高剛性便攜式調(diào)平工裝設(shè)計(jì)

王新寬 鄭永成 朱建平 黃 文 吉 方

（中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽(yáng) 621900）

機(jī)械加工、產(chǎn)品檢驗(yàn)以及裝配調(diào)試等工藝過(guò)程中，需要使用大量的工裝夾具，以實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的可靠夾持和定位。工裝的性能較大程度地影響著工件和產(chǎn)品的加工質(zhì)量，高效、高可靠性的工裝可以極大地提高機(jī)械加工和檢測(cè)的效率［1］。近年來(lái)航空航天領(lǐng)域中大量用到高精度的光學(xué)元件，為保證這類(lèi)元件的面形精度，目前國(guó)內(nèi)外普遍采用精密及超精密加工的方法進(jìn)行制造。平面光學(xué)元件作為超精密加工的重要對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行可靠、方便地夾持和調(diào)平是后續(xù)加工工序的基本前提。當(dāng)前許多工裝夾具多采用機(jī)械夾持的方式進(jìn)行裝夾，效率低下，容易造成工件的變形，并且機(jī)械夾持方法對(duì)一些薄型元件難以奏效，為保證加工精度和生產(chǎn)效率，必須尋求快捷可靠的夾持方法。

滿(mǎn)足調(diào)平精度需要是對(duì)調(diào)平工裝的基本要求，許多工裝工作平面的調(diào)平是通過(guò)調(diào)節(jié)工裝上的調(diào)節(jié)螺釘或可調(diào)支座來(lái)完成，由于在調(diào)平過(guò)程中需要調(diào)節(jié)不同的支撐點(diǎn)以及存在制造誤差，將會(huì)導(dǎo)致同一平面內(nèi)不同調(diào)平方向相互影響和干擾，即調(diào)平耦合，致使調(diào)整工作出現(xiàn)反復(fù)，制約了調(diào)平的效率［2－3］。針對(duì)傳統(tǒng)工裝夾具存在的不足，本文介紹了一種新型結(jié)構(gòu)的調(diào)平工裝，既可采用真空吸附方式夾持工件，又可采用機(jī)械夾持方式夾持工件，能夠?qū)崿F(xiàn)多種口徑的圓形及方形光學(xué)元件的高效、高可靠性裝夾，采用的調(diào)平方法具有良好的解耦作用，能夠快速地實(shí)現(xiàn)對(duì)工件加工表面的調(diào)平。整套工裝夾持可靠、調(diào)平精度高、拆裝方便，顯著提高了機(jī)床的加工效率，其進(jìn)一步應(yīng)用對(duì)平面光學(xué)元件的超精密加工具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 調(diào)平工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

調(diào)平工裝的結(jié)構(gòu)如圖1所示，整套工裝的外形為回轉(zhuǎn)體型，上盤(pán)7側(cè)面圓周均布開(kāi)設(shè)4個(gè)真空吸附氣道，上表面設(shè)有環(huán)形氣路并由氣路密封釘5進(jìn)行密封。上球凸9和下球凹6分別通過(guò)螺釘同上盤(pán)7和下盤(pán)4緊固，上球凸外球面和下球凹內(nèi)球面經(jīng)過(guò)研磨處理，球面副接觸良好，工裝裝配完成以后上盤(pán)和下盤(pán)之間留有足夠的調(diào)整間隙。工裝的上盤(pán)表面經(jīng)過(guò)精密磨削用以承載工件，具有較高的平面度。該工裝的調(diào)平功能主要通過(guò)調(diào)整調(diào)節(jié)螺釘來(lái)完成。

2 裝夾和調(diào)平方案

2．1 工裝夾持方法

傳統(tǒng)夾具的夾持方法單一且多采用機(jī)械夾持方式，效率較低，難以滿(mǎn)足不同面形、不同規(guī)格工件的裝夾需求。本工裝采用真空吸附作為主夾持方法，能夠快速地完成對(duì)各類(lèi)光學(xué)元件的可靠夾持，真空吸附可以平穩(wěn)地夾緊工件，又不易對(duì)被裝夾工件的表面造成損傷，非常適合于夾持厚度較薄、表面光滑的金屬和非金屬元件，為后續(xù)的切削、磨削、拋光等機(jī)械加工任務(wù)奠定良好的基礎(chǔ)［4－6］。

具體實(shí)施方式如圖1所示，工裝裝配完成以后要牢固地聯(lián)結(jié)在機(jī)床工作臺(tái)上，真空吸接頭8同氣源管連接以提供系統(tǒng)所需吸附力，氣道密封釘2要密封良好防止漏氣。工裝上盤(pán)7表面開(kāi)設(shè)有多道環(huán)形氣路，工件在上盤(pán)表面的位置確定以后，沒(méi)有被工件覆蓋到的氣路必須通過(guò)氣路密封釘5進(jìn)行密封以確保吸附力的穩(wěn)定，被工件覆蓋的任意兩環(huán)形氣路之間需加裝密封圈，調(diào)整完畢后開(kāi)啟氣源，工件即被牢固吸附。

一些薄型元件經(jīng)真空吸附以后可能產(chǎn)生變形，此問(wèn)題可以通過(guò)靈活調(diào)節(jié)吸附力來(lái)解決，根據(jù)工件加工精度的需要以及加工過(guò)程中切削力的實(shí)際狀況，調(diào)節(jié)氣路中真空度的大小即可增大或減小對(duì)工件的吸附力，從而控制工件的吸附變形。工裝還設(shè)計(jì)有呈周向均勻分布的4個(gè)機(jī)械夾持塊3，機(jī)械夾持塊為輔助夾持機(jī)構(gòu)，可根據(jù)需要使用并可靈活調(diào)整其夾持范圍，主要用來(lái)夾持大尺寸的光學(xué)元件或方形工件，配合真空吸附使用以確保工件得到可靠的裝夾和定位。

2．2 工裝調(diào)平原理

工件在工裝上盤(pán)上裝夾完成以后，其調(diào)平的實(shí)現(xiàn)主要是基于升高低點(diǎn)調(diào)平原理。升高低點(diǎn)調(diào)平技術(shù)原理簡(jiǎn)單，控制效果好，即通過(guò)不斷調(diào)高較低的支撐點(diǎn)直至各支撐點(diǎn)高度相同。該方法的技術(shù)關(guān)鍵是如何確定各支撐點(diǎn)應(yīng)該升高的高度，以及采取何種措施來(lái)精確控制各低支撐點(diǎn)的升高量［7］。本工裝主要通過(guò)千分表打表的方法來(lái)確定各低支撐點(diǎn)的升高量，通過(guò)調(diào)整細(xì)牙調(diào)節(jié)螺釘13來(lái)精確控制各支撐點(diǎn)升高的高度。整套工裝共設(shè)置有4個(gè)調(diào)節(jié)螺釘并呈周向均勻分布，其中相鄰成90°分布的2個(gè)為主調(diào)節(jié)螺釘，其余2個(gè)起輔助調(diào)節(jié)作用。

調(diào)平過(guò)程中，為減少反復(fù)以提高調(diào)平效率，需要對(duì)不同的調(diào)平方向解耦。該工裝的兩調(diào)平方向在水平面內(nèi)互相垂直，較好地避免了傳統(tǒng)三點(diǎn)調(diào)平各支撐點(diǎn)之間的相互干擾，減少了反復(fù)，調(diào)平時(shí)先調(diào)平一個(gè)方向，再調(diào)平另一方向。通過(guò)千分表打表找到某一方向的低點(diǎn)之后，則定該低點(diǎn)處的細(xì)牙調(diào)節(jié)螺釘為該方向的主調(diào)節(jié)螺釘。調(diào)整調(diào)節(jié)螺釘13時(shí)，螺釘球面端頂緊嵌環(huán)1并被限位，促使調(diào)節(jié)螺母12帶動(dòng)上盤(pán)反向升高直至達(dá)到所需的升高量，該方向即被調(diào)平?；ハ啻怪钡膬煞较蚓徽{(diào)平后，通過(guò)鎖死4個(gè)帶有球面墊圈的鎖緊螺釘11把上、下盤(pán)緊固聯(lián)結(jié)，水平面內(nèi)的調(diào)平即告完成。本套工裝具有以下突出的優(yōu)點(diǎn):

（1）上盤(pán)和下盤(pán)采用球面副接觸配合，具有較好的支撐剛性，球面副的良好順應(yīng)性還可確保調(diào)平的快速實(shí)現(xiàn)。

（2）裝置中配置了拉力彈簧10，拉力彈簧始終處于拉伸狀態(tài)，在保證球面副良好接觸的情況下，還可消除調(diào)節(jié)螺紋的反向間隙，確保調(diào)平的可靠性。

（3）機(jī)床工作臺(tái)在高轉(zhuǎn)速、緊急啟動(dòng)及停止的情況下會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)或沖擊，可能造成調(diào)節(jié)螺釘?shù)乃蓜?dòng)。針對(duì)這一問(wèn)題，工裝中設(shè)計(jì)了防松螺釘14，用以使調(diào)節(jié)螺釘13的部分螺牙產(chǎn)生輕微變形并被扣死，起到反向自鎖的作用，避免了螺紋的松動(dòng)，保證工裝使用中的高可靠性。

（4）該工裝既能夠滿(mǎn)足較小口徑元件的夾持和調(diào)平需要，又能夠?qū)崿F(xiàn)大口徑的方形及圓形工件的裝夾和調(diào)平，功能較強(qiáng)。整套工裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、氣路簡(jiǎn)潔、重量輕便，還可實(shí)現(xiàn)整體拆裝，裝夾效率高。

3 工裝變形仿真分析

有限元分析作為一種較為成熟的數(shù)值計(jì)算方法，其在機(jī)床零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度以及模態(tài)分析等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)調(diào)平工裝夾持工件后的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)變形情況進(jìn)行了仿真分析。圖2所示為工裝夾持口徑為φ400 mm元件的外形圖。

仿真分析時(shí)，涉及到的載荷主要包括重力、大氣壓力、真空吸附力、工裝旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力以及調(diào)節(jié)螺釘球面端和嵌環(huán)之間的相互作用力，在調(diào)節(jié)過(guò)程中，由于鎖緊螺釘只起到聯(lián)結(jié)上盤(pán)和下盤(pán)的作用，其螺紋拉力較小，計(jì)算時(shí)不予考慮。調(diào)平工裝各零部件的制備材料為硬鋁，調(diào)節(jié)螺釘和鎖緊螺釘均由不銹鋼制作，工件為K9玻璃，各種材料的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

該調(diào)平工裝的工作平面為上盤(pán)表面，主要承受豎直軸向載荷，因此工裝的徑向變形十分微小，可以忽略。計(jì)算時(shí)重力加速度取9.8 m/s2，工裝旋轉(zhuǎn)速度為400 r/min，換算成角速度為41.9 rad/s，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，調(diào)節(jié)螺釘壓力定為100 N，真空吸具工作時(shí)內(nèi)部壓強(qiáng)為48 kPa，則工件所受的內(nèi)外壓強(qiáng)差為58 kPa。圖3為工裝在靜態(tài)即只在重力作用下的變形云圖，顯然靜態(tài)情況下工裝的最大變形量發(fā)生在調(diào)節(jié)螺釘處，這是由于該區(qū)域處于工裝上盤(pán)的邊緣，厚度較薄，且此時(shí)調(diào)節(jié)螺釘所受嵌環(huán)的壓力為所有載荷中的主要載荷，因此導(dǎo)致該處出現(xiàn)相對(duì)較大的變形。但由變形云圖可知其最大變形量小于0.6 μm，變形量較小，這表明該調(diào)平工裝具有良好的靜態(tài)剛度。圖4為工裝旋轉(zhuǎn)時(shí)即在離心力作用下的變形云圖，最大變形依然發(fā)生在4個(gè)調(diào)節(jié)螺釘處且變形量為1.1 μm，變形量仍然較小，這應(yīng)該歸功于工裝良好的結(jié)構(gòu)特性及其減重措施，保證了工裝在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中具有較強(qiáng)的抵抗變形的能力。

調(diào)平工裝在使用過(guò)程中，主要依靠真空吸附夾持工件，由于工裝的上盤(pán)設(shè)計(jì)有多條氣路，因此工裝在真空吸附力的作用下會(huì)產(chǎn)生一定程度的變形。圖5為只考慮真空吸附力作用情況下工裝的變形云圖，圖6為所有載荷共同作用下工裝的變形云圖，很明顯，此兩種情況下工裝的變形很類(lèi)似，最大變形均產(chǎn)生在工裝上盤(pán)的中心區(qū)域，可以推斷該變形主要是由真空吸附造成的，即真空吸附力是造成工裝相對(duì)較大變形的最關(guān)鍵因素。由變形云圖可知，考慮所有載荷的影響，工裝在動(dòng)態(tài)下的最大變形量?jī)H為11.9 μm，且以工裝中心點(diǎn)為圓心的各同心圓在圓周上的變形量基本一致，工件的調(diào)平精度幾乎不會(huì)受到影響，因此能夠滿(mǎn)足精密加工中的使用要求。即便在超精密加工過(guò)程中，亦可以根據(jù)工件的加工精度需要靈活調(diào)整真空度的大小，或者采取其他補(bǔ)償措施來(lái)減小工裝和工件的吸附變形，確保該調(diào)平工裝在超精密加工中的使用性能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種新型結(jié)構(gòu)的調(diào)平工裝，既可采用真空吸附方式夾持工件，又可采用機(jī)械夾持方式夾持工件，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多種規(guī)格圓形及方形工件的可靠裝夾。工裝的調(diào)平原理基于升高低點(diǎn)調(diào)平技術(shù)，使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該方法較好地避免了不同調(diào)節(jié)方向的相互干擾，能夠快速地完成對(duì)工件加工表面的調(diào)平。利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)調(diào)平工裝在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)下的變形情況進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果顯示該工裝的變形量較小，這與實(shí)際的使用情況相吻合，表明該工裝具有優(yōu)良的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)剛度。

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