第0章夹具基础.ppt

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1、机床夹具设计,数控技术专业课程,(绪论)基础知识,0-1、机床夹具的发展过程与发展趋势 0-2、工件安装 0-3、工件自由度 0-4、机床夹具的组成及分类 0-5、工件的加工精度与夹具的关系 0-6、机床夹具总体方案设计 （含设计步骤、总图绘制、标注要求） 0-7、几种常见机床夹具的设计要点 0-8、夹具公差配合的制定与误差分析（略）,机床夹具发展过程三阶段： 生产辅助工具（从个体加工时间上考虑提高加工工效） 提高生产率阶段 人与机床之间的桥梁（从整体加工上考虑提高加工工效） 改进工作方法与机床性能阶段 夹具与机床结合（夹具成为机械加工中不可缺少的工艺装备） 实现生产工艺的手段之一 机床夹具的

2、发展趋势： 高精度 高效率 模块化、组合化 柔性化 便捷化,0-1、机床夹具的发展过程与发展趋势,工件安装将工件可靠地连接到机床上，并占有正确的加工位置的过程。 工件安装包含工件的定位、夹紧和夹具对定三部分。 定位：是指使工件在夹具中占有预期正确位置的动作过程。它的作用是确保位置的正确性和准确性。强调在加工过程中要长时间维持位置的精度。 对于单个工件而言，定位是为了保证这一个工件处于正确的空间位置； 对于一批工件，定位是为了保证整批工件处于同一加工工位上且是正确（满足加工需要）空间位置。 定位的精度取决于定位元件的精度、刚度等。,0-2、工件安装,夹紧： 是指使工件在加工过程中保持其位置稳定不

3、变的动作过程。它的作用是在承受切削力的作用下维持工件位置不动。强调的是位置的稳定牢固性。,夹紧：保持工件的正确加工位置的过程,要注意定位和夹紧是两个不同的概念。,在夹具设计中，通常分别设计有定位装置和夹紧装置来单独的执行定位和夹紧的任务。但有时候，为了使得夹具更加简单、操作方便，在保证了必要的定位精度、刚度的前提下，也可以把定位和夹紧功能合二为一。,对定：夹具相对刀具、工件形成正确的空间位置过程。,对定概念的理解：（三层含义）,夹具相对于机床位置的正确安装 夹具相对于刀具预定位置的正确性 夹具自身转位分度的准确性,对定精度取决于对定元件的配制、调整精度， 取决于夹具与机床的连接安装质量。,一、

4、六点定则： 用合理分布的六个支承点限制工件六个自由度的法则。,三个位置自由度,三个角度自由度,0-3、工件自由度, 完全定位：定位元件恰当地限制了工件的六个自由度的定位。, 不完全定位：满足加工要求而又无需限制全部自由度的定位。, 过定位：两个或更多的定位元件同时限制某一个自由度的定位。, 欠定位：实际限制的自由度数目少于应该限制的自由度数目，使工件不能正确定位的定位。,欠定位在生产中是不允许的。,二、定位基准,（1）定位基准选择原则 基准统一原则：各加工工序之间的定位基准尽量统一。 基准重合原则：工件的定位基准与本工序的工序基准尽量重合。 互为基准原则：两个加工面互相作为对方加工面的定位基准

5、。 自为基准原则：利用本工序刀具的成形切削运动来加工出最终的定位基准面。,设计基准设计图样上所采用的基准。 工艺基准加工、测量、装配过程中使用的 基准。又分为定位基准、测量基准、装配基准 、工序基准。,在加工工序中用于工件定位的基准，称为定位基准。,在加工中或加工后用来测量工件时采用的基准，称为测量基准,在装配时用来确定零件或部件在产品中相对位置所采用的基准，称为装配基准,在某工序加工中（含工序图）使用的基准，称为 工序基准,（2）基准类型,选择定位基准主要是为了保证零件加工表面之间以及加工表面与未加工表面之间的相互位置精度。 定位基准分为：粗基准、精基准、辅助基准 以未加工过的表面进行定位的

6、基准称粗基准，也就是第一道工序所用的定位基准为粗基准。 以已加工过的表面进行定位的基准称精基准。 该基准在零件的装配和使用过程中无用处，只是为了便于零件的加工而设置的基准称辅助基准，如轴加工用的顶尖孔等,（三）粗基准的选择 1）选择要求加工余量小而均匀的重要表面为粗基准，以保证该表面有足够而均匀的加工余量。 2）某些表面不需加工，则应选择其中与加工表面有相互位置精度要求的表面为粗基准。 3）选择比较平整、光滑、有足够大面积的表面为粗基准，不允许有浇、冒口的残迹和飞边，以确保安全、可靠、误差小。 4）粗基准在一般情况下只允许在第一道工序中使用一次，尽量避免重复使用。因为粗基准的精度和粗糙度都很差

7、，如果重复使用，则不能保证工件相对刀具的位置在重复使用粗基准的工序中都一致，因而影响加工精度。,三、夹紧力选择原则（略） 主要夹紧力的方向应尽量指向工件的主定位基准面； 夹紧力的方向应尽量与切削力、重力方向一致； 夹紧力作用点尽量加在刚度大的部位上； 夹紧力作用点应落在支承面内； 夹紧力作用点应尽量靠近加工面。,影响夹紧力大小的主要因素是切削力，一般采用类比法、估算法计算夹紧力。,（一）、定位元件要求： 足够的精度、强度、刚度、以及良好的耐磨性、工艺性。,（二）、常用材料： 低碳钢 20钢 表面渗碳淬火 高碳钢 T8钢 淬火,四、常见定位方式、定位元件、定位符号,平面定位：支承钉、支承板、自位

8、支撑 可调支撑、辅助支撑 孔定位： 定位销、定位心轴、锥销类 三爪卡盘，弹簧夹头 外圆定位：V形块、定位套、外拔顶尖 三爪卡盘，弹簧夹头 组合定位方式：导轨面定位、燕尾槽定位 齿面定位、一面二销定位,（三）常用定位元件,机械加工定位符号,固定式定位点,活动式定位点,辅助定位点,在视图正面,（四）工序卡中定位、夹紧的符号及其标注,机械加工夹紧符号,机械夹紧,液压夹紧,气动夹紧,电磁夹紧,Y,D,Q,主轴箱固定顶尖，床尾浮动顶尖定位的外圆机械夹紧,工序卡中定位、夹紧符号的标注,Y,外圆带端面定位，液压夹紧,三爪卡盘夹紧工件,工序卡中定位、夹紧符号的标注,弹簧夹头定位夹紧,气动弹性心轴定位、夹紧，带

9、端面定位,Q,工序卡中定位、夹紧符号的标注,一、按通用特性分类 通用夹具、专用夹具、拼装夹具等。卡爪、虎钳分度头等。 按使用机床分类： 车床、铣床、刨床、钻床、镗床、磨床夹具等。 按夹紧动力源分类： 手动、气动、液动、电动夹具等。,0-4、机床夹具的组成及分类,二、机床夹具的组成： 定位装置：工件在夹具中的正确位置 夹紧装置：保持工件在加工过程中位置不变 对刀装置：确定刀具与工件加工表面的位置 对定装置：夹具与机床位置的确定 其他装置：辅助支撑、分度装置、护油装置等 夹具体：基础件 连接件：各种紧固件、连接板（可略）,对夹紧装置的基本要求 （1）保证加工精度，不破坏工件定位或产生不允许的夹紧变

10、形； （2）保证生产率、力求夹紧迅速； （3）结构简单紧凑，制造维修方便，尽量采用标准件； （4）操作方便、省力、安全。,三、常见的夹紧机构,1、斜楔夹紧机构： 斜楔的楔角是斜楔夹紧机构的主要参数，它对斜楔的增力比、自锁性、夹紧行程及操作性能都起决定性的作用。,为了保证加在斜楔上的作用力去除后，工件仍能可靠地被夹紧而不松开，必须使夹紧机构具有自锁能力。,为保证自锁可靠，手动夹紧机构一般取=68。用气压或液压装置驱动的斜楔不需要自锁，可取=1535。,工程上的自锁性斜面和锥面的斜度常取1:10,快速螺旋夹紧机构,2、螺旋夹紧机构：由螺钉、螺母、垫圈、压板等元件组成的夹紧机构，增力比很大，自锁性很

11、好 。,各式螺旋压板机构,圆偏心压板机构,3、偏心夹紧机构：偏心夹紧的实质还是斜楔的作用。,偏心轮的自锁偏心距取轮径的1/201/14,1、5-滑座; 2、4-V形块钳口; 3-调整杆; 6-双向螺杆 图 4-37 螺旋式定心夹紧机构,4、定心、对中夹紧机构,1-心轴; 2-弹性套筒; 3-锥套; 4-螺母 图 4-38 弹簧筒夹,1-工件; 2-浮动压板; 3-活塞杆 图 4-39 单件对向联动夹紧机构,4、联动夹紧机构 夹紧的动力：人工手动、气动、液压、电动等。,为了及时排除切屑，防止切屑积聚过多将钻套顶出、划伤工件甚至折断钻头，应恰当留出排屑空间s，但s过大又会使刀具的引偏量增大。一般按

12、经验公式选取：s=(01.5)d，系数选取原则是：崩碎切屑选小，带状切屑选大; 加工深孔可让切屑从钻头螺旋槽排出，系数越小越好; 弧面、斜面钻孔，系数越小越好, 最好为零。,钻套,0-5、工件的加工精度与夹具的关系,（见书P5页，略） 夹具保证加工要求原理： 某工序的夹具保证的加工要求由刀具、夹具、机床、工件之间的正确位置加以保证。 因为定位装置、对刀装置、对定装置都是安装在夹具上的，即以夹具作为媒介。,1. 了解设计任务和本工序加工要求 这是具体设计前的准备。首先分析研究工件的结构特点、工艺规程、材料、生产规模和本工序加工表面、加工余量及加工要求，然后收集加工中所用设备、刀具以及与夹具设计有

13、关的资料，并了解工厂制造、使用夹具的情况以及国内外新技术、新工艺的应用，以便吸收其先进技术并应用于生产。,0-6、专用夹具设计步骤、设计要点 (含夹具精度校核、技术要求、总图绘制、标注),2. 拟定夹具结构方案，绘制结构草图 拟定结构方案时要解决如下问题： (1) 确定工件的定位方案，选择定位装置。 (2) 确定工件的夹紧方案，选择夹紧装置。 (3) 确定对定、对刀方案， 确定其他元件及装置的结构形式，如对刀装置、导引装置、分度装置、定向键等。 (4) 其它装置和机构的设计（辅助支撑、操作件等） (5)考虑各种装置、元件的布局和连接方法，确定夹具体的总体结构。总体结构，最好考虑几个方案，从中选

14、取最合理的方案。 (6) 检查夹具零部件的可维修性和易损件的可换性等。 (7) 拟订、修改结构草图,3. 绘制夹具总装图 夹具总装图应遵循国家制图标准来绘制，绘图比例尽量采用11。总图必须能够清楚地表达夹具的工作原理和整体结构，表示各种装置、元件相互位置等。主视图应取操作者实际工作时的位置，以作为装配时的依据并供使用时参考。 绘制总图的顺序一般是：工件定位元件引导元件夹紧装置其他装置夹具体。 需要说明的是，夹具中工件的轮廓应用双点划线画出，并视为假想透明体，不影响其他元件的绘制。,4. 确定并标注有关尺寸和夹具的技术条件 标注的尺寸一般包括： (1) 最大轮廓尺寸。指夹具的长、宽、高的最大值或

15、最大回转直径和厚度。如果夹具中有活动部分，应用双 点划线标出最大活动范围。 (2) 影响定位精度的尺寸和公差。主要指工件与定位元件的配合尺寸和公差以及定位元件之间的尺寸和公差。 (3) 影响对刀精度的尺寸和公差。主要是指刀具与对刀元件(如对刀块)或刀具与导向元件(如钻套、镗套)之间的尺寸和公差。,(4) 影响夹具精度的尺寸和公差。主要是指定位元件、对刀或导向元件、夹具安装基面三者之间的位置尺寸和公差。 (5) 影响夹具在机床上安装精度的尺寸和公差。它们主要是指夹具安装基面与机床相应的配合表面之间的尺寸和公差。如铣床夹具中的定位键与夹具体和机床工作台T形槽的配合尺寸和公差、车床夹具安装基面和主轴

16、配合表面的配合尺寸和精度等。,(6) 其他重要尺寸和公差。主要是指一般机械设计中应标注的一些尺寸、公差，如铰链轴和孔的配合、钻套的衬套和钻模板之间的配合等。 上述应在夹具总图上标注的尺寸和位置公差项目中的(2)(5)项均会直接影响工件的加工精度，其公差取值应根据产量大小、加工精度要求的高低，按下面公式选取： TK=(1/21/5)TG 式中：TK夹具装配图上标注尺寸或位置公差; TG与TK相应的工件上的尺寸或位置公差。 另外，有些在夹具装配图中无法用符号标注而又必须给予说明的问题，可作为技术要求用文字写在总图的空白处，如几个支承钉采用装配后再磨削达到等高、夹具使用时的操作顺序、装配时修磨调整垫

17、圈等。,5. 夹具精度分析 当夹具的结构方案确定后，就应对夹具的方案进行精度分析和估算，以确保工件的加工精度。在夹具总装图设计完成之后，有必要根据夹具有关元件在总装图上的配合性质和技术要求等，再进行一次详细复算，这也是夹具校核者必须进行的一项工作，尤其是对于关键工序所使用的夹具。,工件在夹具中加工时，影响加工精度的因素主要包括：定位误差D、对刀误差T、夹具安装误差A、夹具本身误差J以及加工方法误差G，其中前四项均与夹具有关，可分别计算，第五项一般根据经验取工件公差TG的1/3，这样，在夹具中加工某工件时的总误差为上述各项误差之和。所以，保证该工序加工精度的条件是： 即工件的总加工误差应小于工件

18、加工尺寸公差TG。满足上述条件，说明夹具的精度是能满足工序加工精度要求的，否则就要重新确定夹具的制造精度甚至更改方案。,6. 编写零件明细表和标题栏 7. 绘制夹具零件图 夹具中非标准零件都需绘制零件图，在确定这些零件的尺寸、公差或技术要求时，应注意使其满足夹具总图的要求。,一、车床夹具 1、车床夹具设计要点： （1）夹具与机床对接方式： （a）用莫氏锥度手柄与车床主轴孔对接； （b）用法兰盘与车床花盘对接； （c）用两顶尖或用一夹一顶方式安装； （d）以车床拖板为安装面安装夹具本体； （2）加工要素的回转中心与主轴中心要一致 （3）夹具上最大轮廓尺寸与重要配合尺寸的标注； 与机床回转直径的关

19、系 （4）配重装置的设计,0-7、常见机床夹具的设计应用要点,2、夹具与车床关联尺寸,由于不同工厂生产的同类机床规格、尺寸存在差异，设计者应深入现场实地测量、核实来确定夹具与机床的联系尺寸。,3、常用车床夹具类型,主要有两类： 1、安装在车床主轴上的 如心轴类、顶尖类、卡盘类、花盘角铁类 2、安装在拖板或床身上的 如靠模、用旋转刀镗孔的夹具,心轴类： 常见的有花键心轴、弹簧心轴、锥度心轴 注意定心方式 夹紧力较小，一般保证同轴度、圆跳动等位置公差。,顶尖类：,卡盘类： 夹紧力大，自动（或非自动）定心,花盘类： 注意：配重 （静平衡与动平衡）,花盘角铁类：,其他附件：,中心架,其它附件,其它附件

20、,二、铣床夹具 1、铣床夹具的设计要点： （1）夹具与机床对接方式： （a）在工作平台上安装夹具体； （b）在分度头上安装夹具体； （c）在回转台上安装夹具体； （d）在工作平台上直接安装工件； （2）对定键的设计与选用； （3）快速对刀装置的设计与选用；对刀块工作面与定 位基准的位置关系的调整方案； （4）装卸方便、具有良好自锁性和抗震性的夹紧装置； （5）大型铣夹具的吊装装置；,2、夹具与铣床关联尺寸 主要包括铣床工作空间尺寸 和铣床工作台T型槽尺寸,2、夹具与铣床关联尺寸 主要包括铣床工作空间尺寸 和铣床工作台T形槽尺寸,需要实地测量验证,3、常见铣床夹具类型： 铣床夹具按铣削的进给方式

21、分： 直线进给式； 回转进给式； 曲线靠模进给式；,分度头,万能分度头的结构,1分度手柄 2分度盘 3顶尖 4主轴 5转动体 6底座 7扇形夹,图1为常用的分度头结构，主要由底座、转动体、分度盘、主轴等组成。主轴可随转动体在垂直平面内转动。通常在主轴前端安装三爪卡盘或顶尖，用它来安装工件。转动手柄可使主轴带动工件转过一定角度，这称为分度,三、钻床夹具 1、钻床夹具的设计要点： （1）夹具与机床对接方式： （a）在工作平台上安装夹具体； （b）在分度头上安装夹具体； （c）在回转台上安装夹具体； （d）在工作平台上直接安装工件； （2）钻套的设计与选用； （3）钻套的轴线与定位基准的位置关系的调

22、整措施； （4）夹具的有效工作高度或深度与钻床参数的匹配；,2、夹具与钻床关联尺寸,3、常见钻床夹具类型： 固定式、回转式、 移动式、翻转式、 盖板式、滑柱式等钻模夹具,四、镗床夹具 1、镗床夹具的设计要点： （1）夹具与机床对接方式： （a）在工作平台上安装夹具体； （b）在工作平台上直接安装工件； （2）镗模支架的设计； （3）镗杆与镗刀的设计； （4）镗套孔轴线与定位基准的位置关系； （5）快速找正基准面的设计； （6）大型铣夹具的吊装装置；,五、齿轮机床夹具 1、齿轮机床夹具的设计要点： （1）夹具与机床对接方式： （a）在回转工作平台上安装夹具体； （b）在工作平台上直接安装工件；

23、（2）夹具高度与刀具行程的匹配； （3）为便于齿形测量，加工基准与测量基准尽量统一；,0-8、夹具公差配合的制定与误差分析（略）,主要包括内容： 一、夹具公差配合的制定 二、定位误差分析 三、夹紧力的计算 四、对定误差分析,制定夹具公差与技术条件的基本原则 1、为了保证工件的加工精度，应使夹具的定位、制造、及调整误差的总和，不超过工序公差的三分之一； 2、为了延长夹具的寿命和增加可靠性，必须考虑夹具使用中磨损的补偿问题。在不增加制造难度的条件下，应该把夹具公差尽量定得小一些。 3、夹具中与工件尺寸有关的尺寸公差，不论工件尺寸是单向的或双向的，都应该化为双向对称的公差。夹具的基本尺寸取工件的平均

24、尺寸，再根据工件尺寸公差确定该尺寸的制造公差。 4、夹具中的尺寸公差和技术要求，应分别表示清楚；凡注有公差的部位，一定要有相应的检验基准。 5、当装配夹具时采用调整法或修配法，则可适当放大夹具零件的制造公差。,一、夹具公差配合的制定（略）,机床夹具公差与被加工工件公差的关系（略）,夹具上常用配合的选择,车床、外圆磨床夹具的主要技术条件（略）,常以工件的内孔或外圆表面作为定位基准，夹具上的基本尺寸是工件基准孔的最小尺寸。,车、磨床夹具径向全跳动公差,其他的位置公差如同轴度、垂直度、对称度、平行度等以此为参考。,钻、镗床夹具的主要技术条件（略）,为防止刀具与钻套咬死，要合理选择钻套； 一般钻、扩孔

25、钻套内径选F7，绞孔选G7。,导套中心对夹具安装基准面得相互位置要求（mm/100mm）,导套中心距或导套中心到定位基准面间的制造公差（mm）,铣床、刨床、平面磨床夹具的主要技术条件（略）,按工件公差确定夹具对刀块到定位表面制造公差（mm）,对刀块工作面、定位表面和定位键侧面间的技术要求,二、定位误差分析（略）,（这里不考虑刀具磨损、工艺系统弹性变形、热变形） 定位误差就是工件定位时，工序基准在工序尺寸上的最大位置变动量。 引起工序基准位置变动的主要原因是： （1）定位基准与工序基准不重合误差： 即其工序基准位置的最大变动量为定位基准至工序基准间尺寸（定位尺寸）的公差，用jb表示。 （2）定位

26、基准位移误差： 即定位元件的制造误差或定位基准与定位元件间的配合间隙，用jw表示。,夹具的定位误差D为基准不重合误差和基准位移误差在工序尺寸方向上的投影之和。 即： D= jbcos jwcos 一般情况下，定位误差的数值应控制在工件相应尺寸公差的三分之一的范围内。,三、夹紧力的计算（略）,计算夹紧力时，通常将夹具和工件看成一个刚性系统。根据工件所受切削力、夹紧力（及惯性力）的作用情况，找出在加工过程中对夹紧最不利的瞬时状态，按静力平衡原理计算出理论夹紧力。最后为保证夹紧可靠，再乘上安全系数，作为实际所需夹紧力的数值。 即：Wk=WK 式中Wk-实际所需夹紧力（N） W -理论夹紧力（N） K

27、 -安全系数（查手册选取） 对于机动夹紧机构，再根据实际所需夹紧力Wk计算出原动力Q，并确定动力装置的有关参数。,四、对定误差分析（略）,1、对定误差的组成 为了保证工件相对于刀具及切削成形运动具有正确的位置，除工件在夹具中正确定位外，还需要使夹具与机床连接或配合时使用的夹具定位表面相对于刀具及切削成形运动处于理想的位置，这种过程称为夹具的对定。因夹具对定而产生的加工误差称为对定误差，用DD表示。,对定误差一般由以下三个部分组成： （1）夹具在机床上定位产生的误差，称为夹具位置误差， 用w表示； （2）因为对刀产生的误差，称为对刀误差，用a表示； （3）因分度或转位产生的误差，称为转位误差，用

28、z 表示； 所以，夹具的对定误差即为上述三项误差的总和：,按概率法叠加,2、对定误差的计算 （1）夹具位置误差 影响夹具位置误差的因素主要有：夹具定位而与机床连接处的配合间隙，以及夹具定位元件工作表面与夹具定位面间的位置误差等。 （2）对刀误差 影响对刀误差的因素主要有：对刀装置相对于夹具定位元件工作表面间的位置误差，以及刀具相对于对刀元件间的位置误差，包括对刀时的测量误差和刀具与导套的配合间隙等。 （3）转位误差 影响转位误差的因素主要有：夹具分度或转位装置的制造误差，以及对定装置的配合间隙等。,2、对定误差的计算 对定误差即为上述各项误差的总和。在分析计算各项误差时，如果影响因素较多，则可分别求出各项因素所引起的误差，然后按概率法叠加。 一般情况下，对定误差的大小应控制在工件相应公差的三分之一范围内。对于没有定位误差的场合，对定误差也可控制在工件相应公差的三分之二范围内。,