机械制造工艺学第二章 第二次课 机床夹具设计基础.ppt

1,机械制造工艺学,第2章机床夹具设计基础,2,工件在定位时要解决两个问题：工件位置的“定与不定”。根据六点定位原理，通过消除工件相应的“自由度”来解决；工件位置的“准与不准”。通过选择合适的定位基准和选择、设计相应的定位元件来实现。,2.3.1定位误差及其产生的原因,2.3定位误差分析,3,安装误差安装工件在夹具中的定位和夹紧误差。对定误差对定刀具的导向或对刀误差即夹具与刀具的相对位置误差；夹具在机床上的定位和夹紧误差即夹具与机床的相对位置误差。加工过程误差过程加工方法的原理误差，工艺系统的受力变形、工艺系统的受热变形、工艺系统各组成部分（如机床、刀具、量具等）的静精度和磨损等。,通常：安装+对定+过程T工件,2.3.1定位误差及其产生的原因,加工误差的组成,4,工件在夹具中的定位和夹紧误差,夹具与刀具的相对位置误差,夹具与机床的相对位置误差,2.3.1定位误差及其产生的原因,5,为了保证加工精度的要求，加工时应满足如下关系式：总=安装+对定+过程T其中总为误差总和，T是工件被加工尺寸的公差。初步计算时，可考虑三项误差平均分配，即：安装T/3对定T/3多数情况下，夹紧误差可忽略不计，因此有：定位T/3上式用以判断夹具设计是否满足要求。,2.3.1定位误差及其产生的原因,6,定位误差是工件在夹具中定位，由于定位不准造成的加工面相对于工序基准沿加工要求(加工尺寸)方向上的最大位置变动量。,成批加工工件时，夹具相对机床的位置及切削运动的行程调定后不再变动，可认为加工面的位置是固定的(但因一批工件中每个工件在尺寸形状及表面相互位置上均存在差异，所以定位后各表面有不同的位置变动)。工序基准的位置变动将对加工精度有直接影响。,1、定位误差的概念,2.3.1定位误差及其产生的原因,7,2.3.1定位误差及其产生的原因,1、定位误差的概念,8,1）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，如上图所示例子。,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。,左图所示工件以底面定位铣台阶面，要求保证尺寸a，即工序基准为工件顶面。如刀具已调整好位置，则由于尺寸b的误差会使工件顶面位置发生变化，从而使工序尺寸a产生误差。,2、定位误差的来源,2.3.1定位误差及其产生的原因,9,定位误差,基准位移误差(y),基准不重合误差(b),零件定位基准不准确,夹具上定位元件不准确,2、定位误差的来源,2.3.1定位误差及其产生的原因,10,基准位置误差y,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，定位基准相对于其理想位置的最大位置变动量。,2、定位误差的来源,2.3.1定位误差及其产生的原因,11,工件的孔装夹在水平放置的心轴上铣削平面，要求保证尺寸h，由于定位基准与设计基准重合，故无基准不重合误差；但由于工件的定位基面（内孔D）和夹具定位元件（心轴d1）皆有制造误差，如果心轴制造得刚好为d1min，而工件得内孔刚好为Dmax（如图示），当工件在水平放置的心轴上定位时，工件内孔与心轴在P点接触，工件实际内孔中心的最大下移量ab（Dmaxd1min）/2，ab就是定位副制造不准确而引起的误差。基准不重合误差的方向和定位副制造不准确误差的方向可能不相同，定位误差取为基准不重合误差和定位副制造不准确误差的矢量和。,2、定位误差的来源,基准位置误差y,2.3.1定位误差及其产生的原因,12,定位基准与设计基准不一致所引起的定位误差。设计基准相对定位基准的理想位置的最大位置变动量。定位基准与设计基准不重合时所产生的基准不重合误差，只有在采用调整法加工时才会产生，在试切法加工中不会产生。,基准不重合误差b,2、定位误差的来源,2.3.1定位误差及其产生的原因,13,一次安装加工两孔A和B，孔B在X方向定位基准C与设计基准A不重合，基准不重合误差为联系尺寸22的公差0.2。,2、定位误差的来源,基准不重合误差b,2.3.1定位误差及其产生的原因,14,基准的位移误差：,基准不重合误差：,2.3.1定位误差及其产生的原因,15,定位误差只产生在采用调整法加工一批零件的条件下。定位误差是由于工件定位不准而产生的加工误差。表现形式为工序基准相对加工面可能产生的最大尺寸或位置的变动范围。D=yb需要根据两者对一批工件定位由一种可能的极端位置变为另一种可能的极端位置时工序尺寸变化的影响同异来确定公式中的加减号。首先分析定位基面直径由小变大（或由大变小）时，定位基准的变化方向；再分析当定位基面直径作同样变化时（设定位基准的位置不变化），分析工序基准的变动方向，最后判断两者的变化方向、相同时，取“十”号，相反时，取“”号。注意：定位基准、定位基面和工序基准都在工件上。,结论：,2.3.1定位误差及其产生的原因,16,在采用调整法加工时，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。因此计算定位误差，首先要找出工序尺寸的工序基准，然后求其在工序尺寸方向上的最大变动量即可。,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；然后运用三角几何知识，求出工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量，即为定位误差。,（一）用几何方法计算定位误差,2.3.2定位误差的计算,2.3定位误差分析,17,以平面定位时的定位误差：,对于尺寸A3：,对于尺寸A1：,工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量,2.3.2定位误差的计算,18,以外圆在V形块上定位时的定位误差：,工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量,对于这个例子，定位误差的分析方法有两种：a）定位基准看做是与V形块相接触的母线，即支承定位；b）定位基准看做是工件外圆表面的中心，即定心定位。两种方法分析的结果相同。,2.3.2定位误差的计算,19,以外圆在V形块上定位时的定位误差：,对于尺寸H1：,或根据：D=Y+B,工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量,根据定心定位来分析定位误差,2.3.2定位误差的计算,20,以外圆在V形块上定位时的定位误差：,对于尺寸H2：,工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量,2.3.2定位误差的计算,21,以外圆在V形块上定位时的定位误差：,对于尺寸H3：,工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量,2.3.2定位误差的计算,22,当工件孔径为最大，定位销的直径为最小时，孔心在任意方向上的最大变动量等于孔与销配合的最大间隙量,以内孔在圆柱心轴上定位时的定位误差：,【1】孔与销间隙配合(销垂直)，工件的工序基准为孔心,2.3.2定位误差的计算,23,以内孔在圆柱心轴上定位时的定位误差：,【2】孔与销间隙配合(销水平)，工件孔与夹具定位销保持固定边接触：分析时，保持销的中心不变。,2.3.2定位误差的计算,24,对于尺寸H1：,对于尺寸H2：,对于尺寸H3：,以定位心轴水平放置时为例：,对于尺寸H4：,工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量,工序基准在定位基准的上方，取+；反之，取。,2.3.2定位误差的计算,25,基准位移误差：,转角误差：,工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量,一面两孔组合定位时的定位误差：,2.3.2定位误差的计算,26,（二）用微分方法计算定位误差,【例】工件在V型块上定位铣键槽，计算定位误差【解】要求保证的工序尺寸和工序要求：槽底至工件外圆中心的距离H（或槽底至外圆下母线的距离H1，或槽底至外圆上母线的距离H2）；键槽对工件外圆中心的对称度,对上式求全微分，得到：,2.3.2定位误差的计算,27,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，各项误差均取最大值，得到工序尺寸H的定位误差：,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型块对外圆表面定位，当工序基准为外圆中心时，在垂直方向（图中尺寸H方向）上的定位误差为：,2.3.2定位误差的计算,28,对于第2项要求，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（工件外圆中心）在水平方向上的位置变动量为零，即使用V型块对外圆表面定位时，在垂直于V型块对称面方向上定位误差为零。,若工件工序基准为外圆下母线或上母线时，用同样方法可求出其定位误差分别为：,外圆表面在V型块上的定位误差,2.3.2定位误差的计算,29,机械制造工艺学,第2章机床夹具设计基础,30,为了使工件加工时在切削力、惯性力、重力等外力作用下，仍然保持已定好的位置，在夹具上还须设有夹紧装置，对工件产生适当的夹紧力。夹紧装置的设计和选择是否合理，将直接影响工件的加工质量和生产率。,2.4工件的夹紧及夹紧装置,31,组成,（1）力源装置（2）中间传力机构（3）夹紧元件,作用,改变力的大小，通常为增力机构；改变夹紧力的方向；使夹具具有一定的自锁性，以保证夹紧可靠。,产生原始的作用力,执行夹紧的最终元件，直接与工件接触。,将原动力以一定的大小和方向传递给夹紧元件,2.4.1夹紧装置的组成和基本要求,2.4工件的夹紧及夹紧装置,32,1）夹紧时不破坏工件定位后的正确位置；稳2）夹紧力大小要适当；牢3）夹紧动作要迅速、可靠；快4）结构紧凑，易于制造与维修。,2.4.1夹紧装置的组成和基本要求,基本要求,2.4工件的夹紧及夹紧装置,33,夹紧力的方向：,夹紧力的方向应不破坏工件定位的准确性和可靠性,夹紧装置设计和选择的核心问题:夹紧力的大小、方向和作用点,一般要求主要夹紧力垂直指向主要定位面,2.4.2设计夹紧装置的基本准则,34,夹紧力的方向：,夹紧力作用方向应尽量与工件刚度大的方向相一致，以减小工件夹紧变形,夹紧装置设计和选择的核心问题:夹紧力的大小、方向和作用点,2.4.2设计夹紧装置的基本准则,35,夹紧力的方向：,夹紧力的方向应有利于减小夹紧力,2.4.2设计夹紧装置的基本准则,36,夹紧力的作用点：,作用点应保持工件的稳定，不能使工件产生位移或偏转,作用点应位于工件刚性较好的部位,夹紧力应尽可能靠近工件上被加工面，必要时应加辅助支承,夹紧力应使夹具本身变形小,2.4.2设计夹紧装置的基本准则,37,夹紧力的作用点：,作用点应保持工件的稳定，不能使工件产生位移或偏转,2.4.2设计夹紧装置的基本准则,38,夹紧力的作用点：,作用点应位于工件刚性较好的部位,2.4.2设计夹紧装置的基本准则,39,夹紧力的作用点：,夹紧力应尽可能靠近工件上被加工面，必要时应加辅助支承,2.4.2设计夹紧装置的基本准则,40,夹紧力的作用点：,夹紧力应使夹具本身变形小,2.4.2设计夹紧装置的基本准则,41,3.夹紧力的大小对工件所施加的夹紧力，要适当。夹紧力过大，会引起工件变形；夹紧力过小，易破坏定位。进行夹紧力计算时，通常将夹具和工件看作一刚性系统，以简化计算。根据工件在切削力、夹紧力(重型工件要考虑重力，高速时要考虑惯性力)作用下处于静力平衡，列出静力平衡方程式，即可算出理论夹紧力。为安全起见，计算出的夹紧力应乘以安全系数K，故实际夹紧力一般比理论计算值大23倍。加工过程中切削力的作用点、方向和大小可能都在变化，估算夹紧力时应按最不利的情况考虑。注：对于关键性的重要夹具，往往通过试验的方法来测定所需的夹紧力。,2.4.2设计夹紧装置的基本准则,42,夹紧力的大小：,式中：W0：实际夹紧力；W：理论夹紧力；K：安全系数。粗加工时K=2.53，精加工时K=1.52,如右图所示:,2.4.2设计夹紧装置的基本准则,43,在生产中，很少单独使用楔块对工件直接夹紧，而是与杆杠、压板、螺旋等组合使用，或是与气压、液压传动装置联用，不需要自锁。如图所示，斜楔夹紧主要用于增大夹紧力或改变夹紧力方向。利用斜面移动时所产生的力来夹紧工件。,特点：(1)有增力作用,扩力比i=W/Q，约等于3；(2)夹紧行程小,h/s=tan，故h远小于s；(3)结构简单，但操作不方便。,2.4.3常见的夹紧装置,斜楔夹紧装置,斜楔夹紧机构,44,斜楔夹紧机构,夹紧力取斜楔为分离体，分析其所受作用力，并根据力平衡条件，可得到直接采用斜楔夹紧时的夹紧力为：,式中W可获得的夹紧力（N）Q作用在斜楔上的原始力（N）1斜楔与夹具体间摩擦角（）2斜楔与工件间摩擦角（）斜楔的楔角（）,斜楔夹紧的翻转式钻模,自锁条件,12,2.4.3常见的夹紧装置,45,该机构是从楔块夹紧装置转化而来的，相当于把楔块绕在圆柱体上，转动螺旋时即可夹紧工件。如图所示为简单的单螺旋夹紧机构。,2.4.3常见的夹紧装置,螺旋夹紧机构,特点：扩力比约为80,远比斜楔夹紧力大；结构简单，制造容易，夹紧可靠；夹紧行程不受限制；夹紧动作慢，效率低；螺旋升角小，自锁性好。应用场合：手动夹紧装置常采用。,46,2.4.3常见的夹紧装置,螺旋夹紧机构,47,偏心夹紧装置也是从楔块夹紧装置转化而来的，它是将楔块包在圆盘上，旋转圆盘使工件得以夹紧。,2.4.3常见的夹紧装置,偏心夹紧机构,特点：夹紧行程小，夹紧力小，自锁能力差；夹紧迅速，结构紧凑。应用场合：切削力不大，振动较小的场合，与其他元件联合使用。,48,在切削加工中，若工件是以中心线或对称面为工序基准，为使e定0，可采用一种保证工件准确定心或对中的装置，使工件的定位和夹紧过程同时完成，而定位元件与夹紧元件合二为一。这种装置称为定心夹紧装置。,2.4.3常见的夹紧装置,定心夹紧机构,49,定心夹紧机构,特点同时实现对工件定心定位和夹紧，即在夹紧过程中，能使工件相对于某一轴线或某一对称面保持对称性以等速移动原理工作的定心夹紧机构,2.4.3常见的夹紧装置,50,螺旋定心夹紧机构1、2V形块3左右旋螺杆4、5、9、10紧定螺钉6、8螺钉7叉形件,以等速移动原理工作的定心夹紧机构,2.4.3常见的夹紧装置,定心夹紧机构,51,以均匀弹性变形原理工作的定心夹紧机构,弹簧夹头1夹具体2螺母3弹簧套筒4工件,2.4.3常见的夹紧装置,定心夹紧机构,52,螺旋压板夹紧机构,2.4.3常见的夹紧装置,53,联动夹紧机构,特点从一处施力，可同时在几处对一个或几个工件进行夹紧,联动夹紧机构1压板2螺母3工件,2.4.3常见的夹紧装置,54,多件平行夹紧机构,特点夹紧力均匀分配给每个工件，夹紧元件浮动，以便夹紧力趋于平衡。,2.4.3常见的夹紧装置,55,驱动方式有气动、液动、气液联合驱动，电（磁）驱动，真空吸附等多种形式。1气动夹紧装置气动夹紧装置以压缩空气作为动力源推动夹紧机构夹紧工件。常用的气缸结构有活塞式和薄膜式两种。活塞式气缸按照气缸装夹方式分类有固定式、摆动式和回转式三种，按工作方式分类有单向作用和双向作用两种，应用最广泛的是双作用固定式气缸。2液压夹紧装置液压夹紧装置的结构和工作原理基本与气动夹紧装置相同，所不同的是它所用的工作介质是压力油。与气压夹紧装置相比，液压夹紧具有以下优点：传动力大，夹具结构相对比较小；油液不可压缩，夹紧可靠，工作平稳；噪声小。它的不足之处是须设置专门的液压系统，应用范围受限制。,2.4.3常见的夹紧装置,56,机械制造工艺学,第2章机床夹具设计基础,57,1保证工件加工的各项技术要求要求正确确定定位方案、夹紧方案，正确确定刀具的导向方式，合理制定夹具的技术要求，必要时要进行误差分析与计算。2具有较高的生产效率和较低的制造成本为提高生产效率，应尽量采用多件夹紧、联动夹紧等高效夹具，但结构应尽量简单，造价要低廉。3尽量选用标准化零部件尽量选用标准夹具元件和标准件，这样可以缩短夹具的设计制造周期，提高夹具设计质量和降低夹具制造成本。4夹具操作方便安全、省力为便于操作，操作手柄一般应放在右边或前面；为便于夹紧工件，操纵夹紧件的手柄或扳手在操作范围内应有足够的活动空间；为减轻工人劳动强度，在条件允许的情况下，应尽量采用气动、液压等机械化夹紧装置。5夹具应具有良好的结构工艺性所设计的夹具应便于制造、检验、装配、调整和维修。,2.5.1机床夹具设计的基本要求,58,1明确设计要求，收集和研究有关资料在接到夹具设计任务书后，首先要仔细阅读加工件的零件图和与之有关的部件装配图，了解零件的作用、结构特点和技术要求；其次，要认真研究加工件的工艺规程，充分了解本工序的加工内容和加工要求，了解本工序使用的机床和刀具，研究分析夹具设计任务书上所选用的定位基准和工序尺寸。,2.5.2夹具设计的基本步骤,2.5机床夹具设计,59,1）确定定位方案，选择定位元件，计算定位误差。2）确定对刀或导向方式，选择对刀块或导向元件。3）确定夹紧方案，选择夹紧机构。4）确定夹具其他组成部分结构形式，如分度装置、夹具和机床的连接方式等。5）确定夹具体的形式和夹具的总体结构。在确定夹具结构方案的过程中，应提出几种不同的方案进行比较分析，选取其中最为合理的结构方案。,2.5.2夹具设计的基本步骤,2确定夹具的结构方案,60,夹具总图绘制比例除特殊情况外，一般均应按1：1绘制，以使所设计夹具有良好的直观性。总图上的主视图，应尽量选取与操作者正对的位置。绘制夹具装配图可按如下顺序进行：(1)用双点划线画出工件的外形轮廓和定位面、加工面；(2)画出定位元件和导向元件；(3)按夹紧状态画出夹紧装置；(4)画出其他元件或机构；(5)最后画出夹具体，把上述各组成部分联结成一体，形成完整的夹具。,在夹具装配图中，被加工件视为透明体。,2.5.2夹具设计的基本步骤,3绘制夹具的装配草图和装配图,61,（1）夹具总装配图上应标注的尺寸1）工件与定位元件间的联系尺寸，例如，工件基准孔与夹具定位销的配合尺寸。2）夹具与刀具的联系尺寸，例如，对刀块与定位元件之间的位置尺寸及公差，钻套。锤套与定位元件之间的位置尺寸及公差。3）夹具与机床联接部分的尺寸，对于铣床夹具是指定位键与铣床工作台T型槽的配合尺寸及公差，对于车、磨床夹具指的是夹具联接到机床主轴端的联接尺寸及公差。4）夹具内部的联系尺寸及关键件配合尺寸，例如，定位元件间的位置尺寸，定位元件与夹具体的配合尺寸等。5）夹具外形轮廓尺寸。,2.5.2夹具设计的基本步骤,4确定并标注有关尺寸、配合及技术要求,62,（2）确定夹具技术条件在装配图上需要标出与工序尺寸精度直接有关的下列各有关夹具元件之间的相互位置精度要求。1）定位元件之间的相互位置要求。2）定位元件与联接元件（夹具以联接元件与机床相联）或找正基面间的相互位置精度要求。3）对刀元件与联接元件（或找正基面）间的相互位置精度要求。4）定位元件与导向元件的位置精度要求。,2.5.2夹具设计的基本步骤,4确定并标注有关尺寸、配合及技术要求,63,5绘制夹具零件图绘制装配图中非标准零件的零件图，其视图应尽可能与装配图上的位置一致。6编写夹具设计说明书,2.5.2夹具设计的基本步骤,64,机械制造工艺学,第2章机床夹具设计基础,65,2.6.1车床夹具,66,2.6.2钻床夹具,67,2.6.2钻床夹具,68,2.6.3铣床夹具,69,2.6.4成组夹具,70,2.6.5组合夹具,槽系组合钻模元件分解图1其他件2基础件3合件4定位件5紧固件6压紧件7支承件8导向件,槽系组合夹具,八大类元件,槽系组合夹具实例,71,2.6.6随行夹具,72,1）定位元件或装置,6）其他元件或装置（防护、防错、分度）,5）夹具体,4）连接元件,3）夹紧元件或装置,2）对刀及导向元件,本章小结：夹具的组成,73,机床夹具,1.按夹具的应用分,2.按机床类型分,3.按夹具所用夹紧动力源分,通用夹具专用机床夹具通用可调夹具及成组可调夹具随行夹具组合夹具,本章小结：夹具的分类,74,合理布置六个定位支承点，使工件上的定位基面与其紧密接触或配合，一个支承点限制工件一个自由度，使工件六个自由度被完全限制，在空间得到唯一确定的位置，此即六点定位原理。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。通常称定位点数最多的表面为主要定位面或支承面，称定位点数次多的表面为第二定位基准面或导向面，称定位点数为1的表面为第三定位基准面或止动面。,工件定位的基本原理,本章小结：定位原理,75,工件的六个自由度被完全限制的定位称完全定位，允许少于六点的定位称为不完全定位。完全定位和不完全定位都是合理的定位方式。,完全定位与不完全定位,限制工件自由度与加工要求的关系,本章小结：定位原理,工件应限制的自由度未被限制的定位，为欠定位。在实际生产中欠定位是绝对不允许的。工件一个(或几个)自由度被两个(或两个以上)约束点约束，称为过定位或重复定位。,欠定位与过定位,76,平面定位常用定位元件,支承板,可调支承自位支承辅助支承,平面型支承板：侧面和顶面定位带斜槽型支承板：适于作底面定位,平头支承钉：用于支承精基准面球头支承钉：用于支承粗基准面网纹顶面支承钉：用在工件以粗基准定位且要求较大摩擦力的表面定位,支承钉,本章小结：定位元件,77,工件在夹具中的定位和夹紧误差,夹具与刀具的相对位置误差,夹具与机床的相对位置误差,本章小结:加工误差的组成,78,定位误差,基准位移误差(y),基准不重合误差(b),零件定位基准不准确,夹具上定位元件不准确,本章小结：定位误差的来源,79,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；然后运用三角几何知识，求出工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量，即为定位误差。,（一）用几何方法计算定位误差,（二）用微分方法计算定位误差,本章小结：定位误差的计算,80,以外圆在V形块上定位时的定位误差：,本章小结：定位误差的计算,81,当工件孔径为最大，定位销的直径为最小时，孔心在任意方向上的最大变动量等于孔与销配合的最大间隙量,以内孔在圆柱心轴上定位时的定位误差：,【1】孔与销间隙配合(销垂直)，工件的工序基准为孔心,本章小结：定位误差的计算,82,以内孔在圆柱心