第五节 定位、夹紧及工件的装夹

车工在车削时，工件必须安装在车床的夹具上，经过定位、夹紧，使工件在加工过程中始终保持正确的位置。工件安装是否正确可靠，直接影响生产效率和加工质量，应该十分重视。

一、定位和夹紧

（一）定位

1．定位与定位基准

使工件在机床上或夹具中占有正确位置的过程，称为定位。工件的定位是靠工件上的某些表面和夹具中的定位元件（或装置）相接触来实现的。定位时，用来确定工件在夹具中位置所依据的点、线、面称为定位基准。在工件的机加工过程中，合理地选择定位基准对保证工件的尺寸精度和相互位置精度起重要的作用。定位基准一旦确定，工件的其他部分的位置也随之确定。工件定位时，作为定位基准的点和线，往往由某些具体面体现出来，这些表面称为定位基准面。用两顶尖装夹车轴时，轴的两端中心孔是定位基准面，定位基准是轴线。

定位基准有粗基准和精基准两种。毛坯在开始加工时，都是以未加工的表面定位，这种基准面称为粗基准；用加工后的表面作为定位基准面称为精基准。定位与定位基准的选择见表2-26。

2．定位的原理

工件在机床上或夹具中的定位问题，可以采用类似确定刚体在空间直角坐标系中位置的方法加以分析。工件没有采取定位措施以前，与空间自由状态的刚体相似，每个工件的位置将是任意的、不确定的。对一批工件来说，它们的位置将是一致的。工件空间位置的这种不确定性，可按一定的直角坐标分为如图2-43所示的六个独立方面（自由度）。

沿x轴位置的不确定，称为沿x轴的自由度，以表示；

沿y轴位置的不确定，称为沿y轴的自由度，以表示；

沿z轴位置的不确定，称为沿z轴的自由度，以表示；

绕x轴位置的不确定，称为绕x轴的自由度，以表示；

绕y轴位置的不确定，称为绕y轴的自由度，以表示；

绕z轴位置的不确定，称为绕z轴的自由度，以表示。

六个方面位置的自由度都存在，是工件在机床或夹具中位置不确定的最大程度，即工件最多只能有六个自由度。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确定。工件定位的任务就是通过各种定位元件限制工件的自由度，以满足工序的加工精度要求。

（1）常见加工形式中应限制的自由度（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）工件以圆柱孔定位（表2-30）

（3）工件以外圆柱面定位（表2-31）

（4）工件以外圆柱定位（表2-32）

4．定位的种类（表2-33）

（二）工件的夹紧

工件定位后将其固定，使其在加工过程中保持定位位置不变的装置称为夹紧装置。

1．夹紧装置的组成

夹具中的夹紧装置一般由动力源和夹紧机构两个部分组成，见表2-34。

2．夹紧装置的设计要求

夹紧装置的设计和选用是否正确合理，对保证加工精度、提高生产效率、减轻工人劳动强度有很大影响。为此，对夹紧装置提出如下基本要求：

① 夹紧力应有助于定位，而不应破坏定位；

② 夹紧力的大小应能保证加工过程中工件不发生位置变动和振动，并能在一定范围内调节；

③ 工件在夹紧后的变形和受压表面的损伤不应超出允许范围；

④ 应有足够的夹紧行程；

⑤ 手动时应有自锁性能；

⑥ 结构简单紧凑、动作灵活，制造、操作、维护方便，省力、安全并有足够的强度和刚度。

3．夹紧力的确定

正确确定夹紧力，主要是确定夹紧力的方向、作用点和大小，其具体说明见表2-35。

二、工件的装夹

（一）在三爪自定心卡盘上安装工件

三爪自定心卡盘的三个卡爪是同步运动的，能自动定心（一般不需要找正）。但在安装较长工件时，工件离卡盘夹持部分较远处的旋转中心不一定与车床主轴中心重合，这时必须找正。或当三爪自定心卡盘使用时间较长，已失去应有精度，而工件的加工精度要求又较高时，也需要找正。总的要求是，要使工件的回转中心与车床主轴的回转中心重合。通常可采用以下几种方法：

① 粗加工时可用目测和划线找正工件毛坯表面；

② 半精车、精车时可用百分表找正工件外圆和端面；

③ 装夹轴向尺寸较小的工件时，还可以先在刀架上装夹一圆头铜棒，再轻轻夹紧工件，然后使卡盘低速带动工件转动，移动床鞍，使刀架上的圆头棒轻轻接触已粗加工的工件端面，观察工件端面大致与轴线垂直后即停止旋转，并夹紧工件，如图2-48所示。

（二）在四爪单动卡盘上安装工件

1.结构特征

四爪单动卡盘有四个各自独立运动的卡爪1、2、3和4，如图2-49所示，它们不像三爪自定心卡盘的卡爪那样同时一起做径向移动。四个卡爪的背面都有半圆弧形螺纹与丝杠啮合，在每个丝杠的顶端都有方孔，用来插卡盘钥匙的方榫，转动卡盘钥匙，便可通过丝杠带动卡爪单独移动，以适应所夹持工件的大小。通过四个卡爪的相应配合，可将工件装夹在卡盘中，与三爪自定心卡盘一样，卡盘背面有定位台阶（止口）或螺纹（老式车床用的连接）与车床主轴上的连接盘连接成一体。它的优点是夹紧力较大，装夹精度较高，不受卡爪磨损的影响。因此，适用于装夹形状不规则或大型的工件。

2．四爪单动卡盘装夹操作须知

① 应根据工件被装夹处的尺寸调整卡爪，使其相对两爪的距离略大于工件直径即可。

② 工件被夹持部分不宜太长，一般以10～15mm为宜。

③ 为了防止工件表面被夹伤和找正工件时方便，装夹位置应垫0.5mm以上的铜皮。

④ 在装夹大型、不规则工件时，应在工件与导轨而之间串放防护小板，以防工件掉下，损坏机床表面。

3．找正工件

四爪单动卡盘的四个卡爪是各自单独运动的。因此，在安装工件时，必须将工件的旋转中心找正到与车床主轴旋转中心重合后才可车削。找正工件方法见表2-36。

（三）一夹一顶装夹

由于两顶尖装夹刚性较差，因此在车削轴类零件，尤其是较重的工件时，常采用一夹一顶装夹。为了防止工件轴向位移，需在卡盘内装一限位支承，如图2-53（a）所示，或利用工件的台阶作限位，如图2-53（b）所示。由于一夹一顶装夹刚性好，轴向定位准确，且比较安全，能承受较大的轴向切削力，因此应用广泛。

（四）在两顶尖之间安装工件

对于较长或必须经过多道工序才能完成的工件（如长轴、长丝杠等），为保证每次安装时的精度，可用车床的前后顶尖装夹，其装夹形式如图2-54所示。工件由前顶尖和后顶尖定位，用鸡心夹头夹紧，并带动工件同步运动。

两顶尖安装工件方便，不需找正，而且定位精度高，但装夹前必须在工件的两端钻出合适的中心孔。

（五）中心孔及其加工

用顶尖装夹工件时，必须先在工件的端面上加工出中心孔。

1.中心孔的类型及选用

国家标准GB/T 145—2001规定，中心孔有A型（不带护锥）、B型（带护锥）、C型（带护锥和螺纹）和R型（弧形）四种，其类型、结构和用途见表2-37。

中心孔的基本尺寸为圆柱孔的直径D，它是选取中心钻的依据。圆柱孔可储存润滑脂，并能防止顶尖头部触及工件，保证顶尖锥面和中心孔锥面配合贴切，以达到正确定心。

2．用中心钻钻中心孔

圆柱孔直径d≤6.3mm的中心孔，常用高速钢制成的中心钻直接钻出（表2-32）；d＞6.3mm的中心孔，常用锪孔或车孔等方法加工。用中心钻钻中心孔的类型及说明见表2-38。

3．中心钻折断的原因及预防

钻中心孔时，由于中心钻切削部分的直径很小，承受不了过大的切削力，稍不注意就会折断。如果中心钻折断，必须从中心孔中取出，并将中心孔修整后才能继续加工。导致中心钻折断的原因及预防措施如下。

（1）原因

① 中心钻轴线与工件旋转轴线不一致；

② 工件端面不平整或中心处留有凸头；

③ 工件转速太低而中心钻进给太快；

④ 中心钻已磨损；

⑤ 切屑堵塞。

（2）预防措施

① 校正尾座轴线，使之和主轴轴线重合；

② 将工件端面车平；

③ 选用较高的工件转速，降低进给速度；

④ 及时修磨或调换中心钻；

⑤ 多次退刀，注入充分的切削液。

4．顶尖的种类

顶尖的作用是确定中心、承受工件重力和切削力，根据其位置分为前顶尖和后顶尖。

（1）前顶尖

前顶尖有装夹在主轴锥孔内的前顶尖和在卡盘上车成的前顶尖两种结构，如图2-55所示。工作时前顶尖随同工件一起旋转，与中心孔无相对运动，因此不产生摩擦。

（2）后顶尖

后顶尖有固定顶尖和同转顶尖两种。固定顶尖的结构如图2-56（a）、（b）所示，其特点是刚度好，定心准确；但与工件中心孔之间为滑动摩擦，容易产生过多热量而将中心孔或顶尖“烧坏”，尤其是普通固定顶尖［图2-56（a）］。因此，固定顶尖只适用于低速、加工精度要求较高的工件。目前，多使用镶硬质合金的固定顶尖如图2-56（b）所示。回转顶尖如图2-56（c）所示，它可使顶尖与中心孔之间的滑动摩擦变成顶尖内部轴承的滚动摩擦，故能在很高的转速下正常工作，克服了固定顶尖的缺点，因此应用非常广泛。但是，由于回转顶尖存在一定的装配累积误差，且滚动轴承磨损后会使顶尖产生径向圆跳动，从而降低了定心精度。

（六）装夹工件时应注意的事项

① 前后顶尖的中心线应与车床主轴轴线同轴，否则车出的工件会产生锥度如图2-57所示。

② 在不影响车刀切削的前提下，尾座套筒应尽量伸出短些，以增加刚度，减少振动。

③ 中心孔的形状应正确，表面粗糙度要小。装入顶尖前，应清除中心孔内的切屑或异物。

④ 两顶尖与中心孔的配合必须松紧适当。

⑤ 当后顶尖用固定顶尖时，应在中心孔内加入润滑脂，以防温度过高而“烧坏”顶尖或中心孔。

⑥ 用三爪卡盘装夹较长工件时，必须将工件的轴线找正到与主轴轴线重合。

三、常用夹具及夹具设计

（一）车床夹具的定义

车床夹具作为一种附加装置，既要与主轴定心轴颈相连接，又要装夹工件，使车床（主轴定心轴颈或尾座锥孔）—工件—刀具之间的车削加工能保持高效、便捷、安全地进行。可以认为，车床夹具是用以连接主轴定心轴颈或尾座锥孔、装夹工件（和引导刀具）的装置。

（二）车床夹具的功能和作用

1．车床夹具的功能

车床夹具的主要功能就是在车削加工工件的过程中，按照正确的位置和方向，稳定可靠地装夹工件。即使工件在加工过程中受到切削力和其他外力的影响，仍能始终保持工件被装夹在正确的位置和方向。同时，车床夹具应保证工件不致因受夹紧力的影响而造成尺寸精度或形状位置精度超过允许范围。

2．车床夹具的作用

在车削加工件的过程中，车床夹具的主要作用就是缩短辅助时间，提高劳动生产率；可靠装夹工件，保证加工精度；改善劳动条件，降低劳动强度，有利于安全文明生产和工艺纪律的贯彻执行。

（三）车床组合夹具和成组夹具

1．车床组合夹具

车床组合夹具组成如图2-58所示。

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。

组合夹具系列型号见表2-39。组合元件类别、品种和规格见表2-40。组合夹具的组装顺序见表2-41。

2．车床成组夹具实例

（1）成组车盘形分布孔夹具

成组车盘形分布孔夹具如图2-59所示。

该夹具适用于加工盘类零件上沿圆周分布的孔。加工零件组简图如图2-60所示。

工件在分度圆盘和可换定位销上定位，用垫片和可调钩形压板分别在中心线和外圆处将工件压紧。一组工件分布孔的分度半径，通过花盘上的定位销，插入滑块上的一组相应的定位孔来进行调整。工件的分度孔是用滑块上插销插入分度圆盘来保证的。

（2）成组车摇臂孔夹具

成组车摇臂孔夹具如图2-61所示。本夹具适用加工摇臂或连杆类零件。加工零件组简图如图2-62所示。

工件以一个加工过的孔和端面在可换定位座上定位和夹紧。通过螺栓使滑块上的卡爪将工件毛坯外圆夹压，即可进行加工。可换定位座可以根据工件两孔中心距的不同，插入安装在夹具体可换定位板适当的孔中进行定位。可换定位板可按工件尺寸的要求更换。尺寸精度可达0.01mm。

（四）车床夹具夹紧装置

1.常用夹紧机构（表2-42）

2.定心夹紧装置（表2-43）

（五）典型车床夹具

1．花盘式车床夹具

花盘式车床夹具的夹具体为圆盘形。多数情况下工件的定位基准为圆柱面和与其垂直的端面。夹具上的平面定位件与车床主轴的轴线相垂直。

回水盖工序图如图2-63所示。本工序加工回水盖上2×G1螺孔。加工要求：两螺孔中心距为78mm±0.3mm，两螺孔的连线与φ9H9两孔的连心线之间的夹角为45°，两螺孔轴线应与底面垂直。

如图2-64所示为花盘式车床夹具。工件以底平面和两个φ9mm孔分别在分度盘3、圆柱销7和削边销6上定位。拧螺母9，由两块螺旋压板8夹紧工件。

车完一个螺孔后，松开三个螺母5，拔出对定销10，将分度盘3回转180°，当对定销10在弹簧的作用下插入另一分度孔中，即可加工另一螺孔。夹具体2以端面和止口在过渡盘1上定位，并用螺钉紧固。为使整个夹具回转时平衡，夹具上配置了配重块11。

2．角铁式车床夹具

夹具体呈角铁状的车床夹具称为角铁式车床夹具，其结构不对称，用于加工壳体、支座、杠杆、接头等零件上的回转面和端面。

图2-65所示为开合螺母车削工序图。

如图2-66所示角铁式车床夹具是镗开合螺母上φ40mm孔的专用夹具。工件的燕尾面和两个φ12mm孔已经加工，两孔距离为（38±0.1）mm，φ40mm孔经过粗加工。本道工序为精镗φ40mm孔及车端面。加工要求是φ40mm孔轴线至燕尾底面C的距离为（45±0.05）mm，φ40mm孔轴线与C面的平行度为0.05mm，加工孔轴线与φ12mm孔的距离为（8±0.05）mm。为贯彻基准重合原则，工件用燕尾面B和C在固定支承板3及活动支承板1上定位（两板高度相等），限制五个自由度；用φ12mm孔与活动菱形销2配合，限制一个自由度。工件装卸时，可从上方推开活动支承板1将工件插入，靠弹簧力使工件靠近固定支承板3，并略推移工件使活动菱形销2弹入定位孔φ12mm内。采用带摆动V形块的回转式螺旋压板机构夹紧。用平衡块来保持夹具的平衡。

3.角度式和移动式车床夹具

（1）角度式车床夹具

如图2-67所示为车工件斜面的角度式车床夹具。工件以底面、底面上的槽及两侧面的孔定位，顶面用螺钉压紧。框架的两个定位平面A、B具有与工件相同的角度α，且对称于轴承的轴线，框架用两个铰链螺钉压紧在定位块上，即可加工具有斜角α的斜面。在加工另一面时，框架翻转180°框架斜面的斜角可根据工件斜角的不同而改变。

（2）移动式车床夹具

如图2-68所示为移动式车床夹具。工件底平面和两侧面定位装夹在角铁上，角铁一侧和定位板一侧的定位螺钉接触定位，车削第一孔mm，当第一孔加工好后，把角铁沿着定位板平行移动（至中心距75mm）到与另一端定位螺钉接触，定位后紧固角铁车第二孔mm。

4.其他形式的车床夹具（表2-44）

（六）车床夹具设计

1.车床夹具的设计要求

车床在高速回转状态下，工件具有离心力和不平衡惯量。因此，夹具的定位基准必须保证工件被加工孔或外圆的轴线与主轴的回转轴线重合。设计车床夹具除满足工序要求外，还要满足表2-45所列要求。

2.车床夹具的设计步骤（表2-46）

3.心轴设计

心轴以工件孔为定位基准，对套、连接盘和杯形工件进行外圆和两端面加工。加工较长和定心精度高的工件，使用顶尖心轴。加工较短较重的大工件时，使用在机床主轴连接端面夹紧的带连接盘心轴。装卸频繁的工件可使用带柄心轴。

心轴的定心结构形式主要有定径式和胀开式两种。

（1）定径式定心结构的心轴

定径式定心结构心轴的种类及选用见表2-47。

（2）胀开式定心结构的心轴

① 胀开式定心结构的心轴的种类及选用见表2-49。

② 弹性心轴和可胀心轴的结构，见表2-50。

4.车床夹具与机床连接的形式（表2-51）

5.车床夹具典型结构的技术要求（表2-52）

（七）车床夹具误差分析

1.定位误差

工件在夹具上定位时，由于工件和定位元件总会有制造误差，因而使工件在夹具中的位置在一定范围内变动而产生定位误差。

定位误差包括定位基准位移误差和基准不重合误差两部分。

（1）定位基准位移误差

例如，工件以孔定位套在心轴上车削外圆，由于孔的制造误差、心轴的制造误差和定位间隙的存在，必然使定位基准产生位移，这种误差称为定位基准位移误差。由图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 ——定位基准位移误差，mm；

δa ——工件孔的制造误差，mm；

δ定 ——心轴的制造误差，mm；

Δ ——最小的定位间隙，mm；

D工最大 ——工件孔的最大直径，mm；

D定最小 ——心轴的最小直径，mm。

（2）基准不重合误差

如图2-70所示的工件，φ25H6孔的设计基准为A。设计夹具时，用A面作为定位基准显然不够稳固，如图2-70 （a）所示。如果用B面来定位，则因定位面较大，比较稳固，如图2-70（b）所示，但由于定位基准B与设计基准A不重合，因此产生了基准不重合误差。

2.夹具误差

夹具误差包括三方面：

① 工件定位误差Δ定；

② 夹具制造、安装误差Δ制、安，其中夹具的制造公差一般不超过工件公差的1/3；

③ 工艺系统的加工误差Δ工，包括工艺系统的受力、受热变形和刀具磨损等。

以上各种误差之和必须不超过工件的公差δa，即：

Δ定＋Δ制、安＋Δ工≤δa

式中 Δ定 ——工件定位误差，mm；

Δ制、安 ——夹具制造、安装误差，mm；

Δ工 ——工艺系统加工误差，mm；

δa ——工件孔的制造公差，mm。