真空吸附銑削夾具的設(shè)計(jì)及加工

任唯明

（蘇州鋒銳精密機(jī)電有限公司，江蘇 蘇州 215128）

關(guān)健詞：工件變形；夾具結(jié)構(gòu)；真空發(fā)生器系統(tǒng)

0 引言

隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展[1]，薄壁零件在機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[2]。由于其加工難度較大，因此必須完善載荷處理的理論與技術(shù)。該研究采用較硬薄壁純銅板，其形狀為盤形，直徑200mm，平面要求4μm。由于純銅材料剛度大、彈性大、加工難度大，因此薄壁平面零件用于切割變形時(shí)，難以控制，嚴(yán)重影響工件的加工精度和表面質(zhì)量，甚至導(dǎo)致工件陳舊。該文分析真空吸附銑削夾具，將研究成果應(yīng)用于生產(chǎn)項(xiàng)目中進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的精度弱剛性?shī)A具。

隨著飛機(jī)產(chǎn)品性能要求的進(jìn)一步提高，成品零件變得更輕，面積更大，薄壁鋁合金越來(lái)越多地用于一般的梁和機(jī)翼，為了滿足工程零件的技術(shù)需要，在加工過(guò)程中需要減少和控制變形，在硬件方面，真空裝置適用于較大的定位裝置。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)薄壁物體的門閂進(jìn)行了研究，取得了顯著的成果。

一般的研究方法包括利用有限元建模和優(yōu)化方法（如用于固定夾具的遺傳算法）。在真空夾持中，工件被外面的氣壓牢牢地壓在工作臺(tái)上，工件與工作臺(tái)具有較大的吸力。工件所能承受的側(cè)向力主要由表面結(jié)構(gòu)、氣壓差和接觸面決定。接觸面越大，作用力越大。真空夾緊系統(tǒng)通常用于快速夾緊塑料和鐵制金屬。它們與 CNC 機(jī)床兼容。真空設(shè)備主要用于特殊的加工系統(tǒng)，例如夾緊鋁板的一側(cè)并加工其他五側(cè)。這可以增加產(chǎn)量并降低成本，真空裝置不會(huì)損壞夾緊面，也不需要費(fèi)時(shí)費(fèi)力地調(diào)整工件。最新的真空系統(tǒng)可對(duì)不同規(guī)格、不同尺寸的工件進(jìn)行快速分割。每個(gè)部件的表面都承受一定的大氣壓力。真空冷卻器排空工件下方封閉區(qū)域內(nèi)的空氣，使工件接觸面一側(cè)的大氣壓低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，產(chǎn)生壓力差。這取決于真空空氣的容量，通常為0.7bar～ 0.8bar。這意味著如果形成 200mbar 的真空，則會(huì)在工件上產(chǎn)生 800mbar（約 0.8kp/cm）的壓力，夾緊力只與夾緊區(qū)域有關(guān)。

1 真空吸附夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

真空鉗用于真空室，利用大氣壓和殘余大氣壓之間的差異，獲得足夠的張力[3]。真空裝置的設(shè)計(jì)由真空平臺(tái)、密封圈和基礎(chǔ)3個(gè)部分組成[4]。筆者認(rèn)為工件輕滑動(dòng)和接觸面黏附是加工工件變形的主要形式，并建立了可壓縮性模型[5]，制造出1個(gè)可行的真空吸附夾具。它是真空泵裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，由密封槽、泵、密封圈、吸入孔和吸盤組成[6]。實(shí)際加工時(shí)，油井受井長(zhǎng)限制，小豎盲孔不適用于除屑，因此，立井設(shè)計(jì)為掘進(jìn)孔，并且配備真空裝置。

加工零件變形是影響零件精加工中零件精度的主要問(wèn)題[7]，通過(guò)高速磨削，可較好地避免加工零件因切削力、切削溫度、切削振動(dòng)等因素而變形。產(chǎn)品夾緊真空泵裝置，使其均勻分布。加工工件受壓縮變形明顯降低[8]，提高了工件加工精度。真空吸附銑削夾具工作時(shí)，壓縮氣體從真空發(fā)生器源進(jìn)入排氣孔，真空吸塵器關(guān)閉設(shè)備腔，產(chǎn)品受到大氣壓力的擠壓。同時(shí)，夾緊力分布均勻，減少了加工工件的變形；處理完畢后，封閉式II室對(duì)大氣開放[9]，真空夾具如圖1所示。

圖1 真空夾具示意圖

2 真空吸附銑削夾具加工應(yīng)用研究

2.1 真空吸附銑削夾具加工工藝

微細(xì)加工階段產(chǎn)生的殘余應(yīng)力層深度極低，難以用現(xiàn)有技術(shù)測(cè)量。在載荷范圍內(nèi)重新分配切削刃是造成純平面零件剛度弱的主要原因之一，可使用紅外干涉儀測(cè)量加工零件的表面輪廓，因此該文開展了型材加工的工作。該文采用有限元法模擬切線應(yīng)力殘余場(chǎng)再分配引起的變形，發(fā)現(xiàn)切削深度與切削頭轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和工作面平整率之間的關(guān)系，真空吸附銑削夾具加工工藝如圖2所示。

圖2 加工工藝示意圖

2.2 真空吸附銑削夾具加工方案設(shè)計(jì)

選擇與設(shè)計(jì)真空設(shè)備時(shí)，該文介紹了各種理論模型，進(jìn)行多次計(jì)算實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證理論的可行性，通過(guò)嘗試不同的解決方案來(lái)尋找最優(yōu)方案，但是這些結(jié)果不能直接應(yīng)用，因?yàn)槭袌?chǎng)了解成本太高，或者成品不能滿足筆者的設(shè)計(jì)要求。所以需要技術(shù)人員來(lái)滿足完美設(shè)計(jì)的要求，降低成本，加快實(shí)施進(jìn)程。

零件的最大壁厚為3.5mm，壁厚為3mm。它是一種薄壁結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在加工過(guò)程中容易變形。隨著工件剛度的降低，容易產(chǎn)生切削振動(dòng)，嚴(yán)重影響工件加工質(zhì)量。根據(jù)零件的設(shè)計(jì)和方法，設(shè)備設(shè)計(jì)為2個(gè)工作場(chǎng)所。第一個(gè)工作臺(tái)用于粗加工車身形狀和無(wú)框裝飾板；第二個(gè)工作臺(tái)用于薄壁、上表面和側(cè)表面的加工。由于零件尺寸大，所有設(shè)備都可以由4個(gè)夾具組成，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，減輕質(zhì)量，中間采用槽鋼框架，真空夾具如圖3所示。

圖3 真空夾具

底部焊接12片，用作連接金屬零件的底座。為了保證厚壁和位置面光滑均勻，4個(gè)真空墊必須與取樣器處于同一高度，當(dāng)工件從第一個(gè)工位移動(dòng)到第二個(gè)工位時(shí)，模具容易彎曲，修正工件形狀，然后在壓板上進(jìn)一步壓縮，這是在真空中完成的。表1列出了一些項(xiàng)目變量。

表1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3 真空吸附銑削夾具加工應(yīng)用

數(shù)控薄壁表面零件加工的實(shí)質(zhì)是對(duì)松散形狀的弱剛性表面零件進(jìn)行加工。自由的表面不能發(fā)展成平面，為防止加工中斷，粗加工常用機(jī)頭切削提高加工效率，精加工用球頭銑刀，該裝置用于保證加工精度 。切削過(guò)程中真空吸附銑削夾具主要與固定的地方接觸。加工精度應(yīng)設(shè)置非常小的切削距離（切削刀具兩條路徑之間的距離）。因此，在切削刀具路徑曲面加工過(guò)程中，很少有其它剪切變量相同的情況，提高加工效率的主要方法是提高數(shù)控薄壁表面零件的轉(zhuǎn)換速度。在這種情況下，高速切削和高速進(jìn)給是高速加工的主要因素。高加工速度取決于以下特點(diǎn)。

2.3.1 高速加工、切割速度快、熱量低

高速切割速度一般可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)切割速度的10倍以上，切割鋼高達(dá)380m/min，鑄鐵高達(dá)700m/min，鋁合金高達(dá)1100m/min。這使得高速加工成為一場(chǎng)偉大的革命。

2.3.2 加工速度快、切割變形小、精度高

高速加工采用淺切切削方式，大大降低了加工過(guò)程中的切削力。切削力降低30%以上，刀具壽命提高70%，比送料時(shí)間提高3～6倍。減小運(yùn)算力可以大大減小幅度振蕩，因此運(yùn)算系統(tǒng)的工作頻率不同于低頻，低頻對(duì)表面粗糙度影響最大，因此，高速加工可以防止常規(guī)加工中出現(xiàn)共振，使切割光滑無(wú)明顯影響，特別適用于薄壁柔性、剛性零件的加工。

一般來(lái)說(shuō)，高加工速度在表面處理和弱剛性零件方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，為了提高薄壁表面零件的加工精度和加工效率，首先必須分析高速加工過(guò)程中采用的淺切切削理論。

2.4 薄壁表面夾具

薄壁表面夾具的布置一直是機(jī)械工業(yè)的難點(diǎn)，而且薄壁表面的研究成果相對(duì)較少，薄壁表面零件，特別是薄壁表面的大零件，具有低剛度的特點(diǎn)，即使使用這種先進(jìn)的技術(shù)，也沒有合理的裝配和安裝，像高速加工、變形等，得不到合適的零件，因此小加工變形非常重要。薄壁表面的儀器通常位于表面接觸點(diǎn)，聯(lián)絡(luò)點(diǎn)必須是多方面的，而且是一致的，以確保更高程度的接觸。薄壁表面的理想零件必須根據(jù)表面形狀自動(dòng)調(diào)整夾具，使每個(gè)夾具具有可靠的接觸和均勻的夾緊強(qiáng)度.復(fù)雜形狀薄壁表面的物體種類繁多，對(duì)室內(nèi)的要求也不盡相同。薄壁表面夾具有2個(gè)不同的方向。一方面是“多點(diǎn)設(shè)備”，它正朝著“薄壁表面夾具”的方向發(fā)展，以解決實(shí)際生產(chǎn)中薄壁表面夾具的問(wèn)題。目前，生產(chǎn)中廣泛使用的彎曲零件，在灌裝過(guò)程中需要很大的問(wèn)題，包括2點(diǎn)：1）圓形薄壁坯。2）薄壁盒的彎曲。薄壁表面夾具在結(jié)構(gòu)上是典型的，薄壁表面夾具被認(rèn)為是多點(diǎn)真空表面的夾具中的一種。

2.4.1 減少薄壁的裝置

真空吸附銑削夾具廣泛應(yīng)用于軸承等高精度設(shè)施的自動(dòng)化生產(chǎn)線。由于在熱處理過(guò)程中得到的鍛孔表面通常是不規(guī)則的彎曲，鍛孔和管件之間的接觸在徑向和軸向上都有所不同。局部壓縮荷載和變形較大，導(dǎo)致熱處理過(guò)程中的殘余荷載引起較大的局部變形。通過(guò)下面的討論，很難完全消除它。同時(shí)，真空吸附銑削夾具應(yīng)力將繼續(xù)擺脫束縛，導(dǎo)致永久性小變形，大大降低精密零件的使用壽命，避免超精密軸承生產(chǎn)中出現(xiàn)不可解決的問(wèn)題。

2.4.2 帶細(xì)單元的真空夾

真空設(shè)備在薄壁零件生產(chǎn)中非常重要，與傳統(tǒng)配件不同，真空設(shè)備可以提供2個(gè)不同方向的支撐和吸附，這大大提高了薄壁零件的剛度，但目前已被廣泛應(yīng)用。一般真空設(shè)備對(duì)零件彎曲的適應(yīng)能力差（特殊情況除外），一般不能直接用于薄壁電弧柜中。癥狀：1）主要由水平定位零件制成，不太適應(yīng)臺(tái)階、表面和側(cè)線。2）夾具裝配過(guò)程中，配有真空棒，工件移動(dòng)，定位方便。3）可壓縮性的特點(diǎn)是真空夾具具有一定的均勻性。

目前對(duì)真空設(shè)備的研究主要集中在薄壁體上，對(duì)薄層真空設(shè)備的研究較少，應(yīng)著重分析接觸真空吸附銑削夾具的裝置。在降低接觸電壓的情況下，確保接觸點(diǎn)和產(chǎn)品之間的可靠接觸是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。同時(shí)，對(duì)于處在真空中的設(shè)備，也需要仔細(xì)檢查真空吸附銑削夾具接觸點(diǎn)的位置。

真空吸附銑削夾具作為薄壁表面處理中的薄弱環(huán)節(jié)，直接影響著真空吸附銑削夾具的質(zhì)量和效率。實(shí)際生產(chǎn)表明，在加工零件（通常是大型薄壁零件）剛度非常低的情況下，切割過(guò)程非常不穩(wěn)定，如果沒有合適的薄壁表面的結(jié)構(gòu)設(shè)備，就不采用高速加工變形技術(shù)。在這種情況下，很難設(shè)計(jì)1個(gè)夾具固定裝置；該夾具對(duì)電弧真空設(shè)備的要求非常高，為了保證夾具的密封性，不僅需要幾個(gè)接觸點(diǎn)的可靠接觸條件，而且接觸盡可能接近零，防止夾具進(jìn)一步變形，真空吸附銑削夾具主要用于在物體上加工平面、凹槽、花鍵及各種成型面，是應(yīng)用最廣泛的夾具之一。它主要由定位裝置、夾緊裝置、夾緊裝置、聯(lián)軸器裝置和刀具調(diào)整部分組成。磨削時(shí)，切削力大，切削時(shí)有斷裂，振動(dòng)大。 因此，銑床的夾緊力比較大，緊固件的剛度和強(qiáng)度比較高。研磨時(shí)的進(jìn)料方式分為直線進(jìn)給式、圓周進(jìn)給式和靠模進(jìn)給式3種。1）直線進(jìn)給式：這種類型的安裝座安裝在銑床工作臺(tái)上，并在加工過(guò)程中以線性進(jìn)給方式隨工作臺(tái)移動(dòng)。2）圓周進(jìn)給式：它主要用于帶有轉(zhuǎn)臺(tái)或旋轉(zhuǎn)拇指的銑床，通過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)或滾筒將工件按順序送到銑床的工作區(qū)域。3）靠模進(jìn)給式：用在專用或通用銑床上，加工各種圓形曲面，模板的作用是輔助工件運(yùn)動(dòng)。

3 結(jié)語(yǔ)

目前我國(guó)薄壁零件變形控制主要采用振動(dòng)切割技術(shù)，高速處理和數(shù)字調(diào)節(jié)補(bǔ)償。在薄壁零件加工過(guò)程中，該文論述了操作真空吸附銑削夾具的方法，分析真空吸附銑削夾具的彈性變形等因素，并且對(duì)真空吸附銑削夾具的加工質(zhì)量和效率的影響進(jìn)行分析，研究溫度與殘余應(yīng)力的關(guān)系。雖然我國(guó)在航空合金輪轂零件整體加工變形方面取得了一定進(jìn)展，但物理實(shí)驗(yàn)精度對(duì)弱剛性零件的幾何精度要求極高[3]，超精密加工沒有得到足夠的重視。產(chǎn)品和設(shè)備之間的接觸空氣由真空泵抽出，形成真空，例如將真空吸附銑削夾具封閉在一定的空間中。真空吸附銑削夾具的零件能在大氣壓強(qiáng)的作用下進(jìn)行吸附，操作方便，使飛機(jī)所有薄壁結(jié)構(gòu)均應(yīng)用于真空吸附設(shè)備。薄壁夾具的研究主要包括硬件優(yōu)化和夾具安裝變形技術(shù)，以提高加工零件的剛度，減少加工誤差。實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，使用方便，使用真空抽吸設(shè)備對(duì)薄件進(jìn)行高速磨削，實(shí)際上提高了加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。