夾治具設計概論
1.1夾治具(Fixture Jig)的定義
一般而言,凡是在機械制造過程中,使任何加工程序能加速、方便或安全的輔助裝置工具,均可稱為夾具(Fixture).
廣義的夾具可包括機器夾具(Machine Fixture),沖壓夾具(press Fixture),熱處理夾具(Heat Treatment Fixture),焊接夾具(Welding Fixture),裝配夾具(Assembling Fixture)等等.
狹義的夾具,一般即指機器夾具,可簡稱為夾具,它主要用於機器加工,也是機器與工件、刀具之間的橋梁,目前較統稱的定義為"用以裝夾工件的裝置工具"為夾具."用以裝夾工件并配合引導刀具的裝置工具"稱為治具或鉆模(Jig).
1.2夾治具的功能
夾具的功能:
在加工過程中,將工件維持在一安定的位置上,并吸收切削過程中產生的推力與變形力.-讓工件能得到定位,維持較安定的加工精度.
由於夾具的制作成本與所要達到的精度成正比,因此,選擇適當的精度,才能達到降低成本的要求.由於高精度的夾具一定貴,因此,我們往往必須在成本與效率做一選擇.
1.3夾具的分類
一般可按夾具的通用性和使用特點,所使用的機器類型,
以及所用動力源進行分類,如表1所示.
4-2 夾具規劃
2.1 夾治具規劃要點
圖(一) 夾具規劃要點
2.2 夾具設計流程圖
圖(二) 夾具設計流程圖
4-3 夾具設計考慮因素
設計重點:
(1) 構思:
-必須了解加工方法與切削過程.
-不要僅依靠自己的知識來判斷,必須保持有別的看法之柔軟性.
(2) 對下一工程的考慮點:
一要站在使用者的立場設計.
一優良的夾具設計是要考慮到價格、精度、安裝容易與耐用.
(3) 設計上的重點項目:
一單純.
一多使用標準品(市售品、標準規格品等),盡量避免使用特殊品.
-夾持必須配合加工物且要保持充份的剛性.
-考慮充份的調配性(標準品).
-考慮到安全第-.
-要注意基準面、基準點的設定,要統一前後工程,不可相互矛盾.
-加工物的中間尺寸與公差要確實檢查.
-要考慮切屑處理.
-要設計成即使操作錯誤也是安全的.
-要考慮到作業者浪費動作,要提高手動機構的操作性.
-從使用頻率與磨耗的關系來考慮耐久忤(零件的淬火等).
3.1 設計夾貝常用基準及其相互關系
表2 設計夾具常用基準及其相互關系
設計基準-設計圖樣上所采用基準
工序基準-在工程中采用的基準.
工序基準-在工序圖上用來確定本工序被加工表面加工後的尺寸、形狀位置的基準.
定位基準一在加工中用作定位的基準.
3.2 常用定位方法及定位元件
●工件以平面為定位基準的定位方法及定位元件
(1)支承釘與支承板,如圖3(a),(b)
(2)調節支承及浮動自位支承,如圖4(a),(b)
●工作以外圓柱面為定占基準的定位方法及定位元件,以工件
的-個外圓柱面作為定位基準時,常用的定位方法是將外圓
柱裝在圓孔、半圓孔、V形塊或定心夾緊機構中.後兩種最
為常用. .
●工件以圓孔為定位基準的定位方法及定位元件,定位基準為
圓孔的工作,常用定位銷及定位心軸定位.此外,還可利用
定心夾緊機構進行定位.
3.3 定位誤差產生的原因
任意一批工件在夾具中加工時,引起加工尺寸產生誤差的
主要原因有兩類:
(1) 由於定位基準本身的尺寸和幾何形狀誤差,以及定位基準與定位元件之間的間隙,所引起的同批工件定位基準沿加工尺寸方向的最大位移,稱為定位基準位移誤差,以△jy表示.
(2) 由於工序基準與定位基準不重合,所引起的同批工件工序
圖三(a) 支承釘
圖三(b) 支承板
圖四(a) 調節支承件
圖四(b) 浮動支承件
基準相對於定位基準而言沿加工尺寸方向的最大位移,稱為基準不重合誤差,以△jb表示.
上述兩類誤差之和即為定位誤差,故可得
△aw=△jy+△jb
3.4 夾具的組成元件
按在夾具中的作用、地位及結構特點,組成夾只的元件可
分為以下各類
(1) 定位元件及定位裝置
(2) 夾緊元件及夾緊裝置
(3) 夾具體
(4) 對刀及導引元件裝置(包括刀具導引元件,對刀裝置及靠模裝置)
(5) 動力裝置
(6) 分度、對定裝置
(7) 其他元件及裝置(包括夾具各部份相互連接用的以及夾具
與機器相連接用的鎖緊螺釘、銷、鍵和各種手柄等.
3.5 定位、夾緊和裝夾的概念
工件在加工之前須安放在夾具中,使其得到一個正確的位
置或方向,并使其在加工過程中雖然受到切削力及其他外力的
影響,仍能保證正確位置或方向.
根據上述過程劃分而得出以下概念定義
?確定工件在機器上或夾具中有正確位置的過程,稱為定位.
?工件定位後將其固定使其在加工過程中保持定位不變的操作,稱為夾緊.
?將工件在機器上或夾具中定位,夾緊的過里,稱為裝夾.
3.6工件在夾具中的夾緊
夾緊的目的,是保證工件在夾具中的定位,不致因加工時受切削力、重力或伴生力(離心力、慣性力、熱應力等)的作用而產生移動或振動.
夾緊裝置可按夾緊機構的類型和夾緊裝置的動力源來分類如表3夾緊裝置的分類.
表3 夾緊裝置的分類
3.7 夾緊機構應滿足下列主要要求
(1) 夾緊裝置在對工件夾緊時,不應破壞工件的定位,為此必須正確選擇夾緊力的方向及著力點.
(2) 夾緊力的大小應該可靠,適當,要保證工件在夾緊後的變形和受壓表面的損傷不致超過允許范圍.
(3) 夾緊裝置結構簡單合理,夾緊動作要迅速,操縱方省力和安全.
(4) 夾緊力或夾緊行程在一定范圍內可進行調整和補償.
3.8 夾緊裝置設計的內容和步驟
設計夾緊裝置時,可按以下四個步驟確定夾緊力:
(1) 根據工序圖繪制夾緊力示意圖,在圖中應表明夾緊力的作用點與方向及應考慮的其他力的作用情況;
(2) 確定夾緊元件結構;
(3) 確定夾緊裝置所能產生的夾緊力.
l 夾緊力的作用點及作用方向
在選擇夾緊力的作用點及作用方向時應考慮下面幾點:
(1) 夾緊力應有助於定位,而不應破壞定位,在夾緊力作用
下,工件不應離開支承點.首先要保證主要定位基準與定位元件可靠度接觸,最好使工件對各個支承都有一定的壓力.對圖5所示定位情況,應使夾緊力W1作用在主要定位基準的中心位置,以便對主要定位基準A、B、C支承點均產生壓力.若有兩個夾緊力,則W2應垂直作用在D點.在這種情況下,也可用夾緊力W3.代替W1與W2同時作用在主要定位支承上和輔助定位支承上,什工件得到可靠定位.
(2) 夾緊變形要小,特別對剛度差的工件更應予以注意.
(3) 保證加工中工件振動小,為此,夾緊點應盡量接近被加工表面,特別是對低剛度工件.
圖五 夾力作用點及方向
●夾緊力的大小
計算夾緊力時,根據工件所受切削力P(或切削力矩MP)、夾緊力W以及摩擦力F(或摩擦力炬MF),對大工件還應考慮重力G,運動的工件還應考慮慣性力等,繪制夾緊示意圖,見圖6.然後,根據靜力平衡條件,計算出理論夾緊力Wp,再乘以安全系數k ,得出實際夾緊力W.
在不考慮重力和其他伴生力的情況下,夾緊力的大小既與切削力的大小有關,也與切削力對支承的作用方向有關,圖6為幾種典型加工情況的夾緊示意圖,所需夾緊力為:
鉆削、拉削(圖6(a)、(b))
W=kM/(fl Rfl+f2Rf2)N
銑削(圖6(c))
W=kP/(f1+f2) N
車削(圖6(d))
W=kP/(f~kPz/+3f) N
式中 k:安全系數,可按下式計算
k=k1k2k3k4
M:切削扭矩
f1、f2:夾緊元件、定位元件各自與工件接觸表面的摩擦系數
Rf1、Rf 2:夾緊元件、定位元件各自與工件接觸表面間的摩擦力矩半徑
R:工件半徑
f:夾緊爪工件間的摩擦系數
k1:一般安全系數,考慮增加夾緊力的可靠性和因工件材料性質及加工余量不均勻等引起的切削力的變化,一般取k1=1.5~2
k2:加工性質系數.粗加工取1.2,精加工取1.
k3:刀具鈍化系數,考慮刀具磨鈍後,切削力增大,一般取k3=1.1~1.3
k4:斷續切削系數.斷續切削時,取k4=1.2;連續切削時,取k4=1
圖六 (a),(b) 夾緊示意圖
圖六(c),(d) 夾緊示意圖
各種支承條件下的摩擦系數見表5
表4 各種支承條件下的摩擦系數
3.9 數控機器夾具的設計要點
設計數控加工用夾具時,除遵循一般夾具設計的原則外還應注意下列問題.
(1) 在數控加工中,為了確定加工點的空間位置,必須建立座標系.
(2) 數控加工批量較小,故應盡量可能采用標準化的通用夾具或組合夾具等.
(3) 為滿足數控加工精度,要求夾具的定位,夾緊精度高.
(4) 夾具的結構應使工件在一次裝夾後,能進行多個表面的多種加工.
(5) 夾緊件應牢靠,其位置應注意防止在進退刀或變換工位時發生碰撞.
(6) 自動讓刀夾緊裝置的設計,應保證其動作的準確可靠以及巳與刀具運動軌跡的協調.
4-4 組合夾具:(組合夾又稱為模組化夾具)
4-l 傳統式夾具及專用夾具的鏜銑加工問題
(1) 一般傳統夾具裝設耗時.
(2) 設計和制造專用夾具時間久,成本高.
(3) 多種少量訂貨生產所需的夾具占用庫房空間,庫存成本高.
(4) 零件的設計變更造成現行夾具不適用或需修改,時效性不足.
針對以上問題,基於經濟性及時效性觀點來考慮,積木式的組合式夾具(圖7)提供最好解決方法.
4-2 組合式夾具分類
(1) 梢孔式定位:以固定的節距(PITCH)的孔定位,分解後再重組容易適合於多種少量重覆性生產型態.
(2) T槽式位:(圖8)T槽定位的自由度高,任意尺寸的孔定位能設定
(圖9),但重覆組合時重現性不良,適用於單件生產的場合.
4-3 組合式夾具的特徵
(1) 本體:有方形基板(圖10)、長方形基板、角座等,均可與綜合加工機的工作臺結合,一般平面度要求0.0l/100,槽距及孔距公差為±0.02 .
(2) 定位元件:考慮到工件可能以平面或孔定位方式,有肩部定位柱.徑向定位柱、定位梢...等,其尺寸公工差要求在±0.01以內,而且是整批加工輪磨.
(3) 夾持元件:有整組夾持方式及單件夾持元件,M12螺紋用於一般夾時,Ml6螺紋用於重切削加工時之夾持.
以上零組件不論是T槽式或梢孔式均可互用,且具有下列多項優點.
l 不需要另外制作夾具零件或僅少部份定位元件需制作.
l 明顯縮短夾具制作、組裝時間,并能得到品質安定的夾持.
l 減少專用夾具的設計與制作,并減少庫存空間及成本.
l 對於設計變更和急件的處理,能適切的提供.
圖七 可像積木方式任意組合的組合式夾具
圖八 可任意組合的T槽式組合式夾具
圖九 任意兩孔距定位
圖十 T槽方形基板
4-5 結論
現今機械加工已由傳統機器演進到CNC機器,但沒有良好的工模或夾具的配合使用,仍然很難達到高品質及高產量,更無法降低生產成本.
無論工作機械的精度如何優良,如果加工物安裝不良而產生變形或歪斜,都會因此降低加工精度;這唯有依賴工模夾具之輔助,才能達到合格精度與高品質的產品.
此外,為了確實達到降低成本,在產品開發設計時即應考慮加工物安裝作業的合理化,如此能大量降低夾具設計制造成本.經由設計與制造的全盤考慮,定能有效降低生產成本.
