夹具设计简介

夹具设计简介

1导言

夹具是指在生产操作中对工件起定位，控制和支撑作用的固定装置。夹具再生产制造工程中是必备的，因为它在自动化生产和检查的过程中是非常必须的。

1.1夹具的组成要素

一般来说，所有的固定装置包括下列内容：

·定位装置

定位装置通常是一个固定的夹具组成部分。它是用来确定和控制工件在夹具中的位置并限制工件的自由度。在工件的形状和表面发生重大变化的情况下定位装置可以调节。

·夹紧装置

夹紧装置是夹具的一种力量稳固装置。夹紧装置施加的力和工件所受的其他外力的共同作用下使工件在夹具中牢牢固定。

·支撑装置

支撑是夹具固定或可调的一个固定组成部分。当预期作用下施加夹紧和加工力量使工件发生严重的部分位移或偏移，支撑力增加并作用于工件下方，以防止或限制工件变形。支撑超过了工件所需时，应使工件确定位移的部分符合定位和夹紧装置。

·夹具机构

夹具机构或工具的机构，是夹具的重要的结构性因素。他保持上述内容空间之间的装夹关系，即定位，夹紧装置，支撑和机床共同通过夹具机构来完成工件的加工。

1.1横向数控机床普遍使用的夹具机构

1.2夹具在制造中的重要性

现代制造业的目标是实现高生产率，减少单位成本。这就需要提高设备的效率，既提高装夹与拆卸的效率加快生产周期时间。

如果t是加工一个工件所需要的总时间，然后Q=

1是单位时间内生产的件数，

t

或者生产速度。

考虑到总生产时间通常组成为：t=t m+t h，t m 为实际加工时间，t h为装夹和拆卸时间，因此生产速度给出了：

（1.1）每单位时间的生产。

假设Qt是理想的生产速度，即某一加工操作没有处理时间损失，因此我们有

现在

（1.2）

这一参数

可称为生产效率。

使用固定装置具有双重好处。它消除加工操作开始之前的个人标记，定位和经常检查从而节省了相当多的时间。此外，使用固定装置通过简化定位和夹紧的任务节省了运营商的劳动力，并可能取代熟练劳动力和半熟练劳动力，因此节省了大量劳动力成本同时也提高了生产速度。

另外，使用结构良好的固定装置具有较高定位和夹紧刚性将有助与提高切割速度从而减少tm,提高生产速度。

除了提高生产力方面的生产率通过使用固定装置也有其他好处。它们是：（一）提高加工精度，因为固定装置的精确定位。

（二）减少质量控制中的机械零件的开支，并促进统一的质量在制造业。

（三）扩大机床的技术能力，并增加多功能的加工工序。

（四）实现机床的自动化或半自动化。

1.3夹具的总体要求

为了保持在加工过程中工件的稳定，固定装置必须满足一些要求以充分履行其职能。在进行夹具设计是必须遵守下面的限制要素：

·确定位置

工件在不能移动而有不与至少有一个位置接触时为动约束，工件受到一套合适定位的限制，使其进行加工作业。定位和定位的工件表面应尽量减少使工件在机床坐标系中有准确和独特的位置。

·总约束

任何时候工件应充分约束，以防止任何运动。夹紧装置应提供足够的夹紧力使

工件在它的位置上一次性固定。一个完全抑制部分应该能够保持静力平衡以承受一切可能的外力或干扰。一个充分和必要条件以保证工件的稳定是符合力的平衡条件。

·载挠度

工件变形是不可避免的，因为它的弹性和塑性的性质，以及夹紧驱动和加工过程外部势力的影响。变形已经被限制在一个可以接受的程度以实现容忍规格。

·几何约束

几何约束保证所有装夹要素符合基准表面。他们还保证所有夹具元件在加工制造过程中不干扰刀具的加工。

除了这些要求，夹具设计应该有可取的特点，如快速装卸、最低数量元件、可获取性、设计多种切割操作、便携性、成本低等。

1.4夹具设计原理

夹具设计包含了若干不同的部分：夹具规划、设计夹具布局、夹具元件的设计、车身工具设计等，按照它们的设计顺序列于图1.4中，尽管它们可能开发并行而不一定作为一系列孤立的活动在实际执行。

夹具设计涉及的基本的夹具概念：

·夹具布局体现了夹具的概念形式和空间配置。

·夹具元件设计涉及的具体细节的定位，夹具装夹和支撑。

·工具车身设计产生一个与夹具元件相结合的结构和与机床相关联的理想的空间。

1.4.1夹具设计

夹具规划通过分析所有可用的有关材料和工件的几何形状、加工要求处理设备来设计一个基本的夹具配置方案服务与生产和工人。下列条件列入夹具规划：·夹具种类和复杂程度

·每个工件夹具的数量

·夹具中工件的定位

·定位基准面的选择

·夹紧表面的选择

·所需支撑的表面，如果需要支撑

图1.4夹具设计的各个方面

新一种的夹具布局是代表夹具概念的实物形式。以下为夹具布局所需考虑的问题：

·定位的位置

·夹紧的位置

·支撑的位置，如果有

·定位的类型

·加紧类型

·支撑类型

·夹紧力和方式

夹具元件设计通过详细的设计图纸上的文件或在CAD系统中来实现实际的概念定位、夹紧装置和支撑。可以使用标准的设计或专有的组成部分。夹具元件设计包含下列内容：

·详细的定位设计

·详细的夹紧设计

·详细的支撑设计，如果有

夹具机构设计是制造一个刚性结构使各个夹具元件在它们的适当位置。

1.4.2夹具设计标准

下面的设计标准是夹具设计时必须遵守的：

·设计规范

·工厂标准

·方便性和安全性

·经济

1.4.3夹具设计步骤

在设计夹具时一个明确的设计步骤是非常必要的。它们可分为三大阶段的设计开发。

第一阶段涉及信息的收集和分析。其中包括产品分析，如研究设计规范，工艺规划，审查处理设备，并考虑操作者的安全性和方便性。在这个阶段，所有的关键要素和可行的基准都必须经过详细审查。

第二阶段涉及考虑夹紧和定位方案。一个加紧方案的制定必须满足它不会干扰的工具或刀具，并完全符合拟定的定位表面和位置。定位方案使用标准的参数，如引脚，焊盘等的设计是符合夹紧和工具指导安排。

第三阶段是夹具机构框架的结构设计。这通常是围绕在工件作为一个单一的因素并联系其他所有元素用于定位，夹紧工具指导并纳入一个整体框架。

上述步骤是相当普遍和可以根据各种要素的相对重要性进行修改并确保工件在夹具装置中的准确性。随着流行适应的模块化夹具因素，夹具机构框架通常是一个固定的标准块阵列具有固定的定位整列和固定孔或插槽。它已经成了一个问题来选择最合适的机构框架以适应各种要素，提供良好的支持和获得工件刀具和工具。图1.1显示了卧式数控铣床中普遍使用的夹具机构。

2定位原则

2.1简介

加工夹具的主要宗旨之一就是定位工件表面的执行加工操作。这通常考虑一些因素，如参考基准，支撑面，和一些有可能阻碍刀具运动和加工方向的因素。一般情况下，以下的表面应加以区别：

•作用面

这些表面都要加工，即这些表面受切工具的影响

•支撑和定位面

工件根据切削工具的形状和大小由些面进行定位。

•夹紧表面

夹紧表面受到夹紧力得不变的位置。夹紧表面通常是没有完成加工的表面因为夹紧力可能损害这些面。

•基准表面

基准参考面表面的尺寸需维持和测量。

•自由曲面

自由面的表面没有参与设立特别的加工作业

2.2限制工件的自由度

一个工件就像任何自由体有六个自由度。

·三种直线唯一沿着相互正交的坐标轴

·三角位移绕每一条坐标轴

有必要限制某些程度的自由以便根据切削工具对工件进行定位。由于支撑或夹持工件表面可能对工件真实几何形状产生影响，其是在粗糙的加工表面或铸造坯料，可取的做法是对工件进行对称支撑。

使用半球形支撑的定位点支撑形式在定位精度上将大大减少定位表面几何变化的影响。对于棱柱部分一般3.2.1原则是普遍采用的。为实现最大的稳定前三个点在主表面上的位置应尽可能相距甚远或该三点封闭的区域应尽可能大。

对于较大的铸铁工件，因为这违反了定位的限制，其中的一个定位点应该是可以调节的。然而它也是一个很好的方法较大铸件的设计提供准确装夹点。当开始的表面加工后这些问题将得到解决。

对于圆柱工件三点位置不能获得因为不存在平衡表面， V型定位常常被用来代替圆板的位置，才能实现插槽。

当一个工件须根据内孔定位或膛内空，一个插件用来定位工件。定位由两洞通常使用充分和钻石插件组合，后者中插入较大的两个洞。详细的定位原则可以很容易地发现在一般文本的夹具设计文献中（利克森， 1973年）年）将不在这里重复。

3夹紧原则

3.1简介，

在每一个加工操作，加紧工件是一个基本要求。夹紧装置可以定义为在外力加载系统作用下为设备提供一个不变的位置。换句话说，该进程的夹紧诱导锁定效应，通过摩擦或其他某种形式的机制，提供了一个稳定的不能改变的位置直到外力消失或改变。

负载是能够克服的锁定效应。因此当切削力产生负荷在工件上时，必须有足够夹紧力可以承受这种负荷。建立和保留对外部负荷的锁定效应是要任何锁紧装置的主要目标。锁紧装置的一般性要求可概括为：

•提供合适的锁紧力实现稳定的位置

•生产出足够的摩擦效应为上述目的，但工件没有造成任何不良影响，如失真或表面损伤

同样重要的是，在空闲时间涉及装载，锁定，解锁和卸载工件应尽量尽可能少以减少总体设置和非加工时间。某些额外的要求也是夹紧装置必须履行的：

•夹紧装置必须易于手动操作或以其他方式，

•这些设备必须行动迅速，以减少设置夹紧和定位的时间

•它们必须降低成本使它们的小批量规模是经济的

3.2基本加紧原则

3.2.1取向定位相对于夹紧力

必须使所有夹紧装置在夹紧力作用下工件在其位上固定夹紧力不会造成任何位置位移或过度扭曲。

夹紧力的方向应该朝着支撑和定位的内容悬垂或薄片的工件。此外，力应转向夹具机构框架的刚性部分。

圆筒形工件位于V型台可以使用另一种V形快夹紧，使四点夹紧，或夹在三个夹头，在一个三点夹紧装置。后者通常是较常见的，尤其是在车削中。

3.2.2外部势力影响的夹紧运动

夹紧内容按照其力挠度的特点可分为两个广泛的分部门，即：

• I型：夹紧要素的弹性变形增大夹紧力，如螺丝，杠杆，凸轮等，

•类型11 ：夹紧要素，其中锁紧力常数假设独立的弹性变形的接触面，如固定装置的操作与液压或气动压力。

区域内的弹性，夹紧要素在弹性变形的基础上，即I型夹具，如果工件的定位是假定为刚性锁紧力所占得比例将呈现线性增加。如果工件或定位变形，它会导致放松夹紧元件和夹紧力会下降。极限情况下，就产生夹紧丢失和夹紧力变成零。

11类型的夹紧力维持在预先设定的数值不变并且独立的工件定位不变形。这种类型的夹紧装置，因此更可靠，更不会放松一段时间。

3.2.3类型

夹紧装置不是手动或气动驱动就是液压或结合其他电力设施驱动。其中一种机

械的优势在于实现该机制。两个基本类别包括：

•应用斜面理论，即挖起杆，螺丝，摄像机等，

•应用杠杆原理，即杠杆，切换等

手动夹紧工件有以下缺点：

•每个工件夹紧的力量不同

•难以确定所需可靠夹紧的力量，

•手动夹紧增加工人劳动强度

•开动手动夹所需的时间比制动夹紧长

•夹紧力较小没有大扩增设备

气动和液压夹紧装置消除了上述大多数缺点，但是需要高得多投入成本以及更多的空间要求和维修技术。因此要兼顾成本，效率，准确性，操作安全性和舒适性。正如将在这本书中随后的解释部分种解释的夹紧装置夹紧力可变的基础上，这是非常有益的控制锁紧力的强度并在加工操作和帮助以减少工件变形。

设计的非标准夹紧装置，最全面的资料可以从一些资源图书中找到，夹具和固定装置：非标准夹紧装置（格兰特， 1967年）。

4综述

本章简要介绍了经典的夹具设计的一般原则。这些原则仍十分适用并且是夹具设计的良好基础尽管迅速提高机床和制造技术。由于有很多经典资料关于定位，夹紧，与夹具设计分析，因此在这里不在进一步的深度分析读者可以去翻阅和参考那些书目与资料。

减少上市时间和更小的批量大小，使用专门的固定装置一直在稳步改为重构并可重复使用的模块化设备。模块化装置可以在短时间内配置和组装，降低库存持有，并提供良好的重复性和准确性。他们是宝贵的原型和概念证明型设计的新产品。更重要的是，他们随时根据电脑的设计分析和装配。许多自动化夹具设计与分析是基于模块化的装置，这将在未来继续发展。在过去的二十年里经过这方面的积极研究

使在夹具自动化上取得了很多的设计知识和原则。本章总结在撰写报告时一些夹具研究界所做的主要贡献。

一个理想的夹具不仅应提供加工重复性和高生产率，它也应该提供一个解决方案，从而降低由于工件夹紧和加工力量所产生的失真。这本书其余各节深入分析了这一主题。