2.3 工件的夹紧

2.3.1 夹紧装置的设计要求

在机械加工过程中，工件会受到切削力、离心力和惯性力等外力的作用。为了保证在这些外力作用下，工件仍能在夹具中保持已由定位元件所确定的加工位置，而不致发生振动和位移，在夹具结构中必须设置一定的夹紧装置将工件可靠地夹牢。

1．夹紧装置的组成

如图2-29所示为夹紧装置组成示意图，它主要由以下三部分组成：

① 动力源装置，即产生夹紧作用力的装置。其所产生的力称为原始力，如气动、液动、电动等，图2-29中的动力源装置是气缸1。对于手动夹紧来说，力源来自人力。

② 中间传力机构，即介于动力源和夹紧元件之间传递力的机构，如图2-29中的连杆2。在传递力的过程中，它不仅能够改变作用力的方向和大小，起增力作用；还能使夹紧实现自锁，保证动力源提供的原始力消失后，仍能可靠地夹紧工件，这对手动夹紧尤为重要。

③ 夹紧元件，即夹紧装置的最终执行件，与工件直接接触完成夹紧作用，如图2-29中的压板3。

2．夹紧装置的要求

必须指出，夹紧装置的具体组成并非是一成不变的，需根据工件的加工要求、安装方法和生产规模等条件来确定。但无论其组成如何，都必须满足以下基本要求：

① 夹紧过程中应能保持工件在定位时已获得的正确位置。

② 夹紧力大小要适当。夹紧机构既要保证工件在加工过程中不产生松动或振动。同时，又不能产生过大的夹紧变形和表面损伤。

③ 夹紧机构应操作方便、安全省力，以便减轻劳动强度，缩短辅助时间，提高生产效率。

④ 夹紧机构的自动化程度和复杂程度应和工件的生产规模相适应，并有良好的结构工艺性，尽可能采用标准化元件。

3．夹紧力的确定

设计夹紧机构，必须首先合理确定夹紧力的三要素：大小、方向和作用点。

（1）夹紧力方向的确定

① 夹紧力方向应指向主要定位表面。如图2-30所示直角支座镗孔，要求孔与A面垂直，故应以A面为主要定位基准，且夹紧力方向与之垂直，则较容易保证质量。反之，若夹紧力压向B面，当工件A、B两面有垂直度误差时，就会使孔不垂直A面而可能报废。

② 夹紧力的方向应是工件刚度较好的方向。由于工件在不同方向上刚度是不同的，而且不同的受力表面也会因其接触面积大小而变形各异，所以夹紧力的方向应是工件刚度较好的方向。尤其在夹压薄壁零件时，更需要注意使夹紧力的方向指向工件刚度最好的方向。

③ 夹紧力的方向应有利于减小夹紧力。当夹紧工件时，夹紧力应尽量与工件受到的切削力、重力等的方向一致，以减小夹紧力，如图2-31所示。

（2）夹紧力作用点的选择

① 夹紧力的作用点应正对支承元件或位于支承元件所形成的支承面内。如图2-32a所示夹紧力作用在支承面范围之内，所以是合理的；而如图2-32b所示夹紧力作用在支承面范围之外，会使工件倾斜或移动，所以是错误的。

② 夹紧力的作用点应位于工件刚度较好的部位。夹紧力的作用点应施加于工件刚度较好的方向和部位，这一原则对刚度差的工件特别重要。如图2-33a所示，薄壁套筒零件的轴向刚度比径向刚度好，应沿轴向施加夹紧力；如图2-33b所示薄壁箱体零件，夹紧力应作用于刚度较好的凸边上；箱体没有凸边时，可以将单点夹紧改为三点夹紧，如图2-33c所示，从而改变了着力点的位置，降低了着力点的压强，减少了工件的变形。

③ 夹紧力的作用点应尽量靠近加工表面。夹紧力的作用点靠近加工表面，可以减小切削力对夹紧点的力矩，防止或减小工件的加工振动或弯曲变形。如图2-34所示，增加辅助支承，同时给予夹紧力F₂。这样翻转力矩小又增加了工件的刚度，既保证了定位夹紧的可靠性，又减小了振动和变形。

（3）夹紧力大小的确定

夹紧力的大小，对于保证定位稳定、夹紧可靠，确定夹紧装置的结构尺寸，都有着重要作用。夹紧力的大小要适当。夹紧力过小则夹紧不牢靠，在加工过程中工件可能发生位移而破坏定位，其结果轻则影响加工质量，重则造成工件报废甚至发生安全事故；夹紧力过大会使工件变形，也会对加工质量不利。

2.3.2 典型夹紧机构

1．斜楔夹紧机构

如图2-35所示为用斜楔夹紧机构夹紧工件的实例。如图2-35a所示，需要在工件上钻削互相垂直的ϕ8mm与ϕ5mm的小孔，工件装入夹具后，用锤子锤击楔块大头，则楔块对工件产生夹紧力，对夹具体产生正压力，从而把工件楔紧。如图2-35b所示是将斜楔与滑柱合成一种夹紧机构，一般用气压或液压驱动。如图2-35c所示是由端面斜楔与压板组合而成的夹紧机构。

选用斜楔夹紧机构时，应根据需要确定斜角α。凡有自锁要求的楔块夹紧，其斜角α必须小于2ϕ（ϕ为摩擦角），为可靠起见，通常取α=6°～8°。在现代夹具中，斜楔夹紧机构常与气压、液压传动装置联合使用，由于气压和液压可保持一定的压力，故楔块斜角α不受此限，可取得更大些，一般在15°～30°范围内选择。斜楔夹紧机构结构简单，操作方便，但传力系数小，夹紧行程短，自锁能力差。

2．螺旋夹紧机构

由螺钉、螺母、垫圈和压板等元件组成，采用螺旋直接夹紧或与其他元件组合实现夹紧工件的机构，统称为螺旋夹紧机构。螺旋夹紧机构不仅结构简单、容易制造，而且自锁性能好、夹紧可靠，夹紧力和夹紧行程都较大，是夹具中用得最多的一种夹紧机构。

（1）简单螺旋夹紧机构

如图2-36a所示的机构，螺杆直接与工件接触，容易使工件受到损伤或移动，一般只用于毛坯和粗加工零件的夹紧。如图2-36b所示的是常用的螺旋夹紧机构，其螺钉头部常装有摆动压块，可防止螺杆夹紧时带动工件转动和损伤工件表面，螺杆上部装有手柄，夹紧时不需要扳手，操作方便、迅速。

（2）螺旋压板夹紧机构

在夹紧机构中，结构形式变化最多的是螺旋压板夹紧机构，常用的螺旋压板夹紧机构如图2-37所示。选用时，可根据夹紧力大小的要求、工作高度尺寸的变化范围以及夹具上夹紧机构允许占有的部位和面积进行选择。例如，当夹具中只允许夹紧机构占很小的面积，而夹紧力又要求不很大时，可选用如图2-37d所示的螺旋钩形压板夹紧机构；又如工件夹紧高度变化较大的小批、单件生产，可选用如图2-37e、f所示的通用压板夹紧机构。

3．偏心夹紧机构

如图2-38所示为常见的各种偏心夹紧机构，其中如图2-38a、b所示为偏心轮和螺栓压板的组合夹紧机构；如图2-38c所示为利用偏心轴夹紧工件；如图2-38d所示为利用偏心叉将铰链压板锁紧在夹具体上，通过摆动压块将工件夹紧。

偏心夹紧机构结构简单、制造方便，与螺旋夹紧机构相比，还具有夹紧迅速、操作方便等优点；其缺点是夹紧力和夹紧行程均不大，自锁能力差，结构不抗振，故一般适用于夹紧行程及切削负荷较小且平稳的场合。

2.3.3 其他夹紧机构

1．定心夹紧机构

在机械加工中，常遇到要求准确定心或对中的工件，如各种回转体零件以及有对称要求的表面等，它们往往都以轴线或对称中间平面作为工序基准，如果所选的定位基准与工序基准重合，则可采用定心夹紧机构。其工作原理是：定位与夹紧为同一元件（称为工作元件），工作元件之间采用等速移动或均匀弹性变形的方式接近或离开工件，从而保证工件的对称中心与工作元件的中心重合，同时实现工件的定位与夹紧，如图2-39所示。

2．联动夹紧机构

联动夹紧机构能操纵一个手柄或利用一个动力装置对一个工件的同一方向或不同方向的多点进行均匀夹紧，或同时夹紧若干个工件。前者称为多点联动夹紧，如图2-40a所示；后者称为多件联动夹紧，如图2-40b所示。联动夹紧机构具有方便操作、简化夹具结构和节省装夹时间等优点。