夾治具設(shè)計(jì)概論
1.1夾治具(Fixture Jig)的定義
一般而言,凡是在機(jī)械制造過(guò)程中,使任何加工程序能加速、方便或安全的輔助裝置工具,均可稱(chēng)為夾具(Fixture).
廣義的夾具可包括機(jī)器夾具(Machine Fixture),沖壓夾具(press Fixture),熱處理夾具(Heat Treatment Fixture),焊接夾具(Welding Fixture),裝配夾具(Assembling Fixture)等等.
狹義的夾具,一般即指機(jī)器夾具,可簡(jiǎn)稱(chēng)為夾具,它主要用於機(jī)器加工,也是機(jī)器與工件、刀具之間的橋梁,目前較統(tǒng)稱(chēng)的定義為"用以裝夾工件的裝置工具"為夾具."用以裝夾工件并配合引導(dǎo)刀具的裝置工具"稱(chēng)為治具或鉆模(Jig).
1.2夾治具的功能
夾具的功能:
在加工過(guò)程中,將工件維持在一安定的位置上,并吸收切削過(guò)程中產(chǎn)生的推力與變形力.-讓工件能得到定位,維持較安定的加工精度.
由於夾具的制作成本與所要達(dá)到的精度成正比,因此,選擇適當(dāng)?shù)木?才能達(dá)到降低成本的要求.由於高精度的夾具一定貴,因此,我們往往必須在成本與效率做一選擇.
1.3夾具的分類(lèi)
一般可按夾具的通用性和使用特點(diǎn),所使用的機(jī)器類(lèi)型,
以及所用動(dòng)力源進(jìn)行分類(lèi),如表1所示.
4-2 夾具規(guī)劃
2.1 夾治具規(guī)劃要點(diǎn)
圖(一) 夾具規(guī)劃要點(diǎn)
2.2 夾具設(shè)計(jì)流程圖
圖(二) 夾具設(shè)計(jì)流程圖
4-3 夾具設(shè)計(jì)考慮因素
設(shè)計(jì)重點(diǎn):
(1) 構(gòu)思:
-必須了解加工方法與切削過(guò)程.
-不要僅依靠自己的知識(shí)來(lái)判斷,必須保持有別的看法之柔軟性.
(2) 對(duì)下一工程的考慮點(diǎn):
一要站在使用者的立場(chǎng)設(shè)計(jì).
一優(yōu)良的夾具設(shè)計(jì)是要考慮到價(jià)格、精度、安裝容易與耐用.
(3) 設(shè)計(jì)上的重點(diǎn)項(xiàng)目:
一單純.
一多使用標(biāo)準(zhǔn)品(市售品、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格品等),盡量避免使用特殊品.
-夾持必須配合加工物且要保持充份的剛性.
-考慮充份的調(diào)配性(標(biāo)準(zhǔn)品).
-考慮到安全第-.
-要注意基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)點(diǎn)的設(shè)定,要統(tǒng)一前後工程,不可相互矛盾.
-加工物的中間尺寸與公差要確實(shí)檢查.
-要考慮切屑處理.
-要設(shè)計(jì)成即使操作錯(cuò)誤也是安全的.
-要考慮到作業(yè)者浪費(fèi)動(dòng)作,要提高手動(dòng)機(jī)構(gòu)的操作性.
-從使用頻率與磨耗的關(guān)系來(lái)考慮耐久忤(零件的淬火等).
3.1 設(shè)計(jì)夾貝常用基準(zhǔn)及其相互關(guān)系
表2 設(shè)計(jì)夾具常用基準(zhǔn)及其相互關(guān)系
設(shè)計(jì)基準(zhǔn)-設(shè)計(jì)圖樣上所采用基準(zhǔn)
工序基準(zhǔn)-在工程中采用的基準(zhǔn).
工序基準(zhǔn)-在工序圖上用來(lái)確定本工序被加工表面加工後的尺寸、形狀位置的基準(zhǔn).
定位基準(zhǔn)一在加工中用作定位的基準(zhǔn).
3.2 常用定位方法及定位元件
●工件以平面為定位基準(zhǔn)的定位方法及定位元件
(1)支承釘與支承板,如圖3(a),(b)
(2)調(diào)節(jié)支承及浮動(dòng)自位支承,如圖4(a),(b)
●工作以外圓柱面為定占基準(zhǔn)的定位方法及定位元件,以工件
的-個(gè)外圓柱面作為定位基準(zhǔn)時(shí),常用的定位方法是將外圓
柱裝在圓孔、半圓孔、V形塊或定心夾緊機(jī)構(gòu)中.後兩種最
為常用. .
●工件以圓孔為定位基準(zhǔn)的定位方法及定位元件,定位基準(zhǔn)為
圓孔的工作,常用定位銷(xiāo)及定位心軸定位.此外,還可利用
定心夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行定位.
3.3 定位誤差產(chǎn)生的原因
任意一批工件在夾具中加工時(shí),引起加工尺寸產(chǎn)生誤差的
主要原因有兩類(lèi):
(1) 由於定位基準(zhǔn)本身的尺寸和幾何形狀誤差,以及定位基準(zhǔn)與定位元件之間的間隙,所引起的同批工件定位基準(zhǔn)沿加工尺寸方向的最大位移,稱(chēng)為定位基準(zhǔn)位移誤差,以△jy表示.
(2) 由於工序基準(zhǔn)與定位基準(zhǔn)不重合,所引起的同批工件工序
圖三(a) 支承釘
圖三(b) 支承板
圖四(a) 調(diào)節(jié)支承件
圖四(b) 浮動(dòng)支承件
基準(zhǔn)相對(duì)於定位基準(zhǔn)而言沿加工尺寸方向的最大位移,稱(chēng)為基準(zhǔn)不重合誤差,以△jb表示.
上述兩類(lèi)誤差之和即為定位誤差,故可得
△aw=△jy+△jb
3.4 夾具的組成元件
按在夾具中的作用、地位及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),組成夾只的元件可
分為以下各類(lèi)
(1) 定位元件及定位裝置
(2) 夾緊元件及夾緊裝置
(3) 夾具體
(4) 對(duì)刀及導(dǎo)引元件裝置(包括刀具導(dǎo)引元件,對(duì)刀裝置及靠模裝置)
(5) 動(dòng)力裝置
(6) 分度、對(duì)定裝置
(7) 其他元件及裝置(包括夾具各部份相互連接用的以及夾具
與機(jī)器相連接用的鎖緊螺釘、銷(xiāo)、鍵和各種手柄等.
3.5 定位、夾緊和裝夾的概念
工件在加工之前須安放在夾具中,使其得到一個(gè)正確的位
置或方向,并使其在加工過(guò)程中雖然受到切削力及其他外力的
影響,仍能保證正確位置或方向.
根據(jù)上述過(guò)程劃分而得出以下概念定義
?確定工件在機(jī)器上或夾具中有正確位置的過(guò)程,稱(chēng)為定位.
?工件定位後將其固定使其在加工過(guò)程中保持定位不變的操作,稱(chēng)為夾緊.
?將工件在機(jī)器上或夾具中定位,夾緊的過(guò)里,稱(chēng)為裝夾.
3.6工件在夾具中的夾緊
夾緊的目的,是保證工件在夾具中的定位,不致因加工時(shí)受切削力、重力或伴生力(離心力、慣性力、熱應(yīng)力等)的作用而產(chǎn)生移動(dòng)或振動(dòng).
夾緊裝置可按夾緊機(jī)構(gòu)的類(lèi)型和夾緊裝置的動(dòng)力源來(lái)分類(lèi)如表3夾緊裝置的分類(lèi).
表3 夾緊裝置的分類(lèi)
3.7 夾緊機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足下列主要要求
(1) 夾緊裝置在對(duì)工件夾緊時(shí),不應(yīng)破壞工件的定位,為此必須正確選擇夾緊力的方向及著力點(diǎn).
(2) 夾緊力的大小應(yīng)該可靠,適當(dāng),要保證工件在夾緊後的變形和受壓表面的損傷不致超過(guò)允許范圍.
(3) 夾緊裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理,夾緊動(dòng)作要迅速,操縱方省力和安全.
(4) 夾緊力或夾緊行程在一定范圍內(nèi)可進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)償.
3.8 夾緊裝置設(shè)計(jì)的內(nèi)容和步驟
設(shè)計(jì)夾緊裝置時(shí),可按以下四個(gè)步驟確定夾緊力:
(1) 根據(jù)工序圖繪制夾緊力示意圖,在圖中應(yīng)表明夾緊力的作用點(diǎn)與方向及應(yīng)考慮的其他力的作用情況;
(2) 確定夾緊元件結(jié)構(gòu);
(3) 確定夾緊裝置所能產(chǎn)生的夾緊力.
l 夾緊力的作用點(diǎn)及作用方向
在選擇夾緊力的作用點(diǎn)及作用方向時(shí)應(yīng)考慮下面幾點(diǎn):
(1) 夾緊力應(yīng)有助於定位,而不應(yīng)破壞定位,在夾緊力作用
下,工件不應(yīng)離開(kāi)支承點(diǎn).首先要保證主要定位基準(zhǔn)與定位元件可靠度接觸,最好使工件對(duì)各個(gè)支承都有一定的壓力.對(duì)圖5所示定位情況,應(yīng)使夾緊力W1作用在主要定位基準(zhǔn)的中心位置,以便對(duì)主要定位基準(zhǔn)A、B、C支承點(diǎn)均產(chǎn)生壓力.若有兩個(gè)夾緊力,則W2應(yīng)垂直作用在D點(diǎn).在這種情況下,也可用夾緊力W3.代替W1與W2同時(shí)作用在主要定位支承上和輔助定位支承上,什工件得到可靠定位.
(2) 夾緊變形要小,特別對(duì)剛度差的工件更應(yīng)予以注意.
(3) 保證加工中工件振動(dòng)小,為此,夾緊點(diǎn)應(yīng)盡量接近被加工表面,特別是對(duì)低剛度工件.
圖五 夾力作用點(diǎn)及方向
●夾緊力的大小
計(jì)算夾緊力時(shí),根據(jù)工件所受切削力P(或切削力矩MP)、夾緊力W以及摩擦力F(或摩擦力炬MF),對(duì)大工件還應(yīng)考慮重力G,運(yùn)動(dòng)的工件還應(yīng)考慮慣性力等,繪制夾緊示意圖,見(jiàn)圖6.然後,根據(jù)靜力平衡條件,計(jì)算出理論夾緊力Wp,再乘以安全系數(shù)k ,得出實(shí)際夾緊力W.
在不考慮重力和其他伴生力的情況下,夾緊力的大小既與切削力的大小有關(guān),也與切削力對(duì)支承的作用方向有關(guān),圖6為幾種典型加工情況的夾緊示意圖,所需夾緊力為:
鉆削、拉削(圖6(a)、(b))
W=kM/(fl Rfl+f2Rf2)N
銑削(圖6(c))
W=kP/(f1+f2) N
車(chē)削(圖6(d))
W=kP/(f~kPz/+3f) N
式中 k:安全系數(shù),可按下式計(jì)算
k=k1k2k3k4
M:切削扭矩
f1、f2:夾緊元件、定位元件各自與工件接觸表面的摩擦系數(shù)
Rf1、Rf 2:夾緊元件、定位元件各自與工件接觸表面間的摩擦力矩半徑
R:工件半徑
f:夾緊爪工件間的摩擦系數(shù)
k1:一般安全系數(shù),考慮增加夾緊力的可靠性和因工件材料性質(zhì)及加工余量不均勻等引起的切削力的變化,一般取k1=1.5~2
k2:加工性質(zhì)系數(shù).粗加工取1.2,精加工取1.
k3:刀具鈍化系數(shù),考慮刀具磨鈍後,切削力增大,一般取k3=1.1~1.3
k4:斷續(xù)切削系數(shù).斷續(xù)切削時(shí),取k4=1.2;連續(xù)切削時(shí),取k4=1
圖六 (a),(b) 夾緊示意圖
圖六(c),(d) 夾緊示意圖
各種支承條件下的摩擦系數(shù)見(jiàn)表5
表4 各種支承條件下的摩擦系數(shù)
3.9 數(shù)控機(jī)器夾具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
設(shè)計(jì)數(shù)控加工用夾具時(shí),除遵循一般夾具設(shè)計(jì)的原則外還應(yīng)注意下列問(wèn)題.
(1) 在數(shù)控加工中,為了確定加工點(diǎn)的空間位置,必須建立座標(biāo)系.
(2) 數(shù)控加工批量較小,故應(yīng)盡量可能采用標(biāo)準(zhǔn)化的通用夾具或組合夾具等.
(3) 為滿足數(shù)控加工精度,要求夾具的定位,夾緊精度高.
(4) 夾具的結(jié)構(gòu)應(yīng)使工件在一次裝夾後,能進(jìn)行多個(gè)表面的多種加工.
(5) 夾緊件應(yīng)牢靠,其位置應(yīng)注意防止在進(jìn)退刀或變換工位時(shí)發(fā)生碰撞.
(6) 自動(dòng)讓刀夾緊裝置的設(shè)計(jì),應(yīng)保證其動(dòng)作的準(zhǔn)確可靠以及巳與刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的協(xié)調(diào).
4-4 組合夾具:(組合夾又稱(chēng)為模組化夾具)
4-l 傳統(tǒng)式夾具及專(zhuān)用夾具的鏜銑加工問(wèn)題
(1) 一般傳統(tǒng)夾具裝設(shè)耗時(shí).
(2) 設(shè)計(jì)和制造專(zhuān)用夾具時(shí)間久,成本高.
(3) 多種少量訂貨生產(chǎn)所需的夾具占用庫(kù)房空間,庫(kù)存成本高.
(4) 零件的設(shè)計(jì)變更造成現(xiàn)行夾具不適用或需修改,時(shí)效性不足.
針對(duì)以上問(wèn)題,基於經(jīng)濟(jì)性及時(shí)效性觀點(diǎn)來(lái)考慮,積木式的組合式夾具(圖7)提供最好解決方法.
4-2 組合式夾具分類(lèi)
(1) 梢孔式定位:以固定的節(jié)距(PITCH)的孔定位,分解後再重組容易適合於多種少量重覆性生產(chǎn)型態(tài).
(2) T槽式位:(圖8)T槽定位的自由度高,任意尺寸的孔定位能設(shè)定
(圖9),但重覆組合時(shí)重現(xiàn)性不良,適用於單件生產(chǎn)的場(chǎng)合.
4-3 組合式夾具的特徵
(1) 本體:有方形基板(圖10)、長(zhǎng)方形基板、角座等,均可與綜合加工機(jī)的工作臺(tái)結(jié)合,一般平面度要求0.0l/100,槽距及孔距公差為±0.02 .
(2) 定位元件:考慮到工件可能以平面或孔定位方式,有肩部定位柱.徑向定位柱、定位梢...等,其尺寸公工差要求在±0.01以?xún)?nèi),而且是整批加工輪磨.
(3) 夾持元件:有整組夾持方式及單件夾持元件,M12螺紋用於一般夾時(shí),Ml6螺紋用於重切削加工時(shí)之夾持.
以上零組件不論是T槽式或梢孔式均可互用,且具有下列多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn).
l 不需要另外制作夾具零件或僅少部份定位元件需制作.
l 明顯縮短夾具制作、組裝時(shí)間,并能得到品質(zhì)安定的夾持.
l 減少專(zhuān)用夾具的設(shè)計(jì)與制作,并減少庫(kù)存空間及成本.
l 對(duì)於設(shè)計(jì)變更和急件的處理,能適切的提供.
圖七 可像積木方式任意組合的組合式夾具
圖八 可任意組合的T槽式組合式夾具
圖九 任意兩孔距定位
圖十 T槽方形基板
4-5 結(jié)論
現(xiàn)今機(jī)械加工已由傳統(tǒng)機(jī)器演進(jìn)到CNC機(jī)器,但沒(méi)有良好的工�；驃A具的配合使用,仍然很難達(dá)到高品質(zhì)及高產(chǎn)量,更無(wú)法降低生產(chǎn)成本.
無(wú)論工作機(jī)械的精度如何優(yōu)良,如果加工物安裝不良而產(chǎn)生變形或歪斜,都會(huì)因此降低加工精度;這唯有依賴(lài)工模夾具之輔助,才能達(dá)到合格精度與高品質(zhì)的產(chǎn)品.
此外,為了確實(shí)達(dá)到降低成本,在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)即應(yīng)考慮加工物安裝作業(yè)的合理化,如此能大量降低夾具設(shè)計(jì)制造成本.經(jīng)由設(shè)計(jì)與制造的全盤(pán)考慮,定能有效降低生產(chǎn)成本.
