第四章 金属切削机床夹具-4

一般取K=1.5~3；粗加工时，K=2.5~3；精加工时，K=1.5~2.5。
例：钻孔时压板夹紧工件端面
钻削力矩M与夹紧摩擦力矩平衡，即： M=(nQ´ +F)f1r´+n Q´ f2R
Q'
1 n
M Ff1r' f1r'Rf2
若考虑安全系数，则：
Q'
k
Q'
k n
M Ff1r' f1r'Rf2
M—钻削力矩； F—钻削轴向力； Q´—夹紧力；
(3)设计与制造上， ◆夹紧装置的自动化程度和复杂程度与工件的生产类型相适应。
工件的生产批量越大，允许设计越复杂、工作效率越高的夹紧装置。
◆结构工艺性好，其结构应尽量简单，便于制造和维修； ◆尽可能采用标准化元件。
(4) 使用性好。夹紧动作迅速、可靠，操作方便、省力、安全。
4.4.2 夹紧力的确定
若沿轴向施加夹紧力，变形就会 图9-30（局部） 小得多。
◆只有一个夹紧力时，夹紧力应垂直于主要定位支承或使各定位支承同 时受夹紧力作用。
图中，工件以左端面与定位元件的A面接触，限制工件的三个自由度； 底面与B面接触，限制工件的2个自由度；夹紧力朝向主要定位面A，有 利于保证孔与左端面的垂直度要求。
W 承，施加夹紧力W′，提高定位稳定性， 承受夹紧力和切削力，增大夹紧旋转 力矩等。
图9-38 夹紧力作用点靠近加工表面
Q
Q
夹紧力的作用点尽量靠近 工件加工表面，以提高定 位稳定性和夹紧可靠性， 减少加工中的振动。
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，既保证了定位夹紧的可靠性，又减小了振动和变形。
用人力对工件进行夹紧称为手动夹紧。 用各种动力装置产生夹紧作用力进行夹紧称为机动夹紧。 常用的动力装置有：液压、气动、电磁、电动和真空装置等。
1－压板 2－铰链臂 3－活塞杆 4－液压缸 5－活塞
图9-32 液压夹紧的铣床夹具
双向作用固定式活塞式气缸
液压缸4、活塞5、活塞杆3组成了液压动力装置；
●夹紧机构 一般把夹紧元件和中间传力机构称为夹紧机构。
夹紧力计算一般遵循静力平衡原理，计算所需理论夹紧力，乘 以安全系数得到实际夹紧力。夹紧力应与工件受到切削力、离 心力、惯性力及重力等力的作用平衡；夹紧力的大小还与工艺 系统的刚性、夹紧机构的传递效率等有关。切削力在加工过程 中是变化的，因此夹紧力只能进行粗略的估算。
★估算夹紧力
估算夹紧力时，应找出对夹紧最不利的瞬时状态，
——斜楔升角，单位为（ ° ）；
设 1 2 ;
FQ——加在斜楔上的原始作用力，单位为N；
1——斜楔与工件间的摩擦角（ ° ）； 2——斜楔与夹具体间的摩擦角（ ° ）。
当 α≤10°时，可用下式作近似计算：
W
FQ
（9-17）
tan( 2 )
(2)斜楔的自锁条件
当加在斜楔上的原始作用力FQ撤除后，斜楔在摩擦力作用下仍然不会松 开工件的现象称为自锁。
图9-32 夹紧力作用点的位置不正确
左图所示，夹紧力的作用 点落在了定位元件支承范 围之外，夹紧力与支座反 力构成力矩，夹紧时工件 将发生偏转，从而破坏工 件的定位。
夹紧力的作用点应落在定位元件上或支承范围内，否则夹紧力与支
座反力会构成力矩，夹紧时工件将发生偏转，破坏工件的定位。
(2)夹紧力的作用点应有利于减小夹紧变形。
若 1 2 ， f 0.1 ~ 0.15
则 11.5 ~ 17
为保证自锁可靠，手动夹紧机构一般取 6 ~ 8 ；
用液压或气压驱动的斜楔，可取 12 ~ 30 。
(3)斜楔的扩力比与夹紧行程
W
tan 1
FQ
tan(
2 )（9-16）
夹紧力W与原始作用力FQ之比称为扩力比或增力系数，用iQ
W F (cos f sin ) G(sin f cos ) f
f为工件与支承间 的摩擦系数。
图d夹紧力W与切削力F、重力G垂直，夹紧力最大：W=(F+G)/f
图e夹紧力W与切削力F、重力G反向，夹紧力较大：W= F+G
2. 夹紧力的作用点
(1)夹紧力的作用点应能保持工件定位稳定，不引起工件 发生位移或偏转。
◆铰链臂2和压板1等组成了铰链压板
夹紧机构，
◆压板1是夹紧元件。
1－压板 2－铰链臂 3－活塞杆 4－液压缸 5－活塞
图9-28 液压夹紧的铣床夹具
2. 对夹紧装置的基本要求
(1)能保证工件定位后占据的正确位置。
(2)夹紧力的大小要适当、稳定。既要保证工件在整个加工过
程中的位置稳定不变，振动小，又要使工件不产生过大的夹 紧变形。夹紧力稳定可减少夹紧误差。
略去次要因素，考虑主要因素在力系中的影响。
通常将夹具和工件看成一个刚性系统，建立切削力、夹紧 力W0、重力(大型工件)、惯性力(高速运动工件)、离心力 (高速旋转工件)、支承力以及摩擦力静力平衡条件，计算 出理论夹紧力W0。则实际夹紧力W为
W=KW0
（9-15）
式中 K—安全系数，与加工性质(粗、精加工)、切削特点(连续、 断续切削)、夹紧力来源(手动、机动夹紧)、刀具情况有关。
此时摩擦力的方向与斜楔企图松开和退出的方向相反，如图9-40b所示。
从图中可见，要自锁，必须满足下式：
F1 FRX 其中
F1 W tan1
FRX W tan( 2 )
整理后
1 2
楔紧时受力
松开时受力
夹紧行程h， 所以 1 2
移动距离s
1 2
斜楔的自锁条件是斜楔的升角小于或等于斜楔与工件、 斜楔与夹具体间的摩擦角之和。 钢与钢(或铁)的摩擦系数为0.1~0.15， 1 、2约为5.7° ~ 8.5°
减少工件的夹紧变形，可采用增大工件受力面积的措施。如设计特殊形状 夹爪、压角等分散作用夹紧力，增大工件受力面积。
改变着力点形式 以减小工件的夹 紧变形。
A
B
锥面 垫圈
L
(3) 夹紧力的作用点应尽量靠近工件加工表面，以提高定位稳定 性和夹紧可靠性，减少加工中的振动。
W′ 如图所示，在拨叉上铣槽。由于主要 夹紧力W的作用点距工件加工表面较 远，故在靠近加工表面处设置辅助支
❖ 典型夹紧机构 ◆斜楔夹紧机构 ◆螺纹夹紧机构 ◆偏心夹紧机构 ◆铰链夹紧机构 ◆定心、对中夹紧机构 ◆联动夹紧机构
4.5.1 夹紧装置的组成及基本要求 1. 夹紧装置的组成
力源装置
中间传力机构 夹紧元件
夹紧机构
1－压板 2－连杆 3－活塞杆 4－液压缸 5－活塞
图9-32 液压夹紧的铣床夹具
●力源装置（动力装置） 夹紧力来源于人力或者某种动力装置。
表示，即
iQ
W FQ
1
tan1 tg(
2)
（9-19）
若 1 2 6 ，α=10°，
则iQ=2.6。
可见，斜楔具有扩力作用，α越小，iQ越大。
楔紧时受力
松开时受力
夹紧行程h， 移动距离s
图9-36c所示， h是斜楔夹紧行程， S是斜楔夹紧工件过程中
移动的距离，则 h s tan
由于s受到斜楔长度的限制，要增大夹紧行程，就得增大斜角，这样会 降低自锁性能。当要求机构既能自锁，又要有较大夹紧行程，可采用 双斜面斜楔，大斜角α1段使滑柱迅速上升，小斜角α2段确保自锁。
4.5 工件的夹紧
夹紧——将工件定位后的位置 固定下来称为夹紧。 其目的：①保持工件在定位中 所获得的正确位置，②使其在 外力（夹紧力、切削力、离心 力等外力）作用下，不发生移 动和振动。
主要内容：
❖ 夹紧装置的组成和基本要求 ❖ 夹紧力的确定
1、夹紧力方向选择的原则 2、夹紧力作力点选择的原则 3、夹紧力大小的估算
→斜楔利用其斜面移动时所产生的楔紧作用
夹紧工件。
图b是将斜楔与滑柱合成一种夹紧机构，一般 用气压或液压驱动。
图9-35 几种典型的斜楔夹紧机构
图c是由端面斜楔与压板组合而成的夹紧机构。
端面斜楔
斜楔夹紧机构
基本问题 ： 夹紧力 自锁条件 夹紧行程
(1)斜楔的夹紧力 图9-36为斜楔在外力作用下的受力情况：
n—压板数； f1 —工件与夹具间的摩擦系数； f2 —压板与工件间的摩擦系数；r´—工件底面的当 量摩擦圆半径；
r'
1 3
D3 D2
D03 D02
确定夹紧力
粗略的估算
类比法(或试验)
（生产中经常用）
夹紧力三要素的确定是一个综合性问题。
◆工件的结构特点 ◆工艺方法
◆定位元件的结构 ◆定位元件的布置
楔紧时受 力
松开时受 力
夹紧行程h， 移动距离s
双升角斜楔，前端大升角α1 用于加大夹紧行程， 后端小升角α2 则用于夹紧与自锁
斜楔夹紧的增力比与行程比
增力比 ip：
令i p=Q / P=1/[tan(+ 1)+ tg 2] 若1= 2=0， i´ p=1/tan ， i´ p—理想增力比。 显然由于摩擦的存在，斜楔机构的实际增力比变小。
◆夹紧力的方向应使所需夹紧力最小。→使机构轻便、紧凑，方便装夹，
工件变形小，手动夹紧可减轻工人劳动强度，提高生产效率。夹紧力方向， 最好与切削力、重力方向一致。
图a夹紧力W与重力G、切削力F方向一致，可以不夹紧或用很小 的夹紧力：W=0；
图b夹紧力W与切削力F垂直，夹紧力较小：W=F/f－G；
图c夹紧力W与切削力F成夹角90°-α，夹紧力较大：
1)中间传力机构 它是在动力装置与夹紧元件之间传递夹紧力的机构。
其主要作用有：①改变作用力的方向和大小，起增力作用；②夹紧工件后的 自锁性能，保证力源提供的原始力消失后，仍能可靠夹紧工件，尤其在手动 夹具中。
2)夹紧元件 是夹紧装置的最终执 行元件，与工件直接接触，完成 夹紧作用。
图9-28所示的液压夹紧的铣床夹具。
1. 夹紧力的方向
设计夹具的夹紧机构时，所需夹紧力的确定 包括夹紧力的方向、作用点、大小三要素。
(1)夹紧力作用方向应有助于定位，不应破坏定位。
(2)夹紧力作用方向应方便装夹和有利于减小夹紧力，最好与切削力、重力 方向一致。
(3)夹紧力作用方向应使工件变形最小。
工件不同方向上的刚度不一致。
图a），薄壁套的轴向刚性比径 向好，用卡爪径向夹紧，工件变 形大。
夹紧力的作用点应落在工件刚性好的方向和部位，特别是对低刚度工件。
图a），薄壁套的轴向刚性比径向 好，用卡爪径向夹紧，工件变形 大。若沿轴向施加夹紧力，变形 就会小得多。
图9-33 夹紧力作用点与夹紧变形的关系
图b）所示薄壁箱体，夹紧力不应 作用在箱体的顶面，而应作用在 刚性好的凸边上。
图c）将单点夹紧改为三点夹紧，使着力点落在刚性好的箱壁上，可以减小 工件的夹紧变形。
行程比iS：
i s=h/S= tan来自百度文库= 1/ i´ p
h—夹紧行程； S—水平移动行程；
对于需要自锁的手动斜楔夹紧机构来讲，增力比
与行程比是一对相互矛盾的参数。
斜楔夹紧的特点：
1）有自锁性： 1 2
2）斜楔能改变夹紧力的方向； 3）有增力作用，增力比 i = Q / P ≈3 4）夹紧行程小,h / S=tanα ，故 h 远小于 S ； 5）结构简单，夹紧和松开需要敲击大、小端， 操作不方便。
3. 夹紧力的大小
◆夹紧力的大小必须适当。若过小，则工件在加工过程中会 发生移动，破坏定位；若过大，则会使工件和夹具产生夹紧 变形，影响加工质量。
❖ 采用手动夹紧时，可凭人力控制夹紧力的大小，一般不需要算出夹紧力 的具体数值，在必要时进行概略估算；
❖ 当设计机构（如气动、液压、电动等）夹紧装置时，则需要算出夹紧力 的具体数值，以便决定动力部件的尺寸（如气缸、液压缸直径等）；
楔紧时受力
楔紧时，建立静平衡方程式：
FR1 FRX FQ
松开时受力
夹紧行程h， 移动距离s
其中
F1 W tan1
FRX W tan( 2 )
F1 FRX FQ
其中
F1 W tan1
FRX W tan( 2 )
整理后得：
W
FQ
tan1 tan( 2 )
（9-16）
式中 W——斜楔对工件的夹紧力，单位为N；
确定并具体设计出较为 理想的夹紧机构
4.5.3 典型夹紧机构
常用的典型夹紧机构有斜楔夹紧机构、螺旋夹紧机构、偏心夹紧机 构及铰链夹紧机构等。
1. 斜楔夹紧机构
斜楔夹紧机构是最基本夹紧机构，
螺旋夹紧机构、偏心夹紧机构等均是 斜楔机构的变型。
图ａ是在工件上钻互相垂直的φ8mm、φ5mm 两组孔，工件3装入后，锤击斜楔2大头，夹紧 工件；加工完毕后，锤击斜楔小头，松开工件。
图中，夹紧力朝向V形块的V形面，该面限制4个自由度，使工件 装夹稳定可靠。
使各定位基面同时 受夹紧力作用
一力两用
图9-30 一力两用
◆用几个夹紧力分别作用时，主要夹紧力应朝向主
要定位支承面。
注意夹紧力的动作顺序:如三平面组合定位， W1′> W2′> W3′，W1′是主要夹紧力，朝向主要定位支承面， 应最后作用；W2′、W3′应先作用。