夹紧机构的优化设计

夹具的基本夹紧机构已典型化和标准化，并已列于夹具图册或夹具设计手册中，供设计者选用或参考。夹具中的其他夹紧机构多由基本夹紧机构演变或者组合而成。基本夹紧机构的类型较多，在此不加以讨论。本节仅就常用的几种基本夹紧机构的作用原理、结构特点、基本几何参数的确定、夹紧力的计算、优缺点及其应用范围等方面的内容进行论述。在夹紧机构中，以斜楔、螺旋、偏心、铰链、对中、联动夹紧机构以及由它们组合而成的夹紧装置应用最为普遍。

一、斜楔夹紧机构

1.作用原理

采用斜楔作为传力元件或夹紧元件的夹紧机构称为斜楔夹紧机构。图4-17（a）为斜楔夹紧机构的一种应用。敲入斜楔1，迫使滑柱2 下降，装在滑柱上的浮动压板3 即可同时夹紧两个工件4。加工完毕后，锤击斜楔1 的小头，松开工件。完毕后，锤击斜楔小头，松开工件。由此可见，斜楔主要是利用其斜面移动时所产生的压力夹紧工件的。由于用斜楔直接夹紧工件的夹紧力较小，且操作费时，所以实际生产中多与其他机构联合使用。图4-17（b）斜楔与液压或气压组合夹紧，液压或气压推动斜楔向左移动，通过滑柱拉下钩形压板夹紧工件。

图4-17　斜楔夹紧机构

（a）示例1；（b）示例2
1—斜楔；2—滑柱；3—浮动压板；4—工件

2.夹紧力的计算

图4-18（c）所示为最简单的斜楔夹紧机构简图。斜楔具有一斜角为α 的斜面，当其与具有相同斜角的斜面支承之间有相对运动时，斜楔顶面的高度位置就必定发生变化，从而可将工件夹紧或松开。当斜楔向左移动s 时，高度升高为h。

取斜楔为受力体，其受力如图4-18（a）所示。其静力平衡条件为

F1+Rx=Q

图4-18　斜楔的受力分析

（a）斜楔夹紧受力；（b）斜楔自锁受力；（c）斜楔夹紧机构

而F1=FWtanφ1，Rx=FWtan（α+φ2）

故有

式中　FW——斜楔夹紧时所产生的夹紧力（N）；

φ1、φ2——斜楔与工件、斜楔与夹具体接触面间的摩擦角（°）；

α——斜楔升角（°）；

Q——源动力（N）。

3.斜楔的自锁条件

如图4-18（b）所示，斜楔在源动力Q 消失后，如果能自锁，则摩擦力F1 应大于水平分力Rx。所以自锁条件为

F1 ＞Rx

即

斜楔夹紧自锁条件是：斜楔升角α 必须小于斜楔与工件、斜楔与夹具体之间两处摩擦角之和φ1+φ2。一般钢铁接触面的摩擦系数f=0.1～0.15，相应摩擦角φ=5°43′～8°30′，则自锁时α=10°～17°。

4.斜楔增力特性和夹紧行程

斜楔夹紧力FW 与源动力Q 的比值称为扩力比（增力系数），用iF 表示。

在不考虑摩擦影响时，理想扩力比为

当夹紧机构有多个增力机构时，其总扩力比iF=iF1iF2…iFn

工件所要求的夹紧行程h 与斜楔相应移动的距离之比称为行程比is。由图4-18（c）知

当不计摩擦时，理想扩力比为iF=1/tanα=is，即理论上夹紧力的增力倍数和夹紧行程的缩小倍数相同。相应地夹紧力增大多少倍，夹紧行程就缩小多少倍。这是斜楔行程的一个重要特性。表4-5 为常见的几种斜楔夹紧机构的iF 值。

表4-5　几种斜楔夹紧机构的iF 值

5.斜楔夹紧机构的设计要点

设计斜楔夹紧机构的主要工作内容为确定斜楔的升角和夹紧机构所需的夹紧力这两个参数，其设计步骤如下。

1）确定斜楔的升角α

斜楔的升角与斜楔的自锁性能和夹紧行程有关。因此，确定α 的值时，可视具体情况而定：一般手动夹紧，在不要求斜楔有较大的夹紧行程时，主要从确保夹紧机构的自锁条件出发来确定α 的大小，即取6°～8°；不需要自锁的机动夹紧，取α=15°～30°；在要求斜楔有较大的夹紧行程，又要有良好的自锁时，可采用双斜面斜楔。如图4-19所示，斜楔前段采用较大的斜角α1，以保证有较大的行程，后段采用较小的斜角α2，以确保自锁。

图4-19　双斜面斜楔夹紧机构

1—斜楔；2—滑柱；3—压板；4—工件

2）结构设计

因用手动的斜楔直接夹紧工件费时费力，效率极低，所以实际生产中应用不多，多数情况下是斜楔与其他元件或机构组合起来使用。图4-20所示为斜楔与螺旋组合的夹紧机构。转动螺杆带动斜楔2 前移，从而推动铰链压板3 转动而夹紧工件。图4-21所示为斜楔与压板组合的夹紧机构。用于手动夹紧，转动端面斜楔3，通过螺钉使压板2 转动夹紧工件。

图4-20　斜楔与螺旋组合的夹紧机构

1—螺旋；2—斜楔；3—压板；4—工件

图4-21　斜楔与压板组合的夹紧机构

1—工件螺旋；2—压板；3—端面斜楔

斜楔夹紧机构的计算见表4-6。

表4-6　斜楔夹紧机构的计算

续表

6.斜楔夹紧机构的特点及应用范围

斜楔夹紧机构的优点是结构简单，易于制造，具有良好的自锁性，并有增力作用。其缺点是增力比小，夹紧行程小，且动作慢，故很少用于手动夹紧机构中，而在机动夹紧机构中应用较广。

二、螺旋夹紧机构

由螺钉、螺母、垫圈、压板等元件组成的夹紧机构称为螺旋夹紧机构。螺旋夹紧机构不仅结构简单、容易制造，而且自锁性好，夹紧力大，是夹具上用得最多的一种夹紧机构。

螺旋夹紧机构可分为简单螺旋夹紧机构、螺旋压板夹紧机构、快速螺旋夹紧机构3大类。

1.简单螺旋夹紧机构

（1）作用原理。夹紧机构中所用的螺旋，实际上相当于把斜楔绕在圆柱体上，因此它的夹紧作用原理与斜楔是一样的，不过这里是通过转动螺旋，使绕在圆柱体上的斜楔高度发生变化来夹紧工件的。

（2）结构形式。简单螺旋夹紧机构有两种，螺钉夹紧和螺母夹紧机构。如图4-22所示为螺钉螺旋夹紧机构。如图4-22（a）所示用螺钉直接夹压工件，易夹伤工件表面且在夹紧过程中可能使工件转动。因此这种方法较少被采用。如图4-22（b）所示，可在螺钉头部加上摆动压块消除上述缺点。

如图4-23所示为摆动压块的结构形式。图4-23（a）为光滑压块，用于夹紧经过加工的光滑面；图4-23（b）为槽面压块，用于夹压未经加工的粗糙表面；当夹紧要求螺杆不转动时，可采用图4-23（c）的结构。

图4-22　螺钉螺旋夹紧机构

（a）螺钉夹紧机构；（b）带摆块的螺钉夹紧机构
1—螺钉；2—螺纹套；3—夹具体；4—工件；5—摆动压块

图4-23　摆动压块

（a）光滑压块；（b）槽面压块；（c）浮动压块

如图4-24所示是螺母夹紧机构。图4-24（a）中螺母1 用扳手拧动，螺母下移通过球面垫圈3 夹紧工件2，球面垫圈3 可使工件受到的夹紧力均匀，避免螺杆弯曲。图4-24（b）的星形螺母1 可以直接用手拧动。

图4-24　螺母夹紧

（a）六角螺母；（b）星形螺母
1—螺母；2—工件；3—球面垫圈

（3）夹紧力计算。螺旋夹紧机构的工作原理如图4-25（a）所示，与斜楔相似。若将螺旋沿中径展开，得到图4-25（b）所示的斜楔，其斜角等于该螺旋面的螺旋升角。转动螺杆，相当于移动斜楔夹紧工件。

图4-25　螺杆受力分析

原始作用力为施加在手柄上的力矩MQ。工件对螺杆的反作用力有：垂直于螺杆端部的反作用力即夹紧力FW 和摩擦力F1（与接触形式有关）。此两力分布于整个接触面，计算时可视为集中于半径r′的圆环上，r′称为当量摩擦半径，其合力为R1。螺母对螺杆的作用力有：垂直于螺纹面上的力N′和螺纹面上的摩擦力F2，其合力为R2。此力分布于整个螺纹面上，计算时，可视为集中在螺纹中径处。

以螺杆为受力对象进行研究，工件作用于螺杆下端部的摩擦阻力矩M1 及螺母作用于螺杆上的摩擦阻力矩M2 应与外力矩MQ 平衡，即有

MQ=M1+M2

其中

MQ=QL

M1=F1r′=FWtanφ1r′

M2=R2sin(α+φ2)r2=FWtan(α+φ2)r2

可得

式中　Q——作用螺杆手柄上的源动力（N）；

L——力Q 作用点到螺杆中心的距离（mm）；

FW——夹紧力（N）；

α——螺杆的螺旋升角（°）；

r2——螺杆上的螺纹中径的一半（mm）；

r′——夹紧螺杆端部的当量摩擦半径，其值与螺杆头部的结构形式有关，见表4-7；

φ1——螺杆头部与工件间的摩擦角（°）；

φ2——螺旋副的摩擦角（°）。

表4-7　螺杆端部与工件的当量摩擦半径计算公式

续表

（4）普通螺纹的选择。人手作用在不同结构类型的手柄上，能够发挥的力是不同的。对同一直径的螺纹，当采用不同类型、臂长的手柄时，它所产生的力矩、夹紧力也不同。如图4-26所示，公称直径为10 mm 的螺钉，用左边第一个d′=20 mm 的滚花把手能产生150 N·cm的扭矩；用右边d′=150 mm 的手柄可产生1 500 N·cm 的扭矩，后者是前者的10倍。因此，设计螺旋夹紧机构时，为保证螺纹的强度和所需的夹紧力，应合理选择螺纹的直径和手柄。当夹紧方案确定后，可按下述方法和步骤设计。

①根据定位夹紧方案算出所需夹紧力FWK与夹紧机构的组合形式，求出螺旋所承受的轴向力F′W；再根据强度条件，算出外螺纹的公称直径。

式中　d——外螺纹公称直径（mm）；

——外螺纹承受的轴向力（N）；

c——系数，普通螺纹c=1.4；

σb——抗拉强度，45 钢σb=600 N/mm2。

如果螺纹已选定，可用式（4-7）对所选直径进行强度核算。

②根据d、和螺旋端面与工件接触的结构形式，由表4-8 中的夹紧力公式算出手柄上所需的力矩M=FQL。

图4-26　手柄类型与力矩的关系

③按力矩M 的大小，由图4-26 选择手柄的类型和尺寸。图中中间的曲线为平均力矩，虚线表示变动范围。例如，需要产生M=600 N·cm 的力矩，可选用d′=35 mm 的滚花把手。

螺旋夹紧机构绝大部分用于手动夹紧，无须做精确计算。在实际设计中，应根据现场经验，由表4-8、表4-9 选取螺纹的结构尺寸。必要时对夹紧力进行核算，算出的单个螺旋实际夹紧力应小于表中相应规格螺旋的夹紧力。

表4-8 中，夹紧力数值建立在φ2=5′34，f1=0.1 等条件的基础上，并考虑了螺纹所能承受的强度。

表4-8　螺旋夹紧机构夹紧力的计算

表4-9　螺母夹紧力的计算

简单螺旋夹紧机构的结构简单，易于制造，夹紧可靠，增力系数大，自锁性能好，且夹紧行程几乎不受限制。但为了保证自锁性能，夹紧螺杆的螺纹升角一般较小，因此，螺纹的螺距一般较小，导致此种机构的夹紧动作慢，夹紧辅助时间长。故广泛应用于手动夹紧机构中，而在快速夹紧机构中很少采用。

2.螺旋压板夹紧机构

采用压板作为夹紧元件的机构称为螺旋压板夹紧机构。此种夹紧机构结构简单，夹紧力和夹紧行程较大，可通过调节杠杆比来调整夹紧力和行程，因此它在手动夹紧机构中应用较多。

如图4-27所示为较典型的螺旋压板夹紧机构。图4-27（a）、（b）为两种移动压板式螺旋夹紧机构，图4-27（a）为减力增大夹紧行程的场合，图4-27（b）不增力但改变夹紧力的方向，图4-27（c）为铰链压板式螺旋夹紧机构，主要用来增大夹紧力，但减小了夹紧行程。它们是利用杠杆原理来实现夹紧作用的，由于这3 种夹紧机构的夹紧点、支点和原动力作用点之间的相对位置不同，因此杠杆比各异，夹紧力也不同，其中图4-27（c）增力倍数最大。

图4-27　螺旋压板夹紧机构

1—工件；2—压板；3—T 形槽用螺母

图4-27　螺旋压板夹紧机构（续）

1—工件；2—压板；3—T 形槽用螺母

图4-27（d）为钩头压板夹紧机构，其特点是结构紧凑，使用方便，很适应夹具上安装夹紧机构位置受到限制的场合。图4-27（e）图所示为万能自调压板夹紧机构。它能适应工件高度由0～200 mm 范围的变化，且无须调节，使用方便，节省辅助时间，故得到广泛应用。

3.快速螺旋夹紧机构

为了减少辅助时间，可以使用各种快速接近或快速撤离工件的螺旋夹紧机构，如图4-28所示。

图4-28（a）是带有GB/T 12871—1991 快换垫圈的螺母夹紧机构，螺母最大外径小于工件孔径，松开螺母取下快卸垫圈4，工件即可穿过螺母被取出。

图4-28（b）为快卸螺母。螺孔内钻有光滑斜孔，其直径略大于螺纹公称直径。螺母旋出一段距离后，就可倾斜取下螺母。

图4-28　快速螺旋夹紧机构

1—螺杆；2—手柄；3—摆动压块；4—快换垫圈；5—螺母；6—回转压板；7—螺钉

图4-28　快速螺旋夹紧机构（续）

1—螺杆；2—手柄；3—摆动压块；4—垫圈、快换垫圈；5—螺母；6—回转压板；7—螺钉

图4-28（c）是GB/T 2189—1991 回转压板夹紧机构，旋松螺钉7 后，将回转压板6逆时针转过适当角度，工件便可从上面取出。

图4-28（d）所示为快卸螺杆，螺杆1 下端做成T 形扁舌。使用时螺杆穿过工件和夹具体底座上有长方形孔的板后，再转动90°使扁舌钩住板的底面，然后旋动螺母5，便可夹紧工件。卸下工件时，稍松螺母，转动螺杆使扁舌对准长方孔，就可把螺母5、垫圈4 连同螺杆一起抽出。

图4-28（e）中，螺杆1 上的直槽连着螺旋槽，当转动手柄2 松开工件，并将直槽对准螺钉头时，便可迅速抽动螺杆1，装卸工件。前4 种结构的夹紧行程小，后一种的夹紧行程较大。

三、偏心夹紧机构

偏心夹紧机构是指由偏心件直接夹紧或与其他元件组合而实现夹紧工件的机构。偏心件有圆偏心和曲线偏心两种类型。曲线偏心件因制造困难而很少应用，应用最广的是圆偏心件（偏心轮和偏心轴）。

如图4-29所示为常见的各种偏心夹紧机构，图4-29（a）、图4-29（b）、图4-29（c）为圆偏心轮、偏心轴和其他元件组合使用的夹紧机构。图4-29（d）为直接用偏心圆弧将铰链压板锁紧在夹具体上，通过摆动压块将工件夹紧。

圆偏心夹紧机构的优点是结构简单，动作迅速，但它的夹紧行程受到偏心距的限制，夹紧力也较小。

图4-29　圆偏心夹紧机构

1—压板；2—偏心轴；3—偏心轮用垫板；4—快换垫圈；5—偏心轴；6—偏心叉；7—弧形压块

1.圆偏心夹紧的工作原理

如图4-30（a）所示为圆偏心轮的结构简图及夹紧工作原理图。点O 为偏心轮的旋转中心，点C 为几何中心，即圆心。以O 点为圆心，线段Om 为半径的圆（虚线所示）称为圆偏心轮的基圆。圆偏心轮基圆以外的部分被直线mn 分为两部分，每部分都好像一个斜楔。将此斜楔沿基圆展开，如图4-30（b）所示，偏心轮的工作部分实质上是一个升角为变值的斜楔。其升角在m、n 两点处为零，当圆偏心轮绕着旋转中心O 点顺时针转动时，相当于将弧形楔向前楔紧在基圆与工件之间，从而将工件夹紧；反之，则可松开工件。由此可见，圆偏心夹紧的工作原理与斜楔工作原理相同。

2.圆偏心轮的结构特点

圆偏心轮实际上是斜楔的一种变形。它与平斜楔和螺旋相比，主要特点是其工作表面上各夹紧点的升角不是一个常数，它随转角ψ 的改变而发生很大的变化。

圆偏心轮任意夹紧点的升角，是指由工件的受压表面与旋转半径的法线所形成的夹角。由几何关系可知，它是由转轴中心O 点和偏心几何中心C 点，分别和夹紧点的连线所形成的夹角。由图4-30（b）可知，曲线mpn 上任意点的切线和水平线的夹角即为该点的升角。设αx 为任一点x 的升角，其值可由任意三角形△OxC 中[图4-30（a）]求得。

因

故任意点升角

图4-30　圆偏心轮的结构特点

式中，转角ψx 的变动范围为0°～100°。由式（4-8）可知当ψx=0°时，m 点的升角最小，即αm=0。随着转角ψx 的增大，升角αx 也增大。当ψx=90°，升角为最大值，即T 点的升角αT 为最大值，；当ψx 角大于90°时，αx 将随转角ψx 的增大而减小；当ψx=180°时，n 点处的升角又为最小值，即αn=0。

圆偏心轮的这一特点很重要，它与工作段的选择、自锁条件、夹紧力计算以及主要结构尺寸的确定等关系极大。

3.圆偏心的自锁条件

圆偏心夹紧必须自锁，这是设计圆偏心件时必须解决的主要问题之一。要保证偏心轮夹紧时的自锁性能，和前述斜楔夹紧机构相同，应满足下列条件：

式中　αmax——圆偏心轮工作段的最大升角（°）；(www.xing528.com)

φ1——圆偏心轮与工件间的摩擦角（°）；

φ2——圆偏心轮与转轴处的摩擦角（°）。

如前所述，圆偏心轮在P 点的升角较大，自锁性最差，若该点能自锁，则其他任何接触点都能保证自锁。为了安全起见，忽略对自锁有利的摩擦角φ1，则

αmax ≤φ2　tanαmax ≤tanφ2

令f2=tanφ2，即偏心轮的自锁条件为

当f2=0.1～0.15 时，

D/e ≥14～20

D/e 之值称为偏心率或偏心参数。D/e 值大的自锁性能好，但轮廓尺寸大。当偏心轮的外径相同时，偏心率为14 的有较大的偏心距，因而相同转角的夹紧行程较大。偏心率为20 的更能确保自锁，故选择偏心率时，应视具体情况而定。

4.偏心距的确定

如图4-31，若选偏心圆1、2 段的圆弧为工作段，则夹紧行程

故得

式中　e——圆偏心轮的偏心距（mm）；

ψ1、ψ2——圆偏心轮工作段的回转角，一般取ψ1=

45°～60°，ψ2=120°～135°；

S——圆偏心轮的夹紧行程（mm）。

图4-31　圆偏心轮的工作段选择

5.圆偏心的结构形式

图4-32所示是圆偏心结构。这些偏心轮的结构都已标准化了，设计时可参阅有关国标。

图4-32　标准偏心轮结构

6.适用范围

（1）由于圆偏心的夹紧力小，自锁性能又不是很好，所以只适用于切削负荷不大，又无很大振动的场合。

（2）为满足自锁条件，其夹紧行程也相应受到限制，一般用于夹紧行程较小的情况。

（3）一般很少直接用于夹紧工作，大多是与其他夹紧机构联合使用。

四、铰链夹紧机构

采用以铰链相连接的连杆作为中间传力元件的夹紧机构，称为铰链夹紧机构。这是一种扩力比很大的夹紧机构，但一般没有自锁性，而且摩擦损失较小，故此种夹紧机构广泛应用于气动夹具中，以弥补气缸或气室力量的不足。有时它也用于手动的复合夹紧机构中，但此时与它组合的元件必须有能实现自锁的环节。

1.铰链夹紧机构的类型

根据夹紧机构中所采用的连杆数量，可将其分为单臂夹紧机构、双臂夹紧机构和多臂夹紧机构等。图4-33所示为3 种常用结构形式。图4-33（a）为单臂铰链夹紧机构，臂的两端是铰链连接，一端带滚子。图4-33（b）为双臂单作用的铰链施力机构，此种机构需用转动气缸；图4-33（c）为双臂双作用的铰链施力机构，这种机构可同时夹紧一个工件上的多点或同时夹紧两个工件。

图4-33　使用铰链夹紧机构的气动夹具

2.铰链施力机构的设计计算

（1）根据夹紧机构设计要求初步确定结构尺寸。

（2）确定所需的夹紧行程、气缸行程量及其相应的倾斜角。

铰链夹紧机构的主要参数如图4-34所示。

图4-34　铰链夹紧机构参数

α0——铰链臂的起始行程倾斜角；

S0——受力点的行程，即气缸的行程X0；

αj——铰链臂夹紧时的起始倾斜角；

ip——铰链机构的增力比；

Sc——夹紧端A 的储备行程；

S1——装卸工件的空行程；

S2+S3——夹紧行程；

αc——铰链臂的夹紧储备角。

如图4-34，当机构处于夹紧状态时，铰链臂末端离其极限位置应保持一个最小储备量Sc，否则机构可能失效。一般认为Sc≥0.5 mm 比较合适，但又不宜过大，以免过分影响扩力比；也可直接取夹紧储备角αc=5°～10°，表4-10 列出了几种典型铰链夹紧机构的计算公式，由表中的公式算出。

夹紧终点的行程包括两部分，一部分为便于装卸工件的空行程S1，另一部分为夹紧行程S2+S3，其中S2 用来补偿系统的受力变形，一般取S3=0.05～0.15 mm。根据S2+S3 可由表4-10 中的公式算出铰链臂夹紧时的起始倾斜角αj，再根据S1 和αj 算出铰链臂的起始行程倾斜角。

（3）计算机构所需的原始作用力Q。

先按表4-10 的相应公式计算出扩力比，然后根据所需的夹紧力除以扩力比即可算出所需的原动力，作为选择动力源的依据。

表4-10　铰链夹紧机构的计算公式

FW——铰链夹紧机构的夹紧力；

Q——拉杆作用在铰链轴上的拉力，近似于原作用力；

αj——夹紧时连杆的倾斜角；

αc——铰链臂的夹紧储备角；

φ′——连杆两端铰链的当量摩擦角；

φ′1——滚子的滚动当量摩擦角；

φ′2——滑柱和导向孔的当量摩擦角；

S——铰链夹紧机构的夹紧行程；

Sc——最小行程储备量，一般取Sc≥0.5 mm；

S1——空行程，即满足装卸工件所需的夹紧行程；

S2——补偿工件在夹紧方向上的尺寸偏差所需要的夹紧行程，其值为工件的夹紧尺寸公差；

S3——用于补偿夹紧变形所需的夹紧行程，其值取决于夹紧系统的刚性。

五、联动夹紧机构

利用一个原始作用力实现单件、多件的多点或多向同时夹紧的机构，称作联动夹紧机构。由于该机构能有效提高生产率，因而在自动线和各种高效夹具中间得到广泛的采用。

联动夹紧机构的特点如下。

（1）易于保证工件的定位，不会因多点夹紧而产生位移和偏转，使工件的既定位置不受破坏。

（2）采用联动夹紧机构可减少工件的装卸时间，有利于提高劳动生产率。

（3）对手动夹具来说，采用联动夹紧机构可简化操作，从而减轻工人的劳动强度。

（4）对于机动夹紧机构来说，采用联动可减少动力装置，降低夹具的设计和制造成本，因而在自动线和各种高效夹具中得到了广泛的采用。但联动夹紧机构的动作原理、力学原理及结构等都很复杂，且设计难度较大。

根据夹具的结构和工作原理，可将联动夹紧机构分为3 种，即多点多向联动夹紧机构、多件联动夹紧机构及其他联动夹紧机构。下面就各种联动夹紧机构分别加以论述。

1.多点多向联动夹紧机构

多点、多向联动夹紧是用一个原始作用力，通过一定的机构分散到数个点上对工件进行夹紧。最简单的多点、多向夹紧是采用浮动压头的夹紧。图4-35所示是几种常见的浮动压头。

图4-35　浮动压头及四点双向浮动夹紧机构

1、3—摆动压块；2—摇臂；4—螺母；5—浮动柱

图4-35（a）为通过摆动压块1 实现斜交力两点联动夹紧的浮动压头，图4-35（b）是通过浮动柱的水平滑动协调浮动压头实现对工件的夹紧，图4-35（c）为四点双向浮动夹紧机构，夹紧力分别作用在两个相互垂直的方向上，每个方向上各有两个夹紧点，实现四点联动夹紧。

图4-36　多点浮动夹紧机构的特点

图4-36所示为使用多点浮动夹紧机构的轴用虎钳。螺杆为一浮动元件，轴向不定位可以窜动，只能对工件进行多点夹紧，不能定位。故工件还需要靠V 形块定位。

2.多件联动夹紧机构

用一个原始力，通过一定的机构对数个相同或不同的工件进行夹紧称为多件夹紧。多件夹紧机构多用于夹紧小型工件，在铣床夹具中用得最广。根据夹紧力的方向和作用情况，一般有下列几种形式。

（1）平行夹紧。如图4-37所示，各个夹紧力互相平行，从理论上说，分配到各工件上的夹紧力相等。图4-37（a）为利用平行压块进行夹紧。每两个工件一般就需要用一浮动压块，工件多于两个时，浮动压块之间还需要用浮动件连接。如图4-37所示，夹紧4 个工件就需要用3 个浮动件。图4-37（b）则是用流体介质（如液性塑料）代替浮动元件实现多件夹紧。

图4-37　平行夹紧机构

图4-38　采用刚性压板进行多件夹紧

多件夹紧之所以必须采用浮动环节，是由于被夹紧的工件尺寸有误差，如果采用刚性压板则各工件所受的夹紧力就有可能不一致，甚至有些工件夹不住，如图4-38所示。

（2）对向夹紧和复合夹紧。对向夹紧是通过浮动夹紧机构产生两个方向相反、大小相等但比原始作用力大的夹紧力，并同时将各工件夹紧，如图4- 39所示。图4-39（a）中转动偏心轮4，通过滑柱3，两侧的压板1 即产生大小相等方向相反的夹紧力夹紧工件，偏心轮的转轴可在导轨5 上浮动。图4-39（b）利用螺杆6、顶杆7 和连杆8作为浮动元件，对4 个工件进行夹紧，浮动件总数为3 个。

图4-39　对向夹紧

1—压板；2—夹具体；3—滑柱；4—偏心轮；5—导轨；6—螺杆；7—顶杆；8—连杆

复合夹紧多为平行和对向夹紧机构的综合应用，图4-40 为复合夹紧的示例。

图4-40（a）为利用两块浮动压板1 和浮动螺杆2 夹紧4 个工件，浮动件总数为3 个。图4-40（b）采用液性塑料作为传递压力的介质，旋紧螺母4，经压板5、柱塞6 及液性塑料，将工件均匀夹紧。由于夹紧元件对向作用，使作用在工件定位元件上的力互相抵消，不会引起定位元件的位移。

图4-40　复合夹紧

1—浮动压板；2—浮动螺杆；3—球面垫圈；4—螺母；5—压板；6—柱塞；7—定位元件

（3）连续夹紧。以工件本身为浮动件，不用另设置元件就可实现连续多件夹紧。夹紧力依次由一个工件传至下一个工件，一次可以夹紧很多工件。这种夹紧方法的缺点是工件定位基准的位移误差逐个累积，造成夹紧力方向的误差很大，故连续式夹紧适用于工件的加工面与夹紧力方向平行的场合，如图4-41所示。

图4-41　依次连续夹紧

连续夹紧机构，由于摩擦的影响，各工件所受到的夹紧力并不相等，距原始作用力越远，夹紧力越小，故同时夹紧的工件数应有所限制。

3.夹紧与其他动作联动

图4-42 为夹紧与移动压板联动机构。工件定位后，逆时针扳动手柄，由拔销1 拔动压板2 上的螺钉3 使压板进到夹紧位置。继续扳动手柄，拔销1 与螺钉3 脱开，偏心轮5 顶起螺钉4 与压板2 夹紧工件。松开时，由拔销1 拔动螺钉4，将压板退出。

图4-43 为夹紧与锁紧辅助支承联动机构。工件定位后，辅助支承1 在弹簧的作用下与工件接触，转动螺母3 推动压板2，压板2 在压紧工件的同时，通过锁销4 将辅助支承1 锁紧。

图4-42　夹紧与移动压板联动机构

1—拔销；2—压板；3，4—螺钉；5—偏心轮

图4-43　夹紧与锁紧辅助支承联动机构

1—辅助支承；2—压板；3—螺母；4—锁销

图4-44 为先定位后夹紧联动机构。当压力油进入油缸8 的左腔时，活塞杆9 向右移动过程中，后端的螺钉10 离开拨杆1 的短头，推杆3 在弹簧2 的作用下向上抬起，并以其斜面推动活块4 使工件靠在V 形定位块7 上。然后，活塞杆9 继续向右移动，利用其上斜面通过滚子11、推杆12 顶起压板5 压紧工件。当活塞杆向左移动时，压板5 在弹簧6 的作用下松开工作，然后螺钉10 推转拨杆1 压下推杆3，在斜面作用下带动活块4 松开工件，此时即可取下工件。

图4-44　先定位后夹紧联动机构

1—拨杆；2，6—弹簧；3，12—推杆；4—活块；5—压板；7—定位块；8—油缸；9—活塞杆；10—螺钉；11—滚子

4.联动夹紧机构设计要点

（1）联动夹紧机构在两个夹紧点之间必须设置必要的浮动环节，并具有足够的浮动量，动作灵活，符合机械传动原理。如前述联动夹紧机构中，采用滑柱、球面垫圈、摇臂、摆动压块和液性介质等作为浮动件的各个环节，它们补偿了同批工件尺寸公差的变化，确保了联动夹紧的可靠性。常见的浮动环节结构如图4-45所示。

图4-45　浮动环节的结构类型

1—动力输入；2—输出端；3—工件；4—液性介质；5—弹簧

（2）适当限制被夹工件的数量。在平行式多件联动夹紧中，如果工件数量过多，在一定原始力作用条件下，作用在各工件上的力就小，或者为了保证工件有足够的夹紧力，需无限增大原始作用力，从而给夹具的强度、刚度及结构等带来一系列问题。对连续式多件联动夹紧，由于摩擦等因素的影响，各工件上所受的夹紧力不等，距原始作用力越远，则夹紧力越小，故要合理确定同时被夹紧的工件数量。

（3）联动夹紧机构的中间传力杠杆应当力求增力，以免使驱动力过大，并要避免采用过多的杠杆，力求结构简单紧凑，提高工作效率，保证机构可靠地工作。

（4）设置必要的复位环节，保证复位准确，松夹装卸方便。如图4-46所示，在两拉杆4 上装有固定套环5，松夹时，联动杠杆6 上移，就可借助固定套环5 强制拉杆4 向上，使压板3 脱离工件，以便装卸。

（5）要保证联动夹紧机构的系统刚度。一般情况下，联动夹紧机构所需总夹紧力较大，故在结构形式及尺寸设计时必须予以重视，特别要注意一些传递给元件的刚度。如图4-46中联动杠杆6 的中间部位受较大弯矩，其截面尺寸应设计大些，以防止夹紧后发生变形或损坏。

（6）正确处理夹紧力方向和工件加工面之间的关系，避免工件在定位、夹紧时的逐个积累误差对加工精度产生影响。在连续式多件夹紧中，工件在夹紧力方向必须设有限制自由度的要求。

图4-46　强行松夹的结构

1—斜楔滑柱机构；2—限位螺钉；3—压板；4—拉杆；5—固定套环；6—联动杠杆；7—工件

六、定心夹紧机构

在机械加工中，很多加工表面是以其中心要素（轴线、中心平面等）作为工序基准的，因而也都用它们作为定位基准。这时若采用定心对中夹紧机构装夹加工，可以使基准不重合误差为零。

定心夹紧机构是一种特殊的夹紧机构，其定位和夹紧这两种作用是在工件被夹紧的过程中同时实现的，夹具上与工件定位基准相接触的元件，既是定位元件，也是夹紧元件。如图4-47（a）所示的三爪自定心卡盘。3 个夹爪1 为定心夹紧元件，能等速趋近或离开卡盘中心，使其工作面2 对中心总保持相等的距离，当工件定位直径不同时由夹爪1 的等距移动来调整，使工件工序基准（轴线）与卡盘中心保持一致。又如图4-47（b）所示的对中夹紧机构左、右夹爪1 为定心夹紧元件，它的工作面2 对夹具的中心平面保持等距性行程位置。

综上所述，定心夹紧机构主要用于要求准确定心和对中的场合。定心、对中夹紧机构之所以能实现准确定心、对中，就在于它利用了定位夹紧元件的等速移动或均匀弹性变形的方式，来消除工件定位基准面的制造误差，使这些误差或偏差相对于所定心或对中的位置，能均匀对称地分配在工件的定位基准面上。因此，定心、对中夹紧机构的种类虽多，但就其各自实现定心和对中的工作原理而言，也不外乎下述两种基本类型。

1.按定位夹紧元件等速移动原理来实现定心对中夹紧

如图4-47所示，这类夹紧机构是依靠传动机构使定心夹紧元件同时做等速移动，从而实现定心夹紧，如螺旋式、杠杆式、楔式机构等。下面介绍常用的几种结构。

图4-47　定心、对中夹紧的工作原理

（a）三爪自定心卡盘；（b）对中夹紧机构
1—夹爪；2—工作面；3—工件；4—刀具

（1）螺旋式定心夹紧机构。如图4-48所示为螺旋式定心夹紧机构。旋动有左、右螺纹的双向螺杆6，使螺母滑座1、5 上的V 形块钳口2、4 作对向等速移动，从而实现对工件的定心夹紧；反之，便可松开工件。V 形块钳口可按工件需要更换，定心精度可借助调节螺钉3 实现。这种定心夹紧机构的特点是：机构简单、工作行程大，通用性好，但定心精度不高，一般为φ（0.05～0.1）mm。主要适用于粗加工或半精加工中需要行程大而定心精度要求不高的工件。

图4-48　螺旋式定心夹紧机构

1，5—螺母滑座；2，4—V 型块钳口；3—调节螺钉；6—螺杆

图4-49　车床用气压定心卡盘

1—拉杆；2—滑套；3—钩形杠杆；4—销轴；5—夹爪

（2）杠杆式定心夹紧机构。如图4-49所示为车床用的气压定心卡盘，气缸通过拉杆1 带动滑套2 向左移动时，推动三个钩形杠杆3 同时绕销轴4 转动，收拢位于滑槽中的3 个夹爪5 从而将工件定心夹紧。夹爪的张开靠拉杆右移时滑套2 上的斜面推动夹爪。这种定心夹紧机构具有刚度高、动作快、扩力比大、工作行程也比较大等特点，但其定心精度较低，一般为φ0.1 mm 左右。它主要用于工件的粗加工。由于杠杆机构不能自锁，所以这种机构自锁要靠气压或其他装置，其中采用气压的较多。

（3）楔式定心夹紧机构。如图4-50所示为机动的楔式夹爪自动定心机构。当工件以内孔及左端面在夹具上定位后，气缸通过拉杆4 使6 个夹爪1 向左移，由于本体2 上斜面的作用，夹爪1 左移的同时向外胀开，将工件定心夹紧；反之，夹爪1 右移时，在弹簧卡圈3 的作用下使夹爪、收拢，将工件松开。这种定心夹紧机构的机构紧凑且传动准确，定心精度一般可达φ0.02～0.07 mm，比较适用于工件以内孔作定位基面的半精加工工序。

图4-50　楔式夹爪自动定心机构

1—夹爪；2—本体；3—弹簧卡圈；4—拉杆；5—工件

2.按定位夹紧元件均匀弹性变形原理来实现定心夹紧

另一种是定心夹紧机构是依靠定心夹紧元件本身做均匀地弹性变形（收缩或胀力），从而实现定心夹紧，如弹簧筒夹、膜片卡盘、波纹套、液性塑料心轴等。

（1）弹簧筒夹式定心夹紧机构。这种定心夹紧机构常用于装夹轴套类工件。如图4-51（a）所示为用于工件以外圆柱面为定位基面的弹簧夹头。旋转螺母4 时，锥套3 内锥面迫使弹性筒夹2 上的簧瓣向心收缩，从而将工件定心夹紧。如图4-51（b）所示为用于工作以内孔为定位基准的弹簧心轴。因工件的长径比L/D≥1，故弹性筒夹2 的两端各有簧瓣。旋转螺母4 时，锥套3 的外锥面向心轴5 的外锥面靠拢，迫使弹性筒夹2 的两端簧瓣向外均匀扩张，从而将工件定心夹紧。反向转动螺母，带退锥套，便可卸下工件。

图4-51　弹簧夹头和心轴

（a）弹簧夹头；（b）弹簧心轴
1—夹具体；2—弹性筒夹；3—锥套；4—螺母；5—心轴

弹簧筒夹定心夹紧机构的结构简单、体积小、操作方便迅速，因而应用十分广泛。其定心精度可稳定在φ（0.04～0.1）mm。为保证弹性筒夹正常工作，工件定位基准的尺寸公差应控制在0.1～0.5 mm 范围，一般适用于精加工或半精加工。

（2）波纹套定心心轴。图4-52所示为波纹套定心夹紧机构，这种定心机构的弹性元件是一个薄壁波纹套。旋紧螺母1 时，轴向压力使两波纹套径向均匀胀大，工件定心夹紧。波纹套2 及支承圈5 可以更换，以适应孔径不同的工件，扩大心轴的通用性。

图4-52　波纹套定心夹紧机构

1—螺母；2—波纹套；3—垫圈；4—工件；5—支承圈

波纹套定心夹紧机构的结构简单、安装方便、使用寿命长、定心精度可达φ（0.005～0.01）mm，适用于定位基准孔D ＞20 mm，且公差等级不低于IT8 级的工件，在齿轮、套筒类等工件的精加工工序中应用较多。

（3）液性塑料心轴。图4-53所示为液性塑料心轴的两种结构。其中图4-53（a）是工件以内孔为定位基面，图4-53（b）是工件以外圆为定位基面，虽然两者的定位基面不同，但其基本结构与工作原理是相同的。起直接夹紧作用的薄壁套筒2 压配在夹具体1 上，在所构成的容腔中注满了液性塑料3，液性塑料常温下呈胶冻状。当工件装到薄壁套筒2 上之后，旋进加压螺钉5，通过柱塞4 使液性塑料流动并将压力传到各个方向上，薄壁套筒2 的薄壁部分在压力作用下产生径向均匀的弹性变形，从而将工件准确定心和夹紧。当拧出螺钉5 时，压力消除，在材料弹性恢复力的作用下，套筒的薄壁部分便恢复到原始状态，从而使工件松开。图4-53（a）中的限位螺钉6 用于限制加压螺钉的行程，防止薄壁套筒超负荷而产生塑性变形。

图4-53　液性塑料定心夹紧机构

（a）工件以内孔定位；（b）工件以外圆定位
1—夹具体；2—薄壁套筒；3—液性塑料；4—柱塞；5—螺钉；6—限位螺钉