车床夹具设计及配重要求

如图6.14所示为横拉杆接头零件，除M24×1.5-6H螺孔外，其余部分都已加工好。在普通车床上，大批量生产加工M24×1.5-6H螺孔，必须设计专用车床夹具才能保证生产率和精度要求。下面学习车床夹具的类型、结构、设计要点和设计方法。

图6.14　横拉杆接头

（1）车床夹具的主要类型和结构

车床夹具主要用于加工零件的内外圆柱面、圆锥面、回转成形面、螺纹及端平面等。车床上所用夹具均是围绕着以车床主轴为旋转轴线而形成的夹具，根据这一加工特点和夹具在车床上的安装位置，可将车床夹具分为以下两种基本类型：

①安装在车床主轴上的夹具。此类夹具中，除了各种卡盘、顶尖等通用夹具或其他机床附件外，往往根据加工的需要设计各种心轴或其他专用夹具，加工时夹具是随机床主轴进行旋转，切削刀具作进给运动。

②安装在滑板或床身上的夹具。对于某些形状不规则和尺寸较大的工件，因车床所加工的范围限制或零件的特殊形状要求，常常把夹具安装在车床的大、中拖板上作直线进给运动，而刀具安装在车床的主轴上作旋转运动。

车床夹具主要用于加工零件的内外圆柱面、圆锥面、回转成形面、螺纹面及端平面等。上述各种表面都是围绕机床主轴的旋转轴线而形成的，根据这一加工特点和夹具在机床上安装的位置，将机床夹具分为以下两种基本类型：

①安装在车床主轴上的车床夹具。安装在车床主轴上的车床夹具除三爪卡盘、四爪卡盘、花盘、前后顶尖以及拨盘与鸡心夹的组合通用车床夹具外，往往根据加工的需要设计专用车床夹具。加工时，夹具随机床主轴一起旋转，切削刀具作进给运动。

②安装在车床拖板上的夹具。对于某些形状不规则或尺寸较大的工件，常常把夹具安装在车床拖板上，刀具则安装在车床主轴上作旋转运动，夹具作进给运动。加工回转成形面的靠模属于安装在床身上的夹具。

根据夹具的结构特点，又将车床夹具分为心轴类车床夹具、圆盘式车床夹具和角铁式车床夹具等。

1）心轴类车床夹具

心轴类车床夹具多用于工件以内孔作为定位基准，加工外圆柱面的情况，常见的车床心轴有普通心轴、弹簧心轴和顶尖式心轴等。

如图6.15（a）所示为顶尖式心轴。该夹具的特点是，以工件内孔作为定位基准，加工外表面。适用于工件带有内孔，直径在φ32～φ100mm，工件长度在120～800mm的管类零件的车、磨削外表面零件。其特点是：操作简便、快捷，夹紧力可靠，夹具结构简单。

如图6.15（b）所示为涨力心轴套。该夹具主要适用于一些短套类零件在车削外表面或磨削外表面时所使用，其特点是：装卸方便、快捷，夹紧力适当，不易引起工件的变形等。

图6.15　心轴

2）圆盘式车床夹具

圆盘式车床夹具的夹具体为圆盘形，其加工的工件一般都形状复杂，多数情况是工件的定位基准为圆柱面和与其垂直的端面。夹具上的平面定位件与车床主轴的轴线相垂直。

如图6.16所示为回水盖工序图。本工序加工回水盖上2-G1螺孔。加工要求是：两螺孔的中心距为78±0.3mm，两螺孔的连心线与φ9H7两孔的连心线之间的夹角为45°，两螺孔轴线应与底面垂直。

如图6.17所示为加工回水盖上2-G1螺孔的圆盘式车床夹具。工件以底平面和两个φ9H7孔分别在分度盘3、定位销7和菱形销6上定位。拧螺母9，由两块螺旋压板8夹紧工件。车完一个螺纹孔后，松开3个螺母5，拔出对定销10，将分度盘3回转180°。当对定销10插入另一分度孔中，再拧紧3个螺母5，即可加工另一个螺孔。

图6.16　回水盖工序

图6.17　圆盘式车床夹具

1—过渡盘；2—夹具体；3—分度盘；4—T形螺钉；5，9—螺母；
6—菱形销；7—定位销；8—压板；10—对定销；11—平衡块

3）角铁式夹具

角铁式车床夹具的结构特点是具有类似角铁的夹具体。它常用于加工壳体、支座、接头类等零件上的圆柱面及端面。当被加工工件的主要定位基准是平面，被加工面的轴线对主要定位基准面保持一定的位置关系（平行或成一定的角度）时，相应的夹具上的平面定位件设置在与车床主轴轴线相平行或成一定角度的位置上。

图6.18　座板体零件工序图

根据以上对零件工序尺寸的分析，可选工件上的φ17.5mm孔轴心线和M，N两个平面为定位基准。如图6.19所示为该工序的车床夹具图。定位销3（短圆柱）、定位板4和活动导向定位板2共限制了6个自由度。以孔φ20H7和端面B作为与过渡盘的安装基准，表面K作为校正基准。在此需要说明一点，工件尺寸8±0.1mm由经过尺寸链换算过的3.5±0.06mm间接保证，即是夹具上所标尺寸3.5±0.02mm的由来。只要夹具在验收时满足尺寸3.5±0.02mm的要求，则零件尺寸8±0.1mm就能由工艺装备保证。

（2）车床夹具的设计要点

1）定位装置的设计

车床夹具在设计定位装置时，除考虑应限制的自由度外，最重要的是要使工件加工表面的轴线与机床主轴回转轴线重合。除此之外，定位装置的元件在夹具体上的位置精度与工件加工表面的位置尺寸精度有直接的关系。因此在夹具总图上，一定要标注定位元件的位置尺寸和公差（见图6.19的尺寸3.5±0.02mm），作为夹具的验收条件之一。另外，常常在车床夹具上设置找正孔、校正基圆或定位孔（见图6.19的尺寸φ20H7），以保证车床夹具精确地安装到机床主轴回转中心上。夹具体上定位套孔的轴线与夹具体的端面A垂直度公差为0.005mm，因为A面是夹具与车床过渡盘安装时的装配基准。

图6.19　角铁式车床夹具

1—平衡块；2—活动导向定位板；3—定位销；4—定位板；
5—定位套；6—夹具体；7—角铁；8—压板；9—螺母

2）夹具配重的设计要求

在车床上进行加工时，工件随夹具一起转动，将受到很大的离心力的作用，且离心力随转速的增高而急剧增大。这对零件的加工精度、加工过程中的振动以及零件的表面质量都会有很大的影响。因此，车床夹具要注意各装置之间的布局，必要时设计配重块加以平衡，如图6.19所示的序号1。

3）夹紧装置的设计要求

车床夹具在工作过程中要受到离心力和切削力的作用，其合力的大小与方向相对于工件的定位基准又是变化的。因此，夹紧装置要有足够的夹紧力和良好的自锁性，以保证夹紧安全可靠。但夹紧力不能过大，且要求受力布局合理，不至于破坏定位装置的位置精度。如图6.20所示为在车床上镗轴承座孔的角铁式车床夹具。如图6.20（a）所示的施力方式是正确的。如图6.20（b）所示的结构虽比较复杂，但从总体上看更趋合理。如图6.20（c）所示的结构尽管简单，但夹紧力会引起角铁悬伸部分及工件的变形，破坏了工件的定位精度，因此不合理。

4）夹具在车床主轴上的安装

车床夹具与主轴的联接精度直接影响到夹具的回转精度，从而造成工件的误差。因此，要求夹具的回转轴线与车床主轴回转轴线具有较高的同轴度。

车床夹具与机床主轴的联接结构形式在车床型号确定之后，可由机床使用说明书或有关手册查知。数控车床主轴前端一般都车有锥孔和外锥，或轴颈与凸缘端面等结构提供给夹具的联接基准。但要注意，同类机床因其生产厂家不同尺寸可能有差异。最可靠的确定方法，还是去现场测量，以免造成错误或损失。

图6.20　夹紧施力方式的比较(www.xing528.com)

确定夹具与机床主轴联接结构，一般根据夹具径向尺寸的大小而定。

①径向尺寸D＜140mm，或D＜（2～3）d的小型车床夹具，一般通过锥柄安装在主轴锥孔中，并以主轴后端穿一螺栓拉杆拉紧，以防止加工中受力松脱，如图6.21所示。这种联接方式结构简单，夹具与机床的安装精度较高。

图6.21　夹具在主轴锥孔中安

1—拉杆；2—主轴；3—夹具

②对于径向尺寸较大的夹具，一般通过过渡盘与车床主轴联接，如图6.22所示。过渡盘以内圆柱面与主轴前端轴颈用H7／h6或H7／js6配合定心，以螺纹与主轴联接。为安全起见，用两个带锥面的压块3，借螺钉的作用将过渡盘紧贴在主轴凸缘端面上，以防倒车惯性力的作用而松脱。

过渡盘与夹具多采用止口结构定位，采用H7／h6或H7／js6配合，并用螺钉紧固。过渡盘常为机床配件备用，但止口的凸缘与大端面是由用户根据需要自己就地加工的。

在设计车床夹具时，要特别注意在夹具体上设置校正基准，确保夹具的轴线与机床回转中心线的位置关系。

图6.22　夹具通过过渡盘与车床主轴联接

1—主轴；2—过渡盘；3—压块；4—夹具

5）对夹具总体结构的要求

车床夹具一般都是在悬臂状态下工作的，为保证加工过程的稳定性，夹具结构应力求简单紧凑、轻便且安全，悬伸长度要尽量小，重心靠近主轴前支承。为保证安全，装在夹具上的各个元件不允许伸出夹具体直径之外。不应该有突出的棱角，必要时应加防护罩。此外，还应考虑切屑的缠绕、切削液的飞溅等影响安全操作的问题。

①夹具的悬伸长度

夹具的悬伸长度L与轮廓直径D之比应参照以下数值选取：

a.直径小于150mm的夹具，L／D≤1.25。

b.直径在150～300mm的夹具，L／D≤0.9。

c.直径大于300mm的夹具，L／D≤0.6。

②夹具的静平衡

由于加工时夹具随同主轴旋转，如果夹具的总体结构不平衡，则在离心力的作用下将造成振动，影响工件的加工精度和表面粗糙度，加剧机床主轴和轴承的磨损。因此，车床夹具除了控制悬伸长度外，结构上还应基本平衡。角铁式车床夹具的定位元件及其他元件总是布置在主轴轴线一侧，不平衡现象最严重，故在确定其结构时，特别要注意对它进行平衡。平衡的方法有两种：设置平衡块和加工减重孔。

在确定平衡块的质量或减重孔所去除的质量时，可用隔离法作近似估算，即把工件及夹具上的各个元件，隔离成几个部分，互相平衡的各部分可略去不计，对不平衡的部分，则按力矩平衡原理确定平衡块的质量或减重孔应去除的质量。为了弥补估算法的不准确性，平衡块上（或夹具体上）应开有径向槽或环形槽，以便调整。

③夹具的外形轮廓

车床夹具的夹具体应设计成圆形，为保证安全，夹具上的各种元件一般不允许突出夹具体圆形轮廓之外。此外，还应注意切屑缠绕和切削液飞溅等问题，必要时应设置防护罩。

（3）车床夹具的精度分析

车削加工中，因车床夹具随主轴一起回转，工件上被加工成的回转面的轴线就代表车床主轴的回转轴线。工序基准相对于主轴轴线的变化范围就是加工误差，其大小受工件在夹具上的定位误差ΔD、夹具的位置误差ΔA和加工方法误差ΔG的影响。

由于工件的加工面是由刀具切削刃的成形运动所形成的，而这种成形运动来源于机床，因此，夹具在机床上安装时，定位元件对机床装夹面的相互位置误差必定导致一定的加工误差。该加工误差称为夹具的位置误差ΔA。它与下列因素有关：

①夹具定位元件与夹具体基面的位置误差，以ΔA1表示。

②夹具体基面本身的制造误差以及与机床的联接误差，以ΔA2表示。

车床心轴和其他车床专用夹具在机床上的位置误差可按以下方法确定：

①对于心轴，夹具的位置误差ΔA就是心轴工作表面的轴线与中心孔或者心轴锥柄轴线间的同轴度误差。

②对于其他车床专用夹具，一般用过渡盘与主轴轴颈联接。当过渡盘是与夹具分离的机床附件时，产生夹具位置误差的因素是：定位元件与夹具体止口轴线间的同轴度误差，或者相互位置尺寸误差；夹具体止口与过渡盘凸缘间的配合间隙，过渡盘定位孔与主轴轴颈间的配合间隙。