《机床夹具设计》思考题与习题参考答案
（仅说明解答要点，供使⽤者参考）
第1章
1-1 在机械加⼯中，机床夹具能起到哪些作⽤？有哪些局限性？
（参见第1章之1.2.1）
机床夹具在机械加⼯中起着⼗分重要的作⽤，归纳起来，主要表现在以下⼏⽅⾯：
⑴缩短辅助时间，提⾼劳动⽣产率，降低加⼯成本。
⑵保证加⼯精度，稳定加⼯质量。
⑶降低对⼯⼈的技术要求，减轻⼯⼈的劳动强度，保证安全⽣产。
⑷扩⼤机床的⼯艺范围，实现“⼀机多能”。
⑸在⾃动化⽣产和流⽔线⽣产中，便于平衡⽣产节拍。
不过，机床夹具的作⽤也存在⼀定的局限性：
⑴专⽤机床夹具的设计制造周期长。
⑵对⽑坯质量要求较⾼。
⑶专⽤机床夹具主要适⽤于⽣产批量较⼤、产品品种相对稳定的场合。
1-2 机床夹具通常由哪些部分组成？各组成部分功能如何？
（参见第1章之1.2.3）
虽然机床夹具的种类繁多，但它们的⼯作原理基本上是相同的。将各类夹具中，作⽤相同的结构或元件加以概括，可得出夹具⼀般所共有的以下⼏个组成部分，这些组成部分既相互独⽴⼜相互联系。 ⑴定位⽀承元件。定位⽀承元件的作⽤是确定⼯件在夹具中的正确位置并⽀承⼯件，是夹具的主要功能元件之⼀。定位⽀承元件的定位精度直接影响⼯件加⼯的精度。 ⑵夹紧装置。夹紧元件的作⽤是将⼯件压紧夹牢，并保证在加⼯过程中⼯件的正确位置不变。
⑶连接定向元件。这种元件⽤于将夹具与机床连接并确定夹具对机床主轴、⼯作台或导轨的相互位置。
⑷对⼑元件或导向元件。这些元件的作⽤是保证⼯件加⼯表⾯与⼑具之间的正确位置。⽤于确定⼑具在加⼯前正确位置的元件称为对⼑元件；⽤于确定⼑具位置并引导⼑具进⾏加⼯的元件称为导向元件。
⑸其它装置或元件。根据加⼯需要，有些夹具上还设有分度装置、靠模装置、上下料装置、⼯件顶出机构、电动扳⼿和平衡块等，以及标准化了的其它联接元件。
⑹夹具体。夹具体是夹具的基体⾻架，⽤来配置、安装各夹具元件使之组成⼀整体。
上述各组成部分中，定位元件、夹紧装置、夹具体是夹具的基本组成部分。
1-3 举例说明正确的⼯件装夹与机床夹具的关系。
（参见第1章之1.2.1、1.2.2、1.2.3、1.2.4）
⼯件装夹是指将⼯件置于机床夹具上（内），进⾏定位和夹紧的过程。它是实现机床夹具⼯作⽬标的重要过程之⼀。正确的⼯件装夹：⑴保证机床夹具所要实现的加⼯精度。例如安装时定位不准确，则
加⼯出来的⼯件就达不到应有的加⼯精度甚⾄造成废品。⑵提⾼机床夹具的⼯作效率。⑶保持机床夹具的精度不被破坏。如果装夹不正确，例如夹紧⼒过⼤，就可能引起夹具变形或⼯作⾯精度受损。
反过来，机床夹具使⽤过程中出现的受⼒、受热变形，以及机床夹具的设计是否合理和优良，⼜直接影响⼯件装夹的效率和正确性。例如，如果夹紧传动机构不合理，就可能影响操作者的夹紧⽤⼒，造成夹紧⼒过⼤⽽使⼯件变形，或者夹紧⼒过⼩，⼯
件未能夹紧⽽移动。勿⽤置疑，合理的夹紧传动机构必能提⾼装夹的⼯作效率。
1-4 试述机床夹具设计的基本要求。
（参见第1章之1.2.6）
⼀个优良的机床夹具必须满⾜下列基本要求：
确定取消
⑴保证⼯件的加⼯精度
⑵提⾼⽣产效率
⑶⼯艺性能好二维码打印设备
⑷使⽤性能好
⑸经济性好
1-5 现代机床夹具的发展⽅向如何？
（参见第1章之1.2.5）
为了适应现代机械⼯业向⾼、精、尖⽅向发展的需要和多品种、⼩批量⽣产的特点，现代机床夹具的发展⽅向主要表现为标准化、精密化、⾼效化和柔性化等四个⽅⾯。
⑴标准化。机床夹具的标准化，有利于夹具的商品化⽣产，有利于缩短⽣产准备周期，降低⽣产总成本。
⑵精密化。随着机械产品精度的⽇益提⾼，势必相应提⾼了对夹具的精度要求。
⑶⾼效化。⾼效化夹具主要⽤来减少⼯件加⼯的基本时间和辅助时间，以提⾼劳动⽣产率，减轻⼯⼈的劳动强度。
⑷柔性化。它是指机床夹具通过调整、组合等⽅式，以适应⼯艺可变因素的能⼒。
第2章
2-1 何谓定位基准？何谓六点定位规则？试举例说明之。
（参见第2章之2.2.1）
夹具设计最主要的任务就是在⼀定精度范围内将⼯件定位。⼯件的定位就是使⼀批⼯件每次放置到夹具中都能占据同⼀位置。
如果要使⼀个⾃由刚体在空间有⼀个确定的位置，就必须设置相应的六个约束，分别约束刚体的六个运动⾃由度。如果⼯件的六个⾃由度都加以约束了，⼯件在空间的位置也就完全被确定下来了。因此，定位实质上就是约束⼯件的⾃由度。
分析⼯件定位时，通常是⽤⼀个⽀承点约束⼯件的⼀个⾃由度。⽤合理设置的六个⽀承点，约束⼯件的六个⾃由度，使⼯件在夹具中的位置完全确定，这就是六点定位原理。
例如在如图（a ）所⽰的矩形⼯件上铣削半封闭式矩形槽时，为保证加⼯尺⼨A ，可在
其底⾯设置三个不共线的⽀承点1、2、3，如图（b ）所⽰，约束⼯件的三个⾃由度：
z 、y 、x ；为了保证B 尺⼨，侧⾯设置两个⽀承点4、5，约束z 、y 两个⾃由度；为了保证C 尺⼨，端⾯设置⼀个⽀承点6，约束x
⾃由度。于是⼯件的六个⾃由度全部被约束了，实现了六点定位。在具体的夹具中，⽀承点是由定位元件来体现的。如图（c ）所⽰，为了将矩形⼯件定位，设置了六个⽀承钉。
(a) 零件 (b) 定位分析 (c) ⽀承点布置
2-2 ⼀批⼯件在夹具中定位与单件在机床上加⼯时的定位有何区别？
（参见第2章之2.2.1、2.2.5）
六点定位原理解决了约束⼯件⾃由度的问题，即解决了⼯件在夹具中位置“定与不定”的问题。单个⼯件在机床上加⼯时，只需要解决“定与不定”的问题。但是，由于⼀批⼯件逐个在夹具中定位时，各个⼯件所占据的位置不完全⼀致，即出现⼯件位置定得“准与不准”的问题。如果⼯件在夹具中所占据的位置不准确，加⼯后各⼯件的加⼯尺⼨必然⼤⼩不⼀，形成误差。这种只与⼯件定位有关的误差称为定位误差。
⼀批⼯件逐个在夹具中定位时，各个⼯件的位置不⼀致的原因主要是基准不重合，⽽基准不重合⼜分为两种情况：⼀是定位基准与限位基准不重合产⽣的基准位移误差；⼆是定位基准与⼯序基准不重合产⽣的基准不重合误差。
2-3 定位副包括什么？试说明⼯件定位基⾯和定位基准以及夹具定位元件上限位基⾯和限位基准的概念。
（参见第2章之2.2.3、2.2.4）
⼯件在夹具中要想获得正确定位，⾸先应正确选择定位基准，其次则是选择合适的定位元件。⼯件定位时，⼯件定位基准和夹具的定位元件接触形成定位副。
定位基准就是在加⼯中⽤作定位的基准。⼯件定位时，作为定位基准的点和线，往往由某些具体表⾯体现出来，这种表⾯称为定位基⾯。例如⽤两顶尖装夹车轴时，轴的两中⼼孔就是定位基⾯。但它体现的定位基准则是轴的轴线。
2-4 试举例说明什么叫⼯件在夹具中的“完全定位”、“不完全定位”、“⽋定位”和“过定位”？
金属防护罩（参见第2章之2.2.2）
2硅酸铝纤维毡根据⼯件⾃由度被约束的情况，⼯件定位可分为以下⼏种类型：
⑴完全定位。指⼯件的六个⾃由度不重复地被全部约束的定位。
⑵不完全定位。根据⼯件的加⼯要求，有时并不需要约束
⼯件的全部⾃由度，这样的定位⽅式称为不完全定位。如右图
所⽰为平板⼯件磨平⾯，⼯件只有厚度和平⾏度要求，只需约
束 y 、x 、z
三个⾃由度，在磨床上采⽤电磁⼯作台就能实
光端机箱现三点定位。
⑶⽋定位。根据⼯件的加⼯要求，应该约束的⾃由度没有完全被约束的定位称为⽋定位。如下图所⽰中不设端⾯⽀承6，则在⼀批⼯件上半封闭槽的长度就⽆法保证；若缺少侧⾯两个⽀承点4、5时，则⼯件上B 的尺⼨和槽与⼯件侧⾯的平⾏度均⽆法保证。
⑷过定位。夹具上的两个或两个以上的定位元件重复约束同⼀个⾃由度的现象，称为过定位。如下图（a ）所⽰，要求加⼯平⾯对A ⾯的垂直度公差为0.04mm 。若⽤夹具的两个⼤平⾯实现定位，那么⼯件的A ⾯被约束 y 、x 、z
三个⾃由度，B ⾯被约束了 y 、x 、z 三个⾃由度，其中 x ⾃由度被A 、B ⾯同时重复约束。由图可见，当⼯件处于加⼯位置“I ”时，可保证垂直度要求；⽽当⼯件处于加⼯位置“II ”时不能保证此要求。这种随机的误差造成了定位的不稳定，严重时会引起定位⼲涉，因此应该尽量避免和消除过定位现象。
2-5 针对图2-35所⽰⼯件钻孔⼯序的要求，
试确定：
（1）定位⽅法和定位元件。
（2）分析各定位元件限制着哪⼏个⾃由度？
（参见第2章之2.2.4）
该⼯件可采⽤长V 形块和⼩平板联合定位。设
桌平⾯向右为X ⽅向，向下为Y ⽅向，沿孔轴线⽅向为Z ⽅向，则V 形块限制y 、x 、x 的3个⾃由度，⼩平板限制y 、z 的2个⾃由度，只有沿⼥孩⼦轴线⽅向z
的1个⾃由度未被限制。
2-6 何谓定位误差？定位误差是由哪些因素引起的？定位误差的数值⼀般应控制在零件加⼯公差的什么范围之内？
（参见第2章之2.2.5）
只与⼯件定位有关的误差称为定位误差，⽤ΔD 表⽰。
⼯件逐个在夹具中定位时，各个⼯件的位置不⼀致，即产⽣定位误差的原因主要是基准不重合，⽽基准不重合⼜分为两种情况：⼀是定位基准与限位基准不重合产⽣的基准位移误差；⼆是定位基准与⼯序基准不重合产⽣的基准不重合误差。
在⼯件的加⼯过程中，产⽣误差的因素很多，定位误差仅是加⼯误差的⼀部分，为了保证加⼯精度，⼀般限定定位误差不超过⼯件加⼯公差T 的1/5~1/3，即ΔD ≤(1/5～1/3)T ，式中ΔD ──定位误差，单位为mm ；T ──⼯件的加⼯误差，单位为mm 。
2-7 图2-36a ）所⽰为⼀钻模夹具，图2-36b ）为加⼯⼯序简图，试规定夹具的距离尺⼨公差。
A
a) 钻模夹具 b) ⼯序简图
图2-36 题2-7图
（参见第2章之2.2.5）
根据定位误差不超过⼯件加⼯公差T 的1/5~1/3即ΔD ≤(1/5～1/3)T 的原则，即D ≤(1/5～1/3)T =
(1/5~1/3)×(±0.06)=±0.012~0.02，为了加⼯⽅便，此处可取±0.02。实际⽣产中，考虑到该⼯件的结构特点，不会受到其他因素的影响，从经济精度出发，也可采⽤如图所⽰的公差范围，即取±0.03，因⽽夹具的距离尺⼨为37.5±0.03。
2-8 欲在图2-37所⽰⼯件上铣削⼀缺⼝，保证尺⼨
80-0.08mm ，试确定⼯件的定位⽅案，并分析定位⽅案的
定位误差。设图左端为A 表⾯、右端⾯为B 表⾯、孔的中壁为
C ，则A 、B 、C 三个表⾯均可作为定位基⾯。
当以A 表⾯定位时，定位误差为：0.15 + 0.20 = 0.35
当以B 表⾯定位时，定位误差为：0.20
当以C 表⾯定位时，定位误差为：0
2-9 有⼀批套类零件如图2-38所⽰，欲在其上铣⼀键槽，试分析各定位⽅案中，H 1和H 3的定位误差。
（1）在可涨⼼轴上定位（见图b ）。
（2）在⽔平放置的具有间隙的刚性⼼轴上定位，定位⼼轴直径为Bsd Bxd d （见图c ）。
（3）在垂直放置的具有间隙的刚性⼼轴上定位，定位⼼轴直径为Bsd Bxd d （见图c ）。
（4）如果记及⼯件内外圆的
同轴度φt ，上述三种定位⽅案中，
H 1和H 3的定位误差⼜将如何？
（参见第2章之2.2.5）
⑴ H 1 = 1/2δd ；H 3
= 0
A B
C
⑵H1 = 1/2δd +1/2δD + 1/2（Bsd - Bxd）；H3= 1/2δD + 1/2（Bsd - Bxd）
⑶H1 = 1/2δd + δD +（Bsd - Bxd）；H3=δD +（Bsd - Bxd）
⑷如果记及⼯件内外圆的同轴度φt，则
①H1 = 1/2δd + φt；H3 = 0
②H1 = 1/2δd +1/2δD + 1/2（Bsd - Bxd）+ φt；H3= 1/2δD + 1/2（Bsd - Bxd）+ φt
③H1 = 1/2δd + δD +（Bsd - Bxd）+ φt；H3=δD +（Bsd - Bxd）+ φt
2-10 ⼯件以圆柱孔作定位基⾯时，所采⽤的定位元件有哪⼏种？各⽤于什么场合？（参见第2章之2.2.4）
⼯件以圆柱孔作定位基⾯时，可分为两种情况考虑：
⑴⼯件上定位内孔较⼩时，常选⽤定位销作定位元件。圆柱定位销的结构和尺⼨标准化，不同直径的定位销有其相应的结构形式，可根据⼯件定位内孔的直径选⽤。当⼯件圆柱孔⽤孔端边缘定位时，需选⽤圆锥定位销。当⼯件圆孔端边缘形状精度较差时，选⽤下图（a）所⽰形式的圆锥定位销；当⼯件圆孔端边缘形状较⾼精度时，选⽤下图（b）所⽰形式的圆锥定位销；当⼯件需平⾯和圆孔端边缘同时定位时，选⽤下图（c）所⽰形式的浮动锥销。
⑵在套类、盘类零件的车削、磨削和齿轮加⼯中，⼤都选⽤⼼轴定位，为了便于夹紧和减⼩⼯件因间隙造成的倾斜，当⼯件定位内孔与基准端⾯垂直精度较⾼时，常以孔和端⾯联合定位。
2-11 ⼯件以外圆⾯作定位基⾯时，为何常⽤V形块定位？V形块的限位基⾯和限位基准分别在哪⾥？
（参见第2章之2.2.4）
⼯件以外圆⾯作定位基⾯时，采⽤V形块定位可以提⾼⼯件的对称度。V形块⼯作⾯即为限位基⾯，限位基准为V形块的对称轴。
2-12 ⼀⾯两孔定位中，夹具定位元件为何采⽤⽀承板、⼀个短圆柱销和⼀个短削边销？
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（参见第2章之2.2.5）
⽣产中最常见的“⼀⾯两孔”定位属于组合表⾯定位。如加⼯箱体、杠杆、盖板⽀架类零件，采⽤“⼀⾯两孔”定位，容易做到⼯艺过程中的基准统⼀，保证⼯件的相对位置精度。
⼯件采⽤“⼀⾯两孔”定位时，两孔可以是⼯件结构上原有的，也可以是定位需要专门设计的⼯艺孔。相应的定位元件是⽀承板和两定位销。当两孔的定位⽅式都选⽤短圆柱销时，⽀承板约束⼯件三个⾃由度；两短圆柱销分别约束⼯件的两个⾃由度；有⼀个⾃由度被两短圆柱销重复约束，产⽣过定位现象，因此可把⼀个短圆柱销改为菱形销，采⽤⼀圆柱销、⼀菱形销和⼀⽀承板的定位⽅式，可以消除过定位现象，提⾼定位精度，有利于保证加⼯质量。
第3章
3-1 夹紧和定位有何区别？试述夹具的夹紧装置的组成和设计要求。
（参见第3章之3.2.1）
⼯件的定位是使⼀批⼯件每次放置到夹具中都能占据同⼀位置。在机械加⼯过程中，⼯件会受到切削⼒、离⼼⼒、惯性⼒等的作⽤。为了保证在这些外⼒作⽤下，⼯件仍能在夹具中保持已由定位元件所确定的加⼯位置，⽽不致发⽣振动和位移，在夹具结构中必须设置⼀定的夹紧装置将⼯件可靠地夹牢。
夹紧装置通常由动⼒源装置、传⼒机构、夹紧元件三部分组成，
在夹紧⼯件的过程中，夹紧作⽤的效果会直接影响⼯件的加⼯精度、表⾯粗糙度以及⽣产效率。因此，设计夹紧装置应遵循以下原则：⑴⼯件不移动原则；⑵⼯件不变形原则；
⑶⼯件不振动原则；⑷安全可靠原则；⑸经济实⽤原则。
3-2 试述在设计夹具时，对夹紧⼒的三要素（⼒的作⽤点、⽅向、⼤⼩）有何要求？（参见第3章之3.2.2）
设计夹紧装置时，夹紧⼒的确定包括夹紧⼒的⽅向、作⽤点和⼤⼩三个要素。
⑴夹紧⼒的⽅向。夹紧⼒的⽅向与⼯件定位的基本配置情况，以及⼯件所受外⼒的作⽤⽅向等有关。选择时必须遵守以下准则：夹紧⼒的⽅向应有助于定位稳定，且主夹紧⼒应朝向主要定位基⾯；夹紧⼒的⽅向应有利于减⼩夹紧⼒，以减⼩⼯件的变形、减轻劳动强度；夹紧⼒的⽅向应是⼯件刚性较好的⽅向。
