基于鋁合金材料的夾具輕量化研究

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夾具是機(jī)械制造過程中的一個(gè)重要工具，它用于夾持工件，保證零件的加工速度及品質(zhì)。隨著汽車制造業(yè)的發(fā)展，液壓夾具裝卸方便，使零件加工質(zhì)量穩(wěn)定，越來越得到行業(yè)的認(rèn)可，廣泛應(yīng)用于零件加工過程中。但是由于液壓夾具制造需要內(nèi)置液壓元件所需的油路，使得夾具本體厚度增加，從而增加了夾具整體的質(zhì)量，加重了設(shè)備的負(fù)荷，導(dǎo)致設(shè)備導(dǎo)軌及絲杠等原件磨損加快，從而影響了設(shè)備的使用穩(wěn)定性。

液壓夾具雖然已經(jīng)得到了普遍的應(yīng)用，但是其質(zhì)量較大，加工時(shí)存在兩方面問題：一是加工設(shè)備負(fù)荷大；二是加工設(shè)備的導(dǎo)軌及絲杠磨損加快，影響設(shè)備的使用壽命。

減小夾具質(zhì)量的對(duì)策

為了減小設(shè)備的負(fù)荷，提高加工設(shè)備的使用壽命，夾具輕量化越來越得到行業(yè)的重視。本文從以下三個(gè)方面，介紹夾具輕量化的方法。

1.新材料研究

夾具本體一般占夾具質(zhì)量的50%以上，如果能找到質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的材料代替它，就可以大幅度減小夾具的質(zhì)量。

通過了解國(guó)內(nèi)外先進(jìn)夾具制造技術(shù)和市場(chǎng)調(diào)研，可以使用高強(qiáng)度鋁合金代替鋼件，作為夾具本體使用。

其性能對(duì)比見表1。

高強(qiáng)度鋁合金的密度為45鋼的36%，同體積情況下，其質(zhì)量會(huì)降低至少60%。

針對(duì)此種材料的鋁合金，做了夾具試驗(yàn)。具體步驟如下：

購(gòu)置600mm×600mm×50mm尺寸的鋁板，在車間進(jìn)行了加工試驗(yàn)，優(yōu)勢(shì)見表2所示。

從表2可以看出，鋁合金夾具本體的加工時(shí)間縮短了37min，平面度和平行度得到了提升，且減少了磨削工序，降低了加工成本。

1）對(duì)鋁合金夾具本體進(jìn)行表面處理后，其表面硬度達(dá)到HBW9級(jí)以上。

2）對(duì)夾具進(jìn)行裝配，裝配完成后，對(duì)夾具質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)，鋁合金夾具本體的質(zhì)量為79.4kg，45鋼材料的夾具質(zhì)量為149.5kg。質(zhì)量減輕了70.1kg（見圖1）。

表1 高強(qiáng)度鋁合金代替件性能對(duì)比

表2 采用鋁板后的加工優(yōu)勢(shì)

3）鋁合金夾具投入現(xiàn)場(chǎng)使用（見圖2）。對(duì)夾具進(jìn)行了為期半年的跟蹤，具體情況如下：加工的零件銑面時(shí)沒有出現(xiàn)振刀現(xiàn)象，加工的零件孔徑及位置度合格。6個(gè)月后檢測(cè)夾具精度，其精度與夾具出廠精度差在0.01mm以內(nèi)。

通過以上跟蹤，鋁合金本體的夾具穩(wěn)定性良好，其精度和強(qiáng)度完全滿足夾具要求。

同一套夾具，使用鋁合金本體的夾具，其質(zhì)量減輕了70.1kg，大大降低了設(shè)備的負(fù)荷，降低了設(shè)備故障率，提高了設(shè)備的使用壽命。

2.油路設(shè)計(jì)

內(nèi)置油路：油路在本體內(nèi)部。

外置油路：液壓元件通過油管連接，在夾具外部。

液壓夾具的本體在設(shè)計(jì)時(shí)，一般會(huì)布置3～5層油路。當(dāng)油路為內(nèi)置油路時(shí)，為了防止油路貫通，每層油路之間距離間隔在10mm以上。當(dāng)液壓夾具的動(dòng)作復(fù)雜時(shí)，油路層數(shù)會(huì)變多，則夾具本體的厚度隨之逐層增加，從而增加了夾具質(zhì)量。

如圖3所示，夾具本體上需要布置5層油路，為了保證油路的間隔，則其夾具厚度為60mm。如果將其中3層油路設(shè)計(jì)成內(nèi)置油路，另外2層設(shè)計(jì)為外置油路，則其本體厚度可以減少20mm，本體厚度變?yōu)?0mm。

原本體（厚度60mm）質(zhì)量為68.509kg，進(jìn)行外置油路設(shè)計(jì)后，其本體（厚度為40mm）質(zhì)量為43.541 kg，質(zhì)量減輕了24.968kg。

通常情況下，為了減小本體厚度，可以選擇內(nèi)置油路和外置油路相結(jié)合的方法，將部分液壓元件通過油管連接，以減少其質(zhì)量。

3.緊湊化設(shè)計(jì)

（1）本體緊湊化 夾具本體占夾具質(zhì)量的50%以上。夾具設(shè)計(jì)過程中，使用緊湊化設(shè)計(jì)，減小夾具本體的外形，則可以減少夾具的質(zhì)量。

在夾具的設(shè)計(jì)過程中，本體設(shè)計(jì)是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本體多余出來的尺寸多，會(huì)導(dǎo)致其質(zhì)量增加；夾具本體上的元件放置不緊湊，且本體邊緣和元件之間的距離大，導(dǎo)致本體的長(zhǎng)度和寬度增大，從而導(dǎo)致夾具質(zhì)量增加。

如果將本體上的元件，在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行緊湊擺放，本體邊緣和夾具元件之間的距離盡可能縮小，只需要保證夾緊效果，則可以大大壓縮本體的外形尺寸，從而達(dá)到減輕質(zhì)量的目的。

圖4所示是同一種夾具的設(shè)計(jì)方案，其本體厚度為46mm。圖4a所示夾具，夾具元件擺放松散，本體邊緣和元件之間的距離最大處為66mm，質(zhì)量為170.654kg；圖4b所示夾具，夾具元件擺放緊湊，本體邊緣和元件之間的距離最大處為9.1mm，且進(jìn)行了2-50×45°倒角，質(zhì)量為140.624kg。通過緊湊設(shè)計(jì)，夾具本體質(zhì)量減輕了30.03kg。

（2）其余零件的緊湊化 夾具上本體除外，其余的零件也決定著夾具的質(zhì)量。

在夾具的設(shè)計(jì)過程中，將一些零件的不必要部分去掉，則可以減小其體積，從而減輕其質(zhì)量。如圖5所示，設(shè)計(jì)同一個(gè)零件，圖5a是常規(guī)設(shè)計(jì)的圖樣，圖5b 為經(jīng)過緊湊化設(shè)計(jì)的圖樣，比圖5a的高度減少了30mm，寬度減少了30mm，圖5a所示零件質(zhì)量為6.078kg，經(jīng)過緊湊設(shè)計(jì)后，圖5b所示零件為5.362kg，其質(zhì)量減輕了0.716kg。

如果每個(gè)零件都緊湊化設(shè)計(jì)，積少成多，則夾具整體質(zhì)量會(huì)得到大幅度減輕。

結(jié)語

本文通過新材料研究、外置油路設(shè)計(jì)和緊湊化設(shè)計(jì)三個(gè)方面，論述了減輕夾具質(zhì)量的方法及步驟。

通過以上方法，可以減輕夾具的整體質(zhì)量，從而提高設(shè)備的使用壽命，提高加工質(zhì)量的穩(wěn)定性，降低加工成本。