机械制造工艺学 第3章 机床夹具设计.ppt

1、1,第3章 机床夹具设计,2,3.1 机床夹具概述,任何一个机械零件，其设计精度都是通过加工保证的。要完成零件的机械加工内容，首先必须解决工件在机床上的装夹问题。也就是说，工件必须在机床上占据一个正确的加工位置，只有这样，才能正确地加工零件，进而保证零件图上的设计要求。机床夹具则是完成这一使命的工艺装备。,3,3.1.1 机床夹具的概念及工作原理,事实上，工件相对机床上加工刀具的正确位置，是分三步实现的。首先，工件应在夹具上占有一个正确位置，这是通过夹具上各定位元件的定位工作面与工件的定位基准面形成配合或接触的关系来实现的。其次，夹具应在机床上占据相对准确的位置，这是由夹具与机床的连接表面及相

2、应的连接元件保证的。夹具的结构本身就保证了夹具与机床的连接表面相对夹具定位元件的定位工作面的正确工作位置，进而保证了夹具定位元件的定位工作面在机床上的正确位置。再次，机床加工刀具相对夹具上定位元件的定位工作面应具有一个正确位置，这是由夹具上的对刀元件保证的。通过夹具上的对刀元件调整刀具的位置，使其相对定位元件的定位工件面调整到准确的位置，也就保证了刀具在工件上加工出的表面相对工件定位基准的位置尺寸。,4,3.1.2 夹具的作用与分类,3.1.2.1夹具的作用 夹具作为一种工艺装置，在机械加工生产中有着十分广泛的应用，归纳起来可以概括为下列几点： （1）稳定可靠地保证工件上的各项加工精度要求。这

3、是夹具设计的出发点，也是夹具设计的落脚点。 （2）缩短装夹时间，提高劳动生产率，降低生产成本。这是由夹具能迅速准确的完成工件的装夹来实现的。 （3）改善工人的劳动条件。这是就用夹具实现工件的装夹与其它装夹方法相比较而体现出来的。 （4）扩大机床的使用泛围。这是通过各类夹具的广泛使用体现出来的，如在车床上使用镗模，可以完成工件上的孔系加工。,5,3.1.2.2夹具的分类,夹具的分类方法很多，下面主要介绍夹具常用的三种分类方法。 (1)按夹具的通用程度分类 (2）按使用夹具的机床种类分类 (3）按夹具使用的夹紧力源分类,6,3.1.3 机床夹具的组成,图3.3 连杆铣槽夹具 1菱形销 2对刀块 3

4、定位键 4夹具体 5圆柱销 6工件 7弹簧 8螺栓 9螺母 10压板 11止动销,7,3.2 工件在夹具上的定位,工件在夹具上的定位是通过工件的定位基准面与夹具定位元件的定位工件面的配合或接触来实现的。工件的定位基准不同，所用的定位元件的结构也就不同。本节着重介绍工件以不同表面定位时所用的定位元件的名称、结构、应用及定位分析等内容。在此基础上，进行定位误差的分析和计算。,8,3.2.1 工件以单个典型表面定位,所谓工件以单个典型表面定位，就是指工件以最为常用的平面、圆柱孔、外圆柱面做定位基准。 工件以平面定位时，定位形式是支承定位；工件以圆柱孔和外圆柱面定位时，定位形式多见定心定位，即工件的定

5、位基准是轴线，此外也可用于支承定位。,9,3.2.1.1工件以平面定位,工件以平面定位属支承定位。此时，夹具上所用的定位元件主要有以下几种： （1）固定支承 （2）可调支承 （3）自位支承,10,3.2.1.2工件以圆柱孔定位,件以圆柱孔定位，通常是定心定位，少数情况下也用于支承定位（定位基准是圆柱的母线），夹具上相应的定位元件主要有定位心轴和定位销。,11,3.2.1.4工件以外圆柱表面定位,工件以外圆柱面定位时，其定位性质可分为定心定位和支承定位。定心定位时常用的定位元件为V形块、圆定位套、圆锥套，支承定位时所用定位元件为支承板、支承钉。,12,3.2.2 工件以组合表面定位,工件上多个表

6、面共同做定位基准来满足本身加工定位的要求称为组合定位。组合定位时，工件上多个定位基准面有主次之分，限制工件自由度数最多的定位表面称第一基准面，限制工件自由度数次多的定位面称第二基准面，限制工件自由度数为1的定位称第三基准面。,13,3.2.2.2组合定位的定位分析要点,（1）先分析限制工件自由度数最多的那个定位元件（或定位元件的典型组合，如三个支承钉的组合，两个短V形块的组合等）限制工件的具体自由度，再分析限制工件自由度次多的那个定位元件限制的具体自由度，以此类推。只有这样，才能发现是否存在欠定位或过定位现象。 （2）定位元件组合时限制工件自由度的总数目等于各个定位元件单独定位时限制工件自由度

7、数目之和，但具体限制哪些自由度却会随组合情况的不同而发生变化。,14,（3）定位元件单独使用时限制移动自由度，在组合定位中常会转化成限制转动自由度。一经转化，将不再起单独定位时的作用。 （4）单个表面的定位是组合定位分析的基本单元，否则繁锁且易出错。工件上的单个定位表面与那些定位元件相接触，就分析这些定位元件能限制工件哪些自由度。,15,3.2.2.3组合定位时过定位现象的消除方法,组合定位时，常常会发生过定位现象。若这种过定位现象为工件加工所不允许时就必须想法予以消除。常用的消除过定位的方法有三种： （1）使定位元件在产生过定位的方向上可移动，以消除该方向的移动过定位。 （2）采用自位支承，

8、消除定位元件绕某个（或某两个）坐标轴转动方向的过定位。 （3）改变定位元件的结构形式来消除过定位。,16,3.2.2.4工件以一面两孔定位的设计计算,工件以一个大平面及与该平面垂直的两个圆柱孔组合定位，简称为一面两孔定位。这里，两圆柱孔可以是零件上按功能需要的孔，也可以是为完成工艺过程而专门设计的辅助工艺孔，且两孔直径尺寸不要求相同。此时，夹具上的定位元件由一个大的支承板及与该支承板垂直的两短销组合。生产实际中，一面两孔组合形式常作为箱体类、连杆类、盘盖类零件的统一基准而广泛应用。,17,3.2.3 定位误差的分析与计算,在成批大量生产中，广泛使用专用夹具对工件进行装夹加工。加工工艺规程设计的

9、工序图则是设计专用夹具的主要依据。由于在夹具设计、制造、使用中都不可能做到完美精确，故当使用夹具装夹加工一批工件时，不可避免地会使工序的加工精度参数产生误差，定位误差就是这项误差中的一部分。判断夹具的定位方案是否合理可行，夹具设计质量是否满足工序的加工要求，是计算定位误差的目的所在。,18,3.2.3.1用夹具装夹加工时的工艺基准,用夹具装夹加工时涉及的基准可分为设计基准和工艺基准两大类。设计基准是指在设计图上确定几何要素的位置所依据的基准；工艺基准是指在工艺过程中所采用的基准。与夹具定位误差计算有关的工艺基准有以下三种： （1）工序基准 （2）定位基准 （3）对刀基准,19,3.2.2.3定

10、位误差产生的原因及其计算,（1）基准不重合误差 （2）基准位置误差 （3）定位误差的计算,20,3.2.3.4分析计算定位误差时应注意的问题,（1）定位误差是指工件某工序中某加工精度参数的定位误差。它是该加工精度参数（尺寸、位置）的加工误差的一部分。 （2）某工序的定位方案对本工序的多个不同加工精度参数产生不同的定位误差，应分别逐一计算。 （3）分析计算定位误差的前提是用夹具装夹加工一批工件，用调整法保证加工要求。 （4）计算出的定位误差数值是指加工一批工件时某加工精度参数可能产生的最大误差范围（加工精度参数最大值于最小值之间的变动量）。它是个界限范围，而不是某一个工件定位误差的具体值。 （5

11、）一批工件的设计基准相对定位基准、定为基准相对对刀基准产生最大位置变动量 、 是产生定位误差的原因，而不一定就是定位误差的数值。,21,3.2.4 工件在夹具中加工精度的分析与定位方案的确定,任何一种机械产品，在加工的工艺过程中都不可避免地存在着加工误差，即加工几何参数的实际值与其理想值之间存在偏差。这种偏差越大，加工误差就越大，实际参数的精度就越低。所谓合格零件，是指加工误差不超出设计给定的公差值的零件。产生加工误差的原因是多方面的，其中一部分就来源于夹具。在夹具设计时，分析产生加工误差的原因，并把加工误差控制在允许的范围之内，对于提高夹具设计质量，保证工件加工质量具有重要意义。,22,3.

12、2.4.1工序精度参数的加工误差,所谓工序加工精度参数，是指在工序图上标注出的、通过本工序的加工来保证精度的参数，如位置尺寸、垂直度、同轴度、平行度等。机械加工过程中，夹具的主要功能是保证零件上要素间的位置精度。用夹具装夹加工一批零件时，工序加工精度参数的加工误差由两部分组成，其一是于夹具的设计、制造、使用等有关的加工误差，简称夹具误差；其二是于工艺系统中除夹具之外的其它组成部分（机床、刀具、工件）有关的加工误差，简称其它误差。,23,3.2.4.2工序加工精度参数公差的分配与定位方案的确定,(1)工序加工精度参数公差的分配 (2)定位方案的确定 由定位误差的组成可知，只要合理选择定位基准，合

13、理选择定位元件并进行合理的组合与布置，就可以大大减小定位误差甚至使定位误差为零，这就是所谓的定位方案的设计问题。往往一道工序的定位方案有多个，需要择优选用。定位方案是否能满足工序的加工要求，一般的判断准则是看定位误差是否超出工序加工精度参数设计公差的三分之一。,24,3.2.5 定位误差分析计算综合实例,例：在下图中，零件图上标注出槽子中心平面对工件两孔轴线所决定的对称中心平面的夹角要求为4530，试计算工件以图示定位方案定位时槽子角度的定位误差并判断定位方案的合理性。,25,3.3工件在夹具上的夹紧,夹紧是工件装夹过程的重要组成部分。工件定位之后必须通过夹具上的夹紧装置将其可靠地固定在正确的

14、加工位置上，使其在承受工艺力和惯性力等的情况下正确位置不发生变化。否则，正确定位遭到破坏，就不能保证加工要求。,26,3.3.1 夹紧装置的组成,（1）夹紧力源装置 （2）中间递力机构 。 （3）夹紧元件,27,3.3.2 对夹紧装置的基本要求,工件的装夹包括“正确定位”和“正确夹紧”两部分，正确夹紧是通过夹紧装置实现的。为此，必须对夹紧装置提出最基本的要求： （1）夹紧应可靠、适当。夹紧可靠是指夹紧时不能破坏工件原有的正确定位，并且能保证正确位置在加工过程中不发生变化。夹紧适当，是指在夹紧可靠的前提下，夹紧力要适当，不致使工件或定位元件变形，甚至损伤工件的夹紧表面。 （2）夹紧装置应操作方便

15、、省力、动作迅速、使用安全。这样能减轻工人的劳动强度，提高生产率，保证工人的人身安全及工装的安全使用。,28,（3）夹紧装置的结构应力求简单、紧凑，并尽可能多地采用标准元件（如标准紧固件、标准气缸、标准油缸等的采用），以缩短夹具的设计和生产周期。 （4）夹紧装置应保证一定的夹紧行程。所谓夹紧行程是指夹紧元件在工件被夹紧表面的法线方向上的最大位移量。夹紧行程必须满足工件装卸所需空行程，并且能够对夹紧元件制造误差、夹紧元件的磨损量、夹紧装置各环节间隙及夹紧变形、工件被夹紧表面尺寸的变化等等提供补偿。,29,3.3.3 夹紧力的确定,对工件施加夹紧力是夹紧装置的首要任务。因此，设计和选用夹紧装置的核

16、心问题，就是如何正确地确定夹紧力。夹紧力的确定包括三个方面，即夹紧力大小的确定、夹紧力方向的确定和夹紧力作用点的确定。,30,3.3.3.1夹紧力方向的确定,要正确实施夹紧、夹紧力方向的确定应考虑以下几点： （1）主要夹紧力的作用方向应指向工作主要定位基准面，以保证工件的加工要求。 （2）夹紧力的作用方向不应破坏工件的准确定位，应使工件定位正确稳定。 （3）夹紧力的作用方向应尽量与工件刚度大的方向相一致，以减小工件夹紧变形。 （4）夹紧力的作用方向应尽可能有利于减小夹紧力，以利于夹紧装置体积的减小。,31,3.3.3.2夹紧力作用点的确定,在夹紧力作用方向正确确定的前提下，夹紧力作用点的正确与

17、否，对夹紧来说仍是一个很重要的问题。夹紧力作用方向正确，但因夹紧力作用点不合理，仍会造成正确定位被破坏，工件夹紧变形大等影响加工质量的问题。,32,3.3.3.3夹紧力大小的估算,(1）夹紧力的大小应适当 (2）夹紧力的大小应稳定 (3）夹紧力大小的估算,33,3.3.4 基本夹紧机构,夹紧机构是夹紧装置的重要组成部分，它包括了中间递力机构和夹紧元件两部分。各类机床夹具的夹紧机构虽多种多样，但其中间递力机构都是斜面、螺旋、圆偏心轮、杠杆等这些元件组成的。本小节主要介绍由斜面、螺旋、圆偏心轮组成的最基本的斜楔夹紧机构、螺旋夹紧机构及圆偏心夹紧机构的特点、工作原理、夹紧力的大小、自锁条件及其应用。

18、,34,3.3.4.1斜楔夹紧机构,(1）斜楔夹紧机构的工作原理 斜楔夹紧机构是利用斜楔的轴向移动直接对工件进行夹紧或推动中间元件将力传递给夹紧元件再对工件进行夹紧。 (2）楔斜夹紧机构夹紧力的计算 (3）斜楔夹紧机构的自锁条件 (4）斜楔夹紧机构的夹紧行程 (5）斜楔夹紧机构的特点及应用,35,3.3.4.2螺旋夹紧机构,（1）螺旋夹紧机构的工作原理 螺旋夹紧机构是利用螺旋副配合转动产生的轴向移动和轴向力直接夹紧工件或推动夹紧元件对工件实施夹紧的。 （2）螺旋夹紧机构的夹紧力 螺栓或螺钉上的螺旋线相当于绕在其中径上的一个斜面，从本质上讲，螺旋夹紧机构是由斜楔夹紧机构演变而来的。 （3）螺旋夹

19、紧机构的夹紧行程 螺旋相当于绕在圆柱体上的长斜楔，增大螺旋的轴向尺寸便可获得大的夹紧行程，很方便。 （4）螺旋夹紧机构的自锁条件 （5）螺旋夹紧机构的特点、应用及快速作用措施,36,3.3.4.3圆偏心夹紧机构,（1）圆偏心夹紧机构的工作原理及主要结构参数 （2）圆偏心夹紧机构夹紧力的计算 （3）圆偏心夹紧机构的自锁条件 （4）圆偏心夹紧机构的特点及应用,37,3.3.5 定心夹紧机构,定心夹紧机构就是在对工件进行定位的同时完成对工件的夹紧的机构。当工件的定位基准为轴线、对称中心线、对称平面时，常常使用具有定心作用的夹具。所谓“定心定位”是指当工件在夹具中正确定位时，夹具定位元件体现的对称中心

20、线、对称平面理论上和工件的定位基准是重合的。定心夹紧机构的定位和夹紧过程是同时完成的，可缩短工件的装夹时间，提高劳动生产率，因此在生产中得到广泛应用。,38,3.3.5.1三爪卡盘,三爪卡盘是车床上的标准附件，是工件以外圆柱面定位时使用最为广泛的通用夹具，它就是一个典型的定心夹紧机构，虽然简单、普通、常用，但却值得一提。三爪卡盘的三只卡爪能同步移动，因此在夹紧工件的同时实现定心定位。三爪卡盘常用于工件的粗加工和半精加工。,39,3.3.5.3斜楔式定心夹紧机构,斜楔式定心夹紧机构常用于工件以圆柱孔定位的情况。依靠斜楔的移动，推动滑块径向移动，实现对工件的定心定位和夹紧。如下图,40,3.3.5

21、.4螺旋定心夹紧机构,螺旋定心夹紧机构是利用等螺距的左右旋螺纹驱动两活动V形块对工件实施定心夹紧。工件以对称中心平面为定位基准时，应用这种夹紧机构。如下图,41,3.3.5.5弹性薄膜卡盘,齿轮加工中，常以齿轮分度圆齿面定位（定位基准是分度圆柱面的轴线），精加工齿轮内孔，以保证内孔与分度圆的同轴度。 如下图,42,3.3.5.6液塑定心夹紧机构,当工件以圆柱孔定位时，常以液体塑料产生的弹力对工件实施定心夹紧。 如下图,43,3.4 夹具的其它装置与元件,工件在夹具中的正确位置是依靠工件的定位面与夹具定位元件的定位工作面形成配合、接触或对准的关系而获得的，定位元件固定在夹具体上。要保证工件加工后

22、表面的位置精度要求，夹具定位元件的定位工作面必须相对机床、刀具的切削成形运动占据一个正确的位置，这个要求依靠夹具与机床的正确连接、夹具上的对刀或刀具引导元件、分度等装置的功能来保证的。,44,3.4.1 夹具在机床上的装夹方式及连接元件,工件的加工表面是由刀具和工件的相对运动形成的，工件装夹在夹具上，而夹具又装夹在机床上。因此，工件在夹具中正确定位后，还必须使夹具对机床、刀具有正确的位置。,45,3.4.2 对刀元件与刀具引导元件,(1)对刀元件 对刀元件主要设置于铣床、刨床夹具上，用来确定刀具相对夹具定位元件定位工作面的位置，保证工件的加工精度要求。 (2)刀具引导元件 刀具引导元件主要应用

23、于钻模和镗模上，用来引导钻头或镗刀杆，使其相对于定位元件的定位工作面具有正确位置，以保证工件上孔或孔系的位置精度要求。,46,3.4.3 分度装置,(1)圆分度装置的结构形式,47,(2)圆分度装置实例分析,48,3.4.4 夹具体,夹具体是夹具上最大的也是最为复杂的基础零件。夹具的所有元件、装置、机构都要安装在它的上面。通过夹具体使各元件、机构、装置组成一个有机的整体夹具。同时，夹具体又是整套夹具与机床固定连接的重要零件，通过它使夹具在机床上获得正确的位置。因此，夹具体的结构、形状和尺寸，不仅取决于工件的形状、尺寸和夹具的元件、机构的布置情况，而且还应考虑机床与刀具的结构特点。专用夹具的夹具

24、体一般都是非标准件，是需要专门设计制造的。工件在加工过程中，夹具体受力较大，它的结构和工作状态直接影响夹具的工作质量，进而影响工件的加工质量。,49,3.5 各类机床夹具设计要点,各类机床夹具都是由定位元件、夹紧元件、夹具体和其他一些辅助装置所组成，但不同的机床夹具，由于所完成的工艺范围不同，工作条件不同以及结构形式、技术要求等不同，都各具有自己的设计特点。,50,3.5.1 钻床夹具,钻床夹具又称钻模，加工时借助于钻模板上的钻套引导刀具。工件上孔的尺寸精度主要由刀具的精度来保证，孔的位置精度，主要是由钻套的位置精度来保证的，因为钻套的位置决定了刀具相对于夹具定位元件的位置。,51,3.5.2

25、 镗床夹具,镗床夹具又称镗模，是一种精密夹具，主要用来加工箱体类零件上的精密孔系。镗模和钻模一样，加工时依靠安装在镗模支架上的镗套来引导镗杆，从而保证所镗的孔有很高的位置精度。镗模广泛应用于高效率的专用组合镗床和一般普通镗床。,52,3.5.3 铣床夹具,铣削加工是机械加工的重要工种之一，一般用于加工平面、沟槽、台阶面、成型面等。由于铣削方式、生产批量、工件的复杂程度、加工精度、加工部位、所用的机床类型以及生产率要求等不同，铣床夹具的类型很多。,53,3.5.4 车床夹具,车床夹具主要用来加工零件的内外圆柱面、圆锥面、回转成形面、螺纹和端平面等。,54,3.5.6 其他夹具,(1)成组夹具 成

26、组夹具是在成组技术的原理指导下，为执行成组工艺而设计的夹具。在实行成组加工工艺时，首先根据零件的相似性分类成组，然后制定成组加工工艺，并设计出适用于零件组内所有零件的某个工序加工的夹具成组夹具。与专用夹具相比，成组夹具的设计不是针对某一零件的某个工序的装夹，而是针对零件组内所有零件的某个工序的装夹。 (2)组合夹具 组合夹具是一种根据工件工序的加工要求，利用一套预先制好的、具有不同形状和尺寸的标准元件及合件组合而成的夹具。,55,3.6 机床夹具设计步骤与方法,3.6.1 专用夹具设计的基本要求 对机床专用夹具设计的基本要求可概括为以下几个方面： （1）稳定地保证工件的加工要求。保证工件的加工要求是设计专用夹具的最基本要求，必须首先保证。要做到这一点，最关键的是确定正确的定位方案、刀具引导方式以及夹具的各项技术要求。必要时还需要进行误差的分析计算。 （2）提高机械加工劳动生产率、降低成本。夹具设计时应尽量采用各种快速高效的结构，如采用多件夹紧、联动夹紧装置缩短辅助时间，提高生产率。同时应尽量使夹具结构简单，制造容易，以降低夹具制造成本。,56,（3）操作方便，工作安全，减轻工人的劳动强度。应尽可能采用气动、液压或气液联动等机械化夹紧装置，以减轻工人的劳动强度；夹紧装置的操作手柄应处于方便工人操作的位置；应