王愛琴，石登云，祝雅芳

(杭州前進(jìn)齒輪箱集團(tuán)股份有限公司，浙江杭州311203)

0 引 言

國(guó)際生產(chǎn)研究協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)表明，為滿足市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品需求日益多樣化，目前中、小批量多品種生產(chǎn)的工件品種已占工件種類總數(shù)的85%左右［1］。某公司生產(chǎn)的HCX00型系列齒輪箱，屬于典型的單件、小批訂單式的生產(chǎn)模式，且產(chǎn)品極具相似性。但由于產(chǎn)品是根據(jù)市場(chǎng)需求先后開發(fā)的，工藝準(zhǔn)備工作中缺乏統(tǒng)籌考慮，還是按單一產(chǎn)品設(shè)計(jì)專用夾具，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)準(zhǔn)備效率和成本。因此，需要研究一種新的夾具設(shè)計(jì)方法來滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的需要。

為提高夾具設(shè)計(jì)效率從而降低生產(chǎn)成本，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，主要包括兩方面:①柔性?shī)A具;②計(jì)算機(jī)輔助夾具的研究。如文獻(xiàn)［2］就組合夾具如何同專用夾具以及通用可調(diào)夾具有機(jī)結(jié)合起來，使其發(fā)揮各自的長(zhǎng)處，擴(kuò)大組合夾具的使用范圍做了研究，提出了一種半組合夾具設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)［3］對(duì)組合夾具在成組加工中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，使組合夾具代替一部分成組夾具，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)［4］根據(jù)現(xiàn)有夾具實(shí)例，應(yīng)用各種計(jì)算機(jī)技術(shù)，在Solid-Works中進(jìn)行三維實(shí)體造型，建立夾具實(shí)例資料庫(kù)。這些理論和研究成果為夾具設(shè)計(jì)提供了很好的依據(jù)。但由于夾具設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和經(jīng)驗(yàn)性，需要應(yīng)用這些理論來具體問題具體分析。

為此，本研究在企業(yè)現(xiàn)有的生產(chǎn)條件下，采用模塊式的結(jié)構(gòu)可調(diào)的夾具設(shè)計(jì)方法，對(duì)具有相似結(jié)構(gòu)的箱體零件進(jìn)行夾具柔性化的設(shè)計(jì)。

1 HCX00型齒輪箱箱體特征及對(duì)夾具的設(shè)計(jì)要求

某公司生產(chǎn)制造的HCX00型系列船用齒輪箱，如圖1所示。其結(jié)構(gòu)特征與制造特征都具有如下共同特點(diǎn):

圖1 HCX00型系列齒輪箱結(jié)構(gòu)特征相似

(1)材料:HT200;

(2)毛坯類型:鑄件時(shí)效處理;

(3)主要待加工表面，如:軸承檔、端面、支架面等的尺寸公差、形位公差和表面粗糙度相同均為IT7;

(4)箱體為上、下剖分式;

(5)主要的加工面為合箱面、兩端面、支架面、頂面(配油器面)、軸承孔系;

(6)所要加工的主要方位面及空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同或相近。

由以上可知，HCX00雖然品種多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工工藝路線長(zhǎng)，但各箱體零件之間高度相似。依據(jù)“相似零件有相似工藝規(guī)程”的理論可知HCX00系列齒輪箱體零件應(yīng)具有相似的工藝。

相似工藝的夾具的設(shè)計(jì)不是針對(duì)某一零件的某一工序，而是針對(duì)一組零件的某一工序。即相似工藝夾具設(shè)計(jì)要適應(yīng)零件組內(nèi)所有零件在某一工序的加工。

分析夾具設(shè)計(jì)過程可知，工件的形狀特征對(duì)夾具結(jié)構(gòu)的影響最為直接。對(duì)于具有相似工藝的HCX00型箱體零件來說，其零件形狀特征極具相似。且其同一工序的加工內(nèi)容、定位方式、機(jī)床相同或相近。因此在同一工序上加工的相似零件可使用同一套夾具，夾具需要滿足以下要求:

(1)調(diào)整方式。根據(jù)組內(nèi)零件尺寸的變化調(diào)整或更換相關(guān)的定位、夾緊元件，以完成不同零件的裝夾工作;

(2)調(diào)整精度。要求零件變更時(shí)，夾具調(diào)整與零件尺寸變化的綜合誤差可控，以保證零件的加工精度;

(3)調(diào)整時(shí)間。夾具元件的調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)短直接關(guān)系生產(chǎn)效率與節(jié)奏，需要夾具設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)可調(diào)部分盡量做到簡(jiǎn)單快速［5］。

2 基于相似特征的HCX00型齒輪箱體夾具設(shè)計(jì)

對(duì)具有相似工藝的整組零件設(shè)計(jì)夾具與專用夾具設(shè)計(jì)方法大體相同，主要區(qū)別在于具有相似工藝的夾具設(shè)計(jì)的使用對(duì)象不是一個(gè)零件而是一組零件。機(jī)床夾具一般由夾具體、定位件、夾緊件、連接件、導(dǎo)向件等部分組成［6］。本研究根據(jù)夾具的組成及HCX00系列箱體的特征，采用標(biāo)準(zhǔn)化模塊與專用模塊組合的結(jié)構(gòu)可調(diào)的夾具設(shè)計(jì)方法，通過空間結(jié)構(gòu)的調(diào)整與夾具功能模塊的更換來適應(yīng)同組零件。

其中標(biāo)準(zhǔn)化模塊在夾具設(shè)計(jì)時(shí)可以直接從庫(kù)里提取，固定式定位銷在夾具標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)提取實(shí)例如圖2所示。

圖2 夾具標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)提取標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)例

而專用模塊無法完全標(biāo)準(zhǔn)化，而且很多參數(shù)的確定是在夾具設(shè)計(jì)過程中逐步完成的，所以較好的方法是對(duì)常用的基本類型進(jìn)行總結(jié)，進(jìn)而建立對(duì)企業(yè)具有參照意義的、標(biāo)準(zhǔn)化的“模板式”圖形庫(kù)，使用戶在設(shè)計(jì)過程中可以從中選擇合適的類型，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)，從而減輕用戶的工作量并提高專用模塊設(shè)計(jì)的規(guī)范性［7-8］。

本研究論述的HCX00系列通用基礎(chǔ)底板如圖3所示，基礎(chǔ)底板在夾具構(gòu)成中屬于不可調(diào)部分，長(zhǎng)方形基板定位件在其上通過空間結(jié)構(gòu)調(diào)整來滿足整組零件的裝夾要求，因此可借鑒槽系和孔系結(jié)構(gòu)的組合夾具設(shè)計(jì)方法［9-10］，并將其形成企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的模板。

結(jié)構(gòu)可調(diào)即將夾具構(gòu)成單元中分成不變的(通用的)固定部分和為滿足整組零件裝夾的可調(diào)部分。更換工件品種時(shí)，只需對(duì)可變換部分進(jìn)行調(diào)整和更換，將這兩部分巧妙地組合起來構(gòu)成新產(chǎn)品，即可進(jìn)行新的加工。設(shè)計(jì)時(shí)研究者首先對(duì)整組零件的圖紙、工藝要求和加工條件進(jìn)行全面分析，來確定最佳工件裝夾方案和夾具調(diào)整形式［11-12］。

圖3 模板式基礎(chǔ)底板

3 特征相似的HCX00型箱體鏜孔夾具設(shè)計(jì)實(shí)例

工件在機(jī)床上加工時(shí)，首先要使工件在機(jī)床上或夾具中占有某一正確位置，這就是定位，為了防止加工過程中切削力或其他外力破壞這一正確位置，還必須將工件夾牢壓緊，這就是夾緊，工件定位與夾緊的過程就稱為工件安裝。由于工件定位而產(chǎn)生的誤差稱為定位誤差，由于工件夾緊變形而產(chǎn)生的誤差稱為夾緊誤差。定位誤差和夾緊誤差合稱為工件安裝誤差［13］。

齒輪箱體零件最關(guān)鍵的工序是精鏜軸承孔。箱體軸承孔不僅孔本身的精度要求高，而且孔距精度和相互位置精度也要求高。加工質(zhì)量的好壞對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量可說是至關(guān)重要。在齒輪箱體類零件中，根據(jù)生產(chǎn)批量及零件的結(jié)構(gòu)及精度，零件主要有兩種定位方式:①采用“基準(zhǔn)重合”原則，選擇加工表面的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)為定位基準(zhǔn);②采用“基準(zhǔn)統(tǒng)一”原則，箱體以某一組精基準(zhǔn)定位，在多數(shù)工序中采用該同一組精基準(zhǔn)定位。

HCX00型系列齒輪箱體，形狀上極具相似且其同一工序加工內(nèi)容相同。通過對(duì)齒輪箱箱體的綜合分析，箱體零件可采用典型的“一面兩銷”定位，同前面多道工序的基準(zhǔn)一致。以上箱體結(jié)合面(即支架底面)為定位面，兩合箱孔作為定位孔。這樣可以保證加工時(shí)結(jié)合面與軸承孔的水平中心一致。夾緊采用普通的移動(dòng)壓板，并且夾緊面與支承面上下重合，避免形成彎矩引起工件變形。本研究通過對(duì)零件、原夾具的具體分析，對(duì)夾具進(jìn)行了結(jié)構(gòu)可調(diào)整的柔性化夾具設(shè)計(jì)。夾具的構(gòu)成由不可調(diào)的(長(zhǎng)方形基礎(chǔ)板、支承板、定位銷、移動(dòng)壓板等)與可調(diào)的(長(zhǎng)方形基礎(chǔ)支承、壓緊支承等)組成。使用時(shí)根據(jù)零件的實(shí)際幾何特征快速組裝和調(diào)整，通過定位座(即長(zhǎng)方形基礎(chǔ)支承)與壓緊件(即夾緊螺桿與壓緊支承)的空間結(jié)構(gòu)調(diào)整，來滿足組內(nèi)零件的定位要求。爭(zhēng)取以最少的夾具完成同一系列箱體零件的加工。

課題實(shí)施后設(shè)計(jì)的夾具如圖4所示。由圖4可知，整套夾具由25個(gè)零件組成，其中標(biāo)準(zhǔn)件有22個(gè)，3個(gè)專用零件。由于專用零件外形相近，只是尺寸有大小，可將其做成企業(yè)參數(shù)化的通用件模板，這些專用件的設(shè)計(jì)制造按組合化的思想進(jìn)行。

圖4 鏜孔可調(diào)結(jié)構(gòu)夾具

4 結(jié)束語

針對(duì)單件、小批的相似齒輪箱體零件，本研究介紹了一種結(jié)構(gòu)可調(diào)的夾具設(shè)計(jì)方法。通過使用后與以前夾具的對(duì)比，研究結(jié)果表明，其成本和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有顯著不同，該夾具一套的價(jià)格約為4 500元，隨著品種的增多節(jié)約的夾具數(shù)量會(huì)更多，并且極大地提高了相似產(chǎn)品夾具的設(shè)計(jì)制造速度，以前要幾個(gè)月的時(shí)間，現(xiàn)在只需要幾天甚至幾個(gè)小時(shí)就可以調(diào)整到位。

同時(shí)該該法還很好地推進(jìn)了企業(yè)工藝設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化進(jìn)程，極大地減少了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)相似的工裝數(shù)量，現(xiàn)場(chǎng)井然有序。

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