基于特征的夹具设计校验方法研究

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夹具是针对特定零件特定工序内容而选择或设计的。尤其是专用夹具，其个性化及专业性极强，特别是对产品结构复杂、产品批量不大、需要生产较多品种的零部件生产企业(例如航空航天企业)进行产品试制、投产准备及生产管理带来了巨大的工作量。据统计，产品生产准备周期-般占产品研制周期的 50%以上，工装准备周期占生产准备周期的50%以上，而夹具设计与制造周期占工装准备周期的70%以上Il1。因此随着计算机技术的发展和在工业设计领域的应用，20世纪70年代以来，国内外不少学者针对不同夹具设计的特点，对夹具设计过程、夹具元件的自动选择和装配、夹具设计专家系统、针对特定工艺的夹具设计系统、CAD/CAPP/CAFD集成和智能设计、夹具基础元件图形库等进行了研究12-1。这些工作丰富了相关理论的研究，推动了夹具CAD技术的进步，使夹具设计自动化-定范围、-定程度上实现成为可能，还没有研究者专门对夹具设计的校验问题进行专门的研究和探讨。但由于夹具设计涉及工件的形状、尺寸、本工序的加工精度、基准面的加工精度、机床、刀具、量具、其它辅具及相关信息等，涉及面广，夹具的设计必须系统地考虑各方面和问题。针对现有夹具设计研究、开发和应用中普遍存在未对夹具设计进行校验的不足，提出基于特识的夹具设计及夹具设计校验方法，并对该方法中涉及的基于特征的定位、夹紧、导向或对刀、夹具体设计等进行了具说明，对于基于特征的夹具设计校验方法涉及的工艺合理性、定位方案、夹紧方案、导向或对刀方案、刀具、机床、夹具结构工艺性等校验进行了较全面的阐述。对全面提高夹具的设计质量、缩短工装准备周期、降低工装生产、使用和维护成本有-定的参考价值。

2面向夹具设计的特征识别技术随着工件加工工艺过程各工序的工序内容按工艺规程所排定的执行顺序-步-步的进展，处于由机床、夹具、工件、刀具组成的工艺系统中的工件的状态随着工件上被加工部位多余的材料不断地被切除是不断地发生变化的，工件的形状 、尺寸也不断地发生变化，工件不断地由毛坯向成品转变。上道工序已加工过来稿日期：2012-O8-12作者简介：吴卫东，(1968-)，男，江苏东台人，博士生，副教授，主要研究方向：CAD/CAM技术及相关开发232 吴卫东等：基于特征的夹具设计校验方法研究 第6期的表面，可能成为后继工序的定位基准或者夹紧着力部位。因此夹具设计中必须弄清被加工件上将要加工表面的状态，用于定位、夹紧的表面的状态。特征是用于表征设计所涉及对象的材料及热处理特性、几何形状特性、结构特性、精度特性等，特征识别技术可用于识别被加工工件的材料、结构、工艺特性、特征之间的组合关系、几何形状和尺寸信息、被加工表面当前状态信息、被加工表面已经过哪些工艺处理和最终的工艺处理结果。

面向夹具设计的特征识别技术不仅局限于被加工件工艺模型的特征识别，对夹具设计所涉及的夹具案例模型、组成机构或元件、机床、刀具、量具和其它辅具等也需要进行全面的特征识别，为夹具设计提供全面的信息支持，相关的快速设计建模技术也得到很大程度的研究与应用 。

3基于特征的夹具设计3.1定位方案的实施基于特征的工艺定位方案的实施，是在定位方案经过所需限制的自由度验证后，依据工件上用于定位的表面的加工状态(毛坯、粗加工、半精加工或精加工)、尺寸及精度、定位精度要求、定位元件是否受力(是否为支承件)、夹具工作效率等来选择定位元件形式、精度、相应的运动机构和辅助动力装置。在定位方案所涉及的定位元件确定后，再进行定位精度的计算，并结合夹紧方案的实施，在定位精度和效率要求得到满足后，最终确定定位方案。尤其对复杂零件的加工所使用的夹具的设计，由于其加工工艺复杂，零件的信息在加工过程中是不断变化、前后衔接的。

3.2夹紧方案的实施传统的基于工序图的夹紧方案，只能大致确定工件上的夹紧部位和夹紧力的方向，不能确定夹紧点的具体位置或夹紧力的分布状况，也不能评估夹紧力引起的变形对加工精度的影响。只能由设计者根据经验或试验来确定夹紧具体方案 ，对设计者的要求较高，夹具设计和制造的返工或采取补救措施的现象不可避免地时常发生。基于特征的工艺夹紧方案的实施，由于拥有工件的特征信息，工件的材料性能、材料在工件中的分布状况、工件的结构刚度特点、各部位在整个工艺过程中所处的加工状态、工件不同部位之间的空间结构关系等易于获得，可运用各类工程知识和经验对夹紧工艺方案进行实施，也可以运用现代 CAD技术提供的分析手段对具体的夹紧方案(包括夹紧力大孝方向、作用点、夹紧力的分布形式、夹紧元件的形式、夹紧机构与工件及机床间的空间关系等)进行虚拟现实的动态、静态分析和优化。

3.3导向对刀方案的实施在工件上加工平面、沟槽等表面时，当尺寸精度和位置精度要求较高或批量较大需要满足互换性要求时，需要在夹具上设置针对加工表面的对刀装置，确保在刀具更换、重磨后仍能加工出位置和精度-致的表面。当加工对象为孔系时，需要在对应孔的位置设置与孔尺寸和位置相匹配的导向装置。而且孔径不同，加工方法不同，这些导向装置的结构和尺寸又是不同的，例如钻模的导向装置不同于镗模上的导向装置。所使用的机床不同、精度要求不同、生产批量不同，导向装置也不同。当在没有预制孔的工件毛坯上进行钻孔作业时，如果以车床为加工设备，则-般不需要安置导向装置。如果在钻床上进行加工，当工件批量较大、互换性要求较高时则需要在夹具上设置导向套；而如果批量较孝对互换性要求不高，则只要选用标准夹具即可，无需设置导向装置。

3.4夹具与机床定位及联接实施夹具是由机床-夹具-工件-刀具组成的工艺系统中的-个重要环节，对于铣床、镗床、车床、磨床、钻床、刨床等通用机床上使用的夹具，必须与机床形成精度较高的定位和可靠的联接；钻床夹具要视具体隋况确定夹具与机床的定位和联接关系，当工件尺寸和重量较大且要加工的孔的位置处于支承面范围内，施钻时钻削力不会引起工件的颠覆和不致引起工件形成影响加工的振动时，则只要把钻模合理地定位、固定于工件上，而把工件稳定地安置于摇臂钻床工作台即可，工件并不需要与机床联接；如果工件有-定的批量、工件较孝形状比较复杂，而且将要钻孔的位置有较严格的要求，则工件被定位、夹紧于夹具中，当加工位置处于夹具的可靠支承范围内，则夹具不需要与机床进行联接，否则夹具体与机床工作台之间必须进行定位并形成能克服切削力对夹具与工件之间位置影响的联接，以防工件在加工过程中因切削力作用而失去其合理的位置。

在专用机床上使用的夹具，-般与机床与夹具通过固定的定位和联接成为-体，以适应专用机床的高效、专业化生产。

夹具的定位、夹紧、对刀或导向、夹具体的设计中需要综合考虑生产批量、所使用的机床、生产的自动化程度、工件的尺寸、形状、加工精度要求等多方面的信息，其实施的相关的知识和经验需要不断地总结、面向应用进行表示，才能促进夹具设计的自动化水平提高。

3.5夹具体构建夹具体是定位元件及机构、夹紧元件及机构、导向对刀装置、夹具与机床的联接装置的载体，它把夹具所涉及的各种要素有机地组合在-体，以实现夹具的对工件在机床上快速、准确安装的功能。夹具体设计也是与工件的材料、形状、加工精度相关，与所采用的机床的具体参数及功能相关。基于夹具设计活动信息支持模型的夹具体设计，能在定位、夹紧、对刀或导向等元件的相关结构、尺寸、精度、空间位置等各类特征信息的支撑下进行设计，能有效地避免了由于相关设计信息不全或获取困难带来的不便。基于特征的夹具体构建，是在充分运用定位、夹紧、导向或对刀、夹具与机床联接方案实施中根据工件的形状、尺寸、结构特点、定位面的精度、定位元件的精度以及定位、夹紧、导向或对刀、夹具安装联接件的空间分布关系等信息的基础上进行的，设计者在充分考虑这些件与夹具体的安装联接方式、并兼顾夹具体的本身的结构刚度、结构工艺性和与机床的安装联接关系，就能完成夹具体的设计。

4基于特征的夹具设计合理性验证夹具设计的合理性，在传统的夹具设计中只能凭设计者的经验和实际试验来保证，这使夹具设计、制造返工现象在所难免，也是夹具准备在工装系统中占用较多时间的主要因素之-。提出基于特征的夹具设计合理生验证方法，可有效地避免或减少夹具设计、制造的返工现象。

No.6June.201 3 机械设计与制造 2334.1工艺合理性验证工艺合理性验证主要任务是检查工艺过程各工序之间的衔接和互相保证关系。对于夹具设计其任务主要是检验所设计的夹具能不能起到工艺规程中各工序规定的作用。例如第-道工序加工时，选择粗基准，粗基准精度的高低直接影响着零件的被加工表面的精度。粗基准精度撒于毛坯的成型方式。选择已加工过的表面作为本工序的基准时，那么这个已加工表面的加工质量直接影响着本工序的加工精度。工序之间是环环相扣、互相保证的。

工艺合理性验证，是检查相联系的被加工面、工序基准系统之间的工艺保证关系。

4.2基于特征识别技术的定位夹紧方案合理性验证定位方案的合理性验证主要是利用特征识别技术对定位方案所涉及的各表面的形状、尺寸、精度、材料特性、方位关系等相关特征信息进行提取，并利用这些信息，结合所选取的定位元件信息，对定位系统的精度进行计算，若其定位误差与本工序被加工面的加工公差满足，则初步认为定位方案是合理的。当然定位误差的计算又包括基准误差及基准不重合误差，且要对不同加工部位在同-定位方案下的误差进行全面的验算。当然，要进-步验证其合理陛，还需结合夹紧方案，计算夹紧引起的工件变形对加工精度的影响。

夹紧方案验证主要是验证夹紧力是否作用在支承件所形成的区域内、夹紧力会不会使加工表面产生影响精度的变形、会不会引起工件破坏性变形等。夹紧方案的验证可在夹紧实施方案确定、夹紧力估算完成后，对工件、夹紧机构在切削力作用下进行校核。由于拥有工件和夹紧实施方案涉及的特征模型，可运用现代机构运动仿真、动力仿真、零件受力有限元分析软件对夹紧相关的工件、夹紧元件、机构进行仿真。

4.3机床参数的校验夹具的设计，都是在工艺方案确定后进行的。它是针对某-个或几个工序内容的加工而准备的工装之-，是机床与工件联系的桥梁。那么工艺方案已确定的机床的工艺范围能不能满足被加工工件的特定待加工部位的加工必须首先进行验证。必须检查机床可安装的最大工件的尺寸、工作台可承载工件的重量、刀架可安装刀具的规格、工作行程范围、可提供的切削功率范围、机床的加工精度、机床的生产效率等是否满足待加工部位的加工要求。

这些参数的验证，不应仅仅限于满足加工要求，还要使其选择尽量优化。因为不当的参数，不仅会使工件、刀具的安装出现问题，而且可能导致机床能加工的工件的形状范围、尺寸范围、精度范围无法满面足工件的加工要求。

4.4刀具参数的校验刀具的类型、结构参数是否满足加工需要、刀具或刀柄会不会在加工过程中与夹具或机储生干涉也是应验证的内容。刀具的类型验证主要是看刀具形式是否与加工工序内容相匹配，刀具的形式、参数或加工精度是随着加工内容和要求的变化而变化的。例如对工件上孔的加工，当所用的机床为车床时，工件上本来没有孔，则需要首先进行钻孔，使用钻头；如果本来有预制孔，且孔的尺寸、表面粗糙度要求较高，则还需要进行镗孔或扩、铰等加工，这些工序内-般在同-车床、同-夹具上来完成加工。刀具的确定与夹具设计也存在-定的对应关系。例如用钻床进行钻孔，则钻头的参数必须与夹具上对应的钻套相匹配；用镗床进行镗孔，镗模上的导向套等装置必须与镗杆的形式和尺寸相匹配等。

4.5切削用量的校验切削用量验证主要是评估对应切削用量形成的切削力对工件变形的影响、能不能达到预定的加工精度等，据此来评估夹具设计夹紧方案的可行性。切削力、夹紧力对加工的影响分析，为夹具在进行定位夹紧方案实施时采取适当措施来控制切削中因工件刚度不足、夹紧不当而引起的加工精度下降等提供了依据。通过运用切削规律计算出刀具作用于工件的切削力的大孝变化规律及分布，以确定夹具应该对工件形成形成怎样的切削力(大孝方向、分布)，为进-步采取相应的辅助支承措施提供参考。

4.6夹具的结构工艺性校验夹具的结构工艺性验证包括夹具零件的可制造性验证、夹具装配体的可装配性验证、夹具的结构刚度的校验、夹具操作的便持生验证等∩制造性验证需要其制造工艺系统相关数据的支持，而且工艺路线不同，其数据也随着变化，要根据夹具制造实施者本身的工艺条件来进行。夹具装配体可装配生验证和夹具操作的便捷性验证，现在已有-些虚拟现实的办法来进行验证。而结构刚度的验证，由于夹具本身-般都是由多零件组成的装配体，而装配体刚度的验证，目前还首先需要进行针对其工况条件和检验工具的处理能力范围的建模，然后才能进行验证实施。由于相关的软件工具处理能力的限制、工艺链相关的数据的不完备，要实现这方面的验证还有大量工作要做，例如，数据的积累、相关工具的开发等。

5结束语夹具设计是-项针对性较强的创造性设计活动，知识工程技术的研究、开发及其在夹具设计领域的应用，使夹具设计向智能化、自动方向发展成为必然的趋势，但据笔者多年从事该方向的研究和应用的经验来看，要真正实现夹具设计的智能化和自动化，还有很长的路要走，需要建立基于特征的机床信息库、刀具信息库、夹具零部件信息库、针对特定零件的夹具事例库以及这些信息的智能引用和人机交互机制，还需要工程设计人员、知识工程的开发人员进行广泛的合作和交流，投人大量的精力对夹具设计的机理进行深入的探索和研究，并面向设计过程的需要研究和开发相关的派生技术，才能形成对制造业有普遍指导和应用意义的夹具设计工具或系统。-fX现有夹具自动化设计研究存在的对夹具设计自身特有规律研究不足的现象，提出了基于特征识别的夹具设计方法，提出的基于特征的夹具设计和设计校验方法，对夹具设计、夹具设计辅助系统的开发都有-定的参考价值。