夹具的定位夹紧与夹具设计.ppt

第4章 工件的定位夹紧与夹具设计,4.1 夹具的基本概念 4.2 工件在夹具上的定位 4.3 工件在夹具中的夹紧 4.4 各类机床夹具举例,4.1 夹具的基本概念 4.1.1机床夹具的定义及组成 1.机床夹具的定义： 广义上，为使工艺过程的任何工序保证质量、提高生产率、减轻工人劳动强度及工作安全等的一切附加装置都称为夹具。 机床夹具：是将工件进行定位、夹紧，将刀具进行导向或对刀，以保证工件和刀具间的相对位置关系的附加装置，简称夹具。 辅助工具：将刀具在机床上进行定位、夹紧的装置，简称辅具。,2. 夹具的组成部分,1）定位元件 起定位作用，保证工件相对于夹具的位置，可用六点定位原理来分析其所限制的自由度。 2) 夹紧装置 将工件夹紧，以保证在加工时保持所限制的自由度。根据动力源的不同，可分为手动、气动、液动和电动等夹紧方式。 3) 导向元件和对刀装置 用来保证刀具相对于夹具的位置，对于钻头、扩孔钻、铰刀、镗刀等孔加工刀具用导向元件，对于铣刀、刨刀等用对刀装置(图4-1、图4-2)。 4) 连接元件 它保证夹具和机床工作台之间的相对位置。 对于铣床夹具有定位键与铣床工作台上的T形槽相配来进行定位，再用螺钉夹紧(图4-1)。,5) 夹具体 是夹具的关键零件。定位元件、夹紧装置、导向元件、对刀装置、连接元件等都装在它上面。 夹具体比较复杂，它保证各元件之间的相对位置。对于加工精度来说，主要是控制刀具相对于工件的位置，工件在夹具上进行加工时，这个相对位置关系是由定位元件、导向元件或对刀装置并通过夹具体来保证，所以夹具体的精度要求比较高。,6) 其它元件及装置 如动力装置的操作系统等。 机床夹具和机床、刀具、工件之间的关系如 图4-3所示。,4.1.2 夹具的作用 1)保证加工精度 2)提高生产率 3)减轻劳动强度 4)扩大机床的工艺范围,4.1.3夹具的分类 1从通用化程度来分 (1) 通用夹具 与通用机床配套，作为通用机床的附件、如三 爪卡盘、四爪卡盘、虎钳、分度头和转台等。 (2) 专用夹具 根据零件上艺过程中某工序的要求专门设计的 夹具，此夹具只用于该零件加工（如连杆镗孔夹具），一般都是成批和大量生产中所需，数量也比较大。,(3) 成组夹具 适用于一组零件的夹具，一般都是同类零件，经过 调整(如更换、增加一些元件)可用来定位、夹紧一 组零件。 (4) 组合夹具（拼凑夹具） 由许多标准件组合而成，可根据零件加工工序的需 要拼装，用完后再拆卸，可用于单件、小批生产。 (5) 随行夹具 用于自动线上，工件安装在随行夹具上，随行夹具 由运输装置送往各机床，并在机床夹具或机床工作 台上进行定位夹紧。,2.从使用机床的类型来分 可分为车床夹具、磨床夹具、钻床夹具(包括钻模)、镗床夹具(包括镗模)、铣床夹具等。 3.从用途来分 可分为机床夹具、装配夹具和检验夹具等。 4.从动力来源分 可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、气液夹具、电动夹具、电磁夹具、真空夹具、自紧夹具(靠切削力本身夹紧)等。,4.1.4 工件在夹具中加工时加工误差的组成 1.工件在夹具中加工时的加工误差,(2)对定误差 刀具导向或对刀误差，即夹具与刀具的相对位置误差。 夹具在机床上定位和夹紧误差即夹具与机床的相对位置误差。 (3)加工过程误差 如加工方法的原理误差，工艺系统的受力变形、工艺系统的受热变形、工艺系统各组成部分(如机床、刀具、量具等)的静精度和磨损等。,工件在夹具中加工时的加工误差，由三部分组成。 (1)安装误差 工件在夹具中的定位和夹紧误差。,2.误差值的估算 一般夹县的制造精度，其误差值取该零件尺寸公差值的1/31/5。 上述误差中，安装误差和对定误差都是和夹具有关的误差，一般约占整个加工误差的三分之一。,4.2.1 工件的安装 这里安装有两个含义即定位和夹紧。 定位：工件在机床上加工时，首先要把工件安放在机 床工作台上或夹具中，使它和刀具之间有相对 正确的位置，这个过程称为定位。 夹紧：工件定位后，应将工件固定，使其在加工过程 中保持定位位置不变，这个过程称为夹紧。 安装：工件从定位到夹紧的整个过程称为安装。正确 的安装是保证工件加工精度的重要条件。,4.2工件在夹具上的定位,安装一般有三种方式: 1.直接找正安装 工件的定位过程可以由操作工人直接在机床上利用千分表、划线盘等工具，找正某些有相互位置要求的表面，然后夹紧工件，称之为直接找正安装。直接找正安装生产效率低，一般用于单件小批量生产。 2.划线找正安装 3.夹具安装 优点：操作比较简单，容易保证加工精度要求，在各种生产类型中都有应用，持别是成批和大量生产中。,4.2.2 定位原理 1.六点定位原理,采用6个按一定规则布置的约束点，可以限制工件的6个自由度，实现完全定位，称为六点定位原理。,2.典型定位元件及限制的自由度 （1）定位元件：用于代替约束点的定位元件的种类很多，常用的有：支承钉、支承板、长销、短销、菱形销、长V形块、短V形块、长定位套、短定位套、固定锥销、浮动锥销等。 （2）限制自由度以及分析 从表4-2中可以看出，有时候研究定位元件及其组合能限制哪些自由度不如研究它们不能限制哪些自由度更方便。,表4-2 典型定位元件的定位分析(续）,表4-2 典型定位元件的定位分析（续）,表4-2 典型定位元件的定位分析（续）,3.完全定位和不完全定位,3.完全定位和不完全定位,3.完全定位和不完全定位,(2)过定位 工件在定位时，同一个自由度被两个或两个以上约束点约束，这样的定位被称为过定位(或称定位干涉)。过定位是否允许，应根据具体情况进行具体分析。,(2)可调支承 支承点位置可以调整的支承称为可调支承。,(3)自位支承（浮动支承） 自位支承在定位过程中，支承本身可以随工件定位基准面的变化而自动调整井与之相适应。如图4-17所示。自位支承常用于毛坯表面、断续表面、阶梯表面的定位以及有角度误差的平面定位。,(4)辅助支承 辅助支承是在工件定位后才参与支承的元件，其高度是由工件确定的，因此它不起定位作用，但辅助支承锁紧后就成为固定支承，能承受切削力。辅助支承的结构形式很多，图4-18是其中的3种。,2.工件以圆柱孔定位 工件以圆柱孔定位大都属于定心定位(定位基准为孔的轴线)，夹具上相应的定位元件是心轴和定位销。 (1)心轴,(2)定位销 圆柱定位销通常限制工件的2个移动自由度。,当要求孔销配合只在一个方向上限制工件自由度时，可用菱形销，如图4-21(a)所示。 工件也可以用圆锥销定位，如图4-2l(b)和(c)所示。图示圆锥销定位限制了工件的3个移动自由度。,3.工件以外圆表面定位 工件以外圆表面定位有两种形式，一种是定心定位，一种是支承定位。参考图4-22。,2)长度：V形块有长短之分，长V形块(或两个短V形块 的组合)限制工件的4个自由度，而短V形块 一般只限制2个自由度。 3）V形块又有固定和活动之分，活动V形块在可移动 方向上对工件不起定位作用。 4）设计参数：V形块在夹具中的安装尺寸T是V形块 的主要设计参数，该尺寸常用作V形块检验和 调整的依据。由图4-23可以求出：,工件以外圆表面支承定位常用的定位元件是V形块。1）角度： V形块的角度有60，90和120，90最为多且已标准化。 特点：对中性好；可用于非完整外圆表面的定位。,4.工件以其它表面定位 如图4-24为工件以锥孔定位的例子，锥度心轴限制了工件除绕自身轴线转动之外的5个自内度。,5.定位表面的组合 常见的定位表面组合有平面与平面的组合，平面与圆孔的组合，平面与外圆表面的组合，平面与其它表面的组合，锥面与锥面的组合等。 在多个表面同时参与定位的情况下、各表面在定位中所起的作用有主次之分。一般称定位点数最多的定位表面为第一定位基准面或主要定位面或支承面，定位点数次多的定位表面称为第二定位基准面或导向面，定位点数为1的定位表面称为第三定位基准面或止动面。,在加工箱体类零件时经常采用一面两孔组合(一个大平面及与该平面相垂直的两个圆孔组合)定位、夹具上相应的定位元件是一面两销。为了避免由于过定位而引起的工件安装时的干涉，两销中一个应采用菱形销。菱形销的宽度可以通过简单的几何关系导出。,式中 b菱形销的宽度； D2工件上与菱形销配合孔的最小直径； 2min菱形销与其配合孔之间的最小间隙； Tlk工件上两孔中心距公差； Tlx夹具上两销中心距公差； 1min圆柱销与其配合孔的最小间隙。 在实际生产中，由于菱形销的尺寸已标准化，因而常按下面的步骤设计菱形销。 1)确定两销中心距尺寸及其公差 取工件上两孔中心距的基本尺寸为两定位销中心距的基本尺寸，其公差取工件孔中心距公差的1/51/3，即令：Tlx=(1/51/3)Tlk。,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 首先按有关标准(参考表4-3)选取菱形销的宽度b；然后按式(4-2)计算出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；d2D2-2min；最后按h6或h7选取菱形销直径的公差。,4.2.4 定位误差的分析与计算 定位误差D包括定位基准与设计基准不重合误差C和定位基准位移误差，前者简称基准不重合误差，后者简称基准位移误差。 基准位移误差又可分为是由于工件定位表面不准确所引起的和由于夹具定位元件不准确所引起的两部分。工件定位表面不准确所引起的基准位移误差 对一批零件来说，就有一个尺寸分布带，其中有系统误差和随机误差；而夹具定位元件不准确所引起的基准位移误差r，对于一个夹具来说是系统误差，但如果有几个夹具同时在使用，则和随机误差在一起出现多峰状的尺寸分布曲线。,(2)用支承定位平面,4.3.1对夹紧装置的要求 1)在夹紧过程中能保持工件正确定位； 2)夹紧应可靠和适当：夹紧机构要有自锁作用，保证在加工过程中不产生松动或振动。夹紧工件时，工件不产生变形和表面损伤。 3)夹紧装置应操作方便、省力、安全； 4)夹紧装置的复杂程度和自动化程度应与工件的生产批量和生产方式相适应。结构设计应力求简单、紧凑，并尽可能采用标准化元件。,4.3工件在夹具中的夹紧,4.3.2 夹紧力的确定 1.夹紧力方向的选择 1)夹紧力的作用方向应有利于工件的准确定位，而不能破坏定位。 措施：夹紧力要垂直指向主要定位面。,2)夹紧力的作用方向应尽量与工件刚度最大的方向相一致，以减小工件变形。,3)夹紧力的作用方向应尽可能与切削力、工件重力方向一致，以减小所须的夹紧力。,2.夹紧力作用点的选择 1)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。,2)夹紧力作用点应处在工件刚性较好的部位，以减小工件的夹紧变形。,3)夹紧力作用点应尽可能靠近被加工表面，以便减小切削力对工件造成的翻转力矩。,3.夹紧力大小的估算 夹紧力不能过小过大。夹紧力不足，会使工件在切削过程中产生位移并容易引起振动；夹紧力过大又会造成工件或夹具不应有的变形或表面损伤。 夹紧力的大小可根据作用在工件上的各种力：切削力、工件重力的大小和相互位置方向来具体计算，确定保持工件平衡所需的最小夹紧力； 为安全起见将最小夹紧力乘以安全系数k，可得到所需要的夹紧力。夹具设计时，其夹紧力一般比理论值大23倍。,安全系数k通常取1.52.5。精加工和连续切削时取较小值；粗加工或断续切削时取较大值。当夹紧力与切削力方向相反时，k值可取2.53.0。 摩擦系数主要取决于工件与支承件或夹紧件之间的接触形式，具体数值可查有关手册。 由上述的例子可以看出夹紧力的估算是很粗略的。这是因为： 切削力大小只考虑了主切削力Fc； 摩擦系数的取值是近似的。因此在需要准确地确定夹紧力大小时，通常要采用实验的方法。,4.4各类机床夹具举例 4.4.1钻床夹具 钻床夹具主要包括钻模和钻床辅助工具。钻床夹具一般只指钻模。 钻模在钻床上借钻模套筒的帮助而得到钻头与工件之间的相互需要位置的夹具。 1.钻模的类型 根据结构特点可分为固定式钻模、回转式钻模、翻转式钻模、盖板式钻模和滑柱式钻模等。,(1)固定式钻模 相对于工件位置保持不变的钻模。这类钻模多用于立式钻床、摇臂钻床和多轴钻床上。,(2)回转式钻模(转动夹具)分卧轴式和立轴式结构。,(3)盖板式钻模以加工车床溜板箱上多个小孔所 用的盖板式钻模为例。特点：没有夹具体,(4)滑柱式钻模,(5)翻转式钻模没有固定转轴和分度装置的回转式钻模 多用于加工过小、过大件或简化夹具，采用翻转式钻模。 缺点：装卸工件费时，并且不太方便,2、钻模设计要点 (1)钻套 钻套是引导刀具的元件，用以保证孔的加工位置，并防止加工过程中刀具的偏斜。 钻套分4种类型： 固定钻套、可换钻套、快换钻套和特殊钻套。,固定钻套： 固定钻套直接压入钻模板或夹具体的孔中，位置 精度较高，但磨损后不易拆卸，故多用于中、小批量生产。 可换钻套 衬套则压入钻模板或夹具体的孔中，钻套以间隙配合安装在衬套中。为防止钻套在衬套中转动，加一固定螺钉。可换钻套在磨损后可以更换，故多用于大批量生产。 快换钻套 具有快速更换的持点，更换时不需拧动螺钉。快换钻套多用于同一孔需经多个工步(如钻、扩、铰等)加工的情况。上述3种钻套均已标准化，其规格可查阅有关手册。,特殊钻套 用于不宜使用标准钻套，根据特殊要求设计的专用钻套。,钻套尺寸及公差： d的基本尺寸刀具最大极限尺寸,公差：钻孔、扩孔取F7； 粗铰时取G7； 精铰时取G6。 若钻套引导的是刀具的导向部分： 常取配合为H7f7，H7g6，H6g5。 钻套的高度H，常取H=(12.5)d。对于精度要求较高的孔、直径较小的孔和刀具刚性较差时应取较大值。 钻套与工件之间应留有排屑间隙h， 取h=(0.31.2)d； 加工铸铁和黄铜等脆性材料时，可取较小值； 加工钢等韧性材料时，应取较大值。 当孔的位置精度要求很高时，也可以取h=0。,(2)钻模板 固定式：结构简单，精度较高,分离式 分离式钻模板是可拆卸的，工件每装卸一次，钻模板也要装卸一次。它是为了装卸工件方便而设计的。,悬挂式,(3)夹具体 夹具体一般没有定位或导向装置，夹具体底面安放在钻床工作台上后，用钻套直接找正并用压板压紧。 对于某些类型的钻模，要求在相对于钻头送进方向设置支脚。支脚可以直接在夹具体上作出，也可以作成装配式。支脚一般应有4个，以检查夹具安放是否歪斜。支脚的宽度(或直径)应大于机床工作台T形槽的宽度。 4.4.2 镗床夹具 具有刀具导向的镗床夹具又称为镗模，镗模与钻模有很多相似之处。,1.镗模的种类 镗模根据其镗套支架的布置形式可分为单面导向和双面导向两类。 单面导向只有一个导向支架，布置在刀具前面，称为前导向。,2.镗模的设计要点 (1)镗套 镗套用于引导镗杆。 可分为固定式镗套和回转式镗套两类。 固定式镗套的外形尺寸较小，且位置精度较高。缺点：易于磨损，多用于速度较低的场合.,回转式镗套 当镗杆的线速度大于20m/min时采用,(2) 镗模支架与夹具体 镗模支架用于安装镗套，保证被加工孔系的位置精度，并有承受切削力的作用。 镗模支架要求有足够的强度和刚度，在结构上设计较大的安装基面和加强筋； 镗模支架上不允许安装夹紧机构或承受夹紧力，以免支架变形而影响精度。 镗模底座上一般应设有耳座和起吊孔(或起吊螺栓)，分别用以安装和起吊镗模； 在镗模底座的侧面，还常常加工出细长的找正基面(参考图4-51中的G面)，用以找正夹具定位元件和导向元件的位置以及找正夹具在机床工作台上安装时的位置。,4.4.3 铣床夹具 1.铣床夹具的类型 1)按不同的进给方式： 铣床夹具分为直线进给式、圆周进给式和仿形进给式三种类型。直线进给式铣床夹具用得最多。 2)根据夹具上同时安装工件的数量：分为单件铣夹具和多件铣夹具。 铣工件上斜面的单件铣夹具(图4-55(a)。工件以一面两孔定位，为保证夹紧力作用方向指向主要定位面，两个压板的前端作成球面。此外，为了确定对刀块的位置，在夹具上设置了工艺孔O。,圆周式进给铣床夹具用在具有回转工作台的铣床上，一般均采用连续进给，有较高的生产率。这种加工方法使机动时间与辅助时间相重合，从而提高了机床利用率。,2.铣床夹具设计要点 (1)夹具总体结构 铣削加工的切削力较大，又是断续切削，加工中易引起振动，因此要求： 1)铣床夹具的受力元件要有足够的强度和刚度 2)夹紧机构所提供的夹紧力应足够大，且要求有较好的自锁性能 3)为了提高夹具的工作效率，应尽可能采用机动夹紧机构和联动夹紧机构，并在可能的情况下，采用多件夹紧和多件加工。,(2)对刀装置 对刀装置用以确定夹具相对于刀具的位置。铣床夹具的对刀装置主要由对刀块和塞尺构成。塞尺用于检查刀具与对刀块之间的间隙，以避免刀具与对刀块直接接触。 (3)夹具体 铣床夹具的夹具体要承受较大的切削力，因此要有 1) 足够的强度、刚度和稳定性。 故夹具体上要适当地布置筋板； 夹具体的安装面应足够大； 作成周边接触的形式。 2) 铣床夹具通过定位键与铣床工作台T形槽的配合来确定夹具在机床上的方位。,4.4.4 车床夹具 1.车床夹具的类型 根据工件的定位基准和夹具本身的结构特点，车床夹具可分为以下4类： 1)以工件外圆定位的车床夹具，如各类夹盘和 夹头。 2)以工件内孔定位的车床夹具，如各种心轴。 3)以工件顶尖孔定位的车床夹具，如顶尖、拨盘 等。 4)用于加工非回转体的车床夹具，如各种弯板式、花盘式车床夹具。,当工件定位表面为单一圆柱表面或与被加工面相垂直的平面时，可采用各种通用车床夹具，如三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘、顶尖、花盘等； 当工件定位面较复杂或有其它特殊要求时(例如为了获得高的定位精度或在大批量生产时要求有较高的生产率)，应设计专用车床夹具。,2车床夹具设计要点 (1)车床夹具总体结构 为保证夹具工作平稳，夹具的结构应尽量紧凑，重心应尽量靠近主轴端，一般要求夹具悬伸不大于夹具轮廓外径。 对于弯板式车床夹具和偏重的车床夹具，通常采用加平衡块(配重)的方法进行平衡。 (参考图4-59中的件1) 为保证工作安全，夹具上所有元件或机构不应超出夹具体的外廓必要时应加防护罩(如图4-59中的件2)。 要求车床夹具的夹紧机构要能提供足够的夹紧力，且有较好的自锁性，以确保工件在切削过程中不会松动。,(2)夹具与机床主轴的联接 车床夹具与机床主轴的联接方式取决于机床主轴轴端的结构以及夹具的体积和精度要求。,车床夹具的设计要点同样适合于内圆磨床和外圆磨床所用的夹具。,