第2-2章机床夹具设计原理.ppt

第六章机床夹具设计原理 6 1概述 6 2工件的定位 6 3定位误差的计算 6 4工件的夹紧 6 5夹具应用实例及夹具的设计方法 引言 一 什么是夹具 所谓的夹具 是在机械加工中为保证加工精度 固定工件使之占有确定位置以接受加工或检测的工艺装备的统称 二 工件的安装 装 定位 占据正确位置安装 装夹夹 夹紧 保持位置不变 6 1概述 一 机床夹具及其组成 夹具的作用 是机床的一种装置 使工件相对于机床或刀具占有正确的位置 并在加工过程中保持这一位置不会改变 机床夹具实例 套筒零件钻孔夹具 铣侧面夹具 夹具的功用 套筒零件钻孔夹具 1 快换钻套2 衬套3 钻模板4 开口垫圈5 螺母6 定位心轴7 夹具体 工件 拨叉 加工面 铣拨叉两侧面 此夹具构成 1 对刀装置2 夹具体3 定位元件 固定支撑 平面 短销 4 连接元件 定位键5 夹紧元件 开口垫圈 螺母 3 机床夹具的功用 保证加工精度提高生产率 降低生产成本扩大机床的加工范围减轻工人劳动强度 夹具的组成及夹具与机床刀具相互关系 连接元件 导向或对刀元件 夹紧机构 定位元件 其它装置 工件 夹具体 机床 刀具 辅助工具 夹具 特别提示 上述的各组成不是每个夹具都必须完全具备的 但定位装置 夹紧装置 夹具体是夹具必不可少的组成部分 二 机床夹具的分类 机床夹具 通用夹具 专用夹具 成组夹具 组合夹具 车床夹具 钻床夹具 铣床夹具 镗床夹具 磨床夹具 齿轮加工机床夹具 其它机床夹具 6 2工件的定位 一 定位的基本概念二 六点定位原理1 六点定位原则2 完全定位与不完全定位3 过定位与欠定位4 常用的定位方式及定位分析三 常用的定位方法和定位元件1 工件以平面定位2 工件以圆柱孔定位3 工件以外圆表面定位4 工件以其它表面定位5 工件的组合定位方式 一 定位的基本概念 确定工件在机床或夹具中占有正确位置的过程 三需要使用定位装置 个有一定力的作用 重力 条放置力等 件在夹紧作用之前 定义 1 定位的概念 不同于夹紧 2 定位基准与工序基准 定位基准 定位时确定工件在夹具中位置的工件表面 工序基准 加工工序图中规定本工序加工表面相对位置的基准 A B O H O b1 b2 D A E F A 工序基准的概念 加工面到工序基准间的相对位置关系 距离位置要求 尺寸要求角度位置要求 平行度 垂直度等 三 常用的定位方法和定位元件 1 工件以平面定位定位元件 支承 起定位作用的支承固定支承 可调支承 浮动支承 不起定位作用的支承辅助支承 固定支承限制的自由度点1 线2 面3 固定支承 用于侧面定位 支承钉 GB2226 80 用于粗基准定位 用于精基准定位 限制的自由度数点1 线2 面3 用于侧面或顶面定位 支承板 GB2236 80 有下凹斜槽 用于底面定位 固定支承 可调支承 主要定位表面不规则或毛坯尺寸变化较大的粗基准应用定位 也用于成组夹具 可调支承一般仅对一批工件调整一次 可调支承应用实例 以顶面A 毛坯面 定位加工B面 再以B面定位镗孔 采用可调支承可根据一批毛坯的实际偏差情况 调节支承点的位置 以解决镗孔的余量均匀问题 B 可调支承 A 采用可调支承可使夹具适应不同尺寸工件加工的定位要求 可调支承应用实例 自位支承 浮动支承 a c b 工作原理根据工件定位面的变化自动调整支承点与定位面的接触位置 作用 增加支承接触点数 增大支承接触面积 避免过定位的产生 一般只限制一个自由度 相当一点定位 使用于毛坯表面 断续表面或阶梯面 图a b 有基准角度误差的平面 c 自位支承的工作原理及定位情况 几种自位支承的实例 球面三点式 二点浮动式 杠杆二点式 辅助支承 作提高工件的定位刚度和稳定性 减用小工件的装夹受力变形及加工振动 工作工件定位完成后再使辅助支承与工件原理表面接触 辅助支承必须逐件调整 提高定位稳定性 提高工件安装刚度 辅助支承的应用 辅助支承不起定位作用 2 工件以圆柱孔定位 工件的定位基准 孔的轴线 定心定位 夹具的定位元件 间隙心轴长4短2刚性心轴过盈心轴长4短2心轴小锥度心轴3点定位定心夹紧心轴长4圆柱销长4短2定位销菱形销1点定位圆锥销3点定位 定心夹紧心轴举例 心轴定位 过盈心轴 小锥度心轴 间隙心轴 菱形销 定位销 固定定位销 GB2203 80可换定位销 GB2204 80 定位销头部应做出倒角或圆角 以便于装入工件定位孔 主要用于直径小于50mm的中小孔定位 固定锥销 活动锥销 用于粗基准 用于精基准 圆锥销 3 工件以外圆表面定位 V形块 特点 对中性好 可用于非完整外圆表面定位 主要参数 夹角 标准 90 GB2208 80 非标准 60 120 V形块的常用形式 活动V形块 按接触线长短分析圆柱体在V形块上的定位 定位套 圆柱套筒 圆锥套筒 剖分套筒 外圆定心夹紧机构举例 外圆其它定位方式举例 弹簧卡头 4 定位表面的组合 实际工件的定位是几个定位表面的组合 常见的定位表面组合有 平面 平面组合平面 孔的组合平面 外圆组合平面 其它表面组合锥面 锥面的组合定位面的主次之分 第一定位面 支承面 定位点数最多的定位表面第二定位面 导向面 定位点数次多的定位表面第三定位面 止动面 定位点数为1的定位表面 L k L k L x L x B 1 当两孔中心距最大 而两销的中心距最小时的干涉 2 当两孔中心距最小 而两销的中心距最大时的干涉 一面两销定位时的削边销 工件定位孔 夹具定位销 B 5 组合表面定位1 一个平面和与其垂直的两个孔组合 这种定位属于过定位 解决办法是 将销2做成削边销 2 一平面和与其垂直的两外圆柱面组合 3 一孔和一平行于孔中心线的平面组合 5 常用的定位方式及定位分析 常用的定位方式及定位分析 常用定位元件所限制的自由度 常用定位元件所限制的自由度 常用定位元件所限制的自由度 常用定位元件所限制的自由度 6 3定位误差的计算 一 定位误差的产生 基准位移误差 基准不重合误差二 定位误差的计算1 工件以平面定位2 工件以孔定位3 工件以外圆在V形块上定位4 一面二孔 组合定位时的定位误差三 定位误差计算的例题 专题一 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即定位不准确 加工后形成加工尺寸的不一致 形成加工误差 这种只与工件定位有关的加工误差 称为定位误差 用 D表示 定位误差 工序基准在工序尺寸方向上的最大位置变动量 问题 用逐件试切法加工是否存在定位误差 当夹具在机床上的定位精度已达到要求时 如果工件在夹具中定位的不准确 将会使工序基准在加工尺寸方向上产生偏移 往往导致加工后工件达不到要求 存在定位误差 明确两点 1 只有用调整法加工一批零件才产生定位误差 用试切法不产生定位误差 2 定位误差是一个界限值 有一个范围 一 定位误差及其产生原因 注意 定位误差是某一工序中某一精度指标 尺寸 位置 的误差 一种定位方式可以引起多种定位误差 存在定位误差的前提是采取调整法加工一批零件时 得出的误差值是最大的误差范围 误差不一定为线性关系 定位误差 是指采用 调整法 加工工件时 其工序基准在加工方向上的最大变动量 包括基准不重合误差和基准位移误差 用 DW表示可简化为 D 也可以定义为工序尺寸在加工方向上的最大变动量 基准不重合误差 工序基准相对于定位基准在加工方向上的最大位置变动量 用 JB表示可简化为 B 基准位移误差 由于定位元件 定位基准本身制造误差而引起定位基准本身相对位置在加工方向上的最大变动量 用 JW表示可简化为 Y 二 基本概念 加工顶面2 以底面和侧面定位 此时定位基准和工序基准都是底面3 即基准重合 定位误差 D 0 一 工件以平面定位 加工台阶面1 定位同工序一 此时定位基准为底面3 而工序基准为顶面2 即基准不重合 即使本工序刀具以底面为基准调整得绝对准确 且无其它加工误差 仍会由于上一工序加工后顶面2在H H范围内变动 导致加工尺寸A A变为A A H 其误差为2 H 基准不重合误差 B 2 H 1 定位误差的产生 基准不重合误差 工序二改进方案使基准重合了 B 0 这种方案虽然提高了定位精度 但夹具结构复杂 工件安装不便 并使加工稳定性和可靠性变差 因而有可能产生更大的加工误差 从多方面考虑 在满足加工要求的前提下 基准不重合的定位方案在实践中也可以采用 H1 1 d d d0 d0 O H H 1 1 Y D D O O1 H 定位心轴与工件孔为过盈配合时 定位心轴与工件孔为间隙配合时 D 0 D Y 2 定位误差的产生 基准位移误差 例2 加工如图A所示零件 在工件上欲铣削一缺口 保证尺寸8 0 08mm 现采用图B C所示两种定位方案 试分析那种定位方案的定位精度高 若不能满足图纸要求 定位方案应如何改进 并绘草图说明 A 8 0 08 50 0 15 20 0 2 1 0 15 方案D 3 0 20 0 2 2 0 2 D 方案B 方案C d d D D O 心轴水平放置的定位示意图 O O1 O1 H3 H2 H1 d0 d0 工序尺寸不同的标注方式 二 工件以内孔定位 H1max d d O Y D D H1min 当孔最大 心轴最小Dmax D D dmin d d Y Dmax dmin 2 D d 2 D H1max H1min Y D d 2 工序尺寸标注为H1 O1 工序基准 孔的轴线定位基准 孔的轴线 此时基准重合 B 0 二 工件在水平心轴上定位时的定位误差计算 D Y H 2 d d O H H 2 Y D D O O1 H 孔最小 心轴最大Dmin D dmax dH 2 H d 2 孔最大 心轴最小Dmax D D dmax d dH 2 H Y D D 2 工序尺寸标注为H2 O1 工序基准 孔上母线定位基准 孔的轴线 d 2 D D 2 D H 2 H 2 H Y D D 2 H d 2 Y D 2 d 2 本题 D Y B 基准不重合有基准不重合误差 B H H 3 d d d0 O H 3 H Y D D O O1 B d0 2 H 3 H 3 B d0 2 孔最小 心轴最大d0max时 H 3 H d0 2d0min时 H 3 H d0 d0 2 孔最大 心轴最小d0max时 H 3 H Y d0 2d0min时 H 3 H Y d0 d0 2 D H 3 H 3 d0 2 Y d0 d D 2 工序尺寸标注为H3 工序基准 外圆下母线定位基准 孔的轴线 基准不重合有基准不重合误差 B 本题 D Y B Xmax 2 Xmax Xmax Xmax dmin Dmax 为保证工件装卸方便 孔轴之间应有最小间隙 因此标注形式为 孔 轴 Xmax Dmax dmin D D d ex D D d ex es es D es ex D d es D d xmin Y D d xmin 垂直放置心轴 三 工件以外圆在V形块上的定位误差计算 d 2 d d 2 Y O O 基准位移误差的产生 Y 圆柱体上铣平面不同形式的工序尺寸标注 O O 工序尺寸标注为H1 H 1 H H 1 H3 H2 H1 D H1 H 1 H 1 Y d 2sin 2 标准心棒轴线 d 2 d d 2 Y D H2 H 2 H 2H 2 d 2 HH 2 d d 2 H Y O O 工序尺寸标注为H2 H H 2 H 2 d 2 d d 2 D H2 Y B a b P Y D H3 H 3 H 3H 3 d 2 HH 3 d d 2 H Y O O 工序尺寸标注为H3 H H 3 H 3 d 2 d d 2 D H3 Y B c e 定位误差的计算 三种方法 1 定义法 也称几何作图法 采用几何作图法计算定位误差通常要画出工件的定位简图 并在图中夸张地画出工件变动地极限位置 重要的是找出工序基准变动的两个极限位置 然后运用初等几何知识 求出工序基准在工序尺寸加工方向上的最大变动量即为定位误差 2 合成法 基准不重合误差的方向和基准位移误差的方向可能不相同 定位误差 D取为基准不重合误差 B和基准位移误差 Y的矢量和 D Y B 3 微分法 不常用 定位误差的大小由基准不重合误差 B和基准位移误差 Y两项因素所决定 一般在计算时 先分别计算出 B和 Y 然后按一定的规律将两者合成得到 D 计算时通常有下列几种情况 1 Y 0 B 0时 D Y 2 Y 0 B 0时 D B 3 Y 0 B 0时 两者的合成要看工序基准是否在定位基面上 如果工序基准不在定位基面上 则 D Y B 如果工序基准在定位基面上 则 D Y B 式中 号判断的方法和步骤如下 分析定位基面直径由大变小时 定位基准的变动方向 设定位基准的位置不动 分析工序基准的变动方向 如果两者的变动方向相同 则取 号 如果两者的变动方向相反 则取 号 通过以下几个例题 介绍定位误差计算的解题分析过程及计算方法 工序尺寸A1 A2 A3的定位误差 定位误差计算例题1 H D d L L1 D 160 0 14d 40 0 10L1 80 0 10D对d的同轴度误差为0 04 求H L尺寸的定位误差 X Y L尺寸 H尺寸 A B 定位基准 A 工序基准 B 基准不重合 定位基准 D外圆的中心线 工序基准 d下母线 定位误差计算例题2 计算H尺寸的定位误差 需考虑三个问题 1 由D尺寸误差变化引起的基准位移误差 Y D 2sin 2 0 14 2sin450 0 102 由于D对d有同轴度误差 使D轴线与d轴线偏移 还将影响基准不重合误差的大小 B1 d 2 B2 同轴度误差 0 043 D与d的尺寸组合不同时的H尺寸问题 a D最大 d最大 Ha C d 2b D最大 d最小 Hb C d 2 d 2c D最小 d最大 Hc C Y d 2d D最小 d最小 Hd C Y d 2 d 2 D H Hc Hb Y d 2 Y B1 D H D H B2 0 19 dmin 2 O O2 O1 Lmax Lmin H H O O1 O2 H O 2 定位误差计算例题3 P19第32题 A1 A2 L3 L2 L1 阶梯轴以两短V形块定位铣半圆键槽 钻孔 左侧 已知 L1 30 L2 80 L3 120 求工序尺寸A1 A2的定位误差 d1 d2 1 定位误差计算例题4 L3 L2 L1 O1 O2 O 1 O 1 O1 O2 O 2 O 2 y1 y2 L d1maxd2min d1mind2max 2 d1maxd2max d1mind2mix M N E F 保证加工精度实现的条件若规定工件的加工允差为 工件 以 夹具表示与采用夹具有关的误差 以 加工表示除夹具外与工艺系统其它因素 如机床误差 刀具误差 受力受热变形等 有关的加工误差 为保证工件的加工精度要求 必须满足误差计算不等式 工件 夹具 加工工件在夹具中位置确定了以后 有可能存在定位误差 为了保证工件的加工精度 在进行定位设计时 必须进行定位误差的分析和计算 根据具体情况 计算后的定位误差小于相应尺寸及位置公差的1 3 1 5 认为这种定位方案合适 6 4工件的夹紧 一 对夹紧装置的基本要求二 夹紧力的确定1 夹紧力方向选择的原则2 夹紧力作力点选择的原则3 夹紧力大小方向的估算三 基本夹紧机构1 斜楔夹紧机构2 螺旋夹紧机构3 偏心夹紧机构4 联动夹紧机构5 其它夹紧机构四 夹紧机构的动力装置 一 工件在夹具中的夹紧 1 夹紧装置的组成及基本要求 组成 1 力源装置 2 中间传力机构 3 夹紧元件 作用 1 改变作用力的方向 2 改变作用力的大小 3 使夹紧实现自锁 1 夹紧时不破坏工件定位后的正确位置 稳2 夹紧力大小要适当 牢3 夹紧动作要迅速 可靠 快4 结构紧凑 易于制造与维修 5 标准化 基本要求 一 对夹紧机构的基本要求 1 夹得稳 夹紧过程不能破坏工件的正确定位 夹紧机构动作平稳 有足够的刚度和强度 2 夹得牢 夹紧过程应可靠适当 夹紧力过大会引起工件的变形或损伤 夹紧机构一般应能自锁 3 夹得快 夹紧机构的结构设计力求简单紧凑 操作应方便 省力和快捷 以减轻工人的劳动强度 缩短辅助时间 提高生产效率 4 安全性 夹紧机构的设计应保证安全性 不允许在加工中出现松动或振动 5 标准化 尽量采用标准结构设计和标准化元件 二 夹紧力的确定 1 夹紧力方向的选择 夹紧力的方向不能破坏工件定位的准确性 夹紧力方向应朝向主要定位基准 并保证工件与定位元件接触的可靠性 夹紧力的方向应使夹紧时工件的变形最小 夹紧薄壁工件尤其应当注意 W Q W P P Q 夹紧力方向的选择应使夹紧力最小 利用重力 切削力 最好是方向相同 Q W P Q P W同向 所需夹紧力Q最小 Q与P W反向 Q P W Q P W 所需夹紧力Q最大 Q 夹紧力P 切削力W 重力 P W Q Q Q P f1 W P Q P f1 W f2 P f2 选择不同方向夹紧力的比较 2 夹紧力作力点选择的原则 夹紧力作用点应落在支承元件或支承平面范围内 Q Q 2 Q 2 夹紧力作用点应处于工件刚度好的部位 A B 改变着力点形式以减小工件的夹紧变形 A B 锥面垫圈 夹紧力作用点应尽量靠近被加工表面 提高工件加工部位的刚度 减小切削振动 必要时采用辅助支承 Q Q 3 夹紧力的估算 Q K Q Q 按静力平衡条件估算的夹紧点的夹紧力 K 安全系数 粗加工 2 5 3 精加工 1 5 2 估算方法分析计算法类比法 Q F R 钻削力矩与夹紧摩擦力矩平衡 M nQ F f1r nQ f2R M 例 钻孔时压板夹紧工件端面 M 钻削力矩 F 钻削轴向力 Q 夹紧力 n 压板数 f1 工件与夹具间的摩擦系数 f2 压板与工件间的摩擦系数 r 工件底面的当量摩擦圆半径 若考虑安全系数 则 夹具 工件 压板 三 基本夹紧机构 1 斜楔夹紧机构2 螺旋夹紧机构3 偏心夹紧机构4 铰链夹紧机构 1 斜楔夹紧机构 基本的夹紧机构螺旋及偏心夹紧均为斜楔的变形 基本问题夹紧力自锁条件夹紧行程 双升角斜楔 前端大升角 1用于加大夹紧行程 后端小升角 2则用于夹紧与自锁 P Q N R2 R1 F1 2 1 根据静力平衡 X方向 P F1 Rx因为 F1 Qtg 1Rx Qtg 2 所以 P Q tg 1 tg 2 斜楔夹紧力Q P tg 1 tg 2 工件 斜楔 斜楔夹紧机构的夹紧力 P 原始作用力 Q 斜楔夹紧力 1 斜楔与工件间的摩擦角 2 斜楔与夹具体间的摩擦角 Q RX L h 夹具体 W N R2 R1 F2 F1 2 1 Q撤除后 斜楔不松动 则 F1 R2x R2 sin 2 W tg 2 F1 W tg 1 W tg 1 W tg 2 自锁条件 1 2 工件 斜楔 斜楔夹紧机构的自锁条件 R2x 钢与钢 或铁 的摩擦系数为0 1 0 15 1 2约为5 7 8 5 11 17 为确保手动斜楔夹紧的自锁 取6 11 W 斜楔夹紧的增力比与行程比 增力比ip 令ip Q P 1 tg 1 tg 2 若 1 2 0 i p 1 tg i p 理想增力比 显然由于摩擦的存在 斜楔机构的实际增力比变小 行程比iS is h L tg 1 i ph 夹紧行程 L 水平移动行程 对于需要自锁的手动斜楔夹紧机构来讲 增力比与行程比是一对相互矛盾的参数 斜楔夹紧的特点 1 有增力作用 扩力比i Q P2 夹紧行程小 h l tan 故h远小于l 3 结构简单 但操作不方便 主要用于机动夹紧 且毛坯质量较高的场合 2 螺旋夹紧机构 单螺旋夹紧 特结构简单 增力比大点夹紧辅助时间长 螺旋压板机构 钩型压板 R1 Q R2 Q F2 F1 N Rx 1 2 P L 紧固螺纹的扳手力矩 M P L 螺旋底端与夹压工件表面的摩擦力矩 Md F2 r Q r tg 2 螺纹副接触处的摩擦力矩 Mf RX dz 2 Q tg 1 dz 2 对工件的夹紧力 Q P L r tg 2 tg 1 dz 2 力矩平衡 M Mf Md 符号说明 P 作用在扳手上的力 L 扳手长度 r 螺旋底端与工件接触的当量摩擦半径 dz 2 螺纹中径 1 螺旋副的当量摩擦角 2 螺旋底端与工件的摩擦角 单个螺旋夹紧力的计算 螺旋底端 螺旋螺母副接触处 单螺旋夹紧的快卸结构及元件 3 螺旋夹紧机构 螺旋夹紧特点 1 结构简单 自锁性好 夹紧可靠 2 扩力比 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 类型圆偏心 升角变化大 曲线偏心 升角变化均匀 特点快速夹紧 夹紧力及夹紧行程小 自锁性差 用于表面尺寸精度高和切削振动小的夹紧 3 偏心夹紧机构 O O1 e x x x x D 2 圆偏心作用原理 O 偏心转轴 O1 偏心轮中心 D 圆偏心直径 e 偏心距 Nx 偏心轮夹压点 x 夹压点楔角 Nx p p O O1 e 1 2 Q F1 F2 R2 R1 N 三个自锁条件 夹紧力 问题夹紧距离 升程 A 偏心夹紧自锁条件 斜楔自锁条件 1 2 当 为曲线斜楔中的 max时 可满足圆偏心任意一点夹压时的自锁 因此 1 2 max p 1 偏心圆周夹压点处的摩擦角 2 转轴