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Chapter 6 Design of Clamp for Machine Tool 第六章 机床夹具设计,第六章 目录,第一节 机床夹具概论,第四节 机床夹具的基本要求及设计步骤,第二节 工件定位,第三节 工件的夹紧,第六章 机床夹具设计,在机床上对工件进行加工时，首先需要使工件在机床上占有准确的位置，并在加工过程中能承受各种力的作用而始终保持这一准确位置不变。前者称为工件的定位，后者称为工件的夹紧，这一整个过程统称为工件的装夹。在机床上装夹工件所使用的工艺装备称为机床夹具。,第一节 机床夹具概述,一、机床夹具的分类 机床夹具的种类很多，可按夹具的应用范围分类，也可按所使用的动力源进行分类。,1.按应用范围分类 按应用范围，可将夹具分为通用夹具、专用夹具、成组夹具和组合夹具。（1）通用夹具,第六章 机床夹具设计,通用夹具,这类夹具一般已标准化，并由专业工厂生产作为机床附件供用户使用。它们在使用上有很大的通用性，往往无需调整或稍加调整就可用于装夹不同的工件。,通用夹具主要用于单件和中、小批生产、装夹形状比较简单和加工精度要求不太高的工件。,第六章 机床夹具设计,第六章 机床夹具设计,连杆粗镗大头孔夹具,第六章 机床夹具设计,十字轴架车夹具,（3）成组夹具,第六章 机床夹具设计,成组夹具,在生产中，有时由于加工批量较小，为每种零件都分别设计专用夹具很不经济，而使用通用夹具又往往不能满足加工精度和生产率的要求，故而采用成组加工工艺，并根据组内的典型代表零件设计成组夹具。,成组夹具适用于按照成组工艺进行生产时，同组零件的生产。,第六章 机床夹具设计,（4）组合夹具,第六章 机床夹具设计,组合夹具,组合夹具通用元件、合件和部件是由专业工厂生产供应的。使用单位可根据被加工工件的加工要求，很快地组装出所需要的夹具。夹具使用完毕后，可以将各组成元件、合件等拆开，清洗后入库以备下次组合使用。,由于这类夹具具有缩短生产准备周期，减少专用夹具的品种、数量和存放面积等优点，且组装后又可达到较高的精度，故在各种批量生产条件下都是适用的。,第六章 机床夹具设计,组合夹具实例,第六章 机床夹具设计,组合夹具,1加筋角铁（2）2槽用螺栓（6）3平键（10）4方形支承 5定位支承 6方形支承 7平垫圈 8六角螺母（8）9 槽用螺栓 10钻套螺钉 11快换钻套 12钻模板 13圆形定位销 14工件 15方形支承 16角铁 17压紧螺钉 18基础板,第六章 机床夹具设计,孔系组合夹具,槽系组合夹具,2.按夹具上的动力源分类 按夹具上的动力源，可将夹具分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、电动夹具、磁力夹具、真空夹具和切削力及离心力夹具等几类。,第六章 机床夹具设计,气动虎钳 液压夹具,二、机床夹具的组成和作用 1.夹具的组成 通过上面的例子可以看出，虽然加工工件的形状、技术要求不同，所使用的机床不同，但在加工时所使用的夹具大多由以下五个部分组成。（1）定位元件及定位装置,第六章 机床夹具设计,定位元件,定位元件的作用是使一批工件在夹具中占有同一位置，只要将工件的定位基面与夹具上的定位元件相接触或相配合，就可以使工件定位。,（2）夹紧装置,第六章 机床夹具设计,夹紧装置,夹紧装置的作用是用以保持工件在夹具中已确定的位置，并承受加工过程中各种力的作用而不发生任何变化。,（3）对刀及导向装置,对刀、导向,它们的作用是用来确定夹具相对刀具（铣刀、刨刀等）的位置，或引导刀具（如孔加工用的钻头、扩孔钻，铰刀及镗刀等）的方向。,（4）夹具体,第六章 机床夹具设计,夹具体,夹具体的作用，除用于连接夹具上的各种元件和装置外，还用于夹具与机床有关部位进行连接。,（5）其它元件及装置,在夹具中，除上述元件外，还有一些其它的元件及装置，如定向键、分度转位装置等。它们的作用是确定夹具在机床上的方向，或实现工件在夹具同一次装夹中的分度转位。,第六章 机床夹具设计,对刀块,第六章 机床夹具设计,钻套,第六章 机床夹具设计,定向键,2.夹具的作用,第六章 机床夹具设计,（1）易于保证加工精度，并使一批工件的加工精度稳定,（2）缩短辅助时间，提高劳动生产率，降低生产成本,（3）减轻工人操作强度，降低对工人的技术要求,（4）扩大机床的工艺范围，实现一机多能,（5）减少生产准备时间，缩短新产品试制周期,第二节 工件的定位,工件在夹具中定位的作用和意义，对单个工件来说就是使工件准确占据定位元件所规定的位置；而对一批逐次放入夹具的工件来说，则是使它们都占有一致的位置。一、六点定位原理 工件在夹具中的定位问题，可以采用类似于确定刚体在空间直角坐标系中位置的方法加以分析。工件在没有采取定位措施以前，每个工件在夹具中的位置可以是任意的、不确定的。对一批工件来说，它们的位置是不一致的。这种状态在空间直角坐标系中可以用如下六个方面的独立部分来加以表示，如图所示。,第六章 机床夹具设计,沿X轴位置的不确定，称为沿X轴的移动自由度，以 表示；沿Y轴位置的不确定，称为沿Y轴的移动自由度，以 表示；沿Z轴位置的不确定，称为沿Z轴的移动自由度，以 表示；绕X轴位置的不确定，称为绕X轴的转动自由度，以 表示；绕Y轴位置的不确定，称为绕Y轴的转动自由度，以 表示；绕Z轴位置的不确定，称为绕Z轴的转动自由度，以 表示。,工件在空间最多有六个自由度。限制工件在某一方面的自由度，工件在夹具中某一方向的位置就得以确定。工件在夹具中定位的任务，就是通过定位元件限制工件的自由度，以求满足工序的加工精度要求。用合理分布的六个支承点，即可限制工件的六个自由度，使工件的空间位置完全确定下来，这一原理称为六点定位原理。但需要注意的是，在加工过程中并不一定要求要将工件的六个自由度全部限制，这要根据加工要求而定。,第六章 机床夹具设计,第六章 机床夹具设计,完全定位,不完全定位,不同加工要求的工件简图,第六章 机床夹具设计,欠定位,在设计夹具时，若应限制的自由度没有被全部限制而出现欠定位，则不能保证一批工件在夹具中定位的一致性和工序加工精度要求，因而是不允许的。,过定位,当出现过定位时，将可能产生工件变形、定位元件损坏或定位精度降低等不良后果。在设计夹具时，是否允许过定位，应根据工件的不同情况进行分析。一般来说，对工件上用毛坯表面作为定位表面时，是不允许出现过定位的；对用已工过的工件表面作为定位表面时，为了提高工件定位的稳定性和刚度，在一定的条件下是允许采用过定位的。,第六章 机床夹具设计,过定位分析,第六章 机床夹具设计,第六章 机床夹具设计,第六章 机床夹具设计,第六章 机床夹具设计,第六章 机床夹具设计,第六章 机床夹具设计,第六章 机床夹具设计,二、定位方式及定位元件 工件的定位表面有各种形式，如平面、外圆、内孔和成形表面等。对于这些表而需采用不同的方法来实现定位，并要选用恰当的定位元件。1.定位元件的主要技术要求和常用材料 定位元件除了应具有高的定位精度之外，还要有较高的耐磨性和刚度。定位元件的定位精度取决于它本身的制造精度和它的装配精度两个方面。,第六章 机床夹具设计,一般定位元件及它在夹具体上的装配基准的加工精度要高于工件的精度，常取其加工误差为工件加工误差的1/31/5。,定位元件常用的材料有：,低碳钢 如20钢或20Cr钢，进行表面渗碳淬火，深度0.81.2mm，硬度HRC5565。,高碳钢 如T7、T8、T10等，进行整体淬火，硬度5565。,2.工件以平面定位的定位元件 工件以平面定位时，所用的定位元件（即支承件），可分为基本支承和辅助支承两大类。前者用来限制工件的自由度，是真正具有独立定位作用的定位元件；而后者则是用来加强工件的刚性，不起限制工件自由度的作用。（1）基本支承 它有固定支承、可调支承、浮动支承三种形式。它们的结构尺寸都已标准化，可在有关夹具设计手册中查到，这里只介绍它们的应用和结构特点。固定支承 这种支承与夹具体作固定联结，使用中不拆卸、不调节，常用的有支承钉和支承板两种。,第六章 机床夹具设计,第六章 机床夹具设计,支承钉,平头支承钉常用于定位面较平整（已加工表面）的工件。,圆头支承钉与定位平面为点接触，可保证接触点位置的相对稳定、但它易磨损，且使定位面产生压陷，给工件夹紧后带来较大的安装误差，装配时也不易使几个支承处于所需的同一平面上，故园头支承仅适用于未经加工的平面定位。,网纹头支承钉与定位面间的摩擦力较大，阻碍工件移动，加强定位的稳定性，但槽内易积肩，常用在粗糙表面的侧面定位。,支承钉,第六章 机床夹具设计,第六章 机床夹具设计,支承板,支承板的结构有A型和B型两种。,A型结构简单、制造方便，但因沉头孔与螺钉头间隙处易嵌切屑，不易清除，会影响定位精度、故常适用于侧而和顶面定位。,B型结构易于保证上作表面清洁，可用于底面定位。,当工件定位基准面较大时，夹具上常设置多个支承板，为确保各支承板工作面的等高性，工艺上是用装配后再统一“终磨”一次保证的。,第六章 机床夹具设计,支承板,A型支承板,B型支承板,可调支承 支承的高度尺寸要求可调整时，就需采用可调支承。当工件毛坯尺寸有较大变化时，每更换一批毛坯，就要调整一次。可调支点也可用于同一夹具，加工形状相同而尺寸不同的工件。可调支承也广泛地用于成组夹具和组合夹具中。可调支承在一批工件加工前调整一次，但在同一批工件加工中不再调整，此时它相当于固定支承，所以可调支承在调整后都需用锁紧螺母锁紧。,第六章 机床夹具设计,第六章 机床夹具设计,可调承板,浮动支承 浮动支承是指支承点的位置在工件定位过程中，随工件定位基准面位置变化而自动与之适应的定位元件。由于浮动支承是活动或浮动的，因此虽然与工件定位表面可能是三点或两点接触，但实质上仍然只能起到一个支承点的作用，这祥，当以工件的粗基准定位时，由于增加了浮动支承与工件的接触点数，故可提高工件定位时的刚度、减少工件受外力后的变形和改善加工时的余量分配。,第六章 机床夹具设计,第六章 机床夹具设计,（2）辅助支承 在夹具中，只能起提高工件支承刚性或起辅助作用的定位元件，称为辅助支承。在夹具设计中，为了实现工件的预定位或提高工件定位的稳定性，常采用辅助支承，如图所示。,第六章 机床夹具设计,第六章 机床夹具设计,3.工件以圆孔定位的定位元件 在夹具设计中常用于圆孔表面的定位元件有定位销、刚性心轴和锥度心轴等。定位销 在夹具中，工件以圆孔表面定位时使用的定位销一般有固定式和可换式两种。在大批大量生产中，由于定位销磨损较快，为保证工序加工精度需定期维修更换，此时常采用便于更换的可换式定位销。若被定位工件同时以其上的圆柱孔和端面组合定位时，还可选用带有支承垫圈的定位销结构。支承垫圈与定位销可做成整体式的，也可做成组合式的。定位销与夹具体的连接一般采用过盈配合。,第六章 机床夹具设计,第六章 机床夹具设计,圆柱销,第六章 机床夹具设计,圆锥销,刚性心轴 对套类零件，为了简化定心定位装置，常常采用刚性心轴作为定位元件。刚性心轴有与工件圆孔过盈配合的心轴，工件用油压机压入心轴。这种类型的心轴，定位精度高，但装卸工件麻烦，生产效率较低。另一种类型的刚性心轴与工件的圆孔是间隙配合的，工件用螺母夹紧，这种心轴与工件孔为间隙配合，所以定位精度较差。,第六章 机床夹具设计,刚性心轴,第六章 机床夹具设计,间隙配合心轴,过盈配合心轴,第六章 机床夹具设计,锥度心轴 为了消除工件与心轴的配合间隙，提高定心定位精度，在夹具设计中还可选用小锥度心轴。为防止工件在心轴上定位时的倾斜，此类心轴的锥度及通常取K=1/10001/5000，心轴的长度则根据被定位工件圆孔的长度、孔径尺寸公差和心轴锥度等参数确定。定位时，工件楔紧在心轴锥面上，楔紧后由于孔的局部弹性变形，使它与心轴在一定长度上产生过盈配合，从而保证工件定位后不致倾斜。此外，加工时也靠此楔紧所产生的过盈部分带动工件，而不需另外再夹紧工件。,锥度心轴,第六章 机床夹具设计,4.工件以外柱面定位的定位元件 工件以外圆柱面作定位基准时、可使用V形块、圆孔、半圆孔、圆锥孔及定心夹紧装置定位。V型块 V形块用两侧面定位，两支承面的夹角通常做成90，个别也有做成60或120的。90V形块的结构和尺寸均已标准比，可查阅有关手册。V形块定位的特点是对中性好，即能使工件圆柱面的轴心线始终置于V形块两斜面的对称中心面上，而不受外圆直径误差的影响，并且安装方便。V形块制造工作图中应注明尺C、H、h。高度h及V形开口尺寸C，可参照标准选定。,第六章 机床夹具设计,第六章 机床夹具设计,V形块,工件在圆孔中定位 此时定位元件可做成定位套筒形式，如图所示。工件以其定位基准面（圆柱面）插入套筒内孔中。定位元件结构简单，定心精度与孔、轴配合精度有关。,第六章 机床夹具设计,定位套筒,工件在半圆孔中定位 对于某些不便轴向插入的工件，如大型轴类零件需起重吊装时；或者有些特殊形状零件根本无法轴向插入，如曲轴以其当中的主轴颈定位时，定位元件常采用剖分套筒形式（半圆定位座），如图所示。,第六章 机床夹具设计,半圆定位座,工件在圆锥孔中定位 这时定位元件通常用反顶尖，它是一种具有内锥孔的套简。工件圆柱面左端部在反顶尖（齿纹锥套）3中定位。夹具体锥柄1插入机床主轴孔中，2为传动用螺钉。,第六章 机床夹具设计,用定心夹紧机构定位 外圆柱柱面可以很方便地使用定心夹紧机构对其实现定心定位并夹紧。,第六章 机床夹具设计,弹性夹头,5.工件以组合表面定位 上面所讲的是工件以单一表面的定位方式和定位元件。实际上，工件往往是以几个表面同时定位的。几个表面同时定位叫组合表面定位，如图所示。此时必须考虑到所选定位元件不能出现过定位而无法安装。,第六章 机床夹具设计,组合表面定位,第六章 机床夹具设计,定位方案讨论,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。,存在过定位,第六章 机床夹具设计,过定位引起夹紧变形,第六章 机床夹具设计,定位方案的改进,第六章 机床夹具设计,定位方案讨论,第六章 机床夹具设计,定位方案讨论,三、定位误差分析 定位误差是指由于定位不准而造成某一工序的工序尺寸或位置要求方面的加工误差。夹具设计完成之后，要对其定位误差进行校核，定位误差必须满足下列关系式：,第六章 机床夹具设计,式中：定定位误差；除定位误差以外，由其它因素引起的加工误差，可按经济加工精度查表确定；工件的工序公差。,1.定位误差的组成 定位误差是指一批工件在用调整法加工时，仅仅由于定位不准而引起工序尺寸或位置要求的最大可能变动范围。显然，定位误差主要是由基准位置误差和基准不重合误差两项组成。,第六章 机床夹具设计,基准不重合误差,基准位置误差,定位误差定可用下式表示：,2.各种定位方法的定位误差分析（1）工件以平面定位时的定位误差 如图所示为在镗床上加工箱体上A、B两个通孔时的定位情况，工序尺寸为A1、A2、B1、B2。由于定位元件的制造精度较高，且平面C为精基准，为了简化问题，可忽略定位元件的制造误差和平面C的平面度误差。,第六章 机床夹具设计,加工孔A时，尺寸A1的工序基准和定位基准重合，故：,定位基准面D存在角度制造误差，即平面D的角度最大变动量为2，所以：,加工尺寸A1的定位误差为：,第六章 机床夹具设计,加工尺寸A2的工序基准是平面E，定位基准是平面C，基准不重合，则,由于忽略了定位基准平面C的平面度误差和定位元件的制造误差，则,加工尺寸A2的定位误差为：,第六章 机床夹具设计,思考题：按照同样的方法可分析求解出B1、B1的定位误差，请同学们自己分析。,（2）工件以外圆柱面定位时的定位误差 如图所示为以V形块定位，在圆柱面上加工一平面。为便于分析，设V形块的夹角制造误差为0，外圆柱定位面的直径误差为d。,第六章 机床夹具设计,第六章 机床夹具设计,图a中，工序尺寸为A，工序基准是中心线O1，定位基准是母线M1、N1，基准不重合。反映在加工尺寸方向上的定位误差为O1O2，即：,图b中，工序尺寸为B，工序基准是上母线C1，定位基准是V形块母线，基准不重合。反映在加工尺寸方向上的定位误差为C1C2，即：,第六章 机床夹具设计,同理，在图c中，工序尺寸为h，工序基准是下母线D1，定位基准是V形块母线，基准不重合。反映在加工尺寸方向上的定位误差为D1D2，即：,从上可以看出，工序基准为下母线时定位误差最小、中心线时次之、上母线时最大。同时，V形块夹角越大时，定位误差也越小。但夹角过大时对中性不好，故常取其夹角为90。,（3）工件以内孔表面定位时的定位误差 下面主要分析工件孔与定位心轴采用间隙配合，以孔中心线为工序基准时的定位误差。设孔的直径为D+D，轴的直径为d-d，最小间隙为min。根据工件装夹时心轴放置位置的不同，分为心轴垂直放置和心轴水平放置两种情况，如下图a、b所示。,第六章 机床夹具设计,心轴垂直放置 当工件孔直径为最大，心轴直径为最小时，基准位置的变动量最大。即：,心轴水平放置 当心轴水平放置时，工件在自重作用下，工件孔壁与心轴表面始终是接触的。显然，基准位置的变动量最大为最大间隙的1/2。即：,第六章 机床夹具设计,（4）工件以“一面两孔”定位时的定位误差 下图为一面两孔定位。通过分析可知，如果两个孔都采用圆柱销，则产生过定位，有可能使工件无法装夹到夹具上。,第六章 机床夹具设计,第六章 机床夹具设计,解决上述过定位的方法,减小第二销的直径。,使用棱形销。,使第二销可沿两孔连线方向移动。,减小第二销直径 第二销直径可由下图求出。考虑到工件的孔距误差，第二销应在AB范围内变动。考虑到第二销的轴距误差，则第二销的直径大小应为AD。这种方法虽然可解决过定位问题，但会加大定位的转角误差，一般不宜采用。,第六章 机床夹具设计,第二销的直径,通过分析，第二销直径可由下式求出：,为了使工件能顺利装夹，第二销与侧壁间应有一个最小的间隙2min，这样第二销直径还要相应地减小2min。同理，第一销与工件孔之间也存在间隙，可以让到第二销上，即可以使其直径加大1min。故第二销直径为：,第六章 机床夹具设计,使用棱形销 下图为一面两孔定位中常使用的棱形销。由图中可知，只要令AF=DE，则可以通过使用棱形销来消除过定位，且使转角误差大大减小。棱形销的关键尺寸为宽度b和B。,第六章 机床夹具设计,通过图形分析，可以建立如下关系：,因为：,第六章 机床夹具设计,整理并忽略高次误差项，得：,第六章 机床夹具设计,尺寸B应小于d2，一般可取：,棱形销的尺寸b和B一般不用进行计算，可从夹具设计手册中根据工件孔直径选取。在定位精度要求高时，需要计算确定。,第六章 机床夹具设计,一面两销定位误差分析,由于工件为一刚体，其移动定位误差值为两孔定位中误差较小的值，分析方法和单孔心轴定位时的分析方法相同，不再重复。,一面两孔定位时，除了存在移动定位误差外，还有转角误差，可用下图求出。,第三节 工件的夹紧,工件在夹具中定位后，还必须将其夹紧，以保持其所取得的正确位置，防止工件在切削力、惯性力和重力的作用下产生振动和位移，将工件紧紧地固定在定位元件上。一、对夹紧机构的基本要求,夹紧过程平稳。夹紧时不能破坏工件在定位时所取得的正确位置。,夹紧作用可靠。夹紧力要足够大，防止工件在加工中的移动或振动；同时夹紧力又不宜过大，太大将使工件变形影响加工精度；夹紧机构要有自锁作用，要安全可靠。,夹紧迅速简便。夹紧机构尽可能简单、紧凑，操作方便，减轻工人劳动强度，缩短辅助时间，提高生产率。,二、夹紧机构的组成 夹紧机构由动力源和夹紧装置两部分组成。1.动力源部分 动力源可分为手动和机动两大类。力源来自人力的，称为手动夹紧；机动夹紧时使用的动力源有气压传动、液压传动、电力传动等。2.夹紧部分 夹紧部分是接受和传递原始作用力使之变为夹紧力的部分。它常由下列元件或机构组成。,第六章 机床夹具设计,受力元件 直接感受原始作用力的元件，如手动夹紧中的手柄、螺母或气、液压传动装置中直接连接活塞杆的元件。,夹紧元件 直接对工件施加作用力的元件，如压板。,传力机构 将受力元件接受到的原始作用力传给夹紧元件的中间元件或机构。传力机构的作用是改变力的方向和大小,三、夹紧力的确定 力具有三要素大小、方向和作用点。夹紧力也不例外。确定夹紧力的原则实际上就是指夹紧力的大小、方向和作用点的确定原则。1夹紧力方向的确定原则,第六章 机床夹具设计,夹紧力方向应垂直于主要定位基准面，夹紧时不应破坏工件所取得的正确位置。,第六章 机床夹具设计,夹紧力方向应使工件变形尽可能小。同一个工件，不同方向上的刚度是不等的，应取刚度较大的方向为夹紧力方向。,弹性套,第六章 机床夹具设计,夹紧力的方向应有利于减小夹紧力。在满足夹紧要求的前提下，应使夹紧力尽可能小些，以使夹紧变形尽可能小。为此，夹紧力的方向最好与切削力、重力的方向一致。,2夹紧力作用点的确定原则 作用点的选择对工件夹紧的稳定性和工件变形有重要影响，应注意如下选择原则。,第六章 机床夹具设计,应使夹紧力落在支承面内。以避免在夹紧时破坏定位。,第六章 机床夹具设计,应使夹紧力作用在工件刚性较好的部位。这样可避免工件的变形。,合理,不合理,第六章 机床夹具设计,应使夹紧力尽量靠近加工部位。这样可减小切削力对夹紧点的力矩，从而有效地减少工件的振动。,3夹紧力大小的估算 夹紧力的大小，对工件安装的可靠性、加工质量的高低、工件和夹具的变形、以及夹紧机构的复杂程度等都有很大关系。夹紧力可根据加工中工件受力的力平衡条件求得。加工过程中，工件受到切削力、惯性力、零件自身重力、支承反力和夹紧力等多种力的作用，在这些力的共同作用下，处于动力平衡状态。一般可按照最不利的加工条件，运用理论力学中有关的力平衡方程估算出理论上所需要的夹紧力Q，最后为保证夹紧安全可靠再乘以安全系数，作为实际所需的夹紧Q，即 QKQ式中：K为安全系数。粗加工时，取K2.53；精加工时，取K1.52。,第六章 机床夹具设计,四、常用的夹紧机构 机床夹具中用到的夹紧机构是多种多样的，其中以斜楔、螺旋、偏心等元件组合而成的夹紧装置应用最为普遍。1斜楔夹紧机构 斜楔夹紧机构是利用楔块斜面增力作用将工件夹紧的，如图所示。斜楔夹紧常与其他夹紧机构（如气动、液压等夹紧机构）联合使用，用以改变力的方向并起增力作用。常用于夹紧行程较小的场合。,第六章 机床夹具设计,第六章 机床夹具设计,（1）斜楔夹紧力的计算 下图为斜楔夹紧的受力分析。其中P为力源，Q为作用在工件上的夹紧力，R为夹具体作用在斜楔上的支反力，F1、F2为摩擦力，对应的摩擦角分别是1、2。当工件被夹紧时，上述力处于平衡状态。根据力平衡方程可得：,第六章 机床夹具设计,（2）斜楔夹紧自锁条件 在撤除原始力P后，夹紧装置的受力情况如上图c所示。根据分析要使楔块能够自锁，应满足自锁条件：,由于：,且：Q1=R1。所以可得斜楔夹紧的自锁条件为：,因为钢之间的摩擦系数一般为0.10.5，对应的摩擦角分别是5.758.5，所以当有自锁要求时，常取小于10。,第六章 机床夹具设计,（3）传力系数 当夹紧力与原始力之比称为传力系数，以iP表示，有：,从上式可以看出，楔角越小，则增力效果越明显。但太小夹紧速度慢，且使夹紧行程减小。,（4）楔块的材料 楔块的具体结构可参阅机床夹具设计手册，楔块所用材料一般为20钢或20Cr钢，进行表面渗碳、淬火，HRC5662，工件表面粗糙度Ra值1.6m。,第六章 机床夹具设计,2螺旋夹紧机构 从实质上说，螺旋夹紧机构也是一种斜楔夹紧机构。它是通过转动螺杆来夹紧工件的，如图所示。螺旋夹紧机构的特点是，结构简单，扩力比（传力系数）大，自锁性能好，行程不受限制，夹紧动作慢。,第六章 机床夹具设计,（1）螺旋夹紧力的计算 下图为螺旋夹紧的受力分析。从图中可以看出，本质上说，螺旋夹紧仍然是斜楔夹紧的一种形式，因此可直接套用斜楔夹紧力的计算公式。由于螺旋夹紧力是按照力矩平衡条件计算的，所以在套用上述公式时，只需给各个不同力分另乘上它们的力臂即可。,第六章 机床夹具设计,通过以上分析，可以直接写出螺旋夹紧力的计算公式为：,式中：L螺杆手柄的力臂；螺杆的螺旋升角，一般为24；1、2分别为螺母与螺杆、工件与螺杆头部的摩擦角；r中螺纹中径的一半；r1工件与螺杆头部摩擦力的计算半径，与螺杆头部或压块的形状有关，可参考机床夹具设计手册确定。,（2）螺旋夹紧自锁性能与传力系数 螺旋夹紧机构的自锁性能很好，不必校验。其传力系数为：,第六章 机床夹具设计,（3）螺旋与压板的组合夹紧装置 下图列举了几种螺旋压板夹紧机构，更多的结请参阅相关教课书或手册。,第六章 机床夹具设计,螺栓压板夹紧机构,3偏心夹紧机构 偏心夹紧是通过偏心轮或凸轮旋转实现夹紧的。偏心轮或凸轮的外形有两种形式：一种是圆形的，称圆偏心轮（或称凸轮），因其制造容易故应用广泛；另一种是曲线型的，制造困难，应用较少。下图为偏心压板夹紧机构工作原理图。,第六章 机床夹具设计,（1）圆偏心的自锁条件 由楔块夹紧的自锁条件可知，升角必须满足：1+2。而由于圆偏心轮各点的升角是变化的，且在P点时最大，自锁性能最差。所以只要保证 max 1+2即可。由上图可知：,第六章 机床夹具设计,由上可知，的大小取决于偏心距e和偏心轮直径D。从自锁时的受力知道，要使其能自锁，必须使因夹紧力造成的松夹力矩小于两个摩擦力的力矩之和，即：,如果f1=f2=f，则,第六章 机床夹具设计,为保险起见，如果略去偏心轮与转轴间的摩擦影响，则,一般f=0.10.15，则机构的自锁条件为：,（2）圆偏心夹紧力的计算 圆偏心夹紧机构夹紧时的受力分析如图所示。当手柄上的作用力P对O点产生的力矩PL，由O点将作用力传至A点，变为力矩Q1，即,第六章 机床夹具设计,偏心夹紧受力分析,Q1即为作用在假想楔块上的外力（相当于斜楔上的P），由静力平衡可得：,由于很小，cos1，则：,变换公式得：,第六章 机床夹具设计,第六章 机床夹具设计,偏心夹紧的特点,夹紧动作迅速，操作方便，结构简单，但其扩力比和夹紧力较小。,因其行程受偏心距e的限制，e增大又要受自锁条件的限制，故夹紧行程较小。,自锁性能较差，只能在切削力变化较小且无振动的情况下使用。,偏心夹紧限于上述特点，在实际应用中常与压板或其它结构组合使用。,第六章 机床夹具设计,偏心夹紧机构,4定心夹紧机构 在切削加工中，若工件是以中心线或对称面为工序基准，为减小定位误差，可使用自动定心或对中的装置，使工作定位和夹紧过程同时完成，这种装置称为定心夹紧机构。（1）定心夹紧机构的原理 自动定心的原理是，利用定位元件的等速移动或均匀弹性变形夹紧工件，使定位元件或工件定位基准的制造误差均匀地分布在工件定位面上，从而保证工件中心或对称位置不变。下图所示为工件在孔中定位与自动定心夹紧的误差分布对比。,第六章 机床夹具设计,第六章 机床夹具设计,工件在孔中定位与自动定心夹紧的误差分布对比,（1）定心夹紧机构的类型 按定心夹紧机构的工作原理，可将其为分两大类。定位元件等速移动的机构 利用定位元件等速移动的定心夹紧机构的典型形式，如图所示。,第六章 机床夹具设计,第六章 机床夹具设计,等速移动定心夹紧装置,定位元件均匀弹性变形的机构 利用定位元件均匀弹性变形的定心夹紧机构的典型形式，如图所示。,第六章 机床夹具设计,第四节 机床夹具的基本要求和设计步骤,一、对机床夹具的基本要求 机床夹具设计是工艺装备设计的一个重要组成部分。对机床夹具的基本要求可概括为以下几个方面：,稳定地保证工件的加工精度。,缩短辅助时间，提高机械加工的劳动生产率，能降低加工成本。,操作方便，减轻工人劳动强度，安全可靠。,制造容易，维护方便。,二、机床夹具设计的一般步骤 1研究原始资料，分析设计任务 工艺人员在编制零件的工艺规程时，提出了相应的夹具设计任务书，其中对定位基准、夹紧方案及有关要求作了说明。夹具设计人员根据任务书进行夹具的结构设计。为了使设计的夹具能够满足上述基本要求，设计前要认真收集和研究下列资料：,第六章 机床夹具设计,生产纲领 工件的生产纲领对于工艺规程的制订及专用夹具的设计都有着十分重要的影响。夹具结构的合理性及经济性与生产纲领有着密切的关系。,零件图及工序图 零件图给出了工件在尺寸、位置等方面的精度要求。工序图则给出了所用夹具加工工件的工序尺寸、工序基准、已加工表面、待加工表面、工序精度要求等等，它是设计夹具最主要依据。,第六章 机床夹具设计,零件工艺规程 了解零件的工艺规程主要是了解该工序所使用的机床、刀具、加工余量、切削用量、工步安排、工时定额、同时加工的工件数目等。,与夹具设计有关的标准 收集有关夹具零、部件标准（国标、厂标等）、典型夹具结构图册。了解本厂制造、使用夹具的情况以及国内外同类型夹具的资料。结合本厂实际，吸收先进经验，尽量采用国家标准。,2确定夹具的结构方案 确定夹具的结构方案主要包括：,第六章 机床夹具设计,根据工件的定位原理，确定工件的定位方式，选择定位元件；,确定刀具的对准及引导方式，选择刀具的对准及引导元件；,确定工件的夹紧方式，选择适宜的夹紧机构；,确定其它元件或装置的结构型式，如定向元件、分度装置等；,协调各装置、元件的布局，确定夹具体结构尺寸和总体结构。,3绘制夹具总图,第六章 机床夹具设计,绘制夹具总图时应遵循国家制图标准，绘图比例应尽量取1:1，以便使图形有良好的直观性。,绘制总图时，主视图应取操作者实际工作时的位置，以便于夹具装配及使用时参考。工件看作为“透明体”，其外廓以黑色双点划线表示。,绘制总图的顾序是：先用双点划线绘出工件的轮廓外形和主要表面，并用网纹线表示出加工余量，围绕工件的几个视图依次绘出定位元件、夹紧机构以及其他元件、装置，最后绘制出夹具体及连接件，把夹具的各组成元件、装置连成一体。,夹具总图上应画出零件明细表和标题栏，写明夹具名称及零件明细表上所规定的内容。,第六章 机床夹具设计,夹具设计过程示例,工序简图,绘制定位元件,绘制导向元件,绘制夹紧机构,绘制夹具总图,4确定并标注有关尺寸、配合和技术条件（1）应标注的尺寸 在夹具总图上应标注的尺寸及配合有下列五类：,第六章 机床夹具设计,工件与定位元件的联系尺寸：常指工件以孔在心轴或定位销上定位时，工件与上述定位元件间的配合尺寸及公差等级。,夹具与刀具的联系尺寸：用来确定夹具上对刀、导向元件位置的尺寸、配合及公差等级。,夹具与机床的联系尺寸：用于确定夹具在机床上正确位置的尺寸。,夹具内部的配合尺寸：主要是指为了保证夹具装配后能满足规定使用要求的一些尺寸。,夹具的外廓尺寸：一般指夹具最大外形轮廓尺寸。当夹具上有可动部分时，应包括可动部分处于极限位置时所占的空间尺寸。,（2）应标注的技术要求 在夹具总图上应标注的技术要求（位置精度要求）有如下几个方面：,第六章 机床夹具设计,定位元件之间或定位元件与夹具体底面间的位置要求。,定位元件与连接元件（或找正基面）间的位量要求。,对刀元件与连接件（或找正基面）间的位置要求。,定位元件与导向元件的位置要求。,其它技术要求。,5绘制夹具零件图 对于夹具总图中的非标准零件，要分别绘制零件图，并标注全部尺寸、公差及技术要求。在确定这些零件的技术要求时，应满足夹具总装图的要求。6夹具的校核和验证 夹具设计完成后，应对其进行相关的校核。为了保证夹具的刚度，夹具元件都作的比较厚重，一般来说它们的强度都是足够的，不需要进行强度校核。但对某些单薄的零件，还需要对其进行强度校核。夹具校核的重点应放在精度校核上，即需要校验夹具的定位精度是否能满足工件加工精度的要求。在夹具设计、制造完成后，还应该进行试加工，对试加工的一批工件进行抽样，作统计分析，以验证该夹具的工序能力是否能满足工序的加工精度要求。,第六章 机床夹具设计,第六章小结,本章主要讲述了如下内容：（1）机床夹具是由定位元件、夹紧装置、对刀元件、夹具体等部分组成，定位与夹紧两个环节是夹具设计的重点。（2）定位就是确定工件在夹具中的正确位置，是通过在夹具上设置正确的定位元件与工件定位面的接触或配合来实现的。工件定位有完全定位和不完全定位，要根据具体加工要求而定，欠定位在夹具设计中是不允许的，而过定位则可以有条件地采用。（3）通常，由于定位副制造不准确或采用了基准不重合定位等原因，定位过程中会引入定位误差，定位误差要根据具体情况分析计算。,第四章小结,（4）夹紧是为了克服切削力等外力而使工件在空间中保持正确定位位置的一种手段。夹紧一般在定位步骤之后，有时定位与夹紧是同时进行的，如定心夹紧。（5）车、铣、钻、磨等不同机床其夹具设计具有各自典型特点，应根据夹具设计任务书，遵循夹具设计的基本要求和步骤进行设计。本章重点为工件的定位与夹紧。本章的难点是工件定位分析与定位误差分析。,