薄壁零件裝夾卡盤的研制與應(yīng)用

葉鑫焱

（梅州市技師學(xué)院，廣東梅州 514000）

0 引言

數(shù)控機(jī)床是自動(dòng)控制式機(jī)床，內(nèi)部裝有控制單元和控制工作站，按照設(shè)計(jì)程序完成加工過程。很多復(fù)雜的機(jī)械零件都是由數(shù)控機(jī)床加工完成。數(shù)控機(jī)床是集成電子、機(jī)械、軟件、測(cè)量等多種重要學(xué)科的技術(shù)產(chǎn)物，其結(jié)構(gòu)組成包括加工程序載體、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)床主體和其他附加裝置。

數(shù)控機(jī)床可以解決普通機(jī)床難以解決的復(fù)雜零件的加工制作，在加工復(fù)雜的薄壁類零件過程中，面臨諸多難點(diǎn)，首先是復(fù)雜零件的剛性相對(duì)較差，切削過程中經(jīng)常出現(xiàn)振動(dòng)和變形，承受切削力和夾緊力的能力較差。裝夾的過程不小心，同樣會(huì)引起變形。因此，相應(yīng)的裝夾卡盤需要嚴(yán)格的設(shè)計(jì)和研制。

1 復(fù)雜薄壁零件的裝夾技術(shù)

隨著科技的發(fā)展和工業(yè)的進(jìn)步，對(duì)結(jié)構(gòu)制造的要求和需求也越來越高越來越大，復(fù)雜薄壁零件便是這種高要求下所需要的精密部件，例如圖1所示的電子產(chǎn)業(yè)中的鋁合金零件，是一種典型的薄壁零件，壁厚、孔圓角、槽寬尺寸都很小。零件的加工精度直接影響電性能指標(biāo)，加工過程中切削力，切削熱和殘余應(yīng)力同時(shí)施加給薄壁零件，很容易產(chǎn)生變形和尺寸偏差。因此，控制變形是薄壁零件加工中最為關(guān)鍵的技術(shù)點(diǎn)?？梢酝ㄟ^很多方法來實(shí)現(xiàn)，比如裝夾方式的改進(jìn)，刀具路徑的修正以及通過合理的工藝方法改變毛坯基礎(chǔ)等。夾具卡盤安置的主要目的主要是控制夾緊力，因此合理設(shè)計(jì)夾具方案非常重要，卡盤方式的選擇和支撐塊位置的放置可以控制夾緊力，定位處于加工過程，卡盤支撐和約束對(duì)卡盤夾緊過程的局部彈性變形影響較大，裝夾的位置會(huì)受到影響，彈性變形可能引起工件的剛性平移和剛性轉(zhuǎn)動(dòng)，使工件相對(duì)刀具的位置發(fā)生改變。工件在數(shù)控機(jī)床上的裝夾精度也是影響加工精度的重要因素，在加工精密儀器過程中，如果夾具質(zhì)量不高，可能會(huì)引起20%～60%的誤差，因此需要優(yōu)化裝夾卡盤的研制和制作減小裝夾的彈性變形以提高加工精度，提高生產(chǎn)效率。

圖1 薄壁零件

2 卡盤設(shè)計(jì)方案

為提高夾具卡盤的設(shè)計(jì)精度，克服傳統(tǒng)夾具卡盤的缺陷，薄壁零件的裝夾，需要遵循一定的原則。首先應(yīng)該擴(kuò)大工件下部的支撐面和卡盤夾壓面積，其次需要增加夾壓的點(diǎn)，使作用力均勻，減小夾壓應(yīng)力和接觸應(yīng)力。必要時(shí)，可以在底部增設(shè)次要支撐，增強(qiáng)工件的剛性。

工藝夾頭的選擇需要特殊設(shè)置，切削坯料過程中，需要事先留出有效的夾持長(zhǎng)度，加工后要切掉外圓、端面和內(nèi)外孔的殘?jiān)?，這樣工件就不會(huì)出現(xiàn)過大的變形，位置精度可以得到充分的保證，包括內(nèi)外圓和端面。另外還要讓變形均勻，可以通過卡盤夾點(diǎn)的位置改變，或者減小零件的形變來實(shí)現(xiàn)。變徑向夾緊為軸向夾緊，使夾緊力作用在較大的軸向，避免徑向發(fā)生較大變形。切削力的經(jīng)驗(yàn)公式見公式（1）。

式（1）中，C均為系數(shù)，X為指數(shù)，ap為背部吃刀量。刀具的角度選擇：加工薄壁類工件的刀具和刀刃要鋒利，一般采用較大的前角度和主要偏角，但不能太大，否則會(huì)引起到刀頭體積的減小而引起強(qiáng)度、剛度的下降，散熱性能也會(huì)變差，最終影響加工精度。

設(shè)計(jì)中選用較為簡(jiǎn)單且不容易產(chǎn)生變形的三爪氣動(dòng)式卡盤，圖2是利用仿真軟件設(shè)計(jì)出的卡盤效果圖，加工零件安置在卡盤之間，零件內(nèi)向外側(cè)的徑向支撐結(jié)構(gòu)和間隔環(huán)的靈活應(yīng)用，可以滿足不同內(nèi)徑、長(zhǎng)度的薄壁零件的柔性裝夾。零件在加工過程中不易變形，拆裝便捷，且具有很長(zhǎng)的使用壽命。此類夾具應(yīng)用于薄壁零件加工，在其他零件加工中同樣可以使用。夾具卡盤的設(shè)計(jì)不僅要保證足夠的強(qiáng)度，而且也應(yīng)牢固可靠。

圖2 卡盤設(shè)計(jì)效果圖

卡盤放置零件時(shí)，需要使用開口套工具，自定義的卡盤夾持開口套工具可以均勻的抱緊薄壁套，隨后進(jìn)行切削?？ūP的裝夾口弧度大，可以增大夾持面積，減小薄壁套的加緊和車削變形。此時(shí)需要把大弧形三爪卡盤和原定義的卡爪焊接后放置一段時(shí)間，讓其自然變形，大弧形的軟爪需要足夠的縱向厚度，卡盤的內(nèi)部焊接定位盤，充分保證薄壁零件定位準(zhǔn)確。

3 薄壁工件加工流程

（1）準(zhǔn)備工作。在卡盤夾具已經(jīng)設(shè)計(jì)完備的前提下，合理選擇刀具的幾何參數(shù)和切削用量，前角大的道具切削變形較小，切削力小，振幅小且不容易產(chǎn)生振顫，后角不宜過大，避免產(chǎn)生振動(dòng)和摩擦，刀具的圓角半徑增大會(huì)增大切削力，如果圓角半徑太小會(huì)影響表面粗糙度和刀尖強(qiáng)度。因此刀具要根據(jù)具體加工的零件選擇。主軸轉(zhuǎn)速越高，則切削加工的零件越容易發(fā)生振顫，低速的切削不容易產(chǎn)生振顫。走刀量越小，則切削厚度越薄，適當(dāng)?shù)募哟笞叩读?，可以減小振幅，背吃刀量越大，振動(dòng)切削力的波動(dòng)就越大，越容易產(chǎn)生振顫。

（2）裝夾。設(shè)計(jì)的卡盤為軟爪裝夾，爪內(nèi)孔要比工件的外徑大0～0.5 mm，對(duì)工件的包容面積要達(dá)到90%～95%，用設(shè)計(jì)卡盤軟爪的端面進(jìn)行軸向定位，軟爪端面的加工應(yīng)該和內(nèi)孔的加工在一次裝夾中完成，保證軟爪端與內(nèi)孔垂直，提高精度并且減少變形。首先將工件裝在脹緊套上，左端面由與卡盤夾具的臺(tái)階端面貼緊，裝入拉桿，主軸后面施加軸向力，拉動(dòng)軸桿，同時(shí)拉桿外圓錐面與脹緊套配合，脹緊套和工件內(nèi)孔配合完成夾緊。

（3）加工過程。要求和規(guī)格不同的薄壁零件的加工過程存在區(qū)別，基于薄壁零件的特點(diǎn)，要控制好程序的完成過程，對(duì)所加工的工件關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)和內(nèi)容進(jìn)行反復(fù)對(duì)照，在粗加工完成之后要先進(jìn)行自檢，存在誤差的數(shù)據(jù)要及時(shí)調(diào)整，包括松動(dòng)情況，分中情況，基準(zhǔn)面的尺寸情況，位置情況。加工完成后，要對(duì)工件進(jìn)行確保性檢查。

4 結(jié)語

薄壁復(fù)雜零件在工業(yè)產(chǎn)品中的應(yīng)用十分廣泛，因其自身特性導(dǎo)致設(shè)計(jì)過程復(fù)雜，采用數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)夾具卡盤具有重要的工程意義，首先對(duì)薄壁復(fù)雜零件需要的夾具卡盤類型進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出實(shí)用的夾具類型，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使用特制夾具卡盤加工薄壁零件的誤差較小。

［1］昊靜.數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)［J］.中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2017（6）：118－120.

［2］李志強(qiáng).數(shù)控銑精密薄壁零件加工工藝探討［J］.橡塑技術(shù)與裝備，2016（2）：31－33.