《機械設(shè)備制造技術(shù)》課件第5章

第5章機床夾具設(shè)計5.1概述5.2工件在夾具中的定位5.3工件在夾具中的夾緊5.4各類機床夾具設(shè)計5.5專用夾具設(shè)計方法5.1概述

5.1.1機床夾具分類

1.按使用機床的類型分類可分為車床夾具、銑床夾具、鉆床夾具、鏜床夾具、磨床夾具和齒輪加工機床夾具等。

2.按機床夾具的通用特性分類

(1)通用夾具。指結(jié)構(gòu)、尺寸已規(guī)格化,且具有一定通用性的夾具,如三爪自定心卡盤、四爪單動卡盤、平口鉗、萬能分度頭、頂尖、中心架、電磁吸盤等。這類夾具已成為機床附件,一般用于單件小批生產(chǎn)。

(2)專用夾具。根據(jù)某一零件加工工藝過程中某一工序的加工要求而專門設(shè)計和制造的夾具。主要用于成批大量生產(chǎn)中。

(3)可調(diào)夾具?？烧{(diào)夾具又分為通用可調(diào)夾具和成組夾具兩種。這兩種夾具的結(jié)構(gòu)很相似,其共同點為:在加工完一種工件后,經(jīng)過調(diào)整或更換個別元件,即可加工形狀相似,尺寸相近或加工工藝相似的多種工件。不同點為:通用可調(diào)夾具的加工對象并不很確定,通用范圍較大;成組夾具則是專門為成組加工工藝中某一組工件而設(shè)計制造的,其針對性強,加工對象及適用范圍明確,結(jié)構(gòu)更為緊湊?？烧{(diào)夾具適用于多品種、小批量生產(chǎn),能獲得較好的經(jīng)濟效益。

(4)組合夾具。指根據(jù)某一工件的某道工序的加工要求,由一套預(yù)先準備好的通用標準元件及合件組成的夾具。夾具使用完畢后即可拆卸,留待組裝新的夾具。由于這種夾具組裝周期短,元件能重復(fù)多次使用,因此在新產(chǎn)品試制和多品種、小批量生產(chǎn)中使用。

(5)自動線夾具。自動線夾具一般分為兩種:一種為固定式夾具,它與專用夾具相似;另一種為隨行夾具,使用中夾具隨著工件一起運動,并將工件沿著自動線從一個工位移至下一個工位進行加工。無論是從使用機床的類型分類還是從機床夾具通用特性來分析,機床夾具均可用圖5－1來表述。圖5-1機床夾具的分類

5.1.2機床夾具的組成圖5-2為加工撥叉零件的銑床夾具。工件以一內(nèi)孔、一端面及一側(cè)面與夾具的定位元件接觸來確定工件的正確位置。用對刀塊來確定銑刀與工件加工表面的位置，并用螺母及開口墊圈將工件夾緊。

圖5-2銑床夾具

1.定位元件定位元件起定位作用，用來確定工件在夾具中處于一個正確位置,即與工件定位基準面相接觸的元件。

2.夾緊元件或裝置

夾緊元件將工件夾緊，使工件牢固地固定在一個準確的位置上不發(fā)生移動。根據(jù)動力源的不同，夾緊裝置可分為氣動、手動、液動和電動等方式。

3.對刀或?qū)蛟?dǎo)向元件用來保證刀具與工件加工表面的正確位置。對于銑刀、刨刀用對刀元件；對于鉆頭、擴孔鉆、鉸刀和鏜刀等孔加工刀具，用鉆套或鏜套等導(dǎo)向元件。

4.連接元件

連接元件用來保證夾具與機床工作臺之間的相對位置，如銑床夾具的定位鍵。

5.夾具體

夾具體是一個基礎(chǔ)件，它將夾具的所有組成部分有機地組成一個整體，并保證它們之間的相對位置關(guān)系。

6.其它裝置或元件根據(jù)加工要求,有些夾具還需采用分度裝置、靠模裝置、上下料裝置、頂出器和平衡塊等。這些元件或裝置也需要專門設(shè)計。在夾具的組成中，定位、夾緊和夾具體等三部分是每個夾具都必不可少的；至于對刀或?qū)蛟捌渌b置等，按使用要求而定，有的需要，有的不需要。

5.1.3機床夾具的作用機床夾具是用于裝夾工件的,其作用可歸納為以下幾點:

(1)保證加工精度。采用夾具裝夾工件,可以準確確定工件與機床、刀具之間的相對位置,因此能可靠和穩(wěn)定地獲得加工精度。

(2)提高勞動生產(chǎn)率。使用夾具后,能使工件迅速地定位和夾緊,可顯著地縮短輔助時間和機動時間,提高勞動生產(chǎn)率。

(3)降低生產(chǎn)成本。在成批大量生產(chǎn)中使用夾具時,由于勞動生產(chǎn)率的提高和允許使用技術(shù)等級較低的工人操作,故可明顯降低生產(chǎn)成本。

(4)改善工人的勞動條件。用夾具裝夾工件方便、省力、安全。當采用氣動、液壓等夾緊裝置時,可減輕工人的勞動強度,保證安全生產(chǎn)。

(5)擴大機床的工藝范圍。在機床上配備專用夾具,可以使機床的工藝范圍擴大。例如在車床床鞍上安裝鏜床夾具后,可以進行箱體孔系的鏜削加工,使車床具有鏜床的功能。5.2工件在夾具中的定位

5.2.2工件的定位方式及定位元件

1.工件以平面定位在機械加工中,大多數(shù)工件都以平面作為主要定位基準,如箱體、機體、支架、圓盤等零件。也就是利用工件上的一個或幾個平面作為定位基面來安裝工件的定位方式，在設(shè)計和分析定位方案時,應(yīng)根據(jù)工件定位基準面與定位元件工作表面接觸面積的大小、長短及接觸形式,來判斷定位元件所相當?shù)闹С悬c數(shù)目及其所限制的工件自由度。當接觸面積較大時,相當于三個支承點,限制工件三個自由度;窄長的接觸面,相當于兩個支承點,限制工件的兩個自由度;當接觸面積較小時,只相當于一個支承點,限制工件一個自由度。

(1)固定支承。固定支承有支承釘和支承板。支承釘結(jié)構(gòu)如圖5-3所示,A型支承釘是平頭支承釘,用于精基準平面的定位;當定位基準面是粗糙不平的粗基準表面時,應(yīng)選用B型的球頭支承釘,使其接觸良好;而C型的網(wǎng)紋支承釘常用于側(cè)面定位,它能增大摩擦系數(shù),防止工件受力后滑動。

圖5-3支承釘(GB/T2226-91)大中型工件以精基準平面定位時,多采用支承板定位,可使接觸面增大,避免壓傷基準面,減少支承的磨損。圖5-4為支承板的結(jié)構(gòu)形式,其中A型結(jié)構(gòu)是光面支承板,結(jié)構(gòu)簡單,便于制造。但沉頭螺釘處的積屑難于清除,宜作側(cè)面或頂面反向定位。B型是帶斜槽的支承板,因易于清除切屑和容納切屑,宜作底面定位,常用于以推拉方式裝卸工件的夾具和自動線夾具。當幾個支承釘或支承板在裝配后要求等高時,應(yīng)磨平工作表面,以保證它們在同一平面上。

圖5-4支承板(GB/T2236-91)

(2)可調(diào)節(jié)支承。圖5-5所示調(diào)節(jié)支承(GB/T2230-91)、圓柱頭調(diào)節(jié)支承(GB/T2229-91)、六角頭支承(GB/T2227-91)屬于支承高度可調(diào)節(jié)的支承,以保證工序有足夠和均勻的加工余量。

圖5-5可調(diào)節(jié)支承

圖5-6所示為可調(diào)節(jié)支承定位的應(yīng)用示例。工件以箱體的底面為粗基準定位,銑削頂面。由于毛坯的誤差,將使后續(xù)鏜孔工序的余量偏向一邊,甚至出現(xiàn)余量不夠的現(xiàn)象。為此,定位時需按劃線調(diào)節(jié)工件的位置,通常需對同一批工件作一次調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)后用鎖緊螺母鎖緊。

圖5-6可調(diào)節(jié)支承的應(yīng)用示例

(3)浮動支承。浮動支承的結(jié)構(gòu)如圖5-7所示,它們與工件的接觸點雖然是兩點或三點,但仍只限制工件的一個自由度。浮動支承點的位置隨工件定位基準面的變化而自動調(diào)節(jié),當基準面有誤差時,壓下其中一點,其余點即上升,直至全部接觸為止。圖5-7(a)、(b)所示支承均為一個方向浮動;圖5-7(c)的結(jié)構(gòu)可在兩個方向上轉(zhuǎn)動。由于增加了接觸點數(shù),可提高工件的安裝剛性和穩(wěn)定性,但夾具結(jié)構(gòu)復(fù)雜。浮動支承適用于工件以毛面定位或剛性不足的場合。

圖5-7浮動支承

(4)輔助支承。生產(chǎn)中,由于工件形狀以及夾緊力、切削力、工件重力等原因使工件定位后有可能產(chǎn)生變形或使定位不穩(wěn)定。為了提高工件的安裝剛性和穩(wěn)定性,常需要設(shè)置輔助支承。輔助支承在定位支承對工件定位后才參與支承,因此不起限制工件自由度的作用。圖5-8所示為幾種常用的輔助支承結(jié)構(gòu)。

圖5-8輔助支承

2.工件以圓柱孔定位

(1)定位銷。定位銷是組合定位中最常用的定位元件之一。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和尺寸大小的不同又有:固定式定位銷(GB/T2203-91)、小定位銷(GB/T2202-91)、可換式定位銷(GB/T2204-91)和定位插銷(GB/T2205-91)等幾種形式。每種定位銷都有A型、B型兩種形式。如圖5-9所示為固定式定位銷,圖5-9(a)所示為A型定位銷,可限制工件的兩個移動自由度。圖5-9(b)所示為B型(菱形)定位銷,只能限制工件的一個自由度,B型(菱形)定位銷的應(yīng)用較特殊,它布置在會發(fā)生定位干涉的部位上。若定位銷容易磨損,應(yīng)采用可換式定位銷。圖5-10所示為定位插銷的結(jié)構(gòu),定位插銷常用于不便裝卸的部位和工件以被加工孔為定位基準的定位中。

圖5-9固定式定位銷(GB/T2203-91)

圖5-10定位插銷

(GB/T2205-91)

(2)定位心軸。能限制工件四個自由度的心軸為圓柱定位心軸,它能分別與前后頂尖、撥盤或雞心夾頭等配套,用于加工盤類和套類等零件。心軸的結(jié)構(gòu)類型極多,但選用的結(jié)構(gòu)及擬訂的技術(shù)要求必須與工件的加工技術(shù)要求相協(xié)調(diào)。圖5-11為常用心軸的結(jié)構(gòu)形式,可供設(shè)計參考。

圖5-11定位心軸結(jié)構(gòu)

(3)圓錐銷。如圖5-12所示為幾種圓錐銷的定位示例。其中圖5-12(a)用于粗基準定位;圖5-12(b)用于精基準定位。由于工件用單個圓錐銷定位易傾斜,故應(yīng)像圖5-12(c)、(d)、(e)那樣成對使用或與其它定位元件配合使用。單個圓錐銷限制工件三個移動自由度,兩個圓錐銷成對使用(其中一個沿軸線方向可移動)共限制工件五個自由度。圖5-12(d)、(e)所示的圓錐銷沿軸線方向可移動,因此只限制工件兩個自由度。

圖5-12圓錐銷

3.工件外圓柱面定位

以外圓柱面定位的工件有:軸類、套類、盤類、連桿類以及小殼體類等零件。常用的定位元件有:V形塊、半圓套、定位套等,它們常用作中心定位。

(1)V形塊。不論工件的定位基準是否經(jīng)過加工、是完整的圓柱面還是圓弧面,都可以采用V形塊定位。其優(yōu)點是對中性好,即能使工件的定位基準軸線處于V形塊兩工作斜面的對稱面上,并且安裝方便。

常用的V形塊結(jié)構(gòu)如圖5-13所示。圖5-13(a)用于較短的精基面定位;圖5-13(b)適用于粗基準或階梯軸的定位;圖5-13(c)適用于長的精基面或兩段基準面相距較遠的軸的定位;圖5-13(d)適用于直徑和長度較大的重型工件,其V形塊采用鑄鐵底座鑲裝淬硬的鋼片或硬質(zhì)合金的結(jié)構(gòu),以減少磨損,提高壽命和節(jié)約材料。上述V形塊的結(jié)構(gòu)雖然各異,但其目的均在于與定位基準面保持預(yù)定的緊貼關(guān)系,使短V形塊能限制工件的兩個移動自由度,長V形塊能限制工件的四個自由度(兩個移動及兩個轉(zhuǎn)動)。

圖5-13

V形塊的結(jié)構(gòu)

V形塊有固定式和活動式兩種?；顒邮絍形塊的應(yīng)用如圖5-14所示,圖5-14(a)為加工連桿孔的定位方式,活動V形塊(GB/T2211-91)限制工件的Z自由度,固定V形塊限制工件x、y自由度。圖5-14(b)所示為活動V形塊限制工件的一個y自由度的定位方式示意圖。

圖5-14活動V形塊的應(yīng)用

(2)半圓套。如圖5-15所示,半圓套的定位面A置于工件的下方。這種定位方式類似于V形塊,也類似于軸承,常用于大型軸類零件的精基準定位中,其穩(wěn)固性比V形塊更好,定位精度取決于定位基面的精度。通常工件軸頸取精度IT7、IT8,表面粗糙度為Ra0.8～0.4μm。圖5-15半圓套

圖5-16定位套

4.工件以一面兩孔定位在加工箱體、支架類零件時,常用工件的一面兩孔定位,以使基準統(tǒng)一。相應(yīng)的定位元件為支承板、定位銷和菱形銷。但應(yīng)注意,當工件上兩定位孔與銷的配合間隙不大,而中心距誤差較大時,就會使裝卸工件發(fā)生干涉。因此,應(yīng)正確選擇菱形銷的直徑和削邊后圓柱部分的寬度,以防止產(chǎn)生過定位。

圖5-17一面兩孔定位圖

(2)菱形銷的設(shè)計。當孔距為最大極限尺寸,銷距為最小極限尺寸時,菱形銷的干涉點會發(fā)生在A、B兩點,如圖5-18(a)所示。當孔距為最小極限尺寸,銷距為最大極限尺寸時,菱形銷的干涉點則在C、D,如圖5-18(b)所示。為了滿足順利裝卸工件的要求,需控制菱形銷直徑d2和經(jīng)削邊后的圓柱部分寬度b。

菱形銷寬度b可由圖5-18(c)所示的幾何關(guān)系求得

(5-1)菱形銷寬度b已標準化,按表5-1數(shù)值選取,故可反算得

(5-2)式中:X2min為菱形銷定位的最小間隙(mm);b為菱形銷圓柱部分的寬度(mm);D2為工件定位孔2的最小極限尺寸(mm);a為補償量(mm)。又

(5-3)式中:δLD為孔距公差(mm);δLd為銷距公差(mm)。

菱形銷直徑可按下式求得

(5-4)圖5-18菱形銷的設(shè)計

(3)設(shè)計示例。在圖5-17中,如工件兩個定位孔為2×￠12+0.0270,兩定位孔中心距為80±0.06mm,試設(shè)計兩銷尺寸。

解:設(shè)計步驟如下:

(1)確定兩定位銷的中心距兩定位銷中心距的基本尺寸應(yīng)等于工件兩定位孔距的平均尺寸,其公差一般為δLd=(1/3~1/5)δLD。因LD=80±0.06mm,故取

(2)選擇圓柱定位銷d1為

(3)確定菱形銷直徑d2

選擇菱形銷寬度b,按附表2取b=4mm。①按式(5-3)求補償量a。②按式(5-2)計算X2min。

③按式(5-4)計算菱形銷的直徑d2max。

取公差帶為h6,其下偏差為-0.011mm,故菱形銷的直徑為

5.2.3定位誤差分析與計算工件按六點定位規(guī)則定位后,它在夾具中的位置就已被確定,然而由于某種原因,工件仍會產(chǎn)生定位誤差。為了保證工件的加工精度,在定位設(shè)計時要仔細分析和研究定位誤差。

1.定位誤差的定義由定位引起的同一批工件的工序基準在加工尺寸方向上的最大變動量,稱為定位誤差,以ΔD表示。定位誤差研究的主要對象是工件的工序基準和定位基準。它的變動量將影響工件的尺寸精度和位置精度。

2.定位誤差產(chǎn)生的原因造成定位誤差的原因是定位基準與工序基準不重合以及定位基準的位移誤差兩個方面。

(1)基準不重合誤差ΔB。由于定位基準與工序基準不重合而造成的定位誤差,稱為基準不重合誤差,以ΔB表示。圖5-19為一個工件的銑削加工工序簡圖,圖5-20為其定位簡圖。加工尺寸h1的工序基準是E,定位基準則是A。這種定位基準與工序基準的不重合,將會使它們之間的尺寸

(或位置)誤差,給工序尺寸造成定位誤差,即由圖5-20可知

(5-5)圖5-19銑削加工工序簡圖

圖5-20定位簡圖

如圖5-19中的工序尺寸,其工序基準與定位基準均為B,即基準重合,基準不重合誤差為零。計算基準不重合誤差時,應(yīng)注意判別定位基準和工序基準。當基準不重合誤差由多個尺寸影響時,應(yīng)將其在工序尺寸方向上合成?；鶞什恢睾险`差的一般計算:

(5-6)式中:δi為基準與工序基準間的尺寸鏈組成環(huán)的公差(mm);β為定位方向與加工尺寸方向間的夾角(°)。

(2)基準位移誤差ΔY。由于定位基準的誤差或定位支承點的誤差而造成的定位基準位移,這種定位誤差稱為基準位移誤差,以Δy表示。不同的定位方式,其基準位移誤差的計算方法也不同。①平面支承定位。工件以精基準平面在平面支承上定位時,其基準位移誤差可忽略不計。在圖5-19中,認為工序尺寸h1的基準位移誤差為零。②用圓柱定位銷、圓柱心軸中心定位。如圖5-21所示,由于定位配合的間隙的影響,會使工件的中心發(fā)生偏移,其偏移量即為最大配合間隙,可按下式計算

(5-7)式中:Xmax為定位最大配合間隙(mm);δD為工件定位基準孔的直徑公差(mm);δd0為圓柱定位銷或圓柱心軸的直徑公差(mm);Xmin為定位所需最小間隙,由設(shè)計時確定(mm)。

基準位移誤差的方向是任意的。減小定位配合間隙,即可減小ΔY值,以提高定位精度。

當工件用長定位軸定位時,定位的配合間隙還會使工件發(fā)生歪斜,并影響工件的平行度要求。如圖5-22所示,工件除了孔距公差外,還有平行度要求,定位配合的最大間隙Xmax同時會造成平行度誤差,即

(5-8)式中:L1為加工面長度(mm);L2為定位孔長度(mm)。

圖5-21

Xmax對工件位置公差的影響

圖5-22

Xmax對工件位置公差的影響

③用定位套定位。用定位套中心定位的基準位移誤差產(chǎn)生的原因,與上述定位相同,其基準位移誤差的方向也是任意的。其定位誤差可按下式計算

(5-9)式中:δD0為定位套孔徑的公差(mm);δd為工件定位外圓的直徑公差(mm)。

④用V形塊定心定位。如圖5-23(a)所示,若不計V形塊的誤差而僅有工件基準面的圓度誤差時,其工件的定位中心會發(fā)生偏移,產(chǎn)生基準位移誤差。由圖5-23(b)可知,由于δd的影響,使工件中心沿z向從O1移至O2,即基準位移量

(5-10)式中:δd為工件定位基準直徑公差；α/2為V形塊的半角(°)。

圖5-23

V形塊定心定位的位移誤差

V形塊的對中性好,即其沿x向的位移誤差為零。對于較精密的定位,需適當提高外圓的精度。當α=90°時,

V形塊的位移誤差可由下式計算

（5—11）

3.定位誤差的合成

定位誤差可由基準不重合誤差ΔB與基準位移誤差ΔY合成。

(1)當ΔB=0、ΔY≠0時,產(chǎn)生定位誤差的原因是基準位移,故只要計算出ΔY即可,即

ΔD=ΔY

(5-12)

例5-1鉆鉸如圖5-24所示零件上￠10H7的孔,工件主要以￠20H7(+0.0210)mm孔定位,定位軸直徑為￠20-0.007-0.016mm,求工序尺寸50±0.07mm及平行度的定位誤差。

解①工序尺寸50±0.07mm的定位誤差。(定位基準與工序基準重合,均為A)ΔB=0由式(5-7)得

則由式(5-12)求得

ΔD=ΔY=0.037mm

②平行度0.04mm的定位誤差。同理,ΔB=0。由式(5-8)得

則影響工件平行度的定位誤差為

ΔD=ΔY=0.018mm

圖5-24定位誤差計算示例之一

(2)當ΔB≠0、ΔY=0時,產(chǎn)生定位誤差的原因是基準不重合誤差,故只要計算出ΔB即可,即

ΔD=ΔB

(5-13)這種情況常見于以平面為主要基準的定位中。

例5-2如圖5-25所示,以A面定位加工￠20H8孔,求加工尺寸40±0.1mm的定位誤差。

解

ΔY=0(平面A與支承接觸較好)由圖5-25可知,工序基準為B面,定位基準為A,故基準不重合。由式(5-6)得

圖5-25定位誤差計算示例之二

(3)當ΔB≠0、ΔY≠0時,且造成定位誤差的原因是相互獨立的因素時(如δD、δd、δi),應(yīng)將兩項誤差相加,即

ΔD=ΔB+ΔY

(5-14)例5-3如圖5-26所示,工件以d1外圓定位,加工￠10H8孔。已知d1=￠300-0.01mm,d=￠50-0.056-0.010,H=40±0.15mm,t=0.03mm,求加工尺寸40±0.15mm的定位誤差。

圖5-26定位誤差計算示例之三

解定位基準是圓柱d1的軸線A,工序基準則在d2外圓的素線B上,是相互獨立的因素,故可按式(5-14)合成。由式(5-6)得又由式(5-11)得

則

ΔD=ΔB+ΔY=（0.053+0.007）mm=0.06mm

圖5-27判別合成的“+”、“-”號

(4)在圓柱間隙配合定位和V形塊中心定位中,當ΔB≠0、ΔY≠0,且造成定位誤差的原因是同一因素時,定位誤差的合成需判別“+”、“-”號,即

ΔD=ΔB+ΔY或ΔD=ΔB-ΔY

(5-15)例如,當工序基準在圓柱面上定位,其判別的方法見圖5-27。對于工序尺寸A1、A2,其基準不重合誤差和基準位移誤差值是

造成定位誤差的原因雖是同一因素δd,但ΔB與ΔY之間的方向,即兩者的工序基準的變動方向有兩種情況。

對于工序尺寸A1的工序基準F,兩者的變動方向相同,取“+”號,即

對于工序尺寸A1的工序基準F,兩者的變動方向相同,取“+”號,即

(5-16)(5-17)上兩式中,式(5-17)的值較小,故通常設(shè)計員采用A2工序尺寸的標注形式,以提高工藝性。

4.工件以一面兩孔定位時定位誤差的計算工件以一面兩孔定位時,基準不重合誤差的計算較簡單,與前面介紹的情況相同。而基準位移誤差的計算相對復(fù)雜一些,一般要從兩個方面考慮:

(1)工件在兩定位孔連心線方向上的基準位移誤差。工件在該方向上的移動自由度是由圓柱銷限制的,因此,當兩銷豎直放置時,在該方向上工件可能產(chǎn)生的最大移動范圍取決于定位孔與圓柱銷之間的最大配合間隙。即

(5-18)

(2)工件轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的基準位移誤差,即工件轉(zhuǎn)角誤差Δα造成的基準位移誤差。工件的轉(zhuǎn)動有兩種情況,一種是工件上兩定位孔相對于兩銷可向異側(cè)移動,產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)角誤差,如圖5-28所示,該轉(zhuǎn)角誤差的計算方法如下:即

(5-19)式中:X1max、X2max分別為兩定位副的最大間隙。

圖5-28一面兩孔定位時轉(zhuǎn)角誤差的計算之一

如工件可向相反方向異側(cè)轉(zhuǎn)動,則應(yīng)按雙向轉(zhuǎn)角誤差考慮,即

(5-20)第二種情況是工件上兩定位孔相對于兩銷向同側(cè)移動。由于一般情況下,定位孔與菱形銷之間的最大配合間隙大于定位孔與圓柱銷之間的最大配合間隙,因此,兩定位孔相對于兩銷向同側(cè)移動的量不相同,故產(chǎn)生轉(zhuǎn)角誤差,如圖5-29所示。該轉(zhuǎn)角誤差較第一種情況下的轉(zhuǎn)角誤差要小,計算方法如下:

圖5-29一面兩孔定位時轉(zhuǎn)角誤差的計算之二即

(5-21)如工件可向相反方向同側(cè)移動,則應(yīng)按雙向轉(zhuǎn)角誤差考慮,即

(5-22)當加工表面相對于兩定位孔的具體位置不同時,上述兩種情況下轉(zhuǎn)角誤差對加工精度的影響是不同的,應(yīng)根據(jù)實際情況,具體分析計算。

5.3工件在夾具中的夾緊

1.夾緊裝置的組成夾緊裝置的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的,但根據(jù)力源不同可分為手動和機動夾緊裝置。機動夾緊裝置一般由三部分組成,如圖5-30所示。

(1)動力裝置。通常指機動夾緊裝置中的動力源,常用的有氣動、液壓和電動等動力裝置,如圖5-30中擺動氣缸1。手動則沒有這種裝置。

圖5-30氣動夾緊裝置示例

(2)中間傳力機構(gòu)。它是將動力裝置產(chǎn)生的原動力傳遞給夾緊元件的機構(gòu)。圖5－30中杠桿3、4、5即為傳力機構(gòu)。根據(jù)夾緊的需要,中間傳力機構(gòu)一般可以起到改變夾緊力的大小、方向及保證自鎖等作用。

(3)夾緊元件。它是夾緊裝置的最終執(zhí)行元件。它直接作用在工件上完成夾緊作用。圖5-30中擺動壓塊即為夾緊元件。在一些手動夾緊裝置中,夾緊元件與中間傳力機構(gòu)往往是混在一起的,很難截然分開,因此常將二者統(tǒng)稱為夾緊機構(gòu)。

2.對夾緊裝置的基本要求

夾緊裝置設(shè)計的合理與否,是否可靠和安全,對保證工件的加工質(zhì)量,縮短工件安裝輔助時間,降低工人的勞動強度都有直接的影響。因此對夾緊裝置提出如下基本要求:

(1)夾緊過程中,不改變工件定位后占據(jù)的正確位置。

(2)夾緊力的大小要可靠和適當,既要保證工件在整個加工過程中位置穩(wěn)定不變、振動小,又要使工件不產(chǎn)生過大的夾緊變形。

(3)夾緊裝置的自動化和復(fù)雜程度應(yīng)與生產(chǎn)綱領(lǐng)相適應(yīng),在保證生產(chǎn)效率的前提下,其結(jié)構(gòu)要力求簡單,以便于制造和維修。

(4)夾緊裝置的操作應(yīng)當方便、安全、省力。

3.夾緊力的確定

1)夾緊力方向的確定

(1)夾緊力的方向應(yīng)有助于定位穩(wěn)定,且主夾緊力應(yīng)朝向主要定位基面。如圖5－31(a)所示,夾緊力FW的豎直分力背向定位基面使工件抬起,圖5-31(b)中夾緊力的兩個分力分別朝向了定位基面,將有助于定位穩(wěn)定。又如圖5-32(b)、(c)中的FW都不利于保證加工孔軸線與A面的垂直度,圖5-32(d)的FW朝向了主要定位基面,則有利于保證加工孔軸線與A面的垂直度。圖5-31夾緊力方向

圖5-32夾緊力應(yīng)指向主要定位基面

(2)夾緊力的方向應(yīng)有利于減小夾緊力。圖5-33所示為夾緊力FW、工件重力G和切削力F三者關(guān)系的幾種常見典型情況。為了安裝方便及減小夾緊力,應(yīng)使主要定位支承表面處于水平朝上位置,如圖5-33(a)、(b)所示工件安裝既方便又穩(wěn)定,特別是圖5-33(a),其切削力F和工件重力G均朝向主要支承表面,與夾緊力方向相同,因而所需夾緊力為最小。此時的夾緊力FW只要防止工件加工時的轉(zhuǎn)動及振動即可。但圖5-33(c)、(d)、(e)、(f)所示的情況就較差,特別是圖5-33(d)所示情況所需夾緊力為最大,一般應(yīng)盡量避免。

圖5-33夾緊力方向與夾緊力大小的關(guān)系

(3)夾緊力的方向應(yīng)是工件剛性較好的方向。如圖5-34所示,薄套件徑向剛性差而軸向剛性好,采用圖5-34(b)所示夾緊方案,可避免工件發(fā)生嚴重的夾緊變形和產(chǎn)生較大的加工誤差。

圖5-34夾緊力方向與工件剛性的關(guān)系

2)夾緊力作用點的確定夾緊力的方向確定后,應(yīng)根據(jù)下述幾點原則合理確定作用點的位置。

(1)夾緊力的作用點應(yīng)落在定位元件的支承范圍內(nèi)(見圖5-35(a))。圖5-35(d)、(f)、(h)所示,夾緊力的作用點落到了定位元件支承范圍之外,夾緊時將破壞工件的定位;圖5-35(b)、(c)、(e)、(g)布置的作用點全落在支承范圍內(nèi),有助于定位穩(wěn)定。

圖5-35作用點與定位支承的位置關(guān)系

(2)夾緊力的作用點應(yīng)選在工件剛性較好的部位。如圖5-36所示,圖5-36(a)、(c)中工件的夾緊變形最小,圖5-36(b)、(d)、(e)夾緊力作用點的選擇會使工件產(chǎn)生較大的變形。

圖5-36作用點應(yīng)在工件剛性好的部位

(3)夾緊力的作用點應(yīng)靠近加工表面。作用點靠近加工表面,可減小切削力對該點的力矩和減小振動。如圖5-37所示,因M1＜M2,故在切削力大小相同的條件下,圖5-37(a)、(c)所用夾緊力最小。當作用點只能遠離加工面,造成工件安裝剛性較差時,應(yīng)在靠近加工面附近設(shè)置輔助支承,并施加輔助夾緊力FW1(見圖5-38),以減小振動。

圖5-37作用點應(yīng)靠近加工部位

圖5-38增設(shè)輔助支承和輔助夾緊力

3)夾緊力的大小理論上,夾緊力的大小應(yīng)與作用在工件上的其它力(力矩)相平衡;而實際上,夾緊力的大小還與工藝系統(tǒng)的剛度、夾緊機構(gòu)的傳遞效率等因素有關(guān),計算是很復(fù)雜的。因此,實際設(shè)計中常采用估算法、類比法和試驗法確定所需的夾緊力。當采用估算法確定夾緊力的大小時,為簡化計算,通常將夾具和工件看成一個剛性系統(tǒng)。根據(jù)工件所受切削力、夾緊力(大型工件應(yīng)考慮重力、慣性力等)的作用情況,找出加工過程中對夾緊最不利的狀態(tài),按靜力平衡原理計算出理論夾緊力,最后再乘以安全系數(shù)作為實際所需夾緊力,即

5.3.2各類夾緊機構(gòu)

1.斜楔夾緊機構(gòu)自鎖性夾緊機構(gòu)大多利用斜面自鎖夾緊的原理,斜楔是它們的原始形式。如圖5－39所示是手動斜楔夾緊實例。工件2裝入后,敲入斜楔1,夾緊工件。加工完畢后,錘擊斜楔小頭,松開工件。由此可見,斜楔主要是利用其斜面移動時所產(chǎn)生的壓力夾緊工件的。

圖5-39手動斜楔夾緊機構(gòu)

(1)夾緊力計算。由受力圖5-40(a)可知,斜楔的靜力平衡條件為

而

所以

(5-24)設(shè)φ1=φ2=φ,當α很小時(α≤10°),可用下式作近似計算

(5-25)式中:FW為斜楔對工件的夾緊力(N);FQ為原始作用力(N);φ1、φ2分別為斜楔與工件、斜楔與夾具體之間的摩擦角(°);α為斜楔升角(°)。圖5-40斜楔的受力分析

(2)斜楔的自鎖條件。圖5-40(b)為原始作用力FQ停止作用后斜楔的受力情況。從圖中可以看出,自鎖條件為即

則

因此,斜楔的自鎖條件是:斜楔的升角小于斜楔與工件、斜楔與夾具體之間摩擦角之和。一般鋼鐵件接觸面的摩擦系數(shù)f=0.1～0.15,故摩擦角φ=5°43′～8°30′,欲使斜楔自鎖,應(yīng)使α＜11°～17°。(3)斜楔的增力比ip。

（5—27）

在不考慮摩擦影響時,理想增力比ip′為

(5-28)

(4)斜楔的夾緊行程。工件所要求的夾緊行程h與斜楔相應(yīng)移動的距離s之比稱為行程比is。由圖5－40(c)可知(5-29)因ip=1/is,故斜楔理想增力倍數(shù)等于夾緊行程的縮小倍數(shù)。因此,選擇升角α時,必須同時考慮增力比和夾緊行程兩方面的問題。

(5)升角α的選擇。根據(jù)自鎖條件和對增力比與行程比的綜合考慮,手動夾緊時,一般取α=6°～8°;自鎖的機動夾緊,取α＜12°,不需要自鎖的機動夾緊,取α=15°～30°。

(6)斜楔夾緊機構(gòu)的應(yīng)用。因用手動的斜楔直接夾緊工件費時費力,效率極低,所以實際生產(chǎn)中應(yīng)用的不多,多數(shù)情況下是斜楔與其它元件或機構(gòu)組合起來使用。

2.螺旋夾緊機構(gòu)

螺旋夾緊機構(gòu)在生產(chǎn)中使用極為普遍。螺旋夾緊機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單。夾緊行程大,特別是它具有增力大、自鎖性能好兩大特點,其許多元件都已標準化,很適用于手動夾緊。它主要有兩種典型的結(jié)構(gòu)形式。

(1)單個螺旋夾緊機構(gòu)。圖5-41(a)所示為GB/T2161-91六角頭壓緊螺釘,它是用螺釘頭部直接壓緊工件的一種結(jié)構(gòu)。為了保護夾具體不致過快磨損和簡化修理工作,常在夾具體中裝配一個鋼質(zhì)螺母。圖5-41(b)所示在螺釘頭部裝上擺動壓塊,可防止螺釘轉(zhuǎn)動時損傷工件表面或帶動工件轉(zhuǎn)動。

圖5-41單個螺旋夾緊機構(gòu)

圖5-42擺動壓塊

(2)螺旋壓板夾緊機構(gòu)。夾緊機構(gòu)中,結(jié)構(gòu)形式變化最多的是螺旋壓板機構(gòu)。圖5-43所示為常用的五種典型結(jié)構(gòu)。圖5-43(a)、(b)兩種機構(gòu)的施力螺釘位置不同,圖(a)減力增加夾緊行程,圖(b)不增力但可改變夾緊力的方向。圖5-43(c)采用了鉸鏈壓板增力但減小了夾緊行程,使用上受工件尺寸形狀的限制。圖5-43(d)為GB/T2197-91鉤形壓板,其結(jié)構(gòu)緊湊,適應(yīng)夾具上安裝夾緊機構(gòu)位置受到限制的場合。圖5-43(e)為GB/T2872-91自調(diào)式壓板,它能適應(yīng)工件高度由0～200mm范圍內(nèi)的變化,其結(jié)構(gòu)簡單、使用方便。

圖5-43典型螺旋壓板機構(gòu)

3.偏心夾緊機構(gòu)用偏心件直接或間接夾緊工件的機構(gòu),稱為偏心夾緊機構(gòu)。偏心件一般有圓偏心和曲線偏心兩種類型,圓偏心因結(jié)構(gòu)簡單、制造容易而得到廣泛的應(yīng)用。圖5-44所示為常見的幾種圓偏心夾緊機構(gòu)。圖5-44(a)、(b)采用的是圓偏心輪,圖5-44(c)用的是偏心軸,圖5－44(d)用的是有偏心圓弧的偏心叉。圓偏心夾緊機構(gòu)操作方便、夾緊迅速,缺點是夾緊力和夾緊行程均不大,結(jié)構(gòu)不耐振,自鎖可靠性差,故一般適用于夾緊行程及切削負荷較小且平穩(wěn)的場合。

圖5-44圓偏心夾緊機構(gòu)

(1)圓偏心輪的工作原理。圖5-45所示為圓偏心輪直接夾緊工件的原理。圖中，O1是偏心輪的幾何中心，R是它的幾何半徑；O2是偏心輪的回轉(zhuǎn)中心；O1O2是偏心距。若以O(shè)2為圓心、半徑r畫圓（虛線圓）,便把偏心輪分成了三部分。其中，虛線部分是個“基圓盤”，半徑r=R-e。另部分是兩個相同的弧形楔。當偏心輪繞回轉(zhuǎn)中心O2順時針方向轉(zhuǎn)動時，相當于一個弧形楔逐漸楔入“基圓盤”與工件之間，從而夾緊工件。圖5-45圓偏心輪的工作原理

(2)圓偏心輪的夾緊行程及工作段。如圖5-46所示，當圓偏心輪繞回轉(zhuǎn)中心O2轉(zhuǎn)動時，設(shè)輪周上任意點x的回轉(zhuǎn)角為x，回轉(zhuǎn)半徑為rx。用x、rx為坐標軸建立直角坐標系，再將輪周上各點的回轉(zhuǎn)角與回轉(zhuǎn)半徑一一對應(yīng)地記入此坐標系中，便得到了圓偏心弧形楔的展開圖，如圖5-46(b)所示。從圖5-46中可看出，當圓偏心輪從0°回轉(zhuǎn)到180°時，其夾緊行程為2e，并表明輪周上各點的升角是不相等的，P點的升角最大(αmax)。根據(jù)解析幾何可知P點的升角等于P點的切線與P點回轉(zhuǎn)半徑的法線間的夾角。按照上述原理，在圖5-46(a)中，過P點分別作O1P、O2P的垂線，便可得到P點的升角。因所以

(5-30)圓偏心輪的工作角一般小于90°，因為轉(zhuǎn)角太大，不僅操作費時，也不安全。工作轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)的那段輪周稱為圓偏心輪的工作段，常用的工作段是x=45°～135°或x=90°～180°。當取x=45°～135°時，升角大，夾緊力較小，但夾緊行程大（h≈1.4e);當x=90°~180°時，升角由大到小，夾緊力逐漸增大，但夾緊行程較小（h=e）。圖5-46弧形楔展開圖

(3)圓偏心輪的自鎖條件。使用圓偏心輪夾緊時,必須保證自鎖,否則將不能使用。由于圓偏心輪的弧形楔夾緊與斜楔夾緊的實質(zhì)相同,因此其自鎖條件為

式中:αmax為圓偏心輪的最大升角;φ1、φ2分別為圓偏心輪與工件、圓偏心輪與轉(zhuǎn)軸間的摩擦角。如前所述,圓偏心輪在P點的升角較大,自鎖性最差,若該點能自鎖,則其它任何接觸點均能保證自鎖。為了可靠起見,不考慮轉(zhuǎn)軸處的摩擦,則

因αmax很小，tanαmax≈sinαmax,tanφ1=f1,得又因為 ,所以，偏心輪的自鎖條件為

(5-31)當f1=0.10時,

;f1=0.15,。稱D/e之值為偏心率和偏心特性。按上述關(guān)系設(shè)計偏心輪時,應(yīng)按已知的摩擦系數(shù)和需要的工作行程定出偏心量及偏心輪的直徑。一般摩擦系數(shù)取較小的值,以使偏心輪的自鎖更可靠。

(4)偏心輪的結(jié)構(gòu)。實際應(yīng)用中e值一般為1.7～7mm,偏心輪的直徑可根據(jù)自鎖條件和偏心特性確定

Ｄ=（14—20）ｅ

圓偏心輪的結(jié)構(gòu)已標準化,圖5-47(a)為GB/T2191-91圓偏心輪,圖5-47(b)為GB/T2192-91叉形偏心輪,這兩種偏心輪空套在心軸上,通過組裝的手柄旋動,其結(jié)構(gòu)簡單。圖5-47(c)為GB/T2193-91單面偏心輪,圖5-47(d)為GB/T219A-91雙面偏心輪,此兩種偏心輪固定于轉(zhuǎn)軸上,通過手柄轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)軸旋動,用于偏心輪不便或不能直接安裝手柄的場合。將偏心輪的非工作面做成不完整的外形,便于裝卸工件。雙面偏心輪主要用于夾緊兩個工件,或需要增大夾緊行程的場合。

圖5-47標準偏心輪結(jié)構(gòu)

4.聯(lián)動夾緊機構(gòu)

1)單件聯(lián)動夾緊機構(gòu)單件聯(lián)動夾緊機構(gòu)大多用于分散的夾緊力作用點或夾緊力方向差別較大的場合。按夾緊力的方向單件聯(lián)動夾緊有三種方式。

(1)單件同向聯(lián)動夾緊。圖5-48所示為浮動壓頭。通過浮動柱2的水平滑動協(xié)調(diào)浮動壓頭1、3實現(xiàn)對工件的夾緊。

(2)單件對向聯(lián)動夾緊。圖5-49為對向側(cè)夾緊聯(lián)動夾緊機構(gòu)。當液壓缸中的活塞桿3向下移動時,通過雙臂鉸鏈使浮動壓板2相對轉(zhuǎn)動,最后將工件1夾緊。

圖5-48單件同向多點聯(lián)動夾緊機構(gòu)

圖5-49單件對向聯(lián)動夾緊機構(gòu)

(3)互垂力或斜交力的聯(lián)動夾緊。圖5-50(a)所示為雙向浮動四點聯(lián)動夾緊機構(gòu)。由于搖臂2可以轉(zhuǎn)動并與擺動壓塊1、3鉸鏈連接,因此,當擰緊螺母4時,便可從兩個相互垂直的方向上實現(xiàn)四點聯(lián)動夾緊。圖5-50(b)為通過擺動壓塊1實現(xiàn)斜交力兩點聯(lián)動夾緊的浮動壓頭。

圖5-50互垂力或斜交力的聯(lián)動夾緊機構(gòu)

2)多件聯(lián)動夾緊機構(gòu)多件聯(lián)動夾緊機構(gòu),多用于中、小型工件的加工,按其對工件施力方式的不同,一般分為如下幾種形式。

(1)平行式多件聯(lián)動夾緊。圖5-51(a)為浮動壓板機構(gòu)對工件平行夾緊的實例。由于壓板2、擺動壓塊3和球面墊圈4可以相對轉(zhuǎn)動,均是浮動件,故旋動螺母5即可同時平行夾緊每個工件。圖5-51(b)所示為液性介質(zhì)聯(lián)動夾緊機構(gòu)。密閉腔內(nèi)的不可壓縮液性介質(zhì)既能傳遞力,還能起浮動環(huán)節(jié)的作用。旋緊螺母5時,液性介質(zhì)推動各個柱塞7,使它們與工件全部接觸并夾緊。

圖5-51平行式多件聯(lián)動夾緊機構(gòu)

(2)連續(xù)式多件夾緊。如圖5-52所示,7個工件1以外圓及軸肩在夾具的可移動V形塊2中定位,用螺釘3夾緊。V形塊2既是定位、夾緊元件,又是浮動元件,除左端第一個工件外,其它工件也是浮動的。

圖5-52連續(xù)式多件聯(lián)動夾緊機構(gòu)

(3)對向式多件聯(lián)動夾緊。如圖5-53所示,兩對向壓板1、4利用球面墊圈及間隙構(gòu)成了浮動環(huán)節(jié)。當旋動偏心輪6時,迫使壓板4夾緊右邊的工件,與此同時拉桿5右移使壓板1將左邊的工件夾緊。這類夾緊機構(gòu)可以減小原始作用力,但相應(yīng)增大了對機構(gòu)夾緊行程的要求。

圖5-53對向式多件聯(lián)動夾緊機構(gòu)

(4)復(fù)合式多件聯(lián)動夾緊。凡將上述多件聯(lián)動夾緊方式合理組合構(gòu)成的機構(gòu),均稱為復(fù)合式多件聯(lián)動夾緊。圖5-54所示為平行式和對向式組合的復(fù)合式多件聯(lián)動夾緊的實例。

圖5-54復(fù)合式多件聯(lián)動夾緊機構(gòu)

5.定心夾緊機構(gòu)

1)定心夾緊機構(gòu)的工作原理當工件被加工面以中心要素(軸線、中心平面等)為工序基準時,為使基準重合以減少定位誤差,就須采用定心夾緊機構(gòu)。定心夾緊機構(gòu)具有定心(對中)和夾緊兩種功能,如圖5-55所示的三爪自定心卡盤。三個夾爪1為定心夾緊元件,能等速趨近或離開卡盤中心(夾爪保持等距性行程),使其工作面2對中心總保持相等的距離。當工件定位直徑不同時,由夾爪1的等距移動來調(diào)整,使工件工序基準(軸線)與卡盤中心保持一致。

圖5-55定心夾緊的工作原理

2)各類典型定心夾緊機構(gòu)的特點及適用范圍定心夾緊機構(gòu)按其定心作用原理有兩種類型,一種是依靠傳動機構(gòu)使定心夾緊元件同時作等速移動,從而實現(xiàn)定心夾緊,如螺旋式、杠桿式、楔式機構(gòu)等;另一種是定心夾緊元件本身作均勻地彈性變形(收縮或擴張),從而實現(xiàn)定心夾緊,如彈簧筒夾、膜片卡盤、波紋套、液性塑料等。下面介紹常用的幾種結(jié)構(gòu)。

(1)螺旋式定心夾緊機構(gòu)。如圖5-56所示,旋動有左、右螺紋的雙向螺桿6,使滑座1、5上的V形塊鉗口2、4作對向等速移動,從而實現(xiàn)對工件的定心夾緊;反之,便可松開工件。V形塊鉗口可按工件需要更換,對中精度可借助調(diào)節(jié)桿3實現(xiàn)。這種定心夾緊機構(gòu)的特點是:結(jié)構(gòu)簡單、工作行程大、通用性好。但定心精度不高,一般約為0.05～0.1mm。主要適用于粗加工或半精加工中需要行程大而定心精度要求不高的工件。

圖5-56螺旋式定心夾緊機構(gòu)

(2)楔式定心夾緊機構(gòu)。圖5-57所示為機動的楔式夾爪自動定心機構(gòu)。當工件以內(nèi)孔及左端面在夾具上定位后,氣缸通過拉桿4使六個夾爪1左移,由于本體2上斜面的作用,夾爪左移的同時向外脹開,將工件定心夾緊;反之,夾爪右移時,在彈簧卡圈3的作用下使夾爪收攏,將工件松開。這種定心夾緊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)緊湊且傳動準確,定心精度一般可達0.02～0.07mm,比較適用于工件以內(nèi)孔作定位基面的半精加工工序。

圖5-57機動楔式夾爪自動定心機構(gòu)

(3)彈簧筒夾式定心夾緊機構(gòu)。這種定心夾緊機構(gòu)常用于安裝軸套類工件。圖5-58(a)為用于裝夾工件以外圓柱面為定位基面的彈簧夾頭。旋轉(zhuǎn)螺母4時,錐套3內(nèi)錐面迫使彈性筒夾2上的簧瓣向心收縮,從而將工件定心夾緊。圖5-58(b)是用于工件以內(nèi)孔為定位基面的彈簧心軸。因工件的長徑比L/d＞1,故彈性筒夾2的兩端各有簧瓣。旋轉(zhuǎn)螺母4時,錐套3的外錐面向心軸5的外錐面靠攏,迫使彈性筒夾2的兩端簧瓣向外均勻擴張,從而將工件定心夾緊。反向轉(zhuǎn)動螺母,帶退錐套,便可卸下工件。圖5-58彈簧夾頭和彈簧芯軸

彈簧筒夾定心夾緊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡單、體積小、操作方便迅速,因而應(yīng)用十分廣泛。其定心精度可穩(wěn)定在￠0.04～￠0.1mm之間,高的可達￠0.01～￠0.02mm。為保證彈性筒夾正常工作,工件定位基面的尺寸公差應(yīng)控制在0.1～0.5mm范圍內(nèi),故一般適用于精加工或半精加工場合。5.4各類機床夾具設(shè)計

5.4.1車床夾具

1.車床夾具的主要類型車床主要用于加工零件的內(nèi)、外圓柱面、圓錐面、回轉(zhuǎn)成形面、螺紋以及端平面等。上述各種表面都是圍繞機床主軸的旋轉(zhuǎn)軸線而形成的,根據(jù)這一加工特點和夾具在機床上安裝的位置,將車床夾具分為兩種基本類型。

(1)安裝在車床主軸上的夾具。這類夾具中,除了各種卡盤、頂尖等通用夾具或其它機床附件外,往往根據(jù)加工的需要設(shè)計各種心軸或其它專用夾具,加工時夾具隨機床主軸一起旋轉(zhuǎn),切削刀具作進給運動。

(2)安裝在滑板或床身上的夾具。對于某些形狀不規(guī)則和尺寸較大的工件,常常把夾具安裝在車床滑板上,刀具則安裝在車床主軸上作旋轉(zhuǎn)運動,夾具作進給運動。加工回轉(zhuǎn)成形面的靠模屬于安裝在床身上的夾具。生產(chǎn)中需要設(shè)計且用得較多的是安裝在車床主軸上的各種專用夾具,故在此只討論該類夾具的結(jié)構(gòu)特點和設(shè)計要點。

2.車床專用夾具的典型結(jié)構(gòu)

下面介紹典型的角鐵式車床夾具。角鐵式車床夾具的結(jié)構(gòu)特點是具有類似角鐵的夾具體。它常用于加工殼體、支座、接頭等類零件上的圓柱面及端面。圖5-59所示為橫拉桿接頭工序圖。工件孔￠34+0.050mm、M36mm×1.5mm-6H及兩端面均已加工過。圖5-59橫拉桿接頭工序圖

圖5-60角鐵式車床夾具

3.車床夾具設(shè)計要點

(1)定位裝置。在車床上加工回轉(zhuǎn)表面時,要求工件加工面的軸線與車床主軸的旋轉(zhuǎn)軸線重合,夾具上定位裝置的結(jié)構(gòu)和布置,必須保證這一點。因此,對于軸套類和盤類工件,要求夾具定位元件工作表面的對稱中心線與夾具的回轉(zhuǎn)軸線重臺。

(2)夾緊裝置。由于車削時工件和夾具一起隨主軸作旋轉(zhuǎn)運動,故在加工過程中,工件除受切削扭矩的作用外,整個夾具還受到離心力的作用,轉(zhuǎn)速越高離心力越大,會影響夾緊機構(gòu)產(chǎn)生的夾緊效果,此外,工件定位基準的位置相對于切削力和重力的方向來說是變化的。因此,夾緊機構(gòu)所產(chǎn)生的夾緊力必須足夠,自鎖性能要好,以防止工件在加工過程中脫離定位元件的工作表面。對于角鐵式車床夾具,夾緊力的施力要注意防止引起夾具變形。

(3)車床夾具與機床主軸的聯(lián)接。車床夾具與機床主軸的聯(lián)接精度對夾具的回轉(zhuǎn)精度有決定性的影響。因此,要求夾具的回轉(zhuǎn)軸線與車床主軸軸線有盡可能高的同軸度。根據(jù)車床夾具徑向尺寸的大小,其在機床主軸上的安裝一般有兩種方式:①對于徑向尺寸D<140mm,或D<(2～3)d的小型夾具,其聯(lián)接結(jié)構(gòu)如圖5-61(a)所示,一般通過錐柄安裝在車床主軸錐孔中,并用螺栓桿拉緊。這種聯(lián)接方式定心精度較高。

圖5-61夾具與車床主軸的連接

②對于徑向尺寸較大的夾具,通過過渡盤與車床主軸前端聯(lián)接。過渡盤的結(jié)構(gòu)如圖5-61(b)、(c)所示。過渡盤的一面與機床主軸聯(lián)接,其配合表面形狀取決于主軸前端的結(jié)構(gòu)形式;過渡盤的另一面通常具有凸緣,它與夾具體上的定位止口配合,從而實現(xiàn)夾具在主軸上的定位。圖5-61(c)中過渡盤按主軸前端結(jié)構(gòu)以圓錐面定心,用活套在主軸上的螺母鎖緊,轉(zhuǎn)矩由平鍵傳遞。通過過渡盤在主軸上安裝夾具,如果供夾具安裝用的凸緣的結(jié)構(gòu)尺寸統(tǒng)一,可簡化夾具體的設(shè)計,且使專用夾具能在不同主軸結(jié)構(gòu)的車床上使用。若不用過渡盤,可將夾具直接安裝到機床主軸上,這時夾具體與主軸聯(lián)接的一面必須與主軸前端結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。

(4)對夾具總體結(jié)構(gòu)的要求。①車床夾具一般是在懸臂狀態(tài)下工作,為保證加工的穩(wěn)定性,夾具結(jié)構(gòu)應(yīng)力求緊湊、輕便,懸臂尺寸要短,使重心盡可能靠近主軸。夾具的懸伸長度L與其外輪廓直徑D之比,應(yīng)有一定比例關(guān)系:

D<150mm的夾具,L/D≤1.25;

150mm<D<300mm的夾具,L／D≤0.9;

D>300mm的夾具,L／D≤0.6。

②應(yīng)有平衡措施,以消除回轉(zhuǎn)不平衡所引起的振動現(xiàn)象。平衡措施有兩種,一種是在較輕的一側(cè)加平衡塊,一種是在較重的一側(cè)加工減重孔。平衡塊的位置最好可以調(diào)節(jié)。為使操作安全,夾具上盡可能避免有尖角或突出夾具體圓形輪廓之外的元件,必要時應(yīng)加防護罩。此外,夾緊裝置的自鎖性能應(yīng)可靠,以防止在回轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生松動,致使工件有飛出的危險。

5.4.2銑床夾具

1.銑床夾具的主要類型銑床夾具主要用于加工零件上的平面、溝槽、缺口、花鍵以及成形面等。按照銑削時的進給方式,通常將銑床夾具分為三類:直線進給式、圓周進給式以及靠模銑床夾具。在此主要介紹前兩類銑床夾具。

(1)直線進給式銑床夾具。這類夾具安裝在銑床工作臺上,隨工作臺一起作直線進給運動。按照在夾具上裝夾工件的數(shù)目,它可分為單件夾具和多件夾具。多件夾具廣泛用于成批生產(chǎn)或大量生產(chǎn)的中、小零件加工。可按先后加工,平行加工,或平行-先后加工等方式設(shè)計銑床夾具,以減少切削的基本時間或使切削的基本時間重合。

圖5-62所示軸端銑方頭夾具,采用平行對向式多位聯(lián)動夾緊結(jié)構(gòu),旋轉(zhuǎn)夾緊螺母6,通過球面墊圈及壓板7將工件壓在V形塊上。四把三面刃銑刀同時銑完兩側(cè)面后,取下楔塊5,將回轉(zhuǎn)座4轉(zhuǎn)過90°,再用楔塊5將回轉(zhuǎn)座定位并楔緊,即可銑工件的另兩個側(cè)面。該夾具在一次安裝中完成兩個工位的加工,在設(shè)計中采用了平行-先后加工方式,既節(jié)省切削基本時間,又使銑削兩排工件表面的基本時間重合。

圖5-62軸端銑方頭夾具

(2)圓周進給式銑床夾具。圓周進給式銑床夾具一般在有回轉(zhuǎn)工作臺的專用銑床上使用,在通用銑床上使用時,應(yīng)進行改裝,增加一個回轉(zhuǎn)工作臺。如圖5-63所示,銑削撥叉上、下兩端面。工件以圓孔、端面及側(cè)面在定位銷2和擋銷4上定位,由液壓缸6驅(qū)動拉桿1通過快換墊圈3將工件夾緊。夾具上可同時裝夾12個工件。

工作臺由電動機通過蝸桿蝸輪機構(gòu)帶動回轉(zhuǎn)。AB是工件的切削區(qū)域,CD是裝卸工件區(qū)域,可在不停車的情況下裝卸工件,使切削的基本時間和裝卸工件的輔助時間重合。因此,它生產(chǎn)效率高,適用于大批大量生產(chǎn)中的中、小件加工。

圖5-63圓周進給銑床夾具

2.專用銑床夾具的典型結(jié)構(gòu)分析圖5-64為車床尾座頂尖套筒銑鍵槽和油槽的工序圖。工件外圓及兩端面均已加工,本工序的加工要求是:①鍵槽寬12H11。鍵槽對工件軸線的對稱度公差為0.1mm,平行度公差為0.08mm?？刂奇I槽深度尺寸為64.8mm,軸向長度尺寸為282mm;②油槽半徑為3mm,其圓心在軸的圓柱面上。油槽長度為170mm;③鍵槽與油槽的對稱面應(yīng)在同一平面內(nèi)。

圖5-64頂尖套雙槽工序圖

本工序采用兩把銑刀同時進行加工,圖5-65為用于大批生產(chǎn)中的夾具。在工位Ⅰ上用三面刃盤銑刀銑鍵槽,工件以外圓和端面在V形塊8、10和止推銷13上定位,限制了工件的五個自由度。在工位Ⅱ上,用圓弧銑刀銑油槽,工件以外圓、已加工過的鍵槽和端面作為定位基準,在V形塊9、11,定位銷12和止推銷14上完全定位。由于鍵槽和油槽的長度不等,為了能同時加工完畢,可將兩個止推銷的位置前后錯開,并設(shè)計成可調(diào)支承,以便于調(diào)整。

夾具采用液壓驅(qū)動聯(lián)動夾緊,當壓力油從油路系統(tǒng)進入液壓缸5的上腔時,推動活塞下行,通過支釘4、浮動杠桿2、螺桿3帶動鉸鏈壓板7下行夾緊工件。為了使壓板均勻地夾緊工件,聯(lián)動夾緊機構(gòu)的各環(huán)節(jié)采用浮動連接。此外應(yīng)注意夾緊力的著力點。兩個工位的前后V形塊的軸線與兩定位鍵側(cè)面應(yīng)平行;對刀塊兩個工作面與工位Ⅰ前后V形塊的軸線間的位置尺寸經(jīng)計算確定為24.4mm和11mm。銑刀位置通過用5mm的塞尺對刀調(diào)整。

3.銑床夾具的設(shè)計要點

(1)銑床夾具的結(jié)構(gòu)特點。銑削加工時,切削力比較大,并且是不連續(xù)切削,易引起沖擊和振動,所以夾緊力要求較大,以保證工件夾緊可靠,因此銑床夾具要具有足夠的強度和剛度。在設(shè)計和布置定位元件時,應(yīng)盡量使主要支承面大些,導(dǎo)向定位元件的兩個支承之間要盡量遠些。設(shè)計夾緊裝置時,為防止工件在加工過程中因振動而松動,夾緊裝置要有足夠的夾緊力和自鎖性能。施力方向和作用點要恰當,并盡量靠近加工表面,必要時可采用輔助支承和輔助夾緊機構(gòu),以提高夾緊剛度。

圖5-65雙件銑雙槽夾具

(2)定位鍵的設(shè)計。銑床夾具上一般都有定位鍵安裝在夾具體底面的縱向槽中,一般使用兩個,其距離應(yīng)盡可能布置得遠些,小型夾具也可使用一個斷面為矩形的長鍵。通過定位鍵與銑床工作臺T形槽配合,其主要作用是使夾具上的定位元件的工作表面相對工作臺的進給方向具有正確的位置關(guān)系,同時還可以承受部分切削力矩。以減輕夾具體與銑床工作臺聯(lián)接用螺栓的負荷,增強夾具在加工過程中的穩(wěn)定性。

定位鍵有矩形和圓柱形兩種,如圖5-66所示。常用的矩形鍵有兩種結(jié)構(gòu)。一種在鍵側(cè)開有溝槽或臺階把槽分為上下兩部分,如圖5-66(a)、(b)所示,上部尺寸按H7/h6與夾具體上的鍵槽配合,下部寬度尺寸為b,和工作臺T形槽配合,常取H8/h8或H7/h6,即定位鍵的鍵寬b常按h8或h6制造。定位鍵與槽的配合間隙有時會影響工件的加工精度,因此為提高夾具的定向精度,定位鍵下部尺寸b可留有余量以便修配,或在安裝夾具時把它推向一邊,使定位鍵的-側(cè)和工作臺T型槽側(cè)面貼緊。另一種矩形定位鍵沒有開出溝槽或臺階,即上下兩部分尺寸相同適宜于夾具的定向精度要求不高時采用。由于夾具體上鍵槽的精度保證較困難,因此近年來出現(xiàn)了圓柱形定位鍵,如圖5-66(c)所示。使用這種定位鍵時,夾具體上的兩孔在坐標鏜床上加工,能得到很高的位置精度,簡化了夾具的制造過程。但圓柱形定位鍵較易磨損,生產(chǎn)中使用不多。

圖5-66定位鍵的結(jié)構(gòu)

(3)對刀裝置。在銑床夾具上一般都設(shè)計有對刀裝置,對刀裝置由對刀塊和塞尺組成。對刀塊用來確定夾具和刀具的相對位置,使用塞尺是為了防止對刀時碰傷刀刃和對刀塊工件表面,使用時,將其塞入刀具與對刀裝置之間,根據(jù)接觸的松緊程度,來確定刀具相對于夾具的最終位置。圖5-67為幾種常見的對刀裝置。圖5-67(a)所示結(jié)構(gòu)用于加工平面,圖5-67(b)所示結(jié)構(gòu)用于銑鍵槽,圖5-67(c)、(d)所示結(jié)構(gòu)用于成形銑刀加工成形面。

圖5-67對刀裝置

(4)夾具的總體設(shè)計及夾具體。銑床夾具的結(jié)構(gòu)形式在很大程度上取決于定位元件、夾緊裝置和其它元件的結(jié)構(gòu)和布置。為使夾具結(jié)構(gòu)緊湊,保證夾具在機床上安裝的穩(wěn)定性,夾具體應(yīng)有足夠的強度和剛度,且使工件的加工表面盡可能靠近工作臺面,以降低夾具的重心,夾具體的高寬比應(yīng)限制在H／B≤1～1.25范圍內(nèi),如圖5-68(a)所示。此外還應(yīng)合理地設(shè)置加強筋和耳座等。常見耳座結(jié)構(gòu)如圖5-68(b)、(c)所示,其結(jié)構(gòu)已標準化,設(shè)計時可查閱有關(guān)資料。如果夾具體較寬時,可在同一側(cè)設(shè)置兩個耳座,兩耳座的中心距要和銑床工作臺兩T型槽中心距一致。對于重型銑床夾具,應(yīng)在夾具體上設(shè)置吊環(huán)等,以方便搬運。

圖5-68夾具體和耳座簡圖

5.4.3鉆床夾具

1.鉆床夾具的主要類型在鉆床上進行孔的鉆、擴、鉸、锪、攻螺紋加工所用的夾具,稱為鉆床夾具。鉆床夾具用鉆套引導(dǎo)刀具進行加工,有利于保證被加工孔對其定位基準和各孔之間的尺寸精度和位置精度,并可顯著提高勞動生產(chǎn)率。鉆床夾具的種類繁多,一般分為固定式、回轉(zhuǎn)式、移動式、翻轉(zhuǎn)式、蓋板式和滑柱式等類型。

1)固定式鉆模在使用過程中,夾具和工件在機床上的位置固定不變。常用于在立式鉆床上加工較大的單孔或在搖臂鉆床上加工平行孔系。在立式鉆床上安裝鉆模時,一般先將裝在主軸上的定尺寸刀具(精度要求高時用心軸)伸入鉆套中,以確定鉆模的位置,然后將其緊固。這種加工方式的鉆孔精度較高。

2)回轉(zhuǎn)式鉆模在鉆削加工中,回轉(zhuǎn)式鉆模使用較多,它用于加工同一圓周上的平行孔系,或分布在圓周上的徑向孔。它包括立軸、臥軸和斜軸回轉(zhuǎn)三種基本型式。由于回轉(zhuǎn)臺已經(jīng)標準化,故回轉(zhuǎn)式夾具的設(shè)計,在一般情況下是設(shè)計專用的工作夾具和標準回轉(zhuǎn)臺聯(lián)合使用,必要時才設(shè)計專用的回轉(zhuǎn)式鉆模。圖5-69所示為立軸回轉(zhuǎn)式鉆模,用其加工工件上均布的軸向孔。

圖5-69專用回轉(zhuǎn)式鉆模

3)移動式鉆模這類鉆模用于在單軸立式鉆床上,先后鉆削工件同一表面上的多個孔。一般工件和加工孔徑都不大。圖5-70所示的移動式鉆模,用于加工連桿大、小頭上的孔。工件以端面及大、小頭圓弧面作為定位基面,在定位套12、13,固定V形塊2及活動V形塊7上定位。先通過手輪8推動活動V形塊7壓緊工件,然后轉(zhuǎn)動手輪8帶動螺釘11轉(zhuǎn)動,壓迫鋼球10,使兩片半月鍵9向外脹開而鎖緊。V形塊帶有斜面,使工件在夾緊分力作用下與定位套貼緊。通過移動鉆模,使鉆頭分別在兩個鉆套4、5中導(dǎo)入,從而加工工件上的兩個孔。

圖5-70移動式鉆模

4)翻轉(zhuǎn)式鉆模這類鉆模主要用于加工中、小型工件分布在不同表面上的孔,圖5-71所示為加工套筒上四個徑向孔的翻轉(zhuǎn)式鉆模。工件以內(nèi)孔及端面在臺肩銷1上定位,用快換墊圈2和螺母3夾緊。鉆完一組孔后,翻轉(zhuǎn)60°鉆另一組孔。該夾具的結(jié)構(gòu)比較簡單,但每次鉆孔都需找正鉆套相對鉆頭的位置,所以輔助時間較長,而且翻轉(zhuǎn)費力。因此,夾具連同工件的總重量不能太重,一般以不超過100kg為宜,其加工批量也不宜過大。

圖5-71

60°翻轉(zhuǎn)式鉆模

5)蓋板式鉆模這類鉆模沒有夾具體,鉆模板上除鉆套外,一般還裝有定位元件和夾緊裝置,只要將它覆蓋在工件上即可進行加工。圖5-72所示為加工車床溜板箱上多個小孔的蓋板式鉆模。在鉆模蓋板1上不僅裝有鉆套,還裝有定位用的圓柱銷2、削邊銷3和支承釘4。因鉆小孔,鉆削力矩小,故未設(shè)置夾緊裝置。

圖5-72蓋板式鉆模

6)滑柱式鉆?；姐@模是一種帶有升降鉆模板的通用可調(diào)夾具。它由夾具體、滑柱、升降鉆模板和鎖緊機構(gòu)等組成,其結(jié)構(gòu)已通用化和規(guī)格化。根據(jù)不同工件的形狀和加工要求,配置相應(yīng)的定位、夾緊元件和鉆套,便可組成一個滑柱式鉆模,因此可簡化設(shè)計工作。這種鉆模不必使用單獨的夾緊裝置,操作方便,夾緊迅速,在生產(chǎn)中使用較廣,但鉆孔的垂直度和孔距精度不高。圖5-73所示為應(yīng)用手動滑柱鉆模的實例?；@模用來鉆、擴、鉸撥叉上的￠20H7孔。工件以圓柱端面,底面及后側(cè)面放在圓錐套9、兩個可調(diào)支承2及圓柱擋銷3上定位。這些定位元件都裝置在底座1上。轉(zhuǎn)動手柄通過齒輪、齒條傳動機構(gòu),使滑柱帶動鉆模板下降,兩個壓柱4通過液性塑料對工件均勻夾緊。刀具依次由快換鉆套7引導(dǎo),進行鉆、擴、鉸加工。件號1～9所示零件是專門設(shè)計制造的,鉆模板也須作相應(yīng)的加工,其它件為滑柱鉆模的通用結(jié)構(gòu)。

圖5-73滑柱式鉆模

2.典型鉆床夾具的結(jié)構(gòu)分析圖5-74所示為杠桿臂工序圖?！?2+0.280mm孔及兩頭的上下端面均已加工。本工序在立式鉆床上加工￠10+0.100mm、￠13mm孔,兩孔軸線相互垂直,且與￠22+0.280mm孔軸線的距離分別為78±0.50mm及15±0.5mm。

圖5-74杠桿臂工序圖

圖5-75所示為鉆杠桿臂兩孔的翻轉(zhuǎn)式鉆模。工件以￠22+0.280mm孔及其端面、R12mm圓弧面作為定位基準,分別在臺肩定位銷7、可調(diào)支承11上定位,限制工件的全部自由度。鉆￠10+0.100mm孔處時工件呈懸臂狀,為增強工件的剛度,避免工件加工時的變形,該處采用了螺旋輔助支承2,當工件定位夾緊后,旋轉(zhuǎn)輔助支承2與工件接觸,用鎖緊螺母1鎖緊。該夾具采用快換墊圈和螺母夾緊工件,夾緊機構(gòu)較簡單且夾緊可靠。鉆完一個孔后,翻轉(zhuǎn)90°再鉆削另一個孔。此夾具適合中、小批生產(chǎn)。圖5-75鉆兩孔翻轉(zhuǎn)式鉆模

3.鉆床夾具的設(shè)計要點

1)鉆模的類型的選擇鉆模的類型很多,在設(shè)計鉆模時,首先需要根據(jù)工件的形狀、尺寸、重量和加工要求、并考慮生產(chǎn)批量和工廠的技術(shù)情況等具體條件來選擇鉆模的結(jié)構(gòu)類型。選擇時注意以下幾點:

(1)被鉆孔直徑大于10mm或加工精度要求高時,宜采用固定式鉆模。

(2)翻轉(zhuǎn)式和移動式鉆模適用于加工中、小型工件,包括工件在內(nèi)所產(chǎn)生的總重量不宜超過100kg。

(3)當加工分布不在同心圓周上的平行孔系時,如工件與夾具所產(chǎn)生的總重量超過150kg,宜采用固定鉆模在搖臂鉆床上加工。如生產(chǎn)批量大,則可在立式鉆床上采用多軸傳動頭加工。

(4)對于孔的垂直度和孔距要求不高的中、小型工件,有條件時宜優(yōu)先采用滑柱鉆模。如孔的垂直度公差小于0.1mm,孔距尺寸公差小于±0.15mm時,一般不宜采用這類鉆模。

(5)鉆模板和夾具體為焊接式的鉆模,因焊接應(yīng)力不能徹底消除,精度不能長期保持,故一般在工件孔距公差要求不高(大于±0.15mm)時才采用。

2)鉆套的選擇和設(shè)計鉆套是鉆模的特殊元件,其作用是確定被加工工件上孔的位置,引導(dǎo)鉆頭、擴孔鉆或鉸刀,并防