机床夹具综合指南：定位、夹紧和选型

1.0什么是机床夹具？

在车床、铣床、钻床、旋压机、冲压机和其他金属加工设备上进行零件加工时，必须首先将工件正确且固定地放置在机床上，以确保加工精度。此过程包括两个关键步骤：

• 精确定位工件
• 将工件牢固地夹紧。

定位和夹紧的完整过程称为工件装夹，而用于完成此装夹的工艺设备称为机床夹具。

2.0机床夹具如何分类？

机床夹具可以从多个角度进行分类，主要分类方法如下：

2.1按专业化程度分类

• 通用夹具：无需调整或只需少量调整即可夹持不同工件的标准化夹具。典型的例子包括三爪自定心卡盘、四爪独立卡盘、机用虎钳、旋转工作台和分度头。这些夹具主要用于单件或小批量生产。
• 专用夹具：专为特定工件的特定加工操作而设计和制造的夹具。它们结构紧凑、操作便捷，主要用于大批量、稳定的生产，例如汽车车身面板专用冲压夹具。
• 可调式夹具：这种夹具可以通过在加工完一种工件后调整或更换某些部件，来适应加工形状和尺寸相似的工件。它们通常用于中小批量生产。
• 模块化夹具：根据特定工艺要求，使用一套预制标准组件和元件组装而成的夹具。使用后，可以拆卸或重新配置。其优势包括缩短生产周期，减少专用夹具的种类和数量，使其适用于新产品试验和多品种小批量生产。
• 传送夹具：用于自动化生产线上特定工件的夹具。除了夹紧工件外，它们还承担着沿自动化生产线传送工件的功能。

2.2按机床类型分类

• 车床夹具
• 铣床夹具
• 钻床夹具
• 镗床夹具
• 纺纱机夹具
• 冲压机夹具
• 其他机床夹具

2.3按电源分类

• 手动夹具
• 气动夹具
• 液压装置
• 电磁装置
• 类似类型

3.0机床夹具的基本组成部分有哪些？

尽管机床夹具的形式和应用各不相同，但它们的基本组成部分大体相同。以用于连杆槽铣削的数控铣削夹具、用于孔加工的钻孔夹具和用于冲压机的钣金夹具为例，其核心部件如下所述。这些夹具的基本结构相似，主要区别在于定位和夹紧元件，以适应不同的机床：

• 定位装置

• 由定位元素及其组合构成
• 用于确定工件在夹具中的正确位置
• 典型的例子包括圆柱形销和菱形销。
  • 夹紧装置
• 用于将工件固定在预定位置，确保其在加工过程中不会因外力作用而移动。
• 通常包括夹紧元件、传动机构和动力部件，例如压盘、螺母、垫圈、螺栓和弹簧。
  • 固定装置本体
• 将所有固定元件和装置连接成一个刚性集成结构的基础组件
• 确保夹具的整体精度和刚度。
  • 其他元件和装置
• 包括定位键、操作组件和标准化连接元件
• 通用机床上使用的夹具也可能配备刀具设定装置和分度机构。

4.0工件定位的核心原则

4.1工件定位的基本原理是什么？

六点定位原则

• 空间中的工件有六个自由度：沿 x、y 和 z 轴的三个平移自由度，以及绕 x、y 和 z 轴的三个旋转自由度（图 1-28）。
• 为了完全确定工件的位置，必须根据需要布置六个支撑点（定位元件）来限制这六个自由度，每个支撑点限制一个相应的自由度。
• 这一概念被称为六点定位原理。
• 不同工件的应用案例：

• 矩形工件：在刨床上加工平面或在铣床上铣槽时，底面 A 位于三个不共线的支撑点上，限制了三个自由度；侧面 B 与沿长度方向布置的两个支撑点接触，限制了两个自由度；端面 C 与一个支撑点接触，限制了一个自由度（图 1-29）。
• 圆盘状工件：在磨床上进行外圆磨削或在成型机上进行成型时 纺纱机平面由三个支撑点支撑，限制了三个自由度；圆柱面与两个侧面支撑点接触，限制了两个自由度；槽的一个侧面与一个支撑点接触，限制了一个自由度（图 1-30）。

受限自由度与加工要求之间的关系

• 影响加工要求的自由度必须受到限制。
• 不影响加工精度的自由度无需限制。
• 例如：如图 1-31 所示铣削通孔或在工件上钻孔时， 钻孔机 为确保孔的垂直度，五个自由度会影响加工要求，而一个自由度则不会，可以不受限制。

定位方法的分类

• 完全定位：工件的六个自由度均受到限制（图 1-29 和 1-30）；此方法适用于对精度要求较高的操作。
• 不完全定位：自由度限制少于六个，但仍能满足加工要求（图 1-31）；这是实际加工中最常用的定位方法。
• 定位不足：根据加工要求应当限制的自由度未受到限制，导致无法保证加工精度；这种做法是被严格禁止的；例如，在图1-31中，如果影响尺寸精度或平行度的自由度未受到限制，则无法保证相应的加工要求。
• 过定位：工件的一个或多个自由度反复受到不同定位元件的限制；在图 1-32a 所示的连杆定位方案中，长销和支撑板反复限制了两个自由度，这可能导致工件或销变形，从而影响加工精度；用短销代替长销可以消除过定位（图 1-32d）。
• 过定位的判断标准：必须具体分析；如果造成变形，则不得使用；如果无影响定位且有助于提高精度，则可以适当采用。

4.2定位基准和定位面有什么区别？

• 定位基准面

• 工件上的参考点，用于确定其正确位置
• 可以是点、线或面。
• 在某些情况下，它是物理上不存在的虚拟元素，例如孔或轴的轴线，或者两个表面之间的对称中心平面。
  • 定位表面
• 定位数据的物理载体
• 与定位元件直接接触的工件实际表面
  • 区分的典型例子：
• 例1：当工件通过孔进行定位时，定位基准是孔的轴线（虚拟），而定位面是孔的内表面（实际接触面）。
• 例2：当工件通过平面定位时，定位基准面与定位面重合，且位于同一平面上。

5.0常用工件定位元件

5.1平面定位的定位元素

• 主要支撑（用于定位和限制自由度）

• 固定支撑
  • 包括支撑销和支撑板（图 1-33），它们在使用过程中保持静止。
  • 不同类型应用场景：
• 平头支撑销（图 1-33a）或支撑板（图 1-33d 和 1-33e）用于在加工平面上进行定位。
• 球头支撑销（图 1-33b）用于在粗糙表面上定位
• 锯齿状头部支撑销（图 1-33c）用于侧面定位，以增加摩擦力并防止工件滑动。
  • 不同支撑板的特点：
• 如图1-33d所示，支撑板结构简单，易于制造，但孔附近的切屑难以清除；适用于侧面和顶面定位。
• 图 1-33e 中的支撑板便于切屑清除，适用于底面定位。

• 可调节支架
  • 当需要调整支撑销的高度时使用（图 1-34）
  • 调整步骤：松开锁紧螺母 2，将调节销 1 调整到所需高度，然后拧紧锁紧螺母 2。
  • 主要用于工件毛坯尺寸和形状变化较大时的粗定位。
• 自对准支撑（浮动支撑）
  • 在定位过程中自动调整其位置，直到所有接触点都接触到工件（图 1-35a 中的三点式和图 1-35b 中的两点式）。
  • 它们的功能相当于一个定位支撑点，仅限制一个自由度。
  • 提高工件的刚性和稳定性
  • 适用于加工刚性不足的薄钢板，例如在冲压机上加工。
• 辅助支撑

• 用于提高夹紧刚度和稳定性，而不执行定位功能，也不影响原有定位（图 1-36）
• 不同结构的特征：
  • 图 1-36a 中的结构虽然简单，但效率低下。
  • 图 1-36b 显示了一种弹簧式自对准辅助支撑，其中弹簧 2 将滑动柱 1 推向工件并使其接触，支撑杆 3 将其锁定到位。

5.2外圆柱面定位元件

• 支持定位

• 最常用的方法是V型块定位（图1-37）
• 不同类型V型块的应用场景：
  • 图 1-37a 用于短工件（加工表面）的精确基准定位
  • 图 1-37b 用于长工件（未加工表面）的粗略基准定位。
  • 图 1-37c 用于定位两个相距较远的精密基准面。
• 用于大定位基准长度的特殊 V 形块：采用铸铁底座和硬化钢嵌件的 V 形块（图 1-37d）

• 自由度限制：长V形块限制四个自由度，而短V形块限制两个自由度。
• 常用V型块角度：60°、90°（最常用）和120°
• 标准化：V型块结构已标准化（图1-38），大多数参数可在机床夹具设计手册中找到。
  • 自定心定位
• 自动将工件轴线定位到所需位置，例如三爪自定心卡盘和弹簧夹头
• 套筒也可作为定位元件（图 1-39）
• 袖子的自由度限制：
  • 图 1-39a 所示的短套筒孔等效于两点定位，限制了两个自由度。
  • 图 1-39b 所示的长套筒孔等效于四点定位，限制了四个自由度。

5.3基于孔定位的定位元件

• 定位销

• 常见结构如图 1-40 所示
• 结构特征：
  • 当销钉直径 D 为 3～10 mm 时，在销钉根部设置圆角半径 R，以防止热处理过程中发生断裂或淬火裂纹。
  • 夹具本体设有沉孔，使销钉嵌入其中，不影响定位。
  • 为了便于批量生产，采用衬套式结构（图 1-40d）进行更换。
  • 销头带有 15° 倒角，以便于工件装载。

• 圆柱形芯轴

• 典型结构如图 1-41 所示。
• 不同类型芯轴的特点：
  • 图 1-41a 显示了一种间隙配合芯轴，这种芯轴便于装卸，但定心精度一般。
  • 图 1-41b 所示为一种过盈配合芯轴，由导向段、工作段和驱动段组成；其结构简单，定心精度高，无需额外的夹紧装置，但装卸不便，且可能损坏定位孔；主要用于对定心精度要求高的精密加工。
  • 图 1-41c 显示了一种用于加工通过花键孔定位的工件的花键芯轴。

• 锥形销

• 当工件通过锥形销上的孔进行定位时（图 1-42），其三个自由度受到限制。
• 应用场景：图 1-42a 用于粗略基准定位，图 1-42b 用于精确基准定位
  • 锥形芯轴（小锥形芯轴）
• 如图 1-43 所示，工件定位在锥形芯轴上，并通过定位孔与芯轴的极限锥面之间的弹性变形进行夹紧。
• 性能特点：中心定位精度高（可达φ0.01–φ0.02 mm），但轴向定位误差相对较大。
• 应用范围：适用于定位孔精度不低于IT7的精密车削、磨削和旋压加工；本方法不适用于端面加工。

5.4单平面双孔定位

• 定位方案如图 1-44 所示，其中工件的一个大平面和垂直于该平面的两个孔被用作定位基准。
• 过定位问题：当夹具使用一个平面支撑（限制三个自由度）和两个圆柱销（每个圆柱销限制两个自由度）时，过定位现象会沿连接两个圆柱销的直线方向发生。
• 解决方案：为避免过度定位，其中一个销钉必须设计成无应力销，且不限制 x 方向的自由度。
• 参考标准：可参照表1-5选择减压销的尺寸。

6.0如何计算V型块定位高度和销轴间隙

6.1V型块定位高度T的计算

• 公式：T=H+(d−N/2)/tan(α/2)
• 符号定义：

• H：V形块的高度
• d：V形块芯轴的设计直径
• N：V形块的开口宽度
• α：V形块两个工作面之间的夹角
  • 应用目的：本公式用于在使用V型块进行圆柱面定位时，确定工件轴线相对于夹具参考面的垂直定位高度。

6.2计算销孔与销孔之间的最小配合间隙 Xmin

• 公式：Xmin=(TLD+TLd)×(D/2)/L
• 符号定义：

• TLD：两个定位孔中心距的公差
• TLd：两个定位销中心距的公差
• D：与减压销配合的孔的直径
• L：两个定位孔（或定位销）之间的中心距离
  • 应用目的：此计算确保减薄销钉不会导致过定位，同时仍能满足定位精度要求。

笔记：减压销的结构尺寸（表 1-5，单位：mm）：

这些推荐尺寸常用于夹具设计中，以平衡定位精度和装配可靠性。

7.0如何实现可靠的工件夹紧

7.1夹紧装置的基本要求

• 在夹紧过程中，定位后的工件位置不得改变。
• 夹紧力必须合适：它应确保加工过程中工件定位稳定、振动最小，同时避免工件夹紧变形过大。
• 操作应便捷、省力、安全。
• 夹具的自动化程度和结构复杂程度应与工件的生产量和批量大小相匹配。

7.2如何选择夹紧力的方向和作用点

• 夹紧力应指向主定位面（图 1-45）

• 实际案例：当加工孔与左端面之间存在垂直度要求时，夹紧力 FJ 必须作用于定位面 A；如果作用于定位面 B，则左端面与底面之间的角度误差可能会破坏定位，并影响孔与左端面之间的垂直度。
  • 夹紧力的方向应有助于最大限度地减少所需的夹紧力（图 1-46）。
• 实际情况：当夹紧力 FJ 与切削力 F 和工件重量 W 的方向相同时，所需的夹紧力最小。
  • 夹紧力的作用点应选择在工件刚度较高的位置和方向上（图 1-47）。

• 实际案例：
  • 在车床上车削或成型过程中，用于加工薄壁套筒 纺纱机轴向刚度大于径向刚度；径向夹紧会导致更大的变形，因此沿轴向施加夹紧力会减小变形。
  • 夹紧薄壁箱形零件时，力应作用于刚性凸缘上；如果没有凸缘，则可将单点夹紧改为三点夹紧（图 1-47c），以减少夹紧变形。
• 夹紧力作用点应尽可能靠近加工表面（图 1-48）

• 实际案例：在铣削换挡拨叉上的槽时，主夹紧力作用于远离加工面的位置；在这种情况下，应在加工区域附近增加辅助支撑，并增大夹紧力 FJ，以提高夹具刚性并降低加工振动。
  • 夹紧力的作用线必须落在定位支撑的范围内（图 1-49）。
• 警告：如果作用线超出支撑范围，则在夹紧过程中工件定位将被破坏；这是错误且不可接受的操作。

7.3估算夹紧力的方法

夹紧力的大小直接影响装配可靠性、夹紧变形、定位精度和加工质量。以下是两种常用的估算方法：

• 类比法

• 夹紧力是通过参考类似夹具的工作条件来估算的。
• 这种方法在生产实践中被广泛应用。
  • 静态平衡法
• 夹具和工件被视为一个刚性系统。
• 确定加工过程中最不利的瞬时工况，并基于静态平衡计算理论夹紧力。
• 然后将结果乘以安全系数 K（粗加工时为 2.5～3，精加工时为 1.5～2），即可得到实际夹紧力。
• 典型计算示例：
  • 铣削示例（图 1-50）：当切削力 Fr 达到最大值，且 Fr 到止动销 O 的距离 L 最大时，工件趋向于绕点 O 旋转；根据静力平衡，假设 FJ1 = FJ2 = FJ 且 μ1 = μ2 = μ，则夹紧力公式为 FJ=Fr×L/[μ×(L1+L2)]；实际夹紧力为 F=K×Fr×L/[μ×(L1+L2)]（单位：N）；其中，Fr 为最大切削力（N），μ 为工件与定位元件之间的摩擦系数，L1 为切削力方向到止动销的距离（mm），L2 为两个支撑销到止动销的距离（mm）。
  • 钻孔示例（图 1-51）：夹紧力必须克服切削扭矩 Mz 引起的工件旋转和进给阻力 Ff 引起的工件移动；根据力平衡，实际夹紧力公式为 FJ=K×(Mz/(d/2)+Ff)/[2μ/sin(α/2)]（单位：N）；其中，Mz 为切削扭矩（N·mm），d 为工件直径（mm），Ff 为进给阻力（N），α 为 V 形块两个工作面之间的夹角（°），μ 为 V 形块与工件之间的摩擦系数。

7.4典型的夹紧机构

• 楔形夹紧机构

• 一种利用楔形物作为力传递或夹紧元件的夹紧机构（图 1-52）
• 实际应用：
  • 如图 1-52a 所示，驱动楔块 1 向下作用，迫使滑动柱 2 向下移动，浮动压板 3 同时夹紧两个工件 4；加工完成后，敲击楔块 1 的小端即可释放工件。
  • 在实际应用中，楔形机构通常与其他机构组合使用；图 1-52b 展示了楔形机构与螺杆夹紧机构的组合，其中旋转螺杆驱动楔形机构移动，从而使铰接式压板夹紧工件。
• 螺钉夹紧机构

• 一种由螺钉、螺母、垫圈和压板组成的夹紧机构
• 特点：结构简单，易于制造，自锁性能好，夹紧力大，是夹具中最常用的夹紧机构。
• 实际应用：
  • 图 1-53 展示了一种单螺钉夹紧机构；在图 1-53a 中，螺钉直接压紧工件，这可能会损坏工件并导致工件旋转；图 1-53b 通过在螺钉头下方增加一个压块克服了这一缺点。
  • 图 1-54 展示了一种典型的螺杆压板夹紧机构；图 1-54a 和 1-54b 为可移动式压板，采用杠杆原理进行夹紧；由于夹紧点、支点和受力点的相对位置不同，杠杆比和夹紧力也不同，其中图 1-54c 的力放大倍数最高。
• 偏心夹紧机构

• 利用偏心元件直接或间接夹紧工件的机构（图 1-55）
• 实际应用：
  • 如图 1-55a 所示，按下手柄 1 使圆形偏心凸轮 2 绕轴 3 旋转，其圆柱面压紧背板 4；反作用力抬起轴 3，并驱动压板 5 夹紧工件。
  • 图 1-55b 和 1-55c 分别展示了采用偏心轴和偏心叉的机构。
• 性能特点：操作简便，可快速夹紧，但夹紧力和行程相对较小。
• 应用范围：适用于切削力较小的作业，例如冲压小型钣金零件以及钻孔前的快速定位和夹紧。

7.5常见气动和液压驱动系统的特点是什么？

手动夹紧依靠人通过力传递机构施加的力来夹紧工件。在现代高效夹具中，动力夹紧被广泛应用。动力系统包括气动、液压、电动、电磁和真空驱动，其中气动和液压传动系统应用最为广泛。

• 气动传动系统

• 工作原理：以压缩空气为动力源
• 性能特点：快速响应、压力可调、低污染、设备维护简便；然而，其夹紧刚度相对较低，且通常需要较大的结构尺寸。
• 典型系统组成（图 1-56）：由气源 1 提供的压缩空气依次经过润滑器 2（在此与雾化润滑油混合以润滑气缸）、减压阀 3（将压力降低至工作压力）和止回阀 4（防止在供气中断或压力骤降时夹紧机构松动）；然后，空气由方向控制阀 5 控制进气和排气，流量控制阀 6 调节活塞运动速度；压力表 7 指示压力；气缸 8 驱动活塞，活塞进而驱动夹紧机构夹紧工件。

• 常用气动缸：
  • 活塞-型气缸（图1-57a）：提供较长的工作行程，且输出力不受行程长度的影响
  • 隔膜式油缸（图1-57b）：具有密封性能好、结构紧凑简单、摩擦部件少、使用寿命长等优点；但其工作行程较短，输出力随行程长度而变化。

• 应用范围：广泛应用于冲压机自动化生产线和加工中心的快速夹紧。
  • 液压传动系统
• 工作原理：以加压油为工作介质，其工作原理与气动系统类似。
• 与气动系统相比，液压系统具有以下性能特点：更大的夹紧力、更高的夹紧刚度、更可靠的夹紧性能、更小的缸体尺寸和更低的噪音水平；主要缺点是容易发生漏油以及液压元件对制造精度要求较高。

• 实际应用示例（图 1-58）：铣床用双向液压夹紧夹具；当加压油通过管路 A 进入工作液压缸 5 的腔室 G 时，两个活塞 4 同时向外推动，带动压板 3 夹紧工件；当加压油通过管路 B 进入液压缸 5 两端的腔室 E 和 F 时，活塞 4 向后推动；弹簧 2 使两侧的压板复位，释放工件。
• 应用范围：尤其适用于对夹紧力、刚性和定位精度要求较高的加工操作

8.0如何根据生产要求选择合适的机床夹具

9.0机床夹具核心常见问题解答

问：什么是机床夹具？

答：机床夹具是加工过程中用于工件装夹的工艺设备。它能精确定位工件，并将其牢固夹紧，从而确保加工精度。其核心功能是实现工件的精确定位和可靠夹紧。

问：机床夹具的主要分类有哪些？

答：按专业化程度，夹具可分为通用夹具、专用夹具、可调夹具、模块化夹具和传送夹具；按机床类型，夹具包括车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具等；按动力源，夹具可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具或电磁夹具。

问：工件定位的核心原理是什么？

答：其核心原理是六点定位原理。工件在空间中具有六个自由度（三个平移自由度和三个旋转自由度）。通过六个支撑点来限制这六个自由度，可以完全确定工件的位置。

问：完全定位、不完全定位、过度定位和定位不足之间有什么区别？

答：完全定位限制了所有六个自由度；不完全定位限制的自由度少于六个，但仍满足加工要求，两者均常用；欠定位未能限制所需的自由度，严格禁止；过定位多次限制同一个自由度，必须根据其是否影响精度进行评估。

问：夹具的基本要求是什么？

答：夹紧过程不得改变工件的定位位置；夹紧力必须合适（稳定，无振动或过度变形）；操作应方便、省力、安全；自动化程度应与生产量相匹配。

问：常用的工件定位元件有哪些？

答：平面定位：支撑销、支撑板、可调支撑和自调心支撑；外圆柱面定位：V形块、套筒和三爪自定心卡盘；孔定位：定位销、圆柱芯轴、锥销和锥芯轴；单平面双孔定位：平面支撑与圆柱销和卸荷销组合使用。

问：如何选择合适的机床夹具？

答：适用于单件和小批量生产的通用或模块化夹具；适用于中小批量生产的可调夹具；适用于大批量生产的专用或传送夹具；适用于新产品试验的模块化夹具；以及适用于高精度加工的高定心精度元件（例如锥形芯轴），同时避免过度定位。

问：如何估算夹紧力？

答：常用的方法有两种：类比法，即根据类似的夹具和经验来估算力；以及静态平衡法，即计算理论夹紧力并将其乘以一个安全系数（粗加工为 2.5-3，精加工为 1.5-2）。

 

参考

www.gressel.ch/en/wedge-clamping-element-kse/

eng.libretexts.org/Bookshelves/Mechanical_Engineering/Introduction_to_Aerospace_Structures_and_Materials_(Alderliesten)/03_Analysis_of_Statically_Indeterminate_Structures/13_Influence_Lines_for_Statically_Indeterminate_Structures/13.02_Static_Equilibrium_Method