典型夹紧机构与专用机床夹具

典型夹紧机构与专用机床夹具第五节工件的夹紧将工件定位后的位置固定下来称为夹紧，夹紧的目的是保持工件在定位中所获得的正确位置，使其在外力（夹紧力、切削力、离心力等外力）作用下，不发生移动和振动。一、夹紧装置的组成及基本要求图9-33液压夹紧的铣床夹具1－压板2－铰链臂3－活塞杆4－液压缸5－活塞1.夹紧装置的组成夹紧装置由两个基本部分组成。（1）动力装置夹紧力的来源于人力或者某种动力装置。用人力对工件进行夹紧称为手动夹紧。用各种动力装置产生夹紧作用力进行夹紧称为机动夹紧。常用的动力装置有：液压、气动、电磁、电动和真空装置等。（2）夹紧机构一般把夹紧元件和中间传递机构和成为夹紧机构。1）中间传递机构它是在动力装置与夹紧元件之间，传递夹紧力的机构。其主要作用有：改变作用力的方向和大小；夹紧工件后的自锁性能，保证夹紧可靠，尤其在手动夹具中。2）夹紧元件是执行元件，它直接与工件接触，最终完成夹紧任务。图9-33所示是液压夹紧的铣床夹具。其中，液压缸4、活塞5、活塞杆3组成了液压动力装置，铰链臂2和压板1等组成了铰链压板夹紧机构，压板1是夹紧元件。2.对夹紧装置的基本要求（1）能保证工件定位后占据的正确位置。（2）夹紧力的大小要适当、稳定。既要保证工件在整个加工过程中的位置稳定不变，振动小，又要使工件不产生过大的夹紧变形。夹紧力稳定可减少夹紧误差。（3）夹紧装置的复杂程度与生产类型相适应。工件的生产批量越大，允许设计越复杂、效率越高的夹紧装置。（4）工艺性好，使用性好。其结构应尽量简单，便于制造和维修；尽可能使用标准夹具零部件；操作方便、安全、省力。二、夹紧力的确定设计夹具的夹紧机构时，所需夹紧力的确定包括夹紧力的作用点、方向、大小三要素。1.夹紧力的方向（1）夹紧力的方向应有助于定位，不应破坏定位。图9-34夹紧力的方向朝向主要定位面只有一个夹紧力时，夹紧力应垂直于主要定位支承或使各定位支承同时受夹紧力作用。图9-34所示为夹紧力朝向主要定位面的示例。图a中，工件以左端面与定位元件的面接触，限制工件的三个自由度；底面与面接触，限制工件的二个自由度；夹紧力朝向主要定位面，有利于保证孔与左端面的垂直度要求。图ｂ中，夹紧力朝向Ｖ形块的Ｖ形面，使工件装夹稳定可靠。图9-35分别加力和一力两用图9-36夹紧力与切削力、重力的关系图9-35所示是一力两用和使各定位基面同时受夹紧力作用的情况。图a对第一定位基面施加，对第二定位基面施加；图b、c所示施加代替、，使两定位基面同时受到夹紧力的作用。用几个夹紧力分别作用时，主要夹紧力应朝向主要定位支承面，并注意夹紧力的动作顺序。如三平面组合定位，，是主要夹紧力，朝向主要定位支承面，应最后作用；、应先作用。（2）夹紧力的方向应方便装夹和有利于减小夹紧力，最好与切削力、重力方向一致。图9-36所示为夹紧力与切削力、重力的关系：图a夹紧力与重力、切削力方向一致，可以不夹紧或用很小的夹紧力：；图b夹紧力与切削力垂直，夹紧力较小：；图c夹紧力与切削力成夹角，夹紧力较大：图d夹紧力与切削力、重力垂直，夹紧力最大：图e夹紧力与切削力、重力反向，夹紧力较大：由上述分析可知图a、b应优先选用，图c、e次之，图ｄ最差，应尽量避免使用。上面公式中的为工件与支承间的摩擦系数。3.夹紧力的大小夹紧力的大小必须适当。过小，工件在加工过程中发生移动，破坏定位；过大，使工件和夹具产生夹紧变形，影响加工质量。理论上，夹紧力应与工件受到切削力、离心力、惯性力及重力等力的作用平衡；实际上，夹紧力的大小还与工艺系统的刚性、夹紧机构的传递效率等有关。切削力在加工过程中是变化的，因此夹紧力只能进行粗略的估算。估算夹紧力时，应找出对夹紧最不利的瞬时状态，略去次要因素，考虑主要因素在力系中的影响。通常将夹具和工件看成一个刚性系统，建立切削力、夹紧力、（大型工件）重力、（高速运动工件）惯性力、（高速旋转工件）离心力、支承力以及摩擦力静力平衡条件，计算出理论夹紧力。则实际夹紧力为（9-17）式中——安全系数，与加工性质（粗、精加工）、切削特点（连续、断续切削）、夹紧力来源（手动、机动夹紧）、刀具情况有关。一般取；粗加工时，；精加工时，。生产中还经常用类比法（或试验）确定夹紧力。三、典型夹紧机构常用的典型夹紧机构有斜楔夹紧机构、螺旋夹紧机构、偏心夹紧机构及铰链夹紧机构等。1.斜楔夹紧机构斜楔夹紧机构是最基本夹紧机构，螺旋夹紧机构、偏心夹紧机构等均是斜楔机构的变型。图9-40为几种典型的斜楔夹紧机构，图ａ是在工件上钻互相垂直的、两组孔，工件装入后，锤击斜楔大头，夹紧工件；加工完毕后，锤击斜楔小头，松开工件。可见，斜楔是利用其斜面移动时所产生的压力来夹紧工件，即利用斜面的楔紧作用夹紧工件。图b是将斜楔与滑柱合成一种夹紧机构，一般用气压或液压驱动。图c是由端面斜楔与压板组合而成的夹紧机构。（1）斜楔的夹紧力图9-41a为斜楔在外力作用下的受力情况，建立静平衡方程式：，其中，整理后得：（9-18）式中——斜楔对工件的夹紧力，单位为；——斜楔升角，单位为（）；——加在斜楔上的原始作用力，单位为；——斜楔与工件间的摩擦角（）；——斜楔与夹具体间的摩擦角（）。图9-41斜楔的受力分析设，当时，可用下式作近似计算：（9-19）（2）斜楔的自锁条件当加在斜楔上的原始作用力撤除后，斜楔在摩擦力作用下仍然不会松开工件的现象称为自锁。此时摩擦力的方向与斜楔企图松开和退出的方向相反，如图9-41b所示。从图中可见，要自锁，必须满足下式：其中整理后所以（9-20）斜楔的自锁条件是斜楔的升角小于或等于斜楔与工件、斜楔与夹具体间的摩擦角之和。若，，则。为保证自锁可靠，手动夹紧机构一般取；用液压或气压驱动的斜楔，可取。3）斜楔的扩力比与夹紧行程夹紧力与原始作用力之比称为扩力比或增力系数，用表示，即（9-21）若，，则。可见，斜楔具有扩力作用，越小，越大。图9-41c所示，是斜楔夹紧行程，是斜楔夹紧工件过程中移动的距离，则（9-22）图9-42螺旋夹紧机构由于受到斜楔长度的限制，要增大夹紧行程，就得增大斜角，这样会降低自锁性能。当要求机构既能自锁，又要有较大夹紧行程，可采用双斜面斜楔，如图9-40b所示，大斜角段使滑柱迅速上升，小斜角段确保自锁。2.螺旋夹紧机构图9-42是常见螺旋夹紧机构。由螺钉、螺母、垫圈、压板等元件组成。（1）单个螺旋夹紧机构直接用螺钉或螺母夹紧工件的机构，称为单个螺旋夹紧机构，如图9-42所示。图a中螺钉头直接与工件表面接触，螺钉转动时，可能损伤工件表面或带动工件旋转。为克服这一缺点，可在螺钉头部装上摆动压块（）。图9-43a、b所示，A型的端面光滑，用于夹紧已加工表面；B型的端面有齿纹，用于夹紧毛坯面。当要求螺钉只移动不转动时，可采用图c所示结构（）。单个螺旋夹紧机构夹紧动作慢，装卸工件费时，为克服这一缺点，可采用各种快速螺旋夹紧机构。（2）螺旋压板夹紧机构图9-44螺旋压板夹紧机构常见的螺旋压板夹紧机构如图9-44所示，图a、b为移动压板；图c、d为回转压板。图9-45是螺旋钩形压板夹紧机构，其特点是结构紧凑，使用方便。当钩形压板妨碍工件装卸时，自动回转钩形压板避免了手转动钩形压板的麻烦。图9-45自动回转钩形压板图螺旋夹紧机构具有结构简单、制造容易、自锁性能好、夹紧可靠，是手动夹紧中常用的一种夹紧机构。3.偏心夹紧机构图9-46圆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。常用的偏心件是圆偏心轮和偏心轴。图9-46是常见的圆偏心夹紧机构，图a、b用的是圆偏心轮；图ｃ用的是偏心轴；图ｄ用的是偏心叉。偏心夹紧机构操作方便、夹紧迅速，但夹紧力和行程较小，一般用于切削力不大、振动小、夹压面公差小的情况。4.铰链夹紧机构图9-47所示是常用的铰链夹紧机构的三种基本结构，图a为单臂铰链夹紧机构；图b为双臂单作用铰链夹紧机构；图c为双臂双作用铰链夹紧机构。由气缸带动铰链臂及压板转动夹紧或松开工件。图9-47铰链夹紧机构铰链夹紧机构是一种增力机构，其结构简单，增力比大，摩擦损失小，但一般不具备自锁性能，常与具有自锁性能的机构组成复合夹紧机构。所以铰链夹紧机构适用于多点、多件夹紧，在气动、液压夹具中获得广泛应用。5．定心、对中夹紧机构定心、对中夹紧机构是一种特殊夹紧机构，其定位和夹紧是同时实现的，夹具上与工件定位基准相接触的元件，既是定位元件，又是夹紧元件。定心、对中夹紧机构一般按照以下两种原理设计：（1）定位—夹紧元件按等速位移原理来均分工件定位面的尺寸误差，实现定心和对中。图9-48所示为锥面定心夹紧心轴，图9-49所示为螺旋定心夹紧机构。图9-48锥面定心夹紧心轴图9-49螺旋定心夹紧机构（2）定位—夹紧元件按均匀弹性变形原理实现定心夹紧。如各种弹黄心轴、弹簧夹头、液性塑料夹头等。图9-50为弹簧夹头的结构。图9-50弹簧夹头6．联动夹紧机构需同时多点夹紧工件或几个工件时，为提高生产效率，可采用联动夹紧机构。图9-51浮动压头和四点双向浮动夹紧机构1—浮动元件图9-52对向式多件夹紧机构1—压板，2—夹具体，3—滑柱，4—偏心轮，5—导轨，6—螺杆，7—顶杆，8—连杆如图9-51所示，多点夹紧机构中有一个重要的浮动机构或浮动元件1，在夹紧工件的过程中，若有一个夹紧点接触，该元件就能摆动（图a）或移动（图b），使两个或多个夹紧点都接触，直至最后均衡夹紧。图c为四点双向浮动夹紧机构，夹紧力分别作用在两个互相垂直的方向上，每个方向各有两个夹紧点，通过浮动元件1实现对工件的夹紧，调节杠杆、的长度可以改变两个方向夹紧力的比例。图9-52所示是常见的对向式多件夹紧机构，通过浮动夹紧机构产生两个方向相反、大小相等的夹紧力，并同时将工件夹紧。第六节典型机床夹具一、车床夹具在车床上用来加工工件的内外回转面及端面的夹具称为车床夹具。车床夹具多数安装在车床主轴上；少数安装在车床的床鞍或床身上。1．车床夹具的种类安装在车床主轴上的夹具，根据被加工工件定位基准和夹具的结构特点，分为以下四类：（1）卡盘和夹头式车床夹具，以工件外圆为定位基面，如三爪自定心卡盘及各种定心夹紧卡头等。（2）心轴式的车床夹具，以工件内孔为定位基面，如各种定位心轴（刚性心轴）、弹簧心轴等。图9-54所示为一车床上常用的带锥柄的圆柱心轴。加工时，工件以内孔及端面为定位基准，在心轴上定位，用螺母通过开口垫圈将工件夹紧。该心轴以锥柄与车床主轴连接。设计心轴时，应注意正确选择工件孔与心轴配合。图9-54锥柄圆柱心轴图9-55车气门顶杆端面的角铁式车床夹具（3）以工件顶尖孔定位的车床夹具，如顶尖、拨盘等。（4）角铁和花盘式夹具，以工件的不同组合表面定位。图9-55所示为车气门顶杆端面的角铁式车床夹具。由于该工件是以细小的外圆柱面定位，因此很难采用自动定心装置，于是采用半圆套定位元件，夹具体必然设计成角铁状。为了使夹具平衡，该夹具采用了在一侧钻平衡孔的办法。当工件定位基面为单一圆柱表面或与被加工表面轴线垂直的平面时，可采用各种通用车床夹具，如三爪自定心卡盘、四爪卡盘、顶尖、花盘等；当工件定位基面较复杂时，需要设计专用车床夹具。2.车床夹具设计要点车床夹具工作时，和工件随机床主轴或花盘一起高速旋转，具有离心力和不平衡惯量。因此设计夹具时，除了保证工件达到工序精度要求外，还应着重考虑以下问题：（1）车床夹具的总体结构夹具结构应力求紧凑、轮廓尺寸小、重量轻。车床夹具的轮廓尺寸，如图9-56所示，可参考以下数据：当夹具采用锥柄与机床主轴锥孔连接时，夹具上最大轮廓直径或，为锥柄大端的直径。当夹具采用过渡盘与机床主轴相连接时，在时，；时，；时，。当为单支承的悬臂心轴时，其悬伸长度应小于直径的5倍。当为前后顶尖支承的心轴时，其长度应小于直径的12倍。当心轴直径大于时，可采用中空结构，以减轻重量。（2）定位装置和夹紧装置的设计车床夹具主要用来加工回转体表面，定位装置的作用必须使工件加工表面的轴线与车床主轴的回转轴线重合。对于盘套类或其它回转体工件，要求工件的定位基面、加工表面和车床主轴三者轴线重合，常采用心轴或定心夹紧夹