機械制造工工藝學第6章工件的裝夾與夾具設計

6.1概述16.1.1夾具的基本概念夾具的含義

夾具是指在機床上用以裝夾工件的一種裝置。夾具的功用

(1)保證加工質量，使工件相對于機床或刀具保持正確位置。(2)提高生產率，降低成本。(3)擴大了機床的工藝范圍。(4)減輕了工人勞動強度，保證生產安全。26.1.1

夾具的基本概念夾具的組成圖2-42銑軸端槽夾具1—V型塊2—支撐套3—手柄4—定向鍵5—夾具體6—對刀塊1236411）定位元件及裝置；6）其他元件及裝置（防護、防錯、分度…）。5）夾具體；4）連接元件；3）對刀及導向元件；2）夾緊元件及裝置；34下圖

表示了夾具幾種組成元件的關系機床工件刀具連接元件定位元件夾緊元件導引元件其他元件夾具體夾具51．工件通過定位元件在夾具上占有一個正確的位置2．工件通過夾緊元件保證加工過程中始終保持原有的正確位置3．夾具通過對刀元件相對刀具保持正確位置4．夾具通過連接元件，相對于機床保持一個正確位置5．夾具通過其他元件或裝置，完成其他要求6．夾具體把上述的幾種元件組合成一個整體。夾具組成元件的作用6夾具的分類1）通用夾具：三爪、四爪卡盤，平口鉗等。2）專用夾具：為某一工件特定工序專門設計的夾具。3）通用可調整夾具及成組夾具：夾具的部分元件可以更換，部分裝置可以調整，以適應不同零件的加工。4）組合夾具：由一套預先制造好的標準元件組合而成。根據工件的工藝要求，組裝成各種專用夾具。使用后，元件可拆開、洗凈后存放，待需要時重新組裝。適用于新產品試制和單件小批生產。5）隨行夾具：在自動線或柔性制造系統中使用的夾具。◆按夾具使用范圍劃分6.1.1

夾具的基本概念76.1.1

夾具的基本概念三爪卡盤四爪卡盤萬向平口鉗回轉工作臺分度頭圖2-2通用夾具8圖2-3組合夾具實例6.1.1機床夾具910可分為鉆床夾具、銑床夾具、車床夾具、磨床夾具、數控機床夾具等。◆按使用機床劃分可分為手動夾具、氣動夾具、液壓夾具、真空夾具、電動夾具等。◆按夾緊力源劃分6.1.1夾具的基本概念夾具的分類氣動虎鉗液壓夾具圖2-4夾具11內容回顧：工件裝夾方法直接找正裝夾裝夾的含義

裝夾又稱安裝，包括定位和夾緊兩項內容。定位

—使工件在機床或夾具上占有正確位置。夾緊

—對工件施加一定的外力，使其已確定的位置在加工過程中保持不變。工件裝夾方法12

圖2-5直接找正安裝毛坯孔加工線找正線圖2-6劃線找正安裝精度高，效率低，對工人技術水平高。劃線找正裝夾精度不高，效率低，多用于形狀復雜的鑄件。13圖2-7工件在夾具上裝夾（滾齒夾具）夾具裝夾精度和效率均高，廣泛采用。14第6章工件的裝夾與夾具設計

6.2工件的定位156.2.1定位原理

圖2-8六點定位原理XZY

六點定位原理要確定其空間位置，就需要限制其6個自由度。將6個支承抽象為6個“點”，6個點限制了工件的6個自由度，這就是六點定位原理。任何一個物體在空間直角坐標系中都有6個自由度——用表示。Z移動，X、Y軸旋轉自由度X移動，Z軸轉動自由度Y移動自由度16工件的6個自由度均被限制，稱為完全定位。工件6個自由度中有1個或幾個自由度未被限制，稱為不完全定位。完全定位與不完全定位不完全定位主要有兩種情況：①工件本身相對于某個點、線是完全對稱的，則工件繞此點、線旋轉的自由度不需限制。例如球體繞過球心軸線的轉動，圓柱體繞自身軸線的轉動等。②工件加工要求不需要限制某一個或某幾個自由度。如加工平板上表面，要求保證平板厚度及與下平面的平行度，則只需限制3個自由度就夠了。6.2.1定位原理

176.2.1定位原理

完全定位與不完全定位圖2-9工件應限制的自由度ZYXa）限制3個自由度ZYXb）限制5個自由度ZYXc）限制6個自由度ZYXd）限制2個自由度限制5個自由度e）ZYX限制4個自由度限制2個自由度f）ZYX限制5個自由度18欠定位工件加工時必須限制的自由度未被完全限制，稱為欠定位。欠定位不能保證工件的正確安裝，是不允許的。圖2-10欠定位示例XZYa）B6.2.1定位原理

B欠定位b）B正確定位19過定位過定位—工件某一個自由度（或某幾個自由度）被重復約束，稱為過定位。過定位是否允許，要視具體情況而定：

1）如果工件的定位面經過機械加工，且形狀、尺寸、位置精度均較高，則過定位是允許的。有時還是必要的，合理的過定位不僅不會影響加工精度，還會起到加強工藝系統剛度和增加定位穩定性的作用。

2）反之，如果工件的定位面是毛坯面，或雖經過機械加工，但加工精度不高，這時過定位一般是不允許的，因為它可能造成定位不準確，或定位不穩定，或發生定位干涉等情況。6.2.1定位原理

20

過定位分析（桌子與三角架）圖2-11過定位分析6.2.1定位原理

21

過定位分析圖2-12過定位示例a）ZYXYc）非過定位ZYXY6.2.1定位原理

b）ZYYX22

過定位分析圖2-13過定位示例XYa)過定位ZYb)合理定位ZYXY6.2.1定位原理

23刀柄主軸拉桿漲套過定位應用圖2-14HSK刀柄與傳統刀柄結構HSK刀柄傳統刀柄1:107:24間隙主軸拉桿刀柄6.2.1定位原理

定位端面配合錐面24

過定位討論如圖示，齒輪坯以內孔和一小端面定位，車削外圓和大端面。加工后檢測發現大端面與內孔垂直度超差。試分析原因，提出改進意見。4A0.02A間隙配合剛性心軸圖2-15過定位示例6.2.1定位原理

25圖2-15a過定位引起夾緊變形6.2.1定位原理

26橡膠墊圖2-15b過定位處理分析6.2.1定位原理

27

討論分析圖示定位方案：①各方案限制的自由度；②有無欠定位或過定位；③對不合理的定位方案提出改進意見。

b）XZYXc）XZYXa）YXZ圖2-16過定位分析6.2.1定位原理

28a）過定位YXZa2）合理定位YXZa1）合理定位YXZ圖2-16a過定位示例分析6.2.1定位原理

29b）過定位XZYXb1）XZYXXZb2）合理定位YXXZb3）YX圖2-16b過定位示例分析6.2.1定位原理

有過定位，提高V形塊的制造與導向精度，可解決此問題有過定位，提高相關精度，可解決此問題30c2）YXXZ圖2-16c過定位示例分析6.2.1定位原理

c）XZYX有過定位，提高V形塊的制造與導向精度，可解決此問題合理定位31圖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釘、支承板、夾具支承件和夾具體的凸臺及平面等。ZXY6.2.2定位方法與定位元件

工件以平面定位ZXYZXYZXYZXYZXY32圖2-18支承釘與支承板a)支承釘b)支承板固定支承33可調支承34圖2-20自位支承自位支承自位支承雖然增加了與工件定位面的接觸點數目，但通過其內部的浮動聯系起到的是單點支承的作用，即自位支承只限制工件一個自由度。自位支承常用于毛坯表面，斷續表面，階梯表面的定位。

35a)b)d)c)自位支承a)三點球面式b)兩點擺動式c)兩點杠桿式d)兩點均衡移動式36

定位元件有多個工作點與工件接觸，定位元件在定位過程中所處的位置，隨工件定位基準面位置的變化而自動與之適應，其作用相當于一個固定支承，因此，只限制一個自由度。由于增加了與工件定位基準面接觸的點數，故可提高工件的安裝剛性，適用于以粗基準定位，剛性不足或不連續表面的定位。注意：設計自位支承時，應考慮可動部分有足夠的擺動余動。采用自位支承(浮力支承)，消除定位元件繞某個（或某兩個）坐標軸轉動方向的過定位。自位支承特點：37輔助支承A輔助支承的應用38B輔助支承結構定位分析：輔助支承是在工件定位后才參與支承的元件，其高度是由工件確定的，因此它不起定位作用，但輔助支承鎖緊后就成為固定支撐，能承受切削力。

39圖2-21工件以圓孔定位工件以圓孔定位多屬于定心定位，常用的定位元件有定位銷和心軸。定位銷有圓柱銷、圓錐銷、菱形銷等形式；心軸有剛性心軸、彈性心軸之分。XYZXYZXYZXYZXYZXYZ工件以圓孔定位40定位銷圖2-22常用的定位銷41圓錐銷42剛性心軸圖2-23剛性新軸43工件以外圓定位常用于外圓表面的定位元件有：定位套、支承板和V型塊等。圖2-24定位套44圖2-25V形塊45除平面、圓孔、外圓柱面外，工件有時還可能以其它表面（如圓錐面、漸開線齒面、曲面等）定位。圖2-26工件以錐孔定位工件以其他表面定位限制5個自由度46在多個表面同時參與定位情況下，各定位表面所起作用有主次之分。定位點數最多的表面為主要定位面、位點數次多的表面為次定位基準面。定位表面的組合XZY圖2-27工件在兩頂尖上定位在分析多個表面定位情況下各表面限制的自由度時，分清主次定位面很重要。主要定位基準，限制X、Y、Z自由度次基準，與主基準一起限制X、Y自由度476.2.3定位誤差

定位誤差的概念如圖2-28在軸上銑鍵槽，采用V型塊定位，鍵槽銑刀按規定尺寸H調整好位置，分析其定位誤差。圖2-28定位誤差HOAO2O1ΔDW定位誤差是由于工件在夾具上（或機床上）定位不準確而引起的加工誤差。實際加工時，由于工件直徑存在公差，會使軸心位置發生變化，進而使工序尺寸H也發生變化。定位誤差481）由于工件定位表面或夾具定位元件制作不準確引起的定位誤差，稱為基準位置誤差。2）由于工件的工序基準與定位基準不重合而引起的定位誤差，稱為基準不重合誤差。圖2-29所示工件以底面定位銑臺階面，要求保證尺寸a。6.2.3定位誤差

定位誤差的來源ba圖2-29由于基準不重合引起的定位誤差定位基準工序基準ΔDW基準不重合誤差496.2.3定位誤差

定位誤差計算工件的定位誤差實質上就是工序基準在加工尺寸方向上的最大變動量。用幾何方法計算定位誤差通常要畫出工件的定位簡圖，并在圖中夸張地畫出工件變動的極限位置；然后運用幾何知識，求出工序基準在加工尺寸方向上的最大變動量，即可求出定位誤差。1)用幾何方法計算定位誤差50當工件孔徑為最大，定位銷的直徑為最小時，孔處在左右兩個極限位置。【解】6.2.3定位誤差

【例2-1】圖2-30所示為孔與銷間隙配合的情況，銷垂直放置，若工件的工序基準為孔心，試確定其定位誤差。式中ΔDW—定位誤差；

Dmax—工件定位孔最大直徑;

dmin—夾具定位銷最小直徑。圖2-30孔與銷間隙配合時的定位誤差DmaxdminO定位誤差均為：O2ΔDWO1516.2.3定位誤差

當工件孔與夾具定位銷保持固定邊接觸時，定位誤差為孔徑公差的一半。

ΔDW

=（Dmax－Dmin）=TD

（2-7）1212此時，定位誤差是由于定位基準與工序基準不重合所造成的，屬于基準不重合誤差，與定位銷直徑無關。圖2-31孔與銷間隙配合固定邊接觸時定位誤差OO1DminDmaxΔDWO2定位誤差為：526.2.3定位誤差

2.用微分方法計算定位誤差【例2-2】工件在V型塊上定位銑鍵槽，計算定位誤差。與夾具有關的的工序尺寸和工序要求：①槽底至工件外圓中心的距離H；②鍵槽對工件外圓中心的對稱度。圖2-32外圓表面在V型塊上的定位誤差HBαOAOA=Sin(α/2)OB=Sin(α/2)d對上式求全微分，得到：d(OA)=Sin(α/2)1d(d)－4Sin2(α/2)dcos(α/2)d(α)對于第1項要求，寫出O點至加工尺寸方向上某一固定點如V型塊兩斜面交點A的距離：53以微小增量代替微分，并將尺寸誤差視為微小增量，且考慮到尺寸誤差可正可負，各項誤差均取絕對值，得到工序尺寸H的定位誤差：6.2.3定位誤差

（2-8）式中Td

—工件外圓直徑公差；

Tα—V型塊兩斜面夾角角度公差。若忽略V型塊兩斜面夾角的角度公差，可以得到用V型塊對外圓表面的定位誤差為：（2-9）54若忽略V型塊兩斜面夾角的角度公差，可以得到用V型塊對外圓表面的定位誤差為：6.2.3定位誤差

工件工序基準為外圓下母線時，由右圖得：圖2-33外圓表面在V型塊上的定位誤差b）H1BOAC556.2.3定位誤差

若工件工序基準為外圓上母線時，由右圖得：圖2-33外圓表面在V型塊上的定位誤差c）H2BdOAC若忽略V型塊兩斜面夾角的角度公差，可以得到用V型塊對外圓表面的定位誤差為：56

關于鍵槽對工件外圓中心的對稱度要求。圖2-32外圓表面在V型塊上的定位誤差HBαOA6.2.3定位誤差

若忽略工件的圓度誤差和V型塊角度偏差，可以認為工序基準（工件外圓中心）在水平方向上的位置變動量為零，即定位誤差為零。576.2.3定位誤差

3.組合定位誤差【例2-3】一面兩銷定位誤差分析計算。圖2-34一面兩銷的定位誤差586.2.3定位誤差

直線位移誤差圖2-35兩銷定位的直線位移誤差O1O2O11O21O12O22極端情況為：工件內孔1的直徑尺寸最大、定位銷1直徑尺寸最小，極端位置為最左、最右兩種情況。ΔO1ΔO1=Dmax－dmin式中ΔO1——定位誤差；

D1max——工件定位孔最大直徑；

d1min——夾具定位銷最小直徑。596.2.3定位誤差

角位移誤差圖2-36兩銷定位的角位移誤差O1O2O11O21O12O22極端情況為：工件內孔1、2的直徑尺寸最大、定位銷1、2直徑尺寸最小，極端偏擺為上、下最大轉角兩種情況。Δdw-ΔdwO12O22O'12O'22O2O1L606.2.3定位誤差

角位移誤差O12O22O'12O'22O2O1L61例題：定位誤差的計算方法極值法求解：

解：定位誤差的大小等于尺寸A的最大變動范圍，即ΔDA=Amax-Amin當Bmin,dmin時，工件中心為O1點;當Bmax,dmin時，工件中心為O2點;當Bmin,dmax時，工件中心為O3點;當Bmax,dmax時，工件中心為O4點;ΔDA=aO4=aO2+O2O4=TBtgα+Td/2cosα

依據：定位誤差等于由于定位而引起的加工尺寸的最大變動范圍。

62微分法求解：解：A=L-Btgα-d/2cosα(B,d為變量)ΔDA=|TBtgα|+|Td/2cosα|此法對包含多誤差因素的復雜定位方案的定位誤差分析計算較方便。依據：做工件定位圖，確定加工尺寸D與有關的工件和夾具相應各幾何參數xi的尺寸鏈關系式為：D=Φ（xi，x2，x3）

對上式求全微分，即可求出加工尺寸D的定位誤差.63定位誤差分析計算習題課：例1：求加工尺寸A的定位誤差。解：1）定位基準為底面，工序基準為圓孔中心線O，定位位尺寸S=50mm,Ts=0.2mm工序基準的位移方向與加工尺寸方向夾450ΔB=Tscosα=0.2cos45=0.1414定位基準與限位基準重合,ΔY=0；∴ΔD=ΔB=0.1414mm答：A的定位誤差為0.1414mm結論:

1）平面定位時,ΔY=0;

2)工序基準變動方向與加工尺寸不一致時,需向加工尺寸方向投影.64例2:鉆鉸凸輪上兩小孔,求加工尺寸100的定位誤差.解:1）定位基準與工序基準重合,ΔB=0;位基準相對限位基準單向移動,且與加工尺寸成30o±15’夾角.Ti=(TD+Td0)/2,Δy=Ticosα∴Δy=[(0.033+0.021)/2]*cos30=0.02mmΔD=Δy=0.02mm結論:定位方式為孔軸配合時,當單邊接觸時,

Δy=[(TD+Td0)/2]cosα.

65例3:金剛鏜床上鏜活塞銷孔,求對稱度的定位誤差.解:1)對稱度的工序基準是裙部內孔軸線,定位基準也是,∴ΔB=0;2)定位基準相對限位基準可任意方向移動,在對稱度方向上的最大變動范圍為孔軸配合的最大間隙Xmax,δi移動方向與對稱度方向一致，α=0，∴ΔY=Ti=Xmax=ES-ei=0.035+0.034=0.069mm3)ΔD=ΔY=0.069mm結論:定位方式為孔軸配合任意邊接觸時,

ΔY=Xmaxcosα

=(TDTd0+Xmin)cosα66例4:加工均布的4個槽，求槽的對稱度的定位誤差。解：1）對稱度的工序基準是Φ12H8的軸線，定位基準是Φ80士0.05mm的軸線，兩者不重合，ΔB=0．02mm。2）定位基準相對限位基準可任意方向移動，ΔY=Xmax=0.03+0.02+0.1=0.15mm3)工序基準不在定位基面上，故：ΔY十ΔB＝（0．15＋0．O2）=O．17mm該定位超過工件公差的2／3，難以保證對稱度要求。若改用Φ12H8孔定位，使ΔB=0；選定位心軸為Φ12g6,ΔY=Xmax=0.027+0.017=0.044mm<δk,可滿足加工要求。結論:選擇定位基準應盡可能與工序基準重合；應選擇精度高的表面作定位基準。67全微分可得：建立如圖所示坐標軸系：例5：工件外圓?60

，加工A面的定位方案如圖，微分法求尺寸400.1的定位誤差68機械制造工工藝學第6章工件的裝夾與夾具設計

6.3工件的夾緊696.3.1夾緊裝置的組成及設計要求

夾緊裝置的組成

(1)動力源。人力、氣動、液動、電動等。(2)夾緊機構。包括中間遞力機構和夾緊元件。

夾緊裝置的設計要求

（1）夾緊力應有助于定位，而不應破壞定位；（2）夾緊立的大小應能保證加工過程中工件不發生位置變動和振動，并能在一定范圍內調節；（3）工件在夾緊后的變形和受壓表面的損傷不應超出允許的范圍；（4）應有足夠的夾緊行程；（5）手動時要有自鎖性能：（6）結構簡單緊湊、動作靈活，制造、維護方便，省力、安全并有足夠的強度和剛度。702.3.2夾緊力的確定

正確確定夾緊力，主要是正確確定夾緊力的方向、作用點和大小。夾緊力的方向

(1)夾緊力的方向應垂直于主要定位基準面。

WWWWα

α>90°α<90°

α>90°α<90°

圖2-37兩銷定位的角位移誤差712.3.2夾緊力的確定

(2)夾緊力的作用方向應盡量與工件剛度最大的方向相一致，以減小工件變形。

Fj變形大FjFj變形小(a)(b)圖2-38薄壁套筒的夾緊722.3.2夾緊力的確定

(3)夾緊力的方向應盡可能與切削力、工件重力方向一致，以減少夾緊力。夾緊力作用點的選擇

(1)夾緊力的作用點應能保持工件定位穩定，不致引起工件產生位移或偏轉。(a)(b)FjFj圖2-39加緊力作用點對穩定性的影響732.3.2夾緊力的確定

(2)夾緊力的作用點應使被夾緊工件的夾緊變形盡可能小。FjFjFj

(a)不合理(b)合理圖2-40夾緊力作用點的布置比較(3)夾緊力的作用點應盡量靠近切削部位，以提高夾緊的可靠性，若切削部位剛性不足，可采用輔助支承。74夾緊力的大小

2.3.2夾緊力的確定

夾緊力的大小必須適當，夾緊力過小，工件在夾具中的位置可能在加工過程中產生變動，破壞原有的定位。夾緊力過大，不但會使工件和夾具產生過大的變形，對加工質量不利。計算夾緊力，通常將夾具和工件看成一個剛性系統以簡化計算。然后根據工件受切削力、重力、夾緊力等后處于靜力平衡條件，計算出理論夾緊力W，再乘以安全系數K，作為實際所需的夾緊力W0，即

W0＝KW

752.3.3常用夾緊機構

(1)斜楔夾緊機構斜楔夾緊機構原理圖2-41斜楔夾緊機構的原理圖762.3.3常用夾緊機構

斜楔夾緊的特點（1）斜楔的自鎖性；（2）斜楔能改變夾緊作用力的方向；（3）斜楔具有擴力作用；（4）斜楔的夾緊行程小；（5）斜楔夾緊的效率低。由于手動的斜楔夾緊機構在夾緊工件時既費時又費力，效率很低，故實際上多在機動夾緊裝置中采用。適用范圍772.3.3常用夾緊機構

(2)螺旋夾緊機構

圖2-42螺旋夾緊原理圖螺旋夾緊機構具有結構簡單、制造容易、夾緊可靠、擴力比大和夾緊行程不受限制等特點，所以在手動夾緊裝置中被廣泛使用，其缺點是夾緊動作慢、效率低。782.3.3常用夾緊機構

(3)圓偏心夾緊機構

圓偏心夾緊實際上是斜楔夾緊的一種變形。

圖2-43偏心圓夾緊原理圖

適應范圍：(1)

適用于切削負荷不大且無很大振動的場合；(2)用于夾緊行程較小的情況；(3)很少直接用于夾緊工件，大多是與其它夾緊元件聯合使用。792.3.3常用夾緊機構

(4)鉸鏈夾緊機構

圖2-44鉸鏈夾緊原理圖鉸鏈夾緊機構的結構簡單、擴力比大且摩擦損失小，故適用于多點或多件夾緊，在氣動或液壓夾具中廣泛應用。802.3.3常用夾緊機構

(5)定心、對中夾緊機構

定心、