第五章工件的安裝和夾具設計原則

§5.1機床夾具概述一、機床夾具及其組成1、機床夾具

機床夾具是在機床上用以裝夾工件的一種裝置，其作用是使工件相對于機床或刀具有個正確的位置，并在加工過程中保持這個位置不變。2、機床夾具的組成

(1)定位元件：確定工件在夾具中位置的元件。

(2)導向元件：用以引導刀具或調整刀具相對于夾具的位置。如：鉆套、對刀塊。(3)夾緊元件：確定夾具與機床或夾具與刀具的元件。

(4)連接元件：用以確定夾具在機床上的位置并與機床相連接。

(5)夾具體：基礎件，用于安裝其它元件，形成整體

(4)其它輔件：夾緊用的扳手，操作手柄，分度機構等。如下圖所示：二、機床夾具的分類1、分類方法：1)按夾具的應用范圍：通用夾具、專用夾具、可調夾具、組合夾具、隨行夾具；2)按加工類型：車床夾具、鉆床夾具、鏜床夾具、磨床夾具、數控機床夾具等；3)按夾緊力來源：手動夾具、氣動夾具、液壓夾具、電磁夾具、真空夾具。機床夾具通常按夾具的應用范圍進行。(1)通用夾具：指已標準化，通用化好，可用于加工同一類型，不同尺寸工件加工的夾具。

如：三爪長盤、四爪長盤、平口鉗、回轉工作臺、萬能分度頭、磁鐵吸盤。

適用場合：廣泛用于單件，小批量生產中。(2)專用夾具：指的是專為某一工件的某道工序而設計制造夾具，這種夾具“剛性”大，即當產品變換或工序內容變更后，往住無法使用。因此適用于產品固定、工藝相對穩定、批量大的加工過程。(3)可調夾具：是指經調整或更換個別元件，即可加工多種工件的夾具。這種夾具主要用了加工形狀相似，尺寸相近的工件的加工。(4)組合夾具（拼裝夾具）：這種夾具是在夾具零部件完全標準化的基礎上，根據積木化原理，針對不同的工件對象和加工要求，拼裝組合則成夾具。構成夾具的各零部件，在工件加工完后，可拆散成各種元件，組合成適用其它產品加工要求的夾具。（圖示見下頁）

當今生產發展趨勢：多品種、小批量。由此導致對生產裝備的要求是高效、快捷的柔性系統。(5)隨行夾具：切削加工中隨帶安裝好的工件在各工位間被自動運送轉移的機床夾具。隨行夾具主要是在自動生產線﹑加工中心中、柔性生產線。

三、機床夾具的作用(1)保證加工精度，降低工人等級加工精度包括：①尺寸精度、②幾何形狀精度、③表面相互位置精度。使用夾具最有利于保證表面相互位置精度。

如：在搖臂鉆加工孔系①夾具：可達0.10～0.20mm

②劃線找正：0.4～1.0mm(2)提高勞動生產率，降低加工成本

無找正，對刀等時間，工件裝卸迅速，從而大大減少了工件安裝的輔助時間，同時易于實現多件加工，多工位加工，特別適用于加工時間短，輔助時間長的中、小工件的加工。(3)擴大機床工藝范圍

擴大機床的功能，實現一機多用。如在車床上利用鏜夾具，進行鏜孔。利用銑夾具，進行銑槽。(4)減輕工人勞動強度，保證安全生產。§5.2六點定位原理1、剛體的六個自由度用六個點(實際上相當于支承點的定位元件)與工件接觸，每個固定點限制工件的一個自由度，這樣圖中剛體的六個自由度完全限制了。不能移動，也不能轉動，剛體在空間的位置是確定的。由此可見，要使工件完全定位就必須限定工件在空間的六個自由度，這一定律就稱為"六點定位原則"。

六個支承點完全限制了剛體的六個自由度，工件既2、定位符號的表示方法

把定位元件抽象地轉化為相應的定位支承點，分析其限制工件在空間的自由度時應搞清以下幾個概念：1、不使工件在外力作用下脫離支承點而失去定位定位不考慮力的影響，工件在某一坐標方向上的自由度被限制，是指工件定位后在該坐標方向上有確定的位置，而不是指工件在受到使工件脫離支承點的外力時不能運動；2、反過來講，夾緊不等于定位隨意夾緊好的工件，不能動，但它的位置是不確定的；3、六點定位原則也適用于其它形狀的工件，只是定位點的分布形式有所不同；4、定位與定位誤差的關系定位：解決的是定與不定的問題定位誤差：解決的才是定位精度的問題。定位方式

用六點定位原理進行定位分析時，以定位點來消除自由度，在實際應用中，不可能是點，而應該是各種定位元件,工件的定位表面有各種形式：如平面，內孔，外圓，成型面，組合表面等，對這些表面應采用不同的方法來實現。

定位設計時應做的工作及步驟：

A）根據加工零件的工序要求合理布置支承點

B）正確考慮定位方法

C）選用恰當的定位元件

§5.3工件在夾具上的定位一、常用定位方式與定位元件工件常用定位表面以平面定位以內孔定位以外圓表面定位以平面定位基本支承輔助支承固定支承可調支承自位支承支承釘、支承板基本支承：限制自由度，真正起定位作用輔助支承：不限制自由度，起預定位、增加工件和夾具剛性等作用（一）工件以平面定位

1．基本支承

(1)固定支承：安裝到夾具上后，不可拆卸或調節。分為支承板和支承釘。①支承釘：用于小平面未加工或已加工表面的定位。

a.分類：

平頭：用于經過精加工的表面，面接觸。

球頭：點接觸，可保證接觸位置相對穩定，但易磨損，夾緊時使加工表面產生壓陷，產生較大安裝誤差，不易使幾個支承釘保持在同一平面內，用于粗加工中

網紋頂面：與定位面摩擦力較大，可住阻礙工件移動，加強定位穩定性，精中易積屑，多用在粗糙表面的側面定位。b.支承釘尾部與基體孔的配合：

過盈配合：H7/r6或H7/n6

加中間套(可換)：套與夾具體上孔為過盈配合，套與支承釘尾部可選過渡配合H7/js6c.支承釘布置原則：三點：組成的平面面積盡可能大

二點：距離盡可能長

一點：應與切削力方向對應②支承板用于較大已加工平面的定位，所以常出現在精基準定位中，一個支承板的作用，相當于兩個支承釘，消除兩個自由度。

a.結構形式及應用場合：A型制造簡單，常用于側面定位B型切有斜槽，易于清屑，常用于底面定位(2)可調支承

可調支承:適用于毛坯分批制造，其形狀和尺寸變化較大的粗基準定位并適用于同一夾具加工形狀相同而尺寸不同的工件及專用可調夾具或組合夾具中。

方法：一批工件調整一次，調整后應鎖緊。(3)自位支承（浮力支承）

特點：有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。2、輔助支承a.特點：根據六點定位原理，工件定位原理，工件定位夾緊后，若工件剛性很差，在切削力和夾緊力的影響下，會發生變形和振動。為此，需增加輔助支承，減小變形，以提高剛性和穩定性。（二）工件以外圓定位工件以內孔定位時，常用的有V形塊、定位套筒及剖分套筒、自動定心機構（三爪長盤、彈簧夾頭、錐孔、自動定心夾頭）1.V形塊V形塊的定位情況：a.V形塊結構：(已標準化）①а常取90°或120°②工藝槽：降低應力集中，便于v形工作面加工。③支承面和底面精度要求較高④安裝時，需采用定位銷孔(有定位銷孔和安裝孔)

2.定位套筒及剖分套筒定位套筒特點：①元件結構簡單，定心精度不變；②當工件外圓與定位圓孔配合較松時，易使工件傾斜，可考慮利用套筒內孔及端面一起定位；③當端面大時，定位孔應短些，以避免產生過定位。

3.外圓定心夾緊機構（三）工件以內孔定位

工件以內孔定位時，常用的有：定位銷、定位心軸、自動定心機構（如三爪卡盤、彈簧心軸等〕。

1.定位銷：通常結合端面定位

結構形式：a.d＜10d太小，不宜開退刀槽，軸肩下埋；

b.d＞10帶有臺肩，端面定位可避免夾具體磨損；

c.d＞16凸肩與退刀槽合二為一；

d.可換式：用于大量生產中，易于更換，更換時為避免破壞夾具體加上襯套，定位銷與襯套配合H7/js6、H7/n7

另外還有一種定位銷：圓錐銷

特點：定心好，軸向定位精度不高，常用于浮動定位中

2.剛性心軸

根據工件的形狀和用途的不同，定位心軸的結論形式很多，常用的有下列幾種形式：a.帶小錐度的心軸（1/5000～1/1000）：限5個自由度，定心精度高，可達0.005～0.01mm，但軸向位移大，傳遞扭矩小，使用于精加工中。b.圓柱形心軸：工件與心軸定位部分為過盈配合采用r6、s6配合，軸向位置較固定（通過限位套）前編加有導向部分，與工件為間隙配合的保證工件用手能自由套入c.心軸：工件與心軸為間隙配合，心軸采用h6、g6、f7制造，同心度不高，裝卸方便，端部夾緊。d.花鍵心軸3.內圓定心夾緊機構

用于內孔的定心夾緊機構，其作用原理與外圓定位時是一樣的。區別僅在于孔定位時，支承等速遠離中心移動，與工件孔表面接觸。

孔用漲緊套（四）工件以組合表面定位以上所述的定位方法，全指工件以單一表面定位。實際上，零件往往是以幾個表面同時定位的，例如:用兩個平行孔、兩個平行階梯表面、階梯軸的兩個外圓等等，這都稱為“工件以組合表面定位”。

工件以組合表面定位時，幾個定位表面間的相互位置，總是具有一定的誤差，若將所有的支承元件都做成固定的，工件將不能正確定位甚至無法定位。因而，在組合表面定位時，必須將其中的一個（或幾個）支承做成浮動的，或雖是固定的，但能補償其定位面間的誤差。1.以軸心線平行的兩孔定位（一面兩孔）工件以兩孔定位的方式，在生產中普遍用于箱體類大、中型零件的加工中，如機床主軸箱、發動機機體。以一面兩孔定位用箱體的兩孔及平面定位的分析若以兩個圓柱銷作定位件時，常會產生過定位現象，造成后果：工件可能無法安裝。解決辦法：(1)右孔與右銷間給予較大的配合間隙，足以補償工件兩孔和兩銷中心距的誤差，但這樣定位誤差較大有時也會造成工件位置的偏斜。(2)將右邊定位銷在兩銷連心線的垂直方面削去兩邊，做成削邊銷，這樣在此連心線方向上獲得間隙補償；能使工件兩孔與兩銷順利安裝且使定位較準確。比較：方法1簡單，但增大轉角誤差。

方法2更為科學。削邊銷的寬度計算，應考慮在圖紙規定公差范圍內的任一工件，都能保證裝到夾具的兩定位銷上，這要分析可能出定位削邊銷的寬度計算干涉的極限情況。圖中為工件裝在夾具上的一種極限位置，這時為：（O1為孔1及銷1的中心；O2為銷2的中心，O2’為銷2的中心）削邊銷的尺寸再根據

，d2max＝D2min－△2可算出削邊銷的尺寸及偏差。例：已知某工件用兩個Ф孔定位，孔間距要求110±0.03。圓柱銷配合的偏差一般以g6選取。試設計一個圓柱銷、一個削邊銷的各有關定位尺寸。解：（1）確定兩定位銷的中心距尺寸及偏差銷距的基本尺寸（Lx）與孔距的基本尺寸（Lg）相同，其偏差為：±△Lx＝±△Lg。取：L±△Lx＝110±（×0.03）△Lg＝110±0.01注意：若工件孔間距上、下偏差在零件圖上非對稱分布時，應將其轉化為對稱形式。（2）確定圓柱銷直徑尺寸（d1）及偏差通常以該工件孔的最小尺寸（D1min）作為圓柱銷的基本尺寸（d1），其配合的偏差一般以g6選取。故選：d1＝Ф8.035g6＝Ф＝Ф（3）選定削邊銷基本尺寸（d2）及偏差首先，查表得削邊銷寬度（b）及其它結構尺寸當D2＝8時，得b＝3，B＝D2－1＝8－1＝7。d2max＝D2min－△2＝D2min－＝8.035－＝8.005一般以d2max作為削邊銷的基本尺寸，與該孔的配合可選取為h6。所以取：d2＝Ф8.005h6=Ф＝若工件在垂直平面定位后，再將工件左端外圓、用圓孔或V形定位時，則工件右端外所用的V形塊，一定要做成浮動結構，這時只起限制一個自由度的作用，否則就會過定位。2.以軸心線平行的兩個圓表面定位

兩個零件（a）、(b)，均需以大孔及底面定位，加工兩個小孔。可以有兩種定位方案，視其加工尺寸要求而定。根據其準重合原則，如圖（a）零件應選用圖(c)方案：即平面用支承板定位，3.以一個孔和一個平行于孔中心線的平面定位孔用削邊銷定位，且削邊方向應平行于定位平面，以補償孔中心線與底面間距離的尺寸誤差公差。再如圖（b）零件則宜采用圖（d）的方案，即孔用圓銷定位，而平面下方則加入梯形塊可使定位平面升降，以補償工件孔與平面間的尺寸誤差。§5.4定位誤差工序基準在工序尺寸方向上的最大位置變動量，稱為定位誤差，用ΔD表示。在工件的加工中，還會因夾具在制造與安裝、工件的夾緊、機床的工作精度、刀具的精度、受力變形、熱變形等因素而產生誤差，定位誤差僅是加工誤差的一部分。一般限定定位誤差不超過工件加工公差T的1/5～1/3，即ΔD≤(1/5～1/3)T

1．產生定位誤差的原因a、基準位移誤差：定位基準發生位移產生定位誤差

由于定位副的制造誤差或定位副配合間隙所導致的定位基準在加工尺寸方向上最大位置變動量，稱為基準位移誤差，用ΔY表示基準位移誤差的計算

下面分析幾種常見的定位方式產生的基準位移誤差的計算方法：1）工件以平面定位 工件以平面定位時的基準位移誤差計算較方便。定位基面的位置可以看成是不變動的，因此基準位移誤差為零，即工件以平面定位時

ΔY=02）工件以圓孔在圓柱銷上定位

工件以圓孔在圓柱銷定位、其定位基準為孔的中心線，定位基面為內孔表面。定位基準偏移的方向有兩種可能：在任意方向上偏移ΔY=Xmax=Dmax—d0min在某一方向上偏移ΔY=Xmax/23）V形塊定位

工件以外圓柱面在V形塊上定位時，其定位基準為…？定位基面為…?

若V形塊的夾角α=900，且不計V形塊的誤差，僅考慮工件的外圓尺寸公差δd的影響，使工件中心沿Z向從O1移至O2在Z向的基準位移量可由下式計算:b、定位基準與工序基準不重合產生定位誤差：由于工序基準與定位基準不重合所導致的工序基準在加工尺寸方向上的最大位置變動量，稱為基準不重合誤差,用ΔB表示ΔD=ΔY+ΔB2．定位誤差的計算計算定位誤差時，可以分別求出基準位移誤差和基準不重合誤差，再求出它們在加工尺寸方向上的矢量和；也可以按最不利情況,確定工序基準的兩個極限位置，根據幾何關系求出這兩個位置的距離，將其投影到加工方向上，求出定位誤差。定位誤差計算實例

例1.如下圖所示，以A面定位加工φ20H8孔，求加工尺寸40±0.1mm的定位誤差。

解：

ΔY=0mm（定位基面為平面）設計基準B與定位基準A不重合，因此將產生基準不重合誤差ΔD=ΔB=0.075m

例2.如下圖所示，工件以d1外圓定位，加工φ10H8孔。已知：

求加工尺寸H的定位誤差。

用微分方法計算定位誤差（略）保證規定加工精度實現的條件工件利用夾具加工時，影響加工精度的誤差因素除定位誤差ε外，尚有：

1.夾具的有關制造誤差（ε制造）

這個誤差主要包括夾具制造時的兩項誤差：確定刀具位置的元件和引導刀具的元件與定位元件間的位置誤差；定位元件與夾具安裝到機床上的安裝基面間的位置誤差。

2.夾具安裝誤差（ε安裝）

即是夾具在機床上的定位誤差。

3.加工誤差（ε加工）

指上件在切削過程中所產生的誤差。如機床的工作精度，刀具的磨損和跳動，刀具相對工件加工位置的調整誤差，以及工藝系統在加工過程中的彈性變形等。為了保證工件的加工精度，必須使上述所有誤差因素對工件加工的綜合影響，控制在工件所允許的公差（T公差）范圍之內，即：

ε＝ε制造＋ε安裝＋ε加工≤T工件

上式即為保證規定加工精度實現的條件，也稱為用夾具安裝加工時的誤差計算不等式。

為使T工件做到合理地分配給以上機械加工中產生誤差的各個環節，通常在夾具設計時，夾具上定位元件之間，定位元件與引導元件之間，以及其他相關尺寸和相互位置的公差，一般取工件上相應公差的1/5～1/2，最常用的是1/3～1/2，因粗加工的T工件大，此時，夾具上相應公差取小的比例。§5.5工件的夾緊一、工件夾緊的基本要求

①夾得穩：不破壞穩定的正確定位，以作平衡，剛度足夠；

②夾得牢：夾緊力要合適，過大工件變形或損傷，影響加工精度，過小工件加工中易移動或產生振動，同時，夾緊裝置應保證自鎖，即原始夾緊力去除后，工件能保持夾緊狀態；

③夾得快：機構簡單、緊湊、操作安全、省力、迅速方便。

確定夾緊方案一般應與定位問題同時考慮，為達到以上三個要求，正確設計夾緊機構，首先必須合理確定夾緊力的三要素：大小、方向和作用點。

二、夾緊力方向的確定1.夾緊力方向的確定

①不破壞定位的準確性，朝向是定位基準；

②夾緊力方向應使工件變形盡可能小；

③夾緊力方面應使所需夾緊力盡可能小。P：切削力、W：重力，Q：夾緊力P、W相同時，哪一情況Q可最小？由此可見，夾緊力大小與夾緊力方向直接有關，在考慮夾緊方向時，只要滿足夾緊條件，夾緊力越小越好。2.夾緊力作用點的選擇

①夾緊力應落在支承元件上或幾個支承元件所形成的平面內

②夾緊力應落在工件剛性較好的部件上③夾緊力應盡量靠近加工面夾緊力應落在工件剛性較好的部件上夾緊力應盡量靠近加工面夾緊力要合適，過大工件變形或損傷，影響加工精度，過小工件加工中易移動或產生振動。3.夾緊力大小的估算估算夾緊力的方法：首先：將工件視為分離體，分析作用在工件上的各種力；再根據力系平衡條件，確定保持工件平衡所需的最小夾緊力；最后將乘以一合適的安全系數，以此作為所需的夾緊力。典型夾緊機構常見的有斜楔、偏心、螺旋和鉸鏈等夾緊機構，斜楔、偏心、螺旋是利用機械摩擦的斜楔自鎖原理。1.斜楔夾緊斜楔夾緊的特點：

(1)斜楔機構簡單，有增力作用。一般擴力比（約為3）

，α愈小增力作用愈大。(2)斜楔夾緊行程小，且受斜楔升角α影響。增大α可加大行程，但自鎖性能變差。

為解決增力、行程之間矛盾，斜楔還可采用雙升角形式，大升角用

于夾緊前的快速行程，小升角則滿足增力和自鎖條件。與上表面的摩擦角與下表面的摩擦角(3)

夾緊和松開要敲擊大、小端，操作不方便。手動操作的簡單斜楔夾緊很少應用，而在常見的夾緊裝置中，改變夾緊力方向和

作為增力機構時則應用較多。,如氣—液壓夾緊時，斜楔上作用的動力源是不間斷的，所以不必自鎖，α可增大到15～30°。2.

螺旋夾緊螺旋夾緊結構簡單