机械制造工艺学第2版课件第六章 机床夹具设计

第六章机床夹具设计第一节机床夹具概述•装夹有两个含义，即定位和夹紧•定位是指确定工件在机床或夹具中占有正确位置的过程•夹紧是指工件定位后将其固定，使其在加工过程中保持定位位置不变的操作•机床夹具是在机床上用以装夹工件的一种装置，其作用是使工件相对于机床或刀具有一个正确的位置，并在加工过程中保持这个位置不变一、机床夹具及其组成1)定位元件或装置2）刀具导向元件或装置3）夹紧元件或装置4）连接元件5）夹具体6）其它元件或装置工件夹具定位件夹紧件对刀件连接件夹具体机床刀具二、夹具的功能1）保证加工质量（保证加工面的位置精度）2）提高生产率，降低成本(缩短加工时间提高效率)3）扩大机床工艺范围4）减轻工人劳动强度，保证生产安全机床夹具按其使用范围可分为以下5种基本类型：1)通用夹具（三爪卡盘）2）专用夹具3）通用可调整夹具和成组夹具4）组合夹具5）随行夹具三、机床夹具的分类车床夹具铣床夹具钻床夹具镗床夹具磨床夹具自动机床夹具数控机床夹具等按加工类型和在使用机床上来分类按其夹紧装置的动力源来分类手动夹具气动夹具液动夹具电磁夹具真空夹具第二节工件在夹具上的定位工件在机床上的定位实际上包括:工件在夹具上的定位夹具在机床上的定位一、常用定位方法与定位元件1.工件以平面定位在机械加工中，对于箱体、床身、机座等零件，常选择平面作为定位基面实现工件以平面的定位元件有支承钉和支承板•固定支承属于固定支承的定位元件有支承钉和支承板•可调支承即支承的高度尺寸在一定范围内可以进行调整•自位支承（浮动支承）自位支承是指支承本身的角向位置在工件定位过程中能随工件定位基面位置变化而自动与之适应。平面定位的主要形式是支承定位。常用的元件如下属于固定支承的定位元件有支承钉和支承板（1）固定支承固定支承安装：•直接安装在夹具体的孔中，与孔的配合为：67nH或67rH•夹具体上承托支承头的表面应凸起，以便把各个凸出面一次加工成一个平面•夹具体采用通孔安装固定支承•平头支承采用安装后一次磨平的方法使支承钉定位平面在一个平面支承的高度尺寸在一定范围内可以进行调整（2）可调支承自位支承是指支承本身的角向位置在工件定位过程中能随工件定位基面位置变化而自动与之适应（3）自位支承（浮动支承）辅助支承是在一夹具中对工件不起限制自由度作用的支承。它主要用于提高工件的支承刚性，防止工件因受力产生变形。辅助支承不改变工件在夹具中的位置当工件按定位元件定好位以后，再调节辅助支承的位置使其与工件接触每装卸工件一次，必须重新调节辅助支承（4）辅助支承工件以圆柱孔定位通常属于定心定位（定位基准为孔的轴线），夹具上相应的定位元件是各种心轴、定位销2、工件以圆柱孔定位（1）心轴图6-6刚性心轴过盈配合心轴间隙配合心轴小锥度心轴另有弹性心轴等。工件在心轴上定位通常限制了除绕工件自身轴线转动和沿工件自身轴线移动以外的4个自由度。圆柱心轴中间的定位部分与工件孔用过盈配合采用过盈心轴，装卸工件比较费时，但由于孔与轴间无间隙，基准位置误差为零，所以定心精度较高过盈配合圆柱心轴•圆锥心轴一般具有很小的锥度K，通常K=1:5000～1:1000•采用圆锥心轴，孔、轴间的间隙得以消除，定心精度较高，可达0.005～0.01mm圆锥心轴（2）定位销定位销工作部分直径d通常根据加工要求和考虑便于安装，按g6、g7、f6或f7制造，与夹具体的连接可采用过盈配合或间隙配合。圆柱定位销通常限制工件的两个自由度。当要求孔销配合只在一个方向上限制工件自由度时，可使用菱形销。两种形式：1、定心定位与圆柱孔定位相似，只是用套筒代替了心轴或圆柱销，锥套代替了锥销。2、支承定位常用的定位元件是V形块3、工件以外圆表面定位•定位基准不论是完整的圆柱面还是局部圆弧面，都可以采用V形块定位•最大特点是对中性好，即工件定位外圆的轴线与V形块两斜面对称轴线保证重合，不受定位外圆直径误差的影响•对加工表面与外圆轴线有对称度要求的工件，常采用V形块定位。在V形块中定位)22sin(21tgNdHT4、工件以其它表面定位平面与平面组合、平面与孔的组合、平面与外圆表面组合等。称定位点数最多的定位表面为第一定位基准面，定位点数次多的定位表面为第二定位基准面，定位点数为1的定位表面为第三定位基准面。图6-13工件在两顶尖上定位5、定位表面的组合6.一面两孔定位在加工箱体、壳体等类零件时，常用一个平面和两个圆柱孔定位。两个圆柱孔可以是工件结构上原有的，也可以是为定位需要而专门加工的工艺孔为了避免由于过定位引起的工件安装时的干涉，两销中的一个应采用菱形销。这可使孔与销之间的间隙增大，用以补偿中心距的误差。为此，第二定位销的直径可按下述方法计算：假定工件两个孔径最小极限尺寸分别为D1，D2，两定位销最大直径分别为d1，d2；销与孔间最小间隙为x1min=D1-d1,x2min==D2-d2；两定位孔中心距及偏差为L±LD;两定位销中心距及偏差为L±Ld。B、一面两销——减小第二定位销的直径当在极端情况下，即两定位基准孔的孔径及孔心距都是最小极限尺寸，而两定位销的直径及销心距都是最大极限尺寸时，仍能保证工件顺利装卸。则由上图所示的几何关系得：这种定位方法产生的基准位置误差如下：由于孔与销是属间隙配合，对单个孔来说，各方向基准位置误差即为孔的中心位置变动量：minxTTdDjwDxjwxjwdDxjwLxTT212min1111dDdDyjwdDyjwLLTTxTT2222112min11两销在X、Y方向上的基准位置误差为：对两孔来说，基准位置误差为两孔连心线相对两销连心线偏转时所造成的转角误差：LOOOOarctg'22'1122min1111'11xTTOOdDyjw22min2222'22xTTOOdDyjwLxTTxTTarctgdDdD2min222min111这是经常采用的一种办法•将第二定位销作成菱形，只在垂直于连心线O1O2方向上保留局部圆柱面，其直径的基本尺寸与孔径的相同，公差带按f7或g6选取•使得孔与销间的最小间隙减小，从而减小转角误差。C、将第二定位销作成菱形销（削边销）2min2min22min22min2222222222222221)(21)()(41)2()2()2()2(DabxaxDbabxDbaaxDbaadDbdbaD由于菱形销结构尺寸已标准化，尺寸b可参照标准选取，由上式计算x2min，然后按d2=D2-x2min确定定位销的最大直径，并由h7或h6确定d2的公差。最后计算最大转角误差2，以判断上述设计是否满足加工要求，否则就需要对有关参数作适当调整。D、以一面一孔定位min2100xTTdwdwdDjwbcAA)(210021dDjwbcAATTdwdw单边接触定位误差分析•（一）定位误差及其产生原因•（二）定位误差的计算（一）定位误差及其产生原因概念：•同批工件在夹具中定位时，工序基准位置在工序尺寸方向的最大变动量。称为定位误差，以dw表示引起定位误差的原因为：•由基准不重合误差bc引起的定位误差•由基准位置误差jw引起的定位误差在研究夹具的定位方案中，若工件的工序基准与定位基准不重合，就会导致工序基准相对定位基准的位置产生变动，即产生了基准不重合误差bc，这对定位误差有直接的影响bc的数值一般等于定位基准到工序基准间的尺寸（简称定值尺寸）的公差。1、由bc引起的定位误差定义：bc在工序尺寸方向上的分量（投影），即为bc引起的定位误差dw=bccos式中——定位尺寸与工序尺寸方向间的夹角注意：定位尺寸有可能是某一尺寸链中的封闭环，此时应按尺寸链原理计算出该尺寸公差。2、bc引起的定位误差计算例：图a中工件各面在前工序中都已加工好，现要求铣一通槽，要求保证工序尺寸A，B，C，其定位方案如图b所示。现分析尺寸B加工时的有关误差LbcTL2jw在工序尺寸方向上的分量（投影），即为jw引起的定位误差dw=jwcos式中——基准位移方向与工序尺寸方向间的夹角。3．由jw引起的定位误差1．用bc和jw两项误差合成法计算定位误差2．用微分法计算定位误差（二）定位误差的计算1．用bc和jw两项误差合成法计算定位误差定位误差是由bc和jw所引起，因此：•首先求出bc和jw的大小•取它们在工序尺寸方向上的分量的代数和，即为所求定位误差•其一般计算式是dw=bccos±jwcos•当bc和jw的方向相同时取“＋”号，相反时取“－”号.（适用于统一实体）如图所示，一圆盘形工件在V形块上定位钻孔，孔的位置尺寸的标注方法假定有三种，其相应工序尺寸为A，B，C（图a），求相应的定位误差。Td/2[例1]Td/2)2/sin(20djwbcTdw)2/sin(22ddjwbcTTdw)2/sin(22ddjwbcTTdw工件以E、D两平面为基准铣平面F，要求保证工序尺寸A。设E、D两平面已精加工。求尺寸A的定位误差[例3]cos2sin2bcdwcbdw在一轴上铣平面，要求保证的工序尺寸为A，与定位有关的尺寸及定位方案如图所示，求对尺寸A的定位误差[例4]3.040dw401005.010065.0225.03.0dw1.定位误差概念定位误差是由于工件在夹具上（或机床上）定位不准确而引起的加工误差。常用△DW表示。图6-15二、定位误差计算来源：（1）由于工件上的定位表面或夹具上的定位元件制作不准确引起的定位误差，称为基准位置误差。△JW（2）由于工件的工序基准与定位基准不重合而引起的定位误差，称为基准不重合误差。△JB图6-16在采用调整法加工时，工件的定位误差实质：工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量。计算思路：找出工序基准-求出加工尺寸方向上的最大变动量。计算方法：几何方法、微分方法、合成法2.用几何方法计算定位误差画定位简图-画工件变动极限位置-求变动量。例6-21）孔、销间隙配合2）孔和销保持固定边接触。工件以外圆在V形块上定位时的基准位置误差例6-33.用微分法计算定位误差例6-4注意：1、定位误差一般总是针对成批生产，并采用调整法加工的情况。2、在单件生产时，若采用调整法加工（采用样件或对刀规对刀），或在数控机床上加工时，同样存在定位误差。但若采用试切法加工时，一般不考虑定位误差。如图所示，一圆盘形工件在V形块上定位钻孔，孔的位置尺寸的标注方法假定有三种，其相应工序尺寸为A，B，C（图a），求相应的定位误差。Td/2[例1]Td/2)2/sin(20djwbcTdw)2/sin(22ddjwbcTTdw)2/sin(22ddjwbcTTdw工件以E、D两平面为基准铣平面F，要求保证工序尺寸A。设E、D两平面已精加工。求尺寸A的定位误差[例3]cos2sin2bcdwcbdw在一轴上铣平面，要求保证的工序尺寸为A，与定位有关的尺寸及定位方案如图所示，求对尺寸A的定位误差[例4]3.040dw401005.010065.0225.03.0dw定位误差的微分计算法尺寸链计算方法实质上是一样的。由于定位误差是工序基准位置在工序尺寸方向上的变动量，因此首先把工序基准与夹具上的c点相连，并找出在工序尺寸方向上的分量、，然后由图示几何关系得y的函数式。对上式微分，得到：2．用微分法计算定位误差第三节工件在夹具中的夹紧对夹紧装置的要求夹紧力的确定常用夹紧机构夹紧机构的动力装置1.在夹紧过程中能保持工件定位时所获得的正确位置2.夹紧应可靠和适当•夹紧机构一般要有自锁作用•保证在加工过程中不会产生松动或振动•不允许工件产生不适当的变形和表面损伤3.夹紧