数控机床夹具的使用效率介绍

一、工件编程零点的确定

1.数控的基准点

数控机床需确立坐标系统，以便于零件的编程。数控机床工作区应确定下列基准点：机床零点、工件零点、定位点、夹具零点、参考点，如图7-18所示。

（1）机床零点。机床零点是机床坐标系的坐标原点，机床零点由机床制造厂设定。

（2）工件零点。工件零点是工件坐标系的坐标原点，它由编程员选定。

（3）定位点。其是夹具定位元件的定位点，当工件的定位基准与工序基准重合时，定位点即为工件零点。

（4）夹具零点。夹具零点是夹具坐标系的原点，由夹具设计人员设计在夹具的适当位置上。

（5）参考点。参考点是刀具在机床工作区的一点，它与机床的相对位置必须知晓。它是编程确定刀具运动的起刀点。

（6）刀具基点。用以确定刀具在机床上的位置。

2.工件编程零点的确定

通常将编程零点确定在工件上（零点偏置），亦将坐标零点从机床零点M 偏置到工件零点W 上，如图7-19（a）所示。零点偏置符合编程方便的原则。编程时，必须先确定工件的编程零点并进行工件零点的偏置。

以数控铣床为例，其定位点设置有4 种情况，如图7-19（b）所示，编程的x、y 值符号根据笛卡儿坐标确定为：第一象限+x+y；第二象限-x+y；第三象限-x-y；第四象限+x-y。当工件以精基准定位时，应使工件零点W 与定位点A 重合。工件零点偏置可按要求，输入机床的偏置寄存器中。在夹具上应设立编程零点。

图7-18　基准点

（a）立式加工中心基准点；（b）数控车床的基准点
1—网格孔系平台；2，3—定位元件；4—工件；5—夹紧装置；6—车床主轴；7—主轴凸缘；8—定心锥；9—卡盘

图7-19　工件编程零点

（a）工件坐标原点对机床坐标原点的移位；（b）定位点设置

如图7-18（a）所示，在网格孔系平台上，选择一个精密的孔为基准点W2。通常它在夹具的左下角处。此孔的位置要便于机床位置测量，以便测出其在机床上的坐标位置。如图7-20所示，在夹具的一端，用一个衬套孔的中心为基准点W2，并标注出其至定位点的距离，以便编程。此孔在机床上的坐标位置数值，也可用机床位置测量获得。

图7-20　数控铣床上的基准点

1—专用夹具；2—定位元件；3—工件；4—夹紧装置

二、数控机床的夹具系统

数控机床对夹具的要求是小型化、自动化、系列化和柔性化。设计重点是提高劳动生产率，降低生产的总成本。与普通夹具相似，数控机床夹具系统也包括通用夹具、通用可调夹具、组合夹具、成组夹具、拼装夹具、专用夹具等六类，其不同的是数控机床夹具的精度和自动化程度更高，夹具上应根据需要设置夹具零点W2 和工件零点W。

如图7-21所示，为通用角铁在卧式加工中心上的应用。箱体工件装夹在角铁上，镗削平行孔系。

如图7-22所示为用于数控铣床的虎钳，图中分别表示了夹具的零点W2 和工件的零点W。

图7-21　T 形槽角铁

图7-22　虎钳上的基准点

如图7-23所示为用于数控车床的动力卡盘。在高速车削时，平衡块3 所产生的离心力经杠杆4 给卡爪1 一个附加的力，以补偿卡爪夹紧力的损失。卡爪由活塞12 经拉杆6 和楔槽滑块7 的作用将工件夹紧。

图7-23　中空式动力卡盘

（a）动力卡盘原理；（b）动力卡盘液压缸；（c）动力卡盘结构
1—卡爪；2—T 形块；3—平衡块；4—杠杆；5—连接螺母；6—拉杆；7—楔槽滑块；8—法兰盘；9—盘体；10—卡爪座；11—盖；12—活塞

如图7-24所示的通用可调夹具，用于装夹以两孔一面定位的箱体零件。两转盘2 上的插销3 可调整，圆周调整经轴5、蜗杆6 传动蜗轮实现；直线调整经齿轮轴7、滑板4 实现，工作台上的T 形槽中可配置夹紧机构。这类夹具适合一组相似的箱体零件的装夹。

图7-24　通用可调夹具

1—工作台；2—转盘；3—插销；4—滑板；5—轴；6—蜗杆；7—齿轮轴

三、数控机床夹具的设计要点

数控机床使用的夹具一般比较简单，其设计原理与普通机床夹具是相同的。

1.数控机床夹具设计要求

设计用于数控机床（NC）、加工中心（MC）、柔性制造系统（FMS）的夹具，应满足下列要求。

（1）夹紧机构或其他元件不能影响进给，加工部位要敞开。为保持工件在本工序中所有需要完成的待加工面充分暴露在外，夹具要做得尽可能敞开，因此要求夹持工件后夹具上一些组成件（如定位块、压块和螺栓等）不能与刀具运动轨迹发生干涉。夹紧机构元件与加工面之间应保持一定的安全距离，同时要求夹紧机构元件位置尽量降低，以防止夹具与加工中心主轴套筒或刀套、刃具在加工过程中发生碰撞。如图7-25所示零件用立铣刀铣削零件的六边形，若用压板机构压住工件的A 面，则压板易与铣刀发生干涉；若夹压B 面，就不影响刀具进给。

当在卧式加工中心上对工件的四周进行加工时，若很难安排夹具的定位和夹紧装置，则可以通过减少加工表面来留出定位夹紧元件的空间。图7-26所示为一箱体零件，可利用其内部空间来安排夹紧机构，将其加工表面敞开。

（2）为保持零件安装方位与机床坐标系及编程坐标系方向的一致性，夹具应能保证在机床上实现定向安装，还要求能使零件定位面与机床之间保持一定的坐标联系。

（3）夹具的刚性和稳定性要好。在考虑夹紧方案时，夹紧力应力求靠近主要支撑点，或在支撑点所组成的三角形内，并靠近切削部位及刚性好的地方，尽量不要在被加工孔的上方；尽量不采用在加工过程中更换夹紧点的设计；当必须在加工过程中更换夹紧点时，要特别注意不能因更换夹紧点而破坏夹具或工件的定位精度。

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图7-25　不影响进给的示例

图7-26　敞开加工面的装夹示例

（4）装卸方便，辅助时间尽量短。由于加工中心效率高，装夹工件的辅助时间对加工效率影响较大，所以要求配套夹具在使用中也要装卸快而方便。

（5）对小型零件或工序不长的零件，可以考虑在工作台上同时装夹多件工件进行加工，以提高加工效率。例如，在加工中心工作台上安装一块与工作台大小一样的平板[如图7-27（a）所示]，该平板既可作为大工件的基础板，也可作为多个小工件的公共基础板。又如在卧式加工中心分度工作台上安装一块四周都可装夹一件或多件工件的立方基础板[如图7-27（b）所示]，可依次加工装夹在各面上的工件。当一面在加工位置进行加工的同时，另3 面都可以装卸工件，因此能显著减少换刀次数和停机时间。

图7-27　数控夹具上安装平板

（6）夹具结构简单。由于零件在数控加工中大都采用工序集中原则，加工的部位较多，同时批量较小，零件更换周期短，夹具的标准化、通用化和自动化对加工效率的提高及加工费用的降低有很大影响。

（7）减少更换夹具的准备、结束时间。夹具应方便与机床工作台面及工件定位面间的定位连接。加工中心工作台面上一般都有基准T 形槽、定位孔；转台中心有定位圆；台面侧面有基准挡板等定位元件。可先在机床上设置与夹具配合的定位元件，在组合夹具的基座上精确设计定位孔，以便于与机床床面定位孔或槽对准来保证编程原点的位置。对于夹具定位件在机床上的安装方式，由于加工中心主要是加工批量不大的小批或成批零件，在机床工作台上会经常更换夹具，这样易磨损机床台面上的定位槽，且在槽中装卸定位件十分困难，也会占用较长的停机时间。为此，在机床上用槽定向的夹具，其定位元件常常不固定在夹具体上而固定在机床的工作台上，当夹具在机床上安装时，夹具体上有引导棱边的淬火套导向。固定方式一般用T 形槽螺钉或工作台面上的紧固螺孔，用螺栓或压板压紧。夹具上用于紧固的孔和槽的位置必须与工作台上的T 形槽和孔的位置相对应。

（8）减小夹具在机床上的使用误差。夹具上定位元件定位面的任何磨损以及任何污秽都会引起加工误差，因此，操作者在装夹工件时一定要将定位面擦干净。

2.数控夹具的柔性化设计

夹具的柔性化设计主要包括：夹具基础件设计、定位元件设计、托盘设计、夹紧装置设计、传输装置设计等。

1）基础件的设计

拼装夹具的基础件有四方立柱、角铁、平台等。

（1）网格孔系四方立柱。如图7-28（a）所示为网格孔系四方立柱，立柱上有坐标孔系和螺孔，在其平面上可拼装各种元件和组合件。坐标孔系的定位孔可用作编程零点。网格孔系四方立柱可用于多工位数控加工中。

（2）T 形槽四方立柱。如图7-28（b）所示为T 形槽四方立柱，立柱上有精密T 形槽，用以连接和紧固各种元件。T 形槽四方立柱可用以多工位数控加工。

（3）网格孔系角铁。如图7-28（c）所示为网格孔系角铁，它的结构设计与网格孔系四方立柱相同。在其底面上设计了定位孔，以便于夹具与数控机床工作台连接定位。

图7-28　拼装夹具的基础件

（a）网格孔系四方立柱；（b）T 形槽四方立柱；（c）网格孔系角铁

（4）矩形平台。如图7-29所示为矩形平台。平台上有精密T 形槽，用作连接和紧固各种元件。B—B 剖视图所示是按坐标分布的定位孔系，用作元件连接的定位用。可选其中一孔为编程零点。定位孔尺寸公差等级为IT7，两孔中心线的孔距精度为±0.02 mm。C—C 剖视图所示的辅助连接孔，用于平台与机床工作台的连接紧固。D—D 剖视图所示的定位孔用于夹具与数控机床工作台中心对定。平台底面有两个定位孔，用于夹具与工作台的连接定位。

图7-29　矩形平台

a—衬套；b—防尘罩

2）定位元件的设计

典型的定位元件应有高的柔性，以便调整、更换、重复使用。常见的结构有各种可调支承、可调支承板和可调V 形块等。按成组工艺要求，也可采用典型零件族的专用定位元件。工件的定位应符合六点定位规则。

3）夹具的拼装

下面举两个例子说明夹具的拼装。

如图7-30（a）所示为加工中心的拼装夹具，用于加工壳体零件族。网格孔系角铁用圆柱销、六角螺钉连接固定在网格孔系平台上。专用定位元件拼装在网格孔系角铁上。拼装的原理与组合夹具相同。

图7-30　拼装夹具的应用

（a）加工中心用拼装夹具；（b）数控线切割机床用的拼装夹具
1—网格孔系角铁；2—专用定位元件；3—网格孔系平台；4—压板；5—支承件；6—基础板

如图7-30（b）所示为数控线切割机床用的拼装夹具。夹具主要由基础板和支承件拼装而成。此夹具的柔性化较高，可用于圆柱形、矩形零件的装夹，调整拼装也较方便。

4）托盘的设计

如图7-31（a）所示的加工中心中使用多个托盘。其中一托盘在回转工作台上，另一托盘则在输入工作台上，交替使用，可减少机床等工时间。图7-31（b）所示为随行托盘，托盘上有两种尺寸的台阶槽，可连接或紧固各种元件或组件。托盘侧面的螺孔也用于紧固夹具元件。这类托盘的柔性化程度很高。

图7-31　柔性化托盘的设计

（a）加工中心；（b）托盘
1，2—工作台；3，5—随行托盘；4—回转工作台

5）夹紧装置的柔性化设计

夹紧装置的设计目标是自动化和柔性化。图7-32所示为数控铣镗床的夹紧装置，采用液压动力装置使压板在工件的下部夹紧。夹具为敞开式的，以满足在数控机床上在几个方向上对工件加工。液压装置的压力较高，可获得较大的夹紧力。在加工中心上，由于切削力的不断变化，故要求动力装置所输出的压力也是可变的。这种动力装置的压力适应切削力变化的柔性化系统，如图7-33所示。图中压板的夹紧力经传感器、放大电路、滤波器以及微机的计算，将信息传至控制阀，调节油路的压力，满足夹紧力控制的柔性化要求。

图7-32　数控铣镗床夹具的夹紧装置

1，2，3—压板；4，5—液压缸

图7-33　夹紧力控制系统

1—传感器；2—工件；3—液压缸；4—压板