第8章 机床夹具设计原理

第８章机床夹具设计原理8.1机床夹具概述8.2工件在夹具中的定位8.3机床夹具设计8.4典型夹具实例2023/9/212学习要求了解机床夹具的分类及组成；掌握工件的六点定位原理及其应用，典型定位方式和定位元件，定位误差的分析与计算；了解夹紧装置的作用、组成和基本要求；了解各类机床夹紧的特点和设计要点。

重点和难点工件在夹具中的定位，定位误差的分析与计算2023/9/2138.1概述定位：为了保证工件被加工表面的尺寸和位置精度，工件必须在机床上占有相对刀具及切削运动的正确位置。夹紧：施加一作用力，使工件在重力、切削力、惯性力等力的作用下能保持其正确的位置。安装（装夹）：工件在机床上定位和夹紧的过程。工件装夹方法1

直接装夹2

划线找正装夹3

夹具装夹2023/9/2148.1概述工件易于正确定位，保证加工精度。缩短安装时间，提高劳动生产率。扩大机床工艺范围，实现一机多能。操作方便、安全、可降低对工人的技术要求，减轻工人的劳动强度8.1.1机床夹具的作用2023/9/2158.1.2机床夹具的分类按应用范围来分按使用机床分类按夹紧动力源分类见书P203图5.62023/9/2168.1.2机床夹具的分类l

夹具的作用l

夹具的种类（1）通用夹具

（2）专用夹具（3）可调夹具（4）组合夹具（5）随行夹具l

夹具的组成

1）

定位元件2）

夹紧装置

3）

引导元件（对刀装置）4）

夹具体

5）连接元件6）其他装置2023/9/2172023/9/2188.2.1定位的概念8.2工件在夹具中的定位

工件的有关表面要紧靠在定位元件上，从而被确定在一个既定的位置上，实现工件的定位

定位和夹紧的区别

定位的概念并不是使工件固定，而是使工件占据规定的位置，使该既定位置固定下来是通过夹紧实现的。

定位的作用：使工件占据定位元件所规定的位置，并使一批逐次加工的工件在夹具体中占据正确的位置。

不能只定位不夹紧，也不能用夹紧代替定位2023/9/219

研究和分析工件定位问题时，首先要选择与夹具定位元件接触的表面，即选择工件的定位基准。工件的定位基准一旦选定，则工件的定位方案、夹具的定位元件也就基本确定了。所以，在设计夹具结构之前，必须合理选择工件的定位基准。8.2.1定位的概念2023/9/2110

基准：用来确定生产对象上的几何要素之间的几何关系所依据的那些点、线、面。基面：基准不一定具体可见（如孔的中心线等），在零件上通常是通过有关具体表面表现出来的，这些表面称为基面。基准的分类：8.2.1定位的概念2023/9/2111工序基准定位基准

零件机加工过程中，在每一个工序中确定加工表面的尺寸和位置所依据的基准

设计夹具时，尽可能选择工序基准为定位基准2023/9/21128.2工件在夹具中的定位工件的定位应解决两方面的问题：8.2.2工件定位的基本原理

一是工件位置的“定与不定”问题，使工件在宏观上得到定位。

二是工件位置的“准与不准”问题，即定位精度问题。2023/9/2113一个空间刚体具有六个自由度8.2.2工件定位的基本原理1.六点定位原理工件在加工之前其位置的“定与不定”问题

假定工件为空间刚体，正确分布六个支承点与工件的基准面相接触，限制其空间六个自由度，确定工件的空间位置。

设计夹具时，采用各种定位元件限制工件的自由度，实现工件的定位。2023/9/21141.六点定位原理长方体形工件的六点定位yxz2023/9/2115圆盘类工件的六点定位2023/9/2116轴类工件的六点定位2023/9/21171.六点定位原理

工件的位置是否确定只看工件是否与定位支承点接触，而没有考虑工件在受外力时能否运动不能认为：工件被夹紧后，在各个方向上其位置都不能动了，即实现了完全定位。工件有六个自由度，为了限制工件的六个自由度，需要按一定规则布置六个定位支承点，这就实现了工件的六点定位2023/9/21181）定位支承点与工件的定位基准面必须始终保持紧贴；2）

一个定位支承点只能限制工件一个自由度，同时一个自由度原则上不得有多个支承点重复限制，（支承点数不应超过六个）；3）

工件应限制几个自由度，由工件加工技术条件来确定；4）

工件的定位不是由夹紧力作用获得的。2.应用六点定位原理时的注意事项2023/9/2119

－－定位支承点数多于所限制的自由度数，出现几个定位支承点重复限制同一个自由度。（过定位，超定位）

－限制工件自由度少于六个，但仍能满足加工技术要求。（部分定位）

－－实际限制的自由度数少于按其加工要求所必须限制的自由度数，工件定位不足。3.定位现象分析（1）完全定位（2）不完全定位（3）欠定位（4）重复定位－－限制工件的全部六个自由度。2023/9/21203.定位现象分析（1）完全定位：限制工件的全部六个自由度。yxzXYZXYZXYZYZ2023/9/21213.定位现象分析（2）不完全定位－－限制工件自由度少于六个，但仍能满足加工技术要求。（部分定位）2023/9/21223.定位现象分析

考虑工件定位方案时，对不必要限制的自由度，可以不限制，而采用部分定位。

采用完全定位还是部分定位，主要根据工件的形状特点和工序加工要求来确定。a.由于工件的形状特点，限制工件某些方向的自由度没有必要也无法限制，则可不必限制该方向的自由度；b.由于加工特点，工件某些方向自由度的存在并不影响加工精度要求，则可不必限制该方向的自由度；c.在保证加工要求的条件下，限制自由度的数目应尽量少，使夹具结构简单；d.实际加工中，对工件限制的自由度数目一般不少于三个。2023/9/21233.定位现象分析（3）欠定位

－－实际限制的自由度数少于按其加工要求所必须限制的自由度数，工件定位不足。见书P208-图5.132023/9/21243.定位现象分析（4）重复定位

－－定位支承点数多于所限制的自由度数，出现几个定位支承点重复限制同一个自由度。（过定位，超定位）2023/9/2125套筒零件的重复定位yxz2023/9/21262023/9/21272023/9/21282023/9/2129重复定位是否允许，不能单凭形式上的分析予以肯定或否定，应根据具体情况具体分析：根据工件定位基准面与定位元件接触的具体情况分析定位支承点的数目；根据重复定位对工件安装所造成的后果分析。2023/9/2130采用完全定位还是部分定位，主要根据工件的形状特点和工序加工要求来确定，一般应遵循以下几条原则：①由于工件的形状特点，限制工件某些方向的自由度没有必要，也无法限制，则可不必限制该方向的自由度。②由于加工特点，工件某些方向自由度的存在并不影响加工精度要求，则该方向的自由度可以不必限制。③在保证加工要求的条件下，限制自由度的数目应尽量少，使夹具结构简单。④在实际加工中，对工件限制的自由度数目一般不少于三个。⑤欠定位是不允许的。⑥应尽量避免重复定位，但在有利于减小加工误差时可采用重复定位方式定位的。定位方案限定自由度的选择原则：2023/9/2131各种加工形式保证加工精度需要限制的自由度2023/9/21322023/9/21332023/9/2134

常用定位元件限制自由度常见元件：长（短）圆柱销、菱形销、固定式（活动式）V形块、顶尖三爪卡盘等。2023/9/21352023/9/21362023/9/21378.2.3常见定位方式及定位元件1.工件以平面定位

支承定位－－定位基准平面支承在定位元件上，以与定位元件接触的实有表面或其上的点和线为定位基准第一定位基准(主要定位面)第二定位基准(导向定位面)第三定位基准(止推定位面)yxz2023/9/21388.2.3常见定位方式及定位元件1.工件以平面定位（1）固定支承：支承钉（限1个）、支承板（限2个）2023/9/21398.2.3常见定位方式及定位元件1.工件以平面定位（2）可调支承2023/9/21408.2.3常见定位方式及定位元件（3）自位支承（浮动支承，一般只限制一个自由度）1.工件以平面定位2023/9/21418.2.3常见定位方式及定位元件（4）辅助支承（不限制自由度）1.工件以平面定位

不起限制工件自由度的作用，不能转化为定位支承点2023/9/21422.工件以内圆柱孔定位短的心轴限两个自由度，长的限四个自由度8.2.3常见定位方式及定位元件（1）心轴

刚性心轴小锥度心轴弹性心轴2023/9/21432.工件以内圆柱孔定位短销限两个自由度，长销限四个自由度8.2.3常见定位方式及定位元件（2）定位销2023/9/2144小结：工件以圆柱孔定位是以孔的中心线为定位基准的定心定位，以并不与定位元件实际接触的工件几何中心线为定位基准。实际应用中圆柱孔常与平面组合定位：8.2.3常见定位方式及定位元件2.工件以内圆柱孔定位若为短孔，与大平面组合，以大平面为第一定位基准；

长孔，与小平面组合，以孔中心线为第一定位基准。2023/9/21453.工件以圆锥孔定位（1）锥心轴（2）顶尖8.2.3常见定位方式及定位元件2023/9/2146（1）定心定位：

V形块定位套

8.2.3常见定位方式及定位元件4.工件以外圆定位2023/9/2147（2）支承定位--支承平面4.工件以外圆定位8.2.3常见定位方式及定位元件2023/9/2148

定位分析方法与步骤：1.

找与工件表面接触的元件；2.

根据零件表面形状和零件的加工要求分出定位元件和夹紧元件（一般夹紧元件拿走后，零件定位状态保持不变，且夹紧元件上有施力机构或作用力符号）；3.根据典型表面、元件类型分析各定位元件限制的自由度；4.根据加工表面技术要求和实际限制自由度，分析定位属哪种定位。2023/9/2149定位实例分析1

2023/9/2150定位实例分析22023/9/2151定位实例分析32023/9/21528.2.4定位误差分析►基准的概念及其分类2023/9/21531.定位误差的概念加工误差：零件加工后的实际几何参数与图纸规定的设计参数的不符合程度，即实际数值与设计数值之差。8.2.4定位误差分析

定位误差（）：是指定位不准确而造成某一工序在工序尺寸（通常指加工表面对工序基准的距离）或位置要求方面的加工误差。定位误差包括：基准位置误差基准不重合误差2023/9/2154（1）基准位置(位移）误差（）8.2.4定位误差分析

由于定位元件和工件的制造误差而引起的定位基准在加工尺寸方向上的最大位置变动范围。2023/9/2155b+Tb0d0-Td00D+Tb0H-TH0基准位置误差分析O1H1H2O2Dmaxdmin2023/9/2156（2）基准不重合误差（）由于工序基准与定位基准不重合而引起的工序基准相对于定位基准在加工尺寸方向上的最大位置变动范围。8.2.4定位误差分析2023/9/2157b+Tb0基准不重合误差分析d1-Td10H-TH0H1H2B2B1d1mind1max2023/9/2158定位误差分析H1H2B2B1d1mind1maxB3H32023/9/2159

定位误差（）：是指定位不准确而造成某一工序在工序尺寸（通常指加工表面对工序基准的距离）或位置要求方面的加工误差。定位误差包括：8.2.4定位误差分析加工误差：零件加工后的实际几何参数与图纸规定的设计参数的不符合程度，即实际数值与设计数值之差。其中一批工件定位时误差变动方向相同取“+”，方向相反取“-”，没有直接关联时取“+”。

基准不重合误差（）：由于工序基准与定位基准不重合而引起的工序基准相对于定位基准在加工尺寸方向上的最大位置变动范围。

基准位移（位置）误差（）：由于定位元件和工件的制造误差而引起的定位基准在加工尺寸方向上的最大位置变动范围。2023/9/21602.定位误差的结论：定位误差只产生于采用调整法加工一批工件的情况下，若逐个试切加工者不存在定位误差。定位误差是由于工件定位不准确而产生的加工误差。表现形式：工序基准相对加工表面可能产生的最大尺寸或位置的变动范围。产生原因：基准不重合；工件的定位基准面制造误差、定位元件制造误差、工件基面与定位元件间的配合间隙及基准不重合误差。定位误差由基准不重合误差和基准位移误差两部分组成，但二者不一定同时存在。定位误差的计算可分别按其定义进行计算，再合成。8.2.4定位误差分析2023/9/2161

由于平面度误差一般很小，工件以平面定位时产生的定位误差主要是基准不重合误差，基准不重合误差的计算可根据其定义，即工序基准相对定位基准在工序尺寸方向上的最大位置变动范围。对较复杂的两基准面间定位尺寸不是一个独立尺寸时，可用尺寸链来计算定位尺寸（定位基准与工序基准间尺寸）及其公差，公差就是基准不重合误差。3.常见定位方式的定位误差分析和计算（1）工件以平面定位8.2.4定位误差分析2023/9/2162

基准位置误差分两种情况：工件以粗基准定位：其中ΔH是基面形状误差造成的基面最大变动范围。

工件以精基准定位：8.2.4定位误差分析（1）工件以平面定位2023/9/2163（2）工件以圆孔定位时的定位误差1）工件圆孔与刚性心轴或销过盈配合。但由于工件装夹困难，一般很少采用。8.2.4定位误差分析孔与心轴始终同心2023/9/2164心轴水平放置（重力作用下孔与心轴固定上母线接触）2）工件圆孔与刚性心轴或销间隙配合8.2.4定位误差分析2023/9/2165b+Tb0d0-Td00D+Tb0H-TH0O1H1H2O2Dmaxdmin心轴水平放置（重力作用下孔与心轴固定上母线接触）2023/9/2166

工件孔尺寸，心轴尺寸8.2.4定位误差分析工件孔中心最大变动量即为基准位置误差：心轴水平放置（单向推移工件靠紧定位）2023/9/2167心轴垂直放置

孔与心轴可以在任意方向接触，孔的中心最大变动量即为基准位移误差：其中Xmin=(Dmin-dmax)为孔与轴的最小配合间隙8.2.4定位误差分析2023/9/21683）工件圆孔与弹性（自动定心）心轴定位8.2.4定位误差分析2023/9/21694）工件圆孔与锥心轴定位其中α为锥心轴的半锥角，

TD为孔的直径公差。孔直径方向配合无间隙，径向基准位置误差：

轴向最大位移即轴向基准位置误差：工件轴线可能发生偏转，转角定位误差为：Δθ=α8.2.4定位误差分析2023/9/2170（3）工件以外圆定位时的定位误差

主要分析工件外圆在V形块上定位情况：由于工件设计基准不同，可能出现以下三种情况，即设计基准分别为A、B、C。8.2.4定位误差分析2023/9/2171OO1d-TddEJW1）设计基准为A时的定位误差8.2.4定位误差分析V形块是对中定心元件，制造无误差时，理论上外圆中心与V形块中心位置重合，无基准不重合误差。

工件外圆直径有偏差时，工件轴线在V形块中心线上下偏移。H12023/9/21722）设计基准为B时的定位误差由于定位基准是A，而设计基准是B，故

工件尺寸变化时，定位基准的移动方向与工序基准相对定位基准的移动方向相同。故

基准位移误差即工件直径误差造成的A上下最大变化量8.2.4定位误差分析2023/9/21733）设计基准为C点时的定位误差由于定位基准是A，而设计基准是C，故

工件尺寸变化时，定位基准的移动方向与工序基准相对定位基准的移动方向相反。故

基准位移误差即工件直径误差造成的A上下最大变化量8.2.4定位误差分析2023/9/2174(4)组合定位误差分析

1.内孔与端面组合定位长心轴与窄圆环端面组合孔与端面的垂直度误差将产生基准位移误差和角度误差：

短心轴与大端面组合孔与端面的垂直度误差将产生基准位移误差和角度误差：2023/9/21754）一面两孔组