机械制造工艺学第六章机床夹具设计

2021/4/11 第一节机床夹具概述 一 、 机床夹具及组成 完成工件安装的工艺装备称为夹具 。 例：加工平面对工艺装备的要求 第六章机床夹具设计 2021/4/11 （ 1） 保证上与下面平行 （ 2） 保证工件不动 机床夹具的组成 （ 图 6 1） 1.定位元件 与工件定位基准配合 。 图中为 “ 一面两销 ” （ N面 ） 2.夹紧装置 用于夹紧工件 ， 图中为螺栓 ， 螺 母 ， 压板 3.对刀元件 确定刀具与夹具的相对位置 ， 图 中为对刀块 （ 配合塞尺 ） 2021/4/11 2021/4/11 4.连接元件 保证夹具与机床的相对位 置，图中为定位键等。 5.夹具体 6.其它元件 。 二 、 机床夹具分类 1.通用夹具：卡盘 ， 顶夹 ， 虎钳 ， 分度头等 。 2.专用夹具 专为某工件某工序专门设计 。 2021/4/11 3.可调夹具、成组夹具 可加工结构相似的 各种零件，可应用于成组加工工艺中。 4.组合夹具 由一套标准化的夹具元件 ， 按 要求拼装而成 ， 组合夹具站 （ 或中心 ） 的支 持 。 5.随行夹具 用于自动线或柔性制造系统 。 工件安装在该夹具上 ， 运输装置把夹具输送 往各个机床 ， 并在各机床上定位和卡紧夹具 。 各工序加工全部完成后 ， 卸下工件 。 其它分类方式：按机床分类 ， 按动力源分类等 。 2021/4/11 三 、 机床夹具的功用 （ 1） 保证加工质量 （ 精度 ） （ 2） 缩短辅助时间 ， 一般有 T基 +T辅 75%T 单 （ 3） 扩大机床使用范围 （ 4） 改善劳动条件 2021/4/11 第二节工件在夹具的定位 一、常用定位方法与定位元件 1.工件以平面定位 （ 1）固定支承（图 6 2）支承钉、支承板 （ 2） 可调支承 （ 图 6 3） 在一批零件的加 工过程中 ， 其作用同固定支承 （ 即每批毛坯 调整一次 ） （ 3） 自位 （ 浮动支承 ） 限制 1个自由度 。 多点支承 ， 支承稳定性 ， 刚性好 。 （ 图 6 4） （ 4） 辅助支承 （ 图 6 5） 不限制自由度 ， 可增加稳定性和刚性 （ 夹紧后支承 ， 且不破 坏原定位 ） 2021/4/11 2021/4/11 2021/4/11 2021/4/11 2021/4/11 （二）工件以圆柱孔定位 1、 心轴 （ 限制 4-5个自由度 ） 图 6 6 刚性心轴：过盈 、 间隙 、 小锥度 可涨心轴：弹性 、 液塑 、 自定心 2、 定位销 （ 限制 1-3个自由度 ） 图 6 7、 8 圆柱 （ 2个 ） 菱形 （ 1个 ） 锥销 （ 3个 ） 2021/4/11 2021/4/11 2021/4/11 2021/4/11 （三）工件以外圆表面定位 1、 定心定位 （ 与孔相同 ） （ 图 6 9） 2021/4/11 2、支承定位 (V型块 )角： 60度、 90度、 120度。 （图 6 10） 2021/4/11 V型块主要设计参数 T 检验心轴中心高（ V 型块零件图上需标注） D 由工件确定 N， H 参照标准选定（或经验公式计算） =90度时， T=H+0.707D-0.5N V型块的设计标准 GB2208-80(尺寸、材料、热 处理等。 ) 22 s in2 1 tg ND HT 2021/4/11 （四）工件以其它表面定位（图 6 11、 12） 锥度心轴 ， 渐开线齿面等 。 （五）定位表面的组合形式（图 6 13） 2021/4/11 2021/4/11 2021/4/11 二 、 定位误差的计算 1.定位误差 工序基准在加工尺寸方向的最 大变动量 。 定 = 不 + 位置 不 基准不重合误差 。 工序基准相对于定位基准在加工尺寸方向 的最大变动量 。 位 基准位置误差 。 定位基准制造误差 。 2021/4/11 定位误差分析举例： 2021/4/11 加工孔 A A1 ： 基准重合 不 =0 （ 定 ） A1 = 位 A1=2 tgT （ 箱体表面误差 ） A2： 基准不重合 ， 认定为 位 =0（ 精加工顶面 ） （ 定 ） A2= 不 A2=TL2 加工孔 B B1 ： 基准不重合 ， 不 B1=TL1， 位 B1=2H tgT （ 定 ） B1= 不 B1+ 位 B1= TL1+2H tgT B2： （ 定 ） B2=0 2021/4/11 2.用几何方法计算定位误差 画出定位简图 画出工件变动的极限位置 ， 根据几何关系求 解 （ 工序尺寸方向的最大变动量 ） 例 6-2孔与销间隙配合 ， 工序基准为 孔心 时的 定位误差计算 。 （ 图 6 17） 第一种情况：孔与销可在任意边接触 （ 销 垂直 安放 ， a图 ） 定位基准为孔的中心线 ， 基准重合； 不 =0 位 =孔与销的配合与公差 2021/4/11 2021/4/11 321m i n21m a x2100 1 dD m i nm a x dDdw 1 孔公差 TD/2 3 销公差 Td/2 2 最小配合间隙， min/2 （ 按极值法计算） 2021/4/11 第二种情况：孔与销在固定边接触 （ 销水平安 放 ） （ 销水平放置时 ， 工件自重使销的上母线与孔 的上母线单边接触 。 ） 工序基准为孔心时 ， 定位基准为孔的一条母线 ， 不 0 O1 孔小时的中心线位置 O2 孔大时的中心线位置 O 销的中心线位置 2021/4/11 TD DD dw 2 1 m i n )m a x( 2 1 00 21 定位 与销的直径无关。（ Td只与 O的位 置 有关） 21 0000 或 2021/4/11 例：工件以一面两孔定位 （ 图 6-18） ， 限制自 由度分析： 平面 销 1限制 销 2限制 所以 向过定位 消除过定位的方法 方法 1 减小销 2直径 YXZ , YX , ZX , X 2021/4/11 2021/4/11 入上图所示： 孔中心距最大值 销中心距最小值 孔径最小值： D1， D2 销径最大值： d1=D1- 1min， d2=D2- 2min 考虑： 2min及 1min 缺点：限制 方向的定位误差增大 lkLL 2 1 lxLL 2 1 lxlk TTDd 2m a x2 m i n1m i n22 m a x lxlk TTDd Z 2021/4/11 方法 2 采用菱形销，如图 6 18。 优点：转角定位误差小 b 菱形销宽度 菱形销的设计步骤 （ 尺寸标准化 ， 表 6 1） （ 1） 确定两销中心距尺寸及其公差 （ Tlk为已知 ） （ 2） 按孔的最小尺寸确定圆柱销基本尺寸 ， 其 公差一般取 g6或 f7。 （ 3） 确定菱形销： 按公式 6-2计算 ， 按表 6-1选取 b， 其公差一 般取 h6或 h7。 m i n1 m i n22 lxlk TT D b 2021/4/11 例 6-1 按图 6-1设计两销定位的有关尺寸 。 解： 1)选取 LX=57 0.02 (工作孔距 57 0.06) 2)选取圆柱销： d1= 42.6 g6 (工件大孔定 位 ) 3)按表 6-1选取菱形销 b =4， 4)按公式 （ 6 2） 计算最小配合间隙 2min=0.03 5)按公差 h6 得到 d2= 15.3 0.030 0.041 2021/4/11 2021/4/11 一面两孔定位时的定位误差 (图 6 18) 2021/4/11 销 1限制方向 销 2限制方向 m i n1m a x1m i n111 dDTT dDd w x ) 2 ( m i n2m a x2m a x1m a x1 L dDdD a r c t g dw d w xd w y 2021/4/11 例 6-3 图 6-1所示夹具的 解： 1.工序尺寸公差及技术要求 槽深 槽中心线与轴线夹角 槽中心平面过大孔轴线 2.各方向定位误差的计算 4.002.3 3045 2021/4/11 平面定位误差（与槽深相关） dw= 不 =T14.3=0.1 mm 角度定位误差（与 45 夹角相关） 方向位误差（与槽中心平面过大孔轴线相关） dw= 位 =D1max-d1min =0.1+0.025=0.125 mm 8)572 041.01.0025.01.0a r c t a n (dw YX 、 2021/4/11 (二 )用微分法计算定位误差 外圆在 V型块上定位的定位误差 （ 1） 工序基准为中心线时 ,尺寸 H 的定位误差 dwH 建立几何关系式 （ 图 6 19） 2021/4/11 2 s i n2 2 d s i m OB OA 2021/4/11 对关系式求全微 用微小增量 （ 公差 ） 代替微分 )( 2 4 2 c o s )( 2 2 1 )( d s i m d dd s i m OAd T s i m d s i m T dw d ) 2 (4 2 c o s. 2 2 2 2021/4/11 忽略 V型块的角度误差 （ 角度误差为定值 ） （ 2） 不同工序基准时 ， 尺寸 H1 、 H2 定位误差 （ 3） 键槽中心线对称度的定位误差 dw=0 2 2 s i m T dw dH 21)( d H Tdwdw 下母线 22)( d H Tdwdw 上母线 2021/4/11 注：定位误差与加工方法 1） 当采用夹具安装调整法加工时 （ 对刀块 、 塞尺对刀 ） ， 应计算定位误差 。 2） 当采用试切加工 （ 试切测量试切 ） 时 ， 不考虑定位误差 。 3） 数控机床加工 ， 当采用夹具安装调整法 加工时 ， 同样应考虑定位误差的影响 。 2021/4/11 第三节工件夹紧 一 、 对夹紧装置的要求 1 夹紧时保证定位时的状态 2 夹紧安全可靠 3 夹紧操作方便 、 省力 、 安全 4 结构合理 、 力求简单 、 紧凑 、 标准化 夹紧机构设计的核心：夹紧力 2021/4/11 二 、 夹紧力的确定 夹紧力三要素：大小 、 方向 、 作用点 1.夹紧力方向的选择 （ 1） 垂直于主要定位基准面 （ 不破坏定位 ） 图 6-20 2021/4/11 （ 2） 与工件刚度最大方向一致 （ 工作变形最 小 ） 图 6-21 2021/4/11 （ 3） 与受力方向一致 （ 夹紧力最小 ） 图 2-20 图 （ b） 中的定位块起到了止动块的作用 。 2021/4/11 其它夹紧力方向与切削力方向的选择举例 钻削时的轴向切削力 Fz起到夹紧力的作用 ， 此时夹紧力 Fj的作用只是防止工作振动 。 （ 切入 、 切出时除外 ） F 夹 F 切 GG G F 夹 F 夹 F 切 F 切 2021/4/11 2.夹紧力作用点的选择 （ 1） 靠近支承面的几何中心 。 （ 夹紧稳定 ） 图 6-23 2021/4/11 2.夹紧力作用点的选择 （ 2） 作用于刚度较大处 。 （ 工作变形最小 ） 图 2-22 2021/4/11 （ 3）靠近加工点。（减小振动和变形）图 6-25 （ 三 ） 夹紧力大小的估算 取决于 F切 、 M切 、 G的大小 ， 方向及作用点 。 2021/4/11 步骤： （ 1） 根据工序几各计算切削力 F切 和切削扭 矩 M切 。 （ 2） 根据力学平衡条件计算最小夹紧力 FJ （ 3） 根据加工情况确定安全系数 K。 例：车削时夹紧力估算 （ 图 6-26） 232 0 m i n dFdF jc 0m i n 3 d dFF c j 03 d dFkF c j 2021/4/11 铣削时夹紧力估算图 6-27 （ 表 6 2） 摩擦系数 LFLFLF ajj 22121 m i n1m i n )( 2 21 m i n LL LFF a j )( 2 21 LL LFkF a j 2021/4/11 三、常用夹紧机构 1. 斜楔夹紧机构 （ 图 6 28） 夹紧力公式： 斜楔的自镇条件： 1 2 增力、变向，增力系数： 小 ， 增力大 ， 但工作行程增加 ， 夹紧行程小 )t a n (t a n 21 s j F F )t a n (t a n 1 21 s j p F F i 2021/4/11 2021/4/11 2. 螺旋夹紧机构 （ 图 6 29） 其中： 螺纹副的当前摩擦角 。 表 6-3 螺母端面 、 螺杆端部与工件的摩擦角 螺杆端部与工件的当前摩擦半径 。 表 6-4 以手柄长度为准 /1 2 2 / 1 0 )( 2 tgrtg d LF F sj /r L 2021/4/11 2021/4/11 夹紧力大小的实验测定公式： (常用标准螺距的螺栓 ) Ts 作用力矩 (Ncm) 螺旋夹紧机构特点 : 简单 、 可靠 (自锁性好 )增力比大 ,一般为手 动 ， 费时 、 费力 。 三角螺纹一般有 :=2 4 Stj TkF )(53 1 cmk t 2021/4/11 螺栓与压板组合 （ 图 c） 形成设计要点 (1)支点位置 (2)压板应水平 ,工件高度不同时 ,应能适当调整 . (3)压板应设计复位装置 .(图 6-29)中弹簧 . (4)螺栓应止动 (图 6-29)中止动螺母 ,止动螺钉 (5)勾形压板受力分析 (图 2-29.d) 2021/4/11 0 3 2 0 02 0 NHLW M WNF Y j .31 H L F j W= 2021/4/11 3. 偏心夹紧机构 （ 图 6 33） 分类：圆偏心 ,曲线偏心 1） 圆偏心的几何特性 当 由 0 则 h由 (R e) (R+e) ， 实现 夹紧 。 ) c o s s i n (2 eR e a r c t g Mx Mo a c r t gx 楔角 c o s11 eRMoxoh 2021/4/11 楔角 x的变化 （ 图 6-33b） =0， x =0 =90 时 ， x =maxa r c t g(e/R) 所以 x为 变值 。 2021/4/11 2） 自锁条件 由 1 2， 且忽略 2 有 1 轮周作用处 与工件摩擦角 。 2 转轴处 摩擦角 。 近似 （ 可保证安全性 ） 。 当 0.15时 ， 对偏心机构的结构要求之一 。 11 tgR e 1420eR 2021/4/11 3） 夹紧力估算： F1 F1X F1cos （ F1X相当于斜楔所受水 平推动 ） 按斜楔夹紧力 计算公式 LFS . 12 2 1 )( )( tgtg LF tgtg F F s x j j 1X 1 s 2021/4/11 4） 夹紧行程 在 P点左右 ， 45 L行程 =h2 h1 2esin45 1.4e 偏心轮工作行程要求 。 L行程 =L工作 +间隙 +储备 间隙 =0.5 储备 =0.5 设计步骤 :由 L行程 e， 根据自锁条件 D。 结构特点 : 夹紧行程小 ,夹紧力小 ,自锁性差 ,夹紧动作迅 速结构紧凑 。 2021/4/11 2021/4/11 4. 铰链夹紧机构 铰链和杠杆的组合夹紧机构 （ 图 6 34） 销轴 3为受力体 水平拉力 Q即原始力 FS 滚子对销轴的全反力 F,与销轴处摩擦圆相切 . 臂 1的全反力 N,它与上下销轴两处摩擦圆相切 . Q、 F、 N三力处于静力平衡 垂直方向分力为 Fj 2021/4/11 2021/4/11 、 当量摩擦角 。 与臂两端铰链销轴半径 r和两孔中心距 L有关 。 与滚子销轴半径和滚子半径 R有关 。 铰链夹紧机构特点： 动作迅速 ， 增力比大 ， 一般不自锁 ， 摩擦损失 小 ， 适用于气动夹具 。 注：在手册中可查到各种结构的增力比 。 / 1 / )( tgtg F F j S j / / 1 2021/4/11 设计注意事项： 1） 与保持最小安全储备倾角 （ e5 ） 2） 夹紧行程与气缸行程的效验 （ 用双点划 线表示 ） 5. 定心夹紧机构 定位：夹紧同时完成 。 定 =0， 常用于中心线 、 对称面为工序基准的工件夹紧 。 例如：工件的外圆表面定位 在三爪长盘中定位时 ， 各爪处 Td/2相同 ， 定 =0 （ 忽略三爪卡盘精度和工件不圆度误差 ） 2021/4/11 1） 夹紧件等速移动的结构 （ 1） 斜楔定心夹紧机构 （ 图 6 35） （ 2）左右旋螺纹夹紧机构。（图 6 36） （ 3）其它：杠杆式，齿轮齿条，其它步进式等。 2） 以均匀弹性变形夹紧 例如：弹簧夹头 ， 液塑心轴等 （ 图 6 37、 38） 6. 联动夹紧机构 （ 图 6 39 41） 可同时在几个点对一个或多个工件夹紧 。 1） 合理分配各夹紧点力的大小 。 2） 各夹紧点受力均匀 。 2021/4/11 2021/4/11 2021/4/11 2021/4/11 2021/4/11 2021/4/11 2021/4/11 四 、 夹紧机构的动力装置 。 1. 气动夹紧装置 p 0.4 0.6 Mpa 动作迅速 ,气源方便 (噪声较大 ) 2. 液压夹紧装置 p 5 6.5 Mpa (取较低工作压力 ) 工作平稳 ， 无冲击 ， 噪音小 ， 需配置液压工作站 。 3. 气压增压夹紧装置 。 2021/4/11 2021/4/11 2021/4/11 第四节 各类机床夹具 二 、 钻床夹具 （ 可用于钻 ， 扩 ， 铰等工序 ， 对 刀具进行导向 ） 。 （ 一 ） 、 钻模类型 、 结构 2021/4/11 2021/4/11 1） 回转式 （ 分度式 ） 浇轴线分布的侧孔 (图 6 44) 定位：一面、短销、档销 夹紧：螺旋手动夹紧 钻头导向：钻模板、钻套 工件旋转定位 :分度盘 2） 翻转式 多面上的孔 (图 6 28) 3） 盖板式 大型零件上的小孔 (图 2 48) 5） 滑柱式 利用钻模板的上下移动夹紧工 件 。 （ 标准化：图 2 49、 50) 2021/4/11 2021/4/11 2021/4/11 2021/4/11 2021/4/11 2021/4/11 （二）钻模设计要点 1.钻套 安装在钻模板上，用于引导钻头（或扩孔 钻、铰刀等） 标准化：固定 ， 可换 ， 快换 。 (图 6 49) 专用：特殊 (图 6 50) 配合精度要求：引导孔与钻头的配合 F7 、 钻套外径与钻模板的配合等 。 其它要求： 耐磨性 ， 导向性 H， 排屑性 h。 (图 2 53) 2021/4/11 2021/4/11 2021/4/11 2、钻模板 保证孔的位置精度， (图 2 54) 固定式，铰链式，分离式，悬挂式 3、夹具体 一般不需要设计与机床的 定位装置。 2021/4/11 2021/4/11 三 、 铣床夹具 （ 一 ） 、 类型 1.直线进给式 铣平面 ， 键槽等 (图 6 55) 2.圆周进给式 可连续加工，并可实现高效 率，自动化生产。 3.仿形进给式 靠模法加工曲线和曲面。 （ 二 ） 设计要点 1.铣削力特点：断续切削 ， 切削力大 ， 冲击力 大 ， 易振动 ， 所以刚度大 ， 夹紧力大 ， 液压 机动夹紧 。 2021/4/11 2021/4/11 2.对刀装置 确定刀具相对于夹具的位置 。 （ 对刀块和塞尺 ） (图 2 66) 2021/4/11 2、 夹具体的对定： 找正法 ， 定位键与机 床工作台 T型槽定位 。 (图 2 67) 2021/4/11 第六节 机床夹具的设计步骤与方法 一 、 基本要求 二 、 夹具设计的一般步骤： 1.研究原始资料 待加工工件的零件图 、 工艺规程 工艺设计手册 、 夹具设计手册 、 设计图册 2021/4/11 2.定方案 （ 示意图 ， 原理图 ， 结构草图 ） 定位 、 夹紧 、 对刀 、 总体结构 3.绘制总图 工件轮廓 双点划线 夹紧机构 夹紧状态 尺寸、配合、技术要求、明细表、标题栏 2021/4/11 4.绘制夹具零件图 三 、 夹具设计中的几个重要问题： 1.经济性分析 2.成组设计思想 3.装配图的尺寸标注（图 6 73） （ 1） 外型尺寸：长 、 宽 、 高 （ 2 ）定位件、导向件与安装基准面有关配合 尺寸，位置尺寸及公差。 2021/4/11 2021/4/11 2021/4/11 （ 3 ） 夹具与工件配合尺寸 。 （ 4 ）夹具件与刀具配合尺寸（钻套孔径表） （ 5 ）夹具与机床配合尺寸。 （ 6 ）其它配合尺寸 尺寸公差和形位公差取： T工件 的（ 1/51/2） 2021/4/11 2、 应标注的技术要求 （ 表 6 6） （ 1）定位元件与定位元件 （ 2 ）定位元件与夹具安装面 （ 3 ）定位元件与引导元件 （ 4 ）引导元件与引导元件 （ 5 ）定位元件或引导元件与找正基面 （ 6 ）与装配、检验精度有关 2021/4/11 2、 夹具总图技术要求 （ 表 2 6） （ 表 2 6） 2021/4/11 2、 夹具总图技术要求 （ 表 6 6） 2021/4/11 （ 五 ） 夹具的精度分析： 1、 dw 定位误差 2、 zz 夹具制造误差 3、 Gc 加工过程误差 4、 T工件 被加工零件公差 夹具误差允许值： Gc =1/3T工件 dw + zz + Gc T工件 2021/4/11 例题：钻孔工序夹具精度分析 ， 根据工序尺寸 ， 夹具精度验算 。 图 6-73 1、 工件两孔中心距公差： 120 0.05 误差： 1） 定位误差：孔销配合 0.05 2） 夹具制造与安装误差有： 钻模板衬套轴线与定位心轴轴线距离误差 0.01 钻套与衬套的配合间隙 0.033 钻套与外圆的同轴度误差 0.012 2021/4/11 18 36 2021/4/11 2021/4/11 由钻套间隙产生引偏量 e（ 中心线误差 ） 0 3 5.0)2( m a x HBhHe 072.0)0315.0012.0033.002.005.0( 2 1 22222 0 基本满 足要求 。 2021/4/11 2、 两孔平行度公差 根据工件尺寸有： / 0.05 A 相当于 0.05:18 1） 2） 2 0.02/48 ； 3 0.028/48 3) 小于 0.05:18的三分之二 满足要求 。 dw 36 045.0 1 m a x1 1 H zz 18:0 2 6.0)( 2 1 2 3 2 2 2 1 2021/4/11 2021/4/11 2021/4/11 设工件外径 d、 内孔 D， 水平 、 垂直坐标为 x、 y 0 0207.0)1 2 s i n2 1 ( 2 ) x d y mm T b 0 075.0 01.0 2 1 05.0 2 1 015.0 2 )( 2 1 ) 321 32 m a xm a x1 x yyyy ydy D y mm mmTmmT mm T DDc 同轴度 0 05.0 2 ) y d x mm Td 校核：工件公差 x、 y 0.03mm、 0.14mm；选： b)。 2021/4/11 2021/4/11 2021/4/11 设工件外径 d、 内孔 D， 水平 、 垂直为 x、 y b） c） 0 0207.0)1 2 s i n2 1 ( 2 x d y mm T 0 05.0 2 y d x mm T