《数控加工工艺学》课件第5章

第5章数控加工工件的定位和机床夹具

5.1数控夹具5.2工件在数控夹具中的定位与夹紧5.3数控加工中的组合夹具5.4计算机辅助组合夹具元件的选择与安装规划5.1.1数控加工中使用的夹具

在数控机床上加工零件时，为保证加工精度，必须先使工件在机床上占据一个正确的位置，即定位，然后将其夹紧。这种定位与夹紧的过程称为工件的装夹，而用于装夹工件的工艺装备就是机床夹具。在数控机床上，工件在一次安装条件下，完成过去要多道工序才能完成的多个加工表面的加工。5.1数控夹具数控机床的上述特点对夹具设计产生了直接的影响，传统夹具以专用夹具为代表的主要有定位、夹紧、导向和对刀四种功能。由于NC系统的准确控制和精密机床传动中小摩擦和零间隙的实现，以及采用传统转塔车床工艺中钻孔的方法，因此不用导向套也可以得到较高的孔的位置精度。此外，编程中可以决定刀具的正确位置，铣刀的对刀就能轻而易举地得到解决，并且一次安装下的多工步加工，不同加工部位之间的尺寸公差和位置公差都由机床代替夹具来保证。可见，在数控机床上使用的夹具，只需要具备定位和夹紧两种功能就能满足要求。夹具中取消了导向和对刀功能，使夹具种类减少，结构简化，这些都有利于CAFD（计算机辅助夹具设计）系统的实现。5.1.2夹具的组成

数控机床夹具按其作用和功能通常可由定位元件、夹紧装置、安装连接元件和夹具体等几个部分组成。

（1）定位元件。用于确定工件在夹具中的位置，使工件在加工时相对刀具及运动轨迹有一个正确的位置。常用的定位元件有V型块、定位销、定位块等。定位装置是由定位元件及其组合构成的，用于确定工件在夹具中的正确位置。图5－1中的圆柱销11、菱形销10等都是定位元件。

（2）夹紧装置。夹紧装置用于保持工件在夹具中的既定位置，保证定位可靠，使其在外力作用下不致产生移动，包括夹紧元件、传动装置及动力装置等。图5－1中的压板2、螺母3和7、垫圈4和5、螺栓6及弹簧8等元件的装置就是夹紧装置。（3）安装连接元件。用于确定夹具在机床上的位置，从而保证工件与机床之间的正确位置。

（4）夹具体。用于连接夹具元件及装置，使其成为一个整体的基础件，以保证夹具的精度、强度和刚度。

（5）其他元件及装置。如定位键、操作件、分度装置及连接元件。图5－1连杆铣槽夹具结构5.1.3数控机床夹具的作用与分类

1.机床夹具的作用

使用机床夹具主要能起到如下的作用：

(1)易于保证工件的加工精度。使用夹具的作用之一就是保证工件加工表面的尺寸精度与位置精度。如在摇臂钻床上使用钻夹具加工平行孔时，位置精度可达0.10～0.20mm(同批)，而按划线找正加工时，位置精度仅能控制在0.4～1mm。同时，由于受操作者技术的影响，同批生产零件的质量也不稳定，因此在成批生产中使用夹具就显得非常必要。

(2)可改变和扩大原机床的功能，实现“一机多用”。例如，在车床的床鞍上或摇臂转床的工作台上装上镗模，就可以进行箱体或支架零件的镗孔加工，以代替镗床加工；在刨床上加装夹具后可代替拉床进行拉削加工。

(3)不仅可省去划线找正等辅助时间，而且有时还可采用高效率的多件、多位、机动夹紧装置，缩短辅助时间，从而大大提高劳动生产率。

(4)装夹工件方便、省力、安全。当采用气动、液压等夹紧装置时，可减轻工人的劳动强度，保证安全生产。

(5)在批量生产中，由于劳动生产效率的提高和允许使用技术等级较低的工人操作，因此可明显地降低生产成本。但在单件生产中，使用夹具的生产成本仍较高。

2.机床夹具的类型

机床夹具的种类繁多，可以从不同的角度对机床夹具进行分类。夹具按使用机床不同，可分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、齿轮机床夹具、数控机床夹具、自动机床夹具、自动线随行夹具以及其他机床夹具等。夹具按夹紧的动力源可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、气液增力夹具、电磁夹具以及真空夹具等。下面按夹具在不同生产类型中的通用特性分类，机床夹具可分为通用夹具、专用夹具、可调夹具、组合夹具和拼装夹具等五大类。

1)通用夹具

已经标准化的可加工一定范围内不同工件的夹具，称为通用夹具，其结构、尺寸已规格化，而且具有一定通用性，如三爪自定心卡盘、机床用平口虎钳、四爪单动卡盘、台虎钳、万能分度头、顶尖、中心架和磁力工作台等。这类夹具适应性强，可用于装夹一定形状和尺寸范围内的各种工件。这些夹具已作为机床附件由专门工厂制造供应，只需选购即可。其缺点是夹具的精度不高，生产效率也较低，且较难装夹形状复杂的工件，故一般适用于单件小批量生产。

2)专用夹具

专为某一工件的某道工序设计制造的夹具，称为专用夹具。在产品相对稳定、批量较大的生产中，采用各种专用夹具，可获得较高的生产效率和加工精度。专用夹具的设计周期较长，投资较大。

专用夹具一般在批量生产中使用。除大批大量生产之外，中、小批量生产中也需要采用一些专用夹具，但在结构设计时要进行具体的技术经济分析。

3)可调夹具

某些元件可调整或更换，以适应多种工件加工的夹具，称为可调夹具。可调夹具是针对通用夹具和专用夹具的缺陷而发展起来的一类新型夹具。对不同类型和尺寸的工件，只需调整或更换原来夹具上的个别定位元件和夹紧元件便可使用。它一般又可分为通用可调夹具和成组夹具两种。前者的通用范围比通用夹具更大；后者则是一种专用可调夹具，它按成组原理设计，并能加工一批相似的工件，故在多品种，中、小批量生产中使用有较好的经济效果。

4)组合夹具

采用标准的组合元件、部件，专为某一工件的某道工序组装的夹具，称为组合夹具。组合夹具是一种模块化的夹具。标准的模块元件具有较高精度和耐磨性，可组装成各种夹具。夹具用毕可拆卸，清洗后留待组装新的夹具。由于使用组合夹具可缩短生产准备周期，元件能重复多次使用，并具有减少专用夹具数量等优点，因此组合夹具在单件，中、小批量多品种生产和数控加工中，是一种较经济的夹具。

5)拼装夹具

用专门的标准化、系列化的拼装零部件拼装而成的夹具，称为拼装夹具。它具有组合夹具的优点，但比组合夹具精度高、效能高、结构紧凑。它的基础板和夹紧部件中常带有小型液压缸。此类夹具更适合在数控机床上使用。5.1.4数控夹具的要求

数控机床是先进的高精度、高效率、高自动化程度的加工设备。除了机床本身的结构特点，控制运动和动作准确、迅速外，还要求工件的定位夹紧装置也能适应数控机床的要求。总的来说，数控机床对数控夹具的要求有以下四点。

（1）精度要求。由于数控机床具有连续多型面自动加工的特点，因此对数控机床夹具的精度和刚度的要求比一般机床夹具的精度和刚度的要求都高，这样可减少工件在夹具中的定位与夹紧误差及粗加工中的变形误差。（2）定位要求。工件相对夹具一般应完全定位，且工件的基准相对于机床坐标原点应有严格的确定位置，以满足能在数控机床坐标系中实现工件与刀具相对运动的要求。同时，夹具在机床上也应完全定位，夹具上的每一个定位面相对数控机床的坐标原点均应有精确的坐标尺寸，以满足数控加工中简化定位和安装的要求。

（3）空间要求。数控类机床能一次安装工件而加工多个表面，数控夹具就应能在空间上满足各刀具均有可能接近所有待加工表面的要求。此外，支承夹具的托盘具有移动、上托、下沉和旋转等动作，夹具也应能保证前、后、左、右各个方面加工的需要。（4）快速重调要求。数控加工可通过快速更换程序而变换加工对象，为不花去过多的更换工装的辅助时间，减少贵重设备等待闲置时间，故要求夹具在更换加工工件中能具有快速重调或更换定位、夹紧元件的功能，采用高效的机械传动机构等。此外，由于在数控加工中因多表面加工而使单件加工时间增长，夹具结构若能满足在机动时间内，在机床工作区外也能进行工件更换，则会极大地减少机床停机时间。5.1.5数控加工夹具的特点

作为机床夹具，首先要满足机械加工时对工件的装夹要求。同时，数控加工的夹具还有它本身的特点。这些特点是：

(1)数控加工适用于多品种，中、小批量生产，为能装夹不同尺寸、不同形状的多品种工件，数控加工的夹具应具有柔性，经过适当调整即可夹持多种形状和尺寸的工件。

(2)传统的专用夹具具有定位、夹紧、导向和对刀四种功能，而数控机床上一般都配备有接触试测头、刀具预调仪及对刀部件等设备，可以由机床解决对刀问题。数控机床上由程序控制的准确的定位精度，可实现夹具中的刀具导向功能。因此数控加工中的夹具一般不需要导向和对刀功能，只要求具有定位和夹紧功能，就能满足使用要求，这样可简化夹具的结构。

(3)为适应数控加工的高效率，数控加工夹具应尽可能地使用气动、液压、电动等自动夹紧装置快速夹紧，以缩短辅助时间。

(4)夹具本身应有足够的刚度，以适应大切削用量切削。数控加工夹具有工序集中的特点，在工件的一次装夹中既要进行切削力很大的粗加工，又要进行达到工件最终精度要求的精加工，因此夹具的刚度和夹紧力都要满足大切削力的要求。

(5)为适应数控机床的多方面加工，要避免夹具结构，包括夹具上的组件对刀具运动轨迹的干涉，夹具结构不应妨碍刀具对工件各部位的多面加工。

(6)夹具的定位要可靠，定位元件应具有较高的定位精度，定位部位应便于清屑，无切屑积留。如工件的定位面偏小，可考虑增设工艺凸台或辅助基准。

(7)对刚度小的工件，应保证最小的夹紧变形，如使夹紧点靠近支承点，避免把夹紧力作用在工件的中空区域等。当粗加工和精加工同在一个工序内完成时，如果上述措施不能把工件变形控制在加工精度要求的范围内，应在精加工前使程序暂停，让操作者在粗加工后，精加工前变换夹紧力（适当减小），以减小夹紧变形对加工精度的影响。5.2工件在数控夹具中的定位与夹紧

5.2.1定位方式与定位元件

工件的定位是通过工件上的定位表面与夹具上的定位元件的配合或接触实现的。定位表面分平面定位、以外圆柱定位、以内孔定位和一面两孔定位等。定位表面形状不同，所用定位元件种类也不同。1.六点定位原理图5-2工件的六个自由度

2.六点定位原理的应用

六点定位原理对于任何形状工件的定位都是适用的，如果违背这个原理，工件在夹具中的位置就不能完全确定。然而，用工件六点定位原理进行定位时，必须根据具体加工要求灵活运用，工件形状不同，定位表面不同，定位点的布置情况会各不相同。宗旨是使用最简单的定位方法，使工件在夹具中迅速获得正确的位置。

3.工件的定位

(1)完全定位。工件的六个自由度全部被夹具中的定位元件所限制，而在夹具中占有完全确定的惟一位置，称为完全定位。

(2)不完全定位。根据工件加工表面的不同加工要求，定位支承点的数目可以少于六个。有些自由度对加工要求有影响，有些自由度对加工要求无影响，这种定位情况称为不完全定位。不完全定位是允许的。

(3)欠定位。按照加工要求应该限制的自由度没有被限制的定位称为欠定位。欠定位是不允许的。欠定位保证不了加工要求。

(4)过定位。工件的一个或几个自由度被不同的定位元件重复限制的定位称为过定位。当过定位导致工件或定位元件变形，影响加工精度时，应该严禁采用。但当过定位并不影响加工精度，反而对提高加工精度有利时，也可以采用。

4.工件以平面定位

1)支承钉

如图5－3所示，当工件以粗糙不平的毛坯面定位时，采用球头支承钉(B型)，使其与毛坯良好接触。齿纹头支承钉(C型)用在工件的侧面，能增大摩擦系数，防止工件滑动。当工件以加工过的平面定位时，可采用平头支承钉(A型)。图5－3支承钉图5－4用可调支承加工相似件

可调支承在一批工件加工前调整一次，调整后需要锁紧，其作用与固定支承相同。在工件定位过程中能自动调整位置的支承称为自位支承，其作用相当于1个固定支承，只限制1个自由度。由于增加了接触点数，因此可提高工件的装夹刚度和稳定性，但夹具结构稍复杂。自位支承一般适用于毛面定位或刚性不足的场合。

工件因尺寸形状或局部刚度较差等原因，使其定位不稳或受力变形时，需增设辅助支承，用以承受工件重力、夹紧力或切削力。辅助支承的工作特点是：待工件定位夹紧后，再调整辅助支承，使其与工件的有关表面接触并锁紧。辅助支承是每安装一个工件就调整一次，但此支承不限制工件的自由度，也不允许破坏原有定位。

2)支承板

工件以精基准面定位时，除采用上述平头支承钉外，还常用如图5－5所示的支承板作定位元件。A型支承板结构简单，便于制造，但不利于清除切屑，故适用于顶面和侧面定位；B型支承板则易保证工作表面清洁，故适用于底面定位。图5－5支承板

5.工件以圆柱孔定位

各类套筒、盘类、杠杆、拨叉等零件,常以圆柱孔定位，所采用的定位元件有圆柱销和各种心轴。这种定位方式的基本特点是：定位孔与定位元件之间处于配合状态，并要求确保孔中心线与夹具规定的轴线相重合。孔定位还经常与平面定位联合使用。

1)圆柱销

图5－6为常用的标准化的圆柱定位销结构。图(a)、(b)、(c)是最简单的定位销，用于不经常需要更换的情况；图(d)为带衬套可换式定位销。图5－6圆柱定位销

(a)D＞3～10；(b)D＞10～18；

(c)D＞18；(d)带套可换定位销2)圆柱心轴

心轴主要用于套筒类和空心盘类工件的车、铣、磨及齿轮加工。图5－7为常用圆柱心轴的结构形式。其中，图(a)为间隙配合心轴，图(b)为过盈配合心轴，图(c)为花键心轴。图5－7圆柱心轴

(a)间隙配合心轴；(b)过盈配合心轴；(c)花键心轴3)圆锥销图5－8圆锥销定位

(a)粗基准定位；(b)精基准定位图5－9圆锥销组合定位

4)小锥度心轴

这种定位方式的定心精度较高，但工件的轴向位移误差较大，适用于工件定位孔精度不低于IT7的精车和磨削加工，不能加工端面。

6.工件以圆锥孔定位

1)圆锥形心轴

圆锥心轴限制了工件除绕轴线转动自由度以外的其他五个自由度。图5－10中心孔定位

7.工件以外圆柱表面定位

1)V形架

V形架定位的最大优点是对中性好。即使作为定位基面的外圆直径存在误差，仍可保证一批工件的定位基准轴线始终处在V形架的对称面上,并且安装方便,见图5－11。

图5－12为常用V形架结构。图(a)用于较短的精基准面的定位;图(b)和图(c)用于较长的或阶梯轴的圆柱面，其中图(b)用于粗基准面，图(c)用于精基准面；图(d)用于工件较长且定位基面直径较大的场合，V形架做成在铸铁底座上镶装淬火钢垫板的结构。图5－11

V形架对中性分析图5－12

V形架图5－13活动V形架应用

2)定位套

工件以外圆柱面在圆孔中定位，这种定位方法一般适用于精基准定位，常与端面联合定位。所用定位件结构简单，通常做成钢套装于夹具中，有时也可在夹具体上直接做出定位孔。工件以外圆柱面定位，有时也可用半圆套或锥套作定位元件。图5－14一面两孔组合定位一批工件定位可能出现干涉的最坏情况为：孔心距最大，销心距最小，或者反之。为使工件在两种极端情况下都能装到定位销上，可把定位销2上与工件孔壁相碰的那部分削去，即做成削边销。图5－15所示为削边销的形成机理。图5－15削边销的形成图5－16削边销结构5.2.2定位误差的分析

加工时，因定位不准确而引起的加工误差称为定位误差，常用ΔD表示。它包括基准不重合误差和基准位移误差两部分。

1.定位误差的产生

1)基准不重合误差

工件的定位基准与设计基准不重合时产生的加工误差称为基准不重合误差，用ΔB表示。

基准不重合误差的大小等于定位基准与设计基准之间的尺寸公差，即

2)基准位移误差

由定位副的制造误差和间隙引起定位基准位置的变动量称为基准位移误差，用ΔY表示。

基准位移误差的大小为定位基准的最大变动范围，即因此，定位误差ΔD为上述两方面的矢量和，即式中的和是有方向的。如果ΔB、ΔY方向相同（或相反）且与加工尺寸线方向平行（相一致），则两项可以直接相加（或相减）；如果ΔB、ΔY方向与加工面的尺寸线方向不平行（即不一致），则需将ΔB、ΔY投影到加工尺寸线方向来计算。

2.定位误差的分析与计算

根据定位方式分别计算出基准不符误差ΔB和基准位移误差ΔY后，按一定规律将其合成即可得到定位误差。

1)工件以外圆柱面在V形块上定位时的定位误差

工件以外圆柱面在V形块中定位，由于工件定位面外圆直径有公差δD，对一批工件而言，当直径由最小D-δD变到最大D时，工件中心（即定位基准）将在V形块的对称中心平面内上下偏移，左右不发生偏移，即工件中心由O1变到O2，其变化量O1O2（即ΔY）几何关系推出：工件以外圆柱面在V形块上定位的基准不符误差ΔB与设计基准的位置有关，下面分别介绍其定位误差。

设计基准与定位基准重合，则基准不符误差ΔB＝0，其定位误差为设计基准与定位基准不重合，除含有定位基准位移误差ΔY外，还有基准不符误差ΔB。假定定位基准不动，当工件直径由最小D-δD变到最大D时，设计基准的变化量为δD/2，就是ΔB的大小，故其定位误差ΔD是二者之和，即

设计基准与定位基准不重合的另一种情况是，当工件直径由最小D-δD变到最大D时，设计基准的变化量仍为δD/2，故其定位误差ΔD是二者之差，即

(2）心轴垂直放置。因为无法预测间隙偏向哪一边，定位基准孔在任何方向都可作双向移动，故其最大位移量（即ΔY）较心轴水平放置时大一倍，即5.2.3工件在夹具中的夹紧

1.夹紧装置的组成

图5－17为夹紧装置组成示意图，它主要由以下三部分组成：

(1)力源装置。产生夹紧作用力的装置。所产生的力称为原始力，如气动、液动、电动等，图5－17中的力源装置是气缸1。对于手动夹紧来说，力源来自人力。

(2)中间传力机构。介于力源和夹紧元件之间传递力的机构，如图5－17中的连杆2。在传递力的过程中，它能够改变作用力的方向和大小，起增力作用；还能使夹紧实现自锁，保证力源提供的原始力消失后，仍能可靠地夹紧工件，这对手动夹紧尤为重要。图5－17夹紧装置组成示意图

(3)夹紧元件。夹紧装置的最终执行件，与工件直接接触完成夹紧作用，如图5－17中的压板3。

2.对夹具装置的要求

必须指出，夹紧装置的具体组成并非一成不变，须根据工件的加工要求、安装方法和生产规模等条件来确定。但无论其组成如何，都必须满足以下基本要求：

(1)夹紧时应保持工件定位后所占据的正确位置。

(2)夹紧力大小要适当。夹紧机构既要保证工件在加工过程中不产生松动或振动,同时，又不得产生过大的夹紧变形和表面损伤。

(3)夹紧机构的自动化程度和复杂程度应和工件的生产规模相适应，并有良好的结构工艺性，尽可能采用标准化元件。

(4)夹紧动作要迅速、可靠，且操作要方便、省力、安全。

3.夹紧力三要素确定

设计夹紧机构，必须首先合理确定夹紧力的三要素：大小、方向和作用点。

1)夹紧力方向的确定

确定夹紧力作用方向时，应与工件定位基准的配置及所受外力的作用方向等结合起来考虑。其确定原则是：（1）夹紧力的作用方向应垂直于主要定位基准面。

图5－18所示直角支座以A、B面定位镗孔，要求保证孔中心线垂直于A面。为此应选择A面为主要定位基准，夹紧力Q的方向垂直于A面，如图5－18(a)所示。这样，无论A面与B面有多大的垂直度误差，都能保证孔中心线与A面垂直。否则，如图5－18(b)所示,夹紧力方向垂直于B面，则因A、B面间有垂直度误差（α＞90°或α＜90°），使镗出的孔不垂直于A面而可能报废。图5－18夹紧力方向对镗孔垂直度的影响

(a)合理；(b)不合理

(2)夹紧力作用方向应使所需夹紧力最小。

这样可使机构轻便、紧凑，工件变形小，对手动夹紧可减轻工人劳动强度，提高生产效率。为此，应使夹紧力Q的方向最好与切削力F、工件的重力G的方向重合，这时所需要的夹紧力为最小。

图5－19表示了F、G、Q三力不同方向之间关系的几种情况。显然，图（a）最合理，图（f）情况为最差。图5－19夹紧方向与夹紧力大小的关系

（a）最合理；（b）较合理；（c）可行；（d）不合理；（e）不合理；（f）最不合理

(3)夹紧力作用方向应使工件变形最小。

由于工件不同方向上的刚度是不一致的，不同的受力表面也因其接触面积不同而变形各异，尤其在夹紧薄壁工件时，更需注意。

图5－20所示的套筒，用三爪自定心卡盘夹紧外圆，显然要比用特制螺母从轴向夹紧工件的变形大得多。图5－20夹紧力方向与工件刚性关系

2)夹紧力作用点的确定

选择作用点的问题是指在夹紧方向已定的情况下，确定夹紧力作用点的位置和数目。应依据以下原则确定：

（1）夹紧力作用点应落在支承元件上或几个支承元件所形成的支承面内。

如图5－21(a)所示，夹紧力作用在支承面范围之外，会使工件倾斜或移动，而图5－21(b)则是合理的。图5－21夹紧力作用点应在支承面内

(a)不合理；(b)合理（2）夹紧力作用点应落在工件刚性好的部位上。

如图5－22所示，将作用在壳体中部的单点改成在工件外缘处的两点夹紧，工件的变形大为改善，且夹紧也更可靠。该原则对刚度差的工件尤其重要。图5－22夹紧力作用点应在刚性较好部位

(a)不合理；(b)合理

5.3数控加工中的组合夹具

5.3.1组合夹具的发展过程及经济效益

组合夹具是在夹具完全模块化和标准化的基础上，由一整套预先制造好的标准元件和组件，针对不同工件对象迅速装配成各种专用夹具，这些夹具元件相互配合部分的尺寸具有完全互换性。夹具使用完毕后，再拆散元件的组件，因此是一种可重复使用的夹具系统。图5－23是专用夹具和组合夹具使用过程的比较。由图可见，使用组合夹具的经济效果符合现代生产的环境保护要求。目前有两种类型组合夹具，即槽系组合夹具和孔系组合夹具系统。图5－23专用夹具和组合夹具使用过程的比较

(a)专用夹具；(b)组合夹具5.3.2槽系组合夹具系统

图5－24所示为一槽系组合夹具。图5－24槽系组合夹具

1.槽系组合夹具的规格

为了适应不同工厂、不同产品的需要，槽系组合夹具分大、中、小型三种规格，其主要参数如表5－1所示。

2.组合夹具的工作原理、特点及应用

1)组合夹具的工作原理与特点

组合夹具是机床夹具中一种标准化、系列化、通用化程度很高的工艺装备。它是由一套预先制造好的标准元件组合而成的。这些元件具有各种不同形状、尺寸和规格，并且有较好的互换性、耐磨性和较高的精度。根据工件的工艺要求，采用搭积木的方式组装成各种专用夹具。使用完毕后，可方便地拆开元件，洗净后存放起来，待重新组装时重复使用。组合夹具有以下特点：

(1）灵活多变，为生产迅速提供夹具，缩短生产准备周期。

(2）保证加工质量，提高生产效率。

(3）节约人力、物力和财力。

(4）减少夹具存放面积，改善管理工作。

2)组合夹具的应用

组合夹具应用范围很广，它不仅成熟地应用于机床、汽车、农机、仪表等行业，而且在重型、矿山等机械行业也进行了推广使用。

（1）从生产类型方面看，组合夹具的特点决定了它最适用于产品经常变换的生产，如单件小批生产、新产品试制和临时突击性的生产任务等。

（2）从加工工种方面看，组合夹具可用于钻、车、铣、刨、磨、镗、检验等工种，其中以钻床夹具应用量最大。（3）从加工工件的几何形状和尺寸方面看，组合夹具一般可不受工件形状复杂程度的限制，很少遇到因工件形状特殊而不能组装夹具的情况。

（4）从加工工件的公差等级方面看，由于组合夹具元件本身为IT2公差等级，通过各组装环节的累积误差，因此在一般情况下，工件加工公差等级可达IT3级。

3.槽系组合夹具元件的分类

组合夹具元件按其用途不同，可分为八大类。

(1)基础件,如图5－25所示，包括各种规格尺寸的方形、矩形、圆形基础板和基础角铁等。基础件主要用作夹具体。图5－25基础件

(2)支承件，如图5－26所示，包括各种规格尺寸的垫片、垫板、方形和矩形支承、角度支承、角铁、菱形板、V形块、螺孔板、伸长板等。支承件主要用作不同高度的支承和各种定位支承平面，是夹具体的骨架。图5－26支承件

(3)定位件，如图5－27所示，包括各种定位销、定位盘、定位键、对位轴、各种定位支座、定位支承、锁孔支承、顶尖等。定位件主要用于确定元件与元件、元件与工件之间的相对位置尺寸，以保证夹具的装配精度和工件的加工精度。图5－27定位件

(4)导向件，如图5－28所示，包括各种钻模板、钻套、铰套和导向支承等。导向件主要用来确定刀具与工件的相对位置，加工时起到引导刀具的作用。

图5－28导向件

(5)夹紧件，如图5－29所示，包括各种形状尺寸的压板。夹紧件主要用来将工件夹紧在夹具上，保证工件定位后的正确位置在外力作用下不变动。由于各种压板的主要表面都经过磨光，因此也常作定位挡板、连接板或其他用途。图5－29夹紧件

(6)紧固件，包括各种螺栓、螺钉、螺母和垫圈等。紧固件主要用来把夹具上各种元件连接紧固成一个整体，并可通过压板把工件夹紧在夹具上。

(7)其他件，包括除了上述六类以外的各种用途的单一元件，例如连接板、回转压板、浮动块、各种支承钉、支承帽、二爪支承、三爪支承、平衡块等。

(8)组合件，指在组装过程中不拆散使用的独立部件。按其用途可分为定位合件、导向合件、夹紧合件和分度合件等。5.3.3孔系组合夹具系统

1.孔系和槽系组合夹具的比较

与槽系组合夹具相比较，孔系组合夹具具有如下优点：

(1)元件刚度高。由于元件刚度好，因而装配出的整体孔系组合夹具的刚度也高，从而满足了数控机床需要高切削用量的要求，提高了数控机床加工的生产效率。

孔系组合夹具的刚度比槽系高，这是因为孔系组合夹具的基础件，虽然其厚度较同系列槽系为薄，上面又加工了众多的孔，但仍为整体的板结构，故刚度高。而槽系组合夹具的基础件和支承件表面布满了纵横交错的T形槽，造成截面上的断层，严重削弱了结构的刚度。图5－30孔系组合夹具

1.孔系和槽系组合夹具的比较

与槽系组合夹具相比较，孔系组合夹具具有如下优点：

(1)元件刚度高。由于元件刚度好，因而装配出的整体孔系组合夹具的刚度也高，从而满足了数控机床需要高切削用量的要求，提高了数控机床加工的生产效率。

孔系组合夹具的刚度比槽系高，这是因为孔系组合夹具的基础件，虽然其厚度较同系列槽系为薄，上面又加工了众多的孔，但仍为整体的板结构，故刚度高。而槽系组合夹具的基础件和支承件表面布满了纵横交错的T形槽，造成截面上的断层，严重削弱了结构的刚度。

(2)制造和材料成本低。因为孔系元件的加工工艺性好，精密孔系的坐标磨削成本也高，但在采用粘接淬火定位衬套和孔距样板保证孔距后，工艺性能好，成本比T形槽的磨削降低。此外，槽系夹具元件为保证高强度性能都用合金钢的材料，而孔系夹具元件基体都用普通钢或优质铸钢，因而制造和材料成本大为降低。

(3)组装时间短。由于槽系组合夹具在装配过程中需要较多的测量和调整工作，而孔系组合夹具的装配大部分只要将元件之间的孔对准并用螺钉紧固即可，因而装配工作相对容易和简单，要求装配工人的熟练程度也比较低。

(4)定位可靠。孔系元件之间由一面双销定位，比槽系夹具中槽和键的配合，在定位精度和可靠性方面都高。同时，任何一个定位孔均可方便地作为数控机床加工时的坐标原点。

(5)孔系组合夹具装配的灵活性差。孔系组合夹具上元件位置不方便做无级调节，元件的品种数量不如槽系组合夹具多，从组装的灵活性来看，也不及槽系组合夹具好。因此，当前世界制造业中，是孔系和槽系并存的局面，但以孔系更具有优势。有关槽系和孔系两种组合夹具的全面比较见表5－2。

2.孔系组合夹具的元件、功能单元及分类

当今，世界上生产组合夹具的主要国家是德国、美国、中国和俄罗斯，不同的企业生产各有特色的孔系组合夹具系统。元件大体上可分成5类，即基础件、结构支承件、定位件、夹紧件、合件和附件。图5－31列出此系统中较典型的元件。现对各类元件作一简要说明。

(1)基础件，用作夹具的底板或夹具体，除传统的方形、长方、圆形基础板和角铁外，增加了T形板和方箱，后者主要是适应NC机床的需要，特别是在加工中心上有着广泛的用途。图5－31孔系组合夹具元件分类

(2)结构件，这类元件的功能是在基础件上构建夹具的骨架，组成实际的夹具体，如小尺寸的长型或宽型角铁，各种多面支承等。

(3)夹紧件，压紧工件用，有各种压板和夹紧合件，既有垂直方向压紧的，也有水平方向压紧的，品种繁多。

(4)定位件，主要用作定位，有条形板、定位板、塔形柱、V形块等。

(5)附件，包含螺钉、螺母、垫圈等各种紧固件，以及扳手、保护孔免遭切屑和灰尘落入的螺塞等。

3.孔系组合夹具的结构要素

孔系组合夹具元件之间的相互位置是由孔和销来决定的，为了准确可靠地决定元件的相互空间位置，采用了一面两销的定位原理，即利用相连的两个元件上的两个孔，插入两根定位销来决定其位置，同时再用螺钉将两个元件连接在一起。对于没有准确位置要求的元件可仅用螺钉连接。因此，部分孔系元件上都有网状分布的定位孔和螺纹孔。为了达到孔系元件之间的互换性装配，必须对孔的尺寸、公差、孔距加以标准化才能达到目的，这就是孔系组合夹具的结构要素。现在虽然生产孔系组合夹具的各公司都有自己的结构要素标准，但在一些主要参数上都是相同或相近的。和槽系组合夹具一样，为了适应不同尺寸大小工件的加工，孔系组合夹具也有大、中、小、微型4个系列，并有英制和米制两种标准。

孔在基础件或其他元件表面上的分布，一般有两种形式，一种是定位孔和螺纹孔相互交叉的形式，如图5－32(a)所示；另一种是定位孔和螺纹孔做在同一孔上的形式，如图5－32(b)所示。图5－32孔系组合夹具基础件上孔分布的两种基本形式

4.孔系组合夹具的装配

手工装配孔系组合夹具和手工装配槽系组合夹具的过程完全相同。实践证明，装配孔系组合夹具在形成夹具结构方面比槽系夹具要方便和容易，这是因为现代孔系组合夹具系统元件及其品种都较小，同时元件的数量比较多；但是装配出夹具结构后，在对元件做尺寸调整使之满足工件尺寸要求方面，则不如槽系夹具迅速，这是因为槽系元件大都能做双向调整之故。所以，用孔系元件手工装配较简单的孔系组合夹具时，可将前面所示装配过程简化为图5－33所示流程进行。图5－33孔系组合夹具装配过程流程简图5.3.4使用组合夹具的成本及管理分析

1.使用组合夹具的成本分析

夹具成本对产品成本有很大的影响。通常，从经济观点出发，大批大量生产适合用专用夹具，成批生产宜使用可调夹具或成组夹具，单件小批生产应用组合夹具。由于可调整夹具受市场、订货、生产组织和产品技术要求等多种条件的限制，目前应用较少。各种生产类型下使用的夹具可见图5－34。图5－34用于不同生产类型的夹具选择

(1)对单件小批生产中使用组合夹具和常规装夹方法的成本进行比较可得，在单件小批生产中，常规的装夹方法可以用通用夹具或元件，如卡盘、虎钳和压板等。由于通用夹具只适合形状简单的工件，对复杂的装夹任务需要一些专用的元件，而设计制作这些专用元件要花费较多的时间和费用，这时候用组合夹具也许是合适的。在某些装夹情况下，虽然可以不用专用元件，仍需要用划线找正的方法将工件、加工面与机床对准，使用组合夹具就可以减少在线装夹时间，从而降低制造成本。

(2)将成批生产中使用组合夹具和专用夹具的成本比较可得，在成批生产中，不论是用专用夹具还是组合夹具，在线装夹时间都是相同的，将零件装入夹具后通常都不用测量和调整。采用组合夹具代替专用夹具可以减少工装制造周期时间和降低成本。

当生产条件是确定的时，采用专用夹具还是组合夹具的决策取决于生产成本。假如年需求小于盈亏平衡点，采用组合夹具可以降低装夹成本。简单地说，在成批生产中采用组合夹具的理由是组合夹具元件的成本加上夹具组装的成本低于设计和制造专用夹具的成本。

2.使用组合夹具的管理分析

当采用组合夹具时，夹具站中有大量各式各样的夹具元件，从制造部门向夹具站提出各种各样的夹具订单。装夹信息系统已经变为CIMS的一个子信息系统，目的是用库存信息和作业计划要求来管理夹具元件的通信联系。夹具站管理系统是成功应用组合夹具所必须的条件。夹具站管理的主要目的是：

（1）用最少数量的夹具元件组装出数量最多的夹具。

（2）优化夹具元件的库存水平。

（3）制定组装组合夹具的作用计划。5.3.5组合夹具结构的自动化设计

CAFD（ComperterAidFixtureDesign）是一个夹具结构自动化设计软件，它的输入部分用于输入工件及工艺信息，包括几何形状、工件方向、定位点及夹紧点位置和刀具轨迹包络空间等，这些数据都可以从工件的图纸中得到。5.4计算机辅助组合夹具元件的选择与安装规划

5.4.1计算机辅助组合夹具元件的选择

在计算机辅助夹具设计的发展早期，设计人员以CAD作为工具，先建立一个标准夹具元件图形库，并且开发出一种基于图形的计算机辅助夹具设计系统。用户先从数据库中检索出夹具标准元件，围绕零件图形的轮廓将这些元件安装在适当的位置上，从而在显示屏上装配成夹具图形。而后又开发出了一种交互式的CAFD（ComperterAidFixtureDesign）计算机辅助夹具设计环境，通过夹具元件库和菜单来驱动夹具的装配顺序。组合夹具元件可分成五类：基础件、定位件、夹紧件、合件和附件。这些夹具元件均以图形形式储存于I—CAFD系统的夹具元件数据库中。