国内外夹具技术现状及发展趋势

1、国内外夹具技术现状及发展趋势机械制造业是制造业最柬要组成七一,也是国民经济最重要的基础产业之，它担 负着向国民轻济的各个部门提供机械装备的任初无 邳仕统削造业还是现代柔性制造 系统.由于大适的加工操作需要装夹，夹具就显得尤其重要，它直接影响加工质量、生 产效率及制造成本笃，央具是指机械加工、热处理及装配等工艺过程中，为r安装加工 工件.使之占有正痛的位置，以保证零件和产品的质届，并提高生产效率所采用的工艺 装配【七好的夹具设汁w以提局产品生产率，保证加工精度，降低生产成本及减轻劳动 强度等。此外使用专用夹具还町以改变原机床的用途及扩大机床的使用范围，实现一机 若能心-个柔性制造系统中，夹具设计

2、制造的费用占到整个系统费用的10%20%叫机床夹具在枇械加工中发挥者重要的作用，大豪专用机床夹具的使用为大批垃生产 提供了必要的条件.例如20世纪之初美国只能生产数千牺汽车.福特汽车公司推出T型轿车后订单急赠,为了保证零件的互换性在当时精度较差的机床上如何保证孔距封度 成为提高生产率的瓶颈，姑棋和随后出现的神模有效地样决了这一问题，到了20世纪20年代初，宠国汽车工业的年产量已达到白万辆以上。“普通通用机床+&用央具”这 一上产方式拉开了近现代大批酸生产的帷耕光在实际生产中，如果通用夹具在生产效 率、匚件安装或加工精度等力面还不能满足工件加工的箫要，或安装工件不方便时，就 必项设计专门

3、为某-工件的某道序所需要的夹其特点是结构紧凑、操作迅速方便； 可以保证牧高加工楮度和生产率；但设计和制造周期长，制造费用高：在产品变更后无 法利用而导致报废夹具最早出现在1787年，发展经历了三个阶段，第一阶段表现为夹具与人的结 合。在工业发展初期,机械制造的精度较低，仇械产品的加工质量主要依探于劳动者个 人的经股和手艺，而夹具仅仅作为加工工艺过程中的-仲辅助工具；第二阶段是随着机 床、汽车、飞机等制造业的发展，夹具的门类才逐步发展齐全。夹具的定位、夫紧、导 向元件的结构也n趋完善，逐渐发展成为系统的上要工艺装备之一；第三阶段是近代由 于世界科学技术的进步及社会生产力的迅速提高，夹具在系统中占

4、据相当更要的地位， 该阶段的主要特征表现为夹具与机床的紧密结合，现代生产要求企业制造的产品品种经常更新换代，以适应激烈的市场竞争尽管国 际生产研究协会的统计&明：多品种生产的工件己占工件种类的85%左右，然而目前， 般企业习慨于采用传统的专用央具，任一个具有单一生产的能力上.厂中约拥有13000-15000套专用夹具另-方面.在多品种生产的企业中，约隔4年就要更新80%左右的专用夹具，而央具的实际磨损最只有15%左右。近年来柔性制造系统（FMS）、 数控机床（NC）、加工中心（MC）和成组加工（GT）等新技术的应用和推广，使中小 批生产的生产率逐步趋近于大批最生产的能力。随着制造技术的

5、发展，产品的设计周期缩短，更新换代加快、因而传统的大批施生 产鹿式逐步被中小批虽牛产模式所取代。机械制造业须具备较高的柔性才能适应这种变 化，国外己把柔性制造系统作为开发新产品的有效手段，并将其作为机械制造业的主要 发展方向气一般将组合夹具视为柔性夹具的代名词.组合夹只系统一般有两种类型：基于销钉和基于T型槽系统。基于销钉的组合夹具主要是通过基座上的定位孔实现对 夹具元件精确定位和紧固作用，主耍有：BluoTechnik（德国，美国）.Kipp（德国）,Stevens（美国）、SAFE（美国）、TJMGS（中国）及CPII（俄罗斯）.基于T型槽的组合夹具 是通过基座上互相垂直和平行的T型槽实现

6、对工件的精确定位，比较吾名的系统有：WhartonUnitool（英格兰）、YC1I（俄罗斯）、CATIC（中国）、Halder（德国）叫而应用组合夹具的关键技术是计算机辅助夹具设计技术（CAFD）,它正朝着集成化、标准化、 并行化及智能化方向发展闵。为了适应现代机械工业向高、精、尖方向发展的需要以及多品种、小批鼠生产的特 点，现代夹具正朝着精富化、高效化、柔性化、标准化四个方向发展。（1）精密化随者机械产品糟度的提高，势必对其精度提出史高的要求。精密化夷其的结构类型 繁多，例如分度可达0.1用于精密分度的女齿盘.用于精密车削的高精度三爪卡盘, 其定心精度为5pm.（2）高效化高效化夹具町以减

7、少工件加工的总时间，以便提高劳动生产率，减少工人劳动强度. 常见的高效化央只有：自动化夹具、高速化夹H、具有夹紧动力模块的夹具等.例如使 用电动虎钳装夹丁.件，可使I：件效率比普通虎钳提IWJ5 fS左右：而高速I：盘则可保证卡 爪在转速9000 r/min的条件卜-能正常夹紧T.件，使切削逑度大幅度提高.（3）柔性化夹具的柔性化与机床的柔性化类似，它通过调组合方式以适应工艺可变因素，具有 柔性化的新型夹具种类主要有：组合央具、通用可调夹具、成组夹具、模块夹具、数控 夹具等，在较长时间内，夹具的柔性化将是夹具发展的主要方向。（4）标准化夹具的标准化与通用化是相互联系的西个方面，在制造典型夹具结

8、构的基砒匕3先进行夹具元件和部件的通用化，建立典型尺寸系列或变型，以减少功能用途相近的夹 只元件，舍奔一些功能低劣的结构。目前，我国己有夹具零件、部件的国家标准：GB2148-2249-80,GB22622269-80以及通用夹具标准，组合夹具标准等。夹R的标准 化也是夹具柔性化高效化的基础，作为发展趋势，这类央具的标准化有利于夹具的专业 化生产及缩短生产周期.降低生产成本.金屈切削加工过程是一个高度的动态性、非线性的过程，其过程涉及到材料学、弹塑性力学、断裂力学、热力学及摩擦学等许多问题，这即碍了实验研宽的进行。随看计 算机技术的发展,有限元法开始被应用于切削工艺的模抵中。有限元方法最早被应

9、用在切削工艺的模拟是任70年代，与其它传统方法相比，它 大大提高了分析的精度。1973年美国Illinois大学的B.E.Klarneckil，0,M先系统地研究了 金属切削加工中切屑形成的原理，1980年美国的NorthCarolina州立大学的M.R. Lajczok）应用有限元法初步分析切削工艺.1982年，Usui和Shirak&shi四为了建立枪 态的1E交切削模型.第一次提出刀面角、切屑儿何形状和流线等，预测了应力应变和温 度等参数,1984年，Iwata回等将材料假定为刚型性材料，利用刚塑性有限元法分析了 低速切削、低应变速率时的稳态正交切削。但由忽略了弹性变形，因而未能

10、计弃出残 余应力。Strcbjiwsjum和Carrol肿将工件材料假定为弹塑性，在工件和切梢之间采用绝 热模型，模拟了从切削开始到切屑稳定成形的过程。他们采用等效塑性应变作为切屑分 高的准则，而等效塑性应变值的选择影响了加J：表面的应力分布，1990年，Strenkowski和Moon151模拟了切屑形状，用Euler有限兀模型研究正交切削，忽略了弹性变形，预 测J件、刀具以及切屑中的温度分布。Komvopoulos和Erpenheckfl，,ffl库仑摩擦定律 通过正交切削解析方法得到了刀具与切屑之间的摩擦力和法向力。用弹型性有限元模型研究了钢质材料正交切削中刀具侧面磨损、枳屑痛及工件中的

11、残余应力等。Furukawa和Moronuki用丈验方法研究了铝合金超精密切削中工件表面的光洁度对加工质fit的影 响。NauyoIkawa171用精密切削机床在实验中浪量了红锅材料切屑形成和切削深度之间 的关系。ToshimichiMoriwaki网等用刖型性有限元模型模拟了上述实验。他们模拟了切 削深度在亳米到纳米范围内红钢材料正交切削过程中的温度场.J.V.C. Souza , M.C.A. Nono, M.V. Ribeiro等研究了知化硅陶瓷刀具切削灰铸扶时刀具性能，并对切削用最 对切削力的影响进行了分析。国内研究切削加工的学者在模拟切削过程方面也取得了不少的研尤成果。黄志超12。等

12、论述了有限元中网格划分技术，分析了各种网格生成方法的特点，并对有限元网格划 分技术的发展趋势进行展望。陈明等在有限元环境F建立了三维铳削航空铝合金的温 度场模型.分析了切削速度、进给量对切削温度的影响。并通过红外热像仪的观测，验 证了仿其结果与试验结果的场合度。武凯I?等结合有限元技术和切削力数学模型，对薄 壁件加工变形进行了分析和计算，提出了研究薄壁件加工精度的系统方案。黄志刚 等建立金属正交切削加L的热力偈合有限元模型，并利用软件模拟了材料切削过程，通 过与试验结果的比较证明了有限元模型的正确性。随后他们继续利用铳削温度、饨削力 的分析模型求解r三维饨削加I.的瞬态温度和瞬态切削力，将只作

13、为动态载荷应用于三 维切削模型，模拟了三维铳削加工过程，预测了零件的变形.梁文杰I列以通用有限元软 件为平合，建立了刀具车削材料的二维热力耦合有限元模拟。阮景奎R句通过对高速铳削 合金铸铁时的锯齿状切屑形成过程的仿真分析，恨出了钳铝合金铸铁材料的高速说削锯 齿状切屑是由绝热可切和塑性断裂共同引起的观点， 并研究 切削参教对甜齿状切屑形 成的影响规律.唐志涛可等人建立了基限变形理论、虚功原理和更新的拉格朗日公 式的热一弹塑性本构方程，导出了热一弹型性大变形耦合控制方程，有效预测了正交切 削航空铝合金的切屑形态、切削力、切削温度以及应力场和成变场等物理场的分布，解 鹏.苏桂生对钛合金进行仿真和实验研究，得出了切削力的的回归方程及最佳切削参 数韦伟，任家隆的建立了热力堪合、平面应变模型和正交试验