第5章 夹具设计的基本原理 机械制造工艺学 教学ppt课件.ppt

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1、第五章 夹具设计的基本原理,主要内容：工件在夹具中的定位工件在夹具中的夹紧专用夹具设计方法计算机辅助夹具设计,第一节 机床夹具概述,一、机床夹具的概念和功用,（一）概念： 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正确的位置，并在加工过程中保持这个位置不变。,（二）夹具的功用1.稳定保证工件的加工精度2.减少辅助工时，提高劳动生产率3.扩大机床的使用范围，实现一机多能,二、机床夹具的分类1.按专业化程度分1）通用夹具： 已标准化，通用性好，可用于加工同 一类型，不同尺寸工件。 车床:三爪卡盘、四爪卡盘。 铣床:平口钳、回转工作台、万能分度头。 磨床:磁铁吸盘。,

2、2）专用夹具： 根据加工某一零件的某一工序的具体 加工要求而设计的夹具 特点：结构紧凑，操作迅速、方便，可保证较高的 加工精度和生产效率。 缺点：设计周期长，制造费用也较高，只适用于固 定产品，当产品变更时，夹具将无法使用。,3）可调夹具和成组夹具：经调整或更换个别元件，即 可加工多种工件的夹具。 这种夹具主要用于加工 形状相似，尺寸相近的工件的加工。,4）组合夹具（拼装夹具）： 这种夹具是在夹具零部件完全标准化的基础上，根据积木化原理，针对不同的工件对象和加工要求，拼装组合成夹具。构成夹具的各零部件，在工件加工完后，可拆散成各种元件，组合成适用其它产品加工要求的夹具。 当今生产发展趋势：多品

3、种、小批量。由此导致对生产装备的要求是高效、快捷的柔性系统。,孔系,系槽,5）随行夹具： 切削加工中随带安装好的工件在各工作位置间被自动运送转移的机床夹具。随行夹具主要是在自动线生产加工中心中、柔性生产线。,2.按使用的机床分类铣床夹具钻床夹具镗床夹具磨床夹具齿轮机床夹具其它机床夹具,3.按夹紧动力源不同分：手动夹具气动夹具液压夹具气液夹具电磁夹具真空夹具等,四、机床夹具的组成1.定位装置 作用是使工件在夹具中占据正确的位置。2.夹紧装置 作用是将工件压紧夹牢，保证工件在加工过程中受到外力作用下，不偏离已经占据的正确位置。,3. 对刀或导向装置 用于确定刀具相对定位元件及工件加工表面的正确位置

4、。4. 连接元件 是夹具在机床上安装的连接元件。,5.夹具体 是机床夹具的基础件，通过夹具体将所有的元件连接组合成一个整体。6.其它装置及元件指因特殊需要而设置的装置或元件。如分度装置，吊装件，操作件等,钻床夹具,铣床夹具,第二节 工件在夹具中的定位 工件在夹具中的定位是利用六点定位原理来分析工件的定位方案，根据工件的结构特点和工序的加工要求选择定位方式，设计定位元件。,一、常用定位方式与定位元件,基本支承：限制自由度，真正起定位作用。辅助支承：不限制自由度，起预定位、增加工件和夹 具刚性等作用。,（一）工件以平面定位 1基本支承 1）固定支承：安装到夹具上后，不可拆卸或调节。分 为支承钉和支

5、承板。,支承钉：用于小平面未加工或已加工表面的定位。 （一个支承钉只限制一个自由度） 平头：用于精基准面得定位。 球头：用于粗基准面得定位。 网纹顶面：用于较大摩擦力的侧面定位。 带衬套支承钉：便于拆卸更换（大批量磨损快场合）。,支承钉尾部与基体孔的配合： 过盈配合：H7/r6 或H7/n6 加中间套(可换)：套与夹具体上孔为过盈配合，套与支承钉尾部可选过渡配合H7/js6支承钉布置原则： 三点：组成的平面面积尽可能大 二点：距离尽可能长 一点：应与切削力方向对应,支承板 用于较大已加工平面的定位，所以常出现在精基准定位中，一个支承板的作用，相当于两个支承钉，消除两个自由度。,A型：平板式支承

6、板 B型：斜槽式支承板,支承板和支承钉的技术要求D12的支承钉和小型支承板，用较好的T7A钢，淬硬 HRC60-64对D12的支承钉和大型支承板，一般用20#钢渗碳淬火，渗碳深度为0.81.2mm,硬度至HRC6064 为保持几块支承板在同一平面上，在装配后应将顶部进行统磨。有精度要求或使支承板装配牢固，需加定位销。,2）可调支承: 顶端位置可在一定范围内调整,方法：一批工件调整一次，调整后应锁紧。,3）自位支承 （浮动支承）：支承本身所处的位置随工件定位基准面的变化而自动调整，并与之适应。（只起一个支撑点作用）常用于毛坯、断续面、台阶面,只限制一个自由度,2.辅助支承,根据六点定位原理，工件

7、定位原理，工件定位夹紧后，若工件刚性很差，在切削力和夹紧力的影响下，会发生变形和振动。为此，需增加辅助支承，减小变形，以提高刚性和稳定性。,作用：由于辅助支承是在工件定位后才参与支承，因此不起任何消除自由度作用，只起减小工件变形和振动的作用。各种辅助支承在每次卸下工件后，必须松开，装上工件后再进行调整和锁紧，另外，辅助支承不应破坏原有定位。,应用场合： 起预定位作用 提高夹具工件的稳定性 提高工件的刚性,（二）工件以外圆定位,1. V形块,1） V形块结构：(已标准化） 两斜面夹角常取90或120 工艺槽：降低应力集中，便于v形工作面加工。 支承面和底面精度要求较高 安装时，需采用定位销孔(有

8、定位销孔和安装孔),2）特点：,对中性好（水平方向）所定位的水平轴中心位置（垂直方向），随V形块夹角及工件直径的误差而发生变化V形块装在夹具体时，除用螺钉紧固外，还要加装定位销,3） 材料： 20钢 热处理：渗碳深度0.8-1.2mm, 淬硬HRC60-64，大型V形块，可用铸铁在支承面镶以碎硬耐磨的钢板。,4）主要结构参数： V形块已标准化，绘制V形块工作图时，可不绘制图形，但应注明尺寸C、H、h,2.定位套筒,元件结构简单，定心精度不变；当工件外圆与定位圆孔配合较松时，易使工件倾斜，可考虑利用套筒内孔及端面一起定位；当端面大时，定位孔应短些，以避免产生过定位。,定位套与夹具体配合： 直径小

9、：H7/r6或H7/s6 较紧直径大：H7/k6或H7/js6 较松，装入后再用螺钉拧紧,短定位套限制工件2个自由度，长定位套限制工件4个自由度,3.剖分套筒（半圆套） 主要用于大型轴类零件的精密轴径定位，以便于安装。 结构:下半孔起定位作用 上半孔起夹紧作用,4.圆锥套,以圆锥套定位时，常与后顶尖配合使用。,圆锥套定位限制：,后顶尖定位限制：,（三）工件以内孔定位,工件以内孔定位时，常用的定位元件有：定位销、定位心轴、圆锥销、圆锥心轴、自动定心机构（如三爪卡盘、弹簧心轴等）。,1.定位销（a） 被定位元件圆孔尺寸较小（b） 需与端面共同定位时（c） 被定位元件圆孔尺寸较大（d）可换式：用于大

10、量生产中，易于更换，更换时为避免破坏夹具体加上衬套，定位销与衬套配合H7/js6、H7/n7,2.圆锥销,常用于工件孔端的定位，可限制三个自由度,3.定位心轴,a.圆柱形心轴：工件与心轴定位部分为过盈配合,工件与心轴定位部分为间隙配合,定心精度高,定心精度不高,b.圆锥心轴,c.花键心轴,4.内圆定心夹紧机构用于内孔的定心夹紧机构，其作用原理与外圆定位时是一样的。区别仅在于孔定位时，支承等远离中心移动，与工件孔表面接触。,孔用涨紧套,加工箱体等零件时,常采用一面两孔定位,（四）工件以组合表面定位,加工箱体等零件时,常采用一面两孔定位,1 定位情况底面支承板限制Z移动和X转动、Y转动; 短销1限

11、制X移动、Y移动; 短销2限制X移动、Z转动。 X移动过定位,2 后果当孔心距最小、销心距最大或孔心距最大、销心距最小时，工件不能顺利安装。强行安装则导致工件或夹具的变形。,3. 解决办法：,采用削边销的截面形状为菱销,第二销子会发生过定位，实际使用中常做成削边销(d)或菱形销(c)。,削边销尺寸计算：1）确定两销中心距：两销中心距的基本尺寸等于两孔中心距的基本尺寸，两销中心距的偏差一般为两孔中心距偏差的1/51/3。2）确定第一个定位销基本尺寸d1:取d1=D1min，定位销的直径公差一般按g6、f7配合选取，最后应对销尺寸进行圆整处理。,3）确定削边销宽度b和B值:削边销结构尺寸已经标准化

12、，设计时尽量按标准选用，按下表选取。,二、定位误差及其分析与计算 零件的加工精度决定于：刀具与工件间正确的相互位置。影响这个正确位置关系的因素：1、夹具在机床上的装夹误差；2、工件在夹具上的定位误差和夹紧误差；3、机床的调整误差；4、工艺系统的弹性变形和热变形误差；5、机床和刀具制造误差和磨损等。,为了保证工件的加工质量，应满足如下关系式： 各种因素产生的误差之和；工件被加工尺寸的公差。对于定位误差，一般应满足： d /3,（一）定位误差及产生原因 产生原因：工件定位造成的加工面相对工序基准的位置误差。 定位误差：工序基准在加工尺寸方向的最大变动量。,1.造成定位误差的原因：1）基准不重合误差

13、：定位基准与工序基准不一致所引起的定位误差，即工序基准相对于定位基准在加工尺寸方向上的最大变动量，B表示。2）基准位移误差：定位副制造误差及其配合间隙所引起的定位误差，即定位基准的相对位置在加工尺寸方向上的最大变动量，Y表示。,定位误差是两者的合成：定位误差：D= YB,（二）常见定位方式的定位误差分析与计算1.工件以平面定位,工件2、3面已加工好，现要加工1面。,以底面定位加工：台阶面的加工尺寸工序基准是顶面，而定位基准是底面，定位基准与工序基准不重合，存在不重合误差。 B=2H,定位基准制造得比较平整光滑的话，则定位基准位置不变，不会产生基准位移误差 Y=0,故定位误差 D=Y+B=2H,

14、若采用上表面为定位基准，则不存在基准不重合误差，但工件需从下向上夹紧，夹具结构复杂。,为提高定位精度，设计夹具时尽量使定位基准与加工表面之设计基准重合。 但定位精度虽然提高了，有时使得夹具结构复杂，工件安装不便, 稳定性和可靠性变差。生产中只要在满足工艺的要求前提下，如果能降低工序成本，基准不重合的定位方案，也允许选用。,2.工件以外圆定位,工件以外圆在V型块上定位时，若不考虑V型块制造误差，则工件的定位基准在V型块的对称面上，因此工件中心线在水平方向上的位移为零。 垂直方向上，因工件有外圆制造误差而产生基准位移。,加工槽时，采用三种不同的工序尺寸标注时，计算基准不重合度误差：,1）工序基准与

15、定位基准重合 B=0,故影响H1的定位误差为 ：,2）工序基准在工件上母线处,工序基准与定位基准不重合，基准不重合误差：,当工件直径尺寸减小时，工件定位基准将下移；当工件定位基准位置不变时，若工件直径尺寸减小，则工序基准将下移，两者变化方向相同。故定位误差为：,3）工序基准在下母线处,工件的直径变小时，定位基准将下移，但工序基准将上移，工序基准与定位基准的变化方向相反，故定位误差为：,由上述三种情况可以看出，当a角相同时，以工件下母线为工序基准时，定位误差最小，而以上母线为工序基准时定位误差最大。,3.工件以内孔定位 工件以单一圆柱孔定位时，常用的定位元件是圆柱定位心轴（或定位销），此时定位误

16、差计算分两种情况。,1）工件孔与圆柱心轴过盈配合 定位副无间隙，定位基准位移为零，所以Y=0,工序基准与定位基准重合， 定位误差为：,D=Y+B=0,工序基准在定位孔的母线上,定位误差为：,工序基准在工件外圆母线上,定位误差为：,2）工件与定位心轴（或定位销）间隙配合,a：理想定位情况b: 最小孔与最大轴配合C: 最大孔与最小轴配合,工件孔与定位心轴水平放置。,工件孔与定位心轴水平放置。,结论：这时的基准位移造成的定位误差为内孔公差和心轴公差之和的一半，且与间隙无关,孔中心线在垂直方向上的最大变动量为：,工件孔与定位心轴垂直放置,O,结论： 这时的基准位移造成的定位误差与内孔公差和心轴公差以及

17、孔轴的最小间隙有关。,4.工件以一面两孔定位,1）1孔中心线在x、y方向的最大位移为：,2）2孔中心线在x、y方向的最大位移为：,3）两孔中心连线对两销中心连线的最大转角误差为：,第三节 工件在夹具中的夹紧,一、夹紧装置的组成1、动力源装置2、中间传力机构3、夹紧元件,二、夹紧装置的设计要求1、夹得稳：不破坏稳定的正确定位，刚度足够；2、夹得牢：夹紧力要合适，过大工件变形或损伤，影响加工精度，过小工件加工中易移动或产生振动，同时，夹紧装置应保证自锁，即原始夹紧力去除后，工件能保持夹紧状态；3、夹得快：机构简单、紧凑、操作安全、省力、迅速方便,确定夹紧方案一般应与定位问题同时考虑，为达到以上三个

18、要求，正确设计夹紧机构，首先必须合理确定夹紧力的三要素：大小、方向和作用点。,夹紧力方向, 不破坏定位的准确性，方向指向主要定位基准；, 夹紧力方向应使工件变形尽可能小；,P：切削力、W：重力，Q：夹紧力, 夹紧力方面应使所需夹紧力尽可能小。,总结：夹紧力大小与夹紧力方向直接有关，在考虑夹紧方向时，只要满足夹紧条件，夹紧力越小越好。,夹紧力的作用点夹紧力应靠近支承元件几何中心或几个支承元件所形成的支承平面内, 夹紧力应落在工件刚性较好的部件上, 夹紧力应尽量靠近被加工面,夹紧力的大小,计算夹紧力大小方法有两种：分析计算法（求切削力大小，再计算夹紧力）经验类比法,三、基本夹紧机构（一）斜楔夹紧机

19、构 主要用于增大夹紧力，或改变夹紧力方向。,几种典型斜楔夹紧机构,1.夹紧力计算,工件作用在斜楔上的力为Q，夹具体给斜楔的力为R。摩擦力分别为F1和F2，摩擦角为，（Q-F2合力为Q1,R-F2合力R1）静力平衡。,在静力平衡状态下，斜楔对工件所产生的夹紧力：,摩擦角=,满足自锁条件并自锁可靠：,2.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称为自锁,要保持自锁，必须：,可根据钢铁表面间的摩擦系数求得摩擦角，选取楔角。,3.扩力比（扩力系数） 在夹紧源动力P作用下，夹紧机构产生的夹紧力Q与P的比值,4.夹紧行程,斜楔的移动行程与工件需要的夹紧

20、行程的比值。,（二）螺旋夹紧机构 螺旋夹紧机构是从斜楔夹紧机构转化而来的，相当于把斜楔绕在圆柱体上，旋转螺杆时，斜面上升，从而对工件进行夹紧。 螺杆相当于斜楔作用于工件和螺母之间。,1.夹紧力,式中：P原始作用力； L手柄长度； r螺杆下端（或压块）与工件接触处的当量摩 擦半径； r平均螺旋作用中径之半；（作用中径为d平均）；螺旋升角； 螺杆下端（或压块）与工件接触处的摩擦角； 螺旋配合面的摩擦角（常取830）。,2.自锁条件 自锁条件与斜楔夹紧机构相同。螺旋夹紧机构的螺旋升角很小（2-4），自锁性好3.扩力比 由于螺旋升角小，故扩力远大于斜楔夹紧机构。4.应用 应用广泛，实际生产中，采用螺旋

21、压板的组合夹紧，在手动操作时用得比单螺旋夹紧更为普遍。,（三）偏心夹紧机构 偏心夹紧机构是靠偏心轮回转时其半径逐渐增大而产生夹紧力来夹紧工件的，常与压板联合使用。常用的偏心轮有圆偏心和曲线偏心。,（四）其他典型夹紧机构1.联动夹紧机构,能同时多点夹紧一个工件或同时夹紧多个工件的机构，称为联动夹紧机构。,多点联动夹紧机构,多件联动夹紧机构,2、定心夹紧机构,具有定心、夹紧双重作用的机构，称为定心夹紧机构。下图为螺旋定心夹紧机构。,液性塑料定心夹紧机构,第四节 专用夹具的设计方法一、专用夹具的基本要求 1.稳定地保证工件的加工精度 专用夹具要有合理的定位夹紧方案，选择适当的尺寸公差及技术要求，必要

22、时要进行精度分析。 2.提高生产率并降低成本 根据生产批量的大小，设计不同复杂的高效夹具，以缩短辅助时间，提高生产率。,3.具有良好的使用性 尽量使专用夹具操作方便、省力、安全可靠。 4.具有良好的结构工艺性 专用夹具应便于制造、检验、装配、调整和维修。,二、设计步骤（一）收集研究有关资料1.生产纲领 生产批量的大小对夹具结构的复杂程度及经济性有着很大的影响。大批大量生产多采用气动、液动或其它机动夹具，其自动化程度高，同时夹紧的工件数量多，因而，结构比较复杂。中、小批量生产，则宜采用结构简单，成本低廉的手动夹具，以及万能通用夹具或组合夹具。,2.零件图及工序图 零件图给出了零件具体结构、尺寸、

23、位置精度等方面的总要求；工序图则给出了本工序的加工表面、工序尺寸、工序基准、定位基准、工序加工精度等，是设计夹具主要结构方案的依据。,3.零件工艺规程 零件工艺规程给出了该工序所用的机床、刀具、加工余量、切削用量、工序安排、工时定额及同时加工的工件数量等。这些都是确定夹具结构尺寸、形式、夹紧装置及与机床连接部分的结构尺寸的主要依据。,4.夹具典型结构及有关标准 收集夹具典型结构图册和有关夹具零部件标准等资料，并了解本厂制造使用夹具的情况以及国内外同类夹具的资料，以便设计时参考，在吸收先进经验的同时，应尽量采用国家标准。,（二）确定夹具的结构方案1.根据工序加工要求、工件的定位原理，确定工件 的

24、定位方式、选择定位元件，拟定定位装置；2.根据对夹紧的基本要求，确定工件的夹紧方式， 选择或拟定合适的夹紧装置； 3.确定刀具的对准及导引方式，选取刀具的对准及 导引元件,4.确定其它元件及装置的结构形式，如微调机构、 分度转位装置等；5.协调各元件、装置的布局，确定夹具体的结构尺 寸和夹具的总体结构。6.绘制夹具的结构草图，并标注尺寸、公差及技术 要求。,（三）进行必要的分析计算 工件的加工精度高时，应进行工件在夹具中的加工精度分析，夹紧力计算；有多个方案时，可进行经济分析，在满足加工精度的前提下，选用经济性好的方案。,（四）审查方案与改进设计 夹具草图绘出后，应征求有关人员意见并送有关部门

25、审查，然后根据他们的意见对夹具方案作进一步的改进。,（五）绘制夹具总图1.绘制夹具总图时，图样应符合国家有关标准。一般 绘图比例为1：1，也可按1：2、1：5的比例绘制。2.总图应按夹紧机构处在夹紧工作状态下绘制3.先绘出定位元件，然后，依次绘出夹紧，对刀、导 向、分度转位、定向等元件或装置，最后绘出夹具 体及与机床的连接部分。,（六）标注有关尺寸、配合及技术条件1.应标注的尺寸、配合1）最大轮廓尺寸，一般是指夹具的最大外形轮廓尺寸2）影响定位精度的尺寸 主要是指工件与定位元件及定位元件之间的尺寸、公差。3）影响对刀精度的尺寸 指刀具与对刀、导向元件之间的尺寸、公差。如刀具外径与导向套内孔的配

26、合尺寸、公差；塞尺的尺寸公差等。,4）影响夹具在机床上安装精度的尺寸、公差 主要指夹具安装基面与机床相应配合表面间的尺寸、公差，如夹具上锥柄与机床主轴锥孔的配合尺寸、公差。5）影响夹具精度的尺寸、公差 主要指夹具定位元件、对刀元件、安装基面三者之间的位置尺寸、公差。6）其它重要的尺寸、公差 一般机械设计中应标注的配合尺寸、公差。,公差值的确定： 夹具上定位元件与定位元件之间，对刀元件、导向元件与安装基面之间的尺寸公差，直接对工件上相应的加工尺寸发生影响，因此可根据工件的加工尺寸公差确定，一般可取工件的加工尺寸公差的1/51/3。 一般的配合尺寸、公差，应根据其功用和装配要求，按一般公差与配合原

27、则确定。,2.应标注的技术条件1）定位元件之间或定位元件与夹具体底面间位置要求，以保证工件加工面与定位基面间的位置精度。2）定位元件与连接元件（或找正基面）间的位置精度要求。3）对刀与连接元件（或找正基面）间的位置精度要求4）定位元件与导向元件间的位置精度要求。,以上要求，其数值应取工件相应技术要求所规定数值的1/51/3，另外，还应提出使用多个支承钉（板）定位时，安装后统一磨削以达到等高；滑动副、操作系统应灵活等。,二、夹具设计举例 钢套工件如图所示，其它表面均已加工。现本工序在钢套上钻5mm孔，工序加工要求： 5mm孔轴线到端面B的距离为：200.1mm， 5mm孔对20H7孔的对称度为0

28、.1mm。工件材料Q235A钢，产量N=500件。试设计钻5mm孔的钻模。,（一）定位方案 根据工序加工要求，保证尺寸200.1须限制,总共需限制五个自由度。,保证对称度要求须限制：,平衡钻削力须限制:,方案I：长圆柱销、端面小台肩。限制,方案II： 短圆柱销、端面大台肩。限制,符合工序限制自由度要求，但不利于夹紧。,符合工序限制自由度要求，但降低了工件加工时的刚度。,方案III： 长圆柱销、端面大台肩。限制,过定位，由于两个定位面均已加工，垂直度较高，允许过定位。同时工件的装夹、加工时刚度均较好，长圆柱销右上部铣平，以便让刀或便于装卸工件。因此，最后确定为方案III。,（二）导向方案 在钻模

29、板上设置一钻套，引导钻头迅速、准确地进入加工表面。（三）夹紧方案 由于产量不大，宜采用手动夹紧，根据具体情况采用开口垫圈、螺旋夹紧机构，使工件装卸方便迅速。（四）夹具体 由于工件为钢套，宜选用型材夹具体制成钢套钻模。（五）绘制夹具总图，如下图所示：,（六）在夹具总图上标注尺寸、公差及技术要求,三、工件在夹具中的加工精度分析1.定位误差D 加工尺寸200.1的定位误差 D=0 对称度0.1的定位误差D为工件定位孔与定位心轴之间的配合的最大间隙。,2.对刀误差 因刀具相对于对刀元件或导向元件的位置不精确而造成的加工误差为对刀误差。 影响加工尺寸200.1、对称度0.1的对刀误差因素有：,钻套导向孔

30、尺寸,3.夹具的安装误差 因夹具在机床上安装不精确而造成的加工误差为安装误差。夹具在工作台面上安装，则没有安装误差，夹具在机床主轴上安装则有安装误差。,4.夹具误差Z 因夹具上定位元件、对刀元件、安装基面三者之间的位置不精确而造成的加工误差为夹具误差。影响加工尺寸200.1的夹具误差为导向孔对安装基面B的垂直度0.03mm，导向孔轴线到定位端面的尺寸公差0.06mm；影响对称度0.1的夹具误差导向孔对定位心轴的对称度0.03mm。,5.加工方法误差G 因机床精度、刀具精度、刀具与机床的位置精度、工艺系统受力变形和受热变形等因素造成的加工误差为加工方法误差。因影响因素多，又不便于计算，因此一般取 G=k/3（ k 工件公差）。,（二）保证加工精度的条件 总加工误差应为各单项误差之和，由于上述各单项误差均为独立随机变量，应用概率法叠加。,本 章 结 束 谢 谢！,