薄壁殼體加工用夾具研究

譚智申

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300381)

客戶追求個性化、多樣化產(chǎn)品的市場需求，對企業(yè)提出提高效率、壓縮周期、加速升級、滿足市場的要求，敏捷制造、成組技術、柔性化系統(tǒng)成為方向，快速響應能力、壓縮制造周期、增強系統(tǒng)柔性的工裝夾具設計及應用研究，成為了發(fā)展重點。

在傳統(tǒng)的機械制造中，薄壁類、高精度小批量產(chǎn)品，其刀具選擇、工件裝夾、對刀試切、參數(shù)調(diào)整、拆卸等生產(chǎn)輔助時間，占零件生產(chǎn)周期的70%～80%，零件加工時間僅占20%～30%，因此有效控制生產(chǎn)準備時間，實現(xiàn)制造程式化、自動化，是提高生產(chǎn)效率的關鍵[1]。通用性工裝夾具的設計與應用，就成為解決多品種、小批量生產(chǎn)的重要方法之一。

1 夾具設計的基本方法

1.1 設計原則

在構(gòu)思夾具整體結(jié)構(gòu)時，應以結(jié)構(gòu)簡單緊湊、操作方便快捷、使用安全可靠、符合工件特點為目標。設計原則包括：

（1）基準統(tǒng)一原則。即確保夾具基準與工件基準統(tǒng)一，并與機床保持穩(wěn)定的坐標關系，消除因基準不符產(chǎn)生的定位誤差；

（2）連續(xù)有效定位與不完全定位相結(jié)合原則。在保證工件加工定位連續(xù)穩(wěn)定的同時，通過在剩余自由度方向進行可調(diào)整輔助裝夾，使夾具結(jié)構(gòu)盡可能敞開，既可簡化夾緊機構(gòu)、降低夾緊力，又使待加工面充分暴露，避免加工過程干涉；

（3）控制形變最小原則。保證夾具自身剛性，使工件安裝穩(wěn)定、受力均勻、夾緊可靠，因切削力、夾緊力產(chǎn)生變形最小[2～4]。

1.2 基本步驟

（1）確定工藝方案。結(jié)合工件原材料和結(jié)構(gòu)圖，首先分析工件結(jié)構(gòu)特點和精度要求，確定合理的工序步驟；然后選用刀具、加工方法，分配粗、精加工余量；最后考慮簡捷、適用的工裝夾具類型。

（2）定位基準選擇。工藝方案確定后，要合理選擇定位基準，體現(xiàn)夾具與工件定位準確統(tǒng)一、裝卸方便、夾緊可靠；相對工件各部位尺寸計算簡單；滿足各工序技術要求等特點。

針對薄壁殼類工件的夾具設計：

一方面，夾具定位面要與工件基準面吻合，且有一定精度的基準平板作為夾具基礎，其他關聯(lián)尺寸、相關配件與之匹配，具體要結(jié)合機床工作臺面和工件外形結(jié)構(gòu)特點，工件在基礎板上定位，要求原則上工件邊緣不超出基礎板外形尺寸；

另一方面，夾具設計還要考慮防薄壁形變的支撐、裝夾技術，結(jié)合工件大小、壁厚、工藝定位點、以及與主軸運動關系等相關因素，選好輔助支撐及夾緊點分布等。

（3）夾具結(jié)構(gòu)設計。常見的夾具類型有通用夾具、組合夾具、可調(diào)夾具、專用夾具和成組夾具，通常優(yōu)先選用通用夾具、組合夾具和可調(diào)整夾具；

夾具結(jié)構(gòu)又分為孔板式一面兩銷結(jié)構(gòu)、分布定位結(jié)構(gòu)和橋式結(jié)構(gòu)等。

其中孔板式一面兩銷結(jié)構(gòu)，是比較典型的形式，兼有孔隙類夾具定位精度高和槽系類組合夾具可調(diào)整性好的特點，適用于有定位基準孔、槽或面的所有工件，應用廣泛，是本文探討的主要結(jié)構(gòu)；

分布定位結(jié)構(gòu)組合夾具適用于形狀不規(guī)則、無基準平面的工件，其結(jié)構(gòu)主要以連接桿、支撐架和螺釘?shù)冉M成；

橋式結(jié)構(gòu)夾具主要適用于結(jié)構(gòu)較大、形狀復雜、多工序分步加工、同一基準下各加工面關聯(lián)尺寸多、精度要求較高的工件[1～3]。

（4）夾具結(jié)構(gòu)驗證。夾具設計完成后，要核準裝夾定位結(jié)構(gòu)以及相關的定位用元器件、連接件、輔助支撐板和壓板等，進行組合連接和試裝配，以檢查夾具結(jié)構(gòu)合理性，并結(jié)合工件加工順序、裝夾和加工情況展開分析，排除定位不準、裝夾不合理、與主軸干涉等問題。

2 算例

2.1 算例1——某型號柱狀殼體夾具的設計

（1）工件特點及加工難點。圖1為某型號不銹鋼殼體示意圖，該工件由棒料車削加工而成，特點是工件切削量大、殼壁薄、剛性差、外表面光潔度高；難點在于殼底和殼壁薄，一方面對定位精度要求高，微小的偏心也會對工件殼壁均勻性、工件使用安全性產(chǎn)生較大影響；另一方面，加工過程中的鎖緊力的方向及大小，都會影響工件加工品質(zhì)，極易產(chǎn)生形變、劃痕或壓痕。

結(jié)合工件特點、難點，在夾具設計時應該選擇定位精度較高的孔板式一面兩銷結(jié)構(gòu)進行定位和輔助裝夾。

圖1 某型號不銹鋼殼體示意圖

（2）加工工藝步驟。先經(jīng)過消除材料內(nèi)部應力和機械殘余應力的去應力退火，再粗車外形、精車底端面和內(nèi)孔，最后綜合考慮工件的裝夾、定位和成型加工。

結(jié)合孔板式一面兩銷夾具結(jié)構(gòu)形式，該工件可以利用工件底平面和底部連接孔與固定于車床主軸端面的輔助卡板定位，并輔助以如圖2的非金屬專用芯軸，以內(nèi)孔和端面為基準進行內(nèi)部支撐、垂向鎖緊，進行關鍵的殼體外部尺寸成型精加工。通過該夾具的設計與使用，成品凈質(zhì)量不足原材料3%的薄壁外殼加工生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)大幅度提高。

圖2 芯軸示意圖

（3）夾具設計的實踐應用。針對圓柱狀薄壁類殼體的車削加工，工件安裝、夾緊和刀具的選擇需要特別關注。為降低工件裝夾變形的產(chǎn)生，要考慮采用芯軸輔助支撐的鎖緊方式。在芯軸設計時，首先分析工件本身形位公差的要求，在滿足使用條件下，盡量選擇非金屬材料作芯軸；必須使用金屬材料，優(yōu)先選擇45#鋼，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理；同時，要核算切削加工時使零件與夾具不發(fā)生相對滑動的摩擦力情況。一般可以查閱《機械加工技師綜合手冊》相關公式和參數(shù)值。以要滿足外表面光潔度，需要磨削的工件為例，首先通過計算公式（1）和（2）計算出徑向和切向磨削力，然后通過公式（3）推導出芯軸單位面積上的正應力，最后通過胡克定律得出正應變，計算出滿足夾緊效果的芯軸尺寸公差。

計算公式如下：

其中，

Fy、Fz分別為徑向和切向磨削力；

Cf為切削壓力；

Vw為工件轉(zhuǎn)速；

Fr為徑向進給量；

B為磨削寬度；

ν為砂輪轉(zhuǎn)速；

φ為磨粒錐頂角；

μ為摩擦系數(shù)。

其中，

P為正應力；

d為芯軸直徑；

L為芯軸長度。

其中，

σ為正應力；

ε為正應變；

E為彈性模量。

對于車削加工方式，有“三分機床，七分刀具”的說法，適合的刀具材料、合理的刀具角度形狀，對車削加工品質(zhì)有事半功倍的效果。尤其在薄壁工件加工過程中，工件被夾具鎖緊，車削時刀具材料及幾何角度的選擇，對刀具磨損、工件熱變形、尺寸精度、表面品質(zhì)等具有重要作用。

通常刀具的前角變化會影響到切削變形、刀具鋒利程度和加工品質(zhì)，選用高速鋼刀具，前角一般在10°～30°，選用硬質(zhì)合金刀具，前角一般在5°～20°；

刀具的后角變化，會影響到摩擦力、切削力和刀具強度，選用高速鋼刀具，后角一般在6°～12°，選用硬質(zhì)合金刀具，后角一般在4°～10°。

3.2 算例2——某型號板框類殼體夾具的設計

（1）工件的板框結(jié)構(gòu)特點和加工難點。圖3為某型號機殼組件示意圖，其由鋁合金板材加工制成，單件外形尺寸為496 mm×285 mm×36 mm。由于內(nèi)部電器元件連接的差異性和機殼整體組裝要求，組合機殼需要數(shù)件不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的單體進行拼裝，單件間相對位置精度、尺寸精度、表面粗糙度要求較高。因此，在夾具結(jié)構(gòu)選擇上，各單體加工時要有統(tǒng)一的定位基準，且在坯料余量去除、內(nèi)腔加工、單件成型和組裝殼精修外型等工序，應考慮能連續(xù)定位、有效裝夾的組合夾具。

圖3 某型號機殼組件示意圖

通過對示意圖的分析，該類工件具有薄壁深腔、異型、整體板框結(jié)構(gòu)特點。其加工難點在于深腔且底部過薄，高速切削時因顫振影響很容易扎刀，損害工件襯底；另外工件內(nèi)部形狀復雜、邊框壁薄、尺寸精度高，對定位安裝點選擇和輔助支撐、裝夾有較高要求。

因此，工藝方案制定時，既要考慮工件加工中熱變形問題，又要考慮主定位基礎上輔助的內(nèi)部支撐、夾緊部件的互換性等問題，力爭達到用最簡單的定位方法和最簡捷的夾緊方案，使工件迅速獲得準確定位與合理裝夾，并在加工過程中保持連續(xù)、穩(wěn)定。

（2）夾具結(jié)構(gòu)選擇。結(jié)合圖3所示，在分析工件材質(zhì)、加工要求、板框類工件及機殼整體組裝性的特點、難點基礎上，確定采用定位精度較高的孔板式一面兩銷夾具結(jié)構(gòu)。

結(jié)合本工件，其為鋁合金材質(zhì)，凈質(zhì)量不是很大。因此，可選用經(jīng)過實效處理的25～30 mm左右鋁板作為基準平板，經(jīng)過精加工后形成基準平面，與工件首個精加工面配合,作為定位基準面；同時選擇組件各單體間的連接孔為工藝定位孔，配打定位銷釘孔與基準面一起實現(xiàn)工件主定位；另外，通過對不完全定位情況下剩余自由度的應用，在工件邊框處采用壓板結(jié)構(gòu)進行必要的固定、裝夾、組裝，達到輔助夾緊、分布定位的作用，實現(xiàn)單工序加工面全定位，并通過倒換壓板實現(xiàn)一次裝夾多面加工。

這樣加工方法，一方面保證了定位的精度和連續(xù)性；另一方面，以統(tǒng)一基礎面為基準進行關聯(lián)尺寸計算，分序加工6個面，尺寸精度、位置公差等比較好控制。如圖4所示，是利用該夾具進行單體工件成型面精整加工情況。

圖4 單體工件成型面精整加工示意圖

通過上述方法設計的夾具，已經(jīng)在不同型號組合機殼的小批量實踐生產(chǎn)中得以應用，效果顯著：

在確保工件加工品質(zhì)的前提下，工件單體加工工時由120～150 h/件，減少為32～36 h/件。

另外，同樣采用孔板式一面兩銷結(jié)構(gòu)，利用組合殼體整體組裝平面和端面連接孔定位，設計了如圖5所示橋式可微調(diào)組合夾具，解決了殼體組裝后的整體組合殼外形精加工和局部修整等問題。

圖5 橋式可微調(diào)組合夾具

（3）夾具設計的實踐應用。對內(nèi)部形狀復雜、銑削加工量大、殼薄的薄壁板框結(jié)構(gòu)殼體，加工前，優(yōu)先選用熱處理過的型材，并增加去應力退火工藝；加工中的銑削方法和夾具使用更應注意。

銑削中，高速強力切削會產(chǎn)生大量切削熱，盡管切削層金屬在刃口處被分離，會帶走大部分熱量，但銑刀刃前區(qū)溫度仍然很高，鋁材本身熔點較低，使得刃前區(qū)常處于半融化狀態(tài)，加工中產(chǎn)生不光滑表面，形成凹凸缺陷，且薄壁還會產(chǎn)生顫振變形，因此銑削時應采用“輕切快跑”的高速切削技術和分層順銑的加工方法。尤其在精加工時，主軸轉(zhuǎn)數(shù)一般在6000～8000 r/min以上、進給速度1000～1200 mm/min、切削深度≤0.2 mm，以此來降低切削力、減少切削熱和切削顫振的產(chǎn)生。

深腔薄壁工件在夾具應用時，要考慮內(nèi)胎支撐，傳統(tǒng)工藝需要與型腔完全吻合的內(nèi)部支撐胎具，精度要求高、加工難度大。采用易熔化、可塑性強的油脂，經(jīng)過均勻加熱、攪拌使其充分熔化，然后注入加工好的工件型腔，實現(xiàn)增強工件內(nèi)部支撐作用，再進行成型加工；最后，工件加工成型后，利用石蠟易熔化特點，周邊預熱即可取出。

該方法針對薄壁深腔、形狀復雜的板框類工件有非常好的效果。

4 結(jié)束語

結(jié)合薄壁、深腔、異型結(jié)構(gòu)殼體特點，遵照夾具設計基本原則，采取傳統(tǒng)孔板式一面兩銷、主、輔助定位相結(jié)合的方法，設計通用夾具，用于輔助生產(chǎn)加工，能夠達到確保工件品質(zhì)、提高生產(chǎn)效率的目的，在相關產(chǎn)品的加工過程中得到驗證，具有應用、推廣與借鑒價值。

[1]王啟平.機床夾具設計[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1996.

[2]姬文芳.機床夾具設計[M].北京:：航空工業(yè)出版社，1994.

[3]劉 偉.加工中心組合夾具的組裝技術[J].機械工人，2004，（2）：44-46.

[4]陸 雯，鐘康民.以圓柱體為夾緊元件的自鎖型敲擊式夾具[J].機械制造，2004，(42)：61-62.