机床夹具设计原理和方法

机床夹具设计原理为保证工件的加工要求，必须使工件在机床上处于准确的位置，夹具就是用来实现这一要求的。用夹具定位涉及到三层关系：（1）工件在夹具上的定位；（2）夹具相对于机床的定位；（3）工件相对于机床的定位——间接通过夹具来保证的。本章主要讨论工件在夹具上的定位原理。工件定位以后必须通过一定的装置产生夹紧力，使工件保持在准确的位置上。这种产生夹紧力的装置就是夹紧装置。也是本章所讨论的主题。内容提要本章提纲第一节概述第二节工件的定位第三节工件的夹紧第四节夹具的选用和设计一、概述为了加工出符合规定技术要求的表面，必须在加工前将工件装夹在机床上1.工件的装夹（1）装夹的目的实现工件的定位与夹紧第一节概述定位：使工件在机床或夹具中占有正确位置的过程。夹紧：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。（2）装夹的方法1）直接找正装夹效率低，找正精度较高；适用单件小批量中形状简单的工件。一、概述3）夹具装夹2）划线找正装夹通用性好，但效率低，精度不高；适用于单件小批量中形状复杂的铸件。操作简单，效率高，容易保证加工精度，适用于各种生产类型。一、概述2.机床夹具的用途机床夹具是机床上用以装夹工件（和引导刀具）的一种装置。其作用是将工件定位，以使工件获得相对于机床或刀具的正确位置，并把工件可靠地夹紧。一、概述3.机床夹具的分类按夹具的应用范围和特点分通用夹具专用夹具可调夹具和成组夹具组合夹具一、概述4.机床夹具的组成机床夹具的组成定位元件夹紧装置对刀、引导元件其它装置或元件夹具体连接元件一、概述第二节工件的定位1、六点定位原理任何一个物体在空间直角坐标系中都有6个自由度要确定其空间位置，就需限制其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。图5－3工件在空间的自由度与工件六点定位六点定位原理几点注意：1、“点”的含义对自由度的限制，与实际的接触点有区别与理论力学、机构学自由度概念区别—位置不定度—夹紧与定位概念要分开—工件、夹具是弹性体举例：在球面上加工一个平面举例2：在球面上加工一个通孔六个自由度全部限制完全定位2、工件在夹具中的定位情况2、不完全定位2、工件在夹具中的定位•欠定位——应该消除的自由度没有消除，•不允许。欠定位2、工件在夹具中的定位过定位及消除过定位的方式2、工件在夹具中的定位二、常见的的定位方式及定位元件单个典型表面的定位元件，单个典型表面是指平面、内外圆柱面、内外圆锥面等。单个典型表面是组成各种不同复杂工件的基本单元，分析单个典型表面的定位及定位元件设计是进行夹具定位分析和夹具定位方案设计的基础1、工件以平面定位：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。二、常见的的定位方式及定位元件（1）支承钉：A型是平头支承钉B型是球头支承钉C型是齿纹顶面的支承钉支承钉的定位情况二、常见的的定位方式及定位元件（2）支承板A型:常用于侧面或顶面的定支承板的工作平面上开有斜槽，B型支承板应用较多，用于底面的定位更合适支承板定位情况平面定位的几种情况图4－8连杆的定位1－定位销2－支承板3－圆柱销4－工件二、常见的的定位方式及定位元件2、可调支承——未加工过的平面定位二、常见的的定位方式及定位元件3、自位支承（浮动支承）（一）工件以平面定位二、常见的的定位方式及定位元件4、辅助支承图夹紧点靠近加工表面辅助支承（二）工件以外圆定位二、常见的的定位方式及定位元件1、V形块优点（1）对中性好；（2）应用范围广V型块定位情况V型块的特点V形块对外圆柱面定位，形式上是支承定位（V形块两斜面于外圆柱面接触），但其实质是定心定位。V形块能起对中作用，即工件轴心必处于V形块两斜面的对称中心平面之上。可以用于非完整外圆的定位。活动V形块常常起着定位和夹紧的双重作用（既是定位元件，又是夹紧元件）。（二）工件以外圆定位二、常见的的定位方式及定位元件2、定位套（二）工件以外圆定位二、常见的的定位方式及定位元件3、半圆套（二）工件以外圆定位二、常见的的定位方式及定位元件4、圆锥套（三）工件以圆孔定位—定位基准为孔的轴线二、常见的的定位方式及定位元件1、定位销圆柱销的定位（三）工件以圆孔定位二、常见的的定位方式及定位元件2、圆锥销定位情况（三）工件以圆孔定位二、常见的的定位方式及定位元件3、定位心轴（1）圆柱心轴圆柱心轴的定位：（三）工件以圆孔定位二、常见的的定位方式及定位元件3、定位心轴（2）圆锥心轴圆锥孔定位情况（四）工件以组合表面定位二、常见的的定位方式及定位元件常见的组合方式：平面与平面、平面与孔、平面与外圆柱面、平面与其他表面组合、锥面与锥面结合三、定位误差及其分析计算由于工序没有讲，所以本内容在第七章讲述第三节工件的夹紧一、夹紧装置2.夹紧装置的基本要求（1）夹紧时不能破坏工件在夹具中占有的正确位置；（2）夹紧力要适当，既要保证工件在加工过程中不移动、不转动、不振动，又不因夹紧力过大而使工件表面损伤、变形（3）夹紧机构的操作应安全、方便、迅速、省力；（4）结构应尽量简单，制造、维修要方便。1）夹紧力的作用方向应不破坏工件定位的准确性1.夹紧力方向二、夹紧力的确定2）夹紧力方向应使工件变形尽可能小二、夹紧力的确定3）夹紧力方向应使所需夹紧力尽可能小二、夹紧力的确定看动画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（动画）2、夹紧力作用点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3.夹紧力的计算一般采用机动（气动、液动）夹紧装置时，需对夹紧力进行计算，而采用手动夹紧机构时，常根据经验或类比法确定所需的夹紧力。三、典型夹紧装置（1）楔块夹紧装置在生产中，很少单独使用楔块对工件直接夹紧，而是与杆杠、压板、螺旋等组合使用，或是与气压、液压传动装置联用。如下图所示，楔块夹紧主要用于增大夹紧力或改变夹紧力方向。1、斜楔夹紧装置工作原理：斜楔夹紧机构是利用斜楔的轴向移动直接对工件进行夹紧或推动中间元件将力传递给夹紧元件再对工件进行夹紧。1、斜楔夹紧装置斜楔夹紧机构夹紧力的计算（2）斜楔夹紧的自锁条件当工件夹紧并撤除源动力P后，夹紧机构依靠摩擦力的作用，仍能保持对工件的夹紧状态的现象成为自锁。自锁条件：1、斜楔夹紧装置（3）斜楔夹紧的扩力比（扩力系数）公式5-24所示（4）斜楔夹紧机构行程比一般把斜楔的移动行程L与工件需要的夹紧行程S的比值，成为行程比，（5）应用：斜楔夹紧机构结构简单，工作可靠，但由于它的机械效率较低，很少直接用于手动夹紧，而常用在工件尺寸较小的机动夹紧机构中。1、斜楔夹紧装置（2）螺旋夹紧装置螺旋夹紧装置是从楔块夹紧装置转化而来的，相当于把楔块绕在圆柱体上，转动螺旋时即可夹紧工件。如图所示为简单的单螺旋夹紧机构。观看动画1观看动画2观看动画3（3）偏心夹紧装置偏心夹紧装置也是从楔块夹紧装置转化而来的，它是将楔块包在圆盘上，旋转圆盘使工件得以夹紧。（观看动画1）（观看动画2）偏心夹紧装置动画演示1偏心夹紧装置动画演示2（4）定心夹紧装置在切削加工中，若工件是以中心线或对称面为工序基准，为使＝0，可采用一种保证工件准确定心或对中的装置，使工件的定位和夹紧过程同时完成，而定位元件与夹紧元件合二为一。这种装置称为定心夹紧装置。如图所示，三爪卡盘就是一种定心夹紧装置。1．以等速移动原理工作的定心夹紧机构1）三爪卡盘三爪卡盘是车床上的标准附件，是工件以外圆柱面定位时使用最为广泛的通用夹具，它就是一个典型的定心夹紧机构。三爪卡盘的三只卡爪能同步移动，因此在夹紧工件的同时实现定心定位。三爪卡盘常用于工件的粗加工和半精加工。2）斜楔式定心夹紧机构斜楔式定心夹紧机构常用于工件以圆柱孔定位的情况。依靠斜楔的移动，推动滑块径向移动，实现对工件的定心定位和夹紧。1．以等速移动原理工作的定心夹紧机构3）螺旋定心夹紧机构螺旋定心夹紧机构是利用等螺距的左右旋螺纹驱动两活动V形块对工件实行定心夹紧。工件以对称中心平面为定为基准时，应用这种夹紧机构。1．以等速移动原理工作的定心夹紧机构2．以均匀的弹性变形原理工作的定心夹紧机构1）弹簧卡头工件以外圆柱面定位，用弹簧夹头。2）可涨心轴工件以圆柱孔定位时，用可胀心轴。可胀心轴和弹簧夹头的工作原理完全相同，所不同的是，可胀心轴的弹簧套筒具有内锥面，在中心拉杆外锥面的作用下向外胀开，实现对套筒类工件的定心定位和夹紧。2．以均匀的弹性变形原理工作的定心夹紧机构3）弹性薄膜卡盘齿轮加工中，常以齿轮分度圆齿面定位（定为基准是分度圆柱面的轴线），精加工齿轮内孔，以保证内孔与分度圆的同轴度。所用定心夹具就是弹性薄膜卡盘。4）液性塑料夹具当工件以圆柱孔定位时，常以液体塑料产生的弹力对工件实施定心夹紧。3、联动夹紧机构在夹紧机构设计中，有时需要对一个工件的几个点或多个工件同时进行夹紧，为减少工件装夹时间，简化结构，常采用各种联动夹紧机构，这种机构可以从一处施加作用力，同时在几处或几个方向上对一个或几个工件同时进行夹紧。双向联动夹紧机构：夹紧力作用在两互相垂直的方向上平行联动夹紧：夹紧机构两夹紧点的方向相同多件联动夹紧机构：夹紧动力源装置1．气动夹紧，工作压力在0.4~0.6MPa2．液压夹紧特点：1)工作压力高,可达5~6.5MPa，传动力大，不需增力机构，夹具结构简单；2)油液不可压缩，夹紧刚性大，工作平稳，夹紧可靠；3)噪声小，劳动条件好。4)适用于重力切削或加工大型工件时的多处夹紧3．气-液压组合夹紧各类机床夹具特点一、钻床夹具1、组成：钻模板、钻套、定位元件、夹紧装置、夹具体2．钻套：3．钻套尺寸：4、钻模的类型5、钻模板1、组成：导向支架、镗套、定位元件、夹紧装置、夹具体2、镗套：二、镗床夹具1．组成：定位元件、夹紧装置、对刀块、连接元件、夹具体2．连接元件：3．对刀装置：三、铣床夹具：数控加工夹具简介1、数控机床夹具必须适应特点；数控机床的高精度、高效率、多方向同时加工、数字程序控制及单件小批生产的。2、数控机床夹具的新要求：1)推行标准化、系列化和通用化；2)发展组合夹具和拼装夹具，降低生产成本；3)提高精度；4)提高夹具的高效自动化水平。3．通用夹具的种类：1）数控车床夹具数控车床夹具分类：A、三爪自定心卡盘优点：可自动定心，装夹方便，应用较广，缺点：夹紧力较小，不便于夹持外形不规则的工件B、四爪单动卡盘特点：四个爪都可单独移动，安装工件时需找正，夹紧力大，适用于装夹毛坯及截面形状不规则和不对称的较重、较大的工件。C、花盘3、通用夹具种类2）数控铣床夹具特点：装夹方便，应用广泛，适于装夹形状规则的小型工件3）加工中心夹具数控回转工作台是各类数控铣床和加工中心的理想配套附件数控回转工作台分类：立式工作台、卧式工作台和立卧两用回转工作台回转工作台可以用来进行各种圆弧加工或与直线坐标进给联动进行曲面加工，及实现精确的自动分度4．其他的数控机床夹具A、拼装夹具、B、组合夹具、C、可调夹具和数控夹具。第四节夹具的选用和设计一、对机床夹具的基本要求对机床夹具的基本要求可总括为四个方面：（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；（3）结构简单，有良好的结构工艺性和劳动条件；（4）应能降低工件的制造成本。二、夹具设计的工作步骤（1）研究原始资料，明确设计任务；（2）考虑和确定夹具的结构方案，绘制结构草图；（3）绘制夹具总图；（4）确定并标注有关尺寸和夹具技术要求；（5）绘制夹具零件图。