機械制造工藝學 課件 項目6 機床夾具設計

項目6機床夾具設計機械制造工藝學(任務)目錄

任務6.1認識機床夾具1

任務6.2工件定位方案的設計2

任務6.3工件夾緊方案的設計3任務6.4機床專用夾具及其設計方法4機械制造工藝學項目引入機械制造工藝學任務6.1認識機床夾具6.1.1機床夾具的分類和組成機械制造工藝學機床夾具的組成

定位裝置（元件）

夾緊裝置夾具與機床之間的聯(lián)接元件對刀或?qū)蛟渌b置或元件

夾具體

機械制造工藝學機械制造工藝學6.1.2機床夾具在機械加工中的作用

保證加工精度，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量提高生產(chǎn)率、降低成本擴大機床工藝范圍減輕工人的勞動強度機械制造工藝學任務6.2工件定位方案的設計6.2.1工件定位的基本原理1.自由度的概念一個位于空間自由狀態(tài)的物體，對于直角坐標系來說，具有六個自由度。它的空間位置是任意的，即能沿X、Y、Z軸移動（移動自由度）。又能繞三個坐標軸轉(zhuǎn)動（轉(zhuǎn)動自由度）。機械制造工藝學機械制造工藝學2.六點定位原則

用合理設置的六個支承點，限制工件的六個自由度，使工件在夾具中的位置完全確定，這就是所謂“六點定位原則”，簡稱“六點定則”。機械制造工藝學(1)長方體工件機械制造工藝學(2)圓盤類工件機械制造工藝學(3)軸類工件機械制造工藝學

用定位支承點限制工件的自由度，可以理解為：定位支承點與工件的定位基準必須始終保持緊貼接觸，若二者一旦脫離，就表示失去了定位作用。在分析定位支承點即定位元件起定位作用時，不要考慮力的影響。不要把“定位”與“夾緊”兩個概念相混淆。在分析限制工件的定位時，需注意：機械制造工藝學3.限制工件自由度與加工要求的關系

一是需要限制的自由度，必須都得到恰當?shù)叵拗疲欢潜ＷC必要的定位精度和穩(wěn)定性。

因此確定定位方案時，要根據(jù)工件的加工精度要求，遵循六點定位原則，分析工件應該限制的自由度，確定定位方法，選擇定位元件，繼而進行定位誤差的分析和計算。機械制造工藝學4.工件定位中的幾種情況

完全定位：工件的六個自由度全部被限制的定位。不完全定位：根據(jù)工件的加工要求，所限制的自由度少于六個的定位。機械制造工藝學

欠定位：根據(jù)工件的加工要求，應該限制的自由度沒有完全被限制的定位。無法保證加工要求，所以是不允許的。

過定位：夾具上的兩個或兩個以上的定位元件，重復限制工件的同一個或幾個自由度的現(xiàn)象。機械制造工藝學過定位可能導致下列后果：

工件無法安裝造成工件或定位元件變形機械制造工藝學由于過定位往往會帶來不良后果，一般確定定位方案時，應盡量避免。消除或減小過定位所引起的干涉，一般有兩種方法：（1）改變定位元件的結(jié)構(gòu)，使定位元件重復限制自由度的部分不起定位作用。（2）提高工件定位基準之間以及定位元件工作表面之間的位置精度。

機械制造工藝學6.2.2定位方式及定位元件1.平面定位(1)對粗基準平面的定位粗基準是指毛坯上未經(jīng)機械加工的表面,該基準平面的平面度誤差較大,同一批工件上的平面狀況也不相同。機械制造工藝學(2)對精基準平面的定位精基準是指已經(jīng)機械加工的表面,這樣的基準平面度誤差小,可以直接放在平面上定位。機械制造工藝學(3)平面定位的定位元件1)支承釘機械制造工藝學2)支承板機械制造工藝學3)可調(diào)支承機械制造工藝學4)自位支承機械制造工藝學(4)工件以臺階面為基準的定位機械制造工藝學(5)輔助支承輔助支承件并不起定位作用,只是增加工件的穩(wěn)定性,避免工件在切削力的作用下發(fā)生變形或振動。機械制造工藝學2.工件以外圓柱面為基準的定位(1)圓孔定位機械制造工藝學(2)半孔定位機械制造工藝學(3)V形塊定位1)定位方法V形塊是由兩個互成γ角的平面組成的定位元件。用V形塊定位時,裝卸工件方便,而且在垂直于V形塊對稱面的方向上誤差等于0。機械制造工藝學2)V形塊的結(jié)構(gòu)C——V型塊開口尺寸D——V型塊的標準心軸直徑γ——V型塊上兩斜面之間的夾角

h——V型塊的高度

H——V型塊標準定位高度在V型塊工作圖上必須標注該尺寸，它是用來檢驗V型塊制造精度的重要指標當γ=90?時

H=h+0.707D?0.5C機械制造工藝學3.工件以圓孔為基準的定位(1)外圓柱面定位機械制造工藝學(2)外圓錐面定位1)小錐度心軸定位機械制造工藝學2)大錐度定位機械制造工藝學4.工件以特形表面為基準的定位用作定位的基準表面取決于工件的形狀、表面精度和技術要求。

除前述常用的表面外,有時還用螺紋面、齒輪的齒面、錐面、型面及花鍵等作定位基準。機械制造工藝學常見定位元件及其組合所能限制的自由度機械制造工藝學機械制造工藝學機械制造工藝學機械制造工藝學5.工件以一面兩孔定位

在實際生產(chǎn)中，通常都是以工件上的兩個或兩個以上的幾何表面作為定位基準，即采取組合定位方式。常用的就是“一面兩孔”。(1)定位元件分析機械制造工藝學(2)定位元件的設計兩銷主要尺寸計算步驟如下：確定兩銷中心距尺寸(Ld)及其偏差基本尺寸Ld=LD(兩孔中心距尺寸)

公差δLd=(1／5～1／3)δLD確定圓柱銷尺寸及公差圓柱銷的基本尺寸是配合孔的最小極限尺寸，配合按g6或f7選取。

機械制造工藝學確定削邊銷尺寸及公差

按表選取削邊銷的b1及B，按公式求a，按公式求削邊銷的最小配合間隙X2min，然后求削邊銷最大直徑：

d2max=D2min-X2min

配合一般按h6選取。

機械制造工藝學6.2.3定位誤差的分析與計算1.定位誤差的組成

由于定位引起的加工尺寸的最大變動范圍稱為定位誤差,用ΔD表示。

工件能否保證加工精度,取決于刀具與工件之間的相互位置。而影響這個正確位置關系的誤差因素主要是夾具的安裝與調(diào)整誤差、加工過程誤差(或加工方法誤差)以及定位誤差等。為保證工件的加工精度,上述三項誤差合成后應小于或等于工件公差。機械制造工藝學(1)基準不重合誤差

工件在夾具中定位時,工件的定位基準與工序基準不重合,兩基準之間的聯(lián)系尺寸的尺寸公差將引起工序基準相對于定位基準在加工尺寸方向上發(fā)生變動,其最大變動范圍即稱為基準不重合誤差,用ΔB表示。機械制造工藝學

由于定位副的制造誤差和間隙的影響,引起定位基準在加工尺寸方向上有位置的變動,其最大的變動范圍稱為基準位移誤差,用ΔY表示。(2)基準位移誤差機械制造工藝學定位誤差ΔD為基準不重合誤差ΔB與基準位移誤差ΔY的矢量和,即此外,只有用調(diào)整法加工一批零件時才產(chǎn)生定位誤差,用試切法加工時不產(chǎn)生定位誤差,而且定位誤差是一個范圍值。機械制造工藝學2.常見定位誤差的分析與計算(1)工件以平面定位(2)工件以圓柱孔定位1)基準位移誤差圓柱銷垂直放置時：圓柱銷水平放置時：2)轉(zhuǎn)角誤差機械制造工藝學(3)工件以外圓定位機械制造工藝學

由上述關于工件以圓孔和外圓為定位基面，分別在心軸（或定位銷）和V形架上定位時，定位誤差計算公式的推導，可總結(jié)出以下定律：當ΔY和ΔB兩項均為零時，則ΔD亦為零。當ΔY和ΔB兩項均不為零時，則基準不重合誤差ΔB的正、負號可根據(jù)工序基準是否在定位基面上分別判斷。工序基準在定位基面上，即以定位基面的任一母線為工序基準，且為固定單邊接觸。工序基準不在定位基面上。此時基準不重合誤差永遠取正號，即定位誤差為基準位移誤差和基準不重合誤差之和。故總有機械制造工藝學任務6.3工件夾緊方案的設計6.3.1夾緊裝置的組成與基本要求1.夾緊裝置的組成1)動力源裝置2)傳力機構(gòu)3)夾緊元件機械制造工藝學2.對夾緊裝置的基本要求

應能始終保持工件的定位位置；夾緊力適當和可靠；操作方便、安全省力；復雜及自動化程度應與生產(chǎn)批量相適應；具有良好的工藝性及經(jīng)濟性。選擇工件的夾緊方式一般與選擇定位方法同時考慮，在設計夾緊裝置時，必須滿足下列要求：機械制造工藝學6.3.2夾緊力的確定

夾緊力的概念是由力的大小、方向和作用點（數(shù)量和位置）三個要素體現(xiàn)的。1.夾緊力方向的確定①夾緊力的作用方向應不破壞工件定位的準確性和可靠性機械制造工藝學②夾緊力方向應使工件變形盡可能小機械制造工藝學③夾緊力方向應使所需夾緊力盡可能小

機械制造工藝學2.夾緊力作用點的選擇夾緊力作用點是指夾緊件與工件接觸的一小塊面積。合理選擇夾緊力作用點必須注意以下幾點：選擇作用點的問題是指在夾緊力方向已定的情況下，確定夾緊力作用點的位置和數(shù)目。①夾緊力應落在支承元件上或幾個支承元件所形成的支承面內(nèi)

機械制造工藝學②夾緊力作用點應落在工件剛性較好的部位上機械制造工藝學③夾緊力作用點應盡可能靠近被加工表面以減小切削力對工件造成的翻轉(zhuǎn)力矩。必要時應在工件剛性差的部位增加輔助支承并施加夾緊力，以免振動和變形。機械制造工藝學3.夾緊力大小的估算

夾緊力大小要適當，過大了會使工件變形，過小了則在加工時工件會松動造成報廢甚至發(fā)生事故1)采用手動夾緊時，可憑人力來控制夾緊力的大小，一般不需要算出所需夾緊力的確切數(shù)值，只是必要時進行概略的估算計算夾緊力時，首先求出切削力的大小，必要時算出慣性力、離心力的大小，然后與工件重力及待求的夾緊力組成靜平衡力系，列出平衡方程式，算出理論夾緊力，再乘以安全系數(shù)K，即為實際夾緊力。粗加工時K取2.5～3，精加工時K取1.5～22)當設計機動（如氣動、液壓、電動等）夾緊裝置時，則需要計算夾緊力的大小。以便決定動力部件的尺寸（如氣缸、活塞的直徑等）機械制造工藝學6.3.3典型夾緊機構(gòu)1.楔塊夾緊機構(gòu)

(1)工作性能機械制造工藝學(2)結(jié)構(gòu)特點①楔塊結(jié)構(gòu)簡單，有增力作用。一般擴力比ip

=Q/F

≈3，只宜用在受力不大的工序中或與其他增力機構(gòu)組合使用②α≤φ1+φ2為斜楔的自鎖條件。一般取α=5o～7o③楔塊夾緊行程小，且受楔塊升角α的影響，增大α可加大行程，但自鎖性能變差④夾緊和松開要敲擊大、小端，操作不方便一般多用于改變夾緊力的方向或作為擴力機構(gòu)，與其他機械傳動裝置聯(lián)合使用。機械制造工藝學2.螺旋夾緊機構(gòu)

螺旋夾緊機構(gòu)是利用螺旋元件的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生夾緊行程，從而產(chǎn)生夾緊力的機構(gòu)。螺旋夾緊實際上就是將楔塊的斜面繞在圓柱體上成為螺旋面，因此螺旋夾緊的原理與楔塊夾緊相似(1)工作性能機械制造工藝學(2)結(jié)構(gòu)特點由于螺紋升角小于摩擦角,故螺旋夾緊機構(gòu)的自鎖性能很好;螺旋夾緊機構(gòu)的擴力比很大。(3)適用范圍夾緊動作緩慢、夾緊力變化較大，故不易實現(xiàn)機械化。具有夾緊力大、夾緊可靠、自鎖性能好和制造容易等優(yōu)點，應用也非常廣泛，特別是在手動夾緊裝置中。生產(chǎn)中常采用一些快速的螺旋夾緊機構(gòu)。機械制造工藝學3.圓偏心夾緊機構(gòu)

圓偏心夾緊機構(gòu)是利用圓偏心件回轉(zhuǎn)時工作半徑的變化產(chǎn)生夾緊行程從而夾緊工件偏心輪可以看作是一個繞在轉(zhuǎn)軸上的弧形楔。常用的偏心夾緊件是偏心輪（軸），都已標準化(1)工作性能及其結(jié)構(gòu)特點機械制造工藝學自鎖條件：圓偏心的升角α是隨轉(zhuǎn)角而變化的。圓偏心的自鎖條件相應為由上圖知，圓偏心所受反作用力矩應小于或等于磨擦力矩，即：整理化簡得：一般采用即能自鎖。機械制造工藝學其優(yōu)點是操作迅速，構(gòu)造簡單。缺點是工作行程小，自鎖性較差。其夾緊力不大；自鎖性能不夠穩(wěn)定；一般在切削負荷不大且振動較小的工序中使用。(2)適用范圍機械制造工藝學6.3.4其他夾緊機構(gòu)1.鉸鏈夾緊機構(gòu)

(1)工作性能機械制造工藝學(2)結(jié)構(gòu)特點及適用范圍鉸鏈夾緊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡單,具有增力倍數(shù)較大,摩擦損失較小的優(yōu)點,但無自鎖性能,通常不宜單獨使用。它常與動力裝置(汽缸、液壓缸等)聯(lián)用,在氣動銑床夾具中應用較廣。機械制造工藝學2.定心夾緊機構(gòu)

定心夾緊機構(gòu)也稱自動定心機構(gòu),它使工件的定位與夾緊同時完成,如車床上的自定心卡盤、彈簧夾頭等,特點是定位與夾緊使用同一元件,利用該元件的等速趨近或退離,完成工件的定位夾緊或松開。機械制造工藝學3.聯(lián)動夾緊機構(gòu)

聯(lián)動夾緊機構(gòu)是一種高效夾緊機構(gòu),它可通過一個操作手柄或一個動力裝置,對一個工件的同一方向或不同方向的多點進行均勻夾緊或同時夾緊若干工件。前者稱為多點聯(lián)動夾緊,后者稱為多件聯(lián)動夾緊。(1)多點聯(lián)動夾緊機構(gòu)機械制造工藝學機械制造工藝學(2)多件聯(lián)動夾緊機構(gòu)根據(jù)夾緊方式和夾緊方向的不同,又可分為平行夾緊、連續(xù)夾緊、對向夾緊和復合夾緊等。機械制造工藝學設計多位夾緊機構(gòu)注意點必須同時且均勻夾緊工件保證每個工件都有足夠的夾緊力夾緊件和傳力件要有足夠的剛性，保證傳力均勻機械制造工藝學任務6.4機床專用夾具及其設計方法6.4.1常用機床專用夾具及其結(jié)構(gòu)特點1.車床夾具車床夾具大致可分為心軸、圓盤式、花盤式和角鐵式等數(shù)種車床夾具包括用于各種車床、內(nèi)外圓磨床等機床上的夾具車床夾具都是安裝在機床主軸上，要求定位件與機床主軸的旋轉(zhuǎn)軸線有高的位置精度設計時要考慮其安裝方式、平衡問題和安全問題。夾持應盡量短些（減少懸臂長度）、輕些機械制造工藝學(1)心軸機械制造工藝學(2)圓盤式車床夾具機械制造工藝學(3)角鐵式車床夾具機械制造工藝學（4）花盤式車床夾具花盤式車床夾具適用于形狀比較復雜的工件，往往還需要改變工位，以加工相隔一定距離的幾個表面，所以平衡問題就更為重要。此外，當出現(xiàn)較大尺寸的工件在車床主軸上無法安裝和工件轉(zhuǎn)速難以提高的問題時，可以拆去車床的刀架和橫拖板，將夾具固定在床鞍上，加工時工件作縱向直線送進運動，而刀具則安裝在車床主軸上作旋轉(zhuǎn)運動。機械制造工藝學綜上所述，在設計車床夾具時，應特別注意：1）因整個車床夾具是隨機床主軸一起回轉(zhuǎn)的，所以要求結(jié)構(gòu)緊湊，輪廓尺寸要盡可能的小，重量輕，而且重心盡可能靠近回轉(zhuǎn)軸線，以減少慣性力和回轉(zhuǎn)力矩；2）夾具應有平衡措施，消除回轉(zhuǎn)不平衡產(chǎn)生的振動現(xiàn)象，生產(chǎn)中常采用配重塊來達到夾具的靜平衡。3）與主軸連接部分應有較準確圓柱孔（或圓錐孔），其結(jié)構(gòu)形式及尺寸規(guī)格，隨使用機床而異。4）為使夾具使用安全，盡可能避免帶有尖角或凸出的部分，必要時加防護罩。工件的夾緊裝置也要夾緊可靠，防止工件松動飛出。機械制造工藝學2．鉆床夾具（1）鉆床夾具的結(jié)構(gòu)和種類圖6-65固定模板式鉆模1）固定模板式鉆模機械制造工藝學2）覆蓋式鉆模覆蓋式鉆模有覆式和蓋式兩種結(jié)構(gòu)類型。圖6-66無夾緊裝置的覆式鉆模圖6-67蓋式鉆模機械制造工藝學3）翻轉(zhuǎn)式鉆模

圖6-68鉆8個孔的翻轉(zhuǎn)式鉆模機械制造工藝學4）回轉(zhuǎn)式鉆模圖6-69帶分度裝置的回轉(zhuǎn)式鉆模機械制造工藝學5）滑柱式鉆模圖6-70滑柱式鉆模機械制造工藝學（2）鉆套的種類圖6-71標準鉆套機械制造工藝學圖6-72特種鉆套機械制造工藝學3．銑床夾具（1）銑床夾具的結(jié)構(gòu)圖6-73加工殼體的銑床夾具機械制造工藝學（2）銑床夾具的安裝銑床夾具在機床工作臺上的安裝位置，直接影響工件被加工表面的位置精度，所以在設計時必須考慮其安裝方法。一般在銑床夾具的底面都裝著兩個定向鍵，用以確定夾具（定位件）對工作臺送進方向的位置精度（平行度或垂直度等）。采用定向鍵雖然便于安裝夾具，但其位置精度不高，所以又常在夾具體的一側(cè)設置一個校正面（將夾具體的一個側(cè)面磨平即可），安裝夾具時，以校正面為準用百分表找正。該校正面同時也作為定位元件、定向件等在夾具體上裝配和檢驗時的基準。機械制造工藝學（3）銑床夾具的對刀裝置圖6-74用對刀塊調(diào)刀示意圖圖6-75塞尺機械制造工藝學圖6-76對刀塊機械制造工藝學4．鏜床夾具（1）鏜床夾具的結(jié)構(gòu)圖6-77加工磨床尾架的鏜模機械制造工藝學（2）鏜套的種類1）固定式鏜套圖6-78固定式鏜套機械制造工藝學2）回轉(zhuǎn)式鏜套圖6-79回轉(zhuǎn)式鏜套機械制造工藝學6.4.2機床專用夾具的設計步驟和方法1．掌握生產(chǎn)條件，明確設計要求1）研究分析零件圖紙和裝配圖紙。2）明確產(chǎn)品的生產(chǎn)批量和產(chǎn)品情況。了解工件的結(jié)構(gòu)特點、材料和使用要求等。批量大時，生產(chǎn)效率要高，夾具結(jié)構(gòu)應完善；批量很小或任務甚急，夾具結(jié)構(gòu)則力求簡單。3）明確工序要求和加工現(xiàn)狀。4）了解使用要求和制造條件5）掌握必要的設計資料。機械制造工藝學2．擬訂夾具的結(jié)構(gòu)方案按照精度好、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、容易制造和便于使用的要求，來正確地擬訂出夾具的結(jié)構(gòu)方案。首先確定工件的定位方法并設計定位裝置；確定工件的夾緊方式并設計夾緊裝置，確定夾緊形式，分析計算夾緊力的大小等；然后確定夾具其他裝置；最后確定夾具的總體結(jié)構(gòu)，繪制總裝配草圖。3．夾具的精度分析和估算夾具結(jié)構(gòu)方案擬出之后，它能否可靠地滿足工件的質(zhì)量要求，還得進行分析和估算。從分析計算其誤差關系中，確定各主要零件的尺寸精度和形位公差。機械制造工藝學4．夾具總圖設計當夾具的結(jié)構(gòu)方案確定之后，即可正式繪制夾具總圖。在繪制夾具總圖時，最好采用1∶1的比例繪制，以體現(xiàn)良好的直觀性。當工件過大或過小時，也可選用其他常用的制圖比例。總圖上的主視圖，應盡可能選取與操作者正對的位置。為了使工件不影響夾具零部件的繪制，總圖上的工件要用雙點劃線繪出工件的形狀和主要表面（定位基準面、夾緊表面和被加工表面），而且要按加工位置繪制。機械制造工藝學（1）繪制總圖的步驟先用雙點畫線把工件在加工位置狀態(tài)時的形狀繪在圖紙上，并將工件看作透明體。然后，依次繪制定位元件、夾緊裝置和夾緊元件、刀具的對刀或?qū)бA具本體及各個連接件等。結(jié)構(gòu)部分繪制完成之后，標注必要的尺寸、配合和技術要求等。（2）夾具總圖上尺寸的標注夾具總圖上需標注的尺寸及公差包括定位元件上定位表面的尺寸以及各定位表面之間的尺寸，刀具導引元件尺寸，定位元件和定位元件之間的尺寸，定位元件與對刀元件（或?qū)б┲g的距離尺寸和公差，夾具與機床的聯(lián)系尺寸及配合，夾具的外形輪廓尺寸等。機械制造工藝學（3）夾具上主要元件之間的位置尺寸公差夾具上主要元件之間的尺寸應取工件相應尺寸的平均值，其公差按工件相應公差的1/3～1/5取值，一般取±0.02～±0.05mm。夾具上主要角度公差一般按工件相應角度公差的1/2～1/5，一般取±10′，要求嚴格的可取±5′～±1′。（4）夾具總圖上技術要求的規(guī)定夾具總圖上規(guī)定技術要求的目的在于限制定位元件和導引元件等在夾具體上的相互位置誤差，以及夾具在機床上的安裝誤差。機械