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简介
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第3章 数控机床夹具
3.1 机床夹具概述
3.1.1 概述
3.1.2 基准及其分类
3.1.3 机床夹具的组成和作用
3.2 工件的定位和夹紧
3.2.1 工件定位的基本原理
3.2.2 定位方法及定位元件
3.2.3 组合表面定位
3.2.4 夹紧装置的组成及基本要求
3.2.5 夹紧力三要素确定
3.2.6 典型夹紧机构
3.3 数控加工常用夹具
3.3.1 数控加工夹具简介
3.3.2 组合夹具
3.3.3 拼装夹具
3.1 机床夹具概述
3.1.1 概述
概念：
在机械加工过程中，为了保证加工精度，固定工件，使之占有确定位置以接受加工或检测的工艺装备统称为机床夹具，简称夹具。
1．工件的安装
工件的安装包含的内容 ：
(1) 定位
(2) 夹紧
2．工件的安装方法
工件常用的安装方法 ：
(1) 直接找正安装
概念：用划针、百分表等工具直接找正工件位置并加以夹紧的方法称直接找正安装法。
特点：生产率低，精度取决于工人的技术水平和测量工具的精度
(2) 划线找正安装
概念：先用划针画出要加工表面的位置，再按划线用划针找正工件在机床上的位置并加以夹紧。
特点：费时，又需要技术高的划线工
(3) 用夹具安装
概念：
将工件直接安装在夹具的定位元件上的方法
特点：
①工件在夹具中的正确定位，是通过工件上的定位基准面与夹具上的定位元件相接触而实现的。因此，不再需要找正便可将工件夹紧。
②由于夹具预先在机床上已调整好位置，因此，工件通过夹具相对于机床也就占有了正确的位置
③通过夹具上的对刀装置，保证了工件加工表面相对于刀具的正确位置。
3.1.2 基准及其分类
概念：
基准是零件上用来确定其它点、线、面位置所依据的那些点、线、面。
基准分类：
设计基准和工艺基准
1．设计基准 （图a、b）
设计基准是在零件图上所采用的基准。它是标注设计尺寸的起点。
2．工艺基准 （图b）
概念：
工艺基准是在工艺过程中所使用的基准。
分类：
定位基准、工序基准、测量基准和装配基准。
(1) 定位基准 （图a、b）
概念：在加工中用作定位的基准，称为定位基准。它是工件上与夹具定位元件直接接触的点、线或面。
分类：粗基准和精基准
(2) 工序基准 （图a）
概念：在工序图上，用来标定本工序被加工面尺寸和位置所采用的基准，称为工序基准。
注意：序基准应当尽量与设计基准相重合
(3) 测量基准 （图b）
概念：件测量时所采用的基准，称为测量基准
(4) 装配基准 （图b）
概念：装配时用以确定零件在机器中位置的基准，称为装配基准。
3.1.3 机床夹具的组成和作用
1．机床夹具在机械加工中的作用
(1) 保证加工精度
(2) 提高生产率、降低成本
(3) 扩大机床的工艺范围
(4) 减轻工人的劳动强度
2． 夹具的组成
(1) 定位元件 (图)
定位元件保证工件在夹具中处于正确的位置。
(2) 夹紧装置 (图)
夹紧装置的作用是将工件压紧夹牢，保证工件在加工过程中受到外力(切削力等)作用时不离开已经占据的正确位置。
(3) 对刀或导向装置
对刀或导向装置用于确定刀具相对于定位元件的正确位置。
(4) 连接元件
连接元件是确定夹具在机床上正确位置的元件。
(5) 夹具体
夹具体是机床夹具的基础件，
(6) 其它装置或元件
它们是指夹具中因特殊需要而设置的装置或元件。
若需加工按一定规律分布的多个表面时，常设置分度装置；为了能方便、准确地定位，常设置预定位装置；对于大型夹具，常设置吊装元件等。
3.2 工件的定位和夹紧
3.2.1 工件定位的基本原理
1．六点定位原理
①、概念：
用合理分布的六个支承点限制工件六个自由度的法则，称为六点定位原理。
②、“六点定位原理” 应注意：
(1) 定位支承点限制工件自由度的作用，应理解为定位支承点与工件定位基准面始终保持紧贴接触。
(2) 一个定位支承点仅限制一个自由度，一个工件仅有六个自由度，所设置的定位支承点数目，原则上不应超过六个。
(3) 分析定位支承点的定位作用时，不考虑力的影响
2．工件定位中的几种情况
(1) 完全定位 （图）
概念：工件的六个自由度全部被限制的定位。
(2) 不完全定位（图）
概念：根据工件的加工要求，并不需要限制工件的全部自由度的定位。
(3) 欠定位 （图）
概念：根据工件的加工要求，应该限制的自由度没有完全被限制的定位
(4) 过定位 （图）
概念：夹具上的两个或两个以上的定位元件，重复限制工件的同一个或几个自由度的现象
①、过定位可能导致的后果 ：
A、工件无法安装
B、造成工件或定位元件变形
②、消除或减小过定位所引起干涉的方法 ：
A、改变定位元件的结构，使定位元件重复限制自由度的部分不起定位作用。 （改进图）
B、合理应用过定位，提高工件定位基准之间以及定位元件的工作表面之间的位置精度。（图）
3.2.2 定位方法及定位元件
概念：工件上的定位基准面与相应的定位元件合称为定位副
1．工件以平面定位
(1) 支承钉
①、球头支承钉 （图 B型）
②、齿纹头支承钉 （图 C型）
③、平头支承钉 （图A型）
④、可调支承 （图）
⑤、自位支承
(2) 支承板 （图）
2．工件以圆柱孔定位
定位方式的基本特点是：定位孔与定位元件之间处于配合状态，并要求确保孔中心线与夹具规定的轴线相重合。
(1) 圆柱销 （图）
(2) 圆柱心轴 （图）
心轴主要用于套筒类和空心盘类工件的车、铣、磨及齿轮加工。
(3) 圆锥销 （图a、b）
工件以圆柱孔在圆锥销上定位
(4) 小锥度心轴
3．工件以圆锥孔定位
(1) 圆锥形心轴
圆锥心轴限制了工件除绕轴线转动自由度以外的其它五个自由度。
(2) 顶尖
即为锥孔与锥销配合。两个中心孔是定位基面，所体现的定位基准是由两个中心孔确定的中心线
4．工件以外圆柱表面定位
(1) V形架
V形架定位的最大优点是对中性好。
V形架可分为固定式和活动式。
(2) 定位套
一般适用于精基准定位，常与端面联合定位。
工件以外圆柱面定位，有时也可用半圆套或锥套作定位元件。
3.2.3 组合表面定位
最常用的就是“一面两孔”定位。
一平面和一圆柱销及削边销
其它组合定位方式还有以一孔及其端面定位（齿轮加工中常用），有时还会采用V形导轨、燕尾导轨等组合成形表面作为定位基面。
3.2.4 夹紧装置的组成及基本要求
1．夹紧装置的组成 图
(1) 力源装置 图中1
产生夹紧作用力的装置。所产生的力称为原始力
(2) 中间传力机构 图中2
介于力源和夹紧元件之间传递力的机构
(3) 夹紧元件 图中3
夹紧装置的最终执行件，与工件直接接触完成夹紧作用
2．对夹具装置的要求
（1）夹紧时应保持工件定位后所占据的正确位置。
（2） 夹紧力大小要适当。
（3） 夹紧机构的自动化程度和复杂程度应和工件的生产规模相适应，并有良好的结构工艺性，尽可能采用标准化元件。
（4）夹紧动作要迅速、可靠，且操作要方便、省力、安全。
3.2.5 夹紧力三要素确定
夹紧力的三要素：大小、方向和作用点。
1．夹紧力方向的确定
确定原则 ：
（1）夹紧力的作用方向应垂直于主要定位基准面。 图
（2） 夹紧力作用方向应使所需夹紧力最小。
图
（3）夹紧力作用方向应使工件变形最小。
图
2．夹紧力作用点的确定
①、概念；
选择作用点的问题是指在夹紧方向已定的情况下，确定夹紧力作用点的位置和数目。
②、依据原则：
（1）夹紧力作用点应落在支承元件上或几个支承元件所形成的支承面内。 图
（2）夹紧力作用点应落在工件刚性好的部位上。 图
（3）夹紧力作用点应尽可能靠近被加工表面，以减小切削力对工件造成的翻转力矩。工件刚性差的部位增加辅助支承并施加夹紧力，以免振动和变形。 图
3．夹紧力大小的确定
夹紧力大小要适当，过大了会使工件变形，过小了则在加工时工件会松动，造成报废甚至发生事故。
采用手动夹紧时，可凭人力来控制夹紧力的大小
当设计机动(如气动、液压、电动等)夹紧装置时，则需要计算夹紧力的大小。
夹紧力三要素的确定必须全面考虑工件的结构特点、工艺方法、定位元件的结构和布置等多种因素。
3.2.6 典型夹紧机构
1．楔块夹紧 图
工作特点：
(1)楔块的自锁性
楔块的自锁条件为：α≤φ1+φ2取α=5°~7°
(2) 楔块能改变夹紧作用力的方向；
(3) 楔块具有增力作用，增力比i=Q/F≈3；
(4) 楔块夹紧行程小；
(5) 结构简单，夹紧和松开需要敲击大、小端，操作不方便。
增力比、行程大小和自锁条件是相互制约的 图
2．螺旋夹紧机构 图
工作特点：
(1) 自锁性能好
(2) 增力比大(i≈75)
(3) 夹紧行程调节范围大
(4) 夹紧动作慢、工件装卸费时
适用范围；
适用于手动夹紧，在机动夹紧机构中应用较少
在实际生产中，螺旋——压板组合夹紧比单螺旋夹紧用得更为普遍。
3．偏心夹紧 图
①、特性:
(1) 圆偏心夹紧的自锁条件：D/e≥14。D/e值叫做偏心轮的偏心特性，表示偏心轮工作的可靠性，此值大，自锁性能好，但结构尺寸也大
(2) 增力比：i=12~13。
②、特点:
优点是操作方便，动作迅速，结构简单
缺点是工作行程小，自锁性不如螺旋夹紧好，结构不耐振，适用于切削平稳且切削力不大的场合，常用于手动夹紧机构。
4．联动夹紧机构
①、概念:
联动夹紧机构是操作一个手柄或用一个动力装置在几个夹紧位置上同时夹紧一个工件(单件多位夹紧)或夹紧几个工件(多件多位夹紧)的夹紧机构。
②、在设计联动夹紧机构时应注意的问题：
(1) 必须设置浮动环节，以补偿同批工件尺寸偏差的变化，保证同时且均匀地夹紧工件。
(2) 联动夹紧一般要求有较大的总夹紧力，故机构要有足够刚度，防止夹紧变形。
(3) 工件的定位和夹紧联动时，应保证夹紧时不破坏工件在定位时所取得的位置。
5．定心夹紧机构
①、概念：
定心夹紧机构是指能保证工件的对称点(或对称线、面)在夹紧过程中始终处于固定准确位置的夹紧机构。
②、特点：
夹紧机构的定位元件与夹紧元件合为一体，并且定位和夹紧动作是同时进行的。
③、按其工作原理分类：
一种是按定位——夹紧元件等速移动原理来实现定心夹紧的；
另一种是按定位——夹紧元件均匀弹性变形原理来实现定心夹紧的机构
3.3 数控加工常用夹具
3.3.1 数控加工夹具简介
①、数控机床夹具必须适应特点；
数控机床的高精度、高效率、多方向同时加工、数字程序控制及单件小批生产的。
②、数控机床夹具的新要求：
(1) 推行标准化、系列化和通用化；
(2) 发展组合夹具和拼装夹具，降低生产成本；
(3) 提高精度；
(4) 提高夹具的高效自动化水平。
③、通用夹具 的种类：
1．数控车床夹具
数控车床夹具分类：
A、三爪自定心卡盘 图
优点：可自动定心，装夹方便，应用较广，
缺点：夹紧力较小，不便于夹持外形不规则的工件
B、四爪单动卡盘 图
特点：四个爪都可单独移动，安装工件时需找正，夹紧力大，适用于装夹毛坯及截面形状不规则和不对称的较重、较大的工件。
C、花盘
2．数控铣床夹具 图
特点：
装夹方便，应用广泛，适于装夹形状规则的小型工件
3．加工中心夹具
数控回转工作台是各类数控铣床和加工中心的理想配套附件
数控回转工作台分类
立式工作台、卧式工作台和立卧两用回转工作台
回转工作台可以用来进行各种圆弧加工或与直线坐标进给联动进行曲面加工，及实现精确的自动分度
④、其他的数控机床夹具
A、拼装夹具、
B、组合夹具、
C、可调夹具和数控夹具。
3.3.2 组合夹具
1 ．组合夹具的概念： （图a、b）
组合夹具由一套预先制造好的不同形状、不同规格、不同尺寸的标准元件及部件组装而成。
2．组合夹具的特点：
优点：组合夹具的元件精度高、耐磨，并且实现了完全互换
缺点：体积较大，刚度较差，一次投资多，成本高
3．分类：
组合夹具分为槽系和孔系两大类。
4．槽系组合夹具
(1) 槽系组合夹具的规格
槽系组合夹具分大、中、小型三种规格
(2) 组合夹具的元件
①基础件 （图a）
②支承件 （图b）
③定位件
④导向件 （图a）
⑤夹紧件 （图b）
⑥紧固件
⑦夹紧件
⑧合件
⑨其他新元件和合件
3．孔系组合夹具 图
（1）元件定位方式：
一面两圆柱销定位
（2）特点：
优点：允许使用的过定位；其定位精度高，刚性比槽系组合夹具好，组装可靠，体积小，元件的工艺性好，成本低，可用作数控机床夹具
缺点：组装时元件的位置不能随意调节，常用偏心销钉或部分开槽元件进行弥补。
3.3.3 拼装夹具
概念： 图
拼装夹具：在成组工艺基础上，用标准化、系列化的夹具零部件拼装而成的夹具。
固定零点编程 ：三个加工孔的坐标尺寸可用机床定位孔1作为零点进行计算编程
浮动零点编程：选夹具上方便的某一定位孔作为零点进行计算编程
特点：
有组合夹具的优点，比组合夹具有更好的精度和刚性，更小的体积和更高的效率，因而较适合柔性加工的要求，常用作数控机床夹具。
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