《机床夹具设计》教案 3.2分析夹紧力

《机床夹具设计》教案课程名称学习任务§3.2分析夹紧力教学时数2上课日期周次审批教学班级授课教师2021.11.1学习项目描述图3-2-1所示铣削工件，切削力为F，工件与导向支承间的摩擦系数为f，切削力到支承5的距离为L，支承2、支承6到支承5的距离分别L1、L2，工件重力及压板与工件之间的摩擦力可以忽略不计。试分析铣削平面时夹紧力夹紧力的方向与作用点的合理性，并估算所需的夹紧力FW的大小。1—压板；2、6—导向支承；3—工件；4—铣刀；5—止推支承图3-2-1铣削工件图学习目标1.能分析夹紧力方向选择合理性。2.能分析夹紧力作用点选择合理性。3.能计算较简单夹紧力。学生情况分析学习重点能分析夹紧力方向、作用点选择合理性。学习难点计算夹紧力。教学方法任务驱动场地与资源场地：机床夹具学习工作站资源：《机床夹具设计》学材，学生学习工作页，课件，专用夹具及多媒体教学设备学习内容及教学组织流程§3.2分析夹紧力§3.2.1导入与任务分析§3.2.2相关知识与案例学习夹紧力的三要素选择夹紧力的方向选择夹紧力作用点估算夹紧力大小§3.2.3项目实施§3.2.4小组展示与项目讲评§3.2.5总结与拓展评价方法从课堂表现、课堂作业、课后作业等三个方面测评，课堂表现主要是回答问题、纪律等；课堂作业以小组合作方式完成，并进行展示、评价。课后作业由教师批改。课后记

§3.2分析夹紧力§3.2.1导入与任务分析夹紧机构通过施加夹紧力对工件进行夹紧。那么如何选择夹紧力方向、作用点？如何估算工件加工所需夹紧力的大小呢？这就是本次课学习的内容。【项目描述】图3-2-1所示铣削工件，切削力为F，工件与导向支承间的摩擦系数为f，切削力到支承5的距离为L，支承2、支承6到支承5的距离分别L1、L2，工件重力及压板与工件之间的摩擦力可以忽略不计。试分析铣削平面时夹紧力夹紧力的方向与作用点的合理性，并估算所需的夹紧力FW的大小。1—压板；2、6—导向支承；3—工件；4—铣刀；5—止推支承图3-2-1铣削工件图【项目分析】完成该任务首先应夹紧力的三要素，然后分析夹紧力的方向、作用点，最后能估算夹紧力的大小。§3.2.2相关知识与案例学习夹紧力的三要素夹紧力是夹紧元件对工件的作用。夹紧力是矢量，包含力的大小、方向、作用点三个要素。夹紧力用字母Fw表示，其图示可用带箭头线段表示，长短表示力的大小，箭头所指方向为夹紧力的方向，作用点用箭头或箭尾表示。夹紧力确定的总体要求：稳、牢、小。选择夹紧力的方向夹紧力的方向主要和工件定位基准的配置以及工件所受外力的作用方向有关。确定方向时应遵循以下原则：（一）夹紧力应垂直于主要定位基准面在夹紧力作用下，应保证工件主要定位基准面与定位元件可靠接触。图3-2-1夹紧力垂直于定位基准面夹紧力的方向应有利于减小夹紧力当夹紧力和切削力、工件重力同向时，加工过程中所需的夹紧力最小。图3-2-3夹紧力与切削力、重力反向（三）夹紧力施加的方向应是工件刚度较高的方向尽可能可避免工件发生严重变形。图3-2-4夹紧力方向图3-2-5夹紧力方向优劣选择夹紧力作用点夹紧力作用点选择，主要影响工件夹紧时的定位稳定性和夹紧后的刚性。确定作用点时应遵循以下原则：（一）夹紧力的作用点应落在支承元件上或落在几个支承所形成的支承面内图3-2-5夹紧力作用点的选择夹紧力的作用点落在几个支承所形成的支承面内时，应尽可能靠近支承面的几何中心，这样可使夹紧力均匀地分布在定位基准面和定位元件的整个接触面上。夹具力的作用点应位于工件刚性较好的部位可以减小工件的夹紧变形。图3-2-6夹紧力作用点应位于工件刚性好的部位（三）夹具力的作用点应尽量靠近加工表面可以减小切削力对夹紧点的力矩，减小工件加工时的振动或弯曲变形。图3-2-6夹紧力作用点应尽量靠近加工表面估算夹紧力大小工件夹紧时所需夹紧力的大小，不仅与加工时作用在工件上的切削力相关，同时还工件的定位方案等因素有关，夹紧力大小的精确计算是很复杂的。因此，实际设计中常采用估算法、类比法和试验法来确定所需的夹紧力。估算法：静力平衡原理计算出理论夹紧力，再乘以安全系数。即，FWK=KFW（3－6）式中，FW—按工件受静力平衡所需要的夹紧力；FWK—实际夹紧力；K——安全系数。K一般取1.5~3；用于粗加工取K=2.5~3，用于精加工取K=1.5~2。类比法：与生产部门中相类似切削条件的夹紧装置的应用情况相比较，来大致确定所需夹紧装置的主要规格。试验法：通过切削试验，来进一步验证夹紧力。【例3－2－1】如下图所示，主切削力为Fz，工件与三爪之间摩擦系数为f,加工工件较短，求车削时所需的夹紧力。解：根据静力平衡条件并考虑安全系数，需要每一个卡爪实际输出的夹紧力为：当d≈d0时，（一）斜楔夹紧机构如图所示斜楔夹紧机构，分析该斜楔夹紧机构所能产生的夹紧力FW。图3-2-8斜楔夹紧机构图3-2-9斜楔夹紧受力分析根据静力平衡条件得:F1+FRX=FQF1=FWtanφ1（3-7）式中：Fw-斜楔对工件的夹紧力（N）；α--斜楔升角（°）；FQ--加在斜楔上的作用力（N）；φ1--斜楔与工件间的摩擦角(°)；φ2--斜楔与夹具体间的摩擦角(°)。当φ1=φ2=φ时，当很小时(α≤10°)，可用下式作近似计算：（3-8）【例3－2－2】如图所示斜楔夹紧机构，斜楔升角为6，各面间摩擦系数0.1，现钻φ8孔（粗加工）始作用为100N,分析该斜楔夹紧机构自锁性，并计算理论夹紧力FW。解：1.分析自锁性能自锁。2.计算理论夹紧力FW（二）螺旋夹紧机构夹紧力估算图3-2-10螺旋夹紧受力分析式中，FW--夹紧力(N)；r′--螺钉端部当量摩擦半径(mm)；L--作用力臂(mm)；FQ--原始作用力(N)；α--螺旋升角(°)；d2--螺旋中径(mm)；φ1--螺旋处摩擦角(°)；φ2--螺钉端部摩擦角(°)。图3-2-11当量摩擦半径的计算【例3－2－3】如图所示螺旋夹紧机构，螺杆M10,（中径d2=9.02mm）螺旋升角为3.02，各面间摩擦系数0.1（），原始作用为100N,端部为圆环面接触，D=20mm，D0=12mm。手柄长L=300mm,分析该螺旋夹紧机构自锁性，并在原始作用力下产生的计算夹紧力FW为多少？图3-2-12螺栓夹紧机构1.螺栓；2.螺母；3.压块；4.工件解：1.分析自锁性螺旋夹紧机构具有斜楔的结构特点，而且螺旋升角＝3.02，，能自锁。先计算r′r′= 3.夹紧力计算§3.2.3项目实施由同学们分组讨论完成，并展示在小黑板中。教师巡回指导§3.2.4任务展示与讲评展示在小黑板中，教师进行评价。【项目讲评】解题思路：依据FWK=KFW，应用静力平衡原理，先求FW，再考虑安全系数K，求FWK。解：切削力产生的力矩：FL夹紧力产生的力矩：FN1fL1+FN2fL2当时，根据静力平衡条件:视频3.2-3：弹性接触多点夹紧