《机床夹具设计》PPT课件.ppt

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1、第3章 机床夹具设计,3.1 概述 3.2 工件在夹具中的定位 3.3 工件在夹具中的夹紧 3.4 夹具的其他元件 3.5 典型机床夹具设计 3.6 夹具的设计方法和步骤,3.1 概述,机械制造过程中用来固定加工对象，使之在机床上占有正确的位置，以便进行机械加工或检测的装置被称为机床夹具，简称夹具。 夹具设计是直接为机械产品生产服务的一项生产准备工作。机床夹具设计特点是周期要求短，夹具精度高。 夹具设计与机械加工工艺等关系密切。,三爪卡盘,四爪卡盘,万向平口钳,回转工作台,分度头,图2-43 通用夹具,3.1.1工件的装夹,1装夹的概念 工件装夹是将工件在机床上或夹具中定位、夹紧的过程。工件装

2、夹的包含了定位、夹紧两个方面内涵。 工件定位是工件在机床或夹具上占有正确的位置，使工件与刀具及机床主轴、导轨之间具有正确的相对关系，从而保证被加工工件的尺寸精度、形状精度及位置精度。 工件夹紧是工件定位后将其固定的正确位置上，使之不因切削力、惯性力、重力的作用而变化。,2装夹的方式 在机床上，工件一般可采用如下几种装夹方式： (1) 直接装夹 直接装夹是将工件的定位基准面直接密切贴合在机床的装夹面上，不需找正即可完成定位，通过夹紧工件，使其在整个加工过程中保持正确位置。 在平面磨床的磁力工作台上固定工件等都是直接装夹。,(2) 找正装夹 是利用可调整工具将工件夹持在机床上，并使机床作慢速运动，

3、利用划针或千分表检测和调整工件的位置，使之处于正确位置的装夹方式。 例如，在车床上加工一个具有较高同轴度要求的阶梯轴时，可采用四爪卡盘和千分表调整工件的位置，以提高和保证加工精度的工件装夹过程是找正装夹。 对于形状复杂，尺寸、重量均较大且精度较低的铸件和锻件毛坯，如果工件毛坯没有方便的找正表面，则可预先在毛还上划出待加工面的轮廓线，然后按照所划的轮廓线找正其位置完成工件装夹，这种工件装夹方式也属于找正装夹。,(3)夹具装夹 夹具装夹是将夹具预先安装在机床上并精确调整其位置，在机械加工过程中利用该夹具迅速而准确地装夹工件的方式。 在上述三种工件装夹方式中， 夹具装夹具有较高的定位精度，工件装夹操

4、作方便、简单和省时，适合大批量生产。 找正装夹亦具有较高定位精度，但操作费时、费力，仅适合单件小批量生产。,3.1.2夹具的组成、分类和在机械加工中的作用,1机床夹具的组成 机床夹具虽然多种多样，但是夹具一般包含如下几个组成部分： (1) 定位装置 其作用是确定工件在夹具中的位置。 如：支撑钉、支承板、V型块等都是定位元件。 (2) 夹紧装置 其作用是将工件压紧夹牢，保证工件在定位时所占据的位置在加工过程中不因受外力而产生位移，同时防止或减少震动。 如：螺母和螺杆、螺旋压板等。 (3) 连接元件 其作用是使夹具与机床装夹面连接，并确定夹具对机床的相互位置。,(4) 对刀元件和导向元件 对刀元件

5、用于确定刀具在加工前正确位置。如铣床夹具中的对刀块。导向元件用于确定刀具位置并引导刀具进行加工，如钻套。 对刀元件和导向元件的共同作用是保证工件与刀具之间的正确位置。 (5) 夹具体 夹具体是夹具的基座和基础件。夹具的其它装置或元件都安装在夹具体上，使之成为一个整体。 (6) 其他装置或元件 其他装置或元件主要有分度装置、排屑装置等。,2机床夹具的分类 夹具的分类方法比较多。 机床夹具按应用范围、使用特点可分为通用夹具、专用夹具、可调夹具、成组夹具、组合夹具和随行夹具等类型。 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。如三爪或四爪卡盘、机器虎钳、回转工作台、万能分度头、磁力

6、工作台等。 专用夹具是指专为某一工件的某道工序的加工而设计制造的夹具。专用夹具一般是在一定批量的生产中应用，通常说的工装夹具一般指专用夹具。 可调夹具和成组夹具的共同特点是：在加工完一种工件后，经过调整或更换个别元件，即可加工形状相似、尺寸相近或加工工艺相似的多种工件。但通用可调夹具的加工对象并不很确定，其通用范围大，如滑柱钻模、带各种钳口的机器虎钳等即是这类夹具。而成组夹具则是专门为成组加工工艺中某一组零件而设计的，针对性强，加工对象和使用范围明确，结构更为紧凑。,组合夹具是指按某一工件的某道工序的加工要求，用一套事先准备好的通用的标准元件和部件，通过它们的组合而构成的夹具。 这种夹具用完之

7、后可以拆卸存放，或待重新组装新夹具时再次使用。 随行夹具是在自动线或柔性制造系统中使用的夹具，工件安装在随行夹具上，由输送装置送往各机床，并在机床夹具或机床工作台上定位夹紧。 按照使用夹具的机床类型，夹具可分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具等类型。 按照夹具的用途，可将夹具分为机床夹具、装配夹具、检测夹具等。 按照夹紧力的力源类型，夹具还可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、电磁和电动夹具等。,三爪卡盘,四爪卡盘,万向平口钳,回转工作台,分度头,图2-43 通用夹具,图2-44 专用夹具,图2-46 组合夹具,1加筋角铁（2） 2槽用螺栓（6） 3平键（10） 4方形支承 5定位支承 6

8、方形支承 7平垫圈 8六角螺母（8） 9 槽用螺栓 10钻套螺钉 11快换钻套 12钻模板 13圆形定位销 14工件 15方形支承 16角铁 17压紧螺钉 18基础板,图2-46a 铣拨叉槽组合夹具 1方形基础板 2小长方支承 3，14，20六角螺母 440圆形定位盘 5大长方支承 6螺钉 7右支承角铁 8，10厚六角螺母 9垫圈 11槽用螺栓 12侧中孔定位支承 13小长方支承 15回转压板 16双头螺栓 1724圆形定位销 18圆螺母 19工件,图2-46b 组合夹具实例,气动虎钳 液压夹具,3夹具在机械加工中的作用 夹具虽是机床的一种附加工艺装置，但是它在生产中发挥的作用很大。 采用夹具

9、装夹工件，有助于 保证工件的加工件质量； 缩短辅助时间； 提高生产效率； 减轻工人劳动强度和降低对工人的技术水平要求； 扩大机床工艺范围和改变机床用途。,3.1.3工件在夹具中加工时加工误差的组成,利用夹具装夹工件进行加工，工件加工表面尺寸和位置误差包含如下三个方面： (1) 工件装夹误差(装夹) 包括定位误差定位和夹紧误差夹紧。定位误差是定位不准确而造成的加工误差；夹紧误差是夹紧时引起工件和夹具变形造成的加工误差。 (2) 夹具对定误差(对定) 包括对刀误差对刀和夹具位置误差夹位。对刀误差是与夹具相对刀具位置有关的加工误差，夹具位置误差是夹具相对刀具成形运动的加工误差。 (3) 加工过程误差

10、(过程) 包括加工过程中工艺系统的受力变形、热变形及磨损等因素所造成的加工误差。,利用夹具装夹工件加工时，为了保证加工精度应使上述各项误差之和不大于工件相应尺寸或位置要求的公差T，即 装夹+对定+过程T 上式被称为加工误差不等式。 通常，可粗略地平均分配加工误差，即装夹T /3，对定T/3，过程T/3。 也可以综合考虑夹具造成的加工误差，使加工时满足加工不等式。,3.2 工件在夹具中的定位,工件在夹具中定位的目的是使同一批工件在夹具中占有一致的正确加工位置。但由于实际定位基准和定位元件存在制造误差，故同批工件在夹具中所占据的位置不可能是完全一致的，这种位置的变化将导致加工尺寸产生误差。 研究工

11、件在夹具中的定位可以从定位基本原理、定位方法与定位元件、定位精度三个方面研究。,3.2.1工件定位的基本原理,1.六点定位原理 在夹具中未定位以前，任何一个工件都可以看成为在空间直角坐标系中的自由物体。 如图所示的方形工件，它在空间的位置是任意的，可沿三个垂直坐标轴放在任意位置，通常称为工件沿三个垂直坐标轴具有平动自由度，分别以表示 、 、 表示。,此外，工件绕三个垂直坐标轴的转角位置也是任意的，通常称之为绕三个垂直坐标轴具有转动自由度，分别以 、 、 表示。 要使工件在夹具中占据正确位置，就必须恰当地限制工件在空间上的六个自由度。,用于空间定位的六个支承点的分布必须遵循一定的规则。 如图3.

12、2(a)所示的平行六面体上加工键槽时， 为保证加工尺寸 需限制工件的 、 、 三个自由度； 为保证 ，还需限制 、 两个自由度， 为保证 ，最后还需限制 自由度。,在进行工件定位分析时，通常是用一个支承点限制工件的一个自由度，用合理分布的六个支承点限制工件的六个自由度，使工件在夹具中的位置完全正确，这就是的“六点定位原理”。,在夹具上布置了六个支承点，当工件基准面安置在这六个支承点上时，就限制了它的全部自由度，见图3.2(b)。 工件底面（M面）紧贴在支承点1、2、3上，限制了工件的 、 、 三个自由度； 工件侧面（N面）紧靠在支点4、5上，限制了 、 两个自由度； 工件的端面（P面）在支承点

13、6上，限制了 自由度。,工件上布置三个支承点的M面称为主要定位基准。三个支承点布置得越远，所组成的三角形就越大，工件定位就越稳定。 布置两个支承点的N面称为导向定位基准。应选取工件上窄长表面作为导向定位基准。 工件上布置一个支承点的P面称为止推定位基准。由于它只和一个支承点接触，工件在加工时，常常还要承受加工过程中的切削力和冲击等，因此可选工件上窄小且与切削力方向相对的表面作为止推定位基准。 在夹具结构中，支承点是用定位元件来实现的，如图3.2(c)中设置了六个支撑钉。,例如 为如图所示为在环状工件上钻孔的工序，设计定位结构。,夹具上布置了六个支承点，见图3.3(b)， 工件端面紧贴在支承点1

14、、2、3上，限制 、 、 三个自由度； 工件内孔紧靠支承点4、5，限制 、 两个自由度； 键槽侧面靠在支承点6上，限制 自由度。,图3.3(c)是实现图3.3(b)中六个支承点所采用定位元件的具体结构。 以台阶面A代替1、2、3三个支承点； 短销B代替4、5两个支承点； 嵌入键槽中防转销C代替支承点6。,如图3.4(a)为车床上加工轴的通孔，根据加工要求，不需要限制 和 自由度，故使用三爪卡盘限制其余四个自由度即可。,2.限制工件自由度与加工要求的关系 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

15、式。 2) 不完全定位和欠定位 根据工件加工要求，并不需要限制其全部自由度的定位称为不完全定位。,图3.4(b)为平板工件在平磨床上采用电磁工作台定位磨平面，工件只有厚度及平行度要求，故只需要限制 、 、 三个自由度即可。,欠定位是应该限制的自由度没有被加以限制的定位。 在满足加工要求的前提下，采用不完全定位是允许的。 但是欠定位不允许的。,3) 过定位 工件的同一个或几个自由度被重复限制的定位称为过定位。 过定位在生产中是被限制使用的。 图3.5(a)所示为加工连杆小头孔的正确定位方案。 用平面限制 、 、 三个自由度； 用短圆柱销限制 、 两个自由度； 用防转销限制 自由度，属完全定位。,

16、如果短圆柱销换为长圆柱销，则会造成过定位现象。 由于长圆柱销限制了 、 、 、 四个自由度，其中被限制的 、 两个自由度与平面限制的自由度重复，因此出现了过定位情况。,通常有两种消除或减小过定位方法： 提高定位基准之间以及定位元件工作表面之间的位置精度； 改变定位元件的结构，使定位元件在重复限制自由度的部分不起定位作用。,3.2.2 工件定位方式及其所用定位元件,生产中定位的方法很多，常用的定位方案主要有 工件以平面定位； 工件以圆柱孔定位； 工件以外圆表面定位。 1工件以平面定位 在机械加工中，箱体、机座、支架等工件都常用平面作为定位基准。依据是否起限制自由度作用以及能否实现调整等，常用的平

17、面定位元件可分为如下几种： 主要支承 主要支承是起限制自由度作用的支承，它又分为固定支承、可调支承、自位支承等。,(1) 固定支承 固定支承主要是各种支承钉和支撑板，如图3.6和图3.7所示。 当定位基准面是粗糙不平的毛坯表面时，采用布置较远的三个球头支承钉，使其与毛面接触良好，C型齿纹头支撑钉用于侧面定位，它能增大摩擦系数，防止工件受力后滑动。,工件以加工后的平面作为定位基准时，一般采用图3.6(a)所示的A型的平头支承钉和3.7(a)所示的支撑板。 A型支撑板的结构简单，制造方便。但孔边缘切屑不易清除干净，故适用于侧面和顶面定位。 B型支撑板结构如图3.7(b)所示，其特点是易于保证工作表

18、面清洁，故适用于底面定位。,(2) 可调支承 可调支承如图3.8所示，能够调整支承的高度尺寸。 可调支承在一定范围内可以改变支撑尺寸，常用于粗加工夹具、毛坯表面定位支撑。,可调支承也可用于同一夹具加工形状相同而尺寸不同的工件，如图3.9所示销轴端部铣槽。采用可调支承轴向定位。通过调整其高度位置，可以加工不同长度的销轴类工件。,在通用可调整夹具及成组夹具中，可调支承的应用更广泛。 可调支承在一批工件加工前调整一次。在同一批工件加工中，其作用相当于固定支承。所以，可调支承在调整后都需用锁紧螺母锁紧。,(3) 自位支承 自位支承（或浮动支承）是具有几个活动工作点的支承件，当压下其中一点，则其余的点上

19、升直至全部与工件定位基准接触为止，其作用仍相当于一个固定支承点。图示是常见自位支承。,2) 辅助支承 生产中，由于工件形状以及夹紧力、切削力、工件重力等原因可能使工件在定位后还产生变形或定位不稳定。 为了提高工件的安装刚性和稳定性，常需设置辅助支承。 如图3.11所示，工件以平面A定位，铣削上平面C。在B处设置辅助支承，则可以增加工件的安装刚度，但此支承不起限制自由度的作用，也不允许破坏原有的定位。 因此，辅助支承必须逐个工件进行调整，以适应工件支承表面（B面）的位置误差。,辅助支承的结构形式应视生产批量和具体生产条件而定。在单件小批生产中常用螺旋式辅助支承，见图a； 生产批量较大时可用自位式

20、辅助支承，见图b， 也可用推引式辅助支承，见图c。,2工件以圆柱孔定位 在加工中，工件以孔作为定位基准的应用很广，如连杆、套筒、法兰盘和各种杂件等。 实现定位的方法有：在圆柱体上定位和在圆锥体上定位等。 1) 在圆柱体上定位 在圆柱体上定位常用定位元件有定位销和定位心轴。,图3.13为常用定位销结构。 定位销工作部分的直径可根据工件的具体情况按g5、g6、f6、f7制造。定位销可用小过盈配合压入夹具体孔中。 当定位销需要经常更换时，可采用图3.13d)的结构形式。,定位心轴主要用在车、铣、磨、齿轮加工等机床上加工套筒和盘类零件。定位基准可为已加工过的圆柱孔或花键孔。心轴的结构型式较多，图3.1

21、4为几种常见的圆柱心轴。 图3.14(a)为间隙配合心轴，其工作表面一般按基孔制h6、g6或f7制造。这种心轴结构简单，装卸工件方便，但定心精度低，仅在工件同轴度要求不高时采用。,图b为过盈配合心轴。过盈配合心轴有引导部分、工作部分和传动装置（如鸡心夹头等）相联系的部分组成。引导部分的作用是使工件迅速而正确地套入心轴，其直径按e8制造，长度约为基准孔长度的一半。工作部分直径按r6制造。当工件孔的长径比L/D1时，心轴工作部分应稍带锥度。心轴上的凹槽是供车削工件端面时退刀用的。,图c是花键心轴，它用于加工以花键孔为定位基准的工件。,2) 在圆锥体上定位 在圆锥体上定位常用定位元件是小锥度心轴和圆

22、锥销。 小锥度心轴上定位如图3.15所示。小锥度心轴的定心精度较高，但其轴向基准位移误差较大，工件还有倾斜。小锥度心轴是以工件孔与心轴表面的弹性变形夹紧工件，故传递的扭矩较小，装卸工件不方便，且不能加工端面。一般用于工件定位孔的精度不低于IT7的精车和磨削加工。 设计小锥度心轴，主要是确定锥度K。生产推荐K=1/10001/5000，选择锥度K值越小，定心精度越高，且夹紧越可靠。,如图3.16所示，圆锥销限制工件的 、 、 三个自由度。图a 圆锥销用于粗基准，图b圆锥销用于精基准。,、,工件以单个圆锥销定位时容易倾斜，故应和其它定位元件组合定位。如图3.17所示，以上三种组合定位方式，均限制了

23、工件的五个自由度。,3工件以外圆柱面定位 工件以外圆定位时，常用V型块、半圆定位块、定位套、自动定心机构等。其中V型块应用最广。 常用的V型块见图3.18，图a结构为短V型块，限制了两个自由度，即 、 。图b结构表示了长V型块，或相当于两个短V型块的组合，它限制四个自由度，即 、 、 和 。,V型块用于工件定位主要使用其对中作用，即能使工件外圆轴线与V型块两斜面的对称平面重合。V型块两斜面的夹角一般选用60、90和120，其中最常用的是夹角为90的V型块。 V型块的结构和基本尺寸，均已标准化。,起定位作用的V型块，通常都是做成固定式的。 兼起夹紧作用V型块常常做成可移动式的。 典型应用实例如图

24、3.19所示。 工件以其底面与支承环平面接触，限制三个自由度； 工件左端圆弧与固定短V型块接触，限制两个自由度； 工件右端圆弧与可移动短V型块接触，限制一个自由度。 可移动V型块起到限制转动自由度的作用，同时又借助螺杆而起夹紧元件的作用。,4.工件以一组表面定位 在实际生产中，通常都是以两个或两个以上表面作为定位基准，采取组合定位方式。 其中以“一面两孔”定位为最常见的组合位方式，其示意图如图3.20所示。这时， 支承板限制了3个自由度 、 和 ； 短圆柱销限制了2个自由度 和 ； 还剩下一个绕z轴线的转动自由度由菱形销限制。,3.2.3 定位误差的分析和计算,1.定位误差产生的原因 采用调整

25、法加工一批工件时，工件在定位过程中，会遇到由于定位基准与工序基准不重合，以及工件的定位基面与定位元件工作表面存在制造误差等情况，这些情况都引起加工误差，它们被称为定位误差，并用d表示。 定位误差是指由于定位不准确造成的某一工序的工序基准在工序尺寸方向上的最大位移量。,在卧式铣床上，加工如图3.21(a)所示的盘状零件上的槽，要求保证尺寸为 及 。 工件装夹在图3.21(b)所示的夹具心轴上，心轴直径为 。尺寸b是由铣刀宽度直接保证的，与定位无关，尺寸e是由工件相对于刀具正确定位得到的。,图3.21(b)中，孔中心线是工序基准，内孔表面是定位基面。从理论上分析，当工件内孔与心轴的直径完全相同时（

26、无间隙配合），内孔表面与轴外圆重合，两者中心线也重合。因此，可以看作以内孔中心线作为定位基准。由此，凡工件以圆柱表面定位时，都以其中心线作为定位基准。,要保证工件加工要求 ，需要分析铣刀外圆和工序基准位置变动的大小。刀具经一次调整后，相对于轴的位置是保持不变的。 如果定位副没有制造误差，也不留安装间隙，则工序基准和心轴中心线重合，没有定位误差, 见图3.22(a) 。,由于机床夹具必须装卸工件方便，以提高生产率。工件定位孔与圆柱心轴之间必须存在一定配合间隙，故工件圆孔中心和心轴中心不可能同轴。若心轴水平安置，因重力等影响工件将以定位孔单边支撑在心轴的母线上，如图3.22(b)所示。,此时，刀具

27、的位置未变，而同批工件的定位基准却在O1和O2之间变动，从而导致工序基准也发生变化，使一批工件中加工尺寸e产生了误差。 这种由于定位副存在误差引起的定位基准在加工方向上的最大位置变动范围称为基准位置移误差，以w 表示。,如果设计图纸要求键槽的尺寸为 ，如图3.23(a)所示，该尺寸设计基准为圆柱体下母线B。即使仍然采用图3.21(b）所示的夹具定位，定位误差产生情况也会有所不同。,假设工件孔与心轴为无间隙配合，见图3.23(b），定位基准没有位移，不产生基准位移误差。 但由于工件外圆有制造误差，当外直径在dmin和dmax范围内变化时，工序基准在B1和B2范围内变动，引起加工尺寸在C1和C2之

28、间变动。 造成加工尺寸这一变动的原因是工序基准（工件外圆下母线）和定位基准（工件孔中心）不重合。这种因工序基准和定位基准不重合而引起的加工方向上的最大位置变动范围，称为基准不重合误差，以b表示。在本例中,当工件以孔与心轴采用间隙配合时，则同时存在w和b两项误差，使同批工件加工后的加工尺寸在C1和C3之间变动，见图c。 上述两项误差皆是由于定位引起的。这种因基准不重合和基准位移而引起的加工尺寸的最大变动范围，称为定位误差，以d。 d=w+b。,2.典型定位方式的定位误差的计算 机床夹具常常采用平面定位、内圆表面定位、外圆定位等典型定位方式。因此，分析计算定位误差，可以首先探讨典型定位方式的定位误

29、差计算。 1）工件以平面定位时的定位误差 工件以平面定位时的定位误差同样分为两个部分：基准位置移误差和基准不重合定位误差。 工件以平面定位时可能产生的基准位置移误差是由于定位副制造不准确而造成的。主要体现在定位表面的不平整误差。当以加工过的平面定位时，一般可以不予考虑。由于不允许重复使用毛坯表面作粗基准，也可以忽略使用毛坯表面作定位基准对定位精度的影响。上述分析可知：应严格控制定位基准面的加工质量，避免其产生定位误差。 在实际工作中，由于工件结构复杂等因素，加工过程中基准不重合是常见情况，因此，工件以平面定位时可能产生的定位误差主要是由基准不重合定位误差引起的。,2）工件以内圆表面定位时的定位

30、误差 工件以内圆表面（圆孔）定位产生的定位误差的情况比较复杂。 例如工件以圆孔在圆柱定位心轴上定位时（一般地，心轴轴向处于水平方向），当工件与定位心轴为过盈配合时，因为工件圆孔与心轴是过盈配合的，所以定位副间无径向间隙，即这时不存在配合间隙引起的定位误差。 当工件与定位心轴为间隙配合时，因为工件圆孔与心轴之间存在配合间隙，该配合间隙将会引起的定位误差。但是由于重力等因素影响，工件以圆孔在圆柱定位心轴上定位时可能出现工件圆孔与心轴始终固定单边接触的情况，故此时相当于定位副间只存在单边间隙。 同样以内圆表面定位，工件以圆孔用定位销定位（一般地，定位销轴向通常会处于铅垂方向）时，如果工件与定位销为间

31、隙配合时，工件圆孔与定位销之间存在配合间隙，定位圆孔与圆柱定位销在任意母线上接触都是可能的，工件圆孔与定位销间的配合间隙影响不再等效为单边间隙。,综合考虑金属切削加工过程中，切削力、夹紧力、重力等多方面影响因素，考虑多种金属切削加工的异同，以及现实工程问题中的不确定性，探讨工件以圆孔用定位销定位情况（通常为间隙配合）更具代表性。,下面以图3.21所示套筒铣削键槽加工为例，简述工件以内圆表面定位时的定位误差的分析方法，定位销直径尺寸为 。,对于工序尺寸H1，取定位销尺寸最小，工件内孔最大的情况。分别使工件内孔与定位销上、下母线相接触，如图3.24(b)所示，则可知定位误差为：,工序尺寸H2的情况

32、同上，如图3.24(c)所示，分析结果为,对于工序尺寸H3，取定位销尺寸最小，工件内孔最大的情况。分别使工件内孔与定位销上、下母线相接触，如图所示，则可知定位误差为,菱形销是一种特殊的定位销，如图3.25所示，仅限制一个自由度。在该自由度上定位误差计算方法与圆柱定位相同。,3）工件以外圆柱面（V形块）定位时的定位误差 加工过程中，外圆表面定位的方式常采用定位套筒、支承钉、支承板及V型块等定位。 采用定位套筒定位外圆柱面的情况与工件以圆孔用定位销定位等情况相似。以支承钉、支承板等定位外圆柱面的情况与工件以平面定位情况相似。,下面以在圆柱体上铣键槽为例来说明用V形块定位时，定位误差的计算。 由于键

33、槽槽底（工序尺寸H）的工序基准不同，而可能出现如图所示的三种情况。,(1) 以轴线O为工序基准 在外圆上铣削工序尺寸为H1的键槽（图3.26(b)。这时，工序基准为外圆的轴线O1，而定位基准也为外圆O1，两者是重合的。因此，不存在基准不重合误差。但是，由于一批工件的定位基面外圆有制造误差。定位误差可通过与的关系求,(2) 以外圆下的母线A为工序基准 铣键槽时，保证的工序尺寸为H2，见图3.26(c)。这时，除了存在的上述定位基面制造误差而产生的基准位移误差外，还存在基准不重合误差。此时的定位误差为,(3) 以外圆上母线B为工序基准 如图3.26(d)所示，需保证的工序尺寸为H。与以外圆下的母线

34、A为工序基准的情况相同，定位误差也是由于基准不重合和基准位移误差共同引起的。此时的定位误差为,由上述分析可知，外圆在V形块上定位铣键槽时，键槽深度的工序基准不同，其定位误差也是不同的，即 。从减少定位误差来考虑，标注尺寸h2为最佳。 定位误差大小还与定位基面的尺寸公差和V型块的夹角有关。 角越大，定位误差越小，但其定位稳定性也降低。 用V形块定位，键槽宽度的对称度的定位误差为零。所以V形块具有良好的对中性。,4）一面两销定位时的定位误差 工件以组合表面定位时，其定位误差计算是较为复杂的，必须针对定位元件的作用，分清主次关系，具体问题具体分析。 下面以一面两销定位为例，说明组合定位时的定位误差计

35、算方法。 由图3.20可知，当工件以两个孔一个大平面进行组合定位时，夹具上通常是一个定位平面，其上垂直安装一个短圆柱销和一个菱形销。如图3.27所示，工件的转角误差为,依据一面两销定位时的定位元件的功能，一面两销定位误差包含如下几个方面： (1) 工件以平面定位方式的定位误差。 、 和 自由度的定位精度取决于平面定位精度，该项定位误差分析方法如前所述。 (2) 内圆表面与定位销方式的定位误差。 和 自由度的定位误差主要取决于短圆柱销的定位精度，分析方法如前所述。 (3) 内圆表面与菱形销方式的定位误差。 自由度的定位误差主要取决于短圆柱销的定位精度、菱形销定位精度以及两定位销之间距离L。,3.

36、3 工件在夹具中的夹紧,3.3.1 工件的夹紧及对夹紧装置的基本要求,在加工过程中，工件会受到切削力、惯性力等力的作用而发生位置变化或产生振动。为保证加工精度和安全，工件定位以后必须采用一定的装置把工件压紧夹牢在定位元件上，这种把工件压紧夹牢的装置，称为夹紧装置。 夹紧工件的方式是多种多样的，夹紧装置的结构形式也种类繁多。 一般夹紧装置由动力装置、中间传动机构和夹紧元件组成，见图3.28。,动力装置是产生夹紧力的动力源，它产生原始动力。 夹紧力来自气动、液压和电力等动力源的，称为机动夹紧；夹紧力来自人力的，则称为手动夹紧。 中间传动机构是变原始作用力为夹紧力的中间传力环节，亦称为中间传力机构，

37、如铰链杠杆等。 夹紧元件是直接与工件接触的元件，如各种螺杆、压板等。 有时把夹紧元件和中间传动机构统称夹紧机构。 夹紧机构一般应满足以下要求： 夹紧时不能破坏工件的定位； 夹紧力应保证工件在整个加工过程中的位置稳定不变，不允许产生振动、变形和表面损伤； 夹紧机构的复杂程度、工作效率与生产类型适应，尽量做到结构简单，操作安全省力、方便； 具有良好的自锁性能。 为满足以上要求，必须正确设计夹紧机构。,必须合理地确定夹紧力的三要素：作用点、方向和大小。 1夹紧力作用点的选择 夹紧力作用点是指夹紧时，夹紧元件与工件表面的接触位置。它对工件夹紧的稳定性和变形有很大的影响。选择夹紧力作用点时，可从下面几点

38、考虑。 (1) 夹紧力作用点应处于支承元件上或几个支承元件所形成的支承平面内。 如图a所示夹紧力作用在支承面之外，会使工件倾斜或变形；而图b是合理的。,(2) 夹紧力作用点应处于工件刚性较强的部位上。刚性差工件的夹具尤应如此。如图3.30所示，作用点中间单点改为在两侧的两点，可避免工件变形，且夹紧也较为可靠。,(3) 夹紧力作用点应尽可能靠近加工面，可以增加工艺系统刚度。 如图3.31所示，同样的夹紧力Fc作用于O1点时比作用于O2点夹紧牢固。,2夹紧力方向的选择 夹紧力的方向是与工件定位基准所处的位置，以及工件所受外力的作用方向等有关。 考虑夹紧力方向时，应遵循的原则是： (1) 垂直于工件

39、的主要定位基面，以保证加工精度。 (2) 有利于减少所需要的夹紧力。,(1) 垂直于工件的主要定位基面，以保证加工精度 图3.32所示为工件在支架上镗孔的简图。被加工孔与端面A有一定的垂直度要求，夹紧力Fc垂直作用于主要定位基准A，如图a和图b所示，从而保证定位要求，又使工件定位稳定可靠。 如果被加工孔与端面B有一定的平行度要求，夹紧力Fc垂直作用于主要定位基准B，如图c和图d所示。,图 3.32 夹紧力应朝向主要定位基准 (2) 有利于减少所需要的夹紧力 图a中从工件上面夹紧，所需夹紧力小。 图b是从工件下面夹紧，所用夹紧力大。夹紧力小可以简化夹紧装置的结构和便于操作。,3夹紧力的大小 夹紧

40、力的大小，对工件装夹的可靠性，工件和夹具的变形，夹紧装置的复杂程度等都有着很大的影响。因此，在夹紧力的作用点和方向确定之后，还要恰当确定夹紧力的大小。 关于夹紧力大小计算，可按工件受力平衡条件，列出夹紧力的计算方程式，并从中求出所需的夹紧力。 实际工程中，准确计算夹紧力非常困难，这是因为这些作用力在平衡力系中对工件所起的作用并不相同。 如 加工中、小工件起主要作用的是切削力； 加工大型笨重工件时，还需要进一步考虑工件重力的作用； 工件在高速运动时，不能忽视离心力或惯性力对夹紧的影响。 考虑到切削力在加工过程中也是变化的。因此，夹紧力的计算是非常复杂，工程上普遍采用简化计算方法。,假设工艺系统是

41、刚性的，切削过程是稳定不变的；只考虑切削力（或切削力矩）等主要作用力对夹紧力的影响，并然后找出加工过程中对夹紧最不利的状态，按力平衡原理求出夹紧力；最后为保证夹紧力可靠，再乘以安全系数K作为实际所需的夹紧力数值，即 考虑到切削力的变化和工艺系统变形等因素，一般在粗加工夹具取K=2.53；精加工夹具取K=1.52。 在实际夹具设计中，对夹紧力的大小并非在所有情况下都要用计算确定。 对手动夹紧机构，常根据经验或用类比的方法确定所需夹紧力。 当需要较准确地确定夹紧力大小时，如气动、液压传动装置或夹紧容易变形的工件，对夹紧状态进行受力分析，估算夹紧力的大小。,3.3.2 常用典型夹紧机构,在确定所需夹

42、紧力的作用点、方向和大小之后，接着需要具体设计和选用夹紧装置来实现夹紧方案。 在各种夹紧装置中，不论采用何种力源（手动或机动）形式，一切外加力的作用都要转化为夹紧力，并通过夹紧机构来实现夹紧。 下面介绍几种常用夹紧机构的典型结构、作用原理和应用范围等。,图3.34是具有斜楔夹紧机构的钻床夹具。斜楔在外力的作用下，以夹紧力直接夹紧工件。斜楔所产生的夹紧力 式中，Fc为夹紧力，单位N；F为原始作用力，单位N；1为工件与斜楔间的摩擦角，单位()；2为夹具体与斜楔间的摩擦角，单位()。,斜楔的自锁条件是 一般钢的摩擦系数约为0.10.15，则=58，故，为了安全，通常取=57。 斜楔夹紧机构具有增力作

43、用，当外加一个较小作用力时，可获得比大好几倍的夹紧力。 夹紧力和原始外力之比，称为扩力比（或称增力系数），即ic=Fc/F。斜楔夹紧机构的扩力比ic=3。 升角愈小，增力越大；而升角的选取还与斜楔的夹紧行程有关。 夹紧力的增加倍数和夹紧行程的缩小倍数正好相等，即夹紧力增大多少倍，夹紧行程就缩小多少倍，这是斜楔夹紧机构的一个重要特性。,在实际生产中，手工操作的简单斜楔夹紧机构应用较少。但是利用斜楔与其它机构组合为夹紧工件的机构却用的比较普遍，如图3.35所示的气动斜楔夹紧机构。,2螺旋夹紧机构 螺旋夹紧机构的结构简单，夹紧可靠，在夹具中得到广泛的应用。 螺旋夹紧工件的形式有两种。 如图a所示，螺

44、钉头部与工件表而直接接触，这种方式的缺点是容易使工件产生移动。 如图b所示，螺杆的头部通过活动压块与工件接触，这种方式可以防止在夹紧时带动工件转动，并避免螺钉头部与工件接触面产生压痕。 螺旋夹紧的缺点是动作慢，夹紧费时。在生产中，它常与其它机构联合使用，如组成螺旋压板夹紧机构，并采用快速装卸机构。,较典型的三种螺旋压板夹紧机构。 图a 所示机构的扩力比最小；,图b所示机构的扩力比适中;,图c 所示机构的扩力比最大，但结构受工件形状限制。,螺旋夹紧机构的夹紧力为 Fc为夹紧力，单位N； F为原始作用力； L为手柄长度； r1 为螺钉头部与工件（或压块）间的当量摩擦半径； d0为螺纹中径； 为螺旋

45、升角，单位()； 1为螺杆头部与工件（或压块）间的摩擦角，单位()； 2为螺旋副的摩擦角，单位()。 螺旋夹紧机构也是扩力机构，其扩力比较大，一般可达=60100。,当量摩擦半径与螺钉端部的几何形状有关。,图(a)为点接触 r1 =0；,图(b)为平面接触 r1 =2r/3；,图(c)为锥面接触， r1 =Rctg(/2),3偏心夹紧机构 偏心夹紧机构是斜楔夹紧机构的又一种变型。它是通过偏心零件直接夹紧或与其它元件组合而实现夹紧工件的。 偏心零件一般有圆偏心和曲线偏心两种，常用的是圆偏心（偏心轮或偏心轴）。圆偏心夹紧机构具有结构简单，动作迅速等优点，但它的夹紧行程受偏心矩的限制，夹紧力也较小，

46、故一般适用于工件被夹压表面的尺寸公差较小和切削过程中振动不大的场合。,圆偏心的特性可用图3.40来说明，圆偏心直径为D，其旋转中心O2与外圆中心O1间的距离为偏心距e。当转动手柄后，由于转动轴心O2至圆偏心轮工作表面上各点的距离是不相等的，就相当于一个弧形楔卡紧在基圆和工件受压表面之间而产生夹紧作用。 P点为偏心转轴中心与圆心连线处于水平位置时的夹紧接触点,如图3.40(a)所示。,图3.40(a),将偏心的弧形楔轮廓线展开，得到如图3.40(b)所示的曲线斜楔。曲线上任意点的斜率即为该点的斜楔升角，其数值是一变值。M点的升角最小，随着圆偏心旋转角度的增加，升角逐渐增大，当转动到P点附近时，升

47、角为最大值。 一般常取P点左右30作为偏心轮的工作表面。因为这段曲线接近于直线，升角的变化较小，夹紧较稳定。,图3.40(b),分析计算圆偏心的夹紧力时，可将圆偏心近似看成假想的斜楔。 则，作用于手柄上的原始力矩见下式 Fc为夹紧力，单位N； F为偏心圆手柄上的原始作用力，单位N； L为转动轴心至原始作用力作用点的距离，单位m； 为转动轴心至夹紧点P间的回转半径，单位m； 1为圆偏心轮与工件间的摩擦角，单位()； 2为圆偏心转轴处摩擦角，单位()。,如取 ， 而 力臂L(22.5)D， 则扩力比,，,圆偏心夹紧机构也必须具有自锁功能。圆偏心夹紧自锁条件是 一般钢的摩擦系数 圆偏心夹紧自锁条件为,4定心夹紧机构 定心夹紧机构（亦称自动定心机构），它能在实现定心（定位基准与工序基准重合）作用的同时，又起着将工件夹紧的作用。在定心夹紧机构中，与工件接触的元件既是定位元件，又是夹紧元件。 这种机构能使定位夹紧元件等速趋近或退离工件，所以能将定位基面的误差沿径向或沿对称面对称分布，从而使工件的轴线、对称中心不产生位移，实现定心夹紧作用。常用的三爪卡盘就是一种定心夹紧夹具。 定心夹紧机构的结构型式很多，但就其工作原理而言，可分为两大类。,1) 按定心夹紧元件等速移动原理工作的机构 图3.41所示为齿条传动的虎钳式定心夹紧机构，常在打中心孔机床上