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1、第六章 机床夹具设计,第一节 机床夹具概述 第二节 工件在夹具上的定位 第三节 工件的夹紧 第四节 各类机床夹具 第五节 柔性加剧 第六节 机床夹具设计步骤和方法 第七节 计算机辅助夹具设计,第一节 机床夹具概述,机械制造过程中用来固定加工对象，使之在机床上占有正确的位置，以便进行机械加工或检测的装置被称为机床夹具，简称夹具。 夹具设计是直接为机械产品生产服务的一项生产准备工作。机床夹具设计特点是周期要求短，夹具精度高。 夹具设计与机械加工工艺等关系密切。,一、工件的装夹,1装夹的概念 工件装夹是将工件在机床上或夹具中定位、夹紧的过程。工件装夹的包含了定位、夹紧两个方面内涵。 工件定位是工件在
2、机床或夹具上占有正确的位置，使工件与刀具及机床主轴、导轨之间具有正确的相对关系，从而保证被加工工件的尺寸精度、形状精度及位置精度。 工件夹紧是工件定位后将其固定的正确位置上，使之不因切削力、惯性力、重力的作用而变化。,2装夹的方式 在机床上，工件一般可采用如下几种装夹方式： (1) 直接装夹 直接装夹是将工件的定位基准面直接密切贴合在机床的装夹面上，不需找正即可完成定位，通过夹紧工件，使其在整个加工过程中保持正确位置。 在平面磨床的磁力工作台上固定工件等都是直接装夹。,(2) 找正装夹 是利用可调整工具将工件夹持在机床上，并使机床作慢速运动，利用划针或千分表检测和调整工件的位置，使之处于正确位
3、置的装夹方式。 例如，在车床上加工一个具有较高同轴度要求的阶梯轴时，可采用四爪卡盘和千分表调整工件的位置，以提高和保证加工精度的工件装夹过程是找正装夹。 对于形状复杂，尺寸、重量均较大且精度较低的铸件和锻件毛坯，如果工件毛坯没有方便的找正表面，则可预先在毛还上划出待加工面的轮廓线，然后按照所划的轮廓线找正其位置完成工件装夹，这种工件装夹方式也属于找正装夹。,(3)夹具装夹 夹具装夹是将夹具预先安装在机床上并精确调整其位置，在机械加工过程中利用该夹具迅速而准确地装夹工件的方式。 在上述三种工件装夹方式中， 夹具装夹具有较高的定位精度，工件装夹操作方便、简单和省时，适合大批量生产。 找正装夹亦具有
4、较高定位精度，但操作费时、费力，仅适合单件小批量生产。,二、夹具的组成、分类和在机械加工中的作用,1机床夹具的组成 机床夹具虽然多种多样，但是夹具一般包含如下几个组成部分： (1) 定位装置 其作用是确定工件在夹具中的位置。 如：支撑钉、支承板、V型块等都是定位元件。 (2) 夹紧装置 其作用是将工件压紧夹牢，保证工件在定位时所占据的位置在加工过程中不因受外力而产生位移，同时防止或减少震动。 如：螺母和螺杆、螺旋压板等。 (3) 连接元件 其作用是使夹具与机床装夹面连接，并确定夹具对机床的相互位置。,(4) 对刀元件和导向元件 对刀元件用于确定刀具在加工前正确位置。如铣床夹具中的对刀块。导向元
5、件用于确定刀具位置并引导刀具进行加工，如钻套。 对刀元件和导向元件的共同作用是保证工件与刀具之间的正确位置。 (5) 夹具体 夹具体是夹具的基座和基础件。夹具的其它装置或元件都安装在夹具体上，使之成为一个整体。 (6) 其它装置或元件 其他装置或元件主要有分度装置、排屑装置等。,2机床夹具的分类 夹具的分类方法比较多。 机床夹具按应用范围、使用特点可分为通用夹具、专用夹具、可调夹具、成组夹具、组合夹具和随行夹具等类型。 通用夹具指已经标准化的，在一定范围内可用于加工不同工件的夹具。如三爪或四爪卡盘、机器虎钳、回转工作台、万能分度头、磁力工作台等。 专用夹具是指专为某一工件的某道工序的加工而设计
6、制造的夹具。专用夹具一般是在一定批量的生产中应用，通常说的工装夹具一般指专用夹具。 可调夹具和成组夹具的共同特点是：在加工完一种工件后，经过调整或更换个别元件，即可加工形状相似、尺寸相近或加工工艺相似的多种工件。但通用可调夹具的加工对象并不很确定，其通用范围大，如滑柱钻模、带各种钳口的机器虎钳等即是这类夹具。而成组夹具则是专门为成组加工工艺中某一组零件而设计的，针对性强，加工对象和使用范围明确，结构更为紧凑。,组合夹具是指按某一工件的某道工序的加工要求，用一套事先准备好的通用的标准元件和部件，通过它们的组合而构成的夹具。 这种夹具用完之后可以拆卸存放，或待重新组装新夹具时再次使用。 随行夹具是
7、在自动线或柔性制造系统中使用的夹具，工件安装在随行夹具上，由输送装置送往各机床，并在机床夹具或机床工作台上定位夹紧。 按照使用夹具的机床类型，夹具可分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具等类型。 按照夹具的用途，可将夹具分为机床夹具、装配夹具、检测夹具等。 按照夹紧力的力源类型，夹具还可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、电磁和电动夹具等。,3夹具在机械加工中的作用 夹具虽是机床的一种附加工艺装置，但是它在生产中发挥的作用很大。 采用夹具装夹工件，有助于 保证工件的加工件质量； 缩短辅助时间； 提高生产效率； 减轻工人劳动强度和降低对工人的技术水平要求； 扩大机床工艺范围和改变机床用途。,三
8、、工件在夹具中加工时加工误差的组成,利用夹具装夹工件进行加工，工件加工表面尺寸和位置误差包含如下三个方面： (1) 工件装夹误差(装夹) 包括定位误差定位和夹紧误差夹紧。定位误差是定位不准确而造成的加工误差；夹紧误差是夹紧时引起工件和夹具变形造成的加工误差。 (2) 夹具对定误差(对定) 包括对刀误差对刀和夹具位置误差夹位。对刀误差是与夹具相对刀具位置有关的加工误差，夹具位置误差是夹具相对刀具成形运动的加工误差。 (3) 加工过程误差(过程) 包括加工过程中工艺系统的受力变形、热变形及磨损等因素所造成的加工误差。,利用夹具装夹工件加工时，为了保证加工精度应使上述各项误差之和不大于工件相应尺寸或
9、位置要求的公差T，即 装夹+对定+过程T 上式被称为加工误差不等式。 通常，可粗略地平均分配加工误差，即装夹T /3，对定T/3，过程T/3。 也可以综合考虑夹具造成的加工误差，使加工时满足加工不等式。,第二节 工件在夹具中的定位,工件在夹具中定位的目的是使同一批工件在夹具中占有一致的正确加工位置。但由于实际定位基准和定位元件存在制造误差，故同批工件在夹具中所占据的位置不可能是完全一致的，这种位置的变化将导致加工尺寸产生误差。 研究工件在夹具中的定位可以从定位基本原理、定位方法与定位元件、定位精度三个方面研究。,一、工件定位的基本原理,1.六点定位原理 在夹具中未定位以前，任何一个工件都可以看
10、成为在空间直角坐标系中的自由物体。 如图所示的方形工件，它在空间的位置是任意的，可沿三个垂直坐标轴放在任意位置，通常称为工件沿三个垂直坐标轴具有平动自由度，分别以表示 、 、 表示。,此外，工件绕三个垂直坐标轴的转角位置也是任意的，通常称之为绕三个垂直坐标轴具有转动自由度，分别以 、 、 表示。 要使工件在夹具中占据正确位置，就必须恰当地限制工件在空间上的六个自由度。,用于空间定位的六个支承点的分布必须遵循一定的规则。 如图3.2(a)所示的平行六面体上加工键槽时， 为保证加工尺寸 需限制工件的 、 、 三个自由度； 为保证 ，还需限制 、 两个自由度， 为保证 ，最后还需限制 自由度。,在进
11、行工件定位分析时，通常是用一个支承点限制工件的一个自由度，用合理分布的六个支承点限制工件的六个自由度，使工件在夹具中的位置完全正确，这就是的“六点定位原理”。,在夹具上布置了六个支承点，当工件基准面安置在这六个支承点上时，就限制了它的全部自由度，见图3.2(b)。 工件底面（M面）紧贴在支承点1、2、3上，限制了工件的 、 、 三个自由度； 工件侧面（N面）紧靠在支点4、5上，限制了 、 两个自由度； 工件的端面（P面）在支承点6上，限制了 自由度。,工件上布置三个支承点的M面称为主要定位基准。三个支承点布置得越远，所组成的三角形就越大，工件定位就越稳定。 布置两个支承点的N面称为导向定位基准
12、。应选取工件上窄长表面作为导向定位基准。 工件上布置一个支承点的P面称为止推定位基准。由于它只和一个支承点接触，工件在加工时，常常还要承受加工过程中的切削力和冲击等，因此可选工件上窄小且与切削力方向相对的表面作为止推定位基准。 在夹具结构中，支承点是用定位元件来实现的，如图3.2(c)中设置了六个支撑钉。,例如 为如图所示为在环状工件上钻孔的工序，设计定位结构。,夹具上布置了六个支承点，见图3.3(b)， 工件端面紧贴在支承点1、2、3上，限制 、 、 三个自由度； 工件内孔紧靠支承点4、5，限制 、 两个自由度； 键槽侧面靠在支承点6上，限制 自由度。,图3.3(c)是实现图3.3(b)中六
13、个支承点所采用定位元件的具体结构。 以台阶面A代替1、2、3三个支承点； 短销B代替4、5两个支承点； 嵌入键槽中防转销C代替支承点6。,如图3.4(a)为车床上加工轴的通孔，根据加工要求，不需要限制 和 自由度，故使用三爪卡盘限制其余四个自由度即可。,2.限制工件自由度与加工要求的关系 1) 完全定位 工件的六个自由度全部被限制的定位称为完全定位。当工件在x、y、z三个坐标方向上均有尺寸要求或位置精度要求时，一般采用这种定位方式。 2) 不完全定位和欠定位 根据工件加工要求，并不需要限制其全部自由度的定位称为不完全定位。,图3.4(b)为平板工件在平磨床上采用电磁工作台定位磨平面，工件只有厚
14、度及平行度要求，故只需要限制 、 、 三个自由度即可。,欠定位是应该限制的自由度没有被加以限制的定位。 在满足加工要求的前提下，采用不完全定位是允许的。 但是欠定位不允许的。,3) 过定位 工件的同一个或几个自由度被重复限制的定位称为过定位。 过定位在生产中是被限制使用的。 图3.5(a)所示为加工连杆小头孔的正确定位方案。 用平面限制 、 、 三个自由度； 用短圆柱销限制 、 两个自由度； 用防转销限制 自由度，属完全定位。,如果短圆柱销换为长圆柱销，则会造成过定位现象。 由于长圆柱销限制了 、 、 、 四个自由度，其中被限制的 、 两个自由度与平面限制的自由度重复，因此出现了过定位情况。,
15、通常有两种消除或减小过定位方法： 提高定位基准之间以及定位元件工作表面之间的位置精度； 改变定位元件的结构，使定位元件在重复限制自由度的部分不起定位作用。,二、工件定位方式及其所用定位元件,生产中定位的方法很多，常用的定位方案主要有 工件以平面定位； 工件以圆柱孔定位； 工件以外圆表面定位。 1工件以平面定位 在机械加工中，箱体、机座、支架等工件都常用平面作为定位基准。依据是否起限制自由度作用以及能否实现调整等，常用的平面定位元件可分为如下几种： 主要支承 主要支承是起限制自由度作用的支承，它又分为固定支承、可调支承、自位支承等。,(1) 固定支承 固定支承主要是各种支承钉和支撑板，如图3.6和图3.7所示。 当定位基准面是粗糙不平的毛坯表面时，采用布置较远的三个球头支承钉，使其与毛面接触良好，C型齿纹头支撑钉用于侧面定位，它能增大摩擦系数，防止工件受力后滑动。,工件以加工后的平面作为定位基准时，一般采用图3.6(a)所示的A型的平头支承钉和3.7(a)所示的支撑板。 A型支撑板的结构简单，制造方便。但孔边缘切屑不易清除干净，故适用于侧面和顶面定位。 B型支撑板结构如图3.7(b)所示，其特点是易于保证工作表面清洁，故适用于底面定位。,(2) 可调支承 可调支承如图3.8所示，能够调整支承
