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1、机床夹具设计与实践 知识目标 能力目标 1.能通过查阅工具手册，计算切削力和夹紧力。能通过查阅工具手册，计算切削力和夹紧力。 2. 能根据零件工序加工要求和特点，设计其夹紧方案。能根据零件工序加工要求和特点，设计其夹紧方案。 3. 能根据零件工序加工要求和特点，设计其夹紧元。能根据零件工序加工要求和特点，设计其夹紧元。 项目4 工件夹紧设计 1. 掌握夹紧装置的组成和基本要求。掌握夹紧装置的组成和基本要求。 2. 确定夹紧力三要素。确定夹紧力三要素。 3. 掌握基本夹紧机构。掌握基本夹紧机构。 4. 掌握联动夹紧机构和定心夹紧机构。掌握联动夹紧机构和定心夹紧机构。 5. 了解夹紧动力装置。了解
2、夹紧动力装置。 机床夹具设计与实践 4.1 工作任务 4.1.1 任务描述 如图所示半轴零件车孔21mm和30H7mm工序图，零件材料为HT200，大批 量生产，试设计其加工工序的定位夹紧方案。 机床夹具设计与实践 4.1.2 任务分析 1.生产纲领：大批量生产。 2. 毛坯：材料为HT200，除21mm和30H7mm孔未加工， 其余已加工。 3. 结构分析：形状不简单，但复杂部分都已铸造好了。 4. 精度分析：加工的孔30H7mm 要保证7级精度，其余精 度不高，也没有形位公差要求，除了保证孔尺寸外，就只要 保证距离尺寸171.5 mm和15 mm。 机床夹具设计与实践 4.2 知识准备 4
3、.2.1夹紧装置概知 1.夹紧装置的组成 (1) 力源装置 (2) 中间传力机构 (3) 夹紧元件 机床夹具设计与实践 2、夹紧装置的基本要求 工件不移动原则； 工件不变形原则； 工件不振动原则； 安全、省力、方便； 自动化、复杂化程度与生产纲领相一致。 要求(1)主要在粗加工时考虑，要求(2)、(3) 主要在精加工时考虑 机床夹具设计与实践 4.2.2 夹紧力确定的基本原则 1.夹紧力的方向 (1)夹紧力的方向应朝向主要定位面 夹紧力应指向主要定位基面 b)、c)错误，d)正确 机床夹具设计与实践 夹紧力的方向应有助于定位 a)错误，b)正确 机床夹具设计与实践 (2)夹紧力的方向有利于减小
4、夹紧力的大小 夹紧力方向与夹紧力大小的关系 FW 夹紧力；F切削力；G工件自重 机床夹具设计与实践 a) F、 F 、G三力同向，且指向夹具体； Fw最小最小 b) F=(G+ Fw)f Fw=F/fG=6.67FG； （假设0.15下同） c) F1G1=( Fw+G2+F2)f (假G2=G1=0.5G、 F1=F2=0.5F下同) Fw =(F1G1)/fG2F2 (0.5F0.5G)/f 0.5G0.5F 3.33F3.33G 0.5G0.5F 2.83F3.83G ； 机床夹具设计与实践 d) Fw f =F+G Fw=( F+G)/f6.67F6.67G ； 最大最大 e) (Fw
5、+F)f=G Fw= G/fF6.67GF f) Fw =F+G 机床夹具设计与实践 (3)夹紧力的方向应是工件刚度高的方向 b)较a)好 机床夹具设计与实践 2. 夹紧力作用点 夹紧力作用点应落在定位元件支承范围内 b)、 c)正确d)错误 夹紧力作用点的位置不正确 机床夹具设计与实践 e)、g)正确f)、h)错误 避免 支承 反力 与夹 紧力 构成 力偶 机床夹具设计与实践 a)c)正确 b)d)e)错误 有利减小变形 a)作用点位于工件刚性较好部位b)变集中作用为分散作用 机床夹具设计与实践 (3)应尽量靠近加工表面 a) c)合理，b) d)不合理 机床夹具设计与实践 当作用点只能远离
6、加工面，可增设辅助支承 增设辅助支承和辅助夹紧力 机床夹具设计与实践 3夹紧力的大小 理论上，夹紧力的大小应与作用在工件上的其它力（力矩）相平衡；而 实际上夹紧力的大小还与工艺系统的刚度、夹紧机构的传递效率等因素有关； 因此实际设计中常用估算法、类比法、和实验法确定。 夹紧力过小夹紧不可靠工件产生移动，破坏定位，报废甚至发生事故 夹紧力过大工件变形增大 F FWK WK=KF =KFW W 式中：FWK实际所需夹紧力 FW在一定条件下，由静平衡力算出的理论 K 为安全系数 K=K0K1K2K3K4K5K6 （一般粗加工K取2.53；精加工1.52） 机床夹具设计与实践 0 21 frFFFM
7、xWW 2 / x W FfrM F 2 / x WK FfrM KF 【例例5-1】如图所示，估算钻削时所需的夹紧力。 钻孔时，工件受切削力矩M和轴向力Fx作用。M将使工件产生回转，Fx帮助工 件压向支承表面，若工件较轻，自重可不计。令工件夹紧时与定位表面处的摩 擦因数为f，摩擦力臂为r，则可列出方程式 设两块压板的夹紧力相等，即FW1= FW1=FW，则每块压板的夹紧力为(忽略压 板对工件的摩擦力矩) 则 机床夹具设计与实践 【例例5-2】如图所示，估算铣削时所需的夹紧力。 解：引起工件绕止推支承5翻转为最不利的情况。当铣削到切削深度最大时，其 翻转力矩为FL；阻止工件翻转的支承2、6上的
8、摩擦力矩为FN1fL1+ FN2fL2， 工件重力及压板与工件间的摩擦力可以忽略不计。f为工件与导向支承间的摩 擦系数。 代入平衡方程得: 解得: 所需夹紧力: 机床夹具设计与实践 【例例5-3】如图所示，求车削时所需的夹紧力。 1三爪自定心卡盘；2工件；3车刀 解解： 工件用三爪自定心卡盘夹紧，车削时 受切削分力Fz、Fx、Fy的作用。主切削 力Fz形成的切削转矩使工件相对卡盘顺 时针转动，为Fz(d/2)；Fz和Fy一起以工 件为杠杆，力图搬松卡爪；Fx与卡盘端 面反力相平衡。为简化计算，因工件较 短，只考虑切削转矩的影响。根据静力 平衡条件，需要每一个卡爪实际输出的 夹紧力为 0 W 3
9、 22 z d d FF f (当dd0时)，考虑安全系数 W 3 z KF F f 当工件的悬伸长L与夹持直径d之比L/d0.5时，Fy等力对夹紧的影响不能忽略，可乘 以修正系数K补偿 机床夹具设计与实践 4. 减少夹紧变形方法 (1) 机动夹紧 在可能条件下采用机动夹紧，并使各接触面上所受单位压力相等 图所示工件在夹紧力FW的作用下，各接触面处压力不等，接触变形不同， 从而造成定位基准面倾斜。当以3个支承钉定位时，如果夹紧力作用在2L/3处， 则可使每个接触面都承受相同大小的夹紧力，或采用不同的接触面积，使单位 面积上的压力相等，均可避免工件倾斜现象。 机床夹具设计与实践 浮动式螺旋压板机
10、构浮动式螺旋压板机构 1 1滑柱；滑柱；2 2杠杆；杠杆；3 3套筒；套筒；4 4螺母；螺母；5 5压板；压板； 6 6工件；工件；7 7、8 8浮动卡爪；浮动卡爪；9 9拉杆拉杆 (2)提高工件和夹具元件的装夹刚度 对于刚度差的工件，应采用浮动夹紧装置或增设辅助支承。 机床夹具设计与实践 设置辅助支承强化工件刚度设置辅助支承强化工件刚度 1 1固定支承；固定支承；2 2工件；工件；3 3辅助支承辅助支承 机床夹具设计与实践 1 1夹具体；夹具体；2 2工件；工件；3 3压板；压板；4 4可调支承；可调支承；5 5平衡杠杆平衡杠杆 改善接触面的形状，提高接合面的质量。如提高接合面硬度，降低表面
11、粗 糙度值，必要时经过预压等。 机床夹具设计与实践 (3) 合理确定夹紧力的三要素 作用点数目与工件变形的关系 F F P 定位的夹紧力P先动 作，夹紧的夹紧力F 后动作 机床夹具设计与实践 4.2.3基本夹紧机构 1. 斜楔夹紧机构 采用斜楔作为传力元件 或夹紧元件的夹紧机构称为 斜楔夹紧机构。 斜楔夹紧具有结构简单， 增力比大，自锁性能好、等 优点，因此获得广泛应用。 主要用于机动夹紧，且 工件精度较高。 机床夹具设计与实践 斜楔夹紧机构的特点： 斜楔具有自锁性 具有改变原始作用力方向的特点 夹紧力增大倍数等于夹紧行程的缩小倍数 要增大夹紧力，就要减小斜楔的升角，但升角的选取与夹紧行程有关
12、。夹紧 力增大多少倍，夹紧行程缩小多少倍。 斜楔材料与热处理： 20号钢或20Cr,渗碳厚度为0.8-1.2mm, HRC56-62,Ra为1.6m； 45号钢、HRC42-46 机床夹具设计与实践 由静力平衡 F1+Frx= 而 F1= tg 1 Frx= FWtg(+2) FW= FQ/tg1+ tg(+2) 夹紧力Fw FQ夹紧作用力；斜楔升角；1、 2摩擦角 机床夹具设计与实践 1Rx FF 12 tantan() 由于1、2、都很小，化简为上式 1+2 为保证自锁可靠，手动夹紧机构一般取 =68。用气压或液压装置驱动的斜楔 不需要自锁，可取 =1530。 (2)斜楔自锁条件 从图中可
13、以看出，要自锁，必须满足下式： 则 机床夹具设计与实践 1 1 tantan() J F Q F i F 在不考虑摩擦影响时，理想增力比iF为 1 tan F i 当夹紧装置有多个增力机构时，其总增力比为 Fi i 12in FFFF iiii (3)增力比计算 斜楔的夹紧力与原始作用力之比称为增力比iF F i 机床夹具设计与实践 iS= tan h s (4)夹紧行程 工件所要求的夹紧行程h与斜楔相应移动的距离S之比称为行程比iS。 夹紧行程h小：当S=10时h=1 tg=h/s=tg6=0.1 机床夹具设计与实践 Q W 12 tantan() F F (5)斜楔夹紧机构的设计要点 确定
14、斜楔的斜角确定斜楔的斜角 。斜楔的斜角与斜楔的自锁性能和夹紧行程有关，因此，确定值 时，可视具体情况而定。一般主要从确保夹紧机构的自锁条件出发来确定的大小，即取 68；但要求斜楔有较大的夹紧行程时，为提高夹紧效率，可将斜楔的斜面做成如 图所示的双斜面斜楔，斜角分别为1和2的两段。前段采用较大的斜角1，以保证有较大 的行程，使滑柱迅速上升；后段采用较小的斜角2，以确保自锁，268。 计算作用力计算作用力FQ。由斜楔夹紧力的公式可计算出作用力FQ，即 机床夹具设计与实践 4.2.3基本夹紧机构 2、螺旋夹紧机构 采用螺杆作中间传力元 件的夹紧机构统称为螺旋夹 紧机构。螺旋相当于斜楔绕 在圆柱体上形
15、成，所以夹紧 工件仍是楔紧作用。 它由螺钉、螺母、垫圈、 压板等元件组成。 由于它结构简单、夹紧 可靠、通用性好，而且由于 螺旋升角小，螺旋夹紧机构 的自锁性能好，夹紧力和夹 紧行程都较大，是手动夹具 上用得最多的一种夹紧机构。 机床夹具设计与实践 1 1螺钉、螺杆；螺钉、螺杆；2 2螺母套；螺母套；3 3摆动压块；摆动压块； 4 4工件；工件；5 5球面带肩螺母；球面带肩螺母；6 6球面垫圈球面垫圈 （1）单个螺旋夹紧机构 直接用螺钉或螺母夹紧工件的机构。由于直接用螺钉头部压紧工件，易 使工件受压表面损伤，或带动工件旋转。因此常在头部装有摆动的压块。由 于压块与工件间的摩擦力矩大于压块与螺钉
16、间的摩擦力矩，压块不会随螺钉 一起转动。 摆动压块摆动压块 机床夹具设计与实践 1 1夹紧轴；夹紧轴；2 2、3 3手柄手柄 为了克服单个螺旋夹紧机构夹紧动作慢、工件装卸费时的缺点，采用快速夹 紧机构。 快速螺旋夹紧机构 机床夹具设计与实践 螺杆的受力示意图螺杆的受力示意图 螺旋夹紧是斜楔夹紧的一种变型，螺杆实 际上就是绕在圆柱表面上的斜楔，所以它的夹 紧力计算与斜楔夹紧相似。 Q W 0 12 tan()tan 2 F L F d r FW夹紧力(N)； FQ原始作用力(N) L作用力臂(mm)； d2螺纹中径(mm)； 螺纹升角()； 螺螺纹处摩擦角() 螺钉端部摩擦角() 螺钉端部当量摩擦半径(mm) 机床夹具设计与实践 当量摩擦半径当量摩擦半径 计算时可看成集中作用于当量摩擦半径计算时可看成集中作用于当量摩擦半径r的圆周上。的圆周上。 机床夹具设计与实践 （2）螺旋压板机构 螺旋压板机构是螺旋夹紧机构中结构形式变化最
