典型夹紧机构的设计与运用

夹紧机构是夹紧装置的一个重要组成部分，机床夹具中所使用的夹紧机构多数都是利用斜面楔紧的作用原理来夹紧工件的，其中最基本的形式就是直接利用有斜面的楔块，即斜楔夹紧机构。螺旋夹紧机构、偏心夹紧机构等不过是楔块的变种。

2.3.2.1　斜楔夹紧机构

斜楔夹紧机构是利用楔块的斜面移动时所产生的压力来夹紧工件的一种机构。如图2-29所示，楔块在力的作用下，楔入工件与夹具体之间，而具有楔紧作用，原始作用力可用手动、气动或液压传动装置进行驱动。

图2-29　斜楔夹紧机构

1.夹紧力的计算

楔块所能产生夹紧力的大小可根据图2-30所示的受力分析情况进行计算。在原始力Q的作用下，楔块楔入工件与夹具体之间后，将受到工件对它的反作用力W(即楔块对工件的夹紧力，但方向相反)和摩擦力F2，以及夹具体对它的反作用力R和摩擦力F1，其中R与F1的合力为R'，W与F2的合力为W'。

夹紧时原始力Q与R'、W'两力在水平方向的分力处于平衡，如图2-30(a)所示，根据力的平衡条件可得:Q=W·tanφ2+W·tan(α+φ1)

图2-30　斜楔夹紧受力分析

则

式中:α——斜楔的斜角;

φ1——斜楔与夹具体之间的摩擦角;

φ2——斜楔与工件之间的摩擦角。

因为α、φ1与φ2均很小且φ1=φ2=φ时，可用下式近似计算:

2.自锁条件

夹紧机构一般都要求具有自锁性，自锁性是指当原始作用力撤除后，夹紧机构仍能保持对工件进行夹紧状态而不会松开的性能。斜楔夹紧机构的自锁条件是:楔角α不能超过某一数值。如图2-30(c)所示，当两合力W'与R'大小相等方向相反，并位于一条直线上时，其外力Q为零，则有α0=φ1+φ2，可得自锁条件为

一般φ1=φ2=5°～7°，则α≤10°～14°

为确保夹紧机构的自锁性能，通常取α=5°～8°。当用气动或液压等装置实现斜楔夹紧时，其斜角不受限制。

3.斜楔夹紧机构的特点

(1)增力作用好。由夹紧力计算公式可得，极限增力比为，斜角α越小，增力比越大。

(2)夹紧行程小。斜角α越小，夹紧行程越小。

(3)当斜角α≤φ1+φ2时，具有自锁性。α角越小，自锁性能越好。

(4)手动夹紧效率低。在气动或液压夹紧装置中作为增力机构应用较多。

2.3.2.2　螺旋夹紧机构

螺旋夹紧机构是利用螺钉或螺母的旋转所产生的压力来夹紧工件的一种机构，在机床夹具中应用最广，其中主要有单螺旋夹紧和螺旋压板组合夹紧等形式。

1.单螺旋夹紧

如图2-31所示为单螺旋夹紧机构。图(a)为最简单的螺旋夹紧，旋紧时需用扳手，螺钉转动时有可能带动工件而破坏定位，且其末端与工件接触面积较小，容易压伤工件表面。图(b)所示结构，螺杆1的下端装有浮动压块3，压块与螺杆之间存在间隙，可以摆动，保证与工件表面有良好的接触。图(c)所示为用螺母进行夹紧的机构，螺母与工件表面之间增加球面垫圈，可使工件受的夹紧力均匀分布，同时避免螺杆产生弯曲变形。螺旋可以看做是绕在圆柱体上的一个斜楔，因此螺旋夹紧机构的夹紧力计算与斜楔相似。图2-32所示为夹紧状态下螺杆的受力示意图。

图2-31　单螺旋夹紧机构

图2-32　螺杆受力分析

原始作用力Fs施加于手柄后，螺杆转动而实现对工件的夹紧时，螺杆还将受到的力有:螺母的反作用力FN与螺纹面上的摩擦力FM2，以及工件或压块的反作用力Fj(即夹紧力)与摩擦力FM1。将FN与FM2两力合成为FR2，力FR2分布于整个螺纹面，计算时可视为集中在螺纹中径处，再将FR2分解为水平分力FRx与垂直分力FRy，根据静力平衡的条件，对螺杆中心的力矩为零，即

M—M1—M2=0。

式中:M——产生的力矩

M1——工件或压块表面对螺杆的作用力矩(即摩擦力矩)，M1=FM1R'=Fjtanφ1R';

M——螺母对螺杆的作用力矩，M=F R'=22M1=F tan(α+φ)j2

即:F L－F tanφR'－F tan(α+φ)(α+φ)

可得

式中:L——作用力臂，mm;

α——螺纹升角，°;

dz——螺纹中径，mm。

φ1——螺杆端部与工件或压块的摩擦角，(°);

φ2——螺母与螺杆之间的摩擦角，(°);

R'——螺杆端部与工件或压块的当量摩擦半径，mm(见表2-2)。

以上分析计算适用于方牙螺纹，对其他螺纹可按下式计算:

式中:φ1'——螺母与螺钉的当量摩擦角，(°)(见表2-2)。

表2-2　螺纹端部与工件(A或压脚)的当量摩擦半径、螺纹与螺钉的当量摩擦角计算公式

2.螺旋压板夹紧机构

螺旋压板夹紧机构是由螺旋和杠杆(即压板)组合的夹紧装置，是以螺旋作为产生原始作用力的元件，再利用压板改变夹紧力的大小、方向与夹紧行程，对工件进行夹紧。

如图2-33所示，其中图(a)的结构为移动式螺旋压板夹紧机构，压板4下面开有长槽，使压板能沿槽方向进行移动，便于工件装卸。弹簧2起支撑压板的作用，使其在工件卸下后不致下落。螺母下面装有球面垫圈5，这样当工件高度尺寸的变化使压板倾斜时，螺杆不致在夹紧工件时受力弯曲。图(b)的结构为带有铰链压板的夹紧机构，它能在两个方向上产生夹紧力，且分别指向两个定位元件的支承面。如图2-34所示的结构为钩形压板夹紧机构，其突出特点是结构紧凑，螺杆不受弯矩，在夹具中应用广泛。为便于工件装卸，钩形压板可绕其轴线进行回转。

图2-33　螺旋压板夹紧机构

母2—弹簧3—螺杆4—压板5—球面垫圈6—螺母7—垫圈8—工件

图2-34　钩形压板

1—钩形压板2—套筒

综上所述，螺旋夹紧机构的主要优点是增力比较大，能产生很大的夹紧力，自锁性能好，设计时不必考虑自锁条件，结构简单，适应性强，一般可以获得较大的夹紧行程，因此在各类夹具中应用广泛。缺点是螺旋夹紧动作较慢，设计时可采用快撤装置，以缩短螺旋夹紧的辅助时间。如图2-35所示，其中图(a)的结构采用了回转压板，只要稍微旋松螺钉，螺钉就可随同压板一起回转一定角度，让出空间便于装卸工件;图(b)的结构采用了开口垫圈，只要旋松螺母，即可卸下开口垫圈，工件便可进行装卸。

2.3.2.3　偏心夹紧机构

偏心夹紧机构是利用转动中心与几何中心偏转的圆盘转动时所产生的压力来夹紧工件的一种机构，这种机构结构简单，操作方便，是一种动作快速的夹紧机构。如图2-36所示为几种较典型的偏心夹紧机构。

1.偏心夹紧原理

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图2-35　快速螺旋夹紧机构

图2-36　偏心夹紧机构

图2-37　偏心夹紧机构

1—手柄2—偏心轮3—轴4—垫板5—压板

如图2-37所示是一种常见的偏心压板夹紧机构。以原始力Q作用于手柄1，使偏心轮2绕轴3转动，偏心轮的圆柱面压在垫板4上，在垫板的反作用力下，小轴3向上移动，推动压板压紧工件。偏心轮的夹紧原理如图2-38所示，偏心轮直径为D，几何中心为O1，转动中心为O2，偏心距为e。当以O2为圆心，以(R—e)为半径作一虚线圆(称基圆)，则图中的影线部分就相当于一个弧形楔绕在基圆盘上;当原始作用力Q使偏心轮绕O2点转动时，就相当于把弧形楔逐渐楔入在基圆盘(或转轴)与工件受压面之间，产生夹紧力W而将工件夹紧，因此偏心轮实际上是斜楔的一种变形，其夹紧原理与斜楔相似。

图2-38　圆偏心夹紧工作原理

2.几何特性

如图2-39所示，假设偏心轮几何中心O1不动，而回转中心O2在偏心轮夹紧过程中是绕O1转动，因此O2到工件受压面之间垂直距离h的变化，由图可知:

h=O1O1M=R－e cosγ(2-14)

式中:R——偏心轮半径;

e——偏心轮几何中心O1与转动中心O2的距离，称为偏心距;

γ——夹紧点X的法线O1X与两中心O1、O2的连线间的夹角，称为偏心轮的回转角。

图2-39　圆偏心几何关系

偏心轮在转动过程中将引起距离h发生变化，其值与角度γ有关，随着γ角由0→π，h值将从(R－e)→(R+e)。偏心轮就是利用h值的变化对工件进行夹紧的。

偏心轮的升角α，是夹紧点X处O1X的切线与回转半径O2X的切线间的夹角，即O1X与O2X间的夹角，其特点为升角α不是一个常数，而与夹紧点的位置(即与回转角γ)有关。对于任意夹紧点X处的升角αx由图示关系可以求得

显然，当γ=0或π时，α=0，相当于斜楔的楔角为零，当γ接近π/2时，α角达到最大值，可得

3.偏心轮设计

(1)偏心量。偏心量e的大小将影响偏心轮的夹紧行程。夹紧时，偏心轮以γ=0转至γ=π，即利用半圆弧OA工作，如图2-40所示，其夹紧行程为hAO=hA－hO=2e，这时，操作手柄需要180°转动，实际操作时，板转角度应限制在180°以内，即利用一段圆弧BC为工作段，偏心轮将从γ=γB转到γ=γC，这时，偏心轮的行程hBC=hC－hB=(R－e×cosγC)－(R－e×cosγB)，可得

设计时通常取γB=45°，γC=135°，则

hBC的值应大于工件在夹紧方向上的尺寸公差T，其超过量主要考虑装卸工件方便所需的间隙，应≥0.3mm，夹紧机构弹性变形的补偿量，可取0.05～0.15mm，夹紧行程的贮备量，可取0.1～0.3mm，以及偏心轮的制造误差和磨损的补偿量等，一般有

(2)偏心轮直径。偏心量确定后，偏心轮直径主要取决于自锁条件。根据斜楔夹紧机构的自锁条件:α≤φ1+φ2，因此，只要能使升角αmax≤φ1+φ2，则偏心轮圆周上任意一点都能满足自锁要求。为了使夹紧可靠，通常忽略转轴处的摩擦角φ2，由式(2-16)可得偏心夹紧机构的自锁条件为

式中:μ——偏心轮与工件(或压板)接触处的摩擦系数，一般μ=0.1～0.15，则≥141～20;

——偏心轮的偏心特性参数。

(3)夹紧力的计算。偏心夹紧机构所能产生夹紧力的大小，可根据图2-40所示的受力分析情况进行计算。在原始力Q的作用下，偏心轮转动时，相当于在夹紧点P处地斜楔施加了一个力F'，使其楔入转轴与工件之间后，斜楔在力F的水平分力Fs'×cosα的作用下，所产生的夹紧力由斜楔夹紧力公式(2-9)可求得

图2-40　圆偏心夹紧力

由于升角α很小，故Fs'×cosα≈F，又因为Fs'对转动中心O2的力矩F'×r与原始力矩FL等效，即Fs'=FsL/r，代入式(2-20)可得

式中:W——夹紧力;

F——施加在手柄上的原始作用力;

L——手柄长度;

φ1——偏心轮与工件(或压板)间的摩擦角;

φ2——偏心轮与转轴间的摩擦角;

r——偏心轮转动中心至夹紧点间的距离。

偏心夹紧机构的主要优点是动作迅速，但自锁性能较差，夹紧行程较小，所产生的夹紧力也不大，主要适用于切削负荷不大，且无很大振动的场合，如精加工时多用。

2.3.2.4　定心夹紧机构

定心夹紧机构是对工件的定心定位与夹紧同时进行的一种夹紧机构。这种机构在夹紧过程中能使工件的某一轴线或对称面位于夹具中的指定位置，即完成夹紧工件的同时，工件也实现了定心定位。

例如工件以外圆在V形块上定位时，由于工件基准外圆的尺寸偏差，使其中心位置发生变化，即产生了基准位置误差。如果采用定心夹紧机构，如图2-41所示，图(a)中表示对于回转体工件，不论工件基准外圆尺寸在公差范围内如何变化，理论上都可以保证工件的外圆中心O始终处于夹具中的指定位置，即不会产生基准位置误差。图(b)中表示对于非回转体工件，不论工件的外形尺寸在公差范围内如何变化，都可以保证被加工的两个小孔始终与大孔的中心对称。

图2-41　定心夹紧示意图

定心夹紧机构从工作原理上可分为两大类型:

1.定位—夹紧元件以等速移动来实现定心夹紧

如图2-42所示，其中图(a)为螺旋式定心夹紧机构，螺杆1两端分别有螺距相等的左右螺纹，旋转螺杆1时，通过左右螺纹带动两个V形块2、3同时移向中心，从而对工件实现定心夹紧，螺杆的中间设有沟槽，卡在叉形零件4上，叉形件的位置通过螺钉5进行调节，以保证螺杆处于所需的工作位置。图(b)为偏心式定心夹紧机构，转动手柄1时，双面曲线对称的凸轮2夹爪3、4从两面同时移向中心，从而对工件实现定心夹紧。图(c)为斜楔式定心夹紧机构，当推杆D通过油缸或汽缸推动锥体A向右移动，使夹爪B向外伸出，对套环类零件进行定心夹紧。

这一类定心夹紧机构，对工件的定心精度不高，但所产生的夹紧力与夹紧行程较大，主要适用于粗加工和半精加工场合。

图2-42　定心夹紧机构

2.定位—夹紧元件靠弹性变形来实现定心夹紧

这一类定心夹紧机构，是利用弹性元件受力后的均匀弹性变形对工件进行定心夹紧的机构，亦称弹性定心夹紧机构，对工件的定心精度较高，但所产生的夹紧力与夹紧行程不大，主要适用于半精加工和精加工场合。

图2-43所示，为弹簧夹头和弹性心轴，分别对工件的外圆和内孔进行定心夹紧。图中弹簧套筒2是定心和夹紧元件，带锥面一端开有三条或四条轴向槽，通过锥面的作用使其产生弹性变形，对工件进行定心夹紧。

图2-43　弹簧夹头和弹性心轴

图2-44所示为鼓膜夹具。图中弹性盘1是定心和夹紧元件，设有六个至十二个夹爪，爪上装有可调螺钉5，在外力通过推杆8的作用下，弹性盘产生弹性变形，使夹爪张开，放入工件后去掉外力Q，弹性盘的弹性恢复对工件的外圆进行定心夹紧，这种夹具定心精度高，最适合于薄壁套筒和环类零件的精加工。图2-45所示为液性塑料定心夹具，图中薄壁套筒2是定心和夹紧元件，其内浇注了一种在常温下呈冻胶状的液性塑料3(成分为聚氯乙烯树脂、邻苯二甲酸二丁酯、硬脂酸钙和真空油)，当旋入加压螺钉5时，通过柱塞4挤压液性塑料，由于液性塑料的不可压缩性，将压力传递给薄壁套筒，使之产生均匀弹性变形，而对工件的内孔进行定心夹紧。当液性塑料浇注在薄壁套筒的外圆表面时，套筒在压力作用下产生径向缩小，可对工件的外圆进行定心夹紧。

图2-44　鼓膜夹具

图2-45　液性塑料定心夹具