机械制造技术基础-机床夹具设计原理

第四章机床夹具设计原理学习目的与要求（1）了解机床夹具的组成、作用及其对零件加工的重要性（2）掌握对工件定位的概念、原理、要求及定位误差的概念（3）掌握各种不同定位方式定位误差的计算（4）熟悉对工件夹紧的目的、要求和夹紧机构（5）熟悉各种机床上使用的夹具特点（6）初步掌握夹具设计的方法、要点和步骤主要内容第4章机床夹具设计原理4.1机床夹具的概述4.2工件的定位4.3典型的定位方式、定位元件及定位装置4.4定位误差4.5工件的夹紧4.6夹紧机构4.7夹具的动力装置4.8夹具的其它装置4.9夹具设计的方法及步骤思考与练习：一、机床夹具的定义广义机床夹具辅助——将刀具在机床上进行定位、夹紧的装置。二、工件的安装定义内容：方式：§4-1夹具的基本概念安装定位夹紧划线安装夹具安装三、夹具的组成1、夹具的组成①定位元件及定位装置②夹紧元件及夹紧装置③导向元件或对刀装置④动力装置⑤夹具体⑥其它元件与装置2、夹具的工作原理要点①使工件占有正确的加工位置②保证夹具定位工作面相对机床切削运动形成表面的准确几何位置，满足加工面对定位基准的相互位置精度要求③保证加工面对定位基准的位置尺寸机床夹具和机床、刀具、工件之间关系图四、夹具的作用（1）保证加工精度（2）提高生产率（3）减轻工人劳动强度（4）扩大机床使用范围（5）降低生产成本（6）可由较低技术等级的工人加工五、夹具分类1、按专业化程度①通用夹具②专用夹具③成组夹具④组合夹具⑤随行夹具2、按机床种类①车床夹具②磨床夹具③钻床夹具(钻模)④镗床夹具(镗模)⑤铣床夹具3、按动力源手动、气动、液压、气液、电动、电磁、真空、自紧(切削力)§4-2工件的定位一、定位与基准定位：工件在夹具中占有正确的位置夹紧：固定工件的位置定位基准：确定工件安装时所用的基准二、定位原理自由度：一个物体在空间中可能具有的运动刚体有六个自由度：定位条件：采取各种约束措施来消除六个自由度六点定位原理：xyzxyz、、、、、平面1、2、3：圆柱面5、6：槽4：zxy、、xy、z圆盘类零件轴类零件圆柱面1、3、4、5：槽2：端6：yzyz、、、xx①定位销定位：六点定位原理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，实现完全定位常见定位元件分析②V型铁定位：③锥销定位：④顶尖定位：三、定位的正常情况与非正常情况需限制5个自由度需限制6个自由度正常定位完全定位不完全定位不正常定位欠定位超定位超定位的几个例子①平面定位：四个支撑钉→三个②平面长销平面→3个；长销→4个改进措施长销与小端面短销与大端面长销与浮动端面垫③一面两销两个短销均限制了→将其中一销改为削边销Y过定位益处增加稳定性增加刚性具体情况具体分析：该限制的没有限制→欠定位，不允许；限制自由度小于六时，是欠定位或不完全定位一个自由度被多个定位元件限制→超定位，一般不允许工件定位面精度、夹具定位元件精度较高→允许过定位→提高刚度工件刚度低，过定位→提高刚度根据加工要求确定定位欠定位和过定位可能同时存在§5-3典型的定位方式、定位元件及定位装置一、定位元件的要求①有与工件相应的精度；②有足够的刚度；③有足够的耐磨性。二、常见的定位方式及定位元件平面定位、外圆定位、内孔定位、复合定位1、平面定位应用场合：箱体、床身、机座、支架等定位元件：支承钉及支承板、可调支承与自位支承、辅助支承①支承钉与支承板精基准：支承钉或支承板粗基准：三个支承钉②可调支承用于未加工过的面（粗基准）③自位支承④辅助支承避免粗基准的超定位增加工件刚性辅助支承2、圆孔定位①定位销：主用于中心孔定位，一般d≤50mm②锥销圆柱形定位销：限制2个自由度菱形销(削边销)：限制1个自由度固定：限制3个自由度浮动：限制2个自由度③心轴：A、刚性心轴间隙配合，定心低过盈配合，定心高B、锥度心轴常用锥度：1:1000～1:5000工件紧，定心高，不用夹紧C、弹性心轴：定心精度高，装卸方便液性塑料心轴D、定心心轴：用于粗基准或孔径大时孔定位3、外圆定位①套筒②自动定心定位：卡盘及卡头③支承④V型铁定位分类：特点：对中性好应用：外圆柱面定位；任意曲线柱面的定位；与其他定位元件组合使用；超定位时，可做成浮动形式平支承两个平支承半圆支承长V型铁：限制4个自由度短V型铁：限制2个自由度V型铁4、圆锥孔定位用锥轴限5个自由度，特例是顶尖（死顶尖和浮动顶尖）5、复合定位——一个平面和两个与平面垂直的孔组合；一个平面和一个与其垂直的孔组合（1）一个平面和两个与其垂直的孔A、采用两个圆柱销和一个平面的情况使工件两个孔中一个准确定位，两孔中心距误差和两销中心距误差由另一个定位销来补偿设孔1和销1准确定位，两者最小间隙△1，要将孔2套入定位销2，而两个中心距又有误差，则只能将定位销2减小。从图中可以看出，当两孔中心距最大两销中心距最小或反之L-δLxL+δLx△2为孔2与销2的最小间隙，这样d2较小，从而定位的角度小误差很大。两孔中心误差和两销的中心误差由两个定位销来补偿：将两个销直径减小，这样在中心连线方向定位精度降低，另外也不能减小角度误差，因此很少采用。222max22()22xggDDdLLLLL122max2222222gxdDddDLLB、用削边销来补偿两孔中心距和两销中心距的误差削边销的出现设两孔中心距最大，两销中心距最小11min1maxDd22min2maxDd如把定位销2削成宽为b的扁销，即可补偿两个中心距误差使工件顺利装入。根据几何关系得（两三角形）222()2()2()xgxgDbLLLL略去高阶小量222()xgDbLL当两孔中心距最小，两销中心距最大时，结果相同。2BDO'2BDO削边销结构2222()2gxDBDLL≤2222()2gxDBDLL≤已标准化扁销刚性差凸肚销制造复杂菱形销C、削边销（菱形）设计已知：两销孔公称尺寸及公差，两孔中心距公称尺寸及公差求：两销公称尺寸削边销宽度及销公差，两销孔中心距及公差例：已知工件两孔为两孔中心距为0.031012mm1000.05mm解：①公差为对称分布11(~)53xgLL112(~)1000.02535xggLLLL②确定圆柱销的直径及公差圆柱销1的为最小间隙0.0060.01712112(120.006)0.006mm③确定菱形销2的直径公称尺寸、公差及宽度先根据D2值查表选b（P204表4.1），b=4根据b求△2则由最小间隙222()24(0.050.02)0.047mm12xgbLLD2222min2max22()()22DdDdDd0.04720.05812d0220.05811.9530.01111.942mm122dd0.0060.017得，选销与孔为H/g，H/f，一般为g6，公差为公差值为0.011所以，取d2=12，则0.047222220()120.04711.9531222dDdD（2）一个平面和一个与其垂直的孔组合A、大平面、短销B、大平面、长销（3）两个互相垂直的平面和一个与其中一个面垂直的孔组合6、其它定位方式一些特殊的如齿轮淬火后磨内孔→齿→余量均匀123齿面定位§5-4定位误差一、与夹具有关的误差：1、定位误差△定2、夹紧误差△夹紧3、导向误差△导4、夹具安装误差△夹具安5、夹具制造误差△夹具基准不重合间隙定位基面形状误差定位误差△dw对正安装误差△az△az—过程误差△dw+△az+△gc=δ各取1/3二、定位误差的分析定位误差是否满足要求，与分布有关，也与标准值（调整值有关）误差分布范围下限上限标准（调整时）基准不重合基准位移误差工件定位面不准—一批零件，系统误差和随机误差夹具定位元件不准—夹具，系统误差三、常见定位形式的定位误差1、用支承或平面作定位元件①平面定位要求尺寸：A1则由基准不重合引起的定位误差△定=δA2A2±δA2/2②支承定位平面要求尺寸：A3基准重合，但工件定位面不准，有基准位移引起定位误差△定=(H-h)tg(△α)，α=90°若要求A1则即有基准位移引起，又有定位基准不重合△定=(H-h)tg(△α)+δA2③支承定位外圆表面对H1:△定=δD/2(不重合)对H2:△定=0对A:△定=δD/2(不重合)2、用定位销、心轴定位内圆表面和用套筒定位外圆表面(1)中心偏移—销或套筒垂直放置如图，x、y两个方向定位误差Dd定定xy中心圆当定位销或套筒水平放置，由于重力等作用，高点接触定位误差：2222dDDd2222dDDd22dD定销小孔大销大孔小⑵中心偏转DdtgL3、锥心轴定位当工件孔有孔径误差时，基准位移误差：——孔直径公差——锥角当心轴有直径误差时孔2()2tg孔定孔2tg()2轴定公差⑴位移误差对销1来说最小间隙各个方向——孔径公差——销径公差——最小间隙111max12222Dd11max1maxmax22DdDd定位111Dd222max22222Dd对销2来说，由于不限x方向自由度，即由销1决定。y方向：11max122Dd定位移⑵转角：1122121max2max222DdDdtgLL转角为2一般α转角：可取()22tg弧度4、V形铁定位①下母线为设计基准（如键槽等）此时由于基准不重合（Q→A、C）产生基准转换误差。设调整是按标准工件调整，工件直径为d，现工件直径为d+δ，则产生的定位误差为QQOQOQOOOQOQ定其中22sinsin2sin222ddOTOO2dOQ2dOQ∴11(1)2222sinsin22ddK定111(1)2sin2K带入直径公差→误差分布范围12090601K077.0207.05②中心线为设计基准(如端键槽)此时定位误差2sin2sin22OTOOK定212sin2Kα=120°，60°，90°③设计基准为上母线此时定位误差--PPOPOPOOOPOP定2sin2OO2dOP2dOP∴222sin2dd定31(1)2sin2Kα=120°，90°，60°K3K2K1注意§5-5工件的夹紧一、夹紧机构的组成1、夹紧元件2、动力装置3、中间传力机构二、夹紧机构的基本要求与设计原则1、夹紧必须保证定位而不能破坏定位主要夹紧力垂直于装置基面夹紧元件不应破坏工件定位2、工件和夹具的夹紧变形必须在允许范围内夹紧力作用在工件刚性较好的方向上夹紧力的着力点和支承点尽可能靠近切削力作用点夹紧力的反作用力不应使夹具产生影响加工精度的变形夹紧力大小要适当3、夹紧机构必须可靠夹紧元件本身有足够的刚度和强度手动夹紧的自锁性能可靠夹紧机构有足够的夹紧行程4、夹紧机构的操作安全、省力、方便、迅速5、夹紧机构的复杂程度和自动化程度与生产规模及工厂的财力、物力相适应三、夹紧力的确定夹紧力大小、方向和作用点1、夹紧力的方向保证定位准确可靠，一般垂直于主要定位基准面应使所需夹紧力尽可能小应使工件变形小2、夹紧力的作用点保持工件稳定定位使工件夹紧变形尽可能小尽可能靠近工件被加工表面三要素辅助支承3、夹紧力大小的选择夹紧力大小应适当确定方法：①类比法②计算分析法加工过程中，切削力变化时，按最不利的情况考虑开始，绕0点翻转，摩擦力矩12ABFfLFfL1/2ABFFW121/2WfL