国内外夹具技术现状及发展趋势.doc

国 内 外夹具技术现状及发展趋势 机械制造业足制造业最重要组成z—,也是国民经济最重要的基础产业之一，它担 负着向国民经济的各个冊门提供机械装备的任务无论是传统制造业还是现代柔性制造 系统，由于人龟的加工操作需要装夹，夹具就显得尤具重要，它直接影响加工质虽、生 产效率及制造成本等，夹具是指机械加工、热处理及装配等工艺过程中，为了安装加工 工件，使Z占有正确的位畫，以保证零件和产品的质駅，并提髙生产效率所采用的工艺 装甩⑴好的夹具设计可以提髙产品生产率，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以还可以改变原机床的用途及扩大机床的使用范围，实现一机 多能在一个柔性制造系统中，夹具设计制适的费用占到整个系统费出的1（）%~20%叫 机床夹具在机械加工中发挥着重要的作用，大量专用机床夹具的使用为大批量生产 提供了必要的条件•例如：20世纪之初美国只能生产数千辆汽车福特汽车公司推出T 型轿车后订单急增,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精度 成为提高生产率的瓶颈，估模和随后出现的偉模有效地解决了这一问題到了 20世纪 20年代初，矣国汽车工业的年产量已达到白万辆以上。

普通通用机床亠专用夹具”这 一生产方式拉开了近现代大批呈生产的帷幕【儿在实际生产中，如果通用夹具在生产效 率、工件安装或加工詰度等方而还不能满足工件加工的需要，或安装工件不方便时，就 必须设计专门为某-工件的某道工序所需耍的夹具其特点是结构紧凑、操作迅速方便； 可以保证较高加丄椅度和生产率；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呆早出现在1787年，其发展经历了三个阶段第一阶段表现为夹具与人的结 合布T.业发展初期•机械制造的精度较低，机被产品的加工质量主要依赖于劳动者个 人的经验和手艺，而夹具仅仅作为加工工艺过程中的一秧辅助工具；第二阶段足随着机 床、汽车.飞机等制造业的发展，夹貝的门类才逐步发展齐全夹具的定位、夹紧、导 向元件的结构也日趋完善，逐渐发展成为系统的主要工艺装备之一：第三阶段足近代由 于世界科学技术的进步及社会生产力的迅速提高，夹具在系统中占据柑当亟要的地位， 该阶段的主耍特征表现为丸具与机床的紧密结合，现代生产要求企业制适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表明：多品种生产的工件己占工件种类的85%左右，然而目前， 一股企业习惯于采用传统的专用夹具，在一个具有单一生产的能力工厂中约拥有 13OO（M5OOO套专用夹具。

另一方面，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，而夹具的实际磨损晴只有15%左右近年来柔性制迭系统（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虽生产的能力随着制造技术的发展，产品的设计-周期缩短，更新换代加快、因而传统的大批量生 产模式逐步破中小批凤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役，并将其作为机械制造业的主雯 发展方向⑺一般将组合夹具视为柔性夹具的代名词，组合夹具系统一般有两种类型： 基于销钉和基于T型槽系统墓于销钉的纽合夹貝主要是通过基座上的定位孔实现对 夹具元件精确定位和賞固作用，主要有：BluoTechnik（德国，美国），Kipp（徳国）、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半行的T型柄实规对工件的精确定位，比较直名的系统有：Wharton Unitool （英格兰）、YC1I （俄罗斯）、CATIC （中国）.Halder （德国）叫 而应 用组合夹具的关健技术是计算机辅助夹具设计技术（CAFD）,它正炯普集成化、标准化、 并行化及智能化方向发展凹。

为了适应现代机械工业向岛、精、尖方向发展的需要以及多晶种、小批虽生产的特 点，现代夹具正朝着楕密化、高效化、柔性化、标准化四个方向发展1） 精密化随着机械产品轉度的提高，势必对其精度提出更高的要求精密化夹貝的结构类型 繁多,例如分度可达±0.1用于精密分度的多齿盘,用于精密车削的髙精度二爪卡盘， 其定心精度为5叫（2） 高效化贏效化夹具可以减少工件加工的总时间，以便提高劳动生产率，减少工人劳动强度口 常见的高效化夹具有：白动化夹具、高速化夹具、具有夹紧动力模块的夹具等例妇使 用电动虎钳装夹「•件・可使工件效率比普通虎钳提高5倍左右；而高速卡盘则可保证卡 爪在转速9000 r/min的条件下能正常夹紧工件，使切削速度大幅度提高"（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：组合夹其、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，夹貝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柑直联系的两个方面，在制造典型夹具结构的基础上，首 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 具元件，舍弃一些功能低劣的结构。

目前，我国己有夹貝零件、部件的国家标准： GB2148^2249-80, GB2262〜2269・80以及通用夹具标准，组合夹具标准等夹只的标准 化也是夹具柔性化高效化的基础，作为发展趋势，这类夹具的标准化有利于夹具的专业 化生产及缩短生产周期，降低生产成本金属切削加工过程是一个髙度的动态性、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，这毗碍了实於研究的进行随着计 刃机技术的发展.有限元法开始被应用于切削工艺的模拟中有限元方法赧早被应用在切削丄艺的模拟是在70年代，与其它传统方法相比，它 大犬提高了分析的精度1973年美国川inois大学的B.E.Klamecki1101®先系统地研兗了 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［⑴应用有限元法初步分析了切削王艺• 1982年,Usui和Shirakashil，2J为了建立稳 态的正交切削模型.第一次提出刀面角、切屑几何形状和流线等，预测了应力应变和温 度等参数1984年，Iwatas等将材料假定为刚熠性材料，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。

但由干忽略了弹性变形，因而耒能计算出残 余应力Strcbjiwsjum和Carroll冋将工件材料假定为弹塑性，在工件和切屑之间采月绝 热模型，模拟了从切削开始到切屑稳定成形的过用他们采用等效塑性应变作为切屑分 离的准则，而等效塑性应变備的选择影响了加工表啲的应力分布＞ 1990年，Strenkowski 和Mood⑸模拟了切屑形状,用Euler有限元模型研究正交切削，忽略了弹性变形,预 泗J'工件、刀具以及切眉中的温度分布Komvopoulos和Erpenbeck11'1用库仑摩擦定律 通过正交切削解析方法得到了刀具与切屑Z间的靡擦力和法向力用弹塑性有限元模型 研究了钢质材料正交切削中刀具侧而儕损、枳届瘤及工件中的残余应力等Furukawa 和Moronuki用实验方法併允了铝合金超精密切削中工件农面的光洁度对加工质量的影 响Naoyo恤胡“用梢密切削机床在实验中浪量了红铜林料切屑形成和切削深度之间 的关系ToshimichiMoriwakill8）導用刚塑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铜材料正交切削过程中的温度场J.V.C. Souza , M.C.A. Nono, M.V RibeiroI，Q|等研完了氮化硅陶瓷刀具切削灰铸铁时刀具性能，并对切削用量 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曲也取得了不少的研究成果黄志超12® 等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璽陈明®）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.进给啟对切削温度的影响并通过红外热像仪的观测，验 证了仿真结果与试验结果的吻合度，武凯【刃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创 等建立金属正交切削加丄的热力耦合有限元模型，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、铳削力 的分柢模型求解了三维铳削加工的瞬态温度和瞬态切削力，将其作为动态载荷应用于三 维切削模型，模拟了三维铳削加丄过程，预测了零件的变形•梁文杰（列以通用有限元软 件为平台，建立了刀具车削材料的二维热力耦合有限元模拟・阮景奎【⑸通过对崗速铳削 合金铸铁时的锯齿状切屑形成过程的仿真分析，提出了钿洛合金铸铁材料的髙速饶削锯 齿状切屑是山绝热剪切和塑性断裂共同引总的观点，并研究了切削参数对锯齿状切屑形 成的影响规律。

唐志涛〔旳等人建立「基于有限变形理论、虚功原理和更新的拉格朗日公 式的热一弹塑性木构方程，导出了热一弹炮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应变场等物理场的分布解 ffi,苏桂生⑵）对钛合金进行仿豆和实验硏究，得出了切削力的的冋|丿|方程及最佳切削参 数韦伟，任家隆国建立J'热力耦合、平面应变模型和正交试验表，模拟了不锈钢的车 刖加工过程，分析了刀具儿何参数、切削参数以及换热系数对工件切削力和切削温度的 彤响:聂宇宏，杜美撿|罚等研咒r切削速度对切削过程温度分布的影响・得出刀屑接触 区及工件上的啟商速度都随切削速度的増加而升高，但工件上温度升高的赶势较平缓综上所述•切削加丁•有限元模型逐步得到改善，应用范围也逐步扩大，这些研究思 路及托成果为实际生产提供了一定的雀论依据•但实际生产过稈-中的应用受到模拟过程 短暂性的制约,。