机械设计论文(修订版2)

前 言

毕业设计是大学生毕业前把所学基础知识和专业知识与工程实际相结合，进行综合运用的一次实践，是培养学生创新能力的重要环节。长期以来，毕业设计缺乏系统和规范的设计指导书，造成这一现象的原因是毕业设计题目的多样性和专业领域之间的差异。事实上，就如何运用所学知识进行规范化和科学化的设计，不同机械专业的毕业设计具有多共性的方法体系和都应遵循的基本原则，将这些共同的知识提取和集中起来，对不同专业和不同层次的机械工程类毕业设计都具有普遍的指导意义。

21世纪是中华民族腾飞的新纪元，当代大学生责无旁贷地担负着振兴我国经济、科研和文化水平的重担。在以知识创新为特征的21世纪，培养和造就具有创新意识和综合能力的新一代大学生是我国高等教育的基本方针。毕业设计作为大学生走向岗位前的一次重要的实践性教学环节，一方面，通过毕业设计，大学生将对所学的知识结构进行重新整合，将所学知识与工程问题相结合，掌握一定的设计方法体系和手段，熟悉国家有关标准和规范，积累一定的实践经验，培养分析问题和解决问题的能力，从而全面掌握进行科技创新所必需的知识和技能，这是毕业设计的主要目标。另一方面，毕业设计还是大学

生施展才华、进行创新设计的大好时机，它使同学们可以在所从事的专业领域和具体的设计题目中进行有关创新设计，提出新的科技方案以及解决工程问题的新思路、新工艺或新方法，为科技进步和社会发展奉献自己的聪明才智。

毕业设计是同学们在校学习的最后学习阶段，也是同学们的知识和能力深化和升华的重要过程，同时还是毕业与否的重要依据。同学们不仅应以积极主动的态度完成好毕业设计，还应充分利用毕业设计进行工程实践能力的训练，强化创新意识，以适应将来激烈的竞争环境；同时通过毕业设计实践，培养严肃认真的科学态度、优良的思想品质和严谨求实的工作作风，这样才能在未来的工作岗位上驾轻就熟、不断取得新的成就。

作为高等工科院校教学计划的重要组成部分，毕业设计教学过程是对大学生进行科学教育，强化创新意识和工程意识，进行工程基本训练和提高工程实践能力的重要培养阶段；是对大学生进行综合素质教育，培养严肃认真的科学态度、优良的思想品质和严谨求实的工作作风的重要途径。通过毕业设计教学过程，培养学生树立正确的设计思想和掌握现代化设计方法，使同学们能够综合运用多科学的理论、知识与技能，解决具有一定复杂程度的工程实际问题，并培养学生勇于实践、勇于探索和开拓创新的精神。同时通过毕业设计教学过程，贯

彻理论与实践相结合、教育与科研和生产相结合以及教育与国民经济建设相结合的三个结合，实现毕业设计的教学、教育功能和社会功能。另外毕业设计还是衡量高等学校教育质量和办学效益的重要评价内容。

第一章 工艺分析

一．制定机械加工工艺规程

1． 机械加工工艺规程及其作用



机械加工工艺规程

将制订好的零（部）件的机械加工工艺过程按一定的格式（通常为表格或图表）和要求描述出来，作为指令性技术文件，即为机械加工工艺规程。包括： 机械加工工艺过程卡——为说明零件机械加工工艺过程的工艺文件； 工序卡——对每道工序作详细说明、可直接用于指导工人操作的工艺文件；

检验工序卡——对成批或大量生产中重要检验工序作详细说明、指导检验的工艺文件； 机床调整卡——大批量生产中对由自动线、流水线上的机床以及由自动机或半自动机完成的工序，为调整工提供机床调整依据的工艺文件。 

机械加工工艺规程的格式

不同的生产类型对工艺规程的要求不同。

单件小批生产由于生产的分工较粗，通常只需说明零件的加工工艺路线（即其加工工序顺序），填写工艺过程卡。

对于大批量生产，因其生产组织严密、分工细致，工艺规程应尽量详细，要求对每道加工工序的加工精度、操作过程、切削用量、使用的设备及刀、夹、量具等均作出具体规定。因此除了工艺过程卡外，还应有相应的加工工序。此外，必要时还需要检验工序卡和机床调整卡。

中小批量生产经常采用机械加工工艺卡，其详细程度介于工艺过程卡和加工工序卡之间。

2. 机械加工工艺规程及其作用（续）

机械加工工艺规程的作用

1. 工艺规程是指导生产的主要技术文件

机械加工车间生产的计划、调度，工人的操作，零件的加工质量检验，加工成本的核算，都是以工艺规程为依据的。处理生产中的问题，也常以工艺规程作为共同依据。如处理质量事故，应按工艺规程来确定各有关单位、人员的责任。 2. 工艺规程是生产准备工作的主要依据

车间要生产新零件时，首先要制订该零件的机械加工工艺规程，再根据工艺规程进行生产准备。如：新零件加工工艺中的关键工序的分析研究；准备所需的刀、夹、量具（外购或自行制造）；原材料及毛坯的采购或制造；新设备的购置或旧设备改装等，均必须根据工艺来进行。

3. 工艺规程是新建机械制造厂（车间）的基本技术文件

新建（改.扩建）批量或大批量机械加工车间（工段）时，应根据工艺规程确定所需机床的种类和数量以及在车间的布置，再由此确定车间的面积大小、动力和吊装设备配置以及所需工人的工种、技术等级、数量等。

3. 机械加工工艺规程的设计原则及所需的原始资料



机械加工工艺规程的设计原则

1. 编制工艺规程应以保证零件加工质量，达到设计图纸规定的各项技术要求为前提。

2. 在保证加工质量的基础上，应使工艺过程有较高的生产效率和较低的成本。 3. 应充分考虑和利用现有生产条件，尽可能作到均衡生产。 4. 尽量减轻工人劳动强度，保证安全生产，创造良好、文明劳动条件。

5. 积极采用先进技术和工艺，力争减少材料和能源消耗，并应符合环境保护要求。 

制订机械加工工艺规程所需的原始资料

. 制订零件的机械加工工艺规程时，需具备下列原始资料： 1). 产品的全套装配图及零件图。 2). 产品的验收质量标准。 3). 产品的生产纲领及生产类型。

4). 零件毛坯图及毛坯生产情况。零件毛坯图通常由毛坯车间技术人员设计。机械加工工艺人员应研究毛坯图并了解毛坯的生产情况，如了解毛坯的余量、结构工艺性、铸件的分型面和浇冒口位置、模锻件的出模斜度和飞边位置等，以便正确选择零件加工时的装夹部位和装夹方法，合理确定工艺过程。

5). 本厂（车间）的生产条件。 应全面了解工厂（车间）设备的种类、规格和精度状况，工人的技术水平，现有的刀、夹、量具规格，以及专用设备、工艺装备的设计制造能力，等等。

6). 各种有关手册、标准等技术资料。

7). 国内外先进工艺及生产技术的发展与应用情况。

4. 加工工艺规程的设计步骤

1. 分析零件工作图和产品装配图

阅读零件工作图和产品装配图，以了解产品的用途、性能及工作条件，明确零件在产品中的位置、功用及其主要的技术要求。 2. 工艺审查

主要审查零件图上的视图、尺寸和技术要求是否完整、正确；分析各项技术要求制订的依据，找出其中的主要技术要求和关键技术问题，以便在设计工艺规程时采取措施予以保证；审查零件的结构工艺性（参见2.6节）。 3. 确定毛坯的种类及其制造方法

常用的机械零件的毛坯有铸件、锻件、焊接件、型材、冲压件以及粉末冶金、成型轧制件等。零件的毛坯种类有的已在图纸上明确，如焊接件。有的随着零件材料的

选定而确定，如选用铸铁、铸钢、青铜、铸铝等，此时毛坯必为铸件，且除了形状简单的小尺寸零件选用铸造型材外，均选用单件造型铸件。对于材料为结构钢的零件，除了重要零件如曲轴、连杆明确是锻件外，大多数只规定了材料及其热处理要求，这就需要工艺规程设计人员根据零件的作用、尺寸和结构形状来确定毛坯种类。如作用一般的阶梯轴，若各阶梯的直径差较小，则可直接以圆棒料作毛坯；重要的轴或直径差大的阶梯轴，为了减少材料消耗和切削加工量，则宜采用锻件毛坯。常用毛坯的特点及适用范围见表5-4。  4. 拟定机械加工工艺路线

这是机械加工工艺规程设计的核心部分，其主要内容有：选择定位基准；确定加工方法；安排加工顺序以及安排热处理、检验和其它工序等（见5.2和5.3节）。 5. 确定各工序所需的机床和工艺装备

工艺装备包括夹具、刀具、量具、辅具等。机床和工艺装备的选择应在满足零件加工工艺的需要和可靠地保证零件加工质量的前提下，与生产批量和生产节拍相适应，并应优先考虑采用标准化的工艺装备和充分利用现有条件，以降低生产准备费用。对必须改装或重新设计的专用机床、专用或成组工艺装备，应在进行经济性分析和论证的基础上提出设计任务书。

6. 确定各工序的加工余量，计算工序尺寸和公差。  7. 确定切削用量。 8. 确定各工序工时定额。

9. 评价工艺路线 对所制定的工艺方案应进行技术经济分析，并应对多种工艺方案进

行比较，或采用优化方法，以确定出最优工艺方案。 10. 填写或打印工艺文件。

二． 定位基准的选择

拟订加工路线的第一步是选择定位基准。定位基准的选择合理与否，将直接影响所制

订的零件加工工艺规程的质量。基准选择不当，往往会增加工序，或使工艺路线不合理，或使夹具设计困难，甚至达不到零件的加工精度（特别是位置精度）要求。 

粗基准选择一般应遵循以下原则：

(1)保证相互位置要求原则

如果首先要求保证工件上加工面与不加工面的相互位置要求，则应以不加工面作为粗基准。

(2)余量均匀分配原则

如果首先要求保证工件某重要表面加工余量均匀时，应选择该表面的毛坯面作为粗基准。

1. 粗基准的选择 (续）

上述两个原则是选择粗基准时最主要的原则。这两个原则常常是相互矛盾的，需根据具

体情况加以选择。

除上述两个原则外，选择粗基准时还要考虑以下两点：

（1）便于工件装夹原则

要求选用的粗基准面尽可能平整、光洁，且有足够大的尺寸，不允许有锻造飞边、铸造浇、冒口或其它缺陷。也不宜选用铸造分型面作粗基准。 （2）粗基准一般不得重复使用原则

因为粗基准本身是毛坯表面，精度和粗糙度均较差，如果在两次装卡中重复使用同一粗基准，就会造成两次加工出的表面之间出现较大的位置误差。

2. 精基准选择原则

选择精基准的两条主要原则

（1）基准重合原则 

应尽量选择加工表面的设计基准作为精基准，即谓\基准重合\原则。这样可避免由于基准不重合而产生的定位误差。在对加工面位置尺寸和位置关系有决定性影响的工序中，特别是当位置公差要求较严时，一般不应违反这一原则。否则，将由于存在基准不重合误差，而增大加工难度。

三． 工艺路线的拟定

1．加工经济精度与加工方法的选择



加工经济精度

指在正常的加工条件下（采用符合质量标准的设备和工艺装备，使用标准技术等级的工人、不延长加工时间），一种加工方法所能保证的加工精度和表面粗糙度。 

加工精度与成本的关系

任何一种加工方法的加工精度与加工成本之间有如图图5-14所示关系。图中δ为加工误差，表示加工精度，C表示加工成本。由图中曲线可知，两者关系的总趋势是加工成本随着加工误差的下降而上升，但在不同的误差范围内成本上升的比率不同。A点左侧曲线，加工误差减少一点，加工成本会上升很多；加工误差减少到一定程度，投入的成本再多，加工误差的下降也微乎其微，这说明某种加工方法加工精度的提高是有极限的（图中δL）。在B点右侧，即使加工误差放大许多，成本下降却很少，这说明对于一种加工方法，成本的下降也是有极限的，即有最低成本（图中CL）。只有在曲线的AB段，加工成本随着加工误差的减少而上升的比率相对稳定。可见，只有当加工误差等于曲线AB段对应的误差值时，采用相应的加工方法加工才是经济的，该误差值所对应的精度即为该加工方法的经济精度。因此，加工经济精度是指一个精度范围而不是一个值。

图5-14工精度与加工成本的关系 

加工精度与年代的关系

图5-15 加工精度与年代的关系

各种加工方法的经济精度随年代增长和技术进步而不断提高,见图5-15。

表5-5,表5-6,表5-7分别给出了外圆表面，内孔及平面加工中各种加工方法所对应的经济加工精度和表面粗糙度。表5-8为常用机床加工的形位精度，可供选择时参考。

2．典型表面的加工路线

外圆表面的加工路线

图5-16给出了外圆表面的典型加工路线，以及路线中各工序所能达到的精度和粗糙度。这些路线可概括成四条基本路线：

1. 粗车-半精车-精车 这是应用最广泛的一条工艺路线。只要工件材料可以进行切削加工，精度要求不高于IT7、粗糙度Ra ≥ 0.8μm的零件表面，均可采用此加工路线。如果精度要求较低，可只取到半精车，甚至只取到粗车。

2. 粗车-半精车-粗磨-精磨 此工艺路线主要用于黑色金属材料，特别是结构钢零件和半精车后有淬火要求的零件。表面精度要求不高于IT6、粗糙度Ra 值不小于0.16μm的外圆表面，均可安排此工艺路线。

3．粗车-半精车-粗磨-精磨-光整加工 若采用第二条工艺路线仍不能满足精度、尤其是粗

糙度的要求，可采用此工艺路线，即在精磨以后增加一道光整加工工序。常用的光整加工方法有研磨、砂带磨削、低粗糙度磨削、超精加工以及抛光等。

4. 粗车-半精车-精车-金刚石车 此加工路线主要适用于工件材料不宜采用磨削加工的高精度外圆表面，如铜、铝等有色金属及其合金以及非金属材料的零件表面。   

?

图5-16 外圆表面的典型加工工艺路线

3．典型表面的加工路线（续）

孔的加工路线

图5-17是典型的孔的加工路线框图。可把它归纳为以下四条基本的加工路线： 1) 钻（粗镗）-粗拉-精拉 此加工路线多用于大批量生产中加工盘套类零件的圆孔、单键孔和花键孔。加工出的孔的尺寸精度可达IT7，且加工质量稳定，生产效率高。当工件上无铸出或锻出的毛坯孔时，第一道工序安排钻孔；若有毛坯孔，则安排粗镗孔；如毛坯孔的精度好，也可直接拉孔。

2) 钻-扩-铰 此工艺路线主要用于直径D＜φ50mm的中小孔加工，是一条应用最为广泛的加工路线，在各种生产类型中都有应用。加工后孔的尺寸精度通常达IT6～8，表面粗糙度Ra 0.8～3.2μm。若尺寸﹑形状精度和粗糙度要求还要高，可在机铰后安排一次手铰。由于铰削加工对孔的位置误差的纠正能力差，因此孔的位置精度主要由钻-扩来保证；位置精度要求高的孔不宜采用此加工方案。

3) 钻（粗镗）-半精镗-精镗-浮动镗（或金刚镗） 这也是一条应用非常广泛的加工路线，在各种生产类型中都有应用。用于加工未经淬火的黑色金属及有色金属等材料的高精度孔和孔系（IT5～7级，Ra0.16～1.25μm）。与钻-扩-铰工艺路线不同的是： 1.所能加工的孔径范围大，一般孔径D≥φ18mm即可采用装夹式镗刀镗孔； 2.加工出孔的位置精度高，如金刚镗多轴镗孔，孔距公差可控制在±0.005～±0.01mm，常用于加工位置精度要求高的孔或孔系，如连杆大小头孔，机床主轴箱孔系等。

4) 钻（粗镗）-半精镗-粗磨-精磨-研磨（或珩磨） 这条工艺路线用于黑色金属特别是淬硬零件的高精度的孔加工。其中研磨孔的原理和工艺与前述外圆研磨相同，只是此时研具是一圆棒。

图5-17 孔的典型加工工艺路线

4．典型表面的加工路线（续）

平面加工路线

图5-18为常见平面加工路线框图，可概括为五条基本工艺路线：

1) 粗铣-半精铣-精铣-高速精铣 铣削是平面加工中用得最多的方法。若采用高速精铣作为终加工，不但可达到较高的精度，而且可获得较高的生产效率。高速精铣的工艺特点是：高速（Vc= 200～300m/min），小进给（f = 0.03～0.10 mm / Z）,小吃深（ap＜2 mm＝，其精度和效率，主要取决于铣床的精度和铣刀的材料﹑结构和精度，以及工艺系统的刚度。 2) 粗刨-半精刨-精刨-宽刀精刨或刮研 此工艺路线以刨削加工为主。通常，刨削的生产率较铣削低，但机床运动精度易于保证刨刀的刃磨和调整也较方便，故在单件小批生产﹑特别在重型机械生产中还应用较多。

宽刀精刨可以达到较高的精度和较低的表面粗糙度，在大平面精加工中用以代替刮研。 刮研是获得精密平面的传统加工方法，由于其生产率低，劳动强度大，已逐渐被其它机械加工方法代替，但在单件小批生产中仍普遍采用。

3) 粗铣（刨）-半精铣（刨）-粗磨-精磨-研磨﹑精密磨﹑砂带磨或抛光 此工艺路线主要用于淬硬表面或高精度表面的加工，淬火工序可安排在半精铣（刨）之后。

4) 粗拉-精拉 这是一条适合于大批量生产的加工路线，主要特点是生产率高，特别是对台阶面或有沟槽的表面，优点更为突出。如发动机缸体的底平面﹑曲轴轴瓦的半圆孔及分界面，都是一次拉削完成的。由于拉削设备和拉刀价格昂贵，因此只有在大批量生产中使用才经济。

5) 粗车-半精车-精车-金刚石车 此加工路线主要用于有色金属零件的平面加工，这些零件有时就是外圆或内孔的端面。如果是黑色金属，则在精车以后安排精磨﹑砂带磨等工序。

图5-18 平面加工路线

5． 加工阶段的划分

加工阶段的划分

为了保证零件的加工质量﹑生产效率和经济性，通常在安排工艺路线时，将其划分成几个阶段。对于一般精度零件，可划分成粗加工﹑半精加工和精加工三个阶段。对精度要求高和特别高的零件，还需安排精密加工（含光整加工）和超精密加工阶段。各阶段的主要任务是：

1）粗加工阶段 主要去除各加工表面的大部分余量，并加工出精基准。

2）半精加工阶段 减少粗加工阶段留下的误差，使加工面达到一定的精度，为精加工做好准备，并完成一些精度要求不高表面的加工。

3）精加工阶段 主要是保证零件的尺寸﹑形状﹑位置精度及表面粗糙度，这是相当关键的加工阶段。大多数表面至此加工完毕，也为少数需要进行精密加工或光整加工的表面做好准备。

4）精密和超精密加工阶段 精密和超精密加工采用一些高精度的加工方法，如精密磨削﹑珩磨﹑研磨﹑金刚石车削等，进一步提高表面的尺寸、形状精度，降低表面粗糙度，最终达到图纸的精度要求。详见7.2节。

划分加工阶段的好处

1）有利于保证零件的加工质量。

2）便于及时发现毛坯的缺陷，可以避免以后精加工的经济损失。 3）可以合理安排加工设备和操作工人，有利于延长精加工设备的寿命。 4）便于组织生产。

6． 加工顺序的安排

机械加工工序顺序的安排原则

在安排加工顺序时一般应遵循以下原则：

1) 先基准面后其它 应首先安排被选作精基准的表面的加工，再以加工出的精基准为定位基准，安排其它表面的加工。该原则还有另外一层意思，是指精加工前应先修一下精基准。

例如，精度要求高的轴类零件，第一道加工工序就是以外圆面为粗基准加工两端面及顶尖孔，再以顶尖孔定位完成各表面的粗加工；精加工开始前首先要修整顶尖孔，以提高轴在精加工时的定位精度，然后再安排各外圆面的精加工。

2) 先粗后精 这是指先安排各表面粗加工，后安排精加工。

3) 先主后次 主要表面一般指零件上的设计基准面和重要工作面。这些表面是决定零件质量的主要因素，对其进行加工是工艺过程的主要内容，因而在确定加工顺序时，要首先考虑加工主要表面的工序安排，以保证主要表面的加工精度。在安排好主要表面加工顺序后，常常从加工的方便与经济角度出发，安排次要表面的加工。例如，图5.5所示的车床主轴箱体工艺路线，在加工作为定位基准的工艺孔时，可以同时方便地加工出箱体顶面上所有紧固孔，故将这些紧固孔安排在加工工艺孔的工序中进行加工。此外，次要表面和主要表面之间往往有相互位置要求，常常要求在主要表面加工后，以主要表面定位进行加工。

7． 加工顺序的安排（续）

热处理和表面处理工序的安排

1）为改善材料切削性能而进行的热处理工序（如退火、正火等），应安排在切削加工之前进行。

2）为消除内应力而进行的热处理工序（如退火、人工时效等），最好安排在粗加工之后，精加工之前进行；有时也可安排在切削加工之前进行。

3）为改善工件材料的力学物理性质而进行的热处理工序（如调质、淬火等）通常安排在粗加工后、精加工前进行。其中渗碳淬火一般安排在切削加工后，磨削加工前进行。而表面淬火和渗氮等变形小的热处理工序，允许安排在精加工后进行。

4）为了提高零件表面耐磨性或耐蚀性而进行的热处理工序以及以装饰为目的的热处理工序或表面处理工序（如镀铬、镀锌、氧化、煮黑等）一般放在工艺过程的最后。

检验工序的安排

在工艺规程中，应在下列情况下安排常规检验工序:

1）重要工序的加工前后；

2）不同加工阶段的前后，如粗加工结束﹑精加工前；精加工后﹑精密加工前； 3) 工件从一个车间转到另一个车间前后； 4）零件的全部加工结束以后。

8． 加工顺序的安排（续）

工序的集中与分散

零件的加工顺序确定以后，在确定各工序的具体加工内容时，可有两种设计思路：一种是工序数多而各工序的加工内容少，称之为工序分散；另一种是工序数少而各工序的加工内容多，称之为工序集中。

工序集中特点

1）在一次安装中可加工出多个表面，不但减少了安装次数，而且易于保证这些表面之间的位置精度；

2）有利于采用高效的专用机床和工艺装备；

3）所用机器设备的数量少，生产线的占地面积小，使用的工人也少，易于管理； 4）机床结构通常较为复杂，调整和维修比较困难。

工序分散的特点是:

1）使用的设备较为简单，易于调整和维护； 2）有利于选择合理的切削用量；

3）使用的设备数量多，占地面积较大，使用的工人数量也多。

工序集中与工序分散的应用

工序设计时究竟是采取工序分散还是工序集中，应根据生产纲领﹑零件的技术要求﹑产品的市场前景以及现场的生产条件等因素综合考虑后决定。

传统的流水线、自动线生产，多采用工序分散的组织形式（个别工序亦有相对集中的情况，例如，箱体类零件采用组合机床加工孔系），对于大批量生产而言，这种组织形式可以获得高的生产效率和低的生产成本，缺点是柔性差，转换困难。对于多品种、中小批量生产，为便于转换和管理，多采用工序集中方式。数控加工中心采用的便是典型的工序集中方式。由于市场需求的多变性，对生产过程的柔性要求越来越高，工序集中将越来越成为生产的主流方式。

一．毛坯及加工余量确定

一） 毛坯成型用脱压射箱式

特点：射砂方式填砂和预紧实，高压压实，铸件尺寸精确，附机多，砂箱精度要求高，与多触头式相比，机器结够简单，生产率更高。适用于大量生产铸件。 二） 毛坯尺寸的确定

选公差等级为IT7

查表的：加工余量——顶，侧面加工余量为7.0mm 底面为5.0mm 由此确定毛坯尺寸为：L=594 K=89

H=37（图略）

二．铣削用量的确定

一）铣毛坯各表面，确定铣刀种类和尺寸

A 查表的上下面用硬质合金面铣刀 d0=100—125 选d0=100

查表（简要机械加工工艺手册）表知

铣削宽度 ： ae约为 90mm 取 ae=89mm 铣削深度 ： ap=5mm

B 侧面用高速钢圆柱铣刀

d 0=0—100 d0=80 ae = 8 ae=6

ap=90 ap=37

C 进给量确定

a．面铣刀 牌号YT5，应用机床功率5—12KW

每齿进给量af=0.12—0.18（mm/s）取af=0.12，齿数Z=9

粗铣：转速为150mm/s vf=af n0 z

=0.12*150*9 =162mm/s 半精铣：转速为300r/s 查表取 f=1.0 Vf=fn0 =1.0*300 =300mm/s b．圆柱铣刀进给速度

z=8 查表得af=0.15 s=n0=150 粗铣 v=afn0z =0.15*150*8 =180

半精铣 vf=f n0 s=n0=300 f=1.0 D 确定切削速度v

高速钢铣刀 v=0.40—0.6m/s 硬质合金铣刀v=1.83—1.92m/s

E 计算铣削力 查表11-29得l_m0901@163.com a 面铣刀

1.00.74 Fz=9.81*54.5aa

fea

0.9pzd

?1.00

=4758.35*89*0.208*40257*9*100

=379.2 N b 圆柱铣刀 F=9.81*58*a

0.9ea

0.8fa

1.0pzd

?0.90

=568.98*6

0.9*0.15

0.8*37*8*80

?0.9

=3534.02N

三 . 钻削用量

1）选钻床，钻头

查表，采用硬质合金YGB钻头 d=12 选用Z525钻床 2）选切削用量

切削 ap=d0/2=12/2=6

进给量，查表11-11得 f=0.35—0.40

切削速度，查表11-13 v=0.9m/s 主轴转速

n=1000v/d=1000*0.9/3014*12=23.89 取v=24r/s，实际切削速度

V=3.14*12*24/1000=0.904m/s

3）计算钻削力，扭矩及功率，按表11-14得 轴向力 F=Cfd

xm

0f

ymkm*10?3

0.8 =588.6*12*0.*0.9

=706.32*0.432*0.9 =274

xm（N）

ym扭矩 M =cmd

f

km*10

?3

0=225.63*12

1.9*0.9

0.8*0.87

?3 =196.298*112.3*0.92*10 =20.1（N.m）

钻削功率 p

m=2л

Mn10?3

=2*3.14*20.1*23.89*10?3

=3.02（kw）

上述计算结果与机床允许值相比均符合。 确定采用切削用量：f =0.35

V=0.904m/s n =23.89r/s

上述加工完成后对直径为12的孔进行扩孔止13 加工直径为13的孔完成。

第三章 机床夹具设计

一. 机床夹具概述

机床夹具简称夹具，是指对工件进行定位和夹紧的工艺装备的统称，它广泛应用于工件的焊接、热处理、机械加工、检测、装配等环节。例如：焊接夹具、热处理夹具、机床夹具、检验夹具、装配夹具等。作为夹具，在设计原理上它们存在着共性。例如：均设计有定位元件，一般也有夹紧装置等。但由于应用场合有异，它们在设计中也有各自的特殊性。例如：检验夹具和机床夹具对定位精度要求较高，其它夹具对定位精度要求一般较低等。本章主要介绍机床夹具及其设计原理。

1. 机床夹具的工作原理及其功用

1. 机床夹具的工作原理 由前所述，工件在机床上的装夹方法有三种：直接找正装夹；划线找正装夹；专用夹具装夹。下面借助一个实例，说明工件在专用夹具上如何通过装夹并保证其工序加工精度要求。

图11-1是一套筒零件简图，其机械加工工艺过程见表11-1。由表可知，除工序05采用通用夹具三爪自定心卡盘外，其余工序均需要专用夹具对工件进行装夹。

表11-1 零件加工工艺过程 工序号 工 序 内 容 粗车外圆及端面C；调头，半精车05 外圆，粗、精车B面，粗、精镗孔φ80H7及φ40H7 图① 工 序 简 图 机床 车床 夹 具 三爪自定心卡盘 备 注 此为小批量加工工艺安排 精车外圆，切槽，精车端面C保证10 尺寸48±0.2 图② 车床 车床夹具 钻3－φ6H9孔 15 图③ 钻床 钻床夹具 铣扁保证尺寸82±0.1 20 图④ 铣床 铣床夹具 图11-2为工序15中钻3－φ6H9孔的钻床夹具。工件以内孔和端面在心轴2及其肩面上定位，采用螺母10和开口垫圈9可实现对工件的快速装卸。

本工序加工中，被加工孔的尺寸精度（φ6H9）直接由定尺寸刀具保证，尺寸36±0.03mm的精度通过钻套对刀具的引导加以保证，而3－φ6H9孔的相互位置则由夹具上设置的分度装置保证。

通过上例应当看到：利用专用夹具装夹，能够保证的是工件上的面与面之间的尺寸（位置尺寸）和位置精度，它不能保证加工面本身的尺寸及形状精度。

利用专用夹具装夹保证工件加工精度时应注意下列几点：

① 工件在夹具中的定位和夹紧。工件定位面必须与定位元件定位面相接触或配合，以保证工件相对于夹具的准确几何位置关系，并通过夹紧使这一位置关系在加工过程中不致由于其它作用力而发生变化。

② 刀具在机床上的装夹。刀具在机床上安装时，也需要定位和夹紧，刀具相对于机床也必须要保证有准确的几何位置关系。刀具一般是通过辅助工具（简称辅具）安装在机床上。

③ 夹具在机床上的安装与调整，其最终目的是为了保证工件和刀具之间的准确几何位置

关系。如图11-2所示钻床夹具在机床上安装调整时，必须首先保证麻花钻与钻套的相互位置要求，然后用连接元件将夹具固定在机床上即可。

2. 机床夹具的功用 通过上面实例不难看出：工件成批量加工中，广泛采用专用夹具装夹。专用夹具的功用主要表现在下列几个方面：

① 能够可靠地保证工件的加工精度，减少人为因素影响；

② 可大大地缩短工件装夹时间，提高劳动生产率，进而降低工件生产成本； ③ 可以扩大机床的工艺范围；

④ 可以改善工人的劳动条件，降低劳动强度。

2. 机床夹具的分类与组成

1. 机床夹具的分类 研究夹具分类的目的是为了更好的了解各类夹具的不同特点和应用范围，进而掌握各类夹具设计中的普遍性原理和特殊性问题。常采用的机床夹具分类方法有三种：按机床分类，按夹紧动力源分类和按夹具用途、特点分类。

当按夹具用途、特点分类时，机床夹具分为下列几类：

（1） 通用夹具 指具有较高通用性的夹具，其结构尺寸已经系列化。这类夹具有专门厂家生产制造，有些已经作为机床附件随机床一起供应。如：三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘、虎钳等。通用夹具均具有适应性强、成本低、可缩短生产准备周期的优点；但其效率较低、定位精度较差也是不容忽视的。因此，通用夹具多用于加工精度要求不高、生产类型属中、小批和单件生产的场合。

（2） 专用夹具 针对某一工件的某一工序的加工精度要求而专门设计、制造的夹具称为专用夹具。由于具有非常高的针对性，所以其效率很高，结构紧凑，定位精度较高；但制造周期较长，成本较高，不具有通用性。同时，高的针对性也决定了专用夹具一般由使用单位自行设计、制造。专用夹具多用于生产批量较大场合；小批量生产中，当工件加工精度较高或加工困难时也采用专用夹具。

（3） 可调夹具 通过更换和调整夹具上的个别元件，就可满足相同或相似类型、但具有不同结构尺寸工件装夹需要的一类夹具称为可调夹具。可调夹具又分为通用可调夹具和成组夹具两种。通用可调夹具是指具有一定通用性的可调夹具，如：滑柱钻模；成组夹具是专门应用于成组工艺的夹具，要求夹具在同组工件装夹中能够可调。

（4） 组合夹具 由预先制造好的标准元件、合件组装而成的夹具，组成夹具的元件、合件可多次拆装，重复利用。组合夹具的特点就是夹具组装极快；可减少夹具品种，降低夹具的保管、维护费用；可降低工件的加工成本。因此，组合夹具非常适合于新产品的开发试制和单件、小批生产类型。

（5） 随行夹具 随行夹具是指在自动线加工中，可随同工件按加工工艺需要一起移动的夹具。随行夹具必须要与固定安装在各加工工位的工位夹具配套使用。随行夹具不同于一般夹具的地方就是具有两套定位基准，一套用于对工件进行定位，另一套用于在工位夹具上对其本身定位。加工时，先将工件装夹在随行夹具上，然后随行夹具带着工件沿自动线依次完成在各工位的装夹和加工。随行夹具适用于被加工工件无可靠定位基准或无可靠输送基面的情况。

除上述分类外，当按机床分类时，夹具可分为：车床夹具，铣床夹具，钻床夹具，镗床夹具，拉床夹具等；当按夹具夹紧动力源分类时可分为：手动夹具，电动夹具，气动夹具，液压夹具，电磁夹具，真空夹具等。

2. 机床夹具的组成 夹具种类繁多。不同的工件类型和大小、不同的加工方法、甚至

不同的设计人员，都将使夹具的结构形式有所不同。但撇开夹具结构形式的不同，按夹具上各部分元件和装置所起的功用划分，则夹具一般由下列几部分组成。

（1） 定位元件 是指与工件定位表面相接触或配合，用以确定工件在夹具中准确位置的元件。如图11-2中的定位心轴2。

（2） 夹紧装置 用以夹紧工件，防止加工中其它作用力对工件已定好位的破坏。如图11-2中的螺母10和开口垫圈9。

（3） 对刀、引导元件 用来保证刀具相对于夹具或工件之间准确位置的元件。常见的这类元件有：钻床夹具中的钻套，铣床夹具中的对刀块和镗床夹具中的镗套。如图11-2中的钻套11。

（4） 连接元件 用以确定夹具相对于机床之间准确位置，并将夹具紧固在机床上的元件。如夹具与机床工作台之间连接用T型槽螺栓。

（5） 其它元件和装置 为了满足工件装卸和加工中其它需要所设置的元件及装置。如：为提高工件局部刚度的辅助支承；装卸工件用的上下料装置、顶出器；为实现多分布面加工用的分度装置；为了让刀的抬起装置等。如图11-2中的对定销5及相关元件。

（6） 夹具体 用来连接夹具其它各部分使之成为一个有机整体的基础件。一般情况下，夹具体是夹具中最大的一个元件。如图11-2中的件1。

在夹具中，定位元件和夹具体是必有的，其它各组成部分并不是每一夹具所必须的。

3. 定位方案的设计与计算

工序加工时，必须先要保证工件相对于机床或夹具的正确几何位置关系，这一操作过程称为“定位”。定位的目的是为了保证工序的加工精度（位置尺寸精度和位置精度）要求。本章主要研究的内容有：工件在夹具中是如何定位的？如何通过定位保证工件的工序加工精度要求？如何根据工件的工序加工精度要求设计合理的定位方案？

. 工件在夹具中的定位

要解决工件在夹具中的定位问题，必须首先搞清楚下列几个问题：工件在空间有几个自由度，如何限制这些自由度？工件的工序加工精度与自由度限制有什么关系？如何限制工件的自由度？对工件自由度的限制有什么要求？这些是本节要解决的主要问题。

1. 工件定位的基本原理 由上述可知：工件在夹具中的定位实质就是解决工件相对于夹具应占有的准确几何位置问题。在定位前，工件相对于夹具的位置是不确定的，正如自由刚体在空间直角坐标系中一样。

而一个自由刚体在空间直角坐标系中有六个独立活动的可能性。其中有三个是沿坐标轴方向的移动，另外三个是绕坐标轴的转动（正反方向的活动均认为是一个活动），这种独立活动的可能性称为自由度，活动可能性的个数就是自由度的数目。

工件可以看作是一个自由刚体，用X、Y、Z分别表示沿三个坐标轴x、y、z方向的移动自由度，用X、Y、Z分别表示绕三个坐标轴x、y、z的转动自由度，这就是工件在空间的六个自由度。如图11-3所示。

要使工件在某方向有确定的位置，就必须限制该方向的自由度，当工件的六个自由度均被限制后，工件在空间的位置就唯一地被确定下来，而每个自由度可以用相应的点支承来加以限制，用六个点支承就可以完全确定工件的空间位置。这就是工件的六点定位原则。

如图11-4a所示，在xoy坐标平面内设置三个定位点1、2、3，当工件底平面与三个定位点相接触且不背离的情况下，则工件沿z轴方向的移动自由度和绕x轴、y轴的转动自由

度就被限制，即工件的、X、Y三个自由度就被限制；然后在yoz坐标平面内再设置定位点4、5，当工件侧面与该两点相接触且不背离时，则工件沿x轴方向的移动自由度和绕z轴的转动自由度就被限制，即4、5点限制了工件的、Z两个自由度；

最后在xoz坐标平面内设置定位点6，在工件后端面与点6相接触且不背离的情况下，工件沿y轴方向的移动自由度就被限制，即定位点6限制了工件的一个移动自由度。则1、2、3、4、5、6六个定位点就限制了工件的六个自由度，也就确定了工件在空间的唯一几何位置。

在夹具设计中，点对工件自由度的限制可由点支承来实现，如图12-4b所示。

2. 工件加工精度要求对自由度限制的需要 工件在夹具中定位的目的是为了保证工件的工序加工精度要求，所以限制影响工件工序加工精度的自由度是必须的。但有些不影响工序加工精度要求的自由度在夹具设计时也需要加以限制。 如图11-5所示工件，铣削平面A，保证工序尺寸。影响该工序尺寸的自由度是、X和Y，必须加以限制。同时，为了避免加紧力引起工件产生移动和转动，也需要限制和Z；为了防止工件由于受到铣削水平分力的作用而沿y轴移动，同样还需限制。

图11-5 两类自由度的划分

由此可见，需要限制的自由度有两类：第一类自由度是指影响工件的工序加工精度要求

必须要限制的自由度；第二类自由度是指为了抵消切削力、夹紧力等其它方面要求而需要限制的自由度。

在分析限制工件第一类自由度时，工件的工序尺寸和位置精度往往几项并存，应逐一分析每项加工要求所需限制的第一类自由度，然后加以综合，剔除重复限制的自由度，从而确定必须限制的第一类自由度数目。如果已分析限制的第一类自由度数目达到六个，就不需再分析第二类自由度的限制；如果第一类自由度数目少于六个，就要根据工件具体加工所受的各种力及其它要求分析需要限制的第二类自由度，然后综合两类自由度，确定出工件工序加工需要限制的自由度总数目。应该说明的是：工件的六个自由度不一定都要加以限制，对工件加工精度要求及其它要求不产生影响的自由度是可以不限制的。

应当明确：在分析工件定位时，第一类自由度是必须要加以限制的；而第二类自由度要视具体情况而定。第一类自由度限制有较严格的精度要求，因此用于限制第一类自由度的定位元件，在精度、硬度等方面有较为严格的要求；而对第二类自由度限制就没有严格精度要求，所以限制第二类自由度的定位元件，对其要求就较低。

根据工件加工精度要求需要限制的第一类自由度分析见表11-2中各个示例。

表11-2 根据工件加工精度要求需要限制的第一类自由度 序号 图⒀ 工序简图 1.尺寸H 加工要求 机床、刀具 立式铣床， 立铣刀 1 需限制的第一类自由度 图⑿ 1.尺寸H 立式铣床， 立铣刀 2 X 图① 1.尺寸H 2.尺寸L 立式铣床， 立铣刀 、3 3.尺寸W对线的对称度 轴、 X、Z 图② 1.尺寸H 立式铣床， 立铣刀 、4 2.尺寸W对线的对称度 轴 X、Z 图③ 1.尺寸H 2.尺寸L 立式铣床， 立铣刀 、3.尺寸W对5 线的对称度 4.尺寸W对尺寸W1的对称度 轴、 X、Y、Z 图④ 1.尺寸B 2.尺寸H 3.尺寸w 立式铣床， 立铣刀 、6 X、Y、Z 图⑤ 1.尺寸B 2.尺寸H 3.尺寸L 立式铣床， 立铣刀 、7 、 X、Y、Z

图⑩ 通1.尺寸B 立式钻床， 钻头 孔 2.尺寸L 、 X、Y、Z 不通8 孔 、、 X、Y、Z 图⑾ 通孔 加工孔轴线对立式钻床， 钻头 、轴线的同轴度 X、Y 不通9 孔 、、 X、Y 图⑥ 通 1.尺寸L 孔 2.加工孔轴线对立式钻床， 钻头 、孔轴线的垂直度和对称度 X、Y、Z 不 通 10 孔 3.对位置要求 、的、 X、Y、Z 图⑦ 通 1.尺寸R 孔 立式钻床， 钻头 、2.对的位置 孔 X、Y、Z 不 通 11 孔 、、 X、Y、Z 图⑧ 1. 1. 加工面对车床 12 、的同轴度 X、Z 图⑨ 车床 1.加工面对的同轴度 2.尺寸L 13 、、 X、Z 在分析限制工件的第一类自由度时应该注意： ① 定位是有一定精度要求的，如果工件在某一方向的自由度被限制，就意味着工件在该方向可以保证获得较高的位置精度。但夹紧却不能做到这一点，所以说夹紧不等于定位。

② 在分析限制自由度时，首先应该明确坐标系的建立，但不能想当然地将坐标原点和坐标轴建立在加工面或其轴线上。坐标系的建立应当考虑加工精度要求和工件实际定位面的情况。

3. 定位元件对工件自由度的限制 上述工件加工所需限制自由度的分析都是抽象的，工件在夹具中实际定位时，其自由度的具体限制是由定位元件实现的。常用定位元件的定位方式对工件自由度限制情况见表11-3所示。

表11-3 常用定位元件的定位方式所限制的自由度 工件定位面 定位元件 定位方式简定位元件特点 限制自由度

图 图① 1,2,3,4,5,6均为固定支承钉 1,2,3—,, 4,5—, 平面 图⒅ 支承钉 6—图② 1,2,3,4—为固定支承 5—辅助支承 1,2,3—,, 4—, 5—不限制自由度，增加局部刚性 图③ 各支承板均为狭长支承板 1,2—,, 支承板 图④ 1,3—固定狭长支承板 2—自位支承 3—, 1,2—,, 3—图⑤ 短销（短心轴） , 圆柱孔 图⒆ 圆柱销 图⑥ 长销（长心轴） , ,,, 图⑦ 1—固定单锥销 ,2—浮动单锥销 , 短锥销 图⑧ 固定锥销1与浮动锥销2联合定位 , ,, ,图锥度心轴 ,外圆柱面 图⒇ V形块 , 图⑩ 固定短V形块 ⑨ 小锥度心轴， ,, 图⑾ 固定长V形块 ,X,Z 图⑿ 短套 , 定位图长套 , 套 ⒀ ,X,Z 图⒁ 1—固定短锥套单独定位 , 短锥套 2—浮动短锥套单独定位 ,, , 图⒂ 固定锥套1与浮动锥套2组合定位 ,X,Z 双销组合定组合面 双V形块组合定位 1—2—Z , 图⒄ 1—固定短V形块 2—活动短V形块 位 1—2—Z , 图⒃ 1—短圆柱销 2--短削边销 , 4. 工件在夹具中定位的几种方式 根据夹具定位元件限制工件自由度的情况，将工件在夹具中的定位分为下列几种定位方式：

(1) 完全定位 工件的六个自由度均被夹具定位元件所限制，使工件在夹具中处于完全确定的位置。这种定位方式显然是合理的。图11-6为几种不同工件的完全定位。

(2) 不完全定位 根据工件加工精度要求不需限制的自由度没有被夹具定位元件限制或没有被全部限制的定位。这种定位虽然没有完全限制工件的六个自由度，但保证加工精度的自由度已全部限制，因此也是合理的定位，在实际夹具定位中普遍存在。如图11-7所示为几种不完全定位方式。

(3) 欠定位 根据工件加工精度要求需要限制的自由度没有得到完全限制的定位。这种定位显然不能保证工件的加工精度要求，在工件加工中是绝对不允许的。但在夹具设计中，当工件上没有足够精确的定位面时，用定位元件定位就无法可靠保证工件在某方向的准确位置，此时就不能用定位元件限制工件在这些方向的自由度，这些自由度可以采用划线找正的方法加以限制。

(4) 过定位 定位元件的一组限位面重复限制工件的同一个自由度的定位，这样的定位称为过定位。过定位可能导致定位干涉或工件装不上定位元件，进而导致工件或定位元件产生变形、定位误差增大，因此在定位设计中应该尽量避免过定位。但另一方面，过定位可以提高工件的局部刚度和工件定位的稳定性，所以当加工刚性差的工件时，过定位又是非常必要的，在精密加工和装配中也时有应用。

应当指出：过定位的缺点总是存在的，但在某些情况下过定位又是必要的。在应用过定位时，应该尽量改善过定位的定位情况，以降低过定位的不良影响。可以从下列几个方面加以考虑：改变定位元件间的装配关系；改变定位元件的形状尺寸；提高过定位定位元件的精度。

图11-8a为一工件局部定位情况。长销与工件孔配合限制工件、、X、Y四个自由度，支承平面限制工件、X、Y三个自由度，

其中X、Y两个自由度被重复限制，因此该定位是过定位。由于工件孔与其端面间、长销与其台肩面间必然存在垂直度误差，因此工件定位时，将出现两平面不完全接触，当夹紧力Q作用时，迫使其接触，从而导致定位销和工件的变形。此时，不妨采用图b、c、d中的一种定位方案。

a） b） c） d）

a）长销、大平面的过定位 b）短销、大平面定位 c）长销、小平面定位 d）长销、自位面定位

图11-8 过定位及改善措施

11.2.2 定位元件

定位元件是与工件定位面直接相接触或配合，用以保证工件相对于夹具占有准确几何位

置的夹具元件。它是六点定位原则中的定位点在夹具设计中的具体体现。常用定位元件已经国标化（详见国家标准《机床夹具零件及部件》），在夹具设计中可直接选用。但在设计中也有不便采用标准定位元件的情况，这时可参照标准自行设计。

设计时应注意：定位元件首先要保证工件准确位置，同时还要适应工件频繁装卸以及承受各种作用力的需要。因此定位元件应满足下列基本要求：

① 应具有足够的精度。定位元件的精度直接影响工件在夹具中的定位误差，因此，定位元件的精度应能够满足工件工序加工精度对定位精度的需要。通常定位元件的尺寸精度取IT6～IT8；表面粗糙度值取Ra0.2～1.6；

② 应有足够的刚度和强度。在工件的装夹和切削加工过程中，定位元件不可避免地要承受工件的撞击力和重力以及夹紧力和切削力等的作用，为了保证工件的加工精度，定位元件必须要有足够的刚度和强度以减小其本身变形和抗破坏能力；

③ 应有一定的耐磨性。在大批量生产中，为了保证工件在夹具中定位精度的稳定性，就要求定位元件应有一定的耐磨性，也就是定位元件应有一定的硬度，其硬度一般要求为58～65HRC。一般对较大尺寸的定位元件采用优质低碳结构钢20号或优质低碳合金结构钢20Cr，表面渗碳0.8～1.2mm深，然后淬火；对较小尺寸的定位元件一般采用高级优质工具钢T7A、T8A等直接淬火。

由于定位元件的限位面要与工件的定位面相接触或配合，因此定位元件限位面的形状、尺寸取决于工件定位面的形状和尺寸。按照工件定位面的不同，对常用定位元件的介绍如下。 1. 平面定位的定位元件 当工件定位面是平面时，常用的定位元件有固定支承、可调支承和自位支承，这些支承统称为基本支承。其中固定支承是指支承钉和支承板，因为它们一旦装配在夹具上后，其定位高度尺寸是固定的、不可调整的。在设计时，这些支承可以相应地参照国标或常用结构。详细情况如下。

(1) 支承钉 图11-9是标准支承钉的结构，详细参见国标GB／T 2226-91。A型是平头支承钉，用于对已经加工过的精基准定位，当多个该型支承钉的限位面处于同一平面时，对其高度尺寸H应有等高要求，一般通过配磨支承钉限位面实现。B型支承钉的限位面是球面，用于定位没有经过加工的毛坯面，以提高接触刚度。C型支承钉常用于侧面定位，以便利用其网纹限位面提高摩擦系数，增大摩擦力。

图11-9 支承钉的结构与安装

支承钉可直接安装在夹具体上，与夹具体孔的配合采用H7／r6。如果支承钉需要经常更换时，可加衬套，衬套与夹具体的配合采用H7／r6，支承钉与衬套的配合采用H7／js6。 (2) 支承板 标准支承板是通过螺钉安装在夹具体上，其结构有两种，见图11-10，具体可参见国家标准GB／T 2236-91。A型支承板结构简单，但安装螺钉沉头孔部位易于落入切

屑且不易清理，会导致限位面定位的准确性，因此主要用于侧面和顶面定位。B型支承板在安装螺钉部位开有斜槽，槽深约1.5～2mm，螺钉安装后，其顶面与槽底面平齐或略低，因此落入沉头孔部位的切屑不会影响定位的准确性，比较适合用于工件的底面定位。标准支承板的形状均为狭长形，当用多块支承板构成大平面时，应注意各支承板高度尺寸H的一致性，可以采用一次磨出或配磨的方法保证H尺寸的一致性。

A型 B型 图11-10 支承板结构

（3） 可调支承 当支承高度需要在一定范围内变化时，常采用图11-11所示的可调支承。其中，图a为手动调整，适用于小型工件的定位。图d和图c可用扳手操作，适用于大、中型工件的定位。对重载或频繁操作的可调支承，为保护夹具体不受破坏，应采用图b结构，以便可调支承的更换。图d为侧面定位用可调支承。

a） b） c） d）

a）手动可调支承 b）可换可调支承 c）大型工件定位用可调支承 d）侧定位可调支承

图11-11 可调支承结构

可调支承利用螺纹副实现调整，由于螺纹副易于松动，因此必须设有防松措施，见图中的防松螺母。

可调支承的主要应用范围有：批量化加工时的粗基准定位，以适应不同批毛坯的尺寸变化；可调夹具中，用于满足工件系列尺寸变化的定位；成组夹具中需要可调的定位元件。

（4） 自位支承 自位支承是一种多点接触定位支承，其接触点的位置可随工件定位面位置的变化而变化。其结构参见图11-12。

虽然自位支承是多点接触定位，但由于其本身的浮动结构特点，因此自位支承只能限制工件一个自由度。正是由于这样一些特点，自位支承定位能够提高工件的局部刚度和定位稳定性，但同时又能够避免过定位。

2. 圆柱孔定位的定位元件 当工件定位面是圆柱孔时，相应的定位元件的限位面就应是外圆柱面。常用的这类定位元件有：心轴、定位销和定心夹紧装置。但有时也用工件圆柱孔口的孔缘定位，这时的定位元件用锥销。

(1） 定位销 按安装方式，定位销有固定式和可换式两种；根据对工件自由度限制的需要，定位销又有圆柱定位销和削边销之分，如图11-13所示。关于定位销的详细结构尺寸可参见GB／T 2203-91（固定式定位销）和GB／T 2204-91（可换式定位销）。

图a、b、c为固定式定位销，图d为削边销，图e为可换式定位销。当D≤10mm时，为提高限位面与台肩连接处强度，避免应力集中，用半径为1mm的圆弧过渡连接，但要注意：工件定位孔不可与过渡圆弧配合，如图a所示。定位销的台肩是用于确定其本身在夹具体上安装时的轴向位置，一般不用它限制工件的自由度。当D>18mm时，为了节省材料、方便加工，一般不再专门做出定位销的台肩。当只需要限制工件一个自由度时，采用图d所示削边销。大批量生产时，为定位销磨损后更换上的方便，可采用图e所示结构，这时要加装衬套。

固定式定位销一般直接与夹具体上的孔配合，其配合采用基孔制H7／r6。如果装有衬套，定位销与衬套按基轴制（H7／h6）制造，衬套与夹具体按基孔制（H7／r6）制造。

（2） 定位心轴 定位心轴主要用于对套筒类和盘类零件的定位，在车床、磨床、铣床和齿轮加工机床上进行加工。根据与工件定位孔配合性质的不同，将心轴分为过盈心轴和间隙心轴两种，图11-14就是两种心轴的结构。

如图a所示。过盈心轴是依靠过盈量产生的摩擦力来传递扭矩，心轴与工件孔一般采用H7／r6配合。过盈心轴有三部分构成：两侧铣扁的传动部分1；工件定位部分2；方便工件装入的导向部分3。当工件孔的长径比L／D＞1时，为了工件安装方便和有较高的定心精度，心轴的定位工作部分可采用圆锥心轴，其锥度一般取1／1000～1／8000，详情参见GB／T 12875-91。过盈心轴的特点是：定心精度较高，可同时加工工件孔的端面，但工件安装麻烦。

图b所示为间隙心轴，工件在心轴工作部分2上定位，同时靠在心轴台肩上限制轴向移动，通过开口垫圈4，用螺母5将工件拧紧，心轴靠铣扁部分1传动。工件与心轴一般采用基轴制间隙配合（H7／g6或H7／f6）。间隙心轴的特点是：工件装夹方便，但定心精度差，且无法同时加工端面。

（3） 圆锥销 图11-15为圆柱孔的孔缘在圆锥销上定位的示例。当工件定位孔为毛坯孔时，为了减少孔缘部分毛刺对定位的影响，一般采用图a所示结构。图b用于精基准定位。

在实际设计中，圆锥销更多的是用于组合定位。如图11-16所示为圆锥销和平面的组合定位。为了避免过定位，锥销采用浮动结构。

3. 工件以外圆柱面定位的定位元件 当工件以外圆柱面作定位基准时，根据工件外圆

柱面的结构特点、加工要求和装夹方式，可以采用V形块、套筒、半圆套、圆锥孔及定心夹紧装置等实现工件定位。

（1） V形块 图11-17为常用V形块的结构形式。图a用于较短的精基准定位；图b用于较长的粗基准定位；图c用于较长的精基准定位；当工件直径较大且长度也大时，V形块一般采用铸铁底座、镶淬火钢板结构，如图d所示。

a）短V形块 b）整体式长V形块 c）分体式长V形块 d）大型长V形块

除长短大小之分，V形块还有固定式、活动式和调整式之分。固定式V形块通过螺钉和销钉直接安装在夹具体上，具体结构参见GB／T 2208-91和GB／T 2209-91。安装时，一般先将V形块在夹具体上的位置调整好，用螺钉拧紧，再配钻、铰销钉孔，然后安装销钉。活动式V形块参见GB／T 2211-91。调整式V形块参见GB／T 2208-91。 一般V形块两斜面间夹角有、和三种，在定位设计中多采用夹角为的V形块，其标准可参见

GB／T 2208-91。非标准V形块设计时，其主要结构尺寸可按图11-18进行计算。

V形块的主要结构标注尺寸有： ––––V形块检验心轴直径，即定位工件的标准直径，（mm）；

––––V形块的高度，（mm）；

––––V形块两斜面夹角；

––––V形块的标准定位高度，（mm）。

在对V形块进行设计计算时，D为工件标准定位尺寸，N和H可以参照标准确定，也可由下式计算确定：

(mm) (11-1) 式中一般取： a=(0.14～0.16)D （mm）

用于大直径定位时：H≤0.5D 用于小直径定位时：H≤1.2D 则T值的计算如下：

由图11-18中几何关系T=H+OE=H+（OB－BE）可得：

(mm) (11-2) 当时： T=H+D-0.867N

当时： T=H+0.707D-0.5N

当时：T=H+0.578D-0.289N

V形块定位的优点是：定位对中性好。即工件定位基准轴线总在V形块对称面上，不受工件定位面尺寸变化的影响；适应面广，不但可用于粗基准定位，也可以用于精基准定位，不但可用于圆柱面定位，也可用于局部圆弧面定位；工件安装方便。

（2） 定位套筒 定位套筒一般直接安装在夹具体上的孔中，工件定位外圆面与其孔一般采用基孔制配合（H7／g6）。套筒定位结构简单，主要用于精基准定位。套筒有长、短之分，其定位孔常与端面构成组合限位面，共同约束工件自由度。定位套筒的常见结构如图11-19所示。

（3） 半圆孔和锥孔定位 图11-20为半圆孔定位的结构简图。下半圆为定位部分，与工件一般采用H7／g6配合；上半圆为夹紧部分。这种定位方法主要应用于大、中型轴类零件，以及不便于轴向安装的零件。如汽车发动机曲轴。

锥套不能单独对工件定位，工件外圆柱面在锥套3中定位时，常与后顶尖（反顶尖）4配合使用。如图11-21所示，夹具体1的锥柄插入机床主轴孔中，通过传扭螺钉2对锥套3传递扭矩，锥套3用带齿纹的锥面对工件进行定位和传扭。用锥套定位时，一般要求工件圆柱面端部要先行倒角。

4. 组合定位的设计与计算

以工件上单一面定位时的定位方案比较简单，一般可根据工件定位面情况直接选用相应的定位元件即可。但更多情况下需要用工件上的多个面进行定位—组合定位。组合定位设计时主要考虑的问题是：

① 满足工序加工精度要求；

② ② 一般情况下应尽量避免过定位。

1. 组合定位设计的方法步骤 根据组合定位的主要设计要求，在设计时应按下列步骤进行：

（1） 分析工序加工必须限制的第一类自由度 第一类自由度的限制是保证工件工序加工精度的前提。因此，定位方案设计时，首先应根据工序加工精度分析需要限制的第一类自由度。在某些情况下，还应考虑工件第二类自由度的限制。

（2） 选择定位基准 为了保证加工精度，定位基准一般应尽量与工序基准重合。在加工精度能够保证的前提下，定位基准选择一般应尽量遵循基准统一原则。

组合面定位时，定位基准有主、次之分。限制工件自由度数目较多的定位基准称为主要定位基准，而限制自由度数目较少的称为次要定位基准。主要定位基准一般是工件上加工精度较高且定位比较可靠的面。根据主、次定位基准之分及尽量避免过定位的原则等，就可确定出各个定位基准应限制的自由度数目。

定位基准一般在工件工艺规程设计时已经给定，但在夹具设计时应加以审查，如有不妥，应与工艺规程设计人员协商解决。

（3） 设置定位元件 根据选定的工件定位基准面就可设置出相应的定位元件。为了避免过定位，可根据工件定位基准面及所限制自由度情况采取不同的措施。

（4） 确定定位尺寸 定位尺寸是指定位副间的配合尺寸和定位元件之间的位置尺寸。定位尺寸的作用有两个方面：其一是保证工件的定位精度；其二是避免工件过定位。关于第一种作用的尺寸标注方法在第12章中有详细介绍，第二种作用的尺寸标注方法见本节组合定位的定位尺寸设计

（5） 合理性判定 合理的定位方案必须首先满足工件的工序加工精度需要，同时还应尽量保证工件定位稳定、可靠、方便，定位方案结构要简单等。

定位方案能否满足加工精度要求是根据定位误差的计算进行判定的。关于定位误差的计算方法和判定标准见11.2.4节。

2. 组合定位的定位尺寸设计 在零件上,一面双孔结构经常存在，且采用一面双孔定位便于实现基准统一。因此在实际生产中，一面双销的定位方式被广泛应用。下面就以一面双销定位方式的结构设计为例，分析一下组合定位的定位尺寸设计计算。

（1） 一面双圆销定位的设计 如图11-22所示，工件定位面为一面双孔。孔心距尺寸

见图，两孔的尺寸分别为：1孔，2孔。与之相应的定位元件是支承板和两个短圆柱销，两个圆柱销的尺寸分别为：1销，2销

，销心距尺寸见图。此时，支承板限制工件三个自由度，两个短圆柱销各限制工件两个自由度。显然，沿两销连心线方向的移动自由度被重复限制而出现过定位。当定位尺寸出现危险的极限情况时，将可能导致出现图11-23所示孔、销定位干涉的结果，使工件无法进行定位。 如图11-23所示，出现危险的极限定位尺寸情况有两种。第一种是：销心距最大，孔心距最小，两销直径尺寸最大，两孔直径尺寸最小；第二种是：销心距最小，孔心距最大，两销直径尺寸最大，两孔直径尺寸最小。

假设第一个定位销、孔处于理想的定位位置。当出现危险的极限定位尺寸时，为保证第二个销、孔仍能进行正常的定位，就必须满足图11-24所示要求。根据图a可列方程：

设孔心距和销心距的基本尺寸相等，即，则可得：

由图11-24b同样可推得上式。

以上推导结果是在第一个销、孔处于理想定位位置下的结果。实际上，第一个销、孔的最小配合间隙可以补偿一部分中心距的误差。因此，第二个短圆柱销的直径尺寸可以比上式的再大一些。即：

(11-3) 也就是说，为保证危险情况下工件能够正常定位，必须使第二个销的直径比第二个孔的直径小，其最少减小量为：

(11-4) 当第二个短圆柱销的直径减小很多时，势必会造成工件定位时转角误差的增大，如图11-25a所示。为了避免这一情况的发生，采取在过定位方向上将第二个圆柱销削边，如图11-25b所示。

（2） 削边销尺寸的确定 如图11-26所示。通过对圆柱销削边，就将圆柱销定位时容

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