机床夹具基本概念

第一节机床夹具的基本概念

一、机床夹具的分类

机床夹具种类繁多，可按不同的方式进行分类，常用的分类方法有以下几种。

1 . 按夹具的使用特点分类

（ 1 ）通用夹具可在一定范围内用于加工不同工件的夹具。如车床使用的三爪卡盘、四爪卡盘，铣床使用的平口虎钳、万能分度头等。这类夹具已经标准化，作为机床附件由专业厂生产。其通用性强，不需调整或稍加调整就可以用于不同工件的加工；生产率低，夹紧工件操作复杂。这类夹具主要用于单件小批量生产。

（ 2 ）专用夹具指专为某一工件的某一道工序设计和制造的夹具。其特点是结构紧凑、操作迅速、方便；可以保证较高加工精度和生产率；设计和制造周期长，制造费用高；在产品变更后，无法利用而导致报废。因此这类夹具主要用于产品固定的大批大量生产中；对于形状和结构复杂工件（如薄壁件），为保证加工质量有时也采用专用夹具。

（ 3 ）成组可调夹具（成组夹具）指在成组工艺的基础上，针对某一组零件的某一工序而专门设计的夹具。

在多品种小批量生产中，通用夹具的生产率低，加工精度不高，采用专用夹具不经济。这时，可采用成组可调整的“专用夹具”。其特点是在专用夹具的基础上少量调整或更换部分元件即可用于装夹一组结构和工艺特征相似的工件，如滑柱式钻模和带可调换钳口的平口钳等夹具。这类夹具主要用于成组加工中，用于多品种、中小批量生产。

（ 4 ）组合夹具由预先制造好的通用标准零部件经组装而成的专用夹具，是一种标准化、系列化、通用化程度高的工艺装备。其特点是组装迅速、周期短；通用性强，元件和组件可反复使用；产品变更时，夹具可拆卸、清洗、重复再用；一次性投资大，夹具标准元件存放费用高；与专用夹具比，其刚性差，外形尺寸大。这类夹具主要用于新产品试制以及多品种、中小批量生产中。

（ 5 ）自动化生产用夹具主要有随行夹具（自动线夹具）。在自动线上，随被装夹的工件一起由一个工位移到另一个工位的夹具，称为随行夹具。它是一种移动式夹具，担负装夹工件和输送工件两方面的任务。

2 . 按使用机床分类

分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、拉床夹具、磨床夹具、齿轮加工机床夹具等。

3 . 按夹紧的动力源分类

分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、气液夹具、电磁夹具、真空夹具等。

三、夹具的组成

机床夹具虽然可以分成各种不同的类型，但它们都由下列共同的基本部分组成。

1 ．定位装置

a) b)

图 9-1 简易钻模夹具示例

1—钻套 2—钻模板 3—夹具体 4—支承板 5—圆柱销 6—开口垫圈 7—螺母 8—螺杆 9—菱形销

用于确定工件在夹具中的正确位置，它由各种定位元件构成。如图 9-1 后盖钻径向孔夹具中的圆柱销 5 、菱形销 9 和支承板 4 都是定位元件，它们使工件在夹具中占据正确位置。

2 ．夹紧装置

夹紧装置用于保持工件在夹具中的正确位置，保证工件在加工过程中受到外力（如切削力、重力、惯性力）作用时，已经占据的正确位置不被破坏。如图 9-1 所示钻床夹具中的开口垫圈 6 是夹紧元件，与螺杆 8、螺母 7 一起组成夹紧装置。

3 ．对刀、导向元件

用于确定刀具相对于夹具的正确位置和引导刀具进行加工。其中，对刀元件是在夹具中起对刀作用的零部件，如铣床夹具上的对刀块、塞尺等。导向元件是在夹具中起对刀和引导刀具作用的零部件。如图 9-1 所示的钻床夹具中的钻套 1 是导向元件。

4 ．夹具体

用于连接夹具上各个元件或装置，使之成为一个整体，并与机床的有关部位相连接，是机床夹具的基础件。如图 9-1 所示钻床夹具的夹具体 3 将夹具的所有元件连接成一个整体。

5 ．连接元件确定夹具在机床上正确位置的元件。如定位键、定位销及紧固螺栓等。

6 ．其他元件和装置根据夹具上特殊需要而设置的装置和元件，如：

（ 1 ）分度装置加工按一定规律分布的多个表面；

（ 2 ）上下料装置为方便输送工件，如输送垫铁等；

（ 3 ）吊装元件对于大型夹具，应设置吊装元件，如吊环螺钉等；

（ 4 ）工件的顶出装置（或让刀装置）加工箱体类零件多层壁上的孔。

第二节工件定位的基本原理

工件在夹具中定位的目的是使同一工序的一批工件都能在夹具中占据正确的位置。工件位置正确与否，用加工要求来衡量，一批工件逐个在夹具上定位时，各个工件在夹具中占据的位置不可能绝对一致，但各个工件的位置变动量必须控制在加工要求所允许的范围内。

工件的定位应解决两方面的问题：一是工件位置的“定与不定”问题，使工件在宏观上得到定位；二是工件位置的“准与不准”问题，即定位精度问题。

图 9-2 未定位工件的六个自由度

一、六点定位原理

动画9-1 工件在空间的六个自由度

在加工之前，工件必须在机床上相对于刀具占有正确的加工位置。使工件在加工后达到工序所规定的加工要求，获得合格的工件。六点定位原理就是讨论工件在加工之前其位置“定与不定”问题。

一个尚未定位的工件是一个自由物体，其空间位置是不确定的。一个自由物体的空间位置不确定性，称为自由度。在空间直角坐标系中描述工件的位置不确定性，如图 9-2 所示，一个自由工

件具有六个自由度：工件沿、、轴方向的位置不确定性称为沿、、轴的位移

自由度，用、、表示；绕、、轴的角位置不确定性称为绕、、轴的旋转自由度，用、、表示。而一个自由工件在空间的不同位置，就是这六个自由度不同状态的综合结果。

显然，要使工件在空间占据完全确定的位置，就必须限制工件的六个自由度。如果按图 9-3 所示设置六个支承点，工件的三个面分别与这些点接触，工件的六个自由度便都被限制了。这些用来限制工件自由度的固定点，称为定位支承点。通常把工件的某个表面限制的自由度数抽象为相应的定位支承点数。

图 9-3 长方形工件的六点定位

但是，并非所有的情况下，工件的六个自由度都要限制。工件定位时，影响加工要求的自由度必须加以限制，不影响加工要求的自由度，有时可以不限制，视具体情况而定，如考虑定位的稳定性、夹具结构简单、夹紧方便、安全等因素。

例如，铣图 9-4 所示工件上的通槽，为保证槽底面与 A 面的平行度和尺寸两项加工要求，必须限制、、三个自由度；为保证槽侧面与 B 面的平行度和尺寸

两项加工要求，必须限制、两个自由度；至于，从加工要求的角度看，可以不限制。因此，在此情况下，限制工件的五个自由度就可以保证工序的加工要求。

图 9-4 按照加工要求确定必须限制的自由度

总之，工件在夹具中的定位，就是工件在未夹紧之前，为了达到工序规定的加工要求，适当地限制某些对加工要求产生影响的自由度，使同一批工件在夹具中占有一个确定的正确加工位置。由上述分析可以得出如下结论：

1 ．任何工件作为一个自由物体，都具有六个自由度。在直角坐标系中，它们分别表示为：、、

和、、。

2 ．要限制工件的六个自由度，就必须在夹具中设置相当于六个无重复作用的定位支承点的定位元件，与工件的定位基准相接触或配合。

3 ．工件定位时，需要限制的自由度的数目，是由工件在该工序的加工要求所确定的。独立定位支承点总数，不应少于工件加工时必须限制的自由度数目。

这个结论就是工件定位时，必须遵循的定位原理。通常称为工件的六点定位原理。

二、六点定位原理的应用

在实际生产中，应用六点定位原理分析工件在夹具中的定位问题时，常有以下几种情况：

1 . 完全定位

工件的六个自由度都被限制的定位称为完全定位。如长方体工件铣不通槽需要限制工件的六个自由度，应该采用完全定位。

2 . 不完全定位

工件被限制的自由度少于六个，但能保证加工要求的定位称为不完全定位。这种定位有两种情况：一种是由于工件的几何形状特点，限制工件的某些自由度没有意义，有时也无法限制，如光轴的绕轴线旋转自由度。另一种情况是，工件的某些自由度不限制并不影响加工要求。如图 9-4 加工

通槽的例子，工件的位移自由度并不影响通槽的加工要求。

3 . 欠定位

按照加工要求应该限制的自由度没有被限制的定位称为欠定位，或定位不足。在确定工件在夹具中的定位方案时，欠定位是不允许出现的。

4 . 过定位

工件的一个或几个自由度被不同的定位支承点重复限制的定位称为过定位。

在设计夹具时，是否允许过定位，应根据工件的不同定位情况进行分析。如图 9-5a 所示为插齿时常用的夹具。工件 3 （齿坯）以内孔在芯轴 1 上定位，限制工件的、、、四个自由度，又以端面在支承凸台 2 上定位，限制工件的、、三个自由度，、被重

复限制，属于过定位。实际上，齿坯孔与端面的垂直度误差是不可避免的，工件的定位将如图 9-5b 所示，这时齿坯端面与凸台只有一点接触，夹紧后，造成工件和定位元件（芯轴 1 ）的弯曲变形。如果齿坯孔与端面的垂直度很高，可认为是可用过定位。

避免过定位的措施是改变定位装置的结构，如将长圆柱销改为短圆柱销，去掉重复限制、的两个支承点，或将大支承板改为小支承板或浮动支承，如图 9 -5c 所示，使用球面垫圈，去掉重复限制、的两个支承点。显然夹具的结构复杂程度加大了。

从上述工件定位实例可知，若工件定位时出现过定位现象，可能产生以下不良后果：

（ 1 ）定位不稳定，增加了同批工件在夹具中位置的不一致性；

a） b）

c）

图 9-5 齿轮齿形加工常用定位方式及其夹具

1 —芯轴

2 —支承凸台

3 —工件

4 —压板

（ 2 ）增加工件和夹具定位元件的夹紧变形；

（ 3 ）导致部分工件不能顺利与定位元件配合，造成干涉。

在实际应用中，应当根据具体情况，采取如下措施，消除或减少过定位带来的不良后果：

（ 1 ）提高工件定位基准之间及定位元件工作表面之间的位置精度，减小过定位对加工精度的影响，使不可用过定位变为可用过定位；

（ 2 ）改变定位方案，避免过定位。消除重复限制自由度的支承或将其中某个支承改为辅助支承（或浮动支承）；改变定位元件的结构，如圆柱销改为菱形销、长销改为短销等；

（ 3 ）有些情况下，过定位是允许的，也是必要的；有时甚至是不可避免的。对于刚性差的薄壁件、细长杆件或用已加工过的大平面作为工件定位基准时，为减小切削力造成工件和夹具定位元件的变形，确保加工中定位稳定，常常采用过定位。例如，在车床上车削细长轴时，往往采用前后顶尖和中心架（或跟刀架）定位。

第三节定位方式与定位元件

通常设计夹具时，总是将定位元件设计成为单独的分离元件，通过装配与整个夹具构成一个整体，以保证其特殊的精度要求和制造工艺要求。

设计定位元件时，应满足以下基本要求：具有较高的制造精度，以保证工件定位准确；耐磨性好，以延长定位元件的更换周期，提高夹具的使用寿命；应有足够的强度和刚度，以保证在夹紧力、切削力等外力作用下，不产生较大的变形而影响加工精度；工艺性好，定位元件的结构应力求简单、合理，便于加工、装配和更换。

图 9-6 支承板定位简图

在机械加工中，虽然被加工工件的种类繁多，形状各异，但从它们的基本结构来看，不外乎是由平面、圆柱面、圆锥面及各种成形面所组成。工件在夹具中定位时，可根据各自结构特点和工序加工精度要求，选取相应的平面、圆面、曲面或者组合表面作为定位基准。定位元件的工作表面的结构形状，必须与工件的定位基准面形状特点相适应，常用定位元件的结构和尺寸已经制定了国家标准[15] ，一般工厂也有工厂标准，对其规格、尺寸和技术要求等都作了具体规定。

一、工件以平面定位及其定位元件

平面定位是工件定位中应用最普遍的定位形式。

1 . 定位方式

平面作为定位基准，通常根据其限制自由度的数目，分为主要支承面、导向支承面和止推支承面，如图 9-6 所示。限制工件的三个自由度的定位平面，称为主要支承面。常用于精度比较高的工件定位表面。当平面的精度很高时，可以直接将定位元件设计成为平面；更多的情况下，往往布置尽量放远一些的三个支承点，使工件的中心落在三个支承点之间，以保证工件定位的稳定可靠。限制工件的两个自由度的定位平面，称为导向支承面。该平面常常做成窄长面；在工件定位表面精度不高时，甚至将窄长面的中间部分切除，只保留尽可能远位置上的短面，以确保定位效果的一致性。同样道理，限制一个自由度的平面，称为止推支承面。这时，为了确保定位准确，往往将平面面积作的尽可能小。

2 . 定位元件

平面定位的主要形式是支承定位。常用的定位元件有主要支承和辅助支承。

（ 1 ）主要支承用来限制工件的自由度，起定位作用的支承。

1 ）固定支承固定支承有支承钉和支承板两种形式。在使用过程中，它们都是固定不动的。

图 9-7 为标准支承钉（ GB/T2226-91 ）和支承板（ GB/2236-91 ）：图 a 为平头支承钉，用于精基准；图 b 为球头支承钉，用于粗基准，可减小与工件的接触面积，提高定位稳定性；图 c 为齿纹头支承钉，用于侧面定位，花纹增大摩擦系数，由于清除切屑困难，很少用于底平面定位；图

d 为平板式支承板，用作精基准，多用于侧面和顶面定位，用于底面定位时，孔边切屑不易清理；图

e 为斜槽式支承板，用作精基准，适用于底面定位。

在实际应用中，还可以根据需要设计非标准结构支承钉和支承板，如台阶式支承板、圆形支承板、三角形支承板等。

图 9-7 支承钉和支承板

图 9-8 可调支承 1—螺钉 2—锁紧螺母

2 ）可调支承在工件定位过程中，高度可调整的支承钉，其结构已标准化（ GB/T2227 - 91 ～ GB/T2230 - 91 ）。可调支承的工作位置，一经调节合适后需要锁紧，防止支承点的位置发生变化，作用相当于固定支承。

图 9-8 为可 调支承的结构：图 a 直接用手或拨杆转动球头螺钉 1 进行调节，一般适用于轻型工件；图 b 用扳手调节螺钉 1 ，适用于较重的工件；图 c 带有压脚 1 的可调支承，可避免损坏定位面；图 d 用扳手调节螺钉 1，用于侧面定位。

可调支承常用于粗基准定位，适用于毛坯分批制造，其形状和尺寸变化较大的粗基准定位。可调支承用于可调整夹具中，实现加工形状相同而尺寸不同的工件。

3 ）浮动支承（或自位支承） 工件在定位过程中，能自动调整位置的支承。

常见的浮动支承结构 如图 9-9 所示，图 a 是球面多点式浮动支承，绕球面活动，与工件作多点接触，作用相当于一点；图 b 、c 是两点式浮动支承，绕销轴活动，与工件作两点接触，作用相当于一点。

这类支承的工作特点是支承点是活动的或浮动的，支承点的位置随工件定位基面的不同而自动调节，定位基面压下其中一点，其余点便上升，直至与工件定位基面接触；与工件作两点、三点（或多点）接触，作用相当一个定位支承点，只限制工件的一个自由度；接触点数的增加，提高了工件的装夹刚度和定位稳定性。这类支承主要用于工件以毛坯面定位、定位基面不连续或为台阶面及工件刚性不足的场合。

图 9-9 浮动支承

图 9-10 辅助支承

1.5—支承 2—弹簧 3—顶柱 4—手轮

6—楔块

（ 2 ）辅助支承用来提高工件的装夹刚度和定位稳定性，不起定位作用的支承。它是工件定位完成后参与作用的。

常见的辅助支承结构如图 9-10 所示，图 a 是螺旋式辅助支承，工件定位时，支承 1 高度低于主要支承，工件定位后，必须逐个调整，以适应工件定位表面位置的变化，其特点是结构简单，但效率低；图 b 是自位式辅助支承（ GB/T2238 - 91 ），其结构已经标准化，支承 1 的高度高于主要支承，当工件放在主要支承上后，支承 1 被工件定位基面压下，并与主要支承一起与工件定位基面保持接触，然后锁紧。图 c ）是推引式辅助支承，支承 5 的高度低于主要支承，当工件放在主要支承上后，推动手柄通过楔块的作用使支承 5 与工件定位基面接触，然后锁紧。

辅助支承的特点是工件定位或定位夹紧后参与作用，不起定位作用；有调整和锁紧机构，图 a 拧动螺母进行调整，螺杆本身有自锁性能，图 b 靠弹簧力自动调整，通过支承 1 与顶柱 3 上7°～10°斜面自锁，图 c 推动手柄调整，支承 5 与楔块和半圆键锁紧。

二、工件以圆柱孔定位及其定位元件

以工件的圆柱孔作为定位基面，定位可靠，使用方便，在实际生产中获得广泛使用。

图 9-11 标准定位销

1 . 定位方法

齿轮、气缸套、杠杆类工件，常以孔的中心线作为定位基准。常用的定位方法有：在圆柱体上定位；在圆锥体上定位；在定心夹紧机构中定位等。

工件以圆孔为定位基面与定位元件多是圆柱面与圆柱面配合，具体定位限制的工件自由度数，不仅与两者之间的配合性质有关，同时还与定位基准孔与定位元件的配合长度 L 与直径 D 有关。根据 L/D 大小分为两种情形：当 L/D > 1～1.5 时，为长销定位，相当于四个定位支承点，限制工件的四个自由度，能够确定孔的中心线位置。若配合长度较短（ L/D < 1），为短销定位，相当于两个定位支承点，限制工件的两个自由度，只能确定孔的中心点的位置。

2 . 定位元件

工件以圆孔为定位基面，通常夹具所用的定位元件是定位销和芯轴等。

（ 1 ）定位销

1 ）标准定位销

图 9-11 为标准定位销，图 a 是固定式定位销（ GB/T2203 - 91 ）；图 b 是可换式定位销（ GB/T2204 - 91 ）；它们分圆柱销和菱形销两种类型。对于直径为 3mm ～ 10mm 的小定位销，根部倒圆，可以提高其强度；销的头部带有 2～6mm*15°的倒角，方便工件的装卸。大批量生产中，工件装卸频繁，定位销容易磨损而丧失定位精度，可采用可换式定位销与衬套配合使用，如图 9-12 所示。

图 9-12 可换定位销的应

用

图 9-13 圆锥销定位

图 9-14 圆锥销组合定位 标准结构定位销属于短定位销，圆柱销消除工件的两个位移自由度；菱形销消除工件的一个位移自由度。

2 ）非标准定位销 在设计夹具时，可根据需要设计非标准定位销。长圆柱销消除工件的四个自由度，长菱形销消除工件的两个自由度。

3 ）圆锥销

如图 9 - 13 所示，工件圆孔与锥销定位，圆孔与锥销的接触线是一个圆，限制工件 、 、 三个位移自由度，图 a 用于粗基准，图 b 用于精基准。根据需要可以设计菱形锥销，消除工件二个位移自由度。

工件以圆孔与锥销定位能实现无间隙配合，但是单个圆锥销定位时容易倾斜，因此，圆锥销一般不单独使用。如图 9-14 所示，图 a 为圆锥与圆柱组合芯轴定位；图 b 为用活动锥销与平面组合定位；图 c 为双圆锥销组合定位。

（ 2 ）定位心轴（或刚性心轴）

常用的定位心轴分为圆柱心轴和锥度心轴。

1 ）圆柱心轴

常见结构形式如图 9-15 所示。

图 9-15 圆柱心轴

图 9-16 锥度心轴

图a 是间隙配合芯轴，其工作部分一般按 、或 制造，与工件孔的配合属于间隙配合。其特点是装卸工件方便，但定心精度不高。工件常以孔与端面组合定位，因此要求工件孔与定位端面、定位元件的圆柱面与端面之间都有较高的位置精度。切削力矩传递靠端部螺纹夹紧产生的夹紧力传递。

图 b 是过盈配合心轴，由导向部分 1 、工作部分 2 和传动部分 3 组成。其特点是结构简单，定心准确，不需要另设夹紧机构；但装卸工件不方便，易损坏工件定位孔；因此多用于定心精度高的精加工。导向部分的作用是使工件方便地装入心轴，其直径

，长度 ， 为工件定位孔长度。工作部分是起定位作用。当

，芯轴工作部分应作成圆柱形，其直径 ；当

，芯轴工作部分应稍带锥度，其直径 ； ， 为工件定位孔的基本尺寸， 、 为工件定位孔的最小和最大极限尺寸。传动部分的作用是与机床传动装置相联接，传递运动。

图c 是花键芯轴，用于以花键孔定位的工件。当工件定位孔的长径比 L/D>1 时，芯轴工作部分应稍带锥度。设计花键心轴时，应根据工件的不同定位方式来确定定位心轴的结构。 2 ）锥度芯轴（ GB/T12875-91 ）

如图 9-16 所示，工件在锥度芯轴上定位，并靠工件定位圆孔与芯轴柱面的弹性变形夹紧工件，芯轴锥度 如表9-1所示。

这种定位方式的定心精度较高，可达到，但工件的轴向位移误差较大，适用于工件定位孔精度不低于的精车和磨削加工，不能用于加工端面。

锥度芯轴的结构尺寸确定，参考有关标准或“夹具设计手册”。为保证芯轴的刚度，芯轴的长径比时，应将工件按定位孔的公差范围分成 2 ～ 3 组，每组设计一根芯轴。

除上述外，芯轴定位还有弹性芯轴、液塑芯轴、定心芯轴等，它们在完成工件定位的同时完成工件的夹紧，使用方便，但结构较复杂。

三、工件以外圆柱面定位及其定位元件

1 ．定位方式

以工件的外圆柱面定位有两种基本形式，定心定位和支承定位。

定心定位，外圆柱面是定位基面，外圆柱面的中心线是定位基准。采用各种形式的定心夹紧卡盘、弹簧夹头、以及其他形式的定位夹紧机构，实现定位和夹紧同时完成。定位套筒也常用于外圆面的定位。

外圆柱面的支承定位应用很广。常以支承钉或者支承板作为定位元件。定位基准为与支承接触的圆柱面的一条母线，其消除的自由度数目取决于母线的相对接触长度。半圆孔定位也是典型的一种支承定位。