一種小型薄片類零件精密粘接夾具的優(yōu)化研究

程建軍，吳慶峰，尚振東

(中國工程物理研究院 電子工程研究所，四川 綿陽 621999)

粘接結(jié)構(gòu)[1]是一種常見的連接結(jié)構(gòu)，區(qū)別于焊接[2]、鉚接[3]、螺裝[4]等裝配結(jié)構(gòu)，粘接結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)異質(zhì)材料，尤其是熱膨脹系數(shù)差異較大材料間的可靠連接，同時，粘接結(jié)構(gòu)所需的零件種類少，可以在較為狹小的有限空間內(nèi)實(shí)施，對操作空間的要求較低。此外，粘接結(jié)構(gòu)由于分布式連接的特點(diǎn)，避免了鉚接和螺裝等工藝中的應(yīng)力集中等不利因素，且由于粘接工藝的工藝條件相比于焊接等十分溫和，對被連接的零件及其周圍零件的影響較小[5-6]?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，粘接工藝特別適合于精密產(chǎn)品和小型產(chǎn)品的裝配過程[7]，也適合于精密加工中零件的精確定位與裝夾[8]。

影響粘接質(zhì)量[9-10]的主要因素有粘接劑(膠)、待粘接表面狀態(tài)、粘接工藝和粘接夾具，在粘接劑、待粘接表面和粘接工藝給定后，影響粘接質(zhì)量的主要因素為粘接夾具。粘接夾具[11]對粘接質(zhì)量的影響主要體現(xiàn)在：1)是否能夠保證被粘接對象間的相對位置；2)是否能夠在粘接中施加合適的粘接壓力；3)是否能夠在盡可能不影響被粘接結(jié)構(gòu)的條件下釋放被粘接體。

圖1所示為由2種薄片型零件組合而成的裝配結(jié)構(gòu)，其中零件1和零件2為2種不同的非金屬材料，該結(jié)構(gòu)由于零件尺寸較小(2個零件的厚度均不足1 mm)，剛度較低，且需要保證裝配后零件2上表面和零件1下表面平整無變形等要求，只能采用粘接方式實(shí)現(xiàn)。其主要粘接工藝步驟為：清洗→涂膠→靜置→零件第一次加溫→涂第二遍膠→靜置→零件第二次加溫→零件組合→夾具定型→高溫固化。在該工藝過程中，需要通過夾具保證零件1和2之間的相對位置關(guān)系，同時由夾具在兩零件之間施加一定的壓力，保證兩粘接面的緊密貼合，因此粘接夾具是保證該粘接結(jié)構(gòu)質(zhì)量的關(guān)鍵。本文將針對該粘接過程，重點(diǎn)介紹夾具的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

圖1 粘接結(jié)構(gòu)示意圖

1 原夾具介紹及存在的問題分析

原粘接夾具如圖2所示，整個夾具主要由底座、可動托板、壓塊、壓桿、預(yù)緊彈簧、鎖緊螺母等部分組成，工作中一次性可以裝夾12組待粘零件，待粘零件通過手動調(diào)整好位置后放置于可動托板，移動可動托板至壓塊正下方，通過逐一旋轉(zhuǎn)鎖緊螺母，可以給各組待粘接零件施加所需的壓力。該夾具中，預(yù)緊彈簧的作用是通過彈簧力的緩沖，使鎖緊螺母的旋緊力能夠平穩(wěn)地傳遞到壓塊上，同時在預(yù)緊螺母釋放過程中可以由彈簧狀態(tài)直觀地判斷預(yù)緊力大小。在粘接完成后，通過懸動鎖緊螺母，可依次松開壓塊施加給待粘接零件的壓力，待所有鎖緊螺母旋緊后壓桿提升，便可以通過可動托板整體取下所有粘接好的零件。

圖2 原粘接夾具結(jié)構(gòu)

該夾具使用過程中面臨的主要問題如下。

1)現(xiàn)有粘接夾具裝夾缺少定位裝置，零件憑目測擺放至可動托板上，誤差較大(見圖3)，如果與上模(壓塊)錯位后，將導(dǎo)致粘接強(qiáng)度不夠。

圖3 原粘接夾具中由于缺乏定位裝置容易導(dǎo)致零件擺放位置不準(zhǔn)

2)一次裝夾12組待粘接零件，雖然可以提高效率，但由于預(yù)緊螺母件相隔距離較近，實(shí)際操作不夠方便(見圖4)。

圖4 原粘接夾具在釋放彈簧中預(yù)緊螺母間間距過小，操作不便

3)由于粘接過程需要高溫(一般為180 ℃)固化，夾具在經(jīng)歷反復(fù)的高溫過程后，預(yù)緊螺母處的螺紋容易發(fā)生銹蝕粘連，導(dǎo)致預(yù)緊困難。

4)原粘接夾具壓緊后狀態(tài)如圖5所示。預(yù)緊彈簧容易歪斜，導(dǎo)致下壓力的方向和大小發(fā)生波動，且壓裝過程中易發(fā)生壓塊與粘接體間的相對位置偏移，造成施加壓力不夠準(zhǔn)確，都將使粘接后零件無法滿足要求。

圖5 原粘接夾具壓緊后狀態(tài)

2 新型夾具設(shè)計(jì)

針對原有夾具使用中面臨的上述問題，本文優(yōu)化了原有夾具設(shè)計(jì)，主要優(yōu)化如下。

1)在可動托板上增加了浮動定位銷。原夾具中，可動托板為一個較為簡單的平板結(jié)構(gòu)，新設(shè)計(jì)的夾具在原平板結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加了浮動定位銷[12](見圖6和圖7)，定位銷利用零件1兩端的U型缺口將零件1固定(零件2與零件1之間的位置由粘接劑固定)，在零件裝夾過程中由零件1和零件2組成的粘接體在可動托板上的位置固定，避免了圖3所示的粘接體擺放位置誤差。此外，定位銷釘設(shè)計(jì)為可動結(jié)構(gòu)，當(dāng)托板下表面貼緊在夾具底座上時，銷釘向上彈出，可用來固定零件1，當(dāng)粘接完成、將可動托板從夾具中取下時，在內(nèi)部彈簧作用下，銷釘自動縮回，方便粘接好的零件從托板上順利取下。

圖6 新夾具在可動托板上增加浮動定位銷

圖7 可動托板上浮動定位內(nèi)部銷結(jié)構(gòu)示意圖

2)改進(jìn)預(yù)緊機(jī)構(gòu)。原結(jié)構(gòu)預(yù)緊機(jī)構(gòu)采用螺旋釋放形式，操作空間狹小，12個工位依次釋放時間耗時過長。改進(jìn)后的鎖緊機(jī)構(gòu)如圖8所示，采用偏心凸輪機(jī)構(gòu)和杠桿原理進(jìn)行鎖緊，通過手柄轉(zhuǎn)動偏心凸輪控制壓桿的上下，大大提升了壓桿下壓行程的一致性，相應(yīng)地，壓緊力的一致性也同步得到提升。同時，該結(jié)構(gòu)可以一次性完成所有零件的夾緊和放松，在實(shí)際使用中，上述鎖緊和放松可在2 s之內(nèi)完成，極大地縮短了工件預(yù)緊時間。通過上述改進(jìn)，有效化解了原夾具中逐個旋轉(zhuǎn)預(yù)緊螺母時操作空間不足和操作時間過長的問題。此外，新夾具中也優(yōu)化了彈簧和壓桿之間的定位面為圓柱面，有效解決了下壓過程中彈簧容易偏斜的問題。

圖8 新夾具中的鎖緊機(jī)構(gòu)示意圖

3)優(yōu)化壓塊結(jié)構(gòu)。原夾具中，壓塊和壓桿為2個自由體，在使用中需要手動擺放壓塊到待粘接體正上方，在懸緊預(yù)緊螺母壓裝過程中，壓塊位置容易偏移，嚴(yán)重時需要懸松預(yù)緊螺母重新操作。在新夾具中，將壓桿和壓塊設(shè)計(jì)為組合結(jié)構(gòu)(見圖9)，在下壓過程中壓塊的位置由壓桿固定，有效避免了由于壓塊竄動造成的粘接失效。

a) 原結(jié)構(gòu) b) 組合前 c) 組合后

通過上述優(yōu)化，最終的夾具如圖10所示，其工作原理與原夾具類似，但大大提升了易用性和使用效率，減輕了操作難度和操作強(qiáng)度，更加容易保證操作過程的一致性，有助于提升產(chǎn)品粘接質(zhì)量。夾具優(yōu)化前后效果對照見表1。

圖10 新夾具最終結(jié)構(gòu)

表1 優(yōu)化前后效果對照表(12個零件一組)

3 結(jié)語

本文介紹了一種小型薄片類零件精密粘接夾具的優(yōu)化過程，首先系統(tǒng)分析了原有夾具在使用中的各種不便，然后有針對性地優(yōu)化了夾具結(jié)構(gòu)，主要是在可動托板上增加了一種浮動定位銷釘結(jié)構(gòu)，解決了零件批量擺放中位置誤差大的問題；改進(jìn)了鎖緊機(jī)構(gòu)，利用偏心凸輪和杠桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了快速、一致地將待粘接零件鎖緊；優(yōu)化了壓緊結(jié)構(gòu)，解決了下壓過程中壓塊位置偏移的問題。通過上述優(yōu)化和改進(jìn)，新設(shè)計(jì)的夾具可以有效提升操作便捷性，減少操作時間，同時提高了產(chǎn)品合格率和一致性，在實(shí)際中取得了良好的應(yīng)用效果。