车床夹具的设计

第4单元车床夹具的设计4.1车床夹具的分类及设计要点和步骤4.2心轴类车床夹具的设计4.3卡盘类车床夹具的设计4.4角铁类车床夹具的设计4.1车床夹具的分类及设计要点和步骤4.1.1车床夹具的分类车床夹具按其使用范围大小，可分为通用车床夹具和专用车床夹具两大类。通用车床夹具主要有自定心卡盘、单动卡盘、拨动顶尖等。此类车床夹具已经完全标准化，成为工业商品，由专门的厂家商业化生产，故本书只讲述专用车床夹具的设计。专用车床夹具按其结构形式和装夹工件的方式不同，分为心轴类车床夹具、卡盘类车床夹具和角铁类车床夹具。1.心轴类车床夹具心轴类车床夹具通常用于以工件的内孔作为定位基准，加工外圆柱面的情况。典型的心轴类夹具有圆柱心轴、弹簧心轴、顶尖式心轴等。2.卡盘类车床夹具4.1车床夹具的分类及设计要点和步骤卡盘类车床夹具的结构特点是具有卡盘形状的夹具体。使用卡盘式夹具加工的工件形状一般都比较复杂，多数情况是工件的定位基准为与加工圆柱面垂直的端面，夹具上的平面定位件与车床主轴的轴线相垂直。3.角铁类车床夹具角铁类车床夹具的结构特点是具有类似角铁形状的夹具体。常用于加工壳体、支座、接头等形状复杂工件的内、外圆柱面和端面。4.1.2车床夹具的设计要点由于车床夹具一般是安装在机床的主轴上，随主轴高速旋转，因此对车床夹具的设计有着特别的要求。1.夹具的结构要紧凑4.1车床夹具的分类及设计要点和步骤夹具外轮廓尺寸要尽可能小，重量尽可能轻，夹具重心应尽可能靠近回转轴线，减小惯性力和回转力矩。2.夹具设计时应考虑设计平衡结构消除夹具回转中可能产生的不平衡现象，以避免振动对工件加工质量和刀具寿命的影响。特别是角铁类车床夹具最容易出现此类问题。平衡措施主要有两种方法，即设置平衡块和增设减重孔。3.夹具的夹紧装置应力求夹紧迅速、可靠设计时还要注意夹具旋转惯性力可能使夹紧力有减小的倾向，为防止回转过程中夹具夹紧元件的松脱，要设计好可靠的自锁结构。4.夹具与车床主轴的定位和连接要准确、可靠4.1车床夹具的分类及设计要点和步骤连接轴或连接盘（过渡盘）的回转轴线与车床主轴的轴线应具有尽可能高的同轴度。对于外轮廓尺寸较小的夹具，可采用莫氏锥柄与机床主轴锥孔配合连接；对于外轮廓尺寸较大的夹具，可通过特别设计的过渡盘与机床主轴轴颈配合连接。无论哪一种连接方式都要注意连接牢固，不能产生松动情况。特别要考虑当主轴高速旋转、急刹车等情况时，夹具与主轴之间应设有防松装置。5.工件尺寸不能大于夹具体的回转直径夹具上所有的元件和装置不能大于夹具体的回转直径。靠近夹具体外缘的元件，应尽量避免有凸起的部分，必要时回转部分外面可加装防护罩。4.1.3车床夹具的设计步骤4.1车床夹具的分类及设计要点和步骤使用UG软件进行夹具的设计，首先，要明确工件的加工工艺要求，分析工件工程图所注明的加工精度和已经完工的工序。其次，确定工件的加工方式和定位方案，选择合适的定位元件或支承元件，初步设计出此类元件，并将这些元件的实体与工件的实体组装到一起。再次，确定夹紧方案，初步设计出夹紧机构和元件，并将这些元件按配合关系组装到一起。最后，确定夹具体结构，设计出夹具体及其与机床的连接方式，并通过夹具体将夹具所有元件装配到一起。1.确定定位方案4.1车床夹具的分类及设计要点和步骤按拟定的定位方案，根据工件工程图、工序要求和设计任务，选择工件的定位基准。采用UG的建模应用模块设计出工件的实体模型，并按实际加工方位固定在三维空间上。设计出所有定位元件的实体模型，并根据相应的配合方式组装到已完成安装的工件上。2.确定夹紧方案按拟定的夹紧方案，根据工件和定位元件的结构及尺寸，设计出所有夹紧元件和相关紧固元件的实体模型，并按相应的配合方式组装到已完成的装配结构中。在装配过程中，如发现配合不合适的地方，对前面所设计的元件进行修改更正，并调整装配结构。3.确定夹具体结构4.1车床夹具的分类及设计要点和步骤按拟定的夹具结构，根据工件、定位元件和夹紧元件设计出夹具体、相关紧固元件和辅助元件的实体模型，并按照相应的配合方式组装到已完成的装配结构中。在装配过程中，如发现配合不合适的地方，可对前面所设计的元件进行修改更正，并调整装配结构。完成全部装配后，要检验整个夹具结构是否能满足设计任务目标，如果有差错，要对相关元件进行修改编辑，并重新调整装配结构，直至实现设计目标。4.绘制夹具图样按照设计任务要求，用UG的制图应用模块，绘制全部的夹具元件和夹具装配的工程图，并根据第1单元的1．5夹具中常用的公差配合的内容，对全部图样进行技术标注。4.2心轴类车床夹具的设计4.2.1通孔弹性夹头定心夹具的设计通孔弹性夹头定心夹具是以具有弹性结构的内夹头作为定位和夹紧元件来装夹工件的。以车削限位衬套工件用夹具的具体设计步骤和方法为例进行讲述。1.确定定位方案根据基准重合的原则，选择ϕ40内孔及ϕ56外圆端面作为定位基准。孔定位元件为内夹式弹性夹头，端面定位元件为5号莫氏锥柄心轴的端面。(1)设计工件实体模型按照限位衬套工件工程图设计好工件的实体模型，在UG的装配环境下将其调入，并确定其在三维空间的适合位置上，如图4-2所示。4.2心轴类车床夹具的设计(2)设计定位元件根据限位衬套工件的内孔尺寸和长度尺寸，分别设计出内夹式弹性夹头和莫氏5号锥柄心轴，其工程图如图4-3和图4-4所示。图4-1限位衬套加工件的工程图4.2心轴类车床夹具的设计图4-2限位衬套实体模型的定位4.2心轴类车床夹具的设计图4-3内夹式弹性夹头的工程图4.2心轴类车床夹具的设计图4-4莫氏5号锥柄心轴的工程图4.2心轴类车床夹具的设计图4-5完成莫氏5号锥柄心轴和内夹式弹性夹头装配的实体图和工程图2.确定夹紧方案4.2心轴类车床夹具的设计心轴类夹具需要从工件的内部将工件夹紧。该夹具采用锥形胀套的轴向推动使弹性夹头产生弹性变形，从而将工件的内孔胀紧，达到夹紧的目的。(1)设计夹紧元件为实现内孔胀紧功能，可根据定位元件的结构和尺寸设计出与弹性夹头内锥面相匹配的锥形胀套，如图4-6所示。图4-6设计的锥形胀套4.2心轴类车床夹具的设计(2)设计紧固元件本夹紧结构采用螺旋夹紧方式，其结构和元件都非常简单，且具有良好的自锁性能，夹紧可靠。(3)组装夹紧机构根据夹紧方案将夹紧元件和紧固元件装配到夹具中。3.夹具的特点图4-7设计的导向销4.2心轴类车床夹具的设计图4-8六角螺母的工程图4.2心轴类车床夹具的设计图4-9垫圈的工程图4.2心轴类车床夹具的设计图4-10完成的通孔弹性夹头定心夹具装配的实体图和工程图4.夹具的使用方法4.2心轴类车床夹具的设计将夹具体（5号锥柄心轴）安装到车床的主轴孔中，并通过拉杆从车床主轴孔另一端紧固到心轴的螺纹孔中。4.2.2偏移滚柱定心夹具的设计偏移滚柱定心夹具是利用安装在偏槽心轴上的3个滚柱对空心工件内壁进行定位，并通过反向旋转产生的摩擦力来实现夹紧的。图4-11薄壁套加工件的工程图4.2心轴类车床夹具的设计1.确定定位方案根据基准重合的原则，选择ϕ60内孔及左端面作为定位基准。孔的定位元件为安装在莫氏5号锥柄心轴的3个滚柱，端面的定位元件为安装在莫氏锥柄心轴上的定位垫平面。(1)设计工件实体模型按薄壁套工程图设计好工件的实体模型，在UG装配环境下将其调入，并确定其在三维空间的合适位置，如图4-12所示。(2)设计定位元件根据薄壁套工件的内孔尺寸、工件长度分别设计出定位垫、莫氏5号锥柄心轴、偏槽心轴、滚柱和滚柱挡圈，其工程图如图4-13～图4-17所示。4.2心轴类车床夹具的设计图4-12薄壁套工件实体模型的定位4.2心轴类车床夹具的设计图4-13定位垫的工程图4.2心轴类车床夹具的设计图4-14莫氏5号锥柄心轴的工程图2.确定夹紧方案4.2心轴类车床夹具的设计图4-15偏槽心轴的工程图4.2心轴类车床夹具的设计图4-16滚柱的工程图4.2心轴类车床夹具的设计图4-17滚柱挡圈的工程图4.2心轴类车床夹具的设计图4-18完成定位元件装配的实体图和工程图4.2心轴类车床夹具的设计(1)设计紧固元件由于本夹具的紧固元件并非是用于施加作用力来夹紧工件的，只需要根据偏槽心轴右端的外径、滚柱挡圈的外径和锥柄心轴右端的螺纹孔尺寸，设计沉头孔垫圈和沉头螺钉即可。图4-19垫圈的工程图4.2心轴类车床夹具的设计图4-20螺钉的工程图(2)组装夹紧机构根据夹紧方案将紧固元件装配到夹具中。4.2心轴类车床夹具的设计图4-21完成设计的偏移滚柱定心夹具装配的实体图和工程图3.夹具的特点4.2心轴类车床夹具的设计本夹具的显著特点是操作方便、快捷，所用的辅助操作时间最少。非常适合重量轻、切削力不太大的加工件的大批量常年化生产。但其定位精度有限，只适用于对内外同轴度要求不高，且具有通孔结构工件的加工。4.夹具的使用方法4.2心轴类车床夹具的设计将夹具体（莫氏5号锥柄心轴）安装到车床的主轴孔中，并通过拉杆从车床主轴孔另一端紧固到心轴的螺纹孔中。车削加工时，将工件先插入3个滚柱所包容的圆柱表面上，用手将工件沿车床主轴旋转的反方向旋紧，使3个滚柱紧紧地卡住工件的内孔表面，即可将工件定位。由于切削加工时所产生的切削力会使工件更加夹紧，因此不再需要另外的夹紧操作。完成加工后，将工件正方向旋转，3个滚柱会脱离工件的夹紧表面，工件呈松开状态，即可将工件取下。4.2.3波纹套定心夹具的设计4.2心轴类车床夹具的设计图4-22止动套加工件的工程图1.确定定位方案4.2心轴类车床夹具的设计依据基准重合的原则，选择ϕ40内孔及右端面作为定位基准。孔的定位元件为安装在心轴上的波纹套，端面定位在夹具体的端面上。(1)设计工件实体模型按止动套工程图设计好止动套的实体模型，在UG的装配环境下将其调入，并确定其在三维空间的合适位置上，如图4-23所示。(2)设计定位元件根据止动套工件的内孔尺寸、工件长度分别设计出波纹套和心轴，其工程图如图4-24和图4-25所示。图4-23止动套工件实体模型的定位4.2心轴类车床夹具的设计图4-24波纹套的工程图4.2心轴类车床夹具的设计图4-25心轴的工程图4.2心轴类车床夹具的设计图4-26完成定位元件装配的实体图和工程图2.确定夹紧方案4.2心轴类车床夹具的设计本夹具是通过安装在心轴上的波纹套，以其外圆表面进行定位和夹紧的。因此，并不需要另外的夹紧机构，只需要设计出紧固元件，将波纹套固定在心轴上即可。(1)设计紧固元件本夹紧结构采用螺旋夹紧方式，结构和元件非常简单，且具有良好的自锁性能，夹紧方便可靠。图4-27凹槽垫圈的工程图4.2心轴类车床夹具的设计图4-28旋钮螺母的工程图(2)组装紧固元件根据夹紧方案将紧固元件装配到夹具结构中。4.2心轴类车床夹具的设计图4-29完成紧固元件装配的工程图3.确定夹具体结构4.2心轴类车床夹具的设计根据本夹具的结构特点，可选择法兰盘式的夹具体，并将所有元件组装到该夹具体上，以便与安装在车床主轴上的过渡盘配合连接。(1)设计夹具体根据心轴和波纹套的尺寸，设计出法兰盘式结构的夹具体如图4-30所示。图4-30法兰盘式结构的夹具体4.2心轴类车床夹具的设计(2)组装夹具体依据夹具的设计方案，将夹具体组装到已完成装配的工件、定位元件和紧固元件结构中。图4-31完成设计的波纹套定心夹具装配的实体图和工程图4.2心轴类车床夹具的设计4.夹具的特点本夹具的特点是定位精度高，装夹省力方便，非常适合对内外径同轴度要求比较严格工件的加工。但要求作为定位基准的工件内孔尺寸精度也比较高，且长度与内径比要大。适合中、小批量的生产。5.夹具的使用方法将夹具体与车床附件的过渡盘配合连接，安装到车床的主轴上。夹具体通过4个内六角螺栓紧固到过渡盘上。4.2.4碟片定心夹具的设计4.2心轴类车床夹具的设计碟片定心夹具是利用碟形簧片在轴向受力时发生弹性变形实现对工件的定位和夹紧。常见的是采用螺旋推动，使碟形簧片在轴向受到作用力，碟形簧片在径向发生弹性变形，使外径胀大，从而从内径对工件同时定位和夹紧。1.确定定位方案根据基准重合的原则，选择ϕ50内孔及左端面作为定位基