数控加工中的组合夹具设计与应用

随着现代制造技术的发展、市场对产品的需求不断增加，机械产品的品种越来越多，产品的设计周期缩短，更新换代加快。传统的大批量生产模式逐步被中、小批量生产模式所取代。按单一品种设计专用夹具的方法已不能满足生产发展的要求。为批量不大的工件设计制造专用夹具，不仅增加生产成本也延长了生产准备时间，因此，作为柔性夹具的组合夹具在机械制造的各行业中逐步获得推广和广泛应用。传统的槽系组合夹具因装配调整时间长、材料贵、加工精度高、配套元件多、初置费用高，在市场上也逐步受到冷落。自20世纪80年代以来，原理相同只是元件结构和组装方式不同的孔系组合夹具，因其易于装配、材料廉价、加工方便、配套元件少、成本低、性能好而受到国内外市场的青睐，成为和加工中心、FMS配套的主要夹具。这同样也极大地推动了CAFD（计算机辅助夹具设计）系统的研究开发。

1.组合夹具的发展过程及经济效益

组合夹具是在夹具完全模块化和标准化的基础上，由一整套预先制造好的标准元件和组件，针对不同工件对象迅速装配成各种专用夹具，这些夹具元件相互配合部分的尺寸具有完全互换性。夹具使用完毕后，再拆散成元件和组件，因此是一种可重复使用的夹具系统。图2-29所示为专用夹具和组合夹具的使用过程的比较。由图可见，使用组合夹具具有显著的经济效果且符合现代生产的环境保护要求。目前有两种类型组合夹具，即槽系组合夹具系统和孔系组合夹具系统，图2-30所示为两类组合夹具所用元件及夹具结构图。

经验证明，使用组合夹具的工厂在缩短生产准备周期、降低成本、保证产品质量和提高生产率等方面都获得了显著的效果。

2.槽系组合夹具系统

槽系组合夹具的开发和在生产中的应用已超过半个世纪。槽系组合夹具就是指元件上制作有标准间距的相互平行及垂直的T形槽或键槽，通过键在槽中的定位，就能准确决定各元件在夹具中的准确位置，元件之间再通过螺栓联接和紧固。图2-30所示为槽系和孔系组合夹具元件和组装，其由基础底板、支承件、钻模板和V形块等元件组成，元件间相互位置都由可沿槽中滑动的键在槽中定位来决定，所以槽系组合夹具有很好的可调整性。本世纪以来，曾有过多种槽系组合夹具系统，世界上已生产了数以千万计的槽系组合夹具元件，其中著名的有英国的Wharton、俄罗斯的YCJI、中国的CATIC、德国的Halder系统等。

图2-29 专用夹具和组合夹具的使用过程的比较

（1）槽系组合夹具元件及其分类槽系组合夹具系统的元件最初是仿照专用夹具元件功能并考虑到标准化的一些原则而设计的。虽然在各种商品化系统之间存在一些差别，但是元件的分类、结构和形状之间仍存在很多相似，通常，槽系组合夹具元件分为8类：基础件、支承件、定位件、导向件、压紧件、紧固件、其他件和合件。图2-31、图2-32所示为分类中典型的元件，各类元件分别说明如下。

图2-30 槽系和孔系组合夹具元件和组装

a）槽系组合夹具 b）孔系组合夹具

1）基础件。用作夹具的底板，其余各类元件均可装配在底板上，包括方形、长方形、圆形的基础板及基础角铁等。

2）支承件。从功能看也可称为结构件，和基础件一起共同构成夹具体，除基础件和合件外，其他各类元件都可以装配在支承件上，这类元件包括各种方形或长方形的垫板、支承件、角度支承、小型角铁等，这类元件类型和尺寸规格多，主要用作不同高度的支承和各种定位支承需要的平面。支承件上开有T形槽、键槽、穿螺栓用的通孔以及联接用的螺栓孔，用紧固件将其他元件和支承件固定在基础件上连接成一个整体。

3）定位件。其主要功能是用作夹具元件之间的相互定位，如各种定位键，以及将工件孔定位的各种定位销、菱形定位销，用于工件外圆定位的V形块等。

4）导向件。主要功能是用作孔加工工具的导向，如各种镗套和钻套等。

5）压紧件。主要功能是将工件压紧在夹具上，如各种类型的压板。

6）紧固件。包括各种螺栓、螺钉、螺母和垫圈等。

7）其他件。不属于上述6类的杂项元件，如连接板、手柄和平衡块等。

图2-31 槽系组合夹具元件分类（一）

8）合件。是指夹具使用后不用拆散，成套使用的独立部件，按用途可分为：定位合件，如顶尖座等；分度合件，如分度盘等；夹紧合件等。

应该指出的是，虽然槽系组合夹具元件按功能分成各类，但在实际装配夹具的工作中，除基础件和合件两大类外，其余各类元件大体上按主要功能应用外，在很多场合，各类元件的功能都是模糊的，只是根据实际需要和元件功能的可能性加以灵活使用。因此，同一工件的同一套夹具，因不同的人可以装配出千姿百态的夹具。

（2）槽系组合夹具的结构要素组合夹具是由一套标准化元件装配而成的，各元件为了达到相互之间多次重复装配连接的目的，各种元件的装配连接部分除有严格的标准外，还必须有高度的互换性，槽系组合夹具系统中，共同的连接几何要素是键槽、T形槽、联接螺纹、螺纹通孔、元件上的槽距等，这些几何要素称之为槽系组合夹具的结构要素，结构要素包括结构、几何形状和尺寸，对夹具元件的互换性、强度和刚度有重要影响，由于工件尺寸大小的不同，因而元件尺寸也有大小不同的系列，各国生产槽系组合夹具元件的厂家都有自己的结构要素标准，但均大同小异。

当前，槽系组合夹具共有4个不同系列，在欧洲和亚洲的绝大多数生产厂采用米制，也有个别采用寸制。表2-1列出各系列及结构要素参数。因为键槽常制作在T形槽上，因此T形槽也必须标准化，表2-2所列为CATIC槽系组合夹具T形槽标准，槽系组合夹具元件的设计必须符合结构要素标准，才有可能达到互换装配的目标。

图2-32 槽系组合夹具元件分类（二）

表2-1 槽系组合夹具系列和结构要素（单位：mm）

表2-2 槽系组合夹具T形槽标准（单位：mm）

（3）槽系组合夹具的装配由元件装配成槽系组合夹具是一项既需要广泛的制造知识又高度依赖于经验和技巧的过程。通常手工装配槽系组合夹具可按图2-33所示的流程，其中包含5个步骤，每一步骤的要点如下。

图2-33 槽系组合夹具组装流程

1）熟读工件图样及有关技术要求。这是装配组合夹具的第一步，目的在于明确夹具的装配要求和相关的各种技术要求，这一步骤十分重要，装配完成的夹具是否能满足使用要求，常取决于此。主要内容为考虑定位方案，了解所使用的机床、刀具及车间现场条件。

2）拟订装配方案。这一步骤的内容为：从考虑定位方案和夹具上定位结构开始，到总体夹具结构和各部分的连接；也包括元件的选用和采用的调整测量方法。如需要专用件，也在此时提出。

3）试装。根据上一步拟订的夹具结构方案，用实际元件在基础板上摆出一个夹具布局，用以验证是否能满足各方面的要求，也可以选用不同元件比较多种方案。

4）修改。将试装中的问题分析清楚后，对现行结构布局作出修改，决定最终所用的夹具元件和结构装配方案。

5）调整、固定并检验。根据最终方案，在元件上装上各种定位键，在调整到准确的位置后用螺栓将各元件联接在一起，夹具装配完毕后对夹具进行测量和检查，检测其定位精度是否满足要求，装卸工件是否方便等。多数情况下还应在机床上进行试切，以确保夹具合乎使用要求。为了说明槽系组合夹具的装配过程，现举一实例。图2-34所示为待加工的零件——连接杆，要加工的表面是与两孔轴心连线在空间相互垂直的φ5mm孔。在详细研究了连接杆图样和技术条件以后，决定用一个圆销和另一个菱形销在工件两孔中定位，再以此两孔的端面靠在夹具垂直面上定位，这样便于保证φ5mm孔轴线与工件上主孔轴线的垂直度。因待加工孔直径小，钻削力也小，故在工件大孔端面用U形垫圈压紧即可，然后选取各种元件在长方基础板上试装，如图2-35a所示。试装后认为满意，就在各需要准确位置的元件上装上定位键，再将各螺钉紧固，最后再调整和检查钻模板的位置，以保证φ5mm孔的位置尺寸A，装配完成后的钻模如图2-35b所示。

图2-34 需要装配组合夹具的工件实例

3.孔系组合夹具系统

孔系组合夹具是指夹具元件之间的相互位置由孔和定位销来决定，而元件之间的连接仍由螺纹联接紧固。早在20世纪50年代中期出现的孔系组合夹具是早期的原型，很不完善，因此在相当长的时期内，组合夹具的应用还是槽系组合夹具占优势，随着数控机床和加工中心的普及，切削速度和进给量的普遍提高，而且孔系组合夹具的改进，减少了元件的品种和数量，降低了成本，从而使孔系组合夹具得到很大的发展，从20世纪80年代中后期开始，孔系组合夹具在生产中的使用范围超过了槽系组合夹具。

（1）孔系与槽系组合夹具的比较与槽系组合夹具相比较，孔系组合夹具有如下的优缺点。

1）元件刚度大。因而装配出整体孔系组合夹具的刚度也大，从而满足了数控机床需要高切削用量的要求，提高了数控机床加工的生产率。

孔系组合夹具的刚度比槽系大，这是因为孔系组合夹具的基础件虽然厚度较同系列槽系薄，上面又加工了众多的孔，但仍为整体的板结构，故刚度大。而槽系组合夹具的基础件和支承件表面布满了纵横交错的T形槽，造成截面上的断层，严重削弱了结构的刚度。本书作者曾对8mm槽系和孔系组合夹具的刚度对比做了实验研究，尽管槽系基础板比孔系厚5mm，但实验结果证明：孔系组合夹具刚度比槽系大2～3倍，图2-36所示即为孔系和槽系组合夹具两者受力变形对比实验的结果，对12mm的槽系和孔系组合夹具来说，情况应该是相似的。

2）制造和材料成本低。因为孔系元件的加工工艺性好，精密孔系的坐标磨削成本也高，但在采用粘接淬火定位衬套和孔距样板保证孔距后，工艺性能好，成本比T形槽的磨削降低。此外，槽系夹具元件为保证高强度性能都用合金钢的材料，而孔系夹具元件基体都用普通钢或优质铸钢，因而制造和材料成本大为降低。

3）组装时间短。由于槽系组合夹具在装配过程中需要较多的测量和调整，而孔系组合夹具的装配大部分只要将元件之间的孔对准并用螺钉紧固，因而装配工作相对容易和简单，要求装配工人的熟练程度也比较低。

图2-35 实例工件的组合夹具组装结构图

4）定位可靠。孔系元件之间由一面双销定位，比槽系夹具中槽和键的配合在定位精度和可靠性方面都高；同时，任何一个定位孔均可方便地作为数控机床加工时的坐标原点。

5）孔系组合夹具装配的灵活性差。孔系组合夹具上元件位置不方便做无级调节，元件的品种数量不如槽系组合夹具多，从组装的灵活性来看，也不及槽系组合夹具好，因此，当前世界制造业中，是孔系和槽系并存的局面，但以孔系更具有优势，有关槽系和孔系两种组合夹具的全面比较见表2-3。

图2-36 孔系和槽系组合夹具刚度（受力变形）的对比

表2-3 槽系和孔系组合夹具的比较

孔系夹具靠销孔定位，故坐标孔系一定，组装程序简单，无须测量调整就能确定工件在机床坐标中的位置。当使用多夹具基础板时，既可组装单个大零件夹具，又可组装多个中、小零件夹具，工效高，柔性好。孔系夹具适合作为数控机床和柔性制造系统的配套工装或随行夹具，其应用覆盖面也超过槽系夹具，占据了主导地位。

图2-37 典型孔系组合夹具系统

（2）孔系组合夹具元件、功能单元及分类。当今世界上生产组合夹具的主要国家是德国、美国、中国和俄罗斯，不同的企业生产各有特色的孔系组合夹具系统。图2-37所示为目前世界上一些主要的孔系组合夹具及其生产地。每一生产厂家对自己生产的孔系组合夹具元件都有自己的分类，但也有类似之处，因此元件大体上可分成5类，即基础件、结构支承件、定位件、夹紧件、合件和附件。现以较早生产孔系组合夹具的BIUCO为例对各类元件作一简要说明，图2-38所示为此系统中较典型的元件。

图2-38 孔系组合夹具元件分类

1）基础件。用作夹具的底板或夹具体，除传统的方形、长方、圆形基础板和角铁外，增加了T形板和方箱，后者主要是适应NC机床的需要，特别是在加工中心上有着广泛的用途。

2）结构件。这类元件的功能是在基础件上构造夹具的骨架，组成实际的夹具体，如小尺寸的长型或宽型角铁，各种多面支承等。

3）定位件。主要用作定位，有条形板、定位板、塔形柱、V形块等。

4）夹紧件。压紧工件用，有各种压板和夹紧合件，既有垂直方向压紧的，也有水平方向压紧的，品种繁多。

5）附件。包含螺钉、螺母、垫圈等各种紧固件以及扳手和保护孔免遭切屑、灰尘落入的螺塞等。

和槽系组合夹具相同，孔系组合夹具中多数元件的功能也是模糊的，结构件和夹紧件可以充作定位件，定位件也可用作结构件等，可根据实际需要灵活运用。

（3）孔系组合夹具的结构要素孔系组合夹具元件之间相互位置是由孔和销来决定的，为了准确可靠地决定元件相互空间位置，采用了一面两销的定位原理，即利用相连的两个元件上的两个孔，插入两根定位销来决定其位置，同时再用螺钉将两个元件联接在一起。对于没有准确位置要求的元件可仅用螺钉联接。因此部分孔系元件上都有网状分布的定位孔和螺孔。

为了达到孔系元件之间的互换性装配，必须对孔的尺寸、公差、孔距加以标准化，这就是孔系组合夹具的结构要素。现在虽然生产孔系组合夹具的各公司都有自己的结构要素标准，但在一些主要参数上都是相同或接近的。和槽系组合夹具一样，为了适应不同尺寸大小工件的加工，孔系组合夹具也有大、中、小、微型4个系列，并有寸制和米制两种标准。表2-4列出了孔系组合夹具系列。表2-5所列为国际上一些主要孔系组合夹具系统的主要结构要素标准。

表2-4 孔系组合夹具系列

表2-5 孔系组合夹具的结构标准

孔在基础件或其他元件表面上的分布，随各生产公司系统的不同而不同，一般来说，有两种基本形式，一种是定位孔和螺孔相互交叉的形式，另一种形式是定位孔和螺孔做在同一孔上。各公司又因采用孔的结构和孔的布置方式的不同，演变出了多种形式。

（4）孔系组合夹具的装配手工装配孔系组合夹具和手工装配槽系组合夹具的过程完全一样。实践证明，装配孔系组合夹具在形成夹具结构方面比槽系夹具要方便和容易，这是因为现代孔系组合夹具系统元件及其品种都较少，同时合件的数量比较多；但是装配出夹具结构后，在对元件做尺寸调整使之满足工件尺寸要求方面，则不如槽系夹具迅速，因为槽系元件大都能作双向调整之故。所以用孔系元件手工装配较简单的孔系组合夹具时，可将前面所示装配过程简化为图2-39所示的流程。

图2-39 孔系组合夹具装配过程流程简图

目前许多发达国家都有自己的孔系组合夹具。图2-40所示为德国BIUCO公司的孔系组合夹具示意图，元件与元件之间用两个销钉定位、一个螺钉紧固。定位孔孔径有10mm、12mm、16mm、24mm四个规格，目前孔系组合夹具已广泛用于NC铣床、立式和卧式加工中心上，也用于FMS上。

图2-40 BIUCO孔系组合夹具的组装示意图