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机床夹具设计
第三章机床夹具设计
教学时数:
计划14学时
教学目的:
1、掌握定位误差计算
2、掌握夹紧力计算
3、掌握专用夹具设计要点,
灵活运用定位元件和夹紧机构,根据生产实际和可能设计专用夹具。
教学重点:
1、工件的定位及定位误差计算
2、工件的夹紧及夹紧力计算
3、夹具的设计及装置合理选择。
教学难点:
1、定位误差计算中基准不重合误差和基准位移误差的计算和分析
2、工件的受力分析及夹紧力的计算。
第一节概述
一、夹具的功能和分类
1.机床夹具的功用:
实现工件定位和夹紧;
使工件加工时相对于机床刀具有正确的位置;
以保证工件的加工精度。
图3-1:
异形杠杆简图
图3-2:
车床夹具
异形杠杆加工需限制的自由度?
工件用何定位元件限制了哪些自由度?
为何V型块2固定,V形块6可调?
且V型块2和V型块6开口方向不同?
图3-3:
盖板简图
图3-4:
钻床夹具
盖板钻孔(通,盲孔)应限制自由度?
夹具用何定位元件来限制各自由度?
这里圆柱销,挡销,菱形销,各起什么作用?
这里用左侧面和后侧面定位,是否用右侧面和前侧面定位?
为什么?
机床夹具在加工中的作用:
保证加工精度;
提高劳动生产率;
改善工人劳动条件;
降低生产成本;
扩大工艺范围。
2、机床夹具的分类和发展
(1)分类
图3-5:
机床夹具的分类
按使用范围和特点分:
通用夹具、专用夹具、组合夹具、可调夹具
按使用的机床分:
车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具。
(2)发展
应适用于产品品种和更新换代快的要求,
其方向为柔性化、精密化、高效、自动化。
二、夹具的组成
1.定位元件 定位:
使工件在夹具中占据正确的位置。
2.夹紧装置 压紧夹牢:
使工件不应受力而脱离已占据的正确位置。
3.夹具体 基础件
4.其它装置 分度装置、对刀装置、导向元件、连接元件。
第二节工件在夹具中的定位
夹具设计的任务:
首先是选择和设计相应的定位元件来实现工序图上(工艺文件)
所要求的定位方案。
工件(定位面)
夹具(定位元件;限位面)
定位基面
定位基准
限位基面
限位基准
回转表面
轴线
回转表面
轴线
平面
(理想)平面
平面
(理想)平面
主要定位面:
主要限位面:
一、工件以平面定位
1.主要支承:
限制工件自由度,起定位作用。
固定支承:
支承钉:
图3-6:
支承钉
A平头(精基准);
B球头(粗基准);
C齿纹头(侧面防滑)
支承板:
图3-7:
支承板
A无斜槽(侧面、顶面);
B带槽(底面)。
调节支承:
图3-8:
调节支承
图3-9:
调节支承的应用
每个工件一调或每批工件一调。
注意:
调好后应锁紧。
自位支承(浮动支承):
图3-10:
自位支承
能自动调节位置,只限制一个自由度。
二点式自位支承:
三点式自位支承:
2、辅助支承 提高装夹刚度和稳定性,不起定位作用。
图3-11:
辅助支承
注意:
在工件定位后才与工件接触,然后锁紧,否则会产生过定位。
(1)螺旋式辅助支承
(2)自位式辅助支承
(3)推引式辅助支承。
二、工件的圆柱表面定位
1、工件以圆孔定位
(1)圆柱销(定位销):
图3-12:
定位销
(2)圆柱芯轴:
图3-13:
圆柱心轴
a.间隙配合心轴Dmin,公差h6,g6,f7,
结构简单精度低常孔端面组合定位;
b.过盈配合芯轴,
引导部分
工作部分
传动部分
d3(Dmin)
d2(DmaxR6)
L(L孔/2)
L1/d>1时d1(DmaxR6)d2(DminH6)
c.花键芯轴由定心方式来确定心轴结构。
(3)圆锥销限制三个自由度。
图3-14:
圆锥销定位
单独定位易倾斜,一般由其它元件组合定位,定心精度高。
图3-15:
圆锥销组合定位
(4)锥度芯轴(小锥度芯轴) 定心精度高,轴向位移大。
尺寸计算。
图3-16:
小锥度心轴
表3-1小锥度心轴的尺寸计算
项目
计算内容
1
2
3
4
5
6
7
8
9
d1=Dmax+0.25TD≈Dmax+(0.01~0.02)㎜d1的公差取0.01~0.005㎜
C=(d1-Dmax)/K
N=(Dmax-Dmin)/K=Td/KDmax工件孔的最大极限尺寸
F=(0.3~0.5)DDmin工件孔的最小极限尺寸
D2=d1-KlTd工件孔的公差
l1=20~40㎜D工件孔的基本尺寸
l2=10~15㎜K心轴锥度,查表3-2
L=C+N+E+F+l1+l2+15㎜其它尺寸参见图3-16
L/d<8若不符此式,则应分组
表3-1小锥度心轴的尺寸计算
表3-2高精度心轴锥度推荐值
基准孔直径D
8~25㎜
25~50
50~70
70~80
80~100
>100
锥度K
0.01/2.5D
0.01/2D
0.01/1.5D
0.01/1.25D
0.01/D
0.01/100
表3-2高精度心轴锥度推荐值
2.工件以外圆柱面定位
图3-17:
V型块
图3-18:
活动V形块
图3-19:
V形块结构尺寸
(1)V型块对中心性好,适用于粗、精基准面,圆柱面和圆弧面;
V型块两斜面夹角为60°、90°、120°。
90°最常用。
(2)定位套
(3)半圆套
三、组合定位方式(工件以一面两孔定位)
一面两孔定位符合基准统一原则,定位简单,夹紧方便。
一面二孔定位过定位干涉的最坏情况:
图3-20:
削边销尺寸计算
二孔直径最小D1min,D2min。
二销直径最大d1max,d2max。
孔心距最大,销心距最小,或孔心距最小,销心距最大,
中心距误差应由削边销补偿。
销、孔的中心偏差在二种最坏情况同为:
表3-3削边销尺寸
D2
3~6
>6~8
>8~20
>20~25
>25~32
>32~40
>40~50
b
2
3
4
5
6
6
8
B
D2-0.5
D2-1
D2-2
D2-3
D2-4
D2-5
表3-3 削边销尺寸
设计示例(略)
图3-21:
连杆盖工序图
TLd=(1/3~1/5)TLD
四、定位误差的分析与计算
定位误差:
因工件定位而产生的工序基准在工序尺寸上的最大变动量△D。
(一)定位误差的组成
1.基准不重合误差△B:
定位基准与工序基准不重合引起的误差。
大小:
等于定位尺寸公差。
定位尺寸:
定位基准与工序基准之间的尺寸。
基准不重合误差分析:
在工序图上寻找定位尺寸的公差。
图3-22:
基准位移误差
2.基准位移误差△Y:
定位基准与限位基准不重合引起的误差。
这是由于定位基面和限位基面的制造公差和间隙造成的。
定位基准与限位基准的最大变动量 Δi=Amax-Amin
定位基准的变动方向与工序尺寸方向相同时:
基准位移误差Δy=Δi
不同时:
ΔY=ΔiCOSα
(二)各种定位方式下定位误差的计算
1、定位误差的计算方法
工序基准不在定位基面上:
ΔD=ΔB+ΔY
工序基准在定位基面上:
ΔD=ΔB±ΔY
+-确定方法:
定、限位基面接触,定位基面直径由小变大(或由大变小),分析定位基准变动方向;
定位基准不变,定位基面直径同样变化,分析工序基准的变动方向;
同向取正,反向取负。
2、工件以圆柱配合面定位
(1)定位副固定单边接触(心轴水平放置或有固定方向的力作用):
(2)定位副任意边接触(心轴垂直放置):
图3-22:
基准位移误差
图3-23:
凸轮工序图及定位简图
图3-24:
镗活塞销孔示意图
3、工件在V型块上定位
图3-25:
工件以圆柱面在V形块上定位
三种不同工序尺寸标注的定位误差
4、一面二孔组合定位
图3-26:
一面双孔组合定位的误差
平面内任意方向移动的基准位移误差:
取决于第一定位副的最大间隙,即圆柱销、孔的配合间隙。
平面内转动的基准位移误差(转角误差):
转角误差则考虑最不利因素,通过几何关系求得。
(1)沿连心线方向的移动
由圆柱销决定,工件孔中心相对于销中心左右分别移动xmax/2
即:
单方向移动Xmax/2
双方向移动Xmax
(2)在连心线垂直方向的移动
(3)定位误差
先确定ΔB,
后确定ΔY,分析在何种状态定位:
→同向?
反向(错位)?
→单边?
双边?
例4
图3-21:
连杆盖工序图
图2-9:
一面二孔定位方式
第三节工件的夹紧
一、对夹紧装置的基本要求:
夹紧力大小适中,
不使工件变形,
夹紧不移位,
加工不松动,
结构简单,
操作方便,
生产率高。
二、夹紧力确定
1.夹紧力方向
图3-27:
夹紧力的方向应有助于定位
图3-28:
夹紧力应指向主要定位面
指向主要限位基面(限制的自由度最多)
2.夹紧力的作用点:
1)落在支承范围内
图3-29:
夹紧力作用点的位置
2)落在工件刚性较好的方向或部位
图3-30:
夹紧力作用点与夹紧变形的关系
3)靠近加工表面。
图3-31:
夹紧力作用点靠近加工面
3、夹紧力大小
夹紧力→切削力。
1.计算法:
切削最不利瞬间→静力→静力平衡→夹紧力→安全系数;
2.类比法:
图3-32:
铣削加工夹紧力计算实例
三、基本夹紧机构
(一)斜楔夹紧机构:
夹紧力小,费时→组合
1.斜楔夹紧机构的类型
图3-33:
斜楔夹紧机构
a,斜楔,b,斜楔与滑柱合成,c,端面斜楔压板组合。
2.夹紧力
图3-34:
斜楔受力分析
夹紧力Fi,摩擦力F1,合力FR1,工件上正压力FN2,摩擦力F2,合力FR2,作用力FQ
3、自锁条件:
4、设计步骤:
1)确定α;
2)计算FQ。
(二)螺旋夹紧机构
1、单个螺旋夹紧机构动作慢,费时
单个:
图3-35:
螺旋夹紧机构直接压紧损伤表面;
图3-36:
摆动压块保护表面。
动作慢费时→
图3-37:
快速螺旋夹紧机构
a)开口垫圈;b)快卸螺母;c)快移槽。
D)斜楔+垫块
夹紧力计算:
图3-38:
螺杆的受力示意图
图3-39:
当量摩擦半径
2、螺旋压板机构
图3-40:
典型螺旋压板夹紧机构
类型:
a,b杠杆,c,铰链d,钩形e自调式。
注意:
球面垫圈,锁紧,与夹具体间接接触。
(三)、偏心夹紧机构
用偏心件直接或间接夹紧工件的机构。
偏心件:
圆偏心,结构简单,制造容易,应用广;
曲线偏心:
常见机构
图3-41:
圆偏心夹紧机构
A,B圆偏心轮 C,偏心轴,D偏心叉,
特点:
操作方便,夹紧迅速,力和行程小。
1.工作原理
图3-42:
圆偏心轮的工作原理及弧形楔展开图
由基元和二个弧形楔组成,靠弧形楔楔入圆盘与工件之间夹紧工件,
圆偏心轮实际上是一斜楔的一个变种。
2、夹紧行程及工作段
3、自锁条件:
图3-43:
标准圆偏心轮的结构
4、设计步骤
D,e(自锁条件)--→工作行程--→夹紧行程
(1)确定夹紧行程:
h=T+S1+S2+S3,S1=0.3, S2=0.3~0.5, S3=0.1~0.3
直接夹紧 h=(T+0.7~1.1),
不直接夹紧 h=k(T+0.7~1.1)。
(2)计算偏心距:
(3)自锁条件计算:
f=0.1,D/e=20,D=20e
f=0.15D/e=14D=14e
(4)选标准偏心轮:
e=1.7~7
四、定心夹紧机构
定心夹紧机构:
(定心:
位于中心、对中)
等速移动定心夹紧机构,
均匀变形定心夹紧机构。
1、螺旋式定心夹紧机构
图3-44:
螺旋式定心夹紧机构
左右螺纹,等螺距。
结构简单,工作行程大,通用性好,定心精度不高0.05~0.1mm.
2、杠杆式定心夹紧机构
图3-45:
杠杆工三爪自定心卡盘
滑垫1(轴向)→钩形杠杆2→滑块4(移动);
刚性大动作快,增力和行程大,精度低Ф0.1,(气动)
3、楔式定心夹紧机构
图3-46:
机动楔式夹爪自动定心机构
拉杆4(左)→夹爪1(左移)+外胀→夹紧工件;
结构紧凑,定心Ф0.02~0.07,半精加工.
4、弹簧筒夹式定心夹紧机构用于轴套类零件,
图3-47:
弹簧夹头和弹簧心轴
3-47A弹性夹头:
螺母4(左)→弹性筒夹2(左移)+向心收缩(锥套3)→夹紧。
;
3-47B,弹性心轴:
螺母4→锥套3(左)→弹性筒夹2外胀→夹紧。
结构简单,体积小,操作方便,定心稳定Ф0.04~0.01,半精加工,精加工.
5、膜片卡盘式定心夹紧机构
图3-48:
膜片卡盘定心夹紧机构
刚性、工艺性、通用性好,精度高Ф0.005~0.01,精加工。
6、波纹套定心夹紧机构
图3-49:
波纹套心轴
螺母5→波纹套3→胀开→夹紧工件。
结构简单安装方便,定心精度达Ф0.005~0.01,精加工。
7、液性塑料定心夹紧机构
图3-50:
液性塑料定心夹紧机构
螺钉→柱塞→液体→薄壁套筒→工件。
结构紧凑,操作方便,定心高Ф0.005~0.01mm,精加工,半精加工。
五、气液传动装置。
图3-51:
气动夹紧系统示意图
图3-52:
单活塞气缸
图3-53:
回转达式气缸
图3-54:
导气接头
图3-55:
车床用不动式气缸
图3-56:
单作用薄膜式气缸
图3-57:
气-液压增压虎钳示意图
图3-58:
气液增压器
第四节夹具的其它装置及元件
其它装置:
导向装置,
对刀装置,
分度装置,
机床夹具的连接元件。
一、对刀及导向元件
对刀:
确定刀具与工件间的相对位置。
对刀方法:
试切法对刀,样板法对刀,对刀装置或导向装置对刀。
(一)导向元件
1、钻套的选择与设计
(1)钻套种类,
图3-59:
钻套
钻套:
安装在钻模板或夹具体中,
作用:
确定加工孔位置,引导钻头,提高刚性,防止振动。
类型:
标准,
1)固定式钻套,A,B二种,钻孔精度高,钻孔,中小批;
2)可换钻套,钻孔,大批;
3)快换钻套,钻,扩,铰;
4)特殊钻套,
图3-60:
特殊钻套
加长,斜(弧)面钻套,小孔距钻套,定位夹紧导向合一钻套;
(2)钻套结构尺寸的确定
内径d:
基本尺寸取刀具最大极限尺寸
公差取F8,G7,高的取F7、G6,
长度H:
H/d=1~1.25,
间距h,h=(1/3~1)d,h大排屑好,精度刚度差,
铸铁h=0.3~0.7d,钢h=0.7~1.5d,精度高h=0。
材料:
T10A,20钢,
配合:
固定钻套、衬套与钻模板(夹具体)配合 H7/h6,H7/r6,
钻套与衬套配合 H7/g6,H7/h6。
2、镗套的选择和设计
(1)固定式镗套,
图3-61:
固定式镗套
不随镗杆转,径向尺寸小,精度高,易损, V<0.3m/s,h=1.5~2d;
(2)回转式镗套
图3-62:
回转式镗套
图3-63:
回转镗套的引刀槽及尖头键
随镗杆转,
滑动回转镗套:
尺寸小,回转精度高,v<0.3m/s,
滚动式回转镗套:
径向尺寸大,精度低(滚针,高精度轴承);v>0.4m/s,L=1.5~3d;
(3)、材料、技术要求,;
材料20,20Cr 渗碳0.8~1.2mm,HRC55~60,
公差:
内径H6,H7,外径g6,g5;
同轴度Ф0.005~0.01,圆柱度0.002~0.01,Ra0.42~0.8.
(二)对刀元件
图3-64:
标准对刀块
图3-65:
标准对刀塞尺
对刀块:
圆形,方形,加工平面对刀,
直角对刀块,侧装对刀块:
相互垂直面,槽加工对刀。
材料:
20,渗碳0.8~1.2,HRC55~60;
塞尺:
平塞尺1~5mm,
圆柱塞尺Ф3~5mm,
材料:
T8,HRC55~66。
二、夹具机床上的安装方式及联接元件
安装方式:
安装在机床工作台上,
安装在机床回转主轴上。
1、工作台上的夹具
图3-66:
夹具体与机床的联接
定向键(铣床),
种类:
配合:
h8,h6(与工作台T型槽)与夹具体H7/h6,
材料:
45,硬度43~48HRC。
2、回转主轴上夹具
图3-67:
车床夹具与机床主轴连接结构
连接精度(同轴度)
连接形式:
D<140mm或2~3d,锥柄连接,
过渡盘:
内锥面定心,轴颈定心,短锥面定心.
三、分度装置
工件装夹后,能改变工件加工位置的装置。
直线分度装置:
回转分度装置:
立式
图3-68:
立轴式通用回转台
卧式
斜式。
1、通用回转台及其组成
转动部分?
固定部分?
对定机构?
锁紧机构?
。
图3-69:
锁紧机构
2、分度误差
图3-70:
回转分度误差
四、夹具体
图3-71:
夹具体上的排屑结构和容屑空间
1.良好的加工精度及稳定性
2.强度,刚度
3.工艺性,使用性
4.安装稳定可靠。
第五节各类机床夹具设计要点
一、钻床夹具
(一)钻床夹具的类型
钻床上进行孔加工时所用的夹具,又称钻模。
1、固定式钻模
图3-72:
固定式钻模
立式钻床上加工大直径单孔,或摇臂钻上加工平行孔;
钻模在机床上的位置是固定不动的。
2、回转式钻模
图3-73:
回转式钻模
带有回转分度装置的钻模,
加工同一圆周上的平行孔系,同一截面内径向孔系,同一直线上的等距孔系。
对定装置:
手柄5→端面凸轮4→横销3→对定销2(弹簧)→分度盘6;
锁紧装置:
手柄5→螺套4→圆螺母→轴11→定位件8→转盘6→夹具体1
夹紧装置:
滚花螺母9→开口垫圈10→工件→定位件8;
定位:
定位件8、端面(背面)、外圆。
3、翻转式钻模
图3-74:
翻转工钻模
加工小型工件不同表面上的孔。
夹具工件总质量不大于10Kg,孔径<Ф8-10mm,精度不高。
4、盖板式钻模
图3-75:
盖板式钻模
大中型工件上加工孔,将钻套的定位元件直接装在钻模板上,
无夹具体,设手柄,吊耳,
常用一面(支承钉4)二孔(圆柱销2,削边销3)定位。
5、滑柱式钻模
带有升降钻模板的通用可调夹具。
图3-76:
滑柱式钻模的通用结构
(二)、钻床夹具设计要点
图3-77:
铰链工钻模板
钻模类型选择:
孔径,尺寸大小,精度
钻模板结构:
固定式,铰链式,分离式。
二、镗床夹具(又称镗模)
(一)、镗模夹具设计实例
图3-78:
车床尾座孔镗模
夹具体9,
定位元件3,4,7,
夹紧装置6,8,拉杆,销轴,
引导(向)元件(装置)1,2,
刀具10,11。
(二)、镗杆的引导方式
图3-79:
单导向镗孔示意图
1.单支承引导:
镗杆与主轴刚性连接,镗孔精度受机床、夹具影响。
前单支承:
D>60mm,加工通孔,
后单支承:
D<600mm,加工通孔、盲孔,L/D<1,d>D;L/D>1~1.25,d 间距: h=(0.5~1)D,或20~800mm, 镗套长度: H=(2~3)d,或H≥h+l。 图3-80: 双面单支承 图3-81: 确定让刀示意图 2.双支承引导: 镗杆与机床浮动联接,镗孔精度由夹具保证。 前后支承镗模: 同轴孔系,镗杆长,刚性差;L>10d,设中间支承 让刀量(抬起量): hmin=t+Δ1, 镗杆最大直径: dmax=D-2(hmin+Δ2), 后双支承镗模: 引导长度 H>1.25~1.5L 图3-82: 单面双支承 3.无支承镗模: 镗孔精度由机床精度保证。 (三)、镗杆和浮动卡头 图3-83: 镗杆 图3-84: 镗杆前端引导结构 依据: 孔径D,刀具截面B×B;表3-4镗杆直径、镗孔直径与刀具截面之间的关系 镗孔直径 30~40 40~50 50~70 70~90 90~100 镗杆直径 20~30 30~40 40~50 50~65 65~90 刀具截面 8×8 10×10 12×12 16×16 20×20 表3-4镗杆直径、镗孔直径与刀具截面之间的关系 结构: 整体式 d<=50mm时, 镶条式 d>=50mm时,4-6条。 回转式镗套、镗杆结构: 开槽镗套,带健镗杆: 键下装弹簧; 带键镗套,开槽镗杆: 头部<45`引导结构。 设计准则: 前后支承间距要短,悬臂长度小,提高刚性,受力要好,便于让刀,精度比孔高二级 浮动卡头: 图3-85: 浮动卡头 三、铣床夹具 (一)分类及结构形式 加工平面、键槽、缺口、成形面, 断续切削,切削力大,刚性好。 1、直线进给的铣床夹具 图3-86: 铣垫块直角面夹具 单件、多件(多件串联,多件并联,多件串并联) 2、圆周进给的铣床夹具 图3-87: 圆周进给的铣床夹具 多件同时加工,大批量生产。 (二)夹具体及其与机床的连接 图3-88: 铣床平夹具体与耳座 高宽比 H/B<1~1.25, 耳座,凸台或凹坑,与工作台T形槽,间隔一致, 定向键。 四、车床夹具 (一)、车床夹具的主要类型 1、花盘式车床夹具 图3-89: 十字槽轮精车工序简图 图3-90: 花盘式车床夹具 定位元件: 定位套1(孔2,端面3);定位销2(套3或套4); 夹紧元件: 压板; 与机床连接: Ф120H7/h6。 2、角铁式车床夹具 图3-91: 角铁式车床夹具 图3-92: 夹紧施力方式的比较 定位: 一面二孔(一面二销); 夹紧: 勾形压板; 主轴联接: 平衡: 1, 防护罩2, 工艺孔 (二)、车床夹具设计要点 安装基面设计: 与主轴安装正确,校正孔(基圆) 配重设计 夹紧要求 总体结构 五、其它夹具 表3-5组合夹具中型系列元件类别及品种 序号 类别 品种 1 基础元件 9 2
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