专为五轴机床设计的夹具可以在工件毛坯底部所加工的燕尾形型材上进行夹紧。这些燕尾型夹具为重型切削提供足够的夹紧力，并在零件周围提供宽敞的间隙。

▲五轴上的燕尾夹紧

然而，在某些情况下，即使这些设备也不是安装在五轴机床中最为合适的夹具。定制化夹具才能为某些特定的加工提供价值，主要是涉及紧密特性、真实位置公差和/或大批量尺寸的工件。下面着重介绍两款定制化夹具：

▪第一款是一次可固定4个部件的“四柱”夹具，适用于不同的工件或零件系列，采用燕尾夹紧接口。

▪第二款被称为包含27个部件，专门用于复杂、大批量的作业。

四柱式夹具-提供更大空间

根据需求所设计的四柱夹具，特点是拥有4个钢柱的铝基柱，每个钢柱都具备一个燕尾接合，这使得夹具可用于各种不同的工件，具有多功能性。

此夹具的首要目的是帮助设备尽快开始加工一个特定的工作：由1215钢坯加工而成的燃料块，且批量订购数量300件以上。这种大批量生产是采用可同时安装多个零件的定制化夹具的主要原因。

▲图中的夹具有4根柱子，柱子顶端呈45°，当它们被安装在立柱顶部的燕尾夹中时，这在零件周围提供了足够的空间和间隔

这种夹具需要有足够的刚性来处理粗铣工件，但仍要提供雕刻作业和在零件底部钻复合角孔所需的间隔。以45°加工每根立柱的顶部，使工件彼此之间相互延伸，并提供必要的工具间隙，以接触每个零件的所有5个面。

工件毛坯首先预装在VMC上，VMC在工件表面上制造所需的加工工作量最少(或者根本不需要)的燕尾形剖面。一旦毛坯被固定在夹具上，加工四个燃料块的周期时间是2.5 h(不需要去除燕尾形剖面和在第六面进行额外的加工)。

包含27个工件的夹具

由625铬镍铁合金所制成的复杂的波状外形的工件，其批量大小为1000件，这促使工厂设计了包含27个工件的夹具。

▲这个夹具的圆顶状一次固定了27个零件

在设计过程中，一个类似穹顶的夹具形状被认为可能能够包含更多的零件。与为了提供足够的间隔以45°安装在另一个夹具上的4根支柱上的方式大致相同，将零件安排在一个球形剖面周围可以提供充足的通路，同时使更多的部件能够同时被夹紧。该夹具是由工厂现有的备用钢材所制成的，并被安装在一个矩形立管的顶部。

此夹具设计面临的一个挑战是决定如何最好地在夹具中抓紧毛坯。毕竟从更接近零件净形状的圆料开始是有意义的。因此在每个毛坯中加工了平面，以使米提佰凸轮驱动的夹具能够夹紧它们。每个零件加工两个凹槽，一个用于夹紧装置，另一个用于装圆料。

▲夹具内所夹紧的异形零件的完整加工的总周期为6h

然后，根据加工情况，将零件分成两排，可以在较低一排装上更多的凹槽(15个部件，相比之下在较高一排中只要12个部件)。加工所有27个夹紧零件的总周期为6 h。之后，零件被安装在VMC上的定制虎钳的钳口中，该钳口加工底面并在通孔的背面钻埋头孔。

图2 千斤顶油缸装卸夹具总成

1.联轴节 2.销轴 3.夹具体

4、8.内六角圆柱头螺钉 5.心轴 6.滚柱

7.衬套 9.衬套盖板

夹具体结构组成：

在整套夹具中，夹具的本体是夹具体，如图3所示，除联轴节外，其他7个零件都是直接或间接装配在夹具体上，联轴节一端与机床主轴联接，另一端通过销轴与夹具体联接，起传递转矩给夹具体的作用。

图3 夹具体

夹具体是一圆柱体结构，体内中部开有台阶形圆柱孔，包括大台阶部、位于大台阶部上部的小台阶部。心轴为阶梯轴结构，小径端设置有一个大倒角，装配作业时便于滑入油缸内孔。

夹具其他结构组成：

衬套结构如图7所示，它与夹具体的下端内孔D1间隙配合，长度略小于内孔D1深度，筒壁上开有3个轴向均布的限位槽，限位槽横截面呈梯形，滚柱装于限位槽中。

图4 衬套

夹具体偏心圆弧部与衬套之间形成用于配合滚动体工作以实现装卸油缸的调节孔，调节孔的截面为月牙形。衬套盖板中部有与油缸配合装配的通孔，通孔下端设计有倒角，装配时利于油缸快速导向滑入，衬套盖板通过3个内六角圆柱头螺钉与夹具体联接，主要作用是限位、支撑衬套及做滚柱组合体。

图5 联轴节

联轴节结构如图5所示，阶梯轴结构，最下端为一方轴，装配时插入夹具体的方孔，经穿过孔D4的销轴完成夹具体的联接，起传递转矩给夹具体的作用，上端大径d2插入机床主轴内孔经穿过孔D5的销与主轴联接。

PART02 装卸夹具的工作原理及使用

油缸装卸夹具的工作原理

夹具体通过联轴节与上缸机主轴联接，上缸机将动力输出传递给联轴节，联轴节通过其前端的方形轴将转矩传递给夹具体。

图6 夹具工作状态1

1.油缸 2.夹具体 3.衬套 4.滚柱

心轴大径端通过螺钉与夹具体联接固定，另一端装入油缸内。夹具体转动时，心轴随之同步转动，并在夹具体夹紧油缸外壁时，起支撑、承压及传递油缸外壁压力的作用。

夹具体下部设有多段独立的径向向外凸出的偏心圆弧部，偏心圆弧部与油缸之间设有活动限位组件，活动限位组件包括衬套、装于衬套上的滚柱调节孔。

图7 夹具工作状态2

1.油缸 2.夹具体 3.衬套 4.滚柱

夹具体下端内孔为装滚柱及滚柱限位衬套段的内圆面。滚柱行程被小间隙部位限制，只能在大间隙部位左右滑动，不能通过小间隙部位。在夹具体总成转动的整个过程中，通过衬套、滚柱组件中的滚柱对油缸外壁提供压紧力。

图8 夹具工作状态3

1.油缸 2.夹具体 3.衬套 4.滚柱

油缸、底座组件被限位于上缸机工作台上，在油缸底座及油缸组件的油缸完全进入夹具体后，启动上缸机工作开关，夹具体在联轴节的带动下顺时针方向旋转。受夹具体偏心圆弧旋转的摩擦影响，3支滚柱产生一定程度的自转，并迅速靠近、压紧油缸外壁，带动油缸顺时针方向旋转，并通过其外螺纹旋入底座内螺纹，最终实现油缸与底座之间的密封联接。

油缸装卸夹具的使用

油缸装卸夹具是通过上缸机来实施作业的，顺时针或逆时针操纵主轴操纵杆，夹具体可上升或降低到一定的高度并保持其位置不动。

使用前，上一道工序的操作者在生产线工作台特定的区域上放置一组千斤顶底座，然后在底座上按照顺序依次放入密封钢球、钢垫，最后通过手工向底座上装入油缸，经过前面初步组装的底座及油缸组件被传递进入上缸机工位，并被限位于上缸机工作台。

图9 上缸夹具工作时效果

1.联轴节 2.销轴 3.夹具体 4、8.内六角圆柱头螺钉

5.心轴 6.滚柱 7.衬套 9.衬套盖板

10.油缸 11.垫圈 12.底座

经过初装的油缸底座、油缸组件进入上缸机工位后，操纵上缸机主轴升降杆，让夹具体整体下降并接近油缸，油缸通过衬套盖板内孔锥面初次导向及心轴前端锥面的2次导向进入夹具体中，然后起动上缸机主轴旋转按钮。当工作台产生的转矩达到预定值后，主轴旋转开关即自动关闭，主轴停止旋转，工作台及底座、油缸组件绕工作台轴线反向回弹，产生相对于夹具体的一个角度回转，由于上缸机主轴设计设定转速不高，回弹后夹具体、滚柱基本处于无受力状态，操纵主轴上升，就能实现夹具体总成与底座、油缸总成的分离。

加工思路：使用可修整刀具进行展成磨削，两个可垂直移动的工件轴安装在可转动的立柱上；在磨削加工一个工件的同时，另外一个工件轴将对加工完的工件进行下料，以及对一个未加工的工件进行上料。

差速齿轮

加工思路：同样使用可修整刀具进行展成磨削，配备两个相同的工件轴，相对立设置在旋转工作台的两边；在磨削加工一个工件的同时, 另外一个工件轴可同步完成另一个工件的下料、上料以及对中校准。

重载车齿轮

加工思路：使用一体化的修整装置和齿轮测量系统，环式自动上料装置，应用辅助轴实现砂轮外径与磨削加工任务的匹配。

机器人齿轮箱

加工思路：采用可修整刀具进行展成磨削或免修整 CBN 刀具进行成型磨削。

齿轮外箱体

加工思路：简化加工流程， 使用一次装夹夹具完成齿廓、内孔和端面的磨削加工。

高精密齿轮

加工思路：对于航天航空等高精要求齿轮，一般使用基于模块化设计的磨齿机床生产，成型磨削外齿齿形，带有齿形修整装置。

Part.2 大型齿轮的夹持思路

普通齿轮的夹持方案大家可能都已经比较了解，但其实大型齿轮的需求也不断在增长，它的夹持思路应该是：

模块化夹持

模块化、快换式的夹具解决方案对于几乎每种齿轮生产都可以应用，在工件更换速度、可靠性都是进步。而且采用模块化概念，对零件、硬件的需求甚少，可最大程度地减少对刀具的利用。

蝶形膨胀夹具技术

大型齿轮需求量的增加表明，重量达2吨的孔类零件的加工的需求量很大。下面这种蝶形膨胀夹具按照自动装料设计，在大中批量工件的生产中效益颇佳。蝶形膨胀夹具的关键点在于它能够对工件进行自动定心。

在夹紧时，在定心过程完成之前夹具不会对工件施加轴向夹紧力。这种定心和夹紧动作分开可使得重型工件(重量高达2吨)的定心精度误差<30 μm。

传统加工中，大型工件的预对中需花费相当的时间和精力，操作人员用铝锤慢慢地把工件在定位环上对准，进行微小的增量调整。蝶形夹具则相反，工件先在一个垫环上预对中，并在之后的夹紧工位自动定心，能够节省高达70% 的工件换型时间。

要使工件在夹具中占据正确的加工位置，就要在空间直角坐标系中，通过合理的布置定位元件限制工件的6个自由度。

完全、不完全定位

工件在机床夹具装夹中正确的定位方式有两种：完全定位和不完全定位。工件定位时，其6个自由度全部被限制的定位称为完全定位。工件采用这种定位方式使其在空间占有一个完全确定的位置。

不完全定位是指，如果工件根据该工序加工要求只需要限制其部分自由度，虽然工件在空间不占有完全确定的位置，但不影响该工件加工要求。工件定位时应采用完全定位还是不完全定位，主要由该工序的加工要求和定位稳定性来决定。

欠定位、过定位

工件加工中定位常出现的异常现象有两种：“欠定位”和“过定位”。工件实际定位所限制的自由度个数，少于按该工序加工要求必须限制的自由度数目称为欠定位。欠定位出现，将无法保证加工要求。

工件定位时，如果出现两个或两个以上的定位支撑点重复限制工件上的同一自由度则称为过定位。

过定位会导致重复限制同一个自由度的定位支撑点之间产生干涉现象，从而导致定位不稳定，破坏定位精度，造成工件或定位元件受力变形，甚至出现部分工件无法安装的情况。

Part.2 过定位的影响及解决方案

下面主要以两个比较典型的过定位实例来进行详细分析，过定位对加工精度的影响及解决方案。

变速器细长杆加工案例

变速器横向换挡杆的加工属于细长杆（直径约30 mm，长度388 mm）的加工范畴，由于加工、装夹过程中易变形、易弯曲，因此此类工件在机械加工中属于难加工件。加工后径向圆跳动很难保证工艺要求，长期以来横向换档杆的热前车工加工要保证0.05 mm的径向圆跳动一直很困难，而且非常不稳定，按原工艺加工常常有部分件超差，要进行二次返修。

工艺分析

为了保证工艺要求，先前一直在精车工序之前增加一道半精车工序，虽然径向圆跳动比按原工艺加工有所改善，但还不时出现不稳定的情况。甚至出现过因径向圆跳动超差被退回的事故。在增加了热前软磨工序后，由于磨削加工效率低，不能满足不断增长的生产任务要求，工艺部门也曾按热处理车间的校直情况，把热前径向圆跳动放大到0.08mm，但是热后还经常有磨不圆的现象。

过定位的原因

经过一系列原因排查后的结果显示，自车软三爪的装夹长度过长，有可能出现过定位现象。从6点定位原理及我们实际加工工件的定位要求来说，我们应该限制X移动、Y移动、Z移动、Y旋转和Z旋转，而不应限制X旋转。

现在我们来分析改进以前的定位方式，三爪的装夹长度为25～30mm，我们可以把这种定位看成一个长套外圆定位，限制的自由度为Y移动、Z移动、Y旋转和Z旋转，再加上端面一个支承点限制X移动，已经满足我们加工中需要限制的5个自由度。因零件为细长杆，如果不加任何辅助定位，悬臂太长，由于切削力的影响，会产生让刀，车出较大的锥度，所以另一端面必须增加顶尖辅助定位，这样顶尖又限制了Y移动、Z移动（因顶尖压力调得很小，故不限制X移动），这样过定位现象就产生了，重复限制了Y移动和Z移动。

▲工艺改进过程工序

过定位的问题排除

在第二次工艺改进中，将装夹长度改为10mm，可以把这样的定位看成一个短套外圆定位，限制的自由度为Y移动和Z移动，再加上端面一个支承点限制X移动，我们加工中需要限制的自由度为5个，显然现在属于欠定位。增加车床尾座顶尖定位，这样就又限制了Y旋转和Z旋转，既满足了定位要求，又消除了过定位现象。

另外还通过增加一个工艺用槽来减小装夹长度，按改进后的工艺开始加工了20件，结果显示径向圆跳动全部控制在0.05mm以内。据此，通过减小装夹长度，消除过定位，使该产品加工精度最终满足了工艺要求，使长期困扰我们的难题得以解决。

齿轮滚齿加工案例

在齿轮滚齿加工中，国产滚齿机较多采用的夹具结构为下拉杆拉紧压盖压紧工件，定位心轴定心齿坯内孔，上面顶尖顶在拉杆的中心孔内辅助定位的方式来满足滚齿加工的装夹定位需求。

齿轮滚齿加工中的装夹

在设备精度比较好时，这样的装夹定位方式可以满足产品加工的精度需求。

图1

机床和工件加工方式

该零件采用一种具有卧式第四轴及对应尾座的立式数控加工中心加工。为便于叙述按图1定义正面孔和反面孔。第一步，钻、铰正面8.58mm 孔，然后加工其内外倒角; 第二步，第四轴旋转 30°，同第一步加工5.1 mm 孔; 第三步，工件随第四轴转动180°，同第一步加工反面孔。

图2

定位夹紧方案

基于上述加工方式以及零件尺寸基准，该零件应采用 V 形块支撑外圆并配合 V 形块压紧，再加上油管一端面靠在夹具轴向定位基准面上另一端被夹紧装置夹紧的方式装夹。油管两端面上的 C0. 5 内倒角是精车得到的，可作为两个顶尖孔使用。

由于倒角尺寸很小，若使用顶尖定在其上，两者可视为是线接触的，所以又可称此倒角为线接触中心孔。线接触中心孔使刚性轴的定位及加工精度较用标准中心孔提高两个数量级。

图3

因此可采用两顶尖顶在管子两端内倒角上进行轴向定位。上述方案中，V 形块和两顶尖重复限制了管子的自由度，即形成了过定位。通常这是不允许的，但由于这种油管长径比达 15，属于细长零件，刚性较差，加工过程中易变形，因此考虑增加支承，在使用两顶尖的基础上增加 V 形块支撑，形成过定位。合理地利用过定位可改善工件受力状况、增加系统刚度、改善定位精度、提高加工质量。

夹具总体设计与动作实施

夹具定位与夹紧动作实施如下: 初始时，液压顶尖处在最左边，旋转压块处在长边与 B 轴轴线平行的最高位置，此时上料装置可方便地将 8 根管子放到夹具上; 上料后，液压顶尖头在活塞推动下推动管子右移并最终顶紧在右端固定顶尖上; 随后，旋转油缸活塞带动旋转压块先旋转再夹紧将管子夹紧在 V 形槽上; 右侧使用如图 3 所示 8 个两腔分别并联的油缸主要是考虑到管子长度公差带宽达 0. 4 mm，若采用8 个顶尖刚性连接在一个零件上，可能出现较短的管子不能被准确定位的情况。

图4 夹具总装图

考虑到管子外径公差及直线度公差较大，本应在一个零件上加工出 8 条 V 形槽的旋转压块做成了如图4中局部视图中所示的 20、21、22 三种零件构成的 8 头分别压紧 V 形旋转压块。

图5 集成液压顶尖

该旋转压块下压时外径为正公差的管子或者向上凸起的先被压紧，随后较细或者向下弯曲的管子也被压紧，当然碟形弹簧的压缩行程满足夹紧最细管子的要求。集成液压顶尖采用如图5中局部视图中所示的结构使得顶尖活塞不受弯矩载荷。

液压控制回路

要求左端顶紧油缸和中间旋转油缸完成夹紧动作后，都能够使活塞保持在夹紧位置一段时间。液压锁紧回路可使执行元件停留在行程范围内的任意位置并能防止在外力作用下的漂移或蹿动，因此采用一种锁紧回路。采用锥阀的液控单向阀可保证闭锁时不会渗漏，这正好可以作为此设计中的锁紧元件。图6即是液压原理图。为便于描述，这里将 8 个并联顶紧油缸在图上表达为 1 个。

图 6 液压原理图