淺談機床夾具在設(shè)計過程中的幾點問題

摘要：制造業(yè)是一個國家或地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱，其發(fā)展水平標(biāo)志著該國家或地區(qū)的經(jīng)濟實力、科技水平、生活水準(zhǔn)和國防實力。其中機械制造業(yè)是整個制造業(yè)的核心，其生產(chǎn)能力和水平標(biāo)志著一個國家或地區(qū)國民經(jīng)濟現(xiàn)代化的程度，而這種能力又取決于機械制造裝備的先進程度。在機械制造過程中機器零部件的精度控制與機床夾具的優(yōu)劣程度有重要的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：定位機構(gòu)夾緊機構(gòu)“四化”

機器零件在工藝規(guī)程制定后，就要按照工藝規(guī)程的順序加工。加工中工件相對于機床或是刀具要獲得正確的位置，機床夾具的好壞將直接影響工件加工表面的位置精度，所以機床夾具設(shè)計是加工過程的活躍因素，也是其中一項重要的工作。

1 機床夾具的功能

1.1 保證加工精度 工件加工過程通過機床夾具進行定位、加緊，以保證加工表面穩(wěn)定的位置精度。

1.2 縮短輔助時間，提高生產(chǎn)率 夾具的使用，可以減少劃線、找正、對刀等輔助時間，多件，多工位的夾具及氣動、液動的夾緊裝置能進一步減少輔助時間，提高生產(chǎn)率。

1.3 擴大了機床的使用范圍 有的機床夾具實質(zhì)上對機床進行了局部改造，擴大了原來機床的功能和使用范圍。

1.4 降低了對工人技術(shù)水平的要求和減輕工人的勞動強度，保證生產(chǎn)安全。

2 機床夾具的類型

2.1 通用夾具 通用性強的夾具，一般不需要調(diào)整就可以適應(yīng)多種工件的安裝，在單價小批量生產(chǎn)中應(yīng)用較廣。如三爪卡盤、平口鉗、萬能分度頭。

2.2 專用夾具 用于特定工件特定工序的夾具。廣泛應(yīng)用于成批或是大批生產(chǎn)的工件中。如為銑削鍵槽專門設(shè)計的銑槽夾具。

2.3 組合夾具 它具有良好的互換性和耐磨性的一系列標(biāo)準(zhǔn)件組裝成的夾具。使用時根據(jù)工件結(jié)構(gòu)和工序選擇適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)件組裝即可。但是剛性差，結(jié)構(gòu)相對龐大，適用于單件或是小批生產(chǎn)中。

2.4 成組夾具 按照工件形狀、尺寸、材料和工藝的相似性分組，為每組工件的某道工序設(shè)計組內(nèi)通用的專用夾具。通過對夾具中部分元件進行更換和調(diào)整，便可加工組內(nèi)任何工件。柔性較強，適用于產(chǎn)品品種多，批量小時的工件。

2.5 隨行夾具 這類夾具一般在自動生產(chǎn)線上使用，除了裝夾工件外，還沿生產(chǎn)線輸送工件從一個工位到下一工位，所以稱之為隨行夾具。

3 機床的組成

機床夾具一般由定位、加緊和夾具體，不可缺少的三部分和導(dǎo)向?qū)Φ?、動力、定位元件及其他輔助元件裝置構(gòu)成。如下圖：

4 機床夾具設(shè)計

4.1 定位機構(gòu)的設(shè)計

4.1.1 六點定位原理

采用六個按照一定規(guī)則布置的約束點，限制工件的六個自由度，使工件實現(xiàn)完全定位。常見的情況有四種：

①平面。采用1~3根支撐釘；采用1~2塊條形支撐板；采用一塊矩形支撐板。

②圓孔。采用短圓柱銷、長圓柱銷、兩段短圓柱銷；菱形銷、長銷小平面組合、短銷大平面組合；固定錐銷、浮動錐銷、固定錐銷和浮動錐銷組合；長圓柱心軸、短圓柱心軸、小錐度心軸。

③外圓柱面。采用一塊短V形銷、兩塊短V形銷、一塊長V形銷；一個短定位套、兩個短定位套、一個長定位套。

④圓錐孔。采用固定頂尖、浮動頂尖、錐度心軸。

4.1.2 限制工件自由度與加工要求的關(guān)系

根據(jù)工件加工表面的位置要求，將六個自由度全部限制時稱之為完全定位。當(dāng)限制的自由度少于六個時，稱之為不完全定位。當(dāng)需要的自由度均被限制，稱為定位的正常情況，可以是完全定位，也可以是不完全定位。當(dāng)需要的自由度沒有完全限制，或是某個自由度被兩個或是兩個以上約束重復(fù)限制，稱為非正常情況，前者為欠定位，后者為過定位。

有兩種情況允許過定位：

①工件剛度差，在夾緊力、切削力作用下會產(chǎn)生很大變形，此事只是提高工件某些部位的剛度，減小變形。

②工件的定位表面和定位元件在尺寸、形狀、位置精度已很高時，過定位不僅對定位精度影響不大，還有利于提高剛度。

在實際加工中為解決限制工件自由度和加工要求的關(guān)系問題是還須注意以下幾點：

①不允許出現(xiàn)欠定位。即根據(jù)加工要求應(yīng)予限制的自由度，但是并未限制，在實際中支撐點數(shù)目少于理論上的，于是工件的正確位置將無法保證。

②一般情況下，限制自由度數(shù)目越多，夾具的結(jié)構(gòu)越是復(fù)雜，故為了簡化夾具結(jié)構(gòu)，在保證工藝的前提下，限制的自由度數(shù)目應(yīng)盡量減少；但是在任何情況下所限制的自由度數(shù)目不得少于三個，否則工件定位不穩(wěn)定，而支撐點的布置取決于工件的形狀。

②為了便于夾緊或是合理的安排工件，實際采用的支撐點的數(shù)目允許多于理論分析的支撐點數(shù)目，但是一般不重復(fù)限制自由度。

4.1.3 定位誤差的產(chǎn)生及原因

定位誤差是指工序基準(zhǔn)在加工方向上的最大位置變動量所引起的加工誤差。通常在加工后，由于尺寸、形狀、位置三方面偏離理想工件造成。大概有以下三方面因素造成：

①工件在夾具中的定位、夾緊誤差。

②夾具帶著工件安裝在機床上，相對于機床主軸或是刀具或是運動導(dǎo)軌的位置誤差。

③工件加工過程中由于機床的幾何精度、受熱變形、切削振動、工藝系統(tǒng)的受力等引起的誤差。

誤差產(chǎn)生的原因有如下幾種：

①基準(zhǔn)不重合帶來的定位誤差。有平面定位誤差、工件以圓孔在心軸上定位的誤差、工件以外圓柱面在V形塊上定位的誤差、工件以一面雙孔定位的誤差四種。

②間隙引起的誤差。在使用心軸、銷、定位套定位時，定位面與定位元件間的間隙使工件定心不準(zhǔn)產(chǎn)生的誤差。

③與夾具有關(guān)的因素引起的誤差。這類因素屬于夾具在設(shè)計制造過程中的誤差。如：定位基準(zhǔn)面與定位元件表面的形狀誤差；導(dǎo)向元件和對刀元件與定位元件的位置誤差，及形狀導(dǎo)致的導(dǎo)向和對刀誤差；夾具的安裝誤差引起的位置誤差；夾緊力下的變形（工件或是夾具）引起的位置誤差；定位元件間的位置誤差，及夾具各構(gòu)成元件的磨損帶來的誤差。

4.1.4 定位裝置的設(shè)計步驟

①了解本工序的加工要求。

②確定支撐點并選擇定位基準(zhǔn)。

③選擇定位元件的結(jié)構(gòu)及布置方式。

④分析定位精度。

4.2 夾緊機構(gòu)的設(shè)計

一個夾具在性能上的優(yōu)劣，除了從定位性能上加以評定外，還需考核夾緊機構(gòu)的可靠性、操作方便性。其機構(gòu)的復(fù)雜程度基本決定了夾具的復(fù)雜程度。因此夾緊機構(gòu)在夾具設(shè)計中占有重要地位。

4.2.1 夾緊機構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足的要求

①夾緊必須保證定位準(zhǔn)確可靠，不能破壞定位。

②夾具和工件的變形必須在允許的范圍內(nèi)。

③夾緊機構(gòu)必須安全可靠，要有足夠的剛度和強度，手動式必須保證自鎖，機動式應(yīng)有聯(lián)鎖保護裝置，夾緊行程必須足夠。

④夾緊機構(gòu)必須在操作上安全、省力、迅速、方便、符合工人操作習(xí)慣。

⑤機構(gòu)復(fù)雜程度，自動化程度必須與工廠條件和生產(chǎn)綱領(lǐng)適應(yīng)。

4.2.2 夾緊力的確定

夾緊力包括方向、作用點、大小三要素，是設(shè)計中首先要解決的問題。

①方向的確定：應(yīng)用有利于工件的準(zhǔn)確定位，不能破壞定位，一般要求主夾緊力應(yīng)垂直于第一定位基準(zhǔn)面；應(yīng)與工件剛度高的方向一致，以利于減少工件變形；應(yīng)盡可能與切削力、重力方向一致，以有利于減小夾緊力。

②作用點的選擇：應(yīng)與支承點進行點對點的對應(yīng)，或在支承點的確定區(qū)域內(nèi)，以避免破壞定位或造成較大的夾緊變形；作用點應(yīng)作用在工件剛度高的部位；應(yīng)與支承點盡量靠近切削部位，以提高工件切削部位的剛度和抗振性；夾緊力的反作用力不應(yīng)使夾具產(chǎn)生影響加工精度的變形。

③夾緊力的確定：在需要準(zhǔn)確的場合，一般經(jīng)過實驗確定；計算時將夾具和工件看作一個剛性的系統(tǒng)，以切削力的作用點、方向、大小處于最不利于加緊時的狀況為工件受力狀況，根據(jù)切削力、夾緊力（運動中的工件考慮慣性力，大件考慮重力），以及夾緊機構(gòu)的具體尺寸列出靜力平衡方程，求出理論夾緊力，再乘以安全系數(shù)，作為實際所需夾緊力；一般情況下由于切削力可以近似估算，再根據(jù)工件和支承件之間的摩擦因數(shù)可以進行粗略的估算。

4.2.3 常見的夾緊機構(gòu)

①斜楔夾緊機構(gòu)。使用楔塊楔入夾具與工件之間，由于斜面移動產(chǎn)生壓力，把工件夾緊。

②螺旋夾緊機構(gòu)。相當(dāng)于一個斜楔繞在圓柱上，其夾緊過程是通過轉(zhuǎn)動螺旋使斜楔在高度上發(fā)生變化，實現(xiàn)對工件的夾緊。具有結(jié)構(gòu)簡單、增力大、自鎖性好的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于機床夾具。

③偏心夾緊機構(gòu)。相當(dāng)于是斜楔包在圓盤上，由于結(jié)構(gòu)比斜楔緊湊，夾緊迅速，但是夾緊行程小，增力倍數(shù)不大，通常不單獨使用，與壓板組成的機構(gòu)應(yīng)用較廣泛。

4.3 動力裝置

4.3.1 氣動夾緊裝置 采用壓縮空氣作為裝置的動力源。壓縮氣體具有粘度小，不污染，分配輸送方便的有點。但是夾緊力比液壓的小，結(jié)構(gòu)尺寸大，有排氣噪聲。

4.3.2 液動夾緊裝置 結(jié)構(gòu)原理和氣動的相似，具有工作壓力大，裝置緊湊；油的不可壓縮性，以致裝置剛度大，工作平穩(wěn)可靠；噪聲小等優(yōu)點。由于需供油裝置，成本較高，應(yīng)用于切削力大的場合。

4.3.3 氣液動夾緊裝置 利用壓縮空氣為動力，油液為傳動介質(zhì)，兼顧氣動和液動兩種裝置的優(yōu)點。通常將壓縮空氣的動力轉(zhuǎn)換為較高的液體壓力以供應(yīng)夾具的夾緊油缸。

4.3.4 真空夾緊 是利用工件上基準(zhǔn)面與夾具上定位面間的封閉空腔處于真空時的吸力來夾緊工件。實質(zhì)上是利用大氣壓力來夾緊工件，適合于夾緊薄壁易變形的零件。

4.3.5 電磁夾緊 如平面磨床上的電磁吸盤，當(dāng)線圈通直流電，鐵芯將產(chǎn)生磁場，在磁力作用下將導(dǎo)磁工件夾緊。由于電磁力不大，因此只適宜于切削力小的加工中。

4.3.6 自夾裝置 直接利用機床的運動或是切削力來進行夾緊，包括重力、慣性力、彈性力等，而不需要另設(shè)動力源。

4.4 其它裝置

4.4.1 孔加工的導(dǎo)向裝置 為了保證孔加工過程的位置精度，增加鉆頭和鏜桿的支承以提高其剛度，減少刀具的變形，確?？准庸さ奈恢镁?。常見有鉆模、鉆模版、鉆套（固定鉆套、可換鉆套、快換鉆套、特殊鉆套）和鏜套（固定鏜套、回轉(zhuǎn)式鏜套）。

4.4.2 對刀裝置 在銑床和刨床中，刀具相對工件的位置需要調(diào)整，常設(shè)對刀裝置。應(yīng)用對刀塊，在刀具刀刃和對刀塊之間放置塞尺，當(dāng)?shù)度薪咏邥r，抽動塞尺，有摩擦力存在，抽走塞尺，開動機器進行加工。

4.4.3 分度裝置 加工有角度分布的表面時應(yīng)用。為了簡化可以把夾具安裝在通用的回轉(zhuǎn)工作臺上實現(xiàn)分度，但是精度較低。

4.4.4 對定裝置 在進行機床夾具總體設(shè)計時，考慮機床上的定位、固定才能保證夾具相對于機床主軸、運動導(dǎo)軌有準(zhǔn)確的位置和方向。銑床、刨床和鏜床夾具一般裝在機床工作臺上，車床上一般裝在機床主軸上。

4.5 加工中心的夾具設(shè)計注意的問題

4.5.1 防止夾具與機床的空間干涉。

4.5.2 為簡化定位和裝夾，夾具的每個定位面相對于機床的坐標(biāo)原點應(yīng)有精確的坐標(biāo)尺寸。

4.5.3 夾具應(yīng)盡可能少的元件數(shù)和具有較高的剛度。

4.5.4 為了在一次裝夾中能加工與底面相交的表面，夾具應(yīng)設(shè)有工件托起一定高度的等高墊板。

5 現(xiàn)代機床夾具的發(fā)展方向

為適應(yīng)現(xiàn)代機械發(fā)展的高、精、尖的發(fā)展方向，現(xiàn)代夾具的發(fā)展主要體現(xiàn)為“四化”。

5.1 標(biāo)準(zhǔn)化 對現(xiàn)有夾具的零部件，各類型的夾具結(jié)構(gòu)及專用夾具的零部件實行統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化，是原來單件生產(chǎn)的夾具，轉(zhuǎn)變?yōu)閷I(yè)化的生產(chǎn)，以降低成本，保證質(zhì)量，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。

5.2 柔性化 加強專用夾具與同一類零件加工的夾具之間的可調(diào)性；加強專用夾具的重復(fù)利用，實行組合化后，減少因工藝的不同造成的夾具的報廢情況。

5.3 精密化 機械產(chǎn)品的不斷精密使得高精度機床的大量涌現(xiàn)，勢必要求機床夾具跟隨時代發(fā)展步伐實現(xiàn)精密化。

5.4 高效自動化 未獲得良好的效益，機械加工在不斷的提高生產(chǎn)率、降低成本、改善勞動強度，同樣要求著機床夾具的發(fā)展要滿足自動流水線的生產(chǎn)要求，中小批量的產(chǎn)品生產(chǎn)同樣需要考慮適合自身程度的高效自動化。

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