用橡膠氣囊解決薄壁工件加工產(chǎn)生的振動(dòng)

林斌

(廣東省粵東技師學(xué)院，廣東 粵東515041)

當(dāng)前在模具制造、玩具生產(chǎn)等機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域，薄壁復(fù)雜形狀回轉(zhuǎn)體工件越來(lái)越多，而且此類工件大多對(duì)精度的要求很高，材質(zhì)特殊，而且批量較大。因?yàn)檫@類工件剛度低，加工工藝性差，對(duì)振動(dòng)、切削力及切削溫度等均十分敏感，不易控制加工精度和提高加工效率。特別是越接近最終加工尺寸時(shí)加工起來(lái)越困難。對(duì)此類復(fù)雜薄壁工件實(shí)現(xiàn)高精度、高效率和高可靠性的切削加工一直是玩具制造業(yè)面臨的一個(gè)重要課題。然而傳統(tǒng)的安裝系統(tǒng)對(duì)此類工件的安裝存在相當(dāng)大的困難，因此就需要從非傳統(tǒng)裝夾技術(shù)出發(fā)，重新開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出新的安裝夾具系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)低剛度、復(fù)雜形狀的薄壁工件的柔性、可靠裝夾。本文介紹一種橡膠氣囊?jiàn)A具以滿足這個(gè)要求。

1 工件綜合分析

1.1 對(duì)象介紹

筆者單位設(shè)計(jì)出一種新產(chǎn)品，材料為鋁的玩具陀螺，如圖1 所示。它的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其中，頂蓋1 與主體2 以螺紋連接進(jìn)行配合，主體2 和3 也是采用螺紋連接進(jìn)行配合，尖部4 內(nèi)孔里裝有一個(gè)小軸承，利用軸承和內(nèi)曲面，分別與主體3 右端的軸承位和外曲面進(jìn)行配合。零件壁薄只有1.5 mm，表面粗糙度要求Ra= 1.6 μm，其次，還要考慮陀螺玩具直立旋轉(zhuǎn)的動(dòng)平衡。所以工藝安排和夾具選用難度較大。

本文以陀螺主體作為研究對(duì)象，零件如圖3 所示。工件毛坯尺寸分別為φ85 mm×40 mm 和φ85 mm×58 mm 的鋁棒料。工件的最大直徑約80 mm，壁厚為1.5 mm，且壁厚要求均勻，壁厚差要求控制在0.05 mm 以內(nèi)，而且外表面配合要求較為一致，使得加工更加困難。加工過(guò)程中為了減小工件變形，保證加工質(zhì)量和精度，雖然在工藝上采用了諸多辦法，例如合理采用工藝方法、預(yù)留合理的加工余量、合理選擇加工參數(shù)等，但如果能在加工過(guò)程中采用一些輔助工裝，減小或消除加工中的振動(dòng)，則相當(dāng)于減小了加工變形系數(shù)，從而提高加工質(zhì)量和精度。

1.2 工藝分析與加工方案擬定

由于主體2 的外圓曲面與主體3 的外圓曲面應(yīng)該為一體，兩件配合后較為一致，外觀要求比較嚴(yán)格。另外，玩具陀螺是一種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的玩具，如果兩主體件單獨(dú)加工后再進(jìn)行配合的話，玩具陀螺將會(huì)因?yàn)槊總€(gè)微小質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的離心慣性力不能相互抵消，陀螺在旋轉(zhuǎn)的時(shí)候動(dòng)平衡較差。所以，主體2 應(yīng)內(nèi)外輪廓先加工完成，并且外圓曲面應(yīng)該留有余量;而主體3 應(yīng)該先把內(nèi)孔輪廓全部加工完成，然后利用螺紋配合與主體2 緊配在一起，使用專用夾具夾緊定位后，再進(jìn)行主體3 右邊外圓輪廓的粗加工，最后一刀完成主體2 與主體3 外圓曲面的精加工，如圖4 所示。所以，主體3 外圓還存在著粗加工的重切削和最后的精加工，工件壁薄容易產(chǎn)生振動(dòng)與變形，工件裝夾定位十分困難。

1.3 定位與夾緊

要加工薄壁陀螺的外表面，就需用工件內(nèi)表面初定位，因?yàn)楸”谕勇葑箝_(kāi)口端內(nèi)表面有一段內(nèi)圓柱面，以及右端一段內(nèi)圓柱面，可以用兩個(gè)內(nèi)圓孔進(jìn)行初定位，并在工件右端孔用螺釘壓住墊片與夾具連接，對(duì)工件進(jìn)行輔助支撐如圖5 所示。同時(shí)，在工件內(nèi)壁上設(shè)置周向均布的多組多個(gè)支撐脹緊點(diǎn)，用脹緊元件或機(jī)構(gòu)對(duì)工件薄壁進(jìn)行脹緊，如圖6 所示這些元件或機(jī)構(gòu)的頂端應(yīng)帶有仿形接觸面的非剛性?shī)A緊材料，這些材料與工件內(nèi)壁仿形面接觸并以適當(dāng)?shù)拿浘o力脹緊工件，限制工件剩余的自由度，保持工件的初定位沒(méi)有發(fā)生變化，也就保證了夾具體回轉(zhuǎn)軸、工件回轉(zhuǎn)中心以及機(jī)床主軸中心的同軸度，從而保證了工件的加工精度。

2 工件安裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本安裝系統(tǒng)，采用仿形面接觸、非剛性材料接觸夾緊的橡膠氣囊?jiàn)A具，可以對(duì)陀螺實(shí)現(xiàn)工件柔性、高精度、高效率和低成本的可靠裝夾。

2.1 橡膠氣囊?jiàn)A具

陀螺為薄壁復(fù)雜形狀回轉(zhuǎn)體工件，工件的外表面為流線型曲面，所以要用非剛性材料對(duì)工件進(jìn)行仿形接觸夾緊，并盡可能增加夾緊接觸面積，以保證對(duì)其外表面切削加工的加工質(zhì)量。根據(jù)工件的橫截面，設(shè)計(jì)橡膠氣囊?jiàn)A具如圖7 所示。

2.2 工作原理

根據(jù)工件8 的曲面制作的仿形橡膠氣囊2 裝在夾體1 的心軸上，用夾具體上的外圓柱面7 定位，右端用螺栓5 與夾具1 連接，并鎖住工件，保證定位的可靠，然后向氣囊中充入壓縮空氣，靠氣囊膨脹后與心軸外表面和工件內(nèi)表面的作用與反作用力來(lái)脹緊工件，消除了加工過(guò)程中薄壁工件產(chǎn)生的振動(dòng)，然后對(duì)工件進(jìn)行加工。加工完成后，放出氣囊中的空氣，松開(kāi)右端螺栓取出工件，并進(jìn)行批量生產(chǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)已應(yīng)用于玩具復(fù)雜薄壁件的加工中，夾具利用橡膠氣囊充氣后脹緊工件，保證適當(dāng)并有足夠的脹緊力，通過(guò)螺栓的調(diào)節(jié)，便于調(diào)整和裝卸。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造使用都很方便，解決了工件加工變形和振動(dòng)的難題，薄壁陀螺的加工質(zhì)量和加工精度都有大幅度的提高，工件加工合格率提高到95%以上，降低了單件加工成本。

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