机械制造装备设计(4).ppt

机械制造装备设计,第4章机床夹具设计,第一节机床夹具概述第二节机床夹具定位机构的设计第三节机床夹具夹紧机构的设计第四节机床夹具的其它装置第五节机床专用夹具设计方法第六节典型机床夹具结构特点,4.1机床夹具概述,在机械制造业中广泛采用能迅速将工件固定在准确位置上，完成其切削加工、检验、装配、焊接等工作所使用的工艺装备称为夹具。如机床夹具、检验夹具、装配夹具、焊接夹具等。,机床夹具：在机械加工过程中，使工件在机床上相对刀具占具正确加工位置，并夹紧使其在整个加工过程中始终保持原定位置不变的工艺装备。在各种金属切削机床上所使用的夹具称为机床夹具。机床夹具在机械加工中起着重要的作用，尤其是在大批大量生产中。,第5章机床夹具设计,4.1.1工件的安装方法,1）直接找正法,是指用测量工具在机床或通用夹具上直接找正工件，使其加工表面相对于刀具获得正确位置的安装方法。如在普通车床上加工阶梯轴，若待加工的圆柱面要求与已加工的圆柱面同轴，就可在卡盘中用划针找正己加工圆柱面与机床主轴回转轴线同轴后进行加工。找正误差与工人的技术水平和细心程度有关。找正安装花费的时间长，生产率低，因此，仅在单件、小批量生产中使用。,第5章机床夹具设计,2.划线找正定位法,对形状复杂，加工面多的零件，直接找正较为困难，如对孔系的加工，常在毛坯上按零件图要求先划线，然后，按其划线找正工件在机床上的正确位置。这种方法称为划线找正安装法。划线找正的误差较大，因为线宽约有0.20.5mm，且划线时也会有误差。划线时虽能兼顾各表面的加工余量、壁厚和装配要求等因素，但由此也增加了划线时间，又需技术水平高的划线工。这种安装法也仅在单件、小批量生产中使用。,第5章机床夹具设计,3.机床夹具定位法,是先将机床夹具以正确位置安装于机床上，工件按定位原理在夹具上定位并夹紧。当工件以精基准在夹具上定位时，工件的重复定位误差可以小至0.010.02mm。用夹具安装的重复定位误差稳定且小，装卸方便，节省辅助时间，操作技术要求低，但夹具设计、制造周期长，费用高，只有在大批、大量生产中才得以广泛使用。,第5章机床夹具设计,4.1.2机床夹具的作用,1）能可靠和稳定地保证加工精度2）能提高劳动生产率，降低加工成本3）能改善工人的劳动强度4）能扩大机床的使用范围,第5章机床夹具设计,4.1.3机床夹具的分类与组成,1）按夹具的使用范围可分为：通用夹具、专用夹具、可调夹具、组合夹具等。2）按所用的机床不同夹具可分为：钻床夹具、镗床夹具、车床夹具、磨床夹具、拉床夹具等。3）按夹具上所采用的夹紧动力装置不同可分为：手动夹具、气动夹具、液压夹具、磁力夹具等。,1.机床夹具的分类,第5章机床夹具设计,2.机床夹具的组成,由于机床种类不同以及被加工工件结构和加工表面不同，而有各种不同的结构形式，但就机床夹具的结构而言，从不同结构的夹具中可概括出一般机床夹具所共有的彼此之间相互独立而又相互联系的如下几个组成部分。,第5章机床夹具设计,1）定位元件确定工件在机床夹具中正确位置的元件。如支承钉、支承板、形块、圆柱销等。,第5章机床夹具设计,2）夹紧装置将工件压紧夹牢，以确保工件在加工过程中不因受外力作用而破坏其定位后的既定位置的装置。它包括有夹紧元件、夹紧机构和动力装置。如压板、斜楔机构、气缸等。,3）对刀装置确定或引导刀具与工件被加工表面之间位置的元件。如：对刀块、钻套、镗套等。4）连接元件确定夹具在机床上占有正确位置的元件。如定位键、定向键、过渡盘等。,5）夹具体将夹具所有元件和装置连接成为一个整体的基础件。如底座、本体等。6）其它装置根据工件的某些特殊加工要求而设置的装置。如分度装置、靠模装置、上下料装置等。,第5章机床夹具设计,第5章机床夹具设计,第5章机床夹具设计,4.2工件在夹具中的定位,第5章机床夹具设计,加工前确定工件在机床或夹具中相对刀具占据的加工位置称为定位。1）工件的定位必须要有相应的定位元件来限制。2）工件的定位应有相应的精度要求。3）工件的定位精度是指一批工件的限定位置的分布范围。,在机械加工过程中，为保证工件某道工序的加工要求，必须使工件在机床上相对于刀具的切削运动处于准确的相对位置。当采用机床夹具安装加工一批工件时，是通过夹具来实现这一要求的。要实现工件在机床上相对刀具占据一个正确的加工位置，就必须做到以下三项任务：,1）工件定位时应使其加工表面的设计基准在夹具中占据一致的正确的加工位置。2）工件定位时应使夹具在机床上占据正确的位置。3）工件定位时应使夹具相对刀具占据正确的位置。,4.2.1基准的概念,1基准及基面,基准：指用来确定生产对象中相关几何要素间的几何关系所依据的那些点、线、面。基面：指在零件上用以体现基准的那些表面。当作为基准的要素为轮廓要素（如平面、棱线、素线、顶点）时，其基面就是基准。而当作为基准的要素为中心要素（如轴线、球心、对称中心线或面）时则由相应的表面来体现。,第5章机床夹具设计,2基准的种类,（1）设计基准指在零件设计图纸上所采用的基准。,第5章机床夹具设计,（2）工艺基准,工艺基准：指在工艺过程中所采用的基准。包括定位基准、工序基准、测量基准和装配基准。,1）定位基准:在工件加工时用来确定工件加工位置所采用的基准。2）工序基准：在工序图上用来确定本工序所加工表面的尺寸和位置所采用的基准。,3）测量基准：测量工件已加工表面的尺寸和位置所采用的基准。4）装配基准：产品装配时，用来确定零件或部件在产品中的相互位置所采用的基准。,第4章机床夹具设计,第5章机床夹具设计,第5章机床夹具设计,4.2.2六点定位原理,第5章机床夹具设计,1.自由度的分析方法,工件在夹具中的定位，就是要使一批工件在夹具中都占据一致的正确的加工位置。这一确定位置可以通过用定位支承点限制工件相应自由度的方法来获得。一个尚未定位的工件在空间直角坐标系中具有六个自由度。这六个自由度是指工件在空间直角坐标系中沿着三个相互垂直坐标轴线所处位置的可能性，绕这三个相互垂直坐标轴线角度方位所处位置的可能性。,要使工件在夹具中占有确定的位置，就是要在空间直角坐标系中，通过定位元件限制工件的六个自由度。在分析工件定位的问题时，可转化为在空间直角坐标系中用相应的定位支承点（将具体的定位元件抽象化）来限制工件的自由度。,六点定则：用六个合理分布的定位支承点限制工件的六个自由度，即可实现工件在空间位置的完全确定。,第5章机床夹具设计,第5章机床夹具设计,第5章机床夹具设计,第一种自由度的分析方法及步骤,1)明确工件在本工序的加工要求和相应的工序基准。2)根据工序基准的所在位置建立空间直角坐标系。3)依次找出影响本工序加工要求的自由度。4)将找出的自由度进行归纳即可得到本工序应限制的第一种自由度。,第5章机床夹具设计,a）图应限制的第一种自由度为沿着Z轴的一个移动自由度。b）图应限制的第一种自由度为沿着X和Y轴的两个移动自由度。,第5章机床夹具设计,c）应限制的第一种自由度为沿着Z轴的一个移动自由度和沿着X和Y轴的两个转动自由度。d）应限制的第一种自由度为沿着X与Z轴的两个移动自由度和沿着X和Z轴的两个转动自由度。,第5章机床夹具设计,e）图应限制的第一种自由度为沿着X与Z的二个移动自由度和沿着X、Y和Z轴的三个转动自由度。f）图应限制的第一种自由度为沿着X、Y和Z轴的三个移动自由度和沿着X、Y和Z轴的三个转动自由度。,第5章机床夹具设计,2.工件定位基本原理,（1）工件在夹具中的定位，可转化为在空间直角坐标系中，用相应的定位支承点来限制工件自由度的方式进行分析。（2）工件定位时应限制的自由度的数目，是根据工件在本工序的加工要求以及考虑提高工件定位稳定性和加工刚性等方面来确定的。,（3）一个定位支承点只能限制工件的一个自由度。为保证工件定位的稳定性，在一个完整的定位方案中定位支承点的数目不得少于三个。（4）工件上的某一个自由度原则上只能被一个定位支承点所限制，不得出现重复限的现象。在一个完整的定位方案中定位支承点的数目不得多于六个。,第5章机床夹具设计,图(a)：过球心打一孔。,图(b)：加工齿轮坯两端面，要求保证尺寸A及两端面与内孔的垂直度。,图(c)：在小轴上铣槽，保证尺寸H和L。,图(d)：过轴心打通孔，保证尺寸L。,图(e)：在支座零件上加工两通孔，保证尺寸A和H。,3.工件的定位形式,在分析工件定位的问题时，定位基准的选择是关键问题。工件定位基准一旦被选定，则其定位方案也基本被确定了。定位基准一般在工艺规程中选定，设计夹具时可直接引用。当工艺规程选定的定位基准不合理时，夹具设计者应与工艺设计人员协商进行改选，使所设计出的夹具结构更合理。必须指出，与定位支承点相接触的工件表面称为定位基面。工件的定位是通过工件定位基面与定位支承点相接触来实现的。,第5章机床夹具设计,（1）完全定位,工件定位时其六个自由度全部被限制的定位方式称为完全定位。工件采用这种定位方式使其在空间占有一个完全确定的位置。,（2）不完全定位,工件根据该工序加工要求只需限制其部分自由度，既六个自由度没有全部被限制的定位称为不完全定位。,工件定位时应采用完全定位还是不完全定位，主要由该工序的加工要求和定位稳定性来决定。,第5章机床夹具设计,第5章机床夹具设计,（3）欠定位,工件实际定位时所限制的自由度数目，少于工件按该工序加工要求必需限制的自由度数目称为欠定位。欠定位的结果将导致出现应该限制的自由度因未予限制，从而无法保证加工要求的不合理现象。因此，在确定工件定位方案时，绝不允许出现欠定位现象。,第5章机床夹具设计,（4）过定位（超定位）,工件定位时，如果出现两个或两个以上的定位支承点重复限制工件上的同一个自由度则称为过定位。过定位会导致重复限制同一个自由度的定位支承点之间产生干涉现象，从而导致定位不稳定、破坏定位精度、造成工件或定位元件受力变形、甚至出现部分工件无法安装的局面。因此，在确定工件定位方案时，应避免出现造成不良后果的过定位。,第5章机床夹具设计,第5章机床夹具设计,第5章机床夹具设计,第5章机床夹具设计,第5章机床夹具设计,在实际生产中，有时为减少工件变形或提高加工刚性而采用过定位方式。但要用其利而避其害，使采用过定位带来的好处大于其害处。防止出现造成不良后果的过定位的方法有：改变定位元件结构，去掉多余的定位支承点。提高工件定位基面之间和定位元件工作表面之间的位置精度。,第5章机床夹具设计,在下图所示的连杆上钻通孔D时，需要保证：(1)小头孔D对端面A的垂直度公差t。(2)小头孔D对不加工外圆壁厚的均匀性。,加工下图所示汽车减速器主动锥齿轮轴两端面及中心孔，需要保证：(1)轴向尺寸47mm和300mm；(2)中心孔深度尺寸11.5mm；(3)两端面对轴线的垂直度；(4)两端中心孔与未加工之轴颈的同轴度。,在下图所示的汽车传动轴突缘叉上磨削平面K及Q，需要保证：(1)两平面K及Q间的尺寸为118mm；(2)两平面对2-39孔的垂直度公差为0.1mm；(3)两平面对95mm外圆的对称度公差为0.15mm。,在下图所示的拖拉机差速锁操纵杠杆上铣槽和钻孔，应保证：(1)铣槽宽度尺寸为4.5mm，槽对18mm和12.5mm两孔中心平面的对称度公差为0.3mm；(2)钻阶梯孔6.7mm及9mm，位置尺寸如图2-86d所示。,4.2.3常见的定位方式及其定位元件,1.工件以平面定位,1）固定支承支承钉（平头、球头、锯齿头）支承板（无槽、有槽）2）可调支承（平头、球头、锯齿头）3）自位支承（也称为浮动支承）工作面形式有：两点式、三点式和多点式。浮动方式有：球面浮动式、杠杆浮动式、滑柱浮动式。,2.工件以圆柱孔定位,1）定位销可分为圆柱销、圆锥销、菱形销与组合销结构形式有：固定式、伸缩式长圆柱销（可限制4个自由度）短圆柱销（可限制2个自由度）短固定圆锥销（可限制3个自由度）,2）定位心轴,可分为刚性心轴和弹性心轴。刚性心轴可分为圆柱心轴和小锥度心轴。刚性圆柱心轴可分为间隙配合、过盈配合和花键轴。长圆柱心轴（可限制4个自由度）短圆柱心轴（可限制2个自由度）,3.工件以外圆柱面定位,1）V形块定位长V形块和短V形块；固定V形块和活动V形块固定长V形块（可限制4个自由度）固定短V形块（可限制2个自由度）2）定位套（半圆套、圆柱及圆锥套）3）定心夹紧结构（卡盘类、弹性卡头）,4.工件以其它表面定位,（1）工件以圆锥孔定位1)锥度心轴（长轴与短轴）2)顶尖（固定与活动）（2）工件以成形表面定位如：渐开线齿面；键槽、花键表面等。（3）工件以一面两孔,辅助支承是在工件定位后才实现支承的作用。因此只能起到支承工件的作用。辅助支承的结构形式很多。常见的有螺旋式、自位式和推引式等。,5.辅助支承,4.3定位误差的分析与计算,采用调整法加工一批工件时，工件在夹具上定位时，由于每个工件所占据的位置不完全一致，使加工后各工件的加工尺寸不一而形成误差。这种只与工件定位有关的误差，称为定位误差，用符号D表示。1.产生定位误差的原因产生定位误差的原因有两个：一个是定位基准与设计基准（工序基准）不重合；另一个是定位基准与起始（调刀、限位）基准不重合。,（1）基准不重合误差（B）,工件在夹具上定位时，由于所选择的定位基准与工序基准不重合而引起的，同批工件的工序基准相对于定位基准在该工序（加工）尺寸方向的最大位移量（位置变动范围），称为基准不重合误差。用符号B表示。基准不重合误差（B）的大小应等于工序基准相对于定位基准在该工序（加工）尺寸方向的最大位移量。,可通过计算定位尺寸（C）的公差在工序（加工）尺寸方向上的投影分量得到基准不重合误差（B）的大小。定位尺寸（C）是指工序（设计）基准与定位基准之间的联系尺寸。当定位尺寸（C）由多个尺寸所决定时，则要以定位尺寸为封闭环所组成的尺寸链进行解算。基准不重合误差B的计算公式表示为：B=CCOS为工序基准的变动方向与工序（加工）尺寸方向间的夹角。,本工序加工直角上表面，设计尺寸为A1，用下平面定位。由于定位基准与设计基准不重合，从而产生基准不重合误差B。D（A1）=B（A1）=CCOS=A2,（a）图D（20）=B（20）=0.28（b）图D（20）=B（20）=0,D（A）=0D（B）=B（B）=d/2D（C）=B（C）=d,2）基准位移误差（Y）,工件在夹具上定位时，由于定位副的制造误差和定位副的配合间隙的影响，使工件的定位基准与夹具定位元件的起始（调刀、限位）基准不重合，导致同批工件位置的不一致而造成的加工误差，称为基准位移误差。用符号（Y）表示。,基准位移误差（Y）的大小应等于定位基准与起始（调刀、限位）基准不重合而造成的基准位移量Y在工序（加工）尺寸方向上的投影分量。基准位移量Y应根据不同的定位方案所决定。基准位移误差Y的计算公式表示为：Y=YCOS为定位基准的变动方向与工序（加工）尺寸方向间的夹角。,D（A3）=Y（A3）=2（Hh）tanD（A1）=B（A1）+Y（A1）=A2+2（Hh）tan,2定位误差的计算方法,1）极限位置法（几何作图法）先根据工件的定位方案，画出工序（设计）基准相对起始（调刀、限位）基准最大与最小的两个极限位置，再根据几何关系求出这两个极限位置间的距离，即得出定位误差。,2）合成法,由于定位误差是由基准不重合误差以及基准位移误差所造成的。因此定位误差可以由这两项误差组合而成。计算定位误差时，先分别求出基准不重合误差与基准位移误差，然后再将两项误差组合后得出定位误差。即：D=BY,定位误差的合成解算方法如下：,（1）当B0，Y0时，则DY；（2）当B0，Y0时，则DB；（3）当B0，Y0时，1）如果工序（设计）基准不在定位基面上：D=B+Y2）如果工序（设计）基准落在定位基面上：D=BY,公式中“”、“”号的确定方法如下：先分析定位基面直径由大到小（或由小到大）时，定位基准的变动方向。然后设定位基准的位置不变，再分析工序（设计）基准的变动方向。（此时定位基面直径应作上述相同的变化。）如果在上述判断中两者的变动方向相同时，取“”号，而两者的变动方向相反时，取“”号。,由于两个基准的变化方向相同，故取“+”号,当工件以外圆柱面在V形块上定位，且工序（设计）基准落在定位基面的上母线时，基准变化的分析。,由于两个基准的变化方向相反，故取“”号,当工件以外圆柱面在V形块上定位，且工序（设计）基准落在定位基面的下母线时，基准变化的分析。,由于两个基准的变化方向相反，故取“”号,当工件以内孔在心轴上定位，且工序（设计）基准落在定位基面的上母线时，基准变化的分析。,由于两个基准的变化方向相同，故取“+”号,当工件以内孔在心轴上定位，且工序（设计）基准落在定位基面的下母线时，基准变化的分析。,3.常见定位方式的定位误差分析与计算,1)工件以平面定位,已知：大圆直径公差为0.03，小圆直径公差为0.02，同轴度误差为0.02求：D（30）=？解：分析可知B（30）0，Y（30）0得：D（30）=B（30）=0.03/2+0.02/2+0.02=0.045,已知：大圆直径公差为0.03，小圆直径公差为0.02，同轴度误差为0.02。求：D（30）=？解：分析可知B（30）0，Y（30）0得：D（30）=0,已知：大圆直径公差为0.03，小圆直径公差为0.02，同轴度误差为0.02求：D（30）=？解：分析可知B（30）0，Y（30）0得：D（30）=B（30）=0.03/2+0.02/2+0.02=0.045,2)工件以外圆柱面在V形块上定位,已知：外圆直径公差为DV形块的夹角为得：Y,已知：外圆直径公差为D，V形块的夹角为（1）设计基准为外圆轴线时：求：D（H1）=？解：分析可知B（H1）0；Y（H1）0得：D（H1）=Y（H1）=,（2）设计基准为外圆下母线时：求：D（H2）=？解：分析可知B（H2）0，Y（H2）0得：B（H2）=；Y（H2）=分析：设计基准落在定位基面上，两基准的变化方向相反，故取-号。最终得：D（H2）=Y（H2）-B（H2）=,（3）设计基准为外圆上母线时：求：D（H3）=？解：分析可知B（H3）0，Y（H3）0得：B（H3）=；Y（H3）=分析：设计基准落在定位基面上，两基准的变化方向相同，故取“”号。最终得：D（H3）=Y（H3）B（H3）=,已知：大圆直径公差为0.03，小圆直径公差为0.02，同轴度误差为0.02，V形块的夹角为90o求：D（30）=？解：分析可知B（30）0；Y（30）0得：B（30）=0.03/20.02=0.035Y（30）=0.014D（30）=B（30）Y（30）=0.049（设计基准不在定位基面上）,已知：大圆直径公差为0.03，小圆直径公差为0.02，同轴度误差为0.02，V形块的夹角为90o求：D（30）=？解：分析可知B（30）0，Y（30）0得：B（30）=0.03/20.02=0.035；D（30）=B（30）=0.035,已知：大圆直径公差为0.03，小圆直径公差为0.02，同轴度误差为0.02，V形块的夹角为90o求：D（30）？解：分析可知B（30）0，Y（30）0得：B（30）0.03/20.02=0.035；D（30）B（30）0.035,已知：大圆直径公差为TD，小圆直径公差为Td，同轴度误差为2e，V形块的夹角为求：D（A）？解：分析可知B（A）0，Y（A）0得：B（A）2eY（A）D（A）B（A）Y（A）（设计基准不在定位基面上）,3)工件以圆柱孔在心轴（定位销）上定位,（1）工件定位孔与心轴（销）为固定单边接触时：已知：工件定位孔，心轴为得：YY（2）工件定位孔与心轴（销）为任意边接触时：已知：工件定位孔，心轴为得：YY,已知：工件定位孔与定位销的配合为固定单边接触，加工上表面。定位孔直径为定位销直径为解：分析B（59）0；Y（59）0B（59）Y（59）D（59）B（59）+Y（59）0.115,已知：工件小圆与定位套的配合为固定单边接触。大圆直径公差为0.03，小圆直径公差为0.02，同轴度误差为0.02，定位套直径公差为0.04。解：分析得B（30）0，Y（30）0B（30）0.03/20.02=0.035Y（30）D（30）B（30）+Y（30）0.07,4.4工件在夹具中的夹紧,在机械制造过程中，工件的定位和夹紧是两个密切相关的安装过程。工件定位后，就必须采用一定的机构将工件压紧夹牢，以便保证工件在切削过程中不会因受切削力、重力、惯性力或离心力等外力作用而破坏原定位置。从而保证工件的加工精度和安全生产。这种压紧夹牢工件的机构称为夹紧装置。,4.4.1夹紧装置的组成及基本要求.夹紧装置的组成,夹紧装置的结构形式是多种多样的。但根据力源的不同可分为手动和机动夹紧装置。夹紧装置一般由动力源装置、中间递力机构和夹紧元件三部分组成。（）力源装置力源装置是产生夹紧作用力的装置通常是指机动夹紧时所用的气动、液压、电动等装置。其目的是减少辅助时间，减轻工人劳动强度，提高劳动生产率。手动夹紧没有这种装置。,（）中间递力机构,中间递力机构是将力源装置产生的夹紧作用力传递给夹紧元件的机构。中间递力机构一般可以在传递夹紧作用力的过程中，改变夹紧力的大小、方向并具有一定的自锁性能。如螺旋机构、斜楔机构、铰链机构、偏心机构等。,（）夹紧元件夹紧元件是夹紧装置的最终执行元件。通过它与工件被夹表面的直接接触来完成夹紧动作。如压板、压头等。在一些简单的手动夹紧装置中，夹紧元件与中间递力机构组合在一起称为夹紧机构。,.夹紧装置的基本要求,夹紧装置的设计是否正确，对保证工件的加工精度、提高劳动生产率和减轻工人劳动强度等都有直接影响。要想保证上述条件正确地设计夹紧装置，则必须满足以下几点基本要求：（）确保工件既定位置不变在夹紧过程中，工件受到夹紧力作用时不得破坏既定位置。（）夹紧力的大小要适当做到对工件所施加的夹紧力的大小，既要保证工件在加工过程中不会因受到外力的作用而产生移动或振动，又不得使工件产生不允许的变形或损伤。,在保证生产率和加工精度的前提下，应使其结构的复杂程度与工件的生产节拍相适应。做到夹紧动作迅速，操作方便，安全省力，经济性好，成本低，便于制造和维修。,手动夹紧机构要有可靠的自锁性。机动夹紧装置则要统筹考虑其自锁性和稳定的夹紧力。,（）可靠的自锁性能,（）工艺性好和操作方便、安全、省力,4.4.2夹紧力的确定,确定夹紧力包括正确地选择夹紧力的大小、方向和作用点。必须根据工件的形状、尺寸、重量和加工要求，定位元件的结构及其分布形式，加工过程中工件所到的外力（切削力、重力、惯性力和离心力）大小等因素进行综合分析。,1.夹紧力作用方向的确定,夹紧力的作用方向不仅影响工件的加工精度，而且还影响工件夹紧的实际效果。夹紧力的作用方向主要与工件的结构形状、定位元件的结构形状和配置形式，工件加工时所受到的全部外力产生的变形方向和大小等因素有关。具体应考虑以下几点原则：）夹紧力作用方向不应破坏工件的既定位置；）夹紧力作用方向应使工件所需夹紧力尽可能最小；）夹紧力作用方向应使工件的夹紧变形尽可能最小。,2.夹紧力作用点的确定,夹紧力作用点的确定原则应在夹紧力作用方向的确定原则基础上，具体考虑以下几点原则：）夹紧力的作用点应作用在夹具定位元件支承表面所形成的稳定受力区域内）夹紧力的作用点应作用在工件刚性较好的部位上）夹紧力的作用点应尽量靠近工件的加工表面,3.夹紧力大小的确定,夹紧力的大小直接影响夹具使用的可靠性和安全性及工件的变形量的大小。因此，既要足够的夹紧力，但又不得过大。夹紧力大小的计算可根据具体情况用类比法进行估算或用分析计算进行估算。,分析计算法是将夹具和工件看成是一个刚性系统，根据工件在加工过程中受切削力、离心力、惯性力以及工件的重力的作用情况，找出在加工过程中对工件最不利的瞬间状态，然后按静力平衡原理计算出理论夹紧力，再乘上安全系数即可得到实际夹紧力的数值。即：k式中：KK01,4.4.3典型夹紧机构,1.斜楔夹紧机构,斜楔夹紧是利用其斜面移动所产生的压力来夹紧工件。在实际应用时，直接用楔块楔紧工件的情况很少。多数是楔块与其它机构联合使用。广泛用于气动或液压夹紧装置中。,1）斜楔夹紧机构的夹紧力计算,斜楔夹紧时产生的夹紧力（N）；原始作用力（N）；斜楔升角（0）；1平面摩擦时作用在斜楔面上的摩擦角（0）；平面摩擦时作用在斜楔基面上的摩擦角（0）。,3)斜楔夹紧机构的自锁条件,2)斜楔夹紧机构的增力比,4）斜楔夹紧机构的行程比,2.螺旋夹紧机构,指采用单个螺旋直接夹紧或与其它元件组合实现夹紧工件的机构。这类夹紧机构由于其机构简单，夹紧可靠，通用性高等优点，故在机床夹具中得到广泛应用。它的缺点是夹紧和松开工件时比较费工费时。螺旋夹紧机构是斜楔夹紧机构的变形，但其增力比和自锁性能都优于斜楔夹紧机构。夹紧行程不受限制。螺旋夹紧机构包括单个螺旋夹紧机构、螺旋压板夹紧机构和钩形压板夹紧机构。,螺旋夹紧机构,1）螺旋夹紧力的计算,螺旋夹紧时产生的夹紧力（N）；原始作用力（N）；L作用力臂的长度（mm）；螺纹升角（0）；d0螺纹中径（mm）；1螺纹处的摩擦角（0）；2螺杆端部与工件间的摩擦角（0）；r螺杆端部与工件间的当量摩擦半径（mm）。,2）螺旋压板夹紧机构,2）螺旋压板机构,3）钩形压板机构,3）钩形压板机构,4）快速螺旋夹紧机构,4）快速螺旋夹紧机构,3.偏心夹紧机构,偏心夹紧机构是指由偏心件直接夹紧工件或和其他元件组合而实现夹紧工件的机构。偏心夹紧机构是靠偏心轮回转时其半径逐渐增大而产生夹紧力来夹紧工件。偏心夹紧机构的工作原理与斜楔夹紧机构相似，只是以圆弧楔代替平面楔。但是斜楔夹紧的楔角不变，而偏心夹紧的楔角是变化的。偏心夹紧机构有圆偏心和曲线偏心两种类型，常用的是圆偏心件(偏心轮或偏心轴)，曲线偏心有阿基米德螺线偏心和对数螺线偏心，因制造较困难故很少使用。以下主要介绍圆偏心夹紧机构。,1）圆偏心的楔角,当圆心角（回转角）等于900时，楔角接近最大值：,2）圆偏心夹紧力的计算,圆偏心夹紧时产生的夹紧力（N）；原始作用力（N）；p圆偏心工作点P的楔角（0）；1偏心轮与工件间作用点的摩擦角（0）；偏心轮回转孔与转轴间的摩擦角（0）。,3)圆偏心夹紧机构的自锁条件,偏心夹紧的偏心轮已标准化，其夹紧行程和夹紧力在夹具设计手册上也给出了，可以选用。偏心夹紧机构的优点是结构简单，操作方便，动作迅速。缺点是由于其夹紧点处的楔角（升角）是一个变值，夹紧力的大小将随之变化，夹紧行程和增力比小，自锁性能受到偏心轮几何参数的限制。因此一般用于工件被夹表面尺寸变化不大，切削力小且平稳的场合，不适合在粗加工中应用。,4.铰链夹紧机构,铰链夹紧机构的特点是动作迅速，增力比大，易于改变力的作用方向。缺点是自锁性能差，一般常用于气动和液动夹紧。铰链夹紧机构的设计要仔细进行铰链、杠杆的受力分析、运动分析和主要参数的分析计算。在设计中应考虑设置必要的浮动，调整环节，以保证铰链夹紧机构的正常工作。,铰链夹紧机构,铰链夹紧机构,铰链夹紧机构,铰链夹紧机构,铰链夹紧机构,5.定心夹紧机构,定心夹紧机构的设计可按以下两种原理来进行：1)定位一夹紧元件按等速位移原理来均分工件定位面的尺寸误差，实现定心或对中。2)定位一夹紧元件的均匀弹性变形原理来实现定心夹紧。如各种弹性心轴，弹性筒夹，液性塑料夹头等。,等速位移定心夹紧机构,均匀弹性变形定心夹紧机构,均匀弹性变形定心夹紧机构,均匀弹性变形定心夹紧机构,均匀弹性变形定心夹紧机构,6.联动夹紧机构,在机械加工中，往往要根据工件的结构特点或生产率的需要，对一个工件同时施加几个夹紧力或在一套夹具上对多个工件同时进行夹紧。因此在设计机床夹具时常用联动夹紧机构来解决上述问题。机床夹具的联动夹紧机构是指只需操作某一个手柄就能同时从各个方向上均匀地夹紧一个工件，或同时夹紧若干个工件。前者称为单件联动夹紧机构，后者称为多件联动夹紧机构。,1.单件多点联动夹紧机构,2.多件联动夹紧机构,1)平行式多件联动夹紧机构,1)平行式多件联动夹紧机构,2)连续式多件联动夹紧机构,3)对向式多件联动夹紧机构,4）复合式多件联动夹紧机构,设计联动夹紧机构时应注意如下几点：,1)由于联动机构动作和受力情况比较复杂，应仔细进行运动分析和受力分析，以确保设计意图能够实现。2)在联动机构中要充分注意在哪些地方设置浮动环节如铰链、球面垫等，要注意浮动的方向和浮动大小，要注意设置必要的调整环节，保证各夹紧均衡，运动不发生干涉。3)各压板都能很好地松夹，以便装卸工件。4)要注意整个机构和传动受力环节的强度和刚度。5)联动机构不要设计得太复杂，注意提高可靠性、降低制造成本。,4.5机床专用夹具设计方法,4.5.1机床专用夹具设计步骤,机床夹具的设计分为四个步骤：设计前的准备工作；夹具总体方案的确定；机床夹具装配图的绘制；机床夹具零件图的绘制。,1.机床夹具设计前的准备工作,明确工件的年生产纲领。它是夹具总体方案确定的依据之一，它决定了夹具的复杂程度和自动化程度。分析工件的零件图，了解被加工工件的形状及结构特点、材料及毛坯制造方法、加工技术要求(如尺寸精度、位置精度、粗糙度、热处理等)、零件各表面间的尺寸关系、加工余量大小及生产类型等。,1）分析工件的零件图,2）研究零件加工工艺规程及工序卡片,了解该工件整个加工工艺过程，熟悉夹具所在工序的零件的工序基准、工序尺寸、已加工表面、待加工表面；本工序的定位、夹紧原理方案，明确本工序前有哪些表面已经加工，还有哪些表面等待加工。哪些表面可作为本工序加工的定位基准，本工序的加工要为以后工序的加工创造哪些条件。从总体联系上把握工艺对夹具的要求。,3）掌握本工序所用机床的规格和性能,了解本工序的加工内容。机床、刀具、切削用量、工步安排、工时定额及同时加工的零件数，都是在考虑夹具总体方案、操作、估算夹紧力等方面必不可少的。通过查阅本工序所用机床的主要尺寸规格，特别是与夹具相关联部位的尺寸，如车床主轴轴颈连接螺纹、止口和锥孔的尺寸，铣床主轴的尺寸，铣床、刨床、钻床和镗床工作台尺寸及T型槽的尺寸等。,4）了解工具车间的生产能力和技术水平,通过调查研究，掌握工具车间(系指工具车间担负夹具制造的情况)制造夹具的生产能力和技术水平，使所设计的夹具尽可能自己制造和装配，从而保证夹具制造质量和降低制造成本。,4.5.2工件加工工艺分析,依据工件产品图中对加工精度等技术条件的要求，从夹具设计的角度，对工件的加工工艺进行分析，提出最优化的加工工艺方案。对原工艺设计确实需要修改时，应遵循有关技术管理规范由工艺设计人员进行修订。,4.5.3夹具结构方案的设计,1确定工件的定位方式，分析定位误差,(1)首先分析工件中有加工精度要求的尺寸，确定夹具必须限制的自由度。其次分析工件中虽然没标注加工精度要求，但工程中公认应该保证的技术要求，第三，兼顾工件承受切削力或夹紧力等需要而考虑限制的自由度。综合确定出夹具必须限制的自由度，由此选择定位方式。,4.5.3夹具结构方案的设计,1确定工件的定位方式，分析定位误差,(2)根据定位方式，选择定位元件，决定定位元件的尺寸和制造精度，设计定位装置。(3)最后分析计算定位误差。,2确定工件的夹紧方式和设计夹紧装置,(1)计算夹紧工件所需要的夹紧力，分析夹紧力对工件正确定位和加工精度的影响，确定夹紧表面夹紧方式和夹紧装置，选择夹紧力源及其传递方式设计合理的夹紧机构。将几种可供选择的夹紧方式进行分析比较，从中确定一种最佳夹紧方案。判断夹紧机构好坏的标准是正确、可靠、迅速、简便、经济。,2确定工件的夹紧方式和设计夹紧装置,(2)为确保夹紧可靠，在设计夹紧机构时，必须注意检查夹紧机构是否自锁或其它夹紧机构是否锁紧。(3)夹紧误差的分析与估算。,3确定刀具的引导方法，设计导向元件或对刀装置,确定导向件或对刀装置到定位元件的基本尺寸及其制造精度，如果有数个导向件或对刀件时，应确定其相互位置尺寸及其制造精度。,4确定其它元件或装置的结构型式,其它元件或装置包括定向件、分度装置、圆送进装置、顶出器等，选择并确定定位件、分度装置的相关尺寸和制造精度，分析其对加工工件精度的影响。,5考虑各种元件、装置的布局，确定夹具体及总体布局，绘制夹具方案总图。,(1)对夹具的总体结构，应该考虑几种方案，绘出草图，经过比较论证后，从中选取合理的方案。(2)通常用方格纸绘制草图，草图应能准确地反映各元件及装置的总体布局，要求按比例画出加工工件与相互联系的元件的关系，并应画出运动机构的极限位置，防止发生干涉现象。(3)联接螺钉、销钉等标准件允许用中心线画出其位置，其余可从略。草图对图线不作严格要求。,4.5.4绘制夹具总图,(1)夹具总图应遵循机械制图国家标准绘制，图形大小的比例尽量取1:1，力求使绘制的夹具总图具有良好的直观性，如工件过大时选用1:2等缩小比例，过小时用2:1的比例。(2)在总图中应以最少数量视图清楚地表示出夹具的工作原理和构造，表示各种元件或装置之间的位置关系。主视图应取操作者实际工作时夹具处于夹紧状态的位置，以作为夹具装配时的依据。,(3)绘制总图的顺序是：先用双点划线绘出工件的轮廓外形及定位基准，并用网状线显示出加工余量；把工件轮廓视为透明体，然后按着工件的形状及位置依次画出定位、导向、夹紧及其它元件或装置的具体结构；最后绘制夹具体，形成一个完整的夹具。,4.5.4绘制夹具总图,(4)在夹具总图上标出零件编号，按规定要求填写标题栏和明细表。标题栏和明细表的格式及填写要求，按各有关标准确定。(5)确定并标注有关尺寸和夹具技术要求。在夹具总图上标注轮廓尺寸，必要的装配、检验尺寸及其公差，主要元件、装置之间的相互位置精度要求等。,4.5.4绘制夹具总图,4.5.5绘制夹具零件图,对装配图中的非标准零件都需绘制零件图，零件图应按机械制图要求绘制，并使用规范的工装零件图标题栏。视图尽可能与装配图上的位置一致，尺寸、形状、位置、配合、加工表面粗糙度等要标注完整。在确定这些零件的尺寸、公差或技术条件时，应保证满足夹具总图的技术要求。,4.5.6夹具总图技术要求的制定,制定夹具总图的技术要求，确定尺寸公差及形位公差是夹具设计中的重要工作。它直接影响到工件的加工精度，也关系到夹具制造的难度和经济性。,1.夹具总图上应标注的技术要求,1）夹具外形的最大轮廓尺寸这类尺寸表示夹具在机床上所占据空间尺寸大小和可能的活动范围，以便校核所设计的夹具是否会与机床、刀具发生干涉。,1.夹具总图上应标注的技术要求,2）与定位有关的尺寸公差和形位公差主要指工件与定位元件、定位元件之间的尺寸、公差，规定夹具定位平面的平面度或等高性、定位表面间的平行度或垂直度等，以便于控制定位误差。,1.夹具总图上应标注的技术要求,3）与夹具在机床上安装有关的技术要求这类技术要求是用采确定夹具上定位元件对机床装卡面相对位置的，以便于控制与夹具，安装有关的加工误差。,1.夹具总图上应标注的技术要求,4）刀具与定位元件的位置尺寸和公差主要是确定导向元件或对刀元件对定位元件的正确位置，目的在于控制对刀或导向误差。,1.夹具总图上应标注的技术要求,5）其它装配尺寸这类技术要求是指夹具内部各组成连接副的配合、各组成元件之间的位置关系等。如定位元件与夹具体的配合，滑柱钻模的滑柱与导孔的，配合等，虽不一定与工件、刀具、机床有直接关系，但却影响加工精度和规定的使用要求。,1.夹具总图上应标注的技术要求,6）文字说明的技术要求夹具总图上无法用符号标注而又必须说明的问题，可作为技术条件用文字写在总图的标题栏上方或左方的空白处。其内容包括夹具制造和使用中的一些特殊要求。,2.夹具总图上公差值的确定,夹具总图上标注公差值的原则是：在满足工件加工要求的前提下，尽量降低夹具的制造精度。由于目前在误差分析计算方面资料还不完善，故多凭经验数据来确定夹具技术要求的允许值。,2.夹具总图上公差值的确定,1）直接影响工件加工精度的夹具公差如前所述夹具总图上标注的第1第5类尺寸公差和位置公差都直接影响工件的加工精度。,2）夹具上其它重要尺寸的公差和配合这类夹具公差无法直接从相应的加工尺寸公差中确定但对工件加工精度有直接影响，如定位元件与夹具体、可换钻套与衬套、导向套与刀具(或刀杆)。铰链联接的轴与孔等配合。其配合性质的确定，应以减少其影响为前提，其公差等级可参照机床夹具设计手册。,2.夹具总图上公差值的确定,4.6典型机床夹具设计,5.6.1钻床夹具设计,1.钻床夹具的类型及结构特点,在钻床上进行孔的钻、扩、铰、锪、攻螺纹加工时所用的夹具称为钻床夹具。钻床夹具上均设置钻模套筒（简称钻套），以保证被加工孔的位置精度。钻模套筒安装在钻模板上，因此习惯上把钻床夹具称为钻模。,根据工件的大小、形状及被加工孔的分布的不同要求，其结构形式可分为：固定式、回转式、翻转式、盖板式、滑柱式等。,1）固定式钻模,在加工工件的过程中，钻模和工件在机床上的位置固定不动。一般用于在立式钻床上加工较大的单孔或在摇臂钻床上加工平行孔系。,2）回转式钻模,回转式钻模主要用于加工同一圆周上的轴向平行孔系或径向孔。其基本形式有立轴、卧轴、斜轴三种。本节仅介绍夹具本身带有回转机构的钻模。,3）翻转式钻模,这是一种无固定回转轴和分度装置的钻模，外形象一个六面体，可以根据工件上被加工孔的位置作不同方位的翻转。主要用于加工小型工件分布在不同表面上的孔。此夹具的结构比较简单，但每次钻孔时都需找正钻套对于钻头的位置，所以辅助时间较长，而且翻转费力。因此夹具和工件一起总重量不能太重，一般以不超过10kg为宜。加工批量也不宜过大。,4）盖板式钻模,这类钻模没有夹具体。工件直接夹紧在机床工作台上。在一般情况下，钻模板上除了钻套外，还装有定位元件及夹紧装置，加工时只要将它覆盖在工件上即可。盖板式钻模的优点是结构简单，一般多用于加工笨重机件上的小孔，但生产率不高，不适用于大批量生产。因夹具在使用时要经常搬动，故钻模重量一般不超过10kg。为了减轻重量可在盖板上合理设置加强筋而减小其厚度。,5）滑柱式钻模,这种钻模在生产中得到广泛应用，是一种标准化、通用可调夹具。按其夹紧动力可分为手动和气动两种。,2.钻床夹具的设计要求,1）钻模类型的选择,钻模的类型很多，这主要是由于被加工孔的位置相对于定位基准来说，比较分散而且几何关系变化较多所决定的。因此设计钻模时，首先需要根据工件的形状、尺寸、重量和加工要求，并考虑生产批量、工厂工艺装备的技术状况等具体条件来选择夹具的结构类型。,2）钻套类型的选择,钻套是钻模上特有的元件。用来引导刀具以防止其在加工过程中发生偏斜，保证被加工孔的位置精度及提高工艺系统的刚度。钻套装配在钻模板或夹具体上，钻模板则以各种形式与夹具体或支架连接。按钻套的结构和使用情况，可分为以下四种类型。,(1)固定钻套,(2)可换钻套,(3)快换钻套,(4)特殊钻套,(4)特殊钻套,(4)特殊钻套,3）钻模板类型的选择,钻模板用于安装钻套，并保证钻套的正确位置。钻模板多装配在夹具体或支架上，或与夹具上其他元件相连接。常见有以下几种类型。,(1)固定式钻模板,(2)铰链式钻模板,(3)分离式(可卸式)钻模板,(4)悬挂式钻模板,4.6.2镗床夹具设计,镗床夹具又称镗模，主要用于加工箱体，支座等零件的孔或孔系。,1.镗床夹具的类型及结构特点,镗床夹具多由镗套引导镗孔刀具或镗杆进行镗孔，与钻模特点相似，工件上的孔或孔系的位置精度主要由镗模来保证，可以减少镗床主轴及进给系统误差的影响。由于箱体孔及孔系的精度要求较高，所以，镗模的制造精度应比钻模高。,在大批量生产中，多用于组合机床。在中、小批量生产中，多用于卧式或立式镗床。在无镗床时，也可在车床、钻床和铣床上进行镗孔加工（扩大该类机床的工艺范围）。镗床夹具的结构类型主要取决于导向支承的布置形式，分为以下几种形式：,镗套设置在刀具的前方，刀具与主轴刚性连接。主要用于加工孔径D60mm，加工长度LD的通孔。一般镗杆的导向部分直径d1.5以上的通孔，或一组同轴线的孔，而且孔本身或孔间距、孔同轴度要求很高的场合。,（4）双支承后导向镗模,两个镗套设置在刀具的后方。可适应不能使用前后双支承的情况。由于镗杆为悬臂梁，为保证其刚性，镗杆的悬伸量L1(1.55)l。镗杆与机床也采用浮动连接方式。可在箱体的一个壁上镗孔或镗不通孔。这种支承方式除具有前后单支承镗模的优点外，还便于装卸工件、刀具，刀具径向尺寸调整也便于观察和测量。,2.镗床夹具的设计要求,设计镗模时，除合理地确定其类型并处理好工件的定位及夹紧外，还必须解决镗套、镗刀杆、支架与底座的结构设计问题。,1)镗套的选择和设计,镗套的结构和精度直接影响到被加工孔的加工精度和表面粗糙度。镗套的结构形式，根据运动形式不同，一般分为固定式和回转式两种。回转式又有滑动和滚动之分。设计时可按工件的不同加工要求和加工条件等合理选用。,外滚式镗套,外滚式镗套,内滚式镗套,4.6.3铣床夹具设计,铣床夹具主要用于加工零件上的平面、键槽、缺口、花键、齿轮及直线成型面和立体成型面等。,1.铣床夹具的类型及结构特点,铣削过程中多数情况是铣床夹具和工作台一起作送进运动，并承受较大的切削力，易引起振动现象。铣床夹具的整体结构在很大程度上取决于铣削加工的送进方式，故将铣床夹具分为直线送进式、圆周送进式和靠模夹具三种类型。,1)直线进给式铣床夹具,在铣床夹具中，这种夹具用得最多，加工中工作台是按直线进给方式运动的。按照在夹具上安装工件的数目，可分为单件夹具和多件夹具。,多件装夹的铣床夹具,2)圆周进给式铣夹具,多用在有回转工作台的铣床上或夹具本身具有自动转装置，送进运动是连续不断的，能在不停车的情况下装卸工件，是一种生产效率很高的加工方法，适用于较大批量的生产。,3)铣削靠模夹具,靠模夹具是用来加工各种直线曲面或空间曲面，靠模夹具的作用是使主送进运动和由靠模获得的辅助运动形成加工所需要的仿形运动。因此按照送进运动的方式，把用于加工直线曲面的仿形夹具分为直线送进和圆周送进两种。采用靠模夹具可在一般万能铣、刨床上加工出所需要的成形面以代替价格昂贵的机床，对于中小企业来说，通过采用夹具来扩大机床工艺用途，以解决缺少特殊设备问题，具有较大的技术经济意义。,2.铣床夹具的设计要求,铣削加工一般切削用量和切削力较大，多刀多刃连续切削，切削力的方向和大小不断变化，加工时极易产生振动。因此铣夹具的设计应着重解决以下几个方面问题。,(1)注意工件定位的稳定性(2)注意夹具的可靠性(3)注意减少夹紧工件的辅助时间(4)注意合理选择夹紧工件的数量,1)铣床夹具的结构特点,2)定向键和对刀装置,定向键和对刀装置是铣床夹具的特殊元件。铣床夹具通过定向键在机床上定位，通过对刀装置决定