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机械制造工艺学(上)


机械制造工艺学(上)
(机床夹具设计原理)

1

机械制造工艺学

第1章 绪论
1.1 机械制造工程学科

2

1.1 机械制造工程学科 一、机械制造工艺学的重要性
? 机械制造业是一个国家重要的基础工业,它担负着为国民

>经济部门提供技术装备的任务。
? 制造技术是所有工业的支柱。

(1)发达国家中,制造业创造的财富占国民经济的2/3;
(2)机械制造业是制造业的基础, 是重中之重; (3)国力和国防的坚强后盾。

3

1.1 机械制造工程学科

冶金机械 建筑机械 交通工具 环保设备

动力机械

纺织机械 家用电器

制造技术
机器制造 农业机械
当今制造技术社会功能

通讯设备 出版印刷

军事装备 医疗设备

网络媒体 文化娱乐 化工设备

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1.1 机械制造工程学科

只有先进的制造业,才能生产出好的产品,而好的产品要三方面来保证, 最终达到质量、生产率、经济性三方面的统一。

好设计

好材料

好工艺

工艺——使各种原材料、半成品成为产品的方法和过程,如机械制造过程中 的中的机械加工工艺、机械装配工艺、焊接工艺,其它行业中的化工工艺、 食品工艺等。 机械制造工艺——各种机械制造方法和过程的总称。 工艺重要的实例:
? 蒸汽机
? 空心钢球 ? 武器
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1.1 机械制造工程学科
卡拉什尼科夫 斯通纳

M16 AK47

朵英贤

95式

装备95式的人民解放军驻港部队
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1.1 机械制造工程学科
二、机械制造业发展简史
我国历史悠久、文化灿烂,“四大发明”为世界文明做出了巨大贡献。
1965年冬,湖北荆州望山楚墓, 出土一柄青铜剑。拔剑出鞘,寒气 逼人,毫无锈蚀,锋利无比。剑长 为56厘米,剑宽5厘米,剑身装饰精 美菱形花纹。剑身镌刻: “越王勾践,自作用剑” 试之以纸,20 余层一划而破。 乃稀世珍宝,表明了我国二千多年 前春秋战国时代精湛的青铜制造工 艺。

但是,以车、铣、刨、磨为代表的现代加工方法是从欧洲开始的。 正是资本主义的建立,为机械制造业的发展奠定了社会基础。
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1.1 机械制造工程学科
年代 1765 1775 1780 1798 1818 1832 1843 1846 1847 1855 1855 发明人 瓦特 英国 威尔金森 英国 莫兹里利 美国 惠特尼 美国 惠特尼 伏特、安培、 亨利、法拉第 法国 莫利埃尔 法国 德利尤斯 法国 德利尤斯 法国 贝默西 法国 勒努瓦 成果 蒸汽机 镗床 自动进给车床 互换性 铣床 永磁交流发电机 龙门刨 牛头刨 摇臂钻床 新式炼钢炉 内燃机 年代 1864 发明人 美国 德国 雅可比 南斯拉夫裔美国 特斯拉 美国 泰勒 德国 美国 成果 磨床

1834

直流电动机
交流电动机 高速钢 硬质合金 NC CNC DNC MC FMC FMS CIMS 8

1888 1898 1907 1952

1.1 机械制造工程学科
NC (Numerical control) 硬件数控

CNC (Computer control) 计算机数控
DNC (Direct control) 计算机直接控制 MC ( Machining center) 加工中心 CNC+ 刀库 + ACT自动换刀装置

综合了多种机床的功能,具有刀库和自动换刀装置,实现了单元内加工过程自动化。
FMC ( Flexible manufacture cell) 柔性制造单元 MC + Robert 在单元加工过程自动化的基础上,实现了单元内装卸工件自动化,最终实现了单元自

动化。
FMS (Flexible manufacturing system)柔性制造系统 FMC + AGV小车 “无人加工车间” 实现了设备间工件的运输

CIMS ((Computer Integrated manufacturing system )计算机集成制造系统
此外还有:CAPP CAFD PDF GT JIT CE LP ERP AM VM GM AMT
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1.1 机械制造工程学科
中华民族现代制造业的历史:

社会背景是1840年鸦片战争后的“洋务运动”。
1865年,由曾国藩支持,李鸿章在上海主办

江南机器制造局

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1.1 机械制造工程学科
1866年,左宗棠在福州马尾主办

马尾造船厂

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1.1 机械制造工程学科
三、本课程的性质、内容、任务、特点及学习方法
(1)性质:主干专业课 (2)内容: 1)机床夹具设计原理 2)加工精度分析 3)表面质量控制 4)工艺规程制订 5)工艺尺寸链计算

(3)任务
1)掌握机械制造工艺的基本理论 2)初步具备设计机械加工工艺规程的能力

3)初步具备设计机床专用夹具的能力
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1.1 机械制造工程学科
(4)特点:三多、一广、实践性强 三多 —— 概念多、术语多、名词多

一广 —— 专业涉及面广范、内容丰富
实践性强 —— 本学科的内容来源于生产实践,上升为工艺理 论后反过来指导生产实践,促进技术进步和生产发展。 (5)学习方法 1)着重理解和掌握基本概念及其在实践中的应用,不少工艺原则 只能用理论概括说明,很难用数学方法揭示其严密的关系。因此,在 学习过程中应充分注意联系生实际,如各种机械加工方法、加工设备、 工艺装备,常见的毛坯形式,制造方法等。 2)及时完成并交作业。
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(6)关于考试 1)内容以课堂讲授的内容为主; 2)题型为:判断题 、填空题 、名词解释 、方案分析、简答题、 计算题; 3)交作业记录作为获得考试成绩的必要依据。 (7)参考教材: 1)机械制造艺学 王先逵主编 机械工业出版社

2)机械制造工艺学课程设计指导书 王栋主编 机械工业出版社

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1.2 工艺过程与工艺系统

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1.2.1 机械产品生产过程
? 机械产品生产过程
生产过程——指从原材料开始到成品出厂的全部劳动过程 ? 包括毛坯的制造、零件的机械加工和热处理、机器的装配、检验、

测试和油漆等主要劳动过程——称为直接生产过程
? 还包括专用工具、夹具、量具和辅具的制造、机器的包装、工件和 成品的储存和运输、加工设备的维修,以及动力(电、压缩空气、液

压等)供应等辅助劳动过程——称为辅助生产过程
? 生产过程可以由一个车间或一个工厂完成,也可以由多个工厂协作 完成

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1.2.1 机械产品生产过程
? 工艺过程 定义一: 在生产过程中,凡是直接改变零件的形状、尺寸、 相对位置和材料性质等,使其成为成品或半成品的过 程。

定义二:
在生产过程中,那些与原材料变为产品直接有关的 过程,如毛坯制造、机械加工、热处理和装配等。

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1.2.2 机械加工工艺过程
机械加工工艺过程
? 是机械产品直接生产过程的一部分,传统上是指采用金 属切削刀具或磨具来加工零件,使之达到所要求的形状、

尺寸、表面粗糙度和力学物理性能、成为合格零件的生产
过程。 ? 现在是指各种加工方法——除切削和磨削外,还包括其 它加工方法,如电加工、超声加工、电子束加工、离子束 加工、激光束加工,以及化学加工等 。
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1.2.2 机械加工工艺过程
机械加工工艺过程组成
? 工序——是指由一个或一组工人在同一台机床或同一个 工作地,对一个或同时对几个工件所连续完成的那一部分 机械加工工艺过程。

阶梯轴零件
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1.2.2 机械加工工艺过程
表1-2 阶梯轴单件生产的工艺过程 工序号 1 工序内容 设备



加工小端面,对小端面钻中孔,粗车 车床 小端外圆,对小端倒角;加工大端面, 对大端面钻中心孔,粗车大端外圆, 对大端倒角,精车外圆. 铣键槽,手工去毛刺. 铣床

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1.2.2 机械加工工艺过程
表1-3 阶梯轴大批大量生产的工艺过程 工序 号 1 2 工序内容 设备

加工小端面,对小端钻中心孔, 粗车小端外圆,对小端倒角
加工大端面,对大端钻中心孔, 粗车大端外圆,对大端倒角

车床
车床




精车外圆
铣键槽,手工去毛刺

车床
铣床
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1.2.2 机械加工工艺过程
? 安装——在一道工序中,工件每经一次装夹后所完成的那部分工序
称为安装。 装夹——工件在加工前,在机床或夹具中相对刀具应有一个正确的 位置并给予固定,这个过程称为装夹。 每一个工序可能有一次安装,也可能有几次安装。

如表1-4中工序1,若对一个工件的两端连续进行车端面、钻中心
孔,就需要两次安装(分别对两端进行加工),每次安装有两个工步 (车端面和钻中心孔)。

原 则
在同一工序中,安装次数应尽量少,既可以提高生产效率,又可

以减少由于多次安装带来的加工误差。
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1.2.2

机械加工工艺过程

表1-4 工序和安装
工序号 安装号 1 1 安装内容 加工小端面,对小端钻中心孔,粗车小端外 圆,对小端倒角 2 加工大端面,对大端钻中心孔,粗车大端外 圆,对大端倒角 3 精车大端外圆 床 车 设备

4 2 1

精车小端外圆 铣键槽,手工去毛刺 铣床

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1.2.2 机械加工工艺过程
工位——在一次安装中,工件在机床上占据每一个位置所 完成的那部分工序称为工位。

原 则
为减少工序中的装夹次数, 常采用回转工作台或回转夹具, 使工件在一次安装中,可以先 后在机床上的不同位置进行连 续加工。

结论
采用多工位加工,可以提高生产率和保证被加工表 面间的相互位置精度。

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1.2.2 机械加工工艺过程

3 2 1 4

多工位加工
1:装卸工件 2:钻孔 3:扩孔 4:铰孔

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1.2.2 机械加工工艺过程
?工步——在被加工的表面、切削刀具、切削用量(仅指 切削速度和进给量)都不变的情况下所完成的那部分工序。

底座零件底孔加工工序

26

27

1.2.2 机械加工工艺过程
?复合工步——在一个工步内,若有几把刀具同时加工几 个不同表面,称此工步为复合工步)

a)立轴回转车床回转刀架

b)立轴转塔车床的一个复合工步
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c) 钻孔、扩孔复合工步

d) 组合铣刀铣平面复合工步

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1.2.2 机械加工工艺过程
? 走刀——在一个工步内,如果要切掉的金属层很厚,可 分几次切削,刀具对工件的每一次切削就称为一次走刀。

车削阶梯轴
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1.2.3 机械加工工艺系统
? 零件进行机械加工时,必须具备一定的条件,即要有一个系统来支持,
称之为机械制造工艺系统。通常,一个系统是由物质分系统、能量分系 统和信息分系统所组成。 ? 机械制造工艺系统的物质分系统(系统硬件)由工件、机床、工具和 夹具所组成,即机械加工工艺系统。

? 机械制造工艺系统的信息分系统(系统软件)包括加工方法、工艺过
程、数控程序等。 ? 能量分系统是指动力供应。 ? 研究机械制造工艺系统的组成及其内在的规律,其目的是为了使工艺 系统的软、硬件有机地结合起来,以达到工艺过程最佳化的目标。
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机械制造工艺学

1.3 生产类型与工艺特点

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1.3.1 生产纲领
? 生产纲领——在计划期内,应当生产的产品产量和进度计划
? 年生产纲领(产品的年产量)

N ? Q ? n (1 ? ? % ? ? %)
式中 N ——年生产纲领(件/年) ;

Q ——产品年产量(台/年);
n ——每台产品中该零件数量(件/台); α%——备品率; β%——废品率。

? 年生产纲领是设计或修改工艺规程的重要依据,是车间(或工段)
设计的基本文件
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1.3.3 生产类型及工艺特点
? 生产类型划分
单件生产 生产类型 批量生产 小批量生产 中批量生产 大批量生产

单件小批生产
中批生产 大批大量生产

大量生产

? 生产类型规范
生产类型
单件生产
小批量生产 中批量生产 大批量生产 大量生产

零件年生产纲领(件/年)
重型机械 械 ≤5 >5~100 >100~300 >300~1000 >1000 中型机械 轻型机

≤20
>20~200 >200~500 >500~5000 >5000

≤100
>100~500 >500~5000 >5000~50000 >50000
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1.3.3 生产类型及工艺特点
*单件生产 单个的生产不同结构和不同尺寸的产品,并且很少重复;例如重型机器 制造、专业设备制造和新产品试制等。 *成批生产 一年中分批地制造相同的产品,制造过程有一定的重复性;例如机床制 造就是比较典型的成批生产。 每批制造的相同产品的数量称为批量。根据批量的大小,成批生产又可 分为:小批生产--中批生产---大批生产 *大量生产 产品数量很大,大多数工作地点经常重复地进行某一个零件的某一道工 序的加工。例如,汽车、拖拉机、轴承等的制造通常都是以大量生产的方式 进行。
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1.3.3 生产类型及工艺特点
? 不同生产类型工艺特点
项目
加工对象

生产类型
单件小批生产 经常变换 中批生产 周期性变换 大批大量生产

相对固定不变

毛坯制造方法 木模手工造型,自由锻, 部分金属膜、锻模,毛坯 金属膜、模锻,毛坯精度 及加工余量 毛坯精度低,加工余量大 精度中等,加工余量中等 高,加工余量小 机床及布置形 通用机床,机群式排列布 部分通用、部分专用机床 专用高效机床,流水线或 式 置 机群式或生产线排列布置 自动线排列布置 夹具 专用、高效夹具 通用夹具,组合夹具 专用夹具,可调整夹具 刀具和量具 装夹方法 装配方法 工人技术水平 生产率 成本 工艺文件

通用刀具和量具
画线找正,通用夹具 配置,调整法,修配法 高 低 高 简单工艺过程卡

刀具和量具部分通用、部 专用、高效刀具和量具 分专用 部分画线找正,通用或专 专用、高效夹具 用夹具 少量配置,多数互换装配 中

互换装配法
低 高 低




详细工艺过程卡,关键工 详细工艺过程卡,工序卡 序工序卡 36

1.3.3 生产类型及工艺特点
在大批、大量生产中,常采用生产率较高的毛坯制造方 法,如金属型铸造、精密铸造、模锻、冷冲压、粉末冶金等, 使毛坯的形状更接近于零件的形状。这样可以大量减少切削

加工的劳动量,从而提高了材料的利用率,降低机械加工的
成本。

在单件小批生产中,一般采用木模手工砂型铸造和自由
锻造,因此毛坯的精度低,成本高、废品率高、切削加工劳 动量大。
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机械制造工艺学

1.4 装夹、定位与基准

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1.4.1 工件装夹
装夹的含义
装夹又称安装,包括定位和夹紧两项内容。 ?定位 —— 使工件在机床或夹具上占有正确位置 ?夹紧 —— 对工件施加一定的外力,使其已确定的位置 在加工过程中保持不变

工件装夹方法
?直接找正装夹——精度高,效率低,对工人技术水平 高。 ?划线找正装夹——精度不高,效率低,多用于形状复 杂的铸件。 ?夹具装夹—— 精度和效率均高,广泛采用。
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1.4.1 工件装夹

刨槽时直接找正

滚齿时直接找正
40

划线找正法示例
41

1.4.1 工件装夹
找正线
加工线

毛坯孔

划线找正安装

42

1.4.1 工件装夹

6

1—夹紧螺母 2—双联齿轮(工件) 3—定位心轴 4—基座 5—螺杆 6—插齿刀

工件在夹具上装夹
43

1.4.1 工件装夹

工件在夹具上装夹(滚齿夹具)
44

1.4.1 工件装夹

铣键槽工序的装夹

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1.4.2 六点定位原理
从机械加工工艺系统的角度来看,要保证加工精度,必须使工艺系统 中的工件、机床、夹具、刀具四个环节之间具有正确的相对位置,如工件 与夹具的相对正确位置;夹具与机床、刀具的相对正确位置。我们所讨论 的定位主要是指工件在夹具中的正确位置。 要使工件在夹具中的位置得到确定,必须解决两个问题或矛盾:首先 要解决工件在夹具中“定与不定”的矛盾,即对工件的定位进行定性分析, 所使用的重要工具就是“六点定位原理”。应用“六点定位原理”对工件 进行定位分析,以提出正确的定位方案,使一批工件中的每一个工件,在 夹具中都能占据一个统一的、正确的位置。其次,即使工件定位满足了 “六点定位原理”,也不一定能够保证加工要求,还必须解决工件在夹具 中定位时“准与不准”的矛盾,即对工件的定位进行定量分析,此时所使 用的重要工具就是“定位误差的分析与计算”。只有在正确的定位前提下, 所计算出的定位误差满足定位误差不等式,最终才能保证工件的加工精度 要求。

46

1.4.2 六点定位原理
工件在夹具中的定位实质,就是要使工件在夹具中占有一个正确的、 统一的位置,这个正确的位置是通过定位支承限制相应的自由度来实现 的。对于单个工件来说,定位的任务就是使该工件准确占据定位元件所 规定的位置;对于一批工件来说,定位的任务就是使一批工件中的每个 工件逐次放入夹具中时,都能占据一个统一的、一致的位置。因为专用

机床夹具通常是用于加工一批工件的,所以设计夹具时,保证一批工件
在夹具中位置的一致性,就是工件定位的本质问题。 六点定位原理:

工件在空间直角坐标系中,有分别沿三个坐标轴的移动自由度和分
别绕三个坐标轴的转动自由度,共六个自由度。这六个自由度需要用按 一定要求布置的六个支承点一一消除,其中每个支承点相应地消除一个

自由度。
47

1.4.2 六点定位原理
六点定位原理
任何一个物体在空间直角坐标系中都有 6 个自由度—— ? ? ? ? ? ? 用 X , Y , Z , X , Y , Z 表示

48

1.4.2 六点定位原理
六点定位原理
要确定其空间位置,就需要用支承限制其 6 个自由度 将 6 个支承抽象 为6个“点”,6个 点限制了工件的6 个自由度,这就是 六点定位原理。
X

Z

Y

六点定位原理
49

1.4.2 六点定位原理
当工件由多个表面定位时,可依据限 制自由度数的多少,将各定位表面分为: 第一定位基准 —— 三角形分布,支承范围大 (主要定位面) 选大的面定位 第二定位基准 —— 两点连线不垂直主定位面,距离远 (导向定位面) 选窄长的面定位 第三定位基准 ——选可承受切削力的面 (止推定位面)
50

1.4.2 六点定位原理
? 运用“六点定位原理” 时要注意的问题: ⑴ 定位就是限制自由度,通常用合理布置定位支承点的方 法来限制工件的自由度。 ⑵ 定位支承点限制工件自由度的作用,应理解为定位支承 点与工件定位基准面始终保持紧贴接触。若二者脱离, 则意味着失去定位作用。 ⑶ 一个定位支承点仅限制一个自由度,一个工件仅有六个 自由度,所设置的定位支承点数目,原则上不应超过六 个。

51

1.4.2 六点定位原理
⑷分析定位支承点的定位作用时,不考虑力的影响。工件

的某一自由度被限制,是指工件在这一方向上有确定
的位置,并非指工件在受到使其脱离定位支承点的外 力时,不能运动。欲使其在外力的作用下不能运动, 是夹紧的任务;反之,工件在外力作用下不能运动, 即被夹紧,也并非是说工件的所有自由度都被限制了。

定位和夹紧是两个概念,不能混淆。
⑸ 定位支承点是由定位元件抽象而来的,在夹具中,定

位支承点总是通过具体的定位元件体现。
52

1.4.2 六点定位原理
正确理解夹具设计中,定位和夹紧两个重要概念:

定位的作用就是使同一批工件逐次放置到夹具中都能占据同
一位置,它是依靠定位元件、定位装置在工件夹紧之前或夹紧过 程中实现的。工件正确定位后,还须对其进行夹紧。 夹紧的作用是保证该正确位置在加工过程中受到切削力、惯 性力和重力的作用而不发生改变,不至于损坏刀具和机床、伤害 操作工人。 必须指出的是,工件定位了,不一定得到夹紧;工件夹紧了, 不一定得到了定位。装夹过程一般是先定位后夹紧,但定位和夹

紧也可以同时进行。

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1.4.2 六点定位原理
完全定位与不完全定位
?工件的6个自由度均被限制,称为完全定位。工件6个 自由度中有1个或几个自由度未被限制,称为不完全定 位。 ?不完全定位主要有两种情况:

①工件本身相对于某个点、线是完全对称的,则工件 绕此点、线旋转的自由度无法被限制(即使被限制也 无意义)。例如球体绕过球心轴线的转动,圆柱体绕 自身轴线的转动等。
②工件加工要求不需要限制某一个或某几个自由度。 如加工平板上表面,要求保证平板厚度及与下平面的 平行度,则只需限制 3 个自由度就够了。
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1.4.2 六点定位原理
完全定位与不完全定位
z
x

z x y a) z x z x y y b) y

z x

y

c) z

x

y
d)

e)

f)
55

工件应限制的自由度

1.4.2 六点定位原理
z z y x x y

工件应限制的自由度
56

1.4.2 六点定位原理

附加自由度的限制
57

1.4.2 六点定位原理
欠定位
?工件加工时必须限制的自由度未被完全限制,称为欠定 位。欠定位不能保证工件的正确安装,因而是不允许的。
z y x

B

B

a)

b)

欠定位示例
58

1.4.2 六点定位原理

59

1.4.2 六点定位原理
过定位
? 过定位——工件定位时,一个自由度同时被两个(或 两个以上)约束点所限制,称为过定位。

? 过定位是否允许,要视具体情况而定:
1)如果工件的定位面经过机械加工,且形状、尺寸、位 置精度均较高,则过定位是允许的。有时还是必要的,

因为合理的过定位不仅不会影响加工精度,还会起到加 强工艺系统刚度和增加定位稳定性的作用。
2)反之,如果工件的定位面是毛坯面,或虽经过机械加 工,但加工精度不高,这时过定位一般是不允许的,因 为它可能造成定位不准确,或定位不稳定,或发生定位 干涉等情况。

60

1.4.2 六点定位原理
过定位分析(桌子与三角架)

过定位分析

61

1.4.2 六点定位原理
过定位分析
Z Z

X

X

X
X

Y

a)

Y

过定位示例

b)

62

1.4.2 六点定位原理
过定位分析
z

z

x

x

x

x

y

y

a)

b) 过定位示例
63

1.4.2 六点定位原理

64

1.4.2 六点定位原理
一面两孔定位分析
D1 d1 D2 d2

l ? 1 Tl 2

L ? 1 TL 2
b

D2 ? 2 min b? Tl ? TL ? ?1min

l ? 1 Tl 2

L ? 1 TL 2
一面两孔定位干涉分析
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1.4.2 六点定位原理
过定位讨论 ?如图示,齿轮坯以内孔和一小端面定位,车削外圆和大 端面。加工后检测发现大端面与内孔垂直度超差。试分 析原因,提出改进意见。
0.02 A

4 A

间隙配合刚性心轴

过定位示例

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1.4.2 定位原理

过定位引起夹紧变形

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1.4.2 六点定位原理
橡胶垫

过定位处理分析

68

1.4.2 六点定位原理

69

1.4.2 六点定位原理
讨论 ?分析图示定位方案: ①各方案限制的自由度 ②有无欠定位或过定位 ③对不合理的定位方案提出改进意见。
z x

y z

x a)

x y

b)
过定位分析

70

1.4.2 六点定位原理

y y

x a)

y x

x a1)

y

x

z a2)
过定位示例分析
71

1.4.2 定位原理
z
x x

z

x y b) z x

x y b1) z x

x y b2)

x y b3)
72

过定位示例分析

1.4.2 六点定位原理
过定位危害: ①定位不准确;②夹紧困难;③会使工件及定位元件变形 消除过定位及其干涉的措施::

① 改变定位元件的结构,以消除被重复限制的自由度;
② 提高工件定位基面之间及夹具定位元件工作表面之间的

位置精度,以减少或消除过定位引起的干涉。
★特殊——为提高定位稳定性和结构刚度,简化夹具可用 过定位。 ★前提——提高工件定位面、夹具定位面的相互位置精度。
73

1.4.2 六点定位原理
电冰箱的定位

74

1.4.2 六点定位原理

75

1.4.2 六点定位原理

76

1.4.2 六点定位原理
应用六点定位原理可以解决三种类型的问题:
1)给出工序简图,其中表明了加工表面及加工要求,要求确定欲消 除的自由度; 2)在1)基础上,提出合理的定位方案; 3)给出工序要求及定位方式,分析各个定位元件的定位作用。

分析方法:
1)逐个分析法; 2)排除法。

二者常常结合使用。

77

1.4.2 六点定位原理
要 点
理论上要限制的自由度 —按加工要求确定 —注意:不欠定位 实际上要限制的自由度 —往往多于理论要求的 为承受切削力、简化夹具结构

—注意:不过定位
理论联系实际 注重实际应用
78

1.4.3 工件常见定位方式
工件以平面定位
平面定位的主要形式是支承定位。常用的定位元件有支 承钉、支承板、夹具支承件和夹具体的凸台及平面等。
z z z

x y y

x y z z

x

z

x y y

x y

x

工件以平面定位
79

1.4.3 工件常见定位方式
工件以圆孔定位
工件以圆孔定位多属于定心定位(定位基准为圆柱孔轴 线)。常用定位元件是定位销和心轴。定位销有圆柱销、 圆锥销、菱形销等形式;心轴有刚性心轴(又有过盈配合、 间隙配合和小锥度心轴等)、弹性心轴之分。
z y x z y x y z x y x z x

z y x

z y

工件以圆孔定位
80

1.4.3 工件常见定位方式
工件以外圆柱面定位
工件以外圆柱面定位两种形式:定心定位和支承定位。工 件以外圆柱面定心定位的情况与工件以圆孔定位的情况相 仿(用套筒和卡盘代替心轴或柱销)。工件以外圆柱面支 承定位的元件常采用V型块,短V型块限制2个自由度,长 V型块(或两个短V型块组合)限制4个自由度。
z x y z y z z x y z x

y

x

y

x

工件以外圆柱面定位

81

1.4.3 工件常见定位方式
工件以其他表面定位
除平面、圆孔、外圆柱面外,工件有时还可能以其它表 面(如圆锥面、渐开线齿面、曲面等)定位。下图为工 件以锥孔定位的例子,锥度心轴限制了除绕工件自身轴 线转动外的 5个自由度。

工件以锥孔定位

82

定位方法与定位元件
定位表面的组合
?在多个表面同时参与定位情况下,各定位表面所起作用 有主次之分。通常称定位点数最多的表面为主要定位面或 支承面,称定位点数次多的表面为第二定位基准面或导向 面,称定位点数为 1 的表面为第三定位基准面或止动面。
?在分析多个表面定位情况下各表面限制的自由度时,分 清主次定位面很重要。如下图所示工件在两顶尖上的定位, ? ? ? X、 、 Y Z 应首先确定前顶尖限制的自由度,他们是 。然后再 分析后顶尖限制的自由度。此时,应与前顶尖一起综合考 ? ? X、 虑,可以确定其限制的自由度是 。Y
x y

z

工件在两顶尖上定位

83

84

85

86

87

1.4.4 基准
基准
确定加工对象上几何要素间几何关系所依据的那些点、 线、面称为基准。可作为基准的表面称为基准面。

88

1.4.4 基准
设计基准
在设计图样上所采用的基准,即标注设计尺寸的起 点。

89

1.4.4 基准

钻套的设计基准
90

1.4.4 基准

设计基准
91

1.4.4 基准
工艺基准
在工艺过程中所采用的基准。即零件在加工或装配过程 中所使用的基准。又可分为:工序基准、定位基准、测 量基准与装配基准。

1、工序基准 在 工序图上用来确定 本工序所加工表面 加工后的尺寸(称 工序尺寸)、形状 和位置关系时,所 依据的点、线、面 称为工序基准。

92

1.4.4 基准

工序基准
93

1.4.4 基准
2、定位基准 工件在机床上加工时,在工件上用以确定被加工表 面相对机床、夹具、刀具位置的点、线、面称为定位基 准,确定位置的过程称为定位。 定位基准常用的是“面”, 所以也称为定位面,常以符号 “ ”表示,其尖端指向定位面。 如右图为加工齿轮时的定位基准 表示法。
定位基准表示法
94

1.4.4 基准

定位基准
95

1.4.4 基准

定位基准
96

定位基准
在加工时用于工件定位的基准称为定位基准。又可进一步 分为:

粗基准
使用未经机械加工表面作为定位基准,称为粗基准。

精基准
使用经过机械加工表面作为定位基准,称为精基准。

附加基准
零件上根据机械加工工艺需要而专门设计的定位基准。 如用作轴类零件定位的顶尖孔,用作壳体类零件定位的 工艺孔或工艺凸台等。
97

定位基准

98

定位基准

A

工艺凸台
A向

小刀架上的工艺凸台
99

3、测量基准 在工件上用以测量已加工表面位置时所依据的点、 线、面称为测量基准。一般情况下常采用设计基准作为测 量基准,如图。

测量基准
100

4、装配基准 在装配时,用来确定零件或部件在机器中的位置所依据 的点、线、面称为装配基准。 齿轮装配在轴上,内孔是它的装配基准;

轴装配在箱体孔上,则轴颈是装配基准;
主轴箱装配在床身上,则主轴箱体的底面是装配 基准。

101

齿轮的装配基准
102

1.4.4 基准
? 注意区别基准与基面的概念区别: 作为基准的点、线、面在工件上不一定具体存在, 如孔的中心线,而是由具体的表面来体现,这些表面称

为基面。基面是客观存在的,是看得见、摸得着的。在
生产实际中,常将基准和基面通称为基准。

103

第6章 机床夹具设计
学习指南
? 机床夹具是机械加工中重要的工艺装备,对保证零件加工精度至关
重要。本章首先介绍机床夹具的功能、组成与分类;然后重点讨论工 件在夹具上的定位与夹紧,包括定位方法与定位元件,夹紧原则与夹 紧机构等;再后介绍各类机床夹具的结构与特点;最后通过实例对机 床夹具设计步骤与方法进行说明。 ? 学习本章内容,应深入理解和重点掌握夹具设计中的主要问题-定 位与夹紧,并通过一定的实践(包括课程设计)初步掌握机床夹具设 计的步骤和方法。 ? 机床夹具设计是一件实践性和经验性很强的工作,进行实际工程训 练必不可少。为深入理解本章内容,学习者应注意与前面各章内容相 联系。此外,安排夹具装配实验,对初学者正确把握夹具设计方法也 很有必要。
104

第6章 机床夹具设计
本章要点
机床夹具组成、分类 工件在夹具上的定位 工件夹紧 各类机床夹具 夹具设计步骤与方法

105

第6章 机床夹具设计
6.1 机床夹具概述

106

6.1.1 机床夹具及其组成
为了加工出符合规定技术要求的表面,必须在加工 前将工件装夹在机床上或夹具中。工件的装夹包括定位 和夹紧两个过程。

机床夹具
机床上用以装夹工件(和引导刀具)的一种装置。 其作用是将工件定位,以使工件获得相对于机床和刀具 的正确位置,并把工件可靠地夹紧。

107

连杆铣槽夹具 1 — 菱形销 2 —对刀块 3 — 定位键 4 — 夹具底板 5 — 圆柱销 6 — 工件 7 — 弹簧 8 —螺栓 9 — 螺母 10 — 压板 11 — 止动销

108

6.1.1 机床夹具及其组成
夹具的组成
1)定位元件及装置 它与工件的定位基准相接触,用于确定工件在夹具中的正确位置,从 而保证加工时工件相对于刀具和机床加工运动间的相对正确位置。如V型 块、定位销、定位支承等。 2)夹紧元件及装置 用于夹紧工件,在切削时使工件在夹具中保持既定位置。 3)对刀及导向元件 这些元件的作用是保证工件与刀具之间的正确位置。用于确定刀具在 加工前正确位置的元件,称为对刀元件,如对刀块、钻套、镗套。用于确 定刀具位置并导引刀具进行加工的元件,称为导引元件。 4)连接元件 用以确定夹具在机床上的位置并与机床相连接。
109

6.1.1 机床夹具及其组成
5)夹具体

用于连接或固定夹具上各元件及装置,使其成为一个整 体的基础件。它与机床有关部件进行连接、对定,使夹具相 对机床具有确定的位置。如底座。 6)其它元件及装置 有些夹具根据工件的加工要求,要有分度机构,铣床夹 具还要有定位键等。如某些夹具中的分度装置、防错(防止 错误安装)装置、为便于卸下工件而设置的顶出器等。
以上这些组成部分,并不是对每种机床夹具都是缺一 不可的,但是任何夹具都必须有定位元件和夹紧装置,它 们是保证工件加工精度的关键,目的是使工件定准、夹牢。
110

6.1.1 机床夹具及其组成
工件以外圆和端面为定位 基准,放在一个固定V形块1和 支承套2上定位,转动手柄3, 偏心轮推动活动V形块夹紧工 件。对刀块6用来确定铣刀相对 工件的位置。所有的装置和元 件都装在夹具体5上。为了方便 地确定夹具在机床上的正确位 置,在夹具底部装有定向键 (图中件4)。安装夹具时只要 将两个定向键放入铣床工作台 的T型槽中并靠向一侧,则不 需再进行找正便可将夹具固紧 在机床工作台上。

铣轴端槽夹具 1 — V型块 2 — 支撑套 3 — 手柄 4 — 定向键 5 — 夹具体 6 — 对刀块
111

6.1.2 机床夹具功能
夹具功能
1)保证加工质量
用夹具装夹工件时,工件相对于刀具及机床的位置精度由夹具 保证,不受工人技术水平的影响,使一批工件的加工精度趋于一致。

2)提高生产效率,降低生产成本
使用夹具装夹工件方便、快速,工件不需要划线找正,可显著 地减少辅助工时;工件在夹具中装夹后提高了工件的刚性,可加大 切削用量;可使用多件、多工位装夹工件的夹具,并可采用高效夹 紧机构,进一步提高劳动生产率。

3)扩大机床工艺范围
根据加工机床的成形运动,附以不同类型的夹具,即可扩大机 床原有的工艺范围。例如在车床的溜板上或摇臂钻床工作台上装上 镗模,就可以进行箱体零件的镗孔加工。

4)减轻工人劳动强度,保证安全生产
112

6.1.3 机床夹具分类
◆ 按夹具使用范围划分
1)通用夹具:已经标准化的、在一定范围内可用于加工不同工件的夹 具。如三爪、四爪卡盘,平口钳等,一般由专业厂生产,常作为机床 附件提供给用户。 特点:通用性强、应用广泛,适于工件简单、单件小批量生产中。 2)专用夹具:为某一工件特定工序专门设计的夹具。 特点:结构紧凑、使用方便、生产效率高,但需要专门设计制造,周 期长、成本高,产品变更时便报费。适合于成批,大量生产。本课程 主要讨论这种夹具。

3)可调整夹具及成组夹具:以成组技术为基础,对所有的零件按相似 性进行分类,对每一类设计制造出一种夹具。
特点:夹具的部分元件可以更换,部分装置可以调整,以适应不同零 件的加工。
113

6.1.3 机床夹具分类
4)组合夹具:由一套预先制造好的标准元件组合而成。

根据工件的工艺要求,将不同的组合夹具元件像搭积木一 样,组装成各种专用夹具。使用后,元件可拆开、洗净后 存放,待需要时重新组装。 特点:大大缩短了设计制造周期,但由于组成零件多,因 而结构刚性差,尤其适合于大厂的新产品试制及单件小批 生产中。
5)随行夹具:在自动线或柔性制造系统中使用的夹具。 与工件一起从生产线的一个工位移动到另外一个工位,以

进行不同工序的加工。
114

6.1.3 机床夹具分类

三爪卡盘

四爪卡盘

万向平口钳

回转工作台 通用夹具

分度头
115

6.1.3 机床夹具分类
L 3 φD

4

零件工序简图

专用夹具

116

6.1.3 机床夹具分类
KH1 KH2 KH3 KH4
L 3 φD 3 L φD

4 L 3

4 L

φD

φD

4 L 3

3

4
L φD

φD 3 4

4

成组夹具

零件工序简图

117

6.1.3 机床夹具分类

组合夹具实例
118

6.1.3 机床夹具分类
◆ 按使用机床划分
可分为钻床夹具、铣床夹具、车床夹具、磨床夹具等。

◆ 按夹紧力源划分
可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、真空夹具、电 动夹具等。

气动虎钳

液压夹具
119

机械制造工艺学

6.2 工件在夹具上的定位

120

6.2.1 定位方法与定位元件
定位元件的基本要求
? 足够的精度。 ? 足够的硬度和耐磨性。 ? 足够的刚度和强度。 ? 工艺性要好。 ? 便于清除切屑。

121

6.2.1 定位方法与定位元件
工件以平面定位
? 固定支承
A型 支承钉 B 型 C型 A型 支承板 B型

固定支承

支承钉

支承板
122

6.2.1 定位方法与定位元件

为保持几个支承板的等高性应: ? 严格控制其高度公差 ? 装配后统一磨削 支承板定位表面应被工件定位表面完全遮盖,即 其面积小于工件定位表面面积,以使定位元件均 匀磨损。
123

6.2.1 定位方法与定位元件
? 可调支承——支承点的位置可以在一定高度范围内调 整的支承。当工件定位表面不规整或工件批与批之间毛 坯尺寸变化较大时,常用可调支承。

可调支承

注意:每一批工件都要对可调支承进行调整,且调整 完后一定要锁紧,即将该位置固定。
124

125

6.2.1 定位方法与定位元件
? 自位支承——又称浮动支承。在定位过程中,支承点

可以自动调整其位置以适应工件定位表面的变化。只限
制一个自由度,可提高工件的安装刚性和稳定性。

自位支承

126

6.2.1 定位方法与定位元件
? 辅助支承——在工件完成定位后才参与支承,它不起定 位作用,而只起支承作用,常用于在加工过程中加强被加 工部位的刚度,提高切削稳定性。

注意:对一批工件的每一个工件都要进行调整(与可 调支承相比)。
127

辅助支承

6.2.1 定位方法与定位元件

辅助支承的应用
128

6.2.1 定位方法与定位元件

辅助支承的应用
129

6.2.1 定位方法与定位元件
平面定位元件的选用
?

面积较小的基准平面选用支承钉 面积较大、平面度精度较高的基准平面定位选用支承板 毛坯面、阶梯平面和环形平面作基准平面定位时,选用自 位支承 毛坯面作基准平面,调节时可按定位面质量和面积大小分 别选用可调支承 当工件定位基准面需提高定位刚度、稳定性和可靠性时, 可选用辅助支承

?

?

?

?

130

6.2.1 定位方法与定位元件
工件以圆柱孔定位
? 心轴——在车、铣、 磨、齿轮加工等机床 上加工套筒类和盘类 零件。
刚性心轴 过盈配合 间隙配合 小锥度心轴

心轴

弹性心轴
自动定心心轴 液塑心轴



过盈配合心轴

间隙配合心轴

小锥度心轴
131

6.2.1 定位方法与定位元件
工件以圆柱孔定位
? 心轴

弹性心轴
132

6.2.1 定位方法与定位元件
工件以圆柱孔定位
? 心轴
B A
3 2 1

自动定心心轴
1—螺母 2—弹簧 3—活块

133

6.2.1 定位方法与定位元件
工件以圆柱孔定位
? 心轴

液塑心轴
134

6.2.1 定位方法与定位元件
工件以圆柱孔定位
? 定位销:工件上定 位内孔较小时,常选 定位销
定位销 圆柱定位销 圆锥定位销 菱形定位销

圆柱定位销
135

6.2.1 定位方法与定位元件
工件以圆柱孔定位
? 定位销

菱形销

锥形销
136

6.2.1 定位方法与定位元件
工件以外圆柱面定位
?当工件对称度要求较高时,选用V形块 ?当工件定位圆柱面精度较高时,可选用定位套或半圆 形定位座 ? 套筒(定心定位)

套筒定位

137

6.2.1 定位方法与定位元件

138

6.2.1 定位方法与定位元件
? 半圆套 对于有些大型工件,不便从轴向安装,此时可利用半 圆套定位。如下图上半圆夹紧,下半圆定位。

139

6.2.1 定位方法与定位元件
工件以外圆柱面定位
? V 形块(支承定位)

V形块的结构类型

图a用于短精基准

图b用于较长粗基准 图c用于长基准,精基准 图d较粗大工件,可镶钢垫,提高耐磨性,节约钢材
140

141

6.2.1 定位方法与定位元件
工件以外圆柱面定位
? V 形块(支承定位)

? 1? D N T?H? ? ? ? 2 ? sin(? / 2) tan( / 2) ? ?

当α=90°时,有:

T ? H ? 0.707D ? 0.5N

V 形块
142

6.2.1 定位方法与定位元件
工件以其他表面定位

工件以锥面定位
工件以齿面定位

143

6.2.1 定位方法与定位元件
一面两孔定位
? 生产中最常见的“一面两孔”定位 ? “一面两孔”定位的特点:
? ? ?

容易实现基准统一; 位置精度高; 存在过定位现象(支承平面限制三个自由度,每根短销 限制两个自由度)

144

6.2.1 定位方法与定位元件

145

?

销、孔安装时,必须有一定的间隙,此时 dmax=Dmin – △min d — 轴径;D — 孔径; △ — 间隙

146

一圆销、一削边销及 一平面定位

削边销的形成
147

?

为了保证销的强度, 通常使用菱形销。 图a用于直径很小时 图b用于直径为 3~50mm时 图c用于大于50mm 时

148

6.2.1 定位方法与定位元件
一面两孔定位
D1 d1 A O1 O2 b L±1/2TLX L±1/2TLK O’2 B D2 d2 C

一面两孔定位菱形销宽度尺寸计算

b?

D2 ? ? 2 min TLK ? TLX -? 1 min

式中 b ——菱形销宽度; D1,D2 ——与圆柱销和菱形销配合孔最小直径; Δ1min ,Δ2min ——孔1、2与销1、2的最小间隙; TLK ,TLX ——两孔和两销中心距的公差。
149

6.2.1 定位方法与定位元件
一面两孔定位设计计算
1)确定两销中心距尺寸及公差:取工件两孔中心距基本尺寸为两 销中心距基本尺寸,其公差取工件孔中心距公差的1/5~1/3 2)确定圆柱销直径及其公差:取相应孔的最小直径作为圆柱销直 径的基本尺寸,其公差一般取g6或f7。 3)确定菱形销宽度、直径及其公差:按有关标准(见下表)选取 菱形销的宽度b;然后按前式计算菱形销与其配合孔的最小间隙 Δ2min ;再计算菱形销直径的基本尺寸:d2=D2-Δ2min ;最后按 h6或h7确定菱形销直径公差。

菱形销结构尺寸
d B b1 b >3~6 d-0.5 1 2 >6~8 d- 1 2 3 >8~20 d- 2 3 4 >20~25 d- 3 3 5 d- 4 3 5

(单位:mm)
>25~32 >32~40 d- 5 4 6 >40~50 d- 6 5 8

b ——削边销计算宽度

b1 ——修圆后留下的圆柱部分宽度
150

151

6.2.2 定位误差计算
?加工误差不等式 使用机床夹具时,影响加工精度有哪些因素呢?换句话说,使用夹具时,加工 误差有几部分组成呢?由三部分组成: 基准位置误差△JW 定位误差 △DW 1、安装误差 △AZ 夹紧误差△JJ 对刀误差△DO 2、对定误差△DD 夹具位置误差△W 力变形、热变形 3、过程误差△GC 机床、夹具、刀具的磨损
152

基准不重合误差△BC

要保证加工精度, 必须满足加工误差不等式: △AZ+ △DD+△GC ≤ T

T——工件公差
一般可平均分配 △AZ≤(1/3)T △DD≤(1/3)T △GC≤(1/3)T

也可给△GC留(1/3)T、(2/3)T在△AZ、 △DD之间
进行调整
153

调整法 按零件规定的尺寸预先调整好刀具与工件的相对位置 来保证加工表面尺寸的方法。

154

定位误差是一批工件在夹具中定位时,因定位不准确所引起的加工误差。 定位误差是一个重要的概念,必须明确以下几点: 1. 只有用“调整法”加工一批工件时,才存在定位误差,用“试切法”加工 工件时不存在定位误差,或者说讨论定位误差没有意义; 2. 从误差的性质上看,定位误差属于随机性误差。对于定位误差,即使可以

计算出具体的数值,但它是一批工件因定位而可能出现的最大的加工误差。对
于一批工件中的某一个来说,其定位误差有可能没有计算出的数值大,也可能 恰好为零; 3. 定位误差产生的原因在于一批工件在定位过程中,定位基准位置发生了变 化或定位基准与工序基准不重合,导致工序基准沿加工方向上产生了变动。 可见,定位误差在本质上就是一批工件定位时工序基准在加工要求方向上 最大的变动量,这也是我们计算定位误差的基本依据。

155

6.2.2 定位误差计算
定位误差的概念
?定位误差是由于工件在夹具上(或机床上)定位不准确 而引起的加工误差。 ? 例如在轴上铣键槽,要求保 证槽底至轴心的距离H。若采用
ΔDW

V 型块定位,键槽铣刀按规定尺 寸H调整好位置。实际加工时, 由于工件直径存在公差,会使轴

O

心位置发生变化。此变化量就是
由于工件的定位而引起的加工误 差,故称为定位误差。
A

定位误差
156

H

O1

6.2.2 定位误差计算
定位误差的来源
1)由于工件定位表面或夹具定位元件制作不准确引起的 定位误差,称为基准位置误差,如前页图所示例子。 2)由于工件的工序基准与定位基准不重合而引起的定位 误差,称为基准不重合误差。 △DW= △JB +△Jw 矢量和 ? 右图所示工件以底面定 位铣台阶面,要求保证尺 寸a ,即工序基准为工件 顶面。如刀具已调整好位 置,则由于尺寸 b 的误差 会使工件顶面位置发生变 化,从而使工序尺寸 a 产 生误差。
工序基准 ΔDW

定位基准

由于基准不重合引起的定位 误差
157

b

a

6.2.2 定位误差计算
1)合成法 定位误差的来源主要有两方面:一是由于工件的定位表面或夹具上的定 位元件制造不准确,导致工件在定位时定位基准本身的位置发生了变动而引 起的定位误差,称为基准位置误差;二是由于工件的定位基准与工序基准不 重合而引起的定位误差,称为基准不重合误差。因此,可分别计算出基准不 重合误差和基准位置误差,然后在加工要求方向上进行合成。 △DW=△BCcosα±△JW cosβ 式中 △DW ——定位误差; △BC ——基准不重合误差; △JW ——基准位置误差; α ——基准不重合误差与加工方向的夹角; β ——基准位置误差与加工方向的夹角。 注意式中“±号”的选取:当某种因素引起的、变动趋势相同时,取“+” 号;当、变动方向相反时,取“-”号。
158

6.2.2 定位误差计算
2)定义法 定义法是根据定位误差的本质来计算的一种方法。采用定义法时,要明确加工要求 的方向,找出工序基准,画出工件的定位简图,并在图中夸张地画出工序基准变动的极 限位置,运用初等几何知识,求出工序基准的最大变动量,然后向加工要求方向上进行 投影,即为定位误差。这样,只要概念清楚,即可使复杂的定位误差计算转化为简单的 初等几何计算。在许多情况下,定义法是一种简明有效的计算方法。 利用定义法计算△DW步骤: ① 明确工序要求(加工要求方向) ② 找出工序基准 ③ 计算工序基准在加工方向上最大变动量

159

要注意的是,对于加工要求方向是某一固定的方向,如尺寸要求、 对称度要求的情况,可将工序基准的最大变动量向该方向投影;对于 加工要求方向是任意的方向,如同轴度的情况,工序基准最大的变动 量就是定位误差,不必进行投影。

此外,当有多个独立的因素影响工序基准变动时,可使用“各个
击破”的方法,即固定其它因素只分析其中的一个因素对工序基准造 成的变动量,然后将各个独立因素所造成的工序基准的变动量简单相 加即可。

160

6.2.2 定位误差计算
3)微分法 根据定位误差的定义,要计算定位误差,必须确定工序基准在

加工要求方向上最大的变动量,而这个变动量相对于基本尺寸而言是
个微量,因而可将这个变动量视为某个基本尺寸的微分。微分法是把 工序基准与夹具上在加工要求方向上某固定点相连后得到一线段,用 几何的方法得出该线段的表达式,然后对该表达式进行微分,再将各 尺寸误差视为微小增量,取绝对值后代替微分,最后以公差代替尺寸

误差,就可以得到定位误差的表达式。

161

在不同的加工要求、不同的定位方案条件下,上述三种计算方 法各有特点和利弊,都能在不同的侧面反映定位误差的本质及其产生 的原因。定义法通过两个极限位置求解定位误差,既有效又简洁;合 成法则避免了用极限位置求解定位误差时复杂的位移计算,还有助于 正确理解定位误差产生的原因;而微分法在解决较复杂的定位误差分 析计算问题时有明显的优势,但有时不易建立工序基准与夹具上固定 点的关系式,无法进行计算。

必需指出的是,无论采用哪种计算方法最终得出的结果应是相
同的、唯一的。对于较为复杂的定位情况,最好采用两种以上的方法 进行计算,以确保计算结果正确、可靠。
162

6.2.2 定位误差计算
工件以平面定位时的定位误差

定位基准:平面; 定位元件工作面:平面
===>易加工平整,接触良好 ===>所以△JW=0 , △DW=△JB (注:若是毛坯面,则仍有△JW)

163

工件以平面定位
【例1】 一批工件用“调整法”铣缺口,定位有a)、b)两种方案,如图所示。 试计算两种情况下工序尺寸20的定位误差。 【解】(1)合成法 a) △DW|20 = △BC +△JW = T40 + 0 = 0.28 + 0 = 0.28 (mm)≥ T20/3 = 0.3/3 = 0.1 (mm)

故不能够采用此种定位方案。
b) △DW|20 =△BC +△JW = 0 + 0 = 0 故可以采用此种定位方案。

164

工件以平面定位
(2)微分法 先建立工序基准到某一固定点距离的关系式,然后对其进行微分。

a)工序基准 A 到定位表面 B 的距离刚好就是工件的高度尺寸
H±TH = 40±0.14 对其进行微分:

△DW|20≈dH=δH= TH
=0.28(mm) b) 工序基准到定位表面的距离是一个

固定的常值,常值的微分是0。
△DW|20=0

165

工件以平面定位
(3)定义法 1、加工方向:竖直

2、工序基准:A面
3、计算工序基准在加工方向上的最大变动量 a) △DW|20 =T20 = 0.28 (mm) b) △DW|20 = 0

166

工件以外圆定位
【例2】有一批工件轴尺寸为,在夹角为的V型块上定位用 “调整法”铣键槽保证槽深。若槽深工序尺寸分别是H1、 H2、H3时,求各自的定位误差。

167

解:(1)合成法 (b) (c)

? DW

? ? JW ? H1
H2

?d 2 sin ? 2

? DW

?| ? BC ? ? JW |

?|

?d
2

?

?d
2 sin ? 2

|

=δd/2(1/sin α2 +1)

? BC 、 ? JW 变动趋势相同取“+”
(d)△DW|H3=δd/2(1/sin α2 -1)

? BC 、 JW 变动趋势相反取“-” ?
168

(2)微分法

首先建立工序基准到夹具上某一固定点C的距离:
(b)
? DW
H1

? d oc ? d (

d 2 sin

?) ?
2

?d
2 sin

?
2
d

(c)

? DW

H2

? d AC ? d ( AO ? OC ) ? d (

d ? ) ? 2 2 sin 2

?

?d 1 ( ? 1) ? 2 sin 2
H3

(d)

? DW

? d BC ? d (OC ? OB ) ? d (

?

?d
2

d ? ) ? 2 sin 2

d

(

1 sin

?
2

? 1)

169

(3)定义法:

(b)

? DW

H1

? O1O2 ?

?d
2 sin

?
2

(c)

? DW H 2 ? A1 A2 ? A1 A` ? A` A2 ? ?

?d
2

? o1o2

?d
2

?

?d
2 sin

?
2

?

?d

2 sin ? 2

(

1

? 1)

同理:(d)

? DW

H3

? B1 B2 ? B ` B2 ? B ` B1 ? O1O2 ? 1

?d
2

?

?d
2 sin

?
2

?

?d
2

?

?d
2

(

sin

?
2

? 1)

可见三种情况计算的结果是唯一的. 此外,分析计算的结果可以发现,当标注槽深的工序尺寸使用不同的工序基准时,的大小是不 一样的,从减小定位误差的角度来看,以下素线作的槽深的工序基准,较容易保证加工精度。 170

工件以内孔定位
【例3】 有一批套筒零件,现用“调整法”在心轴上定位,加工一个凹 槽,工序尺寸分别是 a) H1、b)H2 和 c)H3。试分析当套筒与心轴

分别是过盈或间隙配合、且定位心轴水平放置或竖直放置时,各工序
尺寸的定位误差。(套筒内径为D1,公差δD1,套筒内孔与心轴的最 小配合间隙为△min,且套筒外圆与内孔同轴 )(推导通式)

171

解:(定义法) (1)定位孔与心轴过盈配合 (2)定位孔与心轴间隙配合 不论心轴水平或竖直放置 (a) △DW|H1=0 (b) △DW|H2=δd/2 (c) △DW|H3=δD/2

心轴水平放置
(a) △DW|H1=δd/2 (b)△DW|H2(上)=δd/2 △DW|H2(下)=δd)/2 +δD1 (c) △DW|H3=(δd+δD1)/2+δD/2

心轴竖直放置 (a) △DW|H1=δd+δD1 +△min

(b) △DW|H2=δd+δD1 +△min
(c) △DW|H3=δD1+δd +△min+δD /2

172

定位误差分析计算

习题课

173

习题1 如下图所示,以A 面定位加工φ 20H8孔, 求加工尺寸40±0.1mm的定位误差。
【解】 设计基准 B 与定位基准 A不 重合,因此将产生基准不重合误

差:
ΔJW=0mm ΔJB=0.025-(0.025)+0.05

-(-0.05)mm=0.15mm
ΔDW= ΔJW +ΔJB =0.15mm
174

习题2.有一批轴、用“调整法”加工孔,保证孔位置尺寸; 求工序尺寸分别是H1,H2或H3时的定位误差。

175

6.2.2 定位误差计算

176

6.2.2 定位误差计算
习题3 有一批轴件.在支承上定位铣键槽.保证相应的工序要 求,求各工序要求定位误差是多少?

【解】 (仅使用定义法)

△DW|H = Td/2

△DW|b =0
△DW|÷ = Td/2

177

0 ?d ?Td

6.2.2 定位误差计算
0 ?d ?Td ,现用调整法铣一缺口。定位方 习题4 有一批轴件 案如图.试求工序尺寸 A 或 B 的定位误差.

【解】

178

习题5 已知:外径d=Φ80

0 - 0.1


O B

径D=Φ35
H=38.5 +0.2 0

+0.025 0 ,α=90°,

A

179

习题6 已知:套筒外径Td=0.1, 内孔TD=0.03,心轴Td1=0.02, 同轴度e=0.02 [解] b)? DW (54) ? Td ( 1 ? 1)
2 sin ? 2 ? 0.1 ( 2 ? 1) ? 0.0207 2

△DW(÷)=0 C)△jb=(Td/2)+e=0.1/2+0.02=0.07 △jw=Dmax-d1min=0.03+0.03=0.06 △DW=0.13 △DW(÷)=Dmax-d1min+e=0.08 d) △DW(54)=0 △DW(÷)= Td/2=0.05
180

6.2.2 定位误差计算
上述三种定位误差的计算方法均是在二维平面上进行分析,得到相关表达式后带入 相关数据得出计算结果,过程繁琐。随着三维CAD软件的出现,为定位误差的计算提 供了新的思路和途径,如在SolidWorks装配体环境下,可利用其中的测量工具快速得 到定位误差的具体数值,其核心思想仍然是“定义法”,具体方法是: (1)将定位元件和工件装配成定位方案的3D模型; (2)建立或显示工件上作为工序基准的点、轴线或平面。若工序基准是内孔或外圆的 中心线,可充分利用SolidWorks中的“临时轴”命令,快速显示中心线。 (3)明确影响工序基准在加工方向上变动的因素,并分别以该因素的最小或最大尺寸 对工件重建模型,从而得到工序基准的两个极限位置。在影响工序基准变动的多个独 立因素中,尺寸因素可直接用于重建模型,同轴度等位置因素引起的工序基准变动量 可简单相加。 (4)利用SolidWorks尺寸测量工具,分别测量在两种极限位置下工序基准沿加工要求 方向至夹具体上某一固定参考位置的距离,两次测量值之差的绝对值即是定位误差。 此种方法的计算精度可在SolidWorks文档属性的单位选项中自行设定。随着三维 CAD软件的普及,可以直接利用已有的夹具3D模型,省去定位方案的建模过程,快速

得到定位误差。
181

机械制造工艺学

6.3 工件的夹紧

182

6.3.1 对工件夹紧装置要求
? 在夹紧过程中应能保持工件定位时所获得的正确位置 ? 夹紧力大小适当——夹紧机构应能保证在加工过程中工 件不产生松动或振动,同时又要避免工件产生不适当的变 形和表面损伤

? 夹紧机构一般应有自锁作用
? 夹紧装置应操作方便、省力、安全

? 夹紧装置的复杂程度和自动化程度应与生产批量和生产 方式相适应。结构设计应力求简单、紧凑,并尽量采用标 准化元件

183

夹紧装置的组成
? 动力源装置:它是产生夹紧作用力的装置

? 传力机构:传递力的机构,其作用是:改变作用力的方 向;改变作用力的大小;具有一定的自锁性能,以保证 夹紧可靠。 ? 夹紧元件:它是直接与工件接触完成夹紧作用的元件

1-气缸

2-杠杆

3-压板

184

设计夹具时应考虑的问题
? ? ?

夹紧力(三要素:大小、方向、作用点) 传力方式(手动、气动、液力、电力等) 夹紧机构(增力、快速、机动等)

185

6.3.2 夹紧力的确定
夹紧力方向选择
? 夹紧力作用方向应有利于工 件的准确定位,而不能破坏定 位。为此一般要求主要夹紧力 垂直指向主要定位面 ? 夹紧力作用方向应尽量与切 削力、工件重力方向一致,以 减小所需夹紧力

夹紧力方向选择(1)

夹紧力方向选择(2)

186

6.3.2 夹紧力的确定
夹紧力方向选择
? 夹紧力作用方向应尽量与工件刚度大的方向相一致, 以减小工件夹紧变形

夹紧力方向选择(3)
187

6.3.2 夹紧力的确定
夹紧力作用点选择
? 夹紧力作用点应正对支承元件或位于支承元件所形成 的支承面内,以保证工件已获得的定位不变

a) 夹紧力作用点的选择(1)

b)

188

6.3.2 夹紧力的确定
夹紧力作用点选择
? 夹紧力作用点应处于工件刚性较好的部位,以减小工 件夹紧变形

夹紧力作用点选择(2)

189

6.3.2 夹紧力的确定
夹紧力作用点选择
? 夹紧力作用点应尽量靠近加工表面,以减小切削力对 工件造成的翻转力矩。必要时应在工件刚度差的部位增 加辅助支承并施加夹紧力,以减小切削过程中的振动和 变形

夹紧力作用点选择(3)

190

6.3.2 夹紧力的确定
夹紧力大小估算
? 估算夹紧力一般方法——将工件视为分离体,并分析 作用在工件上的各种力,再根据力系平衡条件,确定保 持工件平衡所需最小夹紧力,最后将最小夹紧力乘以一 适当的安全系数
【例】估算图示车削夹紧力 【解】只考虑主切削力Fc所产生的力矩与 卡爪夹紧力Fj所产生的力矩相平衡,有:
d0 d

d d ? 3F j min ? ? ? 0 2 2 由上式可求出最小夹紧力,再乘以安全系 数k,得到所需的夹紧力: Fc ?

车削时夹紧力的估算

Fc ? d Fj ? k ? 3 ? ? ? d0
191

6.3.2 夹紧力的确定
【例】估算图示铣削夹紧力 【解】开始铣削时的受力情况最为 不利。此时在力矩FaL的作用下有 使工件绕O点转动的趋势,与之相 平衡的是作用在A、B点上的夹紧力 反力所构成的摩擦力矩。根据力矩 平衡条件有:
1 ? F j min ? ? ? ( L1 ? L2 ) ? Fa ? L 2

由上式可求出最小夹紧力,再乘以 安全系数k,得到所需的夹紧力:

2k ? Fa ? L Fj ? ? ? ( L1 ? L2 )
铣削时夹紧力的估算
192

6.3.2 夹紧力的确定
夹紧力大小估算
? 安全系数——通常取1.5~2.5。精加工和连续切削时取 小值,粗加工或断续切削时取大值。当夹紧力与切削力 方向相反时,可取2.5~3 ? 摩擦系数——主要取决于工件与夹具支承件或夹紧件 之间的接触形式,具体数值可参考下表:
不同表面的摩擦因数 接触表面特征 光滑表面 直沟槽,方向与切削方向一致 直沟槽,方向与切削方向垂直 交错网状沟槽 摩擦因数 0.15~0.25 0.25~0.35 0.4~0.5 0.6~0.8
193

6.3.2 夹紧力的确定
夹紧力大小的确定
? ?

要足够防止加工时松动 使工件受压变形小,刚性差的工件应均匀加压 在实际的加工中,对于小件,往往不需要计算夹紧力, 可根据经验进行设计。大批量生产或者是新产品上马时, 可查阅夹具设计手册,利用给定的现成公式来估算夹紧力 的大小。 夹紧力三要素的确定,是一个综合性问题,必须考虑 工件的结构特点、加工工艺方法、定位元件的结构和布置 等多种因素。

194

6.3.3 常用夹紧机构
斜楔夹紧机构

斜楔夹紧的翻转式钻模

195

6.3.3 常用夹紧机构
斜楔夹紧机构
?工作原理:利用楔块的斜面将楔块的推力转变为夹紧力, 从而夹紧工件 ? 夹紧力——取斜楔为分离体,分析其所受作用力,并根 据力平衡条件,可得到直接采用斜楔夹紧时的夹紧力为:
Fj ? Fx tan?1 ? tan( ? ?2 ) ?

式中 Fj ——可获得的夹紧力(N) Fx ——作用在斜楔上的原始力(N) φ1 ——斜楔与工件间摩擦角(°) φ2 ——斜楔与夹具体间摩擦角(°) α ——斜楔的楔角(°)
196

6.3.3 常用夹紧机构
斜楔夹紧机构
? 自锁条件——当工件夹紧并撤除原始力Fx后,夹紧机 构依靠摩擦力的作用,仍能保持对工件的夹紧状态的现 象称为自锁。

α≤φ1+φ2

钢铁表面间的摩擦因数一般为?=0.1~0.15,可知摩擦角φ1和φ2的值 为5.75°~8.5°。因此,斜楔夹紧机构满足自锁的条件是: α≤11.5°~17° 但为了保证自锁可靠,一般取α为10°~15°;手动夹具一般取为 6~8°。
197

6.3.3 常用夹紧机构
? 増力比——是指在夹紧原始力Fx作用下,夹紧机构所 能产生的夹紧力Fj和Fx的比值。

Fj / Fx =1/(tanφ1+tan (α+φ2))
? 若取φ1=φ2=6°,α=10°带入上式i=2.6. ? 可见,斜楔的增力比不是很大。由于原始力Fx不可 能很大,要增大夹紧力可以减少斜楔的升角。但升 角太小α会使斜楔夹紧的工作行程加大,从而增大夹 具的结构。

198

6.3.3 常用夹紧机构
? 行程比——一般把斜楔的移动行程L与工作需要的夹紧行 程S的比值,称为行程比,它一定程度上反映了对某一工件 夹紧的夹紧机构的尺寸大小。

L/S=1/tanα

楔角α越小,则产生的夹紧力Fj就越大,而要保证必要的 夹紧行程S,必须加大斜楔的移动行程L,致使结构不紧凑, 夹紧速度变慢。所以在选择楔角α时,必须同时兼顾增力比 和夹紧行程,不可顾此失彼。现场中可以采用“双楔角”的 斜楔
199

6.3.3 常用夹紧机构
双升角斜楔机构:大升角迅速趋近工件 小升角夹紧工件、自锁

1 2
α 1 α2

3

双升角斜楔滑块夹紧机构 b) 1—夹具体 2—斜楔 3—工件

200

6.3.3 常用夹紧机构
斜楔夹紧机构
? 夹紧特点:
? ? ? ?

结构简单,有增力作用。 一般扩力比Q/F≈3。 具有自锁特性:自锁条件?<?1+?2 楔块夹紧行程小,夹紧力小, 夹紧和松开均需敲击,直接应用不方便,用作增力机构, 常与机械、汽动、液压机构联动。 楔块材料:通常用20钢渗碳,淬硬58~62HRC

?

201

6.3.3 常用夹紧机构
螺旋夹紧机构
? 夹紧力—— 螺旋可视为绕在
圆柱体上的斜楔,因此可从斜楔公 式直接导出螺旋夹紧力计算公式:

Fj ?

Fx ? L d0 tan( ? ?1 ) ? r ? ? tan?2 ? 2

式中 Fj ——沿螺旋轴向作用的夹紧力(N) Fx ——作用在扳手上的力(N) L ——作用力的力臂(mm) d0 ——螺纹中径(mm) α ——螺纹升角(°) φ’1 ——螺纹副的当量摩擦角(°) φ2 ——螺杆(或螺母)端部与工件(或 压板)之间的当量摩擦角(°) r’ ——螺杆(或螺母)端部与工件(或 压板)之间的当量摩擦半径(mm)

1-螺母 2-螺杆 3-工件

202

6.3.3 常用夹紧机构
螺旋夹紧机构

螺旋夹紧机构示例

203

6.3.3 常用夹紧机构
当量摩擦角计算公式
三角螺纹 60° 螺纹形状 梯形螺纹 30° 矩形螺纹

?1'

?1' ? tan?1 (1.15 tan?1 )

?1' ? tan?1 (1.03tan?1 )

?1' ? ?1

当量摩擦半径计算公式
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
β R 2r 2R

压块形状

r?

r? ? 0

r? ?

2( R 3 ? r 3 ) 3( R 2 ? r 2 )

r? ? R ?

1 tan(? / 2)
204

压紧螺钉端部的当量摩擦半径r1的值与螺杆头部(或压块)的结构有关

6.3.3 常用夹紧机构
? 计算准确性——由于φ’1 与φ2数值在很大范围内变化, 要获得准确结果很困难。目前许多手册给出的数据大多以 摩擦系数μ=0.1为依据的,这与实际情况出入较大。当需 要准确确定螺旋夹紧力时,需要采用实验方法。
Fj = kt ×Ts

力矩与夹紧力的关系实验(8mm系列组合夹具)
205

6.3.3 常用夹紧机构
? 自锁条件——螺旋夹紧机构的自锁条件和斜楔夹紧机 构相同,即也可写为 α≤φ1+φ2 螺旋夹紧机构的螺旋升角α很小(一般为2°~4°), 故自锁性能好。

? 増力比——因为螺旋升角小于斜楔的楔角,螺旋夹紧 机构的扩力作用远大于斜楔夹紧机构。 如一个M10的螺钉,手柄长度120mm, 其增力比约 为140。若原始作用力FX=25N(2.5kg),则会产生 Fj=3500 N(350kg)的作用力。

206

6.3.3 常用夹紧机构
? 螺旋夹紧特点——结构简单,易于制造,增力比大,自 锁性能好,在手动夹紧中应用广泛。缺点是动作较慢,为 提高作效率,可采用一些快撤装置。

两种快撤机构(螺旋夹紧)
207

6.3.3 常用夹紧机构
偏心夹紧机构
? 几种偏心夹紧机构

偏心夹紧机构示例

208

6.3.3 常用夹紧机构
? 楔角计算——可将偏心轮视为一楔角变化的斜楔,圆偏 心轮展开如图示

圆偏心轮展开

h =O1X-O1M=R- e cos γ α =tan(O2M/MX)
? e ? sin ? ? ? arctan? ? R ? e ? cos? ? ? ? ? ?

式中 α ——偏心轮的楔角(°) e ——偏心轮的偏心量(mm) R ——偏心轮的半径(mm) γ ——偏心轮作用点(X点)与起始 点(O点)之间圆弧所对应的圆心角(°)

209

6.3.3 常用夹紧机构
? 夹紧力——
Fj ? FS ? L ? ?tan( ? ?2 ) ? tan?1 ? ?

式中 Fj ——夹紧力(N) FS ——作用在手柄上的原始力(N) L ——作用力的力臂(mm) ρ ——偏心转动中心到作用点之间的距离(mm) α ——偏心轮楔角,参考式6-16(°) φ1 ——轮周作用点处摩擦角(°) φ2 ——转轴处摩擦角(°)

? 自锁条件——根据斜楔自锁条件:α≤φ1+φ2,忽略转轴处的摩擦,
并考虑最不利的情况,可得到: e ? tan?1 ? ?1 R

? 特点——结构简单,操作方便,动作迅速;缺点是自锁性能较差,
增力比较小。一般常用于切削平稳且切削力不大的场合。
210

6.3.3 常用夹紧机构
铰链夹紧机构
? 几种铰链夹紧机构

铰链夹紧机构示例
211

6.3.3 常用夹紧机构
? 夹紧力——
FS Fj ? tan( j ? ? ?) ? tan?1? ?
式中 Fj ,Fx——夹紧力,原始作用力 αj ——夹紧时臂的倾斜角 φ’ ——臂两端铰链处当量摩擦角 φ’1 ——滚子滚动当量摩擦角 ? 其中: ? ? ? arctan 2r ? tan? ?
? 1? l ? ? ?r ? ?1? ? arctan ? tan?1 ? ? ?l ?

式中 l ——两铰链孔中心距 φ1——铰链轴承和滚子轴承摩擦角 ? 特点——动作迅速,增力比大,并 易于改变力的作用方向;缺点是自锁 性能差。多用于机动夹紧机构中。

铰链夹紧机构夹紧力分析
212

6.3.3 常用夹紧机构
定心夹紧机构
? 特点——同时实现对工件定心定位和夹紧,即在夹紧过 程中,能使工件相对于某一轴线或某一对称面保持对称性 ? 以等速移动原理工作的定心夹紧机构
B A
3 2 1

自动定心心轴
1—螺母 2—弹簧 3—活块
213

6.3.3 常用夹紧机构
? 以等速移动原理工作的定心夹紧机构

螺旋定心夹紧机构
1、2-V 形块 3-左右旋螺杆 4、5、9、10-紧定螺钉 8-螺钉 7-叉形件 6、
214

6.3.3 常用夹紧机构
? 以均匀弹性变形原理工作的定心夹紧机构

弹簧夹头
1-夹具体 2-螺母 3-弹簧套筒 4-工件
215

6.3.3 常用夹紧机构
? 以均匀弹性变形原理工作的定心夹紧机构

液塑心轴
1-柱塞 2-螺钉 3-液体塑料 4-薄壁套
216

6.3.3 常用夹紧机构
联动夹紧机构
? 特点——从一处施力,可同时在几处对一个或几个工件 进行夹紧

联动夹紧机构
1—压板 2—螺母 3—工件
217

6.3.3 常用夹紧机构

多件联动夹紧机构

多件联动夹紧机构正误对比

218

6.3.3 常用夹紧机构
? 设计多位夹紧机构应注意的问题
?

夹紧元件必须为浮动、可调节的联动零件,以保证同 时均匀夹紧和同时松开

?
? ?

夹紧力方向应与定位方式和加工方法相适应
应保证每一工件都有足够的夹紧力

夹紧元件和传力零件应有足够的刚性,保证传力均匀

219

机械制造工艺学

6.4 各类机床夹具

220

6.4.1 车床与磨床夹具
车床夹具典型结构
以工件外圆表面定位的车床夹具,如各类夹盘和夹头 以工件内圆表面定位的车床夹具,如各种心轴 以工件顶尖孔定位的车床夹具,如顶尖、拨盘等 加工非回转体的车床夹具,如各种弯板式、花盘式车床夹具

弯板式车夹具
1—平衡铁 2—防护罩 3—勾形压板

221

6.4.1 车床与磨床夹具
车床夹具设计要点
? 总体结构
? 夹具结构应尽量紧凑,重心应尽量靠近主轴端 ? 对于弯板式和偏重的车床夹具,应很好地进行平衡 ? 提供足够夹紧力,且有可靠的自锁性

? 夹具与机床联接
0.01A

A K
M
D

A

0.01A

T

夹具在车床主轴上的安装
222

6.4.1 车床与磨床夹具

车床夹具与机床主轴的联接
1.主轴 2.过渡盘 3.专用夹具 4.压块

223

6.4.1 车床与磨床夹具
车床夹具的设计特点
?

工件均为回转体,夹具随机床主轴一起旋转,因此要求 夹具结构紧凑、轮廓尺寸尽可能小、重量尽可能靠近回 转轴线,以减少惯性力和回转力矩 转速高,必须考虑平衡、夹紧力大小、元件刚度和强度、 操作安全等问题,注意消除不平衡引起的振动现象 与机床的联接视具体情况而定,通常有较准确的圆柱孔 或圆锥孔

?

?

?
?

夹具带动工件旋转,不允许工件相对主轴位移
为使夹具使用安全,应尽可能避免带有尖角或凸出部分, 必要时要加防护罩
224

6.4.1 车床与磨床夹具
磨床夹具
? 磨床夹具同车床夹具相类似,车床夹具的设计要点同样 适合于外圆磨床和内圆磨床夹具

节圆卡盘
225

6.4.2 钻床与镗床夹具
钻床夹具
钻床夹具习惯上称为钻模,是在钻床上用于钻孔、扩 孔、铰孔及攻螺纹的机床夹具。钻模一般都设有安装钻套 的钻模板,以确定刀具的位置并引导刀具进行切削,保证 孔的加工要求,大幅度提高生产率。

钻床夹具典型结构
固定式钻模 回转式钻模 翻转式钻模 盖板式钻模 滑柱式钻模
226

6.1.3 机床夹具分类
? 固定式钻模 在机床上的位置一般固 定不动,主要用于在立式钻床 上加工直径较大的单孔及同轴 线上的孔,或在摇臂钻床上加 工轴线平行的孔系。为了提高 加工精度,在立式钻床上安装 钻模时,要先将装在主轴上的 钻头伸入钻套中,以确定钻模 的位置后再将夹具夹紧。 特点:加工精度高,应用广 泛,操作效率低。
固定式钻模
227

6.4.2 钻床与镗床夹具
?回转式钻模
应用较多,主要用于加工平面上成圆周分布、轴线 互相平行的孔系,或分布在圆柱面上的径向孔系

回转式钻模

228

6.4.2 钻床与镗床夹具

回转式钻模

229

6.4.2 钻床与镗床夹具
?翻转式钻模 也是一种转动夹具,只是没有 转轴和分度装置。主要用于加工 小型工件同一表面或不同表面上 的孔,结构上比回转式钻模简单, 适合于中小批量工件的加工。加 工时,整个钻模(含工件)一般 用于进行翻转;对于稍大工件, 必须设计专门的托架以便翻转夹 具。 特点:适合于小件多面孔的加工。
斜楔夹紧的翻 转式钻模

230

6.4.2 钻床与镗床夹具
?盖板式钻模

盖板式钻模没有夹具体,其定位元件和夹紧装置直接安 装在钻模板上,加工时只要将它覆盖在工件上即可。钻 模板在工件上定位,夹具结构简单轻便,切屑易于清除, 常用于床身、箱体等大型工件上的小孔加工,也可以用 于中小批量生产的中小工件孔加工。加工小孔时,可以 不设夹紧装置。
特点:常用于大型工件上加工小的孔系。生产率低。

231

6.4.2 钻床与镗床夹具
A-A 1 2 M 3 4 A

A

盖板式钻模
1—钻模板 2—圆柱销 3—菱形销 4—支承钉
232

6.4.2 钻床与镗床夹具
?滑柱式钻模 滑柱式钻模带有升降模板,属 通用可调钻夹具,一般由夹具 体、滑柱、升降模板和锁紧结 构组成。常见的钻模板上下移 动方式有手动和气动两种。

特点:夹具可调,操作方便, 夹紧迅速;钻孔的垂直度和孔 距精度不太高,适用于中等精 度的孔和孔系加工。
滑柱式钻模
233

234

235

6.4.2 钻床与镗床夹具
钻床夹具设计要点
? 钻套 钻套的作用:
?
? ?

?

保证孔的位置精度 引导刀具防止偏斜 提高刀具的刚度 防止加工中产生振动

结构形式:钻套可分为标准钻套和特殊钻套两大类

236

6.4.2 钻床与镗床夹具
? 钻套结构形式 标准钻套 标准钻套又分为固定钻套、可换钻套和快换钻套,如 下图所示。结构、材料已经标准化,设计时可查手册。

固定钻套

可换钻套

快换钻套
237

6.4.2 钻床与镗床夹具
? 钻套结构形式 ? 标准钻套 标准钻套又分为固定钻套、可换钻套和快换钻套,如下 图所示。结构、材料已经标准化,设计时可查手册。 ? 固定钻套 钻套以过盈配合,直接压入钻模 板或夹具体的孔中。注意使用时为 防止切屑等杂物进入钻套,钻套应 高于钻模板,至少与之等齐,最好用 带肩结构。 特点:导向精度高,但磨损后不 易更换,在中小批生产中使用。
固定钻套
238

6.4.2 钻床与镗床夹具
? 可换钻套
钻套1间隙配合安装在衬套2中,衬套以过盈配合压 入钻模板3中。螺钉4用以防止钻套在衬套中转动,还可 以防止退刀时,钻头将钻头带出。可换钻套磨损后,须 将螺钉拧下以更换新的钻套。 特点:更换容易,适合于大批量生产。
固定钻套 可换钻套

? 快换钻套
快换钻套适用于在同一道工序中,需要依次对同一 孔进行钻、扩、铰时,能快速更换不同孔径的钻套。更 换钻套时,不需松开螺钉,只要将快换钻套反时针转过 一定角度,使缺口正对螺钉头部即可取出更换。 特点:钻套更换迅速,适合于大批量生产中孔的多 工步加工。
固定钻套 可换钻套 快换钻套
239

6.4.2 钻床与镗床夹具
?特殊钻套
由于工件的形状特殊,或者被加工孔位置的特殊性,不适合采用标 准钻套,就需要自行设计结构特殊的钻套。

a)双孔钻套:将两孔做在同一个钻套时,要用定位销确定钻套位置。 特殊钻套 b)凹面钻套:在凹形表面上钻孔的加长钻套。钻套可做成悬伸的,为 减少刀具与钻套的摩擦,可将扩大钻套上端孔径,做成阶梯形。 c)斜面钻套:用于在斜面上或圆弧面上钻孔。排屑空间的高度h< 0.5mm,可避免钻头引偏或折断。钻孔前最好先用锪刀将孔端面锪平。
240

6.4.2 钻床与镗床夹具
? 钻套导向孔孔径及其偏差 为减少钻孔时钻头与钻套之间的摩擦,二者的配合应 为间隙配合。
? ? ?

基本尺寸——取刀具的最大极限尺寸 基准制——基轴制 配合代号——钻孔、扩孔:F7、G7 粗铰:G7 精铰:G6

241

6.4.2 钻床与镗床夹具
? 钻 套 高 度 —— 影响钻套的导 向性能和刀具与钻套间的摩擦情 况,通常取:H=(1~2.5)d 对于精度要求较高的孔、直径较 小的孔和刀具刚性较差时应取较 大值。 ?容屑空间——钻套与工件之间 一般应留有排屑间隙,此间隙不 宜过大,以免影响导向作用。一 般可取:h=(0.3~1.2)d 加工铸铁、黄铜等脆性材料时可 取小值;加工钢等韧性材料时应 取较大值。当孔的位置精度要求 很高时,也可取h=0。

钻套高度与容屑空间

242

6.4.2 钻床与镗床夹具
? 钻模板 钻模板用于安装钻套,并确保钻套 在钻模上的位置。 ?固定式钻模板 固定式钻模板与夹具体铸成一 体,或用螺钉和销钉与夹具体 联接在一起,结构简单,制造 方便,定位精度高,但有时装 配工件不便。 结构形式 固定式 铰链式 分离式 悬挂式

243

6.4.2 钻床与镗床夹具
?铰链式钻模板 钻模板通过铰链与夹具体联接,装卸工件较方便,由于 铰链销、孔之间存在活动间隙,工件的加工精度不高。

244

6.4.2 钻床与镗床夹具
?分离式钻模板 分离式钻模板与夹具体做成可拆卸的,工件每装卸一次, 钻模板也要装卸一次,费时、费力,故适用于中小批生产, 其他类型钻模板不便装卸工件的情况。

分离式钻模板
1-钻模板 2-钻套 3-夹紧元件 4-工件
245

6.4.2 钻床与镗床夹具
?悬挂式钻模板

悬挂式钻模板
1-横梁 2-弹簧 3-钻 模板 4-滑柱 5-夹具体
246

6.4.2 钻床与镗床夹具
? 夹具体 ? 钻模的夹具体一般不设定位或导向装置,夹具通过夹 具体底面安放在钻床工作台上,可直接用钻套找正并用 压板夹紧(或在夹具体上设置耳座用螺栓夹紧)。 ? 为减少夹具底面与机床工作台的接触面积,使夹具体 放置平稳,对于翻转式钻模,通常要求在相当于钻头送 进方向设置支脚。支脚可以直接在夹具体上做出,也可 以做成装配式。支脚一般应有4个,以检查夹具安放是 否歪斜。支脚的宽度(或直径)一般应大于机床工作台 T形槽的宽度,以免陷入槽中。
247

6.4.2 钻床与镗床夹具
镗床夹具
?镗床夹具又称镗模。镗模与钻模非常相似,除有夹具的 一般元件外,也采用了引导刀具的导套(镗套)。而且象 钻套布置在钻模板上一样,镗套也是按照工件被加工的孔 系设置在一个或几个专门的零件——导向支架(镗模支架) 上。 ? 镗模主要用于加工箱体、支座等零件上的孔或孔系。 主要功用是保证箱体类工件孔及孔系的加工精度,工件上 孔及孔系的位置精度主要由镗模保证,所以采用镗模,就 可以不受镗床精度的影响而加工出有较高精度要求的工件。

248

6.4.2 钻床与镗床夹具
镗床夹具
?镗模支架布置形式——单面导向和双面导向。 单面导向 ——镗杆在镗模中只有一个镗套引导,镗杆与 机床主轴刚性联接,即镗杆插入机床主轴的莫式锥孔中, 并保证镗套中心与主轴轴线重合,机床主轴的回转精度 影响工件镗孔精度。
?

双面导向 ——导向支架分别装在工件的两侧,镗杆与机 床主轴浮动联接。此时,镗杆的回转精度取决于两镗套 的精度,而与机床主轴回转精度无关。这种形式适用于 加工孔径较大,工件孔的长径比大于1.5的通孔,或同轴 线的几个短孔、有较高同轴度和中心距要求的孔系。双 面导向结构镗杆长,刚性较差,刀具装卸不便。
?

249

6.4.2 钻床与镗床夹具
浮动接头
镗杆1上拨动销3插入接头 体2的槽中,镗杆与接头体 之间留有间隙以便浮动,接 头体的锥柄安装在机床主轴 的锥孔中,能自动补偿镗杆 轴线和机床主轴轴线间的角 度偏差和平移偏差,主轴的 回转可通过接头体、拨动销 传给镗杆。
1-镗杆 2-接头体 3-拨动销
250

6.4.2 钻床与镗床夹具
镗床夹具
?为便于夹具在机床上安装,镗模底座上设有耳座和起吊

螺栓(或起吊孔)。此外,在镗模底座侧面还加工出细长
的找正基面,用以找正夹具定位元件或导向元件的位置以 及夹具在机床上安装的位置。

? 镗模实例——镗削泵体上两相互垂直孔

251

6.4.2 钻床与镗床夹具
7 6 A 7 6 A

B G 2 C B

5

4

3

2

1

C

双面导向镗模
1 -可调支承 2、3-支承板 4-挡块 5-勾形压板 6-镗套 7-镗模支架 8-螺钉 9-起吊螺栓
9 8

3

252

6.4.3 铣床夹具
铣床夹具
? 用途:
?

适用于铣床、平面磨床。

? 特点:
? ? ?

工件安装在夹具上随同机床工作台一起作送进运动
铣削为断续切削,冲击、振动大,夹紧力要求较大 夹具要有足够的刚度和强度,夹具体应牢固地固定在机 床工作台上 铣削加工效率高,工件安装应迅速,要有快速对刀元件

?

253

6.4.3 铣床夹具
直线进给 ? 铣床夹具类型(按进给方式分) 圆周进给 仿形进给

铣床夹具

铣工件斜面的单件铣夹具

254

6.4.3 铣床夹具

铣工件四方头铣夹具

255

6.4.3 铣床夹具
? 铣床夹具设计要点 ? 夹具总体结构——断续切削,振动大,要求受力元件 有足够强度和刚度。夹紧力应足够大,且自锁性能好。 可采用多件夹紧和多件加工。

? 对刀装置——以便迅速准确地确定铣刀与夹具的相对 位置,由对刀块和塞尺构成。
1 1 2 3 2 3 1 2 3

a)

b)

c)
256

对刀块
1—铣刀 2—塞尺 3—对刀块

6.4.3 铣床夹具

标准对刀块结构
257

6.4.3 铣床夹具
塞尺用于检查刀具与对刀块之间的间隙,以免刀具与对刀 块直接接触而造成刀具或对刀块的损伤。

对刀标准塞尺
258

6.4.3 铣床夹具
? 夹具体—— 1)要有足够强度、刚度和稳定性。通常在夹具体上适当 布置筋板,夹具体的安装面要足够大,且尽可能采用周边接 触形式。 2)铣床夹具底面应设置两个定向键, 通过定向键与铣床工作台T形槽的配合, 使夹具上定位元件的工作表面相对于 铣床工作台的进给方向具有正确的位 置关系。两个定向键相距越远,定向 精度越高。除定向外,定向键还能承 受部分切削扭矩,减轻夹具固定螺栓 的负荷,增加夹具的稳定性。

定向键

259

6.4.3 铣床夹具
3)通常设置耳座,通过T形槽螺栓将夹具紧固在工作 台上。

? 铣床夹具的设计要点同样适合于刨床夹具,其中主要方面 也适用于平面磨床夹具
260

机械制造工艺学

6.6 机床夹具设计步骤与方法

261

6.6.1 专用夹具设计基本要求
? 保证工件加工精度——关键是正确地确定定位方案、 夹紧方案、刀具导向方式及合理确定夹具的技术要求。 必要时应进行误差分析与计算
? 夹具结构方案(复杂程度)应与生产纲领相适应 ? 操作方便、安全、省力——如采用气动、液压等夹紧 装置,以减轻工人劳动强度,并可较好地控制夹紧力。 夹具操作位置应符合工人操作习惯,必要时应有安全 防护装置,以确保使用安全 ? 便于排屑 ? 有良好的结构工艺性——便于制造、检验、装配、调 整、维修等
262

6.6.2 专用夹具设计一般步骤
? 研究原始资料,明确设计要求
? 拟定夹具结构方案,绘制夹具结构草图——确定工件 的定位方法并选择相应的定位元件;确定刀具引导方 式,并设计引导装置或对刀装置;确定工件的夹紧方 法,并设计夹紧机构;确定其他元件或装置的结构形 式;考虑各种元件或装置的布局,确定夹具的总体结 构。为使设计的夹具先进、合理,常需拟定几种结构 方案,进行比较,从中择优 ? 绘制夹具总图,标注有关尺寸及技术要求——按国家 标准绘制,比例尽量取1:1,视图应尽可能少,主视 图应取操作者实际工作位置 ? 绘制零件图
263

( 36H7) 18H7 1.6
4

0.05 A

(18)

(36)

120 0.05

a)

190

200

b)

夹具设计过程 示例
c)

φ

A

B

钻套孔径(D) 钻孔 φ17F7 扩孔 φ17.85F7 粗铰孔 φ17.94G7 精铰孔 φ18.013G6

φ

120±0.01 D φ26 F7 m6 φ H7 35 n6 φ H7 36 g6

±

φ42 H7 r6

φ H7 24 r6

326

d)
技术要求
1.钻套孔轴线对定位心轴轴线平行度允差0.02mm。 2.定位心轴轴线对夹具底面垂直度允差0.02mm。 3.活动V形块对钻套孔与定位心轴轴线所决定的平面 对称度允差0.05mm。

264

6.6.3 夹具设计中几个重要问题
夹具设计经济性分析
? 对于零件加工中的某一个工序,是否使用夹具,使用 什么类型的夹具(通用夹具、专用夹具、可调整夹具、 组合夹具等),以及在确定使用专用夹具或可调整夹 具的情况下,设计什么档次的夹具,这些问题在设计 夹具时必须认真考虑。除了从保证加工质量的角度考 虑外,还应作经济性分析,以确保所设计的夹具在经 济上合理。 ? 经济分析具体内容可参考有关文献。

265

6.6.3 夹具设计中几个重要问题
成组设计思想采用
? 根据夹具名称、类别、所用机床、服务对象、结构形 式、尺寸规格、精度等级等对夹具及夹具零部件进行 分类编码,并将设计图纸及有关资料分类存放。当设 计新夹具时,首先对已有的夹具进行检索,找出编码 相同或相近的夹具,或对其进行小的修改,或取其部 分结构,或供设计时参考。 ? 在设计夹具零部件时,亦可采用相同的方法,或直接 将已有的夹具零部件拿来使用,或在原有图纸的基础 上进行小的改动。 ? 在夹具设计中采用成组技术原理,有利于夹具设计的 标准化和通用化。

266

6.6.3 夹具设计中几个重要问题
夹具总图上尺寸及技术条件的标注
? 标注目的——便于拆零件图、便于夹具装配和检验 ? 标注内容:

? 夹具外形轮廓尺寸; ? 与夹具定位元件、导向元件及夹具安装基准面有关 的配合尺寸、位置尺寸及公差; ? 夹具定位元件与工件的配合尺寸; ? 夹具导向元件与刀具的配合尺寸; ? 夹具与机床的联接尺寸及配合; ? 其他重要配合尺寸。

267

6.6.3 夹具设计中几个重要问题
? 夹具公差确定 ? 夹具上有关尺寸公差和形位公差通常取工件上相应 公差的1/5~1/2。

? 当生产批量较大时,考虑夹具磨损,应取较小值; 当工件本身精度较高,为使夹具制造不十分困难, 可取较大值。 ? 当工件上相应的公差为自由公差时,夹具有关尺寸 公差常取±0.1mm或±0.05mm,角度公差(包括位 置公差)常取±10′或±5′。
? 确定夹具公差带时,还应注意保证夹具的平均尺寸 与工件上相应的平均尺寸一致,即保证夹具上有关 尺寸的公差带刚好落在工件上相应尺寸公差带的中 间。
268

6.6.3 夹具设计中几个重要问题
? 夹具总图技术要求标注 ? 定位元件与定位元件定位表面之间的相互位置精度 要求

? 定位元件的定位表面与夹具安装面之间的相互位置 精度要求
? 定位元件的定位表面与引导元件工作表面之间的相 互位置精度要求 ? 引导元件与引导元件工作表面之间的相互位置精度 要求

? 定位元件的定位表面或引导元件的工作表面对夹具 找正基准面的位置精度要求
? 与保证夹具装配精度有关的或与检验方法有关的特 殊技术要求
269

6.6.3 夹具设计中几个重要问题
? 夹具总图技术要求标注
夹具技术要求举例
夹具简图
Z A B

技术要求
1.A面对Z轴线(锥 面或顶尖孔连线) 的垂直度公差…

夹具简图
A

技术要求

1.检验棒A对L面的 平行度公差… D

Z

A B

2.B面对Z轴线(锥 面或顶尖孔连线) 的同轴度公差…
1.A面对L面的平行 度公差… 2.B面对止口面N的 同轴度公差… 3.B面对C面的同轴 度公差… 4.B面对A面的垂直 度公差… U

L

2.检验棒A对D面的 平行度公差…

L

A

B C

B
L

V 1.B面对L面的平行 度公差… 2.A对D面的平行度 公差… D 3.U、V轴线对L面 的垂直度公差…
270

N

A

6.6.3 夹具设计中几个重要问题
? 夹具总图技术要求标注
夹具技术要求举例(续)
夹具简图 L N K B 技术要求 1.B面对L面的垂直 度公差… 2.K面(找正孔) 对N面的同轴度公差 … 3.N面对L面的垂直 度公差… 夹具简图 G B A 技术要求 1.B面对L面的平行 度公差… 2.G轴线对L面的垂 直度公差… 3.B面对A面的垂直 度公差… 4.G轴线对B轴线的 最大偏移量… 1.A面对L面的平行 度公差… 2.G面对A面的平行 度公差… 3.G面对D面的平行 度公差… 4.B面对D面的同垂 直公差…
271

L

B A L D

1.A面对L面的平行 度公差… 2.B面对D面的平 行度公差… 3.D面对L面的垂直 度公差…

G B L A

D

6.6.3 夹具设计中几个重要问题
夹具结构工艺性分析
? 夹具零件结构工艺性— —尽量选用标准件和通 用件,充分考虑加工的 工艺性和经济性 ? 夹具最终精度保证方 法——大都采用调整、 修配、装配后加工以及 在机床上就地加工等工 艺方法来达到最终精度 要求 ? 夹具的测量与检验—— 直接测量法、间接测量 法和辅助测量法
夹具装配精度的保证
1、2-镗模支架 3-支承板 4-夹具底板
272

6.6.3 夹具设计中几个重要问题
【例】辅助测量计算示例

【解】工件要求尺寸67和93, 无法直接测量。设置工艺孔 O,在工件中心线上距对刀 块顶面148。求距离 x。 由几何关系:
MO ? ( ME ? AE) sin ? ? EO cos?

代入有关数值,可求出:
x ? 42.55 mm

按此值在夹具体上做出工艺 孔,再按工艺孔调整对刀块 的高度尺寸148mm及圆柱销 至工艺孔的距离 58mm,即可 使夹具达到设计要求。
273

6.6.3 夹具设计中几个重要问题
夹具精度分析
? 影响被加工零件位置精度的误差因素:
? 定位误差ΔDW ? 夹具制造与装夹误差ΔZZ——包括夹具制造误差、夹紧误差、导向 误差 ? 加工过程误差ΔGC——加工过程中由于工艺系统(除夹具外)的几 何误差、受力变形、热变形、磨损以及各种随机因素所造成的加工 误差

? 误差公式:?DW ? ?ZZ ? ?GC ? T
? 误差分配:
? 通常要求给ΔGC留三分之一的零件公差,即应使夹具有关误差限定 在零件公差三分之二的范围内。
? 当零件生产批量较大时,为了保证夹具的使用寿命,在制定夹具 公差时,还应考虑留有一定的夹具磨损公差。
274

6.6.3 夹具设计中几个重要问题
【例】图示夹具精度分析 【解】仅讨论尺寸120±0.05 1)定位误差:即最大配合间 隙0.05mm (φ36H7/g6) 2)夹具制造与安装误差: ①钻模板衬套轴线与定位心轴 轴线距离误差±0.01 ②钻套与衬套配合间隙0.033 (φ26F7/m6) ③钻套孔与外圆同轴度误差,按标准取值0.012 ④刀具引偏量(参考右图)
?H ? ? ? 48 ? 0.028 e ? ? ? h ? B ? ? max =? +12+18 ? ? =0.0315 ?2 ? H ? 2 ? 48
φ18.013G6 120±0.01 φ H7 36 g6 φ26 F7 m6 φ H7 35 n6

φ42 H7 r6

φ H7 24 r6

总误差(概率算法):
?C ? 0.052 ? 0.022 ? 0.0332 ? 0.0122 ? 0.03152 ? 0.072
275

已知:套筒外径Td=0.1, 内孔TD=0.03,心轴Td1=0.02, 同轴度e=0.02 [解] b)? DW (54) ? Td ( 1 ? 1)
2 sin ? 2 ? 0.1 ( 2 ? 1) ? 0.0207 2

△DW(÷)=0 C)△jb=(Td/2)+e=0.1/2+0.02=0.07 △jw=Dmax-d1min=0.03+0.03=0.06 △DW=0.13 △DW(÷)=Dmax-d1min+e=0.08 d) △DW(54)=0 △DW(÷)= Td/2=0.05
276


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