《機(jī)械制造工藝學(xué)（3D版）》 課件 第3章 金屬切削機(jī)床夾具設(shè)計(jì)

第3章機(jī)床夾具設(shè)計(jì)原理3.1機(jī)床夾具概述3.2工件在夾具中的定位方式與定位元件3.3定位誤差的分析與計(jì)算3.4工件的夾緊3.5各類機(jī)床夾具的設(shè)計(jì)特點(diǎn)3.6機(jī)床夾具的設(shè)計(jì)方法及步驟3.1機(jī)床夾具概述3.1.1機(jī)床夾具在機(jī)械加工中的作用夾具是機(jī)械加工中不可缺少的工藝裝備之一，它對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、擴(kuò)大機(jī)床的使用范圍、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等。機(jī)床夾具在機(jī)械加工中有以下作用：1.易于保證加工精度，并使加工精度穩(wěn)定2.縮短裝夾時(shí)間，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率3.擴(kuò)大機(jī)床工藝范圍，充分發(fā)揮機(jī)床潛力4.減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證安全生產(chǎn)。3.1.2機(jī)床夾具的分類與組成1.機(jī)床夾具分類通常按機(jī)床夾具的使用特點(diǎn)，可劃分為以下5種類型：1)通用夾具2)專用夾具3)組合夾具4)可調(diào)整夾具和成組夾具5)隨行夾具3.1機(jī)床夾具概述3.1機(jī)床夾具概述尾座套筒銑鍵槽夾具1－V形塊；2－壓板；3－拉桿；4－限位螺釘；6－手柄；7－軸；8－杠桿；9－偏心輪；10－定向鍵；11－夾具體3.1機(jī)床夾具概述3.1機(jī)床夾具概述3.1機(jī)床夾具概述3.1機(jī)床夾具概述2機(jī)床夾具的組成1)定位裝置2)夾緊裝置3)夾具體4)連接元件5)對(duì)刀元件6)導(dǎo)向元件7)其他元件或裝置3.1機(jī)床夾具概述3.2.1工件以平面定位及其定位元件1．定位方法2．定位元件上述定位元件都是根據(jù)工件加工要求，用來限制工件自由度的，因起著主要支承工件的作用，所以叫做主要支承。按支承的結(jié)構(gòu)和作用的不同可分為：3.2工件在夾具中的定位方式與定位元件圖3-1平面定位分析簡(jiǎn)圖3.2工件在夾具中的定位方式與定位元件一、工件一平面定位及其定位元件固定支承。固定支承有支承釘和支承板兩種型式。可調(diào)支承輔助支承3.2工件在夾具中的定位方式與定位元件固定支承有支承釘和支承板兩種型式。在使用過程中，它們都是固定不動(dòng)的。在定位過程中，支承釘一般只限制工件的一個(gè)自由度，而支承板相當(dāng)于兩個(gè)支承釘。當(dāng)工件以粗糙不平的毛坯面定位時(shí)，采用球頭支承釘。齒紋頭支承釘用在工件的側(cè)面，它能增大摩擦系數(shù)，防止工件滑動(dòng)。當(dāng)工件以加工過的平面定位時(shí)，可采用平頭支承釘或支承板。3.2工件在夾具中的定位方式與定位元件需要經(jīng)常更換的支承釘應(yīng)加襯套。支承釘、支承板和襯套都已標(biāo)準(zhǔn)化，其公差配合、材料、熱處理等可查閱手冊(cè)。工件以平面定位時(shí)，除采用上面介紹的標(biāo)準(zhǔn)支承釘和支承板之外，還可根據(jù)工件定位平面的具體形狀設(shè)計(jì)相應(yīng)的支承板，工件批量不大時(shí)也可直接以?shī)A具體作為限位平面。

3.2工件在夾具中的定位方式與定位元件支承釘和支承板3.2工件在夾具中的定位方式與定位元件標(biāo)準(zhǔn)定位支承板A側(cè)平面精基準(zhǔn)定位用B水平面精基準(zhǔn)定位用3.2工件在夾具中的定位方式與定位元件3.2工件在夾具中的定位方式與定位元件在工件定位過程中，支承釘?shù)母叨刃枰{(diào)整時(shí)，可采用可調(diào)支承結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)可調(diào)支承釘：支承高度可調(diào)3.2工件在夾具中的定位方式與定位元件3.2工件在夾具中的定位方式與定位元件輔助支承用來提高工件的裝夾剛度和穩(wěn)定性，不起定位作用。工件定位時(shí)，輔助支承是浮動(dòng)的（或可調(diào)的），待工件夾緊后再固定下來，以承受切削力。（1）手動(dòng)式輔助支承（2）彈簧式輔助支承3.2工件在夾具中的定位方式與定位元件輔助支承應(yīng)用實(shí)例1－工件2－輔助支承3－銑刀3.2工件在夾具中的定位方式與定位元件3.2.2工件以外圓定位及其定位元件工件以外圓面定位有定心定位和支承定位兩種基本方法。定心定位有各種形式的定心夾緊卡盤，彈簧夾頭以及其他形式的定心夾緊機(jī)構(gòu)。有時(shí)也用套筒作為定位元件。1、定位方式：定心定位：各種定心夾緊卡盤、彈簧夾頭定心機(jī)構(gòu)及彈性套筒；支承定位：支撐釘或支撐板。2、定位元件：定位套、支撐板和V型塊等。V形塊半圓環(huán)定位套支承定位

3.2工件在夾具中的定位方式與定位元件工件以外圓表面定位，V形塊

Ｖ型塊3.2工件在夾具中的定位方式與定位元件活動(dòng)V型塊的應(yīng)用3.2工件在夾具中的定位方式與定位元件定位外圓的定位元件⑴在V形塊中定位，如圖。

a)較長(zhǎng)精基準(zhǔn)；

b)較長(zhǎng)粗基準(zhǔn)；

c)階梯軸定位用；

d)較長(zhǎng)、較重工件。3.2工件在夾具中的定位方式與定位元件經(jīng)分析知，V形塊定位有以下特點(diǎn)：對(duì)中性：即當(dāng)工件外圓直徑發(fā)生變化時(shí)，其中心線始終位于V形塊兩斜面的對(duì)稱面上，所以可認(rèn)為定位基準(zhǔn)為外圓中心線。對(duì)固定V形塊而言短接觸限2個(gè)自由度；長(zhǎng)接觸限4個(gè)自由度；其長(zhǎng)短接觸與孔軸接觸判斷相似。3.2工件在夾具中的定位方式與定位元件工件以外圓表面定位,定位套

工件以圓孔定位的定位套3.2工件在夾具中的定位方式與定位元件在半圓孔中定位：如下圖，無對(duì)中性，但耐磨性好。半圓孔定位分析3.2工件在夾具中的定位方式與定位元件在錐坑中定位。固定錐坑限自3個(gè)自由度。錐坑定位分析3.2工件在夾具中的定位方式與定位元件3.2.3工件以圓孔定位及其定位元件1．定位方法套類工件常以孔中心線為定位基準(zhǔn)。2．定位元件工件以圓孔為定位基面，夾具通常所用的定位元件是定位銷和心軸。1)定位銷。2)心軸3.2工件在夾具中的定位方式與定位元件3.2.4工件以組合表面定位及其定位元件在實(shí)際生產(chǎn)中，通常工件多是以兩個(gè)或兩個(gè)以上的表面作為定位基準(zhǔn)，采用組合定位方式。常見的工件如圓孔及其端面、以兩個(gè)或三個(gè)相互垂直的平面（圖3-18，圖3-19）作定位基準(zhǔn)等較簡(jiǎn)單的基準(zhǔn)組合情況。而圖3-20a)、b)則是以一面兩孔，圖3-21是以兩面一孔為定位基準(zhǔn)等較復(fù)雜的基準(zhǔn)組合情況。3.2工件在夾具中的定位方式與定位元件3.2工件在夾具中的定位方式與定位元件1、組合定位中各定位元件限制自由度分析⑴判斷準(zhǔn)則①定位元件單個(gè)定位時(shí)，限制轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的作用在組合定位中不變；②組合定位中各定位元件單個(gè)定位時(shí)限制的移動(dòng)自由度，相互間若無重復(fù)，則在組合定位中該元件限制該移動(dòng)自由度的作用不變；若有重復(fù)，其限制自由度的作用要重新分析判斷，方法如下：3.2工件在夾具中的定位方式與定位元件1)在重復(fù)限制移動(dòng)自由度的元件中，按各元件實(shí)際參與定位的先后順序，分首參和次參定位元件，若實(shí)際分不出，可假設(shè)；2)首參定位元件限制移動(dòng)自由度的作用不變；3)讓次參定位元件相對(duì)首參定位元件在重復(fù)限制移動(dòng)自由度的方向上移動(dòng)，引起工件的動(dòng)向就是次參定位元件限制的自由度。

3.2工件在夾具中的定位方式與定位元件⑵應(yīng)用舉例例1以兩孔一面在兩銷一面上定位，分析各元件限制的自由度。兩銷一面定位3.2工件在夾具中的定位方式與定位元件常用定位元件能限制的工件自由度3.2工件在夾具中的定位方式與定位元件3.2工件在夾具中的定位方式與定位元件3.3定位誤差的分析與計(jì)算例如在軸上銑鍵槽，要求保證槽底至軸心的距離為H。若采用V形塊定位，鍵槽銑刀按規(guī)定尺寸H調(diào)整好位置（右圖）。實(shí)際加工時(shí)，由于工件直徑存在公差，會(huì)使軸心位置發(fā)生變化。不考慮加工過程誤差，僅由于軸心位置變化而使工序尺寸H也發(fā)生變化。此變化量（即加工誤差）是由于工件的定位而引起的，故稱為定位誤差。定位誤差的概念定位誤差定位誤差是由于工件在夾具上（或機(jī)床上）定位不準(zhǔn)確而引起的加工誤差。3.3定位誤差的分析與計(jì)算右圖所示工件以底面定位銑臺(tái)階面，要求保證尺寸a，即工序基準(zhǔn)為工件頂面。如刀具已調(diào)整好位置，則由于尺寸b的誤差會(huì)使工件頂面位置發(fā)生變化，從而使工序尺寸a產(chǎn)生誤差。由于基準(zhǔn)不重合引起的

定位誤差定位誤差的來源

1）由于工件定位表面或夾具定位元件制作不準(zhǔn)確引起的定位誤差，稱為基準(zhǔn)位置誤差。

2）由于工件的工序基準(zhǔn)與定位基準(zhǔn)不重合而引起的定位誤差，稱為基準(zhǔn)不重合誤差。3.3定位誤差的分析與計(jì)算定位誤差計(jì)算 在采用調(diào)整法加工時(shí)，工件的定位誤差實(shí)質(zhì)上就是工序基準(zhǔn)在加工尺寸方向上的最大變動(dòng)量。因此計(jì)算定位誤差，首先要找出工序尺寸的工序基準(zhǔn)，然后求其在工序尺寸方向上的最大變動(dòng)量即可。1.用幾何方法計(jì)算定位誤差

用幾何方法計(jì)算定位誤差通常要畫出工件的定位簡(jiǎn)圖，并在圖中夸張地畫出工件變動(dòng)的極限位置；然后運(yùn)用三角幾何知識(shí)，求出工序基準(zhǔn)在加工尺寸方向上的最大變動(dòng)量，即為定位誤差。3.3定位誤差的分析與計(jì)算=外圓表面在V型塊上的

定位誤差44工件在V形塊上定位銑鍵槽，計(jì)算定位誤差。要求保證的工序尺寸和工序要求： ①槽底至工件外圓中心的距離H（或槽底至外圓下母線的距離H1，或槽底至外圓上母線的距離H2）； ②鍵槽對(duì)工件外圓中心的對(duì)稱度對(duì)于第1項(xiàng)要求，考慮第1種情況（工序基準(zhǔn)為圓心O），寫出O點(diǎn)至加工尺寸方向上某一固定點(diǎn)（如V形塊兩斜面交點(diǎn)A）的距離對(duì)上式求全微分，得到：

=3.3定位誤差的分析與計(jì)算以微小增量代替微分，并將尺寸誤差視為微小增量，且考慮到尺寸誤差可正可負(fù)，各項(xiàng)誤差均取最大值，得到工序尺寸H的定位誤差式中Td——工件外圓直徑公差； Tα——V形塊兩斜面夾角角度公差。若忽略V形塊兩斜面夾角的角度公差，可以得到用V形塊對(duì)外圓表面定位，當(dāng)工序基準(zhǔn)為外圓中心時(shí)，在垂直方向（圖中尺寸H方向）上的定位誤差為ΔDW

ΔDW

3.3定位誤差的分析與計(jì)算若工件工序基準(zhǔn)為外圓下母線或上母線時(shí)（圖b、c），用同樣方法可求出其定位誤差分別為

外圓表面在

V

形塊上的

定位誤差

對(duì)于第2項(xiàng)要求，若忽略工件的圓度誤差和V形塊角度偏差，可以認(rèn)為工序基準(zhǔn)（工件外圓中心）在水平方向上的位置變動(dòng)量為零，即使用V形塊對(duì)外圓表面定位時(shí)，在垂直于V形塊對(duì)稱面方向上定位誤差為零。3.4工件的夾緊在加工過程中，工件將受到切削力、慣性力及其本身重力等力的作用，若無相應(yīng)的夾緊力與其平衡，工件在力的作用下就可能發(fā)生位移，破壞了工件的定位，甚至?xí)斐墒戮?。所以，夾緊裝置是夾具不可缺少的基本組成部分。3.4.1夾緊裝置的組成和基本要求1.夾緊裝置的組成1)動(dòng)力裝置2)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3)夾緊元件2.夾緊裝置的基本要求1)夾緊過程中應(yīng)能保持工件定位時(shí)所獲得的正確位置；動(dòng)作迅速，操作方便省力2)夾緊力大小適當(dāng)，既保證加工時(shí)工件不振不移，又無不允許的變形；3)夾緊裝置復(fù)雜程度應(yīng)與生產(chǎn)規(guī)模相適應(yīng)，力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制修方便。3.4工件的夾緊在加工過程中，工件將受到切削力、慣性力及其本身重力等力的作用，若無相應(yīng)的夾緊力與其平衡，工件在力的作用下就可能發(fā)生位移，破壞了工件的定位，甚至?xí)斐墒戮?。所以，夾緊裝置是夾具不可缺少的基本組成部分。3.4.1夾緊裝置的組成和基本要求1.夾緊裝置的組成1)動(dòng)力裝置2)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3)夾緊元件2.夾緊裝置的基本要求1)夾緊過程中應(yīng)能保持工件定位時(shí)所獲得的正確位置；動(dòng)作迅速，操作方便省力2)夾緊力大小適當(dāng)，既保證加工時(shí)工件不振不移，又無不允許的變形；3)夾緊裝置復(fù)雜程度應(yīng)與生產(chǎn)規(guī)模相適應(yīng)，力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制修方便。3.4工件的夾緊3.4.2設(shè)計(jì)和選用夾緊裝置的基本原則設(shè)計(jì)和選用夾緊裝置的基本原則，如何正確地確定夾緊力的方向、夾緊力作用點(diǎn)的位置和夾緊力的大小。1.夾緊力方向的確定夾緊力的方向與工件定位基準(zhǔn)的配置情況、工件的重力方向和工件所受切削力的方向等有關(guān)。確定的原則是：1)夾緊力的方向應(yīng)垂直于主要定位表面，以保證工件的定位精度。2)夾緊力的方向應(yīng)有利于減少夾緊力2.夾緊力作用點(diǎn)的選擇正確選擇夾緊力作用點(diǎn)的位置，這與工件的定位可靠、防止工件夾緊變形、保證工件加工精度等有關(guān)。選擇的原則是：1)夾緊力作用點(diǎn)的位置，應(yīng)能保證工件定位穩(wěn)定，不致發(fā)生位移或偏轉(zhuǎn)。2)夾緊力作用點(diǎn)應(yīng)作用在工件剛度較大的部位，以減少夾緊變形。3)夾緊力作用點(diǎn)應(yīng)靠近工件的加工表面，以增加夾緊的可靠性。3.4工件的夾緊3.夾緊力大小計(jì)算夾緊力的大小對(duì)于確定夾緊裝置的結(jié)構(gòu)尺寸，保證夾緊工件的可靠性等，都有很大的關(guān)系。夾緊力太小，則不能抵抗切削力的作用，影響裝夾工件的可靠性。夾緊為太大，則易使工件變形，降低加工精度。主要作用是防止切削力破壞工件的定位，因而夾緊力的大小主要是根據(jù)切削力的大小來確定。由于切削力的大小和作用點(diǎn)的位置在切削過程中是變化的，所以計(jì)算夾緊力時(shí)，則應(yīng)以最不利情況下所需的夾緊力為準(zhǔn)。計(jì)算夾緊力時(shí)，通常將夾具和工件看成一剛性系統(tǒng)。按切削原理公式計(jì)算或從有關(guān)資料中查得切削力的大小。然后根據(jù)工件所受切削力、夾緊力（大工件還應(yīng)考慮重力，運(yùn)動(dòng)的工件還應(yīng)考慮慣性力等）、各支承反力及摩擦力等處于靜力平衡條件下，列出夾緊力計(jì)算公式，從而計(jì)算出應(yīng)需的理論夾緊力。為了安全可靠起見，再乘以安全系數(shù)，作為實(shí)際所需夾緊力。即可按下式計(jì)算夾緊力：3.4工件的夾緊式中：W——實(shí)際所需夾緊力；W’——按平衡條件求得的理論夾緊力；K——安全系數(shù)，通常K=1.5～3；粗加工時(shí)取K=2.5～3；精加工時(shí)取K=1.5～2。3.4工件的夾緊3.4.3典型夾緊機(jī)構(gòu)生產(chǎn)中常用的典型夾緊機(jī)構(gòu)有：斜楔夾緊機(jī)構(gòu)、螺旋夾緊機(jī)構(gòu)、偏心夾緊機(jī)構(gòu)和鉸鏈夾緊機(jī)構(gòu)等。斜楔夾緊機(jī)構(gòu)螺旋夾緊機(jī)構(gòu)偏心夾緊機(jī)構(gòu)鉸鏈夾緊機(jī)構(gòu)3.5各類機(jī)床夾具的設(shè)計(jì)特點(diǎn)任何一種機(jī)床夾具，通常都是由定位元件、夾緊裝置、夾具體和其他一些元件、裝置等組成。但各類機(jī)床夾具在其元件的結(jié)構(gòu)、夾具的整體構(gòu)造和技術(shù)要求等方面，又有各自的特點(diǎn)。鉆床夾具鏜床夾具銑床夾具車床夾具3.5各類機(jī)床夾具的設(shè)計(jì)特點(diǎn)任何一種機(jī)床夾具，通常都是由定位元件、夾緊裝置、夾具體和其他一些元件、裝置等組成。但各類機(jī)床夾具在其元件的結(jié)構(gòu)、夾具的整體構(gòu)造和技術(shù)要求等方面，又有各自的特點(diǎn)。鉆床夾具鏜床夾具銑床夾具車床夾具3.6機(jī)床夾具的設(shè)計(jì)方法及步驟專用夾具設(shè)計(jì)的基本要求保證工件加工精度——關(guān)鍵是正確地確定定位方案、夾緊方案、刀具導(dǎo)向方式及合理確定夾具的技術(shù)要求。必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行誤差分析與計(jì)算。夾具結(jié)構(gòu)方案（復(fù)雜程度）應(yīng)與生產(chǎn)綱領(lǐng)相適應(yīng)。操作方便、安全、省力——如采用氣動(dòng)、液壓等夾緊裝置， 以減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，并可較好地控制夾緊力。夾具操作位 置應(yīng)符合工人操作習(xí)慣，必要時(shí)應(yīng)有安全防護(hù)裝置，以確保 使用安全。便于排屑。有良好的結(jié)構(gòu)工藝性——便于制造、檢驗(yàn)、裝配、調(diào)整、維 修等。3.6機(jī)床夾具的設(shè)計(jì)方法及步驟研究原始資料，明確設(shè)計(jì)要求擬定夾具結(jié)構(gòu)方案，繪制夾具結(jié)構(gòu)草圖 ——確定工件的定位方法并選擇相應(yīng)的定位元件；確定刀具的引導(dǎo)方式，并設(shè)計(jì)引導(dǎo)裝置或?qū)Φ堆b置；確定工件的夾緊方法，并設(shè)計(jì)夾緊機(jī)構(gòu)；確定其他元件或裝置的結(jié)構(gòu)形式；考慮各種元件或裝置的布局，確定夾具的總體結(jié)構(gòu)。為使設(shè)計(jì)的夾具先進(jìn)、合理，常需擬定幾種結(jié)構(gòu)方案，進(jìn)行比較，從中擇優(yōu)。繪制夾具總圖，標(biāo)注有關(guān)尺寸及技術(shù)要求 ——按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)繪制，比例盡量取1:1，視圖應(yīng)盡可能少，主視圖應(yīng)取操作者實(shí)際工作位置。繪制零件圖3.6機(jī)床夾具的設(shè)計(jì)方法及步驟3.6機(jī)床夾具的設(shè)計(jì)方法及步驟鉆、絞連桿小頭孔夾具（分解圖）3.6機(jī)床夾具的設(shè)計(jì)方法及步驟夾具總圖上尺寸及技術(shù)條件的標(biāo)注標(biāo)注目的——便于拆零件圖、便于夾具裝配和檢驗(yàn)。標(biāo)注內(nèi)容： 夾具外形輪廓尺寸； 與夾具定位元件、導(dǎo)向元件及夾具安裝基準(zhǔn)面有關(guān)的配合 尺寸、位置尺寸及公差； 夾具定位元件與工件的配合尺寸； 夾具導(dǎo)向元件與刀具的配合尺寸； 夾具與機(jī)床的聯(lián)接尺寸及配合； 其他重要配合尺寸。3.6機(jī)床夾具的設(shè)計(jì)方法及步驟夾具公差確定 夾具上有關(guān)尺寸公差和幾何公差通常取工件上相應(yīng)公差的1/5～1/2。 當(dāng)生產(chǎn)批量較大時(shí)，考慮夾具磨損，應(yīng)取較小值；當(dāng)工件本身精度較高，為使夾具制造不十分困難，可取較大值。 當(dāng)工件上相應(yīng)的公差為自由公差時(shí)，夾具有關(guān)尺寸公差常取±0.1mm或±0.05mm，角度公差（包括位置公差）常取±10′或±5′。 確定夾具公差帶時(shí)，還應(yīng)注意保證夾具的平均尺寸與工件上相應(yīng)的平均尺寸一致，即保證夾具上有關(guān)尺寸的公差帶剛好落在工件上相應(yīng)尺寸公差帶的中間。3.6機(jī)床夾具的設(shè)計(jì)方法及步驟夾具總圖技術(shù)要求標(biāo)注 定位元件與定位元件定位表面之間的相互位置精度； 定位元件的定位表面與夾具安裝面之間的相互位置精度； 定位元件的定位表面與引導(dǎo)元件工作表面之間的相互位置精度； 引導(dǎo)元件與引導(dǎo)元件工作表面之間的相互位置精度； 定位元件的定位表面或引導(dǎo)元件的工作表面對(duì)夾具找正基準(zhǔn)面的位置精度； 與保證夾具裝配精度有關(guān)的或與檢驗(yàn)方法有