机械制造工艺装备

Fundamentals of Mechanical Manufacturing Technology,第,2,章 机械制造工艺装备,2,1,金属切削刀具,2,2,机床夹具,一、基本概念,二、工件在夹具中的定位（重点和难点）,三、定位误差的分析与计算,四、工件在夹具中的夹紧,五、常用的典型夹紧机构,六、机床夹具的设计方法,2.3,机床夹具,定位：,使一批工件在机床上或夹具上相对于刀具,处在正确的加工位置,的操作过程。,夹紧：,工件在夹具中定位后，将其压紧、夹牢，使工件在加工过程中，,始终保持定位时所取得的正确加工位置,。,装夹：,将工件安放在机床上或夹具上进行,定位和夹紧,的操 作过程。,基本概念,划线找正装夹,精度不高，效率低，多用于形状复杂的铸件,直接找正装夹,精度高，效率低，对工人技术水平高,夹具装夹,精度和效率均高，广泛采用,工件装夹方法,基本概念,基本概念,工件在夹具上装夹（滚齿夹具）,机床夹具的作用：,（,1,）保证加工精度,夹具的,最大功用是保证加工表面的,位置精度。,（,2,）提高生产率，降低生产成本,快速将工件定位夹紧，免除了找正、对刀等，缩短,辅助时间，提高了成品率，降低了成本。,（,3,）扩大机床的加工范围,如在车床上加镗夹具，可完成镗孔加工。,（,4,）减轻工人劳动强度,基本概念,夹具的分类,1,）通用夹具：,三爪、四爪卡盘，平口钳等，一般由专业厂生产，常作为机床附件提供给用户。,2,）专用夹具：,为某一工件特定工序专门设计的夹具，多用于批量生产中。,3,）,组合夹具,：由一套预先制造好的标准元件组合而成。根据工件的工艺要求，将不同的组合夹具元件像搭积木一样，组装成各种专用夹具。使用后，元件可拆开、洗净后存放，待需要时重新组装。组合夹具特别适用于新产品试制和单件小批生产。,4,）通用可调夹具与成组夹具：,夹具的部分元件可以更换，部分装置可以调整，以适应不同零件的加工。,5,）随行夹具：,在自动线或柔性制造系统中使用的夹具。,按夹具使用范围划分,三爪卡盘,四爪卡盘,万向平口钳,回转工作台,分度头,1,）通用夹具：,三爪、四爪卡盘，平口钳等，一般由专业厂生产，常作为机床附件提供给用户。,2,）专用夹具：,为某一工件特定工序专门设计的夹具，其特点是结构紧凑，操作迅速，方便，可以保证高加工精度和生产率。缺点：设计制造的周期长，制造费用高。多用于批量生产中。,夹具的分类,3,）组合夹具：,由一套预先制造好的标准元件组合而成。根据工件的工艺要求，将不同的组合夹具元件像搭积木一样，组装成各种专用夹具。使用后，元件可拆开、洗净后存放，待需要时重新组装。组合夹具特别适用于新产品试制和单件小批生产。,组合夹具,槽系组合夹具,1,基础件,2,支承件,3,定位件,4,导向件,5,夹紧件,6,紧固件,7,其它件,8,合件,孔系组合夹具,组合夹具,第一类：基础件,主要用做夹具体,第二类：支承件,主要用做不同高度的支承和各种定位支承平面,第三类：定位件,主要用做工件定位和组合夹具元件连接定位,第四类：导向件,主要用做钻套、钻模板,第五类：压紧件,主要用做夹紧工件,第六类：紧固件,主要用做连接紧固及被加工件紧固,第七类：其它件,主要起辅助作用,第八类：合件,不可拆卸，有定位合件、导向合件、分度合件、支承合件、夹紧合件等,铣拨叉槽组合夹具,1,方形基础板,2,小长方支承,3,，,14,，,20,六角螺母,440,圆形定位盘,5,大长方支承,6,螺钉,7,右支承角铁,8,，,10,厚六角螺母,9,垫圈,11,槽用螺栓,12,侧中孔定位支承,13,小长方支承,15,回转压板,16,双头螺栓,1724,圆形定位销,18,圆螺母,19,工件,组合夹具实例,4,）通用可调夹具与成组夹具,：夹具的部分元件可以更换，部分装置可以调整，以适应不同零件的加工。,成组技术：将多种零件（部件或产品）按其相似性分类成组，并以这些零件组（部件组或产品组）为基础组织生产，实现多品种、中小批量生产的产品设计、制造工艺和生产管理的合理化。,零件工序简图,4,3,D,L,L,D,4,3,D,4,3,L,D,L,3,4,D,L,4,3,D,L,3,4,KH,1,KH,3,KH,4,KH,2,成组夹具：,5,）随行夹具：,在自动线或柔性制造系统中使用的夹具。,5,）随行夹具：,在自动线或柔性制造系统中使用的夹具。,5,）随行夹具：,在自动线或柔性制造系统中使用的夹具。,可分为钻床夹具、铣床夹具、车床夹具、磨床夹具等。,按使用机床划分,可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、真空夹具、电动夹具等。,按夹紧力源划分,夹具的分类,气动虎钳 液压夹具,铣轴端槽夹具,1 V,型块,2 ,支撑套,3 ,手柄,4 ,定向键,5 ,夹具体,6 ,对刀块,1,）,定位元件及装置,1,2,3,6,4,6,）,其他元件及装置（防护、防错、分度,）,5,）,夹具体,4,）,连接元件,3,）,对刀及导向元件,2,）,夹紧元件及装置,夹具的组成,工件在夹具中的定位,定位,的目的是使同一批工件的同一个工序在夹具中相对于机床、刀具都有一个确定的正确位置,。,工件上用来定位的表面称为,定位基准面,。,工件的定位要解决两个问题：,一是工件的位置,确定还是不确定,的问题，使工件在宏观上得到定位。,一是工件的位置,准与不准,的问题，是定位精度问题。,要确定其空间位置，就需要限制其,6,个自由度,将,6,个支承抽象为,6,个,“,点,”,，合理布局的,6,个点限制了工件的,6,个自由度，这就是六点定位原理,(Theory of six-point locating of,workpiece,),任何一个物体在空间直角坐标系中都有,6,个自由度,用 表示,六点定位原理,图,2-1,六点定位原理,X,Z,Y,工件在夹具中的定位,与理论力学、机构学自由度概念差别,位置不定度,夹紧与定位概念分开,工件、夹具是弹性体,两点注意：,“,点,”,的含义,对自由度的限制，与实际接触点不同,六点定位原理,工件在夹具中的定位,工件的,6,个自由度均被限制，称为,完全定位,。,工件,6,个自由度中有,1,个或几个自由度未被限制，称为,不完全定位,。,不完全定位主要有,两种,情况：,工件加工工序不要求限制全部六个自由度。,工件自身形状特征决定了工件的某个（或某几个）自由度不能被限制，或者说限制了也无意义。如工件本身相对于某个点、线是完全对称的，则工件绕此点、线旋转的自由度无法被限制。,完全定位与不完全定位,工件在夹具中的定位,Z,Y,X,a,）,Z,Y,X,b,）,Z,Y,X,c,）,Z,Y,X,f,）,d,）,Z,Y,X,e,）,Z,Y,X,完全定位与不完全定位,工件在夹具中的定位,工件加工时必须限制的自由度未被完全限制，称为,欠定位,。欠定位不能保证工件的正确安装，因而是不允许的。,图,2-2,欠定位示例,X,Z,Y,a）,b）,B,B,B,欠定位,工件在夹具中的定位,过定位,工件某一个自由度（或某几个自由度）被两个（或两个以上）重复限制，称为过定位。,过定位是否允许，要视具体情况而定：,如果工件的定位面经过机械加工，且形状、尺寸、位置精度均较高，则过定位是允许的。有时还是必要的，因为合理的过定位不仅不会影响加工精度，还会起到加强工艺系统刚度和增加定位稳定性的作用。,反之，如果工件的定位面是毛坯面，或虽经过机械加工，但加工精度不高，这时过定位一般是不允许的，因为它可能造成,定位不准确,，或,定位不稳定,，或,发生定位干涉,等情况。,过定位,工件在夹具中的定位,过定位分析,工件在夹具中的定位,过定位分析,图,2-4,过定位示例,a),Z,Y,X,Y,c),Z,Y,X,Y,b),Z,Y,Y,X,2.3.4,工件在夹具中的定位,定位元件的设计应满足下列,要求,：,要有与工件相适应的,精度,；,要有足够的,刚度,，不允许受力后发生变形；,要有,耐磨性,，以便在使用中保持精度。,定位元件和定位方法,典型表面的定位方法,:,工件的定位表面有各种形式，如平面、外圆、内孔等，对于这些表面，总是采用一定结构的定位元件。常见的定位方法有：平面定位、圆孔定位、外圆柱面定位、组合表面定位。,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,平面定位的主要形式是支承定位。常用的定位元件有支承钉、支承板、夹具支承件和夹具体的凸台及平面等。,Z,X,Y,Z,X,Y,工件以平面定位,定位元件和定位方法,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,定位基准面,定位元件的定位方式及所限制的自由度,平面,支承钉,支承板,固定支承与自位支承,固定支承与辅助支承,工件以圆孔定位,工件以圆孔定位多属于定心定位（定位基准为圆柱孔轴线）。常用定位元件是定位销和心轴。,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,工件以圆孔定位,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,定位心轴,短心轴,限制工件,2,个,移动自由度,（不能限制转动自由度）,长心轴,限制工件,4,个,自由度,a),图为带台阶面的定位心轴：,限制,5,个,自由度。,工件以外圆柱面定位,工件以外圆柱面定位两种形式,：,定心定位和支承定位。工件以外圆柱面定心定位的情况与工件以圆孔定位的情况相仿（用套筒和卡盘代替心轴或柱销）。工件以外圆柱面支承定位的元件常采用,V,型块,.,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,工件以外圆柱面定位,定位元件和定位方法,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,常用于大型工件的定位，其定位原理与定位套相同。,三爪卡盘,三爪卡盘,用三爪卡盘定位的定位分析，,主要看工件的定位表面与三爪卡盘的相对长度的多少：,当相对夹持长度长时，限制工件四个自由度：,当相对夹持长度短时，限制工件二个自由度：,生产中常采用在三爪与工件之间设置一钢丝圆环，以减少相对夹持长度。,例一：,工件上的孔与端面联合定位。试对下图所示工件的定位方案进行定位分析，指出定位性质。如不合理，提出改进意见。,间隙配合刚性心轴,过定位,定位原理分析举例,X,Y,Z,橡胶垫,过定位处理分析,定位原理分析举例,解：,定位分析 ：,心轴的,大端面限制,的自由度为：,心轴的,长銷限制,的自由度为：,分析可知：两个自由度被重复限制。故,属过定位,。,改进方案有两个：,方案一,(,工件孔作为主要基准时,),：,采用长銷与小端面组合,定位,(,长銷限制工件四个自由度；心轴的小端面限制工件,一个自由度,),。,方案二,(,工件端面作为主要基准时,),：,采用短銷与大端面组,合定位,(,短銷限制两个自由度，大端面限制三个自由度,),。,工件在夹具上装夹（滚齿夹具）,定位原理分析举例,X,Y,Z,过定位示例,a）,X,Y,Z,Y,b）,Z,Y,X,Y,一面两孔定位,一面两孔定位分析,D,1,D,2,d,2,d,1,b,一面两孔定位干涉分析,b ,菱形销的宽度；,D2,工件上与菱形销配合孔的最小直径；,菱形销,与其配合孔之间的最小间隙；,工件上两孔中心距公差；,夹具上两孔中心距公差；,圆柱销,与其配合孔的最小间隙。,定位原理分析举例,4,A,0.02 A,间隙配合刚性心轴,分析图示定位方案：,各方案限制的自由度,有无欠定位或过定位,对不合理的定位方案提出改进意见。,b）,X,Z,Y,X,a）,Y,X,Z,定位原理分析举例,a）,Y,X,Z,a1）,Y,X,Z,a2）,Y,X,Z,a3）,Y,X,Z,图,a,过定位示例分析,解：,定位分析：,三爪卡盘限制工件四个自由度（三爪与工件的相对夹持长度较长）：,左顶尖限制工件三个自由度：,右顶尖限制工件二个自由度,：,分析可知，这属于过定位。,改进方案：去掉三爪定位，采用双顶尖定位。（部分定位）,b）,X,Z,Y,X,b1）,X,Z,Y,X,X,Z,b3,）,Y,X,图,b,过定位示例分析,X,Z,b2,）,Y,X,如图所示：支承板限制,3,个,自由度；左面固定的短定位套限制,2,个,自由度；右面活动的短,V,形块限制,1,个,自由度。,一平面和与其垂直的两外圆柱面组合,如图所示：支承板限制,3,个,自由度；左面固定的短,V,形块限制,2,个,自由度；右面活动的短,V,形块限制,1,个,自由度。,图：定位方案分析,分析下图所示加工零件，加工两个小孔时必须限制的自由度，选择定位基准和定位元件，并在图中用示意图画出；,要求保证的工序尺寸和工序,要求,：,1.,保证两小孔的轴心线垂直于工件底面,2.,保证工件二小孔的位置尺寸,H,3.,保证工件二小孔与大孔中心的对称位置尺寸,A,提示,：,解此类题目，要,把握二点：一是定位方案必须合理,（无重复定位和欠定位）；,二是该定位方案必须能够保证加工精度,（尺寸精度和位置精度），如不能同时满足以上二点，则该定位方案是错误的。,解,:,必须限制的自由度：,支承板定位，限制工件的三个自由度： （保证各孔的轴心线垂直于工件底面）；,两支承销定位，限制工件二个自由度：,(,保证工件二小孔的位置尺寸,H,）；,削边销定位，限制一个自由度：,(,保证工件二小孔与大孔中心的对称位置尺寸,A),。,属于完全定位，且能保证工件的加工精度要求，方案正确。,图,c),定位方案能保证图,a),零件中 尺寸（支承板限制工件,3,个自由度、削边销限制,1,个自由度、下侧面限制,2,个自由度）以及工件尺寸 对称于大孔中 心线。,图,d),定位方案能保证图,b),零件中 尺寸，支承板限制工件,3,个自由度、短销限制工件,2,个自由度，,窄斜楔限制,1,个自由度（转动自由度）,。,定位误差分析与计算,定位误差的概念,定位误差是由于工件在夹具上（或机床上）定位不准确而引起的加工误差。,定位误差,指一批工件在夹具中定位时，工件的设计基准（或工序基准）在加工尺寸方向上的最大变动量，以,dw,表示。,定位误差,包括,基准不重合误差和基准位置误差,定位误差,H,O,A,O,1,O,2,DW,例如在轴上铣键槽，要求保证槽底至轴心的距离,H,。,若采用,V,型块定位，键槽铣刀按规定尺寸,H,调整好位置。实际加工时，由于工件直径存在公差，会使轴心位置发生变化。不考虑加工过程误差，仅由于轴心位置变化而使工序尺寸,H,也发生变化。此变化量（即加工误差）是由于工件的定位而引起的，故称为定位误差。,基准不重合误差,bc,其大小等于设计基准与定位基准间,联系尺寸,在加工尺寸方向上的变动量（公差）。,1),基准不重合误差,bc,bc,=0,bc,=0.2,一次安装加工两孔,A,和,B,，孔,B,在,X,方向定位基准,C,与设计基准,A,不重合，基准不重合误差为联系尺寸,22,的公差,0.2,由于工件的工序基准与定位基准不重合而引起的定位误差，同批工件工序基准位置相对于定位基准的最大变动量，称为,基准不重合误差,。,图,c),定位方案能保证图,a),零件中 尺寸（支承板限制工件,3,个自由度、削边销限制,1,个自由度、下侧面限制,2,个自由度）以及工件尺寸 对称于大孔中 心线。,图,d),定位方案能保证图,b),零件中 尺寸，支承板限制工件,3,个自由度、短销限制工件,2,个自由度，,窄斜楔限制,1,个自由度（转动自由度）,。,基准位置误差,jw,基准位移误差,jw,是指工件的,工序基准在加工尺寸方向上的变动量。由,工件定位面和夹具定位元件的,制造误差,以及两者之间的,间隙,所引起。,jb,=0,由于工件定位表面或夹具定位元件制作不准确引起的定位误差，称为,基准位置误差，,定位误差计算,在采用调整法加工时，工件的定位误差实质上就是,工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量,。因此计算定位误差，,首先要找出工序尺寸的工序基准，然后求其在工序尺寸方向上的最大变动量,即可。,用几何方法计算定位误差通常要画出工件的定位简图，并在图中夸张地画出工件变动的极限位置；然后运用三角几何知识，求出工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量，即为定位误差。,1.,用几何方法计算定位误差,定位误差的分析与计算,以平面定位时的定位误差计算,平面度误差很小，定位副制造不准确误差可忽略，故,平面定位时的定位误差主要由基准不重合引起,。,以工件圆孔定位时的定位误差计算,工件孔与定位心轴,无间隙配合,不存在定位副制造不准确误差，,定位精度较高,。,工件,单向靠紧定位,如定位心轴水平放置，或在夹紧力作用下单向推移工件靠紧定位。,以工件圆孔定位时的定位误差计算,定位心轴水平放置,单向推移工件靠紧定位,单向推移工件靠紧定位,工件孔,(,为基孔制）：,D,max,=,D,+,T,D,D,min,=,D,心轴 （为基轴制）：,d,max,=,d,d,min,=,d- T,d,O,1,O,max,=,(,D,+,T,D,)/2-(,d- T,d,) /2,O,1,O,min,= D,/2-,d,/,2,则,基准位置误差：,jw,=,O,1,O,max,-,O,1,O,min,=(,T,D,+,T,d,) /2,即销孔,单向,靠,紧定位,的基准位置误差为,销和孔的公差的一半！,孔与销间隙配合固定边接触时定位误差,D,max,O,1,D,min,O,DW,O,2,工件孔与垂直放置的心轴间隙配合,当工件孔径为最大，定位销的直径为最小时，孔心在任意方向上的最大变动量等于孔与销配合的最大间隙量，即无论工序尺寸方向如何，只要工序尺寸方向垂直于孔心轴线，其定位误差均为：,DW,=,D,max,d,min,=,TD,+,Td,式中,DW,定位误差,D,max,工件定位孔最大直径,d,min,夹具定位销最小直径,图所示为孔与销间隙配合的情况，若工件的工序基准为孔心，试确定其定位误差。,孔与销间隙配合时的定位误差,D,max,d,min,O,DW,O,1,O,2,以外圆定位时的定位误差计算,定位误差,H,O,A,O,1,O,2,DW,工件在,V,型块上定位铣键槽，计算定位误差,(,用微分方法计算定位误差,),要求保证的工序尺寸和工序要求：,槽底至工件外圆中心的距离,H,（或槽底至外圆下母线的距离,H,1,，或槽底至外圆上母线的距离,H,2,）；,键槽对工件外圆中心的对称度,OA,=,Sin(,/,2),OB,=,2Sin(,/,2),d,对上式求全微分，得到：,外圆表面在,V,型块上的定位误差,H,B,O,A,对于第,1,项要求，考虑第,1,种情况（工序基准为圆心,O,，,基准不重合误差为零,），,写出,O,点至加工尺寸方向上某一固定点（如,V,型块两斜面交点,A,）的距离：,以微小增量代替微分，并将尺寸误差视为微小增量，且考虑到尺寸误差可正可负，各项误差均取绝对值,，得到工序尺寸,H,的定位误差：,定位,（,2-8,）,式中,T,d,工件外圆直径公差；,T,V,型块两斜面夹角角度公差。,若忽略,V,型块两斜面夹角的角度公差，可以得到用,V,型块对外圆表面定位，当工序基准为外圆中心时，在垂直方向（尺寸,H,方向）上的定位误差为：,（,2-9,）,1,）若工件的工序基准为外圆的下母线时（相应的工序尺寸为,H1,，,C,点至,A,点的距离为：,工序尺寸以,H,1,标注，其定位误差为：,取全微分，并忽略,V,型块的角度误差（即将,视为常量），可得到此种情况的定位误差：,1,）若工件的工序基准为外圆的上母线时（相应的工序尺寸为,H2,，,C,点至,A,点的距离为：,工序尺寸以,H,2,标注，其定位误差为：,取全微分，并忽略,V,型块的角度误差（即将,视为常量），可得到此种情况的定位误差：,保证加工精度实现的条件,夹具定位：,1,、限制加工工序要求的自由度，保证正确定位,2,、夹具的定位误差不超过零件公差的三分之一，保证定位精度,若规定工件的加工允差为,工件,，以,夹具,表示与采用夹具有关的误差，以,加工,表示除夹具外与工艺系统其它因素（如机床误差、刀具误差、受力受热变形等）有关的加工误差，为保证工件的加工精度要求，必须满足误差计算不等式 ：,工件,夹具,加工,X,Y,Z,作业：,P111-P115,2-32,，,2-33,，,2-34,，,2-35,，,2-36,，,2-38,