柔性夾具技術研究*

□ 趙 元 □ 張麗麗

1.遼寧省數控機床信息物理融合與智能制造重點實驗室 遼寧撫順 113122 2.沈陽工學院 機械工程與自動化學院 遼寧撫順 113122

1 研究背景

隨著數控機床加工能力越來越強,人們對夾具柔性化提出了新要求,即需要夾具來滿足數控機床的加工能力和加工方式。柔性指根據生產工況的需要,工藝裝備與工藝路線能滿足多種產品的生產需求,縮短產品投放市場時間。柔性夾具指工件的形狀和尺寸有一定變化后,夾具還能適應加工需求的應變能力[1]。

為更好地適應快速多變的市場需求,制造企業(yè)生產系統(tǒng)應具備一定的柔性。夾具是制造系統(tǒng)中的重要組成部分,夾具具備一定的柔性可以很好地滿足快速換產的需求。柔性夾具由于設計的自動化程度較低,而且沒有一般性方法可遵循,因此成為現代制造系統(tǒng)實現柔性的一個難點和瓶頸[2]。

2 柔性夾具發(fā)展

在機床傳統(tǒng)夾具中,可調整夾具適合于一組或若干組相似零件的加工。一種零件加工完畢后,只需要調整或更換夾具上的少數零件,就能用于加工新的工件，可更換的調整件需要專門設計制造[3]。

專用夾具指用于特定零件加工或零件制造中某工序的夾具，在產品相對穩(wěn)定、批量較大的生產中使用,可以有效降低勞動強度，提高生產效率，并獲得較高的加工精度。

通過對夾具的元件和合件標準化,按照組合化的原理,基于一套預制好的標準元件和合件,針對不同加工工況,能快速組合成所需的專用夾具,且能夠重復使用,這是組合夾具研發(fā)的出發(fā)點。組合夾具具有裝配速度快、元件利用率高、適用工況范圍廣等優(yōu)點。

結構可調整夾具建立在加工零件具有一定形狀特征和加工特征相似性的基礎上,針對不同批次的加工零件,不用更換夾具元件或重新進行夾具的設計與組建,而只是調整某些夾具元件的空間位置，便能適應該批次零件的裝夾要求。結構可調整夾具的優(yōu)點是只需通過夾具的結構調整,而不需通過更換夾具元件的方法來滿足零件的裝夾要求[4]。

專用夾具、組合夾具和結構可調整夾具的使用流程如圖1所示。

結構可調整夾具可適應小范圍內的柔性,組合夾具能滿足大范圍內零件加工的需求。實現夾具柔性化的基礎是機床夾具的通用化、標準化、模塊化,能夠快速調整以滿足生產的需求。

柔性夾具以組合夾具為基礎,由一套預先制造好的各種不同形狀、不同尺寸規(guī)格、不同功能的系列化、標準化元件和合件組裝而成[5]。

柔性夾具元件、合件具有較好的互換性和較高的精度及耐磨性[6]。柔性夾具能保證工件在規(guī)定的坐標位置上準確定位和牢固夾緊,粗加工時能承受較大的切削力,以充分發(fā)揮數控機床的加工能力，精加工時能很好地保證工件定位基準和加工表面的位置精度。柔性夾具還能根據數控機床的要求，保證夾具允許刀具接近盡可能多的加工表面，甚至全部加工表面,可減少機床的停機時間,能在一次裝夾多個工件的同時依次加工,可以減少夾具、刀具、工件系統(tǒng)的調整時間,減少刀具的更換次數,更好地發(fā)揮數控機床、加工中心的高效性能[7]。

▲圖1 夾具使用流程

3 柔性夾具特點

柔性制造系統(tǒng)中加工設備主要是數控機床或加工中心,加工零件的精度靠機床自身精度來保證,操作者只需要保證零件在機床中的坐標位置。此外,在柔性制造系統(tǒng)生產方式下,盡可能保證工件在一次裝夾中完成多道工序的加工,這與專用夾具不同,即將專用夾具與工件的某一道工序相對接，變換成夾具必須與工件的多道工序或整個加工過程相對接[8]，由此使夾具結構簡單,數量減少,零件加工精度提高。

柔性制造系統(tǒng)中夾具結構是拼裝結構,有一個共同的基礎板,可定位夾緊一個或多個工件。柔性夾具不同于組合夾具,組合夾具適用于單件小批量生產[9]，柔性夾具具有一定的專用性,是根據具體的柔性制造系統(tǒng)加工工件而設計制造的,如果更換新的加工零件,只要其結構外形、尺寸、定位基準形式等不超出系統(tǒng)原設計技術指標范圍,夾具系統(tǒng)仍可使用,只需重新拼裝即可。

柔性夾具的優(yōu)點是結構簡單，拼裝環(huán)節(jié)少，剛性好，易于滿足柔性制造系統(tǒng)中工件頻繁變換與自動化加工的需要。夾具元件的種類和數量少,制作柔性制造系統(tǒng)工裝費用低。存放柔性夾具及夾具元件的空間小,元件容易檢索，可快速完成設計與拼裝。

柔性夾具是針對特定柔性制造系統(tǒng)研制的夾具系統(tǒng)，夾具滿足柔性制造系統(tǒng)加工的需求,結構簡單,裝卸迅速,一次裝夾完成多面加工。具有足夠的剛度和強度,可滿足大切削用量加工需求。設計有一定的通用性,有足夠的柔性,可滿足柔性制造系統(tǒng)加工多品種零件的需求。元件拼裝步驟少,可提高夾具的剛性,減小累積誤差。

4 柔性夾具設計依據

柔性夾具是針對某一具體柔性制造系統(tǒng)而研制的,所以對于不同的柔性制造系統(tǒng),由于選用的機床、零件結構、加工特征等不同,必然會存在柔性夾具系統(tǒng)的不一致。柔性夾具設計時,必須做好兩方面的工作。

(1) 柔性制造系統(tǒng)對柔性夾具的要求。首先分析加工件的種類、結構特征、零件類型、加工形式、加工精度和表面粗糙度要求等。其次了解柔性制造系統(tǒng)主要加工機床，包括機床主要技術參數、型式、加工能力等。最后確認夾具應該具備的特點要求,如尺寸、整體結構、夾具材料、夾具質量等。

(2) 零件常規(guī)加工和單機數控加工的特點。對于專用夾具、組合夾具、柔性夾具而言，都有基本的定位夾緊系統(tǒng)，在分析同類零件的加工方法時,著重了解夾具的定位和夾緊機構、基礎板的結構形式,進而明確柔性制造系統(tǒng)中柔性夾具的結構形式。

在品種眾多的零件之間,存在著大量的相似性,只有充分利用這種相似性,才能科學地形成若干個零件族,減少柔性夾具設計成本和費用。

5 柔性夾具設計方法

研發(fā)柔性夾具系統(tǒng),首先要確定柔性制造系統(tǒng)中加工零件的類型。類型的確定要依據企業(yè)或加工對象的特征、柔性制造系統(tǒng)建立的規(guī)模及特點等眾多因素。

5.1 零件結構及工藝分析

(1) 了解工件情況、工序要求和加工狀態(tài)。對柔性制造系統(tǒng)加工零件進行分析研究,主要包括加工零件的結構特點、材料特點，零件的加工精度、加工余量，零件定位基準的選擇、精度、與加工特征的關系，夾緊點的選擇等。

(2) 了解數控機床、刀具的情況。夾具安裝在機床工作臺上,夾具結構設計時要了解機床工作臺規(guī)格尺寸、工作臺連接尺寸、加工空間、加工時機床的運動情況,同時也要了解加工刀具的主要結構、尺寸、制造精度和技術條件等，這些都是必需的。

(3) 利用相似性原理實現分組。成組技術思想是設計夾具系統(tǒng)的主要依據之一,在詳細分析夾具結構及工藝流程，明確夾具使用要求后,利用零件結構、加工工藝、材料相似性原理將柔性制造系統(tǒng)加工零件劃分成零件族,這有利于簡化夾具結構。

夾具結構形式由加工零件外形尺寸、數控機床型式、加工工序內容決定,夾具結構確定時要滿足下列基本要求:① 使零件組內任意一種零件迅速而穩(wěn)定地在夾具上安裝;② 具有良好的繼承性，特別是對于基礎件而言,以適應柔性制造系統(tǒng)加工零件品種增加的要求;③ 盡可能采用高效率的夾緊裝置;④ 具有良好的調整性能,力求操作簡便,性能可靠;⑤ 注意減小積累誤差，以保證足夠的剛度;⑥ 使結構緊湊，操作安全、可靠。

柔性夾具系統(tǒng)設計時的關鍵是確定零件定位及夾緊最佳方案,在擬定和最后確定方案時,應注意下面兩個方面:首先，盡可能使組內各零件處于最佳的加工位置,減少機床或刀具行程,減少機床和刀具的調整工作量；其次，若同組零件結構形狀的相似程度較差或有關尺寸分散程度較大,則應按尺寸參數劃分調整組。

5.2 柔性夾具元件系列的確定

夾具結構形式確定后,僅表明夾具結構的大致形態(tài)和在數控加工機床上的安裝狀態(tài)。究竟這些夾具由哪些元件組成,哪些是通用標準件,哪些是專用件,則要根據柔性夾具的特點作進一步分析[10]。通過用最少的元件來完成柔性制造系統(tǒng)全部零件加工所需夾具的組裝,同時滿足柔性制造系統(tǒng)中同時組裝若干套夾具的需要，這樣既可以為企業(yè)節(jié)省費用,也可以為車間節(jié)省空間。

5.3 強度與精度保證

在一般夾具設計過程中，工裝常采用類比法進行結構設計,通常能滿足要求,不需進行復雜的計算與分析。對于柔性夾具的設計,由于柔性制造系統(tǒng)加工零件結構精度不一樣，柔性制造系統(tǒng)對夾具設計提出的要求也不同,再加上柔性夾具自身的特點等,夾具基礎件有可能制成專用件。如孔槽相間的基礎板,既可以是平板式，又可以是整體立碑式，還可以是組合碑座式。如果不加分析就把基礎板制造出來,不僅達不到柔性制造系統(tǒng)對夾具提出的要求,而且會造成極大浪費和損失。對此，可通過有限元分析對正在設計的夾具進行仿真,通過應力與位移分析,從多種方案中選擇一種最優(yōu)設計方案。

6 結束語

柔性夾具系統(tǒng)是一種高效的、可循環(huán)重復多次使用的現代化夾具系統(tǒng)，可以組裝成各種夾具，適應現代加工的需求。柔性夾具對于制造企業(yè)而言，一方面大大節(jié)省了設計和制造成本,另一方面縮短了夾具的制造周期,能夠適應現代生產所要求的小批量、換產快特點。