第二章机床夹具设计基础1.1.ppt

机械制造工艺与机床夹具 第五章机床常用夹具第一节概述第二节工件的定位原则及定位元件第三节定位误差分析第四节工件的夹紧 本章学习目标 掌握工件的六点定位原理 典型的定位方式及定位元件 了解机床夹具的分类及组成 本节内容 一 机床夹具的主要功能 三 机床夹具的组成 第一节概述 二 机床夹具的分类 机械加工过程中 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统称为机床夹具 一 机床夹具的主要功能 使工件相对于刀具及机床占有正确的加工位置 保证其被加工表面达到工序所规定的各项技术要求 工件定位后 经夹紧装置施力于工件 将其固定夹牢 使其在加工过程中保持正确位置不变 1 定位 2 夹紧 安装 工件从定位到夹紧的整个过程 定位与夹紧的区别 定位是使工件占有一个正确的位置 夹紧是使工件保持这个正确位置 定位与夹紧在夹具设计中是两个非常重要的概念 两者既有紧密联系 缺一不可 但在概念上又有严格区别 定位的作用是确定工件在夹具中相对于刀具处于一个正确的加工位置 而夹紧的作用是保证工件在加工过程中始终保持由定位所确定的正确加工位置 夹紧不能代替定位 工件在夹具中的定位 重点和难点 工件定位目的 使同批工件在机床或夹具上有正确的加工位置 用夹具定位涉及到三层关系 1 工件在夹具上的定位 2 夹具相对于机床的定位 3 工件相对于机床的定位 间接通过夹具来保证的 本章主要讨论工件在夹具上的定位原理 工件定位以后必须通过一定的装置产生夹紧力 使工件保持在准确的位置上 这种产生夹紧力的装置就是夹紧装置 工件的安装方法 1 找正安装法 2 采用专用夹具安装法 划线找正安装 钳工先按加工要求在工件表面划好线 机加工时工人按划线找正后再夹紧 直接找正安装 操作者利用划针 百分表等量具直接校准待加工面或相关表面以获得正确位置 靠夹具将工件定位 夹紧 以保证工件相对于刀具 机床的正确位置 找正费时 定位精度不易保证 生产率较低 仅适用于单件小批生产 操作简单 效率高 容易保证加工精度 适用于成批及大量生产 通用夹具 按夹具的应用范围和特点分 车床夹具 按所使用的机床分 手动夹具 按产生夹紧力的动力源分 二 机床夹具的分类 通用夹具 专用夹具 可调夹具 组合夹具 指已经标准化的 在一定范围内可用于加工不同工件的夹具 三爪卡盘 四爪卡盘 顶尖 平口虎钳 分度头和回转工作台 专为某一工件的某道工序的加工而设计制造的夹具 适用于加工形状相似 尺寸相近 加工工艺相似的多种工件 兼有专用性与通用性 按某一工件的某道工序的加工要求 由一套预先制造好标准元件组装成的 专用夹具 分度头 三爪卡盘 四爪卡盘 回转工作台 万向平口钳 通用夹具示例 组合夹具实例 气动虎钳液压夹具 1 保证加工精度夹具与机床 工件与夹具的相对位置均已确定 从而使工件在加工中的位置精度得到保证 且精度稳定 2 提高生产率减少了划线 找正 多次对刀 调刀等辅助时间 生产率提高 3 减轻劳动强度如用气动 液压 电动等夹具 动作迅速 简单 省力 4 扩大机床的工艺范围如在车床上安装镗模夹具 可以进行箱体孔系加工 在铣床上加转台和分度装置 可加工有等分要求的零件 二 机床夹具的作用 四 机床夹具的组成 定位元件 夹紧元件 对刀 导向元件 夹具体 连接元件 用来对刀和引导刀具进入正确加工位置的零件 钻套和导向套 用在钻床夹具和镗床夹具上 对刀块 用在铣床 刨床夹具上 是夹具的基准零件 用它来连接并固定定位元件 夹紧机构和导向元件等 使之成为一个整体 并通过它将夹具安装在机床上 将夹具与机床连接并确定夹具对机床主轴 工作台或导轨的相互位置 保证工件在机床上或夹具中占有正确的位置 将工件夹紧 保证工件定位后的正确位置不变 1夹具体2定位元件3导向元件4工件 固定式钻模 钻床夹具 固定式钻模 钻床夹具 固定式钻模 夹具各组成部分与机床 工件 刀具的相互联系 夹具与工件选定的定位基准面接触 用以确定工件正确位置的零件即定位元件 以平面定位用支承钉和支承板作定位元件 以外圆柱面定位用V形块和定位套筒作定位元件 以孔定位用定位心轴和定位销作定位元件 支承钉 V形块 定位销 工件定位后 为了防止工件由于受切削力等外力的作用而产生位移 而将其夹牢紧固的机构称为夹紧机构 常用的夹紧机构有螺钉压板 偏心压板 螺旋夹紧机构 斜楔夹紧机构 铰链夹紧机构等 螺钉压板 第二节工件的定位原则及定位元件 本节内容 一 工件定位的基本原理 二 定位方法及定位元件 自由度 六点定位原则 工件定位中的几种情况 分别以平面 孔 外圆定位 一 工件定位的基本原理 1 自由度 移动自由度 转动自由度 沿X Y Z轴移动 绕X Y Z轴转动 一个在空间处于自由状态的物体具有六个自由度 工件的定位应解决两方面的问题 1 定与不定 2 准与不准 工件的六个自由度 Z移动 X Y轴旋转自由度 六点定位原理 X Z Y Y移动 Z轴转动自由度 X移动自由度 2 六点定位原则 定位 即限制自由度 用合理设置的6个支承点 限制工件的6个自由度 使工件在夹具中的位置完全确定 即工件定位的 六点定位原理 矩形工件的定位 六点定位原理 未受约束的刚体 在空间的位置是不确定的 它具有六个自由度 为使刚体在空间具有确定的位置 就必须限制其六个自由度 定位就是用各种形状不同的定位元件 来限制工件的自由度 六点定位原理 用六个支承点分别限制工件的六个自由度从而使工件在夹具中得到正确加工位置的方法称为六点定位原理 强调 是用六个支承点 而不是用六个定位元件 六点定位原理 关于 六点定位 的几个问题 定位限制自由度 几 点 定位不能机械地理解成几个接触点 限制自由度应理解为 定位支承点与工件定位基准面始终保持紧贴接触 定位支承点数目原则上不应超过工件自由度数目 自由度被限制 是指工件在此方向上有确定的位置 不考虑外力的影响 注 定位和夹紧的区别 定位支承点是抽象的 通过具体定位元件来体现 工件应限制几个自由度 由工件加工技术条件来确定 典型定位元件的定位分析 典型定位元件的定位分析 典型定位元件的定位分析 典型定位元件的定位分析 典型定位元件的定位分析 典型定位元件的定位分析 3 工件定位中的几种情况 1 完全定位 指工件的六个自由度全部被限制 2 不完全定位 根据加工要求 并不需要限制工件的全部自由度 在车床上加工轴的通孔 使用三爪卡盘夹外圆 限制工件的4个自由度 采用四点定位可以满足加工要求 工件在平面磨床上采用电磁工作台装夹磨平面 且只有厚度及平行度要求 故只用三点定位 限制3个自由度 限制5个自由度 限制6个自由度 a b 正确定位 3 欠定位 根据工件的加工要求 应该限制的自由度没有完全被限制 无法保证加工要求 是不允许的 夹具上的两个或两个以上的定位元件 重复限制工件的同一个或几个自由度 4 过定位 大端平面与长销组合产生的过定位 过定位分析 桌子与三角架 过定位讨论 如图示 齿轮坯以内孔和一小端面定位 车削外圆和大端面 加工后检测发现大端面与内孔垂直度超差 试分析原因 提出改进意见 过定位引起夹紧变形 思考 不完全定位就是欠定位 过定位不一定就是完全定位 多于六个定位点的定位一定是过定位 欠定位 应该消除的自由度没有消除 不允许 过定位 几个支承点重复限制某个自由度 一般不允许 应用是有条件的 欠定位与过定位 正确配置支承点 正确处理过定位 提高工件定位表面与定位元件之间的位置精度 改变定位元件的结构 一般按三 二 一布置 主要定位表面受力面积越大越好 二 定位方法及定位元件 工件上的定位基准面与相应的定位元件合称为定位副 定位方案的确定 1 工件在夹具中定位时 起定位支承点作用的是一定形状的定位元件 2 必须根据工件定位所需限制的自由度数目和工件的结构 合理选择定位元件 3 当一个定位元件所提供的支承点不能满足定位要求时 则必须考虑多个定位元件的合理搭配 使之既能满足定位要求 又不能过定位 而且结构应简单 工艺性好 较高的制造精度 设计定位元件时 应满足以下基本要求 足够的强度和刚度 较好的工艺性 便于清除切屑 根据平面所限制自由度的数目分为三种 1 定位方式 主要支承面 导向支承面 止推支承面 限制工件的三个自由度的定位平面 常用于精度比较高的工件定位表面 限制工件的两个自由度的定位平面 常做成窄长面 限制一个自由度的平面 为了确保定位准确 往往将平面面积作的尽可能小 一 工件以平面定位 2 定位元件 常用支承钉和支承板作定位元件 定位基准为平面本身 箱体 床身 机座 支架类零件的加工 常以平面为定位基准 a 为粗基准定位 采用支承钉 图 b 为精基准定位 采用支承板 2 定位元件 常用支承钉和支承板作定位元件 定位基准为平面本身 1 标准固定支撑钉 支撑高度不变 较小精基准 水平面粗基准 侧平面粗基准 A型支承钉 平头 已加工表面B型支承钉 球头 未加工表面C型支承钉 网纹 要求摩擦大的侧面 2 标准可调支撑钉 支撑高度可调 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 可调支承一般只对一批毛坯调整一次 3 标准固定支撑板 A型支承板 结构简单 难于清理积屑 多用于侧面 B型支承板 易于清理积屑 广泛用于平面定位 定位支承点的位置在工件定位过程中 随工件定位基准位置变化而自动与之适应的定位元件 定位基面不连续 台阶面 有角度误差时 或多个支承组合只限制一个自由度而提高支承刚度 可采用自位支承 自位支承 4 标准自位支承 在工件定位时只起提高工件支承刚性或辅助定位作用的定位元件称为辅助支承 螺旋式辅助支撑 导向 导向 斜面 5 标准辅助支承 自位式辅助支撑 思考辨析 辅助支承与可调支承的区别 辅助支承有些结构与可调支承相近 但有区别 可调支承起定位作用 而辅助支承不起定位作用 不限制自由度 可调支承是先调整 而后定位 最后夹紧工件 辅助支承是先定位 夹紧工件 最后调整辅助支承 小平面限制一个自由度 窄长平面限制两个自由度 大平面限制三个自由度 当工件上的孔为定位基准时 常用的定位元件是各种心轴和定位销 其基本特点是定位孔和定位元件之间处于配合状态 图2 13小锥度心轴 二 工件以孔定位 小锥度心轴这类心轴外圆表面锥度为1 1000 1 5000 定心精度高达0 005 0 01mm 要求工件定位孔有较高的精度 工件安装是从小端楔入 楔紧后孔表面产生局部弹性变形 使其与心轴在长度LK上产生过盈配合 保证工件定位后不倾斜 同时工件不需再夹紧 小锥度心轴 1 心轴定位 刚性的心轴对套类工件 常用刚性心轴作定位元件 如图所示 刚性心轴由导向部分1 定位部分2及传动部分而组成 导向部分的作用是使工件能快速正确地套在心轴的定位部分上 其直径尺寸按间隙配合选取 心轴两端设有顶尖孔 一端铣扁 可插入拨盘方孔 也可设计成带有莫氏锥柄的结构 使用时直接插入主轴前锥孔内 图 a 和图 b 为过盈配合 定心精度高 图 c 为间隙配合 装卸方便 图刚性心轴 其它心轴 弹性心轴 液性塑料心轴 在完成定位的同时也加紧了工件 使用方便 结构复杂 2 定位销图所示为常用的固定式定位销的几种典型结构 圆孔尺寸较小时选用图 a 所示结构 圆孔尺寸较大时选用图 b 所示结构 当工件同时以圆孔和端面组合定位时 选用图 c 所示结构 定位销上端部有较长倒角 便于工件装卸 直径部分与定位孔配合 按基孔制g或f制造 尾柄部分与夹具体过盈配合 图固定式定位销 长销限制4个自由度 短销限制2个自由度 L d1 2视为长 短销可理解为一条圆母线接触 长销可理解为相距较远的两条圆母线接触 图可换式定位销及锥面定位销 长圆柱销限制四个自由度 短圆柱销限制二个自由度 短削边销限制一个自由度 锥面定位销限制三个自由度 箱体类零件加工时的一面二销定位以加工好的一个面及其面上的两个工艺孔作为定位基准 平面限制三个自由度 一个短圆柱销限制二个自由度 另一个是菱形销 或削边销 限制一个自由度 实现完全定位 短圆柱销 菱形销 工件以外圆表面定位主要有两种形式 一种是定心定位 常用各种自定心卡盘和弹簧夹头以及定位套 另一种是支承定位 常用支承板和V型块 1 定位套下图所示为各种定位套 图 a 所示为短定位套和长定位筒 其内孔分别限制二个自由度和四个自由度 图 b 为锥面定位套 限制三个自由度 图 c 为便于装卸工件的半圆定位套 限制的自由度视其长短而定 图各种类型定位套 三 工件以外圆柱面定位 2 支承板工件以外圆表面的侧母线定位时 常采用支承板 此时属支承定位 支承板与侧母线接触长限制二个自由度 接触短限制 个自由度 图支承板对工件外圆表面定位 3 V形块工件外圆以V形块定位是最常见的定位方式一 V形块两斜面夹角有60 90 120 等 其中90 V形块应用最广泛 V形块定位的优点是对中性好 可用于非完整外圆柱表面定位 长V形块或两个短V形块组合限制四个自由度 短V形块则限制二个自由度 常见的V形块结构型式见下图所示 图常见V形块的结构形式 a 较长精基准 b 较长粗基准 c 阶梯轴定位用 d 较长 较重工件 左图所示为锥孔套简在锥度心轴上定位磨外圆及精密齿轮在锥度心轴上定位进行滚齿加工的情况 此时锥形心轴将限制工件的五个自由度 相当于长心轴 小平面右图 a 所示为轴类零件以顶尖孔在顶尖上定位的情况 左端固定顶尖限制三个自由度 右端可移动顶尖只限制二个自由度 为提高工件轴向定位精度 可采用图 b 所示的固定顶尖套和活动顶尖的结构 此时左端活动顶尖只限制二个自由度 固定顶尖套限制沿轴向移动的一个自由度 图长圆锥孔在锥度心轴上的定位 图工件上顶尖孔在顶尖上的定位 主要定位基准 限制X Y Z自由度 次基准 与主基准一起限制X Y自由度 限制5个自由度 三 工件以锥面定位 短接触限制2个自由度 长接触限制4个自由度 固定V形块 第三节定位误差分析 能否保证工件的加工精度 取决于刀具与工件间正确的相互位置 而影响这个正确位置关系的误差因素有 定位误差 D 安装误差和调整误差 T A 加工过程误差 G 为保证加工要求 上述三项误差合成后应小于等于工件公差 T D T A G T 一 定位误差及其产生的原因 由于定位引起的加工尺寸的最大变动范围称为定位误差 1 基准位移误差 Y 定位元件的制造误差 产生原因 工件的制造误差 定位基准面 定位元件和工件之间的配合间隙 由于定位副制造误差及其配合间隙所引起的定位误差 即定位基准的相对位置在加工尺寸方向上的最大变动量 2 基准不重合误差 B 由于定位基准与工序基准不重合所导致的工序基准在加工尺寸方向上的最大位置变动量 定位误差 D Y B 1 3 T 并不是在任何情况下这两部分误差都同时存在 二 定位误差的计算 1 当 B 0 Y 0时 产生定位误差的原因是基准位移误差 D Y 2 当 B 0 Y 0时 产生定位误差的原因是基准不重合误差 D B 第四节工件的夹紧 工件定位后将其固定 使其在加工过程中保持定位位置不变的装置 称为夹紧装置 一 夹紧装置的组成和设计要求 本节内容 二 确定夹紧力的基本原则 三 常见的夹紧机构 一 夹紧装置的组成和设计要求 1 夹紧装置的组成 动力装置 产生夹紧作用力 通常指气缸 油缸 活塞 电磁装置等 传力机构 介于力源和夹紧元件之间 传递力 如斜楔 连接杆 铰链等 夹紧元件 加紧装置的最终执行元件 与工件直接接触 如压板 螺栓等 1 气缸2 连杆3 压板 夹紧装置组成示意图 2 工件夹紧的基本要求 1 夹得稳 不破坏稳定的正确定位 刚度足够 2 夹得牢 夹紧力要合适 过大工件变形或损伤 影响加工精度 过小工件加工中易移动或产生振动 同时 夹紧装置应保证自锁 即原始夹紧力去除后 工件能保持夹紧状态 3 夹得快 机构简单 紧凑 操作安全 省力 迅速方便 3 设计夹具时应考虑的问题 夹紧力 三要素 大小 方向 作用点 传力方式 手动 气动 液力 电力等 夹紧机构 增力 快速 机动等 二 确定夹紧力的基本原则 1 夹紧力方向的确定 1 应有利于工件的准确定位 而不能破坏定位 一般要求主要夹紧力应垂直指向主要定位基面 2 主夹紧力最好与F切 F重方向一致 使所需夹紧力尽可能小 P W相同时 哪一情况Q可最小 夹紧力大小与夹紧力方向直接有关 在考虑夹紧方向时 只要满足夹紧条件 夹紧力越小越好 切削力 重力 夹紧力 3 夹紧力的方向应是工件刚性较好的方向 以减小工件变形 2 夹紧力作用点的选择 指在夹紧力作用方向已定的情况下 确定夹紧元件与工件接触点的位置和接触点的数目 1 夹紧力作用点应落在支承点上