机械制造技术基础(第4章)2015.ppt
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1、科学出版社 高等教育出版中心,2019/5/22,科学出版社 高等教育出版中心,2,第4章 机床夹具设计原理,2019/5/22,科学出版社 高等教育出版中心,3,4.1 机床夹具概述,4.1.1机床夹具及其分类 在机床上用来确定工件位置并将其夹紧的工艺装备称为机床夹具(简称夹具)。研究机床夹具分类的目的是为了更好地了解各类夹具的不同特点和应用范围,进而掌握各类夹具设计中的普遍性原理和特殊性问题。机床夹具一般按专门化程度、使用的机床和夹紧动力源进行分类。 1. 按专门化程度分类(5类) (1)通用夹具。指具有较高通用性的夹具,其结构尺寸已经系列化。这类夹具一般由专门厂家生产制造,有些已经作为机
2、床附件随机床一起供应。如:三爪卡盘、四爪卡盘、虎钳等。通用夹具均具有适应性强、成本低、可缩短生产准备周期的优点;但其效率较低、定位精度较差也是不容忽视的。因此,通用夹具多用于加工精度要求不高、中、小批和单件生产的场合。 (2)专用夹具。针对某一工件的某一工序的加工精度要求而专门设计、制造的夹具称为专用夹具。由于具有非常高的针对性,所以其效率很高,结构紧凑,定位精度较高;但制造周期较长,成本较高,不具有通用性。专用夹具多用于生产批量较大场合;小批量生产中,当工件加工精度较高或加工困难时也采用专用夹具。,4.1 机床夹具概述,(3)可调夹具。通过更换和调整夹具上的个别元件,就可满足相同或相似类型、
3、但具有不同结构尺寸工件装夹需要的一类夹具称为可调夹具。可调夹具又分为通用可调夹具和成组夹具两种。通用可调夹具是指具有一定通用性的可调夹具,如:滑柱钻模;成组夹具是专门应用于成组工艺的夹具,要求夹具在同组工件装夹中能够可调。 (4)组合夹具。由预先制造好的标准元件、合件组装而成的夹具,组成夹具的元件、合件可多次拆装,重复利用。组合夹具的特点就是夹具组装极快;可减少夹具品种,降低夹具的保管、维护费用;可降低工件的加工成本。因此,组合夹具非常适合于新产品的开发试制和单件、小批生产类型。 (5)随行夹具。随行夹具是指在自动线加工中,可随同工件按加工工艺需要一起移动的夹具。随行夹具必须要与固定安装在各加
4、工工位的工位夹具配套使用。随行夹具不同于一般夹具的地方就是具有两套定位基准,一套用于对工件进行定位,另一套用于在工位夹具上对其本身定位。加工时,先将工件装夹在随行夹具上,然后随行夹具带着工件沿自动线依次完成在各工位的装夹和加工。随行夹具适用于被加工工件无可靠定位基准或无可靠输送基面的情况。,4.1 机床夹具概述,2.按使用的机床分类 根据所使用的机床,夹具可分为车床夹具,铣床夹具,钻床夹具,镗床夹具,拉床夹具、齿轮加工机床夹具等。 3.按夹紧动力源分类 根据夹具所使用的夹紧动力源,夹具可分为手动夹具,电动夹具,气动夹具,液压夹具,电磁夹具,真空夹具等。 4.1.2机床夹具的功用 (1)可以稳定
5、保证工件的加工精度。采用夹具装夹工件,工件相对于刀具及机床的位置精度由夹具保证,不受工人技术水平的影响,使一批工件的加工精度趋于一致。,4.1 机床夹具概述,(2)可以减少辅助时间,提高劳动生产率。采用夹具后,可以省去对工件的逐个找正和对刀,使辅助时间显著减少;另外,用夹具装夹工件,比较容易实现多件、多工位加工,以及使机动时间与辅助时间重合等;当采用机械化、自动化程度较高的夹具时,可进一步减少辅助时间,从而可以大大提高劳动生产率。 (3)可以扩大机床的使用范围,实现一机多能。在机床上配备专用夹具,可以使机床使用范围扩大例如在车床床鞍上或在摇臂钻床工作台上安放镗模后,可以进行箱体孔系的镗削加工,
6、使车床、钻床具有镗床的功能。 (4)可以改善工人的劳动条件,降低劳动强度。,4.1 机床夹具概述,尽管夹具的种类繁多,夹具结构形式各异,但夹具一般由下列几部分组成: (1)定位元件。定位元件指与工件定位表面相接触或配合,用以确定工件在夹具中准确位置的元件。如图5-1中的定位心轴1。 (2)夹紧装置。夹紧装置用以夹紧工件,防止加工中其它作用力对工件已定好位的破坏。如图5-1中的螺母11和开口垫圈10。 (3)对刀、引导元件。对刀、引导元件用来保证刀具相对于夹具或工件之间准确位置的元件。如图5-1中的钻套9。此外,铣床夹具中的对刀块和镗床夹具中的镗套也属此类元件。 (4)连接元件。连接元件用以确定
7、夹具相对于机床之间准确位置,并将夹具紧固在机床上的元件。如夹具与机床工作台之间连接用T型槽螺栓。,4.1 机床夹具概述,(5)其它元件和装置。为了满足工件装卸和加工中其它需要所设置的元件及装置。如:为提高工件局部刚度的辅助支承;装卸工件用的上下料装置、顶出器;为实现多分布面加工用的分度装置;为了让刀的抬起装置等。如图5-1中的对定销5及相关元件。 (6)夹具体。夹具体是用来连接夹具其它各部分使之成为一个有机整体的基础件。一般情况下,夹具体是夹具中最大的一个元件。如图5-1中的件4。 在夹具中,定位元件和夹紧机构是必有的,其它各组成部分并不是每一夹具所必须的。,4.1 机床夹具概述,4.1.3机
8、床夹具的组成(举例) 要求:欲在一批量生产的盘状零件上钻-铰3-6H9均布孔,该孔距右端面为360.1mm,且与大孔40中心线的垂直度为0.1 mm、位置度为0.2 mm。 现采用图4-1所示的钻床夹具来加工。工件2以内孔40和右端面在心轴1及其台肩面上定位;采用螺母11和开口垫圈10可实现对工件的快速夹紧和装卸;通过对定销5实现工件回转分度,以加工3-6H9孔,回转分度完成后,可以通过手柄螺母7对定位心轴1实现锁紧固定;钻套9用来引导钻头,以保证加工孔的位置尺寸要求。 由此可见,被加工孔的尺寸精度(6H9)直接由定尺寸刀具(钻头、铰刀)保证,孔的位置尺寸360.1mm以及其他要求均由钻套相对
9、于有关定位元件的位置精度来保证,而3-6H9孔的相互位置则由夹具上设置的分度装置保证。,4.1 机床夹具概述,图4-1 钻36H9孔的钻床夹具,1定位心轴;2工件; 3对定套; 4夹具体; 5对定销; 6把手; 7手柄螺母; 8衬套; 9钻套; 10开口垫圈; 11螺母,2019/5/22,科学出版社 高等教育出版中心,11,4.2 工件在夹具中的定位 工序加工时,必须先要保证工件相对于机床或夹具的正确几何位置关系,这一操作过程称为“定位”。定位的目的是为了保证工序的加工精度(位置尺寸精度和位置精度)要求。 4.2.1工件定位原理 1. 六点定位原理 工件在夹具中定位的实质就是解决工件相对于夹
10、具应占有的准确几何位置问题。在定位前,工件相对于夹具的位置是不确定的,正如自由刚体在空间直角坐标系中一样。 而一个自由刚体在空间直角坐标系中有六个独立活动的可能性。其中有三个是沿坐标轴方向的移动,另外三个是绕坐标轴的转动(正反方向的活动均认为是一个活动),这种独立活动的可能性称为自由度,活动可能性的个数就是自由度的数目。,4.2 工件在夹具中的定位,4.2 工件在夹具中的定位,工件可以看作是一个自由刚体,它在空间直角坐标系中有六个自由度,其中有三个是沿坐标轴x、y、z方向的移动自由度,分别用 表示;另外三个是绕坐标轴x、y、z的转动自由度,分别用 表示,这就是工件在空间的六个自由度。如图5-2
11、所示。,图4-2自由刚体在空间的六个自由度 图4-3 工件的六点定位,4.2 工件在夹具中的定位,要使工件在某方向具有确定的位置,就必须在该方向上对工件施加约束。当工件的六个自由度均被限制后,工件在空间的位置就唯一地被确定下来。而每个自由度可以用相应的支承点来加以限制。对于图5-2所示的工件,如果按图5-3所示那样布置六个支承点,工件的三个面分别与这些点保持接触,工件的六个自由度就都被限制了。这些用来限制工件自由度的支承点,称为定位支承点。 用合理分布的六个定位支承点限制工件的六个自由度,使工件在空间得到唯一确定的位置的方法,称为工件的六点定位原理。 2. 加工要求决定必须限制的自由度 工件在
12、夹具中定位的目的是为了保证工件的工序加工精度要求,所以影响工件工序加工精度的自由度必须加以限制。但有些不影响工序加工精度要求的自由度在夹具设计时也需要加以限制。 因此,需要限制的自由度有两类:第一类自由度是指影响工件的工序加工精度要求必须要限制的自由度;第二类自由度是指为了抵消切削力、夹紧力等其它方面要求而需要限制的自由度。,4.2 工件在夹具中的定位,在分析限制工件第一类自由度时,工件的工序尺寸和位置精度往往几项并存,应逐一分析每项加工要求所需限制的第一类自由度,然后加以综合,剔除重复限制的自由度,从而确定必须限制的第一类自由度数目。如果已分析限制的第一类自由度数目达到六个,就不需再分析第二
13、类自由度的限制;如果第一类自由度数目少于六个,就要根据具体加工情况考虑是否需要限制第二类自由度。事实上,工件的六个自由度不一定都要加以限制,那些对工件加工精度要求及其它要求不产生影响的自由度可以不限制。 3. 工件在夹具中的几种定位方式 根据夹具定位元件限制工件自由度的情况,将工件在夹具中的定位分为下列几种定位方式: (1)完全定位。工件的六个自由度均被夹具定位元件所限制,使工件在夹具中处于完全确定的位置。这种定位方式显然是合理的。图4-4所示为几种不同工件的完全定位。,4.2 工件在夹具中的定位,(a) 板类零件的完全定位,(b) 轴类零件的完全定位,(c) 杆类零件的完全定位,图4-4 完
14、全定位示例,4.2 工件在夹具中的定位,(2)不完全定位。根据工件加工精度要求不需限制的自由度没有被夹具定位元件限制或没有被全部限制的定位。这种定位虽然没有完全限制工件的六个自由度,但保证加工精度的自由度已全部限制,因此也是合理的定位,在实际夹具定位中普遍存在。如图4-5所示为几种不完全定位方式。,(a) 限制五个自由度 (b) 限制五个自由度 (c) 限制四个自由度 图4-5 不完全定位示例,4.2 工件在夹具中的定位,(3)欠定位。根据工件加工精度要求需要限制的自由度而未加限制的定位。这种定位显然不能保证工件的加工精度要求,在工件加工中是绝对不允许的。如图4-4中沿Y轴移动的自由度不限制的
15、话,则出现欠定位,就无法保证尺寸L的要求。 (4)过定位。工件的同一自由度被两个或两个以上的定位支承点重复限制的定位方式,称为过定位。过定位可能导致定位干涉或工件装不上定位元件,进而导致工件或定位元件产生变形、定位误差增大,因此在定位设计中应该尽量避免过定位。但另一方面,过定位可以提高工件的局部刚度和工件定位的稳定性,所以当加工刚性差的工件时,过定位又是非常必要的,在精密加工和装配中也时有应用。 图4-6(a)为一工件以一面两孔在两个圆柱销上的定位情况。由于两个短圆柱销均限制了 自由度,产生了过定位。其后果会造成部分工件无法同时装入两定位销内。图4-6(b)所示的定位方案解决了过定位问题。,4
16、.2 工件在夹具中的定位,图4-6(c)为孔与端面组合定位的情况。由于长销可限制工件 四个自由度,大端面限制工件 三个自由度,其中 两个自由度被重复限制,因此该定位是过定位。如果工件孔与其端面间、长销与其台肩面间存在垂直度误差,则在轴向夹紧力作用下,将导致定位销和工件产生变形。此时,可采用图d、e、f中的一种定位方案。,图4-6 工件过定位情况及改善措施,4.2 工件在夹具中的定位,4.常见定位元件 (1)工件以平面定位:以平面作定位基准所用定位元件主要包括固定支承(支承钉、支承板)、可调支承和自位支承,另外还有辅助支承。 图4-7 常用支撑钉结构形式 (a)用于支撑精基准面;(b)用于支撑粗
17、基准面; (c)用在工件以粗基准定位且要求较大摩擦力的侧面定位。 图4-8 常用支撑板结构形式,2019/5/22,科学出版社 高等教育出版中心,19,(a)多用于侧面和顶面定位;(b)适用于做底面定位。 图4-9 可调支撑结构形式 图4-10 自位支撑结构形式 在同一批工件加工中位置保持不变, 自动调整位置,提高工件定位 等同于固定支撑 刚度和稳定性 (2)工件以圆孔定位:工件以圆孔定位所用定位元件有定位销、定位心轴等。 (3)工件以外圆柱面定位:常用的定位元件有V形块、定位套、半圆定位座等。 实际应用中,工件定位方式常为组合表面定位(实际生产中为满足加工要求,有时采用几个定位面相结合的方式
18、进行定位,称之为组合表面定位)。常见的组合形式有:两顶尖孔、一端面一孔、一端面一外圆、一面两孔等,与之相对应的定位元件也是组合式的。例如,长轴类零件采用双顶尖组合定位;箱体类零件采用一面双销组合定位,2019/5/22,科学出版社 高等教育出版中心,20,4.2 工件在夹具中的定位,设计定位元件时,应满足以下基本要求,具有较高的制造精度,以保证工件定位准确,耐磨性好,以延长定位元件的更换周期,提高夹具的使用寿命;应有足够的强度和刚度,以保证在夹紧力、切削力等外力作用下,不产生较大变形而影响加工精度;工艺性好,定位元件的结构应力求简单、合理、便于加工、装配和更换。 定位元件的设计主要取决于工件的
19、加工要求和工件定位基准的形状、尺寸、精度等因素,故定位设计时要注意分析定位基准的形态。定位元件的工作表面的结构形状,必须与工件的定位基准面形状特点相适应,常用定位元件的结构和尺寸已经制定了国家标准,对其规格、尺寸和技术要求等都作了具体规定,设计者可参照这些标准进行设计。,2019/5/22,科学出版社 高等教育出版中心,21,4.2 工件在夹具中的定位,2019/5/22,科学出版社 高等教育出版中心,22,4.2 工件在夹具中的定位,2019/5/22,科学出版社 高等教育出版中心,23,4.2 工件在夹具中的定位,2019/5/22,科学出版社 高等教育出版中心,24,4.2 工件在夹具中
20、的定位,2019/5/22,科学出版社 高等教育出版中心,25,4.2 工件在夹具中的定位,2019/5/22,科学出版社 高等教育出版中心,26,4.2 工件在夹具中的定位,4.2.2定位误差的分析与计算 工件在夹具中定位的任务是使同一工序中的一批工件都能在夹具中占据正确的位置。用来确定加工对象上几何要素之间的几何关系所依据的那些点、线或面称为基准。从设计和工艺两方面看,基准可分为设计基准和工艺基准两大类。 零件在加工和装配过程中所采用的基准称为工艺基准。工艺基准又进一步可分为: 工序基准 在工序图上用来确定本道工序所加工的表面加工后的尺寸、形状、位置的基准,称为工序基准。 定位基准 在加工
21、时用于工件定位的基准,称为定位基准。定位基准还可以进一步分为:粗基准、精基准及辅助基准。使用未经机械加工的表面作定位基准,称为粗基准;使用已经过机械加工的表面作定位基准,称为精基准;而零件上仅仅是根据机械加工工艺需要专门设计的定位基准,称为辅助基准。,4.2 工件在夹具中的定位,测量基准 装配基准 作为基准的点、线、面有时在工件上并不一定实际存在(如孔和轴的轴心线,两平面之间的对称中心面等),而常常是由某些具体表面来体现的,这些表面称为定位基面。,2019/5/22,科学出版社 高等教育出版中心,28,4.2 工件在夹具中的定位,用定位元件可以解决工件相对于夹具的定位问题。但对大批工件定位而言
22、,即使单一定位副,由于不同工件的定位面尺寸存在差异,而且定位元件因磨损需要更换,不同的定位元件同样存在尺寸差异,因此用定位元件对一批工件定位时,不同的工件相对于夹具所占有的空间几何位置是不一样的。这种位置的变化就导致了调整法加工时工件工序尺寸和位置精度的变化。定位误差是指一批工件在夹具中定位时,工件的工序基准在工序尺寸方向或加工要求方向上的最大变化量。定位误差如何产生、如何计算、如何用定位误差评定定位方案的合理性是本节要重点解决的问题。 1. 定位误差产生的原因 工件在夹具中定位时会产生定位误差,为了有效地控制和最大限度地减小定位误差对加工精度的影响,必须要彻底搞清楚定位误差产生的原因。关于产
23、生定位误差的原因有两种,详述如下:,2019/5/22,科学出版社 高等教育出版中心,29,4.2 工件在夹具中的定位,(1) 基准不重合误差B 在调整法加工一批工件中,由于工序基准与调刀基准不重合,而导致工序基准有可能产生的最大位置变化量称作基准不重合误差,用符号“B”表示。 如图4-7所示。刀具以支承钉3的支承面,即定位基准E面作调刀基准,一次调整好刀具位置,保证调刀尺寸T不变。而工序尺寸A的工序基准为D面。显然工序基准与调刀基准(定位基准)不重合,它们之间的尺寸为Cc。由于尺寸Cc是在本工序之前已加工好,因此在本工序定位中,对一批工件而言,其工序基准D相对于调刀基准(定位基准E)有可能产
24、生的最大位置变化量就是2c。因为工序基准的变化方向与工序尺寸A同向,所以这一位置变化会导致工序尺寸A产生2c的加工误差。这一加工误差就是由于基准不重合误差B导致产生的定位误差dw。即: dwB2c,4.2 工件在夹具中的定位,图4-7 基准不重合误差产生的原因,由此可见,基准不重合误差的大小就等于工件上从工序基准到定位基准之间的距离公差。显然,基准不重合误差是由于工序基准选择不当引起的,可以通过不同的工序尺寸标注加以消除。,4.2 工件在夹具中的定位,(2) 基准位移误差Y 调整法加工一批工件中,由于定位副制造误差和两者的最小配合间隙的影响,使工件定位基准在工序尺寸方向上相对于调刀基准产生的最
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