《机械制造装备设计》-第７ 章

７.１概述机械加工过程中，为了装夹工件，保证加工表面相对其他表面的尺寸和位置精度，需要使工件在机床上占有准确的位置，称为工件的定位，并使工件在加工过程中能承受各种力的作用而始终保持这一准确位置不变，称为工件的夹紧。这一整个过程统称为工件的安装。在机床上安装工件所使用的工艺装备称为机床夹具（以下简称夹具）。工件的装夹方法有找正装夹和夹具装夹两种方法。找正装夹是通过对工件上有关表面或画线的找正，最后确定工件加工时能使其具有准确位置的安装方法。下一页返回７.１概述如图７.１（ａ）所示工件的加工，可将工件直接放置在牛头刨床的工作台上，在牛头刀夹上安置一块百分表，通过牛头滑枕的前后运动找正被加工工件，找正后再夹紧工件进行刨槽加工。夹具装夹是通过安装在机床上的夹具对工件定位和夹紧，最后确定工件加工时能使其具有准确位置的安装方法。如图７.１（ｂ）所示，可将工件安装到专用刨槽夹具中进行夹紧再加工，可以实现加工时工件相对于刀具的准确位置。由于夹具安装效率高，操作简单，不需要进行找正，可以节省大量辅助时间，故一般用于大批量生产。上一页下一页返回７.１概述７.１.１机床夹具的基本组成一般夹具由五部分组成，即定位元件及定位装置、夹紧装置、对刀及引导装置、夹具体及其他元件和装置等。１．定位元件及定位装置在夹具中一些用来确定工件准确位置的元件称为定位元件，它使一批零件在夹具中占有同一位置。如图７.２所示的支撑板和支撑钉。有些夹具还采用由一些零件组成的定位装置对工件进行定位。２．夹紧装置上一页下一页返回７.１概述在夹具中用于夹紧工件，并在切削力的作用下保证工件与刀具之间的正确位置不发生变化的元件称为夹紧装置，如图７.２所示的夹紧螺钉。３．对刀及引导装置用来确定加工前所使用刀具的正确位置的元件称为对刀元件，如对刀块等。用于确定刀具位置并引导刀具进行加工的元件称为引导元件，如图７.２所示中的钻套。４．夹具体在夹具中，用于连接或固定夹具上各个元件及装置，使其成为一个整体的基础件称为夹具体。上一页下一页返回７.１概述它还与机床有关部件进行连接、定位，使夹具相对于机床具有正确的位置，如图７.２所示的夹具体。５．其他元件及装置有些夹具除上述元件外，还具有分度转位装置、定向键等其他元件及装置，如图７.２所示的定向键。７.１.２机床夹具的作用和分类１．夹具的作用１）保证工件的加工精度。采用夹具后，工件上各有关表面的相互位置精度直接由夹具保证，不受画线质量和找正水平的影响，故定位精度高且稳定可靠。上一页下一页返回７.１概述２）提高机床生产率。采用夹具后，定位夹紧可靠，且增加了工艺系统刚度，可增大切削用量，缩短基本加工时间。另一方面，用夹具安装工件，不仅装夹方便，而且还免去了找正和对刀所花费的辅助时间，如果采用多工位夹具，还可以使基本时间与辅助时间重合，从而提高生产效率。３）提高机床工艺范围。有些机床夹具实质上是对机床进行了部分改进，扩大了原机床的功能和使用范围。４）减轻工人的劳动强度。采用夹具后，工件的装卸显然要比不用夹具时更方便、省力、安全。若在夹具中采用气动夹紧、液压夹紧或其他增力机构，还可以进一步减轻工人的劳动强度。上一页下一页返回７.１概述２．夹具的分类夹具有多种分类方法，按适用工件范围和特点可分为通用夹具、专用夹具、组合夹具、通用可调夹具、成组夹具和随行夹具等；按使用的机床分类可分为车床夹具、钻床夹具、铣床夹具、镗床夹具、磨床夹具、刨床夹具和齿轮机床夹具等；按夹具上的动力源分类可分为手动夹具、气动夹具、液动夹具、电动夹具、磁力夹具、真空夹具、切削力及离心力夹具等。（１）通用夹具上一页下一页返回７.１概述通用夹具是指结构、尺寸已经标准化，且具有一定通用性的夹具，它在一定的范围内可以用于加工不同的工件，如三爪卡盘、四爪卡盘、平口钳和万能分度头等。其特点是通用性强，加工精度不高，适用于单件和中小批量生产。（２）专用夹具专用夹具是专门为某一工件的某一工序的要求自行设计和制造的夹具。其结构简单、紧凑，操作迅速，维修方便、省力，可以保证较高的精度和生产率。但其设计周期长，制造费用较高。当产品或零件工艺过程改变时，夹具将无法使用而报废，适用于定型产品且工艺稳定、批量较大的生产中。上一页下一页返回７.１概述（３）组合夹具组合夹具是由一套预先制造好的标准元件和零件组装而成的专用夹具。其元件可以重复利用，因而更经济且组装后可以达到较高精度。适用于单件、中小批量、多品种生产，也可以在批量较大的情况下使用，特别适用于新产品的试制过程。（４）通用可调夹具通用可调夹具是指不对应特定的加工对象，适用范围宽，通过适当的调整或更换夹具上的个别元件，即可用于加工形状、尺寸和加工工艺相似的多种工件的夹具。（５）成组夹具上一页下一页返回７.１概述成组夹具是专为某一组零件的成组加工而设计的，其加工对象明确，针对性强，通过调整可适应不同形状和尺寸的工件加工。（６）随行夹具它除了具有一般夹具所担负的安装工件任务外，还担负着沿自动线输送工件的任务，即载着工件从一个工位移动到下一个工位，故称为随行夹具。这种夹具的特点是安装方便，使用精度高，生产效率高，适用于大批量流水线生产。７.１.３夹具的设计步骤机床夹具设计是工艺装备设计的重要环节，其设计应该能够保证工件的加工质量，生产率高，成本低，排屑方便，操作安全，并能给操作者提供良好的劳动条件，且制造维护简便等。上一页下一页返回７.１概述１．对设计任务进行技术分析１）明确生产纲领。它是夹具总体设计方案确定的重要依据之一，生产纲领决定了夹具的复杂程度和基本结构。大批量生产多采用机动或气动夹具，自动化程度比较高，同时能装夹多个零件，结构也比较复杂。单件小批量生产时宜采用结构简单、成本低的手动夹具，也可以采用万能通用夹具或组合夹具。２）明确产品零件图及工序图。零件图是夹具设计的重要资料之一，它给出了工件在轮廓尺寸、相关位置等方面的精度要求；工序图则给出了所用夹具加工工件的工序尺寸、工序基准、已加工表面、待加工面及工序精度要求等，它是设计夹具的主要依据。上一页下一页返回７.１概述３）了解零件工艺规程。了解零件的工艺规程主要是指了解该工序所使用的机床、刀具、加工余量、切削用量、工步安排、工时定额和同时安装的工件数目等。关于机床、刀具方面应了解机床的主要技术参数与规格、机床与夹具连接部分的结构与尺寸、刀具的主要结构尺寸及制造精度等。４）查阅有关资料并对生产现场进行调查，了解同类产品或类似工装在使用中的优缺点和存在的主要问题，了解生产现场的实际情况与操作者的具体意见和要求，尽可能避免脱离实际的情况，并有所创新。２．确定夹具设计的总体方案上一页下一页返回７.１概述定位方案的正确性与合理性对设计的成败起决定性的作用。它应当首先保证定位正确（即遵循六点定位规则）和定位精确（保证加工精度）。其次要考虑结构上的可行性与操作的方便性。必要时，应对所选方案进行定位精度的分析与计算，其中包括四个方面的内容：１）定位方案确定。根据工序图分析本工序的加工内容和精度要求，确定具体的定位方式，选择定位元件。２）夹紧方案确定。确定工件的夹紧方式、夹紧力的方向、作用点，以及夹紧元件和夹紧机构，选择和设计动力源。３）确定其他元件和装置的结构形式，如定向元件、分度装置，刀具的对准及引导元件。上一页下一页返回７.１概述４）确定夹具的总体形式。协调各装置、元件的布局，确定夹具体结构尺寸和总体结构。在确定夹具结构方案的过程中，定位、夹紧、对刀等各个部分的结构及总体布局都会有几种不同的方案可供选择，应先画出草图，经过分析比较，从中选取较为合理的方案。３．绘制夹具结构草图结构草图是设计方案的初步具体化，它主要考虑对定位夹紧方案采用的具体结构及其空间布局，处理好夹具与机床、刀具、辅具的关系，避免结构中的矛盾和干涉。上一页下一页返回７.１概述对于加工精度要求较高的工序，应进行必要的误差分析，对于机动夹紧或受力较大的工序，应计算切削力和力矩，并估算所需夹紧力，做到心中有数，避免返工。结构草图应按一定比例绘制，应清楚地表达出夹具的概貌，以便发现问题。４．绘制夹具总图在结构草图审查合格的基础上，进行夹具总图的绘制工作。夹具总图应按国标要求以适当比例绘制，绘制比例应尽量取１∶１，以便使视图能清楚地表达出夹具的工作原理、结构、各种装置和元件的位置关系。上一页下一页返回７.１概述如果工件尺寸较大，比例可以采用１∶２或１∶５；如果工件尺寸较小，可以采用２∶１的比例，主视图应取操作者实际工作所面对的正面位置。总图的绘制顺序为：首先用双点画线绘出工件在各视图上的轮廓，并用网格纹线表示出加工部位的余量；其次把工件轮廓视为透明体，所画的工件轮廓线应与夹具的任何线条彼此独立，不相互干涉，并依次在其周围布置定位、导向、夹紧及其他元件的结构；最后绘制夹具体。上一页下一页返回７.１概述总图上除应标出夹具名称、加工零件编号，填写明细表和标题栏等和其他机械装配图相同的内容外，还应标注夹具的轮廓尺寸、必要的装配和检验尺寸及公差、主要元件与装置之间的相互位置要求等。精度要求较高的夹具，应进行精度分析与计算。在夹具总图上应该标注的尺寸有：１）工件与定位元件的联系尺寸；２）夹具与刀具的联系尺寸；３）夹具与机床的联系尺寸；４）夹具内部的配合尺寸；５）夹具的外廓尺寸。上一页下一页返回７.１概述上述尺寸公差的确定可分成两种情况来确定：夹具上定位元件之间，对刀、引导元件之间的尺寸公差会直接对工件上相应的加工尺寸发生影响，因而可根据工件的加工尺寸公差来确定，一般取工件加工尺寸公差的１/３或１/５。定位元件与夹具体的配合尺寸公差、夹紧装置各组成零件间的配合尺寸公差等应根据其功能和装配要求，按一般公差与配合公差原则决定。５．测绘夹具零件图除标准件外，总图上的各组成零件均应有零件图。绘制夹具零件图时，应注意加工与装配的工艺性，其间有可能反过来对总图进行相应的协调与修改以避免，因设计差错造成制造中的责任事故。上一页下一页返回７.１概述对于影响装配精度的有关零件应用装配尺寸链算出其尺寸和公差。对于属于调整和修配的零件应注明其有关尺寸的装配调整要求。６．校验夹具总图、整理设计说明书设计人员应全面回顾与检查校核各种尺寸关系和结构关系，衡量技术要求和精度是否恰当和正确，检查图面投影、选用标准是否正确，以杜绝错误。整理设计说明书包括：设计方案的选定；几何关系的尺寸换算及其误差计算；对工件的工序尺寸进行的误差分析；特殊结构中力的分析和计算等（对简单夹具可以不进行该步骤）。上一页下一页返回７.１概述完成设计图纸只是完成了设计工作的一半，图纸投入制造后还有大量现场问题需要处理。在夹具装配好后，应由设计、制造和使用三方在生产现场对夹具进行联合验证，并对夹具能否满足生产要求得出结论性意见。根据实际使用情况，设计人员应重新整理图纸，修改发现的问题，做到图纸与实物一致，并编制出易损件图册，然后才能成为正式定型图纸。上一页返回７.２机床夹具的定位机构设计７.２.１工件的定位１．六点定位原理一个物体在三维空间中可能具有的运动称为自由度，在Ｏ—ＸＹＺ坐标系中，物体可以有沿Ｘ、Ｙ、Ｚ轴的移动和绕Ｘ、Ｙ、Ｚ轴的转动，共有６个独立的运动，即有６个自由度，分别用和表示，如图７.３所示。当工件不受约束时，具有６个自由度。为了保证一个工件在夹具中有确定的位置，及一批工件有一致的正确位置，就必须限制工件的６个自由度。根据运动学原理，夹具要限制工件的６个自由度，最典型的方法就是按一定规则设置６个支撑点。下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计图７.４所示为矩形工件定位，以三个平面为定位基准面，夹具上用６个支撑点限制工件的６个自由度。实际上六点定位原理适用于各种形状的零件，图７.５所示为圆盘工件定位，图７.６所示为轴类工件定位。六点定位原理是采用六个按一定规则布置的约束点，限制工件的六个自由度，从而使工件实现完全定位的方法。２．工件在夹具中定位的几种情况（１）完全定位图７.４、图７.５和图７.６所示均为完全定位的实例。上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计零件在夹具中的定位，其６个自由度都被限制而在空间中占有完全确定的唯一位置的定位方式称为完全定位。（２）不完全定位工件在夹具中定位，限制的工件自由度数不足６个，但可以满足工件加工要求的定位方式称为不完全定位。图７.７所示为不完全定位的实例，如在球面上钻一孔、在光轴上车一个阶梯、在套筒上铣一个平面、在圆盘圆周铣三个等分槽等。这类情况没必要也不可能限制零件绕自身回转轴线的自由度，且这方面的自由度没有限制，并不会影响工件在夹具中位置的一致性。上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计有时由于加工工序的加工精度要求，工件在定位时允许保留某方面的自由度不被限制。以上这两种情况都属于不完全定位。（３）欠定位工件在夹具中定位，若实际定位支撑点或实际限制的自由度个数少于工序加工要求应予限制的自由度个数，则工件定位不足，称为欠定位。由于欠定位时，加工工艺要求限制的自由度没有被限制，则在这个自由度方向上的加工精度要求就无法得到保证。所以欠定位在加工中是决不允许出现的。（４）过定位上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计若几个定位支撑点同时重复限制工件的某一个自由度的现象，称为过定位。有时过定位是允许的，比如以加工过的工件表面或精度较高的毛坯表面作为定位基准时，为提高定位表面的稳定性和刚度，在一定条件下允许采用过定位。但是对于以工件形状精度和位置精度很低的毛坯表面作为定位基准时，是不允许采用过定位的。如图７.８所示铣工件上平面时，采用４个支撑点定位，限制３个自由度，属于过定位。上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计如果定位基准面是精度很低的毛坯面，则这种情况是不允许出现的，因为一组零件定位面会和其中任意３个支撑点接触，造成定位基准不统一；如果定位基准面是加工过的形状精度很高的表面，虽将它放在４个支撑钉上，只要此４个支撑钉在一个平面上，则一个工件在夹具中的位置基本上是确定的，一批工件在夹具中的位置也是基本一致的。由于增加了支撑钉，不但工件在夹具中的定位稳定，而且还能提高工件的加工精度。所以对于已加工表面，最好采用多个支撑点。它们基本上起着相当于３个支撑点限制３个自由度的作用，是符合定位原则的。上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计７.２.２定位元件的选取和设计工件在夹具中位置的确定，主要是通过各种类型的定位元件实现的。定位元件从它们的基本结构来看是由平面、圆柱面、圆锥面及各种成形面所组成的。工件在定位时可根据各自的结构特点和精度要求，选取以上的各种形状或是它们之间的组合作为定位基准。一般来说，定位元件的设计应满足以下要求：１）要有与工件相适应的精度；２）要有足够的刚度，不允许受力后发生变形；３）要有良好的耐磨性，以便在使用中保持其工作精度，一般多采用低碳钢渗碳淬火或碳素工具钢淬火，硬度为ＨＲＣ５８—６２。上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计下面介绍几种典型表面的定位方法和定位元件。１．平面的定位元件对于箱体、床身、机座、支架类零件的加工，最常用的定位方式是以平面为基准，如图７.４所示。平面定位方式中所需的定位元件及定位装置，均已标准化。在夹具设计中常用的平面定位元件有固定支撑、可调支撑、自位支撑及辅助支撑等。（１）固定支撑在夹具体上，支撑点的高度位置固定不变的定位元件称为固定支撑，包括固定支撑钉和固定支撑板。固定支撑钉用于较小的平面，而固定支撑板用于较大平面的支撑，图７.９所示为各种类型的固定支撑钉。上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计１）支撑钉支撑。图７.９（ａ）所示为平头支撑钉，用于已加工平面；图７.９（ｂ）所示为球头支撑钉，用于未加工平面，以便保证良好接触；图７.９（ｃ）所示为网纹头支撑钉，用于未加工平面，可减小实际接触面积，增大摩擦，使定位稳定可靠，但由于槽中易积屑，故多用于侧面粗定位。支撑钉的尾柄与夹具体上的基体孔配合为过盈配合，多选为Ｈ７／ｎ６或Ｈ７／ｍ６。２）支撑板支撑。固定支撑板多用于工件上已加工表面的定位，有时可用一块支撑板代替两个支撑钉，限制两个自由度。上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计图７.１０所示为两种常用的支撑板，其中图７.１０（ａ）所示为平板式支撑板，其结构简单，但沉头螺钉处易堆积切屑，故用于工件侧面或顶面定位。图７.１０（ｂ）所示为斜槽式支撑板，它在结构上作了改变，即在支撑面上开两个斜槽为固定支撑钉用，使切屑容易清除，主要用于工件底面的定位。支撑钉、支撑板的结构和尺寸均已标准化，设计时可查看有关标准手册。（２）可调支撑在夹具上，支撑点的顶端位置可在一定范围内调整的定位元件称为可调支撑。上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计多用于为已加工的平面定位，以调节和补偿各批毛坯尺寸的误差，一般每批毛坯调整一次。图７.１１所示为可调支撑的几种形式，均由螺钉及螺母组成，支撑高度调整后，用螺母锁紧工件。（３）自位支撑自位支撑又称浮动支撑，在定位过程中，支撑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。这类支撑在结构上均需设计成活动或浮动的。图７.１２所示为几种常见的自位支撑，其中图７.１２（ａ）和图７.１２（ｂ）所示为两点式自位支撑，图７.１２（ｃ）所示为三点式自位支撑。上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计虽然每一个自位支撑与工件间可能是两点或三点接触，但实质上仍然只能起到一个支撑点的作用，只限制一个自由度。多用于刚度不足的毛坯表面或不连续的平面、阶梯表面定位。（４）辅助支撑在夹具中，只能起到提高工件支撑刚性或起到辅助作用的定位元件称为辅助支撑。辅助支撑可以实现工件的预定位或提高工件定位的稳定性。图７.１３所示为辅助支撑的几种形式，辅助支撑的形式很多，无论采用哪一种，都应注意辅助支撑不起定位作用，不应限制工件的自由度，同时更不能破坏基本支撑对工件的定位。上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计因此，辅助支撑的结构都是可调并能锁紧的。相对主要支撑，才有辅助支撑，其在工件定位时只起提高工件支撑刚度和定位稳定性的作用。辅助支撑的有些结构与可调支撑相似，但其作用和调节操作不同。可调支撑起定位作用，而辅助支撑不起定位作用。可调支撑是先调整再定位，最后夹紧工件，辅助支撑则是先定位，再夹紧工件，最后调整辅助支撑。２．圆孔表面的定位元件在夹具设计中常用的圆孔表面的定位元件有定位销、圆锥销、刚性心轴及锥度心轴等。（１）定位销上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计工件以圆孔为定位基面，定位元件多是圆柱面与圆柱面配合，具体定位限制的工件自由度数，不仅与两者之间的配合性质有关，而且根据定位基准孔定位元件的配合长度Ｌ与直径Ｄ的比值Ｌ／Ｄ不同分为两种情形：当Ｌ／Ｄ为１.０～１.５时，为长销定位，相当于４个定位支撑点，限制工件的４个自由度，能够确定孔的中心线位置；若Ｌ／Ｄ＜１，为短销定位，相当于２个定位支撑点，限制工件的２个自由度，只能确定孔的中心点的位置。定位销有固定式和可更换式两种。图７.１４所示为几种典型的定位销。上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计图７.１４（ａ）～图７.１４（ｃ）所示为固定定位销，销与夹具体是Ｈ７／ｒ６或Ｈ７／ｎ６配合，将销直接压入夹具体孔中；图７.１４（ｄ）所示为可更换式定位销，是用螺栓经中间套以Ｈ７／ｎ６与夹具体配合，以便于更换。定位销头部应做出１５°倒角或圆角，以便于装入工件的定位孔。定位销的工作部分直径可按ｈ５、ｈ６、ｇ５、ｇ６、ｆ６或ｆ７制造，定位销主要用于直径小于５０ｍｍ的中、小孔定位。（２）圆锥销在加工套筒、空心轴等类工件时，常用到圆锥销。上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计其结构如图７.１５所示，图７.１５（ａ）所示用于粗基准，图７.１５（ｂ）所示用于精基准，两种均可限制工件的３个移动自由度。根据需要可以设计菱形锥销，用以消除工件２个移动自由度。如图７.１５（ｃ）所示，工件以底面安放在定位圆环的端面上，圆锥销依靠弹簧力插入定位孔中，这样就消除了孔和圆锥销间的间隙，使圆锥销起到较好的定心作用。工件以单个圆锥销定位时容易倾斜，一般应和其他定位元件进行组合定位。图７.１６（ａ）所示为圆锥—圆柱组合心轴，其锥度部分使工件准确定心，圆柱部分可以减少工件的倾斜。上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计由于锥度较大，故轴向位置变化不大。图７.１６（ｂ）所示为工件在双圆锥销上定位。图７.１５（ｃ）所示为以工件的底面为主要定位基准，定位锥体做成活动式，工件的孔径虽有变化，也能准确定位，不会倾斜。图７.１６（ａ）和图７.１６（ｂ）限制了工件的５个自由度。除绕轴线转动的自由度没有限制外，其他均已限制。图７.１５（ｃ）中采用活动圆锥销，只限制两个移动自由度，即使工件的孔径变化较大时，也能准确定位。上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计加工轴类工件外圆时，常采用顶尖与中心孔配合定位，如图７.１７所示，左中心孔以锥面在轴向固定的前顶尖上定位，由于顶尖与中心孔接触长度较小，只能限制３个自由度，右中心孔以锥面在轴向可移动的后顶尖上定位，限制２个自由度。（３）刚性心轴图７.１８所示为常用的几种刚性心轴，图７.１８（ａ）所示为间隙配合，其定位部分直径按ｈ６、ｇ６或ｆ７制造，装卸工件方便，但定心精度不高。图７.１８（ｂ）为过盈配合心轴，由导向部分１、工作部分２及传动部分３组成，导向部分的作用是使工件迅速而准确地套入心轴，工作部分直径按ｒ６制造，其基本尺寸等于孔的最大极限尺寸。上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计此种心轴制造简单，定心准确，不用另设夹紧装置，但装卸工件不方便，易损伤工件定位孔，因此多用于定心精度要求高的精加工。图７.１８（ｃ）所示为花键心轴，用于加工以花键孔定位的工件，当工件定位孔的长径比Ｌ／ｄ＞１时，工作部分可略带锥度。刚性心轴定位时限制的自由度分析与定位销相同，过盈配合的心轴限制４个自由度，对于间隙配合的心轴则根据其与圆孔接触长短确定是限制４个还是２个自由度。（４）锥度心轴工件在锥度心轴上定位，并靠工件定位圆孔与心轴的弹性变形来夹紧工件，心轴锥度Ｋ按表７.１所示选取。上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计图７.１９所示为小锥度心轴图，为防止工件在心轴上定位时倾斜，锥度心轴带有很小的锥度，一般为Ｋ＝１∶１０００～１∶５０００。工作时，工件楔紧在心轴上，靠过盈配合形成的一段接触长度ＬＫ产生的摩擦力带动工件回转，而无须另加夹紧装置。小锥度心轴的定心精度可达０.００５～０.０１０ｍｍ。工件在心轴上定位通常限制了除绕工件自身轴线转动和沿工件自身轴线移动以外的４个自由度，是四点定位。选取心轴的锥度越小，则楔紧接触长度ＬＫ越大，定心定位精度越高。但当工件定位孔径尺寸变化时，锥度越小，引起工件轴向位置的变化也越大。此种锥度心轴一般只适用于工件定位孔精度高于ＩＴ７级、切削力较小的精加工。上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计３．外圆表面的定位元件在夹具设计中常用于外圆表面的定位元件有定位套、支撑板和Ｖ形块等。各种定位套对工件外圆表面主要实现定心定位，支撑板实现对外圆表面的支撑定位,Ｖ形块则实现对外圆表面的定心对中定位。（１）定位套在夹具中，工件以外圆表面定位时，常采用如图７.２０所示的各种定位套。图７.２０（ａ）所示为短定位套，图７.２０（ｂ）所示为长定位套，它们分别限制被定位工件的２个和４个自由度。图７.２０（ｃ）所示为锥面定位套，它和锥面销对工件圆孔定位一样限制３个自由度。上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计在夹具设计中，为了装卸工件的方便，也可采用如图７.２０（ｄ）所示的半圆套对工件外圆表面进行定位。根据半圆套与工件定位表面接触的长短，将分别限制４个或２个自由度。（２）支撑板在夹具中，工件以外圆表面的侧母线定位时，常采用平面定位元件支撑板。支撑板对工件外圆表面的定位属于支撑定位，定位时限制自由度数的多少将由它与工件外圆侧母线接触的长短决定。当两者接触较短时，支撑板对工件限制一个自由度，当两者接触较长时，则限制２个自由度。（３）Ｖ形块上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计工件以外圆柱面定位时，可在Ｖ形块或圆孔（包括定位套和半圆孔）上定位，其中以Ｖ形块定位较为常见。Ｖ形块在对工件定位时，还可起到对中作用，即通过与工件外圆两侧母线的接触，使工件上的外圆中心线对中在两Ｖ形块斜支撑的对称面上。对由两个高低不等的短Ｖ形块组合成的定位元件，还可以实现对阶梯轴的两段外圆表面中心连线的定位。图７.２１所示为常用Ｖ形块结构。上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计图７.２１（ａ）所示用于较短的精定位基面；图７.２１（ｂ）所示用于较长的粗基准（或台阶轴）定位；图７.２１（ｃ）所示用于较长的精基准定位；图７.２１（ｄ）所示用于工件较长且定位基面直径较大的场合，此时Ｖ形块通常做成镶嵌件，在铸铁底座上镶装淬硬钢垫或硬质合金板。通常将短Ｖ形块看作２个点定位副，认为限制Ｙ、Ｚ方向的两个移动自由度；长Ｖ形块则是４个点定位副，限制４个自由度，即Ｙ、Ｚ方向的移动和转动自由度。Ｖ形块上两斜面的夹角有６０°、９０°和１２０°，其中以９０°的Ｖ形块应用最多。上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计Ｖ形块的定位特点为安装工件方便、适用范围广、对中性好。在实际生产中，Ｖ形块不但用于定位元件，还可兼作夹紧元件，这时应该采用活动的Ｖ形块。固定Ｖ形块和活动Ｖ形块都已经标准化。如图７.２２所示的Ｖ形块结构尺寸，Ｖ形块设计、安装的基准是检验心轴的中心，故Ｖ形块在夹具中的安装尺寸Ｔ（定位高度）是Ｖ形块的主要设计参数，用来检验Ｖ形块制造、装配的精度。如图７.２２可以得出：而上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计所以当α＝９０°时，自行设计Ｖ形块时，ｄ是已知的，而Ｈ和Ｎ是自行确定的，然后才可以确定出Ｔ。图７.２３所示为加工连杆孔的定位方式，连杆工件以平面定位限制了３个自由度，固定Ｖ形块限制了２个自由度，活动Ｖ形块限制了一个转动自由度，同时还兼有夹紧作用。４．一面与两孔的组合定位上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计在加工箱体、连杆、盖板等类工件时，常采用这种组合定位，称为“一面两孔”定位。一面两孔定位元件为：平面采用支撑板，两孔采用定位销，又称“一面两销”定位。如图７.２４所示.为了能顺利使两销装入两孔而不产生干涉，必须将其中一销削边，以补偿两孔对两销中心距误差，其中短圆柱销限制２个移动自由度，短削边销限制一个转动自由度，削边销的削边方向应位于两销连线的垂直方向。如图７.２５所示，第二销与第二孔不能采用标准配合，第二销的直径ｄ′２缩小了，连心线方向的间隙增大了，缩小后的第二销的最大直径为上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计由图７.２５也可以得到同样的结果，所以即要使工件顺利装入，直径缩小后的第二销与第二孔之间的最小间隙应达到上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计这种缩小一个定位销直径的办法，虽然能实现工件的顺利装入，但增大了工件的转动误差，因此，只能在加工要求不高时使用。７.２.３定位误差分析与计算１．定位误差的分析通过对定位误差的分析和计算来判断所采用的定位方案能否保证加工要求，以便对不同定位方案进行分析比较，从而选出最佳定位方案，它是决定最佳定位方案的依据。定位误差是由定位元件制造误差及配合间隙引起的基准位置误差，及定位基准和工序基准不重合产生的基准不重合误差造成的。上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计在工件定位时，上述误差可能同时存在，也可能单独存在。但无论怎样，定位误差是二者同时作用的结果。所以２．典型零件工序尺寸定位误差计算实例（１）平面组合定位时的误差在生产中以两个互相垂直的平面定位，其主要形式是支撑定位。两个定位基准面之间存在位置误差，通常把限制自由度最多的平面选为第一定位基准面，依次分别为第二、第三定位基准面。图７.２６所示为平面组合定位的基本形式。上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计图７.２６（ａ）所示为工件加工工序简图，图７.２６（ｂ）所示为工件在夹具中的定位简图。工件以底面Ａ面为第一定位基准面，限制３个自由度。左侧面Ｂ为第二定位基准面，限制２个自由度，要求同时加工Ｄ、Ｃ面，保证加工表面位置尺寸Ｌ１和Ｌ２。对于工序尺寸Ｌ１来说，工序基准和定位基准都是Ａ面，所以基准重合且无位置上的变化，即平面Ｂ是加工面Ｃ的工序基准和定位基准，仍属基准重合，即δｂ（Ｌ２）＝０，由于Ｂ与底面Ａ存在角度误差（±Δα），使工序基准（定位面）Ｂ的位置发生了偏移，在误差范围内变化，其最大变化量为对尺寸Ｌ２在水平方向产生的基准位置误差：上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计（２）圆柱孔定位时的定位误差工件以圆孔在定位心轴（或定位销）上定位所产生的定位误差有两种情况：工件孔与定位心轴采用过盈配合和间隙配合。其中间隙配合又分为定位心轴垂直放置和水平放置两种情况。１）工件孔与定位心轴（或定位销）过盈配合。当工件以内孔与心轴过盈配合定位或采用其他自动定心装置定位时，即使定位孔的直径尺寸有误差，定位时孔的表面位置也将有变动，但孔中心线的位置是固定不变的。上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计所以如果工件以圆孔中心线为工序基准在过盈配合心轴上定位，因无间隙存在，无论定位心轴怎样放置，圆孔中心线位置固定不变，属于基准重合情况，故不产生定位误差。２）工件孔与定位心轴（或定位销）间隙配合。套类零件常以内孔中心线为定位基准，这是因为这类零件常以内孔中心线为工序基准。孔与定位心轴采用间隙配合。由于定位心轴和孔有制造误差，且工件内孔与定位心轴之间有间隙，所以一批工件的内孔中心线会在一定范围内变动，存在位置误差δｗ（Ｏ），如图７.２７所示。图７.２７（ａ）所示为定位心轴垂直放置，非固定边接触时，定位基准Ｏ的变动情况。上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计图７.２７（ｂ）所示为定位心轴水平放置固定边接触时，定位基准Ｏ的变动情况。①定位心轴垂直放置（非固定边接触），如图７.２７（ａ）所示。由于孔、心轴及配合间隙的存在，孔相对于定位心轴可以在间隙范围内做任意方向、任意大小的位置变动，孔中心线的变动范围为以最大间隙Δｍａｘ为直径的圆柱体。而最大间隙发生在最大直径的孔与最小直径的心轴相配合时。孔中心线的位置变动的最大量即为基准位置误差，即δｗ（Ｏ）。此时基准位置误差大小为上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计基准位置误差的方向是任意的。②定位心轴水平放置（固定边接触），如图７.２７（ｂ）所示。假设对工件施加一外力，或在重力作用下使工件内孔与定位心轴始终以固定边接触，此时可认为定位基准是孔中心线，也可以认为定位基准是内孔上母线Ａ。如果以上母线Ａ为定位基准，则可以看成支撑定位，此时基准位置误差为零（忽略定位心轴直径误差）。如果以工件孔中心线为定位基准，因为定位基准只在垂直方向变动，所以在水平方向上基准位置误差为零。上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计在垂直方向上，由于定位销水平放置，定位心轴与工件内孔都有制造误差且配合有间隙，圆孔中心位置发生偏移，因此，一批工件定位时可能出现两种极端情况，一是定位心轴尺寸最大、工件孔最小；二是定位心轴尺寸最小、内孔最大两种极端情况。其定位基准Ｏ位置误差为：（３）工件以外圆面定位时的定位误差上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计外圆柱表面的定位有定心定位和支撑定位两种，定心定位以外圆柱面的轴线为定位基准，常见的定心定位装置有各种形式的自动定心三爪夹盘、弹簧夹头以及其他一些自动定心机构。用这类定位装置定位时，工件轴心线在径向方向是固定不变的，因此基准位置误差等于零。以外圆柱面定位的支撑定位常采用Ｖ形块定位，如图７.２８所示，此时工件的定位基准可以认为是工件的轴心线。当直径尺寸有变化时，与Ｖ形块相接触的母线Ａ、Ｂ的位置都会发生变化，但工件轴心线只在垂直方向上有位置变化，而在水平方向轴心线的变动为零，此即Ｖ形块的对中性。上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计在垂直方向上，定位基准位置误差为：（４）工件以“一面两孔”定位工件以“一面两孔”定位时，其定位平面是第一定位基准，且一般均为基准重合。用以定位的两孔，分别为第二和第三基准，此时所产生的定位误差应分两项分别计算。１）纵向误差。“一面两孔”定位时的纵向误差是指工件在两孔连心线方向上工序基准的极端位置误差。上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计如图７.２９所示，当工件内孔Ｏ１的直径最大、定位销直径最小，且考虑工件上两孔中心距误差的影响，根据图７.２９所示的两种极端位置情况可知：２）最大转角误差。采用“一面两孔”定位时，除有纵向误差外，工件上两孔与定位销间由于存在间隙配合，中心连线还可能绕Ｚ轴发生偏转，产生转角误差。如图７.３０所示，其最大转角误差为：上一页下一页返回７.２机床夹具的定位机构设计３．提高工件在夹具中定位精度的主要措施由于定位误差由两部分组成，一是定位基准的位置误差（δｗ），二是定位基准和工序基准的不重合误差（δｂ），即δｄ＝δｗ＋δｂ，所以为减小工件在夹具中的定位误差，应该从两方面入手。１）尽量消除或减少基准位置误差的影响。２）尽量消除或减少定位基准的不重合误差的影响。在选用定位基准时尽量使定位基准和工序基准重合。上一页返回７.３机床夹具的夹紧机构的设计７.３.１工件的夹紧１．夹紧装置的组成图７.３１所示为一个典型的夹紧装置，可以看出，一般根据夹紧装置的结构特点和功能将其分为三部分。（１）动力源装置动力源装置是用于产生夹紧力的装置，如果用人力对工件进行夹紧，称为手动夹紧；如果用气压、液压、电动、磁力等动力装置进行夹紧，称为机动夹紧。如图７.３１中所示的液压缸。（２）传力机构下一页返回７.３机床夹具的夹紧机构的设计它是在动力源装置和夹紧机构之间的机构，通过传力机构把动力源产生的动力传给夹紧机构，然后由夹紧机构对工件进行夹紧。一般中间传力机构可以在传力的过程中改变力的大小和方向，并具有自锁功能，以保证夹紧可靠，这在手动夹紧中尤为重要。如图７.３１中所示的铰链臂。（３）夹紧机构它是实现对工件夹紧的最终执行元件。通过夹紧元件对工件进行夹紧。如图７.３１中所示的压板。２．夹紧装置的要求上一页下一页返回７.３机床夹具的夹紧机构的设计正确合理地设计夹紧装置，有利于保证加工质量、降低工人的劳动强度、提高生产率。因此，对夹紧装置的设计提出如下要求：１）夹紧力不能在夹紧过程中破坏定位。２）夹紧力的大小应适当，应保证工件在加工过程中不移动和不振动，同时不能使工件在夹紧力的作用下变形或发生表面损坏。３）应有足够的夹紧行程，手动夹紧要有自锁功能。４）具有足够的刚度和强度，结构紧凑。５）机构简单、可靠，操作维修方便、省力、安全等。上一页下一页返回７.３机床夹具的夹紧机构的设计７.３.２夹紧力的确定夹紧力包括方向、作用点和大小三个要素，这是夹紧机构设计中首先要解决的问题。１．夹紧力的方向１）夹紧力的方向应有助于定位，且不应破坏定位。只有一个夹紧力时，夹紧力应垂直于主要定位支撑或使各定位支撑同时受夹紧力作用。图７.３２所示为夹紧力朝向主要定位面的示例。在图７.３２（ａ）中，工件以左端面与定位元件的Ａ面接触，限制工件的３个自由度；底面与Ｂ面接触，限制工件的２个自由度；夹紧力朝向主要定位面Ａ，有利于保证孔与左端面的垂直度要求。上一页下一页返回７.３机床夹具的夹紧机构的设计在图７.３２（ｂ）中，夹紧力朝向Ｖ形块的Ｖ形面，使工件装夹稳定可靠。２）夹紧力的方向应与工件刚度高的部位方向一致，以利于减少工件的变形。图７.３３所示为薄壁套筒的夹紧，图７.３３（ａ）所示为采用三爪自定心卡盘夹紧，这种方式易引起工件的夹紧变形。若镗孔，加工后将有三棱形圆度误差。图７.３３（ｂ）所示为改进后的夹紧方式，采用端面夹紧，可避免上述圆度误差。３）夹紧力的方向应尽可能与切削力、重力方向一致，有利于减小夹紧力。上一页下一页返回７.３机床夹具的夹紧机构的设计图７.３４（ａ）所示，由于重力Ｇ、切削力Ｆ和夹紧力Ｗ在一条直线上，并且方向重合，此时所需夹紧力最小，效果最好。图７.３４（ｂ）中所需夹紧力Ｗ≥Ｇ＋Ｆ，要比图７.３４（ａ）中所需夹紧力大得多，图７.３４（ｃ）所示的重力Ｇ、切削力Ｆ和夹紧力Ｗ不在一条直线上，且方向不重合，所需夹紧力最大，Ｗ≥(Ｆ＋Ｇ)/μ，此时效果最不好。２．夹紧力的作用点１）夹紧力的作用点应与支撑点“点对点”对应，或在支撑点确定的区域内，以避免破坏定位或造成较大的夹紧变形。上一页下一页返回７.３机床夹具的夹紧机构的设计如图７.３５所示，夹紧力的作用点落在了定位元件支撑范围之外，夹紧力与支座反力构成力矩，夹紧时工件将发生偏转，从而破坏工件的定位。图７.３５（ａ）和图７.３５（ｃ）所示情况合理，图７.３５（ｂ）和图７.３５（ｄ）所示的两种情况均破坏了定位。２）图７.３６所示的夹紧力作用点应选择在工件刚度高的部位。３）图７.３７所示的夹紧力的作用点应尽可能靠近切削表面，以防止工件在加工过程中振动和变形，提高其定位稳定性。４）夹紧力应使夹具本身变形较小。上一页下一页返回７.３机床夹具的夹紧机构的设计如图７.３８（ａ）所示，工件对夹紧螺杆１的反作用力使镗模支架２变形，从而产生镗套的导向误差。改进后如图７.３８（ｂ）所示，夹紧力的反作用力不再作用于镗模支架２上。３．夹紧力大小夹紧力的大小应适当，如夹紧力太小，则工件在加工过程中移动从而破坏定位，不仅会影响加工质量还会造成人员受伤。理论上夹紧力的大小应与作用在工件上的其他力（力矩）相平衡，切削力是计算夹紧力的主要依据。实际上，夹紧力的大小还与工艺系统的刚性、夹紧机构的传递效率等因素有关,计算起来很复杂。因此，设计中常采用估算法、类比法、实验法来确定所需的夹紧力。上一页下一页返回７.３机床夹具的夹紧机构的设计当采用估算法确定夹紧力的大小时，为简化计算，通常将夹具和工件统称为一个刚性系统，根据工件所受切削力、夹紧力、重力、惯性力的作用，夹紧力的大小应根据其施力方向和作用点的位置及加工时的具体情况与上述各力（矩）组成的静平衡力系计算出理论夹紧力，最后乘以安全系数作为实际所需的夹紧力。当切削力（矩）在切削过程中是变量时，应按其最大值计算。为安全起见，根据经验，计算所得的理论值乘以一个安全系数Ｋ，即夹紧力的三要素实际上是个综合性的问题，必须全面考虑工件的结构特点、工艺方法、定位元件的结构和布置等多种因素，才能最后确定并设计出较为理想的夹紧装置。上一页下一页返回７.３机床夹具的夹紧机构的设计７.３.３典型夹紧机构夹紧力大小的确定１．螺旋夹紧机构将楔块的斜面绕在圆柱体上就成为螺旋面。因此，螺旋夹紧的原理与楔块夹紧相似。螺旋夹紧机构具有增力大、自锁性能好两大特点，在手动夹紧中的使用极为普通。（１）螺旋夹紧机构的工作性能图７.３９（ａ）所示为简单的螺旋夹紧机构，图７.３９（ｂ）所示为典型的螺旋夹紧机构（单螺杆夹紧）。上一页下一页返回７.３机床夹具的夹紧机构的设计螺杆转动向下移动，通过浮动压块夹紧工件，浮动压块既可增大夹紧接触面积，又能防止压紧螺杆旋转时带动工件偏转而破坏定位和损伤工件表面。图７.４０所示为两种典型的浮动压块，浮动压块Ａ型适用于压紧已加工的光洁表面，Ｂ型适用于压紧未加工的毛坯表面。螺旋夹紧机构的主要元件（如螺杆、压块、手柄等）都已经标准化，设计时参考设计手册就可以。（２）单螺杆螺旋夹紧机构夹紧力的计算单螺杆螺旋夹紧机构受力状况如图７.４１所示。上一页下一页返回７.３机床夹具的夹紧机构的设计当转动螺杆时，螺杆除受到转动的推力Ｐ外，还受到螺母１的反作用力Ｒ和摩擦力Ｆ２（其合力为Ｎ）以及工件３的反作用力Ｑ和摩擦力Ｆ１，力Ｎ又可分解为垂直的分力Ｑ′及水平分力Ｑ２。因此，在螺杆转动时它将受到以下三个力矩：１）由原始力产生的力矩２）在工件表面上阻止转动的摩擦力矩上一页下一页返回７.３机床夹具的夹紧机构的设计３）螺母作用在螺杆中径ｄ０上的Ｑ２产生阻止转动的力矩ｄ０＝２ｒ０，由图得Ｑ′＝Ｑ，故在转动螺杆夹紧工件时，必须满足平衡条件：将上述各式带入，则夹紧力上一页下一页返回７.３机床夹具的夹紧机构的设计（３）螺旋夹紧机构的特点和应用单螺杆夹紧机构的结构简单，易于制造，夹紧可靠，增力系数大，自锁性能好，且夹紧行程几乎不受限制。但为保证自韧性能，夹紧螺杆的螺纹升角一般较小。因此，螺纹的螺距一般也较小，导致此种机构的夹紧动作慢，夹紧辅助时间长。故单螺杆夹紧机构广泛应用于手动夹紧机构中，而在快速夹紧机构中却很少采用。为了在工件最合适的位置和方向上进行夹紧，生产中经常采用螺旋与压板组成组合夹紧机构，如图７.４２和图７.４３所示的几种典型的螺旋压板夹紧机构。在同样的原始力Ｆ作用下，对工件产生的夹紧力Ｆｊ不同。上一页下一页返回７.３机床夹具的夹紧机构的设计２．斜楔夹紧机构（１）斜楔夹紧机构的工作性能斜楔夹紧机构是最基本的夹紧机构，螺旋夹紧机构、偏心夹紧机构等均是斜楔夹紧机构的变型。图７.４４所示为几种典型的斜楔夹紧机构，图７.４４（ａ）所示为在工件上钻相互垂直的两孔，工件３装入后，锤击斜楔２的大头，夹紧工件；加工完毕后，锤击斜楔小头，松开工件。可见，斜楔是利用其移动时斜面的楔紧作用所产生的压力夹紧工件的。图７.４４（ｂ）所示为将斜楔与滑柱合成一种夹紧机构，一般用气压或液压驱动。图７.４４（ｃ）所示为端面斜楔与压板组合而成的夹紧机构。上一页下一页返回７.３机床夹具的夹紧机构的设计斜楔夹紧机构的优点是有一定的扩力作用，可以方便地改变力的方向，缺点是角α较小，行程较长。（２）斜楔夹紧机构夹紧力的计算和结构特点１）夹紧力的分析计算。斜楔主要是利用其斜面移动时产生的压紧力夹紧工件的。斜楔受力如图７.４５所示，斜楔受到工件对它的反力Ｗ和摩擦力Ｆμ２，夹具体的反力Ｎ和摩擦力Ｆμ１。设Ｎ和Ｆμ１的合力为Ｎ′，Ｗ和Ｆμ２的合力为Ｗ′，则Ｎ和Ｎ′的夹角为夹具体与斜楔之间的摩擦角φ１，Ｗ与Ｗ′的夹角为工件与斜楔间的摩擦角φ２。于是有：上一页下一页返回７.３机床夹具的夹紧机构的设计α为斜楔的楔角，当α、φ１、φ２均很小，且φ１＝φ２＝φ３时，上式可简化为２）斜楔的结构特性。①斜楔的自锁性。为满足斜楔自锁条件，其楔角应小于两摩擦角φ１、φ２之和。通常α≤φ１＋φ２，一般α＝５°～７°。上一页下一页返回７.３机床夹具的夹紧机构的设计②楔块结构简单，有增力作用，一般扩力比为ｉｐ＝Ｑ／ｐ≈３，只适用于受力不大的工序中或与其他增力机构组合使用。③楔块夹紧行程小，且受楔块升角α的影响，增大α可加大行程，但此时其自锁性能变差。④夹紧和松开要敲击大、小端，操作不方便。３．偏心夹紧机构（１）圆偏心夹紧机构常用的偏心夹紧件是偏心轮（轴），其结构如图７.４６所示，力Ｑ作用在手柄１上，偏心轮２绕轴３转动，偏心轮的圆柱面压在垫板４上，轴３向上移动，推动压板５夹紧工件。上一页下一页返回７.３机床夹具的夹紧机构的设计它的优点是操作迅速，构造简单；缺点是工作行程小（取决于偏心距），自锁性差，只适用在切削力较小和振动不大的工序中。偏心轮夹紧机构的原理如图７.４６（ｂ）所示。当圆偏心顺时针方向回转时，相当于曲线楔向前楔紧在基圆与垫板之间，使Ｏ２到垫板之间的距离不断变化对工件产生夹紧作用。夹紧的最大行程是２ｅ，但通常是在６０°～９０°范围内使用，所以实际行程只有２/３ｅ～ｅ。设圆偏心的回转中心Ｏ２到垫板之间的距离为ｈ。上一页下一页返回７.３机床夹具的夹紧机构的设计（２）圆偏心的自锁条件圆偏心夹紧必须保证自锁，这是圆偏心设计必须解决的问题。如果能确切知道圆偏心工作时夹紧点的位置，就可以使圆偏心在该点的升角小于摩擦角来保证其自锁。但一般圆偏心的工作点并不确定，尤其是标准圆偏心，其工作点可以在取定的区域内变化。由图７.４６（ｂ）可知，任意夹紧点ｘ处的升角αｘ为当Ｏ１Ｏ２与Ｏ２Ｘ垂直，即γ＝９０°时，α有最大值αｍａｘ。上一页下一页返回７.３机床夹具的夹紧机构的设计要保证圆偏心夹紧时的自锁性能，偏心轮工作点Ｘ处的楔角应满足αｍａｘ≤φ１＋φ２。考虑到最不利的情况，或者说保险的情况，即偏心轮夹紧自锁条件为αｍａｘ≤φ１，可得偏心轮夹紧力为上一页下一页返回７.３机床夹具的夹紧机构的设计７.３.４其他夹紧机构１．定心夹紧机构定心夹紧机构又称自动对中机构，它把定位和夹紧合为一体，定位元件同时也是夹紧元件。定心夹紧机构的工作原理是：各定位、夹紧元件做等速位移，同时实现对工件的定位和夹紧，在对工件定位的过程中同时完成夹紧任务。这种夹紧机构在那些几何形状对称，并以对称轴线、对称中心或对称面为工序基准的工件上应用十分方便，且容易消除其定位误差。如图７.４７所示的虎钳式夹紧机构、图７.４８所示的锥面定心夹紧心轴、图７.４９所示的弹簧夹头及弹簧心轴就是典型的例证。上一页下一页返回７.３机床夹具的夹紧机构的设计２．联动夹紧机构在夹紧机构设计中，有时需要对一个工件上的几个点或多个工件同时进行夹紧，此时，为了减少工件装夹时间，简化结构，常常采用各种联动夹紧机构，这种机构要求从一处施力，可同时在几处（或几个方向上）对一个或几个工件同时进行夹紧，图７.５０所示为多位夹紧机构，图７.５１所示为多件夹紧机构。３．铰链夹紧机构图７.５２所示为铰链夹紧机构。图７.５２（ａ）所示为常用的单臂铰链夹紧机构，铰链臂３两边铰链连接，一头带有滚子２，滚子２由气缸活塞杆推动，可在垫板１上来回运动。上一页下一页返回７.３机床夹具的夹紧机构的设计当滚子向左运动到垫板左端斜面时，压板４离开工件，当滚子向右运动时，通过铰链臂３使工件夹紧。图７.５２（ｂ）所示为双臂单作用铰链夹紧机构。图７.５２（ｃ）所示为双臂双作用铰链夹紧机构。上一页返回７.４机床夹具的其他装置夹具除了定位元件和夹紧元件外，根据加工需要，为了形成完整的夹具，有时还应配备其他装置，才能完成与机床、刀具和工件的正确联系，保证零件的加工精度。７.４.１导向装置刀具的导向装置是为了保证孔的位置精度，增加钻头或镗杆的支撑以提高其刚度，减少刀具的变形，确保孔加工的位置精度的装置。１．钻孔的导向装置钻床夹具中，钻头的导向采用钻套。钻套有固定钻套、可换钻套、快换钻套和特殊钻套四种。图７.５３所示为几种常用钻套，图７.５４所示为几种特殊钻套。下一页返回７.４机床夹具的其他装置图７.５３（ａ）所示为固定钻套的两种结构形式（无肩和有肩），有肩的能在保持原有导引长度的情况下用于钻模板较薄时。固定钻套采用Ｈ７／ｎ６配合压在钻模板孔内，一般磨损后不易更换，适用于中小批量生产中只钻一次的孔。图７.５３（ｂ）所示为可换钻套结构。它的凸缘上铣有台肩，钻套螺钉的圆柱头盖在此台肩上，可防止钻套转动和掉出，当钻套磨损后，只要拧取螺钉，便可更换新的钻套。适用于中小批量的单工步孔加工。图７.５３（ｃ）所示为快换钻套结构，它与可换钻套结构基本相似，只是在钻套头部多开一个圆弧状或直线状缺口，更换时不必拧出螺钉，只要将缺口转到对着螺钉的位置，就可迅速更换钻套。上一页下一页返回７.４机床夹具的其他装置适用于一道工序内要连续进行钻、扩、铰或攻螺纹的加工。上述钻套均已标准化，设计时可查看夹具设计手册选用。在一些特殊场合，需要自行设计特殊钻套。图７.５４所示为几种特殊钻套的示例。图７.５４（ａ）所示的钻套用于两孔间距较小的场合。图７.５４（ｂ）所示为当工件钻孔表面距钻模板较远时用的加长钻套，钻套孔上部直径加大是为了减小导引孔长度，以减轻与刀具的摩擦。图７.５４（ｃ）所示为用于斜面或圆弧面上钻孔的钻套，可防止因切削力作用不对称使钻头引偏甚至折断钻头。上一页下一页返回７.４机床夹具的其他装置钻套设计时，除考虑钻套结构外，还应注意钻套导向长度Ｈ和钻套底端与工件间的距离ｈ，通常按Ｈ＝（１～２）ｄ选取，ｄ为钻套的孔径，对于加工精度要求高的孔或工件孔特别小，且其钻头刚性差时，取大值，反之取小值。ｈ的大小影响其排屑性能，ｈ过小易造成排屑不畅，过大则影响钻套的导向作用，一般取ｈ＝（０.６～１.５）ｄ。工件为脆性材料（如铸铁）时取小值，工件为钢类韧性材料时取大值。２．镗孔的导向装置上一页下一页返回７.４机床夹具的其他装置箱体类零件上的孔系加工，若采用精密坐标镗床、加工中心或具有高精度的刚性主轴的组合机床加工时，一般不需要导向，孔系位置精度由机床本身精度和精密坐标系来保证。对于普通镗床或由车床改造的镗床，或一般组合机床，为了保证孔系的位置精度，需要采用镗模来引导镗刀，孔系的位置由镗模上镗套的位置来决定。镗套有两种，一种是固定式镗套，一种是回转式镗套。图７.５５所示为固定式镗套，带有压配式油杯，内孔开有油槽，加工时可适当提高切削速度。由于镗杆在镗套内回转和轴向移动，镗套容易磨损，故只适用于低速镗削。图７.５６所示为回转式镗套的三种结构形式。上一页下一页返回７.４机床夹具的其他装置图７.５６（ａ）所示为滑动回转式镗套，内孔带键槽，镗杆上的键带动镗套回转，有较高的回转精度和减振性能，且结构尺寸小。但需要充分润滑，摩擦表面的线速度为１８～２４ｍ／ｍｉｎ。图７.５６（ｂ）和图７.５６（ｃ）所示为滚动回转式镗套，分别用于立式和卧式镗孔。其转动灵活，允许的切削速度高；但结构尺寸大，回转精度较低。为了改进其性能，可采用高精度的滚针轴承。回转式镗套分内滚式和外滚式镗套两种。如图７.５７中左端ａ为内滚式镗套，镗套２固定不动，镗杆、轴承和导向滑动套３在钉镗套２内可轴向移动，镗杆可转动。上一页下一页返回７.４机床夹具的其他装置这种镗套两轴承支撑距离远，尺寸长，导向精度高，多用于镗杆的后导向，即靠近机床主轴端。右端ｂ为外滚式镗套，镗套５装在轴承内孔上，镗杆４右端与镗套为间隙配合，通过键连接，可以一起回转，而且镗杆可在镗套内做相对移动。外滚式镗套的尺寸较小，导向精度稍低一些，一般多用于镗杆的前导向。７.４.２对刀装置在铣床或刨床中，为保证加工面的准确位置，刀具相对于工件的位置需要调整。因此，常需要设置对刀装置。图７.５８所示为铣床常用的几种对刀装置。上一页下一页返回７.４机床夹具的其他装置图７.５８（ａ）所示为用于铣平面时的高度对刀块，图７.５８（ｂ）所示为用于铣槽或加工阶梯表面时的直角对刀块，图７.５８（ｃ）和图７.５８（ｄ）所示为根据工件被加工面形状和刀具结构而自行设计的成形对刀块。对刀块通常和塞尺配合使用。当用对刀块对刀时，应移动机床工作台，使刀具靠近对刀块，在刀具刃口与对刀块工作表面之间塞进一规定尺寸的塞尺，其目的是便于操作者通过塞尺的松紧程度来控制刀具的位置尺寸，也可避免刀具刃口与对刀块直接接触而磨损。７.４.３分度装置工件上如有一些按一定角度分布的相同表面，它们需要在一次定位夹紧后加工出来，则夹具需要分度装置。上一页下一页返回７.４机床夹具的其他装置图７.５９所示为一斜面分度装置。当手柄１逆时针转动时，插销２由于斜面作用从槽中退出，并带动凸轮５转动，凸轮斜面退出对定销４，当插销２到达下一个分度盘槽时，在弹簧作用下插销２插入，此时手柄顺时针转动，由插销２带动分度盘、凸轮盘及心轴转动，凸轮上的斜面进入对定销４位置，在弹簧作用下，对定销４插入分度盘的另一个槽中，分度完毕。除了用夹具分度之外，有时也采用把夹具安装在通用的回转工作台上来实现分度，但这种方式的分度精度较低。７.４.４动力装置上一页下一页返回７.４机床夹具的其他装置目前夹具的夹紧方式主要有气动、液动、电动等，其中气动和液动装置的应用最为普遍。１．气动夹紧装置气动夹紧装置的动力源为压缩空气。一般压缩空气由压缩空气站供应，经过管路损失之后，通到夹紧装置中的压缩空气为４～６个大气压。计算时常用４个大气压，较为安全。图７.６０所示为典型的气动夹紧机构。气动系统各组成元件都已经标准化、系列化了，设计时可参阅有关资料。２．液动夹紧装置液动夹紧装置的工作原理与气动夹紧相似，具有以下特点：上一页下一页返回７.４机床夹具的其他装置１）油压力可达６ＭＰａ，比气压高１０余倍，油缸尺寸小，无须增力机构，结构简单紧凑。２）液体不可压缩，夹紧装置刚度大、工作平稳、夹紧可靠。３）液压夹具噪声小，劳动条件好。但在没有液压传动装置的机床上采用液压夹具时，就必须为夹具单独配置一套辅助装置，从而使成本上升，适用于组合机床或切削力较大的场合。３．气—液增压夹紧机构气—液压联合夹紧装置的动力源为压缩空气，但要使用特殊的增压器，比气动夹紧装置复杂，但兼有气、液夹紧的优点。上一页下一页返回７.４机床夹具的其他装置图７.６１所示为气—液压联合夹紧装置的工作原理图。压缩空气进入增压器Ａ室，推动活塞１左移。增压器Ｂ室内充满油，并与工作油缸接通实现对工件的夹紧，比单独的气动夹紧力增大约（Ｄ１／Ｄ２）２倍。因此，为获得高压，应使Ｄ２尽可能小，且Ｄ＞Ｄ２，这就造成活塞１的行程大于工作油缸中活塞２的夹紧行程，使整个装置长度大为增加，压缩空气消耗量大，动作时间也较长。上一页返回７.５可调夹具的设计可调夹具是指其上的个别元件或少数零部件的安装位置和形状是可以调节的或是可以进行更换的夹具。７.５.１工作原理及结构组成可调夹具是根据加工对象在工艺上的相似性和尺寸形状上相近的特点，将零件进行分类归组，并根据夹具结构多次重复使用的原则设计的。一般来说，通用可调夹具是由基本部分和可调整部分组成的。基本部分包括夹具体、夹紧传动装置、操作机构等，夹具体包括一系列可多次重复使用的标准件和基础件，这部分因不直接与加工对象接触，可不随加工对象的变化而改变，是固定不变的，这体现了夹具的通用性。下一页返回７.５可调夹具的设计传动装置可以长期固定在机床上，不必随产品更换。可调部分主要包括定位元件、夹紧机构和导向元件等，这部分因直接与加工对象相联系，故要随其变化而进行调整或更换，使其与加工对象相适应，这又体现了夹具的专用性。通用可调夹具是介于通用夹具和专用夹具之间的新型结构夹具。它能通过定位、夹紧等部分元件的调整或更换，满足不同种类和尺寸的零件的加工要求。通用可调夹具的通用性较强，其典型结构包括带有可换卡爪的卡盘、带有可换钳口的虎钳和滑柱式钻模等。通用可调夹具用于加工在形状上、工艺上都具有相似性的零件。上一页下一页返回７.５可调夹具的设计因此，对被加工零件进行分类，便是设计此类夹具的前提。首先，是按产品型号分类，即将同一型号的不同规格和品种的产品零件按同名零件先分一组。然后，再考虑不同型号的相似零件是否可归并到这个加工组中去，力求扩大加工零件组。夹具体是通用可调夹具的基础。设计夹具体时应使之在加工轮廓尺寸小的工件时，夹具体不致过笨，而在加工轮廓尺寸大的工件时，夹具体又有足够的刚性，并力求能加工该零件组的全部零件。如果不能兼顾其轻便性与刚性的要求，则可将零件加工组划分为若干尺寸段，然后针对每个尺寸段内的被加工零件分别设计。上一页下一页返回７.５可调夹具的设计设计可调整部分时，应使可调整部分能快速、准确、简便地进行调整和更换。为此，要力求减少调整件的数量。调整件少了，调整就会更方便。还要注意调整件的复用，即调整件可以用于一个零件的不同安装位置或用于不同零件的安装。７.５.２可调夹具设计可调夹具由基本部分和可调部分组成。基本部分包括夹具体、传动装置和操作机构，与专用夹具相同。除在工件基面或基础底板上采用Ｔ形槽、燕尾槽或螺孔等可调结构外，二者没有本质区别。可调部分如定位元件或夹紧元件，是通过调整、更换的方法来满足不同工件的要求。设计夹具时应当做到：上一页下一页返回７.５可调夹具的设计１）结构简单紧凑、调整方便；２）调整件装卸迅速；３）保证加工精度；４）具有一定的通用性和继承性。可调部分的形式与调整方法，可归纳为以下４种：１）用移动或调节定位元件的方法。２）重新布置或重新固定各定位元件。３）全部或局部更换定位或其他需要更换的元件（如钻模板、钻模套）。上一页下一页返回７.５可调夹具的设计４）同时用调节位置和更换元件的方法。设计更换元件时，更换元件与夹具体的定位有固定的限位和导向，或设置校正基面，使之能快速、方便、精确地更换。为了达到这个要求，应力求减少调整件数量。如图７.６２所示的主轴端面孔加工的可调夹具，加工不同规格的主轴时，仅更换可换盘２和钻模板组件３，压板４的位置只需要松开螺钉，工件调好后再拧紧即可。设计可调部分时，钻模板组件的顶面高度尺寸不变，可使调整件数量减少，压板调节也方便。上一页返回７.６成组夹具设计和设计原则７.６.１成组夹具设计对于成组夹具来说，它是针对成组加工工艺中的一组或一族零件的某一工序而专门设计的夹具。在设计时，其加工对象十分明确，其调整范围也只限于在本组内的零件，夹具体的基本部分常须按加工对象的要求来专门设计。这种夹具既比专用夹具的工