机械制造工艺学机床夹具设计PPT课件.pptxVIP

第三章机床夹具设计Chapter3FIXTUREDESIGN 授课人 赵海鸣机电工程学院 中南大学机电工程学院本科生课程机械制造工艺学 内容 第三章学习指南机床夹具概述工件在夹具上的定位工件的夹紧各类机床夹具 2 第六章学习指南 本章主要介绍了机床夹具及其组成 夹具的功能 夹具的分类 工件在夹具上的定位 常用定位方法与定位元件 定位误差计算 工件的夹紧 对工件夹紧装置的要求 夹紧力的确定 常用夹紧机构 各类机床夹具 车床与磨床夹具 钻床与镗床夹具 铣床夹具本章应重点掌握的内容包括 常用定位方法与定位元件 定位误差计算 夹紧力的确定 常用夹紧机构 车床与磨床夹具 钻床与镗床夹具 铣床夹具 主要内容 3 了解机床夹具的组成 功能和分类 学会和掌握一些基本方法 如 工件在夹具上的常用定位方法 定位误差的计算方法 工件在夹具上的夹紧方法 深入理解和掌握各类机床夹具设计的基本理论和方法 能综合运用所学的各门有关基础课和专业课的知识 解决实际生产中机床夹具的设计问题 学习目的 4 第一节机床夹具概述 5 一 机床夹具及其组成 夹具的作用机床夹具是在机床上用以装夹工件的一种装置 其作用是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 铣床加工拨叉零件的铣床夹具 定位元件或装置确定工件在夹具上的位置刀具导向元件或装置引导刀具或调整刀具相对于夹具定位元件的位置夹紧元件或装置夹紧工件连接元件确定夹具在机床上的位置并与机床相联接夹具体联接夹具各元件或装置 使之成为一个整体并通过它将夹具安装在机床上其它元件或装置如某些夹具上的分度装置 防错装置 安全保护装置等 夹具的组成 二 夹具的功能 机床夹具的主要功能如下 1 保证加工质量使用夹具后 零件加工精度主要靠夹具和机床来保证 不再依赖工人的技术水平 2 提高生产率 降低成本使用夹具后可减少划线 找正等辅助时间 易实现多件 多工位加工 可广泛采用气动 液动等机动夹紧装置 使辅助时间进一步减少 3 扩大机床工艺范围如在车床或钻床上使用镗模 可代替镗床镗孔 使用靠模夹具 可在车床或铣床上进行仿形加工 4 降低工人劳动强度 保证安全生产 按加工类型和在使用机床上来分类 车床夹具 机床夹具 铣床夹具 钻床夹具 镗床夹具 磨床夹具 自动机床夹具 数控机床夹具 按其夹紧装置的动力源来分类 手动夹具 气动夹具 液动夹具 电磁夹具 真空夹具 通用夹具 专用夹具 可调夹具 组合夹具 随行夹具 通用可调夹具 成组夹具 按其使用范围分类 三 机床夹具的分类 第二节工件在夹具上的定位 14 工件在机床上的定位实际上包括 工件在夹具上定位夹具在机床上的定位 一 定位副 1 定位基准 定位基面 1 工件以回转体定位时当工件以回转面 圆柱面 圆锥面 球面等 与定位元件接触 或配合 时 工件上的回转体面为定位基面 回转体的轴线为定位基准 2 限位基准 限位基面1 工件以回转体定位时 2 工件以平面定位时工件上那个实际存在的面为定位基面 它的理想状态 平面度为零 是定位基准 定位元件的回转体表面为限位基面 定位元件的回转轴线为限位基准 2 工件以平面定位时定位元件上实际存在的那个表面为限位基面 其定位平面的理想状态称为限位基准 当平面的精度较高时 限位基面与限位基准重合 3 定位副将工件上的定位基面和与之相接触 或配合 的定位元件的限位基面合称为定位副 当工件上有几个定位基面时 限制自由度最多的那个定位基面 称为主要的定位基面 相应的限位基面称为主要限位面 定位与夹紧符号 4 定位 夹紧符号在选定定位基准及确定了夹紧力的方向和作用点后 应在工序图上标注定位符号和夹紧符号 定位 夹紧符号已有部颁标准 JB T5061 2006 5 对定位元件的基本要求足够的精度工件的定位是通过定位副间的接触或配合实现的 定位元件上的限位基面的精度 将直接影响定位精度 足够的强度和刚度定位元件不仅限制工件自由度 还在加工过程中 承受夹紧力 切削力等 为保证夹具不在各种力的作用下 产生变形或破坏 因此定位元件要有足够的强度和刚度 耐磨性好在大批大量生产中 频繁地装卸工件 定位元件的限位基面因磨损而精度下降 工艺性好定位元件的结构 应力求简单 合理 便于加工 装配和更换 二 常用定位方法与定位元件 生产中定位的方法很多 常用的定位方案主要有 工件以平面定位 工件以圆柱孔定位 工件以外圆表面定位 工件以其他表面定位 组合定位 在机械加工中 对于箱体 床身 机座等零件 常选择平面作为定位基面 平面定位的主要形式是支承定位 1 工件以平面定位 依据是否起限制自由度作用以及能否实现调整等 常用的平面定位元件可分为 主要支承辅助支承 固定支承可调支承自位支承 支承钉支承板 主要支承是起限制自由度作用的支承 1 固定支承 定位元件高度方向上的尺寸固定不变 有支承钉和支承板两种形式 平头支承钉 球头支承钉 齿纹顶面支承钉 多用于工件以精基准平面定位 多用于工件以粗基准平面定位 多用于工件侧面定位 一般情况下 一个支承钉限制工件1个自由度 两个成一线布置的支承钉限制工件2个自由度 3个不在一条线上的支承钉限制工件3个自由度 当工件以精基准平面定位时 允许用4个A型支承钉定位来限制工件的3个自由度 A型支撑板的结构简单 制造方便 但孔边缘切屑不易清除干净 故适用于侧面和顶面定位 B型支撑板结构 其特点是易于保证工作表面清洁 故适用于底面定位 一个狭长支承板限制工件的2个自由度 两个狭长支承板的组合与一个大的支承板定位作用相同 均限制工件3个自由度 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 支承点的位置可以调整的支承称为可调支承 从定位的角度来说 可调支承与固定支承没有本质区别 所不同的是 固定支承一经装配 其定位工作面的位置就始终固定不变 而可调支承的定位工作面可沿其轴线方向在一定范围内调节 常采用螺旋调节方式 2 可调支承 可调支承常用于工件以粗基准表面定位的情况 当不同批毛坯尺寸变化较大时 常通过可调支承定位工作面位置的改变来适应不同批毛坯尺寸的变化 以保证不同批工件后续工序加工余量均匀 当可调支承调节到需要的位置后 必须用螺母锁紧以防止位置发生变化 加工一批工件仅需调整一次 可调支承也常作为成组夹具的调整元件 以适应形状相同 尺寸不同的工件的定位需要 销轴端部铣槽 采用可调支承轴向定位 通过调整其高度位置 可以加工不同长度的销轴类工件 支承本身可随工件定位基准面的变化而自动适应 又称为浮动支承 具有几个活动工作点 当压下其中一点 则其余的点上升直至全部与工件定位基准接触为止 其作用仍相当于一个固定支承点 只限制1个自由度 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 3 自位支承 三点式自位支承 两点式自位支承 三点球面式自位支承 生产中 由于工件形状以及夹紧力 切削力 工件重力等原因可能使工件在定位后还产生变形或定位不稳定 为了提高工件的安装刚性和稳定性 常需设置辅助支承 辅助支承是在工件定位以后才参与支承的 且在使用中不能破坏工件的原有定位 4 辅助支承 辅助支承有多种形式 以下为其中的三种 杆旋转式结构简单 但转动支承1时 可能因摩擦力而带动工件 螺母式避免了杆式的缺点 转动螺母2 支承1只上下移动 这两种结构动作较慢 且用力不当会破坏工件已定好的位置 自动调节式 靠弹簧3的弹力使支承1与工件接触 转动手柄4将支承1锁紧 2 工件以圆柱孔定位 1 心轴 主要用于盘套类零件的定位 工件 如套筒 法兰盘 拨叉等 以圆柱孔定位通常属于定心定位 定位基准为孔的轴线 夹具上相应的定位元件是心轴和定位销 刚性心轴一般由导向 定位及传动三部分组成 带凸肩过盈配合心轴 不带凸肩过盈配合心轴 1 导向部分2 定位部分3 传动部分 过盈配合的心轴需借助压力机装卸工件 适用于定位精度高 切削力较小的场合 间隙配合心轴 依靠螺母通过开口垫圈将工件夹紧 这种结构的心轴工件装卸方便 应用广泛 小锥度心轴 常用于定心定位精度高 切削力小 又要方便装卸工件的定位 工件安装时轻轻敲入或压入 通过孔和心轴接触表面的弹性变形来夹紧工件 除了刚性心轴外 生产中还经常采用弹性心轴 液塑心轴 自动定心心轴等 定位同时将工件夹紧 使用方便 工件在心轴上定位通常限制4个自由度 除了限制绕工件自身轴线转动和沿工件自身轴线移动的2个自由度 2 定位销 定位销头部应做出倒角或圆角 以便于装入工件定位孔 主要用于直径小于50mm的中小孔定位 国标规定的圆柱定位销 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 定位销与夹具体的联接可采用过盈配合 也可采用间隙配合 圆柱定位销通常限制工件的2个移动自由度 工件以内孔定位时也常用圆锥销定位 限制其3个移动自由度 当要求孔销配合只在一个方向上限制工件自由度时 可使用菱形销 3 工件以外圆表面定位 工件以外圆柱面定位在生产中是常见的 如轴套类零件等 工件以外圆表面定位有两种形式 定心定位和支承定位 常见的有三类 定位套 实现定心定位支承板 给外圆定位V型块 实现外圆表面定心 对中定位 类似以圆柱孔定位 只是以套筒或卡盘代替了心轴或圆柱销 以锥套代替了锥销 1 定心定位 长套限制四个自由度 短套限制二个自由度 锥套限制三个自由度 半圆套长四 短二 2 支承定位 支承板对工作外圆表面定位 长板限制二个自由度 短板限制一个自由度 支承板 常用V形块定位 V形块两斜面夹角 通常取60 90 和120 其中90 用的最多 90 V形块的结构已标准化 2 支承定位 V形块又有固定与活动之分 活动V形块在可移动方向上对工件不起定位作用 长V形块 或两个短V形块 限制4个自由度 短V形块限制2个自由度 V形块在夹具上的安装尺寸T是其主要设计参数 T常用作V形块测量和调整的依据 可按下式计算 T H 12 sin 2 tan 2 T H 0 707D 0 5N T V形块在夹具中的安装尺寸H V形块高度D 工件定位圆柱面或标准心轴的平均直径N V形块开口宽度 V形块两斜面夹角 当 时 有 V形块定位有两大优点 既适于完整的圆柱面定位 又适于非完整的圆柱面定位 对中性好 且不受外圆尺寸误差的影响 所以常用于加工表面与轴线有对称度要求的工件 工件以其底面与支承环平面接触 限制三个自由度 工件左端圆弧与固定短V型块接触 限制两个自由度 工件右端圆弧与可移动短V型块接触 限制一个自由度 可移动V型块起到限制转动自由度的作用 同时又借助螺杆而起夹紧元件的作用 4 工件其他表面定位 工件以锥孔定位 锥度心轴限制了工件绕自身轴线移动之外的5个自由度 工件在锥度心轴上定位 注意 小锥度心轴和锥度心轴是有所区别的 一个限制4个自由度 一个限制5个自由度 5 定位表面的组合 常见的定位表面的组合有 平面与平面 平面与孔 平面与外圆表面 平面与其它表面的组合等 一个平面和与其垂直的两个孔组合 一面两孔定位 一孔与其垂直端面定位 一外圆表面及其端面定位 两个或三个相互垂直平面定位 一外圆表面与一圆孔定位 两个外圆表面定位等 组合定位时 注意分清主次定位面 一般称定位点数最多的定位面为第一定位基准面或支承面 称定位点数次多的定位面为第二定位基准面或导向面 定位点数为1的定位面称为第三定位基准面或止动面 试分析工件在两顶尖上定位时的主次定位面 前顶尖限制 三个自由度 后顶尖限制 两个自由度 后顶尖限制 两个自由度 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 该种定位方式避免了以下问题 1 只用锥销工件易偏斜 2 轴向过定位 弹簧的作用 2 一面 两孔 菱形销的宽度可以通过几何关系求出 考虑最不利的情况 两孔中心距最大 1 2 两销中心距最小 1 2 两孔直径最小D1 D2 两销直径最大 则 b 考虑孔1与销1之间间隙补偿作用 则有 b b为菱形销宽度 为两孔中心距公差 为两销中心距公差 为孔1与销1的最小间隙 为孔2与销2的最小间隙 在实际生产中 由于菱形销的尺寸已标准化 因而常按下列步骤进行两销设计 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 直径及其公差 菱形销宽度尺寸b 查有关标准 参考表6 1 菱形销直径d2的确定 计算菱形销与其配合孔的最小间隙 2min d2 D2 2min 菱形销直径公差 取h6或h7 二 定位误差的分析与计算 产生加工误差的原因很多 其中一部分与夹具的设计 制造 安装和使用等有关 一般可用 与夹具有关的误差 定位误差 夹紧误差 夹具位置误差 导引误差 磨损误差 一批工件逐个在夹具上定位时 由于工件及定位元件存在制造公差 使各个工件所占据的位置不完全一致 加工后形成的加工尺寸大小不一 产生加工误差 这种仅与定位有关的加工误差 称为定位误差 用 DW表示 定位误差 设计基准 工序基准 与定位元件工作表面在加工尺寸方向的最大变动量造成造成定位误差的原因 主要有两个 一是工序基准与定位基准不重合 二是定位基准与限位基准 定位元件 不重合 1 定位误差的概念 工件以底面和E面定位 尺寸C是确定夹具与刀具位置的对刀尺寸 用调整法对一批工件的加工过程中 尺寸C调整好后是不变的 1 基准不重合误差 由于工件的工序基准与定位基准不重合引起的 一般 定位基准到工序基准间的尺寸公差 2 定位误差产生的原因 工序尺寸A的工序基准是F面 定位基准是E面 两者不重合 当用调整法对一批工件逐个在夹具上定位时 受尺寸 的影响 工序基准F的位置是变动的 F的变动直接影响工序尺寸A的大小 造成工序尺寸A的基准不重合误差 基准不重合误差是当用调整法对一批工件逐个定位时 工序基准与定位基准不重合而造成的定位误差 其大小为工序基准在工序尺寸方向上的最大变动量 偏移量 S 定位基准与工序基准间的距离尺寸 称为定位尺寸 定位尺寸公差 2 基准位置误差 基准位置误差是由于定位副存在制造公差及最小间隙的影响 当用调整法对一批工件逐个定位时 引起工序基准的偏差 造成工序尺寸的定位误差 工序尺寸为A和B 尺寸A的工序基准为孔 的轴线 尺寸B是键槽宽 由刀具宽度保证 实际上 由于定位基准孔 和定位元件工作表面 均有制造误差 且最小配合间隙不为零 在夹紧力或重力作用下 孔 和心轴 的轴线不会重合 孔 的轴线 也即尺寸A的工序基准 偏离了正确位置 单向向下偏移 这种由于定位基准 孔 和定位元件 心轴 的制造误差引起工序基准点的偏移 造成工序尺寸A的误差 就称为基准位置误差 假定工件的定位基准孔 面和定位元件工作表面 均无制造误差 且配合间隙为零 则此情况下无任何定位误差 包括基准不重合误差 用调整法加工时 当工件孔的直径为最大 心轴直径为最小 时 工序基准的偏移量i为最大 工序尺寸A也为最大 当工件孔的直径为最小 心轴直径为最大 时 工序基准的偏移量i为最小 工序尺寸A也为最小 因此 一批工件中工序基准的最大变动量 偏移量 工件的工序基准是孔 的轴线 且工序尺寸方向与固定接触点和定位销中心连线方向相同 工件孔的公差 代入可得 由此可见 基准位置误差是由于工件的定位基准 如孔 和定位元件 如心轴 的制造误差 当用调整法对一批工件逐个定位时 引起工序基准的偏移 造成工序尺寸的定位误差 其大小也是工序基准在工序尺寸方向上的最大变动量 偏移量 孔在销上的定位实际上已由定心定位转变为支承定位的形式 定位基准变成了孔的一条母线 此时的定位误差是由于定位基准与工序基准不重合造成的 属于基准不重合误差 与销子直径公差无关 本例中 定位基准是圆柱面 而工序基准是孔的轴线 从加工示意图上可清晰看到两基准是不同的 故基准位置误差 实际上仍是基准不重合 因而它的大小还是工序基准在工序尺寸方向上的最大变动量 它和基准不重合误差的区别仅在于引起的原因不同 造成的结果从定位示意图上看都是使工序基准产生偏差 采用调整法加工时 工件的定位误差实质上就是工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量 3 定位误差的计算 计算思路 找出工序基准 求出加工尺寸方向上的最大变动量 计算方法 几何方法 合成法 微分方法 由于造成定位误差的原因是 基准不重合与基准位移 因此 定位误差应为这两种误差的组合 工序基准不在定位基面上 工序基准在定位基面上 当定位基面直径由大变小 或由小变大 时 分析定位基准的变动方向 当定位基面直径作同样变化时 假定定位基准不动 分析工序基准的变动方向 两者变动方向相同取 号 变动方向相反取 号 步骤 找工序基准 定位基准 分析是否有基准位置误差 和基准不重合误差 计算 和 在工序尺寸上的分量计算两分量之和即为定位误差 一 合成法 解 1 分析是否存在基准不重合误差 因心轴 或圆柱销 定位的定位基准为工件孔心 因此 定位基准孔与心轴固定边保持接触 例1 孔销间隙配合 工件的工序基准为孔心 试确定孔销间隙配合时的定位误差 2 分析是否存在基准位置误差 定位基准孔与心轴在任意点接触 3 计算定位误差 工件上定位孔的最大直径 夹具上定位销的最小直径 孔径公差 例2 求加工尺寸A的定位误差 解 1 计算 定位基准为底面 工序基准为圆孔中心线 定位基准与工序基准不重合 工序基准的位移方向与加工尺寸的方向间夹角为45 则有 2 计算 定位基准与限位基准重合 3 计算 0 1414 例3 钻绞凸轮上的两个小孔 2 16mm 的定位方式如图所示 定位销的直径为 定位孔的直径为 求加工尺寸 mm的定位误差 解 1 定位基准与工序基准重合 2 定位基准相对于限位基准单向移动 定位基准移动方向与加工尺寸间的夹角为 则有 3 例4 铣轴零件外圆上的键槽 以圆柱面 在 的V型块上定位 不考虑V型块 角的制造误差 求加工尺寸分别为 时的定位误差 解 1 加工尺寸 的定位误差 的工序基准是圆柱轴线 定位基准也是圆柱轴线 两者重合 定位基准与限位基准不重合 两者的相对位移量为 与加工尺寸方向一致 故 2 加工尺寸 的定位误差 的工序基准是圆柱下母线 定位基准是圆柱轴线 两者不重合 定位尺寸 故 定位基准与限位基准不重合 工序基准在定位基面上 当定位基面直径有大变小时 定位基准朝下变动 当定位基面直径由大变小时 假定定位基准不动 工序基准朝上变动 两者变动方向相反 取 号 工件以外圆在V形块上定位时的基准位置误差 3 加工尺寸 的定位误差 的工序基准是圆柱上母线 定位基准是圆柱轴线 两者不重合 定位尺寸 故 定位基准与限位基准不重合 工序基准在定位基面上 当定位基面直径有大变小时 定位基准朝下变动 当定位基面直径由大变小时 假定定位基准不动 工序基准朝下变动 两者变动方向相反 取 号 例5 叶轮加工的定位方式如图所示 工件以 的外圆柱面 在定位元件的 止口中定位 加工均匀分布的四槽 求槽的对称度的定位误差 解 1 对称度的工序基准是 的轴线 定位基准是工件 的轴线 两者不重合 2 定位基准相对限位基准可任意方向移动 其最大位移范围即为基准位移误差 3 工序基准不在定位基面上 故 定位误差太大 难以保证槽的对称度要求 如改用 孔定位 使 选定位心轴为 则 可满足加工精度要求 三 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 铣加工如图所示一个不完全球 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 m d 1tg dm 12 d 1 2 2 2 2 2 思考题1 有一批如图所示的工件 外圆 内孔和两端面均已加工合格 并保证外圆对内孔的同轴度误差在 范围内 今按图示的定位方案 用 30 6 0 007 0 020 心轴定位 在立式铣床上用顶尖顶住心轴铣12 9 0 0 043 的槽子 除保证槽宽要求外 还应保证下列要求 1 槽的轴向位置尺寸 1 25 12 0 0 21 2 槽底位置尺寸 1 42 12 0 0 25 3 槽子两侧面对 50外圆轴线的对称度公差 试分析计算定位误差 判断定位方案的合理性 解 1 槽的轴向位置尺寸 的定位误差定位基准与工序基准重合 基准位置误差 所以 2 槽底位置尺寸 的定位误差槽底的工序基准是外圆的下素线 定位基准是内孔的轴线 两者不重合 基准位置误差 定位误差占尺寸公差的 能保证加工要求 3 槽底两侧面对外圆轴线的对称度的定位误差工序基准是外圆轴线 定位基准是内孔轴线 两者不重合 有同轴度误差 基准位置误差 定位误差占尺寸公差的 能保证加工要求 该定位方案能满足槽子加工的精度要求 定位方案是合理的 一面两孔定位 圆柱销与菱形销 直线位移误差圆柱销 定位基准可任意方向移动 孔销最大间隙菱形销 在两孔连线方向 由于削边不限制该方向上的自由度 所以 通过菱形销轴心垂直于两孔连线方向上 角位移误差当工件做同时向上移动时 由于菱形销与第二孔的配合间隙大于圆柱销与第一孔的配合间隙 会产生转角误差 工件一端向上 另一端向下做反向运动时 其转角误差为 3 复合误差当加工尺寸平行于或垂直于两定位孔连线时 则存在直线位移误差和角位移误差 其大小应为复合误差 直线位移误差 角位移误差 例 工件采用一面两孔定位 如图所示 两定位销垂直放置 现在工件上钻两孔 能保证尺寸 及 若定位误差只占工件公差的1 2 试计算上述定位 能否满足 两孔的位置精度要求 如不能满足 应采取何种措施 解 1 孔 位置尺寸的定位误差计算 工序尺寸 的定位误差尺寸 的工序基准是孔 的轴线 定位基准也是孔 的轴线 两者重合 由于孔 与销 有配合间隙 工件定位孔可任意方向移动 因此 工序尺寸 的定位误差尺寸 的工序基准是孔 的连线 定位基准也是孔 的连线 两者重合 尺寸的垂足在两孔连线之间 基准位移误差以任意转动的同向移动为最大 即 满足加工精度要求 2 孔 位置尺寸的定位误差计算 尺寸 的定位误差尺寸 的工序基准是孔 的轴线 定位基准也是孔 的轴线 两者不重合 尺寸 在两孔连线方向 由于削边不限制该方向上的自由度 工序基准不在定位基面上 则 孔 平行于在两孔连线方向的尺寸 应以定位孔 的中心线为工序基准标注 即可消除 以满足加工精度要求 尺寸 的定位误差尺寸 的工序基准是孔 的连线 定位基准也是孔 的连线 两者重合 尺寸的垂足在两孔连线之间 基准位移误差以任意转动的同向移动为最大 即 满足定位精度要求 思考题2 工件以一面两孔为定位基面在垂直放置的一面两销上定位铣A面 如图22所示 要求保证工序尺寸H 60 0 15 mm 已知 两定位基面孔直径 两孔中心距 两个定位销的直径尺寸分别为 试计算此工序的定位误差 解 尺寸H的定位基准为O1O2连线 工序基准也为O1O2连线 两者重合 所以 工件在两定位销上定位时 相对于两定位销轴线O1O2 两定位孔轴线可以出现如图所示的两个极限位置 和 使工序尺寸H的工序基准O1O2发生偏转 引起定位误差 0 0925 即如何减少或消除基准位置误差和基准不重合误差 1 减少或消除基准位置误差的措施 1 选用基准位置误差小的定位元件A 以毛坯平面作为定位基准时 可以多点自位支承取代球头支承钉 B 以内孔和端面定位时 可应用浮动球面支承 以减小轴向定位误差 四 提高工件在夹具中定位精度的措施 2 合理布置定位元件在夹具中的位置A 以毛坯平面定位时 尽力增大支承间的间距B 以外圆或外圆组合定位时 亦应尽力增大定位元件间的间距C 应用固定平面支承与活动锥面组合定位 3 提高工件定位表面与定位元件的配合精度例如 以内孔或外圆定位时 应尽量减小它与定位元件之间的最小间隙 4 正确选取工件上的第一 第二和第三定位基准第一定位基准基准位置误差最小 应以直接与加工精度有关的基准作为第一定位基准 2 消除或减小基准不重合误差的措施 1 尽可能以工序基准作为定位基准 2 根据加工精度高低 选择第一 第二定位基准 第三节工件的夹紧 82 一 对工件夹紧装置的要求 1 在夹紧过程中应能保持工件定位时所获得的正确位置不变 2 夹紧应可靠和适当 夹紧机构一般要有自锁作用 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 一 夹紧力方向选择的原则 1 应有利于工件的准确定位 主要夹紧力应垂直指向工件主要定位基准面 二 夹紧力的确定 包括大小 方向和作用点三个要素 2 应尽量与工件刚度最大的方向相一致 以减小工件变形 直角支座零件上镗孔 薄壁套筒夹紧 多向施力与一力多用 3 应尽可能与切削力 工件重力方向一致 以减小所需夹紧力 1 夹紧力作用点应正对支承元件或位于支承元件所构成的稳定受力区内 以保证工件已获得的定位不变 二 夹紧力作用点的选择 力作用点的位置和数目 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 夹紧力 的作用点 B点 处于支承元件构成的稳定受力区内 使工件定位稳定 夹紧力 的作用点 A点 则会破坏工件的正确定位 垫圈 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 两种滚齿加工工件装夹方案中 a夹紧力作用点离工件加工面远 不正确 应改为b 估算夹紧力的一般方法 三 夹紧力大小的估算 夹紧力不足 将使工件在切削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 将工件分离 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最后将此最小夹紧力乘以一适当的安全系数 可得到所需要的夹紧力 式中 实际所需的夹紧力 按静力平衡求出的夹紧力k 安全系数安全系数k值的取值范围为1 5 2 5 视其具体情况而定 精加工 连续切削 切削刀具锋利等加工条件好时 取小值 粗加工 断续加工 刀具刃口钝化等加工条件差时 取大值 当夹紧力与切削力方向相反时 可取2 5 3 例1 在车床上用三爪自定心卡盘装夹工件加工外圆表面 夹紧力的计算 解 以工件为受力单元体 并且在垂直工件轴线的平面内求力矩平衡 设每个卡爪的径向夹紧力为 则卡爪与工件之间的摩擦力为 则有平衡方程为 解方程得 则实际夹紧力为 式中 实际所需的夹紧力 k 安全系数 主切削力 卡盘夹持端工件直径 工件切削后直径f 卡爪与工件之间的摩擦系数 参见表6 2 例2 工件铣削加工如图所示 注意 夹紧力的估计很粗略 当需要准确地确定夹紧力大小时 通常要用实验的方法 开始铣削时的受力情况最为不利 此时在力矩 的作用下有使工件绕O点转动的趋势 与之相平衡的是作用在A B点上的夹紧力的反力所构成的摩擦力矩 根据力矩平衡条件有 由此可求出最小夹紧力 考虑安全系数 最后有 三 常用夹紧机构 一 斜楔夹紧机构 b 双斜面斜楔夹紧机构1 夹具体2 斜楔3 工件 a 翻转式钻模1 夹具体2 斜楔3 工件 c 螺旋面夹紧机构1 夹具体2 斜楔3 工件 大斜角斜面提高夹紧效率小斜角斜面可提高夹紧可靠性 加在斜楔上的外作用力 N 斜楔的升角 斜楔对工件的夹紧力 斜楔与工件间的摩擦角 斜楔与夹具体之间的摩擦角 斜楔的夹紧力 斜楔自锁条件 斜楔夹紧机构适用范围斜楔夹紧机构增力比小 效率低下 多用于机动夹紧机构中 1 作用原理及典型结构 相当于将斜楔绕在圆柱体上 作用原理与斜楔夹紧相似 旋转螺旋时 斜面上升 从而对工件进行夹紧 二 螺旋夹紧机构 螺旋夹紧力的计算公式 2 需准确地确定螺旋夹紧力时 通常要求采用实验的方法 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 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 快撤螺旋夹紧装置1 螺杆2 螺钉 三 偏心夹紧机构 用偏心件直接或间接夹紧工件的机构 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 靠偏心轮回转时回转半径变大而产生夹紧作用 a 利用偏心轮夹紧工件b 和c 偏心压板夹紧结构 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 偏心轮作用点当 时 接近最大值 3 偏心夹紧的夹紧力估算 2 偏心夹紧的自锁条件 轮周作用点处的摩擦系数 轮周作用点处与转轴处的摩擦角 夹紧力 作用在手柄上的原始力 L 作用力的力臂 偏心转动中心到作用点之间的距离 转轴处摩擦角 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 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 双臂双向铰链夹紧机构2 单臂铰链夹紧机构的夹紧力计算公式 3 铰链夹紧机构的特点 优点 动作迅速 增力比大 并易于改变力的作用方向 缺点 自锁性能差 应用 多用于机动夹紧机构中 定心夹紧机构是一种同时实现对工件定心定位和夹紧的夹紧机构 在夹紧过程中 能使工件相对于某一轴线或某一对称面保持对称 定心夹紧机构按其工作原理分为两大类 1 以等速移动原理工作的定心夹紧机构如斜楔定心夹紧机构 螺旋定心夹紧机构 杠杆定心夹紧机构等 2 以均匀弹性变形原理工作的定心夹紧机构如弹簧夹头 薄膜卡盘 液塑定心夹紧机构 碟形弹簧定心夹紧机构 折纹薄壁套定心夹紧机构等 五 定心夹紧机构 六 联动夹紧机构 在一处施力 对一个工件上的几个点或对多个工件同时进行夹紧的机构 为了减少工件装夹时间 简化结构 常常采用各种联动夹紧机构 多件联动夹紧机构多用于铣床上装夹小型工件 在设计联动夹紧机构时 一般应设计浮动环节 以使各夹紧点获得均匀一致的夹紧力 特别是在多件夹紧时尤为重要 工件装夹中所使用的高效率夹具 大多数采用机动夹紧方式 如气动 液压 电磁 电动 真空等装置 其中以气动与液压动力装置使用最广 四 夹紧机构的动力装置 一 气动夹紧装置使用最广泛的一种机动夹紧方式 其动力来源是压缩空气 工作压力0 4 0 6MPa 气动传动系统中的气压传动装置是气缸 常用的气缸有两种形式 即活塞式气缸和薄膜式气缸 高速回转时 使用回转式气缸必须加以仔细的平衡 否则会使主轴负荷增加 此时采用不动式气缸为好 拉杆3随主轴一起转动 而气缸不动 与活塞式气缸相比 薄膜式气缸具有密封性好 结构简单 寿命较长等优点 缺点是工作行程较短 二 液压夹紧装置液压夹紧较气压压紧有以下优点 1 工作压力可达5 6 5MPa 传动力大 可采用直接夹紧方式 结构尺寸小 2 油液不可压缩 故夹紧刚性大 工作平稳 可靠 3 噪声小 P1和P2的比值是增压器的重要性能指标 增压系数 由气缸1中活塞的受力平衡条件有 可导出增压系数为 三 气 液增压夹紧装置以压缩空气为动力源 通过压力油来传力和增力 它集合了气动和液压传动两者的优点 可获得很大的传动力而结构尺寸又较小 式中 压缩空气工作压力 压力油的工作压力D 气缸直径d 活塞杆直径 如图所示 在拨叉上铣槽 最后一道工序的加工要求为 槽宽16H11 槽深8mm 槽侧面与 25H7孔轴线的垂直度0 08mm 槽侧面与E面的距离为11 0 2mm 槽底面与B面平行 试设计其定位装置及手动夹紧装置 四 工件装夹实例分析 一 定位方案分析确定要限制的自由度 选择定位基面及定位元件1 确定要限制的自由度分析工序加工要求需要限制的自由度 为保证尺寸 须限制 尺寸8mm 须限制 平衡铣削力 须限制 为保证键槽侧面对 25H7的垂直度 须限制 总体分析 需完全定位 2 定位方案分析根据加工要求需要限制的自由度 选择定位基面及定位元件 确定定位方案 分析 支承板限制 短圆柱销限制 没有限制 属于欠定位 不能满足工序加工要求 另外键槽侧面垂直度的工序基准为 25H7孔轴线 而第一定位基准为E面 工序基准与定位基准不重合 不利于保证键槽侧面对 25H7孔轴线的垂直度要求 方案I 以E面作为主要定位基面 内孔 25H7作为第二定位基面 以短圆柱销配合限位 为提高工件的装夹刚度 C面加一辅助支承 如图a 所示 分析 长圆柱销限制 支承钉限制 未被限制 欠定位 该方案符合基准重合原则 有利于保证键槽侧面对 25H7孔轴线的垂直度要求 但不便于夹紧 由于支承钉与E面的接触面积太小 夹紧时极易产生歪斜变形 夹紧也不可靠 方案 以 25H7孔轴线作为第一定位基准 限位采用长圆柱销 第二定位基准为E面 限位元件为支承钉 同样在C面加一辅助支承 b 所示 方案 以 25H7孔轴线作为第一定位基准 限位采用长圆柱销 第二定位基准为E面 限位元件为支承板 第三定位基面为 55H12半圆孔面一侧 限位元件为一止转销 如图c 所示 分析 长圆柱销限制 支承板限制 止转销限制 被重复限制 过定位 工件夹紧后会产生变形 但 C面对 25H7孔轴线有较高的垂直度 定位基面间有较高的位置精度 工件夹紧后不会产生较大变形 能满足加工精度要求 工序基准与定位基准重合 有利于保证键槽侧面对 25H7孔轴线的垂直度要求 槽宽尺寸16H11由铣刀保证 槽侧面与E面之间的距离尺寸 及槽侧面与 25H7孔轴线的垂直度要求0 08mm 其它要求为未注公差尺寸 1 尺寸 的定位误差1 尺寸 的工序基准是E面 定位基准也是E面 基准重合 2 支承板与工件的E面重合 3 二 计算定位误差 2 槽侧面与 25H7孔轴线的垂直度要求的定位误差1 垂直度的工序基准是 25H7孔轴线 定位基准也是 25H7孔轴线 基准重合 2 25H7孔与长圆柱销存在配合间隙 定位基准相对限位基准可以两个方向转动 此处槽深为8mm 所以基准位移误差为 3 定位误差 由于定位误差只有垂直度要求 0 08mm 的1 8 故此装夹方案的定位精度足够 方案 对E面和 25H7孔端面均施加夹紧力 夹紧力均施加在了工件刚性较好的部位 夹紧变形小 夹紧可靠 如图 b 所示 三 夹紧方案分析 方案I 对E面施加夹紧力 由于支承板距加工表面较远 铣槽时的切削力较大 须再增加一个距切槽处较近的夹紧力 如图 a 所示 工件该部位的刚性较差 夹紧变形大 综合以上分析 拨叉铣槽的装夹方案如图所示 装夹时 先拧紧钩形压板 再调整好辅助支承 最后插上开口垫圈 拧紧螺母 1 钩形压板 2 螺母 3 开口垫圈 4 长销 5 滑柱 6 辅助支承板 7 挡销 8 夹具体 第四节各类机床夹具 120 一 车床与磨床夹具 车床与磨床夹具主要用于加工零件的内外圆柱面 圆锥面 回转成形面 螺纹及端平面等 1 车床夹具的类型与典型结构 根据工件的定位基准和夹具本身的结构特点 车床夹具可分为以下四类 1 以工件外圆定位的车床夹具 如各类夹盘和夹头 2 以工件内孔定位的车床夹具 如各种心轴 3 以工件顶尖孔定位的车床夹具 如顶尖 拨盘等 4 用于加工非回转体的车床夹具 如各种弯板式 花盘式车床夹具 CA6140普通卧式车床 当工件定位表面为单一圆柱表面或与被加工表面相垂直的平面时 可采用各种通用车床夹具 如三爪自定心卡盘 四爪单动卡盘 顶尖 花盘等 可参考 机械加工技师综合手册 当工件定位面较复杂或有其他特殊要求时 应设计专用车床夹具 2 车床夹具设计要点 1 车床夹具总体结构夹具的结构应尽量紧凑 重心应尽量靠近主轴端 一般要求夹具悬伸不大于夹具轮廓外径 对于弯板式车床夹具和偏重的车床夹具 应采用加平衡块 配重 的方法进行平衡 为保证工作安全 应加防护罩 要求车床夹具的夹紧机构要能提供足够的夹紧力 且有较好的自锁性 以确保工件在切削过程中不会松动 2 夹具与机床主轴的联接 车床夹具与机床主轴的联接方式取决于机床主轴轴端的结构及夹具的体积和精度要求 常见的联接方式有 夹具体以长锥柄安装在主轴锥孔内 这种方式定位精度高 但刚性较差 用于小型车床夹具与主轴的联接 夹具以端面和圆孔在主轴上定位 孔与主轴轴颈的配合一般取H7 h6 这种联接方法制造容易 但定位精度不很高 夹具以端面和短锥面定位 这种安装方式不但定心精度高 而且刚性好 过渡盘与机床主轴联接 大都采用止口 一个大平面加一短圆柱面 联接方式 3 磨床夹具磨床夹具同车床夹具相类似 车床夹具的设计要点同样适合于外圆磨床和内圆磨床夹具 薄膜卡盘是一个在内圆磨床上使用的夹具 右移推杆9 使薄膜盘中部向右凸起 卡爪张开 可安装工件 当推杆的推力取消后 薄膜盘在弹性恢复力的作用下 通过卡爪 将工件夹紧 该类卡盘定心精度很高 但夹紧力有限 该夹具在内圆磨床上使用 以齿轮节圆定位 磨齿轮内孔 可保证被加工孔与齿面有较好的同轴度 二 钻床夹具和镗床夹具 摇臂钻床 钻床夹具因大都具有刀具导向装置 习惯上又称为钻模 主要用于孔加工 在机床夹具中 钻模具有很大的比例 1 钻模的类型与典型结构固定式钻模 回转式钻模 翻转式钻模 盖板式钻模 滑柱式钻模 加工中钻模相对于工件的位置保持不变的钻模称为固定式钻模 回转式钻模的结构特点是夹具具有分度装置 翻转式钻模加工时 将工件同夹具一起翻转 对于需要在多个方向上钻孔的工件 使用这种钻模非常方便 但由于加工过程中需要人力翻转 因此夹具连同工件一起重量不能太大 盖板式钻模的特点是没有夹具体 盖板式钻模的优点是结构简单 多用于加工大型工件上的小孔 加工车床溜板箱上多个小孔的盖板式钻模 它用圆柱销2和菱形销3在工件两孔中定位 通过3个支承钉4安放在工件的端面上 滑柱式钻模是一种具有升降模板的通用可调整钻模 手动滑柱式钻模结构 由钻模板 滑柱 夹具体 传动和锁紧机构组成 这些结构已标准化并形成系列 多采用锥面锁紧机构 压紧工件后 作用在斜齿轮上的反作用力在齿轮轴上引起轴向力 使锥体A在夹具体的内锥孔中锁紧 从而锁紧钻模板 当加工完毕后 升起钻模板到一定高度 此时钻模板自重作用使齿轮轴产生反向轴向力 使锥体与锥套的锥孔锁紧 钻模板也被锁死 2 钻模设计要点 1 钻套钻套是引导刀具的元件 用以保证孔的加工位置 并防止加工过程中刀具的偏斜 1 钻套 钻套按其结构特点可分为四种类型 即固定钻套 可换钻套 快换钻套和特殊钻套 2 钻套分类 固定钻套直接压入钻模板或夹具体的孔中 位置精度高 但磨损后不易拆卸 故多用于中小批量生产 可换钻套以间隙配合安装在衬套中 而衬套则压人钻模板或夹具体的孔中 为防止钻套在衬套中转动 加一固定螺钉 可换钻套磨损后可以更换 故多用于大批量生产 快换钻套具有快速更换的特点 更换时不需拧动螺钉 只要将钻套逆时针方向转动一个角度 使螺钉头对准钻套缺口 即可取下钻套 多用于同一孔需要多个工步 如钻 扩 铰等 加工的情况 上述三种钻套均已标准化 可查阅夹具设计手册 特殊钻套用于特殊加工场合 如在斜面上钻孔 在工件凹陷处钻孔 钻多个小间距孔等 此时无法使用标准钻套 可设计专用钻套 钻套中导向孔的孔径及其偏差的确定 通常取刀具的最大极限尺寸为引导孔的基本尺寸 孔径公差依加工精度确定 钻孔和扩孔时通常取F7 粗铰时取G7 精铰时取G6 若钻套引导的不是刀具的切削部分而是导向部分 常取配合H7 f7 H7 g6或H6 g5 钻套高度H的确定 直接影响钻套的导向性能 同时影响刀具与钻套之间的摩擦情况 通常取H 1 2 5 d 对于精度要求较高的孔 直径较小的孔和刀具刚性较差时应取较大值 钻套与工件之间一般应留有排屑间隙 此间隙不宜过大 以免影响导向作用 一般可取h 0 3 1 2 d 加工铸铁 黄铜等脆性材料时可取小值 加工钢等韧性材料时应取较大值 当孔的位置精度要求很高时 也可取h 0 钻模板用于安装钻套 钻模板与夹具体的联接方式 固定式铰链式分离式悬挂式 2 钻模板 固定式钻模板直接固定在夹具体上 结构简单 精度较高 铰链式钻模板