浅谈夹具的设计、加工和装配

宾利文

摘要：本文主要围绕夹具的设计、加工、装配展开探讨，其中，基于半导体产品可靠性测试的案例，针对夹具设计进行了分析，也针对机床夹具的设计实施了详细讨论，以期为相关研究提供参考。

关键词：夹具;设计;加工;装配

0  引言

在整个工业发展过程中，各个产品的检测、加工以及运输都离不开夹具的使用，如加工行业的机床夹具、半导体行业的可靠性测试夹具以及非标设备的各类专用夹具等等，一个好的夹具不仅仅可以大大提高工作效率节约时间成本、人工成本，更可以大大提高产品质量以及可靠性，因此，设计优良的夹具不管是对生产还是对检测或者是运输都很是重要。

1  用于半导体产品在做可靠性测试时的专用夹具设计案例

半导体产品在生产过程中会用到多功能推拉测试机检测产品金线或者铝线以及焊球的可靠性，线和球的大小都很小，几微米到几十微米，拿SOP系列、SOT系列来举例，这类产品比较长，尺寸是长250mm、宽70mm、厚0.2mm，测试方式为局部（30mm左右）测试完后移动产品测试下一个区域，目前大多数夹具的设计都比较长，整个托板有300毫米长厚8mm左右，为了上下两块板要压紧中间30mm左右的测试区域，所以平面度要求很高，其它长度区域只是用于托住产品防止下垂而导致损坏产品，对于这种长度的板不仅仅增加加工难度，而且很难保证加工要求，所以设计时需要结合加工的实际情况给出合理的设计方案，对于300mm厚8mm的板在加工时肯定会有变形，并且板越长越容易变形，这种方案不仅加工那边叫苦连天，且加工出来后还不一定合格，重量也重，因此设计时要避开薄长板和细长板，一定要保证测试区域的平面度，其它区域用其它方法托住产品即可，如板的长度设计成150mm，其它长度用两根杆代替，这样不仅保证了精度，还大大降低加工难度，节省了大量的加工时间和成本。

2  夹具设计

夹具设计不管是简单还是复杂都为实现一定的功能与应用，设计时更要考虑后续的加工和装配，对于量大的和量少的要用合理的加工工艺和选用适当的装配方法，降低生产成本，在设计过程中要考虑受力状态、结构强度、定位以及使用寿命。

2.1 设计内容分析

①受力状态。设计前首先要分析夹具的受力状态，不同的受力会影响到整个夹具形状，特别是有空间限制的设备，因此要分析整个受力状态，合理的布置夹具的形态。

②结构设计。它是保证夹具的性能和安全的关键，包括材料的选择、零部件的形状、强度和尺寸等各种计算、人机协调等等，在尺寸受限的情况更要考虑每个零部件的受力情况和形状，并优先采用标准件原则。

③定位。定位是整个夹具的核心，采用六点定位准则合理限制自由度，在实际设计中，限制的自由度只要能够满足条件即可，这样可以简化夹具，节省装夹时间，这叫不完全定位，特别要区分的是加紧和定位是两个概念，夹紧是让工件或者产品不移动，定位是每一个产品或工件是在同一个定位基准上。

④使用寿命。根据使用的环境和工作状况，夹具的磨损在所难免，因此易磨损的部位一定要设计成容易更换和检查，结构设计时合理的选着摩擦副，或者滑动摩擦设计成滚动摩擦，甚至热处理增加硬度等等，以便提高夹具的使用寿命。

2.2 机床夹具

①设计准备。实際开展机床夹具设计操作的过程中，需要确保各环节设计准备工作发挥出较高的实效性，准备工作的内容包括：原始资料收集和整理、了解设计目的，随后，需要对上述内容开展细化分类操作，简单来讲，即为设计人员对机电产品的零件设计及装配图纸开展详细的研究分析操作，然后，仔细观察各零件重要特征，包括刚度、形状、重量以及结构等。此外，针对一些特殊的机床夹具还应该对其零件毛坯种类和加工工艺流程、规定等进行有效分析和记录。

②设计流程：

1）了解夹具种类。夹具种类较为丰富，需要结合夹具的使用方法和使用目的对其进行设计。机床夹具的种类包括：组合夹具、通用夹具以及专用夹具等，基于机床差异化特点还可以分为铣床夹具、车床夹具等。基于此，实际开展机床夹具设计操作的过程中，有效了解夹具种类的重要性较高，如此一来，才可以确保相关设计操作的针对性，对于优化设计质量，节省设计时间均存在积极影响。

2）明确工序定位及夹紧方式。针对机床夹具开展具体设计的过程中，便需要仔细考量后期工作过程中可能出现的问题，以为后期各环节设计工作均可以发挥较高的有效性和精准性，设计时需要确保前后工序的统一，其中应重点注意的是，每次只能开展一次粗加工基准操作。同时，应用夹紧和和切削力平衡夹紧装置开展相关工作的过程中，应重视减少辅助的时间。

3）准确把握夹具基准。夹具的基准具体有：工件测量基准、刀基准等，实际开展工件加工操作时，开展基准操作的主要目的为对道具对应位置进行精准定位操作，经由合理调整及校对夹具的方式，可以促使夹具在具体应用时基于自身对应机床位置开展相应的调整和校对操作，如此一来，才可以确保夹具的基准统一，进而保证加工结果的准确性。

4）确保夹具体设计质量。一般来讲，夹具体的结构需要单独结合相关数据，利用专属的加工工艺手段开展具体设计。针对一些精密度要求较高的夹具还需要开展特殊处理，有助于防止后期操作过程中出现夹具变形问题。

3  夹具设计注意事项与加工工艺选择

一个夹具的设计流程：需求、出方案、确认方案、出图、安排加工、装配、测试、交货，整个项目中的配件需结合自身加工条件和设备合理的安排加工工艺和公差，加工一定会存在公差，设计时公差要合理，关键部位要求高的，加工很难达到的要通过结构设计规避，不能天马行空随意设计，如一个零件的台阶内侧要求不能有圆角，但加工一定会存在圆角，所以设计时可以通过工艺槽去掉加工圆角，不能靠加工设备保证零圆角，在比如砂轮的越程槽、螺纹的退刀槽，因此要避免高难度配件的加工，零部件要设计成简单易加工，并且尽量采用常规机加工设备加工，避免采用高尖设备加工，从而大大降低生产成本。

在安排加工工艺时，对每个零部件的要求要选着适当的加工工艺和加工方法，加工工艺如渗氮工艺、热处理工艺、去应力工艺等等，加工方法如磨削加工、CNC加工、铣床加工、车床加工甚至电火花和线切割加工等等，合理的加工方法和工艺可以大大提高产品的质量，保证加工精度，提高生产效率，更为后续夹具的装配节约大量的时间和成本。

4  夹具装配工艺

装配工艺分互换装配法、选配装配法、修配装配法，互换装配分完全互换法和不完全互换法，选配装配法分直接选配法、分组选配法、复合选配法，修配装配法又有单件修配、合并加工修配和自身加工修配。

4.1 通用夹具装配

通用夹具的装配工艺建议采用可互换法装配，一般通用夹具的量比较大，在成本允许的的前提下用完全互换法装配可大大提高生产效率，节约人工成本和时间成本，特别是在人工成本比较大的环境下，这点尤为重要。

4.2 专用夹具装配

专用夹具一般属于单套，加工成本比较高，因此建议采用修配装配法，降低加工成本，修配法可以达到很高的装配精度，不仅大大满足使用要求，虽然生产效率低，但是在量上基本上属于单套，所以在设计上就能想到用调整装配法，降低加工精度，节约加工成本。

5  结语

夹具的设计、零部件的加工和夹具装配三者不可分割，在设计时不仅要达到具体功能，还要考虑加工环节、装配环节，要能做到使每个零部件的加工方便，整套夹具的装配简单，容易达到预期的装配精度、运行精度、定位精度，在设计每个零部件时更要考虑到自身的加工条件，制定合理的加工工艺，避免大量定制，多用标准件。

参考文献：

[1]冯辰，洪婷婷，于洋洋.高职院校基于“蓝墨云”平台“机床夹具设计与应用”教学实证研究[J].职业技术，2019，18（12）：40-43.

[2]高红俐，朱楷勇，姜伟.高频谐振疲劳机载荷测量误差建模分析及试验夹具优化设计[J].中国机械工程，2019，30（22）：2675-2682.

[3]郭湖东，陈湃生，何鸿英.面向3C自动化生产线的装配工业机器人多功能组合夹具设计[J].科学技术创新，2019（29）：105-106.