□ 趙 元 □ 張麗麗

1.遼寧省數(shù)控機床信息物理融合與智能制造重點實驗室 遼寧撫順 113122 2.沈陽工學院 機械工程與自動化學院 遼寧撫順 113122

1 研究背景

隨著數(shù)控機床加工能力越來越強,人們對夾具柔性化提出了新要求,即需要夾具來滿足數(shù)控機床的加工能力和加工方式。柔性指根據(jù)生產(chǎn)工況的需要,工藝裝備與工藝路線能滿足多種產(chǎn)品的生產(chǎn)需求,縮短產(chǎn)品投放市場時間。柔性夾具指工件的形狀和尺寸有一定變化后,夾具還能適應加工需求的應變能力[1]。

為更好地適應快速多變的市場需求,制造企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)應具備一定的柔性。夾具是制造系統(tǒng)中的重要組成部分,夾具具備一定的柔性可以很好地滿足快速換產(chǎn)的需求。柔性夾具由于設(shè)計的自動化程度較低,而且沒有一般性方法可遵循,因此成為現(xiàn)代制造系統(tǒng)實現(xiàn)柔性的一個難點和瓶頸[2]。

2 柔性夾具發(fā)展

在機床傳統(tǒng)夾具中,可調(diào)整夾具適合于一組或若干組相似零件的加工。一種零件加工完畢后,只需要調(diào)整或更換夾具上的少數(shù)零件,就能用于加工新的工件，可更換的調(diào)整件需要專門設(shè)計制造[3]。

專用夾具指用于特定零件加工或零件制造中某工序的夾具，在產(chǎn)品相對穩(wěn)定、批量較大的生產(chǎn)中使用,可以有效降低勞動強度，提高生產(chǎn)效率，并獲得較高的加工精度。

通過對夾具的元件和合件標準化,按照組合化的原理,基于一套預制好的標準元件和合件,針對不同加工工況,能快速組合成所需的專用夾具,且能夠重復使用,這是組合夾具研發(fā)的出發(fā)點。組合夾具具有裝配速度快、元件利用率高、適用工況范圍廣等優(yōu)點。

結(jié)構(gòu)可調(diào)整夾具建立在加工零件具有一定形狀特征和加工特征相似性的基礎(chǔ)上,針對不同批次的加工零件,不用更換夾具元件或重新進行夾具的設(shè)計與組建,而只是調(diào)整某些夾具元件的空間位置，便能適應該批次零件的裝夾要求。結(jié)構(gòu)可調(diào)整夾具的優(yōu)點是只需通過夾具的結(jié)構(gòu)調(diào)整,而不需通過更換夾具元件的方法來滿足零件的裝夾要求[4]。

專用夾具、組合夾具和結(jié)構(gòu)可調(diào)整夾具的使用流程如圖1所示。

結(jié)構(gòu)可調(diào)整夾具可適應小范圍內(nèi)的柔性,組合夾具能滿足大范圍內(nèi)零件加工的需求。實現(xiàn)夾具柔性化的基礎(chǔ)是機床夾具的通用化、標準化、模塊化,能夠快速調(diào)整以滿足生產(chǎn)的需求。

柔性夾具以組合夾具為基礎(chǔ),由一套預先制造好的各種不同形狀、不同尺寸規(guī)格、不同功能的系列化、標準化元件和合件組裝而成[5]。

柔性夾具元件、合件具有較好的互換性和較高的精度及耐磨性[6]。柔性夾具能保證工件在規(guī)定的坐標位置上準確定位和牢固夾緊,粗加工時能承受較大的切削力,以充分發(fā)揮數(shù)控機床的加工能力，精加工時能很好地保證工件定位基準和加工表面的位置精度。柔性夾具還能根據(jù)數(shù)控機床的要求，保證夾具允許刀具接近盡可能多的加工表面，甚至全部加工表面,可減少機床的停機時間,能在一次裝夾多個工件的同時依次加工,可以減少夾具、刀具、工件系統(tǒng)的調(diào)整時間,減少刀具的更換次數(shù),更好地發(fā)揮數(shù)控機床、加工中心的高效性能[7]。

▲圖1 夾具使用流程

3 柔性夾具特點

柔性制造系統(tǒng)中加工設(shè)備主要是數(shù)控機床或加工中心,加工零件的精度靠機床自身精度來保證,操作者只需要保證零件在機床中的坐標位置。此外,在柔性制造系統(tǒng)生產(chǎn)方式下,盡可能保證工件在一次裝夾中完成多道工序的加工,這與專用夾具不同,即將專用夾具與工件的某一道工序相對接，變換成夾具必須與工件的多道工序或整個加工過程相對接[8]，由此使夾具結(jié)構(gòu)簡單,數(shù)量減少,零件加工精度提高。

柔性制造系統(tǒng)中夾具結(jié)構(gòu)是拼裝結(jié)構(gòu),有一個共同的基礎(chǔ)板,可定位夾緊一個或多個工件。柔性夾具不同于組合夾具,組合夾具適用于單件小批量生產(chǎn)[9]，柔性夾具具有一定的專用性,是根據(jù)具體的柔性制造系統(tǒng)加工工件而設(shè)計制造的,如果更換新的加工零件,只要其結(jié)構(gòu)外形、尺寸、定位基準形式等不超出系統(tǒng)原設(shè)計技術(shù)指標范圍,夾具系統(tǒng)仍可使用,只需重新拼裝即可。

柔性夾具的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，拼裝環(huán)節(jié)少，剛性好，易于滿足柔性制造系統(tǒng)中工件頻繁變換與自動化加工的需要。夾具元件的種類和數(shù)量少,制作柔性制造系統(tǒng)工裝費用低。存放柔性夾具及夾具元件的空間小,元件容易檢索，可快速完成設(shè)計與拼裝。

柔性夾具是針對特定柔性制造系統(tǒng)研制的夾具系統(tǒng)，夾具滿足柔性制造系統(tǒng)加工的需求,結(jié)構(gòu)簡單,裝卸迅速,一次裝夾完成多面加工。具有足夠的剛度和強度,可滿足大切削用量加工需求。設(shè)計有一定的通用性,有足夠的柔性,可滿足柔性制造系統(tǒng)加工多品種零件的需求。元件拼裝步驟少,可提高夾具的剛性,減小累積誤差。

4 柔性夾具設(shè)計依據(jù)

柔性夾具是針對某一具體柔性制造系統(tǒng)而研制的,所以對于不同的柔性制造系統(tǒng),由于選用的機床、零件結(jié)構(gòu)、加工特征等不同,必然會存在柔性夾具系統(tǒng)的不一致。柔性夾具設(shè)計時,必須做好兩方面的工作。

(1) 柔性制造系統(tǒng)對柔性夾具的要求。首先分析加工件的種類、結(jié)構(gòu)特征、零件類型、加工形式、加工精度和表面粗糙度要求等。其次了解柔性制造系統(tǒng)主要加工機床，包括機床主要技術(shù)參數(shù)、型式、加工能力等。最后確認夾具應該具備的特點要求,如尺寸、整體結(jié)構(gòu)、夾具材料、夾具質(zhì)量等。

(2) 零件常規(guī)加工和單機數(shù)控加工的特點。對于專用夾具、組合夾具、柔性夾具而言，都有基本的定位夾緊系統(tǒng)，在分析同類零件的加工方法時,著重了解夾具的定位和夾緊機構(gòu)、基礎(chǔ)板的結(jié)構(gòu)形式,進而明確柔性制造系統(tǒng)中柔性夾具的結(jié)構(gòu)形式。

在品種眾多的零件之間,存在著大量的相似性,只有充分利用這種相似性,才能科學地形成若干個零件族,減少柔性夾具設(shè)計成本和費用。

5 柔性夾具設(shè)計方法

研發(fā)柔性夾具系統(tǒng),首先要確定柔性制造系統(tǒng)中加工零件的類型。類型的確定要依據(jù)企業(yè)或加工對象的特征、柔性制造系統(tǒng)建立的規(guī)模及特點等眾多因素。

5.1 零件結(jié)構(gòu)及工藝分析

(1) 了解工件情況、工序要求和加工狀態(tài)。對柔性制造系統(tǒng)加工零件進行分析研究,主要包括加工零件的結(jié)構(gòu)特點、材料特點，零件的加工精度、加工余量，零件定位基準的選擇、精度、與加工特征的關(guān)系，夾緊點的選擇等。

(2) 了解數(shù)控機床、刀具的情況。夾具安裝在機床工作臺上,夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計時要了解機床工作臺規(guī)格尺寸、工作臺連接尺寸、加工空間、加工時機床的運動情況,同時也要了解加工刀具的主要結(jié)構(gòu)、尺寸、制造精度和技術(shù)條件等，這些都是必需的。

(3) 利用相似性原理實現(xiàn)分組。成組技術(shù)思想是設(shè)計夾具系統(tǒng)的主要依據(jù)之一,在詳細分析夾具結(jié)構(gòu)及工藝流程，明確夾具使用要求后,利用零件結(jié)構(gòu)、加工工藝、材料相似性原理將柔性制造系統(tǒng)加工零件劃分成零件族,這有利于簡化夾具結(jié)構(gòu)。

夾具結(jié)構(gòu)形式由加工零件外形尺寸、數(shù)控機床型式、加工工序內(nèi)容決定,夾具結(jié)構(gòu)確定時要滿足下列基本要求:① 使零件組內(nèi)任意一種零件迅速而穩(wěn)定地在夾具上安裝;② 具有良好的繼承性，特別是對于基礎(chǔ)件而言,以適應柔性制造系統(tǒng)加工零件品種增加的要求;③ 盡可能采用高效率的夾緊裝置;④ 具有良好的調(diào)整性能,力求操作簡便,性能可靠;⑤ 注意減小積累誤差，以保證足夠的剛度;⑥ 使結(jié)構(gòu)緊湊，操作安全、可靠。

柔性夾具系統(tǒng)設(shè)計時的關(guān)鍵是確定零件定位及夾緊最佳方案,在擬定和最后確定方案時,應注意下面兩個方面:首先，盡可能使組內(nèi)各零件處于最佳的加工位置,減少機床或刀具行程,減少機床和刀具的調(diào)整工作量；其次，若同組零件結(jié)構(gòu)形狀的相似程度較差或有關(guān)尺寸分散程度較大,則應按尺寸參數(shù)劃分調(diào)整組。

5.2 柔性夾具元件系列的確定

夾具結(jié)構(gòu)形式確定后,僅表明夾具結(jié)構(gòu)的大致形態(tài)和在數(shù)控加工機床上的安裝狀態(tài)。究竟這些夾具由哪些元件組成,哪些是通用標準件,哪些是專用件,則要根據(jù)柔性夾具的特點作進一步分析[10]。通過用最少的元件來完成柔性制造系統(tǒng)全部零件加工所需夾具的組裝,同時滿足柔性制造系統(tǒng)中同時組裝若干套夾具的需要，這樣既可以為企業(yè)節(jié)省費用,也可以為車間節(jié)省空間。

5.3 強度與精度保證

在一般夾具設(shè)計過程中，工裝常采用類比法進行結(jié)構(gòu)設(shè)計,通常能滿足要求,不需進行復雜的計算與分析。對于柔性夾具的設(shè)計,由于柔性制造系統(tǒng)加工零件結(jié)構(gòu)精度不一樣，柔性制造系統(tǒng)對夾具設(shè)計提出的要求也不同,再加上柔性夾具自身的特點等,夾具基礎(chǔ)件有可能制成專用件。如孔槽相間的基礎(chǔ)板,既可以是平板式，又可以是整體立碑式，還可以是組合碑座式。如果不加分析就把基礎(chǔ)板制造出來,不僅達不到柔性制造系統(tǒng)對夾具提出的要求,而且會造成極大浪費和損失。對此，可通過有限元分析對正在設(shè)計的夾具進行仿真,通過應力與位移分析,從多種方案中選擇一種最優(yōu)設(shè)計方案。

6 結(jié)束語

柔性夾具系統(tǒng)是一種高效的、可循環(huán)重復多次使用的現(xiàn)代化夾具系統(tǒng)，可以組裝成各種夾具，適應現(xiàn)代加工的需求。柔性夾具對于制造企業(yè)而言，一方面大大節(jié)省了設(shè)計和制造成本,另一方面縮短了夾具的制造周期,能夠適應現(xiàn)代生產(chǎn)所要求的小批量、換產(chǎn)快特點。