第四章 車床夾具設(shè)計
4.1 車床夾具設(shè)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(diǎn)是工件加工表面的中心線與機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)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(shè)計的心軸；專用夾具通常可分為心軸式、夾頭式、卡盤式、角鐵式和花盤式。這類夾具的特點(diǎn)是加工時隨機(jī)床主軸一起旋轉(zhuǎn)，刀具做進(jìn)給運(yùn)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(jī)構(gòu)。
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(zhuǎn)端面時，由于零件形狀較復(fù)雜，難以裝夾在通用卡盤上，因而須設(shè)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(fù)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(zhuǎn)運(yùn)動，夾具做進(jìn)給運(yùn)動。
由于后一類夾具應(yīng)用很少，屬于機(jī)床改裝范疇。而生產(chǎn)中需自行設(shè)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(shè)計要點(diǎn)
（1）定位裝置的設(shè)計特點(diǎn)和夾緊裝置的設(shè)計要求
當(dāng)加工回轉(zhuǎn)表面時，要求工件加工面的軸線與機(jī)床主軸軸線重合，夾具上定位裝置的結(jié)構(gòu)和布置必須保證這一點(diǎn)。
當(dāng)加工的表面與工序基準(zhǔn)之間有尺寸聯(lián)系或相互位置精度要求時，則應(yīng)以夾具的回轉(zhuǎn)軸線為基準(zhǔn)來確定定位元件的位置。
工件的夾緊應(yīng)可靠。由于加工時工件和夾具一起隨主軸高速回轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)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(jī)構(gòu)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(jī)床主軸的連接
車床夾具與機(jī)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(zhuǎn)軸線與臥式車床主軸軸線應(yīng)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(jī)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(jī)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(jié)構(gòu)。
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(jī)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(jié)構(gòu)，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(zhǔn)確、剛度好。
圖1 車床夾具與機(jī)床主軸的連接
過渡盤常作為車床附件備用，設(shè)計夾具時應(yīng)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(jié)構(gòu)尺寸，可查閱有關(guān)手冊
4.3 定位機(jī)構(gòu)
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(dá)到加工要求。先設(shè)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(zhuǎn)動自由度，活動V型塊限制了1個方向的轉(zhuǎn)動自由度?？梢姡ㄎ环桨高x擇合理。
4.4夾緊機(jī)構(gòu)
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(jī)構(gòu)時，要合理確定夾緊力的三要素：大小、方向、作用點(diǎn)。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(dāng)，既要保證工件在加工過程中不移動、不轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)的操作應(yīng)安全、方便、迅速、省力。
4. 機(jī)構(gòu)應(yīng)盡量簡單，制造、維修要方便。
分析零件加工要素的性質(zhì)，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(jié)構(gòu)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(jī)床夾具設(shè)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(zhuǎn)進(jìn)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(zhǔn)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(dāng)直徑由最小D－δD變大到D時，工件中心（即定位基準(zhǔn)）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(zhǔn)位移誤差Δ）從圖（a）中的幾何關(guān)系退出：
ΔY==
基準(zhǔn)不重合誤差：
從圖（b）中設(shè)計基準(zhǔn)與定位基準(zhǔn)不重合，假設(shè)定位基準(zhǔn)不動，當(dāng)工件直徑由最小D－δD變到最大D時，設(shè)計基準(zhǔn)的變化量為，即基準(zhǔn)不重合誤差ΔB=。
從圖(c)中可知，設(shè)計基準(zhǔn)為工件的下母線。即，上述方向由a到a′與定位基準(zhǔn)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(zhǔn)與主軸回轉(zhuǎn)軸線間的誤差、主軸的徑向跳動、車床溜板進(jìn)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(jī)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(jié)構(gòu)尺寸和總體結(jié)構(gòu)
夾具體設(shè)計的基本要求
（1）應(yīng)有適當(dāng)?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?qū)蛟谋砻嬉约皧A具體的安裝基面，應(yīng)有適當(dāng)?shù)某叽缇群托螤罹?，它們之間應(yīng)有適當(dāng)?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(jìn)行時效處理，焊接和鍛造夾具體要進(jìn)行退火處理。
（2）應(yīng)有足夠的強(qiáng)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(yīng)有足夠的壁厚，剛性不足處可適當(dāng)增設(shè)加強(qiáng)筋。
（3）應(yīng)有良好的結(jié)構(gòu)工藝性和使用性
夾具體一般外形尺寸較大，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且各表面間的相互位置精度要求高，因此應(yīng)特別注意其結(jié)構(gòu)工藝性，應(yīng)做到裝卸工件方便，夾具維修方便。在滿足剛度和強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡量能減輕重量，縮小體積，力求簡單。
（4）應(yīng)便于排除切屑
在機(jī)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(dāng)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(yīng)在夾具體上設(shè)置排屑槽。
（5）在機(jī)床上的安裝應(yīng)穩(wěn)定可靠
夾具在機(jī)床上的安裝都是通過夾具體上的安裝基面與機(jī)床上的相應(yīng)表面的接觸或配合實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)夾具在機(jī)床工作臺上安裝時，夾具的重心應(yīng)盡量低，支承面積應(yīng)足夠大，安裝基面應(yīng)有較高的配合精度，保證安裝穩(wěn)定可靠。夾具底部一般應(yīng)中空，大型夾具還應(yīng)設(shè)置吊環(huán)或起重孔。
確定夾具體的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)應(yīng)力力求緊湊、輕便，懸臂尺寸要短，重心盡可能靠近主軸。
（2）當(dāng)工件和夾具上個元件相對機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)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(zhì)量、刀具的壽命、機(jī)床的精度和安全生產(chǎn)，特別是在轉(zhuǎn)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(shè)置平衡塊或加工減重孔。在工廠實(shí)際生產(chǎn)中，常用適配的方法進(jìn)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(yīng)該注意防止切削和冷卻液的飛濺問題，必要時應(yīng)該加防護(hù)罩。