1 前言

　　機床夾具在機械制造業(yè)中應(yīng)用很廣。由機床夾具和機床、刀具、工件組成的加工工藝系統(tǒng)，能夠根據(jù)工藝要求，迅速實現(xiàn)工件的定位和夾緊，并在加工過程中保持它們之間相對位置的正確。毫無疑問，使用夾具，可提高勞動生產(chǎn)率和加工精度。

　　隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，近年各家齒輪制造公司從國內(nèi)外引進了大量的數(shù)控加工設(shè)備，并推行精益生產(chǎn)方式。新技術(shù)、新設(shè)備、新的管理方法的應(yīng)用，使機械加工的現(xiàn)場條件發(fā)生了很大變化。面對這些變化，如何與時俱進地進行機床夾具的設(shè)計，成為工藝設(shè)計人員不可回避的問題。最近，有關(guān)人員對筆者曾經(jīng)設(shè)計的幾個機床夾具的原理進行咨詢，而筆者也一直在關(guān)注這幾個夾具的應(yīng)用情況，故拿來作為案例進行簡要分析;同時結(jié)合現(xiàn)場的生產(chǎn)條件，對如何才能與時俱進地進行機床夾具設(shè)計這一問題進行探討。

　　2 幾個機床夾具的設(shè)計思路

　　以下分析的幾個機床夾具，均為在新設(shè)備應(yīng)用或進行精益生產(chǎn)推進的過程中產(chǎn)生的，這里對在當時特定環(huán)境下的夾具設(shè)計思路及遇到的主要問題進行簡要的分析。

　　2.1 雙工位倒檔齒壓銅套夾具

　　在汽車變速器齒輪的中，常有在內(nèi)孔中鑲銅套的齒輪。這些齒輪的加工工藝過程一般有：制齒→硬化處理→壓銅套→車(磨)內(nèi)孔。設(shè)計安全高效的壓銅套夾具，離不開對其工藝過程的仔細分析。

        2.1.1 問題的提出

　　壓銅套工序的設(shè)備放置在熱前加工區(qū)域，為與熱前壓其它齒輪的同步器接合齒環(huán)共用的設(shè)備，由同一人操作。根據(jù)精益生產(chǎn)布線需要，為減少不必要的搬運浪費，并平衡工作量，需將壓銅套工序調(diào)整到熱后加工區(qū)域，由其下一工序(車內(nèi)孔)的操作者完成。

　　2.1.2 問題的分析

　　通過對原來的壓銅套工序過程進行分析，認為有以下幾點不能滿足調(diào)整后的要求：

　　1)動作過于復雜，致使工序節(jié)拍過長，不能滿足一人多機的要求。

　　原來的壓銅套工序使用的工裝如圖1所示，其工序過程的內(nèi)容為：右手取工件→將工件放工作臺上→左手取銅套→將銅套對準齒輪孔口→右手取壓具→將壓具裝入銅套孔中→左手持壓具→右手操作壓床手把→壓入→檢查(是否壓到位或存在切邊)→拿走工件。由此可見，一次成功的壓銅套操作需要11個動作才能完成，動作復雜，操作者勞動強度大，熟練的操作需要15秒。

　　圖1 壓銅套工裝

　　2)不能可靠地保證工序質(zhì)量。

　　3)在壓入的過程中，一手持壓具，一手操作設(shè)備，存在安全隱患。

　　2.1.3 新設(shè)計方案

       對以上動作過于復雜的原因進行分析，主要是由于原來的夾具在工序進行的過程中不具備定位、導向的功能，完全靠操作者保證工件在加工過程中的相對位置的正確性。銅套和工件的硬度相差較大，在壓入的整個過程中，如果銅套與工件的相對位置不能保證，很容易產(chǎn)生切邊甚至報廢現(xiàn)象。必須解決銅套和工件兩者的定位問題，才能避免發(fā)生切邊或報廢現(xiàn)象。

　　雙工位倒檔齒壓銅套夾具(圖2)主要設(shè)計思路是：

　　圖2 雙工位壓銅套夾具

　　1)采用帶頂尖孔的軸向浮動的臺階式定位芯軸。

　　一方面解決在整個壓入過程中銅套和工件的集中定位問題，另一方面解決在壓入行程結(jié)束時兩這定位關(guān)系的順利交接。

　　2)采用帶頂尖的上壓頭。

　　由于壓入行程較長且工件的孔較小，因而芯軸也細長，采用這樣的上壓頭可以起到導向的作用，使芯軸不至于傾斜。同時，頂尖在夾具的安裝調(diào)試時兼起自動找正中心的作用。

　　3)采用兩件同時壓入(即雙工位)。

　　在底座上及上壓頭上設(shè)計兩個(或4個)壓入加工位置，一方面實現(xiàn)多件同時加工，提高生產(chǎn)效率。另一方面在整個過程均采用雙手操作，避免產(chǎn)生壓床操作安全事故。

　　使用多工位倒檔齒壓銅套夾具，其工序過程的內(nèi)容為：雙手取工件→將工件套芯軸上→雙手取銅套→將銅套套芯軸上→雙手按按扭→壓入→雙手按按扭→雙手拿走工件。同時完成兩個工件的加工，只需8個動作，動作簡化，無人為檢查內(nèi)容，熟練的操作只需10秒(2件)。

　　2.2 數(shù)控復合磨夾具

　　進口高效的數(shù)控設(shè)備的應(yīng)用，在提高了機床夾具設(shè)計水平的同時，也改變了高精度夾具的加工制造能力。只有充分考慮現(xiàn)場設(shè)備條件，才可以使夾具的設(shè)計制造成為可能。

　　2.2.1 問題的提出

       進口的數(shù)控端面內(nèi)控外圓復合磨床，由于受其使用的夾具國內(nèi)無法制造，只能委托原夾具制造商制造，所以一直只能用隨機附帶的兩個夾具加工2種產(chǎn)品，設(shè)備利用率不高。為了降低夾具成本，提高機床利用率，進行其夾具的國產(chǎn)化設(shè)計具有現(xiàn)實意義。

　　2.2.3 問題的分析

　　通過分析，隨機附帶夾具與其它內(nèi)圓磨床的相同之處是夾具體均為彈性膜片，不同之處是工件的夾緊元件。進口機床加工時工件主軸轉(zhuǎn)速高，在加工工件后端面時對工件有向前的拉力，在夾緊元件(圖3)設(shè)計時采用整體焊接形式，并將夾緊用的卡爪設(shè)計成安裝在座體的孔內(nèi)，卡爪的頭部采用三角形楔塊形式。

　　圖3 夾緊元件

　　該夾具的設(shè)計難點是：整體焊接結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有條件無法加工制造;卡爪(3個)頭部三角形楔塊角度的確定及在加工時的一致性和對稱度難以保證。

　　2.2.3 新設(shè)計方案

　　在機械設(shè)計中，對加工難以控制的尺寸和精度，經(jīng)常在總成裝配時通過調(diào)整法獲得相應(yīng)的精度。因此，可以通過對原夾具進行解體設(shè)計(圖4)，用螺栓連接組裝，通過調(diào)整法獲得所需要的精度。

圖4  CERES320組合夾具

        在進行解體設(shè)計時，要注意以下幾點：

　　1)在零件設(shè)計時，設(shè)計必要的基準作為整個夾具裝配調(diào)整的基準。

       2)考慮進口機床的轉(zhuǎn)速較高，各零件尺寸的大小及公差選擇應(yīng)合理，避免夾具在使用中運轉(zhuǎn)不平衡，造成加工振紋或不合格現(xiàn)象，特別是對于工件齒數(shù)不能被3整除的工件。

　　3)為擴大夾具的使用范圍，應(yīng)考慮一定的調(diào)整范圍，以滿足不同大小工件的加工，避免不必要的重復設(shè)計。

　　4)卡爪頭部三角形楔塊的加工精度及一致性，普通的磨床難以保證，可以充分利用引進的進口數(shù)控工具磨床進行加工保證。

　　2.3 通用滾中間軸夾具

圖5  中間軸滾齒夾具

　　為數(shù)控加工設(shè)備設(shè)計夾具，離不開對設(shè)備加工原理的了解。采用不同的加工程序，不僅加工效率不同，而且有時會給夾具設(shè)計帶來方便。

　　2.3.1 問題的提出

　　國產(chǎn)的六軸數(shù)控滾齒機，隨機附帶的夾具用于滾某種型號的中間軸上的兩檔齒輪，由于產(chǎn)量的增大，為解決生產(chǎn)瓶頸，生產(chǎn)部門要求將另一種中間軸的滾齒工序在六軸數(shù)控滾齒機上進行。由于該中間軸較長，安裝上滾齒夾具(夾具高度尺寸已經(jīng)設(shè)法降低)后，其高度超出了機床Z軸行程的極限，因而無法進行滾齒加工。

　　2.3.2 問題的分析與解決

　　加工工藝系統(tǒng)由機床夾具、機床、刀具、工件組成，夾具設(shè)計要兼顧工藝系統(tǒng)的不同方面，如經(jīng)常要考慮刀具干涉問題、機床規(guī)格(如工作臺回轉(zhuǎn)半徑、行程極限)等問題。針對滾齒時Z軸加工行程不夠的問題，可以從改變刀具直徑及螺旋升角、改變夾具方案、改變加工方法等方面進行考慮，最簡單高效的方法即為最佳的方法。

　　滾齒時滾刀的切入方式有兩種：軸向切入法和徑向切入法，不同的切入方式有不同的應(yīng)用場合。徑向切入法具有切入行程短、效率高的優(yōu)點，在普通滾齒機上無法發(fā)揮，在數(shù)控滾齒機卻又容易被忽視。大量的實踐證明，數(shù)控機床的使用效果，很大程度上取決于編程水平的高低，這直接影響到數(shù)控機床的使用和數(shù)控加工特點的發(fā)揮。在本例中，正是通過將滾齒加工程序中的滾刀切入方式改為徑向切入方式，不僅解決了在不換夾具的情況下兩種中間軸的滾齒問題，實現(xiàn)了夾具的通用化(圖5)，而且提高了生產(chǎn)效率。

　　3 與時俱進的機床夾具設(shè)計思路初探

　　通過對以上三個夾具設(shè)計思路的分析，可以看出，結(jié)合現(xiàn)場的生產(chǎn)條件進行機床夾具設(shè)計，要考慮以下幾點：

　　1)認真分析工藝過程

　　結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)狀及工序內(nèi)容的安排，對工藝過程進行分析研究，找出夾具設(shè)計所要解決的主要問題。

　　2)熟悉夾具所配機床的情況

　　熟悉夾具所配機床的規(guī)格、性能參數(shù)、加工原理，避免設(shè)計出的夾具與機床不匹配，有時對解決夾具設(shè)計時遇到的問題也有幫助。

　　3)及時了解現(xiàn)場設(shè)備狀況

　　夾具上有些關(guān)鍵的零部件，用通常的加工設(shè)備無法保證加工精度，通過對現(xiàn)有設(shè)備狀況的了解，可以初步分析所設(shè)計夾具加工制造的可行性，提高設(shè)計的成功率。

　　4)用系統(tǒng)的方法、創(chuàng)新的思路解決設(shè)計中遇到的問題

　　夾具作為由夾具、機床、刀具、工件共同組成的工藝系統(tǒng)的一個部分，對夾具設(shè)計時遇到的問題，應(yīng)從系統(tǒng)的角度去考慮解決，在借鑒類似夾具設(shè)計經(jīng)驗時，要勇于創(chuàng)新。

　　5)懂得夾具的調(diào)整和使用

　　通過對所設(shè)計夾具的調(diào)整和使用方法的分析，能夠在設(shè)計時考慮到必要的精度、調(diào)整基準和空間，考慮到夾具使用的安全性和復雜性。

　　4 結(jié)束語

　　一套良好的夾具必須是：能夠穩(wěn)定地保證工件的加工質(zhì)量，降低勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率;結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、安全，便于制造和維修;能夠降低制造成本。設(shè)計一套良好的夾具必須建立在對現(xiàn)時、現(xiàn)場、現(xiàn)物的充分研究的基礎(chǔ)之上。