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第8章 专用夹具及设计方法
8.1 专用夹具设计方法和步骤
8.2 分度装置与夹具体的设计
8.3 专用夹具设计实例
8.4 其它夹具简介
思考题与习题
8.2 分度装置与夹具体的设计
8.2.1 分度装置的基本形式?
　　在机械加工中，经常会遇到一些工件要求在夹具里一次安装中加工一组按一定转角或一定距离均匀分布，而其形状和尺寸彼此相同的表面，例如钻、铰一组等分孔，或铣一组等分槽、多面体等， 如图8-1所示。
图8-1 常见的等分表面
（a） 等分孔轴向分布；（b） 等分孔径向分布；（c） 等分孔直线分布；
（d） 等分槽； （e） 多面体； （f） 等分槽直线分布
　　使工件在一次装夹中，每加工完一个表面之后，通过夹具上的可动部分连同工件一起转动一定的角度或移动一定的距离， 以改变工件加工位置的装置，称为分度装置。分度装置可分为两大类：回转分度装置和直线分度装置。由于这两类分度装置的结构原理与设计方法基本相同，而生产中又以回转分度装置的应用为多， 故本节主要讨论回转分度装置。?
　　回转分度装置按其工作原理可分为机械、光学、电磁等形式；按其回转轴相对于夹具的安装基面间的相互位置关系， 又可分为立轴式、卧轴式和斜轴式三种。图4-23为卧轴式径向分度钻模， 用于钻削套筒圆周上三排均匀分布的径向孔系。
　　分度装置一般由以下几部分组成：?
　　（1） 固定部分。 固定部分是分度装置的基体，当夹具在机床上安装调整好之后，它是固定不动的。通常以夹具体为分度装置的固定部分。 ?
　　为了保证分度装置的精度和使用寿命，要求其固定部分刚性好、尺寸稳定和耐磨损。其材料一般为灰铸铁，并在机械加工前进行时效处理。
　　（2） 转动（或移动）部分。转动（或移动）部分是分度装置的运动件，它应保证工件在定位和夹紧状态下进行转位（或移动）。 ?
　　当转动部分与固定部分之间为滑动摩擦时，转动部分的材料一般采用45钢，以保证其耐磨性。 在生产批量较大时， 轴孔一般须增设衬套，其材料为45钢或T7A，转轴材料一般可取45钢、 40Cr钢或20钢渗碳淬火。此外，转动（或移动）部分各摩擦副之间应保持良好的润滑。
　　（3） 对定机构。对定机构的作用是保证其分度装置的转动（或移动）部分相对于固定部分获得正确的分度位置，并进行定位和完成插销及拔销的动作。 ?
　　（4） 锁紧机构。锁紧机构的作用是，当分度完成后， 将其装置的转动（或移动）部分与固定部分之间进行锁紧， 以增加分度装置的刚性和稳定性，减少加工时的振动，同时也起到保护对定机构的作用。 这对于铣削加工尤为重要。
8.2.2 分度对定机构及控制机构?
　　1. 分度对定机构?
　　采用具有分度装置的夹具加工工件时，各加工表面间的相互位置精度与该分度装置的结构形式和制造精度有关。分度装置的关键部分是对定机构，它是专门用来完成分度、对准、 定位的机构。 ?
　　分度对定机构主要由分度盘和对定销构成。大多数情况下， 分度盘与分度装置中的转动部分相连接，或直接用转轴作为分度盘，而对定销则与固定部分相连接，当然有时也有相反情况。
　　按照分度盘和对定销的相互位置关系，一般有两种分度方式：轴向分度和径向分度。如图8-2所示。若对定销沿其分度盘的半径方向进行工作，则称为径向分度，如图8-2（a）所示。若对定销沿其平行于分度盘回转轴线方向进行工作，则称为轴向分度， 如图8-2（b）所示。
图8-2 两种分度方式
(a) 径向分度； (b) 轴向分度
1—对定销 2—分度盘 3—工件
　　显然，当分度盘直径相同时，如果分度盘上分度孔（槽）相距分度盘的回转轴线越远，由于对定机构存在某种间隙所引起的分度转角误差必将越小。因此，径向分度的精度要比轴向分度精度高，这是目前高精度分度装置常采用径向分度方式的原因之一。一般地说，轴向分度机构紧凑，外形尺寸较小， 便于维护保养，故在生产中应用较多，而径向分度机构，因其分度半径较大，故常用在分度精度要求较高的场合。 ?
　　分度对定机构的结构形式较多，它们各有不同的特点， 且适用于不同的场合。下面介绍几种常见的形式。
　（1） 钢球（或球头销）对定。如图8-3（a）所示，它是依靠弹簧的弹力将钢球或球头销压入分度盘锥形孔中实现对定的。 钢球可以用0～1级精度的标准滚珠。分度盘上的锥形孔可用钻头锪出，锥角α为90°或120°，深度应小于钢球或球头销的半径。这种对定机构既可用于轴向分度也可用于径向分度， 结构简单，操作方便，但分度精度不高，且由于锥孔较浅， 对定不很可靠， 故常用于切削力不大，分度精度要求不高的场合， 或作为预定位机构。
图8-3 分度对定机构
（a） 钢球对定； （b） 圆柱销对定； （c） 削边销对定；　 （d） 锥销对定； （e） 双斜面楔形槽对定 （f） 单斜面楔形槽对定； （g） 正多面体对定； （h） 滚柱对定
1—精密滚柱 2—套环 3—圆盘
　（2） 圆柱销（或削边销）对定。如图8-3（b）、 （c）所示， 它们主要用于轴向分度。为了提高其使用寿命， 分度盘上的对定孔中一般压入耐磨衬套，而对定销与分度套间采用H7/g6间隙配合。这种结构的主要优点是结构简单，制造工艺性好，操作方便，使用时不易受灰尘和污物的影响； 缺点是无法补偿孔销之间的配合间隙，磨损之后，其分度精度有所降低。
　（3） 圆锥销（或双斜面楔形槽）对定。如图8-3（d）所示为圆锥销对定，它常用于轴向分度， 圆锥角α一般为10°。 图8-3（e）所示为双斜面楔形对定， 常用于径向分度。这两种对定机构都能消除销与孔（或槽）之间的配合间隙，分度精度较高，且对于磨损具有一定的补偿作用， 精度的保持性较好，但使用时工件表面上的灰尘和污物将直接影响到分度精度，因此，这类机构应采用必要的防屑、 挡尘措施。
（4） 单斜面楔形槽对定。如图8-3（f）所示，它常用于径向分度。 这种对定形式由于斜面始终靠在相对应的一侧，使分度误差也始终分布在斜面一边。图中N面为分度对定的基准， 只要其位置固定不变，就能使分度装置获得很高的分度精度。 另外，即使工作面上沾有碎屑污物而引起对定销稍有后退， 也不影响分度精度， 故常可用作精密分度。
（5） 正多面体对定。正多面体是具有精确角度的基准器件。图8-3（g）所示为正六面体基准器件，常用于径向分度。 这种对定形式的分度盘是利用正多面体上各个面进行分度的， 用斜楔加以对定，其特点是结构简单，制造容易，刚性好， 分度精度较高，但分度数目不宜过多。 ?
（6） 滚柱对定。如图8-3（h）所示，这种结构由圆盘3、 套环2和精密滚柱1装配而成。相间排列的滚柱构成分度槽。 为提高分度盘的刚度，在滚柱与圆盘、套环之间应充填环氧树脂。 对定销端部制成10°的锥角，以便消除对定副的间隙， 从而提高分度精度。
2. 控制操纵机构?
（1） 典型操纵机构。图8-4（a）所示为结构已经标准化的GB/T 2215—91手拉式操纵机构。将捏手5向外拉，即可将对定销1从分度盘衬套2孔中拔出。当横销4脱离槽B后，可将捏手转过90°，使横销4搁在导套3的A面上， 此时即可转动分度盘进行分度。当分度盘转过一定角度后，将捏手反转90°，在弹簧力的作用下，对定销1便插入下一分度衬套2的孔中。本机构结构简单，工作可靠。图8-4（b)所示为齿轮齿条式操纵机构。 在对定销6上加工有齿条并与小齿轮7啮合， 当需分度拔销时， 转动小齿轮轴端部的手柄（图中未标出），通过齿轮齿条的啮合传动， 使对定销从分度衬套孔中拔出。分度转位后，在弹簧力的作用下，对定销便可插入下一个分度孔内（手柄反方向转动）， 即一次分度完成。 本机构操作方便，工作可靠。
图8-4 操纵机构
（a） 手拉式； （b） 齿条式
1—对定销 2—衬套 3—导套 4—横销 5—捏手 6—对定销 7—小齿轮
（2） 抬起及锁紧机构。在分度转位之前，为了使转盘转动灵活、省力和减少接触面间的摩擦， 特别是对于大规格的立式转台，更应将回转盘稍微抬起；在分度结束后，为了增强分度装置的刚度及稳定性，则应将转盘锁紧，为此可设置抬起/锁紧机构。常用的抬起及锁紧机构的结构可参考有关资料。
8.2.3 夹具体的设计?
1. 夹具体的结构形式?
如上所述，夹具体的结构形式一般由机床的有关参数、 夹具各元件和装置的分布以及工件的外廓尺寸而定。如图8-5所示为夹具体的结构形式，它分为开式、半开式和框架式三种。一般地，开式结构的制造工艺性较好，而框架式结构的整体刚性较强。在选择夹具体的结构形式时，应注意考虑以下三个方面的问题：首先要考虑与工件的形状、尺寸、加工要求以及所选用的机床相适应；其次要便于夹具体毛坯的制造和切削加工； 最后还应便于工件的装卸。
图8-5 夹具体结构形式
（a） 开式结构； （b） 半开式结构； （c） 框架式结构
2. 夹具体毛坯的制造方法?
　（1） 铸造夹具体。如图8-6（a）所示，铸造夹具体的材料大多采用HT150或HT200灰铸铁。要求强度很高时， 可用铸钢（如ZG35）；要求重量轻时，可用铸铝（如ZL104）。铸造夹具体的优点是工艺性好，可以铸出各种复杂形状的外形， 并具有较好的抗压强度、刚度和抗振性，但铸造夹具体的生产周期长，单件制造成本较高，而且因铸造时的内应力缘故， 易引起变形， 从而影响夹具体精度的持久性。
　　（2） 焊接夹具体。如图8-6（b）所示，焊接夹具体由钢板、型材焊接而成。它与铸造夹具体相比，其主要优点是结构通常较简单，易于制造， 生产周期短，成本低，重量轻， 使用也较灵活；缺点是焊接时的热应力较大，易变形，需进行退火处理，并应设置加强筋或隔板，以提高其刚性。国际上发达国家常采用这种夹具体。
　　（3） 装配夹具体。这是近年来发展的一种新型的夹具体，如图8-6（c）所示。装配夹具体是由标准毛坯件或标准零件以及个别非标准件通过螺钉、销钉连接组装而成的。 它具有制造周期短、成本低、可组织专业化生产、精度稳定等优点，并有利于夹具体结构的标准化、系列化，也便于夹具的计算机辅助设计， 是一种很有发展前途的夹具体类型。
　　（4） 其它类型的夹具体。 ?
　　① 锻造夹具体，如图8-6（d）所示。它适用于形状简单、尺寸不大，而要求其强度、刚度很大的场合，一般情况下很少采用，并且锻造成型后应作退火处理。 ?
　　② 型材夹具体，它是采用板料、棒料、管材等型材直接加工而成的夹具体。它具有制造周期短、成本低等优点，适用于小型夹具的制造， 如心轴类夹具的夹具体。
图8-6 夹具体毛坯的种类
　　3. 夹具体设计的基本要求?
　　设计夹具体时， 有以下一些基本要求：?
　（1） 有足够的强度和刚度。在加工过程中，夹具体要承受切削力、夹紧力、惯性力，以及切削过程中产生的冲击和振动， 所以夹具体应有足够的刚度和强度。为此，夹具体要有足够的壁厚，并根据受力情况适当布置加强筋或采用框式结构。 一般加强筋厚度取壁厚的0.7～0.9倍， 筋的高度不大于壁厚的5倍。
　　（2） 减轻重量， 便于操作。在保证一定的强度和刚度的情况下，应尽可能使其体积小、重量轻。 在不影响刚度和强度的地方，应开窗口、凹槽，以便减轻其重量。特别对于手动、 移动或翻转夹具，通常要求夹具总重量不超过100 N（相当于10㎏）， 以便于操作。
　　（3） 安放稳定、可靠。 夹具体在机床上的安放应稳定， 对于固定在机床上的夹具，应使其重心尽量低；对于不固定在机床上的夹具，其重心和切削力作用点应落在夹具体在机床上的支承面范围内。夹具越高，支承面积应越大。为了使接触面接触紧密，夹具体底面中部一般应挖空。对于较大的夹具体应采用图8-7（a）所示的周边接触、 图8-7（b）所示的两端接触或图8-7（c）所示的四脚接触等方式。 各接触部位应在夹具体的一次安装中同时磨出或刮研出。
图8-7 夹具安装基面的形式
　　（4）结构简单，工艺性好。夹具体的结构应尽量紧凑， 工艺性好，便于制造、装配。夹具体上最重要的加工表面有三组：夹具体在机床上定位部分的表面、安放定位元件的表面、 安放刀具和导向装置或元件的表面。夹具体的结构应便于这些表面的加工。 ?
　　（5） 尺寸稳定，有一定的精度。夹具体经制造加工完成后，尺寸应保持稳定，避免其日久变形。为此，对于铸造夹具体毛坯，要进行时效处理；对于焊接夹具体毛坯，要进行退火处理；铸造夹具体其壁厚过渡要和缓、均匀，以免产生过大的铸造残余应力。必要时，在粗加工后，还应进行二次去应力时效处理。
　　　夹具体各主要表面要有一定的精度和表面粗糙度要求， 特别是位置精度。这是保证工件在夹具中加工精度的必要条件。 一般的推荐值为：粗糙度Ra为1.6～0.8 μm，平面度或直线度不大于0.05 mm， 平行度或垂直度不大于0.01 mm/100 mm。
　　（6） 排屑方便。在加工过程中所产生的切屑，一部分要落在夹具体上。 若切屑积聚过多，将影响工作安装的可靠性， 因此夹具体在结构上应考虑清除切屑方便。 ?
　　① 增加容纳切屑的空间，使落在定位元件上的少量切屑排向容屑空间。 图8-8（a）所示是在夹具体上增设了容屑沟。 图8-8（b）所示是通过增大定位元件工作表面与夹具体之间的距离形成容屑空间。这两种方法受到夹具体和定位元件结构强度和刚度的限制，实际所增加的容屑空间有限，故适用于加工时产生切屑不多的场合。
　　② 采用可自动排屑结构，如在夹具体上设计排屑用的斜面或缺口，使切屑自动由斜面处滑下并排出夹具体外。
图8-8 增加夹具体上的容屑空间
　　（7） 吊装方便，使用安全。夹具体的设计应使夹具吊装方便，使用安全。在加工中要翻转或移动的夹具，通常要在夹具体上设置手柄或手扶部位， 以便于操作。对于大型夹具， 为便于吊运，在夹具体上应设有吊环、起吊环或起重螺栓。 对于旋转类夹具体，要尽量避免凸出部分，或装上安全罩， 并考虑平衡。

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