机械制造技术基础 第3章

本章要点基准与工件定位六点定位原则常用的定位元件工件的夹紧第3章夹具定位误差典型夹具分析机械制造技术基础第3章夹具Fixtures3.1

概述Overviee3.1概述夹具——用于装夹工件（或引导刀具）的一种装置装夹——将工件在机床上或夹具中定位、夹紧的过程。定位——使工件在机床或夹具上占有正确位置夹紧

——对工件施加一定的外力，使其已确定的位置在加工过程中保持不变基本概念3.1概述1）工件易于正确定位，能保证加工精度

零件加工质量包括尺寸精度、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精度。2）缩短安装时间，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，实现一机多能

如在车床上加镗夹具，可完成镗孔加工。

4）操作方便、安全，减轻工人劳动强度，保证安全生产1、夹具的作用按使用范围分：

1）通用夹具：三爪、四爪卡盘，平口钳等。

2）专用夹具：为某一工件特定工序专门设计的夹具。

3）通用可调整夹具及成组夹具：夹具的部分元件可以更换，部分装置可以调整，以适应不同零件的加工。

4）组合夹具：由一套预先制造好的标准元件组合而成。根据工件的工艺要求，组装成各种专用夹具。使用后，元件可拆开、洗净后存放，待需要时重新组装。适用于新产品试制和单件小批生产。5）随行夹具：在自动线或柔性制造系统中使用的夹具。2、

机床夹具的分类3.1概述5三爪卡盘四爪卡盘万向平口钳回转工作台分度头通用夹具3.1概述组合夹具实例3.1概述可分为钻床夹具、铣床夹具、车床夹具、磨床夹具等。◆按使用机床划分可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、真空夹具、电动夹具等。◆按夹紧力源划分2.1.1夹具的基本概念夹具的分类气动虎钳液压夹具夹具3.1概述3、夹具的组成（1）定位元件（主要功能元件）（2）夹紧装置（动力源、中间传力机构及夹紧元件组成）（3）对刀和导引元件（对刀块、钻套）（4）连接元件（5）夹具体（6）其他元件或装置分度装置防错装置、安全保护装置等。机械制造技术基础3.2

基准与工件定位Benchmarkwithworkpiecepositioning第3章夹具Fixtures3.2.1基准的概念和分类基准及其分类基准定位基准工序基准装配基准测量基准设计基准工艺基准用于确定零件上其它点、线、面位置所依据的那些点、线、面。设计图样上所采用的基准就是设计基准。在加工时用于工件定位的基准，称为定位基准。1、粗基准2、精基准3、辅助基准4、主要基准5、附加基准在加工中或加工后用来测量工件时采用的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在工序图上使用的基准。加工、测量、装配过程中使用的基准。113.2.2零件定位的概念和定位的要求机床、夹具、刀具和零件（或工件）组成一个工艺系统。使用夹具安装零件，零件在夹具中的位置由定位元件确定。零件的有关表面需紧靠定位元件，以确定一个既定的位置，实现零件的定位，并使得一批逐次加工的零件在夹具中占据统一的正确位置。定位的实质：加工面的设计基准在工艺系统中要占据一个正确的位置。1、零件定位2、定位的要求使工件加工面的设计基准与机床保持一正确位置，以保证加工面与其设计基准间的几何公差（同轴度、平行度、垂直度等）3.2.2零件定位的概念和定位的要求2、定位的要求使工件加工面的设计基准与刀具保持正确的位置，以保证加工面与其设计基准间的距离尺寸精度。表面间距离尺寸精度的获得通常有两种方法：试切法和调整法试切法：是使刀具逐渐逼近并准确达到加工尺寸的方法，它通过试切工件一段表面——测量加工尺寸——调整刀具——再试切——再测量工件尺寸直到加工尺寸合格。调整法：在加工前按规定尺寸先调整好刀具与工件相对位置及进给行程，再连续加工一批工件，从而保证在加工时自动获得所需距离尺寸精度的加工方法3.2.3定位基准的选择1粗基准的选择粗基准选择影响：①加工余量的均匀分配；②加工面与非加工面（作为粗基准的非加工面）的位置关系外圆1的轴线内孔3的轴线以不加工外圆表面1作为粗基准定位，加工后内孔2与外圆1同轴以毛坯孔作为粗基准定位，则可以保证余量均匀，但加工后内孔2与外圆1不同轴，即壁厚不均匀。3.2.3定位基准的选择保证相互位置要求原则：如果必须保证工件上加工面与不加工面的相互位置要求，则应以不加工面作为粗基准。

外圆面1的轴线内孔3的轴线以外圆面作为加工内孔时的粗基准3.2.3定位基准的选择余量均匀分配原则：如果首先要求保证工件某重要表面加工余量均匀时，应选择该表面的毛坯面作为粗基准。3.2.3定位基准的选择4.2精基准的选择选择精基准时，应重点考虑如何减少工件的定位误差，保证加工精度，并使夹具结构简单，工件装夹方便。具体选择原则为：1．“基准重合”原则2.“基准统一”原则3．“互为基准”的原则4．“自为基准”的原则3.2.4工件定位的方法1）直接找正定位

效率低，找正精度较高；适用单件小批量中形状简单的工件。

3）夹具定位2）划线找正定位通用性好，但效率低，精度不高；适用于单件小批量中形状复杂的铸件。

操作简单，效率高，容易保证加工精度，适用于各种生产类型。工件的装夹

图直接找正安装毛坯孔加工线找正线

图划线找正安装划线找正装夹——

精度不高，效率低，多用于形状复杂的铸件直接找正装夹——

精度高，效率低，对工人技术水平高工件的装夹图工件在夹具上装夹（滚齿夹具）夹具中装夹——

精度和效率均高，广泛采用机械制造技术基础3.3

六点定位原则Atsixo'clockpositioningprinciple第3章夹具Fixtures图2-8六点定位原理XZY

六点定位原理要确定其空间位置，就需要限制其6个自由度。将6个支承抽象为6个“点”，6个点限制了工件的6个自由度，这就是六点定位原理。任何一个物体在空间直角坐标系中都有6个自由度——用表示。Z移动，X、Y轴旋转自由度X移动，Z轴转动自由度Y移动自由度3.3.1六点定位原则的概念3.3.1六点定位原则的概念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，从而使工件在空间得到确定定位的方法。3.3.1六点定位原则的概念工件的底面在xOy坐标平面内，三个支承点限制三个自由度此面称主定位面。工件的左侧面处在yoz坐标平面内，二个支承点起限制二个自由度，此面称为导向面。

工件的后面处在xOz坐标平面内，二个支承点限制一个自由度，此面称为止推面。从上述分析可知：要使工件在夹具中完全定位，可用合理分布的六个支承点限制工件的六个自由度，使工件在夹具中占有惟一正确的位置。3.3.1六点定位原则的概念六点定位是工件定位的基本法则，用于实际生产时，起支承作用的是一定形状的几何体，这些用来限制工件自由度的几何体就是定位元件。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。3.3.2完全定位与不完全定位工件的6个自由度均被限制，称为完全定位。工件6个自由度中，只限制了加工需要限制的自由度，而有1个或几个自由度未被限制，称为不完全定位。不完全定位主要有两种情况：①工件本身相对于某个点、线是完全对称的，则工件绕此点、线旋转的自由度无法被限制（即使被限制也无意义）。例如球体绕过球心轴线的转动，圆柱体绕自身轴线的转动等。②工件加工要求不需要限制某一个或某几个自由度。如加工平板上表面，要求保证平板厚度及与下平面的平行度，则只需限制3个自由度就够了。图2-9工件应限制的自由度ZYXa）限制3个自由度ZYXb）限制5个自由度ZYXc）限制6个自由度ZYXd）限制2个自由度限制4个自由度限制2个自由度3.3.2完全定位与不完全定位

e）ZYX限制4个自由度f）ZYX限制5个自由度3.3.2完全定位与不完全定位3.3.3不合理的定位方式欠定位工件加工时必须限制的自由度未被完全限制，称为欠定位。欠定位不能保证工件的正确安装，因而是不允许的。图欠定位示例XZYa）b）BBB欠定位正确定位3.3.3不合理的定位方式过定位

过定位——工件某一个自由度（或某几个自由度）被两个（或两个以上）约束点约束，称为过定位。

过定位是否允许，要视具体情况而定：1）如果工件的定位面经过机械加工，且形状、尺寸、位置精度均较高，则过定位是允许的。有时还是必要的，因为合理的过定位不仅不会影响加工精度，还会起到加强工艺系统刚度和增加定位稳定性的作用。2）反之，如果工件的定位面是毛坯面，或虽经过机械加工，但加工精度不高，这时过定位一般是不允许的，因为它可能造成定位不准确，或定位不稳定，或发生定位干涉等情况。

过定位分析（桌子与三角架）图过定位分析3.3.3不合理的定位方式

过定位分析图过定位示例XYa）ZYb）ZYXY3.3.3不合理的定位方式刀柄主轴拉杆涨套

过定位应用图2-14HSK刀柄与传统刀柄结构HSK刀柄传统刀柄1:107:24间隙主轴拉杆刀柄定位端面配合锥面3.3.3不合理的定位方式

过定位讨论如图示，齿轮坯以内孔和一小端面定位，车削外圆和大端面。加工后检测发现大端面与内孔垂直度超差。试分析原因，提出改进意见。4A0.02A间隙配合刚性心轴图过定位示例3.3.3不合理的定位方式图过定位引起夹紧变形3.3.3不合理的定位方式橡胶垫过定位处理分析2.2.2定位原理

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。3.3.3不合理的定位方式

讨论分析图示定位方案：①各方案限制的自由度；②有无欠定位或过定位；③对不合理的定位方案提出改进意见。b）XZYXc）XZYXa）YXZ过定位分析3.3.3不合理的定位方式a）过定位YXZa2）合理定位YXZa1）合理定位YXZ过定位示例分析3.3.3不合理的定位方式b）过定位XZYXb1）XZYXXZb2）合理定位YXXZb3）YX过定位示例分析有过定位，提高V形块的制造与导向精度，可解决此问题有过定位，提高相关精度，可解决此问题3.3.3不合理的定位方式c2）YXXZ过定位示例分析c）XZYX有过定位，提高V形块的制造与导向精度，可解决此问题合理定位3.3.3不合理的定位方式机械制造技术基础3.4

常用的定位元件Commonlyusedpositioningcomponents第3章夹具Fixtures3.4.1对定位元件的基本要求定位工作面精度要求高要有足够的强度与刚度具有较高的耐磨性具有良好的工艺性工件以平面定位平面定位的主要形式是支承定位。常用的定位元件有支承钉、支承板、夹具支承件和夹具体的凸台及平面等。ZXY工件以平面定位ZXYZXYZXYZXYZXY3.4.2工件以平面定位时的定位元件3.4.2工件以平面定位时的定位元件(1)固定支承（支承钉、支承板）图支承钉支承板图支承板3.4.2工件以平面定位时的定位元件3.4.2工件以平面定位时的定位元件(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

图可调支承1-调节支钉2-锁紧螺母3.4.2工件以平面定位时的定位元件(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。

图自位支承3.4.2工件以平面定位时的定位元件图辅助支承(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，主要起预定位作用和提高工件的刚度和定位稳定性。工件以圆孔定位

工件以圆孔定位多属于定心定位，常用的定位元件有定位销和心轴。定位销有圆柱销、圆锥销、菱形销等形式；心轴有刚性心轴、弹性心轴之分。XYZXYZXYZXYZXYZXYZ工件以圆孔定位3.4.3工件以圆孔定位时的定位元件3.4.3工件以圆孔定位时的定位元件1、定位销

分固定式和可换式，圆柱销和菱形销图圆柱销3.4.3工件以圆孔定位时的定位元件2、圆锥销

常用于工件孔端的定位，可限制三个自由度

图圆锥销3.4.3工件以圆孔定位时的定位元件3、心轴

主要用于盘套类零件的定位图刚性心轴3.4.4工件以外圆定位时的定位元件

结构尺寸已标准化，斜面夹角有60°90°120°图V形块1、V形块定位3.4.4工件以外圆定位时的定位元件2、定位套图套筒定位工件的实际定位工件的实际定位或工件的实际定位工件的实际定位机械制造技术基础3.5

工件的夹紧Theclampingworkpiece第3章夹具Fixtures3.5.1夹紧装置的组成组成（1）力源装置（2）中间传力机构（3）夹紧元件中间传力装置作用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。基本要求图夹紧装置示意图3.5.3夹紧力的确定必须合理确定夹紧力的三要素：大小、方向和作用点图夹紧力作用方向的选择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

3.5.3夹紧力的确定（2）夹紧力的作用方向应尽量与工件刚度大的方向相一致，以减小工件夹紧变形。图薄壁套筒夹紧3.5.3夹紧力的确定

（3）夹紧力的作用方向应尽量与切削力、工件重力方向一致，以减小所需夹紧力图夹紧力方向与切削力方向2.夹紧力作用点的确定

（1）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图夹紧力作用点的位置3.5.3夹紧力的确定

（2）夹紧力应作用在刚度较好部位图夹紧力作用点与工件变形3.5.3夹紧力的确定（3）夹紧力作用点应尽可能靠近加工表面3.5.3夹紧力的确定３.夹紧力大小的估算

夹紧力不足，使工件在切削过程中产生位移并容易引起振动；夹紧力过大，会造成工件或夹具不应有的变形或表面损伤。估算方法：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。3.5.3夹紧力的确定1.斜楔夹紧机构图斜楔夹紧原理及受力分析3.5.4典型夹紧机构夹紧力的大小：斜楔的自锁：楔块夹紧工件后应能自锁，

α≤φ1+φ2

为自锁条件一般钢铁的摩擦系数为0.1~0.15，取φ1

=φ2=5~7°，故α≤10~14°为了安全可靠，取α=5~7°3.5.4典型夹紧机构

图斜楔夹紧机构3.5.4典型夹紧机构

斜楔夹紧的特点：

1）有增力作用，增力比i=FQ

/FP

，约等于3；α越小，增力作用越大。

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。3.5.4典型夹紧机构2.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）增力比约为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，效率低图螺旋夹紧机构3.5.4典型夹紧机构图快撤螺旋夹紧装置3.5.4典型夹紧机构螺旋压板夹紧机构图螺旋压板夹紧机构3.5.4典型夹紧机构3.偏心夹紧机构常见的偏心轮—压板夹紧机构图3.5.4典型夹紧机构

（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0，

P处升角最大。图偏心夹紧工作原理3.5.4典型夹紧机构

（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，D/e≥14～20自锁,D/e叫偏心轮的偏心特性。

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）圆偏心夹紧的适用范围3.5.4典型夹紧机构斜楔夹紧螺旋夹紧偏心轮夹紧自锁性（升角有关）5－7º1º51'－3º10'5-9º增力比37512夹紧行程小大居中操作快慢居中慢快设计斜面选用偏心距和直径三种夹紧机构比较3.5.4典型夹紧机构机械制造技术基础3.6

定位误差Positioningerror第3章夹具Fixtures3.6.1定位误差产生的原因定位误差的概念

例如在轴上铣键槽，要求保证槽底至轴心的距离H。若采用V型块定位，键槽铣刀按规定尺寸H调整好位置。实际加工时，由于工件直径存在公差，会使轴心位置发生变化。不考虑加工过程误差，仅由于轴心位置变化而使工序尺寸H也发生变化。此变化量（即加工误差）是由于工件的定位而引起的，故称为定位误差。图定位误差HOAO1O2ΔDW定位误差是由于工件在夹具上（或机床上）定位不准确而引起的加工误差。3.6.1定位误差产生的原因1.基准不重合误差ΔB—由于工件的工序基准（或设计基准）与定位基准不重合而引起的定位误差，称为基准不重合误差ΔB

。

图示工件以底面定位铣台阶面，要求保证尺寸a，即工序基准为工件顶面。如刀具已调整好位置，则由于尺寸b的误差会使工件顶面位置发生变化，从而使工序尺寸a产生误差。bΔDWa图由于基准不重合引起的定位误差工序基准定位基准3.6.1定位误差产生的原因

【例】以A面定位加工φ20H8孔，求加工尺寸40±0.1mm的定位误差。

解：设计基准B与定位基准A不重合，因此将产生基准不重合误差：基准位移误差：ΔJW=0mm（定位基面为平面）ΔDW=0.15mm3.6.1定位误差产生的原因2.基准位置误差ΔY—由于工件定位表面或夹具定位元件制作不准确引起的定位误差，称为基准位置误差ΔY。图基准位移引起的基准位置误差3.6.1定位误差产生的原因1、工件以圆孔在圆柱销上定位

工件以圆孔在圆柱销定位、其定位基准为孔的中心线，定位基面为内孔表面。定位基准偏移的方向有两种可能：一、可以在任意方向上偏移；二、只能在某一方向上偏移。

当定位基准在任意方向偏移时，其最大偏移量即为定位副直径方向的最大间隙，即

图孔与销间隙配合时的定位误差DmaxdminOΔDWO1O2ΔY=Xmax=Dmax—dmin=δD+δd+Xmin3.6.1定位误差产生的原因当基准偏移为单方向时，在其移动方向最大偏移量为半径方向的最大间隙，即

如果基准偏移的方向与工件加工尺寸的方向不一致时，应将基准的偏移量向加工尺寸方向上投影，投影后的值才是此加工尺寸的基准位置误差。

图孔与销间隙配合固定边接触时定位误差DmaxO1DminOΔDWO23.6.1定位误差产生的原因2.工件以平面定位工件以平面定位时的基准位置误差计算较方便。如图所示的工件以平面定位时，定位基面的位置可以看成是不变动的，因此基准位置误差为零，即工件以平面定位时ΔY＝０3.6.1定位误差产生的原因3.工件以外柱圆在V形块上定位

工件以外圆柱面在V形块上定位时，其定位基准为工件外圆柱面的轴心线，定位基面为外圆柱面。

由右图可知，若V形块的夹角

α=900，且不计V形块的误差，

仅考虑工件的外圆尺寸公差δd

的影响，使工件中心沿Z向从O1

移至O2，即在Z向的基准位移量

可由下式计算3.6.1定位误差产生的原因定位误差分析定位误差：因工件定位而产生的工序（设计）基准相对于夹具限位基准在工序尺寸方向上的最大变动量△DW定位误差的组成基准不重合误差△JB基准位置误差△JW定位基准与工序（设计）基准不重合引起的误差定位副制造不准确引起的误差大小等于工序（设计）基准与定位基准之间的尺寸公差定位基准相对于夹具限位基准在加工尺寸方向上的最大变动量。3.6.2定位误差的计算方法由于定位误差ΔD是由基准不重合误差和基准位置误差组合而成的。因此在计算定位误差时，先分别算出ΔB和ΔY，然后将两者组合而得ΔD。组合时可有如下情况：

（1）ΔY≠0，ΔB=0时，ΔD=ΔY

（2）ΔY=0，ΔB≠0时，ΔD=ΔB

（3）ΔY≠0，ΔB≠0时，如果设计基准不在定位基面上：ΔD=ΔB+ΔY

如果设计基准在定位基面上，ΔD=ΔB±ΔY

“+”、“-”的判别方法为：

①分析定位基面尺寸由大变小（或由小变大）时，定位基准的变动方向；

②当定位基面尺寸作同样变化时，设定位基准不动，分析设计基准变动方向；

③若两者变动方向相同即“+”，两者变动方向相反即“-”。机械制造技术基础3.7

典型夹具分析Atypicalfixtureanalysis第3章夹具Fixtures1．钻模的类型与典型结构这类夹具主要是用来保证被加工孔的位置精度还可用于某些镗床、组合机床上钻床夹具的种类繁多，根据被加工孔的分布情况和钻模板的特点，一般分为