基于齒輪箱體零件特征相似的夾具設計

王愛琴，石登云，祝雅芳

(杭州前進齒輪箱集團股份有限公司，浙江杭州311203)

0 引 言

國際生產研究協(xié)會的統(tǒng)計表明，為滿足市場對產品需求日益多樣化，目前中、小批量多品種生產的工件品種已占工件種類總數(shù)的85%左右［1］。某公司生產的HCX00型系列齒輪箱，屬于典型的單件、小批訂單式的生產模式，且產品極具相似性。但由于產品是根據(jù)市場需求先后開發(fā)的，工藝準備工作中缺乏統(tǒng)籌考慮，還是按單一產品設計專用夾具，嚴重影響了生產準備效率和成本。因此，需要研究一種新的夾具設計方法來滿足現(xiàn)代生產的需要。

為提高夾具設計效率從而降低生產成本，國內外學者進行了大量研究，主要包括兩方面:①柔性夾具;②計算機輔助夾具的研究。如文獻［2］就組合夾具如何同專用夾具以及通用可調夾具有機結合起來，使其發(fā)揮各自的長處，擴大組合夾具的使用范圍做了研究，提出了一種半組合夾具設計方法。文獻［3］對組合夾具在成組加工中的應用進行了研究，使組合夾具代替一部分成組夾具，取得了較好的經濟效益。文獻［4］根據(jù)現(xiàn)有夾具實例，應用各種計算機技術，在Solid-Works中進行三維實體造型，建立夾具實例資料庫。這些理論和研究成果為夾具設計提供了很好的依據(jù)。但由于夾具設計的復雜性和經驗性，需要應用這些理論來具體問題具體分析。

為此，本研究在企業(yè)現(xiàn)有的生產條件下，采用模塊式的結構可調的夾具設計方法，對具有相似結構的箱體零件進行夾具柔性化的設計。

1 HCX00型齒輪箱箱體特征及對夾具的設計要求

某公司生產制造的HCX00型系列船用齒輪箱，如圖1所示。其結構特征與制造特征都具有如下共同特點:

圖1 HCX00型系列齒輪箱結構特征相似

(1)材料:HT200;

(2)毛坯類型:鑄件時效處理;

(3)主要待加工表面，如:軸承檔、端面、支架面等的尺寸公差、形位公差和表面粗糙度相同均為IT7;

(4)箱體為上、下剖分式;

(5)主要的加工面為合箱面、兩端面、支架面、頂面(配油器面)、軸承孔系;

(6)所要加工的主要方位面及空間拓撲結構相同或相近。

由以上可知，HCX00雖然品種多、結構復雜、加工工藝路線長，但各箱體零件之間高度相似。依據(jù)“相似零件有相似工藝規(guī)程”的理論可知HCX00系列齒輪箱體零件應具有相似的工藝。

相似工藝的夾具的設計不是針對某一零件的某一工序，而是針對一組零件的某一工序。即相似工藝夾具設計要適應零件組內所有零件在某一工序的加工。

分析夾具設計過程可知，工件的形狀特征對夾具結構的影響最為直接。對于具有相似工藝的HCX00型箱體零件來說，其零件形狀特征極具相似。且其同一工序的加工內容、定位方式、機床相同或相近。因此在同一工序上加工的相似零件可使用同一套夾具，夾具需要滿足以下要求:

(1)調整方式。根據(jù)組內零件尺寸的變化調整或更換相關的定位、夾緊元件，以完成不同零件的裝夾工作;

(2)調整精度。要求零件變更時，夾具調整與零件尺寸變化的綜合誤差可控，以保證零件的加工精度;

(3)調整時間。夾具元件的調整時間長短直接關系生產效率與節(jié)奏，需要夾具設計時對可調部分盡量做到簡單快速［5］。

2 基于相似特征的HCX00型齒輪箱體夾具設計

對具有相似工藝的整組零件設計夾具與專用夾具設計方法大體相同，主要區(qū)別在于具有相似工藝的夾具設計的使用對象不是一個零件而是一組零件。機床夾具一般由夾具體、定位件、夾緊件、連接件、導向件等部分組成［6］。本研究根據(jù)夾具的組成及HCX00系列箱體的特征，采用標準化模塊與專用模塊組合的結構可調的夾具設計方法，通過空間結構的調整與夾具功能模塊的更換來適應同組零件。

其中標準化模塊在夾具設計時可以直接從庫里提取，固定式定位銷在夾具標準件庫提取實例如圖2所示。

圖2 夾具標準件庫提取標準件實例

而專用模塊無法完全標準化，而且很多參數(shù)的確定是在夾具設計過程中逐步完成的，所以較好的方法是對常用的基本類型進行總結，進而建立對企業(yè)具有參照意義的、標準化的“模板式”圖形庫，使用戶在設計過程中可以從中選擇合適的類型，并以此為基礎進行進一步的設計，從而減輕用戶的工作量并提高專用模塊設計的規(guī)范性［7-8］。

本研究論述的HCX00系列通用基礎底板如圖3所示，基礎底板在夾具構成中屬于不可調部分，長方形基板定位件在其上通過空間結構調整來滿足整組零件的裝夾要求，因此可借鑒槽系和孔系結構的組合夾具設計方法［9-10］，并將其形成企業(yè)標準化的模板。

結構可調即將夾具構成單元中分成不變的(通用的)固定部分和為滿足整組零件裝夾的可調部分。更換工件品種時，只需對可變換部分進行調整和更換，將這兩部分巧妙地組合起來構成新產品，即可進行新的加工。設計時研究者首先對整組零件的圖紙、工藝要求和加工條件進行全面分析，來確定最佳工件裝夾方案和夾具調整形式［11-12］。

圖3 模板式基礎底板

3 特征相似的HCX00型箱體鏜孔夾具設計實例

工件在機床上加工時，首先要使工件在機床上或夾具中占有某一正確位置，這就是定位，為了防止加工過程中切削力或其他外力破壞這一正確位置，還必須將工件夾牢壓緊，這就是夾緊，工件定位與夾緊的過程就稱為工件安裝。由于工件定位而產生的誤差稱為定位誤差，由于工件夾緊變形而產生的誤差稱為夾緊誤差。定位誤差和夾緊誤差合稱為工件安裝誤差［13］。

齒輪箱體零件最關鍵的工序是精鏜軸承孔。箱體軸承孔不僅孔本身的精度要求高，而且孔距精度和相互位置精度也要求高。加工質量的好壞對整個產品的質量可說是至關重要。在齒輪箱體類零件中，根據(jù)生產批量及零件的結構及精度，零件主要有兩種定位方式:①采用“基準重合”原則，選擇加工表面的設計基準為定位基準;②采用“基準統(tǒng)一”原則，箱體以某一組精基準定位，在多數(shù)工序中采用該同一組精基準定位。

HCX00型系列齒輪箱體，形狀上極具相似且其同一工序加工內容相同。通過對齒輪箱箱體的綜合分析，箱體零件可采用典型的“一面兩銷”定位，同前面多道工序的基準一致。以上箱體結合面(即支架底面)為定位面，兩合箱孔作為定位孔。這樣可以保證加工時結合面與軸承孔的水平中心一致。夾緊采用普通的移動壓板，并且夾緊面與支承面上下重合，避免形成彎矩引起工件變形。本研究通過對零件、原夾具的具體分析，對夾具進行了結構可調整的柔性化夾具設計。夾具的構成由不可調的(長方形基礎板、支承板、定位銷、移動壓板等)與可調的(長方形基礎支承、壓緊支承等)組成。使用時根據(jù)零件的實際幾何特征快速組裝和調整，通過定位座(即長方形基礎支承)與壓緊件(即夾緊螺桿與壓緊支承)的空間結構調整，來滿足組內零件的定位要求。爭取以最少的夾具完成同一系列箱體零件的加工。

課題實施后設計的夾具如圖4所示。由圖4可知，整套夾具由25個零件組成，其中標準件有22個，3個專用零件。由于專用零件外形相近，只是尺寸有大小，可將其做成企業(yè)參數(shù)化的通用件模板，這些專用件的設計制造按組合化的思想進行。

圖4 鏜孔可調結構夾具

4 結束語

針對單件、小批的相似齒輪箱體零件，本研究介紹了一種結構可調的夾具設計方法。通過使用后與以前夾具的對比，研究結果表明，其成本和生產現(xiàn)場有顯著不同，該夾具一套的價格約為4 500元，隨著品種的增多節(jié)約的夾具數(shù)量會更多，并且極大地提高了相似產品夾具的設計制造速度，以前要幾個月的時間，現(xiàn)在只需要幾天甚至幾個小時就可以調整到位。

同時該該法還很好地推進了企業(yè)工藝設計的標準化、系列化進程，極大地減少了生產現(xiàn)場相似的工裝數(shù)量，現(xiàn)場井然有序。

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