第4章 机床夹具设计原理 学习指导

16 第4章 机床夹具设计原理

一、本章知识要点及要求

4.1 机床夹具概述

1．了解机床夹具的概念，掌握组成机床夹具的各元件或装置及其在机床夹具中所起的作用。

2．了解工件在夹具上定位和夹紧的概念。

3．了解机床夹具的分类。

4.2 工件在夹具中的定位

1．能根据工件工序图的加工要求，利用定位基本原理，确定保证加工要求应该限制工件的哪些自由度；能够较熟练的分析工件定位方案的合理性，判断其属于完全定位、不完全定位、欠定位和过定位，对不合理的定位方案能进行改正。

2．了解常用的定位基准面（平面、圆柱孔、外圆、圆锥孔）经常采用的定位元件和特点，针对给定的定位基准面能够正确的选择定位元件。

3．掌握常用的定位元件能够限制工件的自由度数目和在给定的坐标系下能够限制哪些自由度。

4．掌握组合定位，对给定的组合定位方案能够进行合理性分析，对给定的组合定位表面能够拟订组合定位方案，并能选择合适的定位元件。

例题4.1 在例题4.1图中，注有“”的表面为要求加工的表面，试分析确定应限制的自由度。

例题4.1图

解：

图a要求在球体上铣平面，由于是球体，所以三个转动自由度不必限制，此外该平面在x方向和y方向均无位置尺寸要求，因此这两个方向的移动自由度也不必限制。因为z方向有位置尺寸要求，所以必须限制z方向的移动自由度，即球体铣平面(通铣)只需限制1个自由度。

图b要求在球体上钻通孔，仿照同样的分析，只需要限制2个自由度，即x方向和y方向的移动自由度。

图c要求在圆轴上通铣键槽，只需限制4个自由度，即、、、。

图d要求在长方体上通铣槽，只需限制五个自由度，即、、、、。

这里必须强调指出，有时为了使定位元件帮助承受切削力、夹紧力或为了保证一批工件的进给长度一致，常常对无位置尺寸要求的自由度也加以限制。如本例中图a，虽然从定位分析上看，球体上通铣平面

16 只需限制1个自由度，但在决定定位方案的时候，往往要考虑工件装夹方便（如本例中用平板限制1个自由度，工件会乱滚动。），一般情况下，工件至少应限制3个自由度。

例题4.2 分析例题4.2图所示的定位方案。按图示坐标系各定位元件限制了哪些自由度？有无重复定位现象?

例题4.2图

组合定位分析实例

1，2，3——固定短V形块

解：一个固定短V形块能限制工件两个自由度，三个固定短V形块组合起来共限制工件六个自由度，不会因组合而发生数量上的增减。按图示坐标系，短V形块1限制、方向自由度，短V形块2与之组合起限制、方向自由度的作用，即V形块2由单独定位时限制两个移动自由度转化成限制工件两个转动自由度。也可以把固定短V形块1，2组合来视为一个长V形块，用它来定位长圆柱体，共限制、、、四个方向自由度。两种分析是等同的。固定短V形块3限制了、方向自由度，其中单个定位时限制方向自由度的作用在组合定位时转化成限制方向自由度的作用。这是一个完全定位，没有重复定位现象。

注意：分析组合定位时要注意以下几点：a）几个定位元件组合起来定位一个工件相应的几个定位面，该组合定位元件能限制工件的自由度总数等于各个定位元件单独定位各自相应定位面时所能限制自由度的数目之和，不会因组合定位而发生数量上的改变，但它们限制了哪些方向的自由度却因虽不同组合情况而定。b）组合定位中，定位元件在单独定位某定位面时原起的限制移动自由度的作用可能会转化成限制转动自由度的作用。 c）单个表面的定位是组合定位分析的基本单元。

例题4.3 如例题4.3图a所示，有一批工件的锥孔和各平面均己加工合格。要在铣床上用图示定位方案的铣床夹具装夹工件，加工尺寸为b-T(b)的槽子，除了保证图示的技术要求外，还须保证槽的对称平面通过锥孔轴线。试分析图示的定位方案是否合理?如不合理，如何改进?

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a) 1——平面支承 2——锥形定位销 3——支承钉

（注：平面支承和锥形定位销在俯视图中未表示出来）

b) 1——面支承 2——可移动锥形定位销 3——可移动双支承钉组合

（注：俯视图中未表示平面支承）

例题4.3图

解：（1）先分析各定位元件所限制工件的自由度

a)平面支承限制工件、、三个方向自由度；

b)锥形定位短销限制工件、、三个方向自由度；

c)二支承钉限制工件、两个方向自由度。

从上面分析可如产生了和方向重复定位，应予以消除，否则会形成定位不稳定，难保证加工要求。

（2）方向重复定位的消除方法

根据h-T(h)尺寸和T(P)2的平行度加工要求,

方向自由度应由平面支承来限制，锥形定位短销不应起限制方向自由度的作用。只要使锥形定位销沿z轴可移动，就可解决方向重复定位的矛盾。

（3）方向重复定位的消除方法

为保证槽的对称平面通过锥孔轴线，应该用可移动的锥形定位短销定位锥孔。但为保证槽侧面与A面平行，应该用两个支承钉定位A面起导向作用。要同时满足这两个要求似乎很难两全其美，好像必须牺牲一方要求才能解决重复定位矛盾。仔细研究工件的加工要求可以发现，对槽到A面的距离尺寸，没有提出特别要求，这就提供了一条两全其美的解决途径。只要能使一批工件在装入夹具后，A面平行地前后移动而不产生转动。这样，上工序锥孔加工时，一批工件的锥孔轴线到A面的距离误差只反映在本工序槽侧面到A面的距离尺寸上，而不反映在本工序槽侧面对A面的平行度误差上。采用图(b)的可移动双支承钉的组合结构，便可满足要求。最后改进的方案如图(b)所示。

注意：组合定位时重复定位现象的消除方法如下：a)使定位元件沿某一坐标轴可移动，来消除其限制沿该坐标轴移动方向自由度的作用。 b）采用自位支承结构，消除定位元件限制绕某个（或两个）坐标轴转动方向自由度的作用。c）改变定位元件的结构形式。

16 例题4.4 分析例题4.4图所示的定位方案。按图示坐标系各定位元件限制了哪些自由度？有无重复定位现象?

例题4.4图

1——固定短V形块 2——活动短V形块

3——平面支承

解：各定位元件单独定位相应各表面时，平面支承3限制3个自由度、、；固定短V形块1限制2个自由度、；可移动短V形块2只限制1个自由度、。图中可移动短V形块2单独定位时起限制方向自由度的作用，但在组合定位时，由于固定短V形块1已限制、方向自由度，起了定心作用，因此可移动短V形块2便转化为起限制方向自由度的作用，成为完全定位，没有重复定位现象。

例题4.5 分析例题4.5图所示的定位方案。按图示坐标系各定位元件限制了哪些自由度？有无重复定位现象?

例题4.5图

1—平面支承 2—固定短V形块

3—活动短V形块

解：各定位元件单独定位相应各表面时，平面支承1限制3个自由度、、；固定短V形块2限制2个自由度、；可移动短V形块3只限制1个自由度。图中可移动短V形块3单独定位时起限制方向自由度的作用，但在组合定位时，由于工件是一个圆柱体，无法转化为起限制方面自由度的作用，因而仍然限制方向自由度。即固定短V形块2要确定圆柱件轴心Y方向的位置，而可移动短V形决3也要确定工件轴心Y方向的位置，形成重复定位现象。

解决该重复定位现象的措施可以采用：

a)因为定位元件1和2组合限制了工件5个自由度已经足够，剩下方向的自出度对圆形工件来说既不必要予以限制也无法实现限制，所以只要去掉可移动V形块3改为夹紧机构即可，比如可用一个平压块，只起夹紧作用而不起定位作用。

16 b)把固定短V形块2改为平面支承，只限制方向自由度，保留可移动短V形块3限制方向自由度（并兼有夹紧作用）。

4.3 定位误差分析计算

掌握什么是定位误差以及定位误差产生的原因；明白基准不重合引起的误差和定位副不准确（包括制造不准确和配合间隙）引起的基准位置移动误差的含义和计算方法；掌握常见的定位方案定位误差的分析计算方法，并能根据工件给定的加工允差判断该定位方案是否能够满足加工要求。

例题4.6 有一批如例题4.6图a所示的工件，除A，B处台阶面外其余各表面均已加工合格。今用例题图4.6b所示的夹具方案定位铣削A，B处台阶面保证30±0.1mm和60±0.06mm尺寸。试分折计算定位误差。

例题4.6图 铣台阶面工序定位误差分析计算

解：本工序加工精度参数有30±0.1和60±0.06两个尺寸，应分别分析计算其定位误差。

(1)对30±0.1尺寸的分析

该尺寸的设计基准是Φ12H8孔轴线，定位基准是C面，基准不重合，二者以尺寸52±0.02相联系。一批工件的设计基准相对定位基准的位置变化即为由于基准不重合引起的定位误差jb。

04.002.02jb

因为是平面定位，0jw。

30±0.1尺寸的定位误差为

04.0004.0jwjbdw

加工允许差为2×0.1=0.2，定位误差只占加工允差1/5，是可以保证本工序30±0.1尺寸的要求的。

(2) 对60±0.06尺寸的分析

由于设计基准是D面，定位基准也是D面，基准重合，故0jb。

又是平面定位，0jw

60±0.06尺寸的定位误差为 000jwjbdw

例题4.7 工件尺寸如例题4.7图所示，mm40003.0

与mm35002.0

的同轴度误差mm02.0。欲钻孔O，并保证尺寸mm3001.0

，V形块夹角090，试分析计算下列定位方案的定位误差。

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例题4.7图

解：本工序要保证的尺寸为mm3001.0

，该尺寸工序基准为mm40003.0

外圆上母线，见例题4.8图b，定位基准为mm35002.0

中心线，存在基准不重合误差。该基准不重合误差包括下列两部分：

mm035.0015.002.0mm02.0mm015.0203.02121jbjbjbjbjb

工件以mm35002.0

外圆在V形块上定位，存在基准位置移动误差：

mm01414.0707.002.022202.02sin2)(dTjw

尺寸mm3001.0

的定位误差为 01414.0035.0jwjbdw0.04914mm

例题4.8 例题4.8图所示齿轮坯，内孔和外圆已加工合格（0

1.080dmm，025.0035Dmm），现在插床上用调整法加工内键槽，要求保证尺寸2.005.38Hmm。试分析采用图4.8(a)所示定位方法能否满足加工要求(要求定位误差不大于工件尺寸公差的1/3)?若不能满足，应如何改进?(忽略外圆与内孔的同轴度误差)

例题4.8图

解：H尺寸的工序基准为025.0035D内孔的下母线，定位基准为01.080d外圆的中心线，工序基准与定位基准不重合，存在基准不重合误差，忽略外圆与内孔的同轴度误差，得到

0125.02025.02)(DTjb