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第四章 車床夾具設計
4.1 車床夾具設計要求說明
車床夾具主要用于工序10粗車下端面，粗車內(nèi)孔?73孔，粗車?90孔，粗車?120孔夾具。因而車床夾具的主要特點是工件加工表面的中心線與機床主軸的回轉軸線同軸。
（1） 安裝在車床主軸上的夾具。這類夾具很多，有通用的三爪卡盤、四爪卡盤，花盤，頂尖等，還有自行設計的心軸；專用夾具通?？煞譃樾妮S式、夾頭式、卡盤式、角鐵式和花盤式。這類夾具的特點是加工時隨機床主軸一起旋轉，刀具做進給運動
定心式車床夾具 在定心式車床夾具上，工件常以孔或外圓定位，夾具采用定心夾緊機構。
角鐵式車床夾具 在車床上加工殼體、支座、杠桿、接頭等零件的回轉端面時，由于零件形狀較復雜，難以裝夾在通用卡盤上，因而須設計專用夾具。這種夾具的夾具體呈角鐵狀，故稱其為角鐵式車床夾具。
花盤式車床夾具 這類夾具的夾具體稱花盤，上面開有若干個T形槽，安裝定位元件、夾緊元件和分度元件等輔助元件，可加工形狀復雜工件的外圓和內(nèi)孔。這類夾具不對稱，要注意平衡。
（2） 安裝在托板上的夾具。某些重型、畸形工件，常常將夾具安裝在托板上。刀具則安裝在車床主軸上做旋轉運動，夾具做進給運動。
由于后一類夾具應用很少，屬于機床改裝范疇。而生產(chǎn)中需自行設計的較多是安裝在車床主軸上的專用夾具，所以零件在車床上加工用專用夾具。
4.2車床夾具的設計要點
（1）定位裝置的設計特點和夾緊裝置的設計要求
當加工回轉表面時，要求工件加工面的軸線與機床主軸軸線重合，夾具上定位裝置的結構和布置必須保證這一點。
當加工的表面與工序基準之間有尺寸聯(lián)系或相互位置精度要求時，則應以夾具的回轉軸線為基準來確定定位元件的位置。
工件的夾緊應可靠。由于加工時工件和夾具一起隨主軸高速回轉，故在加工過程中工件除受切削力矩的作用外，整個夾具還要受到重力和離心力的作用，轉速越高離心力越大，這些力不僅降低夾緊力，同時會使主軸振動。因此，夾緊機構必須具有足夠的夾緊力，自鎖性能好，以防止工件在加工過程中移動或發(fā)生事故。對于角鐵式夾具，夾緊力的施力方式要注意防止引起夾具變形。
（2）夾具與機床主軸的連接
車床夾具與機床主軸的連接精度對夾具的加工精度有一定的影響。因此，要求夾具的回轉軸線與臥式車床主軸軸線應具有盡可能小的同軸度誤差。
心軸類車床夾具以莫氏錐柄與機床主軸錐孔配合連接，用螺桿拉緊。有的心軸則以中心孔與車床前、后頂尖安裝使用。
根據(jù)徑向尺寸的大小，其它專用夾具在機床主軸上的安裝連接一般有兩種方式：
1)對于徑向尺寸D＜140mm，或D＜(2～3)d的小型夾具，一般用錐柄安裝在車床主軸的錐孔中，并用螺桿拉緊，如圖1-a所示。這種連接方式定心精度較高。
2)對于徑向尺寸較大的夾具，一般用過渡盤與車床主軸軸頸連接。過渡盤與主軸配合處的形狀取決于主軸前端的結構。
圖1-b所示的過渡盤，其上有一個定位圓孔按H7/h6或H7/js6與主軸軸頸相配合，并用螺紋和主軸連接。為防止停車和倒車時因慣性作用使兩者松開，可用壓板將過渡盤壓在主軸上。專用夾具則以其定位止口按H7/h6或H7/js6裝配在過渡盤的凸緣上，用螺釘緊固。這種連接方式的定心精度受配合間隙的影響。為了提高定心精度，可按找正圓校正夾具與機床主軸的同軸度。
對于車床主軸前端為圓錐體并有凸緣的結構，如圖1-c所示，過渡盤在其長錐面上配合定心，用活套在主軸上的螺母鎖緊，由鍵傳遞扭矩。這種安裝方式的定心精度較高，但端面要求緊貼，制造上較困難。
圖1-d所示是以主軸前端短錐面與過渡盤連接的方式。過渡盤推入主軸后，其端面與主軸端面只允許有0.05～0.1mm的間隙，用螺釘均勻擰緊后，即可保證端面與錐面全部接觸，以使定心準確、剛度好。
圖1 車床夾具與機床主軸的連接
過渡盤常作為車床附件備用，設計夾具時應按過渡盤凸緣確定專用夾具體的止口尺寸。過渡盤的材料通常為鑄鐵。各種車床主軸前端的結構尺寸，可查閱有關手冊
4.3 定位機構
由零件圖分析加工工序10粗車下端面，粗車內(nèi)孔?73孔，粗車?90孔，粗車?120孔夾具的加工要求，必須保證孔軸向和徑向的加工尺寸，得出，夾具必須限制工件的六個自由度，才可以達到加工要求。先設計夾具模型如下：
選擇定位元件為：支撐板,固定V型塊，活動V型塊。支撐板限制了X,Y,Z方向的移動自由度，固定V型塊限制2個的轉動自由度，活動V型塊限制了1個方向的轉動自由度?？梢?，定位方案選擇合理。
4.4夾緊機構
選擇工件的夾緊方案，夾緊方案的選擇原則是夾得穩(wěn)，夾得勞，夾得快。選擇夾緊機構時，要合理確定夾緊力的三要素：大小、方向、作用點。夾緊裝置的基本要求如下：
1. 夾緊時不能破壞工件在夾具中占有的正確位置；
2. 夾緊力要適當，既要保證工件在加工過程中不移動、不轉動、不震動，又不因夾緊力過大而使工件表面損傷、變形。
3. 夾緊機構的操作應安全、方便、迅速、省力。
4. 機構應盡量簡單，制造、維修要方便。
分析零件加工要素的性質，確定夾緊動力源類型為手動夾緊，夾緊裝置為壓板，壓緊力來源為螺旋力。夾具的具體結構與參數(shù)見夾具裝配圖和零件圖。
5.4 切削力及夾緊力的計算
刀具：
粗車切削力：查《現(xiàn)代機床夾具設計》P104表，得車削切削力計算公式：
圓周分力Fc = 902 Kp
徑向分力Fp = 2383Kp
軸向分力Ff =3326Kp
其中——背吃刀量 2.3mm
f——每轉進給量 0.16mm
Vc—切削速度m/min 60
Kp—修正系數(shù)1.08
所以切削時的各切削力
Fc1= 566.8N
Fp2=801.5N
Ff3= 416.4N
所以切削時的各切削力
Fc1= 105.45N
Fp2= 57.23N
Ff3= 97.96N
4.5零件的車床夾具的加工誤差分析
工件在車床夾具上加工時，加工誤差的大小受工件在夾具上的定位誤差、夾具誤差、夾具在主軸上的安裝誤差和加工方法誤差的影響。
如夾具圖所示，在夾具上加工時，尺寸的加工誤差的影響因素如下所述：
（1）定位誤差
注：V型塊夾角α=90°。
基準位移誤差：
工件以外圓柱面在V型塊定位，由于工件定位面外圓直徑有公差δD，因此對一批工件來說，當直徑由最小D－δD變大到D時，工件中心（即定位基準）將在V型塊的對稱中心平面內(nèi)上下偏移，左右不發(fā)生偏移，即工件由變大到,其變化量（即基準位移誤差Δ）從圖（a）中的幾何關系退出：
ΔY==
基準不重合誤差：
從圖（b）中設計基準與定位基準不重合，假設定位基準不動，當工件直徑由最小D－δD變到最大D時，設計基準的變化量為，即基準不重合誤差ΔB=。
從圖(c)中可知，設計基準為工件的下母線。即，上述方向由a到a′與定位基準變到的方向相反，故其定位誤差ΔD是ΔY與ΔB之差.
ΔD=ΔY－ΔB=－=0.207δD=0.207×0.01=0.00207
ΔD=0.00207＜T 即滿足要求
（2）加工方法誤差
如車床主軸上安裝夾具基準與主軸回轉軸線間的誤差、主軸的徑向跳動、車床溜板進給方向與主軸軸線的平行度或垂直度等。它的大小取決于機床的制造精度、夾具的懸伸長度和離心力的大小等因素。一般取
=/3=0.05/3=0.017mm
零件的車床夾具總加工誤差是：
精度儲備：
故此方案可行。
4.6 確定夾具體結構尺寸和總體結構
夾具體設計的基本要求
（1）應有適當?shù)木群统叽绶€(wěn)定性
夾具體上的重要表面，如安裝定位元件的表面、安裝對刀塊或導向元件的表面以及夾具體的安裝基面，應有適當?shù)某叽缇群托螤罹龋鼈冎g應有適當?shù)奈恢镁取?
為使夾具體的尺寸保持穩(wěn)定，鑄造夾具體要進行時效處理，焊接和鍛造夾具體要進行退火處理。
（2）應有足夠的強度和剛度
為了保證在加工過程中不因夾緊力、切削力等外力的作用而產(chǎn)生不允許的變形和振動，夾具體應有足夠的壁厚，剛性不足處可適當增設加強筋。
（3）應有良好的結構工藝性和使用性
夾具體一般外形尺寸較大，結構比較復雜，而且各表面間的相互位置精度要求高，因此應特別注意其結構工藝性，應做到裝卸工件方便，夾具維修方便。在滿足剛度和強度的前提下，應盡量能減輕重量，縮小體積，力求簡單。
（4）應便于排除切屑
在機械加工過程中，切屑會不斷地積聚在夾具體周圍，如不及時排除，切削熱量的積聚會破壞夾具的定位精度，切屑的拋甩可能纏繞定位元件，也會破壞定位精度，甚至發(fā)生安全事故。因此，對于加工過程中切屑產(chǎn)生不多的情況，可適當加大定位元件工作表面與夾具體之間的距離以增大容屑空間：對于加工過程中切削產(chǎn)生較多的情況，一般應在夾具體上設置排屑槽。
（5）在機床上的安裝應穩(wěn)定可靠
夾具在機床上的安裝都是通過夾具體上的安裝基面與機床上的相應表面的接觸或配合實現(xiàn)的。當夾具在機床工作臺上安裝時，夾具的重心應盡量低，支承面積應足夠大，安裝基面應有較高的配合精度，保證安裝穩(wěn)定可靠。夾具底部一般應中空，大型夾具還應設置吊環(huán)或起重孔。
確定夾具體的結構尺寸，然后繪制夾具總圖。詳見繪制的夾具裝配圖。
4.6 零件的車床專用夾具簡單使用說明
（1）夾具的總體結構應力力求緊湊、輕便，懸臂尺寸要短，重心盡可能靠近主軸。
（2）當工件和夾具上個元件相對機床主軸的旋轉軸線不平衡時，將產(chǎn)生較大的離心力和振動，影響工件的加工質量、刀具的壽命、機床的精度和安全生產(chǎn)，特別是在轉速較高的情況下影響更大。因此，對于重量不對稱的夾具，要有平衡要求。平衡的方法有兩種：設置平衡塊或加工減重孔。在工廠實際生產(chǎn)中，常用適配的方法進行夾具的平衡工作。
（3）為了保證安全，夾具上各種元件一般不超過夾具的圓形輪廓之外。因此，還應該注意防止切削和冷卻液的飛濺問題，必要時應該加防護罩。