夹治具设计概论
1.1夹治具(Fixture Jig)的定义
一般而言,凡是在机械制造过程中,使任何加工程序能加速、方便或安全的辅助装置工具,均可称为夹具(Fixture).
广义的夹具可包括机器夹具(Machine Fixture),冲压夹具(press Fixture),热处理夹具(Heat Treatment Fixture),焊接夹具(Welding Fixture),装配夹具(Assembling Fixture)等等.
狭义的夹具,一般即指机器夹具,可简称为夹具,它主要用於机器加工,也是机器与工件、刀具之间的桥梁,目前较统称的定义为"用以装夹工件的装置工具"为夹具."用以装夹工件并配合引导刀具的装置工具"称为治具或钻模(Jig).
1.2夹治具的功能
夹具的功能:
在加工过程中,将工件维持在一安定的位置上,并吸收切削过程中产生的推力与变形力.-让工件能得到定位,维持较安定的加工精度.
由於夹具的制作成本与所要达到的精度成正比,因此,选择适当的精度,才能达到降低成本的要求.由於高精度的夹具一定贵,因此,我们往往必须在成本与效率做一选择.
1.3夹具的分类
一般可按夹具的通用性和使用特点,所使用的机器类型,
以及所用动力源进行分类,如表1所示.
4-2 夹具规划
2.1 夹治具规划要点
图(一) 夹具规划要点
2.2 夹具设计流程图
图(二) 夹具设计流程图
4-3 夹具设计考虑因素
设计重点:
(1) 构思:
-必须了解加工方法与切削过程.
-不要仅依靠自己的知识来判断,必须保持有别的看法之柔软性.
(2) 对下一工程的考虑点:
一要站在使用者的立场设计.
一优良的夹具设计是要考虑到价格、精度、安装容易与耐用.
(3) 设计上的重点项目:
一单纯.
一多使用标准品(市售品、标准规格品等),尽量避免使用特殊品.
-夹持必须配合加工物且要保持充份的刚性.
-考虑充份的调配性(标准品).
-考虑到安全第-.
-要注意基准面、基准点的设定,要统一前後工程,不可相互矛盾.
-加工物的中间尺寸与公差要确实检查.
-要考虑切屑处理.
-要设计成即使操作错误也是安全的.
-要考虑到作业者浪费动作,要提高手动机构的操作性.
-从使用频率与磨耗的关系来考虑耐久忤(零件的淬火等).
3.1 设计夹贝常用基准及其相互关系
表2 设计夹具常用基准及其相互关系
设计基准-设计图样上所采用基准
工序基准-在工程中采用的基准.
工序基准-在工序图上用来确定本工序被加工表面加工後的尺寸、形状位置的基准.
定位基准一在加工中用作定位的基准.
3.2 常用定位方法及定位元件
●工件以平面为定位基准的定位方法及定位元件
(1)支承钉与支承板,如图3(a),(b)
(2)调节支承及浮动自位支承,如图4(a),(b)
●工作以外圆柱面为定占基准的定位方法及定位元件,以工件
的-个外圆柱面作为定位基准时,常用的定位方法是将外圆
柱装在圆孔、半圆孔、V形块或定心夹紧机构中.後两种最
为常用. .
●工件以圆孔为定位基准的定位方法及定位元件,定位基准为
圆孔的工作,常用定位销及定位心轴定位.此外,还可利用
定心夹紧机构进行定位.
3.3 定位误差产生的原因
任意一批工件在夹具中加工时,引起加工尺寸产生误差的
主要原因有两类:
(1) 由於定位基准本身的尺寸和几何形状误差,以及定位基准与定位元件之间的间隙,所引起的同批工件定位基准沿加工尺寸方向的最大位移,称为定位基准位移误差,以△jy表示.
(2) 由於工序基准与定位基准不重合,所引起的同批工件工序
图三(a) 支承钉
图三(b) 支承板
图四(a) 调节支承件
图四(b) 浮动支承件
基准相对於定位基准而言沿加工尺寸方向的最大位移,称为基准不重合误差,以△jb表示.
上述两类误差之和即为定位误差,故可得
△aw=△jy+△jb
3.4 夹具的组成元件
按在夹具中的作用、地位及结构特点,组成夹只的元件可
分为以下各类
(1) 定位元件及定位装置
(2) 夹紧元件及夹紧装置
(3) 夹具体
(4) 对刀及导引元件装置(包括刀具导引元件,对刀装置及靠模装置)
(5) 动力装置
(6) 分度、对定装置
(7) 其他元件及装置(包括夹具各部份相互连接用的以及夹具
与机器相连接用的锁紧螺钉、销、键和各种手柄等.
3.5 定位、夹紧和装夹的概念
工件在加工之前须安放在夹具中,使其得到一个正确的位
置或方向,并使其在加工过程中虽然受到切削力及其他外力的
影响,仍能保证正确位置或方向.
根据上述过程划分而得出以下概念定义
?确定工件在机器上或夹具中有正确位置的过程,称为定位.
?工件定位後将其固定使其在加工过程中保持定位不变的操作,称为夹紧.
?将工件在机器上或夹具中定位,夹紧的过里,称为装夹.
3.6工件在夹具中的夹紧
夹紧的目的,是保证工件在夹具中的定位,不致因加工时受切削力、重力或伴生力(离心力、惯性力、热应力等)的作用而产生移动或振动.
夹紧装置可按夹紧机构的类型和夹紧装置的动力源来分类如表3夹紧装置的分类.
表3 夹紧装置的分类
3.7 夹紧机构应满足下列主要要求
(1) 夹紧装置在对工件夹紧时,不应破坏工件的定位,为此必须正确选择夹紧力的方向及着力点.
(2) 夹紧力的大小应该可靠,适当,要保证工件在夹紧後的变形和受压表面的损伤不致超过允许范围.
(3) 夹紧装置结构简单合理,夹紧动作要迅速,操纵方省力和安全.
(4) 夹紧力或夹紧行程在一定范围内可进行调整和补偿.
3.8 夹紧装置设计的内容和步骤
设计夹紧装置时,可按以下四个步骤确定夹紧力:
(1) 根据工序图绘制夹紧力示意图,在图中应表明夹紧力的作用点与方向及应考虑的其他力的作用情况;
(2) 确定夹紧元件结构;
(3) 确定夹紧装置所能产生的夹紧力.
l 夹紧力的作用点及作用方向
在选择夹紧力的作用点及作用方向时应考虑下面几点:
(1) 夹紧力应有助於定位,而不应破坏定位,在夹紧力作用
下,工件不应离开支承点.首先要保证主要定位基准与定位元件可靠度接触,最好使工件对各个支承都有一定的压力.对图5所示定位情况,应使夹紧力W1作用在主要定位基准的中心位置,以便对主要定位基准A、B、C支承点均产生压力.若有两个夹紧力,则W2应垂直作用在D点.在这种情况下,也可用夹紧力W3.代替W1与W2同时作用在主要定位支承上和辅助定位支承上,什工件得到可靠定位.
(2) 夹紧变形要小,特别对刚度差的工件更应予以注意.
(3) 保证加工中工件振动小,为此,夹紧点应尽量接近被加工表面,特别是对低刚度工件.
图五 夹力作用点及方向
●夹紧力的大小
计算夹紧力时,根据工件所受切削力P(或切削力矩MP)、夹紧力W以及摩擦力F(或摩擦力炬MF),对大工件还应考虑重力G,运动的工件还应考虑惯性力等,绘制夹紧示意图,见图6.然後,根据静力平衡条件,计算出理论夹紧力Wp,再乘以安全系数k ,得出实际夹紧力W.
在不考虑重力和其他伴生力的情况下,夹紧力的大小既与切削力的大小有关,也与切削力对支承的作用方向有关,图6为几种典型加工情况的夹紧示意图,所需夹紧力为:
钻削、拉削(图6(a)、(b))
W=kM/(fl Rfl+f2Rf2)N
铣削(图6(c))
W=kP/(f1+f2) N
车削(图6(d))
W=kP/(f~kPz/+3f) N
式中 k:安全系数,可按下式计算
k=k1k2k3k4
M:切削扭矩
f1、f2:夹紧元件、定位元件各自与工件接触表面的摩擦系数
Rf1、Rf 2:夹紧元件、定位元件各自与工件接触表面间的摩擦力矩半径
R:工件半径
f:夹紧爪工件间的摩擦系数
k1:一般安全系数,考虑增加夹紧力的可靠性和因工件材料性质及加工余量不均匀等引起的切削力的变化,一般取k1=1.5~2
k2:加工性质系数.粗加工取1.2,精加工取1.
k3:刀具钝化系数,考虑刀具磨钝後,切削力增大,一般取k3=1.1~1.3
k4:断续切削系数.断续切削时,取k4=1.2;连续切削时,取k4=1
图六 (a),(b) 夹紧示意图
图六(c),(d) 夹紧示意图
各种支承条件下的摩擦系数见表5
表4 各种支承条件下的摩擦系数
3.9 数控机器夹具的设计要点
设计数控加工用夹具时,除遵循一般夹具设计的原则外还应注意下列问题.
(1) 在数控加工中,为了确定加工点的空间位置,必须建立座标系.
(2) 数控加工批量较小,故应尽量可能采用标准化的通用夹具或组合夹具等.
(3) 为满足数控加工精度,要求夹具的定位,夹紧精度高.
(4) 夹具的结构应使工件在一次装夹後,能进行多个表面的多种加工.
(5) 夹紧件应牢靠,其位置应注意防止在进退刀或变换工位时发生碰撞.
(6) 自动让刀夹紧装置的设计,应保证其动作的准确可靠以及巳与刀具运动轨迹的协调.
4-4 组合夹具:(组合夹又称为模组化夹具)
4-l 传统式夹具及专用夹具的镗铣加工问题
(1) 一般传统夹具装设耗时.
(2) 设计和制造专用夹具时间久,成本高.
(3) 多种少量订货生产所需的夹具占用库房空间,库存成本高.
(4) 零件的设计变更造成现行夹具不适用或需修改,时效性不足.
针对以上问题,基於经济性及时效性观点来考虑,积木式的组合式夹具(图7)提供最好解决方法.
4-2 组合式夹具分类
(1) 梢孔式定位:以固定的节距(PITCH)的孔定位,分解後再重组容易适合於多种少量重覆性生产型态.
(2) T槽式位:(图8)T槽定位的自由度高,任意尺寸的孔定位能设定
(图9),但重覆组合时重现性不良,适用於单件生产的场合.
4-3 组合式夹具的特徵
(1) 本体:有方形基板(图10)、长方形基板、角座等,均可与综合加工机的工作台结合,一般平面度要求0.0l/100,槽距及孔距公差为±0.02 .
(2) 定位元件:考虑到工件可能以平面或孔定位方式,有肩部定位柱.径向定位柱、定位梢...等,其尺寸公工差要求在±0.01以内,而且是整批加工轮磨.
(3) 夹持元件:有整组夹持方式及单件夹持元件,M12螺纹用於一般夹时,Ml6螺纹用於重切削加工时之夹持.
以上零组件不论是T槽式或梢孔式均可互用,且具有下列多项优点.
l 不需要另外制作夹具零件或仅少部份定位元件需制作.
l 明显缩短夹具制作、组装时间,并能得到品质安定的夹持.
l 减少专用夹具的设计与制作,并减少库存空间及成本.
l 对於设计变更和急件的处理,能适切的提供.
图七 可像积木方式任意组合的组合式夹具
图八 可任意组合的T槽式组合式夹具
图九 任意两孔距定位
图十 T槽方形基板
4-5 结论
现今机械加工已由传统机器演进到CNC机器,但没有良好的工模或夹具的配合使用,仍然很难达到高品质及高产量,更无法降低生产成本.
无论工作机械的精度如何优良,如果加工物安装不良而产生变形或歪斜,都会因此降低加工精度;这唯有依赖工模夹具之辅助,才能达到合格精度与高品质的产品.
此外,为了确实达到降低成本,在产品开发设计时即应考虑加工物安装作业的合理化,如此能大量降低夹具设计制造成本.经由设计与制造的全盘考虑,定能有效降低生产成本.
