工件的装夹指的是工件的定位和夹紧.docx
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工件的装夹指的是工件的定位和夹紧
第一章工件的装夹---本书重点
工件的装夹指的是工件的定位和夹紧。
定位的任务是：
使同一工序中的一批工件都能在夹具中占据正确的位置。
工件位置的正确与否，用加工要求来衡量
夹紧的任务是：
使工件在切削力、离心力、惯性力和重力的作用下不离开已经占据的正确位置，以保证机械加工的正常进行。
定位、夹紧装夹在装夹
工件----------à夹具-----à机床<------刀具
§一.1工件定位的基本原理
一.六点定则
在空间直角坐标系中，工件可以沿X、Y、Z轴有不同的位置，称作工件沿X、Y、Z的位置自由度，用X、Y、Z表示；也可以绕X、Y、Z轴有不同的位置，称作工件绕X、Y和Z轴的角度自由度，用X、Y、Z表示。
用以描述工件位置不确定性的X、Y、Z和X、Y、Z，称为工件的六个自由度。
用合理分布的六个支承点限制工件六个自由度的法则，称为六点定则。
XOY面中，1，2，3支撑点：
Z,X,Y
YOZ面中，4，5点：
X,Z
ZOX面中，6点：
Y
支承点的分布必须合理:
工件底面上的三个支承点应放成三角形，三角形的面积越大，定位越稳。
工件侧面上的两个支承点不能垂直放置.
注意：
（1）.定位就不能脱离，始终保持接触
（2）.不考虑受力，受力后不脱离定位面---夹紧的任务
二.限制工件自由度与加工要求的关系
按照加工要求确定工件必须限制的自由度，在夹具设计中是首先要解决的问题。
加工要求-à工件需要限制的自由度<---à定位元件的选择
表1-2满足加工要求必须限制的自由度
1.完全定位：
工件的六个自由度都限制了的定位称为完全定位。
2.不完全定位：
工件被限制的自由度少于六个，但能保证加工要求的定位。
在工件定位时，以下几种情况允许不完全定位：
l）加工通孔或通槽时，沿贯通钢的位置自由度可不限制。
2）毛坯（本工序加工前）是轴对称时，绕对称轴的角度自由度可不限制。
3）加工贯通的平面时，除可不限制沿两个贯通轴的位置自由度外，还可不限制绕垂直加工面的轴的角度自由度。
欠定位：
按照加工要求应限制的自由度没有被限制的定位----决不允许发生的。
三.重复定位
不可用重复定位：
当工件的一个或几个自由度被重复限制，并对加工产生有害影响的重复定位，称为不可用重复定位，不可用重复定位是不允许的；
可用重复定位：
当工件的一个或几个自由度被重复限制，但仍能满足加工要求，即不但不产生有害影响，反而可增加工件装夹刚度的定位，称为可用重复定位。
在生产实际中，可用重复定位被大量采用。
图1－4为插齿时常用的夹具。
避免不可用重复定位的方法是改变定位装置结构。
图1-7是主轴箱孔系加工时的定位简图。
孔系组合夹具元件与元件之间的定位都采用一面两圆柱销定位。
在工件以一面两孔定位时，常用一面一圆柱销及一菱形销的定位装置（简称一面两销定位装置），属完全定位。
在实际生产中，当工件精度不高时，有时也利用重复定位来提高工件的刚度，只要不影响加工要求，就属可用重复定位。
§一.2基准、定位副及对定位元件的基本要求
一.基准及定位副
1.工序基准：
在工件加工的工序图中，用来确定本工序加工表面位置的基准。
可通过工序图上标注的加工尺寸与形位公差来确定工序基准。
2.定位基准：
当工件以回转面（圆柱面、圆锥面、球面等）与定位元件接触（或配合）时，工件上的回转面称为定位基面，其轴线称为定位基准。
3.工件以平面与定位元件接触时，工件上那个实际存在的面是定位基面，它的理想状态（平面度误差为零）是定位基准。
如果工件上的这个平面是精加工过的，形状误差很小，可认为定位基面就是定位基准。
4.限位基准：
定位元件与工件的定位基面相接触的表面就是限位基面。
其理想状态为限位基准。
理论上，定位基准与限位基准应重合，定位基面和限位基面应接触
5.主要定位面：
当工件有几个定位基面时，限制自由度最多的定位基面称为主要定位面，相应的限位基面称为主要限位面。
6.定位副：
将工件上的定位基面和与之相接触（或配合）的定位元件的限位基面合称为定位副。
二.定位符号和夹紧符号的标注
定位、夹紧符号已有机械工业部的部颁标准（JB／T5061---91），可参看附表1。
图l－10为典型零件定位、夹紧符号的标注。
三.对定位元件的基本要求
l·足够的精度：
限位基面应有足够的精度，1/5-1/2工件尺寸及位置公差
2．足够的强度和刚度：
定位元件不仅限制工件的自由度，还有支承工件、承受夹紧力和切削力的作用，因此，应有足够的强度和刚度，以免使用中变形或损坏。
3·耐磨性好：
工件的装卸会磨损定位元件的限位基面，导致定位精度下降。
定位元件应有较好的耐磨性。
4．工艺性好
表1-1常用定位元件能限制的自由度
§一.3定位基面与定位元件
一.工件以平面定位时的定位元件:
多用于箱体、盘类零件
定位元件以平面支承的通常称为支承件：
支承钉、支承板
支承件：
主要支承：
用来限制工件自由度，即有定位作用的定位元件。
辅助支承：
提高工件的刚性和稳定性，无定位作用
1.主要支承：
用来限制工件的自由度，起定位作用。
（1）.固定支承：
在使用过程中，它们都是固定不动的。
支承钉：
可视为一个点，限制一个自由度。
平头：
用于已加工表面。
球头：
用于毛胚表面。
齿纹头：
用于侧面，能增大摩擦系数，防止工件滑动。
支承板：
多用于支承已加工表面，狭长条：
2个自由度；大平面：
3个自由度
A型：
结构简单，制造方便，但清屑困难，故适用于侧面和顶面定位。
B型：
螺纹孔处带斜凹槽（容屑），便于清除切屑，适用于底面。
*需经常更换的支承钉应加衬套。
*支承钉、支承板和衬套都已标准化其
*当要求几个支承针或支承板在装配后等高时，可装配后一次磨削。
（2）.调节支承：
定位过程中，支承钉的高度可调，以适应粗基准位置的变化
*对于小型工件，一般每批调整一次；工件较大时，常常每件都要调整。
*在可调夹具上加工形状相同而尺寸不等的工件时，也可用调节支承。
（3）.自位支承（浮动支承）：
在工件定位过程中，能自动调整位置的支承
适用于毛胚面或刚性不足的场合
*接触点增加，提高工件的刚度和稳定性
*限制一个自由度
2.辅助支承：
用来提高工件的装夹刚度和稳定性，不起定位作用。
*工件定位时是浮动的，工件装夹好后再固定下来，以承受切削力。
（1）.螺旋式辅助支承：
与调节支承相近，但操作过程不同，前者不起定位作用，后者起定位作用，且前者不用螺母锁紧。
（2）.自动调节支承：
靠弹簧推动滑柱，但不可顶起工件
（3）.推引式辅助支承：
斜楔涨开而锁紧
二.工件以圆孔定位时的定位元件
工件以圆孔内表面作为定位基面时，常用于盘类、套类、杆叉类零件
1.定位销
（1）.固定式定位销：
直接以H7/r6过盈配合压入夹具体
（2）.可换式定位销：
夹具体中压入衬套，销以H7/h6压入并用螺母拉紧。
大批大量
A型称圆柱销，B型称菱形销
＊D=3～10mm时，为避免使用中折断，或热处理时淬裂，通常把根部倒成圆角
＊夹具体上应有沉孔，使定位销的圆角部分沉入孔内而不影响定位。
＊为便于工件装入，定位销的头部有15度倒角。
2.圆柱心轴
（1）.间隙配合心轴：
限位基面一般按h6、g6或f7制造，装卸工件方便，精度不高。
工件常以孔和端面联合定位，心轴限位圆柱面与限位端面最一次装夹中加工出来。
（2）.过盈配合心轴：
由引导部分、工作部分2、传动部分3组成。
引导部分：
直径按e8制造，基本尺寸等于工件孔的最小极限尺寸，其长度约为工件定位孔长度的一半。
工作部分：
直径按r6制造，其基本尺寸等于孔的最大极限尺寸。
当工件定位孔的长度与直径之比L／d>l时，心轴的工作部分应稍带锥度。
制造简单、定心准确、不用另设夹紧装置，但装卸不便，易损伤工件定位孔，故多用于定心精度要求高的精加工。
（3）.花健心轴：
用于加工以花键孔定位的工件。
当工件定位孔的长径比L／d＞l时，
可稍带锥度。
设计花键心轴时，应根据工件的不同定心方式来确定定位心轴的结构。
3.圆锥销：
限制了工件的X、Y、Z三个位置自由度。
常与其他定位元件组合定位。
4.锥度心轴：
工件孔与心轴圆柱面的弹性变形夹紧工件，定心精度较高，可达0.０２－０．01mm，但工件的轴向位移误差较大，用于精车和磨削加工，不能加工端面。
三.工件以外圆柱面定位时的定位元件：
1.V形块：
以外圆定位用的最多。
V形块既能用于精定位基面，又能用于粗定位基面；能用于完整的圆柱面，也能用于局部圆柱面；而且具有对中性（使工件的定位基准总处在V形块两限位基面的对称面内），活动V形块还可兼作夹紧元件。
2.定位套：
其内孔轴线是限位基准，内孔面是限位基面。
常与端面联合定位。
定位套结构简单、容易制造，但定心精度不高，故只适用于精定位基面。
3.半圆套：
主要用于大型轴类零件和不便轴向装架的零件。
4.圆锥套：
作业：
1-4、1-6、1-7、1-8
§一.4定位误差的分析与计算
加工误差:
一批工件逐个在夹具上定位时，由于工件及定位元件存在公差，使各个工件所占据的位置不完全一致，加工后形成加工尺寸的不一致，为加工误差。
定位误差：
只与工件定位有关的加工误差,称为定位误差，用ΔD表示。
一.造成定位误差的原因
产生定位误差的原因有两个：
一是定位基准与工序基准不重合，由此产生基准不重合误差ΔB。
二是定位基准与限位基准不重合，由此产生基准位移误差ΔY。
1.
基准不重合误差ΔB:
工序尺寸：
A，B;定位基准：
底面和E面；
C尺寸：
对刀尺寸，在一批工件的加工过程中是不变的。
工序尺寸A的工序基准是F,定位基准是E，产生基准不重合误差。
ΔB=Amax-Amin=Smax-Smin=δs
S是定位基准E与工序基准F间的距离尺寸，称为定位尺寸。
*当工序基准的变动方向与加工尺寸的方向不一致，存在一夹角α时，基准不重合误差ΔB等于定位尺寸公差在加工尺寸方向上的投影，即
ΔB=δscosα
*工序基准的变动方向与加工尺寸的方向相同时，即α=0，cosα=1，基准不重合误差等于定位尺寸的公差，即
ΔB=δs
因此，基准不重合误差面B是一批工件逐个在夹具上定位时，定位基准与工序基准不重合而造成的加工误差，其大小为定位尺寸的公差在加工尺寸方向上的投影。
尺寸B：
工序基准和定位基准重合，ΔB=0
2.基准位移误差ΔY
在圆柱面上铣槽的工序简图，加工尺寸为A和B，工件以内孔D在圆柱心轴上定位
O是心轴轴心，即限位基准，
C是对刀尺寸，即刀刃到O的距离
尺寸A：
工序基准是内孔轴线，定位基准也是内孔轴线，两者重合，ΔB=0
由于定位副有制造公差和配合间隙，定位基准和限位基准不重合，造成了加工尺寸的变动范围-------基准位移误差ΔY
基准位移误差的大小等于因定位基准与限位基准不重合造成的加工尺寸的变动范围。
当工件孔的直径为最大Dmax，定位销直径为最小dmin时，imax=OO1,Amax；
当工件孔的直径为最小Dmin,定位销直径为最大dmax时，imin=OO2,Amin;
因此
ΔY=Amax-Amin=imax-imin
当定位基准的变动方向与加工尺寸的方向不一致，两者之间成夹角α时，基准位移误差等于定位基准的变动范围在加工尺寸方向上的投影，即
ΔY=δicosα
当定位基准的变动方向与加工尺寸的方向一致时，即α=0，cosα=1，基准位移误差等于定位基准的变动范围，即
ΔY=δi
因此，基准位移误差Δy是一批工件逐个在夹具上定位时，定位基准相对于限位基准的最大变化范围在加工尺寸方向上的投影。
Δy=（Dmax/2-dmin/2）-（Dmin/2-dmin/2）=（Dmax-Dmin）/2+（dmax-dmin）/2
=δD/2+δd0/2
二.定位误差ΔD的计算方法
1.合成法
ΔD=ΔB+Δy
*在定位基面尺寸变动方向一定（由大变小，或由小变大）的条件下，Δy（定位基准）与ΔB（工序基准）的变动方向相同时，取“＋”号；变动方向相反时，取“一”号。
例1-2用合成法求图1-32所示加工尺寸E的定位误差。
解：
加工尺寸E：
1）工序基准为工件外圆面的下母线F，定位基准为工件内孔轴线O，存在ΔB
ΔB=δd/2
2）定位基准与限位基准不重合，存在Δy，Δy=δD/2-δd0/2
3）因为工序基准不在定位基面上，即ΔB与Δy无相关公共变量，所以
ΔD=ΔB+Δy=（δD+δd0+δd）/2
例1-3求图l－32中加工尺寸H的定位误差。
解：
1）工序基准是孔的上母线G，定位基准为孔轴线O，存在基准不重合误差ΔB：
ΔB=δD/2
2）定位基准与限位基准不重合，Δy=δD/2-δd0/2
3）工序基准在定位基面上，两者有相关的公共变量，当定位孔由小变大时，Δy（或定位基准O）向下移动，而ΔB（或工序基准G）则向上变动（考虑工序基准变动方向时，设定位基准的位置不变），两者方向相反，故取“－”号，所以
ΔD=Δy-ΔB=δd0/2
2.极限位置法：
定位误差等于由于定位而引起的加工尺寸的最大变动范围。
3.例如求图1-33a中的加工尺寸A的定位误差。
4.
解：
定位误差的大小等于尺寸A的最大变动范围，即ΔDA=Amax-Amin
当Bmin,dmin时，工件中心为O1点;
当Bmax,dmin时，工件中心为O2点;
当Bmin,dmax时，工件中心为O3点;
当Bmax,dmax时，工件中心为O2点;
ΔDA=ao4=ao2+o2o4=δBtgα+δd/2cosα
5.尺寸链分析计算法（微分法）
其方法为：
作工件定位图，确定加工尺寸D与有关的工件和夹具相应各几何参数xi的尺寸链关系式为
D=Φ（xi，x2，x3）
对上式求全微分，即可求出加工尺寸D的定位误差.
例：
（上例）
A=L-Btgα-d/2cosα（B,d为变量）
ΔDA=|δBtgα|+|δd/2cosα|
*此法对包含多误差因素的复杂定位方案的定位误差分析计算较方便。
三.定位误差计算实例（习题课）
例l：
如图1－35所示，求加工尺寸A的定位误差。
解：
1）定位基准为底面，工序基准为圆孔中心线O，定位
尺寸s=50mm,δs=0.2mm
工序基准的位移方向与加工尺寸方向夹45o
ΔB=δscosα=0.2cos45=0.1414
2）定位基准与限位基准重合,Δy=0;
∴ΔD=ΔB=0.1414
***结论:
1）平面定位时,Δy=0;
2）工序基准的位移方向与加工尺寸不一致时,需向加工尺寸方向投影.
例2:
钻铰凸轮上两小孔,求加工尺寸100的定位误差.
解:
1）定位基准与工序基准重合,ΔB=0;
2）位基准相对限位基准单向移动,且与加工尺寸成30o±15’夹角.
δi=（δD+δd0）/2,Δy=δicosα
∴Δy=[（0.033+0.021）/2]*cos30=0.02mm
3）ΔD=Δy=0.02mm
***结论:
定位方式为孔轴配合时,当单边接触时,Δy=[（δD+δd0）/2]cosα
α--定位基准的变动方向与加工尺寸的方向间的夹角
例3:
金刚镗床上镗活塞销孔,求对称度的定位误差.
解:
1）对称度的工序基准是裙部内孔轴线,定位基准也是,
∴ΔB=0;
2）定位基准相对限位基准可任意方向移动,在对称度方向上的最大变动范围为孔轴配合的最大间隙Xmax,δi移动方向与对称度方向一致，α=0，
∴Δy=δi=Xmax=ES-ei=0.035+0.034=0.069mm3）ΔD=Δy=0.069mm
***结论：
定位方式为孔轴配合并可任意方向移动时，其基准位移误差:
Δy=Xmaxcosα=（δD+δd0+Xmin）cosα
例4:
在鼓轮上先铣平面A，再铣平面B，求铣平面B时的角度定位误差。
解1）工序基准为A面，定位基准是OO2，两者不重合，定位尺寸为25o士10’，
ΔB=20’
4）定位基准O与限位基准O重合，但定位基准O2相对限位基准O1不重合,可两个方向转动;
δia=（δD+δd+Xmin）/R=（0.027+0.018+0.012）rad=0.002375rad
Δy=δia=8’10”
5）因工序基准不在定位基准OO。
上，
∴ΔD=ΔB+Δy=20’+8’10”
结论：
角度定位误差的计算方法与尺寸定位误差相同。
例5:
铣工件上的键槽，求加工尺寸分别为A1、A2、A3时的定位误差。
解:
加工尺寸A1的定位误差
1）工序基准是圆柱轴线，定位基准也是圆柱轴线，两者重合，ΔB=0；
2）定位基准相对限位基准有位移，
ΔY=δi=O1O2=d/2（sinα/2）-（d-δd）/2（sinα/2）=δd/2（sinα/2）
3）ΔD=ΔY=δd/2（sinα/2）
加工尺寸A2的定位误差:
1）工序基准是圆柱下母线，定位基准是圆柱轴线，两者不重合；定位尺寸s=d/2
故ΔB=δs=δd/2.
2）ΔY=δd/2（sinα/2）
3）工序基准在定位基面上：
定位基面直径由大变小时，定位基准朝下变动；当定位基面直径由大变小、定位基准不动时，工序基准朝上变动。
两者的变动方向相反，取“－”号，故
ΔD=ΔY-ΔB=δd/2sinα/2-δd/2=δd/2[（1/sinα/2）-1]
加工尺寸A3的定位误差:
1）定位基准与工序基准不重合，ΔB=δs=δd/2.
2）ΔY=δd/2（sinα/2）
3）工序基准在定位基面上：
定位基面直径由大变小时，定位基准朝下变动；当定位基面直径由大变小、定位基准不动时，工序基准朝下变动。
两者的变动方向相同，取“+”号，故
ΔD=ΔY+ΔB=δd/2sinα/2+δd/2=δd/2[（1/sinα/2）+1]
***结论：
轴在V形块上定位时的基准位移误差为ΔY=δd/2（sinα/2），由于ΔY与ΔB中均包含一个公共变量δd，所以需用合成法计算定位误差。
例6：
加工均布的4个槽，求槽的对称度的定位误差。
解：
1）对称度的工序基准是Φ12H8的轴线，定位基准是Φ80士0.05mm的轴线，两者不重合，ΔB=0．02mm。
2）定位基准相对限位基准可任意方向移动，ΔY=Xmax=0.03+0.02+0.1=0.15mm
3）工序基准不在定位基面上，故：
ΔY十ΔB＝（0．15＋0．O2）=O．17mm
该定位方式的定位误差太大，已超过工件公差的2／3，难以保证槽的对称度要求。
若改用Φ12H8孔定位，使ΔB=0；
选定位心轴为Φ12g6,
ΔY=Xmax=0.027+0.017=0.044mm<δk,
可满足加工要求。
结论：
选择定位基准应尽可能与工序基准重合；应选择精度高的表面作定位基准。
浏览常见定位方式的定位误差表1-6。
作业：
P66:
1-13,1-14
§一.5一面两孔定位
**多用于箱体、盖板类零件。
定位平面（工过的精基面）：
限制3个自由度；
两孔：
可以是工件上的孔，也可以是专为定位需要而设置的工艺孔。
一.定位元件：
用于两个定位圆孔的定位元件有以下两种。
1.两个圆柱销：
两个短圆柱销与两定位孔配合为重复定位，沿连心线方向的自由度被重复限制。
若（δLD+δLd）>Xmax1+Xmax2时，将妨碍部分工件的装入。
要使所有所有工件都能顺利地装卸，须满足下列条件：
当工件两孔径为（D1min、D2min）、夹具两销径为最小（dlmax、d2max）、孔间距为最大（L+δLD/2）、销间距为最小（L-δLd/2）,或孔间距为最小（L-δLD/2）、销间距为最大（L+δLd/2）时,两孔与销之间仍有最小装配间隙X1min、X2min存在。
为了满足上述条件，第二销与第二孔不能采用标准配合，第二销的直径缩小了，连心线方向的间隙增大了。
缩小后的第二销的最大直径为
d’2max=D2min/2-X”2min/2-O2O2’
O2O2’=（L+δLd/2）-（L-δLD/2）=δLd/2+δLD/2
d’2max=D2min/2-X”2min/2-δLd/2-δLD/2
∴d’2max=D2min-X”2min-δLd-δLD
这就是说，要满足工件顺利装卸的条件，直径缩小后的第二销与第二孔之间的最小间隙应达到：
X”2min=D2min-d’2max-δLd-δLD
这种缩小一个定位销直径的方法，虽然能实现工件的顺利装卸，但增大了工件
的转动误差，因此，只能在加工要求不高时使用。
2.一圆柱销与一削边销：
**采用定位销“削边”的方法只增大连心线方向的间隙，不增大工件的转动误差，因而定位精度较高。
当间隙达到a=X’2min/2时，满足了工件顺利装卸的条件。
a=X’2min/2=（δLd+δLD+X”2min）/2
a=（δLd+δLD）/2
b=D2minX2min/2a
X2min=2ab/D2min
二.定位误差（一圆柱销，一菱形销）
孔与圆柱销的最大配合间隙X1max,孔和菱形销的最大配合间隙X2max,所以产生直线和角度位移误差ΔY1和ΔY2，即基准位移误差ΔY为：
ΔY=ΔY1+ΔY2
因为X1max当工件单向位移时，ΔY1=X1max/2；
tgΔβ=（X2max-X1max）/2L；
当工件任意方向移动时：
ΔY1=X1max，
tgΔα=（X2max+X1max）/2L；
三.设计示例：
设计步骤：
1．确定两定位销的中心距Ld±δLd／2
两定位销的中心距的基本尺寸应等于工件两定位孔中心距的平均尺寸，其公差一般为：
δLd=（1/3-1/5）δLD
因孔间距LD=59士0．lmm，
销间距Ld=59土0．02mm。
2．确定圆柱销直径d；
圆柱销直径的基本尺寸应等于与之配合的工件孔的最小极限尺寸，其公差带一般取g6或h7。
因定位孔的直径为φ12+0。
027mm，故圆柱销的直径d1=φ12g6
3．确定菱形销的尺寸b
查表1-3,b=4mm。
4．确定菱形销的直径
（1）.计算X2min:
a=（δLd+δLD）/2=0.1+0.02=0.12mm,b=4mm,D2=φ12+0。
027mm,
X2min=2ab/D2min=2*0.12*4/12=0.08mm
采用修圆菱形销时，应以b1代替b进行计算。
（2）.按公式d2max-X2min算出菱形销的最大直径，d2max=（12－0.08）=11.92mm；
（3）.确定菱形销的公差等级。
菱形销直径的公差等级一般取IT6或IT7，因IT6=0．011mm，所以d2min=（2-0.091）mm
2.5.计算定位误差
63士0．lmm和20土0．lmm没有定位误差，因为它们的大小主要取决于钻套间的距离，与工件定位无关；而31．5士0．2mm和10士0．15mm均有定位误差。
1）加工尺寸对31．5士0．2mm的定位误差：
由于定位基准与工序基准不重合，定位尺寸S=29．5士0．lmm，ΔB=δs=0.2mm.
尺寸31．5士0．2mm的方向与两定位孔连心线平行，ΔY1=X1max=0.027+0.017=0.044mm所以：
ΔD=Δy+ΔB=0。
2+0。
044=0。
244；
2）加工尺寸10士0．15mm的定位误差：
ΔB=0；
定位基准可做任意方向的位移：
tgΔα=（X2max+X1max）/2L=（0.044+0.118）/22
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