智能制造背景下组合夹具拆装实验设计*

2023-01-09王生怀陈君宝褚晓雯

南方农机 2023年2期

刘永，陈诚，王生怀，陈君宝，褚晓雯，周旭

（湖北汽车工业学院机械工程学院，湖北十堰 442002）

0 引言

近年来，数控机床、加工中心已经被日益广泛地应用到机械加工领域，面对大批量、多规格的市场需求，在非标工装设计中组合夹具具有设计周期短、可柔性组装的优点[1-2]，符合实际生产需要。机械设计制造及其自动化本科专业中的“机械制造技术基础”是一门重要的偏实践类的专业必修课程，而机床专用夹具设计是其中的一个重要章节。实践是检验真理的唯一标准。实验教学作为高校课程教学环节中不可缺少的一部分，起到了理论教学不可替代的作用。机床专用夹具设计的实验教学内容能有效地印证课堂理论教学内容，为学生直观、感性地掌握机床夹具设计的原理和流程提供实践场景。

为了进一步提升实验教学的效果，支撑起“机械制造技术基础”课程中机床专用夹具设计部分的教学内容，相关高校进行了实验教学改革的尝试。随着计算机技术的发展，利用三维软件[3-4]及虚拟现实技术[5-6]，可以在没有夹具实物的情况下使学生依然能获得直观的感性认识，激发其学习兴趣，增强了实验教学的效果。综合夹具实验台将手动和液压两种类型的夹具融合在一起，将液压、机电传动控制等课程相关内容联系起来，增加了实验台的教学功能[7]。项目式[8]、工艺与夹具结合式[9]实验教学，能通过具体的工程案例凸显教学内容，使学生在“做中学，学中做”，潜移默化地培养其工程素养和工程能力。利用自制的拼装式组合夹具模型[10]可以对多种典型零件进行夹具设计、组装，在实验教学中，教师可方便地演示模型，此种实验教学模型有利于培养学生的动手能力和创新能力。

湖北汽车工业学院的夹具实验教具均是特定的、安装好的，不具备方便拆卸、随意组装的功能。为了提高人才培养质量，针对实际生产中数控装备应用日益广泛、加工零件规格逐渐多样化的柔性生产模式，需要设计相关的组合夹具实验以满足实验教学的需要。

1 夹具设计理论与实验教学存在的问题

机床专用夹具设计是“机械制造技术基础”课程中的一个重要章节，湖北汽车工业学院该门课程章节对应的课程目标为：能根据机械产品、零件的技术要求，设计合理的制造、装配工艺及工装夹具。“机械制造技术基础”课程本身的实践性强，教材内容由于篇幅的限制，只能对该章节中的六点定位原理、定位元件、加紧机构、定位误差等理论进行理论阐述，虽然其中也会列举简单的实例，但实例图是简单的结构示意图，如果仅仅照本宣科，完全达不到课程目标的要求。课堂上教师在讲解夹具设计基本理论的同时，会穿插列举一些典型车床、铣床、钻床、镗床专用夹具的设计案例，以工程图的形式展开分析。图纸是“工程语言”，夹具设计案例以装配工程图的形式在图纸上体现，由于工程图是二维图，学生缺少工程实际经验，在学校里画图、识图的数量偏少，识图能力欠缺。课堂上若以二维工程图的形式讲解，学生会因为看不懂图进而跟不上理论课教师的讲解思路而产生“挫败感”，从而难以深入掌握机床夹具设计的关键内容，更谈不上工程素养和工程能力的培养。实验教学过程中，实验室里有木质夹具模型和钢件夹具实物，有螺纹夹紧、偏心轮夹紧、液压夹紧等不同夹紧方式的夹具。学生在此部分理论课程学习完成后，进入实验室亲眼见到这些模型会有一定的感性认识，方便消化、理解课堂教学内容。但实验教学环节也明显存在一定的不足之处：没有专门的实验项目支撑理论教学内容，学生进入实验室只是随意看看；实验室里的机床夹具模型上没有要加工的工件，学生看后不知道此夹具是用来加工什么样的零件的，也不知道能用来加工零件的哪一个表面；夹具模型是装配好的，拆卸不方便，不能为学生提供动手拆装的机会。

由此可见，亟须在实验教学中增加夹具拆装实验项目，以此增强学生的感性认识和动手实践能力，从而促进该部分课程教学目标的达成，实现培养学生工程素养和工程能力的目的。

2 组合夹具拆装实验设计及实施过程

选购某教学仪器公司生产的组合夹具，其实物图如图1所示。

图1 组合夹具实物图

选购的组合夹具为铝合金材质，重量轻、便于搬运，可以避免掉落造成的身体伤害。共购买了3套，每套组合夹具有15个工件，可以组合成多套机床专用夹具。每套组合夹具中有长方形、正方形、圆形、T形槽式基础板用来当作机床的工作台。另外还有支撑件，其作用是将基础件和定位元件连接，这些支撑件有不同规格及厚度的支撑板、垫块等。定位元件有定位块、定位套、定位板、V型块、定位销等，这些元件和工件表面接触，起定位作用。夹紧装置有螺纹夹紧装置、偏心轮夹紧装置、斜楔夹紧装置等，其作用是将工件夹紧，保持工件在定位元件上的位置不变。引刀元件有钻模板、对刀块等，其作用是引导刀具进入加工位置，通过夹具设计控制刀具和定位元件的尺寸精度，保证设定好的背吃刀量，从而保证实际加工尺寸达到设定好的工序尺寸。每套组合夹具配有活动扳手、内六角扳手等装卸工具。

学生进入实验室前，教师应提前将实验作业指导书、夹具三维装配动画、录制的实验操作过程讲解视频等资料放在超星学习通线上平台的课程里，供学生进行实验前预习。提前将3～5人分为一组，每组选用不同的零件。学生进入实验室后用游标卡尺、深度尺和卡规等测量工具测绘出零件图。教师指定每个零件要加工的表面，提供工序尺寸及公差，要求学生设计、装配、拆卸此道机械加工工序专用夹具。

实验过程中，学生应先确定零件要加工的表面及工序尺寸，在测绘出的零件草图上确定此道机械加工工序夹具的定位夹紧方式。再由指导教师检查定位夹紧方案的合理性，对于不合理的方案，和学生一起从六点定位原理、粗及精基准的选择原则、零件加工工艺、夹紧装置的选择等角度进行分析、改进。有的小组设计的定位方案是过定位和欠定位，表明这些学生虽然进行了相关理论课的学习，但对定位和夹紧的概念还是不太清楚，正好可以对着零件和组合夹具部件深入学习。定位是将工件看作成一个刚体，限制其在空间直角坐标系下的3个移动和转动的自由度，六点定位原理是通过定位元件模拟支撑点在工件表面上将上述6个自由度都限制。大批量生产时，通过夹具上的定位元件保证每一个工件放到夹具上的位置都是确定的，不需要像单件小批量生产那样每件都要重新调整，提高了生产效率。定位完成后，依靠夹紧装置将工件固定在定位元件上。夹具上安装工件的顺序是先定位再夹紧，这样对着实物讲解，学生能很直观地掌握两者之间的区别和联系。如果是欠定位，保证加工尺寸精度和形位公差的自由度就没有被限制；如果是过定位，则同一个自由度被不同的定位元件重复限制，一批工件的同一加工尺寸有波动，就会出现有的工件安装不上的情况。以过定位为例，让组合夹具中的连杆零件采用“一面两销”的定位方式。如果两个销都是短圆柱销，一批连杆工件的大、小头孔心距尺寸是波动的，就会出现两个销不能同时装进连杆零件大、小头孔的情况。而若将其中一个短圆柱销改成削边销，削边的方向与孔心线垂直，就能消除过定位现象。学生对着工件和夹具自己操作试装一下就会很快明白相关概念。

定位夹紧方案确定后，学生即可选择合适的元件实现方案，从而完成组合夹具的设计和装配。装配好的组合夹具三维图如图2所示。装配过程中如果存在问题，教师可以将三维软件生成的装配图及爆炸图视频播放给学生观看。

图2 组合夹具三维图

实验完成后，让学生课后完成实验报告。实验报告预留的题目应紧密结合实验内容，便于引导学生深度思考。这些题目有：1）简述机床通用夹具、专用夹具、组合夹具之间的异同点。2）绘制出本道工序组合夹具的工序简图，并分析定位误差的构成及大小。3）在设计的组合夹具中指出定位元件、夹紧元件、引刀元件。4）本道工序的机床夹具是如何保证工序尺寸精度的？通过这些习题使学生对实验及课堂相关教学内容进行提炼与再认识。