便携式拼装夹具模型的创新设计及在教学中的应用

宋晓英， 胡林岚， 王传红， 龙 青， 沈 鹏， 蒋洪勇

(扬州市职业大学 机械工程学院， 江苏 扬州 225009)

便携式拼装夹具模型的创新设计及在教学中的应用

宋晓英， 胡林岚， 王传红， 龙 青， 沈 鹏， 蒋洪勇

(扬州市职业大学 机械工程学院， 江苏 扬州 225009)

设计了一种夹具拼装教学模型，采用箱式包装。实验箱中包括21种非标元件，12种改装元件。可针对连杆、拨叉、轴套类等被加工零件主样件，实现夹具元件、机构的灵活替换，完成典型零件30多道工序专用夹具模型的拼装，展现钻、铣、镗等多种机床上的专用夹具结构。拼装教学模型的使用，方便了初学者熟悉夹具设计的思路和方法，更容易理解夹具设计原理中常用的定位、夹紧方式及设计原则。通过夹具模型元件的变换组装，可为教师课程教学提供新颖的教学模式，并激发培养学生的创新思维能力和实践动手能力。夹具拼装教学模型的元件结构简单，制造和使用方便，易于连接和拆卸，经济实用。

夹具； 模型； 拼装； 创新设计； 实验箱

0 引 言

《机床夹具设计》是机械制造类专业学生必备的专业核心技能，要求学生能够完成典型零件的工艺工装设计，该课程实践性强、应用性范围广，但在教学中存在着理论与实践联系不够的现象。外购的单一类型的夹具，价格高且数量有限，与教学的需要和内容不能完全符合，影响了学生的学习积极性, 不利于学生夹具设计能力和专业综合能力的提高。

目前生产企业采用的非通用夹具有专用夹具、组合夹具和可调夹具等几种常用类型[1-3]。便携式拼装夹具模型是在专用夹具基础上，将组合夹具零部件易拆装可反复使用和可调夹具零件可进行调整的优点结合起来，经过创新设计，使得3种夹具以及工作特点在教学中都有所体现，夹具教学模型使用范围更广。

通过夹具模型拼装可展现夹具常用的定位夹紧元件的结构、使用方法、适用场合，并通过拼装构成钻、铣、镗等各种不同常用机床使用的夹具类型，为教师教学演示及学生进行创新设计，提供了一种新型的教学模式，对提高学生夹具设计水平、培养学生夹具的设计思想具有十分重要的作用[4]。

1 便携式拼装夹具模型的创新设计

1.1 被加工零件的选择

设计过程中选择工艺及夹具设计教学中具有典型意义的加工零件——连杆、拨叉以及轴类零件作为被加工零件[5-7]。在综合考虑教学及实验实训要求的基础上，对被加工零件的尺寸进行设计限定。同时为使设计出的夹具模型元件具有互换性，可以反复循环使用，减少元件的数量，我们对被加工零件的尺寸进行了整合。最终设计的被加工零件的主样件如图1所示。

(a)连杆(b)拨叉831002

(c)拨叉831006(d)拨叉831007(e)传动轴

图1 被加工零件主样件

1.2 拼装夹具模型的组成和结构设计

各类机床夹具结构千差万别，但就其组成元件都是由夹具体、定位元件、夹紧元件、导向元件、对刀元件以及夹具在工作台上的定位件等部分组成[8-10]。通过对上述5种被加工零件主样件的工艺分析，设计出相应工序的夹具，并通过调整、规划、修改，力争使夹具模型的元件做到一件多用，最终将夹具模型中的非标和改装元件缩减到33个，可拼装完成连杆、拨叉和轴类零件加工过程中所需的钻、铣、镗、铣断等工序的夹具教学模型30多套，包括了六点定位中一面两销、定位轴、V形块及双V形块等多种典型定位方式，以及压板夹紧、螺旋夹紧、偏心夹紧、斜楔夹紧等多种常见夹紧方式。

(1) 夹具体。夹具体是整套夹具的基础。在拼装夹具中创新设计了长方形基础板用作拼装夹具的基础件，如图2所示。在长方形基础板的正面和四个侧面上开有T型槽，可用于连接安装夹具上其他元件及装置。并设计了侧板与之结合，以构成各种不同类型的夹具体。

图2 基础板

(2) 定位元件及定位装置。定位元件是用来确定被加工零件加工位置的元件或装置。夹具模型中可用的定位元件有：① V型块。可以实现单V型块、双V形块等各种以工件外圆定位的方式。图3为实例之一。② 圆柱销、菱形销、定位轴。可实现一面两销定位和各种以工件内孔定位的方式。图4所示为一面两销定位实例。

图3 V型块定位机构图4 一面两销定位

(3) 夹紧元件及夹紧装置。① 螺旋夹紧元件及螺旋夹紧装置：由夹紧侧板、压紧螺钉或开口垫片、六角螺母等构成。如图5所示，可与活动V型块配合进行夹紧。② 压板夹紧元件及压板夹紧装置：包括支撑钉、支撑轴和压板，如图6所示。 ③ 偏心夹紧元件及夹紧装置：由偏心轮、手柄和压板组成。如图7所示。 ④ 斜楔夹紧元件及夹紧装置：采用夹紧侧板、压紧螺钉和斜楔挡块组成。斜楔挡块推进时推动顶销上升，通过压板压紧工件。如图8所示。

(4) 导向及对刀元件。用来确定刀具位置或引导刀具方向的元件，如钻夹具中的钻套、镗夹具中的镗套，以及铣夹具中的对刀块等。根据使用特点，设计并改制了固定钻套、可换钻套和快换钻套，圆形对刀块与直角对刀块等各种不同的元件模型。如图9、10所示。

图5 螺旋夹紧装置图6 压板夹紧装置

图7 偏心夹紧装置图8 斜楔夹紧装置

图9 扩孔用的固定钻套图10 铣平面用的圆形对刀块

(5) 辅助元件。T型槽螺母：T型槽螺母大端可以嵌在T型槽内，两侧面与T型槽之间采用动配合以实现螺母在槽内的滑动，满足定位和尺寸调节的需求。螺母凸出T型槽的部分则与其他元件相连接实现定位。如图11所示。根据连接定位的需要，设计了3种结构的T型槽螺母应用于不同的场合。其余元件的设计不再细述。

图11 T型槽螺母

1.3 夹具模型拼装工作过程

拼装夹具模型是根据被加工零件的加工工艺要求，从拼装夹具模型库中选择所需的夹具元件，用搭积木的形式进行拼装并通过连接件紧固构成夹具模型，以实现对被加工零件定位夹紧的要求，在夹具模型使用后可拆散元件根据需要重新拼装成新的夹具模型。其工作过程如下[11-12]：

(1) 课程预习。了解夹具基础知识，了解拼装夹具模型的基本组成；

(2) 选择元件。针对所需设计夹具，从夹具模型库中选择夹具模型元件，了解其结构、作用、选择方法；

(3) 搭建模型。拼装并调节夹具中元件的位置，并用连接件连接紧固，完成装配；

(4) 模拟被加工零件装夹过程。对被加工零件进行定位、夹紧连续操作，体会夹具的装夹过程，分析夹具的装夹原理；

(5) 模型分析。根据模型结构，分析夹具的不足之处，进一步完善夹具的功能、结构和精度，绘制夹具工程图；

(6) 拆卸模型。完成课程任务后，将模型拆散，元件按“装箱单”位置放入模型箱中，归位后清点，以便后续拼装其他夹具使用。

2 便携式拼装夹具模型在教学中的应用

拼装夹具模型虽不能替代专用夹具进行生产，但其原理及结构的相似性，足以满足课程教学的需要。这里以主样件连杆加工中钻扩铰连杆小头孔工序为例[13]，给出一套夹具的拼装示例。

(1) 选择元件。加工连杆所用夹具的拼装元件如表1所示。

表1 连杆加工用夹具的拼装元件

(2) 搭建夹具模型。选择长方形基础板作为夹具的基础元件；安装固定V型块；在长方形基础板的侧面安装侧板作为支撑凸台，在侧板上安装钻模板及钻套实现导向。通过调节侧板的左右位置和钻模板的前后位置使钻套中心与连杆小头孔中心重合。在长方形基础板的另一侧面安装夹紧侧板，旋动压紧螺钉，在压紧螺钉前端安装移动档块，实现夹紧工件的效果。拧紧所有的连接螺钉。拼装完成后夹具如图12所示。

(3) 装夹模拟。夹具利用长方形基础板的支撑面与连杆的定位基面重合，用一个平面限制了连杆沿x、y方向转动和z方向移动的3个自由度；固定V型块与连杆小头外圆表面的配合限定了连杆沿x、y移动的两个自由度；再加上螺旋夹紧机构中挡块平表面与连杆端部平面的重合限定了沿z方向转动的一个自由度，从而实现了将连杆毛坯完全定位并夹紧在夹具上的工作要求[14]。

图12 钻扩铰小头孔夹具三维建模与模型实物

(4) 模型分析。分析夹具结构中还存在的问题，如定位大平面表面无凸台，夹紧挡块会左右摆动，连接件多带来的夹具刚性较差等，进一步完善设计，绘制工程图。

(5) 拆卸模型。要求学生按规则有序的完成拆卸与元件装箱工作，培养良好的工场工作习惯，进行工作现场5S素养的灌输与实践。

在教学中还通过以下方法进一步提高学生对夹具结构设计和理论计算的理解，以完成夹具的课程设计和毕业设计[15-16]：

(1) 要求学生在教学模型的基础上，更换定位、夹紧方式，拼装设计出各种结构的夹具模型，思考多种夹具设计方案，拓展设计思路。

(2) 要求学生在夹具设计方案模型的基础上进行夹具精度、强度、刚度的设计思考和计算，从理论上分析、计算出专用夹具的设计数据，完善设计结果，完成专用夹具的工程图设计。

该套模型已在我校的课程教学中投入使用，获得了老师和同学的一致好评。

3 结 语

该便携式拼装夹具教学模型已成功申请国家实用新型专利，其特点有如下几点：

(1) 夹具模型结构简单直观。对定位、夹紧方法等夹具原理及结构的学习有很大帮助，装箱后便于携带，方便教师教学演示以及学生学习和创新，适合教学使用。便携式拼装夹具教学模型实验箱如图13所示。

图13 拼装夹具教学模型实验箱

(2) 资料完整，易学易用。夹具模型按照夹具类型编写了配套的《拼装式教学模型使用项目训练指南》，将不同的被加工零件中相同或者相似的工序放在一起进行比较，方便分析不同零件加工中夹具之间的联系和区别，并给出了典型夹具的拼装过程和方法；按照被加工零件工艺流程步骤编写了《拼装式教学模型使用手册》，清晰明了的表示出5种被加工主样件30多道工序所需的夹具模型元件以及定位夹紧方案，帮助师生方便拼装，并有助于学生学习中的发散思维。

(3) 夹具模型的性价比较高。通过模型的拆卸和拼装，可以实现拼装夹具模型元件的循环使用；减少逐年积累的教学专用夹具的数量，减少专用夹具教学模型利用率不高造成的浪费。

(4) 夹具模型扩展性强。在现有模型元件的基础上，通过增加或改变个别元件及结构，就可以组装成不同的夹具模型。各学校在此基础上可结合自身的教学要求，扩大夹具模型的使用范围。

综上所述，便携式拼装夹具模型结构独特新颖，经济环保，具有创新性，较好地解决了机床夹具设计教学与实验中存在的问题，提高了课程的教学质量，适合推广使用，市场潜力较大。

[1] 陈旭东．机床夹具设计[M]．2版.北京：清华大学出版社，2014.

[2] 朱耀祥，蒲林祥．现代夹具设计手册[M]．北京：机械工业出版社，2009．

[3] 陈宏钧．机械加工工艺装备设计员手册[M]．北京：机械工业出版社，2008.

[4] 罗绍新．机械创新设计[M].2版.北京：机械工业出版社，2008.

[5] 赵家齐．机械制造工艺学课程设计指导书[M]．2版.北京：机械工业出版社，2007:44-50.

[6] 李 旦，邵向东，王 杰．机床专用夹具图册[M]．2版.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2005.

[7] 于大国．机械制造技术基础与机械制造工艺学课程设计教程[M]．北京：国防工业出版社，2011.

[8] 孟宪栋．机床夹具图册[M]．北京：机械工业出版社，2005.

[9] 曹 岩．组合夹具手册与三维图库(Solidworks版)[M]．北京：化学工业出版社．2013.

[10] 孙已德．机床夹具图册[M]．北京：机械工业出版社，1983

[11] 姚荣庆．夹具应用实训[M]．北京：机械工业出版社，2012.

[12] 王寿龙，魏小立．夹具使用项目训练教程[M]．北京：高等教育出版社，2011．

[13] 周益军，王家珂．机械加工工艺编制及专用夹具设计[M]．北京：高等教育出版社，2012:117-120.

[14] 刘守勇，李增平．机械制造工艺与机床夹具[M]． 3版.北京：机械工业出版社，2013．107

[15] 傅玲梅．机床夹具设计与制作[M]．北京：中国劳动社会保障出版社，2008.

[16] 吴 拓．机械制造工艺与机床夹具课程设计指导[M]．2版.北京：机械工业出版社，2010.

Innovative Design of Portable Assembly Fixture Models and Their Application in Teaching

SONGXiaoying，HULinlan，WANGChuanhong，LONGQing，SHENPeng，JIANGHongyong

(School of Mechanical Engineering， Yangzhou Polytechnic College， Yangzhou 225009, China)

Portable assembly fixture models are designed for box-type packaging. An experiment trunk contains 21 non-standard and 12 modified parts. Focusing on connecting rods, shift forks, axle sleeves, and other machining parts, the design of portable assembly fixture models allows for flexible replacement of fixture elements. It can complete the assembly of special fixture elements to meet requirements of more than 30 working processes and to demonstrate the special fixture used on machines like drilling, milling, and boring machines. The models are used to facilitate the beginners getting familiar with the conceptions and methods of fixture design, and to help them understand the positioning and clamping as well as the design principle often used in fixture design. The flexible assembly of fixture models provides teachers with an innovative teaching mode and stimulates students to develop innovation and practical capabilities. The models consist of elements that are simple in structure, easy to make use, and convenient to connect and disassemble, and are therefore very economical and practical.

fixtures; models; assembly; innovative design; experiment trunk

2016-04-12

江苏省高校品牌专业建设工程资助项目，编号PPZY2015C2

宋晓英(1958-)，女，江苏扬州人，学士，副教授，主要教学与研究方向：机械制造、计算机辅助设计与制造。

Tel.:18005277328; E-mail:sxyhahaha@sohu.com

胡林岚(1976-)，女，江苏扬州人，硕士，副教授，主要教学与研究方向：机械制造、计算机辅助设计与制造。

Tel.:13815812902; E-mail:452846299@qq.com

TG 75

A

1006-7167(2017)04-0167-04