第六章夹具设计原理

内容提要

机床夹具是机械加工工艺系统的一个重要组成部分。为保证工件某工序的加工要求，必须使工件在机床上相对刀具的切削或成形运动处于准确的相对位置，必须通过一定的装置把工件固定保持在准确定位的位置上。

本章主要讨论工件在夹具上的定位原理与定位误差、夹紧装置的设计与计算。

本章内容主要包括：

(1)工件定位基本原理；(2)基本定位元件对工件的定位；(3)定位误差的分析与计算；(4)夹紧力及夹紧装置设计的一般原则；(5)常用的夹紧机构；(6)典型机床夹具。机床夹具概述6.1机床夹具概述机床夹具通过使工件在机床上相对刀具占有正确的位置的过程—定位，以及克服切削过程中工件受外力的作用保持工件的准确位置的过程—夹紧，来实现工件装夹。定位和夹紧两个过程的综合称为装夹,完成工件装夹的工艺装备称为机床夹具。6.1.1机床夹具的分类

机床夹具按通用化程度可分为两大类。

第一类通用夹具

此类夹具具有通用性，只需调整或更换少量零件就可用于装夹不同的工件。如三爪、四爪卡盘、顶尖、平口钳等。通用夹具的结构复杂，适用用于大批量生产，也适用于单件小批生产，是使用最广泛的一类夹具。机床夹具概述机床夹具的分类及作用第二类专用夹具

专用夹具是专门为某工件的某工序设计和制造的专用夹具,其结构简单、紧凑、操作迅速方便，因设计和制造的周期较长，批量少，所以成本较高。当产品变更时，因无法使用而报废，因此专用夹具适用于产品固定的成批或大量生产中。 6.1.2夹具的作用和组成下面以钻床夹具和铣床夹具为例进行分析。6.1.2.1夹具的作用(1)可以缩短辅助时间，提高劳动生产率(2)易于保证加工精度的稳定(3)可扩大机床的使用范围(4)可以减轻劳动强度，保证安全生产夹具的组成6.1.2.2夹具的组成

(1)定位元件：与工件的定位基准相接触，确定工件在夹具中的正确位置。(2)夹紧装置：这是用于夹紧工件的装置，在切削时使工件在夹具中保持既定位置。(3)对刀元件：这种元件用于确定夹具与刀具的相对位置。(4)夹具体：这是用于联接夹具各元件及装置，使其成为一个整体的基础件。它与机床相结合，使夹具相对机床具有确定的位置。

(5)其它元件及装置：有些夹具根据工件的加工要求，要有分度机构，铣床夹具还要有定位键等。

任何夹具都必须有定位元件和夹紧装置，它们是保证工件加工精度的关键，目的是使工件“定准、夹牢”。工件的定位6.2工件的定位

定位的目的是使工件在夹具中相对于机床、刀具都有一个确定的正确位置。工件上用来定位的表面称为定位基准面。6.2.1六点定位原理

一个自由的物体相对于三个相互垂直的空间坐标系，有六种活动的可能性(三种是移动，三种是转动)。因此空间任一自由物体共有六个自由度。这六个自由度为沿x、y、z轴移动的三个自由度；绕x、y、z轴转动的三个自由度。图6.3六点定位原理

用相当于六个支承点的定位元件与工件的定位基准面接触，如图6.4所示。在底面xoy内，三个支承点限制了x和y方向旋转自由度、z方向移动自由度；在侧面yoz内，两个支承点限制了x方向移动自由度、z方向旋转自由度；在端面xoz内，一个支承点限制了y方向移动自由度。

用正确分布的六个支承点来限制工件的六个自由度，使工件在夹具中得到正确位置的规律称为六点定位原理。

六点定位原理工件在加工中对六个自由度的限制，要根据被加工工件的加工要求来确定。完全定位不完全定位过定位

对于过定位的工件，施加夹紧力后，可能产生工件变形或定位元件被损坏、定位精度降低等不良后果。六点定位原理

6.2.2定位元件

夹具定位元件的结构和尺寸，主要取决于工件上已被选定的定位基准面的结构形状、大小及工件的重量等。定位元件在夹具中的布置，既要符合六点定位原理，又要能保证工件定位的稳定性。6.2.2.1定位元件的主要技术要求和常用材料要求：定位精度、粗糙度、耐磨性、硬度和刚度。常用的材料：

①低碳钢如20钢或20Cr钢，工件表面经渗碳淬火，深度0.8～1.2mm左右，硬度55～65HRC。

②高碳钢如T8、T10等，淬硬至55～65HRC。③中碳钢如45钢，淬硬至43～48HRC。定位元件6.2.2.2固定式定位元件

①支承钉

多用于以平面作定位基准时的定位元件。

(a)平顶支承钉，适用于己加工表面的定位；(b)圆顶支承钉，适用于毛坯面定位，但支撑钉容易磨损；(c)花纹顶面支撑钉，用于工件的侧面定位，增大摩擦系数；(d)带衬套支撑钉，批量大、磨损快时使用，便于拆卸。

支撑钉与夹具体的配合可用H7/r6或H7/n6。定位元件②支承板

一般用作精基准面较大时的定位元件。(a)平板式支承板，结构简单、紧凑，但不易清除落入沉头螺钉孔内的碎屑；(b)台阶式支承板，装夹螺钉的平面低于支承面3～5mm，克服了不易清屑的缺点，但结构不紧凑；(c)斜糟式支承板，在支承面上开两个斜糟为固定螺钉用，使清屑容易又结构紧凑。

不论采用支承钉或支承板作为定位元件，装入夹具体后，为使各支承面在一个水平面内，应再修磨一次。定位元件

③定位销

对于既用平面又用与平面相垂直的圆柱孔定位的工件，通常用定位销作定位元件。(a)、(c)固定式定位销，(b)、(d)带村套的可换式定位销，(e)可换的支承垫圈销定位元件

④定位心轴

用于以内孔表面为定位基准的工件，如套筒、盘类等。(a)是圆柱心轴，(b)是花键心轴，(c)为锥心轴，使用时将工件轻轻压人，此种心轴用于磨削或精车。

1、传动部分2、定位部分3、开口垫圈4、锁紧螺母（c）⑤v形块用于以外圆表面为定位基准的工件

v形块用销子及螺钉紧固在夹具体上，工件外圆中心对中于两斜面的对称轴线上。定位元件定位元件6.2.2.3可调式定位元件

主要用于粗基准定位。当毛坯的尺寸及形状变化较大时，为了适应各批毛坯表面位置的变化，需采用可调支承进行定位。6.2.2.4辅助式支承元件

为了增加工件的刚性和稳定性，但又要避免过定位，此时经常采用辅助支承。一般辅助支承是在工件定位后才参与工作，故不起定位作用。定位元件1、手轮或手柄2、楔块3、钢球4、半圆键5、支撑（d）绪论定位元件6.2.2.5浮动式定位支承当工件定位表面有几何形状误差，或定位表面是断续表面、阶梯表面时，采用浮动式支承可以增加与工件的接触点，提高刚度，又可避免过定位。(a)是两点浮动式支承；(b)、(c)是三点浮动支承；(d)是杠杆式浮动支承；(e)是斜面式浮动支承。定位误差6.2.3定位误差六点定位原理，可以保证工件在夹具中的正确位置，但是能否满足加工精度的要求，还需要进一步讨论定位的准确性，即定位误差有多大。为了保证加工质量，应满足如下关系：e总≤T(6.1)式中e总—各种因素产生误差的总和；T—工件被加工尺寸的公差。上式又可写成：e定＋ω≤T(6.2)式中e定—定位误差；ω—除定位误差以外，其它因素所引起的误差总和(如机床、刀具误差，工艺系统变形等)，可按加工经济精度查表确定。定位误差6.2.3.1定位误差的组成

所谓定位误差，是指由于工件定位造成的加工面相对工序基准的位置误差。因为对一批工件来说，刀具经调整后位置是不动的，即被加工表面的位置相对于定位基准是不变的，所以定位误差就是工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量。定位误差的组成及产生原因有以下两个方面：

①定位基准与工序基准不一致所引起的定位误差，称基准不重合误差，即工序基准相对定位基准在加工尺寸方向上的最大变动量，以e不表示。

②

定位基准面和定位元件本身的制造误差所引起的定位误差，称基准位置误差，即定位基准的相对位置在加工尺寸方向上的最大变动量，以e基表示。故有e定=e不+e基(6.3)此公式是在加工尺寸方向上的代数和。绪论定位误差(1)工件以平面定位时的定位误差

以平面定位时，工件和定位元件的平面度误差都会产生定位误差，用已加工表面作定位基面是，此项误差忽略不计。

(2)工件以外圆柱定位的定位误差

设V形块的夹角a无制造误差，外圆定位面的直径公差为Td。根据定义为：从结果看出，e定与v形块夹角α有关，α越大，e定越小，但α太大时，v形块对中性差，故常取a=90°。绪论定位误差(3)工件以内孔表面定位时的定位误差当工件装夹到心轴上时，工序基准、定位基准都是中心线，基准重合；工件孔和心轴是间隙配合，有制造误差，则：

e不=0e定=e不+e基=e基。设孔尺寸为D+TD，心轴尺寸为d-Td，最小配合间隙为Cmin，工件装夹时心轴放置的位置不同，定位误差分两种情况：

①心轴垂直放置，按最大孔和最小轴求得孔中心线位置的变动量为绪论定位误差

②心轴水平放置，如图6.22(b)所示，由于自重，工件始终靠往心轴一边下垂，此时孔中心线的变动是铅垂方向，其最大值为：(4)工件以“一面两孔”定位时的定位误差当采用一平面、两短圆柱销的定位元件时，此时平面限制三个自由度，第一个销和第二个销各限制两个自由度，因此过定位，在两销连心线方向过定位。设两孔直径分别、孔心距，两销直径、销心距分别为：

绪论定位误差

针对第二个销子解决的方法有：①减小直径；②采用削角销；③使其沿x方向移动。第三种方法结构复杂，一般采用前两种方法消除过定位。绪论定位误差

①减小第二个销子直径。见图，销子的大小应在AB范围内，由图得：

此种方法由于销子直径减小，配合间隙加大，故使工件绕销子1的转角误差加大。

②第二个销采用削角销。工件转角误差要求较严格时，采用这种方法。

a.削角销宽度b的确定。令AF等于圆柱形定位销应减小的部分DE，则可通过削角而不减小销的直径消除过定位，且工件转角误差小。得：定位误差b.定位误差的确定：“1”孔中心线在x、y方向的最大位移为：绪论定位误差

“2”孔中心线在x、y方向的最大位移分别为：两孔中心连线对两销中心连线的最大转角误差：

定位销的直径公差一般按g6、f7配合选取，两定位销之间的尺寸公差取两孔中心距公差的1/5～1/3。削角销的结构尺寸可参考表6.2。削角销的截面形状见图6.26。表6.2削角销的结构尺寸

销子直径d2(mm)4~66~1010~1818~3030~5050b(mm)23581214B(mm)d2－1d2－2d2－4d2－6d2－10d2－12绪论定位误差绪论定位误差实例6.2.4定位误差计算实例【例题6.1】在套筒零件上铣槽，如图6.27(a)所示，要求保持尺寸10－0.08、8－0.12，其它尺寸已在前工序完成。若采用图6.27(b)的定位方案，孔与销子配合按H7/g6，问能否保持加工精度要求？否则应如何改进？解：按H7/g6的配合精度,则销子直径应为，因销子为水平放置，故由式(6.25)有：在铣床上加工，其平均经济精度为10级，查表得ω＝0.05，所以

可满足尺寸8－0.12的要求。

①对于尺寸8－0.12，②对于尺寸10－0.08，又因绪论定位误差定位误差实例不能满足尺寸10－0.08的求。③

采用图6.27(c)的改进方案，以端面A和右端孔为定位基准，销子与孔的配合仍然按H7/g8，则销子直径为。

可满足尺寸8－0.12的要求。又e定(10)＝0ω+e定(10)＝0.05<T(10)=0.08可满足尺寸10－0.08的要求。

【例题6.2】如图6.28所示零件，在铣槽工序中，要保证45°±50′(其它尺寸已在前工序完成)。要求设计该工序的定位方案，并检查能否满足精度要求。解：采用“一面两孔”的完全定位方案。选取

短圆销、短削角销。查表削角销b＝3,B＝8。夹具的制造公差工件公差的1/3左右，两销心距公差TLd=0.08,夹具上45°角公差取Tα＝30＇(是定位误差的一部分)。铣床平均加工经济精度10级，查表得ω＝4＇。由式(6.34)得Tα,45°角的定位误差为：绪论定位误差定位误差实例这种定位方案可满足加工精度要求。若不能满足加工精度要求时，可采用下述方法解决：①减小销子与孔的配合间隙，销子直径选g5或h6，同时适当减小削角销宽度b。②采用活动锥形定位销，使孔与销无间隙配合，如图6.29。

绪论定位误差工件的夹紧6.3工件的夹紧

工件在定位元件上定位后，必须采用一定的装置将工件压紧夹牢，使其在加工过程中不会因受切削力、惯性力或离心力等作用而发生振动或位移，从而保证加工质量和生产安全，这种装置称为夹紧装置。机械加工中所使用的夹具一般都必须有夹紧装置，在大型工件上钻小孔时，可不单独设计夹紧装置。

设计夹紧装置的要求：夹紧动作要准确迅速；操作方便省力；夹紧安全可靠；结构简单，易于制造。

夹紧装置设计和选择的核心问题是夹紧力的大小、方向和作用点。工件的夹紧6.3.1夹紧力三要素设计原则6.3.1.1夹紧力的方向夹紧力的方向选取考虑以下三方面：①工件用几个表面作为定位基准。大型工件，朝向各定位元件都要有夹紧力；小型工件，则只要垂直朝向主定位面有夹紧力，就可以使工件装夹稳定可靠。②夹紧力的方向应方便装夹和有利于减小夹紧力。为夹紧力Q、重力G、切削力F三者之间的方向组合关系见图③夹紧力的方向应使工件夹紧后的变形小

由于工件在不同方向上刚性不同，因此对工件在不同方向施加夹紧力时所产生的变形也不同。薄壁套筒的装夹方法工件的夹紧工件的夹紧6.3.1.2夹紧力的作用点夹紧力方向确定后，夹紧力的作用点的位置和数目的选择将直接影响工件定位后的可靠性和夹紧力的变形。①力的作用点的位置应能保持工件的正确定位而不发生位移或偏转。见图6.34(a)、(b)。②夹紧力的作用点应位于工件刚性较大处。且作用点应有足够的数目。如图6.34(c)、(d)。③夹紧力的作用点应尽量靠近工件被加工表面。这样可使切削力对该作用点的力矩减小，同时减小工件的振动。若加工面远离夹紧作用点，可增加辅助支承并附加夹紧力。工件的夹紧工件的夹紧6.3.1.3夹紧力的大小

对工件所施加的夹紧力，要适当。夹紧力过大，会引起工件变形；夹紧力过小，易破坏定位。

进行夹紧力计算时，通常将夹具和工件看作一刚性系统，以简化计算。根据工件在切削力、夹紧力(重型工件要考虑重力，高速时要考虑惯性力)作用下处于静力平衡，列出静力平衡方程式，即可算出理论夹紧力。为安全起见，计算出的夹紧力应乘以安全系数K，故实际夹紧力一般比理论计算值大2∼3倍。常用的夹紧装置6.3.2常用的夹紧装置

楔块、螺旋、偏心轮等，都是根据斜面夹紧原理夹紧工件。6.3.2.1楔块夹紧装置主要用于增大夹紧力或改变夹紧力方向。楔块夹紧常与杠杆、压板、螺旋等组合使用。特点：(1)有增力作用；(2)夹紧行程小；(3)结构简单，但操作不方便。楔块夹紧装置(1)楔块夹紧受力的计算楔块在原始力P、工件给楔块的作用力Q、夹具体给楔块的作用力R作用下，处于平衡状态。α—楔块升角，通常取6°～10°。工件、夹具体与楔块的摩擦系数取f＝0.1～0.15,摩擦角φ1和φ2为5°45’～8°30’。楔块夹紧装置(2)楔块的自锁条件当原始力P撤除后，楔块在摩擦力的作用下仍然不会松开工件的现象称为自锁。楔块在力Q、R作用下平衡，此时摩擦力的方向与楔块松开的趋势相反，如图6.37(c)所示自锁的条件应该是：

若φ1＝φ2＝φ，

f＝0.1～0.15，则α≤11.5°～17°为安全起见一般取10°～15°。楔块夹紧装置

(3)传力系数夹紧力与原始力之比称传力系数，以iP表示则有：楔块的升角α越小，iP就越大；当原始力P一定时，α越小则夹紧力Q就越大，但同时楔面的工作长度加大致使结构不紧凑，夹紧速度变慢。因此楔块夹紧装置常用在工件尺寸公差较小的机动夹紧装置中。(4)楔块的尺寸及材料升角α确定后，其工作长度应满足夹紧要求，其厚度应保证热处理时不变形，小头厚度应大于5mm为宜。楔块材料一般用20钢或20Cr，渗碳厚度0.8～1.2mm，热处理硬度56～62HRC，工作表面粗糙度值Ra为1.6μm。螺旋夹紧装置6.3.2.2螺旋夹紧装置

螺旋夹紧装置是从楔块夹紧装置转化而来的，相当于把楔块绕在圆柱体上，转动螺旋时即可夹紧工件。

特点：(1)结构简单，夹紧可靠；(2)夹紧力比斜楔大，行程不受限制，在手动夹紧中应用广；(3)螺旋夹紧动作慢，效率低。螺旋夹紧装置(1)螺杆夹紧力计算工件处于夹紧状态时，根据力的平衡、力矩的平衡可算得夹紧力Q：α—螺旋升角，α=2°～4°；φ1—螺母与螺杆间的摩擦角；φ2—工件与螺杆间的摩擦角；r中—螺旋中径的一半r1—摩擦力矩计算半径。螺旋夹紧装置螺旋夹紧装置(2)螺旋夹紧的自锁性能和传力系数

楔块夹紧装置的自锁条件为α≤11.5°～17°，而螺旋夹紧装置的螺旋升角(a＝2°～4°)很小，故自锁性能好。

传力系数为：因为螺旋升角小于楔块升角，而L大于r中和r1，所以螺旋夹紧装置的传力系数远比楔块夹紧装置的大。

由于螺旋夹紧装置结构简单，制造容易，夹紧行程大，传力系数大，自锁性能好，所以广泛用于手动夹紧。但夹紧缓慢，效率低。

螺旋夹紧装置(3)螺旋与压板的组合夹紧装置为了在工件最合适的位置和方向上进行夹紧，生产中经常采用图6.42的结构。而为了减少夹压的辅助时间和提高生产率，采用多位或多件夹紧装置。偏心夹紧装置6.3.2.3偏心夹紧装置

偏心夹紧装置是将楔块包在圆盘上，旋转圆盘使工件得以夹紧。偏心夹紧经常与压板联合使用，常用的偏心轮有圆偏心和曲线偏心。

特点：

由于圆偏心夹紧时的夹紧力小，自锁性能不是很好，且夹紧行程小，故多用于切削力小，无振动，工件尺寸公差不大的场合，但是圆偏心夹紧机构是一种快速夹紧机构。圆偏心夹紧装置(1)圆偏心夹紧原理

圆偏心夹紧原理见图6.45，圆偏心轮直径为D，几何中心为O1，回转中心为O，偏心距为e，虚线圆为基圆，其直径为D－2e，圆偏心就相当于绕在基圆盘上的楔块。偏心轮顺时针转动时，楔块楔进基圆盘和工件中间，使工件得以夹紧。若将偏心轮的工作部分弧展开，就可得到一个具有曲线斜边的楔块。从图中看出，斜面上各点的斜率(即升角)是变化的，而在P点(展开图为90°的点)附近变化较小。为使偏心轮工作稳定可靠，常取P点左右夹角为30°～45°度的一段圆弧为工作部分，也就是弧APB为60°～90°。圆偏心夹紧装置，圆偏心夹紧装置(2)圆偏心的自锁条件圆偏心x点处升角αx为：在β=0°，即P点升角最大αp为：

根据楔块自锁条件，为安全起见，可不考虑偏心轮孔与支承轴间的摩擦，于是可得到圆偏心的夹紧特性为：式中β是偏心距e从水平位置转过的角度。(3)圆偏心夹紧行程偏心转过角度β,夹紧行程为：设计夹紧行程S时，考虑工件尺寸公差T，装卸工件必要的间隙C间，夹紧机构的变形、磨损等行程储备量为C贮,则圆偏心夹紧装置

圆偏心夹紧装置(4)圆偏心夹紧力计算圆偏心夹紧实际上是斜楔夹紧的一种变形，假设一升角为α的楔块，根据楔块夹紧力计算式(6.36)，有：(5)圆偏心夹紧的传力系数

圆偏心最大升角αp＝8.13°,而螺旋升角为2°～4°,因此圆偏心夹紧的传力系数远小于螺旋夹紧的传力系数。

偏心轮的材料，一般可选用20钢或20Cr钢，工作表面渗碳淬火至HRC55～60，表面粗糙度值Ra为0.8μm。定心夹紧装置6.3.2.4定心夹紧装置

工件准确定心或对中的装置，使工件的定位和夹紧过程同时完成，而定位元件与夹紧元件合二为一。(1)定心夹紧装置的原理图(a)定位误差C定＝O1O2＝TD＋Td＋Cmin

图(b)是圆柱面在三爪卡盘中定心和夹紧的情况。定心夹紧装置(2)定心夹紧装置的类型

①定位夹紧元件等速移动的装置。左右螺旋定心夹紧装置。斜楔定心夹紧装置

此类定心夹紧装置，由于制造误差和组成元件间的间隙较大，故定心精度不高，约为0.2～0.16mm，但夹紧力和夹紧行程较大，所以常用于粗加工和半精加工。定心夹