第二章工件的安装和夹具设计

1 第二章工件的安装和夹具设计 2 2 夹紧 工件定位后 通过一定的机构给工件施以一定的力 避免工件因受切削力或重力等力的作用而改变原有的位置 2 1工件的安装方式 一 安装 定位夹紧 1 定位 在进行机加工前 使工件在机床或夹具上 占据某一正确位置的过程 定位在前 夹紧在后定位是首要的 3 二 安装对机加工的影响 直接影响加工精度 影响生产率和劳动者的劳动强度 三 工件的安装方式 1 直接找正安装 2 划线找正安装 3 采用夹具安装 4 工件在机床上的应有位置 是通过一系列尝试而获得的 具体做法 用千分尺或划盘上的划针 以目测法校正工件位置 一边校正 一边找正 1 直接找正安装 5 直接找正安装的特点 缺点 安装时费时 效率低 需凭经验操作 对工人技术要求高 优点 夹具结构简单 可避免因夹具本身的制造误差而产生的定位误差 因此 定位精度高 适用场合 单件小批生产中 如工具修理车间 6 适用场合 生产批量小 毛坯精度低 以及大型工件等不适宜采用夹具的粗加工中 2 划线找正安装 对重 大 复杂工件的加工 往往是在待加工处划线 然后装上机床 工件在机床或夹具上位置按所划的线进行找正定位 划线找正安装特点 定位精度不高 定位误差来源 划线误差 观察误差 7 利用夹具进行加工 由于工件相对夹具的位置是一定的 而夹具与机床的位置关系预先调整好 这样 在切削一批零件时 不必再逐个找正定位 就能达到规定的技术要求 3 采用夹具安装 夹具 是用来使加工对象 占有正确位置 以便接受加工 检测的装置 8 采用夹具安装是一种先进的安装方式 既能保证质量 又能节省工时 对操作者的技能要求较低 特别适用于成批大量生产中 特点 9 工艺装备 指为实现工艺过程所需的各种刃具 夹具 量具 模具 辅具 工位器具等的总称 10 2 2机床夹具概述 一 机床夹具及其组成 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个正确的位置 并在加工过程中保持这个位置不变 1 机床夹具 11 用以夹紧工件的元件 夹紧用的扳手 操作手柄 分度机构和安全保护装置等 6 其它辅件 2 机床夹具的组成 1 定位元件 确定工件在夹具中位置的元件 2 导向元件 用以引导刀具或调整刀具相对于夹具的位置 如 钻套 对刀块 基础件 用于安装其它元件 形成整体 并通过它将夹具安装在机床上 用以确定夹具在机床上的位置并与机床相连接 3 夹紧元件 4 连接元件 5 夹具件 12 二 机床夹具的分类 1 分类方法 1 按夹具的应用范围 通用夹具 专用夹具 可调夹具 组合夹具 随行夹具 机床夹具通常按夹具的应用范围进行分类 3 按夹紧力来源 手动夹具 气动夹具 液压夹具 电磁夹具 真空夹具 2 按加工类型 车床夹具 钻床夹具 镗床夹具 磨床夹具 数控机床夹具等 13 1 通用夹具 已标准化 通用化性好 可用于加工同一类型 不同尺寸工件加工的夹具 如 三爪卡盘 四爪卡盘 平口钳 回转工作台 万能分度头 磁铁吸盘 适用场合 广泛用于单件 小批量生产中 14 2 专用夹具 是专为某一工件的某道工序而专门设计 制造的 这种夹具 刚性 大 即当产品变换或工序内容变更后 往住无法使用 因此适用于产品固定 工艺相对稳定 批量大的加工过程 3 可调夹具 是指经调整或更换个别元件 即可加工多种工件的夹具 这种夹具主要用于加工形状相似 尺寸相近的工件的加工 15 4 组合夹具 拼装夹具 这种夹具是在夹具零部件完全标准化的基础上 根据积木化原理 针对不同的工件对象和加工要求 拼装组合则成夹具 构成夹具的各零部件 在工件加工完后 可拆散成各种元件 组合成适用其它产品加工要求的夹具 图示见下页 当今生产发展趋势 多品种 小批量 由此导致对生产装备的要求是高效 快捷的柔性系统 16 17 18 钻孔组合夹具 19 20 5 随行夹具 切削加工中隨帶安裝好的工件在各工位間被自動運送轉移的機床夾具 隨行夾具主要是在自動生產線 加工中心中 柔性生产线 21 三 机床夹具的作用 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 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 22 扩大机床的功能 实现一机多用 4 减轻工人劳动强度 保证安全生产 3 扩大机床工艺范围 如在车床上利用镗夹具 进行镗孔 利用铣夹具 进行铣槽 23 2 3六点定位原理 任何刚体在空间都有六个自由度 它们分别是沿空间直角坐标系X Y Z轴方向的移动自由度 X YZ 和绕三轴的转动自由度 X Y Z 一 刚体的六个自由度 24 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 2 工件定位目的 使工件在机床上 或夹具中 完全定位 就必须限制它在空间的六个自由度 3 工件定位实质 25 定位是使工件占有一个正确的位置 夹紧才能使工件不能移动和转动 把其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 26 用六个支承点 实际上相当于定位元件 与工件接触 每个支承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 4 六个自由度的消除与六点定位原则 了刚体的六个自由度 工件既不能移动 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 支承点 27 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 是否所有的工件加工时在夹具中都必须完全定位呢 不一定 究竟应该限制哪几个自由度 根据零件的具体加工要求来定 因我们讨论的是调整法定程切削加工 即刀具或工作台的行程调整至规定的距离为止 这样 在哪一个方向上有尺寸要求 就必须限制与此尺寸方向有关的自由度 否则用定程切削 就得不到该工序所要求的加工尺寸 5 完全定位和不完全定位 动画 28 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 29 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 30 6 欠定位与过定位 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 1 欠定位时 会造成什么后果 结果 应限制的自由度未被限制 导致加工时达不到要求的加工精度 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 31 32 注 过定位一般不允许 若工件上的定位面精度较高时 允许过定位 这样定位刚度好 振动小 有利于提高加工精度 33 1 方法问题 根据工序加工技术要求和工件形状的特点 确定应限制哪些自由度 然后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 7 应用六点定位原则应注意的问题 2 过定位有时是允许的 而欠定位决不允许 欠定位的后果只能导致加工时达不到加工精度 34 3 必须结合定位基准面和定位元件的接触情况来分析自由度限制的数目 4 定位与夹紧 35 定位方式用六点定位原理进行定位分析时 以支承 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定位方式来实现 2 4工件在夹具上的定位 36 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 一 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 只起预定位 增加工件和夹具刚性等作用 37 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 面接触 用于经过精加工的表面定位 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 用于粗加工中 38 b 钉尾部与基体孔的配合 过盈配合 H7 r6或H7 n6加中间套 可换 套与夹具体上孔为过盈配合 套与支承钉尾部可选过渡配合H7 js6 网纹顶面 与定位面摩擦力较大 可阻碍工件移动 加强定位稳定性 槽中易积屑 多用在粗糙表面的侧面定位 39 c 支承钉布置原则 三点 组成的平面面积尽可能大 二点 距离尽可能长 一点 应与切削力方向对应 40 支承板用于较大已加工平面的定位 所以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 结构形式及应用场合 A型制造简单 常用于侧面定位B型切有斜槽 易于清屑 常用于底面定位 41 b 应用场合 用于难以用支承钉布置成合适的 稳定的定位中 c 材料 D 12的支承钉和小型支承板 用性能较好的T7A钢 淬硬HRC60 64 对D 12的支承钉和大型支承板 一般用20 钢渗碳淬火 渗碳深度为0 8 1 2mm 硬度至HRC60 64 d 注意 为保持几块支承板在同一平面上 在装配后应将顶部进行统磨 有精度要求或使支承板装配牢固 需加定位销 42 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 43 方法 一批工件调整一次 调整后应锁紧 44 3 自位支承 浮动支承 45 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 注意 设计自位支承时 应考虑可动部分有足够的摆动余量 特点 46 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 47 b 作用 工件定位后才参与支承 不起消除自由度作用 起减小工件变形和振动的作用 提高夹具工件的稳定性 提高工件的刚性 c 应用场合 工件刚性差 受力易变形的场合 辅助支承不应破坏原有定位 注意 48 d 结构形式 螺旋式 结构简单 易顶起工件 用限力扳手 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 螺旋式 自位式 推引式 49 二 工件以外圆定位 工件以外圆定位时 常用的有V形块 定位套筒及剖分套筒 自动定心机构 三爪卡盘 弹簧夹头 锥孔 自动定心夹头 1 V形块V形块的定位情况 50 常取90 或120 工艺槽 降低应力集中 便于v形工作面加工 支承面和底面精度要求较高 安装时 需采用定位销孔 有定位销孔和安装孔 a V形块结构 已标准化 支承面 支承面 定位销孔 工艺槽 底面 51 对中性好 非完整外圆表面的定位 V形块装在夹具体上时 除用螺钉紧固外 还要加装定位销 20 钢 热处理 渗碳深度0 8 1 2mm 淬硬HRC60 64 大型V形块 可用铸铁在支承面上镶以淬硬耐磨的钢板 b 特点 c 材料 52 2 定位套筒及剖分套筒 定位套筒特点 元件结构简单 定心精度不高 当工件外圆与定位圆孔配合较松时 易使工件倾斜 可考虑利用套筒内孔及端面一起定位 当端面大时 定位孔应短些 以避免产生过定位 短 53 定位套与夹具体配合 小 H7 r6或H7 s6较紧 大 N7 R6或H7 js6较松 装入后再用螺钉拧紧 剖分套筒主要用于大型轴类零件的精密轴径定位 以便于安装 结构 下半孔起定位作用 上半孔起夹紧作用 剖分套筒 54 3 外圆定心夹紧机构 55 三 工件以内孔定位 工件以内孔定位时 常用的有 定位销 定位心轴 自动定心机构 如三爪卡盘 弹簧心轴等 1 定位销 通常结合端面定位 可换式 用于大量生产中 易于更换 更换时为避免破坏夹具体加上衬套 定位销与衬套配合H7 js6 H7 n7 56 e 削边销 用于两个圆孔表面组合定位的需要 长销 限4 短销 限2 削边销 限1 57 圆锥销特点 定心好 轴向定位精度不高 常用于浮动定位 限3 58 根据工件的形状和用途的不同 定位心轴的结构形式很多 常用的有下列几种形式 a 带小锥度的心轴 1 5000 1 1000 限5个自由度 定心精度高 可达0 005 0 01mm 但轴向位移大 传递扭矩小 使用于精加工中 2 刚性心轴 59 b 圆柱形心轴 紧配合 工件与心轴定位部分为过盈配合 采用r6 s6配合 轴向位置较固定 通过限位套 前端加有导向部分 与工件为间隙配合 保证工件用手能自由套入 60 c 心轴 间隙配合 工件与心轴为间隙配合 心轴采用h6 g6 f7制造 同心度不高 装卸方便 端部夹紧 d 花键心轴 61 3 内圆定心夹紧机构作用原理与外圆定位相同 孔用涨紧套 62 四 工件以组合表面定位 工件以组合表面定位时 几个定位表面间的相互位置 总是具有一定的误差 若将所有的支承元件都做成固定的 工件将不能正确定位甚至无法定位 因而 在组合表面定位时 必须将其中的一个 或几个 支承做成浮动的 或虽是固定的 但能补偿其定位面间的误差 63 1 以轴心线平行的两孔定位 一面两孔 箱体类大 中型零件的加工中 如机床主轴箱 发动机机体 以一面两孔定位 工件以两孔定位的方式 在生产中普遍用于 64 解决办法 1 右孔与右销间给予较大的配合间隙 足以补偿工件两孔和两销中心距的误差 但这样定位误差较大有时也会造成工件位置的偏斜 2 将右边定位销在两销连心线的垂直方面削去两边 做成削边销 这样在此连心线方向上获得间隙补偿 能使工件两孔与两销顺利安装且使定位较准确 比较 方法1简单 但增大转角误差 方法2更为科学 65 若工件在垂直平面定位后 再将工件左端外圆 用圆孔或V形定位时 则工件右端外所用的V形块 一定要做成浮动结构 这时只起限制一个自由度的作用 否则就会过定位 2 以轴心线平行的两个圆表面定位 66 两个零件 a b 均需以大孔及底面和背面定位 加工两个小孔 可以有两种定位方案 视其加工尺寸要求而定 根据基准重合原则 如右上图零件应选用右下图方案 即平面用支承板定位 孔用削边销定位 3 以一个孔和一个平行于孔中心线的平面定位 且削边方向应平行于定位平面 以补偿孔中心线与底面间距离的尺寸误差公差 67 如右上图零件 则宜采用右下图的方案 即孔用圆销定位 而平面下方则加入楔形块可使定位平面升降 以补偿工件孔与平面间的尺寸误差 68 图34 1夹紧装置的组成1 气缸2 斜楔3 滚子4 压板 2 5工件的夹紧 一 夹紧装置的组成 作用及基本要求 组成 1 力源装置2 中间传力机构3 夹紧元件 69 作用 1 夹紧时不破坏工件定位 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 1 改变作用力的方向 2 改变作用力的大小 3 使夹紧实现自锁 70 工件夹紧的基本要求 确定夹紧方案一般应与定位问题同时考虑 为达到以上三个要求 正确设计夹紧机构 首先必须合理确定夹紧力的三要素 大小 方向和作用点 夹得稳 不破坏稳定的正确定位 刚度足够 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 夹得快 机构简单 紧凑 操作安全 省力 迅速方便 71 二 夹紧力确定 1 夹紧力方向的确定 不破坏定位的准确性 朝向是定位基准 夹紧力方向应使工件变形尽可能小 夹紧力方向应使所需夹紧力尽可能小 72 P 切削力 W 重力 Q 夹紧力 P W相同时 哪一情况Q可最小 由此可见 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 73 2 夹紧力作用点的选择 夹紧力应落在支承元件上或几个支承元件所形成的平面上 夹紧力应落在工件刚性较好的部件上 夹紧力应尽量靠近加工面 74 夹紧力应落在工件刚性较好的部件上 75 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 3 夹紧力大小的估算 估算夹紧力的方法 首先 将工件视为分离体 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的最小夹紧力 最后将乘以一合适的安全系数 以此作为所需的夹紧力 76 典型夹紧机构 常见的有斜楔 偏心 螺旋和铰链等夹紧机构 斜楔 偏心 螺旋是利用机械摩擦的斜楔自锁原理 1 斜楔夹紧 77 斜楔夹紧的特点 1 斜楔机构简单 有增力作用 一般扩力比 约为3 愈小 增力作用愈大 2 斜楔夹紧行程小 且受斜楔升角 影响 增大 可加大行程 但自锁性能变差 与上表面的摩擦角与下表面的摩擦角 为解决增力 行程之间矛盾 斜楔还可采用双升角形式 大升角用于夹紧前的快速行程 小升角则满足增力和自锁条件 3 夹紧和松开要敲击大 小端 操作不方便 78 手动操作的简单斜楔夹紧很少应用 而在常见的夹紧装置中 改变夹紧力方向和作为增力机构时则应用较多 材料 斜楔一般用20钢渗碳 淬硬HRC58 62 批量不大时也可用45钢 淬硬HRC42 46 如气 液压夹紧时 斜楔上作用的动力源是不间断的 所以不必自锁 可增大到15 30 79 2 螺旋夹紧螺旋夹紧结构简单 增力比大 自锁性好 夹紧可靠 所以在夹具中得到最广泛的应用 螺杆1在2中转动而起夹紧作用 螺母2采用可换式 其目的是为了内螺纹磨损后可及时更换 螺钉3用以防止2的松动 压块4是防止在夹紧时带动工件转动 并避免1的头部直接与工件接触而造成压痕 同时也可增大夹紧力作用面积 使夹紧更为可靠 简单的螺旋夹紧机构 80 实际生产中 采用螺旋 压板的组合夹紧 在手动操作时用得比单螺旋夹紧更为普遍 较典型有三种 图 a 扩力比最低 图 b 扩力比基本不变 81 图 c 操作省力 但结构受工件形状限制 故设计这类夹具时 要注意合理布置杠杆比例 寻求最省力 最方便的方案 82 螺旋夹紧的主要缺点安装 拆卸工件的辅助时间太长 而偏心夹紧是一种快速的夹紧机构 常用的有圆偏心和曲线偏心两种 可做成平面凸轮的形状 因圆偏心机构简单 制造方便 较曲线偏心应用广泛 3 偏心夹紧 83 c 保证足够的夹紧距离 指偏心轮工作部分与工作间接触点的最大垂直位移 D e值反映了偏心轮的偏心特性 它可用来表示偏心轮工作的可靠性 此值大 自锁性能好 但结构尺寸也大 满足偏心轮D e 14 20的条件时 机构即能自锁 在设计圆偏心时 应注意以下三个问题 a 自锁条件 b 保证足够的夹紧力 偏心夹紧必须保证自锁条件 84 加工时采取多件夹紧 可以大大提高生产率 尤其在小件加工时应用更为广泛 1 连续式夹紧 由一个力的来源 以同样大小的夹紧力 依次连续朝同一方向由一个工件传递到其他工件 4 多件夹紧 按夹紧力的方向及作用情况 多件夹紧可分为两种 85 使用连续式夹紧 沿夹紧方向 每个工