機(jī)械加工中的工裝夾具定位設(shè)計(jì)方法研究

楊云輝

（云南開放大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650000）

從我們的社會(huì)的發(fā)展來(lái)看，人們對(duì)因?yàn)閷?duì)自身需求的增強(qiáng)而對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的要求越來(lái)越嚴(yán)格，機(jī)械產(chǎn)品的工能也逐漸多樣化，這直接導(dǎo)致了機(jī)械加工在生產(chǎn)過(guò)程需要更加嚴(yán)謹(jǐn)、更加精確的加工方式。傳統(tǒng)的機(jī)械加工對(duì)工裝夾具的重視不足，投入不夠，在以往的加工中容易出現(xiàn)加工零件偏差，甚至出現(xiàn)滑落、移動(dòng)、加工過(guò)量等問(wèn)題，各行業(yè)所需要的產(chǎn)品精確度得不到保障。而優(yōu)秀工裝夾具定位準(zhǔn)確可以在加工過(guò)程中提升機(jī)械高質(zhì)量、高效率加工，代表著優(yōu)秀先進(jìn)機(jī)械生產(chǎn)方向，對(duì)機(jī)械加工精確有著巨大的影響。因此，如何保證工裝夾具定位的合理性與優(yōu)越性便是我們研究的方向。

1 機(jī)械加工中工裝夾具定位的基準(zhǔn)分類

基準(zhǔn)是用于確定零件上其他點(diǎn)線面位置。

1.1 工藝基準(zhǔn)

機(jī)械加工中工裝夾具定位模式第一種是加工、測(cè)量、裝配過(guò)程中對(duì)設(shè)備、工裝夾具、毛坯件實(shí)際位置標(biāo)定的實(shí)際定位基準(zhǔn)模式，在整個(gè)機(jī)械加工的過(guò)程中，一條機(jī)械生產(chǎn)線一般不會(huì)只對(duì)機(jī)械元件進(jìn)行一道加工工序，大多數(shù)情況下，這條生產(chǎn)線會(huì)對(duì)流水線上的機(jī)械元件進(jìn)行二次、多次加工，進(jìn)而節(jié)約生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本，這種情況下整個(gè)加工過(guò)程的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)便分為了粗基準(zhǔn)加工和精基準(zhǔn)加工，配合輔助基準(zhǔn)、主要基準(zhǔn)和附加基準(zhǔn)在加工時(shí)用于對(duì)工件定位，合成定位基準(zhǔn)。另外，用于加工中和加工后測(cè)量工件采用的測(cè)量基準(zhǔn)，用于裝配時(shí)配合零部件與整件位置的裝配基準(zhǔn)，用于工序先后確定的工序基準(zhǔn)共同形成工藝基準(zhǔn)。因此，每個(gè)操作人員在為機(jī)械元件和工裝夾具規(guī)劃基準(zhǔn)面時(shí)，務(wù)必苛求精確，操作過(guò)程中也要全程監(jiān)控高度準(zhǔn)面的二次加工，盡量減少不合格品的出現(xiàn)。

1.2 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)

第二種則是以設(shè)計(jì)圖上各項(xiàng)數(shù)據(jù)為依據(jù)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，通過(guò)數(shù)字幾何原理將他們的彼此相對(duì)面連接，做成一個(gè)空間坐標(biāo)體系，用空間的方式表達(dá)出來(lái)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)模式。而實(shí)際基準(zhǔn)模式通過(guò)預(yù)先繪圖，可以先六點(diǎn)自由度空間定位法相結(jié)合，能把控全局，是一種較好的基準(zhǔn)定位模式，但因?yàn)檫@種模式對(duì)機(jī)器要求較高，對(duì)人員的數(shù)字計(jì)算水平要求嚴(yán)格，所以暫時(shí)使用的人員較少?？偟亩?，就現(xiàn)在工業(yè)機(jī)械發(fā)展階段，這兩種方式應(yīng)該結(jié)合使用，并逐漸過(guò)渡到設(shè)計(jì)基準(zhǔn)模式。

2 工裝夾具定位的設(shè)計(jì)原理

工業(yè)時(shí)代需要大量的各種各樣的機(jī)械元件，每種元件的加工工序和加工要求都存在差異性，在生產(chǎn)加工之前，我們需要一臺(tái)機(jī)械加工設(shè)備，一個(gè)被加工的機(jī)械毛坯件以及一部合理配對(duì)的工裝夾具，其中機(jī)械加工設(shè)備對(duì)毛坯件進(jìn)行加工，工裝夾具則負(fù)責(zé)固定毛坯件，不讓毛坯件在加工的過(guò)程中發(fā)生偏移，防止因?yàn)槠茙?lái)的加工的精度下降，質(zhì)量不符合要求。工裝夾具和機(jī)械加工設(shè)備二者共同對(duì)毛坯件作用，才能加工出符合需要的機(jī)械元件，有的先進(jìn)技術(shù)也將工裝夾具作為機(jī)械元件的一部分，在毛坯件加工的時(shí)候便將工裝夾具和毛坯件一體化成為新的機(jī)械元件。加工過(guò)程中，工裝夾具的作用不僅僅是作為固定裝置和元件配件，為了提高加工的整體精準(zhǔn)度，通過(guò)六點(diǎn)自由度空間坐標(biāo)定位，還可以把夾具作為成為基準(zhǔn)點(diǎn)，由機(jī)械設(shè)備將基準(zhǔn)點(diǎn)作為參考與定位點(diǎn)和輔助基準(zhǔn)參與其他的部件生產(chǎn)。

3 工裝夾具的分類和定位方案

機(jī)械元件進(jìn)行加工的過(guò)程中，我們需要根據(jù)工裝夾具的類型和他配合的機(jī)械考慮他們的定位方案。

3.1 對(duì)工裝夾具自由度的限定

常見的工裝夾具使用原理多是以機(jī)械物理方式夾緊毛坯件，整個(gè)加工過(guò)程中作為重要的定位應(yīng)用裝置使用，確保加工設(shè)備被毛坯件處在被加工位置上，而由于我們一般不會(huì)采用6點(diǎn)同時(shí)限制，為了便利操作，我們會(huì)結(jié)合元件的加工難易度確定對(duì)某3～6個(gè)面進(jìn)行限制，而每個(gè)部件需要幾個(gè)自由度，操作人員需要限制那幾個(gè)自由度，完全取決于加工技術(shù)的要求，如圖1。

圖中，a零件只需要保證Z方向與xy面平行，所以只需要限制3個(gè)自由度；b零件因此操作復(fù)雜，需要控制5個(gè)自由度；c則是b的升級(jí)版，相對(duì)復(fù)雜，還需要多增加一個(gè)控制度，達(dá)到了最多的6個(gè)自由度要求；d是一個(gè)員同a類似，但因?yàn)橹恍枰统鲋虚g的槽，只需要控制連2個(gè)自由度；e雖然和b十分相似，但相比于b少了一個(gè)定位基面，所以只需要控制4個(gè)自由度；f圖由于下面也開了一道槽，相對(duì)于e多了一個(gè)基準(zhǔn)面，因此需要限制5個(gè)自由度。

圖1 工件應(yīng)受限制自由度的確定

3.2 定位后對(duì)固定元件的選擇

在選定限定面后，操作人員需要考慮用什么定位元件和加工設(shè)備使用多達(dá)的夾緊力來(lái)禁錮機(jī)械元件，以及被加工機(jī)械元件的需求量來(lái)決定在多種種類的夾具選擇哪一款。

在這個(gè)過(guò)程中會(huì)使用一些通用夾具，這些是指已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，可以加工較多不同機(jī)械元件的夾具，比如車床、鏜床、銑床上使用的3爪、4爪卡盤，平口鉗、分度頭、回轉(zhuǎn)床臺(tái)等，但由于這些夾具專業(yè)化程度低，無(wú)法效率生產(chǎn)大批量機(jī)械部件，只能生產(chǎn)單個(gè)、小批量的機(jī)械元件。另一種則是專用夾具通用夾具互補(bǔ)，應(yīng)用程度廣，能有大批量的加工機(jī)械元件，但由于高標(biāo)專用夾具專門針對(duì)某一種需要的機(jī)械元件進(jìn)行加工，需要花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、檢測(cè)才能確定，并且每項(xiàng)都需要花費(fèi)不菲的資金，對(duì)非大規(guī)模集中機(jī)械化公司的經(jīng)濟(jì)壓力較大。因此，混合式使用標(biāo)專用夾具和通用夾具而成的組合夾具不失為一種節(jié)約成本的方法，對(duì)要求比較低、數(shù)量比較少的機(jī)械部件可以使用標(biāo)準(zhǔn)普通夾具，對(duì)需要大規(guī)模生產(chǎn)的機(jī)械部件采用高標(biāo)專用夾具，在人員不足的情況下，甚至可以一邊設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)高標(biāo)專用夾具，一邊使用標(biāo)準(zhǔn)普通夾具按高標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)機(jī)械部件，既節(jié)約了時(shí)間提高了生產(chǎn)效率，也減少了多批次各式工裝夾具原型的生產(chǎn)，產(chǎn)生了經(jīng)濟(jì)效益。

4 工裝夾具設(shè)計(jì)定位方法實(shí)例

工裝夾具定位在整個(gè)加工過(guò)程中極為重要，工裝夾具保證機(jī)械元件的加工精準(zhǔn)度，提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)物件的工藝性能，是工業(yè)加工中重要的的步驟。因此，我們的操作、設(shè)計(jì)人員必選要牢牢掌控工裝夾具定位的方法，對(duì)采用的定位設(shè)計(jì)原理要熟悉、吃透，在設(shè)計(jì)生產(chǎn)中根據(jù)理論及時(shí)找出原因，解決問(wèn)題。

4.1 六點(diǎn)定位限制法

圖2為常見的工裝夾具定位方法便是六點(diǎn)定位限制法，這種又稱為多點(diǎn)定位限制法，首先將要進(jìn)行的加工的機(jī)械元件看做一個(gè)原始坐標(biāo)點(diǎn)，分別向上、下、前、后、左、右延伸出6條射線，又每正負(fù)兩條射線組成三條軸線，分別以X、Y、Z軸相稱，在開始加工之前，經(jīng)過(guò)科學(xué)、準(zhǔn)確的方法選定6個(gè)點(diǎn)，通過(guò)加工設(shè)備與夾具從空間上禁錮住被加工的機(jī)械元件，鎖死元件的自由度，從而保證機(jī)械加工的精確性。

圖2

舉個(gè)例子，在一個(gè)長(zhǎng)寬高分別為40、20、10cm的長(zhǎng)方體毛坯件中，我們需要加工出一個(gè)直徑為20cm、高為8cm的圓柱體件，首先我們需要在毛坯件xoy面進(jìn)行切削，這個(gè)過(guò)程中需要限制住毛坯件在Z軸上的移動(dòng)自由度和X軸，Y軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，控制住這三個(gè)方向的自由度后，便可以從毛坯件xoy面任意處進(jìn)行切割，因?yàn)槊骷膶挾日玫扔诩庸ず髨A柱體的直徑20cm，第二步需要對(duì)初步加工為直徑20cm、高10cm的圓柱體進(jìn)行二次加工，此次則是被加工件在xoz面上加工，需要限制住初步加工的圓柱體在X軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的和y軸的移動(dòng)自由度，限制住后在圓柱體上方2cm處切割就可以得到我們需要的加工部件。

4.2 兩點(diǎn)以上定位限制法

兩點(diǎn)以上定位限制法可以看作是對(duì)六點(diǎn)定位限制法的補(bǔ)充和改進(jìn)。在實(shí)際生產(chǎn)中，我們一般不會(huì)在空間坐標(biāo)系里設(shè)置多達(dá)6個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，根據(jù)實(shí)踐，往往兩個(gè)以上六個(gè)以下的定位點(diǎn)就能對(duì)被加工毛坯件起到定位的作用。這其中又有欠定位與過(guò)定位的區(qū)別需要操作人員注意，如果機(jī)械元件自由度未被完全限制，稱為欠定位，機(jī)械元件被兩個(gè)及以上自由度限制一個(gè)基準(zhǔn)，則稱為過(guò)定位，而一般超過(guò)6個(gè)自由度，便會(huì)起反效果，導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確。

5 工裝夾具定位的設(shè)計(jì)發(fā)展方向

5.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化定位方法

隨著機(jī)械化大規(guī)模的生產(chǎn)方式的開展，機(jī)械加工產(chǎn)品的生產(chǎn)方向必然是向著標(biāo)準(zhǔn)化靠近，并且逐漸與相關(guān)類似的產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行合流統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，而要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)大規(guī)模的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)件，就需要統(tǒng)一的加工機(jī)床、統(tǒng)一的被加工毛坯件以及統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化工裝夾具，三者統(tǒng)一后，一定會(huì)出現(xiàn)一套適合多數(shù)機(jī)械元件加工的標(biāo)準(zhǔn)化基本定位方法，以方便在機(jī)械加工過(guò)程中指導(dǎo)形成流水化、大規(guī)模的生產(chǎn)模式，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械生產(chǎn)的成本降低，利潤(rùn)增值。

5.2 設(shè)計(jì)更數(shù)字化的定位方法

隨著社會(huì)對(duì)各種機(jī)械產(chǎn)品的要求不斷提高，以及數(shù)字化生產(chǎn)對(duì)于產(chǎn)品更加嚴(yán)格精度要求和機(jī)械設(shè)備的更新?lián)Q代，可以預(yù)見的，整條生產(chǎn)線上都會(huì)出現(xiàn)更加嚴(yán)格精確的生產(chǎn)規(guī)定，作為加工工程中重要參與者的工裝夾具，必然會(huì)出現(xiàn)一套比現(xiàn)今定位方法更加精確的定位方法，這種方法必然更精確，更高效。

5.3 定位設(shè)計(jì)方法的超前化

工裝夾具應(yīng)該具有優(yōu)先化，超前化意識(shí)，隨著高精尖技術(shù)的不斷發(fā)展，上級(jí)下級(jí)工業(yè)鏈條對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的多樣性，精準(zhǔn)性的要求會(huì)不斷地提高，導(dǎo)致生產(chǎn)的難度不斷提高，同時(shí)日新月異的新生產(chǎn)設(shè)備和高精度的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)逐漸更新，新的加工材料強(qiáng)度、難易度也有所變化，這些都會(huì)在加工過(guò)程中都會(huì)對(duì)夾具定位方法帶來(lái)挑戰(zhàn)。因此，在之后的設(shè)計(jì)新的夾具定位方法時(shí)，不能僅僅是要為了解決眼前所需要攻克的難題而生產(chǎn)應(yīng)急品，還要有超前意識(shí)，設(shè)計(jì)出可以供還沒(méi)有出現(xiàn)或者已經(jīng)出現(xiàn)理論的設(shè)備、材料加工生產(chǎn)配套的的新型夾具定位方法。

5.4 設(shè)計(jì)更為方便的定位方法

在以前的生產(chǎn)模式中，每條生產(chǎn)線都只能生產(chǎn)一種東西，要想調(diào)整更新生產(chǎn)線需要花費(fèi)很多功夫來(lái)調(diào)整磨合，每次都需要花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行調(diào)整夾具的定位，甚至在生產(chǎn)時(shí)也需要專業(yè)的操作人員時(shí)刻注意變化進(jìn)行調(diào)整，極為不方便。工裝夾具定位在以后的展方向應(yīng)該是向易操作化，方便化發(fā)展，降低培訓(xùn)難度，減少操作流程，增加上手便捷度，便于操作人員直接在流水線上加工，達(dá)到更多批次的生產(chǎn)量，形成更少人次的操作鏈，以及更高的生產(chǎn)質(zhì)量和更多的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

6 結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，隨著我國(guó)的機(jī)械數(shù)字化水平的不斷提高，生產(chǎn)加工技術(shù)飛速更新?lián)Q代的大背景下，各行業(yè)都會(huì)對(duì)機(jī)械設(shè)備的多用途、精密化、準(zhǔn)確性不斷提出更高的要求，就目前而言，以六點(diǎn)自由度矢量方向定位原則和幾何空間坐標(biāo)基準(zhǔn)面定位加工方法擁有一定的先進(jìn)性，對(duì)我國(guó)的機(jī)械加工行業(yè)的高質(zhì)量和高效率起到了至關(guān)重要的作用，保障了我國(guó)機(jī)械加工行業(yè)的發(fā)展，但我們的眼光不能停留在已經(jīng)提出的問(wèn)題上，我們的機(jī)械加工行業(yè)要走在國(guó)際國(guó)內(nèi)的尖端前沿，這需要我們加大對(duì)工裝夾具超前研究投入，對(duì)工裝夾具的定位方法不斷地學(xué)習(xí)改進(jìn)創(chuàng)新，對(duì)在定位方法設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、實(shí)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題不斷分析更正，對(duì)這個(gè)過(guò)程中的不足進(jìn)行改進(jìn)變革，對(duì)外來(lái)的進(jìn)行知識(shí)思想技術(shù)進(jìn)行利用，從而讓工裝夾具定位成為我國(guó)的機(jī)械加工行業(yè)的完美助力。