淺談機床夾具在設計過程中的幾點問題

摘要：制造業是一個國家或地區經濟發展的重要支柱，其發展水平標志著該國家或地區的經濟實力、科技水平、生活水準和國防實力。其中機械制造業是整個制造業的核心，其生產能力和水平標志著一個國家或地區國民經濟現代化的程度，而這種能力又取決于機械制造裝備的先進程度。在機械制造過程中機器零部件的精度控制與機床夾具的優劣程度有重要的關系。

關鍵詞：定位機構夾緊機構“四化”

機器零件在工藝規程制定后，就要按照工藝規程的順序加工。加工中工件相對于機床或是刀具要獲得正確的位置，機床夾具的好壞將直接影響工件加工表面的位置精度，所以機床夾具設計是加工過程的活躍因素，也是其中一項重要的工作。

1 機床夾具的功能

1.1 保證加工精度 工件加工過程通過機床夾具進行定位、加緊，以保證加工表面穩定的位置精度。

1.2 縮短輔助時間，提高生產率 夾具的使用，可以減少劃線、找正、對刀等輔助時間，多件，多工位的夾具及氣動、液動的夾緊裝置能進一步減少輔助時間，提高生產率。

1.3 擴大了機床的使用范圍 有的機床夾具實質上對機床進行了局部改造，擴大了原來機床的功能和使用范圍。

1.4 降低了對工人技術水平的要求和減輕工人的勞動強度，保證生產安全。

2 機床夾具的類型

2.1 通用夾具 通用性強的夾具，一般不需要調整就可以適應多種工件的安裝，在單價小批量生產中應用較廣。如三爪卡盤、平口鉗、萬能分度頭。

2.2 專用夾具 用于特定工件特定工序的夾具。廣泛應用于成批或是大批生產的工件中。如為銑削鍵槽專門設計的銑槽夾具。

2.3 組合夾具 它具有良好的互換性和耐磨性的一系列標準件組裝成的夾具。使用時根據工件結構和工序選擇適當的標準件組裝即可。但是剛性差，結構相對龐大，適用于單件或是小批生產中。

2.4 成組夾具 按照工件形狀、尺寸、材料和工藝的相似性分組，為每組工件的某道工序設計組內通用的專用夾具。通過對夾具中部分元件進行更換和調整，便可加工組內任何工件。柔性較強，適用于產品品種多，批量小時的工件。

2.5 隨行夾具 這類夾具一般在自動生產線上使用，除了裝夾工件外，還沿生產線輸送工件從一個工位到下一工位，所以稱之為隨行夾具。

3 機床的組成

機床夾具一般由定位、加緊和夾具體，不可缺少的三部分和導向對刀、動力、定位元件及其他輔助元件裝置構成。如下圖：

4 機床夾具設計

4.1 定位機構的設計

4.1.1 六點定位原理

采用六個按照一定規則布置的約束點，限制工件的六個自由度，使工件實現完全定位。常見的情況有四種：

①平面。采用1~3根支撐釘；采用1~2塊條形支撐板；采用一塊矩形支撐板。

②圓孔。采用短圓柱銷、長圓柱銷、兩段短圓柱銷；菱形銷、長銷小平面組合、短銷大平面組合；固定錐銷、浮動錐銷、固定錐銷和浮動錐銷組合；長圓柱心軸、短圓柱心軸、小錐度心軸。

③外圓柱面。采用一塊短V形銷、兩塊短V形銷、一塊長V形銷；一個短定位套、兩個短定位套、一個長定位套。

④圓錐孔。采用固定頂尖、浮動頂尖、錐度心軸。

4.1.2 限制工件自由度與加工要求的關系

根據工件加工表面的位置要求，將六個自由度全部限制時稱之為完全定位。當限制的自由度少于六個時，稱之為不完全定位。當需要的自由度均被限制，稱為定位的正常情況，可以是完全定位，也可以是不完全定位。當需要的自由度沒有完全限制，或是某個自由度被兩個或是兩個以上約束重復限制，稱為非正常情況，前者為欠定位，后者為過定位。

有兩種情況允許過定位：

①工件剛度差，在夾緊力、切削力作用下會產生很大變形，此事只是提高工件某些部位的剛度，減小變形。

②工件的定位表面和定位元件在尺寸、形狀、位置精度已很高時，過定位不僅對定位精度影響不大，還有利于提高剛度。

在實際加工中為解決限制工件自由度和加工要求的關系問題是還須注意以下幾點：

①不允許出現欠定位。即根據加工要求應予限制的自由度，但是并未限制，在實際中支撐點數目少于理論上的，于是工件的正確位置將無法保證。

②一般情況下，限制自由度數目越多，夾具的結構越是復雜，故為了簡化夾具結構，在保證工藝的前提下，限制的自由度數目應盡量減少；但是在任何情況下所限制的自由度數目不得少于三個，否則工件定位不穩定，而支撐點的布置取決于工件的形狀。

②為了便于夾緊或是合理的安排工件，實際采用的支撐點的數目允許多于理論分析的支撐點數目，但是一般不重復限制自由度。

4.1.3 定位誤差的產生及原因

定位誤差是指工序基準在加工方向上的最大位置變動量所引起的加工誤差。通常在加工后，由于尺寸、形狀、位置三方面偏離理想工件造成。大概有以下三方面因素造成：

①工件在夾具中的定位、夾緊誤差。

②夾具帶著工件安裝在機床上，相對于機床主軸或是刀具或是運動導軌的位置誤差。

③工件加工過程中由于機床的幾何精度、受熱變形、切削振動、工藝系統的受力等引起的誤差。

誤差產生的原因有如下幾種：

①基準不重合帶來的定位誤差。有平面定位誤差、工件以圓孔在心軸上定位的誤差、工件以外圓柱面在V形塊上定位的誤差、工件以一面雙孔定位的誤差四種。

②間隙引起的誤差。在使用心軸、銷、定位套定位時，定位面與定位元件間的間隙使工件定心不準產生的誤差。

③與夾具有關的因素引起的誤差。這類因素屬于夾具在設計制造過程中的誤差。如：定位基準面與定位元件表面的形狀誤差；導向元件和對刀元件與定位元件的位置誤差，及形狀導致的導向和對刀誤差；夾具的安裝誤差引起的位置誤差；夾緊力下的變形（工件或是夾具）引起的位置誤差；定位元件間的位置誤差，及夾具各構成元件的磨損帶來的誤差。

4.1.4 定位裝置的設計步驟

①了解本工序的加工要求。

②確定支撐點并選擇定位基準。

③選擇定位元件的結構及布置方式。

④分析定位精度。

4.2 夾緊機構的設計

一個夾具在性能上的優劣，除了從定位性能上加以評定外，還需考核夾緊機構的可靠性、操作方便性。其機構的復雜程度基本決定了夾具的復雜程度。因此夾緊機構在夾具設計中占有重要地位。

4.2.1 夾緊機構設計應滿足的要求

①夾緊必須保證定位準確可靠，不能破壞定位。

②夾具和工件的變形必須在允許的范圍內。

③夾緊機構必須安全可靠，要有足夠的剛度和強度，手動式必須保證自鎖，機動式應有聯鎖保護裝置，夾緊行程必須足夠。

④夾緊機構必須在操作上安全、省力、迅速、方便、符合工人操作習慣。

⑤機構復雜程度，自動化程度必須與工廠條件和生產綱領適應。

4.2.2 夾緊力的確定

夾緊力包括方向、作用點、大小三要素，是設計中首先要解決的問題。

①方向的確定：應用有利于工件的準確定位，不能破壞定位，一般要求主夾緊力應垂直于第一定位基準面；應與工件剛度高的方向一致，以利于減少工件變形；應盡可能與切削力、重力方向一致，以有利于減小夾緊力。

②作用點的選擇：應與支承點進行點對點的對應，或在支承點的確定區域內，以避免破壞定位或造成較大的夾緊變形；作用點應作用在工件剛度高的部位；應與支承點盡量靠近切削部位，以提高工件切削部位的剛度和抗振性；夾緊力的反作用力不應使夾具產生影響加工精度的變形。

③夾緊力的確定：在需要準確的場合，一般經過實驗確定；計算時將夾具和工件看作一個剛性的系統，以切削力的作用點、方向、大小處于最不利于加緊時的狀況為工件受力狀況，根據切削力、夾緊力（運動中的工件考慮慣性力，大件考慮重力），以及夾緊機構的具體尺寸列出靜力平衡方程，求出理論夾緊力，再乘以安全系數，作為實際所需夾緊力；一般情況下由于切削力可以近似估算，再根據工件和支承件之間的摩擦因數可以進行粗略的估算。

4.2.3 常見的夾緊機構

①斜楔夾緊機構。使用楔塊楔入夾具與工件之間，由于斜面移動產生壓力，把工件夾緊。

②螺旋夾緊機構。相當于一個斜楔繞在圓柱上，其夾緊過程是通過轉動螺旋使斜楔在高度上發生變化，實現對工件的夾緊。具有結構簡單、增力大、自鎖性好的優點，廣泛應用于機床夾具。

③偏心夾緊機構。相當于是斜楔包在圓盤上，由于結構比斜楔緊湊，夾緊迅速，但是夾緊行程小，增力倍數不大，通常不單獨使用，與壓板組成的機構應用較廣泛。

4.3 動力裝置

4.3.1 氣動夾緊裝置 采用壓縮空氣作為裝置的動力源。壓縮氣體具有粘度小，不污染，分配輸送方便的有點。但是夾緊力比液壓的小，結構尺寸大，有排氣噪聲。

4.3.2 液動夾緊裝置 結構原理和氣動的相似，具有工作壓力大，裝置緊湊；油的不可壓縮性，以致裝置剛度大，工作平穩可靠；噪聲小等優點。由于需供油裝置，成本較高，應用于切削力大的場合。

4.3.3 氣液動夾緊裝置 利用壓縮空氣為動力，油液為傳動介質，兼顧氣動和液動兩種裝置的優點。通常將壓縮空氣的動力轉換為較高的液體壓力以供應夾具的夾緊油缸。

4.3.4 真空夾緊 是利用工件上基準面與夾具上定位面間的封閉空腔處于真空時的吸力來夾緊工件。實質上是利用大氣壓力來夾緊工件，適合于夾緊薄壁易變形的零件。

4.3.5 電磁夾緊 如平面磨床上的電磁吸盤，當線圈通直流電，鐵芯將產生磁場，在磁力作用下將導磁工件夾緊。由于電磁力不大，因此只適宜于切削力小的加工中。

4.3.6 自夾裝置 直接利用機床的運動或是切削力來進行夾緊，包括重力、慣性力、彈性力等，而不需要另設動力源。

4.4 其它裝置

4.4.1 孔加工的導向裝置 為了保證孔加工過程的位置精度，增加鉆頭和鏜桿的支承以提高其剛度，減少刀具的變形，確保孔加工的位置精度。常見有鉆模、鉆模版、鉆套（固定鉆套、可換鉆套、快換鉆套、特殊鉆套）和鏜套（固定鏜套、回轉式鏜套）。

4.4.2 對刀裝置 在銑床和刨床中，刀具相對工件的位置需要調整，常設對刀裝置。應用對刀塊，在刀具刀刃和對刀塊之間放置塞尺，當刀刃接近塞尺時，抽動塞尺，有摩擦力存在，抽走塞尺，開動機器進行加工。

4.4.3 分度裝置 加工有角度分布的表面時應用。為了簡化可以把夾具安裝在通用的回轉工作臺上實現分度，但是精度較低。

4.4.4 對定裝置 在進行機床夾具總體設計時，考慮機床上的定位、固定才能保證夾具相對于機床主軸、運動導軌有準確的位置和方向。銑床、刨床和鏜床夾具一般裝在機床工作臺上，車床上一般裝在機床主軸上。

4.5 加工中心的夾具設計注意的問題

4.5.1 防止夾具與機床的空間干涉。

4.5.2 為簡化定位和裝夾，夾具的每個定位面相對于機床的坐標原點應有精確的坐標尺寸。

4.5.3 夾具應盡可能少的元件數和具有較高的剛度。

4.5.4 為了在一次裝夾中能加工與底面相交的表面，夾具應設有工件托起一定高度的等高墊板。

5 現代機床夾具的發展方向

為適應現代機械發展的高、精、尖的發展方向，現代夾具的發展主要體現為“四化”。

5.1 標準化 對現有夾具的零部件，各類型的夾具結構及專用夾具的零部件實行統一的標準化、系列化、通用化，是原來單件生產的夾具，轉變為專業化的生產，以降低成本，保證質量，縮短產品的生產周期。

5.2 柔性化 加強專用夾具與同一類零件加工的夾具之間的可調性；加強專用夾具的重復利用，實行組合化后，減少因工藝的不同造成的夾具的報廢情況。

5.3 精密化 機械產品的不斷精密使得高精度機床的大量涌現，勢必要求機床夾具跟隨時代發展步伐實現精密化。

5.4 高效自動化 未獲得良好的效益，機械加工在不斷的提高生產率、降低成本、改善勞動強度，同樣要求著機床夾具的發展要滿足自動流水線的生產要求，中小批量的產品生產同樣需要考慮適合自身程度的高效自動化。

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