夹具设计概论

1、夹治具设计概论1.1 夾 治 具 (Fixture Jig) 的 定 義一般而言，凡 是在機械製造過程中，使 任何加工程序能加速、 方便或安全的輔助裝置工具，均可稱為夾具(Fixture )。廣義的夾具可包括機器夾具(Machine Fixture)，沖壓夾具(press Fixture)，熱處理夾具(Heat Treatment Fixture)，焊接夾具(Welding Fixture) ， 裝配 夾 具( Assembling Fixture ) 等等 。狹義 的夾具， 一般即指機器夾具， 可簡稱為夾具， 它主要用 於機器加工 ， 也是機器與工件、刀具之間的橋樑， 目前較統稱 的 定義

2、為“用以裝夾工件的裝置工具“為夾具。 “用以裝夾工 件並配合引導刀具的裝置工具”稱為治具或鉆模( Jig)。1.2 夾治具的功能 夾具的 功能：在加工過程中，將工件維持在一安定的位置上，並吸收切削 過 程 中 產 生 的 推 力 與 變 形 力。讓工件能得到定位，維持較安 定的加工精度。由於夾具的製作成本與所要達到的精度成正比，因此，選擇 適 當 的 精 度，才 能 達 到 降 低 成 本 的 要 求。由 於 高 精 度 的 夾 具 一 定貴，因此，我們往往必須在成本與效率做一選擇。1.3 夾 具的 分類一般可按夾具的通用性和使用特點，所使用的機器類型，以及所用動力源進行分類，如表 1 所示。

3、A 1 央山分翻 4 口4-2夾具規劃2.1夾治具規劃要點A* I Art央ii 习wft4 -1 1- iaF-X牺E X« V39tr31. M止切rtBI噬ftitfl W圖（一）夾具規劃要點2.2夾具設計流程圖圖（二）夾具設計流程圖4-3夾具設計考慮因素設計重點：(1) 構 思:必須暸解加工方法與切削過程。不要僅依靠自己的知識來判斷，必須保持有別的看法之柔 軟性。(2) 對下一工程的 考慮點：一 要 站 在 使 用 者的 立 場 設 計 。一優良的夾具設計 是要考慮到價格 、精度、安裝容易與耐用。(3) 設計上的重點 項目：一單純。一 多使用 標準品(市 售品、標 準規格 品

4、 等)，儘量避免 使用 特殊品夾持必須配合加工物且要保持充份的剛性。 考 慮 充 份 的 調 配 性 ( 標 準 品 ) 。考慮到安全第。要注意基準面、基準點的設定，要統一前後工程，不可相互 矛盾。加工物的中間尺寸與公差要確實檢查。要考慮切屑處理。要設計成即使操作錯誤也是安全的。要考慮到作業者浪費動作，要提高手動機構的操作性。從使用頻率與磨耗的關係來考慮耐久忤（零件的淬火等 ）3.1 設計夾貝常用基準及其相互關係 表2 設計夾具常用基準及其相互關係 設計基準設計圖樣上所採用基準 工 序基準 在工程 中採 用的基 準。工 序基準 在工序 圖上 用來確 定本 工 序被加 工表面 加工後的尺 寸 、

5、 形 狀 位 置 的基 準 。定位基準一在加工中用作定位的基準。3.2 常用定 位方 法及 定位 元件 工件以平面為定位基準的定位方法及定位元件(1) 支承 釘與 支承板 ， 如圖 3(a) ， (b)(2) 調節支承及浮動自位支承，如圖 4(a)，(b)工 作以外 圓柱面 為 定佔 基準的定 位方 法及定 位元 件， 以工 件的 個 外 圓 柱面 作 為 定 位 基 準時 ， 常 用 的 定 位方 法 是 將 外 圓柱 裝 在 圓 孔 、半 圓 孔 、 V 形 塊或 定 心 夾 緊 機 構中 。 後 兩 種 最為 常用。 .工 件以圓 孔為定 位 基準 的定位方 法及 定位元 件， 定位 基

6、準 為圓 孔 的 工 作 ，常 用 定 位 銷 及 定位 心 軸 定 位 。 此外 ， 還 可 利 用定 心 夾 緊 機 構進 行 定 位 。3.3 定位誤差 產生 的原 因任 意 一 批 工 件在 夾 具 中 加 工 時， 引 起 加 工 尺 寸產 生 誤 差 的主要 原因有 兩類：(1)由於定位基 準本身 的尺寸 和幾何 形狀誤差 ，以 及定位基準與定位元件之間的間隙，所 引起的同批工件定位基準 沿加工尺寸方向的最大位移，稱 為定位基準位移 誤差，以 jy 表 示 。(2)由 於工 序基 準與定位基 準不 重合，所引起的 同批 工件工序8圖三（a）支承釘IA丄圖三（b）支承板圖四（a）調節

7、支承件圖四（b）浮動支承件 基準相對於定位基準而言沿加工尺寸方向的最大位移，稱為基 準不重合誤差，以Ajb表示。上述兩類誤差之和即為定位誤差，故可得 aw = jy+ jb3.4夾具的組成元件按在夾具中的作用、地位及結構特點，組成夾只的元件可分為以下各類定位元件及定位裝置 夾緊元件及夾緊裝置(3) 夾 具體(4) 對刀及 導引 元件 裝置(包 括刀具 導引元件，對 刀裝 置及靠模裝置)(5) 動 力裝 置(6) 分度、對定裝 置(7) 其他元件及裝 置(包括夾具各 部份相互連接用 的以及夾具與 機 器 相 連 接用 的 鎖 緊 螺 釘 、銷 、 鍵 和 各 種 手柄 等 。3.5 定位、夾 緊

8、和 裝夾 的概 念工 件 在 加 工 之前 須 安 放 在 夾 具中 ， 使 其 得 到 一個 正 確 的 位 置或 方向， 並使其 在 加工 過程中雖 然受 到切削 力及 其他 外力 的 影響，仍能保證正確位置或方向。根據上述過程劃分而得出以下概念定義? 確定工件在機器上或夾具中有正確位置的過程，稱為 定位。 ? 工件定位後將其固定使其在加工過程中保持定位不變的操作，稱為夾 緊。? 將工件在機器上或夾具中定位，夾緊的過裡，稱為裝夾。3.6 工件在夾具中的夾緊夾緊的目的，是保證工件在夾具中的定位，不致因加工時受 切 削 力、 重 力或 伴 生力 （離心 力 、慣 性力 、 熱應 力 等 ）的

9、作用 而 產生移動或振動。夾 緊 裝 置 可 按 夾 緊 機 構 的 類 型 和 夾 緊 裝 置 的 動 力 源 來 分 類 如表 3 夾緊裝置的分類。表 3 夾緊裝置的分類Wj3.7夾緊機構應滿足下列主要要求(1) 夾緊裝置在對工件夾緊時，不應破壞工件的定位，為此必須正 確選擇夾緊力的方向及著力點。(2) 夾緊力的大小應該可靠，適當，要保證工件在夾緊後的變形和 受壓表面的損傷不致超過允許範圍。(3) 夾緊裝置結構簡單合理，夾緊動作要迅速，操縱方省力和安全。(4) 夾緊力或夾緊行程在一定範圍內可進行調整和補償。3.8夾緊裝置設計的內容和步驟設計夾緊裝置時，可按以下四個步驟確定夾緊力:(1) 根

10、據 工 序 圖 繪製 夾 緊 力示 意 圖，在 圖中 應 表 明夾 緊 力 的 作用點與方向及應考慮的其他力的作用情況;(2) 確 定 夾 緊 元 件 結 構 ;(3) 確 定 夾 緊 裝 置 所 能 產 生 的 夾 緊 力 。夾緊力的作用點及作用方向在選擇夾緊力的作用點及作用方向時應考慮下面幾點：(1) 夾緊力 應 有助於 定位，而 不應 破壞 定位 ，在 夾緊 力作用下，工 件不 應離 開支 承點。首 先要保證 主要定 位基準與定 位元 件可靠度接觸，最好使工件對各個支承都有一定的壓力。對圖 5 所示定 位情 況， 應使 夾緊力 W1 作用 在主 要定 位基準 的 中心 位 置，以便對主要

11、定位基準A、B、C 支承點均 產生壓力。若有兩個夾緊力，則 W2 應垂 直作用在 D 點。在這種情況下，也可用夾 緊力 W3。代替 Wl與W2同時作用在主要定位支承上和輔助定位 支承上 ，什 工件 得到 可靠定位 。(2) 夾緊 變形 要小 ，特別對 剛 度差的 工件更 應予以注意(3) 保證加工中 工件振動 小，為 此，夾緊 點應儘量接 近被加 工表 面， 特別 是對 低剛度 工件。圖 五夾力作用點及方向夾緊力的大小計算夾緊力時，根據工件所受切削力P(或切削力矩Mp)、夾 緊力W以及摩擦力F(或摩擦力炬MF)，對大工件還應考慮重力 G， 運動的工件還 應考慮慣性力等 ， 繪製夾緊示意 圖，

12、見圖 6。 然後，根據靜力平衡條件，計算出理論夾緊力Wp，再乘以安全 係數 k ， 得出實 際夾緊力 W。在不考慮重力和 其他伴生力的情 況下，夾緊力的 大小既與切削 力 的大小有關，也 與切削力對支承 的作用方向有關 ， 圖 6 為幾 種典型加工情況的 夾緊示意圖，所 需夾緊力 為：鉆削 、 拉削 (圖 6(a) 、 (b)W = kM/(f i Rf i+f2Rf2)N銑削 (圖 6(c)W=kp/(f 1+f2) N車 削 ( 圖 6(d)W=kP/(fkP z/+3f) N式中 k：安全係數，可按下式計算k=k1k2k3k4M： 切 削扭 矩f1、f2： 夾緊 元件 、定 位元 件各

13、自與 工件 接觸 表面 的摩 擦 係數Rf 1、Rf 2:夾 緊元件、定 位元 件各 自與工 件接 觸表 面間 的摩 擦力矩半徑R： 工 件半 徑f： 夾緊爪工件間的摩擦係數k1： 一般安全係數， 考慮增加夾緊力的可靠性和因工件材料性 質 及 加 工 餘 量 不 均 勻 等 引 起 的 切 削 力 的 變 化 ， 一 般 取 k1=1.52k2： 加工性質係數。粗加工取 1.2， 精加工取 1。k3： 刀具鈍化係數， 考慮刀具磨鈍後， 切削力增大， 一般取k3=1.11.3k4：斷續切削係數。斷續切削時，取k4=1.2 ；連續切削時，取k4=1圖六(a), (b)夾緊示意圖各種支承條件下的摩擦

14、係數見表 5表4各種支承條件下的摩擦係數定位支戒而的形式1 1 摩撼係數f兄滑我面;Or1时U有與切削1,1力向-的直M槽0.30具有舸切削力方向垂直的直溝槽0.4 (J具有交鉛的網狀潘楷.0.700.803.9數控機器夾具的設計要點設計數控加工用夾具時，除遵循一般夾具設計的原則外還應注 意下列問題。(1) 在數控加工中，為了確定加工點的空間位置，必須建立座標系。 數控加工批量較小，故應儘量可能採用標準化的通用夾具 或組合夾具等。 為滿足數控加工精度，要求夾具的定位，夾緊精度高。 夾具的結構應使工件在一次裝夾後，能進行多個表面的多 種加工(5) 夾緊件應牢靠 ，其位置應注意 防止在進退刀或 變

15、換工位時 發生碰撞。(6) 自 動 讓刀 夾緊 裝 置的 設 計， 應 保證其動 作 的準 確 可靠以 及 巳與刀具運動軌跡的協調。4-4 組合夾具：(組合夾又稱為模組化夾具)4-l 傳統式夾具及專用夾具 的鏜銑加工問題(1) 一 般 傳 統 夾 具 裝 設 耗 時 。(2) 設 計和製 造專 用夾具 時間久 ，成本 高。(3) 多 種少量 訂貨 生產所 需的夾 具佔用 庫房 空間， 庫存成 本 高。(4) 零件的設計變更造成現行夾具不適用或需修改，時 效性不 足。針 對 以 上 問 題，基 於 經濟 性 及時 效 性 觀 點 來 考慮，積 木式 的 組 合 式夾具 (圖 7)提 供最好解決

16、方法 。4-2 組合式夾具分 類(1) 梢孔式定位：以 固定的節距 (PITCH) 的孔定位，分解後再重組容易適合於多種少量重覆性生產型態(2) T 槽式位： (圖 8)T 槽定位的自由度高，任意尺寸的孔定位能設定(圖 9) ，但重覆組合時重現性不良，適用於單件生產的場合。合。4-3 組 合 式夾 具 的 特 徵(1) 本 體：有 方 形 基 板 (圖 10) 、長 方 形 基 板、角 座 等，均 可 與 綜合 加工 機的工 作台結 合 ， 一般 平 面度 要 求 0.0l/100 ， 槽 距及 孔距 公差為 ± 0.02 。(2) 定 位元 件： 考慮到 工件可 能 以平 面 或

17、孔 定位 方 式， 有 肩 部定 位柱 。徑 向定位 柱、定 位 梢 .等， 其尺 寸公 工差要 求 在 ± 0.01 以 內， 而且 是 整批加 工 輪磨 。(3) 夾持元 件： 有整組 夾持方 式及單件 夾持元 件 ，M12 螺紋 用於一 般夾 時， Ml6 螺紋用於 重切削加工 時之夾 持。以上零組件不論是T槽式或梢孔式均可互用，且具有下列多 項優點不需要另外製作夾具零件或僅少部份定位元件需製 作。明顯縮短夾具製作、組裝時間，並能得到品質安定的 夾持。減少專用夾具的設計與製作，並減少庫存空間及成本。對於設計變更和急件的處理，能適切的提供圖七可像積木方式任意組合的組合式夾具寸 J