机床夹具设计原理1.ppt

2012年2月,学习目的与要求,（1）了解机床夹具的组成、作用及其对零件加工的重要性 （2）掌握对工件定位的概念、原理、要求及定位误差的概念 （3）掌握各种不同定位方式定位误差的计算 （4）熟悉对工件夹紧的目的、要求和夹紧机构 （5）熟悉各种机床上使用的夹具特点 （6）初步掌握夹具设计的方法、要点和步骤,第4章 机床夹具设计原理 8学时,主要教学内容,第4章 机床夹具设计原理 4.1 机床夹具的概述 4.2 工件的定位 4.3 典型的定位方式、定位元件及定位装置 4.4 定位误差 4.5 工件的夹紧 4.6 夹紧机构 4.7 夹具的动力装置 4.8 夹具的其它装置 4.9 夹具设计的方法及步骤,4.1.1 机床夹具的定义 机床夹具：将工件进行定位、夹紧，将刀具进行导向或对刀，以保证工件和刀具间的相对位置关系的装置。 4.1.2 工件的装夹 工件的定位：加工前，使工件在机床或夹具中占有正确加工位置的过程。 工件的夹紧：定位后，为防止工件在加工中因外力的作用使其正确加工位置变动，将工件固定在机床或夹具上的操作。 工件的装夹：工件的定位和工件的夹紧的总称。 定位与夹紧有区别吗？,4.1 夹具的基本概念P193,装夹方式：在通用夹具上直接找正；在工件上先划线，然后按线找正安装。工作过程繁琐，加工质量不稳定，生产率低，工人劳动强度大。夹具安装：直接把工件安放到专用夹具的定位基面上。加工质量稳定，工作简单，生产率高，工人劳动强度低。,P194图4.1扇形零件的工件简图,图4.2 钻孔及铰孔夹具图,4.1.3 夹具的组成和夹具的工作原理,2. 夹具的组成 P195,(1) 定位元件及定位装置：支承钉、支承板、芯轴、V形块、定位销； (2)夹紧元件及夹紧装置：圆偏心夹紧、偏心夹紧、斜楔夹紧、压板； (3) 对刀装置、导向元件：对刀块、导套、钻套； (4) 连接元件：定位键、T形槽； (5) 夹具体：基础元件，底座、支架； (6) 动力装置：电机、马达 (7) 其它元件及装置：如分度装置。,用夹具装夹工件，通过夹具实现这一占有正确位置的要求，应满足三个条件： 一批工件在夹具中占有正确的加工位置是通过工件的定位面与夹具的定位元件相接触实现的； 夹具装夹在机床上应先保证有正确的相对位置； 刀具相对夹具上有关定位元件的位置要正确。 “定位” 是：工件在夹具上的定位、夹具相对于机床的定位、刀具相对于机床或夹具的定位。如位置不正确需要调整。,一般先定位、后夹紧，特殊情况下定位、夹紧可同时实现，如三爪自动卡盘装夹工件。,4.1.4夹具的作用 P196 （1）保证加工精度 保证工件的尺寸、形状和相互位置精度。夹具的最大功用是保证加工内容的位置精度； （2）提高生产率，降低生产成本 快速将工件定位、夹紧，免除了找正、对刀等过程，缩短辅助时间，提高了成品率，降低了成本。 （3）扩大机床的加工范围 如在车床上加装镗夹具，可完成镗孔加工。 （4）减轻工人劳动强度，降低对工人的技术要求,4.1.5 夹具分类 1、按专业化程度 通用夹具 专用夹具 成组夹具 组合夹具 随行夹具 2、按机床种类 车床夹具 磨床夹具 钻床夹具(钻模) 镗床夹具(镗模) 铣床夹具 3、按动力源 手动、气动、液压、气液、电动、电磁、真空、 自紧(切削力),专用夹具装夹工件的特点 专用夹具是专门为某工件的某工序设计和制造的夹具,其结构简单、紧凑、操作迅速方便，设计和制造周期较长，成本较高。当产品变更时，因无法使用而报废，专用夹具适用于产品固定的成批或大量生产中。,通用夹具装夹工件的特点 通用夹具指结构、尺寸已标准化，且具有一定通用性的夹具。如三爪自动定心卡盘、四爪单动卡盘、台虎钳、万能分度头、顶尖、中心架等。 其特点是适应范围大，多为机床附件。生产率较低，适用单件小批量生产, 使用广泛。,4.2工件的定位,4.2.1 定位与基准 定位：工件在夹具中占有正确的位置 夹紧：固定工件占有的正确位置 定位基准：确定工件安装时所用的基准，如：A、C面 工件的定位面与夹具的定位元件在A、C处相接触 图上1、2都是定位元件,4.2.2 定位原理 自由度：未定位的工件在空间直角坐标系中都具有六个自由度。三个方向的位移，绕三个坐标轴的转动。,六点定位原理：分别用6个按一定规则布置的约束点，限制工件的6个自由度，使工件运动形态确定的过程称为,图4.6长方体工件的定位,定位就是约束自由度,采取约束措施分别消除工件的六个自由度，工件在空间的运动就被限制了。,课堂练习一,课堂练习二,课堂练习三,课堂练习四,平面 1、2、3： 圆柱面 5、6 ： 槽 4 ：,图4.7圆盘类工件的完全定位,圆盘类零件的定位分析,圆柱面约束点1、3、4、5限制： 槽约束点2限制： 端面约束点6限制：,图4.8轴类工件的完全定位,轴类零件的定位分析,定位销定位：,常见定位元件的分析,V型铁块定位：,锥销定位： 顶尖定位：,需要限制：沿Y方向的位移 需要限制：绕Z轴转动、绕X轴转动和沿X方向的位移 选择合适的夹具：,4.2.3 定位的正常情况与非正常情况,图4.10不完全定位（需限制5个自由度）,完全定位（需限制6个自由度）,完全定位:用六个合理布置的约束点，分别限制工件的六个自由度的定位。 不完全定位：不需限制工件的六个自由度的定位。是允许的。 欠定位：该限制工件的自由度未被限制的定位。是不允许的。 过（超）定位：工件的某个自由度被重复限制的定位。,图4.11过定位的几个例子,过定位的讨论： 如工件的定位面和夹具定位元件的加工精度都较高，过定位是允许的。 如果工件刚度较低，用过定位能提高工件的刚度，使加工精度提高，过定位是允许的。,平面定位用三个支承钉是不完全定位,平面定位用四个支承钉 是过定位,辅助支承起提高稳定性和支承刚度的作用，不起定位作用,平面和长销的定位分析 平面限制3个自由度 长销限制4个自由度,改进措施,长销与小端面,短销与大端面,长销与浮动端面垫,图4.12改善过定位的措施,有过定位,一面两销定位分析 两个短销均限制了 ，有过定位，将其中一销改为削边销可解除对Y轴方向位移的限制，解决了过定位问题,过定位的益处,增加稳定性 增加刚性,该限制的没有限制欠定位，不允许； 限制自由度小于六个时，是欠定位或不完全定位； 一个自由度被多个定位元件限制过定位，一般不允许； 工件定位面精度、夹具定位元件精度较高允许过定位可提高定位部位的刚度； 工件刚度低时，用过定位可提高工件连接刚度； 根据加工要求来确定定位形式； 欠定位和过定位可能同时存在。,具体情况具体分析,4.3 典型的定位方式、定位元件及定位装置,4.3.1 定位元件的要求P204 有与工件相应的精度； 有足够的刚度； 有足够的耐磨性。 4.3.2 常见的定位方式及定位元件 平面定位、外圆定位、内孔定位、复合定位 1、用工件上的平面定位 应用场合：箱体、床身、机座、支架等 定位元件：支承钉及支承板、可调支承与自位支承、辅助支承,支承钉与支承板 精基准： 支承钉或支承板 粗基准： 三个支承钉 可调支承 用于未加工过的面（粗基准）,自位支承：可自动调节由于定位表面不平整给定位带来的影响。 辅助支承的用途： 常用于粗基准的定位，目的是增加工件的支承刚性。,辅助支承,自位支承,辅助支承,图4.18各种辅助支承,2、用工件上圆孔定位 定位销：主用于中心孔定位，一般d50mm 锥销,心轴： A、刚性心轴,间隙配合，定心精度低,过盈配合，定心精度高，但装卸有点难,B、锥度心轴： 常用锥度：1:10001:5000 心轴和工件配合紧密，定心精度高，不用夹紧 C、弹性（涨）心轴： 定心精度高，装卸方便,D、定心心轴： 用于粗基准或 孔径较大时或 薄壁套筒工件,自动定心定位：卡盘及卡头,3、用工件的外圆定位 使用套筒做定位元件, V型铁定位 分类：, 使用支承板,窄支承板：限制2个自由度 宽支承板：限制3个自由度,应用：外圆柱面定位；平面定位,V型铁特点：对中性、对称性好、精度高 应用：外圆柱面定位；与其他定位元件组合 使用；超定位时，可做成浮动形式,图4.29标准V型铁,图4.31V型铁定位,4、圆锥、圆锥孔定位 用长锥孔限制5个自由度，短锥孔限制3个自由度 固定顶尖和浮动顶尖限制三个方向的位移 5、组合定位 组合定位的形式很多如： a 利用工件上一个平面和两个与其垂直的孔定位 定位元件采用一个平面和两个圆柱销组合定位，有过定位现象。改进措施： 可使工件两个孔中一个准确定位，两孔中心距误差和两销中心距误差由另一个定位销来补偿： 将两个销直径减小，这样在中心连线方向定位精度降低，也不能减小角度误差，因此很少采用。 用削边销补偿两孔中心距和两销中心距的误差。,图4.35齿面定位（精基准）,b 组合定位：齿面定位方式 齿轮淬火后以齿面做定位基准，磨内孔余量均匀,定位误差及其产生原因 定位误差dw是指一批工件在夹具中由于定位产生的误差。对一批工件来说，刀具经调整后其加工位置是不动的。工件的加工位置相对于刀具的位置是确定的，因各种原因使工件的工序基准位置在工序尺寸方向上产生变动，其最大位置变动量即为定位误差，用dw（d定）表示。 定位误差包括： 定位基准和工序基准（或设计基准）不重合,称基准不重合误差jb： ； 因配合间隙或工件和定位元件的制造误差引起的定位误差，称基准位移误差jw ；,4.4 定位误差P218,4.4.1与夹具有关的误差： 若工件的工序尺寸公差为T公差，夹具为与夹具有关的误差（包括：夹具制造、安装、工件的定位等），加工为与机床误差、刀具误差、受力受热变形等有关的加工误差。其它为与工艺系统其它因素有关的误差。为保证工件的加工精度要求，应满足误差计算不等式： T公差夹具加工其它 制订夹具公差时，应保证夹具的定位、制造和调整误差总和不超过零件工序尺寸公差T公差的1/3。 T公差/3 夹具=dW 上式是用于判断定位误差合格与否的计算公式。,分析定位误差时注意： 用调整法加工一批零件才能产生定位误差，用试切法加工将产生偏差，不产生定位误差； 误差有方向，不同方向的误差要分别分析与计算； 定位误差是一个界限值，定位误差是否满足要求，与相应的工序尺寸的极限偏差有关； 公式：dw =jbjw中的符号 的选择根据实际情况确定； jb0；jw0。,4.4.2 定位误差的分析, 基准不重合误差 jb： 基准位移误差 jw：,定位误差为： dw =jbjw,4.4.3 常见定位形式的定位误差 1、用支承或平面作定位元件 定位基准与设计基准不重合产生的定位误差 举例,定位元件为平面、加工精度高，故有jw=0;注：若定位基准是毛坯面，则有jw0。 前工序各面均已加工完，本工序按AA加工面1。定位基准在面3，设计基准在面2，定位基准与设计基准不重合，有基准不重合误差，其值jb为工序尺寸公差TH=2H ，dw=jb。,若定TA1/3则合格,求工序尺寸A3的定位误差： 因工序基准和定位基准重合，故基准不重合误差：jb=0 但工件定位面有制造误差，有基准位移误差： jw =2(H-h)tg() 定位误差：定=2(H-h)tg(),求工序尺寸A1的定位误差： 工序基准为C面，定位基准在D面，有基准不重合误差：jb=A2 工件定位面D有制造误差，基准位移误差：jw2(H-h)tg() 所以A1的定位误差：定=2(H-h)tg()+A2,若其它表面均已加工完，为90现分别按A3和A1加工B面，求定位误差：,合格条件：定TA3/3,以V型铁定位时的定位误差计算P220,图4-37铣平面的定位误差,工序基准为上母线 定位基准为圆心，有基准不重合误差,下母线为工序基准， 中心线为定位基准,中心线同为工序 基准和定位基准。 基准不重合误差为零,使用V形块时的定位误差分析： a) 定位误差dW 随毛坯误差Td 的增大而增大； b) 定位误差dW 随V形块夹角 增大而减小，但稳定性变差； c) 定位误差dW 与工序尺寸标注方式有关，dW2dW1dW3，因此在图纸上标注时应该象H2那样标注！,工件以心轴定位（间隙）时的定位误差,基准位移误差jw是指工件的定位基准在加工尺寸方向上的变动量。由工件定位面和夹具定位元件的制造误差以及两者之间的间隙所引起。,若孔：Dmax=D+TD 、Dmin=D； 若轴：dmax=d、 dmin=d- Td； Xmin=0,基准位移误差: jw=1/2(Td+ TD) Xmin0,基准位移误差: jw=1/2(Td+ TD+ Xmin),例：,重力或夹紧力作用即心轴与工件单边接触,合格条件：dwTH1/3,jb=0,合格条件：dwTH1/3,位移误差 对销1来说最小间隙 各个方向 孔径公差 销径公差 最小间隙,以一面两销定位时的定位误差计算,对销2来说，由于不限x方向自由度，即由销1决定。 y方向：,转角：,转角为,一般转角：可取,图4.38 销定位的定位误差,以一面两销定位时的定位误差计算,1）在平面内任意方向的位移误差 孔O1中心偏移在直径为dw1 圆内，dw1 =TD1 + Td1 + X1min 孔O2在X方向偏心与孔O1相同（不限位），为dw1 在Y方向偏心在直径为dw2 ，dw2 =TD2 + Td2 + X2 min,2）转角误差 =arctan(TD1 + Td1 + X1min+ TD2 + Td2 + X2 min )/2L 要减小角度定位误差，提高孔销精度，减小配合间隙； 增大孔（销）中心距,图P4.38销定位的定位误差,4.5 工件的夹紧,4.5.1 夹紧机构的组成 1、夹紧元件 2、动力装置 3、中间传力机构 4.5.2 夹紧机构的基本要求与设计原则 1、夹紧必须保证定位而不能破坏定位 主要夹紧力垂直于装置基面,图4.39夹紧力方向对镗孔垂直度的影响,图4.40夹紧力如何保证定位,夹紧元件不应破坏工件定位,图4.41夹紧破坏定位的夹具及改进设计,2、工件和夹具的夹紧变形必须在允许范围内 夹紧力作用在工件刚性较好的方向上 夹紧力的着力点和支承点尽可能靠近切削力作用点,夹紧力的反作用力不应使夹具产生影响加工精度的变形 夹紧力大小要适当,图4.43夹紧引起导向支架变形,3、夹紧机构必须可靠 夹紧元件本身有足够的刚度和强度 手动夹紧的自锁性能可靠 夹紧机构有足够的夹紧行程 4、夹紧机构的操作安全、省力、方便、迅速 5、夹紧机构的复杂程度和自动化程度与生产规模及工厂的财力、物力相适应,4.5.3 夹紧力的确定P225 夹紧力大小、方向和作用点 1、夹紧力的方向 保证定位准确可靠，一般垂直于主要定位基准面 应使所需夹紧力尽可能小 应使工件变形小 2、夹紧力的作用点 保持工件稳定定位 使工件夹紧变形尽可能小 尽可能靠近工件被加工表面,三要素,夹紧力的作用方向应使所需夹紧力最小,图,夹紧力最小,夹紧力其次,夹紧力最大,PQ夹紧力、 PP切削力、W重力,夹紧力作用点的确定,夹紧力应作用在刚度较好部位,图,夹紧力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。,夹紧力作用点应尽可能靠近加工表面。,图,3、夹紧力大小的选择 夹紧力的大小根据切削力、工件重力的大小、方向和相互位置关系，列出受力图后具体计算， 夹紧力大小应适当，切削力变化时，按最不利的情况考虑 确定方法：类比法 计算分析法,如图受力分析：开始，绕0点翻转，摩擦力矩,4.6 夹紧机构,4.6.1 斜楔夹紧机构,图4.45斜楔夹紧机构,1、夹紧力计算 即 又,2、结构特点： 斜楔具有自锁性,一般 约6， 手动可靠 气动、液压时，可大些，1530。,具有改变压力方向的特点 具有增力作用 增力系数 3左右 夹紧行程小，行程h，移动S 行程小 自锁差 3、适用范围 小型钻床、铣床；与其他装置组合使用,4.6.2 螺旋夹紧机构 1、结构形式,图4.47螺旋夹紧机构,图4.48 用螺旋压板夹紧的车床夹具,图4.49 用钩形压板夹紧的车床夹具,4.6.3 偏心夹紧机构,图4.51 铣拨动臂长孔夹具,4.6.4 铰链夹紧机构 增力机构，常与气缸、油缸联动以扩大夹紧 力，动作迅速，容易改变力的传递方向压板张 开量大；但自锁性能差,特点,4.6.5 联动夹紧机构 1、常见的联动夹紧方式 多点夹紧联动 多件夹紧联动 弯轴瓦分型面 先定位后夹紧联动 夹紧与其他动作联动 如夹紧与锁紧辅助支承联动,图4.53 多点夹紧 联动铣平面夹具,2、设计联动夹紧机构时应注意的问题 仔细进行运动分析和受力分析，以确保实现设计意图； 设计必要的浮动环节及浮动程度，以保证夹紧均衡、运动不发生干涉； 保证所有压板都能松夹，以便装卸工件； 注意刚性，以免刚性不足而夹不紧； 避免过于复杂，否则会降低可靠性，制造困难。,4.7 夹具的动力装置,4.7.1 动力装置的作用 减轻工人劳动强度，提高生产率，保证安全生产 常用动力装置： 气压、液压、气液联合、电动、电磁、真空等 4.7.2 气压夹紧采用压缩空气,固定式气缸,回转式气缸,4.7.3 液压夹紧 特点 (与气压比) 1、液压的压力较高，油缸小，布局方便，不需增力机构，结构简单； 2、夹紧刚度大，夹紧可靠，动作比较平稳； 3、在液压机床上实现比较方便，否则需增设油泵站，提供高压油，因此成本高； 4、没有排气噪声，但油泵工作时的噪声也很大，另外漏油不易处理，污染环境。,车床用电磁卡盘,4.7.5 电磁夹紧平磨 感应线圈隔离板 工件导磁材料磁化,4.8 夹具的其它装置,4.8.1 孔加工时的导向装置 1、钻孔导向钻套 （1）钻套的类型(根据结构)： 固定钻套、可换钻套、快换钻套、特殊钻套,固定式 (有肩和无肩) 配合： 特点：位置精度高，结构简单，但磨损后不易换，不能钻扩铰 应用： 用于单件、小批及孔距小的地方。 可换钻套 配合：钻套与衬套间 ，衬套与孔间 特点：操作方便，螺钉可防止钻套松动和被顶出 应用：大批量生产，但不宜用于连续更换刀具的场合,快换钻套 用于钻扩铰(攻丝) 特殊钻套,（2）钻套的尺寸和公差 内径D其基本尺寸由所用刀具的外径确定，对于钻扩铰刀等标准定尺寸刀具，按基轴制选用的动配合F7或G6 钻套高H 对于一般孔距精度 H=(1.5 2)d 对于孔距（平行度）要求高的 H=(2.5 3.5)d 钻套与工件距离h 留有空间排屑； 加工铸铁 h=(0.3 0.7)d； 加工钢 h=(0.71.5)d； 孔的位置高，可取h=0 断屑好 h，不好 h,应用： 杆套紧； 套衬用,（3）钻模举例 固定式与移动式钻模 翻转式或回转式钻模 当工件上有几个方向不同孔时，可用一个钻模在一次安装中进行加工。这种钻模能获得所需的几个方向加工位置。 翻转式钻模：整个夹具和工件一起翻转 回转式钻模分度机构,2、镗孔的导向镗套,（1）镗套结构类型 固定式镗套不与镗杆一起转动 外形尺寸小，结构简单，中心位置准确，转速高时出现“咬死”，不超过20转/分,图4.64镗模结构示意图,回转式镗套 外滚式回转镗套：将回转部分装在夹具上，镗杆和导套之间只有相对移动，而无转动 内滚式回转镗套：将回转部分装在镗杆上 （2）镗刀通过问题 很多情况刀大于镗套内径,（3）镗套的尺寸和公差 镗套的基本尺寸由镗杆的导向部分的外径来决定。配合用 、 ，后者用于精加工。 内滚式，滑动套 h6、h5,图4.65铣床对刀装置,4.8.2 对刀装置,4.8.3 分度装置,斜面分度装置,4.8.4 夹具在机床上的定位,为保证夹具相对于切削运动有准确方向，在夹具体底面往往安装两个定向键或销,夹具在回转主轴上的安装，取决于所使用的机床主轴的端部结构,4.9 夹具设计的方法及步骤P239,4.9.1 设计前的准备 1、生产纲领 N 气动或机动夹具 N 手动 简单 2、零件图及工序图 零件图尺寸、形状和位置精度要求 工序图工序尺寸、基准等 加工表面 3、工序内容 主要指该工序所用机床、刀具、切削用量、工步安排、时间定额、装夹工件数目等,工序内容：钻铰6两孔，钻8孔 精度要求：6两孔级，表面粗糙度3.2 ，位置度0.1；8孔自由，表面粗糙度12.5 已加工表面有：12H7孔、15H7孔、45f7外圆、两端面及18孔,4.9.2 夹具的总体方案的确定 1、定位方案 一面两销 长销、削边销、小止推面装卸不便，钻工时干涉、复杂、排屑 端面、削边销、定心套基准不重合,2、夹紧方案 螺钉垫圈夹紧优点：机构简单、方便， 缺点：装卸工件不便，费时 勾形压板装卸方便，但需要拧两个螺母，费时；联动则复杂 铰链压板简单方便,3、夹具形式 翻转或回转式 4.9.3 夹具装配草图 工件定位元件导向元件夹紧机构夹具体 绘制夹具体应注意 足够的刚度减少变形，必要时用加强筋 形状简单避免加工困难 良好的工艺性 操作方便，容易排屑,4.9.4 夹具的精度验算,4.9.5 绘制夹具的装配图及零件图P246 1、轮廓尺寸，即夹具的长宽高尺寸 2、配合尺寸及种类 3、联系尺寸及偏差，可按工件相应公差的 选取 4、编写夹具设计说明书,安装误差包括：定位误差、夹紧误差 夹具定位误差包括：夹具对刀具的位置误差、夹具对机床成型运动的位置误差 加工过程误差包括：系统受力、受热变形、机床制造精度和磨损。 忽略第三项，其值不大于公差的三分之二就算合格。 安装误差+加工过程误差2/3,本章重点性掌握机床夹具的工作原理、工件加工误差的组成，一般性掌握机床夹具的分类、组成和作用。 1.1、什么是专用夹具？ 1.2、什么是装夹？工件定位与夹紧的区别与联系？ 1.3、机床夹具由哪几部分组成？ 1.4、结合图1.5简述夹具的工作原理？ 1.5、工件的加工误差有哪几大类？每类含哪几项误差？,例：如图示零件，除键槽外的其余表面均已加工完成。现用调整法加工通键槽，要求保证尺寸35mm和对称度。若采用角度90的长V形块用25mm外圆定位，（1）试分析该定位元件限定的自由度；（2）求定位误差，判断该定位方案能否满足加工要求。,拟定工艺路线举例,1. 分析零件图； 2. 加工方法； 3. 拟订工艺路线。,方头小轴,图示零件，各处均已加工合格，现拟加工通孔2。已知：1= mm、2= mm、H1= mm，要求保证尺寸H2、H3。问应限制哪些自由度？若采用90V形块定位，求定位误差？, 除X方向位移，其余都限制 ,DH2=0 DH3=0.033mm,图示零件，各处均已加工合格，现拟加工2。已知：1= mm、2= mm、H1= mm，要求保证尺寸H2、H3。若采用图示方式定位，求定位误差？