基于铝合金材料的夹具轻量化研究

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【汽车轻量化在线】基于铝合金材料的夹具轻量化研究

李培超，霍睿

宝鸡法士特齿轮有限责任公司 陕西宝鸡 722409

摘 要：通过夹具本体新材料的应用，阐述减轻夹具质量的方法。

关键词：夹具；汽车；零部件加工；轻量化

夹具是机械制造过程中的一个重要工具，它用于夹持工件，保证零件的加工速度及品质。随着汽车制造业的发展，液压夹具装卸方便，使零件加工质量稳定，越来越得到行业的认可，广泛应用于零件加工过程中。但是由于液压夹具制造需要内置液压元件所需的油路，使得夹具本体厚度增加，从而增加了夹具整体的质量，加重了设备的负荷，导致设备导轨及丝杠等原件磨损加快，从而影响了设备的使用稳定性。

1）对铝合金夹具本体进行表面处理后，其表面硬度达到HBW9级以上。

减小夹具质量的对策

为了减小设备的负荷，提高加工设备的使用寿命，夹具轻量化越来越得到行业的重视。本文从以下三个方面，介绍夹具轻量化的方法。

1.新材料研究

夹具本体一般占夹具质量的50%以上，如果能找到质量轻、强度高的材料代替它，就可以大幅度减小夹具的质量。

通过了解国内外先进夹具制造技术和市场调研，可以使用高强度铝合金代替钢件，作为夹具本体使用。

其性能对比见表1。

高强度铝合金的密度为45钢的36%，同体积情况下，其质量会降低至少60%。

针对此种材料的铝合金，做了夹具试验。具体步骤如下：

购置600mm×600mm×50mm尺寸的铝板，在车间进行了加工试验，优势见表2所示。

从表2可以看出，铝合金夹具本体的加工时间缩短了37min，平面度和平行度得到了提升，且减少了磨削工序，降低了加工成本。

图4所示是同一种夹具的设计方案，其本体厚度为46mm。图4a所示夹具，夹具元件摆放松散，本体边缘和元件之间的距离最大处为66mm，质量为170.654kg；图4b所示夹具，夹具元件摆放紧凑，本体边缘和元件之间的距离最大处为9.1mm，且进行了2-50×45°倒角，质量为140.624kg。通过紧凑设计，夹具本体质量减轻了30.03kg。

2）对夹具进行装配，装配完成后，对夹具质量进行了检测，铝合金夹具本体的质量为79.4kg，45钢材料的夹具质量为149.5kg。质量减轻了70.1kg（见图1）。

表1 高强度铝合金代替件性能对比

表2 采用铝板后的加工优势

3）铝合金夹具投入现场使用（见图2）。对夹具进行了为期半年的跟踪，具体情况如下：加工的零件铣面时没有出现振刀现象，加工的零件孔径及位置度合格。6个月后检测夹具精度，其精度与夹具出厂精度差在0.01mm以内。

通过以上跟踪，铝合金本体的夹具稳定性良好，其精度和强度完全满足夹具要求。

同一套夹具，使用铝合金本体的夹具，其质量减轻了70.1kg，大大降低了设备的负荷，降低了设备故障率，提高了设备的使用寿命。

图1 铝合金夹具本体

图2 铝合金夹具现场

2.油路设计

内置油路：油路在本体内部。

外置油路：液压元件通过油管连接，在夹具外部。

液压夹具的本体在设计时，一般会布置3～5层油路。当油路为内置油路时，为了防止油路贯通，每层油路之间距离间隔在10mm以上。当液压夹具的动作复杂时，油路层数会变多，则夹具本体的厚度随之逐层增加，从而增加了夹具质量。

如图3所示，夹具本体上需要布置5层油路，为了保证油路的间隔，则其夹具厚度为60mm。如果将其中3层油路设计成内置油路，另外2层设计为外置油路，则其本体厚度可以减少20mm，本体厚度变为40mm。

原本体（厚度60mm）质量为68.509kg，进行外置油路设计后，其本体（厚度为40mm）质量为43.541 kg，质量减轻了24.968kg。

通常情况下，为了减小本体厚度，可以选择内置油路和外置油路相结合的方法，将部分液压元件通过油管连接，以减少其质量。

3.紧凑化设计

（1）本体紧凑化 夹具本体占夹具质量的50%以上。夹具设计过程中，使用紧凑化设计，减小夹具本体的外形，则可以减少夹具的质量。

在夹具的设计过程中，本体设计是一个重要环节。本体多余出来的尺寸多，会导致其质量增加；夹具本体上的元件放置不紧凑，且本体边缘和元件之间的距离大，导致本体的长度和宽度增大，从而导致夹具质量增加。

如果将本体上的元件，在设计时进行紧凑摆放，本体边缘和夹具元件之间的距离尽可能缩小，只需要保证夹紧效果，则可以大大压缩本体的外形尺寸，从而达到减轻质量的目的。

图3 夹具实物

图4 夹具设计方案

a）夹具元件松散摆放b）夹具元件紧凑摆放

液压夹具虽然已经得到了普遍的应用，但是其质量较大，加工时存在两方面问题：一是加工设备负荷大；二是加工设备的导轨及丝杠磨损加快，影响设备的使用寿命。

（2）其余零件的紧凑化 夹具上本体除外，其余的零件也决定着夹具的质量。

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如果每个零件都紧凑化设计，积少成多，则夹具整体质量会得到大幅度减轻。

图5 零件设计方案

a）常规设计图样 b）紧凑化设计图样

结语

本文通过新材料研究、外置油路设计和紧凑化设计三个方面，论述了减轻夹具质量的方法及步骤。

通过以上方法，可以减轻夹具的整体质量，从而提高设备的使用寿命，提高加工质量的稳定性，降低加工成本。

feici

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