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治具设计概论


治具设计概论
一.治具(Fixture )的定义
治具是一个木工、钳工、机械、电控以及其他一些手艺品的大类工具,主要是作为协助控 制或者动作(或两者)的一种工具。

二.治具的主要用途
在工业时代前就已被广泛使用,包括机械治具、木工治具、焊接治具、珠宝治具以及其他 领域。某些类型的治具也成为“模具”或“辅具”,其主要目的是为重复性

和准确性,提高生 产效率、重复特定动作、或者使工作更加精确;让使用者更加轻松愉快;

三.治具的分类
随着机械制造行业的发展,治具的种类日趋繁多,治具一般可按应用范围,夹紧动力源来 分类;

如图 1 所示

四.治具设计的特点
1.结构要简单紧凑,轮廓尺寸尽可能的要小,重量要轻,方便搬运; 2.设计时一定要深入到现场调查,以免造成错误和损失以及不必要的浪费; 3.使用安全,避免带尖角或者突出的部分;

五. 治具设计的方法与步骤
(一)拟定治具的结构方案 1. 明确设计要求和生产条件 a.了解零件状况,根据零件的尺寸和定位基准来确定治具的尺寸与定位基准;

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b.了解治具的需求状况 c.了解制造车间的生产条件和技术状况。使所设计的治具能够制造出来,并充分发挥制 造车间的技术专长与经验,使治具的质量得以保证; d.准备好设计治具的各种标准,工厂规定,典型治具图册和有关治具设计的指导资料 等; 2.拟定治具的结构方案 a.对零件的定位方案:选择定位方法和定位元件 b.对零件的夹紧方案:确定夹紧方法和夹紧装置 c.确定治具的结构型式 3.对结构方案进行精度分析和估算 当治具的结构方案确定之后,应对其所能达到的精度进行分析和估算。以论证能否保证客 户要求,从而可以断定所拟定方案是否合理。同时也可发现方案中的薄弱环节,以便进一步修 改方案和采取某些措施。对结构方案进行精度分析和估算,要涉及到定位,夹紧和治具制造的 技术要求等等。 (二)治具总图设计 当治具的结构方案确定之后,就可以正式绘制治具总图。在绘制总图时,最好采用 1:1 的绘图比例,一体现良好的直观性。当零件太小或者太大时,也可以选用其他才常用的制图比 例。总图上的主视图,应尽可能选取与操作者正对的位置。为了使零件部不影响治具元件的绘 制,总图上的零件要用双点划线绘出零件的形状和主要表面(定位面和夹紧面); 1.总图设计的步骤和要求 A.先用双点划线把零件在装配位置状态时的形状绘在图纸上,并将零件看作透明体。然 后,依次绘制定位件,夹紧装置和夹紧元件、治具本体以及各连接件。结构部分绘制好后,就 标注必要的尺寸,配合和技术要求; B.对总图设计中的几点要求 a.在进行定位件、夹紧件、导引件等元件设计时,应先参照有关标准和图册,选用适当 的标准元件或者组件。尽可能多采用各种标准件和通用件,就可以缩短治具设计的周期和提高 治具标准化程度,从而到达大大减少制造浪费和缩短制造周期的良好效果。如果没有合适的标 准元件和机构件时,才设计专用件或从考标准元件作一些适当的修改。 b.在治具的某些机构设计中,为了操作方便和防止将零件装反,可按具体的情况设置止 动销、障碍销等。 c.执行某种运动职能的机构和部件,必须运动灵活,保证机构能够起到预期的运动要 求。 d.治具中各专用零部件的结构工艺性要好,应易于制造、检验、装配和调整。 e.治具的结构要便于维修和更换零部件。 f.适当考虑提高治具的通用性,某些元件可设计成可调的或者可更换的。 2.治具总图上尺寸的标准 A.治具总图上标准的五类尺寸 a.治具的轮廓尺寸,既长、宽、高等尺寸。 b.定位元件上定位表面的尺寸以及各定位表面之间的尺寸。 c.定位表面到导引件的位置尺寸。 d.主要配合尺寸。为了保证治具上各主要元件装配后能够满足规定的使用要求,需要将 其配合尺寸和配合性质在图上标注出来。 B.治具上主要元件之间的位置尺寸公差 治具上主要元件之间的尺寸应取零件相应尺寸的平均值,其公差一般取±0.02~±0.05。 当零件与之相应的尺寸有公差时,应视零件精度要求和该距离尺寸公差的大小而定,当零件公 差值小时,宜取零件相应公差尺寸的 1/2~1/3;当零件公差较大时,宜取零件尺寸公差的 1/3~1/5 来作治具的上相应位置尺寸的公差。

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从上述可知,治具上的主要元件的位置尺寸公差和角度公差,一般按零件相应公差的 1/2~1/5 取值的,有时甚至还取的更严些。它的取值原则是既要精确,又要能够实现,以确保 装配和加工的质量。 3.治具总图上技术要求的规定 A.定位件之间或定位件对治具体底面之间的相互位置精度要求; B.定位件与导引件之间的位置要求; C.零件在治具体上安装时的位置要求; 4.编写治具零件的明细表 明细表的编写与一般机械总图上的明细表相同。如编号按顺时针或逆时针方向顺序编 出;相同零件只编一个号,件数填写在明细表内等等。 (三)治具精度的校核 在治具设计中,当结构方案拟定之后,就应对治具的方案进行精度分析和估算,在治具 总图设计完成之后,有必要根据治具有关元件和总图上的配合性质及技术要求等,再进行一次 复算。同事,这也是治具校核者所必须进行的一项工作,尤其是对某些产品中很重要零件的治 具,为保证质量必须进行误差计算; (四)绘制治具零件图 对于治具上的零件(非标准件),要分别绘制其零件图,并规定相应的技术要求; 治具体一般都是非标准件,也是治具上尺寸最大,结构最复杂和承受负荷最大的元件, 需要自行设计和制造;

六.治具设计考虑的因素
(一)治具设计应考虑的要求 1.治具体应有足够的强度和刚度,以防受力后发生变形; 2.治具体安装需稳定,故治具体重心必须要低。 3.治具体要结够紧凑、形状简单、装卸零件方便并尽可能使其重量减轻。 4.治具体要有良好的结构工艺性,以便于制造、装配和使用。 5.应考虑材料和加工方法的选择,使成本尽可能的降低; (二)构思 1.必须暸解加工方法。 2.不要仅依靠自己的知识来判断,必须保持有别的看法之柔软性。 3.要站在使用者的立场设计。 4.优良的夹治具设计是要考虑到材料、价格、精度、安装容易以及耐用度等因素。 (三)设计上的重点项目 1.多使用标准品(市售品、标准规格品等),尽量避免使用特殊品。 2.考虑充份的调配性(标准品)。 3.考虑到安全第-。 4.要注意基准面、基准点的设定,前后要一致,不可相互矛盾。 5.要考虑到作业者浪费动作,要提高手动机构的操作性。 6.从使用频率与磨耗的关系来考虑耐久性(如选用不同的材料或者零件的表面处理 等)。 (四)设计治具常用基准及其相互关系 1.设计夹治具常用基准 A.设计基准:设计基准就是在零件图上用以确定其他点、线、面位置的点线面。 B.定位基准:在装配时,用以确定零件在治具上正确位置所采用的基准,称为定位基 准。 2.常用定位方法及定位组件。 A.零件以平面为定位基准的定位方法及定位组件。 a.支承钉与支承板。

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b.调节支承及浮动自位支承。 B.零件以外圆柱面为定位基准的定位方法及定位组件;以零件的-个外圆柱面作为定 位基准时,常用的定位方法是将外圆柱装在圆孔、半圆孔、V 形块或定心夹紧机构中。后两种 最为常用。 . C.零件以圆孔为定位基准的定位方法及定位组件,定位基准为圆孔的零件,常用定位 销及定位心轴定位。此外,还可利用定心夹紧机构进行定位。 3.治具的组成组件 按在治具中的作用、地位及结构特点,组成治具的组件可分为以下各类 A.定位组件及定位装置 B.夹紧组件及夹紧装置 C.治具体 D.动力装置 E.其它组件及装置 F.与机器相连接用的锁紧螺钉、销、键和各种手柄等。 4.定位、夹紧和装夹的概念 零件在装配之前须安放在治具中,使其得到一个正确的位置或方向,并使其在装配过 程中虽然受到其它外力的影响,仍能保证正确位置或方向。根据上述过程划分而得出以下概念 定义 A.确定零件在治具上有正确位置的过程,称为定位。 B.零件定位后将其固定,使其在装配过程中保持定位不变的操作,称为夹紧。 C.将零件在治具中定位,夹紧的过程,称为装夹。 5.零件在治具中的夹紧 夹紧的目的,是保证零件在治具中的位置,不致因外力而改变位置; 6.夹紧机构应满足下列主要要求 A.夹紧装置,在对零件夹紧时,不应破坏零件的定位,为此必须正确选择夹紧力的方 向及着力点。 B.夹紧力的大小应该可靠,适当,要保证零件在夹紧后的变形和受压表面的损伤不致 超过允许范围。 C.夹紧装置结构简单合理,夹紧动作要迅速,操纵方省力和安全。 D.夹紧力或夹紧行程在一定范围内可进行调整和补偿。 7.夹紧装置设计的内容和步骤 设计夹紧装置时,可按以下四个步骤确定夹紧力: A.根据治具图绘制夹紧力示意图,在图中应表明夹紧力的作用点与方向及应考虑的其 它力的作用情况; B.确定夹紧组件结构; C.确定夹紧装置所能产生的夹紧力。 D.夹紧力的作用点及作用方向,在选择夹紧力的作用点及作用方向时应考虑下面几点: a.夹紧力应有助于定位,而不应破坏定位,在夹紧力作用下,零件不应离开支承点。 首先要保证主要定位基准与定位组件可靠的接触,最好使零件对各个支承都有一定的压力,以 便得到可靠定位。 b.夹紧变形要小,特别对刚度差的零件更应予以注意。

七.治具设计应掌握的知识和能力
(一)知识性的能力 1.制图 包括识图、绘图和软件应用。无论是在学生还是社会人员,从事机械相关工作,首先 需要过读/绘图这一关,做设计,则还必须具备软件应用能力,制图员不一定时设计者,但设 计者必须兼具制图员的知识和能力。

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2.动力 从工厂自动化角度说,动力主要有气压(借助气缸)和电力(借助马达),二前者应用 较多,后者有高速、稳定、低噪音等特点,很多设计都兼用两者,从技术含量和应用实践看, 以电为主辅之以气的设计,会比较好用和吃香些。 3.传动 应用较多的是带传动和丝杆传动,二传统的链传动和齿轮传动等不常见。实际设计, 各种传动实现,多采用标准件来实现,我们需要做的,就是在适当的空间放上适当的传动标准 件,由于是标准件的应用,涉及到一个选型的问题,这是个理论和经验结合的设计问题,需要 熟练掌握。 4.材料 材料是一门很广很深的学问,但自动化和治具上的材料主要有,S45C、SKD11、SUS、 T6063、POM、电木、亚克力和 PE 等,只要把握住各自的特性和应用“案例”,就可以将材料 选用工作做好; 5.加工 加工不是设计重点,但不了解加工的设计注定是失败的,需要知道的不为乎车、铣、 刨、磨、放电、线割等,大致上了解下各自的特点和一些窍门就可以了,也不必深入,如果没 有兴趣或时间不允许的话,打个比方,随便拿个零件,该知道是线割还是放电弄出来的,或者 自己画零件时,有节省成本的意识和感觉; 6.控制 控制本来不属于机械设计的范畴,但当机械进入自动化时代,它的作用举足轻重,控 制方式应用较多,有单片机和 PLC,尤其是后者,可以断言,在人才(包括搞机械人才)日益 贬值的今天,机电全才仍然可以挑战或者稳定高薪。当然,对多数人来说,限于时间、精力、 和背景等,往往只能单独挑机或电,这也是正常的,但强调一点,搞机械的必须同时了解下 电,哪怕只是初步甚至皮毛,这有助于设计本身; 7.机构 功能不同的惹干机构组成了机器,几乎可以说,机构优劣的好坏,决定了机器的好于 否,从设计角度看,设计机器就是在设计机构,对常用机构尤其是在产线或者经验证明好用的 机构,应该掌握其特点和应用范围,并在工作实践中注意积累模型和经验。 8.产品 熟悉产品结构、特性和应用等,是机械设计或者治具设计首先应该做到的,拿到一个 案子,不管是简单的还是复杂的,做好产品分析是必要的,这可以防止后来的可能失效或补救 设计。举个简单例子,有些产品的镀金表面是不允许刮花的,这时在定位上就要考虑合适的材 料和方式;也有些产品,对外观要求低,这时就不必拘泥于苛刻的设计方式。 9.制程 不懂产品和制程的,不会是一个优秀的设计者,特别是工厂里的设计,尤其这样,很 多设计,尽管就设计本身有很高的水平,但如果脱离了制程,则往往沦落到做样品或遭人诟病 的失败之作,要知道,机械和治具是用来服务产品生产的,而产品如何生产才是重点,高效、 稳定、低成本的制造流程设计,则预示着相配套的机械或治具获得更大成功,效率低下或稳定 性差的制造设计,往往导致机器无用武之地,举个例子,某线有三台机器,每五秒产量分别是 1 个,2 个,3 个,那么可想而知,该产线产出的就是每 5 秒 1 个; (二)非知识性的能力 1.模仿 很多设计者都反对模仿,提出创新,这是值得肯定的。然而,有两个理由可以充分说 明模仿的必要性和重要性; A.市场机会稍纵即逝,企业推出新产品的速度越来越快,为了适应这样的需要和现 状,公司上下都在努力中,扮演后方服务的部门的时间有多少呢?基本上,如果是普通治具, 快的不到一周,如果是自动化治具,大概也就三个月左右。

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绝大多数设计者均工作在工厂或者一些不以机械本身为产品的企业,那么既然只是用 机械来做产品,能迅速设计出稳定、高效地做好产品的机械,就能为本企业赢得先机,即为成 功案例。 B.模仿本身并不可耻,相反,只有模仿不到家或者模仿的对象本来就是一个失败的东 西,才会失笑于人。因此加强模仿能力,做出甚至超出原机械或治具水平的设计者,是一个机 械或治具设计者首先应该追求的目标,我们不能排斥创新,更不能忽略改进,在模仿-应用-改 进的工作循环中,事实上已经融合了设计者的思考和经验。 总之,在模仿中,有新的东西产生,即是可以接受的模仿;反之,则是由一种单纯模 仿,是不值得提倡的。 2.查阅 与其说查阅能力,倒不如说是习惯,无论遇到什么问题,学会思考,学会询问,学会 调查,这是一种很重要的习惯,专注设计的人,几乎都有也必须有查询的习惯和能力,查询无 处不在,通过查询,我们可以解决问题,获得新知,同时增强设计信心和客观性,大的讲,新 接一个案子,首先就要做好查询工作,弄清楚要做什么,有什么要求,是否有先例,如何实 施,有哪些注意点等等,小的讲,比如,马达运转是否稳定,导轨精度是否足够,电磁阀能否 正常动作,气缸能否正常工作等等。 概言之。一个好的设计者需要具备查询能力或者说习惯,主要有三方面: A.调查,掌握数据。 B.查询,应用资料。 C.核对,解决问题难度。 具体到实际工作中,其实只有一个原则,设计中注意深入调查分析。 3.动手 动手是设计者必须十分重要的一个习惯和能力,设计绝对不是看看资料画画图,只有 和实践紧密结合通过了实践检验,才是成功的完整的设计,要从头到尾跟到底,包括设计-组 装-做样-量产,每一个环节都会有或多或少的问题,都需要亲自动手。 4.感觉 也许很多人觉得好笑,感觉什么时候成为一种习惯,不是强调设计者应该实事求是 吗?需要澄清一下:感觉绝对不是凭空想象,想当然,而是设计者日复一日,年复一年累积起 来的经验性的判断能力。

八.结论
总结就是对经验进行归纳,以便下次更好的应用。总结要注意几点: A.规律、数据、心得等都可以,挑自己经历过的很有价值部分做总结,所谓价值,就 是别人不了解而自己也容易忽略或遗忘的部分,书本查的到,自己熟知的,用途不大的,这些 都可以删掉; B.设计总结,除了一句话规律外,也不局限于笔记本上的结论,要图文并茂,不要过 一年半载,连自己都看不懂,大致上,对搞机械的,有三方面是必须要总结和储备的:自己设 计过或别人设计的机械作品资料(包括图纸、程序、图片等);设计工作必须准备的参考书和 教材;工作过程中碰到或解决问题的方法,对策和结论。 C.总结后的东西不见得就是正确的东西,人是顽固的,有时一些错误的观念和记忆, 会在自己的经验中根深蒂固,可能使自己做出错误决策,因此需要在日后反复的使用、检验和 总结,才能得出相对准确的结论。 总之,总结是一个上进勤奋的机械设计者,应该拥有的能力和习惯,只有总结,自己 才能日益提高,最终才能到达一个较高的水平;

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公司治具制作流程图

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