薄壁鋁合金檢具加工柔性工裝夾具的設(shè)計

梁建光，孔 嘯，殷 莉，李 銘

（1.上海交通大學，上海 200030；2.上海申模模具制造有限公司，上海 201203）

0 引言

在汽車主模型檢具（如圖1所示）中，許多零件屬于大型鋁合金復雜薄壁結(jié)構(gòu)件，厚度遠小于長寬尺寸，薄壁整體結(jié)構(gòu)件材料切除率高達90%以上，平均厚度4mm，局部區(qū)域厚度小于1mm。由于薄壁零件剛性差、強度弱，加工中極易變形，導致加工難度較大，難以保證零件的加工質(zhì)量[1,2]。

圖1 汽車主模型和引擎蓋部分加工時的輔助支承

由于工件薄壁處均為曲面，并且整個表面均為待加工面，普通夾具既不方便夾持曲面，又容易與銑刀發(fā)生干涉，所以在實際加工過程中，通常用的輔助支承夾具為代木，代木是一種復合樹脂材料，具有良好的切削性能[3]，比較容易加工成各種高度的支承條。代木支承條的頂端用小的楔形代木塊墊上，然后再將代木頂端與工件之間、代木底端與工作臺之間用502膠水粘結(jié)起來，防止加工的時候發(fā)生移動。

然而代木支承存在以下弊端：生產(chǎn)準備時間長；支承位置憑經(jīng)驗確定，疏密不一，無法控制精度；剛性較差，支承穩(wěn)定性不夠；大部分代木與工件的接觸方式為線接觸，且接觸位置為工件外緣曲邊上，支承效果不理想；借助502膠水來固定代木，加工后需要用有機溶劑丙酮清洗，長期吸入丙酮對工人的健康不利。

國外波音公司及空客公司在加工大型薄壁覆蓋件時用到了柔性度極高的多點夾具，如西班牙的TORRESMILL和TORRESTOOL、美國的CAN系統(tǒng)[4,5]。本文借鑒國內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果，旨在開發(fā)出一套能適用于檢具制造精度要求的柔性夾具系統(tǒng)。

1 柔性工裝夾具結(jié)構(gòu)與功能分析

針對汽車主模型檢具中引擎蓋模擬塊的尺寸大小，做出如圖2所示的初步工裝系統(tǒng)模型。該模型并非柔性工裝系統(tǒng)的布局圖，僅體現(xiàn)出柔性工裝系統(tǒng)應包括的結(jié)構(gòu)特征，含有：底座結(jié)構(gòu)、滑動結(jié)構(gòu)、支承結(jié)構(gòu)和夾緊結(jié)構(gòu)。其中，滑動結(jié)構(gòu)由液壓控制系統(tǒng)驅(qū)動，包括相關(guān)的液壓控制機構(gòu)等。夾緊結(jié)構(gòu)通過真空吸附方式進行吸附夾緊，包括真空泵等真空動力源。

圖2 柔性工裝系統(tǒng)整體構(gòu)思圖和實物照片

底座結(jié)構(gòu)：根據(jù)定位準則設(shè)置定位基準，保證工件的定位精度同時連接各個結(jié)構(gòu)的載體。

滑動結(jié)構(gòu)：包括系統(tǒng)中所有起柔性定位作用的導軌、滑塊、夾具上的伸縮機構(gòu)以及起驅(qū)動作用的液壓機構(gòu)，實現(xiàn)夾具在X、Y、Z三個方向上的柔性定位。

支承結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)中起支承作用的結(jié)構(gòu)由夾具的伸縮機構(gòu)和夾具頭上的頂珠（如圖3所示）組成。頂珠與工件的曲面構(gòu)成點接觸，一般情況下，只有定位元件處的接觸變形才導致工件位置偏移，夾緊元件處的接觸變形對工件偏移沒有直接影響。這里的接觸屬于夾緊元件處的接觸，不考慮由接觸引起的變形。

圖3 柔性工裝夾具結(jié)構(gòu)示意圖

頂珠材料為LY12鋁合金，通過502膠水粘在吸盤內(nèi)部。頂珠上部為球頭形，下部為柱形，方便加工時的夾持。吸盤與頂珠的設(shè)計在銑削加工中起到支承和減振的作用。

頂珠頂部的球頭結(jié)構(gòu)同曲面薄壁件表面始終為點接觸，可以很好的適應各種曲面結(jié)構(gòu)。但并不是所有曲率的曲面都可以吸附，對于曲率還是有一定的要求。如圖4所示，理想情況下，假設(shè)工件表面無限光滑，吸盤與頂珠能夠吸住工件的最小半徑為10.5mm，但實際上由于工件表面存在粗糙度等因素，滿足工件正常吸附的最小半徑將大于10.5mm。

圖4 頂珠示意圖

夾緊結(jié)構(gòu)：由升降柱頂部的真空吸盤（如圖5所示）和真空泵組成。真空吸盤應具有足夠的柔度和貼合度，才能滿足工件表面的吸附要求。真空泵的選取要使得吸盤對工件有足夠的吸附力，以減小加工過程中由振動或翹曲引起的變形。

圖5 支承模塊和滑動示意圖

2 柔性工裝夾具支承穩(wěn)定性研究

柔性夾具在支承過程中會受到軸向的銑削力，這時可以將柔性夾具中的升降柱看作壓桿。由于不同薄壁件的支承點高度范圍不同，即使是同一工件，不同支承點處的高度也有很大差別，如圖1汽車主模型引擎蓋薄壁件所示，引擎蓋前端與后端支承點的高度就相差約280mm之多，而支撐桿的直徑又只有20～30mm，這樣一來，支撐桿成了細長桿（d/h＜1/10），支承的穩(wěn)定性得不到保證。因此需要設(shè)計不同高度規(guī)格的柔性夾具系列，以滿足不同高度的支承需求。首先需要求出滿足支承穩(wěn)定性桿件的許用長度。

不同剛性支承條件下的壓桿，由靜力學平衡方法得到的平衡微分方程和邊界條件都可能各不相同，確定臨界載荷的表達式亦因此而異，但基本分析方法和分析過程卻是相同的。

對于細長桿，這些公式可以寫成通用形式，稱為歐拉公式[6]：

其中，μl為不同壓桿屈曲后撓曲線上正弦半波的長度，稱為有效長度；μ為反映不同支承影響的系數(shù)，稱為長度系數(shù)，可由屈曲后的正弦半波長度與兩端鉸支壓桿初始屈曲時的正弦半波長度的比值確定。

長細比又稱柔度(Compliance)，用λ表示。長細比是綜合反映壓桿長度、約束條件、截面尺寸和截面形狀對壓桿分叉載荷影響的量，由（2）式確定：

其中，i為壓桿橫截面的慣性半徑：

當壓桿的長細比λ大于或等于某個極限值λp時，壓桿將發(fā)生彈性屈曲。λp僅與材料有關(guān)，一般低碳鋼的λp約為100，鋁合金的λp約為63[7]。

圖6中壓桿長度系數(shù)μ的數(shù)值是根據(jù)理想化的約束情況而來的，本文中柔性工裝夾具的桿件類型類似于千斤頂，故取μ=2。

圖6 壓桿的約束情況與長度系數(shù)的關(guān)系

當作用于壓桿的軸向力P達到臨界值Plj時，壓桿就會失穩(wěn)，但是出于安全考慮，還需要有一個安全儲備，故許用載荷形式的穩(wěn)定條件為：

式中nw稱為穩(wěn)定安全系數(shù)。一般規(guī)定比強度安全系數(shù)要大。在具體計算時，nw的數(shù)值可從有關(guān)設(shè)計手冊中查閱，結(jié)合本文中柔性工裝夾具的情況，取nw=4。

根據(jù)式(1)和式(4)可得：

其中，根據(jù)圓柱慣性矩公式有：

對于本文中的柔性工裝夾具，將其簡化為直徑為16mm的壓桿，軸向力P為最大銑削力600N[8]。鋁合金彈性模量E=68GPa，查手冊得μ=2, nw=3。將以上條件代入式(5)中，求得l最大值為473mm。即升降柱的長度應小于473mm才能保證支撐過程中的穩(wěn)定性要求。由于引擎蓋最高與最低加工點的差距為280mm，因此柔性夾具能支撐的最大最小距離應至少間隔280mm以上。

綜合以上要求，設(shè)計四種規(guī)格的柔性夾具，每種規(guī)格的夾具可調(diào)節(jié)范圍由套筒高度所決定，若規(guī)格一的套筒高度設(shè)為h，理想的情況是升降柱完全在套筒內(nèi)時為夾具最低點，升降柱剛剛脫離套筒時為夾具最高點，則四種規(guī)格的柔性夾具理想情況下的高度范圍應是[h, 2h]，[2h, 4h]，[4h, 8h]，[8h,16h]。但是由于升降柱不可能完全脫離套筒，于是可調(diào)節(jié)的有效高度差應小于套筒距離。在這里，設(shè)升降柱在套筒內(nèi)的最小余量為10mm，即可調(diào)節(jié)高度范圍為[h, 2h-10]，[2h-10, 4h-30]，[4h-30, 8h-70]，[8h-70, 16h-150]。為了保證支承高度的連續(xù)性，每種規(guī)格之間設(shè)定10mm的重合區(qū)間，在此重合區(qū)間內(nèi)的支承點，盡量使用高一級規(guī)格的夾具進行支承以保證支承穩(wěn)定性，則柔性夾具可調(diào)節(jié)高度范圍變成 [h, 2h-10]，[2h-20, 4h-50]，[4h-60, 8h-130]，[8h-140, 16h-270]。最后，將吸盤高度等其他不可調(diào)節(jié)高度統(tǒng)記為a，則四種規(guī)格的柔性夾具支承高度范圍為 [h+a, (2h-10)+a]，[(2h-20)+a, (4h-50)+a]，[(4h-60)+a, (8h-130)+a]，[(8h-140)+a, (16h-270)+a]。

其中，升降桿的高度需小于473mm，即：

最高與最低支承點間距應大于280mm，即

由式(7)和(8)解得h的范圍應是：37mm≤h≤76mm。

圖7 四種規(guī)格的柔性夾具套筒高度

將規(guī)格一的套筒高度h定為50mm，則四種規(guī)格的夾具可調(diào)節(jié)高度范圍為[50+a, 90+a]，[80+a,150+a]，[140+a, 270+a]，[250+a, 510+a]。

3 柔性工裝夾具應用中的計算機系統(tǒng)

計算機控制系統(tǒng)，用于根據(jù)工件坐標信息文件對整個柔性工裝系統(tǒng)進行規(guī)劃和決策，并生成對應的控制指令發(fā)送給相應的執(zhí)行機構(gòu)。計算機控制系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)各支承單元的移動操控，還可以實現(xiàn)各支承機構(gòu)在工件上的布局優(yōu)化計算，從而實現(xiàn)整個柔性工裝系統(tǒng)的自動化。

圖8 計算機控制系統(tǒng)

4 結(jié)束語

本文所設(shè)計的柔性工裝系統(tǒng)，適用于主模型檢具和其他鋁合金曲面薄壁件的銑削等加工。根據(jù)銑削裝夾中的實際工作情況，設(shè)計了四種高度規(guī)格的柔性夾具。根據(jù)上海申模公司提供的數(shù)據(jù)，該工裝的裝夾時間是代木式的1/3，工件加工精度提高20%，具有較大實用性，加上工裝設(shè)計大部分采用標準模塊化結(jié)構(gòu)，也降低了制造和維護的成本。

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