浅谈工装设计与分析

武云江 孙晓刚

摘 要：工装是机械加工产品质量的重要保障，而且工装设计质量直接影响工艺水平、产品质量和工作效率。本文主要从工装基础知识、设计和分析等方面进行阐述和分析。

关键词：工装;设计;分析

0 概述

不同的生产工艺、不同的产品，工装设计和选型也不尽相同。应综合考虑产品结构特点、工艺（加工方式、设备情况、节拍等）水平、人机工程学和工作效率等因素，是一个多学科系统复杂的过程，需要在实践中不断总结和积累经验，从而提升工装设计质量。

1 工装基础知识

工装是工艺装备的简称，一般分为专用工装、通用工装、标准工装，也是各种工具统称，包含：夹具、模具、刀具、量具、检具等。

（1）专用工装一般是为加工某一结构或单一产品的专用装置，一般在冲壓、注塑、锻造工艺中应用较多，如：模具、检具。

（2）通用工装一般指通用工装底板，在底板上进行组合组装其他工装部件，以满足加工时用来迅速紧固工件，使机床、刀具、工件保持正确相对位置。

（3）标准工装一般指通用性、装配性比较强的工装或配件，如：刀、量具等。

2 工装设计和分析

2.1 设计原则

（1）工装设计应满足使用国家或地区的安全法令法规，最好在企业内部形成标准化和通用化。

（2）工装设计必须满足工艺要求，关键工装确定设计方案时，应进行多方评审，涉及产品设计、生产、工装制造工程师等。

（3）在满足产品技术要求的前提下，工装选型应尽量选择通用或标准化刀、量具，刀具选择还要结合设备的规格型号来确定;量具选择时应满足产品的十分之一精度即可;若产品特征特殊情况下可制作专用刀、量具来满足生产和检测的需求。

（4）工装结构工艺应简单实用，便于组装、操作、换型和维修，提升效率、节省制造成本;有足够的承载或夹持力度，确保在使用过程中工件定位稳定性和可靠性。

（5）工装设计方案策划时应遵循手动、气动、液压、伺服的依次优先选用原则，以便控制技术难度和便于满足操作的简易性。

2.2 工装设计准备

当接收到工装设计任务时，首先要熟悉被加工件图样、技术条件、工艺方案、工艺规程和工艺路线，本着工装最低数量的设计原则，集中工序设计工装。

2.3 工装设计方案

根据被加工产品结构及工艺规程确定工装初步设计方案，组织有经验人员/专家优化评审。

（1）以工装结构平台化、简易性设计理念设计工装，整体工装结构组成应尽量采用各种标准件、通用件，专用件比例应尽量少，减少制造劳动量、成本;各种专用零件、部件结构形状应容易制造和测量，装配、调试、维护方便。

（2）零部件在工装上定位后，一般都要夹紧，使得零部件在加工过程中，保持已获得的定位不被破坏，防止加工过程中产生位移、变形和振动。

1）定位后夹紧三原则：①定位夹紧后不移动原则;②定位夹紧后不变形原则，压紧力应适合;③定位夹紧后不振动原则，提高支承和夹紧刚性，这三项原则是相互制约的，因此在设计夹紧力时应制定多方预案。

2）夹紧点选择原则：①尽可能使夹紧点和支撑点对应，使夹紧作用在支承上，可减少变形;②夹紧点选择应尽量靠近加工表面，不致引起过大的夹紧变形。

3）夹紧力的确定。力有大小、方向和作用点三要素。当零部件上有几个方向的夹紧力作用时，应考虑夹紧力作用先后顺序。对于仅为使零部件与支承可靠接触，夹紧力应先作用，且不能太大;对于以平衡作用力的主要夹紧力，应最后作用。

4）夹紧机构的确定。在选定夹紧点和确定夹紧力之后，要进行夹紧机构的设计和确定，通过具体的机构实现以确定夹紧力夹紧于夹紧点处。通常零部件的夹紧是由动力源、传动机构、夹紧机构所构成的夹紧系统来实现的。

（3）工装材料选型：

1）定位元件一般要求精度合适、耐磨性好、有足够的强度和刚度、工艺加工性好、便于拆装等。常用的定位销材料：45#、Cr12合金钢，必须进行调质和淬火处理后再投入使用，从而提高强度和刚度，增强耐磨性。

2）45#钢相对其它材料比较便宜，一般制作夹具的底板;P20、CR12MOV耐磨性好，会增强产品使用寿命，一般用在夹具重要部位;S136材料因耐磨和防锈功能，一般用在焊接夹具上。

3）制造模具的材料有钢材、硬质合金、钢结硬质合金、高分子材料等等。制造冲压模具材料绝大部分以钢材为主，常用模具部件材料种类：碳素工具钢、低合金工具钢、高碳高铬或中铬工具钢、中碳合金钢、高速钢、基体钢以及硬质合金、钢结硬质合金等等。

4）高速钢硬度，耐磨性，耐热性不及硬质合金，因此只适于制造中、低速切削的各种刀具;钨钴类、添加钽类等硬质合金大量应用在刚性好，刃形简单高速切削刀具上;高速钢刀具通过化学或物理方法在其上表面涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物，既能提高刀具材料耐磨性又不降低韧性。

（4）选择定位元件或机构时应尽量遵循基准统一和重合原则。基准统一原则：尽可能选择统一的基准来生产零部件，若基准不统一，或多或少对产品质量存在一定的影响。基准重合原则：尽量选用被生产零部件的设计基准作为精基准，这样可避免基准不重合而引起误差。

（5）绘制新工装方案结构示意图，对已确定的基础件的几何尺寸进行必要的相关力计算;对复杂工装需绘制关联尺寸和装置布置图。

（6）对工装轮廓尺寸、总体重量、承载能力以及加工设备选型规格进行校核，也可借用仿真方法验证设计可制造性。

（7）对工装设计方案从结构、经济性、人机工程等方面进行形同评审优化，形成最终的方案。

3 结束语

工装设计和分析直接影响产品质量和溢价性，前期方案设计需要开展多方案对比论证、标杆对比等活动，进而确定最佳方案，确保工装设计质量。

参考文献：

[1]李宜民.简明手册[M].机械工业出版社，1993.

[2]胡佳秀.简明机械零件设计使用手册[M]. 北京机械工业出版社，1999.