第 3 章机床夹具设计

第3章机床夹具设计 • 刘平 • 2013-3-20

3.1 绪论 夹具是机械制造过程中使用的一种工艺装备，分为机床夹具、焊接夹具、装配夹具和检验夹具等。各种金属切削机床上用于装夹工件的工艺装备，称机床夹具，如车床上使用的三爪自动定心卡盘、铣床上使用的平口虎钳等。

机床夹具是机械加工中不可缺少的一种工艺装备，应用十分广泛。其主要作用有：机床夹具是机械加工中不可缺少的一种工艺装备，应用十分广泛。其主要作用有： • 稳定保证加工质量； • 提高劳动生产率； • 减轻工人的劳动强度，保证安全生产； • 扩大机床的使用范围。

3.1.2 机床夹具组成 1．按夹具的使用特点分类 • 通用夹具已经标准化的，可加工一定范围内不同工件的夹具，如三爪自定心卡盘、机床用平口虎钳、万能分度头、磁力工件台等。 • 专用夹具专为某一工件的某道工序设计制造的夹具，称为专用夹具。专用夹具一般在批量生产中使用。

通用夹具 三爪卡盘四爪卡盘万向平口钳回转工作台分度头

专用夹具

可调夹具 夹具的某些元件可调整或可更换，以适应多种工件加工的夹具，称为可调夹具。它还分为通用可调夹具和成组可调夹具两类。 • 组合夹具采用标准的组合夹具元件、部件，专为某一工件的某道工序组装的夹具，称为组合夹具。

组合夹具

2．按使用机床分类 夹具按使用机床可分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、齿轮机床夹具、数控机床夹具、自动机床夹具、自动线随行夹具以及其它机床夹具等。

3．按夹紧的动力源分类 夹具按夹紧的动力源可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、气液增力夹具、电磁夹具以及真空夹具等。

6 2 3 1 4 铣轴端槽夹具 1 — V型块 2 — 支撑套 3 — 手柄 4 — 定向键 5 — 夹具体 6 — 对刀块 3.1.2 机床夹具组成 1）定位元件及装置 2）夹紧元件及装置 3）对刀及导向元件 4）连接元件 5）夹具体 6）其他元件及装置（防护、防错、分度…）

3.2 工件在夹具中的定位 工件在夹具中定位就是要确定工件与定位元件的相对位置，从而保证工件相对于刀具和机床的正确加工位置。工件在夹具中的定位是由工件的定位基准（面）与夹具定位元件的工作表面（定位表面）相接触或相配合实现的。工件位置正确与否，用加工要求来衡量，一批工件逐个在夹具上定位时，每个工件在夹具中占据的位置不可能绝对一致，但每个工件的位置变动量必须控制在加工要求所允许的范围内。

3.2.1 六点定位原理 如图所示，用六个合理分布的定位支承点与工件分别接触，即一个支承点限制工件的一个自由度，使工件在夹具中的位置完全确定。由此可见，要使工件在空间具有唯一确定的位置，就必须限制工件在空间的六个自由度，这就是“六点定位原理”。

在应用工件的“六点定位原理”进行定位分析时，应注意以下几点： • 定位就是限制自由度，通常用合理布置的定位支承点来限制工件的自由度。 • 定位支承点限制工件自由度的作用，应理解为定位支承点与工件定位基准面始终保持紧贴接触。若二者脱离，则意味着失去定位作用。

定位和夹紧是两个不同的概念：定位是为了使工件在空间某一方向占据唯一确定的位置。对于一般夹具，先实施定位，然后再夹紧。对于自定心夹具 （如三爪卡盘），则是定位和夹紧过程同时进行。因此，一定要把定位和夹紧区别开来，不能混为一谈。

3.2.2 工件定位的几种情况 1.完全定位工件的六个自由度被定位元件无重复的限制，工件在夹具中具有唯一确定的位置称为完全定位。

Z Z Y Y X X 2.不完全定位对不影响工件加工要求的某些自由度不加限制的定位方式称为不完全定位。

3.欠定位 根据工件的加工要求，应该限制的自由度没有完全被限制的定位称为欠定位。欠定位无法保证加工要求。因此，在确定工件的定位方案时，决不允许有欠定位的现象发生。

Z Y X B B B B a） b）工件加工时必须限制的自由度未被完全限制，称为欠定位。欠定位不能保证工件的正确安装，因而是不允许的。

4．过定位 工件的一个或几个自由度被不同的定位支承点重复限制的定位称为过定位或重复定位。

Z Z Y Y Y Y X X • 过定位分析

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。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。 0.02 A 4 A 间隙配合刚性心轴过定位示例过定位讨论

过定位引起夹紧变形

橡胶垫 过定位处理分析

Z Z Z Z Z Z Y Y Y Y Y Y X X X X X X 3.2.3 常见定位方式及其所用定位元件 1．工件以平面定位

支承钉和支承板

Z Z Z Z Z Z Y Y Y Y Y Y X X X X X X 2、工件以圆孔定位工件以圆孔定位多属于定心定位（定位基准为圆柱孔轴线）。常用定位元件是定位销和心轴。定位销有圆柱销、圆锥销、菱形销等形式。工件以圆孔定位

3、工件以外圆柱面定位 工件以外圆柱面定位两种形式：定心定位和支承定位。工件以外圆柱面定心定位的情况与工件以圆孔定位的情况相仿（用套筒和卡盘代替心轴或柱销）。工件以外圆柱面支承定位的元件常采用V型块，短V型块限制2个自由度，长V型块（或两个短V型块组合）限制4个自由度。

Z Z Z Y Y Y X X X Z Z Y Y X X 工件以外圆柱面定位

工件以锥孔定位 4、工件以其他表面定位除平面、圆孔、外圆柱面外，工件有时还可能以其它表面（如圆锥面、渐开线齿面、曲面等）定位。图为工件以锥孔定位的例子，锥度心轴限制了除绕工件自身轴线转动外的 5个自由度。

6、定位表面的组合 在多个表面同时参与定位情况下，各定位表面所起作用有主次之分。通常称定位点数最多的表面为主要定位面或支承面，称定位点数次多的表面为第二定位基准面或导向面，称定位点数为 1 的表面为第三定位基准面或止动面。

3.3 定位误差的分析与计算 一批工件逐个在夹具上定位时，由于工件及定位元件存在公差，使各个工件所占据的位置不完全一致，加工后形成加工尺寸的不一致，为加工误差。只与工件定位有关的加工误差，称为定位误差。

3.3.1 产生定位误差的原因 造成定位误差的原因有两个： • 一是定位基准与工序基准不重合，由此产生基准不重合误差ΔB； • 二是定位基准与限位基准不重合，由此产生基准位移误差ΔY。

1．基准不重合误差ΔB 基准不重合误差ΔB是一批工件逐个在夹具上定位时，定位基准与工序基准不重合而造成的加工误差，其大小为定位尺寸的公差δs在加工尺寸上的投影。图a是在工件上铣缺口的工序简图，加工尺寸为A和B。图b是加工示意图，工件以底面和E面定位。

ΔA = 0 • ΔB =δ

2．基准位移误差ΔY 由于定位副有制造误差及包含定位副间的配合间隙，而引起的定位基准在加工尺寸方向上的最大位置变动范围称为基准位移误差，以表示ΔY。

综合上述定位误差产生原因分析，无论是基准不重合误差，还是基准位移误差，皆是由定位引起的，因此统称为定位误差。定位误差是基准位移误差和基准不重合误差的综合结果。可表示为：综合上述定位误差产生原因分析，无论是基准不重合误差，还是基准位移误差，皆是由定位引起的，因此统称为定位误差。定位误差是基准位移误差和基准不重合误差的综合结果。可表示为：

3.3.2 常见定位方式的定位误差计算 1．工件以平面定位如图所示，按图a所示定位方案铣工件上的台阶面C，要求保证尺寸。下面计算其定位误差。

由工序简图知，加工尺寸 的工序基准（也是设计基准）是A面，而图a中定位基准是B面，可见定位基准与工序基准不重合，必然存在基准不重合误差。这时的定位尺寸是，与加工尺寸方向一致，所以基准不重合误差的大小就是定位尺寸的公差，即 =0.28mm。而以B面定位加工C面时，不会产生基准位移误差，即。所以有：

而加工尺寸的公差为 此时，

由上面分析计算可见，定位误差太大，而留给其它加工误差的允许值就太小了，只有0.02mm。所以在实际加工中容易出现废品，因此这一方案在没有其它工艺措施的条件下不宜采用。若改成图b所示定位方案，使工序基准与定位基准重合，则定位误差为零，但改成新的定位方案后，工件需从下向上夹紧，夹紧方案不够理想，且使夹具结构复杂。由上面分析计算可见，定位误差太大，而留给其它加工误差的允许值就太小了，只有0.02mm。所以在实际加工中容易出现废品，因此这一方案在没有其它工艺措施的条件下不宜采用。若改成图b所示定位方案，使工序基准与定位基准重合，则定位误差为零，但改成新的定位方案后，工件需从下向上夹紧，夹紧方案不够理想，且使夹具结构复杂。

2．工件以圆柱孔定位 工件以圆孔在过盈配合心轴上定位因为过盈配合时，定位副间无间隙，所以定位基准的位移量为零，即。

b) ΔH3 = 0 • ΔH1 =ΔH2 =δd1/2 • c)ΔH3 =δD /2 +δd /2 (轴线水平放置) • ΔH3 =δD +δd +Δmin (轴线垂直放置） • ΔH1=ΔH2 =δD /2 +δd /2+δd1/2 (轴线水平放置) • ΔH1 =ΔH2 =δD +δd +Δmin +δd1/2 (轴线垂直放置）图3-5 工件以圆孔定位时，定位误差的计算

3．工件以外圆定位 工件以外圆在V形块上定位。如不考虑V型块的制造误差，则工件定位基准在V形块的对称面上，因此工件中心线在水平方向上的位移为零。但在垂直方向上，因工件外圆有制造误差，而产生基准位移，见图所示。其值为：

（1）工序基准为工件轴心线 此时为定位基准与工序基准重合，则基准不重合误差为零，而基准位移的方向又与加工尺寸方向一致，所以加工尺寸B2的定位误差为：

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