夹具设计的基本原理.ppt

第5章 夹具设计的基本原理 第一节 概述 第二节 工件在夹具中的定位 第三节 工具在夹具中的夹紧 第四节 专用夹具的设计方法 第五节 计算机辅助夹具设计 一、机床的功用 稳定保证工件的加工精度 减少辅助工时，提高劳动生产率 扩大机床的使用范围，实现一机多能 第一节 概述 二、机床夹具的分类 1、按专门化程度分类 通用夹具 专用夹具 可调夹具 组合夹具 随行夹具 2、按使用的机床分类 车床夹具 钻床夹具 镗床夹具 磨床夹具 数控机床夹具 3、按夹紧动力源分类 手动夹具 气动夹具 液压夹具 电磁夹具 真空夹具 三、机床夹具的组成 (1).定位元件：确定工件在夹具 中位置的元件。 (2).导向元件：用以引导刀具或 调整刀具相对于夹具的位置。 如：钻套、对刀块。 (3).对刀与导引元件：确定夹具 与机床或夹具与刀具的元件。 (4) .夹具体：基础件，用于安装 其它元件，形成整体 图5-1 (5).其它辅件：夹紧用的扳手， 操作手柄，分度机构等。 如下图所示： 一、常用定位方式与定位元件 工件常用定位表面 以平面定位 以内孔定位 以外圆表面定位 以平面定位 基本支承 辅助支承 固定支承 可调支承 自位支承 支承钉、支承板 基本支承：限制自由度，真正起定位作用 辅助支承：不限制自由度，起预定位、增加工件和夹具刚性等作用 第二节 工件在夹具中的定位 （一）工件以平面定位 1固定支承 (1) 支承钉：用于小平面未加工或已加工表面的定位。如图5-2 。 图5-2 平头：用于经过精加工的表面，面接触。 球头：点接触，可保证接触位置相对稳定 ，但易磨损，夹紧时使加工表面产生压陷 ，产生较大安装误差，不易使几个支承钉 保持在同一平面内，用于精加工中 网纹顶面：与定位面摩擦力较大，可住阻 碍工件移动，加强定位稳定性，精中易积 屑，多用在粗糙表面的侧面定位。 分类 (2)支承板 用于较大已加工平面的定位，所以常出现在精基准 定位中，一个支承板的作用，相当于两个支承钉，消除 两个自由度。 结构形式及应用场合： A型 制造简单，但不易清除落入沉头螺孔中的切屑， 常用于侧面定位 B型 切有斜槽，易于 清屑，常用于底面定位 图5-3 2.可调支承 可调支承:适用于未加工过的平面定位，以调节补偿各 批毛坯尺寸误差。如图5-4所示为几种常用的可调支承典 型结构。 图5-4 3.自位支承 （浮力支承） 图5-5 自位支承:适用于毛坯表面、断续表面、阶梯表面定位 。如图5-5所示为几种常用的自位支承典型结构。 4、辅助支承 辅助支承是在工件定位后才参与支承，因此不起任何消除 自由度作用，只起减小工件变形和振动的作用。如图5-6所 示，a）、b)为螺旋式辅助支承，用于小批量生产；c)为推 力辅助支承，用于大批量生产。 图5-6 辅助支承应用实例 a)用于提高工件稳定性和刚度；b)的辅助支撑起预定位作用。 图5-7 （二）工件以外圆定位 1. V形块 V形块的定位分为固定式和活 动式。图5-8为固定式V形块 ， a)用于较短的精基准定位； b)用于较长的粗基准（或阶梯 轴）定位； c)用于两段精基准面相距较远 的场合； d)用于定位基准直径与长度较 大的场合 图5-8 活动式V形块作用： 限制工件x移动自由 度功能 夹紧 图5-9 2.定位套 一般用于精基准定位。 如图5-10所示， a)为短定位套定位，限制工 件2个自由度 b)为长定位套定位，限制工 件4个自由度 图5-10 3.半圆套 图5-11 如图5-10所示，下半圆起 定位作用，上半圆起夹紧 作用。a)为可卸式， b) 为铰链式。 短定位套定位，限制工件 2个自由度。长定位套定 位，限制工件4个自由度 。 4.圆锥套 图5-12 工件以圆锥套定位时，常与后顶尖配合使用，如图5-10所示。 （三）工件以内孔定位 工件以内孔定位时，常用的有：定位销、定位心轴、 自动定心机构。 1.定位销 特点： 通常结合端面定位 一般用于大批量生产中 定位销头部应有15度倒角 图5-13 2.圆锥销 用于内孔的定心夹紧机构，其作用原理与外圆定位时 是一样的。区别仅在于孔定位时，支承等速远离中心移 动，与工件孔表面接触。 图5-14图5-15 3.定位心轴 根据工件的形状和用途的不同，定位心轴的结论形式 很多，常用的有下列几种形式： （1）圆柱心轴 如图5-16 a）为间隙配合圆柱心轴，定位精度不高， 但装卸工件方便。 b）为过盈配合圆柱心轴，常用语对定 心精度要求高的场合。c)为花键心轴，用于以花键孔为定 位基准的场合。 图5-16 图5-17 （2）圆锥心轴 限5个自由度，定心精度高，可达0.0050.01mm，但 轴向位移大，传递扭矩小，使用于精加工中。 （四）工件以组合表面定位 常见工件组合 平面与平面组合 平面与孔组合 平面与外圆柱面组合 平面与其他表面组合 锥面与锥面组合 一面两孔组合定位 定位方式：将第二个销子采用削边销结构，如图5-18d 所示，削边销只限制z一个自由度。 在生产中普遍用于箱体类大、中型零件的加工中，如 机床主轴箱、发动机机体。 图5-18 表5-1 削 边 销 的 尺 寸 二、定位误差及其分析计算 （一）定位误差及其产生原因 定位误差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。 产生误差原因 a.基准不重合误差 b.基准位移误差 (二)常见定位方式的定位误差分析与计算 定位误差是由于基准不重合误差和基准位移误差共同作用 的结果。故： 当 和 变动方向相同时，取“+”号；反之，取“-”号 夹紧装置的组成 第三节 工件在夹具中的夹紧 一、夹紧装置的组成和设计要求 动力源装置 中间传力机构 夹紧元件 图5-25 夹紧装置的设计要求 工程在夹紧过程中，不能破坏工件在定位时所获 得的正确位置； 夹紧力的大小应可靠、适当。应保证工件在整个 加工过程中的位置稳定不变，不允许产生振动、变形 和表面损伤； 夹紧动作要准确迅速，以便提高生产效率； 操作方便、省力、安全，以改善工人的劳动条件 ，减轻劳动强度； 结构简单，易于制造。 夹紧力三要素 1.夹紧力方向 不破坏定位的准确性和可靠性，如图5-26所示； 夹紧力方向应使工件变形尽可能小，如图5-27所示； 夹紧力方面应使所需夹紧力尽可能小，如图5-28所示。 图5-26 图5-27 图5-28 2.夹紧力作用点 夹紧力应落在支承元件的几何中心或几个支承元件所形成 的平面内 夹紧力应落在工件刚性较好的部件上 夹紧力应尽可能靠近被加工面 图5-29 确定夹紧力大小的方法有两种： 经验类比法 分析计算法 K的取值范围一般为1.53，粗加工时取2.53，精加工时取 1.52。 3.夹紧力大小 二、基本夹紧机构 常见的有斜楔、偏心、螺旋等，都是利用机械摩擦的斜楔 自锁原理。 （一）斜楔夹紧 斜楔夹紧机构主要用于增 大夹紧力或改变夹紧力方 向。 图5-30 1.夹紧力的计算 如图5-31所示，当斜楔处于平衡状态时，根据精力平衡，可 得斜楔对工件所产生的夹紧力Q为： 图5-31 2.自锁条件 当工件夹紧并撤除源动力P后，夹紧机构依靠摩擦力的作用 ，仍然保持对工作的夹紧状态的现象称为自锁。 斜楔的自锁条件是： 3.扩力比 扩力比也称扩力系数，是指在夹紧源动力P作用下，夹紧机 构所能产生的夹紧力Q与P的比值。 4.行程比 把斜楔的移动行程L与工件需要的夹紧行程S的比值，称为行 程比。 5.应用场合 斜楔夹紧机构结构简单、工作可靠，但机械效率较低，常用 在工件尺寸公差较小的机动夹紧机构中。 （二）螺旋夹紧机构 螺旋夹紧结构简单，增力比大，自锁性好，夹紧可靠， 所以在夹具中得到最广泛的应用。 螺杆1在2中转动而起夹紧作用。 螺母2采用可换式，其目的是为了 内螺纹磨损后可及时更换。 螺钉3用以防止2的松动。 压块4是防止在夹紧时带动工件转 动；并避免1的头部直接与工件接 触而造成压痕，同时也可增大夹 紧力作用面积，使夹紧更为可靠 。 图5-32 式中： P原始作用力； L手柄长度； 螺杆下端（或压块）与工件接触处的当量摩 擦半径； 螺旋作用中径之半；（作用中径为d平均）； 螺旋升角； 螺旋配合面的摩擦角（常取830）。 螺杆下端（或压块）与工件接触处的摩擦角； 螺旋夹紧力的计算公式 在实际应用中，单螺旋夹紧机构常与杠杆压板构成螺旋压 板组合夹紧机构，如图5-34 图5-34 （三）偏心夹紧机构 偏心夹紧机构是靠偏心轮回转时其半径逐渐增大而产生夹 紧力来夹紧工件的，常与压板联合使用，如图5-35。 常用的有圆偏心和 曲线偏心两种，可 做成平面凸轮的形 状。因圆偏心机构 简单，制造方便， 较曲线偏心应用广 泛。 图5-35 偏心夹紧机构的夹紧原理与斜楔夹紧机构相似，区别：斜 楔夹紧的楔角不变，偏心夹紧的楔角是变化的。 图5-36 偏心夹紧力的计算公式 式中： P原始作用力； L手柄长度； 偏心轮回转轴中心到夹紧 点P的距离，单位为mm； 分别为偏心轮转轴处 与作用点处的摩擦角。 图5-37 自锁条件 若 =0.10.5，则偏心夹紧的自锁条件可写为： 优点：操作方便、加紧迅速、结构紧凑 缺点：夹紧行程小、夹紧力小、自锁性能差 应用：常用于切削力不大、夹紧行程较小、振动较小的 场合。 三、其他典型夹紧机构 1.铰链夹紧机构 优点：动作迅速，增力比大， 易于改变力的作用方向 缺点：自锁性能差 应用：常用于气动、液动加紧 中。 图5-38 2.定心夹紧机构 按工作原理可分为两类： （1）按等速移动原理工作的定心夹紧机构，如图5-39 （2）以均匀弹性变形原理工作的定心夹紧机构，如图5 -40 图5-39 图5-40 3.联动夹紧机构 优点：减少工件装夹时间，简化结构 图5-41 第四节 专用夹具的设计方法 稳定地保证工件的加工精度； 提高生产率并降低成本； 具有良好的使用性； 具有良好的结构工艺性。 一、专用夹具的基本要求和设计步骤 基本要求 设计步骤 1.研究原始资料，明确设计任务 2.考虑和确定夹具结构方案，绘制结构草图 (1) 确定工件的定位方案，包括定位原理、方法、原件或装置； (2) 确定工件的夹紧方案和设计夹紧机构； (3) 确定夹具其他组成部分（如对刀装置、分度装置等）的结构 方案； (4) 考虑各机构、元件的布局，确定夹具体和总体结构。 3.绘制夹具总图 4.绘制夹具零件图 二、夹具总图尺寸标注及技术要求的制 定 1.夹具总图尺寸标注 夹具的外形轮廓尺寸 影响定位精度的尺寸 影响对刀精度的尺寸 夹具与机床的联接尺寸 其他重要配合尺寸， 如图5-42 图5-42 2.夹具总图技术要求的制订 (1) 定位元件的定位表面之间的相互位置精度； (2) 定位元件的定位表面与夹具安装之间的相互位置精 度； (3)