組合式工裝夾具設計

王蒙 彭曉宇

先進制造技術（AMT）現正逐漸成為高等院校工程訓練項目的新重點。AMT技術設備品種多、配置臺套少，以及涉及的加工材料多樣、規格形狀各異等特點，催生了對特殊夾具的需求。以激光雕刻（打標）項目為例，在實訓過程應用范圍演示教學和科研協作加工中，經常面臨對不同厚度、形狀物品表面的固定與找正問題。據了解，在普通的機電工具市場上很難找到這種需求量小的專用夾具，定制適合單位機床工作臺尺寸的夾具則價格昂貴。

在工業化生產模式下，特別是機械加工制造類行業中，節約成本與提高效率成為企業生存和發展的主要研究方向。本論文通過對我產品車加工過程中，工裝的主題結構進行改進。將一體式工裝改為組合式工裝，在節約成本與提高效率方面取得了良好的效果。

一、產品結構及原工裝的分析

1.產品結構分析

此產品為粉末冶金材料的齒輪坯體件，結構較簡單。

齒輪坯

加工方式：工件以內孔、端面為定位基準，并通過螺帽和開口墊圈進行夾緊，在相應的轉速、進刀量和走刀速度下，依次對其外圓和端面進行精車削加工。

為了對此產品的專用工裝夾具的改進，進行了全面的分析，本章將通過對原工裝的分析，以便更加清楚地說明新型工裝的設計方案。

2.原工裝的分析

原工裝的整體結構為一體式的專用車床工裝。工裝的主體結構由定位裝置和夾緊裝置組成。

在實際生產加工過程中，裝夾會使得芯軸磨損，導致定位不準而引起跳動偏大，不能再繼續用該工裝；只能選擇整個工裝的報廢，從而形成了高成本的工裝制作費用。

二、新型工裝的設計

新型工裝的主體結構在原工裝的設計上實現了較大的改進：

以芯軸與外套主體為組合的方式代替了原有的一體式結構。改變了原有的主體伸出軸定位裝置，將用于定位的芯軸部分以錐形活動芯軸代替。裝夾方式是，使用螺帽鎖緊，并且通過平鍵防止相對的轉動。

1.新型工裝的優點

（1）芯軸可以更換，這樣可以解決其易于磨損的問題，從而在降低工裝成本上有明顯的效果。

（2）裝夾更加方便，可以提高工作效率。

（3）工裝壽命的影響：主體工裝的壽命不再受芯軸的磨損的直接影響，大大的延長了工裝的壽命，使得工裝制作成本得到明顯的降低。

2.新工裝的可行性

新型工裝的加工要點：

（1）芯軸的外錐度與φ20 外圓兩個地方必須一次加工完成；

（2）配磨底座內錐孔，接觸斑點大于85%；

（3）底座與芯軸裝配后，外磨底座φ60帶出端面。

3.定位原理及可靠性

其特征在于，包括一錐面定位裝置，和錐孔定位裝置。該定位底座夾在卡盤上；一定位心軸，該定位心軸套在所述底座上且部分嵌入到所述定位錐孔中并從定位銷的一側壓迫心軸；以實現工裝的錐度定位；一螺母，該螺母旋在所述芯軸的外螺紋上，與所述定位芯軸一起對工件實施軸向定位。這樣，實現了錐孔定位零件的數控加工，也提高利用錐孔定位加工零件的加工效率和精度。

4.夾具應有良好的機動性和安全可靠性

夾具設計不但要保證加工精度、提高勞動生產率、擴大機床的使用范圍，而且應有良好的機動性和安全可靠性，保證生產安全。

（1）模塊、組合

夾具元件模塊化是實現組合化的基礎。利用模塊化設計的系列化、標準化夾具元件，快速組裝成各種夾具，已成為夾具技術開發的基點。省工、省時，節材、節能，體現在各種先進夾具系統的創新之中。模塊化設計為夾具的計算機輔助設計與組裝打下基礎，應用CAD/CAM、CAXA、Pro＼E等技術，可建立元件庫、典型夾具庫、標準和用戶使用檔案庫，進行夾具優化設計，為用戶三維實體組裝夾具。模擬仿真刀具的切削過程，既能為用戶提供正確、合理的夾具與元件配套方案，又能積累使用經驗，了解市場需求，不斷地改進和完善夾具系統。模塊化夾具與組合夾具之間有許多共同點。它們都具有方形、矩形和圓形基礎件。在基礎件表面有坐標孔系。兩種夾具的不同點是組合夾具的萬能性好，標準化程度高；而模塊化夾具則為非標準的，一般是為本企業產品工件的加工需要而設計的。

（2）通用、經濟

夾具設計要大力提倡標準化、系列化的通用性設計，這樣，才能提高設計質量，縮短設計周期，降低設計成本，提高其設計制造水平和質量，從而使夾具行業的整體勞動生產率得到提高。

（3）夾具設計中采用高精、高效、模塊、組合、通用經濟方向發展的思路，在組合夾具行業加強產、學、研協作的力度，加快用高新技術改造和提升夾具技術水平的步伐，充分利用現代信息和網絡媒體，引進技術，爭取合資與合作，與時俱進地創新和發展夾具技術，這是改造和發展我國組合夾具行業較為行之有效的途徑。

三、組合夾具的優點

1 組合夾具縮短產品生產準備周期組合夾具結構靈活多變

由預先制造好的標準化元件組裝的組合夾具，制造時間僅僅是組裝元件的時間，不像專用夾具有較長的設計及制造周期。專用夾具一般設計和制造至少需要 1～2 個月的時間，中等復雜程度的組合夾具平均需4h～8h，夾具生產準備期可縮短90%左右。組合夾具此外，能及時解決在加工過程中出現的問題（如設計更改、工藝變動、毛坯變化等），發生此類情況時，僅需對已組裝好的夾具做一些相應的調整，或重新組裝即可解決，而此時專用夾具無法使用。因此，采用組合夾具對縮短新產品的試制周期以及多品種、小批量新產品的制造具有重大的意義和較好的效果。

中等復雜程度的專用夾具需金屬材料 10kg～30kg，而組合夾具元件可以重復循環使用，每次使用僅折舊消耗 0.3kg～1kg，從而可節約金屬材料95%以上，降低成本約80%。這樣，使用組合夾具的單位其經濟效益就明顯體現出來。

2 組合夾具提高勞動生產率，降低制造成本存放面積

在一些生產條件較差的企業鑒于組合夾具元件本身具有較高的制造精度，組裝后的組合夾具能保證被加工零件的位置精度一般為IT8～9 級；經合理選擇元件和精心調整，也可以達到 IT6～7 級。采用組合夾具安裝工件可以減少機動時間和輔助時間，有利于采用較大的切削用量，減少機動時間。使用組合夾具，可省去找正安裝，使工件的安裝迅速、方便，大大地縮短了輔助時間。使用組合夾具還可以取消畫線工序及工時，既不受工裝系數的限制，又不受產品形狀復雜程度的影響。組合夾具具有產品質量穩定、廢品減少、勞動生產效率高的優勢，還降低了工人的勞動強度，這些都可以大大降低加工成本。組合夾具元件可以反復使用，不斷重新組合，而專用夾具雖為一個零件使用一套夾具，但逐年累積的成批量的專用夾具也占用了大量的車間面積，間接導致管理成本加大。

3 組合夾具適用于各種形狀的零件應用廣泛

組合夾具有較強的靈活性和較大的使用范圍可以根據需要配置特殊的專用元件，就被加工零件的類型和尺寸而言，組合夾具可根據零件的形狀、尺寸的大小而采用不同系列、不同規格的元件，形成各種系列復合應用的組合夾具。組合夾具適用于不同的企業生產類型，雖然組合夾具主要適用于多品種、小批量的生產，但是在某些大批量生產的企業，尤其是工具、機修和試制車間，組合夾具也正發揮著越來越積極、越來越重要的作用。

四、結論

通過實際的生產驗證，本設計取得了較好的改進效果。

主要在實現生產效率的提高以及工裝的制作成本上得到了很好的改善。同樣大大減少了夾具設計與制造時間及勞動量、縮短了生產技術準備時間。節省了人力、物力、財力，無論是單件，成批產品生產或新產品試制都有較廣泛應用。

（作者單位：長城汽車底盤研究院）