第六章夹具设计原理

6.1
机床夹具概述
机床夹具通过使工件在机床上相对刀具占有正确的位置的
过程—定位，以及克服切削过程中工件受外力的作用保持工件
机 床 过程的综合称为装夹,完成工件装夹的工艺装备称为机床夹具。 夹 6.1.1 机床夹具的分类 具 机床夹具按通用化程度可分为两大类。 概 第一类通用夹具 述 此类夹具具有通用性，只需调整或更换少量零件就可用于 装夹不同的工件。如三爪、四爪卡盘、顶尖、平口钳等。通用 夹具的结构复杂，适用用于大批量生产，也适用于单件小批生 产，是使用最广泛的一类夹具。 的准确位置的过程—夹紧，来实现工件装夹。定位和夹紧两个
六 点 定 位 原 理
6.2.2 定位元件 夹具定位元件的结构和尺寸，主要取决于工件上 已被选定的定位基准面的结构形状、大小及工件的重 量等。 定位元件在夹具中的布置，既要符合六点定位原 理，又要能保证工件定位的稳定性。 6.2.2.1 定位元件的主要技术要求和常用材料 要求：定位精度、粗糙度、耐磨性、硬度和刚度。 常用的材料： ①低碳钢 如20钢或20Cr钢，工件表面经渗碳淬 火，深度0.8～1.2mm左右，硬度55～65HRC。 ②高碳钢 如T8、T10等，淬硬至55～65HRC。 ③中碳钢 如45钢，淬硬至43～48HRC。
夹 具 的 组 成
6.1.2.2 夹具的组成 (1)定位元件：与工件的定位基准相接触，确定工件在夹 具中的正确位置。 (2)夹紧装置：这是用于夹紧工件的装置，在切削时使工件 在夹具中保持既定位置。 (3)对刀元件：这种元件用于确定夹具与刀具的相对位置。 (4)夹具体：这是用于联接夹具各元件及装置，使其成为一 个整体的基础件。它与机床相结合，使夹具相对机床具有确定 的位置。 (5)其它元件及装置：有些夹具根据工件的加工要求，要有 分度机构，铣床夹具还要有定位键等。 任何夹具都必须有定位元件和夹紧装置，它们是保证工件 加工精度的关键，目的是使工件“定准、夹牢”。
2(mm)
10~18 5
18~30 8
30~50 12
50 14
b(mm)
2
3
B(mm)
d2－1
d2－2
d2－4
d2－6
d2 －
10
用正确分布的六个支承点来限制工件的六个自由度，使
工件在夹具中得到正确位置的规律称为六点定位原理。
工件在加工中对六个自由度的限制，要根据被加工工件 的加工要求来确定。
六 完全定位 点 不完全定位 过定位 定 位 原 理 对于过定位的工件， 施加夹紧力后，可能产生 工件变形或定位元件被损 坏、定位精度降低等不良 后果。
6.2 工件的定位
定位的目的是使工件在夹具中相对于机床、刀具都有一个
确定的正确位置。工件上用来定位的表面称为定位基准面。
工 6.2.1 六点定位原理 件 一个自由的物体相对于三个相互垂直的空间坐标系，有六 的 种活动的可能性(三种是移动，三种是转动)。因此空间任一自 定 由物体共有六个自由度。 位 这六个自由度为沿x、 y、z轴移动的三个自由度； 绕x、y、z轴转动的三个自
②支承板 一般用作精基准面较大时的定位元件。
(a) 平板式支承板，结构简单、紧 凑，但不易清除落入沉头螺钉孔内 的碎屑； (b) 台阶式支承板，装夹螺钉的平 面低于支承面3～5mm，克服了不 易清屑的缺点，但结构不紧凑； (c) 斜糟式支承板，在支承面上开 两个斜糟为固定螺钉用，使清屑容 易又结构紧凑。 不论采用支承钉或支承板作为 定位元件，装入夹具体后，为使各 支承面在一个水平面内，应再修磨 一次。
内 容 提 要
机床夹具是机械加工工艺系统的一个重要组成部分。为保 证工件某工序的加工要求，必须使工件在机床上相对刀具的 切削或成形运动处于准确的相对位置，必须通过一定的装置 把工件固定保持在准确定位的位置上。 本章主要讨论工件在夹具上的定位原理与定位误差、夹 紧装置的设计与计算。 本章内容主要包括： (1)工件定位基本原理； (2)基本定位元件对工件的定位； (3)定位误差的分析与计算； (4)夹紧力及夹紧装置设计的一般原则； (5)常用的夹紧机构； (6)典型机床夹具。
e定2 y TD2 Td 2 C2 min C2 max
两孔中心连线对两销中心连线的最大转角误差： 1 C1max C 2 man e定 2 2 tan
2L
定位销的直径公差一般按g6、f7配合选取，两定位销之间 的尺寸公差取两孔中心距公差的1/5～1/3。削角销的结构尺寸 可参考表6.2。削角销的截面形状见图6.26。 定 绪 位 表6.2削角销的结构尺寸 误 论 销子直径d 4~6 6~10 差
定 位 误 差
定 位 误 差
6.2.3.1 定位误差的组成 所谓定位误差，是指由于工件定位造成的加工面相对工 序基准的位置误差。因为对一批工件来说，刀具经调整后位 置是不动的，即被加工表面的位置相对于定位基准是不变的， 所以定位误差就是工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量。 定位误差的组成及产生原因有以下两个方面： ① 定位基准与工序基准不一致所引起的定位误差，称 基准不重合误差，即工序基准相对定位基准在加工尺寸方向 上的最大变动量，以e不表示。 ② 定位基准面和定位元件本身的制造误差所引起的定 位误差，称基准位置误差，即定位基准的相对位置在加工尺 寸方向上的最大变动量，以e基表示。故有 e定= e不+e基 (6.3) 此公式是在加工尺寸方向上的代数和。
(1)工件以平面定位时的定位误差
以平面定位时，工件和定位元件的平面度误差都会产生 定位误差，用已加工表面作定位基面是，此项误差忽略不计。
(2)工件以外圆柱定位的定位误差
设V形块的夹角a无制造误差，外圆定位面的直径公差为Td。 定 根据定义为： 绪 po2 Td 1 位 e o1o2 误 2 sin sin 论 差 2 2
② 心轴水平放置，如图6.22(b)所示，由于自重， 工件始终靠往心轴一边下垂，此时孔中心线的变动是 铅垂方向，其最大值为： 1 1 e定 o1o 2 TD Td Cmin Cmax (6.25) 2 2
定 绪 位 误 论 差
定 绪 位 误 论 差
(4)工件以“一面两孔”定位时的定位误差 当采用一平面、两短圆柱销的定位元件时，此时平面限制 三个自由度，第一个销 和第二个销各限制两个 自由度，因此过定位， 在两销连心线方向过定 位。 设两孔直径分别、 孔心距，两销直径、销 心距分别为：
定 位 元 件
③定位销 对于既用平面又用与平面相垂直的圆柱孔定位 的工件，通常用定位销作定位元件。
定 位 元 件
(a)、(c) 固定式定位销， (b)、(d) 带村套的可换式定位销， (e) 可换的支承垫圈销
④ 定位心轴 用于以内孔表面为定位基准的工件，如套 筒、盘类等。 (a)是圆柱心轴， (b)是花键心轴， (c)为锥心轴，使用时 将工件轻轻压人，此种心轴用于磨削或精车。 定 位 元 件
定 位 元 件
6.2.2.4 辅助式支承元件 为了增加工 件的刚性和稳定 性，但又要避免 过定位，此时经 定 位 常采用辅助支承。
元 件
一般辅助支承是 在工件定位后才 参与工作，故不 起定位作用。
1、手轮或手柄 2、楔块 3、钢球 4、半圆键 5、支撑 （d）
6.2.2.5 浮动式定位支承当工件定位表面有几何形状误 差，或定位表面是断续表面、阶梯表面时，采用浮动 式支承可以增加与工件的接触点，提高刚度，又可避 免过定位。 (a)是两点浮动式支承；(b)、(c)是三点浮动支承； 定 (d)是杠杆式浮动支承；(e)是斜面式浮动支承。 绪
机 床 夹 具 概 述
第二类专用夹具 专用夹具是专门为某工件的某工序设计和制造的专用夹 具,其结构简单、紧凑、操作迅速方便，因设计和制造的周期 机 床 较长，批量少，所以成本较高。当产品变更时，因无法使用而 夹 报废，因此专用夹具适用于产品固定的成批或大量生产中。 具 6.1.2 夹具的作用和组成 的 分 下面以钻床夹具和铣床夹具为例进行分析。 类 6.1.2.1 夹具的作用 及 (1)可以缩短辅助时间，提高劳动生产率 作 (2)易于保证加工精度的稳定 用 (3)可扩大机床的使用范围 (4)可以减轻劳动强度，保证安全生产
1、传动部分 2、定位部分 3、开口垫圈 4、锁紧螺母 （c）
⑤ v形块 用于以外圆表面为定位基准的工件
定 位 元 件
v形块用销子及螺钉紧固在夹具体上，工件 外圆中心对中于两斜面的对称轴线上。
6.2.2.3 可调式定位元件 主要用于粗基准定位。当毛坯的尺寸及形状变化较大时， 为了适应各批毛坯表面位置的变化，需采用可调支承进行定位。
6.2.2.2 固定式定位元件 ①支承钉 多用于以平面作定位基准时的定位元件。
定 位 元 件 (a)平顶支承钉，适用于己加工表面的定位； (b)圆顶支承钉，适用于毛坯面定位，但支撑钉容易磨损； (c) 花纹顶面支撑钉，用于工件的侧面定位，增大摩擦系数； (d) 带衬套支撑钉，批量大、磨损快时使用，便于拆卸。 支撑钉与夹具体的配合可用H7/r6或H7/n6。
设孔尺寸为D+TD，心轴尺寸为d-Td，最小配合间隙为Cmin， 工件装夹时心轴放置的位置不 同，定位误差分两种情况： ① 心轴垂直放置，按最大孔和 最小轴求得孔中心线位置的变动量为
TD Td Cmin e定 2o1o2 2 TD Td Cmin Cmax 2 2 2
位 元 论 件
6.2.3 定位误差
六点定位原理，可以保证工件在夹具中的正确位置，但 是能否满足加工精度的要求，还需要进一步讨论定位的准确 性，即定位误差有多大。为了保证加工质量，应满足如下关 系： e总≤T (6.1) 式中 e总—各种因素产生误差的总和； T—工件被加工尺寸的公差。 上式又可写成： e定＋ω≤T (6.2) 式中 e定—定位误差； ω—除定位误差以外，其它因素所引起的误差总和(如 机床、刀具误差，工艺系统变形等)，可按加工经济精度查表 确定。
定( A)
从结果看出，e定与v形块 夹角α有关，α越大，e定越 小，但α太大时，v形块对中 性差，故常取a=90°。
(3)工件以内孔表面定位时的定位误差 当工件装夹到心轴上时，工序基准、定位基准都是中心线， 基准重合；工件孔和心轴是间隙配合，有制造误差，则：
e不=0 e定=e不+e基=e基 。
定 绪 位 误 论 差
b D2 · 2 min C 2TLD 2TLd－C1min (6.30)
b.定位误差的确定： “1”孔中心线在 x、y方向的最大位 移为：
e定1x e定1 y
定 绪 位 误 论 差
TD1 Td1 C1min C1max
“2”孔中心线在x、y方向的最大位移分别为： e定2 x e定1x 2TL D
D
TD1 1
、D
TD 2 2
、LD TLD ; d
Td1 1
、d 2 Td 2、Ld TLd 。
针对第二个销子解决的方法有：①减小直径；②采用削角 销；③使其沿x方向移动。第三种方法结构复杂，一般采用前 两种方法消除过定位。
①减小第二个销子直径。见图，销子的大小应在 AB范围内，由图得：
由度。
图6.3
用相当于六个支承点的定位元件与工件的定位基准面接 触，如图6.4所示。在底面xoy内，
三个支承点限制了x和y方向旋转自
六 点 定 位 原 理 由度、z 方向移动自由度；在侧面 yoz内，两个支承点限制了x方向
移动自由度、 z 方向旋转自由度；
在端面xoz内，一个支承点限制了 y方向移动自由度。ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
d 2 D2－ 2(TLD TLD ) －C 2 min C1min (6.27 )
定 绪 位 误 论 差
此种方法 由于销子直径 减小，配合间 隙加大，故使 工件绕销子1的 转角误差加大。
定 位 误 差
②第二个销采用削角销。工件转角误差要求较严 格时，采用这种方法。 a.削角销宽 度b的确定。令 AF等于圆柱形 定位销应减小的 部分DE，则可 通过削角而不减 小销的直径消除 过定位，且工件 转角误差小。得：