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数控机床夹具的发展

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@小白创作中心

数控机床夹具的发展

引用

来源

https://capablemachining.com/zh-CN/%E6%96%B0%E9%97%BB/%E6%95%B0%E6%8E%A7%E6%9C%BA%E5%BA%8A%E5%A4%B9%E5%85%B7%E7%9A%84%E5%8F%91%E5%B1%95/

数控机床夹具是工艺装备的重要组成部分，直接影响产品的质量、生产效率和加工成本。随着科技的不断进步，数控加工设备发展迅速，与之相对应的数控机床夹具也在不断发展变化。

众所周知，工装夹具是工艺装备的重要组成部分，是加工过程中最活跃的因素之一，直接影响产品的质量、生产效率和加工成本。随着科技的不断进步，数控加工设备发展迅速，与之相对应的数控机床夹具也在不断发展变化。
由于数控机床夹具系统的选用缺乏考虑，从而出现在先进的加工设备上使用相对落后的通用夹具或专用夹具，从而不能充分发挥此类设备的效能。如何提高夹具的快速响应能力，充分发挥夹具的效能？数控机床以及加工中心的加工效率，是当前夹具设计所面临的问题。

数控机床夹具的分类

根据夹具在不同类型生产中的通用特点，机床夹具大致可分为通用夹具、专用夹具、可调夹具、组合夹具和装配夹具5类。

通用夹具

已标准化的能加工一定范围内不同工件的夹具，称为通用夹具。其结构、尺寸已标准化，具有一定的通用性，如三爪卡盘、弹簧卡盘、顶尖及鸡心卡盘、分度头、回转工作台、平口钳、V型铁等。
通用夹具在生产中应用十分广泛，主要分散在车间机床操作人员的手中，是机床不可缺少的辅助工具。
这种夹具适应性强，可用来装夹一定形状和尺寸范围内的各种工件。缺点是夹具的精度不高，生产率也较低，装夹形状复杂的工件较困难，所以一般用于单件小批量生产。
此类夹具在生产中发挥的作用较大，但产品的生产不能完全依赖于该类夹具。

2. 专用夹具

为某一工序加工而设计制造的某一工件的夹具，称为专用夹具。
专用夹具的优点是针对性强，结构紧凑，操作方便快捷。在产品相对稳定，批量较大的生产中，使用多种专用夹具，可以获得较高的生产率和加工精度。
缺点是设计生产周期较长、成本较高、通用性较差。
专用夹具一般用于大批量生产。除大批量生产外，中小批量生产也需使用一些专用夹具，但在结构设计时要进行具体的技术经济分析。
目前在很多国家由于零件加工范围不广，因此仍有不少企业采用专用夹具进行工作，如纺织机械行业的墙板、座架等零件多采用专用夹具。
现工业发达国家，数控机床的普及率已达70%以上，加工的零件种类繁多，使用专用夹具远不能满足零件变化的要求，因此除大批量生产外，一般较少单独使用专用夹具。

3. 可调夹具

可以通过调整或更换某些部件来适应多种工件加工的夹具，称为可调夹具。
对于不同类型和尺寸的工件，只需要调整或更换原有夹具上的各个定位元件和夹紧元件即可使用。
可调夹具是针对通用夹具和专用夹具的缺陷而开发出来的一种新型夹具。
一般可调式夹具与成组夹具的结构比较类似，都是按照适当调整即可多次使用的原则设计的。
通用可调夹具的通用范围比通用夹具要大。组夹具是一种特殊的可调夹具，按成组原理设计，可加工同类工件。
对于系列定型产品，且生产批量一定的情况下，群组装夹是比较经济、实用的夹具类型。
该类夹具适用于产品比较单一，产品尺寸及零件形状不发生改变的场合。

4.组合夹具

采用标准组合元器件、零件，专门用于某一工件的某一工序装配的夹具，称为组合夹具。
组合夹具是一种模块化夹具，标准模块组件精度高，耐磨性好，可组装成各种夹具。夹具使用后可拆卸，清洗干净后再组装新的夹具。
由于组合夹具具有组合性、调整性、应急性等优点，所以使用组合夹具可以缩短生产准备周期，零件可重复使用多次，并具有减少专用夹具数量的优点，所以组合夹具在单件、小批量多品种生产加工中是一种较为经济的夹具。
但组合夹具存在零部件之间环节较多、夹具刚度较低、精度不高、装配成夹具体积和质量大、操作不如专用夹具方便等缺点，因此，它只用于数控加工适用于结构简单、精度要求不高、批量较小的零件加工。

5. 装配夹具

用专门的标准化、系列化装配式零件组装起来的夹具，称为组装夹具，它的底板和夹紧零件常采用小型液压缸配合。
它具有组合夹具的优点，但其精度和效率不如组合夹具，结构也比组合夹具紧凑，此类夹具更适合在大批量的生产中使用。

应用现状

目前，数控机床夹具应用类型有以上几种，各企业根据自身产品的特点和需求采用不同类型的夹具系统。
一般来说，由于生产的需要，企业往往多种类型的夹具并存，只是各有侧重。
一般情况下，在先进的加工设备上采用较为落后的夹具系统，使数控设备的效率难以充分发挥，是很多企业存在的问题。
这种局面的形成主要与大量企业从事数控机床引进时间不长有关，对数控机床夹具缺乏深入的研究和统一的认识，对夹具往往局限于普通机床夹具模式。

数控机床夹具的发展趋势

在数控机床、加工中心机床、柔性加工单元和柔性制造系统发展的推动下，数控机床夹具正向多功能化、模块化、高精度、高刚性、高强度、通用化、快速化、自动化的方向发展。

1. 多功能模块化夹具组件

既可单独使用也可与其他组件组合使用，多功能模块化单元的使用将进一步增加机体的比例。
如采用各种定位夹紧座、定位压紧轴承、精密虎钳等组合单元具有定位、夹紧和调整的综合功能，可单独使用，也可几件组装在一起使用。
T型基础、箱体可组装成一套夹具用于装夹多件工作件，使用此类夹具可减少机床的停机时间，最大限度的发挥CNC、加工中心、机床的高效性能。

2.高强度、高刚性、高精度

为了提高劳动生产率，缩短工件的加工时间，工件加工已向高速、大切削能力方向发展，工序高度集中，通过工件的定位和夹紧即可完成铣削、钻、镗孔等多工序加工。
切削力的大小和方向是不断变化的，只有在数控机床夹具本身具有较高的强度和刚度的情况下，才能满足工件的加工精度。

3.专用夹具、组合夹具、组夹具集成

现代加工设备的多功能化，使工序高度集中，工件经过一次定位装夹即可完成多道工序的加工，这就需要有通用的、可重复使用的可调组合夹具系统。
它是由一系列统一、标准化的零部件和部件组成，利用这些零部件、部件组装成各种不同形式、不同结构、可重复使用的工装夹具，适用于单件或中小批量的生产。
该夹具系统保留了多种组合夹具的优点，其装配与专用夹具一样简单、可靠，且具有可调部件，保留了组合夹具的优点。
为了便于夹具与机床的定位连接，夹具基体具有统一标准的定位连接位置，使专用、组合、组夹具向集成化、组合化的方向发展，满足现代机械加工装备的需要。

4.工件快速装夹、自动化

为了缩短工件加工中的辅助时间，减轻工人的劳动强度，工件的装夹、拆卸也需要实现机械化、自动化。工件装夹由原来单一功能的压紧件、紧固件发展为可调节的模块，实现快速装配和快速装夹。
对于一些零件的大批量加工，采用液压夹具、气动夹具可以实现工件的自动化快速装夹。
随着市场竞争的日趋激烈，产品更新换代的速度加快，用户要求交货期越来越短，在生产产品类型中，大批量生产的比重下降，中小批量的增多，数控机床夹具也随着不断发展变化。
适用于中小批量生产的一种夹具形式称为柔性夹具系统，由于其具有高精度、高刚度、高强度、模块化、通用化和快速性等优点，越来越被众多加工企业所接受，并逐渐成为数控机床夹具的主流之一。

灵活的夹具系统

柔性夹具系统是将柔性夹具单元、专用夹具、组合夹具组合成的夹具系统。
柔性夹具单元是在组合夹具基础上发展起来的一种新型夹具组件，它不仅具有组合夹具生产准备周期短、通用性强的优点，而且相对组合夹具的基础集成，需要配备的零部件更少，操作更为简便，使用范围更为广泛。
它既可以和组合夹具兼容，又可以和专用夹具组合兼容。柔性夹具系统一方面具有组合夹具所具有的较强的柔性，具有专用夹具针对性强、结构紧凑、操作简便快速的优点；另一方面它克服了组合夹具刚性差、精度低、质量差，以及传统专用夹具设计制造成本高、周期长等缺点。
当然，柔性夹具系统也存在一些缺点，例如由于柔性夹具零部件制造精度高，对材料要求高，工艺复杂，同时必须有一定数量的零部件才能正常使用，因此投资较大。
另外，由于夹具是采用组装方式制作的，因此其体积比专用夹具要大。

1. 灵活的夹具单元

柔性夹具单元是在组合夹具基础上发展起来的一种新型夹具元件，有板式底座（见图1）、四面底座（见图2）、角铁底座（见图2），在组合夹具基础上发展起来的一种新型夹具元件。
每个基础上加工有一组定位孔和一组紧固螺丝孔，孔中心距位置准确，呈网格状分布。
利用底板上的定位孔可安装多种夹具，通过夹具的定位方式、夹紧方式、加工方式的变化组合，可保证夹具一个定位夹持用于多件加工，或一个定位夹持用于多面加工，缩短数控机床装夹停机时间，充分发挥其效能。
当加工对象品种改变时，只需要适当调整装配方式或更换相应的夹具就能够很快地转换到新零件的加工，适应性很强，可以更好地发挥数控机床生产的灵活性。

柔性夹具单元的优点：

1）柔性夹具单元结构巧妙、精度高、刚性好、体积小、装配组合强度高、工作负荷大、装调快捷灵活、精度稳定、安全可靠。

2）夹具单元灵活，可通过组装-拆卸-重装进行回收利用。

它与专用夹具相比具有明显的技术经济效果，可缩短夹具制造时间和生产准备周期，节省金属材料，降低成本。

3）通用性好，标准化程度高。

产品适用于ISO、JIS、DIN、美国标准的数控机床。

4）具有足够的强度和良好的韧性。

零部件采用优质钢制成并经表面硬化处理，表面硬度达到HRC58～62，产品主要工作表面形位公差可达IT3～4级（传统组合夹具为IT4～6级），主要零件公差可达0.01～0.005mm（传统组合夹具为0.03～0.05mm）。

2.专用夹具和组合夹具

传统的专用夹具具有定位、夹紧、导向和对刀四大功能，而数控机床上一般都配有接触式检测头、刀具预调仪及对刀件等设备，可供机床利用来解决对刀问题。
数控机床由程序控制的准确定位可实现夹具对刀具的精确导向功能。
因此数控加工中的夹具一般不需要引导和对刀功能，只要求定位和夹紧功能，这样可以简化夹具的结构。
结合柔性夹具单元，可以更加容易地设计专用夹具，夹具设计只需考虑如何快速可靠地定位和夹紧工件，如何进行多面加工或多件加工的定位和夹紧，以缩短数控机床夹具的停机时间，充分发挥其效能。
柔性夹紧单元与专用夹具结合应用的示例如图5所示。有了柔性夹紧单元作为夹具的基础，工件在机床工作台上的定位就变得十分方便。
专用夹具可使结构大大简化，重量大大减轻，从而可提高夹具设计和加工的速度，降低夹具成本。
当产品批量很小或因损坏需要更换专用夹具时，柔性夹具单元还可与组合夹具、临时夹具或过渡夹具组合使用，保证产品生产的顺利进行。

3. 灵活的夹具设计和装配

柔性夹具系统装配简单，不像组合夹具那样需要经过专门培训的装配工才能组装夹具。
柔性夹具单元可由夹具设计人员在夹具设计时选定，并将其装配关系及要求反映在夹具图纸上，由夹具生产部门完成装配与检验，这样既能保证夹具的精度与质量，又可根据产品的生产情况提前准备好夹具。
柔性夹具配有相应工件的二维图纸和三维图形，在现行的工艺卡片或者即将流行的三维工艺中可直接引用，这样有利于指导产品生产和工件的工艺管理，同时也提高了工艺装备的系数。
图5显示了灵活夹具设计的一个例子。