第3章 数控机床夹具基础课件

立式加工中心主要技术参数项目

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型号VMC-850工作台面积1000x500mm左右行程(X轴)800mm前后行程(Y轴)500mm上下行程(Z轴)610mm主轴锥度BT-40CAT-40,HSKA63(选配)主轴转速60~8000rpm

7.5/5kW

X-Y-Z快速进给30/30/20m/min切削进给率1~12000mm/min刀具选择模式双向任意式，最短距离选刀储刀数圆盘式24机械手式24/32(选配)相邻刀最大刀具直径75mm最大刀具直径100mm最大刀具长度300mm最大刀具重量10kg工作台荷重600kg机床净重5500kg机床尺寸(LxWxH)2350x3200x2698mm

一、概述第三章数控机床夹具在机床上用于装夹工件或引导刀具的装置。1.夹具的组成（1）定位元件（2）夹紧元件（3）导向元件（钻套、对刀块）（4）夹具体此外有连接元件、分度机构、操作元件等。（1）定位元件（2）夹紧元件（3）导向元件（钻套、对刀块）（4）夹具体此外有连接元件、分度机构、操作元件等2.机床夹具的分类按使用特点分：（1）通用夹具（2）专用夹具（3）成组夹具（4）组合夹具（5）可调夹具按使用机床分：车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具按动力源分：手动夹具、气动夹具、液压夹具、电动夹具、磁力夹具、真空夹具等3.机床夹具的功用（1）保证加工精度

零件加工精度包括尺寸精度、几何形状和表面相互位置精度。夹具的最大功用是保证加工表面的位置精度。（2）提高生产率，降低生产成本快速将工件定位夹紧，免除了找正、对刀等，缩短辅助时间，提高了成品率，降低了成本。（3）扩大机床的加工范围

如在车床上加镗夹具，可完成镗孔加工。

（4）减轻工人劳动强度

二、工件在夹具中的定位工件定位目的：使同批工件在机床或夹具上有正确位置工件的定位方法

(1)直接找正定位

效率低，适于单件小批生产和定位精度要求较高的情况

(2)划线找正定位适于单件小批生产或毛坯精度较低、大型工件粗加工

(3)夹具中定位效率高，易保证质量，广泛用于批量生产

2.工件在夹具中的定位

(1)六点定位原理未定位工件在空间有六个自由度，定位就是限制其自由度。合理布置六个定位支承点，使工件上的定位基面与其接触，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。

考虑定位方案时，先分析必须消除哪些自由度，再以相应定位点去限制。

实际中一个定位元件可体现一个或多个支承点，

视具体工作方式及其与工件接触范围大小而定定位与夹紧的区别：定位是使工件占有一个正确的位置，夹紧是使工件保持这个正确位置。(2)完全定位与不完全定位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。都是合理的定位方式。完全定位(3)欠定位与过定位工件应限制的自由度未被限制的定位，为欠定位，在实际生产中是绝对不允许的。工件一个自由度被两个或以上支承点重复限制的定位称为过定位或重复定位。一般来说也是不合理的。不完全定位不完全定位

过定位造成的后果：（1）使工件或夹具元件变形，引起加工误差；（2）使部分工件不能安装，产生定位干涉（如一面两销）过定位一般是不允许的，但在精加工时也可看到。消除过定位及其干涉的途径：

1.改变定位元件结构，消除对自由度的重复限制，如长销改成短销；2.提高工件定位基面之间的位置精度，提高夹具定位元件之间的位置精度，减少或消除过定位引起的干涉，精加工时可增加刚度和定位稳定性。

3.常见定位方法与定位元件

(1)工件以平面定位1)固定支承（支承钉、支承板）3.常见定位方法与定位元件

(1)工件以平面定位1)固定支承（支承钉、支承板、定位分析）2)可调支承多用于毛面定位，每批调整一次，以补偿各批毛坯误差3)自位支承支承本身可随工件定位基准面的变化而自动适应，一般只限制一个自由度，即一点定位。4)辅助支承在工件定位后才参与支承的元件，不限制自由度，主要用于提高工件的刚度和定位稳定性。(2)工件以圆孔定位

1）定位销

分固定式和可换式，圆柱销和菱形销2）圆锥销

常用于工件孔端的定位，可限制三个自由度

3）定位心轴

主要用于盘套类零件的定位圆孔定位分析(3)工件以外圆表面定位

1）定位套筒

2）半圆定位座

常用于大型轴类工件的定位3）V形块定位

结构尺寸已标准化，斜面夹角有60°90°120°4）外圆定心夹紧三爪卡盘、双V形铁定心夹紧、弹簧夹头外圆定位分析(4)工件以其它表面定位圆锥孔定位分析(5)组合表面定位

1）一个平面和与其垂直的两个孔组合这种定位属于过定位解决办法是：将销2做成削边销

2）一平面和与其垂直的两外圆柱面组合3）一孔和一平行于孔中心线的平面组合图3-634.定位误差的分析计算定位误差概念

指一批工件在夹具中定位时，工件的设计基准（或工序基准）在加工尺寸方向上的最大变动量，以△dw

表示。

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

定位误差包括基准不重合误差和基准位移误差1）基准不重合误差△jb

其大小等于设计基准与定位基准间联系尺寸在加工尺寸方向上的变动量（公差）。

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0.22）基准位移误差△jw

是指工件的定位基准在加工尺寸方向上的变动量。由工件定位面和夹具定位元件的制造误差以及两者之间的间隙所引起。

常见定位方式定位误差计算(1)以平面定位时的定位误差计算(2)以圆孔定位时的定位误差计算平面度误差很小，定位副制造不准确误差可忽略，所以定位误差主要由基准不重合引起。①工件孔与定位心轴无间隙配合，不存在定位副制造不准确误差，定位精度较高。②工件单向靠紧定位，如定位心轴水平放置，或在夹紧力作用下单向推移工件靠紧定位。定位心轴水平放置单向推移工件靠紧定位A孔Dmax=D+TD

Dmin=D

轴dmax=d

dmin=d-TdO1Omax=OA-O1A=(D+TD)/2-(d-Td)/2

O1Omin=D/2-d/2因基准位移造成的加工误差为：△jw=O1Omax-O1Omin=(TD+Td)/2③工件进行回转加工孔Dmax=D+TD

Dmin=D

轴dmax=d

dmin=d-Td影响同轴度的基准位移误差为：△jw=O1Omax

=OA-O1A=(D+TD)/2-(d-Td)/2=(TD

+Td+Xmin)/2A④工件孔与垂直放置的心轴间隙配合△jw=TD

+Td+Xmin(3)以外圆定位时的定位误差计算工件在V形块上定位④定位误差分析：

a)定位误差Δd随毛坯误差Td的增大而增大；

b)定位误差Δd随V形块夹角α

增大而减小，但稳定性变差；

c)定位误差Δd

与工序尺寸标注方式有关，Δd2＞Δd1＞

Δd3③工序尺寸以H3标注，其定位误差为：

Δd3=B1B2=O2B2+O1O2-O1B1

==sinα21Td2d-Td2d2+－sinα21Td2－1②工序尺寸以H2标注，其定位误差为：

Δd2=A1A2=A1O1+O1O2-A2O2

==d2+Td2sinα21－d-Td2sinα21Td2+

1①工序尺寸以H1标注，其定位误差为：

Δd1=O1O2=O1C-O2C==d2sinα21－d-Td2sinα21sinα21Td2(4)以一面两销定位时的定位误差计算1）在平面内任意方向的位移误差

孔O1中心偏移在直径为△dw1圆内，△dw1=TD1

+Td1

+X1min

孔O2在X方向偏心与孔O1相同（不限位），为△dw1

在Y方向偏心在直径为△dw2，△dw2=TD2

+Td2

+X2min2）转角误差△θ=arctan(TD1

+Td1

+X1min+TD2

+Td2

+X2min)/2L

要减小角度定位误差，①提高孔销精度，减小配合间隙；②增大孔（销）中心距保证加工精度实现的条件若规定工件的加工允差为δ工件，以Δ夹具表示与采用夹具有关的误差，以Δ加工表示除夹具外与工艺系统其它因素（如机床误差、刀具误差、受力受热变形等）有关的加工误差，为保证工件的加工精度要求，必须满足误差计算不等式：

δ工件≥Δ夹具＋Δ加工

制订夹具公差时，应保证夹具的定位、制造和调整误差的总和不超过零件公差的三分之一。

三、工件在夹具中的夹紧1.夹紧装置的组成及基本要求组成（1）力源装置（2）中间传力机构（3）夹紧元件作用1）改变作用力的方向；2）改变作用力的大小；3）使夹紧实现自锁。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。基本要求2.夹紧力的确定必须合理确定夹紧力的三要素：大小、方向和作用点

(1)夹紧力方向的确定

1）主要夹紧力方向应垂直于主要定位面

2）夹紧力的作用方向应使所需夹紧力最小

3）夹紧力的作用方向应使工件变形尽可能小

(２)夹紧力作用点的确定

1）夹紧力应作用在刚度较好部位

2）夹紧力作用点应正对支承元件或位于支承元件

形成的支承面内3）夹紧力作用点应尽可能靠近加工表面(３)夹紧力大小的估算

夹紧力的大小根据切削力、工件重力的大小、方向和相互位置关系具体计算，并乘以安全系数K，一般精加工K=1.5～2，粗加工K=

2.5～3。3.常用夹紧机构（1）斜楔夹紧机构以斜楔为研究对象，夹紧时根据静力平衡原理，有

FQ=F1+FRXF1=FJtanΦ1FRX=FJtan(α＋Φ2)FJ=FQ/[tanΦ1＋tan(α＋Φ2)]设Φ1=Φ2=Φ，当α≤10°，可用下式近似计算FJ=FQ/(

tanα＋2Φ)夹紧力FQ去除，斜楔受到F1、FRX作用，要能自锁，必须满足下式

F1＞FRXF1=FJtanΦ1FRX=FJtan(α－Φ2)tanΦ1＞tan(α－Φ2)

即Φ1＞(α－Φ2)

或α＜Φ1＋Φ2一般Φ1=Φ2=Φ=5～7°，故当α＜10～14°时自锁，一般取α=6～8°

斜楔夹紧的特点：

1）有增力作用，扩力比i=FJ

/FQ

，约等于3；

2）夹紧行程小,h/s=tanα，故h远小于s；

3）结构简单，但操作不方便。主要用于机动夹紧，且毛坯质量较高的场合。（2）偏心夹紧机构常见的偏心轮—压板夹紧机构1）圆偏心夹紧原理及其几何特性

偏心夹紧实质是一种斜楔夹紧，但各点升角不等，M、N处升角为为0，

P处升角最大。

2）圆偏心夹紧的自锁条件

P点夹紧时能自锁，则可保证其余各点均可自锁自锁条件αp≤

Φ1＋Φ2

tanαp=2e/D≈αp为安全起见取Φ1=02e/D≤Φ2≈μ2,取μ2=0.1~0.15,D/e≥14～20自锁,D/e叫偏心轮的偏心特性，表示偏心轮的工作可靠性3）圆偏心夹紧的夹紧力

3）圆偏心夹紧的夹紧力

M=Pl=Q1ρ

或Q1＝Pl/ρ

因为αp很小，Q1≈Q1cosαp=FQ

根据斜楔夹紧原理，得P点产生的夹紧力为Q＝FJ＝Pl/〔ρ(tanΦ1+tan（αp＋Φ2））〕

一般取l=(2～2.5)D，ρ≈D/2

扩力比约为12～134）圆偏心的夹紧行程

确定夹紧行程hPE需考虑如下因素：夹紧工件尺寸公差、装卸间隙、夹紧变形及磨损贮备量等

hPE≥T+Δ间+Δ贮偏心距e为e=hPE/(cosγP-cosγE)

若取P点左右各45°圆弧作为工作段，则

e=hPE/(cos45°

-cos135°)=hPE/1.1414

圆偏心轮夹紧力小，行程小，自锁性不太好，用于切削力小，无振动，工件尺寸公差不大的场合。（3）螺旋夹紧机构螺旋夹紧特点：

1）结构简单，自锁性好，夹紧可靠；

2）扩力比约为80,远比斜楔夹紧力大；

3）夹紧行程不受限制；

4）夹紧动作慢，辅助时间长，效率低（4）其它夹紧机构1）螺旋压板夹紧机构2）螺旋定心夹紧机构3）联动夹紧机构4）多件夹紧机构（5）夹紧动力装置气动、液压、电磁、真空等气—液压组合夹紧

四、夹具的连接元件、对刀装置和引导元件1.连接元件2.对刀装置3.引导元件

五、常见机床夹具（1）钻床夹具

（2）铣床夹具（3）车床夹具（4）成组夹具（5）组合夹具（6）随行夹具项目二工件在数控机床上定位与夹紧【工作任务】

图3-25所示法兰盘，材料为HT200，欲在其上加工4×26H11孔。根据工艺规程，本工序是最后一道机加工工序，采用钻模分两个工步加工，即先钻24mm孔，后扩至26H11孔。试选择定位方案和夹紧机构。3-25法兰盘零件图【任务实施】(1)确定定位方案。为保证加工要求，工件以A面作为主要定位基准，用支承板限制3个自由度，以短销与孔配合限制二个自由度，工件绕2的自由度可以不限制(如图3-62(a)所示)。

(2)选择夹紧机构。根据夹紧力方向和作用点的选择原则，拟定的夹紧方案如图3-62(a)所示。考虑到法兰盘零件生产类型为中批生产，夹具的夹紧机构不宜复杂，钻削扭矩也较大，为保证夹紧可靠安全，拟采用螺旋压板夹紧机构。参考类似的夹具资料，针对工件夹压部位的结构，为便于装卸工件，选用两个A16×80(GB/T2175-91)移动压板置于工件两侧，如图3-62(b)所示，能否满足要求，则需验算夹紧力。为防止T