第2章 夹具设计

1,机械制造工工艺学,第2章工件的装夹与夹具设计,2,2.1.1夹具的基本概念,夹具是指在机床上用以装夹工件的一种装置。,(1)保证加工质量，使工件相对于机床或刀具保持正确位置。(2)提高生产率，降低成本。(3)扩大了机床的工艺范围。(4)减轻了工人劳动强度，保证生产安全。,3,2.1.1夹具的基本概念,1）定位元件及装置；,6）其他元件及装置（防护、防错、分度）。,5）夹具体；,4）连接元件；,3）对刀及导向元件；,2）夹紧元件及装置；,4,1）通用夹具：三爪、四爪卡盘，平口钳等。2）专用夹具：为某一工件特定工序专门设计的夹具。3）通用可调整夹具及成组夹具：夹具的部分元件可以更换，部分装置可以调整，以适应不同零件的加工。4）组合夹具：由一套预先制造好的标准元件组合而成。根据工件的工艺要求，组装成各种专用夹具。使用后，元件可拆开、洗净后存放，待需要时重新组装。适用于新产品试制和单件小批生产。5）随行夹具：在自动线或柔性制造系统中使用的夹具。,按夹具使用范围划分,2.1.1夹具的基本概念,5,2.1.1夹具的基本概念,三爪卡盘,四爪卡盘,万向平口钳,回转工作台,分度头,图2-2通用夹具,6,图2-3组合夹具实例,2.1.1机床夹具,7,2.1.1夹具的基本概念,8,2.1.2工件装夹,直接找正装夹,定位使工件在机床或夹具上占有正确位置。夹紧对工件施加一定的外力，使其已确定的位置在加工过程中保持不变。,9,2.1.2工件装夹,划线找正装夹,10,2.1.2工件装夹,图2-7工件在夹具上装夹（滚齿夹具）,夹具装夹,11,机械制造工工艺学,第2章工件的装夹与夹具设计,12,2.2.1定位原理,六点定位原理,要确定其空间位置，就需要限制其6个自由度。,将6个支承抽象为6个“点”，6个点限制了工件的6个自由度，这就是六点定位原理。,任何一个物体在空间直角坐标系中都有6个自由度用表示。,13,工件的6个自由度均被限制，称为完全定位。工件6个自由度中有1个或几个自由度未被限制，称为不完全定位。,完全定位与不完全定位,不完全定位主要有两种情况：工件本身相对于某个点、线是完全对称的，则工件绕此点、线旋转的自由度不需限制。例如球体绕过球心轴线的转动，圆柱体绕自身轴线的转动等。工件加工要求不需要限制某一个或某几个自由度。如加工平板上表面，要求保证平板厚度及与下平面的平行度，则只需限制3个自由度就够了。,2.2.1定位原理,14,2.2.1定位原理,完全定位与不完全定位,图2-9工件应限制的自由度,15,欠定位,工件加工时必须限制的自由度未被完全限制，称为欠定位。欠定位不能保证工件的正确安装，是不允许的。,2.2.1定位原理,16,过定位,过定位工件某一个自由度（或某几个自由度）被重复约束，称为过定位。,过定位是否允许，要视具体情况而定：1）如果工件的定位面经过机械加工，且形状、尺寸、位置精度均较高，则过定位是允许的。有时还是必要的，合理的过定位不仅不会影响加工精度，还会起到加强工艺系统刚度和增加定位稳定性的作用。2）反之，如果工件的定位面是毛坯面，或虽经过机械加工，但加工精度不高，这时过定位一般是不允许的，因为它可能造成定位不准确，或定位不稳定，或发生定位干涉等情况。,2.2.1定位原理,17,过定位分析（桌子与三角架）,图2-11过定位分析,2.2.1定位原理,18,过定位分析,图2-12过定位示例,2.2.1定位原理,19,过定位分析,图2-13过定位示例,2.2.1定位原理,20,过定位应用,2.2.2定位原理,21,过定位讨论,2.2.2定位原理,22,图2-15a过定位引起夹紧变形,2.2.2定位原理,23,图2-15b过定位处理分析,2.2.2定位原理,24,讨论,分析图示定位方案：各方案限制的自由度；有无欠定位或过定位；对不合理的定位方案提出改进意见。,图2-16过定位分析,2.2.2定位原理,25,图2-16a过定位示例分析,2.2.2定位原理,26,图2-16b过定位示例分析,2.2.2定位原理,27,图2-16c过定位示例分析,2.2.2定位原理,28,图2-17工件以平面定位,平面定位的主要形式是支承定位。常用的定位元件有支承钉、支承板、夹具支承件和夹具体的凸台及平面等。,2.2.3定位方法与定位元件,29,2.2.3定位方法与定位元件,30,2.2.3定位方法与定位元件,图2-19可调支承,31,2.2.3定位方法与定位元件,32,图2-21工件以圆孔定位,工件以圆孔定位多属于定心定位，常用的定位元件有定位销和心轴。定位销有圆柱销、圆锥销、菱形销等形式；心轴有刚性心轴、弹性心轴之分。,2.2.3定位方法与定位元件,33,2.2.3定位方法与定位元件,34,2.2.3定位方法与定位元件,35,2.2.3定位方法与定位元件,常用于外圆表面的定位元件有：定位套、支承板和V型块等。,36,2.2.3定位方法与定位元件,图2-25V形块,37,除平面、圆孔、外圆柱面外，工件有时还可能以其它表面（如圆锥面、渐开线齿面、曲面等）定位。,2.2.3定位方法与定位元件,38,在多个表面同时参与定位情况下，各定位表面所起作用有主次之分。定位点数最多的表面为主要定位面、位点数次多的表面为次定位基准面。,2.2.3定位方法与定位元件,在分析多个表面定位情况下各表面限制的自由度时，分清主次定位面很重要。,39,2.2.4定位误差,定位误差的概念,定位误差是由于工件在夹具上（或机床上）定位不准确而引起的加工误差。,实际加工时，由于工件直径存在公差，会使轴心位置发生变化，进而使工序尺寸H也发生变化。,40,1）由于工件定位表面或夹具定位元件制作不准确引起的定位误差，称为基准位置误差。,2）由于工件的工序基准与定位基准不重合而引起的定位误差，称为基准不重合误差。,图2-29所示工件以底面定位铣台阶面，要求保证尺寸a。,2.2.4定位误差,41,2.2.4定位误差,定位误差计算,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。,用几何方法计算定位误差通常要画出工件的定位简图，并在图中夸张地画出工件变动的极限位置；然后运用几何知识，求出工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量，即可求出定位误差。,1)用几何方法计算定位误差,42,2.2.4定位误差,【例2-1】图2-30所示为孔与销间隙配合的情况，销垂直放置，若工件的工序基准为孔心，试确定其定位误差。,式中DW定位误差；Dmax工件定位孔最大直径;dmin夹具定位销最小直径。,定位误差均为：,43,2.2.4定位误差,当工件孔与夹具定位销保持固定边接触时，定位误差为孔径公差的一半。,此时，定位误差是由于定位基准与工序基准不重合所造成的，属于基准不重合误差，与定位销直径无关。,定位误差为：,44,2.2.4定位误差,2.用微分方法计算定位误差,对上式求全微分，得到：,对于第1项要求，写出O点至加工尺寸方向上某一固定点如V型块两斜面交点A的距离：,45,以微小增量代替微分，并将尺寸误差视为微小增量，且考虑到尺寸误差可正可负，各项误差均取绝对值，得到工序尺寸H的定位误差：,2.2.4定位误差,（2-8）,式中Td工件外圆直径公差；TV型块两斜面夹角角度公差。若忽略V型块两斜面夹角的角度公差，可以得到用V型块对外圆表面的定位误差为：,（2-9）,46,若忽略V型块两斜面夹角的角度公差，可以得到用V型块对外圆表面的定位误差为：,2.2.4定位误差,47,2.2.4定位误差,若忽略V型块两斜面夹角的角度公差，可以得到用V型块对外圆表面的定位误差为：,48,2.2.4定位误差,若忽略工件的圆度误差和V型块角度偏差，可以认为工序基准在水平方向上的位置变动量为零，即定位误差为零。,49,2.2.4定位误差,3.组合定位误差,【例2-3】一面两销定位误差分析计算。,50,2.2.4定位误差,极端情况为：工件内孔1的直径尺寸最大、定位销1直径尺寸最小，极端位置为最左、最右两种情况。,O1=Dmaxdmin式中O1定位误差；D1max工件定位孔最大直径；d1min夹具定位销最小直径。,51,2.2.4定位误差,极端情况为：工件内孔1、2的直径尺寸最大、定位销1、2直径尺寸最小，极端偏摆为上、下最大转角两种情况。,52,2.2.4定位误差,53,机械制造工工艺学,第2章工件的装夹与夹具设计,54,2.3.1夹紧装置的组成及设计要求,(1)动力源。人力、气动、液动、电动等。(2)夹紧机构。包括中间递力机构和夹紧元件。,（1）夹紧力应有助于定位，而不应破坏定位；（2）夹紧立的大小应能保证加工过程中工件不发生位置变动和振动，并能在一定范围内调节；（3）工件在夹紧后的变形和受压表面的损伤不应超出允许的范围；（4）应有足够的夹紧行程；（5）手动时要有自锁性能：（6）结构简单紧凑、动作灵活，制造、维护方便，省力、安全并有足够的强度和刚度。,55,2.3.2夹紧力的确定,正确确定夹紧力，主要是正确确定夹紧力的方向、作用点和大小。,(1)夹紧力的方向应垂直于主要定位基准面。,56,2.3.2夹紧力的确定,(2)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。,57,2.3.2夹紧力的确定,(3)夹紧力的方向应尽可能与切削力、工件重力方向一致，以减少夹紧力。,(1)夹紧力的作用点应能保持工件定位稳定，不致引起工件产生位移或偏转。,58,2.3.2夹紧力的确定,(2)夹紧力的作用点应使被夹紧工件的夹紧变形尽可能小。,(3)夹紧力的作用点应尽量靠近切削部位，以提高夹紧的可靠性，若切削部位刚性不足，可采用辅助支承。,59,2.3.2夹紧力的确定,夹紧力的大小必须适当，夹紧力过小，工件在夹具中的位置可能在加工过程中产生变动，破坏原有的定位。夹紧力过大，不但会使工件和夹具产生过大的变形，对加工质量不利。计算夹紧力，通常将夹具和工件看成一个刚性系统以简化计算。然后根据工件受切削力、重力、夹紧力等后处于静力平衡条件，计算出理论夹紧力W，再乘以安全系数K，作为实际所需的夹紧力W0，即W0KW,60,2.3.3常用夹紧机构,(1)斜楔夹紧机构,61,2.3.3常用夹紧机构,（1）斜楔的自锁性；（2）斜楔能改变夹紧作用力的方向；（3）斜楔具有扩力作用；（4）斜楔的夹紧行程小；（5）斜楔夹紧的效率低。,由于手动的斜楔夹紧机构在夹紧工件时既费时又费力，效率很低，故实际上多在机动夹紧装置中采用。,62,2.3.3常用夹紧机构,(2)螺旋夹紧机构,螺旋夹紧机构具有结构简单、制造容易、夹紧可靠、扩力比大和夹紧行程不受限制等特点，所以在手动夹紧装置中被广泛使用，其缺点是夹紧动作慢、效率低。,63,2.3.3常用夹紧机构,(3)圆偏心夹紧机构,圆偏心夹紧实际上是斜楔夹紧的一种变形。,图2-43偏心圆夹紧原理图,适应范围：(1)适用于切削负荷不大且无很大振动的场合；(2)用于夹紧行程较小的情况；(3)很少直接用于夹紧工件，大多是与其它夹紧元件联合使用。,64,2.3.3常用夹紧机构,(4)铰链夹紧机构,图2-44铰链夹紧原理图,铰链夹紧机构的结构简单、扩力比大且摩擦损失小，故适用于多点或多件夹紧，在气动或液压夹具中广泛应用。,65,2.3.3常用夹紧机构,(5)定心、对中夹紧机构,定心、对中夹紧机构，是一种特殊的夹紧机构，工件在其上同时实现定位和夹紧。在这种夹紧机构上与工件定位基准面相接触的元件，即是定位元件，又是夹紧元件。,图2-45定心、对中夹紧原理图,66,2.3.3常用夹紧机构,(5)联动夹紧机构,图2-46联动夹紧原理图,67,机械制造工工艺学,第2章工件的装夹与夹具设计,68,2.4.1夹具设计的步骤,1)收集和研究有关资料（1）生产批量；（2）零件图及工序图；（3）零件工艺规程；（4）夹具典型结构及有关标准。2)确定夹具的结构方案(1)确定工件的定位方式和定位元件，进行定位误差计算；(2)确定工件的夹紧方式，选择合适的夹紧装置；(3)选择刀具的对准及引导元件；(4)确定其它元件或装置的结构形式；(5)协调各元件、装置的布局，确定夹具体的总体结构。,69,2.4.1夹具设计的步骤,3)绘制夹具总图4)确定并标注有关尺寸、配合及技术条件(1)应标注的尺寸及配合工件与定位元件的联系尺寸；夹具与刀具的联系尺寸；夹具与机床的联系尺寸；夹具内部的配合尺寸；夹具的外廓尺寸。(2)应标注的技术条件定位元件之间或定位元件与夹具体底面间的位置要求；定位元件与