浅谈机床夹具在设计过程中的几点问题

摘要：制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国家或地区的经济实力、科技水平、生活水准和国防实力。其中机械制造业是整个制造业的核心，其生产能力和水平标志着一个国家或地区国民经济现代化的程度，而这种能力又取决于机械制造装备的先进程度。在机械制造过程中机器零部件的精度控制与机床夹具的优劣程度有重要的关系。

关键词：定位机构夹紧机构“四化”

机器零件在工艺规程制定后，就要按照工艺规程的顺序加工。加工中工件相对于机床或是刀具要获得正确的位置，机床夹具的好坏将直接影响工件加工表面的位置精度，所以机床夹具设计是加工过程的活跃因素，也是其中一项重要的工作。

1 机床夹具的功能

1.1 保证加工精度 工件加工过程通过机床夹具进行定位、加紧，以保证加工表面稳定的位置精度。

1.2 缩短辅助时间，提高生产率 夹具的使用，可以减少划线、找正、对刀等辅助时间，多件，多工位的夹具及气动、液动的夹紧装置能进一步减少辅助时间，提高生产率。

1.3 扩大了机床的使用范围 有的机床夹具实质上对机床进行了局部改造，扩大了原来机床的功能和使用范围。

1.4 降低了对工人技术水平的要求和减轻工人的劳动强度，保证生产安全。

2 机床夹具的类型

2.1 通用夹具 通用性强的夹具，一般不需要调整就可以适应多种工件的安装，在单价小批量生产中应用较广。如三爪卡盘、平口钳、万能分度头。

2.2 专用夹具 用于特定工件特定工序的夹具。广泛应用于成批或是大批生产的工件中。如为铣削键槽专门设计的铣槽夹具。

2.3 组合夹具 它具有良好的互换性和耐磨性的一系列标准件组装成的夹具。使用时根据工件结构和工序选择适当的标准件组装即可。但是刚性差，结构相对庞大，适用于单件或是小批生产中。

2.4 成组夹具 按照工件形状、尺寸、材料和工艺的相似性分组，为每组工件的某道工序设计组内通用的专用夹具。通过对夹具中部分元件进行更换和调整，便可加工组内任何工件。柔性较强，适用于产品品种多，批量小时的工件。

2.5 随行夹具 这类夹具一般在自动生产线上使用，除了装夹工件外，还沿生产线输送工件从一个工位到下一工位，所以称之为随行夹具。

3 机床的组成

机床夹具一般由定位、加紧和夹具体，不可缺少的三部分和导向对刀、动力、定位元件及其他辅助元件装置构成。如下图：

4 机床夹具设计

4.1 定位机构的设计

4.1.1 六点定位原理

采用六个按照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。常见的情况有四种：

①平面。采用1~3根支撑钉；采用1~2块条形支撑板；采用一块矩形支撑板。

②圆孔。采用短圆柱销、长圆柱销、两段短圆柱销；菱形销、长销小平面组合、短销大平面组合；固定锥销、浮动锥销、固定锥销和浮动锥销组合；长圆柱心轴、短圆柱心轴、小锥度心轴。

③外圆柱面。采用一块短V形销、两块短V形销、一块长V形销；一个短定位套、两个短定位套、一个长定位套。

④圆锥孔。采用固定顶尖、浮动顶尖、锥度心轴。

4.1.2 限制工件自由度与加工要求的关系

根据工件加工表面的位置要求，将六个自由度全部限制时称之为完全定位。当限制的自由度少于六个时，称之为不完全定位。当需要的自由度均被限制，称为定位的正常情况，可以是完全定位，也可以是不完全定位。当需要的自由度没有完全限制，或是某个自由度被两个或是两个以上约束重复限制，称为非正常情况，前者为欠定位，后者为过定位。

有两种情况允许过定位：

①工件刚度差，在夹紧力、切削力作用下会产生很大变形，此事只是提高工件某些部位的刚度，减小变形。

②工件的定位表面和定位元件在尺寸、形状、位置精度已很高时，过定位不仅对定位精度影响不大，还有利于提高刚度。

在实际加工中为解决限制工件自由度和加工要求的关系问题是还须注意以下几点：

①不允许出现欠定位。即根据加工要求应予限制的自由度，但是并未限制，在实际中支撑点数目少于理论上的，于是工件的正确位置将无法保证。

②一般情况下，限制自由度数目越多，夹具的结构越是复杂，故为了简化夹具结构，在保证工艺的前提下，限制的自由度数目应尽量减少；但是在任何情况下所限制的自由度数目不得少于三个，否则工件定位不稳定，而支撑点的布置取决于工件的形状。

②为了便于夹紧或是合理的安排工件，实际采用的支撑点的数目允许多于理论分析的支撑点数目，但是一般不重复限制自由度。

4.1.3 定位误差的产生及原因

定位误差是指工序基准在加工方向上的最大位置变动量所引起的加工误差。通常在加工后，由于尺寸、形状、位置三方面偏离理想工件造成。大概有以下三方面因素造成：

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，相对于机床主轴或是刀具或是运动导轨的位置误差。

③工件加工过程中由于机床的几何精度、受热变形、切削振动、工艺系统的受力等引起的误差。

误差产生的原因有如下几种：

①基准不重合带来的定位误差。有平面定位误差、工件以圆孔在心轴上定位的误差、工件以外圆柱面在V形块上定位的误差、工件以一面双孔定位的误差四种。

②间隙引起的误差。在使用心轴、销、定位套定位时，定位面与定位元件间的间隙使工件定心不准产生的误差。

③与夹具有关的因素引起的误差。这类因素属于夹具在设计制造过程中的误差。如：定位基准面与定位元件表面的形状误差；导向元件和对刀元件与定位元件的位置误差，及形状导致的导向和对刀误差；夹具的安装误差引起的位置误差；夹紧力下的变形（工件或是夹具）引起的位置误差；定位元件间的位置误差，及夹具各构成元件的磨损带来的误差。

4.1.4 定位装置的设计步骤

①了解本工序的加工要求。

②确定支撑点并选择定位基准。

③选择定位元件的结构及布置方式。

④分析定位精度。

4.2 夹紧机构的设计

一个夹具在性能上的优劣，除了从定位性能上加以评定外，还需考核夹紧机构的可靠性、操作方便性。其机构的复杂程度基本决定了夹具的复杂程度。因此夹紧机构在夹具设计中占有重要地位。

4.2.1 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，不能破坏定位。

②夹具和工件的变形必须在允许的范围内。

③夹紧机构必须安全可靠，要有足够的刚度和强度，手动式必须保证自锁，机动式应有联锁保护装置，夹紧行程必须足够。

④夹紧机构必须在操作上安全、省力、迅速、方便、符合工人操作习惯。

⑤机构复杂程度，自动化程度必须与工厂条件和生产纲领适应。

4.2.2 夹紧力的确定

夹紧力包括方向、作用点、大小三要素，是设计中首先要解决的问题。

①方向的确定：应用有利于工件的准确定位，不能破坏定位，一般要求主夹紧力应垂直于第一定位基准面；应与工件刚度高的方向一致，以利于减少工件变形；应尽可能与切削力、重力方向一致，以有利于减小夹紧力。

②作用点的选择：应与支承点进行点对点的对应，或在支承点的确定区域内，以避免破坏定位或造成较大的夹紧变形；作用点应作用在工件刚度高的部位；应与支承点尽量靠近切削部位，以提高工件切削部位的刚度和抗振性；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夹紧力的确定：在需要准确的场合，一般经过实验确定；计算时将夹具和工件看作一个刚性的系统，以切削力的作用点、方向、大小处于最不利于加紧时的状况为工件受力状况，根据切削力、夹紧力（运动中的工件考虑惯性力，大件考虑重力），以及夹紧机构的具体尺寸列出静力平衡方程，求出理论夹紧力，再乘以安全系数，作为实际所需夹紧力；一般情况下由于切削力可以近似估算，再根据工件和支承件之间的摩擦因数可以进行粗略的估算。

4.2.3 常见的夹紧机构

①斜楔夹紧机构。使用楔块楔入夹具与工件之间，由于斜面移动产生压力，把工件夹紧。

②螺旋夹紧机构。相当于一个斜楔绕在圆柱上，其夹紧过程是通过转动螺旋使斜楔在高度上发生变化，实现对工件的夹紧。具有结构简单、增力大、自锁性好的优点，广泛应用于机床夹具。

③偏心夹紧机构。相当于是斜楔包在圆盘上，由于结构比斜楔紧凑，夹紧迅速，但是夹紧行程小，增力倍数不大，通常不单独使用，与压板组成的机构应用较广泛。

4.3 动力装置

4.3.1 气动夹紧装置 采用压缩空气作为装置的动力源。压缩气体具有粘度小，不污染，分配输送方便的有点。但是夹紧力比液压的小，结构尺寸大，有排气噪声。

4.3.2 液动夹紧装置 结构原理和气动的相似，具有工作压力大，装置紧凑；油的不可压缩性，以致装置刚度大，工作平稳可靠；噪声小等优点。由于需供油装置，成本较高，应用于切削力大的场合。

4.3.3 气液动夹紧装置 利用压缩空气为动力，油液为传动介质，兼顾气动和液动两种装置的优点。通常将压缩空气的动力转换为较高的液体压力以供应夹具的夹紧油缸。

4.3.4 真空夹紧 是利用工件上基准面与夹具上定位面间的封闭空腔处于真空时的吸力来夹紧工件。实质上是利用大气压力来夹紧工件，适合于夹紧薄壁易变形的零件。

4.3.5 电磁夹紧 如平面磨床上的电磁吸盘，当线圈通直流电，铁芯将产生磁场，在磁力作用下将导磁工件夹紧。由于电磁力不大，因此只适宜于切削力小的加工中。

4.3.6 自夹装置 直接利用机床的运动或是切削力来进行夹紧，包括重力、惯性力、弹性力等，而不需要另设动力源。

4.4 其它装置

4.4.1 孔加工的导向装置 为了保证孔加工过程的位置精度，增加钻头和镗杆的支承以提高其刚度，减少刀具的变形，确保孔加工的位置精度。常见有钻模、钻模版、钻套（固定钻套、可换钻套、快换钻套、特殊钻套）和镗套（固定镗套、回转式镗套）。

4.4.2 对刀装置 在铣床和刨床中，刀具相对工件的位置需要调整，常设对刀装置。应用对刀块，在刀具刀刃和对刀块之间放置塞尺，当刀刃接近塞尺时，抽动塞尺，有摩擦力存在，抽走塞尺，开动机器进行加工。

4.4.3 分度装置 加工有角度分布的表面时应用。为了简化可以把夹具安装在通用的回转工作台上实现分度，但是精度较低。

4.4.4 对定装置 在进行机床夹具总体设计时，考虑机床上的定位、固定才能保证夹具相对于机床主轴、运动导轨有准确的位置和方向。铣床、刨床和镗床夹具一般装在机床工作台上，车床上一般装在机床主轴上。

4.5 加工中心的夹具设计注意的问题

4.5.1 防止夹具与机床的空间干涉。

4.5.2 为简化定位和装夹，夹具的每个定位面相对于机床的坐标原点应有精确的坐标尺寸。

4.5.3 夹具应尽可能少的元件数和具有较高的刚度。

4.5.4 为了在一次装夹中能加工与底面相交的表面，夹具应设有工件托起一定高度的等高垫板。

5 现代机床夹具的发展方向

为适应现代机械发展的高、精、尖的发展方向，现代夹具的发展主要体现为“四化”。

5.1 标准化 对现有夹具的零部件，各类型的夹具结构及专用夹具的零部件实行统一的标准化、系列化、通用化，是原来单件生产的夹具，转变为专业化的生产，以降低成本，保证质量，缩短产品的生产周期。

5.2 柔性化 加强专用夹具与同一类零件加工的夹具之间的可调性；加强专用夹具的重复利用，实行组合化后，减少因工艺的不同造成的夹具的报废情况。

5.3 精密化 机械产品的不断精密使得高精度机床的大量涌现，势必要求机床夹具跟随时代发展步伐实现精密化。

5.4 高效自动化 未获得良好的效益，机械加工在不断的提高生产率、降低成本、改善劳动强度，同样要求着机床夹具的发展要满足自动流水线的生产要求，中小批量的产品生产同样需要考虑适合自身程度的高效自动化。

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