机床夹具设计夹紧装置课件.ppt

知识点 技能点 了解夹紧装置的组成和设计要求掌握夹紧力确定的基本原则 夹紧装置的组成和设计要求夹紧力确定的基本原则典型的夹紧机构 夹紧是工件装夹过程中的重要组成部分 工件定位后必须通过一定的机构产生夹紧力 把工件压紧在定位元件上 使其保持准确的定位位置 不会由于切削力 工件重力 离心力或惯性力等的作用而产生位置变化和振动 夹紧力既不能太大 也不能太小 这种产生夹紧力的机构称为夹紧装置 夹紧机构在设计和使用过程中 既要保证加工质量 又要讲究效率和经济性 因此学习常用夹紧机构 夹紧机构的设计和选用是十分重要的 第一节概述 一 夹紧装置的组成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 夹紧装置分为手动夹紧和机动夹紧两大类 根据结构特点及功用 典型夹紧装置由三部分组成 即力源装置 中间递力机构和夹紧元件 夹紧装置的组成 第一节概述 组成 力源装置 它是产生夹紧作用力的装置 传力机构 传递力的机构 其作用是 改变作用力的方向 改变作用力的大小 具有一定的自锁性能 以保证夹紧可靠 夹紧元件 它是直接与工件接触完成夹紧作用的元件 第一节概述 图3 4夹紧装置的组成方框图 二 夹紧装置设计的基本要求 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 基本要求 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 第一节概述 三 夹紧力三要素设计原则 必须合理确定夹紧力的三要素 大小 方向和作用点 1 夹紧力方向的确定1 主要夹紧力方向应垂直于主要定位面 a 工序简图 b 错误 c 错误 d 正确图3 5夹紧力应指向主要限位面 第一节概述 第一节概述 结论 主要夹紧力方向应尽量垂直主要定位面 2 夹紧力的作用方向应使所需夹紧力最小 第一节概述 对于图 a 中的情况 当F FW G三力同向且指向夹具体 这时夹紧力FW最小 F G这些外力产生的摩擦力可以补偿一部分为防止工件转动所需的夹紧力 所以实际施加在工件上的夹紧力就很小 对于图3 6 f 中的情况 当FW与F G的方向相反时 FW F G这种夹紧方式 不仅所需的夹紧力较大 而且由于F和G的方向直接朝向夹紧机构 便有迫使夹紧机构松开的趋势 2 夹紧力的作用方向应使所需夹紧力最小 第一节概述 结论 有利于减小夹紧力的大小 从这个示例中 也可看出 考虑重力G对工件的影响 则工件的主要定位基面不仅应该在水平面内 而且还应该便于由上向下装夹工件 第一节概述 3 夹紧力的作用方向应使工件变形尽可能小 结论 夹紧力的方向应是工件刚度较高的方向 第一节概述 1 夹紧力应作用在刚度较好部位 夹紧力作用点的确定 第一节概述 2 夹紧力作用点应正对支承元件或位于支承元件形成的支承面内 a 错误 b 正确 第一节概述 3 夹紧力作用点应尽可能靠近加工表面 以减少切削力翻转力矩的影响 减少振动 当作用点只能远离加工面 可增设辅助支承 工件的夹紧 3 夹紧力的大小对工件所施加的夹紧力 要适当 夹紧力过大 会引起工件变形 夹紧力过小 易破坏定位 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 为安全起见 计算出的夹紧力应乘以安全系数K 故实际夹紧力一般比理论计算值大2 3倍 第一节概述 3 夹紧力大小的确定 要足够防止加工时松动 使工件受压变形小 刚性差的工件应均匀加压 机动夹紧时应计算夹紧力的大小 以理论夹紧力乘以安全系数K粗加工取K 2 5 3 精加工取K 1 5 2 夹紧力三要素的确定 是一个综合性问题 必须考虑工件的结构特点 加工工艺方法 定位元件的结构和布置等多种因素 一般采用机动 气动 液动 夹紧装置时 需对夹紧力进行计算 而采用手动夹紧机构时 常根据经验或类比法确定所需的夹紧力 常用的夹紧装置 第二节基本夹紧装置夹具中常用的夹紧装置有楔块 螺旋 偏心轮等 它们都是根据斜面夹紧原理夹紧工件 下面分别介绍各种夹紧装置的结构 夹紧力的计算和它们的特性 一 斜楔夹紧装置利用斜面直接或间接夹紧工件的机构称为斜楔夹紧装置 斜楔夹紧装置主要用于增大夹紧力或改变夹紧力方向 斜楔夹紧常与杠杆 压板 螺旋等组合使用 工作原理 利用楔块的斜面将楔块的推力转变为夹紧力 从而夹紧工件 常用的夹紧装置 斜楔夹紧机构1 斜楔2 工件3 夹具体 特点 1 结构简单 有增力作用 一般增力比iF 3 2 楔块夹紧行程小 增大行程会使自锁性能变差3 操作不便 夹紧和松开均需敲击4 楔块材料 通常用20钢渗碳 淬硬58 62HRC5 偏心轮 凸轮 螺钉为楔块的变种 1 斜楔夹紧受力的计算 FW 夹紧作用力 FQ 原始作用力 斜楔升角 1 斜楔与工件间的摩擦角 2 斜楔与夹具体间的摩擦角 楔块夹紧装置 由静力平衡 F1 FRx 而F1 tan 1FRx FWtan 2 FW FQ tan 1 tan 2 楔块夹紧装置 2 增力比iF iF FW FQ 1 tan 2 tan 1 若 1 2 0 i F 1 tan i F 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 3 行程比iS is h s tan 1 i Fh 夹紧行程 s 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 楔块夹紧装置 4 自锁条件 F1 Frx 即tg tg tg tg 为自锁条件一般 6 12 手动夹紧 一般取6 8 螺旋夹紧机构 二 螺旋夹紧机构1 典型螺旋夹紧机构 由螺钉 螺母 垫圈 压板等元件组成的夹紧机构称为螺旋夹紧机构 螺旋夹紧装置结构简单 夹紧可靠 通用性大 自锁性能好 夹紧力和夹紧行程较大 目前在夹具中得到广泛应用 工作原理 螺旋夹紧装置是从楔块夹紧装置转化而来的 相当于把楔块绕在圆柱体上 转动螺旋时即可夹紧工作 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 5 应用场合 手动夹紧装置常采用 螺旋夹紧特点 螺旋夹紧机构 二 螺旋夹紧机构 1 单个螺旋夹紧机构 单个螺旋夹紧机构 a 结构简单 但易压伤工件表面 易带动工件旋转 b 带有摆动压块 克服了上述不足 c 球面带肩螺母 可使工件受到均匀的夹紧力并避免螺杆弯曲 螺旋夹紧机构 摆动压块 为了克服螺旋夹紧动作慢 效率低等缺点 于是出现了各种快速接近或迅速撤离工件的快速夹紧机构 a 开口垫片 开口垫片机构采用螺旋夹紧中广泛使用的开口垫圈 螺母的外径小于工件内孔直径 只要稍微放松螺母 即可抽出垫圈 工件便可方便地从螺母中取出 实际夹紧中 螺母的轴向移动量可以控制得很小 以提高夹紧效率 螺旋夹紧机构 螺旋槽如图所示为栓槽式快速夹紧机构 推进螺杆1的夹紧螺旋槽前端设置有一段轴向快移导槽 用于松开状态下螺杆的轴向快速移动 装夹时 首先轴向推进螺杆1 当前端压块3顶住工件时 螺杆应走出直导槽 进入夹紧螺旋槽部分 然后转动手柄2 夹紧工件并自锁 松开时 把螺杆转至直导槽处 即可迅速轴向拉回螺杆 达到快速装夹的目的 快速螺母如图 c 所示机构为快卸螺母 螺母孔内置有与螺纹孔轴线成一较小角度的光孔 其孔径略大于螺纹的大径 螺母斜着沿光孔套入螺杆 然后将螺母摆正 使螺母的螺纹与螺杆啮合 再拧动螺母 便可夹紧工件 但螺母的螺纹部分被切去一部分 因此啮合部分减小 夹紧力不能太大 c 快速螺母 b 螺旋槽 螺旋夹紧机构 d 螺杆式 螺杆式如图 d 所示为快移式螺杆 它在工作中不方便转动 手柄4推动螺杆沿直槽方向快速接近工件 后将手柄5拉至图示位置 再转动手柄4带动螺母旋转 因手柄5的限制 螺母不能右移 致使螺杆带着摆动压块往左移动 从而夹紧工件 松开时 只要反转手柄4 稍微松开后 即可推开手柄5 为手柄4的快速右移让出空间 螺旋夹紧装置 1 夹紧力计算 受力分析在MQ 原始力矩 FQ LM1 螺母阻止螺钉转动的力矩M1 d2 2FR1sin 1 d2 2FWtan 1 M2 工件阻止螺钉转动的力矩M2 F2r r FWtan 2 螺旋夹紧装置 三个力矩作用下处于平衡 MQ M1 M2 0 FW FQL d2 2tan 1 r tan 2 FW 夹紧力 N FQ 原始作用力 N L 作用力臂 mm d2 螺纹中径 mm 螺纹升角 1 螺纹处摩擦角 2 螺钉端部摩擦角 r 螺钉端部当量摩擦半径 mm 螺旋夹紧机构 2 结构特点具有斜楔的结构特点 而且螺纹升角 4 自锁性能更好 耐振 夹紧行程不受限制 但夹紧行程大时 操作时间长 3 应用 广泛用在手动夹紧中 2 螺旋压板夹紧装置 图a 减力增大行程图b 改变力向图c 增力减小行程 螺旋夹紧装置 常用的螺旋夹紧机构 偏心夹紧机构 三 偏心夹紧机构 偏心夹紧机构是将楔块包在圆盘上 旋转圆盘使工件得以夹紧 偏心夹紧经常与压板联合使用 常用的偏心轮有圆偏心和曲线偏心 曲线偏心为阿基米德曲线或对数曲线 这两种曲线的优点是升角变化均匀或不变 可使工件夹紧稳定可靠 但制造困难 故使用较少 圆偏心由于制造容易 因而使用较广 下面介绍圆偏心夹紧机构 偏心夹紧装置 三 偏心夹紧装置 常见的偏心轮 压板夹紧机构 圆偏心夹紧机构 1 圆偏心夹紧原理圆偏心夹紧原理见下图 a 圆偏心轮直径为D 几何中心为Ol 回转中心为O 偏心距为e 虚线圆为基圆 其直径为D 2e 圆偏心就相当于绕在基圆盘上的楔块 圆偏心夹紧机构 偏心轮顺时针转动时 楔块楔进基圆盘和工件中间 使工件得以夹紧 若将偏心轮的工作部分弧展开 就可得到一个具有曲线斜边的楔块 从图中看出 斜面上各点的斜率 即升角 是变化的 而在P点 展开图为90 的点 附近变化较小 为使偏心轮工作稳定可靠 常取P点左右夹角为30 45 度的一段圆弧为工作部分 也就是弧APB为60 90 偏心夹紧装置 2 圆偏心夹紧的自锁条件P点夹紧时能自锁 则可保证其余各点均可自锁自锁条件 p 1 2tan p 2e D p为安全起见取 1 02e D 2 2 取 2 0 1 0 15 D e 14 20自锁 D e叫偏心轮的偏心特性 表示偏心轮的工作可靠性 特点 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 偏心夹紧装置 圆偏心夹紧装置 2 圆偏心的自锁条件圆偏心x点处升角 x为 在 0 即P点升角最大 p根据楔块自锁条件 为安全起见 可不考虑偏心轮孔与支承轴间的摩擦 于是可得到圆偏心的夹紧特性为 式中 是偏心距e从水平位置转过的角度 3 圆偏心夹紧行程圆偏心转过角度 其夹紧行程为 设计夹紧行程S时 考虑工件尺寸公差T 装卸工件必要的间隙C间 夹紧机构的变形 磨损等行程储备量为C贮 则 圆偏心夹紧装置 4 圆偏心夹紧力计算圆偏心夹紧实际上是斜楔夹紧的一种变形 假设一升角为 的楔块 根据楔块夹紧力计算式 6 36 有 5 圆偏心夹紧的传力系数圆偏心最大升角 p 8 13 而螺旋升角为2 4 又因在一般情况下 r中 因此圆偏心夹紧的传力系数远小于螺旋夹紧的传力系数 偏心轮的材料 一般可选用20钢或20Cr钢 工作表面渗碳淬火至HRC55 60 表面粗糙度值Ra为0 8 m 定心夹紧装置 6 3 2 4定心夹紧装置在切削加工中 若工件是以中心线或对称面为工序基准 为使C定 0 可采用一种保证工件准确定心或对中的装置 使工件的定位和夹紧过程同时完成 而定位元件与夹紧元件合二为一 这种装置称为定心夹紧装置 1 定心夹紧装置的原理在定心夹紧装置中 利用等速移动或均匀的弹性变形 使定位夹紧元件或工件定位基准的尺寸制造误差均匀分布在工件定位面上 保证工件的中心或对称位置不变 图6 49为圆柱面定位的情况 图 a 定位误差C定 O1O2 TD Td Cmin 使圆柱面中心偏离圆孔中心 图 b 是圆柱面在三爪卡盘中定心和夹紧的情况 圆柱面的制造误差Td在三个爪上的分布是相同的 各为Td 2 使中心O位置不动 定心夹紧装置 2 定心夹紧装置的类型定心夹紧装置种类很多 按其工作原理可分为两大类 定位夹紧元件等速移动的装置 这类装置中常见的几种如图6 50所示 图6 50 a 左右螺旋定心夹紧装置 图6 50 b 斜楔定心夹紧装置 此类定心夹紧装置 由于制造误差和组成元件间的间隙较大 故定心精度不高 约为0 2 0 16mm 但夹紧力和夹紧行程较大 所以常用于粗加工和半精加工 定位夹紧元件均匀弹性变形的装置当定心精度要求较高时 一般都利用这类定心夹紧装置 其中常见的装置如图6 51所示 图6 51 a 为用于装夹工件以外圆柱面为定位基准的弹簧夹头 图6 51 b 为蝶型簧片式定心夹紧装置 图6 51 c 为液性塑料定心夹紧装置 这是一种以液性塑料为介质传递作用力的高精度夹具 图6 51 d 为鼓膜式定心夹紧装置 机床夹具的基本要求和设计步骤 6 4机床夹具的基本要求和设计步骤6 4 1对机床夹具的基本要求对机床夹具的基本要求可总括为四个方面 稳定地保证工件的加工精度 提高机械加工的劳动生产率 结构简单 有良好的结构工艺性和劳动条件 应能降低工件的制造成本 考虑上述四方面要求时 应在满足加工要求的前提下 根据具体情况处理好生产率与劳动条件 生产率与经济性的关系 解决主要矛盾 应在设计过程中深入生产实际进行调查研究 广泛征求操作者的意见 吸收国内外有关的先进经验 在此基础上拟出初步设计方案 经过讨论 然后定出合理的方案进行具体设计 机床夹具的基本要求和设计步骤 6 4 2夹具设计的工作步骤6 4 2 1研究原始资料 明确设计任务为明确设计任务 首先应分析研究工件的结构特点 材料 生产规模和本工序加工的技术要求以及前后工序的联系 然后了解加工所用设备 辅助工具中与设计夹具有关的技术性能和规格 了解工具车间的技术水平等 必要时还要了解同类工件的加工方法和所使用夹具的情况 作为设计的参考 6 4 2 2考虑和确定夹具的结构方案 绘制结构草图确定夹具的结构方案时 主要解决如下问题 根据六点定位原理确定工件的定位方式 并设计相应的定位装置 确定刀具的引导方法 并设计引导元件或对刀装置 机床夹具的基本要求和设计步骤 确定工件的夹紧方式和设计夹紧装置 确定其它元件或装置的结构型式 如定向键 分度装置等 考虑各种装置 元件的布局 确定夹具体和总体结构 对夹具的总体结构 最好考虑几个方案 画出草图 经过分析比较 从中选取较合理的方案 6 4 2 3绘制夹具总图夹具总图应遵循国家标准绘制 图形大小的比例尽量取1 1 使所绘的夹具总图有良好的直观性 如工件过大时可用1 2或1 5的比例 过小时可用2 1的比例 总图中的视图应尽量少 但必须能够清楚地表示出夹具的工作原理和构造 表示各种装置或元件之间的位置关系等 主视图应取操作者实际工作时的位置 以作为装配夹具的依据并供使用时参考 机床夹具的基本要求和设计步骤 绘制总图的顺序是 先用双点划线绘出工件的轮廓外形 并显示出加工余量 然后把工件视为透明体 按照工件的形状及位置依次绘出定位 导向 夹紧及其它元件或装置的具体结构 最后绘制夹具体 形成一个夹具整体 6 4 2 4确定并标注有关尺寸和夹具技术要求在夹具总图上应标注轮廓尺寸 必要的装配 检验尺寸及其公差 制定主要元件 装置间的相互位置精度要求等 当加工的技术要求较高时 应进行工序精度分析 6 4 2 5绘制夹具零件图夹具中的非标准零件都必须绘制零件图 在确定这些零件的尺寸 公差或技术条件时 应注意使其满足夹具总图的要求 机床夹具的基本要求和设计步骤 在夹具设计图纸全部绘制完毕后 设计工作并不就此结束 因为所设计的夹具还有待于实践的验证 在试用后有时可能要对原设计作必要的修改 因此设计人员应关心夹具的制造和装配过程 参与鉴定工作 并了解使用过程 以便发现问题及时加以改进 使之达到正确设计的要求 只有夹具制造出来了 使用合格后才能算完成设计任务 在实际工作中 上述设计程序并非一成不变 但设计程序在一定程度上反映了设计夹具所