数控加工工艺第六讲.ppt

1、课程: 数控加工工艺学,主讲教师：葛新锋,Chapter 5、机床夹具,本章要点,机床夹具概述,工件在夹具上的定位,工件夹紧,各类机床夹具,夹具设计步骤与方法,柔性夹具,计算机辅助夹具设计,第5章 机床夹具设计,夹具？ 在机床上对工件进行加工时，为保证加工精度和提高生产率，使工件在机床上相对刀具占有正确位置的辅助装置。 对机械加工质量、工人劳动强度、生产率和生产成本有直接影响。 比直接装夹和划线找正等方法更为快捷有效,5.1.1 机床夹具定义和组成,连杆铣槽夹具 1 菱形销 2 对刀块 3 定位键 4 夹具底板 5 圆柱销 6 工件 7 弹簧 8 螺栓 9 螺母 10 压板 11 止动销,5.

2、1.1 机床夹具定义和组成,铣轴端槽夹具 1 V型块 2 支撑套 3 手柄 4 定向键 5 夹具体 6 对刀块,5.1.1 机床夹具定义和组成,夹具工作的要点 使工件在夹具中占有正确的位置；（工件在夹具中的定位） 夹具对机床有准确的相对位置（夹具相对机床的定位） 定位元件的定位工作面对于夹具与机床相联接的表面之间有准确的相对位置，从而满足工件加工面对定位基准的相互位置精度要求； 刀具相对定位元件的定位工作面调整到准确位置，保证刀具在工件上加工出的表面对工件定位基准的位置尺寸；（对刀） 定位始终可靠，需要夹紧。,5.1.1 机床夹具定义和组成,夹具的组成 1、定位元件 用以确定工件在夹具中的位置

3、 2、夹紧装置 保持工件在夹具中的既定位置 加工过程中不因外力而改变位置 3、对刀与导引元件 预先调整夹具相对于刀具的位置 4、联接元件和联接表面 确定夹具在机床上的位置 5、夹具体 夹具的各种元件、装置联结成一个整体的基础件 6、其它装置 一些特殊需要而设置的装置,5.1.1 机床夹具定义和组成,5.1.2 机床夹具功能,1）保证加工质量 用夹具装夹工件时，工件相对于刀具及机床的位置精度由夹具保证，不受工人技术水平的影响，使一批工件的加工精度趋于一致。 2）提高生产效率，降低生产成本 使用夹具装夹工件方便、快速，工件不需要划线找正，可显著地减少辅助工时；工件在夹具中装夹后提高了工件的刚性，可

4、加大切削用量；可使用多件、多工位装夹工件的夹具，并可采用高效夹紧机构，进一步提高劳动生产率。 3）扩大机床工艺范围 根据加工机床的成形运动，附以不同类型的夹具，即可扩大机床原有的工艺范围。例如在车床的溜板上或摇臂钻床工作台上装上镗模，就可以进行箱体零件的镗孔加工。 4）减轻工人劳动强度，保证安全生产,三爪卡盘,四爪卡盘,万向平口钳,回转工作台,分度头,通用夹具,5.1.3 机床夹具分类,专用夹具,5.1.3 机床夹具分类,5.1.3 机床夹具分类,组合夹具实例,5.1.3 机床夹具分类,可分为钻床夹具、铣床夹具、车床夹具、磨床夹具等。, 按使用机床划分,可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、真空

5、夹具、电动夹具等。, 按夹紧力源划分,气动虎钳 液压夹具,5.1.3 机床夹具分类,第5章 机床夹具设计,定位的概念 定位使工件占据规定的位置 夹紧使该既定位置固定下来 安装是指工件从定位到夹紧的过程 注意：首先选择与夹具定位元件接触的表面，即选择工件的定位基准。工件的定位基准一旦选定，则工件的定位方案、夹具的定位元件也就基本确定了。,足够的精度。足够的硬度和耐磨性。足够的刚度和强度。工艺性要好。便于清除切屑。,定位元件的基本要求,5.2 工件在夹具上定位,工件以平面定位,固定支承,为保持几个支承板的等高性应: 严格控制其高度公差 装配后统一磨削 在设计时应注意，支承板定位表面应被工件定位表面

6、完全遮盖，即其面积小于工件定位表面面积，以使定位元件均匀磨损。,5.2.1 定位方法与定位元件,可调支承支承点的位置可以在一定高度范围内调整的支承。当工件定位表面不规整或工件批与批之间毛坯尺寸变化较大时，常用可调支承。,可调支承,注意：每一批工件都要对可调支承进行调整，且调整完后一定要锁紧，即将该位置固定。,5.2.1 定位方法与定位元件,自位支承,自位支承又称浮动支承。在定位过程中，支承点可以自动调整其位置以适应工件定位表面的变化。只限制一个自由度，可提高工件的安装刚性和稳定性。,5.2.1 定位方法与定位元件,辅助支承在工件完成定位后才参与支承，它不起定位作用，而只起支承作用，常用于在加工

7、过程中加强被加工部位的刚度，提高切削稳定性。,辅助支承,5.2.1 定位方法与定位元件,平面定位元件的选用 面积较小的基准平面选用支承钉 面积较大、平面度精度较高的基准平面定位选用支承板 毛坯面、阶梯平面和环形平面作基准平面定位时，选用自位支承 毛坯面作基准平面，调节时可按定位面质量和面积大小分别选用可调支承 当工件定位基准面需提高定位刚度、稳定性和可靠性时，可选用辅助支承,5.2.1 定位方法与定位元件,工件以圆柱孔定位,心轴在车、铣、磨、齿轮加工等机床上加工套筒类和盘类零件。,5.2.1 定位方法与定位元件,工件以圆柱孔定位,心轴,5.2.1 定位方法与定位元件,工件以圆柱孔定位,心轴,5

8、.2.1 定位方法与定位元件,工件以圆柱孔定位,心轴,液塑心轴,5.2.1 定位方法与定位元件,工件以圆柱孔定位,定位销：工件上定位内孔较小时，常选定位销,圆柱定位销,5.2.1 定位方法与定位元件,工件以圆柱孔定位,定位销,5.2.1 定位方法与定位元件,工件以外圆柱面定位,套筒,套筒定位,当工件对称度要求较高时，选用V形块 当工件定位圆柱面精度较高时，可选用定位套或半圆形定位座,5.2.1 定位方法与定位元件,5.2.1 定位方法与定位元件,对于有些大型工件，不便从轴向安装，此时可利用半圆套定位。如下图上半圆夹紧，下半圆定位。,半圆套,5.2.1 定位方法与定位元件,V形块的结构类型,图a

9、用于短精基准 图b用于较长粗基准 图c用于长基准，精基准 图d较粗大工件，可镶钢垫，提高耐磨性，节约钢材,工件以外圆柱面定位,V 形块（支承定位）,5.2.1 定位方法与定位元件,工件以外圆柱面定位,V 形块（支承定位）,V 形块,当90时，有：,5.2.1 定位方法与定位元件,工件以其他表面定位,工件以锥面定位,工件以齿面定位,5.2.1 定位方法与定位元件,生产中最常见的“一面两孔”定位 “一面两孔”定位的特点： 容易实现基准统一； 位置精度高；,一面两孔定位,5.2.1 定位方法与定位元件,一面两孔定位,式中 b 菱形销宽度； D1，D2 与圆柱销和菱形销配合孔最小直径； 1min ，2

10、min 孔1、2与销1、2的最小间隙； TLK ，TLX 两孔和两销中心距的公差。,5.2.1 定位方法与定位元件,一面两孔定位设计计算,1）确定两销中心距尺寸及公差：取工件两孔中心距基本尺寸为两销中心距基本尺寸，其公差取工件孔中心距公差的1/51/3 2）确定圆柱销直径及其公差：取相应孔的最小直径作为圆柱销直径的基本尺寸，其公差一般取g6或f7。 3）确定菱形销宽度、直径及其公差：按有关标准（见下表）选取菱形销的宽度b；然后按前式计算菱形销与其配合孔的最小间隙2min ；再计算菱形销直径的基本尺寸：d2D22min ；最后按h6或h7确定菱形销直径公差。,菱形销结构尺寸,（单位：mm）,b

11、削边销计算宽度 b1 修圆后留下的圆柱部分宽度,5.2.1 定位方法与定位元件,【例1】 设计计算图6-1夹具两销定位的有关尺寸。 【解】取两销中心距（570.02)mm 取圆柱销直径为d1=42.6g6mm 选取菱形销的宽度b=4mm 计算菱形销与其配合孔的最小间隙 确定菱形销的公差,使用机床夹具时，加工误差由三部分组成： 定位误差 DW 基准位置误差JW 1、安装误差 AZ 基准不重合误差BC 夹紧误差JJ 对刀误差DO 2、对定误差DD 夹具位置误差W 力变形、热变形 3、过程误差GC 机床、夹具、刀具的磨损,5.2.2 定位误差计算,要保证加工精度, 必须满足加工误差不等式： AZ+

12、DD+GC T T工件公差 一般可平均分配 AZ（1/3）T DD（1/3）T GC（1/3）T 也可给GC留（1/3）T、（2/3）T在AZ、 DD之间进行调整,5.2.2 定位误差计算,5.2.2 定位误差计算,定位误差的概念,定位误差是由于工件在夹具上（或机床上）定位不准确而引起的加工误差。,1）由于工件定位表面或夹具定位元件制作不准确引起的定位误差，称为基准位置误差，如前页图所示例子。 2）由于工件的工序基准与定位基准不重合而引起的定位误差，称为基准不重合误差。,5.2.2 定位误差计算,1）合成法 DWBCcosJW cos 式中 DW 定位误差； BC 基准不重合误差； JW 基准

13、位置误差； 基准不重合误差与加工方向的夹角； 基准位置误差与加工方向的夹角。 注意:式中“号”的选取：当某种因素引起的、变动趋势相同时，取“+”号；当、变动方向相反时，取“-”号。,5.2.2 定位误差计算,2）定义法,利用定义法计算DW步骤： 明确工序要求（加工要求方向） 找出工序基准 计算工序基准在加工方向上最大变动量 工件以平面定位时的定位误差 定位基准：平面； 定位元件工作面：平面 =易加工平整，接触良好 =所以JW=0 , DW=JB （注：若是毛坯面，则仍有JW）,5.2.2 定位误差计算,3）微分法,根据定位误差的定义，要计算定位误差，必须确定工序基准在加工要求方向上最大的变动量

14、，而这个变动量相对于基本尺寸而言是个微量，因而可将这个变动量视为某个基本尺寸的微分。微分法是把工序基准与夹具上在加工要求方向上某固定点相连后得到一线段，用几何的方法得出该线段的表达式，然后对该表达式进行微分，再将各尺寸误差视为微小增量，取绝对值后代替微分，最后以公差代替尺寸误差，就可以得到定位误差的表达式。,5.2.2 定位误差计算,定义法通过两个极限位置求解定位误差，既有效又简洁； 合成法避免了用极限位置求解定位误差时复杂的位移计算，还有助于正确理解定位误差产生的原因； 微分法在解决较复杂的定位误差分析计算问题时有明显的优势，但有时不易建立工序基准与夹具上固定点的关系式，无法进行计算。,【例

15、1】 一批工件用“调整法”铣缺口，定位有a）、b）两种方案，如图所示。 试计算两种情况下工序尺寸20的定位误差。 【解】（1）合成法 a）DW.20 =BC +JW = T40 + 0= 0.28 + 0 =0.28 (mm)T20/3= 0.3/3=0.1 (mm) 不能够采用此种定位方案。 b）DW.20 =BC +JW = 0 + 0 = 0 故可以采用此种定位方案。,工件以平面定位,（2）微分法 先建立工序基准到某一固定点距离的关系式，然后对其进行微分。 a）工序基准A到定位表面B的距离刚好就是工件的高度尺寸 HTH = 400.14 对其进行微分： DW|20dHH= TH0.28

16、（mm） b) 工序基准到定位表面的距离是一个固定的常值，常值的微分是0。 DW|20=0,工件以平面定位,（3）定义法 a） 1、加工方向：竖直 2、工序基准：A面 3、计算工序基准在加工方向上的最大变动量 DW|20 =T20 = 0.28 (mm) b) DW|20 = 0,工件以平面定位,【例2】如下图所示，以A 面定位加工20H8孔，求加工尺寸400.1mm的定位误差。,【解】设计基准 B 与定位基准 A不重合，因此将产生基准不重合误差 JW0mm JB0.025-(0.025)+0.05 -(-0.05)mm=0.15mm DW JW +JB 0.15mm,工件以外圆定位,【例】有

17、一批轴件.在支承上定位铣键槽.保证相应的工序要求，求各工序要求定位误差是多少？ 【解】 （仅使用定义法） DW|H = Td/2 DW|b =0 DW| = Td/2,工件以外圆定位,【例】有一批轴件,现用调整法铣一缺口。定位方案如图.试求工序尺寸A、B的定位误差,工件以外圆定位,5.3 工件的夹紧 Workpiece clamping,第5章 机床夹具设计,5.3.1 对工件夹紧装置要求,在夹紧过程中应能保持工件定位时所获得的正确位置 夹紧力大小适当夹紧机构应能保证在加工过程中工件不产生松动或振动，同时又要避免工件产生不适当的变形和表面损伤 夹紧机构一般应有自锁作用 夹紧装置应操作方便、省力

18、、安全 夹紧装置的复杂程度和自动化程度应与生产批量和生产方式相适应。结构设计应力求简单、紧凑，并尽量采用标准化元件,夹紧装置的组成 动力源装置：它是产生夹紧作用力的装置 传力机构：传递力的机构，其作用是：改变作用力的方向；改变作用力的大小；具有一定的自锁性能，以保证夹紧可靠。 夹紧元件：它是直接与工件接触完成夹紧作用的元件,设计夹具时应考虑的问题 夹紧力（三要素：大小、方向、作用点） 传力方式（手动、气动、液力、电力等） 夹紧机构（增力、快速、机动等）,5.3.2 夹紧力的确定,夹紧力方向选择,夹紧力作用方向应有利于工件的准确定位，而不能破坏定位。为此一般要求主要夹紧力垂直指向主要定位面,夹紧

19、力方向选择（1）,夹紧力方向选择（2）,夹紧力作用方向应尽量与切削力、工件重力方向一致，以减小所需夹紧力,5.3.2 夹紧力的确定,夹紧力方向选择,夹紧力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,夹紧力方向选择（3）,5.3.2 夹紧力的确定,夹紧力作用点选择,夹紧力作用点应正对支承元件或位于支承元件所形成的支承面内，以保证工件已获得的定位不变,a） b） 夹紧力作用点的选择（1）,5.3.2 夹紧力的确定,夹紧力作用点选择,夹紧力作用点应处于工件刚性较好的部位，以减小工件夹紧变形,夹紧力作用点选择（2）,5.3.2 夹紧力的确定,夹紧力作用点选择,夹紧力作用点应尽量靠近加工

20、表面，以减小切削力对工件造成的翻转力矩。必要时应在工件刚度差的部位增加辅助支承并施加夹紧力，以减小切削过程中的振动和变形,夹紧力作用点选择（3）,5.3.2 夹紧力的确定,夹紧力大小估算,估算夹紧力一般方法将工件视为分离体，并分析作用在工件上的各种力，再根据力系平衡条件，确定保持工件平衡所需最小夹紧力，最后将最小夹紧力乘以一适当的安全系数,【例】估算图示车削夹紧力,由上式可求出最小夹紧力，再乘以安全系数k，得到所需的夹紧力：,【解】只考虑主切削力Fc所产生的力矩与卡爪夹紧力Fj所产生的力矩相平衡，有：,5.3.2 夹紧力的确定,【例】估算图示铣削夹紧力,由上式可求出最小夹紧力，再乘以安全系数k

21、，得到所需的夹紧力：,铣削时夹紧力的估算,【解】开始铣削时的受力情况最为不利。此时在力矩FaL的作用下有使工件绕O点转动的趋势，与之相平衡的是作用在A、B点上的夹紧力反力所构成的摩擦力矩。根据力矩平衡条件有：,5.3.2 夹紧力的确定,夹紧力大小估算,安全系数通常取1.52.5。精加工和连续切削时取小值，粗加工或断续切削时取大值。当夹紧力与切削力方向相反时，可取2.53 摩擦系数主要取决于工件与夹具支承件或夹紧件之间的接触形式，具体数值可参考下表：,不同表面的摩擦因数,5.3.2 夹紧力的确定,夹紧力大小的确定 要足够防止加工时松动 使工件受压变形小，刚性差的工件应均匀加压 在实际的加工中，对

22、于小件，往往不需要计算夹紧力，可根据经验进行设计。大批量生产或者是新产品上马时，可查阅夹具设计手册，利用给定的现成公式来估算夹紧力的大小。 夹紧力三要素的确定，是一个综合性问题，必须考虑工件的结构特点、加工工艺方法、定位元件的结构和布置等多种因素。,5.3.3 常用夹紧机构,斜楔夹紧机构,斜楔夹紧的翻转式钻模,5.3.3 常用夹紧机构,斜楔夹紧机构,夹紧力取斜楔为分离体，分析其所受作用力，并根据力平衡条件，可得到直接采用斜楔夹紧时的夹紧力为：,式中 Fj 可获得的夹紧力（N） Fx 作用在斜楔上的原始力（N） 1 斜楔与工件间摩擦角（） 2 斜楔与夹具体间摩擦角（） 斜楔的楔角（）,工作原理：

23、利用楔块的斜面将楔块的推力转变为夹紧力，从而夹紧工件,5.3.3 常用夹紧机构,斜楔夹紧机构,自锁条件当工件夹紧并撤除原始力Fx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。,12,钢铁表面间的摩擦因数一般为=0.10.15，可知摩擦角1和2的值为5.758.5。因此，斜楔夹紧机构满足自锁的条件是： 11.517 但为了保证自锁可靠，一般取为1015；手动夹具一般取为68。,5.3.3 常用夹紧机构,Fj / Fx =1/(tan1tan (+2) 若取126，10带入上式i=2.6.,増力比是指在夹紧原始力Fx作用下，夹紧机构所能产生的夹紧力Fj和Fx的比值。,5.3

24、.3 常用夹紧机构,楔角越小，则产生的夹紧力Fj就越大，而要保证必要的夹紧行程S，必须加大斜楔的移动行程L，致使结构不紧凑，夹紧速度变慢。所以在选择楔角时，必须同时兼顾增力比和夹紧行程，不可顾此失彼。现场中可以采用“双楔角”的斜楔,行程比一般把斜楔的移动行程L与工作需要的夹紧行程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。,L/S1/tan,双升角斜楔滑块夹紧机构,1夹具体 2斜楔 3工件,双升角斜楔机构：大升角迅速趋近工件 小升角夹紧工件、自锁,5.3.3 常用夹紧机构,5.3.3 常用夹紧机构,夹紧特点： 结构简单，有增力作用。 一般扩力比Q/F3。 具有自

25、锁特性：自锁条件1+2 楔块夹紧行程小，夹紧力小， 夹紧和松开均需敲击，直接应用不方便，用作增力机构，常与机械、汽动、液压机构联动。 楔块材料：通常用20钢渗碳，淬硬5862HRC,斜楔夹紧机构,6.3.3 常用夹紧机构,螺旋夹紧机构,夹紧力螺旋可视为绕在圆柱体上的斜楔，因此可从斜楔公式直接导出螺旋夹紧力计算公式：,式中 Fj 沿螺旋轴向作用的夹紧力（N） Fx 作用在扳手上的力（N） L 作用力的力臂（mm） d0 螺纹中径（mm） 螺纹升角（） 1 螺纹副的当量摩擦角（） 2 螺杆（或螺母）端部与工件（或压板）之间的当量摩擦角（） r 螺杆（或螺母）端部与工件（或压板）之间的当量摩擦半径（

26、mm）,1-螺母 2-螺杆 3-工件,5.3.3 常用夹紧机构,螺旋夹紧机构,螺旋夹紧机构示例,5.3.3 常用夹紧机构,压紧螺钉端部的当量摩擦半径r1的值与螺杆头部（或压块）的结构有关,5.3.3 常用夹紧机构,计算准确性由于1 与2数值在很大范围内变化，要获得准确结果很困难。目前许多手册给出的数据大多以摩擦系数0.1为依据的，这与实际情况出入较大。当需要准确确定螺旋夹紧力时，需要采用实验方法。,力矩与夹紧力的关系实验（8mm系列组合夹具）,Fj kt Ts,5.3.3 常用夹紧机构,自锁条件螺旋夹紧机构的自锁条件和斜楔夹紧机构相同，即也可写为 12 螺旋夹紧机构的螺旋升角很小（一般为24）

27、，故自锁性能好。,増力比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。 如一个M10的螺钉，手柄长度120mm, 其增力比约为140。若原始作用力FX25N(2.5kg),则会产生Fj=3500 N(350kg)的作用力。,5.3.3 常用夹紧机构,螺旋夹紧特点结构简单，易于制造，增力比大，自锁性能好，在手动夹紧中应用广泛。缺点是动作较慢，为提高作效率，可采用一些快撤装置。,两种快撤机构（螺旋夹紧）,5.3.3 常用夹紧机构,偏心夹紧机构,几种偏心夹紧机构,偏心夹紧机构示例,6.3.3 常用夹紧机构,圆偏心轮展开,楔角计算可将偏心轮视为一楔角变化的斜楔，圆偏心轮展开如图示,式中 偏心轮的楔角（） e 偏心轮的偏心量（mm） R 偏心轮的半径（mm） 偏心轮作用点（X点）与起始点（O点）之间圆弧所对应的圆心角（）,h =O1X-O1M=R- e cos =tan(O2M/MX),5.3.3 常用夹紧机构,夹紧力,式中 Fj 夹紧力（N） FS 作