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第四章 机床夹具设计原理,学习目的与要求,（1）了解机床夹具的组成、作用及其对零件加工的重要性 （2）掌握对工件定位的概念、原理、要求及定位误差的概念 （3）掌握各种不同定位方式定位误差的计算 （4）熟悉对工件夹紧的目的、要求和夹紧机构 （5）熟悉各种机床上使用的夹具特点 （6）初步掌握夹具设计的方法、要点和步骤,主要内容,第4章 机床夹具设计原理 4.1 机床夹具的概述 4.2 工件的定位 4.3 典型的定位方式、定位元件及定位装置 4.4 定位误差 4.5 工件的夹紧 4.6 夹紧机构 4.7 夹具的动力装置 4.8 夹具的其它装置 4.9 夹具设计的方法及步骤 思考与练习：,一、机床夹具的定义 广义 机床夹具 辅助将刀具在机床上进行定位、夹紧的装置。 二、工件的安装 定义 内容： 方式：,4-1 夹具的基本概念,三、夹具的组成,1、夹具的组成 定位元件及定位装置 夹紧元件及夹紧装置 导向元件或对刀装置 动力装置 夹具体 其它元件与装置 2、夹具的工作原理要点 使工件占有正确的加工位置 保证夹具定位工作面相对机床切削运动形成表面的准确几何位置，满足加工面对定位基准的相互位置精度要求 保证加工面对定位基准的位置尺寸,机床夹具和机床、刀具、工件之间关系图,四、夹具的作用 （1）保证加工精度 （2）提高生产率 （3）减轻工人劳动强度 （4）扩大机床使用范围 （5）降低生产成本 （6）可由较低技术等级的工人加工,五、夹具分类 1、按专业化程度 通用夹具 专用夹具 成组夹具 组合夹具 随行夹具 2、按机床种类 车床夹具 磨床夹具 钻床夹具(钻模) 镗床夹具(镗模) 铣床夹具 3、按动力源 手动、气动、液压、气液、电动、电磁、真空、 自紧(切削力),4-2工件的定位,一、定位与基准 定位：工件在夹具中占有正确的位置 夹紧：固定工件的位置 定位基准：确定工件安装时所用的基准,二、定位原理 自由度：一个物体在空间中可能具有的运动 刚体有六个自由度： 定位条件：采取各种约束措施来消除六个自由度 六点定位原理：,平面 1、2、3： 圆柱面 5、6 ： 槽 4 ：,圆盘类零件,轴类零件,圆柱面 1、3、4、5： 槽 2： 端 6：,定位销定位：,六点 定位原理,采用六个按一定规则布置的约束点，限制工件的六个自由度，实现完全定位,常见定位元件分析,V型铁定位： 锥销定位： 顶尖定位：,三、定位的正常情况与非正常情况,需限制5个自由度,需限制6个自由度,超定位的几个例子,平面定位： 四个支撑钉三个,平面长销 平面3个；长销4个,改进措施,长销与小端面,短销与大端面,长销与浮动端面垫,一面两销 两个短销均限制了 将其中一销改为削边销,过定位益处,增加稳定性 增加刚性,具体情况具体分析：,该限制的没有限制欠定位，不允许；限制自由度小于六时，是欠定位或不完全定位 一个自由度被多个定位元件限制超定位，一般不允许 工件定位面精度、夹具定位元件精度较高允许过定位提高刚度 工件刚度低，过定位提高刚度 根据加工要求确定定位 欠定位和过定位可能同时存在,5-3 典型的定位方式、定位元件及定位装置,一、定位元件的要求 有与工件相应的精度； 有足够的刚度； 有足够的耐磨性。 二、常见的定位方式及定位元件 平面定位、外圆定位、内孔定位、复合定位 1、平面定位 应用场合：箱体、床身、机座、支架等 定位元件：支承钉及支承板、可调支承与自位支承、辅助支承,支承钉与支承板 精基准： 支承钉或支承板 粗基准： 三个支承钉 可调支承 用于未加工过的面（粗基准）,自位支承 辅助支承 避免粗基准的超定位 增加工件刚性,辅助支承,2、圆孔定位 定位销：主用于中心孔定位，一般d50mm 锥销,心轴： A、刚性心轴,间隙配合，定心低,过盈配合，定心高,B、锥度心轴 常用锥度：1:10001:5000 工件紧，定心高，不用夹紧 C、弹性心轴： 定心精度高，装卸方便,液性塑料心轴,D、定心心轴：用于粗基准或孔径大时,孔定位,3、外圆定位 套筒 自动定心定位：卡盘及卡头,支承 V型铁定位 分类： 特点：对中性好 应用：外圆柱面定位；任意曲线柱面的定位；与其他定位元件组合使用；超定位时，可做成浮动形式,平支承,两个平支承,半圆支承,4、圆锥孔定位 用锥轴限5个自由度，特例是顶尖（死顶尖和浮动顶尖） 5、复合定位一个平面和两个与平面垂直的孔组合；一个平面和一个与其垂直的孔组合 （1）一个平面和两个与其垂直的孔 A 、采用两个圆柱销和一个平面的情况 使工件两个孔中一个准确定位，两孔中心距误差和两销中心距误差由另一个定位销来补偿,设孔1和销1准确定位，两者最小间隙1 ，要将孔2套入定位销2，而两个中心距又有误差，则只能将定位销2减小。从图中可以看出，当两孔中心距最大两销中心距最小或反之,L-Lx,L+Lx,2为孔2与销2的最小间隙，这样d2较小，从而定位的角度小误差很大。 两孔中心误差和两销的中心误差由两个定位销来补偿： 将两个销直径减小，这样在中心连线方向定位精度降低，另外也不能减小角度误差，因此很少采用。,B、用削边销来补偿两孔中心距和两销中心距的误差 削边销的出现 设两孔中心距最大，两销中心距最小,如把定位销2削成宽为b的扁销，即可补偿两个中心距误差使工件顺利装入。根据几何关系得（两三角形）,略去高阶小量,当两孔中心距最小，两销中心距最大时，结果相同。,削边销结构,已标准化,扁销 刚性差,凸肚销 制造复杂,菱形销,C 、削边销（菱形）设计 已知：两销孔公称尺寸及公差，两孔中心距公称尺寸及公差 求：两销公称尺寸 削边销宽度及销公差，两销孔中心距及公差 例：已知工件两孔为 两孔中心距为,解：公差为 对称分布,确定圆柱销的直径及公差 圆柱销1的为 最小间隙,确定菱形销2的直径公称尺寸、公差及宽度 先根据D2值查表选b（P204 表4.1），b=4 根据b求2 则由最小间隙,得， 选销与孔为H/g，H/f，一般为g6，公差为 公差值为0.011 所以，取d2=12，则,（2）一个平面和一个与其垂直的孔组合 A、大平面、短销 B、大平面、长销 （3）两个互相垂直的平面和一个与其中一个面垂直的孔组合 6、其它定位方式 一些特殊的如齿轮淬火后磨内孔齿余量均匀,齿面定位,5-4 定位误差,一、与夹具有关的误差： 1、定位误差定 2、夹紧误差夹紧 3、导向误差导 4、夹具安装误差夹具安 5、夹具制造误差夹具,对正安装误差az,az过程误差,dw+az+gc= 各取1/3,二、定位误差的分析,定位误差是否满足要求，与分布有关，也与标准值（调整值有关）,误差分布范围,下限,上限,标准（调整时）,三、常见定位形式的定位误差 1、用支承或平面作定位元件 平面定位 要求尺寸： A1 则由基准不重合引起的定位误差定=A2,A2A2/2,支承定位平面 要求尺寸：A3 基准重合，但工件定位面不准，有基准位移引起定位误差定=(H-h)tg()， =90,若要求A1 则即有基准位移引起，又有定位基准不重合 定=(H-h)tg()+A2,支承定位外圆表面 对H1: 定=D/2(不重合) 对H2: 定=0 对A: 定=D/2(不重合),2、用定位销、心轴定位内圆表面和用套筒定位外圆表面 (1)中心偏移销或套筒垂直放置 如图，x、y两个方向定位误差,当定位销或套筒水平放置，由于重力等作用，高点接触 定位误差：,销小孔大,销大孔小,中心偏转,3、锥心轴定位 当工件孔有孔径误差 时， 基准位移误差： 孔直径公差 锥角 当心轴有直径误差时,公差,位移误差 对销1来说最小间隙 各个方向 孔径公差 销径公差 最小间隙,对销2来说，由于不限x方向自由度，即由销1决定。 y方向：,转角：,转角为,一般转角：可取,4、V形铁定位 下母线为设计基准（如键槽等） 此时由于基准不重合（QA、C）产生基准转换误差。设调整是按标准工件调整，工件直径为d，现工件直径为d +，则产生的定位误差为,其中,带入直径公差误差分布范围,中心线为设计基准(如端键槽) 此时定位误差,=120，60，90,设计基准为上母线 此时定位误差,=120，90，60,K3 K2 K1,注意,5-5 工件的夹紧,一、夹紧机构的组成 1、夹紧元件 2、动力装置 3、中间传力机构 二、夹紧机构的基本要求与设计原则 1、夹紧必须保证定位而不能破坏定位 主要夹紧力垂直于装置基面,夹紧元件不应破坏工件定位,2、工件和夹具的夹紧变形必须在允许范围内 夹紧力作用在工件刚性较好的方向上 夹紧力的着力点和支承点尽可能靠近切削力作用点,夹紧力的反作用力不应使夹具产生影响加工精度的变形 夹紧力大小要适当,3、夹紧机构必须可靠 夹紧元件本身有足够的刚度和强度 手动夹紧的自锁性能可靠 夹紧机构有足够的夹紧行程 4、夹紧机构的操作安全、省力、方便、迅速 5、夹紧机构的复杂程度和自动化程度与生产规模及工厂的财力、物力相适应,三、夹紧力的确定 夹紧力大小、方向和作用点 1、夹紧力的方向 保证定位准确可靠，一般垂直于主要定位基准面 应使所需夹紧力尽可能小 应使工件变形小 2、夹紧力的作用点 保持工件稳定定位 使工件夹紧变形尽可能小 尽可能靠近工件被加工表面,三要素,辅助支承,3、夹紧力大小的选择 夹紧力大小应适当 确定方法： 类比法计算分析法,加工过程中，切削力变化时，按最不利的情况考虑,开始，绕0点翻转，摩擦力矩,5-6 夹紧机构,一、斜楔夹紧机构,1、夹紧力计算 即 又,2、结构特点： 斜楔具有自锁性,一般 约6， 手动可靠 气动、液压时，可大些，1530。,具有改变压力方向的特点 具有增力作用 增力系数 3左右 夹紧行程小，行程h，移动S 行程小 自锁差 3、适用范围 小型钻床、铣床；与其他装置组合使用,二、螺旋夹紧机构 1、结构形式,三、偏心夹紧机构,四、铰链夹紧机构 增力机构，常与气缸、油缸联动以扩大夹紧 力，动作迅速，容易改变力的传递方向压板张 开量大；但自锁性能差,特点,五、定心夹紧机构 三爪卡垫、弹性夹头等 六、联动夹紧机构 1、常见的联动夹紧方式 多点夹紧联动 多件夹紧联动 弯轴瓦分型面 先定位后夹紧联动 夹紧与其他动作联动 如夹紧与锁紧辅助支承联动,2、设计联动夹紧机构时应注意的问题 仔细进行运动分析和受力分析，以确保实现设计意图； 设计必要的浮动环节及浮动程度，以保证夹紧均衡、运动不发生干涉； 保证所有压板都能松夹，以便装卸工件； 注意刚性，以免刚性不足而夹不紧； 避免过于复杂，否则会降低可靠性，制造困难。,4-7 夹具的动力装置,一、动力装置的作用 减轻工人劳动强度，提高生产率，保证安全生产 常用动力装置： 气压、液压、气液联合、电动、电磁、真空等 二、气压夹紧采用压缩空气,气动夹紧及其辅助装置系统图,固定式气缸,回转式气缸,三、液压夹紧 1、液压的压力较高，油缸小，布局方便，不需增力机构，结构简单； 2、夹紧刚度大，夹紧可靠，动作比较平稳； 3、在液压机床上实现比较方便，否则需增设油泵站，提供高压油，因此成本高； 4、没有排气噪声，但油泵工作时的噪声也很大，另外漏油不易处理，污染环境。,特点 (与气压比),四、气液联合夹紧 利用气压来源方便和液压工作油缸体积小的特点，其能量来源是压缩空气，执行机构是油缸。,增压器,五、电动夹紧 多由电动机、减速装置和螺旋副传动等组成 六、电磁夹紧平磨 感应线圈隔离板工件 导磁材料 磁化 七、真空夹紧,车床用电磁卡盘,4-8 夹具的其它装置,一、孔加工时的导向装置 1、钻孔导向钻套 （1）钻套的类型(根据结构)： 固定钻套、可换钻套、快换钻套、特殊钻套,固定式 (有肩和无肩) 配合： 特点：位置精度高，结构简单，但磨损后不易换，不能钻扩铰 应用： 用于单件、小批及孔距小的地方。 可换钻套 配合：钻套与衬套间 ，衬套与孔间 特点：操作方便，螺钉可防止钻套松动和被顶出 应用：大批量生产，但不宜用于连续更换刀具的场合,快换钻套 用于钻扩铰(攻丝) 特殊钻套,（2）钻套的尺寸和公差 内径D 其基本尺寸由所用刀具的外径确定，对于钻扩铰刀等标准定尺寸刀具，按基轴制选用的动配合F7或G6 钻套高H 对于一般孔距精度 H=(1.52)d 对于孔距（平行度）要求高的 H=(2.53.5)d 钻套与工件距离h 留有空间排屑； 加工铸铁 h=(0.30.7)d； 加工钢 h=(0.71.5)d； 孔的位置高，可取h=0 断屑好 h，不好 h,应用： 杆套紧； 套衬用,（3）钻模举例 固定式与移动式钻模 翻转式或回转式钻模 当工件上有几个方向不同孔时，可用一个钻模在一次安装中进行加工。这种钻模能获得所需的几个方向加工位置。 翻转式钻模：整个夹具和工件一起翻转 回转式钻模分度机构,2、镗孔的导向镗套 （1）镗套结构类型 固定式镗套不与镗杆一起转动,外形尺寸小，结构简单，中心位置准确，转速高时出现“咬死”，不超过20转/分,回转式镗套 外滚式回转镗套：将回转部分装在夹具上，镗杆和导套之间只有相对移动，而无转动 内滚式回转镗套：将回转部分装在镗杆上 （2）镗刀通过问题 很多情况刀大于镗套内径,（3）镗套的尺寸和公差 镗套的基本尺寸由镗杆的导向部分的外径来决定。配合用 、 ，后者用于精加工。 内滚式，滑动套 h6、h5,二、对刀装置,铣床对刀装置,三、分度装置,斜面分度装置,四、夹具在机床上的定位,为保证夹具相对于切削运动有准确方向，在夹具体底面往往安装两个定向键或销,夹具在回转主轴上的安装，取决于所使用的机床主轴的端部结构,5-9 夹具设计的方法及步骤,一、设计前的准备 1、生产纲领 N 气动或机动夹具 N 手动 简单 2、零件图及工序图 零件图尺寸、形状和位置精度要求 工序图工序尺寸、基准等 加工表面 3、工序内容 主要指该工序所用机床、刀具、切削用量、工步安排、时间定额、装夹工件数目等,工序内容：钻铰6两孔，钻8孔 精度要求：6两孔级，表面粗糙度3.2 ，位置度0.1；8孔自由，表面粗糙度12.5 已加工表面有：12H7孔、15H7孔、45f7外圆、两端面及18孔,二、夹具的总体方案的确定 1、定位方案 一面两销 长销、削边销、小止推面装卸不便，钻工时干涉、复杂、排屑 端面、削边销、定心套基准不重合,2、夹紧方案 螺钉垫圈夹紧优点：机构简单、方便， 缺点：装卸工件不便，费时 勾形压板装卸方便，但需要拧两个螺母，费时；联动则复杂 铰链压板简单方便,3、夹具形式 翻转或回转式 三、夹具装配草图 工件定位元件导向元件夹紧机构夹具体 足够的刚度减少变形，必要时用加强筋 形状简单避免加工困难 良好的工艺性 操作方便，容易排屑,绘制夹具体应注意,四、夹具的精度验算,无基准转换,五、绘制夹具的装配图及零件图 1、轮廓尺寸，即夹具的长宽高尺寸 2、配合尺寸及种类 3、联系尺寸及偏差，一般按工件相应公差的 选取,
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