汽车制造工艺学2-2011.ppt

第二章工件的装夹与机床夹具 2 1基准的概念 2 2工件的装夹方法 2 3专用机床夹具的组成及其分类 2 4工件在机床夹具中的定位 2 5定位误差的分析与计算 2 6工件的夹紧和装置 2 7典型的机床夹具 一 基准的类别基准就是用来确定生产对象上几何要素间的几何关系所依据的那些点 线 面 根据基准的不同作用 常将基准分为设计基准和工艺基准两大类 工艺基准因不同的工艺内容又分为工序基准 定位基准 测量基准 装配基准 2 1基准的概念 基准的分类 基准 设计基准 工艺基准 工序基准 定位基准 测量基准 装配基准 二 设计基准 1 定位基准 2 1基准的概念 在零件工程图上所采用的基准 图示零件在加工C面时 若装夹基面为A面 则加工C面的定位基准为A面 是指在加工过程中采用的基准 三 工艺基准 D A B L1 b L2 工序基准 C 工序基准是工序图上所采用的基准 在图中 C面位置由尺寸L1确定 其设计基准为B面 但加工时从工艺上考虑 需按尺寸L2加工 则L2为本道工序的工序尺寸 A面即为工序基准 测量基准是指在测量时所采用的基准 如图所示的零件 键槽深度的设计尺寸为H 零件加工后 则需测量尺寸H1来检验键槽深度 则圆柱表面是其测量基准 2 工序基准 3 测量基准 2 1基准的概念 L3 4 装配基准 D A B L2 L1 D面的设计是B面 但L1的尺寸测量不方便 故D面的测量基准为A面 装配基准是指装配时 用来确定零件或部件在产品中的相对位置所采用的基准 A3 A2 A1 A0 2 1基准的概念 2 2工件的装夹方法一 工件装夹的定义 为了使工件成形 工件与刀具之间要有相对运动 因此工件相对于刀具的位置要确定 并且在切削过程中 工件的相对位置需保持不变 定位 工件在机床或夹具上占有正确位置的过程被称之为定位 夹紧 保持工件定位时的正确位置不变的过程被称之为夹紧 装夹 安装 定位和夹紧的过程 随着批量 加工精度要求 工件的大小不同 工件在装夹中的定位方法也不同 二 装夹方式 用划针 百分表等测量工具直接在机床上找正工件的位置 例 在四爪卡盘上加工一套类零件 要求待加工表面A与外圆表面B同轴 可按外圆表面用划针 百分表来找正 适应范围 零件形状简单 定位精度要求低 工件批量小 采用夹具不经济 对工件的定位精度要求特别高 采用夹具不能保证精度时 只能用精密量具直接找正定位 0 01 0 005mm 1 直接找正定位的装夹 2 2工件的装夹方法 2 按划线找正定位的装夹 划出对称线 中心线 各待加工表面的加工线 并检查它们与各不加工表面的尺寸与位置 然后按照划好的线找正工件在机床上的位置 适应范围 工件批量小 零件形状复杂 尺寸及重量都很大的铸件或锻件 毛坯的尺寸及公差很大 表面很粗糙 一般无法直接采用夹具 2 2工件的装夹方法 3 用夹具定位的装夹 目前 对于中 小尺寸的工件 都用夹具定位来装夹 工件按定位原理在夹具中定位并夹紧 夹具以一定的位置安装在机床上 不需要进行找正 用夹具定位的装夹适应范围 工件批量较大 中小尺寸 较高的定位精度要求 且稳定 不管采用哪种定位方式来装夹工件 都是保证工件的位置精度 2 2工件的装夹方法 工件 2 3机床专用夹具的组成及分类 一 夹具的组成 钻床夹具 定位元件 夹紧装置 对刀引导元件 连接元件 夹具体 其它件 1 工件通过定位元件在夹具上占有一个正确的位置2 工件通过夹紧元件保证加工过程中始终保持原有的正确位置3 夹具通过对刀元件相对刀具保持正确位置4 夹具通过连接元件 相对于机床保持一个正确位置5 夹具通过其他装置 完成其他要求6 夹具体把上述的几种元件组合成一个整体 连接元件 定位元件 对刀 导引元件 夹紧装置 其它机构与装置 机床 工件 刀具 夹具体 夹具 专用机床夹具的组成及其与工件 机床 刀具间的关系 二 专用机床夹具的分类 1 专用夹具这类夹具是针对某一种工件的某一个工序专门设计的 因用途专一而得名 上例钻孔夹具就是一个专用夹具 2 组合夹具这类夹具是由一套完全标准化的元件 根据零件的加工要求拼装而成的夹具 就好像搭积木一样 不同元件的不同组合和连接 可构成不同结构和用途的夹具 这类夹具的特点是灵活多变 万能性强 制造周期短 元件可以重复使用 3 成组夹具指在多品种 中小批量生产中采用成组加工时 为每个工件组设计制造的机床专用夹具 这类夹具的特点是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 随行夹具这是一种在自动线或柔性制造系统中使用的夹具 工件安装在随行夹具上 除完成对工件的定位和夹紧外 还载着工件由运输装置送往各机床 并在各机床上被定位和夹紧 二 专用机床夹具的分类 三爪卡盘 四爪卡盘 万向平口钳 回转工作台 分度头 通用夹具 专用夹具 组合夹具实例 镗孔组合夹具 三 机床夹具的作用 1 保证加工精度 降低工人等级加工精度包括 尺寸精度 几何形状精度 表面相互位置精度 使用夹具最有利于保证表面相互位置精度 如 在摇臂钻加工孔系 夹具 可达0 10 0 20mm 划线找正 0 4 1 0mm 2 提高劳动生产率 降低加工成本无找正 对刀等时间 工件装卸迅速 从而大大减少了工件安装的辅助时间 同时易于实现多件加工 多工位加工 特别适用于加工时间短 辅助时间长的中 小工件的加工 3 扩大机床工艺范围扩大机床的功能 实现一机多用 如在车床上利用镗夹具 进行镗孔 利用铣夹具 进行铣槽 4 减轻工人劳动强度 保证安全生产 2 4定位原理 一 刚体假设把工件在机床或夹具上的定位转化为刚体在空间直角坐标系中约束自由度的情况来分析 一个物体在空中间可以有六个独立的运动 它在直角坐标系可以有3个平移运动和3个转动 如果要确定刚体在直角坐标系中的位置 需对其自由度进行约束 即对进行约束 二 定位原理 在端面布置一个约束点6 则限制刚体的自由度 在侧面布置两个约束点4 5 则限制刚体的自由度 4 5 6 布置3个不共线的约束点1 2 3 则限制刚体的自由度 1个约束点限制刚体的1个自由度 用六个点 实际上相当于支承点的定位元件 与工件接触 每个固定点限制工件的一个自由度 这样图中刚体的六个自由度完全限制了 不能移动 也不能转动 刚体在空间的位置是确定的 由此可见 要使工件完全定位就必须限定工件在空间的六个自由度 这一定律就称为 六点定位原则 六个支承点完全限制了刚体的六个自由度 工件既 1 六点定位原理 是使工件在机床上 或夹具中 占有正确的位置 也就是使它相对于刀具刀刃有正确的相对位置 以保证工件的加工要求 2 工件定位之目的 假定工件也是一个刚体 要使工件在机床上完全定位 必须限制它在空间的六个自由度 工件的正确定位 就是工序基准的正确定位 由其加工要求和工序基准的形式决定 3 工件定位的实质 若工件脱离定位支承点而失去了定位 这是由于工件还没有夹紧的缘故 因此 定位是使工件占有一个正确的位置 夹紧才使它不能移动和转动 把工件保持在一个正确的位置 所以定位与夹紧是两个概念 决不能混淆 4 定位与夹紧 完全定位 全部限定工件的六个自由度 不完全定位 至少有一个自由度未被限制 注 不需完全定位的加工工序中 采用完全定位固然可以 但增加了夹具的复杂程序 在机械加工中 一般为了简化夹具的定位元件结构 只要对影响本工序的加工尺寸的自由度加以限制即可 5 完全定位和不完全定位 图 a 中 工件上铣键槽 在沿x y z三个轴的移动和转动方向上都有尺寸要求 所以加工时必须将全部六个自由度限制 图 b 为工件上铣台阶面 只要限制五个自由度就够了 图 c 为工件铣上平面 它只需保持高度尺寸z 只要在工件底面上限制三个自由度就已足够 这也是 不完全定位 6 过定位与欠定位 欠定位 加工中 工件定位点数少于应限制的自由度数 会产生不良后果 过定位 工件的某个自由度被限制两次以上 2 过定位是否允许 一般来说过定位将使工件定位不确定 夹紧后会使工件或定位元件产生变形 1 分析 工件的定位支承点少于应限制的自由度数时 会造成什么后果 结果 应限制了自由度未被限制 导致加工时达不到要求的加工精度 定位情况 销 限制了 移动 转动 四个自由度 支承板 限制 移动 和 转动 三个自由度 挡销 限制 转动 结果 重复限制 后果 当工件定位孔与端面垂直度误差较大 而且孔与长销的间隙又很小时 若长销刚度好 工件被压歪 连杆变形 若长销刚度不足时 长销被夹歪 两种情况均会引起加工的左孔的位置精度 使连杆大小头孔轴线不能平行 1 方法问题 根据工序加工技术要求和工件形状的特点 确定应限制那些自由度 而用相应的定位点数目去消除 分析时也可反过来分析哪几个自由度可不必限制 剩下的就是要限制的了 2 过定位有时是允许的 而欠定位决不允许 欠定位的后果只导致加工时达不到加工精度 过定位优点 使定位可能更为可靠 如冰箱有四个支承点 缺点 易使工件的定位精度受影响 使工件或夹具夹紧后产生变形 7 应用六点定位原则应注意的问题 3 过定位一般会造成如下不良影响 a 使接触点不稳定 增加了同批工件在夹具中位置不同一性b 增加了工件和夹具的夹紧变形c 导致部分工件不能顺利与定位元件定位d 干扰了设计意图的实现因此 大多情况下 应避免过定位过定位常出现在精中工工序中 4 必须结合定位基和定位元件的接触情况来分析 建立相对概念 8 定位符号的表示方法 手动夹紧 固定顶尖 浮动顶尖 根据加工工序要求 图a 图b 图c 图d所示工件应约束的自由度 图a加工上表面 图b加工通槽 图c加工不通槽 图d加工径向孔 定位原理 把工件在机床或夹具上的定位转化为刚体在空间直角坐标系中约束自由度的情况来分析 1个约束点限制刚体的1个自由度 工件应约束的自由度的数目完全由工序要求来决定 注意的问题 1 完全定位 工件的6个自由度完全被约束的定位 2 不完全定位 工件被约束的的自由度少于6个的定位 3 欠定位 工件被约束的的自由度数目少于工件的工序要求应被约束的自由度数目的定位 4 过定位 一个自由度被重复约束的现象 三 常用定位元件及定位分析 1 工件以平面定位 平面定位的主要形式为支承定位 定位方式用六点定位原理进行定位分析时 以定位点来消除自由度 在实际应用中 不可能是点 而应该是各种定位元件 工件的定位表面有各种形式 如平面 内孔 外圆 成型面 组合表面等 对这些表面应采用不同的方法来实现 4 4工件在夹具上的定位 一 常用定位方式与定位元件 工件常用定位表面 以平面定位以内孔定位以外圆表面定位 以平面定位 基本支承辅助支承 固定支承可调支承自位支承 支承钉 支承板 基本支承 限制自由度 真正起定位作用辅助支承 不限制自由度 起预定位 增加工件和夹具刚性等作用 一 工件以平面定位1 基本支承 1 固定支承 安装到夹具上后 不可拆卸或调节 分为支承板和支承钉 支承钉 用于小平面未加工或已加工表面的定位 a 分类 平头 用于经过精加工的表面 面接触 用于支承精基准 球头 点接触 可保证接触位置相对稳定 但易磨损 夹紧时使加工表面产生压陷 产生较大安装误差 不易使几个支承钉保持在同一平面内 用于精加工中支承粗基准网纹顶面 与定位面摩擦力较大 可住阻碍工件移动 加强定位稳定性 网中易积屑 多用在粗糙表面的侧面定位 1 固定支承 支承钉 a 平头支承钉 b 球头支承钉 c 网纹 锯齿 头支承钉 支承块 板 用于较大已加工平面的定位 常出现在精基准定位中 一个支承板的作用 相当于两个支承钉 消除两个自由度 A型平面型支承板 制造简单 常用于工件侧面和顶面的定位B型带斜槽型支承板 切有斜槽 易于清屑 常用于工件底面的定位 平面定位的几种情况 对粗基准 使用三个支承銷 三点构成一个平面 作为定位元件 限制工件三个自由度对精基准 可用一支承板代替三个支承銷定位 同样限制工件的三个自由度 图 支承钉 支承板及其用法 2 可调支承 可调支承 适用于毛坯分批制造 其形状和尺寸变化较大的粗基准定位并适用于同一夹具加工形状相同而尺寸不同的工件及专用可调夹具或组合夹具中 方法 一批工件调整一次 调整后应锁紧 3 自位支承 浮力支承 特点 有定位元件有多个工作点与工件接触 定位元件在定位过程中所处的位置 随工件定位基准面位置的变化而自动与之适应 其作用相当于一个固定支承 因此 只限制一个自由度 由于增加了与工件定位基准面接触的点数 故可提高工件的安装刚性 适用于以粗基准定位 刚性不足或不连续表面的定位 2 辅助支承 a 特点 根据六点定位原理 工件定位原理 工件定位夹紧后 若工件刚性很差 在切削力和夹紧力的影响下 会发生变形和振动 为此 需增加辅助支承 减小变形 以提高刚性和稳定性 b 作用 由于辅助支承是在工件定位后才参与支承 因此不起任何消除自由度作用 只起减小工件变形和振动的作用 各种辅助支承在每次卸下工件后 必须松开 装上工件后再进行调整和锁紧 另外 辅助支承不应破坏原有定位 c 应用场合 起预定位作用 提高夹具工件的稳定性 提高工件的刚性 d 结构形式 螺旋式 结构简单 易顶起工件 用限力板手 逐个调整 效率低 常用于单件小批生产中 自位式 效率高 弹簧力不可太大 tg f 保证自锁 推引式 适用于工件较重 切削负荷大的场合 2 工件以圆柱孔定位 三 常用定位元件及定位分析 心轴结构形式很多 上图为几种常见的刚性心轴 其中a为过盈配合心轴 b为间隙配合心轴 c为小锥度心轴 小锥度心轴的锥度为1 5000 1 1000 工件安装时轻轻敲入或压入 通过孔和铀接触表面的弹性变形来夹紧工件 使用小锥度心轴定位可获得较高的定位精度 1 心轴 2 工件以圆柱孔定位 三 常用定位元件及定位分析 1 心轴 心轴 工件 当接触线比较长 即 当接触线比较短 即 约束4个自由度 约束2个自由度 2 定位销 三 常用定位元件及定位分析 图示为国家标准规定的圆柱定位销 其工作部分直径d通常根据加工要求和考虑便于装夹 按g5 g6 f6或f7制造 定位销与夹具体的连接可采用过盈配合 如图a b c所示 也可以采用间隙配合 如图d 圆柱定位销通常限制工件的2个移动自由度 3 菱形销与圆锥销 菱形销 圆锥销 三 常用定位元件及定位分析 约束1个自由度 约束3个自由度 三 常用定位元件及定位分析 3 工件以外圆定位 长接触 工件被约束的自由度为 短接触 工件被约束的自由度为 1 定位套 长接触 短接触 2 V型块 工件 V型块 分析同定位套 三 常用定位元件及定位分析 四 组合定位 实际生产中经常遇到的不是单一表面定位 而是几个定位表面的组合 常见的定位表面组合有 平面与平面的组合 平面与圆孔的组合 平面与外圆表面的组合 平面其它表面的组合 锥面与锥面的组合等 1 前 后顶尖 2 一面一销定位 3 两面一销定位 4 一面两销定位 一面两销定位时 若为两圆柱销 则会产生过定位现象 解决办法 一销缩小直径 菱形销 对刀块 工件 支承块 连接键 连接键 固定V型块 5 采用两V型块 左端固定 右端活动 辅助支承 支承块 2 5定位误差的分析与计算 一 定位误差的定义及产生的原因 用调整法加工一批工件时 工件在定位过程中会遇到如下情况 工序基准与定位基准不重合 定位副制造不准确 导致工件的工序基准偏离理想位置而产生加工误差 定位误差 工件在夹具 或机床 上定位不准确 工序基准偏离理想位 而引起的加工误差 定位误差值的大小 工序基准沿工序尺寸方向发生的最大位移量 H1 H4 1 基准不重合引起的定位误差 B A O1 C H3 H2 H1 O2 H4 H 如图所示 用调整法加工C面 工序基准 B面 工件的工序基准与定位基准不重合 由于尺寸H1的误差会使工件顶面位置发生变化 从而使工序尺寸H4产生误差 一 定位误差的定义及产生的原因 基准不重合误差 工件外圆直径尺寸有大有小 会使外圆中心位置发生变化 从而导致工序尺寸H的变化 基准发生位移导致工序尺寸H的加工误差 H 如图所示 用调整法加工键槽 工序基准 O点 一 定位误差的定义及产生的原因 O 2 定位副制造不准确引起的定位误差 基准位移误差 综上所述 定位误差产生的原因为 即 一 定位误差的定义及产生的原因 工序基准与定位基准不重合引起的基准不重合误差 定位副制造不准确引起的基准位移误差 因此 要提高定位精度 应使工序基准与定位基准重合 提高定位副 工件的定位基面 定位元件 的制造精度 减小配合间隙 H2 1 工件以平面定位 二 定位误差的分析与计算 H3 H1 解 1 工序尺寸为H2 铣削台肩面 定位方式如图 高度尺寸H1的公差为T H1 试分析铣台肩面的工序尺寸分别为H2和H3的定位误差 2 工序尺寸为H3 2 工件以内孔定位 两种情况 1 任意边接触 如果工件的工序基准为孔心 则其定位误差与孔销的配合间隙有关 过盈配合时 不产生基准位移误差 间隙配合时 将产生基准位移误差 二 定位误差的分析与计算 铣键槽 安装方式如图 已知定位心轴与工件孔的配合为 分析铣键槽的定位误差 2 单边接触 二 定位误差的分析与计算 H 解 单边接触 如果预先留配合间隙 其定位误差又如何计算 3 工件以外圆定位 二 定位误差的分析与计算 H1 O 1 工序尺寸H1 此时 定位基准与工序基准重合 即 二 定位误差的分析与计算 H2 O 2 工序尺寸H2 此时 定位基准与工序基准不重合 即 二 定位误差的分析与计算 H3 O 3 工序尺寸H3 此时 定位基准与工序基准不重合 即 定位方案的选择 V型块的对中性 V型块夹角 的影响 三 加工误差不等式 在机械加工中 产生加工误差的因素很多 其主要原因有 1 定位误差 2 对刀误差 3 安装误差 4 其他误差 2 6工件的夹紧和夹紧装置 一 夹紧装置的组成 工件 1 力源装置 产生夹紧力的动力装置 2 夹紧元件 直接用于加紧工件的元件 3 中间传力机构 将原动力以一定的大小和方向传递给夹紧元件的机构 夹紧元件 中间传力机构 夹紧机构 2 6工件的夹紧和夹紧装置 二 对夹紧的基本要求 1 夹紧时不破坏工件在定位时所处的正确位置 2 夹紧力大小要适当 应使工件在加工中的位置稳定不变 不允许产生振动 变形和表面损伤 3 夹紧机构应尽量简单 操作简便 安全 便于维护 4 具有良好的自锁性能 2 6工件的夹紧和夹紧装置 三 夹紧力的确定 力的三要素 大小 方向 作用点 工件在加工过程中会受到切削力 惯性力 重力等外力的作用 若不夹紧 工件在加工过程中就可能发生移动 工件移动会破坏其在定位过程中获得的既定位置 会损坏刀具及机床 甚至导致人身事故 1 夹紧力作用点的选择原则 工件 夹紧力作用点应正对支承元件或支承元件所形成的支承面内 以保证工件已获得的定位保持不变 夹紧力作用点应处于工件刚性较好的部位或使夹紧力均匀分布 以减小工件的夹紧变形 薄壁套筒的夹紧变形 夹紧力的作用点应尽量靠近加工部位 防止工件的振动或变形 2 夹紧力方向的选择原则 1 主要夹紧力的作用方向应指向工作主要定位基准面 以保证工件的加工要求 2 夹紧力的作用方向不应破坏工件的准确定位 应使工件定位正确稳定 3 夹紧力的作用方向应尽量与工件刚度最大的方向相一致 以减小工件夹紧变形 4 夹紧力的作用力方向应尽可能与切削力 工件重力方向一致 以减小所需夹紧力 以利于夹紧装置的体积的减小 2 6工件的夹紧和夹紧装置 2 夹紧力作用方向的选择原则 夹紧力作用点应处于工件刚性好的部位 夹紧力作用点应尽量靠近加工表面 以减少切削力对夹紧点的力矩 防止和减少加工时的振动 夹紧力的作用方向应有利于工件的准确定位 而不能破坏定位 夹紧力的作用方向应尽量与工件刚度最大的方向相一致 以减工件的变形 夹紧力的作用力方向应尽可能与切削力 工件重力方向一致 以减小所需夹紧力 2 6工件的夹紧和夹紧装置 3 夹紧力大小的估算 估算夹紧力的一般方法是将工件看成整体 并分析作用在工件上的各种力 再根据力系平衡条件 确定保持工件平衡所需最小夹紧力 最小夹紧力乘以一合适的安全系数即为计算夹紧力 安全系数 粗加工k 2 5 3 精加工k 1 5 2 在专用机床夹具设计中 夹紧力的确定并非所有情况下都需要理论计算 通常可根据经验或类比法估算确定所需的夹紧力 对于关键工序 则可通过工艺实验实测切削力 然后进行夹紧力的计算 2 6工件的夹紧和夹紧装置 四 常用夹紧机构 1 斜楔夹紧机构 利用斜面作用改变力的方向 大小 夹紧力小 手动操作费时 常与机械 汽动 液压机构联动 工件 夹紧装置 典型斜楔夹紧机构 2 螺旋夹紧机构 螺旋夹紧机构是利用螺旋副配合转动产生的轴向移动和轴向力直接夹紧工件或推动夹紧元件对工件实施夹紧的 螺旋夹紧机构结构简单 制造容易 操作方便 自锁性能好 增力比大 常用于手动夹紧 螺旋夹紧机构的缺点是操作缓慢 为了提高其工作速度 生产实际中常采用快速作用措施 典型螺旋夹紧机构 快速夹紧机构 开口垫圈铰链钩形压板 单个螺旋夹紧机构 a 移动压板b 转动压板c 翻转压板 支点在后 效率低FJ FQ 2支点中间 FJ FQ支点在前 效率好FJ 2FQ 典型螺旋夹紧机构 圆偏心轮夹紧的工作原理就是利用圆偏心轮回转半径的变化夹紧或松开工件 圆偏心轮也是斜楔的一种变形结构 其作用原理与斜楔相同 3 圆偏心夹紧机构 圆偏心夹紧机构结构简单 操作方便 动作迅速 但自锁能力较差 增力比小 取决于L 的比值 常用在切削平稳且切削力不大的场合 下图为几种常见的圆偏心机构 典型偏心夹紧机构 圆偏心轮 偏心轴 4 定心夹