机床夹具设计ppt课件.ppt

第3章机床夹具设计原理 计划学时 18学时 本章要点 定位误差的计算 常用夹紧机构 典型夹具设计特点 夹具的总体设计 六点定位原理及定位分析 本章概述 掌握利用六点定位原理进行定位分析方法和定位误差计算方法 熟悉常用夹紧机构及典型夹具 能在教师的指导下设计常用夹具 应用六点定位原理进行定位方式分析 定位误差的计算 定位误差的计算 第三章机床夹具设计原理DesignTheoryforFixtures 机械制造技术 一 机床夹具及其组成 图2 1是一个铣削轴端槽的夹具 工件以外圆和端面为定位基准 放在一个固定V形块1和支承套2上定位 转动手柄3 偏心轮推动活动V形块夹紧工件 对刀块6用来确定铣刀相对工件的位置 所有的装置和元件都装在夹具体5上 为了方便地确定夹具在机床上的正确位置 在夹具底部装有定向键 件4 安装夹具时只要将两个定向键放入铣床工作台的T型槽中并靠向一侧 则不需再进行找正便可将夹具固紧在机床工作台上 图2 1铣轴端槽夹具 一 机床夹具及其组成 1 使工件在夹具中占有正确的加工位置 这是通过工件各定位面与夹具的相应定位元件的定位工作面 定位元件上起定位作用的表面 接触 配合或对准来实现的 2 夹具对于机床应先保证有准确的相对位置 而夹具结构又保证定位元件的定位工作面对夹具与机床相连接的表面之间的相对准确位置 这就保证了夹具定位工作面相对机床切削运动形成表面的准确几何位置 也就达到了工件加工面对定位基准的相互位置精度要求 3 使刀具相对有关的定位元件的定位工作面调整到准确位置 这就保证了刀具在工件上加工出的表面对工件定位基准的位置尺寸 一 机床夹具及其组成 夹具指机床夹具 用以装夹工件 和引导刀具 的装置 GB6863 85 图2 2夹具的组成部分 一 机床夹具及其组成 1 定位元件及装置 6 其他元件及装置 防护 防错 分度 5 夹具体 4 连接元件 3 对刀及导向元件 2 夹紧元件及装置 二 机床夹具分类 1 通用夹具 三爪 四爪卡盘 平口钳等 一般由专业厂生产 常作为机床附件提供给用户 2 专用夹具 为某一工件特定工序专门设计的夹具 多用于批量生产中 3 通用可调整夹具及成组夹具 夹具的部分元件可以更换 部分装置可以调整 以适应不同零件的加工 4 组合夹具 由一套预先制造好的标准元件组合而成 根据工件的工艺要求 将不同的组合夹具元件像搭积木一样 组装成各种专用夹具 使用后 元件可拆开 洗净后存放 待需要时重新组装 组合夹具特别适用于新产品试制和单件小批生产 5 随行夹具 在自动线或柔性制造系统中使用的夹具 按夹具使用范围划分 二 机床夹具分类 三爪卡盘 四爪卡盘 万向平口钳 回转工作台 分度头 图2 4通用夹具 二 机床夹具分类 图2 5专用夹具 二 机床夹具分类 二 机床夹具分类 图2 7组合夹具 1 加筋角铁 2 2 槽用螺栓 6 3 平键 10 4 方形支承5 定位支承6 方形支承7 平垫圈8 六角螺母 8 9 槽用螺栓10 钻套螺钉11 快换钻套12 钻模板13 圆形定位销14 工件15 方形支承16 角铁17 压紧螺钉18 基础板 二 机床夹具分类 图2 8铣拨叉槽组合夹具 二 机床夹具分类 图2 9组合夹具实例 二 机床夹具分类 图2 10槽系组合夹具爆炸图 二 机床夹具分类 气动虎钳图2 11液压夹具 三 机床夹具的功用 1 保证加工精度零件加工精度包括尺寸精度 几何形状和表面相互位置精度 夹具的最大功用是保证加工表面的位置精度 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 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镗夹具 可完成镗孔加工 4 减轻工人劳动强度 第三章机床夹具设计原理DesignTheoryforFixtures 机械制造技术 一 六点定位原理 工件定位目的 使某个工件在机床或夹具上占有某个正确的位置 使同批工件在机床或夹具上有同一的正确位置 要确定其空间位置 就需要限制其6个自由度 将6个支承抽象为6个 点 6个点限制了工件的6个自由度 这就是六点定位原理 任何一个物体在空间直角坐标系中都有6个自由度 用表示 一 六点定位原理 两点注意 点 的含义 对自由度的限制 与实际接触点不同 支承点是用来简化夹具自由度分析的一种方法 实际使用的夹具定位元件与工件定位面接触部分都是有一定面积的 一 六点定位原理 加工要求与支承点数目 工件定位时需要限制那些自由度 需要几个支承点完全取决于加工要求 考虑定位方案时 先分析必须消除哪些自由度 再以相应定位点去限制 图2 14工件应限制的自由度确定 一 六点定位原理 工件在夹具中的定位可以转化为在空间直角坐标系中 用定位支承点限制自由度的方法来分析 工件在定位时应采取的定位支承点的数目 或者说 工件在定位时应该被限制的运动自由度数目 完全由工件在该工序的加工要求所决定 一般地说 一个定位支承点只能限制工件的一个自由度 因此 工件在夹具中定位时 所用的定位支承点的数目 充其量也决不多于六个 每个定位支承点所限制的自由度 原则上不允许重复或互相矛盾 一 六点定位原理 定位就是限制自由度 通常用合理布置定位支承点的方法来限制工件的自由度 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 一个定位支承点仅限制一个自由度 一个工件仅有六个自由度 所设置的定位支承点数目 原则上不应超过六个 分析定位支承点的定位作用时 不考虑力的影响 定位和夹紧是两个概念 不能混淆 工件的某一自由度被限制 是指工件在这一方向上有确定的位置 并非指工件在受到使其脱离定位支承点的外力时 不能运动 即夹紧 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体现 一 六点定位原理 工件的6个自由度均被限制 称为完全定位 工件6个自由度中有1个或几个自由度未被限制 称为不完全定位 完全定位与不完全定位 不完全定位主要有两种情况 工件本身相对于某个点 线是完全对称的 则工件绕此点 线旋转的自由度无法被限制 即使被限制也无意义 例如球体绕过球心轴线的转动 圆柱体绕自身轴线的转动等 工件加工要求不需要限制某一个或某几个自由度 如加工平板上表面 要求保证平板厚度及与下平面的平行度 则只需限制3个自由度就够了 一 六点定位原理 完全定位与不完全定位 图2 15工件应限制的自由度 一 六点定位原理 欠定位 工件加工时必须限制的自由度未被完全限制 称为欠定位 欠定位不能保证工件的正确安装 因而是不允许的 一 六点定位原理 过定位 过定位 工件某一个自由度 或某几个自由度 被两个 或两个以上 约束点约束 称为过定位 过定位是否允许 要视具体情况而定 有些过定位形式上是似乎是过定位 但实际上并没有过定位 这是因为没有考量到定位基准面的具体情况来分析定位支承点的数目而造成的 根据过定位对工件安装所造成的后果来分析 虽然形式上属于过定位 但是重复限制相同自由度的定位支承点之间 并未互相干涉或冲突 则这种过定位方式仍属可用 根据定位基本原理的分析已属过定位 而且重复限制相同自由度的定位支承点之间 有存在严重的干涉 以致造成工件或夹具的变形 从而明显影响加工精度 对于这种类型的定位必须严禁采用 一 六点定位原理 滚齿机上加工齿轮例子 齿轮坯上作为定位基准用的内孔和端面 往往是在一次装夹中一同加工出来 或者内孔先精加工好 然后套在精密心轴上加工出端面 总之 工艺上可以保证定位用的内孔和端面具有很高的垂直度 极小的误差可以用间隙来补偿 采用这种定位方式 目的是提高工件在加工中的刚性和稳定性 保证加工精度 图2 17滚齿加工齿轮夹具 一 六点定位原理 过定位分析 图2 18过定位示例 一 六点定位原理 过定位分析 图2 19过定位示例 一 六点定位原理 过定位讨论 一 六点定位原理 图2 22a过定位引起夹紧变形 消除过定位及其干涉的两种途径 a 改变定位元件的结构 以消除被重复限制的自由度 b 提高工件定位基面之间及定位元件工作表面之间的位置精度 以减小或消除过定位引起的干涉 一 六点定位原理 图2 22b过定位处理分析 一 六点定位原理 6 正确配置定位支承点以提高定位的精度和稳定性 工件选作主要定位面的表面 应该力求其面积尽可能地大些 而三个定位支承点的分布 也必须尽量远离和分散 这样便可提高定位的稳定性 工件选作导向定位面的纵长方向上 也必须彼此相距越远越好 支承点布置不当甚至造成过定位与欠定位现象同时发生 图2 23定位支承点的不正确布置 二 典型定位方式与定位元件 平面定位的主要形式是支承定位 常用的定位元件有支承钉 支承板 夹具支承件和夹具体的凸台及平面等 二 典型定位方式与定位元件 主要定位面 工件上最大的并较精确的平面 三支承点 尽可能大支承三角形 导向定位面 工件上狭长的平面 二支承点 尽可能长距离 止推定位面 面积小的平面 一支承点 相当于1个支承点 A型 平头 精基准定位 B型 球头 粗基准定位 C型 网状 侧面 图2 25固定支承钉 二 典型定位方式与定位元件 固定支承板多用于工件上已加工表面的定位 有时可用一块支承板代替两个支承钉 左图A型结构简单 但埋头螺钉处易堆积切屑 故用于工件侧面或顶面定位 而右图B型支承板可克服这一缺点 主要用于工件的底面定位 图2 26固定支承板 二 典型定位方式与定位元件 顶端位置可在一定范围内调整 用于毛坏尺寸及形状变化较大时 一旦调整好后相当于一个支承点 图2 27可调支承示例 图2 18所示 即为几种常用的可调支承结构 这类可调支承的结构 基本上都是螺钉螺母型式 图中 a 是直接用手或板杆拧动圆柱头进行高度调节 一般适用于小型工件 图中 b c 则需用板手进行调节 故宜用于较重的工件 图中 d 则是供设置在侧面进行调节用的 可调支承的高度一旦调节合适后 便须用锁紧螺母锁紧 因此一般必须设有防松用的锁紧螺母 以防止螺纹松动而使高度发生变化 二 典型定位方式与定位元件 图2 29使用可调支承加工不同尺寸的相似零件 图2 28使用可调支承保证以后镗孔加工余量均匀 二 典型定位方式与定位元件 图2 30自位支承示例 支承点的位置能随工件的定位基准面的位置的变化而与之相适应 与工件可以有二点或三点接触 相当于1个支承点 二 典型定位方式与定位元件 图2 31自位支承在拉削夹具中的应用1 花盘 2 球面支承 如图2一31所示 球面式自位支承既扩大了与工件定位端面间的支承面积 有利于提高定位稳定性和支承刚性 而且还可以补偿工件上作为定位基准用的孔和端面间的垂直度偏差 使定位更加可靠 在齿轮坯上拉花键孔时 齿轮坯是以被拉孔和一端面作为定位基准 被拉孔在未拉出花键时 是一个经过预加工的光滑孔 见图2一31 二 典型定位方式与定位元件 a 在基本支承对工件定位后才参与支承b 不能破坏定位作用c 不能传化为定位支承点 图2 32辅助支承的应用示例 二 典型定位方式与定位元件 如图2 33所示 当工件的重心越出基本支承所形成的稳定区域 即图中V形块的区域 时 工件上重心所在一端便会下垂 而使另一端向上翘起 于是使工件上的定位基准脱离定位元件 为了避免出现这种情况 在将工件放在定位元件上时 能基本上接近其正确定位位置 这时应在工件重心所在部位下方设置辅助支承 以实现预定位 对于重量较重的工件而言 设置这种起预定位作用的辅助支承是十分必要的 图2 33辅助支承起预定位作用 二 典型定位方式与定位元件 如图2 34所示 在壳体零件1的大头端面上 需要沿圆周钻一组紧固用的通孔 这时 工件是以其小头端的中央孔和小头端面作为定位基准 而由夹具上的短销2和支承环3来定位言由于小头端面太小 工件又高 钻孔位置离开工件中心又远 因此受钻削力后定位很不稳固 为了提高工件定位稳固性 便须在图示位置相应增设三个均匀分布的辅助支承4 在工件从夹具上卸下前先要把辅助支承调低 工件每次定位夹紧后又须予以调节犷使辅助支承顶部刚好与工件表面接触 二 典型定位方式与定位元件 图2 36螺钉 螺母辅助支承 图2 37自引式辅助支承 1 支承2 螺母3 弹簧4 手柄 二 典型定位方式与定位元件 图2 38升托式辅助支承 工件安装在基本支承上后 弹簧1的弹力使斜楔8向右移动 于是 支承销4向上升起 并托住工件5 将手柄轴顺时针方向转动时 见图中箭头所示方向 手柄轴上的拨销2便迫使斜楔8退同 因而支承销4即可落下 当手柄轴一直转至图 b 中所示位置时 拨销2恰好使斜楔间左退至极限位置 为了防止继续转动手柄轴而使拨销从斜楔上的凹槽中脱出 所以在手柄轴上另装挡销6 它与夹具体上的限位销钉7相碰 就限制了手柄轴的转动位置 二 典型定位方式与定位元件 液压锁紧的辅助支承 见图2 40 支承销1在弹簧3的作用下和已经定位的工件相接触 弹簧力可用螺帽2调节 然后由6通入压力油 使薄壁夹紧套7变形 把支承销1锁紧在此工作位置上 螺钉5是限止支承销1的行程 这种辅助支承 结构十分紧凑 而且巳经组合化 系列化 成为一个独立的组合单元 所以只要把支座4的外径螺纹部分直接旋入夹具体相应的螺孔中 接通油路 便可使用 图2 40液压锁紧的辅助支承 二 典型定位方式与定位元件 工件以圆孔定位多属于定心定位 定位基准为圆柱孔轴线 常用定位元件是定位销和心轴 定位销有圆柱销 圆锥销 菱形销等形式 心轴有刚性心轴 又有过盈配合 间隙配合和小锥度心轴等 弹性心轴之分 二 典型定位方式与定位元件 1 工序基准和定位基准常为孔中心线2 定位心轴 根据接触长度简化支承点 长 4个 短 2个 刚性心轴 a 过盈心轴 导向部分 工作部分 传动部分 凹槽供车端面用 b 间隙心轴装卸方便 定心精度不高 加工时需要螺母和开口垫圈 c 小锥度心轴 无间隙配合 定心精度高 可带动工件回转 图2 44弹簧心轴 图2 44所示为弹簧心轴 其中夹紧元件是一个薄壁带内锥面的弹性套筒 在其两端开有3一4条轴向槽 称为簧瓣 夹紧工件时旋转螺母4 通过锥套3和心轴体上圆锥面的作用 迫使簧瓣2向外扩张 从而对工件进行定心夹紧 图2 45所示为斜楔式定心夹紧心轴 拧动螺母2时 由于斜面A B的作用 使两组活块1同时等距外伸 甚至每组3个活块均与工件孔壁接触 使工件得到定心夹紧 反向拧动螺母 在弹簧力的作用下 活块缩回 工件被松开 图2 45斜楔夹紧心轴 工件以圆孔定位 工件以圆孔定位 定位销可分为固定式和可换式 按工件定位基准面与定位销工作表面接触的相对长度 区分其自由度限制的作用 H 定位面长度 d 定位销直径 0 8 1算作短销 接触长度简化支承点 长 4个 短 2个 图2 46定位销 二 典型定位方式与定位元件 圆锥销 a用于精基准 b用于粗基准 单个锥销易倾倒 常和其它元件组合定位 二 典型定位方式与定位元件 削边销 当要求孔销配合只在一个方向上限制工件自由度时 可采用菱形销 削边销 见图 只限制工件一个自由度 二 典型定位方式与定位元件 接触长 5个 短 3个 适用于加工轴类零件和精密定心的工件时 为保证个表面间的互相位置要求或同轴度要求 常以工件上的圆锥孔作为定位基准 这类定位方式可以看成是圆锥面与圆锥面接触 按两者接触的相对长度 可分为两种 二 典型定位方式与定位元件 工件以外圆柱面定位两种形式 定心定位和支承定位 工件以外圆柱面定心定位的情况定位元件有三爪卡盘 弹簧夹头 套筒 按接触长短限制自由度 4个 短 2个 工件以外圆柱面定位 工件以外圆柱面与套筒的内孔保持接触 定位套筒装在夹具体上 用以支承外圆表面 起定位作用 定位元件结构简单 但定心精度不高 当工件外圆与定位孔配合较松时 还易使工件偏斜 因而 常采用套筒内孔与端面一起定位 以减少偏斜 若工件端面较大 为避免过定位 定位孔应做短些 图2 54定位套筒定位 工件以外圆柱面定位 将同一圆周面的孔分成两半圆 下半圆部分装在夹具体上 起定位作用 上半圆部分装在可卸式或铰链式盖上 起夹紧作用 半圆孔定位座适用于大型轴类工件的定位 图2 55半圆孔定位座 工件以外圆柱面定位 如图 螺杆3两端分别有旋向相反的螺纹 当旋转螺杆3时 通过螺纹带动两个V形块2 3同时等速移近工件或离开工件 实现对工件的定心 夹紧或松开 螺杆1的中间有沟槽 卡在叉形零件7上 叉形零件的位置可以通过螺钉9进行调整 以保证所需要的工件中心位置 调整后用螺钉10固定 工件以外圆柱面定位 工件以外圆柱面定位 圆柱形工件采用V形块定位应用最广 V形块不仅适合于完整的外圆柱面定位 也适合于非完整的外圆柱面定位 可用于粗精基准 夹角常用有60 90 120 以90 应用最广 V形块有对中作用 不受直径变化影响 调整V形块用于同类尺寸有变化的情况 可调夹具或成组夹具 活动V形块常用定位夹紧机构 限制一个自由度 固定V形块限制自由度 长V形块4短V形块2 二 典型定位方式与定位元件 图2 60一平面和一外圆柱面组合 图2 61一平面和两圆柱孔组合 二 典型定位方式与定位元件 二 典型定位方式与定位元件 图所示为一种以齿形表面定位磨内孔的夹具 夹具以弹簧膜片卡盘名通过放在齿槽中的滚柱6对齿圈实现自动定心夹紧 定位基准为齿圈的轴心线 滚柱数目从定位角度只需要三个就能自动定心 而实用上为了减小齿轮变形 往往用较多数量 一般不超过5 6个 的滚柱来定位 卡爪3的数目与滚柱数目相等 并做成可调的 以便磨损后重新调整或用于夹紧一定尺寸范围的工件 图2 64工件以渐开线齿面定位 三 定位方式分析举例 以调制法加工为前提 分析工序的加工要求 首先分析是否有不需要限制的自由度 选择合适的定位元件采用六点定位原理进行定位分析 该约束的自由度一定要被约束 可能会约束没有要求约束的自由度 确保不存在 欠定位 铣削 检查是否存在 过定位 现象 如果存在 是否有合适的工艺措施进行改善 三 定位方式分析举例 图2 65a调制法加工零件工序图 三 定位方式分析举例 图2 65b调制法加工零件工序图 三 定位方式分析举例 图2 65c调制法加工零件工序图 分析定位方式的合理性 讨论 分析图示定位方案 各方案限制的自由度 有无欠定位或过定位 对不合理的定位方案提出改进意见 分析定位方式的合理性 分析定位方式的合理性 分析定位方式的合理性 四 定位误差的产生与构成 定位误差的概念 定位误差是由于工件在夹具上 或机床上 定位不准确而引起的加工误差 四 定位误差的产生与构成 1 由于定位副 工件定位表面或夹具定位元件 制作不准确引起的定位误差 称为基准位置误差 JW 2 由于工件的工序基准与定位基准不重合而引起的定位误差 称为基准不重合误差 JB 四 定位误差的产生与构成 基准不重合误差 JB其大小等于设计基准与定位基准间联系尺寸在加工尺寸方向上的变动量 公差 一次安装加工两孔A和B 孔B在X方向定位基准C与设计基准A不重合 基准不重合误差为联系尺寸22的公差0 2 图2 71基准不重合示例 五 典型定位方式的定位误差 平面度误差很小 定位副制造不准确误差可忽略 所以定位误差主要由基准不重合引起 JW 0 工件孔与定位心轴无间隙配合 不存在定位副制造不准确误差 定位精度较高 JW 0 有间隙配合 一是工件单向定位副靠紧定位 如定位心轴水平放置 或在夹紧力作用下单向推移工件靠紧定位 基准位置误差是定位基准本身在加工尺寸方向上的位置最大变动量 或者定位基准与对刀基准的位置移动量 其大小与工件的具体定位方式有关 五 典型定位方式的定位误差 在垂直方向 DW Dmax Dmin 2在另一方向 DW 0 图2 74单边靠紧基准位置误差计算 工件与心轴任意边接触 当工件孔为最大 心轴直径最小时 孔心在任意方向的最大变动量均为孔与销的最大间隙 五 典型定位方式的定位误差 图2 76工件与心轴任意边接触 图2 77工件在V形块上定位 定心定位 JW 0 支承定位接平面定位计算 JW 0 亦可传化为V形块计算 V形块定位 在对称面方向 在垂直于对称面方向 JW 0 V形块的对中作用 JW随 的增大而减少 平面可看作 180 的V形块 但无对中性 五 典型定位方式的定位误差 在采用调整法加工时 工件的定位误差实质上就是一批工件在夹具上定位时 工序基准在加工尺寸方向上相对加工表面产生了位置变动 从而引起了工序尺寸的变动 定位误差包括基准位置误差和基准不重合误差 彼此独立 基准位移误差和基准不重合误差可分别求 然后在加工尺寸方向上矢量合成为定位误差 其中 基准不重合误差是工序基准相对于定位基准在加工尺寸方向上发生的最大变动量 其大小等于在加工尺寸方向上工序基准与定位基准间联系尺寸的公差值 而基准位置误差是定位基准本身在加工尺寸方向上相对于理想位置发生的最大变动量 其大小与工件的具体定位方式有关 六 定位误差分析举例 六 定位误差分析举例 由于基准不重合误差和基准位置都是计算在加工尺寸方向上发生的最大变动量 所用实际上定位误差大小为 DW JB JW JB与 JW向相加 反向相减 JB与 JW方向判别的相关判别法判别工序基准是否落在定位表面上 或定位基准是否从定位表面注出 若是 则 JB与 JW相关 否则 不相关 若不相关 则 DW JB JW 若相关 则需判别两者的方向是否一致 方向判断方法 a V形块定位方向判别b 固定边接触的心轴定位 c 套筒定位 六 定位误差分析举例 判别方法如下 给定定位直径的变化趋势 如D 或d 由大变小 或由小变大 对 JW判断方法 JB判断方法 JW和 JB的方向相同 则 DW JW JB JW和 JB的方向相反 则 DW JW JB 大 小 大 小 O2 O O1 大 小 六 定位误差分析举例 六 定位误差分析举例 例2 5 按图所示的定位方式 在外圆柱面上铣互相垂直的两个平面 已知 两外圆柱面同轴度为mm V形块夹角 90 加工工序尺寸 试计算其定位误差 并分析其定位精度 图2 80例2 5图 六 定位误差分析举例 解 要求保证的工序尺寸和工序要求 六 定位误差分析举例 思考题2 5 六 定位误差分析举例 思考题2 5 H3 H4 H5 H1 H2 H3 H4 H5 H1 H2 第三章机床夹具设计原理DesignTheoryforFixtures 机械制造技术 一 夹紧装置的组成和基本要求 工件在定位元件上定位后 必须采用一定的装置将工件压紧夹牢 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 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 图2 83夹紧装置组成示意图 一 夹紧装置的组成和基本要求 力源装置 机动夹紧时产生夹紧作用力的装置 气动 液压 电动 手动夹紧无力源装置 中间递力机构在传递夹紧力的过程中其作用 改变夹紧作用力的方向 改变夹紧作用力的大小 实现夹紧机构的自锁 夹紧元件 与工件直接接触执行夹紧作用的元件 如压板 压块 夹紧时不破坏工件定位后的正确位置 夹紧力足够 但不能太大 操作安全 可靠 方便 省力 结构紧凑 易于制造与维修 二 夹紧力的确定 1 主要夹紧力方向应垂直于主要定位面夹紧力的方向应使定位基面与定位元件接触良好 保证工件定位准确可靠 当工件由几个表面组合定位时 在各相应方向都应施加夹紧力 且主要夹紧力的方向应朝向主要定位基面 图2 84夹紧力作用方向不垂直于主要定位基面 图2 85夹紧力方向的选择 二 夹紧力的确定 2 夹紧力的作用方向应使所需夹紧力最小理想的夹紧力的方向应尽量与工件受到的切削力 重力等的方向一致 以减小夹紧力 二 夹紧力的确定 3 夹紧力的作用方向应使工件变形尽可能小夹紧力的方向应与工件刚度最大的方向一致 以减小工件变形 夹紧薄壁工件时 尤应注意这种情况 二 夹紧力的确定 1 夹紧力作用点应正对支承元件或位于支承元件所形成的支承面内 以保证工件已获得的定位不变 二 夹紧力的确定 2 夹紧力作用点应位于工件刚性较好的部位 二 夹紧力的确定 3 夹紧力的作用点应尽量靠近加工表面 以减小切削力对夹紧点的力矩 防止或减少工件的加工振动或弯曲变形 二 夹紧力的确定 夹紧力不足会使工件在切削过程中产生位移并容易引起振动 夹紧力过大又会造成工件或夹具的变形和表面损伤 将工件视为分离体 并分析作用在工件是的各种力 再根据力系平衡条件 确定保持工件平衡所需的最小夹紧力 最后将此最小夹紧力乘以一适当的安全系数 即可得到所需的夹紧力 二 夹紧力的确定 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 三 常用的夹紧机构 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始力转化为夹紧力 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 典型的夹紧机构包括 斜楔 螺旋 偏心 定心 联动夹紧 斜楔夹紧机构 利用斜面移动时所产生的压力紧工件 夹紧力分析 斜楔夹紧机构 斜楔夹紧机构 工件夹紧后力FP消失 则斜楔应能自锁 夹紧行程H远小于S 手动的少采用 夹紧行程小 毛坯质量高 斜楔夹紧机构 螺旋夹紧机构 螺旋夹紧机构可以视为绕在圆柱体上的斜楔 其夹紧作用原理与斜楔一样 螺旋夹紧机构 通过转动螺旋 使绕在圆柱体上的斜楔高度发生变化 从而产生夹紧力 1 结构简单 自锁性好 夹紧可靠 2 扩力比约为80 远比斜楔夹紧力大 3 夹紧行程不受限制 4 夹紧动作慢 辅助时间长 效率低 需要快撤机构 手动夹紧 螺旋夹紧机构 偏心夹紧机构 偏心夹紧机构靠偏心轮回转半径变大而产生夹紧作用 其原理和斜楔工作时斜面高度由小变大而产生的楔紧作用是一样的 图2 103偏心轮压板夹紧机构 偏心夹紧机构 由于圆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 工件尺寸公差不大的场合 但是圆偏心夹紧机构是一种快速夹紧机构 定心夹紧机构 定心夹紧机构是使定位和夹紧这两种作用 在工件被夹紧的过程中同时实现 定心夹紧机构中与工件的定位基准相接触的元件 即是定位元件 又是夹紧元件 定心夹紧机构主要用于要求准确定心和对中的场合 定心夹紧机构 定心夹紧机构 定心夹紧机构 可胀心轴的弹性套筒具有内锥面 在中心拉杆外锥面作用下向外胀开 弹性定心夹紧装置靠元件的均匀弹性变形实现夹紧 变形量有限 且对定位表面有尺寸精度要求 在0 5mm 以内 定心夹紧机构 图2 113螺旋定心夹紧机构 定心夹紧机构 定心夹紧机构 定心夹紧机构 联动夹紧机构 在夹紧机构设计中 有时需要对一个工件上的几个点或对多个工件同时进行夹紧 此时为减少装夹时间 简化结构 常常采用各种联动夹紧机构 这种机构要求从一处施力 可同时在几处 或几个方向上 对一个或几个工件同时进行夹紧 联动夹紧机构 平行联动夹紧机构 四 夹具的对定与夹具体 1 夹具的定位 即通过夹具的定位表面与机床配合和连接 确定夹具相对于机床的切削成形运动的位置 2 夹具的对刀或刀具的导向 即确定夹具相对于刀具的位置 3 分度定位 分度或转位夹具中 确定各加工面间的相互关系 夹具在机床上的定位 夹具在机床上的定位 钻夹具无需专门的连接元件 通过刀具引导元件找正位置 然后用螺旋压板将夹具固定在机床工作台上即可 镗夹具常在夹具底座上加工出细长导向平面以找正夹具在机床上的位置 夹具在机床上的定位 通车铣 刨床用定向键和机床的T形槽连接定位 夹具在机床上的定位 夹具的对刀装置 夹具在机床上安装完毕 在进行加工之前 一般需要调整刀具相对夹具定位元件的相对位置关系 以保证刀具相对于工件处于正确的位置 这个过程称作夹具的对刀 对刀的方法有 单件试切法 样件法 对刀装置采用对刀装置对刀 由于增加了用塞尺调整刀具位置的调整误差和定位元件定位面相对对刀块工作表面的位置误差 其加工精度不高于IT8级公差 如加工精度要求较高或不便于设置对刀装置时 可采用试切法 样件对刀法 或用百分表找正刀具相对于定位元件的位置的方法 可不设置对刀装置 夹具的对刀装置 夹具的对刀装置 孔加工刀具的导向 钻套的作用 钻套是确定刀具位置和方向的导向元件 它在钻模中的作用是确定钻头 扩孔钻 铰刀等定尺寸刀具中心线的位置 保证被加工孔的位置精度 同时能提高刀具的刚性 防止钻头加工时偏斜和振动 有利于提高孔的尺寸精度和表面粗糙度 此外 由于不需要划线和找正 可明显提高生产率 钻套的结构型式固定钻套可换钻套快换钻套特殊钻套 钻套的结构型式 带肩的主要用于钻模板较薄时 用以保持必需的导引长度 有了肩部还可防止钻模板上的切屑和不洁净的冷却液落入钻套中 固定钻套磨损后不易更换 主要用于中 小批生产单纯钻孔的工序 或加工孔距要求较高的孔 以及孔间距较小需要结构紧凑的钻模板 固定钻套的下端应稍超出钻模板 以防止带状切屑卷入钻套中 图2 165固定钻套 钻套的结构型式 可换钻套可以克服固定钻套磨损后不易更换的缺点 可换钻套磨损后可以迅速更换 比较方便 用于大批大量生产中 图2 166可换钻套 钻套的结构型式 快换钻套用于完成一道工序需连续更换刀具的场合 如同一个孔须经多次加工工步 如钻 扩 铰等 由于刀具直径逐渐增大 在加工过程中须依次更换外径相同而孔径不同的钻套来引导刀具 图2 167快换钻套 钻套的结构型式 特殊钻套是在工件形状或加工孔位置特殊的情况下采用的钻套 这类钻套需结合具体实际设计 钻套导引孔的尺寸及公差 钻套导引孔直径的公称尺寸d 应等于所导引刀具的最大极限尺寸 钻套导引孔与刀具的配合应按基轴制选取 钻扩孔取F7 粗绞孔取G7 粗绞孔取G6 钻套导引孔高度按孔直径1 2 5选取 精度高 直径小取大值 钻套位置的尺寸标注 一般情况都是以定位元件的定位面作为基准来标注 距离尺寸按工序尺寸的平均尺寸确定 如果定位基准与工件工序图中的工序基准不重合时 则须由工序尺寸换算出加工面到定位基准的尺寸 取相应工序尺寸公差的1 6 1 3 图2 170钻套位置的尺寸标注 镗套的结构型式 镗模上为镗杆导向的元件 固定式镗套与钻模中钻套的结构基本相似 它固定在镗模的导向支架上 不能随镗杆一起转动 刀具或镗杆在镗套内 既有相对转动又有相对移动 镗套容易磨损而失去导向精度 由于它具有外形尺寸小 结构简单紧凑 容易准确保证铿套中心位置等优点 所以在低速镗孔 扩孔和铰孔中得到广泛的应用 镗套的结构型式 当采用高速镗孔 或镗杆直径较大 线速度超过20m min 时 一般采用回转式镗套 回转式镗套在镗孔过程中是随镗杆一起转动的 所以镗杆与镗套之间无相对转动 只有相对移动 回转式镗套 镗杆与主轴连接 在双镗套导向时 镗杆与机床主轴都是浮动连接 采用浮动接头 普通的浮动接头结构 浮动接头能补偿镗杆轴线和机床主轴的同轴度误差 图2 184浮动接头结构图 导向支架的布置型式 镗模的结构型式主要决定于镗套的布置方式 即导向支架的布置方式 在布置导向支架时 主要考虑镗杆刚度对加工的影响 因此 应根据所镗孔的孔径D以及孔长与孔径的比值会来确定导向支架的布置型式 夹具的分度 转角分度装置和直线等分装置 夹具的分度 机械式转角分度装置中 必须有两个主要部分 分度盘和分度定位器 合称为分度副 分度盘一般与转轴相连 并带动工件一起转动 用以变换工件被加工面的位置 分度定位器则是固定在不动的夹具底座上 此外 还有分度定位器的操纵机构和分度盘的锁紧机构 根据分度盘和分度定位器相互位置的配置情况又可分为 轴向分度和径向分度 夹具的分度 轴向分度定位沿着与分度盘回转轴线相平行的方向进行 夹具的分度 分度定位精度与分度装置的结构型式和制造精度有关 分度装置的关键部分是对定机构 可根据不同加工精度要求进行设计或选用 钢球定位钢球定位的轴向分度装置 在分度盘上按一定的转角要求加工出相应的定位锥坑 钢球靠弹簧压入锥坑内实现对定 分度转位时 分度盘自动将钢球压回 不需要拔销 圆柱销定位圆柱销定位的轴向分度装置 圆柱销与分度孔的配合一般用H7 g6 圆锥销定位圆锥销定位的轴向分度装置 圆锥销的圆锥角一般用10 因为圆锥销与分度孔接触时 能消除两者的配合间隙 故分度精度高于圆柱销定位 夹具的分度 径向分度定位器的作用方向指向定位器的中心 夹具的分度 双斜面楔定位图2 186d是双斜面楔定位的径向分度装置 单斜面楔定位这种型式的特点是当分度副上沾有污物或碎屑时 定位器向后移动 而定位器的直边始终与定位槽的直边保持接触 这样 分度的转角误差也始终分布在斜面的一侧 所以并不影响分度精度 正多面体 斜楔定位这种型式的分度盘是利用正多面体上各个面进行分度 用斜楔加以对定 分度不能过多 夹具的分度 分度装置的定位器一般需通过操纵机构同分度盘对定 分度定位器的操纵机构可分为手动 包括脚踏 和机动 动力源有气动 液压 电动等 两种型式 下面介绍两种常用的手动操纵机构 至于机动操纵则需要将原始作用力换成各种动力源 手拉式定位器 枪栓式定位器 齿轮一齿条式定位器 杠杆式定位器 脚踏式定位器 定位与分度联动 分度装置的操纵机构 图2 187是手拉式定位器 手柄6与定位销1固定成一体 将手柄6向外拉出时即可把定位销从分度盘定位衬套孔中拔出 导套2的右端铣有一狭槽 定位销1上穿有横销5 当定位销随手柄向外拉出至横销5脱离狭槽后 立即将手柄转过90 使横销在弹簧4的弹力作用下而搁置在导套2的顶端平面上 此时即可转动分度盘进行分度 当分度盘转过一定角度后 将手柄重新转回90 定位销在弹簧作用下插入分度盘的下一个分度定位衬套孔中 使完成一次分度 图2 187手拉式定位器 夹具体 应有足够的强度和刚度 结构简单 制造容易 尺寸稳定 不易变形 便于排除切屑 生产中常见的夹具体毛坯制造方法有以下三种 铸造夹具体 焊接夹具体 组合夹具体 夹具体 夹具体 图2 194增加夹具体上的容屑空间 夹具体 增加容纳切屑的空间 图2 194是两种常用的增加容屑空间的措施 图中 a 是在夹具体上增设容屑沟 b 是增大定位元件工作表面与夹具体之间的距离 这两种方式主要适用于加工时所产生的切屑不多的场合 因为开设容屑沟和提高定位元件高度 是分别受到夹具体和定位元件的结构强度和刚度的限制的 实际所增加的容屑空间也是有限的 夹具体 采用切屑自动排除结构 图2 195是二个自动排屑结构的例子 图 a 是在夹具体上开出排屑用的斜弧面 使钻孔的切屑 沿斜弧面排至夹具体外 图 b 是在铣床夹具的夹具体内 设计排屑腔 使切屑落入腔内后 沿着倾斜角为 的斜面 排至夹具体外 图2 195夹具体自动排除切屑结构 夹具体 设计大型夹具时 需在夹具休上设置供起吊用的装置 一般采用吊环螺钉或起重螺栓 见图2 196 吊环螺钉可按GB825 76选用 图2 196吊环螺钉和起重螺栓 第三章机床夹具设计原理DesignTheoryforFixtures 机械制造技术 第四节各类机床夹具 钻床夹具的特点是通过钻套确定刀具的位置和引导刀具进给方向 被加工孔的尺寸精度主要由刀具自身的精度保证 孔的坐标位置精度则由钻套在钻模板上的位置精度保证 镗床夹具主要用于加工箱体 支架类零件上的孔或孔系 镗床夹具与钻床夹具相似 加工的孔或孔系的位置精度主要由镗模保证 不受机床精度的影响 镗模的制造精度要比钻模高得多 铣床夹具也是最常用的夹具 铣削加工的特点是切削力较大 并且由于刀齿的断续切削 引起的冲击和振动也较大 因此要求铣床夹具有较大的夹紧力 其各组成部分要有较大的强度和刚度 车床夹具与外圆磨床夹具有许多相似之处 两者都是安装在机床主轴上 带动工件一起旋转 加工工件的回转表面 下面主要介绍车床夹具 其原理或有些结构也适用于外圆磨床夹具 一 钻床夹具 钻模 钻床夹具的结构型式很多 按其结构特点可分为固定式 回转式 翻转式 盖板式和滑柱式等主要类型 1 固定式钻模 在加工过程中 固定式钻模在钻床工作台上的位置面定孔 或在摇臂钻床上加工平行孔系 如果在立式钻床上加工孔系 则用在立式钻床上加工单在主轴上加一个多轴传动头 固定式钻模钻孔精度比较高 应用比较多 图2 197固定式钻模 一 钻床夹具 钻模 回转式钻模可按分度要求而绕一固定的轴每次转过一定的角度 当加工分别在同一平面内围绕轴线的平行孔系 或在圆柱面上成辐向分布的径向孔系时 使用回转式钻模是很方便的 工件能在一次安装中 靠分度装置带动夹具回转 依次加工各孔 既可保证精度又可提武劳动生产率 2 回转式钻模 图2 198回转式钻模 一 钻床夹具 钻模 3 翻转式钻模 翻转式钻模是一种可转动夹具 主要用于加工小型工件分布在不同表面上的孔 在使用过程中需要用手翻动夹具 所以夹具连同工件的重量不宜超过10kg 生产批量也不宜过大 图2 199翻转式钻模 一 钻床夹具 钻模 4 盖板式钻模 盖板式钻模没有夹具体 是一块钻模板 但其上除有钻套外 还装有定位元件和夹紧装置 将其覆盖在工件上即可使用 因工件沉重 加工时工件本身不必夹紧 这种钻模多用于加工笨重工件 如箱体 上的小孔 图2 200盖板式钻模 一 钻床夹具 钻模 5 滑柱式钻模 图2 201是典型的手动滑柱式钻模 滑动钻模板1上用锁紧螺母固定两导柱7 导柱在钻模本体5的导向孔中上下滑动 齿条轴杆3也用锁紧螺母2紧固在钻模板上 它和齿轮4相啮合 转动手柄6 经齿轮一齿条机构 使滑动钻模板升降 当钻模板下降时 能起夹紧工件的作用 当它上升时 即松开可取下工件 因此 采用滑柱式钻模 就只需在钻模板上配置相应的夹紧元件而不必另设夹紧装置 为了防止在钻削过程中压紧着的滑动钻模板松开 一般都有自锁装置 图2 201手动滑柱式钻模 一 钻床夹具 钻模 钻模类型的选择应根据工件的生产纲领 尺寸 加工精度和孔的分布位置等因素确定 如加工位于同一表面上的一组孔时 若孔距尺寸公差小于0 05mm 宜考虑选用固定式钻模 而孔距尺寸公差大于 0 15mm的中小型工件 应优先选用滑柱式钻模 以缩短设计制造周期 1 钻模类型和钻套的选择 钻模板是用来安装钻套的 要有一定的强度和刚度 以防变形影响钻套的位置和导引精度 钻模板多装配在夹具体上或支架上 按其与夹具体连接的方式可分为固定式 铰链式 分离式和悬挂式等类型 2 钻模板设计 图2 204夹具上的几种钻模板 钻模板设计 固定式钻模板这种钻模板是直接固定在夹具体上的 钻模板上的钻套相对子夹具定位元件定位面的位置是固定不变的 因而采用固定式钻模板加工孔可以获得较高的位置精度 铰链式钻模板这种钻模板是通过铰链与夹具体或支架连接的 因此它可以绕铰链轴翻转 铰链轴与孔按基轴制G6 h6配合 钻模板与支座凹槽应配制 控制间隙不超过0 01 0 02mm 并保证钻模板处于水平位置 分离式钻模板这种钻模板与夹具体是分离的 而成为一个独立的部分 装卸工件时 需将钻模板装上或取下 图6 107c所示是分离式钻模板结构 分离式钻模板1以其上的两孔在夹具体上的圆柱销3和削边销4上定位 并用铰链螺栓将钻模板和工件一起夹紧 图2 205悬挂式钻模板 钻模板设计 图2 205所示是悬挂式钻模板结构 钻模板4由锥端紧定螺钉固定在导柱2上 导柱2的上部伸入多轴传动头6的座架孔中 而将钻模板悬挂起来 导柱的下部伸入夹具体的导向孔中 使钻模板准确定位 当多轴传动头随机床主轴向下移动时 通过弹簧5压缩时产生的压力 使钻模板将工件压紧 或使钻模板移到规定位置 之后即可进行加工 二 镗床夹具 镗模 1 按所使用的机床类别分类可分为万能镗床镗模 多轴组合机床镗模 精密镗床镗模 以及一般通用机床 如车床 摇臂钻床和铣床等 镗模 2 按机床型式分类可分为立式镗模和卧式镗模 3 按镗套的布置方式分类镗模的结构型式取决于镗套的布置方式 即取决于导向支架的布置方式 可分为单面前导向的镗模 单面后导向的镗模 单面双导向的镗模 双面单导向的镗模 以及无镗套镗模 二 镗床夹具 镗模 1 镗套的选择在设计镗模时 应根据工件的加工要求和加工条件合理选择镗套 镗套的结构和精度对于被镗孔的几何形状 尺寸精度和表面粗糙度有直接的影响 2 确定导向支架的布置型式导向支架的布置型式主要取决于镗杆与机床主轴的连接方式 被镗孔的直径D和长度L等因素 3 导向支架设计导向支架是供安装镗套的支承零件 镗削加工时 切削力也通过镗杆作用在导向支架上 为了保证镗套的位置精度 导向支架必须具有足够的刚度和稳定性 以防止导向支架受力变形或产生振动 为此 导向支架在结构上应考虑有较大的安装基面和设置必要的加强筋 导向支架上不允许安装夹紧机构或承受夹紧力 二 镗床夹具 镗模 三 铣床夹具 铣削加工的特点是切削力较大 并且由于刀齿的断续切削 引起的冲击和振动也较大 因此要求铣床夹具有较大的夹紧力 其各组成部分要有较大的强度和刚度 铣床夹具中一般具有对刀装置和定向键 这是它与其它夹具在结构上不同的地方 在铣削过程中 夹具一般随工作台作进给运动 因而铣床夹具的整体结构在很大程度上取决于铣削加工的进给方式 按进给方式 可将铣床夹具分为直线进给式 圆周进给式和靠模曲线进给式 机械仿型 三 铣床夹具 三 铣床夹具 三 铣床夹具 四 车床夹具 1 以工件外圆柱面定位的车床夹具 如三爪卡盘 四爪卡盘 弹簧夹头等 2 以工件圆柱孔定位的车床夹具 如各类刚性心轴 弹性心轴 花键心轴 小锥度心轴等 3 以工件圆锥孔定位的车床夹具 如各类顶尖 拨盘等 上述三类车床夹具大部分属于通用夹具 都已通用化 标准化 不需要专门设计 4 以工件非回转表面定位的车床夹具 生产中经常遇到在车床上需要加工中小型壳体 支座 托架 杠杆 接头等非回转体零件上的回转表面和端面 在生产批量较大时 为保证加工精度 提高生产效率 就需要设计专用车床夹具 四 车床夹具 1 定位装置设计车床夹具的定位装置必须保证工件的定位基准与机床的主轴回转中心线保持严格的位置关系 对于轴套类 盘类以及其它回转体工件 应该保证夹具定位元件定位面的中心线与夹具定位面中心线的同轴度公差 而对于壳体 支座 托架等复杂形状专工件 由于被加工的回转表面与工件工序基准间有位置尺寸和角度 如平行度 垂直度 公差要求 如果夹具安装在车床主轴上 则应以夹具定位面中心线为基准来确定定位元件定位面的位置 2 夹紧装置设计车削加工时 夹具和工件一起随主轴作旋转运动 所以必须充分考虑其工作时旋转的特点 在加工过程中 工件受离心力的作用 这会部分抵消夹紧力的作用 此外 切削力和重力的方向相对于工件定位基准是变化的 因此夹紧机构必须有足够的夹紧力 自锁性要好 以防止工件在加工过程中脱离定位元件定位面或产生振动 四 车床夹具 3 夹具与机床主轴的连接夹具与机床主轴必须要有良好的定位和可靠的连接 才能保证工件的正确加工位置 4 对夹具总体尺寸的要求车床夹具连接于主轴一端 是在悬臂状态下工作 为减小离心力 保证加工稳定性 要求夹具结构紧凑 轮廓尺寸尽可能小 重量轻 为提高工作时的动态刚度 夹具的悬伸尺寸要小 使其重心尽可能靠近主轴轴端 5 对夹具静平衡的要求夹具的重心应尽可能靠近主轴轴线 以减小离心力和回转力矩 离心力会增加主轴回转支承的磨损 引起加工中振动 影响工件的加