真空吸附裝夾系統(tǒng)改進(jìn)技術(shù)

朱榮生

(中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所， 四川 成都610036)

真空吸附裝夾系統(tǒng)改進(jìn)技術(shù)

朱榮生

(中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所， 四川 成都610036)

針對數(shù)控加工中采用油潤真空泵的傳統(tǒng)真空吸附裝夾系統(tǒng)存在的設(shè)備龐大、購置及維護(hù)成本高、產(chǎn)品適應(yīng)性差以及廢油廢液污染等問題，對傳統(tǒng)真空吸附裝夾系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。通過新型真空發(fā)生器的對比選用以及與真空吸附平臺的一體化安裝，對原真空吸附工作臺容積腔進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并增加真空度壓力監(jiān)控表等，實現(xiàn)了真空吸附裝夾系統(tǒng)的小型化、經(jīng)濟(jì)化和實用化改進(jìn)。經(jīng)驗證，改進(jìn)后的真空吸附系統(tǒng)吸附壓力穩(wěn)定，產(chǎn)品加工質(zhì)量合格，滿足產(chǎn)品多樣化、高效率以及綠色制造需求。

真空泵；真空吸附；裝夾系統(tǒng)；真空發(fā)生器；吸附平臺

引 言

近年來，由于各類軍用電子設(shè)備平臺對設(shè)備的多功能和輕量化發(fā)展需求，以鋁合金為主的結(jié)構(gòu)件，特別是航空航天領(lǐng)域的各類模塊單元結(jié)構(gòu)承載件越來越薄，越來越復(fù)雜，對產(chǎn)品數(shù)控加工過程中的裝夾要求越來越高[1]。

采用真空吸附系統(tǒng)裝夾工件，具有裝夾快速簡單、無裝夾應(yīng)力變形等優(yōu)點，是加工薄壁、薄底結(jié)構(gòu)件的主要裝夾方式[2]。某研究所從2003年引進(jìn)并采用了真空吸附裝夾系統(tǒng)，解決了薄壁、薄底結(jié)構(gòu)件的裝夾難題。但由于該系統(tǒng)采用了傳統(tǒng)的油潤真空泵，設(shè)備龐大，購置及維修成本高，一套系統(tǒng)僅能滿足一臺數(shù)控設(shè)備，吸附平臺結(jié)構(gòu)單一，難以滿足多臺設(shè)備、不同產(chǎn)品的裝夾需求。而且該真空系統(tǒng)還容易吸入切削液，產(chǎn)生費油、廢液等環(huán)境污染。

針對上述問題，對當(dāng)前的傳統(tǒng)真空吸附裝夾系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，并配備到每臺數(shù)控設(shè)備上，實現(xiàn)了基于小型化、經(jīng)濟(jì)化的綠色制造，滿足多樣化產(chǎn)品適應(yīng)性的真空吸附裝夾需求。

1 傳統(tǒng)真空吸附裝夾系統(tǒng)構(gòu)成

傳統(tǒng)真空吸附裝夾系統(tǒng)主要由真空吸附工作臺、帶一真空儲壓罐的真空泵以及連接管道構(gòu)成[3]，如圖1所示。真空泵為真空發(fā)生器，采用油潤滑單級旋片直聯(lián)式風(fēng)冷真空泵，設(shè)備龐大，采購成本及后期維護(hù)成本較高。真空泵運行時容易將切削液吸入真空罐和真空泵中，產(chǎn)生廢油及廢液，對環(huán)境造成一定影響。因此，傳統(tǒng)真空吸附裝夾系統(tǒng)難以滿足綠色制造以及多樣化產(chǎn)品制造需求，亟待進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的改進(jìn)。

圖1 傳統(tǒng)真空吸附裝夾系統(tǒng)

2 真空吸附裝夾系統(tǒng)改進(jìn)技術(shù)

2.1 真空源改進(jìn)

采用一種利用壓縮空氣產(chǎn)生真空的真空發(fā)生器替代傳統(tǒng)龐大的真空泵設(shè)備，是實現(xiàn)真空吸附系統(tǒng)小型化、且每臺數(shù)控設(shè)備都能配備的最為經(jīng)濟(jì)的改進(jìn)技術(shù)方案。其工作原理是利用噴管高速噴射壓縮空氣，在噴管出口形成射流，產(chǎn)生卷吸流動，在卷吸作用下，噴管出口周圍的空氣不斷被抽吸走，使吸附腔內(nèi)的壓力降至大氣壓以下，形成一定真空度，利用真空負(fù)壓來“吸附”工件以達(dá)到零件夾持的目的。圖2是改進(jìn)前后的真空系統(tǒng)。

圖2 真空源改進(jìn)前后對比(真空發(fā)生器替代真空泵)

該真空發(fā)生器小型、經(jīng)濟(jì)、清潔、高效，與車間常規(guī)壓縮空氣兼容，安裝非常方便，且不存在廢油、廢液污染問題。在真空發(fā)生器的具體指標(biāo)及型號選擇上，真空度是首要指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，再根據(jù)實際需求，選擇空氣消耗量、吸入流量、吸著響應(yīng)時間等參數(shù)適宜的真空發(fā)生器。

根據(jù)真空發(fā)生的級數(shù)，真空發(fā)生器分為單級發(fā)生器和多級發(fā)生器，其主要指標(biāo)見表1。真空吸附力的大小理論上只與真空度和吸盤面積相關(guān)，與吸入流量無關(guān)，但在實際使用中，吸盤與被吸附工件存在因零件變形、缺損等細(xì)微不完全密封的情況。在這種情況下，流量越大，泄漏量占比越小，越有利于維持較高的真空度，從而可以保持更大的吸附力[4]。因此對比單級和多級兩型發(fā)生器的真空度、吸入流量等指標(biāo)，認(rèn)為多級發(fā)生器吸入流量更大，更有利于維持真空度，因此最終選取了VTM700-06型多級發(fā)生器。

表1 真空發(fā)生器的具體型號及指標(biāo)

在實際使用中，真空發(fā)生器和真空泵都有進(jìn)水風(fēng)險。為了避免進(jìn)水后對真空度的影響，可以為真空發(fā)生器配備一臺真空儲氣罐，在真空系統(tǒng)突然發(fā)生故障時，維持零件的真空密封度，以免發(fā)生質(zhì)量甚至安全事故。

2.2 吸附平臺改進(jìn)

吸附平臺的改進(jìn)主要是為了匹配新的真空發(fā)生器。在試驗過程中，真空吸附系統(tǒng)壓力有明顯波動。經(jīng)分析，其主要原因是真空發(fā)生器進(jìn)水，造成壓縮空氣流速減小，真空度下降。如圖3所示，傳統(tǒng)的真空吸盤工作臺沒有容積腔，在加工時，由于吸盤工作臺與被吸附物體之間不可能完全密封，所以切削液可直接進(jìn)入真空發(fā)生器，影響吸附效果。對吸盤工作臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)時，在工作臺底面增加容積腔，將吸氣嘴位置調(diào)到容積腔頂面，切削液就存儲在容積腔底部，防止少量切削液直接進(jìn)入真空發(fā)生器，造成真空度下降。同時，還增加了壓力監(jiān)控表，如圖4所示。

圖3 真空吸附平臺改進(jìn)前正反面結(jié)構(gòu)

圖4 改進(jìn)后吸盤的反面結(jié)構(gòu)

在真空吸附平臺的利用率方面，在原有基礎(chǔ)上增加進(jìn)氣孔數(shù)量(圖5)，便于在實際加工中根據(jù)零件大小選擇合適的進(jìn)氣孔位置。因吸附平臺的多進(jìn)氣孔結(jié)構(gòu)，可以同時裝夾多個零件，解決了原來由真空吸附裝夾系統(tǒng)及人員配置不足造成的加工效率低下等生產(chǎn)瓶頸問題。圖6為改進(jìn)后的真空吸附平臺剖視圖。

圖5 進(jìn)氣孔改進(jìn)

圖6 改進(jìn)后的真空吸附平臺剖視圖

2.3 真空吸附裝夾系統(tǒng)改進(jìn)

用新型真空發(fā)生器替代原來的真空泵，并將它集成安裝到真空吸附平臺上。改進(jìn)后，真空吸附裝夾系統(tǒng)由原來的2大部分集成為1個部分，如圖7所示。

圖7 改進(jìn)后的真空吸附裝夾系統(tǒng)(工作狀態(tài))

3 改進(jìn)驗證

3.1 吸附壓力對比

吸附壓力是保證產(chǎn)品有效裝夾的核心指標(biāo)。對改進(jìn)前后加工過程中的壓力進(jìn)行監(jiān)控，結(jié)果顯示，改進(jìn)后的吸附壓力為-84～-85.2 kPa，平均吸附壓力比傳統(tǒng)低2.3%左右。此誤差可以通過調(diào)整吸附有效面積或切削參數(shù)進(jìn)行補償，對整個機(jī)加參數(shù)幾乎沒有影響。

根據(jù)壓力測試結(jié)果，以零件與吸附平臺的鋁-鋁摩擦系數(shù)f= 0.02計算，改進(jìn)后的真空吸附夾具系統(tǒng)可承受的切削力為P= 1 704 N/m2[5]，而常規(guī)加工參數(shù)下的切削力F= 40.92 N。在采用Φ12 mm立銑刀、軸向深度z= 3 mm、切深ap=1 mm、走刀速度vf= 1 600 mm/min、 機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速n= 10 000 r/min的切削條件下，若不考慮冗余設(shè)計，最小吸附面積S=F/P= 40.92/1 704 = 0.024 m2= 240 mm2。

某研究所常規(guī)產(chǎn)品尺寸大小均大于上述最小吸附面積，因此滿足產(chǎn)品裝夾需求。對于產(chǎn)品尺寸小于該最小吸附面積的，工藝上采用拼版方式進(jìn)行加工，以適應(yīng)真空吸附裝夾的需求。

3.2 產(chǎn)品加工質(zhì)量對比

改進(jìn)后的真空吸附裝夾系統(tǒng)經(jīng)過半年來的實際使用，產(chǎn)品質(zhì)量合格，加工過程穩(wěn)定，無失壓等異常現(xiàn)象。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在風(fēng)冷冷板、相控陣天線輻射板等高精度零件以及高精度薄板薄底類零件的銑削加工中，取得了比較理想的效果。

4 改進(jìn)效果

采用改進(jìn)后的真空吸附裝夾系統(tǒng)，除滿足產(chǎn)品加工要求外，在成本、安全、環(huán)保、壽命等方面均有明顯改善，大大體現(xiàn)了綠色制造的理念。改進(jìn)前后各項指標(biāo)及成本對比見表2。

表2 真空吸附裝夾系統(tǒng)改進(jìn)前后指標(biāo)及成本對比

5 結(jié)束語

真空吸附裝夾系統(tǒng)采用新型真空發(fā)生器替代了傳統(tǒng)龐大的真空泵，實現(xiàn)了真空系統(tǒng)的小型化和經(jīng)濟(jì)化。通過真空吸附平臺的改進(jìn)適應(yīng)了產(chǎn)品的多樣化，突破了原來裝夾系統(tǒng)的配備不足、效率低下等生產(chǎn)瓶頸，同時也為綠色制造、高效制造提供了改進(jìn)思路。

[1] 袁華, 覃嶺. 薄壁零件數(shù)控銑削加工工藝技術(shù)研究[J]. 裝備制造技術(shù), 2011(10): 94-96.

[2] 沈則亮. 真空吸附銑削夾具的設(shè)計及其應(yīng)用[J]. 機(jī)床與液壓, 2010(9): 19-21.

[3] 魏勇, 伍愛民. 真空吸附夾具系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 電訊技術(shù), 2008(4): 107-110.

[4] 朱慶. 真空吸附在薄型鋁材零件加工中的應(yīng)用[J]. CAD/CAM與制造業(yè)信息化, 2012(10): 85-87.

[5] 楊叔子. 機(jī)械加工工藝師手冊[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2011.

朱榮生(1974-)，男，主要從事航空、航天關(guān)重件機(jī)械加工關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)工作。

Improvement Technology of a Vacuum Absorption Clamp System

ZHU Rong-sheng

(The 10th Research Institute of CETC, Chengdu 610036, China)

In numerical control machining, the traditional vacuum absorption clamp system with the oil-lubricated pump is large, expensive for purchasing and maintenance, poor in product adaptability and has oil liquid pollution. To solve these problems, the traditional vacuum absorption clamp system is improved. A new type of vacuum generator is adopted and integrated with the vacuum absorption platform. The volume chamber of the vacuum absorption workbench is improved. And a vacuum pressure monitor is adopted. As a result, the miniaturized, economical and practical modification of the traditional system is realized. The test results show that the improved vacuum absorption clamp system, for stable absorption pressure and qualified products, satisfies the requirements of product diversification, high efficiency and green manufacturing.

vacuum pump; vacuum absorption; clamp system; vacuum generator; absorption platform

2016-11-18

TG75

A

1008-5300(2017)03-0058-03