机床夹具设计

第三章第三章 机床夹具设计机床夹具设计 教学时数 计划 14 学时 教学目的 1 掌握定位误差计算 2 掌握夹紧力计算 3 掌握专用夹具设计要点 灵活运用定位元件和夹紧机构 根据 生产实际和可能设计专用夹具 教学重点 1 工件的定位及定位误差计算 2 工件的夹紧及夹紧力计算 3 夹具的设计及装置合理选择 教学难点 1 定位误差计算中基准不重合误差和基准位移误差的计算和分析 2 工件的受力分析及夹紧力的计算 第一节 概述 一 夹具的功能和分类 1 机床夹具的功用 实现工件定位和夹紧 使工件加工时相对于机床刀具有正确的位置 以保证工件的加工精度 图图 3 13 1 异形杠杆简图 异形杠杆简图 图图 3 23 2 车床夹具 车床夹具 异形杠杆加工需限制的自由度 工件用何定位元件 限制了哪些自由度 为何 V 型块 2 固定 V 形块 6 可调 且 V 型块 2 和 V 型块 6 开口方向不同 图图 3 33 3 盖板简图 盖板简图 图图 3 43 4 钻床夹具 钻床夹具 盖板钻孔 通 盲孔 应限制自由度 夹具用何定位元件来限制 各自由度 这里圆柱销 挡销 菱形销 各起什么作用 这里用左侧面和后侧面定位 是否用右侧面和前侧面定位 为什 么 机床夹具在加工中的作用 保证加工精度 提高劳动生产率 改善工人劳动条件 降低生产成本 扩大工艺范围 2 机床夹具的分类和发展 1 分类 图图 3 5 机床夹具的分类机床夹具的分类 按使用范围和特点分 通用夹具 专用夹具 组合夹具 可调夹 具 按使用的机床分 车床夹具 铣床夹具 钻床夹具 镗床夹具 2 发展 应适用于产品品种和更新换代快的要求 其方向为柔性化 精密化 高效 自动化 二 夹具的组成 1 定位元件 定位 使工件在夹具中占据正确的位置 2 夹紧装置 压紧夹牢 使工件不应受力而脱离已占据的正确位置 3 夹具体 基础件 4 其它装置 分度装置 对刀装置 导向元件 连接元件 第二节第二节 工件在夹具中的定位工件在夹具中的定位 夹具设计的任务 首先是选择和设计相应的定位元件来实现工序 图上 工艺文件 所要求的定位方案 工件 定位面 夹具 定位元件 限位面 定位基面 定位基准 限位基面 限位基准 回转表面 轴线 回转表面 轴线 平面 理想 平面 平面 理想 平面 主要定位面 主要限位面 一 工件以平面定位 1 主要支承 限制工件自由度 起定位作用 固定支承 支承钉 图图 3 6 3 6 支承钉支承钉 A 平头 精基准 B 球头 粗基准 C 齿纹头 侧面防滑 支承板 图图 3 73 7 支承板支承板 A 无斜槽 侧面 顶面 B 带槽 底面 调节支承 图图 3 3 8 8 调节支承调节支承 图图 3 9 3 9 调节调节支支承的应用承的应用 每个工件一调或每批工件一调 注意 调好后应锁紧 注意 调好后应锁紧 自位支承 浮动支承 图图 3 103 10 自位支承自位支承 能自动调节位置 只限制一个自由度 二点式自位支承 三点式自位支承 辅助支承 提高装夹刚度和稳定性 不起定位作用 图图 3 13 11 1 辅助支承辅助支承 注意 在工件定位后才与工件接触 然后锁紧 否则会产生过定位 注意 在工件定位后才与工件接触 然后锁紧 否则会产生过定位 1 螺旋式辅助支承 2 自位式辅助支承 3 推引式辅助支承 二 工件的圆柱表面定位 工件以圆孔定位 1 圆柱销 定位销 图图 3 12 3 12 定位销定位销 2 圆柱芯轴 图图 3 3 1 13 3 圆柱心轴圆柱心轴 a 间隙配合心轴 Dmin 公差 h6 g6 f7 结构简单精度低常孔端面组合定位 b 过盈配合芯轴 引导部分 工作部分 传动部分 d3 Dmin d2 DmaxR6 L L孔 2 L1 d 1 时 d1 DmaxR6 d2 DminH6 c 花键芯轴 由定心方式来确定心轴结构 3 圆锥销 限制三个自由度 图图 3 14 圆锥销定位圆锥销定位 单独定位易倾斜 一般由其它元件组合定位 定心 精度高 图图 3 15 3 15 圆锥销组合定位圆锥销组合定位 4 锥度芯轴 小锥度芯轴 定心精度高 轴向位移大 尺寸计算 图图 3 16 3 16 小锥度心轴小锥度心轴 表 3 1 小锥度心轴的尺寸计算 项目 计算内容 1 2 3 4 5 6 7 8 9 d1 Dmax 0 25TD Dmax 0 01 0 02 d1的公差取 0 01 0 005 C d1 Dmax K N Dmax Dmin K Td K Dmax工件孔的最大极限尺寸 F 0 3 0 5 D Dmin工件孔的最小极限尺寸 D2 d1 Kl Td工件孔的公差 l1 20 40 D工件孔的基本尺寸 l2 10 15 K心轴锥度 查表 3 2 L C N E F l1 l2 15 其它尺寸参见图 3 16 L d100 锥 度 K 0 01 2 5D 0 01 2D 0 01 1 5D 0 01 1 25D 0 01 D 0 01 100 表表 3 23 2 高高精精度心轴锥度推荐值度心轴锥度推荐值 2 工件以外圆柱面定位 图图 3 17 3 17 型块型块 图图 3 18 3 18 活动 形块活动 形块 图图 3 193 19 形块结构尺寸形块结构尺寸 V 型块 对中心性好 适用于粗 精基准面 圆柱面和圆弧面 V 型块两斜面夹角为 60 90 120 90 最常用 定位套 半圆套 三 组合定位方式 工件以一面两孔定位 一面两孔定位符合基准统一原则 定位简单 夹紧方便 一面二孔定位过定位干涉的最坏情况 图图 3 20 3 20 削边销尺寸计算削边销尺寸计算 二孔直径最小D min D min 二销直径最大d max d max 孔心距最大 销心距最小 或孔心距最小 销心距最大 中心距误差应由削边销补偿 销 孔的中心偏差在二种最坏 情况同为 表 3 3 削边销尺寸 D2 3 6 6 8 8 20 20 25 25 32 32 40 40 50 b 2 3 4 5 6 6 8 B D2 0 5 D2 1 D2 2 D2 3 D2 4 D2 5 表表 3 33 3 削边削边销销尺寸尺寸 设计示例 略 图图 3 21 3 21 连连杆盖工序图杆盖工序图 TLd 1 3 1 5 TLD 四 定位误差的分析与计算 定位误差 因工件定位而产生的工序基准在工序尺寸上的最大变 动量 一 定位误差的组成 1 基准不重合误差 定位基准与工序基准不重合引起的误差 大小 等于定位尺寸公差 定位尺寸 定位基准与工序基准之间的尺寸 基准不重合误差分析 在工序图上寻找定位尺寸的公差 图图 3 22 3 22 基基准准位移误差位移误差 2 基准位移误差 定位基准与限位基准不重合引起的误差 这是由于定位基面和限位基面的制造公差和间隙造成的 定位基准与限位基准的最大变动量 i Amax Amin 定位基准的变动方向与工序尺寸方向相同时 基准位移误差 y i 不同时 Y i OS 二 各种定位方式下定位误差的计算 1 定位误差的计算方法 工序基准不在定位基面上 D B Y 工序基准在定位基面上 D B Y 确定方法 定 限位基面接触 定位基面直径由小变大 或由大变小 分析 定位基准变动方向 定位基准不变 定位基面直径同样变化 分析工序基准的变动方向 同向取正 反向取负 工件以圆柱配合面定位 1 定位副固定单边接触 心轴水平放置或有固定方向的力作用 2 定位副任意边接触 心轴垂直放置 图图 3 22 3 22 基基准位移误差准位移误差 图图 3 23 3 23 凸凸轮轮工序图及定位简图工序图及定位简图 图图 3 24 3 24 镗活塞销孔示意图镗活塞销孔示意图 3 工件在 型块上定位 图图 3 25 3 25 工件以工件以圆圆柱面在 形块上定位柱面在 形块上定位 三种不同工序尺寸标注的定位误差 4 一面二孔组合定位 图图 3 26 3 26 一面双孔组合定位的误差一面双孔组合定位的误差 平面内任意方向移动的基准位移误差 取决于第一定位副的最大 间隙 即圆柱销 孔的配合间隙 平面内转动的基准位移误差 转角误差 转角误差则考虑最不 利因素 通过几何关系求得 1 沿连心线方向的移动 由圆柱销决定 工件孔中心相对于销中心左右分别移动 xmax 2 即 单方向移动 Xmax 2 双方向移动 Xmax 2 在连心线垂直方向的移动 3 定位误差 先确定 B 后确定 Y 分析在何种状态定位 同向 反向 错位 单边 双边 例 4 图图 3 213 21 连杆盖工序图 连杆盖工序图 图图 2 92 9 一面 一面二二孔定位方式孔定位方式 第三节第三节 工件的夹紧工件的夹紧 一 对夹紧装置的基本要求 夹紧力大小适中 不使工件变形 夹紧不移位 加工不松动 结构简单 操作方便 生产率高 二 夹紧力确定 1 夹紧力方向 图图 3 27 3 27 夹紧夹紧力力的方向应有助于定位的方向应有助于定位 图图 3 28 3 28 夹紧力应指向主要定位面夹紧力应指向主要定位面 指向主要限位基面 限制的自由度最多 2 夹紧力的作用点 1 落在支承范围内 图图 3 29 3 29 夹夹紧紧力作用点的位置力作用点的位置 2 落在工件刚性较好的方向或部位 图图 3 30 3 30 夹紧力夹紧力作作用点与夹紧变形的关系用点与夹紧变形的关系 3 靠近加工表面 图图 3 31 3 31 夹夹紧力作用点靠近加工面紧力作用点靠近加工面 3 夹紧力大小 夹紧力 切削力 1 计算法 切削最不利瞬间 静力 静力平衡 夹紧力 安全系数 2 类比法 图图 3 32 3 32 铣削加工夹紧铣削加工夹紧力力计算实例计算实例 三 基本夹紧机构 一 斜楔夹紧机构 夹紧力小 费时 组合 1 斜楔夹紧机构的类型 图图 3 33 斜斜楔楔夹紧机构夹紧机构 a 斜楔 b 斜楔与滑柱合成 c 端面斜楔压板组合 2 夹紧力 图图 3 34 斜斜楔楔受力分析受力分析 夹紧力Fi 摩擦力F1 合力FR1 工件上正压力FN2 摩擦力F2 合力FR2 作用 力FQ 3 自锁条件 4 设计步骤 1 确定 2 计算FQ 二 螺旋夹紧机构 1 单个螺旋夹紧机构 动作慢 费时 单个 图图 3 353 35 螺 螺旋旋夹紧机构夹紧机构 直接压紧损伤表面 图图 3 363 36 摆摆动压块动压块 保护表面 动作慢费时 图图 3 373 37 快速螺 快速螺旋旋夹紧机构夹紧机构 a 开口垫圈 b 快卸螺母 c 快移槽 D 斜楔 垫块 夹紧力计算 图图 3 383 38 螺螺杆的受力示意图杆的受力示意图 图图 3 33 39 9 当量摩擦半径 当量摩擦半径 2 螺旋压板机构 图图 3 403 40 典型螺旋 典型螺旋压压板夹紧机构板夹紧机构 类型 a b 杠杆 c 铰链 d 钩形 e 自调式 注意 注意 球面垫圈 锁紧 与夹具体间接接触 三 偏心夹紧机构 用偏心件直接或间接夹紧工件的机构 偏心件 圆偏心 结构简单 制造容易 应用广 曲线偏心 常见机构 图图 3 413 41 圆偏心夹紧机构圆偏心夹紧机构 A B 圆偏心轮 C 偏心轴 D 偏心叉 特点 操作方便 夹紧迅速 力和行程小 1 工作原理 图图 3 42 圆偏心轮的工作原理及弧形楔展开图 圆偏心轮的工作原理及弧形楔展开图 由基元和二个弧形楔组成 靠弧形楔楔入圆盘与工件之间夹紧工件 圆偏心轮实际上是一斜楔的一个变种 2 夹紧行程及工作段 3 自锁条件 图图 3 43 标准圆偏标准圆偏心心轮的结构轮的结构 4 设计步骤 D e 自锁条件 工作行程 夹紧行程 1 确定夹紧行程 h T S1 S2 S3 S1 0 3 S2 0 3 0 5 S3 0 1 0 3 直接夹紧 h T 0 7 1 1 不直接夹紧 h k T 0 7 1 1 2 计算偏心距 3 自锁条件计算 f 0 1 D e 20 D 20e f 0 15 D e 14 D 14e 4 选标准偏心轮 e 1 7 7 四 定心夹紧机构 定心夹紧机构 定心 位于中心 对中 等速移动定心夹紧机构 均匀变形定心夹紧机构 螺旋式定心夹紧机构 图图 3 443 44 螺旋式定心夹紧机构螺旋式定心夹紧机构 左右螺纹 等螺距 结构简单 工作行程大 通用性好 定心精度不高 0 05 0 1mm 杠杆式定心夹紧机构 图图 3 453 45 杠杆工三爪自定心卡盘杠杆工三爪自定心卡盘 滑垫 1 轴向 钩形杠杆 2 滑块 4 移动 刚性大动作快 增力和行程大 精度低 0 1 气动 楔式定心夹紧机构 图图 3 46 3 46 机动机动楔楔式夹爪自动定心机构式夹爪自动定心机构 拉杆 4 左 夹爪 1 左移 外胀 夹紧工件 结构紧凑 定心 0 02 0 07 半精加工 弹簧筒夹式定心夹紧机构 用于轴套类零件 图图 3 3 4 47 7 弹簧夹头和弹簧心轴弹簧夹头和弹簧心轴 3 47A 弹性夹头 螺母 4 左 弹性筒夹 2 左移 向心 收缩 锥套 3 夹紧 3 47B 弹性心轴 螺母 4 锥套 3 左 弹性筒夹 2 外胀 夹紧 结构简单 体积小 操作方便 定心稳定 0 04 0 01 半 精加工 精加工 膜片卡盘式定心夹紧机构 图图 3 48 3 48 膜膜片卡盘定心夹紧机构片卡盘定心夹紧机构 刚性 工艺性 通用性好 精度高 0 005 0 01 精加工 波纹套定心夹紧机构 图图 3 3 4 49 9 波纹套心轴波纹套心轴 螺母 5 波纹套 3 胀开 夹紧工件 结构简单安装方便 定心精度达 0 005 0 01 精加工 液性塑料定心夹紧机构 图图 3 50 3 50 液液性塑料定心夹紧机构性塑料定心夹紧机构 螺钉 柱塞 液体 薄壁套筒 工件 结构紧凑 操作方便 定心高 0 005 0 01mm 精加工 半精加 工 五 气液传动装置 图图 3 51 3 51 气动气动夹夹紧系统示意图紧系统示意图 图图 3 52 3 52 单单活活塞气缸塞气缸 图图 3 53 3 53 回回转转达式气缸达式气缸 图图 3 54 3 54 导导气接头气接头 图图 3 55 3 55 车车床床用不动式气缸用不动式气缸 图图 3 56 3 56 单作用薄单作用薄膜膜式气缸式气缸 图图 3 57 3 57 气气 液压增压虎钳示意图液压增压虎钳示意图 图图 3 583 58 气液增压器气液增压器 第四节第四节 夹具的其它装置及元件夹具的其它装置及元件 其它装置 导向装置 对刀装置 分度装置 机床夹具的连接元件 一 对刀及导向元件 对刀 确定刀具与工件间的相对位置 对刀方法 试切法对刀 样板法对刀 对刀装置或导向装置对刀 一 导向元件 钻套的选择与设计 1 钻套种类 图图 3 59 钻套钻套 钻套 安装在钻模板或夹具体中 作用 确定加工孔位置 引导钻头 提高刚性 防止振动 类型 标准 1 固定式钻套 二种 钻孔精度高 钻孔 中小批 2 可换钻套 钻孔 大 批 3 快换钻套 钻 扩 铰 4 特殊钻套 图图 3 3 60 60 特殊钻套特殊钻套 加长 斜 弧 面钻套 小孔距钻套 定位 夹紧导向合一钻套 2 钻套结构尺寸的确定 内径 d 基本尺寸取刀具最大极限尺寸 公差取 F8 G7 高的取 F7 G6 长度 H H d 1 1 25 间距 h h 1 3 1 d h 大排屑好 精度刚度差 铸铁 h 0 3 0 7d 钢 h 0 7 1 5d 精度高 h 0 材料 T10A 20 钢 配合 固定钻套 衬套与钻模板 夹具体 配合 H7 h6 H7 r6 钻套与衬套配合 H7 g6 H7 h6 2 镗套的选择和设计 1 固定式镗套 图图 3 61 固定式镗套固定式镗套 不随镗杆转 径向尺寸小 精度高 易损 V 0 3m s h 1 5 2d 2 回转式镗套 图图 3 62 3 62 回转式镗套回转式镗套 图图 3 63 3 63 回转镗套回转镗套的的引刀槽及尖头键引刀槽及尖头键 随镗杆转 滑动回转镗套 尺寸小 回转精度高 v0 4m s L 1 5 3d 3 材料 技术要求 材料 20 20Cr 渗碳 0 8 1 2mm HRC55 60 公差 内径 H6 H7 外径 g6 g5 同轴度 0 005 0 01 圆柱度 0 002 0 01 Ra0 42 0 8 二 对刀元件 图图 3 64 标准对刀块标准对刀块 图图 3 65 标标准准对刀塞尺对刀塞尺 对刀块 圆形 方形 加工平面对刀 直角对刀块 侧装对刀块 相互垂直面 槽加工对刀 材料 20 渗碳 0 8 1 2 HRC55 60 塞尺 平塞尺 1 5mm 圆柱塞尺 3 5mm 材料 T8 HRC55 66 二 夹具机床上的安装方式及联接元件 安装方式 安装在机床工作台上 安装在机床回转主轴上 工作台上的夹具 图图 3 66 3 66 夹夹具体与机床的联接具体与机床的联接 定向键 铣床 种类 配合 h8 h6 与工作台 T 型槽 与夹具体 H7 h6 材料 45 硬度 43 48HRC 回转主轴上夹具 图图 3 67 3 67 车床车床夹夹具与机床主轴连接结构具与机床主轴连接结构 连接精度 同轴度 连接形式 D 140mm 或 2 3d 锥柄连接 过渡盘 内锥面定心 轴颈定心 短锥面定心 三 分度装置 工件装夹后 能改变工件加工位置的装置 直线分度装置 回转分度装置 立式 图图 3 68 3 68 立立轴式通用回转台轴式通用回转台 卧式 斜式 1 通用回转台及其组成 转动部分 固定部分 对定机构 锁紧机构 图图 3 69 3 69 锁锁紧机构紧机构 分度误差 图图 3 73 70 0 回转分度误差回转分度误差 四 夹具体 图图 3 71 3 71 夹具体上夹具体上的的排屑结构和容屑空间排屑结构和容屑空间 1 良好的加工精度及稳定性 2 强度 刚度 3 工艺性 使用性 4 安装稳定可靠 第五节第五节 各类机床夹具设计要点各类机床夹具设计要点 一 钻床夹具 一 钻床夹具的类型 钻床上进行孔加工时所用的夹具 又称钻模 1 固定式钻模 图图 3 723 72 固定式钻模固定式钻模 立式钻床上加工大直径单孔 或摇臂钻上加工平行孔 钻模在机床上的位置是固定不动的 2 回转式钻模 图图 3 73 回回转转式钻模式钻模 带有回转分度装置的钻模 加工同一圆周上的平行孔系 同一截面内径向孔系 同一 直线上的等距孔系 对定装置 手柄 端面凸轮 横销 对定销 弹簧 分 度盘 锁紧装置 手柄 螺套 圆螺母 轴 11 定位件 转盘 夹具体 夹紧装置 滚花螺母 开口垫圈 10 工件 定位件 定位 定位件 端面 背面 外圆 3 翻转式钻模 图图 3 73 74 4 翻转工钻模翻转工钻模 加工小型工件不同表面上的孔 夹具工件总质量不大于 Kg 孔径 8 10mm 精度不 高 4 盖板式钻模 图图 3 753 75 盖板式钻模盖板式钻模 大中型工件上加工孔 将钻套的定位元件直接装在 钻模板上 无夹具体 设手柄 吊耳 常用一面 支承钉 二孔 圆柱销 削边销 定位 5 滑柱式钻模 带有升降钻模板的通用可调夹具 图图 3 76 滑柱式滑柱式钻钻模的通用结构模的通用结构 二 钻床夹具设计要点 图图 3 77 3 77 铰铰链工钻模板链工钻模板 钻模类型选择 孔径 尺寸大小 精度 钻模板结构 固定式 铰链式 分离式 二 镗床夹具 又称镗模 一 镗模夹具设计实例 图图 3 78 3 78 车床尾座孔镗模车床尾座孔镗模 夹具体 定位元件 夹紧装置 拉杆 销轴 引导 向 元件 装置 刀具 二 镗杆的引导方式 图图 3 79 3 79 单单导导向镗孔示意图向镗孔示意图 1 单支承引导 镗杆与主轴刚性连接 镗孔精度受机床 夹具影响 前单支承 60mm 加工通孔 后单支承 D 600mm 加工通孔 盲孔 L D L D 1 1 25 d10d 设中间支承 让刀量 抬起量 hmin t 1 镗杆最大直径 dmax D 2 hmin 2 后双支承镗模 引导长度 H 1 25 1 5 图图 3 3 82 82 单面双支承单面双支承 3 无支承镗模 镗孔精度由机床精度保证 三 镗杆和浮动卡头 图图 3 83 83 3 镗杆镗杆 图图 3 84 3 84 镗杆镗杆前前端引导结构端引导结构 依据 孔径 D 刀具截 面 B B 表 3 4 镗杆直 径 镗孔直径与刀具截 面之间的关系 镗孔直径 30 40 40 50 50 70 70 90 90 100 镗杆直径 20 30 30 40 40 50 50 65 65 90 刀具截面 8 8 10 10 12 12 16 16 20 20 表表 3 43 4 镗镗杆直径 镗孔直径与刀具截面之间的关系杆直径 镗孔直径与刀具截面之间的关系 结构 整体式 d 50mm时 4 6 条 回转式镗套 镗杆结构 开槽镗套 带健镗杆 键下装弹簧 带键镗套 开槽镗杆 头部 45 引导结构 设计准则 前后支承间距要短 悬臂长度小 提高刚性 受力要好 便于让刀 精度比孔高二级 浮动卡头 图图 3 83 85 5 浮动卡头浮动卡头 三 铣床夹具 一 分类及结构形式 加工平面 键槽 缺口 成形面 断续切削 切削力大 刚性好 直线进给的铣床夹具 图图 3 86 3 86 铣铣垫垫块直角面夹具块直角面夹具 单件 多件 多件串联 多件并联 多件串并联 圆周进给的铣床夹具 图图 3 87 3 87 圆周进给的铣床夹具圆周进给的铣床夹具 多件同时加工 大批量生产 二 夹具体及其与机床的连接 图图 3 88 3 88 铣床铣床平平夹具体与耳座夹具体与耳座 高宽比 H B 1 1 25 耳座 凸台或凹坑 与工作台 T 形槽 间隔一致 定向键 四 车床夹具 一 车床夹具的主要类型 花盘式车床夹具 图图 3 89 3 89 十字槽十字槽轮轮精车工序简图精车工序简图 图图 3 90 3 90 花盘花盘式式车床夹具车床夹具 定位元件 定位套 1 孔 2 端面 3 定位销 2 套 3 或套 4 夹紧元件 压板 与机床连接 120H7 h6 角铁式车床夹具 图图 3 91 3 91 角铁角铁式式车床夹具车床夹具 图图 3 92 3 92 夹紧施夹紧施力力方式的比较方式的比较 定位 一面二孔 一面二销 夹紧 勾形压板 主轴联接 平衡 1 防护罩 2 工艺孔 二 车床夹具设计要点 安装基面设计 与主轴安装正确 校正孔 基圆 配重设计 夹