1、5 机床卡具,主讲人：张珂 沈阳建筑大学,5 机床卡具,5.1 概述 5.2 工件的定位 5.3 工件的夹紧 5.4 机床夹具的其它装置 5.5 机床专用夹具的设计要点,5.1 概 述,5.1.1 机床夹具的分类 5.1.2 机床夹具的功用 5.1.3 机床夹具的组成 5.1.4 机床夹具应满足的基本要求,5.1.1 机床夹具的分类,1.定义：机床夹具就是机床上用以装夹工件的一种装置，它使工件相对于机床或刀具获得正确的位置，并在加工过程中保持位置不变。 2.按其使用范围可分为：通用夹具、专用夹具、可调夹具、组合夹具及随行夹具五种基本类型。 3.如按所适用的机床来分类，则可分为：车床夹具、铣床夹
2、具、钻床夹具、镗床夹具、磨床夹具、自动机床夹具及数控机床夹具等。,5.1.2 机床夹具的功用,(1)保证被加工表面的位置精度。工件加工表面的位置精度主要靠夹具和机床来保证，且加工精度稳定。 (2)提高生产率。可以显著减少辅助时间，提高劳动生产率。 (3)扩大机床的工艺范围。在机床上使用夹具可以改变机床的用途和扩大机床的使用范围，如以车代镗。 (4)减轻工人的劳动强度，保证生产安全。,5.1.3 机床夹具的组成,(1)定位元件及定位装置 (2)夹紧元件及夹紧装置 (3)导向或对刀元件 (4)夹具体 (5)其它元件及装置,5.1.4 应满足的基本要求,(1)保证工件的加工精度 夹具应有合理的定位、
3、夹紧和导向方案，必要时应进行定位误差的分析与计算，以确保夹具能满足工件的加工精度要求。 (2)夹具的总体方案应与生产纲领相适应 在大批大量生产时，应尽量采用各种快速、高效的结构，提高生产率；在小批生产中，尽量使夹具结构简单、易于制造；对介于大批大量和小批生产之间的各种生产规模，则可根据经济性原则选择合理的结构方案。,(3)使用性好 即夹具的操作应方便、安全，能减轻工人的劳动强度。如操作位置应符合工人的习惯，工件的装卸要方便，夹紧要省力，排屑要通畅，必要时要加防护装置等。 (4)经济性好 应尽量采用标准元件。应有良好的结构工艺性，以便于制造、装配和维修。同时，还应合理选用夹具零件的材料和必要的热
4、处理规范。,5.2 工件的定位,5.2.1 定位原理 5.2.2 平面定位方式 5.2.3 圆柱孔定位方式 5.2.4 外圆柱面定位方式 5.2.5 组合表面定位方式,5.2.1 定位原理,工件定位就是采取适当的约束措施来限制工件的某些自由度，使工件在该方向上有确定的位置。 图示为典型形状工件的六点定位。 实际夹具是用定位元件对工件产生约束作用的。,如图示的工件上铣槽，图中所用的定位即为完全定位。定位时正好限制了六个自由度，则为完全定位。,正常的定位情况,定位时正好限制的自由度少于六个，则为不完全定位。 实际定位时有时会对不需要限制的自由度也加以限制。这是允许的，有时甚至是必要的。,非正常的定
5、位情况,包括欠定位和过定位(或称重复定位)。 欠定位是需要限制的自由度没有全部被限制的情况，欠定位不能保证位置精度，是不允许的。 过定位是某自由度被两个或两个以上的约束重复限制了的情况。过定位一般是不允许的，但有时也有一定的好处，这时只要工件定位基准和夹具定位元件都具有较高的形状和位置精度，过定位也是允许的。 图55所示的定位为过定位。,5.2.2 平面定位方式,平面定位的主要形式是支承定位。 夹具上常用的支承元件有以下几种： 1.固定支承 2.可调支承 3.自位支承 4.辅助支承,1.固定支承,固定支承有支承钉和支承板两种形式。 图56a、b、c所示为标准化的三种支承钉。图56d、e所示为标
6、准化的两种支承板。同一定位平面上的支承钉或支承板之间的距离应尽可能远，以提高定位稳定性和定位精度。 支承的工作表面要求耐磨，以保持夹具的定位精度。支承钉和支承板均采用较好的材料，并经适当的热处理。,2 可调支承,可调支承是支承点位置可以调整的支承。 可调支承主要用于工件的毛坯制造精度不高，而又以粗基准面定位的工序中。 图所示的几种可调支承采用螺钉螺母形式实现支承点位置的调整。可调支承在使用时的作用与固定支承相同。,3自位支承,在定位过程中，能随工件定位基准面的变化而自动调整的叫自位支承。这类支承在结构上均设计成活动或浮动的。 常用于毛坯表面、断续表面、阶梯表面以及有角度误差表面的定位。自位支承
7、定位作用仍相当于一个固定支承，只限制工件的一个自由度。,4辅助支承,辅助支承是在每个工件定位后才经调整而参与支承的元件。它不起定位作用，而用来提高工件的装夹刚度和稳定性，承受工件重力、夹紧力或切削力。 图510所示为辅助支承的典型结构。,5.2.3 圆柱孔定位方式,1.心轴 2.圆柱定位销 3.非标准圆柱定位销 4.菱形销和圆锥销,1.心轴,a)为间隙配合心轴，工件装卸方便，定心精度不高。 b)为过盈配合心轴，定心精度高，但装卸工件不便，易损伤工件定位孔。 c)为小锥度心轴，工件安装时轻轻敲人或压人，通过孔和心轴接触表面的弹性变形来夹紧工件，可获得较高的定心精度。 除了刚性心轴外，生产中还有弹
8、性心轴、液塑心轴及自动定心心轴等，它们在定位的同时将工件夹紧，使用很方便，但结构比较复杂。,2圆柱定位销,图所示为标准化的圆柱定位销。上端部有较长的倒角，便于工件装入。 图a、b、c的定位销以尾柄与夹具体采用过盈配合联接。 图d前定位销通过衬套与夹具体联接，其尾柄与衬套采用间隙配合，这种结构便于更换。,3.非标准圆柱定位销,图513所示为非标准圆柱定位销的例子。 其中图b适用于直径尺寸大的定位孔。,4.菱形销和圆锥销,图a所示为菱形销，定位时只在该接触方向限制工件的一个自由度，在需要避免过定位时使用。 图b所示圆锥销用于毛坯孔定位， 图c所示圆锥销用于已加工孔定位。,5.2.4 外圆柱面定位方
9、式,以外圆柱面定位时，夹具上常用的定位元件是V形块和定位套。 V形块分为固定式和活动式两种。 图516中的活动V形块只限制工件左右方向的移动自由度，同时还兼有夹紧作用。限制了工件绕左侧圆柱定位销轴线转动的自由度。 使用V形块定位的特点是对中性好，能使工件的定位基准轴线对中在两工作面的对称平面上，而不受定位基准直径误差的影响。 V形块适用于不论定位基准是否经过加工，是完整的圆柱面还是局部圆弧面，都可用它定位。,V形块结构,V形块定位是最常见的定位方式。 其结构已标准化。 V形块在夹具中的安装尺寸T是V形块的主要设计参数. 两工作面间的夹角有60o、90o及120o等.,图示为两种定位套定位的形式
10、。这种定位方法定心精度不高。定位套孔口有倒角，便于工件装入。 适用于精基准定位。此外，工件外圆柱面还可用半圆套或圆锥套定位。,定位套,5.2.5 组合表面定位方式,1孔与端面组合定位图518所示的轴套零件，采用内孔及一端面组合定位。 2一面两孔组合定位常用于加工箱体、杠杆、盖板等零件，易做到基准统一，保证工件的位置精度，又有利于夹具的设计与制造。工件的定位平面一般是加工过的精基面，两孔可以是工件结构上原有的，也可以是为定位需要而专门设置的工艺孔。一面两孔定位时相应的定位元件是一面两销，两定位销可以有以下两种：(1)两个圆柱销；(2)一个圆柱销和一个削边销。,图a所示是过定位，应尽量避免。 图b
11、所示，以轴肩支承工件端面，以短圆柱面对孔定位，避免了过定位。 图c、d所示，孔用长圆柱面定位，工件端面以小台肩面支承或用球面自位支承，以避免过定位。,（1）两个圆柱销,即采用两个短圆柱定位销与两孔配合，a所示。 这种定位是过定位，沿连心线方向的自由度被重复限制了。只能用于加工要求不高的场合，使用较少。,（2）一个圆柱销和一个削边销,采用定位销“削边”的方法，不缩小定位销的直径，也能起到相当于在连心线方向上缩小定位销直径的作用，使中心距误差得到补偿。在垂直于连心线的方向上，销的直径并未减小，所以工件的转角误差没有增大，保证了定位精度。 在安装削边销时，削边方向应垂直于两销的连心线。为保证削边销的
12、强度，一般多采用菱形销。 采用一个平面、一个圆柱销和一个菱形销定位，依次限制了工件的三个、两个和一个自由度，实现完全定位，避免了用两个圆柱销的过定位缺陷。它是“一面两孔”定位时最常用的定位方式。,5.3 工件的夹紧,5.3.1 夹紧的基本要求 5.3.2 夹紧力方向的确定 5.3.3 夹紧力作用点的选择 5.3.4 夹紧力大小的估算 5.3.5 常用的夹紧机构,5.3.1 夹紧的基本要求,1)夹紧时不能破坏工件定位时获得的正确位置。 2)夹紧应可靠和适当。既要保证加工过程中工件不发生松动或振动，又不允许工件产生不适当的变形和表面损伤。 3)夹紧操作应方便、省力、安全。 4)夹紧机构的自动化程度
13、和复杂程度应与工件的生产批量及工件相适应。 5)夹紧机构应有良好的结构工艺性，尽量使用标准件。,5.3.2 夹紧力方向的确定,1）夹紧力的方向应有利于工件的定位，而不能破坏定位。为此一般要求主夹紧力应垂直指向第一定位基准面。如图523所示.,2）夹紧力的方向应尽量与工件刚度大的方向一致，以减小工件变形。如图524所示。,3)夹紧力的方向应尽可能与切削力、工件重力方向一致，以减小所需的夹紧力。如图525所示。,5.3.3 夹紧力作用点的选择,1)夹紧力作用点应正对支承元件或位于支承元件所形成的稳定受力区内，以保证工件已获得的定位不变。 作用点不正对支承元件或落到了支承元件的支承范围之外，产生了使
14、工件翻转的力矩，破坏了工件的定位。,2)夹紧力作用点应处在工件刚性较好的部位，以减小工件的夹紧变形。如图527所示。,3)夹紧力作用点和支承点应尽量靠近切削部位，提高工件切削部位的刚度和抗振性。如图528所示，在拔叉上铣槽，在切削部位增加了辅助支承和辅助夹紧。,4)夹紧力作用点应尽量使各支承处的接触变形均匀，减小加工误差。 如图529所示，工件以三个支承钉定位时，若夹紧力作用在L2处，则各支承钉处压力不相等，接触变形不一样，造成定位基准面倾斜。若夹紧力作用在2L3处，可避免上述现象。,5.3.4 夹紧力大小的估算,在估算时，将工件视为分离体，以最不利于夹紧时的状况为工件受力状况，分析作用在工件
15、上的各种力，列出工件的静力平衡方程式，求出理论夹紧力，再乘以安全系数，作为实际所需的夹紧力。 K安全系数，一般取1.52.5；F由静力平衡计算出的理论夹紧力，单位为N。 分析工件的受力情况时，除了夹紧力、切削力外，大工件还应考虑重力，运动速度较大时还必须考虑离心力和惯性力的影响。,5.3.5 常用的夹紧机构,(一) 斜楔夹紧机构 (二) 螺旋夹紧机构 (三) 偏心夹紧机构 (四) 铰链夹紧机构 (五) 定心夹紧机构 (六) 联动夹紧机构 (七) 夹紧机构的动力源,利用斜楔直接或间接夹紧工件的机构称为斜楔夹紧机构。斜楔夹紧机构具有一定的扩力作用。 图532所示为几种用斜楔夹紧机构夹紧工件的实例。
16、 采用斜楔夹紧时，获得的夹紧力为：斜楔的自锁条件为：,(一)斜楔夹紧机构,(二)螺旋夹紧机构,由螺钉、螺母、螺栓或螺杆等带有螺旋结构的元件与垫圈、压板或压块等组成的夹紧机构称为螺旋夹紧机构。目前夹具上用得最多的一种。 图533所示是几个应用实例。 螺旋夹紧力的计算公式：图534所示的快速螺旋夹紧机构。,比单一的螺旋夹紧机构(图533a、b)夹紧动作快。 工件装卸方便 夹紧效率高。,(三)偏心夹紧机构,用偏心件直接或间接夹紧工件的机构称为偏心夹紧机构。 图535所示为几种常见的偏心夹紧机构。 偏心夹紧原理与斜楔夹紧机构依斜面高度增高而产生夹紧相似，只是斜楔夹紧的楔角不变，而偏心夹紧的楔角是变化的
17、。 优点是结构简单，操作方便，动作迅速。 缺点是自锁性能差，夹紧行程和增力比小， 用于工件尺寸变化不大，切削力小而且平稳的场合，不适合在粗加工中应用。,(四)铰链夹紧机构,铰链夹紧机构的特点是动作迅速，增力比大，易于改变力的作用方向。 缺点是白锁性能差。 常用于气动、液压夹紧中。,(五)定心夹紧机构,定心夹紧机构是一种同时实现对工件定心定位和夹紧的夹紧机构，即在夹紧过程中能使工件实现定心或对中。 1)以等速移动原理来实现定心夹紧。如三爪卡盘利用三个卡爪的等速移动来实现定心夹紧。夹紧后工件外圆轴线总是与主轴轴线重合。图538所示为定心虎钳。 2)以均匀弹性变形原理来实现定心夹紧。图539所示为弹
18、簧夹头。由于锥面的作用使簧瓣收缩，对工件进行定心夹紧。 3)图540所示为液性塑料定心夹具，工件以孔和端面定位。00,(六)联动夹紧机构,联动夹紧机构是指操纵一个手柄或利用一个动力装置就能完成若干个动作(包括夹紧和其它动作)的机构. 采用联动夹紧机构，可以减少工件装夹时间，简化夹具结构。 主要包括： 多点联动夹紧机构(图541). 多件联动夹紧机构(图542). 夹紧与锁紧支承联动夹紧机构(图543）. 夹紧与移动压板联动夹紧机构（图544).,(七)夹紧机构的动力源,夹具广泛采用的是手动夹紧，它结构简单，成本低。但手动夹紧动作慢，劳动强度大，夹紧力变动大。 在大批大量生产中往往采用机动夹紧。
19、如气动、液动、气液联合驱动、电磁、电动、真空夹紧等。机动夹紧可以克服手动夹紧的缺点，提高生产率，还有利于实现自动化，当然成本也会提高。 此外还有利用切削力、离心力等夹紧工件的自夹紧装置，它节省了动力装置，操作迅速。,5.4 机床夹具的其它装置,5.4.1 钻孔刀具的导向装置 5.4.2 镗钻孔刀具的导向装置 5.4.3 对刀装置 5.4.4 夹具与机床的联接装置,5.4.1 钻孔刀具的导向装置,钻床夹具中钻头的导向采用钻套。 钻套有固定钻套、可换钻套、快换钻套和特殊钻套四种。如图545所示,其中前三种均已标准化。 对于一些特殊的场合，可以根据加工条件的特殊性设计专用钻套。 如图546所示的几种
20、特殊钻套，分别用于钻多个小间距孔、在工件凹陷处钻孔、在斜面上钻孔。,5.4.2 镗钻孔刀具的导向装置,镗套有固定式镗套和回转式镗套两类。 图547所示为固定式镗套，适用于镗杆速度低于20mmin时的镗孔。固定式镗套外形尺寸小，结构简单，已标准化。 当镗杆速度超过20mmin时，可采用回转式镗套。回转式镗套可分为内滚式和外滚式两种。图548所示为一根镗杆上采用两种回转式镗套的结构，其中左端为内滚式镗套，右端为外滚式镗套。,回转式镗套带有可旋转部分，镗杆与镗套之间只有相对移动而无相对转动，降低了镗套的磨损。 镗套2固定不动，镗杆4轴承和导向滑套3在镗套2内可轴向移动，加工时镗杆4和轴承内环一起转动
21、。,5.4.3 对刀装置,图549所示为几种常见的对刀装置。常用的对刀块和塞尺已标准化，可以直接选用。特殊形式的对刀块也可以自行设计。 对刀时移动机床工作台，使刀具靠近对刀块。在刀具与对刀块之间塞进一规定尺寸的塞尺，让刀刃轻轻靠紧塞尺，抽动塞尺感觉到有一定的阻力时，即可确定刀具在该对刀方向上的位置。抽去塞尺，就可以开动机床进行加工。 对刀装置应设置在工件的切人一端便于对刀的位置。在批量加工中，为简化夹具结构，采用标准工件对刀或试切法对刀。,5.4.4 夹具与机床的联接装置,夹具在机床上安装时，一种是安装在机床工作台上，如铣床、钻床和镗床夹具等，另一种是安装在机床主轴上，如车床和内、外圆磨床夹具
22、等。 为了保证夹具(含工件)相对于机床运动导轨、机床主轴(或刀具)有准确的位置和方向，夹具上需要设计与机床相连接的装置。 图550所示为铣床类夹具的安装。 图551为车床类夹具与机床主轴的联接结构。,夹具体底面是主要安装基准面。该面应足够大，且尽可能作成周边接触、两端接触或四角接触的形式。 底面的对称中心线上开有定向键槽，两端各安装上一个定向键，通过定向键与机床工作台T形槽的配合来保证夹具在工作台上的正确方向。 夹具体上还设有U形耳座，供T形槽螺栓穿过，将夹具紧固在工作台上。,图a中这种方式安装迅速方便，定位精度高，但刚性较差，适用于轻切削的小型夹具。 图b中这种方式制造方便，但定位精度不高。 图c中这种方式不但定心精度高，而且刚性也好，但这种方式是过定位，因此要求夹具的制造精度高。,5.5 机床专用夹具的设计要点,5.5.1 专用夹具的设计步骤 5.5.2 夹具装配图上技术要求的制定 5.5.3 典型机床夹具及设计要求 5.5.4 现代机床夹具的发展趋势,
