制造装备3.ppt
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1、第四章 机床夹具设计,机床夹具机械加工中,在机床上用来确定工件位置并将其压紧夹牢的工艺装备。 作用:机床和工件之间的连接装置,使工件相对于机床和刀具获得正确位置,保证零件的加工质量。 机床夹具性能的好坏直接影响工件加工表面的位置精度,夹具设计是机械制造装备,设计中的重要内容之一。 图4-1为一个连杆零件铣槽加工的工序图,要求加工该零件上8个槽口,如何按图纸要求设计出相应的铣床夹具所涉及的问题是本章要讨论的主要内容。,第一节 概述 4.1.1 机床夹具的分类 从不同角度对机床夹具进行分类,主要有以下几种方式: 1、按夹具的使用范围分类 (1)通用夹具 已经标准化的、可加工一定参数范围内不同工件的
2、夹具称为通用夹具。如车、磨床的三爪和四爪卡盘、顶针,铣、刨床的平口钳、分度头和回转工作台等。这些夹具已作为机床附件由专门工厂制造和供应,只需选购即可。 (2)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。 (3)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。特别适合单件小批量生产中位置精度要求较高的工件加工。 (4)可调夹具 夹具的某些元件可调或可以更换,以适应多,种工件加工的夹具。还可以分为通用可调夹具和成组夹具两类。通用可调夹具适用于同类产品不同品种的生产,略作更换或调整就可用来安装不同品种的工件。成组夹具
3、适用于组成尺寸相似、结构相似、工艺相似工件的安装和加工,在多品种、中小批量生产中应用广泛。 (5)随行夹具 多用于自动线和柔性制造系统,既要实现工件的定位和夹紧,又作为运载工具将工件在机床间进行输送,在输送到下一道工序的机床后,随行夹具应在机床上准确定位和可靠夹紧。 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、数控机床夹具、自动线随行夹具和其他机床夹具等。,3、按夹紧的动力源分类 按夹紧的动力源可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、电磁夹具和真空夹具等。 4.1.2 机床夹具的作用与组成 1、机床夹具的作用 (1)保证工件加工精度 工件相对于刀具及机床的位置精
4、度由夹具保证,不受操作人员影响,使工件加工精度保持一致。 (2)提高生产率 装夹工件方便、快捷,工件不需划线、找正,可以显著减少辅助工时;提高工件刚度,可用大切削用量;可使用多件、多工位装夹具和高效夹紧机构,进一步提高生产率。 (3)扩大机床使用范围 部分机床夹具实质上是对机床进行了部分改造,扩展了机床的功能。如在车床上安装镗模夹具,就可以进行箱体孔加工。,(4)减轻工人劳动强度,保证生产安全。 2、机床夹具的组成 (1)定位元件及定位装置 确定工件的正确位置。 (2)夹紧元件及夹紧装置 将工件固定在正确位置。 (3)对刀或导向装置 用于确定工件与刀具之间的相对位 置。铣床中常用对刀块确定工件
5、与刀具的相对位置。 (4)连接元件 用于确定夹具相对于机床的正确位置。 (5)夹具体 将各种元件、装置连成一体,并将整个夹具安 装在机床上的构件。 (6)其他装置或元件 根据加工需要设置的装置或元件。 需要说明的是,并不是每台夹具都具备以上各组成部分,但定位元件、夹紧元件和夹具体是机床夹具不可缺少的三部分内容。 4.2 工件的定位设计 4.2.1 工件定位,1、定位原理 六点定位原理:采用六个按一定规则布置的约束点,限制工件的全部六个自由度,使工件在夹具中的位置完全确定。 注意:每个点必须限制一个自由度,不能用一个以上的点来限制同一个自由度。图4-4是最基本的布置方式。,2、完全定位和不完全定
6、位 根据工件加工表面的位置要求,有时需要将工件的六个自由度全部限制,称为完全定位。有时则只需要限制一部分自由度,称为不完全定位。,3、欠定位与过定位 根据加工表面的位置尺寸要求,需要限制的自由度已被限制,这时的定位称为正常定位。 根据加工表面的位置尺寸要求,需要限制的自由度没有完 全被限制,或自由度被两个或以上的约束重复限制,这时的定位称为非正常定位。前者为欠定位,不能保证定位精度,是绝对不允许的。后者为过定位(重复定位),如图4-6所示的连杆定位即为一种过定位形式。,问题:当工件定位孔与端面垂直度误差较大,而且孔与长销的间隙又很小时,若长销的刚度大,则工件被压歪,连杆变形。如果长销的刚度不足
7、,则长销被夹歪。两种情况均会影响加工孔的精度,使孔轴线的平行度受到影响。将长销改为短销即可解除过定位。,另外,在某些场合下,也可以允许使用过定位。如可以采用精确平面代替三点定位,以提高工件的支承刚度,减小变形与振动,提高加工精度。 4.2.2 典型表面定位方式与定位元件 1、平面定位元件 利用工件的一个或几个平面作为定位基面对工件进行定位的方式称为平面定位,如机座、箱体、盘类零件多以平面作为定位基准。相应的定位元件主要包括:固定支承、可调支承、自位支承和辅助支承等定位元件。 1)固定支承 支承点的位置固定不变的定位元件,主要有支承钉和支承板两类。 常用支承钉的结构形式有平头、球头和网纹头几种。
8、平头支承钉可以减少磨损,避免压坏定位面,常用于精基准定位。,球头支承钉容易保证其与定位基准面之间的点接触,位置相对稳定,但易于磨损,多用于粗基准定位。网纹头支承钉能产生较大的摩擦力,但网纹中的切屑不易清除,常用于工件粗基准定位且要求较大摩擦力的侧向定位场合。,一个支承钉相当于一个支承点,限制一个自由度。同一平面内的两个支承钉限制两个自由度。不在同一条直线的三个支承钉限制三个自由度。 支承板常用于大、中型零件的精基准定位。平面型支承板结构简单,但沉头螺钉处切屑清理较困难,适用于侧面和顶面定位。带斜槽型支承板的斜槽中允许容纳少量切屑,适用于底面定位。当工件定位平面较大时,常用几块支承板组合成一个平
9、面。一个支承板相当于两个支承点,限制两个自由度,两个或以上支承板相当于一个平面,限制三个自由度。 2)可调支承 夹具体上支承点可调的定位元件,可调支承多用于支承工件的粗基准面,支承高度可以根据需要进行调整,调整到位后用螺母锁紧。 常用结构如图4-8所示。主要包括锥头可调支承、球头可,调支承、自位可调支承和侧向可调支承等,一个可调整支承限制一个自由度。,3)自位支承 支承点的位置在定位过程中,能随工件定位基准面位置的变化而自动调整。常用的结构形式如图4-9所示。 当工件的定位基准面不连续,或为台阶面,或基准面有角,度时,为避免过定位常使用自位支承。由于自位支承是浮动的,无论结构上是两点或三点支承
10、,实质上只起到一个支承点的作用,只限制一个自由度。使用自位支承的目的是增加与工件的接触点,减小工件的接触变形和接触力。 4)辅助支承,在夹具中,只起提高工件支承刚度或辅助定位作用的元件称为辅助支承。辅助支承在工件定位后才参与支承,只起到提高工件刚度、稳定性、承受切削力及辅助定位作用,不能限制工件自由度。图4-11为辅助支承结构形式及应用。,2、圆孔表面定位元件 在机械加工过程中,常以圆孔作为定位基准。工件以圆孔定位时主要的定位元件有定位销和定位心轴等。 1)定位销 常用的定位销分为固定式和可换式两种,在大批量生产中,由于定位销磨损较快,为保证加工精度,多采用可换式定位销。 图4-12所示为常用
11、的固定式圆柱定位销。主要用于零件上的小孔定位,直径一般小于50mm。,图4-12a所示定位销用于直径小于10mm的孔;图4-12b所示为带凸肩的定位销;图4-12c为直径大于18mm的定位销;图4-12d为带衬套的定位销,便于磨损后更换。有时为了避免过定位,可将圆柱销在,过定位方向上削扁成菱形销,如图4-13所示。为便于定位销顺利装入,头部应用15度的倒角。 当工件需要轴向定位时,可以采用图4-14所示的圆锥销。其中,图4-14a适用于粗基准;图4-14b适用于精基准,可以限制三个移动自由度。由于孔与锥销只能在圆周上线接触,工件容易倾倒,为避免此现象发生,常和其他元件组合定位。如图4-14c所
12、示,工件以底面安放在定位圆环的端面,上,圆锥销依靠弹簧力插入定位孔中,消除孔和圆锥销之间的间隙。 2)定位心轴 定位心轴广泛应用于车床、磨床和齿轮机床等,根据工件形状和用途的不同,定位心轴的结构形式很多,常用的结构主要以下几种:,(1)小锥度心轴 为了消除工件与心轴的配合间隙,提高定位精度,在夹具设计中可以选用图4-15所示的小锥度心轴。定心精度高,但轴向位移大,传递扭矩小,常用于精加工。,(2)刚性心轴 在成批生产时,为克服锥度心轴轴向定位不准的缺点,可以采用刚性心轴,其结构如图4-16所示。图4-16a为间隙配合,采用基孔制H、G、F,定心精度不高,但拆卸方便。图4-,16b和c所示为过盈
13、配合,配合采用基孔制R、S、U,具有高的定位精度。 除以上心轴外,还有弹性心轴、液压心轴等,在完成定位的同时也完成工件的夹紧,使用方便,但结构一般较为复杂。 3. 外圆表面定位元件 以外圆表面定位是轴套类工件加工中的常用定位形式,常用的定位元件有V型块和定位套等。 1)V型块 V型块具有安装方便、对中性好,可使工件的定位基准线对中于V型块斜平面。 V型块两斜面之间的夹角有60、90和120等形式,其中90夹角的V型块使用最为广泛,其结构和尺寸均已标准化。在夹具设计过程中,如需要根据工件定位自行设计V型块,,可参照图4-17中相关尺寸进行设计。,V型块的主要尺寸参数为:D标准心轴直径(工件定位用
14、外圆名义直径)尺寸,H高度尺寸,N开口尺寸,T标准定位高度尺寸(V型块加工时的检验尺寸)。 在自行设计V型块时,D为已知量,H、N须先行确定,然后由图示关系求T。,除固定式定位V型块外,还有用于同时进行定位和夹紧作用的活动V型块。活动V型块如图4-18所示,其中图4-18a所示为一种加工轴承座孔时的定位方式,V型块除限制工件的自由度外,还具有夹紧功能。而图4-18b中的活动V型块只起到定位作用,限制工件的一个自由度。,2)定位套 常用定位套如图4-19所示。图4-19A为短定位套,限制被定位工件的两个自由度。图4-19B为长定位套,限制被定位工件的四个自由度。图4-19C为锥面定位套,限制工件
15、的三个自由度。,当工件尺寸较大时,可用半圆孔定位。如图4-20所示,定位套切成上、下两部分,下半部固定在夹具体上,上半部装在铰链盖板上,前者起定位作用,后者起夹紧作用。半圆,孔定位时,接触面积增大,可以避免破坏工件表面。另外,工件基准外圆直径的精度不应低于IT8-IT9级,否则与定位半圆接触不良,导致只有一条母线接触。 4、组合表面定位元素 生产实际中,经常遇到的不是单一定位表面,可能是几个定位表面的组合,称为组合定位表面。常见的组合形式有:平面与平面组合、平面与圆孔组合、平面与外圆面组合、平面与其他表面组合以及锥面与锥面组合等。,4.3 工件夹紧及夹紧设计 机械加工中,工件定位与夹紧是联系紧
16、密的两个工作过程。工件定位后,要用相应的装置压紧夹牢在定位元件上,以避免加工过程中,工件发生偏移、振动等现象,保证加工精度。将工件压紧、夹牢在定位元件的装置称为夹紧装置。 4.3.1 夹紧装置的基本要求 夹紧装置对工件的加工质量、生产率、生产成本和工作强度均有较大影响,设计夹紧装置时应满足以下基本要求: (1)夹紧过程中,保证定位准确可靠,不能破坏原有的定位。 (2)夹紧力要适当,既要保证加工过程中工件位置稳定,也要保证工件不产生过大的变形。 (3)自动化程度、复杂度与生产类型相适应,保证效率的前提下力求简单,工艺性好,便于维修。 (4)有良好的自锁性,可以保证动力源波动或消失后,保持夹,紧状
17、态。 (5)操作方便、安全、省力、迅速和符合操作习惯。 4.3.2 夹紧力的确定 夹紧力确定是指确定夹紧力的作用点、作用方向和大小。要综合考虑定位装置的结构与布置方式,工件结构特点、加工要求、切削力及其他作用力的影响。 1、夹紧力方向的确定 主要从以下三方面入手: (1)夹紧力的方向应有助于定位稳定,且主要夹紧力应垂直于主要定位基础。例如,图4-30所示为对直角支承座零件进行镗孔加工,孔与端面A垂直。因此,A面为主要定位基准,夹紧力应垂直压向A面。 (2)夹紧力方向应与工件刚度高的方向一致,以减少工件的变形。例如,图4-31为薄壁套的夹紧方式,如采用三爪卡盘夹紧,,易引起工件的夹紧变形,加工后
18、内孔存在三棱圆形圆度误差。采用端面夹紧后,可以避免圆度误差。 (3)夹紧力方向尽可能与切削力、重力方向一致,有利于减少夹紧力的大小。,2、夹紧力作用点的确定 要遵循以下基本原则: (1)夹紧力作用点应正对定位元件或位于定位元件所形成的支承面内。图4-33为两种不合理的作用点布置情形。,(2)夹紧力作用点应位于工件刚度较高的部位,减少工件的弹性变形量。,(3)夹紧力作用点应尽量靠近加工表面,使夹紧稳固可靠。图4-35给出了不合理及合理夹持示例,该示例的加工面为齿轮的轮齿部分。,3、夹紧力大小的估算 确定夹紧方向和作用点后,还要合理确定夹紧力的大小。夹紧力不能过小,否则在加工过程中会导致工件移动,
19、也不宜过大,使工件产生变形。 一般要求夹紧力应与工件受到的切削力、重力、惯性力等综合作用相平衡,但在计算上较为复杂。为简化计算过程,一般假设切削系统为刚性的,切削过程是稳态的条件下,找出加工过程中最不利的瞬态,按静力学原理求出夹紧力的大小。同时,为了保证加紧可靠,还需要乘以一个安全系数,得到实际的夹紧力,计算公式为 F2=KF1,4、夹紧力计算示例:计算图4-36所示安装与加工条件下,平面铣削加工所需的夹紧力。 思路: (1)假设切削系统是刚性的,切削过程稳定的。 (2)确定工件夹紧最不利的瞬时状态。 如图4-36所示,铣削力FA将使工件绕O转动,转动力矩为FAL。此力矩的大小随铣刀的切削位置
20、的变化而改变,图示瞬间位置即为对工件夹紧最不利的状态。可据此进行夹紧力的计算。 (3)按力平衡原理计算夹紧力的量值。,4.3.3 常用夹紧机构 夹紧机构的种类较多,但它们的结构多以斜楔夹紧机构、螺旋夹紧机构和偏心夹紧机构为基础,这三种夹紧机构合称为基本夹紧机构。 1、斜楔夹紧机构 斜楔夹紧机构利用斜面直接或间接压紧工件的机构。图4-37所示为几种典型的应用实例。,2、螺旋夹紧机构 由螺钉、螺母、垫圈、压板等元件组成的夹紧机构称为螺旋夹紧机构。特点:结构简单、易于制造、螺旋升角小自锁性好,夹紧力与夹紧行程较大,在手动夹具中应用较多。 图4-39A为一个最简单的螺旋夹紧机构,螺钉头直接压紧工作表面
21、。这种结构容易压坏工件表面,拧动螺钉时易使工件转动,破坏工件定位,应用较少。图4-39B中螺钉通过活动压板与工件表面接触,不会带动工件转动。用压块压紧工件,承压面积大,不会压坏工件。采用衬套可以提高夹紧机构的使用寿命,螺纹磨损后可通过更换恢复功能。,图4-40为螺旋压板组合夹紧机构。图4-40A中,拧动螺母1通过压板4压紧工件表面。采用螺旋压板组合夹紧时,由于被夹紧表面的高度尺寸有误差,压板位置不可能一直保持水平。在螺母和压板之间设置球面垫圈2和锥面垫圈3,可防止在压板倾斜时,螺栓不致因受弯矩作用而损坏。图4-40B为螺旋压板夹紧机构通过锥面垫圈将夹紧力均匀地作用在薄壁工件上,可以减少弹性变形
22、。,3、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,偏心夹紧机构是斜楔夹紧机构的一种变异型。常用的偏心件是偏心轮和偏心轴,图4-41所示为几种常见的偏心夹紧机构。,偏心夹紧机构操作方便、夹紧迅速,但夹紧力和夹紧行程较小,一般用于切削力不大、振动小的场合。铣削加工属于断续切削,振动大,铣床夹具不能采用偏心夹具。,前述三种基本夹紧机构都利用斜面和自锁原理增大夹紧力,但扩力比不同,最大的是螺旋夹紧,扩力比可达168-176.而通常结构尺寸的偏心夹紧扩力比为12-15。在使用性能方面,螺旋夹紧的工作行程不受限制,夹紧可靠,但夹紧费时。而偏心圆夹紧迅速,但工作行程小,自锁性较差。这两
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