工件在夹具中的夹紧
一、工件的夹紧及对夹紧装置的基本要求
在加工过程中，工件会受到切削力、惯性力等力的作用而发生位置变化或产生振动。
为保证加工精度和安全，工件定位以后必须采用夹紧装置把工件压紧夹牢在定位元件上。
夹紧工件的方式多，夹紧装置结构形式多。夹紧装置由动力装置、中间传动机构和夹紧元件组成。
动力装置是产生夹紧力的动力源，它产生原始动力。夹紧力来自气动、液压和电力等动力源的，称为机动夹紧；夹紧力来自人力的，则称为手动夹紧。
中间传动机构是变原始作用力为夹紧力的中间传力环节，亦称为中间传力机构，如铰链、杠杆等。
夹紧元件是直接与工件接触的元件，如各种螺杆、压板等。
夹紧元件和中间传动机构统称为夹紧机构。
夹紧机构应满足：
(1) 夹紧时不能破坏工件的定位；
(2) 应保证工件在加工过程中的位置稳定不变，不产生振动、变形和表面损伤；
(3) 夹紧机构的复杂程度、工作效率与生产类型适应，尽量做到结构简单，操作安全省力、方便；
(4) 具有良好的自锁性能。
首要的是必须合理地确定夹紧力的三要素：作用点、方向和大小。
1．夹紧力作用点的选择
夹紧力作用点是指夹紧时夹紧元件与工件表面的接触位置。
选择夹紧力作用点时，可从下面几方面考虑。
(1) 夹紧力作用点应处于支承元件上或几个支承元件所形成的支承平面内。
图(a)会使工件倾斜或变形；图(b)更合理的。
(2) 夹紧力作用点应处于工件刚性较强的部位上。
作用点中间单点改为在两侧的两点，可避免工件变形，且夹紧也较为可靠。
(3) 夹紧力作用点应尽可能靠近加工面，可以增加工艺系统刚度。
同样的夹紧力Fc作用于O
点时比作用于O点夹紧牢固。
2．夹紧力方向的选择
夹紧力的方向与工件定位基准所处的位置，以及工件所受外力的作用方向等有关。考虑夹紧力方向时，应遵循如下原则。
(1) 垂直于工件的主要定位基面
下图为工件在支架上镗孔的简图。
被加工孔与端面A有一定的垂直度要求，夹紧力Fc垂直作用于主要定位基准A，图(a)和图(b)保证定位要求，又使工件定位稳定可靠。如果被加工孔与端面B有一定的平行度要求，则夹紧力Fc垂直作用于主要定位基准B，见图(c)和图(d)所示。
(2) 有利于减少所需要的夹紧力
图(a)中从工件上面夹紧，所需夹紧力小。图(b)是从工件下面夹紧，所用夹紧力大。
夹紧力大小可按工件受力平衡条件，列出计算方程式，求出所需的夹紧力。
实际工程中准确计算夹紧力非常困难，夹紧力的计算非常复杂，普遍采用简化计算方法。
假设工艺系统是刚性的，切削过程是稳定不变的；只考虑切削力（或切削力矩）等主要作用力对夹紧力的影响，然后找出加工过程中对夹紧最不利的状态，按力平衡原理求出夹紧力Fc ；最后为保证夹紧力可靠，再乘以安全系数K作为实际所需的夹紧力数值Fc'，即
Fc'=KFc （4.2）
考虑到切削力的变化和工艺系统变形等因素，一般在粗加工夹具取K=2.5~3，精加工夹具取K=1.5~2。
在实际夹具设计中，常根据经验或用类比的方法确定所需夹紧力的数值。
气动、液压传动装置或夹紧容易变形的工件，仍有必要对夹紧状态进行受力分析，估算夹紧力的大小。
二、常用典型夹紧机构
在各种夹紧装置中，不论采用何种力源（手动或机动）形式，一切外加力的作用都要转化为夹紧力，并通过夹紧机构来实现夹紧。
下面介绍几种常用夹紧机构的典型结构、作用原理和应用范围等。
1．斜楔夹紧机构
图4.35所示为是具有斜楔夹紧机构的钻床夹具。斜楔在外力的作用下，以夹紧力直接夹紧工件。斜楔所产生的夹紧力
（4.3）
斜楔的自锁条件是
（4.4）
一般钢，为了安全，通常取α=5~7度。
斜楔夹紧机构具有增力作用，当外加一个较小作用力时，可获得比作用力大好几倍的夹紧力。夹紧力和原始外力之比称为扩力比（或称增力系数）。斜楔夹紧机构的扩力比约为3。楔角愈小，增力越大；而升角的选取还与斜楔的夹紧行程有关。夹紧力的增加倍数和夹紧行程的缩小倍数正好相等，是斜楔夹紧机构的一个重要特性。
在实际生产中，手工操作的简单斜楔夹紧机构应用较少。但是利用斜楔与其他机构组合比较普遍。
2．螺旋夹紧机构
螺旋夹紧机构结构简单，夹紧可靠，在夹具中得到广泛的应用。
螺旋夹紧工件的形式有两种。
一种如图(a)所示，螺钉头部与工件表面直接接触，缺点是容易使工件产生移动。另一种如图(b)所示，螺杆的头部通过活动压块与工件接触，防止夹紧时带动工件转动，避免产生压痕。
螺旋夹紧的缺点是动作慢，夹紧费时。在生产中，它常与其他机构联合使用，如组成螺旋压板夹紧机构，并采用快速装卸机构。
下图为三种螺旋压板夹紧机构。
图(a) 机构的扩力比最小；
图(c) 机构的扩力比最大，但结构受工件形状限制；
图(b)机构的扩力比适中。
螺旋夹紧机构的夹紧力为
（4.5）
螺旋夹紧机构也是扩力机构，其扩力比较大，一般可达60~100。
3．偏心夹紧机构
偏心夹紧机构是斜楔夹紧机构的又一种变型。它是通过偏心零件直接夹紧或与其他元件组合而实现夹紧工件的。
偏心零件一般有圆偏心和曲线偏心两种，常用的是圆偏心（偏心轮或偏心轴）。圆偏心夹紧机构具有结构简单、动作迅速等优点，一般适用于工件被夹压表面的尺寸公差较小和切削过程中振动不大的场合。
圆偏心的特性可用图4.41来说明，圆偏心直径为D，其旋转中心O2与外圆中心O1间的距离为偏心距e。当转动手柄后，由于转动轴心O2至圆偏心轮工作表面上各点的距离是不相等的，就相当于一个弧形楔卡紧在基圆和工件受压表面之间而产生夹紧作用。P点为偏心转轴中心与圆心连线处于水平位置时的夹紧接触点,如图4.41(a)所示。
将偏心的弧形楔轮廓线展开，得到如图4.41(b)所示的曲线斜楔。曲线上任意点的斜率即为该点的斜楔升角，其数值是一变值。M点的升角最小，随着圆偏心旋转角度的增加，升角逐渐增大，当转动到P点附近时，升角为最大值。一般常取P点左右30°作为偏心轮的工作表面。因为这段曲线接近于直线，升角的变化较小，夹紧较稳定。
分析计算圆偏心的夹紧力时，可将圆偏心近似看成假想的斜楔。作用于手柄上的原始力为
（4.6）
圆偏心夹紧机构也必须具有自锁功能。圆偏心夹紧自锁条件是
2e/D≤ μ1 （4.7）
一般钢的摩擦系数 μ1 =0.10~0.15，圆偏心夹紧自锁条件为
2e/D≤ 0.10~0.15
D/e≥ 14~20
圆偏心轮夹紧机构的设计过程较斜楔机构和螺旋机构略为复杂。
4．定心夹紧机构
定心夹紧机构（亦称自动定心机构）能在实现定心（定位基准与工序基准重合）作用的同时，又实现将工件夹紧的作用。
在定心夹紧机构中，与工件接触的元件既是定位元件，又是夹紧元件。这种机构能使定位夹紧元件等速趋近或退离工件，所以能将定位基面的误差沿径向或沿对称面对称分布，从而使工件的轴线、对称中心不产生位移，实现定心夹紧作用。常用的三爪卡盘就是一种定心夹紧夹具。
定心夹紧机构的结构形式很多，但就其工作原理而言，可分为两大类。
1) 按定心夹紧元件等速移动原理工作的机构
齿条传动的虎钳式定心夹紧机构常在打中心孔机床上使用。主动齿条和被动齿条，分别与V型块和气缸活塞杆联接，利用反向齿轮将两个齿条运动进行等速反向，当活塞杆向左移动时，两V型块获得对向运动，从而定心并夹紧工件。松开时，其运动则相反。
胀爪式定心夹紧机构，拉动（气动或液压）拉杆时，三滑块沿斜面张开，定心并夹紧工件；反之，则松开夹紧。
上述机构的定心精度都较低，但夹紧力和夹紧行程较大。适用于工件装夹定位精度要求较低，加工精度要求不高的情况。
2) 按定心夹紧元件均匀弹性变形原理工作的机构
这类机构的共同特点是利用弹性元件受力后的弹性变形来实现定心夹紧作用。其定心精度比上一类高，适合于精加工过程，常见的有下面几种类型。
(1) 弹性筒夹定心夹紧机构
图示为用于带孔工件的弹簧胀套心轴。
该机构的主要元件弹簧胀套为一个开有三四条或更多条槽的锥面套筒，弹簧胀套因其圆锥面受压迫而产生向外扩张的弹性变形，使工件圆孔定心并夹紧。
一般适用于精加工和半精加工工序。
(2) 液性塑料定心夹紧机构
在液性塑料心轴上，工件以内孔为主要定位基准，套在薄壁套上，薄壁套的两端与夹具采取过盈配合，二者之间形成的环槽内注满液性塑料，作为传力介质。拧动螺钉，滑柱对介质产生压力，迫使薄壁套均匀变形，对工件定心夹紧。
液性塑料在常温下是一种半透明冻胶状物质，特性稳定，具有一定的流动性，能将压力均匀传至薄壁上产生均匀的弹性变形
适合精车、磨削等加工过程采用。
5．铰链杠杆增加机构
在需要较大夹紧力时，可采用中间传动机构来扩大夹具夹紧力。增力机构一般安置在夹紧元件和动力源之间。
下图为单作用铰链杠杆夹紧机构。具有扩力比较大、摩擦损失小的优点，但自锁性能较差。
6．多工件夹紧机构
有时需要同时对几个工件进行夹紧或同时在几个点对工件进行夹紧，可以采用各种多点或多件联动夹紧机构。
两种多件平行夹紧机构如下，它们都能够平行夹紧多个工件。
下图为铣轴瓦两端面的多件顺序夹紧机构，用于工件的加工表面和夹紧力方向相平行的场合。
多位夹紧机构采用浮动横杆夹紧实现多点夹紧。多位夹紧机构一般用于多夹紧点相距较远的场合，如箱体零件的夹紧。
