真空吸盤裝夾技術(shù)在間隙評(píng)估塊上的應(yīng)用研究

王正國，槐磊，孫新強(qiáng)

（蘇州微創(chuàng)骨科醫(yī)療工具有限公司，江蘇 蘇州 215000）

在膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)中，膝關(guān)節(jié)間隙評(píng)估塊用來評(píng)估屈膝間隙和伸直間隙。膝關(guān)節(jié)間隙評(píng)估塊的尺寸會(huì)影響最終膝關(guān)節(jié)假體的規(guī)格型號(hào)，對(duì)手術(shù)過程的時(shí)長，精度有很大的影響。因此，在生產(chǎn)加工過程中，要穩(wěn)定控制尺寸、形位公差。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

如圖1所示，產(chǎn)品為間隙評(píng)估塊，材質(zhì)為PPSU，屬于高分子塑料，具有耐高溫、強(qiáng)度高、耐磨性好、尺寸穩(wěn)定等特點(diǎn)。產(chǎn)品中間有一個(gè)腰形孔，兩端為橢圓形厚度塊，兩端厚度塊通過細(xì)長條異形塊連接，整個(gè)圓周有R1.58圓角，比較光滑。產(chǎn)品做退火處理，表面激光刻字，表面粗糙度Ra1.6μm。

圖1

2 加工難點(diǎn)

膝關(guān)節(jié)間隙評(píng)估塊采用PPSU高分子材料，相較不銹鋼材料，PPSU材料軟且在加工過程中易變形。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，常見的加工方式是使用仿形工裝將評(píng)估塊固定在加工中心的虎鉗上，再使用壓板固定,這種加工方式的弊端如下。

（1）產(chǎn)品為不規(guī)則的外形，沒有連續(xù)的直邊，常規(guī)的虎鉗裝夾困難。產(chǎn)品原材料質(zhì)地偏軟，用壓板固定容易造成產(chǎn)品表面劃傷，外觀不良。

（2）受虎鉗的型號(hào)限制，仿形工裝一次只能裝一件產(chǎn)品，不能批量化作業(yè)，工人需要重復(fù)上下料，加工效率低，嚴(yán)重影響設(shè)備的利用率。

（3）虎鉗或虎鉗仿形工裝定位，重復(fù)定位精度差，批次產(chǎn)品間尺寸穩(wěn)定性差。

（4）產(chǎn)品特征尺寸難控制。產(chǎn)品外形不規(guī)格，原材料為棒料或板料，加工切削量大，切削量占原材料74%，銑削加工產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力大，導(dǎo)致產(chǎn)品變形嚴(yán)重，產(chǎn)品尺寸不穩(wěn)定，且產(chǎn)品特征尺寸和輪廓度要求嚴(yán)格，難加工。

3 改善方案

為了改善或解決上述問題，必須改變高分子材料采用虎鉗夾緊的裝夾方式。因此，本發(fā)明從這一角度入手，設(shè)計(jì)了一款適用于高分子材料的專用工裝。該工裝摒棄傳統(tǒng)的夾緊方式，采用真空泵抽真空，吸附產(chǎn)品方式，將產(chǎn)品吸附在裝有密封圈的仿形工裝內(nèi)，從而解決產(chǎn)品尺寸外觀不良，同時(shí)提升了加工效率。

4 真空吸盤原理

真空吸盤是用真空負(fù)壓來“吸附”產(chǎn)品，從而達(dá)到夾持產(chǎn)品的目的。原理如圖2所示，通氣孔與真空發(fā)生裝置相接，啟動(dòng)真空發(fā)生裝置后，通氣口開始抽氣，將吸盤內(nèi)部的空氣被抽走，吸盤內(nèi)形成了壓力為P2的真空狀態(tài)。此時(shí)，吸盤內(nèi)部的空氣壓力低于吸盤外部的大氣壓力P1，即P2＜P1,工件在外部壓力的作用下被吸起。吸盤內(nèi)部的真空度越高，吸盤與工件之間貼得越緊。

圖2

5 真空吸盤工裝設(shè)計(jì)

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖3是本發(fā)明的示意圖：其中件1為真空吸盤工裝底座，件2為真空吸盤工裝蓋板，件3為固定螺栓（共4個(gè)），件4為產(chǎn)品仿形定位槽，件5為密封圈（共4個(gè)）。

圖3

具體實(shí)施方式：

如圖4所示，工人將件1真空吸盤工裝底座固定在機(jī)床操作臺(tái)上，使用件4固定螺栓，將件2真空吸盤工裝蓋板固定在底座上。在件2真空吸盤蓋板上加工出特征3定位槽、氣孔、密封圈卡槽。將件5密封圈裝在密封圈卡槽內(nèi)。把件6間隙評(píng)估塊裝在特征3定位槽內(nèi)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

圖4

工人打開真空發(fā)生器，將氣壓設(shè)置為80kPa，真空泵通過氣管抽掉真空吸盤與零件之間的空氣，大氣壓力與真空吸盤內(nèi)部的真空將形成壓力差，在壓力差的作用下將件6間隙評(píng)估塊牢牢吸附在真空吸盤上，實(shí)現(xiàn)定位夾緊。

6 真空吸盤工裝優(yōu)點(diǎn)

（1）裝夾穩(wěn)定、方便，加工的產(chǎn)品變形小，且產(chǎn)品表面無壓傷。真空吸盤可以根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)置所需壓力值，吸力穩(wěn)定可靠。本款產(chǎn)品根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將真空壓力設(shè)置為80kPa。產(chǎn)品夾緊方式由傳統(tǒng)虎鉗夾持改為真空吸附固定，避免了夾持產(chǎn)生的變形、表面夾傷問題。

（2）重復(fù)定位精度高。真空吸盤蓋板上的定位槽與產(chǎn)品外形一致，圖5為產(chǎn)品外形圖，長度217.98～217.99mm。圖6為真空吸盤蓋板定位槽圖，定位槽長度217.99～217.995mm，真空吸盤蓋板上的定位槽比產(chǎn)品外形大，定位間隙為0～0.015mm，該定位方式穩(wěn)定性高，重復(fù)定位精度約0.02mm，屬于高精度工裝。工裝由虎鉗改為真空吸盤后，產(chǎn)品合格率由74%提升至96%。

圖5

圖6

（3）可批量化加工，效率高。真空吸盤工裝可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求設(shè)計(jì)多個(gè)穴位，加工時(shí)可以一次裝夾多件，實(shí)現(xiàn)機(jī)床少人化加工，提高機(jī)床利用率。本案例設(shè)計(jì)穴位如圖7示，件1為真空吸盤工裝蓋板，件2為定位穴位，共設(shè)置8個(gè)穴位，工人將8件產(chǎn)品一次性放入穴位中，只需按一次真空發(fā)射器按鈕，就實(shí)現(xiàn)8件產(chǎn)品的定位和固定，同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)床連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)10h，提高生產(chǎn)效率24%。

圖7

（4）節(jié)省原材料。傳統(tǒng)使用的工裝為平口虎鉗或虎鉗仿形工裝。如圖8所示，件1為虎鉗仿形工裝，件2為間隙評(píng)估塊，工人通過旋轉(zhuǎn)螺桿帶動(dòng)仿形虎鉗口向中心平面收縮，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品夾緊。產(chǎn)品夾緊需要0.5cm夾持位，若低于0.5cm則無法有效夾緊。

圖8

本發(fā)明設(shè)計(jì)的真空吸盤工裝采用產(chǎn)品外形定位，如圖9，靠真空吸力固定，不需要夾持位，只需要0.03cm的定位塊，即可滿足定位和鎖緊要求，與虎鉗仿形工裝相比，可以節(jié)約厚度為0.47cm原材料。

圖9

間隙評(píng)估塊原材料為美國進(jìn)口PPSU，材料密度為1.3g/cm3，原材料規(guī)格為22cm×7cm×3cm板材,原材料單價(jià)為0.95元/g，由虎鉗仿形工裝改為真空吸盤工裝，可以節(jié)約原材料89.38元/件，即0.95×1.3×22×7×0.47。

7 結(jié)語

真空吸盤夾緊力穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)零件快速裝夾，高精度定位，配合多穴位工裝，可以極大地提高生產(chǎn)效率，提高機(jī)床利用率。真空吸盤的作用更加廣泛，在使用過程中，物料需要被吸附的物料和工件屬于何種材料和工件，只要它的表面具備良好的密封性、不漏氣的特點(diǎn)，那么真空吸盤就能夠?qū)崿F(xiàn)將物料和工件吸附起來的作用。真空吸盤靠大氣壓固定產(chǎn)品，解決間隙評(píng)估塊裝夾定位問題，同時(shí)減少了壓傷等外觀不良。本發(fā)明工裝定位精度高，重復(fù)定位精度為0.02mm，加工工裝由虎鉗改為真空吸附工裝，產(chǎn)品合格率由74%提升至96%；同時(shí)該工裝實(shí)現(xiàn)8件產(chǎn)品的裝夾，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)10H，生產(chǎn)效率提高24%；加工工裝由虎鉗改為真空吸附工裝，可以節(jié)約原材料89.38元/件。