機械製造技術教程_6機床夾具設計基礎

tags: 夾具設計 機械製造    時間:2014-03-07 13:56:14
機械製造技術教程_6機床夾具設計基礎簡介
在機械製造中,用來固定加工對象,使這佔有正確位置,以接受加工或檢測的裝置,統稱為夾具。它廣泛地應用於機械製造過程中,如焊接過程中用於拼焊的焊接夾具;零件檢驗過程中用的檢驗夾具;裝配過程中用……
機械製造技術教程_6機床夾具設計基礎正文

在機械製造中,用來固定加工對象,使這佔有正確位置,以接受加工或檢測的裝置,統稱為夾具。它廣泛地應用於機械製造過程中,如焊接過程中用於拼焊的焊接夾具;零件檢驗過程中用的檢驗夾具;裝配過程中用的裝配夾具,機械加工過程中用的機床夾具等,都屬於這一範疇。在金屬切削機床上使用的夾具統稱為機床夾具。在現代生產中。機床夾具是一種不可缺少的工藝裝備,它直接影響著零件加工的精度、勞動生產率和產品的製造成本等。本章所講述的僅限於機床夾具,以後簡稱為夾具。

6.1 機床夾具概述

6.1.1 夾具的作用

在機床上加工零件時,為了使該工序所要加工的表面能夠達到圖紙所規定的尺寸、幾何形狀及與其它表面間的相互位置精度等技術要求,在加工前首先應將工件裝好、夾牢。

把工件裝好,就是在機床上使工件相對於刀具及機床有正確的位上加工置。工件只有在這個位置上接受加工,才能保證被加工表面達到所要求的各項技術教育要求。把工件裝好這一過程稱為定位。

把工件夾牢,就是指定位好的工件,在加工過程中不會受切削力、離心力、衝擊、振動等外力的影響而變動位置。把工件夾牢這一過程稱為夾緊。

因此,夾具的作用就是在加工過程中,對工件進行定位和夾緊,從而保證在加工過程中工件相對於機床保持正確的位置,保證達到該工序所規定的技術要求。

在機械加工過程中,工件的裝夾方法按其實現工件定位的方式分為兩種:一種是按找正方式定位的裝夾方法;另一種是用專用夾具裝夾工件的方法。

1.按找正方式定位的裝夾方法

這種裝夾方法,一般是先按圖樣要求在工件表面劃線,劃出加工表面的尺寸和位置,裝夾時用划針或百分表找正後再夾緊。如在金工實習時鑽鎚頭上用於裝錘柄的孔時,由於是單件,我們就採用先劃線,再找正這種方法加工。

按找正方式裝夾工件的方法,能夠很好的適應工序或加工對象的變換,夾具結構簡單,使用簡便經濟,選用於單件和小批生產。但這種方式生產效率低,勞動強度大,加工質量不高,往往需要增加劃線工序。當生產數量大、質量要求高時,需要專用夾具加工。

 

 

2.用專用夾具裝夾工件的方法

圖6-1 后蓋零件鑽徑向孔的工序圖                                  

圖6-2 后蓋零件鑽床夾具

1-鑽套    2-鑽模板    3-夾具體    4-支承板    5-圓柱銷    6-開口墊圈    7-螺母    8-螺桿    9-菱形銷

成批生產中,加工圖6-1所示零件,鑽后蓋上的φ10mm孔,保證距後端面距離為18±0.1mm, φ10孔軸心線與φ30孔中心線垂直,φ10孔軸線與下面的φ5.8孔軸線在同一平面上。其鑽床夾具如圖6-2所示。φ10孔徑尺寸鑽頭保證,由鑽套1保證,距後端面距離18±0.1mm由支承板4保證,φ10孔軸線與φ30孔軸線垂直由鑽套和圓柱銷5共同保證。φ10孔軸線與下面的φ5.8孔軸線在同一平面上由菱形銷9保證。加工時擰緊螺母7,實現定位,鬆開螺母7,拿開開口墊圈6,實現快速更換工件。

通過上面的例子,我們不難看出使用專用夾具裝夾工件的優點:

(1)保證工件加工精度
用夾具裝夾工件時,工件相對於刀具及機床的位置精度由夾具保證,不受工人技術水平的影響,使一批工件的加工精度趨於一致。

(2) 提高勞動生產率
使用夾具裝夾工件方便、快速,工件不需要劃線找正,可顯著地減少輔助工時,提高勞動生產率;工件在夾具中裝夾后提高了工件的剛性,因此可加大切削用量,提高勞動生產率;可使用多件、多工位裝夾工件的夾具,並可採用高效夾緊機構,進一步提高勞動生產率。

 

(3)擴大機床的使用範圍
在通用機床上採用專用夾具可以擴大機床的工藝範圍,充分發揮機床的潛力,達到一機多用的目的。例如,使用專用夾具可以在普通車床上很方便地加工小型殼體類工件。甚至在車床上拉出油槽,減少了昂貴的專用機床,降低了成本。這對中小型工廠尤其重要。

(4) 改善了操作者的勞動條件
由於氣動、液壓、電磁等動力源在夾具中的應用,一方面減輕了工人的勞動強度;另一方面也保證了夾緊工件的可靠性,並能實現機床的互鎖,避免事故,保證了操作者和機床設備的安全。

(5) 降低了成本
在批量生產中使用夾具后,由於勞動生產率的提高、使用技術等級較低的工人以及廢品率下降等原因,明顯地降低了生產成本。夾具製造成本分攤在一批工件上,每個工件增加的成本是極少的。工件批量愈大,使用夾具所取得的經濟效益就愈顯著。

但專用夾具也有其弊端,如設計製造周期長;因工件直接裝在夾具體中,不需要找正工序,因此對毛坯質量要求較高;所以專用夾具主要適用於生產批量較大,產品品種相對穩定的場合。

6.1.2 機床夾具的分類

1. 按夾具的通用特性分類

根據夾具在不同生產類型中的通用特性,機床夾具可分為通用夾具、專用夾具、可調夾具、組合夾具和自動線夾具等五大類。

(1)通用夾具  通用夾具是指結構、尺寸已規格化、標準化,而且具有一定通用性的夾具,如三爪自動定心卡盤、四爪單動卡盤、平口鉗、萬能分度頭、頂尖、中心架和電子吸盤等。這類夾具通用性強,可用來裝夾一定形狀和尺寸範圍內的各種工件。這類夾具已標準化,由專門廠家生產,作為機床附件供應給用戶。

(2)專用夾具  這類夾具是指專為零件的某一道工序的加工專門設計製造的。在產品相對穩定、批量較大的生產中,常用各種專用夾具,可獲得較高的生產率和加工精度。專用夾具的設計周期較長、投資較大。

除大批大量生產之外,中小批量生產中也需要採用一些專用夾具。但在結構設計時要進行具體的技術經濟分析。

(3)可調夾具  可調夾具是針對通用夾具和專用夾具的缺陷而發展起來的一類新型夾具。對不同類型和尺寸的工件,只需調整或更換原來夾具上的個別定位元件和夾緊元件便可使用。它一般又可分為通用可調夾具和成組夾具兩種。前者的通用範圍比通用夾具更大;後者則是一種專用可調夾具,它按成組原理設計並能加工一族相似的工件,故在多品種,中、小批量生產中使用有較好的經濟效果。

(4)組合夾具  組合夾具是一種模塊化的夾具。標準的模塊元件具有較高精度和耐磨性,可組裝成各種夾具。夾具用畢可拆卸,清洗后留待組裝新的夾具。由於組合夾具具有組裝迅速,周期短,能反覆使用等優點,因此組合夾具在單件,小批量生產和新產品試製中,得到廣泛應用。組合夾具也已標準化。

(5)自動線夾具 自動線夾具一般分為兩大類,一是固定式夾具,它與專用夾具相似;另一種為隨行夾具,使用中夾具隨工件一起運動,並將工件沿自動線從一個工位移至下一個工位。

2. 按使用的機床分類

夾具按使用機床可分為車床夾具、銑床夾具、鑽床夾具、鏜床夾具、磨床夾具以及其它機床夾具等。

3. 按夾緊的動力源分類

夾具按夾緊的動力源可分為手動夾具、氣動夾具、液壓夾具、氣液增力夾具、電動夾具、電磁夾具、真空夾具、離心力夾具等。

6.1.3 機床夾具的組成

機床夾具的和結構雖然繁多,但它們的組成均可概括為以下幾個部分。

1. 定位元件
夾具的首要任務是定位,因此無論任何夾具,都有定位元件。當工件定位基準面的形狀確定后,定位元件的結構也就基本確定了。圖6-2中圓柱銷5、菱形銷9和支承板4都是定位元件,通過它們使工件在夾具中佔據正確的位置。

2. 夾緊裝置
工件在夾具中定位后,在加工前必須將工件夾緊,以確保工件在加工過程中不因受外力作用而破壞其定位。圖6-2中的螺桿 8(與圓柱銷合成一個零件)、螺母 7 和開口墊圈 6 構成夾緊裝置。

 

3. 夾具體
夾具體是夾具的基體和骨架,通過它將夾具所有元件構成一個整體。如圖6-2中的件 3 。

以上這三部分是夾具的基本組成部分,也是夾具設計的主要內容。

4. 對刀或導向裝置  對刀或導向裝置用於確定刀具相對於定位元件的正確位置。圖6-2中鑽套 1 和鑽模板2 組成導向裝置,確定了鑽頭軸線相對定位元件的正確位置。

5. 連接元件

連接元件是確定夾具在機床上正確位置的元件。圖6-1中3的底面為安裝基面,保證了鑽套1 的軸線垂直於鑽床工作台以及圓柱銷 5 的軸線平行於鑽床工作台。因此,夾具體可兼作連接元件。車床夾具上的過渡盤、銑床夾具上的定位鍵都是連接元件。

6. 其它裝置或元件

根據加工需要,有些夾具分別採用分度裝置、靠模裝置、上下料裝置、頂出器和平衡塊等。這些元件或裝置也需要專門設計。

圖6-3表示了工件與夾具各組成部分,及工件通過夾具組成部分部分與機床、刀具間相互聯繫。

圖6-3  專用夾具的組成及各組成部分與機床工件刀具的相互關係

6.2  工件定位方法及定位元件

在設計零件的機械加工工藝規程時,工藝人員根據加工要求已經選擇了各工序的定位基準和確定了各定位基準應當限制的自由度,並將它們標註在工序簡圖或其它工藝文件上。夾具設計的任務首先是選擇和設計相應的定位元件來實現上述定位方案。

為了分析問題的方便,引入“定位基面“的概念。當工件以迴轉表面(如孔、外圓等)定位時,稱它的軸線為定位基準,而迴轉表面本身則稱為定位基面。與之相對應,定位元件上與定位基面相配合(或接觸)的表面稱為限位基面,它的理論軸線則稱為限位基準。如工件以圓孔在心軸上定位時,工件內孔稱為定位基面,其軸線稱為定位基準。與之相對應,心軸外圓表面稱為限位基面,其軸線稱為限位基準。工件以平面定位時,其定位基面與定位基準,限位基面和限位基準則是完全一致的。工件在夾具上定位時,理論上定位基準與限位基準應該重合,定位基面與限位基面應該接觸。

6.2.1 工件以平面定位

1. 主要支承
主要支承用來限制工件的自由度,起定位作用。

(1)固定支承
固定支承有支承釘(GB/T 2226-91)和支承板(GB/T 2236-91)兩種型式。如圖6-4、6-5所示。在使用過程中,它們都是固定不動的。

圖6-4 支承釘(GB/T 2226-91)

圖6-5 支承板(GB/T 2236-91)

A 型支承釘是標準平面支承釘,常用於已經加工后的表面定位;當定位基準面是粗糙不平的毛坯表面時,應採用 B 型球頭支承釘,使其與粗糙表面接觸良好;C 型所示齒紋型支承釘常用於側面定位,它能增大摩擦係數,防止工件受力后滑動。

大中型工件以精基準面定位時,多採用支承板定位,可使接觸面增大,避免壓傷基準面,減少支承的磨損。A 型支承板,結構簡單,便於製造。但沉頭螺釘處的積屑難於清除,宜作側面或頂面支承;B型是帶斜槽的支承板,因易於清除切屑和容納切屑,宜作底面支承,常用於以推拉方式裝卸工件的夾具和自動線夾具。

支承釘、支承板均已標準化,其公差配合、材料、熱處理等可查閱機床夾具零件及部件國家標準。

工件以平面定位時,除採用上面介紹的標準支承釘和支承板之外,還可根據工件定位平面的具體形狀設計相應的支承板,工件批量不大時,也可直接以夾具體作為限位平面。

(2)可調節支承 (GB/T 2227-91-GB/T 2230-90) 

在工件定位過程中,支承釘的高度需要調整時,採用圖6-12所示的可調支承。

 

圖6-6
可調節支承

圖6-7(a)中工件為砂型鑄件,加工過程中,一般先銑B面,再以 B 面為基準鏜雙孔。

圖6-7  可調節支承的應用

為了保證鏜孔工序有足夠和均勻的余量,最好先以毛坯孔為粗基準,但裝夾不太方便。此時可將 A 面置於調節支承上,通過調整調節支承的高度來保證 B 面與兩毛坯中心的距離尺寸 H1、H2 ,對於毛坯尺寸比較準確的小型工件,有時每批僅調整一次,這樣對於一批工件來說,調節支承即相當於固定支承。

 

在同一夾具上加工形狀相似而尺寸不等的工件時,也常採用調節支承。如圖6-7(b)所示,在軸上鑽徑向孔。對於孔至端面的距離不等的幾種工件,只要調整支承釘的伸出長度,該夾具便都可適用。

(3)浮動支承(自位支承)  在工件定位過程中,能自動調整位置的支承稱為浮動支承。

浮動支承的結構如圖 6-8所示,它們與工件的接觸點數雖然是二點或三點或更多點,但仍只限制工件的一個自由度。浮動支承點的位置隨工件定位基準面的變化而自動調節,當基面有誤差時,壓下其中一點,其餘各點即上升,直到全部接觸為止。由於增加了接觸點數,

圖6-8 浮動支承

可提高工件的安裝剛性和定位的穩定性,但夾具結構較複雜。浮動支承適用於工件以毛坯定位或剛性不足的場合。

2. 輔助支承
生產中,由於工件形狀以及夾緊力、切削力、工件重力等原因可能使工件在定位后還產生變形或定位不穩定。常需要設置輔助支承。輔助支承是用來提高工件的支承剛度和穩定性的,起輔助作用,決不允許破壞主要支承的主要定位作用。圖6-9為幾種常用的輔助結構。

圖6-9 輔助支承

1-活塞桿
 2-斜面頂銷
 3-滑柱支承

各種輔助支承在每次卸下工件后,必須鬆開,裝上工件后再調整和鎖緊。

由於採用輔助支承會使夾具結構複雜,操作時間增加,因此當定位基準面精度較高,允許重複定位時,往往用增加固定支承的方法增加支承剛度。

6.2.2 工件以內孔表面定位

在生產中常常遇到套筒、盤蓋類零件,加工時是以內孔為定位基準的。工件以內孔定位是一種中心定位。定位面為圓柱孔,定位基準為中心軸線,通常要求內孔基準面有較高的精度。工件中心定位的方法是用定位銷或心軸等與孔的配合實現的。有時採用自動定心定位。粗基準很少採用內孔定位。

1.圓柱銷(定位銷)

定位銷可分為固定式和可換式兩種。圖6-10(a)(b)(c)為固定式定位銷,固定式定位銷是直接用過盈配合裝在夾具體上。圖6-10(d)為可換式定位銷。

當定位銷直徑 D 為3~10mm時,為增加剛性避免使用中折斷或熱處理時淬裂,通常把圖6-10 定位銷

部倒成圓角 R。夾具體上應設有沉孔,使定位銷的圓角部分沉入孔內而不影響定位。在大量生產時,工件更換頻繁,定位銷易於磨損喪失定位精度,需要定期更換,可採用圖6-10 (d)所示的快換式定位銷,襯套外徑與夾具體為過渡配合,襯套內徑與圓柱銷為間隙配合,此兩者存在的定位間隙會影響定位精度。但這種方式可就地更換定位銷,快速方便。

為便於工件裝入,定位銷的頭部有150倒角。定位銷的有關參數可查閱有關國家標準。

2. 定位心軸

圖6-17為常用定位心軸的結構形式。圖6-11 (a)為間隙配合心軸。心軸的基本尺寸取工件孔的最小極限尺寸,公差一般按 h6、g6 或 f7 製造,這種心軸裝卸工件方便,但定心精度不高。加工中為能帶動工件旋轉,工件常以孔和端面聯合定位,因而要求工件定位孔與定位端面之間、心軸限位圓柱面與限位端面之間都有較高的垂直度,最好能在一次裝夾中加工出來。

圖6-11(b)為過盈配合心軸,由引導部分、工作部分、傳動部分組成。引導部分 3 的作用是使工件迅速而準確地套入心軸,其直徑D3 的基本尺寸取孔徑的最小值,公差按 e8 製造,其長度約為工件定位孔長度的一半。工作部分 2 的直徑的基本尺寸取孔徑的最大值,公差按 r6 製造。當工件定位孔的長度與直徑之比 L/D>1 時,心軸的工作部分應稍帶錐度,直徑 D2 取基準孔直徑的最小值,公差按 h6 確定;D1 取基準孔直徑的最大值,公差按 r6確定。這種心軸製造簡單,定心精度高,不用另設夾緊裝置,但裝卸工件不方便,易損傷定位孔。多用於定心精度要求高的精加工。

圖6-11 (c)是花鍵心軸,用於加工以花鍵孔定位的工件。當工件的定位孔長度 L/D>1時,工作部分可稍帶錐度。設計花鍵心軸時,應根據工件的不同定心方式來確定心軸的結構,其配合可參考上述兩種心軸

 

圖6-11 (d)為錐度心軸(小錐度心軸),工件在小錐度心軸上定位,並靠工件定位圓孔與心軸限位圓錐面的彈性變形夾緊工件。這種定位方式的定心精度較高,同軸度可達      φ0.01~φ0.02mm,但工件的軸向位移較大,不適於軸向定距加工,廣泛適用於短小工件高精度定心的精車和磨削加工中。

3. 圓錐銷 

如圖6-12所示為工件的孔緣在圓錐銷上定位的方式,限制工件的三個自由度。圖6-12 (a)用於粗基準,

圖6-12 (b)用於精基準。   

工件以單個圓錐銷定位時容易傾斜,為此,圓錐銷一般與其它定位元件組合使用,如圖6-13所示。

 

圖6-13 圓錐銷組合定位

6.2.3 工件以外圓表面定位

以圓柱表面定位的工件有:軸類、套類、盤類、連桿類以及小殼體類等。常用的定位元件有:V形塊、定位套、半圓套、圓錐套等。

1. V形塊 (GB/T 2208-91)

不論定位基準是否經過加工、是完整的圓柱面還是圓弧面,都可以採用V形塊定位。其優點是對中性好,即能使工件的定位基準軸線的對中在 V 形塊兩斜面的對稱面上,而不受定位基面直徑誤差的影響,並且安裝方便。

常用V形塊結構如圖6-14所示。

圖6-14  常用V形塊的結構

圖6-14(a)用於精基準定位,且基準面較短;6-14(b)適用於粗基準或階梯形圓柱面的定位;6-14(c)適用於長的精基準表面或兩段相距較遠的軸定位;6-14(d)適用於直徑和長度較大的重型工件,其 V 形塊採用鑄鐵底座鑲淬硬的支承板或硬質合金的結構,以減少磨損,提高壽命和節省鋼材。

V 形塊兩斜面間的夾角α,一般選用600、900、1200,以900V 形塊應用最廣。其結構和尺寸均已標準化。

V 形塊有固定式和活動式兩種。圖6-15為加工連桿孔時用活動V形塊定位,活動V形塊限制工件一個轉動自由度,其沿 V 形塊對稱面方向的移動可以補償工件因毛坯尺寸變化而對定位的影響,同時還兼有夾緊的作用。

2. 定位套

圖6-16為常用的幾種定位套。其內孔軸線是限位基準,內孔面是限位基面。為了限制工件沿軸向的自由度,常與端面聯合定位。用端面作為主要限位面時,應控制套的長度,以免夾緊時工件產生不允許的變形。

圖6-16 常用定位套

定位套結構簡單、容易製造,但定心精度不高,故只適用於精定位基面。

3. 半圓套

圖6-17為外圓柱面用半圓套定位的結構。下面的半圓套是定位元件,上面的半圓套起夾緊作用。其最小直徑應取工件定位外圓的最大直徑。這種定位方式主要用於大型軸類零件及不便於軸向裝夾的零件。定位基面的精度不低於IT8~IT9。其定位的優點是夾緊力均勻,裝卸工件方便。

6.2.4工件以組合表面定位

前面介紹了一些常見的典型定位方式.我們從中可以看出,它們都是以一些簡單的幾何表面(如平面、內外圓柱面、圓錐面等)作為定位基準的。因為儘管機器零件的結構形狀千變萬化,但是它們只是由一些簡單的幾何表面作各種不同的組合而構成的。因此,只要掌握住簡單幾何表面的典型定位方式后,也就可以根據各種複雜零件的表面組成情況,把它們的定位問題簡化為一些簡單幾何表面的典型定位方式的各種不同組合。從前面所列舉的一些定位實例中,也可看到,一般機器零件很少以單一幾何表面作為定位基準來定位的,通常都是以兩個以上的幾何表面作為定位基準而採取組合定位。

採用組合定位時,如果各定位基準之間彼此無緊密尺寸聯繫(即沒有尺寸精度要求)時,那麼,這些定位基準的組合定位,就只能是把各種單一幾何表面的典型定位方式直接予以組合而不能彼此發生重複限制自由度的過定位情況。

但是在實際生產中,有時是採用兩個以上彼此有一定緊密尺寸聯繫(即有一定尺寸精度要求)的定位基準作組合定位,以提高多次重複定位時的定位精度。這時,也常會發生相互重複限制自由度的過定位現象。由於這些定位基準相互之間有一定尺寸精度聯繫,因此只要設法協調定位元件與定位基準的相互尺寸聯繫,就可克服上述過定位現象,以達到多次重複定位時,提高定位精度的目的。下面就以生產中最常見的“一面兩孔”定位為例來進行分析。

 

1.“一面兩孔”定位時要解決的主要問題

在成批生產和大量生產中,加工箱體、槓桿、蓋板等類零件時,常常以一平面和兩定位孔作為定位基準實現組合定位。這種組合定位方式,一般便簡稱為:一面兩孔定位。這時,工件上的兩個定位孔,可以是工件結構上原有的,也可以專為工藝上定位需要而特地加工出來的。

“一面兩孔”定位時所用的定位元件是:平面採用支承板定位,兩孔採用定位銷定位,如圖6-18所示。

“一面兩孔”定位中,支承板限制了3個自由度,短圓柱定位銷1限制了2自由度,還剩下一個繞垂直圖面軸線的轉動自由度需要限制。短圓柱定位銷2也要限制2個自由度,它除了限制這個轉動自由度外,還要限制一個沿X軸的移動自由度。但這個移動自由度已被短圓信定位銷1所限制,於是兩個定位銷1重複限制沿X軸的移動自由度X而發生的矛盾。最嚴重時,便如圖6-19所示。我們先不考慮兩定位銷中心距的誤差,假設銷心距為L;一批工件中每個工件上的兩定位孔的孔心距是在一定的公差範圍內變化的,其中最大是L+δ,最小是L-δ,即在2δ範圍內變化。當這樣一批工件以兩孔定位裝入夾具的定位銷中時,就會出現象圖6-19所示那樣的工件根本無法裝入的嚴重情況這就是因為定位銷1和定位銷2重複限制了X自由度所引起的。由於兩定位銷中心距和兩定位孔中心距,都在規定的公差範圍內變化,因而只要設法改變定位銷2的尺寸偏差或定位銷2的結構,來補償在這個範圍內的中心距變動量,便可消除因重複限制X自由度所引起的矛盾。這就是採用“一面兩孔”定位時所要解決的主要問題。

圖6-18  “一面兩孔”的組合定位  

圖6-19  兩定位銷重複限制移動自由度

2.解決兩孔定位問題的兩種方法

(1)採用兩個圓柱定位銷作為兩孔定位時所用的定位元件

當選用兩個圓柱定位銷作為兩孔定位所用的定位元件時,我們採用縮小定位銷2的直徑的方法來解決上述兩孔裝不進定位銷的矛盾,如圖6-20所示。

(2)採用一個圓柱定位銷和一個削邊(又稱:菱形)定位銷作為兩孔定位時所用的定位元件

如圖6-21所示,假定定位孔1和定位銷1的中心完全重合,則兩定位孔間的中心距差和兩定位銷間的中心距誤差,全部由定位銷2來補償。

    

圖6-20 減小圓柱銷直徑

圖6-21  使用削邊銷

常用的削邊定位銷結構開關有圖6-22所示的三種。圖中6-22(a)型用於定位孔直徑很小時,為了不使定位銷削邊后的頭部強度過分減弱,所以不削成菱形。6-22(c)型是用於孔徑大於50毫米時,這時銷釘本身強度已足夠,主要是為了求得製造更為簡便。直徑為3~50毫米的標準削邊銷都是做成菱形的。

(a)              (b)             (c)

圖6-22  削邊削的形式

6.2.5 定位誤差計算

一批工件逐個在夾具上定位時,各個工件在夾具上佔據的位置不可能完全一致,以致使加工后各工件的加工尺寸存在誤差,這種因工件定位而產生的工序基準在工序尺寸上的最大變動量,稱為定位誤差,用ΔD表示。主要包括基準不重合誤差和基準位移誤差。

定位誤差研究的主要對象是工件的工序基準和定位基準。工序基準的變動量將影響工件的尺寸精度和位置精度。

圖6-23 銑削加工定位簡圖

1. 基準不重合誤差    由於定位基準和工序基準不重合而造成的定位誤差,稱為基準不重合誤差,用Δb表示。其大小為定位基準到工序基準之間的尺寸變化的最大範圍。如圖6-23所示,由於基準不重合而產生的基準不符誤差Δb=2δe

 

2. 基準位移誤差
由於定位基準和限位基準的製造誤差引起的,定位基準在工序尺寸上的最大變動範圍,稱為基準位移誤差,用Δy表示。不同的定位方式,其基準位移誤差的計算方法也不同。

(1)平面定位
工件以精基面在平面支承中定位時,其基準位移誤差可忽略不計。

(2)用圓柱銷定位

當銷垂直放置時,基準位移誤差的方向是任意的,故其位移誤差可按下式計算:

式中:——定位最大配合間隙,單位為 mm;

 ??工件定位基準孔的直徑公差,單位為 mm;

 ??圓柱定位銷或圓柱心軸的直徑公差,單位為 mm;

??定位所需最小間隙,由設計時確定,單位為 mm。

當銷是水平放置時,基準位移誤差的方向是固定的,屬於固定單邊接觸,其位移誤差為

其中因為方向固定,所以1/2 Xmin可以通過適當的調整,可以消除。如圖6-24所示,利用對刀裝置消除最小間隙的影響。

其中H為對刀工作表面至心軸中心距離的基本尺寸:

 

(3)用 V 形塊定位

圖2-25 V形塊定心定位的位移誤差

如圖6-25所示,若不計V形塊的誤差而僅有工件基準面的圓度誤差時,其工件的定位中心會發生偏移,產生基準位移誤差。由此產生的基準位移誤差為:

式中: δd??工件定位基準的直徑公差,單位為mm;

α/2??V形塊的半形。一般情況下α=60°、90°、120°

V 形塊的對中性好,即沿x向的位移誤差為零。

下面以一個例子說明以平面定位時,定位誤差的計算方法。

(a)                                        (b)

圖6-26   銑台階面兩種定位方法

    按圖6-26(a)所示定位方案銑床工件的台階面,要求保證尺寸20±0.15。試分析和計算這時的定位誤差。並判斷這一方案是否可用。

由於這時工件是以B面為定位基準,而欲保持的加工尺寸20±0.15的設計基準為A面,因此必然出現基準不重合定位誤差。定位誤差的大小由定位尺寸公差確定。定位尺寸40±0.14,其公差值為0.28mm,此值即為定位誤差Δb。本工序要求保持的尺寸20±0.15,其允差為:

δk=0.03mm,

δk-Δb=0.03-0.28=0.02(mm)

從以上計算中可以看出,Δb在加工誤差中所佔的比重太大,以至留給其它加工誤差的允差僅有0.02mm,此值太小,在實際加工中難以保證,極易超差和產生廢品。因此,對此定位方案不宜採用。最好改用基準重合的定位方案,如圖6-26(b)所示,此時Δb=0。當然,改用這種方案后,工件由上向下裝夾,夾緊方式 不理想,而且結構也變得複雜了。

6. 3  定位裝置設計示例

前面各節闡述了工件在夾具中定位的基本原理和基本方法。現以定位方案設計實例來說明定位原理和方法的運用。

圖6-27為在拔叉上鑽φ8.4mm孔的工序簡圖。加工要求是:φ8.4mm孔為自由尺寸,可一次鑽削保證。該孔在軸線方向的設計基準是槽14.2mm的對稱中心線,要求距離為3.1±0.1mm;相對於φ15.81 F8 孔中心線的對稱度要求為 0.2mm。本工序所用設備為 Z525立式鑽床。試設計其定位方案。

1. 確定所需限制的自由度數、選擇定位基準並確定各基準面上支承點的分佈。

為保證所鑽φ8.4mm孔與φ15.81 F8 中心線對稱並垂直,需限制工件的三個自由度;為保證所鑽φ8.4mm孔在對稱面(YZ面)內,還需限制自由度;為保證尺寸3.1±0.1mm,還需限制自由度。綜上所述,應限制工件的五個自由度。

 

定位基準的選擇應儘可能遵循基準重合原則,並盡量選用精基準定位。故以φ15.81 F8 孔作為主要定位基準,設置四支承點限制工件的四個自由度,以保證所鑽孔與基準孔的對稱度和垂直度要求;以51+00.1槽面作定位基準,設置一點,限制自由度,由於它離φ15.81 F8 距離較遠,故定位準確且穩定可靠;以槽面 B、C 或端面 D 作為止推定位基準,設置一點,限制自由度。在 B、C、D 面上定位元件的布置有三種方案:一是以 D 面定位;二是以槽面 B、C 中的一個面定位;三是以槽面 B、C 的對稱平面定位。

若以 D 面定位,因工序基準為14.2mm槽的對稱面(對稱面至B面距離尺寸為7.1+00.05mm)。故其基準不符,誤差為:ΔB1=0.05+0.105´2=0.26mm

已超過尺寸 3.1±0.1mm 的加工公差0.02的要求,故此方案不能採用。

若以 B、C 面的一個側面定位,則基準不符誤差為:ΔB2=0.05mm

若以 B、C 面的對稱平面定位,則 ΔB3=0

在上述三個方案中,第一方案不能保證加工精度;第二方案具有結構簡單,加工精度可以保證的優點;第三種方案定位誤差為零,但結構比前兩方案複雜。但從大批量生產的條件考慮,第三方案的定位元件使用偏心輪,雖然結構複雜,但能完成夾緊任務,因此第三方案較恰當。

2.     選擇定位元件結構

圖6-28  防轉定位方案分析

φ15.81 F8 孔採用長圓柱銷定位,其配合選為 15.81F8/h7。以51+00.1 mm槽面的定位可採用兩種方案,如圖6-28所示。一種方案是在其中一個槽面上布置一個防轉銷;另一方案是利用槽兩側面布置一個大削邊銷,與長銷構成兩銷定位。從定位穩定性及有利於夾緊等考慮,后一方案較好。

工件沿Y軸的位置可採用如圖6-29所示的圓弧偏心輪定心夾緊裝置,實現 B、C 的對稱面定位。如以 B 或 C 面定位,為了裝卸工件,應採用可伸縮的定位銷。這將會增加夾具結構的複雜性。

為了引導鑽頭,鑽套在夾具中的布置如圖6-29所示。

圖6-29 定位夾緊元件的布置

以上步驟是設計定位裝置的一般過程。在實際工作中,其先後順序可有差異。又由於生產條件等不同,其具體結構也將各異,但分析問題的基本原理和方法是一致的。

6. 4 夾緊機構原理

6.4.1 對夾緊裝置的基本要求

機械加工過程中,為保持工件定位時所確定的正確加工位置,防止工件在切削力、慣性力、離心力及重力等作用下發生位移和振動,機床夾具應設有夾緊裝置,將工件壓緊夾牢。夾緊裝置是否合理、可靠及安全,對工件加工的精度、生產率和工人的勞動條件有著重大的影響,因此,夾緊機構應滿足下面要求:

1. 夾緊過程中,必須保證定位準確可靠,而不破壞原有的定位。

2. 夾緊力的大小要可靠、適應,既要保證工件在整個加工過程中位置穩定不變、振動小,又要使工件不產生過大的夾緊變形。

3. 夾緊裝置的自動化和複雜程度應與生產類型相適應,在保證生產效率的前提下,其結構要力求簡單,工藝性好,便於製造和維修。

4. 夾緊裝置應具有良好的自鎖性能,以保證在源動力波動或消失后,仍能保持夾緊狀態。

5. 夾緊裝置的操作應當方便、安全、省力。

6.4.2 夾緊裝置的組成

1. 力源裝置  產生夾緊作用力的裝置稱為力源裝置。常用的力源有人力和動力。力源來自人力的稱為手動夾緊裝置;力源來自氣壓、液壓、電力等動力的稱為動力傳動裝置。如圖6-30所示為氣壓傳動裝置。

圖6-30  氣動銑床夾具

1-配氣閥
2-管道
3-氣缸
4-活塞
5-活塞桿
6-單鉸鏈連桿
7-壓板

2. 夾緊部分
接受和傳遞原始作用力使之變為夾緊力並執行夾緊任務的部分。一般由下列元件或機構組成。

(1)夾緊元件 是實現夾緊作用的最終執行元件。如各種螺釘、壓板等。

 

(2)中間遞力機構 通過它將力源產生的夾緊力傳給夾緊元件,然後由夾緊元件最終完成對工件的夾緊。

一般中間遞力機構可以在傳遞夾緊力的過程中,改變夾緊力的方向和大小,保證夾緊機構的工作安全可靠,並具有一定的自鎖性能。

如圖6-30中的單鉸鏈連桿 6 作為中間遞力機構,當利用螺釘直接夾緊工件時,就沒有中間遞力元件。

(3)夾緊機構 是指手動夾緊時所使用的,由中間遞力機構和夾緊裝置組成,如手柄、螺母、壓板等。

以上各部分之間的關係,可用框圖表示,如圖6-31所示。

圖6-31   夾緊裝置組成框圖

6.4.3 夾緊力的確定原則

確定夾緊力必須從力的三要素考慮,即力的大小、方向和作用點。它是一個綜合性問題,必須結合工件的形狀、尺寸、重量和加工要求,定位元件的結構及其分佈方式,切削條件及切削力的大小等具體情況來確定。

1. 夾緊力方向的確定原則

夾緊力的作用方向不僅影響加工精度,而且還影響夾緊的實際效果。具體應考慮如下幾點:

(1)夾緊力的作用方嚮應保證定位準確可靠,而不破壞工件的原有定位精度

工件在夾緊力作用下,應確保其定位基面貼在定位元件的工作表面上。為此要求主夾緊力的方嚮應指向主要定位基準面,其餘夾緊力方嚮應指向工件的定位支承。如圖6-32所示,在角鐵形工件上鏜孔。加工要求孔中心線垂直 A 面,因此應以 A 面為主要定位基面,並使夾緊力垂直於A 面,如圖6-32(a)所示。但若使夾緊力指向 B 面,如圖6-32 (b)所示,則由於 A 與 B 面間存在垂直度誤差,就無法滿足加工要求。當夾緊力垂直指向 A 面有困難而必須指向 B 面時,則必須提高 A 與 B 面間的垂直度精度。

(2)夾緊力的作用方嚮應使工件的夾緊變形盡量小

如圖6-33所示為加工薄壁套筒,由於工件的徑向剛度很差,用圖6-33(a)的徑向夾緊方式將產生過大的夾緊變形。若改用圖6-33(b)的軸向夾緊方式,則可減少夾緊變形,保證工件的加工精度。

(3)夾緊力作用方嚮應使所需夾緊力儘可能小

如圖6-34所示為夾緊力Fw、工件重力G和切削力F三者關係的幾種典型情況。為了安裝方便及減少夾緊力,應使主要定位支承表面處於水平朝上位置。如圖6-34(a)、6-34(b)所示工件安裝既方便又穩定,特別是圖6-34 (a),其切削力F與工件重力G均朝向主要支承表面,與夾緊力Fw方向相同,因而所需夾緊力為最小。此時的夾緊力Fw只要防止工件加工時的轉動及振動即可。圖6-34(c)、6-34(d)、6-34(e)、6-34(f)所示的情況就較差,特別是6-34(d)所示情況所需夾緊力為最大,一般應盡量避免。

圖6-34 夾緊力方向與夾緊力大小的關係

2. 選擇夾緊力作用點的原則

夾緊力作

用點的位置、數目及布局同樣應遵循保證工件夾緊穩定、可靠、不破壞工件原來的定位以及夾緊變形盡量小的原則,具體應考慮如下幾點:

(1)夾緊力作用點應能保持工件定位穩固而不至引起工件發生位移或偏轉。

根據這一原則,夾緊力作用點必須作用在定位元件的支承表面上或作用在幾個定位元件所形成的穩定受力區域內。如圖6-35(b)的作用點,會使原定位受到破壞。

圖6-35 作用點與定位支承的位置關係

(2) 夾緊力作用點應使夾緊變形盡量小

夾緊力應作用在工件剛性好的部位上。對於壁薄易變形的工件,應採用多點夾緊或使夾緊力均勻分佈,以減少工件的夾緊變形。如圖6-36(a)、(b)為合理方案。如採用圖6-36(c)、圖6-36(d)的夾緊方案,將使工件產生變形。

圖6-36 作用點應在工件剛度好的部位

(3)夾緊力的作用點應保證定位穩定、夾緊可靠。

夾緊力的作用點應儘可能靠近被加工表面,以提高定位的穩定性和夾緊的可靠性。如圖6-37所示。有的工件由於結構形狀所限,加工表面與夾緊力作用點較遠且剛性又較差時,應在加工表面附近增加輔助支承及對應的附加夾緊力。如圖6-37(c)所示,在加工表面附近增加了輔助支承,而Fw1為對應的附加夾緊力。

 

3. 夾緊力大小的確定原則

當夾緊力的方向和作用點確定后,就應計算所需夾緊力的大小。夾緊力的大小直接影響夾具使用的安全性、可靠性。夾緊力過小,則夾緊不穩固,在加工過程中工件仍會發生位移而破壞定位。結果,輕則影響加工質量,重則千萬安全事故。夾緊力過大,無必要,反而增加夾緊變形,對加工質量不利,同時夾緊機構的尺寸也會相應加大。所以夾緊力的大小應適當。

在實際設計工作中,夾緊力的大小可根據同類夾具的實際使用情況,用類比法進行經驗估計,也可用分析計算方法近似估算。

分析計演算法,通常是將夾具和工件視為剛性系統,找出在加工過程中,對夾緊最不利的瞬時狀態。根據該狀態下的工件所受的主要外力即切削力和理論夾緊力(大型工件要考慮工件的重力,調整運動下的工件要考慮離心力或慣性力),按靜力平衡條件解出所需理論夾緊力,再乘以安全係數作為實際所需夾緊力,以確保安全。即:Fsw=K Fw

式中 Fsw ??所需實際夾緊力,單位為 N;

Fw ??按靜力平衡條件解出的所需理論夾緊力,單位為 N;

K ??安全係數,根據經驗一般粗加工時取2.5~3;精加工時取1.5~2。

實際所需夾緊力的具體計算方法可參照機床夾具設計手冊等資料。

6. 5  基本夾緊機構

不論採用何種力源(手動或機動)形式,一切外力都要轉化為夾緊力,這一轉化過程都不得是通過夾緊機構實現的。因此夾緊機構是夾緊裝置中的一個重要組成部分。在各種夾緊機構中,起基本夾緊作用的,多為斜楔、螺旋、偏心、槓桿、薄壁彈性元件等夾具元件,而其中以斜楔、螺旋、偏心以及由它們組合而成的夾緊裝置應用最為普遍。

6.5.1 斜楔夾緊機構

1.作用原理

圖6-38 手動斜楔夾緊機構

1-斜楔
2-工件
3-夾具體

圖6-38為一種斜楔夾緊機構。需要在工件上鑽削互相垂直的φ8mm 與φ5mm 小孔,工件裝入夾具后,在夾具體上定位后,錘擊楔塊大頭,則楔塊對工件產生夾緊力和對夾具體產生正壓力,從而把工件楔緊。加工完畢后錘擊楔塊小頭即可鬆開工件。

由此可見,斜楔主要是利用其斜面的移動和所產生的壓力來夾緊工件的,即楔緊作用。

2. 夾緊力的計算

斜楔夾緊時的受力情況如圖6-39 (a) 所示,斜楔受外力為,產生的夾緊力為,按斜楔受力的平衡條件,可推導出斜楔夾緊機構的夾緊力計算公式:

均很小且時,上式可近似的簡化為

式中:??夾緊力,單位為N;

??作用力,單位為N;

分別為斜楔與支承面及與工件受壓面間的摩擦角,常取=50~80

α—斜楔的斜角,常取α=60~100

3.斜楔的自鎖條件

圖6-39(b)所示,當作用力消失后,斜楔仍能夾緊工件而不會自行退出。根據力的平衡條件,可推導出自鎖條件:

                         (6-1)

                                       (6-2)

                               (6-3)

將式(6-2)、(6-3)代入(6-1)式 ,得:

                

      (設)

一般鋼鐵的摩擦係數μ=0.1~0.15。摩擦角=arctan(0.1~0.15)=5°43′~8°32′,故 α≤11°~17°。但考慮到斜楔的實際工作條件,為自鎖可靠起見,取α=6°~8°。當α=6°時,tanα≈0.1=,因此斜楔機構的斜度一般取1:10。

 

4.斜楔機構的結構特點

(1)斜楔機構具有自鎖的特性

當斜楔的斜角小於斜楔與工件以及斜楔與夾具體之間的摩擦角之和時,滿足斜楔的自鎖條件。

(2)斜楔機構具有增力特性

斜楔的夾緊力與原始作用力之比稱為增力比 (或稱為增力係數)。

即:

當不考慮摩擦影時,,此時α愈小,增力作用愈大。

(3)斜楔機構的夾緊行程小

工件所要求的夾緊行程 h 與斜楔相應移動的距離 s 之比稱為行程比  :

,故斜楔理想增力倍數等於夾緊行程的縮小倍數。因此,選擇升角α時,必須同時考慮增力比和夾緊行程兩方面的問題。

(4)斜楔機構可以改變夾緊力作用方向

由圖6-39可知,當對斜楔機構外加一個水平方向的作用力時,將產生一個垂直方向的夾緊力。

5.適用範圍

由於手動斜楔夾緊機構在夾緊工件時,費時費力,效率極低所以很少使用。因其夾緊行程較小,因此對工件的夾緊尺寸(工件承受夾緊力的定位基準至其受壓面間的尺寸)的偏差要求很高,否則將會產生夾不著或無法夾緊的狀況。因此,斜楔夾緊機構主要用於機動夾緊機構中,且毛坯的質量要求很高。

6.5.2  螺旋夾緊機構

螺旋夾緊機構螺釘、螺母、螺栓或螺桿等帶有螺旋的結構件與墊圈、壓板或壓塊等組成。他不僅結構簡單、製造方便,而且由於纏繞在螺釘面上的螺旋線很長,升角小。所以螺旋夾緊機構的自鎖性能好,夾緊力和夾緊行程都較大,是目前應用較多的一種夾緊機構。

1.作用原理

螺旋夾緊機構中所用的螺旋,實際上相當於把斜楔繞在圓面積柱體上,因此,其作用原理與斜楔是一樣的。只不過是這時通過轉動螺旋,使繞在圓柱體上的斜楔高度發生變化,而產生夾緊力來夾緊工件。

2.結構特點

圖6-40  典型螺旋壓板機構

螺旋夾緊機構的結構形式很多,但從夾緊方式來分,可分為單個螺栓夾緊機構和螺旋村板夾緊機構兩種。圖6-40(a)為壓板夾緊形式,圖6-40(b)為螺栓直接夾緊形式,在夾緊機構中,螺旋壓板的使用是很普遍的。

圖6-41為最簡單的單個螺栓夾緊機構。圖6-41(a)為直接用螺釘壓在工件表面,易損傷工件表面;圖6-41(b)為典型的螺栓夾緊機構,在螺栓頭部裝有擺動壓塊,可以防止螺釘轉動損傷工件表面或帶動工件旋轉。典型壓塊的如圖6-42所示。圖6-42(a)為光面壓塊,用於用於壓緊已加工過的表面;圖6-42(b)為槽面壓塊,用於未加工過的毛坯表面;圖6-42(c)為球面壓塊,可自動調心。壓緊螺釘及壓塊已標準化,可查閱相關手冊。

(a)                                 (b)

圖6-41 單個螺旋夾緊機構 

   圖6-42 擺動壓塊

螺旋夾緊機構中,螺旋升角α≤4°,因此自鎖性能好,能耐振動。由於螺旋相當於長斜楔繞在圓柱體上,所以夾緊行程不受限制,可以任意加大,不會使機構增大。

設計螺旋夾緊機構時應根據所需的夾緊力的大小選擇合適的螺紋直徑。

3.適用範圍

由於螺旋夾緊機構結構簡單、製造方便,增力比大,夾緊行程不受限制,所以在手動夾緊機構中應用廣泛。但其夾緊動作慢、輔助時間長,效率低。

為了克服螺旋夾動作緊慢,效率缺點,出現了各種快速夾緊機構。如圖6-43所示。輸入法6-43(a)中,在螺母一方的增加開口墊圈,螺母的外徑小於工件內孔直徑,只要稍微放鬆螺母,即可抽出墊圈,工件便可螺母取出。圖6-43(b)為快卸螺母,螺母孔內鑽有光孔,其孔徑略大於螺紋的外徑,螺母斜向沿光孔套入螺桿,然後將螺母擺正,使螺母的螺紋與螺桿嚙合,再擰動螺母,便可夾緊工件。但螺母的螺紋部分被切去一部分,因此嚙合部分減小,夾緊力不能太大。

 

圖6-43  快速螺旋夾緊機構

6.6.3 偏心夾緊機構 

用偏心元件直接夾緊或與其它元件組合而實現對工件的夾緊機構稱為偏心夾緊機構,它是利用轉動中心與幾何中心偏移的圓盤或軸等為夾緊元件。圖6-40所示為常見的各種偏心夾緊機構,其中圖6-40(a)是偏心輪和螺栓壓板的組合夾緊機構;圖6-40(b)是利用偏心軸夾緊工件的。

圖6-44 偏心夾緊機構實例

1.偏心夾緊的工作特性

圖6-45  圓偏心特性及工作段

如圖6-45(a)所示的圓偏心輪,其直徑為 D,偏心距為 e,由於其幾何中心 C 和迴轉中心 O 不重合,當順時針方向轉動手柄時,就相當於一個弧形楔卡緊在轉軸和工件受壓表面之間而產生夾緊作用。將弧形楔展開,則得如圖6-45(b)所示的曲線斜楔,曲線上任意一點的切線和水平線的夾角即為該點的升角。設αx 為任意夾緊點 x 處的升角,其值可由 ΔOxC中求得:

式中轉角  的變化範圍為 00≤1800,由上式可知,當=00 時,m 點的升角最小,=00,隨著轉角的增大,升角也增大,當=900時(即 T 點),升角為最大值,此時:

很小,故取max≈2e/D。

繼續增大時,將隨著 的增大而減小,=1800,即 n 點處,此處的

偏心輪的這一特性很重要,因為它與工作段的選擇,自鎖性能,夾緊力的計算以及主要結構尺寸的確定關係極大。

2.偏心輪工作段的選擇

從理論上講,偏心輪下半部整個輪廓曲線上的任何一點都可以用來做夾緊點,相當於偏心輪轉過1800,夾緊的總行程為 2e,但實際上為防止松夾和咬死,常取 P 點左右圓周上的1/6~1/4 圓弧,即相當於偏心輪轉角為 600~900 的範圍所對應的圓弧為工作段。如圖6-45 (c)所示的 AB 弧段。由圖 6-45(c)可知,該段近似為直線,工作段上任意點的升角變化不大,幾乎近於常數,可以獲得比較穩定的自鎖性能。因而,在實際工作中,多按這種情況來設計偏心輪。

3.偏心輪夾緊的自鎖條件

使用偏心夾緊時,必須保證自鎖,否則將不能使用。要保證偏心輪夾緊時的自鎖性能,和前述斜楔夾緊機構相同,應滿足下列條件

式中 ??偏心輪工作段的最大升角;

??偏心輪與工件之間的摩擦角;

??偏心輪轉角處的摩擦角。

因為,tan≤ tan(+),已知 tan= 2e/D。為可靠起見,不考慮轉軸處的摩擦,又 tanφ1=,故得偏心輪夾緊點自鎖時的外徑 D 和偏心量 e 的關係:

2e/D≤

= 0.10 時,

D/e ≥ 20;

= 0.15 時,D/e ≥ 14

稱 D/e 之值為偏心率或偏心特性。按上述關係設計偏心輪時,應按已知的摩擦係數和需要的工作行程定出偏心量 e 及偏心輪的直徑 D。一般摩擦係數取較小的值,以使偏心輪的自鎖更可靠。

4.適用範圍

偏心夾緊機構的特點是結構簡單、動作迅速,但它的夾緊行程受偏心距 e 的限制,夾緊力較小,故一般用於工件被夾壓表面的尺寸變化較小和切削過程中振動不大的場合,多用於小型工件的夾具中。對於受壓面的表面質量有一定的要求,受壓面的位置新變化也要較小。

6. 6  聯動夾緊機構

根據工件結構特點和生產率的要求,有些夾具要求對一個工件進行多點夾緊,或者需要同時夾緊多個工件。如果分別依次對各點或各工件夾緊,不僅費時,也不易保證各夾緊力的一致性。為提高生產率及保證加工質量,可採用各種聯動夾緊機構實現聯動夾緊。

 

 

聯動夾緊是指操縱一個手柄或利用一個動力裝置,就能對一個工件的同一方向或不同方向的多點進行均勻夾緊,或同時夾緊若干個工件。前者稱為多點聯動夾緊,後者稱為多件聯動夾緊。

6.6.1.多點聯動夾緊機構

圖6-46 浮動壓頭示意圖

圖6-47 兩點對向聯動夾緊機構

1-工件 2-浮動壓板 3-活塞桿

最簡單的多點聯動夾緊機構是浮動壓頭,如圖6-46所示。其特點是具有一個浮動元件1,當其中的某一點夾壓后,浮動元件就會擺動或移動,直到另一點也接觸工件均衡壓緊工件為止。

 

圖6-47為兩點對向聯動夾緊機構,當液壓缸中的活塞桿3向下移動時,通過雙臂鉸鏈使浮動壓板2相對轉動,最後將工件1夾緊。

6.6.2.多件聯動夾緊機構

多件聯動夾緊機構,多用於中、小型工件的加工,按其對工件施加力方式的不同,一般可分為平行夾緊、順序夾緊、對向夾緊及複合夾緊等方式。

圖6-48  平行式多件聯動夾緊機構

1-工件 2-壓板 3-擺動壓塊 4-球面墊圈 5-螺母 6-墊圈 7-柱塞 8-液性性質

圖6-48(a)為浮動壓板機構對工件平行夾緊的實例。由於壓板2、擺動壓塊 3 和球面墊圈 4 可以相對轉動,均是浮動件,故旋動螺母 5 即可同時平行夾緊每個工件。圖6-48(b)所示為液性介質聯動夾緊機構。密閉腔內的不可壓縮液性介質既能傳遞力,還能起浮動環節作用。旋緊螺母 5 時,液性介質推動各個柱塞 7,使它們與工件全部接觸並夾緊。

6.7 夾緊機構設計實例

夾緊機構對夾具的整體結構起決定性的影響。在選擇或設計夾緊機構時,靈活性很大,在滿足產品質量的前提下,應注意使夾具的複雜程序與生產批量相適應,夾緊機構的結構要便於製造、調整、使用和維修。

1.設計夾緊機構的步驟

如圖6-49所示,按第四節定位裝置設計實例所確定的定位方案,分析確定其夾緊機構

當定位心軸水平放置時,在 Z525 立鑽機上鑽 f8.4mm 孔的鑽削力和扭矩均由定位心軸來承擔。這時工件的夾緊有兩種方案。

(1) 在心軸軸向施加軸向力夾緊

在心軸端部採用螺旋夾緊機構,夾緊力與切削力處於垂直狀態。這種結構雖然簡單,但裝卸工件卻比較麻煩。

(2)在槽14.2mm中採用帶對斜面的偏心輪定位件夾緊

當偏心輪轉動時,對稱斜面楔入槽中,斜面上的向上分力迫使工件孔f15.81F8 與定位心軸的下母線緊貼,而軸向分力又使斜面與槽緊貼,使工件在軸向被偏心輪固定,起到了既定位又夾緊的作用。

顯然,后一方案具有操作方便的優點,機構如圖6-49所示。偏心輪裝在其支座中,安裝調整夾具時,偏心輪的對稱斜面的中心與夾具鑽套孔中心線保持 3.1±0.03mm 的要求。夾緊時,通過手柄順時針轉動偏心輪,使其對稱面楔入工件槽內,在定位的同時將工件夾緊。由於切削力不大,故工作可靠。

圖6-49 拔叉鑽孔夾具

1-扁銷 2-緊定螺釘 3-銷軸 4-鑽模板 5-支承釘 6-定位軸 7-偏心輪 9-夾具體

該夾具對工件定位考慮合理,且採用偏心輪使工件既定位又夾緊,簡化了夾具結構,適用於成批生產。

6.8  夾具體

6.8.1  夾具體的基本要求

夾具體是整個夾具的基礎件。在夾具體上要安裝組成該夾具所需要的各種元件、機構、裝置等;並且還必須便於裝卸工件以及在機床上的固定。因此,夾具體的形狀和尺寸,主要取決於夾具上各組成件分佈情況,工件的形狀、尺寸以及加工性質等。

對於夾具體的設計提出以下一些基本要求:

1. 應有足夠的強度和剛度

以保證加工過程在夾緊力、切削力等外力作用下,不致產生不允許的變形和振動。為此,夾具體應具有足夠的壁厚,在剛度不足處可設置一些加強筋,一般加強筋厚度取壁厚的 0.7~0.9 倍,筋的高度不大於壁厚的5倍。近年來有些工廠採用框形結構的夾具體,可進一步提高強度及剛度,而重量卻能減輕。

2. 力求結構簡單,裝卸工件方便

要防止無法製造和難以裝卸的現象發生。在保證強度和剛度的前提下,儘可能體積小,重量輕,特別對手動、移動或翻轉夾具,要求夾具總重量不超過100N(相當於10kg),以便於操作。

3. 有良好的結構工藝性和使用性

以便於製造、裝配和使用。夾具體上有三部分表面是影響夾具裝配后精度的關鍵,即夾具體的安裝基面(與機床連接的表面);安裝定位元件的表面;安裝對刀或導向裝置的表面。而其中往往以夾具體的安裝基面作為加工其它表面的定位基準,因此在考慮夾具體結構時,應便於達到這些表面的加工與要求。對於夾具體上供安裝各元件的表面,一般應鑄出 3~5mm高的凸台,以減少加工面積。夾具體上不加工的毛面與工件表面之間應保證有一定的空隙,以免安裝時產生干涉,空隙大小可按以下經驗數據選取:

 

夾具體是毛面,工件也是毛面時,取 8~15mm;夾具體是毛面,而工件是光面時,取 4~10mm。

4.     夾具體的尺寸要穩定

即夾具體經製造加工后,應防止其日久變形。為此,對於鑄造夾具體,要進行時效處理;對於焊接夾具體,則要進行退火處理。鑄造夾具體的壁厚變化要和緩、均勻,以免產生過大內應力。

5. 排屑要方便

為了防止加工中切屑聚積在定位元件工作表面上或其它裝置中,而影響工件的正確定位和夾具的正常工作,因此在設計夾具體時,要考慮切屑的排除問題。當加工所產生的切屑不多時,可適當加大定位元件工作表面與夾具體之間的距離或增設容屑溝,以增加容屑空間,如圖6-50所示。

6.夾具在機床上安裝要穩定、可靠

對於固定在機床上的夾具應使其重心盡量低;對於不固定在機床上的夾具,則夾具的重心和切削力作用點,應落在夾具體在機床上的支承面範圍內,夾具越高則支承面積應越大。為了使接觸面穩定、可靠,夾具體底面中部一般應挖空。對於旋轉類的夾具體,要求盡量無凸出部分或裝上安全罩。在加工中要翻轉或移動的夾具體,通常要在夾具體上設置手柄或手扶部位以便於操作。對於大型夾具,為考慮便於吊運,在夾具體上應設置吊環螺栓或起重孔。

6.8.2 夾具體的毛坯製造方法

在選擇夾具體的毛坯製造方法時,應以下面因素作為考慮依據,即工藝性,結構合理性,製造周期,經濟性,標準化可能性以及工廠的具體條件等。生產中常用的夾具體毛坯製造方法有以下四種

1. 鑄造夾具體

鑄造夾具體工藝性好,可以鑄出各種複雜的外形,且抗壓強度、剛度和抗振性都較好。但生產周期長,為消除內應力,鑄件需經時效處理,故成本較高。

鑄造夾具體的材料大多採用灰鑄鐵HT15-33 或 HT20-40;當要求強度高時,也可採用鑄鋼件;要求重量輕時,在條件允許下也可採用鑄鋁件。

2.焊接夾具體

焊接夾具體夾具體與鑄造夾具體相比,其優點是易於製造,生產周期短,成本低,重量輕。缺點是焊接過程中產生的熱變形和殘餘應力對精度影響較大,故焊接后需經退火處理,此外焊接夾具體較難獲得複雜的外形。

3.鍛造夾具體

鍛造夾具體夾具體只適用於形狀簡單,尺寸不大的場合,一般情況下較少使用。

4.裝配夾具體

裝配夾具體是很有發展前途的一種製造方法。即選用標準毛坯件或標準零件組裝成所需夾具體結構,這樣不僅可大為縮短夾具體的製造周期,而且可組織專門工廠進行專業成批生產,有利於提高經濟效益,進一步降低成本。當然要推廣這種方法,必須實現夾具的結構標準化和系列化。

6.9 各類機床夾具設計要點

6.9.1  車床夾具

車床夾具主要要用於加工零件的內外圓柱面、圓錐面、迴轉成型面、螺紋及端平面等。在加工過程中夾具安裝在機床主軸上隨主軸一起帶動工件轉動。除常用的頂針、三爪卡盤、四爪卡盤、花盤等一類萬能通用夾具外,有時還要設計一些專用夾具。

1. 車床夾具的主要類型

(1)心軸類夾具

在前面我們已經介紹了各類心軸,這裡不再綴述。

(2)花盤式車床夾具

圖6-54所示為十字槽輪零件精車圓弧f23+00.023mm的工序簡圖。本工序要求保證四處f23+0.023mm圓弧;對角圓弧位置尺寸18±0.02mm及對稱度公差0.02mm;f23+0.023mm 軸線與 f5.5h6 軸線的平行度允差f0.01mm。

圖6-51  十字槽輪精車工序簡圖

如圖6-51所示,為加工該工序的車床夾具,工件以f5.5h6 外圓柱面與端面B、半精車的f22.5h8 圓弧面(精車第二個圓弧面時則用已經車好的 f23+0.023mm 圓弧面)為定位基面,夾具上定位套 1 的內孔表面與端面、定位銷 2(安裝在套 3 中,限位表面尺寸為f22.5-0.01mm,安裝在套4中,限位表面尺寸為f23-0.008mm,圖中未畫出,精車第二個圓弧面時使用)的外圓表面為相應的限位基面。限制工件6個自由度,符合基準重合原則。同時加工三件,利於對尺寸的測量。                                

 

圖6-52花盤式車床夾具

1、3、4—定位套     2—定位銷

(3) 角鐵式車床夾具

角鐵式車床夾具的結構特點是具有類似角鐵的夾具體。在角鐵式車床夾具上加工的工件形狀較複雜。它常用於殼體、支座、接頭等類零件上圓柱面及端面。當被加工工件的主要定位基準是平面,被加工面的軸線對主要定位基準平面保持一定的位置關係(平行或成一定的角度)時,相應地夾具上的平面定位件設置在與車床主軸軸線相平行或成一定角度的位置上。

圖6-53為一角鐵式車床夾具。工件6以兩孔在圓柱銷2和削邊銷1上定位;端面直接在夾具體4的角鐵平面上定位。兩螺釘壓板分別在兩定位銷孔旁把工件夾緊。導向套7用來引導加工由孔的刀具。8是平衡塊,以削除夾具在迴轉時的不平衡現象。夾具上設置軸向定程基準面3,它與圓柱銷保持確定的由向距離,可以利用宏觀世界控制刀具的軸向行程。

圖6-53  花盤角鐵式車床夾具

1—削邊定位銷    2—圓柱定位銷    3—軸向定位基面    4—夾具體   5-壓板    6—工件     7—導向套      8-平衡塊

2. 車床夾具的設計要點

(1)安裝基面的設計

為了使車床夾具在機床主軸上安裝正確,除了在過渡盤上用止口孔定位以外,常常在車床夾具上設置找正孔、校正基圓或其它測量元件,以保證車床夾具精確地安裝到機床主軸迴轉中心上。

(2)夾具配重的設計要求

加工時,因工件隨夾具一起轉動,其重心如不在迴轉中心上將產生離心力,且離心力隨轉速的增高而急劇增大。使加工過程產生振動,對零件的加工精度、表面質量以及車床主軸軸承都會有較大的影響。所以車床夾具要注意各裝置之間的布局,必要時設計配重塊加以平衡。

(3)夾緊裝置的設計要求

由於車床夾具在加工過程中要受到離心力、重力和切削力的作用,其合力的大小與方向是變化的。所以夾緊裝置要有足夠的夾緊力和良好的自鎖性,以保證夾緊安全可靠。但夾緊力不能過大,且要求受力布局合理,不破壞工件的定位精度。

(4)夾具總體結構的要求

車床夾具一般都是在懸臂狀態下工作的,為保證加工過程的穩定性,夾具結構應力求簡單緊湊、輕便且安全,懸伸長度要盡量小,重心靠近主軸前支承。為保證安全,裝在夾具上的各個元件不允許伸出夾具體直徑之外。此外,還應考慮切屑的纏繞、切削液的飛濺等影響安全操作的問題。

車床夾具的設計要點也適用於外圓磨床使用的夾具。

6.9.2 鑽床夾具

1. 鑽床夾具的類型

鑽床上進行孔加工時所用的夾具稱鑽床夾具,也稱鑽模。鑽模的類型很多,有固定式、迴轉式、移動式、翻轉式、蓋板式和滑柱式等。下面著重以固定式鑽模為例介紹鑽模的結構特點,其它幾類鑽模結構讀者需要時可查找相關書籍。

固定式鑽模,在使用的過程中,鑽模在機床上位置是固定不動的。這類鑽模加工精度較高,主要用於立式鑽床上,加工直徑較大的單孔,或在搖臂鑽床上加工平行孔系。

(a)                                               (b)

圖6-54  固定式鑽模

1-螺釘  2-轉動開口墊圈   3-拉杆   4-定位法蘭   5-快換鑽套   6-鑽模板   7-夾具體   8-手柄    9-圓偏心凸輪    10-彈簧

 

圖6-54 (a)是零件加工孔的工序圖,f68H7 孔與兩端面已經加工完。本工序需加工f12H8孔,要求孔中心至 N 面為 15±0.1mm;與 f68H7 孔軸線的垂直度公差為 0.05mm,對稱度公差為 0.1mm。據此,採用了如圖6-54( b)所示的固定式鑽模來加工工件。加工時選定工件以端面 N 和f68H7 內圓表面為定位基面,分別在定位法蘭4 f68h6 短外圓柱面和端面 N¢ 上定位,限制了工件 5 個自由度。工件安裝后扳動手柄 8 藉助圓偏心凸輪 9 的作用,通過拉杆 3 與轉動開口墊圈 2 夾緊工件。反方向搬動手柄 8,拉杆 3 在彈簧 10 的作用下鬆開工件。

2. 鑽床夾具設計要點

(1)鑽模類型的選擇

在設計鑽模時,需根據工件的尺寸、形狀、質量和加工要求,以及生產批量、工廠的具體條件來考慮夾具的結構類型。設計時注意以下幾點:

① 工件上被鑽孔的直徑大於 10mm時(特別是鋼件),鑽床夾具應固定在工作台上,以保證操作安全。

② 翻轉式鑽模和自由移動式鑽模適用中小型工件的孔加工。夾具和工件的總質量不宜超過10kg,以減輕操作工人的勞動強度。

③ 當加工多個不在同一圓周上的平行孔系時,如夾具和工件的總質量超過 15kg,宜採用固定式鑽模在搖臂鑽床上加工,若生產批量大,可以在立式鑽床或組合機床上採用多軸傳動頭進行加工。

④ 對於孔與端面精度要求不高的小型工件,可採用滑柱式鑽模。以縮短夾具的設計與製造周期。但對於垂直度公差小於 0.1mm、孔距精度小於 ±0.15mm的工件,則不宜採用滑柱式鑽模。

⑤ 鑽模板與夾具體的連接不宜採用焊接的方法。因焊接應力不能徹底消除,影響夾具製造精度的長期保持性。

⑥ 當孔的位置尺寸精度要求較高時(其公差小於±0.05mm),則宜採用固定式鑽模板和固定式鑽套的結構形式。

(2)鑽模板的結構

用於安裝鑽套的鑽模板,按其與夾具體連接的方式可分為固定式、鉸鏈式、分離式等。

① 固定式鑽模板    固定在夾具體上的鑽模板稱為固定式鑽模板。這種鑽模板簡單,鑽孔精度高。

② 鉸鏈式鑽模板    當鑽模板妨礙工件裝卸或鑽孔后需要攻螺紋時,可採用如圖6-51所示的鉸鏈式鑽模板。銷軸2與鑽模板4的銷孔採用H7/h6配合,與鉸鏈座1的銷孔之間採用N7/h6配合,鑽模板4與鉸鏈座1 之間採用H8/g7配合。由於鉸鏈結構存在間隙,所以它的加工精度不如固定式鑽模板高。

③ 分離式鑽模板    工件在夾具中每裝卸一次,鑽模板也要裝卸一次。這種鑽模反加工的工件精度高但裝卸工件效率低。

(3)鑽套的選擇和設計

鑽套裝配在鑽模板或夾具體上,鑽套的作用是確定被加工工件上孔的位置,引導鑽頭、擴孔鑽或鉸刀,並防止其在加工過程中發生偏斜。按鑽套的結構和使用情況,可分為四種類型。

① 固定鑽套

圖6-55(a)與其說-55(b)是固定鑽套的兩種型式。鑽套外圓以 H7/n6 或 H7/r6 配合直接壓入鑽模板或夾具體的孔中,如果在使用過程中不需更換鑽套,則用固定鑽套較為經濟,鑽孔的位置也較高。適用於單一鑽孔工序和小批生產。

圖6-55  標準鑽套

② 可換鑽套

圖6-55(c)為可換鑽套。當生產量較大,需要更換磨損后的鑽套時,使用這種鑽套較為方便。為了避免鑽模板的磨損,在可換鑽套與鑽模板之間按 H7/r6 的配合壓入襯套。可換鑽套的外圓與襯套的內孔一般採用 H7/g6 或 H7/h6 的配合,並用螺釘加以固定,防止在加工過程中因鑽頭與鑽套內孔的摩擦使鑽套發生轉動,或退刀時隨刀具升起。

③ 快換鑽套

當加工孔需要依次進行鑽、擴、鉸時,由於刀具的直徑逐漸增大,需要使用外徑相同,而孔徑不同的鑽套來引導刀具。這時使用如圖6-55(d)、6-55(e)所示的快換鑽套可以減少更換鑽套的時間。它和襯套的配合同於可換鑽套,但其鎖緊螺釘的突肩比鑽套上凹面略高,取出鑽套不需擰下鎖緊螺釘,只需將鑽套轉過一定的角度,使半圓缺口或削邊正對螺釘頭部即可取出。但是削邊或缺口的位置應考慮刀具與孔壁間摩擦力矩的方向,以免退刀時鑽套隨刀具自動拔出。

 

以上三類鑽套已標準化,其規格可參閱有關夾具手冊。

④        特殊鑽套

由於工件形狀或被加工孔位置的特殊性,需要設計特殊結構的鑽套。圖6-56為幾種特殊鑽套的結構。

圖6-56 特殊鑽套

當鑽模板或夾具體不能靠近加工表面時,使用圖 6-56(a)所示的加長鑽套,使其下端與工件加工表面有較短的距離。擴大鑽套孔的上端是為了減少引導部分的長度,減少因摩擦使鑽頭過熱和磨損。圖 6-56(b)用於斜面或圓弧面上鑽孔,防止鑽頭切入時引偏甚至折斷。圖6-56(c)是當孔距很近時使用的,為了便於製造在一個鑽套上加工出幾個近距離的孔。圖6-56(d)是需藉助鑽套作為輔助性夾緊時使用。圖6-56(e)為使用上下鑽套引導刀具的情況。當加工孔較長或與定位基準有較嚴的平行度、垂直度要求時,只在上面設置一個鑽套 2,很難保證孔的位置精度。對於安置在下方的鑽套 4 要注意防止切屑落入刀桿與鑽套之間,為此,刀桿與鑽套選用較緊的配合(H7/h6)。

6.9.3  銑床夾具

1. 銑床夾具的分類

銑床夾具主要用於加工零件上的平面、鍵槽、缺口及成形表面等。由於銑削加工的切削力較大,又是斷續切削,加工中易引起振動,因此要求銑床夾具的受力元件要有足夠的強度。夾緊力應足夠大,且有較好的自鎖性。此外,銑床夾具一般通過對刀裝置確定刀具與工件的相對位置,其夾具體底面大多設有定向鍵,通過定向鍵與銑床工作台 T 形槽的配合來確定夾具在機床上的方位。夾具安裝後用螺栓緊固在銑床的工作台上。

銑床夾具一般按工件的進給方式,分成直線進給與圓周進給兩種類型。

(1)直線進給的銑床夾具

在銑床夾具中,這類夾具用得最多,一般根據工件質量和結構及生產批量,將夾具設計成裝夾單件、多件串聯或多件並聯的結構。銑床夾具也可採用分度等形式。

圖6-57是銑削軸端方頭的夾具,採用平行對向式多們聯動夾皮機械,旋轉夾緊螺母6,通過球面墊圈及壓板7將工件壓在V形塊上。四把三面刃銑刀同時銑完兩個側面后,取下楔塊5,將迴轉座4轉過90°,再用楔塊5將迴轉座定位並楔緊,即可銑削工件的另兩個側面。

圖6-57  軸端銑方頭夾具

(2)圓周進給的銑床夾具

圓周進給銑削方式在不停車的情況下裝卸工件,因此生產率高,適用於大批量生產。

圖6-58所示是在立式銑床上圓周進給銑拔叉的夾具。通過電動機、蝸輪副傳動機構帶動迴轉工作台 6 迴轉。夾具上可同時裝夾 12 個工件。工件以一端的孔、端面及側面在夾具的定位板、定位銷 2 及擋銷 4 上定位。由液壓缸 5 驅動拉杆 1,通過開口墊圈 3 夾緊工件。圖中 AB 是加工區段,CD 為工件的裝卸區段。

圖6-58  圓周進給銑床夾具

1-拉杆 2-定位銷 3-開口墊圈 4-擋銷 5-液壓缸 6-工作台

2. 銑床夾具的設計要點

定向鍵和對刀裝置是銑床夾具的特殊元件。

(1)定向鍵    定向鍵安裝在夾具底面的縱向槽中,一般使用兩個,其距離儘可能布置得遠些,小型夾具也可使用一個斷面為矩形的長鍵。通過定向鍵與銑床工作台 T 形槽的配合,使夾具上元件的工作表面對於工作台的送進方向具有正確的相互位置。定向鍵可承受銑削時所產生的扭轉力矩,可減輕夾緊夾具的螺栓的負荷,加強夾具在加工過程中的

穩固性。因此,在銑削平面時,夾具上也裝有定向鍵。定向鍵的斷面有矩形和圓柱形兩種,常用的為矩形。如圖6-59所示。

圖6-59 定向鍵

定向精度要求高的夾具和重型夾具,不宜採用定向鍵,而是在夾具體上加工出一窄長平面作為找正基面,來校正夾具的安裝位置。

(2)對刀裝置
對刀裝置由對刀塊和塞尺組成,用以確定夾具和刀具的相對位置。對刀裝置的形式根據加工表面的情況而定,圖6-60為幾種常見的對刀塊:6-60(a)為圓形對刀塊,用於加工平面;6-60(b)為方形對刀塊,用於調整組合銑刀的位置;6-60(c)為直角對刀塊,用於加工兩相互垂直面或銑槽時的對刀;6-60(d)為側裝對刀塊,亦用於加工兩相互垂直面或銑槽時的對刀。這些標準對刀塊的結構參數均可從有關手冊中查取。對刀調整工作通過塞尺(平面型或圓柱型)進行,這樣可以避免損壞刀具和對刀塊的工作表面。塞尺的厚度或直徑一般為 3~5mm,按國家標準 h6 的公差製造,在夾具總圖上應註明塞尺的尺寸。

 

圖6-60 標準對刀塊及對刀裝置

(a)圓形對刀塊(GB/T2240-91) (b)方形對刀塊(GB/T2241-91) (c)直角對刀塊(GB/T2242-91) (d)側裝對刀塊(GB/T2243-91) (e)對刀塊

1-對刀塊 2-對刀平塞尺 3-對刀圓柱塞尺

採用標準對刀塊和塞尺進行對刀調整時,加工精度不超過 IT8 級公差。當對刀調整要求較高或不便於設置對刀塊時,可以採用試切法;標準件對刀法;或用百分表來校正定位元件相對於刀具的位置,而不設置對刀裝置。

(3)夾具體    為提高銑床夾具在機床上安裝的穩固性,除要求夾具體有足夠的強度和剛度外,還應使被加工表面盡量靠近工作檯面,以降低夾具的重心。因此,夾具體的高寬比限制在 H/B≤1~1.25 範圍內,如圖6-61所示。銑床夾具與工作台的連接部分應設計耳座,因連接要牢固穩定,故夾具上耳座兩邊的表面要加工平整。

圖6-61  銑床夾具的本體

銑削加工時,產生大量切屑,夾具應有足夠的排屑空間,並注意切屑的流向,使清理切屑方便。對於重型的銑床夾具在夾具體上要設置吊環,以便於搬運。

6.9.4 鏜模

鏜模是一種精密夾具。它主要用來加工箱體類零件上的精密孔系。

鏜模和鑽模一樣,是依靠專門的導引元件——鏜套來導引鏜桿,從而保證所鏜的孔具有很高的位置精度。由此可知,採用鏜模后,鏜孔的精度便可不受機床精度的影響。鏜模廣泛應用於高效率的專用組合鏜床(又稱:聯動鏜床)和一般普通鏜床。即使缺乏上述專門的鏜孔設備的中小工廠,也可以利用鏜模來加工精密孔系。

1.鏜模的組成

圖6-62中是加工磨床尾架孔用的鏜模。工件以夾具體底座上的定位斜塊9和支承板10作主要定位。轉動壓緊螺桿6,便可將工件推向支承釘3,並保證兩者接觸,以實現工件的軸向定位。工件的夾緊,則是靠鉸鏈壓板5。壓板通過活節螺栓和螺母7來操縱。鏜桿是由裝在鏜模支架2上的鏜套1來導向。鏜模支架則用銷釘和螺釘準確地固定在夾具體底座上。

圖6-62  加工磨床尾架孔的鏜模

由圖中可知,一般鏜模是由下述四部分組成:

(1)定位元件

(2)夾緊裝置

(3)導引元件(鏜套)

(4)夾具體(鏜模支架和鏜模底座)

2.鏜套

鏜套結構對於被鏜孔的幾何形狀、尺寸精度以及表面粗糙度有很大關係。因為鏜套的結構決定了鏜套位置的準確度和穩定性。

鏜套的結構型式一般分為以下兩類固定式鏜套和迴轉式鏜套:

(1)固定式鏜套

固定式鏜套的結構,和前面介紹的一般鑽套的結構基本相似。它是固定在鏜模支架上而不能隨鏜桿一起轉動,因此鏜桿與鏜套之間有相對運動,存在摩擦。

固定式鏜套具有外形尺寸小,結構緊湊;製造簡單;容易保證鏜套中心位置的準確等優點。但是固定式鏜套只適用於低速加工,否則鏜桿與鏜套間容易因相對運動發熱過高而咬死,或者造成鏜桿迅速磨損。

固定式鏜套結構已標準化,設計時可參閱國標相關手冊。

(2)迴轉式鏜套

迴轉式鏜套在鏜孔過程中是隨鏜桿一起轉動的,所以鏜桿與鏜套之間無相對轉動,只有相對移動。當在高速鏜孔時,這樣便能避免鏜桿與鏜套發熱咬死,而且也改善了鏜桿磨損情況。特別是在立式鏜模中,若採用上下鏜套雙面導向,為了避免因切屑落入下鏜套內而使鏜桿卡住,故而下鏜套應該採用迴轉式鏜套。

由於迴轉式鏜套要隨鏜桿一起迴轉,所以鏜套要有軸承支承,按軸承不同分為滑動鏜套和滾動鏜套。

       

(a)                 (b)

圖6-63  常用外滾式鏜套

圖6-63(a)為滑動鏜套,由滑動軸承來支承。

滑動鏜套的具有以下特點:

①與滾動鏜套相比,徑向尺寸小,因而適用於孔中心距較小而孔徑卻很大的孔系加工。

 

②減振性較好,有利於降低被鏜孔的粗糙度值。

③承載能力比滾動鏜套大。

④若潤滑不夠充分,或鏜桿的徑向切削負荷不均衡,則易使鏜套和軸承咬死。

⑤工作速度不能過高。

圖6-63(b)為外滾式鏜套。由滾動軸承來支承。滾動鏜套的具有如下特點:

①採用滾動軸承(標準件),使設計、製造、維修都簡化方便。

②採用滾動軸承結構,潤滑要求比滑動鏜套低。可在潤滑不充分時,取代滑動鏜套。

③採用向心推力球軸承的結構,可按需要調整徑向和軸向間隙,還可用使軸承預載入荷的方法來提高軸承剛度。因而可以在鏜桿徑向切削負荷不平衡情況下使用。

結構尺寸較大,不適用於孔心距很小的鏜模。

⑤鏜桿轉速可以很高,但其迴轉精度,受滾動軸承本身精度的限制,一般比滑動模套要略低一些。

圖6-64為“內滾式”滾動鏜套。

圖6-64   “內滾式”滾動鏜套

這種鏜套的迴轉部分是安裝在鏜桿上的。圖中1就是“內滾式”鏜套。鏜桿3在軸承內環孔中一起相對外環迴轉;固定支承套2起導引作用,但它和“內滾式”鏜套只有相對移動而沒有迴轉運動。

“內滾式”鏜套,因鏜桿上裝了軸承,其結構尺寸很大,這是不利的。但這種結構可使刀具順利通過“內滾式”鏜套的固定支承套,無需有引刀槽,或其他引刀結構。所以在前後雙導引的鏜套結構中,常在前鏜套採用“外滾式”鏜套,后鏜套採用“內滾式”鏜套。

標準鏜套的材料與主要技術條件可參閱有關設計資料。

3.鏜桿

(1)鏜桿結構

圖6-65   鏜桿導向部分結構

鏜桿的導引部分結構,見圖6-65所示。圖6-65(a)是開有油槽的圓柱導引,這種結構最簡單但與鏜套接觸面大,潤滑不好,加工時又很難避免切屑進入導引部分。常常容易產生“咬死”現象。

圖6-65(b)和圖6-65(c)是開有直槽和螺旋槽的導引。它與鏜套的接觸面積小,溝槽又可以容屑,情況比圖6-65(a)要好。但一般切削速度仍不宜超過20米/分。

圖6-65(d)是鑲滑塊的導引結構。由於它與導套接觸面小,而且用銅塊時的摩擦較小,其使用可較高一些,但滑塊磨損較快。採用鋼滑塊可比銅滑塊磨損小,但與鏜套摩擦又增加了。滑塊磨損后,可在滑塊下加墊,再將外圓修磨。

當採用帶尖頭鍵的“外滾式”鏜套時,鏜桿導引端部應做成圖6-66所示的帶螺旋導引結構,其螺旋角應小於45。端部有了螺旋導引后,當不轉的鏜桿伸入帶尖有關當局鍵盤的滾動鏜套時,即使鏜桿鍵槽沒有對準鏜套上的鍵,則可利用螺旋面鏜動尖頭鍵使鏜套迴轉而進入鍵槽。

圖6-66  鏜桿端部螺旋導引結構

若迴轉鏜套上開鍵槽,則鏜桿應帶鍵,一般鍵盤都是彈性的,能受壓縮后伸入鏜套,在迴轉中自動對鍵槽。同時,當鏜套發生卡死時,還可打滑起保護作用。

鏜桿上的裝刀孔應錯開布置,以免過分削弱鏜桿的強度與剛度。並儘可能考慮到各切削刃切削負荷的相互平衡以減少鏜桿變形,改善鏜桿與鏜套的磨損情況。

鏜桿要求表面硬度高而內部有較好的韌性。因此採用20鋼、20Cr鋼等滲碳鋼,滲碳淬火硬度HRC61~63。要求較高時,呆用氮化鋼38CrMoAIA,但熱處理工藝複雜。大直徑的鏜桿,也可用45鋼、40Cr鋼或65Mn鋼。

4.浮動接頭

在雙鏜套導向時,鏜桿與機床主軸都是浮動連接,採用浮動接頭。圖6-67是一種普通的浮動接頭結構。浮動接頭能補償鏜桿軸線和機床主軸的同軸度誤差。

圖6-67  浮動接頭結構

5.鏜模支架

鏜模支架是組成鏜模的重要零件之一。它是供安裝鏜套和承受切削力用的。因此,它必須具有足夠的剛度和穩定性。為了滿足上述功用與要求,防止鏜模支架受力振動和變形,在結構上應考慮有較大的安裝基面和設置必要的加強筋。

 

鏜模支架上不允許安裝夾緊機構或承受夾緊反力。前面圖6- 62 所示的鏜模結構,就是遵守這一準則的例子。圖中為了不使構模支架因受夾緊反力作用而發生變形,所以特別在支架上開孔使螺釘6穿過。如果在支架上加工出螺孔,而使螺釘6直接擰在此螺孔中去頂緊工件,則這時支架必然受到螺釘所產生的夾緊反力的作用而引起支架變形,從而影響支架上鏜套的位置精度,進而影響鏜孔精度。

鏜模支架與鏜模底座的連接,一般仍沿用銷釘定位、螺釘緊固的型式。

鏜模支架的材料,一般採用灰鑄鐵。

6.鏜模底座

鏜模底座要承受包括工件、鏜桿、鏜套、鏜模支架、定位元件和夾緊裝置等在內的全部重量以及加工過程中的切削力,因此底座的剛性要好,變形要小。通常,鏜模底座的壁厚較厚,而且底座內腔設有十字形加強筋。

設計時,還須注意下面幾點:

(1)在鏜模上應設置供安裝找正用的找正基面。供在機床上正確安裝鏜模底座時找正用。找正基面與鏜套中心線的平行度應在300:0.01mm內。

(2)鏜模重量一般都很重,為便於吊裝,應在底座上設置供起吊用的吊環螺釘或起重螺栓。

(3)鏜模底座的上平面,應按所要安裝的各元件位置,做出相配合的凸台表面,其凸出高度約為3~5mm,以減少刮研的工作量。

(4)鏜模底座材料一般用灰鑄鐵,牌號為HT20-40。在毛坯鑄造后和粗加工后,都需要進行時效處理。

6.10  專用夾具的設計方法

6.10.1  夾具設計的要求

夾具設計時,應滿足以下主要要求:

(1)所設計的專用夾具,應當既能保證工序的加工精度又能保證工序的生產節拍。特別對於大批量生產中使用的夾具,應設法縮短加工的基本時間和輔助時間。

(2)夾具的操作要方便、省力和安全。若有條件,儘可能採用氣動、液壓以及其它機械化自動化的夾緊機構,以減輕勞動強度。同時,為保證操作安全,必要時可設計和配備安全防護裝置。

(3)能保證夾具一定的使用壽命和較低的製造成本。夾具的複雜程度應與工件的生產批量相適應,在大批量生產中應採用氣動、液壓等高效夾緊機構;而小批量生產中,則宜採用較簡單的夾具結構。

(4)要適當提高夾具元件的通用化和標準化程度。選用標準化元件,特別應選用商品化的標準元件,以縮短夾具的製造周期,降低夾具成本。

(5)應具有良好的結構工藝性,以便於夾具的製造和維修。

以上要求有時是相互矛盾的,故應在全面考慮的基礎上,處理好主要矛盾,使之達到較好的效果。

6.10.2 夾具的設計方法和步驟

1. 設計準備

根據設計任務書,明確本工序的加工技術要求和任務,熟悉加工工藝規程、零件圖、毛坯圖和有關的裝配圖,了解零件的作用、形狀、結構特點和材料,以及定位基準、加工余量、切削用量和生產綱領等。

收集所用機床、刀具、量具、輔助工具和生產車間等資料和情況。

收集夾具的國家標準、部頒標準、企業標準等有關資料及典型夾具資料。

2. 夾具結構方案設計

這是夾具設計的重要階段。首先確定夾具的類型、工件的定位方案,選擇合適的定位元件;再確定工件的夾緊方式,選擇合適的夾緊機構、對刀元件、導向元件等其它元件;最後確定夾具總體布局、夾具體的結構形式和夾具與機床的聯接方式,繪製出總體草圖。對夾具的總體結構,最好設計幾個方案,以便進行分析、比較和優選。

3. 繪製夾具總圖

總圖的繪製,是在夾具結構方案草圖經過討論審定之後進行的。總圖的比例一般取 1:1,但若工件過大或過小,可按製圖比例縮小或放大。夾具總圖應有良好的直觀性,因此,總圖上的主視圖,應盡量選取正對操作者的工作位置。在完整地表示出夾具工作原理的基礎上,總圖上的視圖數量要盡量少。

總圖的繪製順序如下:先用黑色雙點劃線畫出工件的外形輪廓、定位基準面、夾緊表面和被加工表面,被加工表面的加工余量可用網紋線表示。必須指出:總圖上的工件,是一個假想的透明體,因此,它不影響夾具各元件的繪製。此後,圍繞工件的幾個視圖依次繪出:定位元件、對刀(或導向)元件、夾緊機構、力源裝置等的夾具體結構;最後繪製夾具體;標註有關尺寸、形位公差和其它技術要求;零件編號;編寫主標題欄和零件明細表。

 

夾具的設計方法可用框圖6-68表示

圖6-68  夾具的設計方法

 6.10.3  夾具總圖的主要尺寸和技術條件

1.夾具總圖上應標註的主要尺寸

(1)外形輪廓尺寸 是指夾具的最大輪廓尺寸,以表示夾具在機床上所佔據的空間尺寸和能活動的範圍。

(2)工件與定位元件之間的聯繫尺寸  如工件定位基面與定位件工作面的配合尺寸、夾具定位面的平直度、定位元件的等高性、圓柱定位銷工作部分的配合尺寸公差等,以便控制工件的定位精度。

(3) 對刀或導向元件與定位元件之間的聯繫尺寸 這類尺寸主要是指對刀塊的對刀面至定位元件之間的尺寸、塞尺的尺寸、鑽套導向孔尺寸和鑽套孔距尺寸等。

(4) 與夾具安裝有關的尺寸 這類尺寸用以確定夾具體的安裝基面相對於定們元件的正確位置。如銑床夾具定向鍵與機床工作台上T型槽的配合尺寸;車、磨夾具與機床主軸端的連接尺寸;以及安裝表面至定位表面之間的距離尺寸和公差。

(5) 其它配合尺寸 主要是指夾具內部各組成元件之間的配合性質和位置關係。如定位元件和夾具體之間、鑽套外徑與襯套之間、分度轉盤與軸承之間等的尺寸和公差配合。

2.夾具總圖上應標註的位置精度 通常應標註以下三種位置精度:

(1) 定位元件之間的位置精度

(2)連接元件(含夾具體基面)與定位元件之間的位置精度

(3) 對刀或導向元件的位置精度 通常這類精度是以定位元件為基準,為了使夾具的工藝基準統一,也可取夾具體的基面為基準。 夾具上與工序尺寸有關的位置公差,一般可按工件相應尺寸公差的(1/2~1/5)估算。其角度尺寸的公差及工作表面的相互位置公差,可按工件相應值的(1/2~1/3)確定。

3.夾具的其它技術條件

夾具在製造上和使用上的其它要求,如:夾具的平衡和密封、裝配性能和要求、磨損範圍和極限、列印標記和編號及使用中應注意的事項等,要用文字標註在夾具總圖上。

習    題:

一.簡答題:

6-1.工件在夾具中定位、夾緊的任務是什麼?

6-2.一批工件在夾具中定位的目的是什麼?它與一個工件在加工時的定位有何不同?

6-3.何謂重得定位與欠定位?重複定位在哪些情況下不允許出現?欠定位產生的後果是什麼?

6-4.輔助支承起什麼作用?使用應注意什麼問題?

6-5.選擇定位基準時,應遵循哪些原則?

6-6.夾緊裝置設計的基本要求是什麼?確定夾緊力的方向和作用點的原則有哪些?

6-7.何謂聯動夾緊機構?設計聯運夾緊機構時應注意哪些問題?

6-8.夾具體的結構型式有幾種?

二.定位分析題:

1.根據工件的加工要求,確定工件在夾具中定位時應限制的自由度。

6-9.如題6-69圖所示,鏜фD孔。其餘表面已加工。

6-10   如題6-70圖所示,加工尺寸為41±0.1mm、角度450±10?的斜面,其餘尺寸均已加工。

圖6-69
                             
                 圖6-70

6-11.如題6-71圖所示,同時鑽2-фd孔,A面、фD均已加工。

6-12.如題6-72圖所示,鑽фd孔,A面、фD均已加工。

圖6-71




                                  圖6-72  

6-13.如題6-73圖所示,在一個夾具上鑽、鉸ф8H7及ф6H7孔,其餘表面均已加工。

6-14.如題6-74圖所示,加工ф8+00.05 mm孔,其餘表面均已加工。

 

圖6-73

圖6-74

2.試確定各定位元件限制了工件哪幾個自由度?分別屬於哪種定位方式?

6-15.如題6-75圖所示,鑽孔фC。

圖6-75

6-16.如圖6-76所示,鏜前面大孔。

圖6-76

6-17.如題6-77 ——圖6-78圖所示。

圖6-77







圖6-78

三.夾緊分析題:

6-18.試分析圖示各夾緊機構中夾緊力的方向和作用點是否合理?若不合理應如何改進?

圖6-79

6-19.試分析圖示的各夾緊機構是否合理?怎樣改進?

圖6-80  

 

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