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1、第1单元 夹具设计基础,1.1 夹具在机械加工中的作用 1.2 夹具的分类与设计原则 1.3 夹具设计原理 1.4 夹具的基本结构 1.5 夹具设计中常用的公差配合,1.1 夹具在机械加工中的作用,1.1.1 夹具的作用 在机械加工机床上使用的夹具统称为机床夹具。在现代生产中，机床夹具是不可缺少的工艺装备，它的设计水平和制造水平直接影响着零件的加工精度、生产效率和产品的制造成本，因此，机床夹具的设计和制造在生产技术准备中占有十分重要的地位。 1.1.2 夹具的功能 对机床夹具的基本要求就是将工件正确地定位，并可靠地固定在指定位置上。机床夹具除了要保证足够的制造精度外，还需要有足够的刚度以防止加
2、工时可能产生的变形和振动。 1.保证工件的加工精度和加工过程的稳定性,1.1 夹具在机械加工中的作用,在机械加工中，工件是通过机床夹具装夹到机床上的，而夹具在机床上的位置是根据夹具的设计基准精确地进行定位的，因此，工件在加工过程中的位置精度不会受到操作者的技术水平及主观因素的影响，从而可靠地保证工件的加工精度，并且保证加工过程质量的稳定。 2.缩短辅助操作时间，提高劳动生产效率 由于夹具是在加工一批工件之前，事先安装到机床上的，并经过精心地检测和调整。而夹具本身的设计也充分考虑了工件定位和装夹的方便，因此，在将工件固定到机床夹具上的过程中不再需要检测和调整。这样就极大地简化了加工的操作过程，缩
3、短了辅助操作时间，相对地提高了生产效率。 3.降低对工人的技术要求，减轻劳动强度,1.1 夹具在机械加工中的作用,使用专用夹具安装工件，定位方便、准确、快捷，安装位置精度依靠夹具的精度得以保证，从而降低了对操作工人的技术要求。同时，夹紧操作又可以通过夹具本身的增力机构来实现，进而减轻了工人的劳动强度，并保障了操作的安全性。 4.扩大机床的工艺使用范围，相对降低制造成本 通过专用夹具的精心设计，可以有效地拓宽机床的工艺范围，实现“一机多能”，这也是生产条件有限的企业经常采用的技术改造措施。例如，在车床上安装专用的夹具和镗杆，就可以完成对工件的镗削加工；在铣床上安装专用的夹具和型面靠模，就可以完成
4、对复杂曲面工件的加工等。,1.2 夹具的分类与设计原则,1.2.1 夹具的分类 1.按夹具的通用特性分类 这是一种基本的分类方法，主要反映夹具在不同生产类型中的通用特性，也是选择夹具的主要依据。夹具通常划分为通用夹具、专用夹具、可调夹具、组合夹具和自动线夹具五大类型。 (1)通用夹具 通用夹具是指结构、尺寸已经标准化，并具有一定通用性的夹具，如自定心卡盘、单动卡盘、机用平口钳、万能分度头、中心架、电磁吸盘等。 (2)专用夹具 专用夹具是针对某一工件的某一工序的加工要求而专门设计和制造的夹具。 (3)可调夹具 可调夹具是针对通用性夹具和专用夹具的不同特点而发展起来的一类新型夹具。,1.2 夹具的
5、分类与设计原则,(4)组合夹具 组合夹具是一种模块化的夹具，已经实现商品化的制造。 (5)自动线夹具 自动线夹具一般分为两种：一种为固定式夹具，与专用夹具十分相似；另一种为随行夹具，使用中夹具随着工件一起运动，并将工件沿着自动线从一个工位移动至下一个工位进行加工。 2.按夹具使用的机床分类 这是专用夹具设计所采用的分类方式。按使用的机床分类，可划分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、磨床夹具和数控机床夹具等。 3.按夹具使用的动力源分类,1.2 夹具的分类与设计原则,按夹具所使用的夹紧动力来源，可将夹具分为手动夹具和机动夹具两大类。手动夹具主要靠工人的手工操作，在完成工件定位的同时完成夹
6、紧操作。因此，在设计手动夹具时，要求具备相应的增力机构和自锁性能。机动夹具的定位操作通常也是靠手工操作，但夹紧操作是依靠所采用的相应动力来实现的。常用的机动夹具有气动夹具、液压夹具、电动夹具、电磁夹具、真空夹具和离心夹具等。 1.2.2 夹具的设计原则 好的夹具设计应遵从以下几项设计原则。 1.确保工件的加工精度要求,1.2 夹具的分类与设计原则,确保工件的加工精度要求是夹具设计的首要原则。在设计夹具时首先要考虑对工件的正确定位，精心设计定位基准，合理地选择定位方法和定位元件。要注意，夹具整体结构及其中的各个零部件之间的配合可能造成对工件加工精度的影响。对大批量使用和重复使用的夹具，要充分考虑
7、其刚度和耐磨性能。 2.确保夹具操作的简便可靠 采用专用的机床夹具来完成对工件的加工，目的就是保证工件的装夹简洁、方便和可靠，简化对工人操作技术水平的要求，以保证工件加工质量的稳定。对形体复杂的工件，要注意尽可能地减少操作步骤，简化调整过程，缩短装夹时间。 3.具有良好的工艺性能,1.2 夹具的分类与设计原则,专用夹具的设计应力求结构简洁、合理，便于制造、装配、调整、检测和维护。通常，专用夹具的适用范围很小，使用频率有限，在结构设计上如果很复杂，就不容易制造，使得生产准备周期过长。良好的工艺性还要求夹具结构本身要稳定可靠，在长时间的使用和存放过程中不会对工件的加工精度产生不利的影响。 4.尽可
8、能地提高生产效率 使用专用夹具的根本目的除了要可靠地保证工件的加工精度，就是要提高生产效率。因此，在夹具设计中要注意尽可能采用高效的装夹结构，在可能的情况下考虑多工件同时装夹，在一次加工中完成多个工件的加工。 5.注意夹具的经济效果,1.2 夹具的分类与设计原则,在制造工业产品的过程中，一般需要大量的专用机床夹具，而这些夹具在产品更新换代后，往往丧失了本身的价值。因此，在夹具设计中，除了力求结构简单、容易制造外，尽可能选择标准元件、通用元件，使其能够反复利用。对专用元件也尽可能地设计成可调整结构，以扩大这些专用元件的使用范围，最大限度地降低夹具的制造和使用成本。,1.3 夹具设计原理,1.3.
9、1 工件的定位,图1-1 工件的6个自由度,1.3 夹具设计原理,1.3.2 六点定位原理 在对工件定位时，通常是用一个支承点约束工件的一个自由度。合理地设置6个支承点就可以约束工件的6个自由度，使工件完全固定在夹具的适当位置上，这就是六点定位原理。 1.矩形几何体的定位 如图12所示的矩形几何体工件，以A、B、C 3个平面作为定位基准，其中A面面积最大，将其作为主要基准，设置成三角形布置的3个定位支承点1、2、3，当工件的A面与这3个点接触时，限制了、 3个自由度。B面较长，在沿垂直于A面方向上设置两个定位支承点4、5，当侧面B与该两点接触时，限制了、两个自由度。在最小平面C上设置一个定位支
10、承点6，限制了一个自由度。如此设置6个定位支承点，可使工件完全定位。,1.3 夹具设计原理,图1-2 矩形几何体的定位,2.圆柱几何体的定位,1.3 夹具设计原理,图13所示的圆柱几何体工件，以圆柱几何体的轴线和前端面作为定位基准。长圆柱体的圆柱面采用中心定位，圆柱表面与V形块两个相互垂直的斜面接触，形成了两条相切直线。可将两条直线上的4个端点1、2、3、4看作4个定位点，限制了工件的、4个自由度。圆柱体前端面的定位支承点5限制了工件的一个自由度。以上5个支承点共限制了工件的5个自由度。由于圆柱类工件在圆柱表面没有其他定位点，还有一个绕轴线旋转的自由度未被限制住，因此，这是一种未完全定位的约束
11、。,图1-3 圆柱几何体的定位,1.3 夹具设计原理,3.带孔圆盘几何体的定位 图14所示的带有中心孔的圆盘几何体工件，可以被看作是圆柱几何体的变形。正是由于形状发生了较大变化，即圆柱的长度变短，端面的面积增大，其圆柱面的定位作用在减小。对这种几何特征的工件，其主要定位基准转移到了圆柱的端面。端面上布置的3个定位支承点1、2、3，限制了工件的、3个自由度。而圆柱中心孔处的圆柱销则成为次要的定位基准，其上的定位支承点4、5限制了工件的、两个自由度。显然，上面5个支承点共限制了工件的5个自由度。由于带孔圆盘类工件在圆柱表面也没有其他定位点，仍然存在一个绕轴线旋转的自由度未加限制，因此，这也是一种未
12、完全定位的约束。,1.3 夹具设计原理,图1-4 带孔圆盘几何体的定位,1.3.3 定位约束分析,1.3 夹具设计原理,通过对上述三种典型工件的定位描述和定位原理的说明，工件的基本形态、定位点的确定和布局、定位点的数量等要素都会直接影响定位约束。根据工件自由度被约束的状况，工件的定位可分为下面几种类型。 1.完全定位 完全定位是指工件的6个自由度不发生重复且被全部约束的定位。当工件在x、y、z3个坐标方向上均有尺寸要求或位置精度要求较高时，如机座、箱体、机床工作台等类型工件，一般均采用这种完全定位方式。 2.不完全定位,1.3 夹具设计原理,依据工件的加工要求或某道工序的加工特点，有时并不需要
13、约束工件的全部自由度，这种定位方式就称为不完全定位。当工件在某个方向上无特别限制时，如在车床加工通孔、铣削工件的平面等情况，通常可以采用这种不完全定位方式。因此，可以概括地说，工件在定位时应该约束的自由度数量是由工序的加工要求确定的，即不影响加工精度的自由度可以不必约束。采用不完全定位可以简化定位装置，减少辅助操作时间，在实际生产中被普遍使用。 3.欠定位,1.3 夹具设计原理,依据工件的加工要求，应该约束的自由度而没有加以约束的定位称为欠定位。欠定位是无法保证加工要求的，这在夹具设计中是不允许的。一旦在夹具的结构中存在这缺陷，使用此类夹具加工的整批工件的质量和精度都无法保证。 4.过定位 夹
14、具上的两处或两处以上的定位元件重复约束同一个自由度，称为过定位。如果出现这种情况，由于两处定位元件的制造误差、定位方式或操作方法的差异，将会造成工件定位的不正确或发生干涉现象，也就无法保证加工精度要求。从某种意义上说，过定位的存在所造成的错误与欠定位的效果相似。因此，在夹具设计中要严格分析定位的合理性和科学性，避免过定位状况的发生。 1.3.4 定位基准,1.3 夹具设计原理,定位基准就是加工中确定工件在空间位置上的基本位置。一旦工件的定位基准被选定下来，则工件的定位方案也就基本确定。定位方案是否合理，直接关系到工件的加工精度能否得到保证。工件定位时，作为定位基准的点、线和面，往往是由某些具体
15、表面来体现出来的，这种表面称为定位基面。 1.定位基准面的分类 根据定位基准面所约束的自由度数量，可将其分为以下几种类型。 (1)主要定位基准面 以设置呈三角形布局且在同一平面的三个支承点来约束工件的三个自由度，而这个平面就作为主要定位基准面。,1.3 夹具设计原理,(2)导向定位基准面 以设置在某一平面上的两个支承点来约束工件的两个自由度，这样的平面或圆柱面就作为导向定位基准面。 (3)双导向定位基准面 能够约束工件上两个移动自由度和两个旋转自由度的圆柱面，就作为双导向定位基准面。 (4)双支承定位基准面 能够约束工件上两个移动自由度的圆柱面，就作为双支承定位基准面。 (5)止推定位基准面
16、能够约束工件上一个移动自由度的表面，就作为止推定位基准面。 (6)防转定位基准面 能够约束工件上一个旋转自由度的表面，就作为防转定位基准面。 2.典型定位元件限制的自由度,1.3 夹具设计原理,在对工件定位时，真正起定位作用的支承点是非常具体的具有一定几何形状的定位元件。表11列出了常用的典型定位元件所限制的自由度。,表1-1 典型定位元件所限制的自由度,1.3 夹具设计原理,表1-1 典型定位元件所限制的自由度,1.3 夹具设计原理,表1-1 典型定位元件所限制的自由度,1.3 夹具设计原理,表1-1 典型定位元件所限制的自由度,1.3 夹具设计原理,表1-1 典型定位元件所限制的自由度,1.4 夹具的基本结构,1.4.1 定位元件 定位元件是夹具中最主要的功能元件。当工件定位的基准面形状和方位确定后，就要依靠定位元件来保证工件定位的准确和可靠，即定位元件的作用就是保证工件的正确定位。如夹具中常用的定位心轴、定位销、定位块、顶尖等。 1.4.2 夹紧元件 夹紧元件的作用是将工件压紧固定不动，保证工件在加工过程中所处的正确位置不发生任何偏离，如夹具中常用的压板、锁紧螺母
