第五節 定位、夾緊及工件的裝夾

車工在車削時，工件必須安裝在車床的夾具上，經過定位、夾緊，使工件在加工過程中始終保持正確的位置。工件安裝是否正確可靠，直接影響生產效率和加工質量，應該十分重視。

一、定位和夾緊

（一）定位

1．定位與定位基準

使工件在機床上或夾具中占有正確位置的過程，稱為定位。工件的定位是靠工件上的某些表面和夾具中的定位元件（或裝置）相接觸來實現的。定位時，用來確定工件在夾具中位置所依據的點、線、面稱為定位基準。在工件的機加工過程中，合理地選擇定位基準對保證工件的尺寸精度和相互位置精度起重要的作用。定位基準一旦確定，工件的其他部分的位置也隨之確定。工件定位時，作為定位基準的點和線，往往由某些具體面體現出來，這些表面稱為定位基準面。用兩頂尖裝夾車軸時，軸的兩端中心孔是定位基準面，定位基準是軸線。

定位基準有粗基準和精基準兩種。毛坯在開始加工時，都是以未加工的表面定位，這種基準面稱為粗基準；用加工后的表面作為定位基準面稱為精基準。定位與定位基準的選擇見表2-26。

2．定位的原理

工件在機床上或夾具中的定位問題，可以采用類似確定剛體在空間直角坐標系中位置的方法加以分析。工件沒有采取定位措施以前，與空間自由狀態的剛體相似，每個工件的位置將是任意的、不確定的。對一批工件來說，它們的位置將是一致的。工件空間位置的這種不確定性，可按一定的直角坐標分為如圖2-43所示的六個獨立方面（自由度）。

沿x軸位置的不確定，稱為沿x軸的自由度，以表示；

沿y軸位置的不確定，稱為沿y軸的自由度，以表示；

沿z軸位置的不確定，稱為沿z軸的自由度，以表示；

繞x軸位置的不確定，稱為繞x軸的自由度，以表示；

繞y軸位置的不確定，稱為繞y軸的自由度，以表示；

繞z軸位置的不確定，稱為繞z軸的自由度，以表示。

六個方面位置的自由度都存在，是工件在機床或夾具中位置不確定的最大程度，即工件最多只能有六個自由度。限制工件在某一方面的自由度，工件在某一方面的位置就得以確定。工件定位的任務就是通過各種定位元件限制工件的自由度，以滿足工序的加工精度要求。

（1）常見加工形式中應限制的自由度（表2-27）

（2）常用定位方式所能限制的自由度（表2-28）

3.常用定位方法

（1）工件以平面定位（表2-29）

（2）工件以圓柱孔定位（表2-30）

（3）工件以外圓柱面定位（表2-31）

（4）工件以外圓柱定位（表2-32）

4．定位的種類（表2-33）

（二）工件的夾緊

工件定位后將其固定，使其在加工過程中保持定位位置不變的裝置稱為夾緊裝置。

1．夾緊裝置的組成

夾具中的夾緊裝置一般由動力源和夾緊機構兩個部分組成，見表2-34。

2．夾緊裝置的設計要求

夾緊裝置的設計和選用是否正確合理，對保證加工精度、提高生產效率、減輕工人勞動強度有很大影響。為此，對夾緊裝置提出如下基本要求：

① 夾緊力應有助于定位，而不應破壞定位；

② 夾緊力的大小應能保證加工過程中工件不發生位置變動和振動，并能在一定范圍內調節；

③ 工件在夾緊后的變形和受壓表面的損傷不應超出允許范圍；

④ 應有足夠的夾緊行程；

⑤ 手動時應有自鎖性能；

⑥ 結構簡單緊湊、動作靈活，制造、操作、維護方便，省力、安全并有足夠的強度和剛度。

3．夾緊力的確定

正確確定夾緊力，主要是確定夾緊力的方向、作用點和大小，其具體說明見表2-35。

二、工件的裝夾

（一）在三爪自定心卡盤上安裝工件

三爪自定心卡盤的三個卡爪是同步運動的，能自動定心（一般不需要找正）。但在安裝較長工件時，工件離卡盤夾持部分較遠處的旋轉中心不一定與車床主軸中心重合，這時必須找正。或當三爪自定心卡盤使用時間較長，已失去應有精度，而工件的加工精度要求又較高時，也需要找正。總的要求是，要使工件的回轉中心與車床主軸的回轉中心重合。通常可采用以下幾種方法：

① 粗加工時可用目測和劃線找正工件毛坯表面；

② 半精車、精車時可用百分表找正工件外圓和端面；

③ 裝夾軸向尺寸較小的工件時，還可以先在刀架上裝夾一圓頭銅棒，再輕輕夾緊工件，然后使卡盤低速帶動工件轉動，移動床鞍，使刀架上的圓頭棒輕輕接觸已粗加工的工件端面，觀察工件端面大致與軸線垂直后即停止旋轉，并夾緊工件，如圖2-48所示。

（二）在四爪單動卡盤上安裝工件

1.結構特征

四爪單動卡盤有四個各自獨立運動的卡爪1、2、3和4，如圖2-49所示，它們不像三爪自定心卡盤的卡爪那樣同時一起做徑向移動。四個卡爪的背面都有半圓弧形螺紋與絲杠嚙合，在每個絲杠的頂端都有方孔，用來插卡盤鑰匙的方榫，轉動卡盤鑰匙，便可通過絲杠帶動卡爪單獨移動，以適應所夾持工件的大小。通過四個卡爪的相應配合，可將工件裝夾在卡盤中，與三爪自定心卡盤一樣，卡盤背面有定位臺階（止口）或螺紋（老式車床用的連接）與車床主軸上的連接盤連接成一體。它的優點是夾緊力較大，裝夾精度較高，不受卡爪磨損的影響。因此，適用于裝夾形狀不規則或大型的工件。

2．四爪單動卡盤裝夾操作須知

① 應根據工件被裝夾處的尺寸調整卡爪，使其相對兩爪的距離略大于工件直徑即可。

② 工件被夾持部分不宜太長，一般以10～15mm為宜。

③ 為了防止工件表面被夾傷和找正工件時方便，裝夾位置應墊0.5mm以上的銅皮。

④ 在裝夾大型、不規則工件時，應在工件與導軌而之間串放防護小板，以防工件掉下，損壞機床表面。

3．找正工件

四爪單動卡盤的四個卡爪是各自單獨運動的。因此，在安裝工件時，必須將工件的旋轉中心找正到與車床主軸旋轉中心重合后才可車削。找正工件方法見表2-36。

（三）一夾一頂裝夾

由于兩頂尖裝夾剛性較差，因此在車削軸類零件，尤其是較重的工件時，常采用一夾一頂裝夾。為了防止工件軸向位移，需在卡盤內裝一限位支承，如圖2-53（a）所示，或利用工件的臺階作限位，如圖2-53（b）所示。由于一夾一頂裝夾剛性好，軸向定位準確，且比較安全，能承受較大的軸向切削力，因此應用廣泛。

（四）在兩頂尖之間安裝工件

對于較長或必須經過多道工序才能完成的工件（如長軸、長絲杠等），為保證每次安裝時的精度，可用車床的前后頂尖裝夾，其裝夾形式如圖2-54所示。工件由前頂尖和后頂尖定位，用雞心夾頭夾緊，并帶動工件同步運動。

兩頂尖安裝工件方便，不需找正，而且定位精度高，但裝夾前必須在工件的兩端鉆出合適的中心孔。

（五）中心孔及其加工

用頂尖裝夾工件時，必須先在工件的端面上加工出中心孔。

1.中心孔的類型及選用

國家標準GB/T 145—2001規定，中心孔有A型（不帶護錐）、B型（帶護錐）、C型（帶護錐和螺紋）和R型（弧形）四種，其類型、結構和用途見表2-37。

中心孔的基本尺寸為圓柱孔的直徑D，它是選取中心鉆的依據。圓柱孔可儲存潤滑脂，并能防止頂尖頭部觸及工件，保證頂尖錐面和中心孔錐面配合貼切，以達到正確定心。

2．用中心鉆鉆中心孔

圓柱孔直徑d≤6.3mm的中心孔，常用高速鋼制成的中心鉆直接鉆出（表2-32）；d＞6.3mm的中心孔，常用锪孔或車孔等方法加工。用中心鉆鉆中心孔的類型及說明見表2-38。

3．中心鉆折斷的原因及預防

鉆中心孔時，由于中心鉆切削部分的直徑很小，承受不了過大的切削力，稍不注意就會折斷。如果中心鉆折斷，必須從中心孔中取出，并將中心孔修整后才能繼續加工。導致中心鉆折斷的原因及預防措施如下。

（1）原因

① 中心鉆軸線與工件旋轉軸線不一致；

② 工件端面不平整或中心處留有凸頭；

③ 工件轉速太低而中心鉆進給太快；

④ 中心鉆已磨損；

⑤ 切屑堵塞。

（2）預防措施

① 校正尾座軸線，使之和主軸軸線重合；

② 將工件端面車平；

③ 選用較高的工件轉速，降低進給速度；

④ 及時修磨或調換中心鉆；

⑤ 多次退刀，注入充分的切削液。

4．頂尖的種類

頂尖的作用是確定中心、承受工件重力和切削力，根據其位置分為前頂尖和后頂尖。

（1）前頂尖

前頂尖有裝夾在主軸錐孔內的前頂尖和在卡盤上車成的前頂尖兩種結構，如圖2-55所示。工作時前頂尖隨同工件一起旋轉，與中心孔無相對運動，因此不產生摩擦。

（2）后頂尖

后頂尖有固定頂尖和同轉頂尖兩種。固定頂尖的結構如圖2-56（a）、（b）所示，其特點是剛度好，定心準確；但與工件中心孔之間為滑動摩擦，容易產生過多熱量而將中心孔或頂尖“燒壞”，尤其是普通固定頂尖［圖2-56（a）］。因此，固定頂尖只適用于低速、加工精度要求較高的工件。目前，多使用鑲硬質合金的固定頂尖如圖2-56（b）所示。回轉頂尖如圖2-56（c）所示，它可使頂尖與中心孔之間的滑動摩擦變成頂尖內部軸承的滾動摩擦，故能在很高的轉速下正常工作，克服了固定頂尖的缺點，因此應用非常廣泛。但是，由于回轉頂尖存在一定的裝配累積誤差，且滾動軸承磨損后會使頂尖產生徑向圓跳動，從而降低了定心精度。

（六）裝夾工件時應注意的事項

① 前后頂尖的中心線應與車床主軸軸線同軸，否則車出的工件會產生錐度如圖2-57所示。

② 在不影響車刀切削的前提下，尾座套筒應盡量伸出短些，以增加剛度，減少振動。

③ 中心孔的形狀應正確，表面粗糙度要小。裝入頂尖前，應清除中心孔內的切屑或異物。

④ 兩頂尖與中心孔的配合必須松緊適當。

⑤ 當后頂尖用固定頂尖時，應在中心孔內加入潤滑脂，以防溫度過高而“燒壞”頂尖或中心孔。

⑥ 用三爪卡盤裝夾較長工件時，必須將工件的軸線找正到與主軸軸線重合。

三、常用夾具及夾具設計

（一）車床夾具的定義

車床夾具作為一種附加裝置，既要與主軸定心軸頸相連接，又要裝夾工件，使車床（主軸定心軸頸或尾座錐孔）—工件—刀具之間的車削加工能保持高效、便捷、安全地進行。可以認為，車床夾具是用以連接主軸定心軸頸或尾座錐孔、裝夾工件（和引導刀具）的裝置。

（二）車床夾具的功能和作用

1．車床夾具的功能

車床夾具的主要功能就是在車削加工工件的過程中，按照正確的位置和方向，穩定可靠地裝夾工件。即使工件在加工過程中受到切削力和其他外力的影響，仍能始終保持工件被裝夾在正確的位置和方向。同時，車床夾具應保證工件不致因受夾緊力的影響而造成尺寸精度或形狀位置精度超過允許范圍。

2．車床夾具的作用

在車削加工件的過程中，車床夾具的主要作用就是縮短輔助時間，提高勞動生產率；可靠裝夾工件，保證加工精度；改善勞動條件，降低勞動強度，有利于安全文明生產和工藝紀律的貫徹執行。

（三）車床組合夾具和成組夾具

1．車床組合夾具

車床組合夾具組成如圖2-58所示。

組合夾具大致可分為槽系列和孔系列兩大類。槽系組合夾具主要通過鍵與槽確定元件之間的相互位置。孔系組合夾具主要通過銷和孔確定元件之間的相互位置。

組合夾具系列型號見表2-39。組合元件類別、品種和規格見表2-40。組合夾具的組裝順序見表2-41。

2．車床成組夾具實例

（1）成組車盤形分布孔夾具

成組車盤形分布孔夾具如圖2-59所示。

該夾具適用于加工盤類零件上沿圓周分布的孔。加工零件組簡圖如圖2-60所示。

工件在分度圓盤和可換定位銷上定位，用墊片和可調鉤形壓板分別在中心線和外圓處將工件壓緊。一組工件分布孔的分度半徑，通過花盤上的定位銷，插入滑塊上的一組相應的定位孔來進行調整。工件的分度孔是用滑塊上插銷插入分度圓盤來保證的。

（2）成組車搖臂孔夾具

成組車搖臂孔夾具如圖2-61所示。本夾具適用加工搖臂或連桿類零件。加工零件組簡圖如圖2-62所示。

工件以一個加工過的孔和端面在可換定位座上定位和夾緊。通過螺栓使滑塊上的卡爪將工件毛坯外圓夾壓，即可進行加工。可換定位座可以根據工件兩孔中心距的不同，插入安裝在夾具體可換定位板適當的孔中進行定位。可換定位板可按工件尺寸的要求更換。尺寸精度可達0.01mm。

（四）車床夾具夾緊裝置

1.常用夾緊機構（表2-42）

2.定心夾緊裝置（表2-43）

（五）典型車床夾具

1．花盤式車床夾具

花盤式車床夾具的夾具體為圓盤形。多數情況下工件的定位基準為圓柱面和與其垂直的端面。夾具上的平面定位件與車床主軸的軸線相垂直。

回水蓋工序圖如圖2-63所示。本工序加工回水蓋上2×G1螺孔。加工要求：兩螺孔中心距為78mm±0.3mm，兩螺孔的連線與φ9H9兩孔的連心線之間的夾角為45°，兩螺孔軸線應與底面垂直。

如圖2-64所示為花盤式車床夾具。工件以底平面和兩個φ9mm孔分別在分度盤3、圓柱銷7和削邊銷6上定位。擰螺母9，由兩塊螺旋壓板8夾緊工件。

車完一個螺孔后，松開三個螺母5，拔出對定銷10，將分度盤3回轉180°，當對定銷10在彈簧的作用下插入另一分度孔中，即可加工另一螺孔。夾具體2以端面和止口在過渡盤1上定位，并用螺釘緊固。為使整個夾具回轉時平衡，夾具上配置了配重塊11。

2．角鐵式車床夾具

夾具體呈角鐵狀的車床夾具稱為角鐵式車床夾具，其結構不對稱，用于加工殼體、支座、杠桿、接頭等零件上的回轉面和端面。

圖2-65所示為開合螺母車削工序圖。

如圖2-66所示角鐵式車床夾具是鏜開合螺母上φ40mm孔的專用夾具。工件的燕尾面和兩個φ12mm孔已經加工，兩孔距離為（38±0.1）mm，φ40mm孔經過粗加工。本道工序為精鏜φ40mm孔及車端面。加工要求是φ40mm孔軸線至燕尾底面C的距離為（45±0.05）mm，φ40mm孔軸線與C面的平行度為0.05mm，加工孔軸線與φ12mm孔的距離為（8±0.05）mm。為貫徹基準重合原則，工件用燕尾面B和C在固定支承板3及活動支承板1上定位（兩板高度相等），限制五個自由度；用φ12mm孔與活動菱形銷2配合，限制一個自由度。工件裝卸時，可從上方推開活動支承板1將工件插入，靠彈簧力使工件靠近固定支承板3，并略推移工件使活動菱形銷2彈入定位孔φ12mm內。采用帶擺動V形塊的回轉式螺旋壓板機構夾緊。用平衡塊來保持夾具的平衡。

3.角度式和移動式車床夾具

（1）角度式車床夾具

如圖2-67所示為車工件斜面的角度式車床夾具。工件以底面、底面上的槽及兩側面的孔定位，頂面用螺釘壓緊。框架的兩個定位平面A、B具有與工件相同的角度α，且對稱于軸承的軸線，框架用兩個鉸鏈螺釘壓緊在定位塊上，即可加工具有斜角α的斜面。在加工另一面時，框架翻轉180°框架斜面的斜角可根據工件斜角的不同而改變。

（2）移動式車床夾具

如圖2-68所示為移動式車床夾具。工件底平面和兩側面定位裝夾在角鐵上，角鐵一側和定位板一側的定位螺釘接觸定位，車削第一孔mm，當第一孔加工好后，把角鐵沿著定位板平行移動（至中心距75mm）到與另一端定位螺釘接觸，定位后緊固角鐵車第二孔mm。

4.其他形式的車床夾具（表2-44）

（六）車床夾具設計

1.車床夾具的設計要求

車床在高速回轉狀態下，工件具有離心力和不平衡慣量。因此，夾具的定位基準必須保證工件被加工孔或外圓的軸線與主軸的回轉軸線重合。設計車床夾具除滿足工序要求外，還要滿足表2-45所列要求。

2.車床夾具的設計步驟（表2-46）

3.心軸設計

心軸以工件孔為定位基準，對套、連接盤和杯形工件進行外圓和兩端面加工。加工較長和定心精度高的工件，使用頂尖心軸。加工較短較重的大工件時，使用在機床主軸連接端面夾緊的帶連接盤心軸。裝卸頻繁的工件可使用帶柄心軸。

心軸的定心結構形式主要有定徑式和脹開式兩種。

（1）定徑式定心結構的心軸

定徑式定心結構心軸的種類及選用見表2-47。

（2）脹開式定心結構的心軸

① 脹開式定心結構的心軸的種類及選用見表2-49。

② 彈性心軸和可脹心軸的結構，見表2-50。

4.車床夾具與機床連接的形式（表2-51）

5.車床夾具典型結構的技術要求（表2-52）

（七）車床夾具誤差分析

1.定位誤差

工件在夾具上定位時，由于工件和定位元件總會有制造誤差，因而使工件在夾具中的位置在一定范圍內變動而產生定位誤差。

定位誤差包括定位基準位移誤差和基準不重合誤差兩部分。

（1）定位基準位移誤差

例如，工件以孔定位套在心軸上車削外圓，由于孔的制造誤差、心軸的制造誤差和定位間隙的存在，必然使定位基準產生位移，這種誤差稱為定位基準位移誤差。由圖2-69可知：

Δ位移＝δa＋δ定＋Δ

Δ位移＝D工最大-D定最小

式中 Δ位移 ——定位基準位移誤差，mm；

δa ——工件孔的制造誤差，mm；

δ定 ——心軸的制造誤差，mm；

Δ ——最小的定位間隙，mm；

D工最大 ——工件孔的最大直徑，mm；

D定最小 ——心軸的最小直徑，mm。

（2）基準不重合誤差

如圖2-70所示的工件，φ25H6孔的設計基準為A。設計夾具時，用A面作為定位基準顯然不夠穩固，如圖2-70 （a）所示。如果用B面來定位，則因定位面較大，比較穩固，如圖2-70（b）所示，但由于定位基準B與設計基準A不重合，因此產生了基準不重合誤差。

2.夾具誤差

夾具誤差包括三方面：

① 工件定位誤差Δ定；

② 夾具制造、安裝誤差Δ制、安，其中夾具的制造公差一般不超過工件公差的1/3；

③ 工藝系統的加工誤差Δ工，包括工藝系統的受力、受熱變形和刀具磨損等。

以上各種誤差之和必須不超過工件的公差δa，即：

Δ定＋Δ制、安＋Δ工≤δa

式中 Δ定 ——工件定位誤差，mm；

Δ制、安 ——夾具制造、安裝誤差，mm；

Δ工 ——工藝系統加工誤差，mm；

δa ——工件孔的制造公差，mm。