制造工艺装备课件2

为了在机床上加工出符合规定技术要求的工件表面，必须在加工前将工件装夹在机床或夹具中。

一、概述

定位机械加工前，确定工件在机床或夹具中相对切削刀具占有某一正确位置的操作过程。工件装夹——即对工件进行“先定位再夹紧”的操作。

夹紧对定位后的工件进行紧固的过程。以克服加工过程中的切削力、重力、惯性力的影响，保持工件的定位位置不变。

在不同的加工条件下，工件可采用不同的装夹方式。

直接找正装夹

是将工件直接放置在机床上，用百分表或划针以目测法校正工件的位置。一边校验，一边找正。1.直接找正装夹

特点直接找正装夹，夹紧机构简单，但装夹耗费时间，生产率低，且对工人的技术水平要求较高。只用于单件、小批生产中。

如图，在车床上以四爪卡盘装夹工件，用百分表对圆形工件的内、外圆找正定位。

2.划线找正装夹

划线找正装夹

是先在形状复杂的工件上划出位置线、找正线和加工线，在机床上装夹时，按找正线找正定位，然后再夹紧。

特点：划线找正装夹，设备简单，适应性强，但定位精度和生产率低。仅用于单件、小批生产中的复杂铸件及毛坯精度较低的粗加工工序。

如图，在车床上以四爪卡盘装夹矩形工件加工孔时，用划线对工件的内表面找正定位。3.夹具装夹

夹具装夹

是利用机床夹具准确而快速对工件定位和夹紧。钻Ф6H9孔专用钻床夹具

特点：采用夹具装夹工件，即可准确而快速确定工件、机床和刀具的相对位置，保证工件的加工精度，又可减轻劳动强度，提高生产效率。广泛应用于零件的成批大量生产过程中。

1.机床夹具的用途

机床夹具

是机床上用以装夹工件（和引导刀具）的一种工艺装置。其作用是先将工件定位，使工件获得相对于机床或刀具的正确位置，再将工件可靠地夹紧，以便于批量加工零件。

工件定向键对刀装置夹具体油缸杠杆拉杆压板V形块限位螺钉2.机床夹具的分类

（1）通用夹具

是已标准化、系列化，可用于加工同一类型不同尺寸工件的夹具。如三爪卡盘、平口钳、万能分度头等。

机床的通用夹具主要应用于单件、小批生产过程中。

（2）专用夹具

是专为某一种工件的某道加工工序而设计制造的夹具。专用夹具适用于产品固定、工艺相对稳定、批量大的生产中。

钻Ф6H9孔专用夹具

（3）可调夹具和成组夹具

是经过调整或更换个别元件，就可用于另一种工件加工的夹具。一般用于形状相似、尺寸相近的工件。如滑柱式钻模，多用于中小批生产。

（4）组合夹具

是由预先制造好的夹具的标准元件，按照不同零件的加工要求拼装组合而成的夹具。适用于单件小批生产和新产品试制。

钻拨叉两通孔组合夹具

（5）随行夹具是大批生产中在自动线上使用的一种夹具零件工序简图43φDLLφD43φD43LφDL34φDL43φDL34KH1KH3KH4KH2成组夹具：三爪卡盘四爪卡盘万向平口钳回转工作台分度头1）通用夹具：三爪、四爪卡盘，平口钳等，一般由专业厂生产，常作为机床附件提供给用户。2）专用夹具：为某一工件特定工序专门设计的夹具，其特点是结构紧凑，操作迅速，方便，可以保证高加工精度和生产率。缺点：设计制造的周期长，制造费用高。多用于批量生产中。组合夹具槽系组合夹具1－基础件2－支承件3－定位件4－导向件5－夹紧件6－紧固件7－其它件8－合件

孔系组合夹具组合夹具第一类：基础件—主要用做夹具体第二类：支承件—主要用做不同高度的支承和各种定位支承平面

第三类：定位件—主要用做工件定位和组合夹具元件连接定位

第四类：导向件—主要用做钻套、钻模板第五类：压紧件—主要用做夹紧工件

第六类：紧固件—主要用做连接紧固及被加工件紧固

第七类：其它件—主要起辅助作用第八类：合件—不可拆卸，有定位合件、导向合件、分度合件、支承合件、夹紧合件等随行夹具：在自动线或柔性制造系统中使用的夹具。随行夹具：在自动线或柔性制造系统中使用的夹具。随行夹具：在自动线或柔性制造系统中使用的夹具。随行夹具：在自动线或柔性制造系统中使用的夹具。3.机床夹具的组成机床夹具主要由定位元件、夹紧装置、导向装置、夹具体等组成。钻Ф6H9孔专用钻床夹具

（1）定位元件

用来确定工件正确位置的元件。与定位元件相接触的工件表面称为定位表面。

（2）夹紧装置

将定位好的工件夹紧，以承受切削力作用的装置。

（3）导向装置

用来对刀或导引刀具进入正确加工位置的装置。

（4）夹具体

是夹具的基础件，用来连接并固定其它元件或装置。

铣削夹具的组成

铣削夹具主要由定位元件、夹紧装置、对刀块、夹具体、定向键等部件的组成。

夹具体定向键

对刀块定位元件

夹紧装置

定位元件夹紧机构导向元件钻模板夹具体

钻削夹具的组成

钻削夹具

主要由定位元件、夹紧装置、导向元件、钻模版、夹具体等部件的组成。

二、基准及其分类

基准

是用来确定工件几何要素间的几何关系所依据的哪些点、线、面。根据基准的功用不同分为设计基准和工艺基准

1.设计基准

设计基准

是设计图样上所采用的基准，是标注设计尺寸或位置公差的起点。

如图所示：中心线O—O

，端面A均是设计基准。

2.工艺基准

按工艺基准的用途不同分为定位基准、测量基准、工序基准。

（1）定位基准

是加工过程中用作工件定位的基准。

工艺基准是在工艺过程设计中所采用的基准。

（2）测量基准

是测量时所采用的基准。

（3）装配基准

是装配时确定零件或部件在产品中的相对位置所采用的基准。

如图，将孔ΦD套在测量心轴上，测量外圆的径向跳动和B端面的圆跳动，孔ΦD即为测量基准。

如图齿轮装配，齿轮的内孔和左端面即为齿轮的装配基准。

（4）工序基准

是在工序图上用来确定该工序加工表面加工后的尺寸、形状、位置的基准。也是工序图的设计基准。

如图所示工序简图：工件的表面A、B、C

均为加工孔ΦD

的工序基准。

注意：

有时作为基准的点、线、面在工件上不一定具体存在。如孔的中心线，键槽的对称线等等，它们可由某些具体表面来体现，如：孔的轴线可用内孔圆柱面来体现。

基本概念♦

体现基准作用的表面称为基面。♦

体现定位基准作用的表面称为定位基面。

三、工件在夹具中的定位1.夹具上常用的定位元件

（1）支承钉和支承板

用于工件以平面定位。

工件在夹具中定位是通过工件的定位表面与夹具定位元件的工作表面相接触，来保证工件相对机床刀具的正确位置。

（2）定位销

用于工件以圆孔定位。

（3）定位套

用于工件以外圆面和端面定位。

工件

（4）V型块

用于工件以外圆面定位。

2.六点定位原理

任何一个未受约束的物体在空间都具有六个自由度。要使物体在空间具有确定的位置，就必须对六个自由度加以约束。

六点定位原理

是在夹具中设置六个支承点，分别限制工件的六个自由度，使工件在机床上得到确定的位置。

如图加工连杆大头孔时，连杆以底面安装在支承板上，支承板限制了工件三个自由度（

)，小头孔中的圆柱削限制了工件的两个自由度（

)，与连杆大头侧面接触的圆柱削限制了一个自由度（

）。

注意：虽然两定位销结构相同，但相应的支承点数不同，即所限制的自由度数不同。

3.完全定位与不完全定位

完全定位根据被加工面的尺寸和形状要求，工件的六个自由度完全被限制的定位。

不完全定位按加工要求，允许有一个或几个自由度不被限制的定位。在生产中，工件被限制的自由度数一般不少于三个。

不完全定位按加工要求，允许工件有一个或几个自由度不被限制的定位。

图a

铣削圆球上的平面，需要限制1个自由度。图b

加工通球心的径向孔，需要限制2个自由度。

图c

铣削矩形上的平面，需要限制3个自由度。

图d

在圆柱上铣通槽，需要限制4个自由度。图e

在六面体上铣通槽，需要限制5个自由度。

欠定位

按加工要求，工件应该限制的自由度而未予限制的定位。4.欠定位与过定位

注意不完全定位不一定就是欠定位，应根据加工要求判断应限制的自由度是否被限制。

在制定工件的定位方案时，欠定位是绝对不允许的。

条形支承板欠定位

第二章制造工艺装备第四节工件的装夹与机床夹具

改进

将四个支承钉之一改为辅助支承,使之只起支承作用而不起定位作用。

四个支承钉只能限制三个自由度,所以是重复定位。1）四个支承钉支承一个平面的定位

过定位

工件的同一自由度被两个或两个以上的支承点重复限制的定位。

①长销与小端面组合，小端面只限制一个自由度。

②短销与大端面组合，短销只限制两个自由度。

③长销与球面垫圈组合，球面垫圈只限制一个自由度。2）长销与大端面组合定位

大端面可限制三个自由度（）,长销可限制四个自由度（），重复限制了（）出现了过定位。改进

改进

将其中一个定位销做成削边销，使之只限制度，来避免过定位干涉的发生。3）底面与两销孔组合定位

由于两短销均限制了自由度，因此会产生过定位。由于同批工件两孔中心距及夹具两销中心距的误差，可能造成部分工件无法同时装入两定位销内。

4）连杆大头孔与长销接触定位

消除过定位的途径：①改变定位元件的结构。

②提高工件定位基面及夹具定位元件表面之间的位置精度。过定位改为短销

若长销刚度不足，由于夹紧力的作用，长销产生倾斜。

工件定位孔与端面的垂直度误差较大，定位后工件歪斜。5.常见的典型定位方式

四、定位误差分析

如果一批工件在夹具中所采用的定位方式符合定位基本原理，那末该定位方式能否保证工件加工后达到规定的精度要求？

在机械加工过程中，夹具的误差和工艺系统的误差造成了工件的加工误差，它们的关系为：——

除夹具外，与工艺系统有关的其它加工误差。——与夹具有关的加工误差；——工件允许的加工误差；

与夹具有关的加工误差Δj

包括：——工件在夹具中定位时产生的定位误差。——工件在夹具中夹紧时产生的夹紧误差。——夹具安装在机床上产生的夹具安装误差。——刀具相对夹具定位元件位置产生的导引误差。——夹具的磨损引起的加工误差。

（一）定位误差及其产生的原因1.基准不重合引起的定位误差

通常一批工件用夹具定位加工，是按调整法进行的。

如图示，要保证加工尺寸a±△a，按定位原理，只需限制加工尺寸a

所在方向的移动自由度。试问采用哪个面为定位基准（B或C），加工精度高？

（1）工件以B面为定位基准

对于一批工件，如果刀具按距B面的尺寸a来调整，不考虑刀具磨损、工艺系统的弹性变形和热变形等误差因素，则刀具相对定位基准B面间的尺寸a，是稳定不变的。

以B面为基准调整刀具的加工位置，直接保证了尺寸a，不存在定位基准引起的误差。

（2）工件以C面为定位基准

如果刀具按距C面的尺寸a’

来调整，加工时所保证的尺寸不是a，而是a’。则尺寸a不是直接保证的而是间接获得的。

对于一批工件，当刀具按C

面调整好而处于一定位置时，每个工件的B面位置，是随尺寸Ld的变化而变化。其最大变动范围ΔLd由下式计算：

（3）小结

①

选择

C

面为定位基准，在尺寸a中，附加了ΔLd

误差值，最终影响尺寸a的精度。

②

工件的定位基准选择不当，会给加工尺寸附加一种误差，从而降低加工精度。

③

设计基准和定位基准不重合，两者必然存在尺寸联系，该尺寸称为定位尺寸，其公差为影响加工尺寸的一种附加误差，称为基准不重合定位误差Δj.b。

2.基准位移引起的定位误差

如图，一套筒零件以心轴定位铣键槽。要求保证尺寸

b+Δb和h-Δh。尺寸b+Δb由铣刀刃宽决定，尺寸h-Δh按心轴中心调整铣刀的高度位置来保证。

（1）当工件以圆孔在心轴上定位时，相当于以孔中心为定位基准。由于工件圆孔中心又是设计基准，故此定位方案不存在基准不重合误差。

（2）实际定位时，工件的定位基准面和定位元件工作面（定位副）还存在制造误差。

如图，为使工件圆孔易于装入心轴，需要定位副之间有最小配合间隙。当心轴水平放置时，存在工件孔壁与心轴上母线接触。所以工件中心和心轴中心不可能保持完全同轴。

当按心轴中心调整铣刀位置铣削时，工件的h尺寸附加了圆孔对于心轴中心的位置偏移误差，该误差由定位副制造不准确所引起。

工件圆孔中心是定位基准，心轴中心是夹具确定刀具相对工件位置的依据。夹具的对刀块位置就是以心轴中心为基准标注的。心轴中心被称为起始基准。

定位基准的最大位移范围由圆孔和心轴间最大间隙决定，即

由于制造误差，工件的定位基准相对于定位元件的起始基准发生位移。最大位移范围，就是由定位副制造不准确引起定位基准位移误差Δj.y

。

3.结论

（1）工件定位时，不仅要限制工件的自由度，使工件在加工尺寸方向上有确定的位置，还必须减少定位误差。①定位基准与设计基准不重合，产生基准不重合的定位误差Δj.b。②定位副制造不准确，引起定位基准相对夹具定位元件的起始基准发生位移，产生基准位移定位误差Δj.y。

（3）总定位误差为：

（2）产生工件定位误差的原因有两个：

1.夹紧装置的组成

五、工件在夹具中的夹紧

（一）夹紧装置的基本要求

力源装置产生夹紧动力。

传力机构介于力源和夹紧元件之间的传力机构。传力机构可改变夹紧力的方向、大小。

夹紧元件与工件受压面直接接触完成夹紧作用的执行元件。

对于手动夹具，又将中间传力机构和夹紧元件一起称作夹紧机构。

2.夹紧装置的基本要求

1）夹紧时不能破坏工件的定位位置。

2）夹紧力应保证工件位置在加工中不移动。3）夹紧力不应使工件产生变形和表面损伤。

4）夹紧机构要有足够的强度、刚度和自锁保护装置。5）夹紧机构的操作必须安全、省力、方便。

结论：夹紧力的作用点必须作用在定位元件上，或定位元件所形成的稳定受力区内。

（二）夹紧力的确定1.夹紧力作用点的选择

夹紧力的作用点是指夹紧元件与工件接触的位置。

（1）作用点应能保持工件定位稳固

（2）作用点应位于工件刚性较好的部位夹紧力不应形成集中载荷

图a，夹紧元件——球头销钉与工件受压面作点接触，该点上的夹紧力相当于一个集中载荷。

夹紧力应构成分散载荷

图b，将夹紧元件改换成球面压块，使集中载荷改为分散载荷，并作用于壳体圆筒部分的圆周上。

（3）作用点尽量靠近工件被加工表面

如图示：夹紧力Q对着主要定位面而远离加工表面，这时应增加附加夹紧力Q1，并在附加Q1力下方设置辅助支承A。

结论在夹具中，增加的附加夹紧力Q1

的位置越接近工件被加工表面越好。

2.夹紧力作用方向的选择

（1）夹紧力应保证定位准确可靠，不破坏定位精度

结论：夹紧力应垂直于B面，才不会破坏原定位精度。否则，需提高A、B两平面的垂直度精度。

（2）夹紧力的方向应有利于减小夹紧力

在图a中，切削力P、重力W和夹紧力Q三力方向相互垂直，若不计W的影响，则：

图b中，钻削时Q、P、W三力方向相同，则这时夹紧力Q最小。

如图，当夹紧力Q的方向与切削力P、工件重力W的方向相反时，则：

该加压方式所需的Q较大，且

P、W力的方向直接朝向夹紧机构，有迫使夹紧机构松开的趋势，使定位也不牢靠。

结论：考虑到重力W

对工件的影响，工件的主要定位面应位于水平面内，应该由上向下装夹工件。

3.夹紧力的大小确定

确定夹紧力依据切削力、重力和惯性力按类比经验法进行估算。对于关键工序的重要夹具，还需要通过实验或实测确定所需夹紧力。

夹紧力大小的粗略估算法：Q’

—

最不利加工条件下，与切削力相平衡的计算夹紧力。

k—

安全系数（粗加工

k=2.5~3，精加工

k=1.5~2）。Q—

实际所需夹紧力。

为了选择合适的夹紧装置及其动力部件，保证夹紧的可靠性，需要确定夹紧力的大小

（三）典型夹紧机构1.斜楔夹紧机构

主要利用斜楔斜面移动所产生的压力来夹紧工件，起到楔紧作用。

作用原理

结构特点

使用范围

主要用于机动夹紧装置中，且要求毛坯的质量较高。

斜楔的斜度一般取为1:10。其大小根据满足斜楔的自锁条件来确定。

♦斜楔具有自锁性

满足自锁的条件：

♦斜楔能改变夹紧作用力方向

♦斜楔的夹紧行程较小

♦斜楔具有增力作用

2.偏心夹紧机构

（1）作用原理

O1是偏心圆的几何中心，R是圆半径；O是偏心圆的回转中心，R0

是最小回转半径，偏心距e=R–R0

。

当偏心圆绕O点顺时针回转时，偏心轮的回转半径不断增大，阴影部分的曲线楔将工件逐渐压紧。

（2）适用范围

偏心夹紧机构夹紧快速。偏心轮结构简单，但夹紧力小，自锁性能欠好，故广泛应用于切削负荷不大的场合。

3.螺旋夹紧机构

（1）作用原理

螺旋夹紧机构的螺旋，相当于斜楔绕在圆柱体。通过转动螺旋体而夹紧工件。

（2）结构特点

套筒2使螺钉不直接与夹具体结合，保护夹具体。制动螺钉3可防止套筒转动。摆动压块5压紧工件，可避免螺钉直接接触工件，也避免拧动螺钉时，带动工件偏转。

（3）适用范围

螺旋夹紧机构的螺钉升角α≤40，自锁性能良好，能耐振。

螺旋相当于长斜楔绕在圆柱体上，夹紧行程不受限制，可通过增长螺钉长度来加大行程。

螺旋夹紧机构结构简单，制造容易、夹紧可靠，增力比大、夹紧行程不受限制。

广泛用于手动夹紧装置中。但其夹紧过程慢，效率较低。

（4）快速夹紧螺旋夹紧机构1）开口垫圈式快速夹紧2）移动套筒式螺旋夹紧机构

如图：螺母套筒不直接固定在夹具体上，而是以其外圆上的L形槽沿着夹具体上的固定销来回移动。

4.杠杆夹紧机构

杠杆夹紧机构是利用杠杆原理直接夹紧工件，一般不能自锁，大多以气压或液压作为夹紧动力源。

图b，压板1安置在固定的定位套2内部。拉杆3向上时，压板1便回转而掀起，可卸下工件。拉杆3向下，压板1复位，夹紧工件。

如图，夹紧动力源通过臂4，使钩型压板1压紧工件。利用压板直杆上的螺旋槽L和钢球3，使压板上下移动时，可自动回转，便于装卸工件。螺旋槽的β角取300~400。支承套2可防止压板在压紧时，向后变形。

特点

夹紧机构结构紧凑。利用杠杆的运动，使压板自动地进入或退出夹紧位置，便于装卸工件。但其夹紧行程较大，一般不增力。

5.铰链夹紧机构

图示为单臂铰链夹紧机构。臂3一头铰链连接压板4，另一头铰接滚子2。滚子2由气缸活塞杆推动，可在垫板1上来回运动。当滚子落在垫板1外面时，使压板4让开，便于装卸工件。当滚子2向右运动时，通过臂3使压板压紧工件。

四、复合夹紧机构

复合夹紧机构由典型夹紧机构、中间传力机构和力源装置等组成。1.斜楔钩形压板

图示，斜楔与杠杆夹紧机构组成的复合夹紧机构，其中夹紧动力源是气压。活塞杆4推动斜楔2向左移动，斜楔通过滚子3将钩形压板1拉下，压紧工件。

2.圆偏心压板

图a

为标准圆偏心轮和压板组成的复合机构。扳动手柄2，使圆偏心在转轴中回转，而抬起压板压紧工件。

图b

为另一种圆偏心压板。手柄2通过转轴带动圆偏心1回转，从而将圆偏心顶起推杆，使压板压紧工件。

图c

为弥补圆偏心夹紧行程较小，增加了行程调节装置的圆偏心压板机构。用螺钉1移动斜面垫板2，以适应夹压面位置的变动，扩大了压板的夹紧行程的范围。

2.圆偏心压板

图a

为标准圆偏心轮和压板组成的复合机构。扳动手柄2，使圆偏心在转轴中回转，而抬起压板压紧工件。

图b

为另一种圆偏心压板。手柄2通过转轴带动圆偏心1回转，从而将圆偏心顶起推杆，使压板压紧工件。

3.螺钉-压板型夹紧机构

普通螺钉-压板型夹紧机构由螺旋夹紧机构与杠杆压板组成。根据杠杆的支点和力点的位置不同，有三种型式：

图a结构主要用于增大夹紧力

（1）普通螺钉-压板夹紧机构