現(xiàn)代工業(yè)制造中工裝夾具設(shè)計(jì)發(fā)展淺議

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摘要：工裝夾具的設(shè)計(jì)，不僅關(guān)系到零件能否夾緊，也將給機(jī)械加工精度、效率等帶來(lái)直接影響。在現(xiàn)代工業(yè)制造活動(dòng)中，對(duì)機(jī)械加工精度和效率提出了更高要求，推動(dòng)了工裝夾具設(shè)計(jì)發(fā)展。為合理實(shí)現(xiàn)工裝夾具在現(xiàn)代機(jī)械加工中定位設(shè)計(jì)，對(duì)工裝夾具設(shè)計(jì)現(xiàn)狀展開(kāi)了分析，立足機(jī)械加工需求對(duì)工裝夾具的通用化、精密化和柔性化設(shè)計(jì)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(jī)械部件加工，有效提高產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)效率的同時(shí)，降低機(jī)械加工成本。結(jié)合工裝夾具設(shè)計(jì)發(fā)展在增強(qiáng)機(jī)床適用性、輔助提高生產(chǎn)率、實(shí)現(xiàn)高精度加工三個(gè)方面體現(xiàn)的價(jià)值，能夠進(jìn)一步把握工裝夾具設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)實(shí)現(xiàn)夾具的創(chuàng)新設(shè)計(jì)獲得更高經(jīng)濟(jì)和技術(shù)價(jià)值，為夾具定位設(shè)計(jì)分析提供參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械加工；工裝夾具；設(shè)計(jì)發(fā)展方向

0引言

為推進(jìn)新型工業(yè)化，解決機(jī)械制造發(fā)展存在的短板，機(jī)械加工工裝夾具設(shè)計(jì)取得了快速發(fā)展，從輔助性加工工具逐步發(fā)展成門(mén)類(lèi)齊全、功能豐富的工藝裝備，以滿(mǎn)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(jì)也需要達(dá)到更高要求，能夠保證生產(chǎn)效率的同時(shí)，控制生產(chǎn)成本。因此應(yīng)加強(qiáng)機(jī)械加工中工裝夾具的設(shè)計(jì)發(fā)展方向及其價(jià)值分析，確保工裝夾具設(shè)計(jì)的科學(xué)性[1]。

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

工裝夾具在機(jī)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(zhuān)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(pán)、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(zhuān)用夾具是針對(duì)某個(gè)生產(chǎn)加工過(guò)程設(shè)計(jì)的夾具，結(jié)構(gòu)緊湊，生產(chǎn)效率高，但容易因種類(lèi)變更而報(bào)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(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)上安裝，隨工件移動(dòng)工位[2]。在機(jī)械加工工裝夾具設(shè)計(jì)方面，需要結(jié)合加工實(shí)際情況設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)，可以實(shí)現(xiàn)工件自由度有效控制，使機(jī)床、刀具和工件都處于準(zhǔn)確位置，確保機(jī)械加工精度滿(mǎn)足要求。因此在設(shè)計(jì)工裝夾具時(shí)，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(duì)工件進(jìn)行精加工，需要實(shí)現(xiàn)精基準(zhǔn)定位。根據(jù)夾具與工件、機(jī)床間的相對(duì)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(jì)，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(jī)械加工精度和效率隨之提升，對(duì)機(jī)床夾具設(shè)計(jì)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(dòng)了工裝夾具的設(shè)計(jì)發(fā)展。

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

2.1通用化發(fā)展

在中等產(chǎn)能工廠(chǎng)大約擁有數(shù)千套專(zhuān)用夾具，每隔3-4年需要更新50%-80%夾具，實(shí)際磨損量?jī)H在10%-20%，意味著大量工裝夾具將被浪費(fèi)。面對(duì)這種局面，工裝夾具設(shè)計(jì)開(kāi)始向著通用化的方向發(fā)展，不僅針對(duì)小批量產(chǎn)品設(shè)計(jì)，而是設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)現(xiàn)代化制造技術(shù)的新型機(jī)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(jī)床生產(chǎn)成本。設(shè)計(jì)該類(lèi)夾具，要求達(dá)到較高標(biāo)準(zhǔn)化程度，滿(mǎn)足工裝夾具商品化生產(chǎn)要求。具體來(lái)講，就是遵循國(guó)家設(shè)計(jì)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(jì)達(dá)到較高標(biāo)準(zhǔn)化程度，意味著可以進(jìn)一步壓縮機(jī)械加工成本和周期，較好滿(mǎn)足現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)需求。伴隨著GB/T2148、T2259-91等國(guó)家?jiàn)A具零部件生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，成功推動(dòng)了工裝夾具設(shè)計(jì)的通用化發(fā)展。做到徹底實(shí)現(xiàn)工裝夾具標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品批量生產(chǎn)，有效減少機(jī)械加工耗費(fèi)的資源。如在數(shù)控機(jī)床工裝夾具設(shè)計(jì)上，需要滿(mǎn)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(shí)現(xiàn)多個(gè)工件同時(shí)裝夾，確保夾具得到充分利用，從而縮短機(jī)床間歇期，提高加工效率。在制定機(jī)械加工工藝后，可以根據(jù)具體某個(gè)工序要求進(jìn)行工裝夾具定制。在充分考慮夾具功能實(shí)現(xiàn)可能性的情況下，應(yīng)從不同工件加工角度實(shí)現(xiàn)通用夾具設(shè)計(jì)，保障用于工件高質(zhì)量加工，并方便操作和排屑，同時(shí)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(jì)也呈現(xiàn)出精密化發(fā)展趨勢(shì)。在機(jī)械加工精度要求不斷提高的背景下，設(shè)計(jì)的精密化夾具擁有較多結(jié)構(gòu)類(lèi)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(pán)，可以達(dá)到±0.1的分度精度。在精密車(chē)削加工方面，能夠用錐齒輪帶動(dòng)矩形螺紋，從而帶動(dòng)三爪向心運(yùn)動(dòng)，由于螺距相等能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)定心，達(dá)到5μm的定位精度。使用該類(lèi)卡盤(pán)，可以在轉(zhuǎn)速達(dá)到9000r/min的條件下夾緊工件，在車(chē)床上使用可以使機(jī)床的切削速度大幅度提升，因此能夠滿(mǎn)足機(jī)床高效化生產(chǎn)需求。為提高工裝夾具設(shè)計(jì)的精密性，需要引入CAD/CAM等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(chē)、銑、磨等機(jī)床夾具。通過(guò)實(shí)現(xiàn)輔助工藝規(guī)劃，基于成組技術(shù)分類(lèi)法進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)，并通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析確定定位點(diǎn)和夾緊點(diǎn)。憑借專(zhuān)家系統(tǒng)提供的知識(shí)進(jìn)行定位面和夾緊面選擇，然后開(kāi)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(shí)現(xiàn)夾具高精度設(shè)計(jì)。

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(duì)工裝夾具設(shè)計(jì)也提出了柔性化要求。為體現(xiàn)柔性化特點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(mǎn)足多品種、小批量產(chǎn)品加工需求。目前，常見(jiàn)的柔性化夾具包含通用可調(diào)夾具、模塊化夾具等，帶有專(zhuān)業(yè)性特點(diǎn)的同時(shí)，能夠通過(guò)拆卸結(jié)構(gòu)調(diào)整夾具。可以通過(guò)調(diào)整夾爪手指圓周分布擴(kuò)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(dòng)化夾具應(yīng)用范圍日漸廣泛。該類(lèi)夾具是基于組合夾具系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的，能夠通過(guò)幾何驗(yàn)算確定夾具構(gòu)形中力的鎖合情況，實(shí)現(xiàn)夾緊點(diǎn)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(guò)搭建產(chǎn)品模型知識(shí)庫(kù)，能夠生成自動(dòng)夾具的各主要模塊，獲得夾具最終構(gòu)形。根據(jù)自動(dòng)化程度，組合夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以劃分成半自動(dòng)化和交互式兩類(lèi)，輔助設(shè)計(jì)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(jì)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(cè)子模塊，確認(rèn)切割工具和夾具等是否會(huì)發(fā)生干涉。將夾具部件模型簡(jiǎn)化成二維輪廓模型，實(shí)現(xiàn)信息高度集成，能夠有效完成夾具設(shè)計(jì)合理性驗(yàn)證[4]。

3現(xiàn)代工業(yè)制造中工裝夾具的設(shè)計(jì)發(fā)展價(jià)值分析

3.1增強(qiáng)機(jī)床適用性

在機(jī)械加工過(guò)程中，采取不同成型運(yùn)動(dòng)方式，所以需要使用不同工裝夾具配合機(jī)床動(dòng)作。而使用柔性化、通用化工裝夾具，能夠根據(jù)機(jī)床運(yùn)動(dòng)方向和方式調(diào)整工裝結(jié)構(gòu)或夾具運(yùn)動(dòng)軌跡，達(dá)到擴(kuò)大機(jī)床工藝范圍的目標(biāo)，因此可以增強(qiáng)機(jī)床適用性。如在搖臂鉆床上，安裝通用鏜模能夠滿(mǎn)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(guò)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，無(wú)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(jī)床加工適用性的目標(biāo)。在柔性化加工中心運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)在計(jì)算機(jī)輸入精確定位信息和工件信息，系統(tǒng)可以自動(dòng)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(jī)床提高生產(chǎn)率的作用。如在銑床上使用電動(dòng)虎鉗，能夠?qū)⒓庸ば侍嵘s5倍。在現(xiàn)代機(jī)械加工中，多采用這些夾具獲得較強(qiáng)夾緊力，提高機(jī)床自動(dòng)化率，實(shí)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(shí)間，并減少裝夾輔助時(shí)間，因此能夠使工件加工的整體時(shí)間大幅度縮短。在加工中心、數(shù)控機(jī)床上，能夠利用這些夾具實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更換和裝夾，確保機(jī)床高效生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮。此外，設(shè)計(jì)柔性化工裝夾具，在小批量產(chǎn)品生產(chǎn)期間無(wú)需頻繁更換夾具，確保機(jī)床長(zhǎng)時(shí)間維持高效運(yùn)行。如采用零點(diǎn)快速定位基準(zhǔn)夾具，能夠在夾具和機(jī)床之間快速定位，有效縮短人工輔助定位時(shí)間。該類(lèi)夾具包含零點(diǎn)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(kāi)，接頭能夠自由進(jìn)出。在壓力被切斷時(shí)，滾珠重新向中心聚攏，實(shí)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(jī)床工作臺(tái)上安裝定位器，做好初始位置標(biāo)記后，可以通過(guò)安裝多個(gè)定位器接頭輔助完成夾具快速更換[6]。

3.3實(shí)現(xiàn)高精度加工

在機(jī)械加工中，工裝夾具用于裝夾工件或引導(dǎo)刀具，通過(guò)做到準(zhǔn)確定位能夠滿(mǎn)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(diǎn)，只有加強(qiáng)自由度管控能夠保證定位合理。采用六點(diǎn)定位法提供六個(gè)支撐點(diǎn)，能夠避免工件自由度過(guò)高，在三維角度精準(zhǔn)確定夾具位置，可以實(shí)現(xiàn)工件高精度加工。在機(jī)械加工中，采用可以通用、互換的系列工裝夾具進(jìn)行實(shí)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(xiàn)0.01mm、角度20秒級(jí)差方法實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)整，滿(mǎn)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(jì)精密化工裝夾具，要求夾具本身質(zhì)量過(guò)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(guò)長(zhǎng)時(shí)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(shí)現(xiàn)工件的高精度加工，促進(jìn)機(jī)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(duì)產(chǎn)品精細(xì)度要求的不斷提升，設(shè)計(jì)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(diǎn)，能夠在不同機(jī)床上使用，完成不同產(chǎn)品的高質(zhì)量加工。通過(guò)科學(xué)設(shè)計(jì)工裝夾具，可以增強(qiáng)機(jī)床適用性和提高生產(chǎn)效率，并滿(mǎn)足高精度加工需求，因此能夠充分體現(xiàn)夾具設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和技術(shù)價(jià)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(mén)集團(tuán)有限公司