夹具设计方案的分析与优化

夏宝林

（四川职业技术学院 机械工程系，四川 遂宁 629000）

1.前言

机床夹具是机械制造中十分重要的工艺装备，其设计的合理化程度直接影响零件的加工质量和效率，还会影响夹具的零部件制造、装配及安装调试，因此夹具设计完成后的分析和审核尤为重要，通过其可以优化夹具的设计方案，消除设计方案实施前的一些不合理因素，避免产生不必要的经济损失。

2.分析的基本任务

夹具总体方案设计完成后，设计者应对设计方案进行分析，然后通过审核才能具体实施，审核过程也是对设计方案的分析[1]。其基本任务如图1所示。

3.分析方法

3.1 定位方案

（1）结合粗、精基准的选择原则，分析定位基准选择是否合理。

图1 夹具设计方案分析的基本任务

（2）根据加工要求和生产类型，分析定位类型的应用是否合理。欠定位是绝对不允许采用的，重复定位必须消除其产生的不良后果方能使用。

（3）根据零件的定位表面，分析定位元件设计或选择是否合理。

3.2 夹紧方案

（1）根据夹紧力的方向和作用点的确定原则，分析夹紧力的方向和作用点的确定是否合理。

（2）根据生产纲领分析夹紧装置的自动化和复杂化程度是否合理。

（3）手动夹紧时，应分析夹紧机构的自锁性及是否操作方便、省时、省力。

3.3 对刀导向方案

普通机械加工通过对刀导向装置确定刀具与夹具的正确位置。数控加工通过对刀确定刀具的正确位置，不需设计对刀导向装置。

（1）普通铣床夹具选择或设计对刀装置，根据加工表面和夹具结构分析对刀装置的结构是否合理。

（2）普通钻床夹具选择或设计钻套，根据加工表面、生产类型及加工方案分析钻套的类型是否合理。

（3）普通镗床夹具选择或设计镗套，根据加工表面、生产类型及加工方案分析镗套的类型是否合理。

3.4 安装方案

夹具一般通过夹具体安装固定在机床主轴前端或工作台上。根据工件的加工要求、夹具结构尺寸、主轴前端和工作台的结构尺寸分析夹具的安装方案是否合理。

3.5 夹具精度

夹具精度包括定位误差（△D）、调安误差（△T-A）、加工方法误差（△G）。[2]

（1）对定位误差的进行分析和计算，通过△D＜1/3△K（工件公差）判定定位精度是否合理。

（2）对调安误差的分析和计算，通过△T-A＜1/3△K判定其是否合理。

（3）加工方法误差一般取1/3△K。

（4）如果△D+△T-A+△G＜△K，则夹具精度满足要求。

3.6 工艺性

夹具的工艺性是指夹具零部件的结构、加工、装配及维修等方面的工艺性。

（1）零部件的结构是否简单、紧凑，强度、刚性是否足够，结构工艺性是否合理。

（2）零部件的加工量是否最少，加工工艺性是否合理。

（3）装配基面是否正确，装配和拆卸是否方便，拆卸后能否避免误装，是否避免了装配时的切削加工。

4.案例分析与优化

4.1 零件及夹具

如图2所示零件，12+0.04 0孔及其两端面均已加工，本工序加工一平面，需保证尺寸74±0.16和平行度0.1。夹具如图3所示。

图2 杠杆

图3 夹具

4.2 定位方案

（1）定位时应限制的自由度：如图2所示零件，影响其加工要求的自由度有，定位时必须限制。

（2）定位方案限制的自由度：如图3所示定位方案，支承钉限制,定位心轴限制,夹具体限制，属于重复定位。

（4）优化方案：改变定位元件结构，消除重定位。将图3的定位心轴7与支承钉3改为图5的定位销5和辅助支承2，销限制，销的端平面限制。增加如图5的支承钉1，限制，使定位方案为完全定位。

4.3 夹紧方案：

（1）存在的问题：夹紧力的作用点远离加工表面，会使加工过程不稳定。装卸工件很费时。

（2）优化方案：在靠近加工表面处施加一夹紧力[3]，如图5所示。将图3的垫圈6改为图5的开口垫圈7，使夹紧螺母5的最大尺寸小于12mm。

4.4 对刀方案

（1）存在的问题：对刀块选择错误，平面加工应选圆形对刀块，而不是直角对刀块。对刀块工作表面与定位元件工作表面的尺寸确定错误。应通过解如图4的尺寸链确定。74±0.05是保证加工尺寸74±0.16的夹具制造尺寸，其公差为工件公差的1/2～1/5，是封闭环。3 0-0.014为塞尺的尺寸及公差，其应转化为2.993±0.007。A为定位元件工作表面至对刀块工作表面的尺寸，通过解尺寸链，A=71.007±0.043。

图4 对刀块尺寸链

（2）优化方案：采用对刀装置对刀，会加大夹具结构尺寸及夹具制造成本，采用试切法对刀会更合理。

4.5 安装方案

利用夹具体的底平面与机床工作接触，再通过定位键与工作台的T形槽的配合确定夹具在机床上的正确位置。

此方案没有设计夹具在机床上的夹紧方案。应在夹具体上设计耳座，如图5所示。

4.6 夹具精度

（1）精度计算与判定：尺寸74±0.16：①定位误差（△D），定位基准和工序基准均为底平面，基准重合△B=0。定位表面与定位元件均为平面，面与面接触，基准不会产生位移，基准位移误差△Y=0。△D=△B+△Y=0＜0.32/3。定位精度合理。②调安误差（△T-A），对刀调整误差（△T），△T=0.1。）夹具安装误差（△A），△A=0。△T-A=△T+△A=0.1＜0.32/3。对刀调整与夹具的安装精度合理。③加工方法误差△G，分析时可取其为工 件 公 差 的 1/3，△G=0.32/3=0.107。 △D+△T-A+△G=0.207＜0.32。夹具精度能满足加工要求。平行度0.1：①定位误差,定位基准和工序基准均为底平面，基准重合△B=0。定位表面与定位元件均为平面，面与面接触，基准不会产生位移，基准位移误差△Y=0。△D=△B+△Y=0＜0.1/3。定位精度合理。②调安误差，对刀误差△T=0。夹具安装误差△A=0。△T-A=△T+△A=0＜0.1/3。对刀调整与夹具的安装精度合理。③加工方 法 误 差 ，△G=0.1/3=0.03。 △D+△T-A+△G=0.03＜0.1。夹具精度能满足加工要求。

（2）精度超差的优化方案：①定位误差超差，提高定位副的精度,减小基准位移误差。改变定位方案，使基准不重合、基准位移误差或二者均等于零。②调安误差超差，提高对刀调整元件制造精度，改变对刀方式。提高安装配合表面的精度，增设找正基面，采用找正安装。③加工方法误差超差，增加工艺系统刚性，提高刀具精度，改变加工方法。

4.7 工艺性

（1）存在的问题，夹具体壁厚不均匀；装配零件的表面加工量大；螺孔及销孔为盲孔，加工工艺性差，销孔为盲孔也不便于拆装。[4]

（2）优化方案,如图5所示。使夹具体壁厚均匀；安装表面设3～5mm高凸台；销孔和螺孔设计为通孔。

图5 优化后的夹具

5.结束语

对夹具设计方案进行合理分析与优化，应具备机床夹具设计、机制工艺、金属切削机床、工程材料等方面的知识和丰富的实践经验；对设计方案的分析应综合考虑工件的加工要求、生产类型、加工方法、加工效率及夹具的制造成本等因素；能对设计方案进行合理分析，可以在方案设计过程中，有效避免影响方案合理性的一些因素。