高职“机床夹具设计与应用”教学实例

蔡玉光

摘要：随着我国工业制造业的崛起，促发了机械类制造专业技术人才的需求，作为主要专业课之一的机床夹具设计与应用，学生对知识和实践能力的培养离企业实际生产的需求尚有差距，本文以钻床夹具的设计为实例，对机床夹具设计过程和内容进行分析、阐述，希望学生们能从中加深理论和实践的结合与应用并对教学改进有所启示。如有不当之处，敬请广大同行批评指正。

关键词：机床夹具;设计重点; 实例分析

机床夹具是机床上装夹工件的一种工艺设备，普遍应用于机械制造的各个环节，比如说：装配、焊接、切削加工、尺寸检测等等。其与零部件的加工精度、质量以及工序乃至于成本都有着紧密联系。当今的中国已经成为了世界制造业的加工工厂，来自世界各地的工业制造需求，促发了制造业人才需求，机械制造类专业的职业教育也得到了良好发展，为社会输送了大量的技能型人才。但于具体专业学科上，由于办学条件、教学方法及生源素质等因素的限制，毕业生的知识结构以及实践能力离用人企业的专业需求尚有不小差距。

一、 机床夹具在零件加工中的作用

1、提升加工效率：利用工装夹具装夹固定工件，节省了对待加工零件划线定位和找准等辅助工作时间，显著提高操作和加工的效率。并且能够实现多工件、多工位进行工件夹装，更能大幅度提升加工速度，有效压缩了加工周期。

2、提高加工精度：采用工装夹具进行定位装夹工件，工件的位置相对准确，位置的精度由夹具来保证和确定，对于操作者的技术水平差异带来的加工质量差异不大，能保证同一批次的零部件的加工一致性。夹具的精度越高，加工的精度也就越有保障。

3、便于机床的改造和降低加工成本：夹具的标准化和自动化以及可调节设计成就了老旧机床设备的改造和利用难题，同时夹具的使用大大降低了报废率，从多方面为企业生产降低了成本。

二、机床夹具设计重点

经过多年以来机械加工设备以及各类机床的科技更新和产品换代以及长期的生产经验积累和沉淀，机床夹具的设计基本形成了比较完整的步骤和方法。许多夹具部件在市场上和行业内逐渐形成了标准化，在类似产品的加工上，只需在设计时在标准化的夹具上进行最大相似化选择并稍加调整即可投入生产。因而机床夹具的设计并不是非常困难的事情。然而，高职教育中，导师在知道学生的设计和应用时，于设计重点和关键内容上仍然会发现一些诸如：设计思路不明确、夹紧机构和定位元件选择不当、导向装置配置不好等问题。下面以钻床夹具为例，对机床夹具设计的重点和关键内容加以综述：

（一）钻床夹具的设计要点

钻床夹具根据被加工孔在工件表面的分布氛围固定式、回转式、移动式和翻转式等不同类型，其通常都装配有钻套，通过钻套对道具进行引导以保证钻孔加工的坐标、位置精度、尺寸精度以及控制加工孔的表面粗糙度并防止歪斜。

1. 对接方式：需要重点考虑夹具安装于工作台的水平面或是侧面，加工工件在机床工作台上的定位位置以及夹具在工作台上的位置，工件在夹具上的位置。2. 钻套设计：钻套是用来引导钻头、扩孔钻、铰刀的，是钻床夹具的主要设计内容，重点在于钻套轴线与夹具定位基准，以及其尺寸公差和位置公差。3. 夹具尺寸：重点在于夹具的总体高度以及夹具与工件的相对位置。

（二）实例分析

“刀杆”工件是职业院校机械系学生中级工鉴定重点练习的工件之一，在“刀杆”备料时需要预先加工一个φ14mm通孔，如上图。

此“刀杆”工件加工数量大，φ14mm通孔尺寸及形位公差要求较高，如果单独采用划线加工，则劳动强度会很大而且不能保证加工精度。在此，可以通过设计一个定位元件的“刀杆”钻孔夹具来解决这个问题。

由图可见“刀杆”为轴类零件，材料为45#钢，强度和硬度适中，具有较好的材料力学性能，适于钻削加工。由于φ30mm的外圆精度高，可作定位基准面。为此工件设计夹具能提高生产效率、降低劳动强度，降低加工成本，其夹具的设计重点考虑定位基准和装夹的方便性。

（三）定位基准选择

为保证上述零件加工面的技术要求，工件与刀具和机床的相对位置必须正确。而使用夹具，则需要使钻床、刀具、夹具与工件之间处于正确的加工位置。

根据“六点定位原则”，由φ14mm孔相对于基准面的对称度与51mm孔中心距端面的精度要求，只需限制工件X、Y和Z方向的转动自由度以及限制工件Y和Z方向的移动自由度。通过限制其5个自由度，采用不完全定位方式即可。

1. 选择定位元件：选用V型块作为定位元件，定位精度高、安装方便、对中性好、结构标准。但此元件结构相对较复杂，制造要求较高。2. 定位方案：采用V型块能将φ30mm外圆的工件限制4个自由度，端面轴向可以在夹具上手机一个挡板使其轴向定位限制一个自由度。

（四）夹紧方案

机械加工过程中，工件必须被夹紧以保证工件定位时所确定的加工位置并防止工件在加工时受到切削力、惯性力、离心力、重力及振动等作用下发生位置偏移。由“刀杆”工件分析了解到钻削加工中切削力較大并是连续加工，易产生冲击和振动，故夹紧方案重点考虑圆周和轴向的夹紧力，同时应该方便装夹并有利于减小夹紧力以减小工件变形，最好的夹紧力方向是与切削力与重力方向一致。

我们可以设计一个上压板的夹紧方案，以保证夹紧力的方向应向主要限位面和作用点应落在定位元件的支持范围内。既方便装卸工件且夹紧力的方向与切削力、重力方向重合，夹紧力朝向V形块的V形面工件夹紧稳定可靠并有助于圆周方向的定位。

（五）设计钻套

钻套按结构和使用不同分为固定钻套、可换钻套、快换钻套和特殊钻套等类型，是装在钻模扳或夹具上使用的基础原件，用来确定被加工孔的位置，引导钻头、扩孔钻或者铰刀并防止其在加工时发生偏斜。由于钻床夹具结构简单，我们设计了一个固定钻套压装在模板上，如右图：

总结上述内容，我们在机床夹具设计时应重点注意提高生产效率、降低成本、结构简单、便于操作等内容。上述的夹具设计主要用于钻床钻孔加工，切削力大因此选用压紧力大的压紧装置即能满足夹具设计的要求。“刀杆”工件放于夹具内通过端面轴向上的挡板进行轴向定位，并置于V形块上用模板通过螺栓压紧。

参考文献：

[1]《机械加工方法与设备》陈根琴.

[2]《机械制造技术课程设计指导》宁传华、倪健.

[3]《机械制造工艺与夹具》宁传华、倪健.

（作者单位：重庆市工业高级技工学校）