夹具第3章夹紧(2007)

课程名称：夹具设计（机床夹具设计）上课时间：周三3-4节（1-16周）上课地点：桃西楼204答疑时间：每周一晚7：00~9：00答疑地点：15号楼301室机械系办公室任课教师：刘军电话：63554632（办）、13015524951办公室：15号楼301机械系办公室考核形式：平时（20%，上课+作业等）+考试(80%)考试时间、地点：教务处安排（从网上查看）机床夹具设计主讲：刘军教材：机械制造工艺学（机床夹具设计部分）（王先逵主编机械工业出版社出版）班级：机制041~044，农机041~043，其他（201人）学时：30机床夹具设计•1机床夹具概述•2工件在夹具中的定位•3工件在夹具中的夹紧•4夹具在机床上的定位、对刀和分度•5各类机床夹具的结构特点•6可调夹具及组合夹具设计•7机床夹具的设计方法及步骤3工件在夹具中的夹紧工件在夹具中的装夹是由定位和夹紧这两个过程紧密联系在一起的。定位问题在上一章讨论过，其目的在于解决工件的定位方法和保证必要的定位精度。仅仅定好位，在大多数场合下，还不能进行加工。只有进而在夹具上设置相应的夹紧装置对工件实行夹紧，才能完成工件在夹具中装夹的全部任务。夹紧装置的基本任务就是保持工件在定位中所获得的既定位置，以便在切削力、重力、惯性力等外力作用下，不发生移动和振动，确保加工质量和生产安全。有时工件的定位是在夹紧过程中实现的，正确的夹紧还能纠正工件定位的不正确位置。本章主要讨论有关夹紧装置设计和计算方面的基本问题。（1）夹紧装置的组成一般夹紧装置由下面两个基本部分组成。1）动力源即产生原始作用力的部分。如果用人的体力对工件进行夹紧，称为手动夹紧；如果用气动、液压、气液联合、电动以及机床的运动等动力装置来代替人力进行夹紧，则称为机动夹紧。3.1夹紧装置的组成及其设计要求2）夹紧机构即接受和传递原始作用力，使之变成夹紧力，并执行夹紧任务的部分。它包括中间递力机构和夹紧元件。中间递力机构把来自人力或动力装置的力传递给夹紧元件，再由夹紧元件直接与工件接触，最终完成夹紧任务。根据动力源的不同和工件夹紧的实际需要，一般中间递力机构在传递夹紧力的过程中，可以起到以下作用：①改变作用力的方向；②改变作用力的大小；③具有一定的自锁性能，以保证夹紧可靠，在手动夹紧时尤为重要。夹紧装置的组成可以用方框图表示。夹紧装置的组成组成1）动力源装置2）夹紧机构作用1）改变作用力的方向；2）改变作用力的大小；3）使夹紧实现自锁。中间递力机构（2）夹紧装置的设计要求夹紧装置的设计和选用是否正确合理，对于保证加工质量、提高生产率、减轻工人劳动强度有很大影响。为此，对夹紧装置提出如下基本要求：1）夹紧力应有助于定位，而不应破坏定位；2）夹紧力的大小应能保证加工过程中工件不发生移动和振动，并能在一定范围内调节；3）工件在夹紧后的变形和受压表面的损伤不应超出允许的范围；4）应有足够的夹紧行程，手动时要有一定的自锁作用；5）结构紧凑、动作灵活，制造、操作、维护方便，省力、安全，并有足够的强度和刚度。为满足上述要求，其核心问题是正确地确定夹紧力。夹紧力包括大小、方向和作用点三个要素，它们的确定是夹紧机构设计中首先要解决的问题。必须合理确定夹紧力的三要素：大小、方向和作用点（1）夹紧力方向的选择夹紧力方向的选择一般应遵循以下原则：3.2夹紧力的确定1）夹紧力的作用方向应有利于工件的准确定位，而不能破坏定位。主要夹紧力方向应垂直于主要定位面。2）夹紧力的作用方向应尽可能与切削力、工件重力方向一致，以减小所需夹紧力。夹紧力的作用方向应使所需夹紧力最小。3）夹紧力的作用方向应尽量与工件刚度最大的方向相一致，以减小工件变形。夹紧力的作用方向应使工件变形尽可能小（2）夹紧力作用点的选择一般注意以下几点：1）夹紧力作用点应正对支承元件或位于支承元件所形成的支承面内，以保证工件已获得的定位不变。2）夹紧力作用点应处在工件刚性较好的部位，以减小工件的夹紧变形。3）夹紧力作用点应尽可能靠近被加工表面，以便减小切削力对工件造成的翻转力矩。（3）夹紧力大小的估算。夹紧力的大小根据切削力、工件重力的大小、方向和相互位置关系具体计算，并乘以安全系数K，一般精加工K=1.5～2，粗加工K=2.5～3。夹紧力不足，会使工件在切削过程中产生位移并引起振动；夹紧力过大又会造成工件或夹具不应有的变形或表面损伤。3.1.1斜楔夹紧机构（1）作用原理斜楔夹紧机构是夹紧机构中最基本的形式之一，螺旋夹紧机构、偏心夹紧机构及定心对中夹紧机构等都是斜楔夹紧机构的变形。下图是利用斜楔夹紧工件的实例。3.3夹紧机构设计斜楔夹紧具有结构简单，增力比大，自锁性能好等特点，因此获得广泛应用。（2）夹紧力的计算与自锁以斜楔为研究对象，夹紧时根据静力平衡原理，有以斜楔为研究对象，夹紧时根据静力平衡原理，有FQ=F1+FRXF1=FJtanΦ1FRX=FJtan(α＋Φ2)FJ=FQ/[tanΦ1＋tan(α＋Φ2)]设Φ1=Φ2=Φ，当α≤10°，可用下式近似计算FJ=FQ/(tanα＋2Φ)夹紧力FQ去除，斜楔受到F1、FRX作用，要能自锁，必须满足下式F1＞FRXF1=FJtanΦ1FRX=FJtan(α－Φ2)tanΦ1＞tan(α－Φ2)即Φ1＞(α－Φ2)或α＜Φ1＋Φ2一般Φ1=Φ2=Φ=5～7°，故当α＜10～14°时自锁，一般取α=6～8°（3）结构特点1）斜楔具有自锁性；2）斜楔能改变作用力的方向；3）斜楔具有扩力作用，扩力比i=FJ/FQ，约等于3；4）斜楔的夹紧行程小，h/s=tanα，故h远小于s；5）斜楔夹紧效率低；6）结构简单，但操作不方便。（4）适用范围1）毛坯质量较高时；2）主要用于机动夹紧装置中；3）手动的夹紧机构，因费时费力，效率极低，故实际中较少采用。3.3.2螺旋夹紧机构螺旋夹紧机构结构简单，易于操作，增力比大，自锁性能好，是手动夹紧中应用最广泛的一种夹紧机构。2007年4月25日第7次课14学时螺旋压板夹紧机构（1）作用原理螺旋夹紧机构中所用的螺旋，实际上相当于把斜楔绕在圆柱体上，因此它的夹紧作用原理与斜楔是一样的。不过这里是通过转动螺旋，使绕在圆柱体上的斜楔高度发生变化来夹紧工件的。（2）螺旋夹紧结构特点1）结构简单，自锁性好，夹紧可靠；2）扩力比约为80,远比斜楔夹紧力大；3）自锁性能好；4）夹紧行程不受限制；5）夹紧动作慢，辅助时间长，效率低2''10tan)tan(2rdLFFsJFJ——沿螺旋轴线作用的夹紧力（N）；Fs——作用在板手上的力；L——作用力的力臂（mm）；d0——螺纹中径（mm）；α——螺纹升角（o）——螺纹副的当量摩擦角（o）——螺杆（或螺母）端部与工件（或压块）的摩擦角（o）；r’——螺杆（或螺母）端部与工件（或压块）的当量摩擦半径（mm）。'1'2（3）夹紧力计算可以从斜楔的夹紧力计算公式直接导出螺旋夹紧力的计算公式：（4）适用范围由于螺旋夹紧机构具有结构简单、制造容易、夹紧可靠、扩力比大、夹紧行程不受限制等特点，所以在手动夹紧装置中被广泛使用。螺旋夹紧机构的缺点是动作慢。为提高其工作效率，常采用一些快撤装置。偏心夹紧机构是一种快速动作的夹紧机构，它的工作效率较高，在夹具设计中应用的也比较广泛。常用的偏心轮有两种形式，即：圆偏心和曲线偏心。曲线偏心采用阿基米德螺旋线或对数螺旋线作为轮廓曲线。曲线偏心虽有升角变化均匀等优点，但因制造复杂，故而用得较少；而圆偏心则因结构简单、制造容易，所以在生3.3.3圆偏心夹紧机构产中得到广泛应用。以下主要介绍圆偏心夹紧机构。常见的偏心轮—压板夹紧机构（1）作用原理如图所示为三种简单的偏心夹紧机构。其中图（a）直接利用偏心轮夹紧工件，图（b）和图（c）为偏心压板夹紧机构。偏心夹紧机构靠偏心轮回转时回转半径变大而产生夹紧作用，其原理和斜楔工作时斜面高度由小变大而产生的楔紧作用是一样的。实际上，可将偏心轮视为一楔角变化的斜楔。将下图（a）所示的圆偏心轮展开，可得到图（b）所示的图形，其楔角可用下面的公式求出：式中：α——偏心轮的楔角（0）；e——偏心轮的偏心量（mm）；R——偏心轮的半径（mm）；γ——偏心轮作用点（图a中的X点）与起始点（图a中的0点）之间的圆弧所对应的圆心角（0）。)cossin(eRearctg当γ=900时，α接近最大值)(maxRearctg（2）结构特点1）偏心轮上各点的升角是变化的；但各点升角不等，M、N处升角为为0，P处升角最大。如果我们知道偏心轮工作时其夹紧点的确切位置，那就可以使偏心轮在该点的升角小于摩擦角Φ来保证其自锁。但一般偏心轮的工作点并不确定，尤其是圆偏心机构，其工作点可以在某一定范围内变2）偏心轮的自锁条件化；因此要保证能自锁，必须使其αmax≤Φ,则其它各点的升角便都小于摩擦角。根据斜楔自锁条件：，此时Φ1和Φ2分别为轮周作用点处与转轴处的摩擦角。忽略转轴处的摩擦，并考虑最不利的情况，可得到偏心夹紧的自锁条件2111tgRe或12De式中μ1——轮周作用点处的摩擦系数；D——偏心轮的直径。一般μ1=0.1~0.15则20~14eDD/e的比值称为偏心轮的特性参数。根据偏心轮的特性参数，便可决定偏心轮的基本尺寸。一般都是选定μ1和e去求D。例如：取μ1=0.1,e=2.5mm，则偏心轮的直径D为D≥（14~20）×2.5即D≥35~50（mm）3）偏心轮的有效工作区域圆偏心的回转角理论上为±900，但实际上不能全部利用。标准圆偏心的有效工作区域一般为900。（3）夹紧力的计算偏心夹紧的夹紧力可用下式估算式中:Fj——夹紧力（N）；Fs——作用在手柄上的原始力（N）;L——作用力臂（mm）；ρ——偏心轮转动中心到作用点之间的距离（mm）；α——偏心轮楔角（0）；Φ1——轮周作用点处摩擦角（0）；Φ2——转轴处摩擦角（0）。12)(tgtgLFFsj（4）圆偏心的结构形式偏心轮的结构都已经标准化了，设计时可参阅有关国家标准。（5）适用范围偏心夹紧的优点是结构简单，操作方便，动作迅速，缺点是自锁性能较差，增力比较小。一般常用于切削平稳且切削力不大的场合。1）由于圆偏心的夹紧力小，自锁性能又不是很好，所以只适用于切削负荷不大，又无佷大振动的场合。2）为满足自锁条件，其夹紧行程也相应受到限制，一般用于夹紧行程较小的情况。3）一般很少直接用于夹紧工件，大多是与其它夹紧机构联合使用。铰链夹紧机构是一种铰链和杠杆组合的夹紧机构，这种机构具有动作迅速、结构简单，扩力比较大，摩擦损失小，并易于改变力的作用方向的优点，因此应用也很广泛。但是它的自锁性很差，一般不单独使用，多用于机动夹紧机构中与气动、3.3.4铰链夹紧机构液压等夹具联合使用，可以缩小气缸直径，减少所需动力，故这种机构又称扩力机构。（1）作用原理如图所示为三种类型的铰链夹紧机构。其中图a为单臂铰链夹紧机构，图b为单臂双作用铰链夹紧机构，图c为双臂双作用铰链夹紧机构。（2）夹紧力的计算图d是单臂铰链夹紧机构的铰链臂的受力分析图，其夹紧力可用如下公式计算。'1')(tgtgFFjsj式中：r——铰链和滚子轴承半径（mm）；L——臂上两铰链孔中心距（mm）；Φ1——铰链轴承和滚子轴承的摩擦角（0）；R——滚子半径（mm）。（3）夹紧行程和相应的铰链臂倾斜角夹紧行程h是指摆臂的铰链点A的行程。至于压板夹紧工件的行程，则还需根据压板的杠杆比关系来求得。（4）气缸的工作行程按几何关系计算所需行程后，选取标准气缸。（5）自锁条件要使铰链夹紧机构自锁，应使夹紧时铰链臂的倾斜角α小于40。但这个条件和保证夹紧行程的设计是有矛盾的。因此一般在夹具中，都不应用这个自锁条件。若要保证自锁，则就需和其它具有自锁性能的机构联合使用。（6）结构特点1）结构简单；2）扩力比大；3）摩擦损失小。（7）适用范围铰链夹紧机构适用于多点、多件夹紧，在气动夹紧中广泛应用。在机械加工中常遇到以轴线或对称中心为设计基准的工件，为了使定位基准与设计基准重合，就必须采用定心