夹具技术综述与qfd理论的引入

1国内外研究现状及发展 夹具最早出现在18世纪后期。随着科学技术的不断进步，夹具已从一种辅助工具发展成为门类齐全的工艺装备。 1.1机床夹具的现状 国际生产研究协会的统计表明，目前中、小批多品种生产的工件品种已占工件种类总数的85左右。现代生产要求企业所制造的产品品种经常更新换代，以适应市场的需求与竞争。然而一般企业都仍习惯于大量采用传统的专用夹具，一般在具有中等生产能力的工厂里，约拥有数千甚至近万套专用夹具。另一方面，在多品种生产的企业中，每隔34年就要更新5080左右专用夹具，而夹具的实际磨损量仅为1020左右。特别是近年来，数控机床、加工中心、成组技术、柔性制造系统（FMS）等新加工技术的应用，对机床夹具提出了如下新的要求： 1） 能迅速而方便地装备新产品的投产，以缩短生产准备周期，降低生产成本。 2） 能装夹一组具有相似性特征的工件。 3） 能适用于精密加工的高精度机床夹具。 4） 能适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具。 5） 采用以液压站等为动力源的高效夹紧装置，以进一步减轻劳动强度和提高劳动生产率。 6） 提高机床夹具的标准化程度。 1.2现代机床夹具的发展方向 现代机床夹具的发展方向主要表现为标准化、精密化、高效化和柔性化等四个方面。 （1）标准化机床夹具的标准化与通用化是相互联系的两个方面。目前我国已有夹具零件及部件的国家标准：GB/T2148T225991以及各类通用夹具、组合夹具标准等。机床夹具的标准化，有利于夹具的商品化生产，有利于缩短生产准备周期，降低生产总成本。 （2）精密化随着机械产品精度的日益提高，势必相应提高了对夹具的精度要求。精密化夹具的结构类型很多，例如用于精密分度的多齿盘，其分度精度可达0.1，用于精密车削的高精度三爪自定心卡盘，其定心精度为5m。 （3）高效化高效化夹具主要用来减少工件加工的基本时间和辅助时间，以提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度。常见的高效化夹具有自动化夹具、高速化夹具和具有夹紧力装置的夹具等。例如，在铣床上使用电动虎钳装夹工件，效率可提高5倍左右，在车床上使用高速三爪自定心卡盘，可保证卡爪在试验转速为9000r/min的条件下仍能牢固地夹紧工件，从而使切削速度大幅度提高。目前，除了在生产流水线、自动线配置相应的高效、自动化夹具外，在数控机床上，尤其在加工中心上出现了各种自动装夹工件的夹具以及自动更换夹具的装置，充分发挥了数控机床的效率。（4）柔性化机床夹具的柔性化与机床的柔性化相似，它是指机床夹具通过调整、组合等方式，以适应工艺可变因素的能力。工艺的可变因素主要有：工序特征、生产批量、工件的形状和尺寸等。具有柔性化特征的新型夹具种类主要有：组合夹具、通用可调夹具、成组夹具、模块化夹具、数控夹具等。为适应现代机械工业多品种、中小批量生产的需要，扩大夹具的柔性化程度，改变专用夹具的不可拆结构为可拆结构，发展可调夹具结构，将是当前夹具发展的主要方向。1.3关于质量配置下的夹具的发展QFD的创始者日本一位学者定义为:“QFD将用户需求质量特征,通过系统展开后将转化为最后产品的设计质量, 并从每个功能部件的质量一直延伸到每个零件及工艺过程的质量”。 而美国的ASI(美国供应商协会)认为:“QFD提供了一种将用户需求转换为产品开发和生产的每一阶段(包括市场分析、系统规划、产品设计、原型评估、生产过程和销售服务等) 相应技术需求的方法,是保证达到用户要求的产品质量所需一切活动的总称”。 美国福特汽车公司把QFD定义为一句话:“QFD就是把用户需求和期望转换成公司适合于市场需求的一个规划工具”。从上述一些QFD的定义方式可以体会到QFD法中包括的主要意义:(1) QFD是一种用户需求驱动的产品开发和规划方法。(2) QFD是一种结构化的产品规划和开发方法,它使得产品开发时得以清楚了解用户需求。(3) QFD能从满足用户需求的角度出发,对所提出的产品或服务的性能进行系统的评估或比较。(4) QFD采用系统化方法获取和分析用户需求并通过结构化 (矩阵图解法) 转化为各类技术规范及信息 (产品特征、工艺特性、质量控制和加工过程等)。然后, 通过协调各项工作用以保证最终产品的质量要求。QFD法在日本及美国的许多著名企业中应用实践已经证明, 它确实在新产品开发中起到重大的作用, 并带来实际效益。可量化的实际效率就包括新产品开发周期的缩短, 设计更改次数的减少, 产品开发启动经费的降低,保单索赔额的减少, 市场销售量的增加等等。此外, 还能获得一系列不可量化的效益, 主要体现在下述几方面:(1)在产品整个开发过程中, 使产品开发者更准确地理解用户需求, 从而开发出使用户真正满意的产品, 也就是说显著提高了用户对新产品的满意度。(2)在综合考虑用户需求、竞争对手、技术特征和工艺成本等前提下, 既增加生产率,又提高产品质量, 因而可以提高企业的市场竞争力。(3)可以使参与产品开发各部门取得共识并建立信息联系, 改变了自上而下的信息流为水平式的信息流, 建立多功能开发小组协同工作模式, 将导致形成开发成功率更高, 获得能力更大的新产品。(4) QFD所提供的系统化、结构化的分析解题与规划决策方法, 能以十分简洁和一目了然的方式, 向开发者显示产品设计中各种经验和知识技术。 使企业内部能够合理分配和利用各类资源, 合理解决产品开发过程中可能出现的矛盾或冲突。QFD所采用的方法可有多种, 但目前常用的是所谓4阶段分解法。就是将用户需求的分解共分为4个阶段:产品规划、零部件配置、工艺规划和生产规划。产品规划阶段中, 将用户需求转化为产品技术特征, 通过用户需求信息、用户需求与技术特征关系矩阵、技术特征自相关矩阵、用户竞争性评估及技术竞争性评估信息, 确定各个技术特征的性能目标值。零部件配置阶段中,根据产品规划阶段中所定义的产品技术特征, 确定最佳产品设计方案, 进行产品结构设计, 然后再将产品技术特征转化为关键的零部件特征, 对于复杂产品而言,还可以分成几个子阶段来完成。工艺规划阶段中, 要在确定工艺方案基础上, 通过工艺规划的“质量屋”, 确定为保证实现重要的产品技术特征和零部件特征所必须保证的关键工艺操作及工艺参数。生产规划阶段中就是将关键的工艺操作及工艺参数转化为具体可行的生产及质量控制方法和手段。HOQ是实现QFD的结构化工具, 它提供了一种将用户需求转换成产品和零部件特征,以及分解到制造过程的框架和结构。 图1所示为产品规划质量屋的结构及其组成元素。它通常由下述8个部分所组成。图1质量屋结构及组成元素 1)用户需求。这是质量屋的“什么”(WHAT),也是质量屋的输入信息, 是通过全市场调研获得的。 2)用户需求规划矩阵。包括用户需求重要度及排序、用户对本公司及竞争者产品评估、用户满意度及改善率等信息。 3)产品技术特征。这是质量屋的“如何”(HOW),是为满足用户需求而必须保证实现的技术特征,也是一种手段或措施。 4)用户需求与产品技术特征之间关系矩阵。它反映了从用户需求到产品技术特征的一种映射关系及相关程度。 5)技术特征排序及技术竞争性评估。根据用户需求的重要度及关系矩阵, 计算各技术特征相对重要度及优先次序, 并从技术角度对本公司产品和竞争对手产品进行评估。 6)技术特征之间的自相关矩阵。它表现了改善产品某一技术特征的性能, 对其他技术特征所产生的相关影响。 7)确定产品技术特征目标值。它是一个综合的决策问题,需求考虑用户需求、技术可行性及经济性等多方面因素。质量屋将这些信息合起来,根据各部分信息的分析比较,使目标值的确立更加科学合理。8)产品设计方案评估。从技术特征的角度对产品设计方案进行评估,对各设计方案进行分析时, 评价其达到技术特征目标值的有利与不利之处,决定每一设计方案符合QFD确定的用户需求的能力。 本课题是基于质量配置下的夹具实现快速夹紧工件、产生足够的夹紧力、工作安全可靠、使用方便、体积小和成本低。这样新的夹具才能在真正意义上实现自动化、高生产、安全可靠的目的。2研究的主要内容本课题是基于质量配置下对现有的夹具出现的快速夹紧、夹紧力不足等方面进行改进设计。2.1基于质量配置下对基准面的选择进行设计：基面的选择是工艺规程设计中的重要工作之一。基面选择的正确合理，可以使加工质量得到保证，生产率得到提高。否则，加工工艺过程中会问题百出。粗基准的选择：泵体这样的零件来说，选择好粗基准是至关重要。我们选择不加工的底面为粗基准。精基准的选择：精基准的选择要考虑基准重合的原则，设计基准要和工艺基准重合。 制定工艺路线制订工艺路线的出发点，应当是使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求能得到合理的保证。通过仔细考虑零件的技术要求后，制定以下两种工艺方案：方案一工序：铣下端面 表面粗糙度6.3工序：铣前后端面 表面粗糙度6.3工序：铣左右端面 表面粗糙度6.3工序：车2-34.5孔 表面粗糙度3.2工序：铣宽32槽 表面粗糙度12.5工序：钻6-M6孔 表面粗糙度6.3工序：钻2-5销孔 表面粗糙度3.2工序：钻2-7孔 表面粗糙度6.3工序：钻2-G3/8 表面粗糙度6.3工序X：质检 工序XI：入库方案二工序：铣下端面 表面粗糙度6.3工序：铣前后端面 表面粗糙度6.3工序：铣左右端面 表面粗糙度6.3工序：车2-34.5孔 表面粗糙度3.2工序：铣宽32槽 表面粗糙度12.5工序：钻2-G3/8 表面粗糙度6.3工序：钻6-M6孔 表面粗糙度6.3工序：钻2-5销孔 表面粗糙度3.2工序：钻2-7孔 表面粗糙度6.3工序X：质检工序XI：入库 工艺方案一和方案二的区别在于方案二铣完宽32的槽后随即钻2-G3/8的螺纹孔，这样不利于保证钻孔时的定位，而方案一在钻了2-7的孔后，再钻2-G3/8孔，这样可以利用2-7的孔作为定位基准，更好地保证了工件的加工精度，综合考虑我们选择方案一。具体的工艺路线如下：工序：铣下端面 表面粗糙度6.3工序：铣前后端面 表面粗糙度6.3工序：铣左右端面 表面粗糙度6.3工序：精车2-34.5孔 表面粗糙度3.2工序：铣宽32槽 表面粗糙度12.5工序：钻6-M6孔 表面粗糙度6.3工序：钻2-5销孔 表面粗糙度3.2工序：钻2-7孔 表面粗糙度6.3工序：钻2-G3/8 表面粗糙度6.3工序X：质检工序XI：入库2.2基于质量配置下的定位方式及元器件选择的设计1）定位器的作用是要使工件在夹具中具有准确和确定不便的位置，在保证加工要求的情况下，限制足够的自由度。工件的定位原理由空间直角坐标系中有六个自由度，即沿OX,OY,OZ三个轴向的平动自由度和三个绕轴的转动自由度。要使工件在夹具体中具有准确和确定不变的位置，则必须限制六个自由度。工件的六个自由度均被限制的定位叫做完全定位；工件被限制的自由度少于六个，但仍然能保证加工要求的定位叫不完全定位。在焊接生产中，为了调整和控制不可避免产生的焊接应力和变形，有些自由度是不必要限制的，故可采用不完全定位的方法。在焊接夹具设计中，按加工要求应限制的自由度而没有被限制的欠定位是不允许的；而选用两个或更多的支撑点限制一个自由度的方法称为过定位，过定位容易位置变动，夹紧时造成工件或定位元件的变形，影响工件的定位精度，过定位也属于不合理设计。 工件的平面为基准进行定位时，常采用挡铁、支撑钉进行定位。 件以圆孔内表面为基准进行定位时常采用销定位器。 件以圆柱外表面为基准进行定位时常采用V形铁定位器。 用以定位工件的轮廓对被定位工件进行定位可采用样板定位器主焊件“撑杆”用挡板和挡销定位。挡销限制了X方向的平动自由度，挡板限制了Y方向的平动自由度，夹具体限制了Z方向的平动自由度，挡铁螺旋夹紧器件限制了Z方向的转动自由度，螺旋夹紧机构限制了X、Y方向的转动自由度，共限制了6个自由度。件“发动机衬管”两件用插销机构定位。插销机构限制了X、Y、Z方向的平动自由度，快撤式螺旋夹紧器件限制了Y、Z方向的转动自由度，共限制了5个自由度。螺母M6和喇叭支座的组件用锥头销钉和螺旋夹紧机构的压板上的开的凹槽来定位“撑杆”限制了Z方向的平动自由度，螺旋夹紧机构的压板上的开的凹槽限制了Z方向的平转动自由度，锥头销钉限制了X、Y方向的平动自由度，螺旋夹紧机构限制了X、Y方向的转动自由度，共限制了5个自由度。所以加工2-3/8G孔时我们采用经典的一面2销定位。2.3基于质量配置下的夹紧方式及元器件选择的设计夹紧机构的三要素是夹紧力方向的确定、夹紧力作用点的确定、夹紧力大小的确定。对夹紧机构的基本要求如下：夹紧作用准确，处于夹紧状态时应能保持自锁，保证夹紧定位的安全可靠。夹紧动作迅速，操作方便省力，夹紧时不应损害零件表面质量。 夹紧件应具备一定的刚性和强度，夹紧作用力应是可调节的。结构力求简单，便于制造和维修。所以泵体的夹具的夹紧方式我采用液压式夹紧方式。综合以上所述，本课题主要研究的重点是根据夹具的工作原理及工作过程。在传统的夹具基础上，对夹具进行一定的结构改造，使其更加适应生产的需要。并确定机器总体参数及传动机构型式，定位方式和驱动方式，对夹具工作部件的设计和计算。3夹具技术综述及QFD理论的引入3.1机床夹具概述3.1.1机床夹具的概念 机床夹具是机床上用以装夹工件（和引导刀具）的一种装置。其作用是将工件定位，以使工件获得相对于机床和刀具的正确位置，并把工件可靠地夹紧。3.1.2机床夹具的分类 机床夹具可根据其使用范围，分为通用夹具、专用夹具、组合夹具、通用可调夹具和成组夹具等类型。机床夹具还可按其所使用的机床和产生加紧力的动力源等进行分类。根据所使用的机床可将夹具分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具（钻模）、镗床夹具（镗模）、磨床夹具和齿轮机床夹具等，根据产生加紧力的动力源可将夹具分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、电动夹具、电磁夹具和真空夹具等。3.1.3机床夹具的组成(1)定位元件(2)夹紧装置(3)对刀、引导元件或装置(4)连接元件(5)夹具体(6)其它元件及装置3.2定位基准 基准是用以确定生产对象上几何要素间的几何关系所依据的点，线，面。在加工中用以定位的基准称为定位基准。有时，作为基准的点、线、面在工件上不一定具体存在（例如孔的中心线和对称中心平面等），其作用是由某些具体表面（如内孔圆柱面）体现的，体现基准作用的表面称为基面。3.3工件在夹具中的定位3.3.1六点定位原理任何未定位的工件在空间直角坐标系中都具有六个自由度。工件定位的任务就是根据加工要求限制工件的全部或部分自由度。工件的六点定位原理是指用六个支撑点来分别限制工件的六个自由度，从而使工件在空间得到确定定位的法。 图3-1六点定位原理图3.3.2完全定位与不完全定位工件的六个自由度完全被限制的定位称为完全定位。按加工要求，允许有一个或几个自由度不被限制的定位称为不完全定位。3.3.3欠定位与过定位按工序的加工要求，工件应该限制的自由度而未予限制的定位，称为欠定位。在确定工件定位方案时，欠定位时绝对不允许的。工件的同一自由度背二个或二个以上的支撑点重复限制的定位，称为过定位。在通常情况下，应尽量避免出现过定位。消除过定位及其干涉一般有两个途径：其一是改变定位元件的结构，以消除被重复限制的自由度；其二是提高工件定位基面之间及夹具定位元件工作表面之间的位置精度，以减少或消除过定位引起的干涉。3.4夹具定位误差分析计算所谓定位误差，是指由于工件定位造成的加工面相对工序基准的位置误差。因为对一批工件来说，刀具经调整后位置是不动的，即被加工表面的位置相对于定位基准是不变的，所以定位误差就是工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量。 3.5定位误差的组成 3.5.1定义：定位误差是工件在夹具中定位，由于定位不准造成的加工面相对于工序基准沿加工要求方向上的最大位置变动量。 3.5.2定位误差的组成：定位基准与工序基准不一致所引起的定位误差，称基准不重合误差，即工序基准相对定位基准在加工尺寸方向上的最大变动量，以不表示。 定位基准面和定位元件本身的制造误差所引起的定位误差，称基准位置误差，即定位基准的相对位置在加工尺寸方向上的最大变动量，以基表示。 定=不+基 此外明确两点：只用调整法加工一批零件才产生定位误差，用试切法不产生定位误差；定位误差是一个界限值（有一个范围）。 3.6定位误差的分析计算3.6.1工件以平面定位时的定位误差定位基准：平面；定位元件工作面：平面=易加工平整，接触良好=所以基=0 定=不（注：若位毛坯面，则仍有基） 图3-2工件以平面定位 3.6.2工件以外圆柱面定位时的定位误差H1尺寸：A0不0，基0H2尺寸：00不=0，基0H3尺寸：B0不0，基0工序基准定位基准定对H2尺寸：不=0，基为定位基准线0的在加工方向的最大变动量，即OO所以基=OO=OE-OE (3-1) =dmax/2sin（/2）-dmin/2sin(/2) =d/2sin(/2）即：定=不+基 (3-2) =0+d/2sin(/2） =d/2sin(/2）对H1尺寸：不=d/2，基=d/2sin(/2） (3-3) (3-4)或：定=AA=AO+OO-AO (3-5) =dmax/2+d/2sin(/2）-dmin/2 =d/21+1/sin(/2）对H3尺寸：定=BB=BO+OO-OB (3-6) =(dmin/2)+d/2sin(/2）-dmax/2 =d/21/sin(/2）-1综上所述：定（H3)定(H2)Pcc。故校验合格。最终确定 ap=1.0mm，nc=475r/min,Vfc=475mm/s，V c=119.3m/min，f z=0.16mm/z。6）计算基本工时tmL/ Vf=2x(25+20)/475=0.140min。 (4-5) 工序VII：钻6-M6孔工步一：钻M6螺纹底孔4.8钻M6螺纹底孔确定进给量：根据参考文献表2-7，当钢的，时，。由于本零件在加工孔时属于低刚度零件，故进给量应乘以系数0.75，则根据Z525机床说明书，现取切削速度：根据参考文献表2-13及表2-14，查得切削速度所以 (4-6)根据机床说明书，取，故实际切削速度为 (4-7)切削工时：，则机动工时为 (4-8)工序：攻丝M6攻螺纹M6mm。 按机床选取，则机动时，攻M6孔 (4-9)工序钻2-5销孔钻2-5销孔选机床Z525确定进给量：根据参考文献表2-7，当钢的，时，。由于本零件在加工孔时属于低刚度零件，故进给量应乘以系数0.75，则根据Z525机床说明书，现取切削速度：根据参考文献表2-13及表2-14，查得切削速度所以 (4-10)根据机床说明书，取，故实际切削速度为 (4-11)切削工时：，则机动工时为 (4-12)工序和工序4.3夹具设计为了提高劳动生产率，保证加工质量，降低劳动强度，需要设计专用夹具。由指导老师的分配，决定设计第065道工序钻3-4孔夹具设计和液压夹具设计。钻23/8G孔夹具设计4.3.1问题的提出 本夹具主要用于加工23/8G孔，因为23/8G孔没有精度要求，定位要求不高，因此我们主要考虑提高生产效率的，同时因为我们加工的零件时所钻的孔，为了保证钻孔时的位置精度，我们在钻孔的下面加一个辅助可调节支撑，以确保工件的刚性，保证加工精度是。4.3.2定位基准的选择加工2-3/8G孔时我们采用经典的一面2销定位，4.3.3定位误差分析 因为钻孔时的孔的位置度没有精度要求，且用定位夹紧定位，定位精度较高，为了提高生产效率，因此定位误差可以保证。4.3.4切削力和夹紧力计算由于本工序主要是钻2-3/8G的孔没有精度要求，所以只对夹具的定位稳定性进行计算，及夹紧力和钻削力的计算。钻孔时的切削力计算：根据（机械加工工艺手册 李洪 主编 ）表2.4-69 钻孔时的切削力为： (4-13) N.m夹紧力的计算：根据（机床夹具设计手册 第三版 王光斗 王春福 主编）表1-3-11 (4-14) =90526 N在计算切削力时，必须考虑安全系数。 安全系数 式中：基本安全系数；取1.5 加工性质系数；取1.1 刀具钝化系数；取1.1 断续切削系数；取1.1则 (4-15) N4.4液压夹具的设计为了保证能有效的夹紧工件不脱落增加了液压夹具。4.4.1夹紧力计算由于本工序主要是辅助钻2-3/8G孔夹具的夹紧不用太大的夹紧力的油缸，所以以最小的钻削力来计算得油缸的夹紧力即可。根据（机床夹具设计手册 第三版）表1-2-11 切削力 夹紧元件与工件间的摩擦系数 工件与夹具支撑面的摩擦系数安全系数式中：基本安全系数；取1.5 加工性质系数；取1.1 刀具钝化系数；取1.1 断续切削系数；取1.1 钻孔时的夹紧力为： （N） (4-16) 所以根据机床夹具设计手册选取民主德国的双向作用油缸缸径=25mm 活塞行程=20mm 油压=15.6a 则 (4-17) N切削力小于夹紧力，所以该夹具可靠。本章小结使用快速螺旋定位机构人工卡紧和用液压机构快速夹紧，同时用开口垫圈压紧，装工件时，我们可以松下螺钉移动开口压板和缩进活塞，把工件取下，当我们钻完底孔后，旋转并拿出快换钻套进行及时攻丝，这样就大大的提高了生产效率，适合于大批量生产。结论基于配置的理论（QFD理论）我设计了设计快速夹紧工件、产生足够的夹紧力、工作安全可靠、使用方便、体积小和成本低的泵体夹具。这次的设计改进现有的泵体夹具的不足也真正意义上实现了自动化、高生产、安全可靠的目的。该方法可帮助泵体夹具的更好推广。致谢四年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。四年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。 伟人、名人为我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和赞美献给一位平凡的人，我的导师。我不是您最出色的学生，而您却是我最尊敬的老师。您治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式，从论文题目的选定到论文写作的指导,经由您悉心的点拨,再经思考后的领悟,常常让我有“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”。 感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚谢意！ 同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。 最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者参考文献 1檀润华,等.产品设计过程模型、策略与方法综述J.机械设计,2000,17(11):1-3.2MAFFIN D. Engineering design models: context, theory andpractice J. Journal of Engineering Design, 1998,9(4):315-327.3NEWCOMB P J, BRAS B, ROSEN D W. Impl