1、第五章 机床夹具设计零件在工艺规程制定之后，就要按工艺规程顺序进行加工。加工中除了需要机床、刀具、量具之外，成批生产时还要用机床夹具。它们是机床和工件之间的联结装置，使工件相对于机床或刀具获得正确位置。机床夹具的好坏将直接影响工件加工表面的位置精度，所以机床夹具设计是装备设计中一项重要的工作，是加工过程中最活跃的因素之一。第一节机床夹具的功能和应满足的要求一、机床夹具的功能(1) 保证加工精度 工件通过机床夹具进行安装，包含了二层含义：一是工件通过夹具上的定位元件获得正确的位置，称为定位；二是通过夹紧机构使工件的既定位置在加工过程中保持不变，称为夹紧。这样，就可以保证工件加工表面的位置精度，且
2、精度稳定。(2) 提高生产率 使用夹具来安装工件，可以减少划线，找正、对刀等辅助时间，采用多件、多工位夹具，以及气动、液压动力夹紧装置，可以进一步减少辅助时间，提高生产率。(3) 扩大机床的使用范围 有些机床夹具实质上是对机床进行了部分改造，扩大了原机床的功能和使用范围。如在车床床鞍上安放镗模夹具，就可以进行箱体零件的孔系加工。(4)减轻工人的劳动强度，保证生产安全。二、机床夹具应满足的要求机床夹具应满足的基本要求包括下面几方面：(1) 保证加工精度这是必须做到的最基本要求，其关键是正确的定位、夹紧和导向方案，夹具制造的技术要求，定位误差的分析和验算。(2) 夹具的总体方案应与年生产纲领相适应
3、在大批量生产时，尽量采用快速、高效的定位、夹紧机构和动力装置，提高自动化程度，符合生产节拍要求。在中、小批量生产时，夹具应有一定的可调性，以适应多品种工件的加工。(3) 安全、方便、减轻劳动强度机床夹具要有工作安全性考虑，必要时加保护装置。要符合工人的操作位置和习惯，要有合适的工件装卸位置和空间，使工人操作方便。大批量生产和工件笨重时，尽可能减轻工人劳动强度。(4) 排屑顺畅机床夹具中积集切屑会影响到工件的定位精度，切屑的热量使工件和夹具产生热变形，影响加工精度。清理切屑将增加辅助时间，降低生产率，因此夹具设计中要给予排屑问题充分的重视。(5) 机床夹具应有良好的强度、刚度和结构工艺性 机床夹
4、具设计时，要方便制造、检测、调整和装配，有利于提高夹具的制造精度。第二节 机床夹具的类型和组成一、机床夹具的类型机床夹具有多种分类方法，如按夹具的使用范围来分，有下面五种类型：(1) 通用夹具 例如车床上的卡盘，铣床上的平口钳、分度头，平面磨床上的电磁吸盘等，这些夹具通用性强，一般不需调整就可适应多种工件的安装加工，在单件小批生产中广泛应用。(2) 专用夹具 因为它是用于某一特定工件特定工序的夹具，称为专用夹具。专用夹具广泛用于成批生产和大批量生产中。本章内容主要是针对专用夹具的设计展开的。(3) 可调整夹具和成组夹具 这一类夹具的特点是具有一定的可调性，或称“柔性” 。夹具中部分元件可更换，
5、部分装置可调整，以适应不同工件的加工。可调整夹具一般适用于同类产品不同品种的生产，略作更换或调整就可用来安装不同品种的工件。成组夹具适用于一组尺寸相似、结构相似、工艺相似工件的安装和加工，在多品种、中小批量生产中有广泛的应用前景。(4) 组合夹具 它是由一系列的标准化元件组装而成，标准元件有不同的形状，尺寸和功能，其配合部分有良好的互换性和耐磨性。使用时，可根据被加工工件的结构和工序要求，选用适当元件进行组合连接，形成一专用夹具。用完后可将元件拆卸、清洗、涂油、人库，以备后用。它特别适合单件小批生产中位置精度要求较高的工件的加工。(5) 随行夹具 这是一类在自动线和柔性制造系统中使用的夹具。它
6、既要完成工件的定位和夹紧，又要作为运载工具将工件在机床间进行输送 t 输送到下一道工序的机床后，随行夹具应在机床上准确地定位和可靠地夹紧。一条生产线上有许多随行夹具，每个随行夹具随着工件经历工艺的全过程，然后卸下已加工的工件，装上新的待加工工件，循环使用。二、机床夹具的基本组成现以装夹扇形工件的钻、铰孔夹具为例说明机床夹具的基本组成。图 51 是扇形工件简图，加工内容是三个8H8 孔，各项精度要求如图所示。本工序之前，其它加工表面均已完成。图 52 为装夹上述工件进行钻、铰孔工序的钻床夹具。工件的定位是22H7 孔，它与定位销 2 的小圆柱面配合，工件端面 A 与定位销轴 2 的大端面靠紧，工
7、件的右侧面靠紧挡销 3。工件的夹紧是拧动螺母 10，通过开口垫圈将工件兜紧在定位销轴 2 上。件 12 是钻模套，钻头由它引导对工件加工，以保证加工孔到端面 A 的距离、孔中心与且面的平行度、以及孔中心与22H7 孔中心的对称度。三个8H8 孔的分度是由固定在定位销轴 2 的转盘 11 来实现的。当分度定位销 5 分别插入转盘的三个分度定位套 4、4和 4时，工件获得三个位置，来保证三孔均布 20士 10的精度。分度时，拧动手柄 7，可松开转盘 11，拔出分度定位销 5，由转盘 11 带动工件一起转过 20后，将定位销 5 插入另一分度定位套中，然后顺时针拧动手柄 7，将工件和转盘夹紧，便可加
8、工。通过该夹具的介绍，我们可以把夹具的组成归纳如下几部分：(1) 定位元件及定位装置 用于确定工件正确位置的元件或装置，如图 52 中的定位销轴 2和挡销 3。(2) 夹紧元件及夹紧装置 用于固定工件已获得的正确位置的元件或装置，如图 5 2 中的螺母 10 和开口垫圈 9。(3) 导向及对刀元件 用于确定工件与刀具相互位置的元件，如图 5 2 中的钻模套 12，铣床夹具中常用对刀块来确定刀具与工件的位置。(4) 动力装置 图 52 是手动夹具，设有动力装置。在成批生产中，为了减轻工人劳动强度，提高生产率，常采用气动、液动等动力装置。(5) 夹具体 用于将各种元件、装置联接在一体，并通过它将整
9、个夹具安装在机床上，如图52 中的 13。(6) 其它元件及装置 根据加工需要来设置的元件或装置，如图 52 中的转盘 11，分度定位套 4、分度定位销 5。叉如铣床夹具中机床与夹具的对定，往往在夹具体底面安装两个定向键等等。以上所述，是机床夹具的基本组成。对于一个具体的夹具，可能略少或略多一些，但定位、夹紧和夹具体三部分一般是不可缺少的。第三节 机床夹具定位机构的设计一、工件的定位在制定工件的工艺规程时，已经初步考虑了加工中工艺基准问题，有时还绘制了工序简图。设计夹具时位基准。无论是工艺基准还是定位基准，均应符合六点定位原理(一) 六点定位原理 、一个物体在三维空间中可能具有的运动，称之为自
10、由度。在 OXYZ 坐标系中，物体可以有沿X、Y、Z 轴的移动及绕 X、Y、Z 轴的转动，共有六个独立的运动，即有六个自由度。所谓工件的定位，就是采取适当的约束措施，来消除工件的六个自由度，以实现工件的定位。图 53 是长方体工件的定位，图 54 是圆盘工件的定位，图 55 是轴类工件的定位。六点定位原理是采用六个按一定规则布置的约束点，限制工件的六个自由度，使工件实现完全定位。图 53、图 54 和图 55 所示都是完全定位的实例。在夹具设计中，小的支承钉我们可以直接作为一个约束。但由于工件千变万化，代替约束的定位元件是多种多样的。各种定位元件可以代替哪几种约束，限制工件的哪些自由度，以及它
11、们组合可以限制的自由度情况，对初学者来说，应反复分析研究，熟练掌握。表 5 一 l 是常见定位元件的定位分析。(二) 完全定位和不完全定位根据工件加工表面的位置要求，有时需要将工件的六个自由度全部限制，称为完全定位。有时需要限制的自由度少于六个，称为不完全定位。如在平面磨床上磨长方体工件的上表面，工件上表面只要求保证上下面的厚度尺寸和平行度，以及上表面的粗糙度，那么此工序的定位只需限制三个自由度就可以了，这是不完全定位。在加工中，有时为了使定位元件帮助承受切削力、夹紧力，为了保证一批工件进给长度一致，减少机床的调整和操作，常常会对无位置尺寸要求的自由度也加以限制，只要这种定位方案符合六点定位原
12、理，是允许的，有时也是必要的。(三) 定位的正常情况与非正常情况根据加工表面的位置尺寸要求，需要限制的自由度均已被限制，这就称为定位的正常情况，它可以是完全定位，也可以是不完全定位。根据加工表面的位置尺寸要求，需要限制的自由度没有完全被限制，或某自由度被两个或两个以上的约束重复限制，称之为非正常情况，前者又称为欠定位，它不能保证位置精度，是绝对不允许的。后者称为过定位(或重复定位、超定位) ，加工中一般是不允许的，它不能保证正确的位置精度。在以下两种特殊场合，过定位是允许的。1) 工件刚度很差，在夹紧力、切削力作用下会产生很大变形，此时过定位只是提高工件某些部位的刚度，减小变形。2) 工件的定
13、位表面和定位元件在尺寸、形状、位置精度已很高时，过定位不仅对定位精度影响不太，而且有利于提高刚度。例如CA6140 车床主轴端部和卡盘间的定位，它是短锥大平面、在轴向是过定位。在精密模具加工中，也可以见到平面和两圆柱销的过定位情形。图 56 所示的定位，若工件定位平面粗糙，支承钉或支承板又不能保证在同一平面，则这样情况是不允许的。若工件定位平面经过较好的加工，保证平整，支承钉或支承板又在安装后统一磨削过，保证了它的在同一平面上，则此过定位是允许的。图 57 为另一些过定位问题以及采取的改进措施，读者可以自己进行分析。在分析研究了定位方案是否合理时，仅仅考虑满足六点定位原理是不够的，要认真仔细地
14、分析本工序加工表面的位置精度要求；图 58 所示为在工件上铣槽的两种定位方案图 58a 方案产生了过定位，是不合理的。图 58b 方案中将定位销加工成菱形销，似乎符合六点定位原理。但分析此方案能否保证槽对 A 面的平行度要求时，可知该方案不完全合理。本工序应选工件底面为第一定位基准(装置基准)；A 面为第二定位基准（导向基准)，才能保证平行度要求，因此 A 面应按图 58 方案用两个支承钉；孔为第三定位基准(定程基准) ，为避免Y 方向过定位，圆销 1 应改为在 Y 方向削扁的菱形铺。二、典型的定位方式、定位元件及装量(一) 平面定位对于箱体、床身、机座、支架类零件的加工，最常用的定位方式是以
15、平面为基准。图 59 所示为平面定位方式简图，图 59a 为粗基准定位，采用支承钉；图 59b 为精基准定位，采用支承板。平面定位方式所需的定位元件及定位装置，均已标准化了。下面作一简单介绍。1钉支承和板支承钉支承和板支承也称为固定支承。钉支承有平头、圆头和花头之分，参见图510a、b、c。圆头支承钉容易保证它与工件定位基准面间的点接触，位置相对稳定，但易磨损，多用于粗基准定位。平头钉则可以减少磨损，避免定位表面压坏，常用于精基准定位。花头钉磨擦力大，但由于其容易存屑，常用于侧面粗定位。钉支承的尾柄与夹具体上的基体孔配合为过盈，多选为 H 7n 6 或 H 7m 6。板支承如图 510d、e
16、所示，常用于大、中型零件的精基准定位。图 510e 与图 510d 相比，其优点是容易清理切屑。以上两种固定支承一般要求耐磨，均采用较好的材料。对于直径 D12mm 的钉支承和小型板支承，可用T7A 钢，淬火处理，硬度为 6064HRc ；对于 D12mm 和较大的板支承，一般采用 20 钢，渗碳淬火，硬度为6064HRc。由于要保证固定支承在同一个平面上，装配后需经精磨，渗碳深度大一些，一般为 0.81.2mm2可调支承和自位支承可调支承与固定支承的区别是，它的顶端有一个调整范围，调整好后用螺母锁紧。当工件的定位基面形状复杂，各批毛坯尺寸、形状有变化时，多采用这类支承。可调支承一般只对一批毛
17、坯调整一次。这类支承结构如图 511 所示。当工件的定位基面不连续、或为台阶面、或基面有角度误差时，或为了使两个或多个支承的组合只限制一个自由度，避免过定位，常把支承设计为浮动或联动结构，使之自位，称其为自位支承。图 512 所示为三种自位支承。3辅助支承辅助支承的主要作用是用于增加工件的刚度，减小切削变形。图 513 所示为辅助支承的典型结构型式。图 514 为辅助支承的应用实例。辅助支承有些结构与可调支承程相近，应分清它们的区别。从功能上讲，可调支承起定位作用，而辅助支承不起定位作用。从操作上讲，可调支承是先调整，尔后定位，最后夹紧工件，辅助支承则是先定位，夹紧工件，最后调整辅助支承。(二
18、) 孔定位当工件上的孔为定位基准时，就采用这种定位方式，其基本特点是定位孔和定位元件之间处于配合状态。常用定位元件是各种心轴和定位销。1心轴定位定位心轴广泛用于车床、磨床、齿轮机床等机床上，常见的心轴有以下几种。(1) 锥度心轴 这类心轴外图表面有 1:10001:5000 锥度，定心精度高选 0.0050. 01mm，当然工件的定位孔也应有较高的精度。工件的安装是将工件轻轻压 A，通过孔和心轴表面的接触变形夹紧工作，如图 515 所示。(2) 刚性心轴在成批生产时，为了克服锥度心轴轴向定位不准确的缺点，可采用刚性心轴。图 5-1 6 所示，图 516b、c 为过盈配合，配合采用基孔制 r、s
19、、u，定心精度高。图 5 16a 为间隙配合，采用基孔制 b、g、f ，定心精度不高，但装卸方便。除上述外，心轴定位还有弹性心轴，液塑心轴、定心心轴等，它们在完成定位的同时完成工件的夹紧，使用很方便，结构却比较复杂。2定位销 。图 517 所示为标准化的圆柱定位销，上端部有较长的倒角，便于工件装卸，直径 d 与定位孔配台，是按基孔制 g5 或 g6、f6 或 f7 制造的。其尾柄部分一般与夹具体孔过盈配合。现举一个以孔定位方式为主的夹具例子，图 519 是铣脱落蜗杆支架侧面槽的夹具。工件上42H7 孔为第一定位基准，用涨套 3 实现定位和夹紧，限制四个自由度；心轴 l 轴肩左端面限制一个自由度
20、；工件上18H7 孔用菱形销限制一个自由度，实现完全定位。考虑到工件的装卸方便，菱形销设计成手动伸缩结构。为了增加切削部位工件的刚度，采用了辅助支承 4。(三) 外圆定位工件以外圆柱表面定位有两种形式，一种是定心定位，另一种是支承定位。(1) 定心定位 与工件以圆柱孔定心类似，用各种卡头或弹簧筒夹代替心轴或柱销，来定位和夹紧工件的外圆，如图 520 所示。有时也可以采用套筒和锥套来定位，如图 521 所示。(2) V 型块定位 工件外圆以 V 型块定位是最常见的定位方式之一，两斜面夹角有 60、90、120等，90V 型块使用最广泛，其定位精度和定位稳定性介于 60、120的 V型块之间， 精
21、度比 60的 V 型块高，稳定性比 120的 V 型块高。使用 V 型块定位的优点是对中性好，可用于非完整外圆柱表面定位。V 型块有长短之分，长 V 型块限制四个自由度，其宽度 B 与圆柱直径 D 之比BD1，短 V 型块只能限制二个自由度，其宽度有时仅 2mm。它们均已标准化，可以选用，特殊场合也可自行设计。(四) 定位表面的组合在实际生产中，经常遇到的不是单一表面的定位，而是几个定位表面的组合。常见的有乎面与平面组合，平面与孔组合，平面与外圆柱组合，平面与其它表面组合，锥面与锥面的组合等。在多个表面参与定位的情况下，按其限制自由度数的多少来区分，限制自由度数最多的定位面称为第一定位基准面或主基准面，次之称第二定位基准面或导向基准，限制一个自由度的称为第三定位基准或定程基准。在箱体类零件，如车床床头箱加工中，往往将上顶面以及其上的两个工艺孔作为定位基准，
