第三章 机床夹具设计原理(9).ppt

第三章机床夹具设计原理 3 1机床夹具概述 3 1机床夹具概述一机床夹具及其组成1 机床夹具的作用机床夹具 机床上用以装夹工件的一种装置 作用 使工件相对于机床或刀具有一个正确的加工位置且在加工中始终保持其正确的位置不变 2 夹具的组成 1 定位元件或装置2 夹紧元件或装置3 刀具导向元件或装置4 连接元件5 夹具体 第三章机床夹具设计原理 夹具的分类及功用 二 机床夹具的分类1 按使用特点分1 万能通用夹具 应用广 能较好的适应加工工序及加工对象变换 结构已定型 尺寸已系列化 大多数成为机床的一种标准附件 如机用虎钳 三爪卡盘 四爪卡盘 花盘等 2 专用夹具 为某种产品零件在某道工序上的装夹需要而专门设计制造的 服务对象专一 针对性很强 一般自行设计和制造 3 组合夹具 拼装专用夹具 由一套完全标准化的元件拼装而成 避免了专用夹具设计制造周期长 产品改型后又无法利用的缺点4 成组夹具和通用可调夹具 部分元件更换 部分装置可调 可用于相似零件或不同零件加工 5 随行夹具 在自动线或柔性制造系统中使用 2 按使用的机床区分3 按夹具所采用的夹紧动力源分 手动夹具 气动夹具 液压夹具 气液夹具 电动夹具三 机床夹具的功用 1 保证加工质量2 提高生产率 降低成本 减轻劳动强度3 扩大机床工艺范围 3 2工件在夹具中的定位 一 常用定位方法与定位元件 工件以平面定位 3 2工件在夹具中的定位为对工件进行正确加工 要求 1 工件在夹具中正确定位 2 夹具在机床上正确安装 3 刀具相对夹具正确对刀 引刀 4 调整工艺系统工件在夹具中正确定位目的 同一批工件在夹具中占有一致的正确位置 一 常用定位方法与定位元件 工件以平面定位1 定位元件的布置 根据限制的自由度数分为 三点 两点 一点2 定位 支承 元件的结构1 固定支承 定位元件高度方向上的尺寸固定不变 精基准 光面 定位 用平头支承钉和支承板平头支承钉 用于接触面较小时 支承板 用于接触面较大 开槽支承板 开有排屑槽 易清屑 粗基准平面 毛面 定位 用圆头支承钉和网纹支承钉可适当减少接触面积 以便与毛面稳定接触 网纹形结构能增大接触面间的摩擦力 以防止工件受力走动 注意 平头支承钉或者支承板 一般在安装后须进行最终磨削 目的 1 保证等高 2 与夹具体底部保持一定的位置精度 所以在高度上应预留最终磨削余量 一 工件以平面定位 2 可调支承 支承的高度是可以调节的 应用 工件定位表面不规整或不同批量的毛坯尺寸差别较大时 3 自位支承 浮动支承 一个自位支承实质上只起一个定位支承点的作用应用 常用于毛坯表面 断续表面 阶梯表面以及有角度误差的平面定位 4 辅助支承 在工件定位后才参与支承 注意c图自锁角度校核 应用 只能起提高工件支承刚性的辅助定位作用 不限自由度 一 工件以平面定位 3 平面定位时的基准位置误差1 基准位置误差 jw 由于定位副 工件的定位基准和夹具的定位元件工作表面 的制造误差 引起同批工件中的定位基准在夹具中的位置的最大变动量2 工件以平面为主要定位基准定位时的基准位置误差 定位面为精基面 同批工件中的定位基准的位置基本上是一致的 jw视为零 定位面为粗基面 一般不以严格的要求来规定粗基面的精度 因此没有必要计算基准位置误差 二 工件以孔定位 工件以孔定位 定位基准一般为孔的轴线孔定位常用定位元件及基准位置误差 jw1 圆柱心轴定位 1 刚性心轴 过盈配合心轴 定位精度较高 基准位置误差 0 小锥度心轴 锥度1 5000 1 1000 定位精度较高 0 005 0 01mm 要求工件定位孔的精度较高间隙配合心轴 便于工件的装卸 工件孔径为最大Dmax 定位销直径为最小dmin时 孔心 定位基准 在任意方向上的最大变动量均为 jw Dmax dmin 间隙配合心轴的基准位置误差 jw 定位基准孔与心轴在任意点接触 参P99 二 工件以孔定位 定位基准孔与心轴固定边保持接触 如心轴水平放置时 若不考虑心轴尺寸变动 则基准位置误差 jw Dmax Dmin 2 TD 2 若考虑心轴尺寸变动 则基准位置误差 jw TD Td 2 3 心轴限制的自由度 2 其它心轴 如弹性心轴 液塑心轴 自动定心心轴 二 工件以孔定位 2 定位销1 圆柱定位销 基准定位误差与心轴定位相同固定式 直接用过盈配合装在夹具体上 图a b c 可换式 图d 限制的自由度数 限制工件2个移动自由度制造精度 工作部分直径d按g5 g6 f6 f7 2 菱形销 只限制一个自由度 3 圆锥定位销 限制工件3个移动自由度 三 工件以外圆定位 工件以外圆面定位 两种形式 定心定位 支承定位 注意 两斜面根部的凹槽的作用 用于加工两斜面时让刀 2 支承定位 常用V形块定位 两斜面夹角 60 90 120 90 夹角V形块已标准化 定位基准圆D很大时 V形块不一定采用整体结构的钢件 而可以改用铸铁底座上镶嵌硬支承板或者硬质合金 1 V形块定位的特点 1 既适于完整的圆柱面定位 又适于非完整的圆柱面定位2 对中心好 且不受外圆尺寸误差的影响 常用于加工表面与轴线有对称度要求的工件 1 定心定位 类似以圆柱孔定位 套筒或卡盘代替心轴或柱销 锥套代替锥销 2 V形块的结构及应用a 用于以精基准定位 且基准面较短b 用于基准面较长 因为中部与V形块不接触 定位稳定c 用于粗基准定位 工作面较窄 三 工件以外圆定位 3 V形块的主要设计尺寸T D 检验心轴直径 工件定位外圆的平均直径 4 V形块限制的自由度长V形块限制4个自由度 短V形块限制2个自由度 生产中常通过检验心轴的中心O 即工件定位外圆中心 来调整刀具位置 此时V形块定位的定位基准为工件外圆中心 而尺寸T即定位基准的高度尺寸 必须标注在V形块的工作图上 以检验和调整V形块 90 时 5 V形块定位的基准位置误差 jw 即工件定位外圆几何中心位置的最大变动量 从减小基准位置误差 jw考虑 角应选最大的 但稳定性变差 兼顾考虑两方面 常选用 90 的V形块 三 工件以外圆定位 3 工件外圆在半圆孔中定位应用场合 工件直径较大或者定位外圆不便于直接插入定位圆孔 定位元件 固定在夹具体上的下部半圆夹紧元件 上部半圆 与V形块定位的比较 1 接触面较大 不易损坏工件表面 V形块只有两条母线接触 2 但要求工件定位面直径精度不应低于IT8 IT9级 否则只在一条母线接触 四 工件以其它表面定位 四 工件以其它表面定位1 以锥度心轴定位 2 以齿轮分度圆定位 五 定位表面的组合 五 定位表面的组合 平面与平面 平面与圆孔 平面与外圆面 平面与其它表面等注意分清组合定位时的主次定位面第一基准面 限制的自由度最多 应该是工件上面积最大且较精确的平面 第二基准面 限自由度数次之 常用窄长的平面 第三基准面 限一个自由度 可用较小平面 1 分析连杆铣槽夹具定位时的第一 二 三基准2 分析工件在两顶尖上定位的主次定位面 五 定位表面的组合 1 锥销 平面 加工箱体类零件时常采用 一面两孔 组合定位 为避免过定位 两孔 应采用圆柱销 菱形销定位 2 其它定位表面组合举例 该种定位方式避免了以下问题 只用锥销工件易偏斜 轴向过定位 弹簧的作用 一面 两孔 五 定位表面的组合 一面 一孔加工两小孔 工序尺寸分别如a b 图所示 两孔中心连线与底面有平行度要求 分析分别宜采用c d哪种定位方案 五 定位表面的组合 菱形销计算 菱形销宽度b的计算 考虑最不利的情况 两孔中心距最大L 1 2Tlk 两销中心距最小L 1 2Tlx 两孔直径最小D1 D2 两销直径最大d1 D1 1min d2 D2 2min 则 考虑孔1与销1之间间隙补偿作用 则有 菱形销设计步骤 1 确定两销中心距尺寸及其公差 两定位销中心距基本尺寸 工件上两孔中心距基本尺寸两定位销中心距公差 1 5 1 3 工件上两孔中心距公差 2 确定圆柱销直径及其公差 圆柱销直径基本尺寸 相应孔的最小直径圆柱销直径公差取g6或f7 3 确定菱形销宽度 直径及公差 菱形销宽度尺寸b 查有关标准 参考表2 1 菱形销直径d2 计算菱形销与配合孔的最小间隙 2min d2 D2 2min菱形销直径公差 取h6或h74 其它尺寸已标准化 查手册即可 二 定位误差的分析计算 一 定位误差及产生的原因 二 定位误差的分析计算 一 定位误差 dw及产生的原因1 定位误差 工序基准在工序尺寸方向的最大变动量2 定位误差产生的原因1 基准位置误差 jw 定位基准在夹具中的位置的最大变动2 基准不重合误差 jb 定位基准与工序基准不重合 使工序基准相对定位基准的位置发生变化 其变化值即为 jb 一般 jb 定位基准到工序基准间的尺寸公差 3 定位误差的大小 dw jw与 jb在工序尺寸方向上的分量之代数和 二 定位误差的计算 解 1 分析是否存在基准不重合误差 jb因心轴 或圆柱销 定位的定位基准为工件孔心 因此 jb 0 定位基准孔与心轴固定边保持接触 二 定位误差的计算1 用几何方法计算 P99例2 2 孔销间隙配合 工件的工序基准为孔心 分析并计算定位误差 步骤 1 找工序基准 定位基准 2 分析是否有基准位置误差 jw和基准不重合误差 bc 3 计算 jw和 jb在工序尺寸方向上的分量 4 计算两分量之和即为定位误差 dw 2 分析是否存在基准位置误差 jw 定位基准孔与心轴在任意点接触 3 计算定位误差 dw dw jw jw Dmax dmin jw 1 2 Dmax Dmin 1 2TD 二 定位误差的计算 用几何方法计算 P99例2 3 求铣连杆槽时的定位误差 仅考虑与使用夹具有关的工序尺寸 1 槽深尺寸及其公差 分析基准位置误差 jw因定位基准误差为已精加工的平面定位 jw 0 分析基准不重合误差 jb工序基准 槽顶端面 定位基准 与工序基准相对的端面 jb 0 1mm 加工该尺寸的定位误差 dw jb 0 1mm 2 槽中心线与大小头孔中心连线夹角要求 工序尺寸方向为角度标注方向 分析是否存在基准不重合误差 分析基准位置误差 由于定位销与定位孔间有间隙 定位基准能偏移角度 定位基准的最大偏移角度量出现在 两孔为最大 两销为最小时 此时 用几何方法计算定位误差 3 槽中心平面过大头孔轴线 即对大头孔轴线的对称度误差 分析工序基准 定位基准是否重合 无基准不重合误差 jb 0 分析基准位置误差 与P99例2 2图a同 思考计算题 1 自学P101 用微分法计算定位误差 2 用几何方法计算例2 4题中的定位误差 并与微分法比较 注意 定位误差一般是针对成批生产 并采用调整法加工 若采用试切法加工 一般不考虑定位误差 用微分方法计算定位误差 自学 用微分方法计算定位误差步骤 1 建立方程式y f xi y的方向与工序尺寸方向相同 y的坐标位置即工序基准所在位置 原点的选取应便于建立方程y f xi 2 计算定位误差 即计算工序基准在y坐标方向上的变动 对方程式取微分 用各自的公差代替各个自变量的微分 用定位误差代替dy 并考虑尺寸公差的正负及计算可能的最大定位误差来调整微分式中的正负号 例 铣加工下图一个不完全球 工序尺寸为A 工序基准相对于夹具上的某固定点在工序尺寸方向的坐标可用方程式表示如下 微分后得 最后得定位误差为 用几何方法计算定位误差 参考 2 对键槽高度方向尺寸的要求 a b c 三图表示的工序基准不同a 图 jb 0 dw jw 例2 4键槽的工序尺寸的标注如a b c 图三种形式 试分别计算在V形块上定位铣键槽时的定位误差解 与夹具有关的两项工序尺寸和要求是 键槽高度方向上的尺寸 键槽对外圆中心的对称度 1 键槽对外圆中心的对称度要求 定位基准和工序基准重合 jb 0 用V形块定位对中心好 且不受外圆尺寸误差的影响 若忽略工件的圆度误差和V形块的角度误差 则工件中心在水平方向上的位置变动 0 即 jw 0 b 图 jb Td 2 参考题 例2 4 如图 铣加工槽时 a 若以B面为定位基准 刀具按距B面的尺寸a来调整的 对于同一批工件而言 按上述方式调整好刀具后 若不考虑加工过程中其他误差因素的影响 则刀具相对于B面间的尺寸a 应该是稳定不变的 即 这时不存在因定位引起的误差 b 若以c面为定位基准 则刀具按距c面的尺寸来调整 尺寸a是间接获得的 对一批工件来说 当刀具按定位基准c面被调整好而处于一定位置时 其中每个工件的B面位置却是随尺寸的变化而改变的 这时一批工件的B面位置可能发生的最大变动范围为 结论 加工时定位基准选择不当 会给加工尺寸附加一种误差 从而降低加工精度 二 用微分法计算定位误差 自学 3 3工件在夹具中的夹紧 夹紧力的确定 第三节工件在夹具中的夹紧一 对夹紧装置的要求1 在夹紧过程中应能保持工件定位时所获得的正确位置 2 夹紧应可靠和适当 夹紧机构一般要有自锁作用 夹紧工件时 不允许工件产生不适当的变形和表面损伤 3 夹紧装置应操作方便 省力 安全 4 夹紧装置的复杂程度和自动化程度应与生产批量和生产方式相适应 结构设计应力求简单 紧凑 并尽可能采用标准化元件 二 夹紧力的确定 包括大小 方向和作用点三个要素 一 夹紧力方向选择的原则 夹紧力的作用方向应有利于工件的准确定位 主要夹紧力应垂直指向主要定位面夹紧力的作用方向应尽量与工件刚度最大的方向相一致 以减小工件变形 夹紧力的作用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 一 夹紧力的确定 二 夹紧力作用点的确定 二 夹紧力作用点的选择 确定夹紧元件与工件接触点的位置和接触点的数目 1 夹紧力作用点应正对支承元件或位于支承元件所形成的支承面内 以保证工件已获得的定位不变 2 夹紧力作用点应处在工件刚性较好的部位 以减小工件的夹紧变形 3 夹紧力作用点尽可能靠近被加工面 以便减小切削力对工件造成的翻转力矩 必要时应在工件刚度差的部位增加辅助支承并施加夹紧力 以减小切削过程中的振动和变形 三 夹紧力大小的估算 三 夹紧力大小的估算夹紧力不足 将使工件在切割过程中产生位移并容易引起振动 夹紧力过大 将会造成工件或夹具不应有的变形或表面损伤 估算夹紧力的一般方法 将工件视为分离体 并分析作用在工件上的各种力 根据力系平衡条件 确定保持工件平衡所需的最小夹紧力 将此最小夹紧力乘以一适当的安全系数 即可得到所需要的夹紧力 例1 图2 24在车床上用三爪自定心卡盘装夹工件加工外圆表面 只考虑主切削力Fc所产生的力矩与卡爪夹紧力Fj所产生的摩擦力矩相平衡 为卡爪与工件之间的摩擦系数 Fjmin为所需最小夹紧力 将最小夹紧力乘以安全系数k 得到所需的夹紧力为 三 夹紧力大小的估算 例2 图2 25工件铣削加工 根据力矩平衡条件 Fj 所需夹紧力 N Fa 作用力 总切削力在工作平面上的投影 N 工件与夹具支承面之间的摩擦系数 安全系数k通常取1 5 2 5 精加工和连续切削时取较小值 粗加工或断续切削时取较大值 当夹紧力与切削力方向相反时 k值可取2 5 3 摩擦系数主要取决于工件与支承件或夹紧件之间的接触形式 具体数值可参考表2 2 则最小夹紧力 考虑安全系数后有 三 常用夹紧机构 一 斜楔夹紧机构 三 常用夹紧机构 一 斜楔夹紧机构1 可获得的夹紧力 Fj 可获得的夹紧力 N Fs 作用在斜楔上的原始力 N 1 斜楔与工件之间的摩擦角 2 斜楔与夹具体之间的摩擦角 斜楔的楔角 2 斜楔的自锁条件为 1十 23 斜楔夹紧机构的特点 结构简单 增力比大 自锁性能好等特点 应用广泛 2 3工件在夹具中的夹紧 斜楔夹紧机构 二 螺旋夹紧机构 二 螺旋夹紧机构1 螺旋夹紧力的计算公式 Fj 沿螺旋轴线作用的夹紧力 N Fs 作用在扳手上的力 N L 作用力的力臂 mm do 螺纹中径 mm 螺纹升角 1 螺纹副的当量摩擦角 2 螺杆 或螺母 端部与工件 或压块 的摩擦角 r 螺杆 或螺母 端部与工件 或压块 的当量摩擦半径 mm 二 螺旋夹紧机构 3 螺旋夹紧机构的特点 优点 结构简单 易于制作 增力比大 自锁性能好缺点 动作较慢 为提高其工作效率 常采用一些快撤装置应用 手动夹紧中应用最广泛的一种夹紧机构 2 需准确地确定螺旋夹紧力时 通常要求采用实验的方法 因使用式 2 14 计算螺旋夹紧力时 由于 1和 2的数值是在一个很大的范围内变化的 要想获得准确的结果是很困难 三 偏心夹紧机构 三 偏心夹紧机构偏心夹紧机构靠偏心轮回转时回转半径变大而产生夹紧作用 其原理和斜楔工作时斜面高度由小变大而产生的楔紧作用一样 因此可将偏心轮视为一楔角变化的斜楔 3 偏心夹紧的夹紧力可用下式估算 Fj FsL tg 2 tg 1 Fj 夹紧力 N Fs 作用在手柄上的原始力 N L 作用力臂 mm 偏心转动中心到作用点之间的距离 mm 偏心轮楔角 1 轮周作用点处摩擦角 2 转轴处摩擦角 1 楔角计算公式 偏心轮的楔角 e 偏心轮的偏心量 mm R 偏心轮的半径 mm 偏心轮作用点与起始点之间的圆弧所对应的圆心角当 90 时 接近最大值 max arctg e R 4 偏心夹紧的特点 优点 结构简单 操作方便 动作迅速 缺点 自锁性能较差 增力比较小 应用 常用于切削平稳且切削力不大的场合 2 偏心夹紧的自锁条件 e R tg 1 1 1 轮周作用点处的摩擦力 四 铰链夹紧机构 四 铰链夹紧机构1 结构形式 单臂铰链夹紧机构 单臂双作用铰链夹紧机构 双臂双作用铰链夹紧机构2 单臂铰链夹紧机构的夹紧力计算公式 Fj Fs tg j tg 1 Fj 夹紧力 N Fs 原始作用力 N j 夹紧时臂的倾斜角 臂两端铰链处的当量摩擦角 arctg 2r L tg 1 1 滚子滚动当量摩擦角 1 arctg r L tg