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第三章 夹具设计
夹具设计一般在零件的机械加工工艺制定之后按照某一工序的具体 要求进行的。制定工艺过程应充分考虑夹具实现的可能性而设计夹具 时，如确有必要也可以对工艺过程提出修改意见。夹具设计质量的高 低，应以能否稳定的保证工件的加工质量，生产效率高，成本低，排屑
方便，操作安全，省力和制造、维护容易等为其衡量指标。
第一节 夹具设计的步骤
一般情况下，夹具设计大致可分为四个步骤，即收集和研究有关资 料，确定夹具的结构方案、绘制夹具总图和确定并标注有关尺寸、公差
及技术条件。
一、收集和研究有关资料
工艺人员在编制零件的机械加工工艺过程中，应提出相应的家具设 计书，对其中的定位基准、夹紧方案及有关要求做出说明。夹具设计人
员，则应根据夹具设计任务书进行夹具的结构设计，为了使所设计的夹
具能够满足上述基本要求，设计前要认真收集和研究如下有关资料 生产批量
被加工零件的生产批量对工艺过程的制定和夹具设计都有着十分重
要的影响。夹具结构的合理性及经济性与生产批量有着密切的关系。大
批大量生产多采用气动、液动或其他机动夹具，其自动化程度高，同时
夹紧的工作数量多，结构也比较复杂。中小批生产，易采用结构简单， 成本低廉的手动夹具，以及万能通用夹具或组合夹具。
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零件图及工序图
零件图是夹具设计的重要资料之一，它给出了工件在尺寸，位置等 方面精度的总要求。工序图则给出了所用夹具加工工件的工序尺寸，工
序基准，已加工表面，待加工表面，工序加工精度要求等等，它是设计
夹具的主要依据。 零件工艺规程
零件的工艺规程表明了该工序所用的机床，刀具，加工余量，切削 用量，工步安排，工时定额及同时加工的工件数目等等，这些都是确定
夹具的尺寸，形式，加紧装置以及夹具与机床连接部分的结构尺寸的主 要依据。
夹具典型结构及其有关标准
设计夹具还要收集典型夹具结构图册和有关夹具零部件标准等资
料。了解本厂制造，使用夹具情况以及国内外同类型夹具的资料，以便
使所设计的夹具能够适合本厂实际，吸取先进经验，并尽量采用国家标 准。
二、确定夹具的结构方案
在广泛收集和研究有关资料的基础上，着手拟定夹具的结构方案， 主要包括：
1、根据工件的定位原理，确定工件的定位方式，选择定位元件； 2、确定工件的夹紧方式，选择适宜的夹紧装置；
3、确定刀具的对准及导引方式，选取刀具的对刀及导引元件； 4、确定其他元件或装置的结构型式，如定向元件，分度装置等； 5、协调各元件，装置的布局，确定夹具的总体结构和尺寸。
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在确定夹具结构方案的过程中，工件定位，夹紧，对刀和夹具在机 床定位等各部分的结构以及总体布局都会有几种不同的方案可供选择，
因而，都应画出草图，并通过必要的计算（如定位误差及夹紧力计算 等）和分析比较，从中选取较为合理的方案。
三、绘制夹具总图
绘制夹具总图应遵循国家制图标准，绘图比例应尽量取1：1，以便 使图形有良好的直观性。如被加工工件的尺寸过大，夹具总图可按1：2
或1：5的比例绘制；如被加工工件尺寸过小，总图也可按2：1或5：1 的比例绘制；夹具总图中视图的布置也应符合国家制图标准，在能清楚
表达夹具内部结构和各元件内部结构和各元件，装置位置关系的情况 下，视图的数目应尽量少。
总图的主视图应取操作者实际工作时的位置，以便于夹具装配及使 用时参考。被加工工件在夹具中被看作为透明体，所画的工件轮廓线于
夹具上的任何线彼此，不相干涉，其外廓以黑色双点划线表示。 绘制总图的顺序是先用双点划线汇出工件轮廓外形和主要表面的几 个视图，并用网__________纹线表示出加工余量。围绕工件的几个视图依次绘出定
位元件，夹紧机构，对刀及夹具定位元件以及其他元件，位置，最后绘
制出夹具体及连接元件，把夹具的各组成元件和装置连成一体。 夹具总图上，还应划出零件明细表和标题栏，写明夹具名称及零件 明细表上所规定的内容。
四、确定并标注有关尺寸及技术条件 1、应标注的尺寸及公差
在夹具总图上应标注的尺寸，公差有下列五类：
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工件与定位元件的联系尺寸：常指工件以孔为心轴或定位销上（或 工件以外圆在内孔中）定位时，工件定位表面与夹具上定位元件间的
配 合尺寸。
夹具与刀具的联系尺寸：用来确定夹具上对刀，导引元件位置的尺 寸。对于铣，刨床夹具，是指对刀元件与定位元件的位置尺寸；对于 钻，镗床夹具，则是指钻（镗）套与定位元件间位置尺寸，钻（镗）套
之间的位置尺寸，以及钻（镗）套与刀具导向部分的配合尺寸等。 夹具与机床的联系尺寸：用于确定夹具在机床上正确位置的尺寸。 对于车，磨床夹具，主要是指夹具与主轴端的配合尺寸；对于铣，刨床
夹具，则是指夹具上的定位键与机床工作台上的T型槽的配合尺寸。 夹具内部的配合尺寸：它们与工件，机床，刀具无关，主要是为了 保证夹具装配后能满足规定的使用要求。
夹具的外廓尺寸：一般是指夹具最大外形轮廓尺寸。若夹具上有可 动部分，应包括可动部分处于极限位置所占的尺寸空间。 上述诸尺寸公差的确定可分为两种情况处理：一是夹具上定位元件 之间，对刀，导引元件之间的尺寸公差，直接对工件上相应的加工尺寸
发生影响，因此可根据工件的加工尺寸公差确定，一般可取工件加工尺
寸公差的1/3—1/5。二是定位元件与夹具体的配合尺寸，夹紧装置各组
成零件间的配合尺寸公差等，则应根据其功用和装配要求，按一般公差
与配合原则决定。 2、应标注的技术条件
在夹具总图上应标注的技术条件（位置精度要求）有如下几个方 面：
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（1）定位元件之间或定位元件与夹具体底面间的位置要求，其作用 是保证工件加工面与工件定位基准面间的位置精度。
（2）定位元件与连接元件（或找正基面）间的位置要求。如图2-6 中，为保证键槽与工件轴心线平行，定位元件V型块的中心线必须与夹
具定向键侧面平行。
（3）对刀元件与连接元件（或找正基面）间的位置要求。如对刀块 的侧对刀面向对于两定向键侧面的平行度要求，是为了保证所铣键槽与
工件轴心线的平行度
（4）定位元件与导引元件的位置要求。如图3-1所示，若要求所钻 孔的轴心线与定位基准面垂直，必须以夹具上钻套轴线与定位元件工作
表面A垂直及定位元件工作表面A与夹具体底面B平行为前提。 上述技术条件是保证工件相应的加工要求所必需的，其数值应取工 件相应技术要求所定的数值的1/3～1/5。
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第二节 夹具设计举例
图3-2所示为CA6140车床上接头的零件图。该零件系大批量生产， 材料为45号钢，毛坯采用模锻件。现要求设计加工该零件上尺寸为 28H11的槽口所使用的夹具。 图3-2 CA6140车床上接头的零件图
零件上槽口的加工要求是：保证宽度28H11，深度40mm，表面粗糙 度侧面为Ra3.2μm，底面为Ra6.3μm。并要求两侧面对孔ф20H7的轴
心线对称，公差为0.1mm；两侧面对孔ф10H7的轴心线垂直，其公差为 0.1mm。
零件的加工工艺过程安排是在加工槽口之前，除孔ф10H7尚未进行 加工外，其他各面均已加工达到图纸要求。槽口的加工采用三面刃铣刀
在卧式铣床上进行。
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一、工件装夹方案的确定
工件装夹方案的确定，首先应考虑满足加工要求。槽口两侧面之间 的宽度28H11取决于铣刀的宽度，与夹具无关，而深度40mm则由调整刀
具相对夹具的位置保5_____证。两侧面对孔ф10H7轴心线的垂直度要求，因该
孔尚未进行加工，故可在后面该孔加工工序中保证。为此，考虑定位方
案，主要应满足两侧面与孔ф20H7轴心线的对称度要求。根据基准重合
的原则，应选孔ф20H7的轴心线为第一定位基准。由于要保证一定的加
工深度，故工件沿高度方向的不定度也应。此外，从零件的工作性
能要求可知，需要加工的两侧面应与已加工过的两外侧面互成90度，因
此在工作定位时还必须绕孔ф 20H7的轴心线的不定度。故工件的 定位基准的选择如图3.3所示，除孔 ф20H7（沿x,y轴和绕x,y轴的 不定度）之外，还应以一端面（限 制沿z轴的不定度）和一外侧面（限 制绕z轴的不定度）进行定位，共限 制六个不定度，属于完全定位。 工件定位方案的确定除了考虑加 工要求外，还应结合定位元件的结构 及夹紧方案实现的可能性而予以最后 确定。
对接头这个零件，铣槽口工序的 夹紧力方向，不外乎是沿径向或沿轴
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向两种。如采用如图3.4（a）所示的沿径向夹紧的方案，由于ф20H7孔
的轴心线是定位基准，故必须采用定心夹紧机构，以实现夹紧力方向作
用于主要定位基面。但孔ф20H7的直径较小，受结构不易实现，因
此，采用如图3.4（b）所示的沿轴向夹紧的方案较为合适。 在一般情况下，为满足夹紧力应主要作用于第一定位基准的要求， 就应将定位方案改为以上端面A 作为第一定位 基准。此时，ф20H7 孔轴心线以及另一外侧面 则为第二，第三定位基准。若以上端面A 为主 要定位基准，虽然符合“基准重合”原则，但 由于夹紧力需自下而上布置，将导致夹具结构 复杂化。
考虑到孔ф20H7下端面B及端台C均是在 一次装夹下加工的，它们之间有一定的位置精 度，且槽口深度尺寸40mm为一般公差，故改为 以B或C面为第一定位基准，也能满足加工要
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求。为使定位稳定可靠，故宜选取面积较大的C面为第一定位基准。
定
位元件则可相应选取一个平面（三个自由度），一个短圆柱销（与 D面接触限定一个自由度），如图3.5所示，这时夹紧力就可自上而下 施加于工件上。由于上端面A的中间部分还要进行加工，故只能从两边 进行夹紧。
考虑到工件为大批生产，为提高生产效率，减轻工人劳动强度，易 采用气动夹紧，即以压缩空气为动力源。若将气缸水平方向的作用力转
变为垂直方向的夹紧力，可利用气缸活塞杆推动一开有斜面槽的滑块，
使两勾形压板同时向下压紧工件。为缩短工作行程，斜槽做成两个升 角，前端的大升角用于加大夹紧空行程，后端的小升角用于夹紧工件并
自锁。当勾形压板向上松开工作时，靠其上斜槽的作用使勾型压板向外
张开。加紧装置的工作原理如图3.6所示。
工件装夹方案确定以后，要进行定位误差计算以确定定位元件的结 构尺寸与精度，进行夹紧力计算以确定夹紧气缸的尺寸及结构形式。同
时对夹紧机构中的薄弱环节进行强度校核以确定夹紧元件的结构尺寸。
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二、其他元件的选择与设计
夹具的设计除了考虑工件的定位和夹紧之外，还要考虑夹具如何在 机床上定位，以及刀具相对夹具的位置如何得到确定。
对铣床夹具而言，在机床上是以夹具体底面与铣床工作台面接触和 夹具体上两个定位键与铣床工作台上的T形槽配合而定位的。定位键的
结构和使用情况可由夹具设计手册查得。
调整刀具与夹具的相对位置是为了保证刀具相对工件有一个正确位 置，以保证工序加工要求。铣床夹具上调刀最方便的方法是在夹具上安
装一个对刀装置（通常为对刀块）。图3-7所示的铣槽口夹具，为保证
对称性及深5_____?_度要求，采用了一个直角对刀块。设计时应使对刀块的工作
面（对刀面）与定位元件的工作面有位置尺寸精度要求，其公差一般取
相应工序尺寸公差的1/3—1/5。对刀面相对定位元件的位置尺寸，由于
对刀时铣刀与对刀面之间留有一定的空隙（为避免刀具直接与对刀块接
触），计算时必须加以考虑。
三、夹具总图的绘制
在上述确定工件定位，夹紧方案，选择和设计相应定位元件和夹紧 装置，以及选取和设计夹具的其他元件之后，即可进行夹具总图的绘 制。接头零件铣槽口工序夹具总图如图3.7所示。 在夹具总图上应标注的五类尺寸为： 工件定位孔与定位销4的配合尺寸；
对刀元件的对刀面与定位元件中心线及工作面间的位置尺寸； 夹具定位键与夹具底座的配合尺寸；
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夹具内部的配合尺寸：定位销4与支座2的配合尺寸；挡销20与支 座2的配合尺寸；轴销9与滑块13的配合尺寸；轴销9与连接轴5的配 合尺寸；钩形压板1与支座2的配合尺寸； 夹具的外廓尺寸。
在夹具总图上应标注的技术条件为： 定位销4与定位键18工作面的对称度； 定位平面与夹具体底面的平行度公差；
对刀块的侧对刀块相对于两定位键18侧面的平行度公差等。 夹具总图绘制完毕，还应在夹具设计说明书中，就夹具的使用，维 护
和
注意事项等给予简要地说明。