第三章 机床夹具设计基础VIP

第3章机床夹具设计基础夹具是机床上用以装夹工件（和引导刀具）的一种装置。作用是将工件定位，使工件获得相对于机床和刀具的正确位置，并把工件可靠夹紧。第一节概述夹具是机加工工艺系统的重要组成部分，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．要实现这一要求，必须满足三个条件：①工件在夹具中占有正确的加工位置；②夹具装夹在机床上的准确位置；③刀具相对夹具的准确位置。所以工件的最终精度是由零件相对于机床获得的。而工件相对于机床的定位是间接通过夹具来保证的．工件在机床上从定位到夹紧的整个过程称为安装．一、工件的安装1.按找正方式定位的装夹方法2.用专用夹具装夹工件的方法用夹具安装工件的特点：１）工件在夹具中的正确定位，是通过工件上的定位基准面与夹具上的定位元件相接触而实现的．２）由于夹具预先在机床上已调整好位置，因此，工件通过夹具相对于机床就有了正确位置．３）通过夹具中的对刀装置，保证了工件加工表面相对于刀具的正确位置．二、机床夹具的分类和组成（一).机床夹具的分类1、按夹具的通用性分类1）通用夹具指已经标准化的，在一定范围内可用于加工不同工件的夹具。如，车床上三爪卡盘和四爪单动卡盘，铣床上的平口钳、分度头和回转工作台等。这类夹具一般由专业工厂生产。特点：适应性广，效率低，主要适于单件、小批生产。

2）专用夹具指专为某一工件的某道工序而专门设计的夹具。特点：结构紧凑，操作迅速、方便、省力，可保证较高加工精度和效率，但设计制造周期长、制造费用高。适于产品固定且大批生产。3）可调夹具特点：夹具的部分元件可更换，部分装置可调整，以适应不同零件的加工。用于相似零件的成组加工所用的夹具，称为成组夹具。通用可调夹具与成组夹具相比，加工对象不很明确，适用范围更广一些。4）组合夹具指按零件的加工要求，由一套标准元件和部件组装而成的夹具。由专业厂家制造，特点：灵活多变，万能性强，制造周期短、元件能反复使用，适于新产品试制和单件小批生产。5）自动线夹具：2、按使用的机床分类由于各类机床工作特点和结构形式各不相同，对所用夹具的结构相应提出不同要求。按所使用的机床不同，夹具又可分为：车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、磨床夹具、齿轮机床夹具和其他机床夹具等。3、按夹紧动力源分类根据夹具采用的夹紧动力源不同，可分为：手动夹具、气动夹具、液压夹具、气液夹具、电动夹具、磁力夹具、真空夹具等。（二）机床夹具的组成

1.定位元件与工件的定位基面相接触，确定工件在夹具中的正确位置，保证加工时工件相对于刀具和机床加工运动间的相对正确位置。图中的定位销6。

2.夹紧装置用于夹紧工件，切削时使工件在夹具中保持既定位置。图中的螺母5和开口垫圈4。

3.夹具体用于连接或固定夹具上各元件及装置，使其成为一个整体的基础件。它与机床有关部件连接、对定，使夹具相对机床具有确定的位置。图中的夹具体7。4.对刀或导向装置保证工件与刀具之间的正确位置。用于确定刀具在加工前正确位置的元件，称为对刀元件，如对刀块。用于确定刀具位置并导引刀具进行加工的元件，称为导引元件。图中的快换钻套1。5.连接元件

使夹具与机床相连接的元件，保证机床与夹具间的相互位置关系。

图为钻轴套工件上φ6H7孔的钻床夹具，工件以内孔及端面为定位基面，在夹具的定位销6及其端面上定位，即确定了工件在夹具中的正确位置。拧紧螺母5，通过开口垫圈4可将工件夹紧，再由装在钻模板3上的快换钻套1导引钻头钻孔。

轴套零件钻床夹具3—钻模板2—导向套

4—开口垫圈

5—螺母

6—定位销

7—夹具体

1—快换钻套

元件。．（6）其它装置或元件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其中，定位元件、夹紧装置、夹具体是夹具的基本组成部分。三、机床夹具在机加工中的作用1、保证加工精度2、提高生产率、降低成本3、扩大机床工艺范围4、减轻劳动强度第二节工件的定位原则及定位元件

一、概述工件的定位是通过工件上的定位表面与夹具中的定位元件的工作表面配合或接触实现。工件上被选作定位基面的表面常有平面、圆柱面、圆锥面、成型表面（如齿形面、导轨面）等及它们的组合。定位副：工件上的定位基面与相应的限位基面合称为定位副。要求：１．足够的精度２．足够的强度和刚度３．耐磨性好４．工艺性好第二节工件的定位原则及定位元件

二、工件定位的基本原理（一）自由度的概念一个位于空间自由状态的物体，对于直角坐标系具有六个自由度。三个转动三个移动自由度。（二）六点定位原则工件定位的实质就是使工件在夹具中占有某一个正确的加工位置口诀：六点定位三面靠，点数分配3，2，1

点距宜大不宜小，点数宜少不宜多定位基准按自由度分类1、主要定位基准面：设置三个支承点，限制了工件的三个自由度的定位表面。要求：支承面积大；三个支承点要对称配置。2、导向定位基准面：设置二个支承点，限制了工件的二个自由度的定位表面。要求：应选狭长表面；支承点布置应尽可能远。3、双导向定位基准面：限制四个自由度的圆柱定位面4、双支承定位基准面：限制二个移动自由度的圆柱定位面5、止推定位基准面：限制一个移动自由度的定位基准面。要求：应选窄小且与切削力相对的表面；支承方向平行于导向方向。

6、防转定位基准面：限制一个旋转自由度的定位表面。要求：支承点布置应离回转线尽可能远定位时应注意的几个主要问题定位支承点必须与工件的定位基准面始终保持紧贴接触；分析定位支承点的定位作用时，不考虑力的影响；定位支承点是定位元件抽象而来的。第二节工件的定位原则及定位元件

（三）工件定位中的几种情况1.完全定位2.不完全定位3.欠定位4.过定位22定位分析示例三、定位方法及定位元件（一）工件以平面定位平面定位的主要形式是支承定位，工件的定位基准平面与定位元件表面接触实现定位。

1、主要支承用来限制工件自由度，起定位作用。常见：固定支承＼可调支承＼自位支承３种

1）.固定支承分：支承钉和支承板。支承钉支承钉限制一个自由度。图示为常用的平面定位的支承钉，利用顶面对工件进行定位。图a平顶支承钉，用于精基准面的定位。图b圆顶支承钉，用于粗基准面的定位。图c网纹顶支承钉，用在要求较大摩擦力的侧面定位。图d带衬套支承钉，便于拆卸和更换，用于批量大、磨损快、需常修理的场合。图常用支承钉支承板用于接触面较大的精基准定位。工件定位稳固。图a平板式支承板，结构简单、紧凑，不易清除沉头螺孔中的切屑，用于侧面定位。图b斜槽式支承板，结构上做了改进，在支承面上开两个斜槽为固定螺钉用，清屑容易，适于底面定位。短支承板限制１个自由度，长支承板限制２个自由度。支承钉、支承板的结构尺寸均标准化，设计时可查手册。图两种常用的支承板

2）可调支承顶端位置可以在一定的范围内调整。图为常用的可调支承典型结构，按要求高度调整好可调支承钉1后，用螺母2锁紧。用于未加工过的平面定位，以调节补偿各批毛坯尺寸误差，一般不是对每个加工工件进行调整，而是一批工件毛坯调整一次。图常用的可调支承

1—可调支承螺钉2—螺母3）浮动支承又称自位支承，在定位过程中，支承本身的位置随工件定位基准面的变化而自动调整并与之相适应。图示常见的自位支承结构，尽管每一个自位支承与工件间可能是二点或三点接触，但实质只限制一个自由度，常用于粗基准面的定位或刚性不足的情况。图常见的自位支承2.辅助支承不起定位作用，只能提高工件的稳定性和刚度或起预定位作用。特点：在工件定位夹紧后再调整辅助支承，使其与工件的有关表面接触并锁紧。图a用于提高工件稳定性和刚度，图b起预定位作用。图辅助支承应用实例辅助支承（三）工件以圆柱孔定位常用的定位元件有定位销、圆柱心轴、圆锥销、圆锥心轴等。圆孔定位常与平面定位联合使用。1.圆柱销图a、b、c固定式定位销，与夹具体的连接采用过盈配合；图d带衬套的可换式圆柱销，与衬套的配合采用间隙配合，故其位置精度较固定式定位销低，用于大批生产。圆柱定位销，工作部分直径d通常根据加工要求和考虑便于装夹，按g5、g6、f6或f7制造。图圆柱定位销为便于工件顺利装入，定位销的头部应有15°倒角。短圆柱销限制２个自由度，长圆柱销限制４个自由度。2.定位心轴

常见的有圆柱心轴和圆锥心轴。用于套简类和空心盘类工件的车、铣、磨及齿轮加工。圆柱心轴图a间隙配合圆柱心轴，定位精度不高，装卸方便；图b过盈配合圆柱心轴，用于对定心精度要求高的场合；图c花键心轴，用于以花键孔为定位基面的场合。当工件孔的长径比L/D>1时，工作部分可略带锥度。图15.8圆柱心轴

小锥度心轴

定心精度高(达Φ0.02--Φ0.01)，装卸方便，适于定位孔IT7以上的精车和磨削,不能加工端面．常用锥度(很小)1:1000---1:5000．心轴的锥度越小，定心精度越高，夹紧越可靠．

3.圆锥销在加工套筒、空心轴等类工件时，也经常用到圆锥销，如图12所示。图12a用于粗基准，图12b用于精基准。它限制了工件三个移动自由度。圆锥销组合定位：工件在单个圆锥销上定位容易倾斜，所以圆锥销一般与其它定位元件组合定位。如图13所示，工件以底面作为主要定位基面，采用活动圆锥销，只限制两个转动自由度，即使工件的孔径变化较大，也能准确定位。图12圆锥销图13圆锥销组合定位（三）工件以外圆柱面定位可在V形块、定位套、半圆套中定位。１.

V形块V形块有固定式和活动式之分。图a用于较短的精基准定位；图b用于较长的粗基准(或阶梯轴)定位；图c用于两段精基准面相距较远的场合；图d用于长度与定位基准直径较大的场合。是在铸铁底座上镶淬火钢垫而成.图15.9固定式V形块V形块定位的优点是：①对中性好，能使工件的定位基准对中在V形块两斜面的对称平面上，且安装方便；②应用范围较广。不论定位基准是否经过加工，不论是完整的圆柱面还是局部圆弧面，都可采用V形块定位。

V形块上两斜面间的夹角一般选用60°、90°和120°，以90°应用最多。结构和尺寸均已标准化，设计时可查手册。材料一般用20钢，渗碳深0.8～1.2mm，淬火硬度为60～64HBC。2.在圆孔中定位内孔为限位基面,常与端面组合定位.定心精度不高,适用于精基准定位.图a为短定位套定位，限制2个自由度，图b为长定位套定位，限制4个自由度。图定位套3.半圆孔定位半圆孔定位4.在圆锥孔中定位V形块第三节定位误差的分析与计算（1）定位误差：指一批工件在夹具中的位置不一致而引起的误差。（定位副的制造误差、工序与定位基准不重合）用ΔD表示。（2）安装误差和调整误差：在工件的加工中，还会因夹具在制造与安装、工件的夹紧、机床的工作精度、刀具的精度、受力变形、热变形等因素而产生误差，定位误差仅是加工误差的一部分。一般限定定位误差不超过工件加工公差T的1/5～1/3，即

ΔD+ΔT_-A+ΔG≤T

ΔT_-A调安误差ΔT_调整误差ΔA

安装误差ΔG加工误差一．定位误差及其产生的原因1、定位基准与工序基准不重合产生定位误差由于工序基准与定位基准不重合所导致的工序基准在加工尺寸方向上的最大位置变动量，称为基准不重合误差,用ΔB表示ΔD=ΔY+ΔB2、定位基准发生位移产生定位误差由于定位副的制造误差或定位副配合间隙所导致的定位基准在加工尺寸方向上最大位置变动量，称为基准位移误差，用ΔY表示定位误差分析定位误差分析二、常见定位方式的定位误差计算计算定位误差时，可以分别求出基准位移误差和基准不重合误差，再求出它们在加工尺寸方向上的矢量和；也可以按最不利情况,确定工序基准的两个极限位置，根据几何关系求出这两个位置的距离，将其投影到加工方向上，求出定位误差。工件以平面定位（二）工件以圆柱孔定位1.工件以圆柱孔在过盈配合心轴上上定位；2.工件以圆柱孔在间隙配合心轴上上定位（1）孔与心轴单边接触；（2）孔与心轴任意边接触；（三）工件以外圆定位1.工序基准为工件轴线；2.工序基准为为外圆上母线；3.工序基准为为外圆上下母线；三、定位误差的综合分析和计算实例例4-1；4-3）四、组合表面定位生产中最常见的“一面两孔”定位“一面两孔”定位的特点：(1)

容易实现基准统一；(2)

位置精度高；(3)

存在过定位现象（支承平面限制三个自由度，每根短销限制两个自由度（一）定位方案

1.以两个圆柱销及平面支承定位销、孔安装时，必须有一定的间隙，此时

dmax=Dmin–Xmind—轴径；D—孔径；X—间隙(1)当孔径、销径为最小极限尺寸：D1min、D2min、d1max、d2max

孔间距最小、销间距最大：(L–

LD)、(L+

Ld)第一销孔中心到第二孔径的最大距离为：L–

LD+D2min/2=L+

Ld+d2max/2+X2min/2即：d2max=D2min–2(

LD+Ld+X2min/2)(2)当孔径、销径为最大极限尺寸：D1min、D2min、d1max、d2max

孔间距最大、销间距最小：(L+

LD)、(L–

Ld)第一销孔中心到第二孔径的最小距离为：L+

LD–D2min/2=L–

Ld–d2max/2–X2min/2即：d2max=D2min–2(

LD+Ld+X2min/2)由此可知，只要将定位销的直径缩小到：

d2max=D2min–2(

LD+Ld+X2min/2)即可实际定位时上述两种极限情况的机会是很少的，因此通常第二定位销孔不预留间隙，即X2min=0；此外，第一定位销、孔的最小配合间隙起补偿中心距偏差的作用。于是得到：d2max=D2min–2(

LD+Ld–X1min/2)或：X2min=2(

LD+Ld–X1min/2)1）基准位移误差：为第一定位销、孔的最大配合间隙

Y=D1+d1+X1min2）转角误差：

或2.

以一圆销、一削边销及一平面支承定位(1)削边销的形成(2)削边销尺寸的确定(3)定位误差分析基准位移误差：为第一定位销、孔的最大配合间隙

Y=D1+d1+X1min2）转角误差（二）工件以一面两孔定位时的设计步骤和计算实例例4-5（三）保证工件顺利安装时定位销的合理高度1.定位装置是一面一销；2.定位装置是一面两销。课前复习一、工件的定位1、六点定位原则2、工件的定位形式：完全定位、不完全定位、欠定位、过定位二、定位方式

1、以平面定位2、以圆孔定位3、以外圆柱面定位3.4工件的夹紧学习目标：目的：掌握夹紧装置的要求，合理设计夹具重点：夹紧力三要素的确定难点：典型夹紧机构的设计课程导入虎钳3.4工件的夹紧一、夹紧装置工件定位后，为了防止在加工时受到切削力、重力、惯性力的作用发生位移或者振动，必须对工件进行压紧、夹牢。这种使工件在加工过程中保持定位位置不变的装置，称为夹紧装置。

1．夹紧装置的组成力源装置：它是产生夹紧作用力的装置。液压、气动、电磁、真空等传力机构：传递力的机构，其作用是：改变力的大小和方向；具有一定的自锁性能，以保证夹紧可靠。夹紧元件：将力正确的作用在工件上。与工件接触完成夹紧作用的元件2．对夹紧装置的基本要求（1）能保持工件定位时位置保持不变（2）夹紧力大小要适当，保持位置不变，又不变形。（3）操作方便、安全，劳动强度低，生产效率高（4）自动化和复杂程度与生产批量相适应，力求简单，便于制造与维修二、夹紧力的确定

确定夹紧力就是确定夹紧力的大小、方向和作用点三个要素1、夹紧力方向的确定夹紧力应指向各定位元件，使之垂直于主要定位基准，有利于保证定位的准确性和可靠性。

夹紧力应朝向工件刚度较好的方向

夹紧力应尽可能与切削力、工件重力同向，以减小夹紧力2、夹紧力作用点的选择夹紧力作用点是指夹紧元件与工件接触的一小块面积夹紧力应落在支承元件上或几个支承元件所形成的支承区域内作用点应落在工件刚度较好的部位上夹紧力应尽可能靠近被加工表面，以减少切削力翻转力矩的影响，减少振动和变形。3．夹紧力大小的确定（1）大小要适当，过大使工件变形，过小则加工会时松动，造成松动或者发生事故。（2）使工件受压变形小，刚性差的工件应均匀加压。（3）机动夹紧时应计算夹紧力的大小，以理论夹紧力乘以安全系数K粗加工取K＝2.5~3

精加工取K＝1.5~2

结论

夹紧力三要素的确定，是一个综合性问题，必须考虑工件的结构特点、加工工艺方法、定位元件的结构和布置等多种因素，才能最后确定设计出理想的夹紧机构本节小结1、夹紧装置的组成2、夹紧装置的基本要求3、夹紧力的确定（重点）课后作业：习题3-11三、典型夹紧机构1、斜楔夹紧机构工作原理：利用楔块的斜面将楔块的推力转变为夹紧力，从而夹紧工件夹紧力的大小：

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°斜楔夹紧受力分析2.夹紧力的计算夹紧特点：结构简单，有增力作用。一般扩力比Q/F≈3。楔块夹紧行程小，增大行程会使自锁性能变差操作不便，夹紧和松开均需敲击楔块材料：通常用20钢渗碳，淬硬58~62HRC

偏心轮、凸轮、螺钉为楔块的变种2．螺旋夹紧机构工作原理：类似楔块夹紧力大小：类似楔块夹紧特