第4章夹具设计分析
第四章 机床夹具设计基础
•设计合理的定位方法、定位装置 •有足够的定位精度
六点定位原理
2、 六点定位原理
用适当分布的六个支承点消除 工件的六个自由度，使工件在夹具 中位置完全确定，这个原理称为六 点定位原理。（图示）
图2.36 工件在空间的自由度与工件六点定位
六点定位原理
1）定位支承点是定位元件抽象而来的。 2）定位支承点与工件定位基准面始终保持接触， 才能起到限制自由度的作用。 3)分析定位支承点的定位作用时，不考虑力的 影响。
（三）钻床夹具
在钻床上进行孔的钻、扩、铰、锪、攻螺纹加工所 用的夹具，称为钻床夹具。钻床夹具是用钻套引导刀 具进行加工的，所以简称为钻模。
1、钻床夹具的分类
钻床夹具的种类繁多，根据被加工孔的分布情 况和钻模板的特点，一般分为固定式、回转式、移动 式、翻转式、盖板式和滑柱式等几种类型。
1）固定式钻模
5）连接定向元件： 将夹具与机床连接并确定夹具对机床主 轴、工作台或导轨的相互位置。
6）其它装置或元件 根据加工需要，有些夹具上还设有分度 装置、靠模装置、上下料装置、工件顶出机 构、电动扳手和平衡块等，以及标准化了的 其它联接元件。
二、工件在夹具中的定位
1．自由度的概念
定位的任务
定位的原理
（4）安全可靠原则 （5）经济实用原则
3. 夹紧力作用点的选择
1）夹紧力的作用点应正对支承元件或位于支承元件所 形成的支承平面内（图2）； 2）夹紧力的作用点应位于工件刚性较好的部位（图3） 3）夹紧力的作用点应尽量靠近加工面，以减小切削力对 夹紧作用点的力矩，防止或减小工件的加工振动或弯曲 变形（图5）。
三、常见定位方式与定位元件
工件在夹具中要想获得正确定位，首先应正确选 择定位基准，其次是选择合适的定位方式、定位元件。
第四章第5节工件的夹紧及夹紧装置 (2)概述
工件在夹具中的夹紧
工件在定位元件上定位后，必须采用一定的装 置将工件压紧夹牢，使其在加工过程中不会因受切
削力、惯性力或离心力等作用力而发生振动或位移，
从而保证加工质量和生产安全， 这种装置称为夹紧
装置。机械加工中所使用的夹具一般都必须有夹紧
装置，在大型工件上钻小孔时，可不单独设计夹紧
装置。
夹具的操作过程中，夹紧机构的操作占了 很大比重。 因此，一个夹具性能的优劣，除了从定位 性能方面加以评定外，还必须从夹紧机构 的性能进行考核。---夹紧是否可靠，操作是 否方便迅速等。 另一方面，一个夹具的复杂程度在很大程 度上取决于夹紧机构的复杂程度；从设计 难度上讲，夹紧机构的设计也往往要设计 人员花费较大的心血。
(2) 夹紧力作用点应落在工件刚性好的部位。如下
图所示，将作用在壳体中部的单点改为在工件外缘处
的两点夹紧，工件的变形大大改善，夹紧也更可靠。
此项原则对刚性差的工件尤为重要。
三点夹紧 夹紧位置也靠 近工件的外缘， 此处工件 的 刚性也较好
(3) 夹紧力作用点应尽可能靠近加工面。这可减小 切削力对夹紧点的力矩，从而减轻工件振动。图 3-32(a)中，若压板直径过小，则对滚齿时的防振 不利。图3-32(b)中工件形状特殊，加工面距夹紧 力FQ1作用点甚远，这时应增设辅助支承，并附加 夹紧力FQ2，以提高工件夹紧后的刚度。
一般来说，手动夹紧时不必算出夹紧力
的确切值，只有机动夹紧时，才进行夹紧力
计算，以便确定动力部件(如气缸、液压缸直
径等)的尺寸。
典型夹紧机构
夹紧机构是夹紧装置的重要组成部分，因为无论 采用何种动力源装置，都必须通过夹紧机构将原 始力转化为夹紧力。各类机床夹具应用的夹紧机 构多种多样，以下介绍几种常用夹紧机构的典型 结构、工作原理和应用范围。
第4章 机床夹具设计(3)
∴
d0 tg ( 1 ) r tg 2 2 W—螺杆对工件的夹紧力；
W
d0 QL Wtg ( 1 ) Wtg 2 r 0 2 QL
—斜楔升角（°）；
Q —加在螺杆上的原始作用力（N）；
2 —螺杆端部与工件间的摩擦角（°）；
39
4.2
夹紧装置的设计
15
4.2
夹紧装置的设计
(2)设计特殊形状的夹爪、压脚等分散作用夹紧力，增大工件受 力面积。 图5-31：
16
4.2
夹紧装置的设计
3．夹紧力的作用点应尽量靠近工件，减小加工中的振动， 特别是对低刚度工件。
不能满足上述要求时，可以增设辅助支承，以提高定位稳 定性、承受夹紧力和切削力等。如图所示：
夹紧装置的设计 W=KW０
K—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K＝1.5～3。粗加工时 K＝2.5～3；精加工时 K＝1.5～2.5。 各种典型切削方式所需夹紧力的静平衡方程式可参考 《机床夹具手册》。 夹紧力需准确的场合——类比法确定夹紧力或通过试 验确定夹紧力。
20
4.2 1．计算切削力
夹紧装置的设计
2．求出理论夹紧力W０
根据加工过程中，工件受到切削力F（按对夹紧最不 利的加工条件确定）、夹紧力W０、大型工件的重力、高 速运动的工件的惯性力、高速旋转的工件的离心力、支承 反力及摩擦力的作用处于静力平衡状态 → 求出理论夹紧 力W０。
21
4.2 3．求出实际夹紧力W
4
4.2
夹紧装置的设计
图示为采用液压夹紧的铣床夹具：
5
4.2
夹具的定位夹紧与夹具设计
▪ 2.误差值的估算
▪ 一般夹县的制造精度，其误差值取该零 件尺寸公差值的1/3～1/5。
▪ 上述误差中，安装误差和对定误差都是 和夹具有关的误差，一般约占整个加工误 差的三分之一。
4.2工件在夹具上的定位
4.2.1 工件的安装
这里安装有两个含义即定位和夹紧。 定位：工件在机床上加工时，首先要把工件安放在机
定位基准面的变化而自动调整井与之相适应。如图 4-17所示。自位支承常用于毛坯表面、断续表面、 阶梯表面的定位以及有角度误差的平面定位。
(4)辅助支承 辅助支承是在工件定位后才参与支承的元件，
其高度是由工件确定的，因此它不起定位作用，但 辅助支承锁紧后就成为固定支承，能承受切削力。 辅助支承的结构形式很多，图4-18是其中的3种。
而常按下面的步骤设计菱形销。
1)确定两销中心距尺寸及其公差 取工件上两孔中
心距的基本尺寸为两定位销中心距的基本尺寸，其公
差取工件孔中心距公差的1/5~1/3，即令：
Tlx=(1/5~1/3)Tlk。
2)确定圆柱销直径及其公差 取相应孔的最小直径 作为圆柱销直径的基本尺寸，其公差一般取g6或f7。
3)确定菱形销宽度、直径及其公差 首先按有关标 准(参考表4-3)选取菱形销的宽度b；然后按式(4-2)计算 出菱形销与其配合孔的最小间隙△2min；再计算菱形 销直径的基本尺寸；d2＝D2-△2min；最后按h6或h7选 取菱形销直径的公差。
表4-2 典型定位元件的定位分析(续）
表4-2 典型定位元件的定位分析（续）
表4-2 典型定位元件的定位分析（续）
3.完全定位和不完全定位
3.完全定位和不完全定位
3.完全定位和不完全定位
4.欠定位和过定位 (1)欠定位 根据工件加工面位置尺寸要求必须
第4章 机床夹具设计原理 学习指导
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。
第4章定位原理和机床夹具设计2
H7 g 6( f 7)
Z
△Z≠ 0 △Y≠ 0
Y
圆柱心轴
X
y
4.2 工件的定位原理及定位元件
3.工件以外圆柱面定位
V形块 定位套 半圆套 支承定位
3.工件以外圆柱面定位
V形块
固定V形块 活动V形块 长V形块 短V形块
3.工件以外圆柱表面定位
3.工件以外圆柱表面定位
定位套
工件以外圆定位的定位套
yz
销2
x y
销1
y 0
x
支承平面
z x y
(3) 过定位
案例4 一面两销定位方案
B 削边销
(3) 过定位
z
案例4 一面两销定位方案
z x y
销1 削边销
y 0
x
支承平面
z x y
(3) 过定位
案例5
滚齿加工的定位方案
x y x y
待加工 的齿轮
z x y
(3) 过定位
案例5
滚齿加工的定位方案
（1）正确的定位 工件定位面与夹具定位元件的定位工 作面相接触或配合来限制工件的自由度， 二者一旦脱离接触或配合，则定位元件就 丧失了工件自由度的作用。
2.应用六点定位原理应注意的问题
（2）一个定位支撑点仅限制一个自由度：原 则上不超过六个。 （3）分析定位支撑点的定位作用时，不考虑 力的影响
2.应用六点定位原理应注意的问题
常用的定位元件
1.工件以平面定位
主要支承
固定支承 可调支承 自位支承
支承钉 支承板
辅助支承
1.工件以平面定位
固定支承
支承钉和支承板
钻套
支承板
支承板
机械制造基础第4章 机床夹具设计基础——例题
的限制。以避免重复
三爪卡盘夹持较短
X Y Z Y Z
Y Z
属于不完全定位， 如果只加工工件的外圆表面，而无轴向尺寸方面的要求，则定位是合理的， 如果工件有轴向尺寸要求时，则应该增加限制X方向移动的定位支撑点。
三爪卡盘夹持较短
X Y Z Y Z
Y Z
X
欠定位分析
过定位
如果工件的某一个自由度被定位元件重复限制，称为过定位。 过定位是否允许，要视具体情况而定。通常，如果工件 的定位面经过机械加工，且形状、尺寸、位置精度均较高， 则过定位是允许的。合理的过定位起到加强工艺系统刚度和 增加定位稳定性的作用。反之，如果工件的定位面是毛坯面， 或虽经过机械加工，但加工精度不高，这时过定位一般是不 允许的，因为它可能造成定位不准确，或定位不稳定，或发 生定位干涉等情况。
已知：外径d为: 500 0.03 mm
内径D为: 3000.05 mm
内外圆同轴度为0.02mm，
试计算用调整法加工这批工件时，
工序尺寸H的定位误差是多少？
解： 基准不重合误差： 基准位移误差：
同轴度误差：w 来自c 0.05 0.025mm 2
TD 2 sin
2
0.03 0.021mm 90 2 sin 2
组合定位
1.几个定位元件组合起来定位时,限制的自由度是每个定位元件限 制的自由度数之和. 2.组合定位中的每个定位元件改变它单独定位所限制的自由度. 3.组合定位中,定位元件单独起限制移动自由度转为限制转动自由 度,不再起限制移动自由度,但是限制自由度数量不变. 消除组合定位中的过定位,把限制移动方向的自由度定位元件改 为能移动的定位元件. 消除组合定位中的过定位,也可以改变定位元件的结构.比如:一面 两孔中菱形销
机械制造技术基础-第4章-机床夹具设计原理-课后答案
第4章机床夹具设计原理1.何谓机床夹具？试举例说明机床夹具的作用及其分类？答：所谓机床夹具，就是将工件进行定位、加紧，将刀具进行导向或对刀，以保证工件和刀具间的相对位置关系的附加装置。
机床夹具的功用：①稳定保证工件的加工精度；②减少辅助工时，提高劳动生产率；③扩大机床的使用范围，实现一机多能。
夹具的分类：1）通用夹具； 2）专用夹具； 3）成组夹具； 4）组合夹具；5）随行夹具。
2.工件在机床上的安装方法有哪些？其原理是什么？答：工件在机床上的安装方法分为划线安装和夹具安装。
划线安装是按图纸要求，在加工表面是上划出加工表面的尺寸及位置线，然后利用划针盘等工具在机床上对工件找正然后夹紧；夹具安装是靠夹具来保证工件在机床上所需的位置，并使其夹紧。
3.夹具由哪些元件和装置组成？各元件有什么作用？答：1）定位元件及定位装置：用来确定工件在夹具上位置的元件或装置；2）夹紧元件及夹紧装置：用来夹紧工件，使其位置固定下来的元件或装置；3）对刀元件：用来确定刀具与工件相互位置的元件；4）动力装置：为减轻工人体力劳动，提高劳动生产率，所采用的各种机动夹紧的动力源；5）夹具体：将夹具的各种元件、装置等连接起来的基础件；6）其他元件及其他装置。
4.机床夹具有哪几种？机床附件是夹具吗？答：机床夹具有通用夹具、专用夹具、成组夹具、组合夹具和随行夹具。
5.何谓定位和夹紧？为什么说夹紧不等于定位？答：工件在夹具中占有正确的位置称为定位，固定工件的位置称为夹紧。
工件在夹具中，没有安放在正确的位置，即没有定位，但夹紧机构仍能将其夹紧，而使其位置固定下来，此时工件没有定位但却被夹紧，所以说夹紧不等于定位。
6.什么叫做六点定位原理？答：采用六个按一定规则布置的约束点，限制工件的六个自由度，即可实现完全定位，这称为六点定位原理。
7.工件装夹在夹具中，凡是有六个定位支承点，即为完全定位，凡是超过六个定位支承点就是过定位，不超过六个定位支承点就不会出现过定位，这种说法对吗，为什么？答：不对；过定位是指定位元件过多，而使工件的一个自由度同时被两个以上的定位元件限制。
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6. 组合表面定位
2）一平面和与其垂直的两外圆柱面组合
6. 组合表面定位
3）一孔和一平行于孔中心线的平面组合
应用案例 1
在该套筒零件键槽的 对面钻一与中心孔正 交的孔，应如何定位、 必须限制几个自由度？
应用案例 1
大端面限制:
X 方向的移动分自析由度各定位元件
Y、Z的转动自由度
所限制的自由度
消除过定位及其干涉的途径
1）改变定位元件结构，消除对自由度的重复 限制，如长销改成短销；
2）提高工件定位基面之间的位置精度，提高 夹具定位元件之间的位置精度，减少或消 除过定位引起的干涉，精加工时可增加刚 度和定位稳定性。
4.2.2 常见定位方法与定位元件 1. 工件以平面定位
1）固定支承（支承钉、支承板）
4.2.2 常见定位方法与定位元件 1. 工件以平面定位
1）固定支承（支承钉、支承板、定位分析）
2）可调支承
多用于毛面定位，每批调整一次，以补偿各批 毛坯误差
3）自位支承（浮动支承）
支承本身可随 工件定位基准 面的变化而自 动适应，
一般只限制 一个自由度， 即一点定位。
两点式
三点式
4）辅助支承
3. 欠定位与过定位
工件应限制的自由度未被限制的定位，为欠定位， 在实际生产中是绝对不允许的。
工件一个自由度被两个或以上支承点重复限制的 定位称为过定位或重复定位。一般来说也是不合 理的。
3. 欠定位与过定位
➢ 为使工件安装稳定，对工件限制的自由度数 一般不少于三个。 是过定位吗
过定位造成的后件不能安装，产生定位干涉（如一面两销） 过定位一般是不允许的，但在精加工时也可看到。
4. 工件以外圆柱面定位 4）支承定位
5）V型块定位（支承定位）
结构尺寸已标准化，斜面夹角有60°90°120°
4. 工件以外圆柱面定位
5. 工件以其它表面定位
6. 组合表面定位
1）一个平面和与其垂直的两个孔组合
6. 组合表面定位
这种定位属于过定位
6. 组合表面定位
解决过定位 的办法是： 将销2做成 削边销
3）圆锥销定位
常用于工件孔端的定位，可限制三个自由度
2. 工件以圆柱孔定位
2. 工件以圆柱孔定位
3. 工件以圆锥孔定位
4. 工件以外圆柱面定位 1）定位套筒 （定心定位）
4. 工件以外圆柱面定位
2）半圆定位座（定心定位）
常用于大型轴类工件的定位
4. 工件以外圆柱面定位 3）三爪卡盘、弹簧夹头（定心定位）
多品种小批量
可调夹具
相似性零件
组合夹具 单件中小批量 通用标准部件组装而成
随行夹具 自动线上 由运输装置送到机床上
通用夹具
车床通用夹具的应用情况
组合 夹具
夹具发展方向 标准化 精密化 高效化 柔性化
4.1.2 机床夹具的分类
按使用机床分 车床夹具、铣床夹具、 钻床夹具、镗床夹具 按动力源分 手动夹具、气动夹具、 液压夹具、电动夹具、 磁力夹具、真空夹具等
考虑定位方案时，先分析必须限制哪些自由度， 再以相应定位点去限制。不影响加工要求的自由度 可不限制，但根据定位元件结构情况也可限制。
2. 完全定位与不完全定位
➢ 因工件形状特点，某方向的自由度没必要也无 法限制，则不必限制该方向的自由度。
如完整球体、光滑轴、套筒类工件，不必限制工件绕自 身轴线转动的自由度。
4.1.3 机床夹具的功用
1. 工件能正确定位，易于保证加工精度 2. 缩短装夹时间，提高劳动生产率 3. 扩大机床的工艺范围，实现一机多能 4. 操作方便、安全，可降低对工人技术水平
的要求，减轻工人的劳动强度
4.2 工件在夹具中的定位
4.2.1 六点定位原理
未定位工件在空间有 六个自由度，定位就 是限制其自由度。
1. 六点定位原理
合理布置六个定位支承点，使工件上 的定位基面与其接触，一个支承点限制工 件一个自由度，从而使工件的六个自由度 被全部限制，在空间得到唯一确定的位置， 这就是六点定位原理。
六点定位原理的说明
（1）六个支承点必须合理分布
三个支承点在一直线上， 不能限制三个自由度
实际中一个定位元件可体现一个或多个支承点， 视具体工作方式及其与工件接触范围大小而定
以目测法校正工件位置。
• 划线找正装夹 对大型或复杂工件先划线，然后装
上机床，按所划的线找正定位。
夹具装夹 在机床上用来装夹工件或引导刀具的装置
称为夹具。
用夹具装夹工件
4.1.1 机床夹具的组成
1. 定位元件 2. 夹紧元件 3. 对刀、导向元件
（钻套、对刀块） 4. 夹具体 5. 连接元件 6.其他元件（分度
在工件定位后才参与支承的元件，不限制自由度， 主要用于提高工件的刚度和定位稳定性。
2. 工件以圆柱孔定位
1）定位心轴
主要用于盘套 类零件的定位
（1）刚性心轴 分间隙配合与过盈配合
（2）小锥度心轴 （3）弹性心轴(图4.16)
2. 工件以圆柱孔定位 2）定位销
分固定式和可换式，圆柱销和菱形销
2. 工件以圆柱孔定位
第4章 机床夹具设计原理
【导入案例】
加工图示套筒零件上的 φ6H7径向孔，要保证孔位 置尺寸38±0.5及与φ25H7 孔的垂直度要求。
必须使工件相对于刀具和机 床成形运动具有正确的位置， 即定位；还必须夹紧。
工件装夹方式
工件在机床上定位和夹紧的过程称为装夹。
• 直接找正装夹 工人直接在机床上用千分表或划针
六点定位原理的说明
（2）定位支承点与工件定位基面必须始终保持接触
注意定位与夹紧的区别，
定位是使工件占有一 个正确的位置，夹紧是使 工件保持这个正确位置。
六点定位原理的说明
（3）工件应限制的自由度数由工件加工要求确定 以下分四种情况进行讨论
2. 完全定位与不完全定位
工件的六个自由度被完全限制的定位称完全定位， 允许少于六点定位的方式称为不完全定位。 都是合理的定位方式。
机构、 平衡铁等）
4.1 概述
4.1.1 机床夹具的组成
1. 定位元件 2. 夹紧元件 3. 对刀、导向元件
（钻套、对刀块） 4. 夹具体 5. 连接元件 6.其他元件（分度
机构、 平衡铁等）
4.1 概述
4.1.2 机床夹具的分类
根据通用程度
通用夹具 单件小批 三爪、平口钳、分度头
专用夹具 大批量 针对某一固定工序设计