浅谈机床夹具在设计过程中的几点问题

1、浅谈机床夹具在设计过程中的几点问题摘要：制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水 平标志着该国家或地区的经济实力、科技水平、生活水准和国防实 力。其屮机械制造业是整个制造业的核心，其生产能力和水平标志 着一个国家或地区国民经济现代化的程度，而这种能力又取决丁机 械制造装备的先进程度。在机械制造过程中机器零部件的精度控制 与机床夹具的优劣程度有重要的关系。关键词：定位机构夹紧机构“四化”机器零件在工艺规程制定后，就要按照工艺规程的顺序加工。加 工中工件相对于机床或是刀具要获得正确的位置，机床夹具的好坏 将直接影响工件加工表面的位置精度，所以机床夹具设计是加工过 程的活跃因素，也是其小一

2、项重要的工作。1机床夹具的功能1.1保证加工精度 工件加工过程通过机床夹具进行定位、加紧， 以保证加工表面稳定的位置精度。1.2缩短辅助吋间，提高生产率夹具的使用，可以减少划线、找 正、对刀等辅助时间，多件，多工位的夹具及气动、液动的夹紧装 置能进一步减少辅助时间，提高生产率。1.3扩大了机床的使用范围有的机床夹具实质上对机床进行了 局部改造，扩大了原来机床的功能和使用范围。1.4降低了对工人技术水平的要求和减轻工人的劳动强度，保证 生产安全。2机床夹具的类型2.1通用夹具 通用性强的夹具，一般不需要调整就可以适应多种 工件的安装，在单价小批量生产中应用较广。如三爪卡盘、平口钳、 万能分度头。

3、2.2专用夹具用于特定工件特定工序的夹具。广泛应用于成批或 是大批生产的工件中。如为铳削键槽专门设计的铳槽夹具。2.3组合夹具它具有良好的互换性和耐磨性的一系列标准件组 装成的夹具。使用时根据工件结构和工序选择适当的标准件组装即 可。但是刚性差，结构相对庞大，适用于单件或是小批生产中。2.4成组夹具 按照工件形状、尺寸、材料和工艺的相似性分组， 为每组工件的某道工序设计组内通用的专用夹具。通过对夹具中部 分元件进行更换和调整，便可加工组内任何工件。柔性较强，适用 于产品品种多，批量小时的工件。2.5随行夹具这类夹具一般在自动生产线上使用，除了装夹工件 外，还沿生产线输送工件从一个工位到下一工位

4、，所以称之为随行 夹具。3机床的组成机床夹具一般由定位、加紧和夹具休，不可缺少的三部分和导向 对刀、动力、定位元件及其他辅助元件装置构成。如下图：4机床夹具设计4. 1定位机构的设计4. 1. 1六点定位原理采用六个按照一定规则布置的约束点，限制工件的六个自由度，使工件实现完全定位。常见的情况有四种： 平面。釆用广3根支撑钉；采用12块条形支撑板；采用一块 矩形支撑板。 圆孔。采用短圆柱销、长圆柱销、两段短圆柱销；菱形销、长 销小平面组合、短销大平面组合；固定锥销、浮动锥销、i古i定锥销 和浮动锥销组合；长圆柱心轴、短圆柱心轴、小锥度心轴。 外圆柱面。采用一块短v形销、两块短v形销、一块长v形

5、销; 一个短定位套、两个短定位套、一个长定位套。 圆锥孔。采用固定顶尖、浮动顶尖、锥度心轴。4. 1.2限制工件自由度与加工要求的关系根据工件加工表面的位置要求，将六个自由度全部限制时称之为 完全定位。当限制的自由度少于六个时，称之为不完全定位。当需 要的自由度均被限制，称为定位的正常情况，可以是完全定位，也 可以是不完全定位。当需要的自由度没有完全限制，或是某个自由 度被两个或是两个以上约束重复限制，称为非正常情况，前者为欠 定位，后者为过定位。有两种情况允许过定位： 工件刚度差，在夹紧力、切削力作用下会产生很大变形，此事 只是提高工件某些部位的刚度，减小变形。 工件的定位表面和定位元件在尺

6、寸、形状、位置精度已很高时, 过定位不仅对定位精度影响不大，还有利于提高刚度。在实际加工中为解决限制工件自由度和加工要求的关系问题是还 须注意以下几点： 不允许出现欠定位。即根据加工要求应予限制的白由度，但是 并未限制，在实际中支撑点数目少于理论上的，于是工件的正确位 置将无法保证。 一般情况下，限制自由度数冃越多，夹具的结构越是复杂，故 为了简化夹具结构，在保证工艺的前提下，限制的自由度数目应尽 量减少；但是在任何情况下所限制的口由度数冃不得少于三个，否 则工件定位不稳定，而支撑点的布置取决于工件的形状。为了便于夹紧或是合理的安排工件，实际采用的支撑点的数目 允许多于理论分析的支撑点数冃，但

7、是i般不重复限制自由度。4.1.3定位误差的产生及原因定位误差是指工序基准在加工方向上的最大位置变动量所引起的 加工误差。通常在加工后，由于尺寸、形状、位置三方面偏离理想 工件造成。人概有以下三方面因素造成： 工件在夹具中的定位、夹紧误差。 夹具带着工件安装在机床上，相对于机床主轴或是刀具或是运 动导轨的位置误差。 工件加工过程中由于机床的几何精度、受热变形、切削振动、 工艺系统的受力等引起的误差。误差产生的原因有如下儿种： 基准不重合带来的定位误差。有平而定位误差、工件以圆孔在 心轴上定位的误差、工件以外圆柱面在v形块上定位的误差、工件 以一而双孔定位的误差四种。 间隙引起的误差。在使用心轴

8、、销、定位套定位时，定位面与 定位元件间的间隙使工件定心不准产生的误差。 与夹具有关的因素引起的误差。这类因素属于夹具在设计制造 过程中的误差。女lh定位基准面与定位元件表面的形状误差；导向 元件和对刀元件与定位元件的位置误差，及形状导致的导向和对刀 误差；夹具的安装误差引起的位置误差；夹紧力下的变形（工件或 是夹具）引起的位置误差；定位元件间的位置误差，及夹具各构成 元件的磨损带来的误差。4.1.4定位装置的设计步骤 了解本工序的加工要求。 确定支撑点并选择定位基准。 选择定位元件的结构及布置方式。 分析定位精度。4.2夹紧机构的设计一个夹具在性能上的优劣，除了从定位性能上加以评定外，还需

9、考核夹紧机构的可靠性、操作方便性。其机构的复杂程度基本决定 了夹具的复杂程度。因此夹紧机构在夹具设计中占有重要地位。4. 2. 1夹紧机构设计应满足的要求 夹紧必须保证定位准确可靠，不能破坏定位。 夹具和工件的变形必须在允许的范围内。 夹紧机构必须安全可靠，要有足够的刚度和强度，手动式必须 保证自锁，机动式应有联锁保护装置，夹紧行程必须足够。 夹紧机构必须在操作上安全、省力、迅速、方便、符合工人操 作习惯。 机构复杂程度，自动化程度必须与工厂条件和生产纲领适应。4. 2.2夹紧力的确定夹紧力包括方向、作用点、大小三要素，是设计中首先要解决的 问题。 方向的确定：应用有利于工件的准确定位，不能破

10、坏定位，一 般要求主夹紧力应垂直于第一定位基准面；应与工件刚度高的方向 一致，以利于减少工件变形；应尽可能与切削力、重力方向一致， 以有利于减小夹紧力。 作用点的选择：应与支承点进行点对点的对应，或在支承点的 确定区域内，以避免破坏定位或造成较大的夹紧变形；作用点应作 用在工件刚度高的部位；应与支承点尽量靠近切削部位，以提高工 件切削部位的刚度和抗振性；夹紧力的反作用力不应使夹具产生影 响加工精度的变形。 夹紧力的确定：在需要准确的场合，一般经过实验确定；计算 时将夹具和工件看作一个刚性的系统，以切削力的作用点、方向、 大小处于最不利于加紧时的状况为工件受力状况，根据切削力、夹 紧力（运动中的

11、工件考虑惯性力，大件考虑重力），以及夹紧机构 的具体尺寸列出静力平衡方程，求出理论夹紧力，再乘以安全系数, 作为实际所需夹紧力；一般情况下由于切削力可以近似估算，再根 据工件和支承件之间的摩擦因数可以进行粗略的估算。4. 2.3常见的夹紧机构 斜楔夹紧机构。使用楔块楔入夹具与工件之间，由于斜面移动 产生压力，把工件夹紧。 螺旋夹紧机构。相当于一个斜楔绕在圆柱上，其夹紧过程是通 过转动螺旋使斜楔在高度上发生变化，实现对工件的夹紧。具有结 构简单、增力大、自锁性好的优点，广泛应用于机床夹具。 偏心夹紧机构。相当于是斜楔包在圆盘上，由丁结构比斜楔紧 凑，夹紧迅速，但是夹紧行程小，增力倍数不大，通常不

12、单独使用, 与压板组成的机构应用较广泛。4.3动力装置4. 3.1气动夹紧装置采用压缩空气作为装置的动力源。压缩气体 具有粘度小，不污染，分配输送方便的有点。但是夹紧力比液压的 小，结构尺寸大，有排气噪声。4.3.2液动夹紧装置结构原理和气动的相似，具有工作压力大， 装置紧凑；油的不可压缩性，以致装置刚度大，工作平稳可靠；噪 声小等优点。由于需供油装置，成本较高，应用于切削力大的场合。4. 3.3气液动夹紧装置利用压缩空气为动力，油液为传动介质， 兼顾气动和液动两种装置的优点。通常将压缩空气的动力转换为较 高的液体压力以供应夹具的夹紧油缸。4. 3.4真空夹紧 是利用工件上基准面与夹具上定位面

13、间的封闭 空腔处于真空时的吸力来夹紧工件。实质上是利用大气压力来夹紧 工件，适合于夹紧薄壁易变形的零件。4. 3.5电磁夹紧 如平面磨床上的电磁吸盘，当线圈通直流电，铁 芯将产生磁场，在磁力作用下将导磁工件夹紧。由于电磁力不大， 因此只适宜于切削力小的加工中。4. 3.6自夹装置直接利用机床的运动或是切削力来进行夹紧，包 括重力、惯性力、弹性力等，而不需要另设动力源。4. 4其它装置4. 4.1孔加工的导向装置为了保证孔加工过程的位置精度，增加 钻头和镇杆的支承以提高其刚度，减少丿j具的变形，确保孔加工的 位置精度。常见有钻模、钻模版、钻套（固定钻套、可换钻套、快 换钻套、特殊钻套）和锤套（固

14、定镇套、回转式镇套）。4. 4.2对刀装置在铳床和刨床中，刀具和对工件的位置需要调 整，常设对刀装置。应用对刀块，在刀具刀刃和对刀块之间放置塞 尺，当刀刃接近塞尺时，抽动塞尺，有摩擦力存在，抽走塞尺，开 动机器进行加工。4. 4.3分度装置加工有角度分布的表面时应用。为了简化可以把 夹具安装在通用的回转工作台上实现分度，但是精度较低。4. 4.4对定装置在进行机床夹具总体设计时，考虑机床上的定 位、固定才能保证夹具相对于机床主轴、运动导轨有准确的位置和 方向。铳床、刨床和镇床夹具一般装在机床工作台上，车床上一般 装在机床主轴上。4.5加工中心的夹具设计注意的问题4. 5. 1防止夹具与机床的空

15、间干涉。4. 5.2为简化定位和装夹，夹具的每个定位面和对于机床的坐标 原点应有精确的坐标尺寸。4. 5. 3夹具应尽可能少的元件数和具有较高的刚度。4.5.4为了在一次装夹中能加工与底而相交的表面，夹具应设有 工件托起一定高度的等高垫板。5现代机床夹具的发展方向为适应现代机械发展的高、精、尖的发展方向，现代夹具的发展 主要体现为“四化”。5.1标准化对现有夹具的零部件，各类型的夹具结构及专用夹具 的零部件实行统一的标准化、系列化、通用化，是原来单件生产的 夹具，转变为专业化的生产，以降低成本，保证质量，缩短产品的 生产周期。5.2柔性化 加强专用夹具与同一类零件加工的夹具之间的可调 性；加强

16、专用夹具的重复利用，实行组合化后，减少因工艺的不同 造成的夹具的报废情况。5.3精密化 机械产品的不断精密使得高精度机床的大量涌现，势 必要求机床夹具跟随时代发展步伐实现精密化。5.4高效自动化未获得良好的效益，机械加工在不断的提高生产 率、降低成本、改善劳动强度，同样要求着机床夹具的发展要满足 自动流水线的生产要求，中小批量的产品生产同样需要考虑适合自 身程度的高效自动化。参考文献：1 陈明机械制造工艺学m北京：机械工业出版社，2005.2 王先逵机械制造工艺学m北京:机械工业出版社,19953 王季昆机械制造t艺学m天津：天津大学出版社，19984 王启平.机械制造工艺学m.哈尔滨：哈尔滨

17、工业大学出版 社，1999.5 杨晓君，杨楚民.机床夹具设计网络教学系统的设计与开 发j.机械研究与应用，2002, 15 (2): 48496 冯辛安等编机械制造装备设计m.北京：机械工业出版社， 1999.7 陈h曜主编金属切削原理m笫2版北京：机械工业出版 社，1992.8 方子良等编机械制造技术基础m.±海：上海交通大学出版 社，2004.9 刘秋生，李忠文主编.液压传动与控制m.北京：宇航出版社, 1994.10 陈于萍，周兆元等互换性与测量技术基础m.第2版.北京: 机械工业出版社，2005.11 东北重型机械学院等合编机床夹具设计手册m.±海:上海科学技术出版社，197912 机械设计手册联合编写组机械设计手册m 第2版北 京：机械工