[工学]05机械制造与夹具教案.doc
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1、第5章 机械制造工装设计第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
2、具上的所有组成部分,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、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、铣床夹具、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。图5-1 支承钉图5-2 支承板 可调支承:可调支承是
3、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铣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H1、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5-4 可调支承图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。辅助支承有如下几种形式。
4、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。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 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
5、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。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)、(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
6、,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,并靠定位圆孔与心轴限位圆锥面的弹性变形夹紧工件。 图5-8 圆柱心轴 图5-9 单个圆锥销定位1引导部分;2工作部分;3传动部分图
7、5-10 圆锥销组合定位图5-11 小锥度心轴图5-12 V形块(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
8、V形块与活动V形块组合定位,如图5-13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5-14): (5-1)式中,aV形架两斜面之间的夹角,一般取60、90、120,其中90应用最广。当a=90时,有T=H+0.707d0.5N(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
9、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削边销削边销的结构如图5-16所示。当工件定位孔直径D30mm时,采用图5-16(a)所示的结构;当工件的直径D为3050mm时,采用如图5-16(b)所示的结构;当
10、工件的定位直径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d1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。 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)式中,d Ld、d 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1/3。 削边销直径d
11、2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:(5-4)式中,d2max、D2min削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削边销的尺寸(mm)D236688202024243030404050BD2-0.5D2-1D2-2D2-3D2-4D2-5D2-5b11233345b2345568【例5-1】 在图5-15中,工件上两定位孔为mm,两定位孔中心距为800.06mm,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mm。(2)确定圆柱销与削边销
12、之间的中心距根据公式(5-3),取mm,所以圆柱销与削边销之间的中心距为800.02mm。(3)确定削边销直径由表5-1查得b=4mm,B=D22=122=10mm根据公式(5-4),=11.947mm。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=5.2.2 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DB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所示为铣沟槽面的工序简图。前一道工序已将各平面加工好,本工序铣槽要保证尺寸B
13、,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LDL。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DL,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DB=2DL。 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DY表示。图5-18(a)所示为在圆柱面上铣键槽,加工尺寸为A和B。图5-18(b)所示为加工示意图,
14、工件以内孔在圆柱心轴上定位,O是心轴轴心,O1、O2是工件内孔的轴心。若心轴按制造,工件内孔的尺寸为,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。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DY:(5-5)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
15、情况下2种误差均存在。当定位基准与工序基准重合时,则DB=0;当定位基准相对限位基准无位移时,则DY=0。在计算定位误差DD时,应先算出DB和DY,再按一定规律合成,即当工序基准不在定位基面上时,DD=DB+DY;当工序基准在定位基面上时,DD=DBDY。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
16、(5-6)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。(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。下面仅分析工件在形块上定位时的定位误差。如图5-20所示,在工件上铣键槽以圆柱面在形块上定位,分析工序尺寸分别为A1、A2、A3时的定位误差。 图5-19 心轴垂直放置时的基准位移误差 图5-20 工件以圆柱面在V形块上定位当定位尺寸是A1
17、时,因工序基准与定位基准重合,即DB=0,故定位误差为DD=DY=(5-7)当工序尺寸为A2时,因工序基准与定位基准不重合,即DB0。另外,DY0。于是有由于工序基准在定位基面上,因此有(5-8)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,于是有当工序尺寸为A3时,即DB0、DY0。同样有符号的确定: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【例5-2】 按图5-21(a)所
18、示的定位方式加工键槽,已知mm,mm,两圆柱面的同轴度为f0.02mm,V形架夹角a=90,要保证的键槽深度尺寸A=mm,试计算其定位误差。图5-21 工件在V形架上定位时定位误差的计算示例解:如图5-21(b)所示,其中同轴度可标为e=00.01mm,大外圆半径R=mm。定位基准为d1的轴线O1,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DB=de+dR=(0.02+0.0125)mm=0.0325mm由于工序基准不在定位基面上,于是有=(0.0325+0.0149)mm =0.047mmmm=0.057mm由于定位误差值小于工件工序尺寸公差的,所以此方案是可行
19、的。(4)工件以一面两孔组合定位。工件以一面两孔定位是实际生产中应用最多的一种组合定位方式。所谓一面两孔定位,就是以工件上一个较大的平面和平面上2个相距较远的孔的组合定位。工件以一面两孔定位时,其定位误差主要有2项,一是基准位移误差,二是转角误差。其基准位移误差一般取决于第1定位副(圆柱销与孔)的最大间隙,转角误差则应按最不利的情况通过计算求得。 基准位移误差:基准位移误差按定位销垂直放置时计算(此时的位移是任意方向的),一般取决于第1定位副圆柱销与孔的最大配合间隙,即(5-9)式中,X1max圆柱销与定位孔的最大配合间隙;与圆柱销配合的工件定位孔直径公差;圆柱销直径公差;X1min圆柱销与工
20、件定位孔的最小配合间隙。 转角误差:转动的基准位移误差可简称转角误差,如图5-22所示。转角误差既取决于定位孔与两定位销的最大配合间隙X1max、X2max,又取决于中心距L以及工件的偏转方向。图5-22 一面两孔定位的转角误差当两孔偏转后与两销同侧接触时,如图5-22(a)所示,其单边转角误差为整理得(5-10)当两孔偏转后与两销异侧接触时,如图5-22(b)所示,其转角误差为整理得(5-11)实际上,工件还可转向另一个方向,故真正的转角误差为Db、Da。【例5-3】 如图5-23所示的盖板零件简图,上、下两平面和mm孔均已加工完毕,现以下平面和mm孔定位,加工孔、以及通槽,试计算各工序尺寸
21、的定位误差。已知圆柱销直径为mm,菱形销直径为mm,两销中心距为2000.015mm。 图5-23 盖板零件简图解:(1)计算工序尺寸400.1mm的定位误差因定位基准与工序基准重合,故DB=0。mm=0.044mmmm=0.067mm因定位误差小于工序尺寸公差的1/3,故能满足加工技术要求。(2)计算工序尺寸600.1mm的定位误差计算方法同(1),即DB=0。mm=0.044mmmm=0.067mm因定位误差小于工序尺寸公差的1/3,故能满足加工技术要求。(3)计算工序尺寸1000.15mm的定位误差计算方法与上述(1)和(2)相同,即DB=0。mm =0.044mmmm=0.1mm故能满
22、足加工技术要求。(4)计算工序尺寸250.1mm的定位误差因为加工孔时的定位基准是孔O1的中心,而工序尺寸250.1mm的工序基准是孔O2的中心,故定位基准与工序基准不重合,所以=0.10mm。而基准位移误差与上述几种情况相同,即mm由于工序基准不在定位基准面上,所以mm =0.144mmmm=0.067mm故初步判定此工序难以保证加工精度。但最终能否保证加工精度,还须视加工过程中的其它误差大小而定。5.2.3 夹紧机构的选择与设计1夹紧机构的组成夹紧机构的种类很多,但其结构均由2部分组成。(1)动力装置。夹紧力的来源一是人力,二是某种装置所产生的力。能产生力的装置称为夹具的动力装置。常用的动
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