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1、 机床夹具设计教学提示：要完成零件的机械加工工艺过程，首先必须对其进行正确的装夹，机床夹具就是为完成这一使命而设计制造的工艺装备，在从毛坯到零件的整个机械加工工艺过程中起着举足轻重的作用。本章在对机床夹具进行简要介绍的基础上主要介绍工件在夹具中定位和夹紧的基本原理和方法；各类机床夹具的结构、设计要点及应用；机床夹具设计步骤与方法等内容。本章内容实践性强，在课堂理论教学、多做习题的基础上，应通过实践教学环节进一步掌握和巩固。教学要求：本章要求学生掌握工件定位原理、各种定位元件的使用，夹紧的基本原理、典型夹紧机构的应用；学会对定位方案的优劣做出评价和取舍；具有设计中等复杂程度夹具的基本能力。3.1
2、 机床夹具概述任何一个机械零件，其设计精度都是通过加工保证的。要完成零件的机械加工内容，首先必须解决工件在机床上的装夹问题。也就是说，工件必须在机床上占据一个正确的加工位置，只有这样，才能正确地加工零件，进而保证零件图上的设计要求。机床夹具则是完成这一使命的工艺装备。3.1.1 机床夹具的概念及工作原理能够迅速而准确地将工件固定在相对机床刀具正确的位置上，并且保证在工件的加工过程中位置不变的工艺装置称为机床夹具，简称“夹具”。事实上，工件相对机床上加工刀具的正确位置，是分三步实现的。首先，工件应在夹具上占有一个正确位置，这是通过夹具上各定位元件的定位工作面与工件的定位基准面形成配合或接触的关系
3、来实现的。其次，夹具应在机床上占据相对准确的位置，这是由夹具与机床的连接表面及相应的连接元件保证的。夹具的结构本身就保证了夹具与机床的连接表面相对夹具定位元件的定位工作面的正确工作位置，进而保证了夹具定位元件的定位工作面在机床上的正确位置。再次，机床加工刀具相对夹具上定位元件的定位工作面应具有一个正确位置，这是由夹具上的对刀元件或刀具引导元件保证的。通过夹具上的对刀元件调整刀具的位置，使其相对定位元件的定位工件面调整到准确的位置，也就保证了刀具在工件上加工出的表面相对工件定位基准的位置尺寸。如图3.1所示，工件2的定位基准面与夹具定位元件4、5、6的定位工作面接触，保证了工件在夹具中的正确位置
4、，在夹紧装置7的作用下保持正确位置不发生变化；夹具与机床的连接表面与机床工作台9的表面接触并通过定位键8与机床工作台9上的T形槽的配合，保证了夹具在机床上的正确位置，也保证了夹具定位元件的定位工作面在机床上的正确工作位置；通过夹具上调整刀具位置的对刀元件3对刀具13位置的调整，保证了刀具相对定位元件定位工作表面的正确位置，从而保证了刀具铣出的槽子相对工件三个定位基准面的位置尺寸要求。图3.1 铣床夹具的工作原理1铣槽夹具 2工件 3对刀块 4、5、6定位元件 7夹紧装置 8定位键 9铣床工作台 10铣床溜板 11铣床床身 12铣床升降台 13铣刀 3.1.2 夹具的作用与分类1.夹具的作用夹具
5、作为一种工艺装置，在机械加工生产中有着十分广泛的应用，归纳起来可以概括为下列几点：（1）稳定可靠地保证工件上的各项加工精度要求。这是夹具设计的出发点，也是夹具设计的落脚点。（2）缩短装夹时间，提高劳动生产率，降低生产成本。这是由夹具能迅速准确的完成工件的装夹来实现的。（3）改善工人的劳动条件。这是就用夹具实现工件的装夹与其它装夹方法相比较而体现出来的。（4）扩大机床的使用泛围。这是通过各类夹具的广泛使用体现出来的，如在车床上使用镗模，可以完成工件上的孔系加工。2.夹具的分类夹具的分类方法很多，下面主要介绍夹具常用的三种分类方法。1） 按夹具的通用程度分类夹具按其使用的通用程度分类，可分为以下五
6、种：（1）通用夹具 指已经标准化的，在一定范围内可用于加工不同工件的夹具。这类夹具已作为机床附件，由机床厂随同机床一起供应。如车床上的三爪卡盘、四爪卡盘；铣床上的平口钳、分度头；磨床上的磁力工作台等等。（2）专用夹具 为某一工件的某一道工序而专门设计制造的夹具。如图3.1上所示的夹具1，就是为加工工件上的槽子而专门设计的夹具。（3）通用可调夹具与成组夹具 通过更换或调整夹具上的某些元件，可适应多种不同工件加工的夹具叫通用可调夹具，它的使用范围比专用夹具大。通过调整或更换夹具上某些元件使其适应于诸多相似工件的装夹的夹具叫成组夹具，以成组生产单元为生产单位的生产组织形式广泛使用成组夹具。（4）组合
7、夹具 由一些标准元件和组件按工件工序的加工要求组合起来的夹具。这类夹具适用于单件、小批量加工或新产品的试制加工。组合夹具用完之后即可拆开还原成标准元件和组件，并整理入库，以备使用时再次组装。（5）随行夹具 在生产流水线上使用并随工件沿生产流水线移动的夹具，称为随行夹具。这类夹具不仅负担着装夹工件的任务，还负担着在生产线上输送工件的任务。2）按使用夹具的机床种类分类按使用夹具的机床种类的不同分类，夹具可以分为车床夹具、钻床夹具（习惯称钻模）、铣床夹具、镗床夹具（习惯称镗模）等等。3）按夹具使用的夹紧力源分类按夹具使用的夹紧力源的不同，夹具可分为手动夹具、液压夹具、气动夹具、气液联动夹具、电动夹具
8、、电磁夹具等等。通用夹具专用夹具通用可调夹具成组夹具组合夹具随行夹具车床夹具铣床夹具磨床夹具镗床夹具齿轮机床夹具手动夹具气动夹具液压夹具电动夹具电磁夹具机床夹具其它机床夹具真空夹具其它夹具钻床夹具图3.2 机床夹具分类夹具的分类概括起来如图3.2所示。3.1.3 机床夹具的组成图3.3所示是一铣床夹具，该夹具完成图3.3右下角所示的连杆大端上、下两个平面上成90的两通槽的加工的装夹。在加工过程中工件具有四个工位。工件的定位基准是其端面及与端面垂直的两个孔。结合图3.3上每一标注的名称，根据夹具上各元件、装置所起的作用的不同，可以概括出夹具的组成图3.3 连杆铣槽夹具1菱形销 2对刀块 3定位键
9、 4夹具体 5圆柱销 6工件 7弹簧 8螺栓 9螺母 10压板 11止动销如下：（1）定位元件 用来确定工件在夹具中正确位置的元件。如图3.3中的夹具体4（上表面N）、圆柱销5和菱形销1。（2）夹紧装置 当工件定位之后，对工件施加夹紧力以保证工件在加工过程中其正确位置不发生变化的装置。如图3.3中标号为8、9、10等零件组成的装置。（3）对刀元件或刀具引导元件 用来调整加工刀具相对夹具正确位置的元件。在铣床、刨床上完成该使命的元件称对刀元件，如图3.3中的对刀块2。在钻床、镗床上完成该使命的元件称刀具引导元件。（4）连接元件和连接表面：用来确定夹具在机床上相对正确位置的元件和表面。如图3.3中
10、的定位键3和夹具体4的底平面。通过连接表面与铣床工作台表面接触及定位键3与铣床工作台T型槽的配合决定了夹具在铣床上的相对位置。（5）夹具体 用来固定夹具上所有元件、装置、机构的基础元件。如图3.3上的夹具体4。通过夹具体使所有元件或装置成为一个有机的整体夹具。（6）其它元件或装置 除上述五部分以外的元件或装置。如夹具上的分度装置等。3.2 工件在夹具上的定位图3.4 支承钉与支承板工件在夹具上的定位是通过工件的定位基准面与夹具定位元件的定位工件面的配合或接触来实现的。工件的定位基准不同，所用的定位元件的结构也就不同。本节着重介绍工件以不同表面定位时所用的定位元件的名称、结构、应用及定位分析等内
11、容。在此基础上，进行定位误差的分析和计算。3.2.1 工件以单个典型表面定位所谓工件以单个典型表面定位，就是指工件以最为常用的平面、圆柱孔、外圆柱面做定位基准。工件以平面定位时，定位形式是支承定位；工件以圆柱孔和外圆柱面定位时，定位形式多见定心定位，即工件的定位基准是轴线，此外也可用于支承定位。1.工件以平面定位工件以平面定位属支承定位。此时，夹具上所用的定位元件主要有以下几种：（1）固定支承 包括支承钉和支承板。支承钉的结构已标准化，其具体结构有三种型式，如图3.4所示。A型是平头支承钉，用于工件以精基准平面定位。B型是球头支承钉，用于工件以粗基准平面定位。C型是齿纹顶面的支承钉，常用于工件
12、以侧面定位以增大摩擦阻力，保证定位的准确。一般情况下，一个支承钉限制工件一个自由度；两个成一线布置的支承钉限制工件两个自由度；三个不在一条线上的支承钉限制工件三个自由度。当工件以精基准平面定位时，允许用四个A型支承钉定位来限制工件的三个自由度。支承板的结构也已标准化，其具体结构型式有两种，如图3.4所示。支承板与夹具体的联接用内六角沉头螺钉。A型结构简单，但切屑落入螺钉头部配合处时，不易清除，所以常用于侧面或顶面的定位。B型支承板的工作平面上开有斜槽，固定螺钉的沉头孔加工在槽内，沉头螺钉的头部也自然处于槽内，落入切屑时不会影响工件的定位，故B型支承板应用较多，用于底面的定位更合适。一个狭长支承
13、板限制工件的两个自由度，两个狭长支承板组合与一个大的支承板定位作用相同，均限制工件3个自由度。当采用多个支承钉或多个支承板定位一个平面时，为了保证多个支承钉或多个支承板的定位工作面确实处于一个平面之内，一般需要对其预留一定的磨削余量，在装配到夹具体上之后进行一次通磨。a)b)d)c)图3.6 自位支承a)三点球面式 b)两点摆动式 c)两点杠杆式 d)两点均衡移动式图3.5 可调支承1调节螺钉 2锁紧螺母 3槽面压块（2）可调支承 可调支承从定位的角度来说与固定支承没有本质的区别，所不同的是，固定支承一经装配，其定位工作面的位置就始终固定不变，而可调支承的定位工作面可沿其轴线方向在一定范围内调
14、节（常采用螺旋调节方式），其结构如图3.5所示。可调支承常用于工件以粗基准表面定位的情况，当不同批毛坯尺寸变化较大时，常通过可调支承定位工作面位置的改变来适应不同批毛坯尺寸的变化，以保证不同批工件后续工序加工余量的均匀。当可调支承调节到需要的位置后必须用螺母锁紧以防止位置发生变化。加工一批工件仅需调整一次。可调支承也常作为通用可调夹具中的调节元件使用，以适应形状相同、尺寸不同的工件的定位需要。（3）自位支承 自位支承也称浮动支承，它的定位工件面的位置能随工件定位基准面的位置的变化而自动与之相适应。故此，自位支承在结构上设计成活动的，如图3.6所示。由图中可以看出，自位支承的支承点多为两点或三点
15、，因此可以提高工件定位时的刚性和稳定性。自位支承虽然增加了与工件定位面的接触点数目，但通过其内部的浮动联系起到图3.7 辅助支承的应用1工件 2短定位销 3支承环 4辅助支承的是单点支承的作用，即自位支承只限制工件一个自由度。自位支承常用于毛坯表面、断续表面、阶梯表面的定位。（4）辅助支承 辅助支承是在工作定位以后才参与支承的，且在使用中不能破坏工件的原有定位。所以，辅助支承不是定位元件，它不起定位作用，只起提高工件加工部位刚性和稳定性的作用。在图3.7所示中，工件的定位基准是底部小孔和端面的组合，定位元件是短圆柱销与大端面的组合（图中短定位销2和支承环3），限制了工件五个自由度，满足了工件的
16、定位要求。现要在工件的上部凸缘上加工孔，需增加辅助支撑以提高工件加工过程中的刚性和稳定性。图3.8是几种辅助支承的结构，就其结构而言，与可调支承没有本质区别，所不同的是它们的使用不同。可调支承起定位作用，而辅助支承不定位且是在工件定位之后才起作用。图3.8 辅助支承结构1支承 2螺母 3弹簧 4手柄 5挡盖5辅助支承在每次松夹工件前必须松开，装夹工件后再调整到与工件表面接触并锁紧。在图3.8中，a）图通过旋转螺杆来实现对工件的辅助支承，但在转动螺杆时，可能会因其转动产生的摩擦力破坏工件的定位，b）图通过旋转螺母2对工件实现辅助支承，其结构保证了支承1只作上、下移动而不转动，故克服了a）图所示结
17、构的缺点，但a）图和b）图两种结构都可能因用力不当将工件顶起而破坏工件的定位，c）图为自动调节辅助支承，在弹簧3的弹力的作用下，支承1与工件表面接触，起到辅助支承的作用，旋转手柄4，将支承1锁紧在支承位置上。挡盖5具有防尘作用，以免粉尘或切屑落入支承配合处而卡死支承1。这种结构，因弹簧力可以调节，作用于支承1上的力适当而稳定，避免了操作失误而将工件顶起的情况。2.工件以圆柱孔定位工件以圆柱孔定位，通常是定心定位，少数情况下也用于支承定位（定位基准是圆柱的母线），夹具上相应的定位元件主要有定位心轴和定位销。图3.9 刚性定位心轴1导向部分 2定位部分 3传动部分 4开口垫圈 5螺母a)b)d)c
18、)（1）定位心轴 定位心轴的结构形式很多，常见的有三种，如图3.9所示。图a）和图b）为过盈配合心轴，前者带台阶可轴向定位，后者不带台阶，用于轴向不需定位的工件。心轴的结构由三部分组成，即导向部分1，定位部分2和传动部分3，过盈配合的心轴需借助压力机装卸工件，适用于定位精度高，切削力较小的场合。图c）是间隙配合心轴，与工件形成间隙配合，依靠螺母通过开口垫圈将工件夹紧，这种结构的心轴工件装卸方便，使用广泛。上述心轴限制工件的自由度数目根据工件定位面与心轴的配合长度L与心轴直径d之比确定。一般认为配合长度与直径之比L/d 0.81限制工件四个自由度，L/d 36688202025253232404
19、050Bd-0.5d-1d-2d-3d-4d-5d-5b11233345b2345568注：d为菱形销直径;b为菱形销宽度；d、B、b1、b参看图3.11。3）一面两孔定位设计实例例3.1 已知工件上两定位孔直径为D1=D2=35+00.025mm，两定位孔中心距尺寸为 1000.09mm，试进行两销有关尺寸的计算。解：（1）两销中心距尺寸及公差确定 取两销中心距尺寸为1000.03mm （2）圆柱销直径d1的确定 取mm （3）菱形销宽度和直径的确定 查表3-1取菱形销宽度b=4mm，由式3-2计算 2min得： 取d2公差带为h6，其结果为3.2.3 定位误差的分析与计算在成批大量生产中，
20、广泛使用专用夹具对工件进行装夹加工。加工工艺规程设计的工序图则是设计专用夹具的主要依据。由于在夹具设计、制造、使用中都不可能做到完美精确，故当使用夹具装夹加工一批工件时，不可避免地会使工序的加工精度参数产生误差，定位误差就是这项误差中的一部分。判断夹具的定位方案是否合理可行，夹具设计质量是否满足工序的加工要求，是计算定位误差的目的所在。1.用夹具装夹加工时的工艺基准用夹具装夹加工时涉及的基准可分为设计基准和工艺基准两大类。设计基准是指在设计图上确定几何要素的位置所依据的基准；工艺基准是指在工艺过程中所采用的基准。与夹具定位误差计算有关的工艺基准有以下三种：（1）工序基准 在工序图上用来确定加工
21、表面的位置所依据的基准。工序基准可简单地理解为工序图上的设计基准。分析计算定位误差时所提到的设计基准，是指零件图上的设计基准或工序图上的工序基准。（2）定位基准 在加工过程中使工件占据正确加工位置所依据的基准，即为工件与夹具定位元件定位工作面接触或配合的表面。为提高工件的加工精度，应尽量选设计基准作定位基准。a)b)图3.21 钻模加工时的基准分析（3）对刀基准 由夹具定位元件的定位工作面体现的，用于调整加工刀具位置所依据的基准。必须指出，对刀基准与上述两工艺基准的本质是不同，它不是工件上的要素，它是夹具定位元件的定位工作面体现出来的要素（平面、轴线、对称平面等）。如果夹具定位元件是支承板，对
22、刀基准就是该支承板的支承工作面。在图3.3中，刀具的高度尺寸由对导块2的工作面来调整，而对刀块2工作面的位置尺寸7.850.02是相对夹具体4的上工作面（相当支承板支承工作面）来确定的。夹具体4的上工作面是对刀基准，它确定了刀具在高度方向的位置，使刀具加工出来的槽底位置符合设计的要求。图3.3中，槽子两侧面对称度的设计基准是工件上大孔的轴线，对刀基准则为夹具上定位圆柱销的轴线。再如图3.21所示，轴套件以内孔定位，在其上加工一直径为d的孔，要求保证d轴线到左端面的尺寸L1及对内孔轴线的对称度要求。尺寸L1的设计基准是工件左端面A，对刀基准是定位心轴的台阶面A；d轴线对内孔轴线的对称度的设计基准
23、是内孔轴线OO，对刀基准是夹具定位心轴2的轴线OO。2.定位误差的概念用夹具装夹加工一批工件时，由于定位不准确引起该批工件某加工精度参数（尺寸、位置）的加工误差，称为该加工精度参数的定位误差（简称定位误差）。定位误差以其最大误差范围来计算，其值为设计基准在加工精度参数方向上的最大变动量，用表示。3.定位误差产生的原因及其计算对刀基准图3.22 铣槽工序定位误差分析先以图3.22为例，分析定位误差产生的原因。图3.22是以心轴定位在轴套件的外圆柱面上加工槽子的具体定位方案。槽底尺寸h的设计基准是外圆的母线A，定位基准是内孔的轴线O，对刀基准是夹具定位心轴的轴线O，而一批工件外圆直径、内孔直径及夹
24、具定位心轴直径都在其公差范围内变化，故对一批工件来说，必然会存在定位不准确的问题，必将引起一批工件加工精度参数的变化，即定位误差。图3.22的定位方案，当以内孔定位加工槽子时，工件外圆尺寸的变化会引起加工精度参数槽底尺寸h的变化（即产生定位误差），这是因为设计基准于定位基准不重合引起的。当工件内孔与定位心轴配合定位时，由于其配合间隙的存在会使内孔轴线（定位基准）对心轴轴线（对刀基准）的位置在圆周360方向发生变化。加工刀具的位置由心轴轴线确定，对一批工件而言，必将引起内孔轴线到槽底尺寸的变化，进而引起槽底尺寸h的变化（即产生定位误差），这是因为定位基准相对对刀基准存在位置变动造成的。可见，定位
25、误差产生的原因有两个，即定位基准与设计基准的不重合和定位基准相对对刀基准的位置变动。1）基准不重合误差定位基准与设计基准不重合产生的定位误差称基准不重合误差，用表示。从对图3.22的分析不难看出，基准不重合误差与设计基准相对于定位基准的最大变动量（即设计基准与定位基准之间尺寸的公差值）密切相关。当与加工精度参数的方向相同时，=；当与加工精度参数的方向不同时，应根据实际定位方案所决定的几何关系按一定的函数关系进行计算，以确定产生的定位误差的值，故有。将以上两种情况概括起来，基准不重合误差的计算应为，其中函数的具体形式根据具体的定位方案分析确定。2）基准位置误差定位基准相对对刀基准的位置移动产生的
26、定位误差称为基准位置误差，用表示。同理，从对图3.22的分析不难看出，基准位置误差与定位基准相对对刀基准的最大位置移动量（一般为工件定位表面与定位元件工作面配合的最大间隙）密切相关。当与加工精度参数的方向相同时，=；当与加工精度参数的方向不同时，应根据实际定位方案所决定的几何关系按一定的函数关系进行计算，以确定产生的定位误差的值，故有。将以上两种情况概括起来，基准位置误差的计算应为，其中函数的具体形式根据具体的定位方案分析确定。因为定位误差是对一批工件而言，是以其最大误差范围来计算的，故在上述和计算的分析中，考虑的是设计基准相对于定位基准的最大变动量和定位基准相对对刀基准的最大位置移动量。3）
27、定位误差的计算由上述定位误差产生的原因及两类定位误差的计算（基准不重合误差，基准位置误差），可以得出定位误差的计算公式如下： （3-3）式中 定位误差；基准不重合误差；基准位置误差；设计基准相对定位基准的最大变动量；定位基准相对对刀基准的最大位置移动量；、求解、在加工精度参数方向上产生的定位误差的函数，其具体形式根据具体的定位方案来分析确定。在式3-3中，当和由两个互不相关的变量引起时，用“+”；当和是同一变量引起时，要判断两者对的影响是否同向，方向相同时用“+”，方向相反时用“”。4.分析计算定位误差时应注意的问题（1）定位误差是指工件某工序中某加工精度参数的定位误差。它是该加工精度参数（尺
28、寸、位置）的加工误差的一部分。（2）某工序的定位方案对本工序的多个不同加工精度参数产生不同的定位误差，应分别逐一计算。（3）分析计算定位误差的前提是用夹具装夹加工一批工件，用调整法保证加工要求。（4）计算出的定位误差数值是指加工一批工件时某加工精度参数可能产生的最大误差范围（加工精度参数最大值于最小值之间的变动量）。它是个界限范围，而不是某一个工件定位误差的具体值。（5）一批工件的设计基准相对定位基准、定为基准相对对刀基准产生最大位置变动量、是产生定位误差的原因，而不一定就是定位误差的数值。3.2.4 用夹具装夹工件时加工精度的分析与定位方案的确定任何一种机械产品，在加工的工艺过程中都不可避免
29、地存在着加工误差，即加工几何参数的实际值与其理想值之间存在偏差。这种偏差越大，加工误差就越大，实际参数的精度就越低。所谓合格零件，是指加工误差不超出设计给定的公差值的零件。产生加工误差的原因是多方面的，其中一部分就来源于夹具。在夹具设计时，分析产生加工误差的原因，并把加工误差控制在允许的范围之内，对于提高夹具设计质量，保证工件加工质量具有重要意义。1.工序精度参数的加工误差所谓工序加工精度参数，是指在工序图上标注出的、通过本工序的加工来保证精度的参数，如位置尺寸、垂直度、同轴度、平行度等。机械加工过程中，夹具的主要功能是保证零件上要素间的位置精度。用夹具装夹加工一批零件时，工序加工精度参数的加
30、工误差由两部分组成，其一是于夹具的设计、制造、使用等有关的加工误差，简称夹具误差；其二是于工艺系统中除夹具之外的其它组成部分（机床、刀具、工件）有关的加工误差，简称其它误差。1）夹具误差由于使用夹具进行装夹加工而引起的工序加工精度参数的加工误差称夹具误差。它主要包括以下三项：（1）定位误差 工件在夹具上定位不准确而引起的加工误差，用表示。（2）夹具位置误差 夹具在机床上的位置不准确而引起的加工误差，用表示。（3）刀位误差 刀具相对于夹具的位置不准确引起的加工误差，或刀具与引导元件、对刀元件之间配合间隙引起的导向或对刀误差，用表示。夹具的设计、制造、夹具在机床上的装夹、夹紧时夹具变形、夹具的磨损
31、等因素引起的工序加工精度参数的加工误差，是上述三项误差的组成部分，这些误差的存在，最终引起刀具相对于工件位置的不准确而产生加工误差。2）其它误差 工艺系统中除夹具以外的其它组成部分引起的加工误差，用表示。产生这项误差的原因有机床、刀具、工件的几何误差、受力变形、热变形、磨损以及各种随机因素引起的加工误差。2.工序加工精度参数公差的分配与定位方案的确定1） 工序加工精度参数公差的分配为了保证工件的加工精度，使其成为合格的产品，上述的各项加工误差之和应不超出工序加工精度参数设计时给定的公差值，即 （3-4）在生产实际中，一般将工序加工精度参数设计给定的公差值分成三份，定位误差占一份，夹具位置误差和刀位误差和起来占一份，其它误差占一份。这样的分配并非完全合理，仅作为公差分配的初步方案，应用时还应根据具体情况进行调整。因为不是在所有的夹具中，几种加工误差都同时存在，例如钻床夹具无夹具位置误差、定位误差等于零的情况等。即使