第五章 机床夹具设计原理课件.ppt

第五章 机床夹具设计原理,第一节 概述,机床夹具通过使工件在机床上相对刀具占有正确的位置的过程定位，以及克服切削过程中工件受外力的作用保持工件的准确位置的过程夹紧，来实现工件装夹。定位和夹紧两个过程的综合称为装夹,完成工件装夹的工艺装备称为机床夹具。 一、机床夹具的功用 1.能稳定地保证工件的加工精度 2.能减少辅助工时，提高劳动生产率 3.能扩大机床的使用范围，实现一机多能,二、 机床夹具的分类 机床夹具按通用化程度可分为五大类。 （1）通用夹具 此类夹具具有通用性，只需调整或更换少量零件就可用于装夹不同的工件。如三爪、四爪卡盘、顶尖、平口钳等。通用夹具的结构复杂，适用用于大批量生产，也适用于单件小批生产，是使用最广泛的一类夹具。,（2）专用夹具 专用夹具是专门为某工件的某工序设计和制造的专用夹具,其结构简单、紧凑、操作迅速方便，因设计和制造的周期较长，批量少，所以成本较高。当产品变更时，因无法使用而报废，因此专用夹具适用于产品固定的成批或大量生产中。,（3）通用可调夹具和成组夹具 其特点是夹具的部分元件可以更换，部分装置可以调整，以适应不同零件的加。 如图所示，如何变成通用夹具？（4）组合夹具 组合夹具是指按零件的加工要求，由一套事先制造好的标准元件和部件组装而成的夹具。 （5）随行夹具 随行夹具是一种在自动线上使用的夹具。该夹具既要起到装夹工件的作用，又要与工件成为一体沿着自动线从一个工位移到下一个工位。,三、夹具的组成,(1)定位元件：与工件的定位基准相接触，确定工件在夹具中的正确位置。 (2)夹紧装置：这是用于夹紧工件的装置，在切削时使工件在夹具中保持既定位置。,(3)对刀元件：这种元件用于确定夹具与刀具的相对位置。 (4)夹具体：这是用于联接夹具各元件及装置，使其成为一个整体的基础件。它与机床相结合，使夹具相对机床具有确定的位置。 (5)其它元件及装置：有些夹具根据工件的加工要求，要有分度机构，铣床夹具还要有定位键等。 任何夹具都必须有定位元件和夹紧装置，它们是保证工件加工精度的关键，目的是使工件“定准、夹牢”。,第二节 工件的定位,定位的目的是使工件在夹具中相对于机床、刀具都有一个确定的正确位置。工件上用来定位的表面称为定位基准面。一、 六点定位原理一个自由的物体相对于三个相互垂直的空间坐标系，有六种活动的可能性(三种是移动，三种是转动)。习惯把这种活动的可能性称为自由度，空间任一自由物体共有六个自由度。如图5-2所示，这六个自由度为沿x、y、z轴移动的三个自由度；绕x、y、z轴转动的三个自由度。,若使物体在某方向有确定的位置，就必须限制在该方向的自由度，所以要使工件在空间处于相对固定不变的位置，就必须对六个自由度加以限制。用相当于六个支承点的定位元件与工件的定位基准面接触，如图5-3所示。在底面xoy内，三个支承点限制了x和y方向旋转自由度、z 方向移动自由度；在侧面yoz内，两个支承点限制了x方向移动自由度、 z 方向旋转自由度；在端面xoz内，一个支承点限制了y方向移动自由度。,2.工件在夹具中定位的几种情况用正确分布的六个支承点来限制工件的六个自由度，使工件在夹具中得到正确位置的规律称为六点定位原理。工件在加工中对六个自由度的限制，要根据被加工工件的加工要求来确定，如图5-4所示。,（1）图5-4(a)是在工件上加工不通槽。糟宽由刀具直径保证，但是要保证尺寸A、尺寸B、尺寸C ，就需要限制x、y、 z方向的移动和x、y、 z的旋转六个自由度。这种定位方法，称为完全定位。（2）图5-4(b)是在工件上加工通槽，不需要保证C，所以也不必限制y方向的移动自由度，只需要限制其它五个自由度就可以了。这种没有完全限制六个自由度而仍然保证有关工序尺寸的定位方法，称为不完全定位。,（3）欠定位 根据工件被加工表面的加工精度要求，需要限制的自由度没有得到完全限制，这种定位方法称为欠定位。这种方法不能保证工件的加工精度要求，因此是不允许的。（4）当工件的某自由度被夹具上两个或两个以上的定位元件重复限制时，称为过定位（重复定位）。图5-5a为某工件以孔与端面联合定位情况，长销与工件孔配合限制工件x,y方向的移动和转动四个自由度，支承大端面限制工件x，y方向的转动和z方向移动三个自由度，可见x，y的转动被两个定位元件重复限制，出现过定位。,过定位可能导致定位干涉或工件装夹困难，进而导致工件或定位元件产生变形、定位误差增大，因此在定位设计中应该尽量避免过定位。消除或减小过定位的方法主要有： 改变定位元件结构，使定位元件重复限制自由度的部分不起定位作用。如图5-5b中将大端面改为小端面，图5-5c中在工件与大端面间加球形垫圈。 提高工件定位基准之间以及定位工作表面之间的位置精度，这样也可想消除因过定位而引起的不良后果，保证工件的加工精度，而且有时还可以提高工件的局部刚度和工件定位的稳定。因此，当加工刚性差的工件时，过定位亦可合理应用。,二、常见的定位方式及定位元件定位元件在夹具中的布置，既要符合六点定位原理，又要能保证工件定位的稳定性。1. 固定支撑支承钉 多用于以平面作为定位基准的定位元件。如图5-6， (a)平顶支承钉，常用于精基准面的定位。（b）圆顶支承钉，它可使工件与支承钉的接触面积减小，以减少装夹误差，多用于粗基准面的定位。（c）网纹顶支承钉，常用在要求较大摩擦力的侧面定位。（d）带衬套支承钉，便于拆卸和更换，用于批量大、磨损快、需要经常修理的场合。支承钉限制一个自由度。,支承板 一般用于定位较大的精基准平面。(a) 平板式支承板，结构简单、紧凑，但不易清除落入沉头螺钉孔内的碎屑；(b) 斜糟式支承板，在支承面上开两个斜糟为固定螺钉用，使清屑容易又结构紧凑。长方形支承板限制两个自由度。 不论采用支承钉或支承板作为定位元件，装入夹具体后，为使各支承面在一个水平面内，应再修磨一次。,2.可调支承 可调支承的顶端位置可以在一定范围内调整。可调支承用于未加工的平面定位，以调节补偿各批毛坯尺寸误差。,3.自位支承 自位支承在定位过程中，支承本身所处的位置随工件定位基准面的变化而自动调整并与之相适应。尽管一个自位支承与工件可能有二点或者三点接触，但实质上只起一个定位支承点的作用，只限制工件一个自由度。其它支承点提高工件刚度作用。,4.辅助支承 辅助支承是在工件实现定位后才参与支承的定位元件，不起定位作用，只能提高工件加工时刚度或起辅助定位作用。,图5-11为 辅助支承应用实例。,（二）工件以外圆柱面定位 1. V形块常用固定式V形块， 两斜面间夹角一般选用60、90和120，其中以90应用最多。（a）用于较短的基准定位；（b）用于较长的粗基准定位（或阶梯轴；（c）用于两段精基准面相距较远的场合；（d）用于定位基准直径和长度较大的场合。,活动式V形块图5-13的活动式V形块限制工件y方向移动的自由度。它除了定位外，还兼有夹紧作用。,V形块优点： 1）对中性好。使工件的定位基准轴线对中在V形块两斜面的对称平面上，在左右方向上不会发生偏移，且安装方便。 2）应用范围较广。,2.定位套 工件以外圆柱表面为定位基准在定位套内孔中定位，这种方法一般用于精基准定位。（a）为短定位套定位，限制工件两个自由度，（b）为长定位套定位，限制工件四个自由度。,3.半圆套 图5-15为半圆套结构简图，下半圆起定位作用，上半圆其夹紧作用。短半圆套限制工件两个自由度，长半圆套限制工件四个自由度。,4.圆锥套 工件以圆锥套定位时，常与后顶尖（反顶尖）配合使用。如图5-16所示，圆锥套限制工件的三个移动自由度和两个转动自由度。,（三）工件以圆孔定位 工件以圆孔定位大都属于定心定位，即以孔的轴线定位。 1.定位销 短圆柱销限制工件两个自由度，长圆柱形限制工件四个自由度。,2.圆锥销 在加工套筒、空心轴等类工件时，经常用到圆锥销。圆锥销限制工件x，y，z的移动自由度。图5-19，工件以底面作为主要定位基面，采用活动圆锥销，只限制x，y两个移动自由度，即使工件的孔径变化较大，也能准确定位。,3.定位心轴 用于以内孔表面为定位基准的工件，如套筒、盘类等。（1）圆柱心轴 图5-20为几种常见的圆柱心轴。短圆柱心轴限制工件两个自由度，长圆柱心轴限制工件四个自由度。,（2）圆锥心轴圆锥心轴限制工件的五个自由度，即除绕轴转动的自由度没限 制外，其余均已限制。,（四）工件以组合表面定位 在实际加工过程中，工件往往不是采用单一表面的定位，而是以组合表面定位。常用的有平面与平面组合、平面与孔组合、平面与外圆柱面组合、平面与其他表面组合、锥面与锥面组合等,组合表面定位过定位：工件两孔无法套在两个定位销上。解决x移动自由度过定位方法：1）减小第二个销子的直径，但这样会使第一个销子的转角误差加大；2）使第二个销子可沿x方向移动，但结构复杂；3）第二个销子采用削边结构，即在过定位方向上，将第二个圆柱销削边。,三、定位误差及其分析与计算 六点定位原理，可以保证工件在夹具中的正确位置，但是能否满足加工精度的要求，还需要进一步讨论定位的准确性，即定位误差有多大。为了保证加工质量，应满足如下关系： (5-3) 式中 各种因素产生的误差总和； 工件被加工尺寸的公差。 本章只研究定位误差对加工精度的影响，所以上式可以写为： d+ (5-4) 式中 d工件在夹具中的定位误差，一般小于 /3； 除定位误差以外，其它因素所引起的误差总和(如机床、刀具制造误差及磨损误差，工艺系统变形误差等)，可按加工经济精度查表确定。,（一）定位误差及其产生原因所谓定位误差d ，是指由于工件定位造成的加工面相对工序基准的位置误差。因为对一批工件来说，刀具经调整后位置是不动的，即被加工表面的位置相对于定位基准是不变的，所以：定位误差就是工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量。 定位误差的组成及产生原因有以下两个方面： 定位基准与工序基准不一致所引起的定位误差，称基准不重合误差，即工序基准相对定位基准在加工尺寸方向上的最大变动量，以b表示。 定位副制造误差及其配合间隙所引起的定位误差，称基准位移误差，即定位基准的相对位置在加工尺寸方向上的最大变动量，以j表示。故有 d = b j (5-5)当b和j是由同一误差因素导致产生的，这时称b和j关联，此时如果方向相同，合成取+号，如果方向相反，合成取-号。,常见定位方法的定位误差分析计算1.工件以平面定位时的定位误差 图5-23为铣台阶面的两种定位方案。若按a所示定位方案铣工件上的台阶面C，要求保证尺寸20 0.15。,由工序简图知，加工尺寸20 0.15工序基准（也是设计基准）是A面，而定位基准是B面，出现定位基准与工序基准不重合，必然存在基准不重合误差。这时的定位尺寸是40 0.14，与加工寸方向一致。所以基准不重合误差的大小就是定位尺寸的公差 ，即b =0.28mm。若定位基准B面制造得比较平整光滑，则同批工件的定位基准位置不变，不会产生基准位移误差，即j=0。所以有 d = b +j= b =0.28mm，而加工尺寸20 0.15 的公差为：=0.30mm，此时 b =0.28mm /3=0.10mm。 可知，定位误差太大，而留给其它加工误差的允差值就太小了，只有0.02mm，在实际加工中容易出现废品。所以此方案不宜采用。,2.工件以外圆柱面定位工件以外圆柱面在V形块上定位。不考虑V形块的制造误差，则工件定位基准在V形块的对称面上，因此工件中心线在水平方向的位移误差为零。但在垂直方向上，因工件外圆有制造误差，而产生基准位移。其值为：,图b为工序基准与定位基准重合，此时b=0，只有基准位移误差，故影响工序H1的定位误差为：,图c中工序基准选在工件上母线A处，工序尺寸为H2。此时工序基准与定位基准不重合，其误差为b ，基准位移误差j 同上。判断正负：当工件直径尺寸减小时，工件定位基准将下移；当工件定位基准位置不变时，若工件直径尺寸减小，则工序基准A下移，两者变化方向相同，故,图d中工序基准选在工件下母线B，工序尺寸为H3。当工件直径尺寸变小时，定位基准将下移，但工序基准将上移，因此定位误差为：,由上分析看出，以工件下母线为工序基准时，定位误差最小，而以工件上母线为工序基准时定位误差最大。另外，随V形块夹角的增大，定位误差减小，但夹角过大会引起定位不稳，故一般用90的V形块。,3.工件以圆柱孔定位 工件以单一圆柱孔定位时，定位误差的计算有两种情形：工件孔与定位心轴的无间隙配合和间隙配合。（1）工件孔与定位心轴（或定位销）过盈配合 由于工件孔与心轴无间隙，故定位基准的位移量为零，所以j=0。,若工序基准与定位基准重合，则定位误差为：d = b +j=0 若工序基准在工件定位孔的母线上，则定位误差为：d = b +j= b = d/2 若工序基准在工件外圆的母线上，则定位误差为：d = b +j= b = D/2,（2）工件孔与定位心轴（或定位销）采用间隙配合定位 工件孔与定位销水平放置 若工序基准与定位基准重合， 则b =0。但由于工件的自重作用，孔中心线相对于定位心轴将总是下移，由此将产生的最大位移变化量，即基准位移误差j为：, 工件孔与定位心轴垂直放置工件孔与定位心轴垂直放置，定位心轴与工件内孔可能任意边接触，考虑加工尺寸的两个极限位置及孔轴的最小配合间隙min的影响，基准位移误差为：j= D+d+min = max,4.工件以一面两孔定位,第三节 工件的夹紧,工件在定位元件上定位后，必须采用一定的装置将工件压紧夹牢，使其在加工过程中不会因受切削力、惯性力或离心力等作用而发生振动或位移，从而保证加工质量和生产安全，这种装置称为夹紧装置。 一、夹紧装置的组成和设计要求 1.夹紧装置的组成 （1）动力源装置 用于产生夹紧力，例如气压装置、液压装置、电动装置、磁力装置等。,（2）传力机构 它是介于动力源和夹紧元件之间的机构。（3） 夹紧元件 通过它和工件直接接触而完成夹紧工件任务。,2、夹紧装置的设计要求1）工件在夹紧过程中，不能破坏工件在时所获得的正确位置；2）夹紧力的大小应可靠、适当，即保证工件在加工过程中不产生移动或振动，同时又必须使工件不产生变形和表面损伤；3）夹紧动作要准确迅速；4）方便、省力、安全；5）结构简单，易于制造。,二、夹紧力的确定 1.夹紧力的方向 夹紧力的作用方向应不破坏工件定位的准确性和可靠性 夹紧力的方向应指向主要定位基准面，把工件压向定位元件的主要定位表面上。 夹紧力的方向应使工件夹紧后的变形小 由于工件在不同方向上刚度是不等的，不同的受力表面也因其接触面积大小而变形各异。,夹紧力的方向应使所需夹紧力尽可能小夹紧力Q的方向与切削力F、工件重力G的方向重合，所需要的夹紧力为最小。图a) 最合理，图f)情况为最差。,2.夹紧力的作用点 夹紧力作用点的位置和数目将直接影响工件定位后的可靠性和夹紧后的变形1）夹紧力作用点位置应靠近支承元件的几何中心或几个支承元件所形成的支承面内。2）夹紧力作用点应落在工件刚度较好的部位上。3）夹紧力作用点应尽可能靠近被加工表面，以减小切削力对工件造成的翻转力矩。,三、常用的夹紧装置夹具中常用的夹紧装置有楔块、螺旋、偏心轮等，它们都是根据斜面夹紧原理夹紧工件。1. 斜楔夹紧机构 用于增大夹紧力或改变夹紧力方向。楔块夹紧常与杠杆、压板、螺旋等组合使用。 特点：(1)有增力作用；(2)夹紧行程小；(3)结构简单，但操作不方便。,2.螺旋夹紧机构 螺旋夹紧装置是从斜楔夹紧机构转化而来的，相当于把斜楔斜面绕在圆柱体上，转动螺旋时即可夹紧工件。 特点： (1)夹紧结构简单，夹紧可靠； (2)夹紧力比斜楔夹紧力大，螺旋夹紧行程不受限制; (3)螺旋夹紧动作慢，辅助时间长，效率低，在实际生产中，螺旋压板组合夹紧比单螺旋夹紧应用更为普遍。,螺旋压板组合夹紧机构试比较三种机构的受力情况：,3. 偏心夹紧机构偏心夹紧机构是靠偏心轮回转时其半径逐渐增大而产生夹紧力来夹紧工件的。偏心夹紧经常与压板联合使用。常用的偏心轮有圆偏心和曲线偏心。 特点：由于圆偏心夹紧时的夹紧力小，自锁性能不是很好，且夹紧行程小，故多用于切削力小，无振动，工件尺寸公差不大的场合，但是圆偏心夹紧机构是一种快速夹紧机构。,偏心夹紧机构的夹紧原理偏心夹紧机构原理是依靠楔角的变化而夹紧。可以看出， 随 而变化，当 时， ；当 时， ，这时接近最大值；当 时， 。,四、其它典型夹紧机构 1.铰链夹紧机构 优点是动作迅速，增力比大，易于改变力的作用方向；缺点是自锁性能差，一般常用于气动、液动夹紧中。,2.定心夹紧机构 定心夹紧机构是一种能同时实现对工件定心定位和夹紧的机构。（1）以等速移动原理工作的定心夹紧机构 有螺旋定心夹紧机构、斜楔定心夹紧机构和定心夹紧机构等。这类机构特点是制造方便，夹紧力和夹紧行程较大，但由于制造误差和组成元件间的间隙较大，故定心精度不高，所以常用于粗加工和半精加工。,（2）以均匀弹性变形原理工作的定心夹紧机构 当定心精度要求较高时，一般都利用这类定心夹紧机构，主要有弹簧夹头、弹性薄膜卡盘、液性塑料定心夹紧机构、蝶形弹簧定心夹紧机构等。,3.联动夹紧机构在夹紧机构设计中，有时需要对一个工件上的几个点或对多个工件同时进行夹紧，这就需要联动夹紧机构实现。 这种机构要求从一处施力，可同时在几处对一个或几个工件同时进行夹紧。a)为多位夹紧b)为多件夹紧,第四节 夹具的选用和设计,一、通用夹具的选用各类机床都有一些通用夹具，已经标准化，如三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘、鸡头夹头、角铁、平口钳、分度头、电磁吸盘等。这些夹具通用性强，一般无需调整或稍加工调整就可以用于装夹不同的工件。这类夹具的特点是加工精度不很高，生产效率低，所以，在单件、小批量生产、装夹简单和加工精度不高的工件时选用。如果我们要进行大批量生产或要求较高精度的工件，那就用到专用夹具。,二、专用夹具设计1.专用夹具的基本要求（1）稳定地保证工件的加工精度；（2）提高机械加工的劳动生产率，降低夹具的制造成本；（3）结构简单，操作方便，省力和安全；（4）有良好的结构工艺性,2.专用夹具的设计步骤,确定结构方案,明确设计任务,绘制夹具总图,绘制夹具零件图,首先应分析研究工件的结构特点、材料、生产批量和本工序加工的技术要求以及前后工序的联系，然后收集有关机床方面和刀具方面的资料。,确定工件的定位方案，包括定位原理、方法、元件或装置；确定工件的夹紧方案和设计夹紧机构；确定夹具的其它组成部分和考虑它们的布局。,按照国家标准，图形的比例尽量取1:1。总图应夹紧机构处在夹紧工作状态下绘制，视图应尽量少，但必须能够清楚表示出夹具的工作原理和构造，表示各种机构或元件之间的位置关系。最后要标注总装图上有关部分尺寸，制订技术要求及零件明细表。,夹具中的非标准件都要绘制零件图。在确定这些零件的尺寸、公差或技术条件时，应注意满足夹具总图的要求。,三、专用夹具设计举例设计为在轴套上钻铰6H7mm孔的夹具加工要求：6H7mm孔轴线到端面B的距离为37.50.02mm， 6H7mm孔对孔25H7mm的对称度为0.08 。已知轴套外圆柱面、各端面和孔25H7mm均已精加工，材料为Q235钢，批量N=500件，年产量6000件。,1、夹具结构方案（1）确定定位方案：（2）导向和夹紧方案以及其他元件的设计：（3）夹具体设计：,2、夹具总图绘制（1）夹具总图的尺寸标注1）外形轮廓尺寸2）影响定位精度的尺寸3）影响对刀精度的尺寸4）夹具与机床的联接尺寸5）其他重要配合尺寸,（2）夹具总图的技术要求1）定位元件的定位表面之间的相互位置精度。2）定位表面与夹具安装面之间的相互位置精度。3）定位表面与引导元件工作表面之间的相互位置精度。4）各引导元件的工作表面之间的相互位置精度。5）定位表面对夹具找正基准面的位置精度。如本夹具的技术要求：如：,练习题5-9,练习题5-10,练习题5-12,