探究多工序加工系統的數控夾具設計應用

李錦棠

（廣州市機電高級技工學校，廣東 廣州 510000）

探究多工序加工系統的數控夾具設計應用

李錦棠

（廣州市機電高級技工學校，廣東 廣州 510000）

進入21世紀以來，隨著我國宏觀經濟政策的成功實施和產業結構的調整，工業化進程不斷加快，數控系統在控制性能上日漸趨向智能化方向發展，現代化的工業制造設備被大量引進采用，加工精度相比以往越來越高，各種數控設備越來越普及。夾具是現代制造系統中的重要組成部分，對提高零件的加工效率與質量、降低生產成本和提高經濟效益都有著直接的影響。機床夾具對于單件批量少、精度要求高的產品作業，具有相當有效的輔助作用，是數控加工系統中不可或缺的重要裝置。

多工序加工系統；數控夾具；設計應用；工藝裝置

夾具作為現代數控機器制造的常用和關鍵的工藝裝置，對實現制造業的柔性自動化、提高產品制造水平、適應多變的市場需求起著至關重要的作用。現階段，關于夾具的設計和制造的周期在整個生產時間段中還占有相當大的比例，隨著我國工業制造在柔性加工單元制造系統上的大范圍應用，如何增加夾具柔韌性、縮短夾具設計周期以及提高夾具設計的實用性，是現代制造業的主要研究課題。

1 數控加工夾具的特點

夾具又稱卡具，是一種用來固定加工對象的高度柔性的輔助裝備，由各種形狀的連接元件、分度裝置、定位裝置、夾緊器具、對刀元件以及夾具底座等組成。通過夾具產生的夾緊力把工件始終固定在正確位置，從而保障產品迅速、安全、順利地被機床檢測和加工。為了滿足加工面與表面之間的尺寸位置精度要求，夾具定位件的接觸面與刀具和工件的定位基準面要保證處于一致位置，這樣工件在夾具中也始終處于一致的位置，促使機床實現最佳的動力與剛性來引導刀具方向，完成數個或不同工位的加工，更好地實現產品的加工質量與精度。

2 數控加工夾具的要求

夾具的基本要求為：高效率、高適應性、高精度。從夾緊力度、裝夾方向、力作用點大小等方面著手，在機械加工過程中，根據工件的位置形態和需要達到的加工效果選擇自動夾緊與手動夾緊裝置，使用前對限位尺寸檢查，確定是否保持正確位置，自動夾緊裝置在不破壞工件定位、不對工件造成變形的前提下，需要夾緊動作迅速且有足夠的夾緊力。手動夾緊裝置要求工藝性優良、帶自鎖性能、結構相對簡單。夾具的制造公差根據夾具元件的功用及裝配要求的不同而不同。整體夾具的工藝結構組成盡量采用現有的標準件和通用件，為了方便夾具的維護與管理，需要最大限度地減少制造專用件的比例，盡可能選擇便于測量和制造的專用件。

3 數控加工夾具的作用

傳統的機床、夾具、刀具和工件組成的機械操作模式在當今時代逐漸顯現出不足和局限性，而現代化機床夾具拓寬了設計工裝夾具的思路，具體體現在：最大限度地擴大了機床的工藝范圍，減輕勞動強度的同時，提高了生產效率。通過夾具來定位工件，能不受人工操作水平的影響，可保證加工精度的穩定性，使不同批次的零件達到相同的質量。機床夾具定位工件夾緊速度快，夾具批量裝夾相比人工裝夾具有更便捷、更安全、更省力的優勢，工件質量更有保障，在提高生產效率的同時，又降低了生產風險。

4 數控加工夾具的設計要點

數控加工夾具主要由定位裝置（固定式鉆模板）、夾緊裝置（定位鍵）、夾具體三部分組成。經濟適用性強，開放性與智能化兼備是設計夾具時必要考慮的重要因素。所以，夾具設計過程一定意義上涵蓋了所有零件工序的具體加工信息。通過工件質量要求來合理確定零件的尺寸和形位公差，根據夾具的材質與結構初步確定夾緊方案，并利用三維建模裝配圖等綜合確定設計方案。應對加工精度進行分析，通過夾緊力校驗使工藝裝備專業性知識系統化，最后輸出夾具裝配圖以及相關工藝文件，以形成最終的設計方案。在夾具設計過程中，需注意以下幾點：①確保定位鍵對夾具的準確定位，提高夾具的自適應性與驅動性能，保證數控加工程序的順利進行；②考慮夾具的基本需求以及受力部件要有足夠的強度和剛度滿足數控加工的需要；③要考慮夾具設計的通用性，并解決由夾具旋轉帶來的質量平衡問題和操作安全問題，以提高夾具的利用率；④要避免機床與夾具之間的影響，確保夾具尺寸高度精確。

5 數控夾具的主要分類

夾具主要分為：①銑床夾具。②通用夾具。不需要調整就可以加工很多不同的工件，設計標準成熟，具有很強的靈活性。③專用夾具。根據工件特征，為滿足客戶大批量訂單生產需求而專門為某個產品的某道工序設計的夾具，具有操作便捷的優點，但缺乏柔性，且一旦修改產品形狀和尺寸，夾具就不能繼續使用。④鉆床夾具。⑤組合夾具。具有設計和組裝周期短、使用壽命長、能加快工件加工的周期、投入成本低、重復多次使用等優點，使用范圍廣，組合夾具包括可調部分和基本部分，適合于在形狀與尺寸上有所變化的多種工件，使用時可以進行更換和調整，但元件之間不能實現互換，所以，在一定程度上會影響工件的加工精度；組合夾具是目前機床夾具中通用化標準化程度最高的一種夾具，在數控加工沒有專用夾具的情況下，可用組合夾具來代替。

6 數控夾具的設計過程

6.1 定位裝置的設計

定位裝置是夾具的重要組成部分，工件相比于機床，定位是通過夾具來間接實現的，通過對零件所需限制自由度的具體分析，以工件幾何要素間的關系，依據點、面、中心線或對稱中心面為基準減少定位誤差，并事先以泵體零件為裝配件作為建模基礎，創建好夾具元件庫，建模時可直接調用。選擇矩形截面結構的定位鍵或采用一面兩銷的定位夾具，再通過三維軟件對定位裝置建模，模擬時定位鍵的距離要盡可能大，初步形成定位裝置的結構設計。

6.2 夾緊裝置的設計

在設計裝置的過程中，為了保證夾具質量，需要根據零件的誤差分析合理計算加工時的切削力，再選擇相應的夾緊元件應用到三維軟件的裝配圖中，根據夾緊元件的尺寸及位置需求決定是否對夾具的定位夾緊方案及夾具的結構進行調整，這樣能更加直觀、明了地呈現夾緊裝置的設計圖，如圖1所示。

圖1 夾緊裝置設計圖

6.3 干涉檢查、裝配基準、結構可調性

夾具總體設計完成后，需要根據所選定不同零件，甚至不同工序的結構特點進行干涉檢查，夾具設計的關鍵是刀具組件與夾具組件之間不干涉，夾具的功能是實現對零件的準確定位與夾緊功能。根據設計者的經驗，通過觀察夾具裝配加工仿真模擬與分析，以此來判斷夾具元器件之間是否存在干涉的可能；夾具通常采用銷釘、定位芯軸、芯軸襯套、螺旋夾緊器、螺栓加固定位，調整和裝配夾具時，可通過調整零部間的調整墊圈使工件保持在準確定位的位置上，或通過對固件元件的修磨來補償其他元器件的誤差，從而更好地提高夾具精度。

7 結束語

目前，多工序數控加工技術已經成為未來機械制造加工的主要發展趨勢，加工企業應該從可持續發展的角度出發，從夾具的安裝、裝夾、構形設計以及性能這四個方面上加大夾具設計應用的研發力度，通過對夾具有效利用，提高工件的質量和企業工藝裝備系數，全面提高企業的經濟效益與綜合競爭力。

［1］歐陽坤源.基于多工序加工系統中數控夾具設計應用問題與改進策略［J］.中國設備工程，2017（06）.

［2］吳嘯天.典型薄壁零件的數控車削加工工藝分析與夾具設計［J］.木工機床，2017（01）.

TG75

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.02.153

2095－6835（2018）02－0153－02

張思楠〕