現(xiàn)代工業(yè)制造中工裝夾具設(shè)計發(fā)展淺議

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摘要：工裝夾具的設(shè)計，不僅關(guān)系到零件能否夾緊，也將給機械加工精度、效率等帶來直接影響。在現(xiàn)代工業(yè)制造活動中，對機械加工精度和效率提出了更高要求，推動了工裝夾具設(shè)計發(fā)展。為合理實現(xiàn)工裝夾具在現(xiàn)代機械加工中定位設(shè)計，對工裝夾具設(shè)計現(xiàn)狀展開了分析，立足機械加工需求對工裝夾具的通用化、精密化和柔性化設(shè)計發(fā)展方向進(jìn)行了探究，確保夾具能夠用于標(biāo)準(zhǔn)化、多元化、精密化機械部件加工，有效提高產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)效率的同時，降低機械加工成本。結(jié)合工裝夾具設(shè)計發(fā)展在增強機床適用性、輔助提高生產(chǎn)率、實現(xiàn)高精度加工三個方面體現(xiàn)的價值，能夠進(jìn)一步把握工裝夾具設(shè)計發(fā)展趨勢，通過實現(xiàn)夾具的創(chuàng)新設(shè)計獲得更高經(jīng)濟和技術(shù)價值，為夾具定位設(shè)計分析提供參考。

關(guān)鍵詞：機械加工；工裝夾具；設(shè)計發(fā)展方向

0引言

為推進(jìn)新型工業(yè)化，解決機械制造發(fā)展存在的短板，機械加工工裝夾具設(shè)計取得了快速發(fā)展，從輔助性加工工具逐步發(fā)展成門類齊全、功能豐富的工藝裝備，以滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)制造要求。隨著現(xiàn)代化加工要求的提升，工裝夾具設(shè)計也需要達(dá)到更高要求，能夠保證生產(chǎn)效率的同時，控制生產(chǎn)成本。因此應(yīng)加強機械加工中工裝夾具的設(shè)計發(fā)展方向及其價值分析，確保工裝夾具設(shè)計的科學(xué)性[1]。

1現(xiàn)代工業(yè)制造中工裝夾具的設(shè)計現(xiàn)狀

工裝夾具在機械加工作業(yè)中發(fā)揮工件定位和夾緊作用，目前劃分為通用、專用、組合和隨行多種。通用夾具可以適應(yīng)多種工件加工，如常用的三爪卡盤、平口鉗分度頭等，標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，但通常只應(yīng)用在小批量產(chǎn)品加工中。專用夾具是針對某個生產(chǎn)加工過程設(shè)計的夾具，結(jié)構(gòu)緊湊，生產(chǎn)效率高，但容易因種類變更而報廢，因此成本較高。組合夾具由預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)零件組合而成，回收效率較高。隨行夾具需要在自動化產(chǎn)線上安裝，隨工件移動工位[2]。在機械加工工裝夾具設(shè)計方面，需要結(jié)合加工實際情況設(shè)計工裝夾具結(jié)構(gòu)，盡可能避免采用復(fù)雜結(jié)構(gòu)，以便使夾具設(shè)計成本降至最低，并且做到迅速完成工裝夾具操作。做好工裝夾具定位設(shè)計，可以實現(xiàn)工件自由度有效控制，使機床、刀具和工件都處于準(zhǔn)確位置，確保機械加工精度滿足要求。因此在設(shè)計工裝夾具時，需要確認(rèn)與工件哪些面接觸。如果與未加工的毛坯面接觸，將以粗基準(zhǔn)進(jìn)行夾具定位。用于對工件進(jìn)行精加工，需要實現(xiàn)精基準(zhǔn)定位。根據(jù)夾具與工件、機床間的相對位置，掌握各種定位方式作用原理，能夠準(zhǔn)確確認(rèn)工件在夾具中的位置。在明晰定位基礎(chǔ)上，合理進(jìn)行工裝夾具設(shè)計，可以確保工件被夾緊，有效減少加工偏差產(chǎn)生。而伴隨著加工中心、柔性制造系統(tǒng)等加工技術(shù)發(fā)展，機械加工精度和效率隨之提升，對機床夾具設(shè)計提出了精密加工、縮短準(zhǔn)備周期和降低生產(chǎn)成本等要求，進(jìn)一步推動了工裝夾具的設(shè)計發(fā)展。

2現(xiàn)代工業(yè)制造中工裝夾具的設(shè)計發(fā)展方向

2.1通用化發(fā)展

在中等產(chǎn)能工廠大約擁有數(shù)千套專用夾具，每隔3-4年需要更新50%-80%夾具，實際磨損量僅在10%-20%，意味著大量工裝夾具將被浪費。面對這種局面，工裝夾具設(shè)計開始向著通用化的方向發(fā)展，不僅針對小批量產(chǎn)品設(shè)計，而是設(shè)計能夠適應(yīng)現(xiàn)代化制造技術(shù)的新型機床夾具，裝夾具有相似性特征的工件，縮短新產(chǎn)品的投產(chǎn)周期，并降低機床生產(chǎn)成本。設(shè)計該類夾具，要求達(dá)到較高標(biāo)準(zhǔn)化程度，滿足工裝夾具商品化生產(chǎn)要求。具體來講，就是遵循國家設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)制造工裝夾具，確保與各種產(chǎn)品相適應(yīng)。在工業(yè)生產(chǎn)中，工裝夾具為重要組成部分，設(shè)計達(dá)到較高標(biāo)準(zhǔn)化程度，意味著可以進(jìn)一步壓縮機械加工成本和周期，較好滿足現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)需求。伴隨著GB/T2148、T2259-91等國家夾具零部件生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的出臺，成功推動了工裝夾具設(shè)計的通用化發(fā)展。做到徹底實現(xiàn)工裝夾具標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品批量生產(chǎn)，有效減少機械加工耗費的資源。如在數(shù)控機床工裝夾具設(shè)計上，需要滿足多種零件端面、內(nèi)外圓、切槽、任意錐面等工序裝夾加工要求，能夠在大批量產(chǎn)品加工中應(yīng)用，并且實現(xiàn)多個工件同時裝夾，確保夾具得到充分利用，從而縮短機床間歇期，提高加工效率。在制定機械加工工藝后，可以根據(jù)具體某個工序要求進(jìn)行工裝夾具定制。在充分考慮夾具功能實現(xiàn)可能性的情況下，應(yīng)從不同工件加工角度實現(xiàn)通用夾具設(shè)計，保障用于工件高質(zhì)量加工，并方便操作和排屑，同時達(dá)到控制成本和提高效率的目標(biāo)[3]。

2.2精密化發(fā)展

除了向著通用化的方向發(fā)展，工裝夾具設(shè)計也呈現(xiàn)出精密化發(fā)展趨勢。在機械加工精度要求不斷提高的背景下，設(shè)計的精密化夾具擁有較多結(jié)構(gòu)類型，但均需達(dá)到較高精度。如可在精密分度方面應(yīng)用的多齒盤，可以達(dá)到±0.1的分度精度。在精密車削加工方面，能夠用錐齒輪帶動矩形螺紋，從而帶動三爪向心運動，由于螺距相等能夠?qū)崿F(xiàn)自動定心，達(dá)到5μm的定位精度。使用該類卡盤，可以在轉(zhuǎn)速達(dá)到9000r/min的條件下夾緊工件，在車床上使用可以使機床的切削速度大幅度提升，因此能夠滿足機床高效化生產(chǎn)需求。為提高工裝夾具設(shè)計的精密性，需要引入CAD/CAM等計算機輔助設(shè)計軟件，根據(jù)工件尺寸、加工需求等進(jìn)行夾具建模分析，可以利用不同系列和各種標(biāo)準(zhǔn)化夾具元素快速構(gòu)成車、銑、磨等機床夾具。通過實現(xiàn)輔助工藝規(guī)劃，基于成組技術(shù)分類法進(jìn)行夾具設(shè)計，并通過運動學(xué)分析確定定位點和夾緊點。憑借專家系統(tǒng)提供的知識進(jìn)行定位面和夾緊面選擇，然后開展幾何分析，根據(jù)定位基準(zhǔn)進(jìn)行精度關(guān)系選擇，最終可以實現(xiàn)夾具高精度設(shè)計。

2.3柔性化發(fā)展

柔性制造技術(shù)作為現(xiàn)代化制造技術(shù)，對工裝夾具設(shè)計也提出了柔性化要求。為體現(xiàn)柔性化特點，設(shè)計的工裝夾具需要采取組合、調(diào)整等方式適應(yīng)工藝可變因素，如工序特性、工件尺寸等，能夠滿足多品種、小批量產(chǎn)品加工需求。目前，常見的柔性化夾具包含通用可調(diào)夾具、模塊化夾具等，帶有專業(yè)性特點的同時，能夠通過拆卸結(jié)構(gòu)調(diào)整夾具。可以通過調(diào)整夾爪手指圓周分布擴大適用范圍，用于抓取球狀、圓柱體等各種形狀的工件。在柔性化發(fā)展背景下，自動化夾具應(yīng)用范圍日漸廣泛。該類夾具是基于組合夾具系統(tǒng)所設(shè)計的，能夠通過幾何驗算確定夾具構(gòu)形中力的鎖合情況，實現(xiàn)夾緊點和順序優(yōu)化。根據(jù)工裝夾具產(chǎn)生的接觸變形和切割力引發(fā)的工件彎曲變形，能夠重新進(jìn)行支撐和夾緊位置排布，做到牢固、精確夾緊工件。通過搭建產(chǎn)品模型知識庫，能夠生成自動夾具的各主要模塊，獲得夾具最終構(gòu)形。根據(jù)自動化程度，組合夾具設(shè)計系統(tǒng)可以劃分成半自動化和交互式兩類，輔助設(shè)計者合理選擇適合夾具元件的模塊。根據(jù)工件形狀、加工要求等進(jìn)行夾具元件選擇，可以依靠系統(tǒng)智能算法進(jìn)行分析，有效提高夾具設(shè)計效率和質(zhì)量。而在交互式系統(tǒng)中，完成夾具元件選擇后可以利用加工干涉檢測子模塊，確認(rèn)切割工具和夾具等是否會發(fā)生干涉。將夾具部件模型簡化成二維輪廓模型，實現(xiàn)信息高度集成，能夠有效完成夾具設(shè)計合理性驗證[4]。

3現(xiàn)代工業(yè)制造中工裝夾具的設(shè)計發(fā)展價值分析

3.1增強機床適用性

在機械加工過程中，采取不同成型運動方式，所以需要使用不同工裝夾具配合機床動作。而使用柔性化、通用化工裝夾具，能夠根據(jù)機床運動方向和方式調(diào)整工裝結(jié)構(gòu)或夾具運動軌跡，達(dá)到擴大機床工藝范圍的目標(biāo)，因此可以增強機床適用性。如在搖臂鉆床上，安裝通用鏜模能夠滿足各種零件鏜孔加工需求，體現(xiàn)加工工藝靈活性。此外，不同于過去工裝夾具要求人員做到正確安裝，如做到鎖緊螺絲等，柔性化工裝夾具可以實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，無需人員進(jìn)行反復(fù)操作，能夠避免人為失誤影響夾具效果發(fā)揮，同樣可以起到提高機床加工適用性的目標(biāo)。在柔性化加工中心運行過程中，通過在計算機輸入精確定位信息和工件信息，系統(tǒng)可以自動進(jìn)行不同規(guī)格夾具元件匹配，組裝成需要的造型，生成元件清單。從清單中挑選元件，可以即刻組成需要夾具，從而適應(yīng)各種工藝變化[5]。

3.2輔助提高生產(chǎn)率

工裝夾具向著通用化、柔性化等方向發(fā)展，能夠起到輔助機床提高生產(chǎn)率的作用。如在銑床上使用電動虎鉗，能夠?qū)⒓庸ば侍嵘s5倍。在現(xiàn)代機械加工中，多采用這些夾具獲得較強夾緊力，提高機床自動化率，實現(xiàn)高速化生產(chǎn)。由于使用這些夾具能夠縮短前期準(zhǔn)備時間，并減少裝夾輔助時間，因此能夠使工件加工的整體時間大幅度縮短。在加工中心、數(shù)控機床上，能夠利用這些夾具實現(xiàn)自動更換和裝夾，確保機床高效生產(chǎn)優(yōu)勢得到充分發(fā)揮。此外，設(shè)計柔性化工裝夾具，在小批量產(chǎn)品生產(chǎn)期間無需頻繁更換夾具，確保機床長時間維持高效運行。如采用零點快速定位基準(zhǔn)夾具，能夠在夾具和機床之間快速定位，有效縮短人工輔助定位時間。該類夾具包含零點定位器，能夠利用高剛度滾柱將定位接頭夾緊，通入液壓后滾柱將散開，接頭能夠自由進(jìn)出。在壓力被切斷時，滾珠重新向中心聚攏，實現(xiàn)接頭快速鎖定，可以達(dá)到0.002mm的重復(fù)定位精度。在機床工作臺上安裝定位器，做好初始位置標(biāo)記后，可以通過安裝多個定位器接頭輔助完成夾具快速更換[6]。

3.3實現(xiàn)高精度加工

在機械加工中，工裝夾具用于裝夾工件或引導(dǎo)刀具，通過做到準(zhǔn)確定位能夠滿足工件高精度加工需求。柔性化、精密化的工裝夾具用于加工各種各樣的零件，由于定位擁有較多支撐點，只有加強自由度管控能夠保證定位合理。采用六點定位法提供六個支撐點，能夠避免工件自由度過高，在三維角度精準(zhǔn)確定夾具位置，可以實現(xiàn)工件高精度加工。在機械加工中，采用可以通用、互換的系列工裝夾具進(jìn)行實踐生產(chǎn)，在夾具規(guī)格、形狀存在差異的情況下，可以利用直線0.01mm、角度20秒級差方法實現(xiàn)有級調(diào)整，滿足多種角度、尺寸的定位要求，做到精準(zhǔn)加工各種零部件。此外，設(shè)計精密化工裝夾具，要求夾具本身質(zhì)量過硬，能夠保證結(jié)構(gòu)尺寸和位置精度符合裝配要求，經(jīng)過長時間使用后依然能夠維持精密度，確保工件得到夾緊和固定，因此能夠用于實現(xiàn)工件的高精度加工，促進(jìn)機械加工向著高質(zhì)量的方向發(fā)展[7-8]。

4結(jié)論

隨著現(xiàn)代制造業(yè)對產(chǎn)品精細(xì)度要求的不斷提升，設(shè)計工裝夾具不僅要求合理、規(guī)范，也要求體現(xiàn)通用化、精密化和柔性化的特點，能夠在不同機床上使用，完成不同產(chǎn)品的高質(zhì)量加工。通過科學(xué)設(shè)計工裝夾具，可以增強機床適用性和提高生產(chǎn)效率，并滿足高精度加工需求，因此能夠充分體現(xiàn)夾具設(shè)計的經(jīng)濟價值和技術(shù)價值。

作者:李茂朋 劉智 單位:江蘇百睿教育裝備有限公司 特技閥門集團有限公司