夹具第4章对刀分度.docx
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夹具第4章对刀分度
机床夹具设计讲稿
目录
1机床夹具概述
1.1工件的装夹与机床夹具
1.2夹具的分类与作用
1.3机床夹具设计研究的内容
2工件在夹具中的定位
2.1工件定位原理
2.2定位元件的选择与设计
2.3定位误差的分析与计算
2.4工件定位方案设计及定位误差计算举例
3工件在夹具中的夹紧
3.1夹紧装置的组成及其设计要求
3.2夹紧力的确定
3.3夹紧机构设计
3.4夹紧动力装置设计
3.5夹紧装置设计实例
4夹具在机床上的定位、对刀和分度
4.1夹具在机床上的定位
4.2夹具在机床上的对刀
4.3夹具的转位和分度装置
5各类机床夹具的结构特点
5.1钻床夹具
5.2镗床夹具
5.3铣床夹具
5.4车床和圆磨床夹具
5.5齿轮加工机床夹具
6可调夹具及组合夹具设计
6.1概述
6.2通用可调夹具和成组夹具
6.3组合夹具
7机床夹具的设计方法及步骤
7.1机床夹具设计的一般步骤
7.2机床夹具设计举例
7.3机床夹具计算机辅助设计简介
7.4夹具体的设计
7.5夹具结构的工艺性
4夹具在机床上的定位、对刀和分度
4.1夹具在机床上的定位
4.1.1夹具在机床上定位的目的
能否保证工件的加工要求，取决于工件与刀具间的相互位置，而引起此位置产生误差的因素有四方面：
第一是工件在夹具中因位置不一致而引起的误差，称为定位误差，用ΔD表示。
第二是定位元件和机床上安装夹具的装夹面之间的位置不准确所引起的误差，以ΔA表示。
第三是定位元件与对刀或导向元件之间的位置不准确引起的误差，以Δr表示，这两项误差与夹具在机床上的安装和对刀调整有关，统称调安误差，以Δr-A表示。
第四是由于机床运动精度以及工艺系统的变形等因素引起的误差，称为加工方法误差，以ΔG表示。
为了保证工件的加工要求，上述四方面误差合成后应不超出工件的加工公差TK的范围，即
在初步确定工件的定位方案时，可以先假设上述三项误差各占工件公差的1/3，最后可根据实际情况进行调整。
所以，夹具在机床上的定位，其本质是夹具定位元件对刀具切削成形运动的定位。
为此，就要解决好夹具与机床的连接与配合问题以及正确规定定位元件定位面对即将安装面的要求。
4.1.2夹具在机床上的定位方式
夹具通过连接元件实现其在机床上的定位，根据机床的结构与加工特点，夹具在机床上的连接定位通常有两种方式：
夹具连接定位在机床的工作台面上（如铣、刨、镗、钻床及平面磨床等）及夹具连接定位在机床主轴上（如车床、内、外圆磨床等）。
（1）夹具在工作台面上的连接定位
夹具在工作台面上用夹具安装面及定向键定位。
为了保证夹具安装面与工作台面有良好的接触，夹具安装面的结构形式及加工精度都应有一定的要求。
除夹具安装面外，一般还通过两个定向键或定位销与工作台上的T型槽相配合，以限制夹具在定位时所应限制的自由度，并承受部分切削力矩，增强夹具在工作过程中的稳定性。
如图为定向键的标准结构。
在小型夹具中，为了制造方便，可用定位销代替定向键。
在这类夹具的纵向两端底边上，设计出带U型槽的耳座，供紧固夹具体的螺栓穿过。
如图为常见结构。
（2）夹具在主轴上的连接定位
夹具在机床主轴上的连接定位方式，取决于机床主轴端部结构。
如图所示是常见的几种连接定位方式。
莫氏锥度
端面A与圆柱孔D
短锥面K与端面T
4.1.3夹具在机床上的定位误差
夹具安装在机床上时，由于夹具定位元件对夹具体安装基面存在位置误差，夹具安装面本身有制造误差，夹具安装面与机床装卡面有连接误差，这就使夹具定位元件相对机床装卡面存在位置误差。
为提高工件在夹具中加工时的加工精度，必须研究各类夹具定位误差的计算方法及减少这些误差的措施。
其计算方法按前面介绍过的即可。
4.1.4提高夹具在机床上定位精度的措施
当工序的加工精度要求很高时，夹具的制造精度及装配精度也要相应提高，有时会给夹具的加工和装配造成困难。
这时可采用下述方法保证定位元件定位面对切削成形运动的位置精度。
（1）对夹具进行找正安装
这种方法是直接按切削成形运动确定定位元件定位面的位置的，避免了很多中间环节误差的影响，而且定位元件的定位面与夹具安装面的位置精度也不需过分严格要求，因而便于夹具的制造。
但是该法需要较长的找正时间和较高的技术水平。
因此适用于夹具很少更换，以及用其它方法达不到夹具定位精度要求的情况。
（2）对定位元件定位面进行就地加工
夹具初步在机床上找正好位置后，即对其上定位元件的定位面进行加工，以“校准”其位置。
这种方法之所以能获得较高的夹具定位精度，也是由于避免了很多中间环节误差的影响。
4.2夹具在机床上的对刀
夹具在机床上安装完毕，在进行加工之前，尚需进行夹具的对刀，使刀具相对夹具定位元件处于正确位置。
下面分别对铣床夹具和钻床夹具在机床上的对刀进行分析。
4.2.1铣床夹具的对刀
对刀的方法通常由三种：
一种方法为单件试切；第二种方法是每加工一批工件，即安装调整一次夹具，通过试切数个工件来对刀；第三种方法是用样件或对刀装置对刀，这时只是在制造样件或调整对刀装置时，才需要试切一些工件，而在每次安装使用夹具时，不需再试切工件，这是最方便的方法。
下图是几种铣刀的对刀装置。
有高度对刀块（a）、直角对刀块（b）。
（c）和（d）是成型对刀块。
塞尺一般取1、2或3mm。
用对刀装置对刀时影响对准精度的因素有：
1）测量调整误差。
如用塞尺检查铣刀与对刀块之间距离时会有测量误差。
2）定位元件定位面相对对刀装置的位置误差。
为减少这项误差，要正确确定对刀块对刀表面的位置尺寸及其公差。
同时这些位置尺寸都应以定位元件定位面为基准标注，以避免产生基准转换误差。
4.2.2钻床夹具中刀具的对准和引导
在钻床夹具中，通常用钻套实现刀具的对准，如图，加工时只要钻头对准钻套，所钻孔的位置就能达到工序要求。
而且，钻套和镗套还有增强刀具刚度的作用。
（1）钻套的四种形式
1）固定钻套（图a）
2）可换钻套（图b）
3）快换钻套（图c）
上述三种钻套已经标准化，设计时可在《机床夹具设计手册》中查阅。
4）特殊钻套
特殊钻套是根据具体加工情况自行设计的，以补充标准钻套性能的不足。
如图。
（2）钻套导引孔尺寸和公差的确定
设计时可在《机床夹具设计手册》中查阅到的钻套，均有相应的说明。
（3）钻套高度和钻套与工件距离
1）钻套高度
钻套高度由孔距精度、工件材料、孔加工深度、刀具耐用度、工件表面形状等因素较多。
一般在材料强度高，钻头刚度低（钻头悬伸长度与直径之比大于15）和在斜面上钻孔时，采用长钻套。
钻一般孔，钻套的高度取H=（1.5~2）d；
加工IT6、IT7级精度，孔径在Φ12mm以上的孔或孔距精度要求在±0.10~±0.15mm时，钻套的高度取H=（2.5~3.5）d；
加工IT7、IT8精度的孔和孔距精度要求在±0.06~±0.10mm时，钻套的高度取H=（1.25~1.5）（h+B）。
2）钻套与工件的距离
钻套与工件间留有一定的距离h，如图。
如果h太大，会增加钻头的倾斜量，使钻套不能很好的导向。
h过小，切屑排出困难（特别是钢件），不仅会增加工件加工表面的粗糙度，有时还可能将钻头折断。
h值可按下面经验公式选取：
加工铸铁、黄铜时，h=（0.3~0.7）d；
加工钢件时，h=（0.7~1.5）d。
材料越硬，则式中的系数应取小值，钻头直径越小，也即钻头刚度越差，式中的系数取最大值，以免切屑堵塞而使钻头折断。
但是下面几种特殊情况，需另行考虑：
①在斜面上钻孔（或钻斜孔时），钻头最易引偏，为保证起钻良好，h应尽可能小一些（h≈0.3d）。
②孔的位置精度要求高时，可取h=0，以保证钻套有较好的导引作用，而让切屑从钻头的螺旋槽中排出。
这样，排屑条件反比只留很小h值得要好，但此时钻套磨损严重。
③钻深孔（孔的长径比B/d>5）时，要求排屑畅快，可取h=1.5d。
此外，各种钻套的内孔和外圆的同轴度不应大于0.005mm。
（4）钻床夹具导套位置尺寸的标注
对刀元件位置尺寸公差T一般取相应工序尺寸公差的1/3~1/5。
（5）影响对刀精度的因素
对于钻床夹具，影响对刀精度的因素很多,可按具体情况进行分析。
4.3夹具的转位和分度装置
在机械加工中，经常会遇到一些工件要求在夹具里一次装夹加工一组表面，如孔系、槽系、多面体等。
由于这些表面是按一定角度或一定距离分布的，因而要求夹具在工件加工过程中能进行分度。
即当工件加工完一个表面后，夹具的某些部分应能连同工件转过一定角度或移动一定距离。
可实现上述要求的装置就叫分度装置。
分度装置能使工件的加工工序集中，装夹次数减少，从而可提高加工表面间的位置精度，减轻劳动强度和提高生产率，因此广泛应用于钻、铣、镗等加工中。
分度装置可分为两大类：
回转分度装置和直线分度装置。
由于这两类分度装置的结构原理与设计方法基本相同，而生产中又以回转分度装置的应用为多，故主要介绍和分析回转分度装置。
4.3.1分度装置的基本形式
分度装置按其工作原理可分为机械、光学、电磁等形式。
按其回转轴的位置，又可分为立轴式、卧轴式和斜轴式三种。
如例为用以钻扇形工件上五个等分孔的机械式分度夹具。
工件以短圆柱凸台和平面在转轴4及分度盘3上定位，以小孔在菱形销1上圆周定位。
由两个压板9压紧。
分度销8装在夹具体5上，并借助弹簧的作用插入分度盘相应的孔中，以确定工件与钻套间的相对位置。
分度盘3的孔座数与工件被加工孔数相等。
分度时松开手柄6，利用手柄7拔出分度销8，转动分度盘直至分度销插入第二个孔座；然后转动手柄6轴向锁紧分度盘，这样便完成一次分度。
当加工完一个孔后，继续依次分度直至加工完毕工件上的全部孔。
由本例知，用机械式分度装置实现分度必须有两个主要部分：
分度盘和分度定位结构。
一般分度盘与转轴相连，并带动工件一起转动，用以改变工件被加工面的位置。
分度定位机构则装在固定不动的分度夹具的底座上。
此外，为了防止切削中产生振动及避免分度销受力而影响分度精度，还需要有锁紧机构，用来把分度后的分度盘锁紧到夹具体上。
根据分度盘和分度定位机构相互位置配置方式，分度装置又可分为：
1）轴向分度装置。
分度与定位是沿着与分度盘回转轴线相平行的方向进行的，如图。
2）径向分度装置。
分度和定位是沿着分度盘的半径方向进行的，如图。
4.3.2分度装置的对定机构
用分度或转位夹具加工工件时，各工序加工获得的表面之间的位置精度与分度装置的分度定位精度有关。
分度定位精度与分度装置的结构形式和制造精度有关。
分度装置的关键部分是对定机构，它是专门用来完成分度、对准、定位的机构。
当分度盘直径相同时，如果分度盘上分度孔（槽）相距分度盘的回转轴线越远，则由于对定机构存在某种间隙所引起的分度转角误差也越小。
因此，径向分度的精度，要比轴向分度精度高，这是目前高精度分度装置常采用径向分度方式的原因之一。
下图为常用的对定机构。
图中（a）（b）是最简单的对定机构。
这种机构靠弹簧将钢球或球头销压入分度盘锥孔内实现定位。
分度转位时，分度盘1自动将钢球或球头销压回，不需要拔销。
由于分度盘上所加工的锥坑较浅，其深度不大于钢球半径，因此定位不可靠。
如果分度盘锁紧不牢固，则当受到很小的外部转矩的作用时，分度盘便会转动，并有将钢球从锥坑中顶出的可能。
这种对定机构仅用于切削负荷很小而分度精度要求不高的场合，或者用做某些精密对定机构的预定位。
图（c）所示为圆柱销对定机构，它主要用于轴向分度。
这种对定机构结构简单，制造容易。
当对定机构间有污物或碎屑粘附时，圆柱销的插入会将污物刮掉，并不影响对定元件的接触，但无法补偿由于对定元件间隙所造成的分度误差，故分度精度不高，主要用于中等精度的钻、铣夹具中。
图（d）所示的对定机构采用菱形销，是为了避免对定销至分度盘回转中心距离R１与衬套孔中心至其回转中心距离R２误差较大时，对定销插不进衬套孔。
4.3.3分度装置的拔销及锁紧机构
（1）手拉式拔销机构
向外拉手柄3是，将与其固定在一起的对定销2从定位衬套6中拉出，横销4从导套5右端的窄槽中通过。
将手柄转过900，横销便搁置在导套的端面上。
将分度盘转过预定的角度后，将手柄重新转回900。
当继续转动分度盘使分度孔对准对定销时，对定销变插入定位套6中。
（2）旋转式拔销机构
转动手柄7时，轴3通过销4带动对定销1旋转。
由于对定销1上有曲线槽（螺钉8的圆柱头卡在其间），故一面旋转一面右移，退出定位孔。
（3）齿轮齿条式拔销机构
如图。
对定销2上有齿条，与手柄3上转轴上的齿轮7相啮合。
顺时针转动手柄，齿轮带动齿条右移，拔出对定销。
依靠弹簧的压力，对定销插入定位套。
（4）凸轮式拔销机构
分度盘6的圆周面上开有单斜面分度槽。
分度盘6和棘轮3用键与主轴右端相连接。
棘轮2和半环形凸轮8装在盘5上，盘5空套在固定套1上。
顺时针转动装在盘5上的手柄10时，棘爪在棘轮上打滑，主轴不转动，凸轮8通过销7将对定销退出。
反转手柄10，棘爪带动棘轮，主轴与分度盘一起转动，当对定销对准第二个槽时，对定销在弹簧作用下自动推入，完成分度。
（5）锁紧机构
为了增强分度装置工作时的刚性及稳定性，防止加工时因切削力引起振动，当分度装置经分度对定后，应将转动部分锁紧在固定的基座上，这对铣削加工等尤为重要。
当在加工中产生的切削力不大且振动较小时，也可不设锁紧机构。
下图为比较简单的锁紧机构。
图（a）为旋转螺杆时左右压块向中心移动的锁紧机构；（b）为旋转螺杆时压板向下偏转的锁紧机构；（c）为旋转螺杆压块右移的锁紧机构；（d）为旋转螺钉压块上移的锁紧机构。
4.3.4精密分度装置
上述分度装置都是以一个对定销依次对准分度盘上的销孔或槽口实现分度定位的。
它们的分度精度受到分度盘上销孔或槽口等分精度的影响，很难达到高精度。
近年来出现的高精度分度装置，其分度原理与上述分度装置不同，即利用“误差平均效应”原理设计分度装置，分度精度可以不受分度盘上销孔或槽口等分误差的影响，达到很高的分度精度。
（1）“误差平均效应”分度原理
为了说明“误差平均效应”分度原理，可从圆柱销的对定过程谈起。
这种分度对定方法可用图（a）所示的简图表示。
分度盘每转过一个孔，就由圆柱销插入进行对定。
每次分度时，分度盘的理论转角为
（n为分度孔数）。
由于分度装置存在制造误差和配合间隙，因此各个分度孔的实际位置并非完全均匀分布，即每次分度都有分度误差。
当分度盘由孔1转至孔2时，分度盘实际转过的角度不是θ，而是θ+Δθ1。
同理，分度盘由孔2转至孔3时，分度盘实际转过的角度为θ+Δθ2，……依此类推，分度盘每次分度的转角误差应为（θ+Δθ1）-θ=Δθ1；（θ+Δθ2）-θ=Δθ2；……（θ+Δθn）-θ=Δθn。
因此，用一个圆柱销对定分度，分度转角误差将直接传给工件。
如果仍采用分度盘，但却用两个圆柱销M1、M2同时对定，如图（b）所示。
用两个圆柱销同时进行对定，就相当于在两个圆柱销的中点有一个M1‘的圆柱销在起对定作用，这时分度的进行不是按1、2、3、……诸单个分度孔对定，而是按1-2、2-3、3-4、……等相邻两个分度孔同时均匀对定。
因而分度动作转化为M1‘圆柱销按1-2、2-3、3-4、……等位置的中点对定，即按1’、2‘、3’……等位置完成对定。
这样，分度盘每次实际转角便为
；
；
由此可见，在分度盘精度相同的情况下，采用两个圆柱销同时对定时，所产生的分度转角误差是分度盘上两相邻孔位置误差的平均值，与用一个圆柱销进行对定相比，转角误差因均分布而减小。
如果在圆周上增加同时工作的圆柱销的数目，则分度转角误差会得到更多的均化，分度精度得到更大的提高。
利用这一分度原理，可以在不提高分度装置制造精度的条件下，获得较高的分度精度。
（2）端齿盘分度装置
如图为端齿分度装置。
图中上齿盘5为工作台，下齿盘7为底座。
转动起落手柄1，上、下齿盘脱开，按照分度圈6上的刻度，可将上齿盘相对下齿盘转过一个需要的角度，进行预分度。
然后落下上齿盘，两齿盘相啮合，就完成了分度动作。
端齿分度装置具有以下一些特点：
1）分度精度高。
端齿分度装置是“平面齿轮”多齿啮合的“误差平均效应”在圆分度器中的应用。
端齿盘实际上是两个直径、齿数、齿形相同的“平面齿轮”。
当齿轮的两个相对表面，旋转一个角度强迫进入啮合时（齿根对齿顶），它就锁紧在一个由大多数齿面接触状况共同确定的某一位置，不能再旋转和侧向移动。
其实，上齿盘相当于一般分度装置中的分度盘，下齿盘上的全部齿相当于对定销。
正是由于上下齿盘的全部齿都参加对定，因此端齿盘的分度输出误差，就因“误差平均效应”而大大减小。
端齿盘的一般分度精度是±3“~±6“左右，最高可达±0.1“。
根据分度精度的高低，目前我国生产的端齿盘分为普通级、精密级及超精密级。
2）分度范围大。
端齿盘的齿数可以任意确定，以适应各种角度的分度需要。
齿数为360齿的端齿盘，最小分度值为10，，720齿的端齿盘，最小分度值是0.50，若齿数为1440，则最小分度值为15’。
此外，利用双层结构的齿盘和差动分度方法，可实现角度的细分，如图所示，A、B、C构成双层齿盘。
B齿盘双面有齿，它与A盘啮合的齿数是Z+1齿；而与C齿盘啮合的齿数是Z齿。
设Z=360齿。
当A齿盘与B齿盘一起相对C齿盘顺时针方向转过一齿时，其转角为：
。
然后，A齿盘又相对于B齿盘逆时针方向退回一齿，则A齿盘相对C齿盘顺时针方向转过的角度为：
因而实现了角度细分。
3）精度重复性和保持性好。
一般的机械分度装置，随着使用时间的增长而引起磨损，分度精度逐渐降低。
而端齿盘却与此相反。
端齿盘的精加工是依靠多次易位研磨，“肥”的齿研得多，“瘦”的齿研得少，所以齿盘上齿的尺寸、形状、节距都趋向均匀一致，故可得到很高的精度。
在端齿盘的使用过程中，既相当于上下齿盘在继续不断地进行对研，因此使用越久，上下齿盘啮合越好，分度精度的重复性和保持性也就越好。
4）刚度好
在工作中，整个端齿盘分度装置，由于齿面的共同锁紧，形成一个整体，因而刚度高。
（3）钢球盘分度装置
如图所示为钢球盘分度装置的工作原理。
该装置的上下两个钢球盘，分别用一圈相互挤紧的钢球代替上述端齿盘的端面齿。
所用钢球的直径和几何形状的一致性、钢球分布的均匀性，对装置的分度精度和承载能力影响很大，须经严格挑选，其直径尺寸偏差及球的面轮廓度误差均应控制在0.3μm内。
钢球盘分度装置除了分度精度高（可达正负1秒）外，与端齿盘分度相比较，还有结构简单、制造方便的优点（钢球可选购），其缺点是承载能力低，并且随着负荷的增大，分度精度有所下降。
故适用于负荷较小而精度要求高的场合。
如图所示为钢球分度盘的结构示意图。
上（4）电感分度装置
不讲。
3.5夹紧装置设计实例
（自学）
5各类机床夹具的结构特点
6可调夹具及组合夹具设计
7机床夹具的设计方法及步骤
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