第六章 机械夹具.ppt

内容提要 机床夹具是机械加工工艺系统的一个重要组成部分 为保证工件某工序的加工要求 必须使工件在机床上相对刀具的切削或成形运动处于准确的相对位置 必须通过一定的装置把工件固定保持在准确定位的位置上 本章主要讨论工件在夹具上的定位原理与定位误差 本章内容主要包括 1 工件定位基本原理 2 基本定位元件对工件的定位 3 定位误差的分析与计算 6 4机床夹具 机床夹具概述 机床夹具概述 机床夹具通过使工件在机床上相对刀具占有正确的位置的过程 定位 以及克服切削过程中工件受外力的作用保持工件的准确位置的过程 夹紧 来实现工件装夹 定位和夹紧两个过程的综合称为装夹 完成工件装夹的工艺装备称为机床夹具 机床夹具的分类机床夹具按通用化程度可分为两大类 第一类通用夹具此类夹具具有通用性 只需调整或更换少量零件就可用于装夹不同的工件 如三爪 四爪卡盘 顶尖 平口钳等 通用夹具的结构复杂 适用用于大批量生产 也适用于单件小批生产 是使用最广泛的一类夹具 机床夹具的分类及作用 第二类专用夹具专用夹具是专门为某工件的某工序设计和制造的专用夹具 其结构简单 紧凑 操作迅速方便 因设计和制造的周期较长 批量少 所以成本较高 当产品变更时 因无法使用而报废 因此专用夹具适用于产品固定的成批或大量生产中 夹具的作用和组成下面以钻床夹具和铣床夹具为例进行分析 夹具的作用 1 可以缩短辅助时间 提高劳动生产率 2 易于保证加工精度的稳定 3 可扩大机床的使用范围 4 可以减轻劳动强度 保证安全生产 夹具的组成 夹具的组成 1 定位元件 与工件的定位基准相接触 确定工件在夹具中的正确位置 2 夹紧装置 这是用于夹紧工件的装置 在切削时使工件在夹具中保持既定位置 3 对刀元件 这种元件用于确定夹具与刀具的相对位置 4 夹具体 这是用于联接夹具各元件及装置 使其成为一个整体的基础件 它与机床相结合 使夹具相对机床具有确定的位置 5 其它元件及装置 有些夹具根据工件的加工要求 要有分度机构 铣床夹具还要有定位键等 任何夹具都必须有定位元件和夹紧装置 它们是保证工件加工精度的关键 目的是使工件 定准 夹牢 工件的定位 工件的定位定位的目的是使工件在夹具中相对于机床 刀具都有一个确定的正确位置 工件上用来定位的表面称为定位基准面 六点定位原理一个自由的物体相对于三个相互垂直的空间坐标系 有六种活动的可能性 三种是移动 三种是转动 习惯把这种活动的可能性称为自由度 自由物体在空间的不同位置 就是这六种活动的综合结果 因此空间任一自由物体共有六个自由度 如图6 3所示 这六个自由度为沿x y z轴移动的三个自由度 绕x y z轴转动的三个自由度 若使物体在某方向有确定的位置 就必须限制在该方向的自由度 所以要使工件在空间处于相对固定不变的位置 就必须对六个自由度加以限制 六点定位原理 六点定位原理一个自由的物体 它对三个相互垂直的坐标系来说 有六种活动的可能性 其中三种是移动 三种是转动 自由物体在空间的不同位置 就是这六种活动的综合结果 习惯上把这种活动的可能性称为自由度 因此空间任一自由物体共有六个自由度 六点定位原理 如图6 3所示 这六个自由度为沿x y z轴移动的三个自由度 绕x y z轴转动的三个自由度 若使物体在某方向有确定的位置 就必须限制在该方向的自由度 所以要使工件在空间处于相对固定不变的位置 就必须对六个自由度加以限制 六点定位原理 用相当于六个支承点的定位元件与工件的定位基准面接触 如图6 4所示 在底面xoy内 三个支承点限制了x和y方向旋转自由度 z方向移动自由度 在侧面yoz内 两个支承点限制了x方向移动自由度 z方向旋转自由度 在端面xoz内 一个支承点限制了y方向移动自由度 用正确分布的六个支承点来限制工件的六个自由度 使工件在夹具中得到正确位置的规律称为六点定位原理 工件在加工中对六个自由度的限制 要根据被加工工件的加工要求来确定 如图6 5所示 六点定位原理 图6 5 a 是在工件上加工不通槽 槽宽由刀具直径保证 但是要保证尺寸A 尺寸B 尺寸C 就需要限制x y z方向的移动和x y z的旋转六个自由度 这种定位方法 称为完全定位 图6 5 b 是在工件上加工通槽 不需要保证C 所以也不必限制y方向的移动自由度 只需要限制其它五个自由度就可以了 图6 5 c 是在工件上加工平面 不需要保证尺寸B C 所以也不必限制x方向的移动 z方向的旋转自由度 只需要限制其它三个自由度就可以了 这种没有完全限制六个自由度而仍然保证有关工序尺寸的定位方法 称为不完全定位 六点定位原理 如果两种定位元件均能限制工件的同一个方向自由度时 称为过定位 对于过定位的工件 施加夹紧力后 可能产生工件变形或定位元件被损坏 定位精度降低等不良后果 图6 6 a 是轴承盖的定位简图 图中长V形块与两个支撑钉A B的组合均限制了z方向移动自由度 属于过定位 避免产生这种不良后果的方法有 消除过定位现象改变过定位件的结构 使它失去过定位的能力 如两个支承钉去掉一个 只剩一个支承钉用来限制 或把两个支承钉联起来并可移动如图6 6 b 消除限制z方向移动自由度 当确定定位元件尺寸时 应使过定位元件 支承钉 与工件定位基准之间有足够间隙 以保证在任何情况下 工件总与v形块两侧面接触 以限制z方向移动自由度 六点定位原理 各种定位若定位支承点少于所应消除的自由度数 则工件定位不足 称为欠定位 这种定位方法不能满足加工要求 因此是不允许的 元件所限制的自由度数 与定位元件的形式 数量及其布置情况有关 表6 1列举了各种定位元件所能限制的自由度数 定位元件夹具定位元件的结构和尺寸 主要取决于工件上已被选定的定位基准面的结构形状 大小及工件的重量等 定位元件在夹具中的布置 既要符合六点定位原理 又要能保证工件定位的稳定性 定位元件 定位元件的主要技术要求和常用材料要求一定的 定位精度 粗糙度值 耐磨性 硬度和刚度 常用的材料 低碳钢如20钢或20Cr钢 工件表面经渗碳淬火 深度0 8 1 2mm左右 硬度HRC55 65 高碳钢如T7 T8 T10等 淬硬至HRC55 65 此外也有用中碳钢如45钢 淬硬至HRC43 48 固定式定位元件 支承钉多用于以平面作定位基准时的定位元件 如图6 8 a 平顶支承钉 适用于己加工表面的定位 b 圆顶支承钉 适用于毛坯面定位 以减小装夹误差 但支撑钉容易磨损和压伤工件基准面 c 花纹顶面支撑钉 用于工件的侧面定位 增大摩擦系数 但清除切屑不方便 不易用在水平面定位 d 带衬套支撑钉 批量大 磨损快时使用 便于拆卸 支撑钉与夹具体的配合可用H7 r6或H7 n6 定位元件 支承板一般用作精基准面较大时的定位元件 如图6 9 a 平板式支承板 结构简单 紧凑 但不易清除落入沉头螺钉孔内的碎屑 b 台阶式支承板 装夹螺钉的平面低于支承面3 5mm 克服了不易清屑的缺点 但结构不紧凑 c 斜糟式支承板 在支承面上开两个斜糟为固定螺钉用 使清屑容易又结构紧凑 不论采用支承钉或支承板作为定位元件 装入夹具体后 为使各支承面在一个水平面内 应再修磨一次 定位元件 定位销对于既用平面又用与平面相垂直的圆柱孔定位的工件 通常用定位销作定位元件 图6 10是几种常用的圆柱型定位销 图 a c 固定式定位销 结构简单 采用H7 r6与夹具体直接配合 过盈 图 b d 带村套的可换式定位销 用于大批量生产 因工件装卸次数频繁 定位销易磨损 采用此结构便于更换 衬套外径与夹具体配合采用H7 n6 而内径与定位销的配合采用H7 h6或H7 g6 图 e 可换的支承垫圈销 用于凸肩端面易磨损的场合 可以在销子未装入之前 将垫圈支承面与其它支承面磨成同一平面 所有定位销的定位端头部均做成15 的长倒角 以便于工件套人 定位销与定位孔的配合采用K7 g6或H7 f7 在加工套筒类工件时 也常用锥形定位销 如图6 11所示 a 用于粗基准 b 用于精基准 定位元件 在加工箱体工件时 往往采用一平面及与该平面垂直的两孔为定位基准 定位元件则为一平面 一短圆柱销及一短的削角销 如图6 12 削角销的截面形状 见图6 13 定位心轴用于以内孔表面为定位基准的工件 如套筒 盘类等 心轴的结构如图6 14 其中 a 是圆柱心轴 b 是花键心轴 与孔的配合常采用H7 h8或H7 g6 c 为锥心轴 其锥度一般为1 1500 1 2000 使用时将工件轻轻压人 依靠锥面使工件对中和涨紧 此种心轴用于磨削或精车 v形块用于以外圆表面为定位基准的工件 其结构如图6 15 v形块用销子及螺钉紧固在夹具体上 工件外圆中心对中于两斜面的对称轴线上 两斜面的夹角 一般选用60 90 120 当基准面较大时可选用图6 16的结构 其中 b 用于粗基准 a c 用于精基准 定位元件 可调式定位元件主要用于粗基准定位 当毛坯的尺寸及形状变化较大时 为了适应各批毛坯表面位置的变化 需采用可调支承进行定位 如图6 17 辅助式支承元件工件在装夹加工时 为了增加工件的刚性和稳定性 但又要避免过定位 此时经常采用辅助支承 图6 18为常见的几种辅助支承 a b 为旋出式辅助支承 a 结构简单 但会损伤工件定位面 带动工件转动而破坏定位 b 支承只做上下运动 避免了上述缺点 c 是弹力式辅助支承 靠弹簧的弹力使支承与工件表面接触 并可锁紧 d 是推力式辅助支承 推动楔块顶起支承 通过涨紧进行锁紧 一般辅助支承是在工件定位后才参与工作 故不起定位作用 绪论 定位元件 浮动式定位支承由于工件定位表面有几何形状误差 或当定位表面是断续表面 阶梯表面时 采用浮动式支承可以增加与工件的接触点 提高刚度 又可避免过定位 这种支承在结构上是活动的 能够随工件定位基准面位置的变化而自动与之相适应 如图6 19 a 是两点浮动式支承 b c 是三点浮动支承 d 是杠杆式浮动支承 e 是斜面式浮动支承 上述各种浮动支承 只限制工件一个方向自由度 起一个支承点的作用 举例根据六点定位原理分析图中各定位方案中各个定位元件所消除的白由度 定位误差 定位误差六点定位原理 可以保证工件在夹具中的正确位置 但是能否满足加工精度的要求 还需要进一步讨论定位的准确性 即定位误差有多大 为了保证加工质量 应满足如下关系 e总 T 6 1 式中e总 各种因素产生误差的总和 T 工件被加工尺寸的公差 上式又可写成 e定 T 6 2 式中e定 定位误差 除定位误差以外 其它因素所引起的误差总和 如机床 刀具误差 工艺系统变形等 可按加工经济精度查表确定 定位误差 定位误差的组成所谓定位误差 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 因为对一批工件来说 刀具经调整后位置是不动的 即被加工表面的位置相对于定位基准是不变的 所以定位误差就是工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量 定位误差的组成及产生原因有以下两个方面 定位基准与工序基准不一致所引起的定位误差 称基准不重合误差 即工序基准相对定位基准在加工尺寸方向上的最大变动量 以e不表示 定位基准面和定位元件本身的制造误差所引起的定位误差 称基准位置误差 即定位基准的相对位置在加工尺寸方向上的最大变动量 以e基表示 故有e定 e不 e基 6 3 此公式是在加工尺寸方向上的代数和 绪论 定位误差 1 工件以平面定位时的定位误差图为在镗床上加工箱体的A B两通孔时的定位情况 因是通孔 所以不需要止动定位基准 要保证尺寸A1 A2和B1 B2 加工时刀具位置经调整好不再改变 因此对加工一批工件来说 被加工的A B二孔表面相对夹具的位置不变 绪论 定位误差 加工孔A时 尺寸A1的工序基准和定位基准均是D面 基准重合 所以e不 A1 0 6 4 定位基准面D有角度制造误差 T 2 根据基准位置误差的定义有 e基 A1 2H tan T 2 6 5 所以e定 A1 e不 A1 e基 A1 2H tan T 2 6 6 绪论 定位误差 尺寸A2的工序基准是E面 定位基准是C面 基准不重合 根据基准不重合误差的定义有 e不 A2 TL2 6 7 假定定位基准C面制造得平整光滑 则同批工件的定位基准位置不变 此时就有 e基 A2 0 6 8 所以e定 A2 e不 A2 e基 A2 TL2 6 9 加工孔B时 尺寸B1的工序基准是F面 定位基准是D面 基准不重合 根据定义有 e不 B1 TL1 6 10 e基 B1 2H tan T 2 6 11 所以e定 B1 e不 B1 e基 B1 TL1 2H tan T 2 6 12 绪论 定位误差 尺寸B2的工序基准和定位基准均是C面 基准重合 此时有 e不 B2 0 6 13 e基 B2 0 6 14 所以e定 B2 e不 B2 e基 B2 0 6 15 工件以平面定位时 在大多数情况下 不考虑定位基准面和定位元件的制造误差 绪论 定位误差 2 工件以外圆柱定位的定位误差 外圆面在v形块上定位时的定位误差 如图在圆柱面上加工一平面 设V形块的夹角a无制造误差 外圆定位面的直径公差为Td 绪论 定位误差 图中加工尺寸A 工序基准为o1中心线 一批工件从最小尺寸d Td变到最大尺寸d 工序基准从o1变到o2 工序基准o1在加工尺寸方向的最大变动量 根据定义为 从结果看出 e定与v形块夹角 有关 越大 e定越小 但 太大时 v形块对中性差 故常取a 90 Y OO1 AA1 V形块定位的基准位移误差 例题 如图所示 一圆柱形工件在V形块上定位铣槽 槽的位置尺寸的标注方法假定有三种 其相应工序尺寸力A1 A2 A3 求相应的定位误差 工件以圆柱面在V形块上定位 由于Td的影响 使工件中心沿O向从O移至O1 即基准位移量 Y OO1 工序尺寸A1的定位误差 Y D Y 工序尺寸A2的定位误差 Y D Y B B N D d Td 2 d 2 工序尺寸A3的定位误差 Y D Y B B M D d 2 d Td 2 三种 角的V形块 在不同标注工序尺寸时的定位误差值 1 当工序尺寸由下素线注出 其定位误差最小 当工序尺寸由上素线注出 其定位误差最大 2 V形块工作夹角 角越大 其垂直方向定位误差值越小 在圆柱孔中定位工件以外圆在圆柱孔中定位 与前述的孔在心轴或定位销上定位情况相似 只是外圆与孔的作用正好对换 其定位误差为 绪论 定位误差 3 工件以内孔表面定位时的定位误差工件孔与定位心轴 或销 采用间隙配合 以孔中心线为工序基准时的定位误差计算 当工件装夹到心轴上时 工序基准 定位基准都是中心线 基准重合 工件孔和心轴是间隙配合 有制造误差 则 e不 0e定 e不 e基 e基 设孔尺寸为D TD 心轴尺寸为d Td 最小配合间隙为Cmin 工件装夹时心轴放置的位置不同 定位误差分两种情况 定位基准孔与心轴任意接触的基准位移误差 定位误差 当心轴垂直放置 图a 定位孔与心轴可以在任意方向接触时 如图下图所示 当孔径最大而轴径最小时 则定位孔的几何中心 即定位基准 在夹具中位置的变动量为O1O2 即为该种情况下所产生的基准位移误差 用 Y表示 即基准位移误差为孔的最大直径减去轴的最小直径式中Dmax 工件定位孔最大直径 Dmin 工件定位孔最小直径 dmax 定位心轴最大直径 dmin 定位心轴最小直径 TD 工件定位孔直径公差 Td 定位心轴直径公差 xmin 孔与轴间的最小配合间隙 定位基准孔与心轴固定边接触时的基准位移误差 定位误差 当心轴水平放置时 因受重力影响或在夹紧力作用下定位孔只能单向位移而与心轴固定边接触时 如图下图所示 在孔径最大 Dmin TD 轴径最小 dmax Td 的情况下 孔的中心 即定位基准 会下移到处O2 而当孔径最小为Dmin 轴径最大为dmax时 则上移到O1 在两种可能的极限情况下 孔中心位置的最大变动量 即基准位移误差为 由上可见 由于定位副 定位孔与定位轴 的制造误差 导致产生了基准位移误差 降低了定心精度 4 工件以 一面两孔 定位时的定位误差当采用一平面 两短圆柱销的定位元件时 此时平面限制三个自由度 第一个销和第二个销各限制两个自由度 因此过定位 在两销连心线方向过定位 由于两孔 两销的直径 两孔中心距和两销中心距都存在制造误差 故有可能使工件两孔无法套在两定位销上 如图6 23所示设两孔直径分别 孔心距 两销直径 销心距分别为 绪论 定位误差 针对第二个销子解决的方法有 减小直径 采用削角销 绪论 定位误差 减小第二个销子直径 见图6 24 销子的大小应在AB范围内 由图得 此种方法由于销子直径减小 配合间隙加大 故使工件绕销子1的转角误差加大 第二个销采用削角销 工件转角误差要求较严格时 采用这种方法 不减小第二个销子直径 而转角误差较小 a 削角销宽度b的确定 如图6 25 令AF等于圆柱形定位销应减小的部分DE 则可通过削角而不减小销的直径消除过定位 且工件转角误差小 由图可得 b 定位误差的确定 1 孔中心线在x y方向的最大位移为 绪论 定位误差 2 孔中心线在x y方向的最大位移分别为 两孔中心连线对两销中心连线的最大转角误差 可由图6 26得出 以上定位误差都属于基准位置误差 因为e不 0 定位销的直径公差一般按g6 f7配合选取 两定位销之间的尺寸公差取两孔中心距公差的1 5 1 3 削角销的结构尺寸可参考表6 2 削角销的截面形状见图6 26 表6 2削角销的结构尺寸 绪论 定位误差 定位误差实例 定位误差计算实例 例题6 1 在套筒零件上铣槽 如图6 27 a 所示 要求保持尺寸10 0 08 8 0 12 其它尺寸已在前工序完成 若采用图6 27 b 的定位方案 孔与销子配合按H7 g6 问能否保持加工精度要求 否则应如何改进 绪论 定位误差实例 解 按H7 g6的配合精度 则销子直径应为 因销子为水平放置 故由式 6 25 有 在铣床上加工 其平均经济精度为10级 查表得 0 05 所以 可满足尺寸8 0 12的要求 对于尺寸8 0 12 对于尺寸10 0 08 又因 绪论 定位误差 定位误差实例 不能满足尺寸10 0 08的求 绪论 定位误差 定位误差实例 采用图6 27 c 的改进方案 以端面A和右端孔为定位基准 销子与孔的配合仍然按H7 g6 则销子直径为 可满足尺寸8 0 12的要求 又e定 10 0 e定 10 0 05 T 10 0 08可满足尺寸10 0 08的要求 例题6 2 如图所示零件 在铣槽工序中 要保证45 50 其它尺寸已在前工序完成 要求设计该工序的定位方案 并检查能否满足精度要求 解 采用 一面两孔 的完全定位方案 选取短圆销 短削角销 查表削角销b 3 B 8 夹具的制造公差工件公差的1 3左右 两销心距公差TLd 0 08 夹具上45 角公差取T 30 是定位误差的一部分 铣床平均加工经济精度10级 查表得 4 由式 6 34 得T 45 角的定位误差为 绪论 定位误差 定位误差实例 这种定位方案可满足加工精度要求 若不能满足加工精度要求时 可采用下述方法解决 减小销子与孔的配合间隙 销子直径选g5或h6 同时适当减小削角销宽度b 采用活动锥形定位销 使孔与销无间隙配合 如图6 29 绪论 定位误差 工件的夹紧 工件的夹紧 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 设计夹紧装置的要求 夹紧动作要准确迅速 操作方便省力 夹紧安全可靠 结构简单 易于制造 夹紧装置设计和选择的核心问题是夹紧力的大小 方向和作用点 工件的夹紧 夹紧力三要素设计原则夹紧力的方向夹紧力的方向选取考虑以下三方面 工件用几个表面作为定位基准 大型工件为保持工件的正确位置 朝向各定位元件都要有夹紧力 小型工件尺寸 则只要垂直朝向主定位面有夹紧力 保证主要定位面与定位元件有较大的接触面积 就可以使工件装夹稳定可靠 夹紧力的方向