帶活動(dòng)定位銷的負(fù)壓夾持工裝設(shè)計(jì)與研究

余 健

(嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 嘉興 314003)

0 引言

高精度薄板類零件銑削加工，工件變形是影響零件加工精度的主要因素，采用高速銑削加工可較好地避免因切削力、切削熱、切削振動(dòng)等因素導(dǎo)致的工件變形，保證了零件的加工精度[1]。然而薄板類零件由于自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，給加工中的裝夾帶來(lái)困難，目前比較常用的有502脫水膠合裝夾、壓板裝夾和負(fù)壓夾持裝夾。

502脫水膠合裝夾，待加工完畢后，再二次使用丙酮溶去膠水，工藝施工過(guò)程復(fù)雜、加工周期較長(zhǎng)、零件變形和零件受腐蝕情況嚴(yán)重[2]。壓板裝夾不僅對(duì)操作人員的技術(shù)要求高，而且裝夾困難，效率低，在銑削過(guò)程中受力不均衡及零件剛度的變化引起的變形無(wú)法控制，容易造成零件報(bào)廢[3]。采用負(fù)壓吸附裝夾，定位方便，裝夾效率高，工件所受夾緊力均勻分布，大大減小了因夾緊力造成的工件變形，提高了零件的加工精度[4]。本文介紹一種高效、可靠帶活動(dòng)定位銷的負(fù)壓夾持工裝設(shè)計(jì)。

1 負(fù)壓夾持工裝結(jié)構(gòu)及工作原理

負(fù)壓夾持工裝結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理是：工件2通過(guò)活動(dòng)定位銷1定位，密封板3上均布有氣孔，在工件2、密封板3和腔體5之間形成密封腔6，密封腔通過(guò)氣控回路與真空泵相聯(lián)，工作時(shí)，啟動(dòng)真空泵，氣控系統(tǒng)控制真空泵將密封腔抽成真空，依靠大氣壓力將工件壓緊，加工完成后，氣控系統(tǒng)切斷密封腔與真空泵的連接，密封腔接通大氣，真空釋放，松開工件。

2 系統(tǒng)夾持力計(jì)算

密封板上的吸附氣孔要均勻分布在密封槽區(qū)域范圍內(nèi)，以保證工件夾緊力的均勻性?？讖教螅瑠A緊力和軸向銑削力在吸附氣孔位置會(huì)造成工件的局部變形；孔徑太小，吸附氣孔的分布密度相應(yīng)增加，放置工件時(shí)容易在工件周邊出現(xiàn)個(gè)別吸附氣孔不能密封的現(xiàn)象，工件不易吸牢，造成工件報(bào)廢[5]，經(jīng)分析研究本工裝氣孔直徑設(shè)計(jì)為8 mm，單密封腔上氣孔個(gè)數(shù)為294個(gè)。

圖1 負(fù)壓夾持工裝結(jié)構(gòu)

2.1 夾緊力的計(jì)算

根據(jù)夾具的結(jié)構(gòu)及工作原理，本夾具單個(gè)密封腔產(chǎn)生的夾緊力為：

F=(Pa-PO)A

式中，F(xiàn)為單個(gè)密封腔產(chǎn)生的夾緊力，單位N；Pa為大氣壓強(qiáng)，為0.1 MPa；PO為真空腔剩余壓強(qiáng)，一般為0.01～0.015 MPa；A為有效工作面積，單位mm2，其大小由密封板工作面積、密封板上氣孔分布密度及氣孔直徑大小所決定。

式中，AO為密封板工作面積，其大小為所加工工件的面積，單位為mm2，單密封腔夾緊，工件面積為70400 mm2；氣孔直徑d為8 mm，氣孔個(gè)數(shù)n為294個(gè)，取真空腔剩余壓強(qiáng)PO為0.15 MPa，計(jì)算得到單個(gè)密封腔產(chǎn)生的夾緊為4728 N。

2.2 吸附力的計(jì)算

F吸=F·μ

吸附力即為工件和密封板上表面間的摩擦力，其大小與夾緊力F成正比，也與工件和上密封板間摩擦系數(shù)μ的大小成正比，取鋁-鋼副間滑動(dòng)摩擦系數(shù)μ=0.2，單密封腔工作所產(chǎn)生的最大吸附力為972 N。

2.3 切削力的計(jì)算

銑削材料為鋁合金，銑削以立銑和端面銑為主，其切削力分別為：

1)立銑時(shí)銑削力[6]

2)端面銑時(shí)銑削力[6]

式中，CF為材料切削系數(shù)；KF為切削力修正系數(shù)；ap為切削深度，單位為mm；af為每齒進(jìn)給量，單位為mm；do為銑刀直徑，單位為mm；B為切削寬度，單位為mm；Z為銑刀齒數(shù)。

立銑時(shí)，選用整體式3刃硬質(zhì)合金立銑刀，銑刀直徑20 mm，主軸轉(zhuǎn)速2000 r/min，切削寬度取刀具直徑的70%，切削深度0.5 mm，每齒進(jìn)給量0.1 mm，經(jīng)計(jì)算切削力為60.16 N。

端銑時(shí)，選用主偏角為45度的6刃機(jī)夾式面銑刀，銑刀直徑64 mm，主軸轉(zhuǎn)速1000 r/min，切削寬度取刀具直徑的60%，切削深度1 mm，每齒進(jìn)給量0.1 mm，經(jīng)計(jì)算切削力為92.21 N。

2.4 可靠性分析

為保證零件能被吸緊，在銑削加工中不會(huì)發(fā)生移動(dòng)，必須使零件所受到的吸附力即零件與密封板上表面間的摩擦力遠(yuǎn)大于銑削力。上述切削力計(jì)算中，所選用的加工參數(shù)已是本工件在銑削加工工藝設(shè)計(jì)中所能產(chǎn)生的最大銑削力，立銑時(shí)切削力為60.16 N，端銑時(shí)切削力為92.21 N，其值已遠(yuǎn)小于單密封腔夾緊所產(chǎn)生的吸附力972 N，理論上完全能滿足本工件的加工裝夾要求。

3 負(fù)壓夾持工裝設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 活動(dòng)定位銷設(shè)計(jì)

活動(dòng)定位銷結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由復(fù)位彈簧、緊定螺栓、活動(dòng)銷和密封套組成，定位機(jī)構(gòu)與腔體及上密封板間構(gòu)成為封閉區(qū)域并通過(guò)腔體壁上小孔與真空腔相連，啟動(dòng)真空泵，密封腔內(nèi)被抽成真空后，在大氣壓力作用下，活動(dòng)定位銷沉入密封板中，不干涉零件輪廓的加工，當(dāng)加工完成，真空釋放后，在復(fù)位彈簧作用下活動(dòng)銷被彈出，恢復(fù)定位功能。緊定螺栓對(duì)活動(dòng)定位銷起限位作用，密封套設(shè)計(jì)為可拆卸式，當(dāng)磨損后方便更換。

3.2 密封腔及密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

密封腔設(shè)計(jì)成雙腔結(jié)構(gòu)如圖3所示，可通過(guò)氣控回路實(shí)現(xiàn)兩個(gè)密封腔的獨(dú)立控制，因此對(duì)于小型工件可一次裝夾兩個(gè)，大型工件由兩密封腔共同作用完成裝夾，擴(kuò)大了夾具的裝夾尺寸范圍。密封板與腔體間由定位銷定位，并通過(guò)16顆內(nèi)六角螺栓相連，腔體與密封板接觸的表面上開設(shè)有U型槽，內(nèi)裝密封圈6。密封板上表面也開設(shè)有U型槽，O型密封圈7置于其中，真空泵開啟，工件在大氣壓力作用下將O型密封圈7壓入到密封板上表面的U型槽中，保證了工件與上密封板間的密封效果，當(dāng)密封圈因老化、磨損、腐蝕等影響真空腔的密封效果時(shí)，需及時(shí)更換。

圖3 密封腔結(jié)構(gòu)圖

3.3 真空控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

真空系統(tǒng)根據(jù)真空發(fā)生裝置可分為真空泵系統(tǒng)和真空發(fā)生器系統(tǒng)兩種，本工裝采用真空泵系統(tǒng)，真空泵是吸入口形成負(fù)壓，排氣口直接通大氣，兩端壓力比很大的抽除氣體的機(jī)械[7]，工裝氣路原理如圖4所示。

真空腔8和真空腔13分別由二位三通電磁換向閥6和15控制，兩真空腔既可同時(shí)工作也可單獨(dú)工作。粗加工、半精加工及精加工時(shí)，工件所受銑削力相差較大，可通過(guò)調(diào)壓閥4調(diào)節(jié)氣路中真空度壓力值。二位三通電磁換向閥6和15通電，真空泵開始對(duì)真空腔8和13抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到真空壓力開關(guān)16所設(shè)定的壓力值時(shí)，發(fā)出信號(hào)，可以進(jìn)行銑削加工。過(guò)濾器安裝在真空腔和二位三通電磁換向閥之間，可阻止油液、鐵削、粉塵等物質(zhì)進(jìn)入氣路，防止真空系統(tǒng)中的元件受到污染而發(fā)生故障。

圖4 氣路原理圖

真空壓力表用來(lái)檢測(cè)氣路的壓力值，當(dāng)真空泵因故障停止工作，回路中真空度下降，單向閥2可快速切斷回路，穩(wěn)壓罐3起保壓作用，延長(zhǎng)真空度下降的時(shí)間，以防止因吸附力突然減小工件位置發(fā)生偏移，給操機(jī)人員采取補(bǔ)救措施預(yù)留出足夠的時(shí)間。

銑削完成后二位三通電磁換向閥6和15斷電，真空腔8和13與真空泵斷開，大氣通過(guò)真空破壞電磁調(diào)速閥進(jìn)入真空腔，破壞真空，工件所受吸附力消失。真空破壞電磁調(diào)速閥可調(diào)節(jié)進(jìn)氣速度，其進(jìn)氣口連接有消聲器，可降低進(jìn)氣噪聲。

4 結(jié)論

此真空吸附工裝，性能可靠，定位方便，裝夾迅速，在提高裝夾效率的同時(shí)能有效減小因裝夾力造成的工件變形。夾具通用性強(qiáng)，活動(dòng)定位銷既能實(shí)現(xiàn)零件的快速定位，又不干涉零件輪廓的加工，對(duì)板類零件裝夾提供了一個(gè)新的解決方案，具有很大的推廣意義。