現代工業制造中工裝夾具設計發展淺議

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摘要：工裝夾具的設計，不僅關系到零件能否夾緊，也將給機械加工精度、效率等帶來直接影響。在現代工業制造活動中，對機械加工精度和效率提出了更高要求，推動了工裝夾具設計發展。為合理實現工裝夾具在現代機械加工中定位設計，對工裝夾具設計現狀展開了分析，立足機械加工需求對工裝夾具的通用化、精密化和柔性化設計發展方向進行了探究，確保夾具能夠用于標準化、多元化、精密化機械部件加工，有效提高產品品質和生產效率的同時，降低機械加工成本。結合工裝夾具設計發展在增強機床適用性、輔助提高生產率、實現高精度加工三個方面體現的價值，能夠進一步把握工裝夾具設計發展趨勢，通過實現夾具的創新設計獲得更高經濟和技術價值，為夾具定位設計分析提供參考。

關鍵詞：機械加工；工裝夾具；設計發展方向

0引言

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

1現代工業制造中工裝夾具的設計現狀

工裝夾具在機械加工作業中發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。通用夾具可以適應多種工件加工，如常用的三爪卡盤、平口鉗分度頭等，標準化程度較高，但通常只應用在小批量產品加工中。專用夾具是針對某個生產加工過程設計的夾具，結構緊湊，生產效率高，但容易因種類變更而報廢，因此成本較高。組合夾具由預制標準零件組合而成，回收效率較高。隨行夾具需要在自動化產線上安裝，隨工件移動工位[2]。在機械加工工裝夾具設計方面，需要結合加工實際情況設計工裝夾具結構，盡可能避免采用復雜結構，以便使夾具設計成本降至最低，并且做到迅速完成工裝夾具操作。做好工裝夾具定位設計，可以實現工件自由度有效控制，使機床、刀具和工件都處于準確位置，確保機械加工精度滿足要求。因此在設計工裝夾具時，需要確認與工件哪些面接觸。如果與未加工的毛坯面接觸，將以粗基準進行夾具定位。用于對工件進行精加工，需要實現精基準定位。根據夾具與工件、機床間的相對位置，掌握各種定位方式作用原理，能夠準確確認工件在夾具中的位置。在明晰定位基礎上，合理進行工裝夾具設計，可以確保工件被夾緊，有效減少加工偏差產生。而伴隨著加工中心、柔性制造系統等加工技術發展，機械加工精度和效率隨之提升，對機床夾具設計提出了精密加工、縮短準備周期和降低生產成本等要求，進一步推動了工裝夾具的設計發展。

2現代工業制造中工裝夾具的設計發展方向

2.1通用化發展

在中等產能工廠大約擁有數千套專用夾具，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，工裝夾具設計開始向著通用化的方向發展，不僅針對小批量產品設計，而是設計能夠適應現代化制造技術的新型機床夾具，裝夾具有相似性特征的工件，縮短新產品的投產周期，并降低機床生產成本。設計該類夾具，要求達到較高標準化程度，滿足工裝夾具商品化生產要求。具體來講，就是遵循國家設計標準制造工裝夾具，確保與各種產品相適應。在工業生產中，工裝夾具為重要組成部分，設計達到較高標準化程度，意味著可以進一步壓縮機械加工成本和周期，較好滿足現代工業企業生產需求。伴隨著GB/T2148、T2259-91等國家夾具零部件生產標準的出臺，成功推動了工裝夾具設計的通用化發展。做到徹底實現工裝夾具標準化設計，能夠實現產品批量生產，有效減少機械加工耗費的資源。如在數控機床工裝夾具設計上，需要滿足多種零件端面、內外圓、切槽、任意錐面等工序裝夾加工要求，能夠在大批量產品加工中應用，并且實現多個工件同時裝夾，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，可以根據具體某個工序要求進行工裝夾具定制。在充分考慮夾具功能實現可能性的情況下，應從不同工件加工角度實現通用夾具設計，保障用于工件高質量加工，并方便操作和排屑，同時達到控制成本和提高效率的目標[3]。

2.2精密化發展

除了向著通用化的方向發展，工裝夾具設計也呈現出精密化發展趨勢。在機械加工精度要求不斷提高的背景下，設計的精密化夾具擁有較多結構類型，但均需達到較高精度。如可在精密分度方面應用的多齒盤，可以達到±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，由于螺距相等能夠實現自動定心，達到5μm的定位精度。使用該類卡盤，可以在轉速達到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需求。為提高工裝夾具設計的精密性，需要引入CAD/CAM等計算機輔助設計軟件，根據工件尺寸、加工需求等進行夾具建模分析，可以利用不同系列和各種標準化夾具元素快速構成車、銑、磨等機床夾具。通過實現輔助工藝規劃，基于成組技術分類法進行夾具設計，并通過運動學分析確定定位點和夾緊點。憑借專家系統提供的知識進行定位面和夾緊面選擇，然后開展幾何分析，根據定位基準進行精度關系選擇，最終可以實現夾具高精度設計。

2.3柔性化發展

柔性制造技術作為現代化制造技術，對工裝夾具設計也提出了柔性化要求。為體現柔性化特點，設計的工裝夾具需要采取組合、調整等方式適應工藝可變因素，如工序特性、工件尺寸等，能夠滿足多品種、小批量產品加工需求。目前，常見的柔性化夾具包含通用可調夾具、模塊化夾具等，帶有專業性特點的同時，能夠通過拆卸結構調整夾具。可以通過調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。在柔性化發展背景下，自動化夾具應用范圍日漸廣泛。該類夾具是基于組合夾具系統所設計的，能夠通過幾何驗算確定夾具構形中力的鎖合情況，實現夾緊點和順序優化。根據工裝夾具產生的接觸變形和切割力引發的工件彎曲變形，能夠重新進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，獲得夾具最終構形。根據自動化程度，組合夾具設計系統可以劃分成半自動化和交互式兩類，輔助設計者合理選擇適合夾具元件的模塊。根據工件形狀、加工要求等進行夾具元件選擇，可以依靠系統智能算法進行分析，有效提高夾具設計效率和質量。而在交互式系統中，完成夾具元件選擇后可以利用加工干涉檢測子模塊，確認切割工具和夾具等是否會發生干涉。將夾具部件模型簡化成二維輪廓模型，實現信息高度集成，能夠有效完成夾具設計合理性驗證[4]。

3現代工業制造中工裝夾具的設計發展價值分析

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，能夠根據機床運動方向和方式調整工裝結構或夾具運動軌跡，達到擴大機床工藝范圍的目標，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自動調節，無需人員進行反復操作，能夠避免人為失誤影響夾具效果發揮，同樣可以起到提高機床加工適用性的目標。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，系統可以自動進行不同規格夾具元件匹配，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，從而適應各種工藝變化[5]。

3.2輔助提高生產率

工裝夾具向著通用化、柔性化等方向發展，能夠起到輔助機床提高生產率的作用。如在銑床上使用電動虎鉗，能夠將加工效率提升約5倍。在現代機械加工中，多采用這些夾具獲得較強夾緊力，提高機床自動化率，實現高速化生產。由于使用這些夾具能夠縮短前期準備時間，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、數控機床上，能夠利用這些夾具實現自動更換和裝夾，確保機床高效生產優勢得到充分發揮。此外，設計柔性化工裝夾具，在小批量產品生產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，接頭能夠自由進出。在壓力被切斷時，滾珠重新向中心聚攏，實現接頭快速鎖定，可以達到0.002mm的重復定位精度。在機床工作臺上安裝定位器，做好初始位置標記后，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實現高精度加工

在機械加工中，工裝夾具用于裝夾工件或引導刀具，通過做到準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，在三維角度精準確定夾具位置，可以實現工件高精度加工。在機械加工中，采用可以通用、互換的系列工裝夾具進行實踐生產，在夾具規格、形狀存在差異的情況下，可以利用直線0.01mm、角度20秒級差方法實現有級調整，滿足多種角度、尺寸的定位要求，做到精準加工各種零部件。此外，設計精密化工裝夾具，要求夾具本身質量過硬，能夠保證結構尺寸和位置精度符合裝配要求，經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，因此能夠用于實現工件的高精度加工，促進機械加工向著高質量的方向發展[7-8]。

4結論

隨著現代制造業對產品精細度要求的不斷提升，設計工裝夾具不僅要求合理、規范，也要求體現通用化、精密化和柔性化的特點，能夠在不同機床上使用，完成不同產品的高質量加工。通過科學設計工裝夾具，可以增強機床適用性和提高生產效率，并滿足高精度加工需求，因此能夠充分體現夾具設計的經濟價值和技術價值。

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