组合式工装夹具设计

王蒙 彭晓宇

先进制造技术（AMT）现正逐渐成为高等院校工程训练项目的新重点。AMT技术设备品种多、配置台套少，以及涉及的加工材料多样、规格形状各异等特点，催生了对特殊夹具的需求。以激光雕刻（打标）项目为例，在实训过程应用范围演示教学和科研协作加工中，经常面临对不同厚度、形状物品表面的固定与找正问题。据了解，在普通的机电工具市场上很难找到这种需求量小的专用夹具，定制适合单位机床工作台尺寸的夹具则价格昂贵。

在工业化生产模式下，特别是机械加工制造类行业中，节约成本与提高效率成为企业生存和发展的主要研究方向。本论文通过对我产品车加工过程中，工装的主题结构进行改进。将一体式工装改为组合式工装，在节约成本与提高效率方面取得了良好的效果。

一、產品结构及原工装的分析

1.产品结构分析

此产品为粉末冶金材料的齿轮坯体件，结构较简单。

齿轮坯

加工方式：工件以内孔、端面为定位基准，并通过螺帽和开口垫圈进行夹紧，在相应的转速、进刀量和走刀速度下，依次对其外圆和端面进行精车削加工。

为了对此产品的专用工装夹具的改进，进行了全面的分析，本章将通过对原工装的分析，以便更加清楚地说明新型工装的设计方案。

2.原工装的分析

原工装的整体结构为一体式的专用车床工装。工装的主体结构由定位装置和夹紧装置组成。

在实际生产加工过程中，装夹会使得芯轴磨损，导致定位不准而引起跳动偏大，不能再继续用该工装；只能选择整个工装的报废，从而形成了高成本的工装制作费用。

二、新型工装的设计

新型工装的主体结构在原工装的设计上实现了较大的改进：

以芯轴与外套主体为组合的方式代替了原有的一体式结构。改变了原有的主体伸出轴定位装置，将用于定位的芯轴部分以锥形活动芯轴代替。装夹方式是，使用螺帽锁紧，并且通过平键防止相对的转动。

1.新型工装的优点

（1）芯轴可以更换，这样可以解决其易于磨损的问题，从而在降低工装成本上有明显的效果。

（2）装夹更加方便，可以提高工作效率。

（3）工装寿命的影响：主体工装的寿命不再受芯轴的磨损的直接影响，大大的延长了工装的寿命，使得工装制作成本得到明显的降低。

2.新工装的可行性

新型工装的加工要点：

（1）芯轴的外锥度与φ20 外圆两个地方必须一次加工完成；

（2）配磨底座内锥孔，接触斑点大于85%；

（3）底座与芯轴装配后，外磨底座φ60带出端面。

3.定位原理及可靠性

其特征在于，包括一锥面定位装置，和锥孔定位装置。该定位底座夹在卡盘上；一定位心轴，该定位心轴套在所述底座上且部分嵌入到所述定位锥孔中并从定位销的一侧压迫心轴；以实现工装的锥度定位；一螺母，该螺母旋在所述芯轴的外螺纹上，与所述定位芯轴一起对工件实施轴向定位。这样，实现了锥孔定位零件的数控加工，也提高利用锥孔定位加工零件的加工效率和精度。

4.夹具应有良好的机动性和安全可靠性

夹具设计不但要保证加工精度、提高劳动生产率、扩大机床的使用范围，而且应有良好的机动性和安全可靠性，保证生产安全。

（1）模块、组合

夹具元件模块化是实现组合化的基础。利用模块化设计的系列化、标准化夹具元件，快速组装成各种夹具，已成为夹具技术开发的基点。省工、省时，节材、节能，体现在各种先进夹具系统的创新之中。模块化设计为夹具的计算机辅助设计与组装打下基础，应用CAD/CAM、CAXA、Pro＼E等技术，可建立元件库、典型夹具库、标准和用户使用档案库，进行夹具优化设计，为用户三维实体组装夹具。模拟仿真刀具的切削过程，既能为用户提供正确、合理的夹具与元件配套方案，又能积累使用经验，了解市场需求，不断地改进和完善夹具系统。模块化夹具与组合夹具之间有许多共同点。它们都具有方形、矩形和圆形基础件。在基础件表面有坐标孔系。两种夹具的不同点是组合夹具的万能性好，标准化程度高；而模块化夹具则为非标准的，一般是为本企业产品工件的加工需要而设计的。

（2）通用、经济

夹具设计要大力提倡标准化、系列化的通用性设计，这样，才能提高设计质量，缩短设计周期，降低设计成本，提高其设计制造水平和质量，从而使夹具行业的整体劳动生产率得到提高。

（3）夹具设计中采用高精、高效、模块、组合、通用经济方向发展的思路，在组合夹具行业加强产、学、研协作的力度，加快用高新技术改造和提升夹具技术水平的步伐，充分利用现代信息和网络媒体，引进技术，争取合资与合作，与时俱进地创新和发展夹具技术，这是改造和发展我国组合夹具行业较为行之有效的途径。

三、组合夹具的优点

1 组合夹具缩短产品生产准备周期组合夹具结构灵活多变

由预先制造好的标准化元件组装的组合夹具，制造时间仅仅是组装元件的时间，不像专用夹具有较长的设计及制造周期。专用夹具一般设计和制造至少需要 1～2 个月的时间，中等复杂程度的组合夹具平均需4h～8h，夹具生产准备期可缩短90%左右。组合夹具此外，能及时解决在加工过程中出现的问题（如设计更改、工艺变动、毛坯变化等），发生此类情况时，仅需对已组装好的夹具做一些相应的调整，或重新组装即可解决，而此时专用夹具无法使用。因此，采用组合夹具对缩短新产品的试制周期以及多品种、小批量新产品的制造具有重大的意义和较好的效果。

中等复杂程度的专用夹具需金属材料 10kg～30kg，而组合夹具元件可以重复循环使用，每次使用仅折旧消耗 0.3kg～1kg，从而可节约金属材料95%以上，降低成本约80%。这样，使用组合夹具的单位其经济效益就明显体现出来。

2 组合夹具提高劳动生产率，降低制造成本存放面积

在一些生产条件较差的企业鉴于组合夹具元件本身具有较高的制造精度，组装后的组合夹具能保证被加工零件的位置精度一般为IT8～9 级；经合理选择元件和精心调整，也可以达到 IT6～7 级。采用组合夹具安装工件可以减少机动时间和辅助时间，有利于采用较大的切削用量，减少机动时间。使用组合夹具，可省去找正安装，使工件的安装迅速、方便，大大地缩短了辅助时间。使用组合夹具还可以取消画线工序及工时，既不受工装系数的限制，又不受产品形状复杂程度的影响。组合夹具具有产品质量稳定、废品减少、劳动生产效率高的优势，还降低了工人的劳动强度，这些都可以大大降低加工成本。组合夹具元件可以反复使用，不断重新组合，而专用夹具虽为一个零件使用一套夹具，但逐年累积的成批量的专用夹具也占用了大量的车间面积，间接导致管理成本加大。

3 组合夹具适用于各种形状的零件应用广泛

组合夹具有较强的灵活性和较大的使用范围可以根据需要配置特殊的专用元件，就被加工零件的类型和尺寸而言，组合夹具可根据零件的形状、尺寸的大小而采用不同系列、不同规格的元件，形成各种系列复合应用的组合夹具。组合夹具适用于不同的企业生产类型，虽然组合夹具主要适用于多品种、小批量的生产，但是在某些大批量生产的企业，尤其是工具、机修和试制车间，组合夹具也正发挥着越来越积极、越来越重要的作用。

四、结论

通过实际的生产验证，本设计取得了较好的改进效果。

主要在实现生产效率的提高以及工装的制作成本上得到了很好的改善。同样大大减少了夹具设计与制造时间及劳动量、缩短了生产技术准备时间。节省了人力、物力、财力，无论是单件，成批产品生产或新产品试制都有较广泛应用。

（作者单位：长城汽车底盘研究院）