05机械制造与夹具教案.docx
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1、第 5 章 机械制造工装设计教学目标与要求 了解并熟悉夹具定位元件的类型与功用 了解夹紧机构的类型及夹紧原理 掌握定位误差的分析与计算方法 了解典型夹具的定位与夹紧过程 了解组合夹具的使用与组合方法教学重点 夹具定位元件的类型与功用 夹紧机构的类型及夹紧原理 定位误差的分析与计算方法 典型夹具5.1 夹 具 概 述机床夹具是一种工艺装备,其主要功能是完成工件的定位与夹紧。 1机床夹具的组成(1)定位装置。定位装置的作用是使工件在夹具中占据正确的位置。(2)夹紧装置。夹紧装置的作用是将工件压紧夹牢,保证工件在加工过程中受到外力作 用时不离开已经占据的正确位置。(3)夹具体。夹具上的所有组成部分,
2、需要通过一个基础件使其连接成为一个整体,这 个基础件便称为夹具体。2机床夹具的分类机床夹具有多种分类方法,一般按适用工件的范围和特点可分为通用夹具、专用夹具、 第5章机械制造工装设计组合夹具和可调夹具,或者按适用于不同的机床又可分为车床夹具、铳床夹具、钻床夹具、 镗床夹具等。5.2夹具设计5.2.1定位元件的选择与设计1 .以平面定位时定位元件的选择(1) 主要支承。主要支承是用来限制工件的自由度,起定位作用。它可分为固定支承、 可调支承和自位支承。 固定支承:固定支承有支承钉和支承板,在使用过程中它们是固定不动的,如图5-1、图5-2所示。D配研/Jl1uJ1/L64A塑B 型图5-1支承钉
3、A型图5-2支承板 可调支承:可调支承是指在定位过程中其高度可以调整的支承钉,如图5-3 (a)、( b)所示。图5-3调节螺钉图5-4( a)所示工件为砂型铸造件,在机械加工中一般先铳B面,然后再以B面定位镗双孔。但为了保证镗孔有足够而均匀的余量,最好以毛坯孔为粗基准定位,但这样装夹不便。通常将A面置于可调支承上,通过调整可调支承的高度来保证B面与两毛坯孔中心尺寸H2, 自位支承(又称浮动支承):在工件定位过程中,能自动调节位置的支承便为自位支 承,如图5-5所示。图5-5自位支承(2)辅助支承。辅助支承不起定位作用,只是用来提高工件的装夹刚度和稳定性,故一 般在工件定位后才与工件接触。辅助
4、支承有如下几种形式。 螺旋式辅助支承:如图5-6(a)所示,螺旋式辅助支承与可调支承的结构相近,但操作过程不同。前者是在工件定位后才与工件接触,故不起定位作用;而后者调整后与固定 支承一样起定位作用。螺雄式(b)自应式tc)推引式图5-6辅助支承1弹簧;2滑柱;3顶柱;4手轮;5斜楔;6滑销99 - 自位式辅助支承:如图 5-6( b)所示,弹簧1只起推动滑柱2上升的作用,但不得顶起工件。滑柱 2与工件接触后用顶柱 3锁紧。 推引式辅助支承:如图 5-6(c)所示,在工件定位后推动手轮4时滑销6与工件接触,然后转动手轮 4使斜楔5的开槽部分胀开而锁紧。推引式辅助支承主要用于大型工件的 定位。2
5、 以圆柱表面定位时定位元件的选择(1) 工件以圆孔定位。工件以圆孔定位时,常用的定位元件有圆柱定位销、圆柱心轴、 圆锥销和小锥度心轴。 圆柱定位销:具体结构如图5-7 (a)、( b )、(c)、(d)所示。当定位销直径 D为310mm时,通常把根部倒成圆角R,以增强刚性,避免使用中折断或热处理时淬断;当成批大量生产时,为了定位销的更换,可采用带衬套的结构形式,如图5-7 (d)所示。此外,为便于工件装夹,定位销的头部一般制成15倒角。定位销的参数可查阅有关国家标准。Id)图5-7定位销的结构 圆柱心轴:圆柱心轴可分为间隙配合心轴、过盈配合心轴和花键配合心轴,其具体结构如图5-8 (a)、(b
6、)、(c)所示。 圆锥销:图5-9所示为工件以圆锥销定位的示意图,其中,图5-9 ( a)用于粗基面,图5-9 (b)用于精基面。值得注意是,工件在单个圆锥销上定位容易倾斜,故圆锥销一般与其它定位元件组合使用,如图5-10所示。图5-10 (a)所示为圆锥一圆柱组合心轴,锥度部分使工件准确定位,并将工件楔紧, 圆柱部分可减少工件倾斜。图5-10 (b)所示为以工件底面作为主要定位基面,圆锥销是活动的,即使工件的孔径变化较大,也能准确定位。图5-10 (c)所示为工件在双圆锥销上定位。以上3种定位方式均限制工件 5个自由度。 小锥度心轴:如图 5-11所示,工件在小锥度心轴上定位,并靠定位圆孔与
7、心轴限位 圆锥面的弹性变形夹紧工件。机械制造工艺与夹具rW77/7/iL *;厲耐蹴配舍应轴(b)过柚配舍心轴AA*1 A(a)(b)(c)花瞪配合心铀图5-8 圆柱心轴1引导部分;2工作部分;3传动部分图5-9单个圆锥销定位图5-10圆锥销组合定位L图5-11小锥度心轴珪台TOO -第5章机械制造工装设计(2)工件以外圆柱面定位。工件以外圆柱表面作为定位基面时,最常用的定位元件有 V形块、半圆套和定位套。V形块:采用V形块定位的优点,一是对中性 好,能使工件定位的基准轴线对中在V形块的对称平面上,而不受定位基面直径误差的影响;二是无 论定位基面是否经过加工、是否为完整的圆柱面还 是局部的圆弧
8、面均可。如图5-12所示,其中图5-12(a)用于较短的 外圆柱面定位,可限制工件2个自由度;图5-12( b) 用于粗基准面定位;图 5-12 ( c)用于精基面定位; 图5-12 ( d)用于工件较长、直径较大的重型工件 定位(这种V形架常用铸铁底座镶淬火钢垫)。固定V形块与活动V形块组合定位,如图5-13. j 图5-12 V形块所示。其中,固定V形块限制工件2个自由度,而活动 V形块限制工件1个自由度,并具有 补偿毛坯尺寸变化和夹紧的作用。图5-13 V形块组合定位1 固定V形块;2 活动V形块V形块定位高度的计算(见图T5-14):=J d 二 H 2|sin(: /2)亠tan (
9、篇/2)(5-1)式中,a- V形架两斜面之间的夹角,一般取 60 90 120其中90应用最广。当:=90 时,有T=H+0.707d-0.5N(5-2)(3)工件以一面两孔组合定位。在加工箱体、杠杆、盖板和支架等零件时,常用工件上的一面两孔作为定位基准,如图5-15所示。所用的定位元件为一大支承板,它限制了工件的3个自由度;短圆柱销1限制了工件的2个自由度;削边销 2限制了工件绕圆柱销转动的自 由度。所以工件以一面两孔定位,共限制了6个自由度,属于完全定位。值得注意的是,若不是采用一个圆柱销和一个削边销,而是采用2个圆柱销定位,这必然会在两孔中心线连线方向上产生过定位干涉现象。因为两孔的中
10、心距与两圆柱销的中心距均有误差,当误差较大 时,这种过定位会使工件无法正确装入夹具上定位。因此,在实际生产中采用的是一个圆柱 销和一个削边销。图5-14 V形块结构尺寸图5-15工件以一面两孔定位1短圆柱销;2削边销-111 -削边销的结构如图5-16所示。当工件定位孔直径D50mm时,采用如图5-16 (c)所示的结构。削边销的宽度部分可修圆,如图5-16 (d)所示。有关结构参数可查阅夹具标准或设计手册。图5-16削边销结构采用一面两孔定位时,圆柱销、削边销的主要参数确定如下。 圆柱销直径di的基本尺寸及公差:圆柱销直径的基本尺寸应等于相配合孔的最小极 限尺寸,其公差一般取 g6或f7。
11、圆柱销与削边销之间的中心距及公差:两销之间中心距的平均尺寸应等于两定位孔之间中心距的平均尺寸,其公差一般为(5-3)1/3。式中,、:Ld、:. LD 两销之间中心距的公差和两孔之间的中心距公差。 式(5-3)中当工件加工精度较高时取1/5,加工精度较低时取 削边销直径d2的基本尺寸及公差:削边销直径d2及其公差可按如下方法来确定:d _ Db(&d+d_D)d2max D2min( 5-4 )D2min式中,d2max、D2min 肖U边销直径的最大值和与削边销相配合孔的最小极限尺寸。削边销与孔的配合一般取为h6。由于其上偏差为零,故d2=d2max。削边销的尺寸见表 5-1。表5-1削边销
12、的尺寸(mm)D2366882020 2424 3030 4040 50BD2.5D2)D2_2D2D2/D2-5D2-5b11233345b2345568【例5-1】在图5-15中,工件上两定位孔为 2 12 0.027mm,两定位孔中心距为80_0.06mm, 设计两定位销尺寸。解:(1)确定圆柱销直径圆柱销直径公差取 g6,即12g6 = 12 ;.0;7 mm。(2)确定圆柱销与削边销之间的中心距1 1根据公式(5-3),取&d =$D =-汉0.12 =0.04 mm,所以圆柱销与削边销之间的中心距3 3为 8010.02mm。(3)确定削边销直径由表 5-1 查得 b=4mm, B
13、=D2-2=12-2=10 mmb(氐击召)4 x (0 04+0 12根据公式(5-4), d2nim=D = 12- 4 2.04 u.y= 11.947mm。Dm12削边销与定位孔的配合一般取h6,其下偏差为-0.011mm,直径为d2=11.947h6= 11.94701011mm =12 jmm522定位误差的分析与计算1 .定位误差的组成(1)基准不重合误差。当定位基准与工序基准不重合时,便产生基准不重合误差,其大 小等于定位基准与工序基准之间尺寸的公差,用耳表示。工序基准与定位基准之间的尺寸就称为定位尺寸。图5-17所示为铳沟槽面的工序简图。前一道工序已将各平面加工好,本工序铳槽
14、要保证尺寸B,其工序基准是 D面。为便于夹具设计与制造,定位基准选择F面,于是定位基准与工序基准不重合,定位尺寸为L_.IL。在加工一批工件时,刀具与定位基准(或定位基面)的位置是事先调整好的,也就是说槽的位置相对于定位基准是一定的。但由于工序基准相对 于定位基准存在误差 _.丄,使得工序基准 D在一定范围内变动,从而造成这批工件的加工误 差。工序基准 D相对于定位基准F的最大变动量就是基准不重合误差,即冷=2丄。丄仃.图5-17工件铣槽工序简图(2)基准位移误差。定位基准相对于限位基准的最大变动量, 称为基准位移误差,用表示。 图5-18( a)所示为在圆柱面上铳键槽,加工尺寸为A和B。图5
15、-18( b)所示为加工示意图,工件以内孔在圆柱心轴上定位,0是心轴轴心,Oi、O2是工件内孔的轴心。若心轴按d:制造,工件内孔的尺寸为 D Td,则这时虽然尺寸 A的工序基准与定位基准重合,但由于 心轴和工件内孔均存在制造误差,因而实际的工序基准(孔的轴心)与限位基准(心轴的轴 心)不重合,即存在一个变化范围,这个变化范围便是基准位移误差。CninDiihjc(b)图5-18心轴水平放置时基准位移误差由图5-18( b)可计算出基准位移误差丄丫:dmax2(5-5)D .D人r rrrrrmax minminAy =O1O2 =OO1 -002 :2Dmax _ Dmin ”.dmax _d
16、min TD n.Td- 222 2由上式可知,基准位移误差是由定位副的制造误差造成的。综上所述,可得到如下结论。 定位误差只产生于用调整法加工一批工件的条件下,采用试切法加工,不存在定位误差。 定位误差由基准不重合误差和基准位移误差组成,但并非在任何情况下 2种误差均存在。当定位基准与工序基准重合时,则. :B=0 ;当定位基准相对限位基准无位移时,则 :Y=0。在计算定位误差Cd时,应先算出.-B和. -:Y ,再按一定规律合成,即当工序基准不在定位 基面上时,d=Cb+:Y ;当工序基准在定位基面上时,D= 电一厶丫。式中的“ +”与“ -”号确定方法:若基准位移和基准不重合误差引起的加
17、工尺寸变化方向相同时,取“ +”号;反之取“ -”号。2 几种典型表面的定位误差计算(1)工件以平面定位。当工件以平面定位时,其定位误差主要是由基准不重合误差引起 的,故不计算基准位移误差。(2)工件以圆孔定位。图 5-19所示当心轴垂直放置时,工件与心轴任意边接触,此时的 基准位移误差为(5-6)-Y =0Q1 =0。1 OO1 = Dmax - dmin=TdTd Xmin式中,TD 工件孔的公差(mm);Td 心轴的公差(mm);Xmin 工件孔与心轴的最小配合间隙( mm )。值得注意的是,当心轴为弹性可胀心轴时,定位基准与限位基准无相对位移,因此基准 位移误差为零,即定位误差为零。(
18、3)工件以外圆柱面定位。工件以外圆柱面定位时,常用的定位元件有V形块、定位套、支承板等。定位套和支承板的定位误差同前述的圆孔定位和平面定位相似。下面仅分析工件 在V形块上定位时的定位误差。如图5-20所示,在工件上铳键槽以圆柱面在V形块上定位,分析工序尺寸分别为 Ai、A、A3时的定位误差。图5-19心轴垂直放置时的基准位移误差当定位尺寸是Ai时,因工序基准与定位基准重合,即TdLD=LY=.:-2sin 2当工序尺寸为A2时,因工序基准与定位基准不重合,即:B=0,故定位误差为(5-7)治工0。另外,-:y丰0。于是有d max-dminTd2sin由于工序基准在定位基面上,因此有Aq -
19、Ay - Ab2(5-8)Tda2si n2符号的确定:当定位基面直径由大变小时,定位基准往下移动;当定位基面直径由大变 小时,假设定位基准不动,工序基准相对定位基准向上移动。因两者变动方向相反,所以取 “ -”号,于是有d =Tda 2sin2Td _Td2_ 21a sin2当工序尺寸为A3时,即-_-B 0、:仝丰0。同样有dTd_ a2si n22Td12 . sin I 21符号的确定:当定位基面直径由大变小时,定位基准往下移动;当定位基面直径由 大变小时,假设定位基准不动,工序基准相对定位基准往下移动。两者变动方向相同, 所以有da sinI 2 Tda 2si n2【例5-2】按
20、图5-21 (a)所示的定位方式加工键槽, 已知d25j021 mm, d2 =40_0.025mm, 两圆柱面的同轴度为 0.02mm , V形架夹角:=90 ,要保证的键槽深度尺寸 A= 34.8j.17mm, 试计算其定位误差。解:如图5-21 (b)所示,其中同轴度可标为e=00.01mm,大外圆半径 R= 20*.0125 mm。定位基准为d1的轴线。1,工序基准为d2外圆的下母线,所以基准不重合。 定位尺寸由e和R组成,所以有.:b=、e+、R=(0.02+0.0125)mm=0.0325mm 色0.021y -mm -0.0149mm2sin 二 2前452由于工序基准不在定位基
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