机床夹具基础及其重要性

夹具是机械制造中一项非常重要的工艺装备，也是工艺系统中的一个重要组成部分。

基准是指用来确定生产对象几何要素间的几何关系所依据的那些点、线、面。它是计算、测量或标注尺寸的起点。根据基准的作用不同，可以分为设计基准和工艺基准两大类。

（1）设计基准

设计基准是指在设计图样上所采用的基准。如图10-12（a）所示的轴套零件，其外圆和内孔的设计基准是轴心线O-O，端面B、C的设计基准是端面A，ϕ40h6外圆径向跳动和端面B的端面跳动的设计基准是轴心线O-O；在没有特殊说明的情况下，两个要素之间有时是互为基准的。如对图10-12（a）中尺寸L而言，A面是C面的设计基准，也可以说C面是A面的设计基准。

作为基准的点、线、面在零件上不一定存在，而常常是由某些具体表面来体现，这些表面称为基面。例如图10-12（a）中的轴心线O-O。

（2）工艺基准

工艺基准是指在加工工艺过程中所采用的基准。按其用途不同，又可分为工序基准、定位基准、测量基准和装配基准。

1）工序基准 是指在工序图上用以确定本工序被加工表面加工后的尺寸、形状及位置的基准。其所标注的加工面尺寸，称为工序尺寸。如图10-12（b）所示的支承块零件，加工C面时按尺寸h进行加工，则底面D是工序基准，h是工序尺寸。

2）定位基准 是指在加工中用于零件定位的基准。如图10-12（a）所示的零件，外圆ϕ40h6是用内孔套在心轴上加工的，所以内孔是定位基准。又如图10-12（b）所示的零件，加工内孔是用底面D和端面A作为定位基准，以保证孔对D面的垂直和尺寸l₂的精度。

3）测量基准 是指在加工中或加工后对零件进行测量时所采用的基准。如图10-12（a）所示的零件，ϕ40h6外圆径向跳动和端面B的端面跳动，是以内孔套在检验心轴上进行测量的，所以内孔是测量基准。

4）装配基准 是指在装配时，用来确定零件或部件在产品中的相对位置所采用的基准。如图10-12（b）所示的零件，底面D为装配基准。

图10-12 基准示例

在机械加工过程中，为了保证加工精度和提高生产效率，必须使零件在机床上或夹具中相对刀具占有正确的位置，这一过程称为定位。零件定位后还需将其固定，使其在加工过程中受各种力的作用能保持定位位置不变的操作，称为夹紧。定位、装夹的过程称为装夹。完成零件装夹的装置称为机床夹具，简称夹具。工件常用的装夹方式有以下三种。

（1）直接找正装夹法

图10-13 直接找正装夹法

直接找正装夹法是指零件定位时，由操作工人利用百分表、划针等量具（量仪）或目测在机床上直接找正零件上某些有相互位置要求的表面，使零件处于正确的位置，然后夹紧的一种装夹方法。在这种装夹方式中，找正面就是零件的定位基准。如图10-13所示的套筒零件，为了保证磨削后内孔与外圆表面同轴度的要求，加工前将零件装在四爪单动卡盘上，用精加工过的外圆以百分表直接找正后进行加工即可。

直接找正装夹法生产效率低，加工精度取决于工人操作技术水平和所使用量具的精确度，一般用于单件小批量生产中。

（2）划线找正装夹法

划线找正装夹法是指在零件表面上按图样要求划出中心线、对称线和各待加工表面的加工位置线，然后在机床上按划好的线找正零件的位置并将零件夹紧的一种装夹方法。如图10-14所示为在牛头刨床上按划线找正装夹，先在零件底面垫上适当厚度的铜片，通过调整垫片的厚度按划线找正位置后夹紧零件。此时，零件上用于找正的线即为定位基准。

划线找正装夹法生产效率低，装夹精度也不高，多用于生产批量较小、毛坯精度较低以及大型零件的粗加工中。

（3）夹具装夹法

夹具装夹法是指用夹具上的定位元件使零件获得正确位置的一种装夹方法。采用这种方法时，零件定位迅速方便，定位精度高，但需设计、制造专用夹具。

图10-14 划线找正装夹法

夹具装夹法广泛用于大批量生产中。

（1）夹具的作用

夹具具有保证加工精度的稳定；缩短辅助时间，提高劳动生产率；扩大了机床的使用范围和减轻劳动强度，保证安全生产的作用。

（2）夹具的分类

1）按夹具通用程度不同分类

①通用夹具 是指结构、尺寸已规格化并具有很大通用性的夹具，其在一定范围内无须调整或稍加调整就可以装夹不同的零件。例如，车床上的三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘；铣床上的万能分度头、回转工作台及机床用平口台虎钳等，主要用于单件小批生产中。

②专用夹具 是指为某一零件的某道工序的加工而专门设计和制造的夹具。这类夹具主要适用于大批量生产。

③可调夹具 是综合了通用夹具和专用夹具的特点而发展起来的一种新型夹具，在加工不同类型和不同尺寸的零件时，只需调整或更换原夹具上个别元件便可实施加工。它一般可分为通用可调夹具和成组夹具两种，前者的通用性比通用夹具更大；后者是一种专用可调夹具，是为采用成组加工方法的某一组零件专门设计和制造的，主要用于多品种小批生产中。

④组合夹具 是一种模块化的夹具，由预先制造好的通用标准部件经组装而成。当产品变更时，夹具在短时间内经拆卸、清洗后可重新组装成另一种形式的夹具，特别适合于新产品试制、中小批量多品种生产和数控加工。

⑤随行夹具 是一种在自动线或柔性制造系统中使用的夹具。

2）按使用的机床分 可分为车床夹具、钻床夹具、铣床夹具、镗床夹具、磨床夹具等。

3）按使用的动力源分 可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、电动夹具等。

（3）夹具的组成

虽然各类机床夹具的结构不同，但就其组成元件的功能来说，可分为以下几个组成部分。

1）定位元件 它与零件的定位基准相接触，用以确定零件在夹具中的正确位置。如图10-15中的定位销6。

2）夹紧装置 其作用是保证零件在夹具中已定位好的位置，不受加工过程中外力的作用而破坏，使加工得以顺利进行，如图10-15中的螺母5和开口垫圈4。

3）夹具体 是夹具的基础件，用于连接夹具上各个元件或装置，使之成为一个整体。它与机床相结合，使夹具相对机床具有一个确定的位置。如图10-15中的夹具体7。

4）对刀元件 用于确定夹具与刀具的相对位置。如图10-15中的钻套1。

5）其他装置或元件 为满足设计给定条件及使用方便，有些夹具还要设置分度装置、靠模装置、上下料装置、顶出器等。

图10-15 钻床夹具

1—快速钻套 2—导向套 3—钻模板 4—开口垫圈 5—螺母 6—定位销 7—夹具体

（1）零件的定位

零件的定位有两层含义，一种是夹具在机床上的定位，即将夹具安装在机床上，经过调整后使夹具、刀具及机床之间获得正确的相对位置；另一种是零件在夹具中的定位，即使零件在夹具中占有一个正确的位置。

（2）六点定位原理

任何一个自由刚体（零件）在空间直角坐标系中都有六个自由度。如图10-16所示，零件可以沿三个互相垂直的坐标轴移动，分别用、、表示。还可以绕三个坐标轴转动，分别用、、表示。这样，零件在这六个自由度方向上的位置就没有被确定。

零件要正确定位，就必须限制这六个自由度，实现的方法是用适当布置的六个支承点来限制零件的六个自由度。如图10-17所示，在空间坐标系的XOY平面上布置三个支承点1、2、3，使零件的底面紧贴在这三点上，限制了、、三个自由度；在YOZ平面上布置两个支承点4、5，使零件的侧面紧贴在这两点上，限制了、两个自由度；在XOZ平面上布置一个支承点，使零件的端面紧贴在这一点上，限制了一个自由度。这种用合理分布的六个支承点限制零件六个自由度的方法，称为六点定位原理。

图10-16 刚体的六个自由度

图10-17 零件的六点定位

按照限制零件自由度数目的不同，定位方法可分为以下几种。

（1）完全定位

完全定位是指零件的六个自由度全部被限制的一种定位状态。如图10-17所示即为完全定位。当零件在三个坐标方向上均有尺寸或位置精度要求时，一般采用这种定位方式。

（2）不完全定位

不完全定位是指零件被限制的自由度数目少于六个，但能保证加工要求的一种定位状态。如图10-18所示导板磨平面的加工，其要求为保证板厚C和加工面与底面B平行。这时只需限制、、三个自由度，就能保证加工要求。

（3）欠定位

欠定位是指零件实际定位所限制的自由度数目少于按其加工要求所必须限制的自由度数目时的一种定位状态。由于应限制的自由度未被限制，必然无法保证工序所规定的加工要求。如图10-19所示的球体零件钻孔加工，若自由度没有被限制，势必使孔的深度超差；若、自由度没有被限制，势必使孔的位置精度超差。因此，欠定位是不允许的。

图10-18 不完全定位实例(www.xing528.com)

图10-19 欠定位实例

（4）过定位

过定位是指多个支承点重复限制同一个自由度的一种定位状态，又称为重复定位。如图10-20（a）所示的插齿用夹具，零件以内孔在心轴上定位，则被限制了、、、四个自由度；又以端面在支承凸台上定位，被限制了、、三个自由度。这样，、自由度被重复限制了。若处理不当，将引起零件与心轴及支承凸台接触不良，造成定位不稳或夹紧变形，如图10-20（b）所示。所以，在这种情况下过定位是不允许的。但过定位若使用得当，则可起到增加刚性和定位稳定性的作用。

图10-20 过定位实例及消除措施

防止过定位或减小因过定位引起的干涉，通常采取下述两种措施。

1）改变定位元件的结构 如图10-20（c）所示，采用球面垫圈后，支承凸台就只限制一个自由度，消除了过定位。这样，即使齿轮坯内孔与端面的垂直度误差较大，零件或心轴也不会在夹紧时发生变形。

2）提高定位基面之间以及定位元件工作表面之间的位置精度 如在图10-20（a）所示的夹具中，若提高齿轮坯内孔与端面之间的垂直度精度以及夹具心轴与凸台的垂直度精度，使其两个误差之和小于或等于心轴与齿轮坯内孔之间的间隙。这样，重复定位的支承点之间就不会发生干涉，反而会提高齿轮坯在加工中的刚性和稳定性，保证了加工精度。

（1）零件以平面定位的定位元件

主要支承是指能限制零件自由度和起定位作用的支承。它可分为以下几类。

1）固定支承 是指在夹具体上其位置固定不变时的定位元件。常用的固定支承有支承钉和支承板两种类型。

a.支承钉 有三种形式，如图10-21（a）所示。其中A型是平头支承钉，用于精基准定位；B型是球头支承钉，多用于粗基准定位；C型是齿纹头支承钉，常用于零件侧面定位。

b.支承板 大中型零件以精基准面定位时，多采用支承板定位。如图10-21（b）所示为支承板的结构形式，其中A型支承板适用于侧面及顶面的定位；B型支承板适用于底面定位。

图10-21 支承钉与支承板

2）可调支承 是指支承点的位置可以根据需要进行调节的支承，如图10-22所示。它主要用于形状尺寸变化较大且又以粗基准定位的分批铸造毛坯。可调支承在调整时，应先松后调，调好后用防松螺母锁紧。如图10-23所示为可调支承定位的应用示例。零件为砂型铸件，先以B面定位铣A面，再以A面定位镗双孔。若采用固定支承定位铣A面，由于不同批次的毛坯定位基准面B相对于两孔的尺寸和形状误差变化较大，将会引起铣完后的A面与两毛坯孔（图中虚线所示）的距离尺寸H₁、H₂变化也较大，致使镗孔时余量偏向一边，甚至出现余量不够的现象。因此，图中采用了可调支承。应注意，可调支承在一批零件加工前调整一次，在同一批零件的加工中应保持不变，其作用相当于固定支承。

图10-22 可调支承

3）自位支承 是指在零件定位过程中，能自动调整位置的支承，也称为浮动支承，它通常用于毛坯平面、断续平面以及阶梯平面的定位。这类支承一般具有两个以上的支承点，各点之间互有联系，零件定位基面压下其中一点，就迫使其余的点上升，直到各点全部与零件接触为止。接触点的增加，提高了零件的装夹刚度和稳定性，但其作用仍相当于一个固定支承，只限制零件一个自由度。如图10-24所示为两点式自位支承，其中图10-24（a）为杠杆式，图10-24（b）与图10-24（a）相同，适用于基准为阶梯定位。

图10-23 可调支承的应用

图10-24 自位支承

（2）零件以圆孔定位的定位元件

1）圆柱定位销 如图10-25所示为常用的定位销结构。它们的共同特点是直接用过盈配合装在夹具体上，为便于零件顺利装入，在其头部应有倒角，和夹具体配合的圆柱面与凸肩之间应有退刀槽，以保证装配质量。当定位销直径D＞3～10mm时，通常把根部倒出圆角R，应用时在夹具体上锪出沉头孔，使定位销圆角部分沉入孔内而不影响定位，如图10-25（a）所示。大批量生产时，为了便于定位销的更换，可采用如图10-25（d）所示的带有衬套的结构形式。

图10-25 圆柱定位销

2）圆柱定位心轴 主要用在车床、铣床、磨床上加工套类和盘类零件。其结构形式在很多工厂中有自己的厂标。如图10-26所示为常用的几种心轴结构形式。

如图10-26（a）所示为间隙配合心轴，为了减少因配合间隙造成零件的倾斜，零件常以孔和端面联合定位，因而要求零件的定位孔与定位端面之间、心轴的定位圆柱面与端面之间都有较高的垂直度，应在一次装夹中加工出来。

如图10-26（b）所示为过盈配合心轴，适用于加工零件外圆及端面。这种心轴结构简单，制造方便且定心精度高，无须夹紧装置，但装卸零件不方便，需在压床上进行且易损伤零件定位孔，因此多用于定心精度要求高的精加工场合。

如图10-26（c）所示为花键心轴，用于加工以花键孔定位的零件。当零件定位孔的长度与直径之比为L/d＞1时，工作部分可稍带锥度。

图10-26 圆柱心轴

1—引导部分 2—工作部分 3—传动部分

心轴在机床上的常用装夹方式如图10-27所示。

图10-27 心轴在机床上的装夹方式

3）圆锥销 如图10-28所示为零件以圆孔在圆锥销上定位的示意图。它限制了零件的、、三个自由度。其中如图10-28（a）所示用于粗基准定位，以保证其接触均匀，如图10-28（b）所示用于精基准定位。

4）小锥度心轴 如图10-29所示，零件是以圆柱孔在小锥度心轴上定位，并靠零件定位基准孔与心轴工作圆锥表面的弹性变形来夹紧零件。这种心轴的定心精度较高，适用于零件定位孔精度不低于IT7的精车和磨削，但不宜加工端面。

图10-28 圆锥销定位

图10-29 小锥度心轴

（3）零件以外圆柱面定位的定位元件

1）V形块 其最大优点是对中性好；另一个特点是无论定位基准是否经过加工，是完整的圆柱面还是局部的圆弧面，都可以采用V形块定位。所以，对加工表面与外圆轴线有对称度要求的零件，常采用V形块定位。

如图10-30所示为常用V形块的结构。如图10-30（a）所示是用于精基准的短V形块；图10-30（b）所示是用于粗基准和阶梯定位面的长V形块；图10-30（c）所示是用于较长的基准面和相距较远的两个定位面的V形块；V形块不一定采用整体结构，也可在铸铁底座上镶淬硬支承板或硬质合金板，如图10-30（d）所示。

图10-30 V形块的结构形式

图10-31 活动V形块

V形块有活动式和固定式之分，固定式V形块一般通过2个定位销和2～4个螺钉连接在夹具体上，定位销孔在装配时调整好位置后与夹具体一起钻、铰，然后打入定位销；活动式V形块如图10-31所示，它除限制零件一个转动自由度外，还起到夹紧的作用。

2）定位套 零件以外圆柱面定位时，也可采用如图10-32所示的定位套。其中如图10-32（a）所示为长定位套，限制零件四个自由度；如图10-32（b）所示为短定位套，限制零件两个自由度。为了限制零件的轴向自由度，定位套常与端面联合定位。

定位套结构简单，制造容易，但定心精度不高，一般适用于精基准定位。

图10-32 常用定位套

3）半圆套 如图10-33所示为两种结构的半圆套定位装置，主要用于大型轴类零件以及不便于轴向装夹的零件，其下半圆套是定位元件，上半圆套起夹紧作用。

图10-33 半圆套定位装置

4）圆锥套 如图10-34所示为常用的反顶尖，由顶尖体1、螺钉2和圆锥套3组成。零件以圆柱面的端部在圆锥套的锥孔中定位，锥孔中有齿纹，以便带动零件旋转。顶尖体的锥柄部分插入机床主轴孔中，螺钉用来传递扭矩。

图10-34 通用反顶尖

1—顶尖体 2—螺钉 3—锥套

（4）零件以一面两孔的组合定位

在实际生产中，常用几个定位元件组合起来同时定位零件的几个定位面，以达到定位要求，这就是组合定位。在成批及大量加工箱体、杠杆、盖板和支架等零件时，常采用“一面两孔”的定位方式，即用一个平面和两个圆柱孔定位。

在采用一组基准定位时，最容易出现过定位的问题，如何正确处理，就成为采用一组基准定位时需要特别注意的问题。下面以箱体类零件的加工为例来说明。

如图10-35（a）所示为一箱体用一面两孔定位的示意图。支承板3限制、、三个自由度；定位销1限制、两个自由度；右边定位销限制、两个自由度，被重复限制产生了过定位。由于一批零件上两定位孔及夹具上两销之间的中心距都有误差，当误差较大时，就有可能使零件无法正确装到夹具上定位。因此，在实际生产中，一般不采用两个圆柱销，而是采用如图10-35（b）所示的一个圆柱销和一个菱形销。因菱形销（也称为削边销）只限制一个自由度，这样共限制了六个自由度，属完全定位。

图10-35 零件以一面两孔定位

1—圆柱销 2—菱形销 3—支承板

各种典型定位元件的定位分析如表10-6所示。

表10-6 典型定位元件的定位分析

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