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1、第三节 数控夹具系统 数控机床是先进的高精度、高效率、高自动化程度的加工设备。除了机床本身的结构特点、控制运动和动作准确、迅速外，还要求工件的定位夹紧装置亦能适应数控机床的要求，即具有高精度、高效率和高自动化程度。这样，数控机床才能充分发挥效能。一、数控夹具的设计要求 （一）粘度要求 由于数控机床具有连续多型面自动加工的特点，所以对数控机床夹具也就要求比一般机床夹具精度与刚度都高，这样可减少工件在夹具中的定位与夹紧误差及粗加工中的变形误差。 （二）定位要求 工件相对夹具一般应完全定位，且工件的基准相对于机床坐标原点应有严格的确定位置，以满足能在数控机床坐标系统中实现工件与刀具相对运动的要求。同
2、时，夹具在机床上也应完全定位，夹具上的每个定位面相对数控机床的坐标原点均应有精确的坐标尺寸，以满足数控加工中简化定位和安装的要求。 （三）空间要求 数控类机床能一次安装工件而加工多个表面，数控夹具就应能在空间上满足各刀具均有可能接近所有待加工表面。此外，支承夹具的托板具有移动、上托、下沉和旋转等动作，夹具也应能保证不与机床有关部分有空间干涉，有些定位块可设计成在工件夹紧后可以卸去，以满足前后左右各个面加工的需要。 （四）快速重调要求 数控加工可通过快速更换程序载体而变换加工对象，为不使花去过多的更换工装的辅助时间，减少贵重设备等待闲置时间，故要求夹具在更换加工工件中能具有快速重调或更换定位夹紧
3、元件的功能，采用高效的机动传动机构等。此外，由于在数控加工中 因多表面加工而单件加工时间增长，夹具结构如能满足机动时间内在机床工作区外也能作工件更换，则会极大地减少机床停机时间。二、数控夹具选用方法 （1）在数控车床、车床中心和磨床上加工回转体工件，一般采用能适应一定直径范围工作的通用快速自动夹紧卡盘。当工件几何尺寸超出范围时，则需要更换卡爪或另一种卡盘。 （2）在加工中心加工工件而工件是以底面作定位的箱体零件时，则可选用当前较新颖的以槽系或孔系为基座的组合夹具，再配以一定量的定位、夹紧元件组合即可。 （3）在加工中心加工工件而工件为不规则形状，或同时在托板上需加工多个相同或不相同的工件时，则
4、需设计与配备专用夹具。三、各类数控夹具的典型结构 （一）车床类夹具 车床类夹具常用型式有：加工盘套零件的自动定心三爪卡盘、加工轴类零件的拨盘与顶尖和机床通甩附件的自定心中心架与自动转塔刀架等。由于数控加工的需要，这些卡盘、拨盘和中心架等除通常要求外还有一些特定要求，如对于卡盘，要求装卸工件要快，重装工件或改变加工对象时。能机动或尽量缩短更换卡爪时间，减少更换卡盘及卡盘改用顶尖的调整时间，随粗、精加工不同而要满足粗加工夹紧可靠，精加工夹紧变形小的要求等。对于拨盘则要求粗加工时能传递最大的扭矩，由顶尖加工能快速改调为卡盘加工，一次安装能完成工件加工等。 1用于盘类零件的夹具 加工盘类零件常用自动定
5、心三爪卡盘。图6-31所示为快速可调卡盘。利用搬手将螺杆3转动90，可将 快速更换或单独调整的卡爪4相对于基体6移到需要 的尺寸位置。为了卡爪的定位，在卡盘体l上做有圆周槽，当卡爪4到达要求位置后，转动螺杆，使螺杆3的螺纹与卡爪4的螺纹啮合。此时被弹簧压着的钢球5进入螺杆的小槽中，并固定在需要的位置。这样可在两分钟内逐个将卡爪调整好。毛坯的快速夹紧可借助于装在主轴尾部的机械(或液压、气动、电气机械)传动来完成。这种夹具的刚性好，可靠性高。 图6-32 液压传动三爪卡盘图6-32所示为液压传动三爪卡盘。夹紧力由油缸通过杠杆2传给卡爪1来实现。 图6-33所示为一自动更换车床卡盘卡爪用的装置。它由
6、圆环状卡爪库l和三个机械手同时从卡盘上取出三个卡爪并将其装入卡爪库的空位中，然后卡爪库转一角度，机械手从库中取出新卡爪装到卡盘上。 2用于轴类零件的夹具 在数控车床上加工轴类零件时，毛坯装在主轴顶尖和尾架顶尖间，工件用主轴上的拨动卡盘传动旋转。这时拨动卡盘应满足以 下要求：粗加工时以传递最大扭矩，能在主轴高转速时进行加工；能按顶尖使毛坯定位； 能快速调整，由用顶尖加工改变为用卡盘加工。 图6-34为自动夹紧拨盘结构。工件7以由弹簧3顶住的活动顶尖2定心，定位中当顶尖2左移时，推动套5并因浮动锥体6作用，使杠杆4绕小轴1回转而夹紧工件，并将机床主轴的转矩传给工件。图6-34 自动夹紧拨盘结构图6
7、-35 复合卡盘 图6-35为复合卡盘。由传动装置驱动拉杆5，经套6、7和楔块杠杆4、3传给卡爪1而夹紧工件，中心轴组件8；为多种插换调整件，若为弹簧顶尖则将卡盘工作改为顶尖，转矩则由自动调位卡爪1传给2件。 3自定心中心架和自动转塔刀架 图6-36为数控自定心中心架。用以减少细长轴加工时的受力变形，并提高其加工精度。该件常作为机床附件提供。其工作原理为：通过安装架与机床导轨相连，工作时由主机发信号，通过液压或气动力源作夹紧或松开，润滑则采用中心润滑系统。图6-33 自动更换车床 图6-37为数控自动转塔刀架。它是数控车床的重要功能部件，可多刀夹持，自动定 位实现加工程序的自动化和系统化。其工
8、作原理为：分度由定位盘、传感器控制，设有可同时正反转的方向逻辑线路，可自动转位实现加工程序的自动化，定位精度高、动作迅速。 （二）钻、铣、控类和加工中心用夹具 1.对数控钻、铣、一模类夹具定位的共同要求 （1）对于工件在夹具上的定位 由于加工外形与编程有关，一般均采用完全定位并与 数控加工原点相联系，对于圆柱体工件，为使基准重合、误差减小，可以内孔、外圆或中心孔作定位基准，在夹具定位件上定位；对于壳体类工件，则力求采用三坐标平面作定位 基准，以确保定位的精度与可靠性。但对于一次安装需同时加工多方向表面时，虽用两孔一平面定位方式会有定位误差存在。然而仍是可行的常用定位方式。 （2）对于突具在机床
9、上的定位 为减少更换夹具的准备一结束时间，应力求采用无校 正的定位方式，如先在机床上设置与夹具配合的定位元件、在组合夹具的基座上精确设计定位孔，以便与机床床面定位孔或槽对定来保证编程原点的位置。对于夹具定位件在机床 上的安装方式，由于数控机床主要是加工批量不大的小批与成批零件，在机床工作台上会 经常更换夹具，这样易磨损机床台面上的定位槽，且在槽中装卸定位件十分费力，也会占 用较长的停机时间，为此，在机床上用槽定向的夹具，其定位元件常常不固定在夹具体上而固定在机床工作台上，当夹具向机床上安装时，夹具体上有引导棱边的淬火套导向，如图6-38所示。 2主要结构类型 大致上可分为通用类、组合夹具类与专
10、用类三种： （1）通用类 根据应用不同，其结构又可分为适于小批生产 可供多次重复使用的不可调通用夹具；适于成组加工由基础组合件组装，仅制造少量专用调整安装件的可调通用夹具；适于成批 生产的通用性强的机床标准附件等。 如图6-39所示为可换支承钳口、气动类夹紧通用虎钳。该系统夹紧时由压缩空气使活塞7下移，带动杠杆1使活动钳口2右移，快速调整固定钳口是借手柄5反转而使支承板4的凸块从槽中退出完成。 图6-40为数控铣床用通用可调夹具系统。该系统由图示基础件和另外一套定 位夹紧调整件组成，基础件1为内装立式油缸2和卧式油缸3的平板，通过销4与 5和机床工作台的一个孔与槽对定，夹紧元件可从上或侧面把双
11、头螺杆或螺栓旋入油缸活 塞杆，对不用的对定孔用螺塞封盖。 图6-41为数控回转台（座）。用于在铣床和钻床上一次安装工件，同时可从四面加 工坯料，图（a）可作四面加工，图 （b）、 图（c）可作圆柱凸轮的空间成型面和平面凸轮 加工，图（d）为双回转台，可用于加工在表面上成不同角度布置的孔，可作五个方向的加工。图6-40 通用可调夹具系统图6-41 数控回转台（座） 图6-42为数控气动立卧工作台。端齿盘为分度元件，靠气动转位分度，可完成5为基数的整信垂直（或水平）回转坐标的分度。 （2）组合夹具类 随着产品更新换代速度加快，数控与柔性制造系统应用日益增多，作为与机床相配套的夹具也就要求其有柔性，
12、能及时地适应加工品种和规模变化的需要。人们实现柔性化的重要方法是组合法，因此组合夹 具也就成为夹具柔性化的最好途径。传统的组合夹具则就从原来为普通机床单件小批服务的结构而走向为数控机床、加工中心等配套的既适应中小批也能作成批生产的现代组合夹具领域发展。现代组合夹具的结构主要分为孔系与槽 系两种基本形式，两者各自有其长处。槽系为传统组合夹 具的基本形式，生产与装配积累的经验多，沿槽可调性好，在近30余年中为世界各国广泛应用。图6-43为槽系组合夹具组装过程示意图。孔系为新兴的结构，与槽系相比大致 有以下优点： 结构刚性比有纵横交错的槽为好；组装后图6-43 槽系组合夹具组装过程示意图 孔比槽易加
13、工，制造工艺性好； 安装方便，组装中靠高精度的销孔 定位，比需费时测量的槽系操作简单； 计算机辅助组装设计是提高组合夹具应用的重要方、法，实践证明在这方面孔系则较优于槽系等。 世界上自70年代末西德布吕科系统孔系组合夹具问世后，至今已有数十家生产的孔系组合夹具系统投放市场，故孔系已成为当前世界各国研制现代组合夹具的发展趋向。下面介绍孔系组合夹具系统。 孔系是当前世界各国在现代组合夹 具中应用较广的类型，我国也已推出多种品种。此类夹具的系统元件结构简单，以孔定位，螺钉连接，定位精度高，刚性较好，组装方便，由于便于计算机编程，因而特别适用于柔性自动化加工设备和系统的夹具配置。图6-44是我国生产的
14、这种夹具组装元件的分解图；图6-45是孔系组合夹具的组装。图6-46是这类夹具的应用实例。 由图可见，由于夹具基础板的孔系形 成网格式坐标，其他元件都可按孔系网格 的坐标值组装在此基础板上。基础板的孔系网格坐标与托板网格坐标相对应。因而简化了数控编程中的工件坐标计算。这类夹具元件上有三类孔： 网格孔：其结构见图6-47。 阶梯光孔：在图6-48中称孔B，螺钉穿过此孔拧入网格孔的螺纹中，将元件固定在具有网格孔的基础元件上，其装配关系见图6-48。图6-44 孔系组合夹具组装元件的分解图图6-45 孔系组合夹具的组装 定位孔：方箱在托板上的定位见图6-49。基础板在带T形槽托板上的定位方式见图6-50。基础板上有两个定位孔C（图a），其孔心距与托板上的T形槽距相等。利用两个带有扁平面的定位销定位。定位销、基础板和托板的组装关系见图（b）。基础件的主要型式见图6-51，其尺寸系列参照有关手册。 （3）专用夹具：专用夹具的结构固定，仅适用于一个具体零件的具体工序，在数控机床上，只是在所有可调整夹具不能使用的情况下才使用。这类夹具的结构应力求简化，使制造时间尽量缩短。图6-50 基础板在拖板上的定位图6-51 孔系组合夹具基础件的主要形式
