宋曉英， 胡林嵐， 王傳紅， 龍 青， 沈 鵬， 蔣洪勇

(揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州 225009)

便攜式拼裝夾具模型的創(chuàng)新設(shè)計(jì)及在教學(xué)中的應(yīng)用

宋曉英， 胡林嵐， 王傳紅， 龍 青， 沈 鵬， 蔣洪勇

(揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州 225009)

設(shè)計(jì)了一種夾具拼裝教學(xué)模型，采用箱式包裝。實(shí)驗(yàn)箱中包括21種非標(biāo)元件，12種改裝元件。可針對(duì)連桿、撥叉、軸套類(lèi)等被加工零件主樣件，實(shí)現(xiàn)夾具元件、機(jī)構(gòu)的靈活替換，完成典型零件30多道工序?qū)Ｓ脢A具模型的拼裝，展現(xiàn)鉆、銑、鏜等多種機(jī)床上的專(zhuān)用夾具結(jié)構(gòu)。拼裝教學(xué)模型的使用，方便了初學(xué)者熟悉夾具設(shè)計(jì)的思路和方法，更容易理解夾具設(shè)計(jì)原理中常用的定位、夾緊方式及設(shè)計(jì)原則。通過(guò)夾具模型元件的變換組裝，可為教師課程教學(xué)提供新穎的教學(xué)模式，并激發(fā)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和實(shí)踐動(dòng)手能力。夾具拼裝教學(xué)模型的元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造和使用方便，易于連接和拆卸，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

夾具； 模型； 拼裝； 創(chuàng)新設(shè)計(jì)； 實(shí)驗(yàn)箱

0 引 言

《機(jī)床夾具設(shè)計(jì)》是機(jī)械制造類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生必備的專(zhuān)業(yè)核心技能，要求學(xué)生能夠完成典型零件的工藝工裝設(shè)計(jì)，該課程實(shí)踐性強(qiáng)、應(yīng)用性范圍廣，但在教學(xué)中存在著理論與實(shí)踐聯(lián)系不夠的現(xiàn)象。外購(gòu)的單一類(lèi)型的夾具，價(jià)格高且數(shù)量有限，與教學(xué)的需要和內(nèi)容不能完全符合，影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性, 不利于學(xué)生夾具設(shè)計(jì)能力和專(zhuān)業(yè)綜合能力的提高。

目前生產(chǎn)企業(yè)采用的非通用夾具有專(zhuān)用夾具、組合夾具和可調(diào)夾具等幾種常用類(lèi)型[1-3]。便攜式拼裝夾具模型是在專(zhuān)用夾具基礎(chǔ)上，將組合夾具零部件易拆裝可反復(fù)使用和可調(diào)夾具零件可進(jìn)行調(diào)整的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，經(jīng)過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使得3種夾具以及工作特點(diǎn)在教學(xué)中都有所體現(xiàn)，夾具教學(xué)模型使用范圍更廣。

通過(guò)夾具模型拼裝可展現(xiàn)夾具常用的定位夾緊元件的結(jié)構(gòu)、使用方法、適用場(chǎng)合，并通過(guò)拼裝構(gòu)成鉆、銑、鏜等各種不同常用機(jī)床使用的夾具類(lèi)型，為教師教學(xué)演示及學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提供了一種新型的教學(xué)模式，對(duì)提高學(xué)生夾具設(shè)計(jì)水平、培養(yǎng)學(xué)生夾具的設(shè)計(jì)思想具有十分重要的作用[4]。

1 便攜式拼裝夾具模型的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1.1 被加工零件的選擇

設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇工藝及夾具設(shè)計(jì)教學(xué)中具有典型意義的加工零件——連桿、撥叉以及軸類(lèi)零件作為被加工零件[5-7]。在綜合考慮教學(xué)及實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)要求的基礎(chǔ)上，對(duì)被加工零件的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)限定。同時(shí)為使設(shè)計(jì)出的夾具模型元件具有互換性，可以反復(fù)循環(huán)使用，減少元件的數(shù)量，我們對(duì)被加工零件的尺寸進(jìn)行了整合。最終設(shè)計(jì)的被加工零件的主樣件如圖1所示。

(a)連桿(b)撥叉831002

(c)撥叉831006(d)撥叉831007(e)傳動(dòng)軸

圖1 被加工零件主樣件

1.2 拼裝夾具模型的組成和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

各類(lèi)機(jī)床夾具結(jié)構(gòu)千差萬(wàn)別，但就其組成元件都是由夾具體、定位元件、夾緊元件、導(dǎo)向元件、對(duì)刀元件以及夾具在工作臺(tái)上的定位件等部分組成[8-10]。通過(guò)對(duì)上述5種被加工零件主樣件的工藝分析，設(shè)計(jì)出相應(yīng)工序的夾具，并通過(guò)調(diào)整、規(guī)劃、修改，力爭(zhēng)使夾具模型的元件做到一件多用，最終將夾具模型中的非標(biāo)和改裝元件縮減到33個(gè)，可拼裝完成連桿、撥叉和軸類(lèi)零件加工過(guò)程中所需的鉆、銑、鏜、銑斷等工序的夾具教學(xué)模型30多套，包括了六點(diǎn)定位中一面兩銷(xiāo)、定位軸、V形塊及雙V形塊等多種典型定位方式，以及壓板夾緊、螺旋夾緊、偏心夾緊、斜楔夾緊等多種常見(jiàn)夾緊方式。

(1) 夾具體。夾具體是整套夾具的基礎(chǔ)。在拼裝夾具中創(chuàng)新設(shè)計(jì)了長(zhǎng)方形基礎(chǔ)板用作拼裝夾具的基礎(chǔ)件，如圖2所示。在長(zhǎng)方形基礎(chǔ)板的正面和四個(gè)側(cè)面上開(kāi)有T型槽，可用于連接安裝夾具上其他元件及裝置。并設(shè)計(jì)了側(cè)板與之結(jié)合，以構(gòu)成各種不同類(lèi)型的夾具體。

圖2 基礎(chǔ)板

(2) 定位元件及定位裝置。定位元件是用來(lái)確定被加工零件加工位置的元件或裝置。夾具模型中可用的定位元件有：① V型塊?？梢詫?shí)現(xiàn)單V型塊、雙V形塊等各種以工件外圓定位的方式。圖3為實(shí)例之一。② 圓柱銷(xiāo)、菱形銷(xiāo)、定位軸?？蓪?shí)現(xiàn)一面兩銷(xiāo)定位和各種以工件內(nèi)孔定位的方式。圖4所示為一面兩銷(xiāo)定位實(shí)例。

圖3 V型塊定位機(jī)構(gòu)圖4 一面兩銷(xiāo)定位

(3) 夾緊元件及夾緊裝置。① 螺旋夾緊元件及螺旋夾緊裝置：由夾緊側(cè)板、壓緊螺釘或開(kāi)口墊片、六角螺母等構(gòu)成。如圖5所示，可與活動(dòng)V型塊配合進(jìn)行夾緊。② 壓板夾緊元件及壓板夾緊裝置：包括支撐釘、支撐軸和壓板，如圖6所示。 ③ 偏心夾緊元件及夾緊裝置：由偏心輪、手柄和壓板組成。如圖7所示。 ④ 斜楔夾緊元件及夾緊裝置：采用夾緊側(cè)板、壓緊螺釘和斜楔擋塊組成。斜楔擋塊推進(jìn)時(shí)推動(dòng)頂銷(xiāo)上升，通過(guò)壓板壓緊工件。如圖8所示。

(4) 導(dǎo)向及對(duì)刀元件。用來(lái)確定刀具位置或引導(dǎo)刀具方向的元件，如鉆夾具中的鉆套、鏜夾具中的鏜套，以及銑夾具中的對(duì)刀塊等。根據(jù)使用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并改制了固定鉆套、可換鉆套和快換鉆套，圓形對(duì)刀塊與直角對(duì)刀塊等各種不同的元件模型。如圖9、10所示。

圖5 螺旋夾緊裝置圖6 壓板夾緊裝置

圖7 偏心夾緊裝置圖8 斜楔夾緊裝置

圖9 擴(kuò)孔用的固定鉆套圖10 銑平面用的圓形對(duì)刀塊

(5) 輔助元件。T型槽螺母：T型槽螺母大端可以嵌在T型槽內(nèi)，兩側(cè)面與T型槽之間采用動(dòng)配合以實(shí)現(xiàn)螺母在槽內(nèi)的滑動(dòng)，滿足定位和尺寸調(diào)節(jié)的需求。螺母凸出T型槽的部分則與其他元件相連接實(shí)現(xiàn)定位。如圖11所示。根據(jù)連接定位的需要，設(shè)計(jì)了3種結(jié)構(gòu)的T型槽螺母應(yīng)用于不同的場(chǎng)合。其余元件的設(shè)計(jì)不再細(xì)述。

圖11 T型槽螺母

1.3 夾具模型拼裝工作過(guò)程

拼裝夾具模型是根據(jù)被加工零件的加工工藝要求，從拼裝夾具模型庫(kù)中選擇所需的夾具元件，用搭積木的形式進(jìn)行拼裝并通過(guò)連接件緊固構(gòu)成夾具模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被加工零件定位夾緊的要求，在夾具模型使用后可拆散元件根據(jù)需要重新拼裝成新的夾具模型。其工作過(guò)程如下[11-12]：

(1) 課程預(yù)習(xí)。了解夾具基礎(chǔ)知識(shí)，了解拼裝夾具模型的基本組成；

(2) 選擇元件。針對(duì)所需設(shè)計(jì)夾具，從夾具模型庫(kù)中選擇夾具模型元件，了解其結(jié)構(gòu)、作用、選擇方法；

(3) 搭建模型。拼裝并調(diào)節(jié)夾具中元件的位置，并用連接件連接緊固，完成裝配；

(4) 模擬被加工零件裝夾過(guò)程。對(duì)被加工零件進(jìn)行定位、夾緊連續(xù)操作，體會(huì)夾具的裝夾過(guò)程，分析夾具的裝夾原理；

(5) 模型分析。根據(jù)模型結(jié)構(gòu)，分析夾具的不足之處，進(jìn)一步完善夾具的功能、結(jié)構(gòu)和精度，繪制夾具工程圖；

(6) 拆卸模型。完成課程任務(wù)后，將模型拆散，元件按“裝箱單”位置放入模型箱中，歸位后清點(diǎn)，以便后續(xù)拼裝其他夾具使用。

2 便攜式拼裝夾具模型在教學(xué)中的應(yīng)用

拼裝夾具模型雖不能替代專(zhuān)用夾具進(jìn)行生產(chǎn)，但其原理及結(jié)構(gòu)的相似性，足以滿足課程教學(xué)的需要。這里以主樣件連桿加工中鉆擴(kuò)鉸連桿小頭孔工序?yàn)槔齕13]，給出一套夾具的拼裝示例。

(1) 選擇元件。加工連桿所用夾具的拼裝元件如表1所示。

表1 連桿加工用夾具的拼裝元件

(2) 搭建夾具模型。選擇長(zhǎng)方形基礎(chǔ)板作為夾具的基礎(chǔ)元件；安裝固定V型塊；在長(zhǎng)方形基礎(chǔ)板的側(cè)面安裝側(cè)板作為支撐凸臺(tái)，在側(cè)板上安裝鉆模板及鉆套實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向。通過(guò)調(diào)節(jié)側(cè)板的左右位置和鉆模板的前后位置使鉆套中心與連桿小頭孔中心重合。在長(zhǎng)方形基礎(chǔ)板的另一側(cè)面安裝夾緊側(cè)板，旋動(dòng)壓緊螺釘，在壓緊螺釘前端安裝移動(dòng)檔塊，實(shí)現(xiàn)夾緊工件的效果。擰緊所有的連接螺釘。拼裝完成后夾具如圖12所示。

(3) 裝夾模擬。夾具利用長(zhǎng)方形基礎(chǔ)板的支撐面與連桿的定位基面重合，用一個(gè)平面限制了連桿沿x、y方向轉(zhuǎn)動(dòng)和z方向移動(dòng)的3個(gè)自由度；固定V型塊與連桿小頭外圓表面的配合限定了連桿沿x、y移動(dòng)的兩個(gè)自由度；再加上螺旋夾緊機(jī)構(gòu)中擋塊平表面與連桿端部平面的重合限定了沿z方向轉(zhuǎn)動(dòng)的一個(gè)自由度，從而實(shí)現(xiàn)了將連桿毛坯完全定位并夾緊在夾具上的工作要求[14]。

圖12 鉆擴(kuò)鉸小頭孔夾具三維建模與模型實(shí)物

(4) 模型分析。分析夾具結(jié)構(gòu)中還存在的問(wèn)題，如定位大平面表面無(wú)凸臺(tái)，夾緊擋塊會(huì)左右擺動(dòng)，連接件多帶來(lái)的夾具剛性較差等，進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)，繪制工程圖。

(5) 拆卸模型。要求學(xué)生按規(guī)則有序的完成拆卸與元件裝箱工作，培養(yǎng)良好的工場(chǎng)工作習(xí)慣，進(jìn)行工作現(xiàn)場(chǎng)5S素養(yǎng)的灌輸與實(shí)踐。

在教學(xué)中還通過(guò)以下方法進(jìn)一步提高學(xué)生對(duì)夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論計(jì)算的理解，以完成夾具的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)[15-16]：

(1) 要求學(xué)生在教學(xué)模型的基礎(chǔ)上，更換定位、夾緊方式，拼裝設(shè)計(jì)出各種結(jié)構(gòu)的夾具模型，思考多種夾具設(shè)計(jì)方案，拓展設(shè)計(jì)思路。

(2) 要求學(xué)生在夾具設(shè)計(jì)方案模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行夾具精度、強(qiáng)度、剛度的設(shè)計(jì)思考和計(jì)算，從理論上分析、計(jì)算出專(zhuān)用夾具的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，完善設(shè)計(jì)結(jié)果，完成專(zhuān)用夾具的工程圖設(shè)計(jì)。

該套模型已在我校的課程教學(xué)中投入使用，獲得了老師和同學(xué)的一致好評(píng)。

3 結(jié) 語(yǔ)

該便攜式拼裝夾具教學(xué)模型已成功申請(qǐng)國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利，其特點(diǎn)有如下幾點(diǎn)：

(1) 夾具模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單直觀。對(duì)定位、夾緊方法等夾具原理及結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)有很大幫助，裝箱后便于攜帶，方便教師教學(xué)演示以及學(xué)生學(xué)習(xí)和創(chuàng)新，適合教學(xué)使用。便攜式拼裝夾具教學(xué)模型實(shí)驗(yàn)箱如圖13所示。

圖13 拼裝夾具教學(xué)模型實(shí)驗(yàn)箱

(2) 資料完整，易學(xué)易用。夾具模型按照夾具類(lèi)型編寫(xiě)了配套的《拼裝式教學(xué)模型使用項(xiàng)目訓(xùn)練指南》，將不同的被加工零件中相同或者相似的工序放在一起進(jìn)行比較，方便分析不同零件加工中夾具之間的聯(lián)系和區(qū)別，并給出了典型夾具的拼裝過(guò)程和方法；按照被加工零件工藝流程步驟編寫(xiě)了《拼裝式教學(xué)模型使用手冊(cè)》，清晰明了的表示出5種被加工主樣件30多道工序所需的夾具模型元件以及定位夾緊方案，幫助師生方便拼裝，并有助于學(xué)生學(xué)習(xí)中的發(fā)散思維。

(3) 夾具模型的性?xún)r(jià)比較高。通過(guò)模型的拆卸和拼裝，可以實(shí)現(xiàn)拼裝夾具模型元件的循環(huán)使用；減少逐年積累的教學(xué)專(zhuān)用夾具的數(shù)量，減少專(zhuān)用夾具教學(xué)模型利用率不高造成的浪費(fèi)。

(4) 夾具模型擴(kuò)展性強(qiáng)。在現(xiàn)有模型元件的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加或改變個(gè)別元件及結(jié)構(gòu)，就可以組裝成不同的夾具模型。各學(xué)校在此基礎(chǔ)上可結(jié)合自身的教學(xué)要求，擴(kuò)大夾具模型的使用范圍。

綜上所述，便攜式拼裝夾具模型結(jié)構(gòu)獨(dú)特新穎，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，具有創(chuàng)新性，較好地解決了機(jī)床夾具設(shè)計(jì)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題，提高了課程的教學(xué)質(zhì)量，適合推廣使用，市場(chǎng)潛力較大。

[1] 陳旭東．機(jī)床夾具設(shè)計(jì)[M]．2版.北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[2] 朱耀祥，蒲林祥．現(xiàn)代夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009．

[3] 陳宏鈞．機(jī)械加工工藝裝備設(shè)計(jì)員手冊(cè)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[4] 羅紹新．機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[5] 趙家齊．機(jī)械制造工藝學(xué)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)[M]．2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007:44-50.

[6] 李 旦，邵向東，王 杰．機(jī)床專(zhuān)用夾具圖冊(cè)[M]．2版.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2005.

[7] 于大國(guó)．機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)與機(jī)械制造工藝學(xué)課程設(shè)計(jì)教程[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011.

[8] 孟憲棟．機(jī)床夾具圖冊(cè)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[9] 曹 巖．組合夾具手冊(cè)與三維圖庫(kù)(Solidworks版)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社．2013.

[10] 孫已德．機(jī)床夾具圖冊(cè)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983

[11] 姚榮慶．夾具應(yīng)用實(shí)訓(xùn)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[12] 王壽龍，魏小立．夾具使用項(xiàng)目訓(xùn)練教程[M]．北京：高等教育出版社，2011．

[13] 周益軍，王家珂．機(jī)械加工工藝編制及專(zhuān)用夾具設(shè)計(jì)[M]．北京：高等教育出版社，2012:117-120.

[14] 劉守勇，李增平．機(jī)械制造工藝與機(jī)床夾具[M]． 3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013．107

[15] 傅玲梅．機(jī)床夾具設(shè)計(jì)與制作[M]．北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008.

[16] 吳 拓．機(jī)械制造工藝與機(jī)床夾具課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M]．2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

Innovative Design of Portable Assembly Fixture Models and Their Application in Teaching

SONGXiaoying，HULinlan，WANGChuanhong，LONGQing，SHENPeng，JIANGHongyong

(School of Mechanical Engineering， Yangzhou Polytechnic College， Yangzhou 225009, China)

Portable assembly fixture models are designed for box-type packaging. An experiment trunk contains 21 non-standard and 12 modified parts. Focusing on connecting rods, shift forks, axle sleeves, and other machining parts, the design of portable assembly fixture models allows for flexible replacement of fixture elements. It can complete the assembly of special fixture elements to meet requirements of more than 30 working processes and to demonstrate the special fixture used on machines like drilling, milling, and boring machines. The models are used to facilitate the beginners getting familiar with the conceptions and methods of fixture design, and to help them understand the positioning and clamping as well as the design principle often used in fixture design. The flexible assembly of fixture models provides teachers with an innovative teaching mode and stimulates students to develop innovation and practical capabilities. The models consist of elements that are simple in structure, easy to make use, and convenient to connect and disassemble, and are therefore very economical and practical.

fixtures; models; assembly; innovative design; experiment trunk

2016-04-12

江蘇省高校品牌專(zhuān)業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目，編號(hào)PPZY2015C2

宋曉英(1958-)，女，江蘇揚(yáng)州人，學(xué)士，副教授，主要教學(xué)與研究方向：機(jī)械制造、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造。

Tel.:18005277328; E-mail:sxyhahaha@sohu.com

胡林嵐(1976-)，女，江蘇揚(yáng)州人，碩士，副教授，主要教學(xué)與研究方向：機(jī)械制造、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造。

Tel.:13815812902; E-mail:452846299@qq.com

TG 75

A

1006-7167(2017)04-0167-04