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1、机械制造装备设计,哈尔滨工业大学（威海）机器人研究所 山东省现代数字化医疗装备高校重点实验室 黄 博,本课程主要讲述内容,机械制造装备及制造业动态 机械制造装备设计方法 金属切削机床设计 典型部件设计 工业机器人设计 机床夹具设计 物流系统设计 机械加工生产线总体设计,机床夹具设计,夹具？ 在机床上对工件进行加工时，为保证加工精度和提高生产率，使工件在机床上相对刀具占有正确位置的辅助装置。 对机械加工质量、工人劳动强度、生产率和生产成本有直接影响。 比直接装夹和划线找正等方法更为快捷有效 夹具工作的要点 使工件在夹具中占有正确的位置；（工件在夹具中的定位） 夹具对机床有准确的相对位置（夹具相对
2、机床的定位） 定位元件的定位工作面对于夹具与机床相联接的表面之间有准确的相对位置，从而满足工件加工面对定位基准的相互位置精度要求； 刀具相对定位元件的定位工作面调整到准确位置，保证刀具在工件上加工出的表面对工件定位基准的位置尺寸；（对刀） 定位始终可靠，需要夹紧； 装夹效率,夹具设计典型夹具看组成,夹具的组成 1、定位元件 用以确定工件在夹具中的位置 2、夹紧装置 保持工件在夹具中的既定位置 加工过程中不因外力而改变位置 3、对刀与导引元件 预先调正夹具相对于刀具的位置 4、联接元件和联接表面 确定夹具在机床上的位置 5、夹具体 夹具的各种元件、装置联结成一个整体的基础件 6、其它装置 一些特
3、殊需要而设置的装置,夹具的分类,1. 按夹具的应用范围分类 (1) 通用夹具：指结构、尺寸已标准化，且有较大适用范围的夹具。如车床用的三爪自动定心卡盘、四爪单动卡盘，铣床用的平口钳及分度头等。 (2) 专用夹具：针对某一工件某一工序的加工要求专门设计和制造的夹具。专用夹具适于在产品相对稳定、产量较大的场合应用。 (3) 可调夹具：不对应特定的加工对象，适用范围宽，通过适当的调整或更换夹具上的个别元件，即可用于加工形状、尺寸和加工工艺相似的多种工件，是针对通用夹具和专用夹具的缺陷而发展起来的一类新型夹具。 (4) 组合夹具：是由一套预先制定好的各种不同形状、不同尺寸规格、具有互换性的标准元件或组
4、件，按照一定的装配约束关系组合而成的。组合夹具常用在单件，中、小批多品种生产和数控加工中，是一种较经济的夹具。 (5) 随行夹具：给自动化生产线专门设计的夹具。,夹具的分类,夹具设计工件在夹具中的定位,定位的概念 定位使工件占据规定的位置 夹紧使该既定位置固定下来 安装是指工件从定位到夹紧的过程 首先选择与夹具定位元件接触的表面，即选择工件的定位基准。工件的定位基准一旦选定，则工件的定位方案、夹具的定位元件也就基本确定了。 基准 零件上用以确定其它点、线、面位置所依据的那些点、线、面。 设计基准 零件图上用以确定点、线、面位置的基准。 定位基准 零件加工、测量和装配过程中使用的基准。分为工序基
5、准、定位基准、度量基准和装配基准。,夹具设计工件在夹具中的定位,基准（续） 设计基准 零件图上用以确定点、线、面位置的基准。 定位基准 零件加工、测量和装配过程中使用的基准。分为工序基准、定位基准、度量基准和装配基准。 几点注意： 作为基准的点、线、面在工件上不一定存在，而常常由基准面来体现； 基准可以是没有面积的点或线，但基准面一定是有面积的； 基准包含尺寸之间的联系和位置之间的关系（如平行度、垂直度等）。,夹具设计定位原理,六点定位原理 任何一个刚体在空间都有 6 个自由度，即沿（绕）三个坐标轴的移动和转动用 表示； 要完全确定刚体的空间位置，就需要限制其 6 个自由度； 六个自由度可以用
6、夹具上按一定要求布置的六个定位支承点来限制，每个定位支承点限制一个自由度，实现工件在夹具中的位置唯一。,夹具设计定位原理,关于“六点定位”的几个问题： 定位限制自由度，几“点”定位不能机械地理解成几个接触点； 限制自由度应理解为： 定位支承点与工件定位基准面始终保持紧贴接触; 定位支承点数目原则上不应超过工件自由度数目； 自由度被限制，是指工件在此方向上有确定的位置: 不考虑外力的影响（注：定位和夹紧的区别）; 定位支承点是抽象的，通过具体定位元件来体现。 工件应限制几个自由度，由工件加工技术条件来确定。,夹具设计定位状态,完全定位 工件的6个自由度均被限制，称为“完全定位”。 不完全定位（部
7、分定位） 工件6个自由度中有1个或几个自由度未被限制。 欠定位 工件加工时必须限制的自由度未被完全限制； 不能保证工件的正确安装，不允许。 过定位（重复定位） 工件某一个自由度（或某几个自由度）同时被两个（或两个以上）定位支承点限制。,夹具设计重复定位,平面定位 正常三点决定一个平面；若四点则过定位 粗糙平面采用四点，不合理； 精基准平台，则无碍，甚至有利。,夹具设计重复定位,套筒类工件加工时，常以内孔与端面组合作为定位基准 AB之间垂直度很高时，没问题 形式上属于重复定位，但是定位支承点之间并末产生干涉。 AB之间垂直度低，则有问题 工件一旦被夹紧，就可能使工件或心轴产生变形。 重复限制同一
8、自由度的定位支承点互相产生了干涉,夹具设计重复定位,套筒类工件加工，重复定位解决方案 长心轴与小端面支承凸台组合，定位以长心轴为主； 短心轴与大端面支承凸台组合，定位以大端面为主； 长心轴与浮动端面组合，定位以长心轴为主。,夹具设计重复定位,连杆加工大头孔的定位情况 在夹紧力的作用下，必然会造成连杆或长销l弯曲变形，降低大头孔与小头孔的位置精度 定位方案的选择要点： 工件形状特点导致某些方向自由度没必要限制，则可不必限制； 加工特点使得某些自由度不影响加工精度，则可不必限制。 保证加工要求后，限制自由度越少越好，有利于夹具结构简单。 在实际加工中，对工件限制的自由度数目一般不少于三个。 欠定位
9、是不允许的。 是否采用重复定位，应具体情况具体分析。 有利于减小加工误差时，可采用重复定位,夹具设计常见定位元件,定位元件的设计要求 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。 一般多采用低碳钢渗碳淬火或中碳钢淬火，硬度为5862HRC 定位方式： 平面定位、圆孔定位、外圆柱定位等。 平面定位（典型定位之一） 利用工件上一个或几个平面作为定位基面来定位工件的方式。 如箱体、支架、机座、板盘类零件的加工，多用平面定位。 平面定位的主要形式是支承定位，所用的定位元件称为基本支承 有支承钉、支承板、及平面等 基本支承包括固定支承、可调支承、自
10、位支承。,夹具设计常见定位元件,平面支承定位 固定支承 支承钉 支承钉与夹具体孔的配合可取 H7/n6 或 H7/r6 。 如用衬套则支承钉与衬套内孔的配合可取 H7/js6 支承板 多用于工件上已加工表面的定位，有时可用一块支承板代替两个支承钉 A型结构简单，但埋头螺钉处易堆积切屑，故用于工件侧面或顶面定位 B型支承板可克服这一缺点，主要用于工件的底面定位,夹具设计常见定位元件,平面可调支承（限制一个自由度） 顶端位置可在一定高度范围内调整的支承。 多用于未加工平面的定位，以调节和补偿各批毛坯尺寸的误差； 一般每批毛坯调整一次。 平面自位支承（浮动支承）相当于1个定位支承 位置能在定位过程中
11、自动适应工件定位基面位置变化。 多用于刚度不足的毛坯表面或不连续的平面的定位。 辅助支承不起定位作用 提高工件的刚度和定位稳定性； 在定位支承对工件定位后才参与支承；,夹具设计常见定位元件,圆孔定位（套筒、法兰盘、拨叉等以孔作为定位基准） 采用的定位元件有定位销、圆锥销、定位心轴等。 定位销 定位销头部应做出倒角或圆角，以便于装入工件定位孔。 定位销主要用于直径小于50mm的中小孔定位 一般精度：固定部分：H7r6或H7n6；工作部分g5，g6,f6，f7; 圆锥销 工件孔端的定位可限制工件三个自由度,夹具设计常见定位元件,圆孔定位定位心轴 心轴定心精度高，但装卸费时，有时易损伤工件孔 定位时
12、，工件楔紧在心轴上，多用于车或磨同轴度要求高的盘类零件 类型：间隙配合心轴、过盈配合心轴、小锥度心轴、弹性心轴等。 芯轴一般限制的自由度为四个。 过盈芯轴定位的定心精度都比较高，但工件的安装比较麻烦。所以在定心精度要求较高时一般均使用小锥度芯轴。 带小轴肩的芯轴多限制一个自由度；带大轴肩的芯轴产生过定位。 弹性芯轴结构最复杂，适于定心精度要求较高、生产量较大零件。 实际应用中圆柱孔常与平面组合定位 若为短孔，应与大平面组合，并以大平面为第一定位基准 若为长孔，则与小平面组合，并以孔中心线为第一定位基准,夹具设计常见定位元件,外圆柱面定位轴套类零件等 类型有：V形块、定位套、半圆定位座、定心装置
13、等。 V型块 在V形块上定位时，工件具有自动对中作用 D标准心轴直径，即工件定位用外圆直径 (mm); HV形块高度(mm); NV形块的开口尺寸 (mm); T对标准心轴而言，V形块的标准高度， V形块两工作平面间的夹角。,夹具设计常见定位元件,外圆定位定位套筒 定位套筒内孔支承工件外圆表面定位（套筒自身定于夹具体） 定位元件结构简单，但定心精度不高； 当工件外圆与定位孔配合较松时，还易使工件偏斜 常采用套筒内孔与端面一起定位，以减少偏斜。 若工件端面较大，为避免过定位，定位孔应做短些。,夹具设计常见定位元件,外圆定位半圆孔 下半圆部分装在夹具体上，起定位作用；上半圆部分装在可卸式或铰链式盖
14、上，起夹紧作用；适用于大型轴类工件的定位。 外圆定位定心定位 以外圆柱面的中心线为定位基准，夹具定位元件与外圆柱面保持接触，将其中心线确定在要求的位置上。 多属于定心夹紧机构定心的同时，能将工件夹紧的机构。 若工件尺寸一致性好，则弹性夹头速度较快。 卡爪卡盘以适应尺寸范围宽的加工工件。,夹具设计工件以组合表面定位,组合表面定位 实际加工过程中，工件往往是以几个表面同时定位的。 之1：一面二孔定位（一个平面和两个与其垂直的孔的组合） 在箱体、连杆、盖板等类零件加工中，常采用这种组合定位 两圆柱销重复限制了沿方向的移动自由度，属于过定位。 工件上两孔的孔心距和夹具上两销的销心距均会有误差，相互干涉
15、。 解决途径：削边销等。,夹具设计工件以组合表面定位,组合定位 之2：一个平面和两个与其垂直的外圆柱面的组合 工件在垂直平面定位后，再将工件左端用圆孔或V形块定位，工件右端外圆所用的V形块须做成浮动结构，使其只能限制工件一个自由度，否则就会出现过定位。 之3：一个孔和一个平行于孔中心线的平面的组合 图中所示两个零件，均需以大孔及底面定位，加工两小孔。 避免过定位，并保证工件要求的方案： 图a零件选用图定位方案， 图b零件选用图d定位方案。,夹具设计常用定位元件,夹具设计常用定位元件,夹具设计常用定位元件,夹具设计常用定位元件,夹具设计常用定位元件,定位分析： 找与工件表面接触的元件； 根据零件
16、表面形状和零件的加工要求分出定位元件和夹紧元件 夹紧一般不改变零件定位状态，夹紧有施力机构或作用力符号； 根据典型表面、元件类型分析各定位元件限制的自由度；,夹具设计常用定位元件,定位分析实例,夹具设计定位误差分析,定位误差（工件的一组定位基准与夹具上相应的定位元件相接触或相配合） 概念：用夹具装夹一批工件时，由于定位不准确引起该批工件某加工精度参数的误差（含尺寸、位置误差） 问题1：（对一批工件而言） 每个工件在尺寸、形状、表面形态上都存在着在允许范围内的误差。 问题2：（定位元件存在制造误差） 后果：使用夹具定位、采用调整法加工一批工件时的结果多种多样。 问题3：（定位基准和工序基准不重合） 加工质量不仅取决于本道工序的加工质量，且与相关工序的质量有关 问题4：（便于装夹而预留的定位元件与工件之间的间隙） 间隙方向的不确定将影响到工件的定位质量,夹具设计定位误差分析,误差成因（总误差） 夹具在机床上的安装和调整误差； 工件在夹具中的定位误差和夹紧误差； 工艺系统的弹性变形和热变形误差； 机床和刀具的制造误差及磨损误差 应满足：总 T ；T为工件被加工尺寸的公差要求； 总
