第4章 机床夹具设计原理 学习指导.doc

第4章 机床夹具设计原理一、本章知识要点及要求4.1 机床夹具概述1了解机床夹具的概念，掌握组成机床夹具的各元件或装置及其在机床夹具中所起的作用。2了解工件在夹具上定位和夹紧的概念。3了解机床夹具的分类。4.2 工件在夹具中的定位1能根据工件工序图的加工要求，利用定位基本原理，确定保证加工要求应该限制工件的哪些自由度；能够较熟练的分析工件定位方案的合理性，判断其属于完全定位、不完全定位、欠定位和过定位，对不合理的定位方案能进行改正。2了解常用的定位基准面（平面、圆柱孔、外圆、圆锥孔）经常采用的定位元件和特点，针对给定的定位基准面能够正确的选择定位元件。3掌握常用的定位元件能够限制工件的自由度数目和在给定的坐标系下能够限制哪些自由度。4掌握组合定位，对给定的组合定位方案能够进行合理性分析，对给定的组合定位表面能够拟订组合定位方案，并能选择合适的定位元件。例题4.1 在例题4.1图中，注有“”的表面为要求加工的表面，试分析确定应限制的自由度。例题4.1图解：图a要求在球体上铣平面，由于是球体，所以三个转动自由度不必限制，此外该平面在x方向和y方向均无位置尺寸要求，因此这两个方向的移动自由度也不必限制。因为z方向有位置尺寸要求，所以必须限制z方向的移动自由度，即球体铣平面(通铣)只需限制1个自由度。图b要求在球体上钻通孔，仿照同样的分析，只需要限制2个自由度，即x方向和y方向的移动自由度。图c要求在圆轴上通铣键槽，只需限制4个自由度，即、。图d要求在长方体上通铣槽，只需限制五个自由度，即、。 这里必须强调指出，有时为了使定位元件帮助承受切削力、夹紧力或为了保证一批工件的进给长度一致，常常对无位置尺寸要求的自由度也加以限制。如本例中图a，虽然从定位分析上看，球体上通铣平面只需限制1个自由度，但在决定定位方案的时候，往往要考虑工件装夹方便（如本例中用平板限制1个自由度，工件会乱滚动。），一般情况下，工件至少应限制3个自由度。 例题4.2 分析例题4.2图所示的定位方案。按图示坐标系各定位元件限制了哪些自由度？有无重复定位现象?例题4.2图 组合定位分析实例1，2，3固定短V形块解：一个固定短V形块能限制工件两个自由度，三个固定短V形块组合起来共限制工件六个自由度，不会因组合而发生数量上的增减。按图示坐标系，短V形块1限制、方向自由度，短V形块2与之组合起限制、方向自由度的作用，即V形块2由单独定位时限制两个移动自由度转化成限制工件两个转动自由度。也可以把固定短V形块1，2组合来视为一个长V形块，用它来定位长圆柱体，共限制、四个方向自由度。两种分析是等同的。固定短V形块3限制了、方向自由度，其中单个定位时限制方向自由度的作用在组合定位时转化成限制方向自由度的作用。这是一个完全定位，没有重复定位现象。注意：分析组合定位时要注意以下几点：a）几个定位元件组合起来定位一个工件相应的几个定位面，该组合定位元件能限制工件的自由度总数等于各个定位元件单独定位各自相应定位面时所能限制自由度的数目之和，不会因组合定位而发生数量上的改变，但它们限制了哪些方向的自由度却因虽不同组合情况而定。b）组合定位中，定位元件在单独定位某定位面时原起的限制移动自由度的作用可能会转化成限制转动自由度的作用。 c）单个表面的定位是组合定位分析的基本单元。例题4.3 如例题4.3图a所示，有一批工件的锥孔和各平面均己加工合格。要在铣床上用图示定位方案的铣床夹具装夹工件，加工尺寸为b-T(b)的槽子，除了保证图示的技术要求外，还须保证槽的对称平面通过锥孔轴线。试分析图示的定位方案是否合理?如不合理，如何改进?a) 1平面支承 2锥形定位销 3支承钉（注：平面支承和锥形定位销在俯视图中未表示出来）b) 1面支承 2可移动锥形定位销 3可移动双支承钉组合（注：俯视图中未表示平面支承）例题4.3图解：（1）先分析各定位元件所限制工件的自由度a)平面支承限制工件、三个方向自由度；b)锥形定位短销限制工件、三个方向自由度；c)二支承钉限制工件、两个方向自由度。从上面分析可如产生了和方向重复定位，应予以消除，否则会形成定位不稳定，难保证加工要求。 （2）方向重复定位的消除方法根据h-T(h)尺寸和T(P)2的平行度加工要求, 方向自由度应由平面支承来限制，锥形定位短销不应起限制方向自由度的作用。只要使锥形定位销沿z轴可移动，就可解决方向重复定位的矛盾。（3）方向重复定位的消除方法为保证槽的对称平面通过锥孔轴线，应该用可移动的锥形定位短销定位锥孔。但为保证槽侧面与A面平行，应该用两个支承钉定位A面起导向作用。要同时满足这两个要求似乎很难两全其美，好像必须牺牲一方要求才能解决重复定位矛盾。仔细研究工件的加工要求可以发现，对槽到A面的距离尺寸，没有提出特别要求，这就提供了一条两全其美的解决途径。只要能使一批工件在装入夹具后，A面平行地前后移动而不产生转动。这样，上工序锥孔加工时，一批工件的锥孔轴线到A面的距离误差只反映在本工序槽侧面到A面的距离尺寸上，而不反映在本工序槽侧面对A面的平行度误差上。采用图(b)的可移动双支承钉的组合结构，便可满足要求。最后改进的方案如图(b)所示。注意：组合定位时重复定位现象的消除方法如下：a)使定位元件沿某一坐标轴可移动，来消除其限制沿该坐标轴移动方向自由度的作用。 b）采用自位支承结构，消除定位元件限制绕某个（或两个）坐标轴转动方向自由度的作用。c）改变定位元件的结构形式。例题4.4 分析例题4.4图所示的定位方案。按图示坐标系各定位元件限制了哪些自由度？有无重复定位现象?例题4.4图1固定短V形块 2活动短V形块 3平面支承解：各定位元件单独定位相应各表面时，平面支承3限制3个自由度、；固定短V形块1限制2个自由度、；可移动短V形块2只限制1个自由度、。图中可移动短V形块2单独定位时起限制方向自由度的作用，但在组合定位时，由于固定短V形块1已限制、方向自由度，起了定心作用，因此可移动短V形块2便转化为起限制方向自由度的作用，成为完全定位，没有重复定位现象。例题4.5 分析例题4.5图所示的定位方案。按图示坐标系各定位元件限制了哪些自由度？有无重复定位现象?例题4.5图1平面支承 2固定短V形块 3活动短V形块解：各定位元件单独定位相应各表面时，平面支承1限制3个自由度、；固定短V形块2限制2个自由度、；可移动短V形块3只限制1个自由度。图中可移动短V形块3单独定位时起限制方向自由度的作用，但在组合定位时，由于工件是一个圆柱体，无法转化为起限制方面自由度的作用，因而仍然限制方向自由度。即固定短V形块2要确定圆柱件轴心Y方向的位置，而可移动短V形决3也要确定工件轴心Y方向的位置，形成重复定位现象。解决该重复定位现象的措施可以采用：a)因为定位元件1和2组合限制了工件5个自由度已经足够，剩下方向的自出度对圆形工件来说既不必要予以限制也无法实现限制，所以只要去掉可移动V形块3改为夹紧机构即可，比如可用一个平压块，只起夹紧作用而不起定位作用。b)把固定短V形块2改为平面支承，只限制方向自由度，保留可移动短V形块3限制方向自由度（并兼有夹紧作用）。4.3 定位误差分析计算掌握什么是定位误差以及定位误差产生的原因；明白基准不重合引起的误差和定位副不准确（包括制造不准确和配合间隙）引起的基准位置移动误差的含义和计算方法；掌握常见的定位方案定位误差的分析计算方法，并能根据工件给定的加工允差判断该定位方案是否能够满足加工要求。例题4.6 有一批如例题4.6图a所示的工件，除A，B处台阶面外其余各表面均已加工合格。今用例题图4.6b所示的夹具方案定位铣削A，B处台阶面保证300.1mm和600.06mm尺寸。试分折计算定位误差。例题4.6图 铣台阶面工序定位误差分析计算解：本工序加工精度参数有300.1和600.06两个尺寸，应分别分析计算其定位误差。 (1)对300.1尺寸的分析该尺寸的设计基准是12H8孔轴线，定位基准是C面，基准不重合，二者以尺寸520.02相联系。一批工件的设计基准相对定位基准的位置变化即为由于基准不重合引起的定位误差。因为是平面定位，。300.1尺寸的定位误差为加工允许差为20.1=0.2，定位误差只占加工允差1/5，是可以保证本工序300.1尺寸的要求的。(2) 对600.06尺寸的分析由于设计基准是D面，定位基准也是D面，基准重合，故。又是平面定位，600.06尺寸的定位误差为 例题4.7 工件尺寸如例题4.7图所示，与的同轴度误差。欲钻孔O，并保证尺寸，V形块夹角，试分析计算下列定位方案的定位误差。例题4.7图解：本工序要保证的尺寸为，该尺寸工序基准为外圆上母线，见例题4.8图b，定位基准为中心线，存在基准不重合误差。该基准不重合误差包括下列两部分： 工件以外圆在V形块上定位，存在基准位置移动误差： 尺寸的定位误差为 0.04914mm例题4.8 例题4.8图所示齿轮坯，内孔和外圆已加工合格（mm，mm），现在插床上用调整法加工内键槽，要求保证尺寸mm。试分析采用图4.8(a)所示定位方法能否满足加工要求(要求定位误差不大于工件尺寸公差的1/3)?若不能满足，应如何改进?(忽略外圆与内孔的同轴度误差)例题4.8图解：H尺寸的工序基准为内孔的下母线，定位基准为外圆的中心线，工序基准与定位基准不重合，存在基准不重合误差，忽略外圆与内孔的同轴度误差，得到工件以外圆在V形块上定位，存在基准位置移动误差H尺寸的定位误差为，故该定位方案无法满足H尺寸的加工要求。改进方案如例题4.8图b所示，此时由于V形块的对中作用，基准位置移动误差，基准不重合误差与原方案相同，故H尺寸的定位误差为，满足H尺寸的加工要求。例题4.9 有一批如例题4.9图所示的工件，除2-5孔外其余各表面均已加工合格。今按例题4.9 图b的方案用盖板式钻模一次装夹后依次加工孔和孔。盖板式钻模用心轴与工件孔相配实现定位。试分析计算孔心距尺寸的定位误差。例题4.9图解：（1）孔的孔心距尺寸的定位误差尺寸的工序基准和定位基准都是的轴线，二者重合。调刀基准（即决定钻套孔位置的基准）是心轴轴线，由于一批工件定位孔和心轴的配合间隙会引起基准位置移动误差：孔的孔心距尺寸的定位误差为（2）孔的孔心距尺寸的定位误差由于在一次装夹下依次加工出孔和孔，它们之间的孔心距尺寸完全由钻模板的两钻套孔心距离来保证。不管由于配合间隙的存在，盖板式钻模板相对工件发生了多大相对位移，在一次装夹下加工出的孔和孔的孔心距尺寸不会变化，其定位误差为零。如何从基准关系来解释上述现象呢?孔轴线位置尺寸的工序基准是孔轴线，定位基准是孔轴线，二者不重合。但钻套轴线的调刀基准是钻套轴线，它和工序基准孔的轴线始终重合在一起，没有相对位移，不会产生定位误差。也就是说，工序基准相对定位基准的位移正好被定位基准相对调刀基准的位置变化所抵消，最后合成为零，不产生定位误差。由此可见，凡是由相互位置不变的刀具组直接加工出的一组表面，它们之间的相互位置不受定位基准位置变化的影响。其定位误差为零。例题4.10 有一批如例题4.10图a所示的工件，除C面外其余各表面均已加工合格。今按例题4.10图b所示的定位方案在铣床夹具中装夹铣削C面。试分析计算尺寸的定位误差。 例题4.10图 解：工件以平面和部分圆柱面定位，是组合定位方案。A尺寸的设计基是轴线O；定位基准是侧平面和部分圆柱面的母线；相应的调刀基准是支承侧带面的定位工作平面和斜角为的斜面定位工作面。都是单一几何要素。现分别计算设计基准分别相对调刀基准的位置变化引起加工精度参数的定位误差。定位基准是侧平面，设计基准是轴线O，二者不重合，以尺寸35相联系，由于是平面定位,故；。 由于有斜面起定位圆柱的组合定位作用，当直径不变时，由于的变化引起设计基准0沿着斜面平行方向移动，因而引起尺寸40的变化如例题4.10解答图a所示。mm另一定位基准是外圆母线，设计基准是外圆轴线，二者不重合，以半径45尺寸相联系，；由于是平面定位，故；。由于侧平面与平面支承的组合定位作用，当尺寸35保持不变时，因为的变化引起设计基准O的位移如例题4.10解答图b所示。mm35和是独立变量，互不相关。所以A尺寸的定位误差为mm定位误差占加工允差的0.142/0.16=88.8%，所占比例过大，难保证A尺寸的加工要求。例题4.10解答图 组合定位铣平面夹具定位误差的分析计算4.4夹紧机构1了解夹紧装置的组成以及各组成机构的作用；了解夹紧机构设计主要要解决的问题。2了解如何准确的施加夹紧力，主要指如何确定夹紧力的方向、作用点和大小。3了解斜楔夹紧机构的工作原理、自锁条件、结构特点、应用范围以及夹紧力的计算。4了解圆偏心夹紧机构工作原理、自锁条件、结构特点、应用范围以及夹紧力的计算。5了解螺旋夹紧机构的工作原理、结构特点、应用范围以及夹紧力的计算；熟悉常见的各种螺旋夹紧机构的结构特点，在夹具设计中能够正确的选择和正确的绘制其结构。6了解其它夹紧机构的结构特点和应用范围。例题4.11 为使例题4.11图所示移动式螺钉压板能起良好的夹紧作用，试分析它在结构上有哪些特点?例题4.11图 移动式螺钉压板解：一个完善的螺钉压板，应具有例题4.11图中圆圈图示的六个结构上的特点： (1)支承高度应可调节，以适应各种高度尺寸的工件； (2)采用球面垫圈组。当压板因工件受压面高度变化而倾斜时，能起调节补偿作用，保证螺栓不会弯曲； (3)采用厚螺母作夹紧螺母，使扳手不易打滑，拧紧可靠；(4)压板上开长圆孔供夹紧螺栓穿过，使压板松开后能快速后移，实现快撤； (5)压板与被压面接触部分做成圆弧形或小方块凸出结构，保证夹紧力作甩点的正确位置；(6)压板下方增设垫圈和弹簧，当压板后移工件卸下后，压板受弹簧力托住而不致下落，便于操作。4.5 夹具的其它装置1了解钻床夹具的组成、类型、特点、适用范围和设计要点；明白钻套是钻床夹具的特有元件，掌握钻套的类型、结构特点以及导引孔设计的方法，熟悉常见的钻模板的类型和结构特点，能合理的进行选择。了解镗床夹具的组成、特点、适用范围和设计要点。明白镗套是镗床夹具所特有的导引元件，熟悉镗套的类型、结构特点和适用范围，能完成合理的设计。了解镗床夹具中常见的导引装置的布置形式及其特点；了解常见的镗杆结构、镗杆与机床主轴的连接形式及镗床夹具中的引导措施。2了解铣床夹具的组成、类型、特点、适用范围和设计要点；明白对刀装置是铣床夹具特有的元件和装置，会合理的进行选择。3掌握车床、磨床夹具与机床主轴的连接方式，并能正确的应用。正确的设计铣床夹具与机床工作台的连接。4了解分度装置的作用，熟悉常用的分度装置的结构形式；熟悉常用的对定装置的结构设计。例题4.12 用钻模加工一批工件的22H10孔。分别用20.2麻花钻和22扩孔钻加工。试决定各快换钻套导引孔直径的基本尺寸和极限偏差。解：导引直径的基本尺寸分别等于各刀具直径的基本尺寸，即为20.2和22。根据国标可如，麻花钻直径的上偏差为零，因此钻孔用钻套导引孔直径的上、下偏差就等于公差带F7的上、下偏差。同样地，标准的最终扩孔用扩孔钻直径的上偏差也为零，因此扩孔用钻套导引孔直径的上、下偏差也就等于公差带F7的上、下偏差。最后可得到：钻孔用快换钻套导引孔尺寸为20.2F7()mm；扩孔用快换钻套导引孔尺寸为d22F7()mm。4.6 组合夹具了解组合夹具的特点、元件及其作用。了解组合夹具的组装过程和要求4.7夹具的设计方法1了解专用机床夹具的生产过程和设计步骤。2根据给定的零件工序图，能综合前面的知识确定定位方案、夹紧方案以及其他各机构或装置的结构方案，必要时进行一定的分析计算。3能正确的进行定位误差分析计算、尺寸精度的校核以及夹紧机构受力分析。4能正确的标注夹具总图上的尺寸、公差和技术要求。例题4.13今有例题4.13图b所示的钻斜孔钻模，其工件尺寸见例题4.13图a。试分析此钻模存在的主要问题。例题4.13图1钻套 2钻模板 3压紧螺钉 4长定位销 5定位支承板 6夹具体 7定位键解：该钻模存在的主要问题如下：（1）有重复定位(过定位)现象。定位支承板定位工件端面，限制工件三个自由度，长定位销定位内孔限制工件四个自由度，但实际组合起来只能限制工件五个方向的自由度，因而存在重复定位。如果工件内孔对短面的垂直度精度高，配合间隙能补偿垂直度误差，则属形式上重复定位，不会引起矛盾和定位不稳定现象。否则，需要修改定位元件结构来消除过定位。（2）夹不紧工件。压紧螺钉的头部己进入螺孔尾部(实际上螺孔尾部有不完整螺纹，螺钉旋不到底)因而夹不紧工件。（3）因为钻套下端面离工件加工面太远，又是在斜面上起钻，所以钻套不能保证钻头有良好的起钻和得到正确的导引。钻套下端部应做成与工件加工面相对应的斜面，并尽可能靠近加工表面。（4）工件无法装卸。钻模板右边部分做得太长(过长部分不起作用)，且定位心轴又太长，妨碍工件的装卸。（5）心轴上应做出让钻头钻通的出刀孔，并在心轴上出刀孔口处留出让开钻削毛刺的空间。（6）无法测量钻套孔轴线的正确位置。本工序是钻斜孔，应在夹具体上设置工艺孔，便于装配时测量钻套孔轴线的位置。（7）钻模板与夹具体的连接精度无法保证。在调整好钻模板相对夹具体的正确位置后，除拧紧紧固螺钉外，还应配作两个对定销。（8）钻床夹具不宜用定位键与钻床工作台相连接。定位键会妨碍钻模在钻床工作台上移动，以找正钻套孔轴线相对钻头轴线的同轴位置。（9）夹具底面应做成四个钻脚的结构。不但可减少底面的加工量，也可使钻模放置更为稳定。二、习题与思考题提示4.1不完全定位和欠定位都没有限制工件的六个自由度，它们之间有什么本质上的区别？（提示：从能否满足加工要求来考虑。）4.2 实际限制工件的自由度数目与根据加工要求应予以限制的自由度数目相等，是否一定不会出现欠定位现象？为什么？（提示：从数量与方向两个方面来考虑。）4.3 如工件的六个自由度没有全部被限制，是否一定不会出现重复定位现象？为什么？（提示：从重复定位的定义来考虑。）4.4 题4.4 图中，注有“”的表面为待加工表面，试分析确定应限制的自由度。（提示：图a中绕圆柱轴线转动的自由度可不限制。 题4.4 图4.5 试分析题4.5 图所示的定位方案，各定位元件限制了哪些自由度？判断有无过定位或欠定位？对不合理的定位方案提出改进意见。（提示：图a左端去掉顶尖1。）题4.5 图a)1顶尖 2三爪卡盘 3顶尖 b)1三爪卡盘 2中心架4.6 试分析题4.6 图所示的定位方案，各定位元件限制了哪些自由度？判断有无过定位或欠定位？对不合理的定位方案提出改进意见。（提示：图a应轴向定位。） 题4.6 图a) 1三爪卡盘 2活动顶尖；b) 1顶尖 2拔秆 3活动顶尖4.7试分析题4.7图所示的定位方案，各定位元件限制了哪些自由度？判断有无过定位或欠定位？（提示：先分析每个定位元件限定的自由度后进行判断，无。） 4.8试分析题4.8 图所示的定位方案，各定位元件限制了哪些自由度？判断有无过定位或欠定位？对不合理的定位方案提出改进意见。（提示：先分析每个定位元件限定的自由度后进行判断。若有，提出改进意见。） 题4.7 图 题4.8 图1支承平面 2短圆柱销 3活动V形块 1带小端面的定位心轴 2开口垫圈 3拉杆4.9 试分析题4.9 图所示的定位方案，各定位元件限制了哪些自由度？判断有无过定位或欠定位？对不合理的定位方案提出改进意见。（提示：先分析每个定位元件限定的自由度后进行判断。若有，提出改进意见。） 4.10 试分析题4.10图所示的定位方案，各定位元件限制了哪些自由度？判断有无过定位或欠定位？对不合理的定位方案提出改进意见。（提示：先分析每个定位元件限定的自由度后进行判断。若有，提出改进意见。） 题4.9 图 题4.10图1支承板 2支承钉 3菱形销 1，2固定短V形块 3活动锥套4.11 试分析题4.11图所示的定位方案，各定位元件限制了哪些自由度？判断有无过定位或欠定位？对不合理的定位方案提出改进意见。（提示：先分析每个定位元件限定的自由度后进行判断。若有，提出改进意见。） 4.12 试分析题4.12 图所示的定位方案，各定位元件限制了哪些自由度？判断有无过定位或欠定位？对不合理的定位方案提出改进意见。提示：先分析每个定位元件限定的自由度后进行判断。若有，提出改进意见。） 题4.11 图 题4.12 图1长圆柱销 2活动锥套 1平面支承 2活动锥套 3活动短V形块4.13试分析题4.13 图所示的定位方案，各定位元件限制了哪些自由度？判断有无过定位或欠定位？对不合理的定位方案提出改进意见。提示：先分析每个定位元件限定的自由度后进行判断。若有，提出改进意见。） 4.14 试分析题4.14 图所示的定位方案，各定位元件限制了哪些自由度？判断有无过定位或欠定位？对不合理的定位方案提出改进意见。提示：先分析每个定位元件限定的自由度后进行判断。若有，提出改进意见。） 题4.13 图 题4.14 图1平面支承 2圆柱挡销 3活动锥套 1平面支承 2活动锥销 3活动短V形块 4.15 有一批如题4.15 图所示的工件。圆孔和各平面均已加工合格。今用图示的铣床夹具定位铣削b-T(b