柔性组合夹具的技术应用

保定向阳航空精密机械有限公司（河北 071000）刘 伟

1.柔性组合夹具与传统组合夹具应用中的差异比较

“柔性组合夹具”是基于“积木式组合夹具”而发展起来的，具有传统组合夹具元件设计要素和与柔性制造单元（FMC）相匹配的设计特点。两种夹具之间，在许多方面均有不同的应用特点。

（1）不同的生产模式下，两者夹具的功能亦不同 传统生产组建形式的“分离体制”，即流水线。其特点是：一台机床生产一道工序，工序完成后停机装卸工件，此工序使用一套夹具。此时机床、夹具、工件三者的状态是：夹具与机床合为一体。停机，然后快速装卸工件。传统组合夹具承担的任务是，必须在零件或工序的变更时，快速提供夹具。根据各类机床的不同加工特点，除要解决工件在夹具上的定位与夹紧结构，还要解决夹具体上的工件加工部位相对于机床主轴的导向结构以及各类辅助结构。夹具结构的复杂性、多功能性是其主要特点。传统组合夹具的结构形式以钻、车、铣、镗、刨、磨等传统机床的工艺特点而形成。借鉴专用夹具的一些结构形式，根据工件的变化或工艺的变化而进行夹具结构的变化调整。

柔性制造技术的生产组建形式为“集成体制”。在一个柔性制造单元（FMC）中 ，一次装夹完成多个工序的加工。柔性组合夹具的基础板实现了“多工件装夹”，并向与其更紧密联系的托板系统靠拢，或形成具有“组合夹具元素”的附件系统，以其增强夹具的“柔性”。当夹具系统处在机床加工状态的同时，机外装卸工件已在进行。有些夹具或在柔性制造单元（FMC）的工件自动交换系统中周转。当处在加工位置的工件（一件或多个工件）的所需加工的各道工序完成之后，机内外的夹具系统（托板）进行整体交换，此时机床、夹具、工件三者的状态是：工件与夹具合为一体（进行机外装夹），载有不同工件的夹具，与机床进行着反复快速对接。机床因夹具因素而耗费大量停机时间已不存在。夹具在加工状态下的时间越长，意味着生产效率越高。故夹具要有高精度和更好的刚度。夹具结构要求更好的敞开性和满足最大装夹容量，这是柔性组合夹具在柔性制造单元应用中的基本要求。柔性组合夹具的结构形式，是在柔性制造单元（FMC）的本身特点和对夹具的要求下，形成与其更匹配的夹具结构形式。由于柔性制造单元（FMC）的主轴加工方向基本为“卧式”或“立式”，故柔性组合夹具的基体主要分为“平板类”的基础板和“有型类”的方箱、基础角铁、T形基础等。只须完成工件或者是更多的工件在同一夹具体上的定位与夹紧，是柔性组合夹具在其结构上的一个显著的特点。由于夹具的一些“导向功能”，“分度功能”等已由机床承担，柔性组合夹具的结构相对传统夹具简单化。

（2）柔性组合夹具的结构设计与组装、使用要求的变化 传统组合夹具结构的设计与组装方法，已经形成一套完整的规程。在使用中虽然面对的工件千变万化，但组装技术上已经具备了成熟的理论和应用经验。其组装规程如下：构思方案→选件→试装→联接调整与紧固→检查。夹具由此组成其结构。

柔性组合夹具的结构组装依然遵循传统组合夹具的组装方法。由于夹具的功能发生变化，在夹具的结构设计时，须考虑如下方面：

夹具应具有更高的精度：柔性组合夹具元件本身的精度，从设计上已经得到提高。从构成夹具精度上，有两个方面须加以重视。一是夹具本身对机床的重复定位精度，二是组装精度。前者可由元件本身的精度得以保证，必要时进行挑选检查元件；后者在组装夹具结构时，须确立组装基准，在元件叠加组装时，要进行消除尺寸链误差的积累。柔性组合夹具虽然结构相对简单化，但是由于加工零件的定位精度要求高，如汽车离合器、减速器壳体等的预加工面的两定位孔距之类，故对夹具本身的精度要求有时是较高的，须对元件的精度做挑选。在组装中，每一步的测量与调整将贯穿整个组装的过程。注意夹具结构间的尺寸公差，更要注意的是随着组装结构的展开，其形位公差应控制在保证精度的范围之内。

柔性制造单元（FMC）粗、精加工等多道工序合在一起。机床功率大，加工效率高。通常是“毛坯上去，成品下来”。故对柔性组合夹具的刚度,尤其结构的组装刚度，要在夹具结构设计时予以必要的考虑。由于夹具元件之间是通过键与槽或销与孔定位，通过螺栓紧固联接。组装刚度不足，是组合夹具的先天弱点。即使是在元件设计时已经加厚的基础板，如若与机床工作台面联接不当，微量变形依然存在。就其夹具系统来说，产生刚度不足，原因诸多。其反应的形式有两方面：一是加工状态下工件产生刚度问题，二是夹具产生刚度不足。前者以工件的形状单薄，尤其铝合金类材料的工件，在大切削力的作用下，产生刚度不足，因其颤动造成未满足加工精度的要求；后者则反映在工件材质较硬或与夹具体相比较，其体积和重量超出夹具本身，造成加工精度不够的重要原因，有时就是由此造成的。根据工件的形状和判断切削加工状态下的受力特点，在工件受切削扭力较大的部位组装浮动的支撑结构，以抵消切削力带来的冲击振动。利用柔性组合夹具的结构变化上的“万能性”，采取各种组装技术手段，合理选用元件，采用适合的夹具结构，精心调整组装，是在组装中重点考虑的问题。

由于多工序的集合加工以及要求夹具体上尽可能地多装夹工件，柔性组合夹具的“敞开性”和“最大装夹容量”是夹具结构设计时的重点工作之一。为此，通常是按柔性制造单元（FMC）的托板系统的台面尺寸采取相应的基础元件。以此分布工件的最大装夹数。夹具结构在满足需要的前提下，应尽量简化。考虑定位元件及夹紧机构尽量体积小，使主轴毫无障碍地在夹具体上按其编程运动，刀具的切削与传动不受夹具元件的干涉。对于较复杂的工件或较多工件的装夹及夹紧，应考虑操作效率。采用液压系统，实现快速装夹，是柔性组合夹具现实的优选方案。

基于上述三点，柔性组合夹具的结构均以其本元件系列的基础件为夹具底座或基体，形成具有柔性组合夹具特点的结构。但夹具结构并不局限于此，如利用其组合原理，在汽车离合器、减速器壳体类的零件制造中，组合“门框式”夹具结构，使工件两面加工，在柔性制造单元（FMC）上比较理想地实现装夹。结构灵活多变，是柔性组合夹具“柔性化”的基础，故夹具结构的创新，成为柔性组合夹具的优势。

（3）柔性组合夹具适合采用组合夹具辅助设计软件（CAD），实现“机外快速组装” 组合夹具辅助设计软件（CAD），在传统组合夹具的应用中，面临的各种工件差别迥异，不同的工艺方法，多种多样的机床，使夹具结构的形式千变万化。设计者不但要掌握组合夹具辅助设计软件（CAD）的操作，对大量各类机床夹具的结构掌握及运用经验，更是必要的前提。这对组合夹具辅助设计软件（CAD）技术的应用与发展，的确有一定的制约。由于柔性制造单元（FMC）的加工特点，无论是“立式”、“卧式”，对夹具基体（底座）总是处于平行移动状态，夹具结构相对的简单化，降低了采用组合夹具辅助设计软件（CAD）的操作“门槛”。为实现“机外快速组装”，提供了必要的保障。虽然柔性制造单元（FMC）所使用的“托板系统”使产品的制造过程实现了“生产过程自动化”。实现机外装卸夹具和机外装卸工件，实现机床切削时间同夹具安装及工件装夹时间的重合。但是加工零件在夹具上的安装以及各类夹具与托板系统加卸载，实现“自动化”，仍然是难以实现的。夹具可以说是柔性制造技术中，实现柔性化最为困难的一个环节。即使在“计算机集成制造系统”（CI MS）的应用中，实现夹具的柔性化可采用“柔性组合夹具”，但仍然须靠人来操作。其对柔性组合夹具的“快速性”要求则更加突出和紧迫。在柔性制造技术的环境下，“多工件装夹”和夹具的“快速组装”，仍然是柔性组合夹具所追求的目标。实现柔性组合夹具“机外快速组装”的重要手段之一，就是实现组合夹具辅助设计（CAD）的应用。

2.柔性组合夹具在柔性制造模式中的技术管理

柔性组合夹具的最大优点之一，就是适应在柔性制造技术中的“混流生产”中，实现夹具系统的“快速反应”。夹具结构的快速变化的适应能力，即为“柔性化”的程度，就是通过对柔性组合夹具的技术管理，达到技术与经验的不断积累和提升，科学合理地进行柔性组合夹具技术管理，是一项基础工作。其技术管理工作的重点如下：

（1）定期对元件系统的适用性进行评估，保持元件系统的合理性。

（2）研究和发展柔性组合夹具的组装技术，包括元件的应用、组装方法、新型结构、快速夹紧，以及元件间实现快速精确定位联接的方法，吸取其他夹具的优点等。

（3）对先进的组装技术和优秀的夹具结构做技术存档，作为技术储备。

（4）技术应用要向产品设计、工艺部门和生产现场两个方向倾斜。在产品设计或更换的同时，对采用柔性组合夹具的适用性进行评估和确定。

（5）科学合理的管理元件。元件越多，夹具的结构变化范围越大，柔性就越强，管理难度与其成正比。故合理的元件选型配套及数量，要根据柔性制造单元（FMC）的配置状况而定。元件库的设置，尽量靠近生产现场，对柔性制造单元（FMC）直接配备合理用量的元件。由于基础件已经和柔性制造单元（FMC）的托板系统或工作台相匹配，现场的机外组装将更加频繁，元件的现场调配、传输以及使用后的入库等管理工作，对“循环组装”具有重要作用。

3.柔性组合夹具发展方向的探讨

由传统组合夹具发展到柔性组合夹具，元件本身到了几乎无发展空间的地步，产生的技术效果被业界认可。但柔性制造技术迅猛发展的今天，柔性组合夹具的“既适应又有待发展”的状态，已被人们所认识。

夹具技术的发展，是以机床技术的发展为前提的。机床技术发展到空前的水平，虽然给夹具系统很大的发展空间，但夹具发展并未如人愿。柔性组合夹具虽然实用，组合原理仍具有一定的先进性，但夹具系统的众多刚性元件，人工进行元件间的组合方法，以及几乎是靠人的经验和技术形成的夹具结构，与当今机床技术相比，虽能匹配，但已显落伍。

实现真正意义的夹具柔性化，仍须组合原理。虽然柔性制造技术下的先进机床具有和取代了部分夹具的功能，人们有理由认为，在现代化机床的高性能下，夹具的发展趋势，应该是“简单化”。这在柔性制造单元（FMC）中能够得到一定的体现，而从机床的发展趋势上，“六条腿机床”（并联杆系机床）的出现，由于工件所裸露的五个面均可得到加工，夹具形成“平板化”，结构更为简单。但这并不意味着“简单化”就是“柔性化”。柔性组合夹具的发展须朝着“技术集成”的方向，并解决原来夹具系统中的固有弊端，这是趋势之一。

实现夹具对工件装夹的定位系统的柔性化，具有更高效、更快捷、更可靠的夹紧系统，无疑更能与柔性制造单元（FMC）匹配，这将与原柔性组合夹具有本质上的不同。

更高层次的“夹具柔性化”，包含着“快速”、“高效”、“可靠”和减少一定的人工操作，夹具结构具有合理的变化范围。改变“刚性元件”间的相互组合，而采用全新的各种技术集成的“部件”的组合而替代。提升夹具系统的“柔性化”程度及“快速性”，扩大夹具本身的技术容量，追求“技术集成、成本降低”这一目标，实现与先进机床相适应的技术水平，将是目前柔性组合夹具的发展方向。

在目前要想以一套夹具系统覆盖所要解决所有工件的夹具问题，是不现实的。但在某一行业的产品或具有典型特点的工件上实现这一构想，仍具有现实性。需要的是要有相关技术方面的大量技术研究工作和必要的资金投入。相信全新概念的柔性组合夹具一定会在不远的将来出现。