作者：王庆明
出版社：华东理工大学出版社
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机械制造工艺学试读：
前言
机械制造工艺学是机械设计、制造及其自动化专业的主干课程，所涉及的基本理论与基本技能是该专业学生知识体系中的重要组成部分。本书是在使用了多年的讲义的基础上编著的，编写过程中广泛听取了有关教师和多届学生的意见和建议。
本书以机械制造工艺为主线，既系统讲述机械加工工艺基础理论及关键技术，又结合现代制造技术的发展，充实了数控加工工艺、成组加工工艺和计算机辅助工艺规程（CAPP）等方面的内容，注重了基本理论在生产实际中的应用。本书各章均附有相应的习题和思考题以便于自学和培养独立分析问题的能力。
本书的编写参考了有关院校出版的相关教材，在此一并致谢。
本书可作为高等学校机械类专业的教材，也可供有关工程技术人员学习参考。作者2016年8月1 夹具和工件的定位与夹紧1.1 概述1.1.1 工件的安装
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，在机械加工前，必须使工件在机床的夹具中，占据某一正确的位置，通常我们把这个过程称为工件的“定位”。
对于切削加工机床来说，刀具或工作台的运动轨迹是由机床导轨的走向来决定的，工件在机床上处于正确的位置就是指工件上需要切除的部分和需要保留的部分之间的边界平行于刀具或工作台的运动轨迹。
图1-1是工件在刨床上定位的示意图，待加工工件上需要切除的部分用阴影的区域表示，在工作台上设置一块根据工件形状要求而特制的斜铁，工件放上去自然就倾斜一个所需的角度，从而获得一个“正确”的位置。图1-1 工件在机床上的定位
当工件定位后，由于在加工中受到切削力、重力等的作用，还应采用一定的机构，将工件“夹紧”，使得先前确定的位置保持不变。我们把工件从“定位”到“夹紧”的整个过程，统称为“安装”。
工件安装情况的好坏，是机械加工中的一个重要问题，不仅直接影响加工精度，工件安装的快慢，还影响生产率的高低。显然，这也与工件的加工成本有关，因此必须对“安装”有关的问题，进行深入研究。
在各种不同的机床上加工零件时，可能有各种不同的安装方式，可以归纳为三种：
1．直接找正安装
用这种方法时，工件在机床上应有的位置，是通过一系列的尝试而获得的。具体的方式是在工件直接装上机床后，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。
直接找正安装法的缺点是费时太多，生产率低；且要凭经验操作，对操作者技术要求高，故仅用于单件、小批量生产中（如工具车间、修理车间等）。此外，对工件的定位精度要求较高时，例如当误差范围0.005～0.01mm时，若采用夹具，会引起本身的制造误差，而难以达到要求，就不得不使用精密量具，由较高水平的操作者来直接找正定位。
2．画线找正安装
有些重、大、复杂的工件，往往先在待加工处画线，然后装上机床，按所画的线进行找正定位。显然，此法要多一道画线工序，定位精度也不高，一般仅0.2～0.3 mm。因为画的线本身有一定宽度，在画线时尚有画线误差，校正工件位置时还有观察误差。因此，该法多用于生产批量较小，毛坯精度较低，以及大型工件等不宜使用夹具的粗加工中。
3．采用夹具安装
夹具是机床的一种附加装置，它在机床上与刀具间正确的相对位置，在工件未安装前已预先调整好，所以在加工一批工件时，不必再逐个找正定位，就能保证加工的技术要求，既省事又省工，是先进的定位方法，在成批和大量生产中广泛使用。1.1.2 夹具的定义及组成
在机械加工过程中，依据工件的加工要求，使工件相对机床、刀具占有正确的位置，并能迅速、可靠地夹紧工件的机床附加装置，称为机床夹具，简称为夹具。
在具体研究夹具设计问题时，需要将夹具分成几个既相互独立，又彼此联系的组成部分，以图1-2所示铣轴端槽夹具为例，可概括出夹具普遍共有的结构组成部分。图1-2 铣轴端槽的夹具1-夹具体；2-定向键；3-定位支承板；4-偏心轮；5-V形块；6-对刀块
1．定位元件
定位元件是保证工件在夹具中处于正确位置的元件。图中工件在V形块5和定位支承板3两个定位元件上定位。
2．夹紧装置
夹紧装置应保持工件在加工过程中不因外力而改变其正确位置。它包括夹紧机构和动力源。图中工件定位后，操纵手柄使得偏心轮4转动，便可将工件夹紧。
3．对刀—导引元件
对刀—导引元件是保证刀具与工件夹工表面有准确的相对位置的元件。对于铣削、刨削用对刀元件，如图中的对刀块6。加工前，以对刀块6为基准调整铣刀位置。在钻床夹具中，常以钻套引导钻头，故称钻套为导引元件。
4．连接元件
连接元件是保证夹具相对于机床有正确位置的元件。如图中定向键2及夹具底面A确定夹具对工作台面及工作台运动方向的相互位置。
5．夹具体
夹具体是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。
6．其他装置
其他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。1.1.3 夹具的分类
可以从不同角度对机床夹具进行分类：
1．按使用特点分类（1）通用夹具 与通用机床配套，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。（2）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。（3）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。（4）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。（5）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、夹紧。
2．按使用机床分类
可分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、磨床夹具等。
3．按动力源分类
可分为手动夹具、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。1.1.4 机床夹具的作用（1）保证加工精度
夹具的基本作用是保证工件定位面与加工面有相同的位置精度，且有利于保证加工精度的一致性。（2）提高生产率，降低生产成本
迅速地将工件定位和夹紧，可以缩短安装工件的辅助时间，同时保证稳定的加工质量和高成品率，使用机床夹具，能降低对工人技术水平的要求，有利于降低生产成本。（3）减轻劳动强度
如电动、气动、液压夹紧可以减轻劳动强度。（4）扩大机床的工艺范围
如铣床上加一转台或分度头，可加工有等分要求的工件，车床上加镗夹具，可代替镗床完成镗孔等。1.2 工件的定位
工件在夹具中定位，就是要使同一批工件在夹具中占有相同的正确加工位置。
在夹具设计中，定位方案不合理，工件的加工精度就无法保证，因此，工件在夹具中的定位，是夹具设计中首先要解决的问题。1.2.1 工件定位的基本原理
工件定位的目的是使工件在机床上（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。
如图1-3所示，任何一个刚体在空间都有六个自由度，即沿X、Y、Z三个坐标轴的移动自由度以及绕此三个坐标轴的转动自由度。假设工件也是一个刚体，要使它在机床上（或夹具中）完全定位，就必须限制它在空间的六个自由度。图1-3 工件在空间的自由度
如图1-4所示，用六个定位支承点合理分布，使其与工件接触，每个定位支承点限制工件的一个自由度，便可将工件六个自由度完全限制，于是，工件在空间的位置便被唯一地确定。图1-4 工件的六点定位
由此可见，要使工件完全定位，就必须限制工件在空间的六个自由度，即工件的“六点定位原则”。
在应用“六点定位原则”进行定位问题分析时，应注意如下几点：（1）定位就是限制自由度，通常用合理设置定位支承点的方法，来限制工件的自由度。（2）定位支承点限制工件自由度的作用，应理解为定位支承点与工件定位基准始终保持接触，若两者脱离，则意味着失去定位作用。（3）分析定位支承点的定位作用时，不考虑力的影响。欲使工件在外力作用下不能运动，是夹紧的任务，也就是说工件在外力作用下不能运动，即被夹紧，这时并不意味着工件的所有自由度都被限制。
以车床上三爪卡盘夹紧一根轴的外圆为例，这时，轴绕着轴心线旋转的方向并没有定位，事实上，松开卡盘，把轴卸下再装上并夹紧，轴外圆面上前后两次被夹紧的部位一般是不会相同的。所以，定位和夹紧是两个概念，绝不能混淆。（4）定位支承点是由定位元件抽象而来。在夹具中，定位支承点总是通过具体的定位元件来体现。至于具体的定位元件是转化为几个定位支承点，需结合其结构进行分析。
在定位分析中，会遇到以下几类情况：（1）完全定位
对于图1-4中以双点画线表示的长方体工件，XOY平面上的三个定位支承点限制了工件的三个自由度、、，YOZ平面上的两个定位支承点限制了工件的两个自由度、，XOZ平面上的一个定位支承点限制工件沿Y轴移动的自由度。因而，这样分布的六个定位支承点，限制了工件全部六个自由度，称为工件的“完全定位”。（2）不完全定位
工件在加工中并非都需要完全定位，究竟应限制哪几个自由度，需由具体加工要求确定。
图1-5（a）所示，在工件上铣键槽，在沿三个轴的移动和转动方向上都有尺寸要求，加工时必需限制所有六个自由度，即要“完全定位”。图1-5 工件应限制自由度的确定
图1-5（b）中，在工件上铣台阶面，在Y方向上无尺寸要求，故只需限制五个自由度，而不限制工件沿Y轴的移动自由度，对工件的精度无影响。这种允许少于六点的定位称为“不完全定位”或“部分定位”。
图1-5（c）中，工件铣上平面，只需保证Z方向的高度尺寸，因此只要在底平面上限制三个自由度、、就已足够，亦为“不完全定位”，显然，在此情况下，不完全定位是合理的定位方式。（3）欠定位 如果工件的定位支承点数少于应限制的自由度数，必然导致达不到所要求的加工精度，这种工件定位点不足的情况，称为“欠定位”，欠定位在实际生产中是不允许的。（4）过定位 若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，则对这个自由度的限制会产生矛盾，这种情况被称为“过定位”，也叫“重复定位”。
过定位的结果是使工件定位不确定，从而在夹紧后使工件或定位元件产生变形。
如图1-6所示的加工连杆大孔的定位方案中，长圆柱销1限制、、、四个自由度，支承板2限制、、三个自由度，其中、被两个定位元件重复限制，产生过定位。图1-6 连杆的过定位1-圆柱销；2-支承板
如果工件定位孔与端面垂直度误差较大，且孔与销之间的间隙又很小，则过定位可能导致两种定位情况：
第一种情况，若长圆柱销刚度好，定位后工件歪斜，端面只有一点接触，如图1-6（b）所示，夹紧过程必然造成工件变形。
第二种情况，若长圆柱销刚度不好，工件压紧后长圆柱销将歪斜，不但损坏定位件，工件也可能变形，如图1-6（c）所示。
以上两种情况都会引起加工孔的位置误差，使连杆两孔的轴线不平行。
在一般情况下，过定位是不能允许的。但在生产实践中，也还可以看到过定位的应用，例如在精加工工序中常以一个精确平面代替三个支承点来支承已加工过的平面，从理论上讲，一个平面相当于无数个点的总和，但是当此平面制造得很平时，工件放上去也只能有一个位置，就相当于三个支承点的作用了。这样做的好处是定位后系统刚度好，可以减少切削时的振动，对精加工是有利的。
如遇特殊情况有必要采用过定位方案时，必须提高工件的定位表面以及夹具的定位元件表面的形状精度和相互位置精度，使重复限制自由度的支承点对工件安装后不发生干涉，或者采取相应措施，消除因过定位而引起的不良后果，以保证加工要求。
生产实际中，机床上对工件的几种常用装夹方式所限制的自由度参见图1-7至图1-10。图1-7 滚铣齿轮图1-8 双顶尖夹持车削轴外圆
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