便攜式拼裝夾具模型的創(chuàng)新設計及在教學中的應用

宋曉英， 胡林嵐， 王傳紅， 龍 青， 沈 鵬， 蔣洪勇

(揚州市職業(yè)大學 機械工程學院， 江蘇 揚州 225009)

便攜式拼裝夾具模型的創(chuàng)新設計及在教學中的應用

宋曉英， 胡林嵐， 王傳紅， 龍 青， 沈 鵬， 蔣洪勇

(揚州市職業(yè)大學 機械工程學院， 江蘇 揚州 225009)

設計了一種夾具拼裝教學模型，采用箱式包裝。實驗箱中包括21種非標元件，12種改裝元件?？舍槍B桿、撥叉、軸套類等被加工零件主樣件，實現(xiàn)夾具元件、機構的靈活替換，完成典型零件30多道工序專用夾具模型的拼裝，展現(xiàn)鉆、銑、鏜等多種機床上的專用夾具結構。拼裝教學模型的使用，方便了初學者熟悉夾具設計的思路和方法，更容易理解夾具設計原理中常用的定位、夾緊方式及設計原則。通過夾具模型元件的變換組裝，可為教師課程教學提供新穎的教學模式，并激發(fā)培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力和實踐動手能力。夾具拼裝教學模型的元件結構簡單，制造和使用方便，易于連接和拆卸，經(jīng)濟實用。

夾具； 模型； 拼裝； 創(chuàng)新設計； 實驗箱

0 引 言

《機床夾具設計》是機械制造類專業(yè)學生必備的專業(yè)核心技能，要求學生能夠完成典型零件的工藝工裝設計，該課程實踐性強、應用性范圍廣，但在教學中存在著理論與實踐聯(lián)系不夠的現(xiàn)象。外購的單一類型的夾具，價格高且數(shù)量有限，與教學的需要和內容不能完全符合，影響了學生的學習積極性, 不利于學生夾具設計能力和專業(yè)綜合能力的提高。

目前生產(chǎn)企業(yè)采用的非通用夾具有專用夾具、組合夾具和可調夾具等幾種常用類型[1-3]。便攜式拼裝夾具模型是在專用夾具基礎上，將組合夾具零部件易拆裝可反復使用和可調夾具零件可進行調整的優(yōu)點結合起來，經(jīng)過創(chuàng)新設計，使得3種夾具以及工作特點在教學中都有所體現(xiàn)，夾具教學模型使用范圍更廣。

通過夾具模型拼裝可展現(xiàn)夾具常用的定位夾緊元件的結構、使用方法、適用場合，并通過拼裝構成鉆、銑、鏜等各種不同常用機床使用的夾具類型，為教師教學演示及學生進行創(chuàng)新設計，提供了一種新型的教學模式，對提高學生夾具設計水平、培養(yǎng)學生夾具的設計思想具有十分重要的作用[4]。

1 便攜式拼裝夾具模型的創(chuàng)新設計

1.1 被加工零件的選擇

設計過程中選擇工藝及夾具設計教學中具有典型意義的加工零件——連桿、撥叉以及軸類零件作為被加工零件[5-7]。在綜合考慮教學及實驗實訓要求的基礎上，對被加工零件的尺寸進行設計限定。同時為使設計出的夾具模型元件具有互換性，可以反復循環(huán)使用，減少元件的數(shù)量，我們對被加工零件的尺寸進行了整合。最終設計的被加工零件的主樣件如圖1所示。

(a)連桿(b)撥叉831002

(c)撥叉831006(d)撥叉831007(e)傳動軸

圖1 被加工零件主樣件

1.2 拼裝夾具模型的組成和結構設計

各類機床夾具結構千差萬別，但就其組成元件都是由夾具體、定位元件、夾緊元件、導向元件、對刀元件以及夾具在工作臺上的定位件等部分組成[8-10]。通過對上述5種被加工零件主樣件的工藝分析，設計出相應工序的夾具，并通過調整、規(guī)劃、修改，力爭使夾具模型的元件做到一件多用，最終將夾具模型中的非標和改裝元件縮減到33個，可拼裝完成連桿、撥叉和軸類零件加工過程中所需的鉆、銑、鏜、銑斷等工序的夾具教學模型30多套，包括了六點定位中一面兩銷、定位軸、V形塊及雙V形塊等多種典型定位方式，以及壓板夾緊、螺旋夾緊、偏心夾緊、斜楔夾緊等多種常見夾緊方式。

(1) 夾具體。夾具體是整套夾具的基礎。在拼裝夾具中創(chuàng)新設計了長方形基礎板用作拼裝夾具的基礎件，如圖2所示。在長方形基礎板的正面和四個側面上開有T型槽，可用于連接安裝夾具上其他元件及裝置。并設計了側板與之結合，以構成各種不同類型的夾具體。

圖2 基礎板

(2) 定位元件及定位裝置。定位元件是用來確定被加工零件加工位置的元件或裝置。夾具模型中可用的定位元件有：① V型塊?？梢詫崿F(xiàn)單V型塊、雙V形塊等各種以工件外圓定位的方式。圖3為實例之一。② 圓柱銷、菱形銷、定位軸。可實現(xiàn)一面兩銷定位和各種以工件內孔定位的方式。圖4所示為一面兩銷定位實例。

圖3 V型塊定位機構圖4 一面兩銷定位

(3) 夾緊元件及夾緊裝置。① 螺旋夾緊元件及螺旋夾緊裝置：由夾緊側板、壓緊螺釘或開口墊片、六角螺母等構成。如圖5所示，可與活動V型塊配合進行夾緊。② 壓板夾緊元件及壓板夾緊裝置：包括支撐釘、支撐軸和壓板，如圖6所示。 ③ 偏心夾緊元件及夾緊裝置：由偏心輪、手柄和壓板組成。如圖7所示。 ④ 斜楔夾緊元件及夾緊裝置：采用夾緊側板、壓緊螺釘和斜楔擋塊組成。斜楔擋塊推進時推動頂銷上升，通過壓板壓緊工件。如圖8所示。

(4) 導向及對刀元件。用來確定刀具位置或引導刀具方向的元件，如鉆夾具中的鉆套、鏜夾具中的鏜套，以及銑夾具中的對刀塊等。根據(jù)使用特點，設計并改制了固定鉆套、可換鉆套和快換鉆套，圓形對刀塊與直角對刀塊等各種不同的元件模型。如圖9、10所示。

圖5 螺旋夾緊裝置圖6 壓板夾緊裝置

圖7 偏心夾緊裝置圖8 斜楔夾緊裝置

圖9 擴孔用的固定鉆套圖10 銑平面用的圓形對刀塊

(5) 輔助元件。T型槽螺母：T型槽螺母大端可以嵌在T型槽內，兩側面與T型槽之間采用動配合以實現(xiàn)螺母在槽內的滑動，滿足定位和尺寸調節(jié)的需求。螺母凸出T型槽的部分則與其他元件相連接實現(xiàn)定位。如圖11所示。根據(jù)連接定位的需要，設計了3種結構的T型槽螺母應用于不同的場合。其余元件的設計不再細述。

圖11 T型槽螺母

1.3 夾具模型拼裝工作過程

拼裝夾具模型是根據(jù)被加工零件的加工工藝要求，從拼裝夾具模型庫中選擇所需的夾具元件，用搭積木的形式進行拼裝并通過連接件緊固構成夾具模型，以實現(xiàn)對被加工零件定位夾緊的要求，在夾具模型使用后可拆散元件根據(jù)需要重新拼裝成新的夾具模型。其工作過程如下[11-12]：

(1) 課程預習。了解夾具基礎知識，了解拼裝夾具模型的基本組成；

(2) 選擇元件。針對所需設計夾具，從夾具模型庫中選擇夾具模型元件，了解其結構、作用、選擇方法；

(3) 搭建模型。拼裝并調節(jié)夾具中元件的位置，并用連接件連接緊固，完成裝配；

(4) 模擬被加工零件裝夾過程。對被加工零件進行定位、夾緊連續(xù)操作，體會夾具的裝夾過程，分析夾具的裝夾原理；

(5) 模型分析。根據(jù)模型結構，分析夾具的不足之處，進一步完善夾具的功能、結構和精度，繪制夾具工程圖；

(6) 拆卸模型。完成課程任務后，將模型拆散，元件按“裝箱單”位置放入模型箱中，歸位后清點，以便后續(xù)拼裝其他夾具使用。

2 便攜式拼裝夾具模型在教學中的應用

拼裝夾具模型雖不能替代專用夾具進行生產(chǎn)，但其原理及結構的相似性，足以滿足課程教學的需要。這里以主樣件連桿加工中鉆擴鉸連桿小頭孔工序為例[13]，給出一套夾具的拼裝示例。

(1) 選擇元件。加工連桿所用夾具的拼裝元件如表1所示。

表1 連桿加工用夾具的拼裝元件

(2) 搭建夾具模型。選擇長方形基礎板作為夾具的基礎元件；安裝固定V型塊；在長方形基礎板的側面安裝側板作為支撐凸臺，在側板上安裝鉆模板及鉆套實現(xiàn)導向。通過調節(jié)側板的左右位置和鉆模板的前后位置使鉆套中心與連桿小頭孔中心重合。在長方形基礎板的另一側面安裝夾緊側板，旋動壓緊螺釘，在壓緊螺釘前端安裝移動檔塊，實現(xiàn)夾緊工件的效果。擰緊所有的連接螺釘。拼裝完成后夾具如圖12所示。

(3) 裝夾模擬。夾具利用長方形基礎板的支撐面與連桿的定位基面重合，用一個平面限制了連桿沿x、y方向轉動和z方向移動的3個自由度；固定V型塊與連桿小頭外圓表面的配合限定了連桿沿x、y移動的兩個自由度；再加上螺旋夾緊機構中擋塊平表面與連桿端部平面的重合限定了沿z方向轉動的一個自由度，從而實現(xiàn)了將連桿毛坯完全定位并夾緊在夾具上的工作要求[14]。

圖12 鉆擴鉸小頭孔夾具三維建模與模型實物

(4) 模型分析。分析夾具結構中還存在的問題，如定位大平面表面無凸臺，夾緊擋塊會左右擺動，連接件多帶來的夾具剛性較差等，進一步完善設計，繪制工程圖。

(5) 拆卸模型。要求學生按規(guī)則有序的完成拆卸與元件裝箱工作，培養(yǎng)良好的工場工作習慣，進行工作現(xiàn)場5S素養(yǎng)的灌輸與實踐。

在教學中還通過以下方法進一步提高學生對夾具結構設計和理論計算的理解，以完成夾具的課程設計和畢業(yè)設計[15-16]：

(1) 要求學生在教學模型的基礎上，更換定位、夾緊方式，拼裝設計出各種結構的夾具模型，思考多種夾具設計方案，拓展設計思路。

(2) 要求學生在夾具設計方案模型的基礎上進行夾具精度、強度、剛度的設計思考和計算，從理論上分析、計算出專用夾具的設計數(shù)據(jù)，完善設計結果，完成專用夾具的工程圖設計。

該套模型已在我校的課程教學中投入使用，獲得了老師和同學的一致好評。

3 結 語

該便攜式拼裝夾具教學模型已成功申請國家實用新型專利，其特點有如下幾點：

(1) 夾具模型結構簡單直觀。對定位、夾緊方法等夾具原理及結構的學習有很大幫助，裝箱后便于攜帶，方便教師教學演示以及學生學習和創(chuàng)新，適合教學使用。便攜式拼裝夾具教學模型實驗箱如圖13所示。

圖13 拼裝夾具教學模型實驗箱

(2) 資料完整，易學易用。夾具模型按照夾具類型編寫了配套的《拼裝式教學模型使用項目訓練指南》，將不同的被加工零件中相同或者相似的工序放在一起進行比較，方便分析不同零件加工中夾具之間的聯(lián)系和區(qū)別，并給出了典型夾具的拼裝過程和方法；按照被加工零件工藝流程步驟編寫了《拼裝式教學模型使用手冊》，清晰明了的表示出5種被加工主樣件30多道工序所需的夾具模型元件以及定位夾緊方案，幫助師生方便拼裝，并有助于學生學習中的發(fā)散思維。

(3) 夾具模型的性價比較高。通過模型的拆卸和拼裝，可以實現(xiàn)拼裝夾具模型元件的循環(huán)使用；減少逐年積累的教學專用夾具的數(shù)量，減少專用夾具教學模型利用率不高造成的浪費。

(4) 夾具模型擴展性強。在現(xiàn)有模型元件的基礎上，通過增加或改變個別元件及結構，就可以組裝成不同的夾具模型。各學校在此基礎上可結合自身的教學要求，擴大夾具模型的使用范圍。

綜上所述，便攜式拼裝夾具模型結構獨特新穎，經(jīng)濟環(huán)保，具有創(chuàng)新性，較好地解決了機床夾具設計教學與實驗中存在的問題，提高了課程的教學質量，適合推廣使用，市場潛力較大。

[1] 陳旭東．機床夾具設計[M]．2版.北京：清華大學出版社，2014.

[2] 朱耀祥，蒲林祥．現(xiàn)代夾具設計手冊[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2009．

[3] 陳宏鈞．機械加工工藝裝備設計員手冊[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[4] 羅紹新．機械創(chuàng)新設計[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[5] 趙家齊．機械制造工藝學課程設計指導書[M]．2版.北京：機械工業(yè)出版社，2007:44-50.

[6] 李 旦，邵向東，王 杰．機床專用夾具圖冊[M]．2版.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2005.

[7] 于大國．機械制造技術基礎與機械制造工藝學課程設計教程[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2011.

[8] 孟憲棟．機床夾具圖冊[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[9] 曹 巖．組合夾具手冊與三維圖庫(Solidworks版)[M]．北京：化學工業(yè)出版社．2013.

[10] 孫已德．機床夾具圖冊[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1983

[11] 姚榮慶．夾具應用實訓[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[12] 王壽龍，魏小立．夾具使用項目訓練教程[M]．北京：高等教育出版社，2011．

[13] 周益軍，王家珂．機械加工工藝編制及專用夾具設計[M]．北京：高等教育出版社，2012:117-120.

[14] 劉守勇，李增平．機械制造工藝與機床夾具[M]． 3版.北京：機械工業(yè)出版社，2013．107

[15] 傅玲梅．機床夾具設計與制作[M]．北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

[16] 吳 拓．機械制造工藝與機床夾具課程設計指導[M]．2版.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

Innovative Design of Portable Assembly Fixture Models and Their Application in Teaching

SONGXiaoying，HULinlan，WANGChuanhong，LONGQing，SHENPeng，JIANGHongyong

(School of Mechanical Engineering， Yangzhou Polytechnic College， Yangzhou 225009, China)

Portable assembly fixture models are designed for box-type packaging. An experiment trunk contains 21 non-standard and 12 modified parts. Focusing on connecting rods, shift forks, axle sleeves, and other machining parts, the design of portable assembly fixture models allows for flexible replacement of fixture elements. It can complete the assembly of special fixture elements to meet requirements of more than 30 working processes and to demonstrate the special fixture used on machines like drilling, milling, and boring machines. The models are used to facilitate the beginners getting familiar with the conceptions and methods of fixture design, and to help them understand the positioning and clamping as well as the design principle often used in fixture design. The flexible assembly of fixture models provides teachers with an innovative teaching mode and stimulates students to develop innovation and practical capabilities. The models consist of elements that are simple in structure, easy to make use, and convenient to connect and disassemble, and are therefore very economical and practical.

fixtures; models; assembly; innovative design; experiment trunk

2016-04-12

江蘇省高校品牌專業(yè)建設工程資助項目，編號PPZY2015C2

宋曉英(1958-)，女，江蘇揚州人，學士，副教授，主要教學與研究方向：機械制造、計算機輔助設計與制造。

Tel.:18005277328; E-mail:sxyhahaha@sohu.com

胡林嵐(1976-)，女，江蘇揚州人，碩士，副教授，主要教學與研究方向：機械制造、計算機輔助設計與制造。

Tel.:13815812902; E-mail:452846299@qq.com

TG 75

A

1006-7167(2017)04-0167-04