夹紧力的确定

    6.3.2　夹紧力的确定

    确定夹紧力包括正确地选择夹紧力的三要素，即：夹紧力的方向、作用点和大小。它是一个综合性问题，必须结合工件的形状、尺寸、重量和加工要求、定位元件的结构及其分布方式、切削条件及切削力的大小等具体情况确定。

    1．夹紧力的方向和作用点的确定

    （1）夹紧力的作用方向应垂直指向主要定位基准面。如图6-28所示是在角铁形工件上镗孔的示例。加工要求孔中心线垂直于A面，因此应以A面为主要定位基面，并使夹紧力垂直于A面，如图6-28（a）所示。但若夹紧力垂直于水平面，如图6-28（b）、（c）所示，则由于A与底面总存在垂直度误差，因此无法满足加工要求。当夹紧力垂直于A面有困难而必须指向底面时，则必须提高A与底面间在的垂直度的要求。

    

    

    图6-28　夹紧力应指向主要定位基面

    再如图6-29所示，夹紧力朝向主要定位面——V形块的两斜面，使工件的装夹稳定可靠。如果夹紧力改朝端面B，则由于工件圆柱面与端面的垂直度误差，夹紧可能会造成圆柱面离开V形块的两斜面。这不仅破坏了定位，影响加工要求，而且加工时工件容易振动。

    

    

    图6-29　夹紧力指向主要定位面

    对工件施加几个方向不同的夹紧力时，指向主要限位面的夹紧力应是主要夹紧力。

    （2）夹紧力的作用方向应使所需夹紧力尽可能的小。如图6-30（a）所示为钻削轴向切削力F_x、夹紧力F₁和F₂、工件重力G都垂直于定位基面的情况，三者方向一致，钻削扭矩由这些同向力作用在支承面上产生的摩擦力矩所平衡，此时所需的夹紧力最小。如图6-30（b）所示为夹紧力F₁、F₂与钻削轴向切削力F_x和工件重力G方向相反，这时所用的夹紧力除了要平衡轴向力F_x和重力G之外，还要由夹紧力产生的摩擦阻力矩来平衡钻削扭矩，因此需要很大的夹紧力，一般尽量避免。

    

    

    图6-30　夹紧力方向对夹紧力大小的影响

    （3）夹紧力的方向和作用点应施于工件刚性较好的方向和部位，并应使夹紧力分布均匀，以减少工件的变形。这一原则对刚性较差的工件尤其重要。如图6-31（a）所示的薄壁套筒工件，轴向的刚性比径向好，用卡爪径向夹紧易引起工件变形，若沿轴向施加夹紧力，则变形情况就可大为改善。如图6-31（b）所示的薄壁箱体夹紧时，夹紧力不应作用在箱体的顶面，而应作用在箱体的凸边上。箱体没有凸边时，可如图6-31（c）表示将单点夹紧力F改为三点夹紧，改变了着力点的位置并增加了夹紧时的接触面积，这样就保证了夹紧的可靠性，减少了工件的变形。

    

    

    图6-31　夹紧力作用点与夹紧变形的关系

    （4）夹紧力应落在支承元件上或几个支承元件所形成的支承面以内。如图6-32（a）所示，夹紧力作用点的位置是正确的，夹紧力作用点应施于支承面范围内并靠近支承件的几何中心。如图6-32（b）所示，这样的夹紧力和支承反力构成力偶，将使工件倾斜和移动，破坏工件的定位。

    

    

    图6-32　夹紧力作用点与工件稳定的关系

    （5）夹紧力的作用点应适当靠近加工面。夹紧力靠近加工面可提高加工部位的夹紧刚性，防止或减少工件产生振动。如图6-33所示，主要的夹紧力F_Q1垂直作用于主要定位基准，在靠近加工面处采用辅助支承，再施加适当的辅助夹紧力F_Q2，即可提高工件的安装刚度。

    2．夹紧力大小的估算

    夹紧力的大小对工件安装的可靠性、工件和夹具的变形和夹紧机构的复杂程度等都有很大关系。因此，在夹紧力的方向、作用点确定之后，尚须确定恰当的夹紧力大小。

    

    

    图6-33　夹紧力应靠近加工表面

    在加工过程中，工件受到切削力、离心力、惯性力和工件自身重力等的作用。夹紧力大小的计算是一个很复杂的问题，一般只能作粗略的估算。为了简化计算起见，在确定夹紧力的大小时，可只考虑切削力对夹紧的影响，并假设工艺系统是刚性的，切削过程是稳定不变的，然后找出在加工过程中对夹紧最不利的瞬时状态，按静力平衡原理求出夹紧力的大小。最后为保证夹紧可靠，再乘以安全系数作为实际所需的夹紧力数值，即：

    F_k=KF

    式中　F_k——实际所需夹紧力；

    F——在一定条件下，由静力平衡计算出的夹紧力；

    K——安全系数。考虑到切削力的变化和工艺系统变形等因素，一般取K=1.5～3。

    根据经验一般粗加工时K取2.5～3；精加工时K取1.5～2。实际所需夹紧力的具体计算方法可参照机床夹具设计手册等资料。