数控加工中心智能夹具

冯喜晗 夏怡然 付锦秋 吴玮琦 陈瑞杰

摘要：随着科技进步，机械行业的发展以及机床的普及使用，工业企业对设备自动化夹具（也称智能夹具）的要求越来越高。自动化夹具技术能够使企业降低生产成本，提高生产效率，缩短产品交期，同时，自动化夹具技术还能够解决人工繁杂重复、高危环境作业等。智能夹具是现代机床行业发展的趋势，更是数控机床使用过程中不可或缺的一部分，数控机床的使用过程中配合自动化夹具技术，是未来机床行业的发展趋势，也是现代工业发展的必然结果。本项目将通过对自动化夹具在数控机床上的应用为切入点，为自动化夹具技术在整个机床行业的应用提供参考。

关键词：智能夹具;数控机床;气动

引言

我国国内的夹具始于20世纪60年代，当时建立了面向机械行业的夹具厂，以后又建立了数个生产组合夹具元件的工厂。在当时曾达到全国年产组合夹具元件800万件的水平。20世纪80年代以后，后来又独立开发了适合NC机床、加工中心的组合夹具系统，不仅满足了我国国内的需求，还出口到别国等发达地区。我国目前夹具行业发展较为发达，但智能夹具处于兴起阶段，需求量也较大。

1设计原理：

1.1产品构成：本小组设计的数控加工中心智能夹具是由底部的一个支架，支架的两旁分别带有一个气缸，用于装夹。每个夹具配备有两个互换板。板上有多个小孔方便加工细小精密的零件。两个互换板，一个用于正在加工，一个用于装料备用。可实现快速互换，快速加工。将整个夹具放置于立式加工中心上代替传统的虎钳方便快捷。如图1所示。

2.国内智能夹具研究方向

互联系的两个方面。目前我国已有夹具零件及部件的国家标准：GB/T2148T2259-91以及各类通用夹具、组合夹具标准等。机床夹具的标准化，有利于夹具的商品化生产，有利于缩短生产准备周期，降低生产总成本。目前国内智能夹具主要向以下三个方向发展：

2.1精密化：

随着机械产品精度的日益提高，势必相应提高了对夹具的精度要求。精密化夹具的结构类型很多，例如用于精密分度的多齿盘，其分度精度可达士0.01”;用于精密车削的高精度三爪自定心卡盘，其定心精度可达到1μm。

2.2高效化：

智能夹具主要用来减少工件加工的基本时间和辅助时间，用来提高装夹效率。

2.3定制化：

智能夹具目前正从之前的大批量生产向小批量定制化生产转变，大大提高了智能夹具的应用效果。

3.智能夹具的优势

3.1保证加工精度：采用气动夹具安装定位，可以快速准确地确定工件与机床、刀具之间的相互位置，工件的位置精度由夹具保证，不受工人技术水平的影响，其加工精度高而且稳定。

3.2提高生产率、降低成本：用气缸夹具装夹工件，无需找正便能使工件迅速地定位和夹紧，显著地减少了辅助工时（装卸工件的时间）;并采用高效夹紧机构，这些因素均有利于提高劳动生产率与安全性。另外，采用夹具后，产品质量稳定，废品率下降，排除批次性。可以被大多数人使用，无需过多操作知识，有效地降低了生产成本。气动使加工时更为节省时间，可重复使用性高，因此在生产过程中可以缩短时间，提高生产效率。

3.3扩大机床的工艺范围：使用智能夹具可以改变原机床的用途和扩大机床的使用范围，实现一机多能。例如，原本的夹具无法加工精密细小的零件，但使用智能夹具后不仅可以加工而且还可以批量生产，在加工中心有效地行程范围内有效地扩大了加工零件的数量。

3.4减轻工人的劳动强度：用夹具装夹工件方便、安全、快速，当采用气动，液压等夹紧装置时，可减轻工人的劳动强度。操作简易，便于实现自动化智能控制，不需要借助人为的力量也能进行夹紧式样的工作。

总结为以下几点：

1）缩短辅助时间，提高劳动生产率，降低加工成本;2）保证加工精度，稳定加工质量;3）降低对工人的技术要求，减少工人的劳动强度，保证安全生产;4）扩大机床的工艺范围，实行一机多能;5）在自动化生产和流水线生产中便于优化生产节拍。

4.设计工艺分析

4.1设计难点

1）每套夹具都要经历无数次的夹紧松开动作，所以在刚开始使用的时候可以达到用户的需求。但是时间一长就会具有磨损，所以夹具应该具有它的精度保持性，所以不设计一些不合理的东西。一个好的夹具设计应该经得起时间的锤炼。2）夹具应该具有敞开性。忽略敞开性会造成费时费力。3）夹具的排屑畅通性。夹具通常会被设计的空间比较紧凑，在这种情况下就会忽略在加工过程产生的铁屑在工装夹具死角处存积，包括切屑液的流出不畅，给以后加工带来很多麻烦。所以在实际之初就应考虑加工过程中出现的问题，毕竟夹具是以提高效率，方便操作为本的。4）互换板的可更換性。

4.2研究方法及技术路线

1）以数控技术、机械设计、机械原理为依据，对目前现有的传统夹具进行设计分析，将所学的课堂知识与夹具设计相结合，强调夹具设计在数控加工中的重要性。选择合适的设计方案，再根据零件的结构特点，确定装夹方案。2）用所学的三维制图软件Solidworks画出三维图形，并进行装配，之后在仿真模块下进行运动仿真，及用ansys进行的受力分析，校验其强度和刚度，确保结构设计的稳定性。3）画出二维零件图和装配图。4）夹具的制造及生产，设计并校验好之后，对夹具进行生产和装配。5）进行夹具的调试。

4.3装置具体研究内容

1）基于数控加工中心上，夹具可以实现精准定位，同时可以在加工位置上自动夹紧工件;2）不会对工件造成损伤，且比较合适的夹持力度;3）在夹具与工件两者之间，有必要加装保护装置;4）确保夹具具备一定的结构强度，可以承受工件加工过程的作用力;5）智能夹具自身具备校准加工位置的功能，损坏零件方便更换;6）智能夹具具备很高的尺寸精度，造价经济实惠;7）智能夹具的结构研究;8）智能夹具的外观设计研究。

5.受力分析

本夹具选用材质为45#材质，加完成后进行淬火，之后进行回火处理，硬度可达到50HRC，再进行打磨。45#屈服强度为355Mpa，弹性模量为210Gpa，泊松比为0.31。夹具双侧气缸的加载力为450N，螺丝锁紧力为180N，得到的最大应变为0.010933mm，可以满足工件的公差要求;最大应力为11.5Mpa，远小于选用材质45#的屈服极限，满足使用要求。

6.结束语

夹具是机械加工不可缺少一部分，机床技术在不断地向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展带动下，夹具技术也正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济方向研究，而智能夹具作为夹具的高端产品，正以不可逆之势进入制造业的各个行业。方便人们的生活节省人们的时间。

参考文献

[1]薛源顺.机床夹具设计.机械工业出版社.2019.01

[2]陈爱华.机床夹具设计.机械工业出版社.2018.12

注：本课题来自沈阳城市建设学院2021年校级大学生创新创业训练项目，项目编号为：2021753208075，指导教师为于联周。