机床夹具设计教程－夹紧机构原理（图文教程）

4.1　对夹紧装置的基本要求
机械加工过程中，为保持工件定位时所确定的正确加工位置，防止工件在切削力、惯性力、离心力及重力等作用下发生位移和振动，机床夹具应设有夹紧装置，将工件压紧夹牢。夹紧装置是否合理、可靠及安全，对工件加工的精度、生产率和工人的劳动条件有着重大的影响，因此，夹紧机构应满足下面要求：
1. 夹紧过程中，必须保证定位准确可靠，而不破坏原有的定位。
2. 夹紧力的大小要可靠、适应，既要保证工件在整个加工过程中位置稳定不变、振动小，又要使工件不产生过大的夹紧变形。
3. 夹紧装置的自动化和复杂程度应与生产类型相适应，在保证生产效率的前提下，其结构要力求简单，工艺性好，便于制造和维修。
4. 夹紧装置应具有良好的自锁性能，以保证在源动力波动或消失后，仍能保持夹紧状态。
5. 夹紧装置的操作应当方便、安全、省力。
 4.2　夹紧装置的组成
1. 力源装置　产生夹紧作用力的装置称为力源装置。常用的力源有人力和动力。力源来自人力的称为手动夹紧装置；力源来自气压、液压、电力等动力的称为动力传动装置。如图 4-30所示为气压传动装置。

图 4-30  气动铣床夹具
1－配气阀　　2－管道　　3－气缸　　4－活塞　　5－活塞杆　　6－单铰链连杆　　7－压板
2. 夹紧部分　　接受和传递原始作用力使之变为夹紧力并执行夹紧任务的部分。一般由下列元件或机构组成。
（1）夹紧元件　是实现夹紧作用的最终执行元件。如各种螺钉、压板等。
（2）中间递力机构　通过它将力源产生的夹紧力传给夹紧元件，然后由夹紧元件最终完成对工件的夹紧。
一般中间递力机构可以在传递夹紧力的过程中，改变夹紧力的方向和大小，保证夹紧机构的工作安全可靠，并具有一定的自锁性能。
如图 4-30中的单铰链连杆 6 作为中间递力机构，当利用螺钉直接夹紧工件时，就没有中间递力元件。
（3）夹紧机构 是指手动夹紧时所使用的，由中间递力机构和夹紧装置组成，如手柄、螺母、压板等。
以上各部分之间的关系，可用框图表示，如图 4-31所示。

图 4-31   夹紧装置组成框图
 4.3　夹紧力的确定原则
确定夹紧力必须从力的三要素考虑，即力的大小、方向和作用点。它是一个综合性问题，必须结合工件的形状、尺寸、重量和加工要求，定位元件的结构及其分布方式，切削条件及切削力的大小等具体情况来确定。
1. 夹紧力方向的确定原则
夹紧力的作用方向不仅影响加工精度，而且还影响夹紧的实际效果。具体应考虑如下几点：

图 4－32
（1）夹紧力的作用方向应保证定位准确可靠，而不破坏工件的原有定位精度
工件在夹紧力作用下，应确保其定位基面贴在定位元件的工作表面上。为此要求主夹紧力的方向应指向主要定位基准面，其余夹紧力方向应指向工件的定位支承。如图 4-32所示，在角铁形工件上镗孔。加工要求孔中心线垂直 A 面，因此应以 A 面为主要定位基面，并使夹紧力垂直于A 面，如图 4-32（a）所示。但若使夹紧力指向 B 面，如图 4-32 （b）所示，则由于 A 与 B 面间存在垂直度误差，就无法满足加工要求。当夹紧力垂直指向 A 面有困难而必须指向 B 面时，则必须提高 A 与 B 面间的垂直度精度。
（2）夹紧力的作用方向应使工件的夹紧变形尽量小

图4－33 夹紧力对工件变形的影响
如图 4-33所示为加工薄壁套筒，由于工件的径向刚度很差，用图 4-33（a）的径向夹紧方式将产生过大的夹紧变形。若改用图 4-33（b）的轴向夹紧方式，则可减少夹紧变形，保证工件的加工精度。[yao_page]
（3）夹紧力作用方向应使所需夹紧力尽可能小
如图 4-34所示为夹紧力Fw、工件重力G和切削力F三者关系的几种典型情况。为了安装方便及减少夹紧力，应使主要定位支承表面处于水平朝上位置。如图 4-34（a）、 4-34（b）所示工件安装既方便又稳定，特别是图 4-34 （a），其切削力F与工件重力G均朝向主要支承表面，与夹紧力Fw方向相同，因而所需夹紧力为最小。此时的夹紧力Fw只要防止工件加工时的转动及振动即可。图 4-34（c）、 4-34（d）、 4-34（e）、 4-34（f)所示的情况就较差，特别是 4-34（d)所示情况所需夹紧力为最大，一般应尽量避免。

图 4-34　夹紧力方向与夹紧力大小的关系
2. 选择夹紧力作用点的原则
夹紧力作
用点的位置、数目及布局同样应遵循保证工件夹紧稳定、可靠、不破坏工件原来的定位以及夹紧变形尽量小的原则，具体应考虑如下几点：
（1）夹紧力作用点应能保持工件定位稳固而不至引起工件发生位移或偏转。
根据这一原则，夹紧力作用点必须作用在定位元件的支承表面上或作用在几个定位元件所形成的稳定受力区域内。如图 4-35（b）的作用点，会使原定位受到破坏。

图 4-35　作用点与定位支承的位置关系
（2） 夹紧力作用点应使夹紧变形尽量小
夹紧力应作用在工件刚性好的部位上。对于壁薄易变形的工件，应采用多点夹紧或使夹紧力均匀分布，以减少工件的夹紧变形。如图 4-36（a）、(b)为合理方案。如采用图 4-36（c）、图 4-36（d）的夹紧方案，将使工件产生变形。

图 4-36　作用点应在工件刚度好的部位
（3）夹紧力的作用点应保证定位稳定、夹紧可靠。
夹紧力的作用点应尽可能靠近被加工表面，以提高定位的稳定性和夹紧的可靠性。如图 4-37所示。有的工件由于结构形状所限，加工表面与夹紧力作用点较远且刚性又较差时，应在加工表面附近增加辅助支承及对应的附加夹紧力。如图 4-37（c）所示，在加工表面附近增加了辅助支承，而Fw1为对应的附加夹紧力。

3. 夹紧力大小的确定原则
当夹紧力的方向和作用点确定后，就应计算所需夹紧力的大小。夹紧力的大小直接影响夹具使用的安全性、可靠性。夹紧力过小，则夹紧不稳固，在加工过程中工件仍会发生位移而破坏定位。结果，轻则影响加工质量，重则千万安全事故。夹紧力过大，无必要，反而增加夹紧变形，对加工质量不利，同时夹紧机构的尺寸也会相应加大。所以夹紧力的大小应适当。
在实际设计工作中，夹紧力的大小可根据同类夹具的实际使用情况，用类比法进行经验估计，也可用分析计算方法近似估算。
分析计算法，通常是将夹具和工件视为刚性系统，找出在加工过程中，对夹紧最不利的瞬时状态。根据该状态下的工件所受的主要外力即切削力和理论夹紧力（大型工件要考虑工件的重力，调整运动下的工件要考虑离心力或惯性力），按静力平衡条件解出所需理论夹紧力，再乘以安全系数作为实际所需夹紧力，以确保安全。即：Fsw＝K Fw
式中　Fsw ——所需实际夹紧力，单位为 N；
Fw ——按静力平衡条件解出的所需理论夹紧力，单位为 N；
K ——安全系数，根据经验一般粗加工时取2.5～3；精加工时取1.5～2。
实际所需夹紧力的具体计算方法可参照机床夹具设计手册等资料。