机床夹具设计方案的分析与研究

梁锋

摘要：在加工过程中，机床夹具的工艺性决定了工件的加工质量，其中夹具是机床，刀具，工件的关键环节，在夹具设计过程中，确定尺寸，选择合适的定位元件，夹紧装置，计算定位误差都需要人工完成，针对这一问题本文通过利用运动学以及几何学，优化设计技术，对夹具设计过程中的定位误差进行准确计算，从而实现夹紧力的优化，并最终实现减少定位误差，实现夹紧力优化等工作。

关键词：机床夹具；设计方案；分析；研究；

夹具在机械加工过程和装配，焊接等环节用于固定加工对象，使其够置于正确的位置，以保证产品的质量，是提高生产率的一种重要装备，机床夹具是金属切削机床采用的一种夹具。在机床加工工件时，需要使用夹具将加工件装好，就是在机床上确定工件对于刀具的位置，这个过程被称为定位，在机械加工时工件的加工精度是由机床夹取工件构成的加工系统所决定的，只有系统各个部分保持相对的正确关系才能保证工件各个加工面的几何精度，机床夹具需要在保证高质量，低成本的同时，还应当减少人工输出。

一，工件定位方案的确立

在加工过程中夹具主要是为了能够实现工件对于成形运动有正确位置，并保证工件处于该位置时不会受到外力因素而发生变化，规划工件的定位方案对保证加工质量，提高生产效率，减少生产成本起着重要的作用。然而在实际加工过程中，并不是所有的加工都需要完全定位，在确定定位方案时需要根据工件加工的特征来确定自由度，并且要配合相应的定位元件对工件的定位进行进一步确定。

在施工过程中，工件的自由度被约束的情况下，工件定位存在下列几种情况。工件的六个自由度全部被限制，此时工件会存在唯一的位置，这种情况被称为完全定位。如果根据加工要求只需要限制部分自由度，而其他自由度无需限制时，工件虽然不占有确定的唯一位置，但不影响加工要求，此时称为不完全定位。欠定位，是指工件实际定位所限制的自由度数目，少于加工要求所必须限制的自由度数目。因此，欠定位的结果，将导致出现应该限制的自由度而未予限制的不合理现象，从而无法保证加工要求。所以，在确定工件在夹具中的定位方案时，不允许出现欠定位这样的原则性错误。两个或者两个以上定位支承点重复限制同一个自由度，这种重复定位的现象叫做过定位。出现过定位时，将使工件位置不确定。同时，在夹紧情况下，重复限制同一自由度的定位支承间所产生的矛盾、干涉和冲突必将造成工件或定位元件的变形，其结果都将破坏工件定位的要求，从而影响工件的定位精度。因此，在设计时，一般情况下应避免出现过定位现象。

二，定位方案的合理性判定

定位方案主要通过常规经验判断和基于运动学的齐次矩阵判定法对定位方案进行分析判断，首先从常规经验判别来看，夹具设计过程中，夹具定位装置的设计是最重要的一个环节，它影响着夹具的结构，而设计定位方案又是夹具整个设计的关键，需要确立正确的方案，在整个夹具设计过程中最重要的基础是要保证定位和理性传统的夹具，设计过程中主要是依靠人为经验，而这种经验，主要体现着是设计人员需要具有全面的知识，在接到设计任务之后，需要对带夹具进行全面了解，可以到相关生产单元调研某些零件的加工工艺要求之后，分析零件图纸，确定加工工序，并能够结合加工需求的特征进行严格自由度计算，确定定位基面选择定位元件等。其中，选择定位基面需要参照一定的基准进行，而选择定位元件是可以通过定位方案的资源库进行选取，因此定位元件和基面的选择需要设计者利用经验来发挥。从齐次矩阵判定法方面来看，需要根据工件的加工特征对某些工件进行定位时，需要确定加工的位置参数，因此工件的定位不一定全部都需要限制的六个自由度，而只要应该限制的自由度得到限制，并且能够有效避免过定位的现象发生，那么这种方案基本上可以判断是正确的。

三，定位误差分析

首先从定位误差计算来看，在加工一批工件时对于刀尺寸是相对于夹具上的特定几何要素进行调整的，在夹具设计上确定保持对刀尺寸的点线面，这被称为是对刀基准，比如在加工工件如果以平面在夹具上定位，通常会选用位置误差比较小的一面进行定位，我们将原件与工件接触面成为限位平面，平面定位是利用制成的支承板作为安装和支撑钉之后一次磨出，这种情况下是可以忽略平面度产生的误差，该平面被称为是对刀基准。而当工件以外圆在V型上定位为平面时，V型面加工对竖直方向上存在一定的尺寸工序，对刀基准的过两限位平面的交点应该垂直于平面的交点。

四，夹紧方案的合理分析和优化设计

当工件完成定位之后，为了能够让工件处于正确的位置，需要对工件施加一定的夹紧力，如果夹紧力过大时，虽然工件能够处于稳定状态，但由于系统承受过大的夹紧力会导致发生工件变形的现象，从而产生夹紧误差，因此必须合理解决夹紧可靠性和变形的问题。接触变形理论指出，两弹性的表面相互接触时弹性的半平面边界上的点会发生一定程度的位移，考虑到一个半球形为凸体是与刚性平面接触的情况，并且变形量与法向接触荷载的大小相关的，工件被夹紧之后，夹具和工件的这种部分会发生局部变形和技术变形，进而引发工件位于发生一定程度的偏移，接触力是工件发生偏移的重要影响因素，可以利用总余能原理来获得空间和夹具系统的接触力。

夹紧力的优化设计在夹紧过程中，空间会发生变形和位置偏移，进而导致产生夹具误差，而夹紧方案的合理性就是能够让夹紧误差控制在要求的精度范围内，夹紧力的大小对于方案的合理性起着决定性的作用，因此需要对夹紧力进行设计优化，设计夹紧方案就是要确定夹紧力的大小和相关的作用点，我们以强刚度工件作为研究对象来探讨，该模型首先从静力平衡约束的角度来看，夹紧力就是能够在抵抗加工力，施加的重力等外力作用下，能够让工件处于平衡状态，因此，工件的静力平衡方程如下所示。

同时在装夹过程中，为了能够让定位元件和夹紧元件始终保持接触状态，由摩擦锥约束可以知道，接触力法向分量必须指向工件，

不是在每个接触点法向接触力和切向接触力向量都能必须同时满足

，夹紧力约束，由夹紧力保持不变获得的 。最后我们优化模型求解，对于一些已知的定位元件和夹紧位置的定位方案，定位元件的接触力能够利用于余能原理进行求解，在实际设计过程中，当发生元件位置偏移时，接触力也会发生一定程度的改变。本次研究我们提出了基于力平衡对建立工件稳定性的模型，并根据所需要的条件将模型分为闭合和力可行性模型，运用线性规划对模型进求解，针对夹紧方案的合理性展开探究，优化夹紧力设计，并利用举例来验证我们的观点。

小结

本文通过夹具设计系统中的定位方案规划，计算定位误差以及优化夹紧力，并且提出了对刀基准概念，建立了基于对刀基准点误差的计算模型。本次研究我们通过分析了国内外研究现状，建立了基于对刀基准定位误差的定位计算模型，最后利用CTATIA软件从而建立典型的定位方案资源库，总结本文所做的一些工作：首先，在对于工件定位和准确性上我们建立工件自由度模型和基于运动学的定位模型，并通过实例证明该定位方案模型能够实现定位方案的准确判断，而针对定位误差计算过程中，我们提出对刀基准概念，并以案例来验证利用这种计算模型能够大大提高计算误差的速度和准确率。为了能够实现对紧力的优化工作，我们建立了工作稳定性，通过运用优化技术实现对夹紧力的优化。同时由于机床夹紧设计是一个比较复杂的系统，本次研究中针对方案的规划，最优化的定位方案选择问题没有展开探讨，且设计夹紧力优化模型时没有将夹紧元件的制造误差考虑进内，导致获得的结果可能不准确。

参考文献：

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