第六章 机床夹具设计(一)

第六章机床夹具设计第一节机床夹具概述第二节工件在夹具上的定位第三节工件的夹紧15:06第一节

机床夹具概述

一、机加工工艺装备的作用1．机床：提供加工运动、关系和动力。

2．刀具：切去工件表面余量。

3．量具：检测工件加工质量。

4．工辅具：固定刀具如钻夹头、刀架扳手，装夹工件的扳手等。

5．机床夹具：依加工要求装夹工件，使工件在加工中始终保持其正确的位置。二、机床夹具及其组成

1．机床夹具

机床上用来装夹工件的一种装置，其作用是使工件相对于机床或刀具有一个正确的位置，并在加工过程中保持这个位置不变。2．工件装夹的实质

在机床上加工工件时，为使该工序所加工表面达到图纸规定的尺寸、几何形状及相对位置等技术要求，加工前必须将工件装好、夹牢。如下图。3．工件装夹的方法

1）直接找正法：

2）划线找正法：3）夹具装夹：

各种装夹方法的比较

直接找正划线找正定位元件法夹具类型通用夹具专用夹具或通用改造生产率、成本费时、成本较高、划线更甚迅速方便、成本低定位精度取决于量仪精度、工人技术水平、方法是否得当

一般不高，约0.2～0.5，还与划线粗细等有关可达0.01较高且稳定适用零件形状简单、加工面少形状复杂、加工面多、位置要求不高、大重件生产批量单件小批量大批大量把工件装好：就是要在机床上确定工件相对于刀具一个正确的加工位置，工件只有在这一位置加工才能保证其加工表面达到工序所规定的各项技术要求。——定位把工件夹牢：指在已经定好的位置上将工件可靠的夹住，以防止加工时工件因受切削力冲击、振动等影响而发生不应有的位移，破坏原有的定位。——夹紧

由此可知，工件装夹的实质是在机床上对工件进行定位和夹紧，装夹的目的是通过定位和夹紧使工件在加工过程中始终保持正确的加工位置，以保证该工序所规定的加工技术要求。（专用）夹具的组成钻床夹具1．定位元件2．夹紧装置3．对刀引导元件4．连接元件5．夹具体6．其它件如图表示了几种夹具元件的关系机床工件刀具连接元件定位元件夹紧元件导引元件其他元件夹具体夹具

1．工件通过定位元件在夹具上占有一个正确的位置

2．工件通过夹紧元件保证加工过程中始终保持原有的正确位置

3．夹具通过对刀元件相对刀具保持正确位置

4．夹具通过连接元件，相对于机床保持一个正确位置

5．夹具通过其他装置，完成其他要求

6．夹具体把上述的几种元件组合成一个整体。三、机床夹具的功能

1．保证加工质量

2．提高生产率，降低成本

3．扩大机床工艺范围

4．减轻工人劳动强度，保证生产安全四、机床夹具的分类

1．按使用范围分

1）通用夹具

2）专用夹具

4）成组夹具

3）组合夹具

5）随行夹具

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组合夹具实例组合夹具实例组合夹具实例组合夹具实例零件工序简图43φDLLφD43φD43LφDL34φDL43φDL34成组夹具KH1KH2KH3KH42．按机床分类

1）车床夹具

2）铣床夹具

3）钻床夹具

4）磨床夹具

5）数控机床夹具

1815:06随行夹具3．按动力源分类

1）手动夹紧

2）气动夹紧

3）液动夹紧

4）电磁夹紧

5）真空夹紧

液压夹具气动虎钳

第二节

工件在夹具中的定位

0、定位的原理

1．自由物体：在空间占有任意位置的物体，工件在未放入夹具前可以看作自由物体2．六个自由度：工件放入三个互相垂直的平面内，就有6个自由度，如图所示（动画）沿x轴移动自由度

沿y轴移动自由度

沿z轴移动自由度

沿x轴转动自由度

沿y轴转动自由度

沿z轴转动自由度

3．定位支承点（约束点）如下图所示

六点定位原理XZY4、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——夹紧与定位概念分开

两点注意：“点”的含义

——对自由度的限制，与实际接触点不同一、常用定位方法与定位元件1.工件以平面定位平面定位的主要形式是支承定位。夹具上常用的支承元件有以下几种：(1)固定支承固定支承有支承钉和支承板两种形式。(2)可调支承支承点位置可以调整的支承称为可调支承。(3)自位支承（浮动支承）自位支承在定位过程中，支承本身可以随工件定位基准面的变化而自动调整井与之相适应。如图所示。自位支承常用于毛坯表面、断续表面、阶梯表面的定位以及有角度误差的平面定位。(4)辅助支承辅助支承是在工件定位后才参与支承的元件，其高度是由工件确定的，因此它不起定位作用，但辅助支承锁紧后就成为固定支承，能承受切削力。辅助支承的结构形式很多，如图为其中的3种。2.工件以圆柱孔定位工件以圆柱孔定位大都属于定心定位(定位基准为孔的轴线)，夹具上相应的定位元件是心轴和定位销。(1)心轴

(2)定位销圆柱定位销通常限制工件的2个移动自由度。

当要求孔销配合只在一个方向上限制工件自由度时，可用菱形销，如图(a)所示。工件也可以用圆锥销定位，如图(b)和(c)所示。图示圆锥销定位限制了工件的3个移动自由度。3.工件以外圆表面定位工件以外圆表面定位有两种形式，一种是定心定位，一种是支承定位。2)长度：V形块有长短之分，长V形块(或两个短V形块的组合)限制工件的4个自由度，而短V形块一般只限制2个自由度。3）V形块又有固定和活动之分，活动V形块在可移动方向上对工件不起定位作用。4）设计参数：V形块在夹具中的安装尺寸T是V形块的主要设计参数，该尺寸常用作V形块检验和调整的依据。

工件以外圆表面支承定位常用的定位元件是V形块。

1）角度：V形块的角度有60º，90º和120º，90º最为多且已标准化。

特点：①对中性好；②可用于非完整外圆表面的定位。4.工件以其它表面定位如图为工件以锥孔定位的例子，锥度心轴限制了工件除绕自身轴线转动之外的5个自内度。5.定位表面的组合

常见的定位表面组合有平面与平面的组合，平面与圆孔的组合，平面与外圆表面的组合，平面与其它表面的组合，锥面与锥面的组合等。在多个表面同时参与定位的情况下、各表面在定位中所起的作用有主次之分。一般称定位点数最多的定位表面为第一定位基准面或主要定位面或支承面，定位点数次多的定位表面称为第二定位基准面或导向面，定位点数为1的定位表面称为第三定位基准面或止动面。

在加工箱体类零件时经常采用一面两孔组合(一个大平面及与该平面相垂直的两个圆孔组合)定位、夹具上相应的定位元件是一面两销。为了避免由于过定位而引起的工件安装时的干涉，两销中一个应采用菱形销。菱形销的宽度可以通过简单的几何关系导出。式中b——菱形销的宽度；

D2——工件上与菱形销配合孔的最小直径；△2min——菱形销与其配合孔之间的最小间隙；

Tlk——工件上两孔中心距公差；

Tlx——夹具上两销中心距公差；△1min——圆柱销与其配合孔的最小间隙。在实际生产中，由于菱形销的尺寸已标准化，因而常按下面的步骤设计菱形销。

1)确定两销中心距尺寸及其公差取工件上两孔中心距的基本尺寸为两定位销中心距的基本尺寸，其公差取工件孔中心距公差的1/5~1/3，即令：Tlx=(1/5~1/3)Tlk。2)确定圆柱销直径及其公差取相应孔的最小直径作为圆柱销直径的基本尺寸，其公差一般取g6或f7。

3)确定菱形销宽度、直径及其公差首先按有关标准(参考表4-3)选取菱形销的宽度b；然后按式(4-2)计算出菱形销与其配合孔的最小间隙△2min；再计算菱形销直径的基本尺寸；d2＝D2-△2min；最后按h6或h7选取菱形销直径的公差。1.定位误差概念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。常用△DW

表示。图6-15

二、定位误差计算来源：（1）由于工件上的定位表面或夹具上的定位元件制作不准确引起的定位误差，称为基准位置误差。

△JW

（2）由于工件的工序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。

△JB

图6-16

在采用调整法加工时，工件的定位误差实质：

工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量。

计算思路：找出工序基准-求出加工尺寸方向上的最大变动量。计算方法：几何方法、微分方法、合成法2.用几何方法计算定位误差画定位简图-画工件变动极限位置-求变动量。例6-21）孔、销间隙配合

2）孔和销保持固定边接触。

工件以外圆在V形块上定位时的基准位置误差例6-3定位误差的微分计算法尺寸链计算方法实质上是一样的。见例题6-43．用微分法计算定位误差如图所示，一圆盘形工件在V形块上定位钻孔，孔的位置尺寸的标注方法假定有三种，其相应工序尺寸为A，B，C（图a），求相应的定位误差。Td/2[例1]Td/2[例2]工件以E、D两平面为基准铣平面F，要求保证工序尺寸A。设E、D两平面已精加工。求尺寸A的定位误差[例3]在一轴上铣平面，要求保证的工序尺寸为A，与定位有关的尺寸及定位方案如图所示，求对尺寸A的定位误差[例4]注意：1、定位误差一般总是针对成批生产，并采用调整法加工的情况。2、在单件生产时，若采用调整法加工（采用样件或对刀规对刀），或在数控机床上加工时，同样存在定位误差。但若采用试切法加工时，一般不考虑定位误差。第四节

夹紧装置的设计计算（工件在夹具上的夹紧）

夹紧是工件装夹过程的重要组成部分。工件定位之后必须通过夹具上的夹紧装置将其可靠地固定在正确的加工位置上，使其在承受工艺力和惯性力等的情况下正确位置不发生变化。否则，在加工过程中因切削力、惯性力的作用而发生位置的变化或引起振动，原有的正确定位遭到破坏，就不能保证加工要求。产生夹紧力的装置是夹紧装置。一、夹紧装置的组成1．对夹紧机构的基本要求1）夹紧可靠：夹紧时不应破坏原有的正确定位，不应使定位元件变形。

2）动作迅速：操作方便，安全省力，提高工效，减轻工人劳动强度。

3）结构简单：夹具既要有足够的刚度和强度，又要有最小的尺寸，最少的零件。尽可能的采用标准化元件。

4）夹紧力适当：夹紧机构一般要有自锁作用，保证在加工过程中不会产生松动和振动，夹紧工件时，不允许产生不适当的变形和表面损伤。2．夹紧机构的组成

下图是典型的夹紧装置，它由以下几个部分组成：夹紧装置的组成1—气缸2—斜楔3—滚子4—压板5—工件斜楔夹紧机构动画演示返回常用夹紧机构（1）夹紧力源装置：夹紧力源装置就是产生夹紧力原始作用力的装置。（2）中间递力机构：将力源装置产生的原始作用力传递给夹紧元件的机构。特点：改变力的大小，通常为增力机构；改变夹紧力的方向；使夹具具有一定的自锁性，以保证夹紧可靠。（3）夹紧元件：直接将夹紧力作用于工件夹紧表面的元件。二、夹紧力的确定1．夹紧力方向的选择1）主要夹紧力的作用方向应指向工件的主要定位基准面，以保证工件的加工要求。

2）夹紧力的作用方向不应破坏工件的准确定位，应使工件定位正确稳定。

3）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。

4）夹紧力的作用方向应尽可能有利于减小夹紧力，以利于减小夹紧装置的体积。夹紧力的方向动画演示2．夹紧力作用点的确定

1）夹紧力的作用点应正对支承元件或处于支承元件构成的稳定受力区内，以免引起工件移动或偏转而破坏工件的正确定位。夹紧力作用点的确定2）夹紧力作用点应处于工件刚性较好的部位或使夹紧力均匀分布，以减小工件的夹紧变形。

薄壁套筒的夹紧变形3）夹紧力的作用点应尽量靠近加工部位，防止工件的振动或变形。夹紧力的作用点动画演示3．夹紧力大小的估算

1）夹紧力的大小应适当

2）夹紧力的大小应稳定

3）夹紧力大小的估算

夹紧力的计算方法一般是将工件作为一受力体进行受力分析，根据静力平衡条件列出平衡方程，求解出保持工件平衡所需的最小夹紧力。在受力分析时，考虑到在工件的加工过程中，工件承受的力有切削力、夹紧力、重力、惯性力等，其中切削力是一个主要力，计算夹紧力时，一般先根据金属切削原理的相关理论计算出加工过程中可能产生的最大切削力（或切削力矩），并找出切削力对夹紧力影响最大的状态，按静力平衡求出夹紧力的大小，最后乘以一安全系数。实际夹紧力的计算公式为式中，Fj—实际所需夹紧力

Fj0—按静力平衡求出的夹紧力

k—安全系数

安全系数k值的取值范围在1.5～3.5之间，视其具体情况而定。精加工、连续切削、切削刀具锋利等加工条件好时，取k=1.5～2；粗加工，断续加工、刀具刃口钝化等加工条件差时，取k=2.5～3.5。

下面仅以车削为例，计算其典型加工情况下常见夹紧方式的夹紧力。三爪卡盘夹紧车削外圆时夹紧力的估算

上图是在车床上用三爪卡盘定位夹紧加工外圆柱面的情况。以工件为受力单元体并且在垂直工件轴线的平面内求力矩平衡（设每个卡爪的径向夹紧力为Fj0，则卡爪与工件之间的摩擦力为μFj0），于是有平衡方程解方程得则实际夹紧力为

式中

Fj—实际所需夹紧力（N）；

k—安全系数，精加工，k=1.5-2；粗加工，k=2.5-3.5Fc—主切削力（N）；

d2—卡盘夹持端工件直径（mm）；

d1—工件切削后直径（mm）；

μ—卡爪与工件之间的摩擦系数，一般取0.1～0.3。工件定位表面与夹具定位元件工作表面间的摩擦系数取0.1～0.2，工件的夹紧表面与夹紧元件间的摩擦系数取0.2～0.3。三、常用夹紧机构1．斜楔夹紧机构

斜楔杠杆夹紧1）斜楔夹紧机构的工作原理斜楔夹紧机构是利用斜楔的轴向移动直接对工件进行夹紧或推动中间元件将力传递给夹紧元件再对工件进行夹紧。2）斜楔夹紧机构夹紧力的计算αFSFjF1Pφ1Fj’NF2φ2α

斜楔机构受力分析图由于在垂直方向受力是相等的，所以在水平方向：

式中Fj—工件获得的夹紧力（N）；

Fs—施加在斜楔上的原始作用力（N）；

α—斜楔的斜角（°）；

φ1—工件与斜楔之间的摩擦角，摩擦系数f1=tgφ1；

φ2—夹具体与斜楔之间的摩擦角，摩擦系数f2=tgφ2。3)增力倍数一般摩擦系数f1=f2=0.1～0.15，对应的摩擦角为5°43′～8°32′；斜楔的斜角α在手动夹紧机构中取6°～10°，在机动夹紧机构中取15°～30°。斜楔夹紧机构具有增力作用，且当FS一定时，α愈小，则增力作用愈大。若取φ1=φ2=6°，α=6°，则Fj=3.33FS。4）斜楔自锁条件的计算自锁：是指当工件被夹紧之后，在不再施加原始作用力的情况下工件依然被夹紧的现象。当工件夹紧之后，不再给斜楔上施加原始作用力，这时斜楔就会有滑出的倾向。要使斜楔不滑出，工件依然被夹紧，是摩擦力在起作用，摩擦力的方向如图所示。列出受力平衡方程并求解自锁条件如下：

斜楔机构自锁时受力分析图αFJF1φ1FJ’NF2φ2α-φ2若N和F2的合力为R，则由自锁条件：其中代入上式，得：一般取斜角α=6°~10°。5）斜楔夹紧机构的夹紧行程斜楔夹紧机构的夹紧行程一般很小，夹紧行程的大小与斜角和斜楔轴向移动距离成正比关系。要增大夹紧行程，就必须增大斜楔轴向移动距离或增大斜角，但往往都是不可行的。增大斜角会受到自锁条件的限制；增大斜楔轴向移动距离会使夹紧机构的尺寸增大、体积增大，还会延长操作时间，影响劳动生产率。在生产实际中常采用双斜角结构的斜楔.α1α双斜角结构的斜楔6）斜楔夹紧机构的特点及应用斜楔夹紧机构结构简单，增力比较大Fj=(2.6～3.2)Q，自锁性能好，广泛应用于中间递力机构。由于手动夹紧费时费力效率低，所以很少用来手动直接夹紧工件。斜楔夹紧机构夹紧行程很小，故对工件夹紧表面的尺寸精度要求比较高，以避免发生夹不着或无法夹的情况。2、螺旋夹紧机构1）螺旋夹紧机构的工作原理螺旋夹紧机构是利用螺旋副配合转动产生的轴向移动和轴向力直接夹紧工件或推动夹紧元件对工件实施夹紧的。

螺旋夹紧机构2）螺旋夹紧机构的夹紧力螺栓或螺钉上的螺旋线相当于绕在其中径上的一个斜面，从本质上讲，螺旋夹紧机构是由斜楔夹紧机构演变而来的，故由斜楔夹紧机构夹紧力Fj的计算可导出螺旋夹紧机构的夹紧力式中FJ—螺旋夹紧机构所产生的夹紧力；FS—作用在手柄上的原始作用力；L—原始作用力的力臂；d0—螺纹中径；α—螺纹升角，标准紧固螺纹的螺旋升角为3.5°；φ1’—螺旋副的当量摩擦角，可参阅相关资料求出；φ2—压块与工件之间的摩擦角；r’—压块与工件表面间的摩擦力矩半径，可参阅相关资料进行计算。3）增力倍数一般摩擦系数f1=f2=0.1～0.15，对应的摩擦角为5°43′~8°32′；螺旋的斜角α小于4°，若取φ1=8°32′，φ2=6°，α=3°，L=（12~8）d，当r=0，则Fj=140FS

；r=1/3d，Fj=105FS

；r=1/2d，Fj=98FS4）螺旋夹紧机构的自锁条件螺旋夹紧机构中，螺纹的升角α≤4°，具有良好的自锁性能和抗振性能。5）螺旋夹紧机构的夹紧行程螺旋相当于将长斜楔绕在圆柱体上，夹紧行程不受限制，增大螺旋的轴向尺寸便可获得大的夹紧行程，非常方便。

6）螺旋夹紧机构的特点、应用及快速作用措施螺旋夹紧机构结构简单，制造容易，操作方便，自锁性能好，增力比大，常用于手动夹紧。螺旋夹紧机构的缺点是操作缓慢，为了提高其工作速度，生产实际中常采用快速作用措施。b)1—工件2—止动销

3—螺母套筒手柄4—夹紧螺杆快速作用螺旋夹紧机构a）开口垫圈螺旋的其他应用3．圆偏心夹紧机构1）圆偏心夹紧机构的工作原理

圆偏心夹紧机构作用原理ρx

图中O1是圆偏心轮的几何中心，R是几何半径，O2是回转中心，e是偏心距（几何中心与回转中心之间的距离）。NN面是工件被夹紧表面。顺时针扳动手柄，圆偏心轮绕其回转中心O2回转，其回转半径逐渐增大，直至夹紧工件表面NN。以O2为圆心，以（R-e）为半径作一虚线圆（称基圆），则图中阴影部分相当于一个绕在基圆盘上的弧形楔。当顺时针扳动手柄时，弧形楔便逐渐地楔紧在转轴和工件之间，夹紧点为x，此时回转半径ρx，逆时针扳动手柄即可实现松夹。

圆偏心轮夹紧的工作原理就是利用圆偏心轮回转半径的变化夹紧或松开工件。圆偏心轮也是斜楔的一种变形结构，其作用原理与斜楔相同。2）主要结构参数圆偏心夹紧的主要结构参数

圆偏心轮的结构参数如图所示。由图中可以看出，回转中心O2到工件夹紧点x的垂直距离h为式中γ称为圆偏心轮的回转角，即圆偏心轮几何中心与回转中心连线和夹紧点的法线O1x之间的夹角。图中，αχ是圆偏心轮在夹紧点x处的升角，它是夹紧点的法线O1x与夹紧时圆偏心轮回转半径O2x之间的夹角。由图中可知:

γ=90时，αχ接近最大值（e与R相比小得多）3）圆偏心夹紧机构夹紧力的计算设有一当量力FS1如图所示，该力与回转半径ρx垂直，对回转中心的力矩与手柄上原始作用力Fs对回转中心的力矩相等即ρx

圆偏心轮也是斜楔的一种变形结构，忽略转轴对圆偏心轮的摩擦力距及转轴对圆偏心轮的作用力（忽略会使夹紧力的值稍有增大），且时（要保证自锁，αx=6°~10°），由斜楔夹紧机构夹紧力Fj的计算可导出圆偏心夹紧机构的夹紧力为式中Fj—夹紧力；FS—原始作用力；L—作用力臂；ρx—夹紧点处的回转半径；αx—夹紧点处的升角；φ1—圆偏心轮与工件之间的摩擦角；φ2—圆偏心轮与转轴之间的摩擦角。4）圆偏心夹紧机构的自锁条件

圆偏心夹紧机构自锁条件分析ρxMFjF1xαγ

若忽略转轴处摩擦力矩、作用力对自锁的有利影响，要保证圆偏心夹紧机构自锁必须因为是α变化的，要保证自锁需力矩要平衡

是工件与圆偏心轮之间的摩擦系数，一般取，故：5）增力倍数当，f1=0.1，对应的摩擦角为5°43′，

L=（2~2.5）D，Fj=(9-11)FS6）圆