-开口垫圈 7-螺母 8-螺杆 9-菱形销2. 夹紧装置 夹紧装置用于保证工件在加工过程中受到外力(如切削力重力惯性力等)作用时,已经占据的正确位置不被破坏如图3-1所示钻床夹具中的开口垫圈6是夹紧元件,与螺杆8螺母7一起组成夹紧装置3. 对刀-导向元件 对刀-导向元件用于确定刀具相对于夹具的正确位置和引导刀具进行加工其中,对刀元件是在夹具中起对刀作用的零部件,如铣床夹具上的对刀块导向元件是在夹具中起对刀和引导刀具作用的零部件,图3-1中的钻套1是导向元件4. 夹具体 夹具体是机床夹具的基础件,它用于连接夹具上各个元件或装置,使之成为一个整体,并与机床有关部件相连接,如图3-1中的夹具体35. 连接元件 确定夹具在机床上正确位置的元件,如定位键定位销及紧固螺栓等6. 其他元件和装置 根据夹具上特殊需要而设置的装置和元件,如:(1)分度装置 加工按一定规律分布的多个表面(2)上下料装置 为方便输送工件,如输送垫铁等(3)吊装元件 对于大型夹具,应设置吊装元件,如吊环螺钉等(4)工件的顶出装置(或让刀装置) 加工箱体类零件多层壁上的孔在上述各组成部分中,定位装置夹紧装置夹具体是机床夹具的基本组成部分3.2 工件在夹具中的定位工件在夹具中定位就是要确定工件与定位元件的相对位置,从而保证工件相对于刀具和机床的正确加工位置工件在夹具中的定位是由工件的定位基准(面)与夹具定位元件的工作表面(定位表面)相接触或相配合实现的工件位置正确与否,用加工要求来衡量,一批工件逐个在夹具上定位时,每个工件在夹具中占据的位置不可能绝对一致,但每个工件的位置变动量必须控制在加工要求所允许的范围内由此可知,工件在夹具中的定位应解决两方面的问题:一是工件位置是否确定,即定位方案的设计;二是工件位置是否准确,即定位精度问题3.2.1 六点定位原理一个尚未定位的工件是一个自由刚体,其在空间的位置是不确定的,如图3-2a所示,它在空间直角坐标系中可沿xyz三个坐标轴任意移动,也可绕此三坐标轴转动,分别用和表示,即为工件的6个自由度要使工件具有唯一确定的位置,就必须限制它在空间的六个自由度 如图3-2b所示,用六个合理分布的定位支承点与工件分别接触,即一个支承点限制工件的一个自由度,使工件在夹具中的位置完全确定由此可见,要使工件在空间具有唯一确定的位置,就必须限制工件在空间的六个自由度,这就是“六点定位原理” 在应用工件的“六点定位原理”进行定位分析时,应注意以下几点:1)定位就是限制自由度,通常用合理布置的定位支承点来限制工件的自由度2)定位支承点限制工件自由度的作用,应理解为定位支承点与工件定位基准面始终保持紧贴接触若二者脱离,则意味着失去定位作用3)定位和夹紧是两个不同的概念,定位是为了使工件在空间某一方向占据唯一确定的位置,此时工件除受自身重力作用外,不受其它外力作用而夹紧则是使工件在外力作用下,仍能保证这唯一正确位置不变,对于一般夹具,先实施定位,然后再夹紧对于自定心夹具a) b)图3.2 工件在空间中的自由度(如三爪卡盘),则是定位和夹紧过程同时进行因此,一定要把定位和夹紧区别开来,不能混为一谈4)定位支承点是由定位元件抽象而来的,在夹具中,定位支承点总是通过具体的定位元件来体现,至于具体的定位元件应转化为几个定位支承点,需结合其结构进行分析表3-1所示为常见的典型定位方式及定位元件可转化的支承点数目及所能限制的自由度需要注意的是,一种定位元件转化成的支承点数目是一定的3.2.2 工件定位的几种情况设计夹具时,必须根据本工序加工时工件需要保证的位置尺寸和位置精度,按照工件的定位原理,分析研究应该限制工件的哪几个自由度,对哪些自由度可不必限制如图3-3所示,铣削长方体工件上的通槽,为保证槽底面与A面的平行度和尺寸H,就必须限制工件的三个自由度;为保证槽侧面与B面的平行度及尺寸F的加工要求,还需要限制两个自由度至于,按加工要求可不用限制因一批工件逐个在夹具中定位时,各个工件沿y轴的位置即使不同,也不会影响加工通槽的要求根据工件的加工要求,工件在夹具中的定位,常有以下几种定位情况:1. 完全定位 工件的六个自由度被定位元件无重复的限制,工件在夹具中具有唯一确定的位置称为完全定位如图3-4a所示,在工件上铣键槽,保证尺寸z,需要限制;保证尺寸x,需要限制;保证尺寸y,需要限制综合起来,必须限制工件的六个自由度,即完全定位2. 不完全定位 如图3-4b所示,在工件上铣台阶面时,工件沿y轴的移动自由度,对工件的加工精度无影响,工件在这一方向上的位置不确定只影响加工时的进给行程,故此处只需要限制五个自由度,即这种对不影响工件加工要求的某些自由度不加限制的定位方式称为不完全定位显然不完全定位是合理的定位方式图3-4c中加工上表面时也采用的是不完全定位表3-1 常见典型定位方式及定位元件所限制的自由度工件定位基准面定位元件定位方式及所限制的自由度工件定位基准面定位元件定位方式及所限制的自由度平面支承钉圆孔锥销支承板外圆柱面支承板或支承钉固定支承与自位支承固定支承与辅助支承V形块圆孔短圆柱续表工件定位基准面定位元件定位方式及所限制的自由度工件定位基准面定位元件定位方式及所限制的自由度圆孔长圆柱外圆柱面V形块锥销定位套外圆柱面定位套外圆柱面锥套外圆柱面半圆孔锥孔顶尖锥心轴锥套图3-3 按工件加工要求必须限制的自由度a) b) c)图3-4 工件应限制自由度的确定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,在确定工件的定位方案时,决不允许有欠定位的现象发生 4. 过定位 a) c) 图3-5 连杆的定位 1-长圆柱销 2-支承板工件的一个或几个自由度被不同的定位支承点重复限制的定位称为过定位或重复定位如图3-5a所示,加工连杆大孔的定位方案中,长圆柱销1限制四个自由度,支承板2限制三个自由度其中,被两个定位元件重复限制,产生了过定位如工件孔与端面垂直度误差较大,且孔与销间隙又很小时,会出现两种情况:如长圆柱销刚度好,定位后工件歪斜,端面只有一点接触,如图3-5b所示;如长圆柱销刚度不足,压紧后长圆柱销将歪斜,工件也可能变形,如图3-5c二者都会引起加工大孔的位置误差,使连杆两孔的轴线不平行在实际应用中应当根据具体情况,采取如下措施消除或减少过定位带来的不良后果:(1)提高工件定位基准之间及定位元件工作表面之间的位置精度,减少过定位对加工精度的影响,使不可用过定位变为可用过定位(2)改变定位方案,避免过定位消除重复限制自由度的支承或将其中某个支承改为辅助支承(或浮动支承);改变定位元件的结构,如圆柱销改为菱形销,长销改为短销等由上述几种定位情况可知,完全定位和不完全定位是符合工件定位原理的定位,而欠定位和过定位是不符合工件定位原理的定位在实际应用中,欠定位绝对不允许出现,但过定位在不影响加工要求的前提下是允许使用表3-2是根据工件的加工要求,必须限制的自由度3.2.3 常见定位方式及其所用定位元件工件的定位,除根据工件的加工要求选择合适的表面作定位基准面外,还必须选择正确的定位方法,将定位基面支承在适当分布的定位支承点上,然后将各支承点按定位基面的具体结构形状,再具体化为定位元件工件的定位基准面有多种形式,如平面外圆柱面内孔等根据工件上定位基准面的不同采用不同的定位元件,使定位元件的定位面和工件的定位基准面相接触或配合,实现工件的定位1. 工件以平面定位 工件以平面定位时,定位元件常用三个支承钉或两个以上支承板组成的平面进行定位各支承钉(板)的距离应尽量大,使得定位稳定可靠常用定位元件有以下几种:(1)固定支承 它是指高度尺寸固定,不能调节的支承,包括固定支承钉和支承板两类1)固定支承钉 如图3-6所示,图a)为平头支承钉,多用于精基准定位图b)为球头支承钉,图c)为齿纹支承钉,这两种适用于粗基准定位,可减少接触面积,以便与粗基准有稳定的接触其中,球头支承钉较易磨损而失去精度齿纹支承钉能增大接触面间的摩擦力,防止工件受力走动,但落入齿纹中的切屑不易清除,故多用于侧面定位图d)为带套筒的支承钉,用于大批大量生产,便于磨损后更换 图3-6 各种固定支承钉表3-2 根据加工要求必须限制的自由度工序简图加工要求必须限制的自由度1.尺寸B2.尺寸H这两行是否应是接排的关系，即、对否？请核实，余同。是b11.尺寸B2.尺寸H3.尺寸L尺寸H1.尺寸H2.W对称平面 对D轴线的对称度1.尺寸H2.尺寸L3.W对称平面对D轴线的对称度(续)工序简图加工要求必须限制的自由度1.尺寸H2.尺寸L3.W对称平面对D轴线的对称度4.W对称平面对W1对称平面的对称度通孔1.尺寸B2.尺寸L不通孔通孔1.尺寸L2.加工孔轴线对D轴线的垂直度与对称度不通孔通孔加工孔轴线对D轴线的同轴度不通孔2) 支承板 多用于精基准定位,有时可用一块支承板代替两个支承钉如图3-7所示,A型支承板结构简单紧凑,但切屑易落入内六角螺钉头部的孔中,且不易清除因此,多用于侧面和顶面的定位B型支承板在工作面上有45的斜槽,且能保持与工件定位基面连续接触,清除切屑方便,所以多用于底平面定位图3-7 固定支承板a)A型 b)B型 (2)可调支承 它是指顶端位置可在一定高度范围内调整的支承,适用于形状尺寸变化较大的粗基准定位,亦可用于同一夹具加工形状相同而尺寸不同的工件如图3-8所示表示了两种调节支承的基本形式,均由螺钉及螺母组成支承高度调整好后,用螺母锁紧(3)自位支承 它是在工件定位过程中,能随工件定位基准面位置的变化而自动与之适应的多点接触的浮动支承其作用相当于一个定位支承点,限制工件的一个自由度由于接触点数的增多,可提高工件的支承刚度和定位的稳定性,适用于粗基准定位或工件刚度不足的定位情况,如图3-9所示,其中,图a)和图b)为双接触点,图c)为三接触点,无论哪一种,都只相当于一个定位支承点,限制工件的一个自由度 图3-8 可调支承 图3-9 自位支承13支承钉 2连接销在生产中为了提高工件的刚度和定位稳定性,常采用辅助支承如图3-10所示的阶梯零件,当用平面1定位铣平面2时,在工件右部底面增设辅助支承3,可避免加工过程中工件的变形辅助支承的结构形式很多,无论采用哪一种,都应注意,辅助支承不起定位作用,即不应限制工件的自由度,同时更不能破坏基本支承对工件的定位因此,辅助支承的结构都是可调并能锁紧的图3-10 辅助支承的作用 12-平面 3-辅助支承2. 工件以圆孔定位 工件以孔轴线为定位基准,常在圆柱体(定位销心轴等)圆锥体及定心夹紧机构中定位该方式定位可靠,使用方便,在实际生产中获得广泛使用常用定位元件有以下几种:(1)定位销 定位销是长度较短的圆柱形定位元件,其工作部分的直径可根据工件定位基面的尺寸和装卸的方便设计,与工件定位孔的配合按g5g6f6f7制造基本结构有以下几种:1) 固定式定位销 如图3-11所示,它是直接用过盈配合(H7/r6或H7/n6)装在夹具体上的定位销,有圆柱销和菱形销两种类型,其中,圆柱销限制工件的两个移动自由度,菱形销限制工件的一个自由度 图3-11 固定式定位销 图3-12 可换式定位销2) 可换式定位销 在大批量生产时,因装卸工件频繁,易磨损,往往丧失定位精度,常采用可换式定位销,如图3-12所示3) 圆锥定位销 如图3-13所示,工件圆孔与圆锥销定位,圆孔与锥销的接触线为一个圆,可限制工件的三个移动自由度图a)用于粗基准面定位,图b)用于精基面定位工件以圆孔与锥销定位能实现无间隙配合,但单个圆锥销定位时容易倾斜,因此,圆锥销一般不单独使用如图3-14所示,图a)为圆锥与圆柱组合心轴定位;图b)为用活动锥销与平面组合定位;图c)为双圆锥销组合定位(2)定位心轴 心轴的结构形式很多,应用也很广泛常用的定位心轴分为圆柱心轴和锥度心轴1) 圆柱心轴 如图3-15所示,图a)是间隙配合心轴,图b)是过盈配合心轴,由导向部分1工作部分2和传动部分3组成图c)为花键心轴,用于以花键孔定位的工件span style=;left:-4px;top:-4px;width:236px;height:196px图3-13 圆锥定位销 图3-14 圆锥销组合定位2) 锥度心轴 工件楔紧在心轴上,定心精度较高,但轴向位移较大工件是靠基准孔与心轴表面的弹性变形夹紧的,故传递转矩较小,适于精加工或检验工序图3-15 圆柱心轴3. 工件以外圆柱面定位图3-16 V形块 图3-17 V形块的基本尺寸工件以外圆柱面定位在生产中是常见的,例如凸轮轴曲轴阀门以及套类零件的定位等常用于外圆表面定位的定位元件有V形块定位套和半圆孔定位座等各种定位套或半圆孔定位座以工件外圆表面实现定位,V形块则实现对外圆表面的定心对中定位,是用得最广泛的外圆表面定位元件(1)V形块 如图3-16所示,V形块已经标准化,两斜面夹角有6090 120 ,其中90 V形块使用最广泛,使用时可根据定位圆柱面的长度和直径进行选择 V形块可分固定式与活动式两种固定式的长V型块限制工件四个自由度,短V形块限制工件两个自由度,活动短V形块只限制工件个自由度(2)定位套筒 如图3-18所示,工件以外圆柱面作为定位基面在圆孔中定位,外圆柱面的轴线是定位基准,外圆柱面是定位基面图3-18 定位套筒 此图注应该放在左图下方？是b2 图3-19 半圆孔定位座此图注应该放在右图下方？是b3(3)半圆孔定位座 将同一圆周面的孔分为两半圆,下半圆部分装在夹具体上,起定位作用,其最小直径应取工件定位基面(外圆)的最大直径上半圆部分装在可卸式或铰链式盖上,起夹紧作用,如图3-19所示4. 工件以锥孔定位 在加工轴类零件或某些精密定心零件时,常以工件的圆锥孔定位,如图3-20所示图3-20 工件以锥孔定位5. 工件以组合表面定位 以上所述定位方法,均指工件以单一表面定位通常工件多是以两个或两个以上表面组合起来作为定位基准使用,称为组合表面定位当以多个表面作为定位基准进行组合定位时,夹具中也有相应的定位元件组合来实现工件的定位(1)一个平面和两个与其垂直的孔的组合 在成批和大量生产中加工箱体杠杆盖板等类零件时,常常采用以一平面和两定位孔作为定位基准实现组合定位,该组合定位方式简称为一面两孔定位这时,工件上的两个定位孔,可以是工件结构上原有的,也可以专为工艺上定位需要而特地加工出来的,称为工艺孔因该定位方案所需夹具结构简单定心精度高夹具敞开性好易于实现定位过程自动化及定位基准统一等优点,因此在实际生产中应用非常广泛(2)一孔与一端面组合 一孔和端面组合定位时,孔与销或心轴定位采用间隙配合,此时应注意避免过定位,以免造成工件和定位元件的弯曲变形,如图3-21所示图3-21 孔与平面的组合定位 图3-22 端面为第一定位基准 图3-23 孔的中心线为第一定位基准1) 如图3-22所示,通常采用端面为第一定位基准,限制工件的三个自由度,孔中心线为第二定位基准,限制工件的两个自由度,定位元件是平面支承和短圆柱销,实现五点定位2) 如图3-23所示,以孔中心线作为第一定位基准,限制工件的四个自由度,平面为第二定位基准,限制工件的一个自由度;用的定位元件为小平面支承(小支承板或浮动支承)和长圆柱销或心轴,实现五点定位此外,生产中有时还会采用V形导轨燕尾导轨等成形表面组合作为定位基面,此时应当注意避免由于过定位而带来的定位误差3.3 定位误差的分析与计算一批工件逐个在夹具上定位时,由于工件及定位元件存在公差,使各个工件所占据的位置不完全一致,加工后形成加工尺寸的不一致,为加工误差这种只与工件定位有关的加工误差,称为定位误差3.3.1 产生定位误差的原因造成定位误差的原因有两个;一是定位基准与工序基准不重合,由此产生基准不重合误差B;二是定位基准与限位基准不重合,由此产生基准位移误差Y1. 基准不重合误差B 图3-24a是在工件上铣缺口的工序简图,加工尺寸为A和B图3-24b是加工示意图,工件以底面和E面定位C是确定夹具与刀具相互位置的对刀尺寸,在一批工件的加工过程中,C的大小是不变的加工尺寸A的工序基准是F,定位基准是E,两者不重合当一批工件逐个在夹具上定位时,受尺寸Ss/2的影响,工序基准F的位置是变动的F的变动直接影响A的大小,造成A的尺寸误差,这个误差就是基准不重合误差显然,基准不重合误差的大小应等于因定位基准与工序基准不重合而造成的加工尺寸的变化范围由图3-24可知B=Amax-Amin=Smax-Smin=sS是定位基准E与工件基准F间的距离尺寸,称为定位尺寸这样,便可得到下面的公式当工序基准的变动方向与加工尺寸的方向不一致,存在一夹角时,基准不重合误差等于定位尺寸的公差在加工尺寸方向上的投影,即B =s cos (3-1)当工序基准的变动方向与加工尺寸的方向相同时,即=0,cos=1,这时基准不重合误差等于定位尺寸的公差,即B =s (3-2)因此,基准不重合误差B是一批工件逐个在夹具上定位时,定位基准与工序基准不重合而造成的加工误差,其大小为定位尺寸的公差s在加工尺寸上的投影图3-24上加工尺寸B的工序基准与定位基准均为底面,基准重合,所以B =02. 基准位移误差Y 对于有些定位方式,即使基准重合,加工尺寸也不能保持一致如图3-25所示,工件以圆孔在心轴上定位铣键槽要求保证尺寸和,其中尺寸由铣刀保证,而尺寸则是按心轴中心调整好铣刀的高度位置来保证的图a中,孔的中心线是工序基准,内孔表面是定位基面,从理论上分析,如果工件圆孔直径和心轴外圆直径做成完全一样,则内孔表面与心轴表面重合,即作无间隙配合,这时两者的中心线也重合,因此可以看作以内孔中心线为定位基准见图b,故尺寸a保持不变,即不存在因定位而引起的误差图3-25 定位误差分析分析然而,实际上定位副不可能制造的十分准确,有时为了使工件易于安装,须使定位副间有一最小配合间隙这样就不能象理论上分析的那样,使工件圆孔中心和心轴中心保持同轴于是,当心轴水平放置时,工件圆孔将因重力等影响单边搁置在心轴的上母线上,见图c所示此时刀具位置未变,而同批工件的定位基准位置却在O1和O2之间变动,导致工序基准备的位置也发生变化,使一批工件中所测得的尺寸a有了误差不过,这一误差不是由于基准不重合而引起的,而是由于定位副的制造误差或定位副的配合间隙所导致的因此,把这种由于定位副有制造误差及包含定位副间的配合间隙,而引起的定位基准在加工尺寸方向上的最大位置变动范围称为基准位移误差,以Y表示上例中,一批工件定位基准可能出现的最大位移范围,是由圆孔和心轴间最大间隙所决定: (3-3)综合上述定位误差产生原因分析,无论是基准不重合误差,还是基准位移误差,皆是由定位引起的,因此统称为定位误差定位误差是基准位移误差和基准不重合误差的综合结果可表示为: (3-4)这里有必要强调一下,定位误差主要发生在用调整法加工一批工件时如果用逐件试切法加工,则根本不存在定位误差3.3.2 常见定位方式的定位误差计算1. 工件以平面定位 如图3-26,按图a所示定位方案铣工件上的台阶面C,要求保证尺寸()mm下面计算其定位误差图3-26 铣台阶面的两种定位方案由工序简图知,加工尺寸的工序基准(也是设计基准)是A面,而图a中定位基准是B面,可见定位基准与工序基准不重合,必然存在基准不重合误差这时的定位尺寸是,与加工尺寸方向一致,所以基准不重合误差的大小就是定位尺寸的公差,即=0.28mm而以B面定位加工C面时,不会产生基准位移误差,即所以有mm而加工尺寸的公差为mm此时mm由上面分析计算可见,定位误差太大,而留给其它加工误差的允许值就太小了,只有0.02mm所以在实际加工中容易出现废品,因此这一方案在没有其它工艺措施的条件下不宜采用若改成图b所示定位方案,使工序基准与定位基准重合,则定位误差为零,但改成新的定位方案后,工件需从下向上夹紧,夹紧方案不够理想,且使夹具结构复杂2. 工件以圆柱孔定位 工件以圆柱孔在不同的定位元件上,所产生的定位误差是不同的现以下面几种情况分析叙述(1)工件以圆柱孔在过盈配合心轴上定位 因为过盈配合时,定位副间无间隙,所以定位基准的位移量为零,即图3-27 工件以圆孔在过盈配合圆柱心轴上定位的定位误差计算若工序基准与定位基准重合(见图3-27a),则定位误差为 (3-5)若工序基准在工件定位孔的母线上(见图3-27c),则定位误差为 (3-6)若工序基准在工件外圆母线上(见图3-27b),则定位误差为 (3-7)(2)工件以圆柱孔在间隙配合的圆柱心轴(或圆柱销)上定位 如工件在水平放置的心轴上定位,由于工件的自重作用,使工件孔与心轴的上母线单边接触,如图3-25所示由于定位副的制造误差,将产生定位基准的位移误差,即 (3-8)为安装方便,有时还增加一最小间隙Xmin,由于Xmin始终是不变的常量,这个数值可以在调整刀具时预先加以考虑,则使Xmin的影响消除因此在计算基准位移量时可不计Xmin的影响当工序基准与定位基准重合时(如图3-25中尺寸a)则,所以定位误差为 (3-9)若工序基准在工件外圆母线上,见图3-28所示此时除基准位移误差外,还有基准不重合误差,所以尺寸h的定位误差为 (3-10)a) b) c)图3-28 固定单边接触定位误差分析若工序基准在定位孔的下母线上,见图3-28中尺寸此时仍为工序基准与定位基准不重合,尺寸的定位误差可由图b和c算出:因为 所以 (3-11)当工序基准在定位孔的上母线上,见图3-28中尺寸仍然属于基准不重合,由图b和c可算出工序尺寸的定位误差:则 又因为 而且 (3-12)综合上述分析计算结果可知,当工件以圆柱孔在间隙配合圆柱心轴(或定位销)上定位,且为固定单边接触时,工序尺寸的定位误差值随工序基准的不同而异其中以孔上母线为工序基准时,定位误差最小;以孔轴线为工序基准时其次;以孔下母线为工序基准时较大;当以工件外圆母线为工序基准时,定位误差较前几种情况都大3. 工件以外圆定位 下面主要分析工件以外圆在V形块上定位如不考虑V型块的制造误差,则工件定位基准在V形块的对称面上,因此工件中心线在水平方向上的位移为零但在垂直方向上,因工件外圆有制造误差,而产生基准位移,见图3-29所示其值为图3-29 工件在V形块上定位时定位误差分析 (3-13)下面分别计算图b中三种不同的工序尺寸定位误差的大小(见图3-29a和c)(1)工序基准为工件轴心线 此时为定位基准与工序基准重合,则基准不重合误差为零,而基准位移的方向又与加工尺寸方向一致,所以加工尺寸B2的定位误差为 (3-14)(2)工序基准为外圆上母线 此时为定位基准与工序基准不重合不仅有基准位移误差,而且还有基准不重合误差,定位尺寸方向与加工尺寸方向一致,所以加工尺寸B1的定位误差为(3-15) (3)工序基准为外圆下母线 此时亦为基准不重合,且基准位移和定位尺寸的方向均与加工尺寸方向一致,故工序尺寸B3的定位误差为(3-16)上述各工序尺寸的定位误差是在工序基准的两个极端位置时,通过几何关系推导出来的可以看出当式(3-14)(3-15)(3-16)中的角相同时,以工件下母线为工序基准时,定位误差最小,而以工件上母线为工序基准时定位误差最大由此可知, 轴类零件以V形块定位时定位误差随加工尺寸的标注方法不同而异,另外还可以看出随V形块夹角的增大,定位误差减小,但夹角过大,将引起工件定位不稳定,故一般采用90角V形块由上述关于工件以圆孔和外圆为定位基面,分别在心轴(或定位销)和V形块上定位时,定位误差计算公式的推导,可总结出以下规律:(1)当和时,则若两项之中有一项为零时,则定位误差就等于不为零的那一项(2)当和均不为零时,则基准不重合误差的正负号可根据工序基准是否在定位基面上分别判断: 1)工序基准在定位基面上,即以定位基面的任一母线为工序基准,且为固定单边接触当定位副由最大实体状态变为最小实体状态时,由于基准位移和基准不重合分别引起加工尺寸作相同方向变化(即同时增大或同时减少)时,取正号,如以圆孔下母线或以外圆上母线为工序基准时;而当基准位移和基准不重合分别引起加工尺寸彼此向相反方向变化时,取负号,如以圆孔上母线或以外圆下母线为工序基准时2)工序基准不在定位基面上此时基准不重合误差永远取正号,即定位误差为基准位移误差和基准不重合误差之和故总有分析和计算定位误差的目的,是为了对定位方案能否保证加工要求,有一个明确的定量概念,以便对不同方案进行分析比较,同时也是在决定定位方案时的一个重要依据4. 定位误差计算实例 例3-1 铣削图3-30所示工件上的键槽,以圆柱面在=90的V形块定位,求加工尺寸分别为A1A2A3时的误差解:如图3-31所示,工件直径为d时,工件的轴线(定位基准)处在O2这个位置因此,可以分别求出各尺寸的定位误差(1)加工Al尺寸的定位误差 Al尺寸的定位误差根据公式(2-14)得:(2)加工A2尺寸的定位误差 A2尺寸的定位误差根据公式(3-16)得: (3)加工A3尺寸的定位误差 A3尺寸的定位误差根据公式(3-15)得: 3.4 工件在夹具中的夹紧工件在夹具上定位以后,必须采用一些装置将工件夹紧压牢,使其在加工过程中不会因受切削力惯性力等作用而使工件产生位移或振动这种将工件夹紧压牢的装置称为夹紧装置3.4.1 夹紧装置的组成及基本要求1. 夹紧装置的组成 夹紧装置的结构形式是多种多样的,一般由三部分组成,包括:(1)力源装置 通常是指产生夹紧作用力的装置,所产生的力称为原动力,常用的动力有气动液动电动等(2)中间传力机构 介于力源和夹紧元件之间传递力机构(3)夹紧元件 它是夹紧装置的最终执行元件,它直接作用在工件上完成夹紧作用在一些简单的手动夹紧装置中,夹紧元件与中间传力机构往往是混在一起的,很难截然分开,因此常将二者又统称为夹紧机构2. 对夹紧装置的基本要求 夹紧装置设计得好坏,对工件的加工质量,生产率的高低,以及操作者的劳动强度都有直接影响夹紧装置的设计要合理地解决以下两个方面的问题:一是正确选择和确定夹紧力的方向作用点及大小;二是合理选择或设计原动力的传递方式及夹紧机构因此,在设计夹紧装置时应满足下列基本要求:(1)夹紧时不破坏工件的定位,不损伤已加工表面;(2)夹紧力的大小要适当,即既要夹紧,又不使工件产生不允许的变形;(3)夹紧动作准确迅速操作方便省力,安全可靠;(4)手动夹紧装置要有可靠的自锁性,机动夹紧装置要统筹考虑其自锁性和稳定的原动力;(5)夹紧装置要具有足够的夹紧行程,以满足工件装卸空间的需要;(6)夹紧装置的设计应与工件的生产类型一致;(7)结构简单,制造修理方便,工艺性好,尽量采用标准化元件在机械加工过程中,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3.4.2 夹紧力的确定设计夹紧机构,必须首先合理确定夹紧力的三要素:大小方向和作用点1. 夹紧力方向的确定 确定夹紧力作用方向时,应与工件定位基准的配置及所受外力的作用方向等结合起来考虑其确定原则是:图3-32 夹紧力作用方向不垂直于主要定位基准面 图3-33 夹紧力方向与夹紧力大小的关系1)夹紧力的作用方向应垂直于主要定位基准面图3-32所示工件是以AB面作为定位基准镗孔C,要求保证孔C轴线垂直于A面为此应选择A面为主要定位基准,夹紧力Q作用方向垂直于A这样,无论A面与B面有多大的垂直度误差,都能保证孔C轴线与A面垂直否则,如图示夹紧力方向垂直于B面,则因AB面间有垂直度误差,使镗出的孔C轴线不垂直于A面产生垂直度误差(2) 夹紧力作用方向应使所需夹紧力最小这样可使机构轻便紧凑,工件变形小,对手动夹紧可减轻工人劳动强度图3-33表示了夹紧力FQ与切削力FP工件重力W之间的三种不同方向关系,其中图a所需夹紧力最小,较为理想;图b所需夹紧力FQW+FP,要比图a大得多;图c完全靠摩擦力克服切削力和重力,故所需夹紧力最大(3) 夹紧力作用方向应使工件变形尽可能小由于工件不同方向上的刚度是不一致的,不同的受力面也会因其面积不同而变形各异,夹紧薄壁工件时,尤应注意这种情况如图3-34所示套筒的夹紧,用三爪自定心卡盘夹紧外圆显然要比用特制螺母从轴向夹紧工件的变形要大得多图3-34 套筒夹紧2. 夹紧力作用点的确定 它对工件的可靠定位夹紧后的稳定和变形有显著影响,选择时应依据以下原则:(1)夹紧力的作用点应落在支承元件或几个支承元件形成的稳定受力区域内图3-35中,夹紧力作用在支承面范围之外,工件发生倾斜,因而不合理,而图b则是合理的a)不合理 b)合理图3-35 夹紧力作用点应在支承面内(2)夹紧力作用点应落在工件刚性好的部位如图3-36所示,将作用在壳体中部的单点改为在工件外缘处的两点夹紧,工件的变形大大改善,夹紧也更可靠此项原则对刚性差的工件尤为重要a)不合理 b)合理图3-36 夹紧力作用点应落在刚性较好部位(3)夹紧力作用点应尽可能靠近加工面这可减小切削力对夹紧点的力矩,从而减轻工件振动图3-37a中,若压板直径过小,则对滚齿时的防振不利图b中工件形状特殊,加工面距夹紧力FQ1作用点甚远,这时增设辅助支承,并附加夹紧力FQ2以提高工件夹紧后的刚度图3-37 夹紧力应靠近加工表面3. 夹紧力的大小 夹紧力的大小可根据切削力工件重力的大小方向和相互位置关系具体计算为安全起见,计算出的夹紧力应乘以安全系数K,故实际夹紧力一般比理论计算值大23倍KKoKlK2K3K4K5 (3-17)式中Ko基本安全系数,取1.5; K1考虑工件材质和余量不均匀的安全系数,一般取1.52; K2考虑加工性质的安全系数,粗加工取1.2,精加工取1; K3考虑刀具钝化的安全系数,取1.11.3; K4考虑加工状态的安全系数,断续切削取1.2,连续切削取1; K5考虑夹紧动力稳定性系数,手动夹紧取1.3,机动夹紧取1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一般来说,手动夹紧时不必算出夹紧力的确切值,只有机动夹紧时,才进行夹紧力计算,以便决定动力部件(如气缸液压缸直径等)的尺寸3.4.3 典型夹紧机构夹紧机构是夹紧装置的重要组成部分,因为无论采用何种动力源装置,都必须通过夹紧机构将原动力转化为夹紧力各类机床夹具应用的夹紧机构多种多样,以下介绍几种利用机械摩擦实现夹紧,并可自锁的典型夹紧机构1. 斜楔夹紧 图3-38a为斜楔夹紧的钻夹具,以原始作用力将斜楔推入工件和夹具之间实现夹紧取斜楔为研究对象,其受力如图3-38b所示:工件对它的反作用力FQ(等于夹紧力,但方向相反),由FQ引起的摩擦力F1,它们的合力FQ1=FR+F1;夹具体对它的反作用力FR,由FR引起的摩擦力F2,它们的合力FR1=FR+F2图中1和2为摩擦角,分别是FQ1与FQ和FR1与FR的夹角 图3-38 斜楔夹紧原理及受力分析夹紧时,FPFQFR三力平衡,有或夹紧力 (3-18) 工件夹紧后FP力消失,则斜楔应能自锁如图c所示,这时斜楔受到合力FRl和FQl作用,其中FRl的水平分力F有使斜楔松开的趋势欲阻止其松开而自锁,须使摩擦力F1 FRX,即因两处摩擦角很小,故有tan,则上式可写作,或写出斜楔夹角的自锁条件 (3-19)一般钢与铁的摩擦系数=0.10.15,则=57,故当1014,即可实现自锁通常为安全起见,取=5 7 斜楔夹紧的特点:(1)有增力作用若定义扩力比,则根据夹紧力计算式(3-18),iP3,且越小增力作用越大(2)夹紧行程小设当斜楔水平移动距离为s时,其垂直方向的夹紧行程为h则因tan 1 h s且越小,其夹紧行程也越小(3)结构简单,但操作不方便根据以上特点,斜楔夹紧很少用于手动操作的夹紧装置,而主要用于机动夹紧,且毛坯质量较高的场合有时,为解决增力和夹紧行程间的矛盾,可在动力源不间断情况下,增大为15 30 或可采用双升角形式,大升角用于夹紧前的快速行程,小升角用于夹紧中的增力和自锁2. 螺旋夹紧机构 螺旋夹紧机构是利用螺旋直接或间接夹紧工件的机构这类夹紧结构简单,夹紧可靠,易于操作,增力比大,自锁性能好,是手动夹紧中应用最广泛的一种夹紧机构其中有关元件和结构多数已标准化规格化和系列化其主要缺点是夹紧和松开工件比较费时费力(1)简单螺旋夹紧机构 这种装置有两种形式,如图3-39a所示的机构螺杆直接与工件接触,容易损伤已加工面或使工件转动,一般不宜选用如图3-39b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,夹紧时不需要扳手,操作方便迅速当工件夹紧部分不宜使用扳手,且夹紧力要求不大的部位,可选用这种机构(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,如图3-40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据很小的面积,而夹紧力又要求不很大时,可选用如图3-40a)所示的螺旋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3-40e)f)所示的通用压板夹紧机构3. 偏心夹紧机构 偏心夹紧是指由偏心轮或凸轮实现夹紧的夹紧机构该结构简单,制造容易,操作方便,动作迅速,缺点是自锁性能较差,增力比较小,夹紧行程小一般常用于切削平稳且切削力不大的场合图3-39 简单螺旋夹紧机构 图3-40 螺旋压板夹紧机构如图3-41所示是一种常见的偏心轮-压板夹紧机构当顺时针转动手柄2使偏心轮3绕