夹紧机构与专用机床夹具

夹紧机构与专用机床夹具

一、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 9-41 b 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 9-40 b 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 9-43 a 、 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。