《机床夹具设计》夹紧装置设计

模块3夹紧装置设计【知识目标】机床夹具夹紧装置的组成和基本要求；夹紧装置中夹紧力大小、方向及作用点的基本确定方法；基本夹紧机构(斜楔夹紧机构、螺旋夹紧机构、偏心夹紧机构、铰链夹紧机构)等工作特性。

【技能目标】掌握联动夹紧机构、定心夹紧机构以及夹紧动力装置的应用；掌握专用夹具夹紧装置设计的基本方法及应用；培养学生查阅“设计手册”和资料的能力，逐步提高学生处理实际工程技术问题的能力。

【任务描述】机械加工过程中，被加工的工件常会受到切削力、离心力、重力、惯性力等的作用，在这些外力作用下，要使工件仍能在夹具中保持已由定位元件所确定的加工位置，而不致发生振动或偏移，保证加工质量和生产安全，夹紧装置的设计尤为重要，一般夹具结构中都必须设计夹紧装置将工件可靠夹牢。

同时夹紧装置的结构合理性、装卸快捷性及使用的安全性等因素对于工件的加工的质量有重要的影响。

如图3-1所示，需要加工摇臂零件φ18H7孔，本任务就是根据加工要求设计一套专用夹具的夹紧机构来满足孔φ18H7的加工要求。

图3-1加工摇臂零件φ18H7孔【任务分析】图3-1为加工摇臂零件φ18H7孔的工序图，要求根据加工工艺要求设计该零件的夹紧装置。

首先要分析在加工φ18H7孔时，需要限制该零件哪几个自由度，既确定工件的定位基准；其次要根据夹紧装置的基本要求，来确定夹紧的三要素（大小、方向、作用点），并且根据常见夹紧装置的结构及生产现场的情况初步确定夹紧装置的结构特点。

最后要对夹紧装置进行误差分析和相关特性分析。

【任务引导】(1)工件定位与夹紧概念是什么？工件夹紧是由什么装置实现的？(2)机床夹具夹紧装置的组成和基本要求是什么？(3)夹紧力确定的基本原则是什么？(4)基本夹紧机构有哪些？主要结构特点是什么？(5)联动夹紧机构的种类有哪些？主要结构特点是什么？(6)定心夹紧机构的种类有哪些？主要结构特点是什么？(7)夹紧动力装置有哪些？主要结构特点是什么？(8)生产现场机床夹具动力装置有哪些？(9)生产现场专用机床夹具气动和液压动力装置组成有哪些？(10)生产现场斜楔夹紧机构和偏心夹紧机构的种类有哪些？特点是什么？(11)生产现场联动夹紧机构和定心夹紧机构的种类有哪些？特点是什么？【知识准备】学习情境3.1夹紧装置的组成和基本要求3.1.1夹紧装置的组成夹紧装置是指工件定位后将其固定，使其在加工过程中保持定位位置不变的装置，典型的夹紧装置是由力源装置、中间传力机构和夹紧元件所组成。

如图3-2所示为夹紧装置组成示意图，它主要由力源装置、中间传力机构和夹紧元件三部分组成。

1.力源装置力源装置是指产生夹紧作用力的装置。

力源装置所产生的力称为原始力，如气动、液动、电动等，图3-2中的力源装置为气缸1。

对于手动夹紧来说，力源来自人力。

2.中间传力机构中间传力机构是介于力源和夹紧元件之间传递力的机构，如图3-2中的斜楔2和滚轮3。

在传递力的过程中，中间传力机构能够改变作用力的方向和大小，起增力作用；还能使夹紧实现自锁，保证力源提供的原始力消失后，仍能可靠地夹紧工件，这对手动夹紧尤为重要。

3.夹紧元件夹紧元件是指夹紧装置的最终执行件，与工件直接接触完成夹紧作用，如图3-2中的压板4。

图3-2夹紧装置组成示意图1—气缸；2—斜楔；3—滚轮；4—压板3.1.2夹紧装置的基本要求夹紧装置是夹具重要组成部分，合理设计夹紧装置有利于保证工件的加工质量、提高生产率和降低工人劳动强度。

通常夹紧装置的具体组成并非一成不变，须根据工件的加工要求、安装方法和生产规模等条件来确定。

但无论其组成如何，都必须满足以下基本要求：(1)夹紧时应保持工件定位后所占据的正确位置。

(2)夹紧力大小要适当，夹紧机构既要保证工件在加工过程中不产生松动或振动。

同时，又不得产生过大的夹紧变形和表面损伤。

(3)夹紧机构的自动化程度和复杂程度应和工件的生产规模相适应，并有良好的结构工艺性，尽可能采用标准化元件。

(4)夹紧动作要迅速、可靠，且操作要方便、省力、安全。

(5)结构简单，易于制造。

学习情境3.2夹紧力的确定一套夹紧装置设计的优劣，很大程度上取决于夹紧力的设计是否合理。

夹紧力包括三要素：方向、作用点和大小。

确定这些要素时，要分析工件的结构特点、加工要求、切削力和其他外力作用工件的情况,以及定位元件的结构和布置方式。

3.2.1夹紧力方向确定夹紧力方向时，应与工件定位基准的位置及所受外力的作用方向等结合起来考虑。

其确定原则是：1.夹紧力的作用方向应垂直于主要定位基准面如图3-3（a）所示的直角支座以A、B面定位镗孔，要求保证孔中心线垂直于A面。

为此应选择A面作为主要定位基准，夹紧力Q的方向垂直于A面。

这样无论A面与B面有多大的垂直度误差，都能保证孔中心线与A面垂直。

否则如图3-3（b）所示的夹紧力方向垂直于B面，则因A、B面间有垂直度误差（α＞90°或α＜90°），使镗出的孔不垂直于A面而可能工件报废。

(a)合理(b)不合理图3-3夹紧力方向对镗孔垂直度的影响2.夹紧力作用方向应使所需夹紧力最小夹紧力作用方向应使所需夹紧力最小，这样可使机构轻便、紧凑，工件变形小，对手动夹紧可减轻工人劳动强度，提高生产效率。

为此，应使夹紧力Q的方向最好与切削力F、工件的重力G的方向重合，这时所需要的夹紧力为最小。

如图3-4所示了F、G、Q三力不同方向之间关系的几种情况。

显然，图3-4（a）最合理，图3-4（f）最不合理。

（a）最合理（b）较合理（c）可行（d）不合理（e）不合理（f）最不合理图3-4夹紧方向与夹紧力大小的关系3.夹紧力作用方向应使工件变形最小由于工件不同方向上的刚度是不一致的，不同的受力表面也因其接触面积不同而变形各异，尤其在夹紧薄壁工件时，更需注意。

如图3-5所示的套筒，用三爪自定心卡盘夹紧外圆，显然要比用特制螺母从轴向夹紧工件的变形大得多。

(a)不合理(b)合理图3-5夹紧力方向与工件刚性关系3.2.2夹紧力作用点选择作用点的问题是指在夹紧方向已定的情况下，确定夹紧力作用点的位置和数目。

由于夹紧力作用点的位置和数目直接影响工件定位后的可靠性和夹紧后的变形，应依据以下原则：1.夹紧力作用点应落在支承元件上或几个支承元件所形成的支承面内如图3-6(a)所示，夹紧力作用在支承面范围之外，会使工件倾斜或移动，而如图3-6(b)所示，夹紧力作用在支承面范围之内则是合理的。

(a)不合理(b)合理图3-6夹紧力作用点应在支承面内2.夹紧力作用点应落在工件刚性好的部位上如图3-7所示，将作用在壳体中部的单点改成在工件外缘处的两点夹紧，工件的变形大为改善，且夹紧也更可靠。

该原则对刚度差的工件尤其重要。

(a)不合理(b)合理图3-7夹紧力作用点应在刚性较好部位3.夹紧力作用点应尽可能靠近被加工表面，以减小切削力对工件造成的翻转力矩必要时应在工件刚性差的部位增加辅助支承并施加夹紧力，以免振动和变形。

如图3-8所示，支承a尽量靠近被加工表面，同时给予夹紧力Q2。

这样翻转力矩小又增加了工件的刚性R，既保证了定位夹紧的可靠性，又减小了振动和变形。

图3-8夹紧力作用点应靠近加工表面3.2.3夹紧力大小夹紧力的大小主要影响工件定位的可靠性、工件夹紧变形以及夹紧装置的结构尺寸和复杂性，夹紧力大小要适当，过大了会使工件变形，过小了则在加工时工件会松动，造成报废甚至发生事故。

1.夹紧力的大小确定方法在实际设计中确定夹紧力大小的方法有两种：经验类比法和分析计算法。

经验类比法如手动夹紧时，可凭人力来控制夹紧力的大小，一般不需要算出所需夹紧力的确切数值，只是必要时进行概略的估算。

采用分析计算法，一般将夹具和工件看做一刚性系统，以简化计算。

根据工件在切削力、夹紧力(重型工件要考虑重力，高速时要考虑惯性力)作用下处于静力平衡，列出静力平衡方程式，即可算出理论夹紧力/Q ，再乘以安全系数K ，作为所需的实际夹紧力Q 。

K 的取值范围一般为1.5～3，粗加工时为2.5～3，精加工时为1.5～2。

夹紧力的计算可根据图3-4中的几种情况来进行。

现分析其中的三种情况：1）切削力完全作用在支承上。

这时可不增加夹紧力或增加少量的夹紧力，如在拉削套筒、盘类零件的孔时就可不增加夹紧力。

2）切削力与夹紧力的方向垂直。

夹紧力的情况如图3-4（b ）所示，切削力F 的计算公式为：()121Gf f f Q F ++=（3-1）式中，f 1为工件已加工定位面与定位元件之间的摩擦系数，一般取0.10～0.15；f 2为夹紧元件与工件夹紧表面之间的摩擦系数，一般取0.2～0.25。

不计工件重力，并考虑安全系数，则由式（3-1）变形可得夹紧力为：3-2） 3）切削力与夹紧力的方向相反。

夹紧力的情况如图3-4（f ）所示：此时需要夹紧力最大为：G KF Q +=（3-3）2.计算夹紧力的典型实例1）车削加工时的夹紧力计算如图3-9所示，工件夹于三爪卡盘上，每爪的夹紧力为Q。

车削时，工件所受的切削力F分为F x、F y、F z三个分力。

图3-9车削时的夹紧力计算由于工件夹于三爪卡盘上，三个夹紧力Q要克服工件切削时的轴向移动和绕轴线的转动，轴向移动分力为F x，但夹紧力是夹紧在直径为D的截面F：处，故根据力矩平衡关系可得直径为D处的力/Z则合力F为则可得工件与卡爪间处夹紧力值：式中，n为卡爪数；f为工件与卡爪间的摩擦系数。

2）钻削加工时的夹紧力计算钻孔时产生轴向力和扭矩，轴向力可以帮助夹紧。

如图3-10（a）所示为用压板压紧工件时钻孔，考虑最不利的情况，钻削扭矩全部由夹紧力Q克服，这时由力矩平衡关系可得：KM⋅=⋅QLf式中，M为钻削扭矩（N·m）。

如图3-10（b）所示为用三爪卡盘夹紧工件时钻孔，这时钻削扭矩和轴向力全部由三个爪的夹紧力承受，由静力学平衡关系可知：式中，F 为钻削时的轴向力（N ）；D 为需要加工孔的直径（mm ）。

（a ）用压板压紧工件时钻孔（b ）用三爪卡盘夹紧工件时钻孔图3-10钻孔时的夹紧力计算3）铣削加工时的夹紧力计算如图3-11所示为在卧式铣床上用圆柱铣刀铣削工件上的一个平面，工件由侧面上的两处进行夹紧。

图中表示了一个刀齿正在切削的情况，其径向力F r 和周向力F T 的合力为F 这时合力F 会使工件绕O 点翻转，其力矩为FL ，而阻止它的反力矩是两个夹紧力Q 1、Q 2产生的摩擦力矩。

图3-11铣削时的夹紧力计算()()22121211l f f Q l f f Q K L F +++=⋅⋅ 若两处夹紧力相等21F F F ==()()2121l l f f Q K L F ++=⋅⋅【小提示】若有几个刀齿同时切削，可逐个刀齿进行计算。

由于加工中的切削力随刀具的磨钝、工件材料的性质和余量不均匀等因素而变化，而且切削力的公式是在一定的条件下求得的，使用时虽然根据实际的加工情况给予修正，但是很难计算准确，所以在实际生产中一般很少通过计算的方法求的夹紧力，而是通过类比的方法估算夹紧力大小。