机床夹具设计(实例)

第1章工件的定位●理解六点定位原理。

●常用定位元件限制的自由度。

●工件定位方式：完全定位、不完全定位、过定位和欠定位。

●常用定位元件的设计。

●定位误差的分析和计算。

●根据零件工序加工要求，确定定位方式。

●根据零件工序加工要求，确定定位方案。

●掌握定位元件的设计方法。

●掌握定位误差的分析和计算。

1.1工作场景导入【工作场景】如图1.1所示，钢套零件在本工序中需钻φ5mm孔，工件材料为Q235A钢，批量N=2000件。

钢套零件三维图如图1.2所示。

【加工要求】(1)φ5mm孔轴线到端面B的距离20±0.1mm。

(2)φ5mm孔对φ20H7孔的对称度为0.1mm。

本任务是设计钻φ5mm孔的钻床夹具定位方案。

图1.1钢套零件钻φ5mm工序图图1.2钢套零件三维图【引导问题】(1)仔细阅读图1.1，分析零件加工要求，各工序尺寸的工序基准是什么？(2)工件定位与夹紧的概念是什么？分析它们分别是由什么装置实现的？(3)六点定位原理是什么？(4)什么是完全定位、不完全定位、过定位和欠定位？(5)常用定位元件有哪些？定位元件限制的自由度？(6)定位方案设计的基本原则是什么？定位元件的要求是什么？(7)定位误差如何分析和计算？(8)企业生产参观实习。

①生产现场机床夹具的组成是什么？②生产现场机床夹具使用的定位元件有哪些？③生产现场机床夹具定位时限制几个自由度？1.2基础知识【学习目标】理解六点定位原理，分析常用定位元件限制的自由度，确定工件的定位方式，常用定位元件的设计，定位方案设计的基本原则，定位误差的分析和计算。

1.2.1工件定位的基本原理1.概述为了达到工件被加工表面的技术要求，必须保证工件在加工过程中的正确位置。

夹具保证加工精度的原理是加工需要满足3个条件：①一批工件在夹具中占有正确的位置；②夹具在机床上的正确位置；③刀具相对夹具的正确位置。

显然，工件的定位是极为重要的一个环节。

本章就要讨论工件的定位问题。

任务2.3 机床夹具的设计案例一、机床夹具的设计思路（一）设计原因机床夹具是机床上用以装夹工件（和引导刀具）的一种装置。

其作用是将工件定位，以使工件获得相对于机床和刀具的正确位置，并把工件可靠地夹紧。

因此简单来说设计夹具的目的就是为了将工件摆放在正确位置上。

但由于不同工件有相应的特异性，因此传统的通用夹具无法满足定位夹紧的需求，这个时候就需要设计出一套只供工件使用的专用夹具，来实现工件的定位夹紧。

夹具就是在这样的背景下才会被设计出来。

在设计夹具前首先要对工件进行分析，了解工件的外观、作用、加工精度、加工要求，根据工件进行专用夹具的分析。

最主要的是用于什么工艺，如何根据工件确定夹紧位置和何如进行定位。

同时还要明确该工件用途是什么，怎么进行加工，这样才能设计出一套符合加工要求同时还能体现出作用的夹具。

（二）设计的基本要求（1）保证工件的加工精度。

工件加工工序的技术要求，包括工序尺寸精度、形位精度、表面粗糙度和其他特殊要求。

夹具设计首先要保证工件被加工工序的这些质量指标。

其关键在于正确地按六点定位原则去确定定位方法和定位元件，必要时进行误差的分析和计算。

同时，要合理地确定夹紧点和夹紧力，尽量减小因加压、切削、振动所产生的变形。

为此，夹具结构要合理，刚性要好。

（2）提高生产率、降低成本、提高经济性。

尽量采用多件多位、快速高效的先进结构，缩短辅助时间，条件和经济许可时，还可采用自动操纵装置，以提高生产效率。

在此基础上，要力求结构简单，制造容易，尽量采用标准元件和结构，以缩短设计和制造周期，降低夹具制造成本，提高其经济性。

（3）操作方便、省力和安全。

夹具的操作要尽量使之方便。

若有条件，尽可能采用气动、液压以及其他机械化、自动化的夹紧装置，以减轻劳动强度。

同时，要从结构上、控制装置上保证操作的安全，必要时要设计和配备安全防护装置。

（2）便于排屑。

排屑是一个容易被忽视的问题。

排屑不畅，将会影响工件定位的正确性和可靠性;同时，积屑热量将造成系统的热变形，影响加工质量;清屑要增加辅助时间;聚屑还可能损坏刀具以至造成工伤事故。

一、机床夹具设计要求1．保证工件加工的各项技术要求要求正确确定定位方案、夹紧方案，正确确定刀具的导向方式，合理制定夹具的技术要求，必要时要进行误差分析与计算。

2．具有较高的生产效率和较低的制造成本为提高生产效率，应尽量采用多件夹紧、联动夹紧等高效夹具，但结构应尽量简单，造价要低廉。

3．尽量选用标准化零部件尽量选用标准夹具元件和标准件，这样可以缩短夹具的设计制造周期，提高夹具设计质量和降低夹具制造成本。

4．夹具操作方便安全、省力为便于操作，操作手柄一般应放在右边或前面；为便于夹紧工件，操纵夹紧件的手柄或扳手在操作范围内应有足够的活动空间；为减轻工人劳动强度，在条件允许的情况下，应尽量采用气动、液压等机械化夹紧装置。

5．夹具应具有良好的结构工艺性所设计的夹具应便于制造、检验、装配、调整和维修。

二、机床夹具设计的内容及步骤1．明确设计要求，收集和研究有关资料在接到夹具设计任务书后，首先要仔细阅读加工件的零件图和与之有关的部件装配图，了解零件的作用、结构特点和技术要求；其次，要认真研究加工件的工艺规程，充分了解本工序的加工内容和加工要求，了解本工序使用的机床和刀具，研究分析夹具设计任务书上所选用的定位基准和工序尺寸。

2．确定夹具的结构方案1）确定定位方案，选择定位元件，计算定位误差。

2）确定对刀或导向方式，选择对刀块或导向元件。

3）确定夹紧方案，选择夹紧机构。

4）确定夹具其他组成部分的结构形式，例如分度装置、夹具和机床的连接方式等。

5）确定夹具体的形式和夹具的总体结构。

在确定夹具结构方案的过程中，应提出几种不同的方案进行比较分析，选取其中最为合理的结构方案。

3．绘制夹具的装配草图和装配图夹具总图绘制比例除特殊情况外，一般均应按1：1绘制，以使所设计夹具有良好的直观性。

总图上的主视图，应尽量选取与操作者正对的位置。

绘制夹具装配图可按如下顺序进行：用双点划线画出工件的外形轮廓和定位面、加工面；画出定位元件和导向元件；按夹紧状态画出夹紧装置；画出其他元件或机构；最后画出夹具体，把上述各组成部分联结成一体，形成完整的夹具。

第2节机床夹具设计实例一、钻夹具的设计实例图2-2-20所示为杠杆类零件图样;图2-2-21所示为本零件工序图;1．零件本工序的加工要求分析①钻、扩、铰φ10H9孔及φ11孔;②φ10H9孔与φ28H7孔的距离为80±0. 2mm；平行度为;③φ11孔与φ28H7孔的距离为15±0. 25mm;④φ11孔与端面K距离为14mm;本工序前已加工的表面如下;①φ28H7孔及两端面;②φ10H9两端面;本工序使用机床为Z5125立钻,刀具为通用标准工具;2．确定夹具类型本工序所加工两孔φ10H9和φ11,位于互成90°的两平面内,孔径不大,工件质量较小、轮廓尺寸以及生产量不是很大,因此采用翻转式钻模;3．拟定定位方案和选择定位元件1定位方案;根据工件结构特点,其定位方案如下;①以φ28H7孔及一组合面端面K和φ10H9一端面组合而成为定位面,以φ10H9孔端外缘毛坯面一侧为防转定位面,限制六个自由度;这一定位方案,由于尺寸885.0mm公差大,定位不可靠,会引起较大的定位误差;如图2-2-22a②以孔φ28H7孔及端面K 定位,以φ11孔外缘毛坯一侧为防转定位面,限制工件六个自由度;为增加刚性,在φ10H9的端面增设一辅助支承,如图2-2-22 b 所示;比较上述两种定位方案,初步确定选用图2-2-22b 所示的方案; 2选择定位元件;①选择带台阶面的定位销,作为以φ28H7孔及其端面的定位元件,如图2-2-23所示;定位副配合取6728g H φ;②选择可调支承钉为φ11孔外缘毛坯一侧防转定位面的定位元件,如图2-2-24a 所示;也可选择如图2-2-24 b 所示移动V 形块;考虑结构简单,现选用图2-2-24a 所示结构;3定位误差计算①加工φ10H9孔时孔距尺寸80±mm 的定位误差计算;由于基准重合,故ΔB ＝0;基准位移误差为定位孔φ38021.00+mm 与定位销φ38007.0002.0--mm 的最大间隙,故ΔY＝＋0. 007＋mm ＝;由此可知此定位方案能满足尺寸80±mm 的定位要求; ②加工φ10H9孔时轴线平行度的定位误差计算; 由于基准重合,故ΔB ＝0;基准位移误差是定位孔φ28H7与定位面K 间的垂直度误差;故ΔY ＝0.此方案能满足平行度0. 3mm 的定位要求;③加工φ11孔时孔距尺寸15±mm;加工φ11孔时与加工φ10H9孔时相同;此方案能满足孔距15± mm 的定位要求; 4．确定夹紧方案参考夹具资料,采用M12螺杆在φ28H7孔上端面夹紧工件; 5．确定引导元件钻套的类型及结构尺寸 ⑴对φH9孔,为适应钻、铰选用快换钻套;主要尺寸由机床夹具零、部件国家标准GB/T2263－80, GB/T2265－80选取;钻孔时钻套内径φ10028.0013.0++mm 、外径φ15012.0001.0++mm ；衬套内径φ15034.0014.0++mm,衬套外径φ22028.0015.0++mm;钻套端面至加工面的距离取8mm;麻花钻选用φ9. 80022.0-mm;2对φ11孔,钻套采用快换钻套;钻孔时钻套内径φ11034.0016.0++mm 、外径φ18012.0001.0++mm,衬套内径φ18034.0016.0++mm,外径φ26028.0015.0++mm ；钻套端面至加工面间的距离取12mm;麻花钻选用φ10. 80027.0-mm;各引导元件至定位元件间的位置尺寸分别为15±mm 和18±0. 05mm,各钻套轴线对基面的直线度允差为;6．夹具精度分析与计算由图2-2-22可知,所设计夹具需保证的加工要求有：尺寸15±mm ；尺寸80±mm ；尺寸14mm 及φ10H9孔和φ28H7孔轴线间平行度允差等四项;除尺寸14mm,因精度要求较低不必进行验算外,其余三项精度分别验算如下;1尺寸80±mm的精度校核;定位误差ΔD,由前已计算,已知Δ＝;定位元件对底面的垂直度误差ΔA＝;钻套与衬套间的最大配合间隙ΔT1＝0. 033mm;衬套孔的距离公差ΔT2＝;麻花钻与钻套内孔的间隙X2＝;衬套轴线对底面F的垂直度误差ΔT3＝0. 05mm;因而该夹具能保证尺寸80±0. 2mm的加工要求;2尺寸15±0. 25mm的精度校核;ΔD＝0. 041mm,ΔA＝0. 03mm,ΔT1＝0. 033mm;衬套孔与定位元件的距离误差ΔT2＝;麻花钻与钻套内孔的间隙X＝;因而尺寸15±mm能够保证;3φ10H9轴线对φ25H7轴线的平行度的精度校核;ΔD＝0. 03mm,ΔA＝0. 03mm;衬套对底面F的垂直度误差ΔT＝0. 05mm;因而此夹具能保证两孔轴线的平行度要求;7．绘制夹具总图根据已完成的夹具结构草图,进一步修改结构,完善视图后,绘制正式夹具总装图,如图2-2-23所示;8．绘制夹具零件图样从略;9．编写设计说明书 从略;二、铣床夹具设计实例图2-2-25所示为轴套类零件的零件图样;现需设计铣两槽52.00+mm 的铣夹具;1．零件本工序的加工要求分析本工序的加工要求,在实体上铣出两通槽,槽宽为52.00+mm,槽深为2703.0-mm,两槽在圆周方向互成60°±30′角度,表面粗糙度为Ra1. 25μm;本工序之前,外圆φ60021.0002.0++mm 、内孔φ32039.00+mm 及两端面均已加工完毕; 本工序采用φ5mm 标准键槽铣刀在X5l 立式铣床上,一次装夹六件进行加工; 2．确定夹具类型本工序所加工的是两条在圆周互成60°角的纵向槽,因此宜采用直线进给带分度装置的铣夹具;3．拟定定位方案和选择定位元件 1定位方案;①以φ32039.00+mm 内孔作为定位基准,再选孔端面为定位基准,限制工件五个自由度;如图2-2-26a 所示;为定②以φ60021.0002.0++mm 外圆位基准 以长V 形块为定位元件,限制4个自由度;如图2-2-26 b 所示;方案②由于V 形块的特性,所以较易保证槽的对称度要求,但对于实现多件夹紧和分度较困难;方案①的不足之处是由于心轴与孔之间有间隙、不易保证槽的对称度,且有过定位现象;但本工序加工要求井不高,而工件孔和两端面垂直精度又较高,故过定位现象影响不大;经上述分析比较,确定采用方案①;2选择定位元件;根据定位方式,采用带台肩的心轴;心轴安装工件部分的直径为φ32g6009.0025.0--mm,考虑同时安装6个工件,所以这部分长度取112mm,由于分度精度不高,为简化结构,在心轴上做出六方头,其相对两面间的距离尺寸取28g6007.0020.0+-mm,与固定在支座上的卡块槽28H7021.00+mm 相配合；加工完毕一个槽后,松开并取下心轴,转过相邻的一面再嵌入卡块槽内即实现分度;心轴通过两端φ25H6mm 柱部分安装在支座的V 形槽上,并通过M16螺栓钩形压板及锥面压紧,压紧力的方向与心轴轴线成45°角;mm 定位误差分析如下;3定位误差计算;工序尺寸270-5.0由于基准重合ΔB＝0由于定位孔与心轴为任意边接触,则因此定位精度足够;由于加工要求不高,其他精度可不必计算;4．确定夹紧方案根据图2-2-26所示心轴结构,用M30螺母把工件轴向夹紧在心轴上;心轴的具体结构如图2-2-27所示;5．确定对刀装置1根据加工要求,采用GB/T2242－80直角对刀块；塞尺符合GB/T2244－mm;80,基本尺寸及偏差20014-.02计算对刀尺寸H和B如图2-2-28所示,计算时应把尺寸化为双向对称偏差,即6．夹具精度分析和计算本夹具总图上与工件加工精度直接有关的技术要求如下;定位心轴表面尺寸φ32g6;定位件与对刀间的位置尺寸±mm,±mm;定位心轴安装表面尺寸φ25h6;mm;对刀塞尺厚度尺寸20-014.0分度角度60°±10′;定位心轴轴线与夹具安装面、定位键侧平面间的平行度公差为0. lmm;分度装置工作表面对定位表面的对称度公差为0. 07mm;分度装置工作表面对夹具安装面垂直度公差为;对刀装置工作表面对夹具安装面的平行度和垂直度公差为0. 07mm;mm的精度分析;1尺寸270-5.0ΔD＝0. 064mm定位误差前已计算;ΔT＝0. 16mm定位件至对刀块间的尺寸公差;ΔA＝1.0×20mm＝定位心轴轴线与夹具底面平行度公差对工件尺寸的影233响;mm尺寸;故此夹具能保证270-5.02对60°±30′的精度分析;分度装置的转角误差可按下式计算;故此分度装置能满足加工精度要求;7．绘制夹具总图图2-2-27所示为本夹具的总装图样;8．绘制夹具零件图样从略;9．编写设计说明书从略;。

夹具设计（实例）图3-2所示为CA6140车床上接头的零件图。

该零件系大批量生产，材料为45号钢，毛坯采用模锻件。

现要求设计加工该零件上尺寸为28H11的槽口所使用的夹具。

图3-2 CA6140车床上接头的零件图零件上槽口的加工要求是：保证宽度28H11，深度40mm，表面粗糙度侧面为Ra3.2μm，底面为Ra6.3μm。

并要求两侧面对孔ф20H7的轴心线对称，公差为0.1mm；两侧面对孔ф10H7的轴心线垂直，其公差为0.1mm。

零件的加工工艺过程安排是在加工槽口之前，除孔ф10H7尚未进行加工外，其他各面均已加工达到图纸要求。

槽口的加工采用三面刃铣刀在卧式铣床上进行。

一、工件装夹方案的确定工件装夹方案的确定，首先应考虑满足加工要求。

槽口两侧面之间的宽度28H11取决于铣刀的宽度，与夹具无关，而深度40mm则由调整刀具相对夹具的位置保证。

两侧面对孔ф10H7轴心线的垂直度要求，因该孔尚未进行加工，故可在后面该孔加工工序中保证。

为此，考虑定位方案，主要应满足两侧面与孔ф20H7轴心线的对称度要求。

根据基准重合的原则，应选孔ф20H7的轴心线为第一定位基准。

由于要保证一定的加工深度，故工件沿高度方向的不定度也应限制。

此外，从零件的工作性能要求可知，需要加工的两侧面应与已加工过的两外侧面互成90度，因此在工作定位时还必须限制绕孔ф20H7的轴心线的不定度。

故工件的定位基准的选择如图3.3所示，除孔ф20H7（限制沿x,y轴和绕x,y轴的不定度）之外，还应以一端面（限制沿z轴的不定度）和一外侧面（限制绕z轴的不定度）进行定位，共限制六个不定度，属于完全定位。

工件定位方案的确定除了考虑加工要求外，还应结合定位元件的结构及夹紧方案实现的可能性而予以最后确定。

对接头这个零件，铣槽口工序的夹紧力方向，不外乎是沿径向或沿轴向两种。

如采用如图 3.4（a）所示的沿径向夹紧的方案，由于ф20H7孔的轴心线是定位基准，故必须采用定心夹紧机构，XYZX以实现夹紧力方向作用于主要定位基面。