鋁擠型散熱片薄壁件加工工藝分析與夾具設計

肖建章

摘 要：本文主要講述了鋁擠型散熱片薄壁件在CNC加工中的夾具設計。在高精度、易變形的鋁擠型散熱片的加工中，在保證產(chǎn)品質(zhì)量、精度的前提下，利用氣動夾具裝夾零件，操作方便，能大大地減輕勞動強度。氣動反應速度快，可以一次裝夾多個零件，因而在生產(chǎn)過程中能縮短裝夾、對零、拆卸工件等輔助工前時間，提高勞動生產(chǎn)率，實際生產(chǎn)中還可以實現(xiàn)一人多機，節(jié)省投資成本，實現(xiàn)快速盈利。大批量的生產(chǎn)活動中還可以采用氣動夾具通過電磁閥等電子元器件實現(xiàn)與設備聯(lián)機實現(xiàn)自動化控制，進一步縮短加工過程中的輔助時間，使企業(yè)實現(xiàn)較大的盈利。

關(guān)鍵詞：鋁擠型散熱片 夾具設計 氣動裝夾

鋁擠型散熱片由于熱傳導能力強﹑密度小﹑價格便宜，所以得到了各大廠商的青睞，普遍裝載在電腦CPU、易發(fā)熱電子元件的散熱裝置上，用途廣泛。

圖1所示為廣州吉川機電裝備有限公司加工的鋁擠型散熱片薄壁件，零件材料為AL6063鑄件薄體，加工量為5000個。該零件的結(jié)構(gòu)特點主要是由很多薄壁片組成，散熱片厚度為1mm，高度為6mm，散熱片不均勻地分布在最薄僅為2mm厚的底板上，而且需要多面體加工，加工難度高。按此加工本零件假如采用通用裝夾的方式就容易出現(xiàn)變形、彎曲現(xiàn)象，且不能滿足日常生產(chǎn)的效率。為了解決此難題，本文結(jié)合企業(yè)大批量生產(chǎn)的加工要求，分析并設計一套基于數(shù)控加工工序分散的工藝方案及二道加工工序氣動快速裝置，從而有效提高工件的生產(chǎn)效率和加工精度，應用效果良好。

一、工藝分析

1.零件加工工藝分析

此散熱片在購買時外形尺寸是為213.5mm× 117.5mm，因此需要經(jīng)過多個工序來完成。

工序一：裁剖，工序圖如圖2左圖所示，采用普通夾具夾持即可。

工序二：CNC銑裁切邊，工序圖如圖2右圖所示，采用普通夾具夾持即可。

工序三：CNC銑背面及鉆孔，工序圖如圖3所示。經(jīng)過工序一和工序二的加工，零件外形尺寸為精料。為了批量生產(chǎn)和提高效率，這里設計了簡單的工裝定位裝夾，如圖4所示。依靠固定鉗口及側(cè)面定位，采用通用平口鉗裝夾，剛好是散熱片的縱向（薄片的受力方向），裝夾穩(wěn)定可靠、方便、快速且經(jīng)濟。

工序四：CNC銑正面避位，工序圖如圖5所示。

工序五：堿洗。

工序六：拋光背面。

工序七：素檢，平面度四周塞規(guī)全檢，中心反面檢一次。

工序八：電鍍。

工序九：打鉚釘。

通過對工序四的圖紙分析可知，圖中標注粗實線部位為該工序所加工的部位。從其結(jié)構(gòu)可分析出，要完成這些加工部位會存在以下兩個問題。

第一，散熱片屬薄壁零件、剛性差，如果還是采用工序三的裝夾方式會存在夾緊力不好掌握的問題，夾緊力大了散熱片會產(chǎn)生變形，留下壓痕。夾緊力過小則會裝夾不穩(wěn)，加工時工件會產(chǎn)生位移。

第二，對于薄壁零件的加工，切削用量受到限制，切削深度和進給速度過大，散熱片則會產(chǎn)生彎曲變形或產(chǎn)生“讓刀”現(xiàn)象，切削深度和進給量過于小，則會影響生產(chǎn)效率。

2.確定零件加工工序四的裝夾方案

對鋁擠型散熱片的綜合分析比較得知，面對零件的外觀和變形都有較嚴格的要求時，需制作專用夾具，來實現(xiàn)該零件的裝夾并提高生產(chǎn)效益。

二、夾具設計

根據(jù)鋁擠型散熱片工序四的加工工藝分析可知，設計專用夾具可解決上述問題，夾具設計如圖6所示。

1.定位元件設計

在工序三完成后，零件底面的孔已經(jīng)加工完成，就是利用該零件上已加工的孔和定位板上表面實現(xiàn)“一面兩銷”定位。在定位板上設計六個圓柱，雖然屬于重復定位，但為了保證剛度，所以需要重復定位（孔位置和加工部位重合，因此孔的深度較淺，孔和銷的間隙較大）。同時，為防止壓緊時產(chǎn)生過行程，壓壞工件，根據(jù)工件的厚度，在定位塊上特意設計出四個行程限制凸臺。定位板最終設計如圖7左圖所示。

2.夾緊裝置設計

根據(jù)工序四工藝分析，為解決夾緊力引起變形的問題，為保證夾緊時不把散熱片壓變形，盡量增大夾持面積，本夾具的方法是采用垂直向下壓緊零件，以平面的形式和散熱片頂面進行全面接觸壓緊；又為防止壓傷工件，特在壓緊板的下面沾上防壓傷膠墊，設計如圖8所示。

針對夾緊力設計時采用氣動夾緊，這樣就可以實現(xiàn)夾緊力可調(diào)并穩(wěn)定，可以把夾緊力調(diào)到合適的大小。因此，在壓緊板上設計四個帶腰形通槽安裝氣缸，可快速安裝零件并鎖緊，大大提高人工裝夾效率。

3.夾具體設計

夾具體是連接機床的本體元件，同時起著支撐定位元件的作用。根據(jù)夾具的設計要便于拆卸、通用性的原則，本夾具的夾具體采用較為簡單的長方體底板，底板兩邊設計兩塊支撐板連接定位板，四個氣缸根據(jù)對應位置放置在底板上，最后用壓板壓緊在機床的工作臺上，結(jié)果如圖6所示。

4.輔助元件設計

為了保證壓緊板定位和重復定位精度，同時為了消除因氣缸申縮時引起的振動，在定位板上設計安裝輔助定位桿，在壓緊板設計出對應的限位槽，結(jié)果如圖6所示。

5.夾具的使用

夾具元件按夾具裝配圖裝配好后，需要再次校正進行檢查夾具的平行，定位板上的所有凸臺最好是采用配做。檢查無誤后，把零件按照6個圓柱銷進行定位放置，再把壓緊板放入氣缸伸縮桿的臺階位，推動壓緊板到腰形通槽極限位置，撥動氣壓閥的撥桿，氣缸伸縮桿回縮實現(xiàn)快速壓緊工件的目的。工件完成后按安裝相反步驟拿出壓緊板，最后取出工件完成產(chǎn)品的加工，如圖9所示。

6.夾緊力計算

在工作中，工件受切削力，所以要求夾具裝置產(chǎn)生的夾緊力足夠且自鎖性能可靠，同時要綜合考慮夾緊力不使工件或夾具變形。

本工件材料為AL6061鑄件殼體，σb=370MPa，所有部位均采用成形刀加工，齒數(shù)為4齒，直徑8mm，每齒進給量fz=0.2mm，切削寬度等于毛坯余量ae=0.8mm，則銑削力。

其中：CF——銑削力系數(shù)，查表取294；xFC——銑削寬度ae的指數(shù)，查表取1；yFC——每齒進給量fz的指數(shù)，查表取0.65；zFC——銑刀直徑d的指數(shù)，查表取-0.83；ap——背吃刀量為0.8mm；Ze——同時工作齒數(shù)4。

則FC=294×0.5×0.20.65×8-0.83×0.8×4=58N

在計算切削力時應考慮安全系數(shù)。

安全系數(shù)K=K0·K1·K2·K3=1.7×1×1.4×1.2=2.856

其中：K0——基本安全系數(shù)，粗加工取大值1.5；K1——加工性質(zhì)系數(shù)，粗加工取1.2；K2——刀具鈍化系數(shù)，取1.2；K3——切削特點系數(shù)，連續(xù)切削取1.0。

則F=KFC=164.411N≈166kg。

根據(jù)氣缸所需夾緊力公式：

Q=F/（i·η·n）

其中：η——氣缸摩擦系統(tǒng)，取0.8；i——壓板與工件的摩擦系統(tǒng)，取0.8；n——夾緊氣缸個數(shù)，本夾具為4。

因此，氣缸所需夾緊力為：Q=F/（i·η·n）=165/（0.8×0.8×4）=64kg。

7.氣缸的選擇

根據(jù)夾緊裝置結(jié)構(gòu)可知，氣缸使用時是利用氣缸的拉力作為其夾緊力。根據(jù)氣缸輸出力（氣缸拉力）公式：

Q=P·（πD2/4）·η

其中：p——壓縮空氣壓力=6MAP=6kg/cm2；D——氣缸直徑（cm）；η——氣缸摩擦系統(tǒng)，取0.8。

根據(jù)氣缸伸出力（氣缸拉力）公式可知：

=4.12mm

通過以上理論計算，可以選擇直徑為6mm的氣缸。但是，考慮到由于銑削過程中每個刀齒的不連續(xù)切削，作用于每個刀齒的切削力大小及方向隨時都在變化，致使在銑削過程中產(chǎn)生較大的振動，因此，夾具需有足夠的夾緊力。此外，考慮到工廠所供壓縮空氣壓力不穩(wěn)定、工件加工余量發(fā)生變化、零件材料缺陷，以及其他不可預見性因素的影響，為安全可靠起見，選擇直徑為10mm的氣缸，夾緊力是遠大于切削力，所以該夾緊方案穩(wěn)定可靠。

三、小結(jié)

本夾具的設計遵循簡單化、制作方便、拆裝容易、便于品種更換的設計原則，保證零件在加工過程中不會產(chǎn)生彎曲變形、不壓傷，質(zhì)量得到保證。為了進一步提高效率，還設計出一次裝夾加工多個零件，如圖10所示。

經(jīng)過大批量的生產(chǎn)證實，所確定的加工步驟和設計的夾具是合理的，能確保精度，從而減少加工成本。同時，此夾具的設計和原理可作為眾多易變形零件的參考，也希望得到更多工程師們的指點，達到共同進步的目的。

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（作者單位：廣東省高級技工學校）