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第三章 工件的夹紧及对定
§3—1 夹紧装置的组成及设计原则
㈠组成
夹紧装置的种类很多，但其结构均由两部分组成。
1．动力装置—-产生夹紧力
机械加工过程中，要保证工件不离开定位时占据的正确位置，就必须有足够的夹紧力来平衡切削力、惯性力、离心力及重力对工件的影响。
夹紧力的来源,一是人力；二是某种动力装置。
常用的动力装置有：液压装置、气压装置、电磁装置、电动装置、气一液联动装置和真空装置等。
2．夹紧机构-—传递夹紧力
要使动力装置所产生的力或人力正确地作用到工件上，需有适当的传递机构。在工件夹紧过程中起力的传递作用的机构，称为夹紧机构。
夹紧机构在传递力的过程中,能根据需要改变力的大小、方向和作用点.
手动夹具的夹紧机构还应具有良好的自锁性能，以保证人力的作用停止后,仍能可靠地夹紧工件。

图1-49液压夹紧铣床夹具
1一压板 2一铰链臂 3一活塞杆4一液压缸 5一活塞
图1-51是液压夹紧的铣床夹具。
其中，液压缸4、活塞5、活塞杆3等组成了液压动力装置，铰链臂2和压板1等组成了铰链压板夹紧机构。
㈡夹紧装置的设计原则
1)夹紧过程中，不改变工件定位后占据的正确位置。
2)夹紧力的大小适当，一批工件的夹紧力要稳定不变。既要保证工件在整个加工过程中的位置稳定不变，振动小,又要使工件不产生过大的庆紧变形。夹紧力稳定可减小夹紧误差。
3）夹紧装置的复杂程度应与工件的生产纲领相适应。工件生产批量愈大,允许设计愈复杂、效率愈高的夹紧装置.
4）工艺性好，使用性好。其结构应力求简单，便于制造和维修。夹紧装置的操作应当方便、安全、省力。
㈢夹紧力的确定
确定夹紧力的方向、作用点和大小时，要分析工件的结构特点、加工要求、切削力和其它外力作用工件的情况,以及定位元件的结构和布置方式。
1、夹紧力的方向和作用点的确定
1)夹紧力应朝向主要限位面。对工件只施加一个夹紧力，或施加几个方向相同的夹紧力时，夹紧力的方向应尽可能朝向主要限位面。
如图l—50a所示,工件被镗的孔与左端面有一定的垂直度要求，因此，

图1—50 夹紧力朝向主要限位面
工件以孔的左端面与定位元件的A面接触，限制三个自由度;
以底面与B面接触,限制两个自由度；夹紧力朝向主要限位面A。这样做,有利于保证孔与左端面的垂直度要求。
如果夹紧力改朝B面，则由于工件左端面与底面的夹角误差，夹紧时将破坏工件的定位，影响孔与左端面的垂直度要求。
再如图1—50b所示,夹紧力朝向主要限位面——V形块的V形面，使工件的装夹稳定可靠。
如果夹紧力改朝B面，则由于工件圆柱面与端面的垂直度误差，夹紧时，工件的圆柱面可能离开V形块的V形面。这不仅破坏了定位，影响加工要求，而且加工时工件容易振动。
对工件施加几个方向不同的夹紧力时，朝向主要限位面的夹紧力应是主要夹紧力。
2） 夹紧力的作用点应落在定位元件的支承范围内。如图1—51所示,夹紧力的作用点落到了定位元件的支承范围之外,夹紧时将破坏工件的定位，因而是错误的.

图1—51夹紧力作用点的位置不正确
3） 夹紧力的作用点应落在工件刚性较好的方向和部位。这一原则对刚性差的工件特别重要.

图l—52 夹紧力作用点与夹紧变形的关系
如图l-52a所示,薄壁套的轴向刚性比径向好,用卡爪径向夹紧，工件变形大，若沿轴向施加夹紧力,变形就会小得多。
夹紧图1—52b所示薄壁箱体时,夹紧力不应作用在箱体的顶面,而应作用在刚性好的凸边上。
箱体没有凸边时，可如图l-52c那样，将单点夹紧改为三点夹紧，使着力点落在刚性较好的箱壁上，并降低了着力点的压强，减小了工件的夹紧变形。
4）夹紧力作用点应靠近工件的加工表面。 如图1—53所示,在拨叉上铣槽。由于主要夹紧力的作用点距加工表面较远，故在靠近加工表面的地方设置了辅助支承.增加了夹紧力F.这样，不仅提高了工件的装夹刚性，还可减少加工时工件的振动。 图l—53夹紧力作用点靠近加工表面
2、夹紧力大小的估算
加工过程中，工件受到切削力、离心力、惯性力及重力的作用。
理论上,夹紧力的作用应与上述力(矩）的作用平衡；
而实际上，夹紧力的大小还与工艺系统的刚性、夹紧机构的传递效率等有关。而且，切削力的大小在加工过程中是变化的，因此，夹紧力的计算是个很复杂的问题，只能进行粗略的估算。
估算时应找出对夹紧最不利的瞬时状态,估算此状态下所需的夹紧力。并只考虑主要因素在力系中的影响,略去次要因素在力系中的影响。估算步骤如下：
1）建立理论夹紧力F与主要最大切削力F的静平衡方程:
F=φ（ F)。
2)实际需要的夹紧力F,应考虑安全系数(见表l—8），
F=KF。
3）校核夹紧机构产生的夹紧力F是否满足条件：F> F。
例如，图l—54为铣削加工示意图，试估算所需的夹紧力。 由于是小型工件,工件重力略去不计。因为压板是活动的，压板对工件的摩擦力也略去不计.不设置止推销时，对夹紧最不利的瞬时状态是铣刀切入全深、切削力F达到最大时，工件可能沿F的方向移动，需用夹紧力F、F产生的摩擦力F、F与之平衡，建立静平衡方程

设
则 F=
加上安全系数，每块压板需给工件的夹紧力（N）为

式中-—最大切削力（N）;
——每块压板的夹紧力(N）
f——工件与定位元件间的摩擦因数;
K—-安全系数。

图1—54，铣削时夹紧力的估算

设置止推销后，工件不可能斜向移动了,对夹紧最不利的瞬时状态是铣刀切入全深、切削力达到最大时，工件绕0点转动，形成切削力矩L,需用夹紧力、产生的摩擦力矩、与之平衡，建立静平衡方程如下
+=L
设
则
加上安全系数，每块压板需给工件的夹紧力(N）是
（1—16）
式中L——切削力作用方向至挡销的距离；、--两支承钉至挡销的距离。
安全系数可按下式计算
（1-17)
各种因素的安全系数见表1-8。
通常情况下K=1．5～2．5。当夹紧力与切削力方向相反时K=2．5～3。
各种典型切削方式所需夹紧力的静平衡方程式可参看“夹具手册”。
表1-8各种因素的安全系数
考 虑 因 素
系 数 值
—-基本安全系数(考虑工件材质、余量是否均匀)
1。2～1.5
--加工性质系数
粗加工
1.2
精加工
1。0
—-刀具钝化系数

1。1～1。3
--切削特点系数
连续切削
1.0
断续切削
1。2

1。8基本夹紧机构
夹紧机构的种类虽然很多,但其结构大都以斜楔夹紧机构、螺旋夹紧机构和偏心夹紧机构为基础,这三种夹紧机构合称为基本夹紧机构。
1.8.1斜楔夹紧机构
图l一55为几种用斜楔夹紧机构夹紧工件的实例.
A一A

b）

c)
图1-55斜楔夹紧机构
1一夹具体 2一斜楔 3一工件
图1—55a是在工件上钻互相垂直的 φ8mm、φ5mm两组孔。工件装入后，锤击斜楔大头，夹紧工件.加工完毕后,锤击斜楔小头，松开工件。由于用斜楔直接夹紧工件的夹紧力较小,且操作费时,所以，实际生产中应用不多，多数情况下是将斜楔与其它机构联合起来使用。
图l—55b是将斜楔与滑柱合成一种夹紧机构，一般用气压或液压驱动.
图l-55c是由端面斜楔与压板组合而成的夹紧机构。
1．斜楔的夹紧力
图1—56a是在外力FQ作用下斜楔的受力情况。建立静平衡方程式

而
所以
= （1—18)
式中——斜楔对工件的夹紧力(N);
——斜楔升角（°）；
——加在斜楔上的作用力(N）;
—-斜楔与工件间的摩擦角（°）；
--斜楔与夹具体间的摩擦角(°）.
设 = = ，当很小时(）,可用下式作近似计算
Fj = (1—19）
2．斜楔自锁条件

a） b） c
图1—55斜楔受力分析

图1—56b是作用力撤去后斜楔的受力情况。从图中可以看出，要自锁，必须满足下式
〉
因
代入上式 > 〉
由于、、都很小, ≈, ≈ ,上式可简化为
＞-
或 ＜+ （1—20)

因此,斜楔的自锁条件是：斜楔的升角小于斜楔与工件、斜楔与夹具体之间的摩擦角之和。

为保证自锁可靠,手动夹紧机构一般取=6°～8 °.用气压或液压装置驱动的斜楔不需要自锁,可取口一15°~30°.

3．斜楔的扩力比与夹紧行程
夹紧力与作用力之比称为扩力比或增力系数。i的大小表示夹紧机构在传递力的过程中扩大（或缩小)作用力的倍数。

由式(1—20)可知,斜楔的扩力比为
(1—21）
如取6°，=10°代入式（1—23），得i=2。6。可见，在作用力不很大的情况下，斜楔的夹紧力是不大的。
在图1—56c中，h(mm)是斜楔的夹紧行程，s（mm)是斜楔夹紧工件过程中移动的距离
h=Stga
由于S受到斜楔长度的限制,要增大夹紧行程,就得增大斜角口，而斜角太大,便不能自锁.当要求机构既能自锁，又有较大的夹紧行程时，可采用双斜面斜楔。如右图所示,斜楔上大斜角的一段使滑柱迅速上升，小斜角的一段确保自锁。

1.8.2螺旋夹紧机构
由螺钉、螺母、垫圈、压板等元件组成的夹紧机构，称为螺旋夹紧机构。图1-57是应用这种机构夹紧工件的实例。

图1-57
螺旋夹紧机构不仅结构简单、容易制造，而且，由于缠绕在螺钉表面的螺旋线很长，升角又小，所以螺旋夹紧机构的自锁性能好,夹紧力和夹紧行程都较大，是手动夹紧中用得最多的一种夹紧机构。
1。单个螺旋夹紧机构
图1一57a、b所示是直接用螺钉或螺母夹紧工件的机构，称为单个螺旋夹紧机构.
在图1一57a中，螺钉头直接与工件表面接触，螺钉转动时,可能损伤工件表面，或带动工件旋转。克服这一缺点的办法是在螺钉头部装上图l一60所示的摆动压块.当摆动压块与工件接触后,由于压块与工件间的摩擦力矩大于压块与螺钉间的摩擦力矩,压块不会随螺钉一起转动。
如图l一58a、b(GB／2172—91）所示，A型的端面是光滑的，用于夹紧已加工表面； B型的端面有齿纹，用于夹紧毛坯面.当要求螺钉只移动不转动时，可采用图1—60c(GB／T2173-91）所示结构。
图1-58
夹紧动作慢、工件装卸费时,是单个螺旋夹紧机构的另一个缺点。如图1一57b所示,装卸工件时，要将螺母拧上拧下,费时费力。克服这一缺点的办法很多，图1-59是常见的几种。
图1—59a使用了开口垫圈.
图1一59b采用了快卸螺母。
图1一59c中,夹紧轴1上的直槽连着螺旋槽,先推动手柄2,使摆动压块迅速靠近工件，继而转动手柄，夹紧工件并自锁。
图1一59d中的手柄4带动螺母旋转时，因手柄5的限制，螺母不能右移，致使螺杆带着摆动压块3往左移动,从而夹紧工件。松夹时,只要反转手柄4，稍微松开后，即可转动手柄5，为手柄4的快速右移让出了空间。

图1—59 快速螺旋夹紧机构
1一夹紧轴 2、4、5一手柄 3一摆动压块

由于螺旋可以看作是绕在圆柱体上的斜楔，因此，螺钉（或螺母)夹紧力的计算与斜楔相似。图1一60是夹紧状态下螺杆的受力情况。图中，为工件对螺杆的摩擦力，分布在整个接触面上，计算时可视为集中在半径为的圆周上。称为当量摩擦半径,它与接触形式有关（见表1一9）。为螺孔对螺杆的摩擦力，也分布在整个接触面上,计算时可视为集中在螺纹申径处。根据力矩平衡条件

得 (1—22）
式中 一一夹紧力(N）； 一一作用力(N)； L一一作用力臂(mm）；
一一螺纹中径(mm)； 一一螺纹升角(Ｏ）；一一螺纹处摩擦角(Ｏ）；
一一螺杆端部与工件间的摩擦角(Ｏ)；
一一螺杆端部与工件间的当量摩擦半径（mm）。

图1—60 螺杆受力分析

a） b)

c） d)
图1-61螺旋压板结构
2。螺旋压板机构
夹紧机构中，结构型式变化最多的是螺旋压板机构.图1一63是螺旋压板机构的四种典型结构。
图1一61a、b为移动压板，
图1一61c、d为回转压板.
图1一62是螺旋钩形压板机构。其特点是结构紧凑，使用方便。
当钩形压板妨碍工件装卸时,
可采用图1一63所示的自动回转钩形压板,它避免了用手转动钩形压板的麻烦.
钩形压板回转时的行程和升程可按下面的公式计算

图1-62
或 （1—23）
式中 s一一压板回转时沿圆柱转过的弧长(行程)(mm)；
h一一压板回转时的升程(mm)
一一压板的回转角度（Ｏ)
一一压板螺旋槽的螺旋角，一般取30Ｏ——40Ｏ 图1—64 螺旋钩形压板；
d一一压板导向圆柱的直径；
K一一压板升程系数（表l一10）.

a） b) c)
图l一65 自动回转钩形压板
螺旋钩形压板所产生的夹紧力（N）
(1-24)
式中一一作用力（N）；
H一一钩形压板的高度（mm)；
L一一压板轴线至夹紧点的距离(mm)，
f一一摩擦因数,一般取f=0．1-0．15。

1.8.3偏心夹紧机构
用偏心件直接或间接夹紧工件的机构，称为偏心夹紧机构．常用的偏心件是圆偏心轮和偏心轴,图1—64是偏心夹紧机构的应用实例。图1—64a、b用的是圆偏心轮，图1-64c用的是偏心轴，图166—d用的是偏心叉。
偏心夹紧机构操作方便、夹紧迅速，缺点是夹紧力和夹紧行程都较小，一般用于切削力不大、振动小、夹压面公差小的加工中。

a） b）

c) d)
图1—64 圆偏心夹紧机构
1．圆偏心轮的工作原理
图1—65是圆偏心轮直接夹紧工件的原理图.图中,是圆偏心轮的几何中心，R是它的几何半径。是偏心轮的回转中心，是偏心距。若以为圆心,，为半径画圆(点划线圆)，便把偏心轮分成了三个部分.其中，虚线部分是个“基圆盘”， 图l一65 圆偏心轮的工作原理
半径，r=R-e；另两部分是两个相同的弧形楔.当偏心轮绕回转中心顺时针方向转动时，相当于一个弧形楔逐渐楔入“基圆盘”与工件之间，从而夹紧工件。
2.圆偏心轮的夹紧行程及工作段
如图1-68a所示,当圆偏心轮绕回转中心转动时，设轮周上任意点x的回转角为，即工件夹压表面法线与连线间的夹角;回转半径为。用、为坐标轴建立直角坐标系，再将轮周上各点的回转角与回转半径一一对应地记入此坐标系中，便得到了圆偏心轮上弧形楔的展开图,如图l一68b所示。

a) b)
图l一66 圆偏心轮的回转角ρ、升角θ真及弧形楔展开图
图1—68表明,当圆偏心轮从0o回转到180o时，其夹紧行程为2e.图1—68还表明,轮周上各点的升角是不等的， 90o时的升角最大（)．升角为工件夹压表面的法线与回转半径的夹角.在三角形中

（1—25）
式中 H一一夹紧高度.
所以
（1—26)
当=0o 、180 o 时 ， 当 o 时, 即
(1—27)
圆偏心轮的工作转角一般小于90 o，因为转角太大,不仅操作费时，也不安全。工作转角范围内的那段轮周称为圆偏心轮的工作段。常用的工作段是45 o一135 o或90 o～180 o 在=45 o～135 o范围内，升角大，升角变化小,夹紧力较小而稳定，并且夹紧行程大（h≈1。4e）.在=90 o～180 o范围内,升角由大到小,夹紧力逐渐增大，但夹紧行程较小(h=e）。
3．圆偏心轮偏心量e的确定
如图l一68所示，设圆偏心轮工作段为根据式(1—28）在A点的夹紧高度,在B点的夹紧高度，夹紧行程，所以
（1-28）
式中，夹紧行程为:
一一装卸工件所需的间隙,一般取≥0.3mm；
一一夹紧装置的弹性变形量，一般取=0.05～0.15mm；
一一夹紧行程储备量，一般取=0.1~O。3mm；
一一工件夹压表面至定位面的尺寸公差。
4．圆偏心轮的自锁条件
由于圆偏心轮夹紧工件的实质是弧形楔夹紧工件，因此,圆偏心轮的自锁条件应与斜楔的自锁条件相同,
即
式中 一一圆偏心轮的最大升角；
一一圆偏心轮与工件间的摩擦角；
一一圆偏心轮与回转销之间的摩擦角。
由于回转销的直径较小，圆偏心轮与回转销之间的摩擦力矩不大，为使自锁可靠,将其
忽略不计，上式便简化为
或者
因，代入上式 图1—67 圓偏心轮受力分析
而根据(1—30)
所以,偏心轮的自锁条件是： （1-28)
当f=0.1时，； 当f=0。15时，
5．圆偏心轮的夹紧力
由于圆偏心轮周上各点的升角不同,因此，各点的夹紧力也不相等。图1-67为任意点x夹紧工件时圆偏心轮的受力情况。
设作用力为，的作用点至回转中心的距离为L，回转半径为，偏心距.圆偏心轮夹紧工件时，受到的力矩为，可把圆偏心轮看成是作用在工件与转轴之间的弧形楔。可将力矩转化为力矩,=，所以。弧形楔的作用力≈，因此，与斜楔夹紧力公式相似,夹紧力
（1-29）
当=90 o 时,=，代入得
（1—30）
一般情况下,回转角=90 o时，,最小。只要计算出此时的夹紧力,若能满足要求，则偏心轮上其他各点的加紧力都能满足要求.
6．圆偏心轮的设计
（1)确定夹紧行程 偏心轮直接夹紧工件时的夹紧行程
（1-31）
（2)计算偏心距
确定工作段回转角范围，如=45o~135o或=90o~180o。
偏心距为
（1-32）
(3)按自锁条件计算D f=0.1时：D=20e；f=0。15时：D=14e。

(4)查“夹具标准"(GB／T2191—91～GB／T2194—-91)或查“夹具手册”,确定圆偏心轮的其它参数.其结构如图l一68所示。

图l一68 标准圆偏心轮的结构