确定夹紧力的方法及注意事项

夹紧力是矢量，其包括夹紧力的方向、作用点和大小三要素，它们是夹紧装置设计和选用的核心问题。在确定夹紧力时，除依据工件的结构特点、加工要求、切削力及其他外力作用于工件等情况，还必须考虑定位装置的结构形式和布置方式。

（1）夹紧力方向的确定

①夹紧力的方向应有利于工件的准确定位，而不能破坏定位，一般要求主夹紧力应垂直于第一定位基准面。

在直角支座上镗孔，如图6.28所示，要求工件镗孔与A面垂直，故应以A面为主要定位基准面，在确定夹紧力方向时，应使夹紧力朝向A面（即主要定位基准面），以保证孔与A面的垂直度。反之，若朝向B面，当工件A、B两面有垂直度误差时，就无法以主要定位基准面定位，影响实际镗孔的轴心线与A面的垂直度。

②夹紧力的方向应与工件刚度高的方向一致，以利于减少工件的变形。

工件的刚度不仅与其结构有关，而且在不同的方向上刚度是不同的。不同的受力表面也因其接触面积大小不同而变形各异，因此夹紧力的方向应使工件变形尽可能小，尤其在夹紧薄壁零件时。如图6.29所示薄壁套筒，其轴向刚度比径向好，若用卡盘径向夹紧，工件变形大，若用特制螺母改为沿轴向施加夹紧力时工件受力变形会小得多。

③夹紧力的方向应尽可能与切削力、重力和离心力等方向一致，有利于减小夹紧力。

如图6.30（a）所示，刀具切削力方向与夹紧力Fj一致，切削力作用时有助于工件状态的固定；而图6.30（b）所示，刀具切削力方向与夹紧力Fj相反，切削力抵消了一部分夹紧力的大小，使得实际作用在主要定位面上的夹紧力变小，夹紧可靠性降低。因此，图6.30（a）方案比（b）方案更合理。

图6.28支座镗孔夹具

图6.29　典型夹具装置结构

图6.30　夹紧力方向不同的效果

（2）夹紧力作用点的确定

①夹紧力的作用点应与支撑点“点对点”对应，或在支撑点确定的区域内，以免破坏定位或造成较大的夹紧变形。

如图6.31（a）中螺钉提供的夹紧力在侧面定位点以上时，超出了支承面范围之外，会使工件倾斜或移动，而图6.31（b）中夹紧力作用点未能实现与定位支撑点的点对点对应，造成工件在夹紧时产生变形，所以这两种情况都是不合理的。

图6.31　夹紧机构的作用点

②夹紧力的作用点应作用在工件刚度高的部位。

对刚度较差的工件，夹紧力的作用点可由单点改成多点或圆周分布夹紧，则可避开低刚度区域，减小工件的变形，且夹紧也较可靠，如图6.32所示。(www.xing528.com)

图6.32　夹紧作用点选取与工件刚度关系

③夹紧力的作用点和支撑点尽可能靠近切削部位，以减小切削力对工件造成的翻转力矩，必要时应在工件刚性差的部位增加辅助支承并施加附加夹紧力，以提高工件切削部位的刚度和抗振性。

如图6.33所示，考虑该零件1的结构特征和功能要求，主要定位面还是零件左侧的几个平面，所以主夹紧力还是FJ。当刀具3铣削加工工件侧面的支架时，夹具左侧的夹紧力作用点应尽量靠近被加工表面，同时在辅助支承2处给予附加夹紧力F′J，这样翻转力矩小，又增加了工件的刚性，既保证了定位夹紧的可靠性，又减小了工件的振动和变形。

图6.33　夹具的辅助支撑和附加夹紧力

④夹紧力的反作用力不应使夹具产生影响加工精度的变形。

如图6.34（a）所示，螺杆3通过支撑板2以螺旋压紧的方式作用于工件1，刀具通过钻套4引导在工件上钻削孔。如果较大的夹紧反作用力可能会使支撑板2产生变形，导致导向位置偏差影响孔的加工精度。在图6.34（b）中，如在夹具上增加一个刚度较大的螺母与螺杆3配合使用，以避开反作用力对支撑板2的位置干扰，其合理性大大增加。

（3）夹紧力大小的确定

夹紧力的大小要适当，夹紧力太小，难以夹紧工件；夹紧力过大，将增大夹紧装置的结构尺寸，且会增大工件变形，影响加工质量。夹紧力的确定常有估算法、类比法和实验法。

图6.34　夹紧装置的反作用力

理论上，夹紧力的大小应与在加工过程中工件受到切削力、离心力、惯性力及重力等的合力或产生的力矩相平衡。实际上，在加工过程中，切削力本身是变化的，夹紧力的大小还与工艺系统的刚性、夹紧装置的传递效率等有关。所以夹紧力的计算是一个很复杂的问题，一般只能在静态下进行粗略估算。

估算夹紧力的基本思路是：

①先假设工艺系统为刚性系统，切削过程处于稳定状态。

②常规情况下，只考虑切削力（矩）在力系中的影响；切削力（矩）用有关公式计算。对重型工件应考虑工件重力的影响。在工件作高速运动的场合，必须计入惯性力。

③分析对夹紧最不利的瞬时状态，按静力平衡方程式计算此状态下所需的夹紧力即为计算夹紧力。

④将计算夹紧力再乘以安全系数K，即为实际所需的夹紧力。K的具体数值可查阅有关手册，一般K=1.5~3。

夹紧力计算实例可参考相关夹具设计手册。

类比法是采用与研究对象相似的、简化的、切削工艺系统条件匹配的可测量平台来确定夹紧力。这种方法得到的数据与实际研究对象相比误差较大。

实验法则是要在专门的切削工艺系统上进行，在科研实验系统中应用广泛。