典型夹紧机构与专用机床夹具——工件的夹紧

典型夹紧机构与专用机床夹具 第五节工件的夹紧 将工件定位后的位置固定下来称为夹紧,夹紧的目的是保持工件在定位 中所获得的正确位置,使其在外力(夹紧力、切削力、离心力等外力)作用下, 不发生移动和振动。 夹紧装置的组成及基本要求 HHA 图9-33液压夹紧的铣床夹具 1一压板2-铰链臂3一活塞杆4一液压缸5一活塞 1.夹紧装置的组成 夹紧装置由两个基本部分组成。 (1)动力装置 夹紧力的来源于人力或者某种动力装置。用人力对工件进行夹紧称为手 动夹紧。用各种动力装置产生夹紧作用力进行夹紧称为机动夹紧。常用的动力装 置有:液压、气动、电磁、电动和真空装置等 (2)夹紧机构 般把夹紧元件和中间传递机构和成为夹紧机构。 1)中间传递机构它是在动力装置与夹紧元件之间,传递夹紧力的机构。其主 要作用有:改变作用力的方向和大小;夹紧工件后的自锁性能,保证夹紧可靠, 尤其在手动夹具中。 2)夹紧元件是执行元件,它直接与工件接触,最终完成夹紧任务

典型夹紧机构与专用机床夹具 第五节 工件的夹紧 将工件定位后的位置固定下来称为夹紧，夹紧的目的是保持工件在定位 中所获得的正确位置，使其在外力（夹紧力、切削力、离心力等外力）作用下， 不发生移动和振动。 一、夹紧装置的组成及基本要求 图 9-33 液压夹紧的铣床夹具 1 －压板 2 －铰链臂 3 －活塞杆 4 －液压缸 5 －活塞 1 . 夹紧装置的组成 夹紧装置由两个基本部分组成。 （ 1 ）动力装置 夹紧力的来源于人力或者某种动力装置。用人力对工件进行夹紧称为手 动夹紧。用各种动力装置产生夹紧作用力进行夹紧称为机动夹紧。常用的动力装 置有：液压、气动、电磁、电动和真空装置等。 （ 2 ）夹紧机构 一般把夹紧元件和中间传递机构和成为夹紧机构。 1 ）中间传递机构 它是在动力装置与夹紧元件之间，传递夹紧力的机构。其主 要作用有：改变作用力的方向和大小；夹紧工件后的自锁性能，保证夹紧可靠， 尤其在手动夹具中。 2 ）夹紧元件 是执行元件，它直接与工件接触，最终完成夹紧任务

图9-33所示是液压夹紧的铣床夹具。其中,液压缸4、活塞5、 活塞杆3组成了液压动力装置,铰链臂2和压板1等组成了铰链压板夹紧机 构,压板1是夹紧元件 2.对夹紧装置的基本要求 (1)能保证工件定位后占据的正确位置 (2)夹紧力的大小要适当、稳定。既要保证工件在整个加工过程中的位置稳 定不变,振动小,又要使工件不产生过大的夹紧变形。夹紧力稳定可减少夹紧误 差 (3)夹紧装置的复杂程度与生产类型相适应。工件的生产批量越大,允许设 计越复杂、效率越高的夹紧装置。 4)工艺性好,使用性好。其结构应尽量简单,便于制造和维修;尽可能使 用标准夹具零部件;操作方便、安全、省力。 二、夹紧力的确定 设计夹具的夹紧机构时,所需夹紧力的确定包括夹紧力的作用点、方向、大小三 要素。 1.夹紧力的方向 (1)夹紧力的方向应有助于定位,不应破坏定位。 图9-34夹紧力的方向朝向主要定位面 只有一个夹紧力时,夹紧力应垂直于主要定位支承或使各定位支承同时 受夹紧力作用。 图9-34所示为夹紧力朝向主要定位面的示例。图a中,工件以左 端面与定位元件的A面接触,限制工件的三个自由度;底面与B面接触,限制

图 9-33 所示 是液压夹紧的铣床夹具 。其中，液压缸 4 、活塞 5 、 活塞杆 3 组成了液压动力装置，铰链臂 2 和压板 1 等组成了铰链压板夹紧机 构，压板 1 是 夹紧元件。 2 . 对夹紧装置的基本要求 （ 1 ）能保证工件定位后占据的正确位置。 （ 2 ）夹紧力的大小要适当、稳定。既要保证工件在整个加工过程中的位置稳 定不变，振动小，又要使工件不产生过大的夹紧变形。夹紧力稳定可减少夹紧误 差。 （ 3 ）夹紧装置的复杂程度与生产类型相适应。工件的生产批量越大，允许设 计越复杂、效率越高的夹紧装置。 （ 4 ）工艺性好，使用性好。其结构应尽量简单，便于制造和维修；尽可能使 用标准夹具零部件；操作方便、安全、省力。 二、夹紧力的确定 设计夹具的夹紧机构时，所需夹紧力的确定包括夹紧力的作用点、方向、大小三 要素。 1 . 夹紧力的方向 （ 1 ）夹紧力的方向应有助于定位，不应破坏定位。 图 9-34 夹紧力的方向朝向主要定位面 只有一个夹紧力时，夹紧力应垂直于主要定位支承或使各定位支承同时 受夹紧力作用 。 图 9-34 所示 为夹紧力朝向主要定位面的示 例。图 a 中，工件以左 端面与定位元件的 面接触，限制工件的三个自由度；底面与 面接触，限制

工件的二个自由度;夹紧力朝向主要定位面A,有利于保证孔与左端面的垂直 度要求。图b中,夹紧力朝向V形块的V形面,使工件装夹稳定可靠。 图9-35分别加力和一力两用 卓※撳常 图9-36夹紧力与切削力、重力的关系 图9-35所示是一力两用和使各定位基面同时受夹紧力作用的情况。图 a对第一定位基面施加W,对第二定位基面施加W2;图b、c所示施加W 代替W、W,使两定位基面同时受到夹紧力的作用 用几个夹紧力分别作用时,主要夹紧力应朝向主要定位支承面,并注意夹紧力的 动作顺序。如三平面组合定位,M>W2>W3,W是主要夹紧力,朝向主要定 位支承面,应最后作用:W2、W应先作用。 (2)夹紧力的方向应方便装夹和有利于减小夹紧力,最好与切削力、重力方 向一致。 图9-36所示为夹紧力与切削力、重力的关系: 图a夹紧力W与重力G、切削力F方向一致,可以不夹紧或用很小的夹紧 力:W=0 图b夹紧力W与切削力F垂直,夹紧力较小:W=pJ-

工件的二个自由度；夹紧力朝向主要定位面 ，有利于保证 孔与左端面的垂直 度要求 。 图ｂ中，夹紧力朝向Ｖ形块的Ｖ形面，使工件装夹稳定可靠 。 图 9-35 分别加力和一力两用 图 9-36 夹紧力与切削力、重力的关系 图 9-35 所示是一力两用和使各定位基面同时受夹紧力作用的情况。图 a 对第一定位基面施加 ，对第二定位基面施加 ；图 b 、c 所示施加 代替 、 ，使两定位基面同时受到夹紧力的作用 。 用几个夹紧力分别作用时，主要夹紧力应朝向主要定位支承面，并注意夹紧力的 动作顺序。如三平面组合定位， ， 是主要夹紧力，朝向主要定 位支承面，应最后作用； 、 应先作用 。 （ 2 ）夹紧力的方向应方便装夹和有利于减小夹紧力，最好与切削力、重力方 向一致。 图 9-36 所 示为夹紧力与切削力、重力的关系： 图 a 夹紧力 与重力 、切削力 方向一致，可以不夹紧或用很小的夹紧 力： ； 图 b 夹紧力 与切削力 垂直，夹紧力较小： ；

图c夹紧力W与切削力F成夹角c,夹紧力较大: 4 F(cos a-f sin a)-G(sin a+f cos a) 图d夹紧力W与切削力F、重力G垂直,夹紧力最大:W=(F+了 图e夹紧力W与切削力F、重力反向,夹紧力较大:W=F+G 由上述分析可知图a、b应优先选用,图c、e次之,图d最差, 应尽量避免使用。上面公式中的了为工件与支承间的摩擦系数。 3.夹紧力的大小 夹紧力的大小必须适当。过小,工件在加工过程中发生移动,破坏定位 过大,使工件和夹具产生夹紧变形,影响加工质量 理论上,夹紧力应与工件受到切削力、离心力、惯性力及重力等力的作 用平衡;实际上,夹紧力的大小还与工艺系统的刚性、夹紧机构的传递效率等有 关。切削力在加工过程中是变化的,因此夹紧力只能进行粗略的估算。 估算夹紧力时,应找出对夹紧最不利的瞬时状态,略去次要因素,考虑主要因素 在力系中的影响。通常将夹具和工件看成一个刚性系统,建立切削力、夹紧力 W 、(大型工件)重力、(高速运动工件)惯性力、(高速旋转工件)离心力、 支承力以及摩擦力静力平衡条件,计算出理论夹紧力W。则实际夹紧力W为 W=KW。(9-17) 式中R—一安全系数,与加工性质(粗、精加工)、切削特点(连续、断续切 削)、夹紧力来源(手动、机动夹紧)、刀具情况有关。一般取K=15~3 粗加工时,K=25~3:精加工时,K=15~25

图 c 夹紧力 与切削力 成夹角 ，夹紧力较大： 图 d 夹紧力 与切削力 、重力 垂直，夹紧力最大： 图 e 夹紧力 与切削力 、重力反向，夹紧力较大： 由上述分析可知图 a 、 b 应优先选用，图 c 、 e 次之，图ｄ最差， 应尽量避免使用。上面公式中的 为工件与支承间的摩擦系数。 3 . 夹紧力的大小 夹紧力的大小必须适当。过小，工件在加工过程中发生移动，破坏定位； 过大，使工件和夹具产生夹紧变形，影响加工质量。 理论上，夹紧力应与工件受到切削力、离心力、惯性力及重力等力的作 用平衡；实际上，夹紧力的大小还与工艺系统的刚性、夹紧机构的传递效率等有 关。切削力在加工过程中是变化的，因此夹紧力只能进行粗略的估算。 估算夹紧力时，应找出对夹紧最不利的瞬时状态，略去次要因素，考虑主要因素 在力系中的影响。通常将夹具和工件看成一个刚性系统，建立切削力、夹紧力 、（大型工件）重力、（高速运动工件）惯性力、（高速旋转工件）离心力、 支承力以及摩擦力静力平衡条件，计算出理论夹紧力 。则实际夹紧力 为 （ 9-17 ） 式中 —— 安全系数，与加工性质（粗、精加工）、切削特点（连续、断续切 削）、夹紧力来源（手动、机动夹紧）、刀具情况有关。一般取 ； 粗加工时， ；精加工时，

生产中还经常用类比法(或试验)确定夹紧力。 三、典型夹紧机构 常用的典型夹紧机构有斜楔夹紧机构、螺旋夹紧机构、偏心夹紧机构及 铰链夹紧机构等。 1.斜楔夹紧机构 斜楔夹紧机构是最基本夹紧机构,螺旋夹紧杋构、偏心夹紧机构等均是 斜楔机构的变型。图9-40为几种典型的斜楔夹紧机构,图a是在工件上钻互 相垂直的cmm、如m两组孔,工件装入后,锤击斜楔大头,夹紧工件;加 工完毕后,锤击斜楔小头,松开工件。可见,斜楔是利用其斜面移动时所产生 的压力来夹紧工件,即利用斜面的楔紧作用夹紧工件。图b是将斜楔与滑柱合 成一种夹紧机构,一般用气压或液压驱动。图c是由端面斜楔与压板组合而 成的夹紧机构。 (1)斜楔的夹紧力 图9-41a为斜楔在外力作用下的受力情况,建立静平衡方程式: f,+F Fe 其中 F1=Wig% FRx=Wig(a+B2) 整理后得: W= 绍g内+g(a+鸟)(9-18) 式中W——斜楔对工件的夹紧力,单位为N; a-—斜楔升角,单位为(°) ——加在斜楔上的原始作用力,单位为N; 奶—一斜楔与工件间的摩擦角(°);

生产中还经常用类比法（或试验）确定夹紧力。 三、典型夹紧机构 常用的典型夹紧机构有斜楔夹紧机构、螺旋夹紧机构、偏心夹紧机构及 铰链夹紧机构等。 1. 斜楔夹紧机构 斜楔夹紧机构是最基本夹紧机构，螺旋夹紧机构、偏心夹紧机构等均是 斜楔机构的变型。 图 9-40 为几种典型的斜楔夹紧机构 ，图ａ是在工件上钻互 相垂直的 、 两组孔，工件装入后，锤击 斜楔大头，夹紧工件； 加 工完毕后，锤击 斜楔小头，松开工件。 可见，斜楔是利用其斜面移动时所产生 的压力来夹紧工件，即利用斜面的楔紧作用夹紧工件。图 b 是将 斜楔与滑柱合 成一种夹紧机构，一般用气压或液压驱动。 图 c 是由端面 斜楔与压板组合而 成的夹紧机构。 （ 1 ）斜楔的夹紧力 图 9-41a 为斜楔在外力作用下的受力情况，建立静平衡方程式： ， 其中 ， 整理后得： （ 9-18 ） 式中 —— 斜楔对工件的夹紧力，单位为 ； —— 斜楔升角，单位为（ ）； ——加在斜楔上的原始作用力，单位为 ； ——斜楔与工件间的摩擦角（ ）；

一一斜楔与夹具体间的摩擦角(“)。 W 图9-41斜楔的受力分析 设A=鸟=,当《≤10°时,可用下式作近似计算: tg(a+20)(9-19) (2)斜楔的自锁条件 当加在斜楔上的原始作用力撤除后,斜楔在摩擦力作用下仍然不会 松开工件的现象称为自锁。此时摩擦力的方向与斜楔企图松开和退出的方向相 反,如图9-41b所示。从图中可见,要自锁,必须满足下式: 1≥Fgz 其中1=Mg1Fx=Wg(a-吗) 整理后A2a-吗 所以a≤A+(9-20)

——斜楔与夹具体间的摩擦角（ ）。 图 9-41 斜楔的受力分析 设 ，当 时，可用下式作近似计算： （ 9-19 ） （ 2 ） 斜楔的自锁条件 当加在斜楔上的原始作用力 撤除后，斜楔在摩擦力作用下仍然不会 松开工件的现象称为自锁。此时摩擦力的方向与斜楔企图松开和退出的方向相 反，如图 9-41 b 所示。从图中可见，要自锁，必须满足下式： 其中 整理后 所以 （ 9-20 ）

斜楔的自锁条件是斜楔的升角小于或等于斜楔与工件、斜楔与夹具体间的摩擦角 之和。 若==,J=01-015,则a≤115~17”。为保证自锁可靠,手动夹 紧机构一般取a=6°~8°;用液压或气压驱动的斜楔,可取a≤12~30°。 3)斜楔的扩力比与夹紧行程 夹紧力W与原始作用力之比称为扩力比或增力系数,用2表示,即 W 2二F0据g+g(a+吗) 若=鸣=6°,a=10,则1=26。可见,斜楔具有扩力作用,a越小, 越大 图9-4lc所示,是斜楔夹紧行程,a是斜楔夹紧工件过程中移动的距离, 则 =sga(9-22) 图9-42螺旋夹紧机构 由于受到斜楔长度的限制,要增大夹紧行程,就得增大斜角α,这样会 降低自锁性能。当要求机构既能自锁,又要有较大夹紧行程,可采用双斜面斜楔 如图9-40b所示,大斜角段使滑柱迅速上升,小斜角a2段确保自锁。 2.螺旋夹紧机构

斜楔的自锁条件是斜楔的升角小于或等于斜楔与工件、斜楔与夹具体间的摩擦角 之和。 若 ， ，则 。为保证自锁可靠，手动夹 紧机构一般取 ；用液压或气压驱动的斜楔，可取 。 3 ）斜楔的扩力比与夹紧行程 夹紧力 与原始作用力 之比称为扩力比或增力系数，用 表示，即 （ 9-21 ） 若 ， ，则 。可见， 斜楔具有扩力作用， 越小， 越大。 图 9-41c 所示， 是 斜楔夹紧行程， 是斜楔 夹紧工件过程中移动的距离， 则 （ 9-22 ） 图 9-42 螺旋夹紧机构 由于 受到 斜楔 长度的限制，要增大 夹紧行程，就得增大斜角 ，这样会 降低自锁性能。当要求机构既能自锁，又要有较大夹紧行程，可采用双斜面斜楔， 如 图 9-40 b 所示，大斜角 段使滑柱 迅速上升，小斜角 段确保自锁。 2 . 螺旋夹紧机构

图9-42是常见螺旋夹紧机构。由螺钉、螺母、垫圈、压板等元件组成 1)单个螺旋夹紧机构直接用螺钉或螺母夹紧工件的机构,称为单个螺旋夹 紧机构,如图9-42所示。图a中螺钉头直接与工件表面接触,螺钉转动时, 可能损伤工件表面或带动工件旋转。为克服这一缺点,可在螺钉头部装上摆动 压块(GB2172-91)。图9-43a、b所示,A型的端面光滑,用于 夹紧已加工表面;B型的端面有齿纹,用于夹紧毛坯面。当要求螺钉只移动不 转动时,可采用图c所示结构(GBT2173-91) 单个螺旋夹紧机构夹紧动作慢,装卸工件费时,为克服这一缺点,可采用各种快 速螺旋夹紧机构。 (2)螺旋压板夹紧机构 LI P L 图2-140螺旋压板夹紧机构

图 9-42 是常见 螺旋夹紧机构。 由螺钉、螺母、垫圈、压板等元件组成。 （ 1 ）单个螺旋夹紧机构直接用螺钉或螺母夹紧工件的机构，称为单个螺旋夹 紧机构，如图 9-42 所示。 图 a 中螺钉头直接与工件表面接触，螺钉转动时， 可能损伤工件表面或带动工件旋转。为克服这一缺点，可在螺钉头部装上 摆动 压块 （ ） 。 图 9-43 a 、 b 所示， A 型的端面光滑，用于 夹紧已加工表面； B 型的端面有齿纹，用于夹紧毛坯面。当要求螺钉只移动不 转动时，可采用图 c 所示结构（ ）。 单个螺旋夹紧机构夹紧动作慢，装卸工件费时，为克服这一缺点，可采用各种快 速螺旋夹紧机构 。 （ 2 ）螺旋压板夹紧机构

图9-44螺旋压板夹紧机构 常见的螺旋压板夹紧机构如图9-44所示,图a、b为移动压板;图c、d为 回转压板。图9-45是螺旋钩形压板夹紧机构,其特点是结构紧凑,使用方便 当钩形压板妨碍工件装卸时,自动回转钩形压板避免了手转动钩形压板的麻烦 图9-45自动回转钩形压板图 螺旋夹紧机构具有结构简单、制造容易、自锁性能好、夹紧可靠,是手动夹紧中 常用的一种夹紧机构 3.偏心夹紧机构

图 9-44 螺旋压板夹紧机构 常见的螺旋压板夹紧机构如图 9-44 所示，图 a 、b 为移动压板；图 c 、d 为 回转压板。图 9-45 是螺旋钩形压板夹紧机构，其特点是结构紧凑，使用方便。 当钩形压板妨碍工件装卸时，自动回转钩形压板避免了手转动钩形压板的麻烦。 图 9-45 自动回转钩形压板图 螺旋夹紧机构具有结构简单、制造容易、自锁性能好、夹紧可靠，是手动夹紧中 常用的一种夹紧机构。 3 . 偏心夹紧机构

图9-46圆偏心夹紧机构 用偏心件直接或间接夹紧工件的机构,称为偏心夹紧机构。常用的偏心 件是圆偏心轮和偏心轴。图9-46是常见的圆偏心夹紧机构,图a、b用的 是圆偏心轮;图c用的是偏心轴;图d用的是偏心叉。 偏心夹紧机构操作方便、夹紧迅速,但夹紧力和行程较小,一般用于切 削力不大、振动小、夹压面公差小的情况。 4.铰链夹紧机构 图9-47所示是常用的铰链夹紧机构的三种基本结构,图a为单臂铰 链夹紧机构;图b为双臂单作用铰链夹紧机构;图c为双臂双作用铰链夹紧机 构。由气缸带动铰链臂及压板转动夹紧或松开工件。 f 图9-47铰链夹紧机构 铰链夹紧机构是一种增力机构,其结构简单,增力比大,摩擦损失小,但 般不具备自锁性能,常与具有自锁性能的机构组成复合夹紧机构。所以铰链夹紧 机构适用于多点、多件夹紧,在气动、液压夹具中获得广泛应用

图 9-46 圆偏心夹紧机构 用偏心件直接或间接夹紧工件的机构，称为偏心夹紧机构。常用的偏心 件是圆偏心轮和偏心轴。 图 9-46 是常 见的圆偏心夹紧机构，图 a 、 b 用的 是圆偏心轮；图ｃ用的是偏心轴；图ｄ用的是偏心叉。 偏心夹紧机构操作方便、夹紧迅速，但夹紧力和行程较小，一般用于切 削力不大、振动小、夹压面公差小的情况。 4 . 铰链夹紧机构 图 9-47 所示是常用的铰链夹紧机构的三种基本结构，图 a 为单臂铰 链夹紧机构；图 b 为双臂单作用铰链夹紧机构；图 c 为双臂双作用铰链夹紧机 构。由气缸带动铰链臂及压板转动夹紧或松开工件。 图 9-47 铰链夹紧机构 铰链夹紧机构是一种增力机构，其结构简单，增力比大，摩擦损失小，但一 般不具备自锁性能，常与具有自锁性能的机构组成复合夹紧机构。所以铰链夹紧 机构适用于多点、多件夹紧，在气动、液压夹具中获得广泛应用