第九章金属切削机床夹具设计

第九章,金属切削机床夹具设计,学习内容,重点：定位方式与定位元件、定位误差分析与计算,主要学习内容：,机床夹具的分类、夹具的组成、定位方式与定位元件、定位误差分析与计算、工件的夹紧要求、夹具设计步骤,难点：,定位误差分析与计算,学习要求,掌握机床夹具的分类、夹具的组成、常用的定位方式与定位元件，掌握定位误差分析过程与计算方法，了解对工件的夹紧要求和夹具设计步骤。为专用夹具设计打下良好的基础。,夹具设计是经验性和综合性很强的工作，除要密切联系生产实际外，综合运用所学知识是十分必要的。学习者应有意识地将本章内容与基础课程内容联系起来，将夹具设计看做是一次对小型产品设计的综合实际应用。,应注意的问题,第一节机床夹具的基本概念第二节定位方式与定位元件第三节定位误差的分析与计算第四节工件的夹紧第五节机床夹具设计步骤,第九章金属切削机床夹具设计,三、夹具的组成,第一节机床夹具的基本概念,一、机床夹具的分类,二、机床夹具在机械加工中的作用,一、机床夹具的分类,手动夹具、气动夹具、液压夹具、气液增力夹具、电磁夹具以及真空夹具等,1）按使用特点分：,通用夹具、专用夹具、可调夹具、组合夹具、拼装夹具。,2）按使用机床分：,车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、齿轮机床夹具、数控机床夹具、自动机床夹具、自动线随行夹具以及其他机床夹具等。,3）按夹紧的动力源分：,二、机床夹具在机械加工中的作用,6、能降低成本,1、对工件进行机械加工时，为保证加工要求使工件相对刀具及机床之间有正确的位置。,2、工件相对刀具及机床之间的正确位置在加工过程中不因外力的影响而变动。,3、能稳定地保证工件的加工精度,4、能提高劳动生产率,5、能扩大机床的使用范围,三、夹具的组成,1、定位装置2、夹紧装置3、对刀装置或导向装置4、连接元件5、夹具体6、其他装置或元件,用于确定刀具相对于定位元件的正确位置。,确定夹具在机床上正确位置的元件。,将工件压紧夹牢，保证工件在加工过程中受到歪理作用时不离开已占据的正确位置。,使工件在夹具中占据正确位置的装置，主要由定位元件组成。,夹具中因特殊需要而设计的装置或元件。,机床夹具的基础件。,1、定位：是使工件在机床或夹具上占据某一正确的位置的过程。占据的位置是否正确用能否满足加工要求来衡量。2、夹紧：是将工件定位后的位置固定下来。并使工件在外力的作用下不离开已占据的正确位置，以保证机械加工的正常进行。3、装夹：工件的定位与夹紧的总称。4、工件的定位方法直接找正定位法（目测找正和划线找正法）夹具定位法：工件装夹在夹具上。此种方法需要专用装置来安装工件，工件首先在夹具中定位，然后夹具再在机床上定位。,一、定位基本原理,5、工件的定位主要解决的问题工件位置的“定与不定”，使工件宏观上得到定位。工件位置的“准与不准”，使工件定位达到精度要求。,2)工件定位的实质：对加工精度有影响的自由度进行限制。3)定位支承点：限制工件自由度的固定点。4)六点定则：无论工件的形状和结构怎样，用合理分布的六个支承点就可限制工件六个自由度。,1)工件在空间的自由度：任何一个位置尚未确定的工件，均具有六个自由度，即沿空间三个直角坐标轴X、Y、Z方向的移动与绕它们的转动，分别以表示。要使工件在机床夹具中正确定位，必须限制或约束工件的这些自由度。,6、工件定位六点定则,工件限制的自由度少于六个，但能保证加工要求的定位方式。,7、工件的定位形式,工件在定位过程中根据被限制的自由度的多少定位分：,1）完全定位2）不完全定位3）欠定位4）重复定位,工件的六个自由度都限制了的定位方式。,按照加工要求应限制的自由度没有被限制的定位方式。,当工件的一个自由度或几个自由度被重复限制的定位方式。分可用重复定位和不可用重复定位：不可用重复定位：对加工产生有害影响的重复定位。可用重复定位：重复定位后仍能满足加工要求，同时还可以增加工件装夹刚度的定位。,8、满足加工技术要求必须限制的自由度示例,9、避免不可用重复定位的方法,1）改变定位装置结构,2）提高工件和夹具有关表面的位置精度,第二节定位方式与定位元件,定位是有工件和定位元件组成定位副来实现，所以不同的组合得到不同的定位方式。,工件定位面常有：平面、圆孔、外圆柱面。,常用的定位元件有：平面（起主要支承用的和辅助支承的两大类）、销（标准、非标准、圆锥）、心轴（圆柱和锥度）、定位套、V型块等。,定位方式分,一、平面定位,二、圆孔定位,三、圆柱面定位,四、组合表面定位,起主要支承的：用来限制工件的自由度，并起定位作用。起辅助支承的：用来提高装夹刚度和定位稳定性，不起定位作用，它是工件定位后完成参与作用的。,起主要支承作用的元件：固定支承钉和支承板、可调支承、浮动支承（自位支承）,起浮动支承作用的元件：螺旋式、自位式、推引式,（工件以平面定位、使用平面限位）,使用平面限位，定位元件为平面，由于平面定位的主要形式是支承定位，所以常用的定位元件有起主要支承的和起辅助支承的平面。,一、平面定位（定位基准为定位面）,二、圆孔定位（定位基准为轴线）,（工件以圆孔面定位、使用外圆柱面限位）,外圆柱面限位（限位基准为轴线）的定位元件:,4、锥度心轴,3、圆锥销、圆锥销组合,1、定位销,2、圆柱心轴,三、外圆柱面定位（定位基准为轴线）,（工件以外圆柱面定位、使用V型块限位）,1、V型块限位（限位基准设计心轴轴线）的定位元件:,（1）、V型块的主要参数：设计心轴直径（D）、两限位基面间的夹角（有60、90、120三种）、V型块的高度（H）、V型块的定位高度（T）、V型块的开口尺寸（N）。（2）、V型块的结构形式：整体式、镶淬硬支承板或硬质合金、活动式、固定式、可调整式。,三、外圆柱面定位（定位基准为轴线）,（工件以外圆柱面定位、使用内圆柱面限位）,2、内圆柱面限位（限位基准为轴线）的定位元件:,（1）定位套,（2）半圆套,（3）圆锥套,四、组合表面定位,（工件以两个或两个以上表面组合作为定位基准）,（1）三个互相垂直的平面组合,（2）一个孔与其垂直端面组合,（3）一个平面与两个垂直平面的孔组合,（4）两个垂直面与一个孔组合,组合表面定位的限位基准常常是组合基准，并且易出现过定位问题，因而在使用时应注意定位元件的结构、尺寸和布置方式，处理好“过定位”问题。,常用定位元件所能限制的自由度,常用定位元件所能限制的自由度,常用定位元件所能限制的自由度,组合定位元件所能限制的自由度,定位符号、夹紧符号及标注,定位符号、夹紧符号及标注,本节学习内容总结,机床夹具的分类、夹具的组成、定位方式与定位元件,上节学习内容,机床夹具的分类、夹具的组成、定位方式与定位元件,第三节定位误差的分析与计算,定位误差是指由于工件定位造成的加工面相对工序基准的位置误差。因为对一批工件来说，刀具经调整后位置是不动的，即被加工表面的位置相对于定位基准是不变的，所以定位误差就是工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量。计算定位误差的目的就是判断定位精度，看定位方案能否保证加工要求，是决定定位方案是否合理的重要依据。一般定位误差与加工精度应满足下列关系：(1/31/5）T式中T工件的工序尺寸公差或位置公差。,一、定位误差的组成及产生原因有以下两个方面：1、定位基准与工序基准不一致所引起的定位误差，称基准不重合误差，即工序基准相对定位基准在加工尺寸方向上的最大变动量，以B表示。,2、定位基准面和定位元件本身的制造误差所引起的定位误差，称基准位置误差，即定位基准的相对位置在加工尺寸方向上的最大变动量，以w表示。,故有定位误差为：D=wB此公式是在加工尺寸方向上的代数和。,当一批工件逐个在夹具上定位时,受尺寸Ss/2的影响,工序基准F的位置是变动的。F的变动影响A的大小,给A造成误差,这个误差就是基准不重合误差:s=Amax-Amin=Smax-Smin=B,二、基准不重合误差计算,图(a)所示的工序简图,在工件上铣缺口,加工尺寸为A和B。(b)所示的是加工示意图,工件以底面和E面定位。C是确定夹具与刀具相互位置的对刀尺寸,在一批工件的加工过程中,C的大小是不变的。,加工尺寸A的工序基准是F,定位基准是E,两者不重合。,显然,基准不重合误差应等于定位基准与工序基准不重合造成的加工尺寸的变动范围。数值上等于是定位基准到工序基准的定位尺寸的变动范围。这样便可以得到下面两个公式:,当工序基准的变动方向与加工尺寸的方向相同时,基准不重合误差等于定位尺寸的公差,即B=S当工序基准的变动方向与加工尺寸的方向不同时,基准不重合误差等于定位尺寸的公差与角的余弦的乘积,即B=Scos式中:工序基准的变动方向与加工尺寸方向间的夹角。,三、基准位移误差计算,图(a)中,孔中心线是工序基准,内孔表面是定位基面。从理论上分析,如果工件圆孔直径和心轴外圆直径做成完全一样,则内孔表面与心轴表面重合,即作无间隙配合,这时二者的中心线也重合,因此可以看做以内孔中心线为定位基准图（b),故尺寸a保持不变,即不存在因定位而引起的误差。,三、基准位移误差计算,然而,实际上定位副不可能制造得十分准确,有时为了使工件易于安装,须使定位副间有一最小配合间隙。这样就不能像理论上分析的那样,使工件圆孔中心和心轴中心保持完全同轴。于是,当心轴水平放置时,工件圆孔将因重力等影响单边搁置在心轴的上母线上,如图(c)所示。此时刀具位置未变,而同批工件的定位基准位置却在O和O1之间变动,导致工序基准的位置也发生变化,使一批工件中所测得值却在O和O1之间变动,导致工序基准的位置也发生变化,使一批工件中所测得的尺寸a有了误差。不过,这一误差不是由基准不重合引起的,而是由定位副的制造误差或定位副的配合间隙所导致的。,三、基准位移误差计算,这种由定位副制造误差及定位副间的配合间隙引起的定位基准在加工尺寸方向上的最大位置变动范围称为基准位移误差,以w表示。本例中,孔与定位芯轴为固定边接触，一批工件定位基准可能出现的最大位移范围是由圆孔和心轴间最大间隙所决定的,即,三、基准位移误差计算,这里再强调一下,定位误差主要发生在用调整法加工一批工件时。如果用逐件试切法加工,则根本不存在定位误差。,若孔与定位芯轴为任意边接触，一批工件定位基准可能出现的最大位移范围是如图所示：,四、定位误差合成,1、步骤：先分别计算出基准不重合误差和位移误差，然后将两者按具体条件进行合成。,2、合成条件：,1）若工序基准不在定位基面上（工序基准与定位基准为两个独立的表面）即B与Y无相关公共变量，则D=W+B2）若工序基准在定位基面上即B与W有相关公共变量，则D=WB在定位基面尺寸变动方向一定（由大变小，或由小变大）的条件下，W（或定位基准）与B（或工序基准）的变动方向相同时，取“+”号;变动方向相反时，取“”号,第四节工件的夹紧,工件定位后,通过一定的机构产生夹紧力,将其固定的过程称为夹紧,夹紧时要求使工件保持准确的定位位置,保证在加工过程中,受到切削力等外力作用时不产生位移或振动。这种产生夹紧力的机构称为夹紧装置。,一、夹紧装置的组成和基本要求,二、夹紧力的确定,三、典型夹紧机构,1、夹紧装置的组成1）动力装置产生夹紧力的机构,一、夹紧装置的组成和基本要求,对夹紧装置的基本要求1）夹紧过程中，不改变工件定位后所占据的正确位置2）夹紧力的大小适当，一批工件的夹紧力要稳定不变3）夹紧装置的复杂程度与工件的生产纲领相适应4)工艺性好，使用性好。便于制造和维修，操作方便。,2）夹紧机构传递夹紧力的机构,用来平衡切削力、惯性力、离心力及重力。常用的动力装置有：液压、气压、电磁、电动、气液联动装置,要求：在传递力的过程中，能根据需要改变力的大小、方向和作用点，手动夹紧机构应具有良好的自锁性。,二、夹紧力的确定,1、夹紧力的方向和作用点的确定,1）夹紧力应朝向主要限位面，对工件多个方向不同夹紧时，朝向主要限位面的夹紧力应是主要的夹紧力。,2）夹紧力的作用点应落在定位元件的支承范围内,3）夹紧力的作用点应落在工件刚性好的方向和部位。,4）夹紧力的作用点应靠近工件的加工表面,二、夹紧力的确定,1、夹紧力的方向和作用点的确定,1）夹紧力应朝向主要限位面，对工件多个方向不同夹紧时，朝向主要限位面的夹紧力应是主要的夹紧力。,2）夹紧力的作用点应落在定位元件的支承范围内,3）夹紧力的作用点应落在工件刚性好的方向和部位。,4）夹紧力的作用点应靠近工件的加工表面,夹紧力的估算步骤(1)找出对夹紧最不利的瞬时状态(2)建立理论夹紧力与主要最大切削力的静平衡方程Fj理=(Fp)(3)考虑安全系数后，计算出实际需要的夹紧力Fj需=KFj理(4)校核夹紧机构产生的夹紧力Fj是否满足条件：FjFj需,2、夹紧力的大小确定（估算法）,三、典型夹紧机构,1、斜楔夹紧机构2、螺旋夹紧机构3、偏心夹紧机构4、铰链夹紧机构5、定心、对中夹紧机构6、联动夹紧机构,利用斜楔的斜面将外力转变为夹紧力，从而达到夹紧零件目的机构。,通过用偏心直接或间接夹紧工件的机构。有圆偏轮或偏心轴或偏心叉等类型。,通过丝杆与螺母间的相对运动传递外力紧固零件的机构。有单个螺栓夹紧机构（摆动压块、快速螺旋机构）和螺旋压板机构等类型,铰链夹紧机构是一种增力机构,结构简单增力比大,摩擦损失小，自锁性差,常与具有自锁性能的机构组成复合夹紧机构。,定心、对中夹紧机构是一种特殊夹紧机构，其定位和夹紧是同时实现的，夹具上与工件定位基准相接触的元件，既是定位元件，又是夹紧元件。,可同时多点夹紧工件或多个工件的夹紧机构。特点是多点夹紧机构中有一个重要的浮动机构或浮动元件。,1、画线将工件的外轮廓、定位基面，夹紧表面及加工表面绘制在各个视图的合适位置上2、绘制定位装置、夹紧装置、对刀和导向装置、及其他装置、夹具体及连接元件和安装基面。3、尺寸，公差和技术要求。4、编制夹具明细栏及标题栏。,第五节机床夹具设计步骤,一、明确设计任务与收集设计资料二、拟定夹具的结构方案与绘制夹具草图三、进行必要的分析计算四、审查方案与改进设计五、夹具的经济分析六、绘制夹具装配总图七、绘制夹具备零件图,夹具中的非标准零件