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【摘 要】 随着经济快速发展与社会的进步，各种零件的开发逐渐增多，进行开发后，需要不间断的加工处理、工装设计等。如果要走在快速发展经济事物的前面，我们就需对各种各样的零件加工的工装设计进行不间断的改进、创新，通过反省，找出问题，然后，做出相应的措施，使其较其他类的零件加工，在工装设计中更有优势。本文就机械类零件加工的工装设计的改进进行了相应的研究与探讨。
【关键词】 机械；零件加工；工装设计；改进
引言：
零件加工的工装设计，是一种传统意义上的设计，其为机械制造工艺和夹具设计以及工学结合的一种通过人才的培养模式与基础的一种有主观因素的设计。它的面向市场多为汽车、机械等零部件生产企业等。这一项设计具有较强的实践性，而且涉及的范围较广，所包含的内容也非常丰富，同时还有很大的灵活性。所以，在进行实践时，还是有很大的考验的。通过对机械类零件加工的工装设计进行分类的统计，机械类中典型的零件加工工装设计有以下几种：箱体零件的加工，套筒零件的加工以及圆柱齿轮的加工。这些零件都有其自身的加工工装设计，以下是对这几种零件加工的工装设计的一些改进分析。
一、箱体零件加工的工装设计改进
箱体零件加工的工装设计有两类，一是简单、低强度的箱体类零件，另一种是高强度、复杂的箱体类零件，在研究、加工超高强度并且复杂的箱体类零件的时，要明确编制合理的零件加工工装设计的相关详细的流程、同时，要有效利用各个车间的共有资源以及切削的各类刀具、选择合适的装夹定位方案，详细分析热后的变形规律同时对之加以控制，设定合理的切削用量、引入曲线的插补优化这些措施都可以保证对复杂箱体类零件加工的质量，提高生产的效率。
1.优化典型工装设计的准则
优化工装设计的设计准则，这是是对零件工装设计的一项改进。在事先考虑零件加工的工装设计顺序的时候，对一些拥有特定特征的工装设计零件，要先安排粗加工以及半精加工，然后，再安排精细的加工以及光整加工；对于一些有着不同特征的工装设计零件，一些特征的粗加工就需安排在其他特征的半精、精加工之后；对于零件具有全部特征的工装设计零件，一般遵循的原则是先基准后其他，就是必须先加工作为基准面的特征，然后再加工其他地方的表面特征。
2.聚类和辅助加工约束
随着设备的改进，加工工装设计能力有了显著地提高，工序集中的原则也对影响工艺路线起到了重要的作用。根据工序集中的原则，一些有相同特征的零件加工的工装设计的加工应该被安排在一起，这样，就可以节约大量的时间、人力。比如属于相同加工工装设计阶段的特征加工单元、同一方位面的特征、相同类型、需同一把刀具加工的特征等。如零件的正火、退火则就应该安排在粗加工之前或者粗加工和半精加工之间，对于渗碳处理，则应该安排在半精加工和精加工之间。在进行合理零件加工工装设计路线时，除了要考虑零件的工艺方法、技术要求、保证质量以及几何形状这些因素之外，工装设计的成本、时间以及生产率等问题都必须考虑。这才可以使机械类零件加工的工装设计路线更加的科学合理。从而可以加快对箱体零件加工工装设计的改进措施。
除此之外，铣削薄壁类零件要采用高速切削技术（采用了高转速、小步距、大进给的加工策略）。采用高主轴转速可将切屑载荷（切深）减小到0.13mm以下，如此小的切深能显著减小刀具与工件材料之间的切削力。高速/小切削力加工产生的热量较少，可减小刀具偏差，并可实现对薄壁工件的加工。由于具有这些优点，采用高速切削可以获得较好的加工表面质量，切削温度较低，工件易于夹持，加工精度也较高。再者加工时要求刀具锋利，一方面可减少刀具與工件的摩擦，另一方面可提高刀具切削工件时的散热能力，从而减少工件上残余的内应力。例如，在铣削薄壁类零件的大平面时，使用了单刃铣削法，刀具参数选取了较大的主偏角Kr=75°～93°和较大的前角γo≤30°，目的就是为了减少切削抗力Fy的作用。
二、套筒零件加工的工装设计改进
在产品中，套筒零件通常起支撑或导向的作用，因为功用的不同，所以在结构、尺寸上有很大的差异，但在结构上仍有共同的特点：零件的主要表面为同轴度要求较高的内外旋转表面，零件壁的厚度薄、受力容易变形。主要技术要求为：外圆表面直径精度，通常取IT7～8；内孔直径精度，通常取IT7；内外圆的同轴度，孔轴线与端面的垂直度及表面粗糙度等。常见的套筒零件有液压系统中的液压缸、支承回转轴的各种形式的滑动轴承、内燃机上的汽缸套、夹具中的导向套等。
套筒零件夹具中，最常用的的是软爪专用夹和心轴夹具。下面对这两种专用夹具进行技术改造，从而达到提高夹具通常性的目的。
（一）传统的软爪夹具结构较复杂，加工困难，而且为专用夹具，通用性较低。为了解决这一缺陷，我们在软爪的结构上做了一定的改进：
1.首先，用软钢圆棒或铜棒代替传统中结构复杂的软爪。根据套筒零件的尺寸大小，选择三段合适的软钢圆棒或铜棒，分别焊接到三爪卡盘的三个卡爪上。如右图。
2.把三爪卡盘安装到车床或加工中心上，在三个软钢圆棒或铜棒中钻削内孔，然后镗削内孔及端面，保证内孔的孔径精度及内孔与端面的垂直度、内孔与三爪卡盘回转中心的同轴度。如下图。
3.将套筒零件安装在软爪上，即可以精镗其内孔表面及端面，完成零件的精加工。因为三个软爪与工件的接触面积大，精镗的切削力小，可以用较小的夹紧力即可夹紧工件。套筒零件受力产生的变形很小，获得较高的同轴度。如下图。
4.改造后的夹具特点
4.1软爪由三段软钢棒或铜棒组成，在夹紧时接触面积大，工件受到的夹紧力径向夹紧力均匀，受力的变形小。
4.2由三段软钢棒或铜棒焊接到三爪卡盘后进行钻镗加工，可以保证定位的外圆与三爪卡盘有很高的同轴度，有利于套筒零件获得的内外圆同轴度。 4.3三个软爪所形成的内孔可以随着三爪卡盘进行调整，可以加工一定尺寸范围的套筒零件。
4.4如果套筒零件的结构发生了改变，把三个软爪进行更换即可满足新零件的要求。如果不再生产，则只要把三个软爪去掉即可，三爪卡盘可以继续使用。
4.5夹具的结构简单，改造过程方便快捷，夹具能重复使用，大大降低了生产成本。
（二）心轴专用夹具的技术改造
1.心轴夹具的工作原理
如下图所示，心轴通过其外圆及端面与套筒零件内孔及端面配合，实现对工件实现定位。夹紧时，工件受到的夹紧力为轴向方向的夹紧力，受力变形小。有利于保证套筒零件的加工精度。
2.心轴夹具的改造过程
通常心轴夹具的安装部分与定位部分做成一体，如下图所示。
如果套筒零件的内孔改变，则心轴夹具也将报废，夹具的通用性很低。通过改变心轴的结构，可以使其重复利用的可能性大大提高。具体改进过程如下：
2.1将心轴夹具定位部分与安装部分拆分成夹持圆柱体与心轴两个零件，两者采用过盈配合，保证两者同轴。
2.2将心轴压入夹持圆柱体内孔中，装配后再精车夹持圆柱体的大端面，再配车心轴外圆表面，保证心轴与端面的垂直度误差后即可以对套筒零件进行安装加工。如下图所示。
3.改造后的心轴夹具特点
3.1夹具结构简单，拆装方便；
3.2心轴与夹持圆柱体在装配后一次加工其端面及外圆，可达到高的定位精度；
3.3只要更换心轴，即可以加工不同内孔的套筒零件，提高了夹具的通用性，降低生产成本。
三、圆柱齿轮加工的工装设计改进
齿轮是机械传动中应用的最广的零件之一，在平常生活中，对它的工装设计进行改进就更为重要了。在平常生活中，适用得最多的是圆柱齿轮减速器的工装设计，在试验过程中，我们在保证原来工装设计中心距不变、总速比的变化较小的状态下，将两级圆柱齿轮副的速度比进行了重新分配同时，加大模数以及工作齿轮宽度，然后对齿轮的材质以及热处理等方面进行改进。
1.改变齿轮宽度：适当地增加各级圆柱齿轮副的工作齿轮的宽度可提高、平衡齿轮在接触、弯曲时的疲劳强度。
2.改变速比的分配：在保证圆柱齿轮副高速级以及低速级中心距不变的基础上，适当增大高速级速比，同时，还要注意减小低速级的速比，这样一来，就可以增大两级圆柱齿轮副等各个方面的强度。
3.材质以及热处理：在进行渗碳淬火处理时要选择合适的材料，如在20CrNi2Mo与20CrMnTi的选择中。20CrNi2Mo是一种优质、低碳的合金钢，经渗碳淬火处理的齿轮齿面后，它的硬度会变得更高、心部的韧性会更好，所以，其有比用20CrMnTi制作的圆柱齿轮副更好的抗点蚀性能、抗弯曲性能。
四、结语
机械类零件加工的工装设计是一类范围很广的设计。社会的进步、更新，使得工装设计也跟着发展，所以，我们需要不断反思、改进，使技术更加成熟，从而促进经济快速发展。
参考文献：
[1]刘辉.轴类零件在数控车床上的加工路线和工装设计探析[B].《装备制造技术》2012年
[2]徐立云，史楠.基于特征加工元的复杂箱体类零件工艺路线优化[A].《中国机械工程》2013年
[3]成曙，张振仁.发动机现代现代诊断技术[M].西安：西安交通大学出版社，2006
[4]张鹏飞、何七荣、徐剑、曹罡长.薄壁套筒零件圓周等分槽加工工艺改进[B].《制造技术与机床》2010年
【关键词】 机械；零件加工；工装设计；改进
引言：
零件加工的工装设计，是一种传统意义上的设计，其为机械制造工艺和夹具设计以及工学结合的一种通过人才的培养模式与基础的一种有主观因素的设计。它的面向市场多为汽车、机械等零部件生产企业等。这一项设计具有较强的实践性，而且涉及的范围较广，所包含的内容也非常丰富，同时还有很大的灵活性。所以，在进行实践时，还是有很大的考验的。通过对机械类零件加工的工装设计进行分类的统计，机械类中典型的零件加工工装设计有以下几种：箱体零件的加工，套筒零件的加工以及圆柱齿轮的加工。这些零件都有其自身的加工工装设计，以下是对这几种零件加工的工装设计的一些改进分析。
一、箱体零件加工的工装设计改进
箱体零件加工的工装设计有两类，一是简单、低强度的箱体类零件，另一种是高强度、复杂的箱体类零件，在研究、加工超高强度并且复杂的箱体类零件的时，要明确编制合理的零件加工工装设计的相关详细的流程、同时，要有效利用各个车间的共有资源以及切削的各类刀具、选择合适的装夹定位方案，详细分析热后的变形规律同时对之加以控制，设定合理的切削用量、引入曲线的插补优化这些措施都可以保证对复杂箱体类零件加工的质量，提高生产的效率。
1.优化典型工装设计的准则
优化工装设计的设计准则，这是是对零件工装设计的一项改进。在事先考虑零件加工的工装设计顺序的时候，对一些拥有特定特征的工装设计零件，要先安排粗加工以及半精加工，然后，再安排精细的加工以及光整加工；对于一些有着不同特征的工装设计零件，一些特征的粗加工就需安排在其他特征的半精、精加工之后；对于零件具有全部特征的工装设计零件，一般遵循的原则是先基准后其他，就是必须先加工作为基准面的特征，然后再加工其他地方的表面特征。
2.聚类和辅助加工约束
随着设备的改进，加工工装设计能力有了显著地提高，工序集中的原则也对影响工艺路线起到了重要的作用。根据工序集中的原则，一些有相同特征的零件加工的工装设计的加工应该被安排在一起，这样，就可以节约大量的时间、人力。比如属于相同加工工装设计阶段的特征加工单元、同一方位面的特征、相同类型、需同一把刀具加工的特征等。如零件的正火、退火则就应该安排在粗加工之前或者粗加工和半精加工之间，对于渗碳处理，则应该安排在半精加工和精加工之间。在进行合理零件加工工装设计路线时，除了要考虑零件的工艺方法、技术要求、保证质量以及几何形状这些因素之外，工装设计的成本、时间以及生产率等问题都必须考虑。这才可以使机械类零件加工的工装设计路线更加的科学合理。从而可以加快对箱体零件加工工装设计的改进措施。
除此之外，铣削薄壁类零件要采用高速切削技术（采用了高转速、小步距、大进给的加工策略）。采用高主轴转速可将切屑载荷（切深）减小到0.13mm以下，如此小的切深能显著减小刀具与工件材料之间的切削力。高速/小切削力加工产生的热量较少，可减小刀具偏差，并可实现对薄壁工件的加工。由于具有这些优点，采用高速切削可以获得较好的加工表面质量，切削温度较低，工件易于夹持，加工精度也较高。再者加工时要求刀具锋利，一方面可减少刀具與工件的摩擦，另一方面可提高刀具切削工件时的散热能力，从而减少工件上残余的内应力。例如，在铣削薄壁类零件的大平面时，使用了单刃铣削法，刀具参数选取了较大的主偏角Kr=75°～93°和较大的前角γo≤30°，目的就是为了减少切削抗力Fy的作用。
二、套筒零件加工的工装设计改进
在产品中，套筒零件通常起支撑或导向的作用，因为功用的不同，所以在结构、尺寸上有很大的差异，但在结构上仍有共同的特点：零件的主要表面为同轴度要求较高的内外旋转表面，零件壁的厚度薄、受力容易变形。主要技术要求为：外圆表面直径精度，通常取IT7～8；内孔直径精度，通常取IT7；内外圆的同轴度，孔轴线与端面的垂直度及表面粗糙度等。常见的套筒零件有液压系统中的液压缸、支承回转轴的各种形式的滑动轴承、内燃机上的汽缸套、夹具中的导向套等。
套筒零件夹具中，最常用的的是软爪专用夹和心轴夹具。下面对这两种专用夹具进行技术改造，从而达到提高夹具通常性的目的。
（一）传统的软爪夹具结构较复杂，加工困难，而且为专用夹具，通用性较低。为了解决这一缺陷，我们在软爪的结构上做了一定的改进：
1.首先，用软钢圆棒或铜棒代替传统中结构复杂的软爪。根据套筒零件的尺寸大小，选择三段合适的软钢圆棒或铜棒，分别焊接到三爪卡盘的三个卡爪上。如右图。
2.把三爪卡盘安装到车床或加工中心上，在三个软钢圆棒或铜棒中钻削内孔，然后镗削内孔及端面，保证内孔的孔径精度及内孔与端面的垂直度、内孔与三爪卡盘回转中心的同轴度。如下图。
3.将套筒零件安装在软爪上，即可以精镗其内孔表面及端面，完成零件的精加工。因为三个软爪与工件的接触面积大，精镗的切削力小，可以用较小的夹紧力即可夹紧工件。套筒零件受力产生的变形很小，获得较高的同轴度。如下图。
4.改造后的夹具特点
4.1软爪由三段软钢棒或铜棒组成，在夹紧时接触面积大，工件受到的夹紧力径向夹紧力均匀，受力的变形小。
4.2由三段软钢棒或铜棒焊接到三爪卡盘后进行钻镗加工，可以保证定位的外圆与三爪卡盘有很高的同轴度，有利于套筒零件获得的内外圆同轴度。 4.3三个软爪所形成的内孔可以随着三爪卡盘进行调整，可以加工一定尺寸范围的套筒零件。
4.4如果套筒零件的结构发生了改变，把三个软爪进行更换即可满足新零件的要求。如果不再生产，则只要把三个软爪去掉即可，三爪卡盘可以继续使用。
4.5夹具的结构简单，改造过程方便快捷，夹具能重复使用，大大降低了生产成本。
（二）心轴专用夹具的技术改造
1.心轴夹具的工作原理
如下图所示，心轴通过其外圆及端面与套筒零件内孔及端面配合，实现对工件实现定位。夹紧时，工件受到的夹紧力为轴向方向的夹紧力，受力变形小。有利于保证套筒零件的加工精度。
2.心轴夹具的改造过程
通常心轴夹具的安装部分与定位部分做成一体，如下图所示。
如果套筒零件的内孔改变，则心轴夹具也将报废，夹具的通用性很低。通过改变心轴的结构，可以使其重复利用的可能性大大提高。具体改进过程如下：
2.1将心轴夹具定位部分与安装部分拆分成夹持圆柱体与心轴两个零件，两者采用过盈配合，保证两者同轴。
2.2将心轴压入夹持圆柱体内孔中，装配后再精车夹持圆柱体的大端面，再配车心轴外圆表面，保证心轴与端面的垂直度误差后即可以对套筒零件进行安装加工。如下图所示。
3.改造后的心轴夹具特点
3.1夹具结构简单，拆装方便；
3.2心轴与夹持圆柱体在装配后一次加工其端面及外圆，可达到高的定位精度；
3.3只要更换心轴，即可以加工不同内孔的套筒零件，提高了夹具的通用性，降低生产成本。
三、圆柱齿轮加工的工装设计改进
齿轮是机械传动中应用的最广的零件之一，在平常生活中，对它的工装设计进行改进就更为重要了。在平常生活中，适用得最多的是圆柱齿轮减速器的工装设计，在试验过程中，我们在保证原来工装设计中心距不变、总速比的变化较小的状态下，将两级圆柱齿轮副的速度比进行了重新分配同时，加大模数以及工作齿轮宽度，然后对齿轮的材质以及热处理等方面进行改进。
1.改变齿轮宽度：适当地增加各级圆柱齿轮副的工作齿轮的宽度可提高、平衡齿轮在接触、弯曲时的疲劳强度。
2.改变速比的分配：在保证圆柱齿轮副高速级以及低速级中心距不变的基础上，适当增大高速级速比，同时，还要注意减小低速级的速比，这样一来，就可以增大两级圆柱齿轮副等各个方面的强度。
3.材质以及热处理：在进行渗碳淬火处理时要选择合适的材料，如在20CrNi2Mo与20CrMnTi的选择中。20CrNi2Mo是一种优质、低碳的合金钢，经渗碳淬火处理的齿轮齿面后，它的硬度会变得更高、心部的韧性会更好，所以，其有比用20CrMnTi制作的圆柱齿轮副更好的抗点蚀性能、抗弯曲性能。
四、结语
机械类零件加工的工装设计是一类范围很广的设计。社会的进步、更新，使得工装设计也跟着发展，所以，我们需要不断反思、改进，使技术更加成熟，从而促进经济快速发展。
参考文献：
[1]刘辉.轴类零件在数控车床上的加工路线和工装设计探析[B].《装备制造技术》2012年
[2]徐立云，史楠.基于特征加工元的复杂箱体类零件工艺路线优化[A].《中国机械工程》2013年
[3]成曙，张振仁.发动机现代现代诊断技术[M].西安：西安交通大学出版社，2006
[4]张鹏飞、何七荣、徐剑、曹罡长.薄壁套筒零件圓周等分槽加工工艺改进[B].《制造技术与机床》2010年