工装夹具检具设计概论

1、工装夹具检具设计概论一、定义：工装顾名思义即专门为保证特定机械零部件或整机批生产加工制造过程顺利进行而专门设计制造的辅助机械构件、模具、工具、夹具、检具或设备、即机械制造工艺装备。（为检测产品部件或整机性能而使用的检测工装及重点部位使用的尺寸或形状检具属一级工装，由产品设计人员设计，检验部门负责保管。为提高生产效率便于加工及保证质量而使用的工装属二级工装由工艺工程师设计，生产部门负责保管）夹具机械制造中用于夹持工件以确保加工或装配过程的准确、可靠的实施而专门设计的机械机构或部件。（一般由工艺工程师设计）检具为满足专门零部件的尺寸检测或形状确认及整机性能测试而专门设计的工具、机械构件或测试设备。

2、（绝大部分由工艺工程师设计少数由设计人员设计）由于工装、夹具、检具往往是为特定的产品或零件加工工步而设计的，因此基本上是单件生产，用途不一，结构更是千差万别，难以在一本讲义中加以阐述，故本讲义对结构设计不作详细讨论，而着重讨论工装夹具检具设计的技术基础，设计思路及设计案例，至于模具类（如橡胶模、注塑模、吹塑模、吸塑模、滚塑模、挤出模、压铸模、冲压模（冲裁模、成型模、打弯模、切边模、整形模等）冷挤压模、粉末冶金模、失蜡浇铸用铸蜡模等等）其设计方法自成体系本文也不作探讨。二、工装夹具检具设计与机械产品设计的区别：机械产品设计概要：既然是“产品”一般都会进入与符合市场需要相适应的批量生产，因此产品的

3、设计应服从与满足整机设计大纲（由市场调研人员与产品设计人员联合拟定），具体细分为：1在满足整机大纲要求（成本控制、产品功能、使用寿命、工作环境，零部件在整机中的空间位置及相互连接关系，整机安装空间，人机工程学要求，整机重量、产品生产数量预测、环保、安全、维护保养等要素）的前提下进行零件的材料、尺寸、形状及表面粗糙度的设计。热处理与表面处理方案的选择，重要零件还要考虑检测方式、运输与包装等要素。2根据整机的成本要求，综合平衡零件设计的材料选择、热处理表面处理设计及相关的考虑。3根据整机的成本要求，零件的批量大小，加工设备的能力，考虑零件的形状与加工方法之间的平衡。4重要零件需考虑必要的检测方法及

4、技术条件（专用工装，样板等）。5零件设计要考虑便于装配及拆卸（即有足够的拆卸空间，尽可能使用通用工具，符合人机工程学的设计）。6要考虑安全性、可靠性及环保的要求（防火，人身安全，绝缘等级，重金属危害等等）。7要考虑通用化与标准化的要求（能借用的零件尽量借用，材料选用尽量采用现有品种或市场易购品种，标准件尽量采用已有的规格，检测方法、技术条件（表面处理，热处理、粗糙度等）尽量采用标准传统方法或要求）。8大批量生产的零件要考虑材料的可加工性。9要考虑产品的包装及运输条件。工装、夹具、检具设计概要：1、 工装、夹具、检具是为提高机械产品批生产的效率及保证机械产品的质量稳定性，从而达到降低产品生产成本

5、的目的。因此工装、夹具、检具的设计制造要无条件的服从这个目的。2、 工装、夹具、检具一般都为单件、套生产，但使用时间一般要求较长，模具类工装主要考虑使用寿命，维护保养条件等。夹具类工装主要考虑使用方便、安全、高效、可靠。检具类工装主要考虑使用方便、可靠、方便维护保养等。3、 鉴于上述原因工装、夹具、检具类工装设计时成本问题要让位于安全、高效、可靠、寿命、使用方便等因素。4、 设计时尽量利用成熟的标准件（如导柱、导套、紧固件、弹簧、五金件、气缸、液压缸、标准模架、快速夹头等）。5、 对主要零件的设计要仔细设计金属材料与热处理的种类（如：调质、高频、渗碳淬火、渗氮淬火）的匹配及硬度选择，特别要考虑

6、到热处理后零件变形的预防，相互有摩擦的零件要考虑硬度匹配及必要的润滑措施。6、 表面处理要根据零件的功能仔细设计镀层的厚度及种类（镀锌、镀镍、镀光亮铬、阳极化、硬质阳极化、导电阳极化、镀硬铬、发蓝等）。三、工装夹具检具设计人员的技术基础要求工装、夹具、检具类工装设计的技术基础是丰富实践经验为基础的机械制造加工工艺知识，熟悉各类加工方法的特点，熟悉常用量具的应用，要做到看到一个零件就能立即反应出该零件是用什么方法制造出来的，它的加工工艺步骤又是怎么样的，用什么量具或设备来检测。工装、夹具、检具类工装设计员还应具备一定的机械传动、气动及液压传动知识，能熟练地使用各类标准件、通用件的产品样本，唯如此

7、才有可能设计出符合实际需要的工装、夹具、检具来。 一个不懂塑料材料特性和注塑工艺及注塑机，不懂得金属材料特性及切削加工特性，不懂得热处理表面处理应用的人，我们难以想象他能够独立设计出合理适用的注塑模。 一个不了解手工钣金工艺的人的人，不了解板材表面处理方法的人，不熟悉金属材料焊接知识的人，不熟悉切削加工工艺，不熟悉热处理工艺应用的人，不了解金属材料特性、不了解冲压机工作原理的人，我们难以想象，他能够设计出合格冲压模来。 一个不熟悉各类切削机床的操作及加工特性的人，对机械加工零件的定位知识一无所知的人，不具备基础钳工技能、不懂基准的概念与六点定位原理的人，不了解焊接方法的人，不了解常用五金零件应

8、用的人，不具备机械装配知识的人，不了解热处理表面处理的人、是无法设计出使用可靠方便的各类夹具的、专用工具的。一个不具有常用量具及测量设备使用经验的人，没有钳工基础的人，不了解表面处理认出来工艺、不具备机械零件及整机设计、加工。加工基准与测量基准概念的人，是不可能设计出使用方便、可靠、精确的专用测量检具来的。综上所述要设计出合格的工装、夹具、检具需要丰富的生产实际经验，任何走捷径的想法都是不切实际的，只有老老实实向生产一线有经验的工程师及工人师傅学习，能吃苦、勤动手（亲自操作、模拟设计及做笔记）、勤思考、善于总结、急生产之所需，想工人之所想才能成长为一个合格的工装设计师。四、工装、夹具、检具设计

9、的基础要点1、 机械零件的装夹的方式直接找正装夹效率低，找正精度较高；适用单件小批量且形状简单的工件。下图中四爪卡盘本身即是一种夹具，只不过是一种通划线找正装夹通用性好，但效率低，精度不高；适用于单件小批量且形状复杂的铸件。夹具装夹生产类型。操作简单，效率高，容易保证加工精度，适用于各种将夹具装于插床上，再将齿轮逐一装入夹具并紧固即可进行插齿加工。2、 零件在夹具中定位后的夹紧三原则：零件在工装夹具中定位后的不移动原则选择夹紧力的方向指向定位基准（第一基准），且夹紧力的大小应足以平衡其它力的影响，不使零件在加工过程中产生移动。零件在工装夹具中定位后的不变形原则在夹紧力的作用下，不使零件在加工过

10、程中产生精度所不允许的变形，必须选择合适的夹紧部位，调整好压板和零件的接触状态，施以合适的压紧力。零件在工装夹具中定位后的不振动原则确保支承和夹紧体系的刚性，夹紧部位应尽量靠近零件的加工区域，以避免零件和夹紧系统的振动。一般来讲，对粗加工用的夹具，选用较大的夹紧力，主要考虑零件的不移动原则，对精加工用的夹具，选用较小的夹紧力，主要考虑零件的不变形和不振动原则。3、 基准的概念用于确定零件上其它点、线、面的位置所依据的那些点、线、面。基准的分类 设计基准设计图样上所采用的基准就是设计基准。（图） 工艺基准加工、测量、装配过程中使用的基准。 定位基准在加工时用于工件定位的基准，称为定位基准。（图）

11、定位基准又分为：a、粗基准b、精基准c、辅助基准d、主要基准e、附加基准 测量基准在加工中或加工后用来测量工件时采用的基准。 装配基准在装配时用来确定零件或部件在产品中相对位置所采用的基准。4、六点定位 定位是机械加工中一个极为重要的问题。要深刻理解和牢固掌握定位原理，熟知常用的定位方法。深刻理解欠定位与过定位的概念，正确分析和处理有关欠定位与过定位的问题。深刻理解定位误差的概念，能正确计算定位误差。六点定位原理任何未定位的工件在空间直角坐标系中都具有六个自由度。工件定位的任务就是根据加工要求限制工件的全部或部分自由度。工件的六点定位原理是指用六个支撑点来分别限制工件的六个自由度，从而使工件在

12、空间得到确定定位的方法。上图为工件在空间的自由度与工件六点定位5、定位与夹紧的区别机械加工中的自由度是指工件在空间的位置不确定性。这里特别要注意将定位与夹紧的概念区分开来。工件一经夹紧，其空间位置就不能再改变，但这并不意味着其空间位置就是确定的位置。 定位是工件在夹具中获得正确的位置 夹紧是保证工件的位置不因外力的作用而发生改变。 例如，板状工件安放在平面磨床的磁性工作台上，扳动磁性开关后，工件即被夹紧，其位置就被固定。但工件放在工作台什么位置上并不确定，既可以放在1的位置上，也可以放在2的位置上。六点定位原则中“点”的含义是限制工件自由度的要素，不要机械地理解成接触点。例如，下图所示板状工件

13、安放工作台上，工件被限制了3个自由度是三点定位。可在实际上，工件与工作台面接触点可能有多个。6、限制自由度与加工技术要求的关系工件需限制几个自由度？需限制哪几个自由度？完全取决于加工技术要求。上图a所示为铣削长方体工件上平面工序，要求保证Z方向上的高度尺寸及上平面与底面的平行度，因此只需限制 3个自由度（底平面定位）。上图b所示为铣削一个通槽，需限制除了X方向外的其他5个自由度（即一个底平面及一个长边侧面）。上图c所示在同样的长方体工件上铣削一个键槽，在三个坐标轴的移动和转动方向上均有尺寸及相互位置的要求，因此，这种情况必须限制全部的6个自由度，即完全定位。上图d所示过球体中心打一通孔，定位基

14、面为球面，则对三个坐标轴的转动自由度均无必要限制，所以，限制 X、Y、2个移动自由度就够了。上图e与b相比较，图e为圆柱体的工件，而图b为长方体工件。虽然，它们均是铣一个通槽，加工内容、要求相同。但是，加工定位时图b的定位基面是一个底面与一个侧面，而图e只能采用外圆柱面作为定位基面。则需限Z旋转Z移动、Y旋转Y移动4个自由度就可以了。若将图f与e对照：均是在圆柱体工件上铣通槽，但图f的加工要求增加了一条，被铣通槽与下端槽需对中。虽然，它们的定位基面仍是外圆面，但图f需增加对 X旋转自由度的限制，共需限制5个自由度才正确。从上面几例分析可知，一般情况下：保证一个方向上的加工尺寸需要限制1-3个自

15、由度。 保证二个方向上的加工尺寸需要限制4-5个自由度。 保证三个方向上的加工尺寸需要限制6个自由度。 特殊性例外，如在圆球上铣平面需限制1个自由度，在圆柱上铣平面需限制2个自由度。7、工件的四种定位形式 完全定位 不完全定位工件的六个自由度完全被限制的定位称为完全定位。按加工要求，允许有一个或几个自由度不被限制的定位称为不完全定位。工件定位时，以下几种情况允许采用不完全定位加工通孔或通槽时，沿贯通轴的位置自由度可不限制。毛坯（本工序加工前）是轴对称时。绕对称轴的转动自由度可不限制。加工贯通的平面时，除可不限制沿两个贯通轴的位置自由度外，还可不限制绕垂直加工面的轴的角度自由度。 欠定位 过定位

16、工件应该限制的自由度而未予限制按工序的加工要求，的定位，称为欠定位。在确定工件定位方案时，欠定位时绝对不允许的。 工件的同一自由度被二个或二个以上的支撑点重复限制的定位，称为过定位。在通常情况下，应尽量避免出现过定位。常见的几种过定位实例消除过定位及其干涉一般有两个途径：提高工件定位表面与定位元件之间的位置精度，以减少或消除过定位引起的干涉；改变定位元件的结构，以消除被重复限制的自由度 。 上图为改善过定位的措施过定位是否允许，应根据具体情况进行具体分析。一般情况下，如果工件的定位面为没有经过机械加工的毛坯面，或虽经过了机械加工，但仍然很粗糙，这时过定位是不允许的。如果工件的定位面经过了机械加

17、工，并且定位面和定位元件的尺寸、形状和位置都做得比较准确，比较光整，则过定位不但对工件加工面的位置尺寸影响不大，反而可以增强加工时的刚性，这时过定位是允许的。常用定位元件所能限制的自由度8、工装夹具常用的配合种类及精度夹具的配合精度要求高，配合种类也不同于一般的机器，在选择配合时，精度的确定应以夹具零件制造的平均经济精度为依据，这样才能保证夹具制造成本低。夹具设计中常用的配合种类及精度见下表：9、工装、夹具、检具设计中标准件的应用在工装夹具检具的设计中，我们经常要用到螺母、螺栓、垫圈、圆柱销、圆锥销，弹簧等紧固件。国家都有专用标准。所以在设计时应首选采用，要学会查标准。10、夹具设计注意点 要

18、考虑零件毛坯的实际尺寸与图纸尺寸的偏差及一批毛坯中装卡部位尺寸的的波动因素对零件在夹具中装卡会造成的影响。 要考虑零件在夹具内加工时切屑能否顺利排出的问题。 要考虑零件在夹具中装卡的方便性。 液压或气动驱动的夹具要考虑如何保持油液与气源的清洁问题。 要注意定位元件的快速更换问题应考虑到维修方便的问题。 要注意夹紧与支撑元件的统一性问题。 要注意夹紧元件的安全性。 要考虑是否需要定位元件的位置可调性（使用偏心元件）。 要注意操作元件的实用性及可靠性。 要考虑夹紧元件耐用性。 要考虑对刀元件的必要性。 夹具应具备足够的强度和刚度工装夹具应具备足够的强度和刚度。11、检具设计概要尺寸、形状类检具大量

19、应用在机械零件、冲压件、焊接件、注塑件等机械零件批生产的在线检测检验，而功能型检具则大部以产品整机或部件功能测试台的方式出现。常见的检具如：非标螺纹环规、各类非标止通规（塞规）、各类曲面检测样板、R角检测样板、角度检测样板、颜色检测样板、表面质量检测样板及各类检测治具等等。各类孔用塞规常用的测量方法1.使用通用量具、仪表、三坐标测量机（CMM）等测量，是为通用测量手段，不属于检具类。2.使用光滑极限量规（止通规、塞规）和样板检测，其中非标的部分属于检具类。3.使用检验夹具（含测量支架）一般都为检具类。4.使用自动或半自动测量仪、检验机等，其中非标的部分属于检具类。什么情况下需使用检具1.小批量

20、，简单零件，精度不高，常规测量工具。2.大批量，精度不高，工艺稳定，抽检或简单检具。3.大批量，精度不高，工艺不稳定，检具。4.大批量，精度高，需要100%检测，检具。检具设计的五大原则：具有并能实现检具加工和检测的基准。（包括加工基准和测量基准，可用于检具的后期修改和定期校验）有恒定准确的定位基准，确保检具的重复性和再现性。 制造成本低，具有耐磨性和稳定性。操作的方便性（包含产品的取放和检测、夹紧器的操作、搬运等）。检具设计时，除了要考虑以上四条基本原则外，还必须考虑能满足产品和工艺质量的分析功能。譬如：产品贴合面、密封面、配合区域、对齐面、孔/槽等等。也就是说检测功能满足产品品质控制要求。

21、五、夹具设计案例介绍：车床夹具设计实例设计 “涡轮箱体”零件工艺流程中的车床专用夹具。二、定位方案及定位元件1确定定位方案2选择定位元件选择角铁（角铁支承面消除工件3个不定度）、两个支承钉（消除工件2个不定度）和削边心轴（消除工件1个不定度。三、夹紧方案及夹紧装置的设计1夹紧力方向的确定2夹紧力作用点确定3夹紧力大小夹紧方案示意图四、夹具结构的设计1定位装置（1）角铁（2）定位心轴为保证顺利安装，同时 削边定位心轴与蜗轮孔为间隙配合，为保证蜗杆孔中心轴线到蜗轮孔中心轴线的距离，减少定位误差，采用46H7/g6的配合，即削边心轴的尺寸为 mm。0.00946-且安装后-0.025其轴线对夹具体中

22、心轴线的垂直度公差不大于0.01mm。（3）支承钉两个支承钉在夹具体上等高布置且位置不低于回转中心（相对角铁支承板），两个支承钉相隔距离应尽量大（分别靠近工件的两端）。为保证蜗杆孔中心轴线对端面N（144mm×72mm）的垂直度要求，两个支承钉在夹具体上安装到位后（见装配图），随夹具体在车床上加工（车支承钉端面），以保证它们伸出的长度等高允差不大于0.01mm。2夹紧装置（1）夹紧机构夹紧机构采用螺旋夹紧机构，为使机构简单，直接在定位心轴上加工螺纹。并根据类比法，选用M20螺纹以满足强度要求。（2）压板压板结构如图所示，本夹具采用削边圆形压板，是为了保证压板轮廓不超出工件宽度，压板削

23、边一侧开口，则可实现工件在夹具上方便、快速地拆装。3夹具体角铁的大小、配重块的安 夹具体应根据被加工零件的尺寸、装以及车床的最大回转直径要求等因素来确定其径向尺寸。4辅助装置（1）平衡块由于工件和夹具上各元件相对机床主轴的旋转轴线不对称，因此欲使其平即离心惯性力的合力不为零（F=mr2 0）衡，则需要在该回转体上加一平衡质量（即配重块），使它产生的离心惯性力与原有各质量所产生的各离心惯性力的合力等于零。（2）防护罩为保证加工工件时的操作安全，应设计防护罩。5定位误差分析五、绘制夹具总图钻床夹具设计实例一、明确设计任务设计在摇臂钻床上加工杠杆臂零件上孔10 mm和13mm的钻夹具。1杠杆臂零件图

24、2杠杆臂加工工艺分析（1）加工要求（2） 加工工艺该工件的结构形状比较不规则，臂部刚性不足，加工孔10 mm位于悬臂结构处，且该孔精度和表面粗糙度要求高，故工艺规程中分钻、扩、铰多个工序。由于该工序中两个孔的位置关系为相互垂直，且不在同一个平面里，要钻完一个孔后翻转90°再钻削另一个孔，因此要设计成翻转式钻夹具。二、定位方案与定位元件1确定定位方案2选用定位元件三、夹紧方案及夹紧装置的设计夹紧机构四、夹具结构设计1定位装置（1）销轴（2）可调支承钉可调支承钉在GB JB/T 8026.1-1999（六角头支承）中选取M8×40-S。（3）辅助螺旋支承2夹紧装置（1）夹紧选用

25、M10螺纹以满足强度要求。（2）开口垫圈3辅助装置（1）钻套从国家标准中选用。（2）钻模板4夹具体五、绘制夹具总图铣床夹具设计实例一、明确设计任务设计在铣床上加工“套筒”零件上键槽的专用夹具。1套筒零件图2工件的加工工艺分析（1）键槽宽6 mm由键槽铣刀保证。（2）槽两侧对称平面对45h6轴线的对称度0.05mm，平行度0.10mm。（3）槽深尺寸8mm。二、定位方案与定位元件1确定定位方案2选用定位元件三、夹紧方案及夹紧装置的设计夹紧机构夹紧机构中的导向和自动松开装置四、夹具结构的设计1定位装置（1）长V形块长V形块在该夹具中是主要定位元件，消除工件的4个不定度。因其是标准件，故可在相关国家

26、标准或行业标准中查取。该夹具中的V形块从JB/T 8018.1-1999选取“V形块 24 JB/T 8018.1-1999”。（2）支承套2夹紧装置（1）偏心轮（2）偏心轮支架3辅助装置（1）对刀块（2）定向键为了保证夹具体在机床上的位置正确，应在夹具体底部设定向键已经标准化，可从JB/T80171999直接选取。 置定向键。4夹具体五、绘制夹具总图1夹具体 2圆柱销轴 3偏心轮支架 4偏心轮 5活动V形块 6对刀块 7固定V形块六、工装设计案例1、 扭簧装配小工具扭簧1扭簧安装器1扭簧安装器2扭簧安装器2的使用方法类似扭簧安装器1，加工方法的思路类似于扭簧安装器1。2、 非标力矩扳手上图是一个非标力矩扳手的原理图，在保持压簧内径变的前提下改变压簧钢丝直径，将改变扳手的扭矩。该扳手在螺钉装配有力矩要求的场合可视为非标专用装配工装投入生产线工作。在经力矩测定仪校核后，用于测定螺钉装配力矩的场合该扳手可视为专用检具。3、 按钮寿命试验台（功能性专用工装）本试验台专为产品按钮的寿命试验而设计，某种意义上本工装亦可视为检具。按钮工装安装及工作原理钮试验台底板