国内外夹具技术现状及发展趋势

国内外夹具技术现状及开展趋势
机I或制造业是刮造业最近要组成之i,也是国民经济最重要的根底产业之一・它相货着向国民经济的各个洞」提供机械装备的任务.无为是传统制造业还是现代柔性制造系统,由于大量的加T.操作需要装夹,夹具就显得尤其重要,它直接影响加工研量、生产效率及制造本钱等.夹具是指机械加工、热处理及装配等工艺过程中,为了安装加工工件,使之占有正麻的也置,以保证零件和产品的险耿,并提「生产效率所采用的工艺装配好的夹具设计可以提升产品生产率,保证却工精度*降低生产本钱及减轻劳动强度等,此外使用专用夹具还可以改变原机床的用途及扩大机床的使用范围・实现1机名能.在一个柔性制造系统中,夹具设计制造的费用占到整个系统费用的10%、20%图.
机床夹具在机械加工中发挥着窜要的作用.大量专用机床夹具的使用为大批量生产提供了必要的条件,例如：20世纪之初美国只能生产数千辆汽车a福特汽车公司推出T 型带车后订单急增,为了保证零件的互换性在当时蒋耍校差的机床上如何保证孔距精度成为提升生产率的瓶颈,钻模和随后附现的螳根有效地解决「这一问题,到了20世纪20年代机,荚国汽车工业的隼产量已到达百方辆以上・“将通通用机冰$专用来具〞这一生产方式翻开了近现代大批更生产的幅郁国.
在实际生产中,如果沿用夫具花生产效率,工件安装式加工梢度等方面还不^淌足工件加工的需要,或安装工件不方便时,就必须设计专门为某一工件的某道工序所需要的夹具.其特点是结构紧凑、操作迅速方便! 可以保证较高加工精度和生产率：但设计和制造用期长,制造费用高,在产品变更后无法利用而导致报城.
夹具最早田现在1787年,其开展经历了三个阶段,第一阶段表现为夹具与人的结合.在「出开展初期,机械制造的精度较低,机械产品的加工族生主要依敕于劳动者个人的经验和手艺.而夹具仅仅作为加工工艺过程中的-即辅助工具；第二阶段尾随着见东、汽车、飞机等制造业的开展,夹具的门类才逐步开展齐全.夹具的定位、夹紧、导向元件的结构也H趋完善,逐渐开展成为系统的｝.要工艺装备之一；第三阶段是近代由于世界科学技术的进步及社会生产力的迅速提升,夹具在系统中占据相当柬要的地位・该除段的主要特征表现为夹具与机床的紧密结合, 现代生产要求企业制造的产品品种经常更新换代,以适应剧烈的市场竞争•用管国际生产研究协会的统计我明：多品种生产的工件已占工作种类的85%左右.然而目前, 一股企业习惯于采用传统的专用夹具,在一个具有单一生产的水平工厂中约拥有1300015〔X〕0套专用夹具.另一方面,在多品种生产的企业中,约隔4年就要更新80% 左右的专用夹具,而夹具的实际磨损盘只有15%左右.近年来类性制造系统〔FMS〕.
数捽机床〔NC〕.加工中央〔MC〕和成机床工〔GT〕等新技术的应用和推广,使中小批生产的生产率逐步趋近于大批量生产的水平.
随着制造技术的开展,产品的设计周期缩短,更新换代加快.因而传统的大批量生产旗式逐步被中小批所生产模式所取代.机械制造业须具备较高的柔性才铤适应这种变化,国外已把柔性制造系统作为开发新产品的有权手段,并将其作为机栈制造业的主要开展方向⑺.一般将组合夹具视为柔性夹具的代名词.分合夹具系统一般有两种类里：基于销灯和基于T型槽系统.基于俏钉的组合夹具主要是通过基座上的定位孔实现对夹具元件将确定位和紧固作用〉主要有：BluoTechnik〔teSi美国〕,Kipp〔偿国〕、Stevens 〔美国〕、SAFE 〔美国〕、TJMGS 〔中国〕及CPU 〔俄器斯〕.基于T型梢的组合夹具是通风基座上互相垂JS和平行的T型槽实现对工件的铸确定位.比拟盲名的系统有：
Wharton Unitool 〔英格兰〕、YCII 〔俄罗斯〕、CAT1C 〔中国〕、Halder 〔德国〕叫而应用组合夹具的关键技术是计算机辅助夹具设计技术〔CAFD〕,它正朝着提成化、标准化、并行化及智能化方向开展网.
为了适应现代机械工业向商、精、尖方向开展的需要以及多品种、小批量生产的特点,现代夹具正朝着精密化、高效化、柔性化、标准化四个方向开展.
〔1〕精密化
随着机械产品楮度的提升,势必对其精度提转更高的要求.精密化夹具的结构类憎繁多,例多分度可达±0」用于/普分度的多比盘,用丁格甯不削的高精度二爪卡世, 其定心精度为5 pm •〔2〕高效化
高效化夹具可以减少工件加工的总时间,以便提升劳动生产率,减少工人为动强位. 常见的高效化夹具有：自动化夹具、高速化夹具、具有夹紫动力模块的夹具等.例如使用电动虎钳装夹T件,可使工件效率比苫通虎钳提升5倍左右：而高速卡•盘那么可保证卡爪缶转速9000〞min的条件下能正常夹紧工件,使切削速度大幅度桃高.
〔3〕柔性化
夹具的柔性.化与机床的柔件化类似,它通过调组合方式以适应工艺可支因素.具有柔性化的新型夹具肿类主要有：组合夹具、劝用可调夹只、成组夹贝、模块夹具,数控夹具等,任较长时间内,夹具的柔性化将是夹具开展的主要方向.
<4〕标准化
夹具的标准化与通用化是相互联系的两个方面,在制造典型夹具结构的根底匕百先诳行夹具元件和部件的通用化,也立典型尺寸系列或变理,以减少功能用途相近的夹具元件,舍弃一些功转低劣的结构.目前,我国已有夹具零件、部件的国家标准：GD2148-2249-80, GB2262~2269・80以及通用夹具标准,组合夹具标准等.夹R的标准化也是夹具柔性化高效化的珏础,作为开展趋势,这类夬具的标准化有利于夹具的专业化生产及缩短生产周期,降低生产本钱.
金属切削加工过程是一个高度的动态性, 作战性的过程,其过程涉及到材料学、弹蟹性力学、断裂力学、热力学及摩瘠学等许多问题,这阻碍了实验研究的进行,随省计分机技术的开展,有限元法开始被应用于切削工艺的模拟中.
有限元方法最早被应用在切削L艺的模拟是在70年代,与其它传统方法相比,它大大提升了分析的精度.1973年美国Illinois大学的BEKhnwcd⑼最先系统地研究了金属切削加工中切属形成的原理,1980年美国的NorthCarolina州立大学的M.R. Lajczok〞.应用有限元法初步分
析〔切削工艺.1982年,Csui和Shirakash产为「建立稳态的正交切削模型,第一次提出刀面用、切因几何形状和流线等,预测了应力应变和温度等参数n 1984年,lwat/3喀将材料假定为刚W性材料,利用凄册性有限元法分析: 低速切削、低应变速率时的桧态正交切削.但由于忽略了弹性变形,因而未能计算出我余应力.Sgbjiwsjum和Carroll网将工件材料假定为弹塑性,在工件和切屑之
间采用绝热模型,模拟了从切削开始到切用特定成形的过程.他们采用等软塑性应变作为切屑分离的准那么,而等效塑性应变值的选择影响位口「外表的应力分布3 1990年,Strenkowski 和MooJB 模拟了切屑形状,用Eukr仃限元模型研究正交切削,忽略「弹性变形,加测了工件、刀具以及切屑中的泓度分布.Komvopoulos和Erpenbecl?""用肉仑摩擦定笊通过正交切削解析方法得到「刀
具与切屑之间的摩擦力和法向力.用弹震性有限元模型研究了钢质材料正交切削中刀具侧面磨损、积同痛及1：件中的剩余应力等° Furukawa 和Motwuki用实验方法研究「铝合金超精密切削中工件外表的光洁度对加工质量:的影响.Naoyo IkwJ"用相密切削机床在实验中测揖了红铜材料切屑形成和切削深度之间的关系.ToshimichiMoriwak产噂用巾愀性有限元性型模版/上述实验.他们模拟了切削深度在毫米到纳米范闱内红铜材料正交切削过程中的温度场.J.V.C. Sou2a , MCA. Nono, M.V. Ribeid网等研究了数化硅陶亮刀具切削灰皆铁时刀具性能,并对切削用量对切削力的影响进行了分析.
国内研究切削加工的学者在模以切剂过程方面也取得了不少的研究成果.黄志超因等论述了有限元中网格划分技术,分析了各种网格生成方法的特点,并XJ有限元网格划分技术的开展趋势进行展望.陈明⑷等在有限元环境F建立广三维铳削航空器合金的温度场模型,分析了切削速度、进给量对切削温度的影响.并通过红外热像仪的观测,验证了仿真结果与试验结果的吻合.度.戌凯
।司等结合行限元技术和切削力数学模型,对薄壁件加工变形进行/分析和计算,提配『研究薄壁件加工精度的系统方案.黄志刚网等建立金属正交切削加一1：的热力相合有限元模型,并利用软
件模拟了材料切削过程,通过与试验结果的比拟证实「有限元模型的正确性,随后他们继续利用跣
削温度、铳削力的分析模型求解「三维铳削加工的瞬态温度和瞬态切削力,将其作为动态载荷应用
于三维切削模型,模拟/三维快削加_£过程,预测了零件的变形.梁文杰由］以通用有限元软件为平台,建立了〃具车削材料的一维热力稿含有限元模拟,阮景奎间通过对高速跣削合金铸快时的锯齿
状切周形成过程的侪真分析,提出了相珞合金铸铁材料的高速钛削锯齿状切屑是由绝热剪切和瞪
性断裂共同引超的观点,并研窕了切削参数对相齿状切屑形成的影响规律.唐忐涛㈣等人建立/基
于自限变形理论、虚功原理和更新的拉格朗日公式的热一弹型性本构力.程,导出「热一弹型性大
变形稿合限制方程•有效预测了正交切削做空铝合金的切屑形态、切削力、切削温度以及应力场和
应变场等物理场的分布,解眄.苏桂生如对钛合金进行仿真和实验研究,得出了切削刀的的印〞方
程及最正确切削参数.韦伟,任家隆闽建立了热力埸合、平面应变慢型和正交试验表,模拟了不镌钢的车削加工过程,分析/〃具几何参数、切削参数以及换热系也对•工件切削力和切削温度的影丽c聂宇宏,杜美惊।功等研究「切削速度对切削过程温度分6的影响,得出刀屑接触区及工件上的最高速度都随切削速度的增加而升高,但工件上温度升高的均势较平援.
综上所述,切削加「有限元模型逐步待到改善,应用范围也逐步扩大,这蜒研究思路及R成果为实坏生产提供/一定的理论依据,但实际生产过程中的应用史到模拟过程加普性的制约,。