淺談工裝設計與分析

武云江 孫曉剛

摘 要：工裝是機械加工產品質量的重要保障，而且工裝設計質量直接影響工藝水平、產品質量和工作效率。本文主要從工裝基礎知識、設計和分析等方面進行闡述和分析。

關鍵詞：工裝;設計;分析

0 概述

不同的生產工藝、不同的產品，工裝設計和選型也不盡相同。應綜合考慮產品結構特點、工藝（加工方式、設備情況、節拍等）水平、人機工程學和工作效率等因素，是一個多學科系統復雜的過程，需要在實踐中不斷總結和積累經驗，從而提升工裝設計質量。

1 工裝基礎知識

工裝是工藝裝備的簡稱，一般分為專用工裝、通用工裝、標準工裝，也是各種工具統稱，包含：夾具、模具、刀具、量具、檢具等。

（1）專用工裝一般是為加工某一結構或單一產品的專用裝置，一般在沖壓、注塑、鍛造工藝中應用較多，如：模具、檢具。

（2）通用工裝一般指通用工裝底板，在底板上進行組合組裝其他工裝部件，以滿足加工時用來迅速緊固工件，使機床、刀具、工件保持正確相對位置。

（3）標準工裝一般指通用性、裝配性比較強的工裝或配件，如：刀、量具等。

2 工裝設計和分析

2.1 設計原則

（1）工裝設計應滿足使用國家或地區的安全法令法規，最好在企業內部形成標準化和通用化。

（2）工裝設計必須滿足工藝要求，關鍵工裝確定設計方案時，應進行多方評審，涉及產品設計、生產、工裝制造工程師等。

（3）在滿足產品技術要求的前提下，工裝選型應盡量選擇通用或標準化刀、量具，刀具選擇還要結合設備的規格型號來確定;量具選擇時應滿足產品的十分之一精度即可;若產品特征特殊情況下可制作專用刀、量具來滿足生產和檢測的需求。

（4）工裝結構工藝應簡單實用，便于組裝、操作、換型和維修，提升效率、節省制造成本;有足夠的承載或夾持力度，確保在使用過程中工件定位穩定性和可靠性。

（5）工裝設計方案策劃時應遵循手動、氣動、液壓、伺服的依次優先選用原則，以便控制技術難度和便于滿足操作的簡易性。

2.2 工裝設計準備

當接收到工裝設計任務時，首先要熟悉被加工件圖樣、技術條件、工藝方案、工藝規程和工藝路線，本著工裝最低數量的設計原則，集中工序設計工裝。

2.3 工裝設計方案

根據被加工產品結構及工藝規程確定工裝初步設計方案，組織有經驗人員/專家優化評審。

（1）以工裝結構平臺化、簡易性設計理念設計工裝，整體工裝結構組成應盡量采用各種標準件、通用件，專用件比例應盡量少，減少制造勞動量、成本;各種專用零件、部件結構形狀應容易制造和測量，裝配、調試、維護方便。

（2）零部件在工裝上定位后，一般都要夾緊，使得零部件在加工過程中，保持已獲得的定位不被破壞，防止加工過程中產生位移、變形和振動。

1）定位后夾緊三原則：①定位夾緊后不移動原則;②定位夾緊后不變形原則，壓緊力應適合;③定位夾緊后不振動原則，提高支承和夾緊剛性，這三項原則是相互制約的，因此在設計夾緊力時應制定多方預案。

2）夾緊點選擇原則：①盡可能使夾緊點和支撐點對應，使夾緊作用在支承上，可減少變形;②夾緊點選擇應盡量靠近加工表面，不致引起過大的夾緊變形。

3）夾緊力的確定。力有大小、方向和作用點三要素。當零部件上有幾個方向的夾緊力作用時，應考慮夾緊力作用先后順序。對于僅為使零部件與支承可靠接觸，夾緊力應先作用，且不能太大;對于以平衡作用力的主要夾緊力，應最后作用。

4）夾緊機構的確定。在選定夾緊點和確定夾緊力之后，要進行夾緊機構的設計和確定，通過具體的機構實現以確定夾緊力夾緊于夾緊點處。通常零部件的夾緊是由動力源、傳動機構、夾緊機構所構成的夾緊系統來實現的。

（3）工裝材料選型：

1）定位元件一般要求精度合適、耐磨性好、有足夠的強度和剛度、工藝加工性好、便于拆裝等。常用的定位銷材料：45#、Cr12合金鋼，必須進行調質和淬火處理后再投入使用，從而提高強度和剛度，增強耐磨性。

2）45#鋼相對其它材料比較便宜，一般制作夾具的底板;P20、CR12MOV耐磨性好，會增強產品使用壽命，一般用在夾具重要部位;S136材料因耐磨和防銹功能，一般用在焊接夾具上。

3）制造模具的材料有鋼材、硬質合金、鋼結硬質合金、高分子材料等等。制造沖壓模具材料絕大部分以鋼材為主，常用模具部件材料種類：碳素工具鋼、低合金工具鋼、高碳高鉻或中鉻工具鋼、中碳合金鋼、高速鋼、基體鋼以及硬質合金、鋼結硬質合金等等。

4）高速鋼硬度，耐磨性，耐熱性不及硬質合金，因此只適于制造中、低速切削的各種刀具;鎢鈷類、添加鉭類等硬質合金大量應用在剛性好，刃形簡單高速切削刀具上;高速鋼刀具通過化學或物理方法在其上表面涂覆一層耐磨性好的難熔金屬化合物，既能提高刀具材料耐磨性又不降低韌性。

（4）選擇定位元件或機構時應盡量遵循基準統一和重合原則。基準統一原則：盡可能選擇統一的基準來生產零部件，若基準不統一，或多或少對產品質量存在一定的影響。基準重合原則：盡量選用被生產零部件的設計基準作為精基準，這樣可避免基準不重合而引起誤差。

（5）繪制新工裝方案結構示意圖，對已確定的基礎件的幾何尺寸進行必要的相關力計算;對復雜工裝需繪制關聯尺寸和裝置布置圖。

（6）對工裝輪廓尺寸、總體重量、承載能力以及加工設備選型規格進行校核，也可借用仿真方法驗證設計可制造性。

（7）對工裝設計方案從結構、經濟性、人機工程等方面進行形同評審優化，形成最終的方案。

3 結束語

工裝設計和分析直接影響產品質量和溢價性，前期方案設計需要開展多方案對比論證、標桿對比等活動，進而確定最佳方案，確保工裝設計質量。

參考文獻：

[1]李宜民.簡明手冊[M].機械工業出版社，1993.

[2]胡佳秀.簡明機械零件設計使用手冊[M]. 北京機械工業出版社，1999.