2.2　数控铣床常用的工装夹具

2.2.1　工件的夹紧

夹紧是工件装夹过程中的重要组成部分。工件定位后必须通过一定的机构产生夹紧力，把工件压紧在定位元件上，使其保持准确的定位位置，不会由于切削力、工件重力、离心力或惯性力等的作用而产生位置变化和振动，以保证加工精度和安全操作。这种产生夹紧力的机构称为夹紧装置。

（1）夹紧装置应具备的基本要求

① 夹紧过程可靠，不改变工件定位后所占据的正确位置。

② 夹紧力的大小适当，既要保证工件在加工过程中其位置稳定不变、振动小，又要使工件不会产生过大的夹紧变形。

③ 操作简单方便、省力、安全。

④ 结构性好，夹紧装置的结构力求简单、紧凑，便于制造和维修。

（2）夹紧力方向和作用点的选择

① 夹紧力应朝向主要定位基准。如图2-19（a）所示，工件被镗孔与A面有垂直度要求，因此加工时以A面为主要定位基面，夹紧力FJ的方向应朝向A面。如果夹紧力改朝B面，由于工件侧面A与底面B的夹角误差，夹紧时工件的定位位置被破坏，如图2-19（b）所示，影响孔与A面的垂直度要求。

② 夹紧力的作用点应落在定位元件的支承范围内，并靠近支承元件的几何中心。如图2-20所示，夹紧力作用在支承面之外，导致工件的倾斜和移动，破坏工件的定位。正确位置应是图中虚线所示的位置。

③ 夹紧力的方向应有利于减小夹紧力的大小。如图2-21所示，钻削孔A时，夹紧力FJ与轴向切削力FH、工件重力G的方向相同，加工过程所需的夹紧力为最小。

④ 夹紧力的方向和作用点应施加在工件刚性较好的方向和部位。如图2-22（a）所示，薄壁套筒工件的轴向刚性比径向刚性好，应沿轴向施加夹紧力；夹紧图2-22（b）所示薄壁箱体时，应作用于刚性较好的凸边上；箱体没有凸边时，可以将单点夹紧改为三点夹紧[图2-22（c）]。

⑤ 夹紧力作用点应尽量靠近工件加工表面。为提高工件加工部位的刚性，防止或减少图2-23所示夹紧力作用点靠近加工表面工件产生振动，应将夹紧力的作用点尽量靠近加工表面。如图2-23所示，在拨叉装夹时，主要夹紧力F1垂直作用于主要定位基面，在靠近加工面处设辅助支承，再施加适当的辅助夹紧力F2，可提高工件的安装刚度。

（3）夹紧力大小的估算

夹紧力的大小，对工件安装的可靠性、工件和夹具的变形、夹紧机构的复杂程度等有很大关系。加工过程中，工件受到切削力、离心力、惯性力和工件自身重力等的作用。一般情况下加工中小工件时，切削力（矩）起决定性作用。加工重、大型工件时，必须考虑工件重力的作用。在工件高速运动条件下加工时，则不能忽略离心力或惯性力对夹紧作用的影响。此外，切削力本身是一个动态载荷，在加工过程中也是变化的。夹紧力的大小还与工艺系统刚度、夹紧机构的传动效率等因素有关。因此，夹紧力大小的计算是一个很复杂的问题，一般只能做粗略的估算。为简化起见，在确定夹紧力大小时，可只考虑切削力（矩）对夹紧的影响，并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，即

FJ=KF

式中　FJ——实际所需夹紧力；

F——在给定条件下，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，一般取K=1.5～3。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。若确实需要比较准确地计算夹紧力，可采用上述方法计算夹紧力的大小。

2.2.2　数控铣床夹具

（1）虎钳（平口钳）

形状比较规则的零件数控铣削时常用虎钳装夹，方便灵活，适应性广。当加工精度要求较高，需要较大的夹紧力时，可采用较高精度的机械式或液压式虎钳。虎钳在数控铣床工作台上的安装要根据加工精度要求控制钳口与X轴或Y轴的平行度，零件夹紧时要注意控制工件变形和一端钳口上翘。

（2）铣床用卡盘

当需要在数控铣床上加工回转体零件时，可以采用三爪卡盘装夹，对于非回转零件可采用四爪卡盘装夹。铣床用卡盘的使用方法与车床卡盘相似，使用时用T形槽螺栓将卡盘固定在机床工作台上即可。

（3）机械夹紧机构

铣床夹具中使用最普遍的是机械夹紧机构，这类机构大多数是利用机械摩擦的原理来夹紧工件的。斜楔夹紧是其中最基本的形式，螺旋、偏心等机构是斜楔夹紧机构的演变形式。

① 斜楔夹紧机构。采用斜楔作为传力元件或夹紧元件的夹紧机构，称为斜楔夹紧机构。图2-24（a）所示为斜楔夹紧机构的应用示例，敲入斜楔1大头，使滑柱2下降，装在滑柱上的浮动压板3可同时夹紧两个工件4。加工完后，敲斜楔1的小头，即可松开工件。采用斜楔直接夹紧工件的夹紧力较小、操作不方便，因此实际生产中一般与其他机构联合使用。

图2-24（b）所示为斜楔与螺旋夹紧机构的组合形式，当拧紧螺旋时楔块向左移动，使杠杆压板转动夹紧工件；当反向转动螺旋时，楔块向右移动，杠杆压板在弹簧力的作用下松开工件。

② 螺旋夹紧机构。采用螺旋直接夹紧或采用螺旋与其他元件组合实现夹紧的机构，称为螺旋夹紧机构。

螺旋夹紧机构具有结构简单、夹紧力大、自锁性好和制造方便等优点，适用于手动夹紧，因而在机床夹具中得到了广泛的应用。其缺点是夹紧动作较慢，因此在机动夹紧机构中应用较少。螺旋夹紧机构分为简单螺旋夹紧机构和螺旋压板夹紧机构。图2-25所示为最简单的螺旋夹紧机构。图2-25（a）螺栓头部直接对工件表面施加夹紧力，螺栓转动时，容易损伤工件表面或使工件转动，解决这一问题的办法是在螺栓头部套上一个摆动压块，如图2-25（b）所示，这样既能保证与工件表面有良好的接触，防止夹紧时螺栓带动工件转动，还可避免螺栓头部直接与工件接触而造成压痕。摆动压块的结构已经标准化，可根据夹紧表面来选择。实际生产中使用较多的是如图2-26所示的螺旋压板夹紧机构。它利用杠杆原理实现对工件的夹紧，杠杆比不同，夹紧力也不同。其结构形式变化很多，图2-26（a）、（b）为移动压板，图2-26（c）、（d）为转动压板。其中图2-26（d）的增力倍数最大。

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。常用的偏心件有圆偏心轮[图2-27（a）、（b）]、偏心轴[图2-27（c）]和偏心叉[图2-27（d）]。

偏心夹紧机构操作简单、夹紧动作快，但夹紧行程和夹紧力较小，一般用于没有振动或振动较小、夹紧力要求不大的场合。

2.2.3　夹具的选择

（1）定位与夹紧方案的确定

工件的定位基准与夹紧方案的确定，应该注意下列三点。

① 力求设计基准、工艺基准与编程原点统一，以减少基准不重合误差和数控编程中的计算工作量。

② 设法减少装夹次数，尽可能做到一次定位装夹后能加工出工件上全部或大部分待加工表面，以减少装夹误差，提高加工表面之间的相互位置精度，充分发挥数控机床的效率。

③ 避免采用占机人工调整式方案，以免占机时间太多，影响加工效率。

（2）夹具的选择

数控加工的特点对夹具提出了两个基本要求：一是保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定；二是要能协调零件与机床坐标系的尺寸。除此之外，重点应考虑以下几点。

① 单件小批量生产时，优先选用组合夹具、可调夹具和其他通用夹具，以缩短生产准备时间和节省生产费用。

② 在成批生产时，才考虑采用专用夹具，并力求结构简单。

③ 零件的装卸要快速、方便、可靠，以缩短机床的停顿时间。

④ 夹具上各零部件应不妨碍机床对零件各表面的加工，即夹具要敞开，其定位、夹紧机构元件不能影响加工中的走刀（如产生碰撞等）。

⑤ 为提高数控加工的效率，批量较大的零件加工可以采用多工位夹具、气动夹具或液压夹具。