機床夾具設計原理本章要點機床夾具概述定位原理與定位誤差工件的夾緊專用夾具設計方法和步驟典型機床夾具設計特點機械制造技術基礎

機床夾具設計原理5.1機床夾具概述5.1.1機床夾具的作用1)工件易于正確定位，保證加工精度；2)縮短安裝時間，提高勞動生產率；3)擴大機床工藝范圍，實現一機多能；4)操作方便、安全、可降低對工人的技術要求，還可減輕工人的勞動強度。1）通用夾具：三爪、四爪卡盤，平口鉗等，一般由專業廠生產，常作為機床附件提供給用戶。2）專用夾具：為某一工件特定工序專門設計的夾具，多用于批量生產中。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，將不同的組合夾具元件像搭積木一樣，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。組合夾具特別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5.1.2機床夾具的分類通用夾具三爪卡盤四爪卡盤萬向平口鉗回轉工作臺分度頭圖5-1通用夾具圖5-2專用夾具

43φDL零件工序簡圖專用夾具零件工序簡圖43φDLLφD43φD43LφDL34φDL43φDL34圖5-3成組夾具KH1KH2KH3KH4成組夾具圖5-4組合夾具1234567891011121314151617181—加筋角鐵（2）2—槽用螺栓（6）3—平鍵（10）4—方形支承5—定位支承6—方形支承7—平墊圈8—六角螺母（8）9—槽用螺栓

10—鉆套螺釘11—快換鉆套12—鉆模板13—圓形定位銷14—工件15—方形支承16—角鐵17—壓緊螺釘18—基礎板組合夾具圖5-5銑撥叉槽組合夾具1—方形基礎板2—小長方支承3，14，20—六角螺母4—φ40圓形定位盤5—大長方支承6—螺釘7—右支承角鐵8，10—厚六角螺母9—墊圈11—槽用螺栓12—側中孔定位支承13—小長方支承15—回轉壓板16—雙頭螺栓17—φ24圓形定位銷18—圓螺母19—工件圖5-6組合夾具實例組合夾具可分為鉆床夾具、銑床夾具、車床夾具、磨床夾具等。◆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5.1.2機床夾具的分類氣動虎鉗液壓夾具圖5-9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5.1.3夾具的組成1）定位元件及裝置123646）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5.2工件在夾具中的定位5.2.1定位的概念定位:工件在加工前相對于刀具和機床切削成形運動必須占有正確的加工位置。定位的作用：使工件占據定位元件所規定的位置，并且使一批逐次加工的工件在夾具中占據正確的位置。定位是工件安裝過程的一部分，已經定位的工件尚需通過夾緊使工件固定下來。

定位和夾緊是兩個不同的概念。既不能只定位不夾緊，也不能用夾緊代替定位。5.2.2工件的定位基本原理

圖5-10六點定位原理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。

一個在空間處于自由的物體具有6個自由度,即沿三個垂直坐標軸的移動、繞三個垂直坐標軸的轉動。圖5-11工件以平面3點定位XYZ

與理論力學、機構學自由度概念差別

——位置不定度

——夾緊與定位概念分開

——工件、夾具是彈性體

注意：“點”的含義

——對自由度的限制，與實際接觸點不同

正確理解工件定位原理的幾點注意事項定位支撐點與工件定位基準要始終保持緊密接觸或配合，才能起到限制自由度的作用；分析支撐點的定位作用時，不考慮外力的作用；一個自由度由對應的一個支撐點限制，每個支撐點限制的自由度不允許重復或相互干涉；工件在夾具中實際定位時，是根據工件上已被選作定位基準的形狀而采用相應結構形狀的定位元件來實現的。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、線旋轉的自由度無法被限制（即使被限制也無意義）。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。定位原理

完全定位與不完全定位ZYXa）ZYXb）ZYXc）ZYXd）e）ZYXf）ZYX圖5-12工件應限制的自由度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，因而是不允許的。圖5-13欠定位示例XZYa）b）BBB定位原理

過定位

過定位——工件某一個自由度（或某幾個自由度）被兩個（或兩個以上）約束點約束，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，因為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。

定位原理

過定位分析（桌子與三角架）圖5-14過定位分析

定位原理

過定位分析圖5-15過定位示例a）ZYXYc）ZYXY定位原理

b）ZYYX

過定位分析圖5-16過定位示例XYa）ZYb）ZYXY定位原理

一面兩孔定位分析D1D2d2d1b圖5-17一面兩孔定位干涉分析定位原理

刀柄主軸拉桿漲套

過定位應用圖5-18HSK刀柄與傳統刀柄結構HSK刀柄傳統刀柄1:107:24間隙主軸拉桿刀柄定位原理

定位端面配合錐面

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5-19過定位示例定位原理

圖5-20過定位引起夾緊變形定位原理

橡膠墊圖5-21過定位處理分析

定位原理

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5-22過定位分析定位原理

a）YXZa1）YXZa2）YXZa3）YXZ圖5-23a過定位示例分析

定位原理

b）XZYXb1）XZYXXZb2）YXXZb3）YX圖5-23b過定位示例分析定位原理

c）XZYXc’）XZYXc1）YXXZ圖5-23c過定位示例分析定位原理

ZXYZXYZXYZXY圖5-24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。圖5-24給出了平面定位的幾種情況。ZXYZXY5.2.3定位方法與定位元件

工件以平面定位l

工件以平面定位（1）固定支承：支承釘（限1個自由度）支承板（限制2個自由度）（2）可調支承（3）自位支承（浮動支承）（4）輔助支承（不限制自由度）圖5-25工件以圓孔定位工件以圓孔定位多屬于定心定位（定位基準為圓柱孔軸線）。常用定位元件是定位銷和心軸。定位銷有圓柱銷、圓錐銷、菱形銷等形式；心軸有剛性心軸（又有過盈配合、間隙配合和小錐度心軸等）、彈性心軸之分。工件以圓孔定位所限制的自由度見圖5-25。XYZXYZXYZXYZXYZXYZ5.2.3定位方法與定位元件

工件以圓孔定位圖5-26工件以外圓柱面定位工件以外圓柱面定位兩種形式：定心定位和支承定位。工件以外圓柱面定心定位的情況與工件以圓孔定位的情況相仿（用套筒和卡盤代替心軸或柱銷）。工件以外圓柱面支承定位的元件常采用V型塊，短V型塊限制2個自由度，長V型塊（或兩個短V型塊組合）限制4個自由度。XYZXYZXYZXYZXYZ5.2.3定位方法與定位元件

工件以外圓柱面定位除平面、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5-27為工件以錐孔定位的例子，錐度心軸限制了除繞工件自身軸線轉動外的5個自由度。圖5-27工件以錐孔定位5.2.3定位方法與定位元件

工件以其他表面定位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。通常稱定位點數最多的表面為主要定位面或支承面，稱定位點數次多的表面為第二定位基準面或導向面，稱定位點數為1的表面為第三定位基準面或止動面。5.2.3定位方法與定位元件

定位表面的組合XZY圖5-28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。如圖5-28所示工件在兩頂尖上的定位，應首先確定前頂尖限制的自由度，他們是。然后再分析后頂尖限制的自由度。此時，應與前頂尖一起綜合考慮，可以確定其限制的自由度是。定位實例分析1

定位實例分析2定位實例分析3定位實例分析4思考題1、試述機床夾具的類型、特點和應用范圍。2、試說明機床夾具的組成，各組成部分的作用？3、什么是定位？定位和夾緊概念的區別？4、試述六點定位原理的基本內容。5、只要有六個定位支承點，工件的六個自由度就可以完全被限制了，這種說法對嗎？6、什么是完全定位？什么是不完全定位？7、什么是過定位和欠定位？是否均不允許存在？舉例說明。8、試說明工件以平面定位基準時，其主要支承的類型和選用原則是什么？9、可調支承、輔助支承有什么區別？使用是應注意什么問題？10、會分析保證工件加工精度所需要限制的自由度。（表5-1）11、掌握常用定位元件所能限制的自由度。（表5-2）5.2.4定位誤差分析?基準的概念及其分類基準：用來確定生產對象上的幾何要素之間的幾何關系所依據的那些點、線、面。

基面：基準不一定具體可見（如孔的中心線等），在零件上通常是通過有關具體表面表現出來的，這些表面稱為基面。

基準的分類：5.2.4定位誤差

定位誤差的概念

例如在軸上銑鍵槽，要求保證槽底至軸心的距離H。若采用V型塊定位，鍵槽銑刀按規定尺寸H調整好位置（圖5-29）。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。不考慮加工過程誤差，僅由于軸心位置變化而使工序尺寸H也發生變化。此變化量（即加工誤差）是由于工件的定位而引起的，故稱為定位誤差。圖5-29定位誤差HOAO1O2ΔDW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。1）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，如圖5-29所示例子。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5-30所示工件以底面定位銑臺階面，要求保證尺寸a，即工序基準為工件頂面。如刀具已調整好位置，則由于尺寸b的誤差會使工件頂面位置發生變化，從而使工序尺寸a產生誤差。bΔDWa圖5-30由于基準不重合引起的定位誤差工序基準

定位基準5.2.4定位誤差

定位誤差的來源5.2.4定位誤差

定位誤差計算在采用調整法加工時，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。因此計算定位誤差，首先要找出工序尺寸的工序基準，然后求其在工序尺寸方向上的最大變動量即可。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；然后運用三角幾何知識，求出工序基準在加工尺寸方向上的最大變動量，即為定位誤差。1）用幾何方法計算定位誤差

當工件孔徑為最大，定位銷的直徑為最小時，孔心在任意方向上的最大變動量等于孔與銷配合的最大間隙量，即無論工序尺寸方向如何，只要工序尺寸方向垂直于孔心軸線，其定位誤差均為：

ΔDW

=Dmax－dmin（5-6）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【解】5.2.4定位誤差

【例5-4】圖5-31所示為孔與銷間隙配合的情況，若工件的工序基準為孔心，試確定其定位誤差。圖5-31孔與銷間隙配合時的定位誤差DmaxdminOΔDWO1O25.2.4定位誤差

某些情況，工件孔與夾具定位銷保持固定邊接觸（圖5-32），此時孔心在接觸點與銷子中心連線方向上的最大變動量為孔徑公差的一半。若工件的定位基準仍為孔心，且工序尺寸方向與接觸點和銷子中心連線方向相同，則其定位誤差為：圖5-32孔與銷間隙配合固定邊接觸時定位誤差DmaxO1DminOΔDWO2

ΔDW

=（Dmax－Dmin）=TD1212此時，孔在銷上的定位已由定心定位轉化為支承定位的形式，定位基準也由孔心變成了與定位銷固定邊接觸的一條母線。這種情況下，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。5.2.4定位誤差

2）用微分方法計算定位誤差【例5-5】工件在V型塊上定位銑鍵槽，計算定位誤差【解】要求保證的工序尺寸和工序要求：①槽底至工件外圓中心的距離H（或槽底至外圓下母線的距離H1，或槽底至外圓上母線的距離H2

）；②鍵槽對工件外圓中心的對稱度OA=Sin(α/2)OB=Sin(α/2)d對上式求全微分，圖5-33外圓表面在V型塊上的定位誤差HBαOA

對于第1項要求，考慮第1種情況（工序基準為圓心O，見圖5-33），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：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，各項誤差均取最大值，得到工序尺寸H的定位誤差：5.2.4定位誤差

定位式中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型塊對外圓表面定位，當工序基準為外圓中心時，在垂直方向（圖5-33中尺寸H方向）上的定位誤差為：對于第2項要求，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，即使用V型塊對外圓表面定位時，在垂直于V型塊對稱面方向上定位誤差為零。5.2.4定位誤差

若工件工序基準為外圓下母線或上母線時，用同樣方法可求出其定位誤差分別為：圖5-34外圓表面在V型塊上的定位誤差b）a）H2BdOH1BOAC例：同軸度誤差分析

如圖所示，以外圓和平面定位加工內孔，試計算加工后與外圓的最大同軸度誤差。例：同軸度誤差分析

計算以外圓和平面定位加工內孔時產生的與外圓的同軸度誤差。外圓φ80變化時，軸心線變化為OO’=δ’尺寸30變化時，軸心線變化為O’O”=δ”合成后:

練習題:什么是定位誤差？定位誤差產生的條件是什么？圖示工件用α=90°的V形塊和擋塊定位銑削階梯平面，要求保證尺寸和。試計算該定位方案的定位誤差（假設兩外圓同軸）？如要求定位誤差控制在工序公差的1/3以內，判斷能否滿足加工要求？

練習題:

在圖所示工件上加工鍵槽，工件內孔，外圓，要求保證尺寸。現有3種定位方案，分別如圖b，c，d所示，其中心軸直徑。試分別計算3種方案的定位誤差，并選擇最佳方案。（不考慮工件內外圓同軸度誤差）（a）零件圖（b）V形塊定位（c）垂直心軸定位d）支承板定位?提高工件定位精度的措施1）消除或減少基準不重合誤差要正確選擇定位基準，盡可能與工序基準重合。2）消除或減少基準位移誤差

（1）選擇精度高、位置誤差小的表面為定位基準，尤其是組合定位中的第一基準，位置誤差要小；（2）選用基準位置誤差小的定位元件，提高定位元件間的位置精度；（3）提高工件定位表面與定位元件的配合精度，減小或消除配合間隙來減小基準位移誤差。5.3工件的夾緊5.3.1夾緊裝置設計基本要求:（1）保證加工精度，不破壞工件定位或產生不允許的夾緊變形；（2）保證生產率、力求夾緊迅速；（3）結構簡單緊湊，制造維修方便，盡量采用標準件；（4）操作方便、省力、安全。夾緊力的方向:

（1）夾緊力的方向應使定位基準面與定位元件緊密接觸，保證定位準確、可靠；（2）夾緊力的方向應指向工件剛性最大的方向，以減少工件夾緊變形；（3）夾緊力的方應盡量與切削力、重力方向一致，以減小所需的夾緊力。夾緊力作用力點的確定（1）作用力點應針對或位于支承元件所形成的支承面內，防止夾緊破壞定位；（2）作用力點應位于工件剛性最好的部位，以減少夾緊變形；（3）夾緊應靠近加工表面，以減小切削力對夾緊點的力矩，增加可靠性，防止振動和變形。5.3.2夾緊力的大小的確定

確定夾緊力的大小，通常把工件和夾具看成剛性系統，把工件看成是在切削力、夾緊力、重力、慣性力等作用下的平衡體，通過力平衡求出夾緊力，再乘以安全系數ｋ，作為實際夾緊力。通常粗加工取ｋ＝２．５～３，精加工取ｋ＝１．５～２。5.3.3常用夾緊機構斜楔夾緊機構螺旋夾緊機構圓偏心夾緊機構鉸鏈夾緊機構定心、對中夾緊機構聯動夾緊機構5.3.3常用夾緊機構斜楔的楔角是斜楔夾緊機構的主要參數，它對斜楔的增力比、自鎖性、夾緊行程及操作性能都起決定性的作用。

自鎖條件是壓力角(此處是斜楔升角)小于摩擦角

<1+25.3.3常用夾緊機構螺旋夾緊機構：由螺釘、螺母、墊圈、壓板等元件組成的夾緊機構，增力比很大，自鎖性很好。偏心夾緊機構自鎖條件：5.3.3常用夾緊機構偏心夾緊機構：偏心夾緊的實質還是斜楔的作用。

5.3.3常用夾緊機構聯動夾緊機構夾緊的動力：人工手動、氣動、液壓、電動等。5.3.3常用夾緊機構鉸鏈夾緊機構定心、對中夾緊機構

設計特點和要求（1）因夾具要回轉，要求結構緊湊，尺寸小，重量輕，重心盡可能靠近回轉軸線，減小慣性力。（2）應有平衡措施，消除回轉不平衡引起的振動現象，一般設計平衡塊的位置可調，便于調整。（3）為了操作安全，夾具盡可能避免尖角或突出部位，必要時回轉部分外面應加防護罩。（4）夾具與機床主軸定位面間必須有良好的配合和可靠的聯接。5.4各類機床夾具設計特點

5.4.1車床及磨圓夾具

車床和磨圓夾具通常安裝在機床的主軸上，與主軸一起回轉。

結構形式：心軸式、圓盤式、角鐵式等5.4.2銑床夾具銑床夾具設計時特別注意：銑削加工切削力較大，又是斷續切削，加工中易引起振動，因此夾緊機構要有足夠的夾緊力和較好的自鎖性，且受力元件要有足夠的強度和剛性。銑削加工一般是定距加工，為了便于調整刀具，通常要設置對刀裝置。對刀塊和刀具之間要放對刀塞尺，以避免刀具與對刀塊直接接觸，而碰傷刀刃獲對刀塊。銑床夾具在機床上要定位，要使夾具上定位元件工作面與銑削運動方向有一準確位置。常采用導向鍵與機床工作臺T形槽相配合來實現。

鉆套

分度機構5.4.3鉆床夾具鉆夾具的特點

（1）夾具放在工作臺上，鉆孔時鉆頭回轉和進給，夾具和工件不動。（2）由于鉆削力矩小，鉆小孔時夾具常不固定。（3）鉆床夾具用鉆套引導鉆頭，防止鉆頭偏斜，用鉆模板固定鉆套，保證鉆孔正確位置。5.4.4鏜床夾具鏜套的布置（1）單支承前引導（2）單支承后引導（3）前后雙支承引導（4）雙支承后引導5.5機床夾具設計5.5.1專用夾具設計的基本要求1）保證工件的加工要求。正確定位、刀具導向、夾緊方案。2）提高加工效率、降低成本。結構簡單、裝夾快速