夾具設(shè)計方案的分析與優(yōu)化

夏寶林

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，四川 遂寧 629000）

1.前言

機(jī)床夾具是機(jī)械制造中十分重要的工藝裝備，其設(shè)計的合理化程度直接影響零件的加工質(zhì)量和效率，還會影響夾具的零部件制造、裝配及安裝調(diào)試，因此夾具設(shè)計完成后的分析和審核尤為重要，通過其可以優(yōu)化夾具的設(shè)計方案，消除設(shè)計方案實施前的一些不合理因素，避免產(chǎn)生不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

2.分析的基本任務(wù)

夾具總體方案設(shè)計完成后，設(shè)計者應(yīng)對設(shè)計方案進(jìn)行分析，然后通過審核才能具體實施，審核過程也是對設(shè)計方案的分析[1]。其基本任務(wù)如圖1所示。

3.分析方法

3.1 定位方案

（1）結(jié)合粗、精基準(zhǔn)的選擇原則，分析定位基準(zhǔn)選擇是否合理。

圖1 夾具設(shè)計方案分析的基本任務(wù)

（2）根據(jù)加工要求和生產(chǎn)類型，分析定位類型的應(yīng)用是否合理。欠定位是絕對不允許采用的，重復(fù)定位必須消除其產(chǎn)生的不良后果方能使用。

（3）根據(jù)零件的定位表面，分析定位元件設(shè)計或選擇是否合理。

3.2 夾緊方案

（1）根據(jù)夾緊力的方向和作用點的確定原則，分析夾緊力的方向和作用點的確定是否合理。

（2）根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)分析夾緊裝置的自動化和復(fù)雜化程度是否合理。

（3）手動夾緊時，應(yīng)分析夾緊機(jī)構(gòu)的自鎖性及是否操作方便、省時、省力。

3.3 對刀導(dǎo)向方案

普通機(jī)械加工通過對刀導(dǎo)向裝置確定刀具與夾具的正確位置。數(shù)控加工通過對刀確定刀具的正確位置，不需設(shè)計對刀導(dǎo)向裝置。

（1）普通銑床夾具選擇或設(shè)計對刀裝置，根據(jù)加工表面和夾具結(jié)構(gòu)分析對刀裝置的結(jié)構(gòu)是否合理。

（2）普通鉆床夾具選擇或設(shè)計鉆套，根據(jù)加工表面、生產(chǎn)類型及加工方案分析鉆套的類型是否合理。

（3）普通鏜床夾具選擇或設(shè)計鏜套，根據(jù)加工表面、生產(chǎn)類型及加工方案分析鏜套的類型是否合理。

3.4 安裝方案

夾具一般通過夾具體安裝固定在機(jī)床主軸前端或工作臺上。根據(jù)工件的加工要求、夾具結(jié)構(gòu)尺寸、主軸前端和工作臺的結(jié)構(gòu)尺寸分析夾具的安裝方案是否合理。

3.5 夾具精度

夾具精度包括定位誤差（△D）、調(diào)安誤差（△T-A）、加工方法誤差（△G）。[2]

（1）對定位誤差的進(jìn)行分析和計算，通過△D＜1/3△K（工件公差）判定定位精度是否合理。

（2）對調(diào)安誤差的分析和計算，通過△T-A＜1/3△K判定其是否合理。

（3）加工方法誤差一般取1/3△K。

（4）如果△D+△T-A+△G＜△K，則夾具精度滿足要求。

3.6 工藝性

夾具的工藝性是指夾具零部件的結(jié)構(gòu)、加工、裝配及維修等方面的工藝性。

（1）零部件的結(jié)構(gòu)是否簡單、緊湊，強(qiáng)度、剛性是否足夠，結(jié)構(gòu)工藝性是否合理。

（2）零部件的加工量是否最少，加工工藝性是否合理。

（3）裝配基面是否正確，裝配和拆卸是否方便，拆卸后能否避免誤裝，是否避免了裝配時的切削加工。

4.案例分析與優(yōu)化

4.1 零件及夾具

如圖2所示零件，12+0.04 0孔及其兩端面均已加工，本工序加工一平面，需保證尺寸74±0.16和平行度0.1。夾具如圖3所示。

圖2 杠桿

圖3 夾具

4.2 定位方案

（1）定位時應(yīng)限制的自由度：如圖2所示零件，影響其加工要求的自由度有，定位時必須限制。

（2）定位方案限制的自由度：如圖3所示定位方案，支承釘限制,定位心軸限制,夾具體限制，屬于重復(fù)定位。

（4）優(yōu)化方案：改變定位元件結(jié)構(gòu)，消除重定位。將圖3的定位心軸7與支承釘3改為圖5的定位銷5和輔助支承2，銷限制，銷的端平面限制。增加如圖5的支承釘1，限制，使定位方案為完全定位。

4.3 夾緊方案：

（1）存在的問題：夾緊力的作用點遠(yuǎn)離加工表面，會使加工過程不穩(wěn)定。裝卸工件很費時。

（2）優(yōu)化方案：在靠近加工表面處施加一夾緊力[3]，如圖5所示。將圖3的墊圈6改為圖5的開口墊圈7，使夾緊螺母5的最大尺寸小于12mm。

4.4 對刀方案

（1）存在的問題：對刀塊選擇錯誤，平面加工應(yīng)選圓形對刀塊，而不是直角對刀塊。對刀塊工作表面與定位元件工作表面的尺寸確定錯誤。應(yīng)通過解如圖4的尺寸鏈確定。74±0.05是保證加工尺寸74±0.16的夾具制造尺寸，其公差為工件公差的1/2～1/5，是封閉環(huán)。3 0-0.014為塞尺的尺寸及公差，其應(yīng)轉(zhuǎn)化為2.993±0.007。A為定位元件工作表面至對刀塊工作表面的尺寸，通過解尺寸鏈，A=71.007±0.043。

圖4 對刀塊尺寸鏈

（2）優(yōu)化方案：采用對刀裝置對刀，會加大夾具結(jié)構(gòu)尺寸及夾具制造成本，采用試切法對刀會更合理。

4.5 安裝方案

利用夾具體的底平面與機(jī)床工作接觸，再通過定位鍵與工作臺的T形槽的配合確定夾具在機(jī)床上的正確位置。

此方案沒有設(shè)計夾具在機(jī)床上的夾緊方案。應(yīng)在夾具體上設(shè)計耳座，如圖5所示。

4.6 夾具精度

（1）精度計算與判定：尺寸74±0.16：①定位誤差（△D），定位基準(zhǔn)和工序基準(zhǔn)均為底平面，基準(zhǔn)重合△B=0。定位表面與定位元件均為平面，面與面接觸，基準(zhǔn)不會產(chǎn)生位移，基準(zhǔn)位移誤差△Y=0。△D=△B+△Y=0＜0.32/3。定位精度合理。②調(diào)安誤差（△T-A），對刀調(diào)整誤差（△T），△T=0.1。）夾具安裝誤差（△A），△A=0。△T-A=△T+△A=0.1＜0.32/3。對刀調(diào)整與夾具的安裝精度合理。③加工方法誤差△G，分析時可取其為工 件 公 差 的 1/3，△G=0.32/3=0.107。 △D+△T-A+△G=0.207＜0.32。夾具精度能滿足加工要求。平行度0.1：①定位誤差,定位基準(zhǔn)和工序基準(zhǔn)均為底平面，基準(zhǔn)重合△B=0。定位表面與定位元件均為平面，面與面接觸，基準(zhǔn)不會產(chǎn)生位移，基準(zhǔn)位移誤差△Y=0。△D=△B+△Y=0＜0.1/3。定位精度合理。②調(diào)安誤差，對刀誤差△T=0。夾具安裝誤差△A=0。△T-A=△T+△A=0＜0.1/3。對刀調(diào)整與夾具的安裝精度合理。③加工方 法 誤 差 ，△G=0.1/3=0.03。 △D+△T-A+△G=0.03＜0.1。夾具精度能滿足加工要求。

（2）精度超差的優(yōu)化方案：①定位誤差超差，提高定位副的精度,減小基準(zhǔn)位移誤差。改變定位方案，使基準(zhǔn)不重合、基準(zhǔn)位移誤差或二者均等于零。②調(diào)安誤差超差，提高對刀調(diào)整元件制造精度，改變對刀方式。提高安裝配合表面的精度，增設(shè)找正基面，采用找正安裝。③加工方法誤差超差，增加工藝系統(tǒng)剛性，提高刀具精度，改變加工方法。

4.7 工藝性

（1）存在的問題，夾具體壁厚不均勻；裝配零件的表面加工量大；螺孔及銷孔為盲孔，加工工藝性差，銷孔為盲孔也不便于拆裝。[4]

（2）優(yōu)化方案,如圖5所示。使夾具體壁厚均勻；安裝表面設(shè)3～5mm高凸臺；銷孔和螺孔設(shè)計為通孔。

圖5 優(yōu)化后的夾具

5.結(jié)束語

對夾具設(shè)計方案進(jìn)行合理分析與優(yōu)化，應(yīng)具備機(jī)床夾具設(shè)計、機(jī)制工藝、金屬切削機(jī)床、工程材料等方面的知識和豐富的實踐經(jīng)驗；對設(shè)計方案的分析應(yīng)綜合考慮工件的加工要求、生產(chǎn)類型、加工方法、加工效率及夾具的制造成本等因素；能對設(shè)計方案進(jìn)行合理分析，可以在方案設(shè)計過程中，有效避免影響方案合理性的一些因素。