工件的夹紧

在机械加工中，工件的定位和夹紧是联系非常密切的两个工作过程。工件定位以后需要通过一定的装置把工件压紧夹牢在定位元件上，使工件在加工过程中，不会由于切削力、工件重力、离心力或惯性力等的作用而发生位置变化或产生振动，以保证加工精度和安全生产。这种把工件压紧夹牢的装置称为夹紧装置。

5.3.1 夹紧装置的组成及基本要求

1.夹紧装置的组成

图5－33所示为夹紧装置组成示意图，夹紧装置主要由以下三个部分组成。

（1）力源装置 力源装置是产生夹紧原始作用力的装置，对机动夹紧机构来说，它是指气动、液动、电力等动力装置。力源来自人力的，则称为手动夹紧，没有力源装置。

（2）中间传动机构 中间传动机构是把力源装置产生的力传给夹紧元件的中间机构。中间传动机构的作用如下。

①改变夹紧作用力的方向。图5－33中，气缸作用力的方向通过铰链杠杆机构后改变为垂直方向的夹紧力。

②改变夹紧作用力的大小。为了把工件牢固地夹住，有时需要有较大的夹紧力，这时可利用中间传动机构（如斜楔、杠杆等）将原始力增大，以满足夹紧工件的需要。

③具有一定的自锁性能。在力源消失以后，工件仍能使整个夹紧系统处于可靠的夹紧状态。这一点对于手动夹紧特别重要。

（3）夹紧元件 夹紧元件是夹紧装置的最终执行元件，它与工件直接接触，把工件夹紧。

图5－33 夹紧装置组成示意图

1—力源装置；2—中间传动装置；3—夹紧元件；4—工件

2.对夹紧装置的基本要求

夹紧装置的设计或选用是否正确合理，对于确保加工质量、提高劳动生产率、降低加工成本和确保工人的生产安全都有很大的影响。因此在夹具设计中，对夹紧装置提出如下基本要求。

（1）夹紧时不能破坏工件在夹具中占有的正确位置。

（2）夹紧力的大小要适当，既要保证夹紧的可靠性，还要尽量避免和减小工件的夹紧变形及对夹紧表面的损伤。

（3）夹紧装置要操作方便，夹紧迅速、省力。大批大量生产中应尽可能采用气动、液动夹紧装置，以减轻工人的劳动强度和提高生产率。在小批量生产中，采用结构简单的螺钉压板时，也要尽量设法缩短辅助时间。

（4）结构要紧凑简单，有良好的结构工艺性，尽量使用标准件，手动夹紧机构还需有良好的自锁性。

5.3.2 夹紧力

确定夹紧力就是确定夹紧力的大小、方向和作用点（称为夹紧力三要素）。在确定夹紧力的三要素时，要分析工件的结构特点、加工要求、切削力及其他外力作用于工件的情况，而且必须考虑定位装置的结构形式和布置方式。夹紧力的三要素对夹紧机构的设计起着决定性的作用。只有夹紧力的作用点分布合理、大小适当、方向正确，才能获得良好的效益。

1.夹紧力方向的确定

（1）夹紧力的方向应垂直于主要定位基准面 如图5－34所示，在直角支座上镗孔，本工序要求所镗孔与A面垂直，故应以A面为主要定位基准，在确定夹紧力方向时，应使夹紧力垂直于A面，以保证孔与A面的垂直度。反之，若夹紧力垂直于B面，当工件A、B两面有垂直度误差时，就无法实现主要定位基准面定位，因而就无法保证所镗孔与A面垂直的工序要求。

图5－34 夹紧力的方向应垂直于主要定位基准面

（2）夹紧力的方向最好与切削力、工件重力方向一致 夹紧力的方向与切削力、工件重力方向一致可减小夹紧力。图5－35（a）所示为钻削轴向切削力Fx、夹紧力F1和F2、工件重力G都垂直于定位基面的情况，三者方向一致，钻削扭矩由这些同向力作用在支承面上产生的摩擦力矩所平衡，此时所需的夹紧力最小。图5－35（b）所示为夹紧力F1、F2与轴向切削力Fx和工件重力G方向相反，这时所用的夹紧力除了要平衡轴向力Fx与重力G之外，还要由夹紧力产生的摩擦阻力矩来平衡钻削扭矩，因此需要很大的夹紧力。

图5－35 夹紧力方向对夹紧力大小的影响

（3）夹紧力的方向应使工件夹紧变形小，避免表面损伤 夹紧力方向应施力于工件刚性较好的方向，尽量施力于支承的部位，分布均匀，以减小工件变形，尤其是夹压薄壁工件时更要注意。

2.夹紧力作用点的选择

选择夹紧力作用点的问题，是指在夹紧力方向已定的情况下确定夹紧力作用点的位置和数目。合理选择夹紧力作用点必须注意以下几点。

（1）应能够保持工件定位稳定可靠，在夹紧过程中不会使工件产生位移或偏转 为此，夹紧力FJ的作用点应处于定位元件的垂直上方，或着力点落在定位元件的支承范围内。图5－36（a）所示的夹紧力作用点不正确，夹紧时力矩将会使工件产生转动；图5－36（b）所示的夹紧力作用点是正确的，夹紧时工件稳定可靠。

图5－36 夹紧力的作用点应在元件上方

1—工件；2—压板；3—支承钉

（2）应尽量避免或减小工件的夹紧变形 为此，夹紧力作用点应作用在工件刚性最好的部位上，这一点对薄壁工件更显得重要。图5－37（a）所示的夹紧力作用点不正确，夹紧时将会使工件产生较大的变形；图5－37（b）所示是正确的，夹紧变形就很小。

图5－37 夹紧力应作用在工件刚性好的位置

为了避免夹紧力过分集中，可设计特殊形状的夹紧元件来增加夹紧面积、减小夹紧变形。图5－38（a）所示为具有较大弧面的卡爪2，以减小夹压薄壁套筒1时的变形；图5－38（b）所示为增加一摆动压块3以增大夹紧力的作用面积，减小局部夹紧变形；图5－38（c）所示为在压板5下增加了一个宽垫4，使夹紧力通过宽垫均匀地作用在薄壁工件1上，以免工件被局部压扁。

（3）夹紧力作用点应尽量靠近加工部位 如图5－39所示，在拨叉1上铣槽时，由于主要夹紧力的作用点距加工面较远，所以在靠近加工表面的地方设置了辅助支承2，增加了夹紧力FJ。这样既可提高工件的夹紧刚度，又可减小振动和变形。

图5－38 减小夹紧变形的措施

1—工件；2—卡爪；3—摆动压块；4—宽垫；5—压板

图5－39 拨叉上铣槽装夹图

1—拨叉；2—辅助支承；3—螺旋夹紧装置；4—定位销

（4）夹紧点数目的配制要合理 对刚性差的工件，夹紧力作用点数目应增多，力求避免单点集中夹紧，比如在薄壁圆筒加工中，应采用弹性套筒或软卡爪装夹，以增加夹紧时的接触面积。

3.夹紧力大小的估算

在夹紧力的方向、作用点确定之后，必须确定夹紧力的大小。夹紧力过小，难以保证工件定位的稳定性和加工质量；夹紧力过大，将不必要地增大夹紧装置的规格、尺寸，还会使夹紧系统的变形增大，以致影响加工质量。

在加工过程中，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，但在实际中，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。由于切削力的大小在加工过程中是变化的，因此夹紧力的计算只能在静态下进行粗略的估算。

实际设计中，常采用估算法、类比法和试验法确定所需要的夹紧力。

一般情况下，加工中小工件时，切削力（矩）起决定性的作用；加工重、大型工件时，必须考虑工件重力的作用；工件在高速运动条件下加工时，不能忽略离心力或惯性力对夹紧作用的影响。在夹紧力计算中，一般假设工艺系统是刚性的，切削过程是平稳的，根据加工过程中对夹紧作用最不利的瞬时状态，按静力平衡原理求出夹紧力的大小，再乘以安全系数作为实际所需的夹紧力。夹紧力估算公式为

FJ＝kF （5－1）

式中：FJ——实际所需夹紧力；

F——一定条件下，按静力平衡计算出的夹紧力；

k——安全系数，考虑切削力的变化和工艺系统变形等因素，粗加工时取2.5～3，精加工时取1.5～2。

这种估算夹紧力的方法，对工件的夹紧来说，其可靠度是能够满足要求的。实际应用中，并非所有情况下都需要计算夹紧力，手动夹紧机构一般根据经验或类比法确定夹紧力。

图5－40 钻孔时的夹紧力

例5.1 图5－40所示为钻孔时工件装夹情况，试估算采用该装夹方案时的夹紧力。

解 工件受到切削力矩M和轴向力Fx的作用，M将使工件产生回转，Fx将工件压向支承表面，若工件较轻，自重可不计。假设工件夹紧时与定位表面间的摩擦系数为f，摩擦力臂为r，则可列出方程式

M－（Q1＋Q2＋Fx）fr＝0

设两块压板的夹紧力相等，即Q1＝Q2＝Q，则每块压板的夹紧力为（忽略压板对工件的摩擦力矩）

则有

这种估算夹紧力大小的方法，对于夹具设计来说，其准确程度是能够满足要求的。

夹紧力三要素的确定，实际是一个综合性问题，必须全面考虑工件的结构特点、工艺方法、定位元件的结构和布置等多种因素才能最后确定。

5.3.3 基本夹紧机构

夹紧机构种类很多，但最常用的有以下几种。

1.斜楔夹紧机构

利用斜楔直接或间接压紧工件的机构称为斜楔夹紧机构。图5－41所示为几种常用斜楔夹紧机构夹紧工件的实例。

图5－41 手动斜楔夹紧机构

1—夹具体；2—斜楔；3—工件；4—滑柱；5—压板

图5－41（a）所示是在工件上钻互相垂直的φ8mm、φ5mm的两组孔。工件装入后，锤击斜楔2大头，夹紧工件；加工完成后，锤击斜楔小头，松开工件。这种机构夹紧力较小，且操作费时，所以实际生产中常将斜楔与其他机构联合起来使用。图5－41（b）所示是将斜楔2与滑柱4合成一种夹紧机构，可以手动，也可以气压驱动。图5－41（c）所示是由端面斜楔与压板组合而成的夹紧机构，当顺时针转动端面斜楔2上的手柄时，压板5压紧工件3。

2.螺旋夹紧机构

由螺钉、螺杆、螺母、垫圈、压板等元件组成的夹紧机构称为螺旋夹紧机构。螺旋夹紧机构不仅结构简单、容易制造，而且由于螺旋是由平面斜楔缠绕在圆柱表面形成的，且螺旋线长、升角小，所以，螺旋夹紧机构自锁性能好、夹紧力和夹紧行程大，是应用最为广泛的一种手动夹紧机构。它主要有以下两种典型的结构形式。

（1）单个螺旋夹紧机构。图5－42所示为单个螺旋夹紧机构。图5－42（a）所示为最简单的螺钉夹紧机构，其缺点是需用扳手旋动，螺钉头部与工件直接接触会破坏工件的定位，并由于应力集中，易压伤工件的夹压表面，故适用性差。图5－42（b）所示为带手柄的结构，使用方便，且螺钉夹紧端配置有浮动压块4，故夹紧时不仅能与工件的被压表面保持良好的接触，而且也不会损伤工件表面。

图5－42 单螺旋夹紧机构

1—螺杆；2—螺母套；3—止动销；4—压块

（2）螺旋压板夹紧机构。在实际生产中，螺旋压板夹紧机构在手动操作时用得比单螺旋夹紧更为普遍，如图5－43所示。图5－43（a）、（b）为两种移动压板式螺旋夹紧机构，图5－43（c）为铰链压板式夹紧机构。它们是利用杠杆原理来实现夹紧作用的。

图5－43 压板式螺旋夹紧机构

1—压板；2—支承钉；3—螺钉；4—铰链螺钉

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。常用的偏心件一般有圆偏心轮和偏心轴两种类型。图5－44所示为常见的几种偏心夹紧机构。图5－44（a）、（b）采用的是圆偏心轮，图5－44（c）采用的是偏心轴，图5－44（d）采用的是偏心叉。

偏心夹紧机构的特点是结构简单，操作方便，夹紧迅速，缺点是夹紧力和夹紧行程小，结构不耐振，自锁可靠性差，故一般适用于夹紧行程及切削负荷较小且平稳的场合。

图5－44 圆偏心夹紧机构

1—压板；2—偏心轮；3—偏心轮用垫板；4—快换垫圈；5—偏心轴；6—偏心叉；7—弧形压板

4.定心夹紧机构

定心夹紧机构主要用于准确定心或对中的场合。当加工尺寸的工序基准是中心要素（轴线、中心平面等）时，为基准重合以减少定位误差，可以采用定心夹紧机构。

定心夹紧机构按其定心作用原理有两种类型，一种是依靠传动机构使定心夹紧元件同时作等速移动，从而实现定心夹紧，如螺旋式、杠杆式、楔式机构等；另一种是定心夹紧元件本身作均匀弹性变形（收缩或扩张），从而实现定心夹紧，如弹簧筒夹、膜片卡盘、波纹套、液性塑料等。下面介绍常用的几种机构。

（1）螺旋式定心夹紧机构。如图5－45所示，旋动有左、右螺纹的双向螺杆6，使滑块1、5上的V形块钳口2、4作对向等速移动，从而实现对工件的定心夹紧；反之，便可松开工件。V形块钳口可按工件需要更换，对中精度可借助调节杆3实现。

这种定心夹紧机构的特点是：结构简单、夹紧力和工作行程大、通用性好，但定心精度不高，一般为φ0.05～φ0.1mm，主要适用于粗加工或半精加工中需要行程大而定心精度要求不高的工件。

图5－45 螺旋式定心夹紧机构

1，5—滑块；2，4—V形块钳口；3—调节杆；6—双向螺杆

（2）杠杆式定心夹紧机构 图5－46所示为车床用的气动自定心卡盘，气缸通过拉杆1带动滑套2向左移动时，三个钩形杠杆3同时绕轴销4摆动，收拢位于滑槽中的三个夹爪5而将工件夹紧。夹爪的张开靠拉杆右移时装在滑套2上的斜面推动。

这种定心夹紧机构具有刚性大、动作快、增力倍数大、工作行程也比较大（随结构尺寸不同，行程为3～12mm）等特点，其定心精度较低，一般约为φ0.1mm，它主要用于工件的粗加工。由于杠杆机构不能自锁，所以这种机构自锁要靠气压或其他机构，其中采用气压的较多。

图5－46 杠杆式定心夹紧机构

1—拉杆；2—滑套；3—钩形杠杆；4—轴销；5—夹爪

（3）楔式定心夹紧机构 图5－47所示为机动楔式夹爪自动定心机构。当工件以内孔及端面在夹具上定位后，气缸通过拉杆4使六个夹爪1左移，由于本体2上斜面的作用，夹爪左移的同时向外胀开，将工件定心夹紧；反之，夹爪右移时，在弹簧卡圈3的作用下使夹爪收拢，将工件松开。

图5－47 机动楔式夹爪自动定心机构

1—夹爪；2—本体；3—弹簧卡圈；4—拉杆；5—工件

这种定心夹紧机构的结构紧凑且传动准确，定心精度一般可达φ0.05～φ0.07mm，比较适用于工件以内孔作为定位基面的半精加工工序。

（4）弹簧筒夹式定心夹紧机构 这种定心夹紧机构常用于安装轴套类工件。图5－48（a）所示为用于装夹工件以外圆柱面为定位基面的弹簧夹头。旋转螺母4时，锥套3内锥面迫使弹簧筒夹2上的簧瓣向内收缩，从而将工件定心夹紧。图5－48（b）所示是用于工件以内孔为定位基面的弹簧心轴。因工件的长径比L／d远大于1，故弹簧筒夹2的两端各有簧瓣。旋转螺母4时，锥套3的外锥面向心轴5的外锥面靠拢，迫使弹簧筒夹2的两端簧瓣向外均匀扩张，从而将工件定心夹紧。反向转动螺母4，螺母4上的凸缘将带动锥套3一起从心轴5上退下，便可卸下工件。

图5－48 弹簧夹头和弹簧心轴

1—夹具体；2—弹簧筒夹；3—锥套；4—螺母；5—心轴

弹簧筒夹定心夹紧机构结构简单、体积小、操作方便迅速，应用十分广泛，其定心精度可稳定在φ0.04～φ0.10mm之间。受弹簧筒夹变形的影响，为保证弹簧筒夹正常工作，工件定位基面的尺寸公差应控制在0.1～0.5mm范围内，且夹紧力较小，故一般适用于精加工或半精加工场合。

（5）膜片卡盘定心夹紧机构 图5－49所示工件以大端面和外圆为定位基面，在10个等高支柱6和膜片2的10个爪上定位。首先顺时针旋动螺钉4，楔块5在弹簧7的作用下向下移，并推动滑柱3右移，迫使膜片2产生弹性变形，10个夹爪同时张开，以放入工件；然后逆时针旋动螺钉，使膜片恢复弹性变形，10个夹爪同时收缩将工件定心夹紧。夹爪上支承钉1可以调节，以适应直径尺寸不同的工件。支承钉每次调整后都要用螺母锁紧，并在所用的机床上对10个支承钉的限位基面进行加工（夹爪在直径方向上应留有0.4mm左右的预张量），以保证定位基准轴线与机床主轴回转轴线的同轴度。

图5－49 膜片卡盘定心夹紧机构

1—支承钉；2—膜片；3—滑柱；4—螺钉；5—楔块；6—支柱；7—弹簧

膜片卡盘定心机构具有刚性、工艺性、通用性好，定心精度高（一般为φ0.005～φ0.01mm），操作方便、迅速等特点。但它的夹紧力较小，所以常用于磨削或有色金属件车削加工的精加工工序。

（6）波纹套定心夹紧机构 这种定心机构的弹性元件是一个薄壁波纹套（或称蛇腹套）。图5－50所示为用于加工工件外圆及右端面的波纹套定心心轴，旋紧螺母5时，轴向压力使两波纹套径向均匀胀大，将工件定心夹紧。波纹套3及支承圈2可以更换，以适应孔径不同的工件，扩大心轴的通用性。波纹套定心机构结构简单、安装方便、使用寿命长，定心精度可达φ0.005～φ0.01mm，适用于定位基准孔D≥20mm，且公差等级不低于IT8的工件，在齿轮、套筒类工件的精加工工序中应用较多。

图5－50 波纹套心轴

1—拨杆；2—支承圈；3—波纹套；4—工件；5—螺母

（7）液性塑料定心夹紧机构 图5－51所示为液性塑料定心机构的两种结构，其中图5－51（a）是工件以内孔为定位基面，图5－51（b）是工件以外圆为定位基面，虽然两者的定位基面不同，但其基本结构与工作原理是相同的。起夹紧作用的薄壁套筒2直接压配在夹具体1上，在所构成的容腔中注满了液性塑料3，当将工件装到薄壁套筒2上之后旋进加压螺钉5，通过柱塞4使液性塑料流动并将压力传到各个方向上，薄壁套筒的薄壁部分在压力作用下产生径向均匀的弹性变形，从而将工件定心夹紧。图5－51（a）中所示的限位螺钉6用于限制加压螺钉的行程，防止薄壁套筒超负荷而产生塑性变形。

图5－51 液性塑料定心夹紧机构

1—夹具体；2—薄壁套筒；3—液性塑料；4—柱塞；5—螺钉；6—限位螺钉；7—工件

这种定心机构的结构很紧凑，操作方便，定心精度一般为φ0.005～φ0.01mm，主要用于工件定位基面孔径D≥18mm或外径d≥18mm，尺寸公差为IT7～IT8级工件的精加工或半精加工工序。