1、机械制造工程学机械制造及其自动化研究室许虹（）64学时（58理论+6实验）机械制造工程学科的发展n机械工业在国民经济中的地位q机械工业的技术水平和规模（技术装备、质量和可靠性）是衡量一个国家科技水平和经济实力的重要标志。q与工业发达国家比，我国机械产品质量和水平不够高、技术开发能力不够强、科技投入少。机械制造工程学科的发展n制造技术的重要性q是生产、国际竞争、产品革新的重要手段；q不是单纯的制造工艺方法和产品设计；q是从产品概念到最终产品的集成活动和系统；q是功能系统和信息处理系统；n美国自50年代来只重视高技术和军用技术的发展，忽视制造技术的作用，严重影响了国民经济的竞争力；n日本二次大战后
2、，狠狠抓住制造技术的关键精密工程、特种加工和制造系统自动化，战后30年里成为经济大国。n我国制造技术经过40多年发展，已进入发展最迅速、实力增强最快的阶段。机械制造工程学科的发展n机械制造科学的发展q热加工：铸造、塑性加工、焊接、表面处理等；q冷加工：零件的机械加工工艺过程和装配工艺过程、特种加工技术等。n机械制造的基础理论；n机械加工和装配工艺过程设计、工艺装备设计，传统加工方法、特种加工方法、精密加工和超精密加工方法等；n机械制造系统的自动化、柔性化、集成化及智能化。q计算机技术、微电子技术、控制技术、传感技术与机电一体化技术的迅速发展深刻地影响了机械制造科学；q机械制造科学与管理科学结合
3、，更丰富了机械制造科学的内容。课程性质和任务n性质q本课程在机械制造基础、机械设计、金工实习等课程基础上，将机械加工基础理论和制造过程控制、自动化与智能化加工有机结合，并适当介绍现代制造系统模式，从而形成一个较完整体系的专业技术课。n任务q使学生在知识结构上既掌握基础理论，又能了解本学科当前发展趋向，为毕业后从事机械设计制造领域的工作或进一步的学习打好基础。课程内容机械加工工艺过程与工艺规程制订机械加工工艺过程与工艺规程制订夹具和工件的定位与夹紧夹具和工件的定位与夹紧 机械加工精度机械加工精度机械加工表面质量机械加工表面质量工艺尺寸链工艺尺寸链成组技术成组技术制造过程自动化制造过程自动化现代制
4、造系统现代制造系统第一章 夹具和工件的定位与夹紧n概述n工件的定位n定位误差n工件的夹紧n机床夹具简介1-1 概述u工件的安装 u夹具的定义及组成u夹具的分类u机床夹具的作用工件的安装n为了在工件的某一部位上加工出符合规定技术要求的表面，这个过程称为工件的“定位”。n当工件定位后，由于在加工中会受到切削力、重力等的作用，还应使得先前确定的位置保持不变。（即工件的定位），（即工件的夹紧），称为工件的安装。工件的安装n工件的安装方式q直接找正安装n定义：工件直接装在机床上后，用千分表或划针盘上的划针，以目测法校正工件位置，一边校验一边找正。n缺点：费时、生产率低、凭经验、对工人技术要求高。n用途：
5、单件、小批生产，或对工件的定位精度要求较高。工件的安装n工件的安装方式q划线找正安装n定义：工件装在机床上后，按事先所划的线进行找正定位。n缺点：多一道工序、精度不高（0.20.3mm）。n用途：批量较小、毛坯精度较低、不易用夹具的大型工件的粗加工。工件的安装n工件的安装方式q采用夹具安装n定义：一批工件逐一安装在已预先调整好位置的夹具上，依靠夹具在机床上与刀具间正确的相对位置定位。n优点：批量生产时，不必逐个找正定位、省事省时。n用途：成批、大量生产。夹具的定义及组成n夹具的概念q在机械加工过程中，依据工件的加工要求，称为机床夹具，简称为夹具。夹具的定义及组成n夹具的组成q定位元件：保证工件
6、在夹具中处于正确位置的元件。q夹紧装置：保持工件在加工过程中不因外力而改变其 正确位置的装置，包括夹紧机构和动力源。定位元件夹紧装置夹具的定义及组成n夹具的组成q对刀导引元件：保证刀具与工件夹工表面有准确的相对位置的元件。q连接元件：保证夹具相对于机床有正确位置的元件。连接元件对刀引导元件夹具的定义及组成n夹具的组成q夹具体：连接夹具各个组成部分为一整体，并使各元件间具有正确相互位置的基础件。q其它装置：其它装置包括按照加工要求所设置的一件或多件装置，如分度装置、上下料装置等。夹具体夹具的定义及组成定位元件夹紧装置夹具体连接元件对刀引导元件夹具的分类n按使用特点分类q通用夹具通用夹具 指与通用
7、机床配套，并作为其附件的夹具，如车床的三爪自定心卡盘、铣床的机床用平口虎钳、分度头等。q专用夹具专用夹具 为某一工件的某道工序专门设计制造的夹具，专用夹具适用于产品固定、工艺相对稳定、批量大的加工过程。q组合夹具组合夹具 在夹具零部件标准化的基础上，针对不同的加工对象和加工要求，拼装而成的夹具。组合夹具组装迅速，周期短，能重复使用，适用于多品种、小批量生产或新产品试制。q成组夹具成组夹具 在成组加工中适用于一组同类零件的夹具，经过调整或更换、增加一些元件，可用来定位、夹紧一组零件。q随行夹具随行夹具 用于自动线上的夹具。工件安装在随行夹具上，由运输装置送往各机床，并在机床工作台或机床夹具上定位
8、、夹紧。夹具的分类n按使用机床分类q车床夹具、铣床夹具，钻床夹具、磨床夹具等。n按动力源分类q手动夹具、气动夹具、液压夹具、气液夹具、电动夹具，电磁夹具和真空夹具等。机床夹具的作用n保证加工精度q对工件形状复杂、加工精度要求高时，设计专用机床夹具就能很顺利地达到加工精度要求。n提高生产率，降低生产成本q使用专用机床夹具可以提高单位时间的产量，降低单件工时，减少辅助时间，可大大提高生产效率。n减轻劳动强度q使用专用机床夹具可减轻和改善劳动条件，降低对工人操作技术水平的要求，保证安全。n扩大机床的工艺范围q使用专用机床夹具可以完成机床本身所不能完成的任务，如以车代镗，在普通铣床上使用靠模可代替靠模
9、铣床加工成形表面。12 工件的定位u工件定位工件定位u使工件在机床上（或夹具中）占有加工所要求的正确的位置，也就是使它相对于刀具有正确的相对位置。工件定位的基本原理n工件的“六点定位原则”q要使工件完全定位（即工件在空间的位置被唯一地确定），就必须限制工件在空间的六个自由度。定位与夹紧的区别l定位l是限制工件的自由度，使工件在机床上（或夹具中）获得加工所要求的正确位置。l夹紧l是使工件在外力作用下不能运动，以便在加工过程中保持原有的位置。夹紧并不意味着工件的所有自由度都被限制。常用定位元件所能限制的自由度常用定位元件所能限制的自由度常用定位元件所能限制的自由度常用定位元件所能限制的自由度常用定
10、位元件所能限制的自由度常用定位元件所能限制的自由度常用定位元件所能限制的自由度常用定位元件所能限制的自由度在定位分析中的几类情况n完全定位 q限制了工件全部六个自由度，称为工件的“完全定位”。n不完全定位 q工作中允许的少于六点的定位称为“不完全定位”，或“部分定位”。在定位分析中的几类情况n欠定位q工件的定位支承点数少于应限制的自由度数，称为“欠定位”，欠定位是不允许的。在定位分析中的几类情况n过定位 q工件的某一个自由度同时被两个或更多的定位支承点重复限制，称为“过定位”，也叫“重复定位”。实例分析n分析以下各定位方案中各定位元件所消除自由度实例分析实例分析实例分析实例分析实例分析实例分析
11、实例分析定位方式n工件以平面定位 n工件以外圆定位n工件以内孔定位n工件以组合表面定位工件以平面定位n定位形式：支承定位n定位元件（即支承件）q基本支承基本支承：用来限制工件的自由度，即是真正具有独立定位作用的定位元件。n固定支承、可调支撑承、自位支承。q辅助支承辅助支承：用来增加工件的支承刚性，不起限制工件自由度的作用。基本支承n固定支承q支承钉多用作工件平面定位的三点支承或侧面支承，其结构形式有平头、圆头、网纹顶面三种。q支承板多用于工件上已加工平面的定位。基本支承n可调支承q主要用于工件上未经机械加工的定位面，当工件毛坯尺寸有较大变化时，每更换一批毛坯，就要调节一次。基本支承n自位支承q
12、又称“浮动支承”，与工件接触的点能随工件定位面形状自行浮动的支承，每一个自位支承一般只相当于一个定位点，即限制一个自由度。通常用在刚度不足的毛坯平面或不连续表面的定位中。辅助支承n工件刚度较差，按六点定位原则定位夹紧后，仍发生变形或振动。在基本支承外另加辅助支承，提高安装刚度和稳定性。辅助支承不应限制工件的自由度，或破坏工件原来已经限制的自由度。工件以外圆定位n定位形式：定心定位，支承定位。n定位元件qV形块：不仅用于完整的外圆面定位，也常应用在不完整的外圆面要求对中性好的定位。工件以外圆定位n定位套筒q定位套筒方法，元件结构简单，但定心精度不高。工件以外圆定位n剖分套筒q剖分套筒为半圆孔定位
13、，主要适用于大型轴类零件的精密轴颈定位。n外圆定心夹紧机构q如三爪卡盘，弹簧夹头等。工件以内孔定位n定位形式：定心定位n定位元件q定位销 q刚性心轴q内圆定心夹紧机构工件以组合表面定位n以轴心线平行的两孔定位q工件以两孔定位的方式，在生产中普遍用于各种板状、壳体、杠杆等零件，例如机床主轴箱、发动机缸体都用此法定位加工。工件以组合表面定位n以轴心线平行的两外圆表面定位n以一个孔和一个平行于孔中心线的平面定位工件定位误差n定位误差：工件在定位时不准确引起的位置误差。q工件在夹具中位置由定位元件确定，工件上的定位基准与夹具上的定位元件相接触（相配合），工件的位置便确定。q批工件中，各个工件之间的相应
14、表面，彼此在形状、位置及表面状况在一定公差变动范围，定位元件具有一定的公差和使用中磨损，工件虽已定位，一批工件的每个具体表面，还会有一定的位置变动量，即定位时的位置误差。定位误差的产生原因n基准不重合误差q由于定位基准和设计基准不重合引起的定位误差。n基准位移误差q由于夹具定位元件和工件定位基准本身有制造误差，使工件被加工表面的设计基准在加工尺寸方向上产生变动而形成的定位误差。定位误差的计算n基准不重合误差的计算qSTEP1：画出被加工零件定位时的两个极限尺寸的位置。qSTEP2：从图形中的几何关系，找出零件图上被加工尺寸之设计基准的最大变动量（最大值与最小值之差），即为基准不重合误差。定位误
15、差的计算n基准位移误差的计算q基准位移误差等于在工件加工尺寸方向上设计基准的最大变动量。例题n例：求工件用形块定位时的定位误差计算q三批直径为的轴，在形块上定位铣平面，加工表面的设计尺寸，有三种不同的标注方法：用形块定位时的定位误差(a)要求保证上母线到加工面尺寸H1，即设计基准为B；(b)要求保证下母线到加工面尺寸H2,即设计基准为C；(c)要求保证轴心线到加工面尺寸H3，即设计基准为O；例题n解：q尺寸H1的定位误差：当工件从最小直径变到最大直径，这时设计基准的最大变动量为B1B2这就是尺寸H1的定位误差，由图中几何关系可求出其大小为：q尺寸 H2的定位误差：当工件从最小直径变到最大直径，
16、这时设计基准的最大变动量为C1C2这就是尺寸H2的定位误差，由图中几何关系可求出其大小为：q尺寸H3的定位误差：当工件从最小直径变到最大直径，这时设计基准的最大变动量为O1O2这就是尺寸H3的定位误差，由图中几何关系可求出其大小为：12sin1221dBB2sin1221dOO12sin1221dCC保证加工精度得以实现的条件n影响加工精度的误差因素q定位误差、夹具的有关制造误差、夹具安装误差、加工误差。q为了保证工件的加工精度，必须使上述所有误差因素对工件加工的综合影响，控制在工件所允许的公差范围工件之内，即：定位 +制造 +安装+加工 =工件 此不等式即为保证规定加工精度实现的条件，也称为
17、用夹具安装加工时的误差计算不等式。工件的夹紧u工件夹紧的基本要求u典型夹紧机构u动力夹紧装置工件的夹紧的基本要求n夹得稳 q不能破坏工件的正确定位；q夹紧机构的动作应平稳，有足够的刚度和强度。n夹得牢 q夹紧力要合适，过小易使工件移动或振动，过大则会使工件变形或损伤，影响加工精度。q夹紧机构要有自锁作用，即原始作用力去除后，工件仍能保持夹紧状态不松开。n夹得快 q夹紧机构应简单、紧凑、操作时安全省力，迅速方便，以减轻劳动强度，缩短辅助时间，提高生产效率。夹紧原理n夹紧力三要素q方向q作用点（数量和位置）q大小夹紧原理n夹紧力方向确定的原则q夹紧力作用方向应不破坏工件定位的准确性，一般主要夹紧力
18、应垂直指向主要定位面；q夹紧力方向应尽量与工件刚度最大方向一致，以使工件变形尽可能小；q夹紧方向应尽可能与切削力、工件重力方向一致，以减小所需夹紧力。夹紧原理n夹紧力的作用点q在夹紧力方向已定情况下，夹紧元件与工件相接触的部位和数目。n夹紧力作用点的选择q夹紧力应落在支承元件上或几个支承元件所形成的支承面内，保证工件已获得的定位不变；q夹紧力应落在刚度较好的部位上，减小工件的夹紧变形；q夹紧力应尽量靠近加工面，减小切削力对工件造成的翻转力矩。夹紧原理n夹紧力大小的估算q夹紧力不足，使工件在切削过程中产生位移并容易引起振动；q夹紧力过大，会造成工件或夹具不应有的变形或表面损伤。q估算方法：n将工
19、件视为分离体，分析作用在工件上的各种力；n根据力系平衡条件，确定保持工件平衡所需的最小夹紧力；n将此最小夹紧力乘以适当的安全系数，即得到所需夹紧力。典型夹紧机构n斜楔夹紧 n螺旋夹紧 n偏心夹紧 常见的斜楔、偏心、螺旋等机械夹紧机构，都是利用机械摩擦的斜楔自锁原理。斜楔夹紧n斜楔夹紧特点q斜楔机构简单，有增力作用，愈小增力作用愈大。q斜楔夹紧行程小，且受的影响，增大能增大行程，但自锁性能变差。q夹紧和松开需敲击斜楔大、小端，操作不便。斜楔夹紧n斜楔夹紧力q利用斜面移动时所产生的力将工件夹紧；q当楔受外力F0的作用，楔向下或向左移动时产生夹紧力F，在工件表面上引起摩擦力F1，在夹具体表面引起摩擦
20、力F2，得夹紧力F：螺旋夹紧n螺旋夹紧特点q结构简单，夹紧可靠，应用最广泛；q装卸工件的辅助时间相对较长。n螺旋夹紧力q看作是绕在圆柱上的斜面，展开后相当于斜楔夹紧力。偏心夹紧n偏心夹紧的特点q夹紧动作迅速，操作方便、结构简单，其扩力比和夹紧力较小，适于小型零件精加工和要求夹紧力不大而又无振动的场合；q夹紧行程较小。行程受偏心距限制，其增大受自锁条件的限制；q自锁性能较差，只能在切削力变化较小的情况下使用。偏心夹紧n圆偏心q结构简单，制造方便，应用广泛。q实质是一曲线斜楔。曲线上任意点的斜率即为该点的斜楔升角（变化），偏心轮圆周面上各段的下压行程和自锁特性不同。q设计圆偏心时，要考虑：n自锁条
21、件；D/e1420；n保证足够的夹紧力；n保证足够的夹紧距离（即偏心轮工作部分与工件接触点的最大垂直位移）。动力夹紧装置n气动夹紧 n 液压夹紧n 气液压组合夹紧 n 真空夹紧 n 电磁夹紧 气动夹紧n工作原理q使用压缩空气为动力的一种夹紧传动装置，多由工厂内压缩空气站集中供气。n特点q以空气为传动介质，工作压力低，空气容易获得。q动作迅速，操作简便。q空气粘度小，流动性强，管路损失小。q空气具有可压缩性，气缸结构较大，有噪音。液压夹紧n工作原理q利用高压油产生动力，工作原理及结构与气动夹紧相似。n特点q油压可达300600Ncm：，比气压高十几倍，油缸直径尺寸比气缸小得多，传动力大，不需要扩
22、力机构；q油液不可压缩，夹紧刚性大，工作平稳，夹紧可靠，抗振能力强；q润滑性能好，无噪音，劳动条件好；q液压元件已通用化、标准化。n缺点q结构比气压复杂，油易渗漏，密封要求高；q制造精度要求高，加工难，成本高；q调整比较复杂。气液压组合夹紧n工作原理q利用压缩空气使油缸活塞杆以低压快速移动，达到所需行程后，再产生较高油压夹紧工件。n工作过程q快速预压；q压夹紧；q工件松开。真空夹紧n工作原理q利用封闭腔内真空的吸力来夹紧工件，实质上是利用大气压力来夹紧工件。n适用于夹紧由铝、铜及其合金、塑料等非导磁材料制成的薄板形工件，或刚度较差的大型薄板零件。电磁夹紧n工作原理n一般都是作为机床附件的通用夹
23、具，如平面磨床上的磁力吸盘等。机床夹具简介机床夹具简介n车床夹具n钻床夹具 n铣床夹具n机床组合夹具n自动线随行夹具车床夹具n特点q夹具随车床主轴一起旋转，要求结构紧凑、轮廓尺寸小，重量轻，重心尽可能靠近回转轴线，以减少惯性力和回转力矩。q应有平衡措施，消除回转不平衡产生的振动现象。平衡块的位置最好能调节。q与主轴端联结部分应有较准确的与具体使用的车床相符的圆柱（圆锥）孔。q为使夹具使用安全，尽可能避免带有尖角或凸出部分，必要时回转部分外面要加罩壳，工件的夹紧装置也要可靠，防止松动飞出。车床夹具n心轴车床夹具n弯板式夹具钻床夹具n定义q简称“钻模”，用在钻床上，以钻模导套来保证钻头与工件之间相
24、互位置精度的夹具。q钻套是钻床夹具所特有的零件。q钻套用来引导钻头、铰刀等孔加工刀具，加强刀具刚度，并保证所加工的孔和工件其他表面准确的相对位置。铣床夹具n铣床夹具应能提供较大的夹紧力，夹具刚性也应较好。n铣床夹具在机床工作台上的位置是由夹具底面上的定位键决定的。n铣床夹具还常设有对刀装置，目的是快速调整刀具相对于工件的位置。铣床夹具n铣床夹具实例机床组合夹具n定义q根据加工工件的工艺要求，利用一套标准元件组合而成的夹具。n组装q根据零件的工艺及本工序所需进行的加工和技术要求来确定定位、夹紧方案。q根据所确定的定位、夹紧方案，构思组合夹具的组装方案，试选各种元件。q试组装并检查是否满足加工要求，并进行修改，直至达到要求为止。自动线随行夹具n在自动线上加工零件时，对于形状不规则，又无良好输送基面的零件，采用随行夹具。n一般在加工前，将工件安装在随行夹具上，然后利用自动传送装卸系统，将装有工件的随行夹具由一个工位送到另一个工位加工，直至完成全部加工过程。
