柔性夹具设计、组装及其应用

柔性夹具设计、组装及其应用中国电子科技集团公司第十四研究所殷保祖杜士平王劲松摘要：ｌ柔性夹具是一种具有较高柔性的先进工艺装备，可根据不同的机床和不同零件的加工要求，选用配套中的部分组件快速组装设计，具有广阔的应用前景．本文针对柔性夹具介绍了它的设计和组装的一些：ｇ，；Ｌ－ｒ：ｚａ．应用实例。１关键词：秉性夹具夹具单元夹具设计夹具组装１引言随着现代机械制造业的迅猛发展、市场竞争的日益激烈，产品更新换代Ｂ趋频繁．多品种，小批量生产占有较大的比重，加之国内外市场竞争日益加剧和科学技术的迅速发展，迫使产品不断改进和更新，而产品更新的周期将越来越短，小批量生产的比重将有继续增长的趋势。因此，要求机械制造业必须是高质量、高效率、低成本，其制造过程要求柔性化。与此相适应的工艺装备之一的机床夹具也提出了更高、更新的要求，需要一种结构简单、精度高、强度高和通用性好、适应性强、柔性高的新型夹具系统。而柔性夹具正是这样一种新型的机床夹具，它不仅能适应不同的机床、不同的产品或同一产品不同的规格型号，能最大限度地满足各种机床夹具的需要。而且可以大大缩短夹具设计周期，提高夹具设计质量和效率，而且能节省许多人力、物力和财力。２柔性夹具设计２．１概念柔性夹具是以组合夹具为基础的能适用于不同的机床、不同的产品或同一产品不同规格型号的机床夹具，它是由一套预先制造好的各种不同形状、不同尺寸规格和不同功能的系列化、标准化元件、组件和合件拼装而成，因此称这种夹具为柔性夹具。２．２特点柔性夹具结构简单、拼装环节少阚０性好、易于满足工件频繁变换与自动化ＤｍＴ．的需要。因此柔性夹具应具有以下特点：（１）柔性夹具应具有通用性，夹具系统有足够的柔性，可适应不同机床和不同零件的加工要求，可以最少的夹具元件系统组装成尽可能多的夹具，以满足零件加工需要。（２）柔性夹具结构要简单，组装和撤卸方便迅速。（３）柔性夹具应具有足够的刚度和强度，可更好地增加零件的加工精度。（４）柔性夹具元件应具有较好的互换性和较高的精度及耐磨性。（５）柔性夹具元件规格应统一化、元件性能多功能化、元件结构简单化、模块化、夹紧工件快速自动化、重复使用可调化、组装管理微机化。２．３分类无论机械产品品种怎样繁多，其构成零件总是在结构与工艺方面具有某些相似的属性。根据这一属性利用成组技术将这些具有相似的零件划分成零件族和加工族。同族零件加工采用的机床夹具其结构必然存在着相似性。对加工方法、安装方式和轮廓尺寸相同或相近的一组零件设计的夹具，在结构上亦存在着相似性。而柔性夹具的设计就是建立在充分利用了这种夹具结构上的相似性。夹具的柔性化是在夹具的标准化和组合化的基础上发展起来的一种新型夹具，根据自身结构特点和使用情况的不同设计时被分为三个系列：（１）槽系列夹具元件。槽系列夹具元件间以键和键槽定位，其突出特点是组装灵活多变，使用可靠。槽系列夹具元件又分为四个型号：大型元件（Ｍ１６系列）。中型元件（Ｍ１２系列），小型元件（ＭＳ系列）和微型元件（Ｍ６系列）。（２）孔系列夹具元件。孔系列夹具间以孔和圆销定位，其突出特点是定位可靠，组装简单。孔系列夹具元件系列夹具元件分为两个型号：大型元件（Ｍ１６系列）和中型元件（Ｍ１２系列）。（３）光面系列夹具元件。光面系列夹具元件实际上是经过精加工的夹具基体精毛坯，元件与机床定位连接部分和零件在夹具上的定位连接面全部是预先精加工好的，用户使用光面夹具时只需根据被加工零件的定位和夹紧需要利用机床在光面夹具元件上加工出所需要的螺纹孔和定位孔后，再选用其他元件即可组装成一套所需要的夹具。其突出特点是灵活性更高，投资小见效快。２．４元件柔性夹具是由各个元件组成，元件是组成柔性夹具的基本单位。根据元件的结构、形状和用途分：（１）基础件，夹具的基础元件，包括方形基础板、长方形基础板、圆形基础板和基础角铁等；（２）支撑件，作夹具骨架的元件，包括各种垫片、垫板、支承、角铁、ｖ形角铁、伸长板和菱形板等；（３）定位件元件间定位和工件正确安装的元件，包括各种键、定位销、定位盘、角度定位件、定位支撑、定位板和ｖ形件等；（４）导向件，在夹具上确定切削工具位置的元件，包括各种钻模板、钻套、铰套和导向支撑等；（５）压紧件，作压紧元件或工件的元件，包括各种各种压板等；（６）紧固件，作紧固元件或工件的元件，包括各种螺栓、螺钉、螺母和垫圈等；（７）其他件，在夹具中起辅助作用的元件包括除上述六类外的各种用途的单元元件，如连接板、滚花手柄、各种支钉和支撑帽、支撑环、弹簧、二爪支撑、三爪支撑、及平衡块等；（８）合件，用于分度、导向、支撑的组合件，包括各种定位台件、导向合件、分度合件、支撑合件、夹紧合件等。２．５技术要求（１）柔性夹具元件结构是按ＧＢ２８０４设计的，它的主要元件采用优质低碳合金钢制造，经过渗碳淬火后元件表面硬度为．ＨＲＣ５８－６４，内部硬度为ＨＲＣ３５左右，从而保证了元件具有足够的强度、韧性、高耐磨性和形状尺寸的稳定。（２）柔性夹具元件的主要尺寸精度为ＩＳ０６—７级，元件主要工作面之间、工作面与定位面之间的平行度、垂直度按ＧＢＩｌ８４中的４级。工作面和定位面的粗糙度Ｒａ值为０．４或０．８。（３）柔性夹具的基础件与机床托板的定位结构尺寸和连接尺寸是根据机床托板国际标准ＩＳ０８５２６．１标准设计制造的。夹具基体组件是规格化、系列化和标准化的。（４）大型元件的定位孔径中由１６Ｈ６、螺纹Ｍ１６和Ｍ１６Ｘ１．５两种，定位孔和螺纹ｉＬ是间隔分布的，孔距５０ｒａｍ。定位孔中心至定位基准面的尺寸公差±０．０１５ｍｍ，相邻定位孔的孔距公差±Ｏ．Ｏｌｍｍ。中型元件的定位孔径中巾１６Ｈ６、螺纹Ｍ１２Ｘ１．５，定位孔中心设计有螺纹孔，定位孔和螺纹孔是同心的，定位孔和螺纹孔是间隔分布的，：｝Ｌｇｇ３０ｍｍ。（５）螺栓的允许载荷：螺栓Ｍ１２ＸＩ．５允许载荷为６０００ｋｇｆ，螺栓Ｍ１６Ｘ１．５允许载荷为１２０００ｋｇｆ，３柔性夹具组装组装就是将柔性夹具元件按照一定的原则，装配成具有一定功能的柔性夹具的全过程。柔性夹具的组装，其本质和设计制造一套专用夹具完全相同，是一个复杂思维（设计）和动手装配（制造）的过程。它可以根据各种机床不同的特点以及对夹具的要求而进行组装设计。可根据不同的机床和不同零件的加工要求，选用配套中的部分组件快速组装，保证工件在规定的坐标位置上准确定位和牢固夹紧，在加工时能更好地保证工件定位基准与加工表面的位置精度。柔性夹具可以充分发挥数控、加工中心机床的生产能力，可以减少机床的停机时间，充分发挥数控机床、加工中心机床的高效性能。但是，柔性夹具又具有自己的装配特点和装配规律。３．１组装前的准备，熟悉有关技术资料这是组装过程开始的第一步，其目的在于明确组装要求和条件。与组装有关的原始资料主要包括：（１）工件形状、轮廓尺寸和加工部位与加工方法。（２）工件加工精度、技术要求和定位基准及工序尺寸；机床型号及主要技术参数包括机床主轴或工作台的安装尺寸。（３）可供使用的刀具种类、规格、特点及刀具或辅具所要求的配合尺寸。３．２拟订组装方案拟订组装方案就是根据原始资料，应用柔性夹具的基本组装原理来构思夹具的基本结构，以满足组装要求。一般过程如下：（１）局部结构的构思。一般应首先考虑定位方案和定位部分结构，其次考虑刀具引导方案和引导部分的结构，然后考虑夹紧部分的机构，最后考虑基础部分和其他部分结构。（２）整体结掏的构思。在个局部结构初步确定之后，应考虑如何将这些局部结构连成一个整体，此时应特别注意整体结构和各部分之间的协调。３．３组装元件的选择所谓选择元件就是根据精度分析的结果，从所要求规格的元件中挑选合适精度的元件。按所要求的位置和数量装上各定位键，用螺栓和螺母可靠地连接成不同形式的组装单元，由组装单元装配成不同的结构，最后组装成完整的夹具。通常一套柔性夹具的组装顺序是基础部分一定位部分一导向部分一压紧部分。装配时要对各有关尺寸进行测量和调整，以达到精度要求。夹具上有关尺寸的公差通常取工件的相应公差的１／２一ｌ／３，若工件相应尺寸为自由公差，夹具尺寸公差可取±０．０５ｍｍ，角度公差可取±５’。调整后应及时固定有关元件。３．４组装过程中的计算在机械？ｊｎ－ｒ＂中，使用夹具的根本目的在于保证工件相对于刀具（或刀具的运动轨迹）有正确的位置。这就决定了柔性夹具组装的最基本要求是保证工件在夹具上有一正确的位置，同时夹具安装在机床上也要有一正确的位置。为此，除了构造合理的夹具结构外，还需对柔性夹具结构中的有关尺寸（包括直线尺寸和角度）进行计算。通常需要计算以Ｆ几个方面的位置关系：夹具定位面与夹具底面之间的夹角；构成该角度的角度结构中有关元件的尺寸；夹具定位面上定位元件相对于夹具上测量基准的坐标尺寸；夹具导向元件（钻套、镗套等）和对刀元件（对刀块等）相对于定位元牛（或测量基准）的位置尺寸；夹具安装在机床工作台上时相对于加工方向的角向位置。组装计算的依据是工序图（或零件图）、加工条件以及组合夹具的结构形式。在一般情况下，组装计算并不困难，通常只需应用几何和平面三角的知识就足够了。但在加工空间斜面、斜孔或斜槽时，情况就不同了，此时需要进行空间角度和坐标的计算，而这种计算通常需要专门的知识，是组装计算的难点。３．５组装后的检测检验是按零件加工的精度及其他要求，在夹具交付使用之前对夹具进行全面检查，必要时还应在机床上进行试切，以确保夹具合乎使用要求。检验有自检、互检、专职检验三种。一般应尽量设置专职检验人员。检验时还应检查与柔性夹具配套的附件、专用件图纸、特殊的使用说明等是否齐全。４柔性夹具应用柔性夹具是一种具有较高柔性的先进工艺装备，它不仅适用于加工中心机床、柔性加工单元和柔性制造系统以及各种车床、铣床、钻床等普通机床等夹具用，而且还可以作为焊接、装配、检验等工具用，以及组合冲模用，在机械模拟和成组生产中也得到一定的应用。４．１加工隔离板的数控铣床柔性夹具如图所示的数控铣床柔性夹具由槽系柔性夹具元件组装而成，用于在数控铣床上铣钢隔离板的长圆槽。４个工件成叠安装，它们以两块支承６、两块平压板７和销４实现在夹具上的定位。两个辅助支承８支承在工件的夹紧点下方，以提高工件的刚度，降低夹紧时的工件变形。工件由双头螺栓３带动压板２实现夹紧。双头螺栓３的一端拧入液压基础板１内的油缸活塞杆的螺孔内，活塞杆带动双头螺栓上下移动，松开和夹紧工件。原点块５用于确定铣刀的实际读数原点。４．２箱体加工的数控毽铣床柔性夹具这套数控镗铣床柔性夹具由孔系柔性夹具元件组装而成，用于镗削箱体８的孔，如图所４７示为共简图。夹具体为普通的孔系基础板１，ｒＴ件的夹紧机构由油缸２，压板９以及手动夹紧压板３组成。箱体８沿基础板顶面、定位板４和支承板５定位，支承板５又通过定位销６在基础板上定位。两个定位销７用于使基础板在工作台或托板的外中定位。５结论以组合夹具为基础的柔性夹具就是根据以上的要求设计组装制造的，柔性夹具元件可以通过组装…使用…分解…再组装周而复始循环使用，可以大量减少制造夹具材料、动力消耗，降低其制造费用，减少夹具的设计、制造、调节时间，具有更高的柔性。与专用夹具相比较，柔性夹具元件具有明显的技术经济效果，特别适用于多品种、小批量生产以及ＦＭＣ、ＦＭＳ和ＣＩＭＳ等加工系统。柔性夹具是现代夹具的一个主要发展方向。５．１夹具元件多功能模块化能单独使用也能与其他元件组合在一起使用的多功能模块化单元体的比例将进一步增加。如现在使用的各种定位夹紧座、定位压紧支承、精密虎钳等模块式单元体具有定位、夹紧以及调节的综合功能，可以一件单独使用，也可以几件组装在一起使用，Ｔ形基础、方箱能组装成一次能装夹多件相同或不相同的工件的夹具，使用这种夹具可以减少机床的停机时间，最大限度发挥数控、加工中心机床的高效性能。５．２高强度、高阿《性、高精度为了提高劳动生产率，缩短工件的加工工时，工件的加工已向着高速、大切削量方向发展，工序高度集中，工件定位夹紧后要依次完成铣、钻、镗等多工序的加工。切削力的大小、方向在不断地变化，这就需要柔性夹具本身要有较高的使用强度和刚度，才能满足工件的加工精度。５．３专用夹具、组合夹具、成组夹具一体化现代化加工设备的多功能化，使工艺过程高度集中、工件一次定位装夹后能完成多工序加［，这就需要一种通用而又能重复使用的组合可调式的夹具系统，它是由一系列统一化、标准化的元件和合件组成，利用这些元件、合件组装成各种不同形式、不同结构、可重复使用的夹具，供单件或中小批量生产使用。这种夹具系统保留了组合夹具的各种优点，组装又像专用夹具那样简单可靠，又有可调整元件，保留了成组夹具的优点。为了便于夹具与机床定位连接，夹具基体有统一标准的定位连接位置，使之专用、组合、成组夹具向着一体化、组合化方向发展，以满足现代化加工设备的需要。５．４工件夹紧快速化、自动化为缩短工件加工中的辅助时间，减轻工人的劳动强度，工件的装夹、拆卸也需要机械化、自动化。工件的夹紧由原来的单一功能的压紧件、紧固件发展为可以调整的模块，以便实现快速组装和快速夹紧。对于批量大的一些零件的加工，液压夹具、气动夹具可实现工件自动化快速夹紧。参考文献１．龙夫春等人２．唐东等人３．朱耀样等人４．方和平５．牟岩君模块化集成夹具设计柔性夹具及其设计方法研究组合夹具组装应用理论柔性夹具的发展与应用柔性夹具设计方法与技术四川工业学院学报制造技术与机床机械工业出版社现代制造工程信息技术１９９８．０４：１９９９．０２：啪叭２薹｝们２嘲ｍ●４９柔性夹具设计、组装及其应用

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殷保祖， 杜士平， 王劲松

中国电子科技集团公司第十四研究所

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