夹治具设计

夹具设计讲座前言2中文名称：夹具（治具、卡具等）英文名称：fixturejig日文名称：治具夹具=定位工件+夹紧工件夹具种类3机床夹具焊接夹具检具装配夹具夹具的目的和功能42、保证工件的加工精度，改善产品的品质…品质3、提高工件加工的均一性，确保其互换性…均一4、非熟练、专业人员也能操作加工合格产品…简单5、扩大机床的使用范围……高效6、降低工人劳动强度……轻松7、保障更加安全地生产……安全1、缩短工件的加工辅助时间，降低加工费用…成本夹具的发展（一）5国外18世纪之前，少量应用。夹具发达国家：德国、日本、美国、俄罗斯等1765年瓦特发明了蒸汽机之后，机器代替手工。第一次世界大战，促进了夹具大发展第二次世界大战，夹具大量被应用战后，汽车等民用行业中出现气液电等自动化夹具近年，电脑、手机等行业应用智能、精密自动化夹具夹具的发展（二）6国内解放前，农业手工业为主，工业几乎为0。我国夹具起步晚、发展迅速、未来空间大。解放后，以手动夹具、组合夹具为主，落后。上世纪80年代改革开放后，引进国外设备，逐渐接触。进入21世纪，随着汽车、家电、等迅猛发展。复制。近5年，国产化，招工难促使自助研发和创新夹具的发展（三）7机床夹具未来的发展方向表现在以下四个方面：一、 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化二、精密化三、高效化四、自动化五、柔性化六、智能化夹具的种类8重点：机床夹具、随行夹具分类依据种类根据动力源手动手动夹具自动液压、气动、电动、电磁、真空夹具等根据设备车床、铣床、磨床、镗床、钻床夹具等根据工序机加工、焊接、装配、检测、物流夹具等根据通用性通用、专用、组合、随行夹具等夹具设计的难点91、对产品的生产工艺工序流程等需要非常清楚了解。2、对机床设备性能的了解。3、对加工条件的了解（刀具，切削条件等）4、生产实践的积累5、配套元器件的使用定位、基准、夹紧、机构元件以及自动化一、工件的定位10X1、定位的重要性11夹具的设计中相对夹紧更重要的是定位设计夹具时首先是考虑如何定位来满足要求的精度2、定位与夹紧的区别12定位是工件在夹具中获得正确的位置；夹紧是保证定好的位置不因外力的作用而发生改变。例如，板状工件安放在平面磨床的磁性工作台上，扳动磁性开关后，工件即被夹紧，其位置就被固定。但工件放在工作台什么位置上并不确定。12XYZ3、工件在夹具中的定位13定位的目的•设计合理的定位方法与定位装置；•有足够的定位精度。定位的方法•六点定位原理144、六点定位原理（1）名称符号含义图例移动自由度XX轴方向移动自由度YY轴方向移动自由度ZZ轴方向移动自由度154、六点定位原理（2）名称符号含义图例旋转自由度XX轴方向移动自由度YY轴方向移动自由度ZZ轴方向移动自由度164、六点定位原理（3）箱体类盘类轴类5、定位形式（1）完全定位与不完全定位完全定位：工件的六个自由度完全被限制的定位不完全定位：允许有一个或几个自由度不被限制的定位17图7完全定位与不完全定位5、定位形式（2）完全定位与不完全定位18铣槽时，需要消除几个自由度？图7完全定位与不完全定位5、定位形式（3）19通孔盲孔通孔盲孔5、定位形式（4）工件定位时，以下几种情况允许采用不完全定位•加工通孔或通槽时，沿贯通轴的位置自由度可不限制。•工件是轴对称时绕对称轴的转动自由度可不限制。•加工贯通的平面时，除可不限制沿两个贯通轴的位置自由度外，还可不限制绕垂直加工面的轴的角度自由度。205、定位形式（5）欠定位与过定位•欠定位：应限制的自由度而未限制的定位。绝对不允许的。•过定位：同一自由度被重复限制的定位。应尽量避免。21过定位例欠定位例消除过定位及其干涉一般有两个途径：提高工件定位表面与定位元件之间的位置精度，以减少或消除过定位引起的干涉；改变定位元件的结构，以消除被重复限制的自由度。225、定位形式（6）过定位是否允许，应根据具体情况进行具体分析。•定位面为毛坯面，或粗糙加工面时，过定位是不允许的。•定位面为精加工面，并且定位元件的尺寸、形状和位置都精准时，则过定位不但对工件加工面的位置尺寸影响不大，反而可以增强加工时的刚性，这时过定位是允许的。235、定位形式（7）过定位合理应用，可以获得高精度・高刚性的意外效果245、定位形式（8）——过定位的应用一体固定锥面式刀柄HSK[DIN标准]80%量产零部件（汽车零部件）的加工中，作为一般性大量使用的2面拘束刀柄种类的其中之一，由[ISO26623]标准化。都被广泛地制造和销售。（SANDVIK·大昭和精机·OSG·日研工作所·黑田精工·圣和精机·YUKIWA精工等）255、定位形式（9）——过定位的应用过定位在帕斯卡产品中的应用（随行夹紧器CPH，CPC）重复定位精度3μm以下、刚性好、寿命100万次以上265、定位形式（10）——过定位的应用过定位在帕斯卡产品的应用（帕尔手动迷你定位夹紧器CPK）重复定位精度3μm、刚性好、体积小、无需动力源可替代定位销由于是圆锥双面过定位连接，既实现了高刚性结合，高精度定位（重复精度：3μm），也使装卸操作简单可靠。播放二、工件的定位基准的选择27工序基准：在工序图上，用来确定本工序所加工表面，加工后的尺寸、形状、位置的基准称为工序基准。定位基准：在加工中可作定位的基准。定位基准一旦确定，工件的其他部分的位置也就确定。1、基准的概念2、定位基准示意图28基准重合原则：设计夹具时，为减小加工误差尽可能将工序基准选为定位基准。3、定位基准误差29定位误差是指工序基准在加工方向上的最大位置变动量所引起的加工误差。通常在加工后，由于尺寸、形状、位置三方面偏离理想工件造成。大概有以下三方面因素造成：①基准不重合带来的定位误差。有平面定位误差、工件以圆孔在心轴上定位的误差、工件以外圆柱面在v形块上定位的误差、工件以一面双孔定位的误差四种。②间隙引起的误差。在使用心轴、销、定位套定位时，定位面与定位元件间的间隙使工件定心不准产生的误差。③与夹具有关的因素引起的误差。这类因素属于夹具在设计制造过程中的误差。如：定位基准面与定位元件表面的形状误差；导向元件和对刀元件与定位元件的位置误差，及形状导致的导向和对刀误差；夹具的安装误差引起的位置误差；夹紧力下的变形（工件或是夹具）引起的位置误差；定位元件间的位置误差，及夹具各构成元件的磨损带来的误差。常用定位方式•两顶尖孔•一端面一孔•一端面一外圆•一面两孔。304、工件定位方式316、工件以平面定位——基本支承与辅助支承(1)基本支承：起定位作用的支承•固定支承支承钉：平头形用于较光洁的表面；圆头形用于毛坯表面；网头形用于侧毛坯表面。支承板：支承面积大，定位面精度较低时稳定性差小板：光条板螺钉处槽中切屑难以清理；斜槽板：螺钉处槽中切屑易于清理，但制造难度加大。•可调支承可根据毛坯的尺寸误差进行调节326、工件以平面定位——基本支承与辅助支承（2)•支承板用于精基准面的定位或定位基准面面积较大时。•无论是平头支承钉或支承板，一般在安装到夹具体上后需进行最终磨削，以使钉或板保持等高，并与夹具体地面保持必要的位置精度（平行或垂直）•支承钉与支承板已标准化。•无论采用国标或自行设计的非标准件，定位原件必须注意在高度尺寸上预留最终磨削余量。336、工件以平面定位——基本支承与辅助支承(3)•自位支承可随工件表面误差浮动，增加与工件的接触点，提高支承刚度，变形减少，尤其是毛坯表面定位时，改善余量分配。只限制一个自由度。自位支承是活动的，因此尽管每一个自位支承与工件可能有三点或两点接触，但一个自位支承实质上只起一个定位支承点的作用，尤其是毛坯表面定位时，接触点增加，工件刚度提高，变形减少，改善余量分配。346、工件以平面定位——基本支承与辅助支承(4)•辅助支承：•不改变工件原有的定位，提高工件刚性，提高表面光洁度）工件定位后,为提高支承刚度所增加的支承，不起定位作用。平面常用辅助支承有三种:螺旋式：利用螺栓螺母调节与工件接触。自位式：利用弹簧推力保持与工件接触。推引式：利用斜面推力保持与工件接触。356、工件以平面定位——基本支承与辅助支承(5)•PASCAL辅助支承：小型、精度高、支撑力大、寿命长油压气动CSSCSX366、工件以平面定位——基本支承与辅助支承(6)•PASCAL辅助支承工作动作（气动CSS型）接触工件的力约为1-3N（约50-100克力，可自行根据需要更换弹簧）接触工件时会有微弱弹簧的冲击力，可通过回路中加调速阀调整上升的速度。帽盖的形状可根据工件形状自行更换（标准是不锈钢的球面）可进行空气清扫。•V形块的形式短V形块限制工件2个自由度。长V形块限制工件4个自由度。•V形块的应用范围对完整圆与非完整圆都适用主要作用是对中，可使工件上定位用的外圆中心对中在V形块两斜面的对称面上用于精基准定位用于粗基准或阶梯圆柱面定位用于基准面较长或两端基准面分布较远时•V形块的特征两斜面根部凹槽作用：加工斜面让刀用的当外圆直径很大时，V形块可不用整体结构钢件，用镶淬硬支撑板或硬质合金（节省材料）V形块两侧面夹角有600、900、1200，900常用。已经标准化。377、工件以外圆定位——V型块定位销•固定式:直接用过盈配合安装在夹具体上，用于批量不大的生产。可换式:磨损时可更换，用于大批量生产。按与工件接触长度可分为长销（L/d≥1.75）限4点；短销（L/d≤0.75）限2点。在销与夹具体之间有一衬套，衬套与夹具体采用过渡或过盈配合，衬套和定位销采用间隙配合•组合式定位销：工件同时以内孔和端面定位，除定位销外，还附加端台或支撑垫圈，与夹具体连接为过盈配合，支承与销可合为一体，也可是单独元件•削边销（菱形销）：A.削边销一般是配合圆销使用的短销B.断面形状多种C.只消除一个自由度D.用的较多为菱形定位销•锥销：锥销又分为圆锥销和削边锥销圆锥销：工件以精基准定位时选用，接触线为圆削边锥销：工件以粗基准定位时选用，接触线为间断圆。387、工件以内孔定位——销、轴组合面定位常用的方式•一面两孔定位（一面两销）定位情况如图2-28所示，一零件两定位孔，孔中设短圆销，销1限X移动、Y移动，销2限X移动和Z转动，底面支承板限Z移动和X转动、Y转动,X移动超定位。效果当孔心距最小、销心距最大或孔心距最大、销心距最小时，工件不能顺利安装。强行安装则导致工件或夹具的变形。措施1）减小销子直径，但转角误差增大；2）把销2妨碍安装的部分削去，Y向尺寸不变，即削边销。408、组合定位418、组合定位——帕斯卡CPC随行夹紧器428、组合定位——一面两销定位分析一面两销是最常用的定位方式。如果两个都是直销，则工件取放会很困难，而且工件上的2个定位孔的孔距误差稍微大一点，要么放不进去要么，对定位孔造成损伤。为避免这种情况，一般采用1个直销和一个菱销的方式。直销的圆心作为工件回转中心，菱销则限制回转方向的自由度（定位）。当工件的两个定位孔孔距有误差的时候，菱销可以在一定程度上吸收误差，达到取放工件顺畅。如图a但是缺点是，当两个定位孔并非在一个直线上的时候，由于工件的定位孔与菱销之间的间隙变大，定位精度会下降。可如图b所示将菱销的方向适当调整。技巧：可以像图c所示，直销的长度适当比菱销长度有意识的设计高一些。图a图b图c消除一般定位销与定位孔之间的间隙的定位误差，和方便工件装卸。使一面两销定位变得容易。43重复定位精度3μm8、组合定位——帕斯卡CGK涨孔式定位型夹紧器448、组合定位——帕斯卡CGK涨孔式定位型夹紧器45工件以平面定位5、定位误差的分析与计算（1）工件以平面定位，夹具上相应的定位元件是支承钉或支承板，工件定位面的平面度误差和定位元件的平面度误差都会产生定位误差。当用已加工平面作定位基面时，此项误差甚小，一般可忽略不计。46工件以孔定位：心轴/定位销5、定位误差的分析与计算（2）工件以内孔定位（过盈配合）Δjw=0工件以内孔定位（弹性芯轴、自定心心轴等）Δjw=0工件以内孔定位（间隙配合),按孔和芯轴（销）接触情况•任意边接触定位误差发生的方向为任意径向方向•固定边接触定位误差发生方向为孔/销中心线方向三、工件的夹紧47工件定位以后必须通过一定的装置产生夹紧力把工件固定，使工件在加工中保持在准确定位的位置上，否则，在加工过程中因受切削力，惯性力等力的作用而发生位置变化或引起振动，破坏了原来的准确定位，无法保证加工要求。这个过程称为夹紧。这种产生夹紧力的装置便是夹紧装置。1、夹紧的概念2、对夹紧的基本要求48（1）夹紧时不能破坏工件在夹具中占有的正确位置；（2）夹紧力要适当，既要保证工件在加工过程中不移动、不转动、不振动，又不因夹紧力过大而使工件表面损伤、变形；（3）夹紧机构的操作应安全、方便、迅速、省力；（4）结构应尽量简单，制造、维修要方便。3、夹紧三要素——方向、作用点、大小49（1）夹紧力方向的确定•夹紧力的方向不应破坏工件定位。夹紧力会产生其他方向上的分力，有的分力会使工件离开原来准确定位的位置。•夹紧力方向应指向主要定位表面。•夹紧力的方向尽可能与切削力与工件重力方向一致。abc（2）夹紧力作用点的确定①50•夹紧力的作用点应落在支承范围内。（2）夹紧力作用点的确定②51•夹紧力的作用点应落在工件刚性较好的部位。（2）夹紧力作用点的确定③52•夹紧力的作用点应靠近工件的加工部位。在加工过程中，切削力一般容易引起工件的转动和振动。作用点靠近加工表面，使切削力对夹紧作用点的力矩变小，以减小工件转动趋势或变形。（2）工件所需夹紧力大小的确定④53•夹紧力不足会使工件在加工中产生位移、或引起振动，夹紧力过大优惠造成工件和夹具不应有的变形和表面损伤。•在实际生产中，很少用计算的方法来确定夹紧力的大小。因为夹紧力的计算涉及到复杂的动态平衡问题，故一般只作粗略估算。一般以主切削力为依据与夹紧力建立静态平衡方程式，解求夹紧力。必要的时候，还需要联立解力矩方程式。另外在加工中，由于工件材质不均匀、刀具磨损、断续切削造成的切削冲击等诸多因素，还需乘以安全系数进行修正。近年来，由于计算机的普及应用，采用有限元分析来模拟实际切削状况，来辅助计算切削力的大小，以达到合理选择夹紧力的目的。（2）工件所需夹紧力大小的确定⑤54切削力的计算是选择夹紧力大小的基础。切削力的计算还可以参考刀具厂家提供的参数，经验值计算。四、夹紧机构、元件55以前国内的夹具主要是以设计者自行设计相关的夹紧机构。但往往由于机构过于复杂，设计不合理等原因导致夹具在使用中出现很多问题，影响生产。所以尽可能直接选用，市场上已经有的，或由专业的厂家生产制造的各种夹紧机构和元件。这些夹紧机构和元件是经过实际生产检验，在夹紧力的计算、密封性、耐久性、空间大小等都可以缩小夹具设计周期和成本。图夹紧装置组成示例1－气缸（动力装置）2－压板（夹紧杆）3－弹簧销4－偏心轮5－调整螺钉1、手动夹紧机构（市贩）56优点：结构简单、无需动力源、价格便宜。缺点：工人劳动强度大、寿命短、精度差无法实现自动化要求。2、气液夹紧元件57夹紧的重要性3、气液夹紧元件①58单动和双动的区别单动：夹紧和松开，其中的一个动作是由弹簧实现的，另一个动作是由液或气压实现的。双动：加紧和松开，两个动作都是由液或气压实现的。使用单动，对于夹具设计时，所需液或气压回路数会比双动的少，加工成本等会节省。但是单动的体积要比双动的大，动作可调性差，夹紧力会随着弹簧力的减弱而下降。3、气液夹紧元件②59液压和气压动力源的选定•对于液压系统的工作压力有：7Mpa，14Mpa和35Mpa（个别德国原装夹具使用50Mpa）前两个属于中低压，后边两个属于高压。目前国内绝大多数使用的是7Mpa。•对于气压系统一般是工厂的气源提供的压力0.6Mpa。但是对于用在气检的气压一般是0.1Mpa~0.2Mpa，这就需要用减压阀将系统压力进行降压。3、气液夹紧元件③60帕斯卡小型液压站•体积小•节能•帕斯卡泵在回路油压上升后停止在平衡状态下，以保持油压。另外，液压油几乎没有温度变化，无需补压器。不适合：连续、大流量的要求3、气液夹紧元件夹紧力④61典型气缸或油缸（连杆缸和旋转缸）的夹紧力计算连杆缸CLU旋转缸CTU对于右图中常用的连杆缸和旋转缸的夹紧力，根据厂家提供的参数以及夹紧臂的长度可以得出，夹紧臂施加给工件向下的力F的大小。而真正产生使工件移动的力是水平方向的切削力。要使工件紧紧靠紧定位面，则夹紧力F所产生的摩擦力≥切削力。连杆缸CLU：夹紧力Fx×摩擦係数μ旋转缸CTU：夹紧力Fx摩擦係数μx2处*摩擦係数μ：=0.1大幅度縮短工裝治具更換的時間“丰田下山工廠"發動機新生線大幅度縮短工裝治具更換的時間丰田汽车作为日本国内工厂重组的一环,决定在下山工厂(爱知县三好市)建设小规模新发动机生产线，定于2010年内开始生产。月生产能力为现存生产线的一半(9000台)。投资金额也控制在以往的一半左右。第一次改造以下山工厂作为一个开端,然后向海外工厂推广也进行改造。建立起在世界各地都能应对需求变动的发动机生产体系。新生产线「小规模通用生产线」在夹具和操作上进行了改造,大幅度缩短了更换生产型号时的换工装时间。之前的生产线在换工装时浪费时间。62４、新型气液夹紧元件-孔夹紧器①63４、新型气液夹紧元件-孔夹紧器②64４、新型气液夹紧元件-孔夹紧器③65４、新型气液夹紧元件-孔夹紧器④定位圆销定位菱销孔夹紧器CGS导向杆孔夹紧器CGS孔夹紧器CGS孔夹紧器CGS孔夹紧器CGS导向杆导向杆定位圆销定位菱销66４、新型气液夹紧元件-孔夹紧器夹具实例⑤67４、新型气液夹紧元件-孔夹紧器夹具实例⑥68４、新型气液夹紧元件-孔夹紧器夹具实例⑦•可以应用于产品的搬送。配合机器人的机械手，简化夹持方式，可以通用化。69５、机器人机械手快速更换实例①帕斯卡机械手工具交换器是能够使机械手末端操纵装置自动交换的机械单元。它实现了机械手的多功能化、缩短生产准备时间，为多品种少量生产提供支援。70•随行夹具是一种在自动线上使用的夹具。节约装卡工件的时间（机外装件）•该夹具既要起到装夹工件的作用，又要与工件成为一体沿着自动线从一个工位移到下一个工位，进行不同工序的加工。６、随行夹具①パレットベースプレートパレットクランプ外段取化を推進播放71•使用随行夹具可以实现多面加工６、随行夹具②横形マシニングセンタ横形マシニングセンタ立形マシニングセンタ立形旋盤播放72•使用随行夹具可以实现多工序加工６、随行夹具③73•随行夹紧器原理：采用双面过定位特殊结构的高刚性随行夹紧器，重复定位精度达3μm６、随行夹具④播放74•随行夹紧器构成１６、随行夹具⑤75•随行夹紧器构成２６、随行夹具⑤76过定位在帕斯卡产品的应用（帕尔手动迷你定位夹紧器CPK）重复定位精度3μm、刚性好、体积小、无需动力源可替代定位销由于是圆锥双面过定位连接，既实现了高刚性结合，高精度定位（重复精度：3μm），也使装卸操作简单可靠。播放６、随行夹具⑥77７、转轴夹紧器夹具①•转轴夹紧器CGP最适合薄型工件轻切削的弹簧夹紧器79８、电永磁夹具80９、吸盘夹具（他公司）81１０、吸盘组合夹具（他公司）82１１、吸盘夹具实例（他公司）感谢聆听