机械制造装备设计第五章习题答案(关慧贞)

第五章机床夹具设计习题答案

1.机床夹具的作用是什麽有那些要求

（1）机床夹具的作用

1）保证加工精度 2）提高生产率 3) 扩大机床的使用范围。4) 减轻工人的劳动强度，保证生产安全。

（2）机床夹具的要求

1）保证加工面的位置精度 2) 夹具的总体方案应与年生产纲领相适应 3) 安全、方便、减轻劳动强度 4) 排屑顺畅 5）应有良好的强度、刚度和结构工艺性。

2.机床夹具的组成有那些部分

1）定位元件及定位装置 2）夹紧元件及夹紧装置 3）导向及对刀元件 4）动力装置 5）夹具体 6）其它元件及装置

不同的生产条件下的夹具，其组成会有不同。

3.何谓六点定位原理“何谓定位的正常情况和非正常情况，它们各包括那些方面

（1）六点定位原理是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，使工件实现完全定位。

（2）定位的非正常情况是指凡是保证加工位置精度的自由度均已被约束所限制的情况，它可以是完全定位，即限制了六个自由度，也可以是小于六个约束点。

（3）定位的非正常情况包括欠定位和过定位两种。欠定位是指保证加工精度的某自由度应该被限制而没有被限制的情况。此情况不能保证加工精度，因此此定位方案是绝对不允许的。

过定位是指为保证加工精度应该被限制的某个自由度被两个或两个以上的约束所重复限制。一般情况下这是不允许的。但在工件定位和定位元件精度很高或者在工件刚度很低的情况下，过定位的情况是被允许的。

4.试分析图5－7中a 、c 方案为什麽属过定位如何改进的尚存在什麽问题

过定位及其改进

图5.7 a ）：工件下底面有俩个短圆柱销台阶面支撑，为平面约束，限制3个自由度，而每个短圆柱销插入工件孔内，限制了2个自由度，因此共限制了7个自由度，超出了6个，即y 方向的移动自由度被重复限制了，因此属于过定位。

C ）：工件左端由销的又台阶端面定位，此端面限制了3个自由度，而销的长径比已超过1，属于长销，它限制了4个自由度，共限制了7个自由度，还有转动的自由度没有被限制。

所以实际上x t 和z t 都被重复限制，此方案属于过定位。

5.确定夹具的定位方案时，要考虑那些方面的要求

设计某工序加工某表面的定位方案时，需要考虑：1）该加工面在图纸上的位置要求，

即该加工面的设计基准，尽可能以设计基准为定位基准2）工件整个工艺过程所选定的工艺精基准是否与该加工面的设计基准一致，一致最好，否则应该转换到工艺精基准上去，做到基准统一，有利于保证各个加工面间有较高的位置精度3）定位方案应满足六点定位原理4）因估算此方案的定位误差是否符合要求5）应根据该面的加工方案，机床，刀具等具体情况分析该方案的可行性，完善该定位方案。

6.何谓定位误差定位误差是由那些因素引起的

定位误差是指该定位方案条件下，工序基准在工序尺寸方向上的最大位置变动量，它是加工误差的一部分，差生定位误差的原因有：

1）定位基准与设计基准不重合带来的基准转换误差

2）定位元件如销与工件上定位表面，如孔之间的配合间隙带来的定位误差。

3）与夹具设计制造的误差及定位副作用中的磨损。

7.夹紧与定位有何区别对夹紧装置的基本要求有那些

（1）定位与夹紧的区别：1）其目的不一样，定位是保证工件的加工面获得其准确的位置精度，因此只要工件的定位表面与定位元件的工作面保持接触即完成定位。而夹紧是保证工件已获得的准确位置在加工环境下（外力运动等）不发生改变。2）其顺序必须是限定位后夹紧。若工件先夹紧，虽然工价的6个自由度均不能动了，是有一个确定的位置状态，但这个位置状态不是我们期望的理想的准确的位置状态，它没有完成准确定位的目的。

（2）夹紧机构设计应满足的要求

1）夹紧必须保证定位准确可靠，而不能破坏定位。

2）工件和夹具的变形必须在允许的范围内。

3）夹紧机构必须可靠。夹紧机构各元件要有足够的强度和刚度，手动夹紧机构必须保证自锁，机动夹紧应有联锁保护装置，夹紧行程必须足够。

4）夹紧机构操作必须安全、省力、方便、迅速、符合工人操作习惯。

5）夹紧机构的复杂程度、自动化程度必须与生产纲领和工厂的条件相适应。

8.设计夹紧机构时，对夹紧力的三要素有何要求

（1）确定夹紧力的方向要求有：

1)有利于工件的准确定位，主夹紧力方向优先垂直于第一定位基准2）夹紧力的方向应与工件刚度高的方向一致，有利于减小夹紧变形3)应尽可能与切削力，重力的方向一致，有利于减小夹紧力。

（2）夹紧力作用点的选择

1）夹紧力的作用点应与支承点“点对点”对应，或在支承点确定的区域内，以避免破坏定位或造成较大的夹紧变形。

2）夹紧力的作用点应作用在工件刚度高的部位。

3）夹紧力的作用点和支承点尽可能靠近切削部位，以提高工件切削部位的刚度和抗振性。

4)夹紧力的反作用力不应使夹具产生影响加工精度的变形。

3）夹紧力的大小应该合适，过大会使工件，夹具产生较大的夹紧变形，过小则不能保证加工条件下定位的准确性和可靠性，以及加工中的安全性，一般应予以计算或试验确定。

9.何谓夹具的对定为什麽使用夹具加工工件时，还需要解决夹具的对定问题

（1）家具的对定是指夹具在机床上的安装，应由其位置要求，否则会影响到加工面的位置精度。（2）车床夹具和铣床夹具常有夹具的对定问题。如铣床夹具安装早铣床工作台上，工作台运动大都在纵向和横向有自动进给，加工面一般就应该放在改方向上。夹具在工作台上安装就不可能在任意方向上。因此在夹具体上必须设计两个在一条线上的定向键，工件的加工面应通过定位保证其与定位键方向平行或垂直。

车床夹具的几何中心必须与车床主轴中心同轴，夹具与主轴的对定一是通过夹具几何中心上的莫氏锥柄与主轴上莫氏空配合来实现，另一个方案是夹具几何中心上应有与主轴端部结构一致的结构形式，尺寸来保证对定，例如CA6140车床夹具，夹具体的左端必须有短锥孔和较大左端平面结构和尺寸，使之与CA6140主轴部位的大平台面和短锥配合，实现定位对定。

10.使用夹具来加工工件时，产生加工误差的因素有那些方面它们与零件的公差有何关系

（1）使用夹具加工时，产生加工误差的原因又是那个方面：1）工件在夹具中的定位误差和夹紧误差2)

1）工件在夹具中的定位、夹紧误差；

2）夹具带着工件安装在机床上,相对机床主轴(或刀具)或运动导轨的位置误差，也称对定误差；

3）加工过程中误差，如机床几何精度，工艺系统的受力、受热变形、切削振动等原因引起的误差。

设计夹具定位方案时要充分考虑此定位方案的定位误差的大小是否在允许的范围内，一般定位误差应控制在工件允差的5

1~31之内。 11.何谓可调整夹具调整方式有几种可调整夹具适用于何种场合

（1）可调夹整夹具是指为一批来自不同产品的某些具有结构，尺寸和工艺相似的一组零件的某工序的加工设计的夹具，经过简单的调整，可使用这一组零件某工序的加工。

(2)调整的方式可分为：1）调节式 2) 更换式3）综合式 4） 组合式

(3) 企业为多品种小批量生产的系列产品，具有结构尺寸和工艺上的相似的那些零件适用可调整夹具。

12.图5－77中图a 夹具用于在三通管中心O 处加工一孔，应保证孔轴线与管轴线ox 、oz 垂直相交；图b 为车床夹具，应保证外圆与内孔同轴；图c 为车阶梯轴；图d 在圆盘零件上钻孔，应保证孔与外圆同轴；图e 用于钻铰连杆小头孔，应保证大、小头孔的中心距精度和两孔的平行度。

试分析图5－77中各分图的定位方案，指出各定位元件所限制的自由度，判断有无欠定位或过 位，对方案中不合理处提出改进意见。

图5－77

图5.77 a ）：上下两个短V 行程一个长V 型定位，限制了x t 、y s r 、x )、)y 四个自由度，

左边V 型限制了z t 、z )两个自由度，实现了完全定位，无欠定位和过定位。

b)：台阶端面限制了z t 、x )、)y 3个自由度，内孔圆柱长径比小，可看做短销，限制

了x t 、y s r

2 个自由度，z )未被限制，属于不完全定位。加工外圆时z )可以不限制，属于定位正

常情况。

C ）：若工件左端的外圆和中心孔是一次安装下加工出来的，则它们位置精度较高，做

顶尖限制了x t 、y s r 、z t 3个自由度，右顶尖是移动顶尖，它限制了x )、)y 2个自由度，z )可

不被限制是属于不完全定位，是定位的正常情况。此时三爪卡盘是夹紧工件并传递运动和动力。若工件左端中心孔和外圆不同轴，存在较大误差，则中心孔与三爪卡盘同时有

定位作用，则x t 、y s r 存在过定位。

d ）：工件低用平面定位限制了z t 、x )、)y 3个自由度，左边用固定V 型铁定位，限制

了x t 、y s r 2个自由度，右边是移动V 型铁，限制了y s r 自由度，在圆板上钻孔，z )不需要限

制。此方案中若左右V 型铁对中性很高，则y s r 不构成过定位，共限制了5个自由度，属

不完全定位，是定位的正常情况。若两V 型铁对中性不好，则有过定位。

e ）：工件底面用定位板定位，限制了z t 、x )、)y 3个自由度，左端孔用短销定位，限

制了x t 、y s r 2个自由度，右端外圆用固定V 型铁定位，限制了x t 、y s r ，x t 与短销限制了x t 重

复属于过定位，此外V 限制的y s r 实际上是与短销配合限制了z )，是有效的。所以此方案属

于过定位，可去掉右端V 型铁，改为在小头外圆上边或下边添加一工艺凸台，在凸台除

设置一挡销未限制z )与原有底面定位板（z t 、x )、)y ）和左边短销（x t 、y s r ）组成定位方

案，共同限制了6个自由度，实现完全定位。

13．题图5－78中图a 工件是过球心钻一孔；图b 是加工齿坯两端面，要求保证尺寸A 及两端面与孔的垂直度；图c 在小轴上铣槽，保证尺寸H 和L ；图d 过轴心钻通孔，保证尺寸L ；图e 在支座零件上加工两孔，保证尺寸A 和H 。

试分析图5－78所列加工零件所必须限制的自由度；选择定位基准和定位元件，在图中示意画出；确定夹紧力的作用点和方向，在图中示意画出。

图5－78

解：

（a ） （b ）

（c ） （d ）

（e ）

（a ）90○内锥套限制了x t 、y s r 、z t 3个自由度。理论上限制x t 、y s r 即可，但为夹紧方

便，增加z t

（b ）小锥度心轴可限制x t 、y s r 、x )、)y 和z t ，并可以涨紧内孔来夹紧工件。

（c ）选外圆为定位基准，用长V 型铁限制x t 、z t 、x )、z )自由度，左端用定位钉（或

挡销）限制y s r 自由度，共5个。

（d ）选外圆和台阶右端面，用一个长V 型铁极其左端面可以限制x t 、z t 、x )、z )以及

y s r 。

（e ）选支座大平台为第一基准，用板支撑限制y s r 、x )、z )3个自由度，选底面为第二

基准，用条支撑（或两个支撑钉）限制了z t 、y s r 2个自由度，选大孔为第三基准，用菱形

销限制了x t 自由度实现完全定位，并能保证A 、H 尺寸。并用压板向第一基准夹紧，且与切削力方向一致。

14． 在图5－79a 所示零件上铣键槽，要求保证尺寸mm 54014.0-，及对称度。现有三种

定位方案，分别如图5－79b 、c 和d 所示。已知内、外圆的同轴度误差为0.02mm ，其余参数见图示。

试计算三种方案的定位误差，并从中选出最优方案。

图5－79

铣键槽有三项要求，宽16mm 可由刀具保证；对称度0.03mm 的设计基准是内孔A ，0.03

032mm +φ深度mm 54014.0- 设计基准是外圆0

0.160mm -φ下母线，主要验算这两项的定位误差。

图5-79 b ）中是外圆用V 型铁定位：

1） 由于V 型铁的对称性，设对刀具时刀具中截面对准了V 型铁的对称中心，则产生

键槽对孔中心的对称度误差，仅是内孔与外圆的同轴度误差

0.02φmm,因此会产生△对称=0.01mm

2) 键槽深度的定位误差可直接按公式计算，参见p 。289，

111H ~35??< ???

C 所以该方案的定位误差收合格的。

图5-79 c ）中是内孔用0.01

0.0332mm --φ心轴定位:

1)心轴水平放置，虽然心轴与孔有间隙，在自重作用下孔中心与心轴中心自然在同一个垂直面内，若无对刀误差，则△对称=0

2）如图c 所示；分析：定位误差为下母线在L 方向上的最大变动量。夹具制造后，对刀块（槽底）与心轴中心距离L 1不会变动，所以不会影响L 的变动。影响L 变动的是

心轴中心到外圆下母线这一段L 2,其原因有心轴与孔的配合间隙；内孔中心到外圆中心的

同轴度；以及外圆半径。

L 2max 的情况下间隙最大，孔中心下移最大；外圆中心在孔中心下方；以及外圆半径最大时：

L 2min 的情况下，孔中心下移最小；外圆中心在孔中心上方；以及外圆半径最小时：

所以22max 2min L L L 0.095=-=C 显然211L ~35??> ???C （），该定位方案，定位误差超差，不合格。 图 c

图5-79 d ）设铣键槽左右位置由对刀块确定，对刀块的左右位置有标准外圆尺寸59.950.05mm φ±确定（此方案可减少定位误差），即刀具中截面对准了

59.95φ外圆中心：此时，铣槽对内孔中心的对称度的影响因素有：外圆尺寸变化影响外圆中心的左右位置，内孔中心与外圆中心的同轴度影响内孔中心的左右位置。槽中心对于孔中心偏左的情况是：外圆最小，中心右移；内孔中心对外圆中心右移：

△定=外圆半径对于标准外圆半径半径的差+内外同轴度之半=0.050.010.0352

+=，显然它已超出图纸上关于对称度的要求。

2)对0

0.1454mm -要求的验算：

由于该定位方案是以外圆下母线为定位基准，与设计基准重合，所以△定=0 总体上看，此方案是一项要求合格，另一项要求不合格。所以不合格。 上述三种方案中，仅图5-79 a ）方案是精度满足要求的合格方案。

15．图5－80所示齿轮坯的内孔和外孔已加工合格，即mm d 8001.0-=，mm D 35025.00

+=。现在插床上用调整法加工内键槽，要求保证尺寸5.382.00+=H mm 。忽略内孔与外圆同轴

度误差，试计算该定位方案能否满足加工要求若不能满足，应如何改进

图5-80

设键槽底的位置由进给最终位置是确定的，则H 由槽底到孔中心为H ，和孔中心到空

下母线H 2(12

D )组成，外圆用V 型定位，其尺寸变化随孔中心变化，产生1H C ，孔半径变化产生2H C ，所以

121D 0.10.0025H H H H 1222sin 22d

===+=-eC C C +C C а× 由于d 和D 同时做大或同时做小的概率小，因此此方案较为合格。

16． 指出图5－81所示各定位、夹紧方案及结构设计中不正确的地方，并提出改进意见。

图 5—81

图5—81 a ）：三爪卡盘装夹长度稍长，应短一些，限制2个自由度较为合适。图示状况而言容易使工件弯曲变形，加工后工件不直。

图5—81 b ）；右边夹紧力没有对准左边支撑钉，没有“点对点”使工件右端抬高，破坏底面定位。

图5—81 c ）：两圆柱面用两个固定V 型铁定位是过定位，实际上也是难以实现的，应改其中一个为移动V 型铁，并实现工件的夹紧。图示的夹紧力F W 虽然它是垂直主基准

的，但它会影响到上表面的铣削加工，不可以。

图5—81 d ）：钻套与夹紧在同一个构件上，夹紧力的反作用力使构件变形，影响钻套的导向精度，应与夹紧机构分离；就夹紧来说，台阶平面两处夹紧采用此方案，若此台阶平面均经过加工，位置关系较为精确，可将其中一个改为可调整机构，可以实现两处的均衡夹紧。如台阶平面未经加工，位置不准确，则此方案难以实现两处的均衡夹紧。此情况下，两处夹紧元件应设计成可浮动一个元件。

17． 阶梯轴工件的定位如图5－81所示，欲钻孔O ，保证尺寸A 。试计算工序尺寸A 的定位误差。

图 5—82

分析：设小孔中心由钻套确定，夹具完成后，钻套中心不变，即即O 点不变。A 由O 到小圆柱中心A 1和小圆柱中心到其下母线A 2组成。A 1生物变化是由外圆固定心和两圆柱

同轴度影响的；A 2的变化是由小圆柱半径变化产生的。

18． 工件的定位如图5－83所示，加工C 面，要求C 面与O 1O 2平行。工件一端圆柱d 1用120°V 型块定位，另一端d 2定位在支承钉上。已知mm d 50015.01-=，mm d 50020.02-=，中心距为mm L 8015.00+＝。试计算其定位误差。

图5—83 图5—83 a

由图5—83 a ）分析的，计算一种情况即可，d 1max 和d 2min 时：

左边是V 型铁定位，d 1为标准尺寸时中心O 1 ，d 1为最大d 1max 时中心为?2，其大小为

1T /22sin 2

d =?C ，右边是支撑钉，影响O 2的位置的是d 2的半径， 22O =C 2?=2T /2d 参见上图可知：1

212min min T T 24sin 2L L d d tg +?+?=?==C C C C

平行度误差也写成 ()12min :L +C C

19． 图5－84所示为柴油机顶柱套筒铣槽工序的定位简图。已知mm D 25013.001+=，mm d 250009.01-=，mm D 10009.002+=，mm

d 10013.0019.02--=，mm L 05.040±=。试计算该定位方案能否满足加工的槽与两孔中心连线间成角度α＝45°±10ˊ的要求。

图 5—84 参见 一面两销定位时的转角误差公式：()()1max 1min 2max 2min min D d D d /2L 25.01324.99110.0099.981/239.952

δ?=-+-=-+-? 20．工件装夹如图5－85所示，欲在φ60±0.01mm 的圆柱工件上铣一平面，保证尺寸h ＝25±0.05mm 。已知90°V 型块所确定的标准工件(φ60mm )的中心距安装面为45±0.003mm ，塞尺厚度S ＝0.002mm 。试求：①当保证对刀误差为h 公差(0.1mm )的三分之一时，夹具上安装对刀块的高度H 应为多少②工件的定位误差为多少

图 5—85 图 5—85 a

如图5—58 a ，按装配尺寸链解：25±为封闭环，其公差应为所有组成环公差之和：

2×=（+++ H C ）×2

所以H C =

封闭环上偏差=增环上偏差之和-减环下偏差之和：

=+H C ++（）

所以+H C =

同理：

=H C 所以-H C =

45+25=H+3

所以H=67

所以H ±H C =67±

2)定位误差：外圆

600.01±φ在V 型铁上定位，其中心的变动量为： 21． 夹紧装置如图5－86所示。如外力Q ＝150N ，L ＝150mm ，螺杆为M12×，D ＝40mm ，d 1＝10mm ，l 1＝l 2＝100mm ，斜楔楔角α＝30°，各处摩擦系数为μ＝，轴d 处的摩擦损

耗按效率η＝计算。试计算夹紧力W 等于多少

图 5—86

分析：夹紧力F W 的反作用力W F ?作用在杠杆上，其1:1地作用在30○的斜面上，即F W 垂直作用在斜楔上。因为作用在斜面上，它可以求出水平分力F X =F W tg β。F X 通过M12螺

纹作用在螺杆上，在螺杆螺纹面上产生转矩M 1，螺杆D 出于支撑板的摩擦力转矩M 2，它们与原动力矩M(Q F L

2)平衡。

参见螺旋夹紧的计算公式和Fig 5—38，螺杆的平衡式为：

其中：β为斜楔角 β=30○，?为螺纹升角 ?=2○56，，?为螺纹摩擦角 ?=6○34，γ为D 处的当量摩擦半径γ=14，2?为D 处右端面与支撑板摩擦角tg 2?=μ=

η为考虑d 1处的摩擦损失，按η=计算其余参数均已在题中给出，代入下式计算出夹紧力：()Q W 01F L 2F 1tg d tg tg 2ββμη=?+?+γ

22． 图5－87所示钻模用于加工图a 所示工件的两个mm 8036.00

+?孔。试指出该钻模设计中的不当之处，并提出改进意见。

图 5—87

该夹具设计的问题主要有： 1) 工件左端面由夹具体上锥窝和夹紧头上下定位，工件的定位面是毛坯面，是过定位。且加工孔很可能不垂直底面，应增加底面定位，改为圆环平台面。

2） 工件右端面固定V 型铁定位，与左端面也是过定位，或欠定位。右V 型铁应该为移动V 型铁。

3） 左端面夹紧，右端面工件刚度不足，应加辅助支撑。

4） 左端钻套与夹紧在一体，且夹具体左端结构会产生变形，导致导向歪斜，提高左侧主墙和钻膜板的刚度。

5） 左端钻套过长，不易排屑，导致钻套、钻头磨损加快，所以钻套孔上段应加大孔径。

6） 左端工件孔要钻通，无钻头超过空间，且无法排屑，夹具体底板在钻孔处应开通

比钻头稍大的孔。