《机械制造工艺学》课件-第五章 夹具设计的基本原理

第五章夹具设计的基本原理第一节概述一、机床夹具的功用1．稳定保证工件的加工精度二、机床夹具的分类1．按专门化程度分类通用夹具专用夹具通用可调夹具和成组夹具组合夹具随行夹具2．减少辅助工时，提高劳动生产率3．扩大机床的使用范围，实现一机多能2．按使用的机床分类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其他机床夹具3．按夹紧动力源分类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三、机床夹具的组成3.对刀与导引元件确定刀具在加工前正确位置的元件称为对刀元件；确定刀具位置并导引刀具进行加工的元件称为导引元件。4.夹具体基础件，用于安装其他元件。5-1动画1.定位元件（定位装置）用于确定工件在夹具中的正确位置。2.夹紧元件（夹紧装置）将工件压紧夹牢，使工件在加工过程中保持既定位置。5.其它元件及装置加紧用的扳手；分度机构；铣床夹具的定位键等。第二节工件在夹具中的定位一、常见的定位方式及其定位元件工件常用定位表面以平面定位以内孔定位以外圆表面定位以平面定位基本支承辅助支承固定支承可调支承自位支承基本支承：限制自由度，真正起定位作用。辅助支承：不限制自由度，起预定位、增加工件和夹具刚性等作用。第二节工件在夹具中的定位（一）工件以平面定位常见的支承元件1．固定支承支承的高矮尺寸是固定的，使用时不能调整高度。几种常用支承钉(1)支承钉：一个支承钉只限制一个自由度。平顶支承钉：常用于精基准面的定位。圆顶支承钉：多用于粗基准面的定位。网纹顶承钉：用在要求较大摩擦力的侧面定位。带衬套支承钉：便于拆卸和更换，用于批量大、磨损快、需要经常修理的场合。支承钉第二节工件在夹具中的定位1．固定支承支承的高矮尺寸是固定的，使用时不能调整高度。(1)支承钉：一个支承钉只限制一个自由度。2）支承板平板式支承板：结构简单、紧凑，但不易清除落入

沉头螺孔中的切屑，一般用于侧面定位。斜槽式支承板：清屑容易，适用于底面定位。分类两种常用的支承板一般较大的精基准平面定位多用支承板作为定位元件棒料：光滑轴、直径相差不大的非重要阶梯轴；一个短支承板限制一个自由度，一个长支承板限制两个自由度。2．可调支承可调支承的顶端位置可以在一定的范围内调整。用于未加工过的平面定位，以调节补偿各批毛坯尺寸误差。

几种常用的可调支承1—可调支承螺钉2—螺母3．自位支承（浮力支承）几种常见的自位支承结构在定位过程中，支承本身所处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。尽管每一个自位支承与工件间可能是二点或三点接触，但实质上仍然只起一个定位支承点的作用，只限制工件的一个自由度。常用于毛坯表面、断续表面、阶梯表面定位。5-5c动画4．辅助支承辅助支承是在工件实现定位后才参与支承的定位元件，不起定位作用，只能提高工件加工时刚度或起辅助定位作用。5-6c动画（二）工件以外圆定位1．V形块a用于较短的精基准定位；b用于较长的粗基准(或阶梯轴)定位；c用于两段精基准面相距较远的场合；d中的V形块在铸铁底座上镶有淬火钢垫，用于定位基准直径与长度较大的场合。常用固定式V形块1）固定式短V形块：限制工件两个自由度长V形块：限制工件四个自由度2）活动式作用：限制工件

y

移动自由度，还兼有夹紧作用活动V形块应用实例3）V形块定位的优点是：①对中性好；②应用范围较广。V形块上两斜面间的夹角一般选用60°、90°和120°，其中以90°应用最多。V形块的材料一般用20钢，渗碳深0.8mm～1.2mm，淬火硬度为60HBC～64HBC。2．定位套一般适用于精基准定位短定位套定位：限制工件两个自由度长定位套定位：限制工件四个自由度分类工件在定位套内定位3．半圆套可卸式铰链式下半圆起定位作用，上半圆起夹紧作用短半圆套限制工件两个自由度，长半圆套限制工件四个自由度5-11a动画5-11b动画4．圆锥套工件以圆锥套定位时，常与后顶尖配合使用。（三）工件以圆孔定位1．定位销工作部分直径d通常根据加工和装夹要求，按g5、g6、f6或f7制造。为便于工件顺利装入，定位销的头部应有15°倒角。短圆柱销限制工件两个自由度，长圆柱销限制工件四个自由度。5-12动画a、b、c所示定位销与夹具体的连接采用过盈配合；d为带衬套的可换式圆柱销结构，定位销与衬套的配合采用间隙配合几种常用的圆柱定位销2．圆锥销常用于工件孔端的定位，可限制三个自由度。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。圆锥销5-15动画3．定位心轴（1）圆柱心轴：短圆柱心轴限制工件两个自由度，长圆柱心轴限制工件的四个自由度。间隙配合圆柱心轴过盈配合圆柱心轴花键心轴主要用于套简类和空心盘类工件的车、铣、磨及齿轮加工。间隙配合圆柱心轴，定位精度不高，但装卸工件方便；过盈配合圆柱心轴，常用于对定心精度要求高的场合；花键心轴，用于以花键孔为定位基准的场合。2)圆锥心轴圆锥心轴定心精度与角向定位精度均较高，而轴向定位精度取决于工件孔和心轴的尺寸精度。圆锥心轴可限制除绕其轴线转动的自由度之外的五个自由度。（四）工件以组合表面定位一面两孔组合定位定位元件采用—个平面和两个短圆柱销平面与平面组合平面与孔组合平面与外圆柱面组合平面与其它表面组合锥面与锥面组合常见组合表面这种定位属于过定位，有可能使工件两孔无法套在两定位销上解决过定位的常用方法是：将第二个销子采用削边销结构，削边销只限制Z一个自由度。c所示削边销的截面形状为菱形，又称菱形销，用于直径小于50mm的孔，d所示削边销的截面形状常用于直径大于50mm的孔。配合孔D2>3～6>6～8>8～20>20～24>24～30>30～40>40～50b234568HD2－0.5D2－1D2－2D2－3D2－4D2－5销尺寸设计的方法步骤本尺寸（两孔中心距应转化为对称标注）。两销中心距的偏差一般取两孔中心距偏差的1/5～1/3，当孔距公差大时，取小值；反之，取大值，以便于制造。1）确定两销中心距：两销中心距的基本尺寸等于两孔中心距的基2）确定第一个定位销直径尺寸d1

取定位销的直径公差一般按g6、f7配合选取，最后应对销尺寸进行圆整处理。3）确定削边销宽度b和B值4）计算削边销直径尺寸——削边销与孔配合的最小间隙，单位为mm；b

——削边销的宽度，单位为mm；

、

分别为工件上两孔中心距公差和夹具上两销中心距公差，单位为mm；——工件上削边销定位孔直径，单位为mm；——削边销直径尺寸，单位为mm。先按下式计算出削边销与孔配合的最小间隙，再计算削边销直径尺寸并将按g6或f7选取偏差，然后圆整处理。二、定位误差及其分析与计算为保证工件的加工质量，应满足如下关系式：≤或≤——工件在夹具中的定位误差，一般应小于/3。——是除定位误差外，其他因素引起的误差总和，

可按加工经济精度查表确定。——工件被加工尺寸的公差。（二）常见定位方式的定位误差分析与计算定位误差是由于基准不重合误差和基准位移误差共同作用的结果。故：当

和

变动方向相同时，取“+”号；反之，取“-”号。造成定位误差的原因基准不重合误差基准位移误差（一）定位误差及其产生原因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。1、造成定位误差的原因定位误差的计算方法几种情况：2）∆Y=0，∆B≠0时，∆D=∆B

；1）∆Y≠0，∆B=0时，∆D=∆Y

；3）∆Y≠0、∆B≠0时，此时两者的合成要看工序基准是否在定位基面上：（1）如果工序基准不在定位基面上，则∆D=∆Y+∆B

；（2）如果工序基准在定位基面上，则∆D=∆Y±∆B

。式中“+、-”号判断的方法和步骤如下：

①分析定位基面直径由小变大（或由大变小）时，定位基准的变动方向；②当定位基面直径作相同变化时，设定位基准的位置不动，分析工序基准的变动方向；③如果两者的变动方向相同时，取“+”号，如果两者的变动方向相反时，则取“-”号。常见定位方法的定位误差分析与计算1．工件以平面定位例5-1按图（a）所示的定位方案铣工件上的台阶面，试分析和计算工序尺寸（20±0.15）mm的定位误差，并判断这一方案是否可行。解：由工序简图知，加工尺寸的工序基准是A面，而定位基准是B面，可见定位基准与工序基准不重合，必然存在基准不重合误差。这时的定位尺寸是，与加工尺寸方向一致，所以基准不重合误差的大小就是定位尺寸的公差，即=0.28mm。因为工件以平面定位尺寸不考虑定位副的制造误差，即ΔY=0，所以ΔD＝ΔB＝0.28mm而加工尺寸mm的公差为：=0.30mm。故

=0.28mm＞/3ΔD因此，定位误差太大，此方案不宜采用。若改为b定位方案，则由于定位基准与工序基准重合，所以定位误差为零。2．工件以外圆定位工件以外圆在V形块上定位时，定位基准在V形块的对称面上，因此工件中心线在水平方向上的位移为零，则ΔB=0。但在垂直方向上，因工件外圆有制造误差，而产生基准位移，其值为:

1）工序尺寸为H1时的定位误差：工序基准与定位基准重合，此时＝0，只有基准位移误差，故影响工序尺寸H1的定位误差为：2）工序尺寸为H2时的定位误差：工序基准选在工件上母线A处，工序尺寸为H2。工序基准与定位基准不重合，基准位移误差同上。当工件直径尺寸减小时，工件定位基准将下移；当工件定位基准位置不变时，若工件直径尺寸减小，则工序基准A下移，两者变化方向相同。故定位误差为：3）工序尺寸为H3时的定位误差：工序基准选在工件下母线B，工序尺寸为H3。当工件直径尺寸变小时，定位基准将下移，当工件定位基准不变时，若工件直径尺寸减小，则工序基准将上移，两者变化方向相反。故定位误差为：可以看出，当角相同时，以工件下母线为工序基准时，定位误差最小，而以工件上母线为工序基准时定位误差最大，所以工序尺寸为H3尺寸标注方法最好。另外，随V形块夹角的增大，定位误差减小，但夹角过大时，将引起工件定位不稳定，故一般多采用90°的V形块。3．工件以圆柱孔定位

工件以单一圆柱孔定位时，常用的定位元件是圆柱定位心轴（或定位销）（1）工件孔与定位心轴（或定位销）过盈配合时此时定位副间无间隙，定位基准的位移量为零，所以=0。若工序基准与定位基准重合，如图中的尺寸，则定位误差为若工序基准在工件定位孔的母线上，如图中的尺寸，则定位误差为：若工序基准在工件外圆母线上，如图中的尺寸，则定位误差为：（2）工件孔与定位心轴（或定位销）采用间隙配合时（分两种情况）1）工件孔与定位心轴（或定位销）水平放置理想定位状态：工序基准(孔中心线)与定位基准(心轴轴线)重合，由于工件的自重作用，使工件孔与定位心轴（或定位销）的上母线单边接触，孔中心线相对于定位心轴（或定位销）轴线将总是下移，将产生定位基准位移误差，孔中心线在铅垂方向上的最大变动量为（最大下移量-最小下移量）需要注意：基准位移误差是最大位置变化量，而不是最大位移量。计算结果中没有包含Δmin/2常值系统误差（可通过调刀消除）2）工件孔与定位心轴（或定位销）垂直放置定位心轴（或定位销）与工件内孔则可能任意边接触，应考虑加工尺寸方向的二个极限位置及孔轴的最小配合间隙Δmin的影响，所以在加工尺寸方向上的最大基准位移误差可按最大孔和最小轴求得孔中心线位置的变动量：4．工件以一面两孔定位1）“1”孔中心线在x、y方向的最大位移为：2）“2”孔中心线在x、y方向的最大位移分别为:3）两孔中心连线对两销中心连线的最大转角误差：第三节工件在夹具中的夹紧一、夹紧装置的组成和设计要求（一）夹紧装置的组成夹紧装置的组成动力源装置中间传力机构夹紧元件5-25动画（二）夹紧装置的设计要求1）工件在夹紧过程中，不能破坏工件在定位时所获得的正确位置；3）夹紧动作要准确迅速，以便提高生产效率；2）夹紧力的大小应可靠、适当；4）操作方便、省力、安全，以改善工人的劳动条件，减轻劳动强度；5）结构简单，易于制造。夹紧力三个要素1．夹紧力方向（1）夹紧力的作用方向应不破坏工件定位的准确性和可靠性一般要求夹紧力的方向应指向主要定位基准面，把工件压向定位元件的主要定位表面上。（2）夹紧力方向应使工件变形尽可能小（3）夹紧力方向应使所需夹紧力尽可能小2．夹紧力作用点（1）夹紧力作用点应靠近支承元件的几何中心或几个支承元件所形成的支承面内（2）夹紧力作用点应落在工件刚度较好的部位上（3）夹紧力作用点应尽可能靠近被加工表面这样可减小切削力对工件造成的翻转力矩，必要时应在工件刚性差的部位增加辅助支承并施加附加夹紧力，以免振动和变形3．夹紧力大小——实际夹紧力——理论夹紧力K的取值范围一般为1.5～3，粗加工时取2.5～3，精加工时取1.5～2。确定夹紧力大小的方法：（1）经验类比法（2）分析计算法二、基本夹紧机构（一）斜楔夹紧机构5-30b动画1、作用：斜楔夹紧机构主要用于增大夹紧力或改变夹紧力方向5-30a动画2、夹紧力的计算当斜楔处于平衡状态时，根据静力平衡，可得斜楔对工件所产生的夹紧力Q为：P——斜楔所受的源动力，单位为N；

和

——分别为斜楔与夹具体和工件间的摩擦角，单位为°；

——斜楔的楔角，单位为°，一般为6°～10°。简化为：3．自锁条件钢铁表面间的摩擦系数一般为f=0.1～0.15，可知摩擦角和的值为5.75°～8.5°。因此，斜楔夹紧机构满足自锁的条件是：≤11.5°～17°。但为了保证自锁可靠，一般取为10°～15°或更小些。4．扩力比扩力比也称为扩力系数，是指在夹紧源动力P作用下，夹紧机构所能产生的夹紧力Q与P的比值。当工件夹紧并撤除源动力P后，夹紧机构依靠摩擦力的作用，仍能保持对工件的夹紧状态的现象称为自锁。斜楔夹紧的自锁条件是：5．行程比6．应用场合一般把斜楔的移动行程L与工件需要的夹紧行程S的比值，称为行程比，它一定程度上反映了对某一工件夹紧的夹紧机构的尺寸大小。斜楔夹紧机构结构简单，工作可靠，但由于它的机械效率较低，很少直接应用于手动夹紧，而常用在工件尺寸公差较小的机动夹紧机构中。（二）螺旋夹紧机构5-32动画1．夹紧力的计算根据力矩平衡原理，可得螺旋夹紧机构的夹紧力Q为：P——螺旋所受的源动力，单位为N；L——手柄长度，单位为mm；——螺旋中径的一半，单位为mm；——压紧螺钉端部的当量摩擦半径，单位为mm；——螺母与螺杆间的摩擦角，单位为°——工件与螺杆头部（或压块）间的摩擦角，单位为°；——螺旋升角，单位为°，通常取2°～4°。接触形式点接触（图a）平面接触（图b）圆环线接触（图c）圆环面接触（图d）0D/3简图压紧螺钉端部的当量摩擦半径的值与螺杆头部（或压块）的结构有关2．自锁条件螺旋夹紧机构的自锁条件和斜楔夹紧机构相同，螺旋夹紧机构的螺旋升角α很小（一般为2°～4°），故自锁性能好。3．扩力比5-34动画因为螺旋升角小于斜楔的楔角，螺旋夹紧机构的扩力作用远大于斜楔夹紧机构。4．应用场合螺旋夹紧机构结构简单，制造容易，夹紧行程大，扩力比大，自锁性能好，应用广泛，尤其适合于手动夹紧机构。单螺旋夹紧机构常与杠杆压板构成螺旋压板组合夹紧机构。（三）偏心夹紧机构偏心夹紧机构是靠偏心轮回转时其半径逐渐增大而产生夹紧力来夹紧工件的，常与压板联合使用。5-35动画常用的偏心轮有圆偏心和曲线偏心。曲线偏心为阿基米德曲线或对数曲线；圆偏心外形为圆。1．夹紧力的计算P——螺旋所受的源动力，单位为N；L——手柄长度，单位为mm；

ρ——偏心轮回转轴中心到夹紧点P的距离，单位为mm；

、——分别为偏心轮转轴处与作用点处的摩擦角，单位为°。可以将偏心轮看作是一个楔角为α的斜楔，该斜楔处于偏心轮回转轴和工件垫块夹紧面之间，可得：圆偏心夹紧的夹紧力Q为：2．自锁条件

e——偏心轮的偏心距，单位为mm；

R——偏心轮的半径，单位为mm；——偏心轮作用点处摩擦系数。若=0.1~0.15，则偏心夹紧的自锁条件可写为：

R/e≥7~103．扩力比根据斜楔自锁条件，可得偏心夹紧的自锁条件为：圆偏心夹紧的扩力比远小于螺旋夹紧的扩力比，但大于斜楔夹紧的扩力比。4．应用场合三、其它典型夹紧机构1．铰链夹紧机构5-38动画偏心夹紧的优点是操作方便，夹紧迅速，结构紧凑；缺点是夹紧行程小，夹紧力小，自锁性能差，因此常用于切削力不大、夹紧行程较小、振动较小的场合。（1）优点：动作迅速，增力比大，易于改变力的作用方向。（2）缺点：自锁性能差。（3）应用：一般常用于气动、液动夹紧中。2．定心夹紧机构（2）分类：按工作原理分为两大类：5-39动画（1）作用：工件在夹紧过程中，利用定位夹紧元件的等速移动或均匀弹性变形，来消除定位副制造不准确或定位尺寸偏差对定心或对中的影响，使这些误差或偏差能均匀而对称地分配在工件的定位基准面上。◆等速移动原理工作定心夹紧机构特点：制造方便，夹紧力和夹紧行程较大，定心精度不高。应用：常用于粗加工和半精加工中。◆以均匀弹性变形原理工作定心夹紧机构3．联动夹紧机构优点：减少工件装夹时间，简化结构。5-41动画特点：定心精度高。分类：弹簧夹头、弹性薄膜卡盘、液塑定心夹紧机构、碟形弹簧定心夹紧机构。第四节专用夹具的设计方法一、专用夹具的基本要求和设计步骤（一）专用夹具的基本要求（1）稳定地保证工件的加工精度（二）专用夹具的设计步骤1．研究原始资料，明确设计任务（2）提高生产率并降低成本（3）具有良好的使用性（4）具有良好的结构工艺性2．考虑和确定夹具的结构方案，绘制结构草图1）确定工件的定位方案，包括定位原理、方法、元件或装置；