基于相變材料的柔性夾具結構設計

□ 宋 燦 □ 呂彥明

江南大學 機械工程學院 江蘇無錫 214122

夾具在現代制造中起著非常重要的作用，直接關系到新產品開發的周期、生產效率、產品質量及成本。現有的柔性夾具主要是組合夾具，但由于其實現柔性的思想是系列化、標準化元件組合，難以實現任意形狀尺寸的裝夾，對于復雜形狀的零件更是無能為力［1-4］。柔性夾具計算機輔助設計技術也主要針對組合夾具，且技術比較分散未成系統。因此本文提出一種基于相變材料的新型柔性夾具，即：一套夾具能裝夾一定范圍內任意形狀和尺寸的零件，真正實現了柔性化。

1 設計思想

本文圍繞這種夾具的設計與應用技術基礎開展研究，這種新型柔性夾具的構成如圖1所示，它由夾具體、定位件、定位銷、側定位銷座、夾緊體、相變材料等組成。

相變材料為低熔點合金，起連接定位件、夾緊體、夾具體的作用。定位件、夾緊體可在夾具體上任意位置布置，然后澆鑄低熔點合金，實現它們的固定連接。對于不同的零件，只要將低熔點合金熔化，重新選用調整定位件及夾緊體，然后再澆鑄低熔點合金固連。定位件和夾緊體長度可以連續可調，位置可以任意布置，由此一套夾具可以實現一定范圍內任意形狀和尺寸零件的裝夾，真正實現了柔性化。相變材料可反復使用，且由于熔點低，相變材料反復熔化過程對夾具元件的機械性能影響很小。

2 夾具結構設計

基于相變材料的夾具設計主要包括夾具體設計、定位元件設計和夾緊體設計。

夾具體設計包括框架設計與底板設計，兩者中主要是框架的設計。本文設計的框架結構如圖2所示，具有以下優點：①框架的結構對冷卻后的相變材料有一定的約束作用，有利于提高夾具的整體剛度；②其結構要方便熔化后的液態相變材料的倒入和倒出，這樣有利于減少操作時間；③工件加工完成后，將相變材料熔化倒出，框架中不滯留相變材料，有利于節約材料，以便重復利用。

▲圖1 基于相變材料的柔性夾具結構示意圖

定位元件由基座、可調支撐、磁鐵和鎖緊螺釘組成,如圖3所示。可調支撐下半部分有螺紋，以滿足工件定位長度可調的要求；鎖緊螺釘用以保證在振動狀態下可調支撐與基座處于鎖緊狀態；基座下部裝有磁體，可以增加定位元件安裝的穩定性。將定位元件浸沒在熔化后的低熔點合金中，待其冷卻后，定位元件的各部分固連在一起，可以有效地提高定位元件的整體剛性和其定位精度。

夾緊體結構由基座、可調支撐、旋轉頭、壓緊頭、磁鐵和鎖緊螺釘構成，如圖4所示。可調支撐上方下圓，其上半部分有帶孔的槽用以安裝旋轉頭，其下半部分有螺紋以滿足工件定位長度可調的要求；旋轉頭上有兩個螺紋孔，一個用以安裝鎖緊螺釘，一個用以安裝壓緊頭，兩側有突出的圓柱用以與可調支撐上的孔配合，調整夾緊的角度；壓緊頭上有螺紋以保證其夾緊力可調，其壓緊端為網狀以適應側面壓緊；鎖緊螺釘有兩處，上部的鎖緊螺釘用以鎖緊旋轉頭與壓緊頭的相對位置，下部的鎖緊螺釘用以保證在振動狀態下可調支撐與基座處于鎖緊狀態；基座下部裝有磁鐵，可以增加穩定性。將夾緊體浸沒在熔化后的低熔點合金中，待其冷卻后，夾緊元件的各部分固連在一起，可以有效地提高夾緊體的整體剛性和夾緊力。

▲圖2 夾具體框架的結構示意圖

▲圖3 定位元件結構圖

▲圖4 夾緊體結構圖

3 結束語

柔性夾具結構設計是柔性夾具研究的重要組成部分。本文提出的柔性裝夾對減少企業工裝夾具設計制造的技術準備時間、降低開發成本以及提高市場競爭能力都有非常重要的意義。

［1］ 鐘康民，郭培金.基于液固兩相轉變的夾具技術［J］.制造技術與機床，1998（8）:5－6.

［2］ 劉璇，王小北.基于相變材料的柔性夾具［J］.機械設計與制造工程，2000（5）:53－55.

［3］ 張先舟,基于磁流變液相變技術的柔性夾具［J］.實驗力學，2003，18 （2）:185－192.

［4］ 李蓓智，楊建國.快速尋位與狀態記憶的工件安裝技術與新型夾具系統［J］.中國機械工程，2000 ，11（10）:1154－1157.