夹紧力的三大因素的分析介绍，

根据力学的基本知识可知，要表述和研究任何一个力，必须掌握力的3 个要素，即：力的大小、方向和作用点。对于夹紧力来说，也不例外。下面提到的有关设计和选用夹紧装置的基本准则，也主要是从正确确定夹紧力的大小、方向和作用点来考虑的。

一、夹紧力的方向

1.夹紧力的方向应有助于定位稳定，且主要夹紧力应垂直于主要定位基准面

为使夹紧力有助于定位，工件应紧靠支承点，并保证各个定位面与定位元件接触可靠。一般地讲，工件的主要定位基准面面积较大、精度较高，限制的自由度多，夹紧力垂直作用于此面上，有利于保证工件的加工质量。

如图4-3（a）所示，被加工孔与左端面有垂直度要求。因此，要求夹紧力FW 朝向定位元件A 面。如果夹紧力改朝B 面，由于工件左端面与底面的夹角误差，夹紧时将破坏工件的定位，影响孔与左端面的垂直度要求。又如图4-3（b）所示，夹紧力FW 应在V 形块的对称平面上且垂直向下，以使工件与定位支承面稳定接触。

图4-3　夹紧力的方向朝向主要定位面

2.夹紧力方向应有利于减小夹紧力

在保证夹紧可靠的情况下，减小夹紧力可以减轻工人的劳动强度，提高生产效率，同时还可以使机构轻便、紧凑，减少工件变形。为此，应使夹紧力的方向最好与切削力P、工件重力G 重合，这时所需要的夹紧力为最小。如图4-4（a）所示，主要定位基准面处于水平位置，使夹紧力FW 与切削力P、工件重力G 同方向，都垂直作用在主要定位基准面上，加工过程所需的夹紧力可最小。图4-4（b）夹紧力FW 和切削力P、重力G 反向，夹紧力需满足FW≥P+G。图4-4（c）、图4-4（d）是依靠工件与夹紧接触面上的摩擦力来平衡的，特别是图4-4（d）的情况，所需夹紧力最大。

图4-4　夹紧力方向与夹紧力大小的关系

3.夹紧力方向应是工件刚性较好的方向

夹紧力方向应是工件刚性较好的方向，以减小工件变形。这一原则对刚性差的工件特别重要。由于工件在不同方向上刚度是不等的，不同的受力表面也因其接触面积大小而产生不同的变形，尤其在夹压薄壁件时，更应注意。如图4-5所示，薄套件径向刚性差而轴向刚性好，应采用图4-5（a）所示夹紧方案，可避免工件发生严重的夹紧变形和产生较大的加工误差，尽量避免采用图4-5（b）所示的方法夹紧。

图4-5　夹紧力方向与工件刚性的关系

（a）轴向夹紧；（b）径向夹紧

二、夹紧力的作用点

夹紧力的作用点是指夹紧件与工件接触的一小块面积。作用点的选择问题是在夹紧方向已定的情况下才提出的。确定夹紧力作用点的位置和数目时，应考虑工件定位可靠，防止夹紧变形，确保工序的加工精度，应根据下述原则确定作用点的位置。

1.夹紧力的作用点应落在定位元件的支承范围内

对于主要定位支承面，夹紧力作用点应设置在3 个支承点所形成的三角形之内；对于导向定位支承面，夹紧力作用点应设置在两个支点连线上；对于止推定位支承面，夹紧力作用点应对准支承点。

如图4-6（b）、图4-6（c）、图4-6（e）、图4-6（g）布置的作用点全落在支承范围内，有助于定位稳定；图4-6（d）、图4-6（f）、图4-6（h）所示的夹紧力作用点落到了定位元件支承范围之外，夹紧时将破坏工件的定位，因而是错误的。

图4-6　夹紧力作用点与定位支承的位置关系

（a）夹紧力的作用点选择示意；（b），（c），（e），（g）正确；（d），（f），（h）错误

2.夹紧力的作用点应选在工件刚性较好的部位

这样不仅能增强夹紧系统的刚性，而且可使工件的夹紧变形降至最小。如图4-7所示，夹紧薄壁箱体时，图4-7（a）中工件的夹紧变形最小，夹紧也较可靠。图4-7（b）夹紧力作用在箱体顶面的一点，会使工件产生较大的变形。

图4-7　夹紧力的作用点在工件刚性好的部位

3.夹紧力的作用点应尽量靠近加工表面

夹紧力的作用点靠近加工表面，可减小切削力对该点的力矩并可减少振动。在切削力大小相同的情况下，图4-8（a）、图4-8（c）所用的夹紧力较小。

图4-8　夹紧力的作用点应尽量靠近加工部位

当夹紧力的作用点只能远离加工面，造成工件安装刚性较差时，应在靠近加工面附近设置辅助支承，并施加辅助夹紧力，以减小振动。如图4-9所示，由于加工部位刚度较低，增加了辅助支承2，并尽量靠近被加工表面，同时给予夹紧力FW1，这样使得翻转力矩小而且还增加了工件的刚性，既保证了定位夹紧的可靠性，又减小了振动和变形。

图4-9　增设辅助支承的辅助夹紧力

1—工件；2—辅助支承；3—铣刀

三、夹紧力的大小

夹紧力的大小必须适当。夹紧力过小，工件可能在加工过程中移动而破坏定位，不仅影响质量，还可能造成事故；夹紧力过大，不但会使工件和夹具产生变形，对加工质量不利，而且造成人力、物力的浪费。

加工过程中，工件受到切削力、离心力、惯性力及重力等的作用。理论上夹紧力的大小应与这些力或力矩的作用相平衡。而实际上，夹紧力的大小还与工艺系统的刚度、夹紧机构的传递效率等因素有关，而且切削力的大小在加速过程中是变化的，因此，夹紧力的计算是很复杂的。在实际设计中常采用估算法、类比法和试验法确定所需的夹紧力。

当采用估算法确定夹紧力的大小时，为简化计算，通常将夹具和工件看作一个刚性系统。根据工件所受切削力、夹紧力（大型工件应考虑重力、惯性力等）的作用情况，分析加工过程中夹紧力最不利的状态，估算此状态所需的夹紧力，只考虑主要因素在力系中的影响，按静力平衡原理计算出理论夹紧力，最后再乘以安全系数作为实际所需夹紧力，即

式中　FWK——实际所需夹紧力（N）；

FW——理论夹紧力（N）；

K——安全系数。

安全系数K 按下式计算：

K=K0K1K2K3K4

式中　K0～K4——根据生产经验考虑各种影响因素的安全系数，见表4-1。

表4-1　安全系数K0～K4 的数值

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夹紧工件所需夹紧力的大小，除与切削力的大小有关外，还与切削力对定位支承的作用方向有关。下面通过实例进行分析计算。

例1　用三爪卡盘夹持工件车削端面时夹紧力的计算，如图4-10所示。

解：图4-10所示工件用三爪卡盘夹紧，车削时受切削分力Fx、Fy、Fz 的作用。主切削力Fz 形成的转矩为Fz（d/2），使工件相对卡盘顺时针转动；Fy 和Fz 还一起以工件为杠杆，力图扳松卡爪；Fx 与卡盘的端面反力相平衡。为简化计算，工件较短时只考虑切削转矩的影响，忽略Fy。根据静力平衡条件并考虑安全系数，需要每个卡爪实际输入的夹紧力为

图4-10　车削加工所需夹紧力

1—三爪卡盘；2—工件；3—车刀

式中　f——工件与卡爪间的摩擦系数。

当工件的悬伸长L 与夹持直径d 之比L/d ＞0.5 时，Fy 对夹紧的影响不能忽略，可乘以修正系数K′补偿，K′值按L/d 的比值在表4-2 内选取。

表4-2　修正系数K′的数值

例2　铣削：卧铣夹持工件在六点支承夹具中定位用圆柱铣刀铣平面时的夹紧力的计算，如图4-11所示。

图4-11　铣削加工所需夹紧力

1—压板；2，6—导向支承；3—工件；4—铣刀；5—止推支承

解：当铣削到切削深度最大时，引起工件绕止推支承5 翻转为最不利的情况，其翻转力矩为FL；而阻止工件翻转的支承2、6 上的摩擦力矩为FN1 fL1+FN2 fL2，工件重力及压板与工件间的摩擦力可以忽略不计。当FN2=FN1=FW/2 时，根据静力平衡条件并考虑安全系数，得

式中　f——工件与导向支承间的摩擦系数。

常见的各种夹紧形式所需夹紧力，见表4-3。

表4-3　常见夹紧形式所需的夹紧力计算公式

续表

表4-4　各种不同接触表面之间的摩擦系数f

用计算法确定夹紧力的大小，很难计算准确。这是因为在切削过程中，加工余量、工件硬度、刀具磨损等情况是时刻变化的，所以计算出来的夹紧力数值还要乘上一个范围较大的安全系数。因此设计手动夹紧装置时，常根据经验或类比的方法确定所需夹紧力的大小。当设计气动、液压或多件夹紧装置，夹持刚性较差工件的夹紧装置时，大多对切削力进行试验测定后，再估算所需夹紧力的数值。

四、减小夹紧变形的措施

图4-12　工件夹紧变形

工件在夹具中夹紧时，夹紧力通过工件传至夹具的定位装置，会造成工件及其定位基面和夹具变形，造成加工误差增大。图4-12所示为工件夹紧时弹性变形产生的圆度误差Δ和工件定位基面与夹具支承面之间接触变形产生的加工尺寸误差Δy。

由于弹性变形计算复杂，故在夹具设计中不宜作定量计算，主要是采取各种措施来减少夹紧变形对加工精度的影响。

1.分散着力点和增加压紧件接触面积

图4-13所示三点夹紧薄壁工件造成的径向变形ΔR 大约是六点夹紧的10 倍。所以对于薄壁类和刚性较差的工件分散着力点和增加压紧件接触面积可以有效降低夹紧变形。如图4-14（a）所示，用一块浮动压板将夹紧力的着力点分散，从而改变着力点的位置，减少着力点的压力，减少变形。图4-14（b）所示为三爪卡盘夹紧薄壁工件的情况，使用宽卡爪增大了和工件的接触面积，变集中力为分散力，减少变形。

图4-13　夹紧力作用点数目与工件变形的关系

图4-14　分散夹紧力着力点

（a）多点夹紧；（b）分散夹紧力

2.增加辅助支承和辅助夹紧点

对于刚度差的工件，应采用浮动夹紧装置或增设辅助支承。图4-15 为浮动夹紧实例，因工件形状特殊，刚度低，右端薄壁部分若不夹紧，势必产生振动。由于右端薄壁受尺寸公差的影响，其位置不固定。因此，必须采用浮动夹紧才不会引起工件变形，确保工件有较高的装夹刚度。图4-16所示为通过增设辅助支承达到强化工件刚度减少变形的目的。

图4-15　浮动式螺旋压板机构

1—滑柱；2—杠；3—套筒；4—螺母；5—压板；6—工件；7，8—浮动卡爪；9—拉杆

图4-16　增加辅助支持减小变形

（a）示例1；（b）示例2
1—固定支承；2—工件；3—辅助支承

图4-16所示在夹紧时通过增设辅助支承来增强刚性、减小变形，可以使工件获得满意的夹紧状态。

3.其他措施

改善夹具与工件接触面的形状，提高接合面的质量，如提高接合面硬度、降低表面粗糙度值，必要时经过预压等措施可以减小工件的夹紧变形。对极薄的特殊工件，精加工仍达不到所要求的精度，还需要进行机械加工。对于这种情况，上述的各种措施均不能满足需要。我国学者于20 世纪60 年代曾提出过冻结式夹具的设想，类似的夹具现在美国已有所应用。这类夹具是将极薄的特性工件定位于一个随行的型腔里，然后浇灌低熔点金属，固结后一起加工，加工完成后加热熔解低熔点金属取出工件。低熔点金属的浇灌及熔解分离，都是在流水生产线上进行的。