第五节 定位和装夹
一、工件的定位与装夹
（1）定位与夹紧方案的确定
在零件加工的工艺过程中，合理选择定位基准对保证零件的尺寸和相互位置精度起着决定性的作用。定位基准有两种，一种是以毛坯表面作为基准面的粗基准，另一种是以已加工表面作为基准面的精基准。在确定定位基准与夹紧方案时，应注意以下几点：
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 选择粗基准时，应尽量选择不加工表面或能牢固、可靠地进行装夹的表面，并注意粗基准不宜重复使用。
③ 选择精基准时，应尽可能采用设计基准或装配基准作为定位基准，并尽量与测量基准重合，基准重合是保证零件加工质量最理想的工艺手段。精基准虽可重复使用，但为了减少定位误差，仍应尽量减少精基准的重复使用。
④ 尽量减少装夹次数，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，充分发挥机床的效率。
⑤ 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）工件在数控铣床和加工中心上的装夹要求
① 夹具应具有较高刚度和较高定位精度。
② 夹紧机构或其他元件不得影响进给，为切削刀具运动留下足够的空间。夹具上各零部件应不妨碍机床对零件各表面的加工，即夹具要尽量敞开，其定位、夹紧元件的空间位置应尽量低，夹具不能和各工步刀具轨迹发生干涉。另外，还应注意夹具或工件不能与自动换刀装置及交换工作台的运动发生干涉。
③ 夹具结构应力求简单，装卸方便快捷，辅助时间短。批量小的零件应优先选用组合夹具。形状简单的单件小批量生产的零件，可选用通用夹具，如三爪自定心卡盘、机用平口虎钳等。只有批量较大、周期性生产、加工精度要求较高的关键工序才设计专用夹具，以保证加工精度，提高装夹效率。数控加工夹具应尽可能使用气动、液压、电动等自动夹紧装置实现快速夹紧，以缩短辅助时间。
④ 尽可能使工件产生较小的夹紧变形。要合理安排夹具的支承点、定位点和夹紧点。应使夹紧点靠近支承点，避免夹紧力作用在工件的中空区域。如果采用了相应措施仍不能控制零件变形对加工精度的影响，只能将粗、精加工分开，或者粗、精加工采用不同的夹紧力。可以在粗加工时采用较大夹紧力，精加工时放松工件，重新用较小夹紧力夹紧工件以控制零件夹紧变形。
二、常用铣床夹具
1.铣床夹具的分类
铣床夹具的分类方法很多。如按工件在铣床上加工运动特点（即铣削时的进给方式），可分为直线进给夹具、圆周进给夹具、沿曲线进给夹具；按自动化程度和夹紧力来源不同，可分为气动、电动、液压夹具；按装夹工件数量的多少，分为单件、双件、多件夹具。最常用的分类方法是按使用范围不同，分为通用夹具、专用夹具和组合夹具三类。
2.铣床夹具的组成
铣床夹具一般由以下几部分组成，见表3-25。
表3-25 铣床夹具的组成
3.铣床的通用夹具
通用夹具是指已经标准化的、在一定范围内可用于加工两种或两种以上不同工件的同一夹具。这类夹具的通用性强，由专门厂家生产，其中有的已经作为机床附件随主机配套供应。若将夹具的个别元件进行调整或更换，即可成为加工形状相似、尺寸相近、加工工艺相似的多种工件的通用可调整夹具。应用于成组技术加工工艺的可调整夹具，则称为成组夹具。
（1）铣床常见的通用夹具
① 三爪自定心卡盘的结构 三爪自定心卡盘安装在分度头、回转工作台或直接安装在工作台面上，用以装夹轴类和套类工件。三爪自定心卡盘的结构组成如图3-45所示。其各零件的作用见表3-26。
图3-45 三爪自定心卡盘的结构组成
表3-26 三爪自定心卡盘各零件的作用
② 机床用平口虎钳的结构 这种虎钳已作为机床的常用附件安装在铣床工作台上，可用来加工各种外形简单的工件。它也是通用可调整夹具的通用基本部分。
手动机床用平口虎钳的结构如图3-47所示，由固定部分、活动部分以及两个圆柱形导轨等主要部分组成。在固定部分及活动部分上分别安装钳口，整个虎钳靠分度底座固定在水平面上的任一角度位置。当操纵手柄转动螺杆时，即可通过圆柱形螺母带动活动部分做夹紧或松开移动。
图3-46 连接盘的作用
图3-47 手动机床用平口虎钳的结构
1—螺杆；2—固定部分；3， 4—钳口；5—活动部分；6—导轨；7—分度底座；8—圆柱形螺母
此外，还有一种可倾式机床用平口虎钳，钳口可倾斜一定的角度，铣削带一定倾斜角度的小型工件。机床用平口虎钳的规格见表3-27。
③ 机用虎钳的结构 机用虎钳主要用于装夹长方体工件，也可用于装夹圆柱体工件。机用虎钳通常直接安装在机床工作台面上。其结构如图3-48所示。其各零件的作用见表3-28。
表3-27 机床用平口虎钳的规格
图3-48 机用虎钳的结构组成
表3-28 机用虎钳各零件的作用
④ V形钳口自定心虎钳的结构 V形钳口自定心虎钳的结构如图3-49所示。V形钳口的夹持范围：V形块（D/mm）大35～100；小15～60。
⑤ 三向虎钳的结构和尺寸 三向虎钳的结构如图3-50所示。尺寸系列见表3-29。
表3-29 三向虎钳的尺寸系列
⑥ 液压虎钳的结构 液压虎钳的结构如图3-51所示，其组成与机用虎钳类似，不同的是夹紧部分由液压控制阀、活塞、活塞杆、滑板、滚轮和滚轮座、活动钳口座等组成。机用虎钳的夹紧力来源于人力，液压虎钳的夹紧力来源于液压力。
图3-49 V形钳口自定心虎钳结构及夹持范围
图3-50 三向虎钳的结构
图3-51 液压虎钳的结构组成
液压虎钳适用于大批量生产，可减轻劳动强度，在加工中还能吸收一定的振动。
⑦ 万能分度头 分度头是铣床的主要附件，而万能分度头则是铣床上最常用的一种分度头，如F11125型万能分度头。铣床上常用的万能分度头的规格及应用范围见表3-30。
表3-30 万能分度头的规格及应用范围
⑧ 回转工作台 铣床常用的回转工作台的规格见表3-31。铣床通用的回转工作台已标准化，其上面应设计中心销（或孔）、T形槽，以便专用夹具与专用夹具联合使用。
表3-31 铣床常用回转工作台的规格
（2）铣床通用可调整夹具
通用可调整夹具是在通用夹具的基础上发展而来的，如机用虎钳、铣床回转工作台和分度台等，都可设计成可调整夹具。
① 采用专用钳口夹紧的平口虎钳 由于机用虎钳是平口虎钳，所以一般只能加工外形比较规则的工件。将其固定钳口做成各种可换钳口，可适应不同工件的形状、尺寸、加工特性和毛坯表面状态，则通用夹具即变成了通用可调整夹具，用定向键将虎钳相对机床工作台的进给方向安装，应用情况见表3-32。
表3-32 采用专用钳口夹紧的平口虎钳
② 换盒式夹具 如图3-52所示，工件装夹在料盒5中，以外圆和端面在V形块7中定位。料盒5安放在夹具的4个支承钉4上，并由4个支柱3挡住两侧面。夹紧时，活塞左移，活塞杆2上的斜面经滚轮和杠杆1，将工件连同料盒5推向挡块6一起夹紧。料盒5（一式两个，交替使用）根据工件的需要可设计成各种形式，当工件有凸肩要求时，可设计成如件8形式的浮动支承。
③ 铣削六方回转夹具 铣削六方回转夹具如图3-53所示，该夹具与立轴锥面的锁紧分度台配合使用。工件以外圆和端面定位，由气缸驱动，使弹簧夹头下移，将工件夹紧。铣床上安装6把铣刀，可同时铣削6个工件的两个面。每进给一次，夹具回转120°，回转3次，工件的6个面即可铣削完毕。更换弹簧夹头，可加工不同直径的工件。
④ 多件装夹铣削夹具 常用的多件装夹铣削夹具如图3-54所示。将工件的圆柱部分φ14h9放在弹性滑块2的槽中定位，并以φ16mm的台阶面靠在弹性滑块的端面上，限制工
图3-52 换盒式夹具
1—杠杆；2—活塞杆；3—支柱；4—支承钉；5—料盒；6—挡块；7—V形块；8—浮动支承
图3-53 铣削六方回转夹具
图3-54 多件装夹铣削夹具
1—支座；2—弹性滑块；3—压块；4—螺杆支架；5—夹具体；6—压板；7—定位键
件的5个自由度。旋紧右上方的夹紧螺杆，推动压块3，使压块压向弹性滑块，从而把10个工件连续均匀地夹紧。其中，支座1相当于固定钳口；压板6与夹具体上平面组成燕尾形导轨，使弹性滑块沿其滑移；定位键7用以安装夹具的定位。这种夹具结构简单，操作方便，由于采用多件装夹，生产效率高。还可把夹具体做成通用件，定位元件根据工件情况可更换，因而提高了夹具的使用效率。若将夹紧部分改装成气动或气动-液压夹紧装置，更适用于大批量生产。
⑤ 铣削半圆键用的夹具 铣削半圆键用的夹具如图3-55所示，该夹具用于卧式铣床。工件从料仓4进入，装在铣刀杆上的带轮1带动带轮9，经过蜗杆10、蜗轮11减速，使凸轮6旋转，由于凸轮6螺旋线的作用，滚轮8、滚轮轴7即带动滑板5做左右往复运动。工件由推杆3逐个推入到定位套2内，并推向旋转着的铣刀，实现进给运动。被铣削完成的两个半圆工件依靠自重落入料盘内。铣削各种不同规格的半圆键时，只需更换相应的定位套2、推杆3和料仓4即可。
（3）铣床类成组夹具
成组夹具是在推行成组技术的过程中，根据一组（或几组）工件的相似性的加工而设计制造的夹具，是推行成组加工的重要物质基础。
① 铣床类成组夹具的特点 在多品种成批生产的铣削加工中，采用成组技术的加工方法，可把多种类型和系列产品的工件，按加工所用的铣床刀具和夹具等工艺装备的共性分组。
图3-55 铣削半圆键用的夹具
1， 9—带轮；2—定位套；3—推杆；4—料仓；5—滑板；6—凸轮；7—滚轮轴；8—滚轮；10—蜗杆；11—蜗轮；12—铣刀
同一组结构形状相似的工件，在同一台铣床上用共同的工艺装备和调整方法进行加工。与专用夹具的不同之处，在于使用对象是一组或一组相似的工件。当从一种工件转变加工同组另一种工件时，只需对夹具上的个别定位元件或夹紧元件做一点调整或更换即可。所以成组夹具对一个工件组而言，是专门化可调整夹具，而对组内各个工件而言，又是通用可调整夹具。成组夹具的加工对象是通过成组技术的原则确定的；而通用可调整夹具的加工对象，是按一般原则组合的，夹具的结构偏重于可调，而成组夹具则同时可调可换，工艺性更为广泛，针对性更强。
成组夹具兼有专用夹具精度高、装夹快速和通用夹具多次重复使用的优点，一般不受产品改型的限制，故成组夹具具有较好的适应性和专用性，其适应性仅次于组合夹具，且又具有现场调整迅速、操作简单等优点。成组夹具能补偿组合夹具在结构、刚度和精度等方面的不足，但制造成本较高，生产管理较繁杂。
成组夹具的形式很多，但基本结构都是由基础（固定）部件、可调整部件和可更换部件组成的。基础部件包括夹具体和中间传递装置，作为夹具的通用部分。当加工工件的成组批量足够满足铣床负荷时，基础部件经安装校正后可长期固定在铣床工作台上，不必因产品轮番生产而更换。可更换的部件和可调整的部件有定位元件、夹紧元件、导向元件和对刀元件等，这些部件是根据铣削加工工件的具体结构要素、定位夹紧方式及工序加工要求而专门设计的，是成组夹具的专用元件，当更换加工工件时，通过更换和调整某些元件，即可满足新的一组工件的加工工艺要求。
多品种成批生产的工件加工，采用成组夹具，可克服使用专用夹具时的设计制造工作量大、成本高和生产技术准备周期长等缺点。表3-33所示为成组夹具与专用夹具的经济效果比较。
② 铣床类成组夹具的典型结构
a.成组钳口。有不少形状复杂的工件，如连杆、托架、拨叉等，需要在机用虎钳上铣削加工，但一般的钳口只能装夹形状比较规则的工件，对于形面复杂、基面不规则的工件，则装夹困难。针对上述情况，可根据工件的形状、大小、结构及材质等进行分类分组，设计几种钳口。这几种钳口可以单独使用，也可以互相配合使用。现分别将各种钳口及其应用范围简单介绍，如表3-34。
表3-33 成组夹具与专用夹具的经济效果比较
表3-34 钳口种类及其应用范围
图3-56 多用钳口的外形
图3-57 活动钳口的外形
图3-58 端面齐头钳口的外形
图3-59 圆弧钳口的外形
在铣削工作中，使用专用的可换钳口和机用虎钳，可扩大加工领域，实践表明，可完成60%～70%的外形简单工件的加工。因此，设计和使用可换钳口和可换衬垫（图3-61），应当成为设计在铣床上加工中小型工件用的成组夹具的主要方向，其成本只有专用夹具的几分之一，而且还能提高劳动生产率。
b.成组等分铣削夹具。成组等分铣削夹具结构如图3-62所示，其结构特点及适用范围见表3-35。
图3-60 可换钳口的外形
1—固定钳口；2—活动钳口；3—滑柱；4—小圆柱体；5—斜面滑柱；6—塑料；7—可换钳口的壳体
图3-61 带可换钳口和可换衬垫的成组铣床夹具
如图3-63（a） ～ （f）所示为成组等分铣削夹具加工工件组简图。
4.典型铣床专用夹具的结构
（1）铣削键槽用的简易专用夹具
该夹具用于铣削加工（轴）上的半通键槽，如图3-64所示。其各零件的作用见表3-36。
（2）轴瓦铣开专用夹具
该夹具用于将轴瓦铣成两半，如图3-65所示。其各零件的作用见表3-37。
图3-62 带可换钳口和衬垫的成组等分铣床夹具结构
1—螺母；2—垫圈；3—底座；4—定位杆；5—分度芯轴；6—夹头组件；7—手柄；8—衬套；9—偏心轴
表3-35 成组等分铣削夹具结构特点及适用范围
图3-63 成组等分铣削夹具加工工件组简图
图3-64 铣削键槽用的简易专用夹具
表3-36 铣削键槽用的简易专用夹具各零件的作用
图3-65 轴瓦铣开夹具
表3-37 轴瓦铣开专用夹具各零件的作用
5.铣床组合夹具
（1）组合夹具的系列
组合夹具按尺寸系列有小型、中型和大型三种。其区别在于元件的外形尺寸、T形槽宽度和螺栓及螺孔直径规格；小型系列组合夹具元件的螺栓规格为M8×1.25mm，T形槽之间的距离为30mm。这种系列夹具适用于仪器、仪表及电子工业，也可以用于较小工件的加工；中型系列组合夹具元件的螺栓规格为M12×1.5mm，T形槽之间的距离为60mm。这种夹具适用于机械制造工业，是日前应用最广泛的一个系列；大型系列组合夹具元件的螺栓规格为M16×2mm，T形槽之间的距离为60mm。该系列的夹具适用于重型机械制造工业。
（2）组合夹具的特点
组合夹具的特点有以下几点：
① 由于元件已标准化、系列化和通用化，因此能缩短夹具的制造时间，使生产周期大大缩短。
② 由于组合夹具的元件可反复使用，因此可节省制造夹具的材料和工时，降低成本。
③ 组合夹具的元件可通过不同形式的组装而成不同类型的夹具，因此适应性强。
④ 为了保证组装多样性，满足生产的需要，需储备足够的元件，因此首次费用较大。
⑤ 与专用夹具相比，组合夹具的刚性和精度较差，结构也不易紧凑。
（3）组合夹具元件的分类
组合夹具大致可分为槽系列和孔系列两大类。槽系组合夹具主要通过键与槽确定元件之间的相互位置；孔系组合夹具主要通过销和孔确定元件之间的相互位置。我国在生产中普遍使用的组合夹具大多是槽系列。
根据组合夹具连接部结构要素的承效能力和适应工件外形尺寸的大小，又可分为大、中、小三个系列，大型组合夹具适用于较大零件的加工；中型组合夹具适用于中等尺寸零件的加工；而小型组合夹具适用于仪器仪表制造业。组合夹具元件按用途可分为8大类，每一类又有多个品种和多种规格。这些品种、规格不同的元件，其区别在于外形尺寸和相应的螺钉直径、定位键宽度的不同。组合元件的类别、品种和规格见表3-38。
表3-38 组合元件的类别、品种和规格
下面主要介绍我国槽系组合夹具各类元件中一些主要品种外观形状，而孔系组合夹具的元件分类与槽系基本相同。各类元件及其主要用途见表3-39。
表3-39 组合夹具的元件分类及其主要用途
（4）组合夹具的组装
把组合夹具的元件和合件，按一定的步骤和要求组合成加工所需的夹具，这就是组装工作。组合夹具的组装是夹具设计和装配统一的过程。正确的组装过程一般按下列步骤进行，见表3-40。
图3-66 组合夹具的基础件类型
图3-67 组合夹具的支承件类型
图3-68 组合夹具的定位件类型
图3-69 组合夹具的导向件类型
图3-70 组合夹具的压紧件类型
图3-71 组合夹具的紧固件类型
图3-72 组合夹具的其他元件类型
图3-73 组合夹具的组合件类型
表3-40 组合夹具的组装
三、铣床夹具使用和维护
合理选用和正确使用铣床夹具，是保证铣削加工质量、提高工作效率、降低成本、减轻劳动强度、确保安全生产的重要途径。因而注意夹具的维护，对保证铣床夹具具有较长的使用寿命和保持高的精度是必要的。
（1）三爪自定心卡盘的使用与维护
① 三爪自定心卡盘的中心定位精度取决于工字形槽与卡爪的配合精度及大锥齿轮端面矩形阿基米德螺纹与卡爪端面螺纹的配合精度。因此，应经常检查和清洁这些配合部位。卡爪是固定成组搭配使用的，不能随意组合使用；卡爪与工字形槽也有对应的顺序关系，不能随意改变。因为不同的工字形槽处的大锥齿轮端面螺纹线的中心距是不同的。
② 三爪自定心卡盘的夹紧，是用定制的方头扳手来操作的，不能随意加长力臂。因为过大的夹紧力矩会损坏工字形槽和锥齿轮，也会影响自定心精度。
③ 用于精加工和粗加工的三爪自定心卡盘应分别保管。
④ 用三爪自定心卡盘和尾座一夹一顶装夹工件时，应注意尾座顶尖的轴线与自定心卡盘的轴线同轴。进行螺旋加工时应注意避让，以免铣刀切伤卡爪而损坏三爪自定心卡盘。
（2）机用虎钳的使用和维护
① 机用虎钳的夹紧机构应采用定制的机用虎钳扳手，在限定的力矩范围内夹紧工件。扳紧力矩过大会降低机用虎钳的寿命，甚至使虎钳遭到损坏。
② 使用时，应注意保证定位侧面与工作台面的垂直度及导轨上平面与工作台面的平行度。只有这样才能保证工件有高的定位精度。应注意保持固定钳口和活动钳口平面的质量，若其表面有凸起毛刺，不仅会影响定位精度，还会夹坏工件的已加工表面。
③ 应经常检查各紧固螺钉，如发现松动应及时紧固。
④ 应注意保持导轨面和各贴合面的清洁。在使用回转盘上刻度前，首先应找正固定钳口与工作台某一进给方向平行，然后在调整中使用回转刻度。
⑤ 机用虎钳的钳口可以制成多种形式，更换不同形式的钳口，可扩大虎钳的使用范围。机用虎钳不同形式的钳口如图3-74所示。
图3-74 机用虎钳不同形式的钳口
（3）专用夹具的使用和维护
专用夹具是专为某一工件的某一工序设计的，使用时应注意下列事项：
① 识读工件的工序加工图，了解工件的结构特点，特别是本工序工件的定位部位和夹紧部位的特点。根据图样的编号和工装对应编号选用夹具，并对夹具进行检查分析，分析定位元件和定位部位，夹紧元件和使用方法，确定保证夹具与机床的相对位置精度的方法，以及工件安装方法。
② 若夹具有等分装置，应检查等分精度，回转紧固机构是否完好。若夹具有对刀装置，应分析对刀装置的对应加工尺寸及对刀方法。若无对刀装置，应对工件进行划线，以便调整切削位置。
③ 应根据适用的切削用量进行铣削。铣削过程中，应注意观察工件的振动情况，夹具、机床、刀具等工艺系统的振动情况，以便根据切削情况调整切削用量和夹紧力。
④ 夹具使用完毕，应及时送回专用夹具保管部门进行检测保养。
（4）组合夹具的使用和维护
① 组合夹具应由专门人员组装。
② 使用过程中应定期检查各连接部位的螺栓、螺钉是否紧固，各基本元件的接合面之间是否有间隙。
③ 夹具安装到工作台上以后，应该用百分表检查各定位部位的定位精度。
④ 试铣削时应缓缓进行，观察夹具的振动情况，以防止梗刀。若发现梗刀等冲击力时，应注意检查夹具的组合位置是否改变，以免产生废品。
⑤ 组合夹具用毕拆卸后，应仔细清洁各元件表面、凹槽、内孔等部位，然后涂上防锈剂，妥善保存在专门位置，以备再用。