工装夹具检具设计概论

工装夹具检具设计概论一、定义：工装——顾名思义即专门为保证特定机械零部件或整机批生产加工制造过程顺利进行而专门设计制造的辅助机械构件、模具、工具、夹具、检具或设备、即机械制造工艺装备。（为检测产品部件或整机性能而使用的检测工装及重点部位使用的尺寸或形状检具属一级工装，由产品设计人员设计，检验部门负责保管。为提高生产效率便于加工及保证质量而使用的工装属二级工装由工艺工程师设计，生产部门负责保管）夹具——机械制造中用于夹持工件以确保加工或装配过程的准确、可靠的实施而专门设计的机械机构或部件。（一般由工艺工程师设计）检具——为满足专门零部件的尺寸检测或形状确认及整机性能测试而专门设计的工具、机械构件或测试设备。（绝大部分由工艺工程师设计少数由设计人员设计）由于工装、夹具、检具往往是为特定的产品或零件加工工步而设计的，因此基本上是单件生产，用途不一，结构更是千差万别，难以在一本讲义中加以阐述，故本讲义对结构设计不作详细讨论，而着重讨论工装夹具检具设计的技术基础，设计思路及设计案例，至于模具类（如橡胶模、注塑模、吹塑模、吸塑模、滚塑模、挤出模、压铸模、冲压模（冲裁模、成型模、打弯模、切边模、整形模等）冷挤压模、粉末冶金模、失蜡浇铸用铸蜡模等等）其设计方法自成体系本文也不作探讨。二、工装夹具检具设计与机械产品设计的区别：机械产品设计概要：既然是“产品”一般都会进入与符合市场需要相适应的批量生产，因此产品的设计应服从与满足整机设计大纲（由市场调研人员与产品设计人员联合拟定），具体细分为：1．在满足整机大纲要求（成本控制、产品功能、使用寿命、工作环境，零部件在整机中的空间位置及相互连接关系，整机安装空间，人机工程学要求，整机重量、产品生产数量预测、环保、安全、维护保养等要素）的前提下进行零件的材料、尺寸、形状及表面粗糙度的设计。热处理与表面处理方案的选择，重要零件还要考虑检测方式、运输与包装等要素。2．根据整机的成本要求，综合平衡零件设计的材料选择、热处理表面处理设计及相关的考虑。3．根据整机的成本要求，零件的批量大小，加工设备的能力，考虑零件的形状与加工方法之间的平衡。4．重要零件需考虑必要的检测方法及技术条件（专用工装，样板等）。5．零件设计要考虑便于装配及拆卸（即有足够的拆卸空间，尽可能使用通用工具，符合人机工程学的设计）。6．要考虑安全性、可靠性及环保的要求（防火，人身安全，绝缘等级，重金属危害等等）。7．要考虑通用化与标准化的要求（能借用的零件尽量借用，材料选用尽量采用现有品种或市场易购品种，标准件尽量采用已有的规格，检测方法、技术条件（表面处理，热处理、粗糙度等）尽量采用标准传统方法或要求）。8．大批量生产的零件要考虑材料的可加工性。9．要考虑产品的包装及运输条件。工装、夹具、检具设计概要：1、工装、夹具、检具是为提高机械产品批生产的效率及保证机械产品的质量稳定性，从而达到降低产品生产成本的目的。因此工装、夹具、检具的设计制造要无条件的服从这个目的。2、工装、夹具、检具一般都为单件、套生产，但使用时间一般要求较长，模具类工装主要考虑使用寿命，维护保养条件等。夹具类工装主要考虑使用方便、安全、高效、可靠。检具类工装主要考虑使用方便、可靠、方便维护保养等。3、鉴于上述原因工装、夹具、检具类工装设计时成本问题要让位于安全、高效、可靠、寿命、使用方便等因素。4、设计时尽量利用成熟的标准件（如导柱、导套、紧固件、弹簧、五金件、气缸、液压缸、标准模架、快速夹头等）。5、对主要零件的设计要仔细设计金属材料与热处理的种类（如：调质、高频、渗碳淬火、渗氮淬火）的匹配及硬度选择，特别要考虑到热处理后零件变形的预防，相互有摩擦的零件要考虑硬度匹配及必要的润滑措施。6、表面处理要根据零件的功能仔细设计镀层的厚度及种类（镀锌、镀镍、镀光亮铬、阳极化、硬质阳极化、导电阳极化、镀硬铬、发蓝等）。三、工装夹具检具设计人员的技术基础要求工装、夹具、检具类工装设计的技术基础是丰富实践经验为基础的机械制造加工工艺知识，熟悉各类加工方法的特点，熟悉常用量具的应用，要做到看到一个零件就能立即反应出该零件是用什么方法制造出来的，它的加工工艺步骤又是怎么样的，用什么量具或设备来检测。工装、夹具、检具类工装设计员还应具备一定的机械传动、气动及液压传动知识，能熟练地使用各类标准件、通用件的产品样本，唯如此才有可能设计出符合实际需要的工装、夹具、检具来。一个不懂塑料材料特性和注塑工艺及注塑机，不懂得金属材料特性及切削加工特性，不懂得热处理表面处理应用的人，我们难以想象他能够独立设计出合理适用的注塑模。一个不了解手工钣金工艺的人的人，不了解板材表面处理方法的人，不熟悉金属材料焊接知识的人，不熟悉切削加工工艺，不熟悉热处理工艺应用的人，不了解金属材料特性、不了解冲压机工作原理的人，我们难以想象，他能够设计出合格冲压模来。一个不熟悉各类切削机床的操作及加工特性的人，对机械加工零件的定位知识一无所知的人，不具备基础钳工技能、不懂基准的概念与六点定位原理的人，不了解焊接方法的人，不了解常用五金零件应用的人，不具备机械装配知识的人，不了解热处理表面处理的人、是无法设计出使用可靠方便的各类夹具的、专用工具的。一个不具有常用量具及测量设备使用经验的人，没有钳工基础的人，不了解表面处理认出来工艺、不具备机械零件及整机设计、加工。加工基准与测量基准概念的人，是不可能设计出使用方便、可靠、精确的专用测量检具来的。综上所述要设计出合格的工装、夹具、检具需要丰富的生产实际经验，任何走捷径的想法都是不切实际的，只有老老实实向生产一线有经验的工程师及工人师傅学习，能吃苦、勤动手（亲自操作、模拟设计及做笔记）、勤思考、善于总结、急生产之所需，想工人之所想才能成长为一个合格的工装设计师。四、工装、夹具、检具设计的基础要点1、机械零件的装夹的方式直接找正装夹效率低，找正精度较高；适用单件小批量且形状简单的工件。下图中四爪卡盘本身即是一种夹具，只不过是一种通用夹具而已。百分表测量头百分表将百分表测量头置于工件圆周表面，将传动箱置于空挡，用手旋转四爪卡盘，当工件的旋转中心与机床的四爪卡盘中心不重合时百分表的指针就会跳动，此时分别调整四爪相对于卡盘中心的位置，适时转动卡盘观察百分表指针，直到指针基本不跳为止，此时工件的旋转中心与机床卡盘的旋转中心基本重合，可以开始车削加工。工件圆周表面四爪卡盘百分表测量头驱动刨床滑枕慢速前行，将百分表测量头轻轻顶住工件侧面，继续调整工件位置使工件的侧面尽量与滑枕的运动方向平行，一旦达到平行的要求，则滑枕往复运动时百分表指针应处于静止状态或只有轻微的抖动，至此工件加工前的调整工作完成。划线找正装夹通用性好，但效率低，精度不高；适用于单件小批量且形状复杂的铸件。将划针对准红线，将传动箱置于空挡，用手旋转卡盘，观察针尖与红线重合度，同时分别调整四爪相对于卡盘中心的位置，直到划针尖在卡盘旋转一周时始终与红线基本重合，此时工件的旋转中心与机床卡盘的旋转中心基本重合，可以开始车削加工。钳工划线划针钳工画的校正线把已画好线的工件，置于机床的工作台面，用划针检查校正线与工作台平面的平行度，并根据实际情况在工件底面用垫片调整工件的高度，直至用划针绕工件一周，其针尖始终与校正线重合为止，此时加工，工件的毛坯余量较为均匀。夹具装夹操作简单，效率高，容易保证加工精度，适用于各种生产类型。待插齿加工的齿轮定位芯轴夹具将夹具装于插床上，再将齿轮逐一装入夹具并紧固即可进行插齿加工。2、零件在夹具中定位后的夹紧三原则：零件在工装夹具中定位后的不移动原则选择夹紧力的方向指向定位基准（第一基准），且夹紧力的大小应足以平衡其它力的影响，不使零件在加工过程中产生移动。零件在工装夹具中定位后的不变形原则在夹紧力的作用下，不使零件在加工过程中产生精度所不允许的变形，必须选择合适的夹紧部位，调整好压板和零件的接触状态，施以合适的压紧力。零件在工装夹具中定位后的不振动原则确保支承和夹紧体系的刚性，夹紧部位应尽量靠近零件的加工区域，以避免零件和夹紧系统的振动。一般来讲，对粗加工用的夹具，选用较大的夹紧力，主要考虑零件的不移动原则，对精加工用的夹具，选用较小的夹紧力，主要考虑零件的不变形和不振动原则。3、基准的概念用于确定零件上其它点、线、面的位置所依据的那些点、线、面。基准的分类设计基准设计图样上所采用的基准就是设计基准。（图）A面即是设计基准工艺基准加工、测量、装配过程中使用的基准。定位基准在加工时用于工件定位的基准，称为定位基准。（图）A、B、C面即是工件的定位基准定位基准又分为：a、粗基准b、精基准c、辅助基准d、主要基准e、附加基准测量基准在加工中或加工后用来测量工件时采用的基准。装配基准在装配时用来确定零件或部件在产品中相对位置所采用的基准。4、六点定位定位是机械加工中一个极为重要的问题。要深刻理解和牢固掌握定位原理，熟知常用的定位方法。深刻理解欠定位与过定位的概念，正确分析和处理有关欠定位与过定位的问题。深刻理解定位误差的概念，能正确计算定位误差。六点定位原理任何未定位的工件在空间直角坐标系中都具有六个自由度。工件定位的任务就是根据加工要求限制工件的全部或部分自由度。工件的六点定位原理是指用六个支撑点来分别限制工件的六个自由度，从而使工件在空间得到确定定位轴上的台阶就是齿轮的装配基准的方法。上图为工件在空间的自由度与工件六点定位5、定位与夹紧的区别机械加工中的自由度是指工件在空间的位置不确定性。这里特别要注意将定位与夹紧的概念区分开来。工件一经夹紧，其空间位置就不能再改变，但这并不意味着其空间位置就是确定的位置。定位是工件在夹具中获得正确的位置夹紧是保证工件的位置不因外力的作用而发生改变。例如，板状工件安放在平面磨床的磁性工作台上，扳动磁性开关后，工件即被夹紧，其位置就被固定。但工件放在工作台什么位置上并不确定，既可以放在1的位置上，也可以放在2的位置上。六点定位原则中“点”的含义是限制工件自由度的要素，不要机械地理解成接触点。例如，下图所示板状工件安放工作台上，工件被限制了3个自由度是三点定位。可在实际上，工件与工作台面接触点可能有多个。6、限制自由度与加工技术要求的关系工件需限制几个自由度？需限制哪几个自由度？完全取决于加工技术要求。上图a所示为铣削长方体工件上平面工序，要求保证Z方向上的高度尺寸及上平面与底面的平行度，因此只需限制3个自由度（底平面定位）。上图b所示为铣削一个通槽，需限制除了X方向外的其他5个自由度（即一个底平面及一个长边侧面）。上图c所示在同样的长方体工件上铣削一个键槽，在三个坐标轴的移动和转动方向上均有尺寸及相互位置的要求，因此，这种情况必须限制全部的6个自由度，即完全定位。上图d所示过球体中心打一通孔，定位基面为球面，则对三个坐标轴的转动自由度均无必要限制，所以，限制X、Y、2个移动自由度就够了。上图e与b相比较，图e为圆柱体的工件，而图b为长方体工件。虽然，它们均是铣一个通槽，加工内容、要求相同。但是，加工定位时图b的定位基面是一个底面与一个侧面，而图e只能采用外圆柱面作为定位基面。则需限Z旋转Z移动、Y旋转Y移动4个自由度就可以了。若将图f与e对照：均是在圆柱体工件上铣通槽，但图f的加工要求增加了一条，被铣通槽与下端槽需对中。虽然，它们的定位基面仍是外圆面，但图f需增加对X旋转自由度的限制，共需限制5个自由度才正确。从上面几例分析可知，一般情况下：保证一个方向上的加工尺寸需要限制1--3个自由度。保证二个方向上的加工尺寸需要限制4--5个自由度。保证三个方向上的加工尺寸需要限制6个自由度。特殊性例外，如在圆球上铣平面需限制1个自由度，在圆柱上铣平面需限制2个自由度。7、工件的四种定位形式度完全被限制的定位称为完全定位。按加工要求，允许有一个或几个自由度不被限制的定位件定位时，以下几种情况允许采用不完全定位。坯（本工序加工前）是轴对称时。完全定位不完全定位工件的六个自由称为不完全定位。工加工通孔或通槽时，沿贯通轴的位置自由度可不限制毛绕对称轴的转动