现代工业制造中工装夹具设计发展浅议

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摘要：工装夹具的设计，不仅关系到零件能否夹紧，也将给机械加工精度、效率等带来直接影响。在现代工业制造活动中，对机械加工精度和效率提出了更高要求，推动了工装夹具设计发展。为合理实现工装夹具在现代机械加工中定位设计，对工装夹具设计现状展开了分析，立足机械加工需求对工装夹具的通用化、精密化和柔性化设计发展方向进行了探究，确保夹具能够用于标准化、多元化、精密化机械部件加工，有效提高产品品质和生产效率的同时，降低机械加工成本。结合工装夹具设计发展在增强机床适用性、辅助提高生产率、实现高精度加工三个方面体现的价值，能够进一步把握工装夹具设计发展趋势，通过实现夹具的创新设计获得更高经济和技术价值，为夹具定位设计分析提供参考。

关键词：机械加工；工装夹具；设计发展方向

0引言

为推进新型工业化，解决机械制造发展存在的短板，机械加工工装夹具设计取得了快速发展，从辅助性加工工具逐步发展成门类齐全、功能丰富的工艺装备，以满足现代工业生产制造要求。随着现代化加工要求的提升，工装夹具设计也需要达到更高要求，能够保证生产效率的同时，控制生产成本。因此应加强机械加工中工装夹具的设计发展方向及其价值分析，确保工装夹具设计的科学性[1]。

1现代工业制造中工装夹具的设计现状

工装夹具在机械加工作业中发挥工件定位和夹紧作用，目前划分为通用、专用、组合和随行多种。通用夹具可以适应多种工件加工，如常用的三爪卡盘、平口钳分度头等，标准化程度较高，但通常只应用在小批量产品加工中。专用夹具是针对某个生产加工过程设计的夹具，结构紧凑，生产效率高，但容易因种类变更而报废，因此成本较高。组合夹具由预制标准零件组合而成，回收效率较高。随行夹具需要在自动化产线上安装，随工件移动工位[2]。在机械加工工装夹具设计方面，需要结合加工实际情况设计工装夹具结构，尽可能避免采用复杂结构，以便使夹具设计成本降至最低，并且做到迅速完成工装夹具操作。做好工装夹具定位设计，可以实现工件自由度有效控制，使机床、刀具和工件都处于准确位置，确保机械加工精度满足要求。因此在设计工装夹具时，需要确认与工件哪些面接触。如果与未加工的毛坯面接触，将以粗基准进行夹具定位。用于对工件进行精加工，需要实现精基准定位。根据夹具与工件、机床间的相对位置，掌握各种定位方式作用原理，能够准确确认工件在夹具中的位置。在明晰定位基础上，合理进行工装夹具设计，可以确保工件被夹紧，有效减少加工偏差产生。而伴随着加工中心、柔性制造系统等加工技术发展，机械加工精度和效率随之提升，对机床夹具设计提出了精密加工、缩短准备周期和降低生产成本等要求，进一步推动了工装夹具的设计发展。

2现代工业制造中工装夹具的设计发展方向

2.1通用化发展

在中等产能工厂大约拥有数千套专用夹具，每隔3-4年需要更新50%-80%夹具，实际磨损量仅在10%-20%，意味着大量工装夹具将被浪费。面对这种局面，工装夹具设计开始向着通用化的方向发展，不仅针对小批量产品设计，而是设计能够适应现代化制造技术的新型机床夹具，装夹具有相似性特征的工件，缩短新产品的投产周期，并降低机床生产成本。设计该类夹具，要求达到较高标准化程度，满足工装夹具商品化生产要求。具体来讲，就是遵循国家设计标准制造工装夹具，确保与各种产品相适应。在工业生产中，工装夹具为重要组成部分，设计达到较高标准化程度，意味着可以进一步压缩机械加工成本和周期，较好满足现代工业企业生产需求。伴随着GB/T2148、T2259-91等国家夹具零部件生产标准的出台，成功推动了工装夹具设计的通用化发展。做到彻底实现工装夹具标准化设计，能够实现产品批量生产，有效减少机械加工耗费的资源。如在数控机床工装夹具设计上，需要满足多种零件端面、内外圆、切槽、任意锥面等工序装夹加工要求，能够在大批量产品加工中应用，并且实现多个工件同时装夹，确保夹具得到充分利用，从而缩短机床间歇期，提高加工效率。在制定机械加工工艺后，可以根据具体某个工序要求进行工装夹具定制。在充分考虑夹具功能实现可能性的情况下，应从不同工件加工角度实现通用夹具设计，保障用于工件高质量加工，并方便操作和排屑，同时达到控制成本和提高效率的目标[3]。

2.2精密化发展

除了向着通用化的方向发展，工装夹具设计也呈现出精密化发展趋势。在机械加工精度要求不断提高的背景下，设计的精密化夹具拥有较多结构类型，但均需达到较高精度。如可在精密分度方面应用的多齿盘，可以达到±0.1的分度精度。在精密车削加工方面，能够用锥齿轮带动矩形螺纹，从而带动三爪向心运动，由于螺距相等能够实现自动定心，达到5μm的定位精度。使用该类卡盘，可以在转速达到9000r/min的条件下夹紧工件，在车床上使用可以使机床的切削速度大幅度提升，因此能够满足机床高效化生产需求。为提高工装夹具设计的精密性，需要引入CAD/CAM等计算机辅助设计软件，根据工件尺寸、加工需求等进行夹具建模分析，可以利用不同系列和各种标准化夹具元素快速构成车、铣、磨等机床夹具。通过实现辅助工艺规划，基于成组技术分类法进行夹具设计，并通过运动学分析确定定位点和夹紧点。凭借专家系统提供的知识进行定位面和夹紧面选择，然后开展几何分析，根据定位基准进行精度关系选择，最终可以实现夹具高精度设计。

2.3柔性化发展

柔性制造技术作为现代化制造技术，对工装夹具设计也提出了柔性化要求。为体现柔性化特点，设计的工装夹具需要采取组合、调整等方式适应工艺可变因素，如工序特性、工件尺寸等，能够满足多品种、小批量产品加工需求。目前，常见的柔性化夹具包含通用可调夹具、模块化夹具等，带有专业性特点的同时，能够通过拆卸结构调整夹具。可以通过调整夹爪手指圆周分布扩大适用范围，用于抓取球状、圆柱体等各种形状的工件。在柔性化发展背景下，自动化夹具应用范围日渐广泛。该类夹具是基于组合夹具系统所设计的，能够通过几何验算确定夹具构形中力的锁合情况，实现夹紧点和顺序优化。根据工装夹具产生的接触变形和切割力引发的工件弯曲变形，能够重新进行支撑和夹紧位置排布，做到牢固、精确夹紧工件。通过搭建产品模型知识库，能够生成自动夹具的各主要模块，获得夹具最终构形。根据自动化程度，组合夹具设计系统可以划分成半自动化和交互式两类，辅助设计者合理选择适合夹具元件的模块。根据工件形状、加工要求等进行夹具元件选择，可以依靠系统智能算法进行分析，有效提高夹具设计效率和质量。而在交互式系统中，完成夹具元件选择后可以利用加工干涉检测子模块，确认切割工具和夹具等是否会发生干涉。将夹具部件模型简化成二维轮廓模型，实现信息高度集成，能够有效完成夹具设计合理性验证[4]。

3现代工业制造中工装夹具的设计发展价值分析

3.1增强机床适用性

在机械加工过程中，采取不同成型运动方式，所以需要使用不同工装夹具配合机床动作。而使用柔性化、通用化工装夹具，能够根据机床运动方向和方式调整工装结构或夹具运动轨迹，达到扩大机床工艺范围的目标，因此可以增强机床适用性。如在摇臂钻床上，安装通用镗模能够满足各种零件镗孔加工需求，体现加工工艺灵活性。此外，不同于过去工装夹具要求人员做到正确安装，如做到锁紧螺丝等，柔性化工装夹具可以实现自动调节，无需人员进行反复操作，能够避免人为失误影响夹具效果发挥，同样可以起到提高机床加工适用性的目标。在柔性化加工中心运行过程中，通过在计算机输入精确定位信息和工件信息，系统可以自动进行不同规格夹具元件匹配，组装成需要的造型，生成元件清单。从清单中挑选元件，可以即刻组成需要夹具，从而适应各种工艺变化[5]。

3.2辅助提高生产率

工装夹具向着通用化、柔性化等方向发展，能够起到辅助机床提高生产率的作用。如在铣床上使用电动虎钳，能够将加工效率提升约5倍。在现代机械加工中，多采用这些夹具获得较强夹紧力，提高机床自动化率，实现高速化生产。由于使用这些夹具能够缩短前期准备时间，并减少装夹辅助时间，因此能够使工件加工的整体时间大幅度缩短。在加工中心、数控机床上，能够利用这些夹具实现自动更换和装夹，确保机床高效生产优势得到充分发挥。此外，设计柔性化工装夹具，在小批量产品生产期间无需频繁更换夹具，确保机床长时间维持高效运行。如采用零点快速定位基准夹具，能够在夹具和机床之间快速定位，有效缩短人工辅助定位时间。该类夹具包含零点定位器，能够利用高刚度滚柱将定位接头夹紧，通入液压后滚柱将散开，接头能够自由进出。在压力被切断时，滚珠重新向中心聚拢，实现接头快速锁定，可以达到0.002mm的重复定位精度。在机床工作台上安装定位器，做好初始位置标记后，可以通过安装多个定位器接头辅助完成夹具快速更换[6]。

3.3实现高精度加工

在机械加工中，工装夹具用于装夹工件或引导刀具，通过做到准确定位能够满足工件高精度加工需求。柔性化、精密化的工装夹具用于加工各种各样的零件，由于定位拥有较多支撑点，只有加强自由度管控能够保证定位合理。采用六点定位法提供六个支撑点，能够避免工件自由度过高，在三维角度精准确定夹具位置，可以实现工件高精度加工。在机械加工中，采用可以通用、互换的系列工装夹具进行实践生产，在夹具规格、形状存在差异的情况下，可以利用直线0.01mm、角度20秒级差方法实现有级调整，满足多种角度、尺寸的定位要求，做到精准加工各种零部件。此外，设计精密化工装夹具，要求夹具本身质量过硬，能够保证结构尺寸和位置精度符合装配要求，经过长时间使用后依然能够维持精密度，确保工件得到夹紧和固定，因此能够用于实现工件的高精度加工，促进机械加工向着高质量的方向发展[7-8]。

4结论

随着现代制造业对产品精细度要求的不断提升，设计工装夹具不仅要求合理、规范，也要求体现通用化、精密化和柔性化的特点，能够在不同机床上使用，完成不同产品的高质量加工。通过科学设计工装夹具，可以增强机床适用性和提高生产效率，并满足高精度加工需求，因此能够充分体现夹具设计的经济价值和技术价值。

作者:李茂朋 刘智 单位:江苏百睿教育装备有限公司 特技阀门集团有限公司