角铁式车床夹具

学习情景9 车床夹具设计
第一部分学习任务描述
生产车间现有一批托架类零件需要加工，该工序的加工表面为外圆柱面￠ 100js6 ，应保证其轴线距离底面B的距离尺寸为100 ± 0.10mm 和距离侧面C的距离尺寸为57.5 ± 0.05mm , 并保证其轴线与底面 B 平行。

现将这种零件加工过程中的定位与夹紧方案拟定出来，以便保证精度、高效率的加工，要求你完成零件加工夹具设计的任务。

托架类零件产品零件图如图9-1所示：
图9-1托架类零件的产品零件图
第二部分能力目标描述
通过对托架类零件的零件加工的夹具设计，学生应在以下三方面培养自身的能力：
●专业能力目标
1、熟练掌握机床夹具的组成；
2、熟练掌握工件的定位与夹紧原理；
3、能对轴套类零件的定位方法、定位元件进行正确分析与选择；
4、能正确地进行车床夹具结构设计与加工精度分析；
5、熟悉角铁式车床夹具的工艺结构、会绘制角铁式车床夹具的装配总图；
6、能对不同车床夹具的总体设计与安装误差进行正确分析。

●方法能力目标
1、具有一定的分析问题和解决问题的能力；
2、具有一定的工艺管理能力和信息处理能力；
3、具有一定的自学能力、理解能力和表达能力；
4、初步具有工艺分析、设计、实施、评价的能力。

●社会能力目标
1、具有良好的职业道德和敬业精神；
2、具有团队意识和妥善处理人际关系的能力；
3、具有沟通和交流能力。

第三部分教学条件
多媒体教室、盘套类零件实物、学习软件、机械加工实训中心、校外实训基地
第四部分学习情境的设计
步骤一：资讯
学时：2
教学方法：案例教学法、参观、讨论、教师指导
任务：
学生从接到的工作任务中分析完成工作的必要信息，为下一步的决策、计划做好充分的准备，具体任务的设置如下：
1.了解机床夹具的组成和作用
2. 工件的定位和夹紧原理
3．车床夹具的类型、车床专用夹具的典型结构
4．车床夹具的设计要点
教学内容：
一单元机床夹具的组成和作用
1。

机床夹具在机械加工中的作用
(1) 保证加工精度
采用夹具安装，可以准确地确定工件与机床、刀具之间的相互位置，工件的位置精度由夹具保证，不受工人技术水平的影响，其加工精度高而且稳定。

(2) 提高生产率、降低成本
用夹具装夹工件，无需找正便能使工件迅速地定位和夹紧，显著地减少了辅助工时；用夹具装夹工件提高了工件的刚性，因此可加大切削用量；可以使用多件、多工位夹具装夹工件，并采用高效夹紧机构，这些因素均有利于提高劳动生产率。

另外，采用夹具后，产品质量稳定，废品率下降，可以安排技术等级较低的工人，明显地降低了生产成本。

(3) 扩大机床的工艺范围
使用专用夹具可以改变原机床的用途和扩大机床的使用范围，实现一机多能。

例如，在车床或摇臂钻床上安装镗模夹具后，就可以对箱体孔系进行镗削加工；通过专用夹具还可将车床改为拉床使用，以充分发挥通用机床的作用。

(4) 减轻工人的劳动强度
用夹具装夹工件方便、快速，当采用气动、液压等夹紧装置时，可减轻工人的劳动强度。

2。

夹具的组成
机床夹具的种类和结构虽然繁多，但它们的组成均可概括为以下几个部分，这些组成部分既相互独立又相互联系。

(1) 定位元件
定位元件保证工件在夹具中处于正确的位置。

如图9-2所示，钻后盖上的φ10㎜孔，其钻夹具如图9-3所示。

夹具上的圆柱销5、菱形销9和支承板4都是定位元件，通过它们使工件在夹具中占据正确的位置。

图9-2 后盖零件钻径向孔的工序图
(2) 夹紧装置
夹紧装置的作用是将工件压紧夹牢，保证工件在加工过程中受到外力(切削力等)作用时不离开已经占据的正确位置。

图9-3中的螺杆8(与圆柱销合成一个零件)、螺母7和开口垫圈6就起到了上述作用。

(3) 对刀或导向装置
对刀或导向装置用于确定刀具相对于定位元件的正确位置。

如图9-3中钻套l和钻模板2组成导向装置，确定了钻头轴线相对定位元件的正确位置。

铣床夹具上的对刀块和塞尺为对刀装置。

图9-3 后盖钻夹具
1—钻套 2—钻模板 3—夹具体 4—支承板 5—圆柱销6—开口垫圈
7—螺母 8—螺杆 9—菱形销
(4) 连接元件
连接元件是确定夹具在机床上正确位置的元件。

如图9-3中夹具体3的底面为安装基面，保证了钻套1的轴线垂直于钻床工作台以及圆柱销5的轴线平行于钻床工作台。

因此，夹具体可兼作连接元件。

车床夹具上的过渡盘、铣床夹具上的定位键都是连接元件。

(5) 夹具体
夹具体是机床夹具的基础件，如图9-3中的件3，通过它将夹具的所有元件连接成一个
整体。

(6) 其它装置或元件
它们是指夹具中因特殊需要而设置的装置或元件。

若需加工按一定规律分布的多个表面时，常设置分度装置；为了能方便、准确地定位，
常设置预定位装置；对于大型夹具，常设置吊装元件等。

二单元 工件的定位和夹紧
在机械加工中，必须使机床、夹具、刀具和工件之间保持正确的相互位置，才能加工出
合格的零件。

这种正确的相互位置关系，是通过工件在夹具中的定位，夹具在机床上的安装，
刀具相对于夹具的调整来实现的。

（一） 工件定位的基本原理
1．六点定位原理
一个尚未定位的工件，其空间位置是不确定的，均有六个自由度，如图9-4所示，即沿空间坐标轴x 、y 、z 三个方向的移动和绕这三个坐标轴的转动(分别以X 、Y 、Z ；和X 、Y 、Z 表示)。

图9-4 工件的六个自由度 图9-5 长方体形工件的定位 定位，就是限制自由度。

如图9-5所示的长方体工件，欲使其完全定位，可以设置六个
固定点，工件的三个面分别与这些点保持接触，在其底面设置三个不共线的点1、2、3（构成一个面），限制工件的三个自由度：Z 、X 、Y ；侧面设置两个点4、5（成一条线），限制了Y 、Z 两个自由度；端面设置一个点6，限制X 自由度。

于是工件的六个自由度便都
被限制了。

这些用来限制工件自由度的固定点，称为定位支承点，简称支承点。

用合理分布的六个支承点限制工件六个自由度的法则，称为六点定位原理。

在应用“六点定位原理”分析工件的定位时，应注意以下几点：
(1) 定位支承点限制工件自由度的作用，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。

若二者脱离，则意味着失去定位作用。

(2) 一个定位支承点仅限制一个自由度，一个工件仅有六个自由度，所设置的定位支承
点数目，原则上不应超过六个。

(3) 分析定位支承点的定位作用时，不考虑力的影响。

工件的某一自由度被限制，并非
指工件在受到使其脱离定位支承点的外力时，不能运动。

欲使其在外力作用下不能运动，是
夹紧的任务；反之，工件在外力作用下不能运动，即被夹紧，也并非是说工件的所有自由度
都被限制了。

所以，定位和夹紧是两个概念，绝不能混淆。

（二）工件定位中的几种情况
(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。

例如在图9-6所示的工件上铣槽，槽宽20±0.05㎜取决于铣刀的尺寸；为了保证槽底面与A 面的平行度和尺寸02.060 ㎜两项加工要求，必须限制Z 、X 、Y 三个自由度；为了保证槽侧面与B 面的平行度和尺寸30±0.1㎜两项加工要求，必须限制X 、Z 两个自由度；
工作台即可实现三点定位。

(a) (b)
图9-7 不完全定位示例
(a) 在车床上加工通孔 (b) 磨平面
(3) 欠定位
根据工件的加工要求，应该限制的自由度没有完全被限制的定位，称为欠定位。

欠定位
无法保证加工要求，所以是绝不允许的。

如图9-8所示，工件在支承1和两个圆柱销2上定位，按此定位方式，X 自由度没被
限制，属欠定位。

工件在x 方向上的位置不确定，如图中的双点划线位置和虚线位置，因此
钻出孔的位置也不确定，无法保证尺寸A 的精度。

只有在x 方向设置一个止推销后，工件在
x 方向才能取得确定的位置。

图9-8 欠定位示例 (4) 过定位
夹具上的两个或两个以上的定位元件，重复限制工件的同一个或几个自由度的现象，称
为过定位。

如图9-9所示两种过定位的例子。

图(a)为孔与端面联合定位情况，由于大端面限制Y 、X 、 Z 三个自由度，长销限制X 、Z 和X 、Z 四个自由度，可见X 、Z 被两个定位元件重复限制，出现过定位。

图(b)为平面与两个短圆柱销联合定位情况，平面限制Z 、X 、Y 三个自由度，两个短圆柱销分别限制X 、Y 和Y 、Z 共4个自由度，则Y 自由度被重复限制，出现过定位。

过定位可能导致下列后果。

(a) (b)
图9-9 过定位示例
(a) 长销和大端面定位 (b) 平面和两短圆柱销定位 ①工件无法安装
②造成工件或定位元件变形
由于过定位往往会带来不良后果，一般确定定位方案时，应尽量避免。

消除或减小过定
位所引起的干涉，一般有两种方法。

①改变定位元件的结构，使定位元件重复限制自由度的部分不起定位作用。

例如将图9-9(b)右边的圆柱销改为削边销；对图9-9(a)的改进措施见图9-10，其中图
(a)是在工件与大端面之间加球面垫圈，图(b)将大端面改为小端面，从而避免过定位。

(a) (b)
图9-10 消除过定位的措施
(a) 大端面加球面垫圈 (b) 大端面改为小端面
②合理应用过定位，提高工件定位基准之间以及定位元件的工作表面之间的位置精度。

图9-11所示滚齿夹具，是可以使用过定位这种定位方式的典型实例，其前提是齿坯加
工时工艺上已保证了作为定位基准用的内孔和端面具有很高的垂直度，而且夹具上的定位心轴和支承凸台之间也保证了很高的垂直度。

此时，不必刻意消除被重复限制的X 、Y 自由度，
利用过定位装夹工件，还提高了齿坯在加工中的刚性和稳定性，有利于保证加工精度，反而
可以获得良好的效果。

图9-11 滚齿夹具
1—压紧螺母 2—垫圈 3—压板4—工件 5—支承凸台 6—工作台 7—心轴
（三） 定位方法及定位元件
工件上的定位基准面与相应的定位元件合称为定位副。

定位副的选择及其制造精度直接
影响工件的定位精度和夹具的工作效率以及制造使用性能等。

下面按不同的定位基准面分别
介绍其所用定位元件的结构形式。

1．工件以平面定位
(1) 支承钉
如图9-12所示。

当工件以粗糙不平的毛坯面定位时，采用球头支承钉(B 型)，使其与
毛坯良好接触。

齿纹头支承钉(C 型)用在工件的侧面，能增大摩擦系数，防止工件滑动。

当
工件以加工过的平面定位时，可采用平头支承钉(A 型)。

在支承钉的高度需要调整时，应采用可调支承。

可调支承主要用于工件以粗基准面定位，
或定位基面的形状复杂，以及各批毛坯的尺寸、形状变化较大时。

如图9-13是在规格化的
销轴端部铣槽，用可调支承3轴向定位，达到了使用同一夹具加工不同尺寸的相似件的目的。

图9-12 支承钉图9-13 用可调支承加工相似件 1—销轴 2—V形块 3—可调支承可调支承在一批工件加工前调整一次，调整后需要锁紧，其作用与固定支承相同。

在工件定位过程中能自动调整位置的支承称为自位支承。

其作用相当于1个固定支承，只限制1个自由度。

由于增加了接触点数，可提高工件的装夹刚度和稳定性，但夹具结构稍复杂，自位支承一般适用于毛面定位或刚性不足的场合。

如图9-10(a)中的球面支承。

工件因尺寸形状或局部刚度较差，使其定位不稳或受力变形等原因，需增设辅助支承，用以承受工件重力、夹紧力或切削力。

辅助支承的工作特点是：待工件定位夹紧后，再调整辅助支承，使其与工件的有关表面接触并锁紧。

而且辅助支承是每安装一个工件就调整一次。

但此支承不限制工件的自由度，也不允许破坏原有定位。

(2) 支承板
工件以精基准面定位时，除采用上述平头支承钉外，还常用图9-14所示的支承板作定位元件。

A型支承板结构简单，便于制造，但不利于清除切屑，故适用于顶面和侧面定位；B型支承板则易保证工作表面清洁，故适用于底面定位。

A型 B型
图9-14 支承板
夹具装配时，为使几个支承钉或支承板严格共面，装配后，需将其工作表面一次磨平，从而保证各定位表面的等高性。

2．工件以圆柱孔定位
各类套筒、盘类、杠杆、拨叉等零件, 常以圆柱孔定位。

所采用的定位元件有圆柱销和各种心轴。

这种定位方式的基本特点是：定位孔与定位元件之间处于配合状态，并要求确保孔中心线与夹具规定的轴线相重合。

孔定位还经常与平面定位联合使用。

(1) 圆柱销
图9-15为常用的标准化的圆柱定位销结构。

图(a)、(b)、(c)是最简单的定位销，用于不经常需要更换的情况下。

图(d)带衬套可换式定位销。

(a) (b) (c) (d)
图9-15 圆柱定位销
(a) D ＞3～10 (b) D ＞10～18 (c) D ＞18 (d) 带套可换定位销 (2) 圆柱心轴
心轴主要用于套筒类和空心盘类工件的车、铣、磨及齿轮加工。

图9-16为常用圆柱心
轴的结构形式。

其中(a)为间隙配合心轴，(b)为过盈配合心轴，(c)是花键心轴。

(a)
(b)
(c)
图9-16 圆柱心轴
(a) 间隙配合心轴 (b) 过盈配合心轴 1—引导部分 2—工作部分 3—传动部分 (c) 花键心轴 (3) 圆锥销
如图9-17所示，工件以圆柱孔在圆锥销上定位。

孔
端与锥销接触，其交线是一个圆，相当于三个止推定位支承，限制了工件的三个自由度(X 、Y 、Z )。

图(a)
用于粗基准，图(b)用于精基准。

但是工件以单个圆锥销定位时易倾斜，故在定位时
可成对使用，或与其它定位元件联合使用。

如图9-18采
用圆锥销组合定位，均限制了工件的五个自由度。

(a) (b)
(4) 小锥度心轴 图9-17 圆锥销定位
这种定位方式的定心精度较高，但工件的轴向位移 (a) 粗基准定位 (b) 精基准定位
图9-20 V形架对中性分析图9-21 V形架图9-22 活动V形架应用
(2) 定位套
工件以外圆柱面在圆孔中定位，这种定位方法一般适用于精基准定位，常与端面联合定位。

所用定位件结构简单，通常做成钢套装于夹具中，有时也可在夹具体上直接做出定位孔。

工件以外圆柱面定位，有时也可用半圆套或锥套作定位元件。

常见定位元件及其组合所能限制的自由度见表9-1。

表9-1 常见定位元件能限制的工件自由度
三单元车床夹具介绍
机床夹具一般由定位装置、夹紧装置、夹具体及其它装置或元件所组成。

但是各类机床的加工工艺特点、夹具与机床的连接方式等不尽相同，因此夹具的具体结构和技术要求等方面也不相同。

车床主要用于加工零件的内、外圆柱面、圆锥面、回转成形面、螺纹以及端平面等。

根据加工特点和夹具在机床上安装的位置，将车床夹具分为两种基本类型。

（一）车床夹具的类型
（1）安装在车床主轴上的夹具
这类夹具，加工时夹具随机床主轴一起旋转，切削刀具作进给运动。

（2）安装在滑板或床身上的夹具
对于某些形状不规则和尺寸较大的工件，常常把夹具安装在车床滑板上，刀具则安装在车床主轴上作旋转运动，夹具作进给运动。

加工回转成形面的靠模属于安装在床身上的夹具。

（二）车床专用夹具的典型结构
1.心轴类车床夹具
心轴类车床夹具多用于工件以内孔作为定位基准，加工外圆柱面的情况。

常见的车床心轴有锥柄式心轴、顶尖式心轴等。

图9-23心轴
2.角铁式车床夹具
角铁式车床夹具的结构特点是具有类似角铁的夹具体。

它常用于加工壳体、支座，接头类零件上的圆柱面及端面。

由于零件形状较复杂，难以装夹在通用卡盘上，因而须设计专用夹具。

当被加工工件的主要定位基准是平面，被加工面的轴线对主要位基准面保持一定的位置关系（平行或成一定的角度）时，相应地夹具上的平面定位件设在与车床主轴轴线相平行或成一定角度的位置上。

这种夹具的夹具体呈角铁状，故称其为角铁式车床夹具。

图9-24角铁式车床夹具
1-削边定位销、2-圆柱定位销3-过渡盘、4-夹具体5-轴向定承基面6-导向套
7-平衡块 8-钩形压板9-工件
3.花盘式车床夹具
花盘式车床夹具的夹具体为圆盘形。

在花盘式夹具上加工的工件一般形状都较复杂，多数情况是工件的定位基准为圆柱面和与其垂直的端面。

夹具上的平面定位件与车床主轴的轴线相垂直。

图9-25花盘式夹具
1-平衡块2-工件3-压板4-螺栓
4.安装在拖板上车床夹具
通过机床改装（拆去刀架，小拖板）使其固定在大拖板上，工件直运动，刀具则转动。

这种方式扩大车床用途，以车代镗，解决大尺寸工件无法安装在主轴上或转速难以提高的问题。

（三）车床夹具的设计要点
（1）定位装置的设计要求
在车床上加工回转面时要求工件被加工面的轴线与车床主轴的旋转轴线重合，夹具上定位装置的结构和布置，必须保证这一点。

因此，对于轴套类和盘类工件，要求夹具定位元件工作表面的对称中心线与夹具的回转轴线重合。

对于壳体、接头或支座等工件，被加工的回转面轴线与工序基准之间有尺寸联系或相互位置精度要求时，应以夹具轴线为基准确定定位元件工作表面的位置。

（2）夹紧装置的设计要求
在车削过程中，由于工件和夹具随主轴旋转，除工件受切削扭矩的作用外，整个夹具还受到离心力的作用。

此外，工件定位基准的位置相对于切削力和重力的方向是变化的。

因此，夹紧机构必须产生足够的夹紧力，自锁性能要可靠。

对于角铁式夹具，还应注意施力方式，防止引起夹具变形。

（3）夹具与机床主轴的连接
车床夹具与机床主轴的连接精度对夹具的回转精度有决定性的影响。

因此，要求夹具的回转轴线与主轴轴线应具有尽可能高的同轴度。

心轴类车床夹具以莫氏锥柄与机床主轴锥孔配合连接，用螺杆拉紧。

有的心根据径向尺
寸的大小，其它专用夹具在机床主轴上的安装连接一般有两种方式；
图9-26 锥柄安装在车床主轴的锥孔中
1) 对于径向尺寸D<140mm，或D<(2～3)d的小型夹具，一般用锥柄安装在车床主轴的锥孔中，并用螺杆拉紧。

这种连接方式定心精度较高。

如图9-26所示
2) 对于径向尺寸较大的夹具。

一般通过过渡盘与车床主轴头端连接。

过渡盘的使用，使夹具省去了与特定机床的联接部分，从而增加了通用性，即通过同规格的过渡盘可用于别的机床。

同时也便于用百分表在夹具校正环或定位面上找正的办法来减少其安装误差。

因而在设计圆盘式车床夹具时，就应对定位面与校正面间的同轴度以及定位面对安装平面的垂直度误差提出严格要求。

如图9-27所示。

图9-27 过渡盘与车床主轴头端连接
（4）总体结构设计要求
车床夹具一般是在悬臂的状态下工作，为保证加工的稳定性，夹具的结构应力求紧凑、轻便，悬伸长度要短，使重心尽可能靠近主轴。

由于加工时夹具随同主轴旋转，如果夹具的总体结构不平衡，则在离心力的作用下将造成振动，影响工件的加工精度和表面粗糙度，加剧机床主轴和轴承的磨损。

因此，车床夹具除了控制悬伸长度外，结构上还应基本平衡。

角铁式车床夹具的定位装置及其它元件总是安装在主轴轴线的一边，不平衡现象最严重，所以在确定其结构时，特别要注意对它进行平衡。

平衡的方法有两种：设置配重块或加工减重孔。

为保证安全，夹具上的各种元件一般不允许突出夹具体圆形轮廓之外。

此外，还应注意切屑缠绕和切削液飞溅等问题，必要时应设置防护罩。

（四）车床夹具的安装误差
夹具的安装误差值与下列因素有关：
（1）夹具定位元件与本体安装基面的相互位置误差。

（2）夹具安装基面本身的制造误差以及与安装面的连接误差。

1）对于心轴。

夹具的安装误差就是心轴工作表面轴线与中心孔或者心轴锥柄轴线间的同轴度误差。

2）对于其它车床专用夹具，一般使用过渡盘与主轴轴颈连接。

当过渡盘是与夹具分离的机床附件时，产生夹具安装误差的因素是：定位元件与夹具体止口轴线间的同轴度误差，或者相互位置尺寸误差；夹具体止口与过渡盘凸缘间的配合间隙，过渡盘定位孔与主轴轴颈间的配合间隙。

步骤二：决策、计划
学时：4
教学方法：课堂分组、小组讨论法、提问引导法、讲授法、多媒体教学法
任务：
学生在资讯阶段，了解了机床夹具与车床夹具的基本类型与结构，接下来在决策、计划阶段，需对具体零件展开工艺分析，并制定出零件的定位与夹紧方案，具体任务的设置如下：
1、进行托架零件图的工艺性分析；
2、确定托架零件的定位基面和定位元件；
3.选择托架零件夹紧部位、确定夹紧方案
4.简单计算定位误差与夹紧力
5、选择与确定托架零件夹具；
教学内容：托架零件图的定位与夹紧方式分析
1.定位与夹紧方案选择
该工序的加工表面为外圆柱面￠ 100js6 ，应保证其轴线距离底面B的距离尺寸为 100 ± 0.10mm 和距离侧面C的距离尺寸为57.5 ± 0.05mm , 并保证其轴线与底面 B 平行。

由于零件形状较复杂，难以装夹在通用卡盘上，因而须设计专用夹具。

该工件的主要定位基准是平面，被加工面的轴线对主要位基准面保持一定的位置关系（平行或成一定的角度），相应地夹具上的平面定位件应设在与车床主轴轴线相平行或成一定角度的位置上。

这种夹具的夹具体呈角铁状，即应该使用角铁式车床夹具对该零件定位与夹紧。

最后确定图9-28 为本工序的角铁式车床夹具。

该夹具的夹具体1 为角铁式结构，外形为一方形，但四角倒圆。

2.定位方式
为了保证工序尺寸100 ± 0.10mm 和57.5 ± 0.05mm ，根据基准重合原则，选择底平面B 为主要定位基准限制三个自由度，在夹体具上用三个支承钉作为定位元件，三个支承钉装配后须磨平，以达到工作面等高的要求。

以工件侧面 C 在夹具的支承板 3 上定位限制两个自由度。

再以 D 面靠住配重块 6 的平面作为止推基准，限制一个自由度（此自由度根据加工要求可以不限制）。

3．夹紧方式
用两副螺旋压板 3 夹紧工件。

因为该螺旋——压板组合夹紧机构具有以下优点：
(1) 自锁性能好
(2) 增力比大(i≈75)
(3) 夹紧行程调节范围大
在实际生产中，比单螺旋夹紧用得更为普遍。