机械制造第2章3-3-1

1052.3机床夹具一、概述1．机床夹具的定义在机床上加工工件时，为了要使工件在该工序所加工的表面，能达到图纸规定的尺寸、几何形状以及与其它表面间的相互位置等技术要求，因此在开动机床进行加工前，必须首先将工件装好夹牢。机械加工中，在机床上用以确定工件位置并将其夹紧的工艺装备称为机床夹具（简称为夹具）。2．机床夹具的功用在一般情况下机床夹具的功用有下列几点：（1）保证被加工表面的位置精度采用夹具装夹工件，可以准确确定工件与刀具、机床之间的相对位置，因而能比较可靠和稳定地获得较高的位置精度。（2）提高劳动生产率采用夹具后，可以省去对工件的逐个找正和对刀，使辅助时间显著减少；另外，用夹具装夹工件，比较容易实现多件、多工位加工，以及使机动时间与辅助时间重合等；当采用机械化、自动化程度较高的夹具时，可进一步减少辅助时间，从而可以大大提高劳动生产率。（3）扩大机床的使用范围在机床上配备专用夹具，可以使机床使用范围扩大．例如在车床床鞍上或在摇臂钻床工作台上安放镗模后，可以进行箱体孔系的镗削加工，使车床、钻床具有镗床的功能。（4）降低对工人的技术要求和减轻工人的劳动。3．机床夹具的分类随着机械制造业的发展，机床夹具的种类不断地增加，出现了许多新颖的夹具结构。按夹具的使用范围和使用特点，机床夹具可分为以下几类：（1）通用夹具通用夹具是指结构、尺寸已规格化，具有一定通用性，在一定范围内可用于加工不同工件的夹具。通用夹具通常作为某种机床的附件，如车床的三爪卡盘或四爪卡盘；铣床的平口钳或回转工作台、万能分度头；平面磨床上的磁力工作台等。通用夹具的特点是适应性强，不需调整或稍加调整就可以用来安装—定形状和尺寸范围内的不同工件。采用这类夹具可缩短生产准备周期，减少夹具品种，从而降低产品加工的制造成本。其缺点是工件定位精度不高，对工人操作水平要求较高，生产效率较低。主要用于多品种的单件小批生产。近年来随着产品加工特点和精度要求的日益提高，出现了一批高精度、高效率的通用夹具，如高精度的自动定心卡盘、液压虎钳、多角度磁性工作台等。由于此类夹具已作为机床附件由专门机床附件工厂制造供应，因此无须进行自行设计与制造，所以本书不予介绍。（2）专用夹具106专用夹具是针对某一个工件的某道工序加工要求而专门设计、制造的专用装置。一般是在产品批量生产加工中使用，也是机械制造厂应用数量最多的一种机床夹具；是在使用通用机床夹具难以保证产品零件加工精度和生产数量较大的情况下才采用的夹具。此类夹具的特点是针对性强，结构紧凑，操作简便，生产率高。缺点是设计制造周期长，产品更新换代后，只要被加工工件尺寸形状变化，夹具即报废。此类夹具是本书的主要研究对象。（3）可调夹具可调夹具是根据待加工的零件结构相似、尺寸不同的特点，而专门设计制造的一种夹具。在使用该夹具时，只需调整或更换原夹具上的个别定位元件或夹紧元件便可使用。目的是减少设计和制造专用夹具和数量。它一般分为通用可调夹具和成组夹具。前者的加工对象不很确定，通用性大，如滑柱式钻模夹具、带各种钳口的通用虎钳等；后者是针对成组工艺中某一组零件的加工而设计的，加工对象明确，使用时只需稍加调整或更换部分元件即可用于装夹同一组内的各个零件。由于可调夹具可以多次使用，减少了夹具的重复设计，降低金属材料的消耗，降低夹具制造劳动量和制造费用，因此，可获得较高的经济效益，适宜多品种小批量生产的应用。（4）组合夹具组合夹具是用一套预先制造好的标准元件及合件组装成的专用夹具。这些元件和合件具有精度高、耐磨、可完全互换、组装及拆卸方便迅速等特点。夹具用完后即可拆卸，将元件清洗分类存放在夹具库里，留待组装新的夹具。由于使用组合夹具可缩短生产准备周期，元件能重复多次使用，并具有减少夹具品种、数量和存放空间等优点，因此组合夹具除适用新产品试制和单件小批生产外，还适应于柔性制造系统及批量生产中。缺点是一次性投资较大。（5）自动线夹具自动线夹具用于大批量生产的自动生产线之中。自动线夹具一般分为两类：一类为工位固定式夹具，又称为随机夹具，它一般与专用机床夹具相似；一类为随行夹具，它适用于工件形状复杂而又无良好定位基面或输送基面的情况下。使用中先将工件装夹在随行夹具上，然后由随行夹具通过生产输送线上的拨动机构将工件沿着自动线从一个位置移到下一个位置，进行不同工序的加工。机床夹具也可按所适用的机床不同分为钻床夹具、车床夹具、铣床夹具、磨床夹具、镗床夹具、拉床夹具、插床夹具和齿轮加工机床夹具等。按所使用的动力源，机床夹具又可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、电动夹具、磁力夹具、真空夹具及离心力夹具等。二、机床夹具的组成107机床夹具一般由以下几部分组成。1．定位元件和装置它与工件的定位基准面相接触，用于确定工件在夹具中的正确位置，从而保证加工时工件相对于刀具和机床间的相对正确位置。如图2-86中的定位销6。图2-86夹具的组成部分1—快换钻套2—导向套3—钻模板4—开口垫圈5—螺母6—定位销7—夹具体2．夹紧装置用于夹紧工件，在切削时使工件在夹具中保持既定位置，保证加工顺利进行的元件和装置，如图2-86中的螺母5和开口垫圈4。3．对刀、引导元件和装置这些元件的作用是保证工件与刀具之间的正确位置。用于确定刀具在加工前正确位置的元件，称为对刀元件，如对刀块。用于确定刀具位置并导引刀具进行加工的元件，称为导引元件。如图2-86中的快换钻套1。4．夹具体夹具体是夹具的基础元件，用于连接并固定夹具上各元件及装置，使其成为一个整体。它与机床有关部件进行连接、对定，使夹具相对机床具有确定的位置。如图2-86中的夹具体7。5．其它元件及装置有些夹具根据工件的加工要求，为使工件在一次安装中多次转位而加工不同位置上的表面所设置的分度机构，铣床夹具还要有定位键等。以上这些组成部分，并不是对每种机床夹具都是缺一不可的，但是任何夹具都必须有定位元件、夹紧装置和夹具体，它们是夹具的基本组成部分。三、工件在夹具的中的定位108工件在夹具中定位的任务是使同一工序中的一批工件都能在夹具中占据正确的位置。工件位置的正确与否，用加工要求来衡量。能满足加工要求的为正确，不能满足加工要求的为不正确。一批工件逐个在夹具上定位时，各个工件在夹具中占据的位置不可能完全一致，也不必要求它们完全一致，但各个工件的位置变动量必须控制在加工要求所允许的范围之内。由此可知，定位方案是否合理，将直接影响加工质量，同时，它还是夹具上其它装置的设计依据。所以在拟定夹具设计方案时，首先要解决工件在夹具中的定位问题，它包括下列三项基本任务：①从理论上进行分析，如何使同一批工件在夹具中占据一致的正确位置；②选择合适的定位元件，设计相应的定位装置；③保证有足够的定位精度，即工件在夹具中定位时虽有一定误差，但仍能保证工件的加工要求。1．基准及其类型工件上任何一个点、线、面的位置总是要用它与另外一些点、线、面的相互关系（如尺寸距离、平行度、垂直度、同轴度等）来确定。将用来确定加工对象上几何要素之间的几何关系所依据的那些点、线或面称为基准。从设计和工艺两方面看，基准可分为设计基准和工艺基准两大类。（1）设计基准设计者在设计零件时，根据零件在装配结构中的装配关系以及零件本身结构要素之间的相互位置关系，确定标注尺寸（或角度）的起始位置。这些尺寸（或角度）的起始位置称为设计基准。简言之，设计图样上所采用的基准就是设计基准。（2）工艺基准零件在加工和装配过程中所采用的基准称为工艺基准。工艺基准又进一步可分为：工序基准、定位基准、测量基准和装配基准。①工序基准在工序图上用来确定本道工序所加工的表面加工后的尺寸、形状、位置的基准，称为工序基准。在设计工序基准时，主要应考虑以下三个方面的问题：1）首先考虑用设计基准为工序基准；2）所选工序基准应尽可能用于工件的定位和工序尺寸的检验；3）当采用设计基准为工序基准有困难时，可另选工序基准，但必须可靠地保证零件的设计尺寸和技术要求。②定位基准在加工时用于工件定位的基准，称为定位基准，它是获得零件尺寸的直接基准，定位基准还可以进一步分为：粗基准、精基准及辅助基准。使用未经机械加工的表面作定位基准，称为粗基准；使用已经过机械加工的表面作定位基准，称为精基准；而零件上仅仅是根据机械加工工艺需要专门设计的定位基准，称为辅助基准。例如，轴类零件常用顶尖孔定位，某些箱体零件加工所用的工艺孔定109位，支架类零件用到的工艺凸台定位都属于辅助基准。③测量基准在加工中或加工后用来测量工件的形状、位置和尺寸偏差时所采用的基准，称为测量基准。④装配基准在装配时用来确定零件或部件在产品中的相对位置所采用的基准，称为装配基准。装配基准一般与零件的主要设计基准相一致。作为基准的点、线、面有时在工件上并不一定实际存在（如孔和轴的轴心线，两平面之间的对称中心面等），而常常是由某些具体表面来体现的，这些表面称为定位基面。工件以回转表面（如孔、外圆）定位时，回转表面的轴心线是定位基准；而回转表面就是定位基面。工件以平面定位时，其定位基准与定位基面一致。如图2-87所示为各基准之间的关系。图2-87各基准之间的关系2．六点定位原理任何未定位的工件在空间直角坐标系中都具有六个自由度（如图2-88所示）。它在空间的位置是任意的，将未定位工件（粗线所示长方体）放在空间直角坐标系中，工件可以沿X、Y、Z轴有不同的位置，称作工件沿X、y和Z轴的移动自由度，用X、Y、Z表示；也可以绕X、y、Z轴有不同的位置，称作工件绕X、y和Z轴的转动自由度，用X、Y、Z表示。用以描述工件位置不确定性的X、Y、Z和X、Y、Z，称为工件的六个自由度。工件定位的任务就是根据加工要求限制工件的全部或部分自由度。如果按图2-89所示设置六个固定点，工件的三个面分别与这些点保持接触，工件的六个自由度都被限制了。这些用来限制工件自由度的固定点，称为定位支承点，简称支承点。110图2-88工件在空间的自由度图2-89工件的六点定位工件的六点定位原理是指用合理分布的六个支承点去限制工件的六个自由度，使工件在空间得到唯一确定的位置的方法。在实际工作过程中，一个定位元件可以体现一个或多个支承点。具体情况要视定位元件的具体工作方式及其与工件接触范围的大小而论。如一个较小的支承平面与尺寸较大的工件相接触时只相当于一支承点，只能限制一个自由度；一个平面支承在某一方向上并与工件有较大范围的接触，就相当于两个支承点或一条线，能限制两个自由度；一个支承平面在二维方向与工件有大范围接触，就相当于三支承点，能限制三个自由度；一个与工件内孔的轴向接触范围小的圆柱定位销相当于两个支承点，可以限制两个自由度；一个与工件内孔在轴向有大范围接触的圆柱销相当于四个支承点，可以限制四个自由度等。常用的典型定位元件及其所限制自由度情况见表2-8。111表2-8常用定位元件所能限制的自由度112续表1133．工作定位时的几种现象加工时工件的定位需要限制几个自由度，完全由工件的加工要求所决定（1）完全定位工件的六个自由度完全被限制的定位称为完全定位。图2-90a所示为用立铣刀采用定程法加工六面体工件上的槽，要求保证工序尺寸A、B、C，保证槽的侧面和底面分别与工件的侧面和底面平行。加工时就必须限制全部六个自由度，即完全定位。（2）不完全定位根据加工要求，并不需要限制工件全部自由度的定位，称为不完全定位。如图2-90b所示，在工件上铣通槽，要求保证工序尺寸A、B及槽的两侧面分别平行于侧面和底面，那么加工时只要限制除Y以外的其余五个自由度就行了。图2-90不同加工表面的要求a）完全定位b）不完全定位（3）欠定位根据加工要求，工件应该限制的自由度未被限制，这样的定位方式称为欠定位。在夹具设计中欠定位是不允许的。例如在图2-90a中，若Y没有被限制，出现欠定位，就无法保证C尺寸的精度。（4）过定位续表114工件的同一自由度被二个或二个以上的支承点重复限制的定位方式，称为过定位。通常过定位的结果将使工件的定位精度受到影响，定位不确定或使工件（或定位件）产生变形。所以在一般情况下，过定位是应该避免的。图2-91a