第2章 工件的装夹与夹具设计

第2章工件的装夹与夹具设计2.1概述2.1.1夹具的基本概念夹具的含义夹具是指在机床上用以装夹工件的一种装置。夹具的功用(1)保证加工质量，使工件相对于机床或刀具保持正确位置。(2)提高生产率，降低成本。(3)扩大了机床的工艺范围。(4)减轻了工人劳动强度，保证生产安全。2.1.1夹具的基本概念夹具的组成图2-42铣轴端槽夹具1—V型块2—支撑套3—手柄4—定向键5—夹具体6—对刀块1236411）定位元件及装置；6）其他元件及装置（防护、防错、分度…）。5）夹具体；4）连接元件；3）对刀及导向元件；2）夹紧元件及装置；夹具的分类1）通用夹具：三爪、四爪卡盘，平口钳等。2）专用夹具：为某一工件特定工序专门设计的夹具。3）通用可调整夹具及成组夹具：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工。4）组合夹具：由一套预先制造好的标准元件组合而成。根据工件的工艺要求，组装成各种专用夹具。使用后，元件可拆开、洗净后存放，待需要时重新组装。适用于新产品试制和单件小批生产。5）随行夹具：在自动线或柔性制造系统中使用的夹具。◆按夹具使用范围划分2.1.1夹具的基本概念2.1.1夹具的基本概念三爪卡盘四爪卡盘万向平口钳回转工作台分度头图2-2通用夹具图2-3组合夹具实例2.1.1机床夹具可分为钻床夹具、铣床夹具、车床夹具、磨床夹具等。◆按使用机床划分可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、真空夹具、电动夹具等。◆按夹紧力源划分2.1.1夹具的基本概念夹具的分类气动虎钳液压夹具图2-4夹具获得加工表面之间位置精度有两种情况，一种是零件比较简单，可以在一次安装中，将有相互位置要求的几个表面同时加工出来。因此，其位置精度主要取决于机床部件之间的位置精度和运动精度，一般可获得较高的位置精度。另一种是零件比较复杂，有相互位置要求的表面不能在一次安装中连续加工。这时，由于需要多次安装，因此，其加工表面的位置精度还与安装精度有关。常用的保证位置精度的安装方法有：直接找正安装法、划线找正安装法和机床夹具安装法。2.1.2工件装夹2.1.2工件装夹直接找正装夹装夹的含义装夹又称安装，包括定位和夹紧两项内容。定位—使工件在机床或夹具上占有正确位置。夹紧—对工件施加一定的外力，使其已确定的位置在加工过程中保持不变。工件装夹方法是指用测量工具在机床或通用夹具上直接找正工件，使其加工表面相对于刀具获得正确位置的安装方法。2.1.2工件装夹图2-5直接找正安装精度高，效率低，对工人技术水平高。如:在普通车床上加工阶梯轴，若待加工的圆柱面要求与已加工的圆柱面同轴，就可在卡盘中用划针找正己加工圆柱面与机床主轴回转轴线同轴后进行加工。找正误差与工人的技术水平和细心程度有关。直接找正法示例a）磨内孔时工件的找正b）刨槽时工件的找正对形状复杂，加工面多的零件，直接找正较为困难，如对孔系的加工，常用划针在毛坯上按零件图要求先划线，画出中心线、对称线或各加工表面的加工位置，然后，按其划线找正工件在机床上的正确位置。这种方法称为划线找正安装法。划线找正装夹毛坯孔加工线找正线图2-6划线找正安装精度不高，效率低，多用于形状复杂的铸件。特点:划线找正的误差较大，因为线宽约有0.2-0.5mm，且划线时也会有误差。划线时虽能兼顾各表面的加工余量、壁厚和装配要求等因素，但由此也增加了划线时间，又需技术水平高的划线工。这种安装法也仅在单件小批量生产中使用划线找正装夹是先将机床夹具以正确位置安装于机床上，工件按定位原理在夹具上定位并夹紧。夹具装夹2.1.2工件装夹图2-7工件在夹具上装夹（滚齿夹具）夹具装夹精度和效率均高，广泛采用。特点:1)当工件以精基准在夹具上定位时，工件的重复定位误差可以小至0.01--0.02mm。重复定位误差稳定且小，易于保证加工精度；2）用夹具安装的，装卸方便，大大地减轻工人劳动强度。节省辅助时间，能大大地提高生产率，操作技术要求低，但夹具设计、制造周期长，费用高，只有在大批、大量生产中才得以广泛使用。夹具装夹第2章工件的装夹与夹具设计2.2工件的定位2.2.1定位原理图2-8六点定位原理XZY六点定位原理要确定其空间位置，就需要限制其6个自由度。将6个支承抽象为6个“点”，6个点限制了工件的6个自由度，这就是六点定位原理。任何一个物体在空间直角坐标系中都有6个自由度——用表示。ZYXZYX,,,,,Z移动，X、Y轴旋转自由度X移动，Z轴转动自由度Y移动自由度工件的6个自由度均被限制，称为完全定位。工件6个自由度中有1个或几个自由度未被限制，称为不完全定位。完全定位与不完全定位不完全定位主要有两种情况：①工件本身相对于某个点、线是完全对称的，则工件绕此点、线旋转的自由度不需限制。例如球体绕过球心轴线的转动，圆柱体绕自身轴线的转动等。②工件加工要求不需要限制某一个或某几个自由度。如加工平板上表面，要求保证平板厚度及与下平面的平行度，则只需限制3个自由度就够了。2.2.1定位原理2.2.1定位原理完全定位与不完全定位图2-9工件应限制的自由度ZYXa）限制3个自由度ZYXb）限制5个自由度ZYXc）限制6个自由度ZYXd）限制2个自由度限制4个自由度限制2个自由度e）ZYX限制4个自由度f）ZYX限制5个自由度欠定位工件加工时必须限制的自由度未被完全限制，称为欠定位。欠定位不能保证工件的正确安装，是不允许的。图2-10欠定位示例XZYa）B2.2.1定位原理B欠定位b）B正确定位过定位过定位—工件某一个自由度（或某几个自由度）被重复约束，称为过定位。过定位是否允许，要视具体情况而定：1）如果工件的定位面经过机械加工，且形状、尺寸、位置精度均较高，则过定位是允许的。有时还是必要的，合理的过定位不仅不会影响加工精度，还会起到加强工艺系统刚度和增加定位稳定性的作用。2）反之，如果工件的定位面是毛坯面，或虽经过机械加工，但加工精度不高，这时过定位一般是不允许的，因为它可能造成定位不准确，或定位不稳定，或发生定位干涉等情况。2.2.1定位原理过定位分析图2-12过定位示例a）ZYXYc）非过定位ZYXY2.2.1定位原理b）ZYYX过定位分析图2-13过定位示例XYa)过定位ZYb)合理定位ZYXY2.2.1定位原理刀柄主轴拉杆涨套过定位应用图2-14HSK刀柄与传统刀柄结构HSK刀柄传统刀柄1:107:24间隙主轴拉杆刀柄2.2.2定位原理定位端面配合锥面过定位讨论如图示，齿轮坯以内孔和一小端面定位，车削外圆和大端面。加工后检测发现大端面与内孔垂直度超差。试分析原因，提出改进意见。4A0.02A间隙配合刚性心轴图2-15过定位示例2.2.2定位原理图2-15a过定位引起夹紧变形2.2.2定位原理橡胶垫图2-15b过定位处理分析2.2.2定位原理讨论分析图示定位方案：①各方案限制的自由度；②有无欠定位或过定位；③对不合理的定位方案提出改进意见。b）XZYXc）XZYXa）YXZ图2-16过定位分析2.2.2定位原理a）过定位YXZa2）合理定位YXZa1）合理定位YXZ图2-16a过定位示例分析2.2.2定位原理b）过定位XZYXb1）XZYXXZb2）合理定位YXXZb3）YX图2-16b过定位示例分析2.2.2定位原理有过定位，提高V形块的制造与导向精度，可解决此问题有过定位，提高相关精度，可解决此问题c2）YXXZ图2-16c过定位示例分析2.2.2定位原理c）XZYX有过定位，提高V形块的制造与导向精度，可解决此问题合理定位图2-17工件以平面定位平面定位的主要形式是支承定位。常用的定位元件有支承钉、支承板、夹具支承件和夹具体的凸台及平面等。ZXY2.2.3定位方法与定位元件工件以平面定位ZXYZXYZXYZXYZXY2.2.3定位方法与定位元件图2-18支承钉与支承板a)支承钉b)支承板固定支承2.2.3定位方法与定位元件可调支承图2-19可调支承2.2.3定位方法与定位元件图2-20自位支承自位支承图2-21工件以圆孔定位工件以圆孔定位多属于定心定位，常用的定位元件有定位销和心轴。定位销有圆柱销、圆锥销、菱形销等形式；心轴有刚性心轴、弹性心轴之分。XYZXYZXYZXYZXYZXYZ2.2.3定位方法与定位元件工件以圆孔定位2.2.3定位方法与定位元件定位销图2-22常用的定位销2.2.3定位方法与定位元件刚性心轴图2-23刚性心轴2.2.3定位方法与定位元件工件以外圆定位常用于外圆表面的定位元件有：定位套、V型块等。图2-24定位套2.2.3定位方法与定位元件图2-25V形块除平面、圆孔、外圆柱面外，工件有时还可能以其它表面（如圆锥面、渐开线齿面、曲面等）定位。图2-26工件以锥孔定位2.2.3定位方法与定位元件工件以其他表面定位限制5个自由度在多个表面同时参与定位情况下，各定位表面所起作用有主次之分。定位点数最多的表面为主要定位面、位点数次多的表面为次定位基准面。2.2.3定位方法与定位元件定位表面的组合XZY图2-27工件在两顶尖上定位在分析多个表面定位情况下各表面限制的自由度时，分清主次定位面很重要。主要定位基准，限制X、Y、Z自由度次基准，与主基准一起限制X、Y自由度基准概念2.2.4基准零件是由若干表面组成，各表面之间都有一定的尺寸和相互位置要求。用以确定零件上点、线、面间的相互位置关系所依据的点、线、面称为基准按作用不同分为设计基准和工艺基准设计基准设计图样上所采用的基准工艺基准在工艺中采用的基准。工艺基准按用途不同，又分为工序基准、定位基准、测量基准和装配基准、对刀基准加工时使工件在机床或夹具中占据正确位置所用的基准工艺基准零件检验时，用以测量已加工表面尺寸及位置的基准装配时用以确定零件在部件或产品中位置的基准定位基准测量基准装配基准工序基准工序图上用来确定本工序所加工表面加工后的尺寸、形状、位置调整刀具与机床的相对位置的基准对刀基准未经机械加工定位基准经过机械加工工艺需要专门设计粗基准精基准附加基准2.2.5定位误差定位误差的概念如图2-28在轴上铣键槽，采用V型块定位，键槽铣刀按规定尺寸H调整好位置，分析其定位误差。图2-28定位误差HOAO2O1ΔDW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。实际加工时，由于工件直径存在公差，会使轴心位置发生变化，进而使工序尺寸H也发生变化。定位误差1）由于工件定位表面或夹具定位元件制作不准确引起的定位误差，称为基准位置误差。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。图2-29所示工件以底面定位铣台阶面，要求保证尺寸a。2.2.5定位误差定位误差的来源ba图2-29由于基准不重合引起的定位误差定位基准工序基准ΔDW基准不重合误差2.2.5定位误差定位误差计算工件的定位误差实质上就是工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量。用几何方法计算定位误差通常要画出工件的定位简图，并在图中夸张地画出工件变动的极限位置；然后运用几何知识，求出工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量，即可求出定位误差。1)用几何方法计算定位误差当工件孔径为最大，定位销的直径为最小时，孔处在左右两个极限位置。【解】2.2.5定位误差XTTdDdDgDWminmaxXTDDDgmaxdTdDmin【例2-1】图2-30所示为孔与销间隙配合的情况，销垂直放置，若工件的工序基准为孔心，试确定其定位误差。式中ΔDW—定位误差；Dmax—工件定位孔最大直径;dmin—夹具定位销最小直径。图2-30孔与销间隙配合时的定位误差DmaxdminO定位误差均为：O2ΔDWO1dD2.2.5定位误差当工件孔与夹具定位销保持固定边接触时(或销子水平放置），定位误差为孔径公差的一半。此时，定位误差是由于定位基准与工序基准不重合所造成的，属于基准不重合误差，与定位销直径无关。图2-31孔与销间隙配合固定边接触时定位误差OO1DminDmaxΔDWO2定位误差为：XTTTdDdDgDDW21