Transcript 第六章 机床夹具设计原理 本章提要 为保证工件的加工要求，必须使工件在机床上处于准确的位置，夹 具就是用来实现这一要求的。用夹具定位涉及到三层关系：（1）工件 在夹具上的定位；（2）夹具相对于机床的定位；（3）工件相对于机床 的定位——间接通过夹具来保证的。本章主要讨论工件在夹具上的定位 原理。 工件定位以后必须通过一定的装置产生夹紧力，使工件保持在准确的 位置上。这种产生夹紧力的装置就是夹紧装置。夹紧装置的设计与计算 也是本章所讨论的主题。 内容提纲 6.1 机床夹具概述 6.2 工件的定位 6.3 工件的夹紧 6.4 夹具的基本要求和设计步骤 单螺旋夹紧装置 6.1 机床夹具概述 首先，让我们了解一下机床夹具的基本概念：  定位：工件在机床上加工时，为保证加工精度和提高生产率，必 须使工件在机床上相对刀具占有正确的位置，这个过程称为定位。  夹紧：为克服切削过程中工件受外力的作用而破坏定位，必须对 工件施加夹紧力，这个过程称为夹紧。  装夹：定位和加紧综合称为装夹。  机床夹具：完成装夹的工艺设备称为机床夹具。 6.1.1 机床夹具的分类 机床夹具按通用化程度可分为两大类： 通用夹具 ——可适应不同工件的需要，结构 较复 杂，使用广泛。 专用夹具 ——为某工件的某工序专门设计制造 的夹具，结构简单、紧凑，操作方便 迅速。 机床夹具 6.1.2夹具的作用和组成  下面通过一个专用夹 具的实例来说明夹具 的作用和组成： 1－快换钻头；2－导向 套；3－钻模板；4 －开口垫圈；5－螺 母；6－工件； 7－ 定位销；8－夹具体 由上一个例子可以看出:  6.1.2.1夹具的作用: （1）可以缩短辅助时间，提高劳动生产力； （2）易于保证加工精度的稳定； （3）可扩大机床的使用范围； （4）可以减轻劳动强度，保证生产安全。 6.1.2.2夹具的组成: （1）定位元件，如图的定位销7； （2）夹紧装置，如图的螺母5、 开口垫圈4； （3）对刀元件，如图的钻套1； （4）夹具体8； （5）其它元件和装置，有些夹具 根据加工要求，有分度机构，铣 床夹具还要有定位键等。 6.2工件的定位  6.2.1六点定位原理 一个自由的物体，它 对三个相互垂直的坐标系 来说，有六个活动可能性， 其中三种是移动，三种是 转动。习惯上把这种活动 的可能性称为自由度，因 此空间任一自由物体共有 六个自由度。如图6.2所示， 物体的六个自由度分别为： 同时还规定：        （1）沿X轴移动，用 X 表示；  Y （2）沿Y轴移动，用 表示；  （3）沿Z轴移动，用 Z.

第六章
机床夹具设计原理
本章提要
为保证工件的加工要求，必须使工件在机床上处于准确的位置，夹
具就是用来实现这一要求的。用夹具定位涉及到三层关系：（1）工件
在夹具上的定位；（2）夹具相对于机床的定位；（3）工件相对于机床
的定位——间接通过夹具来保证的。本章主要讨论工件在夹具上的定位
原理。
工件定位以后必须通过一定的装置产生夹紧力，使工件保持在准确的
位置上。这种产生夹紧力的装置就是夹紧装置。夹紧装置的设计与计算
也是本章所讨论的主题。
内容提纲
6.1 机床夹具概述
6.2 工件的定位
6.3 工件的夹紧
6.4 夹具的基本要求和设计步骤
单螺旋夹紧装置
6.1 机床夹具概述
首先，让我们了解一下机床夹具的基本概念：
 定位：工件在机床上加工时，为保证加工精度和提高生产率，必
须使工件在机床上相对刀具占有正确的位置，这个过程称为定位。
 夹紧：为克服切削过程中工件受外力的作用而破坏定位，必须对
工件施加夹紧力，这个过程称为夹紧。
 装夹：定位和加紧综合称为装夹。
 机床夹具：完成装夹的工艺设备称为机床夹具。
6.1.1 机床夹具的分类
机床夹具按通用化程度可分为两大类：
通用夹具
——可适应不同工件的需要，结构
较复 杂，使用广泛。
专用夹具
——为某工件的某工序专门设计制造
的夹具，结构简单、紧凑，操作方便
迅速。
机床夹具
6.1.2夹具的作用和组成
 下面通过一个专用夹
具的实例来说明夹具
的作用和组成：
1－快换钻头；2－导向
套；3－钻模板；4
－开口垫圈；5－螺
母；6－工件； 7－
定位销；8－夹具体
由上一个例子可以看出:
 6.1.2.1夹具的作用:
（1）可以缩短辅助时间，提高劳动生产力；
（2）易于保证加工精度的稳定；
（3）可扩大机床的使用范围；
（4）可以减轻劳动强度，保证生产安全。
6.1.2.2夹具的组成:
（1）定位元件，如图的定位销7；
（2）夹紧装置，如图的螺母5、
开口垫圈4；
（3）对刀元件，如图的钻套1；
（4）夹具体8；
（5）其它元件和装置，有些夹具
根据加工要求，有分度机构，铣
床夹具还要有定位键等。
6.2工件的定位
 6.2.1六点定位原理
一个自由的物体，它
对三个相互垂直的坐标系
来说，有六个活动可能性，
其中三种是移动，三种是
转动。习惯上把这种活动
的可能性称为自由度，因
此空间任一自由物体共有
六个自由度。如图6.2所示，
物体的六个自由度分别为：
同时还规定：







（1）沿X轴移动，用 X 表示；

Y
（2）沿Y轴移动，用 表示；

（3）沿Z轴移动，用 Z 表示；

（4）绕X轴转动，用 X 表示；

（5）绕Y轴转动，用 Y 表示；
（6）绕Z轴转动，用 Z 表示。
六点定位原理
 若使物体在某个方向有确定的位置，就必须限制该方向的自由度，
所以要使工件在空间处于相对固定的位置，就必须对六个自由度加
以限制。限制的方法就是用相当于六个支承点的定位元件与工件的
定位基准面接触，如图6.4所示：在底面XOY内的三个支承点限制


了 X ，Y ，Z 三个自由度；在侧面YOZ内的两个支承点限制了 X ，Y
两个自由度；在端面XOY内的一个支承点限制了 一个自由度。
 这种用正确分布的六个
支承点来限制工件的六个自
由度，使工件在夹具中得到
正确位置的规律，称为六点
定位原理。
图6.4 工件的六点定位
下面我们来了解一下关于六点定位原理的一些概念：
 完全定位：六个自由度都需要限制的定位方法，称为
完全定位。
 不完全定位：没有完全限制六个自由度而仍然保证有关工序尺寸
的定位方法称为不完全定位。
 过定位：当两种定位元件均能限制工件的同一个方向自由度时称
为过定位。
 欠定位：若定位支承点少于所应消除的自由度数时，则工件定位
不足，称为欠定为。
6.2.2定位元件

定位元件在夹具中的布置，一方面要符合六点定位原理，另一方面为
保证工件定位的稳定性，要使支承点的布置尽量敞开，这样可以使工
件的重力和切削力的作用点都落在支撑点连线所组成的平面内。
 6.2.2.1定位元件的主要技术要求和常用材料
主要技术要求：
要有足够的定位精度，较低的粗糙度值，还要有一定的耐磨性、硬度
和刚度。
常用材料：
（1）低碳钢：如20钢或20Cr钢，工作表面经渗碳淬火，达到HRC55～
65；
（2）高碳钢：如T7、T8、T10等，淬硬至HRC43～48。
6.2.2.2定位元件的种类
支承钉
可调式定位元件
支承板
固定式定位元件
定位销
定位元件
辅助式支承元件
定位心轴
V型块
浮动式定位元件
6.2.3定位误差
 为了保证加工精度的要求，我们加工时应满足如下关系式：
e总  T
式中，e总 －－各种因素产生误差的总合；
T －－工件被加工尺寸的公差。
 在这一章里，我们只研究与夹具有关的定位方法所引起的定位误
差对加工精度的影响，因此上式又可写成：
e定    T
式中，e定 －－定位误差；
――除定位误差以外，其他因素所引起的误差总和，可按加
工经济精度查表确定。

6.2.3.1定位误差的组成
 所谓定位误差，是指由于工件定位造成的加工面相对工序基准
的位置误差，即工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量。
 定位误差的组成及产生原因有以下两个方面：
① 定位基准与工序基准不一致所引起的定位误差，称基准不重合
误差，即工序相对定位基准在加工尺寸方向上最大变动量以 e不
表示。
② 定位基准面和定位元件本身的制造误差所引起的定位误差，称
基准位置误差，即定位基准的相对位置在加工尺寸方向上的最
大变动量，以 e基 表示。
故有：
e 定  e不＋e基
此公式是在加工尺寸方向上的代数和。
6.2.3.2各种定位方法的定位误差计算
 （1）工件以平面定位时的定位误差
如图6.20，在镗床上加工箱体的A、B两通孔时的定位情况（因是通
孔，所以不需要止动定位基准），要保证尺寸 A1 、 A2 、B1 、B 2 。
图6.20 平面定位时的定位误差 观看动画
①保证尺寸A1
加工孔A时， 尺寸A1的工序基准和定位基准均是D面，基准重合，
所以
e 不（A1） 0
而定位基准面D有角度制造误差± ，根据基准位置误差的定义有:
所以
e基(A1)  2H  tanT
e定(A 1 )  e不( A1)  e基( A1)  e基( A1)  2H  tanT
②保证尺寸A2
尺寸A2的工序基准是E面，定位基准是C面，基准不重合，根据
基准不重合误差的定义有：
e不(A1)＝ TL
假定定位基准C面制造的平整光滑，则有：
e基(A1) ＝0
所以
e定(A2) ＝ e不(A2)+ e基(A2)
= e不(A2)
= TL
2
2
③保证尺寸B1
加工孔B时，尺寸的工序基准是F面，定位基准是D面，基准不
重合，根据定义有：
e不(B1) ＝ TL1
e基(B1) ＝2H·tan T 
所以
e定(B1) ＝ e不(B1) + e基(B1)
＝ TL1  2h  tanT
④保证尺寸B2
尺寸B2的工序基准和定位基准均是C面，基准重合，有：
e不(B2) ＝0
e基(B2) ＝0
所以
e定(B2) ＝ e不(B2) + e基(B2)
＝0
注：工件以平面定位时，在大多数情况下，不考虑定位基准面和定位
元件的制造误差。
（2）工件以内孔表面定位时的定位误差：
 当工件装夹到心轴上时，因工序基准是中心线，定位基
准也是中心线，基准重合，则：
e
不
＝0
因工件孔和心轴是间隙配合又都有制造误差，因而存
在孔中心线的位置变化，即基准位置误差，则：

e
定
＝ e不 ＋e基 ＝ e基
D
，最小配合间
隙为 emin，根据工件装夹时心轴放置的位置不同，定位误
差分两种情况考虑：

假定孔尺寸为 D ，心轴尺寸为
d
 d
①心轴垂直放置时
 心轴垂直放置时，如图a所示，按最大孔和最小轴求得
孔中心线位置的变动量为：
e
定
T D T d Cmin
 O1O2  2(  
)
2
2
2
T DT d Cmin
 Cmax
图a
②心轴水平放置时
 心轴水平放置时，如图b所示，由于自重，工件始终往
心轴一边下垂，此时孔中心线的变动是铅垂方向，其最
大值为：
e
定
 O O1
1
 (TD  Td  Cmin )
2
1
 Cmax
2
图b
6.2.4定位误差计算实例

【例题6.1】在套筒零件上铣槽，如图（a）所示，要
求保持尺寸 100.08 、8 0.12 ，其它尺寸已在前工序完成。若
采用图（b）的定位方案，孔与销子配合按H7／g6，问能
否保持加工精度要求？否则应如何改进？观看动画
图a
图b
解题过程
按的配合精度H7／g6，则销子的直径应为 2500..007
020 ，因销子为
水平放置，故有：
①对于尺寸 8 0.12
解:
1
1

(
T

T

C
)

e基(8) 2 D d min 2 (0.021  0.02)  0.021
1
1

T

e不(8) 2 d1 2  0.06  0.03
得：
e
定(8)
 0.021  0.03  0.051
在铣床上加工，其平均经济精度为10级，查表
得 ＝0.05，所以：   e定(8)  0.05  0.051  0.101  T(8)
即可满足尺寸 8 0.12 的要求。
解题过程
②对于尺寸 100.08 ，又因：
e基(10 )  0
e不(10)  0.15  0.2  0.35
得
所以
e定(10)  0.35
  e定(10)  0.05 0.35  0.4  T(10)  0.08
即不能满足尺寸100.08 的要求。
③改进方案：
以端面A和右端孔为定位基准，销子与孔的配合仍然按H7／g8。
如图（c）所示 观看动画
改进为
(b)
(c)
解题过程
以端面A和右端孔为定位基准，销子与孔的配合仍然按H7／g8，
0.007
则销子直径为 300.020。因
1
e基(8)  emax  0.5(0.03  0.02)  0.025
2
e不(8)  0.03
得
所以
e定(8)  0.025 0.03  0.055
  e定(8)  0.05 0.055 0.105 T(8)  0.12
即可满足尺寸 8 0.12 的要求。
解题过程
又因此时
e
定 (10 )
0
所以
  e定(10)  0.05  T(10)  0.08
即可满足尺寸 100.08 的要求。
6.3工件的夹紧
 为了使工件加工时在切削力、惯性力、重力等外力作用下，仍然
保持已定好的位置，在夹具上还须设有夹紧装置，对工件产生适
当的夹紧力。
 夹紧装置的设计和选择是否合理，将直接影响工件的加工质量和
生产率。因此对夹紧装置提出以下要求：
夹紧动作要准确迅速；操作省力方便；夹紧安全可靠；结构
简单，易于制造。
 夹紧力的组成：
力的大小
夹紧力
力的方向
力的作用点
这三要素是夹紧装置
设计和选择的核心问
题。
6.3.1夹紧力三要素的设计原则
 6.3.1.1夹紧力的方向
夹紧力的方向与工件的装夹方式、工件受外力的方向以及工
件的刚性等有关，可以从以下三方面考虑：
（1）当工件用几个表面作为定位基准时，若工件是大型的，
则为了保持工件的正确位置，朝向个定位元件都要有夹紧力；
若工件尺寸较小，切削力不大，则往往只要垂直朝向主要定
位面有夹紧力，保证主要定位面与定位元件有较大的接触面积，
就可以使工件装夹稳定可靠。
（2）夹紧力的方向应方便装夹和有利于减小夹紧力。
 下图为夹紧力Q、重力G、切削力F三者之间的组合关系。
工件重力G的方向始终指向地面，因此从装夹工件出发，以图
（a）、（b）最好，因为主要定位元件表面是水平朝上，使工件
装夹稳定可靠。图（c）、（d）、（e）情况较差；图（f）情况最
差，不便装夹。若从减小夹紧力出发，假定图中G和F大小相同，
者所需要的Q力以图（a）最小，图（b）次之，图（f）最大。由
此可见当Q、F、G方向相同时，所需夹紧力最小，此时施加夹紧
力的目的就是防止工件在加工中的振动。观看动画
（3）夹紧力的方向应使工件夹紧后的变形小。

如图 (a)是用三爪卡盘将薄壁套筒零件用径向力夹紧,因刚性不
足易引起工件变形。若改为图 (b)用特定的螺母通过轴向力夹紧工
件，则工件不易变形。观看动画
6.3.1.2夹紧力的作用点
 当夹紧力方向确定后，夹紧力的作用点的位置和数目的选择将直
接影响工件定位后的可靠性和夹紧后的变形。对作用点位置的选
择和数目的确定应注意以下几个方面：
（1）力的作用点的位置应能保持工件的正确定位而不发生位移
或偏转。为此，作用点的位置应靠近支承面的几何中心，使夹紧
力均匀分布在接触面上。如图应将夹紧力Q改为Q1。
--夹紧力的作用点-
（2）夹紧力的作用点应位于工件刚性较大处，而且作用点应有
足够的数目，这样可使工件的变形量最小。如图应将夹紧力Q改为
Q1。
 （3）夹紧力的作用点应尽量靠近工件被加工表面，这样可使切削
力对该作用点的力矩减小，工件的振动也可以减小。
观看动画
6.3.1.3夹紧力的大小

工件的夹紧力过大，会引起工件变形，达不到加工精度要求，
而且使夹紧装置结构尺寸加大，造成结构不紧凑；夹紧力过小，
会造成夹不牢工件，加工时易破坏定位，同样也保证不了加工精
度要求，甚至会引起安全事故。由此可见，必须对工件施加大小
适当的夹紧力。
实际夹紧力为：
Q＝K • Q’
其中，K为安全系数，一般取1.5～2；
Q’为按工件受力平衡所需要的夹紧力；
 注：对于关键性的重要夹具，往往通过试验的方法来测定所需的
夹紧力。
6.3.2常用的夹紧装置

6.3.2.1楔块夹紧装置
在生产中，很少单独使用楔块对工件直接夹紧，而是与杆杠、压
板、螺旋等组合使用，或是与气压、液压传动装置联用。如图
所示，楔块夹紧主要用于增大夹紧力或改变夹紧力方向。
6.3.2.2螺旋夹紧装置
 螺旋夹紧装置是从楔块夹
紧装置转化而来的，相当
于把楔块绕在圆柱体上，
转动螺旋时即可夹紧工件。
如图所示为简单的单螺旋
夹紧机构。
 观看动画1
 观看动画2
 观看动画3
6.3.2.3偏心夹紧装置

偏心夹紧装置也是从楔块夹紧装置转化而来的，它是将楔块包在圆
盘上，旋转圆盘使工件得以夹紧。观看动画1 观看动画2
偏心夹紧装置
6.3.2.4定心夹紧装置

在切削加工中，若工件是以中心线或对称面为工序基准，为
使 e定 ＝0，可采用一种保证工件准确定心或对中的装置，使工件
的定位和夹紧过程同时完成，而定位元件与夹紧元件合二为一。
这种装置称为定心夹紧装置。如图所示，三爪卡盘就是一种定心
夹紧装置。观看动画
6.4机床夹具的基本要求和设计步骤
 6.4.1对机床夹具的基本要求
对机床夹具的基本要求可总括为四个方面：
（1）稳定地保证工件的加工精度；
（2）提高机械加工的劳动生产率；
（3）结构简单，有良好的结构工艺性和劳动条件；
（4）应能降低工件的制造成本。
 6.4.2夹具设计的工作步骤
（1）研究原始资料，明确设计任务；
（2）考虑和确定夹具的结构方案，绘制结构草图；
（3）绘制夹具总图；
（4）确定并标注有关尺寸和夹具技术要求；
（5）绘制夹具零件图。
本章小结





（1）机床夹具是由定位元件、夹紧装置、对刀元件、夹具体等
部分组成，机床夹具设计也就是针对夹具组成的各部分进行设计，
其中定位与夹紧两个环节是夹具设计的重点。
（2）定位就是确定工件在夹具中的正确位置，是通过在夹具上
设置正确的定位元件与工件定位面的接触来实现的。工件的定位有
完全定位和不完全定位，要根据其具体加工要求而定，欠定位在夹
具设计中是不允许的，而过定位则有条件地使用。
（3）通常，由于定位副制造不准确或采用了基准不重合定位等
原因，定位过程中会引用定位误差，定位误差的计算要根据具体情
况分析计算。
（4）夹紧是为了克服切削力等外力干扰而使工件正确定位的一
种手段。夹紧一般在定位步骤之后，有时定位与夹紧是同时进行的。
（5）车、铣、钻、磨等不同的机床其夹具设计具有各自典型特
点，应根据具体设计任务，遵从夹具设计的基本要求和步骤进行设
计。